JP2011529546A - ピストンエンジン内の制御構成 - Google Patents

Abstract

本発明はエンジン（１）のカムシャフト（４）のカム装置（５）と、エンジンのシリンダと関連する吸気弁（３）を開閉するよう配置される吸気弁機構（６）との間に適合される、ピストンエンジン内のガス交換のための制御構成（７）に関する。制御構成（７）は本体部（８）を含み、ピストン装置（９）がカムシャフト（４）及び弁機構（６）と力伝達接続状態にあるよう本体部内に移動可能に配置される。カム装置（５）はカムプロファイル（５’）を含み、カムプロファイル（５’）はその基礎円（５ａ）の下に配置される部分（５ｃ）を含み、カムプロファイル（５’）の前記部分（５ｃ）は、特に吸気弁（３）の閉塞における遅延をもたらすために、吸気弁（３）を通じるガス交換を制御するよう配置される。

Description

本発明は、請求項１の前文に従ったピストンエンジン内のガス交換のための制御構成に関する。

４サイクルエンジン（内燃機関）の動作において、自動点火が起こるのに十分な空気をシリンダが備えない状況がある。これはエンジン始動中及び負荷変動中に２段ターボチャージエンジンのような高圧によってチャージされるエンジンに関して特に当て嵌まる。この種類のエンジンでは、より高い圧力がより鋭角な或いはより短いカムノーズ形態との組み合わせで利用され、その結果、チャージ作業がより短い時間で行われる。故に、エンジンの通常負荷下の吸気弁の開放時間は、そのような特殊な状況にとって十分ではない。

他方、ディーゼルエンジンからの排気を最小限化するために、吸気弁のタイミングは、吸気弁がピストンの下死点より前に早く閉じるが、十分な量の空気をシリンダにもたらすために、ブースト圧が相応して上昇される必要がある。しかしながら、ターボチャージャーのブースト圧が依然として比較的低いとき、この種類の構成は、低いエンジン負荷を伴い問題である。

１つの解決策は、そのような特殊な状況下での吸気弁の開放段階中の吸気供給の増大であり得る。他の解決策は、必要なときに吸気弁の開放時間を延長するために吸気弁の閉塞における遅延をもたらすことである。そのような可変吸気弁閉塞（ＶＩＣ）のための１つの解決策は、国際公開２００８／０００８９９号に開示されている。

本発明の目的は、２段階ターボチャージエンジンに特に適用可能であり、エンジンの始動中に低いエンジン負荷の下で動作されるときにそのようなエンジンに現れる上述の問題を解決する、ピストンエンジン内のガス交換のための更に改良された制御構成を提供することである。

請求項１及び他の請求項に開示されるように本発明の目的を実質的に満足し得る。本発明によれば、カム装置は、カムプロファイルを有し、カムプロファイルは、その基礎円の下に配置される部分を有し、それによって、カムプロファイルの前記部分は、吸気弁を通じるガス交換を制御するよう配置される。ここでは、特に、低負荷状況及びエンジン始動の下での空気の不足を補償することができるように、構造的に簡単で確実な制御の方法を提供することができる。鋭角なカムノーズ形態が利用されるとき、それは前記特殊状況の下での吸気弁の閉塞段階中の早期に吸気弁の閉塞動作の効果的な遅延をもたらすのに有利である。その場合には、遅延効果の終了を決定するようカムプロファイルの形態を構成することによって、利点を伴って本発明を役立たせることができる。

基礎円の下のカムプロファイルの部分は、吸気弁を通じる空気の供給を増大するために利点を伴って利用される。そのような空気の補助的なブーストが供給される場合には、吸気弁の総開放時間を増大することは必要でないかもしれない。しかしながら、この場合には、吸気弁を持ち上げるために配置されるカムプロファイルとは独立して動作するカムプロファイルを備える別個のカム装置を提供することが必要であり得る。

ピストン装置は、少なくとも、吸気弁の開放のための方向において、カムシャフトと力伝達接続状態にある。本体部及びピストン装置は共に第一チャンバを定め、吸気弁の閉塞における遅延をもたらすために、油圧媒体を第一チャンバ内に選択的に供給することができる。この場合には、前記第一チャンバ内の圧力の解放を制御するために利用されるよう、利点を伴って基礎円の下のカムプロファイルの部分を配置し得る。

その場合には、第二チャンバ内へのダクトの開口が、カム装置とピストン装置との間で第二チャンバ内に配置される案内部材によって選択的に制御されるよう、ダクトを介して第一チャンバを第二チャンバに接続することができる。

案内部材は、吸気弁を開放するための方向においてのみピストン装置に対して直接的に作用するよう配置される。それによって、遅延機能をもたらすために、利点を伴ってピストン装置の戻り動作を利用し得る。

実用的な実施態様において、案内部材は、そのマントル表面に解放溝を含む。基礎円の下に配置されるカムプロファイルの前記部分を用いて、解放溝をダクト開放位置に配置することによって、前記第一チャンバ内の圧力を解放することができる。

案内部材はカム装置に向かってバネ荷重される。それによって、カム装置のカムプロファイルと弁持上げ手段との間の確実な協働を保証することができる。

第一チャンバは、利点を伴って、ピストン装置の最低の位置を定めるストッパ表面を含み、ピストンは、基礎円の下のカムプロファイルの部分によって案内されるときに、ピストンと案内部材との間に間隙が残されるように選択される。それによって、ピストン装置及び案内部材の円滑な動作を保証するよう、ピストン装置と案内部材との間の相互接触をゆっくり再構築することができる。他方、可変吸気弁閉塞（ＶＩＣ）機能が利用されない場合には、ピストン装置と案内部材との間の協働が全ての状況の下で同じ状態のままであるよう、ストッパ表面はピストン装置が基礎円の下のカムプロファイルの部分の位置でカムプロファイルに従わないことを保証する。

以下に、付属の図面を参照して、ほんの一例として、本発明をより詳細に記載する。

ピストンエンジン及びその弁機構の骨組みを示す概略図である。 本発明に従った制御機構の実施態様を別個の連続的な動作段階において示す断面図である。 本発明に従った制御機構の実施態様を別個の連続的な動作段階において示す断面図である。 本発明に従った制御機構の実施態様を別個の連続的な動作段階において示す断面図である。 本発明に従った制御機構の実施態様を別個の連続的な動作段階において示す断面図である。 本発明に従った制御機構の実施態様を別個の連続的な動作段階において示す断面図である。

図１は、本発明の理解に関連する限りにおけるピストンエンジン１の概略図を示している。ピストンエンジン１内のシリンダ（図示せず）のガス交換は、シリンダヘッド２に配置されるガス交換弁、即ち、吸気弁及び排気弁の制御の下で御実施される。吸気弁３だけが示されており、それらは典型的にはエンジンのカムシャフト４上に配置されるカム装置５のカムプロファイル５’によって案内される弁機構６を用いて動作される。各弁機構６と対応するカム装置５との間の力伝達接続は、制御構成７によって実現される。

制御構成１７は、図２乃至６により詳細に示されており、図２は、非動作状態における制御構成を示しており、そこでは、制御構成と接続する吸気弁３は閉じられている。制御構成１７は、本体部８を含み、本体部８は、典型的には、エンジン本体に取り付けられている。ピストン装置９が、本体部８内に移動可能に配置されている。ピストン装置９の上方端部は、弁機構６（緊密に図示されていない）と力伝達接続状態に配置されている。この接続は機械的又は油圧的であり得る。ピストン装置９の移動は、本体部８内でピストン装置９の下方端部に配置された案内部材１０によって制御される。案内部材１０はバネ１１と係合状態にあり且つバネ１１によってローラ１２に向かって付勢され、ローラ１２は、カム装置５のカムプロファイル５’からその案内を受け取る。よって、カムシャフト４が、図２乃至６において反時計回りに回転すると、ローラ１２はカム装置５のカムプロファイル５’に従い、吸気弁３の開閉に影響を及ぼすようカムプロファイル５の変化が伝達される。

カムプロファイル５’は、半径Ｒを備える基礎円５ａを有する。ノーズ５ｂが基礎円から延び、吸気弁３の開放をもたらすために、ピストン装置９を図面において上向きに移動するよう配置される。加えて、カムプロファイル５’は、半径Ｒよりも小さい半径を有する、カムプロファイル５’の基礎円５ａの下に配置される部分５ｃを含む。本来的に、部分５ｃは一定の半径を有する必要はない。制御構成７及び吸気弁３の動作に対する部分５ｃの効果を以下に詳細に説明する。

本体部８及びピストン装置９は共に第一チャンバ１３を定め、吸気弁３の閉塞における遅延をもたらすために、第一チャンバ１内に油圧媒体を選択的に送り込むことができる。フィードラインは、遮断弁１４及び逆止弁１５を備える。遮断弁１４を用いて、吸気弁３の遅延閉塞のための遅延機能を使用することが目的か否かに依存して、第一チャンバ１３にフィードラインを接続し或いは切断し得る。逆止弁１５の故に、制御構成は油圧媒体源に如何なる脈動をも引き起こすことができない。潤滑油が油圧媒体として使用されるとき、これは重要である。

本体部８は、ダクト１６を追加的に備え、ダクト１６を用いて、第一チャンバ１３を第二チャンバ１７と接続することができ、第二チャンバ１７は、本体部８及び案内部材１０によって定められ、第二チャンバ内には、ピストン装置９の下方端部が配置される。バネ１１も第二チャンバ１７内に配置される。

よって、図２において、制御構成１７は非動作状態にあり、ローラ１２はカムプロファイル５’の基礎円５ａ上に配置されている。図３では、ノーズ５ｂがローラ１２を図面において上向きに持ち上げるよう、カム装置５は反時計回りに回転される。よって、案内部材１０及びピストン装置９も上向きに移動され、その結果、対応する吸気弁３（図示せず）が開放される。同時に、第一チャンバ１３は油圧媒体で充填される。

図４では、ローラ１２は基礎円５ａ上に戻っている。第一チャンバ１３内の油圧媒体の故に、ピストン装置９はその頂部位置に留まり、それによって、吸気弁３も開放状態に維持する。図４中に見られるように、それによってピストン装置９と案内部材１０との間の係合が分離される。

図５では、ローラ１２がカムプロファイル５’の基礎円５ａの下に配置される部分５ｃに進入するよう、カム装置５は更に反時計回りに回転されている。結果的に、案内部材１０のマントル表面における解放溝１０ａが第一チャンバ１３及び第二チャンバ１７をそれぞれ接続するダクト１６の位置に移動するよう、案内部材１０も図面において下向きに移動する。それによって、第一チャンバ１３内の圧力も解放され、ピストン装置９は図面において下向きに移動し始め、それによって、吸気弁の閉塞も許容する。解放溝１０ａは、第二チャンバ１７と接続状態（図示せず）にあり、第二チャンバ１７は、一方では、ダクト１６を用いて、カムシャフト及びカムシャフトと接続される部分のための潤滑をもたらす油溜めに接続される。よって、本発明によれば、カムプロファイル５’の部分５ｃは、吸気弁の延長された開放に関連する遅延機能を終了するために圧力の解放をもたらすことによって、吸気弁を通じてガス交換を制御するよう配置される。

最後に、図６では、ローラ１２は依然としてカムプロファイル５の部分５ｃ上にあり、第一チャンバ１３における圧力の解放は、ピストン装置９が下向きに移動して第一チャンバ１３内に配置されるストッパ表面１３ａによって定められる位置に至ることを可能にする。図面から分かるように、ピストン装置９及び案内部材１０は依然として分離されている。ローラ１２がカムシャフト４の更なる回転後にカムプロファイル５の基礎円５ａに戻らされるときにだけ、ローラ１２は、適切に設計されるカムプロファイルによって案内されて、案内部材１０と共にピストン装置９に対してゆっくり移動し、図２に開示される状況が後続し、サイクルが再開する。ストッパ表面１３ａは、円滑な動作及びピストン装置９と案内部材１０との間の接触の再構築のために重要である。加えて、第一チャンバ１３に関連する可変吸気弁閉塞（ＶＩＣ）機能が利用されない場合には、ストッパ表面１３ａはピストン装置９が基礎円の下のカムプロファイルの部分の位置でカムプロファイルに従わないことを確認する。ピストン装置９の移動はストッパ表面１３ａによって停止されないが、案内部材１０の移動は解放溝１０ａと共に継続され、第一チャンバ１３と第二チャンバ１７との間の連絡が普通の方法で構築されることを保証する。

本発明によって、カムシャフトの回転方向に従来よりも実質的により少なく延びることによって、大型２段階ターボエンジンにおいて役立つよう吸気弁の開放時間を短縮するカムノーズ形態に主に起因する、低負荷状況及びエンジン始動の下での空気の不足を補償することができる。大型エンジンは、ここでは、例えば、熱及び／又は電気の製造のための船舶における或いは電力プラントにおける主推進エンジン又は補助エンジンとして使用されるようなエンジンを指す。

本発明が上述された実施例に限定されず、本発明を発明的着想の範囲内で多くの他の異なる実施態様において実施し得ることは、明らかである。

Claims (5)

1. エンジンのカムシャフトのカム装置と、前記エンジンのシリンダと関連する吸気弁を開閉するよう配置される吸気弁機構との間に適合される、ピストンエンジン内のガス交換のための制御構成であって、
   当該制御構成は、本体部を含み、ピストン装置が前記本体部内に移動可能に配置され、前記本体部及び前記ピストン装置は、共に第一チャンバを定め、前記吸気弁の閉塞における遅延をもたらすために、前記第一チャンバ内に油圧媒体を選択的に送り込むことができ、前記カム装置は、カムプロファイルを含み、該カムプロファイルは、その基礎円の下に配置される部分を含み、前記基礎円の下の前記カムプロファイルの前記部分は、前記第一チャンバ内の圧力の解放を制御するために利用され、
   前記ピストン装置は、少なくとも、前記吸気弁を解放する方向において、前記カムシャフトと力伝達接続するよう配置されること、並びに、前記第一チャンバは、ダクトを介して第二チャンバに接続され、該第二チャンバ内への前記ダクトの開口は、前記カム装置と前記ピストン装置との間で前記第二チャンバ内に配置されるガイド部材によって選択的に制御されることを特徴とする、
   制御構成。
2. 前記案内部材は、前記吸気弁を解放するための方向においてのみ前記ピストン装置に対して直接的に作用するよう配置されることを特徴とする、請求項１に記載の制御構成。
3. 前記案内部材は、そのマントル表面に解放溝を含むこと、並びに、前記第一チャンバ内の圧力を解放するために、前記解放溝は、前記基礎円の下に配置されるカムプロファイルの前記部分を用いて、前記ダクトの開放の位置に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制御構成。
4. 前記案内部材は、前記カム装置に向かって荷重されるバネであることを特徴とする、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の制御構成。
5. 前記第一チャンバは、前記ピストン装置の最も下方の位置を定めるストッパ表面を含み、前記位置は、前記基礎円の下の前記カムプロファイルの前記部分によって案内されるときに、前記ピストン装置と前記案内部材との間に間隙が残るように選択されることを特徴とする、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の制御構成。

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