JP2005201240A - エンジンシリンダの温度制御 - Google Patents

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Abstract

【課題】 エンジンシリンダの温度制御を提供する。
【解決手段】 内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する方法および装置。このシリンダは吸気マニフォールドおよび排気マニフォールドに流体接続されている。本方法および装置は、排気マニフォールドに関連する背圧をシリンダ内において所望量の残留排気ガスを保持するのに十分なレベルに増加させる工程と、吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置された吸気弁の作動を吸気マニフォールドからシリンダへの所望量の外気を保持するのに十分な開持続時間に変化させる工程を含み、残留排気ガスおよび外気の量の制御はシリンダ内温度を所望レベルに保持するようになされる。
【選択図】 図４

Description

本発明は一般的に内燃エンジンのシリンダ内の温度を制御する方法および装置に関し、さらに詳細には、シリンダ内の内部排気残留物および外気のレベルを制御してシリンダ内の温度を制御する方法および装置に関する。
内燃エンジンは変動する運転条件に関連する種々の問題を被ることが多い。例えば、圧縮着火エンジン、特に予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）モードで運転する圧縮着火エンジンは、低負荷において、シリンダ内温度が低いために不完全燃焼を起こしがちである。従って、多くの場合、例えば、ある量の内部排気残留物をシリンダ内に加えることによって、これらの運転条件下におけるシリンダ内温度を上昇させることが望ましい。
しかし、内部排気残留物を加えるために用いられる方法は付随的な問題を生じることが多い。例えば、排気カムを排気バルブが開状態を保つ持続時間を変化させるように変更するのが一般的である。この技術は低負荷において内部排気残留物を与えるのに効果的であっても、高負荷運転中のエンジンに対しては弊害をもたらすことがある。他の起こり得る問題は低負荷においてエンジン背圧を高めるためにエンジンターボ過給機を用いる点にある。例えば、可変容量タービン（ＶＧＴ）が用いられることがある。しかし、この目的のためにＶＧＴを用いると、付加的な空気流れが生じ、この空気流れは内部排気残留物の効果を低減させる。
本発明は前述の問題の１つ以上を解決することに関する。
本発明の一形態によれば、内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する方法が開示される。このシリンダは吸気マニフォールドおよび排気マニフォールドに流体接続されている。本方法は、排気マニフォールドに関連する背圧をシリンダ内において所望量の残留排気ガスを保持するのに十分なレベルに増加させる工程と、吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置された吸気弁の作動を吸気マニフォールドからシリンダへの所望量の外気を保持するのに十分な開持続時間に変化させる工程とを含み、残留排気ガスおよび外気の量の制御はシリンダ内温度を所望レベルに保持するようになされる。
本発明の他の形態によれば、内燃エンジンのシリンダ内の温度を制御する方法が開示される。本方法は、エンジンの負荷条件を決定する工程と、シリンダ温度を負荷条件の関数として決定する工程と、所望のシリンダ温度を決定する工程と、エンジンに配置されてシリンダに流体接続される排気マニフォールドに関連する背圧をシリンダ内において所望量の残留排気ガスを保持するのに十分なレベルに増加させる工程と、シリンダとシリンダに流体接続される吸気マニフォールドとの間に配置された吸気弁の開持続時間を吸気マニフォールドからの外気の量を所望の閾値未満のレベルに保持するのに十分な持続時間に延長する工程とを含み、背圧の増加と吸気弁の開持続時間の延長は所望のシリンダ温度を保持するように制御される。
本発明のさらに他の形態によれば、内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する装置が開示される。本装置は、シリンダに流体接続される吸気マニフォールドと、吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置される吸気弁と、シリンダに流体接続される排気マニフォールドと、排気マニフォールドに関連する背圧をシリンダ内において所望量の残留排気ガスを保持するのに十分なレベルに増加させる手段と、吸気弁の作動を吸気マニフォールドからシリンダへの所望量の外気を保持するのに十分な開持続時間に変化させる手段とを備え、残留排気ガスおよび外気の量の制御はシリンダ内の温度を所望レベルに保持するようになされる。
本発明のさらに他の形態によれば、内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する装置が開示される。本装置は、シリンダに流体接続される吸気マニフォールドと、吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置される吸気弁と、シリンダに流体接続される排気マニフォールドと、吸気マニフォールドと排気マニフォールドとの間に配置されるターボ過給機システムと、吸気弁に制御可能に接続される可変吸気弁システムと、ターボ過給機システムと可変吸気弁システムに電気的に接続され、排気マニフォールドに関連する背圧を増加させるようにターボ過給機システムを制御し、吸気弁の開持続時間を変化させるように可変吸気弁システムを制御する制御装置であって、背圧および吸気弁の開持続時間は、それぞれ、シリンダ内において所望の増加量の残留排気ガスと所望の減少量の外気を保持するように制御され、シリンダ内の温度が所望レベルに保持される制御装置とを備えている。
図面を参照するに、内燃エンジン１０２の燃焼シリンダ２０２（以後、シリンダ２０２と呼ぶ）内の温度を制御する方法および装置１００が示されている。
図１を特に参照するに、本発明に用いられるのに適した主な構成部品を例示するブロック図が示されている。内燃エンジン１０２は圧縮着火式、例えば、圧縮着火ディーゼルエンジンであるとよい。しかし、他の形式のエンジン、例えば、ガソリンエンジンのような火花点火機関が用いられてもよい。本発明は、具体的に、ＨＣＣＩエンジンと一般的に呼ばれる予混合圧縮着火エンジンに用いられる。特に、本発明はシリンダ２０２内の温度が所望値よりも低くなり得る低負荷のような条件下におけるＨＣＣＩエンジンに用いられるのに適している。
吸気弁２２６の作動を変化させる手段１０３が内燃エンジン１０２に見出され得る。手段１０３は図２に基づいてより詳細に後述する可変吸気弁システム１０４でもよい。
背圧を増加させる手段１０５も内燃エンジン１０２に見出され得る。手段１０５は図３に基づいてより詳細に後述するターボ過給機システム１０６でもよい。
当該技術分野においてよく知られているように、背圧はエンジンの吸気システムに加えられる圧力、すなわち、ブースト圧の生成によってエンジンの排気システムに作用するように生じる圧力である。背圧はエンジンのシリンダからの排気ガスの流れを妨げることがある。
制御装置１０８は、後でさらに詳細に述べる本発明による制御を行なうために、可変吸気弁システム１０４およびターボ過給機システム１０６に電気的に接続されてもよい。制御装置１０８はマイクロプロセッサに基づき、ここに述べる目的に専用とされるかまたはエンジン制御や診断などの付随的な目的にも用いられるように構成されてもよい。
図２を参照するに、本発明に用いられるのに適した可変吸気弁システム１０４が詳細に示されている。シリンダ２０２はピストン２０４を内部に備えている。ピストン２０４は、当該技術分野においてよく理解されているように、シリンダ２０２内において移動するように構成されている。
ロッカアームアセンブリ２０６はピボット２１０を中心として移動するように配置されたロッカアーム２０８を備えている。プッシュロッド２１２はロッカアーム２０８に機械的な力を与える。このプッシュロッド２１２は一端にカップ２１４を備えてもよい。ロッカアーム２０８に取り付けられたラッシュ調整ネジ２１６がカップ２１４と連携してプッシュロッド２１２とロッカアーム２０８との間を調整可能に連結するとよい。
プッシュロッド２１２はリフタアセンブリ２１８によって駆動されてもよい。また、リフタアセンブリ２１８はカム２０によって駆動されてもよい。
電動油圧補助アクチュエータ２２２は吸気弁２２６の開持続時間を変化させるために用いられる油圧力を与えるプランジャアセンブリ２２４を備えてもよい。さらに具体的には、吸気弁２２６を開くために、カム２２０によって作動可能なロッカアームアセンブリ２０６が用いられてもよい。また、吸気弁２２６をカム２００によって設定されているよりも長い期間にわたって開いたまま保持するために、電動油圧補助アクチュエータ２２２が用いられてもよい。
吸気弁２２６は吸気通路２３０を介して吸気マニフォールド２３２からシリンダ２０２への流体開通を行なうように制御可能に移動できる弁部材２２８を備えている。
なお、可変吸気弁システム１０４の上記の説明は油圧によって機能が強化された機械的弁システムを例示したものである。他の形式の弁システム、例えば、完全油圧弁制御システム、電気弁制御システム、および吸気弁２２６の開持続時間を機械的に変化させる、ある技術形式の機械的弁システムが用いられてもよい。
図３を参照するに、内燃エンジン１０２と共に構成されてもよい典型的なターボ過給機システム１０６の概略図が示されている。
内燃エンジン１０２はエンジンブロック３０２を備えている。エンジンブロック３０２は少なくとも１つのシリンダ２０２、例えば、図示されるように６つのシリンダ２０２を収納する。なお、いかなる数のシリンダ（例えば、４、６、８、１０、１２、またはその他の数のシリンダ）が用いられてもよい。以後、「リンダ２０２」という用語は「１つ以上のシリンダ２０２」を指すものとする。
内燃エンジン１０２に配置された排気マニフォールド３０４は正常なエンジン運転中にシリンダ２０２からの排気ガスを受けるように構成されている。排気ガスはターボ過給機システム１０６に送給される。図示される実施形態において、ターボ過給機システム１０６は第１タービン３０８と第１圧縮機３１０とを有する第１ターボ過給機３０６と、それに続く第２タービン３１４と第２圧縮機３１６とを有する第２ターボ過給機３１２を備えている。
操作において、排気ガスは第１タービン３０８内を通過してその第１タービン３０８を駆動し、次いで、第２タービン３１４内を通過してその第２タービン３１４を駆動する。これらの第１タービン３０８および第２タービン３１４は、それぞれ、第１圧縮機３１０および第２圧縮機３１６を駆動する。第１圧縮機３１０および第２圧縮機３１６からの圧縮空気は、シリンダ２０２に制御送給されるために、例えば、空気冷却器３１８を通して吸気マニフォールド２３２に送給される。ターボ過給機システム１０６を通過した後、排気ガスは排気システム３２０に送給されてもよい。
排気システム３２０は排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム３２２を備えてもよい。ＥＧＲシステム３２２は下流経路に粒子状物質（ＰＭ）フィルタ３２４と酸化触媒３２６とを備え、復帰経路にＥＧＲ冷却器３２８とＥＧＲ弁３３０とを備えてもよい。ＥＧＲ弁３３０はある量の排気ガスを第１圧縮機３１０および第２圧縮機３１６に供給される外気と一緒に制御可能に導くように構成されてもよい。
好ましくは、少なくとも１つのターボ過給機３０６および３１２は可変容量ターボ過給機、すなわち、可変容量タービン（ＶＧＴ）を有するターボ過給機として構成されてもよい。例えば、第１タービン３０８および第２タービン３１４の各々は可変容量タービンであるとよい。この場合、第１タービン３０８および第２タービン３１４は、それぞれ、当該技術分野においてよく知られているように、ＶＧＴ翼アクチュエータ３３２および３３４によって制御されるであろう。制御装置３０８はＶＧＴ翼アクチュエータ３３２および３３４に電気的に接続され、ＶＧＴ３０８および３１４の各々を本発明に準じて制御する。例えば、背圧を増加させるために、ＶＧＴ翼アクチュエータ３３２および３３４はタービン３０８および３１４の翼を閉じるように作動されてもよい。
他の構成のターボ過給機システム１０６が用いられてもよい。例えば、２つのＶＧＴは図３に示すように直列に接続されてもよいし、または並列に接続されてもよい。あるいは、ターボ過給機システム１０６は１つの大きなＶＧＴと１つの背圧弁（図示せず）を有していてもよく、あるいは本発明に必要な背圧を得るのに十分な大きさの１つのＶＧＴを有していてもよい。
図４を参照するに、本発明の好適な方法を説明するための流れ図が示されている。
第１制御ブロック４０２において、内燃エンジン１０２の負荷条件を決定する。例えば、内燃エンジン１０２が低負荷条件下にあることを決定されてもよい。負荷条件は、多数の方法によって、例えば、エンジン速度、燃料要求、およびトルクなどによって決定されてもよい。一具体例において、低負荷条件は、シリンダ２０２内の温度が所望値よりも低く、これにより排気物が増加するように、内燃エンジン１０２が運転されていることを示す指標であるとよい。これはＨＣＣＩモードのエンジンに特有の問題を起こし得る条件である。
第２制御ブロック４０４において、エンジンシリンダの温度を負荷条件によって決定されてもよい。この温度は絶対値または低負荷を低温度に関連付ける因子として決定されてもよい。シリンダ温度の決定は負荷ー温度マップに基づいて行なうかまたはそのマップから導き出してもよい。
第１制御ブロック４０２および第２制御ブロック４０４の変更例として、シリンダ内の温度を直接的に感知手段によって監視してもよいし、または他の要因から導き出してもよい。このように、本発明の実施を開始するのに、低負荷の決定を行うというよりも、むしろ低温度の決定を行なうとよい。
第３制御ブロック４０６において、所望のシリンダ温度を決定されてもよい。所望の温度は絶対値または所望の最小温度閾値のいずれかであるとよい。内燃エンジン１０２の運転状態のような他の要因を考慮してもよい。
シリンダ温度が所望値、あるいは閾値よりも下がったという決定を行なった後、第４ブロック４０８および第５ブロック４１０の作動を開始してもよい。
第４制御ブロック４０８において、排気マニフォールド３０４の背圧を、好ましくは、ＶＧＴ３０８および３１４の少なくとも１つを作動することによって増加させる。さらに具体的には、ＶＧＴ３０８および３１４の少なくとも１つをそれらのタービン３０８および３１４の翼を閉鎖することによって作動させ、吸気マニフォールド２３２におけるブースト圧を増加させ、続いて、排気マニフォールド３０４の背圧を増加させる。増加した背圧はある量の排気ガスがシリンダ２０２から流出するのを防ぎ、次に、シリンダ２０２内の温度を上昇させる効果がある。
不都合なことに、吸気マニフォールド２３２において増加したブースト圧はシリンダ２０２内にさらに外気を押し込むように作用し、温度を低下させる傾向にある。しかし、第５制御ブロック４１０において、吸気弁２２６の開持続時間は、例えば、圧縮ストロークの約半分まで延長されるので、シリンダ２０２内の圧縮によって、外気の過剰分が流入するのを防ぎ、ある量の外気をシリンダ２０２から吸気マニフォールド２３２内に押し戻すことさえ起こし得る。従って、増加したブースト圧による過剰な外気はシリンダ２０２内に流入せず、温度は残留する排気ガスによって高いままに保持される。
他の形態は、図面、明細書、および添付した請求の範囲の検討によって得られる。
本発明の好適な実施形態を説明するためのブロック図である。 本発明に用いられるのに適した可変弁システムの概略図である。 本発明に用いられるのに適したターボ過給機システムを有するエンジンの概略図である。 本発明の好適な方法を説明するための流れ図である。
符号の説明
１００ 装置
１０２ エンジン
１０３ 吸気弁の作動を変化させる手段
１０４ 可変吸気弁システム
１０５ 背圧を増加させる手段
１０６ ターボ過給機システム
１０８ 制御装置
２０２ シリンダ
２０４ ピストン
２０６ ロッカアームアセンブリ
２０８ ロッカアーム
２１０ ピボット
２１２ プッシュロッド
２１４ カップ
２１６ ラッシュ調整ネジ
２１８ リフタアセンブリ
２２０ カム
２２２ 電動油圧補助アクチュエータ
２２４ プランジャアセンブリ
２２６ 吸気弁
２２８ 弁部材
２３０ 吸気通路
２３２ 吸気マニフォールド
３０２ エンジンブロック
３０４ 排気マニフォールド
３０６ 第１ターボ過給機
３０８ 第１タービン
３１０ 第１圧縮機
３１２ 第２ターボ過給機
３１４ 第２タービン
３１６ 第２圧縮機
３１８ 空気冷却器
３２０ 排気システム
３２２ 排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム
３２４ 粒子状物質（ＰＭ）フィルタ
３２６ 酸化触媒
３２８ ＥＧＲ冷却器
３３０ ＥＧＲ弁
３３２ ＶＧＴ翼アクチュエータ
３３４ ＶＧＴ翼アクチュエータ

Claims (10)

  1. 内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する方法であって、シリンダは吸気マニフォールドおよび排気マニフォールドに流体接続されている方法において、
    排気マニフォールドに関連する背圧をシリンダ内において所望量の残留排気ガスを保持するのに十分なレベルに増加させる工程と、
    吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置された吸気弁の作動を吸気マニフォールドからシリンダへの所望量の外気を保持するのに十分な開持続時間に変化させる工程と
    を含み、残留排気ガスおよび外気の量の制御はシリンダ内の温度を所望レベルに保持するようになされる方法。
  2. 残留排気ガスおよび外気の量の制御はシリンダ内の温度を所望レベルに上昇させるようになされる請求項１に記載の方法。
  3. 残留排気ガスおよび外気の量の制御はエンジンの低負荷運転中になされる請求項２に記載の方法。
  4. 吸気弁の作動を変化させる工程は吸気弁の開持続時間を正常な開持続時間よりも延長する工程を含む請求項１に記載の方法。
  5. 吸気弁の開持続時間を延長する工程は吸気弁の開持続時間を外気の量を所望のレベル未満に保持するのに十分な期間にわたって延長させる工程を含む請求項４に記載の方法。
  6. 背圧を増加させる工程は吸気マニフォールドおよび排気マニフォールドに関連するターボ過給機システム内の少なくとも１つの可変容量タービンを制御可能に作動させる工程を含む請求項１に記載の方法。
  7. 内燃エンジンの燃焼シリンダ内の温度を制御する装置において、
    シリンダに流体接続される吸気マニフォールドと、
    吸気マニフォールドとシリンダとの間に配置される吸気弁と、
    シリンダに流体接続される排気マニフォールドと、
    吸気マニフォールドと排気マニフォールドとの間に配置されるターボ過給機システムと、
    吸気弁に制御可能に接続される可変吸気弁システムと、
    ターボ過給機システムおよび可変吸気弁システムに電気的に接続され、排気マニフォールドに関連する背圧を増加させるようにターボ過給機システムを制御し、吸気弁の開持続時間を変化させるように可変吸気弁システムを制御する制御装置であって、背圧と吸気弁の開持続時間は、それぞれ、シリンダ内において所望の増加量の残留排気ガスと所望の減少量の外気を保持するように制御され、シリンダ内の温度が所望レベルに保持される制御装置と、
    を備える装置。
  8. ターボ過給機システムは少なくとも１つの可変容量ターボ過給機（ＶＧＴ）を備える請求項７に記載の装置。
  9. 対応する少なくとも１つのＶＧＴに接続されると共に制御装置に電気的に接続される少なくとも１つのＶＧＴ翼アクチュエータをさらに備える請求項８に記載の装置。
  10. 可変吸気弁システムは吸気弁の開持続時間を正常な開持続時間よりも延長するように構成される請求項７に記載の装置。
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