DE69202408T2

DE69202408T2 - Brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE69202408T2
Application number: DE69202408T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Hattori; Mitsuo Hitomi; Kenji Kashiyama; Shunji Masuda; Junsou Sasaki
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: DE69202408D1; KR930000806A; US5201907A; EP0520484A1; EP0520484B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Seit kurzem gibt es eine steigende Tendenz zur Ausrüstung von Verbrennungsmotoren mit einem Kraftstoffeinspritzventil für die Kraftstoffzufuhr, wobei das Kraftstoffeinspritzventil durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert wird, wie dies z.B. in der japanischen Patentveröffentlichung (kokoku) Nr. 2-36,772 beschrieben wird. Die Verbrennungsmotoren dieser Bauart bieten den Vorteil, daß ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis eines Kraftstoffgemischs weitgehend freizügig geregelt werden kann. Die vorerwähnte Veröffentlichung beschreibt einen Verbrennungsmotor, der so ausgelegt ist, daß er mit einem magereren Kraftstoff/Luft-Verhältnis als dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis betrieben wird, d.h. einen sogenannten Magermotor.
Es ist jedoch anzumerken, daß der Verbrennungsmotor bei einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis eines Kraftstoffgemischs, das magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft- Verhältnis, raschere Temperaturwechsel aufweist.
Der Verbrennungsmotor ist so aufgebaut, daß die mechanische Energie unter Ausnutzung eines Anstiegs des Zylinderdrucks erzeugt werden kann, der durch die Verbrennung eines in einen Brennraum des Motors eingebrachten Brennstoffs hervorgerufen wird. Daher kann ein höherer Anstieg des Drucks im Zylinder eine effizientere Arbeitsweise bewirken. Bei isochorer Verbrennung kann ein Verhältnis des Druckanstiegs im Zylinder durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden:
wobei gilt:
ΔP Druckanstiegsverhältnis im Zylinder &epsi; Verdichtungsverhältnis
R Gaskonstante
Q Wärmekapazität
V Brennraumvolumen
Cv isochore spezifische Wärme oder spezifische Wärme bei konstantem Volumen.
Die Temperaturänderung relativ zum Verhältnis des Druckanstiegs im Zylinder kann durch Differentiation der obigen Gleichung (1) angegeben und wie folgt durch die Gleichung (2) beschrieben werden:
Es ist bekannt, daß mit höherer Temperatur die isochore spezifische Wärme bei konstantem Volumen Cv zunimmt. Wird daher der Ausdruck dCv/dT auf der rechten Seite von Gleichung (2) kleiner Null (0), so wird die rechte Seite der Gleichung (2) negativ, so daß der Ausdruck d(ΔT)/dT auf der linken Seite ebenfalls negativ wird.
Mit anderen Worten, ein negativer Wert d(ΔT)/dT auf der linken Seite bedeutet, daß die höhere Temperatur T im Zylinder ein kleineres Verhältnis AP des Druckanstiegs bewirkt und so einen erhöhten Wirkungsgrad mit sich bringt.
Auf der anderen Seite ist festzuhalten, daß ein Zusammenhang zwischen dem Kraftstoff/Luft-Verhältnis eines Kraftstoffgemisches und dem Verhältnis des Temperaturanstiegs bei der Verbrennung des Kraftstoffs, d.h. der Temperatur T im Zylinder besteht, da bei einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das magerer wird als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis, d.h. wenn es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen sogenannten Magermotor handelt, ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärme durch einen Luftüberschuß absorbiert wird, was zu einer Verringerung der Temperatur T im Zylinder führt. Um so mehr daher das Kraftstoff/Luft-Verhältnis abgemagert wird, desto höher wird der Luftüberschuß und damit die Verringerung der Temperatur T im Zylinder.
Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, senkt der Magermotor - wenn das Kraftstoff/Luft-Verhältnis magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis - die Temperatur T innerhalb des Zylinders, wodurch das Druckanstiegsverhältnis ΔP innerhalb des Zylinders größer wird und eine bessere Wirkungsweise erzielt wird. Darüber hinaus wird mit zunehmend magererem Kraftstoff/Luft-Verhältnis die Wirkungsweise immer besser und der thermische Wirkungsgrad wird weiter erhöht.
Tatsächlich wird die Temperatur T im Zylinder so weit abgesenkt, daß die Wärmeübertragung an die Wandoberfläche des Brennraumes verringert wird, wodurch die Verluste durch die Kühlung verringert werden. Folglich kann der thermische Wirkungsgrad unter dem Gesichtspunkt der durch die Kühlung bedingten Verluste durch ein magereres Kraftstoff/Luft-Verhältnis verbessert werden.
Für den Magermotor wurde das Kraftstoff/Luft-Verhältnis daher so eingeschränkt, daß das Kraftstoff/Luft-Verhältnis eines Kraftstoffgemischs im niedrigen und mittleren Lastbereich ein festgelegtes mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis von z.B. A/F = 18 erreicht (die beiden Bereiche werden im folgenden allgemein als "niedriger Lastbereich" bezeichnet, im Gegensatz zum oberen Lastbereich, der nachstehend beschrieben wird. Im oberen Lastbereich ist es üblich, um eine der Last entsprechende Leistung sicherzustellen, das Mischungsverhältnis der Kraftstoffs nach und nach zu erhöhen, d.h. durch Einstellen eines nach und nach fetteren Kraftstoff/Luft-Verhältnisses. In gleicher Weise kann bei Motoren mit einem Lader verfahren werden.
Die Gründe für die fettere Einstellung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses beim Magermotor für Lasten im oberen Lastbereich sind wie folgt: zur Bereitstellung der Ausgangsleistung entsprechend der Last nur durch Erhöhung der Kraftstoffmenge, da aufgrund der begrenzten Durchsatzfähigkeit des Lufteintrittssystems keine ausreichende Leistungserhöhung im ausschließlich mageren Zustand bereitgestellt werden kann; und zur Verringerung der Temperatur im Zylinder durch ein fetteres Kraftstoff/Luft-Verhältnis.
Es ist jedoch anzumerken, daß eine fette Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses im oberen Lastbereich zu einer Reduzierung des thermischen Wirkungsgrades in diesem Bereich führt. Wenn der thermische Wirkungsgrad im oberen Lastbereich verringert werden würde, so könnten sich ungeachtet der Tatsache, daß der thermische Wirkungsgrad durch ein magereres Kraftstoff/Luft-Verhältnis im niedrigen Lastbereich erhöht wurde, geringere Verbesserungen für den insgesamten Wirkungsgrad des Motors ergeben.
Andererseits beschreiben die offengelegten japanischen Patentschriften (kokai) Nr. 54-116,512 und 54-980,408 einen Motor mit einem Zusatzraum, der eine Öffnung besitzt, die mit einem Brennraum in Verbindung steht, zusätzlich zu einem Brennraum- und einem Zusatzraumventil zum Öffnen und Schließen der Öffnung zum Zusatzraum. Dieser Motor ist so ausgeführt, daß durch öffnen des Zusatzraumventils zum Zeitpunkt des Schließens eines Einlaßventils eine intensive Verwirbelung im Brennraum bewirkt wird und das Kraftstoffgemisch im Zusatzraum genutzt wird, d.h. die Druckdifferenz zwischen dem Zusatzraum und dem Brennraum, insbesondere im niedrigen Lastbereich. Es ist jedoch anzumerken, daß dieser Motor nicht so ausgeführt ist, daß die Temperatur im Zylinder verringert wird.
Aus der DE-C 496 589 ist ein Verbrennungsmotor gemäß dem ersten Teil des Hauptanspruchs bekannt. Gemäß dieser Lehre ist das Zusatzraumventil während Zeitpunkten niedriger Last des Motors und ebenso zu Zeitpunkten hoher Last des Motors in Betrieb. Wenn das Zusatzraumventil während Zeitpunkten niedriger Last des Motors geöffnet und geschlossen wird, führt dies zu einer Verschlechterung der Kraftstoffausnutzung.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verbrennungsmotors, der so ausgeführt ist, daß die Verschlechterung der Kraftstoffökonomie vermieden wird.
Dieses Problem wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ist der Zusatzraum so ausgeführt, daß er nur zu Zeitpunkten hoher Last geöffnet und geschlossen wird, während er zu Zeitpunkten niedriger Last geschlossen bleibt.
Bei der oben beschriebenen Anordnung wird ein Kraftstoffgemisch, das entsprechend der Kompression erhitzt wurde, in den Zusatzraum geleitet und in dem Zusatzraum abgekühlt. Das im Zusatzraum abgekühlte Kraftstoffgemisch verdrängt oder ersetzt anschließend einen Teil des beim nächsten Verdichtungstaktes im Brennraum befindlichen Kraftstoffgemischs, was zu einer Abkühlung des Kraftstoffgemischs im Brennraum führt und die Temperatur im Zylinder verringert. Dabei ist anzumerken, daß mit steigender Temperatur des in den Zusatzraum eingeleiteten Kraftstoffgemischs die Kühlwirkung durch den Zusatzraum erhöht wird, wodurch die Temperatur im Zylinder weitgehend verringert und der thermische Wirkungsgrad gesteigert wird. Die Verringerung der Temperatur im Zylinder bietet den Vorteil höherer Klopffestigkeit und erlaubt Verbesserungen des thermischen Wirkungsgrads durch Realisierung höherer Verdichtungsverhältnisse.
Obgleich hierin bereits weiter oben beschrieben, wird die Tatsache, daß eine bessere Arbeitsweise erzielt werden kann, wenn die Temperatur im Zylinder erhöht wird, nochmals aus einem anderen Blickwinkel beschrieben.
Die Wärmekapazität Q eines Kraftstoffs kann durch die folgende Formel (3) ausgedrückt werden:
Q = Cv x G x ΔT
wobei
Cv die isochore spezifische Wärme ist;
G die Masse des in den Brennraum einzubringenden Kraftstoffgemischs ist;
ΔT das Verhältnis der Temperaturerhöhung aufgrund der Verbrennung (oder das Verhältnis des Temperaturanstiegs im Zylinder) ist.
Die Gleichung (3) kann in die Gleichung (4) umgeformt werden:
ΔT = (4)
Wie aus der Gleichung (4) hervorgeht, wird bei Konstanthaltung der Wärmekapazität Q und der Masse des Kraftstoffgemischs G das Verhältnis der Temperaturerhöhung ΔT größer, während die isochore spezifische Wärme Cv kleiner wird.
Es ist anzumerken, daß wie oben beschrieben die isochore spezifische Wärme Cv mit steigender Temperatur T entsprechend Fig. 1 anwächst. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur T im Zylinder niedriger ist, wird die isochore spezifische Wärme geringer. Daher wird mit niedrigerer Temperatur T im Zylinder das Verhältnis der Temperaturerhöhung ΔT im Zylinder aufgrund der Verbrennung größer.
Es ist weiter anzumerken, daß bei einem größeren Temperaturerhöhungsverhältnis AT im Zylinder der Druck im Zylinder entsprechend einem größeren Verhältnis zunimmt, d.h. ΔP wird größer. Da die Temperatur im Zylinder niedriger ist, wird das Verhältnis ΔP für die Druckerhöhung im Zylinder größer.
Mit anderen Worten, wenn die gleiche Menge Kraftstoff eingespritzt wird und die gleiche Wärmekapazität gegeben ist, wird das Verhältnis ΔP für die Druckerhöhung im Zylinder mit niedrigerer Temperatur T im Zylinder größer, wodurch eine bessere Wirkungsweise, d.h. ein höherer thermischer Wirkungsgrad erzielt wird.
Um den Vorteil der Temperaturerhöhung durch die Verdichtung des Kraftstoffgemisches maximal zu nutzen, wird der Zeitpunkt des Schließens des Zusatzraumventils so gewählt, daß dieser mit dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts zusammenfällt. Andererseits ist es für die maximale Nutzung der Druckerhöhung durch die Verbrennung vorzuziehen, den Schließzeitpunkt des Zusatzraumventils solange wie möglich zu verzögern (der Kurbelwinkel, bei dem der maximale Verbrennungsdruck auftritt, liegt etwa 30º nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts (ATDC für "after top dead center")).
Der tatsächliche Zustand der Verbrennung variiert sehr stark während der Zyklen, wie dies in Fig. 2 anhand eines Indikatordiagramms dargestellt ist. Wenn das Zusatzraumventil bis zu dem Zeitpunkt geöffnet bleibt, an dem der Druck im Zylinder stark variiert, können Druck, Dichte und Temperatur des Kraftstoffgemischs im Zusatzraum während der Zyklen ebenfalls stark variieren, was sich nachteilig auswirkt.
Für die Spezifikationen und die Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors wie in Fig. 2 liegt der Zeitpunkt, an dem der Druck im Brennraum variiert, ungefähr bei 20 nach dem Zündzeitpunkt. Wenn das Zusatzraumventil unmittelbar vor den variierenden Druckerhöhungen, die in Verbindung mit der Verbrennung auftreten, geschlossen wird, kann der Effekt der Kühlung des Kraftstoffgemischs durch die Unterdrückung des Einflusses der variierenden Verbrennung erhöht werden. In Fig. 2 sind die Spezifikationen und Betriebsbedingungen des Motors wie folgt: 1600 cm³, 4 Zylinder; 5000 U/min; Drosselklappe voll geöffnet; A/F = 13; Zündzeitpunkt = 20º vor oberem Totpunkt; &epsi; =10. Andererseits wird, wenn die Variation des Verbrennungsdruckes so begrenzt werden kann, daß sie keinen negativen Einfluß auf das Kraftstoffgemisch ausübt, das Zusatzraumventil in der Nähe des Zündzeitpunkts, d.h. gegen Ende des Verdichtungstaktes geschlossen.
Genauer gesagt, der Zeitpunkt des Öffnens des Zusatzraumventils kann in Zusammenhang mit dem Zeitpunkt des Schließens des Zusatzraumventils festgelegt werden. Wenn das Zusatzraumventil geöffnet ist, kann das Kraftstoffgemisch im Zusatzraumventil nicht sofort danach durch das Kraftstoffgemisch aus dem Brennraum ersetzt werden, sondern der Austausch benötigt eine gewisse Zeit. Wenn das Zusatzraumventil zu früh geöffnet werden würde, so würde der Verdichtungstakt unter Einbeziehung der Gesamtheit des Volumens des Brennraumes und des Volumens des Zusatzraumes ablaufen, wodurch der Verdichtungsverlust größer wird.
Folglich kann das Zusatzraumventil so spät wie möglich nach dem Beginn des Verdichtungstakts, d.h. nach dem Schließen des Einlaßventils, geöffnet werden, wobei zu diesem Zeitpunkt sichergestellt ist, daß die Zeit für den Austausch des Kraftstoffgemischs in dem Zusatzraum mit dem im Brennraum befindlichen zur Verfügung steht. Mit anderen Worten, der Zeitpunkt des Öffnens des Zusatzraumventils liegt im mittleren Bereich des Verdichtungstakts. Es ist anzumerken, daß der Zeitpunkt des Öffnens des Zusatzraumventils selbstverständlich letztendlich auf der Basis von Versuchen festgelegt werden kann.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der isochoren spezifischen Wärme und der Temperatur des Kraftstoffgemischs.
Fig. 2 ist ein typisches Indikatordiagramm für einen Verbrennungsmotor.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Motors gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels der Öffnungs- und Schließzeiten des Zusatzraumventils.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung einer beispielhaften herkömmlichen Steuerung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses des Motors.
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm eines Beispiels zur Steuerung der Betätigung des Zusatzraumventils.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Antriebsmechanismus für das Zusatzraumventil.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Zusatzraumventils.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften Zusatzraumventils.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher beschrieben.
Wie in Fig. 3 gezeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Verbrennungsmotor, wobei der Motor 1 einen Brennraum 4 besitzt, der durch einen Kolben 3 festgelegt und abgegrenzt ist, der verschieblich in eine Zylinderbohrung 2 eingesetzt ist, und bei dem eine Zündkerze 5 in den Brennraum 4 gerichtet ist.
Der Brennraum 4 ist mit Öffnungen für einen Einlaß 6 und einen Auslaß 7 versehen. Der Einlaß 6 verfügt über ein Einlaßventil 8 und der Auslaß 7 verfügt über ein Auslaßventil 9; das Einlaßventil 8 und das Auslaßventil 9 sind so ausgeführt, daß sie in Synchronisation mit der Abtriebswelle des Motors (in Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 31 versehen, in Fig. 3 nicht dargestellt) zu bestimmten Zeitpunkten öffnen oder schließen.
Ein Einlaßkanal 10 steht mit dem Einlaß 6 in Verbindung und ist mit einem Luftfilter 11, einem Luftdurchsatzfühler 12 zur Erfassung der angesaugten Luftmenge und einer Drosselklappe 13 in dieser Reihenfolge von der Zuströmseite zur Abströmseite hin ausgestattet. Darüber hinaus ist ein Kraftstoffeinspritzventil 14 am Einlaß 6 angeordnet. Der Motor 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau ist als Viertakt- Benzinmotor nach dem Otto-Prinzip bekannt.
Der Motor 1 ist mit einem Zusatzraum 20 ausgestattet, der später beschrieben wird, und der wiederum einen Zusatzraumeintritt 20a mit einer Öffnung zum Brennraum 4 besitzt, wobei der Zusatzraumeintritt 20a so ausgeführt ist, daß er durch ein Zusatzraumventil 21 am Zusatzraum 20 geöffnet oder geschlossen werden kann. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist das Zusatzraumventil 21 so ausgeführt, daß es von einer Abtriebswelle 31 des Motors über eine Nockenwelle 33 getrieben wird, die ausschließlich für die Verbindung mit der Abtriebswelle vorgesehen ist. Auf der Abtriebswelle 33 ist eine elektromagnetische Kupplung 32 montiert, wobei die Kupplung 32 ein Antriebselement 32A besitzt, das mit der Abtriebswelle 31 des Motors verbunden ist, und ein Abtriebselement 32B, das mit dem Antriebselement 32A gekuppelt oder von diesem entkuppelt werden kann. Andererseits ist die Nockenwelle 33 mit einem variierbaren zeitlichen Ventilsteuerungsmechanismus 34 vom hydraulischen Typ versehen, der mit einem ersten Element 34A und einem zweiten Element 34B ausgestattet ist; die beiden ersten und zweiten Elemente 34A und 34B sind spiralig miteinander verbunden, wobei das erste Element 34A an der Nockenwelle 33 befestigt ist. Das zweite Element 34B ist integral im ersten Element 34A drehbar und so ausgeführt, daß seine Position in Drehrichtung phasenverschoben gegenüber dem ersten Element 34A variabel ist.
Sowohl das angetriebene Element 32B als auch das zweite Element 34B besteht aus einer Zahnriemenscheibe, wobei ein Steuerriemen 35 um das angetriebene Element 32B und das zweite Element 34B gelegt ist und diese verbindet. Wenn die Kupplung 32 eingekuppelt ist, kann diese Anordnung die Drehbewegung der Abtriebswelle 31 des Motors über das Antriebselement 32A, das angetriebene Element 32B, den Steuerriemen 35, das zweite Element 34B und das erste Element 34A auf die Nockenwelle 33 übertragen, wodurch das Zusatzraumventil 21 zu festgelegten Zeitpunkten durch eine Nocke 33a auf der Nockenwelle 33 geöffnet oder geschlossen werden kann. Durch Änderung der Rotationsphase der ersten und zweiten Elemente 34A und 34B des variablen Ventilsteuermechanismus 34 kann die Steuerung des Öffnens und Schließens des Zusatzraumventils 21 verändert werden. Das Zusatzraumventil 21 kann beim Lösen der Kupplung 32 mit Hilfe einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) in seiner geschlossenen Position gehalten werden.
Es ist anzumerken, daß die Kupplung 32 nicht erforderlich ist, wenn das Zusatzraumventil 21 ständig geöffnet und geschlossen wird. Weiter ist, wenn die Steuerung für das Schließen und Öffnen des Zusatzraumventils 21 unverändert bleibt, der variable Ventilsteuermechanismus 34 nicht erforderlich. Anstelle des variablen Ventilsteuermechanismus 34 kann ein konventioneller Steuermechanismus vorgesehen werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 15 eine Steuereinheit, die aus einem Mikrocomputer mit CPU, ROM, RAM, CLOCK und dergl. besteht. In die Steuereinheit 15 werden Signale von den Sensoren 12, 16, 17, 41 und 42 eingespeist. Der Sensor 12 ist für die Erfassung der angesaugten Luftmenge vorgesehen; der Sensor 16 erfaßt einen Öffnungswinkel der Drosselklappe 13, d.h. eine Last (eine Lastanforderung an den Motor); der Sensor 17 erfaßt die Drehzahl des Motors; der Sensor 41 erfaßt die Rotationsposition des angetriebenen Elements 32B der Kupplung 32; und der Sensor 42 erfaßt die Rotationsposition des Antriebselements 32A der Kupplung 32. Die Steuereinheit 15 generiert Steuersignale für die Zündkerze 5, das Kraftstoffeinspritzventil 14, die Kupplung 32 und für den variablen Ventilsteuermechanismus 34.
Da die Ansteuerung der Zündkerze 5 von der Steuereinheit 15 in herkömmlicher Weise erfolgen kann, wird im folgenden die Beschreibung der Steuerung des Zündzeitpunktes weggelassen. Ebenso wird auch keine Beschreibung der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung gegeben, da die Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils 14 durch die Steuereinheit 15 im wesentlichen in gleicher Weise wie bei herkömmlichen Lösungen erfolgen kann.
Fig. 4 veranschaulicht die Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, d.h. die Steuerung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses des Kraftstoffgemischs. In Fig. 4 kennzeichnet die Linie A ein Magerpotential des Motors 1. Mit anderen Worten, die in den Brennraum 4 einzubringende Menge Kraftstoff wird mit steigender Last vergrößert, so daß die Magergrenze des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses mit steigender Last höher wird. Dies bedeutet, daß die höhere Last zu einem magereren Kraftstoff/Luft-Verhältnis führt. Folglich wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis so geregelt, daß ein gewünschtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis, bei dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis bis zum Magerpotential A abgemagert ist, in einem Bereich (niedriger Last) eingestellt wird, in dem die Menge der Ansaugluft erhöht werden kann.
Andererseits kennzeichnet die Linie B in Fig. 4 einen Bereich, in dem die Menge der Ansaugluft nicht entsprechend der Last erhöht werden kann, d.h. einen Bereich hoher Last, in dem die Kapazität des Ansaugsystems überschritten wird. In einem solchen Bereich hoher Last wird die abgegebene Leistung entsprechend der Last geregelt, indem die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend der Last erhöht wird. Dementsprechend wird in diesem Bereich hoher Last das gewünschte Kraftstoff/Luft-Verhältnis mit der Höhe der Last fetter. Der Zusammenhang zwischen dem angestrebten Kraftstoff/Luft-Verhältnis und der Last ist durch die Linie C in Fig. 4 gegeben.
Im oberen Lastbereich ist die Kupplung 32 eingekuppelt, so daß das Zusatzraumventil 21 die Einströmung 20a zum Zusatzraum freigeben kann; im niedrigen Lastbereich ist die Kupplung 32 ausgekuppelt, so daß das Zusatzraumventil 21 die Einströmung 20a zum Zusatzraum geschlossen beläßt.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Steuerung des Öffnens und Schließens des Zusatzraumventils 21 im oberen Lastbereich. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist das Zusatzraumventil 21 zum Steuerzeitpunkt ABCD gleich 160º geschlossen, was dem Zündzeitpunkt entspricht. Das Zusatzraumventil 21 wird ungefähr 70º vor dem Schließzeitpunkt geöffnet. Es ist weiter anzumerken, daß der Schließzeitpunkt des Einlaßventils 8 etwa 50º vor dem unteren Totpunkt liegt.
Mit der oben beschriebenen Anordnung wird ein Teil des Kraftstoffgemischs im Brennraum 4 vom Zusatzraumventil 21, das während des vorherigen Verdichtungstakts geöffnet und geschlossen wird, abgezweigt und im Zusatzraum 20 abgekühlt, und das im Zusatzraum 20 abgekühlte Kraftstoffgemisch wird während des nachfolgenden Verdichtungstakts durch einen Teil des Kraftstoffgemischs aus dem Brennraum 4 ersetzt. Damit wird es möglich, die Temperatur des Kraftstoffgemischs im Brennraum 4, d.h. die Temperatur im Zylinder, im oberen Lastbereich geringer zu halten als die Temperatur des Kraftstoffgemischs bei normalen Verbrennungsmotoren ohne Zusatzraum. Folglich kann diese Anordnung den thermischen Wirkungsgrad des Motors 1 im oberen Lastbereich erhöhen.
Die Verringerung der Temperatur im Zylinder im oberen Lastbereich ist von Vorteil, wenn etwas gegen das Klopfen unternommen werden soll, und läßt eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors 1 zu.
Nunmehr wird eine Beschreibung des Zusammenhangs zwischen magerer Verbrennung und hohem Verdichtungsverhältnis gegeben. Wenn das Verdichtungsverhältnis des Motors 1 höher wird, wird das Zylindervolumen bei jedem Kurbelwinkel kleiner als bei einem Motor mit einem geringeren Verdichtungsverhältnis. Folglich wird bei gleicher eingebrachter Kraftstoffmenge die Moleküldichte des Kraftstoffs im Brennraum 4 in den kleineren Zylindervolumina höher als in den größeren Zylindervolumina, wodurch Zündung und Verbrennung verbessert werden. Bei gleichem Kraftstoff/Luft-Verhältnis kann der thermische Wirkungsgrad durch Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses verbessert werden, wobei das Kraftstoff/Luft-Verhältnis weiter abgemagert werden kann.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann die vorliegende Erfindung des weiteren den thermischen Wirkungsgrad im oberen Lastbereich verbessern, da die Temperatur im Zylinder durch den Zusatzraum 20 auf ein niedrigeres Niveau heruntergekühlt werden kann. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung das Verdichtungsverhältnis des Motors erhöhen und damit den thermischen Wirkungsgrad im niedrigen Lastbereich weiter verbessern. Des weiteren kann die vorliegende Erfindung das Kraftstoff/Luft-Verhältnis magerer machen und so den thermischen Wirkungsgrad erhöhen.
Es ist anzumerken, daß das Volumen des Zusatzraums 20 ungefähr 30% bis 50% desjenigen des Brennraums am oberen Totpunkt betragen kann, und daß die Querschnittsfläche des Zusatzraumventils 21 ungefähr 20% bis 30% der Querschnittsfläche des Einlaßventils 8 betragen kann. Speziell z.B. für einen Vierzylindermotor mit einem Gesamthubraum von 1600 cm³ und einem Verdichtungsverhältnis von 10:1 kann das Volumen des Zusatzraumes 20 berechnet werden zu: 1600 x 1/4 x 1/10 X (0,2 - 0,5), und zu etwa 80 cm³ bis 200 cm³ gewählt werden. Weiter kann die Querschnittsfläche des Zusatzraumventils 21 wie folgt berechnet werden:
(27/2)² x π x (0,2 - 0,3)
und im Bereich von ungefähr 114 mm² bis 172 mm² gewählt werden, wenn der Durchmesser des Einlaßventils 8 auf 27 mm eingestellt wird.
Nunmehr wird anhand von Fig. 7 eine Beschreibung eines Beispiels der Steuerung des Wechsels zwischen den Betriebs zuständen des Zusatzraumventils 21 in Zusammenhang mit der Motorlast gegeben.
Zunächst werden in Schritt Q1 Daten erfaßt, und es wird in Schritt Q2 festgestellt, ob eine Phase hoher Last vorliegt, und ob daher das Zusatzraumventil 21 geöffnet oder geschlossen werden soll. Wenn in Schritt Q2 festgestellt wird, daß eine Phase hoher Last vorliegt, dann wird in Schritt Q3 weiter festgestellt, ob die Kupplung 32 eingekuppelt oder ausgekuppelt ist. Wenn das Resultat der Entscheidung in Schritt Q3 ist, daß die Kupplung 32 eingekuppelt ist, kehrt der Programmablauf zurück, da bereits der Zustand eingestellt ist, bei dem das Zusatzraumventil 21 für das Öffnen und Schließen bereit ist.
Andererseits wird, wenn in Schritt Q3 festgestellt wird, daß die Kupplung 32 nicht eingekuppelt ist, beim Fortschreiten nach Schritt Q4 durch Vergleich der Ausgänge der Sensoren 41 und 42 bestimmt, ob die Rotationsposition der Motorabtriebswelle 31 mit der Rotationsposition der Nockenwelle 33 entsprechend einer festgelegten zeitlichen Abfolge synchronisiert ist, nach der das Zusatzraumventil 21 in der in Fig. 5 dargestellten Weise geöffnet oder geschlossen werden kann. Wenn das Ergebnis der Entscheidung in Schritt Q4 ergibt, daß die Rotationsposition der Motorabtriebswelle 31 noch nicht die Positionierung für ein festgelegtes Synchronisierungsverhältnis mit der Rotationsposition der Nokkenwelle 33 erreicht hat, wird gewartet, bis die Synchronisierung erreicht ist, und nach Erreichen der festgelegten Synchronisierung wird die Kupplung 32 in Schritt Q5 eingekuppelt, um den Betrieb mit öffnendem und schließendem Zusatzraumventil 21 zu starten.
Wenn in Schritt Q2 festgestellt wird, daß keine hohe Last vorliegt, wechselt der Programmablauf nach Schritt Q6, in dem festgestellt wird, ob die Kupplung 32 ausgekuppelt ist. Wenn in Schritt Q6 festgestellt wird, daß die Kupplung 32 ausgekuppelt ist, kehrt der Programmablauf zurück, da bereits der Zustand vorliegt, bei dem das Zusatzraumventil 21 im geschlossenen Zustand gehalten wird.
Andererseits wechselt der Programmablauf, wenn das Ergebnis der Entscheidung in Schritt Q6 anzeigt, daß nicht ausgekuppelt ist, nach Schritt Q7, wo auf Basis der Ausgänge der Sensoren 41 und 42 festgestellt wird, ob das Zusatzraumventil 21 geschlossen ist. Wenn in Schritt Q7 festgestellt wird, daß das Zusatzraumventil 21 noch nicht geschlossen ist, wird gewartet, bis das Ergebnis des Vergleichs in Schritt Q7 anzeigt, daß das Zusatzraumventil 21 geschlossen ist. Wenn in Schritt Q7 festgestellt wird, daß das Zusatzraumventil 21 geschlossen ist, wechselt der Programmablauf nach Schritt Q8, in dem die Kupplung 32 ausgekuppelt wird, wonach der Programmablauf zurückkehrt. Es ist anzumerken, daß, obwohl das Zusatzraumventil 21 mittels einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) in den geschlossenen Zustand zurückgebracht werden kann, die Maßnahmen in Schritt Q7 das Schließen des Zusatzraumventils 21 sicherstellen.
Nunmehr wird unter Bezug auf Fig. 9 und 10 eine Beschreibung von Beispielen der Konfiguration des Zusatzraums 20 gegeben.
In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen 23 einen Zylinderblock und das Bezugszeichen 24 einen Zylinderkopf. Der Zusatzraum 20 ist innerhalb des Zylinderkopfs 24 angeordnet und steht mit dem Brennraum 4 über eine vergleichsweise kurze Zusatzraumzuströmung 20a in Verbindung, die eine Öffnung zum Brennraum 4 besitzt. Durch Festlegung der Richtung, in der die Zusatzraumzuströmung 20a zum Brennraum 4 geführt wird, wird das Kraftstoffgemisch, das dem Brennraum 4 aus dem Zusatzraum 20 über die Zusatzraumzuströmung 20a zugeführt wird, in seitlicher Richtung verwirbelt oder senkrecht durchmischt.
Weiter ist, wie in Fig. 10 gezeigt, der Zusatzraum 20 in einem äußeren Gehäuse 26 untergebracht, das mit der Seitenfläche des Zylinderkopfs 24 verschraubt ist. Das äußere Gehäuse 26 ist mit einem in Längsrichtung lang erstreckten und im Querschnitt kleinen Verbindungsrohr 26a versehen, wobei eine im Verbindungsrohr 26a vorgesehene Überströmung 20b mit einer Zusatzraumzuströmung 20a im Zylinderkopf 24 in Verbindung steht. Die Zusatzraumzuströmung 20a ist weiter mit dem Zusatzraum 20 verbunden. Das Verbindungsrohr 26a ist am Außenumfang mit Kühlkanälen 27, 28 versehen. Der Kühlkanal 27 ist im Zylinderkopf 24 geführt und der Kühlkanal 28 ist im äußeren Gehäuse 26 geführt, so daß er mit dem Kühlkanal 27 in Verbindung steht. In dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel kann das Kraftstoffgemisch wirkungsvoller gekühlt werden und die Temperatur im Zylinder kann durch die Verwendung der Kühlkanäle 27, 28 herabgesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Verwirbelung oder Durchmischung der Ansaugluft in wirksamer Weise durch den relativ langen Verbindungskanal 26b bewirkt werden.
1. Bei der herkömmlichen Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses - wie in Fig. 6 gezeigt, wo das gewünschte Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf ein festgelegtes mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis im niedrigen Lastbereich eingestellt ist, und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis so gesteuert wird, daß es entsprechend der Last im oberen Lastbereich angereichert wird, kann die Temperatur im Zylinder zusätzlich durch Nutzung des Zusatzraumes 20 auch im Bereich des unteren Lastbereichs verringert werden (durch Öffnen und Schließen des Zusatzraumventils 21).
2. In den vorgenannten Beispielen kann das gewünschte Kraftstoff/Luft-Verhältnis im unteren Lastbereich schrittweise entsprechend den Grenzen des Magerbetriebs eingestellt werden.
3. Die vorliegende Erfindung kann auf einen Verbrennungsmotor mit Aufladung, wie unter Bezugszeichen 51 in der Fig. 3 angedeutet, angewandt werden. Bei einem Motor mit Lader kann die Temperatur innerhalb des Zylinders durch den Zusatzraum 20 im oberen Lastbereich, in dem der Lader die Grenze der Ladefähigkeit überschreitet, verringert werden. Diese Variante bildet eine wirksame Maßnahme gegen das Klopfen eines Verbrennungsmotors bei einem extrem hohen Wert für den Ladedruck.
4. Die vorliegende Erfindung kann in gleicher Weise für einen Dieselmotor eingesetzt werden. Diese Anwendung bringt Vorteile in Hinblick auf die Reduzierung des NOx- Anteils in den Abgasen mit sich. Beim Dieselmotor kann der Zeitpunkt für das Schließen des Zusatzraumventils 21 in etwa zusammenfallend mit dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung entsprechend dem Zündzeitpunkt eingestellt werden.

Claims

1. Verbrennungsmotor, umfassend ein Einlaßventil (8) zum Öf fnen und Schließen eines Brennraumes (4) des Verbrennungsmotors (1) gegen die Atmosphäre; einen Zusatzraum (20) mit einer Öffnung, die mit dem Brennraum (4) in Verbindung steht; und ein Zusatzraumventil (21) zum Öffnen und Schließen der Öffnung des Zusatzraumes (20) gegen den Brennraum (4), so daß ein Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt des Zusatzraumventils (21) so eingestellt ist, daß das Zusatzraumventil (21) in der Mitte eines Verdichtungstaktes geöffnet wird, nachdem das Einlaßventil (8) geschlossen wurde, und nachdem das Zusatzraumventil (21) am Ende des Verdichtungstaktes oder am Beginn des Explosionstaktes geschlossen wurde, dadurch gekennzeichnet, daß

das Zusatzraumventil (21) nur zum Zeitpunkt einer hohen Last geöffnet oder geschlossen werden kann, und zum Zeitpunkt einer niedrigen Last geschlossen werden kann.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Motor ein Viertakt-Ottomotor ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Motor ein Dieselmotor ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Motor ein Saugmotor ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Motor ein Motor des Typs ist, wo die Ansaugluft geladen wird.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem das Zusatzraumventil (21) über eine Motorausgangsachse geöffnet oder geschlossen wird.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, bei dem das Zusatzraumventil (21) mit Hilfe der Motorausgangsachse über eine Nockenwelle geöffnet oder geschlossen wird.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, bei dem eine Kupplung in einem Kraftübertragungsweg zwischen der Motorausgangsachse und der Nockenwelle angeordnet ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, bei dem die Kupplung in Abhängigkeit von dem Laufzustand des Motors einoder ausgerückt wird.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Zusatzraum (20) in einem Zylinderkopf des Motors (1) ausgebildet ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Zusatzraum (20) durch ein äußeres Gehäuse ragt, das an einem Zylinderkopf des Motors (1) angebracht ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, bei dem:

der in dem äußeren Gehäuse ausgebildete Zusatzraum (20) über einen in dem Zylinderkopf ausgebildeten Verbindungskanal mit dem Brennraum in Verbindung steht; und

das Zusatzraumventil (21) eine Öffnung des mit dem Brennraum (4) in Verbindung stehenden Verbindungskanals öffnen oder schließen kann.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem ein Schließzeitpunkt des Zusatzraumventils (21) am Ende eines Verdichtungstaktes liegt.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem:

der Motor (1) ein Viertakt-Ottomotor ist; und

ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis eines dem Brennraum (4) zuzuführenden Kraftstoffgemisches so eingestellt ist, daß es magerer ist als ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis zum Zeitpunkt einer niedrigen Last, und bei dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis so eingestellt ist, daß es entsprechend einer Lastzunahme zum Zeitpunkt einer hohen Last fetter ist.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des dem Brennraum (4) zuzuführenden Kraftstoffgemisches magerer ist als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis zum Zeitpunkt einer hohen Last, wenn die Last höher wird als ein vorbestimmter Lastwert.

16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem das Zusatzraumventil (21) nur zum Zeitpunkt einer hohen Last geöffnet oder geschlossen wird, wenn der Druck der Ansaugluft ungefähr dem Atmosphärendruck entspricht oder höher ist als dieser, und das Zusatzraumventil im geschlossenen Zustand gehalten wird, wenn der Druck der Ansaugluft außerhalb dieses Druckes liegt.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem die Einrichtung für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Motor ein Kraftstoffeinspritzventil (14) ist.

18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis entsprechend einer Laständerung kontinuierlich verändert werden kann.

19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis zum Zeitpunkt einer niedrigen Last so eingestellt ist, daß es mit zunehmender Last allmählich magerer wird, und zum Zeitpunkt einer hohen Last so, daß es mit zunehmender Last allmählich fetter wird.

20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, bei dem der Schließzeitpunkt des Zusatzraumventils (21) am Ende eines Verdichtungstaktes liegt.

21. Verbrennungsmotor nach Anspruch 20, bei dem der Schließzeitpunkt des Zusatzraumventils (21) so eingestellt ist, daß er ungefähr mit einem Zündzeitpunkt übereinstimmt.