DE10327603A1

DE10327603A1 - Medienmassen-Steuerelement und Impulsladevorrichtung für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10327603A1
Application number: DE10327603A
Authority: DE
Inventors: Otto Altmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Medienmassen-Steuervorrichtung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Medienmassen-Steuervorrichtung für eine Ansaugvorrichtung, insbesondere eine Luftansauganlage für eine Brennkraftmaschine. Die Medienmassen-Steuervorrichtung umfasst dabei ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse rotierbar angeordnetes Absperrelement mit einer Durchgangsöffnung und einem Durchgang, durch den das Absperrelement rotiert werden kann. Die Erfindung betrifft insbesondere eine kombinierte Medienmassen-Steuervorrichtung zum Einstellen der Leerlaufdrehzahl, zum Drosseln des Motors und zur Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine. Die Medienmassen-Steuervorrichtung kann dabei auf Gewicht, günstige Strömung, Baumaße, Impulsform und/oder Dichtheit (im geschlossenen Zustand) optimiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Medienmassen-Steuerelemente zum Steuern von Durchflussmassen von fluiden Medien. Die Erfindung betrifft insbesondere Systeme für die Durchflussmassensteuerung von gasförmigen oder flüssigen Medien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Luftmassen-Steuerungen in Verbrennungsmotoren (Brennkraftmaschinen) für mobile und stationäre Anwendungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren Impulssteuerungs-Schalteinrichtungen zwischen der Sauganlage und dem Zylinderkopf.

Kugelhähne zum Steuern Durchflussmassen von gasförmigen oder flüssigen Medien sind seit langem bekannt. In Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen werden derzeit häufig Klappensysteme wie beispielsweise Drosselklappen eingesetzt, die eine durchgehende Achse zur Ansteuerung der Klappen oder andere Stellelemente aufweisen. Diese Achsen haben mehrere Nachteile. Die Klappen bilden selbst in der geöffneten Position einen Strömungswiderstand. Die Achsen verursachen einen so genannten „Wellenschatten" und reduzieren damit das maximal mögliche Durchflussvolumen, stören den Medienstrom und führen zu Verwirbelungen und andern, häufig nicht erwünschten physikalischen Effekten. Darüber hinaus müssen die Achsen der Klappen über Dichtungen abgedichtet werden, damit keine unzulässig großen Leck- oder Nebenluftraten entstehen, die sich negativ auf die Steuerqualität auswirken.

Weiterhin gestatten diese herkömmlichen Drosselklappen keine geringen Schaltzeiten im Bereich von Millisekunden, wie sie für Impuls-Ansaugvorrichtungen für Verbrennungsmotoren mit einer Impuls-Steuereinheit benötigt werden, die Luft-Ladeimpulse erzeugen.

Ein fortschrittlicher Ansatz zur Entwicklung von Drosselklappen mit Schaltzeiten von wenigen Millisekunden wird beispielsweise in dem Artikel „Impulsaufladung und Laststeuerung von Hubkolbenmotoren durch ein Lufttaktventil" in der Motortechnischen Zeitschrift MTZ Nummer 12/2001, Jahrgang 82 beschrieben. Das in diesem Artikel beschriebene experimentelle Lufttaktventil zur Erzeugung von kurzen Impulsen zeigt jedoch Schwächen in Bezug auf Haltbarkeit und Zuverlässigkeit und lassen den beschriebenen Versuchsaufbau für den Dauereinsatz nicht geeignet erscheinen. Der in dem Artikel favorisierte Aufbau scheint kann beliebig steuerbar zu sein, wobei die Schaltzeit bzw. die Zeit, die benötigt wird, um die Klappe zu öffnen bzw. zu Schließen nicht unter 1,8 ms zu senken ist. Dieses Luftmassen-Takt-Ventil (im folgenden kurz abgekürzt - LTV) arbeitet nach einem Aktuator-Wirkprinzip, wobei eine mechanisch Feder-vorgespannte Luftmassen-Steuerklappe durch die Betätigung von Elektromagneten ausgelöst wird. Also nach einem mechanisch/elektromagnetischen System. Durch dieses LTV werden über einen Luftladungs-Gewinn höhere Motor-Drehmomente bzw. höhere Motorleistungen erreicht. Die Ladungsimpulse werden während des Ansaugvorganges in einem Kurbelwinkelbereich zwischen z. B. 180° und 360° oder innerhalb anderer Kurbelwinkel während des Ansaugvorgangs benötigt, um eine Leistungssteigerung zu erzielen.

Zunächst wurde ein zweimaliges Schalten (zwei Ladungsimpulse, ein langer und ein kurzer Impuls) im Luft Ansaugbereich angestrebt, wobei erst nach dem Öffnen des Ansaugluft-Ventils, die Frischluft über kurze Impulse zugeführt wird. Der Ladedruck erhöht sich durch das LTV, erheblich. Insgesamt wurde eine erhebliche Steigerung des Luftaufwandes, um bis zu 13 %, bei einer Drehzahl von 1000 U/min, erreicht.

Das Lufttaktventil (LTV) wurde kurz nach Erreichen des Kurbelwinkels von 135°, geöffnet und dann vor Erreichen des Kurbelwinkels von 225° bereits, wieder geschlossen. Das LTV unterstützt bisher die Motorleistung in einem Drehzahlbereich von > 500 bis ca. 5000 U/min. Bei einer Schaltzeit für einen Impuls von 5 ms ist der erzielte Ladungsgewinn bereits auf „0" abgesunken. Es scheint so zu sein, dass möglichst viele Impulse über den gesamten Drehzahlbereich die besten Ergebnisse bringen.

Da jedoch, elektromagnetische Systeme, Mindestansprechzeiten zwischen 0,9 ms und 1,3 ms aufweisen, dürften dieser Art der Ansteuerung, Grenzen gesetzt sein, selbst, wenn man mit einem Feder-Masse-System vorspannt. Schaltzeiten zwischen maximal 1,8 ms bis 2,1 ms können mit derartigen mechanisch-elektromagnetischen Systemen noch realisiert werden, wie die Grafik an Prell- bzw. Auslenkbewegungen der Ventilklappe zeigt.

Bei z. B. 1000 U/min und 30 ms Ansaugzeit von 180° bis 360° Kurbelwinkel wären mit 2 ms Schaltzeit, bei niedrigen Motordrehzahlen, maximal 15 Impulse möglich und bei hohen Motordrehzahlen mindestens 2 Impulse. Mit zunehmender Drehzahl wird die Ansaugzeit kürzer, wodurch im oberen Drehzahlbereich zeitlich, weniger Ladungsimpulse möglich sind. Mechanische Einzel-Takt-Systeme wie das LTV haben jedoch auch noch andere physikalische Grenzen. Durch die extreme Beschleunigung der Steuerelemente, z. B. Klappen, entstehen erheblich Kräfte die abgefangen und gedämpft werden müssen.

Bei 2 ms Schaltzeit und einer mittleren Fahrzeug- bzw. Motorlebensdauer von z. B. 5000 h würde das Ventil 12 × 10⁹ mal Takten.

Mit der fortschreitenden Entwicklung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, finden kontinuierliche Verbesserungen der hiermit in Verbindung stehenden Systeme und Vorrichtungen statt. Eines der Hauptziele der Motorentwicklung im Kraftfahrzeugbereich ist die Optimierung des Verbrennungsprozesses bzw. eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs, die mit der Optimierung einhergeht. Eine der relevanten Vorrichtungen der Brennkraftmaschinen ist die Luftsauganlage und die darin verwendeten Luftmassen-Steuerelemente zwischen der Ansaugluftzufuhr und dem Zylinderkopf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Medienmassen-Steuerelement bereitzustellen, das es ermöglicht, einen gepulsten bzw. impulsgeladenen Luftstrom für die Einleitung in die Brennkammern einer Brennkraftmaschine zu erzeugen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Medienmassen-Steuerelement bereitzustellen, das leicht und billig hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Medienmassen-Steuerelement mit einer besonders schmalen Bauform bereitzustellen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein strömungsoptimiertes Medienmassen-Steuerelement bereitzustellen.

Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Medienmassen-Steuerelement bereitzustellen, das im geschlossenen Zustand besonders dicht schließt.

Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Medienmassen-Steuerelement bereitzustellen, das unterschiedliche Aufgaben wie Leerlaufdrehzahl-Steuerung, normale Drosselung und Impulsaufladung in möglichst wenigen Bauteilen vereinen kann.

Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde, eine Ansaugvorrichtung für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, welche die Vorteile eines erfindungsgemäßen Medienmassen-Steuerelements nutzt.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung in Form von Aus- und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Patentansprüche beschrieben.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Medienmassen-Steuerelement, mit einem Gehäuse und einem Absperrelement bereitgestellt. Das Gehäuse weist dabei mindestens eine Eingangsöffnung und mindestens eine Ausgangsöffnung auf. Das Absperrelement ist in dem Gehäuse rotierbar gelagert, und weist mindestens eine Durchgangsöffnung auf. Das Absperrelement hat eine, durch eine Durchführung in dem Gehäuse definierte Rotationsachse, um die es mechanisch rotiert werden kann. In zumindest einer Stellung des Absperrelements fluchten im Wesentlichen die Eingangsöffnung und die Durchgangsöffnung und die Durchgangsöffnung und die Ausgangsöffnung. In zumindest einer anderen Stellung des Absperrelements ist die Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsöffnung vollständig verschlossen.

Das Medienmassen-Steuerelement ist dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement einen, mit einem Antrieb beispielsweise einer Antriebswelle, einem Antriebsflansch, einem Antriebszahnrad oder einer Ketten- oder Riemenscheibe versehen ist. Durch den Antrieb kann das Absperrelement in Rotation versetzen werden. Bei der Rotation wird durch die mindestens eine Durchgangsöffnung die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung periodisch miteinander verbunden und verschlossen. Durch das periodische Öffnen und Schließen kann eine Impuls-Lade-Funktion bereitgestellt werden.

Das Medienmassen-Steuerelement kann zwischen der Sauganlage und dem Zylinderkopf angebracht werden. In einer ähnlichen Ausführung ist es auch möglich, das Medienmassen-Steuerelement zwischen Zylinderkopf und Abgasanlage einzubauen. Wenn sich die Pulse positiv auf den Ansaugvorgang auswirken können, dann ist dies auch bei dem Ausstoßvorgang möglich, obgleich dies bisher nicht explizit untersucht wurde. Ein entsprechendes Hochgeschwindigkeits-Ventil ist auch in deinem Kanal zwischen den Ansaugrohren und den Abgasrohren bzw. auch in dem Bereich eines Turboladers selbst, möglich.

Je nach Drehzahl des Motors steht eine längere (bis 30 ms) oder kürzere (bis zu ca. 3 ms) Zeit für die Impulsladung zur Verfügung. In dieser Luftansaug- oder Ladezeit sollen möglichst viele Impulse abgegeben werden, dass heißt, die Luftmasse gepulst in den Verbrennungsraum strömen.

Die in dem oben genannten Artikel favorisierten Doppelpulse sind auf den Resonanzraum des ansaugenden Kolbens (dass heißt das Volumen hinter dem Absperrelement) abgestimmt. Die vorliegende Erfindung gestattet es auch, Pulse beispielsweise auf die Luftzuführung (d. h. den Raum vor dem Absperrelement) abzustimmen.

Als technisch sinnvoll und wirtschaftlich noch umsetzbar, haben sich Impulsladungs-Absperrelement-Drehzahlen von mindestens 15.000 U/min bis ca. 60.000 U/min bei Motordrehzahlen zwischen 5000 U/min und 8000 U/min, als wirtschaftlich und sinnvoll herausgestellt. Bei 60.000 U/min sind mindestens zwei Impulse bei den relevanten Motordrehzahlen möglich (60.000 U/min = 1000 U/sek = 1 U/ms = 2 Impulse). Für Hochleistungsmotoren beispielsweise im Motorsport die mit Motordrehzahlen von bis zu 10.000 U/min können Drehzahlen der Impulsladeeinheiten zwischen 600.000 U/min bis 180.000 U/min erforderlich sein.

In dieser Impulslade-Zeit können zwischen 1 (1 = Minimum = 1 × Kugelumdrehung = 2 Impulse) und maximal 60 Ladeimpulse abgegeben werden. In Abgas-Turboladern werden derzeit Drehzahlen zwischen 200.000 und 300.000 U/min in Achsial- bzw. Tangentialströmung realisiert. Für die Absperrelemente die im Wesentlichen eine Querströmung aufweisen sind weitaus geringere Drehzahlen ausreichend und sinnvoll, da der Luftpuls mit seiner Geschwindigkeit die Kugel durchqueren können sollte.

Nach unseren bisherigen Konzeptausarbeitungen sind wir der Meinung, dass sich schnell drehende Kugeln oder auch Drehschieber besonders gut eignen, um extrem kurze Ladungsimpulse in einem Zeitraum von ca. 0,05 ms bis maximal 1,0 ms, zu erzeugen.

Kontinuierlich drehende Kugeln oder Drehschieber, haben gegenüber getakteten Klappen einige Vorteile, wie z. B. eine hohe Lebensdauer, keine aerodynamischen Störfelder, die in den schnell einströmenden Luftmassen an durchgehenden Wellen entstehen, eine sehr hohe Einbautoleranz, einfache Montage und Demontage, einen geringen Aufwand für das Abgleichen, eine sehr hohe Dichtheit und damit geringe Leckluft-Raten im geschlossen Zustand.

Das Ansaugsystem kann bevorzugt auf eine Länge abgestimmt werden, bei der jeweils der Grundton auf die (halbe) Drehzahl des Verbrennungsmotors und einer der Obertöne auf die Anzahl der Impulse bzw. auf die (doppelte) Drehzahl des Absperrelements abgestimmt wird.

Eine permanente Rotation mit mehreren (jedoch mindestens 2) Ladeimpulsen pro Ansaugtakt (Otto-, Diesel-, Wankel-, Stern-, Reihen-, V-, W-, X- Motore, bzw. der Vorkompression beim 2-Taktmotor) kann eine direkte Kopplung zwischen der Drehzahl des Absperrelements und der Kurbelwellen-Drehzahl ermöglichen. Bei der Verwendung von Mehrloch-Absperrelementen könnte eine Phasenverschiebung zwischen den Einzelimpulsen und der Ventilöffnung eine Drosselung bzw. eine Leerlauf-Steuerung darstellen.

In einer anderen Ausführungsform ist der Antrieb als ein in dem Gehäuse untergebrachter Aktuator ausgeführt, um das Absperrelement in Rotation zu versetzen. Da der Aktuator in einer Basisversion das Absperrelement grundsätzlich lediglich in eine Rotation versetzen soll, kann ein herkömmlicher Drehmotor verwendet werden. Dabei kann der Aktuator beispielsweise als ein kleiner Hydraulikmotor oder eine kleine Turbine ausgeführt werden. Der Aktuator kann auch als ein Getriebe ausgeführt werden, das von der Kurbelwelle oder der Nockenwelle angetrieben wird. Es ist natürlich klar das der Aktuator auch, als ein Elektromotor ausgeführt werden kann. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob der Elektromotor auf eine bestimmte feste Drehzahl abgestimmt ist oder ob der Elektromotor in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors gesteuert oder geregelt wird. Das Absperrelement kann auch mittels eines Schrittmotors (mit oder ohne Untersetzung) umgesetzt werden. Dadurch kann das Absperrelement nicht nur auf eine beliebige Drehzahl sondern auch auf eine beliebige Phase in Bezug auf die aktuelle Stellung des Einlassventils bzw. der Kurbel- oder Nockenwelle gebracht werden. Mit einem solchen Schrittmotor könnte beispielsweise das Absperrelement in eine beliebige Position gebracht werden, somit könnte das nicht rotierende Absperrelement ebenfalls als eine Drossel verwendet werden. Falls die Position des Absperrelements beliebig gewählt werden kann, kann das Medienmassen-Steuerelement auch die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors steuern. Falls die Position des Absperrelements beliebig gewählt werden kann, kann das Absperrelement des Medienmassen-Steuerelements den Ansaugweg vollkommen verschließen und so den Verbrennungsmotor ohne die Gefahr eines „Nachdieselns" sicher stoppen. Falls die Positionen der Absperrelemente bei Mehrzylindermotoren für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden können, können die Absperrelemente der einzelnen Medienmassen-Steuerelemente den Ansaugweg vollkommen verschließen und einzelne Zylinder im Teillast-Betrieb einzeln abschalten. Falls die Positionen der Absperrelemente bei Mehrzylindermotoren für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden können, können die einzelnen Absperrelemente der Medienmassen-Steuerelemente einzeln beschleunigt werden, um den Übergang der im Drosselbetrieb im Wesentlichen ruhenden Absperrelemente einzeln Zylinderweise auf die Impulsaufladungs-Geschwindigkeit zu beschleunigen, ohne dass die Gefahr eines zeitweisen Leistungsabfalls besteht.

In einer besonders progressiven Lösung kann ein Absperrelement z. B. eine Kugel oder eine Walze drei Funktionen im Bereich der Steuerleiste zwischen Sauganlage und Zylinderkopf übernehmen.

– Die Leerlauf-Luftmassen-Steuerung,
– Die Leistungs-Luftmassen-Steuerung (Drosselklappen-Funktion), und Die Impuls-Lade-Funktion.

Bei der Leerlauf-Luftsteuerung- ist die Kugel nur wenig geöffnet, bei der Verbrennungs-Luftmassen-Steuerung (Drosselung) wird das Absperrelement weit bis ganz geöffnet und bei der Impulsladung wird das Absperrelement ab einer bestimmten Motordrehzahl (> 500 bis 1000 U/min), ständig rotiert, um Ladungsimpulse zu erzeugen.

Die Stellung des Absperrelements ist über einen Winkelsensor (z. B. Potentiometer, elektrische oder optische Abtastung oder dergleichen) jederzeit abruf- und einstellbar. Das Absperrelement in einer Schalteinheit oder in einer Schaltleiste zwischen Zylinderkopf und Sauganlage kann über eine separate elektrische Steuerung (z. B. E- Motor), mechanisch über Triebe (Ketten, Riemen usw. oder über Vakuum (Unterdruckdose)) bewegt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse mindestens ein zweites Luftmassen-Steuerelement auf. Aus zwei kombinierten Absperrelementen ergeben sich im Wesentlichen drei unterschiedliche Ansätze:
Erstens eine Kombination von gleichartigen Absperrelementen zu Baugruppen für Mehrzylinder- oder Mehrventilmotore, so genannte Schaltleisten oder anreihbare Einzelelemente.

Zweitens eine Kombination von rotierbaren Absperrelementen und herkömmlichen Drosselsystemen zu einer Baugruppe.

Drittens eine Kombination von mehreren rotierbaren Absperrelementen pro Zylinder oder Ansaugschacht um die Pulsform oder Pulssequenz zu verbessern.

Die erste Kombination ist klar einzusehen und kann beispielsweise durch die Anreihung von gleichartigen Absperrelementen mit jeweils ineinander greifenden An- und Abtrieben leicht realisiert werden. Dabei rotieren die einzelnen Absperrelemente mit einer gleichen Geschwindigkeit. Je nach Ausführungsform können die einzelnen Absperrelemente entsprechend der Kurbelwelle versetzt angeordnet seien, um im Falle weniger oder besonders geformter Ladeimpulse eine Korrelation der Stellungen der Ansaugventile der Absperrelemente sicherzustellen. Diese Korrelation kann in Abhängigkeit von Parametern wie Drehzahl, (Lade-) Luftdruck, Ladetemperatur verändert werden.

Bei der zweiten Kombination wurde erkannt, dass es bei einem zwei- oder mehrfach geteilten Einlassluftstrom, mit zwei z. B. separat steuerbaren Luftmassensteuerelementen möglich ist, multifunktionale Luftmassen-Steuerelemente oder -leisten zu entwickeln, die sowohl die Leerlauf-Luftmassen-Steuerung, als auch die Leistungs-Luftmassen-Steuerung (d. h. die Drosselklappen-Funktion) und die Impulsladefunktion beinhalten.

Bisher werden für diese 3 Funktionen, mindesten 2 Bauelemente und im Extremfall sogar 3 Baugruppen mit Dichtungen, Verbindungselementen und anderen Anbauteilen, verwendet.

Eine solche Kombination kann, als ein separat steuerbares Luftmassen-Steuerelement (z. B. eine Kugel, Walze, Klappe oder Drehschieber) das die Funktion des Leerlaufstellers und der Drossel übernimmt, während über den z. B. ein zweites (separat steuerbares) rotierendes Absperrelement in einem Luftkanal die erforderlichen Ladungsimpulse erzeugt.

Eine Steuerleiste kann, je nach Motorbauart, als Längsvariante oder als Quervariante, mit den unterschiedlichen Luftmassensteuerelementen bzw. nur Kugeln nur Walzen oder deren Kombinationen beispielsweise mit einer Drosselklappe ausgeführt sein.

In dem ersten Funktionsfall bei kleinen Drehzahlen (Leerlaufdrehzahl) ist nur ein Luftmassensteuerelement, soweit geöffnet, dass die erforderliche Leerlaufluftmenge gezielt steuerbar ist.

In dem Für den zweiten Funktionsfall wird ein Luftmassen-Steuerelement soweit geöffnet, dass der Betrieb in größeren Drehzahlbereichen oberhalb des Leerlaufbetriebs möglich wird.

Für den dritten Funktionsfall wird das zweite Luftmassen-Steuerelement, beispielsweise eine Kugel, ab einem bestimmten Kurbelwinkel und ab einer bestimmten Motordrehzahl, (nicht unter 500 U/min), als Luftmassen-Ladungsimpuls-Steuerelement, eingesetzt.

Diese multifunktionale Luftmassensteuerleiste befindet sich zwischen der Sauganlage und dem Zylinderkopf. Diese multifunktionale Luftmassensteuerleiste kann auch direkt in den Zylinderkopf oder in die Sauganlage integriert werden.

Die Ansteuerung der Luftmassenstellelemente erfolgt vorzugsweise elektrisch. Andere Stellglieder, wie z. B. Vakuum oder mechanische Ansteuerungen z. B. über Zahnräder oder Getriebe, sind möglich. Dabei kann jedes Steuerelement separat oder mehrere Steuerelemente pro Zylinderbank gemeinsam, angesteuert werden. Der Arbeitswinkel der Luftmassensteuerelemente wird über Winkelsensoren erfasst und an das Motormanagement weitergeleitet, um die Betreibsleistung zu optimieren. Alle Luftmassen Steuerelemente sind innerhalb von Sekundenbruchteilen zu schließen um eine so genannte „Selbstläufer-Fehlfunktion", die auch unter der Bezeichnung „Nachdieseln" bekannt ist, auszuschließen. Die geschlossenen Absperrelemente lassen sich auch als ein aktiver Teil einer Wegfahr- oder Inbetriebnahmesperre verwenden.

Falls Kugeln, als Absperrelemente in die Luftmassensteuerleiste eingesetzt werden ist diese mittensymmetrisch zu teilen, wobei die Lager, mit den Wellen und Kugeln einzulegen und beide Leistenteile lösbar aber fest miteinander zu verbinden, wobei Formdichtungen einzulegen sind. Walzen und Drehschieber können seitlich in die Steuerleiste bzw. das Gehäuse eingeschoben werden, ohne dass ein teilbares Gehäuse (wie in falle von Kugeln) notwendig ist.

Grundsätzlich gibt es 2 Typen, einer multifunktionalen Luftmassensteuer und Impulsladungseinheit mit zwei Absperrelementen.

Zwei getrennte Luftmassen Steuereinheiten, wobei die, über die Sauganlage eingeleitete Luftmasse, geteilt wird. Dabei übernimmt eine Einheit die Leerlaufluftmassensteuerung und gleichzeitig die Leistungsluftmassensteuerung (Drosselklappenfunktion) über einen Luftkanal. Die zweite Einheit übernimmt über den zweiten Luftkanal die Impulsladefunktion.

Mehrfach getrennte Luftmassen Steuereinheiten können insbesondere für z. B. X-Ventil-Motorenkonzepte von Vorteil sein, den Luftstrom mehrfach zu teilen und jedem Ventil einen separaten Luftstrom zuzuordnen, wobei jeder der Teilluftströme eine andere Funktion übernehmen kann.

Außerdem können Drall- und Tumble- Funktionen, sowie die AGR- (Abgas-Rückführungs-) Funktion innerhalb der Steuerleiste zwischen Sauganlage und Zylinderkopf integriert werden.

Drittens eine Kombination von mehreren rotierbaren Absperrelementen pro Zylinder oder Ansaugschacht, um die Pulsform oder Pulssequenz zu verbessern. So kann bei einer Ausführungsform das zweite Absperrelement wie der Spalt zwischen dem ersten Absperrelement und dem Gehäuse geformt sein, und im Wesentlichen eine durchbrochene Kugelschale bilden, die über einen koaxialen Antrieb von einer Seite oder von zwei verschiedenen Seiten betreiben werden kann. Damit kann beispielsweise über ein (Planeten-) Getriebe oder über vollständig getrennte Antriebe ein versetztes Öffnen und Schließen des Gesamtsystems verwirklicht werden. Durch die Überlagerung zweier Öffnungsperioden des ersten und des zweiten Absperrelements kann dann ein Doppelimpuls (mit zwei unterschiedlich langen Einzelimpulsen während der Ventilöffnungsphase) einfach umgesetzt werden. Dieses System eignet sich besonders für kurbelwellengekoppelte Systeme. Das System ist offensichtlich auch besonders dicht, da beim geschlossenen zweiten Absperrelement nur eine Dichtfuge entsteht, da die erste Dichtfuge zwischen dem ersten Absperrelement und dem zweiten Absperrelement völlig verdeckt wird.

Diese Kombination von Absperrelementen kann auch als eine Kombination von Kugeln und Walzen und/oder Drehschiebern verwirklicht werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung Medienmassen-Steuerelement weist das Absperrelement eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Geometrie auf. Zumindest die Außenform des Absperrelements kann beispielsweise als ein zumindest einseitig abgeflachter, im Wesentlichen sphärischer Körper ausgeführt sind, wobei zumindest eine Abflachung im Wesentlichen senkrecht zur Durchgangsöffnung ausgebildet sein kann.

Das im Wesentlichen sphärische Absperrelement kann oblat oder linsenförmig oder prolat oder Ziganen-förmig ausgebildet sein oder in einem aus Kegeln oder Kegelstümpfen gebildeten Rotationskörper darstellen. Die Drehachse des Absperrelements liegt dabei immer parallel zu einer Symmetrieachse des Absperrelements oder des Körpers, der bei der Rotation des Absperrelements entsteht. Das Absperrelement kann auch als ein Drehschieber ausgeführt sein.

Die Breite eines Erfindungsgemäßen ein- oder zweiseitig abgeflachten Medienmassen-Steuerelements ist kaum höher als das einer herkömmlichen Drosselklappe. In dem abgeflachten Bereich können z. B. Potentiometer oder andere Steuer-, Sensor- und/oder Regeleinheiten untergebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Absperrelement im Wesentlichen eine sphärische Geometrie aufweist. Dass heißt das oder eines der Absperrelemente lässt sich im Wesentlichen als eine Kugel mit mindestens einem Durchbruch und mindestens einer Antriebs- und/oder Lagereinrichtung beschreiben. Ein Kugelabsperrelement zeigt viele Vorteile: Die Kugel benötigt keine durchgehende Rotations- oder Antriebswelle. Was einen aerodynamischen Vorteil darstellt. Die Kugel erfordert weniger Platz, als eine Klappe, was Packungsvorteile mit sich bringt.

Eine Kugel lässt sich kunststoffgerecht optimieren, und ist in Hinblick auf Rundheitstoleranzen sehr exakt herstellbar.

Die Kugel kann besonders bei einer symmetrischen Anordnung der Durchgangsöffnung sehr gut gelagert und sehr stark beschleunigt werden.

Eine rotierende Kugel erfordert keinerlei mechanische Dämpfung.

Der Drehwinkel ist über Winkelsensoren sehr exakt bestimmbar. Selbst hohe Drehzahlen bis über 10.000 U/min sind möglich (bei kleinen Kugeln) was sehr kleine Impulsschaltzyklen ermöglicht. Kugelabsperrelemente können mit sehr kleinen Leckluft-Raten gefertigt werden.

Die vorstehenden Vorteile treffen auch für die vorstehenden Rotationskörper zu.

Das Kugelabsperrelement kann, wenn es eine symmetrische Durchgangsbohrung aufweist, in beide Richtungen betrieben werden. Ein direkter Antrieb über ein der Wellen kann in beiden Richtungen erfolgen, ohne dass Leistungseinbußen zu erwarten wären.

Das Verhältnis der Öffnungszeit zur Geschossenzeit ist im Wesentlichen direkt proportional zu den Verhältnissen der Durchmesser de Öffnungen und der Kugel.

In einer weiteren Ausführungsform sind Teile des Medienmassen-Steuerelements für die Kunststofftechnik optimiert. Standard Kunststoffkugeln, wie sie z. B. aus Gas-dichten Kugelhähnen bekannt sind, wurden bezüglich der Kunststofftechnik-Systeme mit möglichst gleicher Wandstärken permanent verbessert. Die Rundheitstoleranzen von Kugeln wurde optimiert und die Aerodynamik von Absperrelementen wie beispielsweise Kugelsegmenten verbessert.

Zur Veranschaulichung könnte man das Absperrelement in einer Ausführungsform auch als einen Absperrkörper eines Kugelhahns beschreiben, der durch Ausnehmungen an der äußeren Oberfläche der Kugel mit einer Rippenstruktur versehen wurde.

Durch die Rippenstruktur wird eine kunststoffgerechte Ausführung nach dem System möglichst gleich bleibender Wandstärken mit Rippen und Stringern angestrebt, die über die Rippenkonstruktion eine im Wesentlichen kugelige Außenkontur sicher stellen. Eine solche Ausführung ist bei metallischen Ausführungsformen für Kugelhähne, bisher nicht bekannt.

Das hier beschriebene Absperrelement weist an jeder Stelle eine im Wesentlichen gleiche Wanddicke auf, (System möglichst gleicher Wandstärken), und vermeidet damit die Nachteile wie Verzug und unzulässig hohe Schwindung, die bei einem Absperrelement aus Vollkunststoff auftreten.

Die Rippen und Stringer gestatten es, die äußere Kontur einer Kugel einzuhalten ohne, dass die Masse und das Volumen einer Kugel vorhanden sein müssen. Damit werden möglichst geringe Wanddickensprünge realisiert und auch durch die Geometrie bedingte Spannungen vermeiden.

Die Vorteile des gerippten Ausbaus lassen sich wie folgt verdeutlichen: Die Masse der Kugel ist gegenüber einer Vollkugel drastisch verringert. Damit wird nicht nur der Materialbedarf bei der Herstellung verringert, sondern auch die zur Beschleunigung der Rotation des Absperrelements notwendigen Kräfte. Je nach gegebenen Belastungen können die Rippen und Stringer dichter oder weiter beabstandet angeordnet werden. Das Absperrelement kann durch Spritzgießen verzugsarm und mit geringen Herstellungstoleranzen hergestellt werden, wodurch eine Nachbearbeitung überflüssig wird.

Die geringe Masse gestattet es das Absperrelement, das heißt die Gesamtzeit zum Erreichen der Betriebsgeschwindigkeit des Absperrelements im Wesentlichen unterhalb einer Zeitdauer von ca. 2,0 Millisekunden (ms) und insbesondere im Wesentlichen in einem Zeitbereich von ca. 0,05 ms bis ca. 1,0 ms zu reduzieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Absperrelement in dem Gehäuse durch mindestens ein Lager rotierbar gelagert.

Das Absperrelement kann einseitig oder zweiseitig gelagert werden. Als Lager werden vorzugsweise Kugel- oder Rollenlager eingesetzt. Es können aber auch Gleitlager aus Sintermaterial, Keramik oder hochtemperatur-beständigen Polymerwerkstoffen eingesetzt werden, falls die Anforderungen an die hohen Drehzahlen und das Tragverhalten, erfüllt werden.

Bevorzugt ist das Absperrelement in dem Gehäuse durch zwei Lager drehbar gelagert. Je nach Ausführung kann das Absperrelement dazu zwei Wellenstummel aufweisen, die in jeweilige, am Gehäuse angebrachten Lager eingreifen. Wahlweise kann das Gehäuse auf der, der Durchführung gegenüberliegenden Seite mit einem Achsstummel versehen sein, der in eine entsprechende Bohrung an dem Absperrelement eingreift. In der einfachsten Version kann durch eine geeignete Werkstoffpaarung von Gehäuse- und Absperrelementwerkstoff auf ein gesondertes Lagerbauteil verzichtet werden.

Als Lager kommen dabei Gleitlager oder Wälzlager wie Kugel- Rollen- oder Nadellager in Betracht. Die Lagerung des Absperrelements bringt besondere Vorteile. Die Rippen und die Stringer müssen dadurch das Absperrelement nicht mehr in dem Gehäuse führen, damit können sich die Rippen auch nicht mehr an den Einlass- bzw. Auslassöffnung verhaken. Durch die Lager kann auch der Verschleiß gesenkt werden, dies ist vor allem für Medienmassen-Steuerelemente wichtig, die hohe Drehzahlen aufweisen. Damit kann das Medienmassen-Steuerelement mit einem gewissen Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Absperrelement ausgeführt werden, womit sich die Kräfte zum Betätigen des Medienmassen-Steuerelements weiter verringern lassen. Durch die Lagerung kann auf alle Rippen und Stringer verzichtet werden, die nicht aus Gründen der Stabilität oder der Abdichtung notwendig sind.

Bevorzugt weist das Medienmassen-Steuerelement umlaufende Dichtung auf, die im geschlossenen Zustand des Absperrelements die Eingangs- und die Ausgangsöffnung abdichtet. Die Dichtung kann auf dem Gehäuse oder auf dem Absperrelement angeordnet werden.

Die Absperrelemente erhalten auf Ihrem Umfang eine kleine umlaufende Erhebung mit einer Höhe von 0,05 mm bis maximal 0,1 mm, aus Werkstoffen die sowohl eine Dichtfunktion, als auch eine Abriebs- und Verschleißfunktion übernehmen.

Vorzugsweise werden für diese, an die Absperrelemente angespritzten Verschleiß und Schmierelementen Polymerwerkstoffe mit MoS, PTFE, Grafit- oder anderen Zusätzen und Füllstoffen verwendet um das Verschleiß- und Abriebverhalten zu optimieren.

Außerdem können Zusätze oder Füllstoffe eingesetzt werden die eine gewisse Langzeitschmierung sicher stellen.

Sollte das Steuerelement bzw. Absperrelement z. B. Kugel, bei Einbau oder durch auftretende Zentrifugalkräfte geringfügig auf den umlaufenden Erhöhungen anliegen, kann bei einem „Einlaufen" oder „Einfahren" der Steuerleisten-Elemente vor dem Motoreinbau, dieser Überstand eliminiert und eine Langzeit-Lebensdauer sowie Dichtheit sicher gestellt werden.

Nach dem so genannten „Einfahren", das beim Kunststoffsteuerleistenhersteller stattfindet, kann das Luftmassensteuerelement, einwandfrei über die gesamte Lebensdauer arbeiten.

In einer weiten vorteilhaften Ausgestaltung des Medienmassen-Steuerelements umfasst dass das Medienmassen-Steuerelement mindestens einen Sensor. Der Sensor kann ein Drehwinkelsensor, ein Drehgeschwindigkeitssensor, ein Luftdruck-, Luftmassen-, Lufttemperatursensor sein. Der Sensor kann dazu dienen, die Winkelposition des Absperrelements zu bestimmen. Der Sensor kann auch zum Aufnehmen einer Eigenschaft des Mediums dienen und beispielsweise die Dichte, die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit oder auch die Zusammensetzung des Mediums oder andere Eigenschaften des Mediums zu bestimmen.

Bevorzugt kann das Absperrelement so an die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors gekoppelt sein, sodass sich das Absperrelement proportional zu der Bewegung der Kurbelwelle bewegt.

Diese Kopplung kann mechanisch erfolgen oder gesteuert beispielsweise elektrisch über einen Winkelsensor an der Kurbelwelle oder der Nockenwelle oder über einen Abgriff von Zündimpulsen.

Bevorzugt kann dabei der Phasenwinkel zwischen der Bewegung des Absperrelements und einer Oberwelle der Bewegung der Kurbelwelle gesteuert bzw. verändert werden.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Ansaugvorrichtung bereitgestellt, die insbesondere als Luftansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Die Ansaugvorrichtung weist ein, jeder Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeordnete Lufteinlässe in einem Zylinderkopf auf. Weiterhin weist die Ansaugvorrichtung ein Saugrohr auf, das an einem Ende in einen der Lufteinlässe mündet und das an einem anderen Ende eine Lufteintritt-Öffnung eines Ansaugplenums verbunden ist. Die Ansaugvorrichtung ist durch je ein Medienmassen-Steuerelement in jedem der Saugrohre, und/oder durch ein Medienmassen-Steuerelement gekennzeichnet, das mindestens ein rotierbares Absperrelement enthält, das dazu angepasst ist, in dem Lufteinlässen Luft-Ladeimpulse zu erzeugen, und das mit dem Ansaugplenum verbunden ist.

Bevorzugt sind die Medienmassen-Steuerelemente in den Saugrohren mittel mindestens einer Ansteuervorrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung in der Lage, Ladeimpulse hohen Drucks zu erzeugen, die durch die Lufteinlässe des Zylinderkopfs in die Brennkammern der Brennkraftmaschine gelangen können, indem die Medienmassen-Steuerelemente oder Impulsschalteinheiten für einen Gasdurchtritt durch eine im Wesentlichen gleichmäßige Rotation (schnell) geöffnet und (schnell) geschlossen werden.

Die Erzeugung von Ladeimpulsen hohen Drucks durch das vorstehend beschriebene Medienmassen-Steuerelement erfordert eine hohe Dichtheit des Medienmassensteuerelements. Gemäß einer weiteren Ausführungsform schließt das Medienmassen-Steuerelement im geschlossenen Zustand derart ab, sodass die Leckrate einer Impulsschalteinheit sehr gering bis nicht vorhanden ist (im Bereich von 0m³/h liegt).

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen anhand von schematischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen beschrieben, in denen:
1 stellt ein Blockdiagramm einer elektronischen Umsetzung eines Medienmassensteuerelement-Systems dar.
2 bis 6 stellen verschiedene Ausführungen von Medienmassen-Steuerelementen und Absperrelementen dar.
7 bis 10 stellen verschiedene mögliche Anordnungen von Medienmassen-Steuerelementen dar.
11 bis stellen verschiedene mögliche Anordnungen von anreibaren multifunktionalen Luftmassensteuer- und Impulsladungseinheit mit zwei Absperrelementen dar.
17 stellt ein Medienmassen-Steuerelement mit einem integrierten elektrischen Antrieb dar.
18 bis 21 stellen verschiedene Ansaugsysteme dar.
Gleiche und ähnliche Vorrichtungen, Einheiten, Elemente etc. werden in den Zeichnungen und in der Beschreibung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 stellt ein Blockdiagramm einer elektronischen Umsetzung des Medienmassensteuerelement-Systems dar. Die Figur zeigt dabei ein Absperrelement 2, eine Durchgangsöffnung 4, ein Lager 6 des Absperrelements 2, eine Dichtung 8 in einem Gehäuse 22. 1 zeigt weiter einen Aktuator 10, eine Motor-Steuereinheit 14, die durch Leitungen 12 und 16 einen Sensor 20 eines Gaspedals 18 verbunden ist.
2A zeigt ein auf besonders hohe Dichtheit ausgelegtes Absperrelement eines Medienmassen-Steuerelement. 2B zeigt ein auf besonders auf besonders niedrige Masse optimiertes Medienmassen-Steuerelement.
Beide Figuren stellen dabei eine perspektivische Explosionszeichnungen dar. Das Medienmassen-Steuerelement weist dabei im Wesentlichen fünf Bauteile auf das Gehäuse mit einem oberen Gehäuseteil 24 und einem unteren Gehäuseteil 26, dem Absperrelement 30 und den beiden Lagern 28. Das Gehäuse weist dabei eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung auf, die z. B. mit einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors verbunden werden können. Das Gehäuse 24, 26 kann ein oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Gestaltung hängt dabei wesentlich vom gewählten Herstellverfahren ab. Das Gehäuse weist außerdem noch Lageraufnahmen auf. Das Absperrelement 30 weist in dieser Ausführungsform eine fast völlig kugelige Gestalt auf, die nur durch die Durchlassöffnung, die Wellenstummel, die Rippen 36 und die Zwischenräume zwischen den Rippen 40 (innerhalb der Fertigungstoleranzen) von einer Kugel abweicht. In dieser Ausführungsform wird das Absperrelement 30 durch einen rohrförmigen Abschnitt gebildet, der mit Rippen und einem Paar Wellenstummel versehen ist. Die äußeren Ränder der Enden des rohrförmigen Abschnitts, und die äußeren Oberflächen der Rippen liegen im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Kugeloberfläche. Das Absperrelement 30 wird durch die Lager in dem Gehäuse 24, 26 rotierbar gelagert. Das Absperrelement 30 ist in Bezug auf die Öffnung mit Querrippen 36 und Längsrippen oder Stringern 38 versehen, um die Masse zu reduzieren, die ein Vollkugelsegment sonst hätte.
Diese Ausführungsform ist eine, im Vergleich zu herkömmlichen Kugelabsperrhähnen deutlich leichtere Variante. Diese Ausführungsform hat überdies den Vorteil, eine kunststoffgerechte Ausführung darzustellen, die nach dem System möglichst gleich bleibender Wandstärken mit Rippen 36 und Stringern 38, über die Rippenkonstruktion eine kugelige Außenkontur sicher stellt. Diese Variante kommt den bereits bekannten „Kugelhähnen" für die Gas- und Flüssigkeitsmediensteuerung am nächsten, und stellt außerdem eine, für die Kunststofftechnik optimierte Ausführungsform dar, wie sie bei metallischen Kugelhähnen, bisher nicht bekannt ist. Die hier beschriebene Variante lässt sich für herkömmliche Kugelhähne nicht einsetzten da die beschriebene Rippenkonstruktion die Dichtung, welche die Kugel aufnimmt schnell verschleißen würde.
Diese Wanddickenreduzierung nach dem "System möglichst gleich bleibender Wandstärken" dient dazu, Spannungen zu vermeiden und die Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung zu erhöhen. Das Absperrelement 30 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Zwischen den Rippen 36 und den Stringern 38 befinden sich Hohlräume 40, die in 2A mit einer Dichtungsmasse 34 aufgefüllt sind. In 2B ist die Dichtungsmasse 34 nur auf die Rippen 36 und Stringer 38 aufgetragen, um Gewicht zu sparen.
Das Absperrelement 30 hat links und rechts herausragende Wellenteile oder Wellenstummel, über die es möglich ist, das Absperrelement permanent mit einer bestimmten Umdrehungszahl zu rotieren. An die Wellenstummel können überdies durch eine Durchführung und Lageraufnahme in dem Gehäuse 24, 26, Geräte für die Ansteuerung und Wegmessung angeflanscht werden. Zwischen den, an dem Absperrelement 30 herausragenden Achsenabschnitten oder Wellenstummeln und dem Gehäuse 24, 26 sind Lager (Gleit- oder Rollenlager) vorgesehen, um eine dauerhaft leichtgängige Rotation des Absperrelements 30 zu ermöglichen.
In beiden Figuren ist die Struktur des Gehäuses 34, 26 und des Absperrelements 30 mit der Durchgangsöffnung, den Rippen 36 und Stringern 38, dem rohrförmigen Anschnitt 10, dem Rand 11 des röhrenförmigen Abschnitts, den Wellenstummeln und den Lagern klar zu erkennen.
3 und 4 sind Schnittansichten zusammengebauten Medienmassen-Steuerelements von 2. Bei der Herstellung eines Absperrelements in einem Gehäuse entstehen zwangsläufig Formen mit Hinterschnitten. Um diese Medienmassensteuerelemente herstellen zu können, muss entweder das Kugelsegment selbst oder das Gehäuse, vorzugsweise mittensymmetrisch, geteilt werden oder das Kugelsegment durch die bekannte Schmelzkerntechnologie in das Gehäuse eingeformt werden. Dabei müssen auf dem Kugelsegment die Dichtung und die Lagerelemente (Gleitlager oder andere Lagerungen und Lagerdichtungen) bereits aufgebracht sein. Das Kugelsegment mit den Dichtungen und Montageteilen wird in eine niedrigschmelzende Metalllegierung eingeformt und mit dem Gehäusekörper umspritzt (Kunststofftechnik) oder umschmolzen bzw. gegossen (Metalltechnik).
Die beiden Schnitte zeigen dabei verschiedene Möglichkeiten die Dichtungen an den Absperrelementen anzubringen in Schnitt. In 3 sind die Rippen 36, Stringer 38, Dichtungen 34, Obere- 24 und Untere- 26 Gehäusehälften gut zu erkennen. Der mit dem Bezugszeichen 82 gekennzeichnete Pfeil deutet die Rotationsrichtung des Absperrelements an. Das Bezugszeichen 90 zeigt die Bauhöhe des Impulsladeelements bei sich nicht drehender Kugel. Das Bezugszeichen 84 bezeichnet den Durchmesser des Absperrelements. Das Bezugszeichen 86 bezeichnet den Durchmesser oder eine Abmessung einer Durchgangsöffnung. Das Bezugszeichen 88 bezeichnet den Durchmesser oder die Abmessung der Eingangsöffnung des Gehäuses. Durch eine geeignete Wahl dieser Abmessungen können verschiedene Impulsformen umgesetzt werden.
5 zeigt ein Absperrelement, dass auf einen relativ kurzen Puls pro Umdrehung abgestimmt ist. Der Ansaugflansch und der Ventilflansch (nicht gezeigt) beziehungsweise die Eintrittsöffnung 70 und die Austrittsöffnung 72 sind dabei versetzt, sodass der Durchgang nur in einem Winkelbereich geöffnet wird. Die Durchgangsöffnung 4 verbinden die Eintrittsöffnung 70 und die Austrittsöffnung 72 nur in einem Winkelbereich während einer Umdrehung. Das Absperrelement 50 stellt eine kugelige Variante eines Drehschiebers dar. Wenn mehrere Durchgänge mit unterschiedlichen Durchmessern in der Kugel integriert werden, können beliebige Pulsperioden erzeugt werden.
6 zeigen ein Medienmassen-Steuerelement bzw. ein Impulsaufladeelement, das für eine besonders gute Steuerbarkeit des Medienstroms ausgelegt ist.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den, in den in 1 und 2 Beschriebenen dadurch, dass in der Luftauslassseite des Durchgangs des Absperrelements ein Teil des Absperrelements ausgespart wird, damit die Aerodynamik an der Auslassseite, nicht durch Bauteilsegmente gestört wird, die in den Luftauslassstrom 48 hineinragen.
Wenn das Absperrelement bzw. die Luftmassensteuerkante in der Lufteinlassseite 46, über den mittig angeordneten Lagerbereich 6 mit einer im Wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, um den Luftmassenstrom 46, 48 gezielt zu steuern, ragen bei einem herkömmlichen Kugelhahn sowohl die Auslassseite als auch die Einlassseite störend in den Luftstrom. Dieser strömungstechnische Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch beseitigt, dass eine Seite 44 des Absperrelements 2 als Segment-Kalotte ausgeführt wird.
Dieses Absperrelement wird nur über die Lager 6 und die Teilrippen 38 bzw. Stringer 36, geführt. Die Abdichtung erfolgt über Elastomere an der Luftmassensteuerkante im Lufteinlassbereich 46. Die Dichtung kann jedoch umlaufend auf der vorderen Steuerkante 42 und den Rippen 36 und Stringern 38 vorhanden sein.
Durch diese Ausführungsform ist sichergestellt, dass die Verstellkräfte möglichst klein bleiben. Die Elastomerdichtung wird von der Shore-Härte so gewählt, dass eine gute Abdichtwirkung sicher gestellt ist, Toleranzen des Kugelsegmentes ausgeglichen werden können und die erforderlichen Verstellkräfte für die erforderlichen Rotationsbewegungen, klein bleiben.
Das Medienmassen-Steuerelement kann aus Package-Gründen, seitlich abgeflacht sein, zeigt aber zusätzlich, noch eine Aussparung 22 im Medienstrom in Auslassrichtung 21, als wesentliches Unterscheidungsmerkmal.
Das Absperrelement befindet in der zweiteiligen Variante, in den beiden Außenschalen 24 und 26 des Gehäuses. Das Absperrelement wird über Gleitlager 6 oder andere Lagerarten innerhalb der beiden Außenschalen 24 und 26, gelagert.
6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Medienmassen-Steuerelements, mit einem strömungstechnisch optimierten Absperrelement mit einem länglichen Querschnitt der Durchlassöffnung 22.
An dem Absperrelement ist der längliche Querschnitt 44 der Durchgangsöffnung 6 (gerade in Auslassrichtung) des Medienstroms besonders gut zu erkennen. Es ist weiterhin der röhrenförmige Abschnitt, ein Achs- oder Wellenstummel, Stringer 36 und Teilrippen 38 zu erkennen. Nach einer halben Rotation wäre der längliche Querschnitt 44 der Durchgangsöffnung 6 in die Einlassrichtung 46 des Medienstroms weisen.
Die hier dargestellten Absperrelemente können dabei an den, mit 42 bezeichneten Rändern des rohrförmigen Abschnitts eine Dichtung aufweisen, die sich ebenfalls über die Stringer 38 und die Teilrippen 36 erstrecken können.
Die hier angemeldeten Kugelsegmentvarianten weisen keine durchgehende Welle auf und vermeiden deren negative Einflüsse auf den Medienstrom und die Leckluft-Raten. Der von dem Medium durchströmte Bereich in der Mitte des Absperrelements ist frei von störenden Bauelementen für die durchströmenden Medien. Das Kugelsegment wird ausschließlich von außen angesteuert. Da, bei den hier beschriebenen Medienmassen-Steuerelementen, keine Welle in den Luftdurchsatzbereich ragt, ist diese Art der Medienmassen-Steuerung strömungsoptimiert. In den Ausführungen mit ausgesparter Auslassseite ist diese Art der Medienmassen-Steuerung mehrfach strömungsoptimiert.
Das Absperrelement ist mit Rippen oder Stringern versehen, um die Wanddicke zu reduzieren, die ein Vollkugelabsperrelement sonst aufweisen würde. Diese Wanddickenreduzierung nach dem „System möglichst gleich bleibender Wandstärken" dient dazu, Spannungen zu vermeiden und die Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung zu erhöhen. Das Absperrelement kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Das äußere Gehäuse 22, 24, 26 kann ein oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Gestaltung hängt wesentlich vom gewählten Herstellverfahren ab.
Die Durchfluss- oder Impulsform-Charakteristik kann, in Abhängigkeit der geometrischen Gestaltung des Kugelsegmentes linear, progressiv oder degressiv gewählt werden. Die Form des Durchgangs kann entsprechend den gegebenen Zuführungen im Querschnitt auch leicht oval oder polygonal oder sogar viereckig oder dreieckig ausgeführt werden. Um progressive Impulsformen, oder ein besonders schnelles Abschließen des Medienmassen-Steuerelements zu erhalten, kann die Durchgangsöffnung im Wesentlichen nierenförmig oder tropfenförmig abgewandelt sein. Wobei die Nierenform ein schnelles und abruptes Absperren und die Tropfenform ein eher allmähliches Absperrverhalten aufweist. Es auch ein "Nierentropfen"- förmiger Querschnitt kann gewählt werden, und von der offenen Stellung alternativ ein abruptes Absperren oder ein allmähliches Absperren zu gestatten. Je nach Rotationsrichtung können dann andere Impulse erzeugt werden. Mit dieser Form kann das Absperrelement bei einem Verbrennungsmotor bei höheren Drehzahlen als Impulsaufladeelement verwendet werden, während es im Lehrlauf mit dem spitzen tropfenförmigen Ende ein exaktes Drosseln der Leerlaufdrehzahl gestattet.
Als Werkstoffe für das äußere Gehäuse und den Kugelsegmentkörper kommen vorzugsweise verzugs- und schwindungsarme Polymerwerkstoffe wie PPA, PPS, Polyphtalamid, Polyphenylen und andere in Frage. Es können aber auch metallische Werkstoffe, Keramik, Gläser oder Naturstoffe eingesetzt werden. Hybride oder Composite, bei denen das Gehäuse und der Kugelsegmentkörper aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind, sind ebenfalls möglich. Bei der Herstellung eines Kugelsegmentes in einem Gehäuse entstehen zwangsläufig Formen mit Hinterschnitten.
7 bis 10 stellen verschiedene mögliche Anordnungen von Medienmassen Steuerelementen dar. In 7 und 8 sind Schaltleisten mit Leerlauf- und Drosselstellern sowie mit Ladeimpuls-Absperrelementen im Längs-Einbau dargestellt. In 9 sind Schaltleisten mit Leerlauf- und Drosselstellern sowie mit Ladeimpuls-Absperrelementen im Längs-Einbau in einer Aufsicht dargestellt. In 10 sind Schaltleisten mit Leerlauf- und Drosselstellern sowie mit Ladeimpuls-Absperrelementen im Quer-Einbau in einer Aufsicht dargestellt.
In 7 ist zum ersten Mal der Zylinderkopf 74, der Ansaugkrümmer 76 und die Befestigungsschrauben 78 gezeigt.
In 8 ist zum ersten Mal die Anreihrichtung 80 von mehreren gleichartigen Impulsladeelementen gezeigt.
In 9 ist zum ersten Mal eine Anreihung parallel zur Zylinderkopf-Längsrichtung 92 gezeigt.
In 9 ist zum ersten Mal eine Anreihung 80 quer zur Zylinderkopf-Längsrichtung 92 gezeigt.
11 bis 16 stellen verschiedene mögliche Anordnungen von anreibaren multifunktionalen Luftmassensteuer- und Impulsladungseinheit mit zwei Absperrelementen dar.
11A zeigt eine Impulsladevorrichtung mit abgenommenen oberen Gehäuseteil 24.
In 11A ist zum ersten Mal die Aussparung 66 für einen Antrieb, eine Drosselung, einen Sensor und/oder einen Leerlaufsteller gezeigt.
11A zeigt eine Impulsladevorrichtung von 11A angebrachtem oberen Gehäuseteil 24.
12 bis stellt eine Kombination einer Impulsladekugel mit einer herkömmlichen Leerlauf- und/oder Drosselklappe 62 dar.
13 bis stellt eine Kombination einer Impulsladekugel mit einer herkömmlichen Leerlauf und/oder Drosselvorrichtung dar, die ebenfalls als eine Absperrkugel 64 ausgeführt ist.
14 stellt eine mögliche Aneinanderreihung von mehreren anreibaren multifunktionalen Luftmassensteuer- und Impulsladungseinheiten mit zwei Absperrelementen dar. Die einzelnen Elemente können auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden.
15 stellt eine mögliche Ausführungsform einer multifunktionalen Luftmassensteuer- und Impulsladungseinheit mit zwei Absperrelementen in einer teil-transparenten Ansicht dar.
16 stellt einige Teile einer mögliche Ausführungsform einer multifunktionalen Luftmassensteuer- und Impulsladungseinheit in perspektivischen Ansichten dar.
Ein Merkmal dieser Ausführungsformen von 11 bis 16 ist eine seitliche Abflachung des Absperrelements 2 und des Gehäuses um Platz zu sparen (Package). Das Absperrelement und das Gehäuse weisen in Richtung der Drehachse oder der Achsstummel des Absperrelements eine seitliche Abflachung auf, um die Breite des Medienmassen-Steuerelements zu verringern. Dieser Platz kann für Positionssensoren wie beispielsweise Potentiometer oder auch für Steuerelemente verwendet werden. Der Platz, der in den 11 bis 16 für das zweite Absperrelement verwendet wurde, kann auch kann für Positionssensoren wie Potentiometer oder auch für Steuerelemente verwendet werden.
17 stellt ein Medienmassen-Steuerelement mit einem integrierten elektrischen Einzelkugel-Antrieb dar. In 17 weist das Gehäuse schematisch dargestellte Erregerwicklungen 58 auf die ein Drehfeld erzeigen soll, in dem die Kugel beispielsweise als Induktionsläufer mitgeschleppt wird. Die Erregerwicklungen können je Art des geplanten Einsatzes auch anders liegen. Der integrierte Kugelläufer Motor kann als Synchronläufer ausgeführt werden. Der integrierte Kugelläufer Motor kann als ein elektrisch kommutierter Motor ausgeführt werden. Einfachere Varianten könnten einen herkömmlichen Elektromotor seitlich anflanschen. Bei erwarteten Laufzeiten von lediglich 5000 h können sehr preiswerte und wartungsfreie Elektromotoren verwendet werden. Der integrierte Motor kann als mechanisch kommutierter Motor ausgeführt sein. Der integrierte Motor kann als Nebenschluss- oder Haupschlussmaschine ausgeführt sein.
18 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansaugvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Darstellung lässt sich in drei Teilabschnitte gliedern, einen Gaszuführungs-Abschnitt, einen Plenum-Abschnitt und einen Saugrohr-Abschnitt. Hierbei ist zu bemerken, dass jeder Brennkammer ein eigener Saugrohr-Abschnitt zugeordnet ist, wobei der Plenum-Abschnitt für die Gaszuführung zu den jeweiligen den Brennkammern zugeordneten Saugrohr-Abschnitten dient.
Der erste Teilabschnitt, der Gaszuführungs-Abschnitt, umfasst den Ansaug-Luftverdichter 114, einen Luftfilter 111, hier mit einem integrierten Resonator 111', sowie eine kombinierte Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit 112, die über eine Luftzuführung 115 mit dem Ansaug-Plenum 120 verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform muss die Verbrennungsluft auf einem bestimmten Arbeitsdruck gebracht werden, damit die Impuls-Schalteinheit 132 durch Öffnen und Schließen einen Ladeimpuls erzeugt. Die von außen angesaugten Luftmassen werden hierzu durch den Ansaug-Luftverdichter 114 auf den gewünschten Arbeitsdruck verdichtet. Vorzugsweise wird hierfür als Verdichtereinheit ein Zahnrad- oder Duozentrik- (Roots-Gebläse) System Vorteilhafterweise im Bereich des Luftfilters 111 eingesetzt. Der Ansaug-Luftverdichter 114 selbst kann entweder vor oder nach dem Luftfilter angeordnet sein. Die Abbildung zeigt einen dem Ansaug-Luftverdichter 114 nachgeordnetem Luftfilter 111. Eine dem Luftfilter 111 nachgeschaltete Verdichtereinheit (diese Anordnung ist in 18 nicht dargestellt) bieten den Vorteil eines geringeren Druckverlusts als in dem Fall eines dem Ansaug-Luftverdichter 114 nachgeschalteten Luftfilters 111 (in 18 dargestellt).
Die Verdichtung der Luft führt zu deren hohen Beschleunigung und resultiert in einer hohen Luftströmungsgeschwindigkeit. Strömende Luft hoher Geschwindigkeit führt insbesondere an verschiedenen Strömungsquerschnitten, Übergängen, Vorsprüngen der Luftführungskanäle und der gleichen unter anderem zu Turbulenzen und Strömungsabrissen, aufgrund derer Luftvolumen breitbandig angeregt. Eine entsprechende Geräuschentwicklung ist die Folge, aufgrund derer es zu unannehmbaren Geräuschwahrnehmungen der Passagiere in dem Fahrzeuginnenraum kommen kann. Akustische Resonator- und Dämpfungselemente in der Luftzuführung 115 sorgen für eine verbesserte Akustik der Brennkraftmaschine im Betrieb. Entsprechend 18 und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der abgebildete Luftfilter 111 hierfür einen integrierten Resonator 111' auf.
Ansaugvorrichtungen vom Stand der Technik weisen bisher Luftmassen-Messeinheiten auf, deren Signale für das Motormanagement benötigt werden. Auf der Erfindung aufbauende Ansaugvorrichtungen benötigen neben der Luftmassen-Messeinheit eine Gasdruck-Messeinheit. Vorteilhafterweise wird eine kombinierte Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit 112, wie sie in 18 dargestellt ist, eingesetzt, die es ermöglicht, neben der Luftmasse auch den Ladedruck zu bestimmen, der für die Abstimmung des Druckes der durch die Impuls-Schalteinheit 132 erzeugten Gas-Ladeimpulse bzw. der als Kenngröße für die Ansteuerung der Impuls-Schalteinheit 132 benötigt wird.
Der zweite Teilabschnitt, der Plenum-Abschnitt, umfasst das Ansaug-Plenum 120, das mittels der Luftzuführung 115 mit Luft/Gas versorgt wird, die unter einem bestimmten Arbeitsdruck steht und von dem ausgehend die, den jeweiligen Brennkammern (Zylindern) der Brennkraftmaschine zugeordneten Saugrohre mit Luft/Gas gespeist werden. Die Darstellung zeigt exemplarisch ein Saugrohr 130, das über die Lufteintritt-Öffnung 131 mit Luft/Gas aus dem Ansaug-Plenum gespeist wird und das durch den Lufteinlass 141 in den Zylinderkopf 140 der Brennkraftmaschine mündet.
In der 18 ist im Bereich der Luftzuführung 115 ein Drosselelement 113 dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Drosselelement, vorzugsweise in einem Drosselelement-Stutzen angeordnet, ist nicht zwingender (optionaler) Bestandteil der Erfindung.
Das Ansaug-Plenum kann weitere in der 18 gezeigte Merkmale aufweisen. Zum Beispiel ist es möglich, in dem Ansaug-Plenum ein Resonanzvolumen 121 und/oder ein oder mehrere Resonanzelemente 122 (Resonanzklappe) einzubringen. Diese dienen analog zu der vorstehenden Beschreibung der Dämpfung unerwünschter durch die Luftströmungsdynamik verursachter Geräuschentwicklungen. Weiterhin kann das Ansaug-Plenum 120 zusätzliche Gaszuführungen aufweisen. So ist es möglich, über ein Abgasrückführ-Ventil 123, das in dem Ansaug-Plenum 120 eingebracht ist, einen Teil des Abgasstroms zurückzuführen, was sich insbesondere zur Reduzierung der Abgasemission von Brennkraftmaschinen als effektiv erwiesen hat. Ebenso kann ein Gasstrom verursacht durch eine Turbolader-Aufladung über ein in dem Ansaug-Plenum 120 angeordnetes Turbolader-Ventil 124 in das Ansaug-Plenum 120 eingebracht werden. Der Abgasstrom bzw. der Gasstrom der Turbo-Aufladung muss jedoch nicht in das Ansaug-Plenum münden, sondern kann auch einer oder verschiedenen anderen Orten in die Ansaugvorrichtung eingeleitet werden.
Der dritte Teilabschnitt, der Saugrohr-Abschnitt, umfasst das Saugrohr 130, das durch die Lufteintrittsöffnung 131 mit Luft/Gas aus dem Ansaug-Plenum 120 gespeist wird, und das in den Lufteinlass 141 des Zylinderkopfs 140 mündet. Wie vorstehend beschrieben, ist jeder Brennkammer der Brennkraftmaschine jeweils ein Saugrohr 130 und entsprechend ein Lufteinlass 141 in dem Zylinderkopf 140 zugeordnet.
Das Saugrohr integriert das Medienmassen-Steuerelement bzw. die Impuls-Schalteinheit 132. Diese Impuls-Schalteinheit 132 dient erfindungsgemäß einerseits als Luftdrosselelement als auch als Impuls-Erzeugungseinheit, um Luftladeimpuls zu erzeugen. In der Funktion als Luftdrosselelement kann die Impuls-Schalteinheit 132 gemäß einer Ausführungsform ein dem Ansaug-Plenum zugeordnetes Drosselelement (zum Beispiel Drosselelement 113) obsolet machen. Die Impuls-Schalteinheit 132 ist erfindungsgemäß zwischen Ansaug-Plenum 120 und Zylinderkopf 140 angeordnet und kann in Form einer oder mehrerer Klappen, einer Schaltwalze, eines Schaltzylinders, einer Schaltkugel oder irgendeines anderen Luftdrosselelements realisiert sein. Entscheidend ist jedoch, dass die Impuls-Schalteinheit 132 in der Lage ist, Luftladeimpuls zu erzeugen.
Hierzu muss die Impuls-Schalteinheit 132 eine Reihe von grundsätzlichen Anforderungen erfüllen, um in der Lage zu sein, erfindungsgemäß zu arbeiten. So muss die Schaltzeit, das heißt die Zeitspanne zwischen Öffnen und Schließen der Impuls-Schalteinheit 132, extrem kurz sein. Die durch die gleichmäßige Rotation ermöglichten extrem kurzen Schaltzeiten ermöglichen es, Luftladeinpulse mit einem Druck im Bereich von ca. 6 bar bis ca. 20 bar zu erzeugen. Der Druck der Luftladeinpulse anhängt sowohl von der Schaltzeit als auch im weiteren von dem Gesamtdruck-Niveau der Luft/Gas in dem Ansaug-Plenum 120 ab. Dieses Gesamtdruck-Niveau ergibt sich sowohl aus der Druckaufladung durch den Ansaug-Luftverdichter 114 als auch aus einer eventuellen Zuführung von einem durch einen Kompressor und/oder Turbolader verdichteten Gasstrom (z. B. mittels des Turbolader-Ventils 124) und aus einer eventuellen Zuführung eines Abgasstroms (z. B. mittels des Abgasrückführ-Ventils 123). An die Dichtheit der Impuls-Schalteinheit 132 sind hohe Anforderungen zu stellen, sodass die Leckrate gering ist, d. h., dass nahezu keine Leckrate vorliegt. Dies kann durch die Rotationsbewegung vollständig ohne spezielle Abdichtungen oder Dämpfer realisiert werden. Durch die gleichmäßige Rotation muss die bewegte Masse nicht unbedingt gering gehalten werden, da diese weder bei dem Öffnungsvorgang noch bei dem Schließvorgang beschleunigt oder abgebremst werden muss. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Aktuatoren und das Folgen auf Lastwechselreaktionen bei einer geringen bewegten Masse einfacher sicherzustellen sind. Damit keine parasitären Effekte auftreten, die schlimmstenfalls zu einer Druckverminderung der Luftladeinpulse führen, ist eine ausreichende Steifigkeit bzw. Tragverhalten gegen Verformungen verursacht, durch den Luftstrom zu gewährleisten. Da die Erzeugung der Luftladeinpulse synchron mit der Aufladung der Brennkammer der Brennkraftmaschine mit dem zu zündenden Luft/Treibstoffgemisch erfolgt, ist eine Lebensdauer von mehreren Millionen Umdrehungen leicht sicherzustellen.
Vorteilhafterweise wird die Impuls-Schalteinheit 132 in Form eines rotierenden Schaltkugelelements bzw. Schaltkugelsegmentelements realisiert. Diese Ausführungen weisen eine Reihe von maßgeblichen Vorteilen auf. So wird der Luft/Gasstrom durch diese Ausführungen der Impuls-Schalteinheit 132 nicht durch eine Welle oder andere/vergleichbare andere Elemente gestört; eine Störung des Luft/Gasstroms kann die Ausbildung von Luftladeimpulsen empfindlich behindern (verhindern) oder stören.
Außerdem können die Winkelstellung und die Winkelgeschwindigkeit dieser Ausführungen der Impuls-Schalteinheit 132, d. h. das periodische Öffnen und Schließen der Medienmassen Steuereinheit 132 durch Rotation, die als Impulssteuerelement betrieben wird, durch eine mechanische, magnetische, elektrische oder einer Kombination daraus von außen zuverlässig, schnell, reproduzierbar und einfach eingestellt werden.
Das in 18 dargestellte Saugrohr 130 weist zusätzlich eine Resonanzsteuereinheit 133, eine Abgasrückführ-Zuführung 134 und ein Drall und/oder Tumble-Element 135 auf. Die Resonanzsteuereinheit 133 dient analog zu den vorbeschriebenen Resonanzelementen (integrierter Resonator 111', Resonanzvolumen 121 und/oder Resonanzelement 122) der Dämpfung unerwünschter durch die Luftströmungsdynamik verursachter Geräuschentwicklungen. Als Resonanzsteuereinheit 133 kann zum Beispiel ein drehbares Stellelement zum steuerbaren Anwählen einer angepassten Luftdurchström-Querschnittfläche sein. Statt der Rückführung eines Teils des Abgasstroms in das Ansaug-Plenum 120 kann ein entsprechender Teil des Abgasstroms direkt in die den Brennkammern zugeordneten Saugrohre erfolgen. Hier vorzugsweise in dem Bereich zwischen Impuls-Schalteinheit 132 und Lufteinlass 141 des Zylinderkopfs 140. Das Drall- und/oder Tumble-Element ist in der Nähe des Lufteinlasses 141 bzw. vorzugsweise direkt an dem Lufteinlass 141 angeordnet und kann, wenn gewünscht und/oder erforderlich, der in die Brennkammer einfließenden Luft/Gasstrom eine vorteilhafte Strömungsform-Ausbildung, d. h. Drall oder Tumble, geben, die zu einer verbesserten Luft/Treibstoff-Durchmischung und Verteilung im Zylinder führt.
Der in 18 gezeigte Abschnitt 100 umfasst das Plenum 120 inklusive des möglichen Drosselelements 113 und einen Teilabschnitt des dargestellten Saugrohrs inklusive Impuls-Schalteinheit 132.
In 19 bis 21 sind Beispiele verschiedene Ausführungsformen von Ansaugsystemen dargestellt. 19 zeigt eine Ansaugplanung für Reihenmotore und zwei verschiedene Kugelabsperreinheiten 64 und 2 mit unterschiedlichen Durchmessern für Mehrventilmotore. Die großen Elemente sind zum Drosseln und die kleineren für die Impulserzeugung. In dem Plenum kann die Länge des Ansaugweges verändert werden (siehe Pfeil). Das Ansaugplenum 56 verfügt über eine mechanische Verstellung 54 der Ansaugwege. Eine Klappe 94 kann in den Ansaugweg eingebaut werden, um zwischen den Absperrelementen 64 und 2 hin und her schalten zu können.
In 20 zeigt eine Ansaugplanung für V-Motoren und einer Art von Kugelabsperreinheiten.
In 21 zeigt eine Ansaugplanung für V-Motoren und durchgehenden Walzen 52 zur Erzeugung von Aufladungsimpulsen.
Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen annehmen.
So kann beispielsweise das Medienmassen-Steuerelement ein Doppel- oder Mehrfach-Medienmassensteuerelement sein, das ein Absperrelement mit zwei oder mehreren Durchlassöffnungen aufweist.
Das im Wesentlichen sphärische Absperrelement kann oblat oder linsenförmig oder prolat oder Zigarren-förmig ausgebildet sein oder in einem aus Kegelstümpfen gebildeten Rotationskörper darstellen. Die Drehachse des Absperrelements liegt dabei immer parallel zu einer Symmetrieachse des Absperrelements oder des Körpers, der bei der Rotation des Absperrelements entsteht.
Die Absperrelemente können mit Rippen können und Längs- (Stringer), Schräg-, Quer-, Radial- oder auch als Tangential- Rippen versehen sein. Selbst eine aus Rippen gebildete, beispielsweise wabenförmige Struktur ist dabei denkbar und soll unter den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Die abgeflachten Bereiche des Absperrkörpers und des Gehäuses können auch leicht kegelförmig ausgeführt sein. Dann soll die Symmetrieachse des Kegels mit der Drehachse des Absperrkörpers zusammenfallen.
Die Durchgangsbohrung des Absperrelements kann beispielsweise in Bezug auf die Achse schräg verlaufen, sodass sich das Verhältnis von Öffnungszeit zu Umdrehungszeit beliebig steuern lässt. Eine oder mehrere „exzentrische" Bohrungen kann genau einen, zwei oder mehrere verschiedene Öffunungszeiträume pro Umdrehung des Schaltelements definieren.
Die Durchgangsbohrung des Absperrelements kann beispielsweise in Bezug auf die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung versetzt sein, sodass die Zeit die ein Luftimpuls benötigt um das Volumen der Durchgangsbohrung zu durchqueren berücksichtigt werden kann.
Die Durchgangsbohrung des Absperrelements kann weiterhin die Bewegung des Absperrelements beim Durchgang des Luftimpulses durch beispielsweise eine zykloide bzw. trochoide Form der Durchgangsbohrung berücksichtigen.
Zur Herstellung dieser Kugelsegment-Massensteuerelemente kann entweder das Absperrelement oder das Gehäuse geteilt werden. Die Teilung kann, vorzugsweise mittensymmetrisch, längs, quer oder schräg zur Strömungsrichtung, parallel oder senkrecht zur Drehachse ausgeführt werden. Das Absperrelement kann durch die bekannte Schmelzkerntechnologie in das Gehäuse eingeformt werden. Dabei müssen auf dem Kugelsegment die Dichtung und die Lagerelemente (Gleitlager oder andere Lagerungen und Lagerdichtungen) bereits aufgebracht sein. Das Absperrelement mit den Dichtungen und Montageteilen wird in eine niedrigschmelzende Metalllegierung eingeformt und mit dem Gehäusekörper umspritzt (Kunststofftechnik) oder umschmolzen bzw. gegossen (Metalltechnologie).
Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die aus einer Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche folgen. Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.

2: Absperrelement
4: Durchgangsöffnung
6: Lager
8: Dichtung
10: Antrieb
12: Antriebssteuer-Leitungen
14: Steuerung (Motormanagement)
16: Gaspedal-Steuerleitungen
18: Gaspedal
20: Gaspedal-Sensor (Weg/Druckaufnehmer)
22: Gehäuse
24: Gehäuseoberteil
26: Gehäuseunterteil
28: Wellenstumpf
30: Absperrelement
32: Eintrittsseite
34: Dichtung
36: Rippe
38: Stringer
40: Zwischenräume zwischen Rippen / Stringern
42: Kontaktflächen / Dichtflächen
44: Segment zu Strömungsoptimierung
46: Einlasstrom
48: Auslassstrom
50: Absperrkugel
52: Absperrwalze
54: Ansaugplenum
56: Verstellbare Ansaugwege
58: Statrowicklungen (Schematisch)
60: Antriebsachse
62: Drosselklappe
64: Drosselkugel
66: Aussparung für Antrieb / Sensoren / Drossel / Leerlaufsteller
68: Abflachung
70: die Eingangsöffnung
72: Ausgangsöffnung
74: Zylinderkopf
76: Ansauganlage / Ansaugkrümmer
78: Befestigungsschraube
80: Anreihungsrichtung
82: Rotationsrichtung
84: Durchmesser des Absperrelements
86: Abmessung der Durchgangsöffnung
88: Abmessung der Eingangsöffnung des Gehäuses
90: Bauhöhe der Impulsladevorrichtung (bei ruhendem Absperrelement)
92: Richtung des Motorblocks
94: Umschaltklappe zwischen Drosselung und Impulsaufladung
111: Luftfilter
111': integrierter Resonator
112: kombinierte Luftmassen- und Gasdruck-Messeinheit
113: Drosselelement
114: Ansaug-Luftverdichter
115: Luftzuführung
120: Ansaug-Plenum
121: Resonanzvolumen
122: Resonanzelement
123: Abgasrückführ-Ventil
124: Turbolader-Ventil
130: Saugrohr
131: Lufteintrittsöffnung
132: Medienmassen-Steuerelement
133: Resonanzsteuereinheit
134: Abgasrückführ-Zuführung
135: Drall- und/oder Tumble-Element
140: Zylinderkopf
141: Lufteinlass

Claims

Medienmassen-Steuerelement, mit einem Gehäuse mit mindestens einer Eingangsöffnung. (70) und mindestens einer Ausgangsöffnung (72), und mindestens einem Absperrelement (2), das in dem Gehäuse drehbar gelagert ist, wobei das Absperrelement (2) mindestens eine Durchgangsöffnung (4) aufweist, wobei das Absperrelement (2) eine durch eine Durchführung definierte Drehachse aufweist, um die es mechanisch gedreht werden kann, wobei die Eingangsöffnung (70), die Durchgangsöffnung (4) und die Ausgangsöffnung (72) in zumindest einer Stellung des Absperrelements (2) im Wesentlichen miteinander fluchten und in zumindest einer anderen Stellung des Absperrelements (2) die Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsöffnung vollständig verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (2) mit einem Antrieb versehen ist, durch den das Absperrelement in Rotation versetzt werden kann, wobei die Durchgangsöffnung die Eingangsöffnung (70) und die Ausgangsöffnung (72) im Wesentlichen periodisch verbindet und verschließt, um eine Impulsladefunktion bereitzustellen.
Medienmassen-Steuerelement, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als ein in dem Gehäuse untergebrachter Aktuator ausgeführt ist, der geeignet ist, das Absperrelement in Rotation zu versetzen.
Medienmassen-Steuerelement, gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens ein zweites Luftmassen-Steuerelement aufweist.
Medienmassen-Steuerelement, gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Absperrelement (2) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Geometrie aufweist.
Medienmassen-Steuerelement, gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Absperrelement (2) eine im Wesentlichen sphärische Geometrie aufweist.
Medienmassen-Steuerelement, gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Medienmassen-Steuerelements für die Kunststofftechnik optimiert sind.
Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Absperrelement (2) in dem Gehäuse durch mindestens ein Lager (13) rotierbar gelagert ist.
Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (2) zumindest eine umlaufende Dichtung (34) aufweist, die im geschlossenen Zustand des Absperrelements (2) die Eingangs- (70) und die Ausgangsöffnung (72) abdichtet.
Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) zumindest eine umlaufende Dichtung aufweist, die im geschlossenen Zustand des Absperrelements (2) die Eingangs- (70) und/oder die Ausgangsöffnung (72) abdichtet.
Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medienmassen-Steuerelement mindestens einen Sensor aufweist.
Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (2) so an die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors gekoppelt ist, dass sich das Absperrelement proportional zu der Bewegung der Kurbelwelle bewegt.
Medienmassen-Steuerelement gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung in Bezug auf den Phasenwinkel gesteuert werden kann.
Ansaugvorrichtung, insbesondere als Luftansauganlage für eine Brennkraftmaschine, die den Brennkammern zugeordnete Lufteinlässe (141) in einen Zylinderkopf (140) der Brennkraftmaschine aufweist, mit einem jeder Brennkammer zugeordneten Saugrohr (130), das an einem Ende in einen der Lufteinlässe (141) mündet und das an einem anderen Ende eine Lufteintritt-Öffnung (131) eines Ansaugplenums (120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Saugrohre (130) und/oder die Luftzuführung (115) mindestens ein Medienmassen-Steuerelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Ansaugvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Medienmassen-Steuerelement eine zugeordnete Ansteuervorrichtung aufweist, die in der Lage ist, Luftladeimpuls hohen Drucks zu erzeugen, indem das Medienmassen-Steuerelement durch eine im Wesentlichen gleichförmige Rotation periodisch geöffnet und geschlossen wird.