DE19939619A1

DE19939619A1 - Viertakt-Verbrennungsmotor und Ventil-Timing-Steuerverfahren dafür

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Publication number: DE19939619A1
Application number: DE19939619A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Iiyama; Tsuyoshi Masuda; Toru Noda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: JP4326044B2; DE19939619B4; US6234123B1; JP2000064863A

Abstract

Bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor und gemäß einem Verfahren zum Steuern des Ventil-Timings, jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung, wird eine auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte Last detektiert und wird eine Beurteilung durchgeführt, ob die Last für den Viertakt-Verbrennungsmotor niedrig ist oder nicht. Falls die Beurteilung ergibt, daß die Last des Viertakt-Verbrennungsmotors niedrig ist, wird das Ventil-Timing eines Auspuffventils des Viertakt-Verbrennungsmotors so eingestellt, daß die Ventilschließzeit des Auspuffventils gegenüber dem oberen Totpunkt des Kolbens des Viertakt-Verbrennungsmotors voreilt bzw. auf früh verstellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Viertakt-Verbrennungsmotor und ein Ventil-Timing-Steuerverfahren für diesen Motor, und bezieht sich im besonderen auf solche, die vorzugsweise verwendet werden können für einen Automobil-Benzinmotor.

Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7-332141 offenbart einen Verdich tungs-Zünd-Benzinmotor, in welchem ein vorgemischtes Gas verdichtungsgezündet und verbrannt wird, so daß eine magere Verbrennung und ein niedriger NOx-Abgasausstoß erzielt werden.

Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 5-321702 offenbart einen Ventilsteu erapparat eines Verbrennungsmotors, bei welchem das Ventil-Timing von Einlaß/ Auslaßventilen in einem niedrigen Motordrehzahlbereich so gesteuert wird, daß Restgas im Zylinder verbleibt, so daß die Abgaseffizienz und der Treibstoffverbrauch verbessert sind.

Zufolge von Studien der Erfinder wird eine Brennstoff-Luftmischung so zusammenge setzt, daß sie mag er ist, um Pumpverluste zu reduzieren, während ein Verhältnis von spezifischer Wärme der Brennstoff-Luftmischung groß eingestellt wird, so daß die theo retische thermische Effizienz verbessert wird, um die thermische Effizienz eines Viertakt- Verbrennungsmotors zu verbessern.

Jedoch sind bei einem Benzinmotor die Möglichkeiten, das Brennstoff-Luft-Gemisch ab zumagern, natürlich limitiert, da bei einer Funkenzündung die Verbrennung und auch die Flammenausbreitung instabil werden. Weiterhin hat während der Zeitdauer einer mageren Verbrennung ein Katalysator zum Reinigen eines Abgases die Tendenz, die Reinigungsfunktion nicht zufriedenstellend auszuführen, insbesondere die Funktion der Reduktion von NOx, zumindest nicht in diesem Ausmaß, wie es bei stöchiometrischer Verbrennung möglich ist.

In einem Dieselmotor läßt sich mittlerweile eine extrem magere Verbrennung durchfüh ren. Dabei wird jedoch der Ruß gelegentlich ausgeschoben, so daß ein Katalysator zum Reinigen eines Abgases nicht effektiv aktiviert werden kann. Im besonderen kann wei terhin in einem Benzinmotor eine magere Verbrennung und eine niedrige NOx-Emission realisiert werden, falls die Verbrennung durch Kompressionszündung veranlaßt wird. Dabei ist jedoch das Phänomen der Kompressionszündung unter Verwendung eines vorgemischten Gases stark beeinflußt durch dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis. Inner halb des Magerbereichs pflegt nämlich an der "fetteren" Seite ein Klopfen aufzutreten, während im Magerbereich an der mageren Seite Fehlzündungen auftreten, so daß un vermeidbar das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf einen Bereich begrenzt ist, innerhalb des sen ein zufriedenstellender Betrieb des Motors möglich ist. In anderen Worten zeigt sich, daß der Belastungsbereich begrenzt ist, innerhalb dessen ein zufriedenstellender Motorbetrieb möglich ist.

Da kein EGR durchgeführt wird, wird zusätzlich im wesentlichen die Gesamtheit des vorgemischten Gases als ein Abgas ausgeschoben, sogar falls eine niedrige NOx- Emission realisiert ist durch die Verbrennung des vorgemischten Gases unter Verwen dung der Kompressionszündung. Demzufolge schaffte eine derartige Konstitution Raum dafür, sie bezüglich des Punktes zu verbessern, daß durch wirksamere Verwendung des Brennstoffes die thermische Effizienz verbessert wird.

Zusätzlich pflegt in einem Fall, in welchem im niedrigen Motordrehzahlbereich das Ven til-Timing der Einlaß- und Auslaßventile zweckmäßig gesteuert wird und bewußt zuge lassen wird, daß verbranntes Gas im Zylinder verbleibt, um die Abgaseffizienz und den Brennstoffverbrauch zu verbessern, Klopfen aufzutreten, und zeigt die Verbrennung die Tendenz, instabil zu werden. Daraus ergibt sich, daß der Belastungsbereich begrenzt ist, innerhalb dessen der Betrieb zufriedenstellend möglich ist.

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf diese Punkte gemacht worden. Es ist des halb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine gleichmäßige kompressionsgezündete Verbrennung mit einer Vormischung zu realisieren, die bei hoher thermischer Effizienz und mit niedriger NOx-Emission in einem breiten Lastbereich eines Viertakt-Verbren nungsmotors mit verbesserter thermischer Effizienz abläuft, und zwar durch effektiveres Verwenden eines Brennstoffes unter Wiederverbrennung unverbrannter HC in dem Viertakt-Verbrennungsmotor, um auf diese Weise einen Viertakt-Verbrennungsmotor zu erhalten, der mit hoher thermischer Effizienz und sauberen Abgasen arbeitet.

Die vorliegende Erfindung hat nämlich eine Konstitution, gemäß der das Ventil-Timing der Einlaß- und Auslaßventile entsprechend verstellt wird, wenn der Verbrennungsmotor hoher Last oder niedriger Last ausgesetzt ist. Es wird das Ventil-Timing variabel gesteu ert, entsprechend der Last zum Zeitpunkt einer niedrigen Last, und wird dabei eine gro ße Menge Restgas im Zylinder effektiv als Wärmequelle eingesetzt.

Mehr konkret weist ein Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung auf: Eine Verbrennungskammer; einen Zünder zum Zünden eines Brennstoff/Luft- Gemisches in der Verbrennungskammer; einen eine Kapazität der Verbrennungskam mer verändernden Kolben; ein Einlaßventil zum Öffnen und Schließen der Verbren nungskammer; ein Auslaßventil zum Öffnen und Schließen der Verbrennungskammer; einen verstellbaren Ventilmechanismus zum Verstellen des Ventil-Timings des Einlaß ventils und zum Verstellen des Ventil-Timings des Auslaßventils; und einen Controller zum Steuern des Zünders und des jeweiligen verstellbaren Ventilmechanismus. Wenn hierbei eine hohe Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht wird, stellt der Controller das Ventil-Timing des Auspuffventils in dem verstellbaren Ventilmechanismus so ein, daß das Auspuffventil im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens geschlos sen ist. Der Controller zündet die Brennstoff-Luftmischung unter Einsatz des Zünders im Bereich des oberen Kompressions-Totpunktes des Kolbens. Wenn hingegen eine nied rige Last für den Viertakt-Verbrennungsmotor gegeben ist, dann stellt der Controller das Ventil-Timing des Auspuffventils in dem verstellbaren Ventilmechanismus so ein, daß das Ventilschließ-Timing des Auspuffventils gegenüber dem oberen Totpunkt des Kol bens voreilt, falls die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte Last niedriger wird, und wird dann das Brennstoff-Luft-Gemisch nur durch Kompression gezündet, oh ne den Zünder zu benutzen.

Wenn bei einer derartigen Ausbildung auf den Viertakt-Verbrennungsmotor eine niedri ge Last aufgebracht wird, dann eilt die Ventilschließzeit des Auspuffventils vor und wird das Auspuffventil schon während des Auspuffprozesses und vor dem oberen Totpunkt des Kolbens geschlossen. Aus diesem Grund verbleibt verbranntes Gas mit hoher Temperatur in der Verbrennungskammer, wobei die Gasmenge mit der zu dieser Zeit vorliegenden Zylinderkapazität korrespondiert und damit beim nächsten Zyklus als Zün dungsquelle brauchbar bleibt. Das heißt, beim nächsten Zyklus eingesaugtes Frischgas wird agitiert und mit dem verbrannten Restgas vermischt, so daß ein gleichförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch mit hoher Temperatur geformt wird. Dann wird dieses gleich förmige Brennstoff-Luft-Gemisch mit hoher Temperatur komprimiert, damit im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine Kompressions-Zündung des mageren Brenn stoff-Luft-Gemisches realisiert werden kann.

Zu diesem Zeitpunkt erfordert eine Zündung den Zünder nicht, da das Brennstoff-Luft- Gemisch selbsttätig gezündet und verbrannt wird, zufolge einer solchen Hochtempera tur/Hochdruck-Atmosphäre. Es gibt dann auch keine sogenannte Flammenausbreitung, die bei konventioneller funkengezündeter Verbrennung zu erkennen ist, und gibt es demzufolge auch keinen lokalen Hochtemperaturbereich zufolge der Flammenausbrei tung. Weiterhin wird ein Teil des verbrannten Gases nicht komprimiert, nachdem die Flammenoberfläche durchgegangen ist, und hat dieser Teil auch keine hohe Tempera tur zufolge der Flammenausbreitung. Noch weiterhin wird die Sauerstoffdichte des Brennstoff-Luft-Gemisches gesenkt, da eine sogenannte interne EGR mit großer Menge ausgeführt wird. Demzufolge läßt sich der NOx-Ausstoß bis auf eine extrem kleine Men ge drücken.

Zusätzlich wird kein Ruß erzeugt da in dem Brennstoff-Luft-Gemisch kein nur teilweiser fetter Anteil existiert. Durch die Kompressions-Selbstzündung kann weiterhin eine ex trem magere Verbrennung realisiert werden, und können unverbrannte HC, die norma lerweise ausgeschoben und freigesetzt werden, durch eine hohe Quantität der internen EGR verbrannt und wirksam verarbeitet werden. Daraus ergibt sich, daß die thermische Effizienz verbessert werden kann.

Insbesondere wird die Voreilung der Ventilschließzeit des Auspuffventils zum Zeitpunkt geringer Last sogar entsprechend der Last gesteuert. Das Ausmaß der Voreilung der Ventilschließzeit des Auspuffventils wird an der Niedriglastseite innerhalb des Niedrig lastbereiches gesteigert, so daß die Quantität verbrannter Restgase erhöht ist. Hinge gen wird das Ausmaß der Voreilung der Ventilschließzeit des Auspuffventils an der Hochlastseite innerhalb des Niedriglastbereiches reduziert, so daß auch die Quantität der verbrannten Restgase reduziert ist. Daraus ergibt sich im Niedriglaststatus, nämlich in dem Status, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch magerer ist, daß die Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches durch Steigern der internen EGR wirksam erhöht werden kann. Aus diesem Grund kann auch die durch Kompression selbsttätig gezündete Ver brennung sogar mit dem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch sicher durchgeführt werden. Hingegen kann das Auftreten des Klopfens sogar für das vergleichsweise fette Brenn stoff-Luft-Gemisch unterdrückt werden, da durch eine Zurücknahme der internen EGR ein Anstieg der Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches an der Hochlastseite im Niedriglastbereich vergleichsweise unterdrückt wird.

Daraus ergibt sich, daß der Temperaturbereich des Brennstoff-Luft-Gemisches, inner halb dessen die kompressionsgezündete Verbrennung ausgeführt werden kann, erwei tert werden kann, und zwar in einem großen Lastbereich, und daß die vorgemischte kompressionsgezündete Verbrennung realisiert werden kann, die zu hoher thermischer Effizienz und niedrigem NOx-Ausstoß führt.

Weiterhin wird die Ventilschließzeit des Auspuffventils auf den Bereich um den oberen Totpunkt des Kolbens eingestellt, ähnlich wie bei einem konventionellen Viertakt-Ver brennungsmotor, und zwar während der Zeit einer hohen Last, so daß das Restgas im Zylinder vermindert und die Erzeugung des Klopfens unterdrückt wird wie bei der kon ventionellen Verbrennung mit der Funkenzündung und Flammenausbreitung mittels des Zünders, so daß der Füllungsgrad verbessert werden kann und eine hohe Leistungsab gabe erzielt wird.

In anderen Worten weist ein Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Er findung auf: Eine Verbrennungskammer; einen ein Brennstoff-Luft-Gemisch in der Ver brennungskammer zündenden Zünder; einen die Kapazität der Verbrennungskammer verändernden Kolben; ein die Verbrennungskammer öffnendes und schließendes Ein laßventil; ein die Verbrennungskammer öffnendes bzw. schließendes Auspuffventil; eine verstellbare Ventileinrichtung zum Verstellen des Ventil-Timings des Einlaßventils und zum Verstellen des Ventil-Timings des Auspuffventils; und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Zünders und der verstellbaren Ventileinrichtung. Wenn der Viertakt-Ver brennungsmotor unter niedriger Last betrieben wird, stellt die Steuereinrichtung das Ventil-Timing des Auspuffventils an der verstellbaren Ventileinrichtung so ein, daß die Ventilschließzeit des Auspuffventils gegenüber dem oberen Totpunkt des Kolbens vor eilt.

In dieselbe Richtung geht das Verfahren zum Steuern des Ventil-Timings bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung, das folgende Schritte umfaßt: Detektieren der Last für den Viertakt-Verbrennungsmotor; beurteilen, ob der Viertakt-Verbrennungsmotor unter niedriger Last läuft oder nicht; und einstellen des Ventil-Timings wenigstens eines Auspuffventils des Viertakt-Verbrennungsmotors derart, daß die Ventilschließzeit des Auspuffventils gegenüber dem oberen Totpunkt des Kol bens des Viertakt-Verbrennungsmotors voreilt, sofern bei der Beurteilung festgestellt worden ist, daß der Viertakt-Verbrennungsmotor unter niedriger Last läuft.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 diagrammartig und in Form eines Vertikalschnittes eine Struktur eines Vier takt-Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt einer Struktur eines verstellbaren Ventilmechanismus entsprechend dieser Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Veränderung der Ventilhebebewe gung des verstellbaren Ventilmechanismus von Fig. 2,

Fig. 4A ein Diagramm zum Verdeutlichen der Einstellung des Ventil-Timings, falls bei der Ausführungsform der Viertakt-Verbrennungsmotor unter hoher Last läuft,

Fig. 4B ein Diagramm, das die Einstellung des Ventil-Timings zeigt, wenn auf den Viertakt-Verbrennungsmotor entsprechend dem Ausführungsbeispiel eine niedrige Last aufgebracht wird,

Fig. 5 ein Diagramm zum Verhältnis zwischen dem Ventil-Timing von Fig. 4 und dem Kurbelwellen-Drehwinkel,

Fig. 6A bis 6F schematische Darstellungen einer Verbrennungskammer zur Verdeutlichung des Gaswechsel-Prozesses in der Verbrennungskammer, falls auf den Vier takt-Verbrennungsmotor dieser Ausführungsform eine niedrige Last aufge bracht wird,

Fig. 7A ein P-V-Diagramm zur Verdeutlichung einer Veränderung des Drucks in der Verbrennungskammer bei einem hohen Lastzustand der Ausführungsform,

Fig. 7B ein P-V-Diagramm, das die Änderung des Drucks in der Verbrennungskam mer während eines Niedriglastzustandes bei der Ausführungsform zeigt

Fig. 8 ein Diagramm, das die Charakteristik der Schließzeit eines Auspuffventils und diejenige der Öffnungszeit eines Einlaßventils während der Zeit einer niedrigen Last bei dem Ausführungsbeispiel zeigt

Fig. 9 ein Flußdiagramm zum Steuern des Ventil-Timings des Viertakt-Ver brennungsmotors in dieser Ausführungsform,

Fig. 10 ein Diagramm, das die experimentellen Resultate der Kompressions- Zündung im Hinblick auf das Ventil-Timing bei der Ausführungsform zeigt und

Fig. 11 ein Diagramm, das einen Lastbereich zeigt korrespondierend mit dem Kom pressionsverhaltnis, wobei innerhalb des Lastbereiches mit der Ausführungs form ein zweckmäßiger Betrieb möglich ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben.

Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf ein Beispiel, bei dem die Merkmale eines erfindungsgemäßen Viertakt-Verbrennungsmotors auf einen Viertakt-Benzinmotor (nachfolgend als Motor bezeichnet) angewandt sind.

In Fig. 1 ist ein Motor E mit einem Zylinderblock 1, einem Kolben 2 und einem Zylinder kopf 3 gezeigt. Durch den Zylinderblock 1, den Kolben 2 und den Zylinderkopf 3 ist eine Verbrennungskammer 4 definiert.

Der Zylinderkopf 3 ist mit einem Einlaßventil 6 zum Öffnen/Schließen eines Einlaßan schlusses 5 und mit einem Auspuffventil 8 zum Öffnen/Schließen eines Auspuffan schlusses 7 versehen. Als Zündvorrichtung ist eine Zündkerze 9 an einer im wesentli chen zentralen Position im obersten Bereich der Verbrennungskammer 4 vorgesehen.

Das Einlaßventil 6 und das Auspuffventil 8 werden unabhängig durch verstellbare Ven tilmechanismen 10A und 10B geöffnet/geschlossen, welche Mechanismen die Ventilöff nungszeit und die Ventilschließzeit (d. h. den Zeitpunkt, an dem die Ventile in der Schließstellung angelangt sind oder die Schließstellung aufgeben; bezogen auf den Kurbelwellen-Drehwinkel) der Ventile 6 und 8 entsprechend verändern können.

Der Motor E wird durch eine Motorsteuereinheit 11 (nachfolgend als ECU benannt) ge steuert. Die ECU 11 enthält einen Mikrocomputer zum Durchführen eines arithmeti schen Verfahrens und einen Speicher sowie notwendige I/O-Schnittstellen und derglei chen.

Die ECU 11 ist mit Sensoren 12 zum Detektieren des Betriebsstatus des Motors E ver bunden, wie mit einem Kurbelwellen-Drehwinkelsensor 12a zum Detektieren einer Mo tordrehzahl, einem Gaspedalsensor 12b zum Detektieren des Betätigungsgrades des Gaspedals, einem Wassertemperatursensor 12c zum Detektieren der Temperatur des Kühlwassers und einem Luftstrommesser 12d zum Detektieren der Einlaßluftmenge. Die ECU 11 beurteilt den Betriebsstatus des Motors E basierend auf Signalabgaben der Sensoren 12, um die notwendige Steuerung durchzuführen. Von der ECU 11 werden auch die Zündkerze 9 und die verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B gesteuert.

Bei der vorliegenden Ausführungsform haben die verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B eine Struktur, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.

Die verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B haben jeweils einen Nocken 21, der einstückig an einer Nockenwelle 22 abgestützt ist, deren Drehachse sich synchron mit der Rotation des Motors E dreht, und einen Kipphebel 23 mit einem Stützabschnitt 24, der zu einer Kipphebelwelle 25 exzentrisch ist, wobei die Drehachse der Kipphebelwelle 25 parallel zu derjenigen der Nockenwelle 22 ist. Der Kipphebel 23 ist mittels des Stütz abschnittes 24 drehbar auf der Kipphebelwelle 25 gelagert. Ein Schwenknocken 26 ist drehbar von einer weiteren Nockenwelle 27 abgestützt, deren Drehachse parallel zur Nockenwelle 22 ist. Der Schwenknocken 26 wird in Uhrzeigerrichtung durch eine Feder 29 beaufschlagt. Eine Kontaktposition zwischen einer Nockenfläche 26a und dem Ein laßventil 6 (Auspuffventil 8) ist entlang der Nockenfläche 26a versetzbar. Eine Ventilfe der 30 für das Einlaßventil 6 (Auspuffventil 8) ist schematisch angedeutet.

In den verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B verändert die Drehachse des Kipphebels 23 ihre Lage zweckmäßigerweise in einer nach oben und nach unten lie genden Richtung in Fig. 2, entsprechend einer Drehbewegung der Kipphebelwelle 25. Der Kipphebel 23 überträgt jegliche Änderung eines Nockenprofils des Nockens 21 kor respondierend mit der Rotation des Motors E auf den Schwenknocken 26. Daraufhin bewegt der Schwenknocken 26 das Einlaßventil 6 (Auspuffventil 8) entlang eines Nockenprofils der Nockenfläche 26a korrespondierend mit dem Nockenprofil des Nockens 21, zu welchem Profilverlauf sozusagen die Änderung der Position der Drehachse des Kipphebels 23 in der Auf- oder Abwärtsrichtung hinzugefügt wird.

Fig. 2 zeigt einen Status, bei dem der Kipphebel 23 in bezug auf die Kipphebelwelle 25 am weitesten nach unten versetzt ist, entsprechend einem Fall, bei dem ein maximaler Hebehub für das Einlaßventil 6 (Auspuffventil 8) erzielt werden kann. Wenn hingegen der Kipphebel 23 in bezug auf die Kipphebelwelle 25 am weitesten nach oben versetzt ist (nicht gezeigt), dann ist der Hebehub für das Einlaßventil 6 (Auspuffventil 8) ein Mi nimum geworden.

Wenn mehr spezifisch bei der vorliegenden Ausführungsform die Kipphebelwelle 25 zweckmäßig durch die ECU 11 verdreht und die Auf- und Abwärtsposition der Drehach se des Kipphebels 23 gesteuert ist, werden auch die Öffnungs-/Schließzeiten und der Hebehub des Einlaßventils 6 (Auspuffventil 8) korrespondierend gesteuert.

Fig. 3 zeigt die Relation zwischen dem Kurbelwellen-Drehwinkel θ und dem Ventilhebe hub VL der verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B. Gemäß Fig. 3 hat der Ven tilhebehub VL der verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B bei der vorliegenden Ausführungsform ein Profil, das typischerweise repräsentiert wird durch einen Zwischen wert VI_n. Das heißt, dieses kann so eingestellt werden, daß es sich sequentiell in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung in dieser Figur ändert und dadurch ein sehr ebenmäßi ges bzw. harmonisches Profil einhält.

Fig. 4 zeigt einen Status, bei dem das Ventil-Timing der Einlaß- und Auspuffventile 6 und 8 geändert wird mittels der verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B während der Zeitdauer einer großen Last bzw. einer niedrigen Last.

In der vorliegenden Ausführungsform ist hier die Last des Motors E geschätzt anhand einer grundsätzlichen Brennstoff-Einspritzmenge TP. Wenn die grundsätzliche Einspritz menge TP größer ist, ist die Last höher, und wenn die grundsätzliche Brennstoff-Ein spritzmenge TP kleiner ist, dann ist auch die Last niedriger. Hierbei wird die grundsätzli che Brennstoff-Einspritzmenge TP durch die ECU 11 berechnet, basierend auf einer Motordrehzahl festgestellt und übermittelt von dem Kurbelwellen-Drehwinkelsensor 12a und der Einlaßluftmenge, wie festgestellt und übermittelt durch den Luftstrommesser 12d. Mehr konkret korrespondiert die grundsätzliche Einspritzmenge TP mit einer Puls weite eines Puls-Treibsignals, das von der ECU 11 an einen Injektor (nicht gezeigt) übertragen wird, der vorgesehen ist, einen Brennstoff der Verbrennungskammer 4 zuzu führen. Bei der vorliegenden Ausführungsform gehört eine Pulsweite von zwei bis fünf (ms) zu dem Niedriglastbereich, während eine Pulsweite, die fünf (ms) überschreitet, zum Hochlastbereich gehört.

Es liegt auf der Hand, daß die Last des Motors E zweckmäßig auch definiert werden kann durch Verwenden anderer Eingabeparameter je nach Bedarf, so daß hierfür bei spielsweise auch andersartige Informationen berücksichtigt werden können, wie die Gaspedalstellung bzw. Drosselklappenöffnung und die Kühlwassertemperatur. Falls ein Lastsensor an dem Motor E vorgesehen ist, kann die Signalabgabe des Lastsensors di rekt verwendet werden zum Definieren der Last des Motors E.

Nachfolgend wird das Ventil-Timing des Motors E der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Hierbei wird für das Ventil-Timing als Referenz der Kurbelwellen-Dreh winkel θ des Motors E verwendet.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird bei einer hohen Last auf dem Motor E das Ventil-Timing wie in Fig. 4A gezeigt eingestellt.

Das Ventil-Timing zur Zeit der großen Last ist auf ähnliche Weise eingestellt wie bei ei nem normalen Viertakt-Benzinmotor. Im besonderen bedeutet dies, daß die Ventil schließzeit EVC des Auspuffventils 8 und die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 um den oberen Totpunkt TDC des Kolbens herum eingestellt sind, und daß auch ein vorbestimmter Ventilüberschneidungswinkel O/L eingestellt ist. Mehr konkret liegt die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 innerhalb eines Bereiches von ca. 5° bis 10° nach dem oberen Totpunkt ATDC, während die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 innerhalb eines Bereiches von 5° bis 10° vor dem oberen Totpunkt BTDC liegt. Damit liegt der Ventilüberschneidungswinkel O/L innerhalb eines Bereiches von ca. 10° bis 20°. Weiterhin ist die Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 bei etwa 55° vor dem unteren Totpunkt BBDC in bezug auf den unteren Totpunkt BDC des Kolbens einge stellt, während die Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6 bei etwa 50° nach dem unte ren Totpunkt ABDC des Kolbens liegt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird der Aus pufftakt repräsentiert durch EXH, und wird der Einlaßtakt repräsentiert durch INT.

Hingegen wird das Ventil-Timing zur Zeit einer niedrigen Last auf dem Motor E der vor liegenden Ausführungsform so wie in Fig. 4B gezeigt, eingestellt.

Für das Ventil-Timing, falls der Motor E bei geringer Last läuft, ist die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 nach früher verstellt, verglichen mit dem Fall der großen Last, und ist die Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 auf später verstellt, so daß EVO näher beim unteren Totpunkt BDC des Kolbens liegt. Mehr konkret ist die Ventilschließ zeit EVC des Auspuffventils eingestellt auf einen Bereich von 60° bis 80° vor dem obe ren Totpunkt BTDC und ist die Ventilöffnungszeit EVO eingestellt auf ca. 10° vor dem unteren Totpunkt BBDC. Hierbei kann die Ventilöffnungszeit EVO eingestellt sein inner halb eines Bereiches von ca. 10° bis ca. 55° vor dem unteren Totpunkt BBDC, ähnlich der Einstellung bei großer Last. Weiterhin wird die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaß ventils 6 so verzögert, daß der Winkel zwischen dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens und der Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 im wesentlichen dem Winkel zwi schen der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 und dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens gleich wird. Hierbei ist die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 in den Bereich von 60° bis 80° nach dem oberen Totpunkt ATDC gesetzt, korrespondierend mit der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8, und ist die Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6 auf ca. 10° nach dem unteren Totpunkt ABDC gesetzt. Hierbei kann die Ventilschließzeit IVC innerhalb eines Bereiches von ca. 10° nach bis ca. 40° nach dem unteren Totpunkt ABDC gesetzt sein. In anderen Worten ist im Falle einer niedrigen Last für den Motor E das Ventil-Timing so eingestellt, daß der Ventilüberschneidungs winkel O/L im Bereich des oberen Totpunktes TDC des Kolbens einen negativen Wert einnimmt, der verschieden ist von einem Wert, wie er zur Zeit einer hohen Last erhalten wird, so daß dieser Wert zu einem sogenannten negativen Überschneidungswinkel (-O/L) wird.

Es liegt auf der Hand, daß die verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B bei der vorliegenden Ausführungsform das Ventil-Timing zur Zeit der großen Last und zur Zeit der niedrigeren Last verstellen können, und das Ventil-Timing entsprechend der Last auch sequentiell verändern können. Daraus ergibt sich, insbesondere sogar während einer niedrigen Last, daß das Ventil-Timing unter Berücksichtigung der Last in den oben erwähnten Bereichen sequentiell verändert werden kann.

Zusätzlich ist es grundsätzlich ausreichend, und zwar bezüglich der Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 und der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8, im Falle ei ner niedrigen Last des Motors E zumindest die Ventilöffnungszeit IVO des. Einlaßventils 6 nach vorne zu verstellen oder die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 zu ver zögern, jeweils im Vergleich mit einem Fall, bei dem der Motor E unter hoher Last läuft.

Zum klareren Verständnis ist in Fig. 5 das Ventil-Timing bei hoher Last und niedriger Last des Motors E der vorliegenden Ausführungsform repräsentiert als eine Hebekurve, die eine Veränderung des Ventilhebehubes VL der Einlaß- und Auspuffventile 6 und 8 über deren Kurbelwellen-Drehwinkel θ zeigt. In der Zeichnung ist eine unterbrochene Kurve eine Hebekurve zur Zeit der hohen Last HL, und ist eine ausgezogene Kurve ei ne Hebekurve zur Zeit der niedrigen Last LL.

Weiterhin zeigen für ein klareres Verständnis die Fig. 6A bis 6F einen Gaswechsel prozeß in der Verbrennungskammer 4 bei einem Ventil-Timing, bei dem der Motor E der vorliegenden Ausführungsform mit niedriger Last läuft.

Als erste zeigt Fig. 6A einen Status in der Mitte des Auspufftakts. Der Kolben 2 ist bis zur Hälfte angehoben. Verbranntes Gas wird durch das geöffnete Auspuffventil 8 in den Auspuffanschluß 7 ausgeschoben.

Als nächstes zeigt Fig. 6B einen Status, bei dem der Kolben 2 in etwa bis zur Hälfte sei nes Hubweges angehoben ist. Das Timing ist noch in der Mitte des Auspufftakts aus der Zeit der vorhergehend großen Last, das Auspuffventil 8 erreicht jedoch die Ventil schließzeit EVC, um zu schließen. Das zu diesem Zeitpunkt verbrannte, noch nicht aus geschobene Gas verbleibt in der Verbrennungskammer 4 und wird darin eingeschlos sen. Das restliche verbrannte Gas wird so als Wärmequelle für die Verbrennung beim nächsten Zyklus bereitgehalten.

Als nächstes zeigt Fig. 6C einen Status, bei dem der Kolben 2 den oberen Totpunkt TDC erreicht. Das in der Verbrennungskammer 4 eingeschlossene, restliche verbrannte Gas wird komprimiert, bis der erwähnte Status erreicht ist.

Als nächstes zeigt Fig. 6D einen Status, bei dem der Kolben 2 wieder nach unten geht, nachdem er den oberen Totpunkt TDC überschritten hat.

Als nächstes zeigt Fig. 6E einen Status, bei dem der Kolben 2 weiter abgesenkt worden ist, so daß für das Einlaßventil 6 die Ventilöffnungszeit IVO erreicht wird, während das Auspuffventil 8 nach wie vor geschlossen ist. Wenn das Einlaßventil 6 geöffnet ist, wird aus dem Einlaßanschluß 5 neues Gas eingesaugt, das durch das restliche verbrannte Gas agitiert wird und sich damit vermischt.

Da hier die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 verzögert ist, bis zu einer Phase, in der die Geschwindigkeit des Kolbens 2 noch vergleichsweise hoch ist, wird der An saugtakt bereits dann gestartet. Da deshalb die Einsauggeschwindigkeit des neuen Ga ses hoch wird, wird bei einem derartigen Ventil-Timing das neue Gas mit dem restlichen verbrannten Gas in ausreichendem Maß und zwar gleichmäßig gemischt, und kann die thermische Effizienz verbessert werden, während die abgegebene Menge an NOx re duziert werden kann.

Es liegt auf der Hand, daß, wie in Fig. 1 durch eine hypothetische Linie gezeigt ein Teil- Abschirmventil 16 zum Abschirmen eines Teils des Einlaßanschlusses 5 vorgesehen ist und dieses Teil-Abschirmventil 16 zur Zeit der niedrigen Last geschlossen ist. Daraus ergibt sich, daß die Ansaug-Gasströmungsrate des neuen Gases gesteigert wird, und dadurch das neue Gas zwangsweise mit dem restlichen verbrannten Gas vermischt wird.

Zusätzlich wird die thermische Effizienz verbessert, da die beim Verdichtungsvorgang des restlichen verbrannten Gases aufzubringende Arbeit zurückgewonnen wird, indem das restliche verbrannte Gas expandieren gelassen wird, bis das Einlaßventil 6 geöffnet ist, und dabei den Kolben 2 nach unten schiebt.

Danach und wie in Fig. 6F gezeigt wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch, das erhalten wur de durch gleichförmiges Vermischen des restlichen verbrannten Gases mit hoher Tem peratur mit dem neuen Gas, während des Verdichtungshubes des Kolbens 2 verdichtet, um im Bereich des oberen Totpunktes TDC des Kolbens selbsttätig gezündet und ver brannt zu werden.

Für ein klareres Verständnis zeigen die Fig. 7A und 7B vereinfachte P-V-Diagram me zum Ablauf in der Verbrennungskammer 4. Mehr konkret zeigt Fig. 7A das simplifi zierte P-V-Diagramm zum Ablauf in der Verbrennungskammer 4, falls eine hohe Last auf den Motor E aufgebracht wird, während Fig. 7B das simplifizierte P-V-Diagramm für die Verbrennungskammer 4 bei niedriger, auf den Motor E aufgebrachter Last zeigt. In den Zeichnungen korrespondiert ein Pfeil mit einer Änderung des Kreisprozesses des Motors E.

Wie sich aus dem Vergleich der Fig. 7A und 7B ergibt, wird in dem P-V-Diagramm von Fig. 7A beim oberen Kompressions-Totpunkt zwischen dem Verdichtungstakt und dem Expansionstakt eine Druckspitze Pa erzielt, wenn auf den Motor E eine große Last aufgebracht ist, und wird in dem P-V-Diagramm von Fig. 7B beim oberen Kompressi ons-Totpunkt zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt eine Druckspit ze Pa erhalten, falls eine geringe Last auf dem Motor E aufgebracht ist, und auch eine Druckspitze Pb beim oberen Totpunkt des Kolbens zwischen dem Auspufftakt und dem Ansaugtakt. Jedoch liegt zur Zeit einer niedrigen Last eine vergleichsweise große Men ge an restlichem verbranntem Gas zufolge des Ventil-Timings vor, das den negativen Überschneidungswinkel (-O/L) einsteuert. Deshalb wird ein Abschnitt, der einem Pump verlust im Kreisprozeß des Motors E entspricht, kleiner zur Zeit geringer Last und in Fig. 7B, welcher Pumpverlust in jeder der Fig. 7A und 7B durch einen schrägen Kurven verlauf repräsentiert ist. Daraus ergibt sich, daß die thermische Effizienz verbessert ist.

Kurz gesagt durchläuft bei der vorliegenden Ausführungsform der Motor E den als ty pisch in den Fig. 6A bis 6F gezeigten Kreisprozeß mit bei geringer Last gemäß den Fig. 4B und 5 eingestelltem Ventil-Timing. Als ein Resultat wird ein gleichmäßiges Brennstoff-Luft-Gemisch erhalten, durch Vermischen des restlichen verbrannten Gases mit hoher Temperatur mit dem neuen Gas. Dieses Gemisch wird dann komprimiert ent sprechend dem Kompressionshub des Kolbens, um selbsttätig gezündet und verbrannt zu werden. Daraus ergibt sich, daß eine extrem magere Verbrennung möglich wird und demzufolge die thermische Effizienz verbessert ist. Ferner eliminiert die gleichförmige Selbstzündungs-Verbrennung einen teilweisen Hochtemperaturbereich und wird demzu folge der Ausstoß an NOx bis auf ein extrem kleines Ausmaß unterdrückt.

Hiernach wird das Ventil-Timing des Motors E mittels der verstellbaren Ventilmechanis men 10A und 10B weiter im Detail untersucht.

Zum Beispiel tritt die Kompressionszündung sicher auf und wird das Gas verbrannt, da das Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Magerbereich graduell angereichert ist, entspre chend einer Veränderung der Last von der hohen Last zu der niedrigen Last, und sogar falls das Ventil-Timing so verstellt wird, daß zur Zeit der niedrigen Last nur ein vorbe stimmter negativer Überschneidungswinkel (-O/L) eingestellt wird, nämlich sogar falls das Einzelventil-Timing eingestellt ist. Jedoch gibt es eine sogenannte Anreicherungs- Begrenzung derart, daß kein Klopfen auftritt. Wenn im Gegensatz das Brennstoff-Luft- Gemisch im Magerbereich graduell abgemagert wird, wird das restliche verbrannte Gas mit der hohen Temperatur zuverlässig verwendet; jedoch gibt es eine sogenannte Ma ger-Begrenzung dahingehend, daß die Verbrennung nicht instabil werden darf. Deshalb wird bei der Kompressions-Selbstzündungs-Verbrennung ein Lastbereich, innerhalb dessen hohe thermische Effizienz und niedriger NOx-Ausstoß realisiert werden können, erheblich begrenzt.

In konsequenter Weise wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Ventil-Timing sequentiell entsprechend der Last geändert, wenn auf den Motor E eine niedrige Last aufgebracht ist.

Im besonderen und wie typisch in Fig. 8 gezeigt, wird an der Niedriglastseite L im Nied riglastbereich des Motors E, nämlich bei einem Pulsweiten-Bereich von zwei bis fünf (ms) des Treibsignals zum Injektor entsprechend der grundsätzlichen Brennstoff-Ein spritzmenge TP die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 in Proportion zu einer Abnahme der Pulsweite gegenüber dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens nach vorne verstellt, und wird die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 in Proportion zu der Abnahme der Pulsweite gegenüber dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens verzögert oder zurückverstellt. Im Gegensatz dazu ist an der Hochlastseite H im Niedriglastbereich des Motors E das Ausmaß der Vorverstellung der Ventilschließzeit EVC des Auspuff ventils 8 in Proportion zu einer Zunahme der Pulsweite klein gewählt, und ist der Verzö gerungsgrad der Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 in Proportion zu der Zunah me der Pulsweite ebenfalls klein eingestellt. Das heißt, daß bei der gezeigten Ausfüh rungsform in dem Niedriglastbereich des Motors E der Vorverstellungsgrad der Ventil schließzeit EVC des Auspuffventils in bezug auf den oberen Totpunkt TDC des Kolbens linear vermindert wird von der Niedriglastseite L zur Hochlastseite H, und der Verzöge rungsgrad der Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 gegenüber dem oberen Tot punkt TDC des Kolbens linear vermindert wird von der Niedriglastseite L zur Hochlast seite H.

Zufolge der vorerwähnten Einstellungen wird für das magerere Brennstoff-Luft-Gemisch die ausreichende kompressionsgezündete Verbrennung aufrecht gehalten, da die Men ge des restlichen verbrannten Gases mit hoher Temperatur im Niedriglastbereich des Motors E an der Niedriglastseite L gesteigert wird, und da die Menge des restlichen ver brannten Gases hoher Temperatur an der Hochlastseite H vermindert wird. So wird auch das Auftreten des Klopfens unterdrückt.

Weiterhin kann bei der vorliegenden Ausführungsform die thermische Effizienz weiter verbessert werden, wenn die Verstellung des Ventil-Timings in äquivalenter Weise auch für die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 und die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 vorgenommen wird. Dann ist die Arbeit, die zum Komprimieren des rest lichen verbrannten Gases in der Verbrennungskammer 4 während des Prozeßablaufes von der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 bis zum oberen Totpunkt TDC des Kolbens erforderlich ist, zuverlässig durch den Prozeßablauf zwischen oberem Totpunkt TDC des Kolbens bis zur Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 wiedergewonnen. Hier ist in dem Motor E, der keinen Lader verwendet, der Zylinderdruck zum Zeitpunkt der Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 ca. 1 Atmosphäre, falls der Zylinderdruck zum Zeitpunkt der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 bei etwa 1 Atmosphäre liegt welcher Druck im wesentlichen gleich ist mit dem Druck im Ansauganschluß 5.

Weiterhin wird durch Verstellen der Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6 ein effekti ves Verdichtungsverhältnis über dem Prozeßablauf von der Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6 bis zum oberen Totpunkt TDC des Kolbens groß, und werden die Tem peratur und der Druck des Brennstoff-Luft-Gemisches am oberen Totpunkt TDC des Kolbens höher, so daß die Kompressionszündung leichter eintritt. Und durch Verzögern der Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 wird das effektive Expansionsverhältnis innerhalb des Prozeßverlaufs von dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens bis zur Venti löffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 groß, so daß eine Leistung effizient von dem Ar beitsgas entnommen werden kann, das zufolge der Zündung sehr hohe Temperatur hat.

Hierbei wird die Ventil-Timing-Charakteristik bei niedriger, auf den Motor aufgebrachter Last, und wie in Fig. 8 angedeutet, zuvor als eine Mappe in einem Speicher in der ECU 11 gespeichert. Weiterhin kann diese Charakteristik variierbar gesetzt sein je nach Be darf und auf eine Weise, bei der ihre Schräge eingestellt wird, oder eine nichtlineare Charakteristik benutzt wird.

Nachstehend wird die Steuerung des Ventil-Timings des Motors der vorliegenden Aus führungsform unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 9 beschrieben.

Zunächst wird in Fig. 9 ein Prozeßablauf zum Steuern des Ventil-Timings durch die ECU 11 gestartet, sobald die Zündung eingeschaltet ist.

Im Schritt 1 (S1) wird die Last des Motors E detektiert. Bei der vorliegenden Ausfüh rungsform wird die Last des Motors E detektiert durch Beschaffen der Pulsweite des Puls-Treibsignals, das korrespondierend mit der grundsätzlichen Brennstoff-Einspritz menge TP an den Injektor zu senden ist. In diesem Fall wird die grundsätzliche Brenn stoff-Einspritzmenge TP durch die ECU 11 berechnet, basierend auf der Motordrehzahl und der Ansaugluftmenge, wie eingegeben von dem Kurbelwellen-Drehwinkelsensor 12a und dem Luftströmungsmesser 12d. Die Pulsweite des Puls-Treibsignals, das an den Injektor zu übermitteln ist, wird aus einer Tabelle erhalten, die mit der grundsätzli chen Brennstoff-Einspritzmenge TP korrespondiert und zuvor im Speicher in der ECU 11 abgelegt wurde.

Als nächstes wird beim Schritt 2 (S2) eine Beurteilung durchgeführt, ob die Last des Motors E sich in dem Niedriglastbereich befindet. Mehr konkret befindet sich die Last in dem Niedriglastbereich, falls die Pulsweite des Puls-Treibsignals, das an dem Injektor zu übertragen ist, entsprechend der grundsätzlichen Brennstoff-Einspritzmenge TP inner halb eines Bereiches von zwei bis fünf (ms), liegt. Wenn hingegen die Pulsweite fünf (ms) überschreitet, dann ist die Last nicht mehr innerhalb des Niedriglastbereiches. Wenn also hier die Beurteilung gemacht werden konnte, daß die Last des Motors E nicht im Niedriglastbereich liegt, sondern eine hohe Last auf den Motor E aufgebracht wird, dann geht die Routine zum Schritt 3 (S3), derart, daß die verstellbaren Ventilme chanismen 10A und 10B gesteuert werden, um ein Ventil-Timing zu realisieren, ähnlich dem konventionellen und wie in Fig. 4A gezeigt. Das Ventil-Timing für das Einlaßventil 6 und das Auslaßventil 8 wird korrespondierend gesteuert. Dann wird Frischgas ange saugt und komprimiert und durch die Zündkerze 9 gezündet und durch Flammenaus breitung verbrannt. Nachdem der Schritt 3 (S3) vervollständigt ist, kehrt die Routine zu rück zum Schritt 1 (S1).

Sollte hingegen bei der Beurteilung festgestellt worden sein, daß sich beim Schritt 2 (S2) der Motor E im Niedriglastbereich befindet, dann geht die Routine weiter zum Schritt 4 (S4).

Beim Schritt 4 (S4) werden die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6, die Ventilöff nungszeit EVO des Auspuffventils 8 und die Ventilschließzeit EVC des Einlaßventils 6 festgelegt. Konkreter werden die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 und die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 aus der Mappe, wie in Fig. 8 gezeigt und zu vor im Speicher der ECU 11 abgelegt korrespondierend mit der Last des Motors be stimmt, d. h., daß die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 bestimmt wird innerhalb eines Bereiches von 60° bis 80° vor dem oberen Totpunkt BTDC und entsprechend der Last, während die Ventilöffnungszeit IVO des Einlaßventils 6 festgelegt wird in dem Be reich von 60° bis 80° nach dem oberen Totpunkt ATDC und korrespondierend mit der Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 und gemäß der Last. Weiterhin werden die Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 und die Ventilschließzeit IVC des Einlaß ventils 6 festgelegt unter Verwendung der zuvor im Speicher der ECU 11 abgelegten Werte, wobei ausgewählte Konditionen berücksichtigt werden, etwa im Hinblick darauf, daß das effektive Verdichtungsverhältnis groß wird und die Kompressions-Selbst zündung leicht möglich ist, und dergleichen. Dies bedeutet auch, daß die Ventilöffnungs zeit EVO des Auspuffventils 8 festgelegt wird bei 10° vor dem unteren Totpunkt BBDC, während die Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6 festgelegt wird bei 10° nach dem unteren Totpunkt ABDC.

Als nächstes werden beim Schritt 5 (S5) die verstellbaren Ventilmechanismen 10A und 10B gesteuert, im Hinblick auf die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8, die Venti löffnungszeit IVO des Einlaßventils 6, die Ventilöffnungszeit EVO des Auspuffventils 8 und die Ventilschließzeit IVC des Einlaßventils 6, wie beim Schritt 4 (S4) festgelegt, so daß das Ventil-Timing des Einlaßventils 6 und des Auspuffventils 8 gesteuert wird.

Nachdem der Schritt 5 (S5) vervollständigt ist, endet eine Prozeß-Serie innerhalb des vorerwähnten Prozeßablaufs. Nach einem vorbestimmten Intervall wird eine weitere Se rie des Prozeßablaufs, beginnend mit dem Schritt 1 (S1) gestartet, und der Prozeßab lauf wird in ähnlicher Weise wiederholt, bis die Zündung ausgeschaltet wird.

Nachfolgend werden unterschiedliche experimentelle Resultate angegeben, die auf der Basis der oben beschriebenen Struktur von den Erfindern festgehalten wurden.

Fig. 10 zeigt Resultate, die erhalten werden durch Messen der Klopfintensität IN des Motors E (wobei S stark und W schwach bedeutet), der Verbrennungsvariationsrate Pi des Motors E (wobei L groß und S klein bedeutet), und einer Brennstoff-Verbrauchsrate CF des Motors E (wobei L groß und S klein bedeutet), unter Bezug zur Last des Motors E (wobei L niedrig und H hoch bedeutet) und falls der Vorverstellungs-Steuerbereich der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 jeweils auf 60°, 70° und 80° vor dem oberen Totpunkt BTDC eingestellt wird. Hierbei sind die Klopfintensität IN, die Verbrennungsva riationsrate Pi und die Brennstoff-Verbrauchsrate CF aufeinanderfolgend gezeigt, in ei ner Reihe von der Oberseite bis zur Unterseite der Fig. 10.

Wie sich aus Fig. 10 klar ergibt, liegen die Bereiche, innerhalb derer die Betreibbarkeit des Motors E am zufriedenstellendsten hinsichtlich der Klopfintensität IN und der Ver brennungsvariationsrate Pi sind, deren jeweilige Schwellwerte durch gestrichelte Linien repräsentiert sind, wie angedeutet in den Bereichen A₁, A₂ und A₃ bei der jeweiligen Ventilschließzeit EVC von 60°, 70° und 80° und bei niedriger, auf den Motor E aufge brachter Last. Weiterhin kann entnommen werden, daß in den Bereichen A₁ bis A₃ die Brennstoff-Verbrauchsrate C erheblich reduziert ist im Vergleich mit der konventionellen und wie durch die kurvige gestrichelte Linie repräsentiert.

Wenn deshalb die Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 sequentiell und entspre chend der Last des Motors E innerhalb des Bereiches von 60° bis 80° vor den oberen Totpunkt BTDC gesteuert wird, was der Vorverstellungs-Steuerbereich der Ventilschließ zeit EVC ist, dann kann das restliche verbrannte Gas zweckmäßig gesteuert werden, und kann insbesondere die Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches so gesteuert werden, daß die kompressionsgezündete Verbrennung durch gleichförmiges Vormi schen realisiert werden kann. Es ist daraus leicht verständlich, daß die vorgemischte kompressionsgezündete Verbrennung in einem weiten Lastbereich des Motors E der vorliegenden- Ausführungsform realisiert werden kann.

Bei der vorliegenden Ausführungsform kann bei niedriger Last auf dem Motor E die Vor verstellung der Ventilschließzeit EVC des Auspuffventils 8 entsprechend der Last se quentiell und variabel gesteuert werden. Es liegt auf der Hand, daß die Vorverstellung auch in mehreren Schritten nach einer stufigen Funktion gesteuert werden kann.

Als nächstes zeigt Fig. 11 Resultate, die erhalten werden durch Einstellen des Verdich tungsverhältnisses C des Motors E auf 14, 16 und 18 und Messen eines Bereiches A, in welchem der Motor E entsprechend seiner Last zur Zeit einer niedrigen Last zufrieden stellend betrieben werden kann, wie dies durch schräge Linienabschnitte repräsentiert ist.

Wie anhand von Fig. 10 beschrieben, ist festzustellen, daß die vorgemischte kompres sionsgezündete Verbrennung in einem breiten Lastbereich des Motors E realisiert wer den kann, wenn der Vorverstellungsbereich der Ventilschließzeit EVC des Auspuffven tils 8 zur Zeit des Aufbringens der niedrigen Last auf den Motor E vorzugsweise verstellt wird, und nämlich eingestellt wird innerhalb des Bereiches von 60° bis 80° vor dem obe ren Totpunkt BTDC, so daß das Ventil-Timing bevorzugt gesteuert ist. Auch kann, wie sich klar aus Fig. 11 ergibt, die vorgemischte kompressionsgezündete Verbrennung in nerhalb eines breiten Lastbereiches des Motors E in ähnlicher Weise realisiert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis C des Motors E innerhalb eines Bereiches von 14 bis 18 liegt.

Wenn im besonderen das Kompressionsverhältnis C des Motors E kleiner als 14 ist, dann wird die Verbrennungsvariationsrate zur Zeit der niedrigen Last groß und die Sta bilität der Verbrennung verschlechtert, so daß auch das Drehmoment und die abgege bene Leistung des Motors E darunter leiden und seine Betreibbarkeit unzweckmäßig werden. Wenn hingegen das Verdichtungsverhältnis C des Motors größer als 18 ist, dann wird während der Zeit der großen Last die Klopfneigung bemerkenswert zuneh men, so daß sein Betrieb unzweckmäßig wird.

Wenn demzufolge das Kompressionsverhältnis C des Motors E sequentiell und abhän gig von der Last des Motors E innerhalb des Bereiches von 14 bis 18 gesteuert wird, kann auch das restliche verbrannte Gas zweckmäßig gesteuert werden derart, daß die zufriedenstellende vorgemischte kompressionsgezündete Verbrennung innerhalb des breiten Lastbereiches des Motors E realisiert werden kann.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Kompressionsverhältnis variabel und sequentiell in Abhängigkeit von der Last gesteuert, wenn die niedrige Last auf den Motor E aufgebracht wird. Es liegt auf der Hand, daß das Kompressionsverhältnis zweckmäßig auch in mehreren Schritten nach einer gestuften Funktion gesteuert werden kann, gleich wie auch das Ventil-Timing.

Weiterhin hängen die vorerwähnten Resultate nicht substantiell von dem Typ der Brenn stoff-Einspritzung der Form der Verbrennungskammer und dergleichen ab. Demzufolge lassen sich ähnliche Resultate unabhängig von diesen Parametern erzielen. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Zylinderzahl, die Anzahl der Nockenwellen und die Anzahl der Ventile pro Zylinder durch die beschriebene Ausführungsform und deren Struktur nicht beschränkt sind.

Durch Rückbeziehung werden hiermit die gesamten Inhalte der Patentanmeldung Nr. TOKUGANHEI 10-235730 mit dem Anmeldetag 21. August 1998 in Japan, eingeschlos sen.

Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungs form der Erfindung beschrieben worden ist, soll die Erfindung nicht auf das beschriebe ne Ausführungsbeispiel beschränkt sein. Modifikationen und Variationen des vorbe schriebenen Ausführungsbeispiels liegen für Fachleute auf diesem Gebiet und im Hin blick auf die gegebenen Lehren nahe. Der Schutzbereich der Erfindung ist definierbar aus den nachfolgenden Patentansprüchen.

Claims

1. Viertakt-Verbrennungsmotor mit:
einer Verbrennungskammer (4);
einem ein Brennstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungskammer (4) zündenden Zünder (9);
einem eine Kapazität der Verbrennungskammer (4) verändernden Kolben (2);
einem Einlaßventil (6), das die Verbrennungskammer (4) öffnet/schließt;
einem Auslaß- oder Auspuffventil (8), das die Verbrennungskammer (4) öffnet/ schließt;
einem verstellbaren Ventilmechanismus (10A, 10B), der das Ventil-Timing des Einlaßventils und des Auslaßventils verändert; und
einem den Zünder und den jeweiligen verstellbaren Ventilmechanismus steuern den Kontroller (11),
in welchem der Kontroller das Ventil-Timing des Auspuffventils (8) in dem verstell baren Ventilmechanismus (10B) derart einstellt, daß das Auspuffventil (8) im Be reich des oberen Totpunkts des Kolbens (2) geschlossen ist, und das Brennstoff- Luft-Gemisch unter Verwendung des Zünders (9) im Bereich eines oberen Kom pressions-Totpunktes des Kolbens zündet, falls auf den Viertakt-Verbrennungs motor eine hohe Last aufgebracht ist;
und in welchem der Kontroller (11) das Ventil-Timing des Auspuffventils (8) in dem verstellbaren Ventilmechanismus (10B) derart einstellt, daß das Ventilschließ- Timing des Auspuffventils (8) in Richtung früh vorverstellt wird vor den oberen Tot punkt des Kolbens (2), sobald die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufge brachte Last niedriger wird, und das Brennstoff-Luft-Gemisch ohne Verwendung des Zünders (9) durch Kompression gezündet wird, wenn auf den Viertakt- Verbrennungsmotor eine niedrige Last aufgebracht ist.

2. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem der Kontroller (11) das Ventil-Timing des Einlaßventils (8) in dem verstellbaren Ventilmechanismus (10A) so einstellt, daß das Einlaßventil (6) im Bereich des oberen Totpunktes des Kol bens (2) geöffnet wird, wenn auf den Viertakt-Verbrennungsmotor die hohe Last aufgebracht ist und in welchem der Kontroller das Ventil-Timing für das Einlaßventil (6) in dem verstellbaren Ventilmechanismus (10A) so einstellt, daß das Einlaßventil (6) nach dem oberen Totpunkt des Kolbens (2) geöffnet wird, wenn auf den Viertakt- Verbrennungsmotor die niedrige Last aufgebracht wird.

3. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem der Kontroller das Ventil-Timing für das Einlaßventil (6) in dem verstellbaren Ventilmechanismus (10A) so einstellt, daß das Einlaßventil (6) im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens (2) geöffnet wird, wenn die hohe Last auf den Viertakt-Verbrennungs motor aufgebracht wird; und in welchem der Kontroller das Ventil-Timing für das Einlaßventil (6) in dem verstellbaren Ventilmechanismus (10A) so einstellt, daß die Ventilöffnungszeit des Einlaßventils bis nach dem oberen Totpunkt des Kolbens (2) verzögert wird, wenn die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte Last niedriger wird, und wenn die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist.

4. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem die Ventilöffnungszeit des Einlaßventils (6) mit einem Zeitpunkt korrespondiert, an dem ein Druck in der Verbrennungskammer im wesentlichen gleich mit dem in einem Ansauganschluß wird, wenn die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist.

5. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem die Ventilschließzeit des Auspuffventils (8) innerhalb eines Bereiches von 60° bis 80° Kurbelwellen- Drehwinkel vor dem oberen Totpunkt des Kolbens (2) liegt, wenn auf den Viertakt- Verbrennungsmotor die niedrige Last aufgebracht ist.

6. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem der Kontroller die Venti löffnungszeit des Einlaßventils (6) im Vergleich mit einem Fall verzögert, in wel chem auf den Viertakt-Verbrennungsmotor eine hohe Last aufgebracht wird, falls die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist.

7. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem, falls die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist, der Kontroller die Ventil schließzeit des Auspuffventils (8) vorverstellt im Vergleich zu einem Fall, in wel chem auf den Viertakt-Verbrennungsmotor die hohe Last aufgebracht wird.

8. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem der Kontroller (11), falls die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist, die Venti löffnungszeit des Einlaßventils (6) verzögert und die Ventilschließzeit des Auspuff ventils (8) vorverstellt im Vergleich mit einem Fall, in welchem die hohe Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht wird.

9. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem der Kontroller das Ventil-Timing entsprechend einer auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufge brachten Last variabel und sequentiell steuert, wenn die niedrige Last auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht ist.

10. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, in welchem ein Verdichtungsver hältnis des Viertakt-Verbrennungsmotors innerhalb eines Bereiches von 14 bis 18 liegt.

11. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Abschirm ventil (16) in einem Ansauganschluß des Viertakt-Verbrennungsmotors zum teil weisen Abschirmen des Ansauganschlusses, falls auf den Viertakt-Verbrennungs motor die niedrige Last aufgebracht ist.

12. Viertakt-Verbrennungsmotor mit:
einer Verbrennungskammer (4);
einem ein Brennstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungskammer (4) zündenden Zünder (9);
einem die Kapazität der Verbrennungskammer (4) verändernden Kolben (2);
einem die Verbrennungskammer (4) schließenden/öffnenden Einlaßventil (6);
einem die Verbrennungskammer (4) schließenden/öffnenden Auslaßventil (8);
einer verstellbaren Ventileinrichtung zum Umstellen des Ventil-Timings des Ein laßventils und Umstellen desjenigen des Auspuffventils (8); und
einer Steuereinrichtung zum Steuern des Zünders und der verstellbaren Ventilein richtung,
in welchem die Steuereinrichtung das Ventil-Timing des Auspuffventils (8) in der verstellbaren Ventileinrichtung (10B) so einstellt, daß die Ventilschließzeit des Auspuffventils (8) gegenüber dem oberen Totpunkt des Kolbens (2) voreilt, wenn auf den Viertakt-Verbrennungsmotor eine niedrige Last aufgebracht ist.

13. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, in welchem ein Vorverstellungs grad der Ventilschließzeit des Auspuffventils größer ist, wenn die auf dem Viertakt- Verbrennungsmotor aufgebrachte Last niedriger ist.

14. Verfahren zum Steuern des Ventil-Timings eines Viertakt-Verbrennungsmotors, umfassend:
Feststellen einer Last, die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebracht wird;
beurteilen, ob die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte Last niedrig ist oder nicht; und
einstellen des Ventil-Timings eines Auspuffventils des Viertakt-Verbrennungs motors derart, daß die Ventilschließzeit des Auspuffventils gegenüber dem oberen Totpunkt des Kolbens des Viertakt-Verbrennungsmotors voreilt, falls die Beurtei lung ergeben hat, daß die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte Last niedrig ist.

15. Steuerverfahren zum Steuern des Ventil-Timings eines Viertakt-Verbrennungs motors gemäß Anspruch 14, bei welchem der Vorverstellungsgrad der Ventil schließzeit des Auspuffventils (8) um so größer ist, desto niedriger die auf den Viertakt-Verbrennungsmotor aufgebrachte niedrige Last ist.