JP2005517111A - 効率的内燃エンジンバルブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

効率的バルブアクチュエータ（７０）を備えたエンジン（２０）が開示される。このエンジン（２０）は、通常バルブ動作中にエンジン（２０）のバルブ要素（４０）を開状態に保持する第１の力、および排気ガス再循環動作中にバルブ要素（４０）を開状態に保持する第２の力を採用する。バルブアクチュエータ（７０）は、アクチュエータシリンダ（７２）を介してアクチュエータピストン（７４）を延ばすように適合された加圧油を使用して作動される。第１の力は、機械的被駆動アクチュエータ（５８）から得られるが、第２の力はエンジン（２０）の高圧レール（８６）から得られる。制御バルブ（８８）は、低圧（８４）または高圧（８６）油のいずれかをバルブアクチュエータシリンダ（７２）に送るように使用される。

Description

本明細書は、一般に内燃エンジンに、より詳しくは、エンジンバルブアクチュエータに関する。

排気ガス再循環は内燃エンジン製造者の間では公知の概念である。例えば、４行程ディーゼルエンジンを例に採ると、このようなエンジンは、シリンダ内で往復運動するピストンの４つの別個の行程を通じて動作することは当業者には容易に理解されよう。吸気行程において、ピストンがシリンダ内を下降する間、吸気バルブが開いている。その結果生じる真空が空気をシリンダ内に吸い込む。次の圧縮行程において、ピストンが方向を反転する間に吸気バルブと排気バルブとが閉じ、それによってシリンダ内の空気を圧縮する。この後に燃焼またはパワー行程が伴い、ここでは、燃料が圧縮空気内に噴射され、それによって着火され、その結果生じる力がピストンを再び下降方向に押し、その間吸気および排気の両バルブは閉じている。最後に、排気バルブが開いた状態でピストンが方向を反転し、それによって燃焼ガスをシリンダから追い出す。

このようなエンジン動作について１つの公知の欠点は、燃焼プロセスの副産物から生じる。より詳しくは、窒素酸化物（ＮＯｘ）のような許容不可能な高レベルの汚染物質が、排気行程中に排出される。排気ガス再循環（以後「ＥＧＲ」と呼ぶ）は、従来形のエンジン動作のこのような欠点を抑制しようとする。ＥＧＲでは、排気ガスの少なくとも一部、ゆえに燃焼副産物の一部を環境に排出せずに、エンジンの次のパワーまたは燃焼行程で燃焼すべくエンジンシリンダ内に戻るように導く。

ＥＧＲは内的または外的に行われる。外部ＥＧＲでは、導管または他の形式の流路が、排気バルブを通して排出された排気ガスを吸気バルブに戻すように提供される。効果的であるが、このような手法は、上述の導管を含み、それによって重量およびサイズ条件を増加させ、効率を低下させるような付属のエンジン部品が必要となる。

内部ＥＧＲでは、そのような導管や付属のエンジン部品を回避できる。排気バルブを通して排出された排気ガスは、排気バルブそれ自体を通してシリンダに再導入される。このようなプロセスには、排気行程を通じてだけでなく、ピストンが方向を反転した後も排気バルブを開状態に保ち、それによって真空状態を造り、尚も開状態の排気バルブを通して排気ガスの一部をシリンダ内に戻すように吸い込ませることが必要となる。

ピストンがシリンダ内を上死点位置に向かって往復運動するとき排気バルブを開き、そのバルブを開位置に維持するのに要する力がかなり大きいことは当業者には容易に理解されよう。従来、排気バルブは、高圧油を採用するバルブアクチュエータによってこのような開位置に保持されてきた。より詳しくは、ピストンが往復運動するように内部に配置されるシリンダを有するバルブアクチュエータは、排気バルブのステムの近くに提供される。高圧油による、延長位置へのアクチュエータピストンの運動は、バルブステムに開く力を与える。

内部ＥＧＲを可能にするために、例えば、１，５００〜５，０００ポンド／平方インチ（１０．３４〜３４．４ＭＰａ）程度の加圧油がバルブアクチュエータに供給されなければならない（他の圧力範囲も可能である）。エンジンまたはそのエンジンが搭載される機械は、ゆえに高圧流体源またはレールを提供し、ＥＧＲが必要なときにアクチュエータに高圧油を供給できなければならなかった。このような条件は、特に、高圧油がエンジン動作中の比較的短期間にしか必要がない場合でもこのような圧力を維持するためにエンジンが有効な仕事を高圧レールに連続的に送らなければならないことでエンジン効率を低下させる欠点がある。

本明細書は、先行技術に関する１つまたはそれ以上の課題または欠点を克服することを目的とする。

本明細書の一形態によれば、エンジンバルブシートと、開位置と閉位置の間でエンジンバルブシートに関して移動するように適合されたエンジンバルブ要素と、バルブ要素と作動的に関わり、第１の大きさを有する第１の力をバルブ要素に、第１の大きさよりも大きい第２の大きさを有する第２の力をバルブ要素に与えてバルブ要素を移動させるように適合されたアクチュエータとを具備するエンジンバルブアセンブリが提供される。

本明細書の他の形態によれば、アクチュエータシリンダと、アクチュエータシリンダ内に往復運動するように搭載されたアクチュエータピストンであって、それから延びるロッドを含むピストンと、第１の加圧流体源と、第１の加圧流体源よりも高い圧力で加圧される第２の加圧流体源と、第１の加圧流体源、第２の加圧流体源、およびアクチュエータシリンダと流体連通している制御バルブとを具備するエンジンバルブアクチュエータが提供される。制御バルブは、第１の位置と第２の位置を有し、第１の位置は第１の液圧源をアクチュエータシリンダと流体連通するように接続し、第２の位置は第２の液圧源をアクチュエータシリンダと流体連通するように接続する。

本明細書の他の形態によれば、エンジンシリンダと、エンジンシリンダ内に往復運動するように配置されたエンジンピストンと、エンジンシリンダのポート内に配置されたバルブ要素と、エンジンに接続され、バルブステムの近くに配置されたバルブアクチュエータと、バルブアクチュエータと流体連通している第１の加圧流体源と、バルブアクチュエータと流体連通している第２の加圧流体源と、第１および第２の加圧流体源からバルブアクチュエータへの加圧流体の流れを制御するように適合された制御バルブとを具備するエンジンが提供される。

本明細書の他の形態によれば、エンジンシリンダと、バルブポートと、バルブポートを開閉するように適合されたバルブとを有するエンジンを準備する工程と、第１の液圧源から得られた第１の力でバルブを開く工程と、第２の液圧源から得られた第２の力でバルブを開状態に保持する工程と、バルブ開放工程中にエンジンシリンダから排気ガスを排出する工程と、保持工程中にエンジンシリンダ内に排気ガスを吸い込む工程とを含む、エンジンを制御する方法が提供される。

ここで図面を参照するに、特に図１を参照して、エンジンは、一般に参照番号２０で示される。エンジン２０は、４行程のディーゼルエンジンを参考にここでさらに詳細に示し、説明するが、本明細書の教示を同じように、排気ガスの一部が実質的な燃焼のためにエンジンに再導入されることになる他の任意のタイプのエンジンに関しても採用できることは理解されよう。

エンジン２０は、それぞれにエンジンピストン２４が往復運動するように搭載される複数のエンジンシリンダ２２を包含しても良い。図示された実施形態において、６本のこのようなエンジンシリンダ２２と６個のエンジンピストン２４とが一直線に整列して描かれているが、それ以上または以下の数も可能であり、一列以外の他のエンジンシリンダの配列、例えば、「Ｖ」構成の配列も同様に可能であることは理解されよう。連接ロッド２６は、各エンジンピストン２４に接続され、次に、エンジン２０と連動する機械（図示せず）において有用な仕事を生成させるべくエンジンピストン２４の運動を十分に利用できるようにクランク軸２７に接続される。各エンジンシリンダ２４は、シリンダヘッド３０を有するエンジンブロック２８内に提供されても良く、吸気バルブ３２および排気バルブ３４をさらに包含しても良い。

ここで図２〜図５を参照するに、シリンダヘッド３０、および一対の排気バルブ３４が１本のエンジンシリンダ２２に関してより詳細に示されており、各シリンダ２２に関連する一対の吸気バルブ３２も同じように構成されても良いことは理解されよう。ここで示されるように、一対の排気ポート３８は、エンジンシリンダ２２への流体連通、およびエンジンシリンダ２２からの流体連通を可能にするためにシリンダヘッド３０内に提供されても良い。図１に示されるように、各吸気バルブ３２も吸気ポート３６内に同様に配置される。より詳しくは、通常エンジン動作において、空気は、吸気ポート３６を通してエンジンシリンダ２２に入ることができるが、燃焼または排気ガスは排気ポート３８を通してエンジンシリンダ２２を出て行くことができる。吸気バルブ要素４０は、吸気ポート３６内に提供されるが（図１）、排気バルブ要素４１は排気ポート３８内に提供されても良い（図２）。吸気マニフォルド４２は、吸気ポート３６に接続され、排気マニフォルド４３は排気ポート３８に接続される。

各バルブ要素４０、４１は、バルブステム４６がそこから延在するバルブヘッド４４を包含しても良い。バルブヘッド４４は、バルブポート３６、３８の周囲５２のバルブシート５０に対し密閉するように適合されたシール面４８を包含しても良い。バルブ要素４０、４１は、各バルブポート３８に関わるバルブステム４６と接触するように適合されたブリッジ５４をさらに包含する。バルブバネ５６は、各バルブステム４６の上部とシリンダヘッド３０の間に力を与え、それによってシリンダヘッド３０から離れる方向にステム４６を付勢し、ゆえに対応バルブシート５０とシール当接するようにバルブヘッド４４を付勢して吸気および排気バルブ３２、３４を閉じる。

図２において最も良く示されるように、バルブ要素４０、４１の動きは、バネ５６によるだけでなく、カムアセンブリ５８によっても制御される。当業者には容易に理解されるように、周期的なカム６０の回転が、プッシュロッド６２を上昇させ、それによってプッシュロッドに接続されたロッカーアーム６４を旋回軸６６の回りで旋回させる。その際、ロッカーアーム６４の端部６８が下方に旋回し、それによって排気バルブ要素４１を開く。通常エンジン動作中、カム６０はバネ５６の付勢力に打ち勝つに足る力をバルブステム４６に与え、それによってバルブヘッド４４をバルブシート５０から離れる方向に押しやって、排気バルブ３４を開く。

ここでより詳細に説明される内部排気ガス再循環を用いるような、一定モードのエンジン動作において、バルブステム４６は、バネ５６に対して交互に押され、それによってバルブ３４を開く。より詳しくは、バルブアクチュエータ７０は、吸気バルブ３２および／または排気バルブ３４をそのように開くために使用されても良い。図３〜図５に示されるように、バルブアクチュエータ７０の一例は、アクチュエータピストン７４が内部に往復運動するように配置されるアクチュエータシリンダ７２を包含する。アクチュエータシリンダ７２は開口部７９を包含し、その開口部７９を通ってアクチュエータロッド７８がロッカーアーム６４またはブリッジ５４の方向に延びる。アクチュエータロッド７８は、アクチュエータピストン７４と一体であっても、別個であっても良い。

アクチュエータシリンダ７２は、作動チャンバ８２へのアクセスを提供するポート８０を包含しても良い。そのポート８０は、作動チャンバ８２を低圧流体源８４または高圧流体源８６の一方と流体連通して配置するように適合される。一実施形態において、低圧流体源８４は、様々なエンジン部品に潤滑油を供給するために通常使用されるエンジン２０の潤滑油系統であり、高圧流体源８６は、燃料噴射器（図示せず）を作動させるためにも使用されるエンジン２０の高圧オイルレールであっても良い。潤滑油は、潤滑油系統の任意の部分における低圧流体源８４から、例えば、旋回軸８６内の流路８５から供給されても良い。低圧流体源８４は、潤滑油系統である必要はないが、例えば、６０から９０ポンド／平方インチ（４１３．７ＫＰａ〜６２０．５ＫＰａ）程度の任意の液圧源であるが、高圧流体源８６は、例えば、１，５００から５，０００ポンド／平方インチ（１０．３４から３４．４Ｍｐａ）程度の任意の液圧源であっても良い。他の圧力範囲も当然可能である。

低圧流体源８４および高圧流体源８６のそれぞれの一方を作動チャンバ８２と流体連通させる設定は、制御バルブ８８によって制御される。制御バルブ８８は、第１および第２の入口９０、９２とたった１つの出口９４とを包含しても良い。制御バルブ８８は、ポート８０を低油圧源８４に接続する位置に付勢され、ソレノイド９５によって作動されてポート８０を高油圧源８６と接続しても良い。ソレノイド９５は、エンジン２０の主制御装置またはプロセッサ９６（図１）からの制御信号などの受信時にそれ自体が作動しても良い。低油圧源８４と高油圧源８６の両方が、オイルドレイン、油だめ、またはアキュムレータ９７と流体連通状態にあっても良い。

いずれの場合においても、作動チャンバ８２は加圧流体で満たされる。低圧液で、流体がアクチュエータピストン７４を移動させるに足るほどチャンバ８２を満たすので、アクチュエータロッド７８とバルブステム４６の間、またはロッカーアーム６４とアクチュエータロッド７８の間に存在するような、システム内のいかなる隙間９８も除くことができる（図３）。「システム内の隙間の除去」は、ここでは、可動部品間のいかなる空間も取り除くことを意味すると定義される。その際、排気ガス再循環が必要な場合、高圧流体源８６が、チャンバ８２と流体連通状態に設定され、直ちにピストン７４およびステム４６を開位置に移動させ、それによって必要な高圧液量を大いに低減し、システム応答性を増すことができる。

動作時、エンジン２０は様々な用途で使用される。例えば、エンジン２０は、原動力付き車両など、または機械的または電気的エネルギーを準備する必要がある任意タイプの機械に搭載して提供されても良い。このような機械は、これらに限定されるものではないが、土木機械、バックホー、地ならし機、岩石破砕機、舗装機、スキッドステアローダ、クレーン、トラックなどを包含しても良い。

ここで図２〜図５と共に、図６を参照するに、エンジン２０は、以下のように内部ＥＧＲを提供できるように動作できる。背景として、典型的な４行程ディーゼルエンジンが、エンジンシリンダ２２内を移動するエンジンピストン２４の４つの別個の行程を通じて動作することは当業者には理解されよう。

第１すなわち吸気行程において、エンジンピストン２４は、エンジンシリンダ２２内をシリンダヘッド３０から離れる方向に下降し、その間に吸気バルブ３２が、工程９９および１００でそれぞれ示されるように、開く。吸気バルブ３２は、カムアセンブリ５８のような機械的被駆動アクチュエータによって開かれても良い。その際、空気は、工程１０２で示されるように、エンジンシリンダ２２内に吸い込まれる。

第２すなわち圧縮行程において、エンジンピストン２４は、ロッド２６の方向において、その運動を反転し、その間に吸気バルブ３２および排気バルブ３４が閉じる。このような工程は、図６において参照番号１０４および１０６でそれぞれ示される。エンジンピストン２４がシリンダヘッド３０に向かってエンジンシリンダ２２内を上昇すると、空気が圧縮される（工程１１０で示されるように）。

第３すなわち燃焼行程において、工程１１２で示されるように、燃料は圧縮空気内に直接噴射され、それによって着火する。その結果生じる爆発および膨張ガスは、再びエンジンピストン２４をエンジンシリンダ２２を介して下降方向（工程１１３で示されるように）に押し下げ、その間、吸気バルブおよび排気バルブ３２、３４は閉じたままである。

第４すなわち排気行程において、エンジンピストン２４は再び反転し、エンジンシリンダ２２を介して上昇するが、排気バルブ３４は開いており、それによって燃焼ガスをエンジンシリンダ２２から押し出す。このような工程は、工程１１４および１１６としてそれぞれ図６に示される。

内部ＥＧＲでは、上記バルブタイミングは変更される。４行程エンジンのサイクルは、１８０度の回転を表す４つの各行程で７２０度の回転と同等と見なされる、図７のグラフで示されるような典型的な排気行程時、排気バルブ３４は、エンジンピストン２４がエンジンシリンダ２２内の上死点位置（ここではエンジンピストン２４が下降前にエンジンシリンダ２２内で到達できる最上位置として定義された）に達するときに閉じて、特にエンジンピストン２４と、延びた、開いた状態の、排気バルブ３４の間での接触による損傷を回避する。但し、内部ＥＧＲを用いる場合、排気バルブ３４が、排気行程だけでなく、排気バルブ３４が通常閉じているときと吸気バルブ３２が開いて吸気行程を行うために開くときとの合間でも開状態のままでなければならない。図８は、このような動作を示している。

ＥＧＲ動作中の排気バルブ３４は、上述の接触を回避できるように排気行程中ほど開かないことが好ましい。例えば、典型的な排気行程中では、バルブヘッド４４が排気バルブポート３８からほぼ１２ミリメートル延ばされるが、ＥＧＲ中では、バルブヘッド４４がバルブポート３８からほぼ２ミリメートル延ばされても良い。一実施形態において、排気バルブ３４は、エンジン２０の全排気行程を通じて、および吸気行程のほぼ９０度（図８におけるクランク角の５００度）まで開状態のままである。

代替実施形態において、ＥＧＲは、吸気バルブ３２を介して単独で、または排気バルブ３４と組合せて同じように行われる。図９は、このようなＥＧＲの代替形式を達成する排気行程の初期段階中の吸気バルブ３２のバルブリフトを示す。さらに、図示しないが、吸気バルブ３２および排気バルブ３４とは別に第３のバルブまたはバルブセットを、ＥＧＲを提供する特定の目的のために提供できることは理解されよう。

ＥＧＲはエンジン２０の動作中必ずしも必要であるわけではなく、ＥＧＲ動作の期間も可変であっても良いので、工程１１８および１１９（図６）が包含され、ここではエンジン２０または、より詳しくは、プロセッサ９６は、ＥＧＲが必要であるかを最初に決定し、それが必要な場合、どれだけの期間が必要であるかを決定する。このような動作が必要でない場合、通常ディーゼルの機能を果たす動作を継続する、つまり、排気バルブ３４が工程１２０に示されるように閉じ、典型的な４行程サイクルを反復する。

但し、ＥＧＲが望まれる場合、排気バルブ３４は、工程１２２に示されるように、アクチュエータ７０を使用して開状態に保持される。排気バルブ３４が開状態に保持されている間に、工程１２４および１２６でそれぞれ示されるように、エンジンピストン２４が下降し、吸気バルブ３２が開く。上述の代替実施形態において、吸気バルブ３２と排気バルブ３４との両者を介してＥＧＲを有効にするために吸気バルブ３２が排気行程の後期段階中でも同じように開状態に保持されることは理解されるべきである。その際、エンジンシリンダ２２から排気バルブ３４を介して排気マニフォルド４３（および／または吸気バルブ４２）に押し込まれた排気ガスの一部は、エンジンシリンダ２２（および／または吸気バルブ３２）に再導入される。この工程は、参照番号１２８で示される。あるいは、吸気バルブ３２が排気行程中にも開かれ、排気ガスが吸気マニフォルド４２に送り込まれる。所定行程長（例えば、図８の実施形態において上述した９０度）後に、排気バルブ３４が工程１３０で示されるように閉じ、その間吸気バルブ３２が開いたままとなり上述のように吸気行程を完了する。

上昇するエンジンピストン２４、および排気バルブ３４から、ゆえに排気バルブ３４に対して押し出される加圧ガスのため、排気行程中に排気バルブ３４を開き、それを開状態に保つにはかなり大きな力が必要となることは当業者には理解されよう。高圧流体源８６と流体連通状態にあるとき、アクチュエータ７０は、バルブ３４を開状態に保つに足る力をアクチュエータピストン７４に対し発生させることができる。さらに、ＥＧＲが必要とされるときに限り高圧油をアクチュエータ７０に送ることによって、エンジン２０は、高油圧源８６が必要とする高圧力まで大量のオイルを継続的に圧縮しなくても済むことから、エンジン動作の効率がかなり向上する。

本明細書の他の形態および特徴は、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。

エンジンブロック、シリンダヘッド、およびバルブアクチュエータを示す内燃エンジンの実施形態の概略断面図である。 図１の線２−２に沿った、図１のエンジンの断面図である。 第１の位置で示されたエンジンバルブアクチュエータの概略図である。 第２の位置で示されたエンジンバルブアクチュエータの概略図である。 第３の位置で示されたエンジンバルブアクチュエータの概略図である。 エンジンを動作させるために実行される工程のサンプル手順を示す流れ図である。 ４行程内燃エンジンの、バルブリフト対エンジンクランク角をプロットして、通常バルブ動作を示すグラフである。 排気バルブを使用する排気ガス再循環を提供するエンジンのエンジン動作を示すグラフである。 吸気バルブを使用する排気ガス再循環を提供するエンジンのエンジン動作を示すグラフである。

Claims (10)

1. エンジン（２０）であって、
   エンジンシリンダ（２２）と、
   エンジンシリンダ（２２）内に往復運動するように配置されたエンジンピストン（２４）と、
   エンジンシリンダ（２２）のポート内に配置されたバルブ要素（４０）と、
   エンジン（２０）に接続され、バルブ要素（４０）の近くに配置されたバルブアクチュエータ（７０）と、
   バルブアクチュエータ（７０）と流体連通している第１の加圧流体源（８４）と、
   バルブアクチュエータ（７０）と流体連通している第２の加圧流体源（８６）と、
   第１および第２の加圧流体源（８４、８６）からバルブアクチュエータ（７０）への加圧流体の流れを制御するように適合された制御バルブ（８８）とを具備する、エンジン（２０）。
2. バルブアクチュエータ（７０）は、アクチュエータシリンダ（７２）と、アクチュエータシリンダ（７２）内に往復運動するように搭載されたアクチュエータピストン（７４）とを含む、請求項１に記載のエンジン（２０）。
3. バルブ要素（４０）の回りに搭載され、バルブ要素（４０）を閉位置に向かって付勢するコイルバネ（５６）を含む、請求項２に記載のエンジン（２０）。
4. バルブ要素（４０）と作動的に関わる機械的被駆動アクチュエータ（５８）を含む、請求項１に記載のエンジン（２０）。
5. 第１の加圧流体源（８４）はエンジン潤滑系統である、請求項４に記載のエンジン。
6. エンジン（２０）を制御する方法であって、
   エンジンシリンダ（２２）と、エンジンシリンダ（２２）から延びるバルブポート（３６）と、バルブポート（３６）に対して開位置と閉位置の間で移動するように適合されたバルブ要素（４０）とを有するエンジン（２０）を準備する工程と、
   第１の流体源（５８）から得られた第１の力でバルブ要素（４０）を開く工程と、
   第２の流体源（８６）から得られた第２の力でバルブ要素（４０）を開位置に保持する工程と、
   開放工程中にエンジンシリンダ（２２）から排気ガスを排出する工程と、
   保持工程中にエンジンシリンダ（２２）に排気ガスを吸い込む工程とを含む、方法。
7. エンジン（２０）は、アクチュエータピストン（７４）が内部に往復運動するように配置されるアクチュエータシリンダ（７２）を有するバルブアクチュエータ（７０）を含み、第２の流体源（８６）は加圧流体であり、保持工程は加圧流体をアクチュエータシリンダ（７２）に送り込むことを含む、請求項６に記載の方法。
8. 第１の流体源（５８）は機械的被駆動アクチュエータ（５８）であり、開放工程は機械的被駆動アクチュエータ（５８）によって行われ、保持工程は、加圧流体（８６）をアクチュエータシリンダ（７２）内に送り込むことによって行われる、請求項７に記載の方法。
9. 開放工程はエンジン（２０）の排気行程中に行われ、保持工程は、エンジン（２０）の排気行程中および少なくとも一部の吸気行程中に行われる、請求項６に記載の方法。
10. エンジン（２０）の排気行程前に開放工程を行う工程を含む、請求項６に記載の方法。

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