DE69011181T2

DE69011181T2 - Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus.

Info

Publication number: DE69011181T2
Application number: DE69011181T
Authority: DE
Inventors: Hideo Koza-Gun Kanagawa Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2010-04-27
Also published as: US5022353A; DE69011181D1; EP0396325B1; EP0396325A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus, welcher in einem Zwei-Zyklus-Modus betrieben wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, und in einem 4-Zyklus-Modus betreibbar ist, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors höher als die vorgegebene Geschwindigkeit ist.

Beschreibung des Standes der Technik:

Herkömmliche Verbrennungsmotoren werden grob in Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotoren, bei welchen die Ansaug-, Verdichtungs-, Leistungs- und Ausstoßhübe durchgeführt werden, während die Nockenwelle eine Drehung ausführt, und in Vier-Zyklus-Verbrennungsmotaren einklassifiziert, bei denen die obigen vier Hübe während zweier Umdrehungen der Nockenwelle ausgeführt werden.
Bei den Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotoren sind die Ansaugöffnungen in einem unteren Abschnitt einer Zylinderlaufbuchse angeordnet. Da Ansaugluft angesogen und Abgas abgeführt wird, wenn der Kolben abgesenkt wird, und die Explosion bei jeder Nockenwellen-Umdrehung stattfindet, erleidet die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftabgabewelle weniger Fluktuationen, selbst in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich des Verbrennungsmotors, und der Verbrennungsmotor kann eine hohe Momentenabgabe erzeugen.
Jedoch werden, da die Ansaug- und Ausstoßhübe gleichzeitig in den Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotoren durchgeführt werden, die Ansaugluft und die Abgase nicht vollständig ausgetauscht, insbesondere in einem hohen Geschwindigkeitsbereich eines Verbrennungsmotors. Folglich weisen die Zwei- Zyklus-Verbrennungsmotoren eine geringere Effizienz und einen höheren Kraftstoffverbrauch auf.
Bei den Vier-Zyklus-Verbrennungsmaschinen wird in den entsprechenden Hüben Ansaugluft angesaugt und Abgas abgeführt. Folglich wird ein geeignetes Austauschen der Ansaugluft und der Abgase in einem hohen Geschwindigkeitsbereich eines Verbrennungsmotors erzielt. Somit ist bei Vier-Zyklus-Verbrennungsmaschinen die Effizienz hoch und der Kraftstoffverbrauch niedrig.
Die Vier-Zyklus-Verbrennungsmotoren leiden unter großen Fluktuationen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Verbrennungsmotor-Kraftabgabewelle. Somit ist das Verbrennungsmotor-Abgabemoment niedriger und die Verbrennungsmotoren arbeiten nicht bei einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich eines Verbrennungsmotors.
EP-A-0058619 offenbart einen Verbrennungsmotor, welcher selektiv zwischen Zweihub- und Vierhubbetrieb umschalten kann.
Hinsichtlich der vorgenannten Probleme der bestehenden Verbrennungsmotoren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus vorzusehen, welcher als Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotor in einem Motor-Geschwindigkeitsbereich arbeitet, der niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, d.h. ein niedrigerer Motor-Geschwindigkeitsbereich, und als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor in einem Motor-Geschwindigkeitsbereich betreibbar ist, der höher als die vorgegebene Geschwindigkeit ist, d.h. einem höheren Motor-Geschwindigkeitsbereich.
Gemäß der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus vorgesehen, der selektiv in unterschiedlichen Zyklusmoden in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors betreibbar ist, wobei der Verbrennungsmotor umfaßt:
- einen Zylinder mit einer Auslaßöffnung, die in einem oberen Bereich davon festgelegt ist;
- ein Auslaßventil zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung;
- Auslaßventil-Betätigungsmittel zum Betätigen des Auslaßventils, so daß die Auslaßöffnung geöffnet und geschlossen wird;
- einen Kolben, der als Gegenstück in den Zylinder eingepaßt ist und eine Kolbenkopf-Oberfläche aufweist, wobei der Zylinder eine Ansaugöffnung hat, die in einer zylindrischen Wand davon festgelegt und derart angeordnet ist, daß die Ansaugöffnung in ihrer Stellung mit der Kolbenkopf-Oberfläche korrespondiert, wenn der Kolben in der Nähe dessen unteren Totpunktes positioniert ist;
Zyklus-Modus-Wahlmittel zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des verbrennungsmotors und zum Aktivieren der Auslaßventil-Betätigungsmittel, so daß das Auslaßventil bei jeder Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, und zum Aktivieren der Auslaßventil-Betätigungsmittel, so daß das Auslaßventil bei jeder zweiten Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit höher als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist; und
Vorverdichtermittel zum Zuführen von unter Druck stehender Ansaugluft von der Ansaugöffnung in den Zylinder; gekennzeichnet durch
zwei Einspritzdüsen, die abwechselnd zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder bei jeder Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt werden; und
Einspritz zeitpunkt-Veränderungsmittel zum Deaktivieren einer der beiden Kraftstoff-Einspritzdüsen; und daß die Zyklus-Modus-Wahlmittel die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel deaktivieren, wodurch der Verbrennungsmotor in einem Zwei-Zyklus-Modus betrieben wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit geringer als die vorgegebene Geschwindigkeit ist, und daß die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel aktiviert werden, wodurch der Verbrennungsmotor in einem Vier-Zyklus-Modus betrieben wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit höher als die vorgegebene Geschwindigkeit ist.
In einem niedrigeren Verbrennungsmotor-Geschwindigkeits bereich arbeitet der Motor als Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotor und folglich dreht sich der Motor gleichmäßig und erzeugt ein hohes Abgabemoment. In einem höheren Motorgeschwindigkeitsbereich arbeitet der Verbrennungsmotor als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor und somit verbraucht er weniger Kraftstoff und arbeitet sehr effizient.
Der Verbrennungsmotor kann versehen sein mit
einer zweiten Ansaugöffnung, welche in einem oberen Bereich des Zylinders festgelegt ist;
einem Einlaßventil zum Öffnen und Schließen der zweiten Ansaugöffnung;
Ansaugventil-Betätigungsmitteln zum Betätigen des Ansaugventils zum Öffnen und Schließen der zweiten Ansaugöffnung;
einem Buchsenventil, welches verschiebbar über dem Zylinder eingepaßt ist und um den Zylinder zum Öffnen und Schließen der ersten Ansaugöffnung winkelförmig bewegbar ist;
Buchsenventil-Betätigungsmitteln zum winkelförmigen Bewegen des Buchsenventils, so daß die erste Ansaugöffnung geöffnet und geschlossen wird;
wobei die Zyklusmodus-Wahlmittel die Ansaugventil-Betätigungsmittel deaktivieren und die Buchsenventil-Betätigungsmittel aktivieren, so daß die erste Ansaugöffnung geöffnet wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem Zwei-Zyklus-Modus betrieben wird; und die Ansaugventil-Betätigungsmittel aktivieren und die Buchsenventil-Betätigungsmittel deaktivieren, so daß die erste Ansaugöffnung geschlossen wird, wenn der Verbrennungsmotor in einein Vier-Zyklus-Modus betrieben wird.
Wenn der Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus als Leistungseinheit für Kraftfahrzeuge betrieben wird, dann kann die Anzahl der Getriebestellungen eines Wechselgetriebes, welches mit dem Verbrennungsmotor kombiniert ist, verringert oder ausgeschlossen werden
Ferner wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors gering ist, in Abhängigkeit von der Belastung des Verbrennungsmotors eine Verringerung des Ladedruckes entsprechend einer Verkleinerung der Ausstoßenergie kompensiert durch Erregen einer drehbaren Elektromaschine, welche auf der Welle eines Vorverdichtermittels montiert ist, wodurch diese beil Drehen des Kompressors der Vorverdichtermittel behilflich ist. Folglich wird der Ladedruck erhöht, so daß der Verbrennungsmotor ein hohes Abgabemoment erzeugen kann, wenn die Motorgeschwindigkeit niedrig ist und die Belastung des Motors hoch ist.
Obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mittels illustrativer Beispiele dargestellt sind.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittansicht, teilweise in Blockform, eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit variablem Zyklus, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittansicht eines Ventilbetätigungselementes;
Fig. 4 eine Querschnittansicht, teilweise in Blockform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit variablem Zyklus, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine Querschnittansicht entlang der Linie V-V von Fig. 4;
Fig. 6 eine Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI von Fig. 4;
Fig. 7 einen Graphen, welcher ein Druck-Volumen (P-V) Diagramm des in Fig. 4 gezeigten Verbrennungsmotors darstellt, wenn er in einem Vier-Zyklus-Modus betrieben wird;
Fig. 8 ein Diagramm, welches bestimmte Hübe des in Fig. 4 dargestellten Verbrennungsmotors zeigt, wenn er in einem Vier-Zyklus-Modus betrieben wird;
Fig. 9a und 9b eine Einspritzzeitpunkt-Veränderungseinrichtung; und
Fig. 10 einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen den Umdrehungsgeschwindigkeiten und den Momenten darstellt.
Ein Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus wird gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1-3 beschrieben.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist eine Zylinderlaufhülse 11 gegen die Innenwand eines Zylinder 1 eingepaßt. Ein Kolben 2 ist als Gegenstück in den Zylinder 1 eingebracht. Die Zylinderlaufhülse 11 weist eine Umfangsanordnung aus Ansaugöffnungen 12 auf, welche in dessen peripheren Wand festgelegt sind. Die Ansaugöffnungen 12 sind derart positioniert, daß sie sich nahe dem oberen Ende des Kolbenkopfes des Kolben 2 befinden, wenn der Kolben 2 den unteren Totpunkt erreicht.
Die Ansaugöffnungen 12 sind bezüglich der zentralen Achse des Zylinders 1 geneigt, so daß Ansaugluft von der Ansaugleitung 13 als wirbelnder Strom in den Zylinder 1 zugeführt wird.
Ein Buchsenventil 3 ist in Form eines kreisförmigen Rohrstreifens über der Zylinderlaufbuchse 11 in bedeckender Beziehung zu den Öffnungen der Ansaugöffnungen 12 aufgebracht. Das Buchsenventil 3 ist umfangsmäßig auf der und um die Zylinderlaufbuchse 11 verschiebbar. Das Buchsenventil 3 weist Öffnungen 31 auf, welche darin festgelegt sind und in ihrer Stellung mit den Ansaugöffnungen 12 korrespondieren. Wenn das Buchsenventil 3 umfangsmäßig um den Zylinder 1 winkelförmig bewegt wird, werden die Ansaugöffnungen 12 mit den Bereichen des Buchsenventils 3 bedeckt, welche zwischen den Öffnungen 31 liegen, wodurch die Ansaugluft daran gehindert wird, durch die Ansaugöffnungen 12 hindurchzuströmen. Das Buchsenventil 3 weist mehrere Zahnradzähne 32 auf, die auf und entlang einer unteren Kante davon angeordnet sind und radial nach außen vorstehen.
Das Buchsenventil 3 ist durch ein Buchsenventil-Betätigungselement 4 betätigbar, welches ein Zahnrad 41 aufweist, das in Eingriff mit den Zahnradzähnen 32 des Buchsenventils 3 gehalten ist. Wenn das Buchsenventil-Betätigungselement 4 betrieben wird, ermöglicht es dem Zahnrad 41 und dem in dieses eingreifende Zahnrad 32, sich mit dem Buchsenventil 3 über einen vorgegebenen Winkel zu drehen. Das Buchsenventil-Betätigungselement 4 ist durch ein Befehlsignal von einer Steuereinheit 8 betreibbar (wird nachfolgend beschrieben).
Ein Ansaugventil 16 ist oberhalb des Zylinders 1 für das Zuführen von Ansaugluft von einer Ansaugleitung 14 in den Zylinder 1 in Abhängigkeit vom Betrieb des Verbrennungsmotors angeordnet. Das Ansaugventil 16 kann durch ein elektromagnetisches Ventil-Betätigungse lement geöffnet und geschlossen werden, welches über dem Ansaugventil 16 angeordnet ist.
Zudem ist ein Auslaßventil 17 oberhalb des Zylinders 1 benachbart dem Ansaugventil 16 für das abzuführende Abgas in eine Abgasleitung 15 in einem Ausstoßhub des Verbrennungsmotors angeordnet. Das Auslaßventil 17 kann durch ein elektromagnetisches Ventil-Betätigungselement 6 geöffnet und geschlossen werden, welches über dem Auslaßventil 17 angeordnet ist.
Die elektromagnetischen Ventil-Betätigungselemente 5,6 weisen zueinander einen identischen Aufbau auf. Nachfolgend wird nur das elektromagnetische Ventil-Betätigungselement 6 mittels eines Beispiels mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Zwei Dauermagneten 61, 62 sind über dem Ende des Schaftes des Auslaßventils 17 in axial beabstandeter Beziehung eingepaßt. Die Dauermagneten 61, 62 haben entsprechende äußere Peripheriebereiche, welche mit unterschiedlichen Polaritäten magnetisiert sind. Zum Beispiel ist, wenn der äußere Peripheriebereich des Dauermagneten 61 ein Nordpol ist, der äußere Peripheriebereich des Dauermagneten 62 dann ein Südpol.
Magnetische Pole 63 sind in gegenuberstehender Beziehung zu den Dauermagneten 61, 62 angeordnet und stehen in der Richtung, in welcher das Auslaßventil bewegbar ist, nebeneinander. Die magnetischen Pole 63 sind durch Abstände, welche sich von den Abständen unterscheiden, durch die die Dauermagneten 61, 62 voneinander beabstandet sind, beabstandet. Die Spulen 64 zum Steuern der Polarität der magnetischen Pole 63 sind um die jeweiligen magnetischen Pole 63 gewikkelt.
Die Spulen 64 werden durch Ansteuerung durch die Steuereinheit 8 derart erregt, daß die Polaritäten der magnetischen Pole 63, welche den Dauermagneten 61, 62 gegenüberstehen, aufeinanderfolgend verändert werden. Die elektromagnetischen Kräfte, die folglich zwischen den Dauermagneten 61, 62 und den magnetischen Polen 63 wirken, werden für das Bewegen des Auslaßventils 17 in Öffnungs- und Schließungsrichtungen kombiniert.
Ein Turbolader 7 umfaßt eine Turbine 91, eine drehbare Elektromaschine 72 und einen Kompressor 73, die in koaxialer Beziehung angeordnet sind. Wenn die Turbine 71 durch die Energie des Abgases angetrieben wird, welches von der Auslaßleitung 15 abgeführt wird, wird der Kompressor 73 gedreht, so daß unter Druck stehende Luft in den Zylinder 1 durch eine Ansaugleitung 13 zugeführt wird, welche mit dem Buchsenventil 3 und der Ansaugleitung 14 kommuniziert.
In Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors wird die drehbare Elektromaschine 72 mit elektrischer Leistung versorgt und arbeitet folglich als Motor, um ein Drehen des Kompressors 73 zur Erhöhung des Energiemomentes in einem niedrigen Motor-Geschwindigkeitsbereich zu unterstützen.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors wird durch einen Motor-Rotationssensor 81 für das Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors detektiert. Die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge wird durch einen Motorlastsensor für das Erfassen der auf den Verbrennungsmotor wirkenden Last detektiert. Der Nockenwellenwinkel wird durch einen Positionssensor 83 für das Erfassen der Position des Kolbens detektiert. Die detektierten Signale von diesen Sensoren werden der Steuereinheit 8 zugeführt. Die Einspritzdüsen 91, 92 sind an einem oberen Bereich des Zylinders 1 montiert, für das Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder 1 in eine Richtung entlang der Ansaugluftwirbel. Die Einspritzdüsen 91, 92 sind mit einer Kraftstoffpumpe 93 verbunden, durch welche der Zeitpunkt zum Einspritzen von Kraftstoff und die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs verändert werden kann.
Die Steuereinheit 8 umfaßt einen Mikrocomputer, welcher eine zentrale Verarbeitungseinheit zum Ausführen arithmetischer Operationen, verschiedene Speicher zum Speichern von Sequenzen für die arithmetischen Operationen und einer Steuersequenz, und Eingabe-/Ausgabeanschlüsse aufweist. Wenn die Signale der Sensoren der Steuereinheit 8 zugeführt werden, werden die vorgegebenen arithmetischen Operationen durchgeführt, und es werden Steuersignale zu dem Buchsenventil-Betätigungselement 4, den elektromagnetischen Ventil-Betätigungselementen 5, 6, der drehbaren Elektromaschine 72 und der Kraftstoffpumpe 93, in Übereinstimmung zu der gespeicherten Steuersequenz, übermittelt.
Der Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt:
Wenn in einem Motor-Geschwindigkeitsbereich, in welchem die Rotationsgeschwindigkeit, welche durch die detektierten Signale von dem Rotationssensor 81 angezeigt werden, geringer als eine vorgegebene Gechwindigkeit ist, führt die Steuereinheit 8 ein Steuersignal dem Buchsenventil-Betätigungselement zu, so daß die Öffnungen 31 des Buchsenventils 3 in Deckung mit den Ansaugöffnungen 12 der Zylinderlaufbuchse 11 gebracht werden, wodurch der Verbrennungsmotor in einem Zwei-Zyklus-Modus arbeitet. Folglich wird das Buchsenventil 3 winkelförmig, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, positioniert.
Wenn der Kolben 2 vom unteren Totpunkt abgesenkt wird, strömt unter Druck stehende, vom Turbolader 7 durch die Ansaugleitung 13 zugeführte Ansaugluft als wirbelnde Luft in den Zylinder 1 durch die Öffnungen 31 und die Ansaugöffnungen 12, welche zueinander ausgerichtet sind. Die zugeführte, wirbelnde Luft drückt durch die geöffneten Auslaßöffnungen 17 das Abgas aus dem Zylinder 1 und ist als Ansaugluft verfügbar, welche beim nächsten Verbrennungshub notwendig ist.
Anschließend bewegt sich der Kolben 2 nach unten und schließt die Ansaugöffnungen 12 der Zylinderlaufbuchse 11. Kurz danach wird das Auslaßventil 17 geschlossen und das Volumen des Zylinders 1 komprimiert. In einem abschließenden Zustand des Verdichtungshubes steigt die Temperatur in dem Zylinder 1 auf einen Punkt, bei dem der Kraftstoff gezündet werden kann. Anschließend spritzt die Einspritzdüse 91 oder 92 Kraftstoff in den Zylinder 1. Der eingespritzte Kraftstoff wird gezündet und verbrannt, worauf der Kolben 2 bei hohem Verbrennungsdruck abgesenkt wird und dadurch die Nockenwelle dreht.
In der späteren Hälfte des Expansionshubes wird das Auslaßventil 17 geöffnet und die Verbrennungsgase durch ihren eigenen Druck durch die Auslaßleitung 17 zum Turbolader 7 abgeführt. Die Abgase drehen die Turbine 71 und werden anschließend von der Turbine 7 entladen.
Nach einem weiteren Absenken des Kolbens 2 weist der Gasdruck in dem Zylinder 1 einen ausreichend niedrigen Wert auf. Wenn das obere Ende des Kolbens 2 die Ansaugöffnungen 12 erreicht, wird wieder unter Druck befindliche Ansaugluft von dem Turbolader 7 in den Zylinder 1 durch die Ansaugöffnungen 12 zugeführt und spült jegliches, verbleibende Abgas aus dem Zylinder 1. Zu diesem Zeitpunkt ist jeglicher Widerstand bezüglich des Einströmens von Ansaugluft gering und die Ansaugluft kann in dem Zylinder 1 während einer kurzen Zeitdauer eingeführt werden, da die Ansaugöffnungen 12 komplett in dem unteren Bereich der Zylinderlaufbuchse 11 umfangsmäßig angeordnet und in Verbindung mit den Öffnungen 31 des Buchsenventils 3 gehalten sind.
Bei einem Motor-Geschwindigkeitsbereich, bei dem dies durch die detektierten Signale von dem Rotationssensor 81 angezeigte Umdrehungsgeschwindigkeit höher als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, wird der Verbrennungsmotor in einem Vier-Zyklus-Modus betrieben.
In diesem Modus steuert die Steuereinheit 8 das elektromagnetische Ventilbetätigungselement 5 und das Hülsenventil-Betätigungselement 4 derart, daß das Ansaugventil 16 durch das elektromagnetische Ventil-Betätigungselement 5 in dem Ansaughub eines herkömmlichen Vier-Zyklus-Verbrennungsmotors geöffnet und geschlossen wird und die Ansaugöffnungen 12 der Zylinderlaufbuchse 11 durch das Buchsenventil 3 geschlossen werden.
Wenn der Kolben 2 abgesenkt wird, werden die Verbrennungsgase, da die Ansaugöffnungen 12 der Zylinderlaufbuchse 11 durch das Buchsenventil 3 geschlossen werden, am Einströmen in die Ansaugöffnungen 12 gehindert. Während des Ansaughubes wird genügend Ansaugluft von dem oberen Ansaugventil 12 zugeführt. Da das untere Volumen des Zylinders nicht als totes Volumen ausgestaltet ist, kann der Kolbenhub effektiv verwendet werden. Nachfolgend wird ein Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die Figuren 4, 5 und 6 beschrieben.
Eine Zylinderlaufbuchse 110 ist gegen die Innenwand eines Zylinders 100 eingepaßt. Ein Kolben 300 ist als Gegenstück in den Zylinder 100 eingebracht. Die Zylinderlaufbuchse 110 weist eine umfangsmäßige Anordnung von Ansaugöffnungen 130 auf, welche in dessen Peripheriewand festgelegt sind. Die Ansaugöffnungen 130 sind derart positioniert, daß sie nahe dem oberen Ende eines Kolbenkopfes des Kolben 300 sind, wenn der Kolben 300 den unteren Totpunkt erreicht. Die Ansaugöffnungen 130 sind mit Bezug auf die zentrale Achse des Zylinders 100 geneigt, für das Zuführen von wirbelnder Ansaugluft in den Zylinder 100.
Der Verbrennungsmotor weist eine Vorkammer 200 auf, die zentral in einem Bereich über den Zylinder 100 definiert ist und eine Innenwand aufweist, welche mit einer Hülse 210 bedeckt ist, die aus einem hitzebeständigen, hitzeisolierenden Material, wie beispielsweise Keramik besteht. Die Hülse 210 und die Zylinderlaufbuchse 110 sind miteinander durch eine hitzeisolierende Dichtung 120 verbunden.
Einspritzdüsen 220, 250 sind lateral an der Vorkammer 200 angeordnet, für das Einspritzen von Kraftstoff in die Vorkammer 200, entlang Wirbel, in die Vorkammer 200 (siehe Fig. 5). Die Einspritzdüsen 220, 250 sind mit einer Kraftstoffpumpe 230 verbunden, durch welche der Zeitpunkt zum Einspritzen des Kraftstoffes und die einzuspritzende Kraftstoffmenge verändert werden kann. Die Vorkammer 200 weist eine Auslaßöffnung zum Abführen von Abgasen durch die Vorkammer 200 auf. Die Auslaßöffnung kann geöffnet und geschlossen werden, durch ein Auslaßventil 240, welches axial durch ein Ventilbetätigungselement 600 bewegbar ist, das um den Schaft des Auslaßventils 240 angeordnet ist.
Das Ventil-Betätigungselement 600 ist im Aufbau identisch mit dem elektromagnetischen Ventil-Betätigungselement 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Kolbenkopfoberfläche des Kolbens 300, welcher in dem Zylinder 100 angeordnet ist, wird mit einem hitzebeständigen, hitzeisolierenden Material, wie etwa Keramik, bedeckt, gen-auso wie die Vorkammer 200. Der Kolben 300 weist eine Vorsprung 310 auf, welcher sich von dem Zentrum des Kolbenkopfes zu der Vorkammer 200 erstreckt. Wenn der Kolben 300 eine Stellung nahe dem oberen Totpunkt von dessen Hub erreicht, verengt der Vorsprung 310 die Öffnung der Vorkammer 200.
Die von der Auslaßöffnung abgeführten Abgase werden durch eine Auslaßleitung 410 zu der Turbine eines Turboladers 400 geführt. Der Turbolader 400 weist eine drehbare Welle auf, die mit einer drehbaren Elektromaschine 430 verbunden ist. Wenn die drehbare Elektromaschine durch elektrische Leistung erregt wird, die von einer externen Energieversorgung zugeführt wird, kann sie einen Ladedruck entwickeln.
Die am Turbolader 400 vorbeiströmenden Abgase werden zu einer Rückgewinnungsturbine 440 geführt, durch welche verbleibende Wärmeenergie des Abgases in elektrische Energie umgewandelt wird, welche durch eine Steuereinheit 500 rückgewonnen wird.
Der Kompressor des Turboladers 400 kann durch die Energie der der Turbine zugeführten Abgase oder der elektrischen Energie, welche der drehbaren Elektromaschine zugeführt wurde, gedreht werden, um Ansaugluft unter Ladedruck durch eine Ansaugleitung 420 den Ansaugöffnungen 130 zuzuführen.
Das Ventilbetätigungselement 600, die Kraftstoffpumpe 230 und die drehbare Elektromaschine 430 werden durch Signale gesteuert, welche von einem Eingang-/Ausgang-Interface der Steuereinheit 500 zugeführt wurden. Mit dem Eingang-/Ausgang-Interface ist ein Rotationssensor 550 zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit und des Nockenwellenwinkels des Verbrennungsmotors, und ein Beschleunigungspedal-Bewegungs sensor 560 zum Erfassen des Niederdruckbetrages des Beschleunigungspedales, welches dem Verbrennungsmotor zugeordnet ist, und ein elektrischer Generator für die Rückgewinnungsturbine 440 verbunden. Folglich werden Signale von diesen Sensoren und rückgewonnene elektrische Energie der Steuereinheit 500 zugeführt.
Die Steuereinheit 500 weist den gleichen konstruktiven Aufbau wie der der Steuereinheit 8 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels auf.
Ein Zwei-Zyklus-Modus, in welchem der Verbrennungsmotor des zweiten Ausführungsbeispiels wie ein Zwei-Zyklus-Verbrennungsmotor arbeitet wird nachfolgend beschrieben.
Wenn der Expansionshub endet und der Kolben 300 nahe dem unteren Totpunkt positioniert ist, fließt mit Ladedruck von den Ansaugöffnungen 130 zugeführte Ansaugluft in den Zylinder 100, in welchen die Ansaugluft als Umfangsluftwirbel strömt. Wenn der Kolben 300 sich nach oben bewegt, drückt er das Abgas nach oben und spült das Abgas durch die Auslaßöffnung. Nach der Aufwärtsbewegung des Kolbens 300 wird die Auslaßöffnung durch das Auslaßventil 240 geschlossen und der Kolben 300 tritt in den Kompressionshub ein, in dem die Ansaugluft komprimiert wird. Das sich fortsetzende Absenken des Kolbens 300 beschleunigt die Ansaugluft in dem Zylinder 100 und drückt die Ansaugluft in die Vorkammer 200.
Wenn der Kraftstoff von den Einspritzdüsen 220, 250 in die Vorkammer 200 entlang dessen Luftwirbel eingespritzt wird, wird der Kraftstoff verbrannt. Der Kolben 300 tritt nun in den Expansionshub ein. Der eingespritzte Kraftstoff wird vollständig in der Vorkammer 200 verbrannt und die erzeugten Abgase senken den Kolben 300 ab. Wenn der Kolben 300 nach unten bewegt wird, wird die Öffnung der Vorkammer 200, welche durch den Vorsprung 310 verengt wurde, vergrößert und ermöglicht dem Abgas ein schnelles Eindringen in den Zylinder 100. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 100 wird das Auslaßventil 240 zum Öffnen der Auslaßöffnung betätigt, wodurch das Abgas abgeführt wird. Der oben genannte Zyklus wird durch den nachfolgenden nächsten Ansaughub wiederholt.
Nachfolgend wird ein Vier-Zyklus-Modus, in welchem der Verbrennungsmotor als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor arbeitet, mit Bezug auf die Figuren 7 und 8 beschrieben.
Die Motorzustände bei den Punkten a-e in Fig. 7 werden respektive bei a-e in Fig. 8 dargestellt.
Wenn das Volumen des Zylinders 100 und der Vorkammer 200 von einem Punkt V1 am oberen Totpunkt, an dem die Verbrennungskammer komprimiert wird, zu einem Punkt V2 kurz vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionshub nach der Verbrennung erhöht wird, wird die Auslaßöffnung geöffnet, so daß die Entladung des Abgases beginnt.
Während sich das Volumen während eines Zustandes, der mit a in Fig. 8 gezeigt ist, zu einem Punkt V3 am unteren Totpunkt ausdehnt, sinkt der Druck in dem Zylinder 100 und in der Vorkammer 200 schnell ab. Da die Auslaßöffnungen 130 bei dem unteren Totpunkt, wie in Fig. 8d dargestellt ist, geöffnet sind, wird mit Ladedruck zugeführte Ansaugluft als in den Zylinder 100 strömende Wirbelluft eingeführt.
Die zugeführte Ansaugluft drückt das Abgas nach oben, so daß das Abführen des Abgases durch die Auslaßöffnung unterstützt wird. Der Kolben 300 bewegt sich nach oben vom unteren Totpunkt und schließt die Änsaugöffnungen 130, so daß ein Zuführen von Ansaugluft beendet wird. Selbst wenn sich zu diesem Zeitpunkt Abgas in dem Zylinder 100 befindet. Folglich bleibt die Auslaßöffnung wie in Fig. 8 mit c dargestellt ist, geöffnet. Die Auslaßöffnung bleibt fortwährend geöffnet, bis der Kolben 300 den oberen Totpunkt erreicht hat, worauf das Abgas vollständig aus dem Zylinder abgeführt wurde.
Anschließend wird die Auslaßöffnung am oberen Totpunkt V1, wie mit d in Fig. 1 dargestellt ist, geschlossen. Mit der geschlossenen Aus1aßöffnung wird der Kolben 300 abgesenkt, so daß die in dem Zylinder 100 abgedichtete Ansaugluft sich adiabatisch expandieren kann. Da die Temperatur der Ansaugluft während der adiabatischen Expansion abgesenkt wird, absorbiert die Ansaugluft Wärmeenergie von der Innenwand der Verbrennungskammer sehr schnell, wodurch die Temperatur der Verbrennungskammer-Innenkammer abgesenkt wird.
Wenn der Kolben 300 an einem Punkt, der sich kurz vor dem unteren Totpunkt V3 befindet, wie in Fig. 8 mit e dargestellt ist, vorbei läuft, strömt Ansaugluft sehr schnell unter dem Ladedruck und einem Vakuum, das sich in dem Zylinder 100 gebildet hat, durch die Ansaugöffnungen 130 in den Zylinder 100. Da die Ansaugöffnungen 130 bezüglich der zentralen Achse des Zylinders 100, wie in Fig. 6 dargestellt ist, geneigt sind, wirbelt die zugeführte Ansaugluft mit einer hohen Geschwindigkeit in den Zylinder 100.
Da der Kolben 300 sich nach oben bewegt, werden die wirbelnden Luftströme in dem Zylinder 100 in die Vorkammer 200 geführt.
In der zweiten Hälfte des Kompressionshubes des Kolbens 300 wird die Menge an Ansaugluft, welche in die Vorkammer 200 strömt, verringert. Jedoch tritt der Vorsprung 310 des Kolbenkopfes in die Öffnung der Vorkammer 200 ein und verengt sie, wodurch die Luftwirbel, wenn sie in die Vorkammer 200 eintreten, beschleunigt werden. Folglich werden, wenn der Kompressionshub beendet wird, Luftwirbel mit höherer Geschwindigkeit in der Vorkammer 200 erzeugt. Anschließend wird Kraftstoff durch die Einspritzdüse 220 in die Vorkammer 200 entlang der Luftwirbel eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff wird nun gezündet und verbrannt, und anschließend initiiert der Kolben 300 den Expansionshub.
Die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel, welche eine Kraftstoffpumpe 230 umfassen, werden nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 9 beschrieben. Der Verbrennungsmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist auch Einspritzzeitpunkt- Veränderungsmittel auf, welche die Kraftstoffpumpe 92 umfassen, wobei die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel zu den in Fig. 9 dargestellten Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmitteln identisch sind.
Fig. 9a zeigt in Blockform die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel. Fig. 9a ist eine Kombination der Ansicht entlang der Linie V-V von Fig. 4 und eine Ansicht, welche einen Aufbau der Kraftstoffpumpe 230 darstellt.
Die Einspritzdüse 220 ist winkelförmig orientiert, so daß Kraftstoff entlang der Wandoberfläche der Vorkammer 200 eingespritzt wird, entlang der die Luftwirbel strömen. Die Einspritzdüse 250 ist winkelförmig ausgerichtet, so daß Kraftstoff mehr in Richtung des Zentrums der Vorkammer 200 eingespritzt wird, verglichen mit der Einspritzdüse 220.
Die Einspritzdüse 220 ist mit einer Kolbenpumpe 710 gekoppelt, welche durch einen Nocken A betätigt wird, und die Einspritzdüse 220 ist durch ein Richtungssteuerventil 730 mit einer Kolbenpumpe 720 gekoppelt, welche durch einen Nocken B betätigt wird.
Fig. 9 (b) stellt die Nockenprofile der Nocken A, B dar. Die Nocken A, B betätigen jeweils die Pumpenkolben 710, 720, jedesmal wenn der Verbrennungsmotor eine Umdrehung macht, aber phasenverschoben bei einer Umdrehung.
Wenn der Verbrennungsmotor als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor betrieben wird, wird die Kraftstoff zuführung zu der Einspritzdüse 250 durch das Richtungssteuerventil 730 unterbrochen, so daß nur Kraftstoff von der Einspritzdüse 220 zugeführt wird. Da die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors hoch ist, wenn der Verbrennungsmotor als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor betrieben wird, wirbelt die Luft mit einer hohen Geschwindigkeit in der Vorkammer 200 und der entlang der Vorkammerwand von der Einspritzdüse 220 eingespritzte Kraftstoff wird gut verbrannt.
Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, wird das Richtungssteuerventil 37 geöffnet, so daß Kraftstoff der Einspritzdüse 250 zugeführt wird. Nun wird Kraftstoff alternierend von den Einspritzdüsen 220, 250 bei jeder Umdrehung des Verbrennungsmotors eingespritzt. Da die Einspritzdüse 250 Kraftstoff mehr in Richtung des Zentrums der Vorkammer 200 als die Einspritzdüse 220 einspritzt, wird der von den Einspritzdüsen 220, 250 eingespritzte Kraftstoff als Ganzes in Richtung des Zentrums der Vorkammer 200 verschoben.
Folglich kann der Kraftstoff auch in dem niedrigen Geschwindigkeitsbereich, in dem die Luft mit einer geringeren Geschwindigkeit wirbelt, geeignet verbrannt werden.
Die Beziehung zwischen den Umdrehungsgeschwindigkeiten und den Verbrennungsmotormomenten gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben.
Der Graph von Fig. 10 weist eine horizontale Achse, welche die Rotationsgeschwindigkeit N des Verbrennungsmotors darstellt und eine vertikale Achse, die das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Moment T repräsentiert, auf.
In einem Bereich, in dem die Umdrehungsgeschwindigkeit N größer als eine vorgegebene Geschwindigkeit N2 ist, arbeitet der Verbrennungsmotor als Vier-Zyklus-Verbrennungsmotor. In einem Bereich, in dem die Umdrehungsgeschwindigkeit N geringer als die vorgegebene Geschwindigkeit N2 ist, wird der Verbrennungsmotor als Zwei-Zyklus-Motor betrieben.
In einem Bereich, in dem die Umdrehungsgeschwindigkeit N geringer als eine niedrigere Geschwindigkeit N1 ist, wird, da die Abgasenergie unzureichend ist, elektrische Energie der drehbaren Elektromaschine 72 oder 430 für das Erhöhen des Ladedruckes zugeführt, mittels dessen Ansaugluft in den Zylinder geführt wird. Auf diese Weise wird das Moment der Verbrennungsmaschine in einem derartig niedrigen Geschwindigkeitsbereich angehoben. Wenn die Last an der Maschine zunimmt, in den Geschwindigkeitsbereichen, die höher als die Geschwindigkeit N1 ist, wird anschließend elektrische Leistung der drehbaren Elektromaschine 72 oder 430 für das Erhöhen des Ladedruckes zugeführt und zudem wird die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht, wodurch die Abgabeleistung des Motors zunimmt.
Wenn der Verbrennungsmotor in der oben beschriebenen Weise betrieben wird, nimmt das Moment, welches durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird, zu, und die Umdrehungsgeschwindigkeit ab. Der derart gesteuerte Verbrennungsmotor ist das Optimum für die Verwendung als Leistungseinheit für Kraftfahrzeuge. Ein Vorteil des Verbrennungsmotors mit derartigen Momentencharakteristika besteht darin, daß die Anzahl von Getriebestellungen eines Wechselgetriebes kombiniert mit dem Verbrennungsmotor verringert oder derartige Getriebestellungen ausgeschlossen werden können.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit variablem Zyklus, der selektiv in unterschiedlichen Zyklusmoden in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors betreibbar ist, wobei der Verbrennungsmotor umfaßt:

einen Zylinder (1) mit einer Auslaßöffnung, die in einem oberen Randbereich davon festgelegt ist;

ein Auslaßventil (17) zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung;

Auslaßventil-Betätigungsmittel (6) zum Betätigen des Auslaßventils (17), so daß die Auslaßöffnung gedffnet und geschlossen wird;

einen Kolben (2), der als Gegenstück in dem Zylinder eingepaßt ist und eine Kolbenkopf-Oberfläche (21) aufweist, wobei der Zylinder eine Ansaugöffnung (12) hat, die in einer zylindrischen Wand davon festgelegt und derart angeordnet ist, daß die Ansaugöffnung (12) in ihrer Stellung mit der Kolbenkopf-Oberfläche (21) korrespondiert, wenn der Kolben in der Nähe dessen unteren Totpunktes davon positioniert ist;

Zyklus-Modus-Wahlmittel (8) zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors und zum Aktivieren der Auslaßventil-Betätigungsmittel (6), so daß das Auslaßventil (17) bei jeder Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit niedriger als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist, und zum Aktivieren der Auslaßventil-Betätigungsmittel (6), so daß das Auslaßventil (17) bei jeder zweiten Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit höher als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist; und

Vorverdichtermittel (7) zum Zuführen von unter Druck stehender Ansaugluft von der Ansaugöffnung in den Zylinder; gekennzeichnet durch

zwei Einspritzdüsen (91, 92), die abwechselnd zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder bei jeder Umdrehung des Verbrennungsmotors betätigt werden; und

Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel (8, 93) zum Deaktivieren einer der beiden Kraftstoff-Einspritzdüsen (91, 92); und daß die Zyklus-Modus-Wahlmittel (8) die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel (8) deaktivieren, wodurch der Verbrennungsmotor in einem Zwei-Zyklus-Modus betrieben wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit geringer als die vorgegebene Geschwindigkeit ist, und daß die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel (8) aktiviert werden, wodurch der Verbrennungsmotor in einem Vier-Zyklus-Modus betrieben wird, wenn die erfaßte Umdrehungsgeschwindigkeit höher als die vorgegebene Geschwindigkeit ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, mit:

einer zweiten Ansaugöffnung, welche in einem oberen Bereich des Zylinders (1) festgelegt ist;

einem Einlaßventil (16) zum Öffnen und Schließen der zweiten Ansaugöffnung;

Ansaugventil-Betätigungsmitteln (5) zum Betätigen des Ansaugventils (16) zum Öffnen und Schließen der zweiten Ansaugöffnung;

einem Buchsenventil (3), welches verschiebbar über dem Zylinder (1) eingepaßt ist und um den Zylinder (1) zum Öffnen und Schließen der ersten Ansaugöffnung (12) winkelförmig bewegbar ist;

Buchsenventil-Betätigungsmitteln (4) zum winkelförmigen Bewegen des Buchsenventils, so daß die erste Ansaugöffnung (12) geöffnet und geschlossen wird;

wobei die Zyklusmodus-Wahlmittel (8) die Ansaugventil- Betätigungsmittel (5) deaktivieren und die Buchsenventil-Betätigungsmittel (4) aktivieren, so daß die erste Ansaugöffnung (12) geöffnet wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem Zwei-Zyklus-Modus betrieben wird;

und die Ansaugventil-Betätigungsmittel (5) aktivieren und die Buchsenventil-Betätigungsmittel (4) deaktivieren, so daß die erste Ansaugöffnung (12) geschlossen wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem Vier-Zyklus- Modus betrieben wird.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei das Buchsenventil (3) einen kreisförmigen Rohrstreifen umfaßt, welcher sich um den Zylinder erstreckt und umfangsmäßig verschiebbar ist, für das Öffnen und Schließen der ersten Ansaugöffnung (12).

4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Vorverdichtermittel einen Turbolader (7) zum Zuführen von unter Druck befindlicher Ansaugluft umfassen, wobei der Turbolader einen Kompressor (73), der durch die aus der Auslaßöffnung entladenen Abgasenergie antreibbar ist, und eine drehbare Elektromaschine (72) aufweist, die das Antreiben des Kompressors unterstützt.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, ferner mit Vorverdichter-Unterstützungsmitteln zum Erregen der drehbaren Elektromaschine, so daß das Antreiben des Kompressors unterstützt wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit geringer als eine andere vorgegebene Geschwindigkeit ist, die kleiner als die erstgenannte vorgegebene Geschwindigkeit ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Ansaugöffnung bezüglich der zentralen Achse des Zylinders geneigt und nicht radial in den Zylinder gerichtet ist, die Kraftstoffeinspritzdüse (250), welche durch die Einspritzzeitpunkt-Veränderungsmittel deaktiviert wird, derart ausgerichtet ist, daß Kraftstoff entlang eines Wirbelstromes von Ansaugluft eingespritzt wird, welche in den Zylinder von der Ansaugöffnung gesogen wird, die andere Kraftstoffeinspritzdüse (220) so orientiert ist, daß Kraftstoff entlang des Wirbelstromes und zudem noch mehr entlang einer inneren Wandoberfläche des Zylinders als das eine Kraftstoffeinspritzventil (250) eingespritzt wird.