DE19733139A1 - Verfahren zur Beeinflussung von Gemischbildung und Ladungsbewegung in einem Zylinder einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Zur Beeinflussung der Gemischbildung und der Ladungsbewegung in Zylindern von fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschinen ist es aus der WO 91/14858 bekannt, jeweils im Bereich der Einlaßventile Mittel vorzusehen, die eine steuerbare Ablen­ kung der Strömung beim Übertritt aus dem Einlaß durch die Einlaßöffnung in den Zylinder ermöglichen. Die ungenügende Gemischbildung ist durch den fehlenden Unterdruck im Saugrohr wegen der schlechteren Kraftstoffverdampfung bedingt und kann wegen der geringen Einströmgeschwindigkeit bei voller Öffnung des Ventilquerschnittes auch nicht verbessert werden. Als Mittel zur Ablenkung der Strömung werden hier vorgeschlagen Schieber, Klappen, Schwenkdüsen oder dergleichen, die im ka­ nalförmigen Einlaß unmittelbar im Bereich der Einlaßöffnung angeordnet sind. Diese Elemente werden über entsprechende Stellmittel in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors über eine Steuereinrichtung betätigt, um durch eine Ablenkung des durch den kanalartigen Einlaß strömenden Luft-Kraftstoff- Gemisches, nachstehend auch als Gasstrom bezeichnet, unter bestimmten Betriebszuständen so abzulenken, daß sich inner­ halb des Zylinderraums während des Ansaugtaktes einen Wirbel ausbildet, dessen Drehachse im wesentlichen quer zur Zylin­ derachse verläuft. Der Nachteil dieser Anordnung besteht dar­ in, daß die Betätigungsmittel im Einlaß unmittelbar vor der Einlaßöffnung angeordnet und gelagert sind, also in einem Be­ reich, in dem ohnehin für zusätzliche Bauteile wenig Raum zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, die Beeinflussung der Gemischbildung und der La­ dungsbewegung ohne derartige störende Einbauten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während des Ansaughubes das Gaseinlaßventil innerhalb der vorgesehenen Ventilöffnungszeit so betätigt wird, daß zumin­ dest zu Beginn der Ventilöffnungszeit die Ventilöffnung nur um ein geringes Maß freigegeben und erst danach der volle Querschnitt freigegeben wird. Durch eine derartige gezielte Veränderung des Ventilöffnungsquerschnitts lassen sich die Gemischaufbereitung und die Ladungsbewegung günstig beein­ flussen. Durch die anfänglich Freigabe eines nur kleinen Querschnitts wird die Gemischaufbereitung verbessert und an­ schließend durch die Öffnung auf den vollen Querschnitt der Brennraum mit Frischgemisch gefüllt. In der ersten Phase der Hubbewegung strömt das Kraftstoff-Luftgemisch hierbei mit ho­ her Strömungsgeschwindigkeit durch den nur um ein geringes Maß geöffneten Ventilquerschnitts in den Brennraum. Die Mischaufbereitung und Gemischhomogenisierung wird hierbei po­ sitiv unterstützt. Die notwendige Ladungsmenge zur Darstel­ lung eines gewünschten Lastpunktes kann jedoch bei konstant kleinem Öffnungsquerschnitt nicht gewährleistet werden, so daß während derselben Öffnungsphase das Ventil durch eine entsprechende Steuerung vollständig geöffnet wird, und somit das optimale Füllen des Brennraums mit Frischgemisch gewähr­ leistet ist.

Das Verfahren kann nun in unterschiedlicher Weise abgewandelt werden. So kann erfindungsgemäß zu Beginn der Ventilöffnungs­ zeit das Gaseinlaßventil nur kurzzeitig um ein geringes Maß geöffnet und danach wieder geschlossen und anschließend auf den vollen Querschnitt geöffnet werden. Hierdurch wird mit einer ersten Gemischfüllung eine Bewegung im Zylinderraum bei sich verstärkendem Unterdruck angestoßen, so daß anschließend bei voller Ventilöffnung aufgrund des erhöhten Unterdrucks die volle Ladungsmenge mit großer Geschwindigkeit einströmen kann.

In anderer Ausgestaltung ist es möglich, daß das Gaseinlaß­ ventil nach anfänglicher Freigabe des vollen Querschnitts zu­ nächst auf einen geringen Öffnungsquerschnitt zurückbewegt wird und anschließend vollständig geschlossen wird. Auch bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, gegen Ende des Ansaug­ hubes eine Restmenge an Frischgas mit großer Geschwindigkeit in den Zylinder einzuführen und so die Ladungsbewegung im Zy­ linderraum günstig zu beeinflussen.

In Abwandlung hierzu ist es auch möglich, das Gaseinlaßventil nach dem vollständigen Schließen für eine vorgebbare Zeit für ein geringes Maß wieder zu öffnen.

Die vorstehend angegebenen unterschiedlichen Verfahrensweisen können nun je nach den Lastanforderungen auch miteinander kombiniert werden, wobei es auch möglich ist, bei Brennkraft­ maschinen mit mehreren Gaseinlaßventilen je Zylinder alle oder auch nur ein Ventil des betreffenden Zylinders in dieser Weise anzusteuern.

Während es grundsätzlich möglich ist, über entsprechende Steuertriebe eine derartige Hubcharakteristik mechanisch zu erzeugen, ist die Anwendung dieses Verfahrens besonders vor­ teilhaft bei Kolbenbrennkraftmaschinen, deren Gaswechselven­ tile jeweils über elektromagnetische Aktuatoren angesteuert werden die hinsichtlich der Ansteuerzeit frei variabel sind. Damit ist es möglich, durch unterschiedliche Öffnungs- und Schließzeitpunkte für die einzelnen Hubstufen (Teilquerschnitt oder voller Querschnitt) auch unterschiedli­ che Öffnungszeiten für die verschiedenen Hubstufen vorzuse­ hen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 den Hubverlauf eines Gaseinlaßventils in Ab­ hängigkeit von Grad Kurbelwinkel bei einer konventionellen Ventilsteuerung,

Fig. 2 einen abgestuften Hubverlauf mit geringer Hub­ öffnung zu Beginn des Öffnungshubes,

Fig. 3 einen abgestuften Hubverlauf mit einem kurz­ fristigen gesonderten Öffnungshub zu Beginn des Hubverlaufs und anschließenden vollem Hub,

Fig. 4 einen Hubverlauf mit vollem Öffnungsquer­ schnitt zu Beginn und einem reduzierten Öff­ nungsquerschnitt zum Hubende,

Fig. 5 einen Hubverlauf mit vollem Öffnungshub zu Be­ ginn und einem zeitlich abgesetzten, gesonder­ ten Öffnungshub mit geringem Eintrittsquer­ schnitt,

Fig. 6 einen Hubverlauf mit einer Überlagerung eines Hubverlaufs von Fig. 2 und Fig. 4,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für einen elektromag­ netischen Aktuator zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hubverlauf öffnet entspre­ chend der vorgegebenen Steuerung das Gaswechselventil über eine vorgegebene Öffnungszeit auf seinen vollen Hub, so daß der Gasstrom durch den vollen Öffnungsquerschnitt in den Brennraum einströmen kann. Anschließend wird das Gaseinlaß­ ventil wieder vollständig geschlossen. Mit einer derartigen Öffnungscharakteristik ist insbesondere im Teillastbereich bei ottomotorischen Arbeitsverfahren eine einwandfreie Ge­ mischaufbereitung zu erzielen.

Wird nun, wie in Fig. 2 dargestellt, das Ventil zu Beginn des Saughubes nur um einen kurzen Hub geöffnet, so kann entspre­ chend dem vorgegebenen Unterdruck der Gasstrom durch den dann geringen freien Strömungsquerschnitt mit hoher Geschwindig­ keit in den Brennraum einströmen, so daß anschließend bei der vollständigen Öffnung der Brennraum die volle Füllung erhält, wobei durch den zu Beginn induzierten Wirbel die Gemischauf­ bereitung und Ladungsbewegung verbessert wird.

Der gleiche Effekt läßt sich auch erzielen, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, das Ventil zu Beginn des Öffnungshubes nur kurzfristig öffnet, dann wieder schließt und anschließend wieder geöffnet wird, und zwar auf den vollen Öffnungsquer­ schnitt. Da der Kolben während der kurzen Verschlußzeit wei­ terbewegt wird, erhöht sich in dieser Zeit der Unterdruck im Brennraum, so daß dann der restliche Gasstrom mit entspre­ chend erhöhter Geschwindigkeit in den Brennraum einströmen kann.

Die Hubverläufe in den Fig. 4 und 5 stellen entsprechende Um­ kehrungen der vorstehend anhand der Fig. 2 und 3 beschriebe­ nen Hubverläufe dar, durch die bewirkt wird, daß zum Ende des Ansaughubes der einströmende Gasstrom wieder mit hoher Strö­ mungsgeschwindigkeit in den Brennraum einströmen kann.

Fig. 6 zeigt einen Hubverlauf, der praktisch durch eine Über­ lagerung der Hubverläufe gemäß Fig. 2 und Fig. 4 gebildet ist und bei dem zum Öffnungsbeginn das Anlaßventil nur um ein ge­ ringes Maß geöffnet wird und zum Ende des Öffnungshubes kurz­ zeitig noch um ein geringes Maß offengehalten wird.

In Fig. 7 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 dargestellt, der mit einem Gaswechselventil 2 in Wirkverbindung steht. Der elektromagnetische Aktuator 1 weist einen Anker 3 auf, dem ein Schließmagnet 4 und ein Öffnermagnet 5 zugeordnet ist. Die beiden Magneten sind mit einer hier nicht näher darge­ stellten elektronischen Steuereinrichtung verbunden, so daß bei entsprechend abwechselnder, gesteuerter Bestromung der Anker 3 zwischen den beiden Magneten 4 und 5 hin- und herbe­ wegt werden kann, und zwar gegen die Rückstellkraft einer Öffnerfeder 6 und einer Schließfeder 7. Der Anker 3 nimmt die jeweilige Stellposition durch Anlage auf der Polfläche 8 des jeweiligen Magneten ein. Bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel sind die beiden Rückstellfedern 6 und 7 gleich aus­ gelegt, so daß bei unbestromten Elektromagneten die Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den beiden Polflächen befindet.

Ist nun, wie in Fig. 7 dargestellt, der Schließmagnet 4 be­ stromt, dann liegt der Anker 3 an der Polfläche des Schließ­ magneten 4 an und hält das Einlaßventil 2 in Schließstellung. Wird der Strom im Schließmagneten 4 abgeschaltet, so wird durch die Kraft der Öffnerfeder 6 der Anker zusammen mit dem Gaseinlaßventil gegen die ansteigende Kraft der Schließfeder 7 in Richtung auf den Öffnermagneten 5 bewegt. Wird dieser beim Überschwingen des Ankers 3 über die vorstehend genannte Ruhelage zu einem ansteuerbaren Zeitpunkt bestromt, dann baut sich ein entsprechendes Magnetfeld auf, das den Anker 3 "fängt" und gegen die ansteigende Kraft der Schließfeder 7 an der Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 zur Anlage bringt. Nach einer durch die Steuereinrichtung vorgebenen Öffnungszeit wird der Öffnermagnet 5 stromlos gesetzt und anschließend der Schließmagnet bestromt, so daß sich der Anker 3 wieder in die in Fig. 7 dargestellte Schließposition bewegt und der Gasein­ laß entsprechend geschlossen wird. Dieser Hubverlauf ent­ spricht dem in Fig. 1 dargestellten Hubverlauf.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform wirkt die Rück­ stellfeder 7 auf eine mit dem Ventilschaft 18 des Gaseinlaß­ ventils verbundenen Halteteller 19 in Schließrichtung. Der Ventilschaft 18 und der Führungsschaft 15 des Ankers 3 sind hierbei geteilt.

Dem Öffnermagneten 5 ist ein in Öffnungsrichtung wirkender Zusatzmagnet 12 zugeordnet, dem auf der der Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 abgekehrten Seite ein zusätzlicher Anker 13 zugeordnet ist und der beispielsweise im Joch des Öffnerma­ gneten 5 geführt sein kann. Der Anker 13 wird über eine Hal­ tefeder 14 in Ruhestellung gehalten. Der Abstand des Ankers 13 zur Polfläche 20 des Zusatzmagneten 12 bestimmt das Maß für einen reduzierten Öffnungshub.

Wird nun bei ununterbrochener Bestromung des Schließmagneten 4 das Gaswechselventil über die Feder 7 in Schließstellung gehalten, dann kann der Zusatzmagnet 12 bestromt werden, so daß über den Anker 13 das Gaswechselventil nur um das vorge­ gebene Maß a des Abstandes zur Polfläche 20 für die Dauer der Bestromung des Zusatzmagneten 12 geöffnet wird. Wird der Zu­ satzmagnet 12 stromlos gesetzt, wird das Gaswechselventil wieder über die Feder 7 geschlossen.

Wird anschließend der eingangs beschriebene Bewegungsvorgang für den vollen Hub durch Stromlossetzen des Schließmagneten 4 geschaltet, ergibt sich der in Fig. 3 dargestellte Hubver­ lauf.

Die Ansteuerung des Zusatzmagneten 12 kann nun so getroffen werden, daß zunächst, wie vorstehend beschrieben, das Gasein­ laßventil 2 mit geringem Hub geöffnet wird. Wird anschließend der Schließmagnet 4 stromlos gesetzt und der Öffnermagnet 5 entsprechend bestromt, ergibt sich ein Hubverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Hubverläufe gemäß Fig. 4, 5 und 6 lassen sich mit ent­ sprechender Ansteuerung bewirken.

Die Öffnungszeiten sowohl für den Teilhub wie auch für den Vollhub und das Verhältnis dieser Öffnungszeiten zueinander können nun über eine entsprechende Auslegung der Motorsteue­ rung für die jeweiligen Lastfälle vorgegeben werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die Betätigung des Gaseinlaßventils durch einen elektromagne­ tischen Aktuator beschränkt. Grundsätzlich läßt sich der er­ findungsgemäße Hubverlauf durch alle Aktuatorbauformen be­ werkstelligen, die eine entsprechend abgestufte Hubbewegung des Gaseinlaßventils ermöglichen. Besonders vorteilhaft sind hierbei Aktuatoren, die frei ansteuerbar sind, wie dies bei elektromagnetischen Aktuatoren der Fall ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Gemischbildung und La­ dungsbewegung in einem Zylinder einer fremdgezündeten Kolben­ brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ansaughubes das Gaseinlaßventil innerhalb der vorgesehenen Ventilöffnungszeit so betätigt wird, daß zu Beginn und/oder zum Ende der Ventilöffnungszeit die Ventilöffnung nur um ein geringes Maß freigegeben und in der übrigen Ventilöffnungs­ zeit der volle Querschnitt freigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Ventilöffnungszeit das Gaseinlaßventil nur kurz­ zeitig um ein geringes Maß geöffnet, danach wieder geschlos­ sen und anschließend auf den vollen Querschnitt wieder geöff­ net wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaseinlaßventil nach der Freigabe des vollen Quer­ schnitts zunächst auf einen geringen Öffnungsquerschnitt zu­ rückbewegt und anschließend vollständig geschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gaseinlaßventil nach dem vollständigen Schließen für eine vorgebbare Zeit wieder um ein geringes Maß geöffnet und wieder geschlossen wird.