JP2006307867A - 変動バルブを有する多気筒エンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる処理手法に従いエンジンの操作を容易に制御することができるバルブの可変のための油圧システムを備えた多気筒エンジンを提供する。
【解決手段】本発明にかかるエンジンは、特に、選択されたシリンダを除外することによって、モジュラー化された可変のエンジン配置を伴って操作し、有効圧縮比を調整する手段と取込における排気ガスの再循環を制御する手段により燃焼を制御することによって、消費の低いレベルを達成し、かつ有害な排気を減少させることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、バルブの変動のためのシステムを備えた多気筒エンジンに関する。
出願人は、内燃エンジンについて米国特許出願US−A−6237551を行っている。内燃エンジンの種類は、
それぞれのシリンダについての少なくとも一つの取込バルブと少なくとも一つの排気バルブであって、それぞれ、閉鎖位置に向かってバルブを押圧し取込及び排気パイプをそれぞれ制御する弾性返還手段を備えたバルブと、
それぞれタペットの手段によりエンジンシリンダの取込及び排気バルブを駆動させるための少なくとも一つのカムシャフトとを備え、
それぞれの取込バルブは加圧された流体チャンバーを含む油圧の仲介によって上記弾性返還手段の駆動に反してそれぞれタペットによって制御され;
それぞれのタペットからバルブを離し、バルブを迅速に閉鎖させる、すなわち弾性返還手段のためにソレノイドバルブによって排気溝に接続されるように設計された上記加圧流体チャンバーと、
それぞれのソレノイドバルブを制御しエンジンの1以上の操作パラメータにしたがってそれぞれの取込バルブの時間と開放ストロークを変化するための電気制御手段とを備える。
米国特許第6237551号明細書
本発明の目的は、燃焼の制御を重視し、消費を減少させ、有害な排気ガスを減少し、一般的にエンジンの効率を向上させるという複数の利点を有するガソリンエンジンを提供するために従来提案されたエンジンをさらに向上させることである。
上述の目的を達成する観点から、本発明の目的は上述した参照される種類の公知のガソリンエンジンについて:
前記電気制御手段は、下死点よりも前の取込バルブの閉鎖を早めることによって、あるいは、前記エンジンの最大体積効率角を越える取込バルブの閉鎖を遅らせることによって、前記エンジンの有効圧縮比を調整することを特徴とする。
本発明によれば、上記の電気制御手段を備えたエンジンは燃焼を制御するために有効圧縮比(ECR)の調整を実行する。
燃焼の現象は、圧縮フェイズの終わりに到達した圧力と温度の値によって制御される。本発明によって提供される可変システムに特有の取込バルブの閉鎖の角度の管理における完全な柔軟性は、幾何学的圧縮比(GCR)と独立した有効圧縮比(ECR)を有する燃焼サイクルとすることができる。圧力と同様に有効圧縮比(ECR)の管理を通して圧縮の終わりの温度を変えることができるシステムは燃焼を制御できるシステムである。
本発明のエンジンは、上述の目的を2つの異なるモードにより達成する。すなわち、
1)下死点(早く取込バルブを閉じる)に対して取込バルブの閉鎖を早める。及び、
2)エンジンの最大体積効率の角度(取込バルブの閉鎖を遅らせる)を超える取込バルブの閉鎖を遅らせる。
本発明にかかるシステムは、エンジンの操作のポイントごとに用いられる可変の有効圧縮比および、同時に、固定の配置システムを採用したガソリンエンジンで通常用いられるよりも大きい幾何学的圧縮比を有する可能性を与える。実際、2つの圧縮比は、取込バルブの閉鎖がエンジンのクランク機構に対する機械的な相ではない他のものとは独立している。上記のものは、一方で排気(燃焼チャンバー中で高い温度のためにより早くより安定した燃焼となり、燃焼チャンバー内の不燃の燃料の量がより小さくなる。)と消費(すなわちサイクルの効率)効果を有し、他方でバルブの可変制御の油圧システムによって完全負荷の場合にエンジンの性能がスパークノックの現象によって限定されないようなECRの値を構成することを可能にする効果を有する。これは、上述したように、上述した2つの異なるモードにしたがって発生する。早く取込バルブを閉じる第1のモードでは、有効圧縮比が減少し、その結果としてこれから遅れる圧縮の終了時の温度が減少することでコンプレッサーの使用を通して導入される新しいチャージの濃度が増大する。圧縮フェイズの終わりにおけるチャージダウンは、燃焼サイクルの終わりと同じ圧力であるが、温度が低い(同じ有効圧縮比の計算において)ため、好ましくないスパークノックを構成する、導入されるチャージの量が減少することになり、エンジンの性能という観点から明らかな利益を有する。
上述の第2のモードによれば、有効圧縮比の減少は、取込バルブの閉鎖を遅らせることによって得られる。この効果は第1のモードで説明したものと同じように提供される。
上述のバルブの可変駆動の油圧システムの使用により、本発明のエンジンは、ガソリンエンジンにおいて、消費と有害な排気の減少という点から所望の効果を得るための異なる方法を実行することができる。
すなわち、好ましい態様において、本発明は、前記エンジンはそれぞれのシリンダに少なくとも2つの取込バルブを備え、取込バルブが3つの調整を受けるように予め設定される。すなわち、開放を遅らせる、閉鎖を早める、開放を遅らせる及び閉鎖を早める、ことに関し、前記3つの可能な調整は、バルブ管理の異なるモードを備えポンピングの設定、燃焼チャンバー中の乱れ及び燃焼チャンバー中の動きに応じて求められた調整を選択するように種々の方法で互いに組み合わされている
さらに好ましい特徴によれば、本発明はさらに、設定されたエンジンシリンダの排気バルブを閉鎖に維持させる第2の電気制御手段を備え、
前記電気制御手段は、通常操作サイクルの間前記エンジンの選択された1以上のシリンダの取込バルブを閉鎖に維持するように設定され、かつ前記第2の手段の動作を前記選択されたシリンダの排気バルブの閉鎖を維持させるように活動させ、結果としてモジュラリティとして異なる配置のエンジンを得ることができる。
モジュラリティのコンセプトについて考慮すると、本質的にガソリンエンジンは公知である。エンジンの1以上のシリンダの活動を実行させ一般的に特定の消費の減少を達成させるためには、燃焼フェイズにおけるシリンダのポンピングの仕事を減少させ、燃焼効率を向上させることが求められる。この観点から自動車の必要なトルクにしたがって制御されるエンジンの配置の変更が得られる。
本発明のシステムは、スロットルバルブを使用することなくエンジン負荷の調整を行うことができ、したがってポンピングの損失を最少化することができる。さらに上記の効果に加えて、本発明のシステムは、取込バルブとバルブの可変制御の油圧システムを通した排気バルブの双方を同時に閉じることにより、シンプルで安価な手段を用いることで十分に高い効率をもって上述の結果を達成させる。排気バルブを閉鎖させるために設計された上記の手段は、例えば、ドイツの企業INAによって提供されるいわゆる「collapsible」のタペットの手段などの公知の方法で得ることができる。
偶数のシリンダを持つエンジンについての場合は、モジュラリティは、本発明に従いエンジンの2分の1のシリンダの不活性によって得られる。この方法では、エンジンの同じ平均有効圧力(MEP)が与えられ、高い場合において活性シリンダのMEPは2倍となるという複数の欠点が達成される。これは、燃焼中におけるシリンダの燃焼効率の向上を決定し結果として特定の消費の減少となる。半分のシリンダの駆動によって、摩擦による損失の減少も得られる。この結果は、モジュラー構造内においてもはや圧縮サイクル及び取込バルブのスプリングの開放による吸収がなく、またクランク機構、ピストン、及び関連するセグメント上の駆動負荷が比較的減少されることを得ることができる。これにより、取込バルブの閉鎖による摩擦による損失の減少と同時にモジュラー構造において、排気バルブが閉鎖していても、さらに摩擦による損失を少なくすることができ、排気バルブの不活性に対応した損失の減少があり、一方、とりわけ、取込バルブの抑制を伴ったモジュラリティを得るために必要なポンピングによる損失の増加がおこらない。
エンジンのシリンダの数が奇数である場合、システムは操作、言いかえればエンジンのすべてのシリンダの損失に直面する。実際、個々の燃焼フェイズ間にばらつきがある不均一なものであるような場合は、所定のシリンダの永続的な駆動を行うことは可能である、もし、1、2、4、5、3の順番で燃焼する5つのシリンダが存在する場合について考えると、シリンダの固定した動きは、不活性のシリンダを示す括弧内の数で示すと、1、(2)、4、(5)、3となる。1−4の燃焼と4−3の間は288゜のエンジン角が存在することが明らかであり、シーケンス3−1対応するものは144゜しかないことは明らかである。本発明に係るシステムは、この問題を容易に克服することができるものであり、8-ストロークサイクルを備えている。特に、5つのシリンダの例を参照すると、1、2、4、5、3の燃焼の順番は1、(2)、4、(5)、3、(1)、2、(4)、5、(3)となり、上述のように括弧内の番号は、不活性のシリンダを示す。この場合、サイクルの周期は上述の偶数のシリンダを有するエンジンの場合の2倍になることが分かる。
本発明のさらに好ましい特質によれば、カムの輪郭を有するカムシャフトは、エンジンの通常操作サイクル内の決まった開放フェイズの間だけでなくサイクルの付加的なフェイズの間において制御されるそれぞれの取込バルブの開放を可能にする。上述の電気制御手段はそれぞれのソレノイドバルブの開放を起こすように設計され、上述の特定のフェイズ及び/又は1以上の付加的なフェイズの間それぞれの取込バルブを閉じるように維持し、エンジンが上記ソレノイドバルブを制御する異なる操作モジュールにしたがって選択的に機能するように作られたため、それぞれのカムがバルブの開放を生じる。
排気ガスの再循環(EGR)のために後に続く導入フェイズの間取込パイプ内を流れる熱いガスの取込が行われるように、好ましくは、電気制御手段は、与えられたシリンダの排気フェイズの間取込バルブの第2の開放を可能にするために設計される。
バルブの管理の柔軟性は、排気フェイズ中の取込バルブの第2の開放の手段により取込時における排気ガスの再循環を管理可能にするバルブを可変動作させる油圧システムによって保証される。この方法では、取込パイプ中を流れるエンジンの排気ガスとして得られる内部EGRがその後の導入フェイズ中に燃焼チャンバー内に再導入される。排気フェイズ中の取込バルブの再開放は、第2の適切なカムの輪郭による。バルブの可変動さの油圧システムのために、エンジンの異なる要請にしたがって取込バルブの第2の開放を駆動することができる。とりわけ、取込バルブの第2の開放は、有害な排気を減少させるために部分的な負荷において駆動し、一方サイクルエリアの外部と力学線内において、燃焼とエンジンの性能とを害しないように駆動する。再循環されるガスの最大量は、バルブの可変駆動の油圧系のソレノイドバルブの制御によって得られ、取込バルブを第2のカム(全リフト)の輪郭に従わせ、ソレノイドバルブを実質的に活動させることにより、所望する量に減少/変更することを可能にし、その結果内部EGRの調整を顕著に精度よくするものである。
これらのさらなる詳細は、単に限定的な実施例として提供されるものではない添付した図面を参照した後述の説明から明らかとなる。
図1において、参照番号1はガソリンエンジンのシリンダヘッド3内に設けられたそれぞれの取込パイプ2と共同する取込バルブ全体を示している。
バルブは、スプリング4によって閉じ位置に戻される(上方、図1に示すように)一方、バルブのステムの上端に作用するピストン5によって開放側に押しやられる。ピストン5は交互に制御され、圧力下でオイルを通し、カムシャフト10のカム9と協働するカップすなわちバケット8を指示するピストン7によってチャンバー6の内側に配置される。カップ8はスプリング1によってカム9に接触して摺動することを抑えられる。圧縮チャンバー6はパイプ12に接続され、エンジンの状況にしたがって操作される電気制御手段(図示なし)によって制御されるソレノイドバルブ15の開閉要素14を通して圧力アキュムレータ13にかわるがわるに連通する。ソレノイドバルブ15が開放したとき、チャンバー6内に存在する圧力下のオイルは放出され、バルブ1は戻しスプリング4の動作によってすばやく閉鎖する。
ソレノイドバルブ15が閉鎖しているとき、チャンバー6内に存在するオイルは、ピストン7からピストン5へ、結果としてバルブ1に向かって移動し、バルブ1の位置はカムによって決定される。換言すれば、カム9は、通常、取込バルブには影響されることなく、カムの輪郭に従ったサイクルに基づいたバルブ1の開放を制御し、必要な場合はソレノイドバルブ15を開放し、ピストン7とバルブ1との間の連通を遮断する。本発明は、上述の多気筒ガソリンエンジンについてのタイプのバルブの可変システムに適用されるものである。
すでに上述したように、電気制御手段は、バルブの可変のための油圧を用いる取込バルブと排気バルブを閉鎖する手段によって1つ以上の選択されたシリンダによってエンジンの操作を行うために予め設けられる(好ましくは電気制御アクチュエータによる)。さらに、先に詳細に説明したように、電気制御手段は、効果圧縮比(ECR)の調整による年少の制御と、取込バルブの第2の開放の手段による内部排気ガス再循環(EGR)の制御を達成するために予め設けられており、カム9(図1には示されていない)の第2カム9aの作用によってこれを得ることができる。
電気制御手段はさらに複数の取込バルブの異なる調整をすることができるように構成されている。それぞれの取込バルブは3つの調整:開放を遅らせ、閉鎖を早め、開放を遅らせかつ閉鎖を早める、を行う。それぞれのシリンダに取込バルブが設けられている場合は、上述の3つの可能な基本の調整が異なる柔軟な方法によって組み合わされ、ポンプのタームの所望の調整、燃焼チャンバー内の乱れ、燃焼チャンバー内の動きにしたがって選択される。
もちろん3つ以上の取込バルブを備えたシリンダの場合には、可能な組み合わせは増大する。続いて、それぞれのシリンダと協働する2つの取込バルブの調整の異なる10のモードを以下に具体的に説明する。
1)双方の取込バルブの閉鎖を前処理する:双方の取込バルブの閉鎖は早められ、等しくリフトされる(図2参照)。このモードは、低いバルブのポンピングと燃焼チャンバーの乱れを可能にし、消費と排気されるNOxを減少させることができる。
2)異なるバルブリフトで双方の取込バルブの閉鎖を早めるものである(図3参照)。:このモードは、燃焼チャンバー内に傾斜した渦流が作られることを可能にし、リフトが低いバルブによりこれを管理する。しかし、同時にポンプ価は低く維持する。
3)取込バルブの一方の閉鎖を早めるものである(図4参照)。:双方の取込バルブは早く閉鎖を開始するが、一方のバルブは、交互にそれぞれのエンジンサイクル中開放している。このモードは、燃焼チャンバー内の乱れをわずかに増大させ、傾斜した渦流を発生させるが、これを制御することはできない。一方のみの取込バルブとともに空気の制御を可能にするという利点を得ることができ、よって電力消費を半分にし、分散によって吸収されるトルクを減少させる。同時に、2つのジェットインジェクタを取込パイプからはなすことができる。ポンピングの仕事の値はいずれの場合も低く維持される。
4)取込バルブの開放を遅らせる(図5参照)。:双方のバルブの開放をカムの輪郭に従うバルブのあとに遅らせ、開放セットの角にしたがって完全にリフトする。このモードは、ポンピング値を高くすることができ、エンジンブレーキを管理するために有用である。バルブリフトが小さい値をとることにより、上昇バルブと下降バルブの間の差によって発声する高圧力によってバルブを通して層流が構成される。低いリフトを有するバルブとともにこれらの動きを制御することが可能となる。この管理は、さらに、アイドリング時及び高いポンピング時におけるノイズを減少させることができる。
5)異なるバルブリフトで取込バルブの開放を遅らせる。:異なるバルブリフトについて双方のバルブの開放を遅らせる(図6参照)。このモードは、燃焼チャンバー内に傾斜した渦流を発生させ、バルブの小さなリフトの存在と協働して層流を発生させる。小さいリフトのバルブとともにこれらの動きは制御可能である。この管理は、さらに、アイドリング及び高いポンピング時におけるノイズの減少を可能にする。
6)取込バルブの一方の開放を遅らせる(図7参照)。:双方のバルブの開放を遅らせ、一方のバルブを交互にエンジンサイクルごとに開放する。このモードは、燃焼チャンバー内に傾斜した渦流を作りだすが、これを管理することができない。一方のみの取込バルブとともに空気の制御を可能にするという利益を得ることができ、よって電力消費を半分にし、同時に、2つのジェットインジェクタを取込パイプからはなすことができる。この管理は、さらに、アイドリング時及び高いポンピング時におけるノイズを減少させることができる。
7)混合制御:一つの取込バルブの開放を遅らせ(図8参照)、他の取込バルブの開放を早める。このモードは、極度に柔軟性をシステムに与える。事実、バルブの開放が遅延し小さいバルブのリフトとなった場合に、バルブを通して層流を得ることができ、一方、バルブの閉鎖が早かったとしても渦流を構成する。これら2つの動きは十分な燃焼を引き起こし、結果として燃料消費という観点から利点を有する。
8)開放を遅らせ/閉鎖を早める:双方のバルブは遅れた開放と早められた閉鎖を行うように管理され、同じバルブリフトを実行する(図9参照)。開放を遅らせることで、わずかなポンピングだけでなく燃焼チャンバー内に乱流が発生し、燃焼の効率を向上させ、結果として、燃料消費の観点から利点を生じる。
9)異なるバルブリフトで開放を遅らせ/閉鎖を早める(図10参照):双方のバルブは、遅れた開放と早められた閉鎖を行うように管理され、異なるバルブリフトで実行される。これは、2つのバルブが開放及び/又は閉鎖の角度が異なるためである。開放を遅らせることで、一定量のポンピングだけでなく燃焼チャンバー内の乱れも発生し、燃焼効率が向上して結果として燃料消費の観点から利点を生じる。
10)選択的に開放を遅らせ/閉鎖を早める(図11参照):双方のバルブは遅れた開放と早められた閉鎖を行うように管理され、1つのバルブのみがエンジンサイクルごとに交互に開放する。開放を遅らせることで、一定量のポンピングだけでなく燃焼チャンバー内の乱れも発生し、燃焼効率が向上して結果として燃料消費の観点から利点を生じる。さらなる効果は1つの取込バルブのみで空気を制御できることであり同時に、ダブルジェットインジェクタを取込パイプと離して用いることができる。
図2から11は上述の異なるモード操作のバルブリフトのダイアグラムを示す。破線は、カムの貴下構造によるバルブリフトの理論ダイアグラムを示す(エンジン角の関数としてバルブが移転する。)。実線は、十分なバルブリフトのダイアグラムを示す。
いうまでもなく、本発明の原理に偏見なく、本発明の範囲から離れることなく構成の詳細と実施形態は、単に例として説明開示ししたという精神によってきわめて広く解されるものである。
本発明のエンジンに用いられるタイプの可変バルブの水圧系の外略図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。 エンジンシリンダの2つの取込バルブの調整の異なるモードを示す図である。
符号の説明
1 取込バルブ
2 取込パイプ
シリンダヘッド
4 スプリング
5 ピストン
6 圧縮チャンバー
7 ピストン
8 カップ
9 カム
10 カムシャフト
12 パイプ
15 ソレノイドバルブ

Claims (7)

  1. それぞれのシリンダについて少なくとも1つの取込バルブと少なくとも1つの排気バルブであって、それぞれのバルブは、それぞれ取込及び排気管を制御する前記バルブを閉鎖位置に押圧するそれぞれ弾性返還手段(4)を備えるものと、
    それぞれタペットの手段によりエンジンシリンダの取込バルブと排気バルブを駆動する少なくとも1つのカムシャフト(10)とを備え、
    それぞれの取込バルブは、圧縮流体チャンバー(6)を含む油圧手段の仲介による上記弾性返還手段(4)の動きに反してそれぞれのタペットによって制御され、
    ソレノイドバルブ(15)により排気チャンネル(12)へ接続するように設計され、それぞれのタペットから前記バルブを分離し、バルブひいてはそれぞれの弾性返還手段(4)を早く閉鎖する、上記圧縮流体チャンバー(6)と、
    個々のソレノイドバルブ(15)を制御し、エンジンの1以上の操作パラメータにしたがってそれぞれの取込バルブの開放の時間とストロークを変化させる電気制御手段と、を有する多気筒エンジンであって、
    前記電気制御手段は、下死点よりも前の取込バルブの閉鎖を早めることによって、あるいは、前記エンジンの最大体積効率角を越える取込バルブの閉鎖を遅らせることによって、前記エンジンの有効圧縮比を調整することを特徴とする、多気筒エンジン。
  2. 前記エンジンはそれぞれのシリンダに少なくとも2つの取込バルブを備え、前記電気制御手段はそれぞれの取込バルブが、3つの調整を受けるように予め設定され、開放を遅らせる、閉鎖を早める、及び開放を遅らせると閉鎖を早めることに関して、前記3つの調整はバルブ管理の異なるモードを備えポンピングの設定、燃焼チャンバー中の乱れ及び燃焼チャンバー中の動きに応じて求められた調整を選択するように種々の方法で互いに組み合わされていることを特徴とする、請求項1に記載のエンジン。
  3. 前記電気制御手段は、双方の取込バルブの閉鎖を同じバルブリフトで早める、取込バルブの閉鎖を異なるバルブリフトで早める、エンジンごとに一方の取込バルブの閉鎖、1つのバルブの開放を早めることを交互に行う、双方の取込バルブの開放を同じバルブリフトで遅らせる、取込バルブの開放を異なるバルブリフトで遅らせる、エンジンサイクルごとに一方の取込バルブの開放を遅らせ、1つのバルブの開放を遅らせることを交互に行う、1のバルブの開放を遅らせ他のバルブの閉鎖を早める、同じバルブリフトで2つのバルブのそれぞれについて開放を遅らせ閉鎖を早める、異なるバルブリフトで2つのバルブのそれぞれについて開放を遅らせ閉鎖を早める、及び、それぞれのバルブについて、エンジンサイクルごとに交互に1つのみの開放を遅らせ/閉鎖を早める、
    から選択される1以上のそれぞれのシリンダの取込バルブの制御の方法を実行することを特徴とする、請求項1に記載のエンジン。
  4. 設定されたエンジンシリンダの排気バルブを閉鎖に維持させる第2の電気制御手段を備え、前記電気制御手段は、前記エンジンの選択されたシリンダの取込バルブを閉鎖に維持するように設定され、かつ前記第2電気制御手段を動作により前記排気バルブが閉鎖に維持することによって、前記選択されたシリンダの操作を抑制することを特徴とする請求項1に記載のエンジン。
  5. 前記エンジンは偶数のシリンダを備え、前記電気制御手段は前記エンジンシリンダの半分を不活性にするように設定されていることを特徴とする、請求項4に記載のエンジン。
  6. 上記エンジンは、奇数のシリンダを備え前記電気制御手段は、すべてのエンジンシリンダを個々の燃焼フェイズの間に交互に不均一に管理し結果として8ストローク操作サイクルとなるように不活性にすることを特徴とする、請求項1に記載のエンジン。
  7. 前記それぞれの取込バルブを制御する前記エンジンのカムシャフト(10)のカム(9)は、エンジンの通常操作サイクル内の決まった開放フェイズの間だけではなく、サイクルの少なくとも1つの付加的なフェイズ中において制御されるそれぞれの前記取込バルブを開放を行うような輪郭を有し、前記電気制御手段は、前記排気フェイズ中に前記取込バルブの第2の開放をおこし、内部排気再循環(EGR)とするために次の導入フェイズの間に取込パイプ中を流れる熱いガスの燃焼チャンバーへの導入が行われる設定されていることを特徴とする、請求項4に記載のエンジン。
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