JP2010223231A

JP2010223231A - 内燃機関

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Publication number: JP2010223231A
Application number: JP2010065576A
Authority: JP
Inventors: Spiegel Leo; シュピーゲルレオ; Tran Van-Khanh; トランヴァン−カーン; Hartmut Voss; フォスハルトムート; Dietmar Schwarzenthal; シュヴァルツェンタールディートマー
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-10-07
Also published as: DE102009014086A1; US20100236237A1; KR20100106228A; US8479509B2

Abstract

【課題】改善された燃焼を伴う、運転点に基づいて圧縮点火又は外部点火により運転される内燃機関を運転する方法を提供する。
【解決手段】内燃機関が運転点に基づいて、第１の排気開放期間及び第２の排気開放期間を実施する排気カムにより運転され、該第２の排気開放期間を吸気開放期間中に開始されるようにし、かつ圧縮点火モードにおいて第１の運転点において、燃焼室内の排ガス残留量を、吸気弁と排気弁との間で給気交換中に調節されるバルブアンダーラップに基づいて調節し、圧縮点火モードにおける第２の運転点において、燃焼室内の排ガス残留量を、第２の排気開放期間の継続時間に基づいて調節するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関を運転する方法であって、該内燃機関が、それぞれ吸気弁、排気弁及び燃焼室が配設されている複数のシリンダと、カム軸調節装置に接続される吸気カム軸と、カム軸調節装置に接続される排気カム軸と、それぞれの吸気弁を操作するために複数の吸気カムを備える切換可能な吸気弁動弁機構と、それぞれの排気弁を操作するために複数の排気カムを備える切換可能な排気弁動弁機構と、排ガス装置とを備え、前記内燃機関が運転点に基づいて圧縮点火又は外部点火により運転され、かつ圧縮点火のために所定の排ガス残留量が前記燃焼室内に調節される、内燃機関を運転する方法に関する。さらに本発明は、前記方法を実施するための内燃機関に関する。

ＤＥ１９８１８５９６Ｃ５において、オットー機関の運転を圧縮点火により部分負荷領域で制御する、オットー機関を運転する方法が公知である。圧縮点火モードにおいて、所定の排ガス量が燃焼室内に残されて、圧縮される。圧縮された排ガス体に燃料が、新気供給が開始される前に噴射される。残される排ガス量は、排ガス堰止めフラップにより制御される。

ＤＥ１９８１８５９６Ｃ５

本発明の課題は、改善された燃焼を伴う、運転点に基づいて圧縮点火又は外部点火により運転される内燃機関を運転する方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る、内燃機関を運転する方法では、前記内燃機関が運転点に基づいて、第１の排気開放期間及び第２の排気開放期間を実施する排気カムにより運転され、該第２の排気開放期間が吸気開放期間中に開始されるようにし、かつ圧縮点火モードにおける第１の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記吸気弁と前記排気弁との間でガス交換中に調節されるバルブアンダーラップに基づいて調節し、圧縮点火モードにおける第２の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記第２の排気開放期間の継続時間に基づいて調節するようにした。

本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。

好ましくは、前記第１の運転点から前記第２の運転点へ及び前記第２の運転点から前記第１の運転点への切換中、内燃機関を外部点火により運転する。

好ましくは、前記排ガス装置に排ガス背圧調節装置を設けて、該排ガス背圧調節装置によって前記排ガス装置の排ガスマニホールド内の排ガス背圧を運転点に基づいて変更する。

好ましくは、前記燃焼室内の排ガス残留量を前記排ガス背圧調節装置の状態に基づいて調節する。

好ましくは、前記吸気弁及び前記排気弁を前記圧縮点火モードの第２の運転点において、前記排ガス装置から前記燃焼室内に所定の量の排ガスが吸い戻されるように制御する。

好ましくは、前記排気弁動弁機構及び前記吸気弁動弁機構を、運転点に基づいて排気側及び吸気側でそれぞれ異なる弁ストローク及び／又はそれぞれ異なる制御時間が調節されるように形成する。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関では、前記排気弁動弁機構に、複数のカムを備えるスライドカム装置が設けられており、少なくとも１つの排気カムが、２つの排気開放期間を調節するためのデュアルカムとして形成されており、前記吸気弁動弁機構が、複数のカムを備えるスライドカム装置を有するようにした。

本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。

好ましくは、前記排ガス背圧調節装置が排ガスフラップとして形成されている。

好ましくは、前記排ガス背圧調節装置が前記排ガス装置内で排ガス触媒の下流に配置されている。

好ましくは、前記排ガス背圧調節装置が前記排ガス装置内で排ガスタービンへの入口の上流に配置されている。

好ましくは、排ガス背圧の調節が排ガス式ターボチャージャの可変のタービンジオメトリにより実施される。

本発明に係る方法は、前記内燃機関が運転点に基づいて、第１の排気開放期間及び第２の排気開放期間を実施する排気カムにより運転され、該第２の排気開放期間が吸気開放期間中に開始されるようにし、かつ圧縮点火モードにおける第１の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記吸気弁と前記排気弁との間で給気交換中に調節されるバルブアンダーラップに基づいて調整し、圧縮点火モードにおける第２の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記第２の排気開放期間の継続時間に基づいて調整することを特徴とする。有利には、前記第１の運転点から前記第２の運転点へ及び前記第２の運転点から前記第１の運転点への切換中、内燃機関を外部点火により運転する。本発明に係る方法によって、内燃機関の特性マップの大きな領域への圧縮点火運転の拡大が達成可能である。本発明に係る方法によって、圧縮点火運転から外部点火運転への迅速かつ高信頼性の切換が可能となる。

本発明の一形態では、前記排ガス装置に排ガス背圧調節装置を設けて、該排ガス背圧調節装置によって前記排ガス装置の排ガスマニホールド内の排ガス背圧を運転点に基づいて変更及び／又は調節する。このような排ガス背圧調節装置によって、排ガスマニホールドの全領域での均等な排ガス背圧が達成されるので、排気弁の領域において、ほぼあらゆる任意の時点で、燃焼室内の排ガス残留量の適当な調節を可能にする排ガス背圧が生じる。有利には、前記燃焼室内の排ガス残留量を前記排ガス背圧調節装置の状態あるいは位置に基づいて量定する。これにより、燃焼室内の、それぞれの運転点のために必要な排ガス量及び排ガス温度の量定及び調節が予測可能である。

本発明の有利な形態では、前記吸気弁及び前記排気弁を前記圧縮点火モードの第２の運転点において、前記排ガス装置から前記燃焼室内に所定の量の排ガスが吸い戻されるように制御する。これにより、燃焼室内の排ガス残留量の高信頼性の量定が達成可能である。

本発明の別の観点によれば、本発明に係る方法を実施するために、前記排気弁動弁機構に、複数のカムを備えるスライドカム装置が設けられており、少なくとも１つの排気カムが、２つの排気開放期間を調節するためのデュアルカムとして形成されており、前記吸気弁動弁機構が、複数のカムを備えるスライドカム装置を有する内燃機関が設けられている。これにより、内燃機関のより広い運転点への圧縮点火モードの拡大が行われるようにすることができる。その結果、自己点火を伴う拡大された運転特性マップの設定が可能となる。

前述した特徴及び後述する特徴が、それぞれ提示した組み合わせだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく別の組み合わせ又は単独でも使用可能であることは自明である。本発明のその他の特徴は、従属請求項、後続の説明及び図面から看取される。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の概略図である。本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の概略図である。図１又は図２に示した内燃機関のための機関特性マップの概略図である。図１又は図２に示した内燃機関のためのスライドカム装置の吸気カム及び排気カムの概略図である。図４に示した吸気弁及び排気弁のカム形状の断面図である。図４に示した吸気カム及び排気カムにより操作される吸気弁及び排気弁のストロークの経過を概略的に示す図である。排ガス吸い戻し中の吸気弁及び排気弁のストロークの経過を概略的に示す図である。排ガス残留操作中の吸気弁及び排気弁のストロークの経過を概略的に示す図である。低負荷領域における運転点のための吸気弁及び排気弁の弁ストロークの経過を示す図である。下側の負荷領域における運転点のための吸気弁及び排気弁の弁ストロークの経過を示す図である。中の下の負荷領域における運転点のための吸気弁及び排気弁の弁ストロークの経過を示す図である。上側の負荷領域における運転点のための吸気弁及び排気弁の弁ストロークの経過を示す図である。

図１には、内燃機関１が概略的に示されている。内燃機関１は、吸気装置２、複数のシリンダ３、排ガスマニホールド４、排ガス触媒５、排ガスフラップ６として形成された排ガス背圧調節装置、及び排ガス管路７を有する。内燃機関１の各々のシリンダ３内には、図示しない、長手方向で摺動可能に保持されたピストンが案内されている。ピストンと、図示しないシリンダヘッドとの間には、燃焼室が形成されている。内燃機関１の燃焼室は、シリンダヘッドによって上方で閉鎖される。ピストンは燃焼室を下方で画定する。内燃機関１は、燃焼室毎に、少なくとも１つの吸気弁、少なくとも１つの排気弁、１つの燃料インジェクタ、及び有利には点火プラグとして構成されている１つの点火源を有する。

本発明の第１の実施の形態では、内燃機関１の排ガス管路７内に排ガスフラップ６が触媒５の下流に配置されている。本発明の第２の実施の形態では、内燃機関１は、タービン８及び圧縮機９を備える排ガス式ターボチャージャ１０を有する。第２の実施の形態では、排ガスフラップ６はタービン８の入口の上流に配置されている。本発明に係る内燃機関１は、負荷点あるいは負荷状態次第で、圧縮点火又は外部点火で運転される。特に排ガス式ターボチャージャ１０の使用時、排ガスフラップ６は排ガスタービン入口の上流に配置される。したがって、内燃機関の排ガスマニホールド内の均等な排ガス背圧の高信頼性の調節が行われる。択一的には、排ガス背圧調節装置は、排ガス式ターボチャージャ１０の構成部分として形成されている。排ガス背圧の調節は、排ガス式ターボチャージャ１０の可変のタービンジオメトリによって行われてもよい。これにより、排ガスフラップ６は省略可能である。本発明における内燃機関の運転は、図１に示した内燃機関１の第１の実施の形態にも、図２に示した内燃機関１の第２の実施の形態にも適用される。

図３には、内燃機関１のそれぞれ異なる運転点領域が示されている。特性マップ領域Ａで示した低負荷領域において、内燃機関１は外部点火で運転される。特性マップ領域Ｂで示した下側の負荷領域及び特性マップ領域Ｃで示した中の下の負荷領域において、内燃機関１は圧縮点火モードで運転される。これに対して、特性マップ領域Ｄで示した上側の負荷領域において、内燃機関１は外部点火で運転される。

内燃機関１の吸気装置２により、新気が吸い込まれ、それぞれの燃焼室に供給される。それぞれの燃焼後に形成される排ガスは、排ガスマニホールド４に到達した後、排ガス触媒５に到達する。排ガスフラップ６によって排ガスマニホールド４内の排ガス背圧が調節される。内燃機関１は、４サイクル原理にしたがって作動し、負荷点に基づいてオットー機関方式で、すなわち外部点火で運転されるか、又は圧縮点火モードで運転され得る。圧縮点火モードにおいて、燃焼は自己点火によって行われる。４サイクル法において、１サイクルは、ピストンの１行程に相当する。内燃機関１の４つのサイクルからなる動作サイクルは、燃焼サイクルに相当する。燃焼サイクルは、吸気行程でもってガス交換上死点（ｏｂｅｒｅｒＬａｄｕｎｇｓｗｅｃｈｓｅｌ−Ｔｏｔｐｕｎｋｔ）で開始する。吸気行程中、新気が燃焼室に供給される。吸気行程は下死点まで続く。吸気行程中、燃焼室内に配置された燃料インジェクタによって、燃料が燃焼室内に噴射される。燃料は、吸気行程中、吸い込まれた新気と混合されて、混合気を形成する。次に、圧縮行程中、形成された混合気が圧縮される。圧縮行程は、点火上死点（ｏｂｅｒｅｒＺｕｅｎｄ−Ｔｏｔｐｕｎｋｔ：ＺＯＴ）まで続く。内燃機関の運転点次第で、混合気は自己点火又は点火火花によって点火され、燃焼される。

内燃機関１は、図示されていない吸気弁を操作するために、図示されていないスライドカム装置（Ｓｃｈｉｂｅｎｏｃｋｅｎｅｉｎｒｉｃｈｔｕｎｇ）を有する。スライドカム装置によって、それぞれの吸気弁の操作は、運転点次第でそれぞれ異なる吸気カムによって実施される。このために、図４に示すように、３つの吸気カムＥ１，Ｅ２及びＥ３が設けられている。吸気カムＥ１，Ｅ２及びＥ３によって、吸気弁のそれぞれ異なる弁ストロークが設定可能である。さらに内燃機関１は、排気弁を操作するために、やはり図示されていないスライドカム装置を有する。このスライドカム装置は、３つの異なる排気カムＡ１，Ａ２及びＡ３を有する。負荷点次第で、排気弁は１つの排気カムにより操作される。これにより、それぞれ異なる排気弁ストロークが調節可能である。排気側及び吸気側のスライドカム装置の操作は、例えば刊行物ＥＰ０７９８４５１Ｂ１に記載されるように行われるとよい。

図５に示すように、排気カムＡ３は、第１のカム１１及び第２のカム１２を有する。排気カムＡ３によって排気弁を操作した場合、第１のカム１１及び第２のカム１２によって、図６及び図７に示した２つの排気開放期間が実現される。排気カムＡ３による排気弁の操作時、排気サイクル中、排気弁の操作はカム１１によって行われて、第１の排気開放期間１３を生じる。そして、第２の排気開放期間１５は、カム１２によって行われる。第２の排気開放期間１５は、吸気開放期間１４中に行われるか、あるいは開始する。排気カムＡ３のデュアルカムの形態によって、排気開放期間１５中に燃焼室内に、排ガスマニホールド４内を支配する排ガス圧に比較して負圧が生じるので、内燃機関の所定の運転点で排ガスを排ガスマニホールド領域から燃焼室内に吸い戻すことが可能である。

図６には、それぞれの吸気カム又は排気カムによる運転の結果、実現される弁ストロークの経過が示されている。第１の特性マップ領域Ａにおいて、内燃機関１は外部点火で運転される。スライドカム装置は吸気側で、吸気弁がカムＥ１により操作されるように設定されている。この特性マップ領域Ａにおいて、排気弁は排気カムＡ２により操作される。これにより、排気側及び吸気側で、図９に示した弁ストロークの経過が生じる。有利には、内燃機関１は特性マップ領域Ａで、小さな負荷時、例えば内燃機関１のアイドリング中、運転される。

さらに、図１０に示すように、内燃機関は特性マップ領域Ｂにおいて圧縮点火モードで運転される。この場合、スライドカム装置は吸気側で、吸気弁が吸気カムＥ１により操作されるように設定される。排気弁は排気カムＡ１により操作される。さらに、本発明に係る内燃機関は、吸気側にも排気側にもそれぞれ１つのカム軸調節装置を有するので、吸気弁及び排気弁の制御時間は可変である。特性マップ領域Ｂにおいて、例えば排気弁及び吸気弁の制御時間１６及び１８は、排気弁の閉鎖時点が早められるように調節されるので、所定の排ガス量が燃焼室内に残される。それに応じて、吸気弁Ｅ１の開放時点が遅くされるので、所望の排ガス量が燃焼室内に残される。その際、排気弁と吸気弁との間のバルブアンダーラップ（Ｖｅｎｔｉｌｕｎｔｅｒｓｃｈｎｅｉｄｕｎｇ）１７が調節される。

図１１には、特性マップ領域Ｃにおける内燃機関の運転が示されている。特性マップ領域Ｃでは、吸気側で、吸気カムＥ２が吸気弁を操作するために調節されている。排気弁を操作するためには排気カムＡ３が設けられている。排気カムＡ３は、第１のカム１１及び第２のカム１２を有する。吸気側及び排気側でカム軸調節装置により適当な制御時間が調節されると、この特性マップ領域Ｃでは、排ガス残留（Ａｂｇａｓｒｕｅｃｋｈａｌｔｕｎｇ）が実施されない。圧縮点火のために充分な排ガスを燃焼室内に調量するために、特性マップ領域Ｃでは、排ガスマニホールド４からの排ガス吸い戻し（Ａｂｇａｓｒｕｅｃｋｓａｕｇｕｎｇ）が実施される。排ガス吸い戻しは、第２の排気開放期間１５により実現される。

上側の負荷領域では、内燃機関１は特性マップ領域Ｄに示すように外部点火で運転される。図１２に示すように、吸気側ではカムＥ３が、排気側ではカムＡ２が、特性マップ領域Ｄでの運転のために設けられている。

本発明において、内燃機関１は、有利にはガソリンで運転される。内燃機関１は、過給されるオットー機関として運転され得る。吸気側及び排気側でのスライドカム装置の形態は、本発明に係る方法、あるいは排ガス残留（残し）及び排ガス吸い戻しによる自己点火を伴う特性マップ領域Ｂ及びＣでの内燃機関１の運転を可能にする。特性マップ領域ＢからＣ及び特性マップ領域ＣからＢへの特性マップ切換中、内燃機関１は、一時的に外部点火によって運転される。このとき、内燃機関１は、吸気側で吸気カムＥ２によって運転され、排気側で排気カムＡ２によって運転される。本発明に係る方法によって、内燃機関１の燃料消費は最適化され、排ガスエミッションは最小化される。本発明に係る方法は、従来不可能であった、大きな特性マップ領域へのガソリン自己点火の拡大を可能にする。本発明における内燃機関１の運転によって、燃料消費及び排ガスエミッションの減少が達成される。特に、窒素酸化物エミッションは、内燃機関の、効率が最適化された状態での運転時に最小化される。

本発明は、内燃機関１を運転する方法であって、該内燃機関１が、それぞれ吸気弁、排気弁及び燃焼室が配設されている複数のシリンダ３と、カム軸調節装置に接続される吸気カム軸と、カム軸調節装置に接続される排気カム軸と、それぞれの吸気弁を操作するために複数の吸気カムを備える切換可能な吸気弁動弁機構と、それぞれの排気弁を操作するために複数の排気カムを備える切換可能な排気弁動弁機構と、排ガス装置とを備え、前記内燃機関が運転点に基づいて圧縮点火又は外部点火により運転され、かつ圧縮点火のために所定の排ガス残留量が前記燃焼室内に調節される、内燃機関を運転する方法に関する。さらに、内燃機関は運転点に基づいて、第１の排気開放期間及び第２の排気開放期間を実施する排気カムにより運転され、第２の排気開放期間は吸気開放期間中に開始される。圧縮点火モードにおける第１の運転点において、燃焼室内の排ガス残留量は、吸気弁と排気弁との間でガス交換中に調節されるバルブアンダーラップに基づいて調節され、圧縮点火モードにおける第２の運転点において、燃焼室内の排ガス残留量は、第２の排気開放期間の継続時間に基づいて調節される。

１内燃機関、２吸気装置、３シリンダ、４排ガスマニホールド、５排ガス触媒、６排ガスフラップ、７排ガス管路、８タービン、９圧縮機、１０排ガス式ターボチャージャ、１１第１のカム、１２第２のカム、１３第１の排気開放期間、１４吸気開放期間、１５第２の排気開放期間、１６制御時間、１７バルブアンダーラップ、１８制御時間、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ特性マップ領域、Ａ１，Ａ２，Ａ３排気カム、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３吸気カム

Claims

内燃機関を運転する方法であって、該内燃機関が、それぞれ吸気弁、排気弁及び燃焼室が配設されている複数のシリンダと、カム軸調節装置に接続される吸気カム軸と、カム軸調節装置に接続される排気カム軸と、それぞれの吸気弁を操作するために複数の吸気カムを備える切換可能な吸気弁動弁機構と、それぞれの排気弁を操作するために複数の排気カムを備える切換可能な排気弁動弁機構と、排ガス装置とを備え、
前記内燃機関が運転点に基づいて圧縮点火又は外部点火により運転され、かつ
圧縮点火のために所定の排ガス残留量が前記燃焼室内に調節される、
内燃機関を運転する方法において、
前記内燃機関が運転点に基づいて、第１の排気開放期間及び第２の排気開放期間を実施する排気カムにより運転され、該第２の排気開放期間が吸気開放期間中に開始されるようにし、かつ
圧縮点火モードにおける第１の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記吸気弁と前記排気弁との間でガス交換中に調節されるバルブアンダーラップに基づいて調節し、
圧縮点火モードにおける第２の運転点において、前記燃焼室内の排ガス残留量を、前記第２の排気開放期間の継続時間に基づいて調節する、
ことを特徴とする、内燃機関を運転する方法。
前記第１の運転点から前記第２の運転点へ及び前記第２の運転点から前記第１の運転点への切換中、内燃機関を外部点火により運転することを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記排ガス装置に排ガス背圧調節装置を設けて、該排ガス背圧調節装置によって前記排ガス装置の排ガスマニホールド内の排ガス背圧を運転点に基づいて変更することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
前記燃焼室内の排ガス残留量を前記排ガス背圧調節装置の状態に基づいて調節することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
前記吸気弁及び前記排気弁を前記圧縮点火モードの第２の運転点において、前記排ガス装置から前記燃焼室内に所定の量の排ガスが吸い戻されるように制御することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
前記排気弁動弁機構及び前記吸気弁動弁機構を、運転点に基づいて排気側及び吸気側でそれぞれ異なる弁ストローク及び／又はそれぞれ異なる制御時間が調節されるように形成することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するための内燃機関において、前記排気弁動弁機構に、複数のカムを備えるスライドカム装置が設けられており、少なくとも１つの排気カムが、２つの排気開放期間を調節するためのデュアルカムとして形成されており、前記吸気弁動弁機構が、複数のカムを備えるスライドカム装置を有することを特徴とする内燃機関。
前記排ガス背圧調節装置が排ガスフラップとして形成されていることを特徴とする、請求項７記載の内燃機関。
前記排ガス背圧調節装置が前記排ガス装置内で排ガス触媒の下流に配置されていることを特徴とする、請求項７又は８記載の内燃機関。
前記排ガス背圧調節装置が前記排ガス装置内で排ガスタービンへの入口の上流に配置されていることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項記載の内燃機関。
排ガス背圧の調節が排ガス式ターボチャージャの可変のタービンジオメトリにより実施されることを特徴とする、請求項７記載の内燃機関。