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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zum technischen Umfeld wird bspw. auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 40 416 28 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Gemisch verdichtende Brennkraftmaschine mit Sekundärlufteinblasung und mit einer Luftmassenmessung bekannt, sowie mit einem Einspritzventil mit sequenzieller Kraftstoffeinspritzung und Luftunterstützung, wobei eine für die Luftunterstützung vorgesehene Luftleitung mit einem in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine öffnenden Absperrventil versehen ist. Die Kraftstoffeinspritzung findet bei dieser Brennkraftmaschine im Einlasskanal im Zylinderkopf statt. Mit dieser Ausgestaltung wird in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine die Gemischaufbereitung verbessert, zur Reduzierung schädlicher Abgasbestandteile.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 44 946 A1 eine Anlage zum Ausgleich des Ladedrucks bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren bekannt. Diese Anlage dient der Versorgung von turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren mit Druckluft, um das Betriebsverhalten außerhalb des optimalen Betriebsbereiches des Turboladers zu verbessern. Die Anlage besteht vorzugsweise aus einem Druckbehälter, einem Kompressor und einem Ventil. Der Druckbehälter wird kontinuierlich mit komprimierter Luft versorgt. Reicht der vom Turbolader gelieferte Ladedruck nicht aus, wird das Ventil geöffnet und die komprimierte Luft aus dem Behälter in den Zylinder der Verbrennung zugeleitet. Der Einsatzzweck eines solchen Systems ist insbesondere die Aufladung von turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches des Turboladers.
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Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist der sehr hohe apparative Aufwand.
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Weiter ist aus der deutschen Patentschrift
DE 40 27 963 C1 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen und zugeordneten Einlasskanälen je Zylinder bekannt, wobei der erste Einlasskanal mit einem Abgasrückführsystem in Verbindung steht und der zweite Einlasskanal ein Frischgas-Turbulenzsystem aufweist. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem und das Frischgas-Turbulenzsystem als im jeweiligen Einlasskanal gleichermaßen exzentrisch mündende Kanäle ausgebildet sind, um eine Drallströmung im Zylinder zu generieren.
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Mit dieser Ausgestaltung wird die Aufgabe gelöst, die sich in den Zylindern einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine einstellenden Turbulenzen weiter zu erhöhen.
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Nachteilig an diesem bekannten Turbulenzsystem ist, dass das Turbulenzsystem in Verbindung mit einer Abgasturboaufladung aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse nicht funktioniert.
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Ein weiteres System zur Erhöhung der Turbulenzen im Brennraum eines Verbrennungsmotors bei gleichzeitiger Turboaufladung ist aus der deutschen Patentschrift
DE 102 24 719 B4 bekannt. Aus dieser Patentschrift ist eine Einrichtung zum Speisen von Zylindern von aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit folgendem Aufbau bekannt:
- – dem Saugtrakt des Verbrennungsmotors ist ein Lader vorgeschaltet,
- – ein Druckspeicher ist dem Lader unter Zwischenschaltung von einem Motorsteuergerät angesteuerten Ventilen zum Füllen des Saugtraktes angeschlossen,
- – vom Saugtrakt sind Saugrohre, die jeweils zu einem Ansaugkanal eines Zylinders geführt sind, am Zylinderkopf angeschlossen,
- – vor einem Einlassventil eines jeden Zylinders mündet ein gesteuert zu öffnender Kanal für eine Leitströmung, wobei dieser Kanal unter Zwischenschaltung eines ersten Steuerventils an dem Druckspeicher angeschlossen ist,
- – das Steuerventil ist direkt oder indirekt elektrisch vom Motorsteuergerät beim Füllen des jeweiligen Zylinders synchronisiert angesteuert.
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Auch bei dieser bekannten Vorrichtung zur Erhöhung der Turbulenz im Brennraum eines Verbrennungsmotors ist der hohe apparative Aufwand von Nachteil.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 196 17 781 A1 die gaskinetische Injektion zur Aufladung und Wassereinbringung bei Verbrennungsmotoren bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird vorgeschlagen, mit einer geringen Menge von Hochdruckgas (10 bis 200 bar) die Luftsäule im Saugrohr im richtigen Zeitpunkt zu beschleunigen, um den Brennraum zu füllen oder zu spülen.
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Nachteilig an diesem Vorschlag ist der immer noch immense Luftaufwand der nötig ist, um die Luftsäule im Saugrohr zu beschleunigen, wobei immer noch kein wirksamer Eingriff auf die Erhöhung des Turbulenzgades im Brennraum erzielt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Ladungsbewegung (Turbulenzgrad) einer direkteinspritzenden Otto Brennkraftmaschine in einfacher Weise vergrößert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Mit einem bis vor das zumindest eine Gaswechseleinlassventil geführten separaten Kanal (Frischgasleitung) und einer am Ende erfindungsgemäß ausgeformten Düse (auch Impulsdüse genannt, mit einer Strömungsgeometrie nach Bernoulli oder Venturi oder Coanda), kann ein gerichteter Frischgasimpuls bei geöffnetem Einlassventil in den Brennraum induziert werden. Je nach Stärke dieses Impulses können unterschiedliche Niveaus der Ladungsbewegung ausgebildet werden. Die Stärke des Frischgasimpulses kann beispielsweise in einfacher Weise über einen Verdichter oder einen Druckbehälter, der mit Frischluft gefüllt ist oder aus dem Frischgasstrang mit einer Speisestelle vor dem Drosselelement geregelt oder eingestellt werden. Dadurch steht in vorteilhafter Weise zur Applikation der Brennkraftmaschine neben Zündwinkel, Ladedruck, Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt die weitere Größe „Ladungsbewegung” zur Verfügung. Eine weitere wesentliche Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ist mit der Anordnung eines Wirbelrohres in der Frischgasleitung möglich, da durch die Abkühlung der geförderten Frischluft ein deutlich höherer Füllgrad des zumindest einen Zylinders möglich ist.
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Bernoulli:
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Bernoulli entdeckte den Zusammenhang zwischen der Fließgeschwindigkeit eines Fluids und dessen Druck. Er entdeckte, dass in einem strömenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet wird.
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Die Verwendung der sog. Bernoulliströmung findet man häufig, z. B.:
- • in einer Wasserstrahlpumpe;
- • in einem Ansaugtrichter eines Vergasers;
- • in einem Prandtl'sche Staurohr, das z. B. zur Geschwindigkeitsmessung eines Flugzeugs verwendet wird;
- • bei der Umströmung von Tragflächen von Flugzeugen bis zu Geschwindigkeiten von ca. 300 km/h.
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Venturi:
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Der Italiener Venturi entdeckte, dass sich die Fließgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden inkompressiblen Fluids zu einem sich verändernden Rohrquerschnitt umgekehrt proportional verhält. Das heißt, die Geschwindigkeit des Fluids ist dort am größten, wo der Querschnitt des Rohres am kleinsten ist. Nach dem Kontinuitätsgesetz für inkompressible Fluide tritt aus jedem beliebigen Rohrabschnitt dieselbe Fluidmenge aus, die in ihn eingeführt worden ist. Das Fluid muss die Engstelle also mit dem gleichen Durchfluss (Menge/Zeit) passieren wie den Rest des Rohres. Deshalb muss sich die Geschwindigkeit des Fluids zwingend erhöhen.
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Coanda:
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Der Coandă-Effekt ist ein Sammelbegriff, mit dem verschiedene, ursächlich nicht zusammenhängende Phänomene bezeichnet werden, die die Tendenz eines Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung aufweisen, sich an einer konvexen Oberfläche „anzuschmiegen”, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen.
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Eine genaue Definition und eine genaue Abgrenzung zum Bernoulli-Effekt sind schwierig.
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Coanda baute 1910 ein Flugzeug, die Coanda-1910. Es sollte mit einem einer Kombination aus einem kolbengetriebenen Verdichter und zwei Brennkammern angetrieben werden. Der Motor war an der Rumpfspitze angebracht und stieß die beiden Schubstrahlen schräg nach hinten aus. Coanda erkannte, dass die Abgase der Rumpfkontur folgten und daran entlang strömten (Coanda-Effekt) und das Flugzeug zerstörten.
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Heute gibt es technische Anwendungen des Coanda-Effekts beispielsweise in der Luftfahrt und der Formel 1 (Abgastechnik).
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Wirbelrohr:
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Das allgemein bekannte Wirbelrohr (Vortex Tube), ist eine Vorrichtung, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
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Unter Druck stehende Luft (Frischgas) wird tangential in eine Wirbelkammer eingeblasen, hierbei in eine schnelle Rotation versetzt (über 1.000.000/min) und verlässt die Kammer durch zwei unterschiedliche, einander gegenüber angeordnete axiale Luftauslässe:
- • durch eine enge Bohrung tritt gekühlte Luft aus;
- • durch eine gegenüberliegende, wesentlich größere Bohrung tritt heiße Luft aus.
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Der Temperaturunterschied zwischen den Bohrungen liegt abhängig von den Betriebsparametern bei bis zu 46°C. Bei diesem Prozess entsteht ein Pfeifton von ca. 3 kHz, der jedoch mit geeigneten, bekannten Maßnahmen (Resonatoren sind jedoch hierfür nicht geeignet) gedämpft werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Der Ausgestaltungsbereich gemäß Patentanspruch 2 führt zu der gewünschten, positiven Turbulenzerhöhung.
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Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 3 bis 5 sind bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 erlaubt in einfacher Weise die Einstellung eines Abkühlgrades der Frischluft in dem Frischluftstrang. Dies führt zu einem besseren Füllgrad der Zylinder und somit in vorteilhafter Weise zu einer Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine, ohne zusätzliche Maßnahmen.
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Eine Otto-Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung mit einer nahe dem Gaswechseleinlassventil angeordneten, erfindungsgemäßen Düse nach dem Bernoulli-, Venturi- oder Coanda-Effekt zur Erhöhung der Ladungsbewegung erhält seinen Frischluftmassenstrom beispielsweie aus einem Druckspeicher oder einem Verdichter, der zum Einen die Aufgabe hat, die notwendige Luftmasse zur Ablenkung des Hauptluftmassenstroms im Frischluftstrang vor dem Gaswechseleinlassventil und damit zur Ladungsbewegungsmaximierung zu gewährleisten und zum Anderen kann dieser Frischluftmassenstrom durch ein Wirbelrohr geführt werden, der die eingeblasene Luftmasse, abhängig von den eingestellten Betriebsparametern, um bis zu 46°C unter Umgebungsbedingungen kühlt. Diese kalte Frischluftmasse kühlt den Hauptluftmassenstrom im Frischluftstrang vor dem Gaswechseleinlassventil entsprechend der Gesamtkonfiguration (Luftmassenverteilung Hauptluftmassenstrom/Frischluftmassenstrom, Umgebungstemperatur, anliegenden Druckverhältnissen und Wirbelrohrspezifikationen) und sorgt durch die kühlere Verbrennungsluft zusätzlich zu den Vorteilen der besseren Gemischbildung (Ladungsbewegung im Zylinder) in vorteilhafter Weise für eine höhere Leistung der Otto-Brennkraftmaschine.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau einer erfindungsgemäßen, fremdgezündeten Otto Brennkraftmaschine.
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2 zeigt eine Einbaulage einer erfindungsgemäßen Düse für ein Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, in diesem Ausführungsbeispiel einer aufgeladenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1. Die aufgeladene, fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 weist zumindest einen Zylinder 2 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder 2 in Reihe. Jedem Zylinder 2 sind zumindest ein in 1 nicht dargestelltes Gaswechseleinlass- und zumindest ein in 1 nicht dargestelltes Gaswechselauslassventil zugeordnet. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 eine nicht dargestellte Kraftstoffeindüsung auf, zur Eindüsung von Kraftstoff direkt in die Zylinder 2. Das heißt, es handelt sich bei der Brennkraftmaschine 1 um eine direkteinspritzende, Gemisch verdichtende, von einer nicht dargestellten Zündvorrichtung fremd gezündete Brennkraftmaschine 1.
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Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 einen Frischluftstrang 3 auf, der über das in 2 dargestellte Gaswechseleinlassventil 12 mit dem Zylinder 2 zeitweise Frischgas führend verbindbar ist. Außerdem ist für die Brennkraftmaschine 1 ein Abgasstrang 4 vorgesehen, der über das ebenfalls in 2 dargestellte Gaswechselauslassventil 14 mit dem Zylinder 2 zeitweise Abgas führend verbindbar ist. Im Frischluftstrang 3 ist weiter, in diesem Ausführungsbeispiel, ein Verdichter 5 angeordnet, beispielsweise ein Verdichter eines Abgasturboladers, wobei die Turbine des Abgasturboladers in dem Abgasstrang 4 angeordnet ist. Selbstverständlich kann es bei dem Verdichter 5 auch um einen mechanischen Verdichter (Kompressor) oder eine andere Verdichterbauart handeln.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Verdichter 5 auch fehlen, dann handelt es sich um einen sog. Saugmotor, oder eine Brennkraftmaschine für den Saugbetrieb.
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Zur Laststeuerung der Brennkraftmaschine 1 ist zwischen dem Verdichter 5 und den Zylindern 2 ein Drosselorgan 6 vorgesehen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Drosselklappe. Als Drosselorgan 6 kann beispielsweise auch ein Drehschieber verwendet werden.
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Der Verdichter 5 und eine Turbine des Abgasturboladers sind drehfest miteinander verbunden. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 saugt der, von der Turbine angetriebene Verdichter Frischgas aus der Umgebung an, dargestellt durch eine Pfeilspitze am Frischluftstang 3. Im Frischluftstrang 3 wird die verdichtete Frischluft durch das Drosselelement 6 weitergeleitet, bis die Frischluft in den Zylindern 2 mit zugeführtem Brennstoff verbrannt wird und in den Abgasstrang 4 ausgestoßen wird. Das Abgas treibt dann die Turbine 9 an, und verlässt den Abgasstrang 4, wieder schematisch durch eine Pfeilspitze dargestellt.
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Weiter ist eine Frischgasleitung 7 vorgesehen, die von einem Druckluftspeicher oder einem ersten Verdichter 8 mit Druckluft, bzw. Frischluft gespeist wird und nach dem Drosselelement 6, im Bereich des zumindest einen Gaswechseleinlassventils 12 über die erfindungsgemäße Düse 16 mit einer Strömungskontur nach Bernoulli oder Venturi oder Coanda in den Frischluftstrang 3 mündet. Weiter ist in der Frischgasleitung 7 zwischen dem Druck-luftspeicher oder dem ersten Verdichter 8 ein Wirbelrohr 9 vorgesehen, in dem die Frischluft in der Frischgasleitung 7 abgekühlt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiter in der Frischgasleitung 7 zwischen dem ersten Verdichter 8 und dem Wirbelrohr 9 ein zweites Drosselelement 10 vorgesehen, zur Einstellung der Abkühlrate der Frischluft, die durch die Frischgasleitung 7 strömt.
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Durch die Frischgasleitung 7 (auch Impulskanal genannt) und die dadurch mögliche Steuerung der Ladungsbewegung werden andere Maßnahmen zur Erzeugung von Ladungsbewegung überflüssig. Die bisherigen Nachteile, ungünstige Brennraumgeometrie (Klopfverhalten) und ungünstige Geometrie der Strömungskanäle (schlechte Füllung) entfallen, wodurch die aufgeladene, direkteinspritzende Otto Brennkraftmaschine in einem größeren Arbeitsbereich effizienter und leistungsstärker wird. Zusätzlich steht über die Beeinflussung der Ladungsbewegung eine weitere Applikationsgröße zur Verfügung, welche direkten, positiven Einfluss auf die Verbrennung hat. Weiter wird durch das Wirbelrohr 9 die durch die Frischgasleitung 7 geförderte Frischluft abgekühlt, wodurch der Füllgrad der Zylinder 2 erhöht und somit die Leistung der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise erhöht wird.
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Eine Otto-Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung mit einer nahe dem Gaswechseleinlassventil 12 angeordneten, erfindungsgemäßen Düse 16 nach dem Bernoulli-, Venturi- oder Coanda-Effekt zur Erhöhung der Ladungsbewegung erhält seinen Frischluftmassenstrom beispielsweie aus einem Druckspeicher oder einem Verdichter, der zum Einen die Aufgabe hat, die notwendige Luftmasse zur Ablenkung des Hauptluftmassenstroms im Frischluftstrang 3 vor dem Gaswechseleinlassventil 12 und damit zur Ladungsbewegungsmaximierung zu gewährleisten und zum Anderen kann dieser Frischluftmassenstrom durch ein Wirbelrohr 9 geführt werden, der die eingeblasene Luftmasse, abhängig von den eingestellten Betriebsparametern, um bis zu 46°C unter Umgebungsbedingungen kühlt. Diese kalte Frischluftmasse kühlt den Hauptluftmassenstrom im Frischluftstrang 3 vor dem Gaswechseleinlassventil entsprechend der Gesamtkonfiguration (Luftmassenverteilung Hauptluftmassenstrom/Frischluftmassenstrom, Umgebungstemperatur, anliegenden Druckverhältnissen und Wirbelrohrspezifikationen) und sorgt durch die kühlere Verbrennungsluft zusätzlich zu den Vorteilen der besseren Gemischbildung (Ladungsbewegung im Zylinder) in vorteilhafter Weise für eine höhere Leistung der Otto-Brennkraftmaschine 1.
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Somit kann mit einem bis vor das zumindest eine Gaswechseleinlassventil 12 geführten separaten Frischluftkanal (Frischgasleitung 7) und einer am Ende erfindungsgemäß ausgeformten Düse 16, ein gerichteter Frischgasimpuls bei geöffnetem Gaswechseleinlassventil 12 in den Brennraum 15 induziert werden. Je nach Stärke dieses Impulses können unterschiedliche Niveaus der Ladungsbewegung ausgebildet werden. Die Stärke des Frischgasimpulses kann in einfacher Weise über den ersten Verdichter 8 oder einen Druckbehälter, der mit Frischluft gefüllt ist geregelt werden. Dadurch steht in vorteilhafter Weise zur Applikation der Brennkraftmaschine 1 neben Zündwinkel, Ladedruck, Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt die weitere Größe „Ladungsbewegung” zur Verfügung. Eine weitere wesentliche Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 1 ist mit der Anordnung des Wirbelrohres 9 in der Frischgasleitung 7 möglich, da durch die Abkühlung der von der ersten Pumpe 8 geförderten Frischluft ein deutlich höherer Füllgrad des zumindest einen Zylinders 2 möglich ist.
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2 zeigt eine Einbaulage der erfindungsgemäßen Düse 16 für ein Ausführungsbeispiel. Ein Gaswechseleinlasskanal, der fluidtechnisch zum Frischluftstrang 3 gehört, ist mit 11 und ein Gaswechselauslasskanal, der fluidtechnisch zum Abgasstrang 4 gehört, ist mit 13 beziffert. Das zugehörige Gaswechseleinlassventil ist mit 12 und das Gaswechselauslassventil ist mit 14 beziffert. Ein zum Zylinder 2 gehörender Brennraum ist mit 15 beziffert. Eine Hauptströmungsrichtung der Frischluft im Gaswechseleinlasskanal 11 ist durch einen Pfeil dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Düse 16 weist eine Strömungskontur nach Bernoulli- oder Venturi- oder Coanda auf und düst die Frischluft in einem Winkel zwischen +/–60° zu einer Strömungsachse der Fischluft (Pfeil) in den Frischluftstrang 3, bzw. als Teil von diesen in den Gaswechseleinlasskanal 11.
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Die Düse 16 kann beispielsweise ein separates Bauteil aus einem Metall oder einem Kunststoff oder direkt in eine Gaswechseleinlasskanalwandung eingearbeitet sein.
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Bevorzugt wird die Frischgasleitung 7 von einem Druckspeicher oder einem Verdichter oder einer Speisestelle in dem Frischluftstrang 3 in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Drosselelement 6 mit Frischluft gespeist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Frischgasleitung 7 ein Wirbelrohr 9 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Frischluftstrang
- 4
- Abgasstrang
- 5
- zweiter Verdichter
- 6
- Drosselelement
- 7
- Frischgasleitung
- 8
- erster Verdichter
- 9
- Wirbelrohr
- 10
- zweites Drosselelement
- 11
- Gaswechseleinlasskanal
- 12
- Gaswechseleinlassventil
- 13
- Gaswechselauslasskanal
- 14
- Gaswechselauslassventil
- 15
- Brennraum
- 16
- Düse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4041628 A1 [0002]
- DE 19944946 A1 [0003]
- DE 4027963 C1 [0005]
- DE 10224719 B4 [0008]
- DE 19617781 A1 [0010]
