Bezeichnung Verfahren zur Beeinflussung von Gemischbildung und Ladungsbewegung in einem Zylinder einer fremdgezün- deten Kolbenbrennkraftmaschine Beschreibung 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, und die durch un- genügende Gemischbildung infolge des fehlenden Unterdrucks im Saugrohr bedingten schlechteren Kraftstoffverdampfung zu ver- bessern. Als Mittel zur Ablenkung der Strömung werden hier vorgeschlagen Schieber, Klappen, Schwenkdüsen oder derglei- chen, die im kanalförmigen 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 ei- ne Ablenkung und Geschwindigkeitserhöhung des durch den ka- nalartigen Einlaß strömenden Luft-Kraftstoff-Gemisches, nach- stehend auch als Gasstrom bezeichnet, unter bestimmten Be- triebszuständen so abzulenken, daß sich innerhalb des Zylin- derraums während des Ansaugtaktes eine definierte Strömung, beispielsweise ein sogenannter Tumble ausbildet, dessen Dreh- achse im wesentlichen quer zur Zylinderachse verläuft. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Betätigungs- mittel im Einlaß unmittelbar vor der Einlaßöffnung angeordnet und gelagert sind, also in einem Bereich, in dem ohnehin für zusätzliche Bauteile wenig Raum zur Verfügung steht.

Aus DE-A-197 33 139 ist es bekannt, mit Hilfe eines elektro- magnetischen Aktuators ein Gaseinlaßventil in zwei Öffnungs- stufen zu öffnen und/oder zu schließen. Der Aktuator weist hierzu einen Zusatzmagneten auf, der es erlaubt, das Ventil auch mit einem kleinen Hub zu öffnen. Außer einer Beeinflus-

sung der Öffnungszeiten sind jedoch keine Maßnahmen zur Be- einflussung der Strömungsverhältnisse vorgesehen, da mit die- sem Aktuator das Gaseinlaßventil nur"auf"und"zu"und nur mit zwei Öffnungsweiten angesteuert werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das über eine Steuereinrichtung für unterschied- liche Lastzustände, insbesondere bei kleinen Drehzahlen und/oder kleiner Last eine Beeinflussung der Gemischbildung und der Ladungsbewegung über eine Ansteuerung der Ventiltrie- be bewirkt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst. Durch eine derartige gezielte Beeinflussung des Hubverlaufs lassen sich die Gemischaufbe- reitung und die Ladungsbewegung an die Bedingungen des jewei- ligen Lastfalles optimal anpassen. Beispielsweise durch die anfänglich Freigabe eines nur kleinen Querschnitts und an- schließend durch die Öffnung auf einen größeren Querschnitt, der auch geringer als der volle Querschnitt sein kann, wird der Brennraum mit besser aufbereitetem Frischgemisch gefüllt.

In der ersten Phase der Hubbewegung strömt das Kraftstoff- Luftgemisch hierbei mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den nur um ein geringes Maß geöffneten Ventilquerschnitts in den Brennraum. Die Gemischaufbereitung und Gemischhomogeni- sierung wird hierbei positiv unterstützt. Ein konstant klei- ner Öffnungsquerschnitt wird nur für den Leerlauf angesteu- ert. Dies gilt auch für Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraft- stoffeinspritzung direkt in den Zylinder, bei der anstelle Führung von angesaugtem Frischgemisch die Luftfüllung mit entsprechender Strömungsführung erfolgt. Die notwendige La- dungsmenge zur Darstellung eines gewünschten Teillastpunktes wird dadurch gewährleistet, daß nach geringem oder auch lang- samem Öffnen zu Beginn der Öffnungsphase anschließend das Ventil durch eine entsprechende Steuerung weiter geöffnet wird und somit für den gegebenen Lastpunkt das optimale Fül- len des Brennraums mit Frischgemisch erfolgt. Da der Hubver- lauf für das Gaseinlaßventil über den elektromagnetischen

Ventiltrieb durch die elektronische Steuereinrichtung voll variabel ansteuerbar ist, läßt sich der Hubverlauf der Gas- wechselventile (Gaseinlaßventil und/oder Gasauslaßventil) in Abhängigkeit vom Kolbenhub in bezug auf die Öffnungsweite und/oder die Öffnungsdauer und/oder die Bewegungsgeschwindig- keit"formen". Durch Variationen dieser Parameter lassen sich dann die Strömungsbedingungen beim Eintritt in den Brennraum und im Brennraum optimieren.

Das Verfahren kann nun in unterschiedlicher Weise abgewandelt werden. So kann beispielsweise zu Beginn der Ventilöffnungs- zeit das Gaseinlaßventil nur kurzzeitig um ein geringes Maß und mit ansteigender Bewegungsgeschwindigkeit geöffnet, da- nach wieder mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit geschlossen und anschließend auf einen größeren Querschnitt geöffnet wer- den. Hierdurch wird mit einer ersten geringen Gemischfüllung eine Bewegung im Zylinderraum bei sich verstärkendem Unter- druck angestoßen, so daß anschließend bei größerer Ventilöff- nung aufgrund des erhöhten Unterdrucks im Zylinder und des Staudrucks im Gaseinlaßkanal vor dem Gaseinlaßventil die La- dungsmenge mit großer Geschwindigkeit in den Zylinder ein- strömen kann.

Andererseits ist es möglich, das Gaseinlaßventil nach anfäng- licher Freigabe eines größeren Querschnitts zunächst auf ei- nen geringen Öffnungsquerschnitt zurückzubewegen und an- schließend vollständig zu schließen. Auch bei dieser Verfah- rensweise ist es möglich, gegen Ende der Öffnungszeit noch einmal eine Restmenge an Frischgas mit großer Geschwindigkeit in den Zylinder einzuführen und so die Ladungsbewegung im Zy- linder während des Ansaughubes, vorzugsweise gegen Ende des Ansaughubes, günstig zu beeinflussen. Auch hierbei kann die "Formung"des Hubverlaufs durch eine optimierte Anpassung an unterschiedliche Lastpunkt über eine entsprechende Program- mierung der Steuereinrichtung vorgenommen werden. Für alle in Betracht kommenden Lastfälle können unterschiedliche Kennfel- der vorgesehen sein.

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

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er- läutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils, Fig. 2 den Hubverlauf eines Gaseinlaßventils in Abhängigkeit vom Kolbenhub (Grad Kurbelwinkel) bei Volllastbetrieb, Fig. 3 einen geformten Hubverlauf mit geringer Huböffnung zu Beginn des Öffnungshubes, Fig. 4 einen geformten Hubverlauf mit einem kurzfristigen, gesonderten Öffnungshub zu Beginn des Hubverlaufs und anschlies- sendem vollen Hub, Fig. 5 einen Hubverlauf mit vollem Öffnungsquer- schnitt zum Hubbeginn und reduziertem Öff- nungsquerschnitt zum Hubende, Fig. 6 einen Hubverlauf mit verlangsamtem Öffnungs- und beschleunigtem Schließverlauf, Fig. 7 einen Ventilsitzring mit Führungsmittel im Schnitt, Fig. 8 schematisch die Anordnung der Ventilsitzringe gemäß Fig. 7 zur Erzeugung einer Tumbleströmung,

Fig. 9 schematisch die Anordnung der Ventilsitzringe gem. Fig. 7 zur Erzeugung einer Drallströmung, Fig. 10 ein Gaseinlaßventil mit Führungsmittel in der Seitenansicht, In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel 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 Öffner- magnet 5 zugeordnet ist. Die beiden Magneten sind mit einer elektronischen Steuereinrichtung S verbunden, so daß bei ent- sprechend abwechselnder, gesteuerter Bestromung der Anker 3 zwischen den beiden Magneten 4 und 5 hin-und herbewegt wer- den kann, und zwar gegen die Rückstellkraft einer Öffnerfeder 6 und einer Schließfeder 7. Der Anker 3 nimmt bei voller Be- stromung die jeweilige Stellposition durch Anlage auf der Polfläche 8 des jeweiligen Magneten ein. Bei dem dargestell- ten Ausführungsbeispiel sind die beiden Rückstellfedern 6 und 7 gleich ausgelegt, so daß bei unbestromten Elektromagneten die Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den bei- den Polflächen befindet.

Ist nun, wie in Fig. 1 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"normale"Hubver- lauf entspricht dem in Fig. 2 dargestellten Hubverlauf für Volllast. Der Hubverlauf wird über die Steuereinrichtung S entsprechend der Lastvorgabe durch den Fahrer (Pedal P) ge- steuert.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten"normalen"Hubverlauf, wie er beispielsweise im oberen Lastbereich und/oder bei hohen Dreh- zahlen gegeben ist, öffnet entsprechend der vorgegebenen Steuerung das Gaswechselventil über eine vorgegebene Öff- nungszeit mit großer Bewegungsgeschwindigkeit auf seinen vol- len Hub H, so daß der Gasstrom durch den vollen Öffnungsquer- schnitt in den Brennraum einströmen kann. Anschließend wird das Gaseinlaßventil wieder vollständig geschlossen. Mit einem derartigen Hubverlauf ist jedoch insbesondere im Teillastbe- reich oder auch im Leerlauf bei ottomotorischen Arbeitsver- fahren keine optimale Gemischaufbereitung zu erzielen.

Die Steuereinrichtung S ist nun so konzipiert, daß abhängig vom Lastwunsch, ggf. über abgelegte Kennfelder, über die Füh- rung der Bestromung der Elektromagneten auf die Ankerbewegung und damit auf die Ventilbewegung Einfluß genommen werden kann, um den Hubverlauf des Gaseinlaßventils 2 zu"formen".

Der Weg, die jeweilige Position und auch die jeweilige Ge- schwindigkeit des Ankers 3 kann über eine entsprechende, hier nur angedeutete Sensorik 9 erfaßt und in der Steuereinrich- tung S zur Formung des Hubverlaufs berücksichtigt werden. Die zu erfassenden Werte können im Bereich des Ankers oder der mit dem Anker verbundenen Führungsstange abgegriffen werden.

Auch über eine Erfassung des Verlaufs von Strom und/oder Spannung in der Steuereinrichtung ist eine Ermittlung dieser Werte möglich.

Die nachfolgend schematisch dargestellten unterschiedlich ge- formten Hubverläufe sollen lediglich zeigen, in welchem Maße über eine entsprechend konzipierte Steuereinrichtung auf den

Hubverlauf und damit auf die Zylinderinnenströmung Einfluß genommen werden kann.

Wird nun, wie in Fig. 3 dargestellt, das Gaseinlaßventil zu Beginn des Saughubes mit geringer Bewegungsgeschwindigkeit nur um einen kurzen Hub AH, geöffnet, so kann entsprechend dem sich aufbauenden Unterdruck der Gasstrom durch den dann geringen, vom Gaseinlaßventil freigegebenen Strömungsquer- schnitt mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum einströ- men, so daß anschließend bei der weiteren Öffnung des Gasein- laßventils auf AH1 der Brennraum die volle Füllung erhält, wobei durch den zu Beginn induzierten Wirbel die Gemischauf- bereitung und Ladungsbewegung verbessert wird. Bei dem hier dargestellten Hubverlauf ist das Gaseinlaßventil so angesteu- ert, daß es nicht voll öffnet, d. h. der Anker 3 im sogenann- ten Freiflug sich zwar dem Öffnermagneten 5 nähert, aber an dessen Polfläche 8 nicht zur Anlage kommen kann, weil über die Steuereinrichtung S die Bestromung des Öffnermagneten 5 entsprechend früh abgeschaltet und je nach den vorgegebenen Anforderungen der Schließmagnet 4 schon wieder bestromt wird.

Über die Führung der Bestromung durch die Steuereinrichtung S kann dann, wie Fig. 3 erkennen läßt, praktisch jeder beliebi- ge Hubverlauf formend in bezug auf Öffnungsgeschwindigkeit und Öffnungsweite und Öffnungsdauer der unterschiedlichen Öffnungsweite angesteuert werden.

Ein ähnlicher Effekt läßt sich auch erzielen, wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, das Ventil zu Beginn des Öffnungshubes nur kurzfristig mit geringem Hub AH1 öffnet, dann wieder schließt und anschließend wieder schnell geöffnet wird, und zwar auf den vollen Öffnungsquerschnitt, aber vom Öffnermag- neten 5 nicht gefangen wird. Da der Kolben im Zylinder wäh- rend der kurzen Verschlußzeit zwischen den beiden Öffnungshü- ben weiterbewegt wird, erhöht sich in dieser Zwischenzeit der Unterdruck im Brennraum, so daß dann der restliche Gasstrom stoßartig mit entsprechend erhöhter Geschwindigkeit in den Brennraum einströmen kann. Dieser Hubverlauf kann auch in um-

gekehrter Folge ausgeführt werden, d. h., zunächst volle Ven- tilöffnung mit vorzeitigem Schließen und nachfolgend ein "Kurzhub". In beiden Fällen kann die Bestromung auch so ge- führt werden, daß das Gaswechselventil, hier das Einlaßven- til, kurzfristig auch offengehalten wird.

Die Hubverläufe in den Fig. 5 und 6 stellen über die Vorgaben der Steuereinrichtung unterschiedlich geformte, abgewandelte Hubverläufe mit unterschiedlich geformten Rampen R für die Öffnungs-und Schließbewegungen dar, durch die bewirkt wird, daß zum Ende des Ansaughubes der einströmende Gasstrom wieder mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den Brennraum einströ- men und so die sich bei abwärts bewegendem Kolben verlangsa- mende Strömung im Zylinder wieder beschleunigen kann, so daß diese stabilisiert wird.

Die vorstehend beispielhaft dargestellten Hubverläufe können sowohl bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit nur einem Gaseinlaß- ventil je Zylinder und einem Gasauslaßventil je Zylinder, als auch bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit zwei und mehr Gasein- laßventilen und/oder mit zwei und mehr Gasauslaßventilen je Zylinder angewendet werden.

Bei zwei Gaseinlaßventilen je Zylinder können beide oder auch nur ein Gaseinlaßventil mit geformtem Hubverlauf betätigt werden. Es ist aber auch möglich, ein Gaseinlaßventil ge- schlossen zu halten und das andere Gaseinlaßventil in dieser Weise zu betätigen. Hierbei ist es zweckmäßig, bei längerem Betrieb in diesem Lastbereich, die beiden Gaseinlaßventile alternierend zu betätigen.

Wird bei der Anordnung von zwei Gaseinlaßventilen je Zylinder ein Gaseinlaßventil über längere Zeit geschlossen gehalten, dann wird es bei jedem Ansaughub oder auch periodisch nach einer Abfolge von mehreren Arbeitsspielen nur ganz kurz ge- öffnet, um Kraftstoffansammlungen vor dem Ventil"abzusau- gen".

In Fig. 7 ist im Schnitt eine Ausgestaltung des Ventilsitzes für das Gaswechselventil 2 dargestellt. Dem Gaswechselventil 2 ist hierbei ein Ventilsitzring 10 zugeordnet, bei dem der Abschluß des Ventilsitzes 11 gegenüber dem Brennraumdach 12 etwas zurückgesetzt ist. Über einen Teil seines Umfanges weist der Ventilsitzring 10 auf seiner dem Brennraum zuge- kehrten Seite als Führungsmittel für die Gasströmung am Ven- tilsitzring 10 eine Ausfräsung 13 auf. Diese Ausfräsung 13 befindet sich auf der der Zylinderachse zugekehrten Seite des Ventilsitzringes 10 und ist hierbei so ausgerichtet, daß je nach der gewünschten Zylinderströmung (Drall oder Tumble), auch eine entsprechende Ausrichtung und auch eine entspre- chende Erstreckung in Umfangsrichtung der durch den Ventil- sitzring begrenzten Eintrittsöffnung gegeben ist, wie dies in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt ist.

Wird nun das Gaswechselventil 2 mit nur geringem Hub geöff- net, dann ist die Eintrittsöffnung zunächst praktisch nur im Bereich der Ausfräsung 13 geöffnet, während die gegenüberlie- gende Seite noch vom Ventilsitzring 10 abgeschirmt ist, so daß die hindurchtretende Gasströmung mit definierter Ausrich- tung in den Brennraum eintreten kann. Wird dagegen das Gas- wechselventil voll geöffnet, dann ist die Auswirkung der Aus- fräsung 13 auf die Gasströmung praktisch nicht mehr gegeben, so daß die Gasströmung im wesentlichen in Richtung der durch die Bewegungsachse des Gaswechselventils vorgegebenen Aus- richtung in den Brennraum einströmen kann.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit zwei Gaseinlaßventilen kann nun je nach Ausrichtung der Ausfräsung 13, wie in Fig. 8 in einer Ansicht gegen das Brennraumdach dargestellt, bei paral- leler Ausrichtung im Brennraum in Richtung auf die Zylinder- achse 14 eine Tumbleströmung induziert werden.

Für eine Kolbenbrennkraftmaschine, die für einen Ladungswech- sel mit Drallströmung konzipiert ist, kann entsprechend Fig.

9 eine Ausrichtung der Ausfräsung 13 vorgenommen werden, die in etwa tangential zur Zylinderachse 14 ausgerichtet ist. Je

nach Motorkonzeption reich es auch aus, wenn nur ein Ventil- sitzring eine entsprechende Ausfräsung aufweist.

Entsprechend der in Fig. 10 dargestellten Ausgestaltung kann auf dem Ventilkörper 15 des Gaseinlaßventils 2 ein sogenann- ter Ventilschirm 16 angeordnet werden, der als Steg ausgebil- det ist und sich über einen Teilbereich der Oberseite des Ventilkörpers 15 in Umfangsrichtung erstreckt.

Bei geringem Öffnungshub hat der Ventilschirm 16 einen erheb- lichen Einfluß auf die Ausrichtung der in den Brennraum ein- tretenden Gasströmung, so daß hier eine Ablenkung in Umfangs- richtung und damit eine um die Zylinderachse 14 rotierende Drallströmung bewirkt wird. Öffnet das Gaseinlaßventil voll, dann ist die Einfluß des als Führungsmittel dienenden Ventil- schirms 16 auf die Gasströmung von untergeordneter Bedeutung.

Je nach Betriebsweise kann bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit jeweils zwei und mehr Gaseinlaßventilen bzw. Gasauslaß- ventilen die Ansteuerung der Ventile so vorgenommen werden, daß diese jeweils versetzt zueinander entsprechend dem vor- stehend beschriebenen Verfahren geöffnet und-geschlossen werden.