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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die
Abstimmung von Ansaug- und Auspuffkrümmern an
Verbrennungsmotoren.
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Es ist bekannt, daß ein gewisses Maß an Aufladung
erreicht werden kann, indem man die Länge des
Ansaugsystems so wählt, daß die Druckwellen, die durch
das rasche Öffnen des Einlaßventils erzeugt werden und
sich in einer Reihe von Verdichtungs- und
Verdunnungswellen im Einlaßrohr hin und her ausbreiten, ausgenutzt
werden. Wird die Länge des Rohrs so gewählt, daß die
Zeit, die von der Druckwelle benötigt wird um wieder das
Einlaßventil zu erreichen, annähernd der Öffnungszeit
des Einlaßventils entspricht, kann die Dichte der
angesaugten Füllung, die in dem Zylinder des Motors
eingeschlossen wird, für einen Augenblick gesteigert
werden, wodruch sich die Leistung des Motors erhöht.
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Da die Schallgeschwindigkeit weitgehend konstant ist
(ca. 350 m/sec in Luft), is auch die Zeit konstant,
die
von der Druckwelle benötigt wird um ein Einlaßrohr mit
bestimmter Länge bei einer bestimmten Anzahl von
Reflexionen zu durchqueren. Andererseits ändert sich die
Dauer des Ansaugvorgangs im umgekehrten Verhältnis zu
der Motorendrehzahl, wenn er als Kurbelwellenwinkel
konstant ausgedrückt wird. Somit ist die Zeit vom Beginn
der Druckreuzung der Druckwelle bis zu dem Moment, an
dem das Einlaßventil schließt, nicht konstant und
verkürzt sich bei erhöhter Motorendrehzahl progressiv.
Daraus ist ersichtlich, daß es für eine bestimmte Länge
des Einlaßrohrs nur eine Geschwindigkeit gibt bei der
die gewünschte Anpassung oder Abstimmung des Einlaßrohrs
erreicht wird. Die sich ergebende
Drehmomentverlaufskurve eines solchen Motors wurde eine schmale, hohe
Spitze bei der abgestimmten Drehzahl aufweisen, und das
Drehmoment würde auf beiden Seiten dieser Spitze rasch
abfallen.
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Variabel abgestimmte Einlaßsysteme versuchten ein
erhöhtes Drehmoment über ein breiteres Drehzahlband
mit einer Steuerung, die die Länge des Einlaßrohrs
abhängig von der Motordrehzahl variieren kann, zu
erreichen, um die sich ändernden Anforderungen
hinsichtlich den Zeitverzögerungen anzupassen.
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Das Abstimmen von Krümmern von Motoren, um Druckwellen
auszunutzen, ist nicht auf das Ansaugsystem beschränkt,
sondern kann auch bei dem Auspuffsystem angewandt
werden. Auspuffkrümmer werden abgestimmt, um eine
bessere Spülung erreichen, mit Spülung ist hierbei
die Beseitigung von zurückgebliebenen Auspuffgasen aus
dem Brennraum gemeint. In diesem Fall wird an dem sich
schließenden Auslaßventil
eine negative Schwingung
benötigt.
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Außerdem kann das Abstimmen von Krümmern nicht nur zur
Leistungssteigerung an Motoren genutzt werden, sondern
auch um einen Motor im Teillastbereich zu drosseln.
Somit ist es bei einem Ansaugsystem möglich eine während
des Schließens des Einlaßventils auftretende negative
Schwingung zu erzeugen, da dies die Luftmasse ohne
Drosselung reduziert und dadurch die Förderverluste
verringert werden.
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Die vorher vorgeschlagenen Krümmersysteme mit fester und
variabler Länge sind insofern beide passive Systeme,
als die zur Veränderung der Füllungsdichte genutzte
Druckwellendurchquerung vom Motor selbst erzeugt wird
und die verschiedenen Konstruktionen von Krümmersystemen
nur dazu gedient haben, die Zeitabstimmung eines
Vorgangs, der auf natürliche Weise in einem Motor
auftritt, zu optimieren.
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US-A-3,254,484 schlägt den Gebrauch von akustischen
Resonatoren und Schallerzeugern im Ansaug- und
Auspuffsystem vor, um ähnliche Ergebnisse wie die der
Krümmerabstimmung zu erzielen. Diese Patent identifiziert
jedoch keinen Schallerzeuger, der Schallwellen erzeugen
kann, die genugend Energie haben um die Ansaugfüllung
entscheidend zu verändern und verläßt sich stattdessen
überwiegend auf akustische Resonatoren.
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Die vorliegende Erfindung teilt mit den oben
beschriebenen abgestimmten Krümmersystemen den
Sachverhalt, daß eine Schallwelle benutzt wird um die
Füllungsdichte in dem Moment, in dem sich das Ventil
schließt, zu variieren, versucht aber eine größere
Kontrolle über den Vorgang zu gewähren, um eine
Anpassung der Atmungseffizienz über ein breites
Motordrehzahlband zu erreichen.
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Bei anderen bekannten Systemen, wie EP-A-0194503,
GB-437321 und EP-A-0141165, wird ein Sekundärventil in
Reihe mit dem Einlaßventil angeordnet und bleibt für
eine gewisse Dauer nach dem Öffnen des Einlaßventils
geschlossen. Das Ergebnis davon ist ein Druckabfall im
Zylinder, der ein Ansteigen des Luftstroms auflöst,
sobald das Sekundärventil geöffnet wird. Die durch
diesen Anstieg ausgelöste negative Druckwelle wandert
die Länge des Krümmers weg vom Zylinder und wird als
positive Druckwelle reflektiert um den Druck im Zylinder
zum Zeitpunkt an dem sich das Einlaßhauptventil
schließt, zu erhöhen.
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Der Öffnungszeitpunkt des Sekundärventils ist wichtig,
wenn die positive Druckwelle das Einlaßhauptventil
erreichen soll, während es sich schließt. Diese
Synchronisierung muß abhängig von der Motordrehzahl verändert
werden und bei bestimmten Drehzahlen darf der
Einlaßvorgang nicht beginnen bis lange nach dem oberen
Totpunkt (OT). Das Ergebnis hiervon ist zweifacher Art.
Erstens hat der kolben Arbeit zu verrichten, um ein
Vakuum zu erzeugen und dies wiederum verringert
die
verfügbare Leistung. Zweitens, verringert die Verkürzung
des tatsächlichen Lufteinlasses den stationären
Strömungsliefergrad und dies wirkt dem Gewinn von der
positiven Druckwelle, zum Zeitpunkt, an dem sich das
Einlaßhauptventil schließt, entgegen.
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Bei US-4,691,670 ist ein Ventil mit variablen
Öffnungs- und Verschlußzeiten in Reihe mit dem
Einlaßhauptventil angeordnet. Das Ventil bleibt anfangs
geschlossen, wenn das Hauptventil geöffnet wird, um im
Ansaugkrümmer ein Vakuum zu erzeugen. Wenn sich das
Sekundärventil öffnet beginnt sich die Luftsäule mit
größerer als bei normaler Ansaugung auftretender
Geschwindigkeit zu bewegen, und mittels richtiger
Synchronisierung kann man sicher stellen, daß die
Luftsäule das Einlaßhauptventil mit hoher
Geschwindigkeit erreicht, während sich letzteres schließt und damit
die Füllungsdichte in dem Zylinder durch die
Auftreffwucht der sich bewegenden Luftsäule erhöht. Die variable
Schließzeit soll Rückfluß vom Zylinder verhindern.
Dieses System verläßt sich auf die Trägheit einer sich
bewegenden Luftsäule und nicht auf die Druckwelle, die
mit der Ausbreitung einer Schallwelle verbunden ist.
Förderverluste treten auch auf während der Kolben
versucht, ein Vakuum im Ansaugkrümmer zu erzeugen,
solche Verluste sind jedoch unbedeutend wenn der Motor
mit Vollast betrieben wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein
Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern geschaffen, jeder mit einem
von Nockenwellen betriebenen Einlaß- und
Auslaßhauptventil und einem Krümmersystem, bestehend aus
mehreren Rohren, wobei jedes zu einem Hauptventil
eines entsprechenden Zylinders führt, und mehreren
Sekundärventilen, wobei jedes in einer
Entfernung entlang eines der Rohre in Reihe mit dem
entsprechenden Hauptventil angeordnet und geregelt
ist, so daß es sich während jedes Motorzykluses an einem
drehzahlabhängigen Phasenwinkel in Bezug zur
Ventilnockenwelle öffnet und schließt, um eine Druckwelle zu
erzeugen, die sich mit Schallgeschwindigkeit mindestens
einmal entlang der Rohrlänge ausbereitet und das
beigeordnete Hauptventil erreicht, während sich das letztere
Ventil schließt, wobei es dadurch gekennzeichnet ist,
daß in dem Augenblick in dem sich das beigeordnete
Hauptventil öffnet, jedes Sekundärventil geöffnet und
wirksam ist, während das beigeordnete Hauptventil
geöffnet bleibt, um die Strömung der Luftsäule in dem
Bereich des Rohrs zwischen dem Sekundärventil und dem
beigeordneten Hauptventil für einen vorbestimmten
Kurbelwellenwinkel zu unterbrechen, und dadurch die
gewünschte Druckwelle zu erzeugen, wobei sich letztere
anfangs in Richtung auf das Hauptventil ausbreitet.
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Verglichen mit den oben angegebenen Referenzen früherer
Patente, zum Beispiel EP-A-0194503, bietet die Erfindung
den Vorteil, daß die Dauer der Obstruktion des Krümmers
während das Hauptventil offen ist, im Kurbelwellenwinkel
festgelegt ist und als Ergebnis hieraus gibt es keine
drehzahlabhängige Veränderung der Vorgangsdauer, die
dazu neigt den stationären Strömungsliefergrad zu
verringern. Daher kann der Gewinn der
Druckwellenabstimmung über ein großeres Motordrehzahlband erzielt
werden. Außerdem ist der Kolben keinen bedeutenden
Förderverlusten unterworfen, da nur eine kurze
Unterbrechung erforderlich ist.
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Ein wichtiger Vorteil der Verwendung von einem aktiven
System zur Druckwellenerzeugung ist,
daß man nicht mehr
länger an abgestimmte Längen gebunden ist und man
stattdessen die Druckschwingung so sychronisieren kann,
daß sie zu dem vorhandenen Krümmer paßt. Um eine
Abstimmung bei niedrigen Drehzahlen zu erreichen waren früher
lange Rohre erforderlich, die nur schwer im Motorraum
eines Straßenfahrzeugs untergebracht werden konnten, und
somit fand die Technologie des Abstimmens des
Ansaugkrümmers überwiegend bei Rennfahrzeugen Anwendung, bei
denen wegen der höheren Drehzahlen die abgestimmten
Krümmerlängen kürzer sind.
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Der am weitesten verbreitete Bedarf für solch ein
Ansaugsystem besteht in der Verbesserung des stationären
Strömungsliefergrades bei Vollast, daher wird das System
am häufigsten im Ansaugkrümmer eingesetzt um für jedes
Einlaßventil eine positive Druckschwingung zu erzeugen.
Es ist jedoch ersichtlich, daß das System ebenso
verwendet werden kann, um den Motor unter Teillast durch
die Übertragung einer negativen Druckschwingung zu
drosseln und, daß es im Auspuffsystem zu Verbesserung
der Ausspülung verwendet werden kann.
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Ein Vorteil des Sekundärventils, das bei der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, um eine Druckwelle
zu erzeugen, ist, daß die Kraft in der Schwingung von
dem Luftstrom selbst und nicht von der Hubarbeit des
Kolbens gewonnen wird. Für den Kolben ist zum Zeitpunkt,
an dem ver Verschluß schließt, das dynamische
Abstimmungssystem in der Tat kaum feststellbar. Der
einzige bemerkbare Unterschied ist ein kurzer
Druckanstieg, ausgelöst durch das Eintreffen der Druckwelle.
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Das Absperren von Fluidströmungen ist natürlich
eine wohl bekannte Quelle für Druckschwingungen, was
durch die Wirkung des Wassersprungs deutlich
veranschaulicht wird.
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Das Sekundärventil, das als Verschluß konstruiert sein
kann, sollte so angeordnet sein, daß es eine Welle zu
den beigeordneten Zylindern, jedoch zu keinem anderen
Zylinder, sendet. Daher kann bei einem Einspritzsystem
mit einzelnen Ansaugrohren, die mit einer Plenumkammer
verbundenen sind, ein Verschluß für jeden Zylinder
innerhalb der Plenumkammer angeordnet werden, welcher
dem beigeordneten Rohr gegenüber liegt, ohne dadurch den
Luftstrom in das Rohr einzuschränken.
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Da sich die Verschlüsse gänzlich innerhalb des
Ansaugkrümmerssystems befinden, kann die Lärmbelästigung
unerheblich sein. Wo jedoch der austretende Schall zu
beanstanden ist, kann ihm durch eine Anti-Schallquelle
entgegengewirkt werden, da die Schallquelle örtlich
festgelegt wird.
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Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen muß die
Aktivierung des Verschlusses in Bezug zu der
Ventilschließung richtig sychronisiert werden. Der zum
Erreichen dieses Ziels benötigte Mechanismus
unterscheidet sich im Prinzip nicht von dem Mechanismus,
der nötig ist um den Zündpunkt zu synchronisieren.
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Die Verschlüsse sollten vorzugsweise Drehverschlüsse
sein, bestehend aus einem teilzylindrischen Blatt, des
sich in einem zylindrischen Hohlraum dreht und dazu
dient, in regelmäßigen Abständen das Rohr, das zu dem
beigeordneten Ventil führt, zu schließen. Ein variabler
Phasenmechanismus kann das Rotationsblatt zur Rotation
mit derselben Geschwindigkeit koppeln, aber mit
variabler Phase in Verhältnis zu der Nockenwelle.
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Die Erfindung wird nun durch Beispiele und unter Bezug
auf die beiliegenden Abbildungen näher beschrieben. Bei
den Abbildungen ist
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Abbildung 1 ein schematischer Schnitt durch eine
Anwendungsform der vorliegenden Erfindung und
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Abbildung 2 ein Schaubild, das die Öffnungswinkel
des Hauptventils und des Verschlusses zeigt.
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Ein Rohr 10 des Ansaugkrümmers führt von der
Hauptdrosselklappe 14, die die Motorendrehzahl regelt,
zu dem Einlaßkanal 12 eines Zylinders des Motors. Das
Rohr umfaßt eine zylindrische Kammer 20 in der ein
Drehverschluß 22 mit einem zylindrischen Blatt 24
angeordnet ist. Wenn sich der Verschluß 22 dreht, wird
der Luftstrom durch das Rohr unterbrochen, sobald das
Blatt 24 das Rohr 10 blockiert, anderenfalls ist er
ungehindert.
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Da die Druckschwingungen in diesem Fall das falsche
Vorzeichen haben um die Leistung des Motors zu steigern
werden sie so synchronisiert, daß sie den Einlaßkanal 12
erreichen, nachdem eine Reflexion an einem offenen Ende
des Rohrs ihre Umkehrung bewirkt hat.
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Die Synchronisierung der Ventilöffnung und des
Verschlusses 22 wird durch das Synchronisierungsschaubild
in Abbildung 2 veranschaulicht. Man wird erkennen, daß
der Verschluß 22 schon ganz offen ist, wenn das
Hauptventil sich zu öffnen beginnt und daß es keine
erhöhte Hubarbeit des Kolbens während des ersten Teils
seines Abwärtshubs gibt. Während das Ventil geöffnet
ist, wird der Verschluß kurz geschlossen und die
vollständige Dauer der Obstruktion durch den Verschluß ist
durch die Umfangslänge des Blattes auf dem Verschluß
festgelegt und ist daher ein fester Kurbelwellenwinkel.
Durch die Trennung des Verschlusses von dem Ventil wirkt
die sich bewegende Luftsäule zwischen dem Ventil und dem
Verschluß als eine schwache Feder und macht dadurch die
Obstruktion für den Kolben kaum wahrnehmbar. Trotzdem
kann die kinetische Energie eines Teils des Luftstroms
durch die Unterbrechung in potentiele Energie
umgewandelt werden, die in einer Druckwelle gelagert ist,
welche sich mit Schallgeschwindigkeit in Richtung auf
das Ventil ausbreitet und letztlich die gewünschte
Druckwellenabstimmung der Krümmers erzeugt.
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Der Luftstrom und die Kraftstoffdosierung werden auf
herkömmliche Weise geregelt. Die Drosselung des
Luftstroms und die Dosierung des Kraftstoffs können vor
oder nach jedem Verschluß durchgeführt werden.
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Wenn gesteigerte Leistung gefordert ist, wird eine
positive Druckwelle aufgebaut, um
die Fullung zu
verdichten, während sich das Einlaßventil schließt. Die
sich vom Verschluß aus ausbreitende Welle braucht eine
begrenzte, vorbestimmte Zeit um das Einlaßventil zu
erreichen. Der Verschluß muß daher eine bestimmte Zeit
vor der Schließung des Einlaßventils aktiviert werden
und die Synchronisierung des Verschlusses wird auf die
gleiche Weise erreicht, wie die Synchronisierung des
Zündzeitpunkts. Bei der abgebildeten Anwendungsform wird
der Verschluß 22 über einen Riemen 26 von der
Nockenwelle des Motors angetrieben. Die Kraftübertragung
enthält einen variablen Phasenmechanismus um die
Betriebsphase entsprechend der Drehzahl des Motors zu
ändern. Der variable Phasenmechanismus kann von außen
gesteuert sein, oder es können zentrifugale
Fliehgewichte verwendet werden.
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Bei einem konventionel oder passiv abgestimmten
Krümmer geht man davon aus, daß das Öffnen des
Einlaßventils die Übertragung einer positiven
Druckoder Verdichtungsschwingung in Richtung auf das offene
Ende des Rohrs bewirkt. Diese Schwingung wird am
offenen Ende umgekehrt und reflektiert, so daß eine
negative Druck- oder Verdünnungsschwingung zum Ventil
zurückgesendet wird. Diese negative Druckschwingung wird
vom verschlossenen Brennraum ohne Umkehrung in
Richtung auf das offene Ende zurückgeworfen und
erreicht nach einer weiteren Reflexion, wieder mit
Umkehrung, das Einlaßventil als eine
Verdichtungsschwingung, um die Füllung zu verdichten, während sich
das Ventil schließt. Die Druckschwingung wird somit
abgeschwächt, dadurch daß sie viermal im Ansaugrohr auf
und ab wandert und an den offenen und geschlossenen
Enden dreimal unvollständig reflektiert wird.
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Im Gegensatz dazu ermöglicht die aktive Erzeugung
der Druckschwingung bei der vorliegenden Erfindung, daß
eine kräftigere und besser gesteuerte Druckschwingung
verursacht wird, und daß die Schwingung nicht
notwendigerweise durch lange Ausbreitungswege und
mehrfache Reflexionen abgeschwächt wird. Das Ausmaß in
dem die Füllungsdichte verändert werden kann, kann
dadurch potential größer sein als durch passives
Abstimmen erreicht werden kann, und die Regelung kann
so gestaltet werden, daß sie ohne Veränderung der
Länge des Ansaugkrümmers ein breites Motordrehzahlband
umfaßt, und daß keine Unterbringungsprobleme durch große
passiv abgestimmte Krümmer entstehen.
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Bei einem Motor mit Kraftstoffeinspritzung, wie
abgebildet, können die Kammern 20 der verschiedenen
Zylinder zusammengeschlossen werden, um eine
Plenumkammer zu bilden und können durch
eine gemeinsame Drosselklappe 14 mit dem
Luftfilterkasten verbunden werden. In diesem Falls sind die Rohre
10 die Kanäle, die von der Plenumkammer zu den einzelnen
Zylinder führen.
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Sollte der von dem Verschluß 24 verursachte Schall
zu beanstanden sein, kann eine äußere Anti-Schallquelle
hinzugefügt werden. Da die Synchronisierung der
Schallquelle berechenbar ist, kann durch eine geeignete
Steuerung und Platzierung der Anti-Schallquelle eine nahezu
vollständige Aufhebung des Schalle erreicht werden.
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Die Erfindung wurde oben mit Bezug auf einen
mechanischen Verschluß als Sekundärventil beschrieben.
Alternativ kann jedoch anstelle eines mechanischen
Verschlusses eine strömungsmechanische Vorrichtung als
Drosselvorrichtung verwendet werden. Solche
Vorrichtungen sind an sich bekannt und werden manchmal
als Wirbelverstärker bezeichnet. Bei einem typischen
Wirbelverstärker hat eine scheibenartige Kammer einen
axialen Auslaßkanal, einen ausgerichteten Einlaßkanal
und einen tangential ausgerichteten Steuerungskanal.
Fehlt Strömung im Steuerungskanal folgt
der Fluidstrom einem kurzen, im allgemeinen radialen
Weg vom Einlaß- zum Außlaßkanal und erfährt dabei
geringen Widerstand. Durch einen schwachen
Steuerstrom wird der Hauptstrom in einen Wirbel
oder Vortex gezwungen und trifft aufgrund der
vergrösserten Weglänge zwischen Einlaß- und
Auslaßkanal auf viel hoheren Widerstand. Auf diese Weise
wirkt eine solche Vorrichtung als Sekundärventil, das
durch die Fluidzufuhr in den Steuerkanal geregelt wird.
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Der Vorteil einer solchen Anwendungsform ist, daß
die Synchronisation willkürlich gesteuert werden kann,
indem man Magnetventile verwendet um die Steuerstromung
an- und abzuschalten, und daß sie auch keine
mechanischen Teile hat, die sich abnutzen oder Reibung
erzeugen. Außerdem kann die Unterbreichung aufgrund der
durch die Größe eines mechanischen Verschlußblattes
bedingten Grenzen, plötzlicher und kürzer sein als bei
der Verwendung eines mechanischen Verschlusses.
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Durch Experimente wurde festgestellt, daß bei
Verwendung eines mechanischen Verschlusses als
Sekundärventil der Liefergrad um ungefähr 10 %
verbessert werden kann, indem der Verschluß abhängig von der
Motorendrehzahl richtig synchronisiert wird. Bei einer
Rohrlänge von 700 mm wird bei 2000 U/min und einer
Schließung des Verschlusses bei 75 º nach OT während des
Ansaugtaktes die großte Verbesserung erzielt. Die
Steigerung des Liefergrads ist sowohl abhängig von der
Sychronisation und der Intensität der erzeugten
Welle. Es ist wichtig, daß die Synchronisierung
mit dem Zeitpunkt übereinstimmt, an dem die positive
Druckschwingung an dem sich schließenden Einlaßventil
ankommt, und dies bestimmt die Synchronisierung, besser
gesagt den Kurbelwellenwinkel, ausschließlich für jede
gegebene Motorendrehzahl. Der Grund für die Veränderung
der Leistungsverbesserung, ist der, daß die Energie
in der sich bewegenden Luftsäule mit dem
Kurbelwellenwinkel variiert, und sich die Energie in der
Schallschwingung, die durch die Absperrung der sich
bewegenden Säule erzeugt wird, mit dem
Kurbelwellenwinkel bei dem sich der Verschluß schließt,
verändert. Daher ist bei anderen Drehzahlen als den im
obigen Beispiel genannten 2000 U/min, die Verbesserung,
die erreicht werden kann, nur ein Bruchteil des
Bestwerts.
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Die Drehzahl bei der die Verbesserung optimiert
wird, hängt von der Rohrlänge ab und durch Verändern der
Rohrlänge kann die Verbesserung des Liefergrads bei
verschiedenen Drehzahlen maximiert werden.