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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Verbesserung in einem Verbrennungsmotor und ein vorteilhaftes Hybrid-Antriebssystem für einen Motor eines Fahrzeugs usw.
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Stand der Technik
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Als Motoren für Fahrzeuge sind Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren bekannt. Ein Zweitaktmotor arbeitet mit einer Explosion pro Umdrehung einer Kurbelwelle, und ein Viertaktmotor arbeitet mit einer Explosion pro zwei Umdrehungen. Ein Sechstaktmotor dagegen, in dem ein Gaswechsel- und Ansaugtakt und ein Gaswechsel- und Ausstoßtakt nach den Hüben der Takte des Viertaktmotors hinzugefügt werden, ist ebenfalls bekannt, und diese Konstruktion führt zu einer Explosion pro drei Umdrehungen der Kurbelwelle. Die Patentliteratur 1 wie unten aufgeführt offenbart einen Sechstaktmotor, der einen Lufteinlasshub und einen Verdichtungshub enthält, bei denen Luft durch den Einlasshub in die Brennkammer geführt wird und dann im Übergang vom Ausstoßhub zum Einlasshub des vierten Takts verdichtet wird, so dass verdichtete Luft zu den anderen Zylindern in der zweiten Hälfte des Einlasshubs geführt wird.
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Vor dem Hintergrund steigender Kraftstoffpreise und Anstrengungen zur Verringerung des Kohlendioxidausstoßes als Maßnahme gegen Klimawechsel ist das Interesse an Hybridmotoren, die einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor kombinieren, gestiegen. Außerdem sind Systeme mit verringerter Umweltbelastung vorgeschlagen worden, wie Elektrofahrzeuge, Wasserstofffahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge usw.; diese Systeme sind aber mit Problemen verbunden, wie dem Bedarf einer langen Zeit zum Aufladen sowie hohem Bedarf für Infrastruktureinrichtungen zum Beschicken mit Wasserstoff.
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Die Patentliteratur 2 unten offenbart einen Sechstakt-Verbrennungsmotor, der eine Verbesserung im Kraftstoffverbrauch und eine Verringerung der Umweltbelastung verwirklicht. Dabei bewegt sich in einem Einlasshub ein Kolben in einem Zylinder nach unten, ein Einlassventil öffnet sich, und Luft wird in den Zylinder geführt. Im Zuführhub zur Verdichtungskammer bewegt sich der Kolben nach oben, ein Zuführventil öffnet sich, und verdichtete Luft wird in die Verdichtungskammer geführt. Im Verdichtungskammer-Ansaughub bewegt sich der Kolben abwärts und ein Ansaugventil wird geöffnet, und dadurch wird verdichtete Luft erneut aus der Verdichtungskammer in den Zylinder gesaugt. Die Mischungsmenge wird durch den Drosselmechanismus justiert. Danach werden die gleichen Vorgänge von Verdichtungshub, Verbrennungshub und Ausstoßhub wie im Viertakt-Verbrennungsmotor ausgeführt. Weitere herkömmliche Sechstaktmotoren sind aus Patentliteratur 3 und 4 bekannt.
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Zitatliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur Nr. 1: JP H02- 199 635 A
- Patentliteratur Nr. 2: JP 2010 - 31 705 A
- Patentliteratur Nr. 3: EP 2 053 214 A1
- Patentliteratur Nr. 4: WO 2013/ 002 411 A1
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Zusammenfassung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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In dem oben beschriebenen Verbrennungsmotor wie in Patentliteratur 2 beschrieben werden zwei Verdichtungstakte zu dem Viertakt-Verbrennungsmotor hinzugefügt, in einen Zylinder eingeführte Luft wird verdichtet und zu einer Verdichtungskammer geführt, und dann wird die Luft in der Verdichtungskammer in den Zylinder gesaugt und komprimiert, verbrannt, und ausgestoßen, und entsprechend wird ein technischer Effekt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und höherer Umweltfreundlichkeit erzielt. Aufgrund der sechs Takte ist der Abgasdruck im Niedergeschwindigkeitsbereich aber niedrig, und es ist vorteilhaft, wenn besserer Ausstoß möglich ist. Außerdem wird, wenn eine Verbesserung im Kraftstoffverbrauch, Verringerung der Umweltbelastung durch Abgas und Verbesserung der Motorleistung in PS oder des Drehmoments verwirklicht werden, dieses System vorteilhafter.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Punkte gemacht, und die Aufgabe ist, gute Abgasleistung auch bei einer Sechstaktkonstruktion zu erzielen. Ein weiteres Ziel ist, die PS-Leistung oder das Drehmoment im Hochdrehzahlbereich zu verbessern. Ein weiteres Ziel ist, einen Verbrennungsmotor und ein zugehöriges Hybrid-Antriebssystem mit hervorragender Eignung zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und Verringerung der Umweltbelastung zu erzielen.
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Mittel zum Lösen der Aufgaben
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Die Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 bzw. durch ein Hybrid-Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 oder 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Um die Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor vor, einschließlich einer Vorrichtung zum Öffnen und Schließen von Ventilen, wenn ein Kolben eine reziproke Bewegung in einem Zylinder ausführt, wobei, in dem Zylinder ein Einlassventil, ein Zuführventil, ein Ansaugventil und aus Ausstoßventil vorgesehen sind, eine Verdichtungskammer zwischen dem Zuführventil und dem Ansaugventil über einen ersten Drosselmechanismus für Flussregelung vorgesehen ist, um vom Zuführventil zugeführte verdichtete Luft temporär zu speichern, ein externer Turbolader, der eine im Niederdrehzahlbereich extern angetriebene und im Hochdrehzahlbereich durch den Druck von Abgas angetriebene Abgasturbine hat, zwischen dem Ausstoßventil und dem Ansaugventil über die Abgabeseite der extern angetriebenen Abgasturbine und einen zweiten Drosselmechanismus für Flussregelung vorgesehen ist, der erste Drosselmechanismus Flussregelung entsprechend einer Drehzahl im Niederdrehzahlbereich ausführt, und im Hochdrehzahlbereich auf einen Voll-Offen-Zustand schaltet, der zweite Drosselmechanismus im Niederdrehzahlbereich geschlossen ist und Flussregelung entsprechend einer Drehzahl im Hochdrehzahlbereich ausführt , und der Verbrennungsmotor wiederholt wie folgt betrieben wird:
- a. ein Einlasshub, bei dem, wenn sich der Kolben nach unten bewegt, das Einlassventil geöffnet wird und Außenluft in den Zylinder strömt,
- b. ein Zuführhub, bei dem, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, durch den Einlasshub in den Zylinder strömende Luft verdichtet wird, und durch Öffnen des Zuführventils in die Verdichtungskammer geführt wird,
- c. ein Ansaughub, bei dem, wenn sich der Kolben nach unten bewegt, das Ansaugventil in dem Zustand geöffnet wird, wo das Einlassventil geschlossen ist, und im Niederdrehzahlbereich eine Luft-Kraftstoff-Mischung im Inneren der Verdichtungskammer angesaugt wird, und im Hochdrehzahlbereich eine Mischung von Luft im Inneren der Verdichtungskammer, vom externen Turbolader zugeführte Druckluft und Kraftstoff angesaugt wird,
- d. ein Verdichtungshub, bei dem, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, eine durch den Ansaughub in den Zylinder gesaugte Mischung verdichtet wird,
- e. ein Verbrennungshub, bei dem die durch den Verdichtungshub verdichtete Mischung zur Verbrennung gebracht wird und durch die Explosion den Kolben nach unten drückt, und
- f. ein Ausstoßhub, in dem, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, das nach der Verbrennung durch den Verbrennungshub verbleibende Restgas aus dem Inneren des Zylinders durch Öffnen des Ausstoßventils ausgestoßen und zum externen Turbolader geführt wird.
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Gemäß der Erfindung ist alternativ anstelle des externen Turboladers eine Abgasturbine, die extern im Niederdrehzahlbereich angetrieben ist und die im Hochdrehzahlbereich durch Abgasdruck angetrieben ist, an der Ausstoßventilseite vorgesehen, und ist ein dritter Drosselmechanismus zur Zuführung von Außenluft im Hochdrehzahlbereich an der Ansaugventilseite vorgesehen, wobei der dritte Drosselmechanismus im Niederdrehzahlbereich in geschlossenem Zustand ist und Flussregelung entsprechend der Drehzahl im Hochdrehzahlbereich ausführt, und im Ansaughub, wenn sich der Kolben nach unten bewegt, das Ansaugventil in dem Zustand geöffnet wird, wo das Einlassventil geschlossen ist, und im Niederdrehzahlbereich eine Luft-Kraftstoff-Mischung aus dem Inneren der Verdichtungskammer durch den ersten Drosselmechanismus und einem Kraftstoffstutzen angesaugt wird, und im Hochdrehzahlbereich eine Luftmischung aus dem Inneren der Verdichtungskammer und von dem dritten Drosselmechanismus zugeführte Außenluft und Kraftstoff angesaugt wird, und im Ausstoßhub, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, das nach der Verbrennung durch den Verbrennungshub verbleibende Restgas aus dem Inneren des Zylinders durch Öffnen des Ausstoßventils ausgestoßen und zur extern angetriebenen Abgasturbine geführt wird.
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Vorzugsweise ist eine AGR-Vorrichtung vorgesehen, die einen Teil des durch den Ausstoßhub abgegebenen Abgases mit einer Luft-Kraftstoff-Mischung im Ansaughub mischt. Die AGR-Vorrichtung enthält vorzugsweise eine Umschaltvorrichtung, mittels der die AGR-Vorrichtung einen Teil des Abgases von der Ausstoßventilseite mit der Luft-Kraftstoff-Mischung im Niederdrehzahlbereich mischt, und einen Teil des Abgases von der externen Turboladerseite mit der Luft-Kraftstoff-Mischung im Hochdrehzahlbereich mischt, und wobei die Umschaltvorrichtung die Umschaltung im Zusammenhang mit den Öffnen- und Schließen-Vorgängen des ersten und zweiten Drosselmechanismus ausführt.
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Vorzugsweise sind die Durchmesser von Einlassventil und Zuführventil größer als die Durchmesser von Ausstoßventil und Ansaugventil. Vorzugsweise ist beim Öffnen und Schließen jedes Ventils in jedem der Hübe mittels einer Nocke die Form der Nocke so vorgegeben, dass verhindert wird, dass die Operationen des Einlasshubs und des Zuführhubs einander überlappen. Vorzugsweise ist ein mehrzylindriger Aufbau mit einer Mehrzahl der Zylinder vorgesehen, und werden die Verdichtungskammer und der externe Turbolader oder die extern angetriebene Abgasturbine von mehreren Zylindern gemeinsam verwendet.
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Ein Hybrid-Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hybridtyp unter Verwendung einer Kombination von dem vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, angetrieben durch elektrische Energie, die durch Treiben der extern angetriebenen Abgasturbine des Verbrennungsmotors erzeugt wird. Die oben beschriebenen und anderen Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden detaillierten Beschreibungen und begleitenden Zeichnungen geklärt.
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Auswirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein externer Turbolader oder eine Abgasturbine vorgesehen, so dass gute Abgasleistung bei niedriger Drehzahl möglich ist. Neben der durch die Verdichtungskammer erzeugten verdichteten Luft wird durch den externen Turbolader erzeugte Druckluft oder Außenluft zugeführt, so dass die Verbrennungseffizienz verbessert wird und die PS-Leistung oder das Drehmoment im Hochdrehzahlbereich verbessert werden können, der Kraftstoffverbrauch verbessert werden kann, und die Umweltbelastung verringert werden kann.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Zeichnung, die einen wichtigen Teil von Ausführung 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 sind Zeichnungen, die Beispiele für Ventildurchmesser und Strukturen der Drosselmechanismen in 1 zeigen.
- 3 sind Zeichnungen, die Situationen bei wesentlichen Hüben im Ausführung 1 zeigen.
- 4 sind Zeichnungen, die Situationen bei wesentlichen Hüben im Ausführung 1 zeigen.
- 5 sind Zeichnungen, die Beispiele für Nockenformen zeigen, und Beispiele für die Beziehung zwischen Nockenbewegung und Hüben sowie die Beziehung zwischen Nockenwinkel und Hubweg in Ausführung 1.
- 6 ist eine Zeichnung, die einen wichtigen Teil eines Steuergeräts in Ausführung 1 zeigt.
- 7 ist eine Zeichnung, die eine Betriebssituation im mittleren Geschwindigkeitsbereich im Ausführung 1 zeigt.
- 8 ist eine Zeichnung, die den Betrieb im hohen Geschwindigkeitsbereich im Ausführung 1 zeigen.
- 9 ist eine Kurve, die die Beziehungen zwischen der Kurbelwellendrehzahl und dem Grad der Drosselöffnung, die Motorleistung und den Ansaugstutzenausgang zeigt.
- 10 ist eine Zeichnung, die einen wichtigen Teil von Ausführung 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 11 ist eine Zeichnung, die ein Modifikation von Ausführung 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 12 ist eine Zeichnung, die einen wichtigen Teil von Ausführung 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 13 sind Diagramme, die Beispiele der Beziehungen von Takten unter den Zylindern zeigen, wenn Ausführungen mit einem mehrzylindrigen Aufbau ausgeführt werden.
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Beste Art der Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden wird die beste Art der Ausführung der vorliegenden Erfindung im Detail basierend auf Beispielen beschrieben.
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Ausführung 1
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Zuerst wird Ausführung 1 der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 1 bis 9 beschrieben. 1 zeigt einen wesentlichen Teil dieser Ausführung. Wie in der gleichen Figur gezeigt, sind für einen Zylinder 10 eines Sechstaktmotors 1 vier Ventile 20, 30, 40 und 50 vorgesehen. Zwischen Ventil 40 und Ventil 50 sind die Verdichtungskammer 60 und ein Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselmechanismus 70L vorgesehen. Zwischen Ventil 30 und Ventil 50 sind ein externer Turbolader 80, ein Ladeluftkühler 90 und und ein Hochgeschwindigkeit-Drosselmechanismus 70H vorgesehen. Weiterhin ist in diesem Ausführung eine AGR- (Abgasrückführungs-) Vorrichtung 200 vorgesehen, und rückgeführte Abgase, die von der Einlassseite und der Abgas seite des oben beschriebenen externen Turboladers 80 erhalten werden, werden über ein Schaltventil 210 umgeschaltet und über einen AGR-Kühler 220 zu dem Ventil 50 geführt. Der durch die gestrichelten Linien unten gezeigte VVC wird im Folgenden beschrieben.
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Die Ventile und ihre Funktionsweisen sind wie folgt.
- (1) Einlassventil 20: Ventil, dass sich öffnet, um Außenluft in den Zylinder 10 zu führen
- (2) Ausstoßventil 30: Ventil, dass sich öffnet, um Gas nach der Verbrennung aus dem Zylinder 10 auszustoßen
- (3) Zuführventil 40: Ventil, um Druckluft im Zylinder 10 zur Verdichtungskammer 60 zu führen
- (4) Ansaugventil 50: Ventil zum Ansaugen von in der Verdichtungskammer 60 gespeicherter verdichteter Luft, von durch den externen Turbolader 80 erzeugten Druckluft, und rückgeführtem Abgas von der AGR-Vorrichtung 200 in den Zylinder 10 zusammen mit einem Kraftstoffgas
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2 (A) zeigt die Größen der oben beschriebenen Ventile, und das Einlassventil 20 hat einen Durchmesser oder Querschnitt, der größer als der des Ausstoßventils 30 ist, um effiziente Lufteinführung zu erzielen. Das Zuführventil 40 hat einen Durchmesser oder Querschnitt, der größer als der des Ansaugventils 50 ist, Luft zur Verdichtungskammer 60 zu führen Die Größen der Stutzen sind so festgelegt, dass sie den Größen dieser Ventile entsprechen. Dabei ist der Einlassstutzen 22 so festgelegt, dass er größer im Durchmesser oder Querschnitt als der Auslassstutzen 32 ist, und der Zuführstutzen 42 ist so festgelegt, dass er größer im Durchmesser oder Querschnitt als der Ansaugstutzen 52 ist.
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Im Folgenden werden die betreffenden Abschnitte im Detail beschrieben. Am Einlassventil 20 ist der Einlassstutzen 22 zum Ansaugen von Außenluft angeschlossen. Das Ausstoßventil 30 ist mit einem ausstoßseitigen Turbinengehäuse 80E des externen Turboladers 80 über den Auslassstutzen 32 und eine Kanalleitung 34 verbunden, über die Restgas nach der Verbrennung abgeführt wird. Eine Auslassseite des ausstoßseitigen Turbinengehäuses 80E ist mit einer hochgeschwindigkeitsseitigen AGR-Kanalleitung 82H verbunden, und in dieser hochgeschwindigkeitsseitigen AGR-Kanalleitung 82H ist eine Ausstoß-Kanalleitung 82E vorhanden. Der Auslassstutzen 32 ist zusätzlich mit einer niedergeschwindigkeitsseitigen AGR-Kanalleitung 82L verbunden, und die AGR-Kanalleitungen 82L und 82H sind jeweils mit den Schaltseiten des Schaltventils 210 verbunden. Entsprechend wird bei Niedrig-/Mittelgeschwindigkeit die AGR-Kanalleitung 82L gewählt, und bei Hochgeschwindigkeit wird die AGR-Kanalleitung 82H ausgewählt und mit dem AGR-Kühler 220 verbunden. Die Abgabeseite der rückgeführten Abgase des AGR-Kühlers 220 ist mit demAnsauganschluss 52 des Ansaugventils 50 über eine Kanalleitung 222 verbunden. In den AGR-Kanalleitungen 82L und 82H sind Einwegventile (Rückschlagventile) 202L und 202H vorgesehen, die Abgasrückströmung verhindern.
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Als nächstes wird das oben beschriebene einlassseitige Turbinengehäuse 80I des externen Turboladers 80 mit einer Einlassöffnung 84 ausgestattet, und an die Turbinenwelle 88 wird ein Ölpumpenöldruck oder ein Drehmoment des Motors (Elektromotor bei dem Hybridantrieb wie unten beschrieben) über eine Einwegkupplung 86 angelegt. Die Abgabeseite des einlasseitigen Turbinengehäuses 80I ist mit der Kanalleitung 92, dem Ladeluftkühler 90, der Kanalleitung 94 und dem Hochgeschwindigkeit-Drosselmechanismus 70H in dieser Reihenfolge verbunden, und an dem Ansaugstutzen 52 des Ansaugventils 50 angeschlossen.
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Andererseits ist das Zuführventil 40 mit der Verdichtungskammer 60 verbunden, der Kanalleitung 44, und dem Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselmechanismus 70L in dieser Reihenfolge über den Zuführstutzen 42 verbunden, und weiter an dem Ansaugstutzen 52 des Ansaugventils 50 angeschlossen. Dabei wird verdichtete Luft vom Zuführventil 40 in die Verdichtungskammer 60 geführt und Flussregelung durch den Drosselmechanismus 70L ausgesetzt, und dann in den Zylinder 10 vom Ansaugventil 50 geführt, zusammen mit der Druckluft, die vom externen Turbolader 80 erzeugt wird und dem rückgeführtem Abgas, das von der AGR-Vorrichtung 200 erzeugt wird.
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2(B) und 2(C) zeigen jeweils Beispiele der oben beschriebenen Drosselmechanismen 70L und 70H. Der Drosselmechanismus 70L ist, wie in 2 (B) gezeigt, mit einem Drosselventil 74L in der Mitte der Kanalleitung 72L ausgestattet, und das Drosselventil ist drehbar in Pfeilrichtung F74 in Bezug zur Mittenachse ausgelegt, um die Kanalleitung zu öffnen und zu schließen. Das Drosselventil 74L reagiert wie bekannt auf eine Betätigung des Gaspedals (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs, und die durch durchgehende Linien in der Figur gezeigte Position zeigt den sogenannten Leerlaufstatus an, und die durch die gestrichelte Linien gezeigte Position zeigt einen voll geöffneten Status an, in dem das Ventil maximal geöffnet ist. Auf der Seitenfläche der Kanalleitung 72L ist ein Bypass 76L vorgesehen, und auch im Leerlaufzustand ist Verteilung einer kleinen Gasmenge durch diesen Bypass 76L sichergestellt. Der Bypass 76L ist mit einer Leerlaufjustierschraube 78L ausgestattet, die die Gasflussrate im Leerlauf status justiert.
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Andererseits ist der Drosselmechanismus 70H, wie in 2(C) gezeigt, mit einem Drosselventil 74H in der Mitte der Kanalleitung 72H ausgestattet, und dieses Drosselventil ist ebenfalls drehbar in Pfeilrichtung 74L in Bezug zur Mittenachse ausgelegt, um die Kanalleitung wie das Drosselventil 74L zu öffnen und zu schließen. Das Drosselventil 74H reagiert ebenfalls auf eine Betätigung des Gaspedals eines Fahrzeugs, und die durch gestrichtelte Linien gezeigte Position zeigt einen voll geöffneten Status an, in dem das Ventil maximal geöffnet ist. Das heißt, dass in dem Zustand wo das Gaspedal maximal eingedrückt ist, die Drosselventile 74L und 74H in den Positionen sind, wie durch die gestrichelten Linien in 2(B) und 2(C) gezeigt. In dem Drosselmechanismus 70H ist der Bypass 76L und die Leerlauf justierschraube 78L wie in 2(B) gezeigt nicht vorhanden.
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Die Drosselventile 74L und 74H der Drosselmechanismen 70L und 70H werden als Reaktion auf die Betätigung des Gaspedals geöffnet und geschlossen (Motordrehzahl oder Kurbelwellendrehzahl), und die Zeitgaben, wenn ein Fahrer das Gaspedal betätigt, sind wie folgt.
- a. Nachdem das Drosselventil 74L sich allmählich öffnet und auf Voll-Geöffnet-Status bewegt, beginnt das Drosselventil 74H, sich zu öffnen.
- b. In einem Zustand, in dem das Drosselventil 74L sich zu einem gewissen Grad öffnet (nicht den Voll-Geöffnet-Status erreicht), beginnt das Drosselventil 74H, sich zu öffnen.
- c. Nachdem das Drosselventil 74L sich vollständig öffnet und das Gaspedal bis zu einem gewissen Grad betätigt wird, beginnt das Drosselventil 74H, sich zu öffnen.
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In diesem Ausführung arbeiten die Drosselventile 74L und 74H der Drosselmechanismen 70L und 70H wie in 9 gezeigt. Das bedeutet, dass
- a. Bei stärkerem Eindrücken des Gaspedals wird zuerst das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L geöffnet (siehe Kurve GSA). Das Drosselventil 74L wird vollständig geöffnet, wenn die Kurbelwellendrehzahl TC erreicht.
- b. In einem Zustand, wo das Drosselventil 74 des Drosselmechanismus 70L sich vollständig öffnet, wenn die Kurbelwellendrehzahl weiter zunimmt, wird das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70L geöffnet (siehe Kurve GSB).
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Zurückkehrend zu 1, mit den Endabschnitten der oben beschriebenen Ventile 20, 30, 40 und 50, sind die Nocken 120, 130, 140 und 150 (nur 120 und 150 werden gezeigt) inBerührung mit den betreffenden Kipphebeln 20A, 30A, 40A und 50A, und entsprechend der Umdrehung dieser Nocken werden die unten beschriebenen Öffnen- und Schließvorgänge ausgeführt. Als Ventilantriebsmechanismen sind verschiedene Typen von Mechanismen bekannt, und alle können angewendet werden. An der von den Ventilen umgebenen Zylindermitte ist eine Zündkerze 12 für zur Kraftstoffzündung vorgesehen.
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Desweiteren ist am Ansaugstutzen 52 ein Kraftstoffstutzen 71 angeschlossen, um Kraftstoffgas zu zuführen. Dieses Kraftstoffgas wird mit von der Verdichtungskammer 60 zugeführten Luft, verdichteter Luft vom externen Turbolader 80, und rückgeführten Abgasen von der AGR-Vorrichtung 200 gemischt und zu dem Zylinder 10 zugeführt. Die Kraftstoffgasmenge wird elektronisch entsprechend der Gashebelbetätigung geregelt, und das Öffnen und Schließen der Drosselventile 74L und 74H der Drosselmechanismen 70L und 70H entspricht ebenfalls der oben beschriebenen Bewegung des Gaspedals. Deshalb wird entsprechend der Bewegung des Gaspedals die Menge der verdichteten Luft und Druckluft sowie die Kraftstoffmenge geregelt. Kraftstioff kann in den Zylinder 10 vom Kraftstoffstutzen 71 wie oben beschrieben eingegeben werden, oder direkt durch Einspritzdüse in den Zylinder 10 eingespritzt werden. Bei Dieselkraftstoff wird eine Einspritzdüse für den Kraftstoff anstelle der Zündkerze 12 vorgesehen.
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3 und 4 zeigen einen wesentlichen Teil der betreffenden Hübe der sechs Takte in diesem Ausführung. Für leichtes Verständnis der vorliegenden Erfindung zeigen 3 und 4 die vier Ventile 20, 30, 40 und 50 nebeneinander.
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Die Verbindung von Kolben 14 um Zylinder 10 mit der Kurbelwelle 18 über Pleuelstange 16 ist gleich wie bei herkömmlicher Technologie. Im Folgenden werden die Vorgänge in den Hüben der Reihe nach beschrieben. In der folgenden Beschreibung kann die Bewegungsrichtung von Kolben 14 umgekehrt werden, oder sie kann in horizontaler Richtung (Links-Rechts-Richtung) sein, und die in den Figuren gezeigte vertikale Richtung schließt diese Fälle ein.
- (1) Einlasshub: Wie in 3(A) gezeigt bewegt sich der Kolben 14 im Zylinder 10 nach unten, wie durch den Pfeil F3A angezeigt, das Einlassventil 20 öffnet sich, und Luft wird in den Zylinder 10 vom Einlassstutzen 22 geführt.
- (2) Zuführhub: Wie in 3(B) gezeigt bewegt sich der Kolben 14 im Zylinder 10 nach oben, wie durch den Pfeil F3B angezeigt, das Zuführventil 40 öffnet sich, und verdichtete Luft wird zu der Verdichtungskammer 60 zugeführt.
- (3) Ansaughub: Wie in 3(c) gezeigt bewegt sich der Kolben 14 im Zylinder 10 nach unten, wie durch den Pfeil F3C angezeigt, und das Ansaugventil 50 öffnet sich. Entsprechend wird in der Verdichtungskammer 60 gespeicherte verdichtete Luft und vom externen Turbolader 80 erzeugte Druckluft mit einem Kraftstoffgas und rückgeführtem Abgas von der AGR-Vorrichtung 200 in den Zylinder 10 vom Ansaugstutzen 52 gemischt.
- (4) Verdichtungshub: Wie in 4 (A) gezeigt bewegt sich in dem Zustand, wo alle Ventile 20, 30, 40 und 50 geschlossenn sind, der Kolben 14 nach oben, wie durch den Pfeil F3D angezeigt, und die Mischung wird im Zylinder 10 verdichtet.
- (5) Verbrennungshub: Wie in 4 (B) gezeigt zündet die Zündkerze 12 zum Verbrennen und Explodieren der im Zylinder 10 verdichteten Mischung. Der Kolben 14 bewegt sich nach unten, wie durch den Pfeil F3E angezeigt.
- (6) Ausstoßhub: Wie in 4 (c) gezeigt, bewegt sich der Kolben 14 nach oben, wie durch den Pfeil F3F gezeigt, in einem Zustand, wo das Ausstoßventil 30 geöffnet ist, und das Restgas im Zylinder 10 wird durch den Auslassstutzen 32 ausgegeben.
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Das Restgas wird teilweise genutzt, um die Turbine des externen Turbolader 80 zu drehen, teilweise rückgeführt zum Ansaugstutzen 52 von der AGR-Vorrichtung 200, und teilweise ausgestoßen von der Ausstoß-Kanalleitung 82E.
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Die Nocken 120, 130, 140 und 150 bewegen sich wie folgt. Jede der Nocken macht eine Umdrehung pro sechs Takten wie in 3 und 4 gezeigt.
- (1) Nocke 120: Nocke zum Öffnen und Schließen des Einlassventils 20, und drückt das Einlassventil 20 im Einlasshub wie in 3(A) gezeigt in Offen-Stellung
- (2) Nocke 130: Nocke zum Öffnen und Schließen des Ausstoßventils 30, und drückt das Ausstoßventil 30 imAusstoßhub wie in 4(C) gezeigt in Offen-Stellung.
- (3) Nocke 140: Nocke zum Öffnen und Schließen des Zuführventils 40 und drückt das Zuführventil 40 im Zuführhub wie in 3(B) gezeigt in Offen-Stellung
- (4) Nocke 150: Nocke zum Öffnen und Schließen des Ansaugventils 50 und drückt das Ansaugventil 50 im Ansaughub wie in 3(C) gezeigt in Offen-Stellung
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5(A) und 5(C) zeigen jeweils Beispiele der oben beschriebenen Nocken 120 und 150. Jede der Nockennasen 122 bis 152 der Nocken 120 bis 150 ist im Bereich von 60 Grad ausgeformt, und entsprechend werden die Ventile 25 bis 50 einmal pro sechs Takten geöffnet. Durch Einstellen der Anstiegs- und Abfallformen der Nockennasen 122 und 152 können die Funktionen der benachbarten Hübe in Überlappung gebracht werden, oder umgekehrt können Überlappungen vermieden werden.
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5 (A) ist eine Ansicht der Nocke 120 von der Richtung einer Nockenwelle 100, und die Nocke steigt z.B. in einem Bogen mit einem Radius von 2 Millimetern (R2) von einem Basispunkt 5 Grad innerhalb des Bereichs von 60 Grad an, und ein Scheitelpunkt nimmt z.B. einen Bogen mit eine Radius von 4 Millimetern (R4) an. Das Absinken der Nockennase 122 z.B. ist linear. 5 (B) zeigt die Nocke 140, und die Nockennase 142 nimmt z.B. eine Form der Umkehrung der oben beschriebenen Nockennase 122 an. 5 (C) zeigt die Nocke 130, 150, und zum Ausführung sind sowohl Ansteigen als auch Absinken der Nockennase 132, 152 linear. Wenn das Steigen und Fallen der Nockennase lineare geformt ist, tritt eine Überlappung zwischen den Funktionen der benachbarten Hübe auf, und wenn es bogenförmig geformt ist, tritt keine Überlappung auf.
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5 (D) zweigt die Gesamtheit der oben beschriebenen Hübe. Der Zeitraum, während dessen die Nockennase 122 der Nocke 120 das Ansaugventil drückt, ist der Luftansaughub. Das Gleiche gilt für die anderen Nocken 130, 140 und 150. In der gleichen Figur zeigt der untere Totpunkt die unterste Position, in die sich Kolben 14 bewegt, und der obere Totpunkt zeigt die oberste Position zu der sich Kolben 14 bewegt. Überlappung bedeutet, dass eine Funktion von Einlass, Auslass usw. zwischen benachbarten Üben in der Nähe des oberen Totpunkts oder unteren Totpunkts überlappt.
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Beim unteren Totpunkt, bei dem der Hub vom Einlasshub zum Zuführhub umwechselt, wird Überlappen der Funktionen verhindert, indem ein Winkel von 2 Grad für Ansteigen und Sinken (4 Grad gesamt) (R beim Sinken der Nockennase 122 und R beim Steigen der Nockennase 142) eingestellt wird, und entsprechend werden Einlass- und Zuführfunktionen zuverlässig ausgeführt. Der Überlappungswinkel wie in 5(D) und der Anstiegsbasispunkt (R Basispunkt) Winkel der Nockennase 122 wie in 5(A) gezeigt, sind nicht immer einander gleich, aufgrund des Unterschieds zwischen statischen und dynamischen Eigenschaften. Das Gleiche gilt für die Nockennase 142, wie in 5(B) gezeigt. In der Nähe des oberen Totpunkts, bei dem der Hub vom Ausstoßhub zum Einlasshub wechselt, überlappt die Funktion aufgrund der Linearität der Nockennase 132 und der Linearität der Nockennase 122. Andere werden ebenfalls in den Figuren gezeigt.
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Gemäß diesem Ausführung werden sechs Hübe (siehe 3 und 4) in 5(D) wiederholt in dieser Reihenfolge ausgeführt. Das heißt, dass in den sechs Takten jede der Nocken 120, 130, 140 und 150 eine Umdrehung ausführt. Andernfalls führt die Kurbelwelle 18 eine Drehung in zwei Takten wie in 3 und 4, so dass sie drei Umdrehungen in sechs Takten ausführt. Somit ist in diesem Ausführung die Drehzahl der Nockenwelle 100 ein Wert von 1/3 der Drehzahl der Nockenwelle 18.
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5 (E) zeigt die Beziehung zwischen dem Nockenwinkel und dem Nockenhub . In der Kurve G6 zeigt die durchgehende Linie den Hubbetrag gemäß der Liniearität der Nockennase und steigt von einem Winkel von z.B. -2 Grad, erreicht eine Spitze bei einem Winkel von 30 Grad, und erreicht Null bei einem Winkel von z.B. 62 Grad. Die Strichpunktlinie zeigt einen Hubbetrag, gemäß der Bogenförmigkeit der Nockennase, und steigt von einem Winkel von z.B. 2 Grad, erreicht eine Spitze bei einem Winkel von 30 Grad, und erreicht Null bei einem Winkel von z.B. 58 Grad. Die Kurve G4 zeigt ein Ausführung des Nockenhubs bei vier Takten und steigt von einem Winkel von 0 Grad, erreicht eine Spitze bei einem Winkel von 45 Grad, und erreicht Null bei einem Winkel von 90 Grad. Wenn die Nockenwellendrehzahl gleich ist, ist die Drehung der Nockenwelle in sechs Takten niedriger als bei vier Takten. Deshalb werden bei sechs Takten in diesem Ausführung die Zeiten zum Öffnen der Ventile 20, 30, 40 und 50 ähnlicher wie die im Fall von vier Zyklen (siehe Pfeil in 5(E)).
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6 zeigt Sensoren und Motoren, unter den mit der ECU (Motorsteuereinheit) 300, die in diesem Ausführung die Steuerung ausführt, verbundenen Sensoren und Motoren, die sich besonders auf dieses Ausführung beziehen. Die ECU 300 führt ein im Voraus erstelltes Steuerprogramm aus und gibt basierend auf Erkenungssignalen von den Sensoren die erforderlichen Treibersignale für die Motoren aus. Die in den Zeichnungen gezeigten Funktionen der Sensoren und Motoren sind wie folgt.
- a. Gaspedalpositionssensor 310: Erkennt den Grad der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer.
- b. Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselsteuersensor 320L: Erkennt den Grad des Öffnens/Schließens des Drosselventils 74L des Drosselmechanismus 70L auf der Niedrig-/Mittelgeschwindigkeits-Seite.
- c. Hochgeschwindigkeit-Drosselsteuersensor 320H: Erkennt den Grad des Öffnens/Schließens des Drosselventils 74H des Drosselmechanismus 70H auf der Hochgeschwindigkeit-Seite.
- d. Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselmotor 322L: Öffnet und schließt das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L auf der Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Seite.
- e. Hochgeschwindigkeit-Drosselmotor 322H: Öffnet und schließt das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H auf der Hochgeschwindigkeit-Seite. Öffnen- und Schließvorgänge des Drosselmechanismus 70L und 70H werden von der ECU 300 so gesteuert, dass sie in Kombination miteinander arbeiten.
- f. AGR-Steuersensor 324: Erkennt den Grad des Umschaltens des Umschaltventils 210 der AGR-Vorrichtung 200.
- g. AGR-Umschaltmotor 326: Schaltet das Umschaltventil 210 um. Dieses Umschalten wird von der ECU 300 so gesteuert, dass es in Kombination mit den Öffnen- und Schließvorgängen des Drosselmechanismus 70L und 70H geschieht.
- h. Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 328: Erkennt die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs.
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An der ECU 300 sind zum Ausführung nach Bedarf ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, ein Bremssensor, ein Getriebepositionssensor, Kraftstoff- und Abgastemperatursensoren, ein Motordrehzahlsensor, und ein Turbinendrehzahlsensor des externen Turboladers 80 usw. angeschlossen.
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Als nächstes wird die Funktion in diesem Ausführung beschrieben. Da sich der Betrieb bei Nieder-/Mittelgeschwindigkeit und bei Hochgeschwindigkeit unterscheidet, wird jeder Betrieb beschrieben. Der folgende Betrieb wird ausgeführt, indem die Ansteuerung der jeweiligen Sektionen von der ECU 300 basierend auf den Ergebnissen der Erfassungen von den in 6 gezeigten Sensoren gesteuert wird. Geschwindigkeitserkennung wird vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 328 ausgeführt. Zum Ausführung wenn ein Geschwindigkeitsbereich von unter 40 km/h als Niedrig-/Mittelgeschwindigkeitsbereich definiert ist und ein höherer Geschwindigkeitsbereich als Hochgeschwindigkeitsbereich. 7 zeigt einen Zustand bei niedriger-mittlerer Geschwindigkeit, und 8 zeigt einen Zustand bei hoher Geschwindigkeit.
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<Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich> Im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereichbei sechs Takten ist die Abgasmenge klein, und der externe Turbolader 80 wird ein Ausstoßwiderstand. Deshalb wird der Widerstand verringert, indem zwangsweise Ausstoß ausgeführt wird, indem die Welle 88 des externen Turboladers mit einem Motor usw. angetrieben wird. Entsprechendbewegt sich der Kolben 14 beimAusstoßvorgang glatt nach oben (siehe 4(C)).
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Bei niedriger-mittlerer Geschwindigkeit wie oben beschrieben öffnet das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L in Kombination mit einer Geschwindigkeitssteigerung (Drücken des Gaspedals oder Motordrehzahlsteigerung), aber das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H bleibt geschlossen. Andererseits wird das Umschaltventils 210 der AGR-Vorrichtung 200 auf die Seite der AGR-Kanalleitung 82L umgeschaltet. Deshalb wird ein Teil des vom Auslassstutzen 32 des Ausstoßventils 30 ausgegebenen Abgases vom AGR-Kühler 220 gekühlt, nachdem es durch die AGR-Kanalleitung AGR-Kanalleitung 82L, das Einwegventil 202L und das Umschaltventil 210 geströmt ist, und strömt dann durch die Kanalleitung 222 und wird als rückgeführtes Abgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Das restliche Abgas wird von der Ausstoß-Kanalleitung 82E durch die Kanalleitung 34, das ausstoßseitige Turbinengehäuse 80E des externen Turboladers 80 und die AGR-Kanalleitung 82H in dieser Reihenfolge ausgegeben.
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Andererseits wird verdichtete Luft vom Zuführventil 40 in die Verdichtungskammer 60 geführt und Flussregelung durch den Drosselmechanismus 70L ausgesetzt, und dann zum Ansaugventil 50 geführt. Außerdem wird vom Kraftstoffstutzen 71 ein Kraftstoffgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Diese verdichtete Luft und das Kraftstoffgas werden mit dem rückgeführten Abgas am Ansaugstutzen 52 gemischt und in den Zylinder 10 vom Ansaugventil 50 geführt.
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<Hochgeschwindigkeitsbereich> Wenn im Hochgeschwindigkeitsbereich die Abgasmenge groß ist und der externe Turbolader 80 gut arbeitet. In diesem Zustand arbeitet die Einwegkupplung 86, und die Umdrehung der Welle 88 wird nicht an den externen Turbolader 80 weitergegeben. Andererseits öffnet das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L sich vollständig, und das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H öffnet ebenfalls gemeinsam mit einer Geschwindigkeitssteigerung. Deshalb wird Druckluft von der Einlassöffnung 84 des externen Turboladers 80 in das einlasseitige Turbinengehäuse 80I geführt und in den Ladeluftkühler 90 von der Kanalleitung 92 geführt und abgekühlt, und dann von der Kanalleitung 94 zum Ansaugstutzen 52 über den Drosselmechanismus 70H geführt.
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Andererseits wird das Umschaltventils 210 der AGR-Vorrichtung 200 auf die Seite der AGR-Kanalleitung 82H in Kombination mit den Öffnen- und Schließvorgängen der Drosselmechanismen 70L und 70H umgeschaltet. Deshalb wird das vom Auslassstutzen 32 des Ausstoßventils 30 ausgegebene Abgas zu dem ausstoßseitigen Turbinengehäuse 80E des externen Turboladers 80 von der Kanalleitung 34 geführt und dreht die Welle 88 und wird dann teilweise von der Ausstoß-Kanalleitung 82E ausgegeben, und das restliche Abgas wird zur AGR-Vorrichtung 200 geführt. Dadurch wird das restliche Abgas vom AGR-Kühler 220 gekühlt, nachdem es durch die AGR-Kanalleitung 82H, das Einwegventil 202H und das Umschaltventil 210 geströmt ist, und strömt dann durch die Kanalleitung 222 und wird als rückgeführtes Abgas zum Ansaugstutzen 52 geführt.
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Wie bei der niedrig-mittleren Geschwindigkeit wird verdichtete Luft vom Zuführventil 40 in die Verdichtungskammer 60 geführt und über den Drosselmechanismus 70L zuzm Ansaugstutzen 52 geführt. Außerdem wird vom Kraftstoffstutzen 71 ein Kraftstoffgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Diese verdichtete Luft und das Kraftstoffgas werden mit dem rückgeführten Abgas von der AGR-Vorrichtung 200 und der Druckluft vom Drosselmechanismus 70H am Ansaugstutzen 52 gemischt und in den Zylinder 10 vom Ansaugventil 50 geführt.
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9 zeigt ein Ausführung der Beziehungen des Grads der Drosselöffnung, der Motorleistung und des Ansaugstutzendrucks zur Kurbelwellendrehzahl (Motordrehzahl). Zerst öffnet sich, fokussierend auf den Drosselöffnungsgrad, im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich, wie durch die Kurve GSA gezeigt, das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L mit einer Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl, und öffnet sich vollständig bei TC. Wenn die Kurbelwellendrehzahl weiter zunimmt, wie in der Kurve GSB gezeigt, beginnt sich das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H zu öffnen und öffnet sich vollständig beim Nenn-Ausgabepunkt.
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Als nächstes, fokussierend auf die Kurven des Motorleistungs, wird ΔW beim Leerlaufpunkt ausgegeben, und der Ausgang wird durch die Kurve GEA gezeigt, wenn der externe Turbolader 80 nicht vorhanden ist. Jedoch verringert zwangsweiser Ausstoß durch den externen Turbolader 80 in diesem Ausführung den Ausstoßwiderstand, und die Kurve GEB zeigt, dass der Ausgang im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich verbessert ist. Im Hochgeschwindigkeitsbereich dagegen wird der Ausgang durch die Kurven GE1 bis GE4 gezeigt. Unter diesen wird, wenn die Verdichtungskammer 60 und der externe Turbolader 80 nicht vorgesehen sind, der Ausgang so wie in der Kurve GE1 gezeigt. Wenn nur die Verdichtungskammer 60 vorgesehen ist, ist der Ausgang so wie in der Kurve GE2 gezeigt, und der Motorleistung wird im Vergleich mit GE1 verbessert. In diesem Ausführung arbeiten sowohl die Verdichtungskammer 60 als auch der externe Turbolader 80, so dass wie in der Kurve GE4 gezeigt, der Motorleistung weiter gesteigert wird. Die Kurve GE3 zeigt den Fall von Ausführung 2 wie unten beschrieben.
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Als nächstes, fokussierend auf die Kurven des Ansaugstutzendrucks im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich, wenn der externe Turbolader 80 nicht vorgesehen ist und nur die Verdichtungskammer 60 vorgesehen ist, wie durch die Kurve GC gezeigt, wird der Ansaugstutzendruck am Leerlaufpunkt am höchsten und sinkt, wenn der Winkel des Drosselventils 74L größer wird. Auch wenn der externe Turbolader 80 vorgesehen ist, im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich, ist die vom Abgasventil 30 ausgestoßene Restgasmenge gering, und Aufladung vom externen Turbolader 80 geschieht kaum. Deshalb wird der Ansaugstutzendruck gleich mit der Kurve GC. Im Hochgeschwindigkeitsbereich dagegen beginnt das Drosselventil 74H des hochgeschwindigkeitsseitigen Drosselmechanismus 70H bei TC zu öffnen. Dann wird vom externen Turbolader 80 erzeugte Druckluft hinzugefügt, so dass der Druck am Ansaugstutzen 52 steigt, wie in der Kurve GCC gezeigt. Das heißt, dass im Hochgeschwindigkeitsbereich mit einer Steigerung in der Kurbelwellendrehzahl die vom Ausstoßventil 30 ausgegebene Restgasmenge ebenfalls zunimmt, und Aufladung durch den externen Turbolader 80 geschieht hervorragend. Durch Verwendung des externen Turboladers 80, der die Luft vor der Einführung in den Zylinder 10 komprimiert, in Kombination mit der Verdichtungskammer 60, kann der Druck im Inneren der Verdichtungskammer 60 im Hochgeschwindigkeitsbereich bewahrt werden, und eine Verringerung in der PS-Leistung oder im Drehmoment kann verhindert werden. Die Kurve GCA ist eine Verlängerung der Kurve GC. ΔP ist der Kompressionsdruck am Leerlaufpunkt. Die Kurve GCB gilt für den Fall von Ausführung 2 wie unten beschrieben.
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Im Hochgeschwindigkeitsbereich nimmt die Drehzahl der Welle 88, die vom Motor gedreht wird, zu, und der Ladedruck vom externen Turbolader 80 kann unnötig steigen, so dass der Druck durch ein Ladedruckregelventil WC (nur in 1 gezeigt) reguliert wird. In diesem Ausführung wird, wie durch die gestrichelten Linien in 1 gezeigt, das regulierte Gas zur Verdichtungskammer 60 geführt. Das gleiche gilt für die anderen Ausführungen.
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Dadurch werden gemäß dieses Ausführungs die folgenden Effekte erzielt.
- (1) Bei Nieder-/Mittelgeschwindigkeit werden zwei Selbst-Verdichtungstakte zu dem Viertakt-Verbrennungsmotor hinzugefügt, so dass nach dem Einlasshub die Zuführung von Luft zur Verdichtungskammer 60 und das Ansaugen von verdichteter Luft aus der Verdichtungskammer 60 ausgeführt werden, und die Verbrennung geschieht bei hohem Gasdruck. Deshalb wird ein Drehmoment oder eine PS-Leistung ähnlich wie bei vier Takten auch bei sechs Takten erzielt. Im Vergleich mit der Viertakt-Ausführung kann der Kraftstoffverbrauch verringert werden und das Abgas kann gereinigt werden. Desweiteren wird der Ausstoßwiderstand verringert, indem Ausstoß durch Antrieb des externen Turboladers 80 durch einen Motor usw. ausgeführt wird, so dass sich der Kolben 14 bei Ausstoß glatt nach oben bewegt, und der Ausstoß kann hervorragend ausgeführt werden.
- (2) Bei Hochgeschwindigkeit wird der externe Turbolader 80 in Kombination mit der Verdichtungskammer 60 verwendet, und durch Verdichtung von Außenluft erzeugte Druckluft wird ebenfalls eingesaugt, so dass ein Mangel an Luft beseitigt werden kann, die Kraftstoffeffizienz verbessert werden kann, und die PS-Leistung oder ein Drehmoment im Hochgeschwindigkeitsbereich verbessert werden kann.
- (3) Die Motordrehzahl pro einem Takt wird 1,5 Mal so lang wie bei einem Viertaktmotor, so dass eine Verringerung der Effizienz in jedem Takt auf 30% gesenkt wird. Außerdem wird die Drehung der Nockenwelle 1,5 Mal so langsam wie die des Viertakt-Verbrennungsmotors, so dass die Zeitverlustrate ebenfalls verringert wird. Desweiteren ist der Nockenwellen-Antriebswiderstand gering, so dass mechanischer Lärm verringert wird, und dies ist effektiv, um leise Laufeigenschaften zu erzielen, und die gleiche Anzahl von Zylindern und die gleiche Verbrennungsreihenfolge wie bei aktuellen Viertaktmotoren kann verwendet werden, so dass die Produktionskosten verringert werden können. Desweiteren können auch die Verschleißraten von Komponenten wie Nocken und Wellen verringert werden.
- (4) Bei gleicher Drehzahl des Motors wird, da die Häufigkeit der Verbrenunng geringer als bei vier Takten ist, die Abgasmenge verringert.
- (5) Das Einlassventil 20 und der Einlassstutzen 22 sowie das Zuführventil 40 und der Zuführstutzen 42 sind größer als das Ausstoßventil 30 und der Auslassstutzen 32 und das Ansaugventil 50 und der Ansaugstutzen 52, so dass Lufteinlass und Zuführung zur Verdichtungskammer 60 ausreichend ausgeführt werden. Deshalb wird, auch wenn Restgas nach der Verbrennung vorhanden ist, eingelassene Luft ausreichend gemischt, und durch Verdichtung und erneute Verbrennung wird die Verbrennungseffiziens verbessert und die Erzeugung von Stickoxid und Kohlendioxid kann verringert werden.
- (6) Durch Beseitigung der Überlappung zwischen dem Einlasshub und dem Zuführhub durch Verbesserung der Nockenformen kann eingeführte Luft hervorragend komprimiert und zugeführt werden.
- (7) Da das Abgas vom Zylinder 10 zum externen Turbolader 80 geführt wird und zur Drehung der Turbine des externen Turboladers verwendet wird, ist der thermische Wirkungsgrad hoch, und der Kraftstoffverbrauch kann verringert werden.
- (8) Wegen des Einlasshubs und des Zuführhubs nach dem Ausstoßhub werden der Zylinder 10 und der Kolben 14 des Sechstaktmotor 1 gekühlt, so dass Stickoxid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid usw. geringer als bei dem Viertaktmotor sind.
- (9) Durch Hinzufügen der AGR-Vorrichtung 200 kann Erzeugung von Stickoxid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid usw. weiter unterdrückt werden, und die Umweltbelastung kann verringert werden.
- (10) Die AGR-Vorrichtung 200 wird zwischen Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsseite und Hochgeschwindigkeitsseite umgeschaltet und bei Nieder-/Mittelgeschwindigkeit wird vom Ausstoßventil 30 ausgegebenes Abgas rückgeführt, und bei Hochgeschwindigkeit wird Abgas nach der Aufladung durch den externen Turbolader 80 wird rückgeführt, so dass das Abgas effizient und stabil gereinigt werden kann.
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Ausführung 2
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Als nächstes wird Ausführung 2 der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 10 beschrieben. Ausführung 1 wie oben beschrieben verwendet den externen Turbolader; in diesem Ausführung dagegen wird nur die Abgasturbine verwendet. Für Komponenten, die denen in Ausführung 1 entsprechend, werden die gleichen Kennzeichnungen verwendet. In 10 ist der oben beschriebene Auslassstutzen 32 mit der Ansaugseite der Abgasturbine 500 verbunden, und die Ausstoßseite der Abgasturbine 500 ist mit einer AGR-Kanalleitung 530H einer AGR-Vorrichtung 530 verbunden. Die AGR-Kanalleitung 530H ist mit einem Einwegventil 532H ausgestattet und ist mit einem AGR-Kühler 220 verbunden. Von der AGR-Kanalleitung 530H zweigt eine Ausstoß-Kanalleitung 82E ab. Die Abgasturbine 500 wird bei Niedrig-/Mittelgeschwindigkeit von der Welle 88 angetrieben, die von einem Motor gedreht wird, wie bei dem oben beschriebenen Ausführung. Andererseits ist der Drosselmechanismus 70L auf gleiche Weise wie im oben beschriebenen Ausführung angeschlossen, aber in den Drosselmechanismus 70H wird Außenluft direkt durch die Kanalleitung 520 ohne Kompression eingeführt.
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Als nächstes wird die Funktion in diesem Ausführung beschrieben. Im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich, wie bei demobenbeschriebenenAusführung, ist die Abgasmenge klein, und die Abgasturbine 500 wird ein Ausstoßwiderstand. Deshalb wird durch Antrieb der Welle 88 durch einen Motor der Ausstoß zwangsweise ausgeführt, um den Widerstand zu verringern. Entsprechendbewegt sich der Kolben 14 beimAusstoßvorgang glatt nach oben (siehe 4(C)).
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In diesem Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich wie oben beschrieben öffnet das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L in Kombination mit einer Geschwindigkeitssteigerung (Drücken des Gaspedals oder Motordrehzahlsteigerung), aber das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H bleibt geschlossen. Andererseits arbeitet in diesem Ausführung die AGR-Vorrichtung 530 nur als Hochgeschwindigkeit-AGR und arbeitet nicht bei niedriger Geschwindigkeit. Deshalb wird bei Niedrig-/Mittelgeschwindigkeit vom Auslassstutzen 32 des Ausstoßventils 30 ausgegebene Abgas von der Ausstoß-Kanalleitung 82E über die Abgasturbine 500 abgegeben.
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Andererseits wird verdichtete Luft vom Zuführventil 40 in die Verdichtungskammer 60 geführt und Flussregelung durch den Drosselmechanismus 70L ausgesetzt, und dann zum Ansaugventil 50 geführt. Außerdem wird vom Kraftstoff stutzen 71 ein Kraftstoffgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Diese verdichtete Luft und das Kraftstoff gas werden am Ansaugstutzen 52 gemischt und in den Zylinder 10 vom Ansaugventil 50 geführt.
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Desweiteren ist im Hochgeschwindigkeitsbereich die Abgasmenge groß, und die Abgasturbine 500 arbeitet gut. Deshalb arbeitet die AGR-Vorrichtung 530 ebenfalls, und ein Teil des vom Auslassstutzen 32 des Ausstoßventils 30 ausgegebenen Abgases wird vom AGR-Kühler 220 über das Einwegventil 532H von der Kanalleitung 530H gekühlt und strömt dann durch die Kanalleitung 22 und wird als rückgeführtes Abgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Andererseits öffnet wie oben beschrieben das Drosselventil 74L des Drosselmechanismus 70L sich vollständig, und das Drosselventil 74H des Drosselmechanismus 70H öffnet ebenfalls gemeinsam mit einer Geschwindigkeitssteigerung. Deshalb wird verdichtete Luft vom Zuführventil 40 in die Verdichtungskammer 60 geführt und zu demAnsaugstutzen 52 über den Drosselmechanismus 70L geführt, und Außenluft wird ebenfalls zum Ansaugstutzen 52 von der Kanalleitung 520 über den Drosselmechanismus 70H geführt. Außerdem wird vom Kraftstoffstutzen 71 ein Kraftstoffgas zum Ansaugstutzen 52 geführt. Diese verdichtete Luft, die Außenluft, das Kraftstoffgas und das rückgeführte Abgas von der AGR-Vorrichtung 200 werden am Ansaugstutzen 52 gemischt und in den Zylinder 10 vom Ansaugventil 50 geführt.
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Der Motorleistung und der Ansaugstutzendruck in diesem Ausführung sind so wie in den Kurven GE3 und GCB in 9 gezeigt. Durch Hinzufügen des von der Abgasturbine 500 erzeugten rückgeführten Abgases und von vom Drosselmechanismus 70H zugeführter Außenluft werden in dem Fall, dass nur die Verdichtungskammer 60 vorgesehen ist, die Motorleistung und der Ansaugstutzendruck gesteigert, so dass sie höher als die von den Kurven GE2 und GCA gezeigten Werte sind, obwohl sie diese nicht in dem Fall erreichen können, wo der externe Turbolader 80 in dem obigen Ausführung vorgesehen ist. Obwohl Niedergeschwindigkeit-AGR bei Hochgeschwindigkeit nicht ausgeführt wird, wird Abgas rückgeführt. Deshalb können mit einem einfachen Aufbau technische Effekte erzielt werden, die denen im oben beschriebenen Ausführung entsprechen.
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11 zeigt eine Modifikation der in 10 gezeigten Ausführung, bei der eine Kanalleitung 540H zwischen der Kanalleitung 34 und der Kanalleitung 530H wie in 10 gezeigt über ein Umschaltventil 540 vorgesehen ist. Im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich schaltet das Umschaltventil 540 zur Seite der Abgasturbine 500 um (um die Seite der Kanalleitung 540H zu schließen), um zwangsweisenn Ausstoß durch die Abgasturbine 500 auszuführen. Im Hochgeschwindigkeitsbereich wird das Umschaltventil 540 zur Seite der AGR-Vorrichtung 530 umgeschaltet (um die Seite der Kanalleitung 34 zu schließen), so das Ausstoß von der Kanalleitung 530H und der Ausstoß-Kanalleitung 82E geschieht. Durch Stoppen der Abgasturbine 500 und Umleiten des Abgases wird die Abgaslast verringert.
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Ausführung 3
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Als nächstes wird Ausführung 3 der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 12 beschrieben. In dieser Ausführung wird ein Hybridtyp mit einem Gleichstrommotor in Kombination auf die oben beschriebenen Ausführungen angewendet, und 12(A) zeigt den Fall von Ausführung 1 wie in 1 gezeigt, und 12(B) zeigt den Fall von Ausführung 2 wie in 10 und 11 oben beschrieben. In diesen Figuren wird die in 1, 10 und 11 oben beschriebene Welle 88 mit einem Differentialgenerator (Wechselstromgenerator) 600 über einen Turbinnenwellen-Untersetzer 602 versehen. Ein Wechselstromausgang des Differentialgenerators 600 wird von einem Wandler 610 in eine Gleichspannung umgewandelt und in einer HV-Batterie 612 gespeichert. Ein Gleichstromausgang von dieser HV-Batterie 612 wird an einen Differentialmotor (Gleichstrommotor) 620 über eine Einwegkkupplung geführt.
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Im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich ist die Abgasemenge klein, und die Welle 88 des externen Turboladers 80 oder der Abgasturbine 500 wird von Ölpumpendruck, einem Motor oder dem Differentialmotor 620 angetrieben. Der Differentialgenerator 600 wird über den Turbinenwelle-Untersetzer 602 angetrieben, seine Energieerzeugung ist gering. Andererseits ist im Hochgeschwindigkeitsbereich die Abgasmenge groß, und der externe Turbolader 80 arbeitet gut. In diesem Zustand arbeitet die Einwegkupplung 86, und die Umdrehung der Welle 88 wird nicht an den externen Turbolader 80 und die Abgasturbine 500 weitergegeben, aber der Differentialgenerator 600 wird über den Turbinenwellen-Untersetzer 602 angetrieben. Vom Differentialgenerator 600 erzeugte Wechselspannung wird von einem Wandler 610 in eine Gleichspannung umgewandelt und dann zur HV-Batterie 612 geladen.
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Mit einem Differentialritzel 622 auf einer Drehwelle 621 des Differentialmotors 620, greift ein Differentialritzel 626 in ein Differentialringrad 624 ein. Das Differentialringrad 624 ist auf einer Achse 625 vorhanden, und das Differentialritzel 626 ist auf einer Motorantriebswelle 628 vorgesehen. Wenn Gleichspannung an den Differentialmotor 620 von der HV-Batterie 612 angelegt wird, wird die Drehung des Differentialritzels 622 zum Differentialringrad 624 übertragen und dreht die Achse 625. Andererseits wird die Motorleistung zur Motorantriebswelle 628, dem Differentialritzel 626 und dem Differentialringrad 624 übertragen und dreht die Achse 625.
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In dieser Ausführung ist der Betrieb wie folgt.
- a. Bei niedriger Belastung oder Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit durch Betrieb des Differentialmotors 620 mit in der HV-Batterie 612 gespeicherter Energie wird die Drehzahl des Sechstaktmotors 1 verringert, um den Kraftstoffverbrauch und die Abgasabgabe zu verringern.
- b. Bei Fahren mit hoher Geschwindigkeit wird der Sechstaktmotor verwendet, und die HV-Batterie 612 wird geladen.
- c. Bei hoher Belastung wegen Beschleunigung oder Fahren an Steigungen werden der Sechstaktmotor 1 und der Differentialmotor 620 in Kombination verwendet.
- d. Wenn das Gaspedal nicht betätigt wird, wird das Getriebe auf Leerlauf geschaltet, und durch Trägheitsfahren (Leerlauf) des Sechstaktmotors 1 und des Differentialmotors 620 bis zum Bremsen werden Kraftstoffverbrauch undAbgasabgabe verringert.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern kann auch auf verschiedene andere Weise geändert werden, ohne das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung zu verlassen. So kann zum Beispiel die vorliegende Erfindung auch folgendes enthalten.
- (1) In den oben beschriebenen Ausführungen wird im WesentlicheneinZylinder beschrieben, aber selbstverständlich kann glatte Drehung der Kurbelwelle auch in Mehrzylinder-Ausführungen erzielt werden. 13 zeigt ein Beispiel einer Beziehung von Takten unter Zylindern in einem mehrzylindrigen Aufbau. Die horizontale Achse der gleichen Figur zeigt die Zeit an, und die vertikale Achse repräsentiert die Absaugung oder den Ausstoß von Gasen (Ventilöffnungsgrad) . Zuerst werden, im Fall von einem Zylinder wie in 13(A) gezeigt, die sechs Takte von Einlass, Zuführung, Ansaugung, Verdichtung, Verbrennung und Ausstoß wiederholt. Im Fall von zwei Zylindern führt ein Zylinder einen Vorgang wie in 13 (A) gezeigt aus, und der andere Zylinder führt diesen Betrieb mit Verzögerung aus, zum Beispiel mit einer Verzögerung von drei Takten, wie in 13 (B) gezeigt. Im Fall von drei Zylindern führt zum Beispiel der erste Zylinder einen Betrieb wie in 13 (A) gezeigt aus, der zweite Zylinder führt einen um zwei Takte verzögerten Betrieb aus, wie in 13(C) gezeigt, und der dritte Zylinder führt einen um vier Takte verzögerten Betrieb aus, wie in 13(D) gezeigt.
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Bei einem Mehrzylinder-Aufbau können die Verdichtungskammer 60, der externe Turbolader 80 und die AGR-Vorrichtung 200 usw. für jeden Zylinder vorgesehen sein, aber Luftzuführung und Ansaugung in die Verdichtungskammer 60 wird in zwei Takten ausgeführt, so dass der Aufbau des Geräts vereinfacht werden kann, indem eine Verdichtungskammer 60 für eine Vielzahl von Zylindern vorgesehen ist und diese die Verdichtungskammer der Reihe nach verwenden.
- (2) Die AGR-Vorrichtungen 200 und 530, die in den oben beschriebenen Ausführungen gezeigt sind, können bei Bedarf vorgesehen werden, aber es wird nicht ausgeschlossen, dass sie fehlen.
- (3) Die Mechanismen zu Öffnen und Schließen von Ventilen und die Kolbenmechanismen, die in den obigen Ausführungen gezeigt sind, sind nur Beispiele und schließen nicht den Einsatz anderer bekannter Technologien aus.
- (4) Die vorliegende Erfindung ist im Wesentlichen für einen Benzinmotor gedacht, aber sie ist auch für verschiedene andere Kraftstoffe wie Dieselkraftstoff, Flüssiggas und Ethanol einsetzbar. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht nur für Fahrzeuge anwendbar sondern auch für verschiedene andere Zwecke wie Schiffe und Generatoren.
- (5) In den oben beschriebenen Ausführungen ist der Betriebsmodus im Nieder-/Mittelgeschwindigkeitsbereich und im Hochgeschwindigkeitsbereich leicht unterschiedlich, jedoch kann der Betrieb im Mittelgeschwindigkeitsbereich auch genauso wie der Betrieb im Hochgeschwindigkeitsbereich eingestellt werden. Die Niedergeschwindigkeit und Hochgeschwindigkeit können nach Bedarf eingestellt werden, jedoch sind im Fall von Fahrzeugen zum Beispiel Geschwindigkeiten von 20 km/h oder niedriger im Niedergeschwindigkeitsbereich enthalten, und Geschwindigkeiten von 80 km/h oder höher im Hochgeschwindigkeitsbereich.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu der verdichteten Luft, die von der Verdichtungskammer erzeugt wird, Druckluft, die von einem externen Turbolader erzeugt wird, oder Außenluft zur Verbrennung eingeführt, so dass die Verbrennungseffizienz verbessert und der Kraftstoffverbrauch verringert wird, das Abgas reiner wird, die Umweltbelastung verringert wird und die Motorleistung gesteigert wird, und deshalb ist die vorliegende Erfindung einem Verbrennungsmotor wie einem Benzinmotor gegenüber vorteilhaft. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft für einen Verbrennungsmotor in einer Hybridanordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sechstaktmotor
- 10
- Zylinder
- 12
- Zündkerze
- 14
- Kolben
- 16
- Pleuelstange
- 18
- Kurbelwelle
- 20
- Einlassventil
- 20A, 30A, 40A, 50A
- Kipphebel
- 22
- Einlassstutzen
- 30
- Ausstoßventil
- 32
- Auslassstutzen
- 34
- Kanalleitung
- 40
- Zuführventil
- 42
- Zuführstutzen
- 44
- Kanalleitung
- 50
- Ansaugventil
- 52
- Ansaugstutzen
- 60
- Verdichtungskammer
- 70L, 70H
- Drosselmechanismus
- 71
- Kraftstoffstutzen
- 72L, 72H
- Kanalleitung
- 74L, 74H
- Drosselventil
- 76L
- Bypass
- 78L
- Leerlaufjustierschraube
- 80
- Externer Turbolader
- 80E
- Ausstoßseitiges Turbinengehäuse
- 80I
- Einlassseitiges Turbinengehäuse
- 82E
- Ausstoß-Kanalleitung
- 82L, 82H
- AGR-Kanalleitung
- 84
- Einlassöffnung
- 86
- Einwegkupplung
- 88
- Welle
- 90
- Ladeluftkühler
- 92, 94
- Kanalleitung
- 100
- Nockenwelle
- 120, 130, 140, 150
- Nocke:
- 122, 132, 142, 152
- Nockennase
- 200
- AGR-Vorrichtung
- 202L, 202H
- Einwegventil
- 210
- Umschaltventil
- 220
- AGR-Kühler
- 222
- Kanalleitung
- 300
- ECU
- 310
- Gaspedalpositionssensor
- 320L
- Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselsteuersensor
- 320H
- Hochdrehzahl-Drosselsteuersensor
- 322L
- Nieder-/Mittelgeschwindigkeit-Drosselmotor
- 322H
- Hochgeschwindigkeit-Drosselmotor
- 324
- AGR-Steuersensor
- 326
- AGR-Umschaltmotor
- 328
- Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
- 500
- Abgasturbine
- 520
- Kanalleitung
- 530
- AGR-Vorrichtung
- 530H
- AGR-Kanalleitung
- 532H
- Einwegventil
- 540
- Umschaltventil
- 540H
- Kanalleitung
- 600
- Differentialgenerator
- 602
- Turbinenwellen-Untersetzer
- 610
- Wandler
- 612
- HV-Batterie
- 620
- Differentialmotor
- 621
- Drehwelle
- 622
- Differentialritzel
- 624
- Differentialringrad
- 625
- Achse
- 626
- Differentialritzel
- 628
- Motorantriebswelle
- VVC
- Ladedruckregelventil
