JP2011149428A - 部分負荷の下で動作している直噴で過給式の多気筒内燃エンジンの残留燃焼ガス掃気方法 - Google Patents

部分負荷の下で動作している直噴で過給式の多気筒内燃エンジンの残留燃焼ガス掃気方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃焼ガス掃気段階を作り出すことができない問題を、排気圧力を減少させて吸気圧力よりも低くなるようにした部分負荷の下で動作するエンジンの燃焼ガス掃気方法によって克服する。
【解決手段】ピストンが上死点と下死点との間を往復運動している、部分負荷の下で動作する、直噴で過給式の多気筒内燃エンジン、特にディーゼル形式のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法であって、燃焼ガス掃気段階を、エンジンの排気行程Ｅの間に少なくとも１つの排気弁１８の開閉シーケンスと、排気弁１８の当該開閉シーケンス中に少なくとも１つの吸気弁２８の少なくとも１つの開閉シーケンスと、によって実施する方法に関する。本発明によれば、当該方法は、吸気圧力Ｐａと排気圧力Ｐｅとの圧力差であって、吸気圧力に好適な圧力差を得るために、掃気段階中、吸気弁２８の閉止時間を制御して排気圧力Ｐｅを減少させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、部分負荷（パーシャルロード）の下で動作している直噴で過給式の内燃エンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法に関する
公知のように、内燃エンジンによって伝えられる出力は、該エンジンの燃焼室に供給される空気の量に依存している。
空気の量はその密度に比例するため、高いエンジン出力が必要な場合、通常、外部の空気は燃焼室に供給される前に圧縮される。
過給と呼ばれるこの動作は、ターボ圧縮機などの任意の手段を使用して実施される。
さらに、気筒の燃焼室内のこの空気の量をさらに増加させるために、燃焼室の無効容積内に最初に含まれている残留燃焼ガスがピストンの上死点の付近で排出され、過給空気と置き換えられる。この段階は、より一般的には燃焼ガス掃気と呼ばれ、エンジン排気行程の終了前に一般に実施される。
特許文献１から知られるように、この掃気は、エンジン吸気圧力がその排気圧力よりも高い時に、エンジン排気行程の終了時、そして吸気行程の開始時に実施される。この掃気段階は、クランク角度の数度から数十度の間、気筒の排気及び吸気弁を同時に開き、これらの弁をオーバーラップさせることで実施される。
したがって、過給された吸入空気は、燃焼室に含まれている排気ガスを追い出し、排気行程の終了前に燃焼室に供給される。このように、このガスは排気弁を通して排出され、吸入空気と置き換えられる。
出願人によって出願されている特許文献２には、他の残留燃焼ガス掃気方法が記載されている。この方法では、排気弁の開閉シーケンスはエンジンの排気行程の間に実施され、この排気弁の開閉シーケンス中に、残留燃焼ガスの掃気を実施するように吸気弁の開閉シーケンスが実施される。
フランス特許出願公開第２，８８６，３４２号明細書 フランス特許出願公開第２，９２６，８５０号明細書
この種類のエンジンは満足できる結果を実現するが、非常に顕著な欠点がある。
実際に、部分負荷の下で動作しているエンジンについては、燃焼ガス掃気段階を作り出すことができない。これは、吸気圧力が排気圧力よりも低いという本質的な事実による。そのため、排気弁と吸気弁とが開いていると、排気弁を通して燃焼室から排気ガスを排出することができない。
ある量の残留燃焼ガスは無効容積にとどまり、排気ガスは吸気マニホールドに供給され、したがって気筒への空気の吸気を妨害する。
本発明は、部分負荷の下で動作するエンジンのための燃焼ガスの排気方法であって、吸気圧力よりも低くなるように排気圧力を減少させた方法によって前述の欠点を克服することを目的とする。
そのため、本発明は、上死点と下死点との間を往復運動するピストンを有し、部分負荷の下で動作する直噴で過給式の多気筒内燃エンジン、特にディーゼル形式のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法であって、エンジンの排気工程中に少なくとも１つの排気弁の開閉シーケンスと、該排気弁の開閉シーケンス中に少なくとも１つの吸気弁の少なくとも１つの開閉シーケンスと、を用いて燃焼ガス掃気段階を実施する方法に関し、吸気圧力と排気圧力との圧力差であって、吸気圧力に好適な圧力差を得るために、掃気段階中、吸気弁の閉止時間を制御して排気圧力を減少させることを特徴とする。
本方法は、吸気行程の終了前に吸気弁の閉止を実施してもよい。
本方法は、吸気行程の下死点前の＋１００°と０°との間の範囲のクランク角度で吸気弁の閉止を実施してもよい。
本方法は、吸気行程の終了後に吸気弁の閉止を実施してもよい。
本方法は、吸気行程の下死点後の０°と−１００°との間の範囲のクランク角度で吸気弁の閉止を実施してもよい。
本発明に係る方法を使用している過給式の内燃エンジンを示す模式図である。 掃気段階における気筒の吸気弁と排気弁の様々なリフト規則（Ｌ）を、本発明に係る方法を使用しているエンジンのクランク回転（クランク角度°Ｖで表されている）の関数として表している複数の曲線を示す図である。 圧力（バールで表されているＰ）を示している複数の曲線のグラフであって、気筒の吸気部の位置での圧力（Ｐａ）と排気部の位置での圧力（Ｐｅ）を（クランク角度°Ｖで表されている）クランク回転の関数として示しているグラフである。 圧力（バールで表されているＰ）を示している複数の曲線のグラフであって、気筒の吸気部の位置での圧力（Ｐａ）と排気部の位置での圧力（Ｐｅ）を（クランク角度°Ｖで表されている）クランク回転の関数として示しているグラフである。
本発明のその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例による以降の説明を読むことで明らかになろう。
図１において、図示されている内燃エンジンは吸気行程Ａ、圧縮行程Ｃ、膨張行程Ｄ、および排気行程Ｅを有する４サイクルモードで動作する自己着火形式の過給内燃エンジン、特にディーゼルエンジンである。
このエンジンは、少なくとも２つの気筒１０、ここでは４つの気筒１０を有しており、気筒１０内では、燃料混合気の燃焼が行われる燃焼室１２を区切ることによって、ピストン（不図示）が上死点（ＰＭＨ）と下死点（ＰＭＢ）との間の直線状の往復運動で摺動している。
公知のように、この燃料混合気は、燃料を含む再循環排気ガス（またはＥＧＲ）と混合されている過給空気の混合気か、燃料を含む過給空気の混合気である。
気筒１０は、排気弁１８といった遮断手段に付属している排気管１６を含む、少なくとも１つの、ここでは２つの燃焼ガス排出手段１４を有している。
複数の排気管１６は、燃焼ガスを燃焼室１２から排出できるように排気マニホールド２０内で終端しており、排気マニホールド２０は排気ライン２２に接続されている。
気筒１０は、吸気弁２８といった遮断手段によって制御されている吸気管２６を含む少なくとも１つの、本明細書では２つの吸気手段２４を有している。
通常、吸気マニホールド３０は、複数の吸気管２６に接続されており、新鮮な空気（通常過給されており、再循環排気ガスとは混合されていたりされていなかったりする）を燃焼室１２に分配できるようにしている。
吸気マニホールド３０は、ライン３２によって、ターボ圧縮機３６の圧縮部分３４の出口に接続されているのに対して、排気マニホールド２０は、排気ライン２２によってターボ圧縮機３６のタービン３８の入口に接続されている。
吸気弁２８の開閉は、これらの弁のリフト規則を変化させることができる任意の公知の手段によって制御されている。より具体的には、これらの手段は、高出力を必要とするエンジンの動作条件時にこれらの弁の二重リフト、またはエンジンの通常の動作条件下での単一リフトを達成できるようにする。
そのため、これらの弁の２つのリフト規則を達成できるようにするＶＶＡ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ：可変弁作動）カムシャフト形式の制御手段４０が使用されている。第１の規則によって、吸気工程Ａにおける吸気弁２８の従来の開閉シーケンスに伴って、エンジンの排気工程Ｅ中にこれらの弁の開閉の少なくとも１つのシーケンスを実行することができる。その他のリフト規則によって、エンジンの吸気行程Ａ中に吸気弁２８の開閉シーケンスだけを実行することができる。
非限定的な例として、このカムシャフトは、エンジンの排気行程Ｅおよび吸気行程Ａ中にこれらの吸気弁２８に対して二重リフト規則を実現できるようにする第２のカムに連動するカムだけでなく、エンジンの吸気行程Ａ中に吸気弁２８の単一リフトを実現するように、両カムの一方、たとえば第２のカムを動作不能にする係合解除装置を有している。
排気弁１８の開閉は、このエンジンのクランク軸に接続されているタイミングベルトやタイミングチェーンなどの駆動手段によって回転が制御されている従来のカムシャフト４２といった任意の従来の手段によって制御されている。
もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの制御手段４０とカムシャフト４２を、弁棒に直接作用する電磁アクチュエータ、電気空圧アクチュエータ、その他のそれぞれの弁用の具体的な制御手段とすることができる。
なお、「リフト」という用語は、管の開口部を、該開口部の全開位置の方へ開き始める瞬間から、この開口部が閉じ終わる瞬間までの弁の動きの（２つの軸線に沿った）図形表現に対応している。
このエンジンは、乗り物の運転者の要求を満たすようにエンジンが発生した出力を、データ線４６によって送信された複数のエンジンパラメータ、特に、吸気マニホールド３０内の吸気圧力Ｐａと排気マニホールド２０内の排気圧力Ｐｅ、エンジン回転数、またはエンジンの負荷などの複数の値に基づいて評価することができるマップまたはデータチャートを収容しているエンジン計算機と呼ばれる処理ユニット４４も備えている。
より的確には、これらの値に基づいた、吸気弁２８の単一または二重リフトを実現するために制御手段４０に基づいて動作する吸気弁２８のリフト規則を、制御線４８を通して計算機４４によって制御することができる。
したがって、エンジンが高出力要求に該当する条件下で動作しなければならないときには、計算機４４は、吸気マニホールド３０内で記録された吸気圧力Ｐａと排気マニホールド２０内に行き渡っている排気圧力Ｐｅとの圧力差であって、吸気圧力Ｐａに好適な圧力差を発生できるようにしながら、燃焼室１２に存在している残留燃焼ガスの掃気段階を伴ってエンジンが動作するようにエンジンを制御する。
さらに、図３に関連づけられた図２にあるように、より具体的には、計算機４４は、燃焼ガスの掃気段階を伴って出力要求を満たすために、吸気弁２８の二重リフトを実現できるように制御線４８を通して制御手段４０を制御する。図２は、開いている位置（Ｏ）と閉じている位置（Ｆ）との間の掃気中の吸気弁２８と排気弁１８とのさまざまなリフト規則をクランク回転角度（°Ｖ）の関数として示している。図３は、これらのクランク回転角度の間の吸気圧力Ｐａと排気圧力Ｐｅを示している。
より正確には、この図２に示されているように、エンジン排気行程Ｅの間に、排気弁１８は、燃焼室１２内に含まれている排気ガスを排気マニホールド２０に向けて排出するように、従来どおりに、ピストン排気下死点（ＰＭＢｅ）とピストン吸気上死点（ＰＭＨａ）との間の開閉シーケンスに従う。
排気弁１８の開閉シーケンスとともに、排気行程Ｅ中、かつ排気弁１８の開閉シーケンス中に、吸気弁２８ａの少なくとも１つの開閉シーケンスを実現するように制御手段４０は計算機４４によって制御される。
より具体的には、また例として、これらの吸気弁２８ａはＰＭＢｅ後のクランク角度Ｖ１で開き、ＰＭＨａで閉じる。
排気行程Ｅ中の吸気弁２８ａの開閉シーケンス（図２）を伴い、低負荷または部分負荷の下で動作しているエンジンの場合、図３に示しているように、このエンジンの排気圧力曲線Ｐｅ(aa)（細い線）はエンジン動作周期を通して吸気圧力曲線Ｐａ（点線）の上方に常に存在し、その結果、排気圧力Ｐｅ(aa)は吸気圧力Ｐａよりも高い。
排気圧力Ｐｅ(aa)に好適な圧力差にあることを考慮すれば、燃焼室１２に含まれている排気ガスを、排気弁１８を通して排気マニホールド２０に向けて排出することができない。
前述の燃焼ガス掃気段階を実施できるようにするために、計算機４４はこれらの吸気弁２８が圧縮下死点（ＰＭＢｃ）の前（クランク角度Ｖ２′で閉じる曲線２８ａ′）または後（クランク角度Ｖ２″で閉じる曲線２８ａ″）に閉じるように、吸気行程Ａ中にこれらの吸気弁２８ａの少なくとも１つの開閉シーケンスを実現するように吸気弁２８の制御手段４０を制御する。
角度Ｖ２′はＰＭＢｃ前の＋１００°以下であって０°よりも大きいことが有利であり、角度Ｖ２″はＰＭＢｃ（ＰＭＢｃに一致する吸気行程の下死点）後の０°よりも大きく−１００°以下であることが有利である。
これは、気筒１０の燃焼室１２内での、有効圧縮比の減少、排気ガス流速の低下およびこの排気ガスの温度の上昇を招く効果があり、これが排気マニホールド２０の充填、すなわち排気圧力を減少させることにつながる。
そのため、図３の曲線Ｐｅ(aa)はグラフの下部に変位し、曲線Ｐｅの位置に到達する。
もちろん、当業者は、燃焼ガス掃気段階中（クランク角度Ｖ１とＰＭＨａとの間）に、曲線ＰｅとＰａとの間の領域Ｚｂであって、圧力差が吸気圧力に適している領域Ｚｂが存在する排気圧力曲線Ｐｅの位置になるように、吸気弁２８を閉じるためのクランク角度（Ｖ２′またはＶ２″）を求めることができる。
したがって、燃焼室１２に含まれている排気ガスは過給空気によって置き換えられ、それによって、エンジン吸気行程Ａの最後に燃焼室１２に存在している空気の量を全体的に増加させ、その結果、排気ガスの減少および消費の減少を改善することができる。
全負荷の下でこのエンジンが動作するときには、掃気方法は、エンジン排気工程Ｅの間の排気弁１８の開閉シーケンス、排気弁１８の当該開閉シーケンス中における吸気弁２８の開閉シーケンス、およびエンジン吸気工程中の吸気弁２８の従来の開閉シーケンスを有するフランス特許出願公開第２，９２６，８５０号明細書に記載されている方法である。
掃気段階中に、吸気圧力に好適な、吸気圧力と排気圧力との圧力差を実現するために、エンジン吸気部に供給される過給空気の量を増加させることも可能である。これは、排気圧力を変化させずに、吸気圧力の増加につながる効果がある。
図４に関連づけられた図１にあるように、空気の量の増加は、例えばエンジンクランク軸との結合を通して機械的に駆動される、または例えば電気モータによって電気的に駆動される付加的な圧縮機５０（点線で図示）によって実施される。圧縮機５０は、掃気段階中、かつエンジンが低負荷または部分負荷の下で動作している時に動作するように計算機４４によって制御されている。
この付加的な圧縮機５０と組み合わされて使用される掃気方法は、前述のフランス特許出願公開第２，９２６，８５０号明細書に記載されている方法である。
したがって、計算機４４は、ターボ圧縮機３６の圧縮部分３４に供給される空気の量を増加させるように圧縮機５０を制御する。それから、この空気は圧縮部分３４によって圧縮され、それは、圧縮部分３４の作動だけによる圧力よりも高い圧力を実現しながら、吸気マニホールド３０により大量の空気を供給する効果を有する。
したがって、最初の吸気圧力曲線Ｐａ(aa)、つまり圧縮部分３４だけを使用することに起因する曲線は、図４の上部に変位し、吸気圧力が排気圧力（細い線）よりも高い領域Ｚｂを備えている曲線Ｐａ（太い点線）の位置に到達し、それによって燃焼ガスの掃気を実施することができる。
もちろん、前述のように、当業者は、吸気圧力Ｐａに好適な圧力差を有する領域Ｚｂが燃焼ガス掃気段階の少なくとも一部の間にできるように圧縮機５０の特性と性能とを求めることになる。
このエンジンが完全負荷状態で動作しているときには、掃気方法は、排気弁１８および吸気弁２８の様々な開閉シーケンスと、圧縮機５０の停止とを伴うフランス特許出願公開第２，９２６，８５０号明細書に記載されている方法である。
燃焼ガス掃気段階なしのエンジンの従来の動作中では、計算機４４は、排気弁１８の開閉シーケンス中に吸気弁２８の開閉シーケンスが実施されないように、排気行程Ｅの間、制御手段４０を制御する。この排気行程Ｅには、吸気弁２８がＰＭＨａとＰＭＢｃとの間で従来の開閉シーケンスに従う吸気行程Ａが続く。
これによって、本発明は、低負荷状態と全負荷状態との間の様々な設定に従って動作しているエンジンについて、排気ガス掃気を容易に実施できる。
本発明について、排気行程中における吸気弁２８ａのリフト高さは排気弁１８のリフト高さに実質的に等しいが、吸気弁２８ａのリフト高さは、図２でいろいろな厚さのものが混ざった線によって示しているように、残留燃焼ガスの排出を制御できるように、たとえば完全に開いている位置Ｏと、３分の１開いている位置Ｏ／３との間で変化してもよい。
同様に、開閉シーケンスを角度Ｖ１′で開始し、ＰＭＨａの前に位置しているクランク角度で終了させるように、排気行程Ｅ中の吸気弁２８ａのリフトの範囲を変化させることができる。
排気行程Ｅ中のこれらの吸気弁２８の最大リフトと最大範囲は、排気弁１８のそれらよりも小さいことが好ましい。
１０ 気筒
１２ 燃焼室
１４ 燃焼ガス排出手段
１６ 排気管
１８ 排気弁
２０ 排気マニホールド
２２ 排気ライン
２４ 吸気マニホールド
２６ 吸気管
２８、２８ａ 吸気弁
３０ 排気マニホールド
３２ ライン
３４ 圧縮部分
３６ ターボ圧縮機
３８ タービン
４０ 吸気弁の制御手段
４２ 排気弁の制御手段
４４ 計算機
４６ データ線
４８ 制御線
５０ 圧縮機

Claims (5)

  1. 上死点（ＰＭＨ）と下死点（ＰＭＢ）との間を往復運動するピストンを有し、部分負荷の下で動作している、直噴で過給式の多気筒内燃エンジン、特にディーゼル形式のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法であって、前記エンジンの排気行程（Ｅ）中に少なくとも１つの排気弁（１８）の開閉シーケンスと、該排気弁の開閉シーケンス中に少なくとも１つの吸気弁（２８）の少なくとも１つの開閉シーケンスと、によって燃焼ガス掃気段階を実施する方法において、
    吸気圧力（Ｐａ）と排気圧力（Ｐｅ）との圧力差であって、吸気圧力（Ｐａ）に好適な圧力差を得るために、掃気段階中、前記吸気弁（２８）の閉止時間を制御して排気圧力（Ｐｅ）を減少させることを特徴とする、方法。
  2. 吸気行程（Ａ）の終了前に前記吸気弁（２８）を閉じることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法。
  3. 吸気行程（Ａ）の下死点前の、＋１００°と０°との間の範囲のクランク角度で前記吸気弁（２８）を閉じることを特徴とする、請求項２に記載のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法。
  4. 吸気行程（Ａ）の終了後に前記吸気弁（２８）を閉じることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法。
  5. 吸気行程（Ａ）の下死点後の、０°と−１００°との間の範囲のクランク角度で前記吸気弁（２８）を閉じることを特徴とする、請求項４に記載のエンジンの残留燃焼ガスを掃気する方法。
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