DE69231665T2

DE69231665T2 - Fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69231665T2
Application number: DE69231665T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Hattori; Mitsuo Hitomi; Kenji Kashiyama; Shinji Masuda; Junsou Sasaki
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: KR950000599B1; KR930004625A; EP0529638A1; EP0529638B2; DE69206718T3; DE69206718D1; JPH0559947A; US5590626A; JP3357384B2; EP0670417A2; EP0670417B1; DE69231665D1; DE69206718T2; EP0529638B1; EP0670417A3; US5445123A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen fremdgezündeten Hubkolbenmotor und insbesondere einen fremdgezündeten Hulbkolbenmotor nach Ansaugart, wobei die Zündkerzen so angeordnet sind, dass sie den Brennräumen des Motors gegenüberliegen.
Unter den Ansaugmotoren, d. h. unter den Verbrennungsmotoren ohne Lader, werden an vielen Kraftfahrzeugen fremdgezündete Hubkolbenmotoren belastet, die jeweils so mit Zündkerzen versehen sind, dass diese den Brennräumen gegenüberliegen, die durch die so in die Zylinder eingesetzten Kolben, dass diese in einer hin- und hergehenden Weise bewegt werden, definiert und abgegrenzt werden. Es ist gut bekannt, dass die Motoren dieser Art bei zunehmendem Verdichtungsverhältnis einen besseren Wärmewirkungsgrad bieten können.
Es wird jedoch festgestellt, dass eine Neigung zu Klopfen besteht, wenn ein größeres Verdichtungsverhältnis eingestellt ist. Bei herkömmlichen Motoren wird mit Ausnahme von Motoren, die so ausgelegt sind, dass sie für den Betrieb mit Benzin sogenannter hoher Oktanzahl geeignet sind, ein Verdichtungsverhältnis (E) auf höchsten E = etwa 10 gestellt. Das Buch "Mini Muscle Cars" von R. M. Clarke (12. Dezember 1979), Brookland Books, Cobham, Surrey, England) offenbart einen Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 11 und einem Verhältnis des Kolbenhubs zur Größe der Bohrung von über 1.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen fremdgezündeten Hubkolbenmotor mit Ansaugsystem zur Hand zu geben, der so ausgelegt ist, dass ein großes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, während gleichzeitig ein Klopfen verhindert wird.
Zur Verwirklichung der vorstehenden Aufgabe besteht die vorliegende Erfindung aus einem fremdgezündeten Hubkolbenmotor mit Ansaugsystem gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei eine Zündkerze so angeordnet ist, dass sie einem Brennraum gegenüberliegt, welcher durch einen so in einen Zylinder eingesetzten Kolben, dass er sich hin- und hergehend bewegt, definiert und abgegrenzt wird.
In den Unteransprüchen werden bevorzugte Ausführungen offenbart.
Zwar sollte das Klopfproblem gelöst sein, wenn das Verdichtungsverhältnis des Motors auf 11 oder mehr (E ≥ 11) eingestellt wird, doch hat es sich als effektiv erwiesen, die Größe der Bohrung des Zylinders auf die kleinstmögliche Größe einzustellen, um einen Abstand zu verkürzen, über den sich Flammen aufbauen und ausweiten, und um die Klopffestigkeit zu verbessern.
Wenn ein vorbestimmtes Hubraumvolumen durch Verkleinern der Größe der Bohrung sichergestellt werden soll, sollten in diesem Fall jedoch mindestens zwei Begrenzungen berücksichtigt werden: zum einen begrenzt eine Geschwindigkeit des Kolben die Zuverlässigkeit und zum anderen ergibt sich eine Begrenzung aus einer schnellen Zunahme des Widerstands gegenüber der Ansaugluft aufgrund eines mit der Verkürzung einer Ventilgröße eines Einlassventils verbundenen Drosselns. Daher ist es notwendig, die Größe der Bohrung auf den kleinstmöglichen Durchmesser innerhalb des Bereichs einzustellen, der diese zwei Begrenzungen berücksichtigt. Nachfolgend findet sich eine Beschreibung der Einstellung der Größe der Bohrung, welche diese zwei Begrenzungen berücksichtigt.

Begrenzung der Zuverlässigkeit (Geschwindigkeit des Kolbens):

Eine mittlere Geschwindigkeit des Kolbens Um (mm pro Sekunde) kann durch die Formel (1) wie folgt wiedergegeben werden:
Um = (N/30) · S
Hierbei ist N die durch U/min wiedergegebene Drehzahl des Motors und S der in Millimeter wiedergegebene Kolbenhub.
Man sagt, dass ein Grenzwert der mittleren Geschwindigkeit des Kolbens Um für gewöhnlich 20 m/s (Um = 2,0 · 10&sup4; mm pro Sekunde) beträgt.
Somit kann die obige Formel (1) den Kolbenhub durch Einsetzen von 2,0 · 10&sup4; mm/s für Um und die maximale Drehzahl des Motors für N geben.

Begrenzung durch Widerstand gegenüber Ansaugluft (Drosseln):

Es ist allgemein bekannt, dass der Widerstand gegenüber der Ansaugluft schnell zunimmt, wenn eine mittlere Ansaugluft-Machzahl Mim gleich Mim = 0,5 wird, wodurch der Füllungsgrad schnell abnimmt.
Die mittlere Ansaugluft-Machzahl Mim kann durch folgende Formel (2) wie folgt wiedergegeben werden:
wobei Vh das durch ccm wiedergegebene Volumen des einzelnen Raums;
ηV der in % wiedergegebene Füllungsgrad;
a die in cm pro Sekunde wiedergegebene Schallgeschwindigkeit;
Θ der in Grad Ca. ATDC wiedergegebene Kurbelwinkel;
Θ IC Zeit für das Schließen des Einlassventils;
Θ IO die Zeit für das Öffnen des Einlassventils;
N die in U/min wiedergegebene Drehzahl des Motors;
Fi die in cm² wiedergegebene Fläche der Öffnung des Einlassventils und
Fim(e) die in cm² wiedergegebene mittlere Fläche der Öffnung des Einlassventils ist.
Die mittlere Fläche der Öffnung des Einlassventils Fim(e) kann durch die Formel (3) wie folgt wiedergegeben werden:
Fim(e) = Fia(e)/(ΘIC - ΘIO)
Hierbei ist Fia(e) die wirksame Winkelfläche des Einlassventils.
Dann kann die wirksame Winkelfläche des Einlassventils Fia(e) durch die Formel (4) wie folgt wiedergegeben werden:
wobei Fi die Öffnungsfläche des Einlassventils ist.
Fig. 18 zeigt das Ergebnis der Berechnung zur wirksamen Winkelfläche des Einlassventils Fia(e) für den Verbrennungsmotor mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder, unter der Voraussetzung, dass das Ergebnis der Berechnung auf folgender Annahme beruht:
(a) die zwei Einlassventile haben die gleichen Ventilgrößen;
(b) die zwei Auslassventile haben die gleichen Ventilgrößen;
(c) ein Verhältnis einer Fläche des Einlassventils zu einer Fläche des Auslassventils an deren Halsbereichen beträgt 1,5 zu 1 und
(d) der Füllungsgrad (ηv) auf (.....) eingestellt wird.
Weiterhin sind die Bedingungen zur Berechung der wirksamen Winkelfläche der Öffnung des Einlassventils Fia(e) wie folgt:
(1) Die Entfernung zwischen dem Ventilsitz des ersten Einlassventils und dem Ventilsitz des zweiten Einlassventils beträgt 2,5 mm oder mehr;
(2) Die Entfernung zwischen dem Ventilsitz des Einlassventils und dem Ventilsitz des Auslassventils beträgt 3,5 mm oder mehr;
(3) Die Entfernung zwischen dem Ventilsitz des ersten Auslassventils und dem Ventilsitz des zweiten Auslassventils beträgt 4,0 mm oder mehr;
(4) Die Entfernung zwischen dem Ventilsitz des Einlassventils und einer Zündkerze beträgt 2,5 mm oder mehr;
(5) Die Entfernung zwischen dem Ventilsitz des Auslassventils und der Zündkerze beträgt 3,5 mm oder mehr;
(6) Der Ventilsitz kann mit einem Umfangsbereich der Bohrung des Zylinders in Berührung kommen;
(7) Der Winkel zwischen den Ventilen beträgt 30º;
(8) Der Brennraum ist ein Dachbrennraum;
(9) Der Durchmesser der Zündkerze beträgt 14 mm;
(10) Der Durchmesser eines Schafts beträgt 6 mm;
(11) Der Durchmesser des Halsbereichs ist gleich dem Durchmesser des Ventilsitzes minus 5 mm;
(12) Die Länge eines Ventilshubs beträgt 8,5 mm und
(13) Der Zeitpunkt des Schließens des Ventils beträgt 256 Grad CA.
Auf das Verhältnis zwischen der Größe der Bohrung und dem Volumen des einzelnen Raums, das die zwei vorstehend beschriebenen Begrenzungen berücksichtigt, wird in dem nachstehend beschriebenen Vorgehen eingegangen.
Vorgehen 1: Der Kolbenhub kann aus der obigen Formel (1) erhalten werden, wenn die Drehzahl des Motors bestimmt wird, die Um = 20 m/s (2,0 · 10&sup4; mm pro Sekunde) erreicht, d. h. der Grenzwert der mittleren Geschwindigkeit des Kolbens Um. Weiterhin kann das Volumen des einzelnen Raums für jede der Bohrungsgrößen anhand des vorgegebenen Kolbenhubs erhalten werden. Fig. 19 zeigt das Verhältnis der Größe der Bohrung zu dem Volumen des einzelnen Raums, das Um = 2,0 · 10&sup4; mm pro Sekunde erreicht; die Strichpunktlinien in Fig. 19 zeigen die Volumina des einzelnen Raums, die jeweils den Bohrungsgrößen bei Abänderung der Drehzahlen des Motors um jeweils 1.000 U/min in dem Bereich von 5.000 U/min bis 8.000 U/min. entsprechen.
Vorgehen 2: Die Volumina des einzelnen Raums, welche die mittlere Einlassluft-Machzahl Min = 0,5 bezüglich jeder Bohrungsgröße erreichen, werden aus den obigen Formeln (1) bis (4) und dem Ergebnis der Berechnung der wirksamen Winkelfläche des Einlassventils Fia(e) erhalten. Die durchgehenden Linien in Fig. 19 zeigen die in Vorgehen 2 vorgegebenen Volumina des einzelnen Raums pro 1.000 U/min der Drehzahl des Motors in dem Bereich von 5.000 U/min. bis 8.000 U/min.
Vorgehen 3: Es folgt eine Beschreibung des Verhältnisses zwischen der Drehzahl des Motors, welche die mittlere Geschwindigkeit des Kolbens Um = 20 mls (2,0 · 10&sup4; mm pro Sekunde) erreicht, was nachstehend als die "Drehzahl des Motors N&sub2;&sub0;" beschrieben wird, und der Drehzahl des Motors, welche die mittlere Einlassluft-Machzahl Mim = 5,0 erreicht, was nachstehend als die "Drehzahl des Motors N0,5" bezeichnet wird.
(1) Wenn die Drehzahl des Motors N0,5 größer als die Drehzahl des Motors N&sub2;&sub0; ist, wird die Größe der Bohrung so eingestellt, dass eine ausreichende Einlassluftmenge bis zu einer über dem vorstehend beschriebenen Zuverlässigkeitsgrenzwert liegenden Geschwindigkeit eindringen kann. Dies widerspricht somit dem ursprünglichen Zweck, dass die Größe der Bohrung kleiner gehalten werden sollte, damit die Motordrehzahl N0,5 gleich oder kleiner als die Motordrehzahl N&sub2;&sub0; sein sollte.
(2) Es kann festgestellt werden, dass die Drehzahl des Motors, welche die maximale PS-Zahl erzeugt, im Allgemeinen auf die um etwa 1.000 U/min unter dem Zuverlässigkeitsgrenzwert liegende Motordrehzahl eingestellt wird.
Es sollte jedoch festgestellt werden, dass, falls die Drehzahl des Motors größer als die Motordrehzahl N0,5 wird, eine Einlassluftmenge pro Zeiteinheit nicht zunimmt, so dass ein axialer Abtrieb des Motors nicht zunimmt oder bei der Motordrehzahl, die gleich oder höher als die Motordrehzahl N0,5 ist, stark verringert wird.
Aus dem Vorstehend lässt sich sagen, dass der Punkt, der den maximalen PS-Wert erzeugt, bei einer Motordrehzahl unter der Motordrehzahl N0,5 vorliegt.
Wenn die Differenz zwischen der Motordrehzahl N0,5 und der Zuverlässigkeitsgrenze beispielsweise 2.000 U/min. übersteigen würde (N&sub2;&sub0; - N0,5 > 2.000), nimmt die Pferdestärke in einem Bereich, da die Motordrehzahl um 2.000 U/min. oder mehr über der Motordrehzahl liegt, bei welcher der maximale PS-Wert erreicht wird, nicht zu bzw. wird verringert. Dieser Fall ist somit nicht so gut, damit die Motordrehzahl N0,5 und die Motordrehzahl N&sub2;&sub0; das Verhältnis erfüllen sollten, das N&sub2;&sub0; - N0,5 ≤ 2.000 U/min. erfüllt.
(3) Wenn die Eigenschaften des Motors in gleicher Weise wie bei herkömmlichen Motoren eingestellt werden sollen, ist bevorzugt, dass die Drehzahl des Motors, welche die maximale Pferdestärke erzeugt, auf über 6.000 U/min. eingestellt wird. Somit sollte die Motordrehzahl N0,5 auf über 6.000 U/min. eingestellt werden.
(4) Um das vorbestimmte Volumen in dem einzelnen Raum sicherzustellen und die Größe der Bohrung zu minimieren, ist es erforderlich, den Kolbenhub zu begrenzen; selbst bei Minimierung der Größe des Kolbens ist es nicht Erforderlich, den Kolbenhub so zu verkürzen, dass die Drehzahl des Motors begrenzt wird, so dass die Motordrehzahl des herkömmlichen Motors weit überschritten wird. Somit sollte die Motordrehzahl N&sub2;&sub0; auf 8.000 U/min. oder weniger eingestellt werden.
Alle in den Verfahren genannten und vorstehend beschriebenen Bedingungen werden in Fig. 19 beschrieben. Wie in Fig. 19 dargestellt, zeigt die schraffierte Fläche eine Fläche, in welcher der Motor mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder das Verhältnis der Bohrungsgröße zu den Volumina des einzelnen Raums erfüllt, was die zuvor erwähnten zwei Begrenzungen berücksichtigt. Somit wird aus Fig. 19 gefolgert, dass die Größe der Bohrung von etwa 51 mm bis 67 mm reicht und das Volumen des einzelnen Raums von etwa 150 ccm bis 340 ccm reicht.
Analog wurde eine Prüfung des Motors mit drei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder bei den gleichen vorstehend beschriebenen Vorgehen vorgenommen. Wie in Fig. 19 dargestellt, zeigt die schraffierte Fläche eine Fläche, die das Verhältnis der Bohrungsgrößen zu den Volumina des einzelnen Raums erfüllt, was die zwei vorstehend beschriebenen Grenzwerte erfüllt. Aus Fig. 19 ist ersichtlich, dass die Größe der Bohrung von etwa 45 mm bis 50 mm reicht und das Volumen des einzelnen Raums in dem Bereich von etwa 110 ccm bis 200 ccm liegt.
Gemäß den vorstehenden Ergebnissen reicht der Bereich, in dem die Größe der Bohrung minimiert werden kann, von etwa 45 mm bis 67 mm und der Bereich, in dem das vorbestimmte Volumen des einzelnen Raums sichergestellt werden kann, reicht von etwa 110 ccm bis 340 ccm.
Weiterhin sollte beachtet werden, dass ein Verhältnis des Kolbenhubs S zu der Bohrungsgröße des Zylinders B größer als 1 ist, d. h. S/B > 1. Der Motor weist mit anderen Worten einen langen Hub auf und die Größe der Bohrung wird kleiner gehalten, um in jedem der einzelnen Räume die gleichen Volumina sicherzustellen. Diese Anordnung kann eine Last an einem Lager einer Kurbelwelle minimieren.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen im Verlauf der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen unter Bezug auf die Begleitzeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Ausführung des erfindungsgemäßen fremdgezündeten Hubkolbenmotors.
Fig. 2 ist eine Schnittdraufsicht entlang der Linie II-II von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ansaugsystems und eines Abgassystems des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zeigt.
Fig. 5 ist ein Kennfeld zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal angeordneten Wechselventils.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Wirkung einer variablen Ventilsteuerzeit in einem Bereich 1 zeigt.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Wirkung der variablen Ventilsteuerzeit in einem Bereich II beschreibt.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Wirkung der variablen Ventilsteuerzeit in einem Bereich III beschreibt.
Fig. 9 ist ein Steuerkennfeld für die Abgasrückführung (EGR).
Fig. 10 ist ein Steuerkennfeld für die Durchführung der Steuerung des Wechselventils und der Steuerung der EGR.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen dem Verbrennungsmotor gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung und dem herkömmlichen Motor auf der Grundlage des S/B-Verhältnisses gegenüber dem Hubraum zeigt.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen dem Verbrennungsmotor gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung und dem herkömmlichen Motor auf der Grundlage der Bohrungsgröße des Zylinders gegenüber dem Hubraum zeigt.
Fig. 13 ist ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen dem Verbrennungsmotor gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung und dem herkömmlichen Motor auf der Grundlage der Anzahl der Zylinder gegenüber dem Hubraum zeigt.
Fig. 14 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Anzahl der Zylinder zwischen dem Verbrennungsmotor mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung und dem herkömmlichen Motor auf der Grundlage der Bohrungsgröße gegenüber dem Hubraum zeigt.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung, die einen Verbrennungsmotor mit einer Vorkammer gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Zeitpunkt für das Öffnen und Schließen eines Vorkammerventils des Verbrennungsmotors mit Vorkammer zeigt.
Fig. 17 ist eine Kurve, die das Verhältnis der Temperaturen zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen zeigt.
Fig. 18 ist eine Kurve, die das Verhältnis (das Ergebnis der Berechnung) zwischen den Bohrungsgrößen zur wirksamen Winkelfläche des Einlassventils Fia(e) zeigt.
Fig. 19 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen den Bohrungsgrößen und den Volumina des einzelnen Raums zeigt, welches für den erfindungsgemäßen fremdgezündeten Hubkolbenmotor geeignet ist.
Fig. 20 ist eine schematische Draufsicht, die den fremdgezündeten Hubkolbenmotor mit drei Einlassventilen und zwei Auslassventilen gemäß einer Ausführung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die Begleitzeichnungen nun eingehender beschrieben.

Aufbau des Motors

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, weist ein Aufbau 1 des Motors einen linken Blockabschnitt 2L und einen rechten Blockabschnitt 2R auf, die in einer V- förmigen Beziehung angeordnet sind. Drei Zylinder, die kollektiv mit 4 bezeichnet werden, sind in jedem der linken und rechten Blockabschnitte 2L und 2R ausgerichtet zu jedem der Blockabschnitte angeordnet. Der für die erfindungsgemäße Ausführung zu verwendende Verbrennungsmotor ist mit anderen Worten ein sogenannter 6-Zylinder V-Motor. In der folgenden Beschreibung sollen die nach Bedarf als Zusätze verwendeten Bezeichnungen "L" und "R" jeweils für "links" und "rechts" stehen.
Nun folgt eine eingehende Beschreibung des Aufbaus 1 des Motors. Der Aufbau 1 des Motors weist einen Zylinderblock 3 auf, und jeder der Zylinder 4 besitzt einen Dachbrennraum 8, der durch einen in einen Zylinderabschnitt 5 eingesetzten Kolben 8 und einen Zylinderkopf 7 ausgebildet und abgegrenzt ist. Wie spezifisch in Fig. 1 gezeigt wird, ist der Zylinderkopf 7 mit ersten und zweiten Ansaugkanälen 9 und 10 sowie ersten und zweiten Auslasskanälen 11 und 12 versehen, die jeweils eine Öffnung an dem Brennraum 8 besitzen. Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein erstes Einlassventil 13 an dem ersten Ansaugkanal 8 und ein zweites Einlassventil 14 an dem zweiten Ansaugkanal 10 angebracht und ein erstes Auslassventil 15 ist an dem ersten Auslasskanal 11 und ein zweites Auslassventil 16 ist an dem zweiten Auslasskanal 12 angebracht.
Der Aufbau 1 des in dieser erfindungsgemäßen Ausführung zu verwendenden Motors ist ein 4-Ventiler-Motor mit zwei Einlassventilen 13 und 14 und zwei Auslassventilen 15 und 16 pro Zylinder. Ein Ventilbetätigungssystem 17 zum operativen Öffnen und Schließen der Ventile 13-16 ist von der Art mit zwei sogenannten obenliegenden Nockenwellen (DOHC), die zwei in dem Zylinderkopf 7 aufgenommene Nockenwellen 18 und 19 aufweist. Die erste Nockenwelle 18 ist mit anderen Worten so ausgelegt, dass sie die Einlassventile 13 und 14 operativ öffnet und schließt, und die zweite Nockenwelle 19 ist so ausgelegt, dass sie die Auslassventile 15 und 16 operativ öffnet und schließt. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist jede der ersten und zweiten Nockenwellen 18 und 19 an ihrem Wellenende mit einem Nockenwellenrad 20 für das Einlassventil (wenngleich ein Nockenwellenrad für das Auslassventil in der Zeichnung nicht gezeigt ist) versehen. Das Nockenwellenrad 20 ist durch einen Steuerriemen 22 in einer auf dem Gebiet bekannten Weise einer Abtriebswelle (Kurbelwelle) 23 des Motors mechanisch zugeordnet, wodurch die Einlassventile 13, 14 und die Auslassventile 15, 16 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt synchron zur Drehung der Abtriebswelle 23 des Motors geöffnet und geschlossen werden.
An der ersten Nockenwelle 18 ist ein erster Ventilsteuerungs- Umstellmechanismus 24 (für die Einlassventile) zum Umstellen einer Phase der ersten Nockenwelle 18 für das Nockenwellenrad 20 für die Einlassventile angebracht, und die zweite Nockenwelle 19 ist mit einem zweiten Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus (für die Auslassventile) zum Umstellen einer Phase der zweiten Nockenwelle 19 für das Nockenwellenrad für die Auslassventile vorgesehen, wenngleich dieser in der Zeichnung nicht abgebildet ist. Der zweiten Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus für die Auslassventile hat den gleichen Aufbau wie der erste Ventilsteuerungs- Umstellmechanismus 24 für die Einlassventile, so dass auf eine Beschreibung der Einzelheiten des zweiten Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus bei der folgenden Beschreibung verzichtet wird. An jedem der Zylinderköpfe 7 ist eine Zündkerze 25 so angebracht, dass sie auf die Mitte des Brennraums 8 gerichtet bzw. dieser zugewandt ist.
Der Kolben 6 ist durch eine Pleuelstange 26 mit der Kurbelwelle 23 verbunden, und ein Raum 28 zur Aufbewahrung oder Lagerung von Motoröl ist durch eine Ölwanne 29 in einem Bereich unterhalb eines Kurbelgehäuses 27 zur Aufnahme der Kurbelwelle 23 ausgebildet. Die Bezugsziffer 30 bezeichnet in Fig. 2 ein Ölsieb.
Über jedem der linken und rechten Blockabschnitte 2L und 2R ist ein Federspeicher 34 angeordnet, der sich längs entlang der Kurbelwelle 23 erstreckt, und der Federspeicher 34 ist mit den Ansaugkanälen 9 und 10 für jeden Zylinder 4 durch ein gesondertes Einlassrohr 35 verbunden. Da ein stromaufwärts gelegenes Ende jedes der Ansaugkanäle 9 und 10 in den jeweiligen linken und rechten Blockabschnitten 2L und 2R so angeordnet ist, dass es einem zwischen den Blockabschnitten eingefügten mittleren Raum 31 zugewandt ist, ist das separate Einlassrohr 35 in solcher Form ausgebildet, dass es sich zuerst quer von dem Federspeicher 34 erstreckt und dann nach unten gebogen ist.
Nun folgt unter Bezug auf Fig. 3 eine eingehende Beschreibung eines Ansaugsystems 40 für den Aufbau 1 des Motors.
Das Ansaugsystem 40 umfasst ein normales Einlassrohr 41, den linken Federspeicher 34L, den rechten Federspeicher 34R und das gesonderte Einlassrohr 35, die in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite hin zur stromabwärtigen Seite angeordnet sind. An dem normalen Einlassrohr 41 sind ein Luftfilter 42, ein Luftmengenmesser 43 und eine Drosselklappe 44 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite hin zur stromabwärtigen Seite angeordnet. Das normale Einlassrohr 41 weist einen so angeordneten Bypass 45 auf, dass die Drosselklappe 44 umgangen wird.
Der Bypass 45 ist mit einem Leerlaufstabilisierungsventil 47 versehen, welches wiederum die Leerlaufdrehzahl in einer auf dem Gebiet bekannten Weise anpassen kann. Der linke Federspeicher 34L steht andererseits mit dem rechten Federspeicher 34R durch ein Verbindungsrohr 50 in Verbindung, welches wiederum zum Beispiel in seiner mittleren Position mit einem Ventil 51 zum variablen Steuern der Ansauglauft versehen ist, wodurch das Ventil 51 entsprechend der Drehzahl des Motors geöffnet und geschlossen wird und die dynamische Wirkung der Ansaugluft über einem breiten Bereich in einer auf dem Gebiet bekannten Weise erzielt wird.
Das gesonderte Einlassrohr 35 ist mit einer Trennwand 35a versehen, um so dessen Innenraum teilweise in linke und rechte Abschnitte zu unterteilen, d. h. in ein erstes gesondertes Einlassrohr 52 und ein zweites gesondertes Einlassrohr 53. Das erste gesonderte Einlassrohr 52 ist mit dem ersten Ansaugkanal 9 verbunden, und das zweite gesonderte Einlassrohr 53 ist mit dem zweiten Ansaugkanal 10 verbunden. Das zweite gesonderte Einlassrohr 53 ist so angeordnet, dass es mit einem an seinem stromaufwärts gelegenen Ende angebrachten Wechselventil 54 geöffnet oder geschlossen wird. Jedes der in dem linken Blockabschnitt 2L angeordneten Wechselventile 54L ist mit einer normalen Welle 55L für den linken Blockabschnitt 2L verbunden, und jedes der in dem rechten Blockabschnitt 2R angeordneten Wechselventile 54R ist mit einer normalen Welle 55R für den rechten Blockabschnitt 2R verbunden. An einem Wellenende jeder der normalen Wellen 55L und 55R ist ein (nicht abgebildeter) Stellantrieb angebracht.
Ein Kraftstoffzufuhrsystem des Aufbaus 1 des Motors umfasst ein elektronisches Einspritzventil 57, welches wiederum in dem gesonderten Einlassrohr 35 so angebracht ist, dass es dem ersten Ansaugkanal 9 und dem zweiten Ansaugkanal 10 zugewandt ist. In Fig. 3 bezeichnet die Bezugsziffer 58 einen Hilfsluftkanal und die Bezugsziffer 59 ein Rückschlagventil.
Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst eine Abgasanlage 60 des Motors einen linken Abgaskrümmer 61L für den linken Blockabschnitt 2L, einen rechten Abgaskrümmer 61R für den rechten Blockabschnitt 2R und ein normales Abgasrohr 62, welche in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite hin zu der stromabwärtigen Seite angeordnet sind. Das normale Abgasrohr 62 ist in seiner mittleren Position mit einem Katalysator 63 zum Reinigen der Abgase und an seinem stromabwärts gelegenen Ende mit einem (nicht abgebildeten) Schalldämpfer in einer auf dem Gebiet bekannten Weise versehen.
Der Aufbau 1 des Motors weist eine erste äußere EGR-Leitung 65 und eine zweite äußere EGR-Leitung 66 auf, und ein Querschnittdurchmesser der ersten äußeren EGR-Leitung 65 ist kleiner als der der zweiten äußeren EGR- Leitung 66. Die erste äußere EGR-Leitung 65 ist so ausgelegt, dass sie in einem Bereich niedriger Last eingesetzt werden kann, während die zweite äußere EGR-Leitung 66 so ausgelegt ist, dass sie in einem Bereich hoher Last eingesetzt werden kann, was nachfolgend beschrieben wird.
Die erste äußere EGR-Leitung 65 ist an ihrem einen Ende mit dem Abgaskrümmer 61L oder 61R und an ihrem anderen Ende mit dem ersten Ansaugkanal 9 verbunden. An der ersten äußeren EGR-Leitung 65 ist ein erstes EGR-Ventil 67 an ihrer einen Endseite und ein Sammelraum 68 an ihrer anderen Endseite angebracht. Der Sammelraum 68 ist mit dem normalen Einlassrohr 41 mittels ein Bypassluftrohr 69 verbunden, an welchem wiederum ein Bypassumleitventil 70 angebracht ist. Ein Ende der zweiten äußeren EGR- Leitung 66 ist andererseits mit dem normalen Abgasrohr 62 an der Seite stromabwärts des Katalysators verbunden, und deren anderes Ende ist mit dem normalen Einlassrohr 41 an der Seite stromabwärts der Drosselklappe 44 verbunden. Die zweite äußere EGR-Leitung 66 ist von der einen Endseite zu der anderen Endseite mit einer Kohlenstoff-Falle 71, einem Abgaskühler 72 und einem zweiten EGR-Ventil 73 versehen.

Spezifikation des Motors:

Eine Spezifikation des Motors ist wie folgt:
(1) Art des Motors: 6-Zylinder-V-Motor, 4-Ventiler-Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen
(2) Winkel zwischen dem linken Blockabschnitt und dem rechten Blockabschnitt: 90º
(3) Hubraum: 1.496 ccm
(4) Größe der Bohrung des Zylinders: 63 mm Durchmesser
(5) Kolbenhub: 80 mm
(6) Verdichtungsverhältnis (E): E = 12 (wenngleich E = 11 auch annehmbar ist)
(7) Winkel zwischen den Einlassventil und dem Auslassventil: 30º
(8) Kraftstoff: Normalbenzin (Oktanzahl = 91)
Der fremdgezündete Hubkolbenmotor nach der erfindungsgemäßen Ausführung weist mit anderen Worten einen Zylinderabschnitt 5 mit einer kleinen Bohrungsgröße und einem langen Hub auf, wobei der Kolbenhub bezüglich der Bohrungsgröße größer ist. Weiterhin weist der Motor ein hohes Verdichtungsverhältnis auf.
Der Motor weist, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Steuereinheit U auf, und die Steuereinheit U besteht beispielsweise aus einem Mikrocomputer. In die Steuereinheit U werden Signale von dem Luftmengenmesser 43 zur Feststellung einer Ansaugluftmenge, von einem Sensor 80 zur Feststellung eines Öffnungswinkels der Drosselklappe 44 und von einem Sensor 81 zur Feststellung der Motordrehzahl eingegeben. Die Steuereinheit U erzeugt andererseits Steuersignale für das Wechselventil 54, das elektronische Einspritzventil 57, das erste EGR-Ventil 67, das zweite EGR-Ventil 73 und den ersten Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus 24 für die Einlassventile.

Steuerung des Wechselventils 54:

Das Wechselventil 54 ist so angeordnet, dass es in einem niedrigen Drehzahlbereich geschlossen ist, in dem die Motordrehzahl unter beispielsweise 3.000 U/min liegt, und in einem hohen Drehzahlbereich geöffnet wird, in dem die Motordrehzahl beispielsweise über 3.000 U/min. liegt. In einem derart niedrigen Drehzahlbereich, in dem die Menge der Ansaugluft einerseits kleiner ist, wird der Einlass durch Öffnen des ersten gesonderten Einlassrohrs 52 nur durchgeführt, während das zweite gesonderte Einlassrohr 53 geschlossen wird. In dem hohen Drehzahlbereich, in dem die Ansaugluftmenge größer wird, wird der Einlass andererseits durchgeführt, indem die ersten und zweiten gesonderten Einlassrohre 52 und 53 geöffnet werden.

Ventilzeitsteuerunp:

Die Ventilzeitsteuerung für die Bereiche I, II und III wird unter Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Kennfeld beschrieben.
Bereich I: Der Bereich I ist ein Bereich, in dem die Last des Motors und die Drehzahl des Motors niedrig sind. Wie in Fig. 6 gezeigt bezeichnet das Bezugssymbol "AV" das Auslassventil und das Bezugssymbol "EV" das Einlassventil (dies findet auf Fig. 7 und 8 Anwendung).
In diesem Bereich wird der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Auslassventile 15 und 16 auf 60 Grad (Kurbelwinkel) vor dem unteren Totpunkt (BBDC) eingestellt, während der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 10 Grad (Kurbelwinkel) nach dem oberen Totpunkt (ATDC) eingestellt wird; der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Einlassventile 13 und 14 wird dagegen auf 20 Grad (Kurbelwinkel) nach dem oberen Totpunkt (ATDC) eingestellt, während der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 80 Grad (Kurbelwinkel) nach dem unteren Totpunkt (ABDC) eingestellt wird.

Bereich II: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last des Motors unterhalb von zwei Dritteln der Last liegt.

In dem Bereich II wird, wie in Fig. 7 gezeigt, der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Auslassventile 15 und 16 auf 40 Grad (Kurbelwinkel) vor dem unteren Totpunkt (BBDC) eingestellt und der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 40 Grad (Kurbelwinkel) nach dem oberen Totpunkt (ATDC) eingestellt. Der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Einlassventile 13 und 14 wird dagegen auf 20 Grad (Kurbelwinkel) nach dem oberen Totpunkt (ATDC) eingestellt und der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 80 Grad (Kurbelwinkel) nach dem unteren Totpunkt (ABDC) eingestellt.

Bereich III:

Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last des Motors über zwei Dritteln der Last liegt.
In dem Bereich III wird, wie in Fig. 8 gezeigt, der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Auslassventile 15 und 16 auf 70 Grad (Kurbelwinkel) vor dem unteren Totpunkt (BBDC) eingestellt und der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 10 Grad (Kurbelwinkel) nach dem oberen Totpunkt (ATDC) eingestellt. Der Ventilzeitpunkt für das Öffnen der Einlassventile 13 und 14 wird dagegen auf 10 Grad (Kurbelwinkel) vor dem oberen Totpunkt (BTDC) eingestellt und der Ventilzeitpunkt für ihr Schließen auf 50 Grad (Kurbelwinkel) nach dem unteren Totpunkt (ABDC) eingestellt.
Zusammengefasst werden die Einlassventile 13 und 14 so eingestellt, dass ihr Schließen in derart teilweise belasteten Bereichen verzögert werden. Im Einzelnen werden die Einlassventile 13 und 14 in dem Bereich I geöffnet, nachdem die Auslassventile 15 und 16 geschlossen wurden; alternativ wird ein Überschneiden eines offenen Zustands des Einlassventils mit einem offenen Zustand des Auslassventils kleiner als in dem Bereich II und III eingestellt. In dem Bereich II ist ein Überschneiden des Bereichs des Kurbelwinkels, bei dem die Auslassventile 15 und 16 offen sind, mit dem Bereich des Kurbelwinkels, bei dem die Einlassventile 13 und 14 offen sind, größer als ein Überschneiden des offenen Zustands des Einlassventils mit dem offenen Zustand des Auslassventils in dem Bereich III. In dem Bereich III ist ein Überschneiden des Kurbelwinkels, bei dem die Auslassventile 15 und 16 offen sind, mit dem Kurbelwinkel (....) als in dem Bereich I und kleiner als in dem Bereich II.
Die vorstehende Beschreibung kann wie folgt zusammengefasst werden:
(1) Bereich I (mit niedriger Last des Motors und niedriger Drehzahl des Motors): Überschneidung liegt bei Null oder weniger und das Schließen der Einlassventile ist verzögert.
(2) Bereich II (mit Last des Motors kleiner als zwei Drittel der Gesamtlast): Überschneidung liegt bei Null und das Schließen der Einlassventile ist verzögert.
(3) Bereich III (mit Last des Motors größer als zwei Drittel der Gesamtlast): Überschneidung ist gleich und das Schließen der Einlassventile entspricht dem von herkömmlichen Ventilen.

Steuerung der EGR:

Die Steuerung der Abgasrückführung (EGR) wird anhand des in Fig. 9 gezeigten Kennfelds durch Steuern des ersten EGR-Ventils 67 und des zweiten EGR-Ventils 73 in einer nachfolgend beschriebenen Weise in drei Bereichen durchgeführt, d. h. Bereich I, IV und V.
Bereich I: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last des Motors niedrig und die Drehzahl des Motors niedrig ist, wie vorstehend beschrieben.
In diesem Bereich sind sowohl das erste als auch das zweite EGR-Ventil 67 bzw. 73 geschlossen.
Bereich IV: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last des Motors kleiner als zwei Drittel der Gesamtmenge der Last ist.
In dem Bereich IV wird eine EGR-Rate durch das erste EGR-Ventil 67 angepasst, während das zweite EGR-Ventil 73 geschlossen ist. Abgase werden mit anderen Worten rückgeführt, indem die erste äußere EGR-Leitung 65 ausgenützt wird.
Bereich V: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last des Motors über dem ganzen Bereich von dem Bereich größer als zwei Drittel der Gesamtlast bis zu der Gesamtmenge der Last liegt.
In dem Bereich V wird eine EGR-Rate durch das zweite EGR-Ventil 73 angepasst, während das erste EGR-Ventil 67 geschlossen ist. Die Abgase werden mit anderen Worten mit Hilfe der zweiten äußeren EGR-Leitung 72 mit dem Abgaskühler 72 rückgeführt. In diesem Bereich ist ferner die EGR-Rate so ausgelegt, dass sie konstant ist bzw. zunimmt, wenn die Last größer wird.
Es ist zu beachten, dass Fig. 10 durch Kombination von Fig. 5, die die Steuerung des Ventilzeitpunkts zeigt, mit Fig. 9, die die Steuerung der EGR anzeigt, erstellt wurde. In Fig. 10 ist der Bereich in vier Bereiche I, VI, VII und VIII unterteilt. Es folgt eine eingehende Beschreibung der Bereiche I, VI und VIII, in denen sich Probleme bezüglich der Verbrennungsstabilität, der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bzw. Klopfen ergeben. Der Motor wird in diesen Bereichen in einer nachstehend beschriebenen Weise gesteuert.
Bereich I: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last äußerst niedrig, d. h. die Last niedrig und die Drehzahl des Motors niedrig ist, wie vorstehend beschrieben. In dem Bereich I besteht die Neigung zu instabiler Verbrennung.
In diesem Bereich wird eine äußere EGR über die äußeren EGR-Leitungen unterdrückt und es besteht kein Überschneiden bzw. ein kleineres Überschneiden zwischen dem Kurbelwinkel, bei dem die Auslassventile 15 und 16 offen sind, und dem Kurbelwinkel, bei dem die Einlassventile 13 und 14 offen sind. Daher ist die Abgasmenge, die in dem Brennraum 8 verbleiben, so gering, dass eine Verbrennungsstabilität sichergestellt werden kann. Weiterhin wird, da der Winkel, bei dem die Drosselklappe 44 offen ist, in dem Bereich I klein ist, das Schließen der Einlassventile 13 und 14 verzögert, so dass ein Pumpverlust verringert werden kann.
Bereich IV: Dieser Bereich ist ein Bereich, in dem die Last gering ist bzw. die Last des Motors kleiner als zwei Drittel der Gesamtmenge der Last ist.
In dem Bereich IV ist die Verbrennung relativ stabil, so dass ein Überschneiden des Kurbelwinkels, bei dem die Auslassventile 15 und 16 offen sind, mit dem Kurbelwinkel, bei dem die Einlassventile 13 und 14 offen sind, größer gestellt wird. Somit wird eine innere EGR zusätzlich zur Abgasrückführung von der ersten äußeren EGR-Leitung 65 durchgeführt. In dem Bereich VI wird mit anderen Worten, da das Überschneiden des Bereichs, in dem die Auslassventile 15 und 16 offen sind, mit dem Bereich, in dem die Einlassventile 13 und 14 offen sind, groß wird, die innere EGR dadurch durchgeführt, dass eine große Gasmenge in dem Brennraum 8 zurückgehalten wird. Die in dem Brennraum 8 für die innere EGR zurückgehaltenen Abgase weisen eine hohe Temperatur auf. Ferner sind die durch die erste äußere EGR-Leitung zurückzuführenden Abgase von relativ hoher Temperatur, da die von dem Motor zurückgezogenen Abgase dem Motor durch die erste äußere EGR-Leitung 65 zurückgeführt werden, deren stromaufwärts gelegenes Ende mit dem Abgaskrümmer 61 in Verbindung steht, bevor diese abkühlen können.
Ferner wird das Schließen der Einlassventile 13 und 14 verzögert, so dass die Verzögerung bei deren Schließen in Verbindung mit der Rückführung von Abgasen höherer Temperaturen einen Pumpverlust in dem Bereich VI verringern kann.
Bereich VIII: Dieser Bereich enthält den ganzen Bereich der Motorlast, der über zwei Drittel dessen Lastgesamtmenge liegt.
Das Überschneiden des Bereichs der Kurbelwinkel, bei denen die Auslassventile 15 und 16 offen sind, mit dem Bereich der Kurbelwinkel, bei denen die Einlassventile 13 und 14 offen sind, ist in dem Bereich VIII so herkömmlich und der Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile ist so herkömmlich, dass in dem Brennraum auf geeignete Weise Luft eingefüllt werden kann. Ferner können in dem Bereich VIII die Abgase mit der zweiten äußeren EGR-Leitung 66 mit dem Abgaskühler 72 abgekühlt und dann rückgeführt werden, d. h. es wird eine sogenannte kalte EGR durchgeführt, wodurch ein Steigen der Temperatur in dem Zylinder unterdrückt wird.
In dem Bereich VIII kann die Temperatur in dem Zylinder in einer vorstehend beschriebenen Weise mittels Spülung gesenkt werden, was das Schließen der Einlassventile 13 und 14 und die kalte EGR verzögert, so dass das Auftreten eines Klopfens unterdrückt und die Nox-Menge in den Abgasen in dem Bereich VIII gesenkt werden kann.
Es ist zu beachten, dass Fig. 11 bis 13 jeweils einen Vergleich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Motors und herkömmlicher Motoren zeigen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Motor einen längeren Hub als herkömmliche Motoren hat; aus Fig. 12 zeigt sich, dass die Größe der Bohrung bezüglich des Hubraums klein ist, und ferner zeigt sich aus Fig. 13, dass die Anzahl der Zylinder bezüglich des Hubraums groß ist.
Somit kann der erfindungsgemäße Motor mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrads und der Kraftstoffwirtschaftlichkeit verwirklichen und dabei ein Klopfen durch eine kleinere Auslegung der Bohrung und eine höhere Auslegung des Verdichtungsverhältnisses unterbinden. Der Motor gemäß (...) weiterhin eine auf den Lagereinheiten ausgeübte Last verringern, wodurch ein mechanischer Verlust verringert wird. Zudem kann der erfindungsgemäße Motor mit mehreren Zylindern einen Verbrennungsmotor mit geringerer Vibration bilden.
Weiterhin ist festzustellen, dass der erfindungsgemäße Motor eine Vielzahl von Verbrennungsmotoren mit einer Anzahl von Zylindern, die mit der Änderung der Konfiguration jedes der Zylinder angeändert ist, zur Hand geben kann. Fig. 14 zeigt einen Vergleich der Motoren mit vier, sechs und acht Zylinder bei herkömmlichen Motoren.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor kann die Temperatur im Zylinder durch Einspritzen von Wasser in den Brennraum 8 in dem Bereich hoher Last gesenkt werden, um das Auftreten von Klopfen in dem Bereich hoher Last weiter zu verhindern. Je niedriger die Temperatur in dem Zylinder ist, um so vollständiger kann ein Klopfen verhindert werden, d. h. um so schwieriger ist es, ein Klopfen zu veranlassen, und um so höher kann das Verdichtungsverhältnis gehalten werden.
Weiterhin kann eine Vorkammer 90 in dem Aufbau 1 des Motors als Mittel zur Verhinderung eines Auftretens von Klopfen angeordnet werden, wie in Fig. 15 gezeigt. In Fig. 15 sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 gezeigt versehen, und weitere Zeichnungen und eine Beschreibung dieser Elemente unterbleiben in der folgenden Erläuterung.

Motor mit Vorkammer (Fig. 15):

Die in dem Aufbau 1 des Motors angeordnete Vorkammer 90 ist mit einem Vorkammerkanal 90a mit einer Öffnung in den Brennraum 8 versehen, und ein Vorkammerventil 91 ist an dem Vorkammerkanal 90a angebracht. In dem Bereich hoher Last (in Fig. 9 durch den Bereich V angezeigt) ist der Vorkammerkanal 90a so angeordnet, dass er mit dem Vorkammerventil 91 geöffnet oder geschlossen wird. In dem Bereich niedriger Last (in Fig. 9 durch die Bereiche I und IV angezeigt) ist der Vorkammerkanal 90a so angeordnet, dass er mit dem Vorkammerventil 91 geschlossen wird.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel der Zeitsteuerung des Öffnens und Schließens des Vorkammerkanals 90a mit dem Vorkammerventil 91 in dem Bereich hoher Last.
Wie aus Fig. 16 hervorgeht, ist der Zeitpunkt des Schließens des Vorkammerkanals 90a mit dem Vorkammerventil 91 der gleiche wie der Zeitpunkt der Zündung, d. h. 160 Grad nach dem unteren Totpunkt (ABDC), und der Vorkammerkanal 90a wird bei etwa 70 Grad vor dieser Schließzeit geöffnet, wodurch die Mischluft in der Vorkammer 90 durch die Mischluft in dem Brennraum 8 ersetzt werden kann.
Weiterhin kann festgestellt werden, dass der Zeitpunkt der Öffnung des Vorkammerventils 91 vorzugsweise in dem Vorgang des Verdichtungshub liegen kann, insbesondere in der mittleren Phase, und der Zeitpunkt des Schließens kann vorzugsweise im Wesentlichen gleich oder etwas früher als der Zeitpunkt des Zündens stattfinden, auch wenn der Zeitpunkt des Schließens des Vorkammerventils 91 in die Anfangsphase des Explosionshubs gelegt werden kann. Weiterhin kann das Volumen der Vorkammer 90 von etwa 20% bis 50% des Volumens des Brennraums am oberen Totpunkt eingestellt werden, und die Fläche des Vorkammerventils 91 kann von etwa 30% der Fläche des Einlassventils eingestellt werden.
Die vorstehend beschriebene Anordnung für den Motor ermöglicht es, einen Teil des Mischkraftstoffs in dem Brennraum in der Vorkammer 90 zu einzuschließen, wobei das Vorkammerventil 91 so angeordnet ist, dass es während des Verdichtungshubs geöffnet oder geschlossen wird, und der Teil des Mischkraftstoffs wird dann in der Vorkammer 90 abgekühlt und dann während des folgenden Verdichtungshubs mit einem Teil des Mischkraftstoffs in dem Brennraum 8 ersetzt, wodurch die Temperatur in dem Zylinder in dem Bereich der hohen Last auf ein niedrigeres Niveau als bei herkömmlichen Motoren ohne Ausstattung mit Vorkammer gesenkt wird und ein Klopfen unterbunden wird.
Ein Verbrennungsmotor ist so ausgelegt, dass er eine Druckerhöhung (ein Maß des Druckanstiegs in dem Zylinder ΔP), die der Verbrennung des zu seinem Brennraum zugeführten Kraftstoffs zugeordnet wird, in mechanische Arbeit umsetzt. Somit kann der Verbrennungsmotor besser arbeiten, wenn das Anstiegsmaß des Motors bessere Arbeit leistet, wenn das Anstiegsmaß des Drucks in dem Zylinder ΔP größer wird. Bei Verbrennung bei einem konstanten Volumen kann das Anstiegsmaß des Drucks in dem Zylinder iSP durch die Formel (1) wie folgt wiedergegeben werden:
ΔP = (ER/V) · (Q/Cv) (1)
wobei E das Verdichtungsverhältnis,
R die Gaskonstante,
Q die Wärmekapazität des Kraftstoffs,
V das Volumen des Brennraums und
Cv die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen ist.
Es folgt eine Prüfung einer Auswirkung der Temperaturänderungen auf das Maß des Anstiegs des Drucks in dem Zylinder ΔP. Eine Differentiation der obigen Formel (1) ergibt die folgende Formel (2):
d(ΔP)/dT = -(ER/V) · (Q/Cv²) · (dCv/dT) (2)
Es kann hier festgestellt werden, dass die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen Cv größer wird, wenn die Temperatur höher gehalten wird, wie in Fig. 17 gezeigt. Somit ist der Ausdruck (dCv/dT) der rechten Seite der obigen Formel (2) größer als 0 (Null), so dass die rechte Seite der obigen Formel (2) einen negativen Wert ergibt.
Somit ergibt der Ausdruck d(ΔP)/dT der linken Seite der obigen Formel (2) einen negativen Wert; mit anderen Worten: je höher die Temperatur in dem Zylinder, desto kleiner ist das Maß des Druckanstiegs in dem Zylinder ΔP. Dies bedeutet, dass das Maß des Druckanstiegs im Zylinder ΔP um so größer wird und der Motor um so besser arbeiten kann, je niedriger die Temperatur in dem Zylinder ist.
Die Tatsache, dass der Motor besser arbeiten kann, wenn die Temperatur in dem Zylinder niedriger wird, kann auch aus anderer Sicht beschrieben werden.
Die Wärmekapazität Q des Kraftstoffs kann wie folgt durch die Formel (3) wiedergegeben werden:
Q = Cv · G · ΔT (3)
wobei Cv die spezifische Wärme bei konstantem Volumen,
G die Masse des in den Brennraum geladenen Mischkraftstoffs und
ΔT das Maß des mit der Verbrennung verbundenen Temperaturanstiegs ist (das Maß des Temperaturanstiegs in dem Zylinder).
Die obige Formel (3) kann wie folgt in die Formel (4) umgewandelt werden:
ΔT = Q/(Cv · G) (4)
Wie aus der obigen Formel (4) verständlich wird, wird das Maß des Temperaturanstiegs ΔT höher, wenn die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen Cv kleiner wird, vorausgesetzt, dass die Wärmekapazität des Kraftstoffs Q und die Masse des in den Brennraum geladenen Mischkraftstoffs konstant eingestellt sind.
Es kann festgestellt werden, dass die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen Cv größer wird, wenn die Temperatur T höher wird, wie in Fig. 17 gezeigt. Mit anderen Worten: je niedriger die Temperatur in dem Zylinder T, desto geringer ist die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen Cv; je niedriger die Temperatur in dem Zylinder T, um so höher ist also das Maß des Temperaturanstiegs in dem Zylinder ΔT, der der Verbrennung zugeordnet ist.
Da der Druck in dem Zylinder bei einem größeren Drucksanstiegsmaß in dem Zylinder ΔP zum Steigen gebracht wird, wenn das Temperaturanstiegsmaß in dem Zylinder ΔT höher wird, wird das Druckanstiegsmaß in dem Zylinder ΔP größer, wenn die Temperatur in dem Zylinder T niedriger ist. Mit anderen Worten: würde die gleiche Menge an Wärmekapazität durch die gleiche Menge an geladenem Kraftstoff erzeugt, kann festgestellt werden, dass, wenn die Temperatur in dem Zylinder T niedriger wird, das Druckanstiegsmaß in dem Zylinder ΔP höher wird, wodurch ein besseres Arbeiten und ein besserer Wärmewirkungsgrad erzeugt wird.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersicht ist, ermöglicht das Vorsehen der Vorkammer 90 in dem Aufbau 1 des Motors ein Unterbinden eines Klopfens in dem Bereich hoher Last sowie eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrads in dem Bereich hoher Last.
Wenn der mit der Verdichtung des Mischkraftstoffs in dem Brennraum verbundene Temperaturanstieg maximal ausgenützt werden soll, wird der Zeitpunkt des Schließens des Vorkammerventils 91 auf den oberen Totpunkt der Verdichtung gesetzt. Wenn alternativ der mit der Verbrennung verbundene Druckanstieg maximal ausgenutzt werden soll, wird der Zeitpunkt des Schließens des Vorkammerventils 91 so spät wie möglich gesetzt. Es kann hier festgestellt werden, dass der Kurbelwinkel, bei dem der mit der Verbrennung verbundene Druck den Maximalwert erreicht, im Allgemeinen bei etwa 30 Grad nach dem oberen Totpunkt der Verdichtung (ATDC) liegt.
Es ist allgemein bekannt, dass die Ist-Zustände der Verbrennung taktabhängig stark schwanken. Wenn das Vorkammerventil 91 offen gehalten würde, bis eine Abweichung der Drücke in dem Zylinder groß wird, ist es unerwünscht, dass der Druck, die Dichte und die Temperatur des in der Vorkammer 90 eingeschlossenen Mischkraftstoffs in jedem der Takte schwanken können. Wenn somit das Vorkammerventil 91 unmittelbar vor dem Eintreten der Abweichung des mit der Verbrennung verbundenen Druckanstiegs geschlossen würde, kann die Auswirkung der Abweichung bei der Verbrennung unterbunden werden und die Wirkung der Abkühlung des Mischkraftstoffs kann verbessert werden. Andererseits kann das Vorkammerventil 91 zu einem Zeitpunkt nahe dem Zündzeitpunkt geschlossen werden, wie in dieser (...) bei dem mit der Verbrennung verbundenen Druck.

Variante des Motors mit Vorkammer:

Das Auftreten eines Klopfens ist unwahrscheinlich, wenn die Last des Motors leichter wird (in dem Bereich leichter Last). Wenn jedoch der Wärmewirkungsgrad in dem Bereich leichter Last durch Senken der Temperatur in dem Zylinder verbessert werden soll, kann der Ventilzeitpunkt des Öffnens und des Schließens des Vorkammerventils 91 mit Hilfe des Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus in solcher Weise bequem geändert werden, dass der Ventilzeitpunkt des Öffnens und Schließens des Vorkammerventils 91 so eingestellt ist, dass er dem Ventilzeitpunkt des Schließens der Einlassventile 13 und 14 gemäß der Last nahe kommt, wenn die Last kleiner wird. Diese Anordnung kann den mit der Einleitung des Mischkraftstoffs in die Vorkammer 90 verbundenen Druckverlust auf ein Minimum senken und kann den Wärmewirkungsgrad aufgrund einer Temperaturverringerung in dem Zylinder verbessern.
Als Mittel zum zwangsweisen Senken der Temperatur des Mischkraftstoffs in der Vorkammer 90 kann ein beweglicher Kolben in der Vorkammer 90 angebracht werden, welcher so angeordnet ist, dass er in der Vorkammer 90 synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 33 verdrängt, wodurch bewirkt wird, dass der Mischkraftstoff in die Vorkammer 90 fließt. Alternativ kann der bewegliche Kolben mit einer Feder so vorgespannt sein, dass er zwangsläufig bewirkt, dass das wesentliche Volumen der Vorkammer 90 kleiner wird, wenn das Vorkammerventil 91 geöffnet ist, wodurch bewirkt wird, dass der Mischkraftstoff durch den Vorkammerkanal 90a fließt bzw. sich durch diesen bewegt.

Anderes Mittel zur Verhinderung eines Klopfens (magere Verbrennung):

Bei einem mager brennenden Motor, bei dem das Kraftstoff-/Luftgemisch magerer als das stöchiometrische Verhältnis ist, wird ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmekapazität durch einen Luftüberschuß absorbiert, wodurch die Temperatur in dem Zylinder T gesenkt wird. Je magerer das Luft-/Kraftstoffgemisch, desto größer ist die Überschussmenge an Luft. Dies senkt die Temperatur in dem Zylinder T, wodurch das Auftreten eines Klopfens unwahrscheinlich wird und der Wärmewirkungsgrad verbessert wird. Weiterhin verringert die Senkung der Temperatur in dem Zylinder sogar die Wärmeübertragung auf die Wandfläche des Brennraums und kann den Abkühlverlust verringern. Somit kann das magere Luft-/Kraftstoffverhältnis den Abkühlverlust verringern und kann dadurch den Wärmewirkungsgrad verbessern.
Wenn beispielsweise das Luft-/Kraftstoffverhältnis extrem mager mit L/K = 30 eingestellt würde, können die Entzündbarkeit und die Verbrennbarkeit dadurch sichergestellt werden, dass der Ansaugkanal 9 in einem Wirbelkanal oder in einem Taumelkanal ausgeführt wird oder dass das Verdichtungsverhältnis gemäß dem mageren Maß des Luft-/Kraftstoffverhältnisses größer gehalten wird oder dass an mehreren Punkten gezündet wird.
Zwar kann der Bereich, in dem der Motor bei einem mageren Luft- Kraftstoffverhältnis läuft, so eingestellt werden, dass der gesamte Bereich abgedeckt wird, in dem der Motor läuft, doch wird der Motor bei einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis angetrieben, zum Beispiel in dem konstanten Laufbereich, insbesondere in dem mittleren Drehzahl- und mittleren Lastbereich. In einem anderen Bereich als dem Bereich, da der Motor mit einem derart mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis läuft, kann er zum Beispiel bei dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben werden. Der Motor läuft im einzelnen bei dem mageren Luft-/kraftstoffverhältnis in den Bereichen VI und VII von Fig. 10, auch wenn der Motor in diesen Bereichen betrieben werden kann, in Anbetracht dessen, dass die Drehzahl des Motors auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist, z. B. 4.000 U/min. oder weniger. In den Bereichen 1 und VIII läuft der Motor bei dem stöchiometrischen Luft- /Kraftstoffverhältnis.
Fig. 20 zeigt ein Beispiel eines Motors mit drei Einlassventilen und zwei Auslassventilen; die Bezugsziffer 101 steht für einen Brennraum; die Bezugsziffern 102, 103 und 104 für Ansaugkanäle; die Bezugsziffern 105, 106 und 107 für Einlassventile; die Bezugsziffern 108 und 109 für Auslasskanäle; die Bezugsziffern 110 und 111 für Auslassventile und die Bezugsziffer 112 für eine Zündkerze.
Wie vorstehend beschrieben kann der erfindungsgemäße fremdgezündete Hubkolbenmotor die Größe der Bohrung bezüglich des Volumen des einen Raums kleiner machen, wodurch ein Klopfen unterdrückt wird und das Verdichtungsverhältnis größer als bei herkömmlichen Motoren eingestellt wird. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Motor einen längeren Hub auf, so dass er eine an dem Lagerabschnitt der Kurbelwelle auszuübende Last verringern kann.

Claims

1. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor mit einer Zündkerze, die so angeordnet ist, daß sie einen Brennraum gegenüberliegt, welcher durch einen in einen Zylinder eingesetzten Kolben in der Weise definiert und abgegrenzt wird, daß er sich hin- und hergehend bewegt, welcher umfaßt:

einen voreingestellten ersten Bereich, in dem die Drehzahl des Motors gering und die Last des Motors niedriger ist und einen voreingestellten zweiten Bereich, in dem die Last des Motors höher ist als im ersten Bereich, und

Mittel zur Verzögerung des Zeitpunktes des Schließens des Ansaugventils, wenn der Betriebszustand des Motors im ersten Bereich befindlich ist, im Vergleich zum Betrieb im zweiten Bereich, um ein tatsächliches Verdichtungsverhältnis zu reduzieren, wenn der Betriebszustand sich im ersten Bereich befindet;

worin das Überschneiden des offenen Zustandes des Ansaugventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils dann kleiner eingestellt wird, wenn der Betriebszustand des Motors im ersten Bereich befindlich ist, als wenn der Betriebszustand des Motors im zweiten Bereich befindlich ist bzw. null ist.

2. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1, worin die Größe der Bohrung relativ gering ist.

3. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 2, worin die Größe der Bohrung 70 mm oder weniger beträgt.

4. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin als Mittel zur Reduzierung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses einen Ventilsteuerung-Umstellmechanismus zur Veränderung des Zeitpunktes des Schließens des Einlaßventils aufweist.

5. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 4, worin das Mittel zur Reduzierung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses des weiteren das Überschneiden eines offenen Zustands des Einlaßventils mit einem offenen Zustand des Auslaßventils entsprechend dem Betriebszustand des Motors ändert.

6. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 5, worin

in einem ersten Betriebsbereich, in dem die Drehzahl des Motors und eine Last des Motors gering sind, das Einlaßventil geöffnet wird, nachdem das Auslaßventil geschlossen wurde, oder ein Überschneiden des offenen Zustands des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Ausgangsventils kleiner eingestellt wird als in einem zweiten Betriebsbereich und anschließend in einem dritten Betriebsbereich;

in dem zweiten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors gering ist, außer in dem ersten Betriebsbereich, der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils verzögert und das Überschneiden des offenen Zustands des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Ausgangsventils größer eingestellt wird als im ersten Betriebsbereich; und

in dem dritten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors hoch ist, der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils früher eingestellt wird als der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils im ersten Betriebsbereich und im zweiten Betriebsbereich, und das Überschneiden des offenen Zustandes des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils größer ist als im ersten Betriebsbereich und kleiner als im zweiten Betriebsbereich.

7. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 5, worin das Einlaßventil zum gleichen Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem das Auslaßventil geschlossen wird oder die Öffnung des Einlaßventils erfolgt, nachdem das Auslaßventil geschlossen wurde.

8. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 6, welcher des weiteren aufweist:

ein erstes EGR-Mittel für die Rückführung von Auspuffgasen mit höherer Temperatur zum Brennraum, und

ein zweites EGR-Mittel für die Rückführung von Auspuffgasen mit einer geringeren Temperatur zum Brennraum,

worin die Auspuffgase zu dem Zeitpunkt, zu dem die Last des Motors geringer ist, lediglich vom ersten EGR-Mittel zurückgeführt werden, und

worin die Auspuffgase zu dem Zeitpunkt, zu dem die Last des Motors höher ist, nur durch das zweite EGR-Mittel zurückgeführt werden.

9. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 8, worin die Rückführung von Auspuffgasen durch das erste EGR-Mittel und das zweite EGR-Mittel im ersten Betriebsbereich unterdrückt wird.

10. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 3, welcher des weiteren aufweist:

11. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 10, wobei die Rückführung von Auspuffgasen durch das erste EGR-Mittel und das zweite EGR-Mittel zu dem Zeitpunkt unterdrückt wird, zu dem die Last des Motors gering und die Drehzahl des Motors niedrig ist.

12. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 3, welcher des weiteren aufweist:

einen Ventilsteuerungs-Umstellmechanismus zur Veränderung des Zeitpunkts des Öffnens und Schließens des Einlaßventils und zur Veränderung einer Überschneidung des offenen Zustandes des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils;

worin die Last des Motors in eine erste Last, bei der Last größer ist, und eine zweite Last, bei der die Last mittelgroß ist, und eine dritte Last, bei der die Last geringer ist, aufgeteilt wird und diese als Parameter für die Unterscheidung des Bereichs, in dem der Motor betrieben wird, herangezogen werden;

worin in einem ersten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors geringer ist als bei der ersten Last und in dem die Drehzahl des Motors gering ist, die Rückführung von Auspuffgasen durch das erste EGR-Mittel und das zweite EGR-Mittel unterdrückt wird, der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils verzögert und die Überschneidung des offenen Zustands des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils auf null oder kleiner gestellt wird;

worin in einem zweiten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors gleich oder geringer ist als die zweite Last und in dem die Drehzahl des Motors gering ist, die Auspuffgase anders als im ersten Betriebsbereich lediglich durch das erste EGR-Mittel zurückgeführt werden, der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils verzögert wird und das Überschneiden des offenen Zustandes des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils größer eingestellt wird;

worin in einem dritten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors zwischen der zweiten Last und der dritten Last liegt, die Auspuffgase lediglich durch das zweite EGR-Mittel zurückgeführt werden und der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils und das Überschneiden des offenen Zustandes des Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils das gleiche ist wie im zweiten Betriebsbereich und

worin in einem vierten Betriebsbereich, in dem die Last des Motors gleich oder größer ist als die dritte Last, die Auspuffgase lediglich durch das zweite EGR-Mittel zurückgeführt werden, der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils früher liegt als jeweils im ersten Betriebsbereich, im zweiten Betriebsbereich und im dritten Betriebsbereich und das Überschneiden des offenen Zustandes Einlaßventils mit dem offenen Zustand des Auslaßventils größer ist als im ersten Betriebsbereich und kleiner als jeweils im zweiten Betriebsbereich und im dritten Betriebsbereich.

13. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 3, der des weiteren eine Vorkammer aufweist, die über eine mit einem Vorkammerventil zu öffnenden und zu schließenden Vorkammer-Öffnung mit dem Brennraum in Verbindung steht; worin der Zeitpunkt der Öffnung des Vorkammerventils so eingestellt wird, daß es im Verlauf eines Verdichtungstaktes erfolgt und der Zeitpunkt des Schließens des Vorkammerventils vor dem Zündzeitpunkt liegt.

14. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 1 bis 3, worin der Motor zumindest in einem vorherbestimmten Betriebsbereich mit einem Kraftstoff/Luftverhältnis betrieben wird, das magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luftverhältnis.

15. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 15, worin der Motor in einem konstanten Betriebsbereich mit einem mit einem Kraftstoff/Luftverhältnis betrieben wird, das magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luftverhältnis.

16. Fremdgezündeter Hubkolbensaugmotor nach Anspruch 14, worin der Motor mindestens zu dem Zeitpunkt mit einem Kraftstoff/Luftverhältnis betrieben wird, das magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luftverhältnis, wenn die Last des Motors im mittleren Bereich liegt und die Drehzahl des Motors ebenfalls im mittleren Bereich liegt.