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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Verbrennungskraftmaschine, die zumindest einen Zylinder aufweist,
zumindest zwei Saugventile pro Zylinder sowie einzelne längere und
kürzere
Saugkanäle für jeden
Zylinder, wobei jeder Saugkanal mit einem Saugventil kommuniziert.
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Während
des Saughubs eines Kolbenmotors ist es wünschenswert, dass soviel Luft
wie möglich dem
Zylinderraum zugeführt
wird. Aus diesem Grund ist jeder Zylinder normalerweise mit mehreren
Saugventilen und Saugkanälen
versehen. Wenn die Saugventile geöffnet werden, strömt Luft
durch die Saugkanäle
hindurch und in den Zylinderraum hinein. Eine Niedrigdruckwelle
pflanzt sich dann in den Saugkanälen
von dem Zylinderraum aus fort. Wenn diese Welle ein offenes Ende
des jeweiligen Saugkanals erreicht, wird eine Hochdruckwelle ausgebildet,
die in Richtung des Zylinderraums strömt. Durch Anordnen der Saugkanäle mit unterschiedlichen
Längen
erreicht die Hochdruckwelle in dem jeweiligen Saugkanal den Zylinderraum
zu unterschiedlichen Zeiten. Wenn zumindest einer der Saugkanäle mit einer
Länge versehen
ist, die so angepasst ist, dass die Hochdruckwelle den Zylinderraum
am Ende des Saughubs oder am Beginn des Kompressionshubs erreicht,
kann die Luftmenge in dem Zylinderraum gesteigert werden.
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Aus US-A-5 009 200 ist es bereits
bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Sauganordnung
vorzusehen, in welcher die Saugkanäle zu dem jeweiligen Saugventil
unterschiedliche Längen haben.
Bei einer niedrigen Motorgeschwindigkeit ist nur der längste Saugkanal
offen, während
die kürzeren
geschlossen sind, und zwar mit Hilfe von Drosseln. Wenn die Motorgeschwindigkeit
steigt, wird die Drossel in einem der kürzeren Saugkanäle geöffnet, und
zwar gleichzeitig mit dem Kürzen
der effektiven Länge
des langen Saugkanals, und zwar indem eine zu diesem Kanal gehörende Seitendrossel
geöffnet wird.
Bei hohen Motorgeschwindigkeiten sind alle Drosseln der Saugkanäle geöffnet, und
gleichzeitig ist die effektive Länge
der längeren
Saugkanäle
verkürzt,
und zwar mittels Seitendrosseln, so dass die effektive Länge aller
Saugkanäle
identisch ist.
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Ein Nachteil dieser Sauganordnung
ist die große
Anzahl von Drosseln, die erforderlich ist, damit die Sauganordnung
funktioniert. Diese Sauganordnung erfordert daher eine große Anzahl
von sich bewegenden Komponenten sowie eine spezielle Steueranordnung
zum Steuern der Drosseln.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art
zu schaffen, die eine geringe Anzahl von Komponenten aufweist, die
speziell dazu bestimmt sind, das Ansaugen von Luft zum Steigern
des Drehmoments sowie der Leistung der Verbrennungskraftmaschine
zu steuern.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist
es, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei welcher diejenigen
Komponenten, die speziell dazu bestimmt sind, die Ansaugung von
Luft zu steuern, nur einen geringen Raum einnehmen.
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Gemäß der Erfindung wird dies erzielt
mittels der in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 12 definierten Merkmale.
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In einer Verbrennungskraftmaschine
gemäß dem Anspruch
1 besteht keine Notwendigkeit für
separate Drosseln, die die Saugkanäle öffnen und schließen. Stattdessen
werden die Saugventile der Verbrennungskraftmaschine dazu verwendet,
die Saugkanäle
zu definierten Zeitpunkten zu öffnen
und zu schließen.
Als Ergebnis nimmt die Sauganordnung nur einen geringen Raum ein.
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Die Erfindung wird genauer mit Bezug
auf die in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
erläutert,
wo:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zeigt,
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2 eine
perspektivische Ansicht der Verbrennungskraftmaschine gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt,
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3 ein
Ventilhubdiagramm für
eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
zeigt,
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4 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zeigt,
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5 eine
dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zeigt,
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6 eine
Drehmomentkurve für
eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
sowie eine Drehmomentkurve für
eine herkömmliche
Verbrennungskraftmaschine zeigt,
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7 eine
vierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zeigt,
und
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8 eine
Drehmomentkurve für
eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vierten Ausführungsform
zeigt.
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Eine Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist in 1 dargestellt. Die
Verbrennungskraftmaschine 1 weist vorzugsweise mehrere
Zylinder 3 auf, und jeder Zylinder 3 hat zumindest
zwei Saugventile 4, 5. Die Erfindung kann jedoch
auch auf eine Verbrennungskraftmaschine mit einem einzigen Zylinder
angewandt werden. Eine Sauganordnung 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 weist
einzelne Saugkanäle 6, 7 mit
längerer
und kürzerer
Länge für jeden
Zylinder 3 auf. Gemäß der Ausführungsform
in 1 weist die Sauganordnung 2 einen
ersten und einen zweiten Saugkanal 6 bzw. 7 auf,
welche mit einem ersten 4 bzw. einem zweiten Saugventil 5 kommunizieren.
Der erste Saugkanal 6 ist kürzer als der zweite Saugkanal 7.
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Der erste 6 und der zweite
Saugkanal 7 sind nebeneinander her angeordnet, wie es genauer
in einer diagrammatischen perspektivischen Ansicht in 2 dargestellt ist. Der erste
6 und der zweite Saugkanal 7 erstrecken sich im Wesentlichen
parallel zueinander schräg
in Richtung des ersten 4 bzw. des zweiten Saugventils 5.
Ein Einspritzventil 8 für
Brennstoff kann zwischen dem ersten 6 und dem zweiten Saugkanal 7 angeordnet
sein. Der erste 6 und der zweite Saugkanal 7 haben
ein erstes Ende 9 bzw. 10, das sich in den Zylinderraum 11 des
Zylinders 3 hinein öffnet.
Das erste Ende 9, 10 des jeweiligen Saugkanals 6, 7 kann
mittels des ersten 4 bzw. des zweiten Saugventils 5 geöffnet und
geschlossen werden. Der erste 6 und der zweite Saugkanal 7 haben
ein zweites Ende 12 bzw. 13, das sich in einen
Sammelbereich 14 hinein öffnet. Dieser Sammelbereich 14 kommuniziert
mit einer Lufteinlassöffnung 15,
in welcher ein Luftfilter (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann.
Wenn der Motor 1 läuft,
wird Luft durch die Lufteinlassöffnung 15 hindurch
in den Sammelbereich 14 hineingesaugt und weiter durch
den ersten 6 und den zweiten Saugkanal 7 hindurch
zu dem Zylinderraum 11.
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Am Beginn des Saughubs oder am Ende
des Auslasshubs öffnen
sich das erste 4 und das zweite Saugventil 5 gleichzeitig.
Dies kann mittels einer Nockenwelle 16 erzielt werden,
die den Zeitpunkt der Öffnung
und des Schließens
der Saugventile 4, 5 steuert und Nocken 17 und 18 hat,
die auf das Ventil 4 bzw. das Ventil 5 einwirken.
Damit sich die Saugventile 4 und 5 gleichzeitig öffnen, haben
die Nocken 17 und 18 Öffnungsflanken 19 bzw. 20,
die im Wesentlichen eine identische Gestalt haben. Es ist jedoch
auch denkbar, dass das erste 4 und das zweite Saugventil 5 sich
zu unterschiedlichen Zeitpunkten öffnen.
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Wenn sich die Saugventile 4 und 5 öffnen, verbreitet
sich eine Niederdruckwelle zunächst
von dem Zylinderraum 11 aus weiter zu dem ersten Ende des
jeweiligen Saugkanals 6, 7 in Richtung des Sammelbereichs 14.
Die Niederdruckwelle, die sich in dem ersten Saugkanal 6 fortpflanzt,
erreicht den Sammelbereich 14 vor der Niederdruckwelle,
die sich in dem zweiten Saugkanal 7 fortpflanzt, da der
erste Saugkanal 6 kürzer
als der zweite Saugkanal 7.
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Wenn die Niederdruckwelle in dem
ersten Saugkanal 6 das zweite Ende 12 des ersten
Saugkanals 6 erreicht, kehrt sich die Niederdruckwelle
um und bildet stattdessen eine Hochdruckwelle. Es ist schon lange
bekannt, dass, wenn eine Niederdruckwelle ein offenes Leitungsende
oder Röhrenende
erreicht, sich diese Welle umkehrt und sich der Unterdruck in einen Überdruck
umkehrt, d. h. eine Hochdruckwelle sich ausbildet. Die Hochdruckwelle
in dem ersten Saugkanal 6 pflanzt sich so in Richtung des
ersten Endes des ersten Saugkanals 6 fort und weiter in
den Zylinderraum 11 hinein. Gleichzeitig pflanzt sich die
Niederdruckwelle in dem zweiten Saugkanal 7 fort und kehrt
sich um, wenn sie das zweite Ende 13 des Saugkanals 7 erreicht.
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Wenn die Niederdruckwelle in dem
zweiten Saugkanal 7, d. h. in dem längeren Saugkanal 7,
sich umgekehrt hat und sich in Form einer Hochdruckwelle in Richtung
des Zylinderraums 11 fortpflanzt, nähert sich der Kolben 21 in
dem Zylinder 3 dem unteren Totpunkt (nicht dargestellt),
nach welchem der Kompressionshub beginnen soll. Bevor die Hochdruckwelle
den Zylinderraum 11 erreicht, wird das erste Saugventil 4 geschlossen,
und demzufolge wird der erste Saugkanal 6 verschlossen.
Dies wird mittels der Nocke 17 erzielt, die das erste Saugventil 4 steuert
und eine Gestalt hat, die die Öffnung
des ersten Saugventils 4 früher unterbricht als die Nocke 18 für das zweite
Saugventil 5. Die Schließflanke 22 der Nocke 17 für das erste
Saugventil 4 ist so an der Nockenwelle 16 verglichen
mit der Schließflanke 23 der Nocke 18 für das zweite
Saugventil 5 versetzt. Ein Grund dafür, warum das erste Saugventil 4 geschlossen
sein muss, bevor die Hochdruckwelle in dem zweiten Saugkanal 7 den
Zylinderraum 11 erreicht, ist, dass keine Ansaugluft durch
den ersten Saugkanal 6 hindurch ausströmen darf, wenn die Hochdruckwelle
in dem zweiten Saugkanal 7 den Zylinderraum 11 erreicht.
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Das erste Saugventil 4 ist
so geschlossen und das zweite Saugventil 5 geöffnet, wenn
die Hochdruckwelle in dem zweiten Saugkanal 7 den Zylinderraum 11 erreicht.
Um sicherzustellen, dass soviel Luft wie möglich in den Zylinderraum 11 hineinströmen wird,
wird das zweite Saugventil 5 geschlossen, nachdem der Kompressionshub
begonnen hat.
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Wie oben bereits erwähnt, ist
dies in diagrammatischer Form in dem Ventilhubdiagramm gemäß 3 dargestellt. Die Position
des ersten Saugventils 4 ist durch die kontinuierliche
Linie I in 3 dargestellt,
und die Position des zweiten Saugventils 5 ist durch die
kontinuierliche Linie II dargestellt. Am Ende des Auslasshubs werden
das erste und das zweite Saugventil 4 und 5 gleichzeitig
geöffnet.
Gemäß der in 3 dargestellten erläuternden
Ausführungsform
findet dies ungefähr
bei einem Kurbelwellenwinkel von 340 Grad statt. Anschließend sind
die Saugventile 4 und 5 im Wesentlichen identisch
geöffnet,
bis ein Kurbelwellenwinkel von ungefähr 450 Grad erreicht ist, und
anschließend
beginnt das erste Saugventil 4 sich zu schließen. Das
erste Saugventil 4 ist bei einem Kurbelwellenwinkel von
ungefähr –160 Grad
vollständig
geschlossen. Es wird darauf hingewiesen, dass das zweite Saugventil 5 zu
diesem Punkt noch geöffnet
ist, und zwar aus den oben erwähnten
Gründen.
Das zweite Saugventil 5 ist bei einem Kurbelwellenwinkel
von ungefähr –120 Grad vollständig geschlossen.
Aus Klarheitsgründen
wird darauf hingewiesen, dass am oberen Totpunkt, wenn der Expansionshub
beginnt, die Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Motors 1 sich
bei einem Winkel von Null Grad befindet.
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Eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit
einer Sauganordnung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform
ist in 4 dargestellt.
Anstelle der beiden Saugkanäle 6 und 7,
die parallel zueinander in Richtung des Zylinderraums 11 laufen,
wie in der ersten Ausführungsform
gemäß 1, läuft hier der erste Saugkanal 6 von
der Oberseite der Verbrennungskraftmaschine 1 abwärts in Richtung
des Zylinderraums 11. Der zweite Saugkanal 7 läuft dagegen schräg und geneigt
in Richtung des Zylinderraums 11. Der erste Saugkanal 6 ist
kürzer
als der zweite Saugkanal 7. Die Saugkanäle 6 und 7 öffnen sich
in einen Sammelbereich 14 hinein, der an der Oberseite der
Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Die Sauganordnung 2 gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
bietet genügend
Platz, um ein Einspritzventil 8 für Brennstoff neben dem zweiten
Saugkanal 7 anzuordnen.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform,
die in 5 dargestellt
ist, kann eine Drossel 24, 25 in dem ersten und/oder
dem zweiten Saugkanal 6, 7 angeordnet sein. Die
Drossel 24, 25 kann für unterschiedliche Betriebsmodi
der Verbrennungskraftmaschine 1 geschlossen oder geöffnet werden,
um eine optimale Funktionsweise der Verbrennungskraftmaschine 1 zu ermöglichen.
Beispielsweise kann die Drossel 25 in dem zweiten längeren Saugkanal 7 geschlossen
und die Drossel 24 in dem ersten kürzeren Saugkanal 6 geöffnet werden
bei niedrigen Geschwindigkeiten der Verbrennungskraftmaschine 1,
um einen Luftwirbel in dem Zylinderraum 11 zu erzeugen
und dadurch für ein
besseres Durchmischen zwischen Luft und Brennstoff zu sorgen.
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Die Länge des ersten 6 und
des zweiten Saugkanals 7 ist vorzugsweise fest, aber es
ist auch denkbar, dass die Länge
des zweiten Saugkanals 7 geregelt wird, beispielsweise
mittels einer Seitendrossel 26, die in einer Seitenöffnung 27 in
der Wand 28 des zweiten Saugkanals 7 angeordnet
ist. Ein Seitenkanal 29 ist zwischen der Seitenöffnung 27 in
der Wand 28 des zweiten Saugkanals 7 und dem Sammelbereich 14 angeordnet.
Wenn die Seitendrossel 26 geöffnet wird, verschließt sie gleichzeitig
einen Teil des zweiten Saugkanals 7. Der Abstand, um welchen
die Ansaugluft sich in dem zweiten Saugkanal 7 bewegt,
ist dann kürzer.
Durch Öffnen
der Seitendrossel 26, wenn die Verbrennungskraftmaschine 1 bei
hohen Geschwindigkeiten läuft,
kann ein Anstieg des Drehmoments und der Leistung erzielt werden, da
die Hochdruckwelle dann Zeit hat, den Zylinderraum 11 zu
erreichen, bevor das zweite Saugventil 5 geschlossen wird.
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6 zeigt
eine Drehmomentkurve für
eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Sauganordnung 2 gemäß der Erfindung
sowie eine Drehmomentkurve für
eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer herkömmlichen
Sauganordnung. Die kontinuierliche Kurve III, die mit Ringen versehen
ist, stellt die Drehmomentkurve für eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit
einer erfindungsgemäßen Sauganordnung 2 dar.
Die kontinuierliche Kurve IV ohne Ringe stellt die Drehmomentkurve
für eine
Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer herkömmlichen
Sauganordnung dar. Bei Geschwindigkeiten von bis zu ungefähr 5000
U/min. erzeugt die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer
Sauganordnung 2 gemäß der Erfindung
ein Drehmoment, das höher
ist als bei der Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer herkömmlichen
Sauganordnung. Bei Geschwindigkeiten von mehr als 5000 U/min. ist
das Drehmoment der beiden Motoren 1 im Wesentlichen identisch.
Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Hochdruckwelle in dem
zweiten, längeren
Saugkanal 7 keine Zeit hat, den Zylinderraum 11 zu
erreichen, bevor das zweite Saugventil 5 sich schließt. Indem
der zweite Saugkanal 7 mit einer Seitendrossel 26 versehen
wird, wie oben beschrieben, die sich bei ungefähr 5000 U/min. öffnet, wird
ein Anstieg des Drehmoments erzielt, der durch die durchbrochene
Linie V dargestellt ist.
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Es ist auch denkbar, den ersten 6 und
den zweiten Saugkanal 7 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen zu
versehen. Da durch den ersten, kürzeren
Saugkanal 6 eine größere Luftmenge
hindurchströmt
als durch den zweiten, längeren
Saugkanal 7 beim Befüllen
des Zylinderraums 11, ist es sinnvoll, den ersten Saugkanal 6 mit
einem größeren Querschnitt
zu versehen als den zweiten Saugkanal 7. Die hauptsächliche
Aufgabe des zweiten Saugkanals 7 ist es, eine Luftmenge
unter gesteigertem Druck am Ende des Saughubs oder am Beginn des Kompressionshub
einzuführen.
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Es ist auch denkbar, den ersten,
kürzeren Saugkanal 6 mit
einem kleineren Querschnitt zu versehen als den zweiten, längeren Saugkanal 7,
wie es gemäß einer
vierten Ausführungsform
in 7 dargestellt ist. 7 zeigt einen Zylinder diagrammatisch
von oben. Gemäß dieser
Ausführungsform
sind der erste 6 und der zweite Saugkanal 7 jeweils
mit einer Drossel 24 bzw. 25 versehen. Durch Schließen und Öffnen der
Drosseln 24, 25 bei bestimmten Geschwindigkeiten
n kann eine vorteilhafte Drehmomentkurve für die Verbrennungskraftmaschine 1 erzielt
werden, wie in 8 dargestellt.
In 8 repräsentiert
die horizontale Achse die Geschwindigkeit n, und die vertikale Achse
repräsentiert
das Drehmoment M.
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Bei niedrigen Geschwindigkeiten des
Motors 1 ist die Drossel 25 in dem zweiten Saugkanal 7 geschlossen,
so dass nur der erste Saugkanal 6 geöffnet ist. Das Drehmoment M
des Motors 1 folgt dann dem Kurvenabschnitt I in 8. Wenn die Geschwindigkeit
n des Motors 1 steigt, wird sich die Drossel 24 in
dem ersten Saugkanal 6 schließen, und zwar bei einer vorbestimmten
Geschwindigkeit n1, und die Drossel 25 in dem zweiten Saugkanal 7 wird
sich öffnen.
Das Drehmoment M des Motors 1 folgt dann dem Kurvenabschnitt
II in 8. Bei einer vorbestimmten
Geschwindigkeit n2 wird sich die Drossel 24 in dem ersten
Saugkanal 6 wieder öffnen,
und die Drossel 25 in dem zweiten Saugkanal 7 wird
offen bleiben, so dass Luft zu der Verbrennungskraftmaschine 1 durch
sowohl den ersten 6 als auch den zweiten Saugkanal 7 strömen kann.
Das Drehmoment M des Motors 1 folgt dann dem Kurvenabschnitt III
in 8. So wird eine gleichmäßige Drehmomentkurve
erzielt, mit einem hohen Drehmoment M über einen breiten Geschwindigkeitsbereich
hinüber.
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Durch Ausgestalten der Ventilöffnungen 30, 31 für den ersten 6 und
den zweiten Saugkanal 7 mit unterschiedlichen Größen und
durch gleichzeitiges Ausgestalten der Öffnungen 32, 33 der
Auslassventile mit unterschiedlichen Größen kann ein möglichst großer Bereich
der Oberfläche
des Zylinderraums 11 ausgenutzt werden, wie es in 7 dargestellt ist.
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Die erfindungsgemäße Sauganordnung 2 kann
vorteilhaft in einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit Funkenzündung verwendet
werden, welche mit einem Vergaser versehen ist, mit direkter Brennstoffeinspritzung
in zumindest eine Saugleitung hinein oder mit direkter Brennstoffeinspritzung
in dem Zylinderraum. Die erfindungsgemäße Sauganordnung kann auch
in einem Dieselmotor verwendet werden.
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Statt der Nockenwelle 16 mit
den Nocken 17 und 18 können auch andere Steuerelemente
für die Ventile 4 und 5 verwendet
werden. Beispielsweise kann jedes Ventil mit einem individuellen
Steuerelement versehen sein, wo der Zeitpunkt des Öffnens und
des Schließens
geregelt werden kann.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen
eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit zwei Saugventilen 4 und 5 und
zwei Saugkanälen 6 und 7 pro
Zylinder 3. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch
mehr als zwei Saugventile 4, 5 und Saugkanäle 6, 7 pro
Zylinder 3 beinhalten. Beispielsweise können auch drei Saugventile
und drei Saugkanäle pro
Zylinder 3 vorgesehen sein. Die drei Saugkanäle können dann
unterschiedliche Längen
haben, oder zwei der drei Saugkanäle können die gleiche Länge haben.
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Um das Drehmoment und die Leistung
der Verbrennungskraftmaschine 1 weiter zu steigern, kann
eine Abgasturbine oder ein mechanischer Kompressor mit der Sauganordnung 2 verbunden
sein.