HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für einen
Verbrennungsmotor, insbesondere ein Ansaugsystem, das an
jedem Zylinder des Motors zwei Drallansaugkanäle
aufweist.
Schilderung des Stand der Technik
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Ein Ansaugsystem, bei dem sich an jedem Zylinder des
Motors zwei Drallansaugkanäle befinden, um in dem
Zylinder einen starken Wirbel aus Ansaugluft zu erzeugen,
ist bereits bekannt. Diese Art Ansaugsystem ist
beispielsweise in der US-A-3020896 oder in der
japanischen Offenlegungsschrift Nr. 7-158459 offenbart.
Bei dem Ansaugsystem in der Veröffentlichung '459
befinden sich am Zylinder zwei spiralartige Drallkanäle.
Der spiralartige Drallkanal hat einen spiralförmigen
Lufteinlass, der der durchströmenden Ansaugluft
Drehgeschwindigkeit verleiht. In der Veröffentlichung '459
dreht der Drallkanal, der bezogen auf die
Strömungsrichtung des Wirbels in dem Zylinder stromaufwärts
gelegen ist, den durchgehenden Ansaugluftstrom um einen
großen Betrag, bevor er in den Zylinder strömt, während
der Drallkanal, der bezogen auf die Strömungsrichtung des
Wirbels in dem Zylinder stromabwärts gelegen ist, den
durchgehenden Ansaugluftstrom um lediglich eine halbe
Umdrehung dreht, bevor er in den Zylinder strömt.
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In der Veröffentlichung '459 hat der spiralförmige
Lufteinlass des stromaufwärtigen Drallkanals an seinem
Ende eine verhältnismäßig große Höhe, damit sich der
Ansaugluftstrom um einen großen Betrag dreht. Der
spiralförmige Lufteinlass des stromabwärtigen Drallkanals hat
an seinem Ende dagegen eine verhältnismäßig geringe Höhe,
damit sich der durchgehende Ansaugluftstrom lediglich um
eine halbe Umdrehung dreht.
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Wenn der Drehbetrag des durch den stromabwärtigen
Drallkanal gehenden Ansaugluftstroms klein eingestellt
wird, ist die tangentiale (Dreh-)Geschwindigkeit bzw. die
Geschwindigkeit in Horizontalrichtung (d. h. in der zur
Zylinderachse senkrechten Richtung) der Ansaugluft am
Auslass des stromabwärtigen Drallkanals kleiner als am
stromaufwärtigen Drallkanal. Da deswegen im
Ansaugluftstrom vom stromabwärtigen Drallkanal die nach unten
weisende Geschwindigkeitskomponente vorherrscht, strömt
die Ansaugluft vom stromabwärtigen Drallkanal aus nach
unten und erfährt eine geringere Störung durch die
Zylinderwand. Da der Ansaugluftstrom vom stromabwärtigen
Drallkanal außerdem eine geringere
Tangentialgeschwindigkeit hat, stören sich die Ansaugluft vom stromabwärtigen
Drallkanal und der vom stromaufwärtigen Drallkanal
erzeugte Ansaugluftwirbel kaum. Der Wirbel im Zylinder
wird daher nicht durch den Ansaugluftstrom vom
stromabwärtigen Drallkanal beeinflusst und dadurch gestört
oder geschwächt.
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In der Veröffentlichung '459 wird der Drehbetrag des
Ansaugluftstroms durch den stromabwärtigen Drallkanal
klein gehalten, indem die Höhe des Endabschnitts seines
spiralförmigen Lufteinlasses klein eingestellt wird. In
der Praxis ist es jedoch schwierig, den
Ansaugluftdrehbetrag zu halten, indem lediglich die Höhe des
Endabschnitts des spiralförmigen Lufteinlasses
eingestellt wird. Daher kommt es bei dem Ansaugsystem in
der Veröffentlichung '459 in einigen Fällen zu einer
Störung zwischen dem Ansaugluftstrom vom stromabwärtigen
Drallkanal und der Zylinderwand bzw. dem Wirbel im
Zylinder. Eine solche Störung erhöht den
Strömungswiderstand des stromabwärtigen Drallkanals und verringert
die Menge der durchgehenden Ansaugluft. Außerdem wird der
Wirbel geschwächt, wenn es zu der Störung zwischen der
Ansaugluft vom stromabwärtigen Drallkanal und dem Wirbel
im Zylinder kommt. Dies beeinträchtigt die Verbrennung im
Zylinder.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu
stellen, das in einem Zylinder des Verbrennungsmotors
einen besseren Ansaugluftwirbel erzeugt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ansaugsystem gemäß dem
unabhängigen Anspruch gelöst.
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Da der Innenwinkel zwischen der Oberwand und der Endwand
des spiralförmigen Lufteinlasses des ersten
(stromaufwärtigen) Drallkanals klein ist, ändert der durch den
Einlass gehende Luftstrom plötzlich an der Endwand seine
Richtung. Diese plötzliche Änderung der Strömungsrichtung
erzeugt an der Ecke, an der sich die Oberwand und die
Endwand treffen, eine Wirbelbewegung. Die Ansaugluft wird
durch den von der Wirbelbewegung erzeugten Unterdruck
angezogen und strömt an der Oberwand des Einlasses
entlang, bis sie die Endwand erreicht. Daher dreht sich
der Ansaugluftstrom durch den ersten Drallkanal um einen
großen Betrag, bevor er in den Zylinder strömt. Die
Ansaugluft strömt also mit einer hohen gleichmäßigen
Tangentialgeschwindigkeit aus dem Boden des Lufteinlasses
des ersten Drallkanals heraus. Das heißt, dass die von
dem ersten Drallkanal in den Zylinder strömende
Ansaugluft eine verhältnismäßig hohe Tangentialgeschwindigkeit
und eine verhältnismäßig geringe Geschwindigkeit in
Vertikalrichtung (d. h. in der zur Spiralachse des
spiralförmigen Lufteinlasses parallelen Richtung) hat. Die
durch den ersten Drallkanal strömende Ansaugluft erzeugt
daher einen starken Wirbel.
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Im Gegensatz dazu ist der Innenwinkel zwischen der
Oberwand und der Endwand des Lufteinlasses des zweiten
(stromabwärtigen) Drallkanals verhältnismäßig groß und
ändert der Luftstrom seine Richtung allmählich. Der durch
die Wirbelbewegung an der Ecke zwischen der Oberwand und
der Endwand erzeugte Unterdruck ist gering, weshalb in
dem zweiten Drallkanal auch die Kraft, die den
Ansaugstrom zum Ende des Lufteinlasses zieht, entsprechend
gering ist. Dies führt dazu, dass bereits eine große
Menge der durch den zweiten Drallkanal strömenden
Ansaugluft aus dem Boden herausströmt, bevor sie das Ende des
Einlasses erreicht. Das heißt, dass die aus dem zweiten
Drallkanal herausströmende Ansaugluft eine
verhältnismäßig geringe Tangentialgeschwindigkeit hat, da die
meiste Ansaugluft aus dem spiralförmigen Lufteinlass
herausströmt, bevor sie sich um einen großen Betrag
gedreht hat.
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Da die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der aus dem
zweiten Drallkanal herausströmenden Ansaugluft mit
zunehmendem Drehbetrag der Ansaugluft in dem
spiralförmigen Lufteinlass größer wird, ist die
Tangentialgeschwindigkeitsverteilung der Ansaugluft um den Umfang
des Auslasses des zweiten Drallkanals herum so
beschaffen, dass die Tangentialgeschwindigkeit der Luft
um so größer ist, je mehr sie sich dem Ende des
spiralförmigen Lufteinlasses nähert. Deshalb ist die
Tangentialgeschwindigkeit der Ansaugluft gering, die fern
von der Zylinderwand in den Zylinder strömt, und strömt
die Ansaugluft vom zweiten Drallkanal an diesem Abschnitt
schräg nach unten in den Zylinder. Der Wirbel im Zylinder
wird daher nicht durch die Ansaugluft vom zweiten
Drallkanal gestört oder geschwächt.
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Da die Tangentialgeschwindigkeit der Ansaugluft vom
zweiten Drallkanal an einem Punkt nahe der Zylinderwand
größer ist, strömt die Ansaugluft vom zweiten Drallkanal
außerdem an der Krümmung der Zylinderwand entlang, ohne
auf die Zylinderwand aufzutreffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird im Folgenden näher unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die
Folgendes zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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Fig. 2 eine Perspektivansicht der Drallkanäle beim
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Fig. 3A und Fig. 3B die Gestaltung der Endabschnitte der
spiralförmigen Lufteinlässe der Drallkanäle;
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Fig. 4A und Fig. 4B schematisch die Ströme der durch die
spiralförmigen Lufteinlässe der Drallkanäle gehenden
Ansaugluft; und
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Fig. 5 schematisch die Ströme der aus den Drallkanälen in
den Zylinder strömenden Ansaugluft.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf eines
Verbrennungsmotors, bei dem das erfindungsgemäße Ansaugsystem
Anwendung findet. In Fig. 1 bezeichnen die
Bezugszahl 1 einen Zylinder des Motors und 10 und 20 einen
ersten bzw. einen zweiten Ansaugkanal des Zylinders. Die
Ansaugkanäle 10 und 20 sind in dem Zylinderkopf 3
ausgebildet und umfassen einen Lufteinlass 13 bzw. 23,
der die an der Endfläche des Zylinderkopfs 3 gelegenen
Öffnungen 31, 32 mit spiralförmigen Lufteinlässen 11 und
21 der Ansaugkanäle verbindet. Die Böden der
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 öffnen sich zum Innenraum
des Zylinders hin.
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Obwohl dies nicht in der Zeichnung gezeigt ist, befinden
sich an den Ansaugkanälen 10 und 20 Einlassventile, die
die Böden der spiralförmigen Lufteinlässe öffnen und
schließen. Die Schäfte der Einlassventile verlaufen
entlang der Mittelachsen der spiralförmigen Lufteinlässe
11 und 12 und sind mit einem Ventilbetätigungsmechanismus
verbunden. Am Zylinder befinden sich außerdem zwei (nicht
in der Zeichnung gezeigte) Auslassventile, die im
Hinblick auf die Einlassventile an bezüglich der
Zylindermitte symmetrischen Positionen angeordnet sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die spiralförmigen
Lufteinlässe 11 und 12, wie in Fig. 1 gezeigt ist, im
Uhrzeigersinn verlaufende Windungen auf und formen die
durch die Einlässe 11 und 12 gehenden Ansaugluftströme in
dem Zylinder einen im Uhrzeigersinn verlaufenden Wirbel,
der in Fig. 1 mit S bezeichnet ist. Bezogen auf die
Richtung des Wirbels S befindet sich der zweite
Ansaugkanal 20 daher an einer Position stromabwärts vom
ersten Ansaugkanal 10.
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Fig. 2 zeigt in Perspektivansicht die Form der
Ansaugkanäle 10 und 20. Bei diesem Ausführungsbeispiel strömt
aus (nicht gezeigten) Ansaugrohren, die mit den Öffnungen
31 und 32 verbunden sind, Ansaugluft in die Ansaugkanäle
10 und 20 und strömt durch die Lufteinlässe 13 und 23 in
die spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21. In den
spiralförmigen Lufteinlässen 11 und 21 dreht sich die
Ansaugluft im Uhrzeigersinn und strömt von der Bodenöffnungen
der spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 aus in den
Zylinder 1. Die Ansaugluftströme von den Böden der
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 in den Zylinder 1
weisen daher in der zu den Umfängen der Böden der
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 tangentialen Richtung
Geschwindigkeiten auf. Dies führt dazu, dass die
Ansaugluft so aus den Ansaugkanälen 10 uns 20 strömt, dass sie
sich entlang der Zylinderwand dreht und sich dadurch im
Zylinder ein (in Fig. 1 mit S bezeichneter) starker
Wirbel aus Ansaugluft bildet.
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In den Fig. 1 und 2 bezeichnen die Zahlen 15 und 25
jeweils die Endabschnitte der spiralförmigen Lufteinlässe
11 und 21. In diesem Ausführungsbeispiel sind die
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 derart gestaltet, dass
der Winkel zwischen der Linie, die die Mitte der
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 verbindet, und dem
Endabschnitt 25 des spiralförmigen Lufteinlasses 21 des
zweiten Ansaugkanals 20 (der Winkel α&sub2; in Fig. 1) kleiner
als der Winkel (α&sub1;) des ersten Ansaugkanals 10 ist, um
eine Störung zwischen der Zylinderwand und dem
Endabschnitt 25 des spiralförmigen Lufteinlasses 21 zu
vermeiden.
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Die Fig. 3A und 3B stellen schematisch die
Querschnitte der Endabschnitte 15 und 25 der spiralförmigen
Lufteinlässe 11 und 21 entlang der Strömungslinien (der
Pfeile in den Fig. 3A und 3B) der durch die
spiralförmigen Lufteinlässe 11 und 21 gehenden Ansaugluft dar.
Wie in den Fig. 3A und 3B zu erkennen ist, ist die
Querschnittshöhe h&sub1; des Endabschnitts 15 des
spiralförmigen Lufteinlasses 11 größer als die Querschnittshöhe
h&sub2; des Endabschnitts 25 des spiralförmigen Lufteinlasses
21.
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Aus Fig. 3A ergibt sich außerdem, dass der Innenwinkel θ&sub1;
zwischen der Oberwand 15a und der Endwand 15b (die das
Ende des Einlasses 11 definiert) verhältnismäßig klein
ist bzw. die Endwand 15b so gestaltet ist, dass ihre
Neigung verhältnismäßig groß (steil) ist. Im Gegensatz
dazu ist der Innenwinkel θ&sub2; zwischen der Oberwand 25a und
der Endwand 25b des spiralförmigen Lufteinlasses 21
verhältnismäßig groß bzw. ist die Endwand 25b so
gestaltet ist, dass ihre Neigung verhältnismäßig gering
ist.
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Die Fig. 4A. und 4H veranschaulichen den bei diesem
Ausführungsbeispiel durch die unterschiedlichen Winkel θ&sub1;
und θ&sub2; bedingten Unterschied beim Luftstrom. Fig. 4A
zeigt den Ansaugluftstrom im ersten Ansaugkanal 10. Da
der Winkel 61 zwischen der Oberwand 15a und der Endwand
15b des Endabschnitts verhältnismäßig klein und die
Neigung der Endwand 15b groß ist, ändert die Strömung in
dem spiralförmigen Lufteinlass 11 des ersten Ansaugkanals
10 plötzlich ihre Richtung, um entlang der Endwand 15b
weiterzulaufen. Diese plötzliche Änderung der
Strömungsrichtung führt zu einem Strömungsabriss an der Ecke
zwischen der Oberwand 15a und der Endwand 15b (an dem in
Fig. 4 A mit A gekennzeichneten Abschnitt), wobei durch
diesen Strömungsabriss eine Wirbelbewegung erzeugt wird.
Da in dem Abschnitt A durch die Wirbelbewegung ein
Unterdruck entsteht, wird durch den Unterruck der Strom der
Ansaugluft in dem Einlass 11 angezogen und verläuft
entlang der Oberwand 15a, bis er den Eckenabschnitt A
erreicht. Der Ansaugluftstrom dreht sich daher in dem
Einlass 11 im ersten Ansaugkanal 10 um einen großen
Betrag, bevor er in den Zylinder 1 strömt. Wie in Fig. 4A
zu erkennen ist, strömt die Ansaugluft aus dem Boden des
spiralförmigen Lufteinlasses 11 mit verhältnismäßig hoher
Tangentialgeschwindigkeit im Wesentlichen gleichmäßig
über den gesamten Umfang des Bodens des Einlasses 11
heraus.
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Der Winkel θ&sub2; zwischen der Oberwand 25a und der Endwand
25b des spiralförmigen Lufteinlasses 21 des zweiten
Ansaugkanals 20 ist dagegen größer als der Winkel θ&sub1; in
dem spiralförmigen Lufteinlass 11 des ersten Ansaugkanals
10. Der Ansaugluftstrom ändert daher seine Richtung
allmählich, um entlang der Endwand 25b am Endabschnitt 25
des Einlasses 21 weiterzulaufen. Da sich die
Strömungsrichtung allmählich ändert, kommt es an der Ecke B
zwischen der Oberwand 25a und der Endwand 25b in dem
Einlass 21 zu keiner Wirbelbewegung bzw. zu keinem
Unterdruck. Da kein Unterdruck entsteht, der den
Ansaugluftstrom zur Ecke B des Endabschnitts 25 hin anzieht,
strömt die Ansaugluft im spiralförmigen Lufteinlass 21
daher aus dem Boden des Einlasses heraus, bevor sie sich
um einen großen Betrag gedreht hat. Die aus dem zweiten
Ansaugkanal 20 in den Zylinder strömende Luft hat somit,
wie in Fig. 4B zu erkennen ist, eine verhältnismäßig
große Geschwindigkeit nach unten und eine verhältnismäßig
geringe Tangentialgeschwindigkeit.
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Die Ansaugluft vom ersten Ansaugkanal 10 strömt daher wie
in Fig. 4A gezeigt beinahe horizontal in den Zylinder 1
ein, während die Ansaugluft vom zweiten Ansaugkanal 20
wie in Fig. 4B gezeigt schräg nach unten in den Zylinder
1 einströmt.
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Fig. 5 stellt schematisch die Verteilung der
Tangentialgeschwindigkeit der in den Zylinder 1 strömenden
Ansaugluft um die Ansaugkanäle 10 und 20 herum dar. Indem der
Winkel θ&sub1; auf einen verhältnismäßig kleinen Wert ·
eingestellt wird, nimmt die aus dem ersten Änsaugkanal 10
in den Zylinder 1 strömende Ansaugluft um den Umfang des
Auslasses des Kanals 10 herum eine breite, gleichmäßige
Tangentialgeschwindigkeitsverteilung an. Diese breite,
gleichmäßige Tangentialgeschwindigkeitsverteilung erzeugt
in dem Zylinder 1 einen starken Wirbel S. d. h. dadurch,
dass der Winkel θ&sub1; auf einen verhältnismäßig kleinen Wert
eingestellt wird, wird der Ansaugluftwirbel in dem
Zylinder verstärkt.
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Indem der Winkel θ&sub2; dagegen auf einen verhältnismäßig
hohen Wert eingestellt wird, strömt aus dem zweiten
Ansaugkanal 20 Ansaugluft in den Zylinder 1, bevor sie
sich in dem spiralförmigen Lufteinlass 21 um einen großen
Betrag gedreht hat (d. h. bevor die
Tangentialgeschwindigkeit der Ansaugluft groß geworden ist). Die Ansaugluft
von dem zweiten Ansaugkanal 20 strömt daher schräg nach
unten in den Zylinder. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist,
nimmt die Tangentialgeschwindigkeit der Ansaugluft um den
Auslass des zweiten Ansaugkanals 20 herum im
Uhrzeigersinn zu und ist an dem Abschnitt nahe der Zylinderwand
maximal. Aufgrund dieser verhältnismäßig hohen
Tangentialgeschwindigkeit erhöht die Ansaugluft, die aus
dem Abschnitt des Auslasses des zweiten Ansaugkanals 20
nahe der Zylinderwand ausströmt, den durch die Ansaugluft
aus dem ersten Ansaugkanal 10 hervorgerufenen Wirbel.
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Da die Tangentialgeschwindigkeit der Ansaugluft, die aus
dem von dem Zylinder fernen Teil des Auslasses des
zweiten Ansaugkanals 20 strömt, verhältnismäßig gering
ist, strömt die Ansaugluft aus diesem Teil des zweiten
Ansaugkanals 20 nach unten in den Zylinder, ohne den
Wirbel S in dem Zylinder zu stören. Da die aus dem
zweiten Ansaugkanal 20 in den Zylinder strömende Luft
nicht auf die Zylinderwand auftrifft oder den Wirbel im
Zylinder stört, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der
Strömungswiderstand des zweiten Ansaugkanals 20 klein.
Dadurch, dass der Strömungswiderstand gesenkt wird, wenn
der Winkel θ&sub2; auf einen hohen Wert eingestellt wird, ist
bei diesem Ausführungsbeispiel also die Menge der durch
den zweiten Änsaugkanal 20 gehenden Ansaugluft größer.
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So wird zum Beispiel die Motorleistung bei einem
Dieselmotor durch das fehlende Drosselventil stark von dem
Zustand des Wirbels im Zylinder beeinflusst. Wenn der
Dieselmotor bei geringer Geschwindigkeit betrieben wird,
muss daher die Verbrennung im Zylinder verbessert werden,
indem in dem Zylinder ein starker Wirbel aus Ansaugluft
erzeugt wird. Wenn der Dieselmotor dagegen bei hoher
Geschwindigkeit und hoher Last betrieben wird, muss dem
Zylinder eine ausreichende Menge Ansaugluft zugeführt
werden, um zu verhindern, dass der Luftüberschuss des
Zylinders zu gering ist.
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Wenn das erfindungsgemäße Ansaugsystem bei einem
Dieselmotor Anwendung findet, wird von der Ansaugluft aus dem
ersten Ansaugkanal auch dann ein starker Wirbel erzeugt,
wenn der Motor bei geringer Geschwindigkeit betrieben
wird. Daher wird selbst im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb
des Dieselmotors eine bessere Verbrennung erzielt. Da
außerdem der Strömungswiderstand des zweiten Ansaugkanals
gering ist, wird auch dann, wenn der Motor bei hoher
Geschwindigkeit und hoher Last betrieben wird, durch den
zweiten Ansaugkanal hindurch eine ausreichende Menge
Ansaugluft zugeführt. Die Leistung des Dieselmotors kann
daher erfindungsgemäß über einen breiten
Betriebsgeschwindigkeitsbereich verbessert werden.