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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Viertaktaufladeverbrennungsmotor
mit einer Auspuffvorrichtung mit variablem Volumen zur Sammlung
von Abgasen.
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Im
Allgemeinen umfasst ein Viertaktaufladeverbrennungsmotor eine Vielzahl
von Zylindern, umfassend eine Brennkammer, in der eine Verbrennung von
einer Mischung aus Fluiden, im Allgemeinen Luft, und einem Kraftstoff
stattfindet. Das Ergebnis dieser Verbrennung erzeugt verbrannte
Gase oder Abgase, die aus diesen Kammern nach außen abgeleitet werden.
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Das
von einem derartigen Motor ausgehende Drehmoment steht insbesondere
in Zusammenhang mit der Menge an Luft, die in die Brennkammer dieses
Motors eingeführt
wird, wobei diese Menge an Luft selbst proportional zur Dichte dieser
Luft ist. Falls ein starkes Drehmoment für diesen Motor benötigt wird,
wird die Luft folglich komprimiert, bevor sie in die Brennkammer
eingelassen wird. Diese Luft, die im Allgemeinen als Ladeluft bezeichnet
wird, wird mittels beliebiger bekannter Mitteln komprimiert, wie etwa
mittels eines Turbokompressors oder mittels eines angetriebenen
Kompressors, wie beispielsweise ein Schraubenkompressor.
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Falls
ein Turbokompressor benutzt wird, wird ein Teil der im Abgas verlorenen
Energie mittels einer Turbine, die im Fluss dieser Gase angebracht
ist, wiedererlangt. Diese Energie wird positiv zur Komprimierung
der Ansaugluft benutzt, was das Auffüllen mit Luft erhöht und somit
die Leistungen des Motors steigert. Gewöhnlich stammen diese Abgase
aus einem oder mehreren Auspuffkollektoren, die mit den Auspuffmitteln
der Zylinder verbunden sind.
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Wie
an sich bekannt, variiert der Durchfluss des Abgases, das aus den
Brennkammern austritt, auf nicht vernachlässigbare Weise zwischen dem
Betrieb des Motors mit niedrigen Drehzahlen und mit hohen Drehzahlen.
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Für die niedrigen
Drehzahlen ist es nötig, spezifische
Auspuffkollektoren zu benutzen, um die Energie der Abgase aufs beste
wiederzuerlangen, um den Antrieb der Turbine zu erzielen. Dies geschieht
im Allgemeinen durch die Benutzung eines Auspuffkollektors mit schwachen
Teilbereichen und Volumen, um die Auspuffdruckwellen aufs beste
zu führen
und so viel Energie wie möglich
wiederzuerlangen, um die Turbine anzutreiben.
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Für die hohen
Drehzahlen benachteiligen die schwachen Teilbereiche und Volumen
derartiger Kollektoren die Entleerung der Zylinder und erhöhen die Verluste
durch Pumpen. Deswegen verlangsamt sich das Ableiten der verbrannten
Gase und ein Teil dieser Gase wird nicht aus der Brennkammer des
Motors abgeleitet. Diese verbrannten Abgase erzeugen für Verbrennungsmotoren
mit Fremdzündung
aufgrund ihrer hohen Temperaturen ein Klappern und außerdem schränken sie
das Auffüllen
der Brennkammer mit frischer Luft während der Einlassphase des
Motors ein.
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Aus
dem Dokument
DE 19833134 ist
ebenfalls das Benutzen eines Motors bekannt, der einen Vorratsbehälter umfasst,
welcher als Druckspeicher eingesetzt wird und in dem die unter Druck
stehenden Abgase gespeichert werden.
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Diese
Art von Motor hat den Nachteil, dass die Abgase einzig dann zu diesem
Speicher geführt werden,
wenn der Druck in diesem unzureichend ist.
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Im
Dokument
FR 2 649 756 umfasst
der Lademotor Abgaskollektormittel, umfassend Auspuffrohre, die
an einen Kollektor anstoßen,
der durch einen Anschluss mit einem Verschlussventil mit einem Ausdehnungsraum
verbunden ist. Dieser Ausdehnungsraum ermöglicht das Variieren des Abgasvolumens,
um die Wiedererlangung von Energie durch den Turbokompressor zu
optimieren.
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Der
beschriebene Motor ermöglicht
somit die Anpassung des Abgasvolumens an den Betrieb des Turbokompressors,
weist jedoch den Nachteil auf, dass er die Variation des Abgasvolumens
während der
unterschiedlichen Betriebsphasen des Motors nicht auffangen kann.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, diese vorher erwähnten
Nachteile dank eines Motors zu beheben, der eine Vorrichtung zum
Ableiten der verbrannten Gase mit einfachem Design umfasst, die sich
auf alle Betriebe des Motors anwenden lässt, während gleichzeitig die Variationen
des Abgasvolumens aufgefangen werden, ohne dabei die Leistungen
dieses Motors zu benachteiligen.
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Zu
diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung einen Viertaktaufladeverbrennungsmotor, umfassend
mindestens zwei Zylinder mit einer Brenn kammer, ein Lufteinlassmittel,
umfassend ein Rohr, das mit einem Verschlussmittel verbunden ist, ein
Auspuffmittel, umfassend ein Rohr mit einem Verschlussmittel, Abgaskollektormittel,
umfassend das Auspuffrohr und mindestens einen Kollektor, Mittel zur
Vergrößerung des
Kollektorvolumens der Abgase, die mit den Kollektormitteln der Abgase
in selektiver Verbindung stehen, und Verschlussmittel für die Verbindung
zwischen den Kollektormitteln und den Volumenvergrößerungsmitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenvergrößerungsmittel eine Kapazität (34)
umfassen, und dass die Verschlussmittel einen Drehkegel umfassen,
der im Inneren der Kapazität
(34) angeordnet ist.
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Die
Volumenvergrößerungsmittel
können
mit den Auspuffrohren in selektiver Verbindung stehen.
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Die
Volumenvergrößerungsmittel
können
mit mindestens einem Kollektor in selektiver Verbindung stehen.
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Vorteilhafterweise
können
die Verschlussmittel durch ein Steuermittel kontrolliert werden.
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Vorzugsweise
kann der Kegel Öffnungen umfassen.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Funktionsverfahren eines Aufladeverbrennungsmotors,
umfassend mindestens zwei Zylinder mit einer Brennkammer, ein Lufteinlassmittel,
umfassend ein Rohr, das mit einem Verschlussmittel verbunden ist,
ein Auspuffmittel, umfassend ein Rohr mit einem Verschlussmittel,
Abgaskollektormittel, umfassend die Rohre und mindestens einen Kollektor,
Mittel zur Vergrößerung des
Kollektionsvolumens der Abgase, die mit den Kollektormitteln der
Abgase in selektiver Verbindung stehen, und Verschlussmittel für die Verbindung zwischen
den Kollektormitteln und den Volumenvergrößerungsmitteln, dadurch gekennzeichnet,
dass die Verschlussmittel derart gesteuert werden, dass während des
Betriebs des Motors mit hohen Drehzahlen die Abgase einerseits zu
den Kollektormitteln und andererseits zu den Mitteln zur Vergrößerung des
Kollektionsvolumens der Abgase geleitet werden, und dass während des
Betriebs des Motors mit niedrigen Drehzahlen diese Abgase zu den
Kollektormitteln abgeleitet werden.
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Während des
Betriebs des Motors mit niedrigen Drehzahlen kann Außenluft
in die Mittel zur Vergrößerung des
Kollektionsvolumens der Abgase eingeleitet werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Lektüre der nachfolgenden
Beschreibung deutlicher, die lediglich darstellend und keineswegs
einschränkend
ist, und indem auf die beigelegten Ansprüche Bezug genommen wird, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung
mit einem Teilschnitt entlang Linie AA aus 2 ist;
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2 schematisch
den Motor nach der Erfindung mit einem Teilschnitt entlang Linie
BB aus 1 zeigt;
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3 den
Motor nach der Erfindung mit einem schematischen Teilschnitt entlang
Linie CC aus 2 darstellt;
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4 auf
schematische Weise den Motor nach der Erfindung in aktiver Position
darstellt;
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5 eine
weitere Ausführungsform
eines Motors nach der Erfindung mit einem Teilschnitt ist; und
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6 eine
schematische Ansicht mit einem Teilschnitt einer Variante, die auf
den Motoren aus 1 bis 5 benutzt
werden kann, zeigt.
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Nun
wird auf 1 bis 4 Bezug
genommen, wobei ein Viertaktaufladeverbrennungsmotor 10 gezeigt
wird, umfassend mindestens zwei Zylinder 12, hier vier,
mit einer Brennkammer 14 und mindestens einem Einlassmittel 16 und
mindestens einem Auspuffmittel 18. Das Einlassmittel ist
im Allgemeinen durch ein Einlassrohr 20 und ein Verschlussmittel,
wie etwa ein Ventil 21, gebildet und das Auspuffmittel
umfasst ein Auspuffrohr 22 mit einem Verschlussmittel,
wie etwa ein Ventil 23. Die Auspuffrohre 22 sind
an einen Kollektor 24 der verbrannten Gase angeschlossen,
die aus den Brennkammern stammen. Der Ausgang 26 dieses
Kollektors ist mit dem Eingang eines Turbo kompressors 28 verbunden und
genauer mit dem Eingang einer Turbine 30, die einen Kompressor 32 antreibt,
um die Luft zu komprimieren, die durch die Einlassrohre 20 in
die Brennkammern eingelassen werden soll. Die Abgaskollektormittel
sind somit aus den Rohren 22 und dem Kollektor 24 gebildet.
Diese Mittel weisen einen Teilbereich und ein spezifisches Volumen
auf, die im Allgemeinen schwach sind, um die Energie der Abgase aufs
beste wiederzuerlangen und um die Auspuffdruckwellen derart zu führen, dass
der Antrieb der Turbine 30, und infolgedessen die Komprimierung der
Einlassluft, erfolgt.
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Dieser
Motor umfasst des Weiteren Mittel zur Vergrößerung des Kollektionsvolumens
der Abgase, die aus den Brennkammern des Motors stammen, die benutzt
werden können,
wenn der Motor mit hohen Drehzahlen betrieben wird.
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Wie
in 1 bis 4 gezeigt, umfassen diese Mittel
eine Kapazität 34 in
im Allgemeinen zylindrischer röhrenförmiger Form
der Achse XX, die an ihren beiden axialen Enden geschlossen ist.
Diese Kapazität
steht durch Verbindungsdurchgänge 36, die
auf diesen Rohren zwischen den Zylindern 14 und dem Kollektor 24 und
auf der Kapazität
vorgesehen sind, in selektiver Verbindung mit jeweils jedem der
Auspuffrohre 22. Dazu umfasst die Kapazität Bohrungen 38,
die auf der peripheren Wand angeordnet sind, und die Auspuffrohre 22 sind
ebenfalls mit Bohrungen 40 versehen, die im beschriebenen Beispiel
mit denjenigen der Kapazität übereinstimmen.
Verschlussmittel 42 dieser Durchgänge sind in Form eines an seinen
axialen Enden geschlossenen hohlen Kegels 44 vorgesehen,
der im Inneren der Kapazität
angeordnet ist und der mit dieser Kapazität koaxial ist. Dieser Kegel
umfasst Öffnungen 46,
deren Position und Maße
im Wesentlichen den Maßen und
Positionen der Durchgänge 36 entsprechen.
Der Kegel wird in Drehung durch beliebige bekannte Mittel, wie etwa
einen elektrischen Mikromotor 48, der durch eine Achse 50 mit
dem Kegel 44 verbunden ist, um die Achse XX angetrieben.
Dieser Mikromotor erhält
von Mitteln, wie etwa die Motorsteuerung, die den Betrieb des Motors
kontrollieren, Steuerbefehle.
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Während des
Betriebs des Motors mit niedrigen Drehzahlen (etwa 1 000 U/min bis
etwa 3 000 U/min), der in 1 bis 3 dargestellt
ist, erhält der
Mikromotor Steuerbefehle, dass sich der Kegel 44 in der
in den Figuren dargestellten Position befindet, wobei die Verbindungsdurchgänge 36 durch
die periphere Wand des Kegels (1 bis 3)
verschlossen sind. Die verbrannten Gase, die sich aus der Verbrennung
in jeder Kammer 14 ergeben, werden durch jedes der Auspuffrohre 22 abgeleitet.
Diese Gase werden direkt zum Kollektor 24 geleitet, ohne
dass sie, wegen des Verschlusses der Verbindungsdurchgänge 36,
in die Kapazität
dringen können.
Am Ausgang 26 dieses Kollektors dringen die Abgase in den
Turbokompressor 28 ein, indem sie in Drehung die Turbine 30 antreiben,
welche selbst den Kompressor antreibt.
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In
dieser Anordnung wird aus der spezifischen Konfiguration des Kollektors
Nutzen gezogen, sowohl vom Teilbereich als auch dem Volumen, um die
Turbine aufs beste anzutreiben.
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Beim
Betrieb mit hohen Drehzahlen, das heißt beispielsweise über 3 000
U/min, ist der Durchfluss und somit das Volumen der Abgase, die
aus den Brennkammern austreten, größer. Der Mikromotor 48 erhält Steuerbefehle
von der Motorsteuerung, um in Drehung den Kegel 44 derart
anzutreiben, dass seine Öffnungen 46 mit
den Verbindungsdurchgängen 36 zwischen
den Auspuffrohren 22 und der Kapazität 34 übereinstimmen.
In dieser Position werden die Abgase, die durch das Auspuffrohr 22 während der
Auspuffphase eines Zylinders aus der Brennkammer 14 abgeleitet
wurden, zugleich zum Kollektor 24 und zur Kapazität 34,
und noch genauer ins Innere des Kegels 44 (4)
geleitet. Deswegen werden der Kollektor und die Kapazität gleichzeitig
mit den vom Rohr 22 transportierten verbrannten Gasen gefüllt. Der
Zylinder, der sich in der Auspuffphase befindet, hat somit eine
größere Volumen-Auffüllmöglichkeit zum
Sammeln der Gase, was die Gewährleistung
einer guten Ableitung dieser Gase ermöglicht. Nach dem Auffüllen der
Kapazität
mit den Gasen werden diese durch die anderen Verbindungsdurchgänge, die
auf den Auspuffrohren der Zylinder, die sich nicht in der Auspuffphase
befinden, vorgesehen sind, zum Kollektor 24 abgeleitet.
Die aus dem Kollektor austretenden Gase werden anschließend zur
Turbine des Turbokompressors geleitet.
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Es
versteht sich, und dies ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen,
dass die Kapazität 34 direkt
mit dem Kollektor 24 in Verbindung stehen kann. In diesem
Fall reichen zwei Verbindungsdurchgänge zwischen dieser Kapazität und dem
Kollektor aus, um eine zusätzliche
Sammlung der Abgase während
des Betriebs mit hohen Drehzahlen des Motors und die Entleerung
der Gase, die in dieser Kapazität
vorhanden sind, in den Kollektor zu gewährleisten.
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Nun
mit Bezug auf 5, die eine andere Ausführungsform
eines Motors nach der Erfindung zeigt, die ähnlich derjenigen aus 1 bis 4 ist und
die im Grunde dieselben Referenzierungen wie diese Figuren umfasst.
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In
dieser Ausführungsform
sind die Auspuffrohre 22 des ersten Zylinders und des letzten
Zylinders, von links in 5 aus gesehen, mit einem ersten
Kollektor 64 verbunden, während die Auspuffrohre 22 des
zweiten und dritten Zylinders mit einem zweiten Kollektor 66 verbunden
sind. Diese Konfiguration von getrennten Kollektoren wird in Verbindung mit
einer spezifischen Technologie des zweifluchtigen Turbokompressors 72 benutzt,
der als Turbokompressor „Twin
Scroll" bezeichnet
wird. In dieser Art von Turbokompressor wird der Einlass der Abgase
an der Turbine in zwei Teilbereiche unterteilt, einen ersten Teilbereich,
der mittels des ersten Kollektors 64 an die Auspuffe eines
Teils der Zylinder angeschlossen ist, und einen zweiten Teilbereich,
der an den zweiten Kollektor 66 angeschlossen ist, welcher mit
den Auspuffen der anderen Zylinder verbunden ist. Somit ist der
Ausgang 68 des ersten Kollektors 64 mit dem ersten
Teilbereich verbunden, während
der Ausgang 70 des zweiten Kollektors mit dem zweiten Teilbereich
verbunden ist.
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Dieser
Motor umfasst ebenfalls eine Kapazität 34 mit einer allgemeinen
Achse XX, die derjenigen aus 1 bis 4 ähnlich ist,
die durch Verbindungsdurchgänge 74 zu
zweit, einen für
jeden Kollektor, in selektiver Verbindung mit dem ersten 64 und dem
zweiten 66 Kollektor stehen. Diese Kapazität umfasst
Verschlussmittel der Durchgänge 74 in
Form von ebenfalls einem hohlen Kegel 44, der im Inneren der
Kapazität
angeordnet ist. Dieser Kegel umfasst, wie bereits in Verbindung
mit 1 bis 4 beschrieben, Öffnungen,
deren Positionen und Maße im
Wesentlichen den Maßen
und Positionen der Durchgänge 74 entsprechen.
Der Kegel wird mittels beliebiger bekannter Mittel in Drehung um
die Achse XX angetrieben, wie etwa mittels eines elektrischen Mikromotors 48,
der durch eine Achse 50 mit dem Kegel 44 verbunden
ist.
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Der
Betrieb eines derartigen Motors ist im Wesentlichen mit dem vorher
beschriebenen identisch.
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Beim
Betrieb des Motors mit niedrigen Drehzahlen befindet sich der Kegel 44 in
einer derartigen Position, dass die Verbindungsdurchgänge 74 durch die
periphere Wand dieses Kegels geschlossen sind. Die verbrannten Gase,
die sich aus der Verbrennung in jeweils jeder Kammer 14 ergeben,
werden durch jeweils jedes Auspuffrohr 22 in ihre entsprechenden Kollektoren 64 und 66 abgeleitet,
ohne dass sie dabei in die Kapazität eindringen können. Die
Abgase, die durch die Ausgänge 68 und 70 aus
den Kollektoren austreten, werden anschließend zu den Eingangsteilbereichen
des Turbokompressors 72 geleitet, um die Turbine, welche
ihrerseits den Kompressor antreibt, in Drehung anzutreiben.
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Ebenfalls
in dieser Anordnung wird aus der spezifischen Konfiguration der
Kollektoren Nutzen gezogen, sowohl von den Teilbereichen als auch
den Volumen, um die Turbine aufs beste anzutreiben und das Rückkehren
der Auspuffwellen in die Kollektoren zu vermeiden.
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Mit
hohen Drehzahlen des Motors steuert der Mikromotor 48 den
Kegel 44 derart in Drehung, dass seine Öffnungen mit den Verbindungsdurchgängen 74 zwischen
den Kollektoren 64, 66 und der Kapazität 34 übereinstimmen.
In dieser Position werden während
der Auspuffphase eines Zylinders die Abgase, die aus der Brennkammer 14 abgeleitet
wurden, zum Beispiel durch das Auspuffrohr 22 des ersten Zylinders,
zugleich zum ersten Kollektor 64 und zur Kapazität 34 und
genauer ins Innere des Kegels 44 geleitet. Dieser Kollektor
und diese Kapazität
werden somit gleichzeitig mit den verbrannten Gasen gefüllt, welche
vom Rohr 22 transportiert werden. Der Zylinder in der Auspuffphase
hat somit eine größere Volumenmöglichkeit,
um die verbrannten Gase zu sammeln. Nach dem Auffüllen der
Kapazität
mit den Gasen werden diese durch den zweiten Verbindungsdurchgang 74 zum
zweiten Kollektor 66, dann zum Ausgang 70 abgeleitet,
während
die Gase, die im ersten Kollektor 64 vorhanden sind, zum
Ausgang 68 geleitet werden.
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Es
versteht sich, und dies ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen,
dass diese Kapazität,
anstelle der Verbindungsdurchgänge
auf den Kollektoren 64, 66, durch Verbindungsdurchgänge mit
den Ausgangsrohren 68 und 70 der Kollektoren 64 und 66 verbunden
werden kann.
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Des
Weiteren kann die Kapazität
ebenfalls durch Verbindungsdurchgänge mit den Auspuffrohren 22 verbunden
werden, und zwar in einer Anordnung, die derjenigen ähnlich ist,
die in Verbindung mit 1 bis 4 beschrieben
wurde.
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Bei
der Variante von 6, die bei den Motoren benutzt
werden kann, die in Verbindung mit 1 bis 5 beschrieben
wurden, umfasst der Motor ferner ein Lufteinleitungsmittel 52 in
der Kapazität 34,
wobei diese Lufteinleitung die Nachbehandlung gewisser Schadstoffe,
die in den Abgasen vorhanden sind, erleichtert. Diese Lufteinleitung
erfolgt im Allgemeinen mit niedrigen Drehzahlen und vorzugsweise
beim Kaltstart des Motors.
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Tatsächlich enthalten
die Abgase unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), deren Abstoßung in
die Atmosphäre
auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden
muss. Damit diese HC behandelt werden können, umfassen die Verbrennungsmotoren
im Allgemeinen Umweltschutzvorrichtungen, wie etwa Katalysatoren,
die mit dem Auspuff des Motors verbunden sind und die das Behandeln
dieser HC durch Oxidierung weitgehend ermöglichen. Diese Katalysatoren
sind ab einer gewissen Temperatur beim Anlassen des Motors, „light
off" genannt, betriebsfähig, wobei
diese erst dann erreicht werden kann, wenn die Abgase ein gewisses
Temperaturniveau überstiegen haben.
Wie an sich bekannt, wird zur Durchführung eines derartigen Vorgangs
dank einer Einleitung von Außenluft
das Aufbringen eines Zuwachses an Sauerstoff in die Abgase vorgesehen,
um eine zusätzliche
Oxidierung dieser Gase mit dem Ziel, ihre Temperatur zu erhöhen, durchzuführen.
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Dieses
Lufteinleitungsmittel 52 umfasst beispielsweise eine Klappe 54 mit
einer Sitzfläche 56, auf
der eine Kugel 58 angeordnet ist. Diese Klappe ist mit
einem Außenlufteingang 60,
der an alle Luftzuführungsmittel
angeschlossen ist, und einem Ausgang 62, der sich nach
dem Inneren der Kapazität und
genauer dem Inneren des Kegels 44 öffnet, ausgestattet. Im Ruhezustand
liegt die Kugel auf der Sitzfläche 56 auf
und verschließt
den Lufteingang 60. Im Betrieb der Nachbehandlung der Abgase
erhält der
Mikromotor 48 Anweisungen von der Motorsteuerung, um den
Kegel 44 in Drehung anzutreiben, bis die Öffnungen 46 mit
den Verbindungsgängen 36 übereinstimmen,
die zwischen den Auspuffrohren 22 und der Kapazität 34 vorgesehen
sind. Dann wird frische Außenluft
durch den Eingang 60 der Klappe 54 mit ausreichendem
Druck eingeleitet, um den Druck der Abgase, die in dieser Kapazität vorhanden
sind, abzubauen und die Kugel aus ihrer Sitzfläche abzustoßen. Diese frische Luft dringt
in das hohle Volumen des Kegels 44 ein und mischt sich
mit den Abgasen, indem sie die Menge am in diesen Gasen vorhandenen
Sauerstoff erhöht.
Diese Mischung wird aus der Kapazität 34 zum Kollektor 24 oder
zu den Kollektoren 64, 66 abgeleitet, um sich
mit den Abgasen zu mischen, die in diesem Kollektor vorhanden sind.
Diese neue Mischung wird dann zur Vorrichtung zur Behandlung der
HC (nicht dargestellt) geleitet, die sich aufwärts oder abwärts vom
Turbokompressor befinden kann. Sobald der Vorgang der Einleitung von
Luft abgeschlossen ist, steuert der Mikromotor 48 den Kegel 44 derart
in Drehung, dass seine periphere Wand die Verbindungsdurchgänge 36 verschließt und die
Zufuhr von Außenluft
geschlossen wird.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen sondern enthält alle
Varianten und Äquivalente,
die in den Bereich der angehängten
Ansprüche
fallen.