Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ansaugelement für einen Verbrennungsmotor, insbesondere ein effizienzsteigerndes Ansaugelement, das selbstregulierend dazu in der Lage ist, die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft zu regeln.

Ein wichtiges Problem bei Verbrennungsmotoren ist die Einstellung des jeweils richtigen Luft-Kraftstoff-Gemisches für den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors bzw. des angetriebenen Fahrzeugs. In einem Vergaser oder Einspritzsystem eines bekannten Verbrennungsmotors strömt die vom Verbrennungsmotor angesaugte Luft durch einen Hohlraum, in der Regel ein Rohr (Ansaugrohr), welches an einer Stelle verjüngt ist. An der Stelle des Hohlraumes mit dem kleinsten Durchmesser ist die Geschwindigkeit der Luft am größten. Üblicherweise wird genau an dieser Stelle bzw. unmittelbar hinter dieser Stelle (d.h. stromabwärts) der Kraftstoff zugegeben. Dabei wird der Kraftstoff von der vorbeiströmenden Luft mitgerissen und in der Luft zerstäubt. Hierdurch wird eine möglichst gründliche Vermengung des Kraftstoffs in der Luft erreicht. Die für den jeweiligen Betriebs- bzw. Lastzustand des Verbrennungsmotors benötigte Luftmenge wird über geeignete EinStelleinrichtungen im Vergaser oder im Einspritzsystem eingestellt, in der Regel werden hierzu Drosselklappen oder dergleichen verwendet. Bei geringer Last, z. B. bei Leerlauf oder geringen Drehzahlen des Motors wird eine geringere Luftmenge benötigt, und bei hoher Last, also hohen Drehzahlen des Motors, wird eine größere Luftmenge benötigt.

Ein allgemeines Problem bekannter Verbrennungsmotoren ist, dass bei niedrigen Motordrehzahlen, d.h. bei geringen benötigten Luftmengen, keine zufriedenstellende Vernebelung des Kraftstoffs in der Luft erreicht wird, um eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs und somit eine höhere Effizienz und geringere Umweltbelastung zu ermöglichen. Ein anderes Problem ist das insbesondere in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs (die beispielweise im Stadtzyklus häufig wiederkehren) auftretende Phänomen der sogenannten„Überfettung" des Motors, d.h. einem Zustand in dem sich zu viel Kraftstoff im Luft-Kraftstoff-Gemisch befindet. Der überschüssige Kraftstoff verbrennt nicht komplett im Brennraum des Motors, wodurch zum Einen der Kraftstoffverbrauch unnötig erhöht wird, zum Anderen in erhöhtem Maße umweltbelastende Schadstoffe, wie Ruß und C0 ₂ , ausgestoßen werden.

Die Effektivität der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs hängt vom Zustand der Verwirbelung zum Zeitpunkt der Zündung ab. Die Verwirbelung hängt wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft ab. Bei bekannten Motoren ist die Verwirbelung der Luft in vielen Betriebszuständen, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, unbefriedigend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die besagten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß eines Verbrennungsmotors zu senken. Dazu strebt die vorliegende Erfindung an, eine möglichst optimale Vermischung der Luft und des Kraftstoffs in unterschiedlichen Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Diesbezüglich wird insbesondere angestrebt, eine optimale Verwirbelung der Ansaugluft in unterschiedlichen Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors zu erreichen.

Die oben genannten Aufgaben werden durch ein Ansaugelement für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche entwickeln den zentralen Erfindungsgedanken auf vorteilhafte Weise weiter. Das erfindungsgemäße Ansaugelement für einen Verbrennungsmotor umfasst zumindest ein Gehäuse mit wenigstens einer Einlassöffnung für einströmende Luft, wenigstens einer Auslassöffnung für ausströmende Luft und einem Hohlraum, der die Öffnungen verbindet und dessen Querschnittfläche von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung hin zumindest teilweise abnimmt, ein im Hohlraum angeordnetes Regelelement, das wenigstens teilweise in und gegen die Strömungsrichtung der Luft beweglich angeordnet ist, wobei das Regelelement derart gestaltet ist, dass sich ein Regulierungsringspalt zwischen der Innenseite des Gehäuses und einem Ende des Regelelements bei einer Bewegung des Regelelements in die Strömungsrichtung der Luft verengt und gegen die Strömungsrichtung der Luft verbreitert, und durch den Hohlraum strömende Luft am Regelelement einen Venturi-Effekt erzeugt, wodurch sich das Regelelement selbstregulierend bewegt.

Der Regulierungsringspalt ist so ausgelegt, dass er eine beträchtliche Engstelle für die durch den Hohlraum des Ansaugelements strömende Luft darstellt. Dadurch wird die Luft im Regulierungsringspalt, der vorzugsweise direkt vor der Auslassöffnung des Ansaugelements angeordnet ist, stark beschleunigt, insbesondere viel stärker als in bekannten Ansaugrohren. Die aus der Auslassöffnung strömende beschleunigte Luft wird vorzugsweise umgehend einem Einlassventil des Brennraums des Verbrennungsmotors zugeführt. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft wird die Luft hervorragend verwirbelt und die Effizienz der Verbrennung kann gesteigert werden.

Die Strömungsgeschwindigkeit kann durch den Regulierungsringspalt bis an die Selbstdrosselungsgrenze (nämlich die Schallgeschwindigkeit) gebracht werden. Durch eine solche starke Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit laufen vom Einlassventil des Brennraums zurücklaufende Resonanzwellen nicht mehr oder nur noch abgeschwächt in den Stauraum des Ansaugelements. Dadurch gelangen weniger Rückstände in das Ansaugelement. Die Frequenz der Resonanzwellen erhöht sich (es bilden sich insbesondere Oberwellen höherer Frequenz) und es kommt zu einem messbaren Überdruck vor dem Einlassventil. Der durch die Oberwellen häufiger als in bekannten Motoren auftretende„Overcharge"-Effekt hat einen erheblichen Einfluss auf die Motoreffizienz, da er die Verwirbelung der Luft zusätzlich verbessert. Durch die selbstregulierte Bewegung des Regelelements im Gehäuse des Ansaugelements reguliert sich demnach auch selbstständig die Breite des Regulierungsringspalts in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge. So kann die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst werden. Eine größere Luftmenge durch das Ansaugelement bedingt eine höhere allgemeine Strömungsgeschwindigkeit der Luft, eine niedrigere Luftmenge hingegen bedingt eine niedrigere allgemeine Strömungsgeschwindigkeit. Ähnlich bedingt aber ein größerer Regulierungsringspalt eine kleinere lokale Strömungsgeschwindigkeit der Luft und ein kleinerer Regulierungsringspalt eine größere lokale Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Das Ansaugelement kann insbesondere so ausgelegt werden, dass durch den Venturi-Effekt am Regelelement und die dadurch verursachte selbstregulierende Bewegung des Regelelements, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch den Regulierungsringspalt unabhängig von der angesaugten Luftmenge gleichbleibend gehalten werden kann. Es kann mit dem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung also eine gleichmäßig hohe Strömungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig wechselnder Ansaugluftmenge erreicht werden.

Umso gleichmäßiger die Strömungsgeschwindigkeit der Luft ist, desto besser ist dann auch die Verwirbelung der Luft. Die Effektivität der Verbrennung des Luft-Kraftstoff- Gemischs im Brennraum des Motors hängt wie bereits beschrieben vom Zustand der Verwirbelung zum Zeitpunkt der Zündung ab. Das heißt, umso optimaler und gleichmäßiger die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ist, desto besser ist die Verwirbelung und desto effektiver ist die Verbrennung. Dadurch kann durch das Ansaugelement der vorliegenden Erfindung der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß deutlich reduziert werden.

Für Verbrennungsmotoren mit einem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung konnte ferner eine bei sich ändernder Belastung des Motors konstante Lambdakurve gemessen werden. Insbesondere konnte beobachtet werden, dass sich das in der Beschleunigungsphase im Stadtzyklus (Stop-and-Go Verkehr) einstellende „Überfetten" des Motors entfällt. Dies senkt den Kraftstoffverbrauch merklich.

Zudem konnte eine durch die gleichmäßig hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft bedingte konstant verlaufende Drehmomentkurve für Verbrennungsmotoren mit dem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung beobachtet werden, ähnlich wie für Elektromotoren. Die im Durchschnitt gemessenen Werte des Drehmoments und der Leistung lagen für einen solchen Motor um etwa 20% höher als für herkömmliche Motoren. Vorzugsweise umfasst das Regelelement einen Regelzylinder, der im Hohlraum angeordnet ist und an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist, ein Kolbenelement, das im Regelzylinder wenigstens teilweise in und gegen die Strömungsrichtung der Luft beweglich angeordnet ist, wobei der Regulierungsspalt zwischen der Innenseite des Gehäuses und einem ersten Ende des Kolbenelements gebildet ist und zwischen einer Innenseite des Regelzylinders und einem zweiten Ende des Kolbenelements eine Vakuumkammer gebildet ist, wobei das Regelelement derart gestaltet ist, dass der Venturi-Effekt einen Unterdruck in der Vakuumkammer erzeugt, wodurch auf das Kolbenelement eine gegen die Strömungsrichtung der Luft ausgerichtete Kraft wirkt.

Der durch den Venturi-Effekt erzeugte Unterdruck in der Kammer bewirkt, dass bei einer größeren das Ansaugelement durchströmenden Luftmenge das Regelelement so bewegt wird, dass der Regulierungsringspalt breiter wird, wodurch insgesamt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die andererseits durch die erhöhte Luftmenge steigt, gleich bleibt.

Vorzugsweise weist das Regelelement ferner ein Stellelement auf, das so angeordnet ist, dass auf das Kolbenelement eine in die Strömungsrichtung der Luft ausgerichtete Stellkraft wirkt.

Die Stellkraft des Stellelements wirkt der Kraft entgegen, die durch einen Unterdruck in der Vakuumkammer erzeugt wird, wodurch sich für jede angesaugte Luftmenge in einer Position des Regelelements ein Kräftegleichgewicht einstellt. Dadurch wird es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit selbstregulierend gleich zu halten, nämlich indem sich das Regelelement abhängig von der den Hohlraum durchströmenden Luftmenge selbstständig hin- und her bewegt.

Vorzugsweise ist die Stellkraft des Stellelements derart gewählt, dass ohne den Hohlraum durchströmende Luft das Kolbenelement derart positioniert ist, dass der Regulierungsspalt maximal verengt ist.

Dadurch kann sich bereits beim Starten des Motors bzw. bei niedrigen Motordrehzahlen eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft aufgrund des engen Regulierungsringspalts einstellen. Dadurch wird ein schnelleres Anspringen des Motors, ein weicheres Laufen des Motors insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, sowie ein optimierter Leerlauf erreicht. Beispielweise kann der Leerlauf eines Motors mit einem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung auf etwa 600 Umdrehungen pro Minute (U/min) von normalerweise 800 - 900 U/min gesenkt werden. Vorzugsweise weist das Kolbenelement wenigstens eine Venturi-Bohrung auf, die den Hohlraum mit der Vakuumkammer verbindet. Über die Venturi-Bohrung kann der durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Unterdruck an die Vakuumkammer weitergegeben werden.

Vorzugsweise ist die wenigstens eine Venturi-Bohrung derart in dem Kolbenelement angeordnet ist, dass sie in den Regulierungsspalt mündet. Im Regulierungsringspalt kann aufgrund der höchsten Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Ansaugelement der größte Venturi-Effekt auftreten, wodurch ein starker Unterdruck in der Vakuumkammer erzeugt werden kann.

Vorzugsweise endet die Venturi-Bohrung in einer auf der Außenseite des Kolbenelements angeordneten Luftbeschleunigungsdüse. Eine solche Luftbeschleunigungsdüse erhöht lokal nochmals die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, wodurch ein noch stärkerer Venturi-Effekt erzielt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kolbenelement ein Befestigungselement zum Befestigen des Kolbenelements an dem Regelzylinder, einen Arbeitskolben der das zweite Ende des Kolbenelements bildet, einen Regelkolben, der das erste Ende des Kolbenelements bildet, eine Kolbenstange, die den Arbeitskolben und den Regelkolben verbindet und die so durch das Befestigungselement geführt ist, dass der Arbeitskolben und der Regelkolben in und gegen die Strömungsrichtung der Luft beweglich bezüglich des Befestigungselements sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kolbenelement ein Befestigungselement zum Befestigen des Kolbenelements an dem Regelzylinder, eine Membran, die das zweite Ende des Kolbenelements bildet und mit ihrem äußeren Umfang an dem Regelzylinder angebracht ist, einen Regelkolben, der das erste Ende des Kolbenelements bildet, eine Kolbenstange, die die Membran und den Regelkolben verbindet und die so durch das Befestigungselement geführt ist, dass die Membran und der Regelkolben in und gegen die Strömungsrichtung der Luft beweglich bezüglich des Befestigungselements sind. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Venturi-Bohrung durch den Regelkolben, die Kolbenstange und den Arbeitskolben geführt. Die Venturi-Bohrung kann sich in wenigstens dem Regelkolben in mehrere Zweige aufteilt, die jeweils durch den Regelkolben geführt sind.

Vorzugsweise weist das Kolbenelement eine Abdichtung zum Abdichten der Vakuumkammer zwischen Befestigungselement und Kolbenstange auf.

Der Arbeitskolben und der Regelkolben weisen ebenfalls eine Abdichtung, insbesondere einen O-Ring, auf. Die Abdichtungen sind zwischen Kolben und Regelzylinder angeordnet und dichten die Vakuumkammer sowie eine Zwischenkammer ab. Gleichzeitig dienen die Abdichtungen als Führungen der Kolben, also auch des gesamten Kolbenelements, im Regelzylinder. Vorzugsweise ist der Regelzylinder ferner mit einem Lufttaktventil zum Erhöhen des Drucks in der Vakuumkammer und/oder einem Unterdruckspeicher zum Erniedrigen des Drucks in der Vakuumkammer und/oder einem Unterdruckbegrenzungsventil zum Begrenzen des Unterdrucks in der Vakuumkammer versehen. Über das Lufttaktventil kann Einfluss auf die Bewegung des Regelkolbens genommen werden. Somit kann indirekt Einfluss auf die Steuerung der Ansaugluft, d.h. bspw. der Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft genommen werden. Das Lufttaktventil kann über Impulse aus dem Motorsteuerbetrieb geöffnet und geschlossen werden, um atmosphärischen Druck einzulassen. Durch das Unterdruckbegrenzungsventil kann bspw. sichergestellt werden, dass die Bewegung des Regelkolbens über den gesamten Bewegungsbereich linear zur benötigten Ansaugluftmenge bei gleichbleibend hoher Strömungsgeschwindigkeit der Luft verläuft. Der Unterdruckspeicher kann über ein Lufttaktventil mit der Vakuumkammer verbunden sein. Durch Steuern dieses Ventils kann Einfluss auf die Bewegung des Regelkolbens genommen werden, da sich bei Öffnen des Lufttaktventils der Druck in der Vakuumkammer schlagartig erniedrigt. Dadurch kann zum Beispiel einer Selbstdrosselung des Motors entgegengewirkt werden. Vorzugsweise ist zwischen den beiden Enden des Kolbenelements wenigstens eine weitere Vakuumkammer gebildet, wobei der Venturi-Effekt einen Unterdruck in der wenigstens einen weiteren Vakuumkammer erzeugt, wodurch auf das Kolbenelement eine zusätzliche gegen die Strömungsrichtung der Luft ausgerichtete Kraft wirkt.

Zum Erzeugen mehrerer Vakuumkammern kann das Kolbenelement mit mehreren Kolben versehen sein, auf die jeweils ein Luftdruckunterschied wirkt. Die Kraft auf das gesamte Kolbenelement wird dadurch vervielfacht. Das Kolbenelement kann dadurch schlanker (d.h. mit kleinerem Durchmesser) gebaut werden.

Vorzugsweise weist das Ansaugelement ferner eine Drosselklappe zum Einstellen der den Hohlraum durchströmenden Luftmenge auf. Die Drosselklappe wird üblicherweise über die Beschleunigung des Motors gesteuert, d.h. letztendlich durch die Betätigung eines Gaspedals oder -hebels. Es ist allerdings auch denkbar das oben beschriebenen Lufttaktventil, oder ein ähnliches weiteres Lufttaktventil, als Ersatz für die Drosselklappe zu schaffen. Es kann auch sein, dass mehrere Motorzylinder oder mehrere Regelelemente über eine einzige Drosselklappe mit Luft versorgt werden.

Vorzugsweise weist das Ansaugelement ferner ein elektronisches Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Hohlraum, vorzugsweise in einen Ringspalt zwischen einer seitlichen Wand des Regelelements und der Innenseite des Gehäuses, auf. Die Einspritzung des Kraftstoffs an dieser Stelle ist vorteilhaft, da im Ansaugelement eine besonders effektive Verwirbelung von Kraftstoff und Ansaugluft stattfinden kann. Es könnten bekannte Saugrohreinspritz Vorrichtungen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung bewirkt zusammenfassend einen reduzierten Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß. Dies wird erreicht, indem sowohl eine optimale Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff in unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors bei gleichzeitiger Verbesserung des Drehmomentverlaufs ermöglicht wird, als auch eine optimale Verwirbelung der Luft in unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden kann. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung.

Figur 5 a zeigt einen Querschnitt durch ein Kolbenelement eines Ansaugelements der vorliegenden Erfindung.

Figur 5b zeigt einen Querschnitt durch einen Regelzylinder eines Ansaugelements der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung. Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Ansaugelement der vorliegenden

Erfindung.

Figur 8 zeigt Lambdakurve und Motordrehzahl für mehrere Beschleunigungs- bzw.

Abbremszyklen eines Motors mit einem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung. zeigt Lambdakurve und Motordrehzahl für einen Beschleunigungszykli eines Motors mit einem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung. Figur 10 zeigt das Drehmoment eines Motors mit einem Ansaugelement der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform eines Ansaugelements 1 der vorliegenden Erfindung. Das Ansaugelement 1 aus Fig. 1 besteht aus mehreren Teilen. Das Ansaugelement 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit wenigstens einer Einlassöffnung 3 für einströmende Luft (oder jedes andere geeignete gasförmige oder flüssige Medium), wenigstens eine Auslassöffnung 4 für ausströmende Luft und einen Hohlraum 5, der zwischen den beiden Öffnungen liegt und diese miteinander verbindet, so dass die Luft durch das komplette Gehäuse 2 strömen kann. Das Gehäuse 2 fungiert beispielweise als ein Ansaugstutzen oder Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors. Das Gehäuse kann aber auch als ein anderes Teil des Verbrennungsmotors fungieren, beispielweise als ein Einlasskanal eines Zylinderkopfes. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet. Das Gehäuse 2 ist derart ausgebildet, dass der Querschnitt des Hohlraums 5, also der Durchlass für die durchströmende Luft, sich wenigstens teilweise verjüngt. Das heißt, das Ansaugelement 1 weist zumindest einen Teilabschnitt auf, in dem der Durchmesser des Gehäuses 2 in Richtung der Auslassöffnung 4 abnimmt. Zum Beispiel kann sich der Durchmesser entweder von einem großen Durchmesser (breiterer Querschnitt) an der Einlassöffnung auf einen kleineren Durchmesser (engerer Querschnitt) an der Auslassöffnung 4 verengen, wie in Figur 1 dargestellt. Vorzugsweise ist die Querschnittfläche der Auslassöffnung 4 kleiner als die Querschnittfläche der Einlassöffnung 3, damit durch das Gehäuse 2 strömende Luft beschleunigt aus dem Anasaugelement austritt. Die beschleunigte Luft wird aus der Auslassöffnung 4 in einen Brennraum wie einem Zylinder des Motors bspw. über ein Einlassventil (nicht gezeigt) geführt. Das Ansaugelement 1 weist vorzugsweise im Allgemeinen eine zylindrische Form auf, besitzt also vorzugsweise einen runden Querschnitt. In dem Gehäuse 2 ist ein Regelelement 10 angeordnet. Das Regelelement 10 kann dazu an dem Gehäuse 2 befestigt werden. Vorzugsweise wird das Regelelement 10 mit dem Gehäuse 2 an wenigstens einer Stelle verschraubt. Das Regelelement 10 ist dabei so angeordnet, dass es entlang der Strömungsrichtung der Luft, das heißt in und gegen die Strömungsrichtung der Luft, beweglich in dem Hohlraum 5 des Gehäuses 2 ist. Das Regelelement 10 kann sich also in einer Richtung von Einlassöffhung 3 zu Auslassöffhung 4 hin und her bewegen.

Das Regelelement 10 besteht vorzugsweise aus einem Regelzylinder 11, der an dem Gehäuse 2 an wenigstens einer Stelle befestigt werden kann, beispielweise mittels einer oder mehrerer Schrauben. Ferner umfasst das Regelelement 10 ein Kolbenelement 12, das teilweise an dem Regelzylinder 11 befestigt ist und wenigstens teilweise im Regelzylinder 11 in und gegen die Strömungsrichtung der Luft beweglich angeordnet ist. Das Kolbenelement 12 kann also im Regelzylinder 11 hin und her bewegt werden. Vorzugsweise umfasst das Kolbenelement 12 wenigstens ein Befestigungselement 17, das mit dem Regelzylinder 11 verbunden, z.B. verschraubt wird. Das Gewinde für eine solche Schraubbefestigung kann dabei vorteilhafterwiese so angeordnet sein, dass mit einer einzigen Schraube das Gehäuse 2, der Regelzylinder 11 und Befestigungselement 17 miteinander verschraubt werden können. Das wenigstens eine Befestigungselement 17 weist vorzugsweise eine Abdichtung auf, welche die Verbindung mit dem Regelzylinder 1 1 luftdicht macht. Beispielweise kann ein geeigneter O-Ring verwendet werden.

Durch das wenigstens eine Befestigungselement 17, vorzugsweise dessen Mittelpunkt, ist eine Kolbenstange 20 geführt, an deren einem Ende ein Arbeitskolben 18 angebracht ist, und an deren anderem Ende ein Regelkolben 19 angebracht ist. Arbeitskolben 18, Regelkolben 19 und Kolbenstange 20 sind bezüglich des Befestigungselements 17 entlang der Führung durch das wenigstens eine Befestigungselement 17 beweglich. Das Regelelement 10 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich der Arbeitskolben 18 stets innerhalb des Regelzylinders 11 befindet, während sich der Regelkolben 19 je nach Bewegungszustand des Kolbenelements 12 mal innerhalb und mal außerhalb des Regelzylinders 11 befinden kann, d.h. sich in den Regelzylinder 11 hinein und hinaus bewegt. Die Bodenform des Regelkolbens kann plan sein, aber auch eine konvexe oder konkave Form haben.

Das Kolbenelement 12 weist ferner wenigstens ein Stellelement 14 auf, beispielsweise eine um die Kolbenstange 20 gewickelt Spiralfeder. Das wenigstens eine Stellelement 14 ist dazu ausgelegt, eine Kraft auf das Kolbenelement 12 auszuüben. Beispielsweise ist dazu, wie in Figur 1 gezeigt, eine Feder an einem Befestigungselement 17 und dem Regelkolben 19 angebracht und drückt mit ihrer Federkraft den Regelkolben 19 weg von dem Befestigungselement 17. Dadurch übt die Feder eine Kraft auf das Kolbenelement 12 aus, die entlang der Strömungsrichtung der Luft gerichtet ist, das heißt hin zur Auslassöffnung 4. Für die Funktionalität der vorliegenden Erfindung ist es nicht wesentlich, wo genau das wenigstens eine Stellelement 14 angebracht ist bzw. wie es gestaltet ist. Das Stellelement 14 muss beispielweise nicht zwingend zwischen Regelkolben 19 und Befestigungselement 17 angebracht sein, wie in Fig. 1 gezeigt, sondern kann auch irgendwo anders angreifen, um eine wie oben beschrieben gerichtete Kraft auf das Kolbenelement 12 auszuüben.

Das Ansaugelement 1 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich das Kolbenelement 12 soweit in Richtung der Auslassöffnung 4 bewegen kann, bis der Arbeitskolben 18 an das wenigstens eine Befestigungselement 17 stößt, wie in Fig. 1 gezeigt. In diesem Zustand wird durch das Ende des Regelkolbens 19, das zur Auslassöffnung 4 hin gerichtet ist, und die Innenwand des Gehäuses 2 ein Regulierungsringspalt 6 definiert, der maximal verengt ist. Bewegt sich das Kolbenelement 12 von diesem Zustand aus in Richtung der Einlassöffnung 3, so verbreitert sich der Regulierungsringspalt 6. Ein zweiter Ringspalt 9 ist an der seitlichen Wand des Regelelements 10 definiert, verändert aber seine Breite nicht mit Bewegung des Regelelements 10.

Zwischen dem Regelzylinder 11 und dem Arbeitskolben 18 ist vorzugsweise wie in Fig. 1 gezeigt eine Vakuumkammer 13 definiert, die zu wenigstens einem Befestigungselement 17 hin abgedichtet ist und deren Volumen je nach Position des Kolbenelements 12 im Regelzylinder 11 variabel ist. Bei einer maximalen Verengung des Regulierungsringspalts 6 besitzt die Vakuumkammer 13 gleichzeitig ein maximales Volumen. Um die Vakuumkammer 13 abzudichten ist der Arbeitskolben 18 mit einer Abdichtung versehen, beispielweise einem handelsüblichen O-Ring, der den Arbeitskolben 18 umgibt. Die Abdichtung dient gleichzeitig als Führung für den Arbeitskolben 18 im Regelzylinder 11 und verhindert eine Abnutzung des Arbeitskolbens 18 durch Bewegung im Regelzylinder 11.

Zwischen dem Arbeitskolben 18 und dem Regelkolben 19 ist eine Abdichtung 23 vorgesehen, welche in Radialrichtung des Regelelements 10 zwischen der Kolbenstange 20 und dem Befestigungselement 17 sitzt. Dadurch werden wenigstens zwei weitere Kammern innerhalb des Regelelements 10 definiert. Zum einen entsteht zwischen der Abdichtung 23 und dem Arbeitskolben 18 eine Arbeitskammer 24. Diese Arbeitskammer 24 ist über eine Belüftungsbohrung durch das Befestigungselement 17 mit dem Hohlraum 5 verbunden. Zum anderen entsteht zwischen der Abdichtung 23 bzw. dem Befestigungselement 17 und dem Regelkolben 19 eine Zwischenkammer 25. Diese Zwischenkammer 25 ist ebenfalls über eine Belüftungsbohrung mit dem Hohlraum 5 verbunden. Diese beiden Belüftungsbohrungen (nicht in Fig. 1 gezeigt) können jeweils den gleichen oder aber verschiedene Durchmesser aufweisen. Beide Belüftungsbohrungen sind aber dazu geeignet, einen zügigen Druckausgleich in der entsprechenden Kammer 24 bzw. 25 mit dem Hohlraum 5 zu bewirken.

Die Vakuumkammer 13 ist über eine Venturi-Bohrung 15, die durch den Arbeitskolben 18, die Kolbenstange 20 und den Regelkolben 19 geführt ist, mit dem Hohlraum 5 im Gehäuse 2 so verbunden, dass Luft hindurch strömen kann und Luftdruck ausgeglichen werden kann. Vorzugsweise ist diese Venturi-Bohrung 15 so angeordnet, dass ihre Öffnung auf der Außenseite des Regelkolbens 19 in dem Regulierungsringspalt 6 angeordnet ist.

Die Venturi-Bohrung 15 ist dazu geeignet, einen Unterdruck, der durch den Venturi- Effekt im Regulierungsringspalt 6 entsteht, bis in die Vakuumkammer 13 weiterzugeben. Ist die Vakuumkammer 13 anderweitig nach außen hin abgedichtet, so entsteht darin ein entsprechender Unterdruck. In der Arbeitskammer 24 herrscht hingegen durch den Druckausgleich über die Belüftungsbohrung in den Hohlraum 5 derselbe Druck wie im Hohlraum 5, d.h. ein höherer Druck als in der Vakuumkammer 13. Dieser Druckunterschied erzeugt eine effektive Kraft auf den Arbeitskolben 18, die der Kraft des Stellelements 14 entgegen wirkt. Das heißt, der Druckunterschied erzeugt eine Kraft, die auf den Arbeitskolben 18 wirkt und die entgegen der Luftströmung im Ansaugelement 1 gerichtet ist. Da der Druck in der Zwischenkammer 25 durch die weitere Belüftungsbohrung mit dem Hohlraum 5 ausgeglichen ist, wirkt auf den Regelkolben 19 in dieser Ausführungsform keine Kraft (es herrscht der gleiche Luftdruck des Hohlraums 5 auf beiden Kolbenflächen des Regelkolbens 19). Durch den in der Vakuumkammer 13 erzeugten Unterdruck ist das gesamte Kolbenelement 12 in Richtung der Einlassöffnung 3 bewegbar. Dabei bewegt sich das Kolbenelement 12 nur soweit in Richtung der Einlassöffnung 3, wie die Kraft, die durch den Druckunterschied auf den Arbeitskolben 18 erzeugt wird, größer ist, als die Kraft des Stellelements 14 auf den Regelkolben 19. Der Regulierungsringspalt 6 wird bei der Bewegung des Kolbenelements 12 entsprechend verbreitert. In einem konkreten Beispiel für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung hat der Arbeitskolbens 18 eine Kolbenfläche von 12,5 cm ² (bei einem Durchmesser des Arbeitskolbens 18 von etwa 40 - 45 mm, wodurch eine äußerst kompakte Baugröße des Ansaugelements 1 ermöglicht wird). Die Kraft des Stellelements 14 ist vorzugsweise so gering wie möglich eingestellt, aber zumindest so stark, dass sie ausreicht, um die Reibung des Kolbenelements 12 am Regelzylinder 11 zu überwinden und das Kolbenelement 12 zu bewegen. Bei solch einer Ausführung der Erfindung ist bereits ein Druckunterschied zwischen der Vakuumkammer 13 und der Arbeitskammer 24 von 0,03 - 0,05 Bar ausreichend, um das Kolbenelement 12 gegen die Stellkraft des Stellelements 14 entgegen der Luftströmungsrichtung zu bewegen.

Die Vakuumkammer 13 ist ferner mit einem Lufttaktventil 21 zum Regeln des Drucks in der Vakuumkammer 13 versehen. Das Lufttaktventil 21 ist beispielweise elektronisch steuerbar (etwa durch Impulse aus der Motorsteuerung eines Fahrzeugs) und kann die Vakuumkammer 13 nach außen hin abdichten (schließen) oder öffnen. Wie in Fig. 1 gezeigt kann über das Lufttaktventil 21 ein Druckausgleich zwischen Vakuumkammer 13 und Hohlraum 5 eingeleitet werden. Damit kann steuernd auf die Bewegung des Kolbenelements 12 Einfluss genommen werden. Die Vakuumkammer 13 ist ferner mit einem Unter druckbegrenzungsventil 22 versehen, das sich öffnet, wenn ein vorbestimmter Schwellenwert für den Unterdruck in der Vakuumkammer 13 überschritten wird (d.h. wenn ein festgelegter absoluter Druck in der Vakuumkammer 13 unterschritten wird). Es schließt automatisch, sobald der Druck in der Vakuumkammer wieder unter den vorbestimmten Schwellenwert für den Unterdrucks absinkt (d.h. wenn sich wieder ein höherer absoluter Druck in der Vakuumkamer einstellt). Das Ventil 22 begrenzt also den Maximalbetrag des Unterdrucks in der Vakuumkammer 13, wodurch eine weitere Eingriffsmöglichkeit besteht.

Eine dritte Eingriffsmöglichkeit könnte über einen optionalen Unterdruckspeicher erfolgen. Ein Unterdruckspeicher ist in Fahrzeugen bekannt, beispielweise zur Bedienung einer Zentralverriegelung. Ein Unterdruckspeicher ist häufig in Kugelform ausgeführt und hat typischerweise ein Volumen von etwa 500 cm ³ . Während des Motorlaufs saugt der Kolben Luft aus dem Unterdruckspeicher und erzeugt so darin einen Unterdruck (beispielweise einen Druck von etwa 0.1 - 0.2 Bar). Der Unterdruck bleibt durch ein Rückschlagventil gesichert im Speicher.

Für die vorliegende Erfindung könnte so ein Unterdruckspeicher (nicht abgebildet) verwendet werden und mittels einer Luftleitung und einem zweiten Lufttaktventil an eine Vakuumkammer 13 angeschlossen werden. Der Unterdruckspeicher könnte für einen Fall verwendet werden, bei dem durch einen zu klein eingestellten Regulierungsringspalt 6 eine Selbstdrosselung des Motors einsetzt. Stellt das Motorsteuersystem des Fahrzeugs einen entsprechenden einhergehenden Abfall der Drehmomentkurve des Motors fest, so gibt es einen Steuerimpuls zum Öffnen des zweiten Lufttaktventils aus. Dadurch entsteht schlagartig ein Unter druck in der Vakuumkammer 13 und das Kolbenelement 12 überwindet sofort die Stellkraft des wenigstens einen Stellelements 14 und nimmt seine höchst-mögliche Position im Regelzylinder ein, in der der Regulierungsringspalt 6 maximal geöffnet ist. Dadurch wird der Abfall des Drehmoments sofort kompensiert. Damit bei einer solchen Konfiguration des Regelelements 10 ein Unterdruck in der Vakuumkammer 13 nicht die Luft in der Venturi-Bohrung 15 ansaugt (in der in diesem Moment kein solcher Unterdruck herrscht), kann es von Vorteil sein ein Rückschlagventil in die Kolbenstange 20 einzubauen, das Luftdurchfluss nur in eine Richtung zulässt.

Das Ansaugelement 1 weist ferner eine Drosselklappe 7 oder eine ähnliche Einrichtung zum Einstellen der Luftmenge auf, die den Hohlraum 5 durchströmen kann. Die Öffnung durch die Drosselklappe 7 kann dazu kontinuierlich verändert werden und kann beispielweise abhängig von der Betätigung eines Gaspedals oder -hebels des Fahrzeugs gesteuert werden. Je weiter die Drosselklappe 7 geöffnet ist, desto mehr Luft kann durch die Einlassöffnung 3 in das Ansaugelement 1 strömen. Dadurch erhöht sich die generelle Strömungsgeschwindigkeit der Luft.

Die Venturi-Bohrung in dem Kolbenelement 12 kann wie in Figur 1 dargestellt eine in einer einzigen Öffnung auf der Außenseite des Kolbenelements 12, genauer gesagt der Außenseite des Regelkolbens 19, endende Bohrung sein. Dabei kann die Venturi- Bohrung 15 vorzugsweise in eine Luftbeschleunigungsdüse 16 münden. Die Luftbeschleunigungsdüse 16 ist dann auf der Außenseite des Regelkolbens 19 angebracht. Ein Beispiel für eine Luftbeschleunigungsdüse 16 hat einen Durchlass für Luft, der in Richtung der Einlassöffnung 3 einen größeren Querschnitt als in Richtung der Auslassöffnung 4 des Ansaugelements 1 aufweist. Durch die Luftbeschleunigungsdüse 16 strömende Luft wird folglich vermehrt beschleunigt. Die zusätzliche Beschleunigung der Luft erzeugt einen verstärkten Venturi-Effekt, und dadurch einen erhöhten Unterdruck in der Venturi-Bohrung 15 und der Vakuumkammer 13. Wie in Figur 5 a und 5b zu sehen ist, weist für diesen Fall der Regelzylinder 11 eine Ausnehmung 24 auf, entlang derer sich die Luftbeschleunigungsdüse 16 bei Bewegung des Regelkolbens 19 bewegen kann.

Figur 2 zeigt eine Alternative für die Ausgestaltung einer Venturi-Bohrung 15. Hierbei verzweigt sich die Venturi-Bohrung 15, die zunächst durch den Arbeitskolben 18 und die Kolbenstange 20 läuft, in dem Regelkolben 19 in wenigstens zwei Äste. Die Anzahl der Äste kann auch höher sein. Dadurch weist der Regelkolben 19 mehrere Öffnungen an seiner Oberfläche, vorzugsweise alle im Bereich des Regulierungsringspalts 6 auf. Unabhängig davon, wie die Venturi-Bohrung 15 im Regelkolben 19 verzweigt wird, kann ein Druck von minimal 0.1 Bar in der Vakuumkammer 13 erzeugt werden. Mehrere Verzweigungen (zusammen mit bspw. einer sich verdickenden Bohrung in der Kolbenstange 20) können aber ein schnelleres Erreichen des minimalen Drucks bewirken. Figur 3 zeigt eine weitere Alternative eines Ansaugelements 1 der vorliegenden Erfindung. Dabei verzweigt sich die Venturi-Bohrung 15 im Regelkolben 19 und endet in einer Öffnung des Regelkolbens hin zu dem Raum, der in der Beschreibung der Fig. 1 und 2 als Zwischenkammer 25 bezeichnet ist. Die oben beschriebene Belüftungsbohrung der Zwischenkammer 25 wird dafür weggelassen. Dadurch werden in der Ausführungsform von Fig. 3 zwei Vakuumkammern 13a und 13b (entsprechend der Vakuumkammer 13 und der Zwischenkammer 25 in Fig. 1) gebildet. Die Vakuumkammern 13a und 13b sind über die Venturi-Bohrung 15 miteinander verbunden. Deshalb kann auch das Lufttaktventil 21 zum Regeln des Drucks in beiden Vakuumkammern 13 a, 13b verwendet werden. Entsteht nun auch in der Vakuumkammer 13b ein Unterdruck, d.h. ein Druck von etwa 0,5 Bar, so wirkt auch eine Kraft auf den Regelkolben 19. Die Kraft resultiert aus dem Druckunterschied zwischen dem Luftdruck in der Vakuumkammer 13b und dem Luftdruck im Hohlraum 5 auf der Luftauslassseite. Es wirkt also insgesamt eine stärkere Kraft auf das gesamte Kolbenelement 12, da sowohl eine luftdruckbedingte Kraft auf den Arbeitskolben 18 als auch auf den Regelkolben 19 wirkt.

Es ist auch möglich, das Regelelement 10 aus mehreren Vakuumkammern und mehreren Arbeitskammern aufzubauen. Zum Beispiel ist in Figur 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ansaugelements 1 mit drei Vakuumkammern 13a, 13b, 13c und zwei Arbeitskammern 24a, 24b gezeigt. Um einen solchen Kammeraufbau zu definieren sind zwei Befestigungselemente 17a, 17b, zwei Abdichtungen 23a, 23b und zwei Arbeitskolben 18a, 18b nötig. In Luftströmungsrichtung ist die Aufbaureihenfolge des Kolbenelements 12 (vgl. Fig. 4) zum Beispiel: erste Vakuumkammer 13 a, erster Arbeitskolben 18, erste Arbeitskammer 24a, erstes Befestigungselement 17a, zweite Vakuumkammer 13b, zweiter Arbeitskolben 18b, zweite Arbeitskammer 24b, zweites Befestigungselement 17b, dritte Vakuumkammer 13c und Regelkolben 19. Es können zudem mehrere Stellelemente 14a und 14b verbaut werden.

Entsteht in der Venturi-Bohrung 15 ein Unterdruck so setzt sich dieser in die erste Vakuumkammer 13a (entspricht der Vakuumkammer 13 aus fig. 1 und 2), die zweite Vakuumkammer 13b (zwischen dem zweitem Arbeitskolben 18b und dem ersten Befestigungselement 17a angeordnet) und die dritte Vakuumkammer 13c (zwischen dem Regelkolben 19 und dem zweiten Befestigungselement 17b angeordnet) fort. Die zweite Arbeitskammer 24b ist über eine Belüftungsbohrung mit dem Hohlraum 5 verbunden. Es entsteht also für jeden Kolben ein Unterschied des Luftdrucks auf der einen und der anderen Seite (Kolbenfläche), wodurch auf jeden Kolben eine effektive Kraft wirkt. Die Befestigungselemente 17a, 17b verhindern dass eine Kraft in Strömungsrichtung der Luft zwischen angrenzenden Kammern (wie etwa der Arbeitskammer 24b und der Vakuumkammer 13 c) wirkt. Dadurch kann die insgesamt wirkende Kraft verstärkt werden. Da alle Vakuumkammern über die Venturi-Bohrung 15 verbunden sind, kann optional wiederum regelnd über das Lufttaktventil 21, das Unterdruckbegrenzungsventil 22 oder den Unterdruckspeicher in die Selbstregulierung eingegriffen werden.

Es sind natürlich auch weitere Ausführungsformen für Ansaugelemente 1 denkbar, die Regelelemente 10 mit mehre als drei Kolben bzw. Vakuumkammern aufweisen. Je mehr Kolben ein Regelelement 10 besitzt, welche jeweils eine effektive Kraft durch einen Druckunterschied im Regelelement 10 erfahren, desto höher ist die Gesamtkraft, die auf das Kolbenelement 12 wirkt. Der Durchmesser des Regelelements 10 (d.h. entsprechend auch die Kolbenflächen) kann dadurch bei gleichbleibender effektiver Kraft verringert werden. Dadurch kann das Ansaugelement 1 schlanker gebaut werden. Auch die Anordnung der weiteren Vakuumkammern kann anders ausgeführt werden als in Fig. 4. Beispielweise könnten weitere Arbeitskolben und Vakuumkammern auf der Seite des Arbeitskolbens 18 (Fig. 1) der Lufteinlassrichtung angeordnet werden. Die Erfindung ist nicht auf die Position der weiteren Vakuumkammern beschränkt.

Die Figuren 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansaugelements 1. Dieses Ansaugelement 1 ist größtenteils identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Ansaugelement 1. Auch die Funktionsweise des in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ansaugelements 1 ist nahezu gleich der Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten Ansaugelements 1.

Ein Unterschied ist allerdings, dass anstatt dem in Fig. 1 gezeigten Arbeitskolben 18 in der weiteren Ausführungsform des Ansaugelements 1 eine Membran 18c an dem einen Ende der Kolbenstange 20 des Kolbenelements 12 angebracht ist. Die Kolbenstange 20 ist dabei bevorzugt in der Mitte der Oberfläche der Membran 18c angebracht. Die Membran 18c ist vorzugsweise ferner mit ihrem äußeren Umfang an der Innenseite des Regelzylinders 11 angebracht. Die Membran 18c kann ansonsten frei schwingen. Die Venturi-Bohrung 15 erstreckt sich vorzugsweise durch die Membran 18c hindurch in die Vakuumkammer 13.

Die Membran 18c ist aus einem flexiblen Material hergestellt und vorzugsweise als dünne Scheibe gestaltet, so dass sie sich bezüglich ihrem äußeren Umfang in beide Richtungen auswölben kann. Die an dem Regelzylinder 11 angebrachte Membran 18c ist also dazu geeignet, sich sowohl in Richtung der Auslassöffnung 4 als auch in Richtung der Drosselklappe 7 zu wölben und dabei die Kolbenstange 20 und den Regelkolben 19 in dem Regelzylinder 11 in beziehungsweise gegen die Strömungsrichtung der Luft durch das Ansaugelement 1 zu bewegen. Die Membran 18c kann sich vorzugsweise stufenlos zwischen einer vollen Auswölbung in Richtung der Drosselklappe 7 und einer vollen Auswölbung in Richtung der Auslassöffnung bewegen.

Die Membran 18c kann wie oben beschrieben im Regelzylinder 11 angeordnet sein, kann aber auch außerhalb als eigenständige Vakuumkammer mit Membran entgegen der Strömungsrichtung der Luft angeordnet sein.

Jedes Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung kann ferner mit einer Einspritzvorrichtung 8 versehen sein, die dazu ausgelegt ist, einen Kraftstoff in den Hohlraum 5 des Ansaugelements 1 einzuspritzen. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Einspritzdüse einer solchen Einspritzvorrichtung 8 (beispielweise eines elektronischen Einspritzventils) im Bereich des Ringspalts 9 anzuordnen. Dann findet nämlich eine effektive Verwirbelung von Kraftstoff und Ansaugluft durch die Beschleunigung im Regulierungsringspalt 6 statt. Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise der oben beschriebenen Ansaugelemente 1 in verschiedenen Arbeits- bzw. Lastzuständen beschrieben. Die folgende Beschreibung basiert auf der Ausführungsform, die in Figur 1 beschrieben ist, gilt jedoch für alle beschriebenen Ausführungsformen. Zunächst befindet sich der Motor mit dem Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung in einer Ruhestellung, in welcher die Drosselklappe 7 oder die ähnliche Einrichtung zum Steuern der angesaugten Luftmenge geschlossen ist. Dies bedeutet, dass sich der Regelkolben 19 in einer für ihn tiefst-möglichen Stellung befindet, das heißt einer Stellung, die nächstmöglich an der Auslassöffnung 4 ist. Der Regulierungsringspalt 6 ist dann maximal verengt, das heißt am kleinsten.

Wird nun der Motor gestartet, wird die Drosselklappe 7 zunächst ganz leicht geöffnet, wodurch nur wenig Ansaugluft durch die Einlassöffnung 3, den Ringspalt 9, den Regulierungsringspalt 6 und die Auslassöffnung 4 in Richtung des Einlassventils des Brennraums des Motors zu strömen beginnt. Die strömende Luft wird im Ansaugelement 1 beschleunigt. Insbesondere im verengten Regulierungsringspalt 6 tritt die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf und es entsteht dadurch ein starker Unterdruck in der Venturi-Bohrung 15. Der Druckunterschied entsteht durch den sogenannten Venturi-Effekt, der besagt, dass sich bei einer Beschleunigung von Luft in einer Engstelle der Druck vermindern muss. Der so erzeugte Unterdruck setzt sich über die Venturi-Bohrung 15 im Regelkolben 19, der Kolbenstange 20 und dem Arbeitskolben 18 bis in die Vakuumkammer 13 fort. Im ganzen Gehäuse 2 des Ansaugelements 1 entsteht im Leeerlauf des Motors zunächst ein Druck von etwa 0,1 bis 0,2 Bar, d.h. ein starker Unterdruck. Das Lufttaktventil 21 kann von einem Motorsteuergerät aus gesteuert werden und ist im Motorleerlauf vorzugsweise noch geöffnet, so dass auf beiden Seiten des Arbeitskolbens 18 noch der gleiche Druck von 0,1 bis 0,2 Bar herrscht. Die Zwischenkammer 25 und Arbeitskammer 24 werden ja vom Hohlraum 5 aus über entsprechende Bohrungen belüftet. Auf alle Flächen des Kolbenelements 12, d.h. auf beide Seiten des Arbeitskolbens 18 und auf beide Seiten des Regelkolbens 19, wirkt in diesem Zustand derselbe Luftdruck. Dadurch wirkt effektive keine (Druck)-Kraft auf das Kolbenelement 12. Lediglich die Kraft des Stellelements 14 wirkt im Leerlauf des Motors auf den Regelkolben 19 und drückt das Kolbenelement 12 in die oben beschriebene tiefst-mögliche Stellung, so dass der Regulierungsringspalt 6 maximal verengt ist.

Wird der Motor nun durch Betätigen des Gaspedals bzw. -hebels beschleunigt, öffnet sich die Drosselklappe 7 weiter. Vorzugsweise wird aber trotzdem noch bis zu einer Motordrehzahl von ca. 1500 U/min der Regelkolben 19 durch das geöffnete Lufttaktventil 21 in der tiefst-möglichen Stellung gehalten (die Vakuumkammer 13 ist dadurch noch nicht luftdicht, d.h. jeder entstehende Unterdruck wird sofort ausgeglichen). Dadurch kann ein extrem niedriger (600 U/min) seidenweicher Motorleerlauf erzeugt werden, ein schneller Motorstart auch bei Kälte erreicht werden und ein hohes Drehmoment auch bei niedriger Motordrehzahl oder sogar Leerlauf erzielt werden. Dies wird erreicht, da die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Hohlraum 5 durch den kleinen Regulierungsringspalt 6 stark beschleunigt wird die somit optimierte Verwirbelung eine effiziente Verbrennung erlaubt. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit im Motorleerlauf kann auch die zum Kaltstart des Motors nötige Kraftstoffmenge reduziert werden. Damit verbraucht der Motor insgesamt weniger Kraftstoff und stößt weniger C0 ₂ aus. Bei einer Motordrehzahl von ca. 1500 U/min wird dann, vorzugsweise durch einen elektrischen Impuls aus dem Motorsteuergerät des Fahrzeugs, das Lufttaktventil 21 geschlossen. Die Vakuumkammer 13 wird dadurch bis auf die Öffnung zur Venturi- Bohrung 15 abgedichtet. Durch die Strömung der Ansaugluft im Regulierungsringspalt 6 wird durch den Venturi-Effekt in der Venturi-Bohrung 15 ein stabiler Unterdruck erzeugt, der sich durch die Kolbenstange 20 bis in die Vakuumkammer 13 fortsetzt. In der Vakuumkammer 13 entsteht schließlich ein Unterdruck von bis zu 0,5 Bar. Gleichzeitig steigt aber der Druck im restlichen Gehäuse 2 des Ansaugelements 1, d.h. auch zwischen Regelkolben 19 und Arbeitskolben 18, durch die vermehrt ins Gehäuse 2 einströmende Luft auf etwa 0,8 bis 0,9 Bar an. Dadurch gibt es kein Kräftegleichgewicht mehr aufgrund gleichen Luftdrucks auf den gegenüberliegenden Flächen des Arbeitskolbens 18. Durch den nun niedrigeren Druck in der Vakuumkammer 13 - im Gegensatz zum Druck in der Arbeitskammer 24, der nach wie vor über die Belüftungsbohrung auf den Druck im Hohlraum 5 ausgeglichen wird - wirkt nun effektiv eine Kraft auf den Arbeitskolben 18, die in Richtung der Drosselklappe 7 gerichtet ist. Diese (Druck)-Kraft wirkt der Kraft des Stellelements 14 entgegen. Das Kolbenelement 12, also auch der Regelkolben 19, bewegt sich folglich in Richtung der Drosselklappe 7. Dadurch vergrößert sich gleichzeitig der Regulierungsringspalt 6, wodurch die für die gesteigerte Motordrehzahl benötigte Ansaugluft in den Brennraum des Motors strömen kann.

Die Kolbenfiächen und die Kraft des Stellelements 14, beispielsweise eine Federkraft einer Feder, sind derweil vorzugsweise so ausgelegt, dass bereits bei einem Druckunterschied von 0,03-0,05 Bar zwischen dem Druck in der Vakuumkammer 13 (im Betrieb etwa 0,5 Bar) und dem Druck in der Arbeitskammer 25 (im Betrieb etwa 0,8 - 0,9 Bar) die Druck-Kraft die Kraft des Stellelements 14 übersteigt, so dass der Regelkolben 19 in Richtung der Drosselklappe 7 bewegt wird und sich gleichzeitig der Regulierungsringspalt 6 weiter verbreitert. Optional kann gleichzeitig mit einem Unter druckbegrenzungsventil 22 sichergestellt werden, dass die Bewegung des Regelkolbens 19 stets linear zu der für die gewünschte Motordrehzahl benötigte Ansaugluftmenge bei gleichbleibend hoher Luftgeschwindigkeit verläuft.

Die Bewegung des Kolbenelements 12 und somit die Öffnung des Regulierungsringspalts 6 ist somit selbstreguliert. Gibt nämlich der Regelkolben 19 mehr Regulierungsringspalt 6 frei, so fällt am Regulierungsringspalt 6 sofort die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ab. Dadurch fällt auch sofort der Betrag des Unterdrucks in der Vakuumkammer 13 ab (d.h. der absolute Druck in der Vakuumkammer 13 erhöht sich) und die durch den Druckunterschied bezüglich der Arbeitskammer 25 erzeugte Kraft auf den Arbeitskolben 18 verringert sich. Die Kraft des Stellelements 14 drückt damit den Regelkolben 19 wenigstens etwas weiter in Richtung der Auslassöffnung 4, wodurch wiederum der Regulierungsringspalt 6 verengt wird. Dadurch erhöht sich nun aber wieder die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Regulierungsringspalt 6 und erzeugt erneut einen erhöhten Unterdruck (der absolute Druck in der Vakuumkammer 13 sinkt wieder). Dadurch findet eine Selbstregulierung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Regulierungsringspalt 6 statt.

Optional kann ein Unter druckbegrenzungsventil 22 bei einem Druck von unter etwa 0,5 Bar öffnen und somit atmosphärischen Druck in die Vakuumkamme 13 einlassen, bis der Unterdruck wieder über diesen Schwellenwert von etwa 0,5 Bar gestiegen ist.

Die Figuren 6 und 7 zeigen die selbstregulierende Bewegung des Kolbenelements 12 eines Ansaugelements 1, an dessen Kolbenstange 20 die Membran 18c anstelle des Arbeitskolbens 18 angebracht ist. Die Funktionsweise dieses Ansaugelements 1 ist nahezu identisch zu der oben beschriebenen Funktionsweise des Ansaugelements 1 mit Arbeitskolben 18.

Insbesondere zeigt die Fig. 6 eine Situation, in der sich der Regelkolben 19 in der für ihn tiefst-möglichen Stellung befindet, das heißt der Stellung, die nächstmöglich an der Auslassöffnung 4 ist. Der Regulierungsringspalt 6 ist also maximal verengt. Die Membran 18c ist dabei vorzugsweise vollständig in Richtung der Auslassöffnung 4 des Ansaugelements 1 ausgewölbt. Figur 7 zeigt hingegen eine entgegengesetzte Situation, nämlich für den Fall dass in der Vakuumkammer 13 ein stabiler Unterdruck herrscht und auf die Membran 18c wirkt. Die Membran 18c ist in Fig. 7 vollständig in Richtung der Drosselklappe 7 ausgewölbt. Das Kolbenelement 12 und somit auch der Regelkolben 19, ist folglich in Richtung der Drosselklappe 7 bewegt. Dadurch ist der Regulierungsringspalt 6 vergrößert, wodurch mehr Ansaugluft in den Brennraum des Motors strömen kann.

Wiederum ist die Bewegung des Kolbenelements 12 und somit die Öffnung des Regulierungsringspalts 6 selbstreguliert. Dabei schwingt die Membran 18c bevorzugt zwischen den beschriebenen vollständigen entgegengesetzten Auswölbungen hin und her. Gibt nämlich der Regelkolben 19 mehr Regulierungsringspalt 6 frei, so fällt am Regulierungsringspalt 6 sofort die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ab. Dadurch fällt auch sofort der Betrag des Unterdrucks in der Vakuumkammer 13 ab (d.h. der absolute Druck in der Vakuumkammer 13 erhöht sich) und die durch den Druckunterschied bezüglich der Arbeitskammer 25 erzeugte Kraft auf die Membran 18c in Richtung der Drosselklappe 7 verringert sich. Die Kraft des Stellelements 14 reicht schließlich aus, um die Membran 18c zurück zu wölben, bis vorzugsweise die Membran 18c wieder vollständig in Richtung der Auslassöffnung 4 gewölbt ist. Dadurch wird wiederum der Regulierungsringspalt 6 verengt. Durch das hin-und-her Schwingen der Membran 18c wird die selbstregulierte Bewegung des Kolbenelements 12 ermöglicht.

Durch die oben beschriebene Selbstregulierung des Ansaugelements 1 kann eine gleichmäßig hohe Strömungsgeschwindigkeit bei ständig wechselnder Luftmenge erreicht werden. Das heißt, in diesem Fall wird die Luftmenge durch die Drosselklappe 7 erhöht und der Regulierungsringspalt 6 verbreitert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit abfällt. Gleichzeitig wird aber die Strömungsgeschwindigkeit durch die erhöhte Luftmenge erhöht. Dadurch bleibt die Strömungsgeschwindigkeit insgesamt konstant.

Dies bringt beispielsweise Vorteile bei jedem Schaltvorgang im Fahrzeug, bei dem die Drosselklappe durch Gas wegnehmen geschlossen (angesaugte Luftmenge verringert) und ein Gang eingelegt wird. Im gesamten Ansaugelement 1 sinkt der Druck somit schlagartig auf 0,1 bis 0,2 Bar und der Regelkolben 19 fährt in seine tiefst-mögliche Stellung. Bei anschließender Beschleunigung des Fahrzeugs entsteht sofort eine max. Strömungsgeschwindigkeit im Regulierungsringspalt 6, was sofort volles Drehmoment im Anschluss an jeden Schaltvorgang bedeutet. Das Ansaugelement 1 kann aber auch so ausgelegt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit sich ändert oder einstellbar ist (zumindest mit Hilfe der Ventile 21, 22). Es ist hier anzumerken, dass die Dimensionen und geometrischen Gegebenheiten z.B. des Regelelements 10 und des Regulierungsringspalts 6 abhängig von der Art des Motors und der gewünschten Anwendung sind.

Das Regelelement 10 kann insbesondere so ausgelegt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit bis an die Selbstdrosselungsgrenze, das heißt die Schallgeschwindigkeit, gebracht wird. Das Regelelement kann insbesondere so ausgelegt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit nahe oder auf die Schallgeschwindigkeit selbstreguliert wird. Dies hat den Vorteil, dass sich eine vom Einlassventil des Zylinders zurücklaufende Druckwelle (welche mit Schallgeschwindigkeit zurückläuft) optimal an der am Regulierungsringspalt 6 Schallgeschwindigkeit ausströmenden Luft stößt und dadurch nicht oder nur minimal in den Hohlraum 5 des Gehäuses 2 eintritt. Messungen haben gezeigt, dass sich, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit auf die Schallgeschwindigkeit selbstreguliert wird, weniger Rückstände (Kraftstoff, C0 ₂ etc.) im Hohlraum 5, insbesondere auf der Einlassseite nahe der Drosselklappe 7, ansammeln.

Umso gleichmäßiger die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ist, umso besser ist außerdem die Verwirbelung von Luft und Kraftstoff und umso effektiver ist die Verbrennung des Gemischs im Brennraum. Dadurch wird sowohl die Effizienz des Motors gesteigert (der Kraftstoffverbrauch sinkt) als auch der Schadstoffausstoß merklich reduziert. Figur 8 zeigt - aufgetragen gegen die Zeit - mehrere Beschleunigung- bzw. Abbremszyklen, wie an der oszillierenden Kurve der Motordrehzahl B erkannt werden kann. Die Kurve C ist die Lambdakurve des Motors, gibt also das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft im Brennraum an. Die Kurve A zeigt die Öffnung der Drosselklappe 7. Für die Messung in Fig. 8 wurde die Drosselklappe 7 am Anfang geöffnet und am Ende wieder geschlossen. Die Beschleunigungszyklen des Motors wurden dazwischen durch Laständerung bei voll geöffneter Drosselklappe 7 erzeugt. Bei herkömmlichen Motoren folgt die Lambdakurve stark dem Verlauf der Beschleunigungszyklen (d.h. der Motordrehzahlkurve B) und es kommt insbesondere in Beschleunigungsphasen zu dem bekannten „Überfetten", wie es in einem Stadtzyklus üblich ist. Dabei schlägt die Lambdakurve üblicherweise stark in Richtung eines höheren Kraftstoffanteils aus. Wie in Figur 8 zu sehen ist, ist allerdings mit einem Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung die Lambdakurve nahezu konstant über den zeitlichen Verlauf, unabhängig von den Beschleunigungs- oder Bremszyklen. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß merklich reduziert werden.

Figur 9 zeigt ebenso eine gegen die Zeit aufgetragene Lambdakurve C, diesmal nur für einen einzigen Beschleunigungszyklus (Motordrehzahl B) und einmalig geöffneter und geschlossener Drosselklappe 7 (Kurve A). Wiederum ist gut zu erkennen, dass die Lambdakurve nahezu konstant und ohne größere Ausschläge verläuft. Es ist dabei festzuhalten, dass sowohl die Messung aus Fig. 8 als auch die aus Fig. 9 bei einer unveränderten Einspritzzeit von Kraftstoff durchgeführt wurde. Es zeigt sich also, dass die vorliegende Erfindung zum Erreichen einer konstanten Lambdakurve C keinerlei Steuerung der Einspritzzeit benötigt. Die Verbrennung im Verbrennungsraum des Motors wird lediglich durch die Selbstregulierung der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft optimiert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Zündzeitpunkt des Motors flexibler gewählt werden kann. Schließlich zeigt Figur 10 das Drehmoment des Motors in Abhängigkeit der Motordrehzahl. Die unterbrochene Kurve B zeigt dabei im Vergleich einen Motor mit einem herkömmlichen Ansaugrohr. Es zeigt sich der typische buckeiförmige Verlauf, bei dem ein Fahrzeug erst ab einer bestimmten Motordrehzahl das ideale Drehmoment erzeugt. Die Kurve A zeigt denselben Motor, der allerdings nun mit dem Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die gemessenen Werte von Drehmoment und Leistung eines solchen Motors liegen im Durchschnitt ca. 20 % höher. Bereits ab niedrigsten Motordrehzahlen wird das ideale Drehmoment erzeugt, das Verhalten des Motors ist ähnlich einem Elektromotor. Das Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung kann für einen Zylinder (Brennraum) eines Motors verwendet werden. Allerdings ist auch denkbar ein Ansaugelement für mehrere Zylinder zu gestalten. Die Luft für mehrere Zylinder wird dann gleichzeitig durch eine Drosselklappe gesteuert. Als Ansaugelement 1 wird von der vorliegenden Erfindung im Prinzip jedes Element verstanden, dass sich auf der Lufteinlassseite des Zylinders befindet und durch das Ansaugluft strömt. So muss das Ansaugelement 1 nicht zwangsläufig ein übliches Ansaugrohr ersetzen. Das Gehäuse 2 muss nicht nur vom Ansaugrohr, sondern kann auch von einem anderen Teil der Lufteinlassseite des Verbrennungsmotors gebildet werden. Beispielweise könnte das Regelelement 10 auch ein Teil eines Zylinderkopfes im Verbrennungsmotor sein, beispielweise im Einlasskanal des Zylinderkopfes angeordnet und fest mit diesem verbunden sein. In diesem Fall wird das Gehäuse 2 vom Einlasskanal des Zylinderkopfes gebildet. Das Ansaugelement 1 der vorliegenden Erfindung kann auch in stationären Motoren, beispielweise Blockheizkraftwerken oder Biogasmotoren, zum Einsatz kommen. Das Regelelement 10 des Ansaugelements 1 kann dann die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft in den stationären Motoren zu Regulieren und beispielweise dazu ausgelegt sein, die Strömungsgeschwindigkeit durch Veränderung des Regulierungsringspalts 6 auf Veränderungen des atmosphärischen Drucks (z.B. klimatisch bedingte Änderungen) anzupassen.