JP2006518432A - 内燃機関の吸気バルブを制御するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの第１の吸気バルブと１つの第２の吸気バルブとを有する少なくとも１つのシリンダを有する内燃機関の吸気バルブを制御するための方法に関する。第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６、３０、３８、３４）を調整することができる。本発明によれば、第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６、３０、３８、３４）は、第１のエンジン速度について第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の前にあり、第２のエンジン速度について前記の閉鎖時期の後にある。第１のエンジン速度は第２のエンジン速度よりも低い。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関の吸気バルブを制御するための方法に関する。

最近、従来の内燃機関は、広い回転速度範囲にわたって作動されるように設計されている。広い回転速度範囲にわたって、許容できる程度の効率及び低い排気ガス値を同時に伴い、高いトルクを獲得するために、バルブ形状及びバルブ制御システム、ガス吸気システム及び燃料供給の設計において妥協を行うことが必要である。内燃機関は、通常、より高い回転速度範囲で作動されるよりも、より低い回転速度範囲で作動されることが多い。このため、汚染物質のエミッションに関して、特に低い回転速度範囲で汚染物質の発生を低レベルにしつつ効率的な燃焼を可能にするように、内燃機関を構成することが特に適切である。ディーゼルエンジンのシリンダの内部形状のため、固定形状のカムプロフィールを有するバルブ駆動部が装備されたディーゼルエンジンは、汚染物質のエミッションに関しなお課題が残る。バルブリフト(valve lifting)曲線は、通常、達成可能なパワー及びトルクの観点から相当の程度に構成される。排気ガス法に従うため、噴射はさまざまであり、また排気ガス後処理技術を用いて汚染物質を変換するための試みがなされている。

スワールと称される適度の燃焼用空気の渦がシリンダ内部に流入することにより、噴射燃料のドリフトに寄与でき、したがって、高いパワー産出及び比較的低い汚染物質のエミッションと共に優れた燃焼に寄与できることが知られている。スワールを発生するために、特許文献１は、異なる行程曲線を有する１つ又は２つのカムプロフィールで、シリンダ当たり２つの吸気バルブを作動すべきことを提案している。２つの吸気バルブの異なるバルブ行程は、スワールの形態の選択的な渦を生成し、燃焼順序の介入及び改善を可能にする。同様に、特許文献２は、火花点火エンジンに関してであるが、流入条件をバルブ行程の選択的な制御によって改善できることを述べている。

独国特許発明第１９６０６０５４Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第４３４１９４５Ａ１号明細書

本発明の目的は、特に効率的な燃焼及び高いトルクの両方を達成できる方法を提供することである。この目的は、本発明により請求項１の特徴によって達成される。さらなる改良が従属請求項から理解されるであろう。

本発明は、少なくとも第１の吸気バルブと第２の吸気バルブとを有する少なくとも１つのシリンダを有する内燃機関の吸気バルブを制御するための方法であって、第１の吸気バルブの閉鎖時期を調整できる方法に関する。

第１の吸気バルブの閉鎖時期が第１のエンジン速度において第２の吸気バルブの閉鎖時期の前に位置し、第２のエンジン速度において第２の吸気バルブの閉鎖時期の後に位置し、第１のエンジン速度が第２のエンジン速度よりも低いことが提案される。

試験により、シリンダ内部に流入する燃焼用空気の優れたスワールを、２つの吸気バルブの異なる行程で十分に発生できることが示されている。しかし、吸気バルブの一方が他方の吸気バルブよりも早期に閉鎖する場合、内燃機関の低い回転速度範囲において同時に十分な程度のシリンダの充填により、スワールをまさに十分に又はより良く発生できる。吸気行程の終わりに一方の吸気バルブを通してのみシリンダ内部に流入する燃焼用空気により、燃料のドリフトを引き起こすために特に有効なスワールが発生される。このように、本発明は、バルブ制御システムによって、特に有効な回転速度に関係するスワール制御を可能にする。この結果、ダクト形状によって引き起こされるベーススワールをより小さくすることができる。第１の吸気バルブの早期の閉鎖時期、すなわち時間的に狭いバルブリフト曲線の結果、大きな空気消費を伴うより高いスワールがさらに可能になる。さらに、充填損失が回避される。さらに、狭いバルブリフト曲線で作動中、汚染物質のエミッション、特に汚染物質粒子に関して改善が達成される。さらに、空気消費の勾配に従って、低い回転速度における有効平均圧力を増大することができる。この結果、始動回転速度でトルク利得が獲得され、また始動の弱点を低減することができる。

高い回転速度の方向で、第１のバルブの閉鎖時期は、スワールを発生する早期の時間だけ遅延方向に移動される。この結果、流入燃焼用空気のスワール挙動は、チャージ運動によって高い回転速度で選択的に低減できる。より長いバルブ開放時期及びスワールの選択的低減により、給気入れ換え（charge exchange）抵抗の低減が可能になる。有効平均圧力は、空気消費の勾配に従って低い回転速度で増大することができる。充填度が増大され、これにより、高い回転速度範囲で、特に定格回転速度でパワーの利得が得られる。

より低い回転速度範囲でスワールをさらに高めるために、第１の吸気バルブの開放時期を遅延方向に調整することが可能である。したがって、第１の吸気バルブは、排気バルブとのバルブオーバーラップなしに開放する。この結果、第１のバルブの開放時に高いガス速度を伴う部分的な負圧をシリンダで発生することができる。このようにして発生されるより高いスワールに加えて、この措置により幾何学的な圧縮比を下げることが可能であるが、この理由は、エンジンが始動するときにバルブオーバーラップが排除されるからである。幾何学的な圧縮比が低下する場合、過給の程度を増大することができる。給気入れ換えの損失は、ランプを可能な限り急勾配にすることによって適切に最小にされ、大きな調整範囲を可能にする。特に簡単な制御が、変動性の僅かなあるいは変動性のない開放時期で達成される。

第１のエンジン速度における第１の吸気バルブの閉鎖時期は、クランク角で測定して、第２のエンジン速度における第１の吸気バルブの閉鎖時期の前に少なくとも２０°に、特に少なくとも４０°に位置することが適切である。この結果、低い回転速度範囲の特に有効なスワールの発生及び高い回転速度範囲の特に優れたパワーが達成される。汚染物質のエミッション及び／又はパワーに関するさらなる改良は、第１のエンジン速度における第１の吸気バルブの閉鎖時期が第２の吸気バルブの閉鎖時期の前の少なくとも２０°に位置し、また第２のエンジン速度における第２の吸気バルブの閉鎖時期の後の少なくとも２０°に位置する場合に達成することができる。

取り付け空間を節約する特に簡単な費用効果的な設計は、第２の吸気バルブの閉鎖時期を回転速度範囲全体にわたって一定に維持することによって達成される。この場合、第２の吸気バルブは制御可能である必要はなく、例えば固定カムによって作動することができる。

第１の吸気バルブの閉鎖時期は、第１のエンジン速度と第２のエンジン速度との間に位置する第３のエンジン速度の下方の第２の吸気バルブの閉鎖時期の前に位置する。この結果、第３のエンジン速度未満の回転速度範囲全体で、良好なスワールの発生を達成することができる。ここで、第３のエンジン速度は、より高いスワールがパワー及び汚染物質のエミッションに対し積極的な効果を有する回転速度範囲の上方に位置することが適切である。

本発明による方法の好ましい一実施形態によれば、第３のエンジン速度は、要求トルクの関数として制御される。このようにして、例えば高いトルクが要求されるとき、すなわち大きな負荷があるとき、第３のエンジン速度を下げることが可能であり、この結果、第１の吸気バルブの閉鎖時期は、比較的低い回転速度範囲で早期から遅延にすでに調整される。この結果、バルブ制御システムの特定のパワー値への特に可変の適合が達成される。このことは、大きな負荷の下で、シリンダの高度の充填が、低い排気ガスエミッション値を有する顕著なスワールに対し優先性を有する内燃機関の作動運転モードで有利であり得る。

本発明による方法を実施する特に費用効果的な方法は、第１の吸気バルブの閉鎖時期が、第３のエンジン速度の下方の一定の時間間隔を有する第２の吸気バルブの閉鎖時期の前に位置するという事実によって達成される。第１の吸気バルブの閉鎖時期がこのように制御されるとき、吸気バルブは、第３のエンジン速度未満のエンジン速度の関数として制御される必要はない。

第１の吸気バルブの閉鎖時期が、特に、第３のエンジン速度の上方の一定の時間間隔を有する第２の吸気バルブの閉鎖時期の後に位置する場合、同様に、吸気バルブは、この回転速度範囲の回転速度の関数として制御される必要はない。特に、閉鎖時期が第３のエンジン速度の上下で一定であるとき、例えば、カムフォロアに対して作用する第１及び第２のカム構成要素を有する簡単な制御システムが可能である。互いに切り離すことができる２つのカムタップを有する制御要素で、吸気バルブを制御することも考えられる。

本発明の適切な一改良形態において、第１のバルブの吸気開口部のみを通してガスが流入する結果、第１のスワールがシリンダで発生され、また第２のバルブの吸気開口部のみを通してガスが流入する結果、第２のスワールがシリンダで発生され、この場合、第２のスワールが第１のスワールよりも著しく強いように、シリンダの形状が構成される。この結果、吸気範囲の終わりに第２のバルブのみが開放される低い回転速度で、強力なスワールが発生され、これに対し、吸気範囲の終わりに第１の吸気バルブのみが開放される高い回転速度では、小さなスワールのみが発生されるか、又は本質的に何らのスワールも発生されない。低い回転速度でより高いスワールを獲得でき、高い回転速度でより低いスワールを獲得でき、より優れた給気パワーが達成される。シリンダの形状は、吸気開口部の形状、及び適切ならばバルブ形状を有する。

第１の吸気バルブの特に可変の制御は、第１の吸気バルブが電磁バルブ制御システムによって作動されるという事実によって達成される。さらに、本方法は、ディーゼル内燃機関に適用されることが有利であるが、この理由は、このようなエンジンでは、より高いスワールにより、低い回転速度範囲におけるパワー及び汚染物質の低減に特に有効な改良が達成されるからである。

さらなる利点が次の図面の説明から理解される。本発明の模範的な実施形態が図面に示されている。図面、詳細な説明及び特許請求の範囲は、組み合わせによる多数の特徴を含む。当業者はまた、適切に特徴を個別に考慮し、それらを組み合わせてさらに適切な組み合わせを形成するであろう。

図１及び図２の各々は、バルブリフト動作がクランク角に対してプロットされるグラフで、シリンダの２つの吸気バルブ及び１つの排気バルブのバルブリフト動作を示している。この関連で、模範的な実施形態の説明に関し、シリンダが別のバルブを有するかどうかは無関係である。排気バルブのバルブリフト動作２が、３６０°でマークされた上死点の左に示され、また吸気バルブの可能なバルブリフト動作４、６、８、１０、１２、１４が上死点の右に示されている。

図１は、内燃機関のより低い回転速度範囲に典型的に位置する第１のエンジン速度における吸気バルブ用の可能なバルブ制御システムを示している。２つの吸気バルブの第１のバルブに可変のバルブ制御システムが装備され、一方、第２の吸気バルブは、例えば簡単なカムによって固定作動される。第２の吸気バルブは、内燃機関の回転速度範囲全体にわたって一定のバルブリフト動作４を有する。第１の吸気バルブは、第３のエンジン速度未満に位置する回転速度範囲全体で、不変のバルブリフト動作６又は８を有する。

図１には、可変に制御できる第１の吸気バルブの２つの可能なバルブリフト動作６、８が示されている。第１の吸気バルブの第１の制御変形において、バルブリフト動作６は、可変に作動できる第１の吸気バルブの開放時期１６は、固定作動される第２の吸気バルブの開放時期１８とほぼ同一である。対照的に、第１の吸気バルブの閉鎖時期２０は、第２の吸気バルブの閉鎖時期２２の約４０°前に位置する。吸気時間範囲の終わりに、第２の吸気バルブのみがなお開放されるという事実の結果、燃焼用空気が第２の吸気バルブを通して流入することによって、強力なスワールがシリンダ内部に生成される。この結果、シリンダ内の燃料は引き続く燃料噴射行程で十分に均質にドリフトされる。

第１の吸気バルブの１つの代替的制御変形において、バルブリフト動作８は、バルブリフト動作６と比較して遅延方向に幾分移動される。この結果、第１の吸気バルブの開放時期２４も、第２の吸気バルブの開放時期１８と比較して遅延方向に移動される。しかし、第１の吸気バルブの閉鎖時期２６は、第２の吸気バルブの閉鎖時期２２と比較して早期の方向に、なお約２０°だけ移動される。バルブリフト動作４と比較したバルブリフト動作８の開放オフセットの結果、スワールは、低い回転速度の吸気範囲の開始時に主に発生される。排気バルブに関してバルブオーバーラップなしに開放する第１の吸気バルブの後期の開放により、第１の吸気バルブの開放時、高いガス速度を伴う部分的な負圧がシリンダ内に発生される。ランプは可能な限り急勾配にされるので、給気入れ換えの損失が最小にされ、大きな調整範囲が可能になる。２つの吸気バルブのバルブ行程は、ほぼ同一であり、具体的に８ｍｍよりも幾分大きい。行程は、第１の吸気バルブの作動変形では幾分変動し得るが、固定作動される第２の吸気バルブの行程の範囲に本質的に常に位置する。

図２は、内燃機関の上方の回転速度範囲に通常位置する第２のエンジン速度における第１の吸気バルブの可能なバルブリフト動作１０、１２、１４を示している。第１の吸気バルブの第１の作動可能性において、第１の吸気バルブのバルブリフト動作１０は、第２の吸気バルブのバルブリフト動作４の周りに位置する。固定作動される第２の吸気バルブの開放時期１８よりも数度早期の開放時期２８は、第１の吸気バルブと関連付けられる。対照的に、第１の吸気バルブの閉鎖時期３０は、第２の吸気バルブの閉鎖時期２２と比較して約１５°だけ遅延方向に移動される。シリンダの形状のため、高い回転速度でチャージ運動によって、スワールがこのように任意に低減され、給気入れ換えの仕事を低減することができる。第１の吸気バルブの長い開放時期により、シリンダの高度の充填が可能になり、その結果高いトルクを達成することができる。

１つの代替的制御変形において、形態的にバルブリフト動作１０と大部分同一のバルブリフト動作１２は、遅延方向にその全体が移動される。このように、第１の吸気バルブの開放時期３２は、第２の吸気バルブの開放時期１８の後に位置する。第１の吸気バルブの閉鎖時期３４も、第２の吸気バルブの閉鎖時期２２の後に位置する。バルブリフト動作１４は、第１の吸気バルブのさらに可能な代替的制御変形として示され、前記バルブリフト動作１４は、バルブリフト動作１２と対照的により狭くされる。トルク要求に応じて、バルブリフト動作１４の時間幅は適合可能であるが、閉鎖時期３８は第１の吸気バルブの閉鎖時期２２の後に基本的に位置する。第１の吸気バルブの開放時期３６も可変に移動でき、また図２に示した実施例では開放時期３６は第２の吸気バルブの開放時期１８のはるか後に位置する。

第１の吸気バルブのバルブリフト動作１０、１２、１４は、第３のエンジン速度の上方に位置する回転速度範囲全体にわたって一定である。第１の吸気バルブは、第３のエンジン速度未満のバルブリフト動作６又は８を有するように作動される。第３のエンジン速度を超えた場合、第１のバルブのバルブ制御システムは、遅延方向に調整されるバルブリフト動作１０、１２又は１４で第１の吸気バルブが作動されるように切り替わる。第２の吸気バルブの閉鎖時期２２は、回転速度範囲全体にわたって一定に維持される。

第１のエンジン速度における吸気バルブ及び排気バルブの可能なバルブリフト曲線の図面である。 第２のエンジン速度における吸気バルブ及び排気バルブの可能なバルブリフト動作の図面である。

Claims (9)

1. 少なくとも第１の吸気バルブと第２の吸気バルブとを有する少なくとも１つのシリンダを有し、前記第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６、３０、３８、３４）を調整できる方法において、
   前記第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６、３０、３８、３４）が、第１のエンジン速度において前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の前に位置し、
   第２のエンジン速度において前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の後に位置し、
   前記第１のエンジン速度が前記第２のエンジン速度よりも低いことを特徴とする内燃機関の吸気バルブを制御するための方法。
2. 前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）が、回転速度範囲全体にわたって一定に維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のエンジン速度と前記第２のエンジン速度との間に位置する第３のエンジン速度以下において、前記第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６）が前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の前に位置することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記第３のエンジン速度が、要求トルクの関数として制御されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記第３のエンジン速度以下において、前記第１の吸気バルブの閉鎖時期（２０、２６）が、一定の時間間隔を有する前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の前に位置することを特徴とする請求項３あるいは４に記載の方法。
6. 前記第３のエンジン速度以上において、前記第１の吸気バルブの閉鎖時期（３０、３４、３８）が、一定の時間間隔を有する前記第２の吸気バルブの閉鎖時期（２２）の後に位置することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１のバルブの吸気開口部のみを通してガスが流入することにより第１のスワールが前記シリンダで発生され、前記第２のバルブの吸気開口部のみを通してガスが流入することにより第２のスワールが前記シリンダで発生され、前記第２のスワールが前記第１のスワールよりも著しく強いように前記シリンダの形状が構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１の吸気バルブが、電磁バルブ制御システムによって作動されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. ディーゼル内燃機関で適用される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。

Images