DE4332616A1 - Aufladevorrichtung zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Aufladevorrichtung zur Verwendung in einem VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Aufladevorrichtung
für einen Verbrennungsmotor, der mit einem me
chanischen Lader ausgestattet ist, und betrifft insbeson
dere eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor,
der den Ventilschließzeitpunkt eines Einlaßventils gemäß
einem Motorbetriebszustand verändern kann.
Herkömmlicherweise sind verschiedene Aufladesysteme für
einen mit einem mechanischen Lader ausgestatteten Verbren
nungsmotor vorgeschlagen worden. Z.B. offenbart die japa
nische, nicht-geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 63-
2 39 312 eine Motorsteuertechnik, die das Klopfen verbes
sert, ohne den Einlaßluft-Ladewirkungsgrad zu vermindern.
Hierzu offenbart dieser Stand der Technik eine variable
Ventilzeitgabeeinrichtung, um einen Schließzeitpunkt eines
Einlaßventils stark zu verzögern oder eine Überlappung
zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen zu vergrößern.
Diese Technik ist exzellent dahingehend, daß sie einige
Vorteile bei verschiedenen Steuerungen eines Motors mit
sich bringt, der mit einem Lader ausgestattet ist. Einige
Aspekte sind jedoch weiter zu verbessern. Wenn z. B. der
Schließzeitpunkt des Einlaßventils stark verzögert ist,
neigt der mechanische Lader dazu, einen erhöhten Wider
stand zu empfangen bzw. anzunehmen, und zwar insbesondere
in einem niedrigen Motordrehzahlbereich. Denn einmal in
den Zylinder eingeführte Einlaßluft wird teilweise in
Richtung auf den Einlaßkanal zurückgeführt, wenn das Ein
laßventil spät öffnet, und zwar bis der Kompressionstakt
deutlich fortschreitet.
Aus diesem Grund wird dem mechanischen Lader bei diesem
Motorbetriebszustand ein erhöhter Widerstand oder eine er
höhte Last erteilt. Obwohl die Leistung des Laders zwangs
weise erhöht werden kann, wird der Widerstand oder die
Last entsprechend erhöht werden. Dies führt offensichtlich
zu einem unökonomischen Brennstoffverbrauch.
Die nicht-geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr.
2-1 19 624 offenbart eine weitere Motorsteuertechnik, bei
der ein maximaler Ladedruck von dem Lader gemäß einer
Notordrehzahl änderbar ist. Um den Stoß zu vermindern, der
beim Verändern bzw. Wechsel des maximalen Ladedrucks auf
tritt, schlägt dieser Stand der Technik vor, den dynami
schen Ladeeffekt kooperativ zu verwenden, um diesen Stoß
bzw. Schock auszulöschen oder zu mildern. Die Lehre dieses
letzteren Standes der Technik kann jedoch für das Lösen
des oben beschriebenen Problemes des ersteren Standes der
Technik nicht direkt verwendet werden, da das Problem in
härent den verzögerten Ventilschließzeitpunkt des Einlaß
ventils betrifft.
Demgemäß liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine
verbesserte Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor
zu schaffen, der mit einem mechanischen Lader ausgestattet
ist, welcher eine übermäßige bzw. überschüssige Last ver
mindern kann, die dem mechanischen Lader in dem Zustand
erteilt wird, bei dem der Ventilschließzeitpunkt stark
verzögert ist, und zwar ohne die Kraftstoffsparsamkeit zu
verschlechtern.
Um das obige Problem zu lösen, liefert die vorliegende
Erfindung eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungs
motor mit: einem Einlaßluftkanal, der mit einem Zylinder
eines Motors über ein Einlaßventil in Verbindung steht;
einem mechanischen Lader, der in dem Einlaßluftkanal vor
gesehen ist; einer variablen Ventilzeitgabeeinrichtung zum
Verändern eines Schließzeitpunktes des Einlaßventils be
züglich eines unteren Totpunktes eines Motorkolbens; einer
Steuereinrichtung zum Steuern der variablen Ventilzeitga
beeinrichtung gemäß einer Motordrehzahl in zumindest einem
Ladebereich, bei dem der mechanische Lader betriebsbereit
ist, Ladeluft in den Zylinder zuzuführen, und zwar derart,
daß der Schließzeitpunkt des Einlaßventils zwischen einem
vorversetzten Zeitpunkt und einem verzögerten Zeitpunkt
geschaltet wird; und einer Unterstützungseinrichtung zum
Veranlassen einer dynamischen Ladewirkung in dem Einlaß
luftkanal, wenn der Schließzeitpunkt des Einlaßventils auf
den verzögerten Zeitpunkt geschaltet wird, wodurch der me
chanische Lader in diesem speziellen Motorbetriebsbereich
unterstützt wird. Mit dieser Anordnung kann die Last des
mechanischen Laders wirksam in dem bestimmten Motorbe
triebsbereich vermindert werden, in welchem der mechani
sche Lader einer erhöhten Widerstand annimmt und die Ein
laßluft-Lademenge vermindert ist aufgrund des verzögerten
Ventilschließzeitpunktes des Einlaßventils. Somit wird
wird die Kraftstoffsparsamkeit verbessert werden.
Es ist weiterhin von Vorzug, daß die Steuereinrichtung die
variable Ventilzeitgabeeinrichtung steuert, um den verzö
gerten Zeitpunkt in einem niedrigen Motordrehzahlbereich
zu wählen, und den vorverlegten bzw. frühen Zeitpunkt in
einem hohen Motordrehzahlbereich zu wählen. Demgemäß kann
der Kraftstoffverbrauch ökonomisch vermindert werden.
Weiterhin ist es von Vorzug, daß die variable Ventilzeit
gabeeinrichtung eine Phase einer Ventilhubkurve des
Einlaßventils verändert, um eine erste und eine zweite
Ventilzeitgabe zu realisieren. Die erste Ventilzeitgabe
hat einen verzögerten Einlaßventil-Schließzeitpunkt und
eine kleine Ventilüberschneidung zwischen den Einlaß- und
Auslaßventilen, verglichen mit der zweiten Ventilzeitgabe.
Somit wird es möglich zu vermeiden, daß die Mischung aus
Kraftstoff und Frischluft direkt durch den Zylinder geht
bzw. passiert und die Luft-Kraftstoff-Mischungstemperatur
übermäßig ansteigt, wenn die erste Ventilzeitgabe ausge
wählt ist. Weiterhin wird es möglich, ein Spülen von Abgas
zu unterstützen, wenn die zweite Ventilzeitgabe ausgewählt
ist.
Es ist insbesondere von Vorzug, daß die Steuereinrichtung
die variable Ventilzeitgabeeinrichtung steuert, um die er
ste Ventilzeitgabe in einem niedrigen Motordrehzahlbereich
zu wählen und die zweite Ventilzeitgabe in einem hohen
Motordrehzahlbereich zu wählen. Weiterhin veranlaßt die
Unterstützungseinrichtung eine Resonanzladewirkung in dem
Einlaßluftkanal in dem niedrigen Motordrehzahlbereich. In
dem hohen Motordrehzahlbereich wird Restabgas vollständig
aus der Verbrennungskammer entfernt, um kein Klopfen zu
verursachen. In dem niedrigen Motordrehzahlbereich wird
der Kraftstoffverbrauch verbessert und weiterhin kann eine
dynamische Aufladung durch ein relativ kompaktes Einlaßsy
stem erzielt werden. Bevorzugt ist weiterhin, daß die Un
terstützungseinrichtung eine Einrichtung zum Verändern ei
ner Resonanzfrequenz des Einlaßluftkanals aufweist, um
eine Resonanzladewirkung bei unterschiedlichen Motordreh
zahlbereichen innerhalb des niedrigen Motordrehzahlbe
reichs zu veranlassen. Somit kann eine Resonanzladewirkung
in einem relativ weiten Bereich in dem niedrigen Motor
drehzahlbereich erhalten werden.
Bevorzugt ist es weiterhin, daß die Veränderungsein
richtung eine Vielzahl von Verbindungs- bzw. Kommunika
tionskanälen aufweist, die stromab eines stromaufliegen
den Verbindungspunktes eines ersten Einlaßkanals, der mit
einer ersten Gruppe von Zylindern in Verbindung steht, und
eines zweiten Einlaßluftkanals, der mit einer zweiten
Gruppe von Zylindern in Verbindung steht, angeordnet sind,
wobei die Verbindungskanäle ausgelegt sind, um den ersten
und zweiten Einlaßkanal zu verbinden, und ein Ventil auf
weist, welches in jedem der Verbindungskanäle angeordnet
ist zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals. Somit
kann eine Resonanzladewirkung mit einem einfacheren Aufbau
erhalten werden.
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfol
genden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Aufladevorrichtung für
einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
Fig. 2 stellt Ventilhubkurven (d. h. Ventilöff
nungs/schließzeitpunkte) von Einlaß- und Auslaßventilen
gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches eine Steuerkarte zeigt,
die in einer Steuereinheit zum Steuern des variablen Ven
tilzeitgabemechanismus verwendet wird;
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches Steuercharakteristika
von verschiedenen Ventilen zum Veranlassen einer dynami
schen Ladewirkung zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen
einem Ladedruck (d. h. einem auslaßseitigen Druck des La
ders) und einer Ladeluftstrommenge unter der Bedingung
zeigt, daß der mechanische Lader mit einer konstanten
Drehzahl dreht; und
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Motorzy
linder und dessen periphere Komponenten zeigt.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Er
findung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im
Detail erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Aufladevorrichtung für einen Verbren
nungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 6 zeigt
einen Motorzylinder und dessen Umgebung. In der Zeichnung
bezeichnet Bezugsziffer 1 einen Motor, der eine Vielzahl
von Zylindern 2 darin aufnimmt. Insbesondere umfaßt der
Motor 1 ein Paar von Reihen 1a und 1b, die einen 6-Zylin
dermotor vom V-Typ bilden. Jede der Reihen 1a und 1b be
steht nämlich aus drei Zylindern 2, 2 und 2.
Ein Einlaßluftkanal 3 ist mit dem Motor 1 verbunden, um
den Zylindern 2,2,---,2 des Motors 1 Luft zuzuführen. Ein
mechanischer Lader 5 ist an einem mittleren bzw. Zwischen
abschnitt des Einlaßluftkanals 3 vorgesehen. Der mechani
sche Lader 5 wird von einer Ausgangswelle 40 des Motors
mittels eines geeigneten Übertragungsmechanismus, wie ei
nem Riemen 6 oder einer äquivalenten Lösung mitgenommen,
um eine Rotation proportional zur Motordrehzahl zu verur
sachen.
Ein Luftfilter 7, eine Luftstrom- bzw. Luftdurchsatz-Meß
einrichtung 8 und ein Drosselventil 9 sind stromauf des
mechanischen Laders 5 vorgesehen. Einlaßluft tritt, nach
dem sie das Luftfilter 7 durchlaufen hat, in die
Luftströmungs-Meßeinrichtung 8 ein, in der eine Luftströ
mungsmenge von Einlaßluft gemessen wird. Das Drosselventil
9 ist ansprechmäßig bzw. verantwortlich mit einem Gaspedal
über ein geeignetes Verbindungsglied verbunden, um direkt
das Maß des Niedertretens des Gaspedals direkt als eine
Beschleunigungsanforderung eines Motorbetreibers bzw. Fah
rers zu übertragen. Das Drosselventil 9 steuert nämlich
eine Gesamteinlaßluftmenge, die in die Zylinder 2 zuzufüh
ren ist. Stromab des mechanischen Laders 5 ist ein Lade
luftkühler bzw. Zwischenkühler 10 vorgesehen, der die La
deluft abkühlt, die von dem mechanischen Lader 5 zugeführt
wird.
Der Einlaßluftkanal 3 ist stromab des Ladeluftkühlers 10
in einen ersten Einlaßluftkanal 11 und einen zweiten Ein
laßluftkanal 12 gegabelt. Der erste Einlaßkanal 11 ist in
Stromabrichtung weiterhin in drei unabhängige Einlaßkanäle
13, 13 und 13 getrennt. Die Einlaßkanäle 13, 13 und 13
stehen mit entsprechenden Zylindern 2, 2 bzw. 2 der Reihe
1a in Verbindung. Auf dieselbe Weise ist der zweite Ein
laßkanal 12 stromab gesehen in weitere drei unabhängige
Einlaßkanäle 13, 13 und 13 getrennt bzw. aufgeteilt. Diese
weiteren Einlaßkanäle 13, 13 und 13 stehen mit entspre
chenden Zylindern 2, 2 bzw. 2 der anderen Reihe 1b in Ver
bindung. Im einzelnen steht jeder der unabhängigen Ein
laßkanäle 13, 13,---13 mit dem entsprechenden Zylinder 2
über zwei Einlaßventile 14 und 14 in Verbindung. Ein Mo
torabgaskanal 41 steht mit dem Zylinder 2 ebenfalls in
Verbindung, und zwar über das Abgas- bzw. Auslaßventil 42.
Das Auslaßventil 42 wird durch eine zugeordnete Nocke 43
geöffnet oder geschlossen.
Eine geeignete Ventilantriebseinrichtung ist vorgesehen,
um den Öffnungs- oder Schließzeitpunkt von jedem Einlaß
ventil 14 zu verändern. Diese Ventilantriebseinrichtung
bzw. Ventilsteuereinrichtung umfaßt ein Paar von variablen
Ventilzeitgabemechanismen 15 und 15. Jeder variable Ven
tilzeitgabemechanismus 15 ist betriebsbereit, um die Ven
tilöffnungs/Schließ-Zeitgabe durch Verschieben der Phase
eines Nockens 16 von jedem Einlaßventil 14 zu verändern.
Mit anderen Worten verschiebt dieser variable Ventilzeit
gabemechanismus 15 die Phase einer Ventilhubkurve des Ein
laßventils 14. Die Ventilhubkurve ist generell als eine
Beziehung zwischen einem Einlaßventilspiel von einer Ven
tillage bzw. einem Ventilsitz 44 gegen einen Kurbelwinkel
definiert.
Ein Verschieben der Ventilhubkurve des Einlaßventils wird
üblicherweise nicht nur bewirkt, um die Ventilöff
nungs/Schließ-Zeitgabe des Einlaßventils selbst zu verän
dern, sondern um eine Ventilüberschneidung zwischen Ein
laß und Auslaßventilen 14 und 42 zu verändern. Bei dieser
Ausführungsform ist das Auslaßventil 42 stationär, während
das Einlaßventil 14 bzw. die Einlaßventile 14 hinsichtlich
ihrer Ventilöffnungs/Schließ-Zeitgabe veränderbar sind,
und zwar mittels des variablen Ventilzeitgabemechanismus
15. In diesem Fall wird die Überschneidung umso kleiner,
je mehr die Einlaßventil-Öffnungs/Schließ-Zeitgabe verzö
gert wird. Dieser Zustand bzw. diese Bedingung wird bei
dieser Ausführungsform nachstehend als eine erste Ventil
zeitgabe bzw. ein erster Ventilzeitpunkt bezeichnet. Im
Gegensatz hierzu wird die Ventilüberschneidung zwischen
den Einlaß- und Auslaßventilen 14 und 42 groß, wenn die
Einlaßventil-Öffnungs/Schließ-Zeitgabe verfrüht bzw. vor
verlegt wird. Dieser Zustand wird bei dieser Ausführungs
form nachstehend als eine zweite Ventilzeitgabe bezeich
net. Dieser variable Ventilzeitgabemechanismus 15 dient
nämlich als Einrichtung zum Umschalten der Ventilzeitgabe
des Einlaßventils 14 zwischen der oben spezifizierten er
sten und zweiten Ventilzeitgabe.
Es gibt verschiedene Typen von variablen Ventilzeitgabeme
chanismen. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht darauf
abstellt, den variablen Ventilzeitgabemechanismus 15 auf
einen bestimmten Typ zu begrenzen, kann der variable Ven
tilzeitgabemechanismus 15 der vorliegenden Ausführungsform
eine Nockenwelle 16′ umfassen, an der eine Vielzahl von
Nocken 16, 16,---,16 ausgebildet sind zum Betätigen von
zugeordneten Einlaßventilen 14,--,14, eine Nockenscheibe
17, die einstückig zusammen mit der Motorausgangswelle 40
dreht, und ein Phasenschiebeelement 18, welches zwischen
der Nockenwelle 16′ und der Nockenscheibe 17 angeordnet
ist, um diese über eine Schrägverzahnung oder dergleichen
zu verbinden. In Antwort auf ein Steuersignal arbeitet das
Phasenschiebeelement 18, um eine wechselseitige Phase zwi
schen der Nockenscheibe 17 und der Nockenwelle 16′ zu ver
ändern.
Der Einlaßkanal 3 umfaßt verschiedene Hilfskanäle und Ven
tile, die beabsichtigt bzw. nach Bedarf vorgesehen sind
zum Verändern der wirksamen Kanallänge bezüglich einer
Druckausbreitung bzw. -fortpflanzung. Z.B. verbindet ein
erster Verbindungskanal 21, der relativ nahe an dem Gabel
punkt des Einlaßkanals 3 vorgesehen ist, den ersten und
zweiten Einlaßkanal 11 und 12 an vorbestimmten Abschnitten
hiervon. Ein zweiter Verbindungskanal 22, der stromab des
ersten Verbindungskanals 21 vorgesehen ist, verbindet den
ersten und zweiten Einlaßkanal 11 und 12 an einem anderen
vorbestimmten Abschnitt hiervon. Ein dritter Verbindungs
kanal 23, der entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu dem
ersten und zweiten Verbindungskanal 21 und 22 bezüglich
des Motorgehäuses 2 vorgesehen ist, verbindet den ersten
und zweiten Einlaßkanal 11 und 12 an noch weiteren vorbe
stimmten Abschnitten hiervon. Von den drei Verbin
dungskanälen 21, 22 und 23 ist der erste Verbindungskanal
21 von den unabhängigen Einlaßkanälen 13, ---, 13 am ent
ferntesten angeordnet. Und der dritte Verbindungskanal 23
ist zu den unabhängigen Einlaßkanälen 13,---,13 am näch
sten angeordnet.
Es sind Ventile 24, 25 und 26 innerhalb des ersten, zwei
ten bzw. dritten Verbindungskanals 21, 22 und 23 vorgese
hen. In Antwort auf Steuersignale öffnen oder schließen
diese Ventile 24, 25 und 26 die entsprechenden Verbin
dungskanäle 21, 22 und 23.
Die Einlaßkanäle 11, 12, die Verbindungskanäle 21-23 und
die Ventile 24-26 wirken zusammen, unter Ausbildung der
Unterstützungseinrichtung zum Veranlassen einer dynami
schen Ladewirkung in dem Einlaßluftkanal 3, um den mecha
nischen Lader 5 in dem später beschriebenen speziellen Mo
torbetriebsbereich zu unterstützen. Insbesondere verändert
diese Unterstützungseinrichtung eine Resonanzfrequenz des
Einlaßluftkanals 3, um eine Resonanzladewirkung bei unter
schiedlichen Motordrehzahlbereichen innerhalb eines be
stimmten Motordrehzahlbereichs zu verursachen.
Um die Resonanz zu liefern, sind die Zylinder 2, 2 und 2,
die zu der derselben Reihe des V-Motors gehören, nicht be
nachbart bzw. aufeinanderfolgend in ihren Einlaßtakten.
Der erste Einlaßkanal 11 ist nämlich über unabhängige Ein
laßkanäle 13, 13 und 13 fit einer Gruppe von Zylindern 2,
2 und 2 verbunden, deren Einlaßtakte nicht aufeinanderfol
gend bzw. benachbart zueinander sind. Der zweite Einlaßka
nal 12 ist über andere unabhängige Einlaßkanäle 13, 13 und
13 mit der anderen Gruppe von Zylindern 2, 2 und 2 verbun
den, deren Einlaßtakte nicht miteinander benachbart sind.
Ein Einlaßkanalabschnitt von jeweiligen Zylindern 2,---,2
zu den ersten und zweiten Einlaßluftkanälen 11 und 12 über
die unabhängigen Einlaßkanäle 13,---,13 und die Ventile
24-26 definiert eine Resonanzladeanordnung. Somit entwic
kelt sich die Resonanzwirkung bei einer gewissem Motor
drehzahl, bei der die Resonanzfrequenz der Resonanzladean
ordnung mit der Druckausbreitung harmonisiert, die durch
die Einlaßvorgänge der jeweiligen Zylinder 2,---,2 veran
laßt ist.
Im einzelnen verursacht die Resonanzladeanordnung in dem
Fall, bei dem die Ventile 24, 25 und 26 alle geschlossen
sind, eine Resonanzwirkung bei einer niedrigen Motordreh
zahl, da die wirksame Kanallänge von jeweiligen Zylindern
2,---,2 zu dem Gabelpunkt 3′ der ersten und zweiten Ein
laßkanäle 11, 12 relativ lang wird. Wenn das Ventil 24 in
dem ersten Kommunikationskanal 21 geöffnet wird, veranlaßt
die Resonanzladeanordnung eine Resonanzwirkung bei einer
höheren Motordrehzahl. Dies liegt daran, daß die wirksame
Kanallänge von jeweiligen Zylindern 2,---,2 zu dem ersten
Kommunikations- bzw. Verbindungskanal 21 kürzer ist als
der obige Wert. Auf dieselbe Weise, wenn das Ventil 25 in
dem zweiten Verbindungskanal 22 geöffnet ist, veranlaßt
die Resonanzladeanordnung eine Resonanzwirkung bei einer
noch höheren Motordrehzahl. Dies liegt daran, daß die
wirksame Kanallänge von jeweiligen Zylindern 2,---,2 zu
dem zweiten Verbindungskanal 22 sehr viel kürzer ist als
der obige Wert. Ohne Zweifel bewirkt die Resonanzladean
ordnung eine Resonanzwirkung bei einem noch höheren Motor
drehzahlbereich, wenn das Ventil 26 in dem dritten Verbin
dungskanal 23 geöffnet ist. Dies liegt dann daran, daß die
wirksame Länge von den jeweiligen Zylindern 2,---,2 zu dem
dritten Verbindungskanal 23 am kürzesten ist.
In jedem unabhängigen Einlaßkanal 13 ist eine sich in
Längsrichtung erstreckende Unterteilungswand vorgesehen,
um diesen Kanal in zwei schlanke bzw. enge Kanäle 13a, 13b
zu unterteilen. Einer dieser schlanken Kanäle 13a, 13b,
d. h. der Kanal 13a ist mit einem Steuerventil 28 versehen.
Eine Betätigungseinrichtung 27 ist betriebsmäßig vorgese
hen, um dieses Steuerventil 28 zu öffnen oder zu schließen.
Wenn das Steuerventil 28 den schlanken Kanal 13a öff
net, erhöht sich ein Gesamtquerschnitt des unabhängigen
Einlaßkanals 13 gegenüber dem Zustand, bei dem nur der an
dere schlanke Kanal 13b geöffnet ist. Diese Zunahme im
Querschnitt führt generell zu einer Erhöhung der Resonanz
frequenz.
Die schlanken Kanäle 13a und 13b sind jeweils mit einer
Einspritzeinrichtung 29 versehen, die Brennstoff in den
verbundenen Zylinder 2 zuführt.
Eine Bezugsziffer 30 stellt eine Steuereinheit (abgekürzt
mit ECU) dar, die verschiedene Steuerungen einschließlich
einer Ventilzeitgabesteuerung als auch einer Steuerung des
Veranlassens der dynamischen Ladewirkung durchführt. Die
Steuereinheit 30, die gewöhnlich durch einen Mikrocomputer
gebildet ist, empfängt Signale von einem Drehzahlsensor
31, der eine Motordrehzahl erfaßt, einem Drosselventil-
Öffnungssensor 32, der einen Öffnungsgrad des Drosselven
tils 9 erfaßt, und von weiteren. Die Steuereinheit 30 er
zeugt ein Ventilzeitgabe-Steuersignal, welches zu dem va
riablen Ventilzeitgabemechanismus 15 geführt wird, und
zwar in Antwort auf die von den obigen Sensoren 31, 32,-
erhaltenen Signale. Weiterhin erzeugt die Steuereinheit 30
weitere Steuersignale, die den Ventilen 24, 25, 26 in den
Verbindungskanälen 21, 22, 23 und der Betätigungseinrich
tung 27 des Steuerventils 28 in dem schlanken Kanal 13a
zugeführt werden.
Fig. 2 stellt Ventilöffnungs/schließ-Zeitgaben (d. h. Ven
tilhubkurven) der Einlaß- und Auslaßventile 14, 42 dar.
Fig. 3 zeigt eine Steuerkarte, die in der Steuereinheit
30 zum Steuern des variablen Ventilzeitgabemechanismus 15
verwendet wird. Drei Kurven von Fig. 2 zeigen schematisch
Ventilhubkurven der Einlaß/Auslaßventile gegen den Kurbel
winkel. In Fig. 2 stellt eine Ventilhubkurve EVT eine
stationäre Auslaßventil-Öffnungs/Schließ-Zeitgabe dar.
Zwei Ventilhubkurven IVT1 und IVT2 stellen Einlaßventil-
Öffnungs/Schließ-Zeitgaben dar, die von dem variablen Ven
tilzeitgabemechanismus 15 auswählbar sind. Die Ventilhub
kurve (d. h. die Ventilöffnungs/schließ-Zeitgabe) des Aus
laßventils ist nämlich immer als die Ventilhubkurve EVT
fixiert. Andererseits ist Ventilhubkurve (d. h. die Ventil
öffnungs/schließ-Zeitgabe) des Einlaßventils 14 zwischen
den Ventilhubkurven IVT1 und IVT2 schaltbar. Der variable
Ventilzeitgabemechanismus 15 arbeitet, um eine dieser Ven
tilhubkurven IVT1 und IVT2 auszuwählen.
Die Ventilhubkurve IVT1 ist gekennzeichnet dadurch, daß
das Einlaßventil 14 bei einem relativ verzögerten Kurbel
winkel IC1 schließt und eine Überschneidung OL1 zwischen
den Einlaß- und Auslaßventilen 14, 42 relativ klein ist.
Im Gegensatz hierzu ist die Ventilhubkurve IVT2 dadurch
gekennzeichnet, daß das Einlaßventil 14 bei einem relativ
frühen bzw. vorgerückten Kurbelwinkel IC2 schließt und die
Überschneidung OL2 zwischen Einlaß- und Auslaßventilen 14,
42 relativ groß ist.
In der Zeichnung zeigt ein Punkt TDC einen oberen Totpunkt
eines Motorkolbens 45 und dessen Kurbelwellenarmes 46,
wenn er am oberen oder äußeren Ende seines Taktes ist. Ein
Punkt BDC bezeichnet einen unteren Totpunkt des Motorkol
bens 45 und dessen Kurbelwellenarmes 46, wenn dieser am
Boden oder am inneren Ende seines Taktes ist. Daher
schließt das Einlaßventil 14 in jedem Fall der Ventilzeit
gaben IC1 und IC2 bei einem gewissen Kurbelwinkel nach
BDC. Weiterhin ist in jedem Fall der Überschneidung OL1
und OL2 ein Überschneidungsgrad zwischen Einlaß- und Aus
laßventilen 14, 42 ein gewisser positiver Wert.
D.h. der variable Ventilzeitgabemechanismus 15 verändert
die Phase der Ventilhubkurve des Einlaßventils 14, um eine
erste und eine zweite Ventilzeitgabe zu realisieren, die
zuvor in der vorstehenden Beschreibung definiert worden
sind. Die Ventilhubkurve IVT1 realisiert die erste Ventil
zeitgabecharakteristik durch die verzögerte Ventilschließ
zeitgabe bzw. den verzögerten Ventilschließzeitpunkt IC1
des Einlaßventils 14 und eine kleine Überschneidung OL1
zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 14, 42. Im Falle
dieser ersten Ventilzeitgabe ist der Einlaßventil-Schließ
zeitpunkt IC1 deutlich gegenüber dem BDC verzögert, so daß
ein wirksames Kompressionsverhältnis des Zylinders 2 klein
wird, verglichen mit einem Ausdehnungsverhältnis des Zy
linders 2. Dies ist vorteilhaft dahingehend, daß ein Pump
verlust in seinem Einlaßtakt vermindert wird und eine Ab
gastemperatur günstigerweise in seinem Expansions- bzw.
Ausdehnungstakt abgekühlt wird. Das effektive bzw. wirk
same Kompressionsverhältnis ist generell als ein Verhält
nis eines Zylindervolumens bei TDC gegen ein Zylindervolu
men bei dem Einlaßventil-Schließzeitpunkt definiert. Wei
terhin ist das Expansionsverhältnis generell als ein Ver
hältnis des Zylindervolumens bei TDC gegen ein Zylindervo
lumen bei dem Auslaßventil-Öffnungszeitpunkt definiert.
Im Falle der zweiten Ventilzeitgabe ist die Überschneidung
OL2 zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 14, 42 ziem
lich groß. Dies führt dazu, daß Abgas hinreichend aus der
Verbrennungskammer durch einen hohen Druck von Ladeluft
gespült wird, die in die Verbrennungskammer während dieser
langen Überschneidezeitspanne OL2 eingeführt wird. Dies
ist von Vorzug, um zu verhindern, daß Einlaßluft
nachteilig durch Restabgas erwärmt wird. Wie es auf dem
Gebiet der Motortechnologie gut bekannt ist, führt ein Er
höhen der Temperatur von Einlaßluft gewöhnlich zu einem
Klopfen in dem darauffolgenden Kompressionstakt.
Bestimmte Werte, die für den Motor dieser Ausführungsform
angewendet werden, sind wie folgt: ein Öffnungszeitpunkt
des Auslaßventils ist auf BBDC 50°CA gesetzt, wobei BBDC
für "vor unterem Totpunkt" und CA für den Kurbelwinkel
steht. Ein Schließzeitpunkt des Auslaßventils ist auf ATDC
10°CA gesetzt, wobei ATDC für "nach oberem Totpunkt"
steht. Gemäß der ersten Ventilzeitgabe IVT1 ist ein Öff
nungszeitpunkt des Einlaßventils 14 auf BTDC 4°CA gesetzt,
wobei BTDC für "vor oberem Totpunkt" steht. Ein Schließ
zeitpunkt des Einlaßventils 14 ist auf ABDC 66°CA gesetzt,
wobei ABDC für "nach unterem Totpunkt" steht. Gemäß der
zweiten Ventilzeitgabe IVT2 ist ein Öffnungszeitpunkt des
Einlaßventils 14 auf BTDC 34°CA und ein Schließzeitpunkt
des Einlaßventils 14 auf ABDC 36°CA gesetzt. Somit wird
die Überschneidung OL1 gemäß der ersten Ventilzeitgabe
14°CA und die Überschneidung OL2 gemäß der zweiten Ventil
zeitgabe wird 44°CA.
Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, designiert die Steuerein
heit 30 eine zu bevorzugende Ventilzeitgabe für den vari
ablen Ventilzeitgabemechanismus 15 gemäß dem Motorbe
triebszustand. Die erste Ventilzeitgabe IVT1, d. h. eine
verzögerte Einlaßventil-Schließzeitgabe, wird in einem
niedrigen Motordrehzahlbereich gesetzt. Andererseits wird
die zweite Ventilzeitgabe IVT2, d. h. eine verfrühte Ein
laßventil-Schließzeitgabe bei einem hohen Motordrehzahlbe
reich gesetzt.
Fig. 4 zeigt die Steuercharakteristika von zuvor erläu
terten Ventilen 24-26 und 28 zum Verursachen der
dynamischen Ladewirkung. Weiterhin ist in Fig. 4 ein er
warteter Ladedruck dargestellt.
Die Steuereinheit 30 teilt den Steuerbereich generell in
einige (z. B. fünf) Bereiche und zwar gemäß der Motordreh
zahl und spezifiziert diese Bereiche als Motordrehzahlbe
reiche A, B, C, D und E. Die Motordrehzahlbereiche A und B
sind der niedrigste und der zweitniedrigste Motordrehzahl
bereich. In diesen Motordrehzahlbereichen A und B wird der
Einlaßventilzeitgabe die erste Ventilzeitgabe IVT1 zuge
wiesen, d. h. eine verzögerte Einlaßventil-Schließzeitgabe.
In dem Motordrehzahlbereich A sind alle Ventile 24-26 und
28 geschlossen. In dem Motordrehzahlbereich B ist nur das
Ventil 24 des ersten Verbindungskanals 21 geöffnet. In den
jeweiligen Motordrehzahlbereichen A und B wird ein Spit
zendrehmoment bei einer gewissen Resonanzfrequenz der Re
sonanzladeanordnung erhalten, die durch das Öff
nen/Schließen des Ventils 24 unterschiedlich ist.
Die Motordrehzahlbereiche C, D und E sind mittlere und hö
here Motordrehzahlbereiche. In diesem Motordrehzahlberei
chen C, D und E ist der Einlaßventil-Zeitgabe die zweite
Ventilzeitgabe IVT2, d. h. ein früher Einlaßventil-Schließ
zeitpunkt zugewiesen. In dem Motordrehzahlbereich C ist
das Ventil 25 in dem zweiten Verbindungskanal 22 geöffnet.
In dem Motordrehzahlbereich D ist das Ventil 26 in dem
dritten Verbindungskanal 23 geöffnet. Schließlich ist in
dem höchsten Motordrehzahlbereich E das Ventil 28 in dem
unabhängigen Einlaßkanal 13a geöffnet. In den jeweiligen
Motordrehzahlbereichen C, D und E wird ein Spitzendrehmo
ment bei einer gewissen Resonanzfrequenz des Resonanzlade-
Einlaßsystems bzw. der Resonanzladeanordnung erhalten, die
sich jeweils unterscheidet durch die Veränderung bzw. die
Variation des Öffnens/Schließens der Ventile 25, 26 und
28.
Gemäß der Anordnung der vorliegenden Erfindung wird die
zweite Ventilzeitgabe IVT2 in dem hohen Motordrehzahlbe
reich ausgewählt. Somit wird die Ventilüberschneidung zwi
schen den Einlaß- und Auslaßventilen 14, 42 groß. In dem
Zustand, bei dem der mechanische Lader 5 betriebsbereit
ist, ist ein Einlaßluftdruck generell höher als ein Abgas
druck bzw. Auslaßgasdruck. Je länger die Überschneidung
ist, desto mehr Restabgas wird aus der Verbrennungskammer
gespült. Diese Unterstützung des Spülens von Abgas ist
wirksam, um die Verbrennungskammer abzukühlen, da das Ab
gas hoher Temperatur zufriedenstellend aus der Verbren
nungskammer entfernt wird. Weiterhin wird verhindert, daß
Einlaßluft durch Wärmeaustausch zwischen dem Hochtempera
tur-Abgas und der Einlaßluft erwärmt wird. Im Ergebnis
wird ein Klopfen in dem Kompressionstakt wirksam verhin
dert.
Weiterhin ist eine Lademenge bzw. Füllmenge von Einlaßluft
erhöht, wenn das Rest-Abgas vermindert ist. Weiterhin ist
ein Verfrühen bzw. Vorverlegen des Schließzeitpunkts des
Einlaßventils vorteilhaft beim Erhöhen des volumetrischen
Wirkungsgrades.
Andererseits wird die erste Ventilzeitgabe IVT1 in dem
niedrigen Motordrehzahlbereich gewählt. Somit wird die
Überschneidung zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 14,
42 klein und das Einlaßventil schließt spät. Ein Vermin
dern der Ventilüberschneidungs-Zeitspanne verhindert, daß
die Mischung aus frischer Luft und Kraftstoff durch die
Verbrennungskammer geht, ohne verbrannt zu werden. Dies
führt zu einer Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch und
bei den Emissionen in dem niedrigen Motordrehzahlbereich.
Generell kann eine kleine Überschneidung dazu führen, ein
Klopfen aufgrund des schlechten Spülwirkungsgrades zu ver
anlassen. Dieser Nachteil wird jedoch automatisch durch
die Verminderung des wirksamen Kompressionsverhältnisses
ausgelöscht, da der Ventilschließzeitpunkt IC1 des Einlaß
ventils inhärent verzögert wird, und zwar gemäß der ersten
Ventilzeitgabe IVT1. Andererseits wird die Reduktion des
wirksamen Kompressionsverhältnisses kompensiert durch die
Resonanzaufladung, um die Luft-Kraftstoff-Mischung zufrie
denstellend zu komprimieren. Obwohl die Lufttemperatur um
ein gewisses Maß aufgrund der Druckausübung in dem mecha
nischen Lader 5 steigt, ist der Ladeluftkühler 10 stromab
hiervon vorgesehen und kühlt die erwärmte Luft ab. Somit
kann die Temperaturerhöhung der Luft-Kraftstoff-Mischung
angemessen unterdrückt werden, um während des Kompres
sionstaktes kein Klopfen hervorzurufen.
Als nächstes ist anzumerken, daß der mechanische Lader 5
einen erhöhten Widerstand annehmen bzw. einnehmen kann,
wenn Ladeluft in den Zylinder 2 im Falle der ersten Ven
tilzeitgabe IVT1 zugeführt wird. Dies liegt daran, daß die
Einlaßluft sobald sie in den Zylinder 2 eingeführt ist,
teilweise in Richtung auf den Einlaßkanal 3 zurückgeführt
wird, wenn das Einlaßventil 14 spät öffnet, bis der Kom
pressionstakt deutlich fortschreitet. Aus diesem Grund
wird dem mechanischen Lader 5 in dem niedrigen Motordreh
zahlbereich ein erhöhter Widerstand oder eine erhöhte Last
erteilt.
Fig. 5 zeigt eine Beziehung zwischen einem Ladedruck
(d. h. einem auslaßseitigen Druck des Laders) und einer La
deluftströmungsmenge bei dem Zustand, daß der mechanische
Lader 5 mit einer konstanten Drehzahl dreht. Wie es in Fi
gur 5 gezeigt ist, nimmt eine Luftstrommenge mit einem An
stieg des Ladedruckes ab, und zwar aufgrund einer Zunahme
des Luftverlustes in dem mechanischen Lader 5. Demgemäß
induziert eine Widerstandszunahme in dem Einlaßkanal 3
zwischen dem Lader 5 und dem Zylinder 2 eine Abnahme in
der Einlaßluft-Füllmenge, was wiederum zu einer Drehmo
mentverminderung führt. Es ist nicht wirksam, eine Lade
leistung des mechanischen Laders 5 zwangsweise zu erhöhen,
da offensichtlich ist, daß ein entsprechender erhöhter Wi
derstand oder eine Last dem mechanischen Lader 5 erteilt
wird. Um dieses Problem zu lösen, verwendet die vorlie
gende Erfindung eine Resonanzladewirkung. Wie erläutert,
wird in jeweiligen Motordrehzahlbereichen A und B eine
Drehmomentspitze durch die Resonanzladewirkung erhalten.
Somit dient die Resonanzladeanordnung (d. h. die gegabelten
Einlaßkanäle 11, 12, die Verbindungskanäle 21-23, die un
terteilten unabhängigen Einlaßkanäle 13a, 13b und die Ven
tile 24-26 und 28) gemäß der vorliegenden Erfindung dazu,
den mechanischen Lader 5 in dem niedrigen Motordrehzahlbe
reich zu unterstützen. Im Ergebnis wird der Widerstand
oder die Last des Laders angemessen vermindert und daher
kann ein höheres Ausgangsdrehmoment erzielt werden, wie es
in Fig. 4 gezeigt ist.
Es muß nicht erläutert werden, daß in den jeweiligen
Motordrehzahlbereichen C, D und E eine Drehmomentspitze
erhalten wird durch die Funktion der Resonanzladeanordnung
auf dieselbe Weise.
Claims (6)
1. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit:
einem Einlaßluftkanal (3), der mit einem Zylinder (2) eines Motors über ein Einlaßventil (14) in Ver bindung steht;
einem mechanischen Lader (5), der in dem Einlaßluft kanal (3) vorgesehen ist;
einer variablen Ventilzeitgabeeinrichtung (15) zum Verändern eines Schließzeitpunktes (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) bezüglich eines unteren Totpunk tes (BDC) eines Motorkolbens (45);
einer Steuereinrichtung (30) zum Steuern der vari ablen Ventilzeitgabeeinrichtung (15) gemäß einer Motordrehzahl in zumindest einem Ladebereich, in welchem der mechanische Lader (5) betriebsbereit ist, Ladeluft in den Zylinder (2) zuzuführen, und zwar derart, daß der Schließzeitpunkt (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) zwischen einem frühen bzw. vor verlegten Zeitpunkt (IC2) und einem späten bzw. ver zögerten Zeitpunkt (IC1) geschaltet wird; und
einer Unterstützungseinrichtung (11, 12, 21-23, 24-26, 28) zum Verursachen einer dynamischen Ladewir kung in dem Einlaßluftkanal (3), wenn der Schließ zeitpunkt (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) auf den späten Zeitpunkt (IC1) geschaltet ist, wodurch der mechanische Lader (5) in diesem Motorbetriebsbereich (A, B) unterstützt wird.
einem Einlaßluftkanal (3), der mit einem Zylinder (2) eines Motors über ein Einlaßventil (14) in Ver bindung steht;
einem mechanischen Lader (5), der in dem Einlaßluft kanal (3) vorgesehen ist;
einer variablen Ventilzeitgabeeinrichtung (15) zum Verändern eines Schließzeitpunktes (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) bezüglich eines unteren Totpunk tes (BDC) eines Motorkolbens (45);
einer Steuereinrichtung (30) zum Steuern der vari ablen Ventilzeitgabeeinrichtung (15) gemäß einer Motordrehzahl in zumindest einem Ladebereich, in welchem der mechanische Lader (5) betriebsbereit ist, Ladeluft in den Zylinder (2) zuzuführen, und zwar derart, daß der Schließzeitpunkt (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) zwischen einem frühen bzw. vor verlegten Zeitpunkt (IC2) und einem späten bzw. ver zögerten Zeitpunkt (IC1) geschaltet wird; und
einer Unterstützungseinrichtung (11, 12, 21-23, 24-26, 28) zum Verursachen einer dynamischen Ladewir kung in dem Einlaßluftkanal (3), wenn der Schließ zeitpunkt (IC1, IC2) des Einlaßventils (14) auf den späten Zeitpunkt (IC1) geschaltet ist, wodurch der mechanische Lader (5) in diesem Motorbetriebsbereich (A, B) unterstützt wird.
2. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß
Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (30) die va
riable Ventilzeitgabeeinrichtung (15) steuert, um
den späten Zeitpunkt (IC1) in einem niedrigen Motor
drehzahlbereich (A, B) auszuwählen, und um den frü
hen Zeitpunkt (IC2) in einem hohen Motordrehzahlbe
reich (C, D, E) zu wählen.
3. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß
Anspruch 1, wobei die variable Ventilzeitgabeein
richtung (15) eine Phase einer Ventilhubkurve des
Einlaßventils (14) derart verändert, daß eine erste
und eine zweite Ventilzeitgabe (IVT1, IVT2) reali
siert werden, wobei die erste Ventilzeitgabe (IVT1)
einen späten Einlaßventilschließzeitpunkt (IC1) und
eine kleine Ventilüberschneidung (OL1) zwischen den
Einlaß- und Auslaßventilen (14, 42) verglichen mit
der zweiten Ventilzeitgabe (IVT2) hat.
4. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß
Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (30) die va
riable Ventilzeitgabeeinrichtung (15) steuert, um
die erste Ventilzeitgabe (IVT1) in einem niedrigen
Motordrehzahlbereich (A, B) zu wählen und die zweite
Ventilzeitgabe (IVT2) in einem hohen Motordrehzahl
bereich (C, D, E) zu wählen, wobei die Unterstüt
zungseinrichtung (11, 12, 21-23, 24-26, 28) eine Re
sonanzladewirkung in dem Einlaßluftkanal (3) in dem
niedrigen Motordrehzahlbereich (A, B) verursacht.
5. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß
Anspruch 4, wobei die Unterstützungseinrichtung (11,
12, 21-23, 24-26, 28) eine Einrichtung (21-23, 24-26)
aufweist zum Verändern einer Resonanzfrequenz
des Einlaßluftkanals (3), um eine Resonanzlade
wirkung bei unterschiedlichen Motordrehzahlbereichen
(A, B) innerhalb des niedrigen Motordrehzahlbereichs
zu veranlassen.
6. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß
Anspruch 5, wobei der Motor eine Vielzahl von Zylin
dern (2, 2,---,2) aufweist und wobei die Unterstüt
zungseinrichtung (11, 12, 21-23, 24-26) einen
Haupteinlaßkanal (3), einen ersten Einlaßkanal (11)′
der mit einer ersten Gruppe von Zylindern in Verbin
dung steht, und einen zweiten Einlaßkanal (12) auf
weist, der mit einer zweiten Gruppe von Zylindern in
Verbindung steht, wobei die Zylinder (2,2,---,2),
die derselben Gruppe angehören, hinsichtlich ihrer
Einlaßreihenfolge nicht benachbart sind, wobei der
erste und zweite Einlaßkanal (11, 12) sich mit dem
Haupteinlaßkanal (3) an einem stromauf liegenden
Punkt (3′) verbinden, wobei die Veränderungseinrich
tung (21-23, 24-26) eine Vielzahl von Verbin
dungskanälen (21-23) aufweist, die stromab des Ver
bindungspunktes (3′) angeordnet sind, und zwar um
den ersten und den zweiten Einlaßkanal (11, 12) zu
verbinden, und Ventile (24-26) aufweist, die jeweils
in der Vielzahl von Verbindungskanälen (21-23) ange
ordnet sind, und zwar zum Öffnen und Schließen der
jeweiligen Verbindungskanäle (21-23).
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