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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einlassen von
Luft in einen Verbrennungsmotorzylinder, insbesondere für einen
Dieselmotor mit Direkteinspritzung.
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Bei
Verbrennungsmotoren, ob es sich nun um Benzin- oder eher Dieselmotoren
mit Direkteinspritzung handelt, ist es zum Sicherstellen eines korrekten
Mischens zwischen der Luft und dem Kraftstoff in dem Zylinder erforderlich,
der Luft in der Brennkammer eine Drehbewegung aufzuerlegen. Diese
Drehbewegung um eine Achse parallel zu der Zylinderachse zeichnet
sich durch das Verhältnis
der Drehzahl der Luft in dem Zylinder zur Drehzahl des Motors aus.
Man nennt das Verhältnis
zwischen der Drehzahl der Luft, die am Einlass geschaffen wird, und
der Drehzahl des Motors „Verwirbelungsverhältnis" oder allgemeiner „Swirl". Bei einem Dieselmotor mit
Direkteinspritzung ist ein solches Verwirbelungsverhältnis oder
Swirl, das im Augenblick der Einspritzphase erforderlich ist, besonders
für den
Betrieb des Motors bei niedriger Last wünschenswert.
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Ferner
definiert man die Permeabilität
in einem Verbrennungsmotorzylinder, insbesondere Dieselmotor, als
das Verhältnis
des effektiven Durchgangsquerschnitts, der von dem Einlassventil
freigelegt wird, zu dem Querschnitt des Zylinders. Die Permeabilität hängt daher
nicht nur von dem Druckunterschied zu beiden Seiten des Einlassventils
ab, sondern auch von dem in den Zylinder eingelassenen Luftdurchsatz.
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Im
Allgemeinen ist eine Erhöhung
des Swirls aufgrund einer Verringerung des Durchgangsquerschnitts
am Einlass mit einem starken Abfallen der Permeabilität verbunden.
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Beim
Bemessen eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung strebt man im
Allgemeinen danach, zuerst den Betrieb des Motors bei Volllast zu
optimieren. Man kann auch einen Swirlwert auswählen, der einen Kompromiss über den
ganzen Betriebsbereich des Motors aufweist, mit einer oder zwei
Einlassleitungen. Dieser Swirlwert entspricht in diesem Fall jedoch
nicht dem optimalen Wert, der für
große
Lasten erforderlich wäre,
und auch nicht für
geringe Lasten.
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Die
japanische Patentanmeldung
JP
11 022 470 (TOYOTA) beschreibt eine Einlassvorrichtung
für Benzinmotor,
die zwei Einlassleitungen pro Zylinder aufweist, wobei eine der
Leitungen mit einer Wand ausgestattet ist, die sie in zwei Teile
teilt. Zwei Drosselventile sind vorgesehen, das eine, das auf den Gesamtquerschnitt
der nicht geteilten Leitung einwirkt, das andere, das auf einen
der zwei Teile der geteilten Leitung einwirkt. Dieser besondere
Aufbau wird für
eine optimierte Einspritzung des Kraftstoffs verwendet, wenn der
Motor mit einem armen Gemisch funktioniert. Das Ziel dieser Vorrichtung
besteht darin, das Verschmutzen der Kerze zu verringern. Die Anordnung
der zwei Einlassleitungen ist an der Stelle, an der sie in den Zylinder
münden,
derart, dass es nicht möglich
ist, einen natürlichen
Swirl zu erzielen, wenn die Verschlussmittel in den zwei Leitungen
in offener Stellung sind. Das Problem des Erstellens eines Swirls
wird übrigens
in diesem früheren
Dokument nicht erwähnt.
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Die
britische Patentanmeldung
GB
2 311 328 (FORD MOTOR) beschreibt eine Einlassvorrichtung, die
eine einzige Einlassleitung pro Zylinder aufweist, die von einer
Innentrennwand in zwei Teile geteilt wird. Eine einstellbare Verschlussklappe
ist am Eingang eines der zwei Teile der Leitung angeordnet. Man
erzielt daher eine Einwirkung auf den Swirl in Abhängigkeit
von der Einstellung des Verschlussventils und gemäß dem Betriebspunkt
des Motors. Das dabei angestrebte Ziel besteht darin, einen sanften Übergang
zwischen den verschiedenen Betriebsarten des Motors zu erzielen.
Zur Notwendigkeit, eine hohe Permeabilität aufrechtzuerhalten und die
Swirlwerte und Permeabilitätswerte
zu optimieren wird für keine
Betriebsart des Motors eine Angabe gemacht.
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Die
japanische Patentanmeldung
JP
8 061 072 (FUJI) beschreibt eine Einlassvorrichtung mit zwei
Leitungen pro Zylinder, die mit einstellbaren Verschlussventilen
versehen sind, wobei die Einheit so angeordnet ist, dass eine Drehbewegung
der Luft um eine Achse parallel zu der des Zylinders (Swirl) erzeugt
wird sowie eine Drehbewegung der Luft um eine Achse senkrecht zu
der des Zylinders (Tumble). Die Art, in welcher die Einlassleitungen
in den Zylinder münden,
ist derart, dass es nicht möglich
ist, einen natürlichen
Swirl zu erzielen, wenn die Verschlussvorrichtungen bei hohen Motordrehzahlen
offen sind.
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Das
Dokument
DE 19 942
169 A beschreibt eine Vorrichtung zum Einlassen von Luft
in einen Verbrennungsmotorzylinder wie im Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Einlassen von Luft
in einen Verbrennungsmotorzylinder zur Aufgabe, welche die Nachteile
der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und es insbesondere erlaubt,
den Wert des Swirls zu erhöhen, ohne
einen zu starken Abfall der Permeabilität nach sich zu ziehen, und
daher das Erzielen eines optimierten Kompromisses zwischen Swirl
und Permeabilität
für alle
Betriebspunkte des Motors zu erzielen.
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Die
Erfindung hat auch eine Einlassvorrichtung zur Aufgabe, die es natürlich erlaubt,
eine mit einer hohen Permeabilität
verbundene Swirlbewegung zu erzielen, die zu einem besseren Füllen des
Motors bei hohen Betriebslasten des Motors beiträgt.
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Die
Lufteinlassvorrichtung in einen Verbrennungsmotor zylinder gemäß der Erfindung
weist mindestens zwei Einlassleitungen auf, die den Zylinderkopf
des Motors mit der Einlasszone in dem Zylinder verbinden, die jeweils
durch ein Einlassventil verschließbar sind. Die Öffnungen
der zwei Einlassleitungen, die in den Zylinder münden, sind so angeordnet, dass
die Gerade, die die Mitte der Öffnungen
in einer Ebene senkrecht zur Achse des Zylinders verbindet, einen
Winkel zwischen 30° und
90° mit
der Seite gegenüber
dem Zylinderkopf bildet. Ferner sind die zwei Leitungen durch eine
Innentrennwand in zwei Teile geteilt, und stufenlos einstellbare
Verschlussmittel sind in jedem der Teile jeder geteilten Leitung
installiert.
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Dank
dieses Aufbaus erzielt man eine beträchtliche Swirlbewegung, sogar
wenn die Verschlussmittel offen sind, und eine allmähliche und
ununterbrochene Erhöhung
dieser Swirlbewegung durch Einwirken auf die Verschlussmittel in
die Verschlussrichtung, um den Swirl an jede Betriebsphase des Motors
anzupassen. Ferner erlaubt es der Einsatz von zwei Einlassleitungen,
von einer hohen Permeabilität
für alle
Betriebspunkte zu profitieren, was daher zu einem besseren Füllen des
Motors beiträgt.
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Der
Teil der Leitung, der die Verschlussmittel aufweist, ist vorteilhafterweise
der, der an der Stelle in den Zylinder mündet, die von der äußeren zylindrischen
Wand des Zylinders am weitesten entfernt ist.
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Die
Verschlussmittel können
je nach der angestrebten Wirkung gleichzeitig für die zwei Leitungen gesteuert
werden oder als Variante einzeln für jede Leitung.
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Jede
Innentrennwand erstreckt sich vorzugsweise über die ganze Länge der
Leitung, vom Eingang des Zylinderkopfs bis in die Nähe der Achse des
entsprechenden Einlassventils, obwohl man auch kürzere Trennwände verwenden
kann.
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Die
Verschlussmittel können
eine in Verschiebung bewegliche Klappe des Guillotinetyps, eine
Klappe, die um eine Achse senkrecht zu der Achse der Leitung dreht,
des Drosseltyps, innerhalb der Leitung installiert, oder des Kegelventiltyps,
zum Teil außerhalb
der Leitung installiert, aufweisen.
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Vorzugsweise
münden
die Leitungen im Wesentlichen tangential in den Zylinder.
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Die
Erfindung wird in der Hauptsache in Dieselmotoren mit Direkteinspritzung
verwendet. Sie kann auch bei Benzinmotoren verwendet werden.
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Die
Erfindung wird anhand der Untersuchung einer Ausführungsform
besser verstanden, die beispielhaft und nicht einschränkend von
den anliegenden Figuren veranschaulicht wird, auf welchen:
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1 eine
sehr schematische Draufsicht eines Dieselmotorzylinders mit Direkteinspritzung
ist, die auch die Stellung der Einlassleitungen und ihre Verschlussmittel
zeigt,
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2 schematisch
in Seitenansicht eine Einlassleitung veranschaulicht, die ein Verschlussmittel
gemäß einer
ersten Variante aufweist, und
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3 eine
schematische Ansicht analog zu 2 ist, die
eine weitere Variante von Verschlussmitteln zeigt.
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Wie
in 1 dargestellt, weist die für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung
geeignete Einlassvorrichtung für
jeden Zylinder 1 zwei Einlassleitungen 2, 3 auf,
die die Oberseite der Brennkammer mit dem Zylinderkopfeingang 24,
durch welchen die Luft entlang des Pfeils 5 eintritt, verbinden.
Jede Leitung 2, 3 mündet in den Zylinder 1 auf
einem Einlassventil 4, 5, das einen Schaft 4a, 5a aufweist,
der mit dem Ventilkopf 5b, der in 2 sichtbar
ist, verbunden ist.
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Die
zwei Leitungen 2 und 3 sind derart angeordnet,
dass sie in den Zylinder auf besondere Art münden. Die gestrichelte Gerade 6 in 1,
die die Mitte der Öffnungen
der Einlassleitungen 2 und 3, die in den Zylinder 1 münden, verbindet,
und die auch die Achsen der Schäfte 4a, 5a der
Ventile 4, 5 verbindet, bildet einen Winkel α mit der
Seite gegenüber 7 dem Zylinderkopf.
In dem veranschaulichten Beispiel liegt der Winkel α in der Größenordnung
von 60°.
Erfindungsgemäß ist so
vorzugehen, dass dieser Winkel α zwischen
etwa 30° und
90° bleibt.
Die zwei Leitungen 2, 3 sind ferner derart angeordnet,
dass sie in den Zylinder 1 im Wesentlichen tangential in
Bezug auf den Zylinder 1 münden, wie aus 1 ersichtlich. Mit
anderen Worten ist die allgemeine Ausgangsrichtung der Luft, die
aus den Einlassleitungen 2 und 3 stammt, die in 1 von
den Pfeilen 8 und 9 dargestellt wird, im Wesentlichen
tangential zu der Außenwand
des Zylinders 1. Dank dieser Anordnungen erzielt man einen
starken Swirl-Luftdreheffekt
in dem Zylinder.
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Die
zwei Leitungen 2, 3 sind jeweils von einer Innentrennwand 10, 11 in
zwei Teile geteilt, die sich über
die ganze Länge
der entsprechenden Leitung 2, 3 erstreckt, das
heißt
von der Einlassöffnung
der Leitung in Verbindung mit dem Zylinderkopfeingang 24 bis
in die unmittelbare Nähe
der Achse 4a, 5a des entsprechenden Einlassventils.
Als Variante könnte man
sich eine kürzere
Innentrennwand vorstellen, die nicht bis zu der Achse des entsprechenden
Ventils geht.
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Die
Trennwand 10 teilt die Einlassleitung 2 in einen
ersten äußeren Teil 2a und
einen zweiten inneren Teil 2b, der näher an der Achse des Zylinders 1 als
der äußere Teil 2a mündet, welcher
näher an
der peripheren Außenwand
des Zylinders 1 mündet.
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Ebenso
teilt die Trennwand 11 die Einlassleitung 3 in
einen äußeren Teil 3a und
einen inneren Teil 3b, wobei der innere Teil 3b in
dem Zylinder näher
an der Achse des Zylinders 1 mündet als der Teil 3a,
der seinerseits näher
an der peripheren äußeren Fläche des
Zylinders 1 mündet.
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Verschlussmittel,
die in dem in 1 veranschaulichten Beispiel
aus in Verschiebung beweglichen Klappen mit den Bezugszeichen 12 und 13 des Guillotinetyps
bestehen, können
einen Teil jeder der geteilten Leitungen 2, 3 verschließen.
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Die
Verschlussklappen 12, 13 sind so installiert,
dass sie die unteren Teile 3b und 2b der zwei Einlassleitungen 2 und 3 verschließen oder
sie komplett öffnen
können,
wobei jede Zwischenstellung ferner wie in 1 veranschaulicht
eingenommen werden kann. Das Bewegen in Verschiebung der Klappen 12, 13 erfolgt
mittels eines Steuerschafts 14, der in Verschiebung in
eine Richtung und in die andere Richtung entlang des Pfeils 15 verschoben
werden kann.
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In 1 findet
man ferner schematisch dargestellt zwei Auslassleitungen 16, 17,
die mit den Auslassventilen 18, 19 zusammenwirken.
Schließlich wurde
schematisch in im Wesentlichen zentraler Position ein Kraftstoffeinspritzer 20 dargestellt.
Es ist natürlich
klar, dass die Position dieses Einspritzers, wie auch die der Auslassleitungen 16, 17 geändert werden
kann, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Man könnte
auch ein einziges Auslassventil vorsehen.
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Die
besondere Anordnung der zwei Einlassleitungen 2, 3 gemäß der Erfindung
erlaubt es natürlich,
wenn die Verschlussklappen 12, 13 in völlig offener
Stellung sind, ein gutes Füllen
mit Luft des Motors mit einer hohen Permeabilität dank des Einsatzes von zwei Leitungen
zu erzielen, die für
die eingelassene Luft einen großen
effektiven Durchgangsquerschnitt definieren. Man erzielt in diesem
Fall sogar eine natürliche
Swirlwirkung dank der besonderen Anordnung der zwei Einlassventile 4, 5 und
der Neigung gemäß einem
Winkel α zwischen
30° und
90° der
Geraden, welche die Achsen der zwei Einlassventile verbindet, in
Bezug auf die Seite gegenüber dem
Zylinderkopf. Daraus ergibt sich nämlich eine Anordnung der Einlassventile 4 und 5,
die im Vergleich zur Achse des Zylinders 1 ausreichend
exzentrisch ist und es erlaubt, ein signifikantes Drehmoment des
Fließens
zu erzielen, das durch die Öffnung der
Leitungen 2 und 3, die in den Zylinder 1 münden, austritt.
Man erzielt daher, wenn die Verschlusssysteme offen sind, einen
natürlichen
Swirl verbunden mit hoher Permeabilität.
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Wenn
die Verschlussklappen 12, 13 in kompletter Verschlussstellung
sind, dringt die Luft in den Zylinder 1 nur durch die zwei äußeren Teile 2a, 3a ein,
was daher einen sehr starken Swirl für die Betriebspunkte des Motors
mit niedriger Last sicherstellt. Die Permeabilität reicht weiterhin dank der Existenz
der zwei Teile der Leitung 2a und 3a.
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Bei
einer in 1 dargestellten Zwischeneinstellposition
ist es möglich,
die Luftmenge, die von den Teilen 2b und 3b jeder
der Leitungen 2, 3, die der Achse des Zylinders 1 am
nächsten
liegen, eingelassen wird, allmählich
zu verringern. Diese Teile 2b und 3b der Leitungen 2 und 3 sind
die, die den Luftfluss transportieren, der für das Erzeugen eines Swirls
am wenigsten günstig
ist. Es ist daher möglich,
für jeden der
Betriebspunkte des Motors einen optimierten Kompromiss zwischen
dem Swirl und der Permeabilität
zu erzielen, indem man allmählich
die Geschwindigkeitskomponenten der eingelassenen Luft, die am wenigsten
zum Swirl beitragen, verringert und gleichzeitig im Gegenteil die
Geschwindigkeitskomponenten der einge lassenen Luft, die am meisten
Swirl erzeugen, beibehält,
wobei die Teile 2a und 3a der Leitungen 2 und 3 immer
offen bleiben.
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Die
in 2 veranschaulichte Ausführungsform zeigt eine Verschlussvorrichtung
bestehend aus einem Drosselventil 21, das um eine Achse 22 dreht und
im Inneren der Leitung 3 installiert ist.
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Die
in 3 veranschaulichte Ausführungsform zeigt als Variante
ein Verschlussmittel, das aus einem Drehkegel 23 besteht,
der zum Teil außerhalb der
Leitung 3 installiert ist, und der oberhalb oder unterhalb
der Leitung installiert werden kann.
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Bei
dem veranschaulichten Beispiel, insbesondere in 1,
werden die Verschlussklappen 12, 13 gemeinsam
von einem einzigen Steuerschaft 14 betätigt. Man könnte natürlich eine differenzielle Betätigung jedes
der Verschlussmittel, das jeweils den zwei Einlassleitungen entspricht,
in Betracht ziehen.
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Obwohl
die Erfindung anhand eines Einsatzbeispiels in einem Dieselmotor
mit Direkteinspritzung veranschaulicht wurde, ist es klar, dass
die Erfindung auch in einem Benzinmotor verwendet werden kann und
allgemeiner jedes Mal, wenn es wünschenswert ist,
einen ununterbrochen variablen Swirl zu schaffen, ohne an Permeabilität einzubüßen.