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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einlass- und Auslassvorrichtung eines Mehrzylindermotors, der in einem Fahrzeug installiert ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor.
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Herkömmlicherweise wurden Entwicklungen von Einlass- und Auslassvorrichtungen von Mehrzylindermotoren, die in Fahrzeugen installiert sind, vorgenommen, um Drehmoment zu erhöhen.
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Beispielsweise offenbart die
JP H04-36023 A (vierte und fünfte Seite, und
3) einen Stand der Technik zum Verhindern einer Auslassbeeinflussung zwischen Zylindern durch Bündeln von Auslassdurchgängen von Zylindern, die nicht kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, durch Zusammenbauen derselben, um ein sich verjüngendes Auslassrohr zu sein, und durch Erzeugen eines Ejektor- bzw. Ausstoßeffekts in den verschmälerten Abschnitten der Auslassdurchgänge.
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Um bei Mehrzylindermotoren Drehmoment über einen großen Motordrehzahlbereich zu erhöhen, um einen großen Drehzahlbereich zu erzielen, ist es im Allgemeinen wichtig, die Abnahme eines volumetrischen Wirkungsgrads (ηV) über Motordrehzahlbereiche von einem niedrigen Motordrehzahlbereich zu einem hohen Motordrehzahlbereich so stark wie möglich zu unterbinden. Somit wird ein Motor bereitgestellt, der beim Beschleunigen keinen Drehmomentstoß aufweist, geringes Unbehagen verursacht und einen exzellenten Kraftstoffverbrauch aufweist.
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DE 10 2012 014 648 A1 offenbart eine Einlass- und Auslassvorrichtung eines Mehrzylindermotors, einen Fremdzündungsmotor und ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen eines Unterdrucks in einer Krümmersektion aufgrund eines Ejektoreffekts.
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DE 691 33 098 T2 offenbart ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit veränderlichen Ventilüberschneidungszeiten.
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GB 319 426 A offenbart Verbesserungen von Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Abgaskrümmern, insbesondere von Motoren mit mehr als vier Zylindern.
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JP H02 157 420 A beschreibt eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine zum Vermeiden eines Drosselungsphänomens eines Abgasstroms in einem Ejektorteil.
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US 8 256 402 B2 beschreibt eine Abgaskanalstruktur eines Mehrzylindermotors zum effizienten Zuführen von Abgas zu einem Abgasturbolader.
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US 6 968 825 B2 offenbart eine Steuervorrichtung für einen fremdgezündeten Motor, der in einem Teillastbereich im warmen Zustand durch Kompressionszündung betrieben wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Situationen entwickelt und stellt eine Einlass- und Auslassvorrichtung eines Mehrzylindermotors bereit, bei der die Abnahme eines volumetrischen Wirkungsgrads über Motordrehzahlbereiche unterbunden wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Einlass- und Auslassvorrichtung eines Mehrzylindermotors bereitgestellt. Der Motor ist mit einer Mehrzahl von Zylindern versehen, die Einlass- und Auslassventile zum Öffnen und Schließen von Einlass- bzw. Auslassöffnungen aufweisen. Die Vorrichtung enthält ein Einlasssystem, das unabhängige Einlassdurchgänge, die mit jeweiligen Einlassöffnungen des Motors verbunden oder verbindbar sind, und einen Ausdehnungs- bzw. Ausgleichsbehälter enthält, der mit stromaufwärtigen Enden der unabhängigen Einlassdurchgänge verbunden ist. Die Vorrichtung enthält zudem ein Auslasssystem, das unabhängige Auslassdurchgänge aufweist, die mit einer Auslassöffnung eines Zylinders oder Auslassöffnungen der Mehrzahl von Zylindern verbunden oder verbindbar sind, die nicht kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, und ein Sammelrohr, das mit stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge auf gebündelte Weise verbunden ist und zum Sammeln von Abgas dient, das von den stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge ausgestoßen wird. Zumindest innerhalb eines niedrigen Motordrehzahlbereichs, wo eine Motordrehzahl unter einer vorbestimmten ersten Motordrehzahl liegt, weisen Offen-Zeiträume bzw. Öffnungszeiträume der Einlass- und Auslassventile jedes Zylinders einen vorbestimmten Überlappungszeitraum auf, und der Überlappungszeitraum eines der Zylinder, die kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, ist so festgelegt, dass er mit einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils des anderen Zylinders überlappt. Sowohl eine Rohrlänge als auch ein Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder ein Volumen des Einlasssystems alleine ist bzw. sind so festgelegt, dass ein Synchronisierungszeitpunkt von Ansaug- bzw. Einlassluftresonanz, bei dem bzw. der eine Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils bewirkt wird, im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt, zumindest in einem mittleren Motordrehzahlbereich enthalten ist, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl und einer vorbestimmten zweiten Motordrehzahl liegt, die höher ist als die erste Motordrehzahl. Eine Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs ist so festgelegt, dass ein Einlass- bzw. Ansaugträgheitseffekt basierend auf einer Überdruckwelle zumindest in einem hohen Motordrehzahlbereich erhalten wird, wo die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt, wobei die Überdruckwelle durch Invertieren bzw. Umkehren der Unterdruckwelle der Ansaugluft in dem Ausgleichsbehälter erhalten wird und die Unterdruckwelle durch Öffnen des Einlassventils erzeugt wird.
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Gemäß diesem Aspekt wird der Unterdruck in dem Sammelrohr dadurch erzeugt, dass das Abgas durch den unabhängigen Auslassdurchgang in das Sammelrohr strömt, und durch diesen Unterdruck wird ein Ejektor- bzw. Ausstoßeffekt erzielt, bei dem das Abgas im Inneren eines anderen unabhängigen Auslassdurchgangs oder im Inneren der Auslassöffnung des Zylinders, der mit dem anderen unabhängigen Auslassdurchgang kommuniziert, nach unten bzw. stromabwärts gesaugt wird.
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In dem niedrigen Motordrehzahlbereich ist der Überlappungszeitraum bereitgestellt, in dem das Auslassventil und das Einlassventil desselben Zylinders beide offen sind, und das Auslassventil eines der Zylinder, der die kontinuierliche bzw. zusammenhängende Auslassreihenfolge aufweist, öffnet sich in dem Überlappungszeitraum des anderen Zylinders. Daher weitet sich der Ausstoßeffekt auf die Einlassöffnung des Zylinders während des Überlappungszeitraums aus bzw. geht auf diese über, und ein Spülen des Zylinders wird vereinfacht. Auf diese Weise wird ein volumetrischer Wirkungsgrad (ηV) verbessert und ferner ein Drehmoment in dem niedrigen Motordrehzahlbereich erhöht.
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Zusätzlich wird gemäß diesem Aspekt in dem mittleren Motordrehzahlbereich durch Einstellen bzw. Anpassen der Rohrlänge und des Rohrdurchmessers des Einlasssystems oder des Volumens des Einlasssystems, das von dem Luftreiniger bzw. -filter (oder einer stromaufwärtigen Seite des Einlasssystems) zu den Einlassöffnungen ist, ein Einlass- bzw. Ansaugresonanzeffekt erzielt, bei dem die Frequenz der Vibration, die durch ein Öffnen und Schließen des Einlassventils bewirkt wird, im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt. Eine Einlass- bzw. Ansaugluftdruckvibration wird durch den Einlassresonanzeffekt erzeugt, und eine erzwungene Induktion bzw. Ansaugung der Ansaugluft wird durch die Ansaugluftdruckvibration durchgeführt, und ferner wird das Drehmoment zumindest in dem mittleren Motordrehzahlbereich erhöht.
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Ferner wird gemäß diesem Aspekt in dem hohen Motordrehzahlbereich durch Einstellen bzw. Anpassen der Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs der Einlassträgheitseffekt basierend auf der Überdruckwelle erhalten, wobei die Überdruckwelle durch Invertieren bzw. Umkehren der Unterdruckwelle der Ansaugluft in dem Ausgleichsbehälter erhalten wird und die Unterdruckwelle durch Öffnen des Einlassventils erzeugt wird.
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Wie oben beschrieben werden die Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrads und ferner die Abnahme des Drehmoments über die Motordrehzahlbereiche von dem niedrigen Motordrehzahlbereich zu dem hohen Motordrehzahlbereich unterbunden. Somit weist der Mehrzylindermotor dieser Ausführungsform beim Beschleunigen keinen Drehmomentstoß auf, verursacht geringes Unbehagen und weist einen exzellenten Kraftstoffverbrauch auf.
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Ein Luftreiniger bzw. -filter kann mit dem Ausgleichsbehälter verbunden sein und ein Volumen des Luftfilters kann so eingestellt bzw. angepasst werden, dass der Synchronisierungszeitpunkt der Ansaugluftresonanz in dem mittleren Motordrehzahlbereich enthalten ist.
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Gemäß dieser Konfiguration wird durch Einstellen bzw. Anpassen des Volumens des Luftfilters, von bzw. aus dem Einlasssystem, das Volumen des Einlasssystems eingestellt bzw. angepasst und der Einlassresonanzeffekt in dem mittleren Motordrehzahlbereich erzielt. Daher kann der Einfluss auf den Einlassträgheitseffekt in dem hohen Motordrehzahlbereich auf Grund des Abstimmens bzw. Einstellens zum Erzielen des Einlassresonanzeffekts unterbunden bzw. unterdrückt werden. Genauer gesagt wird in dem Fall des Einstellens in dem Einlasssystem, beispielsweise wenn die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser des unabhängigen Einlassdurchgangs oder das Volumen des Ausgleichsbehälters eingestellt werden, der Synchronisierungszeitpunkt des Ansaugträgheitseffekts verändert und daher besteht die Möglichkeit, dass der Einlassträgheitseffekt nicht effektiv innerhalb eines anvisierten Motordrehzahlbereichs ausgeübt wird. Im Hinblick darauf ist es bevorzugt, das Volumen des Luftreinigers einzustellen, da es den Einlassträgheitseffekt nicht beeinflusst.
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Ein Abstand von einer Sitzposition des Auslassventils innerhalb der Auslassöffnung des Zylinders zu dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs kann auf näherungsweise 500 mm oder kürzer festgelegt werden.
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Da der Abstand von dort, wo das Abgas aus dem Zylinder ausgestoßen wird, bis dort, wo es in das Sammelrohr strömt, gerade mal näherungsweise 500 mm oder kürzer ist, wird die Strömungsrate des Abgases beim Strömen in das Sammelrohr relativ hoch und der in dem Sammelrohr erzeugte Unterdruck wird relativ hoch, und somit wird der Ausstoßeffekt effektiver ausgeübt.
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Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung wird eine Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrads des Mehrzylindermotors über Motordrehzahlbereiche von dem niedrigen Motordrehzahlbereich zu dem hohen Motordrehzahlbereich unterbunden. Im Ergebnis kann ein Mehrzylindermotor erhalten werden, bei dem Drehmoment über einen großen Motordrehzahlbereich erhöht wird, der eine flache Drehmomentcharakteristik erhält und der einen größeren Drehmomentbereich aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, der umfasst:
- eine Mehrzahl von Zylindern, die Einlass- und Auslassventile zum Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassöffnungen aufweisen;
- ein Einlasssystem, das unabhängige Einlassdurchgänge und einen Ausdehnungs- bzw. Ausgleichsbehälter enthält, der mit stromaufwärtigen Enden der unabhängigen Einlassdurchgänge verbunden ist; und
- ein Auslasssystem, das unabhängige Auslassdurchgänge aufweist, die mit einer Auslassöffnung eines Zylinders und/oder Auslassöffnungen der Mehrzahl von Zylindern verbunden sind, die nicht kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, und ein Sammelrohr, das mit stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge verbunden ist,
- wobei zumindest innerhalb eines niedrigen Motordrehzahlbereichs, wo eine Motordrehzahl unter einer vorbestimmten ersten Motordrehzahl liegt, Offen-Zeiträume bzw. Öffnungszeiträume der Einlass- und Auslassventile jedes Zylinders einen vorbestimmten Überlappungszeitraum aufweisen, und der Überlappungszeitraum des Offen-Zeitraums bzw. Öffnungszeitraums des Einlassventils eines ersten der Zylinder so festgelegt ist, dass er mit einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils eines zweiten Zylinders überlappt, wenn der zweite Zylinder direkt auf den Auslasshub des ersten Zylinders folgend ausstößt bzw. auslässt,
- wobei sowohl eine Rohrlänge als auch ein Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder ein Volumen des Einlasssystems alleine so festgelegt ist bzw. sind, dass ein Synchronisierungszeitpunkt von Ansaug- bzw. Einlassluftresonanz, bei dem bzw. der eine Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils bewirkt wird, im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt, zumindest in einem mittleren Motordrehzahlbereich enthalten ist, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl und einer vorbestimmten zweiten Motordrehzahl liegt, die höher ist als die erste Motordrehzahl, und
- wobei eine Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs so festgelegt ist, dass ein Einlass- bzw. Ansaugträgheitseffekt basierend auf einer Überdruckwelle zumindest in einem hohen Motordrehzahlbereich erhalten wird, wo die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt, wobei die Überdruckwelle durch Invertieren bzw. Umkehren der Unterdruckwelle der Ansaugluft in dem Ausgleichsbehälter erhalten wird und die Unterdruckwelle durch Öffnen des Einlassventils erzeugt wird.
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Vorzugsweise weist ein stromabwärtiges Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs einen im Wesentlichen kuchenstückförmigen Querschnitt mit näherungsweise einem Drittel eines Strömungsdurchgangsbereichs eines stromaufwärtigen Teils des unabhängigen Auslassdurchgangs auf.
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Ferner bevorzugt ist ein sich verjüngender Teil des Sammelrohrs so gebildet, dass er einen kleineren Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin aufweist.
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Vorzugsweise ist ein Strömungsdurchgangsbereich eines stromabwärtigen Endes des sich verjüngenden Teils kleiner als ein Gesamtströmungsdurchgangsbereich der stromabwärtigen Enden der Mehrzahl unabhängiger Auslassdurchgänge.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer Luftladung eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, umfassend die Schritte:
- Festlegen eines Überlappungszeitraums von Einlass- und Auslassventilen jedes Zylinders auf eine vorbestimmte Überlappung,
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Festlegen eines Überlappungszeitraums eines Einlassventils eines ersten Zylinders so, dass er mit einem Öffnungszeitraum eines Auslassventils eines zweiten Zylinders überlappt, wenn der zweite Zylinder direkt auf den Auslasshub des ersten Zylinders folgend ausstößt bzw. auslässt, mit anderen Worten folgt der zweite Zylinder dem ersten Zylinder in einer Zündreihenfolge des Motors,
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Festlegen sowohl einer Rohrlänge als auch eines Rohrdurchmessers des Einlasssystems, oder eines Volumens des Einlasssystems alleine so, dass ein Synchronisierungszeitpunkt von Ansaug- bzw. Einlassluftresonanz, bei dem bzw. der eine Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils bewirkt wird, im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt, zumindest in einem mittleren Motordrehzahlbereich enthalten ist, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl und einer vorbestimmten zweiten Motordrehzahl liegt, die höher ist als die erste Motordrehzahl, und
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Festlegen einer Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs so, dass ein Einlass- bzw. Ansaugträgheitseffekt basierend auf einer Überdruckwelle zumindest in einem hohen Motordrehzahlbereich erhalten wird, wo die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt für das Layout eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei der Motor umfasst:
- eine Mehrzahl von Zylindern, die Einlass- und Auslassventile zum Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassöffnungen aufweisen;
- ein Einlasssystem, das unabhängige Einlassdurchgänge und einen Ausdehnungs- bzw. Ausgleichsbehälter enthält, der mit stromaufwärtigen Enden der unabhängigen Einlassdurchgänge verbunden ist; und
- ein Auslasssystem, das unabhängige Auslassdurchgänge aufweist, die mit einer Auslassöffnung eines Zylinders und/oder Auslassöffnungen der Mehrzahl von Zylindern verbunden sind, die nicht kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, und ein Sammelrohr, das mit stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge verbunden ist,
- wobei zumindest innerhalb eines niedrigen Motordrehzahlbereichs, wo eine Motordrehzahl unter einer vorbestimmten ersten Motordrehzahl liegt, Offen-Zeiträume bzw. Öffnungszeiträume der Einlass- und Auslassventile jedes Zylinders einen vorbestimmten Überlappungszeitraum aufweisen, und der Überlappungszeitraum des Offen-Zeitraums bzw. Öffnungszeitraums des Einlassventils eines ersten der Zylinder so festgelegt ist, dass er mit einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils eines zweiten Zylinders überlappt, wenn der zweite Zylinder direkt auf den Auslasshub des ersten Zylinders folgend ausstößt bzw. auslässt,
- wobei das Computerprogrammprodukt computerimplementierte Instruktionen umfasst, die, auf einem geeigneten System geladen und ausgeführt, die Schritte durchführen können:
- Festlegen sowohl einer Rohrlänge als auch eines Rohrdurchmessers des Einlasssystems, oder eines Volumens des Einlasssystems alleine so, dass ein Synchronisierungszeitpunkt von Ansaug- bzw. Einlassluftresonanz, bei dem bzw. der eine Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils bewirkt wird, im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt, zumindest in einem mittleren Motordrehzahlbereich enthalten ist, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl und einer vorbestimmten zweiten Motordrehzahl liegt, die höher ist als die erste Motordrehzahl, und
- Festlegen einer Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs so, dass ein Einlass- bzw. Ansaugträgheitseffekt basierend auf einer Überdruckwelle zumindest in einem hohen Motordrehzahlbereich erhalten wird, wo die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl liegt.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Einlass- und Auslassvorrichtung eines Mehrzylindermotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Auslasssystems in 1 ohne ein Einlasssystem.
- 3 ist eine Seitenansicht eines wesentlichen Teils von 2.
- 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV von 2.
- 5 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie V-V von 2.
- 6 zeigt graphische Darstellungen, die zeigen, dass Offen-Zeiträume bzw. Öffnungszeiträume von Einlass- und Auslassventilen jedes Zylinders des Motors einen vorbestimmten Überlappungszeitraum aufweisen.
- 7 ist eine graphische Darstellung, welche die Offen-Zeiträume der Einlass- und Auslassventile des Motors zeigt.
- 8 ist eine graphische Darstellung, die Motordrehzahlbereich zeigt.
- 9 ist eine graphische Darstellung, die einen Betrieb (eine Beziehung zwischen jedem Motordrehzahlbereich und einem volumetrischen Wirkungsgrad) dieser Ausführungsform zeigt.
- 10 ist eine graphische Darstellung, die einen Betrieb (einen Einlass- bzw. Ansaugresonanzeffekt in einem mittleren Motordrehzahlbereich) dieser Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gesamtkonfiguration
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Einlass- und Auslassvorrichtung 100 eines Mehrzylindermotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Auslasssystems in 1 ohne ein Einlasssystem. 3 ist eine Seitenansicht eines wesentlichen Teils von 2. Die Einlass- und Auslassvorrichtung 100 enthält einen Motorkörper 1 mit einem Zylinderkopf 9 und einem Zylinderblock (nicht dargestellt), eine Motorsteuer- bzw. -regeleinheit (ECU; Engl.: engine control unit) 2 zur Motorsteuerung bzw. -regelung, das Einlasssystem, das mit einer Mehrzahl unabhängiger Einlassdurchgänge 3 gebildet ist, die mit dem Motorkörper 1 verbunden sind, einen Auslass- bzw. Abgaskrümmer 5, der mit dem Motorkörper 1 verbunden ist, und eine Katalysatorvorrichtung 6, die mit dem Abgaskrümmer 5 verbunden ist.
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Eine Mehrzahl von Zylindern 12 (vier Zylinder in der Darstellung) ist in dem Zylinderkopf 9 und dem Zylinderblock gebildet und Kolben sind jeweils in diese eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform ist der Motorkörper 1 Vierzylinder-Reihenmotor und die vier Zylinder 12 sind in Reihe im Inneren des Zylinderkopfs 9 und des Zylinderblocks gebildet. Genauer gesagt sind die Zylinder in der Reihenfolge des ersten Zylinders 12a, des zweiten Zylinders 12b, des dritten Zylinders 12c und des vierten Zylinders 12d von rechts nach links in 1 und 2 gebildet. In dem Zylinderblock 9 sind Zündkerzen 15 so angeordnet, dass sie zu Brennräumen hin freigelegt sind, die jeweils über den Kolben geteilt sind.
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Der Motorkörper 1 ist ein Viertaktmotor. Wie es in 6 gezeigt ist, führen in den Zylindern 12a bis 12d die Zündkerzen 15 Zündungen zu Zeitpunkten durch, die jeweils um 180°CA unterschiedlich sind, und somit werden Einlass- bzw. Ansaughub, Verdichtungshub, Expansions- bzw. Arbeitshubs und Auslasshub in den jeweiligen Zylindern zu Zeitpunkten durchgeführt, die um 180°CA unterschiedlich sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Zündung in der folgenden Reihenfolge durchgeführt: der erste Zylinder 12a, der dritte Zylinder 12c, der vierte Zylinder 12d und dann der zweite Zylinder 12b, und jeder Hub wird in der gleichen Reihenfolge ausgeführt.
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Der Zylinderkopf 9 ist mit zwei Einlassöffnungen 17 und zwei Auslassöffnungen 18 für jeden Brennraum gebildet, und jede Öffnung öffnet sich zu dem Brennraum hin.
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Die Einlassöffnungen 17 leiten jeweils Ansaugluft in die Zylinder 12 ein. Die Auslassöffnungen 18 stoßen jeweils Abgas aus den Zylindern 12 aus. Jede Einlassöffnung 17 ist mit einem Einlassventil 19 zum Öffnen und Schließen der Einlassöffnung 17 versehen, welche die Einlassöffnung 17 mit dem Inneren des Zylinders 12 in Verbindung setzt und von diesem trennen. Jede Auslassöffnung 18 ist mit einem Auslassventil 20 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 18 versehen, welche die Auslassöffnung 18 mit dem Inneren des Zylinders 12 in Verbindung setzt und von diesem trennen. Das Einlassventil 19 wird von einem Einlassventiltriebmechanismus 30 angetrieben, um die Einlassöffnung 17 jeweils zu vorbestimmten Zeitpunkten zu öffnen und zu schließen. Das Auslassventil 20 wird von einem Auslassventiltriebmechanismus 40 angetrieben, um die Auslassöffnung 18 jeweils zu vorbestimmten Zeitpunkten zu öffnen und zu schließen.
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Der Einlassventiltriebmechanismus 30 weist eine Einlassnockenwelle 31, die mit den Einlassventilen 19 gekoppelt ist, und eine variable Einlass-Ventilsteuerung (WT; Engl. variable valve timing) 32 auf. Der Auslassventiltriebmechanismus 40 weist eine Auslassnockenwelle 41, die mit den Auslassventilen 20 gekoppelt ist, und eine Auslass-VVT 42 auf. Die Einlass- und Auslassnockenwellen 31 und 41 sind mit einer Kurbelwelle über eine gut bekannte Kette und einen Kraft- bzw. Leistungsübertragungsmechanismus (z.B. Kettenradmechanismus) gekoppelt, drehen sich entsprechend einer Drehung der Kurbelwelle und öffnen und schließen die Einlass- bzw. Auslassventile 19 und 20.
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Die Einlass- und Auslass-WTs 32 und 42 ändern Ventileinstellungen bzw. -steuerzeiten der Einlass- bzw. Auslassventile 19 und 20. Beispielsweise weist die Einlass-WT 32 eine vorbestimmte angetriebene Welle auf, die koaxial mit der Einlassnockenwelle 31 angeordnet ist und direkt durch die Kurbelwelle angetrieben wird, und ändert eine Phasendifferenz zwischen der angetriebenen Welle und der Einlassnockenwelle 31. Auf diese Weise wird der Zeitpunkt bzw. die Steuerzeit des Einlassventils 19 durch Ändern der Phasendifferenz zwischen der Kurbelwelle und der Einlassnockenwelle 31 geändert. Dies ist für die Auslass-VVT42 ähnlich.
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Zu speziellen Beispielen für die spezifische Konfiguration der Einlass- und Auslass-WTs 32 und 42 gehören: ein hydraulischer Mechanismus, der mit einer Mehrzahl von Flüssigkeitskammern gebildet ist, die in einer Umfangsrichtung zwischen der angetriebenen Welle und der Einlassnockenwelle 31 oder der Auslassnockenwelle 41 ausgerichtet sind, und zum Ändern der Phasendifferenz durch Erzeugen einer Druckdifferenz unter den Flüssigkeitskammern dient; und ein elektromagnetischer Mechanismus, der mit einem Elektromagneten zwischen der angetriebenen Welle und der Einlassnockenwelle 31 oder der Auslassnockenwelle 41 angeordnet ist, und zum Ändern der Phasendifferenz durch Anlegen einer Leistung an den Elektromagneten dient. Die Einlass- und Auslass-VVTs 32 und 42 ändern die Phasendifferenzen basierend auf Sollventilzeitpunkten bzw. -steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile 19 und 20, die jeweils durch die ECU 2 berechnet werden.
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Bei dieser Ausführungsform ändern die Einlass- und Auslass-VVTs 32 und 42 Öffnungszeitpunkte (entsprechend dem in 7 gezeigten Öffnungsstartzeitpunkt) und Schließzeitpunkte der Einlass- bzw. Auslassventile 19 und 20, während sie Offen-Zeiträume und Hübe (d.h. Ventilprofile) der Einlass- bzw. Auslassventile 19 und 20 stabil halten.
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Bei dieser Ausführungsform bedeuten die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Einlass- und Auslassventile 19 und 20, wie es in 7 gezeigt ist, den Zeitpunkt des Ventils, zu dem der Hub des Ventils in einer Hubkurve des Ventils stark ansteigt oder fällt, beispielsweise einen Zeitpunkt mit dem Hub von näherungsweise 0,4 mm.
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Konfiguration des Einlasssystems
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Wie es in 1 gezeigt ist, sind die Einlassöffnungen 17 jedes Zylinders 12 des Motorkörpers 1 mit jedem der unabhängigen Durchlässe 3 verbunden. Obere Enden der unabhängigen Durchlässe 3 sind mit einem Ausgleichs- bzw. Ausdehnungsbehälter 3a verbunden. Der Ausgleichsbehälter 3a ist mit einem Luftreiniger bzw. -filter 3e über einen stromabwärtigen gemeinsamen Einlassdurchgang 3b und einen stromaufwärtigen gemeinsamen Einlassdurchgang 3d verbunden. Ein Drosselkörper 3c, der ein Drosselventil aufnimmt bzw. in sich unterbringt, ist zwischen den beiden gemeinsamen Einlassdurchgängen 3b und 3d angeordnet, und ein Luftschlauch 3f, der als ein Lufteinlass dient, ist an dem Luftfilter 3e vorgesehen.
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Wie es später beschrieben wird, werden bei dieser Ausführungsform eine Rohrlänge und ein Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder ein Volumen des Einlasssystems (von dem Luftfilter 3e zu den Einlassöffnungen 17) eingestellt bzw. angepasst, um in einem mittler bei dem bzw. der eine Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils 19 bewirkt wird, im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt.
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Wie es später beschrieben wird, wird bei dieser Ausführungsform ferner eine Länge jedes unabhängigen Einlassdurchgangs 3 eingestellt bzw. angepasst, um in einem hohen Motordrehzahlbereich einen Einlass- bzw. Ansaugträgheitseffekt basierend auf einer Überdruckwelle zu erhalten, die durch Invertieren bzw. Umkehren einer Unterdruckwelle der Ansaugluft in dem Ausgleichsbehälter 3a erhalten wird, wobei die Unterdruckwelle durch Öffnen des Einlassventils 19 erzeugt wird.
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Konfiguration des Auslasssystems
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Wie es in 1 bis 3 gezeigt ist, enthält der Auslasskrümmer 5 von stromaufwärts drei unabhängige Auslassdurchgänge 52 und ein Sammelrohr 50, das mit stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge 52 verbunden ist und wo das Abgas, das durch die jeweiligen unabhängigen Auslassdurchgänge 52 verläuft, einströmt und sich sammelt. Das Sammelrohr 50 weist auf seiner Achse von stromaufwärts gesehen einen sich verjüngenden Teil 56, von dem ein Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin kleiner ist, einen geraden Teil 57, der sich stromabwärts erstreckt, während er den Strömungsdurchgangsbereich an einem stromabwärtigen Ende des sich verjüngenden Teils 56 (dem kleinsten Strömungsdurchgangsbereich des Sammelrohrs 50) stabil hält, und einen Zerstäuber- bzw. Diffusorteil 58 auf, von dem ein Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin größer ist. Bei dieser Ausführungsform weist der sich verjüngende Teil 56 eine invertierte Trapezoidkegelform mit kleinerem Durchmesser nach stromabwärts hin auf, und der Diffusorteil 58 weist eine Trapezoidkegelform mit größerem Durchmesser nach stromabwärts hin auf.
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Jeder unabhängige Auslassdurchgang 52 ist mit den Auslassöffnungen 18 jedes Zylinders 12 verbunden. Genauer gesagt sind bei dieser Ausführungsform von bei den vier Zylindern 12 die Auslassöffnungen 18 des ersten Zylinders 12a mit einem einzelnen bzw. einzigen unabhängigen Auslassdurchgang 52a verbunden, und die Auslassöffnungen 18 des vierten Zylinders 12d sind mit einem einzelnen bzw. einzigen unabhängigen Auslassdurchgang 52d verbunden. Andererseits sind die Auslassöffnungen 18 des zweiten und des dritten Zylinders 12b und 12c, die nicht kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, mit einem gemeinsamen einzelnen bzw. einzigen unabhängigen Auslassdurchgang 52b verbunden. Genauer gesagt ist ein stromaufwärtiger Abschnitt des unabhängigen Auslassdurchgangs 52b, der mit den Auslassöffnungen 18 des zweiten und des dritten Zylinders 12b und 12c verbunden ist, in zwei Durchgänge geteilt, und einer der Durchgänge ist mit den Auslassöffnungen 18 des zweiten Zylinders 12b verbunden und der andere Durchgang ist mit den Auslassöffnungen 18 des dritten Zylinders 12c verbunden.
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Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der unabhängige Auslassdurchgang 52b für den zweiten und den dritten Zylinder 12b und 12c zu dem sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 an einer Position zwischen dem zweiten und dem dritten Zylinder 12b und 12c, mit anderen Worten an einer Position gegenüberliegend bzw. entgegensetzt zu der Mitte des Motors 1 in der zylinderausgerichteten Richtung. Andererseits erstrecken sich der unabhängige Auslassdurchgang 52a für den ersten Zylinder 12a und der unabhängige Auslassdurchgang 52d für den vierten Zylinder 12d zu dem sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 hin, während sie sich von Position gegenüberliegend bzw. entgegensetzt zu dem ersten bzw. dem vierten Zylinder 12a und 12d krümmen.
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Die unabhängigen Auslassdurchgänge 52a, 52b und 52d sind voneinander unabhängig, und das Abgas, das aus dem ersten Zylinder 12a ausgestoßen wird, das Abgas, das aus dem zweiten Zylinder 12b oder dem dritten Zylinder 12c ausgestoßen wird, und das Abgas, das aus dem vierten Zylinder 12d ausgestoßen wird, verläuft unabhängig durch die unabhängigen Auslassdurchgänge 52a, 52b und 52d nach stromabwärts hin und wird in den sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 von den stromabwärtigen Enden der unabhängigen Auslassdurchgänge 52a, 52b bzw. 52d ausgestoßen.
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Ein stromabwärtiger Endabschnitt jedes unabhängigen Auslassdurchgangs 52 ist ein sich verjüngender Abschnitt mit einem kleineren Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin. Auf diese Weise ist eine Strömungsrate des Abgases, wenn es aus dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 zu dem Sammelrohr ausgestoßen wird, höher als eine Strömungsrate des Abgasstroms in dem unabhängigen Auslassdurchgang 52 zu dem sich verjüngenden Abschnitt, und das Abgas wird in den sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 von dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 mit einer hohen Rate ausgestoßen.
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Wie es in 4 gezeigt ist, weist bei dieser Ausführungsform jeder unabhängige Auslassdurchgang 52 einen kleineren Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin auf, und zwar von seinem stromaufwärtigen Abschnitt aus, der einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt (virtuelle Linie) aufweist, und das stromabwärtige Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 weist einen im Wesentlichen kuchenförmigen (Kuchenstück) Querschnitt mit im Wesentlichen einem Drittel (1/3) des Strömungsdurchgangsbereichs des stromaufwärtigen Teils auf. Wie es in 5 gezeigt ist, sind ferner die stromabwärtigen Endabschnitte der unabhängigen Auslassdurchgänge 52 so gebündelt, dass die kuchenförmigen stromabwärtigen Enden sich ansammeln und einen im Wesentlichen insgesamt kreisförmigen Querschnitt bilden, und sie sind mit dem stromaufwärtigen Ende des sich verjüngenden Teils 56 des Sammelrohrs 50 verbunden (siehe 1 bis 3).
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Bei solch einer Konfiguration wird, wenn das durch den unabhängigen Auslassdurchgang 52 geleitete Abgas mit einer hohen Rate in das Sammelrohr 50 ausgestoßen wird, ein Unterdruck in dem Sammelrohr 50 erzeugt, und durch diesen Unterdruck wird ein Ejektor- bzw. Ausstoßeffekt erzielt, bei dem das Abgas im Inneren eines anderen unabhängigen Auslassdurchgangs 52 angrenzend an bzw. benachbart zu dem unabhängigen Auslassdurchgang, aus dem das Abgas ausgestoßen wird, oder im Inneren der Auslassöffnungen 18 des Zylinders, die mit dem anderen unabhängigen Auslassdurchgang 52 kommunizieren, nach stromabwärts hin herausgesaugt.
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Um den Ausstoßeffekt zu verbessern, ist der sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 so gebildet, dass er einen kleineren Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin aufweist. Somit strömt das Abgas, das aus dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 in den sich verjüngenden Teil 56 ausgestoßen wird, stromabwärts durch den sich verjüngenden Teil 56 und den geraden Teil 57, während es die hohe Strömungsrate beibehält, und daher nimmt der Unterdruck, der in dem Sammelrohr 50 erzeugt wird, zu (insbesondere von dem sich verjüngenden Teil 56 zu dem geraden Teil 57). Bei dieser Ausführungsform ist der Strömungsdurchgangsbereich an dem stromabwärtigen Ende des sich verjüngenden Teils 56 (d.h. dem kleinsten Strömungsdurchgangsbereich des Sammelrohrs 50, gleich wie der bzw. bei dem Strömungsdurchgangsbereich des geraden Teils 57) kleiner festgelegt als ein Gesamtströmungsdurchgangsbereich der stromabwärtigen Enden der Mehrzahl unabhängiger Auslassdurchgänge 52, um die Strömungsrate des Abgases, das durch den sich verjüngenden Teil 56 und den geraden Teil 57 des Sammelrohrs 50 strömt, weiter zu erhöhen.
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Das Abgas, das von dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 in den sich verjüngenden Teil 56 ausgestoßen wird, verläuft mit einer hohen Rate durch den sich verjüngenden Teil 56 und den geraden Teil 57, und somit erhöht sich der Unterdruck, der von dem sich verjüngenden Teil 56 zu dem geraden Teil 57 hin erzeugt wird (d.h. der Abgasdruck sinkt), und eine Abgastemperatur sinkt. Somit kann ein Wärmeabgabebetrag bzw. -menge des Abgases nach außen in dem sich verjüngenden Teil 57 und dem geraden Teil 57 gesenkt werden. Die beeinflusst auf vorteilhafte Weise die Aktivierung eines Katalysators (später beschrieben). Ferner strömt das Abgas, das durch den geraden Teil 57 verläuft, in den Diffusorteil 58, der einen größeren Strömungsdurchgangsbereich nach stromabwärts hin aufweist, und somit wird das Abgas zwar in seiner Strömungsrate verringert, aber der Druck und die Temperatur davon erholen sich bzw. werden wieder hergestellt, und es strömt in die Katalysatorvorrichtung 6, nachdem es zu dem Hochdruck- und Hochtemperaturzustand zurückgekehrt ist.
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Die Katalysatorvorrichtung 6 reinigt das aus dem Motorkörper 1 ausgestoßene Abgas. Die Katalysatorvorrichtung 6 enthält einen Katalysatorkörper 64 mit einer Funktion des Reinigens des Abgases, das gefährliche Bestandteile enthält, und ein Gehäuse 62 zum Aufnehmen des Katalysatorkörpers 64. Das Gehäuse 62 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, die sich parallel zu der Strömungsrichtung des Abgases erstreckt. Der Katalysatorkörper 64 enthält beispielsweise einen Dreiwegekatalysator und weist eine Dreiwegekatalysatorfunktion auf, die HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid), NOx (Stickoxid) durch Oxidation oder Reduktion simultan bzw. gleichzeitig unter einer Atmosphäre bei einem theoretischen (stöchiometrischen) Luft-KraftstoffGemisch entfernen kann.
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Der Katalysatorkörper 64 ist in einem Teil breiten Durchmessers in der Mitte des Gehäuses 62 in der Abgasströmungsrichtung aufgenommen. Ein vorbestimmter Raum ist in einem stromaufwärtigen Ende des Gehäuses 62 gebildet. Ein stromabwärtiges Ende des Diffusorteils 58 des Sammelrohrs 50 ist mit dem stromaufwärtigen Ende des Gehäuses 62 verbunden. Das aus dem Diffusorteil 58 ausgestoßene Abgas strömt in das stromaufwärtige Ende des Gehäuses 62 und bewegt sich dann weiter zu dem Katalysatorkörper 64 hin. Wie es oben beschrieben ist, ist das Abgas, das durch den Diffusorteil 58 des Sammelrohrs 50 verläuft, wieder in dem Hochdruch- und Hochtemperaturzustand. Daher strömt das Abgas mit einer relativ hohen Temperatur in den Katalysatorkörper 64 und somit wird der Katalysatorkörper 64 schnell aktiviert, und ein gut aktivierter Zustand des Katalysatorkörpers 64 wird beibehalten.
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Eigenschaften dieser Ausführungsform
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Wie es in 8 gezeigt ist, ist bei dieser Ausführungsform ein Betriebsbereich, wo eine Motordrehzahl unter einer vorbestimmten ersten Motordrehzahl Ne1 ist, als ein niedriger Motordrehzahlbereich (i) festgelegt, ein Betriebsbereich, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl Ne1 und einer vorbestimmten zweiten Motordrehzahl Ne2 ist, die höher ist als die erste Motordrehzahl Ne1, ist als ein mittlerer Motordrehzahlbereich (ii) festgelegt, und ein Betriebsbereich, wo die Motordrehzahl über der zweiten Motordrehzahl Ne2 ist, ist als ein hoher Motordrehzahlbereich (iii) festgelegt.
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Beispielsweise liegt die erste Motordrehzahl Ne1 zwischen näherungsweise 2700 und näherungsweise 2800 rpm, und die zweite Motordrehzahl Ne2 liegt zwischen näherungsweise 3800 und näherungsweise 4000 rpm.
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Ausstoßeffekt in niedrigem Motordrehzahlbereich
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Die ECU 2 steuert bzw. regelt die Einlass- und Auslass-WTs 32 und 42 des Einlass- und Auslassventiltriebmechanismuses 30 und 40 so, dass zumindest innerhalb des niedrigen Motordrehzahlbereichs (i) Offen-Zeiträume bzw. Öffnungszeiträume der Einlass- und Auslassventile jedes Zylinders 12 einen vorbestimmten Überlappungszeitraum aufweisen, und der Überlappungszeitraum eines der Zylinder 12, die kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, mit dem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils des anderen Zylinders 12 überlappt.
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Wie es in 6 gezeigt ist, werden ferner in dem niedrigen Motordrehzahlbereich (i) die Einlass- und Auslass-WTs 32 und 42 so gesteuert bzw. geregelt, dass der Offen-Zeitraum jedes Auslassventils 20 des Zylinders 12 mit dem Offen-Zeitraum jedes Einlassventils 19 über einem oberen Einlasstotpunkt (Einlass-TDC; TDC = top dead center) überlappt, und während eines Überlappungszeitraums T_O/L eines der Zylinder 12, die kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind (der vorhergehende Zylinder), beginnt sich das Auslassventil 20 des anderen Zylinders 12 (der nachfolgende Zylinder) zu öffnen. Beispielsweise werden die Einlass- und Auslass-WTs 32 und 42 so von der ECU 2 gesteuert bzw. geregelt, dass sich das Auslassventil 20 des dritten Zylinders 12c in dem Zeitraum öffnet, in dem das Auslassventil 20 und das Einlassventil 19 des ersten Zylinders 12a überlappen, sich das Auslassventil 20 des vierten Zylinders 12d in dem Zeitraum öffent, in dem das Auslassventil 20 und das Einlassventil 19 des dritten Zylinders 12c überlappen, sich das Auslassventil 20 des zweiten Zylinders 12b in dem Zeitraum öffnet, in dem sich das Auslassventil 20 und das Einlassventil 19 des vierten Zylinders 12d überlappen, und sich das Auslassventil 20 des ersten Zylinders 12a in dem Zeitraum öffnet, in dem das Auslassventil 20 und das Einlassventil 19 des zweiten Zylinders 12b überlappen.
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Da das Auslassventil 20 des Zylinders 12 bei dem Auslasshub (Auslasshubzylinder) geöffnet wird und Blowdown- bzw. Vorauslassgas aus dem Auslasshubzylinder 12 in den sich verjüngenden Teil 56 des Sammelrohrs 50 mit einer hohen Rate durch den unabhängigen Auslassdurchgang 52 ausgestoßen wird, wird der Unterdruck in der Auslassöffnung 18 des Auslasshubzylinders 12 während des Überlappungszeitraums T_O/L durch den Ausstoßeffekt erzeugt. Daher verteilt sich der Ausstoßeffekt nicht nur auf die Auslassöffnung 18 des Zylinders 12 bei dem Auslasshub (Auslasshubzylinder) während des Überlappungszeitraums T_O/L, sondern auch auf die Einlassöffnung 17 des Einlasshubzylinders 12, und somit wird das Spülen des Einlasshubzylinders 12 während des Überlappungszeitraums T_O/L erleichtert.
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Wie es durch die unterbrochene Linie in 9 angegeben ist, kann im Ergebnis zumindest in dem niedrigen Motordrehzahlbereich (i) der volumetrische Wirkungsgrad (ηV) des Mehrzylindermotors dieser Ausführungsform verbessert werden und ferner sein Drehmoment durch den Ausstoßeffekt erhöht werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein Abstand von einer Sitzposition des Auslassventils 20 innerhalb der Auslassöffnung 18 des Zylinders 12 zu dem stromabwärtigen Ende des unabhängigen Auslassdurchgangs 52 auf näherungsweise 500 mm oder kürzer festgelegt. Da der Abstand von dort, wo das Abgas aus dem Zylinder 12 ausgestoßen wird, bis dort, wo es in das Sammelrohr 50 strömt, gerade mal näherungsweise 500 mm oder kürzer ist, wird auf diese Weise die Strömungsrate des Abgases beim Strömen in das Sammelrohr 50 relativ hoch und der in dem Sammelrohr 50 erzeugte Unterdruck wird relativ hoch, und somit wird der Ausstoßeffekt effektiver ausgeübt.
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Einlassresonanzeffekt in mittlerem Motordrehzahlbereich
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Als nächstes wird in dem mittleren Motordrehzahlbereich (ii) die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder das Volumen des Einlasssystems so eingestellt bzw. angepasst, dass eine erzwungene Induktion bzw. Ansaugung der Ansaugluft durch den Einlassresonanzeffekt durchgeführt wird. Genauer gesagt ist der Einlassresonanzeffekt ein Phänomen, bei dem die Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils 19 bewirkt wird, mit der Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt und eine Ansaugluftdruckvibration erzeugt, und die erzwungene Induktion der Ansaugluft wird durch die Ansaugluftdruckvibration erzeugt.
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Durch Inübereinstimmungbringen bzw. Abgleichen (Synchronisieren) der Resonanzfrequenz des Einlasssystems mit dem Öffnen-und-Schließen-Zyklus des Einlassventils 19 des Motors kann der Einlassresonanzeffekt in einem gewünschten Motordrehzahlbereich erhalten werden. Bei dieser Ausführungsform sind die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder das Volumen des Einlasssystems so festgelegt, dass ein Synchronisierungszeitpunkt der Ansaugluftresonanz, bei dem bzw. der die Vibrationsfrequenz, die durch das Öffnen und Schließen des Einlassventils 19 bewirkt wird, im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz des Einlasssystems übereinstimmt, das vom dem Luftfilter 3a zu den Einlassöffnungen 17 ist, in dem mittleren Motordrehzahlbereich auftritt (enthalten) ist, wo die Motordrehzahl zwischen der ersten Motordrehzahl Ne1 und der zweiten Motordrehzahl Ne2 liegt. Auf diese Weise wird die erzwungene Induktion der Ansaugluft in dem mittleren Motordrehzahlbereich durch die Ansaugluftdruckvibration durchgeführt, die durch den Einlassresonanzeffekt verursacht wird.
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Wie es durch die durchgezogene Linie in 9 angegeben ist, kann im Ergebnis in dem mittleren Motordrehzahlbereich (ii) der volumetrische Wirkungsgrad des Mehrzylindermotors dieser Ausführungsform verbessert werden und ferner sein Drehmoment durch den Einlassresonanzeffekt erhöht werden.
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Bei dieser Ausführungsform enthält das Einlasssystem, von der Seite des Motorkörpers 1 aus, die Einlassöffnungen 17, die unabhängigen Einlassdurchgänge 3, den Ausgleichsbehälter 3a, den stromabwärtigen gemeinsamen Einlassdurchgang 3b, den Drosselkörper 3c, dem stromaufwärtigen gemeinsamen Einlassdurchgang 3d und den Luftfilter 3e. Daher bedeuten die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder das Volumen des Einlasssystems eine Gesamtrohrlänge und einen Gesamtrohrdurchmesser der Teile, oder ein Gesamtvolumen der Teile. Dabei kann der Luftfilter 3e einen Luftschlauch 3f aufweisen. In diesem Fall enthalten bzw. umfassen die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser des Einlasssystems, oder das Volumen des Einlasssystems eine Rohrlänge und einen Rohrdurchmesser des Luftschlauchs 3f oder das Volumen des Luftschlauchs 3f.
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Bei dieser Ausführungsform wird das Volumen des Luftfilters 3e auf relativ gering verringert, um das Volumen des gesamten Einlasssystems zu verringern. Auf diese Weise synchronisiert sich die Resonanzfrequenz des Einlasssystems mit dem Öffnen-und-Schließen-Zyklus des Einlassventils 19 in dem mittleren Motordrehzahlbereich (ii). Durch Verringern des Volumens des Luftfilters 3e können die folgenden sekundären Effekte erzielt werden, anders als dass der Einlassresonanzeffekt in dem mittleren Motordrehzahlbereich (ii) erreicht wird: Ein Layout der anderen Komponenten bzw. Bauteile in dem Motorraum wird einfacher; und ein Spalt mit einer Motorhaube zum Schutz von Fußgängern kann sichergestellt werden.
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Zum Einstellen des Volumens des Einlasssystems können die folgenden Verfahren angewandt werden, die andere sind als das Erhöhen/Verringern der Einstellung des Volumens des Luftfilters 3e: Erhöhen/Verringern der Einstellung des Volumens des Ausgleichsbehälters 3a; Erhöhen/Verringern der Einstellung der Rohrlängen und der Rohrdurchmesser der gemeinsamen Einlassdurchgänge (Drosselhälse) 3b und 3d; Erhöhen/Verringern der Einstellung der Rohrlänge und des Rohrdurchmessers des Luftschlauchs 3f; Erhöhen/Verringern der Einstellung der Rohrlänge und des Rohrdurchmessers jedes unabhängigen Einlassdurchgangs 3; und Erhöhen/Verringern der Einstellung des Volumens jeder Einlassöffnung 17. Ferner ist es zudem effektiv, einen Resonator in bzw. an einer Position näher an dem Motorkörper 1 als dem Luftfilter 3e bereitzustellen. Da das Volumen des Ausgleichsbehälters 3a und die Rohrlängen und Rohrdurchmesser des unabhängigen Einlassdurchgangs 3 und der Einlassöffnung 17 den Einlassträgheitseffekt in dem hohen Motordrehzahlbereich (iii) beeinflussen (als nächstes beschrieben), wenn diese Werte im Hinblick auf den Einlassresonanzeffekt abgestimmt bzw. eingestellt werden, wird ein Synchronisierungszeitpunkt des Einlassträgheitseffekts verändert und daher besteht die Möglichkeit, dass der Einlassträgheitseffekt nicht effektiv innerhalb des gewünschten Motordrehzahlbereichs (iii) ausgeübt werden kann. Im Hinblick darauf ist das Erhöhen/Verringern der Einstellung des Volumens des Luftfilters 3e bevorzugt, da es den Einlassträgheitseffekt in dem hohen Motordrehzahlbereich (iii) nicht beeinflusst.
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Einlassträgheitseffekt in hohem Motordrehzahlbereich
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Als nächstes wird in dem hohen Motordrehzahlbereich (iii) die Länge jedes unabhängigen Einlassdurchgangs 3 so eingestellt, dass die erzwungene Induktion der Ansaugluft durch den Einlassträgheitseffekt durchgeführt wird. Genauer gesagt ist der Einlassresonanzeffekt ein Phänomen, bei dem die Überdruckwelle durch Invertieren bzw. Umkehren der Unterdruckwelle der Ansaugluft in dem Ausgleichsbehälter 3a erhalten wird, und die erzwungene Induktion der Ansaugluft wird dadurch durchgeführt, dass die Überdruckwelle die Einlassöffnung 17 erreicht, während das Einlassventil geöffnet ist, wobei die Unterdruckwelle durch Öffnen des Einlassventils 19 erzeugt wird.
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Durch Inübereinstimmungbringen bzw. Abgleichen (Synchronisieren) der Länge der Einlassöffnungen 17 zu dem unabhängigen Einlassdurchgang 3 mit dem Öffnen-und-Schließen-Zyklus des Einlassventils 19 des Motors kann der Einlassträgheitseffekt in dem gewünschten Motordrehzahlbereich erhalten werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Länge des unabhängigen Einlassdurchgangs 3 so festgelegt, dass der Einlassträgheitseffektbasierend basierend auf der Überdruckwelle, die durch Invertieren bzw. Umkehren der durch Öffnen des Einlassventils 19 erzeugten Unterdruckwelle in dem Ausgleichsbehälter 3a erhalten wird, in dem hohen Motordrehzahlbereich erhalten wird, wo die Motordrehzahl über der zweiten Drehzahl Ne2 liegt. Auf diese Weise erreicht die Überdruckwelle, die durch den Einlassträgheitseffekt erzeugt wird, die Einlassöffnung 17, während das Einlassventil 19 geöffnet ist, und die erzwungene Induktion der Ansaugluft wird in dem hohen Motordrehzahlbereich durchgeführt.
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Wie es durch die Strichpunktlinie in 9 angegeben ist, kann im Ergebnis in dem hohen Motordrehzahlbereich (iii) der volumetrische Wirkungsgrad des Mehrzylindermotors dieser Ausführungsform verbessert werden und ferner sein Drehmoment durch den Einlassträgheitseffekt erhöht werden.
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Wie oben beschrieben werden die Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrads und ferner die Abnahme des Drehmoments über die Motordrehzahlbereiche von dem niedrigen Motordrehzahlbereich (i) zu dem hohen Motordrehzahlbereich (iii) unterbunden. Somit weist der Mehrzylindermotor gemäß dieser Ausführungsform keinen Drehmomentstoß beim Beschleunigen auf, verursacht geringes Unbehagen und weist einen exzellenten Kraftstoffverbrauch auf.
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Betriebe
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Im Allgemeinen wird bei Mehrzylindermotorn mit einer Auslasssystemstruktur, mit der kein Ausstoßeffekt erzielt werden kann, eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads in einem niedrigen Motordrehzahlbereich beispielsweise durch einen Einlassresonanzeffekt versucht, und eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads in einem hohen Motordrehzahlbereich wird beispielsweise durch einen Einlassträgheitseffekt versucht.
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Hingegen kann bei dem Mehrzylindermotor dieser Ausführungsform, da das Auslasssystem die Struktur aufweist, mit welcher der Ausstoßeffekt erzielt werden kann, der volumetrische Wirkungsgrad in dem niedrigen Motordrehzahlbereich durch den Ausstoßeffekt verbessert werden. Dabei kooperieren in dem niedrigen Motordrehzahlbereich jedoch der Ausstoßeffekt und der Einlassresonanzeffekt, und wenn die beiden Effekte ausgeübt werden bzw. wirken, wird der volumetrische Wirkungsgrad exzessiv verbessert, eine große Differenz wird mit dem volumetrischen Wirkungsgrad des mittleren Motordrehzahlbereichs erzeugt und der Drehmomentstoß und das Unbehagen werden verursacht.
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Somit wird bei dieser Ausführungsform der volumetrische Wirkungsgrad durch den Ausstoßeffekt in dem niedrigen Motordrehzahlbereich, den Einlassresonazeffekt durch den mittleren Motordrehzahlbereich und den Einlassträgheitseffekt durch den hohen Motordrehzahlbereich verbessert. Daher gibt es keinen Motordrehzahlbereich, wo der volumetrische Wirkungsgrad übermäßig hoch oder niedrig ist, die Änderung des volumetrischen Wirkungsgrads wird über den großen Motordrehzahlbereich von dem niedrigen Motordrehzahlbereich zu dem hohen Motordrehzahlbereich geglättet bzw. reibungslos gemacht und ein großer Drehmomentbereich wird erzielt.
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Demonstrationstest
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Als ein Demonstrationstest wird bei der Einlass- und Auslassvorrichtung 100 des in 1 gezeigten Mehrzylindermotors die Änderung des volumetrischen Wirkungsgrads für Fälle überprüft, wo das Volumen des Ausgleichsbehälters 3a auf näherungsweise 2 Liter (L) festgelegt ist, die Motordrehzahl zwischen näherungsweise 1000 und näherungsweise 6000 rpm liegt und das Volumen des Luftfilters 3e näherungsweise 7L (schwarze Diamantmarkierung in 10), näherungsweise 5L (schwarze Dreiecksmarkierung in 10) und näherungsweise 2L (schwarze Kreismarkierung in 10) beträgt. Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt.
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Wie es aus 10 ersichtlich ist, wenn das Volumen des Luftfilters 3e verringert wird, und zwar in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm (mittlerer Motordrehzahlbereich), verbesserte sich der volumetrische Wirkungsgrad und kam nahe an 100%. In dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm hingegen (niedriger Motordrehzahlbereich), nahm der volumetrische Wirkungsgrad zwar ab, fiel aber nicht wesentlich unter 100%. Ferner blieb in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 4000 und näherungsweise 5500 rpm (hoher Motordrehzahlbereich) ungeachtet des Volumens des Luftfilters 3e der volumetrische Wirkungsgrad über 100%. Ferner blieb in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 1400 und näherungsweise 2200 rpm (niedriger Motordrehzahlbereich) ungeachtet des Volumens des Luftfilters 3e der volumetrische Wirkungsgrad nahezu oder über 100%.
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Somit wird erstens davon ausgegangen, dass in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 1400 und näherungsweise 2700 rpm (niedriger Motordrehzahlbereich) der verbesserte Zustand des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Ausstoßeffekt erhalten bleibt, ohne durch die Volumenänderung des Luftfilters 3e beeinflusst zu werden. Ferner wird davon ausgegangen, dass in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 4000 und näherungsweise 5500 rpm (hoher Motordrehzahlbereich) der verbesserte Zustand des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Einlassträgheitseffekt erhalten bleibt, ohne durch die Volumenänderung des Luftfilters 3e beeinflusst zu werden.
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Andererseits wurde hinsichtlich des Einlassresonanzeffekts, wenn das Volumen des Luftfilters 3e näherungsweise 7L ist, das Volumen des Auslasssystems relativ groß und es wird davon ausgegangen, dass die sich mit der Resonanzfrequenz des Einlasssystems synchronisierende Motordrehzahl in dem Motordrehzahlbereich von gerade mal zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm auftrat. Mit anderen Worten trat die Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Einlassresonanzeffekt nicht in dem anvisierten Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm auf, sondern trat in dem niedrigeren Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm auf. In diesem Fall kann man die Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrads in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm sehen, und die exzessive Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Ausstoßeffekt und den Einlassresonanzeffekt kann man in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm sehen. Im Ergebnis variiert der volumetrische Wirkungsgrad zwischen dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm und dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm und verursacht daher eine Verstärkung des Drehmomentstoßes und des Unbehagens beim Beschleunigen und Bergauffahren. Beim Schalten aus dem Motordrehzahlbereich zwischen 2500 und 2700 rpm in den Motordrehzahlbereich zwischen 3000 und 3700 rpm, tritt ein Fahrer, da das Drehmoment abnimmt, im Allgemeinen das Gaspedal stark und verursacht eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs.
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Wenn das Volumen des Luftfilters 3e jedoch näherungsweise 2L beträgt, wird das Volumen des Einlasssystems relativ gering und es wird davon ausgegangen, dass die sich mit der Resonanzfrequenz des Einlasssystems synchronisierende Motordrehzahl zu einer höheren Frequenz verschob und in dem anvisierten Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm auftrat. Im Ergebnis verbesserte sich der volumetrische Wirkungsgrad in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 3000 und näherungsweise 3700 rpm, wo der volumetrische Wirkungsgrad zwischen der Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Ausstoßeffekt und der Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads durch den Einlassträgheitseffekt in dem Fall des Volumens von näherungsweise 7L abnahm, und der volumetrische Wirkungsgrad nahm in dem Motordrehzahlbereich zwischen näherungsweise 2500 und näherungsweise 2700 rpm ab, wo sich der volumetrische Wirkungsgrad durch den Ausstoßeffekt und den Einlassresonanzeffekt in dem Fall des Volumens von näherungsweise 7L verbesserte. Insgesamt wird die Änderung der volumetrischen Wirkungsgrade über den großen Motordrehzahlbereich von dem niedrigen Motordrehzahlbereich zu dem hohen Motordrehzahlbereich geglättet bzw. reibungsloser gemacht, und der große Drehmomentbereich wird erreicht. Im Ergebnis wird ein Mehrzylindermotor realisiert, der einen geringen Drehmomentstoß und geringes Unbehagen beim Beschleunigen und Bergauffahren und einen exzellenten Kraftstoffverbrauch aufweist.
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Modifikationen dieser Ausführungsform
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Das Sammelrohr 50 kann nur den sich verjüngenden Teil 56 mit dem sich verschmälernden Strömungsdurchgangsbereich aufweisen (kein gerader Teil 57 und Diffusorteil 58) oder kann nur den geraden Teil 57 und den Diffusorteil 58 mit dem sich verbreiternden Strömungsdurchgangsbereich aufweisen (kein sich verjüngender Teil 56). Durch Verwenden des Sammelrohrs 50 mit solch einer Konfiguration kann auch der Ausstoßeffekt ausreichend erzielt werden. In dem Fall des Verkürzens des Produktdesigns des Sammelrohrs 50 auf Grund von beispielsweise Beschränkungen hinsichtlich des Layouts kann das Sammelrohr 50 nur den sich verjüngenden Teil 56 aufweisen oder kann eine Form aufweisen, die den sich verjüngenden Teil 56 direkt mit dem Diffusorteil 58 durch eine glatte, kurvige Fläche verbindet, und zwar ohne den geraden Teil 57.
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Zusätzlich können das Bereitstellen des Überlappungszeitraums T_O/L zwischen dem Einlassventil 19 und dem Auslassventil 19 und die Steuerung bzw. Regelung des Überlappens des Überlappungszeitraums T_O/L eines der Zylinder 12, die kontinuierlich bzw. zusammenhängend in der Auslassreihenfolge sind, mit dem Auslassventilöffnungszeitraum des anderen Zylinders 12 in einem Bereich relativ hoher Last des niedrigen Motordrehzahlbereichs (i) durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 3
- unabhängiger Einlassdurchgang
- 3a
- Ausdehnungs- bzw. Ausgleichsbehälter
- 3b
- stromabwärtiger gemeinsamer Einlassdurchgang
- 3c
- Drosselkörper
- 3d
- stromaufwärtiger gemeinsamer Einlassdurchgang
- 3e
- Luftreiniger bzw. -filter
- 3f
- Luftschlauch
- 12
- Zylinder
- 17
- Ansaug- bzw. Einlassöffnung
- 18
- Auslassöffnung
- 19
- Einlassventil
- 20
- Auslassventil
- 30
- Einlassventiltriebmechanismus
- 32
- Einlass-WT
- 40
- Auslassventiltriebmechanismus
- 42
- Auslass-VVT
- 50
- Sammelrohr
- 52
- unabhängiger Auslassdurchgang
- 56
- sich verjüngender Teil
- 100
- Einlass- und Auslassvorrichtung
- Ne1
- erste Motordrehzahl
- Ne2
- zweite Motordrehzahl
- i
- niedriger Motordrehzahlbereich
- ii
- mittlerer Motordrehzahlbereich
- iii
- hoher Motordrehzahlbereich
