JP2010500497A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関が、吸気弁及び排気弁（５、７）に作用するカムシャフト（２３）を有し、ここで、吸気弁及び排気弁（５、７）の上昇曲線（ＥＶ、ＡＶ）が、カムシャフト（２３）のカム（２４、２５）の形状によって決定される。カムシャフト（２３）には、排気弁（７）に作用する追加的な補助カムが配置され、その結果、フェーズのずれた補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）が排気弁（７）に与えられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関に関する。

特許文献１には、過給機付内燃機関が開示されており、その排気タービンは、タービン入口有効断面積を可変に調整するために可変タービン形状を備える。エンジンブレーキ動作において高い制動力を生成できるようにするために、可変タービン形状を、断面積を低減させる収容位置に調整するので、高い排気ガス反対圧力が蓄積され、それに抗して、内燃機関のシリンダーは排出作業を行う必要がある。現在の駆動状況において制動力が必要な場合、前記制動力を、特許文献１に従って主にエンジンブレーキを介して適用する。

エンジンブレーキ動作中、絞り弁はその開放位置にあり、シリンダーの中身をピストンの動きにより排気系統に吐き出させる。これにより、開放した排気弁が振動するという問題を引き起こす場合がある。

ＡＴ ４０８ １２９Ｂ号明細書

本発明は、高いエンジンブレーキ力を生成でき同時に長い動作期間を保証する内燃機関を、低い設計費用で製造するという目的に基づく。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴によって達成される。従属項には好都合な発展形態を説明する。

本発明による内燃機関の場合、カムシャフトに、排気弁に作用する補助カムが配置され、内燃機関の正規の動作において排気弁を開放位置に設定するカムに加えて設けられている。排気弁の、補助カムを介して得られた補助的な上昇曲線は、基本的な上昇曲線に対してフェーズがずれており、吸気弁の上昇曲線と少なくとも部分的に交差する。

通常動作の点火運転モードでは、通常の給気交換における上昇に加えた、排気弁の追加的な上昇及び開放によって、内部排気ガス再循環として知られているものをある程度行うことができる。内部排気ガス再循環では、排気系統からの排気ガスの部分的な質量流が、開放された各給気交換弁を経由してシリンダーを通って吸気管に再循環される。排気ガス再循環は、特に部分負荷動作において行われ、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_ｘを低減させる。内部排気ガス再循環によって、再循環される排気ガス流量が、低減されるか、又は適切な場合、排気系統と吸気管との間の外部の再循環管による外部排気ガス再循環として知られているものにより、完全に調整される。

他方で、エンジンブレーキ動作では、通常の給気交換に加えた排気弁の追加的な上昇を、シリンダーへの再給気を制御しかつエンジンブレーキ力を増大させるために使用する。当該技術分野で公知の標準的なカムシャフトと比較して、本発明に従って供されるカムシャフトは、最も高いエンジンブレーキ力における排気弁の調整機構の制御に関して利点をもたらす。エンジンブレーキ動作において従来技術で発生する排気弁の振動を、本発明による実施形態の場合には著しく低減させる。ガスが高圧及び高い流速にあるフェーズにおいて、排気弁を制御された方法で案内するので、排気弁が制御されずに上昇すること、及び付随して排気弁に高い負荷が作用することを妨げる。排気弁の追加的な制御された上昇は、単に、補助的な上昇曲線を得るために補助カムをカムシャフトに配置する必要があるというように、単純な設計措置を使用することにより行うことができる。

有利な実施形態によれば、排気弁の補助的な上昇曲線の閉鎖モーメントは、吸気弁の上昇曲線の閉鎖モーメントの後やがてくる。吸気弁と排気弁とが同時に開放すると、流れがシリンダーを介して排気系統と吸気管との間で連続的に接続する。このフェーズにおいては、内部排気ガス再循環を行うことができる。排気弁が補助的に上昇している間の、吸気弁の閉鎖と排気弁の閉鎖モーメントとの間の短いフェーズにおいては、シリンダーのピストンは、下死点の領域における吸入行程から圧縮行程への移行期に配置されているので、その結果、シリンダーは部分的に排気系統から排気ガスを充填され、充填量を全体的に改善できる。

排気弁の補助的な上昇曲線の開放期間は、吸気弁の開放期間よりも短いことが有利である。それは少なくとも３０％であることが好都合であるが、通常５０％以下又は５０％程度である。さらに、補助的な上昇曲線の上昇は、吸気弁の上昇よりも遙かに短いことが好都合である。吸気弁の上昇の少なくとも１０％であることが有利であるが、通常２０％以下である。このフェーズで完全に閉鎖している排気弁と比較して、内燃機関の正規の点火動作において、期間が短縮されていること及び補助的な上昇曲線中の排気弁の上昇が少ないことによってもたらされる制限は全くないか、又は重要でない制限のみもたらされることが予想される。

別の有利な実施形態では、絞り弁として供される追加的な給気交換弁を設けることが可能であり、絞り弁は、排気弁のように、開放状態において排気系統に排気（ｏｕｔｌｅｔ）を放出するが、排気弁からは独立して作動され得る。この絞り弁には、別々に作動される絞り弁用アクチュエータが割り当てられていることが有利であり、絞り弁はエンジンブレーキ動作中に一定の開放位置にあり、かつ点火動作中に閉鎖していることが有利である。

別の好ましい実施形態によれば、内燃機関は排気ターボ過給器を備え、その排気タービンは、タービン入口有効断面積を可変に調整するために可変タービン形状を備えている。高いエンジンブレーキ力を生成するために、可変タービン形状は、断面を低減させる収容位置に移され、これにより、シリンダー出口と排気タービンとの間に、高い排気ガス反対圧力を発生させ、それがシリンダーの中身の排出を妨げる。

さらなる利点及び好都合な実施形態は、さらなる特許請求項、図面の説明、及び図面から推断され得る。

排気ターボ過給器を有する内燃機関の概略図であり、内燃機関のシリンダーの１つを、関連する吸気弁及び排気弁並びに各弁の上昇曲線に影響を及ぼすカムシャフトを含めて拡大して示す。 排気弁の追加的な上昇曲線の図を含む、吸気弁及び排気弁の上昇曲線の図である。

図１に、例えばディーゼル機関又は火花点火機関である内燃機関を示す。拡大図で内燃機関のシリンダー１を示し、その燃焼室９は、吸気弁５を介して吸気通路４に、かつ排気弁７を介して排気連結管６に流体接続している。吸気通路４は内燃機関の吸気管２０に付随する一方で、排気連結管６は内燃機関の排気管１６に接続される。吸気弁５が開放されると、燃焼空気が吸気通路４を経由してシリンダー１の燃焼室に流入し；排気弁７が開放されると、燃焼室内にあるガスが、排気連結管６を経由して排気系統又は排気管１６に排出される。

給気交換弁５及び７を制御するためにカムシャフト２３が設けられており、カムシャフトの上にはカム２４及び２５が配置され、そのカム２４は吸気弁５に関連し、カム２５は排気弁７に関連する。カム２４及び２５の外形が、好適な伝達部材を用いて給気交換弁５及び７に伝達される。弁５及び７の上昇曲線は、カムの外形によって決定される。カムシャフトの長手方向軸の周りを回転する間、各カムの外形が読み取られ、伝達されて、各弁５、７に上昇曲線を生成する。

さらに、シリンダー１には、排気管１６に開口する排気弁として絞り弁２８が配置される。絞り弁２８を、カムシャフト２３から独立して、アクチュエータ２９を介して作動させる。

給気交換弁５、７及び２８は全て内燃機関のシリンダーヘッド３に配置される。

カム２５に加えて別のカムも排気弁７に関連させるか、又はカム２５も追加的なカムを有して、それにより、追加的な上昇曲線を排気弁７に与えることができる。図２にこの補助的な上昇曲線を示し、図２を参照して説明する。

図１からも分かるように、内燃機関は、排気管１６に排気タービン１０と、吸気管２０に圧縮器１１とを備える排気ターボ過給器２を装備している。排気タービン１０のタービンホイールは、シャフト１２を介して圧縮器１１の圧縮器ホイールに回転可能に結合される。内燃機関の動作中、圧縮器ホイールによって高圧に圧縮される燃焼空気が、環境から圧縮器入口１９を経由して圧縮器１１に供給される。圧縮状態では、空気が圧縮器から圧縮器出口２１を経由して流出し、吸気管２０を経由して吸気通路４に供給され、適切な場合、吸気通路への流入に先立って給気冷却器における冷却も行われる。

排気ガス側では、燃焼室９から排出されたガスが、排気管１６及びタービン入口１７を経由して流れ、そこでタービンホイールを駆動させる。タービンから、タービン出口１８を経由して応力の緩和されたガスが排出される。

排気タービン１０が可変タービン形状１３を備え、その可変タービン形状を、タービンホイールに対してタービン入口有効断面積を最小の収容位置と最大の開放位置との間で調整するために使用できることが好都合である。可変タービン形状を、例えば、タービン入口通路に軸方向に挿入できる制動バッフルとして供する。しかしながら、タービン入口断面に配置されかつ調整可能なガイドブレードを有する案内バッフルとしての実施形態も可能である。

排気タービン１０は迂回路２６で橋がかけられており、迂回路２６には調整可能な迂回路弁２７が配置されている。迂回路２６は、排気タービン１０の下流の排気管１６から分岐し、排気タービンの下流の排気管に再び開口する。迂回路弁２７を調整するためにアクチュエータ１４が設けられている。

さらに、内燃機関は、排気ガス冷却器３２が配置された再循環管路３１と、調整可能な一方向遮断弁３３とを含む排気ガス再循環手段３０を備える。再循環管路３１は、排気タービン１０の下流の排気管１６から分岐し、給気冷却器３４の下流の吸気管２０に開口する。排気ガス再循環手段３０は、外部排気ガス再循環として知られているものであり、そこでは、排気系統から吸気管へのガスの再循環を、シリンダーの外部にある管を経由して行う。他方で、吸気弁及び排気弁が開放し、流れが排気管１６からシリンダーの燃焼室９を経由して吸気管２０へ直接運搬される場合には、用語「内部排気ガス再循環」が使用される。

排気タービン１０の上流には、調整可能な制動フラップ３５が排気管１６に配置されている。制動フラップ３５は、排気ガス浄化手段３６の直ぐ上流に配置される。

内燃機関又は内燃機関の二次ユニットにある作動部材及びアクチュエータを、種々の状態及び動作変数に応じた、開ループ及び閉ループ制御ユニット１５からの動作信号を介して調整する。これらの状態及び動作変数は、例えばエンジンパラメータとして、エンジン回転数ｎ、吸気通路４の給気圧力Ｐ_Ｌ及びタービン入口１７におけるタービン入口圧力Ｐ_Ｅを含む。さらなるパラメータ及び影響のある変数としては、運転者によって規定されかつ機械的なホイールブレーキＰ_Ｂｒ，Ｒ及び適切な場合ハンドブレーキＰ_Ｂｒ，Ｈに供給される制動力要求Ｐ_Ｂｒが挙げられる。さらに、駆動状態を特徴付ける変数として、駆動速度ｖ、及び適切な場合、危険な状況を示す危険信号ＧＳも考慮される。さらに、ブロックＳにおいて給気交換弁の安全性のチェックを行うことができ、ここで、エラーが発生する場合にはエラー信号Ｆが表示される。上述の影響のある変数、又は状態及び動作変数は全て、開ループ及び閉ループ制御ユニットに供給され、そこで処理される。例えば可変タービン形状１３、絞り弁２８用のアクチュエータ２９、迂回路弁２７用のアクチュエータ１４及び排気ガス再循環手段３０にある遮断弁３３を調整するための動作信号は、これらの変数に応じて生成される。

図２に、クランク角に応じた排気弁及び吸気弁の上昇曲線ＡＶ及びＥＶの図を角度により示す。排気フェーズでは、ほぼ１８０°（下死点ＢＤＣ）のクランク角と３６０°のクランク角との間で、上昇曲線ＡＶで排気弁が開放する；この角度範囲は排気フェーズを特徴付ける。ほぼ３６０°（上死点ＴＤＣ）と５４０°との間のクランク角において、上昇曲線ＥＶで吸気弁が開放位置にある。このフェーズを吸入フェーズと称する。吸気弁の上昇曲線ＥＶの開放期間をφ_ＥＶによって特徴付ける。

吸気弁の上昇曲線ＥＶのほぼ後半では、上昇曲線ＡＶ_Ｚで示すようにさらに排気弁も開放する。排気弁のこの追加的な上昇曲線ＡＶ_Ｚの開放期間をφ_ＡＶ，Ｚによって特徴付ける。φ_ＡＶ，Ｚは、吸気弁の上昇曲線ＥＶの開放期間φ_ＥＶの少なくとも３０％であるが、５０％以下であることが好都合である。補助的な上昇曲線ＡＶ_Ｚの上昇曲線の高さはまた、上昇曲線ＡＶ及びＥＶの高さよりも遙かに低い。補助的な上昇曲線ＡＶ_Ｚの上昇Ｈ_ＡＶ，Ｚは、吸気弁の上昇Ｈ_ＥＶの少なくとも１０％であることが好都合であるが、２０％以下又は３０％以下であることが有利である。出口開放モーメント、すなわち上昇曲線ＡＶ_Ｚの開始は、吸気弁の上昇曲線ＥＶのピークとほぼ同時に起こる。

Claims (14)

1. シリンダー（１）の吸気開口部及び出口開口部を開閉するために使用することができる吸気弁及び排気弁（５、７）に作用するカムシャフト（２３）を有する内燃機関であって、前記吸気弁及び排気弁（５、７）の上昇曲線（ＥＶ、ＡＶ）が、カムシャフト（２３）のカム（２４、２５）の形状によって決定され、前記吸気弁の上昇曲線（ＥＶ）は、前記排気弁（７）の上昇曲線（ＡＶ）とは異なる内燃機関において、
   前記排気弁（７）に作用する追加的な補助カムが前記カムシャフト（２３）に配置され、前記吸気弁（５）の上昇曲線（ＥＶ）とは異なるが少なくとも部分的に交わる補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）が、前記排気弁（７）に与えられることを特徴とする内燃機関。
2. 前記排気弁（７）の前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の閉鎖モーメントが、前記吸気弁（５）の前記上昇曲線（ＥＶ）の閉鎖モーメントの後にくることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気弁（７）の前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の開放期間（φ_ＡＶ，Ｚ）が、前記吸気弁（５）の前記上昇曲線（ＥＶ）の開放期間（φ_ＥＶ）よりも短いことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
4. 前記排気弁（７）の前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の開放期間（φ_ＡＶ，Ｚ）が、前記吸気弁（５）の前記上昇曲線（ＥＶ）の開放期間（φ_ＥＶ）の少なくとも３０％以上となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記吸気弁（５）の前記上昇曲線（ＥＶ）が、前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の開放モーメントの時点でピークに達することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の上昇（Ｈ_ＡＶ，Ｚ）が、前記吸気弁（５）の上昇（Ｈ_ＥＶ）よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記補助的な上昇曲線（ＡＶ_Ｚ）の上昇（Ｈ_ＡＶ，Ｚ）が、前記吸気弁（５）の上昇（Ｈ_ＥＶ）の少なくとも１０％以上となることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 追加的な排気弁として調整可能な絞り弁（２８）が設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. 別々に作動可能なアクチュエータ（２９）を介して前記絞り弁（２８）の調整が可能であることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. エンジンブレーキフェーズにおいて前記絞り弁（２８）が一定の開放位置にあることを特徴とする請求項８あるいは９に記載の内燃機関。
11. 再循環管（３１）を有する排気ガス再循環手段（３０）が、排気系統と吸気管（２０）と調整可能な遮断弁（３３）との間に設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
12. 前記排気系統に排気タービン（１０）を備え、前記吸気管（２０）に圧縮器（１１）を備える排気ターボ過給器（２）が設けられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関。
13. 前記排気タービン（１０）が、タービン入口有効断面積を可変に調整するために可変タービン形状（１３）を備えることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
14. 前記排気系統に調整可能な制動フラップ（３５）が配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の内燃機関。