DE3737822A1 - Ladeverfahren zum betrieb eines verbrennungsmotors und verbrennungsmotor zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbeson­ dere eines Hubkolbenmotors, bei dem jeder Verbren­ nungsraum über mindestens ein in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung gesteuertes Einlaßventil mit einem Einlaßkanal verbunden ist, mit einem einen kontinu­ ierlichen Druck erzeugenden, in einen Speicherraum fördernden Lader und einem zwischen dem Speicherraum und jedem Einlaßkanal angeordneten Luftsteuerventil, das sich in Abhängigkeit von der Zündfrequenz der zugeordneten Verbrennungsräume öffnet und schließt und dessen Öffnungszeitpunkt gegenüber dem des Ein­ laßventils bzw. der Einlaßventile der zugeordneten Verbrennungsräume veränderbar ist.

Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugmotoren, insbe­ sondere PKW-Motoren, werden heute im wesentlichen vier Entwicklungsziele angestrebt, nämlich hohe Leistung zur Erzielung hoher Geschwindigkeit, hohe Laufkultur bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere hohes Drehmoment und spontanes Ansprechen, Umwelt­ freundlichkeit hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Ab­ gasemissionen und Lärm, sowie niedrige Kosten.

Diese Ziele unterstützen sich in einigen Fällen ge­ genseitig, beispielsweise wird durch die Reduzierung von Fahrzeugwiderstand und Gewicht sowohl die Höchst­ geschwindigkeit erhöht, als auch der Kraftstoffver­ brauch und die Abgasabgabe reduziert. Andererseits erhöhen Abgaskatalysatoren den Kraftstoffverbrauch und reduzieren die Spontaneität des Motors und die Höchstleistung.

Von besonderer Bedeutung sind die Maßnahmen zur Redu­ zierung von Fahrzeuggewicht und Luftwiderstand der Fahrzeuge, weil dadurch ein starker Druck auf Bauvo­ lumen und Gewicht der Motoren ausgeht. Es kommt hinzu, daß aufgrund der schärfer werdenden Konkurrenz ein starker Kostendruck besteht.

Die Lösung der vorstehend aufgezeigten Probleme wird in zunehmendem Maße in der Aufladung der Verbren­ nungsmotoren gesucht. Unter den möglichen Ladegeräten nimmt dabei der Abgasturbolader eine dominierende Stellung ein.

Der Abgasturbolader ist ein Kreiselverdichter, der durch eine Abgasturbine angetrieben wird. Seine För­ dercharakteristik ist so beschaffen, daß mit zuneh­ mender Förderleistung der erzeugte Luftdruck steigt. Die aufzuladende Verbrennungskraftmaschine, in der Regel ein Hubkolbenmotor der Verdrängerbauart, hat jedoch einen Luftbedarf, bei dem der Druck von der Drehzahl des-Motors, also auch von der erforderlichen Luftmenge unabhängig und damit im ganzen Drehbereich konstant ist. Dadurch ergibt sich ein grundsätzliches Anpassungsproblem. Legt man den Abgasturbolader für eine bestimmte Drehzahl des Motors aus, dann ist der Förderdruck bei höheren Motordrehzahlen zu groß und bei niedrigeren Drehzahlen zu klein. Ein weiteres Problem, das sich aus dem grundsätzlichen Unterschied in der Fördercharakteristik ergibt, ist das verzöger­ te Ansprechen des Abgasturboladers auf Lastwechsel beim Motor.

In der Praxis der Kraftfahrzeugtechnik hat man einen unbefriedigenden Kompromiß geschlossen, indem man den Abgasturbolader etwa für die mittlere Nenndrehzahl des Motors auslegt und bei höheren Drehzahlen ver­ dichtete Luft oder Abgas ungenutzt in die Atmosphäre abbläst, wodurch wertvolle Arbeitsenergie ungenutzt entweicht. Das Problem des zu niedrigen Drehmoments bei Drehzahlen, die kleiner sind als die Auslegungs­ drehzahl, sucht man neuerdings durch Abgasturbolader mit variabler Laufradgeometrie zu bekämpfen. Dies ist mit hohem Bauaufwand, ungenügender Zuverlässigkeit und hohen Kosten verbunden. Das Problem der Anpassung des Abgasturboladers an Lastwechsel des Motors wird ebenfalls durch Laufräder mit variabler Geometrie und durch einen Trend zu immer kleineren und deshalb we­ niger trägen Abgasturboladern verfolgt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ladeverfahren, insbesondere zur Verwendung mit Abgas­ turboladern, zu schaffen, bei dem das Abblasen ver­ dichteter Luft oder aufgestauter Abgase vermieden wird und eine schnelle Anpassung des Laders an Last­ wechsel des Verbrennungsmotors möglich ist, ohne einen Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen in Kauf nehmen zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß da­ rin, daß der Öffnungszeitpunkt des Luftsteuerventils in Abhängigkeit von der gewünschten Motorbetriebswei­ se zwischen einer das Luftangebot aus dem Speicher­ raum auf das Einlaßende der zugeordneten Verbren­ nungsräume konzentrierenden und einer gegen den Ein­ laßbeginn verschobenen Grenzstellung verstellt wird und eine jeden Verbrennungsraum mit unverdichteter Ladung versorgende Leitung bei Überdruck auf der Sei­ te des zu versorgenden Verbrennungsraums gesperrt wird.

Aus dem SAE Paper Nr. 8 51 523 "A NEW TYPE OF MILLER SUPERCHARGING SYSTEM FOR HIGH SPEED ENGINES" ist die Möglichkeit bekannt, die durch einen Abgasturbolader verdichtete Luft in einem Speicher zu sammeln und über ein Luftsteuerventil an den Motorzylinder abzu­ geben, wobei die Zufuhr der verdichteten Ladeluft durch Veränderung der Phasenlage des Luftsteuerven­ tils gegenüber der des Einlaßventils am Motorzylinder auf den Beginn der Saugphase des Motorzylinders kon­ zentriert werden kann, was man als Vorladung bezeich­ nen kann. Dabei kann bei vorausgehender Ladeluftküh­ lung durch Expansion der Luft im Motorzylinder auf das gewünschte Druckvolumen eine zusätzliche Kühlwir­ kung erzielt werden.

Aus der DE-OS 33 18 094 sind bereits die Vorteile der sogenannten "Nachladung" erläutert, bei der zusätz­ lich zu einer durch den Motorkolben angesaugten Luft­ menge durch den Lader verdichtete Luft in den Motor­ zylinder eingebracht wird, während der Motorkolben im Bereich des unteren Totpunkts vom Saug- zum Verdich­ tungshub übergeht. Bei dieser Betriebsweise wird die vorhandene Laderenergie hauptsächlich im Kompres­ sionsarbeit umgesetzt und es wird weitgehend vermie­ den, Förderarbeit zu leisten. In der DE-OS 33 18 094 wird diese "Nachladung" in Verbindung mit einem Kol­ benlader durchgeführt, wobei dieser Kolbenlader auch in einen Speicherraum fördern und die Abgabe der ver­ dichteten Ladeluft aus dem Speicherraum über ein Luftsteuerventil erfolgen kann. Die Abgabe der ver­ dichteten Ladeluft ist aber auf den Übergang zwischen Saughub und Verdichtungshub des Motorzylinders be­ schränkt. Außerdem treten bei Kolbenladern die vor­ stehend erläuterten, den Abgasturboladern anhaftenden Probleme nicht auf. Die vorliegende Erfindung ermög­ licht es nun, bei durch Abgasturboladern aufgeladenen Verbrennungsmotoren aus dem Bereich der Aufladung bei sinkender Drehzahl in den Bereich der Nachladung überzugehen.

Zur Verwirklichung dieses Verfahrens wird der Abgas­ turbolader vorzugsweise für die Nenndrehzahl des Mo­ tors ausgelegt. Die Öffnung des Luftsteuerventils er­ folgt dabei so frühzeitig, daß verdichtete Luft wäh­ rende der ganzen Saughubphase des Motors in den gera­ de zu beladenden Zylinder einströmt. Bei niedrigeren Drehzahlen erfolgt die Öffnung des Luftsteuerventils zunehmend später, sofern Vollast gewünscht wird, wo­ durch der Motor nunmehr während des Beginns der Saug­ phase des Motorzylinders zunächst unverdichtete Luft aus der Atmosphäre ansaugt. Dadurch wird die Nachla­ dewirkung zunehmend intensiviert. Abhängig von der gewünschten maximalen Aufladung und den geometrisch realisierbaren Verhältnissen im Ladersystem kann da­ durch ein annähernd konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich des Motors erzielt werden.

Bei sehr hohen Anforderungen an den Aufladegrad kann bei niedrigen Drehzahlen immer noch eine Drehmoment­ lücke auftreten. Wird bei einer bestimmten Drehzahl nicht das volle Drehmoment gefordert, so wird die Nachladewirkung reduziert und im Teillastbereich schließlich ganz aufgehoben, d.h., im Teillastbereich ist der Öffnungszeitpunkt des Luftsteuerventils so früh gelegt, daß nunmehr der Abgasturbolader im be­ kannten Aufladeverfahren arbeitet. Erfolgt in einem solchen Betriebszustand im Kraftfahrzeug ein Fahrlei­ stungswunsch zur Lasterhöhung des Motors, so wird das Luftsteuerventil in den Nachladebetrieb umgeschaltet. Dadurch wird der Motor schlagartig mit mehr Luft ver­ sorgt, was die an der Abgasturbine verfügbare Lei­ stung erhöht. Gleichzeitig jedoch wird der Leistungs­ bedarf des Turboladers trotz des gestiegenen Luft­ durchsatzes durch den Motor reduziert, weil infolge der Nachladewirkung der Lader zwar mit höherem Ver­ dichtungsdruck, aber mit niedrigerem Durchsatz arbei­ tet. Durch die Erhöhung der verfügbaren Leistung auf der Abgasseite und die Reduzierung des Leistungsbe­ darfs auf der Luftseite des Abgasturboladers wird so­ mit schlagartig Energie freigesetzt für die Beschleu­ nigung der Drehzahl des Abgasturboladers. Dadurch wird dessen Arbeitsfähigkeit in Form von höherer För­ derleistung erhöht, so daß der Luftdurchsatz durch den Motor weiter steigt.

Bei Übereinstimmung von Fahrleistungswunsch und Fahr­ leistung wird der Öffnungszeitpunkt des Luftsteuer­ ventils wieder auf einen früheren Zeitpunkt verscho­ ben, wodurch die Nachladewirkung auf das geforderte stationäre Niveau reduziert wird.

Die Möglichkeit zur Verbesserung des Instationär-Ver­ haltens des Abgasturboladers durch Umschalten von Aufladen auf "Nachladen" ist im gesamten Betriebsbe­ reich gegeben. Die Notwendigkeit des Abblasens von verdichteter Luft oder aufgestauter Abgase wird da­ durch vermieden, daß der Abgasturbolader bei der Ein­ stellung des Luftsteuerventils auf Aufladung erst bei Nenndrehzahl, also bei der Höchstdrehzahl des Motors, das volle Drehmoment erzeugen kann.

Bei niedrigeren Drehzahlen ist die Nachladeverschie­ bung nur so weit möglich, wie zur Erzielung des zuge­ lassenen Drehmoments erforderlich. Ein Überschuß an verdichteter Luft wird dadurch vermieden.

Vorzugsweise entspricht die Öffnungsdauer des Luft­ steuerventils maximal etwa der Öffnungsdauer des Ein­ laßventils bzw. der Einlaßventile.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Öffnungsdauer des Luftsteuerventils mit zunehmen­ der Phasenabweichung zwischen Luftsteuerventil und Einlaßventil verkürzt werden, um die Konzentration des Luftangebots aus dem Speicherraum auf den Einlaß­ beginn zu fördern.

Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Verbren­ nungsmotor der Kolbenbauart mit mindestens einem Ver­ brennungsraum, der über mindestens ein Einlaßventil mit einem Einlaßkanal verbunden ist, mit einem einen kontinuierlichen Druck erzeugenden Lader, dessen Druckseite mit einem Speicherraum verbunden ist, mit einem Luftsteuerventil zwischen dem Speicherraum und jedem Einlaßkanal, dessen Antrieb so ausgelegt ist, daß er sich mit der Zündfrequenz der zugeordneten Verbrennungsräume öffnet und schließt und mit einer Einrichtung zur Verschiebung des Öffnungszeitpunkts des Einlaßventils bzw. der Einlaßventile der zugeord­ neten Verbrennungsräume, wobei dieser Verbrennungsmo­ tor erfindungsgemäß so ausgebildet ist, daß die Ein­ richtung zur Verschiebung des Öffnungszeitpunkts ge­ eignet ist, die Öffnungsmitte des Luftsteuerventils von Phasengleichheit mit der Öffnungsmitte eines sich jeweils öffnenden Einlaßventils hinter dessen Öff­ nungsmitte zu verlagern und daß jeder Verbrennungs­ raum über einen den den Lader, den Speicherraum und das Luftsteuerventil umfassenden Verdichterzweig um­ gehenden, durch ein Ventil absperrbaren Kanal mit un­ verdichteter Ladung versorgbar ist, wobei vorzugswei­ se jeder Einlaßkanal mit dem den Verdichterzweig um­ gehenden Kanal verbunden ist.

Vorzugsweise besteht die Einrichtung zur Änderung der Phasenlage aus einem Rechner, dessen Eingänge mit einem Programmspeicher und Sensoren zur Ermittlung von Betriebskennwerten des Motors und/oder mindestens einem Steuerorgan zur Eingabe von Steuerbefehlen und dessen Ausgang mit einer Stellvorrichtung für das Luftsteuerventil verbunden ist, wobei der Programm­ speicher nach einer besonders zweckmäßigen Ausfüh­ rungsform auswählbare Programme enthält. Hierdurch wird es möglich, daß der Rechner entsprechend dem durch die Programmwahl vorbestimmten Optimierungsziel und unter Berücksichtigung des durch die Sensoren er­ mittelten, augenblicklichen Betriebszustands des Mo­ tors das Ladeverfahren ausgewählt, das unter Berück­ sichtigung des über das Steuerorgans, z.B. das Fahr­ pedal eines Kraftfahrzeugs, eingegebenen, augenblick­ lichen Steuerbefehls diesem Optimierungsziel am be­ sten entspricht.

Vorzugsweise sind die Sensoren am Verbrennungsraum und/oder am Speicherraum angeordnet und geeignet, den Motorbetriebszustand bzw. Druck und Temperatur im Speicherraum zu ermitteln.

Vorzugsweise sind die Einlaßseite des Laders und der ihn umgehende Kanal stromauf von dem diesen Kanal sperrenden Ventil miteinander verbunden.

Um einen möglichst gleitenden Übergang zwischen den verschiedenen Ladeverfahren zu ermöglichen, kann die Phasenlage von Einlaßventil und Luftsteuerventil stu­ fenlos verstellbar sein.

Die Öffnungsdauer des Luftsteuerventils entspricht vorzugsweise maximal der Öffnungsdauer des Einlaßven­ tils, wie es für die herkömmliche Aufladung erforder­ lich ist.

Eine besonders einfache Ausführungsform besteht da­ rin, daß der den Verdichterzweig umgehende Kanal ein Richtungsventil enthält, das nur eine Strömung in Richtung auf das Einlaßventil gestattet. Dadurch wird immer dann atmosphärische Luft in den Einlaßkanal ge­ saugt, wenn dort ein Unterdruck herrscht.

Es kann aber auch für den den Verdichterzweig umge­ henden Kanal ein steuerbares Ventil vorgesehen sein, welches vorzugsweise in Abhängigkeit von der Stellung des Luftsteuerventils sperrbar ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jedem Einlaßkanal ein die Verbindung zu dem den Ver­ dichterzweig umgehenden Kanal sperrendes Ventil zugeordnet, wobei zur Schadraumbegrenzung vorzugswei­ se das dem Einlaßkanal zugeordnete, die Verbindung zu dem den Verdichterzweig umgehenden Kanal sperrende Ventil, das zugeordnete Luftsteuerventil und das Einlaßventil bzw. die Einlaßventile der zugeordneten Verbrennungsräume eng benachbart angeordnet sind.

Dabei kann nach einer weiteren zweckmäßigen Ausbil­ dung der den Verdichterzweig umgehende Kanal ein ge­ meinsam mit dem Luftsteuerventil betätigbares Ventil enthalten, wobei beide Ventile auch zu einem Mehrwe­ geventil vereinigt sein können.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht bei der Ausführungsform mit Richtungsventil darin, daß das Mehrwegeventil einen von einem Ventilgehäuse umschlossenen, als Rotationskörper ausgebildeten und in Abhängigkeit von der Motorkurbelwelle kontinuier­ lich antreibbaren, mit einem sich gegen das Gehäuse öffnenden Verbindungskanal versehenen Rotor umfaßt, wobei dem Verbindungskanal im Ventilgehäuse in Um­ laufrichtung aufeinanderfolgende Anschlüsse für den Speicherraum und den Einlaßkanal zugeordnet sind.

Bei der Ausführungsform mit einem steuerbaren Ventil in dem den Verdichterzweig umgehenden Kanal, das mit dem Luftsteuerventil zu einem Mehrwegeventil ver­ einigt ist, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß das Mehrwegeventil einen von einem Ventil­ gehäuse umschlossenen, als Rotationskörper ausgebil­ deten und in Abhängigkeit von der Drehung der Motor­ kurbelwelle kontinuierlich antreibbaren, mit einem sich gegen -das Gehäuse öffnenden Verbindungskanal versehenen Rotor umfaßt, wobei dem Verbindungskanal im Ventilgehäuse in Umlaufrichtung aufeinanderfolgen­ de Anschlüsse für den Speicherraum, den Einlaßkanal und den den Verdichterzweig umgehenden Kanal zugeord­ net sind.

Steuert das Luftsteuerventil nur den Eintritt der verdichteten Ladeluft in den Einlaßkanal, so kann durch eine verstellbare Schließkante des Anschlusses für den Speicherraum das Ladeende beeinflußt werden.

Bei den Ventilbauarten mit einem kontinuierlich um­ laufenden Rotor besteht eine weitere zweckmäßige Aus­ gestaltung darin, daß die Phasenlage der Ventilöff­ nungszeiten gegenüber der Kurbelwelle durch Verstel­ lung des Rotors relativ zum Ventilgehäuse veränderbar ist.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform unter Ver­ wendung eines Mehrwegeventils besteht darin, daß zwei als Rotationskörper ausgebildete und in Abhängigkeit von der Drehung der Motorkurbelwelle kontinuierlich antreibbare Rotoren jeweils mit einem Verbindungska­ nal versehen und drehbar in einem Ventilgehäuse gela­ gert sind, wobei ein Verbindungskanal in seiner Öff­ nungsstellung Anschlüsse für den den Verdichterzweig umgehenden Kanal und den Einlaßkanal miteinander verbindet, daß die Phasenlage der Rotoren zueinander veränderbar ist und daß die Phasenlage der Ventilöff­ nungszeiten gegenüber der Motorkurbelwelle durch eine Verstellung der Rotoren relativ zum Ventilgehäuse veränderbar ist.

Vorzugsweise ist die Maximaldrehzahl des Rotors bzw. der Rotoren derart bemessen, daß auf zwei Takte des zugeordneten Motorzylinders bzw. der zugeordneten Mo­ torzylinder jeweils eine Ventilöffnung entfällt.

Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform kann die Drehzahl des Rotors bzw. der Rotoren nach Wahl stufenweise halbiert werden, wodurch die Mög­ lichkeit besteht, die Motorzylinder nicht bei jedem Arbeitsspiel zu laden, sondern die Ladung nur in dem Leistungsbedarf angepaßten Intervallen durchzuführen.

Bei einem Vierzylinder-Reihen-Viertaktmotor besteht eine besonders einfache Ausführungsform darin, daß drei Einlaßkanäle vorgesehen sind, von denen ein Ein­ laßkanal den beiden mittleren Zylindern gemeinsam zu­ geordnet ist. Durch eine derartige Ausführungsform kann ein Steuerventil und gegebenenfalls ein separa­ tes Richtungsventil eingespart werden, weil einer­ seits von einem den beiden mittleren Zylindern ge­ meinsam zugeordneten Ventil nur verhältnismäßig kurze Wege zu den beiden Zylindern zurückzulegen sind und andererseits die Saugphasen beider Zylinder nicht un­ mittelbar aufeinanderfolgen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht bei einer Bauform mit Richtungsventil in dem den Verdich­ terzweig umgehenden Kanal darin, daß die Luftsteuer­ ventile zumindest einer Anzahl von Einlaßkanälen eines Motors einen gemeinsamen, rohrförmigen, in einem rohrförmigen Gehäuse drehbar gelagerten, in Ab­ hängigkeit von der Kurbelwellendrehung antreibbaren Rotor besitzen, dessen Innenraum mit dem Speicherraum verbunden ist, daß am Gehäuse in axialer Richtung ge­ geneinander versetzt die Einlaßkanäle ausmünden, daß jedem Einlaßkanal am Rotor eine Ventilöffnung zuge­ ordnet ist, wobei diese Ventilöffnungen entsprechend der Zündfolge in Umfangsrichtung versetzt sind, und daß die Phasenlage des Rotors relativ zur Kurbelwelle verstellbar ist. Bei dieser Ausführungsform, bei der vorzugsweise der Zutritt der verdichteten Ladeluft zu allen Einlaßkanälen eines Motors durch einen gemein­ samen Rotor gesteuert wird, steht der Innenraum des Rotors ständig mit dem Speicherraum über nur einen einzigen Anschluß in Verbindung, wodurch sich eine besonders einfache Anordnung ergibt. Die vom Gehäuse in Richtung auf die Motorzylinder verlaufenden Ein­ laßkanäle sind jeweils gesondert mit dem den Verdich­ terzweig umgehenden Kanal verbunden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch erreicht werden, wenn die Leitung für unverdich­ tete Ladung nicht in den vom Lader zum Verbrennungs­ raum führenden Lufteinlaßkanal einmündet, sondern der verdichteten Ladeluft und der unverdichteten Ladeluft getrennte Einlaßkanäle mit Einlaßventilen am Verbren­ nungsraum, d.h. am Motorzylinder, zugeordnet sind. Dabei ist im Einlaßkanal für die verdichtete Ladung ein Lufttaktventil angeordnet, während im Einlaßkanal für die unverdichtete Ladung ein Ventil angeordnet ist, welches sich bei Überdruck auf der Seite des Verbrennungsraums schließt, so daß ein Entweichen der dem Verbrennungsraum über den anderen Einlaßkanal zu­ geführten, verdichteten Ladung verhindert wird. Wegen des bei getrennten Einlaßkanälen erforderlichen zu­ sätzlichen Einlaßventils am Motorzylinder wird jedoch der beschriebenen Lösung mit einem gemeinsamen Ein­ laßkanal für unverdichtete und verdichtete Ladung der Vorzug gegeben.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Er­ findung wird diese näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines er­ sten Ausführungsbeispiels eines erfin­ dungsgemäß ausgebildeten Verbrennungs­ motors, von welchem nur ein Zylinder gezeigt ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer an­ deren Ausführungsform eines erfindungs­ gemäß ausgestatteten Verbrennungsmotors am Beispiel eines Vierzylindermotors,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche schematische Dar­ stellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestattenen Verbrennungsmotors am Beispiel eines Vierzylinder-Reihen-Motors,

Fig. 4 eine Ventilanordnung mit einem vom Luftsteuerventil getrennten Richtungs­ ventil für die Zufuhr unverdichteter Ladung in schematischer Darstellung,

Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung einer Ausführungsform, bei der die Zu­ fuhr verdichteter und unverdichteter Ladung durch ein gemeinsames Ventil ge­ steuert wird,

Fig. 6 eine Variante zu dem in Fig. 4 darge­ stellten Luftsteuerventil,

Fig. 7 eine Variante zu dem in Fig. 5 darge­ stellten Luftsteuerventil,

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Ände­ rung der Phasenlage des in Fig. 5 ge­ zeigten Luftsteuerventils gegenüber der Motorkurbelwelle,

Fig. 9 einen schematischen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Luft­ steuerventils,

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Stel­ lung des in Fig. 9 gezeigten Luft­ steuerventils zum Zeitpunkt der Öffnung des Motoreinlaßventils und bei Aufla­ dung,

Fig. 11 die entsprechende Situation bei Nach­ ladung,

Fig. 12 einen schematischen Axialschnitt durch eine weitere Ventilanordnung für einen Vierzylindermotor und

Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie XIII-XIII in Fig. 12.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 10 eines Viertakt-Verbren­ nungsmotors mit einem hin- und hergehend beweglichen Kolben 12 dargestellt. Der Zylinder 10 besitzt ein Einlaßventil 14 und ein Auslaßventil 16, an welches sich eine Abgasleitung 18 anschließt. Durch das Abgas ist ein Turbolader 20 antreibbar, welchem zu verdich­ tende Luft über eine Luftfilter 22 und eine Leitung 24 zugeführt wird. Die vom Turbolader 20 verdichtete Luft gelangt über eine Leitung 26 zu einem Speicher 28, der hier in Kombination mit einem Ladeluftkühler 30 dargestellt ist. Eine Leitung 32 führt vom Spei­ cher 28 zu einem Luftsteuerventil 34, welches geeig­ net ist, den Zutritt der verdichteten Ladeluft aus dem Speicher 28 in den zum Einlaßventil 14 führenden Einlaßkanal 36 zu steuern. Der Einlaßkanal 36 ist über eine ein Richtungsventil 38 enthaltende Zweig­ leitung 40 direkt mit der vom Luftfilter 22 zum Lader 20 führenden Luftleitung 24 verbunden, wobei das Richtungsventil, beispielsweise eine Rückschlagklap­ pe, derart angeordnet ist, daß eine den Turbolader 20 umgehende Strömung nur vom Luftfilter 22 zum Einlaß­ kanal 36 stattfinden kann. Damit auch Motorbetriebs­ zustände berücksichtigt werden können, bei denen eine Zufuhr von Saugluft unzweckmäßig ist, kann die Lei­ tung 40 auch für die Dauer eines derartigen Betriebs­ zustandes vollständig absperrbar sein, wozu entweder ein separates Absperrventil vorgesehen werden oder das Richtungsventil 38 in Sperrstellung blockierbar sein kann.

Die Betätigung des Luftsteuerventils 34 erfolgt in Abhängigkeit von einem Rechner 42, dem ein Programm­ speicher 44 zugeordnet ist, so daß die Möglichkeit besteht, den Rechner 42 mit einem ausgewählten Pro­ gramm verschiedener, für die jeweiligen Betriebsbe­ dingungen vorrätig gehaltener Programme zu betreiben. Der Rechner 42 verarbeitet dabei sowohl automatisch zugeführte Informationen über den Betriebszustand des Motors, als auch externe Steuerbefehle, wie sie bei­ spielsweise bei einem Kraftfahrzeug durch die Stel­ lung des Fahrpedals eingegeben werden können. In der schematischen Darstellung der Fig. 1 bezeichnet 46 ein derartiges Fahrpedal, welches über eine Verbin­ dung 48 an den Rechner 42 angeschlossen ist. 50 be­ zeichnet einen Sensor am Motor, der über eine Verbin­ dung 56 an den Rechner 42 angeschlossen ist. Der Rechner 42 kann auf diese Weise nicht nur mit Infor­ mationen über den Zustand im Bereich des Motorver­ brennungsraums, sondern auch beispielsweise über Druck und Temperatur der gespeicherten Ladeluft in­ formiert werden.

Der Rechner 42 kann benutzt werden, um die Motorbe­ triebsweise gemäß unterschiedlicher Optimierungsziele zu steuern und zwar je nach Auswahl des einen oder anderen Programms aus dem Programmspeicher 44. In Ab­ hängigkeit von den dem Rechner 42 zugeführten Infor­ mationen wird der Rechner dabei die Steuerzeiten des Luftsteuerventils 34 so beeinflussen, daß das Angebot verdichteter Ladeluft entweder auf den Einlaßbeginn des Motoryzlinders 10 konzentriert wird, was als Vor­ ladung bezeichnet wird oder daß die verdichtete Lade­ luft während der gesamten Öffnungsdauer des Einlaß­ ventils 14 des Motorzylinders 10 zugeführt wird, was der bekannten Aufladung entspricht. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird dabei das Richtungs­ ventil 38 durch den bei der Öffnung des Luftsteuer­ ventils 34 im Einlaßkanal 36 herrschenden Überdruck geschlossen, so daß ein Entweichen der verdichteten Ladeluft verhindert wird. Andererseits wird unver­ dichtete Luft über das Richtungsventil 38 angesaugt, wenn der Motorkolben 12 bei geöffnetem Einlaßventil 14 seinen Saughub ausführt und das Luftsteuerventil 34 geschlossen ist.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß bei einem Vierzylin­ dermotor jedem der vier Zylinder 10 a, 10 b, 10 c und 10 d jeweils ein Luftsteuerventil 34 a, 34 b, 34 c und 34 d zugeordnet ist, wobei in diesem Fall die Luftsteuer­ ventile 34 a bis 34 d als Dreiwegeventile ausgebildet sind, deren jedes zwei Einlässe besitzt, die einer­ seits mit der vom Turbolader 20 kommenden Leitung 32 für verdichtete Luft und andererseits über jeweils eine Zweigleitung 40 a bis 40 d mit der zum Lader 20 führenden Leitung 24 für unverdichtete Luft verbunden sind, und einen Auslaß, der jeweils mit einem, je­ weils einem Zylinder zugeordneten Einlaßkanal 36 a bis 36 d verbunden ist.

In Fig. 2 wurde zur Vereinfachung der Darstellung der Speicher 28 mit dem Ladeluftkühler 30 zwischen dem Turbolader 20 und den Luftsteuerventilen 34 a bis 34 d nicht dargestellt.

Da bei der Zündfolge 1-3-4-2 eines Vierzylinder-Rei­ hen-Motors die Arbeitsspiele der beiden mittleren Zy­ linder 2 und 3 nicht unmittelbar aufeinanderfolgen, kann ihnen ein gemeinsames Luftsteuerventil 34 e zuge­ ordnet werden, wie das in Fig. 3 gezeigt ist, zumal von diesem der Weg zu den beiden mittleren Zylindern über einen gemeinsamen Einlaßkanal 36 e relativ kurz ist. Zweigleitungen 40 a, 40 e und 40 d sind über Rück­ schlagklappen 38 a, 38 e und 38 d verbunden. Ein ent­ sprechender Anschluß der Zweigleitungen 40 a bis 40 d kann auch bei der Bauform nach Fig. 2 alternativ ge­ wählt werden. Der Rotor 62 des Ventils 34 c entspricht der in Fig. 7 gezeigten Bauform mit zwei Ausschnitten 64 und 65.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 zeigt eine eng be­ nachbarte Anordnung der Motoreinlaßventile 14 a und 14 d bzw. der Gruppe der Einlaßventile 14 b und 14 c zu den zugeordneten Luftsteuerventilen 34 a, 34 d und 34 e, sowie Rückschlagklappen 38 a, 38 d und 38 e, wodurch die den einzelnen Motorzylindern zugeordneten Schadräume auf ein Minimum reduziert werden können und sich die Genauigkeit verbessert, mit der der Ladungswechsel gesteuert werden kann.

Die in Fig. 1 gezeigte Bauform mit einem Richtungs­ ventil 38 in einer unmittelbar in den Einlaßkanal 36 ausmündenden Zweigleitung 40 ist in Fig. 4 in einer etwas anderen Darstellung gezeigt, wobei die Funktion des Luftsteuerventils 34 näher erläutert werden soll. Zur Vereinfachung der Darstellung ist auch hier der Speicher 28 mit Ladeluftkühler 30 zwischen dem Lader 20 und dem Luftsteuerventil 34 weggelassen. Bei aus­ reichendem Leitungsvolumen könnte auch die Leitungs­ verbindung zwischen dem Lader 20 und dem Luftsteuer­ ventil 34 als Speicherraum dienen.

Das in Fig. 4 gezeigte Luftsteuerventil 34 besitzt ein Ventilgehäuse 60, in welchem ein in Abhängigkeit von der Drehung der Motorkurbelwelle kontinuierlich angetriebener Rotor 62 umläuft. Dieser Rotor 62 ist als Rotationskörper ausgebildet und besitzt einen sektorähnlichen Ausschnitt 64, welcher bei geeigneter Winkelstellung des Rotors 62 eine Strömung zwischen dem Einlaßschlitz 66 und dem Auslaßschlitz 68 gestat­ tet. Wie in Fig. 4 deutlich zu sehen ist, wird die Verbindung zwischen dem Einlaßschlitz 66 und dem Aus­ laßschlitz 68 aufrecht erhalten, während der Rotor 62 eine Drehung um etwa 90° durchführt. Wird der Rotor 62 mit der halben Drehzahl der Motorkurbelwelle ange­ trieben, so entsprechen diese 90° einer Kurbelwellen­ drehung von 180°. Bei entsprechender Phasenlage des Rotors 62 zur Motorkurbelwelle kann die Verbindung zwischen dem Einlaßkanal 36 und der vom Lader 20 ver­ dichteten Luft während eines vollen Saughubs des Mo­ torkolbens aufrecht erhalten werden, wie dies für die übliche Aufladung erforderlich ist.

Ändert man die Phasenlage des Rotors gegenüber der Kurbelwelle in entgegengesetzter Richtung, so wird sich die Verbindung zwischen der verdichteten Lade­ luft und dem Einlaßkanal 36 über das Luftsteuerventil 34 erst einige Zeit nach dem Öffnen des Einlaßventils 14 öffnen, so daß der Kolben 12 zunächst über das Richtungsventil 38 unverdichtete Luft ansaugt, bevor sich gegen das Ende des Saughubs des Kolbens 12 das Luftsteuerventil 34 öffnet und zusätzlich zu der bis dahin angesaugten Luft vom Lader 20 verdichtete Luft in den Zylinder 10 einströmt. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung so groß gewählt werden, daß sich das Luftsteuerventil 34 erst kurze Zeit vor dem Schließen des Einlaßventils 14 öffnet, so daß selbst bei einer relativ geringen Laderleistung, wie sie im Bereich niedriger Drehzahlen zu erwarten ist, die La­ derenergie in Kompressionsarbeit umgesetzt werden kann.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Pha­ senverschiebung des Rotors 62 gegenüber der Motorkur­ belwelle gegenüber der der Aufladung zugeordneten Phasenlage in der Weise zu verändern, daß der Rotor 62 der Kurbelwelle vorausläuft, beispielsweise so, daß die Öffnungsmitte des Luftsteuerventils 34 mit dem Öffnungsbeginn des Einlaßventils 14 zusammen­ fällt. Es ergibt sich dann eine Betriebsweise, welche man als Vorladung mit Nachsaugen bezeichnen könnte, weil sich das Angebot an verdichteter Ladeluft mehr oder weniger auf den Einlaßbeginn des Motoreinlaßven­ tils 14 konzentriert und nach der Unterbrechung der Verbindung des Einlaßkanals 36 mit der vom Lader 20 verdichteten Ladeluft vor dem Schließen des Einlaß­ ventils 14 noch unverdichtete Ladung über das Rich­ tungsventil 38 angesaugt wird. In Verbindung mit einer Kühlung der verdichteten Ladeluft und der Kühl­ wirkung der im Motorzylinder stattfindenden Ladungsex­ pansion kann eine solche Betriebsweise sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren zur Reduzierung von Abgasemission und Kraftstoffverbrauch, aber auch zur Erhöhung der Motorleistung ohne Erhöhung der mechani­ schen und thermischen Belastung von Vorteil sein.

Die Fig. 5 zeigt eine Variante, bei welcher die Zweigleitung 40 nicht unmittelbar in den Einlaßkanal 36, sondern über einen Schlitz 70 an das Ventilgehäu­ se 60 angeschlossen ist und das Öffnen und Schließen der Zweigleitung 40 auf diese Weise durch den Rotor 62 gesteuert wird. Das Richtungsventil 38 in der Zweigleitung 40 entfällt bei dieser Konstruktion. Wie man aus Fig. 5 entnehmen kann, befindet sich die Öff­ nungsphase der Zweigleitung 40 gegenüber dem Einlaß­ kanal 36 jeweils unmittelbar nach der Öffnungsphase für die durch den Lader 20 verdichtete Ladeluft. Im Falle der Aufladung ist während der Öffnungsphase der Zweigleitung 40 das Einlaßventil 14 am Motor noch ge­ schlossen, so daß keine unverdichtete Luft in den Zy­ linder 10 gelangt.

Die Fig. 6 zeigt eine Variante zu dem in Fig. 4 dar­ gestellten Luftsteuerventil, welches nur die beiden Anschlüsse 66 für die verdichtete Ladeluft in Rich­ tung auf den Einlaßkanal 36 aufweist. Innerhalb des Ventilgehäuses 60 befindet sich bei dieser Variante ein zum Ventilgehäuse 60 konzentrisch angeordneter Blendenring 102. Im Blendenring 102 ist dem Schlitz 66 ein Fenster 106 und dem Schlitz 68 ein Fenster 110 zugeordnet. Der Blendenring 102 kann durch ein Stell­ organ 116 verstellt werden, das durch den Schlitz 120 im Ventilgehäuse 60 nach außen geführt ist.

Das Fenster 110 erstreckt sich über einen ausreichend großen Winkel, um in jeder Stellung des Blendenrings 102 den Schlitz 68 freizuhalten. Die in Drehrichtung des Rotors 62 gelegene, als Öffnungskante dienende Begrenzung 122 des Fensters 106 im Blendenring 102 dient zur Verstellung der Betriebsweise zwischen Auf- und Nachladung. Wird die Öffnungskante 122 in den Be­ reich des Schlitzes 66 bewegt, öffnet sich das Luft­ steuerventil 34 später als das Motoreinlaßventil 14, was der Nachladung entspricht.

Die Bewegung des Rotors 62 wird entweder durch einen direkten Antrieb von der Motorkurbelwelle oder durch Antrieb von der Motornockenwelle abgeleitet.

Die Fig. 7 zeigt eine Variante zu dem in Fig. 5 dar­ gestellten Luftsteuerventil 34, bei welchem im Unter­ schied zur Darstellung in Fig. 5 der Rotor 62 noch mit einem zweiten Ausschnitt 65 versehen ist. In der dargestellten Stellung gelangt unverdichtete Ladeluft aus dem Schlitz 70 über den Ausschnitt 64 zum Schlitz 68 und damit in den Einlaßkanal 36. Sobald die Ver­ bindung des Ausschnitts 64 mit dem Schlitz 70 unter­ brochen wird, öffnet sich die Verbindung zwischen dem Schlitz 66 und dem Ausschnitt 64, so daß nun die Nachladung stattfinden kann. Wird auch die Verbindung zwischen dem Schlitz 66 über den Ausschnitt 64 zum Schlitz unterbrochen, ist das Einlaßventil 14 des zu­ geordneten Motorzylinders bereits geschlossen. Ist das in Fig. 7 gezeigte Luftsteuerventil 34 nur einem einzigen Motorzylinder zugeordnet, wie es etwa in Fig. 2 dargestellt ist, so bleibt der zusätzliche Ausschnitt 65 ohne Wirkung. Ist das Luftsteuerventil 34 gemäß Fig. 7 als Luftsteuerventil 34 e, entspre­ chend der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, den beiden mittleren Motorzylindern 10 b und 10 c zugeordnet, so wiederholt sich sofort der beschriebene Vorgang für den jeweils anderen Zylinder, wobei nun die unver­ dichtete und anschließend die verdichtete Ladung über den Ausschnitt 65 dem Einlaßkanal 36 zugeleitet wird.

Die Fig. 8 zeigt lediglich beispielsweise, wie die Phasenlage der Öffnungsphasen des Luftsteuerventils 34 gegenüber der Kurbelwellenposition des Motors ver­ ändert werden kann. Bei der in Fig. 8 gezeigten An­ ordnung wird zu diesem Zweck ein beispielsweise hy­ draulisch in seiner Länge veränderbares Stellglied 94 benutzt, welches einerseits bei 96 an einem in Abhän­ gigkeit von der Motorkurbelwelle angetriebenen, kon­ zentrisch zum Rotor 62 gelagerten Hebel 90 angreift und andererseits am Rotor 62, so daß die Winkellage des Rotors 62 gegenüber dem Hebel 90 veränderbar ist. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, nicht den Rotor 62 zu verstellen, sondern das Ventil­ gehäuse 60 gegenüber dem Rotor 62.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine weitere Variante des Luftsteuerventils 34. Bei dieser Bauform sind inner­ halb des Ventilgehäuses 138 koaxial zueinander zwei Rotoren 130 und 132 angeordnet, wobei dem in Fig. 9 oberen Rotor 130 im Gehäuse 138 ein zum Speicher 28 führender Anschluß 66 und ein Zweig 68 a eines zum Einlaßkanal 36 führenden Anschlusses 68 zugeordnet ist. Dem in Fig. 9 unteren Rotor 132 ist ein mit der Zweigleitung 40 in Verbindung stehender Anschluß 70 und ein weiterer Zweig 68 b des zum Einlaßkanal 36 führenden Anschlusses 68 zugeordnet. Der Rotor 130 ist mit einem Verbindungskanal 134, der Rotor 132 mit einem Verbindungskanal 136 versehen. Zum besseren Verständnis sind in Fig. 9 die Anschlüsse 66 und 70 einerseits und der Anschluß 68 andererseits in einem Abstand von 180° dargestellt, während, wie die Fig. 10 und 11 zeigen, diese Anschlüsse tatsächlich um etwa 90° gegeneinander versetzt sind. Ebenfalls zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Fig. 10 und 11 die beiden Rotoren 130 und 132 nicht in koaxialer Anordnung, sondern rein schematisch seitlich gegen­ einander versetzt dargestellt.

Das Ventilgehäuse 138 wird von einer in Abhängigkeit von der Drehung der Motorkurbelwelle antreibbaren An­ triebswelle 140 durchquert, welche von einer dem Ro­ tor 132 verbundenen Hohlwelle 142 umschlossen wird, auf der ihrerseits drehbeweglich eine mit dem Rotor 130 verbundene Hohlwelle 144 angeordnet ist.

In Fig. 9 sind sowohl die Antriebswelle 140 als auch die Hohlwellen 142 und 144 nach der oberen Seite aus dem Ventilgehäuse 138 herausgeführt und dort mit sich radial erstreckenden Hebeln 146, 148 und 150 verse­ hen, wobei durch nicht dargestellte Verstellorgane sowohl der Hebel 148 als auch der Hebel 150 unabhän­ gig voneinander gegenüber dem Hebel 146 verstellt werden können, um die Phasenlage der Rotoren 130 und 132 unabhängig voneinander zu verändern. Die Anord­ nung kann aber auch so getroffen sein, daß der Hebel 148 gegenüber dem Hebel 146 und der Hebel 150 gegen­ über dem Hebel 148 verstellbar ist, wobei durch ent­ sprechende Steuerung der zwischen den Hebeln angeord­ neten Stellorgane ebenfalls eine unabhängige Phasen­ verstellung der beiden Rotoren 130 und 132 ermöglicht wird. Die Anordnung ist außerdem so getroffen, daß neben der voneinander unabhängigen Veränderung der Phasenlage der beiden Rotoren 130 und 132 gegenüber der Antriebswelle 140 auch eine gemeinsame Verände­ rung der Phasenlage beider Rotoren 130 und 132 gegen­ über der Antriebswelle 140 möglich ist.

In Fig. 10 ist die Stellung der beiden Rotoren 130 und 132 zu Beginn des Motorsaughubs bei der sogenann­ ten Aufladung dargestellt. Es ist angenommen, daß die Antriebswelle 140 mit der halben Kurbelwellendrehzahl umläuft. Der Verbindungskanal 134 erstreckt sich über einen Sektor von etwa 105°, so daß im Falle der soge­ nannten Aufladung dem Motorzylinder während des ge­ samten Saughubs verdichtete Ladeluft aus dem Speicher 28 zugeführt werden kann.

Bei Öffnung des Motoreinlaßventils 14 gibt der Rotor 130 soeben die Verbindung zwischen dem Anschluß 66 und dem Anschlußzweig 68 a frei. Die Verbindung zwi­ schen dem Anschluß 70 und dem Anschlußzweig 68 b bleibt unterbrochen, solange das Einlaßventil 14 ge­ öffnet ist. Es findet also während des gesamten Saug­ hubs des Kolbens 12 die Zufuhr verdichteter Ladeluft zur sogenannten Aufladung statt.

In Fig. 11 ist der Rotor entgegen der Umlaufrichtung gegenüber der Antriebswelle 140 verstellt, wobei der Rotor 132 an dieser Stellbewegung teilgenommen hat, ohne seine Lage gegenüber dem Rotor 130 zu verändern. Nachdem wieder die Situation bei Öffnung des Einlaß­ ventils 14 dargestellt ist, erkennt man, daß die Ver­ bindung zwischen dem Anschluß 70 und dem Anschluß­ zweig 68 b bereits geöffnet ist, während die Verbin­ dung zwischen dem Anschluß 66 und dem Anschlußzweig 68 a noch unterbrochen ist. Der Kolben 12 saugt also zunächst unverdichtete Luft an. Die beiden Rotoren 130 und 132 nehmen eine solche Winkelstellung zuein­ ander ein, daß der Anschluß 70 gesperrt wird, wenn der Anschluß 66 nach einer Drehung der Antriebswelle 140 um etwa 75°, also bei Annäherung des Kolbens 12 an den unteren Totpunkt, zur sogenannten Nachladung geöffnet wird.

Beliebige Zwischenstellungen können jederzeit einge­ stellt werden.

Bei der in den Fig. 12 und 13 dargestellten Ausfüh­ rungsform wird ohne einschränkende Absicht von der Situation bei einem Vierzylinder-Reihen-Motor ausge­ gangen, wobei jedem Motoreinlaßventil ein Einlaßkanal 36 a, 36 b, 36 c und 36 d zugeordnet ist. Der den Ver­ dichterzweig 20, 28, 34 (Fig. 1) umgehende Kanal 40 ist jeweils über eine Rückschlagklappe 38 mit jedem der Einlaßkanäle 36 a bis 36 d verbunden. Jedem der Einlaßkanäle 36 a bis 36 d ist in der bereits beschrie­ benen Weise ein Luftsteuerventil 34 a bis 34 d zugeord­ net, um entsprechend der Zündfolge und der gewählten Phasenlage der verdichteten Ladeluft aus dem Speicher 28 den Zutritt zu den einzelnen Motorzylindern zu er­ möglichen. Bei der in den Fig. 12 und 13 gezeigten Ausführungsform sind diese Luftsteuerventile 34 a bis 34 d zu einer gemeinsamen Baugruppe mit einem gemein­ samen Rotor 62 f zusammengefaßt, der rohrförmig ausge­ bildet ist und in einem gemeinsamen Gehäuse 60 f dreh­ bar gelagert ist. Der Rotor 62 f wird in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung angetrieben, wobei jedoch durch hier nicht näher dargestellte Mittel seine Pha­ senlage gegenüber der Kurbelwelle veränderbar ist. Die einzelnen Einlaßkanäle 36 a bis 36 d sind in axia­ ler Richtung gegeneinander versetzt an das Gehäuse 60 f angeschlossen. In der entsprechenden axialen Po­ sition befinden sich im Rotor 62 f den Einlaßkanälen 36 a bis 36 d zugeordnete Ventilöffnungen 64 a bis 64 d, die in Umfangsrichtung des Rotors 62 f entsprechend der Zündfolge des Motorzylinder versetzt sind. Die Einrichtungen zum Antrieb des Rotors 62 f und zu des­ sen Phasenverstellung, sowie die Verbindung des In­ nenraums 160 mit dem Speicherraum 28 können in belie­ biger, für den Fachmann keine Schwierigkeit darstel­ lenden Weise durchgeführt sein und sind deshalb hier nicht näher dargestellt.

Beim gezeigten Beispiel wird angenommen, daß der Ro­ tor 62 f mit der halben Kurbelwellendrehzahl angetrie­ ben wird, so daß der Rotor 62 f eine vollständige Dre­ hung ausführen wird, während beispielsweise am Vier­ zylinder-Reihen-Motor die Zündfolge 1-3-4-2 einmal durchlaufen wird. In entsprechender Reihenfolge ge­ langen nacheinander die Ventilöffnungen 64 a, 64 c, 64 d und 64 b zur Deckung mit den Anschlüssen der Einlaßka­ näle 36 a, 36 c, 36 d und 36 b.

Reduziert man die Drehzahl der Rotoren 62 oder 130 und 132 auf ein Viertel der Kurbelwellendrehzahl, so wird jeder Verbrennungsraum nur bei jedem zweiten Ar­ beitsspiel mit Ladeluft versorgt, so daß bei geringe­ rem Leistungsbedarf bei konstanter Motordrehzahl der einzelne Arbeitszyklus mit höherer Zylinderfüllung und damit bei günstigerem spezifischen Kraftstoffver­ brauch abläuft. Bei weiterer Senkung des Leistungsbe­ darfs kann die Drehzahl der Rotoren erneut halbiert werden.

Zur Vereinfachung der Darstellung wurde in der voran­ gegangenen Beschreibung von verdichteter bzw. unver­ dichteter Ladeluft gesprochen. Es kann sich dabei - wie für den Fachmann ohne weiteres erkennbar ist - auch um mit Brennstoff vermischte Ladeluft handeln.

Claims (30)

1. Ladeverfahren zum Betrieb eines Verbrennungs­ motors der Kolbenbauart, insbesondere eines Hubkol­ benmotors, bei dem jeder Verbrennungsraum über min­ destens ein in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung gesteuertes Einlaßventil mit einem Einlaßkanal ver­ bunden ist, mit einem einen kontinuierlichen Druck erzeugenden, in einen Speicherraum fördernden Lader und einem zwischen dem Speicherraum und jedem Einlaß­ kanal angeordneten Luftsteuerventil, das sich in Abhängigkeit von der Zündfrequenz der zugeordneten Verbrennungsräume öffnet und schließt und dessen Öffnungszeitpunkt gegenüber dem des Einlaßventils bzw. der Einlaßventile der zugeordneten Verbrennungs­ räume veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt des Luftsteuerventils in Abhän­ gigkeit von der gewünschten Motorbetriebsweise zwi­ schen einer das Luftangebot aus dem Speicherraum auf das Einlaßende der zugeordneten Verbrennungsräume konzentrierenden und einer gegen deren Einlaßbeginn verschobenen Grenzstellung verstellt wird und eine jeden Verbrennungsraum mit unverdichteter Ladung ver­ sorgende Leitung bei Überdruck auf der Seite des zu versorgenden Verbrennungsraums gesperrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnungsdauer des Luftsteuerventils maximal etwa der Öffnungsdauer des Einlaßventils bzw. der Einlaßventile eines jeden Verbrennungsraums ent­ spricht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsdauer des Luftsteuerventils mit zunehmender Phasenabweichung zwischen Luftsteuerventil und Einlaßventil verkürzt wird.

4. Verbrennungsmotor der Kolbenbauart, insbeson­ dere Hubkolbenmotor, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Verbrennungs­ raum (10), der über mindestens ein Einlaßventil (14) mit einem Einlaßkanal (36) verbunden ist, mit einem einen kontinuierlichen Druck erzeugenden Lader (20), dessen Druckseite mit einem Speicherraum (34) verbun­ den ist, mit einem Luftsteuerventil (34) zwischen dem Speicherraum (28) und jedem Einlaßkanal (36), dessen Antrieb so ausgelegt ist, daß es sich in Abhängigkeit von der Zündfrequenz der zugeordneten Verbrennungs­ räume (10) öffnet und schließt und mit einer Einrich­ tung (42) zur Verschiebung des Öffnungszeitpunkts des Luftsteuerventils (34) gegenüber dem des Einlaßven­ tils (14) bzw. der Einlaßventile der zugeordneten Verbrennungsräume, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (42) zur Verschiebung des Öffnungszeit­ punkts geeignet ist, die Öffnungsmitte des Luft­ steuerventils (34) von Phasengleichheit mit der Öff­ nungsmitte eines jeden sich jeweils öffnenden Einlaß­ ventils (14) hinter dessen Öffnungsmitte zu verlagern und daß jeder Verbrennungsraum (10) über einen den den Lader (20), den Speicherraum (28) und das Luft­ steuerventil (34) umfassenden Verdichterzweig umge­ henden, durch ein Ventil (38) absperrbaren Kanal (40) mit unverdichteter Ladung versorgbar ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Einlaßkanal (36) mit dem den Verdichterzweig umgehenden Kanal (40) verbunden ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verschiebung des Öffnungszeitpunkts aus einem Rechner (42) besteht, dessen Eingänge (38, 52, 56) mit einem Programmspeicher (44) und Sensoren (50, 54) zur Ermittlung von Betriebskennwerten des Motors und/oder mindestens einem Steuerorgan (46) zur Einga­ be von Steuerbefehlen und dessen Ausgang mit einer Stellvorrichtung für das Luftsteuerventil (34) ver­ bunden ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Programmspeicher auswählbare Programme enthält.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren (50, 54) am Verbren­ nungsraum (10) und/oder am Speicherraum (28) angeord­ net und geeignet sind, den Motorbetriebszustand bzw. Druck und Temperatur im Speicherraum (28) zu ermit­ teln.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan ein Fahrpedal (46) eines Kraftfahrzeugs ist.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßseite (24) des Laders (20) und der ihn umgehende Kanal (40) stromauf von dem diesen Kanal (40) sperrenden Ventil (38) mitein­ ander verbunden sind.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage von Einlaßventil (14) und Luftsteuerventil (34) stufenlos verstellbar ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsdauer des Luftsteuer­ ventils (34) maximal der Öffnungsdauer des Einlaßven­ tils (14) entspricht.

13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungs­ dauer des Luftsteuerventils (34) verstellbar ist.

14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf vom Luftsteuerventil (34) ein Ladeluftkühler (30) ange­ ordnet ist.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der den Verdich­ terzweig (20, 28, 34) umgehende Kanal (40) ein Rich­ tungsventil (38) enthält, das nur eine Strömung in Richtung auf das Einlaßventil (14) gestattet.

16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der den Verdich­ terzweig (20, 28, 34) umgehende Kanal (40) in Abhän­ gigkeit von der Stellung des Luftsteuerventils (34) sperrbar ist.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einlaßkanal (36) ein die Verbindung zu dem den Verdichterzweig (20, 28, 34) umgehenden Kanal (40) sperrendes Ventil (38) zugeord­ net ist.

18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Einlaßkanal (36 a; 36 d; 36 e) zugeordnete, die Verbindung zu dem den Verdich­ terzweig (20, 28, 34) umgehenden Kanal (40 a; 40 d; 40 e) sperrende Ventil (38 a; 38 d; 38 e), das zugeordne­ te Luftsteuerventil (34 a; 34 d; 34 e) und das Einlaß­ ventil bzw. die Einlaßventile (14 a; 14 d; 14 b, 14 c) der zugeordneten Verbrennungsräume (10 a; 10 d; 10 b, 10 c) eng benachbart angeordnet sind.

19. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der den Ver­ dichterzweig (20, 28, 34) umgehende Kanal (40) ein gemeinsam mit dem Luftsteuerventil (62, 66) betätig­ bares Ventil (62, 70) enthält.

20. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (62, 70) in dem den Verdichterzweig (20, 28, 34) umgehen­ den Kanal (40) und das Luftsteuerventil (62, 66) zu einem Mehrwegeventil vereinigt sind.

21. Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 5 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil ein Dreiwegeventil ist, dessen Anschlüsse (66, 68, 70) mit dem Speicherraum (28), dem Einlaßkanal (36) und dem den Verdichterzweig (20, 28, 34) umgehenden Kanal (40) verbunden sind.

22. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftsteuer­ ventil einen von einem Ventilgehäuse (60) umschlosse­ nen, als Rotationskörper ausgebildeten und in Abhän­ gigkeit von der Drehung der Motorkurbelwelle konti­ nuierlich antreibbaren, mit einem sich gegen das Ge­ häuse öffnenden Verbindungskanal (64) versehenen Ro­ tor (62) umfaßt, wobei dem Verbindungskanal (64) im Ventilgehäuse (60) in Umlaufrichtung aufeinanderfol­ gende Anschlüsse (66, 68) für den Speicherraum (28) und den Einlaßkanal (36) zugeordnet sind.

23. Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeventil einen von einem Ventilgehäuse (60) umschlossenen, als Rota­ tionskörper ausgebildeten und in Abhängigkeit von der Drehung der Motorkurbelwelle kontinuierlich antreib­ baren, mit einem sich gegen das Gehäuse öffnenden Verbindungskanal (64) versehenen Rotor (62) umfaßt, wobei dem Verbindungskanal (64) im Ventilgehäuse in Umlaufrichtung aufeinanderfolgende Anschlüsse (66, 68, 70) für den Speicherraum (28); den Einlaßkanal (36) und den den Verdichterzweig (20, 28, 34) umge­ henden Kanal (40) zugeordnet sind.

24. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungskan­ te (122) der Verbindung (66, 64, 68) zwischen Spei­ cherraum (28) und Einlaßkanal (36) verstellbar ist.

25. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Ventilöffnungszeiten gegenüber der Kurbelwelle durch Verstellung des Rotors (62) relativ zum Ventil­ gehäuse (60) veränderbar ist.

26. Verbrennungsmotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwei als Rotationskörper ausge­ bildete und in Abhängigkeit von der Drehung der Mo­ torkurbelwelle kontinuierlich antreibbare Rotoren (130, 132) jeweils mit einem Verbindungskanal (134, 136) versehen und drehbar in einem Ventilgehäuse (138) gelagert sind, wobei ein Verbindungskanal (134) in seiner Öffnungsstellung Anschlüsse (140, 142) für den Speicherraum (28) und den Einlaßkanal (36) und der andere Verbindungskanal (136) in seiner Öffnungs­ stellung einen Einlaß (144) und einen Auslaß (146) für den den Verdichterzweig (20, 28, 34) umgehenden Kanal (40) miteinander verbindet, daß die Phasenlage der Rotoren (130, 142) zueinander veränderbar ist und daß die Phasenlage der Ventilöffnungszeiten gegenüber der Motorkurbelwelle durch eine Verstellung der Roto­ ren (130, 132) relativ zum Ventilgehäuse (138) verän­ derbar ist.

27. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximaldreh­ zahl des Rotors (62, 130, 132) derart bemessen ist, daß auf zwei Takte des zugeordneten Motorzylinders bzw. der zugeordneten Motorzylinder jeweils eine Ven­ tilöffnung entfällt.

28. Verbrennungsmotor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rotors (62, 130, 132) nach Wahl stufenweise halbierbar ist.

29. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vierzy­ linder-Reihen-Viertaktmotor drei Einlaßkanäle (36 a, 36 b, 36 c) vorgesehen sind, von denen ein Einlaßkanal (36 b) den beiden mittleren Zylindern gemeinsam zuge­ ordnet ist.

30. Verbrennungsmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftsteuerventile (34 a, 34 b, 34 c, 34 d) zumindest einer Anzahl von Einlaßkanälen (36 a, 36 b, 36 c, 36 d) eines Motors einen gemeinsamen, rohrförmigen, in einem rohrförmigen Gehäuse (60 f) drehbar gelagerten, in Abhängigkeit von der Kurbel­ wellendrehung antreibbaren Rotor (62 f) besitzen, dessen Innenraum (160) mit dem Speicherraum (28) verbunden ist, daß am Gehäue (60 f) in axialer Richtung gegeneinander versetzt die Einlaßkanäle 36 a, 36 b, 36 c, 36 d) ausmünden, daß jedem Einlaßkanal (36 a- 36 d) am Rotor (62 f) eine Ventilöffnung (64 a, 64 b, 64 c, 64 d) zugeordnet ist, wobei, diese Öffnungen (64 a- 64 d) entsprechend der Zündfolge in Umfangsrichtung versetzt sind, und daß die Phasenlage des Rotors (62 f) relativ zur Kurbelwelle verstellbar ist.