DE10032669A1 - Verfahren und Vorrichtung zur ungedrosselten Laststeuerung einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

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.