DE112011102771B4

DE112011102771B4 - Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor

Info

Publication number: DE112011102771B4
Application number: DE112011102771.0T
Authority: DE
Inventors: Kouji Shishime; Junsou Sasaki; Hideki Omori
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-08-21
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: DE112011102771T5; US20130152901A1; CN103080506B; CN103080506A; JP4993010B2; US8919303B2; WO2012026059A1; JP2012041899A

Abstract

Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird, wobei der Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von über 12 aufweist, umfassend:einen mit jeweiligen Auslasskanälen einzelner Zylinder verbundenen Abgaskrümmer;einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern einer Ventilöffnungszeit eines Auslassventils;ein Zündzeitsteuergerät zum Steuern von Zündzeitpunkten einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze; undeine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses,wobei der Abgaskrümmer aufweist: mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind; mehrere erste Sammlersegmente, die jeweils die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbinden; mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente jeweils verbunden sind; und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet,wobei in mindestens niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich hoher Last des Motors ein wirksames Verdichtungsverhältnis von der Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses auf einen Wert von über 10 eingestellt wird, wobei der Zündzeitpunkt von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT auf spät verstellt wird und die Ventilöffnungszeit des Auslassventils entsprechend der Motordrehzahl von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte geändert wird, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums eines Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, in dem die Ventilöffnungszeit und eine Ventilschließzeit des Einlass- und des Auslassventils mit dem Ventilhub von 0,3 mm festlegt sind, und dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders in mehreren Motordrehzahlbereichen erreichen,wobei die Beziehung zwischen einer Querschnittfläche S1 des abgezweigten Abgasdurchlasses, einer Querschnittfläche S2 des mittleren Abgasdurchlasses und einer Querschnittfläche S3 eines sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments befindlichen Abgasdurchlasses vorgegeben durch (S2/S1) < (S3/S2) festgelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor, der zum Beispiel in Kraftfahrzeugen eingebaut ist.
Technischer Hintergrund
Herkömmliche Fremdzündungsmotoren, deren Drehmoment durch Verwenden von Abgasdruckimpulsen verbessert wird, sind bekannt. Bei dieser Art von Motoren wird ein Ventilüberschneidungszeitraum, während dessen Einlass- und Auslassventile offen gehalten werden, festgelegt, und Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen werden veranlasst, während des Ventilüberschneidungszeitraums über einem Motorbetriebsbereich, in dem Drehmoment gesteigert werden sollte, einen Auslasskanal zu erreichen, was die Wirksamkeit des so genannten Scavenging-Vorgangs (Ausräumvorgangs) verbessert.
Die Patentschrift JP 3 678 861 B2 beschreibt zum Beispiel das veränderliche Auslegen von Phasen des Ventilüberschneidungszeitraums, und der Zeitpunkt einer Unterdruckwelle wird so eingestellt, dass sie einen Auslasskanal während eines Ventilüberschneidungszeitraums erreicht.
Die Offenlegungsschrift JP 2010 - 084 530 A beschreibt ferner das Vorsehen eines Ventilöffnungszeit-Änderungsmittels, das eine Ventilöffnungszeit eines Auslassventils veränderbar macht, und das Steuern des Ventilöffnungszeit-Änderungsmittels entsprechend der Motordrehzahl, so dass Unterdruckwellen von Abgasdruckimpulsen einen Auslasskanal während eines Ventilüberscheidungszeitraums erreichen, wodurch die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs verbessert wird und das Drehmoment über einem breiten Drehzahlbereich des Motors verbessert wird.
Technisches Problem
Ein höheres Verdichtungsverhältnis ist beim Anheben eines Wärmewirkungsgrads des Motors zum Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit hilfreich. Fremdzündungsmotoren, bei denen Benzin oder ein Benzin enthaltender Kraftstoff verwendet wird, haben aber die folgenden Probleme, wenn sie bei einem hohen Verdichtungsverhältnis, wie etwa einem geometrischen Verdichtungsverhältnis von über 12, betrieben werden.
Bei Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis kann ein höherer Wärmewirkungsgrad des Motors die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern und eine mögliche Drehmomentsteigerung vorsehen. In Bereichen niedriger und mittlerer Drehzahlen tritt aber in einem Bereich hoher Motorlast leicht Klopfen auf. Um Klopfen zu reduzieren, kann das wirksame Verdichtungsverhältnis reduziert werden oder die Zündzeiten können signifikant auf spät verstellt werden. Diese Vorgehensweisen können auch bei Verwenden kein geeignet hohes Drehmoment sicherstellen. Dies bedeutet, dass kein ausreichend hohes Drehmoment aufgrund von Gegenmaßnahmen gegen Klopfen erhalten werden kann.
Die Druckschriften JP 3 678 861 B2 und JP 2010 - 084 530 A konzentrieren sich weder auf Gegenmaßnahmen, um ein Klopfen in einem Motor mit einem solchen hohen Verdichtungsverhältnis zu verhindern, noch auf die damit verbundenen Probleme.
Bezüglich der vorstehend beschriebenen Umstände besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor vorzusehen, mit dem ein Klopfen in wirksamer Weise in Bereichen niedriger und mittlerer Drehzahlen in einem Bereich hoher Last des Motors hohen Verdichtungsverhältnisses reduziert werden kann und ein hohes Drehmoment verwirklicht werden kann, indem das Verdichtungsverhältnis hoch gehalten wird.
Lösung des Problems
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Um die vorstehende Aufgabe zu verwirklichen, betrifft die vorliegende Erfindung einen Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird. Dieser Motor weist ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von mehr als 12 auf und umfasst einen Abgaskrümmer, der mit jeweiligen Auslasskanälen von einzelndern verbunden ist, einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern einer Ventilöffnungszeit eines Auslassventils, ein Zündzeitsteuergerät zum Steuern von Zündzeiten einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze und eine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses. Der Abgaskrümmer umfasst mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind, mehrere erste Sammlersegmente, wovon jedes die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbindet, mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die jeweils mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente verbunden sind, und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet. Zumindest in den niedrigen und hohen Drehzahlbereichen wird in einem Bereich hoher Last des Motors ein wirksames Verdichtungsverhältnis durch die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses so eingestellt, dass es einen Wert von über 10 aufweist, und die Zündzeitpunkte werden von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von MBT auf spät verstellt. Ferner wird in dem vorstehend erwähnten Motorbetriebsbereich die Ventilöffnungszeit des Auslassventils von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte entsprechend der Motordrehzahl geändert, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums eines Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, da die Ventilöffnungszeit und die Ventilschließzeit der Einlass- und Auslassventile mit dem Ventilhub von 0,3 mm festgelegt sind, und so dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen in mehreren Motordrehzahlbereichen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders erreichen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Bei dem Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor nach der vorliegenden Erfindung wird durch effektives Nutzen der Abgasdruckimpulse und dadurch Verbessern der Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs in den Bereichen niedriger und mittlerer Drehzahlen in dem Bereich hoher Last des Motors hohen Verdichtungsverhältnisses ein volumetrischer Einlasswirkungsgrads gesteigert und ein Spätverstellbetrag der Zündzeitpunkte reduziert, während das wirksame Verdichtungsverhältnis hoch gehalten wird. Dies macht es möglich, das Drehmoment signifikant zu steigern.
Figurenliste

1 ist eine schematische Draufsicht auf einen Motorkörper und einen Abgaskrümmer in einem Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
2 ist eine schematische Querschnittansicht des Motorkörpers.
3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Abgasanlage des Motors.
4 ist ein Diagramm, das Öffnungs-/Schließzeitpunkte eines Auslassventils und eines Einlassventils sowie Überschneidungszeiträume zeigt.
5 ist eine Ansicht, die Festlegungen einer Ventilöffnungszeit und einer Ventilschließzeit des Auslassventils und des Einlassventils veranschaulicht.
6 ist eine Ansicht zur Verwendung beim Beschreiben von Abgasinterferenz zwischen Zylindern, wobei (A) einen Fall eines herkömmlichen Abgaskrümmers darstellt, während (B) einen Fall eines Motorabgaskrümmers nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.
7 ist eine Ansicht zur Verwendung beim Beschreiben, wie sich eine Druckwelle zwischen dem Zylinder und dem zweiten Sammlersegment des Abgaskrümmers hin und her bewegt.
8 ist ein Graph, der eine an einem Auslasskanal des Zylinders erzeugte Druckänderung veranschaulicht.
9 sind Daten, die die Änderung eines volumetrischen Einlasswirkungsgrads als Funktion von verschiedenen Bereichen von Motordrehzahl für einen Fall eines herkömmlichen Abgaskrümmers und einen Fall des Motorabgaskrümmers nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform anzeigen.
10 ist eine Kennlinie, die die Änderung der Zeiten zeigt, bei denen sich die Auslass- und Einlassventile gemäß der Motordrehzahl öffnen und schließen.
11 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund einer sich zwischen einem Zylinder und einem Vorschalldämpfer hin- und herbewegenden Druckwelle zeigt.
12 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund einer sich zwischen einem Zylinder und einem Hauptschalldämpfer hin- und herbewegenden Druckwelle zeigt.
13 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund zum Beispiel von Abgasdruckimpulsen bei einer Motordrehzahl von 1.500 U/min. zeigt.
14 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund zum Beispiel von Abgasdruckimpulsen bei einer Motordrehzahl von 2.000 U/min. zeigt.
15 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund zum Beispiel von Abgasdruckimpulsen bei einer Motordrehzahl von 2.500 U/min. zeigt.
16 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund zum Beispiel von Abgasdruckimpulsen bei einer Motordrehzahl von 3.000 U/min. zeigt.
17 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung in dem Auslasskanal aufgrund zum Beispiel von Abgasdruckimpulsen bei einer Motordrehzahl von 5.000 U/min. zeigt.
18 ist eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen einer Motordrehzahl und einem Zündzeitpunkt für einen Motor mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis CR von 14 entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung und einen Motor mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis CR von 11 entsprechend einem Vergleichsbeispiel zeigt.
19 ist eine Ansicht, die eine Wirkung einer Drehmomentverbesserung veranschaulicht, die durch Verbessern des Scavenging-Vorgangs zum Steigern eines volumetrischen Wirkungsgrads und durch Verbessern der Reduzierung von Klopfen, um einen Spätverstellbetrag der Zündzeitpunkte zu reduzieren, für einen Motor mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis von 14 und einen Motor mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis von 11 erreicht wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezug auf die Zeichnungen wird eine Ausführungsform einer Auslassbaugruppe in einem Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt schematisch einen Motorkörper 1 und einen Abgaskrümmer 30 in dem Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt des Motorkörpers 1. Der erfindungsgemäße Motor ist ein Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die Benzin oder ein Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird. In dieser Ausführungsform ist dies ein Vierzylinder-Reihenmotor mit Fremdzündung. Im Einzelnen weist der Motorkörper 1 wie in 1 gezeigt vier Zylinder 2 auf: in der Reihenfolge von einer Seite einen ersten Zylinder 2a, einen zweiten Zylinder 2b, einen dritten Zylinder 2c und einen vierten Zylinder 2d.
Dieser Motor ist ein Viertaktmotor, bei dem in jedem Zylinder 2 ein Ansaugtakt, ein Verdichtungstakt, ein Arbeitstakt und ein Auspufftakt ausgeführt werden. Bei einem Vierzylindermotor wie dem in dieser Ausführungsform beschriebenen werden Fremdzündungen bei Intervallen von 180 Grad Kurbelwellendrehung in der Reihenfolge des ersten Zylinders 2a, des dritten Zylinders 2c, des vierten Zylinders 2d und des zweiten Zylinders 2b durchgeführt, und dadurch treten Takte, wie etwa die Auspufftakte, in dieser Reihenfolge auf.
Ferner weist dieser Motor ein hohes Verdichtungsverhältnis, d.h. ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von über 12, auf. Das geometrische Verdichtungsverhältnis wird aus dem Verhältnis des Brennraumvolumens mit dem Kolben an dem unteren Totpunkt zu dem Brennraumvolumen mit dem Kolben an dem oberen Totpunkt definiert.
Der Motorkörper 1 umfasst wie in 2 gezeigt einen Zylinderkopf 3 und einen Zylinderblock 4, in dem jeder Zylinder 2 vorgesehen ist. Der Zylinder 2 nimmt einen Kolben 5 auf, und ein Brennraum 6 ist über dem Kolben 5 ausgebildet.
Ein Einlasskanal 7 und ein Auslasskanal 8, die mit dem Brennraum 6 in Verbindung stehen, sind über jedem Zylinder 2 vorgesehen. Der Einlasskanal 7 ist ein Weg zum Einleiten von Luft in jeden Zylinder 2. Der Auslasskanal 8 lässt die Abgase aus jedem Zylinder 2 austreten. Das Öffnen und Schließen des Einlasskanals 7 wird durch ein Einlassventil 9 gesteuert. Das Öffnen und Schließen des Auslasskanals 8 wird durch ein Auslassventil 10 gesteuert. Weiterhin sind in jedem Zylinder 2 ein Kraftstoffeinspritzventil 11 zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 6 und eine Zündkerze 12, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum 6 zündet vorgesehen. Während das in 2 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 11 direkt in den Brennraum 6 einspritzt, kann es den Kraftstoff in den Einlasskanal 7 einspritzen.
Das Einlassventil 9 wird durch einen Einlassventil-Antriebsmechanismus 13 angetrieben. Das Auslassventil 10 wird durch einen Auslassventil-Antriebsmechanismus 16 angetrieben.
Der Einlassventil-Antriebsmechanismus 13 weist eine Einlassnockenwelle 14 und einen Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 auf. Das Einlassventil 9 öffnet und schließt durch die Drehung der Einlassnockenwelle 14 mit einem an der Einlassnockenwelle 14 montierten Einlassnocken. Der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 ermöglicht ein Ändern der Zeitpunkte des Öffnens und Schließens des Einlassventils 9. Dieser Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 stellt mittels des Abänderns der Zeitpunkte des Schließens des Einlassventils 9 ein wirksames Verdichtungsverhältnis ein und bildet eine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses. Es wird hinzugefügt, dass sich das wirksame Verdichtungsverhältnis aus dem Verhältnis des Brennraumvolumens bei geschlossenem Einlassventil zu dem Brennraumvolumen bei dem Kolben an dem oberen Totpunkt definiert.
Ferner weist der Auslassventil-Antriebsmechanismus 16 eine Auslassnockenwelle 17 und einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 auf. Das Auslassventil 10 öffnet und schließt durch die Drehung der Auslassnockenwelle 17 mit einem an der Auslassnockenwelle 17 montierten Auslassnocken. Der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 18 ermöglicht ein Ändern der Zeitpunkte des Öffnens und Schließens des Auslassventils 10.
Sowohl der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 als auch der Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 besteht in dieser Ausführungsform aus einem Phasenreglungsmechanismus für variable Ventilzeitpunkte. Der Phasenreglungsmechanismus für variable Ventilzeitpunkte ändert nicht die Dauer des Ventilöffnens und ändert die Zeitpunkte des Öffnens und Schließens desselben. Es sind verschiedene Strukturen des Mechanismus für variable Ventilzeitpunkte allgemein bekannt, und daher werden sie nicht eigens veranschaulicht und beschrieben. Zum Beispiel ist zwischen dem Nockenwellenrad und der Nockenwelle ein Element zum Verschieben des Phasenwinkels vorgesehen, worauf die Drehung der Nockenwelle durch Steuerriemen übertragen wird, um deren Drehung relativ zueinander zu ermöglichen. Dieses Element ist elektrisch oder hydraulisch angetrieben.
Der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 und der Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 werden durch ein mikrocomputer-basiertes Steuergerät 20 für Motorsteuerung gesteuert. Dieses Steuergerät 20 steuert durch einen Zündkreislauf 21 auch die Zeit, zu der die Zündkerze 12 zündet. Das Steuergerät 20 und der Zündkreislauf 21 bilden ein Zündzeitsteuergerät. Dem Steuergerät 20 wird von einem Drehzahlsensor 22, der eine Drehzahl des Motors detektiert, ein Signal geliefert. Ihm wird auch von einem Sensor, wie etwa einem nicht gezeigten Drosselklappensensor, der eine Last des Motors detektiert, ein Signal geliefert.
Der Abgaskrümmer 30 ist mit einer Seite des Motorkörpers 1 verbunden.
Der Abgaskrümmer 30 umfasst vier abgezweigte Abgasdurchlässe 31, die mit den jeweiligen Auslasskanälen 8 der einzelnen Zylinder 2 verbunden sind, zwei erste Sammlersegmente 32, die jeweils die abgezweigten Abgasdurchlässe 31 für die Zylinder verbinden, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, zwei mittlere Abgasdurchlässe 33, die jeweils mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente 32 verbunden sind, und ein einzelnes zweites Sammlersegment 34, das die mittleren Abgasdurchlässe 33 verbindet. Wie vorstehend beschrieben sind bei dem Vierzylindermotor, bei dem die Auspufftakte in der Reihenfolge des ersten Zylinders 2a, des dritten Zylinders 2c, des vierten Zylinders 2d und des zweiten Zylinders 2b erfolgen, die abgezweigten Abgasdurchlässe 31, die mit den Auslasskanälen 8 des ersten Zylinders 2a und des vierten Zylinders 2d in Verbindung stehen, miteinander verbunden, und unter den vier abgezweigten Abgasdurchlässen 31, die mit den Auslasskanälen 8 der einzelnen Zylinder 2 verbunden sind, sind die abgezweigten Abgasdurchlässe 31, die mit den Auslasskanälen 8 des zweiten Zylinders 2b und des dritten Zylinders 2c in Verbindung stehen, miteinander verbunden, um die zwei ersten Sammlersegmente 32 und die zwei mittleren Abgasdurchlässe 33 stromabwärts davon zu bilden. Die zwei mittleren Abgasdurchlässe 33 sind an der stromabwärts befindlichen Seite derselben zu dem zweiten Sammlersegment 34 miteinander verbunden. Der stromabwärts befindliche Abschnitt des zweiten Sammlersegments 34 dient als einziger Abgasdurchlass 35.
Die Querschnittflächen dieser Durchlässe werden so festgelegt, dass eine Querschnittfläche S1 des einen abgezweigten Abgasdurchlasses 31, eine Querschnittfläche S2 des einen mittleren Abgasdurchlasses 33 und eine Querschnittfläche S3 des Abgasdurchlasses 35, der sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments 34 befindet, die durch (S2/S1) < (S3/S2) gegebene Beziehung erfüllen. Die radiale Erstreckung der Querschnittfläche S2 des mittleren Abgasdurchlasses 33 von der Querschnittfläche S1 des abgezweigten Abgasdurchlasses 31 ist mit anderen Worten relativ klein, und die radiale Erstreckung der Querschnittfläche S3 des Abgasdurchlasses 35, der sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments 34 befindet, von der Querschnittfläche S2 des mittleren Abgasdurchlasses 33 ist von viel größerer Erstreckung.
3 zeigt schematisch eine Abgasanlage, die den Abgaskrümmer 30 und stromabwärts desselben vorgesehene Komponenten umfasst. Wie in dieser Figur gezeigt ist der sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments 34 des Abgaskrümmers 30 befindliche Abgasdurchlass 35 mit einem motornah eingebauten Katalysator 36 verbunden, der wiederum stromabwärts davon mittels einer biegsamen Verbindung 37 mit einem Katalysator 38 verbunden ist. Der motornah eingebaute Katalysator 36 und der Katalysator 38 dienen zum Reinigen des Abgases und weisen ein hohles zylindrisches Gehäuse und einen in dem Durchlass, der durch das Gehäuse verläuft, angeordneten Katalysator auf.
Stromabwärts des Abgaskrümmers 30 sind ferner im Durchmesser vergrößerte Hohlräume vorgesehen, die jeweils darin einen Raum mit einem größeren Querschnitt des Abgasdurchlasses aufweisen. In dieser Ausführungsform bildet ein Vorschalldämpfer 41 einen stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum, und ein Hauptschalldämpfer 42 bildet einen stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum. Der Vorschalldämpfer 41 ist mit der stromabwärts befindlichen Seite des Katalysators 38 verbunden. Der Hauptschalldämpfer 42 ist durch ein Abgasrohr 43 mit einer vorbestimmten Länge mit der stromabwärts liegenden Seite des Vorschalldämpfers 41 verbunden. Wie später beschrieben wird, ist die Beziehung zwischen einer Durchlasslänge L1, die sich von jedem Zylinder 2 zu dem zweiten Sammlersegment 34 des Abgaskrümmers 30 erstreckt, und einer Durchlasslänge L2 von jedem Zylinder 2 zu dem Vorschalldämpfer 41 durch 3 * L1 < L2 < 4 * L1 vorgegeben festgelegt. Die Beziehung zwischen der Durchlasslänge L1 und einer Durchlasslänge L3 von jedem Zylinder 2 zu dem Hauptschalldämpfer 42 ist durch 5 * L1 < L3 < 7 * L1 vorgegeben festgelegt.
4 zeigt Öffnungs-/Schließzeitpunkte des Auslassventils 10 und des Einlassventils 9. In dieser Figur stellt EVO eine Ventilöffnungszeit des Auslassventils 10 dar, EVC stellt eine Ventilschließzeit des Auslassventils 10 dar, IVO stellt eine Ventilöffnungszeit des Einlassventils 9 dar und IVC stellt eine Ventilschließzeit des Einlassventils 9 dar. Ferner stellt OL einen Ventilüberschneidungszeitraum des Einlassventils 9 und des Auslassventils 10 dar. Wie in dieser Figur gezeigt kann jeder der Öffnungs-/Schließzeitpunkte des Auslassventils 10 und der Öffnungs-/Schließzeitpunkte des Einlassventils 9 zwischen den durch die durchgehenden Linien gezeigten Zeitpunkten und den durch die gestrichelten Linien gezeigten Zeitpunkten modifiziert werden.
In dieser Ausführungsform steuert das Steuergerät 20 den Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 und den Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 gemäß Betriebsbedingungen, wie etwa Motordrehzahl und Motorlast, was wiederum die Öffnungs-/Schließzeitpunkte des Auslassventils 10 und die Öffnungs-/Schließzeitpunkte des Einlassventils 9 steuert.
Insbesondere in niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich hoher Last (bei einer niedrigen/mittleren Drehzahl und Bedingungen hoher Last) des Motors wird die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9 so gesteuert, dass das wirksame Verdichtungsverhältnis höher als 10 wird. Weiterhin wird bei solchen Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und hoher Last des Motors der Ventilüberschneidungszeitraum OL einer vorbestimmten Dauer beibehalten, und die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 wird entsprechend der Motordrehzahl geändert, damit Unterdruckwellen von Abgasdruckimpulsen bei unterschiedlichen Motordrehzahlbereichen den Auslasskanal 8 eines vorgegebenen Zylinders 2 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL dieses Zylinders 2 erreichen.
Die Ventilöffnungszeiten IVO und EVO sowie die Ventilschließzeiten IVC und EVC des Einlassventils 9 und des Auslassventils 10 sind mit einem Ventilhub von 0,3 mm festgelegt. Der Ventilhub 0,3 mm entspricht der Höhe eines Anstiegs (einem Intervall, während dessen das Profil des Ventilhubs nahe den Ventilöffnungs-/schließpunkten eine allmähliche Neigung aufweist) in einem Ventilhubprofil, wie es in 5 gezeigt ist. Demgemäß befinden sich der Zeitraum, während dessen das Einlassventil 9 und das Auslassventil 10 geöffnet gehalten werden, und der Ventilüberschneidungszeitraum OL mit Ausnahme des Anstiegs innerhalb einer Dauer.
Bei niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich niedriger Last (bei einer niedrigen/mittleren Drehzahl und niedrigen Lastbedingungen) des Motors steuert das Steuergerät 20 die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9, um das wirksame Verdichtungsverhältnis relativ zu dem bei der niedrigen/mittleren Drehzahl und Bedingungen hoher Last zu senken. Die Steuerung wird mit anderen Worten ausgeführt, um das wirksame Verdichtungsverhältnis durch Spätverstellen der Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9 von dem unteren Einlasstotpunkt für Bedingungen niedriger Last viel stärker zu verringern als bei Bedingungen hoher Last, auch wenn IVC nach dem unteren Einlasstotpunkt kommt.
Wie vorstehend beschrieben steuert das Steuergerät 20 die Zeiten, zu denen das Einlassventil 9 und das Auslassventil 10 öffnen und schließen, und steuert auch die Zeit, zu der die Zündkerze 12 zündet. Bei der niedrigen/mittleren Drehzahl und Bedingungen hoher Last des Motors werden die Zündzeitpunkte um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT (Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment) auf spät verstellt. Der vorbestimmte Betrag, wie er hierin verwendet wird, entspricht dem Gradbetrag, um den auf spät zu verstellen ist und bei dem ein Klopfen reduziert werden kann.
Es werden Arbeitsweisen der Motoren gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
Bei dem Motor gemäß dieser Ausführungsform weist der Abgaskrümmer 30 eine derart vorteilhafte Konfiguration auf, die verhindert, dass eine Abgasinterferenz zwischen den Zylindern die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs nachteilig beeinflusst, und die die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs dadurch steigert, dass ein Unterdruck von den Druckimpulsen den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL erreicht. Diese Wirkungen werden unter Bezug auf 6 bis 8 beschrieben.
6 ist eine Ansicht zur Verwendung beim Beschreiben von Abgasinterferenz zwischen den Zylindern, wobei 6 (A) einen Fall eines herkömmlichen Abgaskrümmers mit kurzen abgezweigten Abgasdurchlässen, die zu einem einzigen Sammlersegment verbunden sind (dessen Aufbau an der linken Seite schaubildlich gezeigt ist) darstellt, während 6 (B) einen Fall des Abgaskrümmers gemäß dieser Ausführungsform (dessen Aufbau an der linken Seite schaubildlich gezeigt ist) darstellt. Diese Figuren umfassen die Anzeige der Zeiten, zu denen das Auslassventil und das Einlassventil des ersten Zylinders öffnen und schließen, die Anzeige der Zeit, zu der das Auslassventil des dritten Zylinders öffnet und schließt. Ferner stellt eine gestrichelte Linie einen an dem Auslasskanal des dritten Zylinders infolge des Öffnens des Auslassventils dieses Zylinders erzeugten Druck dar.
Wie in diesen Figuren gezeigt wird an dem Auslasskanal aufgrund eines schnellen Entweichens der Abgase (so genanntes Abblasen) unmittelbar nach dem Öffnen des Auslassventils des dritten Zylinders ein hoher Überdruck erzeugt. Der erste Zylinder weist einen Ventilüberschneidungszeitraum OL auf, der kurz nach der Zeit beginnt, bei der das Auslassventil des dritten Zylinders öffnet. Die in dem dritten Zylinder erzeugte Überdruckwelle breitet sich zu anderen Zylindern aus. Der in 6 (A) gezeigte herkömmliche Abgaskrümmer weist einen kurzen Druckwellen-Ausbreitungsweg von dem dritten Zylinder zu dem ersten Zylinder auf. Somit erreicht die Überdruckwelle den Auslasskanal des ersten Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums OL dieses Zylinders, was den Scavenging-Vorgang insbesondere in niedrigen/mittleren Drehzahlbereichen von in etwa 2.000 U/min. oder 4.000 U/min. beeinträchtigt.
Bei dem Abgaskrümmer 30 nach dieser Ausführungsform, wie er in 6 (B) gezeigt ist, breitet sich dagegen die in dem dritten Zylinder 2c erzeugte Überdruckwelle durch den abgezweigten Abgasdurchlass 31 und den mittleren Abgasdurchlass 33, der sich von dem dritten Zylinder 2c zu dem zweiten Sammlersegment 34 erstreckt, und den mittleren Abgasdurchlass 33 und den abgezweigten Abgasdurchlass 31, der sich von dem zweiten Sammlersegment 34 zu dem ersten Zylinder 2a erstreckt, zu dem ersten Zylinder 2a aus. Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, liegt ein längerer Druckwellen-Ausbreitungsweg vor, was die Zeit verzögert, die die in dem dritten Zylinder 2c erzeugte Überdruckwelle zum Erreichen des Auslasskanals 8 des ersten Zylinders 2a benötigt. Die Überdruckwelle erreicht den Auslasskanal 8 des Zylinders 2a während des Ventilüberschneidungszeitraums OL des ersten Zylinders 2a selbst in niedrigen/mittleren Drehzahlbereichen von etwa 2.000 U/min. oder 4.000 U/min. nicht. Dies verhindert die Verschlechterung der Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs aufgrund der Abgasinterferenz.
Als Nächstes werden die Druckwellen, die auf den Auslasskanal 8 von den Abgasdruckimpulsen wirken, unter Bezug auf 7 und 8 beschrieben.
Eine große Überdruckwelle wird durch das Abblasen in jedem Zylinder 2 unmittelbar nach dem Öffnen des Auslassventils 10 erzeugt, was in dem Abgaskrümmer 30 Abgasdruckimpulse hervorruft. In diesem Fall ist in dem in 1 gezeigten Abgaskrümmer 30 die vorstehend erwähnte Beziehung (S2/S1) < (S3/S2) erfüllt. Somit werden die meisten Komponenten der Druckwelle nicht umgekehrt und treten durch das erste Sammlersegment 32, das die abgezweigten Abgasdurchlässe 31 für die Zylinder verbindet, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind. Die Druckwelle wird in dem zweiten Sammlersegment 34 umgekehrt und von diesem reflektiert. Dadurch bewegt sich die Druckwelle wie in 7 gezeigt zwischen dem Zylinder 2 und dem zweiten Sammlersegment 34 hin und her und der Druck wird in dem zweiten Sammlersegment 34 zwischen dem Überdruck und dem Unterdruck umgekehrt. Der Auslasskanal 8 erhält somit abwechselnd die Unterdruckwelle und die Überdruckwelle. Demgemäß erreichen die folgenden Druckwellen den Auslasskanal 8: Unterdruckwellen in dem ersten (1. Runde), dritten (3. Runde) und fünften (5. Runde) Ausbreitungsvorgang und Überdruckwellen in dem zweiten (2. Runde), vierten (4. Runde) und sechsten (6. Runde) Ausbreitungsvorgang. Der auf den Auslasskanal 8 wirkende Druck schwankt, wie in 8 gezeigt ist, und wird während des Hin- und Herbewegens der Druckwelle, während sie zwischen Unter- und Überdruck wechselt, allmählich gedämpft.
Die Unterdruckwelle aus solchen Abgasdruckimpulsen, die den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL erreicht, ermöglicht ein gutes Abgassaugen aus dem Zylinder 2, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Es versteht sich, dass eine Schwankung der Motordrehzahl zu einer Änderung der Zeitdauer zwischen dem Auftreten der Überdruckwelle unmittelbar nach Öffnen des Auslassventils und dem Ventilüberschneidungszeitraum führt, was die Zeit, bei der die Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 erreicht, relativ zu dem Ventilüberschneidungszeitraum OL ändert. Wenn die Durchlasslänge L1 von dem Zylinder 2 zu dem zweiten Sammlersegment 34 so festgelegt ist, dass zum Beispiel eine 1. Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Drehzahlbereich von etwa 5.000 U/min. erreicht, erreicht eine 3. Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Drehzahlbereich von etwa 2.500 bis 3.000 U/min. und eine 5. Unterdruckwelle erreicht den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Drehzahlbereich von etwa 1.500 bis 2.000 U/min. Dies kann die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch die Unterdruckwellen selbst in den niedrigen/mittleren Motordrehzahlbereichen verbessern. Der Abgaskrümmer 30 gemäß dieser Ausführungsform lässt solche Einstellungen zu.
Der herkömmliche Abgaskrümmer dagegen, der in 6 (A) schaubildlich gezeigt ist, weist zwischen dem Zylinder und dem Sammlersegment, durch das sich die Druckwelle in einem kurzen Zeitraum hin- und herbewegt, einen kurzen Weg auf. Die Druckwelle bewegt sich in den niedrigen/mittleren Motordrehzahlbereichen innerhalb der Dauer ab der Zeit, da die Überdruckwelle unmittelbar nach dem öffnen des Ausventils auftritt, bis zu dem Ventilüberschneidungszeitraum häufiger hin und her.
Dies führt zu einer signifikanten Dämpfung der Druckwelle, was die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch die Unterdruckwellen kaum verbessert.
9 zeigt Daten, die anzeigen, dass die Änderung des volumetrischen Einlasswirkungsgrads als Funktion von verschiedenen Bereichen von Motordrehzahl mit den Öffnungs-/Schließzeitpunkten des Einlass- und Auslassventils eingestellt wird, um in dem Fall, dass ein herkömmlicher Abgaskrümmer mit kurzen abgezweigten Abgasdurchlässen, die zu einem einzigen Sammlersegment verbunden sind (dessen Aufbau an der unteren rechten Seite schaubildlich gezeigt ist( und dem Fall des Abgaskrümmers gemäß dieser Ausführungsform (dessen Aufbau an der oberen rechten Seite schaubildlich gezeigt ist) einen gewissen großen Ventilüberschneidungszeitraum zu erreichen.
Wie in dieser Figur gezeigt beeinflusst bei dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Abgaskrümmer die Abgasinterferenz die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs über den niedrigen bis hohen Drehzahlbereichen wie vorstehend beschrieben nachteilig. Ferner trägt die Unterdruckwelle kaum dazu bei, die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern, wie vorstehend beschrieben ist. Sie weist daher einen geringeren volumetrischen Wirkungsgrad auf
Der Abgaskrümmer 30 nach dieser Ausführungsform kann dagegen eine Verschlechterung der Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch die Abgasinterferenz über den niedrigen bis hohen Drehzahlbereichen vermeiden, was zu einem höheren Wert des volumetrischen Wirkungsgrads führt. Weiterhin wirkt in bestimmten Drehzahlbereichen wie etwa 2.000 U/min, etwa 3500 U/min. und etwa 5000 U/min. die Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums OL auf den Auslasskanal 8, was die Wirksamkeit des Svavenging-Vorgangs verbessert.
Wenn die Zeit, bei der das Auslassventil 10 öffnet, und der Ventilüberschneidungszeitraum OL beide festgelegt sind, erreicht die Unterdruckwelle während des Überschneidungszeitraums OL nur in einem bestimmten Drehzahlbereich den Auslasskanal 8. Bei einem oder mehreren anderen Drehzahlbereichen als dem vorstehenden fällt die Zeit, bei der die Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 erreicht, nicht in den Ventilüberschneidungszeitraum OL. Bei dieser Ausführungsform kann dagegen die Zeit, bei der das Auslassventil 10 öffnet, entsprechend der Motordrehzahl geändert werden, die Unterdruckwelle erreicht den Auslasskanal 8 in vielen Drehzahlbereichen während des Ventilüberschneidungszeitraums OL.
Wie in 10 und Tabelle 1 gezeigt ist, werden die Zeiten, da das Auslassventil 10 öffnet und schließt, und die Zeiten, da das Einlassventil 9 öffnet und schließt, entsprechend der Motordrehzahl geändert. [Tabelle 1]

U/min. EVO EVC IVO IVC

1500 11 50 42 36

2000 39 22 42 36

2500 11 50 42 36

3000 24 37 42 36

3500 34 37 38 40

5000 49 12 26 52
Die vertikale Achse des in 10 gezeigten Graphen und die in der zweiten bis fünften Spalte von links in Tabelle 1 angezeigten Werte entsprechen: einem Kurbelwinkel vor dem unteren Totpunkt (BBDC) für die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10; einem Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (ATDC) für die Ventilschließzeit EVC des Auslassventils 10; einem Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt (BTDC) für die Ventilöffnungszeit IVO des Einlassventils 9; und einem Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt (ABDC) für die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9.
Die Beschreibung erfolgt gemäß 10 und Tabelle 1. Die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 wird bei der Motordrehzahl von 1.500 U/min., unter der die fünfte (5. Runde) Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 während des Ventilöffnungszeitraums OL erreicht, wie in der nachstehend beschriebenen 13 gezeigt ist, auf 11 Grad BBDC am stärksten auf spät verstellt. Dann wird die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 in einem Bereich zwischen 1500 U/min. und knapp über 2.000 U/min. allmählich auf früh verstellt, während die Motordrehzahl steigt. Das Abblasen, das die Erzeugung der Abgasdruckimpulse einleitet, tritt zu einer früheren Zeit auf, und die fünfte (5. Runde) Unterdruckwelle, die den Auslasskanal 8 in dem Ventilüberschneidungszeitraum OL erreicht, wird beibehalten. Wenn die Motordrehzahl 2.500 U/min. erreicht, wird die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 wieder auf 11 Grad BBDC spät verstellt. Dann erreicht die dritte (3. Runde) Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8, wie in der nachstehend beschriebenen 15 gezeigt ist. Die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 wird allmählich bei einer höheren Motordrehzahl als 2.500 U/min. auf früh verstellt, während die Motordrehzahl steigt. Die dritte (3. Runde) Unterdruckwelle, die den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Bereich zwischen 2.500 U/min. und etwa 4.000 U/min. erreicht, wird beibehalten.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, wird die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 entsprechend der Motordrehzahl in den niedrigen/mittleren Drehzahlbereichen geändert. Die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen werden so gesteuert, dass sie den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in zwei oder mehr Motordrehzahlbereichen erreichen.
Wenn die Motordrehzahl einen hohen Drehzahlbereich von etwa 4.000 U/min. oder höher erreicht, wird die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 bei einem weiter auf früh verstellten Punkt als die Ventilöffnungszeit EVO bei 4.000 U/min. gehalten, um eine große Menge an Abgasen auszulassen. Selbst wenn die Ventilöffnungszeit EVO des Auslassventils 10 bei einem weiter auf früh verstellten Punkt gehalten wird, erreicht die erste (1. Runde) Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL, wie in der nachstehend beschriebenen 17 gezeigt ist, bei einer Motordrehzahl von etwa 5.000 U/min.
Die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9 ist in einem Motordrehzahlbereich zwischen 1.500 U/min. und 3.000 U/min. konstant und wird bei 36 Grad ABDC eingestellt. Wenn die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9 bei diesem Betrag festgelegt ist, wird das wirksame Verdichtungsverhältnis bezüglich dem geometrischen Verdichtungsverhältnis nicht signifikant verringert und weist einen Wert von über 10 auf. Wenn die Motordrehzahl bei etwa 3.500 U/min. oder höher liegt, wird die Ventilschließzeit IVC des Einlassventils 9 allmählich auf spät verstellt, wenn die Motordrehzahl steigt.
In dieser Ausführungsform ist sowohl der Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 als auch der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 ein Phasenregelungsmechanismus der variablen Ventilzeitpunkte, so dass sich die Ventilschließzeit EVC des Auslassventils 10 als Funktion der Ventilöffnungszeit EVO ändert und sich die Ventilöffnungszeit IVO des Einlassventils 9 als Funktion der Ventilschließzeit IVC ändert.
In dieser Ausführungsform tragen der Vorschalldämpfer 41 und der in 3 gezeigte Hauptschalldämpfer 42 dazu bei, die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen innerhalb eines vorbestimmten Drehzahlbereichs zu verbessern.
Im Einzelnen wird die Druckwelle, die sich aus dem Abblasen ergibt, das unmittelbar nach dem Öffnen des Auslassventils 10 eintritt, in dem zweiten Sammlersegment 34 umgekehrt und davon reflektiert, wie vorstehend beschrieben wurde, um in dem Abgaskrümmer 30 die Druckimpulse zu erzeugen. Ein Teil der Druckwelle tritt durch das zweite Sammlersegment 34 und breitet sich zu der stromabwärts liegenden Seite des Abgaskrümmers 30 aus. Dann wird die Druckwelle in dem Vorschalldämpfer 41, der als der stromaufwärts befindliche, im Durchmesser vergrößerte Hohlraum dient, umgekehrt und davon reflektiert. Der Teil der Druckwelle, der den Vorschalldämpfer 41 erreicht, tritt durch den Vorschalldämpfer 41 und breitet sich weiter stromabwärts aus. Er wird in dem Hauptschalldämpfer 42, der als der stromabwärts befindliche, im Durchmesser vergrößerte Hohlraum dient, umgekehrt und davon reflektiert. Wie durch einen Pfeil in 3 angedeutet ist, gibt es mit anderen Worten neben der sich zwischen dem Zylinder 2 und dem zweiten Sammlersegment 34 des Abgaskrümmers 30 hin- und herbewegenden Druckwelle die sich zwischen dem Zylinder 2 und dem Vorschalldämpfer 41 hin- und herbewegenden Druckwelle und die sich zwischen dem Zylinder 2 und dem Hauptschalldämpfer 42 hin- und herbewegende Druckwelle.
Dann erreicht in einem vorbestimmten ersten Motordrehzahlbereich die in dem Hauptschalldämpfer 42 umgekehrte Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. In einem dritten Motordrehzahlbereich, der um einen vorbestimmten Betrag höher als der erste Motordrehzahlbereich ist, erreicht die in dem Vorschalldämpfer 41 umgekehrte Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. In einem zweiten Motordrehzahlbereich zwischen dem ersten Motordrehzahlbereich und dem dritten Motordrehzahlbereich sowie einem vierten Motordrehzahlbereich, der höher als der dritte Motordrehzahlbereich ist, erreicht die Unterdruckwelle von den Druckimpulsen in dem Abgaskrümmer 30 während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8.
Im Einzelnen wird die Durchlasslänge L2 von dem Zylinder 2 zu dem Vorschalldämpfer 41 so festgelegt, dass sie 3 * L1 < L2 < 4 * L1 erfüllt. Dies ermöglicht, dass die Zeit, bei der die in dem Vorschalldämpfer 41 umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 erreicht, nahe der Zeit wird, bei der die dritten bis vierten Druckwellen von dem Druckimpulsen in dem Abgaskrümmer 30 den Auslasskanal 8 erreichen. Weiterhin wird die Durchlasslänge L3 von dem Zylinder 2 zu dem Hauptschalldämpfer 42 so festgelegt, dass sie 5 * L1 < L3 < 7 * L1 erfüllt. Dies ermöglicht, dass die Zeit, bei der die in dem Hauptschalldämpfer 42 umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal 8 erreicht, nahe der Zeit wird, bei der die fünften bis sechsten Druckwellen von den Druckimpulsen in dem Abgaskrümmer 30 den Auslasskanal 8 erreichen.
Durch Festlegen in dieser Weise erreicht die in dem Vorschalldämpfer 41 umgekehrte Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Motordrehzahlbereich von etwa 2.500 U/min. (dritter Motordrehzahlbereich) den Auslasskanal 8, wie in 11 und 15 gezeigt ist, und die in dem Hauptschalldämpfer 42 umgekehrte Unterdruckwelle erreicht während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in einem Motordrehzahlbereich von etwa 1.500 U/min. (erster Motordrehzahlbereich) den Auslasskanal 8, wie in 12 und 13 gezeigt ist.
11 zeigt einen durch die sich zwischen dem Zylinder 2 und dem Vorschalldämpfer 41 hin- und herbewegende Druckwelle an dem Auslasskanal 8 angelegten Druck für einen Fall, bei dem die Motordrehzahl 2.500 U/min. beträgt. 12 zeigt einen durch die sich zwischen dem Zylinder 2 und dem Hauptschalldämpfer 42 (siehe 3) hin- und herbewegende Druckwelle an dem Auslasskanal 8 angelegten Druck für einen Fall, bei dem die Motordrehzahl 1.500 U/min. beträgt. In diesen Figuren stellt die horizontale Achse einen Kurbelwinkel von dem oberen Totpunkt der Verdichtung dar, während die vertikale Achse einen Druck darstellt, der auf dem Atmosphärendruck als Bezugswert null beruht.
13 bis 17 zeigen jeweils eine Druckänderung in dem Auslasskanal 8, nachdem das Auslassventil 10 bei verschiedenen Motordrehzahlen öffnet. In diesen Figuren stellt die horizontale Achse einen Kurbelwinkel von dem oberen Totpunkt der Verdichtung dar, während die vertikale Achse einen Druck darstellt, der auf dem Atmosphärendruck als Bezugswert null beruht. Der Ventilüberschneidungszeitraum OL ist ferner in jeder Figur unten rechts angedeutet. In 13 bis 16 stellt bezüglich eines Teils der Wellenform, die die Druckänderung in dem Auslasskanal 8 darstellt, wobei sowohl eine durchgehende Linie als auch eine gestrichelte Linie vorhanden sind, die gestrichelte Linie die Druckänderung aufgrund nur der Druckimpulse in dem Abgaskrümmer 30 dar, und die durchgehende Linie stellt die Druckänderung dar, wobei die Wirkungen der in dem Hauptschalldämpfer 42 umgekehrten Unterdruckwelle und der in dem Vorschalldämpfer 41 umgekehrten Unterdruckwelle berücksichtigt sind.
Bei 1.500 U/min. erreicht, wie in 13 gezeigt, der Unterdruck in der 5. Runde während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. Der Unterdruck in der 6. Runde erreicht ebenfalls während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8, doch ist der Überdruck infolge des Hinzukommens der in dem Hauptschalldämpfer 42 umgekehrten Unterdruckwelle verringert. Eine nachteilige Wirkung durch den Überdruck in der 6. Runde ist reduziert, während der Unterdruck in der 5. Runde genutzt wird, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Bei 2.000 U/min. erreicht, wie in 14 gezeigt, der Unterdruck in der 5. Runde während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. Dieser Unterdruck wird genutzt, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Bei 2.500 U/min. erreicht, wie in 15 gezeigt, der Unterdruck in der 3. Runde während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. Der Überdruck in der 4. Runde erreicht ebenfalls während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8, doch ist der Überdruck infolge des Hinzukommens der in dem Vorschalldämpfer 41 umgekehrten Unterdruckwelle verringert. Eine nachteilige Wirkung durch den Überdruck in der 4. Runde ist reduziert, während der Unterdruck in der 3. Runde genutzt wird, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Bei 3.000 U/min. erreicht, wie in 16 gezeigt, der Unterdruck in der 3. Runde während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8, und dieser Unterdruck wird genutzt, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Bei 5.000 U/min. oder einer höheren Drehzahl erreicht, wie in 17 gezeigt, der Unterdruck in der 1. Runde während des Ventilüberschneidungszeitraums OL den Auslasskanal 8. Dieser Unterdruck wird genutzt, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
Auf diese Weise erreicht der Unterdruck während des Ventilüberschneidungszeitraums OL in verschiedenen Drehzahlbereichen den Auslasskanal 8, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern.
18 zeigt die Beziehung zwischen einer Motordrehzahl und Zündzeitpunkten für einen Motor hohen Verdichtungsverhältnisses, der ein geometrisches Verdichtungsverhältnis CR von 14 aufweist, und einen Motor, der ein geometrisches Verdichtungsverhältnis CR von 11 aufweist.
Wie in dieser Figur gezeigt ist, ist in einem niedrigen Motordrehzahlbereich der Zündzeitpunkt von dem MBT auf spät verstellt, um Klopfen zu vermeiden. Der Zündzeitpunkt wird weniger spät verstellt, wenn die Motordrehzahl steigt. Der Zündzeitpunkt wird bei dem Motor mit dem geometrischen Verdichtungsverhältnis CR von 11 um einen Bereich zwischen niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen um 0 (Zündzeitpunkt fällt mit MBT zusammen) auf spät verstellt. Bei Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis, die anfälliger für Motorklopfen sind, wird dagegen der Zündzeitpunkt stärker auf spät verstellt und wird auch in den mittleren oder hohen Drehzahlbereichen auf spät verstellt, auch wenn der Grad der Spätverstellung bei steigender Motordrehzahl klein wird.
19 zeigt die Beziehung zwischen Zündzeitpunkten und einem Motordrehmoment bei einem Motor hohen Verdichtungsverhältnisses, der ein geometrisches Verdichtungsverhältnis CR von 14 aufweist, und einem Motor, der ein geometrisches Verdichtungsverhältnis CR von 11 aufweist. Die durchgehende Linie steht für den Motor hohen Verdichtungsverhältnisses und die gestrichelte Linie steht für den Motor mit dem geometrischen Verdichtungsverhältnis CR von 11.
Wie in dieser Figur gezeigt ist, wird das Drehmoment hoch, wenn der Zündzeitpunkt nahe dem MBT auf früh verstellt wird. Wenn der Zündzeitpunkt auf spät verstellt wird, wird das Drehmoment demgemäß niedrig. Je größer der Grad der Spätverstellung des Zündzeitpunkts wird, desto stärker wird das Drehmoment reduziert.
Wenn der Motor hohen Verdichtungsverhältnisses die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs unter Verwenden des Unterdrucks von den Abgasdruckimpulsen wie in der vorstehenden Ausführungsform steigert, wird der volumetrische Wirkungsgrad erhöht. Dies führt verglichen mit einem Fall (dünne durchgehende Linie), bei dem die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs nicht unter Verwenden des Unterdrucks von den Abgasdruckimpulse verbessert wird, wie in der durchgehenden Linie gezeigt ist, zu einem höheren Drehmoment. Wenn weiterhin die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs in dem Motor hohen Verdichtungsverhältnisses nicht verbessert wird, werden die Zündzeitpunkte signifikant auf spät verstellt. Eine Verbesserung der Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs unter Verwenden des Unterdrucks von den Abgasdruckimpulsen führt dagegen aufgrund des Scavenging-Vorgangs zu einer Abnahme der Temperatur in einem Zylinder, was bezüglich einer Reduzierung von Klopfen vorteilhaft ist. Der Zündzeitpunkt kann somit um den/die entsprechenden Grad(e) auf früh (näher zu dem MBT) verstellt werden. Dies sieht auch ein höheres Drehmoment vor. Das Drehmoment kann mit anderen Worten mit einer synergetischen Wirkung der Drehmomentsteigerung als Reaktion auf einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad und der Drehmomentsteigerung infolge des Frühverstellens der Zündzeitpunkte signifikant erhöht werden, wobei das Klopfen durch den Scavenging-Vorgang reduziert wird.
Selbst bei einem Motor mit einem niedrigen geometrischen Verdichtungsverhältnis kann die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch Verwenden des Unterdrucks von den Abgasdruckimpulsen verbessert werden. Dies steigert das Drehmoment verglichen mit einem Fall, bei dem die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs nicht verbessert wird (dünne durchgehende Linie), wie mit einer dicken gestrichelten Linie gezeigt ist. Auch wenn die Zündzeitpunkte abhängig von der Reduzierung eines Klopfens durch den Scavenging-Vorgang auf früh verstellt werden können, sind die Zündzeitpunkte von Anfang an nicht stark spät verstellt. Dies bedeutet, dass der Betrag der Drehmomentsteigerung durch das Frühverstellen der Zündzeitpunkte relativ klein ist.
Bei dem Motor hohen Verdichtungsverhältnisses sollten die Zündzeitpunkte dagegen für gewöhnlich signifikant auf spät verstellt werden, um Klopfen zu verringern. Ein Verringern von Klopfen durch den Scavenging-Vorgang eliminiert in einem solchen Motor die Notwendigkeit der vorstehend erwähnten signifikanten Spätverstellung der Zündzeitpunkte. Folglich können die Zündzeitpunkte relativ früh verstellt werden und der Betrag der Drehmomentsteigerung kann erhöht werden. Wie bei der durch einen Pfeil in 19 angedeuteten Drehmomentsteigerung kann das Drehmoment somit mehr gesteigert werden als in einem Fall, da in einem Motor mit einem niedrigen geometrischen Verdichtungsverhältnis ähnliche Maßnahmen ergriffen werden.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist und verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können.
Bei der vorstehenden Ausführungsform bestehen zum Beispiel der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte 15 und der Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte 18 aus einem Phasenregelungsmechanismus für variable Ventilzeitpunkte. Es kann aber ein solcher Mechanismus für variablen Ventilhub verwendet werden, der den Ventilhub sowie die Ventilöffnungszeit anpassen kann.
Bei der vorstehenden Ausführungsform werden weiterhin der Vorschalldämpfer 41 und der Hauptschalldämpfer 42 als die im Durchmesser vergrößerten Hohlräume verwendet, die stromabwärts des Abgaskrümmers 30 vorgesehen sind. Zusätzlich kann auch ein Nachschalldämpfer vorgesehen werden.
Abschließend werden der Aufbau und die Wirkungen der vorliegenden Erfindung gemäß der vorstehenden Ausführungsform beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird. Dieser Motor weist ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von höher als 12 auf und umfasst den Abgaskrümmer, der mit jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden ist, den Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern der Ventilöffnungszeit des Auslassventils, das Zündzeitsteuergerät zum Steuern der Zündzeitpunkte einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze und die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses. Der Abgaskrümmer umfasst mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind, mehrere erste Sammlersegmente, wovon jedes die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbindet, mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die jeweils mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente verbunden sind, und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet. Zumindest in den niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen wird in einem Bereich hoher Last des Motors das wirksame Verdichtungsverhältnis durch die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses so eingestellt, dass es einen Wert von über 10 aufweist, und die Zündzeitpunkte werden von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von MBT auf spät verstellt. Ferner wird in dem vorstehend erwähnten Motorbetriebsbereich die Ventilöffnungszeit des Auslassventils von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte entsprechend der Motordrehzahl geändert, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums des Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, da die Ventilöffnungszeit und die Ventilschließzeit der Einlass- und Auslassventile mit dem Ventilhub von 0,3 mm festgelegt sind, und so dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen in mehreren Motordrehzahlbereichen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Motor ein Motor hoher Verdichtung, der das geometrische Verdichtungsverhältnis von über 12 aufweist. Der Wärmewirkungsgrad des Motors ist damit erhöht und er ist bezüglich einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und der Drehmomentsteigerung vorteilhaft. Bei den Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und hoher Last des Motors wird das wirksame Verdichtungsverhältnis auf einen Wert von über 10 eingestellt, um bei dem Motor hohen Verdichtungsverhältnisses ein hohes Drehmoment sicherzustellen, während die Zündzeitpunkte um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT (Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment) auf spät verstellt werden, um Klopfen zu vermeiden.
Bei dem Abgaskrümmer, bei dem die abgezweigten Abgasdurchlässe der Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, zu den jeweiligen ersten Sammlersegmenten verbunden sind, und die sich stromabwärts der ersten Sammlersegmente befindlichen mittleren Abgasdurchlässe zu dem zweiten Sammlersegment verbunden sind, bewegt sich ferner die Druckwelle zwischen jedem Zylinder und dem zweiten Sammlersegment hin und her, um Abgasdruckimpulse zu erzeugen. Die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen erreichen den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums bei den Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und hoher Last des Motors, was die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs verbessert. Insbesondere wird die Ventilöffnungszeit des Auslassventils gemäß der Motordrehzahl geändert, so dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in zwei oder mehr Motordrehzahlbereichen erreichen, während ein vorbestimmter Betrag des Ventilüberschneidungszeitraums sichergestellt wird, was die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs in zwei oder mehr Drehzahlbereichen verbessert.
Weiterhin werden bei den Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und hoher Last des Motors die Abgasdruckimpulse wirksam verwendet, um die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs zu verbessern. Dies verbessert den volumetrischen Einlasswirkungsgrad. Zudem wird durch den Scavenging-Vorgang die Temperatur in dem Zylinder gesenkt, was bezüglich einer Reduzierung von Klopfen vorteilhaft ist. Dies beseitigt die Notwendigkeit des signifikanten Spätverstellens des Zündzeitpunkts von dem MBT, während das geometrische Verdichtungsverhältnis und das wirksame Verdichtungsverhältnis beibehalten werden.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, kann der Spätverstellbetrag des Zündzeitpunkts verringert werden, während bei den Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und hoher Last des Motors hohen Verdichtungsverhältnisses ein hohes wirksames Verdichtungsverhältnis beibehalten wird, was das Drehmoment signifikant erhöht. Ferner wird der volumetrische Einlasswirkungsgrad erhöht, was das Drehmoment weiter steigert.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Beziehung zwischen der Querschnittfläche S1 des abgezweigten Abgasdurchlasses, der Querschnittfläche S2 des mittleren Abgasdurchlasses und der Querschnittfläche S3 des sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments befindlichen Abgasdurchlasses vorgegeben durch (S2/S1) < (S3/S2) festgelegt ist.
Wenn die Abgasdruckimpulse in dem Abgaskrümmer erzeugt werden, ist es damit möglich, die Abgasdruckimpulse sicherzustellen, mit denen die meisten Komponenten der Druckwelle nicht umgekehrt werden und durch das erste Sammlersegment treten und die Druckwelle in dem zweiten Sammlersegment umgekehrt wird und sich die Druckwelle zwischen jedem Zylinder und dem zweiten Sammlersegment hin- und herbewegt.
Zudem ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass ein im Durchmesser vergrößerter Hohlraum stromabwärts des Abgaskrümmers vorgesehen ist, wobei der im Durchmesser vergrößerte Hohlraum darin einen Raum mit einem größeren Querschnitt aufweist. Die Position des im Durchmesser vergrößerten Hohlraums wird so ermittelt, dass die unmittelbar nach Öffnen des Auslassventils erzeugte Überdruckwelle in dem im Durchmesser vergrößerten Hohlraum zu einer Unterdruckwelle umgekehrt wird, und diese Unterdruckwelle während des Ventilüberschneidungszeitraums den Auslasskanal in einem vorbestimmten ersten Motordrehzahlbereich an einer Seite niedriger Motordrehzahl erreicht.
Dies ermöglicht es der sich zwischen dem Zylinder und dem im Durchmesser vergrößerten Hohlraum hin- und herbewegenden Druckwelle, die in dem Abgaskrümmer erzeugten Druckimpulse beim Beeinflussen des Auslasskanals während des Ventilüberschneidungszeitraums in einem vorbestimmten ersten Motordrehzahlbereich an einer Seite niedriger Motordrehzahl zu unterstützen, was die Wirksamkeit des Scavenging-Vorganges weiter verbessert.
Bei dem vorstehenden Aufbau ist es bevorzugter, dass mehrere im Durchmesser vergrößerte Hohlräume stromabwärts des Abgaskrümmers vorgesehen werden, wobei die im Durchmesser vergrößerten Hohlräume einen stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum und einen stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum, der sich stromabwärts davon befindet, aufweisen, und es ist bevorzugt, dass die in dem stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem ersten Motordrehzahlbereich erreicht, die in dem stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem dritten Motordrehzahlbereich erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag höher als der erste Motordrehzahlbereich ist, und die Unterdruckwelle von den Druckimpulsen in dem Abgaskrümmer den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem zweiten Motordrehzahlbereich zwischen dem ersten Motordrehzahlbereich und dem dritten Motordrehzahlbereich sowie dem vierten Motordrehzahlbereich, der höher als der dritte Motordrehzahlbereich ist, erreicht.
In dem ersten Motordrehzahlbereich unterstützt die Unterdruckwelle, die in dem stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrt wird, die in dem Abgaskrümmer erzeugten Druckimpulse dabei, den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem ersten Motordrehzahlbereich zu beeinflussen, und die in dem stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrte Unterdruckwelle unterstützt die in dem Abgaskrümmer erzeugten Druckimpulse beim Beeinflussen des Auslasskanals während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem dritten Motordrehzahlbereich. Dadurch kann die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs in jedem von erstem bis viertem Drehzahlbereich wirksam verbessert werden.
Bei dem vorstehenden Aufbau ist es bevorzugter, dass die Beziehung zwischen der Durchlasslänge L1, die sich von jedem Zylinder zu dem zweiten Sammlersegment des Abgaskrümmers erstreckt, und die Durchlasslänge L2 von jedem Zylinder zu dem stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum vorgegeben durch 3 * L1 < L2 < 4 * L1 festgelegt ist und dass die Beziehung zwischen der Durchlasslänge L1 und der Durchlasslänge L3 von jedem Zylinder zu dem stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum vorgegeben durch 5 * L1 < L3 < 7 * L1 festgelegt ist.
Dies verbessert die Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs in jedem von erstem bis viertem Drehzahlbereich in wirksamer Weise.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es ferner bevorzugt, dass die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses aus einem Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte gebildet ist, der es ermöglicht, die Ventilschließzeit des Einlassventils zu ändern. Dieser Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte ändert die Ventilschließzeit des Einlassventils, so dass das wirksame Verdichtungsverhältnis in niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich niedriger Last des Motors niedriger als das in dem Bereich hoher Last wird.
Dies ermöglicht eine Reduzierung des Pumpverlustes und eine Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei den Bedingungen niedriger/mittlerer Drehzahl und niedriger Last des Motors.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Ventilöffnungszeit des Auslassventils so eingestellt wird, dass die fünfte Unterdruckwelle von den Abgasdruckimpulsen den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums erreicht, wenn die Motordrehzahl bei 1.500 U/min. liegt.
Dies ermöglicht eine Verbesserung der Wirksamkeit des Scavenging-Vorgangs durch Verwenden der fünften (5. Runde) Unterdruckwelle von den Abgasdruckimpulsen in einem Drehzahlbereich um 1.500 U/min.
Bei dem vorstehenden Aufbau ist es bevorzugter, dass die Ventilöffnungszeit des Auslassventils bei Steigen der Motordrehzahl in einem Motordrehzahlbereich von 1.500 U/min. bis 2.000 U/min. allmählich auf früh verstellt wird.
Dies erlaubt es der fünften Unterdruckwelle, den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem Drehzahlbereich von 1.500 U/min. bis 2.000 U/min. kontinuierlich zu erreichen.
Bei dem vorstehenden Aufbau ist es bevorzugter, dass die Ventilöffnungszeit des Auslassventils für die Motordrehzahl von 2.500 U/min. verglichen mit der Ventilöffnungszeit für die Motordrehzahl von 2.000 U/min. auf spät verstellt wird und dass die Ventilöffnungszeit des Auslassventils bei Steigen der Motordrehzahl in einem Motordrehzahlbereich von 2.500 U/min. bis 4.000 U/min. allmählich auf früh verstellt wird.
Dies erlaubt es der dritten (3. Runde) Unterdruckwelle von den Abgasdruckimpulsen, den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem Drehzahlbereich von 2.500 U/min. bis 4.000 U/min. kontinuierlich zu erreichen.
Bei dem vorstehenden Aufbau ist es bevorzugter, dass die Ventilöffnungszeit des Auslassventil in einem Bereich hoher Motordrehzahl von über 4.000 U/min. verglichen mit der Ventilöffnungszeit für 4.000 U/min. auf früh verstellt gehalten wird.
Dies ermöglicht das Auslassen einer großen Menge an Abgasen in dem Motordrehzahlbereich von größer oder gleich 4.000 U/min. Ferner führt die Motordrehzahl von etwa 5.000 U/min. zu einem Zustand, in dem die erste (1. Runde) Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums erreicht.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses aus einem Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte besteht, der es ermöglicht, die Ventilschließzeit des Einlassventils zu ändern, und dass die Ventilschließzeit des Einlassventils bei einer festen Zeit gehalten wird, bei der das wirksame Verdichtungsverhältnis des Motors in einem Motodrehzahlbereich von 1.500 U/min. bis 3.000 U/min. 10 übersteigt.
Weiterhin wird die Ventilschließzeit des Einlassventils bei Steigen der Motordrehzahl allmählich auf spät verstellt, wenn die Motordrehzahl größer oder gleich 3.500 U/min. ist.
Bei diesen Aufbauarten kann die Ventilschließzeit des Einlassventils abhängig von der Motordrehzahl bei einer geeigneten Zeit festgelegt werden.

Claims

Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird, wobei der Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von über 12 aufweist, umfassend: einen mit jeweiligen Auslasskanälen einzelner Zylinder verbundenen Abgaskrümmer; einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern einer Ventilöffnungszeit eines Auslassventils; ein Zündzeitsteuergerät zum Steuern von Zündzeitpunkten einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze; und eine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses, wobei der Abgaskrümmer aufweist: mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind; mehrere erste Sammlersegmente, die jeweils die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbinden; mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente jeweils verbunden sind; und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet, wobei in mindestens niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich hoher Last des Motors ein wirksames Verdichtungsverhältnis von der Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses auf einen Wert von über 10 eingestellt wird, wobei der Zündzeitpunkt von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT auf spät verstellt wird und die Ventilöffnungszeit des Auslassventils entsprechend der Motordrehzahl von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte geändert wird, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums eines Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, in dem die Ventilöffnungszeit und eine Ventilschließzeit des Einlass- und des Auslassventils mit dem Ventilhub von 0,3 mm festlegt sind, und dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders in mehreren Motordrehzahlbereichen erreichen, wobei die Beziehung zwischen einer Querschnittfläche S1 des abgezweigten Abgasdurchlasses, einer Querschnittfläche S2 des mittleren Abgasdurchlasses und einer Querschnittfläche S3 eines sich stromabwärts des zweiten Sammlersegments befindlichen Abgasdurchlasses vorgegeben durch (S2/S1) < (S3/S2) festgelegt ist.
Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird, wobei der Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von über 12 aufweist, umfassend: einen mit jeweiligen Auslasskanälen einzelner Zylinder verbundenen Abgaskrümmer; einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern einer Ventilöffnungszeit eines Auslassventils; ein Zündzeitsteuergerät zum Steuern von Zündzeitpunkten einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze; und eine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses, wobei der Abgaskrümmer aufweist: mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind; mehrere erste Sammlersegmente, die jeweils die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbinden; mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente jeweils verbunden sind; und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet, wobei in mindestens niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich hoher Last des Motors ein wirksames Verdichtungsverhältnis von der Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses auf einen Wert von über 10 eingestellt wird, wobei der Zündzeitpunkt von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT auf spät verstellt wird und die Ventilöffnungszeit des Auslassventils entsprechend der Motordrehzahl von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte geändert wird, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums eines Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, in dem die Ventilöffnungszeit und eine Ventilschließzeit des Einlass- und des Auslassventils mit dem Ventilhub von 0,3 mm festlegt sind, und dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders in mehreren Motordrehzahlbereichen erreichen, wobei stromabwärts des Abgaskrümmers ein im Durchmesser vergrößerter Hohlraum vorgesehen ist, wobei der im Durchmesser vergrößerte Hohlraum darin einen Raum mit einem größeren Querschnitt aufweist, wobei die Position des im Durchmesser vergrößerten Hohlraums so ermittelt wird, dass eine unmittelbar nach dem Auslassventilöffnen erzeugte Überdruckwelle in dem im Durchmesser vergrößerten Hohlraum zu einer Unterdruckwelle umgekehrt wird und diese Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in einem vorbestimmten ersten Motordrehzahlbereich an einer Seite niedriger Motordrehzahl erreicht.
Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor nach Anspruch 2, wobei mehrere im Durchmesser vergrößerte Hohlräume stromabwärts des Abgaskrümmers vorgesehen sind, wobei die im Durchmesser vergrößerten Hohlräume einen stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum und einen stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum, der sich stromabwärts davon befindet, aufweisen, wobei die in dem stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem ersten Motordrehzahlbereich erreicht, wobei die in dem stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum umgekehrte Unterdruckwelle den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem dritten Motordrehzahlbereich erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag höher als der erste Motodrehzahlbereich ist, und wobei die Unterdruckwelle von den Druckimpulsen in dem Abgaskrümmer den Auslasskanal während des Ventilüberschneidungszeitraums in dem zweiten Motordrehzahlbereich zwischen dem ersten Motordrehzahlbereich und dem dritten Motordrehzahlbereich sowie dem vierten Motordrehzahlbereich, der höher als der dritte Motordrehzahlbereich ist, erreicht.
Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor nach Anspruch 3, wobei die Beziehung zwischen einer Durchlasslänge L1, die sich von jedem Zylinder zu dem zweiten Sammlersegment des Abgaskrümmers erstreckt, und einer Durchlasslänge L2 von jedem Zylinder zu dem stromaufwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum vorgegeben durch 3 * L1 < L2 < 4 * L1 festgelegt ist, und wobei die Beziehung zwischen der Durchlasslänge L1 und einer Durchlasslänge L3 von jedem Zylinder zu dem stromabwärts befindlichen, im Durchmesser vergrößerten Hohlraum vorgegeben durch 5 * L1 < L3 < 7 * L1 festgelegt ist.
Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor mit vier oder mehr Zylindern, in die ein mindestens Benzin enthaltender Kraftstoff eingespritzt wird, wobei der Mehrzylinder-Fremdzündungsmotor ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von über 12 aufweist, umfassend: einen mit jeweiligen Auslasskanälen einzelner Zylinder verbundenen Abgaskrümmer; einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte zum Ändern einer Ventilöffnungszeit eines Auslassventils; ein Zündzeitsteuergerät zum Steuern von Zündzeitpunkten einer in jedem Zylinder vorgesehenen Zündkerze; und eine Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses zum Einstellen eines wirksamen Verdichtungsverhältnisses, wobei der Abgaskrümmer aufweist: mehrere abgezweigte Abgasdurchlässe, die mit den jeweiligen Auslasskanälen der einzelnen Zylinder verbunden sind; mehrere erste Sammlersegmente, die jeweils die abgezweigten Abgasdurchlässe für die Zylinder, die in der Auslassreihenfolge nicht benachbart sind, verbinden; mehrere mittlere Abgasdurchlässe, die mit der stromabwärts befindlichen Seite der ersten Sammlersegmente jeweils verbunden sind; und ein zweites Sammlersegment, das die mittleren Abgasdurchlässe verbindet, wobei in mindestens niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich hoher Last des Motors ein wirksames Verdichtungsverhältnis von der Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses auf einen Wert von über 10 eingestellt wird, wobei der Zündzeitpunkt von dem Zündzeitsteuergerät um einen vorbestimmten Betrag von dem MBT auf spät verstellt wird und die Ventilöffnungszeit des Auslassventils entsprechend der Motordrehzahl von dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitpunkte geändert wird, so dass ein vorbestimmter Betrag eines Ventilüberschneidungszeitraums eines Einlassventils und des Auslassventils in einem Fall sichergestellt wird, in dem die Ventilöffnungszeit und eine Ventilschließzeit des Einlass- und des Auslassventils mit dem Ventilhub von 0,3 mm festlegt sind, und dass die Unterdruckwellen von den Abgasdruckimpulsen einen Auslasskanal eines Zylinders während des Ventilüberschneidungszeitraums dieses Zylinders in mehreren Motordrehzahlbereichen erreichen, wobei die Einstellvorrichtung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses aus einem Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte, der es ermöglicht, die Ventilschließzeit des Einlassventils zu ändern, gebildet ist, wobei der Mechanismus für variable Einlassventilzeitpunkte ausgelegt ist, um die Ventilschließzeit des Einlassventils zu ändern, so dass das wirksame Verdichtungsverhältnis in niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen in einem Bereich niedriger Last des Motors niedriger als das in dem Bereich hoher Last wird.