JP2003148180A - 内燃機関と内燃機関制御方法 - Google Patents
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Abstract
自己着火動作と外部点火動作を実現することができる内
燃機関を提供すること。 【解決手段】 吸気弁およびの排気弁のバルブタイミン
グを調節するための手段と、イグニション装置および直
接噴射装置とをシリンダごとに備えており、第1運転領
域(HCCI)ではガソリンで自己着火によって運転可
能であるとともに第2運転領域(SI)では外部点火に
よって運転可能である内燃機関。少なくとも1つの吸気
弁がリフト量切換装置によって第1および第2リフト量
の間で切換可能であり、少なくとも1つの排気弁は残留
ガス再循環機構によって吸気行程中に操作可能である。
Description
吸気弁および少なくとも1つの排気弁のバルブタイミン
グを調節するための手段と、シリンダごとに少なくとも
1つのイグニション装置および少なくとも1つの直接噴
射装置とを備えており、第1運転領域ではガソリンで自
己着火によって運転可能であるとともに第2運転領域で
は外部点火によって運転可能である内燃機関、ならび
に、このような内燃機関を運転させる方法に関する。
空気・混合気の燃焼は、濃度分布や温度分布が均一なの
でNOxや煤のきわめて低い排出値が実現されるという
利点がある。この方法は英語圏では「HCCI方式」
(Homogenous Charge Compre
ssion Ignition、均一吸気圧縮着火)と
呼ばれている。つまりHCCI方式ではNox排気ガス
の含有量がわずかである結果、多数の着火地点で燃焼が
始まるので、比較的低い燃焼温度で燃焼が進行すること
になる。ガソリンは自己着火する傾向が非常に弱く、沸
点の範囲が約30°から190°の間と低いので、HC
CI方式にとってはディーゼル燃料に比べて大きな利点
がある。この場合、ディーゼルエンジンの場合と同じよ
うに、圧縮比を約15から17の値まで上げることがで
きる。ただし発火の正確な時期は、実効平均作動圧が低
いときにしか、所望の形で上死点の直前に固定すること
ができないので、HCCI方式で実現可能な実効平均作
動圧は部分負荷領域に制限されるという欠点があること
が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
よりも下側では内燃機関を均一に自己着火し、限界値よ
りも上側では外部点火によってガソリンで作動する内燃
機関を運転させる方法も知られている(例えば、特許文
献1参照。)。この方法は、HCCI方式の利点を欠点
なしに生かすことができる。
域と部分負荷領域をカバーすることが意図されており、
それに対して外部点火によるエンジン運転は、高い部分
負荷および全負荷のときに適用される。内燃機関のダイ
ナミックな動作では、移行段階でトルクを出すときに重
大な損失を払うことなく、エンジン動作中に両方の運転
方式を切り換えることが不可欠である。
により運転し、上側の部分負荷領域、全負荷領域、ある
いは下側の部分負荷領域では均一に外部点火により運転
する内燃機関が公知である(例えば、特許文献2参
照。)。外部点火による運転から自己着火による運転へ
の切換領域では、確実な自己着火を保証するために、再
循環させられる排気ガスの量が増やされる。逆に自己着
火による運転から外部点火による運転へ切り換えるとき
は、ノッキング現象を防ぐために、再循環させられる排
気ガスの量が適時に減らされる。
とができるリフト量切換装置も公知であり、その際ゼロ
リフト量も可能である(例えば、特許文献3参照。)。
気油圧式の弁リフト量装置を備える、カム操作されるバ
ルブ制御システムを記載している。弁リフト量をほぼフ
レキシブルに構成することが可能である(例えば、特許
文献4参照。)。
ド制御を備える4サイクル内燃機関が公知である(例え
ば、特許文献5参照。)。この内燃機関では、カム操作
される主吸気弁は、吸気カムと弁棒の間の伝達路にある
切換部材によって遮蔽することができる。副吸気弁の弁
リフト量は、操作装置によりエンジン負荷に依存して変
えることができる。
作部材をそれぞれ有するグローブ弁の可変なバルブ動作
が記載されている(例えば、特許文献6参照。)。この
操作部材により、カムによって設定される機械的な往復
運動に加えて、油圧式の追加的な往復運動を生成するこ
とができる。これに類する特別なバルブ動作は、カムシ
ャフトの位置に関わりなく油圧による往復運動を生成す
るのに適しており、つまり、残留ガスを再循環させる目
的のために吸気段階の間に排気弁を操作するのにも適し
ている(例えば、特許文献7参照。)。
他著「均一吸気圧縮着火ガソリンエンジンの実験的研究
(An Experimental Study on
Premixed−Charge Compress
ion Ignition Gasoline Eng
ine)、SAE960081、1996年2月26
日、p.1−5
落番号9−15、第1図)
号明細書(第4−5頁、第8図)
明細書(第3−5欄、第1図)
号明細書(第4−7頁、第1図)
(第3−6欄、第1図)
号明細書(第3欄、第1図、第2図)
2U1号明細書(第5−7頁、第1図、第3図)
作と外部点火動作のいずれでも運転する公知の内燃機関
は、燃焼の最適な制御を達成し、それによって急速な燃
焼による高い効率と、最小のNoxおよび煤の排出を達
成するために、完全に可変なバルブ動作を実現するため
の装置と、燃焼に即応したエンジン制御装置とを備えて
いる。しかしながら設計費用が高く、コストが著しくか
かるのが欠点である。上記実状に鑑み、本発明の課題
は、できるだけ簡単なやり方で、ガソリンによる確実な
自己着火動作と外部点火動作を実現することができる内
燃機関及びそのような内燃機関の制御方法を提供するこ
とである。
め、少なくとも1つの吸気弁および少なくとも1つの排
気弁のバルブタイミングを調節するための手段と、シリ
ンダごとに少なくとも1つのイグニション装置および少
なくとも1つの直接噴射装置とを備えており、第1運転
領域ではガソリンで自己着火によって運転可能であると
ともに第2運転領域では外部点火によって運転可能であ
る、本発明による内燃機関では、前記吸気弁を操作する
ために少なくとも1つの吸気カムシャフトが設けられる
とともに前記排気弁を操作するために少なくとも1つの
排気カムシャフトが設けられており、シリンダごとの前
記少なくとも1つの吸気弁がリフト量切換装置によって
第1および第2リフト量の間で切換可能であり、前記少
なくとも1つの排気弁は残留ガス再循環機構によって吸
気行程中に操作可能である。
少なくとも1つの吸気カムシャフトが設けられるととも
に排気弁を操作するために少なくとも1つの排気カムシ
ャフトが設けられており、シリンダごとに少なくとも1
つの吸気弁がリフト量切換装置によって第1および第2
リフト量の間で切換可能であり、少なくとも1つの排気
弁が残留ガス再循環機構によって吸気行程中に操作可能
であることによって達成される。つまりこの内燃機関
は、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトによる簡
単なバルブ駆動部を有している。少なくとも1つの吸気
弁の、第1小さなリフト量と第2大きなリフト量との間
のリフト量切換は、機械的、油圧式、または電気式に操
作可能であってよい簡単なリフト量切換装置を介して行
われる。たとえばリフト量切換装置は、1つの吸気弁ご
とに、異なるリフト量形状をもつ2つの吸気カムによっ
て具体化することができる。
もつ内燃機関の場合、好ましくは、1つの吸気弁がリフ
ト量切換装置によって第1および第2リフト量の間で切
換可能であり、他方の吸気弁はバルブ遮蔽装置によって
遮蔽可能であることが提案される。その代替案として、
2つの分離した吸気通路を備える内燃機関の場合にも、
両方の吸気弁がリフト量切換装置によって第1および第
2リフト量の間で切換可能であり、シリンダごとに1つ
の吸気通路が制御機構を介して遮蔽可能に構成されても
よい。
1で自己着火により運転し、第2運転領域SIでは空燃
比λ<=1で外部点火により運転する内燃機関を運転さ
せる方法であって、少なくとも内部的な残留ガス再循環
を通じて燃焼状態を制御する、本発明による内燃機関制
御方法では、シリンダごとに少なくとも1つの吸気弁を
第1リフト量と第2リフト量の間で切り換えるためのリ
フト量切換装置を設け、第1運転領域(例えばHCC
I)では少なくとも1つの吸気弁のリフト量を第2リフ
ト量から第1リフト量へと減らし、第2運転領域(例え
ばSI)ではこの吸気弁のリフト量を第1リフト量から
第2リフト量へと増やす。
は、少なくとも1つの吸気弁のリフト量が、第2リフト
量から第1リフト量へと減らされる。第2運転領域で
は、この吸気弁のリフト量が再び第1リフト量から第2
リフト量へと増やされる。このときシリンダの充填はス
ロットルバルブを介して制御されるのが好ましい。この
場合、第1および第2運転領域の間の移行領域では内燃
機関が空燃比λ=1で運転され、少なくとも1つの吸気
弁のリフト量が第1リフト量へ切り換えられるように構
成されてもよい。
る動作へ切り換えるときの燃焼を安定化するため、第1
運転領域での開放時期を、イグニションの上死点の方向
へ一時的にずらすことができる。それにより、燃焼状態
を先に進める燃焼室内の乱流が増えることになる。この
ことは、吸気カムシャフトが吸気位相シフト装置によっ
て回動可能に構成されることによって実現することがで
きる。
度上昇を達成するため、第1運転領域でシリンダごとに
少なくとも1つの排気弁が吸気サイクル中に開放され、
残留ガス再循環の制御は少なくともこの第2排気行程の
位相位置によって行われると好都合であり、この方法を
実施するために、残留ガス再循環機構が排気位相シフト
装置を有しており、この排気位相シフト装置によって排
気カムシャフトが回動可能に構成される。燃焼の特別に
フレキシブルな制御は、第2排気弁が吸気サイクル中に
油圧式または電気式に操作される場合に達成することが
でき、この場合、位相位置(開放時期)と開放時間が変
えられるのが好ましい。第2排気行程の時間または位置
(時期)あるいはその両方がシリンダ間で個別的に適合
化されると格別に好都合であり、この場合、第2排気行
程の時間または位置(時期)あるいはその両方の適合化
によって、それぞれのシリンダの燃焼状態と燃焼速度が
シリンダ個別的に制御されるのが好ましい。第2排気行
程を時間または位置(時期)あるいはその両方に関して
適合化することにより、特に動作方式が一定していない
ときに燃焼安定性が改善される。外部点火が行われる移
行領域でも、内部的な残留ガス再循環機構によって、ス
ロットルバルブからの脱却とこれに伴う燃費削減を実現
することができる。
ここで提案される設計および上述した方法は、簡単かつ
低コストである。内部的な高い残留ガス率によって、部
分負荷のときに自己着火運転が可能になる。
作されるので、オイル温度がバルブ操作に影響を及ぼす
ことはない。このことは、コールドスタートを従来式の
やり方で外部点火によって行えるという利点をもたら
す。
リフト量での高い回転数と高い負荷を可能にし、それに
よって最小の摩擦損失しか生じず、無制限の全負荷運転
が可能である。
荷とき外部点火運転でリフト量切換をすることにより、
および内部的な残留ガス制御により、格別に低い燃料消
費量と非常に低いエミッションを実現することができ
る。
下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろ
う。
シリンダ圧力piが回転数nの上にプロットされてい
る。第1運転領域HCCIでは、内燃機関が空燃比λ>
=1で均一に自己着火により運転する。この第1運転領
域HCCIは、下側の部分負荷領域から中程度の部分負
荷領域まで達している。第2運転領域SIでは、内燃機
関は空燃比λ<=1で外部点火により運転する。この第
2運転領域SIは、高い部分負荷から全負荷まで達して
いる。
の間には移行領域TSIがあり、ここでは内燃機関が空
燃比λ=1で外部点火により運転する。この移行領域は
中程度の部分負荷の領域に位置している。コールドスタ
ート動作およびウォームアップ動作のとき、移行領域T
SIはアイドリング運転領域まで伸長されて、第1運転
領域HCCIに取って代わる。運転領域TSIでは、内
部的な残留ガス再循環機構によって、スロットルバルブ
からのいっそうの脱却とこれに伴う燃費削減を実現する
ことができる。ただしこのとき内部的な残留ガス量は、
運転領域HCCIのときよりも明らかに低い。
示している。
のバルブタイミングを示しており、排気弁および吸気弁
の弁リフト量hが図示されている。符号Aで排気弁の弁
リフト量曲線が描かれており、符号Eで吸気弁の弁リフ
ト量曲線が描かれている。第2運転領域SIでは、内燃
機関は空燃比λ<=1で通常の外部点火による動作で運
転する。吸気弁は最大リフト量である第2リフト量hに
切り換えられており、それにより、スロットルバルブを
介して追加的に制御される最大の充填が保証される。排
気弁は、通常どおり排気段階の間しか操作されない。符
号UTは下死点を示しており、符号LWOTは排気上死
点を示している。
度の部分負荷のときの排気弁のバルブタイミングを示し
ている。吸気弁は最小リフト量である第1リフト量に切
り換えられており、それにより、図3に示す小さな弁リ
フト量Eが生じている。充填の制御はスロットルバルブ
を介して行われる。乱流を生成させるため、吸気開放の
開始をイグニションの上死点ZOTの方向へずらすこと
ができる。生成される大きな乱流によって燃焼速度が上
昇する。排気弁は通常どおり排気段階の間しか開放され
ない。
タイミングを示している。吸気弁は、図3の場合と同じ
く、最小の第1リフト量に切り換えられている。自己着
火のために必要な条件を整えるため、曲線A2によって
図示されているように、吸気サイクルの間に排気弁の2
回目の開放が行われる。それによって燃焼室内の残留ガ
スが吸い戻され、このことは、次回の燃焼のために温度
を上昇させるように作用する。本実施例では、残留ガス
の制御は位相位置を通じてのみ行われる。
HCCIでのバルブタイミングを示している。この場合
も吸気弁は最小の弁リフト量でのみ操作される。図4と
は異なり、線A2に示すように2回めの排気弁リフト量
を位置と長さに関して変化させることができ、それによ
って残留ガス制御でいっそう高いフレキシビリティが得
られる。したがってシリンダ個別的な調節が可能であ
る。2回めの排気弁リフト量の操作は、油圧式または電
気式に行うことができる。
要がない、非常に低コストで純粋に機械的な解決法であ
るという利点がある。このシステムは最低限の摩擦損失
で運転させることができる。
火によって運転可能、かつ第2運転領域SIでは外部点
火によって運転可能な本発明による内燃機関のバルブメ
カニズム設計の一実施形態を、シリンダ1の模式的な断
面図で示している。符号17は、燃焼室6に直接連通し
ている噴射装置を示しており、符号18はイグニション
装置を示している。シリンダ1には2つの吸気通路2と
少なくとも1つの排気通路3が合流しており、これら通
路の燃焼室6における合流部4,5はそれぞれ1つの吸
気弁7ないし排気弁8によって制御され、吸気弁7は吸
気カムシャフト9、排気弁8は排気カムシャフト10に
よってそれぞれ操作される。少なくとも1つの吸気弁7
のリフト量は、たとえば独国特許出願公開第19602
013A1号明細書などから公知となっているリフト量
切換装置11によって、第1リフト量と第2リフト量の
間で切換可能である。さらに吸気弁7のバルブタイミン
グを調節するため、吸気カムシャフト12を回動させる
ことができる。
行程中に少なくとも1つの排気弁8を残留ガス再循環機
構13によって操作可能である。残留ガス再循環機構1
3は、油圧式または電気式に活動化可能な操作部材14
をバケットタペット15の内部に有していてよく、この
操作部材14により、排気カム16によって設定される
機械的な排気行程に関わりなく、吸気段階の間に排気弁
8の追加的な往復運動を生成することができる。このよ
うな種類の装置はオーストリア国実用新案公開第4,8
72U1号明細書などから知られている。尚、特許請求
の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記
すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定され
るものではない。
する図
とクランク角の関係を示す図
ク角の関係を示す
リフト量とクランク角の関係を示す図
リフト量とクランク角の関係を示す図
模式図
Claims (14)
- 【請求項1】 少なくとも1つの吸気弁(7)および少
なくとも1つの排気弁(8)のバルブタイミングを調節
するための手段と、シリンダごとに少なくとも1つのイ
グニション装置(18)および少なくとも1つの直接噴
射装置(17)とを備えており、第1運転領域(HCC
I)ではガソリンで自己着火によって運転可能であると
ともに第2運転領域(SI)では外部点火によって運転
可能である内燃機関において、 前記吸気弁(7)を操作するために少なくとも1つの吸
気カムシャフト(9)が設けられるとともに前記排気弁
(8)を操作するために少なくとも1つの排気カムシャ
フト(10)が設けられており、シリンダ(1)ごとの
前記少なくとも1つの吸気弁(7)がリフト量切換装置
(11)によって第1および第2リフト量の間で切換可
能であり、前記少なくとも1つの排気弁(8)は残留ガ
ス再循環機構(13)によって吸気行程中に操作可能で
あることを特徴とする内燃機関。 - 【請求項2】 前記シリンダ(1)ごとに少なくとも2
つの吸気弁(7)を備える請求項1に記載の内燃機関に
おいて、 前記1つの吸気弁(7)がリフト量切換装置(11)に
よって第1および第2リフト量の間で切換可能であり、
他方の吸気弁はバルブ遮蔽装置によって遮蔽可能である
ことを特徴とする内燃機関。 - 【請求項3】 前記シリンダ(1)ごとに2つの吸気弁
(7)を備え、前記シリンダにそれぞれ1つの吸気通路
(2)が通じている請求項1に記載の内燃機関におい
て、 前記両方の吸気弁(7)がリフト量切換装置(11)に
よって第1および第2リフト量の間で切換可能であり、
シリンダ(1)ごとに1つの吸気通路(7)を制御機構
によって遮蔽可能であることを特徴とする内燃機関。 - 【請求項4】 前記吸気カムシャフト(9)が吸気位相
シフト装置(12)によって回動可能であることを特徴
とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。 - 【請求項5】 残留ガス再循環機構(13)が排気位相
シフト装置を有しており、この排気位相シフト装置によ
って排気カムシャフト(10)が回動可能であることを
特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機
関。 - 【請求項6】 前記残留ガス再循環機構(13)が、少
なくとも排気弁(8)のために、排気行程中に排気弁
(8)を操作するための切換可能な第2排気カムを有し
ていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に
記載の内燃機関。 - 【請求項7】 前記排気弁(8)が少なくとも吸気サイ
クルの間に油圧式または電気式に操作可能であることを
特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の内燃機
関。 - 【請求項8】 第1運転領域ではガソリンで空燃比λ>
=1で自己着火により運転し、第2運転領域SIでは空
燃比λ<=1で外部点火により運転する内燃機関を運転
させる方法であって、少なくとも内部的な残留ガス再循
環を通じて燃焼状態を制御する内燃機関制御方法におい
て、 シリンダ(1)ごとに少なくとも1つの吸気弁(7)を
第1リフト量と第2リフト量の間で切り換えるためのリ
フト量切換装置(11)を設け、第1運転領域(HCC
I)では少なくとも1つの吸気弁(7)のリフト量を第
2リフト量から第1リフト量へと減らし、第2運転領域
(SI)ではこの吸気弁(7)のリフト量を第1リフト
量から第2リフト量へと増やすことを特徴とする内燃機
関制御方法。 - 【請求項9】 第1運転領域(HCCI)と第2運転領
域(SI)の間の移行領域では内燃機関を空燃比λ=1
で運転し、少なくとも1つの吸気弁(7)のリフト量が
第1リフト量へ切り換えられることを特徴とする請求項
8に記載の内燃機関制御方法。 - 【請求項10】 燃焼安定性を制御するために第1運転
領域(HCCI)での開放時期をイグニションの上死点
(ZOT)の方向へ一時的にずらすことを特徴とする請
求項8または9に記載の内燃機関制御方法。 - 【請求項11】 前記第1運転領域(HCCI)ではシ
リンダ(1)ごとの少なくとも1つの排気弁(8)を吸
気段階の間に開放させ、残留ガス再循環の制御は少なく
ともこの第2排気行程(8)の位相位置によって行われ
ることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記
載の内燃機関制御方法。 - 【請求項12】 吸気サイクルの間の第2排気弁(8)
の操作が油圧式または電気式に行われ、好ましくは排気
弁(8)の位相位置または開放時間あるいはその両方を
変化させることを特徴とする請求項11に記載の内燃機
関制御方法。 - 【請求項13】 第2排気行程の時間または時期あるい
はその両方をシリンダ個別的に適合化することを特徴と
する請求項11または12に記載の内燃機関制御方法。 - 【請求項14】 第2排気行程の時間または時期あるい
はその両方の適合化により、それぞれのシリンダ(1)
の燃焼状態と燃焼速度がシリンダ個別的に制御されるこ
とを特徴とする請求項13に記載の内燃機関制御方法。
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