DE4332616C2 - Aufladevorrichtung zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Auflade­ vorrichtung 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- 239312 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.

Insbesondere wird das Einlaßventil bei einem relativ großen Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt des Kolbens geschlossen, um das wirksame Kompres­ sionsverhältnis des Zylinders in Relation zu dem Expansionsverhältnis klein zu machen. Demzufolge wird verhindert, daß die Temperatur des Zylinders auf­ grund Kompressionsarbeit ansteigt. Dies ist vorteilhaft bei der Vermeidung des Klopfens. Alternativ wird die Überlappung zwischen den Einlaß- und Auslaßventi­ len vergrößert, um Restabgas aus der Brennungskammer durch Ladeluft zu spülen. Dies ist ebenfalls vorteilhaft bei der Vermeidung des Klopfens. Bei beiden Vorschlägen wird ein hoher Einlaßluft-Ladewirkungsgrad durch den Lader auf­ rechterhalten, während das Klopfen vermieden wird. Es zeigt sich jedoch, daß eine große Überlappung leicht dazu führt, daß aufgeladene Einlaßluft entweichen kann, und zwar insbesondere in einem niedrigen Motordrehzahlbereich. Um ein solches Entweichen von Einlaßluft zu verhindern, wird es als vorteilhaft angese­ hen, den Schließzeitpunkt des Einlaßventils zu verzögern anstelle die Überlap­ pung zu vergrößern.

In dem Falle jedoch, daß der Schließzeitpunkt des Einlaßventils in einem niedri­ gen Motordrehzahlbereich stark verzögert wird, erfährt der mechanische Lader gegebenenfalls einen erhöhten Widerstand, da die einmal in den Zylinder einge­ führte Einlaßluft teilweise in den Einlaßkanal zurückgeführt wird. Das Zurückfüh­ ren von Einlaßluft tritt aufgrund der Tatsache auf, daß das Einlaßventil erst dann schließt, wenn der Kompressionstakt bereits ziemlich weit fortgeschritten ist.

Bei diesem Motorbetriebszustand wird der erhöhte Widerstand oder die erhöhte Last dem mechanischen Lader erteilt. Die Leistung des mechanischen Laders kann zwar zwangsweise erhöht werden. Der Widerstand oder die Last werden sich jedoch entsprechend erhöhen. Dies führt offensichtlich zu einem verschlech­ terten Brennstoffverbrauch.

Weiterhin offenbart die nichtgeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2-119624 einen mit einem mechanischen Lader versehenen Verbrennungs­ motor. Der maximale Ladedruck von dem Lader kann gemäß der Motordrehzahl verändert werden, und zwar insbesondere, um ein Klopfen in einem niedrigeren Motordrehzahlbereich zu verhindern oder zu verhindern, daß die Zylindertempera­ tur in einem hohen Motordrehzahlbereich ansteigt. Es besteht jedoch die Gefahr, daß zum Zeitpunkt der Änderung des maximalen Ladedruckes ein Stoß auftritt. Diese Veröffentlichung offenbart eine Drucksteuertechnik, welche eine dynami­ sche Ladewirkung verwendet, um diesen Stoß auszulöschen oder abzuschwä­ chen. Diese Publikation betrifft jedoch nicht einen mechanischen aufladbaren Motor, welcher mit einer variablen Ventilzeitgabeeinrichtung versehen ist. Dem­ gemäß offenbart diese Veröffentlichung keine Lösung, um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen, die mit dem Motor der nichtgeprüften japanischen Patentver­ öffentlichung Nr. 63-239312 einhergehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des einteiligen Patentanspruchs 1 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind.

Mit dieser Anordnung kann die Last des mechanischen Laders wirksam in dem bestimmten Motorbe­ triebsbereich vermindert werden, in welchem der mechani­ sche Lader einen erhöhten Widerstand annimmt und die Ein­ laßluft-Lademenge vermindert ist aufgrund des verzögerten Ventilschließzeitpunktes des Einlaßventils. Somit wird die Kraftstoffsparsamkeit verbessert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So ist es 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 stromauf liegen­ 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. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht einer Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 Ventilhubkurven (d. h. Ventilöff­ nungs-/Schließzeitpunkte) von Einlaß- und Auslaßventilen gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm, welches eine Steuerkarte zeigt, die in einer Steuereinheit zum Steuern des variablen Ven­ tilzeitgabemechanismus verwendet wird,

Fig. 4 ein Diagramm mit Steuercharakteristika von verschiedenen Ventilen zum Veranlassen einer dynami­ schen Ladewirkung,

Fig. 5 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 eine Querschnittsansicht eines Motorzy­ linders und dessen periphere Komponenten.

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.

Ein Einlaßluftkanal 3 ist mit dem Motor 1 verbunden, um den Zylindern 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 getrennt. Die Einlaßkanäle 13 stehen mit entsprechenden Zylindern 2 der Reihe 1a in Verbindung. Auf dieselbe Weise ist der zweite Ein­ laßkanal 12 stromab gesehen in weitere drei unabhängige Einlaßkanäle 13 getrennt bzw. aufgeteilt. Diese weiteren Einlaßkanäle 13 stehen mit entspre­ chenden Zylindern 2 der anderen Reihe 1b in Ver­ bindung. Im einzelnen steht jeder der unabhängigen Ein­ laßkanäle 13 mit dem entsprechenden Zylinder 2 über zwei Einlaßventile 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. 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 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 ausgebildet sind zum Betätigen von zugeordneten Einlaßventilen 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 am ent­ ferntesten angeordnet. Und der dritte Verbindungskanal 23 ist zu den unabhängigen Einlaßkanälen 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, 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 mit einer Gruppe von Zylindern 2 verbunden, deren Einlaßtakte nicht aufeinanderfol­ gend bzw. benachbart zueinander sind. Der zweite Einlaßka­ nal 12 ist über andere unabhängige Einlaßkanäle 13 mit der anderen Gruppe von Zylindern 2 verbun­ den, deren Einlaßtakte nicht miteinander benachbart sind.

Ein Einlaßkanalabschnitt von jeweiligen Zylindern 2 zu den ersten und zweiten Einlaßluftkanälen 11 und 12 über die unabhängigen Einlaßkanäle 13 und die Ventile 24-26 definiert eine Resonanzladeanordnung. Somit entwik­ kelt sich die Resonanzwirkung bei einer gewissen Motor­ drehzahl, bei der die Resonanzfrequenz der Resonanzladean­ ordnung mit der Druckausbreitung harmonisiert, die durch die Einlaßvorgänge der jeweiligen Zylinder 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 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 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 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 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 schlies­ sen. 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 und 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 diesen 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 Fig. 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.

2. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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 (IV2) 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine Vielzahl von Zylin­ dern (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), 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).