DE60200696T2

DE60200696T2 - Viertakt Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60200696T2
Application number: DE60200696T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Aki-gun Hitomi; Yasushi Aki-gun Matsushita; Tadashige Aki-gun Ohba
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP4517515B2; EP1233151A3; EP1233151A2; EP1233151B1; DE60200696D1; US20020166536A1; US6626164B2; JP2002242709A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, die dafür ausgelegt ist, die sogenannte „interne" Abgasrückführung (AGR) auf eine unverzügliche Weise anzuwenden, indem sie veranlaßt, daß ein Anteil der bereits verbrannten Abgase in einem Brennraum bleibt.
Die AGR ist eine wohlbekannte konventionelle Technik, wobei eine Abgasleitung und eine Ansaugluftleitung einer Brennkraftmaschine durch eine externe AGR-Leitung verbunden sind und ein Teil der Abgase durch die externe AGR-Leitung zur Ansaugluftleitung zurückgeleitet wird, um Stickoxide (NOx) zu reduzieren, wie zum Beispiel in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 5-86988 beschrieben. Diese Patentschrift offenbart ein externes AGR-System, bei dem eine bestimmte Menge an gekühltem Abgas (AGR-Gas) durch eine externe AGR-Leitung, die mit einem AGR-Kühler versehen ist, wieder in einen Brennraum eingeleitet wird und die Rückführungsrate (AGR-Rate) in höheren Lastbereichen des Motors so erhöht wird, daß die NOx-Emissionen reduziert werden und eine Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur in den höheren Lastbereichen vermieden wird. Das Vermeiden der Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur ist von Vorteil, um den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern, eine klopfende Verbrennung zu vermeiden, und die Zuverlässigkeit von abgasumwandelnden Katalysatoren zu erhöhen.
Die interne AGR ist eine andere Form von Abgasrückführungstechnik, bei der bereits verbrannte Abgase absichtlich im Brennraum zurückgehalten werden, statt die Abgase durch die externe AGR-Leitung rückzuführen. Ein gängiger Ansatz, der für die interne AGR verwendet wird, besteht darin, die Überlappungsmenge zwischen Öffnungsperioden von Ansaug- und Abgasventilen zu vergrößern. Zu diesem Zweck wird ein internes AGR-System allgemein mit einem Ventilsteuerzeiten-regler versehen, der die Öffnungs- und Schließzeiten der Ansaug- und Abgasventile variiert. Der Ventilsteuerzeiten-regler erhöht die Menge des Restabgases, das im Brennraum verbleibt, indem er in einem Bereich, der die interne AGR erfordert, zum Beispiel die Überlappungsmenge vergrößert, um einen „Rückschlag" des Abgases während Überlappungsperioden zu verursachen.
Eine Anordnung, um die Öffnungs- und Schliesszeiten von Ansaug- und Abgasventilen den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend zu regeln, wird in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 10-266878 offenbart. Der Anordnung dieser Patentschrift gemäß wird das Abgasventil an einem Punkt vor dem oberen Totpunkt in einem Ansaughub geschlossen, und das Ansaugventil wird an einem Punkt nach dem oberen Totpunkt in einem Ansaughub geöffnet, um im Brennraum eine Mehrpunkt-Selbstzündung zu verursachen und Pumpverluste in einem spezifischen niedrigen Lastbereich des Motors zu reduzieren, und wenn das Solldrehmoment abnimmt, wird der Schließpunkt des Abgasventils vorgeschoben und der Öffnungspunkt des Ansaugventils verzögert.
Von den obigen konventionellen Anordnungen setzt das in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 5-86988 gezeigte externe AGR-System voraus, daß die Ansaug- und Abgassysteme des Motors mit Zusatzeinrichtungen wie eine externe AGR-Leitung, ein AGR-Ventil und ein AGR-Kühler versehen ist. Obwohl beim Motor, der mit dem externen AGR-System ausgerüstet ist, ein bestimmter Anteil der Abgasemissionen hinter einer Drosselklappe in eine Ansaugleitung rückgeführt und wieder in den Brennraum eingeleitet wird, ist es schwer, unter höheren Lastbedingungen in einem hohen Drehzahlbereich eine ausreichende Abgasmenge rückzuführen, da der Unterdruck in der Ansaugleitung auf der hinter der Drosselklappe liegenden Seite abnimmt und eine Ansaugperiode jedes Zylinders unter hohen Drehzahl- und Lastbedingungen kürzer wird. Ferner weist das externe AGR-System ein Problem auf, daß Abgasablagerungen sich leicht in der Ansaugluftleitung ansammeln können.
Obwohl der vorgenannte interne AGR-Ansatz andrerseits die Abgasrückführung erlaubt, indem er die Überlappungsmenge zwischen den Öffnungsperioden des Ansaug- und Abgasventils erhöht, wodurch die Notwendigkeit der externen AGR-Leitung entfällt, ist es schwer, in höheren Lastbereichen eine Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur zu vermeiden, da die Temperatur des im Brennraum verbliebenen Restabgases hoch ist. Wenn die Überlappungsperiode zudem feststehend ist, wird sie beträchtlich verkürzt und es wird schwer, eine ausreichende interne AGR zu erreichen, da die effektive Ventilöffnungsperiode mit zunehmender Motordrehzahl abnimmt. Daher muß die Überlappungsperiode in hohen Drehzahlbereichen erheblich erhöht werden, um bis in die hohen Drehzahlbereiche hinein ausreichende Wirkungen der internen AGR zu gewährleisten. Die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile müßten innerhalb eines großen variablen Bereichs regelbar gemacht werden, um diese Anforderung zu erfüllen, und dies macht den Aufbau des Ventilsteuerzeitenreglers komplex. Wenn die Überlappungsperiode vergrößert wird, wären sowohl das Ansaug- als auch das Abgasventil am oberen Ansaug-Totpunkt relativ weit geöffnet, und dies macht es notwendig, eine in einer Oberseite eines Kolbens tiefe Aussparung zu formen, um eine Störung zwischen den Ansaug- und Abgasventilen zu vermeiden. Diese Aussparung im Kolben kann einen nachteiligen Einfluß auf die Verbrennung im Brennraum ausüben.
Die Anordnung, die in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 10-262878 offenbart wird, zielt darauf ab, durch Zerlegung und Radikalisierung des Kraftstoffs in einem Gemisch, das einem Brennraum zugeführt wird, mit Hilfe von Hochtemperaturabgasen eine Selbstzündung zu bewirken, und nicht darauf, die Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur in höheren Lastbereichen zu vermeiden.
EP-A-1052391 offenbart eine Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug, deren Arbeitszyklus vier Hübe einschließlich eines Ansaug-, Verdichtungs-, Expansions- und Auspuffhubs umfaßt, wobei jeder Hub als eine einfachgerichtete Bewegung eines Kolbens zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt definiert wird, wobei mindestens im mittleren bis hohen Drehzahlbereich mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich des Motors, ausschließlich seines Höchstlastbereichs, ein Schließpunkt eines Abgasventils auf einen Punkt in einem späteren Abschnitt des Auspuffhubs eine spezifische Periode vor dem oberen Ansaug-Totpunkt zwischen dem Auspuffhub und dem Ansaughub eingestellt ist, so daß bereits verbrannte Gase im Brennraum verbleiben, und ein Öffnungspunkt eines Ansaugventils auf einen Punkt nach dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt ist, so daß der Druck im Brennraum während einer spezifischen Periode vom späteren Abschnitt des Auspuffhubs bis zum oberen Ansaug-Totpunkt zunimmt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des obigen ist eine Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung einer Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, die in der Lage ist, ausreichende AGR-Wirkungen zu erzeugen und bis in mittlere bis hohe Drehzahl- und hohe Lastbereiche hinein die Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur durch interne AGR zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dem Gegenstand von Anspruch 1 gemäß gelöst, wobei die erfindungsgemäße Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug einen Betriebszustandsidentifikator zur Beurteilung eines Betriebszustands des Motors auf der Basis einer Motordrehzahl und einer Motorlast, einen Ventilsteuerzeitenregler zum Variieren der Öffnungs- und Schließzeiten mindestens des Abgasventils oder des Ansaugventils, und eine Steuerung umfaßt, die den Ventilsteuerzeitenregler steuert, um die Ventilöffnungs- und -schließzeiten den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend so zu regeln, daß in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors die Periode vom Schließpunkt des Abgasventils bis zum Öffnungspunkt des Ansaugventils, während welcher der obere Ansaug-Totpunkt auftritt, im mittleren Drehzahlbereich länger wird als im hohen Drehzahlbereich, wenn der vom Betriebszustandsidentifikator bestimmte Betrie bszustand des Motors anzeigt, daß der Motor mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich ist.
In diesem Aufbau der Erfindung wird die interne AGR mit bereits verbrannten Gasen durchgeführt, die in einem Brennraum verbleiben, wenn in mittleren bis hohen Drehzahlbereichen und mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors das Abgasventil am Punkt die spezifische Periode vor dem oberen Ansaug-Totpunkt geschlossen wird. Da das Ansaugventil nach dem oberen Ansaug-Totpunkt geöffnet wird, wird während der Periode vom Schließpunkt des Abgasventils bis zum oberen Ansaug-Totpunkt der Druck im Brennraum und daher die Wärme ausreichend abgeleitet, während dieser Periode, wenn die Temperatur im Brennraum bevor die Temperatur aufgrund des nachfolgenden Druckabfalls nach dem oberen Ansaug-Totpunkt abfällt. Da die bereits verbrannten Gase in einem Brennraum auf diese Weise abgekühlt werden, kann die Wirkung erreicht werden, daß eine Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur vermieden wird, wie dies bei einem externen AGR-System der Fall ist, das Niedertemperaturabgase wiedereinleitet.
Die Wirkung der progressiven Verkleinerung der effektiven Ventilöffnungsperioden des Abgasventils und des Ansaugventils mit zunehmender Motordrehzahl wird korrigiert, indem die Ventilsteuerzeiten so geändert werden, daß in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors durch die mittleren bis hohen Drehzahlbereiche hindurch der gleiche Grad an interner AGR erhalten wird.
In der obigen Erfindung wird der Öffnungspunkt des Ansaugventils bevorzugt auf einen Punkt eine spezifische Periode nach dem oberen Ansaug-Totpunkt innerhalb eines früheren Abschnitts des Ansaughubs eingestellt, und eine Periode ist vorgesehen, während welcher der obere Ansaug-Totpunkt auftritt und sowohl das Abgasventil als auch das Ansaugventil geschlossen sind, so daß der Druck im Brennraum mindestens im mittleren Drehzahlbereich mindestens in den mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors nach dem oberen Ansaug-Totpunkt allmählich abnimmt.
In diesem Aufbau der Erfindung wird eine Kurbelwinkelperiode vom oberen Ansaug-Totpunkt bis zu einem Schließpunkt des Ansaugventils bevorzugt länger gemacht als eine Kurbelwinkelperiode von einem Schließpunkt des Abgasventils bis zum oberen Ansaug-Totpunkt, so daß im mittleren Drehzahlbereich mindestens in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors der Druck im Brennraum nach dem oberen Ansaug-Totpunkt während einer Periode, die länger ist als die vorgenannte spezifische Periode, während welcher der Druck im Brennraum zunimmt, allmählich abnimmt.
Dem obigen Aufbau des erfindungsgemäßen Motors entsprechend ist es möglich, die NOx-Emissionen in mittleren bis hohen Drehzahlbereichen mindestens in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors zu verringern, den Wirkungsgrad der Verbrennung und den Kraftstoffverbrauch durch Abnahme der Verbrennungstemperatur zu verbessern, und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Abgasanlage durch Vermeidung einer Zunahme der Abgastemperatur zu verbessern.
In der obigen Erfindung kann der Schließpunkt des Abgasventils auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Beschleunigungsabschnitt zu einem Abschnitt mit konstanter Drehzahl definiert werden, und der Öffnungspunkt des Ansaugventils kann auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Abschnitt mit konstanter Drehzahl zu einem Beschleunigungsabschnitt definiert werden.
Die Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug umfaßt vorzugsweise einen Betriebszustandsidentifikator zur Beurteilung eines Betriebszustands des Motors auf der Basis einer Motordrehzahl und einer Motorlast, einen Ventilsteuerzeitenregler zum Variieren der Öffnungs- und Schließzeiten mindestens des Auspuffventils, und eine Steuerung, die den Ventilsteuerzeitenregler so steuert, daß der Schließpunkt des Abgasventils nach dem oberen Ansaug-Totpunkt auftritt, wenn der vom Betriebszustandsidentifikator bestimmte Betriebszustand des Motors anzeigt, daß der Motor im Höchstlastbereich ist.
In diesem Aufbau wird die durch die interne AGR rückgeführte Abgasmenge reduziert und die eingeleitete Frischluftmenge erhöht, so daß eine ausreichende Motorleistung erzeugt wird.
In der Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug dieses Aufbaus kann der Ventilsteuerzeitenregler eines Typs sein, der die Ventilöffnungs- und -schließzeiten regelt, indem er die Drehphase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle variiert, ohne eine Ventilöffnungsperiode zu verändern.
In einem Aspekt der Erfindung kann der Schließpunkt des Abgasventils allmählich verzögert werden, wenn die Motorlast sich h In diesem Aufbau der Erfindung wird eine Kurbelwinkelperiode vom oberen Ansaug-Totpunkt bis zu einem Schließpunkt des Ansaugventils bevorzugt länger gemacht als eine Kurbelwinkelperiode von einem Schließpunkt des Abgasventils bis zum oberen Ansaug-Totpunkt, so daß im mittleren Drehzahlbereich mindestens in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors der Druck im Brennraum nach dem oberen Ansaug-Totpunkt während einer Periode, die länger ist als die vorgenannte spezifische Periode, während welcher der Druck im Brennraum zunimmt, allmählich abnimmt.
Dem obigen Aufbau des erfindungsgemäßen Motors entsprechend ist es möglich, die NOx-Emissionen in mittleren bis hohen Drehzahlbereichen mindestens in mittleren bis hohen Lastbereichen des Motors zu verringern, den Wirkungsgrad der Verbrennung und den Kraftstoffverbrauch durch Abnahme der Verbrennungstemperatur zu verbessern, und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Abgasanlage durch Vermeidung einer Zunahme der Abgastemperatur zu verbessern.
In der obigen Erfindung kann der Schließpunkt des Abgasventils auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Beschleunigungsabschnitt zu einem Abschnitt mit konstanter Drehzahl definiert werden, und der Öffnungspunkt des Ansaugventils kann auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Abschnitt mit konstanter Drehzahl zu einem Beschleunigungsabschnitt definiert werden.
Die Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug umfaßt vorzugsweise einen Betriebszustandsidentifikator zur Beurteilung eines Betriebszustands des Motors auf der Basis einer Motordrehzahl und einer Motorlast, einen Ventilsteuerzeitenregler zum Variieren der Öffnungs- und Schließzeiten mindestens des Auspuffventils, und eine Steuerung, die den Ventilsteuerzeitenregler so steuert, daß der Schließpunkt des Abgasventils nach dem oberen Ansaug-Totpunkt auftritt, wenn der vom Betriebszustandsidentifikator bestimmte Betriebszustand des Motors anzeigt, daß der Motor im Höchstlastbereich ist.
In diesem Aufbau wird die durch die interne AGR rückgeführte Abgasmenge reduziert und die eingeleitete Frischluftmenge erhöht, so daß eine ausreichende Motorleistung erzeugt wird.
In der Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug dieses Aufbaus kann der Ventilsteuerzeitenregler eines Typs sein, der die Ventilöffnungs- und -schließzeiten regelt, indem er die Drehphase einer (Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle variiert, ohne eine Ventilöffnungsperiode zu verändern.
In einem Aspekt der Erfindung kann der Schließpunkt des Abgasventils allmählich verzögert werden, wenn die Motorlast sich von der in einem Betriebsbereich des Motors, in welchem der Schließpunkt des Abgasventils auf den Punkt die spezifische Periode vor dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt ist, dem im Höchstlastbereich nähert. Dies trägt dazu bei, die Motorleistung sanft zu erhöhen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Ventilsteuerzeitenregler eines Typs, der in der Lage ist, die Öffnungs- und Schließzeiten des Abgasventils und Ansaugventils einzeln zu variieren, und im Höchstlastbereich im hohen Drehzahlbereich des Motors sind sowohl der Schließpunkt des Abgasventils als auch der Öffnungspunkt des Ansaugventils auf einen Punkt nach dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt. Dies ist von Vorteil, um zu gewährleisten, daß im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich, wenn die Öffnungsperiode des Ansaugventils relativ kurz ist, eine ausreichende Menge an Frischluft zugeführt wird.
Wenn die erfindungsgemäße Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Turbolader versehen ist, ist es vorzuziehen, daß mindestens der Schließpunkt des Abgasventils im Höchstlastbereich in den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen des Motors auf einen Punkt vor dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt wird.
In diesem Aufbau wird die interne AGR durchgeführt und die Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur im Höchstlastbereich wird selbst in den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen des Motors vermieden, und durch die Turboaufladung wird dennoch eine ausreichende Menge an Frischluft eingezogen, während die interne AGR ausgeführt wird. Das heißt, die Klopffestigkeit des Motors wird erhöht, da der Anstieg der Verbrennungstemperatur vermieden wird. Infolgedessen ist es möglich, die Motorleistung durch Turboaufladung zu erhöhen, ein Merkmal, das konventionell aufgrund des Klopfens unerreichbar war.
Es ist vorzuziehen, wenn die mit dem Turbolader versehene Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug außerdem einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regler umfaßt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs in einem Brennraum zu regeln und im Höchstlastbereich in den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen des Motors das Luft/Kraftstoff-Verhältnis dadurch größer oder gleich dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu machen. Da diese Anordnung die Klopffestigkeit des Motors erhöht, indem, wie oben beschrieben, der Schließpunkt des Abgasventils im Höchstlastbereich in den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen des Motors auf einen Punkt vor dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt wird, ist es nicht notwendig, das Gemisch anzureichern, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Daher können sowohl die Motorleistung als auch der Kraftstoffverbrauch verbessert werden, indem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bis auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhöht wird, während durch Turboaufladung eine ausreichende Frischluftmenge zugeführt wird.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer Viertakt-Brennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das Ventilhubkurven zeigt, die die Öffnungs- und Schließzeiten von Ansaug- und Abgasventilen darstellen;
3 ist ein Diagramm, das eine partiell vergrößerte Ventilhubkurve zeigt;
4 ist ein Abbild, das zeigt, wie die Ventilsteuerzeiten den Motorbetriebsbedingungen entsprechend geregelt oder variiert werden;
5A–5F sind Diagramme, die die Schließzeit des Abgasventils und die Öffnungs- und Schließzeit des Ansaugventils im niedrigen Drehzahl- und mittleren Lastbereich, mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich, hohen Drehzahl- und mittleren Lastbereich, niedrigen Drehzahl- und Höchstlastbereich, mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich, und hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich zeigen;
6 ist ein Diagramm, das die Schließzeit des Abgasventils und die Öffnungs- und Schließzeit des Ansaugventils in einem niedrigen Lastbereich zeigt;
7 ist ein Diagramm, das Änderungen im Hubraum und im Innendruck eines Brennraums von einem späteren Abschnitt eines Auspuffhubs bis zu einem früheren Abschnitt eines Ansaughubs zeigt;
8 ist eine schematische Ansicht einer Viertakt-Brennkraftmaschine nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9A und 9B sind Diagramme, die die Schließzeit des Abgasventils und die Öffnungs- und Schließzeit des Ansaugventils im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich und im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich nach der Ausführungsform von 8 zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht, die die Gesamtkonfiguration einer Viertakt-Brennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Motorkörper, der eine Vielzahl von Zylindern 2 aufweist. In jedem Zylinder 2 ist ein Brennraum 5 unmittelbar über einem Kolben 4 geformt, der in eine Zylinderbohrung eingebaut ist. Ein Einlaßkanal 7 und ein Auslaßkanal 8, die in den (Brennraum 5 hinein führen, werden jeweils durch ein Ansaugventil 9 und ein Abgasventil 10 geöffnet und geschlossen.
Die Öffnung und Schließung des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 wird jeweils durch Ventilstellmechanismen bewirkt, die jeweils Nockenwellen 11, 12 umfassen. Die Ventilstellmechanismen für das Ansaugventil 9 und das Abgasventil 10 sind mit jeweiligen Ventilsteuerzeitenreglern 13, 14 zum Anpassen der Ventilöffnungs- und schließzeiten versehen. Diese Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 sind zwischen einer Nockenriemenscheibe und einer Nockenwelle vorgesehen, die mit einer Kurbelwelle gekuppelt sind, und ermöglichen es, die Öffnungs- und Schließzeiten der jeweiligen Ventile 9, 10 durch Variieren der Drehphase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle anzupassen, ohne die Ventilöffnungsperioden zu verändern. Weder ein schematische Darstellung noch eine Beschreibung des detaillierten Aufbaus dieser Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 wird gegeben, da verschiedene Arten solcher Ventilsteuerzeitenregler aus dem Stand der Technik bekannt sind.
An einer oberen zentralen Position des Brennraums 5 ist eine Zündkerze 16 vorgesehen, wobei ein anderes Endes der Zündkerze 16 im Inneren des Brennraums angeordnet ist. Auch ein anderes Ende eines Einspritzaggregats 18 ist im Inneren des Brennraums 5 angeordnet, als ob es aus seiner Seite hervorstehen würde, wobei Kraftstoff aus dem Einspritzaggregat 18 direkt in den Brennraum 5 eingespritzt wird.
Eine Ansaugleitung 20 und eine Abgasleitung 30 sind mit dem Motorkörper 1 verbunden. Ein Luftfilter 21, ein Luftmengenmesser 22, eine Drosselklappe 23 und ein Ausgleichsbehälter 24 sind in dieser Reihenfolge in der Ansaugleitung von ihrer vorderen Seite zur hinteren Seite angeordnet. Die Drosselklappe 23, die mit einem nicht dargestellten Gaspedal mechanisch verbunden ist, wird bis zu einem Punkt geöffnet, der einer Betätigungsmenge des Gaspedals entspricht. Die Drosselklappe 23 ist mit einem Drosselöffnungssensor 25 zum Erkennen der Öffnung der Drosselklappe 23 verbunden.
Die Abgasleitung 30 ist mit einer O₂-Sonde 31 versehen, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas zu bestimmen, sowie mit einem Abgaskatalysator 32, der hinter der O₂-Sonde 31 angeordnet ist, um das Abgas umzuwandeln. Obwohl der Abgaskatalysator 32 einen Dreiwegekatalysator verwenden kann, wird bevorzugt ein anderer Typ von Katalysator verwendet, der NOx sogar unter Bedingungen wirkungsvoll umwandeln kann, in denen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis höher ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, um einer erhöhte Abgasreinigungsleistung zu gewährleisten, wenn der Motor bei einem hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Schichtladung betrieben wird. Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen NOx-Magerkatalysator, der NOx im Abgas in einer sauerstoffreichen Atmosphäre absorbiert und absorbierte NOx freisetzt und mit Hilfe von Reduktionsmitteln wie Kohlenmonoxid (CO) reduziert, das in der Atmosphäre vorhanden ist, wenn die Sauerstoffkonzentration infolge einer Verringerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses abgenommen hat.
Wieder Bezug nehmend auf 1, bezeichnet das Bezugszeichen 40 ein elektronisches Steuergerät (ECU) zur Steuerung des Motors. Das ECU 40 empfängt Signale vom Luftmengenmesser 22, vom Drosselöffnungssensor 25 und von der O₂-Sonde 31, ein Kurbelwinkelsignal von einem Kurbelwinkelsensor 35, das zur Bestimmung der Motordrehzahl verwendet wird, und ein Signal vom Kühlwassertemperaturfühler 36.
Das ECU 40 gibt auch ein Signal zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung an das Einspritzaggregat 18 und Signale zum Regeln der Ventilsteuerzeiten an die Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 aus.
Das ECU 40 umfaßt einen Betriebszustandsidentifikator 41, eine Ventilsteuerung 42 und einen Kraftstoffeinspritzungsregler 43. Der Betriebszustandsidentifikator 41 beurteilt den Betriebszustand des Motors auf der Basis der Motordrehzahl, die durch Messen der Periode des Kurbelwinkelsignals bestimmt wird, und der Motorlast, die zum Beispiel aus den vom Luftmengenmesser 22 und Drosselöffnungssensor 25 eingegebenen Signalen bestimmt wird.
Die Ventilsteuerung 42 regelt und variiert die Öffnungs- und Schließzeiten des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10, indem sie die Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 den vom Betriebszustandsidentifikator 41 bestimmten Motorbetriebsbedingungen entsprechend steuert, wie weiter unten im einzelnen beschrieben.
Der Kraftstoffeinspritzungsregler 43 regelt die Menge an Kraftstoff, die aus dem Einspritzaggregat 18 eingespritzt wird, und seinen Einspritzzeitpunkt den vom Betriebszustandsidentifikator 41 bestimmten Motorbetriebsbedingungen entsprechend. Wenn der Motor beispielsweise in spezifischen Betriebsbereichen mit niedriger Last ist (d. h., der Bereich B oder niedrige bis mittlere Drehzahlbereiche unter niedrigen bis hohen Lastbedingungen einschließlich des Bereichs B, der in 4 gezeigt wird), regelt der Kraftstoffeinspritzungsregler 43 die Menge des eingespritzten Kraftstoffs und den Einspritzzeitpunkt auf solche Weise, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis höher als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird und ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Einspritzen des Kraftstoffs in einer letzten Hälfte eines Verdichtungshubs lokal um die Zündkerze 16 herum verteilt wird, wodurch eine Schichtladungsverbrennung bewirkt wird. Wenn der Motor in anderen als den obigen spezifischen Betriebsbereichen mit niedriger Last ist, regelt der Kraftstoffeinspritzungsregler 43 die Menge des eingespritzten Kraftstoffs und den Einspritzzeitpunkt auf solche Weise, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich oder nahe am stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird und das Gemisch durch Einspritzen des Kraftstoffs während eines Ansaughubs zerstreut wird, um eine homogene Ladungsverbrennung zu erzeugen.
2 zeigt Ventilhubkurven, welche die Öffnungs- und Schließzeiten des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 darstellen, wobei InV das Ansaug ventil 9 und ExV das Abgasventil 10 anzeigt. Dementsprechend zeigen InO und InC Öffnungs- und Schließpunkte des Ansaugventils 9 an, während ExO und ExC Öffnungs- und Schließpunkte des Abgasventils 10 anzeigen. Hier sind die Öffnungspunkte InO, ExO des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 jeweils als ein Übergangspunkt von einem Abschnitt mit konstanter Drehzahl zu einem Beschleunigungsabschnitt auf einer Ventilhubkurve definiert, während die Schließpunkte InC, ExC des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 jeweils als ein Übergangspunkt vom Beschleunigungsabschnitt zu einem anderen Abschnitt mit konstanter Drehzahl auf einer Ventilhubkurve definiert sind (3).
Bezug nehmend auf 2 liegt der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 vor dem oberen Ansaug-Totpunkt (TDC), wie durch eine durchgezogene Linie angezeigt, wenn er innerhalb eines variablen Bereichs der Öffnungs- und Schließzeiten maximal vorgeschoben ist, und der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 liegt hinter dem Ansaug-TDC, wie durch eine unterbrochene Linie angezeigt, wenn er maximal verzögert ist. Dementsprechend liegt der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 vor dem Ansaug-TDC, wenn er innerhalb eines variablen Bereichs der Öffnungs- und Schließzeiten maximal vorgeschoben ist, wie durch eine unterbrochene Linie angezeigt, und der Öffnungspunkt InC des Ansaugventils 9 liegt hinter dem Ansaug-TDC, wie durch eine durchgezogene Linie angezeigt, wenn er maximal verzögert ist. Wenn der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 verzögert ist und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 vorgeschoben ist, wie durch die unterbrochenen Linien angezeigt, überlappen sich ihre Öffnungsperioden gegenseitig. Wenn demgegenüber der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 vorgeschoben ist und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 verzögert ist, wie durch die durchgezogenen Linien angezeigt, ist keine Überlappung zwischen ihren Öffnungsperioden vorhanden. Zur Erläuterung der Ausführungsform wird eine Periode zwischen dem Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 und dem Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9, wahrend welcher keine Überlappung auftritt, nachstehend „Minus-Überlappung" genannt.
In folgenden wird Bezug nehmend auf 4 und 5A–5F beschrieben, wie die Ventilsteuerzeiten den Motorbetriebsbedingungen entsprechend eingestellt oder variiert werden. In der folgenden Beschreibung der Erfindung werden die Öffnungs- und Schließzeiten und Öffnungsperioden des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 in Form des Kurbelwinkels ausgedrückt, und die Abkürzungen BTDC und ATDC stehen jeweils für „vor dem oberen Totpunkt" und „nach dem oberen Totpunkt".
In den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen unter mittleren bis hohen Lastbedingungen des Motors (d. h. Abschnitte der mittleren bis hohen Lastbereiche ausschließlich des Höchstlastbereichs und seines benachbarten Abschnitts) wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt eine spezifische Periode vor dem Ansaug-TDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, so daß eine Minus-Überlappung auftritt. Unter den mittleren bis hohen Lastbedingungen des Motors ist die Minus-Überlappung im mittleren Drehzahlbereich größer als im hohen Drehzahlbereich.
Das heißt, innerhalb der Bereiche der mittleren bis etwas höheren Lastbedingungen des Motors ist die Minus-Überlappung im mittleren Drehzahlbereich (Bereich A), der in 4 gezeigt wird, am größten. Insbesondere wird, wie in 5B gezeigt, in einem mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf 20° oder mehr vor dem Ansaug-TDC eingestellt, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 30° bis 40° BTDC, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 35° bis 45° ATDC. Im mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich wird der Schließpunkt InC des Ansaugventils 9 auf etwa 80° nach dem unteren Totpunkt (BDC) im Ansaughub eingestellt, und der Öffnungspunkt ExO des Abgasventils 10 wird auf etwa 80° vor dem BDC im Ansaughub eingestellt. Die Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 der vorliegenden Ausführungsform verschieben den Schließpunkt InC des Ansaugventils 9 einer Änderung seines Öffnungspunkts InO entsprechend und verschieben den Öffnungspunkt ExO des Abgasventils 10 einer Änderung seines Schließpunkts ExC entsprechend, wobei die Öffnungsperioden des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 unverändert bleiben.
In einem hohen Drehzahl- und mittleren Lastbereich, in dem die Motordrehzahl höher ist als im obigen Bereich A, tritt eine Minus-Überlappung auf, doch ihre Dauer ist kürzer als im mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich, wie in 5C gezeigt. Der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 wird beispielsweise auf einen Bereich von 20° bis 30° BTDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Bereich von 25° bis 35° ATDC eingestellt.
Wenn die Motorbetriebsbedingungen sich vom Bereich A aus einem Höchstlastbereich nähern, wird die Zeitsteuerung des Abgasventils 10 allmählich verzögert, und die Zeitsteuerung des Ansaugventils 9 wird allmählich vorgeschoben, wodurch die Minus-Überlappung allmählich verkleinert wird und schließlich eine „positive" Überlappung auftritt. In einem mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, d. h. etwa 10° ATDC, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt, d. h. innerhalb eines Bereichs von etwa 10° bis 15° BTDC, wie in 5E gezeigt. In einem hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, d. h. etwa 10° ATDC, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, d. h. innerhalb eines Bereichs von 10° bis 15° ATDC, wie in 5F gezeigt.
Obwohl die Ventilöffnungs- und -schließzeit im niedrigen Drehzahlbereich in dieser Erfindung nicht spezifisch begrenzt ist, wird in den dargestellten Beispielen die Minus-Überlappung in einem niedrigen Drehzahl- und mittleren Lastbereich kleiner gemacht als im mittleren Drehzahl- und mittleren Last bereich, wie in 5A gezeigt. Zum Beispiel wird im niedrigen Drehzahl- und mittleren Lastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 innerhalb eines Bereichs von 20° bis 30° BTDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird innerhalb eines Bereichs von 25° bis 35° ATDC eingestellt. In einem niedrigen Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf etwa 10° ATDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird allgemein auf die gleiche Weise wie im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich innerhalb eines Bereichs von etwa 10° bis 15° BTDC eingestellt, wie in 5D gezeigt.
Im obigen niedrigen Lastbereich B, der in 4 von einer Strichpunktlinie umschlossen ist, wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf 5° oder mehr vor dem Ansaug-TDC eingestellt, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von etwa 5° bis 15° BTDC, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, auf solche Weise, daß eine Periode θIn vom Ansaug-TDC bis zum Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 größer wird als die Periode θEx vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Ansaug-TDC, wobei bevorzugt [θIn – θEx] ≥ 5° erfüllt wird, oder auf solche Weise, daß der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 innerhalb eines Bereich von etwa 10° bis 20° ATDC fällt, wie in 6 dargestellt. Es ist vorzuziehen, daß im Bereich B die Periode vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 20° oder mehr beträgt.
Im Motor der vorliegenden Ausführungsform mit diesem Aufbau ist in den mittleren bis hohen Drehzahlbereichen mindestens unter den mittleren bis hohen Lastbedingungen des Motors der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt eine spezifische Periode (20° oder mehr) vor dem Ansaug-TDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt. Diese Anordnung der Ausführungsform gewährleistet vorteilhafte Wirkungen wie eine ausreichende Senkung der NOx-Emissionen durch interne AGR, die die Nutzung einer relativ großen Menge an Restabgas erlaubt, eine Verbesserung der Kraftstoffersparnis und die Vermeidung einer Zunahme der Abgastemperatur, die durch eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrads erreicht wird, die auf die ausreichende Kühlung der bereits im Brennraum 5 verbrannten Abgase durch die interne AGR zurückzuführen ist, eine Verringerung der Pumpverluste und die Vermeidung von Klopfen.
Kurz gesagt, die interne AGR wird mit dem Restabgas durchgeführt, das im Brennraum 5 verbleibt, was eine Senkung der NOx-Emissionen zur Folge hat, wenn der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 um die obige spezifische Periode auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt wird.
7 zeigt Druckänderungen im Brennraum 5 von einem späteren Abschnitt eines Auspuffhubs bis zu einem früheren Abschnitt eines Ansaughubs, die auftreten, wenn der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 um die obige spezifische Periode auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt wird und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt eingestellt wird. Wie aus 7 zu ersehen ist, nimmt der Druck im Brennraum 5 vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 an bis zum Ansaug-TDC zu und nimmt hinter dem Ansaug-TDC ab. Allgemein nimmt die Temperatur mit dem Druckanstieg zu und nimmt mit dem Druckabfall ab. Während einer Periode, wenn die Temperatur im Brennraum 5 aufgrund des Druckanstiegs zunimmt, nimmt die Wärmemenge, die in die Umgebungswände des Brennraums 5 (einschließlich eines Zylinderkopfes, dessen Temperatur relativ niedrig ist und der einen Kühlwassermantel und eine Zylinderwand umfaßt) abgeleitet wird, aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen den Umgebungswänden und seinem Inneren zu. Selbst wenn die Temperatur des im Brennraum 5 verbliebenen Restabgases am Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 hoch ist, wird daher während einer Hochdruckperiode unmittelbar nach dem Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 ausreichend Wärme abgeleitet, und die Temperatur nimmt aufgrund des nachfolgenden Druckabfalls ab. Die Wirkung der Kühlung des bereits verbrannten Abgases wird auf diese Weise erhalten, wodurch sowohl die Verbrennungstemperatur als auch die Abgastemperatur abnimmt, wie dies bei einem externen AGR-System der Fall ist, das gekühltes Abgas durch eine externe AGR-Leitung wieder einführt.
Der Ausführungsform entsprechend ist es erforderlich, daß der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 mindestens hinter dem Ansaug-TDC liegt, um zu gewährleisten, daß der Druck im Brennraum 5 vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Ansaug-TDC ansteigt. Wenn das Ansaugventil 9 an einem relativ frühen Punkt nach dem Ansaug-TDC geöffnet wird, fällt der Druck im Brennraum 5 an diesem Punkt schnell auf den Ansaugdruck ab, was den Verlust der wärmeableitenden Wirkung zur Folge hat. Wenn demgegenüber der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 verzögert wird, ist es möglich, eine ausreichende Wärmeabgabeperiode zu gewährleisten. Die Wirkung der Senkung der Verbrennungstemperatur und der Abgastemperatur wird daher zum Beispiel erreicht, wenn der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 derart verzögert wird, daß die Periode vom Ansaug-TDC bis zum Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 länger wird als die Periode vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Ansaug-TDC. Die Wirkung der Senkung der Pumpverluste, indem der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf diese Weise verzögert wird, wird weiter unten im einzelnen beschrieben.
Der Wärmewirkungsgrad wird durch die Abnahme der Verbrennungstemperatur verbessert, und die Kraftstoffeinsparung wird durch eine kombinierte Wirkung des verbesserten Wirkungsgrads der Verbrennung und der reduzierten Pumpverluste verbessert. Überdies verhindert die Abnahme der Abgastemperatur einen Anstieg der Temperatur des Abgaskatalysators 32, was zu Verbesserungen der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Abgaskatalysators 32 führt, und die Senkung der Verbrennungstemperatur bewirkt, daß in höheren Lastbereichen Klopfen vermieden wird.
Da sowohl das Ansaugventil 9 als auch das Abgasventil 10 am Ansaug-TDC geschlossen sind, wenn die interne AGR durch die Minus-Überlappung durchgeführt wird, ist es im Gegensatz zum Fall der vorgenannten konventionellen internen AGR, die durch die „positive" Überlappung erreicht wird, außerdem nicht notwendig, eine tiefe Aussparung in einer Oberseite des Kolbens 4 zu formen.
Dem oben beschriebenen Minus-Überlappungsansatz gemäß üben die Verkleinerungen der effektiven Ventilöffnungsperioden des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 mit zunehmender Motordrehzahl im wesentlichen die gleiche Wirkung aus wie eine Vergrößerung der Minus-Überlappung. Daher ist es möglich, Wirkungen wie die Abgasrückführung durch die interne AGR und die Senkung der Verbrennungstemperatur und Abgastemperatur selbst dann auf ausreichende Weise zu erhalten, wenn die Minus-Überlappung im hohen Drehzahlbereich im Vergleich zum mittleren Drehzahlbereich verkleinert wird. Dementsprechend wird zum Beispiel im mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 innerhalb eines Bereichs von 30° bis 40° BTDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird innerhalb eines Bereichs von 35° bis 45° ATDC eingestellt, wie in 5B gezeigt, um die Minus-Überlappung zu vergrößern, während im hohen Drehzahl- und mittleren Lastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 innerhalb eines Bereichs von 20° bis 30° BTDC eingestellt wird, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 innerhalb eines Bereichs von 25° bis 35° ATDC eingestellt wird, wie in 5C gezeigt, um die Minus-Überlappung kleiner als im mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich zu machen, wodurch die Rückführung einer überschüssigen Abgasmenge durch die interne AGR vermieden wird und die Motorleistung gewährleistet wird, während die obigen Wirkungen erreicht werden.
Im Höchstlastbereich des Motors wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf etwa 10° ATDC eingestellt, leicht über den Ansaug-TDC hinaus, so daß die Abgasmenge, die durch die interne AGR rückgeführt wird, möglichst klein wird und das Höchstlast-Drehmoment erhalten wird.
Der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird im Höchstlastbereich des Motors weiter vorgeschoben als im mittleren Drehzahlbereich (und) wird im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt (etwa 10° bis 15° BTDC), und im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC (etwa 10° bis 15° ATDC), um die Hochstlastleistung in diesen Bereichen zu gewährleisten. Wenn die Ventilsteuerzeitenregler 13, 14 eines Typs sind, der die Ventilöffnungs- und schließzeiten variiert, ohne die Ventilöffnungsperioden zu verändern, ist es vorzuziehen, die Überlappung zur Sicherung der Verbrennungsstabilität zu verkleinern und für das Ansaugventil 9 eine relativ kurze Öffnungsperiode (d. h., etwa 220°) einzustellen, um ein „Rückschlag" von Ansaugluft im niedrigen Drehzahlbereich zu vermeiden, und den Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 so zu verzögern, daß der Rückschlag von Ansaugluft nicht auftritt, um die Ansaugleistung im hohen Drehzahlbereich zu erhöhen, in welchen der Totwinkel und eine Verzögerung im Ansaugluftstrom zunehmen. Doch wenn der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf einen Funkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt wird, wenn die Öffnungsperiode des Ansaugventils 9 wie oben beschrieben relativ kurz gemacht wird, wird der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 früher als erforderlich, um die Ansaugleistung im hohen Drehzahlbereich zu verbessern, was eine Abnahme der Ansaugleistung zur Folge hat.
Aufgrund dieses Sachverhalts werden im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 beide auf Punkte nach dem Ansaug-TDC eingestellt, so daß die Abgasmenge, die durch die interne AGR rückgeführt wird, verringert wird und die Ansaugleistung erhöht wird, wodurch das hohe Drehzahl- und Höchstlast-Drehmoment gewährleistet wird. Wenn eine relativ lange Öffnungsperiode für das Ansaugventil 9 eingestellt wird, kann der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt werden.
Im vorerwähnten niedrigen Lastbereich B ist der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen geeigneten Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt, d. h. innerhalb eines Bereichs von 5° bis 15° BTDC, um durch die interne AGR eine solche Abgasmenge rückzuführen, die keinen wesentlichen Verlust der Verbrennungsstabilität verursacht. Und da der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC so eingestellt ist, daß die Periode θIn vom Ansaug-TDC bis zum Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 im Bereich B um etwa 5° oder mehr größer wird als die Periode θEx vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Ansaug-TDC, ist es möglich, eine ausreichende Wirkung der Verringerung der Pumpverluste zu erreichen.
Nun wird die Wirkung der Verringerung der Pumpverluste Bezug nehmend auf 7 beschrieben. Wenn das Ansaugventil 9 vor dem Ansaug-TDC geschlossen wird, steigt der Innendruck des Brennraums 5 plötzlich von einem Niveau aus, das dem Abgasdruck entspricht, beginnt am Ansaug-TDC abzunehmen und fällt auf ein Niveau ab, das dem Ansaugdruck entspricht. Die Differenz zwischen dem Innendruck bis zum Erreichen des Ansaug-TDC und dem Innendruck nach dem Ansaug-TDC, die in diesem Vorgang auftritt, wird in Pumpverluste umgesetzt. Wenn das Ansaugventil 9 an einem relativ frühen Punkt nach dem Ansaug-TDC geöffnet wird (d. h., wenn die Periode vom Ansaug-TDC bis zum Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 kleiner oder gleich der Periode vom Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 bis zum Ansaug-TDC ist), nimmt der Pumpverlust aufgrund einer Erhöhung der obigen Innendruckdifferenz zu, da der Innendruck des Brennraums 5 nach dem Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 schnell auf den Ansaugdruck abfällt. Wenn demgegenüber der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 verzögert wird, wird die Zeitperiode, die erforderlich ist, damit der Innendruck des Brennraums 5 auf den Ansaugdruck abfällt, verlängert, und dies unterdrückt eine Erhöhung des Pumpverlustes um eine Menge, die durch eine schraffierte Fläche in 7 angezeigt ist.
Im niedrigen Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Öffnungs- und Schließpunkt des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 allgemein auf die gleiche Weise eingestellt wird im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich. Im niedrigen Drehzahl- und mittleren Lastbereich wird die Minus-Überlappung verkleinert, indem der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt eingestellt wird, der näher am Ansaug-TDC liegt, so daß die Abgasmenge, die durch die interne AGR zurückgeführt wird, kleiner ist als im mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich, um die Verbrennungsstabilität zu gewährleisten. Es ist jedoch anzumerken, daß selbst, wenn der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 und die Minus-Überlappung nicht verändert werden, die Minus-Überlappung und die durch die interne AGR rückgeführte Abgasmenge beträchtlich abnehmen, da der Totwinkel mit abnehmender Motordrehzahl erheblich reduziert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften können der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 und die Minus-Überlappung im niedrigen Drehzahl- und mittleren Lastbereich allgemein bei den gleichen Einstellungen gelassen werden wie im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich.
8 zeigt eine Viertakt-Brennkraftmaschine nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die zusätzlich zum Aufbau, der allgemein dem der ersten Ausführungsform gleicht, die in 1 gezeigt wird, einen Turbolader 50 verwendet. Der Turbolader 50 umfaßt einen Kompressor 51, der in der Ansaugleitung 20 vorgesehen ist, eine Turbine 52, die in der Abgasleitung 30 vorgesehen ist, und eine Welle 53, die den Kompressor 51 und die Turbine 52 miteinander verbindet. Wenn die Turbine 52 vom Abgasstrom gedreht wird, rotiert der Kompressor 51, mit der Turbine 52 gekoppelt ist, wodurch ein hoher Ladeluftdruck erzeugt wird. In 8 bezeichnet das Bezugszeichen 55 einen Zwischenkühler, der in der Ansaugleitung 20 hinter dem Kompressor 51 angeordnet ist, das Bezugszeichen 56 bezeichnet eine Umgehungsleitung zur Umgehung der Turbine 52 in der Abgasleitung 30, und das Bezugszeichen 57 bezeichnet ein Ventil, das in der Umgehungsleitung 56 vorgesehen ist.
In dieser Brennkraftmaschine mit dem Turbolader 50 werden die Öffnungs- und Schließzeiten des Ansaugventils 9 und des Abgasventils 10 in den mittleren (bis höheren) und niedrigen Lastbereichen (5A–5C und 6) auf ähnliche Weise geregelt wie bei der ersten Ausführungsform, wobei im mittleren bis hohen Drehzahl- und mittleren Lastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt wird und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt wird. Auch im mittleren bis hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Funkt vor dem Ansaug-TDC und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, wie in 9A und 9B gezeigt. Zum Beispiel wird im mittleren Drehzahl- und Höchstlastbereich der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 innerhalb eines Bereichs von 15° bis 20° BTDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird innerhalb eines Bereichs von 20° bis 25°C ATDC eingestellt, und im hohen Drehzahl- und Höchstlastbereich wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 innerhalb eines Bereichs von 10° bis 15° BTDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird innerhalb eines Bereichs von 15° bis 20° ATDC eingestellt, wie in 9A und 9B gezeigt.
Der Kraftstoffeinspritzungsregler 43 regelt die Menge des eingespritzten Kraftstoffs auf solch eine Weise, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht nur in niedrigen Drehzahl- und niedrigen bis hohen Lastbereichen, sondern auch in mittleren bis hohen Drehzahl- und Höchstlastbereichen größer oder gleich dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird (Luftüberschußfaktor λ ≥ 1).
In dieser Ausführungsform wird der Schließpunkt ExC des Abgasventils 10 auf einen Punkt vor dem Ansaug-TDC eingestellt, und der Öffnungspunkt InO des Ansaugventils 9 wird auf einen Punkt nach dem Ansaug-TDC eingestellt, so daß die interne AGR durchgeführt wird, was eine Senkung der NOx-Emissionen zur Folge hat, das bereits verbrannte Abgas durch die interne AGR gekühlt wird, wodurch eine Zunahme der Verbrennungstemperatur und Abgastempe ratur vermieden wird, die Kraftstoffeinsparung verbessert wird und ein Klopfen selbst in den mittleren bis hohen Drehzahl- und Höchstlastbereichen vermieden wird.
Zudem ist es möglich, das Höchstlast-Drehmoment zu erreichen, da die Turboaufladung die durch die interne AGR verursachte Senkung der Motorleistung ausgleicht.
Konventionell wird der Aufbau eines übermäßigen Ladedrucks durch die Turboaufladung verhindert, indem das Entweichen von Abgasenergie durch ein Umgehungsventil zugelassen wird, um ein Klopfen im Höchstlastbereich und in Bereichen nahe am Höchstlastbereich zu vermeiden. In dieser Ausführungsform ist es möglich, auf wirkungsvolle Weise das Höchstlast-Drehmoment in diesen Bereichen zu erhalten, indem die Öffnung des Umgehungsventils 57 verringert wird und dadurch der Ladedruck mit Hilfe der Abgasenergie erhöht wird, die konventionell abgeführt wurde. Da die Wirkung der Verhinderung der klopfenden Verbrennung durch die vorgenannte Minus-Überlappung erreicht wird, ist es ferner möglich, den Ladedruck über das Maß hinaus zu erhöhen, das eine Abnahme der Motorleistung durch die interne AGR kompensiert, und das Höchstlast-Drehmoment zu erhöhen.
Da die Wirkung der Verhinderung der klopfenden Verbrennung, wie oben beschrieben, selbst im Höchstlastbereich durch die obige Minus-Überlappung erreicht wird, ist es zudem nicht erforderlich, das Gemisch anzureichern, um die klopfende Verbrennung zu vermeiden, sondern es ist nur notwendig, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Höchstlastbereich größer oder gleich dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ ≥ 1) zu machen. Während die klopfende Verbrennung im Höchstlastbereich durch die Minus-Überlappung vermieden wird, wie oben erwähnt, wird durch die Turboaufladung eine ausreichende Menge an Frischluft eingezogen und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs wird der Frischluftmenge entsprechend so geregelt, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis angeglichen wird.
Dadurch werden sowohl die Motorleistung als auch die Kraftstoffeinsparung verbessert.
Erfindungsgemäß ist der Ventilsteuerzeitenregler nicht auf den Typ beschränkt, der in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde, sondern kann jedes anderen Typs sein, der in der Lage ist, die Öffnungs- und Schließzeiten eines Ansaug- oder Abgasventils zu variieren. Der Erfindung ist auch auf einen Ventiltrieb anwendbar, der nicht mit einer Nockenwelle versehen ist.

Claims

Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug, deren Arbeitszyklus vier Hübe einschließlich eines Ansaug-, Verdichtungs-, Expansions- und Auspuffhubs umfaßt, wobei jeder Hub als einfachgerichtete Bewegung eines Kolbens (4) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt definiert wird, wobei mindestens im mittleren bis hohen Drehzahlbereich mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich des Motors, ausschließlich seines Höchstlastbereichs, ein Schließpunkt eines Abgasventils (10) auf einen Punkt in einem späteren Abschnitt des Auspuffhubs eine spezifische Periode vor dem oberen Ansaug-Totpunkt zwischen dem Auspuffhub und dem Ansaughub eingestellt ist, so daß bereits verbrannte Gase im Brennraum (5) bleiben, und ein Öffnungspunkt eines Ansaugventils (9) auf einen Punkt nach dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt ist, so daß der Druck im Brennraum (5) während einer spezifischen Periode vom späteren Abschnitt des Auspuffhubs bis zum oberen Ansaug-Totpunkt zunimmt, gekennzeichnet durch einen Betriebszustandsidentifikator zur Beurteilung eines Betriebszustands des Motors auf der Basis einer Motordrehzahl und einer Motorlast; einen Ventilsteuerzeitenregler zum Variieren der Öffnungs- und Schließzeiten mindestens des Auspuffventils (10) oder des Ansaugventils; und eine Steuerung, die den Ventilsteuerzeitenregler steuert, um die Ventilöffnungs- und -schließzeiten den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend so zu regeln, daß im mittleren bis hohen Lastbereich des Motors die Periode vom Schließpunkt des Abgasventils (10) bis zum Öffnungspunkt des Ansaugventils (9), während welcher der obere Ansaug-Totpunkt auftritt, im mittleren Drehzahlbereich länger wird als im hohen Drehzahlbereich, wenn der vom Betriebszustandsidentifikator bestimmte Betriebszustand des Motors anzeigt, daß der Motor mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich ist.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungspunkt des Ansaugventils (9) auf einen Punkt eine spezifische Periode nach dem oberen Ansaug-Totpunkt innerhalb eines früheren Abschnitts des Ansaughubs eingestellt ist, und eine Periode vorgesehen ist, während welcher der obere Ansaug-Totpunkt auftritt und sowohl das Abgasventil (10) als auch das Ansaugventil (9) geschlossen sind, so daß mindestens im mittleren Drehzahlbereich mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich des Motors der Druck im Brennraum (5) nach dem oberen Ansaug-Totpunkt allmählich abnimmt.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurbelwinkelperiode vom oberen Ansaug-Totpunkt bis zu einem Schließpunkt des Ansaugventils (9) länger gemacht wird als eine Kurbelwinkelperiode vom Schließpunkt des Abgasventils (10) bis zum oberen Ansaug-Totpunkt, so daß im mittleren Drehzahlbereich mindestens im mittleren bis hohen Lastbereich des Motors der Druck im Brennraum (5) nach dem oberen Ansaug-Totpunkt während einer Periode, die länger ist als die spezifische Periode, während welcher der Druck im Brennraum (5) zunimmt, allmählich abnimmt.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließpunkt des Abgasventils (10) auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Beschleunigungsabschnitt zu einem Abschnitt mit konstanter Geschwindigkeit definiert wird, und der Öffnungspunkt des Ansaugventils (9) auf seiner Ventilhubkurve als ein Übergangspunkt von einem Abschnitt mit konstanter Geschwindigkeit zu einem Beschleunigungsabschnitt definiert wird.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–4, umfassend: einen Betriebszustandsidentifikator zur Beurteilung eines Betriebszustands des Motors auf der Basis einer Motordrehzahl und einer Motorlast; einen Ventilsteuerzeitenregler zum Variieren der Öffnungs- und Schließzeiten mindestens des Auspuffventils (10); und eine Steuerung, die den Ventilsteuerzeitenregler so steuert, daß der Schließpunkt des Abgasventils (10) nach dem oberen Ansaug-Totpunkt auftritt, wenn der vom Betriebszustandsidentifikator bestimmte Betriebszustand des Motors anzeigt, daß der Motor im Höchstlastbereich ist.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsteuerzeitenregler die Ventilöffnungs- und -schließzeiten regelt, indem er die Drehphase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle variiert, ohne eine Ventilöffnungsperiode zu ändern.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließpunkt des Abgasventils (10) allmählich verzögert wird, wenn sich die Motorlast von der in einem Betriebsbereich des Motors, in welchem der Schließpunkt des Abgasventils (10) auf den Punkt die spezifische Periode vor dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt ist, dem im Höchstlastbereich nähert.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsteuerzeitenregler eines Typs ist, der in der Lage ist, die Öffnungs- und Schließzeiten des Abgasventils (10) und Ansaugventils (9) einzeln zu variieren, und im Höchstlastbereich im hohen Drehzahlbereich des Motors sowohl der Schließpunkt des Abgasventils (10) als auch der Öffnungspunkt des Ansaugventils (9) auf einen Punkt nach dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt sind.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–8, außerdem umfassend einen Turbolader (50), wobei im Höchstlastbereich im mittleren bis hohen Drehzahlbereich des Motors mindestens der Schließpunkt des Abgasventils (10) auf einen Punkt vor dem oberen Ansaug-Totpunkt eingestellt ist.
Viertakt-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–9, außerdem umfassend einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regler zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Gemischs im Brennraum (5), wobei im Höchstlastbereich im mittleren bis hohen Drehzahlbereich des Motors das Luft/Kraftstoff-Verhältnis größer oder gleich dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemacht wird.