JP2010503788A

JP2010503788A - 混合型のカムシャフトを備えた内燃機関

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Publication number: JP2010503788A
Application number: JP2009527734A
Authority: JP
Inventors: グレーネンディクアクセル; コルネリウスフォルカー
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: US20090229548A1; EP2066874B1; DE102006042912A1; JP5306210B2; EP2066874A1; KR20090061634A; CN101517203A; KR101398656B1; WO2008031555A1; US7958869B2; CN101517203B

Abstract

本発明は、特に自動車の内燃機関、特にディーゼル内燃機関であって、少なくとも１つの作業シリンダが設けられており、各作業シリンダに少なくとも２つの吸気弁と、少なくとも１つの排気弁とが対応配置されており、少なくとも２つのカムシャフト（１６，１８）が設けられていて、これらのカムシャフト（１６，１８）のうち少なくとも１つのカムシャフト（１６，１８）が、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作するようになっている形式のものに関する。本発明の構成では、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作する少なくとも１つのカムシャフト（１８）に調節器（２８）が配置されており、該調節器（２８）が、当該カムシャフト（１８）に対応配置された吸気弁および排気弁の弁制御時間を、前記少なくとも１つの別のカムシャフト（１６）の制御時間に比べて選択的に早め方向または遅め方向に調節する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の内燃機関、すなわち自己着火法により作動する内燃機関、特に自動車の内燃機関であって、少なくとも１つの作業シリンダが設けられており、各作業シリンダに少なくとも２つの吸気弁と、少なくとも１つの排気弁とが対応配置されており、２つのカムシャフトが設けられていて、両カムシャフトのうち少なくとも一方のカムシャフトが、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作するようになっている形式のものに関する。さらに、本発明は請求項６の上位概念部に記載の、このような形式の内燃機関を運転するための方法に関する。

公知のミラー／アトキンソンサイクルでは、「吸気弁閉じ」（ＥＳ）の時期が遅め方向にずらされる。こうして、既にシリンダ内に存在する新気が、部分的に再び押し出される。このことは充填損を意味するが、しかしこの充填損は適当な過給圧を用いた過給を介して補償され得る。この場合、過給圧はチャージャ出口とエンジン吸気部との間の容積において、過給圧が各ミラー運転点、つまり「ミラーサイクル」が使用される各運転点で、吸気弁閉じの時期における内燃機関の作業シリンダ内の理論的な圧縮最終圧に相当するように制御されなければならない。閉ループ制御のために、あるいは選択的には開ループ制御のためにも、圧力センサおよび／または温度センサおよび／または質量流量センサまたはこれら３つのセンサタイプの好都合なコンビセンサが使用される。

吸気弁の閉じのための早め時期または遅め時期による、ディーゼル混合気のＮＯ_ｘエミッションおよび均質化可能性に及ぼすミラー／アトキンソンサイクルの好都合な効果が知られている。さらに、オットエンジンでの使用の際には、高過給時におけるノッキング傾向を著しく減少させることができる。ジオメトリ（幾何学）的な拘束の欠如に基づいて正の弁オーバラップを用いて作動することのできるオットエンジンとは異なり、ディーゼルエンジンでは、位相調整器を用いた方法の単純な置換えは一般に不可能である。その原因は、早め調節の際の弁とピストンとの機械的な衝突および遅め調節の際の増大されたポンプ作業である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４２６５５７号明細書に基づき、内燃機関の作業シリンダにおいて複数の弁を対角線方向で互いに向かい合って位置するように配置し、これにより２つのカムシャフトが吸気弁のそれぞれ一部を制御するようにすることが公知である。こうして、２つの別個の吸気システムが提供されている。両吸気システムはたしかに互いに異なる制御時間を有しているが、しかしこれらの制御時間は固定されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５９０５８号明細書に基づき、２つの吸気弁と２つの排気弁と、合計３つのカムシャフトとを備えた４バルブ式の内燃機関が公知である。１実施態様（図１）では、第１のカムシャフトに第１の吸気弁と第１の排気弁とが対応配置されており、それに対して第２のカムシャフトが第２の吸気弁を操作し、第３のカムシャフトが第２の排気弁を操作する。第１のカムシャフトと第２のカムシャフトとには、それぞれ１つの位相調整器が対応配置されている。前記カムシャフト・弁装置はガソリン内燃機関において使用されることが望ましいが、しかし自己着火式の内燃機関においても使用され得る。位相調整器を用いて達成したい弁隆起曲線のシフトは、自己着火式の内燃機関においては必ず復動ピストンと弁との間の衝突を生ぜしめる。提案された装置を用いてこの問題がどのように取り除かれ得るのかは明記されていない。さらに、提案された装置は構成部分にかかる高い手間を生ぜしめる。なぜならば、合計３つのカムシャフトと２つの位相調整器とが必要となるからである。

ＤＥ１９５８１５７１Ｔ１（国際公開第９５／２４５４９号パンフレットのドイツ語翻訳文）に基づき、４バルブ式のディーゼル内燃機関が公知である（図１）。この場合、第１のカムシャフトが一方の吸気弁と両排気弁とを操作し、第２のカムシャフトは他方の吸気弁と、同じく一方のカムシャフトにより既に操作された両排気弁のうちの一方の排気弁とを運動させることができる。上記ＤＥ１９５８１５７１Ｔ１の明細書の記載によれば、第２のカムシャフトは調節装置によって、規定された角度だけ回転可能となるので、この第２のカムシャフトにより操作された吸気弁と排気弁の制御は遅めの時期へ調節される。このような装置では、一方の排気弁が、ロッカアームの介在下に両カムシャフトによって時間的に相前後して操作されるので、この排気弁の制御線図において、吸気弁が操作される間、第２の開放が行われる（図４、図６）。

さらに、ＤＥ６００３３５６３Ｔ２（欧州特許第１２４２７２０号明細書のドイツ語翻訳文）に基づき、吸排気混合されたいわゆる混合型のカムシャフトを備えた４バルブ式のオット内燃機関が公知である。この場合、各シリンダ当たり２つのカムシャフトがそれぞれ１つの吸気弁と１つの排気弁とを操作する。一方のカムシャフトには位相調整器が対応配置されている。この位相調整器は汎用の形式で、各吸気弁および各排気弁の対応する制御時間を、固定設定された弁の制御時間に対してシフトするために利用される（特にＤＥ６００３３５６３Ｔ２の図２ｂ参照）。このような手段は自己着火式の内燃機関においては、必ずガス交換弁と復動ピストンとの間の衝突を招く。

ＤＥ６０１１９９９３Ｔ２（欧州特許第１４０９８５２号明細書のドイツ語翻訳文）には、４つのガス交換弁を備えた火花点火式のオット内燃機関が開示されている。この場合、一方のカムシャフトが両排気弁と第１の吸気弁とを操作する。他方のカムシャフトは第２の吸気弁を操作することができる。この第２のカムシャフトには位相調整器が対応配置されている。

本発明の根底を成す課題は、冒頭で述べた形式の内燃機関を、ミラー／アトキンソンサイクルの実現の点で改善することである。

この課題は本発明によれば、冒頭で述べた形式の内燃機関において、請求項１の特徴部に記載の特徴および請求項６の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な実施態様は請求項２〜請求項５もしくは請求項７および請求項８に記載されている。

上記課題を解決するために本発明の構成では、冒頭で述べた形式の内燃機関において、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作する少なくとも１つのカムシャフトに調節器が配置されており、該調節器が、当該カムシャフトに対応配置された吸気弁および排気弁の弁制御時間を、前記少なくとも１つの他方のカムシャフトの制御時間に比べて選択的に早め方向または遅め方向に調節するようにした。

このことには次のような利点がある。すなわち、位相調整器と、吸排気混合された混合型（gemischt.）のカムシャフト、つまり同時に吸気弁をも排気弁をも操作するカムシャフトとの組合せにより、ミラーサイクルが簡単に、しかも弁の行程運動もしくはリフト運動に関してジオメトリ的（幾何学的）な制限が生じるような個所、たとえばディーゼルエンジンにおいて実現可能となる。

たとえば、調節器は、該調節器が６０゜ＫＷ＋／−２０゜の弁制御時間のための調節範囲を有するように形成されている。

付加的に、本発明による特徴組合せを用いると、改善された排ガスを得ることができることも極めて有利である。すなわち、本発明による内燃機関を装備した乗用車では、走行されたキロメートル当たり０．１８グラムよりも下の窒素酸化物エミッション、特に０．１〜０．０５ｇの窒素酸化物エミッションを得ることができる。したがって、欧州連合（ＥＵ）に対して義務付けられている、ＮＯｘエミッションに関する規定されたエミッション規制ＥＵ５およびＥＵ６が下回られる。このエミッション規制はＥＵ５に関して０．１８ｇ／ｋｍの値およびＥＵ６に関して０．０８ｇ／ｋｍの値を規定している。

さらに、パーティクルエミッションも慣用的なコンセプトに比べて著しく低下し、この場合、走行されたキロメートル当たり０．００５ｇよりも低い値、特に０．００４〜０．００２ｇ／ｋｍの値を得ることができる。

有利な実施態様では、各作業シリンダに２つの排気弁が対応配置されており、この場合、２つのカムシャフトが設けられていて、第１のカムシャフトが、これらの吸気弁および排気弁の一方の半数（１／２）を操作し、第２のカムシャフトが、これらの吸気弁および排気弁の他方の半数を操作し、第１のカムシャフトが、該第１のカムシャフトに対応配置された弁のための固定の制御時間を有しており、第２のカムシャフトに調節器（２８）が配置されている。

０゜ＫＷの調節角度において第２のカムシャフトに対応配置された排気弁が、第１のカムシャフトに対応配置された排気弁よりも早めに閉じ、第２のカムシャフトに対応配置された吸気弁が、第１のカムシャフトに対応配置された吸気弁よりも遅めに開きかつ遅めに閉じるように第２のカムシャフトが形成されていることにより、ディーゼルエンジンにおいても弁と復動ピストンとの間の衝突なしに特に大きな調節範囲が得られる。

択一的に、第２のカムシャフトは、０゜ＫＷの調節角度において第２のカムシャフトに対応配置された吸気弁が、第１のカムシャフトに対応配置された吸気弁と同時に閉じるように形成されている。この場合には、遅め調節しか行われない。

自己着火法により運転される内燃機関を運転するための本発明による方法では、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作する少なくとも１つの一方のカムシャフトで、該一方のカムシャフトに対応配置された吸気弁および排気弁の弁制御時間が他方のカムシャフトの弁制御時間に対して選択的に早め方向または遅め方向に調節されるように、対応する調節器が操作される。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明による内燃機関の有利な１実施例を示す概略図である。図１に示した本発明による内燃機関におけるカムシャフト配置を示す概略図である。０゜ＫＷの調節角度における種々のカムシャフトの吸気弁および排気弁の弁運動とピストン運動とを示す線図である。早め方向への最大調節時における種々のカムシャフトの吸気弁および排気弁の弁運動とピストン運動とを示す線図である。遅め方向への最大調節時における種々のカムシャフトの吸気弁および排気弁の弁運動とピストン運動とを示す線図である。

本発明による内燃機関の、図１に示した有利な実施例は、シリンダヘッド１０を有している。このシリンダヘッド１０は複数の作業シリンダ（図示しない）を画定しており、これらの作業シリンダ内では、それぞれ１つの復動ピストン（図示しない）が往復運動する。シリンダヘッド１０は排気側１２と吸気側１４とを有しており、排気側１２では排ガスが作業シリンダから導出され、吸気側１４では作業シリンダに新ガスが供給される。

各作業シリンダには、２つの吸気弁（図示しない）と２つの排気弁（図示しない）とが対応配置されており、この場合、第１のカムシャフト１６と第２のカムシャフト１８とが設けられている。第１のカムシャフト１６は、それぞれ１つの吸気弁を操作する複数の吸気カム２０と、それぞれ１つの排気弁を操作する複数の排気カム２２とを支持している。第２のカムシャフト１８も、それぞれ１つの吸気弁を操作する複数の吸気カム２４と、それぞれ１つの排気弁を操作する複数の排気カム２６とを支持している。両カムシャフト１６，１８に沿って、長手方向で見てそれぞれ吸気カム２０，２４と排気カム２２，２６とが交互している。こうして、各作業シリンダの両吸気弁および両排気弁はそれぞれ互いに異なるカムシャフト１６，１８によって操作される。したがって、特に付加的に図２から判るように、カムシャフト１６，１８はそれぞれ、吸排気混合されたいわゆる混合型のカムシャフトである。すなわち、各カムシャフト１６，１８は相応する吸気カム２０，２４もしくは排気カム２２，２６を介して吸気弁をも排気弁をも操作するわけである。

各作業シリンダに対応するガス交換弁の数とは無関係に、常に全てのガス交換弁全体が２つのカムシャフトによって操作される。

第１のカムシャフト１６に対応配置された吸気弁および排気弁のための第１のカムシャフト１６の制御時間は、変更不能に固定設定されている。第２のカムシャフト１８には調節器２８が配置されている。この調節器２８は第２のカムシャフト１８に対応配置された吸気弁および排気弁の制御時間を第１のカムシャフト１６の制御時間に対して変更し、この場合、第２のカムシャフト１８は調節器２８によって第１のカムシャフト１６に対して相対的に回転させられる。第１のカムシャフト１６は、符号３０のところで内燃機関のクランクシャフト（図示しない）によって駆動されるカムシャフトである。第１のカムシャフト１６は次いで複数の歯車３２を介して第２のカムシャフト１８を駆動する。

図３〜図５には、水平軸３４にクランク角度（ＫＷ）をとり、垂直軸３６にリフト運動をとった線図が示されている。水平軸３４には、符号３８のところで装入交番の前の復動ピストンの下死点（ＵＴ）が、符号４０のところで装入交番中の復動ピストンの上死点（ＯＴ）が、符号４２のところで装入交番の後の復動ピストンの下死点（ＵＴ）がそれぞれ記されている。第１のグラフ４４は復動ピストンに関するリフト運動３６とクランク角度３４との関係を表しており、第２のグラフ４６は、第１のカムシャフト１６の排気カム２２により制御される排気弁に関するリフト運動３６とクランク角度３４との関係を表しており、第３のグラフ４８（破線）は、第２のカムシャフト１８の排気カム２６により制御される排気弁に関するリフト運動３６とクランク角度３４との関係を表しており、第４のグラフ５０は、第１のカムシャフト１６の吸気カム２０により制御される吸気弁に関するリフト運動３６とクランク角度３４との関係を表しており、第５のグラフ５２（破線）は、第２のカムシャフト１８の吸気カム２４により制御される吸気弁に関するリフト運動３６とクランク角度３４との関係を表している。

図３には、０゜ＫＷを有する調節器２８の位置が示されている。すなわち、両カムシャフト１６，１８は互いに相対的に回転させられていない。図４には、遅め方向への最大調節時における調節器２８の位置が示されており、図５には、早め方向への最大調節時における調節器２８の位置が示されている。図２〜図５から直接に判るように、クランクシャフトに対して相対的な第１のカムシャフト１６の吸気弁および排気弁のリフト運動（第２のグラフ４６および第４のグラフ５０）は不変のままであり、それに対して第２のカムシャフト１８の弁のリフト運動（それぞれ破線により描かれた第３のグラフ４８および第５のグラフ５２）は対応する吸気弁および排気弁に関して共通してずらされる。これにより、一方では第１のカムシャフト１６の吸気弁（吸気カム２０；第４のグラフ５０）と、第２のカムシャフト１８の吸気弁（吸気カム２４；第５のグラフ５２）との間のずらされた開放時間に基づいて、ミラー効果をシミュレートすることができる（図３）。他方では、吸気弁と復動ピストンとの間の衝突が阻止されている。

このようなシミュレートされたミラー効果のための前提条件は、作業シリンダ１つ当たり少なくとも２つの吸気弁および作業シリンダ１つ当たり１つの、有利には２つの排気弁の存在である。この場合、各作業シリンダの両吸気弁は互いに異なるクランクシャフトによって操作される。この場合、１つのカムシャフト、つまり第１のカムシャフト１６が全ての吸気弁および排気弁の１／２を慣用的な制御時間で操作する。択一的には、吸気側において特定の運転点における最大充填、たとえばコールドスタートの運転点のための最大充填に合わせて最適化された数の弁が操作される。第２のカムシャフト１８は残りの吸気弁および排気弁を操作して、「排気弁閉じ」および「吸気弁開き」のためのカム輪郭に関して、約６０゜ＫＷ＋／−２０゜の第２のカムシャフト１８の調節範囲がピストン衝突なしに行われ得るように設計されている。

ミラー効果は、一方のカムシャフト１６の最も早めの「吸気弁開き」および他方のカムシャフト１８の最も遅めの「吸気弁閉じ」が、各作業シリンダのための互いに異なる弁に対応していることにより得られる（図４参照）。

ＵＴ４２における固定の第１のカムシャフト１６（第４のグラフ５０）の「吸気弁閉じ」の際に第２のカムシャフト１８（ミラーシャフト）が同じく早め方向にシフトされる（第５のグラフ５２；図５参照）ことにより、圧縮最終温度の増大が可能となる。それと同時に、図５に図示されているように、第２のカムシャフト１８もしくはミラーシャフトの「排気弁開き」の早めシフト（第３のグラフ４８）によって排ガス温度の増大（排ガス後処理のために重要となる）を行うことができる。このことは、コールドスタート後の排ガス触媒の迅速なヒートアップを助成することができる。

第１のカムシャフト１６は、第２のカムシャフト１８の早め調節時に最大圧縮比を得るために、ほぼ＝ＵＴ４２において「吸気弁閉じ」（ＥＳ）を有している。図３に示した、調節器２８の０゜調節時の状況に対して択一的に、このことも、第２のカムシャフト１８のための０゜位置とみなされ得るので、その場合には遅め調節しか行われない。しかしいずれの場合にも重要となるのは、たとえばディーゼルエンジンにおいて汎用されているＵＴ後の約１０〜２５゜ＫＷにおけるＥＳに比べて、ＵＴ位置ＥＳが両カムによって得られるように第１のカムシャフト１６の吸気カムが短縮されていることである。

Claims

自己着火法により運転される内燃機関、特に自動車の内燃機関であって、少なくとも１つの作業シリンダが設けられており、各作業シリンダに少なくとも２つの吸気弁と、少なくとも１つの排気弁とが対応配置されており、２つのカムシャフト（１６，１８）が設けられていて、両カムシャフト（１６，１８）のうち１つのカムシャフトが、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作するようになっている形式のものにおいて、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作する一方のカムシャフト（１８）に調節器（２８）が配置されており、該調節器（２８）が、前記一方のカムシャフト（１８）に対応配置された吸気弁および排気弁の弁制御時間を、前記少なくとも１つの他方のカムシャフト（１６）の制御時間に比べて選択的に早め方向または遅め方向に調節することを特徴とする内燃機関。
調節器（２８）が６０゜ＫＷ＋／−２０゜の弁制御時間のための調節範囲を有するように該調節器（２８）が形成されている、請求項１記載の内燃機関。
各作業シリンダに２つの排気弁が対応配置されており、第１のカムシャフト（１６）が、吸気弁および排気弁のうちの一方の半数を操作し、第２のカムシャフト（１８）が、吸気弁および排気弁の他方の半数を操作し、第１のカムシャフト（１６）が、該第１のカムシャフト（１６）に対応配置された弁のための固定の制御時間を有しており、第２のカムシャフト（１８）に調節器（２８）が配置されている、請求項１または２記載の内燃機関。
第２のカムシャフト（１８）は、０゜ＫＷの調節角度において第２のカムシャフト（１８）に対応配置された排気弁が、第１のカムシャフト（１６）に対応配置された排気弁よりも早めに閉じ、第２のカムシャフト（１８）に対応配置された吸気弁が、第１のカムシャフト（１６）に対応配置された吸気弁よりも遅めに開きかつ遅めに閉じるように形成されている、請求項３記載の内燃機関。
第２のカムシャフト（１８）は、０゜ＫＷの調節角度において第２のカムシャフト（１８）に対応配置された吸気弁が、第１のカムシャフト（１６）に対応配置された吸気弁と同時に閉じるように形成されている、請求項３記載の内燃機関。
自己着火法により運転される内燃機関、特に自動車の内燃機関であって、少なくとも１つの作業シリンダが設けられており、各作業シリンダに少なくとも２つの吸気弁と、少なくとも１つの排気弁とが対応配置されており、２つのカムシャフトが設けられていて、両カムシャフトのうち少なくとも一方のカムシャフトによって、少なくとも１つの吸気弁も少なくとも１つの排気弁も操作可能である形式の内燃機関を運転するための方法において、少なくとも１つの吸気弁をも少なくとも１つの排気弁をも操作する一方のカムシャフトに調節器を対応配置し、該調節により、該一方のカムシャフトに対応配置された吸気弁および排気弁の弁制御時間を、他方のカムシャフトの弁制御時間に対して選択的に早め方向または遅め方向に調節することを特徴とする、内燃機関を運転するための方法。
内燃機関の排ガス中に、自動車によって走行されたキロメートル当たり０．１８グラムよりも少ない窒素酸化物エミッションの値、有利には０．１ｇ／ｋｍよりも少ない窒素酸化物エミッションの値、特に０．０８ｇ／ｋｍの窒素酸化物エミッションの値が生じるように調節器によって弁制御時間を調節する、請求項６記載の方法。
内燃機関の排ガス中に、０．００５ｇ／ｋｍよりも少ないパーティクルエミッションの値、有利には０．００４〜０．００２ｇ／ｋｍのパーティクルエミッションの値が生じるように調節器によって弁制御時間を調節する、請求項６記載の方法。