DE4309627A1

DE4309627A1 - Ladermotor

Info

Publication number: DE4309627A1
Application number: DE4309627A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Goto; Kouichi Hatamura; Masatoshi Shoji
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: US5429100A; KR970007389B1; JP3236654B2; DE4309627C2; JPH05280354A; KR930019986A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Ladermotor, der mit einem me chanischen Lader und einem Ladeluftkühler versehen ist und ein hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis besitzt.

Stand der Technik

Bei verschiedenen Motortypen wird bekanntermaßen die An saugluft mit Hilfe eines Laders vorverdichtet. Beispiels weise die Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 63- 239312, die 1988 offengelegt wurde, offenbart einen Motor, der mit einem Lader ausgerüstet ist, der den Kraftstoffver brauch sowie die Ausgangsleistung verbessert, da er im Sinne einer Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhält nisses und einer Verzögerung des Schließzeitpunkts der Aus laßventile gesteuert ist. Bei diesem Motor bleibt das geo metrische Verdichtungsverhältnis über 8,5, und der Schließ zeitpunkt des Einlaßventils, der als der Zeitpunkt defi niert ist, wo der Ventilhub 1 Millimeter beträgt, wird um einen Kurbelwellenwinkel von mehr als 50 Grad, gemessen vom unteren Totpunkt, verzögert, um auf diese Weise den zykli schen Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, das Klopfen zu unterdrücken, und die Abgastemperatur zu erhöhen. Außerdem offenbart diese Veröffentlichung einen längeren Überlap pungszeitraum zur Erzielung eines Spüleffekts, der die An tiklopfeigenschaften verbessert, usw.

Die Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 3-138416 of fenbart ebenfalls einen mit einem Lader ausgerüsteten Mo tor, bei dem das geometrische Verdichtungsverhältnis über 8,5 gehalten wird, und bei dem der obengenannte Schließ zeitpunkt des Einlaßventils um einen Kurbelwellenwinkel von mehr als 50 Grad, gemessen vom unteren Totpunkt, verzögert wird.

Bei diesen Motoren bleiben jedoch Probleme bezüglich des Schließzeitpunkts des Einlaßventils, der Aufladungseigen schaft eines Laders, des Überlappungszeitraums, in dem sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil öffnen, usw. noch ungelöst.

Es ist vorteilhaft, den Schließzeitpunkt der Auslaßventile zu verzögern, um die Klopffrequenz herabzusetzen und damit die Ausgangsleistung bei niedriger Drehzahl und hoher Last zu erhöhen. Außerdem führt ein höheres geometrisches Ver dichtungsverhältnis und ein verzögerter Schließzeitpunkt der Einlaßventile zu einem Ausdehnungsverhältnis und ist somit vorteilhaft für die Unterdrückung eines Anstiegs der Abgastemperatur um dadurch die Ausgangsleistung bei hoher Drehzahl und hoher Last zu erhöhen. Wenn das geometrische Verdichtungsverhältnis erhöht ist, ist es wünschenswert, den Schließzeitpunkt der Einlaßventile entsprechend zu ver zögern. Eine weitere Verzögerung des Schließzeitpunkts der Einlaßventile macht es jedoch notwendig, den Ladedruck zu erhöhen, um die notwendige Füllmenge bei hoher Last zu er reichen. Dies bedeutet einen enormen Anstieg des Lade drucks, aber wegen des relativ niedrigen Verhältnisses zwi schen dem Druck am Einlaß und dem Druck am Auslaß ist es recht schwierig, daß ein Turbolader oder ein Roots-Lader einen hohen Ladedruck liefert. Das Verhältnis liegt norma lerweise unter 1,8.

Obwohl ein höherer Ladedruck den Spüleffekt während des Überlappungszeitraums, in dem sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil öffnen, verbessert, strömt das Gemisch aus Luft und Kraftstoff im allgemeinen direkt von den Einlaß ventilen zu den Auslaßventilen und bewirkt auf diese Weise eine Erhöhung der Kohlenwasserstoffemission.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladermotor anzugeben, bei dem das geometrische Verdich tungsverhältnis des Motors hoch ausgelegt ist, der Schließ zeitpunkt der Einlaßventile verzögert ist, und die Aufla dungseigenschaft verbessert ist, um auf diese Weise die Ausgangsleistung und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und zu verhindern, daß die Emission von Kohlenwasserstoffen ansteigt.

Um die obengenannte Aufgabe zu erfüllen, gibt die Erfindung einen Ladermotor an, der einen Lader und einen Ladeluftküh ler aufweist, der stromab des Laders angeordnet ist. Ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motors wird so ge steuert, daß es gleich oder größer ist als 8,5. Der mecha nische Lader ist ein mechanischer Lader mit innerer Ver dichtung mit einem Druckverhältnis von mehr als 1,8, bei dem das Verdichtungsverhältnis definiert ist als ein Ver hältnis von dem Druck an der Einlaßöffnung zu dem Druck an der Auslaßöffnung des Laders. Außerdem liegt bei dem Lader der Schließzeitpunkt des Einlaßventils bei einem Kurbelwel lenwinkel im Bereich von 50 bis 100 Grad, gemessen vom un teren Totpunkt, und der Überlappungszeitraum, in dem sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil öffnen, ist gleich oder kleiner als ein Kurbelwellenwinkel von 17 Grad, wobei der Schließzeitpunkt des Einlaßventils definiert ist als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub gleich oder kleiner ist als 1 Millimeter, und der Überlappungszeitraum auf der Ba sis eines Ventilhubs von null zu messen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das geometrische Verdichtungsverhältnis im Bereich von 9 bis 15.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Schließzeitpunkt Y des Einlaßventils in bezug auf den Über lappungszeitraum X anhand folgender Gleichung ermittelt:

Y -2,5X - 7,5

wobei:
Y den Schließzeitpunkt des Einlaßventils darstellt, der de finiert ist als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub gleich oder kleiner ist als 1 Millimeter, ausgedrückt in dem vom unteren Totpunkt aus gemessenen Kurbelwellenwinkel; und
X den Überlappungszeitraum darstellt, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, wenn der Ventilhub 1 Millimeter beträgt.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Einlaß- und Auslaßven tils innerhalb des gesamten Betriebsbereichs des Motors fest.

Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Einlaß- und Auslaß ventils sind in obiger Weise definiert, da ihre Definition nicht standardisiert ist. Das heißt, der Schließzeitpunkt der Einlaßventile ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub 1 Millimeter beträgt. Dies geschieht deshalb, weil eine solche Definition geeignet ist, den Zeitraum festzulegen, indem der Lufteinlaß und der Luftauslaß wirksam erfolgen können, wobei die Menge der Ansaugluft beim Ansaugtakt und die Menge des Abgases beim Auspufftakt berücksichtigt wird. Außerdem ist der Überlappungszeitraum, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, definiert als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub null Millimeter beträgt. Denn selbst ein geringer Ventilhub beeinflußt die Spüleigenschaft und den direkten Strom von einem Einlaßventil zu einem Auslaßventil während des Über lappungszeitraums bei hochgradiger Aufladung. Es sei darauf hingewiesen, daß das geometrische Verdichtungsverhältnis definiert ist als ein Verhältnis eines Volumens eines Zy linders, wenn sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet, zu einem Volumen eines Zylinders, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet.

Die mit dem obengenannten Ladermotor erzielten Vorteile werden nachfolgend beschrieben.

Bei dem Ladermotor gemäß der Erfindung wird der Pumpverlust infolge des verzögerten Schließzeitpunkts des Einlaßventils verringert. Ferner wird die Antiklopfeigenschaft bei nied riger Drehzahl und hoher Last verbessert, und die Abgastem peratur bei hoher Drehzahl und hoher Last kann sich wegen des höheren geometrischen Verdichtungsverhältnisses und des stark verzögerten Schließzeitpunkts des Einlaßventils nicht erhöhen. Die Ausgangsleistung des Motors ist ebenfalls ver bessert aufgrund der hochgradigen Aufladung. Außerdem ist die Emission von Kohlenwasserstoffen durch den kürzeren Überlappungszeitraum herabgesetzt, und die hochgradige Auf ladung kann die Spüleigenschaft trotz des kürzeren Überlap pungszeitraums verbessern.

Und selbst wenn die Ventilsteuerzeiten festgelegt sind, kann der kürzere Überlappungszeitraum außerdem verhindern, daß der Abgasstrom bei niedriger Last zurückströmt.

Die obigen und weitere Aufgaben und vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Be schreibung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung offen sichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Lademotors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Kurven für den Ventilhub.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt den geeigneten Schließzeitpunkt eines Einlaß ventils und den Überlappungszeitraum.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Schließzeitpunkt eines Einlaßventils und dem kritischen Drehmoment und so weiter.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Verdichtungsverhältnis und dem ge samten adiabatischen Wirkungsgrad des Laders.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem inneren Verdichtungsverhältnis und der Temperatur an einem Auslaß des Laders in Verbindung mit einem Antriebsverlust.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Überlappungszeitraum und der Emission von Kohlenwasserstoffen.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Überlappungszeitraum und einem maximalen Drehmoment bei ganz geöffneter Drossel klappe bzw. Vollast.

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Schließzeitpunkt eines Einlaßventils und dem geometrischen Verdichtungsverhältnis.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Schließzeitpunkt eines Einlaßventils und dem Überlappungszeitraum.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Ladermotors, in dem die Erfindung verkörpert ist. Eine Einlaßöffnung ist stromab eines Einlaßkanals 3 angeordnet, und eine stromauf eines Auslaßkanals 4 angeordnete Auslaßöffnung mündet in einen Brennraum 2 eines Motors 1. Ein Einlaßventil 5 und ein Auslaßventil 6 ist an diesen Einlaß- bzw. Auslaßöffnun gen angeordnet. Die Einlaß- und Auslaßventile 5, 6 sind so gesteuert, daß sie mit Hilfe eines Ventilbetätigungsmecha nismus (nicht dargestellt) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt öffnen bzw. schließen.

Im Verlauf des Einlaßkanals 3 ist ein mechanischer Lader 10 angeordnet. Der Lader 10 ist ein Lader mit innerer Verdich tung und einem absoluten Druckverhältnis von 1,8. Dieses Verhältnis ist definiert als ein Verhältnis von dem Druck am Einlaß zu dem Druck am Auslaß. In der gezeigten Ausfüh rungsform umfaßt der Lader 10 einen schraubenartigen Lader, der allgemein als "Lysholm-Lader" bezeichnet wird. Der La der 10 ist über eine Riemenscheibe 11 und einen Antriebs riemen 12 mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbun den.

Eine Drosselklappe 13 ist stromauf des Laders angeordnet. Ein Luftmengenmesser 14 ist stromauf der Drosselklappe 13 angeordnet, um die Menge der Ansaugluft zu messen. Ein Luftreiniger 15 ist stromauf des Einlaßkanals 3 angeordnet.

Stromab des Laders 10 ist ein Ladeluftkühler 16 angeordnet, und weiter stromab von diesem ist ein Druckspeicher 17 an geordnet. Ein Bypasskanal 18 zweigt von dem Einlaßkanal 3 ab, um den Lader 10 und den Ladeluftkühler 16 zu umgehen. Im Verlauf des Bypasskanals 18 ist ein Bypassventil 19 an geordnet, das entsprechend dem Druck in dem Druckspeicher 17 öffnet oder schließt, und das bei niedriger Last öffnen kann. Im Bereich der Einlaßöffnung ist eine Kraftstoffein spritzvorrichtung 20 vorgesehen, die Kraftstoff in den Brennraum 2 einspritzt.

Bei dem Motor 1 ist das geometrische Verdichtungsverhältnis gleich oder größer als 8,5, vorzugsweise im Bereich von 9 bis 15. Die Einlaß- und Auslaßventile 5, 6 werden entspre chend der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ventilhubkurve be tätigt. Insbesondere der Schließzeitpunkt IC1 des Einlaß ventils, der definiert ist als der Zeitpunkt, an dem das Einlaßventil geschlossen wird, wenn der Ventilhub 1 Milli meter erreicht, kann im Bereich von A-BDC 50 Grad CA bis A- BDC 100 Grad CA liegen, und der Überlappungszeitraum OL, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öff nen, und der gemessen wird, wenn der Ventilhub null Milli meter beträgt, kann gleich oder kleiner sein als 17 Grad CA. In der hier verwendeten Weise bedeutet der Begriff "A- BDC" "nach dem unteren Totpunkt", und der Begriff "CA" be deutet "Kurbelwellenwinkel". "A-BDC 50 Grad CA" beispiels weise bedeutet ein Kurbelwellenwinkel von 50 Grad, gemessen vom unteren Totpunkt aus. Die gewünschte Beziehung zwischen dem Überlappungszeitraum und dem Schließzeitpunkt des Ein laßventils ist dargestellt durch die folgende Gleichung:

Y -2,5X - 7,5 (A)

wobei Y den Schließzeitpunkt des Einlaßventils darstellt, der definiert ist als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub gleich 1 Millimeter ist, und der ausgedrückt ist durch den vom unteren Totpunkt aus gemessenen Kurbelwellenwinkel, und X stellt den Überlappungszeitraum dar, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, wenn der Ventilhub 1 Millimeter beträgt. Die Gleichung (A) kann in die folgende Gleichung (B) umgewandelt werden.

X - (Y + 7,5)/2,5 (B).

Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß der Darstellung in Fig. 3 bei dem Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Auslaßventils eine Verzögerung um einen Kurbelwellen winkel von 20 Grad zwischen einem von einem Ventilhub von 1 Millimeter (siehe IO1, IC1, EO1 und EC1 in Fig. 3) ausge henden Fall und einem von einem Ventilhub von 0 Millimeter (siehe IO0, IC0, EO0 und EC0 in Fig. 3) ausgehenden Fall auftritt. Demzufolge kommt es in bezug auf den Überlap pungszeitraum zu einer Verzögerung um einen Kurbelwellen winkel von 40 Grad zwischen den beiden obengenannten Fäl len.

In der nachfolgend verwendeten Weise bezeichnet der Begriff "Überlappungszeitraum bei 1 Millimeter" den Überlappungs zeitraum, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Aus laßventil öffnen, gemessen zu dem Zeitpunkt, wo der Ventil hub 1 mm beträgt, und der Begriff "Überlappungszeitraum bei 0 mm" bezeichnet den Überlappungszeitraum, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, gemessen zu dem Zeitpunkt, wo der Ventilhub 0 mm beträgt. Außerdem sind bestimmte Zahlen bezüglich des Schließzeitpunkts des Einlaßventils Zahlen, die auf der Basis eines Ventilhubs von 1 Millimeter angegeben sind.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, in der die Ordinate den Überlappungszeitraum und die Abszisse den Schließzeit punkt des Einlaßventils darstellt, und sie stellt einen wünschenswerten Bereich für den Schließzeitpunkt und den Überlappungszeitraum dar. Das heißt, der schraffierte Be reich von Fig. 4 gibt den Bereich an, der drei Anforderun gen erfüllt: (1) der Schließzeitpunkt des Einlaßventils liegt im Bereich eines Kurbelwellenwinkels von 50 bis 100 Grad, (2) ein Überlappungszeitraum bei 0 mm liegt unter ei nem Kurbelwellenwinkel von 17 Grad, und (3) die Gleichung (A) oder (B).

Anhand der Fig. 5 bis 9 werden nun Vorteile erläutert, wenn ein Druckverhältnis des Laders 10, das Verdichtungsverhält nis des Motors 1 und der Überlappungszeitraum den obenge nannten Anforderungen unterliegen.

Der verzögerte Schließzeitpunkt des Einlaßventils in Ver bindung mit dem Füllen bei hoher Last mittels Aufladung ist vorteilhaft zur Verminderung der Klopffrequenz, um auf diese Weise die Ausgangsleistung des Motors bei niedriger Drehzahl und hoher Last zu verbessern, die durch das Klop fen verschlechtert ist. Denn der verzögerte Schließzeit punkt des Einlaßventils vermindert die verdichtete Luft entsprechend, wird aber durch die außerhalb des Motors durch Aufladung erfolgte Verdichtungsarbeit ausgeglichen. Wenn außerdem durch einen Ladeluftkühler gekühlte Ansaug luft mit niedriger Temperatur und hohem Druck zugeführt wird, wird die Temperatur am oberen Totpunkt beim Verdich tungstakt gesenkt, so daß das Klopfen unterdrückt wird. Wenn also die Aufladungseigenschaft derart verbessert ist, daß das Motordrehmoment bei niedriger Drehzahl und hoher Last bis zu der Grenze verbessert werden soll, wo es allmählich zum Klopfen kommt, nimmt das Drehmoment an der Grenze zu, wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils ver zögert ist, wie durch die Linien A1 und A2 in Fig. 5 darge stellt ist. Außerdem hat der verzögerte Schließzeitpunkt des Einlaßventils den Vorteil, daß der Pumpverlust bei niedriger Last vermindert wird. Wie durch die Linien B1 und B2 in Fig. 5 dargestellt, nimmt der Kraftstoffverbrauch ab, wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils verzögert ist. Wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils weniger als A- BDC 50 Grad CA beträgt, nimmt das kritische Drehmoment, bei dem es allmählich zum Klopfen kommt, in höherem Maße ab, und der Pumpverlust nimmt in stärkerem Maße zu. Es ist also vorteilhaft, den Schließzeitpunkt des Einlaßventils über A- BDC 50 Grad CA auszulegen.

Was das kritische Drehmoment und den Pumpverlust angeht, so sind diese in Fig. 5 in zwei Fällen dargestellt, wobei in dem einen Fall das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors neun (9) ist und durch die Linien A1 und B1 darge stellt ist, und in dem anderen Fall das geometrische Ver dichtungsverhältnis zehn (10) ist und durch die Linien A2 und B2 dargestellt ist. Ein niedrigeres geometrisches Ver dichtungsverhältnis senkt die Temperatur am oberen Totpunkt im Verdichtungstakt mit dem Ergebnis, daß das kritische Drehmoment bei niedriger Drehzahl und hoher Last ansteigt. Es senkt jedoch den zyklischen Wirkungsgrad des Motors, so daß der Kraftstoffverbrauch schlechter wird, und es senkt das Ausdehnungsverhältnis, so daß die Ausgangsleistung bei hoher Drehzahl und hoher Last nicht besser werden kann. Das geometrische Verdichtungsverhältnis ist daher so ausgelegt, daß es über 8,5 liegt, vorzugsweise im Bereich von 9 bis 15, um den Kraftstoffverbrauch und die Ausgangsleistung bei hoher Drehzahl und hoher Last zu verbessern. Es kann also ein geeignetes wirksames Verdichtungsverhältnis erreicht werden, und das Ausdehnungsverhältnis wird erhöht, wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils über A-BDC 50 Grad CA liegt, was bedeutet, daß der Schließzeitpunkt des Einlaß ventils verzögert ist. Die Obergrenze des Verdichtungsver hältnisses soll fünfzehn (15) sein, weil ein Verdichtungs verhältnis, das größer ist als 15, den Wirkungsgrad des Mo tors aufgrund einer erhöhten Reibung verschlechtert.

Die Linie C in Fig. 5 stellt die Beziehung zwischen dem zur Erzielung eines konstanten maximalen Drehmoments erforder lichen Ladedruck und dem Schließzeitpunkt des Einlaßventils dar. Wie aus der Linie C ersichtlich ist, ist durch den verzögerten Schließzeitpunkt der Ladedruck erhöht, um die Abnahme des wirksamen Verdichtungsverhältnisses auszuglei chen.

Die Linie D in Fig. 5 stellt die Beziehung zwischen der Füllmenge beim Anlassen und zum Schließzeitpunkt eines Ein laßventils dar. Wie in der Linie D gezeigt, wird die Füll menge immer kleiner, und das Anlassen wird immer schwerer, je mehr der Schließzeitpunkt des Einlaßventils verzögert ist. Das Anlassen wird schwierig, wenn die Füllmenge unter einer vorbestimmten Füllmenge N₀ liegt. Demzufolge ist ein kritischer Schließzeitpunkt IC_L des Einlaßventils, bei dem das Anlassen unmöglich ist, definiert als der Zeitpunkt, der gemessen wird, wenn die Füllmenge auf eine vorbestimmte Füllmenge N₀ abgesenkt ist. Die Linie D stellt eine Situa tion dar, wo das geometrische Verdichtungsverhältnis neun (9) ist. Der obengenannte kritische Schließzeitpunkt des Einlaßventils ändert sich in Abhängigkeit von dem geometri schen Verdichtungsverhältnis. Fig. 10, in der die Ordinate den Schließzeitpunkt des Einlaßventils und die Abszisse das geometrische Verdichtungsverhältnis darstellt, stellt die Linie dar, auf der das wirksame Verdichtungsverhältnis gleich ist, und die dem kritischen Schließzeitpunkt des Einlaßventils entspricht. Wie in Fig. 10 gezeigt, beträgt der kritische Schließzeitpunkt des Einlaßventils dann, wenn das geometrische Verdichtungsverhältnis seinen oberen Grenzwert, also etwa fünfzehn (15) hat, etwa A-BDC 100 Grad CA, was der Obergrenze des Schließzeitpunkts des Einlaßven tils entspricht.

Wie aus Linie C hervorgeht, wird es immer notwendiger, den Ladedruck zu erhöhen, je mehr der Schließzeitpunkt des Ein laßventils verzögert ist, und somit muß ein Druckverhältnis zwischen dem Druck am Einlaß und dem Druck am Auslaß des Laders erhöht werden. Ein Lader mit innerer Verdichtung er füllt diese Anforderung. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 6 und 7 erläutert.

Fig. 6 zeigt die Beziehung des Druckverhältnisses zwischen dem Druck an einem Einlaß und dem Druck an einem Auslaß ei nes Laders sowie den gesamten adiabatischen Wirkungsgrad im Falle eines Turboladers, eines Roots-Laders, der ein Lader ohne innere Verdichtung ist, und eines schraubenartigen La ders, der ein Lader mit innerer Verdichtung ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, nimmt dann, wenn sich das Druckverhältnis dem Wert 1,8 bei einem Turbolader und bei einem Roots-Lader nähert, der Rücklauf zu mit dem Ergebnis, daß der gesamte adiabatische Wirkungsgrad abnimmt und die Austrittstempera tur ansteigt. Demzufolge soll das Druckverhältnis 1,8 das kritische Verhältnis zum Aufladen sein, und somit ist es unmöglich, den Ladedruck über 1,8 anzuheben. Andererseits nimmt bei einem schraubenartigen Lader der gesamte adiaba tische Wirkungsgrad nicht ab, selbst wenn das Druckverhält nis den Wert 1,8 übersteigt, und demzufolge ist das kriti sche Druckverhältnis bei einem schraubenartigen Lader grö ßer als das bei einem Turbolader und einem Roots-Lader.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem beabsichtigten in ternen Druckverhältnis und der Temperatur an einem Auslaß und dem Verlust an Antriebsleistung, wenn das Druckverhält nis relativ hoch sein soll, beispielsweise etwa 2,3. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, kann ein Lader, beispielsweise ein Lader ohne innere Verdichtung, der ein geringes inter nes Druckverhältnis besitzt, vermeiden, daß die Temperatur an einem Auslaß übermäßig ansteigt, um ein hohes Druckver hältnis zu erreichen. Demzufolge ist es wünschenswert, das interne Druckverhältnis hoch auszulegen, um zu vermeiden, daß die Austrittstemperatur ansteigt. Der Verlust der An triebsleistung nimmt jedoch aufgrund des höheren internen Druckverhältnisses zu, wenn keine Aufladung stattfindet.

Die obigen Ausführungen deuten darauf hin, daß der Einsatz eines Laders mit innerer Verdichtung mit einem Druckver hältnis über 1,8 den Ladedruck wirksam erhöhen kann. In ei ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das beabsichtigte interne Druckverhältnis etwa 1,6, und das Druckverhältnis beträgt etwa 2,3.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Überlappungszeit raum und den Kohlenwasserstoffemissionen, wenn der Schließ zeitpunkt des Einlaßventils bei A-BDC 50 Grad CA liegt. In Fig. 8 stellt die Linie E₁ die obengenannte Beziehung in dem Aufladungsbereich dar, in dem der Druck der Ansaugluft höher ist als der Ladedruck, in dem beispielsweise der La dedruck etwa 600 mmHg beträgt, und der durchschnittliche wirksame Druck P_e neun (9) beträgt. Die Linie E₂ stellt die obengenannte Beziehung in einem Nichtaufladungsbereich dar, in dem beispielsweise P_e drei (3) beträgt. Wie durch die Linie E₁ angegeben, steigen die Kohlenwasserstoffemissionen drastisch an, wenn der Überlappungszeitraum in dem Aufla dungsbereich einen Kurbelwellenwinkel von 17 Grad über steigt.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Überlappungszeit raum und dem maximalen Drehmoment bei Vollast, wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils bei A-BDC 50 Grad CA liegt. In Fig. 9 stellt die Linie F₁ die obenerwähnte Be ziehung dar, bei der der Ladedruck in einem solchen Fall relativ niedrig ist, da ein Lader ohne innere Verdichtung verwendet wird, und die Linie F₂ stellt die obenerwähnte Beziehung dar, bei der der Ladedruck in einem solchen Fall relativ hoch ist, wie zum Beispiel etwa 600 mmHg, da ein Lader mit innerer Verdichtung mit einem hohen Druckverhält nis verwendet wird. Wie durch diese Linien angedeutet ist, wird im Falle eines relativ niedrigen Ladedrucks die Aus gangsleistung mit zunehmendem Überlappungszeitraum immer größer, weil der Spüleffekt allmählich besser wird, auch in Bereichen, in denen der Überlappungszeitraum lang ist. An dererseits wird die Ausgangsleistung bei einem ausreichend hohen Ladedruck verbessert, da dieser Spüleffekt nahezu er reicht ist, wenn der Überlappungszeitraum bei 0 mm wesent lich kleiner ist als ein Kurbelwellenwinkel von 17 Grad. Die Ausgangsleistung ändert sich nicht besonders bei einem Kurbelwellenwinkel von 17 Grad oder bei einem Überlappungs zeitraum, der einem Kurbelwellenwinkel von mehr als 17 Grad entspricht.

Die Fig. 8 und 9 zeigen, daß ein Überlappungszeitraum bei 0 mm, der gleich oder kleiner ist als ein Kurbelwellenwinkel von 17 Grad, wirksam ist, um Kohlenwasserstoffemissionen zu vermindern, und daß insbesondere ein Überlappungszeitraum bei 0 mm, der einem Kurbelwellenwinkel im Bereich von 4 bis 17 Grad entspricht, den Spüleffekt verbessert und die Koh lenwasserstoffemissionen herabsetzt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen Fälle, in denen der Schließzeit punkt des Einlaßventils bei A-BDC 50 Grad CA liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn der Schließzeitpunkt we sentlich mehr verzögert ist als in den obengenannten Fällen und der Aufladungseffekt dementsprechend verbessert ist, der Überlappungszeitraum notwendigerweise verkürzt werden muß, um die Kohlenwasserstoffemissionen herabzusetzen.

Tabelle 1 zeigt die obengenannte Beziehung. Tabelle 1 zeigt den Anstieg der Kohlenwasserstoffemissionen, wenn der Lade druck auf A-BDC 60 Grad CA und A-BDC 70 Grad CA eingestellt ist, so daß die Menge der Ansaugluft nahezu der Menge bei einem Steuerungszustand entspricht, und der Überlappungs zeitraum gleich dem Überlappungszeitraum bei einem Steue rungszustand ist, wobei der Steuerungszustand ein Zustand ist, bei dem der Schließzeitpunkt des Einlaßventils bei A- BCD 50-Grad CA liegt, und der Ladedruck beispielsweise etwa 100 mmHg beträgt, was einem durchschnittlichen effektiven Druck P_e von neun (9) entspricht. Die Werte in Tabelle 1 sind ausgedrückt unter der Bedingung, daß die Werte im Steuerungszustand eins (1) sind. Tabelle 1 zeigt auch den Überlappungszeitraum, der so eingestellt ist, daß die Koh lenwasserstoffemissionen gleich sind wie die in dem Steue rungszustand. Der Begriff Ansaugluftverhältnis in Tabelle 1 bezeichnet ein Verhältnis zur Menge der Ansaugluft, wenn ein normaler und nicht ein verzögerter Schließzeitpunkt des Einlaßventils verwendet wird.

Tabelle 1

Die in Fig. 11 dargestellte Linie erhält man durch Auftra gen des unten in Tabelle 1 aufgeführten Überlappungszeit raums, und sie wird ausgedrückt durch die folgende Glei chung auf der Basis eines Ventilhubs von 1 mm.

Y = -2,5X - 7,5.

Die obengenannte Gleichung (A) ist von dieser Gleichung ab geleitet. Die durch die Gleichung (A) ausgedrückte Fläche kann Kohlenwasserstoffemissionen wirksam vermindern.

Bei einem Motor, bei dem der Überlappungszeitraum bei hoher Last länger sein soll, kommt es zu dem Problem eines Rück strömens von Abgas bei niedriger Last. Um dieses Problem zu lösen, muß man normalerweise den Ventilzeitpunkt variabel gestalten, so daß der Überlappungszeitraum in Abhängigkeit von den Lasten variieren kann. Andererseits ist bei der vorliegenden Erfindung der Überlappungszeitraum verkürzt, um auf diese Weise eine Stabilität der Verbrennung zu er reichen, auch wenn der Ventilzeitpunkt fest ist, weil das Rückströmen von Abgas bei niedriger Last unterdrückt wird.

Um die obengenannten vorteilhaften Wirkungen zu erreichen, beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform das geometri sche Verdichtungsverhältnis des Motors zehn (10), das Druckverhältnis beträgt etwa 2,3 bei einem Lysholm-Lader, der Schließzeitpunkt des Einlaßventils liegt bei A-BDC 60 Grad CA, und der Überlappungszeitraum bei einem Ventilhub von 0 mm entspricht einem Kurbelwellenwinkel von etwa 7 Grad.

Wie oben anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrie ben, besitzt die vorliegende Erfindung zahlreiche Vorteile, wie nachfolgend erläutert.

Bei der Erfindung ist das höhere geometrische Verdichtungs verhältnis und der stark verzögerte Schließzeitpunkt des Einlaßventils hilfreich, um ein Klopfen und einen Anstieg der Abgastemperatur zu vermeiden. Außerdem kann eine hohe Aufladung die Ausgangsleistung des Motors erhöhen, und der obenerwähnte verkürzte Überlappungszeitraum vermindert die Kohlenwasserstoffemissionen. Auch wenn der Überlappungs zeitraum verkürzt ist, kommt es bei einem höheren Ladedruck zu einer ausreichenden Spülwirkung. Die Kohlenwasserstoffe missionen sind also herabgesetzt, während die Ausgangslei stung sowohl bei niedriger Drehzahl und hoher Last als auch bei hoher Drehzahl und hoher Last unverändert aufrechter halten wird.

Insbesondere das geometrische Verdichtungsverhältnis im Be reich von 9 bis 15 hat den Vorteil, daß ein Ansteigen der Abgastemperatur vermieden wird.

Ferner hat die obenerwähnte, durch die Gleichung (A) ausge drückte Beziehung den Vorteil, daß die Kohlenwasserstoffe missionen herabgesetzt werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Auslaßventils in dem gesamten Betriebsbereich des Motors festgelegt. Bei dieser Struktur ist kein Mechanismus zur Veränderung der Ventil steuerzeiten erforderlich, der den Überlappungszeitraum verändert, um den Motor einfach zu gestalten. Außerdem un terdrückt der verkürzte Überlappungszeitraum die Kohlenwas serstoffemissionen bei einer großen Aufladungsfläche, und er verhindert auch, daß der Rückstrom von Abgas bei niedri ger Last zunimmt. Daher ist selbst bei festen Ventilsteuer zeiten die Ausgangsleistung bei hoher Last verbessert, und die Verbrennung bei niedriger Last bleibt stabil.

Die vorliegende Erfindung wurde nun in Verbindung mit be stimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, aber selbstverständlich sollte der in der vorliegenden Erfindung erläuterte Gegenstand nicht auf diese spezifischen Ausfüh rungsformen begrenzt sein. Der Gegenstand der Erfindung sollte hingegen alle Alternativen, Abwandlungen und Ent sprechungen umfassen, die im Geist und im Rahmen der fol genden Ansprüche enthalten sein können.

Claims

1. Ladermotor, umfassend:
einen Lader; und
einen Ladeluftkühler, der stromab des Laders angeordnet ist,
wobei das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors so gesteuert ist, daß es gleich oder größer ist als 8,5, der Lader einen mechanischen Lader mit innerer Verdichtung und einem Druckverhältnis von mehr als 1,8 aufweist, wobei das Druckverhältnis definiert ist als ein Verhältnis von dem Druck an der Einlaßöffnung zu dem Druck an der Auslaß öffnung des Laders,
der Schließzeitpunkt des Einlaßventils des Laders im Be reich von einem Kurbelwellenwinkel von 50 bis 100 Grad liegt, gemessen vom unteren Totpunkt, und wobei der Über lappungszeitraum, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, gleich oder kleiner ist als ein Kurbelwellenwinkel von 17 Grad, wobei der Schließzeitpunkt des Einlaßventils definiert ist als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub gleich oder kleiner ist als 1 Millimeter, und der Überlappungszeitraum auf der Basis eines Ventilhubs von null zu messen ist.

2. Ladermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrische Verdichtungsverhältnis im Bereich von 9 bis 15 liegt.

3. Ladermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließzeitpunkt Y des Einlaßventils in bezug auf den Überlappungszeitraum X anhand der folgenden Gleichung ermittelt wird: Y -2,5X - 7,5dadurch gekennzeichnet, daß
Y den Schließzeitpunkt des Einlaßventils darstellt, der de finiert ist als der Zeitpunkt, wenn der Ventilhub gleich oder kleiner ist als 1 Millimeter, und der ausgedrückt ist durch den Kurbelwellenwinkel, gemessen vom unteren Totpunkt aus; und
X den Überlappungszeitraum darstellt, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, wenn der Ventilhub 1 Millimeter beträgt.

4. Ladermotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließzeitpunkt Y des Einlaßventils in bezug auf den Überlappungszeitraum X anhand der folgenden Gleichung ermittelt wird: Y -2,5X - 7,5dadurch gekennzeichnet, daß
Y den Schließzeitpunkt des Einlaßventils darstellt, der de finiert ist als der Zeitpunkt, an dem der Ventilhub gleich oder kleiner ist als 1 Millimeter, und der ausgedrückt ist durch den Kurbelwellenwinkel, gemessen vom unteren Tot punkt; und
X den Überlappungszeitraum darstellt, in dem sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil öffnen, wenn der Ventilhub 1 Millimeter beträgt.

5. Ladermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Auslaßventils im gesamten Betriebsbereich des Motors fest ist.

6. Ladermotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Aus laßventils im gesamten Betriebsbereich des Motors fest ist.

7. Ladermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Aus laßventils im gesamten Betriebsbereich des Motors fest ist.

8. Ladermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einlaß- und Aus laßventils im gesamten Betriebsbereich des Motors fest ist.