DE3781100T2

DE3781100T2 - Aufgeladener motor.

Info

Publication number: DE3781100T2
Application number: DE8787117608T
Authority: DE
Inventors: Fumio Hinatase; Mitsuo Hitomi; Junso Sasaki; Akira Takai; Kazuaki Umezono
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2007-11-28
Also published as: KR910002898B1; DE3781100D1; KR880006441A; EP0269125B1; EP0269125A3; US4958606A; EP0269125A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aufgeladenen Motor mit einem Lader und einer Zündkerze, wobei ein geometrisches Kompressionsverhältnis auf mehr als 8,5 festgesetzt ist.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Motoren bekannt, bei denen ein Auflader dazu verwendet wird, Ansaugluft aufzuladen, um die Chargendichte der Ansaugluft des Motors heraufzusetzen, wie es z. B. in der japanischen offengelegten Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 56-171630 und der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 61-19933 offenbart ist. Bekannte Lader-Typen sind durch Abgase angetriebene Turbolader, ein durch eine Motorausgangswelle angetriebener mechanischer Lader und so fort.
Bei dem Motor mit einem Lader hat die Abgastemperatur die Neigung, während der Zeit vor Aufladung sehr stark anzusteigen, insbesondere während des Betriebs bei hoher Drehzahl und hoher Last. Um einen derartigen exzessiven Temperaturanstieg zu beschränken und die Zuverlässigkeit der Abgasanlage aufrechtzuerhalten, sind herkömmliche Motoren derart ausgelegt, daß die Abgastemperatur mittels einer latenten Verdampfungswärme abgekühlt wird, indem ein Luft/Kraftstoff-Gemisch während des Betriebs bei hoher Drehzahl und hoher Last angereichert wird. Wenn allerdings das Luft/Kraftstoff- Verhältnis derart angereichert wird, wird eine größere Menge Kraftstoff zugeführt, als für die Ausgangsleistung des Motors erforderlich ist, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.
Die vorerwähnte verringerte Kraftstoffausnutzung könnte kompensiert werden durch Anheben des Zyklus- Wirkungsgrads des Motors. Um dies zu realisieren, ist es erforderlich, ein hohes geometrisches Kompressionsverhältnis einzustellen. Herkömmliche aufgeladene Motoren haben allerdings einen Nachteil insofern, als dann, wenn dieses Kompressionsverhältnis erhöht wird, der Motor innerhalb des Bereichs hoher Aufladung zum Klopfen neigt; deshalb wurde das geometrische Kompressionsverhältnis auf einen relativ niedrigen Wert von 8,5 oder darunter eingestellt, es gibt jedoch auch Motoren mit einem Kompressionsverhältnis von mehr als 8,5 und einer gewissen Form eines Aufladesystems. (Gemäß Bosch Automotive Handbook, Seiten 648-677 sind z. B. der Volvo 760 62E Turbo, Renault Alpine V6 Turbo oder Audi 200 Turbo von dem obigen Systemtyp.)
Die DE-A-24 56 752 offenbart einen Mechanismus zum Ändern der Ventilzeiten. Man erhält einen Überlappungswinkel zwischen EA und AZ mit einem gewissen Wert, der zu einem gewissen Ausmaß erweitert werden kann.
MTZ 45 Motortechnische Zeitschrift (1984) 7/8 offenbart einen BMW-Motorradmotor mit einem Kompressionsverhältnis von 10,5 : 1, wobei ein Überlappungswinkel zwischen EA und AZ 8º beträgt, gemessen bei einem Ventilspiel von 2 mm.
MTZ 45 (1984) 12 offenbart einen Turbolader-Dieselmotor. Da bei einem Dieselmotor Kraftstoff direkt in einen Zylinder eingespritzt wird, nachdem Luft komprimiert ist, ist der Motor klopffrei. Dies ist der Grund dafür, der Dieselmotor ein sehr hohes Kompressionsverhältnis aufweisen kann. Deshalb können spezielle, in der letztgenannten Druckschrift erwähnte Merkmale eines Dieselmotors kaum nützlich sein im Hinblick auf das Problem der Unterdrückung des Klopf-Phänomens.
Die vorliegende Erfindung kam zustande bei dem Versuch, die oben angesprochenen Probleme wirksam zu lösen, und es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung bei der Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit zu realisieren und die Abgastemperatur eines aufgeladenen Motors im Hochdrehzahl-Hochlast-Betrieb zu senken.
Erfindungsgemäß ist ein geometrisches Verhältnis eines Motors auf mehr als 8,5 festgesetzt, während die Spezifikationen für die Leistungsfähigkeit des Motors derart eingestellt sind, daß die Beziehung zwischen einer Einlaß-Schließzeit Y, ausgedrückt durch einen Kurbelwellenwinkel nach dem unteren Todpunkt (UT) und einem Überlappungswinkel X, ausgedrückt durch einen Kurbelwellenwinkel für eine Zeitspanne, während der sowohl ein Einlaßventil als auch ein Auslaßventil geöffnet sind,
Y ≥ -1,75X + 10
wird.
Der Ausdruck "geometrisches Kompressionsverhältnis" soll im vorliegenden Zusammenhang ein Verhältnis einer Zylinder-Aufnahmefähigkeit bei am UT befindlichem Kolben zu einem Totraum bedeuten, während ein Verhältnis einer Zylinder-Aufnahmefähigkeit bei geschlossenem Einlaßventil zu dem Totraum als "effektives Kompressionsverhältnis" bezeichnet werden soll.
Bei einem aufgeladenen Motor des oben erläuterten Aufbaus ist das geometrische Kompressionsverhältnis größer als bei herkömmlichen aufgeladenen Motoren. Da aber die vorerwähnte Einlaß-Schließzeit stärker verzögert ist als bei herkömmlichen aufgeladenen Motoren, ist unter der Voraussetzung, daß der Überlappungswinkel auf dem üblichen Niveau gehalten wird, ein effektives Kompressionsverhältnis ungeachtet des hohen geometrischen Kompressionsverhältnisses gering, wodurch die Verbrennungsstabilität auch beim Hochdrehzahl-Hochlast-Betrieb gewährleistet ist, bei dem viel aufgeladenes Gemisch zugeführt wird. Wenn bei der Zunahme des geometrischen Kompressionsverhältnisses ein Expansionsverhältnis zunimmt, wird weiterhin nicht nur die Abgastemperatur gesenkt, sondern es wird auch ein Zyklus-Wirkungsgrad innerhalb der Hochaufladungs-Zone verbessert. Bei hohen geometrischen Kompressionsverhältnissen sinkt ein Abgas-Spülungswirkungsgrad, wenn der Überlappungswinkel abnimmt, was zu einem Anstieg der Ansauggastemperatur führt, die die Neigung hat, Klopfen hervorzurufen. Der geringe Spülungswirkungsgrad setzt auch den Aufladewirkungsgrad herab, womit ein plötzlicher Abfall des mittleren effektiven Drucks einhergeht. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch sind der Überlappungswinkel und die Einlaßkanal-Schließzeit auf die oben erwähnte Beziehung eingestellt; wenn daher der erstere oder der letztere Wert festliegt, hat der andere einen spezifischen überschußbetrag, wodurch man einen notwendigen Spülungswirkungsgrad erhält, das effektive Kompressionsverhältnis senkt und Abgastemperaturen mittels Zunahme des Expansionsverhältnisses senkt. Damit läßt sich die vorerwähnte Klopfneigung beseitigen, während der Zyklus-Wirkungsgrad des Motors verbessert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung läßt sich umfassender verstehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die lediglich beispielhaften Charakter haben und demnach die Erfindung in keiner Weise beschränken. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines aufgeladenen Motors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Kennliniendiagramm eines Ventilhubs von Einlaß- und Auslaßventilen;
Fig. 3 einen Graphen, der einen mittleren effektiven Druck darstellt, welcher in Korrelation zu einer einlaßventil-Schließzeit mit einem Überlappungswinkel aufgezeichnet ist;
Fig. 4 einen Graphen, der angestrebten Bereich der Einlaßkanal-Schließzeit in einer Korrelation eines effektiven Kompressionsverhältnisses mit einem geometrischen Kompressionsverhältnis darstellt;
Fig. 5 einen Graphen, der einen angestrebten Bereich einer Einlaßkanal-Schließzeit in einer Korrelation mit dem geometrischen Kompressionsverhältnis darstellt;
Fig. 6(a) bis (a) Graphen, die Vergleichsprüfungsergebnisse bezüglich Kraftstoffverbrauch, Ansaugdruck bzw. Abgastemperatur zwischen dem erfindungsgemäßen Motor und herkömmlichen Motoren darstellt;
Fig. 7 einen Graphen, der die Betriebsbedingungen einer Sekundär-Drosselklappe darstellt;
Fig. 8 ein Kennliniendiagramm einer Beziehung zwischen der Bewegung von Ventilen und Gasdrücken des Motors in einem Niedriglast-Bereich;
Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm eines aufgeladenen Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 ein Kennliniendiagramm, welches die Bewegung von Einlaß- und Auslaßventilen darstellt;
Fig. 11 einen Graphen, der Motorbedingungen darstellt, in deren Verbindung ein Verschlußventil gesteuert wird;
Fig. 12 ein Flußdiagramm zum Steuern des Verschlußventils;
Fig. 13 ein Zeitdiagramm, welches den Steuervorgang des Verschlußventils bei Beschleunigung veranschaulicht; und
Fig. 14 einen Graphen, der ein weiteres Beispiel der Steuerung des Verschlußventils zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung werden nun zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bezieht sich eine erste Ausführungsform auf einen Motor 18 mit einem unabhängigen Ansaugluftkanal 12 für jeden von Zylindern 10a bis 10d, während gemäß Fig. 9 sich eine zweite Ausführungsform auf einen Motor 20 bezieht, der für jeden Zylinder 10a bis 10d zwei unabhängige Ansaugluftkanäle 14 und 16 aufweist.

Erste Ausführungsform:

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Bezugszeichen 18 einen 4-Zylinder-Reihenmotor mit Kraftstoffeinspritzung bezeichnet, der einen ersten bis vierten Zylinder 10a bis 10d aufweist. Jeder der Zylinder 10a bis 10d ist mit einem Einlaß 24 ausgestattet, der von einem Einlaßventil 22 geöffnet und geschlossen wird, und mit einem Auslaß 28 ausgestattet, der von einem Auslaßventil 26 geöffnet und geschlossen wird. In dem erfindungsgemäßen Motor 18 ist ein geometrisches Kompressionsverhältnis auf ein hohes Kompressionsverhältnis festgesetzt, d. h. auf mehr als 8,5.
Für jedes der Einlaß- und Auslaßventile 22 und 26 sind die Öffnungszeitspannen einander überlappt, wobei das "Öffnen" hier definiert wird bei einem Ventilhub von 1 mm. Die Überlappungszeitspanne, während der beide Ventile offen sind, läßt sich ausdrücken durch einen Kurbelwellenwinkel, der als ein Überlappungswinkel X bezeichnet wird. Bei der Ausführungsform ist dieser Überlappungswinkel X um den oberen Todpunkt (OT) herum breit eingestellt, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Weiterhin wird nun der Einlaß 24 als "geschlossen" definiert, wenn das Einlaßventil 22 die Stellung eines Hubs von 1 mm erreicht, und der Kurbelwellenwinkel nach dem unteren Todpunkt (UT) wird dazu benutzt, die Einlaß-Schließzeit Y auszudrücken. Bei der Ausführungsform wird diese Zeit Y auf einen verspäteten Punkt nach UT eingestellt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn weiterhin der Kurbelwellenwinkel vor UT, bei dem das Auslaßventil 26 bis auf einen Hub von 1 mm geöffnet ist, dazu benutzt wird, die Auslaß-Öffnungszeit Z zu definieren, so ist diese Zeit Z relativ nahe bei UT eingestellt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Angenommen, der Kurbelwellenwinkel betrage bei einem vollständigen Kolbenhub S (= 180 Grad), so erfolgt die adiabatische Kompression während (S-Y), und die adiabatische Expansion erfolgt während (S-Z). Die Abgastemperatur läßt sich einfach dadurch senken, daß man den adiabatischen Expansionshub weiter verlängert als den adiabatischen Kompressionshub, um dadurch Verbrennungsgase durch deren adiabatische Expansion ab zukühlen. Deshalb ist die Beziehung (S-Y) < (S-Z), d. h. Y > Z dahingehend wirksam, daß die Abgastemperatur gesenkt wird. Da die Zylinderausspülung durch die Ansauggase wirksam erfolgen kann, wenn ein Überlappungswinkel X groß ist, wird von dem Überlappungswinkel X gefordert, daß er oberhalb eines spezifischen Wertes eingestellt ist, um den Durchspülungswirkungsgrad zur Zeit starker Aufladung zu verbessern.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 der Zusammenhang der Einlaß-Schließzeit Y mit dem Überlappungswinkel x beschrieben. In dieser Zeichnung ist die Einlaß-Schließzeit Y auf der vertikalen Achse aufgetragen, und der Überlappungswinkel X ist auf der horizontalen Achse aufgetragen; außerdem sind mittlere effektive Drücke Pe (kg/cm²) aufgetragen, die durch Untersuchungen bei der Begrenzung des Klopfens erhalten wurden, d. h. ein Maximalwert Pe, ohne Klopfen zu verursachen bei der Drehzahl von 1.500 Upm, welches eine typische Motordrehzahl im Normalbetrieb ist. Das geometrische Kompressionsverhältnis war bei den obigen Experimenten auf 9,4 eingestellt, jedoch wurden ähnliche Ergebnisse bei anderen Kompressionsverhältnissen oberhalb von 8,5 beobachtet.
Wie aus Fig. 3 deutlich wird, läßt sich, wenn die Einlaß-Schließzeit Y auf einen spezifischen Wert festgelegt ist (mit anderen Worten, wenn das effektive Kompressionsverhältnis festliegt), eine Zone E beobachten, in der der mittlere effektive Druck Pe bei einer Abnahme des Überlappungswinkels X exzessiv abnimmt. Da in dieser Zone E starkes Klopfen stattfindet, sollten X und Y bei der Festlegung der Motorspezifikationen so festgelegt werden, daß diese Zone E vermieden wird. Wenn gemäß Fig. 3 Punkte, an denen die mittleren effektiven Drücke Pe plötzlich abnehmen, durch eine Linie A verbunden werden, so wird diese Linie A praktisch gestreckt und läßt sich durch eine Formel
Y = -75X + 10
ausdrücken.
Deshalb läßt sich Klopfen verhindern, indem die Zone E vermieden wird, indem man X und Y derart einstellt, daß folgende Formel erfüllt ist:
Y ≥ -1,75X + 10 . . . . . (1)
In Fig. 3 bezeichnet eine Linie B eine Grenze einer Zone F, wo durch einen übermäßigen Überlappungswinkel (X = 40º oder mehr) starkes Durchblasen stattfindet. Folglich kann bei der Festlegung der Motorspezifikation eine zwischen den Zonen E und F definierte Zone G die Einlaß-Schließzeit Y verzögern und gleichzeitig den Überlappungswinkel X vergrößern, während das Klopfen und das Durchblasen verhindert werden.
Für den Fall, daß X und Y bei einem Ventilhub von 0 mm zu definieren sind, läßt sich die obige Formel (1) ausdrücken als Y ≥ -1,75x + 100.
Falls einer der Faktoren nach Fig. 3 numerisch fixiert ist, wird, wenn die Motorspezifikationen konkret abgeleitet werden, der numerische Bereich der anderen Faktoren von selbst festgelegt, so daß man die Motorspezifikationen effizient festsetzen kann.
Der Einlaß 24 jedes der vorerwähnten Zylinder 10a bis 10d ist mit einem allgemein durch die Ziffer 30 bezeichneten Einlaßkanal verbunden. Dieser Einlaßkanal 30 umfaßt die unabhängigen Kanäle 12, die an ihren stromabwärtigen Enden mit den Einlässen 24 der Zylinder 10a bis 10d in Verbindung stehen, einen Krümmer 34, der in einem Kompensationsbehälter 32 gebildet und mit den stromaufwärtigen Enden der unabhängigen Kanäle 12 verbunden ist, und einen gemeinsamen Kanal 36, der an das stromaufwärtige Ende des Krümmers 34 angeschlossen ist, während das stromaufwärtige Ende des gemeinsamen Kanals 36 mit einem Luftreiniger 38 verbunden ist.
In dem erwähnten gemeinsamen Kanal 36 sind ein Luftstrommesser 40 zum Erfassen des Strömungsdurchsatzes der Ansaugluft, ein Roots-Lader als direkt von dem Motor 18 zum Aufladen der Ansaugluft angetriebener mechanischer Lader und eine Drosselklappe 44 zum Regulieren des Strömungsdurchsatzes der Ansaugluft in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite, d. h. von der Seite des Luftreinigers 38 her, angeordnet. Der gemeinsame Kanal 36 ist mit einem Bypass-Kanal 46 ausgestattet, welcher die Abschnitte unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts des Laders 42 miteinander verbindet; und im Weg des Bypass-Kanals 46 befindet sich ein Bypass- Ventil 48, welches den Kanal 46 öffnet und schließt.
In jedem mit dem Einlaß 24 in Verbindung stehenden Kanal 12 befindet ein Kraftstoffeinspritzer 50 zum Zumessen des Kraftstoffs in jeden der Zylinder 10a bis 10d durch Einspritzung. Unmittelbar stromaufwärts bezüglich jedes Kraftstoffeinspritzers 50 befindet sich eine Sekundär-Drosselklappe 52, die aus einem Butterfly-Ventil besteht, welches den unabhängigen Kanal 12 öffnet und schließt. Diese Sekundär-Drosselklappen 52 sind mit einem gemeinsamen Betätigungsglied 54 verbunden und werden durch Betätigen dieses Betätigungsglieds 54 gleichzeitig geöffnet und geschlossen.
Das Betätigungsglied 54 zum Betätigen der Sekundär- Drosselklappen 52 wird von einer Steuereinheit 56 gesteuert. Ein Ansaugdrucksensor 58 und ein Abgasdrucksensor 60 sind vorgesehen, um Signale an die Steuereinheit 56 zu senden, und die Steuereinheit 56 steuert das Betätigungsglied 54 zum Öffnen der Sekundär-Drosselklappen 52 während des Hochlast- Betriebs des Motors 18, bei welchem der Ansaugdruck in dem Ansaugluftkanal 30 sich über den Abgasdruck in den (nicht gezeigten) Abgaskanal hinaus erhöht, und um die Ventile 52 ansonsten zu schließen, beispielsweise während des Niedriglast-Betriebs (Leerlauf) des Motors 18. Anstelle des Ansaugdrucksensors 58 und des Abgasdrucksensors 60 kann eine andere Fühleinrichtung vorgesehen werden, um indirekt aus einem Betriebszustand eines Bereichs zu fühlen, in welchem der Ansaugdruck den Abgasdruck übersteigen soll.
Es sei hier jedoch angemerkt, daß die Sekundär- Drosselklappen 52 nicht immer geschlossen werden müssen, wenn der Ansaugluftdruck unter den Abgasdruck abfällt. Beispielsweise können diese Ventile 52 so gesteuert werden, daß sie nur dann schließen, wenn der Motor 18 im Niedrigdrehzahl-Niedriglast- Zustand arbeitet, um die Abgas-Rückführung zu verstärken.

Beschreibung der verzögerten Einlaß-Schließzeit:

Bei Motoren mit Auflader gemäß obiger Beschreibung wird, während das geometrische Kompressionsverhältnis höher festgelegt ist als bei herkömmlichen aufgeladenen Motoren, das effektive Kompressionsverhältnis durch die Verzögerung der Einlaß- Schließzeit etwas herabgesetzt. Diese Beziehung ist im Vergleich zu herkömmlichen Motoren in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt eine angestrebte Zone des auf der horizontalen Achse aufgezeichneten geometrischen Kompressionsverhältnisses, des auf der vertikalen Achse aufgezeichneten effektiven Kompressionsverhältnisses und der als Parameter verwendeten Einlaß-Schließzeit, wobei der Überlappungswinkel X auf -23 festgelegt ist, was für die herkömmlichen Motoren typisch ist. In dieser Zeichnung entspricht der durch schräg unterbrochene Linien angezeigte Bereich den Spezifikationen in herkömmlichen Motoren mit Auflader, während der durch schräge durchgezogene Linien angedeutete Bereich ein bevorzugter Bereich gemäß der Erfindung ist, in welchem ein effektives Kompressionsverhältnis durch das geometrische Kompressionsverhältnis und die Einlaß-Schließzeit maßvoll eingestellt ist.
Bei den herkömmlichen Motoren mit Auflader ist gemäß Zeichnung das geometrische Kompressionsverhältnis auf 7,5 bis 8,5 eingestellt, während die Einlaß-Schließzeit auf etwa 20 bis 40 Grad nach UT (nach UT) eingestellt ist. Innerhalb dieses Bereichs erhält man ein angemessenes effektives Kompressionsverhältnis, um Klopfen zu vermeiden und während starker Aufladung Verbrennungsstabilität zu gewährleisten.
Bei dem Motor gemäß der Erfindung wird das geometrische Kompressionsverhältnis höher festgelegt als bei herkömmlichen Motoren, d. h. auf mehr als 8,5, jedoch wird die Einlaß-Schließzeit auf über 50 Grad nach UT eingestellt, was eine stärkere Verzögerung bedeutet als bei der herkömmlichen Zeitfestlegung, um auf diese Weise das effektive Kompressionsverhältnis auf beispielsweise demselben Niveau zu halten wie bei herkömmlichen Motoren.
Alternativ verringert erhöhtes geometrisches Kompressionsverhältnis einen Totraum, wobei Restgase verringert und dementsprechend die Verbrennungsstabilität verbessert wird. Deshalb läßt sich das effektive Kompressionsverhältnis niedriger einstellen als bei herkömmlichen Motoren.
Wünschenswert ist es, daß das effektive Kompressionsverhältnis innerhalb eines spezifischen Bereichs gehalten wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn das geometrische Kompressionsverhältnis und die Einlaß-Schließzeit einzustellen sind, besteht die Möglichkeit, das effektive Kompressionsverhältnis innerhalb des spezifischen Bereichs zu halten, indem die Einlaß-Schließzeit verzögert wird, während das geometrische Kompressionsverhältnis zunimmt, so daß die Beziehung von beiden in den in Fig. 5 durch schräge ausgezogene Linien angedeuteten Bereich gebracht werden kann.
Durch derartiges angemessenes Herabsetzen des effektiven Kompressionsverhältnisses läßt sich Klopfen vermeiden. Außerdem erhöht sich durch Einstellen des geometrischen Kompressionsverhältnisses auf einen großen Wert das Expansionsverhältnis, was die Zyklus-Effizienz und folglich den Kraftstoffverbrauch verbessert. Weiterhin gestattet das Erhöhen des Expansionsverhältnisses im Vergleich mit dem effektiven Kompressionsverhältnis das Absenken der Abgastemperatur zur Zeit der Expansion. Deshalb läßt sich auch beim Hochdrehzahl-Hochlast-Motorzustand die Zuverlässigkeit des Abgassystems dadurch bewahren, daß man den Anstieg der Abgastemperatur beschränkt, ohne das Luft/Kraftstoff-Gemisch anzureichern, wie es in herkömmlichen Fällen getan wird.
Während des Mittel- und Niedriglast-Betriebs läßt sich der Kraftstoffverbrauch auch durch Verringern eines Pumpverlusts verbessern. Da in einem solchen Bereich das exzessiv angezogene Luft/Kraftstoff- Gemisch in das Ansaugsystem zurückbefördert wird, während der Einlaß nach UT offen ist, wobei die Drosselklappe 8 derart voreingestellt ist, daß der Einlaß-Unterdruck mehr als in konventionellen Fällen reduziert wird, läßt sich ein durch den Einlaß- Unterdruck hervorgerufener Pumpverlust verringern.
Diese Effekte lassen sich in ausreichendem Maße dadurch erhalten, daß man die Einlaß-Schließzeit über 50 Grad nach UT verzögert, wie aus Fig. 6(a) bis (c) hervorgeht, die Versuchsergebnisse zeigen.
Fig. 6(a) bis (c) zeigen Prüfdaten betreffend den Kraftstoffverbrauch, den Ansaug-Unterdruck bzw. die Abgastemperatur unter verschiedenen mittleren effektiven Drücken in einem erfindungsgemäßen aufgeladenen Motor, einem herkömmlichen aufgeladenen Motor und in einem nicht-aufgeladenen (reinen Sauger-)Motor. In jedem dieser Graphen bedeutet die ausgezogene Kurve die Daten für den Motor gemäß der Erfindung mit einem geometrischen Kompressionsverhältnis von 9,4 und einer Einlaß-Schließzeit von etwa 60 Grad nach UT; die gestrichelte Linie bedeutet die Daten des herkömmlichen aufgeladenen Motors mit einem geometrischen Kompressionsverhältnis von 7,9 und der Einlaß-Schließzeit von etwa 30 Grad nach UT; und die strichpunktierte Kurve bedeutet die Daten des nicht-aufgeladenen Motors mit dem geometrischen Kompressionsverhältnis von 9,4 und der Einlaß-Schließzeit von etwa 30 Grad nach UT. Die Motordrehzahl was auf 1.500 Upm eingestellt, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrug λ = 1.
Aus diesen Prüfdaten versteht sich, daß bei dem erfindungsgemäßen aufgeladenen Motor der Kraftstoffverbrauch verbessert ist und der Ansaug-Unterdruck kleiner wird im Vergleich zu jedem herkömmlichen aufgeladenen Motor und nicht-aufgeladenen Motor mit hohem Kompressionsverhältnis, und folglich läßt sich der Pumpverlust reduzieren. Ähnliche Ergebnisse zeigten sich auch bei anderen Bereichen der Motordrehzahl. Weiterhin beobachtete man, daß die Abgastemperatur niedriger war als bei dem herkömmlichen aufgeladenen Motor. Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Motor die Möglichkeit schafft, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis magerer einzustellen als bei den herkömmlichen aufgeladenen Motoren, während der übermäßige Anstieg der Abgastemperatur während des Hochdrehzahl-Hochlast-Betriebs beschränkt wird.

Beschreibung des erhöhten Überlappungswinkels:

Wenn bei der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform der Ansaugluftdruck in dem Kanal 30 unter den Abgasdruck im Abgaskanal abfällt aufgrund der Drosselung des Kanals 30 durch die Drosselklappe 44 während des Niedriglast-Betriebs des Motors 18, werden Abgase in dem Abgaskanal aufgrund einer Differenz zwischen dem oben erwähnten Ansaugluftdruck und dem Abgasdruck zu den Zylindern 10a bis 10d während der überlappten Öffnungszeitspanne der Einlaß- und Auslaßventile 22, 26 zurückgeführt, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Rückführung der Abgase bewirkt, daß Restabgase in den Zylindern 10a bis 10d in die unabhängigen Kanäle 12 zurückströmen.
Im Niedrigdrehzahl-Niedriglast-Bereich des Motors 18, welcher den Leerlauf einschließt, wird allerdings die zweite Drosselklappe 52 durch die Steuerung seitens der Einheit 56 betätigt, um zu schließen, so daß der Kanal 30 an einem Abschnitt in der Nähe des Einlasses 24 geschlossen wird. Deshalb halten die zurückströmenden Gase in den unabhängigen Kanälen 12 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Sekundär-Drosselklappen 52 an und können nicht weiter stromaufwärts strömen.
Weiterhin erhöhen die in den unabhängigen Kanal 12 zurückströmenden Gase einen Druck in den stromabwärtigen Abschnitt des Ventils 52 und reduzieren so einen Druckunterschied, der den Rückstrom der Abgase veranlaßt, und begünstigen dementsprechend die Beschränkung des Rückstroms der Abgase. Dies verringert die Menge an Abgasen in der in die Zylinder 10a bis 10d während des Ansaughubs nach der Überlappung einzuziehenden Ansaugluft, wodurch während des Leichtlast-Betriebs des Motors 18 Verbrennungsstabilität gewährleistet wird.
In Fig. 8 bezeichnet PE einen mittleren Abgasdruck in dem Abgaskanal; PB einen mittleren Ansaugluftdruck in den Krümmer-Kanal 34 in dem Ausgleichsbehälter 32; P'B einen Ansaugluftdruck in den unabhängigen Kanal 12 auf der stromabwärtigen Seite der Sekundär-Drosselklappe 52; und Pc einen Druck in den Zylinder 10a bis 10d. Die Drücke P'B und Pc wurden bei geschlossenen Ventilen 52 gemessen.
Im Hochlast-Bereich des Motors 18, wenn die Drosselklappe 44 weiter öffnet und ein Ausgangsluftdruck von dem Lader 42 zunimmt, wird andererseits der Ansaugluftdruck in den unabhängigen Kanal 12 größer als der Abgasdruck. In diesem Betriebsbereich ist die Sekundär-Drosselklappe 52 in jedem unabhängigen Kanal 12 durch die Steuereinheit 56 vollständig geöffnet, wie in Fig. 7 gezeigt ist.
Während der überlappten Öffnungszeitspanne der Einlaß- und Auslaßventile 22 und 26 jedes der Zylinder 10a bis 10d lenkt daher die einen höheren Druck als die Abgase aufweisende Ansaugluft gleichmäßig und wirksam die restliche Abgase in den Zylinder 10a bis 10d in die Abgaskanäle hinaus, wodurch der Effekt des Ausspülens der Restgase spürbar verbessert wird. Als Konsequenz wird der Anstieg der Ansauggastemperatur beim Kompressionshub reduziert und damit das Antiklopfverhalten des Motors 18 verbessert. Dies macht es möglich, das Kompressionsverhältnis zum Erhöhen der Ausgangsleistung des Motors 18 anzuheben und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Dadurch, daß einfach die Sekundär-Drosselklappe 52 in jedem unabhängigen Kanal 12 als Teil des Ansaugluftkanals 30 vorgesehen wird und das Öffnen und das Schließen dieses Ventils 52 nach Maßgabe des Lastzustands des Motors 18 gesteuert wird, kann also die Verbrennungsstabilität des aufgeladenen Motors im Niedriglast-Bereich beibehalten werden, und es läßt sich die Schaffung eines hohen Kompressionsverhältnisses realisieren, ohne daß irgendein komplizierter Aufbau erforderlich wäre, wie beispielsweise ein veränderlicher Ventil-Zeitsteuermechanismus.
Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel wird als Lader der mechanische Auflader 42 verwendet. Die Erfindung kann aber gleichermaßen angewendet werden bei einem aufgeladenen Motor mit einem Turbolader, welcher die Ansaugluft im Hochlastbereich des Motors auflädt.
Außerdem ist bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel die Sekundär-Drosselklappe 52 in dem unabhängigen Kanal 12 separat von der Haupt-Drosselklappe 44 angeordnet. Falls gewünscht, kann eine Haupt-Drosselklappe in jedem unabhängigen Kanal vorgesehen werden, die auch als Sekundär-Drosselklappe dient. In diesem Fall allerdings gibt es die Möglichkeit, daß die Kraftstoffzufuhr von dem Einspritzer 50 sich relativ zum Öffnen der Drosselklappe verzögert. Um dieses Problem zu lösen, ist es beispielsweise notwendig, Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer in dem Zylinder einzuspritzen.
Wie oben beschrieben ist, ist bei dieser Ausführungsform die Sekundär-Drosselklappe 52 in dem unabhängigen Kanal 12 angeordnet, der mit dem Einlaß 24 jedes der Zylinder 10a bis 10d des Motors mit dem Lader 24 in Verbindung steht. Diese Sekundär-Drosselklappe 52 wird so gesteuert, daß sie beispielsweise im Hochlastbereich des Motors 18, in welchem der Ansaugluftdruck höher ansteigt als der Abgasdruck, zu öffnen, und in den übrigen Lastbereichen, darunter zumindest den Niedrigdrehzahl- Niedriglast-Zustand, zu schließen. Im Hochlastbereich des Motors 18 läßt sich deshalb der Effekt des Ausspülens des Rest-Abgases im Zylinder 10a bis 10d dadurch verbessern, daß man die erweiterte Einstellung der Überlappungsperiode der Einlaß/Auslaßventile ausnutzt. Im Niedriglast-Bereich usw. des Motors 18, in welchem der Ansaugluftdruck stark unter den Abgasdruck abfällt, läßt sich der Rückstrom der Rest-Abgase aus den Zylindern in den Ansaugluftkanal wirksam beschränken, ungeachtet der oben erwähnten erweiterten Überlappungszeitspanne, und zwar mit Hilfe der Sekundär-Drosselklappe 52, so daß dadurch die Verbrennungsstabilität des Motors 18 verbessert und aufrechterhalten bleibt. Das hohe Kompressionsverhältnis läßt sich erreichen bei Aufrechterhaltung der Verbrennungsstabilität im Niedriglast-Bereich des aufgeladenen Motors durch die einfache Maßnahme und ohne Verwendung eines veränderlichen Ventil-Zeitsteuermechanismusses oder dergleichen. Folglich lassen sich Ausgangsleistung und Kraftstoffverbrauch des aufgeladenen Motors verbessern.

Zweite Ausführungsform:

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 bis 14 die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In Fig. 9 bedeutet das Bezugszeichen 20 einen Motor, die Bezugszeichen 10a bis 10d sind Zylinder des Motors 20. Das geometrische Kompressionsverhältnis dieses Motors 20 ist auf einen hohen Wert oberhalb von 8,5 voreingestellt worden. Hierzu ist der Motor 20 mit einem Ansaugkrümmer 72 eines Ansaugluftkanals 70 und einem Auspuffkrümmer 76 eines Abgaskanals 74 verbunden. Es ist ein Turbolader 78 vorgesehen, dessen Turbine 80 in dem Abgaskanal 74 angeordnet ist, während sich in dem Ansaugluftkanal 70 ein Kompressor 82 befindet, der mit der Turbine 80 verbunden ist und von den Abgasen zur Aufladung der Luft angetrieben wird.
Der erwähnte Abgaskanal 74 besitzt einen Bypass- Kanal 84, welcher die Turbine 80 umgeht, und in dem Bypass 84 ist ein Abgasventil 86 montiert, um nach Maßgabe eines Ladedrucks oder einer Ladeverstärkung zu öffnen und zu schließen und so den Strömungsdurchsatz von Abgasen zu der Turbine 60 hin zu regulieren und so die maximale Verstärkung einzustellen. Außerdem befinden sich in dem Ansaugluftkanal 70 ein Zwischenkühler 88 zum Kühlen der aufgeladenen Ansaugluft und ein Drosselventil 90, welches den Strömungsdurchsatz der Ansaugluft nach Maßgabe des Betriebs eines Gashebels steuert.
Einlässe 92 und 94 sowie ein oder zwei Auslässe 96 münden in den Brennraum jedes der Zylinder 10a bis 10d. Diese Öffnungen sind so ausgelegt, daß sie von (nicht gezeigten) Einlaßventilen und Auslaßventilen geöffnet und geschlossen werden, die von einem bekannten Ventilmechanismus betätigt werden. Bei dieser Ausführungsform sind ein Primär-Einlaß 92 und ein Sekundär-Einlaß 94 vorgesehen, die unterschiedliche Schließzeiten aufweisen. Der Einlaßkrümmer 72 enthält vier Paare unabhängiger Kanäle, wobei jedes Paar besteht aus einem ersten Kanal 14, der an den Primär-Einlaß 92 angeschlossen ist, und einem zweiten Kanal 16, der zu dem Sekundär-Einlaß 94 führt. Der zweite unabhängige Kanal 16 ist mit einem Verschlußventil 98 ausgestattet, um diesen Kanal zu öffnen und zu schließen, was eine veränderliche Zeitfestlegungseinrichtung 100 bildet. Bezugszeichen 102 ist ein Kraftstoffeinspritzer, der den Kraftstoffin den ersten und den zweiten unabhängigen Kanal 16 und 17 an Stellen in der Nähe der Einlässe 92, 94 einspritzt.
Das Öffnungsverhalten der Einlässe 92 und 94 ist, wie in Fig. 10 gezeigt ist, durch eine Kurve C eingestellt (das Öffnungsverhalten des Sekundär- Einlasses 94) und eine Kurve D (das Öffnungsverhalten des Primär-Einlasses 92). Das heißt, die Öffnungszeiten der Einlässe und 94 sind so eingestellt, daß unmittelbar vor OT der Sekundär-Einlaß 94 als erstes öffnet, woran sich das Öffnen des Primär-Einlasses 92 anschließt. Außerdem ist die Schließzeit des Sekundär-Einlasses 94 gemäß ICa auf einen Punkt (erste Schließzeit) eingestellt, der später liegt als der des Primär-Einlasses 92, und die Schließzeit ICb des Primär-Einlasses 92 ist auf einen Punkt (zweite Schließzeit) eingestellt, der im wesentlichen der gleiche ist wie bei herkömmlichen Motoren. Dieses Einlaß-Öffnungsverhalten erreicht man durch ein Steuernockenprofil und dergleichen in dem Ventilmechanismus.
Die überlappte Zeitspanne des Öffnens des Sekundär- Einlasses 94 und der Auslässe 96 wird ausgedrückt als ein Überlappungswinkel Xs in Relation zu dem Kurbelwellenwinkel, wobei der Begriff "Öffnung" wiederum definiert ist bei einem Ventilhub von 1 mm, und der Kurbelwellenwinkel nach UT dazu benutzt wird, die Sekundäreinlaß-Schließzeit Ys zu definieren, wobei der Ausdruck "Schließen" bedeutet, daß der Sekundär-Einlaß 94 bei einem Ventilhub von 1 mm geschlossen ist. In Fig. 10 sollten Xs und Ys derart eingestellt sein, daß sie innerhalb der Zone G gemäß Fig. 3 liegen.
In ähnlicher Weise ist der Überlappungswinkel des Primär-Einlasses 92 und der Auslässe 96 dargestellt als Xp, während die Primäreinlaß-Schließzeit mit Yp bezeichnet ist. Wenn das Verschlußventil 98 geschlossen ist, wird Xp zu einem effektiven Überlappungswinkel, während Yp eine effektive Einlaß- Schließzeit ist.
Das Öffnen und das Schließen des Verschlußventils 98 in der veränderlichen Zeitfestlegungseinrichtung 100 wird von einem elektrischen Steuergerät 104 über einen Aktuator 106 gesteuert. Das Steuergerät 104 empfängt Signale von einem Drehzahlsensor 108, der die Motordrehzahl erfaßt, einem Drucksensor 110, der einen Druck in dem Einlaßluftkanal an einer Stelle stromab des Drosselventils 90 erfaßt, und von einem Drosselklappenöffnungssensor 112, der das Öffnungsmaß des Drosselventils 90 erfaßt. Die Steuerung seitens der Einheit 104 erfolgt derart, daß sie das Verschlußventil 98 zumindest während des Hochdrehzahl-Hochlast-Betriebs öffnet und das Verschlußventil 98 schließt während des Niedrigdrehzahl-Betriebs, jedoch bei einer vorbestimmten hohen Last, bei welcher das Volumen der aufgeladenen Luft noch klein ist.
Wie in Fig. 11 zu sehen ist, wird bei dieser Ausführungsform das Verschlußventil 98 im Hochlast-Bereich ebenso wie im mittleren und Niedriglastbereich vollständig offengehalten, wenn der Motor bei hoher Drehzahl oberhalb der spezifischen Drehzahl Ns arbeitet. Außerdem wird im Niedrigdrehzahl-Bereich unterhalb der spezifischen Drehzahl Ns das Verschlußventil 98 derart gesteuert, daß es bei hoher Last während der Anfangsphase der Beschleunigung geschlossen wird.
Der Ablauf dieser Steuerung ist durch ein in Fig. 12 gezeigtes Flußdiagramm dargestellt. In dieser Zeichnung wird die Motordrehzahl E im Schritt S1 gelesen; im Schritt S2 wird festgestellt, ob diese Motordrehzahl E niedriger ist als die spezifische Drehzahl Ns oder nicht; im Fall von E < Ns wird im Schritt S3 beurteilt, ob der Motor sich in der Anfangsphase in der Beschleunigung befindet oder nicht. Das Verschlußventil 98 wird im Schritt S4 geöffnet, wenn die Antwort "JA" lautet, und wird im Schritt S5 geschlossen, falls die Antwort "NEIN" lautet. Wenn im Schritt S2 E ≥ Ns festgestellt wird, wird das Verschlußventil 20 im Schritt S4 sofort geöffnet.
Wenn daher der Motor bei geringer Drehzahl und niedriger Last arbeitet, während die Drosselöffnung klein ist, wird das Verschlußventil 98 gemäß Fig. 13 geöffnet. Allerdings wird während der Anfangsphase der Beschleunigung, in der die Drosselklappe weiter öffnet, das Verschlußventil 98 geschlossen, und danach wird das Verschlußventil 98 nach und nach geöffnet nach Maßgabe des Anstiegs eines Drucks in dem Ansaugluftkanal (vgl. die voll ausgezogene Kurve in Fig. 13). Wenn die Motordrehzahl die spezifische Drehzahl Ns erreicht, bevor die Verstärkung ausreichend angestiegen ist, wird das Verschlußventil 98 sofort vollständig geöffnet (s. die unterbrochene Linie in Fig. 13).
Es sie hier angemerkt, daß die Bestimmung, ob der Motor sich in der Anfangsphase in der Beschleunigung befindet oder nicht, was im Schritt S3 in Fig. 12 erfolgt, beispielsweise dadurch erreicht werden kann, daß man feststellt, ob nach Beginn der Beschleunigung zwei Sekunden verstrichen sind oder nicht.
Im folgenden wird der Betrieb des aufgeladenen Motors nach der oben beschriebenen Ausführungsform erläutert.
Wenn das Verschlußventil 98 geöffnet ist, wird die Luft über beide Einlässe 92 und 94 in die Brennkammer geliefert. Folglich wird die erste Schließzeit ICa des Sekundär-Einlasses 94 eine praktische Einlaß-Schließzeit. Damit wird ungeachtet des hohen geometrischen Kompressionsverhältnisses im Vergleich zu den herkömmlichen aufgeladenen Motoren das effektive Kompressionsverhältnis angemessen abgesenkt, weil die Einlaß-Schließzeit verzögert wird. Diese Beziehung wurde bereits unter Bezugnahme auf Fig. 4 diskutiert.
In Fig. 4 gilt der durch schräge gestrichelte Linien angedeutete Bereich für herkömmliche aufgeladene Motoren, und der durch schräge ausgezogene Linien angedeutete Bereich gilt für die vorliegende Erfindung, bei der das effektive Kompressionsverhältnis angemessen durch das geometrische Kompressionsverhältnis (über 8,5) und die erste Schließzeit ICa festgesetzt wird.
Bei den herkömmlichen aufgeladenen Motoren wird, wie in dieser graphischen Darstellung gezeigt ist, das geometrische Kompressionsverhältnis auf 7,5 bis 8,5 eingestellt, und die Einlaß-Schließzeit wird auf etwa 20 bis 40 Grad nach UT eingestellt. Innerhalb dieses Bereichs wird deshalb ein adäquates effektives Kompressionsverhältnis erzielt, um Klopfen zu vermeiden und Verbrennungsstabilität während starker Aufladung oder Verstärkung sicherzustellen.
Hingegen hat der Motor gemäß der Erfindung das geometrische Kompressionsverhältnis von über 8,5, was größer ist als die herkömmlichen Kompressionsverhältnisse, und außerdem ist die erste Schließzeit ICa auf über 50 Grad nach UT eingestellt, was später ist als die herkömmliche Einlaß-Schließzeit. Somit läßt sich das effektive Kompressionsverhältnis auf beispielsweise etwa demselben Niveau wie bei herkömmlichen Motoren halten, soweit die erste Schließzeit ICa ausgeführt wird.
Da durch die Zunahme des geometrischen Kompressionsverhältnisses der Totraum verringert wird, um die Menge an Restgasen herabzusetzen, kann alternativ eine hohe Verbrennungsstabilität gewährleistet werden, und dementsprechend läßt sich das effektive Kompressionsverhältnis niedriger festlegen als bei herkömmlichen Anordnungen.
Es ist wünschenswert, das effektive Kompressionsverhältnis innerhalb des spezifischen Bereichs gemäß Fig. 4 festzulegen. Wenn das geometrische Kompressionsverhältnis und die erste Schließzeit ICa festzulegen sind, sollte die Verzögerung der ersten Schließzeit ICa erhöht werden mit der Zunahme des geometrischen Kompressionsverhältnisses, so daß die Relation beider Größen innerhalb des durch schräge Linien in Fig. 5 angegebenen Bereichs zu liegen kommen.
Da der Einlaß während des Hochdrehzahl-Hochlast- Betriebs bei der ersten Schließzeit ICa geschlossen wird, wird das effektive Kompressionsverhältnis abgesenkt, wodurch Klopfen verhindert wird. Außerdem erhöht sich das Expansionsverhältnis als Ergebnis der Zunahme des geometrischen Kompressionsverhältnisses, was die Möglichkeit eröffnet, die Abgastemperatur zu senken. Folglich läßt sich die Zuverlässigkeit des Abgassystems aufrechterhalten, ohne daß die Notwendigkeit besteht, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während des Hochdrehzahl-Betriebs anzureichern, wie es bei herkömmlichen Motoren der Fall ist. Weiterhin läßt sich die Zykluseffizienz mit der Zunahme des Expansionsverhältnisses verbessern.
Wie oben erwähnt ist, ist der Einlaß bei dieser Ausführungsform für das Schließen bei der ersten Schließzeit auch im mittleren und Niedriglast-Bereich ausgelegt. In diesen Bereichen wird das übermäßig stark eingezogene Gemisch in das Ansaugsystem zurückgebracht, während der Einlaß nach UT offen ist, während die Drosselklappe 90 so voreingestellt ist, daß der Einlaß-Unterdruck unter die herkömmlichen Werte gesenkt ist. Deshalb reduziert sich der Pumpverlust, der durch den Einlaß-Unterdruck verursacht wird.
Wenn andererseits der Motor im Niedrigdrehzahl- Bereich, jedoch bei hoher Last während der Anfangsphase der Beschleunigung arbeitet, wird das Verschlußventil 98 des veränderlichen Geräts 100 geschlossen, um die Zufuhr von Ansaugluft seitens des Senkundär-Einlasses 94 abzusperren. Daher wird die zweite Schließzeit ICb, bei der es sich um die Schließzeit des Primär-Einlasses 92 handelt, eine praktische Einlaß-Schließzeit, wodurch die Ausgangsleistung des Motors wirksam erhöht und die Absenkung der Beschleunigungsleistung unterbunden wird. Das heißt: Wenn der Motor bei niedriger Drehzahl arbeitet, ist das Volumen der aufgeladenen Luft ungeachtet der großen Last relativ klein. Insbesondere dann, wenn eine Turbolader 78 verwendet wird, ist das Volumen der aufgeladenen Luft während der Anfangsphase der Beschleunigung aufgrund einer Ansprechverzögerung (der sogenannten Turbo-Verzögerung) relativ zu der Änderung der Motorlast klein. Wenn bei solchen Motorbedingungen der Einlaß bei der ersten Schließzeit ICa geschlossen wird, besteht die Möglichkeit, daß die Ausgangsleistung des Motors abnimmt aufgrund eines Rückstroms des Gemisches und dergleichen. Deshalb sollte während der Anfangsphase der Beschleunigung bei geringer Aufladung die Einlaß-Schließzeit vorverlegt werden, um dadurch den Rückstrom der Einlaßluft zu verhindern, während das effektive Kompressionsverhältnis vergrößert wird. Durch diese Faktoren läßt sich das Beschleunigungsvermögen verbessern.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zum Aufladen ein Turbolader verwendet, jedoch könnte auch ein mechanischer Lader verwendet werden, der durch die Ausgangsleistung des Motors angetrieben wird. Im Fall eines mechanischen Laders wird im Gegensatz zum Turbolader eine hohe Verstärkung in einem breiten Drehzahlbereich des Motors erreichbar, und deshalb kann die Überlappung im Bereich hoher Motordrehzahlen größer werden. Die Aufladungswirksamkeit hat allgemein die Neigung, bei verzögerter Einlaß-Schließzeit niedriger zu werden. Da jedoch durch den mechanischen Lader praktisch gleichzeitig mit der Beschleunigung ein ausreichendes Luftvolumen aufgeladen werden kann, gibt es hinsichtlich des Beschleunigungsvermögens keinerlei Problem. Außerdem erhöht die erweiterte Überlappung das Ladevolumen durch das Ausspülen im Niedrigdrehzahl-Hochlast-Betrieb bei Verringerung der Verstärkung. Dies reduziert den Antriebswiderstand des Laders, was wiederum zu einer Zunahme des Motor- Drehmoments und einer Verbesserung der Kraftstoffausnutzung führt.
Die Steuerung in dem veränderlichen Zeitsteuergerät 100 kann auch in der in Fig. 14 dargestellten Weise nach Maßgabe der Motordrehzahl und Motorlast ausgeführt werden. Speziell dann, wenn der mechanische Lader verwendet wird, ist die Steuerung nach Fig. 14 zu bevorzugen. Danach wird der Einlaß bei der ersten Schließzeit ICa im Hochdrehzahl-Hochlast- Bereich sowie im mittleren und Niedriglast-Bereich (mit Ausnahme des Leerlaufbereichs) geschlossen, wie durch schräge Linien in Fig. 14 angedeutet ist, wodurch die Abgastemperatur selbst im Hochdrehzahl- Hochlast-Bereich gesenkt und der Pumpverlust im mittleren und niedrigen Lastbereich reduziert wird, wie es bei der Steuerung nach Fig. 11 bis 13 der Fall ist. Andererseits wird im Bereich hoher Last, jedoch niedriger Drehzahl, in welchem das Volumen der aufgeladenen Luft klein ist, der Einlaß mit der zweiten Schließzeit ICb geschlossen, vorausgesetzt, letztere wird auf mehr als 50 Grad nach UT eingestellt. Dies erhöht das effektive Kompressionsverhältnis zur Verbesserung der Ausgangsleistung des Motors. Es ist auch wünschenswert, die zweite Schließzeit im Leerlaufbereich einzusetzen, um die Verbrennungsrate zu verbessern.
Für das veränderliche Zeitfestlegungsgerät können andere Strukturen verwendet werden. Beispiele hierfür umfassen einen Ventilanschlagmechanismus, der ein Anhalten des Betriebs des Einlaßventils des Sekundär-Einlasses 94 gestattet, und einen Zeitsteuer-Änderungsmechanismus, der imstande ist, den zeitlichen Betriebsablauf des Einlaßventils zu variieren. Außerdem kann die Überlappungszeitspanne der Einlässe und Auslässe so gesteuert werden, daß sie nach und nach mit zunehmender Last größer wird, indem man einen Motor verwendet, der sich auf einer Einlaß-Steuerkurve lagern läßt und imstande ist, die Einlaßventilphase des zweiten Einlasses 94 einzustellen.
Verwendet man das zuletzt erwähnte System zum Ändern der Phase des Einlaßventils durch den Motor, so kann das Einlaßventil des Primär-Einlasses 92 ebenso wie das Einlaßventil des Sekundär-Einlasses 94 gleichzeitig gesteuert werden. Das System kann auch dazu verwendet werden, das erfindungsgemäße Konzept bei einem Motor anzuwenden, der ein einzelnes Einlaßventil besitzt.
Die Steuerung der Überlappungszeitspanne kann dadurch bewirkt werden, daß man einen Einlaßdruck und einen Abgasdruck, jeweils von Sensoren gefühlt, direkt vergleicht. Außerdem kann die Überlappungszeitspanne dadurch variiert werden, daß man die Auslaß-Schließzeit ändert.
Bei dem aufgeladenen Motor nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das geometrische Kompressionsverhältnis des Motors auf einen größeren Wert festgelegt als bei herkömmlichen aufgeladenen Motoren, und während des Hochdrehzahl-Hochlast-Betriebs wird der Einlaß mit der ersten Schließzeit geschlossen, welche auf einen Punkt eingestellt ist, der später liegt als derjenige der zweiten Schließzeit, um dadurch in angemessener Weise das effektive Kompressionsverhältnis zu verringern, während das Expansionsverhältnis erhöht wird. Folglich läßt sich ein exzessiver Anstieg der Abgastemperatur verhindern, ohne das Luft/Kraftstoffverhältnis anzureichern, und es läßt sich ebenfalls der Zykluswirkungsgrad verbessern und damit die Kraftstoffausnutzung während des Hochdrehzahl-Betriebs steigern.
Während des Betriebs bei niedriger Drehzahl bei einer vorbestimmten hohen Last wird ein hohes effektives Kompressionsverhältnis dadurch erhalten, daß der Einlaß mit der zweiten Schließzeit geschlossen wird, die früher liegt als die erste Schließzeit, wodurch die Motorausgangsleistung bei Niedrigdrehzahl-Betrieb verbessert werden kann, bei welchem das Volumen der aufgeladenen Luft relativ klein ist.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die vorliegende Erfindung imstande, zu gewährleisten, daß das geometrische Kompressionsverhältnis des aufgeladenen Motors auf ein hohes Kompressionsverhältnis oberhalb von 8.5 eingestellt wird, welches bei herkömmlichen Motoren aufgrund einer Klopf- Grenze nicht gewählt werden konnte, speziell im Bereich hoher Drehzahl und hoher Last, während gleichzeitig der Überlappungswinkel zur Verbesserung des Auspuff-Wirkungsgrads erweitert wird, um so die Einlaßtemperatur zu senken und den Aufladungswirkungsgrad heraufzusetzen, was dazu führt, daß eine breite Klopfgrenze sowie ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad erreicht wird. Andererseits erhöht eine Verzögerung der Einlaß-Schließzeit das Expansionsverhältnis und senkt dadurch die Abgastemperatur, wodurch der thermische Wirkungsgrad verbessert wird. Weiterhin lassen sich beide Vorteile gleichzeitig realisieren, indem man die ideale Korrelation des Überlappungswinkels mit der Einlaß-Schließzeit herausfindet. Es ist deshalb möglich, die Abgastemperatur zu senken, ohne daß die Notwendigkeit besteht, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis anzureichern, was speziell für den Bereich hoher Drehzahl und hoher Last gilt. Dies wirkt zusammen mit der Zunahme des thermischen Wirkungsgrads, so daß der Kraftstoffverbrauch des aufgeladenen Motors spürbar verbessert wird.

Claims

1. Aufgeladener Motor mit einem Lader (42) und einer Zündkerze, wobei ein geometrisches Kompressionsverhältnis des Motors auf mehr als 8,5 festgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlaß-Schließzeit (Y), die definiert ist durch einen Kurbelwellenwinkel nach dem unteren Totpunkt bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Einlaßventil bis zu einer Stellung von einem Ventilhub von 1 mm geschlossen ist, und ein Überlappungswinkel X, der definiert ist durch einen Kurbelwellenwinkel während einer Zeitspanne, in der das Einlaß- und ein Auslaßventil mit einem Ventilhub von mehr als 1 mm geöffnet sind, derart bestimmt sind, daß die Beziehung

Y ≥ -1,75 X + 10

erfüllt ist.

2. Aufgeladener Motor nach Anspruch 1, bei dem ein effektives Kompressionsverhältnis, das definiert ist durch ein Verhältnis zwischen einem Zylindervolumen bei auf einen Ventilhub von 1 mm geschlossenem Einlaßventil und einem Zylindervolumen beim oberen Totpunkt, mehr als 6,5 beträgt.

3. Aufgeladener Motor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Auslaß-Öffnungszeit Z, die definiert ist durch einen Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Auslaßventil bis zu einer Stellung von einem Ventilhub von 1 mm öffnet, und die Einlaß-Schließzeit Y derart eingerichtet sind, daß Y > Z.

4. Aufgeladener Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Drosselklappenventil in einem stromabwärts bezüglich des Laders ausgebildeten unabhängigen Lufteinlaßkanal, der mit jedem Zylinder verbunden ist, und mit einem Aktuator zum Öffnen und zum Schließen des Drosselklappenventils, und einer Steuereinrichtung zum Steuern des Aktuators derart, daß er das Drosselklappenventil innerhalb eines vorbestimmten Niedriglast-, Niedrigdrehzahl-Bereichs des Motors schließt.

5. Aufgeladener Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Überlappungswinkel X auf weniger als 40º eingestellt ist.

6. Aufgeladener Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer veränderlichen Zeitfestlegungseinrichtung zum Ändern der Einlaß- Schließzeit Y zwischen einer ersten Schließzeit, die um einen vorbestimmten Winkel gegenüber dem unteren Totpunkt verzögert ist, und einer zweiten Schließzeit, die früher liegt als die erste Schließzeit, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der veränderlichen Zeitfestlegungseinrichtung derart, daß der Einlaß wenigstens innerhalb eines Hochdrehzahl-, Hochlast-Bereichs des Motors mit der ersten Schließzeit geschlossen wird.

7. Aufgeladener Motor nach Anspruch 6, bei dem die Steuereinrichtung eine Einrichtung aufweist zum bevorzugten Ändern der Einlaß- Schließzeit in die zweite Schließzeit während einer Anfangsphase der Beschleunigung eines Fahrzeugs.

8. Aufgeladener Motor nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Steuereinrichtung eine Einrichtung aufweist zum Schließen des Einlasses mit der zweiten Schließzeit innerhalb eines vorbestimmten Niedrigdrehzahl-, Hochlast-Bereichs und innerhalb eines vorbestimmten Niedrigdrehzahl-, Niedriglast-Bereichs.

9. Aufgeladener Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer veränderlichen Überlappungseinrichtung zum Ändern des Überlappungswinkels zwischen einem ersten Überlappungswinkel oberhalb eines vorbestimmten Wertes und einem zweiten Überlappungswinkel, der kleiner ist als der erste Überlappungswinkel, wobei die veränderliche Überlappungseinrichtung derart gesteuert wird, daß der Überlappungswinkel den Wert des ersten Überlappungswinkels zumindest innerhalb eines vorbestimmten Hochdrehzahl-, Hochlast-Bereichs annimmt.