JP2005016518A

JP2005016518A - 異なる高度での動作のための可変弁の作動制御

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Publication number: JP2005016518A
Application number: JP2004156801A
Authority: JP
Inventors: David A Pierpont; エー．ピアポントデビッド; Thomas J Crowell; ジェイ．クローウェルトーマス
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-01-20
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Abstract

【課題】異なる高度での動作のための可変弁の作動制御を提供する。
【解決手段】エンジンのための可変弁作動システムを制御する方法が提供される。カムアセンブリが、第１の位置と第２の位置との間で吸気弁を動かすよう動作される。エンジンが動作している高度を示すパラメータが検出される。検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定する。検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定する。決定された空燃比に基づいて、所望の弁作動周期が決定される。決定された弁作動周期の終了まで、吸気弁が第１の位置に戻るのが防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変弁作動システムを制御するシステム及び方法、より詳しくは、異なる高度動作状況を考慮して可変弁作動システムを制御するシステム及び方法に関する。

たとえば、ディーゼル、ガソリン、または天然ガスのエンジンのような内燃機関の性能は、エンジンが動作している状況によって影響を受け得る。たとえば、エンジンが動作している高度が上昇するにつれて、内燃機関の性能が変化し得る。特に、より高い高度でのエンジンの動作により、燃料効率が減少し、及び／または望ましくないエミッションの生成が増加し得る。

エンジン性能に対する高度の影響は、より高い高度での空気密度及び気圧の減少から生じる。より高い高度での空気密度及び気圧の減少により、エンジンに提供される空燃比が低下し、関連するターボ過給機システムの効率が低下し、及びエンジン内の燃焼効率が低下する。これらのパラメータのそれぞれが低下した結果、燃料効率が減少し、及び／またはエミッション生成が増加する。

一般に、内燃機関は、エンジンが動作している高度にかかわらず、選択された空燃比で動作する。動作する空燃比は、一定の燃料供給要求及び電力要求に合わせて選択され、現在のエンジン速度及び荷重に依存し得る。選択された空燃比は、一定の時間エンジンバルブを作動することによって、並びに一定量の燃料をシリンダ内に噴射することによって達成され得る。しかし、空気密度及び圧力が低下する高い高度でエンジンが動作している場合には、所与の時間中にエンジンバルブを通過する空気がより少なくなる。したがって動作している高度が上昇するにつれて、エンジンに供給される空燃比は減少する。

空燃比は、たとえばディーゼル機関のような内燃機関の重大な要素である。空燃比の低下は、一般に、燃焼効率の低下へと転換する。通常、低下した空燃比は、燃焼率を低下させ、また機械仕事へと転換され得る燃焼エネルギ量も低下させる。仕事へと転換される燃焼エネルギがより少ない場合には、エンジンの燃料効率が減少し、排気ガスの温度が上昇する。

ターボ過給機システムが、エンジンの性能を向上するために内燃機関に追加され得る。ターボ過給機システムは、排気ストリームからエネルギを回収し、その回収されたエネルギを用いて、吸気ストリーム内の空気の圧力を上昇させる。その上昇した吸気圧により、より多くの空気が燃焼室内に押し入れられ、それにより空燃比が上昇し得る。

しかし標準的な動作状況下においては、代表的なターボ過給機システムは、約６０〜６５％有効である。つまり回収されたエネルギの６０〜６５％のみが、吸気流量に適用される。高い高度でのより低い密度の空気により、ターボ過給機の効率がさらに低下する。したがって上昇した排気ガスのエネルギのすべてが、上昇した吸気マニホルド圧力へと転換されるわけではない。したがってターボ過給機は、より高い高度での動作に関連するすべての損失を補償するわけではない。

本発明のシステム及び方法は、上述した問題の１つ以上を解決する。

一形態においては、本発明は、可変弁作動システムを制御する方法に関する。カムアセンブリが、吸気弁が流体の流れをブロックする第１の位置と吸気弁が流体の流れを許容する第２の位置との間で吸気弁を動かすよう動作する。エンジンが動作している高度を示すパラメータが検出される。検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定する。検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定する。決定された空燃比に基づいて、所望の弁作動周期が決定される。バルブアクチュエータは、カムアセンブリの動作に応答して、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止する。決定された弁作動周期の終了時に、バルブアクチュエータは開放されて、吸気弁が第１の位置に戻るのを許容する。

別の形態においては、本発明は、エンジンのための吸気弁作動システムに関する。吸気弁は、吸気弁が流体の流れを防止する第１の位置と吸気弁が流体の流れを許容する第２の位置との間で移動可能である。カムアセンブリが、第１の位置と第２の位置との間で吸気弁を動かすよう吸気弁に連結されている。バルブアクチュエータが、選択的に吸気弁に係合し、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止する。センサが、エンジンが動作している高度を示すパラメータを検出する。メモリを備えた制御装置が、第１のルックアップマップと第２のルックアップマップとを格納するように適合されている。制御装置は、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定する。制御装置は、決定された空燃比に基づいて所望の弁作動周期を決定し、決定された弁作動周期が終了するまで、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止する。

添付図面に示されている本発明の例示的実施形態について、以下に詳細に記載する。図面全体を通じて、可能な場合には、同じまたは同様の部分には同じ参照番号を使用する。

エンジンシステム１０の例示的実施形態が図１に示されている。エンジンシステム１０には、エンジン２０に至る吸気通路１３が含まれる。エンジンシステム１０が、たとえばターボ過給機１２及び後部冷却器１４のようなさまざまな構成部品を含み得ることを、当業者は認識しているであろう。排気通路１５が、エンジン２０からターボ過給機１２に至り得る。

エンジン２０は、図２に示されているような内燃機関であり得る。本明細書においては、エンジン２０が４行程ディーゼル機関として表され記載されている。しかし、エンジン２０が、たとえばガソリンまたは天然ガスのエンジンのような他の任意の型の内燃機関でもあり得ることを、当業者は認識しているであろう。

図２に示されているように、エンジン２０には、複数のシリンダ２２を画定するエンジンブロック２８が含まれている。ピストン２４が、それぞれのシリンダ２２内の上死点位置と下死点位置との間で滑動移動するために配置されている。示されている実施形態においては、エンジン２０には、６つのシリンダ２２と６つの関連するピストン２４とが含まれている。エンジン２０には、これより多くのまたはこれより少ない数のピストン２４が含まれ得、並びにピストン２４が、「直列」構成、「Ｖ」型構成、または他の任意の従来の構成で配置され得ることを、当業者は認識しているであろう。

また図２に示されているように、エンジン２０には、エンジンブロック２８内で回転可能に配置されたクランクシャフト２７が含まれている。コネクティングロッド２６が、それぞれのピストン２４をクランクシャフト２７に連結している。それぞれのピストン２４がクランクシャフト２７に結合されているので、各シリンダ２２内のピストン２４の滑動運動により、クランクシャフト２７が回転する。同様に、クランクシャフト２７の回転により、ピストン２４が滑動運動する。

エンジン２０には、シリンダヘッド３０も含まれている。シリンダヘッド３０が、それぞれのシリンダ２２のための少なくとも１つの吸気ポート３６に至る吸気通路４１を画定する。シリンダヘッド３０がさらに、それぞれのシリンダ２２のための２つ以上の吸気ポート３６を画定し得る。

吸気弁３２が、それぞれの吸気ポート３６内に配置されている。吸気弁３２には、吸気ポート３６を選択的にブロックするよう構成された弁体４０が含まれている。以下により詳細に記載されているように、それぞれの吸気弁３２が弁体４０を持ち上げるよう作動され、それにより各吸気ポート３６を開放し得る。それぞれのシリンダ２２のための吸気弁３２は、一斉にまたは別個に作動され得る。

シリンダヘッド３０がまた、それぞれのシリンダ２２のための少なくとも１つの排気ポート３８も画定する。それぞれの排気ポート３８は、各シリンダ２２から排気通路４３に至る。シリンダヘッド３０がさらに、それぞれのシリンダ２２のための２つ以上の排気ポート３８を画定し得る。

排気弁３４が、それぞれの排気ポート３８内に配置されている。排気弁３４には、排気ポート３８を選択的にブロックするよう構成された弁体４８が含まれている。以下により詳細に記載されているように、それぞれの排気弁３４が、弁体４８を持ち上げるよう作動され、それにより各排気ポート３８を開放し得る。それぞれのシリンダ２２のための排気弁３４は、一斉にまたは別個に作動され得る。

図３は、エンジン２０の１つのシリンダ２２の例示的実施形態を示す図である。図示されているように、シリンダヘッド３０が、吸気通路４１をシリンダ２２に連結する１対の吸気ポート３６を画定する。それぞれの吸気ポート３６には、弁座５０が含まれている。１つの吸気弁３２が、それぞれの吸気ポート３６内に配置されている。吸気弁３２の弁体４０が、弁座５０に係合するよう構成されている。吸気弁３２が閉位置にある場合には、弁体４０が弁座５０に係合して、吸気ポート３６を閉じ、シリンダ２２に対して流体の流れをブロックする。吸気弁３２が閉位置から上がると、吸気弁３２が、シリンダ２２に対する流体の流れを許容する。

同様に、シリンダヘッド３０が、シリンダ２２を排気通路４３に連結する２つ以上の排気ポート３８（図２にはその１つのみが示されている）を画定し得る。１つの排気弁３４が、それぞれの排気ポート３８内に配置されている。それぞれの排気弁３４の弁体４８は、排気弁３４が閉位置にあり、並びにシリンダ２２に対して流体の流れをブロックした場合には、排気ポート３８を閉じるよう構成されている。排気弁３４が閉位置から上がると、排気弁３４が、シリンダ２２に対する流体の流れを許容する。

図２に示されているように、エンジン２０には、一連の弁駆動組立品４４が含まれている。１つの弁駆動組立品４４が、それぞれのシリンダ２２のためのそれぞれの対の吸気弁３２に関連し得る。それぞれの弁駆動組立品４４が、第１の位置、つまり閉位置から、第２の位置、つまり開位置へと、関連する吸気弁３２または排気弁３４を動かす、または「持ち上げる」よう動作可能である。

図３の例示的実施形態においては、弁駆動組立品４４には、１対のバルブステム４６を通ってそれぞれの弁体４０に連結されたブリッジ５４が含まれている。バネ５６が、シリンダヘッド３０とブリッジ５４との間のそれぞれのバルブステム４６の周囲に配置され得る。バネ５６が、両方の弁体４０を偏倚して、各弁座５０に係合するよう作用し、それによりそれぞれの吸気ポート３６を閉じる。

弁駆動組立品４４には、ロッカーアーム６４も含まれ得る。ロッカーアーム６４は、ピボット６６を中心として旋回するよう構成されている。ロッカーアーム６４の１方の端６８が、ブリッジ５４に連結されている。ロッカーアーム６４の反対の端は、カムアセンブリ５２に連結されている。図３の例示的実施形態においては、カムアセンブリ５２には、カムローブを有し、並びにカムシャフト、プッシュロッド６１、及びカム従動子６２上に取り付けられたカム６０が含まれている。カムアセンブリ５２が、たとえばカム６０がロッカーアーム６４に直接作用するような、他の構成を有し得ることを、当業者は認識しているであろう。

弁駆動組立品４４がカム６０によって駆動され得る。カム６０がクランクシャフト２７に連結されているので、クランクシャフト２７の回転により、それに応じたカム６０の回転が誘発される。カム６０が、たとえば歯車減速アセンブリ（図示せず）を通るなど、当業者には容易に理解される任意の手段を通じてクランクシャフト２７に連結され得る。当業者は認識しているであろうが、カム６０の回転により、カム従動子６２及び関連するプッシュロッド６１が上部位置と下部位置との間で周期的に往復運動する。

プッシュロッド６１の往復移動により、ロッカーアーム６４がピボット６６を中心として旋回する。プッシュロッド６１が矢印５８によって示されている方向に動くと、ロッカーアーム６４が旋回し、ブリッジ５４を反対方向に動かす。ブリッジ５４の移動により、それぞれの吸気弁３２が上がり、吸気ポート３６を開放する。カム６０が回転し続けると、バネ５６がブリッジ５４に作用して、それぞれの吸気弁３２を閉位置に戻す。

この方法で、カム６０の形状及び配向により吸気弁３２の作動のタイミングが制御される。当業者は認識しているであろうが、カム６０が吸気弁３２の作動をピストン２４の移動に調和させるよう構成され得る。たとえば、空気が吸気通路４１からシリンダ２２内に流れることを許容するための吸気行程中に、ピストン２４が上死点位置から下死点位置に動くと、吸気弁３２が吸気ポート３６を開放するよう作動され得る。

同様の弁駆動組立品４４が排気弁３４に連結され得る。第２のカム（図示せず）が、排気弁３４の作動タイミングを制御するよう、クランクシャフト２７に連結され得る。排気がシリンダ２２から排気通路４３内に流れることを許容するための排気行程において、ピストン２４が下死点位置から上死点位置に動くと、排気弁３４が排気ポート３８を開放するよう作動され得る。

図３に示されているように、弁駆動組立品４４には、バルブアクチュエータ７０も含まれている。バルブアクチュエータ７０には、アクチュエータ室７６を画定するアクチュエータシリンダ７２が含まれている。アクチュエータピストン７４が、アクチュエータシリンダ７２内で滑動可能に配置され、アクチュエータロッド７８に連結されている。戻しバネ（図示せず）が、アクチュエータピストン７４に作用して、アクチュエータピストン７４を定位置に戻し得る。アクチュエータロッド７８が、ロッカーアーム６４の端６８に係合可能である。

流体ライン８０がアクチュエータ室７６に連結されている。加圧流体が、流体ライン８０を通ってアクチュエータ室７６に向かい、アクチュエータシリンダ７２内のアクチュエータピストン７４を動かし得る。アクチュエータピストン７４の移動により、アクチュエータロッド７８がロッカーアーム６４の端６８に係合する。

吸気弁３２が開位置にある場合に、流体がアクチュエータ室７６に導入されると、アクチュエータロッド７８を動かして、ロッカーアーム６４に係合し、それにより吸気弁３２を開位置内に保持し得る。あるいは、吸気弁３２が閉位置にある場合に、流体がアクチュエータ室７６に導入されると、アクチュエータロッド７８を動かして、ロッカーアーム６４に係合し、並びにピボット６６を中心としてロッカーアーム６４を旋回し、それにより吸気弁３２を開放し得る。

図２及び４に示されているように、エンジンシステム１０には、流体の供給を保持しているタンク８７から流体を引き寄せる流体源８４が含まれ得、その流体は、たとえば、作動液、潤滑油、変速機流体、または燃料であり得る。流体源８４が、流体の圧力を上昇させ、流体を主要ギャラリ８３内に向かわせ得る。流体源８４及び主要ギャラリ８３は、一般に内燃機関に付属する潤滑システムの一部であり得る。主要ギャラリ８３には、たとえば７００キロパスカル（１００ｐｓｉ）未満、またはより詳しくは約２１０キロパスカル〜６２０キロパスカル（３０ｐｓｉ〜９０ｐｓｉ）間の圧力を有する加圧流体が含まれ得る。あるいは、作動液源は、たとえば約１０メガパスカル〜３５メガパスカル（１４５０ｐｓｉ〜５０００ｐｓｉ）間のような、より高い圧力で流体を提供するよう構成されたポンプであり得る。

図４に示されているように、流体供給システム７９が、主要ギャラリ８３をバルブアクチュエータ７０に連結している。制限オリフィス７５が、主要ギャラリ８３と流体レール８６の第１の端との間の流体ライン８５内に位置付けられ得る。制御弁８２が、流体レール８６の反対の端に連結され、タンク８７に至り得る。制御弁８２が、制限オリフィス７５及び流体レール８６を通ってタンク８７へと流体の流れを許容するよう開放され得る。制御弁８２が、流体レール８６内の流体の圧力の増大を許容するよう閉じられ得る。

図４に示されているように、流体レール８６が、加圧流体を一連のバルブアクチュエータ７０に供給する。それぞれのバルブアクチュエータ７０が、特定のエンジンシリンダ２２の吸気弁３２または排気弁３４のいずれかに関連し得る（図２参照）。流体ライン８０が、加圧流体を流体レール８６からそれぞれのバルブアクチュエータ７０のアクチュエータ室７６内に向ける。

方向制御弁８８が、それぞれの流体ライン８０内に配置され得る。それぞれの方向制御弁８８が、加圧流体が流体レール８６とアクチュエータ室７６との間で流れるのを許容するよう開放され得る。それぞれの方向制御弁８８が、加圧流体が流体レール８６とアクチュエータ室７６との間で流れるのを防止するよう閉じられ得る。方向制御弁８８が、通常は閉位置内に偏倚され、流体が方向制御弁８８を通って流れるのを許容するよう作動され得る。あるいは、方向制御弁８８が、通常は開位置内に偏倚され、流体が方向制御弁８８を通って流れるのを防止するよう作動され得る。方向制御弁８８が、たとえば２つのコイル遮断弁のような任意の型の制御可能な弁であり得ることを、当業者は認識しているであろう。

流体供給システム７９が、さまざまな異なる構成を有し、並びにさまざまな異なる構成部品を含み得ることも、当業者は認識しているであろう。たとえば、流体供給システム７９には１つ以上のチェック弁（図示せず）が含まれ得る。第１のチェック弁が、制限オリフィス７５とバルブアクチュエータ７０との間の方向制御弁８８と平行に置かれ得る。第２のチェック弁が、主要ギャラリ８３と流体レール８６との間の流体ライン８５内に置かれ得る。その上、流体供給システム７９には高圧流体源が含まれ得る。流体供給システム７９には、アクチュエータ室７６及び流体ライン８０内の圧力振動を防止する、アキュムレータ及び制限オリフィスを含み得る、バルブアクチュエータ７０及び減衰システムからの流体の流れの速度を制御するスナッビング弁も含まれ得る。

図１及び２に示されるように、エンジンシステム１０には、それぞれの弁駆動組立品４４に及び制御弁８２に連結された制御装置１００が含まれている。制御装置１００には、マイクロプロセッサとメモリ１０１とを備えた電子制御モジュールが含まれ得る。当業者には知られていることであるが、メモリが、マイクロプロセッサに連結されており、命令集合及び変数を格納する。マイクロプロセッサ及び電子制御モジュールの一部には、たとえばとりわけ、電力供給回路、信号調整回路、及びソレノイドドライバ回路のような、他のさまざまな知られている回路が関連している。

制御装置１００が、エンジン２０の動作の１つ以上の形態を制御するようプログラムされ得る。たとえば、制御装置１００が、弁駆動組立品４４、燃料噴射システム、及び電子制御モジュールによって通常制御される他の任意のエンジン機能を制御するようプログラムされ得る。制御装置１００が、エンジンの現在の動作状況及び／または操作者から受信された命令に基づいてエンジン２０を制御し得る。

制御装置１００が、たとえば電流のような信号を方向制御弁８８に伝達することにより、弁駆動組立品４４を制御し得る。伝達された信号により、方向制御弁８８を選択的に開放し及び／または閉じ得る。方向制御弁８８が常時閉鎖弁である場合には、伝達された信号により、一定の時間、方向制御弁８８が開放され得る。方向制御弁８８が常時開放弁である場合には、伝達された信号により、一定の時間、方向制御弁が閉じ得る。方向制御弁８８の開放及び閉鎖を制御することにより、制御装置が、バルブアクチュエータ７０への及びそれからの流体の流れを制御し、それによりロッカーアーム６４とのアクチュエータロッド７８の係合を制御して、所定の時間、吸気弁３２の閉鎖を遅らせ得る。例示的吸気弁作動１０４が図５に示されている。

図１〜４に示されているように、エンジンシステム１０には一連のセンサが含まれ得るが、これについては以下により詳細に記載する。それぞれのセンサが、エンジン２０の特定の動作パラメータを監視するよう構成されている。代替センサをエンジンシステム１０と共に用いて、エンジン２０の他の動作パラメータを監視し得ることを、当業者は認識しているであろう。

図１に示されているように、吸気センサ１６が吸気通路１３内に配置され得る。吸気センサ１６が、吸気の圧力及び／または吸気の空気質量速を検出するよう構成され得る。吸気センサ１６は、これらの型のパラメータを検出することが可能な、当業者には容易に理解される任意の型のセンサであり得、吸気通路１３に沿った任意の点に配置され得る。

エンジンシステム１０には、圧力センサ１７も含まれ得る。圧力センサ１７は、環境気圧に対応する圧力を検出するよう構成され得る。圧力センサ１７は、環境気圧の表示を提供することが可能な、当業者には容易に理解される任意の型のセンサであり得る。制御装置１００が、検出された気圧を用いて、エンジンシステム１０の動作高度を近似し得る。たとえば、約８３キロパスカルの気圧の読みは、約１，７００メートル（５，５００フィート）の高度に対応し、７０キロパスカルの気圧の読みは、約３，０００メートル（１０，０００フィート）の高度に対応する。エンジンシステム１０には、エンジンシステム１０の動作高度の表示を提供するように適合された任意の型のセンサが装備され得ることを、当業者は認識しているであろう。

少なくとも１つのエンジンセンサ１８がまた、エンジン２０に連結され得る。エンジンセンサ１８は、エンジン２０の動作パラメータを監視するために通常使用されている任意の型のセンサであり得る。たとえば、エンジンセンサ１８は、エンジン２０に対する荷重、エンジン２０に供給される燃料の量、エンジン２０の回転速度、１つ以上のシリンダ２２内の圧力、クランクシャフト２７の回転角度、または他の任意の通常検出される動作パラメータを検出するよう構成され得る。エンジンセンサ１８は、これらの型のエンジン動作パラメータを検出することが可能な、当業者には容易に理解される任意の型のセンサであり得る。

制御装置１００のメモリ１０１が、エンジン２０の動作に関係する情報を、「マップ」の形式で格納し得る。本明細書においては、「マップ」という用語は、たとえばデータテーブル、ルックアップテーブル、グラフ、または当業者には容易に理解される他の任意の電子格納フォーマットのような、エンジンの動作に関係する情報を格納するための任意の電子格納構造を含むこととする。これらのマップは、エンジン動作パラメータに応じて最適なエンジン動作特性を定義し得る。たとえば、メモリ１０１が、特定のエンジン速度及び燃料噴射量のための最適な空燃比を定義するマップを格納し得る。同様に、メモリ１０１が、特定のエンジン速度及び荷重のための最適な空燃比を定義するマップを格納し得る。メモリ１０１は、たとえば特定のエンジン速度及びエンジン荷重のための弁作動周期に対する限界を定義するマップのような、他のマップであり得る。

メモリ１０１が、これらのマップのそれぞれについて、異なるバージョンまたは変形形態を格納し得る。たとえば、メモリ１０１がいくつかの空燃比マップを格納し得る。特に、メモリ１０１が、（１）低い高度での定常状態状況、（２）低い高度での過渡的状況、（３）高い高度での定常状態状況、（４）高い高度での過渡的状況、（５）非常に高い高度での定常状態状況、及び（６）非常に高い高度での過渡的状況のための、エンジン速度及び燃料噴射量に応じて最適な空燃比を識別する空燃比マップを格納し得る。本明細書においては、低い高度には約１，７００メートル（５，５００フィート）より低い標高が含まれると考えられ得、高い高度には約１，７００メートル（５，５００フィート）〜３，０００メートル（１０，０００フィート）との間の標高が含まれると考えられ得、及び非常に高い高度には約３，０００メートル（１０，０００フィート）より高い標高が含まれると考えられ得る。これらのマップ間を区別するために、他の標高も用いられ得ることを、当業者は認識しているであろう。

制御装置１００が、センサによって提供された情報を用いて、メモリ１０１内に格納されているマップにアクセスして、現在のエンジン動作状況のための最適な空燃比及び最適な吸気弁の作動周期を識別し得る。図６ａ及び６ｂの流れ図は、最適な空燃比及び吸気弁の作動周期を決定する例示的方法１１８を示す図である。

制御装置１００が、エンジン２０内で吸気遅閉じ型ミラーサイクルを実施するために、バルブアクチュエータ７０を選択的に動作させ得る。吸気遅閉じミラーサイクルで動作している場合には、制御装置１００が、閉鎖が吸気行程の終了と実質的に同時に発生する従来の閉鎖から、圧縮行程中の所定の部分の間、吸気弁３２が開放されたままにされる遅い閉鎖へと、吸気弁３２の閉鎖を遅らせるよう、バルブアクチュエータ７０を動作させる。吸気弁の作動周期の持続時間は、エンジン２０の現在の動作状況に基づいて決定され得る。

上述したように、カムアセンブリ５２が、吸気弁３２の初期作動タイミングを制御する。カム６０及びプッシュロッド６１がロッカーアーム６４を旋回させ始めると、制御装置１００が、制御弁８２及び方向制御弁８８が開位置にあることを確実にする。このことにより、加圧流体が作動液源８４から流体レール８６を通ってアクチュエータ室７６内へ流れることが可能になる。アクチュエータ室７６内に入る流体の力により、アクチュエータピストン７４が動くので、ロッカーアーム６４が旋回して吸気弁３２を開放すると、アクチュエータロッド７８はロッカーアーム６４の端６８に従う。アクチュエータロッド７８の移動距離及び速度は、アクチュエータ室７６及び流体供給システム７９の構成に依存する。流体供給システム７９は、カム６０によって吸気弁３２が閉位置に戻る前に、アクチュエータ室７６が流体で満たされることを確実にするために、十分な流体の流れをアクチュエータ室７６に提供するよう構成され得る。

制御装置１００が、方向制御弁８８を閉じることによりバルブアクチュエータ７０を作動し得る。このことにより、流体がアクチュエータ室７６から逃げるのが防止される。カム６０が回転し続け、バネ５６が吸気弁３２を閉位置の方へ推し進めると、アクチュエータロッド７８が、ロッカーアームの端６８に係合し、吸気弁３２が閉じるのが防止される。方向制御弁８８が閉位置内に留まっている限り、アクチュエータ室７６内に閉じ込められた流体により、バネ５６によって吸気弁３２が閉位置に戻るのが防止される。したがって、カムアセンブリ５２の作用とは無関係に、バルブアクチュエータ７０が吸気弁３２を開位置内に保持する。

方向制御弁８８を開放することにより、制御装置１００がバルブアクチュエータ７０から離れ、吸気弁３２が閉じることが可能になる。このことにより、加圧流体がアクチュエータ室７６から流れ出すことが可能になる。バネ５６の力により、アクチュエータ室７６から流体が強制的に出され、それによりアクチュエータピストン７４がアクチュエータシリンダ７２内で動くことが可能になる。このことにより、ロッカーアーム６４が旋回することが可能になるので、吸気弁３２が閉位置に動く。

図５に示されているように、バルブアクチュエータ７０の動作により、吸気弁作動１０４が従来の閉鎖１１０から遅い閉鎖１０８へと延び得る。延びた吸気弁作動の周期または持続時間は、クランクシャフト２７の回転角度を時間の関数として、または当業者には容易に理解される他の任意の方法で測定され得る。吸気遅閉じ型ミラーサイクルを実施している場合には、延びた吸気弁の作動周期は、約０°〜１２０°のクランクシャフト回転間であり得る。しかし、バルブアクチュエータ７０は、他の型のバルブ作動タイミングの変形形態を実施するためにも使用され得ることを、当業者は認識しているであろう。

制御装置１００が、エンジン２０の現在の動作状況及び／またはエンジン２０が動作している高度に基づいて、最適なエンジン性能を達成するために、吸気弁の作動周期を変え得る。たとえばエンジン２０が低い標高で動作している場合には、弁の作動周期の最適な持続時間は、エンジン２０がより高い標高で動作している場合に比して、より短いことがある。図６ａ及び６ｂの流れ図は、エンジン２０の動作標高に基づいて吸気弁の作動周期を決定する１つの例示的方法を示す図である。

制御装置１００が、さまざまなセンサからエンジン２０の現在の動作状況についての情報を受信し得る。たとえば、制御装置１００が、現在のエンジン速度、現在のエンジン荷重、及び環境気圧の表示を受信し得る。（ステップ１２０）。制御装置１００がまた、たとえば、吸気マニホルド圧力、筒内圧、または流体の動作温度のような、エンジン２０の追加動作パラメータに関する情報も受信し得る。

次いで、制御装置１００が燃料噴射量を決定し得る。（ステップ１２２）。制御装置１００が、現在のエンジン荷重及び速度を用いて、エンジン荷重及び速度に応じた燃料噴射量を格納するルックアップマップにアクセスし得る。燃料噴射量は、任意の「パイロット」噴射を含む、特定の動作サイクル中にシリンダ２２内に噴射される燃料の総量を表し得る。

制御装置１００がまた、エンジン２０の動作高度も決定し得る。（ステップ１２４）。制御装置１００が、環境気圧を用いて、エンジン２０の動作高度を決定し得る。たとえば、約８３キロパスカルの環境気圧は、エンジン２０が約１，７００メートル（５，５００フィート）で動作していることを示し、約７０キロパスカルの環境気圧は、エンジン２０が約３，０００メートル（１０，０００フィート）で動作していることを示している。制御装置１００が、当業者には容易に理解される任意の変換ルーチンを用いて、検出された環境気圧または他のこのように検出された動作パラメータを、近似動作高度に転換し得る。

制御装置１００がまた、エンジン２０が定常状態状況で動作しているかまたは過渡的状況で動作しているかを決定し得る。（ステップ１２６）。制御装置１００が、検出された動作パラメータの現在の値と動作パラメータの前の値との間の比較に基づいて、この決定を行い得る。たとえば、エンジン速度またはエンジン荷重の上昇が、エンジン２０が過渡的状況を経験していることを示し得る。さまざまなパラメータ及び／または分析が、この決定を行うために用いられ得ることを、当業者は認識しているであろう。

エンジン２０が定常状態状況で動作している場合には、制御装置１００が、エンジン２０の動作高度がエンジン２０が低い高度で動作していることを示している第１の所定の値より低いかどうかを決定する。（ステップ１２８）。たとえば、低い高度は、近似的に海面の高さ〜約１，７００メートル（５，５００フィート）との間の高度であると考えられ得る。動作高度が第１の所定の値より低い場合には、制御装置１００が、低い高度の定常状態状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１３０）。ルックアップマップは、エンジン速度及び燃料噴射量に応じて所望の空燃比を格納し得る。

エンジン２０の動作高度が第１の所定の値より高い場合には、制御装置１００が、動作高度を第２の所定の値と比較し得る。（ステップ１３２）。第２の所定の値は、非常に高い動作高度を示すよう設定され得る。たとえば、非常に高い高度は、約３，０００メートル（１０，０００フィート）より高い高度であり得る。エンジン２０が第１の所定の値より高く、並びに第２の所定の値より低い所で動作している場合には、制御装置１００が、高い高度の定常状態状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１３４）。エンジン２０が第１の及び第２の所定の値より高い所で動作している場合には、制御装置１００が、非常に高い高度の定常状態状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１３６）。

エンジン２０の動作高度が海面の高さと第１の所定の値との間、または第１の所定の値と第２の所定の値との間である場合には、制御装置１００が、対応するルックアップマップからの所望の空燃比を補間し得る。たとえば、エンジン２０が約２，５００メートル（８，２００フィート）で動作している場合には、制御装置１００が、高い高度の定常状態マップ及び非常に高い高度の定常状態マップの両方から、現在のエンジン速度及び燃料量のための空燃比を取得し得る。制御装置１００が、所望の空燃比が高い高度値と非常に高い高度値との間で直線的に変化するという仮定を用いて、２つの空燃比値間で補間し得る。制御装置１００が、たとえば任意の型の数値または統計分析あるいはモデルのような、所望の空燃比を補間する別の手法を用い得ることに留意されたい。

制御装置１００が、吸気弁の作動周期を決定し得る。（ステップ１３７）。吸気弁の作動周期は、エンジン速度（ＥＳ）、吸気圧（ＩＰ）、及び所望の空気流量（ＡＦ）の関数として表現され得る。たとえば、吸気弁の作動周期（Ｐ）は、
Ｐ＝Ａ＋Ｂ（ＥＳ）＋Ｃ（ＥＳ）^２＋Ｄ（ＩＰ）＋Ｅ（ＩＰ）^２＋Ｆ（ＡＦ）＋Ｇ（ＡＦ）^２＋Ｈ（ＥＳ）（ＩＰ）（ＡＦ）
の等式によって決定され得る。
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、及びＨは定数である。たとえば、これらの定数の値は、Ａ＝３４２．０３；Ｂ＝−０．２１３；Ｃ＝６．２７Ｅ−５；Ｄ＝−１．２１５；Ｅ＝０．００１４１；Ｆ＝１２．１４；Ｇ＝−０．０５５８；及びＨ＝−５．２７Ｅ−１であり得る。

上記の数式は、エンジンのクランク角で表現される、吸気弁の作動周期Ｐを求める数式である。決定されたクランク角は、方向制御弁８８を開放し並びにバルブアクチュエータ７０を開放するために、方向制御弁８８への電流を終了するべき角度を表し得る。あるいは、決定されたクランク角は、吸気弁アクチュエータ７０が閉位置に戻るべき角度を表し得る。次いで後者の例においては、制御装置１００が、方向制御弁８８への電流が終了した後に吸気弁３２が閉じるために必要な時間を示す定数に基づいて、方向制御弁８８への電流を終了させるためのエンジンのクランク角を決定し得る。弁の作動周期の異なる表示を提示するために、異なる数式及び／または定数が創り出され得ることを、当業者は認識しているであろう。たとえば、弁の作動周期が、クランクシャフトの回転量または時間で表現され得る。

制御装置１００が、エンジン２０が過渡的状況で動作していることを決定した場合には（図６ａのステップ１２６を参照）、制御装置１００が、過渡的状況のための空燃比を格納しているルックアップマップにアクセスし得る。エンジン２０の動作高度は、低い高度の動作を示している第１の所定の値と比較され得る。（図６ｂのステップ１３８）。第１の所定の値は、上述した定常状態のプロセスで用いられている第１の所定の値と同等であり得る。動作高度が第１の所定の値より低い場合には、制御装置１００が、低い高度の過渡的状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１４０）。

エンジン２０の動作高度が第１の所定の値より高い場合には、制御装置１００が、動作高度を第２の所定の値と比較し得る。（ステップ１４２）。第２の所定の値は、非常に高い動作高度を示すよう設定され得、上述した定常状態のプロセスにおいて用いられた第２の所定の値と同等であり得る。エンジン２０が第１の所定の値より高く、並びに第２の所定の値より低い所で動作している場合には、制御装置１００が、高い高度の過渡的状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１４４）。エンジン２０が第１の及び第２の所定の値より高い所で動作している場合には、制御装置１００が、非常に高い高度の定常状態状況のためのルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定し得る。（ステップ１４６）。

エンジン２０の動作高度が、海面の高さと第１の所定の値との間、または第１の所定の値と第２の所定の値との間である場合には、制御装置１００が、対応するルックアップマップからの所望の空燃比を補間し得る。制御装置１００が、上述した補間プロセスを実施し得る。あるいは、制御装置１００が、たとえば任意の型の数値または統計分析あるいはモデルのような、所望の空燃比を補間する別の手法を使用し得る。

制御装置１００が、過渡的状況のための吸気弁の作動周期を決定し得る。（ステップ１４７）。吸気弁の作動周期は、上述したクランク角で決定され得る。

次いで、制御装置１００が、決定されたクランク角で吸気弁３２を閉じることにより、所望の弁作動周期を達成するために、バルブアクチュエータ７０を作動するための方向制御弁８８を制御し得る。制御装置１００が、エンジン２０の動作パラメータ及び高度を連続的に監視し、それに応じて吸気弁の作動周期を調整し得る。この方法で、制御装置１００が、エンジン２０の現在の動作状況及び高度に基づいて空燃比を最適化し得る。

自明となろうが、上述した方法は、高度の変化による性能のばらつきを考慮した、内燃機関のための可変弁駆動組立品の制御を実現する。上述の方法は、エンジンの動作状況及び高度に基づいてエンジンに供給される空燃比の最適化を実現する。空燃比は、エンジンの性能を改善し及び／またはエンジンによって生成されるエミッションの量を減少させるために、現在の動作高度に基づいて最適化され得る。

本発明の範囲から逸脱することなく、上述のシステム及び方法において、さまざまな修正形態及び変形形態が行われ得ることは、当業者には自明となろう。本明細書を考察し、本明細書に開示されている本発明を実施することにより、本発明の他の実施形態も当業者には自明となろう。なお本明細書及び例は単なる例であり、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲及びそれらの均等物によって示されているものとする。

本発明の例示的実施形態によるエンジンシステムを示す概略線図である。本発明の例示的実施形態による内燃機関を示す概略断面図である。本発明の例示的実施形態によるシリンダ及び弁駆動組立品を示す概略断面図である。本発明の例示的実施形態によるエンジンバルブのための油圧アクチュエータ用流体供給システムを示す概略線図である。本発明による例示的吸気弁の作動を示すグラフである。本発明に従って可変弁作動システムを制御する例示的方法を示す流れ図である。本発明に従って可変弁作動システムを制御する例示的方法を示す流れ図である。

符号の説明

１０エンジンシステム
１２ターボ過給機
１３吸気通路
１４後部冷却器
１５排気通路
１６吸気センサ
１７圧力センサ
１８エンジンセンサ
２０エンジン
２２シリンダ
２４ピストン
２６コネクティングロッド
２７クランクシャフト
２８エンジンブロック
３０シリンダヘッド
３２吸気弁
３４排気弁
３６吸気ポート
３８排気ポート
４０弁体
４１吸気通路
４３排気通路
４４弁駆動組立品
４６バルブステム
４８弁体
５０弁座
５２カムアセンブリ
５４ブリッジ
５６バネ
５８矢印（方向）
６０カム
６１プッシュロッド
６２カム従動子
６４ロッカーアーム
６６ピボット
６８ロッカーアームの端
７０バルブアクチュエータ
７２アクチュエータシリンダ
７４アクチュエータピストン
７５制限オリフィス
７６アクチュエータ室
７８アクチュエータロッド
７９流体供給システム
８０流体ライン
８２制御弁
８３主要ギャラリ
８４作動液源
８５流体ライン
８６流体レール
８７タンク
８８方向制御弁
１００制御装置
１０１メモリ
１０４吸気弁作動
１０８遅い閉鎖
１１０従来の閉鎖
１１８ＡＦＲを決定する方法
１２０エンジン速度、荷重、及び周囲圧力を検出する（ステップ）
１２２燃料噴射量を決定する（ステップ）
１２４動作高度を決定する（ステップ）
１２６定常状態動作状況？（ステップ）
１２８高度が第１の値より低い？（ステップ）
１３０低い高度の定常状態マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１３２高度が第２の値より高い？（ステップ）
１３４高い高度の定常状態マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１３６非常に高い高度の定常状態マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１３７吸気弁の作動周期を決定する（ステップ）
１３８高度が第１の値より低い？（ステップ）
１４０低い高度の過渡的マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１４２高度が第２の値より高い？（ステップ）
１４４高い高度の過渡的マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１４６非常に高い高度の過渡的マップからＡＦＲを決定する（ステップ）
１４７吸気弁の作動周期を決定する（ステップ）

Claims

エンジンのための吸気弁作動システムであって、
吸気弁が流体の流れを防止する第１の位置と吸気弁が流体の流れを許容する第２の位置との間で移動可能な吸気弁と、
第１の位置と第２の位置との間で吸気弁を動かすよう、吸気弁に連結されたカムアセンブリと、
吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、選択的に動作可能なバルブアクチュエータと、
エンジンが動作している高度を示すパラメータを検出するための手段と、
第１のルックアップマップと第２のルックアップマップとを格納し、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定し、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定するための制御手段であって、決定された空燃比に基づいて所望の弁作動周期を決定し、決定された弁作動周期の終了まで、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、さらに動作可能である制御手段と、を備えた吸気弁作動システム。
エンジンのための可変弁作動システムを制御する方法であって、
吸気弁が流体の流れをブロックする第１の位置と吸気弁が流体の流れを許容する第２の位置との間で吸気弁を動かすよう、カムアセンブリを動作することと、
エンジンが動作している高度を示すパラメータを検出することと、
検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定することと、
検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして、所望の空燃比を決定することと、
決定された空燃比に基づいて所望の弁作動周期を決定することと、
吸気弁が、カムアセンブリの動作に応答して第１の位置に戻るのを防止することと、
吸気弁が、決定された弁作動周期の終了時に第１の位置に戻るのを許容することと、を含む方法。
エンジンシステムであって、
少なくとも１つのシリンダを画定するエンジンブロックと、
少なくとも１つのシリンダ内に滑動可能に配置されたピストンと、
吸気弁が少なくとも１つのシリンダへの流体の流れを防止する第１の位置と吸気弁が少なくとも１つのシリンダへの流体の流れを許容する第２の位置との間で移動可能な吸気弁と、
第１の位置と第２の位置との間で吸気弁を動かすよう、吸気弁に連結されたカムアセンブリと、
吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、選択的に動作可能なバルブアクチュエータと、
エンジンの動作パラメータを検出するよう動作可能なセンサと、
第１のルックアップマップと第２のルックアップマップとを格納するように適合されているメモリを備え、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定し、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定するよう動作可能であり、決定された空燃比に基づいて所望の弁作動周期を決定し、並びに決定された弁作動周期の終了まで、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、さらに動作可能である制御装置と、を備えたエンジンシステム。
エンジンのための吸気弁作動システムであって、
吸気弁が少なくとも１つのシリンダへの流体の流れを防止する第１の位置と吸気弁が少なくとも１つのシリンダへの流体の流れを許容する第２の位置との間で移動可能な吸気弁と、
第１の位置と第２の位置との間で吸気弁を動かすよう、吸気弁に連結されたカムアセンブリと、
吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、選択的に動作可能なバルブアクチュエータと、
エンジンの動作パラメータを検出するよう動作可能なセンサと、
第１のルックアップマップと第２のルックアップマップとを格納するように適合されているメモリを備え、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合には、第１のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定し、検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合には、第２のルックアップマップにアクセスして所望の空燃比を決定するよう動作可能であり、決定された空燃比に基づいて所望の弁作動周期を決定し、並びに決定された弁作動周期の終了まで、吸気弁が第１の位置に戻るのを防止するよう、さらに動作可能である制御装置と、を備えた吸気弁作動システム。
制御装置のメモリが、
エンジンが過渡的状況を経験しており、並びに検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合の、所望の空燃比を定義している第４のルックアップマップと、
エンジンが過渡的状況を経験しており、並びに検出されたパラメータが、エンジンが第１の所定の値より高く、第２の所定の値より低い高度で動作していることを示している場合の、所望の空燃比を定義している第５のルックアップマップと、
エンジンが過渡的状況を経験しており、並びに検出されたパラメータが、エンジンが第２の所定の値より高い高度で動作していることを示している場合の、所望の空燃比を定義している第６のルックアップマップと、を格納するように適合されている請求項３あるいは４に記載のシステム。