DE102015203788A1

DE102015203788A1 - Brennkraftmaschine mit Vorrichtung zur Impulsaufladung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015203788A1
Application number: DE102015203788.6A
Authority: DE
Inventors: Jean-Philippe Pützer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: DE102015203788B4

Abstract

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung (1a) des Ansaugsystems (1) anschließt und jede Einlassöffnung mit einem Ventil ausgestattet ist, um die Einlassöffnung zu versperren oder im Rahmen eines Ladungswechsels freizugeben, und eine Vorrichtung (2) zur Impulsaufladung mit mindestens zwei verschwenkbaren Klappen (3a, 3b) vorgesehen ist, bei der – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Schenkel unter Ausbildung einer Lagerung (6a, 6b) an einer Wandung (1b) des Ansaugsystems (1) gelagert sind, – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) in einer Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Schenkel gegenüberliegenden freien Schenkel an einem als Auflager dienenden und das Ansaugsystem (1) entlang einer Steglängsachse (7b) durchquerenden Steg (7a) aufliegen und das Ansaugsystem (1) verschließen, und – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) in einer Offenstellung das Ansaugsystem (1) freigeben, wobei – jede Klappe (3a, 3b) an dem freien Schenkel mit mindestens einem Permanentmagneten (4a, 4b) ausgestattet ist, wobei die Orientierung der Magnetfelder der Permanentmagnete (4a, 4b) der mindestens zwei Klappen (3a, 3b) bezüglich des Stegs (7a) diametral entgegengesetzt ist, und – der Steg (7a) mit einer bestrombaren Spule (7c) ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung des Ansaugsystems anschließt und jede Einlassöffnung mit einem Ventil ausgestattet ist, um die Einlassöffnung zu versperren oder im Rahmen eines Ladungswechsels freizugeben, und eine Vorrichtung zur Impulsaufladung mit mindestens zwei verschwenkbaren Klappen vorgesehen ist, bei der

– die mindestens zwei Klappen diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Ende unter Ausbildung einer Lagerung an einer Wandung des Ansaugsystems gelagert sind,
– die mindestens zwei Klappen in einer Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Ende gegenüberliegenden freien Ende an einem als Auflager dienenden und das Ansaugsystem entlang einer Steglängsachse durchquerenden Steg aufliegen und das Ansaugsystem verschließen, und
– die mindestens zwei Klappen in einer Offenstellung das Ansaugsystem freigeben.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Impulsaufladung einer derartigen Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Auslegung der Abgasturboaufladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch Verwendung mehrerer Turbolader verbessert werden, beispielsweise durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden, oder auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient.
Neben der Aufladung mittels Abgasturbolader und/oder mechanischem Lader ist aus dem Stand der Technik auch die sogenannte Impulsaufladung bekannt, bei der die Ansaugleitung eines Zylinders stromaufwärts der Einlassöffnung mittels einer Vorrichtung verschließbar ist bzw. temporär verschlossen wird. Während des Ladungswechsels bleibt die Ansaugleitung bei geöffnetem Einlassventil zunächst geschlossen, so dass sich im Rahmen des Ansaugtaktes stromabwärts der Vorrichtung zunehmend ein Unterdruck aufbaut. Wird die Ansaugleitung dann durch Öffnen der Vorrichtung schlagartig freigegeben, beschleunigt der Unterdruck die in der Ansaugleitung befindliche Luftsäule, die mit hohem Impuls in den Zylinder gelangt. Auf diese Weise wird die Füllung des Zylinders mittels Impulsaufladung vergrößert. Die Effekte sind die bereits im Zusammenhang mit der Abgasturboaufladung Beschriebenen. Mittels Impulsaufladung lässt sich insbesondere die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen verbessern. Die Vorrichtung zur Impulsaufladung muss insbesondere über schnelle Schaltzeiten und eine ausreichende Dichtigkeit verfügen, um eine effektive Impulsaufladung bewerkstelligen zu können.
Eine Vorrichtung zur Impulsaufladung beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 08 435 A1 . Wie bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art sind zwei verschwenkbare Klappen vorgesehen, die diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Ende unter Ausbildung einer Lagerung an einer Wandung des Ansaugsystems gelagert sind. Die beiden Klappen sind als dünne Weicheisenbleche ausgebildet und liegen in einer Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Schenkel gegenüberliegenden freien Schenkel an einem als Auflager dienenden und das Ansaugsystem entlang einer Steglängsachse durchquerenden Steg auf, wodurch das Ansaugsystem verschlossen wird. Die zwei Klappen werden von Federelementen in die Schließstellung vorgespannt und mittels Magnetfeldern in der Schließstellung gehalten. Die Magnetfelder werden von bestrombaren Spulen erzeugt, welche in ortsfesten zu den Klappen gehörenden Rahmenteilen nahe der Lagerung der Klappen integriert sind.
Im Rahmen des Ansaugtaktes werden die Klappen dann bei unbestromten Spulen infolge des stromabwärts an ihnen angreifenden Unterdrucks geöffnet. Dabei werden die Klappen von Magnetfeldern anderer in der Wandung des Ansaugsystems vorgesehener bestrombarer Spulen erfasst und in Anlage gezogen, d. h. in die vollständige Offenstellung verbracht. Wird die Bestromung letztgenannter Spulen bei geschlossenem Einlassventil eingestellt, bewegen sich die Klappen im Rahmen einer Schwenkbewegung unter dem Einfluss ihrer Federelemente zurück in die Schließstellung.
Nachteilig an der Vorrichtung gemäß der DE 199 08 435 A1 ist unter anderem, dass die Klappen ausschließlich infolge des angreifenden Unterdrucks geöffnet und ausschließlich mittels Federelementen geschlossen werden. Die Spulen bzw. Magnetfelder dienen primär dem Halten der Klappen in der Offenstellung bzw. in der Schließstellung. Infolgedessen können die Klappen nicht beliebig verschwenkt, insbesondere nicht gegen einen noch nicht abgebauten Unterdruck geschlossen werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die über eine verbesserte Impulsaufladung verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Impulsaufladung einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung des Ansaugsystems anschließt und jede Einlassöffnung mit einem Ventil ausgestattet ist, um die Einlassöffnung zu versperren oder im Rahmen eines Ladungswechsels freizugeben, und eine Vorrichtung zur Impulsaufladung mit mindestens zwei verschwenkbaren Klappen vorgesehen ist, bei der

– die mindestens zwei Klappen diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Schenkel unter Ausbildung einer Lagerung an einer Wandung des Ansaugsystems gelagert sind,
– die mindestens zwei Klappen in einer Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Schenkel gegenüberliegenden freien Schenkel an einem als Auflager dienenden und das Ansaugsystem entlang einer Steglängsachse durchquerenden Steg aufliegen und das Ansaugsystem verschließen, und
– die mindestens zwei Klappen in einer Offenstellung das Ansaugsystem freigeben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– jede Klappe an dem freien Schenkel mit mindestens einem Permanentmagneten ausgestattet ist, wobei die Orientierung der Magnetfelder der Permanentmagnete der mindestens zwei Klappen bezüglich des Stegs diametral entgegengesetzt ist, und
– der Steg mit einer bestrombaren Spule ausgestattet ist.

Ausgehend von der Schließstellung werden die Klappen der erfindungsgemäßen Vorrichtung geöffnet, indem die Spule des Stegs bestromt wird und zwar in der Richtung, dass das Magnetfeld der Spule die Magnetfelder der Permanentmagnete und damit die Klappen abstößt. Dadurch, dass die Orientierung der klappenzugehörigen Permanentmagnete und ihrer Magnetfelder diametral entgegengesetzt ist, können die Klappen mit der Bestromung einer einzelnen Spule verschwenkt und in die Offenstellung überführt werden. Das Ansaugsystem wird auf diese Weise freigegeben.
Wie im Stand der Technik wird der Öffnungsvorgang der Klappen im Rahmen eines Ansaugtaktes durch einen stromabwärts der Klappen aufgebauten Unterdruck unterstützt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Öffnen der Klappen aber nicht allein mittels Unterdruck bewerkstelligt, sondern aktiv durch Bestromung der Spule des Stegs gesteuert und forciert.
Dies ermöglicht zum einen die Realisierung vergleichsweise kurzer Öffnungszeiten und damit eine effektive Impulsaufladung und zum anderen ein Öffnen der Klappen unabhängig vom momentan vorliegenden Druck stromabwärts der Klappen. Folglich können die Klappen während eines Ladungswechsels bei einlassseitig offenem Zylinder auch mehrmals geöffnet werden, um das Ansaugsystem mehrfach freizugeben, was vorteilhaft sein kann.
Ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen können die Klappen in die Schließstellung überführt werden, indem die Bestromung der Spule des Stegs beendet wird. Da die Permanentmagnete der Klappen sich aufgrund ihrer diametral entgegengesetzten Orientierung anziehen, ziehen sich die zugehörigen Klappen gegenseitig in die Schließstellung. Folglich müssen keine Federelemente bzw. Rückstellfedern vorgesehen werden, die die Klappen in Richtung Schließstellung vorspannen und verschwenken.
Wird die Bestromung der Spule des Stegs nicht nur beendet, sondern umgekehrt, zieht das Magnetfeld der Spule die Permanentmagnete der Klappen an und unterstützt das Schließen der Klappen aktiv. Dies ermöglicht die Realisierung vergleichsweise kurzer Schließzeiten.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die über eine verbesserte Impulsaufladung verfügt.
Erfindungsgemäß sind die Permanentmagnete der Klappen unterschiedlich ausgerichtet, so dass die Orientierung der Magnetfelder dieser Permanentmagnete diametral entgegengesetzt ist. Dabei wird Bezug genommen auf die Feldlinien zwischen dem Südpol und dem Nordpol der Magnete. Vorliegend bedeutet dies, dass der Südpol des Permanentmagneten der einen Klappe dem Steg zugewandt und der Nordpol dieses Permanentmagneten vom Steg abgewandt ist, während der Südpol des Permanentmagneten der anderen Klappe vom Steg abgewandt und der Nordpol dieses Permanentmagneten dem Steg zugewandt ist (siehe auch Figurenbeschreibung). Durch Umkehr der Stromrichtung in der Spule des Stegs können die Klappen einmal angezogen und ein anderes Mal abgestoßen werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Steg in Strömungsrichtung stromlinienförmig ausgebildet ist, so dass der Steg der im Ansaugsystem geführten Luftströmung einen möglichst geringen Widerstand bietet und der Druckverlust in Strömungsrichtung über den Steg hinweg möglichst gering ist.
Als Strömungsrichtung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Hauptströmungsrichtung der Luftströmung im Ansaugsystem bezeichnet, d. h. die Richtung, in welche die Luft im Wesentlichen strömt. In der Regel wird die Strömungsrichtung durch die Mittelachse der Ansaugleitung bzw. des Ansaugsystems vorgegeben.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Steg in einem Schnitt quer zur Steglängsachse ein linsenförmiges bzw. ellipsenförmiges Profil aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die bestrombare Spule des Stegs eine Wicklung quer zur Strömungsrichtung aufweist. Erfindungsgemäß ist von einer Wicklung quer zur Strömungsrichtung die Rede, falls die Längsachse der Spule quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist bzw. verläuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Impulsaufladung erfordert eine bestimmte Ausrichtung der Spule und ihrer Wicklung. Um mit der Spule ein Magnetfeld erzeugen zu können, mit dem die Permanentmagnete abgestoßen und die Klappen verschwenkt werden können, muss die Längsachse der Spule quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein und senkrecht zur Steglängsachse verlaufen.
Dann ist das Magnetfeld der bestromten Spule in der Weise ausgerichtet, dass einer Klappe der Südpol und der anderen gegenüberliegenden Klappe der Nordpol zugewandt ist und umgekehrt bei umgekehrter Stromrichtung.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wicklung der Spule eine Wicklung um eine virtuelle Achse ist, welche senkrecht zur Steglängsachse verläuft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Steg drehbar gelagert ist und um die Steglängsachse verdrehbar ist. Verfügt der Steg dann noch über eine gewisse Erstreckung quer zur Steglängsachse, beispielsweise weil der Steg ein linsenförmiges Profil aufweist, hat der Steg eine klappenähnliche Gestalt und kann mittels Verdrehen zur Ladungsbewegung genutzt werden. Eine gesteigerte Ladungsbewegung im Ansaugsystem bzw. im Zylinder unterstützt die Gemischaufbereitung, insbesondere die Homogenisierung der Zylinderfrischladung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Klappe unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
Im Gegensatz zu den Klappen der DE 199 08 435 A1 , die als dünne Weicheisenbleche auch die Funktion eines Ankers übernehmen und magnetisch ausgebildet sind, müssen die Klappen erfindungsgemäß nicht aus magnetischen Werkstoffen gefertigt werden.
Dieser Umstand kann in vorteilhafter Weise genutzt werden, beispielsweise indem die Klappen unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff gefertigt werden. Derartige Klappen haben gegenüber Weicheisenblechen einen Gewichtsvorteil, was Vorteile bietet im Hinblick auf die Verschwenkzeiten bzw. Verstellzeiten. Zudem sorgt eine aus Kunststoff gefertigte und deshalb elastische Klappe für eine hohe Dichtigkeit der Vorrichtung in der Schließstellung der Klappen. Unter Umständen verfügt die Klappe über eine derart hohe Elastizität, dass die Klappe während des Öffnens im Rahmen des Verschwenkens geknickt wird bzw. der Verschwenkvorgang ein Knicken der Klappe ist, so dass ein Klappenteil um eine Achse in der Klappe verschwenkt wird. Derartigen Klappen wäre dann von Hause aus ein Federelement immanent. In anderen Worten gesagt, wäre das Federelement bereits integraler Bestandteil der Klappe, ohne das ein zusätzliches Bauteil vorgesehen und montiert werden müsste.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Steg unter Verwendung von mindestens einem magnetischen Werkstoff gefertigt ist. Dadurch könnten das Magnetfeld der bestromten Spule des Stegs und folglich die anziehenden und abstoßenden Feldkräfte verstärkt werden. Es können ferromagnetische Materialien zum Einsatz kommen, die sogenannte Elementarmagnete enthalten, die in Weis´schen Bezirken parallel zueinander ausgerichtet sind oder ausgerichtet werden können. Das bedeutet, dass ein äußeres Magnetfeld die Richtung der Elementarmagnete im ferromagnetischen Material so verdreht, dass sie parallel zum äußeren Magnetfeld liegen. Alternativ können paramagnetische Materialien verwendet werden, die im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien nur so lange eine von Null verschiedene Magnetisierung aufweisen, wie sie sich in einem externen Magnetfeld befinden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede Klappe mit einem Federelement ausgestattet ist, welches die Klappe in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt. Auch wenn derartige Federelemente aufgrund des erfindungsgemäßen Prinzips nicht erforderlich sind, können solche Federelemente zur Unterstützung des Schließvorganges eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Federelement integral mit der Klappe ausgebildet ist, so dass die Klappe und das Federelement ein monolithisches Bauteil bilden. Neben der bereits beschriebenen Kunststoffklappe mit Knickfähigkeit, der von Hause aus ein Federelement immanent ist, könnte die Klappe auch verformbar, beispielsweise wie eine Blattfeder biegbar sein. Eine Klappe in Gestalt einer Blattfeder könnte mit einem ortsfesten Schenkel unbeweglich an der Wandung des Ansaugsystems gelagert, d. h. fixiert werden. Da keine bewegliche Lagerung, sondern lediglich eine fixe Lagerung erforderlich ist, vereinfacht sich die Lagerung erheblich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für jede Klappe stromabwärts der Lagerung eine bestrombare Hilfsspule in der Wandung des Ansaugsystems vorgesehen ist. Die Hilfsspulen können unterschiedlichste Aufgaben übernehmen.
Ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen können die Klappen in die Schließstellung überführt werden, indem die Hilfsspulen in der Art bestromt werden, dass die Magnetfelder der Hilfsspulen die Magnetfelder der Permanentmagnete abstoßen und damit die Klappen in die Schließstellung bewegen.
Wird die Bestromung der Hilfsspulen umgekehrt, zieht das Magnetfeld der Hilfsspule die zugehörige Klappe an und unterstützt das Öffnen der Klappe aktiv. Dies kann zur Verkürzung der Öffnungszeiten beitragen.
Die Hilfsspulen können auch dazu verwendet werden, die Klappen in der Offenstellung zu halten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das durch die Vorrichtung zur Impulsaufladung hindurchführende Ansaugsystem als Schwingrohr ausgebildet ist. Dabei wird die Länge des Schwingrohrs in der Regel auf einen bestimmten Drehzahlbereich ausgelegt, in dem eine besonders gute Füllung erzielt werden soll, beispielsweise auf den unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, der häufig eine schlechte Drehmomentcharakteristik aufweist. Unter Umständen ist das Schwingrohr in der Länge veränderbar, beispielsweise als schaltbares Schwingrohr ausgelegt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem in dem Bereich, in dem die Vorrichtung zur Impulsaufladung vorgesehen ist, einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Ein rechteckiger bzw. polygonaler Querschnitt vereinfacht die Geometrie der Vorrichtung, insbesondere der Klappen erheblich.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von in der Schließstellung befindlichen Klappen die Spule des Stegs in der Art bestromt wird, dass sich das Magnetfeld der Spule und die Magnetfelder der Permanentmagnete der Klappen abstoßen, wodurch die Klappen in die Offenstellung überführt werden und das Ansaugsystem freigegeben wird.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die mindestens eine Einlassöffnung durch Betätigen des zugehörigen Ventils zwecks Ladungswechsel freigegeben wird bevor die Spule des Stegs bestromt wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Spule des Stegs während des Ladungswechsels mindestens zweimal bestromt wird, um das Ansaugsystem mindestens zweimal freizugeben.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen die Bestromung der Spule des Stegs beendet wird, wodurch die Klappen in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem verschlossen wird.
Vorteilhaft können auch Verfahrensvarianten sein, bei denen ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen die Bestromung der Spule des Stegs umgekehrt wird, so dass das Magnetfeld der Spule die Permanentmagnete der Klappen anzieht, wodurch die Klappen in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem verschlossen wird.
Zum Betreiben einer Vorrichtung, bei der für jede Klappe stromabwärts der Lagerung eine bestrombare Hilfsspule in der Wandung des Ansaugsystems vorgesehen ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Hilfsspulen in der Art bestromt werden, dass sich das Magnetfeld einer Hilfsspule und das Magnetfeld des mindestens einen Permanentmagneten der zugehörigen Klappe anziehen, wodurch die Überführung der Klappen in die Offenstellung unterstützt wird und/oder die Klappen in der Offenstellung gehalten werden.
Zum Betreiben einer Vorrichtung, bei der für jede Klappe stromabwärts der Lagerung eine bestrombare Hilfsspule in der Wandung des Ansaugsystems vorgesehen ist, können auch Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen die Hilfsspulen in der Art bestromt werden, dass sich das Magnetfeld einer Hilfsspule und das Magnetfeld des mindestens einen Permanentmagneten der zugehörigen Klappe abstoßen, wodurch die Klappen in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem verschlossen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch einen Abschnitt des Ansaugsystems und die in der Schließstellung befindliche Vorrichtung zur Impulsaufladung gemäß einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise im Halbschnitt,
1b schematisch die in 1a dargestellte Vorrichtung zur Impulsaufladung in der Offenstellung, teilweise im Halbschnitt, und
2 schematisch die Spule des Stegs der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung zur Impulsaufladung.
1a zeigt schematisch einen Abschnitt des Ansaugsystems 1 und die in der Schließstellung befindliche Vorrichtung 2 zur Impulsaufladung gemäß einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise im Halbschnitt.
Die Vorrichtung 2 zur Impulsaufladung umfasst zwei verschwenkbare Klappen 3a, 3b, die diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Schenkel unter Ausbildung einer Lagerung 6a, 6b an einer Wandung 1b des Ansaugsystems 1 gelagert sind. Die zwei Klappen 3a, 3b liegen in der in 1a dargestellten Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Schenkel gegenüberliegenden freien Schenkel an einem Steg 7a an. Der drehbar gelagerte Steg 7a, der ein linsenförmiges und damit stromlinienförmiges Profil aufweist, dient den Klappen 3a, 3b als Auflager und durchquert das Ansaugsystem 1 entlang seiner Längsachse 7b, die in 1a senkrecht auf der Zeichenebene steht und um die der Steg 7a verdrehbar ist. Das Ansaugsystem 1 wird vorliegend durch die Klappen 3a, 3b verschlossen.
Jede Klappe 3a, 3b ist an ihrem freien Schenkel mit einem Permanentmagneten 4a, 4b ausgestattet, wobei die Orientierung der Magnetfelder dieser Permanentmagnete 4a, 4b bezüglich des Stegs 7a diametral entgegengesetzt ist. Der Steg 7a selbst ist mit einer bestrombaren Spule 7c ausgestattet, mit welcher ein Magnetfeld zum Öffnen der Vorrichtung 2 generiert werden kann (siehe auch 2). Da die Permanentmagnete 4a, 4b der Klappen 3a, 3b sich aufgrund ihrer diametral entgegengesetzten Orientierung anziehen, ziehen sich die zugehörigen Klappen 3a, 3b bei unbestromter Spule 7c gegenseitig in die Schließstellung, wodurch auch die Dichtigkeit der Vorrichtung 2 in der Schließstellung erhöht wird.
Ausgehend von der in 1a dargestellten Schließstellung der Klappen 3a, 3b wird die Spule 7c des Stegs 7a zwecks Impulsaufladung in der Art bestromt, dass sich das Magnetfeld der Spule 7c und die Magnetfelder der Permanentmagnete 4a, 4b abstoßen, wodurch die Klappen 3a, 3b in die Offenstellung überführt werden und das Ansaugsystem 1 freigegeben wird.
1b zeigt schematisch die in 1a dargestellte Vorrichtung 2 zur Impulsaufladung in der Offenstellung, teilweise im Halbschnitt. Die beiden Klappen 3a, 3b geben in der Offenstellung das Ansaugsystem 1 frei.
Für jede Klappe 3a, 3b ist stromabwärts ihrer Lagerung 6a, 6b eine bestrombare Hilfsspule 5a, 5b in der Wandung 1b des Ansaugsystems 1 vorgesehen, die unterschiedlich verwendet werden kann. Die bestromten Hilfsspulen 5a, 5b können beispielsweise die Klappen 3a, 3b in der Offenstellung halten. Bei geeigneter Bestromung der Hilfsspulen 5a, 5b zieht das Magnetfeld der Hilfsspule 5a, 5b die zugehörige Klappe 3a, 3b an und unterstützt auf diese Weise den Öffnungsvorgang der Klappe 3a, 3b.
Ausgehend von der in 1b dargestellten Offenstellung können die Klappen 3a, 3b in die Schließstellung überführt werden, indem die Hilfsspulen 5a, 5b in der Art bestromt werden, dass sich die Magnetfelder der Hilfsspulen 5a, 5b und die Magnetfelder der Permanentmagnete 4a, 4b abstoßen, wodurch die Klappen 3a, 3b in die Schließstellung bewegt werden.
Vorliegend sind die Klappen 3a, 3b biegbar, so dass die Klappen 3a, 3b über ein integrales Federelement verfügen, welches den Schließvorgang unterstützt, d. h. die dazugehörige Klappe 3a, 3b in Richtung Schließstellung vorspannt bzw. kraftbeaufschlagt. Die Klappen 3a, 3b können daher ortsfest und unbeweglich mittels fixer Lagerung 6a, 6b an der Wandung 1b des Ansaugsystems 1 gelagert, d. h. fixiert werden. Dies vereinfacht die Lagerung 6a, 6b erheblich. Bei geeigneter Bestromung der Spule 7c des Stegs 7a zieht das Magnetfeld der Spule 7c die Klappen 3a, 3b an und unterstützt auf diese Weise den Schließvorgang der Klappen 3a, 3b.
2 zeigt schematisch die Spule 7c des Stegs 7a der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung 2 zur Impulsaufladung. Die bestrombare Spule 7c verfügt über eine Wicklung um eine virtuelle Achse 7d, welche gleichzeitig die Längsachse 7d der Spule 7c darstellt. Diese Längsachse 7d verläuft in den 1a und 1b quer zur Strömungsrichtung und senkrecht zur Steglängsachse 7b, so dass der Südpol S des Magnetfelds dem Permanentmagneten 4a der einen Klappe 3a und der Nordpol N des Magnetfelds dem Permanentmagneten 4b der anderen Klappe 3b zugewandt ist (siehe auch Figurenbeschreibung). Durch Umkehr der Stromrichtung in der Spule 7c ändert sich diese Orientierung des Magnetfelds, so dass die Klappen 3a, 3b einmal angezogen und ein anderes Mal abgestoßen werden.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
1a: Ansaugleitung
1b: Wandung des Ansaugsystems
2: Vorrichtung zur Impulsaufladung
3a: erste Klappe
3b: zweite Klappe
4a: Permanentmagnet der ersten Klappe
4b: Permanentmagnet der zweiten Klappe
5a: bestrombare Hilfsspule der ersten Klappe
5b: bestrombare Hilfsspule der zweiten Klappe
6a: Lagerung der ersten Klappe
6b: Lagerung der zweiten Klappe
7a: Steg
7b: Längsachse des Stegs
7c: bestrombare Spule des Stegs
7d: Längsachse der Spule des Stegs, virtuelle Achse der Wicklung
N: Nordpol
S: Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19908435 A1 [0013, 0015, 0036]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung (1a) des Ansaugsystems (1) anschließt und jede Einlassöffnung mit einem Ventil ausgestattet ist, um die Einlassöffnung zu versperren oder im Rahmen eines Ladungswechsels freizugeben, und eine Vorrichtung (2) zur Impulsaufladung mit mindestens zwei verschwenkbaren Klappen (3a, 3b) vorgesehen ist, bei der – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) diametral gegenüberliegend und jeweils mit einem ortsfesten Schenkel unter Ausbildung einer Lagerung (6a, 6b) an einer Wandung (1b) des Ansaugsystems (1) gelagert sind, – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) in einer Schließstellung jeweils mit einem dem ortsfesten Schenkel gegenüberliegenden freien Schenkel an einem als Auflager dienenden und das Ansaugsystem (1) entlang einer Steglängsachse (7b) durchquerenden Steg (7a) aufliegen und das Ansaugsystem (1) verschließen, und – die mindestens zwei Klappen (3a, 3b) in einer Offenstellung das Ansaugsystem (1) freigeben, dadurch gekennzeichnet, dass – jede Klappe (3a, 3b) an dem freien Schenkel mit mindestens einem Permanentmagneten (4a, 4b) ausgestattet ist, wobei die Orientierung der Magnetfelder der Permanentmagnete (4a, 4b) der mindestens zwei Klappen (3a, 3b) bezüglich des Stegs (7a) diametral entgegengesetzt ist, und – der Steg (7a) mit einer bestrombaren Spule (7c) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7a) in Strömungsrichtung stromlinienförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7a) in einem Schnitt quer zur Steglängsachse (7b) ein linsenförmiges Profil aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestrombare Spule (7c) des Stegs (7a) eine Wicklung quer zur Strömungsrichtung aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der Spule (7c) eine Wicklung um eine virtuelle Achse (7d) ist, welche senkrecht zur Steglängsachse (7b) verläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7a) drehbar gelagert ist und um die Steglängsachse (7b) verdrehbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Klappe (3a, 3b) unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7a) unter Verwendung von mindestens einem magnetischen Werkstoff gefertigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klappe (3a, 3b) mit einem Federelement ausgestattet ist, welches die Klappe (3a, 3b) in Richtung Schließstellung kraftbeaufschlagt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement integral mit der Klappe (3a, 3b) ausgebildet ist, so dass die Klappe (3a, 3b) und das Federelement ein monolithisches Bauteil bilden.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Klappe (3a, 3b) stromabwärts der Lagerung (6a, 6b) eine bestrombare Hilfsspule (5a, 5b) in der Wandung (1b) des Ansaugsystems (1) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Vorrichtung (2) zur Impulsaufladung hindurchführende Ansaugsystem (1) als Schwingrohr ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) in dem Bereich, in dem die Vorrichtung (2) zur Impulsaufladung vorgesehen ist, einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (2) zur Impulsaufladung einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von in der Schließstellung befindlichen Klappen (3a, 3b) die Spule (7c) des Stegs (7a) in der Art bestromt wird, dass sich das Magnetfeld der Spule (7c) und die Magnetfelder der Permanentmagnete (4a, 4b) der Klappen (3a, 3b) abstoßen, wodurch die Klappen (3a, 3b) in die Offenstellung überführt werden und das Ansaugsystem (1) freigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einlassöffnung durch Betätigen des zugehörigen Ventils zwecks Ladungswechsel freigegeben wird bevor die Spule (7c) des Stegs (7a) bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (7c) des Stegs (7a) während des Ladungswechsels mindestens zweimal bestromt wird, um das Ansaugsystem (1) mindestens zweimal freizugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen (3a, 3b) die Bestromung der Spule (7c) des Stegs (7a) beendet wird, wodurch die Klappen (3a, 3b) in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem (1) verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen (3a, 3b) die Bestromung der Spule (7c) des Stegs (7a) umgekehrt wird, so dass das Magnetfeld der Spule (7c) die Permanentmagnete (4a, 4b) der Klappen (3a, 3b) anzieht, wodurch die Klappen (3a, 3b) in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem (1) verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18 zum Betreiben einer Vorrichtung zur Impulsaufladung, bei der für jede Klappe (3a, 3b) stromabwärts der Lagerung (6a, 6b) eine bestrombare Hilfsspule (5a, 5b) in der Wandung (1b) des Ansaugsystems (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspulen (5a, 5b) in der Art bestromt werden, dass sich das Magnetfeld einer Hilfsspule (5a, 5b) und das Magnetfeld des mindestens einen Permanentmagneten (4a, 4b) der zugehörigen Klappe (3a, 3b) anziehen, wodurch die Überführung der Klappen (3a, 3b) in die Offenstellung unterstützt wird und/oder die Klappen (3a, 3b) in der Offenstellung gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19 zum Betreiben einer Vorrichtung zur Impulsaufladung, bei der für jede Klappe (3a, 3b) stromabwärts der Lagerung (6a, 6b) eine bestrombare Hilfsspule (5a, 5b) in der Wandung (1b) des Ansaugsystems (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von in der Offenstellung befindlichen Klappen (3a, 3b) die Hilfsspulen (5a, 5b) in der Art bestromt werden, dass sich das Magnetfeld einer Hilfsspule (5a, 5b) und das Magnetfeld des mindestens einen Permanentmagneten (4a, 4b) der zugehörigen Klappe (3a, 3b) abstoßen, wodurch die Klappen (3a, 3b) in die Schließstellung überführt werden und das Ansaugsystem (1) verschlossen wird.