DE4343707A1 - System zur variablen Steuerung von Luft und Luftfrequenz im Ansaugkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem, das das Strömungs­ profil im Ansaugkanal über Drehzahl- und Lastbereiche so ändert, daß jeweils eine optimale Füllung und damit hohe Leistung des Motors erreicht wird.

Bei einem bekannten Ansaugkanal der AUDI AG kommen, wie in der MTZ Nr. 52 (1991) 4, S. 175-178 dargestellt, zwei hinter­ einander liegende Ansaugleitungen mit unterschiedlichen radialen Querschnitten und unterschiedlichen Längen zur Wirkung, wobei die Saugleitung mit geringerem Querschnitt bei höheren Drehzahlen abgekoppelt ist. Daraus ergeben sich zwei definierte, im Drehmoment unterschiedliche Leistungscharak­ teristika (ebd. S. 176).

Da die derzeit bekannten Ansaugkanäle prinzipiell ein fest definiertes Strömungsprofil aufweisen, im Falle der AUDI AG zwei, läßt sich ein guter Drehmomentwert immer nur für einen begrenzten Drehzahlbereich erzielen. Bei den derzeitigen Ansaugkanalkonzepten bleiben wichtige zu regulierende Eigenschaften des Luftstroms unberücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen (entsprechenden) Ansaugkanal für eine Brennkraftmaschine so auszubilden, daß sich ein gleichmäßig hoher Mitteldruck über einen großen Drehzahlbereich hinweg ergibt.

Um diese Aufgabe erfüllen zu können, muß von der prinzipiell fest definierten Gestaltung von Ansaugkanälen abgegangen werden.

Die Ausführung wird in §1 des Patentanspruches dargestellt. Weitere, die Erfindung ausgestaltenden Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.

Wesentlichen Einfluß auf die praktische Gestaltung des Ansaug­ kanals haben hierbei die Untersuchungen von Fiala/Willumeit in der MTZ 28 (1967) 4, S. 144ff sowie diejenigen von Hans Seifert - insbesondere die instationäre Strömung im Einzylinder betreffend - in der MTZ 39 (1978) 1, S. 25ff.

Während also ein bekannter Ansaugkanal ein oder auch zwei fest definierte Strömungsprofile aufweist, sollen in dem zur Anmeldung gebrachten Ansaugsystem die Querschnitte und Volumen in der Ansaugleitung, jeweils abhängig von der Drehzahl, ständig verändert werden.

Durch die sich permanent in Abhängigkeit von der Drehzahl verändernde Steuerung des Luftstroms über das Ansaug­ kanalprofil, die sich nach den sich verändernden Einlaß­ zeiten/Ventilgeschwindigkeiten und Saugzeiten/Kolbengeschwin­ digkeiten richtet, werden Luftgeschwindigkeit, Luftmassen und Frequenzamplituden reguliert.

Im folgenden soll, unter Bezugnahme auf Fig. 1, näher auf die verschiedenen Regulierungsmöglichkeiten eingegangen werden, die sich mit Hilfe des zur Anmeldung gebrachten Ansaugsystems ergeben:

Der Ansaugkanal weist drei imaginäre Kammervolumen Ki1, Ki2, Ki3 auf, die, über die verstellbaren Lufttrichter L1, L2 gesteuert, permanent den Gasstrom beeinflussen.

Die Luftgeschwindigkeit wird über die radial verstellbaren Lufttrichter L1, L2 gesteuert. Die Geschwindigkeit wird durch Verengung der Querschnitte erhöht, durch Erweiterung der Querschnitte reduziert (Q1-Q1′ bzw. Q2-Q2′); siehe auch Fig. 6 und Fig. 7.

Daraus folgt ein relativer Ausgleich der drehzahlbedingten Luftgeschwindigkeitsdifferenzen am Steuerquerschnitt V.

Weiter wird mit dem Steuerelement L1 und dessen Verschiebung auf der Längsachse des Ansaugkanals A1↔B1 bestimmt, wann der Luftstrom den Steuerquerschnitt V passiert. Damit wird auch das Kammervolumen Ki1 größer oder kleiner.

Die jeweilige Bestimmung der Kammervolumen Ki1/Ki2 durch Verschiebung der Steuerelemente L1, L2 auf der Längsachse im Ansaugkanal A1↔B1 bzw. A2↔B2 ergibt sich aus den Träg­ heitsmomenten der instationären Strömung, in Abhängigkeit zur notwendigen Luftgeschwindigkeit und auf Basis des vorge­ gebenen Luftbedarfs.

Dabei wird bei Steuerquerschnitt E-OE die relativ kleine Luftmasse Ki1 mit geringer Trägheit in Bewegung gesetzt, die dann die größere Luftmasse Ki2 bewegt, und zwar mit der durch Q1-Q1′ regulierten Durchflußgeschwindigkeit C. Gleichzeitig erfolgt eine Frequenzdämpfung durch L1. L2 reguliert die Eingangsgeschwindigkeit C und liegt auf der Längsachse i.d.R. so, daß Ki2 über den Drehzahlbereich pro Saugtakt relativ konstant bleibt; bei Engstellung der Luftrichter Q1′, Q2 verlängert sich der Ansaugweg L2↔V insgesamt.

Unter der Bedingung der drehzahlabhängigen Querschnittsver­ änderungen Q1-Q1′ bzw. Q2-Q2′ zur Steuerung der Durch­ flußgeschwindigkeit C einerseits und einer günstigen Beein­ flussung der Luftmassen an der Engstelle des Steuerquer­ schnitts V andererseits - es soll eine möglichst große Luftmasse den Zylinder füllen - müssen also die Steuer­ elemente L1, L2 notwendig auf der Längsachse des Ansaugkanals verschoben werden.

Bei den länger dauernden Ansaugintervallen kommt ein relativ größeres Volumen Ki1 zur Beschleunigung der Hauptluftmassen Ki2 zur Anwendung (L1→A1).

Das Kammervolumen Ki1 ist bei kürzeren Ansaugintervallen kleiner (L1→B1). Gleichzeitig wird mit zunehmender Drehzahl (→ upm max.) die Ausbildung der Querschnittsverengung geringer (siehe auch Fig. 5) und infolge auch die Ausprägung der Kammern Ki1, Ki2, Ki3, und es erhöht sich der Einfluß des Steuerquerschnitts V und der Sauggeschwindigkeit des Kolbens auf die Füllung.

Die Steuerelemente L1, L2 sind dann so gestellt, daß sich eine zunehmende Beschleunigung der Luftmassen Richtung V ergibt.

Durchmesser und Länge sowie die Steigung des beidseitig offenen Rohres, dargestellt als Volumen Ki3, haben die Funktion, eine günstige Einströmbedingung zu L2 und somit in das Regelsystem herzustellen.

Es wird deutlich, daß über die radial verstellbaren Luft­ trichter L1, L2 sowie deren Verschiebung im Ansaugkanal, in Zusammenwirkung mit Steuerquerschnitt und Kolben, eine relativ konstante Füllung des Motors über einen großen Drehzahl­ bereich erzielt werden kann.

Die drehzahlabhängigen Stellgrößen der Steuerelemente L1, L2 sowie die Lage der Drosselklappe sind über Testreihen zu ermitteln.

Die technische Ausführung eines jeden Steuerelements zeigt

Fig. 2: Für die Installation eines Steuerelements ist im Ansaugkanal eine gleichmäßige, rundumgehende Vertiefung (2) vorgesehen. In dieser Vertiefung läuft ein kreisrunder Ringkörper (1) aus festem Material, ca. 1-2 cm breit, der mit einer Bohrung versehen ist (nicht dargestellt).

Die Innenseite des Ringkörpers ist gasdicht mit einem flexiblen Schlauchmaterial (4) verbunden, das zur Innenseite des Ansaugkanals zeigt. Durch die Bohrung im Ringkörper wird ein hydraulischer oder gasförmiger Stoff geleitet, wodurch eine Verdickung des flexiblen Schlauchmaterials erreicht wird. Im einfachsten Fall wird der Saugrohrunterdruck selbst als Steuermedium verwendet.

Als Innenwandung des Ansaugkanals im Bereich des Steuerele­ ments dient eine Leitung aus flexiblem Kunststoff-Material (3). Dadurch wird erstens ein gleichmäßiger Strömungsverlauf (konisch) und zweitens eine Luftabdichtung an der Kanalwand erzielt.

Die Längsverschiebung des Ringkörpers (1) erfolgt in der Vertiefung (2) auf dem festen Rohrverbindungsstück (5), das als Führungseinrichtung dient. Die Verschiebung erfolgt über einen Stellmotor oder gleichfalls pneumatisch (nicht darge­ stellt).

Fig. 3 enthält eine schematische Darstellung der Anwendung des Ansaugsystems bei zwei Einlaßventilen pro Zylinder, wobei nach der Rohrverzweigung zwei Steuerelemente L1, L1′ parallel arbeiten.

Fig. 4 zeigt eine Anwendung des Ansaugsystems bei einer gemeinsamen Saugleitung vor dem 4fach-Ansaugkrümmer, wobei nur ein Steuerelement L2 Anwendung findet.

Claims (7)

1. Ansaugkanal in einer Ansauganlage und einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, worin ein Gasstrom mittels eines Ventils gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugkanal mindestens ein als Lufttrichter ausgebildetes Steuerelement (variables Venturielement) aufweist, wobei abhängig von der Motordrehzahl a) das Steuerelement auf der Längsachse des Ansaugkanals verschiebbar ist und b) der Durchmesser des Steuerelements sich an der jeweiligen Position radial verändern läßt, wodurch drehzahlabhängige Querschnitts­ veränderungen des Ansaugkanals an unterschiedlichen Positionen auf der Längsachse erzielt werden.

2. Ansaugkanal nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugkanal zwei Steuerelemente (L1, L2) Anwendung finden (Fig. 1).

3. Ansaugkanal nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß bei Vier-Ventilern (Fig. 3) drei Steuerelemente Anwendung finden, und zwar ein Steuerelement (L2) und nach der Rohrverzweigung in Strömungsrichtung (S) zwei parallel arbeitende Steuer­ elemente (L1, L1′).

4. Ansaugkanal nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß bei Anlagen, die eine gemeinsame Rohrleitung zum Luftsammler aufweisen (Fig. 4), nur ein Steuerelement (L2) Anwendung findet.

5. Ansaugkanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die über die veränderten Durchmesser der Steuerelemente (L1, L2, L1′) herbeigeführten Querschnitts­ verengungen bzw. Querschnittserweiterungen (Q1, Q1′, Q2, Q2′) im Ansaugkanal jeweils konisch sind.

6. Ansaugkanal nach Anspruch (1, 2, 3 oder 4), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ansaugkanal für die Installation der Steuerelemente (L1, L2, L1′) jeweils eine rundumgehende Vertiefung (2) aufweist und innenseitig mit flexiblem PVC- Kunststoff-Material ausgekleidet ist (Fig. 2).

7. Ansaugkanal nach Anspruch (1, 2, 3 oder 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente (L1, L2, L1′) als Lufttrichter ausgebildet sind (Fig. 2), die wie Luftkissen aufgepumpt oder mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt mehr oder weniger das Strömungsprofil verändern, und die mit Unterdruck (pneumatisch), mit Hydraulik oder mit einem Stellmotor (nicht dargestellt) in die jeweilige Position auf der Längsachse des Ansaugkanals verschoben werden können.