DE10032669A1 - Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur angedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten BKM. Der Luftdurchsatz des Einlaßkanals (7) jedes Zylinders (10) wird entsprechend der Betriebslast der BKM (1) durch zeitweises Öffnen und Schließen des Einlaßkanals (7) in Abstimmung mit den Steuerzeiten des Einlaßventils (3) für den Gaswechsel bei jedem Arbeitsspiel des Zylinders (10) eingestellt. DOLLAR A Um mit geringem baulichen Aufwand eine Verbesserung des Wirkungsgrades der BKM (1) zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Einlaßkanal (7) ein Sperrventil 12 mit einem schnellschaltbaren Verschlußglied (13, 28) vorgesehen. Bei geöffnetem Einlaßventil (3) wird das Sperrventil (12) zur Steuerung des Luftdurchsatzes bei geöffnetem Einlaßventil zwischen geöffnetem und geschlossenem Schaltzustand umgeschaltet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ungedrosselten
Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
(BKM) der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Gattung und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 6.
Bei fremdgezündeten BKMn wird jedem Zylinder über minde
stens einen Einlaßkanal Verbrennungsluft zugeführt, die mit
Kraftstoff vermischt und in dem Zylinder zum Antrieb des
darin längsbeweglich angeordneten Kolbens verbrannt wird.
Die Abgase werden bei jedem Arbeitsspiel durch Öffnen eines
Auslasses aus dem jeweiligen Zylinder ausgeschoben. Zum
Gaswechsel wird die frische Ladung durch zeitweises Öffnen
eines Einlaßventils im Einlaßkanal dem Zylinder zugeführt.
Das Gemisch aus Verbrennungsluft und Kraftstoff ist in ei
nem zündfähigen Verhältnis zu mischen, um von einer Zünd
kerze zündbar zu sein. Mit höherer Betriebslast der BKM
wird zunehmend mehr Kraftstoff zur Verbrennung in jedem Ar
beitsspiel erforderlich und muß eine größere Luftmasse in
jedem Arbeitsspiel zugemessen werden. Eine bekannte Maßnah
me zur Laststeuerung ist die Einstellung des Luftdurchsat
zes des Einlaßkanals durch eine im Einlaßkanal verstellbar
angeordnete Drosselklappe oder ähnliche Drosselorgane. Die
Laststeuerung durch Drosselung des Verbrennungsluftstroms
bringt jedoch zwangsläufig Verschlechterungen des Wirkungs
grades der BKM mit sich. Die Verringerungen des Wirkungsgrades
werden auch als Drosselverluste bezeichnet und tre
ten insbesondere im Leerlaufbetrieb der BKM und im unteren
Teillastbereich auf, wenn der von den Kolben in den Zylin
dern erzeugte Ansaugdruck unterhalb des Umgebungsdruckes
der BKM liegt.
Die Wirkungsgradverluste der BKM sind bei ungedrosselter
Laststeuerung erheblich geringer. Eine bekannte Maßnahme
zur ungedrosselten Laststeuerung ist die Steuerung des
Luftdurchsatzes der Einlaßkanäle durch variabel einstell
bare Gaswechselventile. Dabei können die Einlaßventile bei
spielsweise im Hub oder in der Öffnungszeit variabel ein
stellbar sein und in den zum Gaswechsel vorgesehenen Öff
nungsintervallen derartig eingestellt werden, daß sich der
gewünschte Volumenstrom in dem Zylinder ergibt. Zur Umset
zung einer variabel einstellbaren Ventilsteuerung sind ver
schiedene Konstruktionen bekannt, die jedoch sehr aufwendig
sind und im Endergebnis keine zufriedenstellenden Ergeb
nisse bei der Verringerung der Drosselverluste bringen kön
nen.
Des weiteren ist bekannt, ein ständig angetriebenes Stell
glied anstelle der Drosselklappe zur Laststeuerung im Ein
laßkanal anzuordnen. Das Stellglied gibt zeitweise den Ein
laßkanal frei, wobei die Größe des freigegebenen Durch
gangsquerschnittes des Einlaßkanals aufgrund der ständigen
Bewegung des Stellgliedes oszilliert. In dem Aufsatz
"A High Expansion Ratio Gasoline Engine with Intake Control
Rotary Valve Installation" Ichimaru et al. , siehe JSAE
Review Vol. 14, No. 4, S. 12-14, Oktober 1993, wird ein
rotierend angetriebenes Stellglied zur drosselfreien Last
steuerung vorgeschlagen. Auch ist bekannt, das oszillierend
den Einlaßkanal freigebende Stellglied längsbeweglich aus
zubilden. Eine solche Schlitzblendensteuerung, bei der Öffnungsschlitze
in einem Längsschieber in Überdeckung mit
Einlaßöffnungen zum Zylinder bringbar sind, geht beispiels
weise aus dem Aufsatz "A Non-Throttled Gasoline Engine
Using a Variable Shutter Valve", S. C. Low, SAE Paper
911229, 1991, S. 83-89 hervor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur ungedrosselten Last
steuerung einer fremdgezündeten BKM zu schaffen, welche mit
geringem baulichen Aufwand eine Verbesserung des Wirkungs
grades der BKM ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich der Vor
richtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Die Erfindung sieht eine ungedrosselte Laststeuerung einer
fremdgezündeten BKM vor, bei der ein Sperrventil im Einlaß
kanal den Luftdurchsatz entsprechend der angeforderten Be
triebslast der BKM steuert. Dabei wird das Sperrventil wäh
rend des Öffnungsintervalls des Einlaßventils zum Zwecke
des Frischgaseinlasses bei jedem Arbeitsspiel zwischen ge
öffnetem und geschlossenen Schaltzustand umgeschaltet.
Hierzu weist das Sperrventil ein schnellschaltbares Ver
schlußglied auf, das in einer im Vergleich der Öffnungszeit
des Einlaßventils kurzen Stellzeit zwischen einer den Ein
laßkanal freigebenden und einer sperrenden Stellung um
schaltbar ist. Der Einlaßkanal ist so zeitweise bei geöff
netem Einlaßventil versperrt, wodurch sich in dem zwischen
Sperrventil und Einlaßventil liegenden Abschnitt des Ein
laßkanals ein Unterdruck ausbildet, welcher die Luftrei
bungsverluste beim Einlaß des Frischgases in den Zylinder
reduziert.
Das Sperrventil kann zu Beginn des Öffnungsintervalles des
Einlaßventils geöffnet sein und wird während des Öffnungs
intervalles des Einlaßventils in den geschlossenen Zustand
umgeschaltet. Das Verschlußglied des Sperrventils ist dabei
zweckmäßig so ausgebildet, daß die Strömungsrichtung des
Frischgases die Schließbewegung des Verschlußgliedes unter
stützt. Durch die Schließung des Sperrventils wird die in
den Zylinder gelangende Frischgasmenge begrenzt gemäß dem
vorliegenden Lastpunkt der BKM. Nach dem Schließen des
Einlaßkanals durch das Sperrventil baut sich im Einlaßkanal
ein Unterdruck auf bis zum Ende des Öffnungsintervalles des
Einlaßventils. Aus der Überlagerung der Steuerzeiten des
Sperrventils und des Einlaßventils ergibt sich eine Begren
zung der angesaugten Frischgasmenge ohne die bei den übli
chen Laststeuerungen mittels Drosselklappen verbundenen
Strömungsverluste. Das Sperrventil wird dabei zweckmäßig
während der öffnenden Stellbewegung des Einlaßventils ge
schlossen.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das
Sperrventil zu Beginn des Öffnungsintervalles des Einlaß
ventils geschlossen und wird bei geöffnetem Einlaßventil in
den vollständig geöffneten Zustand umgeschaltet. Hierbei
ist das Sperrventil vorteilhaft derartig ausgestaltet, daß
das Verschlußglied des Sperrventils in Durchströmungsrich
tung des Einlaßkanals von dem Ventilsitz öffnend abhebbar
ist. Beim Öffnen des Sperrventils ergibt sich eine starke
Luftströmung, wodurch sich insbesondere bei Kraftstoffein
spritzung in den Einlaßkanal eine gute Verwirbelung des
eingespritzten Kraftstoffes ergibt. Die Öffnung des Sperr
ventils erfolgt dabei vorteilhaft während der schließenden
Bewegung des Einlaßventils.
Die erfindungsgemäße Laststeuerung einer fremdgezündeten
BKM reduziert die bei gedrosselter BKM prinzipbedingten
Luftreibungsverluste und senkt so den Kraftstoffverbrauch
der BKM. Die bei bekannten ungedrosselten Laststeuerungen
wie etwa Magergemisch-Motoren mit geschichteter Gemischbil
dung verbundenen Nachteile wie erhöhte Stickoxidemission
bei Magergemisch-Verbrennung und die zur Ladungsschichtung
erforderlichen Einspritzeinrichtungen werden vermieden. Die
Erfindung kommt mit geringem baulichen Aufwand aus, insbe
sondere kann das erfindungsgemäß vorgesehene Sperrventil
auch ohne konstruktive Änderungen an herkömmlichen Zylin
derköpfen einer BKM nachgerüstet werden. Dadurch ergibt
sich insgesamt eine Reduzierung der Betriebskosten der BKM,
die in ähnlichen Größenordnungen liegen wie bei der varia
blen und flexiblen Ventilsteuerung der Gaswechselventile,
die aus einer Vielzahl komplizierter Steuerbauteile be
steht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gegenüber einer
variablen Ventilsteuerung einfacher und kostengünstiger und
kommt mit einem geringeren Energiebedarf aus, da das erfin
dungsgemäße Sperrventil mit schnellschaltbarem Verschluß
glied mit geringem Aufwand an Regelungstechnik auskommt und
mit kostengünstigen Materialien ausgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit allen herkömmli
chen Verbrennungsmotoren mit mechanischer Nockensteuerung
der Gaswechselventile über eine Nockenwelle kompatibel, so
daß die erfindungsgemäße ungedrosselte Laststeuerung bei
einer Vielzahl von Motoren eingesetzt werden kann und auch
nachrüstbar ist. Die Erfindung kann vorteilhaft in Verbin
dung mit direkter Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder
eingesetzt werden, wobei der Injektor den Zylindern einzeln
zugeordnet ist. Das erfindungsgemäße Sperrventil kann so
optimal im Einlaßkanal eingebracht werden und ein Totvolumen
zwischen dem Sperrventil und dem Einlaßventil vermieden
werden.
Durch dauerhaftes Schließen der Sperrventile und Abschal
tung der Kraftstoffzumessung und Zündung können auch ein
zelne Zylinder abgeschaltet werden. Da die Strömungsverbin
dung zwischen Einlaßkanal und Zylinder unterbrochen ist,
reduzieren sich die Wirkungsgradverluste der BKM aufgrund
der weiterhin in den abgeschalteten Zylindern bewegten Kol
ben. Insbesondere bei niedriger Betriebslast der BKM kann
so Kraftstoff eingespart werden. Durch alternierend wech
selnde Abschaltung einzelner Zylinder kann dem Auskühlen
einzelner Zylinder entgegengewirkt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer fremdgezündeten BKM mit un
gedrosselter Laststeuerung mittels eines erfin
dungsgemäßen Sperrventils,
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Öffnungsquerschnitte
des Einlaßventils und des Sperrventils gemäß der
Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt einer BKM mit einem alternativ zu
der Anordnung gemäß Fig. 1 ausgestalteten Sperrven
til,
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Öffnungsquerschnitte
des Sperrventils und des Einlaßventils der BKM ge
mäß Fig. 3,
Fig. 5-7
Querschnittsdarstellungen des Sperrventils der An
ordnung nach Fig. 1 in verschiedenen Stellungen,
Fig. 8 und 9
Querschnittsdarstellungen eines Sperrventils mit
zylindrischem Verschlußglied in geöffnetem und ge
schlossenem Zustand.
Fig. 1 zeigt eine fremdgezündete BKM 1, in deren Zylindern
10 jeweils ein Kolben 8 längsbeweglich angeordnet ist und
einen Brennraum 31 begrenzt. Der Brennraum 31 ist durch ei
nen auf dem Zylinder 10 aufliegenden Zylinderkopf 32 abge
schlossen, in dem ein Einlaßkanal 7 zur Zuführung von
Frischgas und ein Auslaßkanal 9 zur Abführung der in jedem
Arbeitsspiel des Zylinders 10 entstehenden Abgase in Pfeil
richtung abgeführt werden. Der Zugang des Einlaßkanals 7
zum Brennraum 31 wird von einem Einlaßventil 3 beherrscht,
welches von einem Steuernocken 4 während der zum Frischgas
einlaß in den Zylinder 10 vorgesehenen Steuerzeit den Ven
tilstößel des Einlaßventils in den Brennraum 31 drückt und
so den Zugang vom Einlaßkanal 7 zum Brennraum 31 freigibt.
In entsprechender Weise ist ein Auslaßventil 2 im Auslaßka
nal 9 angeordnet, welches von einem Steuernocken 5 während
des Auslaßtaktes zur Abgasausleitung aus dem Brennraum 31
geöffnet wird. Die Steuernocken 4 und 5, welche die Öff
nungszeiten des Einlaßventils 3 und des Auslaßventils 2
während des Arbeitsspiels des Zylinders 10 bestimmen, wer
den in bekannter Weise von einer hier nicht näher darge
stellten Kurbelwelle der BKM 1 zwangsgetrieben.
Zur Kraftstoffzumessung ist jedem Zylinder 10 ein Injektor
6 zugeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer di
rekteinspritzenden BKM 1 ist der Injektor 6 im Zylinderkopf
32 angeordnet. Die über den Einlaßkanal 7 zugeführte
Frischluft wird im Brennraum 31 mit dem direkteingespritz
ten Kraftstoff vermischt. Dabei wird ein zündfähiges Kraft
stoff/Luft-Gemisch gebildet, welches von dem Zündfunken ei
ner im Zylinderkopf 32 angeordneten Zündkerze 11 zu zünden
ist.
Bei einer solchen, für sich im Aufbau bekannten BKM 1 er
folgt die Laststeuerung durch Einstellung des Luftdurchsat
zes des Einlaßkanals 7 entsprechend der Betriebslast der
BKM und der damit verbundenen Kraftstoffzumessung. Die
Laststeuerung erfolgt erfindungsgemäß ungedrosselt mittels
eines im Einlaßkanal 7 stromauf des Einlaßventils 3 ange
ordneten Sperrventils 12. Das Sperrventil 12 weist ein
schnellschaltbares Ventilglied auf und wird bei jedem Ar
beitsspiel des Zylinders bei geöffnetem Einlaßventil zum
Zwecke des Gaswechsels im Brennraum 31 zwischen geöffnetem
und geschlossenem Schaltzustand umgeschaltet. Das Sperrven
til 12 ist dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel als
Stößelventil ausgebildet mit einem in Durchströmungsrich
tung des Einlaßkanals 7 längsbeweglichen Ventilstößel 14,
der an seinem freien Ende einen das Verschlußglied bilden
den Ventilteller 13 trägt. Der Ventilteller 13 ist von ei
nem Ventilsitz 16 zum Öffnen des Sperrventils 12 und zur
Freigabe des Einlaßkanals 7 abhebbar. Die Umschaltung des
Schaltzustandes des Sperrventils 12 erfolgt durch einen
Stellantrieb 15, der auf den Ventilstößel 14 wirkt. Der
Stellantrieb 15 arbeitet im vorliegenden Ausführungsbei
spiel elektrisch, kann jedoch auch mit einer pneumatischen
Steuerung oder ähnlich ausgestaltet sein. Der Aufbau des
Sperrventils 12 und des Stellantriebs 15 wird weiter unten
anhand der Fig. 5 bis 7 näher erläutert.
Wie das Schaubild der Fig. 2 zeigt, wird das vom Steuer
nocken 4 zwangsgesteuerte Einlaßventil mit einem nach Art
einer Schwingung oszillierend veränderbaren Öffnungsquer
schnitt V2 gesteuert. Der Öffnungshub des Einlaßventils 3
beginnt dabei ausgehend vom geschlossenen Zustand
(Öffnungshub 0%) zum Zeitpunkt T1, der im Arbeitsspiel des
Zylinders 10 vor dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung
liegt. Die Nockensteuerung führt zu dem in der Zeichnung
dargestellten Verlauf des Öffnungshubes nach Art einer Si
nusschwingung, wobei der freigegebene Öffnungsquerschnitt
nach dem Erreichen der maximalen Ventilöffnung im vorlie
genden Ausführungsbeispiel spiegelsymmetrisch bis zum voll
ständigen Schließen zum Zeitpunkt T3 abnimmt.
Das Sperrventil 12 zur ungedrosselten Laststeuerung der BKM
1 wird in Abstimmung mit den Steuerzeiten des Einlaßventils
gemäß der Hubkurve V1 gesteuert und befindet sich zu Beginn
des Öffnungsintervalles des Einlaßventils, das zwischen den
Zeitpunkten T1 und T2 liegt, in geöffnetem Zustand. Während
der Öffnungsbewegung des Einlaßventils und der damit ver
bundenen Zunahme des Öffnungsquerschnittes gemäß der Öff
nungskurve V2 wird das Sperrventil zum Zeitpunkt T2 in den
geschlossenen Schaltzustand umgeschaltet. Durch das schnel
le Schließen des Sperrventils und dem damit verbundenen
Schließen des Einlaßkanals 7 wird die Zufuhr der Verbren
nungsluft zum Brennraum 31 unterbunden und die angesaugte
Menge der Verbrennungsluft auf das vorgesehene Maß be
grenzt. Der Zeitpunkt T2 zum Schließen des Sperrventils 12
wird entsprechend dem vorliegenden Lastpunkt der BKM 1 und
der für diesen Lastpunkt vorgesehenen Frischluftmenge be
stimmt. Die dem Brennraum zugemessene Verbrennungsluftmenge
hängt dabei von der resultierenden Öffnung sowohl des Ein
laßventils als auch des Sperrventils ab. Die in der Zeich
nung schraffierte Fläche VR entspricht der Überschneidung
der Steuerzeiten des Sperrventils und des Einlaßventils und
der resultierenden Öffnung beider Ventile und ist ein Maß
für die dem Zylinder 10 zugeführte Verbrenungsluftmenge.
Aus der Überlagerung der Ventilöffnungen sowohl des Einlaß
ventils 3 als auch des Sperrventils 12 ergibt sich die zur
Laststeuerung erforderliche Begrenzung der angesaugten
Luftmenge, ohne die bei herkömmlicher Laststeuerung mittels
einer Drosselklappe verbundenen Wirkungsgradverluste.
Das Sperrventil, das sich im vorliegenden Ausführungsbei
spiel zu Beginn des Öffnungsintervalles des Einlaßventils
bis zum Zeitpunkt T2 in geöffnetem Zustand befindet, wird
zum Schließen des Sperrventils in Strömungsrichtung der
Verbrennungsluft im Einlaßkanal von dem Stellantrieb 15 be
wegt. Die strömende Verbrennungsluft wirkt dabei auf den
Ventilteller 13 und unterstützt die schließende Stellbewe
gung des Ventiltellers 13, bis dieser zum Schließen des
Sperrventils 12 zur Anlage auf den Ventilsitz 16 kommt. Auf
diese Weise kann der Schließvorgang des Sperrventils mit
sehr geringem Energieaufwand erfolgen und ebenso ergibt
sich durch die Unterstützung der Schließbewegung durch die
strömende Verbrennungsluft eine Beschleunigung des Schließ
vorganges, so daß die zuzumessende Verbrennungsluftmenge
genauer einstellbar ist.
Die Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfin
dungsgemäßen Sperrventils, das mit dem in Fig. 4 darge
stellten Hubkurven gesteuert wird. Für die BKM 1 sind für
jeweils gleiche Bauteile im übrigen die gleichen Bezugszei
chen wir in Fig. 1 verwandt. Der Öffnungshub V2 des Einlaß
ventils ist durch den Steuernocken 4 zwangsgesteuert. Ent
sprechend verläuft der Öffnungshub V2 in der Darstellung
der Fig. 4 übereinstimmend mit der Darstellung in Fig. 2,
der Öffnungshub des Einlaßventils 3 beginnt zum Zeitpunkt
T1 vor dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung. Im Unter
schied zu dem Verfahren bei ungedrosselter Laststeuerung
gemäß Fig. 1 und 2 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 und 4 das Sperrventil zu Beginn des Öffnungsin
tervalles des Einlaßventils geschlossen gehalten. Die Öff
nung des Sperrventils erfolgt während der Schließbewegung
des Einlaßventils. Durch schnelle Aufsteuerung des Sperr
ventils wird zum Zeitpunkt T4 der Einlaßkanal 7 freigegeben
und dem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt. Die Menge der
Verbrennungsluft ist entsprechend der Betriebslast genau
zumeßbar durch Variation des Öffnungszeitpunktes des Sperr
ventils 12. Die Verbrennungsluftmenge entspricht dabei der
Überschneidung der Öffnungszeiten des Sperrventils und des
Einlaßventils gemäß der schraffiert dargestellten Fläche
VR, die der resultierenden Öffnung beider Ventile
entspricht.
Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei geöffnetem Ein
laßventil zu öffnende Sperrventil 12 weist einen Ventiltel
ler 13 auf, der in Durchströmungsrichtung des Einlaßkanals
7 von seinem Ventilsitz 16 abhebbar ist. Der vom Kolben 8
im Einlaßkanal bei geöffnetem Einlaßventil 3 erzeugte Un
terdruck unterstützt die Öffnungsbewegung des Ventilstößels
14, wobei gleichfalls die Strömung in dem Einlaßkanal 7
beim Öffnen des Sperrventils 12 auf den Ventilteller 13
wirkt und die Öffnungsbewegung beschleunigt. Die vorlie
gende Ausgestaltung der Erfindung eignet sich insbesondere
für BKMn mit Saugrohreinspritzung, wobei der Injektor 6 je
des Zylinders 10 in der Kanalwand des Einlaßkanals 7 ange
ordnet ist und den Kraftstoff in die im Kanal strömende
Verbrennungsluft einspritzt. Durch die Öffnung des Sperr
ventils 12 bei bereits geöffnetem Einlaßventil 3 ergibt
sich eine starke Verwirbelung durch die plötzlich in dem
Einlaßkanal 7 eintretende Verbrennungsluft, wodurch die
Vermischung mit dem eingespritzten Kraftstoff zum Zwecke
einer homogenen Gemischbildung verbessert wird.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Sperrventil 12 ist
in den Darstellungen der Fig. 5 bis 7 vergrößert gezeigt.
Der Stellantrieb des Sperrventils 12 weist zwei in axialer
Richtung des Ventilstößels 14 hintereinader angeordnete
Spulen 17, 17' auf. Der Ventilstößel 14 trägt einen zylin
drischen Aktor 18 aus magnetisch permeablem Material, der
in den Magnetfeldern der Spulen 17, 17' bewegbar ist. Der
Ventilstößel 14 durchsetzt den Innenraum der Spulen 17, 17'
und ist in benachbart der Spulen 17, 17' liegenden Lagern
in axialer Richtung geführt. Der Stellantrieb des Sperrven
tils 12 mit seinen beiden Spulen 17, 17' ist im vorliegen
den Ausführungsbeispiel außerhalb des Einlaßkanals 7 ange
ordnet, wobei der Ventilstößel 14 mit seinem am freien Ende
angeordneten Ventilteller 13 in den Einlaßkanal 7 zum
Schließen des Kanals einschiebbar ist. In dem Einlaßkanal 7
ist ein Ventilsitz 16 ausgebildet, auf dem der Ventilteller
13 zum Schließen des Einlaßkanals 7 aufsetzbar ist. Der
Ventilsitz 16 ist mit einer elastischen Auflage 21 verse
hen, welche ein gedämpftes Aufsetzen des Ventiltellers 13
gewährleistet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die
Abströmrichtung des Verbrennungsluftstroms L1 von dem Ven
tilsitz 16 koaxial zur Achse des Ventilstößels 14. Der Ein
laßkanal 7 ist im Bereich des Sperrventils 12 im vorliegen
den Ausführungsbeispiel abgewinkelt ausgebildet, wobei die
Frischluft durch einen Anschlußstutzen 20 winkelig zur Stö
ßelachse in den zum Zylinder führenden Abschnitt des Ein
laßkanals 7 einmündet. Die Achsrichtung des Ventilstößels
14 liegt dabei in einem Winkel von weniger als 90° zur
Strömungsrichtung in dem Anschlußstutzen 20.
In der Darstellung der Fig. 5 befindet sich das Sperrventil
in der geöffneten Stellung, wobei die Strömungsverbindung
zwischen dem Anschlußstutzen 20 und dem zur BKM führenden
Teil des Einlaßkanals 7 freigegeben ist. Im Bereich der
Mündung des Anschlußstutzens 20 ist ein Vorsprung 22 ausge
bildet, welcher in der geöffneten Position des Sperrventils
12 den Ventilteller 13 axial überdeckt, so daß der Ventil
teller 13 vor einer Einwirkung des einströmenden Luftstroms
L1 geschützt liegt. Der Ventilstößel 14 ist gegen die Kraft
einer Rückstellfeder 19 zum Schließen des Sperrventils 12
ausschiebbar; in der Darstellung der Fig. 5 befindet sich
das Sperrventil 12 in der Ruhestellung der Rückstellfeder
19. Bei ausgeschobenem Ventilstößel 14 wirkt die Feder 19
rückstellend auf den Ventilstößel 14, wobei die Federkraft
der Rückstellfeder 19 zweckmäßig derart dimensioniert wird,
daß eine Rückführung des Ventilstößels 14 ohne Unterstüt
zung der Spulen 17, 17' stattfinden kann.
Zum Schließen des Sperrventils 1 werden die Spulen 17, 17'
nacheinander bestromt und transportieren so den Aktor 18,
welcher den Ventilstößel ausschiebt und den Ventilteller 13
in Richtung auf den Ventilsitz 16 bewegt. Wie Fig. 6 zeigt,
wird der Ventilteller 13 auf seinem Stellweg zum Ventilsitz
16 im Anschlußstutzen 20 erfaßt, sobald der Ventilteller
die geschützte Ruhelage in Abdeckung des Vorsprunges 22
verlassen hat. Während der Stellbewegung wird der Ventil
teller 13 auf dem Weg zum Ventilsitz 16 von einem Teilstrom
L2 der zugeführten Verbrennungsluft auf seiner dem Ventil
sitz 16 abgewandten Seite erfaßt. Durch die Druckwirkung
des Luftstroms L2 auf die beaufschlagte Ringfläche des Ven
tiltellers 13 wird die Schließbewegung des Sperrventils 12
unterstützt.
In der geschlossenen Position des Sperrventils gemäß Fig. 7
liegt der Ventilteller 13 auf der elastischen Auflage 21
des Ventilsitzes 16 dichtend auf, wobei die dem Ventiltel
ler 13 zugewandt liegende Spule 17' auf den Aktor 18 wirkt
und den Ventilteller 13 in Schließstellung hält. Dabei
wirkt der Luftdruck P in dem Anschlußstutzen 20 zusätzlich
dichtend auf die zugewandt liegende Ringfläche des Ventil
tellers 13 ein.
In dem zwischen dem Sperrventil 12 und der BKM liegenden
Abschnitt des Einlaßkanals 7 ist eine Belüftungsbohrung 23
angeordnet, durch die der Unterdruck in dem zur BKM führen
den Teil des Einlaßkanals 7 nach dem Schließen des Sperr
ventils 12 abgebaut werden kann. Die Belüftungsöffnung 23
ist über eine Belüftungsleitung 24 mit der Umgebung der BKM
oder vorzugsweise mit dem Auslaß des Zylinders oder einer
alle Auslässe zusammenfassenden Abgasleitung der BKM ver
bunden. Aufgrund des Unterdruckes in dem Einlaßkanal 7
stellt sich ein Gasstrom L3 durch die Belüftungsöffnung 23
ein, welche den Unterdruck im Einlaßkanal 7 abbaut. Der
Querschnitt und die Lage der Belüftungsöffnung 23 wird
zweckmäßig so gewählt, daß sich der Unterdruck im Einlaßka
nal 7 bis zur anschließenden Öffnung des Einlaßventils beim
folgenden Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders bereits ab
gebaut hat und dabei der Massenstrom des Luftstroms L3 so
gering bleibt, daß keine Strömungsverluste entstehen. Durch
Anschluß der Belüftungsleitung 24 in den Auslaß der BKM und
die damit verbundene Rückführung kleiner Abgasmengen tritt
keine Störung der durch das Sperrventil 12 zugemessenen
Frischluftmenge ein.
Am Einlasskanal 7 kann eine Vorrichtung zur Abgasrückfüh
rung vorgesehen sein. Sofern eine solche Vorrichtung vorge
sehen ist, können die Steuerzeiten des Sperrventils 12 entsprechend
angepaßt werden. Die Belüftungsleitung 24 kann
vorteilhaft als resonantes System ausgestaltet werden, wo
durch die ungedrosselte Luftzumessung durch das Sperrventil
12 optimiert wird. Darüber hinaus ist auch eine Steuerung
des Belüftungsstromes L3 über ein weiteres, hier nicht nä
her dargestelltes Stellglied möglich. Nach dem Schließen
zum Zeitpunkt T3 (Fig. 2) wird die Bestromung der Spule
17', die das Ventil in Schließstellung hält, aufgehoben und
die Stellfeder 19 zieht den Ventilteller 13 in die Ruhelage
des Sperrventils 12. Die Öffnungsbewegung kann durch Be
stromen der dem Ventilteller abgewandt liegenden Spule 17
unterstützt werden. Das Öffnen des Sperrventils 12 erfolgt
nach dem Schließen des Einlaßventils vor dem Ansaugvorgang
des darauffolgenden Arbeitsspiels des Zylinders, wenn das
Einlaßventil wieder geöffnet wird.
In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den Fig. 3
und 4 wird das Sperrventil analog zu den vorstehenden Be
schreibungen zu den Fig. 5 bis 7 ausgestaltet, wobei die
Abführung der Verbrennungsluft zur BKM durch einen Abfüh
rungsstutzen des Einlaßkanals 7 erfolgt, der winkelig zur
Bewegungsachse des Ventilstößels aus dem Ventilraum ab
zweigt, in den der Ventilteller 13 vom Ventilstößel beweg
bar ist.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine alternative Ausgestaltung ei
nes Sperrventils, welches insbesondere für das erfindungs
gemäße Verfahren zur ungedrosselten Laststeuerung gemäß
Fig. 4 geeignet ist und während des Öffnungsintervalls des
Einlaßventils aus der geschlossenen Stellung in die geöff
nete Stellung umgeschaltet wird. Das verstellbare Ver
schlußglied des Sperrventils ist als Hohlzylinder 28 ausge
bildet, der mit seiner Mantelfläche mit ringförmig auf etwa
gleicher Höhe angeordneten Einlaßöffnungen 27 zum Einlaßkanal
7 zusammenwirkt. Das Sperrventil umfaßt dabei ein Ven
tilgehäuse 25, in dem eine zylindrische Innenwand 26 einen
Ringraum 30 begrenzt, in dem Verbrennungsluft für die BKM
geführt ist. Die zylindrische Innenwand 26 begrenzt den
Einlaßkanal 7, wobei eine Strömungsverbindung zwischen dem
Einlaßkanal 7 und dem Verbrennungsluft führenden Rin
graum 30 durch die am Umfang der zylindrischen Innenwand 26
auf etwa gleicher Höhe angebrachten Eintrittsöffnungen 27
gegeben ist.
Zum Schließen des Sperrventils wird der Verschlußzylinder
28 in Überdeckung mit den Eintrittsöffnungen 27 gebracht
und so die Strömungsverbindung zwischen Ringraum 30 und
Einlaßkanal 7 gesperrt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Verschlußzylinder 28 auf der Mantelfläche der zy
lindrischen Innenwand 26 längsverschiebbar angeordnet und
über die Eintrittsöffnungen 27 bis zu deren vollständiger
Überdeckung bewegbar. Alternativ kann der Verschlußzylinder
28 auch drehbar angeordnet sein und Eintrittsschlitze auf
weisen, die durch drehende Stellbewegungen in Überdeckung
mit den Eintrittsöffnungen 27 in der Innenwand 26 des Ge
häuses bringbar sind. In der geöffneten Stellung des Sperr
ventils gemäß Fig. 8 gibt der längsverschieblich angeord
nete Verschlußzylinder 28 die Eintrittsöffnungen 27 frei,
so daß durch die Eintrittsöffnungen 27 Luftströme L in den
Einlaßkanal 7 eintreten können.
In der Darstellung gemäß Fig. 9 befindet sich das Sperrven
til in der Schließstellung, wobei der Verschlußzylinder 28
die Eintrittsöffnungen 27 versperrt. In der gezeigten Aus
führung kann die Strömungsverbindung ohne nennenswerte Ven
tilkräfte in Schließstellung gehalten werden, da der Druck
P im Ringraum 30 unabhängig von der Stellbewegung des Ver
schlußzylinders 28 wirkt. Das Sperrventil kann so ohne
Energieaufwand aktiv gegen den Unterdruck im Einlaßkanal 7
in Schließstellung gehalten werden.
Der Verschlußzylinder 28 wird vorzugsweise derart ausge
staltet, daß ein geringer Luftspalt zwischen der Innenseite
des Verschlußzylinders 28 und der Eintrittsöffnungen 27
versehenen Innenwand 26 des Gehäuses 25 verbleibt. Um eine
geringe Reibung bei der Stellbewegung des Verschlußzylin
ders sicherzustellen, ist der Verschlußzylinder 28 und/oder
die Innenwand 26 des Gehäuses 25 mit einer Gleitschicht
beispielsweise aus Teflon beschichtet.
Insbesondere die bewegten Teile des Sperrventils werden
zweckmäßig mit geringem Gewicht ausgeführt. Da das Sperr
ventil im Unterschied zu den Gaswechselventilen heißen Ver
brennungsabgasen nicht ausgesetzt ist, können die bewegba
ren Ventilteile aus Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffen
oder ähnlichen Werkstoffen gefertigt sein.
Alternativ zu dem elektromagnetischen Stellantrieb im be
schriebenen Ausführungsbeispiel können auch vorteilhaft
elektrodynamische Stellantriebe mit bewegten Spulen, hy
draulische oder pneumatische Aktoren zur Bewegung des Ver
schlußgliedes des Sperrventiles eingesetzt werden. Des wei
teren kann die Umschaltung des Sperrventils durch einen
Elektromotor oder eine mechanische Kopplung mit der Kurbel
welle gesteuert werden, wobei die Drehbewegung der Kurbel
welle über Nocken in die Längsbewegung des Verschlußgliedes
des Sperrventils übersetzt wird. Die Zumessung des Frisch
gases für den jeweils vorliegenden Betriebspunkt der BKM
erfolgt in diesem Fall bei festen Öffnungswinkeln des
Sperrventils durch Verschiebung des Phasenwinkels zwischen
der oder den Nockenwellen zum Antrieb des Sperrventils.
Claims (15)
1. Verfahren zur ungedrosselten Laststeuerung einer
fremdgezündeten BKM (1), wobei jedem Zylinder (10)
zum Gaswechsel bei jedem Arbeitsspiel Verbrennungs
luft über jeweils mindestens einen Einlaßkanal (7)
zugeführt wird, der von einem Einlaßventil (3) wäh
rend des Arbeitsspiels zeitweise geöffnet wird und
wobei der Luftdurchsatz des Einlaßkanals (7) ent
sprechend der Betriebslast der BKM (1) durch zeit
weises Öffnen und Schließen des Einlaßkanals (7) in
Abstimmung mit den Steuerzeiten des Einlaßventils
(3) für den Gaswechsel eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Sperrventil (12) im
Einlaßkanal (7) bei geöffnetem Einlaßventil (3) zwi
schen geöffnetem und geschlossenem Schaltzustand um
geschaltet wird und die Zumessung der Verbrennungs
luft der Betriebslast der BKM (1) entsprechend steu
ert.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (12) zu
Beginn des Öffnungsintervalles des Einlaßventils (3)
im Arbeitsspiel des Zylinders (10) geöffnet ist und
während des Öffnungsintervalles des Einlassven
tils (3) in den geschlossenen Zustand umgeschaltet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (12)
während der öffnenden Stellbewegung des Einlaßven
tils (3) geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (12) zu
Beginn des Öffnungsintervalles des Einlaßventils (3)
während des Arbeitsspieles des Zylinders (10) ge
schlossen ist und während des Öffnungsintervalles
des Einlaßventils (3) in den geöffneten Zustand um
geschaltet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Sperr
ventils (12) während der schließenden Bewegung des
Einlaßventils (3) erfolgt.
6. Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer
fremdgezündeten BKM (1) mit pro Zylinder (10) minde
stens einem Einlaßkanal (7), der von jeweils einem
Einlaßventil zum Gaswechsel während der Arbeitsspie
les des jeweiligen Zylinders (10) freigebbar ist,
mit einem auf den Luftdurchsatz des Einlaßkanals (7)
wirkenden Stellglied, das in Abstimmung mit den
Steuerzeiten des Einlaßventils (3) für den Gaswech
sel während der Arbeitsspiele des Zylinders (10)
zwischen einer den Einlaßkanal (7) freigebenden und
einer sperrenden Stellung umschaltbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein
Sperrventil (12) mit einem schnellschaltbaren Ver
schlußglied (13, 28) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (12) als
Stößelventil ausgebildet ist mit einem von einem
Stellantrieb (15) längsbeweglichen Ventilstößel
(14), der an seinem freien Ende einen Ventilteller
(13) als Verschlußglied trägt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des
Sperrventils (12), daß der Ventilteller (13) durch
Bewegung des Ventilstößels (14) in Durchströmungs
richtung des Einlaßkanals (7) auf einem Ventilsitz
(16) aufsetzbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des
Sperrventils (12), daß der Ventilteller (13) durch
Bewegung des Ventilstößels (14) in Durchströmungs
richtung des Einlaßkanals (7) von einem Ventilsitz
(16) öffnend abhebbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil ein
hohlzylindrisches Verschlußglied (28) aufweist, das
beweglich angeordnet ist und schließend in Über
deckung mit einer oder mehreren am Umfang des Ein
laßkanals (7) angeordneten Eintrittsöffnungen (27)
für Verbrennungsluft bringbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische
Verschlußglied (28) längsverschiebbar angeordnet ist
und der in Durchströmungsrichtung des Einlaßkanals
(7) vor dem Sperrventil (12) liegende Abschnitt des
Einlaßkanals (12) den die Eintrittsöffnungen (27)
aufweisenden Abschnitt unter Ausbildung eines Ring
raumes (30) axial übergreift.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußglied (13,
28) von einer Rückstellfeder (19) in seiner Ruhelage
gehalten und von dem Stellantrieb (15) gegen die Fe
derkraft der Rückstellfeder (19) bewegbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (7)
mit einer Belüftungseinrichtung (24) versehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungslei
tung (24) mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschi
ne (1) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (7)
mit einer Vorrichtung zur Abgasrückführung versehen
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10032669A DE10032669A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10032669A DE10032669A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine |
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DE10032669A1 true DE10032669A1 (de) | 2002-01-24 |
Family
ID=7647879
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DE10032669A Withdrawn DE10032669A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine |
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8130 | Withdrawal |