WO2006102924A1 - Verfahren zum steuern des im brennraum einer brennkraftmaschine vorhandenen brennfähigen luft-kraftstoffgemisches - Google Patents

Verfahren zum steuern des im brennraum einer brennkraftmaschine vorhandenen brennfähigen luft-kraftstoffgemisches Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the composition of the present in a combustion chamber of a spark-ignited internal combustion engine with external mixture formation, combustible air-fuel mixture.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out such a method.
  • the composition of the combustible air-fuel mixture in the combustion chamber is of crucial importance. Precise control of mixture formation is very important, especially in lean-burn engines. In internal combustion engines with external mixture formation, the following methods of fuel metering are known and commonly used:
  • the fuel metering can be effected in a cylinder-selective manner in that the fuel is supplied to fine intake blow valves in individual intake manifolds leading to the individual cylinders close to the intake valve by means of jet fuel arranged there.
  • These Kraftstoffeinblasventile usually work such that between two positions - valve “full on” and valve “full to” - can be switched and the imported fuel only by influencing the duration of the opening and optionally the phase of this opening relative to the phase position of the opening of the actual Inlet valve is changed. Although this can react quickly to different volume requirements, ie the system is highly dynamic.
  • the invention has for its object to provide a way by which the composition of the present in the combustion chamber of a spark-ignition internal combustion engine with external mixture formation, combustible air-fuel mixture can be adjusted as accurately and / or quickly to different requirements.
  • a first solution to this problem is solved by a method according to claim 1.
  • the invention is particularly suitable for supercharged gas engines, i. For engines to which compressed fresh air or compressed fresh mixture of air and gas is supplied.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a control valve which can be used in the internal combustion engine according to FIG.
  • the reciprocating internal combustion engine exemplified comprises six cylinders 4 arranged in series, each having two intake valves, not shown, generally actuated by camshafts, and an exhaust valve, also not shown.
  • Exhaust lines of the left three cylinders 4 according to FIG. 1 lead into an exhaust gas turbine 6 of a first exhaust gas turbocharger 8. Exhaust lines of the right three cylinders 4 according to FIG. 1 lead into an exhaust gas turbine 10 of a second exhaust gas turbocharger 12.
  • a first line 16 passes through a first fuel metering device 18 to a supercharger turbine 20 of the exhaust gas turbocharger 8.
  • the output of the supercharger turbine 20 leads into a first header 22 from which individual intake tubes 24 pass through respective control valves 26 to an inlet in the lead respective cylinder, in which in a conventional manner, a normally designed as a poppet valve inlet valve 27 or charge exchange valve operates.
  • a further line 28 leads through a fuel metering device 30 to the supercharger turbine 22 of the exhaust gas turbocharger 12.
  • the output of the supercharger turbine 32 is connected to a further header 34, from which individual cylinder suction tubes 36 pass through respective control valves 38 to the respective one other inlet of a respective cylinder 4, in which the other inlet valve 39 operates.
  • a Kraftstoffzumessventil 40 and 42 is arranged, by means of which the fresh air flowing through the fuel is supplied in dependent on the air flow rate such that downstream of the respective Kraftstoffzumess issued 18 and 30, a predetermined air-fuel ratio is present.
  • Such fuel metering devices are well known and therefore not discussed.
  • the air flow rate (mass flow rate) is measured and the respective Kraftstoffzumessventil 40 and 42 is controlled such that depending on the predetermined air flow rate and a mass ratio to be maintained between air and fuel, a corresponding amount of fuel is metered.
  • Each of the fuel metering devices 18 and 30 thus forms together with the line 16 or 28, a mixture forming means for generating mixture, which is the respective supercharger turbine 20 and 32 and supplied from this to the respective manifold 22 and 34, respectively.
  • the control or regulation of the air-fuel ratio of the flowing into the cylinder 4 mixture takes place in that different amounts of fuel are added in the two fuel metering devices 18 and 30 of the fresh air flowing through, so that for example in the manifold 22 is a rich mixture and in Collection tube 34 is present a lean mixture.
  • the rich mixture has an air to fuel ratio of 0.9 to the stoichiometric ratio and the lean air-fuel mixture has a ratio of 1.1 to the stoichiometric ratio.
  • the rich mixture composition is at least as rich as the fattest mixture needed for driving.
  • the lean air-fuel ratio is advantageously at least as lean as the leanest mixture needed for operation.
  • Adjustment of the air-fuel ratio within the cylinders is accomplished by means of control valves 26 and 38 located immediately in front of the respective intake valves 27 and 39, respectively, which determine the ratio and, preferably, the amount of air-fuel mixture entering the cylinder during one intake stroke , If equal amounts flow in, the air-fuel ratio in the cylinder is 1 in the example described. If only a rich mixture flows in, it is 0.9; if only lean mixture flows in, it is 1.1.
  • an electronic control device 44 For controlling the Kraftstoffzumessventile 40 and 42 and the control valves 26 and 38 is an electronic control device 44, which contains in a conventional manner a microprocessor with program and data memory. Inputs 46 of the electronic controller are connected to sensors which provide the signals relevant to the amount and composition of the air-fuel mixture to be supplied to the cylinders. From these signals output signals lying at outputs 48 for controlling the Kraftstoffzumessventile 40 and 42 and the control valves 26 and 38 are generated, wherein the control valves 26 and 38 are driven cylinder-selectively.
  • the control of the Kraftstoffzumessventile 40 and 42 and the control valves 26 and 38 can be controlled or controlled using feedback by the signals of exhaust gas sensors 48 and 50, with which, for example, the oxygen content is determined in the exhaust gas, the inputs 46 of the controller 44 are supplied ,
  • the conventional intake valve which adjoin the combustion chamber directly, are actuated purely mechanically by the crankshaft via a camshaft and possibly a phase divider, so that their opening time and stroke do not change as a function of the load, but possibly only in the Phase are shifted relative to the crankshaft.
  • the control valves 26 and 38 are advantageously constructed so that their opening and closing times and possibly also their opening stroke can be freely controlled.
  • FIG. 2 shows a section through an exemplary control valve 26 or 38.
  • the single-cylinder intake pipe 24 or 36 leading to the cylinder has a meandering partition wall 70 in longitudinal section through the intake manifold, in which four valve openings 72 are formed transversely to the axial direction of the intake manifold in the example shown.
  • a generally designated 74 valve member Transversely through the suction tube and the valve openings extends a generally designated 74 valve member which has a shaft 76 and rigidly mounted thereon, the shaft enclosing discs 78.
  • the arrangement is such that in the open position of the valve shown in Figure 2, uppermost and third uppermost discs 78 are downstream of the associated valve ports 72 relative to the inlet flow through the suction tube and the two other discs 78 are upstream of the associated valve ports 72.
  • the diameter of the disks 78 approximately corresponds to the diameter of the valve openings 72, so that the valve is closed when the shaft 76 has moved upwards together with the disks 78 according to FIG. 2 so that the disks 78 are located within the openings 72 ,
  • the discs 78 are advantageously formed aerodynamically.
  • the shaft 76 outside of the suction tube on a cylindrical extension 80, in which a coil 82 is accommodated, which is enclosed by an electromagnet 84, which is accommodated in a housing 86 attached to the suction tube.
  • the shaft 76 is guided in the intake manifold in bushings 88 longitudinally displaceable.
  • the cylindrical projection 80 is designed such that the lifting movement of the shaft 76 and the valve member 74 is limited by its stop on the one hand on the outside of the suction tube and on the other hand on a protruding into him approach of the housing 86.
  • a spring 90 urges the valve member 74 to its open position.
  • the coil 82 is connected to the control device 44.
  • the valve is normally open under the action of the spring 90.
  • the valve member of FIG. 2 is moved upwardly in a position in which the discs 78 are within and close the valve ports 72.
  • acts in the closed position of the valve for example, if there is an overpressure on the left side of the valve, this pressure on the top and the third upper disc such that the valve member is pressed down, whereas the overpressure on the lowermost and third lowermost disc acts so that it pushes the valve member upwards, so that the valve member leaves free, regardless of the pressure difference forces.
  • An advantage achieved with the described valve is that it can be moved extremely quickly from the closed position to the open position and vice versa, so that precise control of the times with the lowest possible flow losses is possible.
  • the shaft 76 cooperates with a travel sensor 91 which provides information about the exact instantaneous position of the shaft 76 and thus the discs 78.
  • the control device 44 regulates the current through the coil 82 such that the actual position of the valve body 76, 78 corresponds at any time to the predetermined by the control device and programmed there target position.
  • the opening and closing timing of the control valve can be freely controlled.
  • the inflowing mixture in the cylinder volumes be controlled exclusively by the stroke of the control valves 26 and 38 and the opening and closing timings are the same, there is preferably a very homogeneous composition 'of the mixture in the combustion chamber.
  • additional, stronger, layer-loading effects can be achieved, for example, by introducing the lean mixture in time before the rich mixture.
  • control valves described are known from the European patent EP 1 236 875 Bl. They can be used not only to control the amount and also the composition of the mixture in the combustion chamber, but also for a further reduction of the charge exchange losses in the partial load range by the partial supersonic charging described in said document.
  • the invention can be modified in many ways.
  • turbocharger is not mandatory and the invention can also be used on naturally aspirated engines.
  • both supercharger turbines can be driven by a common exhaust gas turbine, through which the entire exhaust gas of the internal combustion engine flows.
  • externally driven loaders can be used.
  • control valves 26 and 38 are not mandatory.
  • the control of the quantity and the composition of the mixture flowing into the cylinders can also be controlled by a corresponding design of the inlet valves 27, 39 which adjoin the combustion chamber directly. It is also possible to replace the control valves by throttle valves contained in the individual cylinder intake manifolds and to open them in a corresponding manner.
  • the individual throttle valves are not absolutely necessary. They can each be replaced by a throttle in lines 16 and 28.
  • the control valves may have other than the described structure, for example, be designed as a rotary valve whose opening cross section can be changed by means of a stepper motor both in terms of opening and closing start and opening cross-section.
  • the mixture composition in the manifold 22 and the manifold 34 can be changed during operation.
  • the lean mixture can be set to infinite lean (no fuel metering). This makes it possible, with suitably set control times of the control valves during the first phase of intake, during which the intake valves overlap, to connect the cylinder combustion chamber exclusively with the pure air leading Einzelzylindersaugrohr and only then to pass through the other intake manifold mixture into the cylinder. As a result, overflow of mixture or fuel into the outlet tract during the valve overlap phase of the main valves can be prevented.
  • the invention offers a variety of ways to improve the performance in terms of torque and power delivery, efficiency and exhaust quality.
  • the invention is particularly well suited for use in gas engines in which fuel gas is introduced via fuel metering valves 40 and 42.

Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern der Zusammensetzung des in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit externer Gemischbildung vorhandenen, brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches werden wenigstens zwei Luft enthaltende Fluide erzeugt, von denen wenigstens eines ein Luft-Kraftstoffgemisch ist; die Fluide werden dem Brennraum zugeführt, wobei die Mengenanteile der Fluide derart gesteuert werden, dass deren Summenzusammensetzung der vorbestimmten Zusammensetzung entspricht.

Description

Verfahren zum Steuern des im Brennraum einer Brennkraftmaschine vorhandenen brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Zusammensetzung des in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit externer Gemischbildung vorhandenen, brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Sowohl für den Verbrauch als auch für den Schadstoffgehalt der Abgase ist die Zusammen- setzung des brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches im Brennraum von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei auf Magerbetrieb abgestimmten Brennkraftmaschinen ist eine genaue Steuerung der Gemischbildung sehr wichtig. Bei Brennkraftmaschinen mit externer Gemischbildung sind die folgenden Verfahren der Kraftstoffzumessung bekannt und gebräuchlich:
Die Kraftstoffzumessung kann zylinderselektiv dadurch erfolgen, dass der Kraftstoff in zu den einzelnen Zylindern führenden Einzelsaugrohren nahe am Einlassventil mittels dort angeordneter Kr aftstof feinblas ventile zugeführt wird. Diese Kraftstoffeinblasventile funktionieren üblicherweise derart, dass zwischen zwei Stellungen - Ventil „voll auf" und Ventil „voll zu" - umgeschaltet werden kann und die eingeführte Kraftstoffmenge ausschließlich durch Beeinflussung der Zeitdauer der Öffnung sowie gegebenenfalls der Phasenlage dieser Öffnung relativ zur Phasenlage der Öffnung des eigentlichen Einlassventils verändert wird. Damit kann zwar rasch auf unterschiedliche Mengenanforderungen reagiert werden, d.h. das System arbeitet hochdynamisch. Aufgrund der Tatsache, dass die in den Zylinder ein- strömende Gemischmasse den durch die Kurbeltriebauslegung vorgegebenen Kolbenbewe- gungsfunktionen folgt, der Kraftstoffmassenstrom jedoch bei gleichbleibender Last konstant bleibt, ergibt sich innerhalb des Brennraums eine verhältnismäßig inhomogene Gemischzu^ sammensetzung. Dies führt insbesondere an der Magerlaufgrenze zu großen Standardabweichungen im Zylindermitteldruck und zu hohen NOx-Emissionen. Bei dem anderen Verfahren der Kraftstoffzumessung erfolgt die Kraftstoffzumessung verhältnismäßig weit von den eigentlichen Einlassventilen entfernt zentral für alle Zylinder. Somit existiert zwischen der Kraftzumessungsstelle und den Einlassventilen ein Puffervolumen, wodurch zwar eine gute Homogenität des einströmenden Luft-Kraftstoffgemisches erzielt wird, wobei doch wegen des langen Weges zwischen der Kraftstoffzumessstelle und den Einlassventilen die Dynamikfähigkeit begrenzt ist, d.h. die Zusammensetzung des einströmenden Luft-Kraftstoffgemisches nur mit einer gewissen Verzögerung an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der die Zusammensetzung des im Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit externer Gemischbildung vorhandenen, brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches möglichst genau und/oder rasch an unterschiedliche Erfordernisse angepasst werden kann.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die Ansprüche 2 bis 5 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6 erzielt, die mit den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 12 in vorteilhafter Weise weitergebildet wird.
Die Erfindung ist insbesondere für aufgeladene Gasmotoren geeignet, d.h. für Motoren, denen verdichtete Frischluft bzw. verdichtetes Frischgemisch aus Luft und Gas zugeführt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. In den Figuren stellen dar:
Figur 1 eine Prinzipansicht einer erfindungsgemäßen mehrzylindrischen Hubkolben- brennkraftmaschine und Figur 2 eine Prinzipschnittansicht eines in der Brennkraftmaschine gemäß Figur 1 einsetzbaren Steuerventils.
Gemäß Figur 1 weist die beispielhaft dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine sechs in Reihe angeordnete Zylinder 4 auf, von denen jeder zwei nicht dargestellte, im Allgemeinen von Nockenwellen betätigte Einlassventile und ein ebenfalls nicht dargestelltes Auslassventil hat.
Abgasleitungen der gemäß Figur 1 linken drei Zylinder 4 führen in eine Abgasturbine 6 eines ersten Abgasturboladers 8. Abgasleitungen der gemäß Figur 1 rechten drei Zylinder 4 führen in eine Abgasturbine 10 eines zweiten Abgasturboladers 12.
Von einem Luftfilter 14 führt eine erste Leitung 16 durch eine erste Kraftstoffzumesseinrichtung 18 hindurch zu einer Laderturbine 20 des Abgasturboladers 8. Der Ausgang der Laderturbine 20 führt in ein erstes Sammelrohr 22, von dem aus Einzelsaugrohre 24 durch jeweilige Steuerventile 26 hindurch zu einem Einlass in den jeweiligen Zylinder führen, in dem in an sich bekannter Weise ein normalerweise als Tellerventil ausgebildetes Einlassventil 27 bzw. Ladungswechselventil arbeitet.
Von dem Luftfilter 14 führt eine weitere Leitung 28 durch eine Kraftstoffzumesseinrichtung 30 hindurch zu der Laderturbine 22 des Abgasturboladers 12. Der Ausgang der Laderturbine 32 ist mit einem weiteren Sammelrohr 34 verbunden, von dem aus Einzelzylindersaug- rohre 36 durch jeweilige Steuerventile 38 hindurch zu dem jeweils anderen Einlass eines jeweiligen Zylinders 4 führt, in dem das andere Einlassventil 39 arbeitet. In jeder der Kraftstoffzumesseinrichtungen 18 und 30 ist ein Kraftstoffzumessventil 40 bzw. 42 angeordnet, mittels dessen der durchströmenden Frischluft Kraftstoff in von dem Luftdurchsatz abhängiger Menge derart zugeführt wird, dass strömungsabwärts der jeweiligen Kraftstoffzumesseinrichtung 18 bzw. 30 ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoffverhältnis vor- liegt. Solche Kraftstoffzumesseinrichtungen sind allgemein bekannt und werden daher nicht erläutert. Der Luftdurchsatz (Mengendurchsatz) wird gemessen und das jeweilige Kraftstoffzumessventil 40 bzw. 42 wird derart gesteuert, dass abhängig vom vorbestimmten Luftdurchsatz und einem einzuhaltenden Massenverhältnis zwischen Luft und Kraftstoff eine entsprechende Kraftstoffmenge zugemessen wird. Jede der Kraftstoffzumesseinrichtungen 18 und 30 bildet somit zusammen mit der Leitung 16 bzw. 28 eine Gemischbildungseinrichtung zur Erzeugung von Gemisch, das der jeweiligen Laderturbine 20 bzw. 32 und aus dieser dem jeweiligen Sammelrohr 22 bzw. 34 zugeführt wird. Dadurch, dass die jeweilige Kraftstoffzumesseinrichtung strömungsoberhalb der Laderturbine angeordnet ist, erfolgt in der Laderturbine eine ausgezeichnete Homogenisierung des Gemisches, wobei für die Ho- mogenisierung zusätzlich vorteilhaft ist, dass die in Folge der öffnenden Einlassventile strömungsabwärts der jeweiligen Laderturbine pulsierende Strömung strömungsaufwärts der Laderturbine geglättet ist.
Die Steuerung bzw. Regelung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in die Zylinder 4 ein- strömenden Gemisches erfolgt dadurch, dass in den beiden Kraftstoffzumesseinrichtungen 18 und 30 der durchströmenden Frischluft unterschiedliche Mengen an Kraftstoff zugesetzt werden, so dass beispielsweise im Sammelrohr 22 ein fettes Gemisch und im Sammelrohr 34 ein mageres Gemisch vorhanden ist. Das fette Gemisch hat beispielsweise ein Luft-zuKraftstoff-Verhältnis von bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis 0,9 und das magere Luft-Kraftstoffgemisch hat ein Verhältnis von bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis 1,1. Vorteilhafterweise ist die fette Gemischzusammensetzung wenigstens so fett, wie das fetteste, zum Fahren benötigte Gemisch. Das magere Luft-Kraftstoffverhältnis ist vorteilhafterweise mindestens so mager, wie das magerste, für den Betrieb benötigte Gemisch. Die Einstellung des Luft-Kraftstoffverhältnisses innerhalb der Zylinder erfolgt mit Hilfe von Steuerventilen 26 und 38, die unmittelbar vor den jeweiligen Einlassventilen 27 bzw. 39 angeordnet sind und das Mengenverhältnis und bevorzugt auch die Menge des bei einem Ansaughub in den Zylinder einströmenden Luft-Kraftstoffgemisches bestimmen. Strömen gleiche Mengen ein, liegt im beschriebenen Beispiel das Luft-Kraftstoffverhältnis im Zylinder bei 1. Strömt nur fettes Gemisch ein, liegt es bei 0,9; strömt nur mageres Gemisch ein, liegt es bei 1,1.
Zur Steuerung der Kraftstoffzumessventile 40 und 42 sowie der Steuerventile 26 und 38 dient eine elektronische Steuereinrichtung 44, die in an sich bekannter Weise einen Mikroprozessor mit Programm- und Datenspeicher enthält. Eingänge 46 der elektronischen Steuereinrichtung sind mit Sensoren verbunden, die die für die Menge und die Zusammensetzung des den Zylindern zuzuführenden Luft-Kraftstoffgemisches relevante Signale liefern. Aus diesen Signalen werden an Ausgängen 48 liegende Ausgangssignale zur Ansteuerung der Kraftstoffzumessventile 40 und 42 und der Steuerventile 26 und 38 erzeugt, wobei die Steuerventile 26 und 38 zylinderselektiv angesteuert werden.
Die Ansteuerung der Kraftstoffzumessventile 40 und 42 sowie der Steuerventile 26 und 38 kann gesteuert oder unter Nutzung einer Rückkopplung geregelt erfolgen, indem die Signale von Abgassensoren 48 und 50, mit denen beispielsweise der Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt wird, den Eingängen 46 der Steuereinrichtung 44 zugeführt werden.
Im dargestellten Beispiel können die herkömmlichen Einlassventüe, die unmittelbar an den Brennraum grenzen, rein mechanisch von der Kurbelwelle über eine Nockenwelle sowie gegebenenfalls einen Phasensteiler betätigt werden, so dass sich deren Öffnungszeit und Hub nicht in Abhängigkeit von der Last ändern, sondern gegebenenfalls nur in der Phase relativ zur Kurbelwelle verschoben werden. Die Steuerventile 26 und 38 sind vorteilhafterweise derart gebaut, dass sich ihre Öffnungs- und Schließzeitpunkte sowie gegebenenfalls auch ihr Öffnungshub frei steuern lässt. Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein beispielhaftes Steuerventil 26 bzw. 38.
Das zum Zylinder führende Einzelzylindersaugrohr 24 bzw. 36 weist eine im Längsschnitt durch das Saugrohr mäanderförmige Trennwand 70 auf, in der quer zur Axialrichtung des Saugrohrs im dargestellten Beispiel vier Ventilöffnungen 72 ausgebildet sind. Quer durch das Saugrohr und die Ventilöffnungen hindurch erstreckt sich ein insgesamt mit 74 bezeichnetes Ventilglied, das einen Schaft 76 und daran starr angebrachte, den Schaft umschließen- de Scheiben 78 aufweist. Die Anordnung ist derart, dass sich in der in Figur 2 dargestellten, geöffneten Stellung des Ventils oberste und drittoberste Scheiben 78 bezogen auf die Einlassströmung durch das Saugrohr strömungsabwärts der zugehörigen Ventilöffnungen 72 befinden und die beiden anderen Scheiben 78 sich strömungsoberhalb der zugehörigen Ventilöffnungen 72 befinden. Der Durchmesser der Scheiben 78 entspricht etwa dem Durch- messer der Ventilöffnungen 72, so dass das Ventil geschlossen ist, wenn sich der Schaft 76 zusammen mit den Scheiben 78 gemäß Figur 2 soweit aufwärts bewegt hat, dass sich die Scheiben 78 innerhalb der Öffnungen 72 befinden. Die Scheiben 78 sind vorteilhafterweise strömungsgünstig geformt.
Zur Betätigung des Steuerventils weist der Schaft 76 außerhalb des Saugrohrs einen zylindrischen Ansatz 80 auf, in dem eine Spule 82 aufgenommen ist, die von einem Elektromagneten 84 umschlossen wird, der in einem am Saugrohr befestigten Gehäuse 86 aufgenommen ist.
Der Schaft 76 ist im Saugrohr in Buchsen 88 längs verschiebbar geführt. Der zylindrische Ansatz 80 ist derart ausgebildet, dass die Hubbewegung des Schaftes 76 bzw. des Ventilglieds 74 durch seinen Anschlag einerseits an der Außenseite des Saugrohrs und andererseits an einem in ihn einragenden Ansatz des Gehäuses 86 begrenzt ist.
Eine Feder 90 drängt das Ventilglied 74 in seine offene Stellung. Die Funktion des beschriebenen Steuerventils ist wie folgt:
Die Spule 82 ist an die Steuereinrichtung 44 angeschlossen. Das Ventil ist unter Wirkung der Feder 90 normalerweise offen. Durch Beaufschlagung der Spule 82 mit Strom wird das Ventilglied gemäß Figur 2 nach oben in einer Stellung bewegt, in der sich die Scheiben 78 innerhalb der Ventilöffnungen 72 befinden und diese verschließen. Wie ersichtlich, wirkt in der Schließ Stellung des Ventils, wenn beispielsweise linksseitig des Ventils ein Überdruck herrscht, dieser Überdruck auf die oberste und die drittoberste Scheibe derart, dass das Ventilglied nach unten gedrückt wird, wohingegen der Überdruck auf die unterste und dritt- unterste Scheibe derart wirkt, dass er das Ventilglied nach oben drückt, so dass das Ventilglied insgesamt unabhängig von der Druckdifferenz Kräfte freilässt.
Ein Vorteil, der mit dem geschilderten Ventil erzielt wird, liegt darin, dass es außerordentlich rasch aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung und umgekehrt bewegbar ist, so dass eine präzise Steuerung der Zeiten mit geringstmöglichen Strömungsverlusten möglich ist.
In einer bevorzugten, dargestellten Ausführungsform wirkt der Schaft 76 mit einem Stellwegsensor 91 zusammen, der Informationen über die exakte augenblickliche Position des Schaftes 76 und damit der Scheiben 78 liefert. Die Steuereinrichtung 44 regelt den Strom durch die Spule 82 derart, dass die Ist-Position des Ventilkörpers 76, 78 zu jedem Zeitpunkt der von der Steuereinrichtung vorgegebenen und dort programmierten Soll-Position entspricht. Somit können nicht nur der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Steuerventils, sondern auch dessen Hub frei gesteuert werden.
Wenn die in den Zylinder einströmenden Gemischmengen ausschließlich durch den Hub der Steuerventile 26 und 38 gesteuert werden und deren Öffnungs- und Schließzeitpunkte gleich sind, ergibt sich vorzugsweise eine sehr homogene Zusammensetzung 'des Gemisches im Brennraum. Wenn die Volumenströme durch die Steuerzeiten der Steuerventile beeinflusst werden, können zusätzliche stärkere Schichtladeeffekte erzielt werden, indem beispielsweise das magere Gemisch zeitlich vor dem fetten Gemisch einströmt.
Die beschriebenen Steuerventile sind aus dem europäischen Patent EP 1 236 875 Bl be- kannt. Sie können nicht nur zur Steuerung der Menge und darüber auch der Zusammensetzung des Gemisches im Brennraum benutzt werden, sondern auch für eine weitere Verminderung der Ladungswechselverluste im Teillastbereich durch die in der genannten Druckschrift beschriebene Teillastresonanzaufladung.
Die Erfindung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden.
Beispielsweise sind die Turbolader nicht zwingend und die Erfindung kann auch an Saugmotoren eingesetzt werden. Bei Turbomotoren können beide Laderturbinen von einer gemeinsamen Abgasturbine angetrieben werden, durch die das gesamte Abgas der Brenn- kraftmaschine strömt. Des weiteren können fremd angetriebene Lader verwendet werden.
Die Steuerventile 26 und 38 sind nicht zwingend erforderlich. Die Steuerung der Menge und der Zusammensetzung des in die Zylinder einströmenden Gemisches kann auch durch eine entsprechende Ausbildung der unmittelbar an den Brennraum grenzenden Einlassventile 27, 39 gesteuert werden. Weiter ist es möglich, die Steuerventile durch in den Einzelzylin- dersaugrohren enthaltene Drosselklappen zu ersetzen und diese in entsprechender Weise zu öffnen. Auch die Einzeldrosselklappen sind nicht zwingend erforderlich. Sie können jeweils durch eine Drosselklappe in den Leitungen 16 und 28 ersetzt werden.
Die Steuerventile können einen anderen als den geschilderten Aufbau haben, beispielsweise als Drehschieberventil ausgebildet sein, dessen Öffnungsquerschnitt mit Hilfe eines Schrittschaltmotors sowohl hinsichtlich Öffnungsbeginn und Schließbeginn als auch hinsichtlich Öffnungsquerschnitt verändert werden kann. Die Gemischzusammensetzung im Sammelrohr 22 und im Sammelrohr 34 kann im Betriebsverlauf geändert werden. Beispielsweise kann das magere Gemisch auf unendlich mager eingestellt werden (keine Kraftstoffzumessung). Dadurch ist es möglich, bei geeignet eingestellten Steuerzeiten der Steuerventile während der ersten Phase des Ansaugens, während der die Einlassventile überschneiden, den Zylinderbrennraum ausschließlich mit dem reine Luft führenden Einzelzylindersaugrohr zu verbinden und erst anschließend durch das andere Saugrohr hindurch Gemisch in den Zylinder zu leiten. Dadurch kann ein Überströmen von Gemisch bzw. Kraftstoff in den Auslasstrakt hinein während der Ventilüberschneidungsphase der Hauptventile verhindert werden.
Insgesamt bietet die Erfindung vielfältige Möglichkeiten zur Verbesserung des Betriebsverhaltens im Hinblick auf Drehmoment- und Leistungsentfaltung, Wirkungsgrad und Abgasqualität. Die Erfindung eignet sich besonders gut zur Verwendung in Gasmotoren, bei denen über die Kraftstoffzumessventile 40 und 42 Brenngas eingeleitet wird.
Bezugszeichenhste
4 Zylinder 40 Kraftstoffzumessventil
6 Abgasturbine 42 Kraftstoffzumessventil
8 Abgasturbolader 44 elektronische Steuereinrichtung
10 Abgasturbine 46 Eingänge
12 Abgasturbolader 48 Ausgänge
14 Luftfilter 70 Trennwand
16 Leitung 72 Ventilöffnung
18 Rraftstoffzumesseinrichtung 74 Ventilglied
20 Laderturbine 76 Schaft
22 Sammelrohr 78 Scheibe
24 Einzelzylindersaugrohr 80 Ansatz
26 Steuerventil 82 Spule
27 Einlassventil 84 Elektromagnet
28 Leitung 86 Gehäuse
30 Kraftstoffzumesseinrichtung 88 Buchse
32 Laderturbine 90 Feder
34 Sammelrohr 91 Stellwegsensor
36 Einzelzylindersaugrohr
38 Steuerventil
39 Einlassventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern der Zusammensetzung des in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit externer Gemischbildung vorhandenen, brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches derart, dass es eine vorbestimmte Zusammensetzung hat, bei welchem Verfahren wenigstens zwei Luft enthaltende Fluide erzeugt werden, von denen wenigstens eines ein Luft-Kraftstoffgemisch ist, die Fluide dem Brennraum zugeführt werden und - die Mengenanteile der Fluide derart gesteuert werden, dass deren Summenzusammensetzung der vorbestimmten Zusammensetzung entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mengensteuerung der dem Brennraum zuge- führten Fluide erst kurz vor deren Eintritt in den Brennraum erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mengensteuerung der dem Brennraum zugeführten Fluide bei deren Eintritt in den Brennraum erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Fluid ein fettes Luft- Kraftstoffgemisch ist und das andere Fluid ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch ist, wobei das fette Luft-Kraftstoffgemisch einen höheren Kraftstoffgehalt hat und das magere Luft- Kraftstoffgemisch einen niedrigeren Kraftstoffgehalt hat als das Gemisch mit der vorbestimmten Zusammensetzung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eines der Fluide frei von Kraftstoffist und dem Brennraum als einziges Fluid während eines Zeitraums zugeführt wird, während dessen wenigstens ein Einlassventil und ein Auslassventil des Brennraums gleichzeitig geöffnet sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der der Luft zugemischte Kraftstoffein brennbares Gas ist.
7. Vorrichtung zum Steuern der Zusammensetzung des in einem Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit externer Gemischbildung vorhandenen, brennfähigen Luft-Kraftstoffgemisches derart, dass es eine vorbestimmte Zusammensetzung hat, enthaltend - eine erste Gemischerzeugungseinrichtung (16, 18, 40) zur Erzeugung eines fetten Gemisches, eine zweite Gemischerzeugungseinrichtung (28, 30, 42) zur Erzeugung eines mageren Gemisches, wobei beide Gemische durch Zuführen von Kraftstoff zu der Brennkraftmaschine zu- geführter Frischluft erzeugt werden und das fette Gemisch einen höheren Kraftstoffanteil und das magere Gemisch einen niedrigeren Kraftstoffanteil hat als das Gemisch mit der vorbestimmten Zusammensetzung, eine erste Einrichtung (22, 24) zum1 Zuführen des fetten Gemisches zu einem in einen Brennraum der Brennkraftmaschine führenden ersten Einlass, - eine zweite Einrichtung (34, 36) zum Zuführen des mageren Gemisches zu einem in einen Brennraum der Brennkraftmaschine führenden zweiten Einlass, eine im ersten Einlass arbeitende erste Ventileinrichtung (26, 27) zum Steuern der Menge des dem Brennraum zugeführten fetten Gemisches, eine im zweiten Einlass arbeitende zweite Ventileinrichtung (38, 39) zum Steuern der Menge des dem Brennraum zugeführten mageren Gemisches, und eine Steuereinrichtung (44) zur Steuerung der Ventileinrichtungen derart, dass die Summe aus der Menge des in den Brennraum strömenden fetten Gemisches und mageren Gemisches ein Gemisch mit der vorbestimmten Zusammensetzung ergibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder (4) und zwei einlassseitige Sammelrohre (22, 34) aufweist, von denen eines das fette und das andere das magere Gemisch führt und die über Einzelsaugrohre (24, 36) mit jeweils einem der Einlasse der Zylinder verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei jede der Ventileinrichtungen ein unmittelbar an den Brennraum angrenzendes Emlassventiϊ (27, 39) und ein hinsichtlich seiner Öff- nungs- und/oder Schließzeit und/oder seines Öffiiungsquerschnitts unabhängig vom Einlass- ventil steuerbares Steuerventil (26, 38) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei jede der Ventileinrichtungen ein unmit- telbar an den Brennraum angrenzendes Einlassventil (27, 39) aufweist, dessen Öffhungs- und/oder Schließzeit und/oder Öffhungsquerschnitt steuerbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuerung der dem Brennraum zuge- fuhrten Gemischzusammensetzung dadurch erfolgt, dass die steuerbaren Ventile (26, 38; 27, 39) gleiche Steuerzeiten und unterschiedlichen Ventilhub aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuerung der dem Brennraum zuge- fuhrten Gemischzusammensetzung dadurch erfolgt, dass die steuerbaren Ventile (26, 38; 27, 39) ungleiche Steuerzeiten aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei jede der Gemischerzeugungseinrichtungen eine Kraftstoffzumesseinrichtung (30, 40) aufweist, die strömungsoberhalb eines Verdichters (20, 32) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei jeder der Verdichter (20, 32) von einer vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturbine angetrieben ist.
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