JP2012509434A - ピストンエンジンのターボチャージャー速度制御方法及びターボチャージ型ピストンエンジン用の制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストンエンジンのターボチャージャー速度を制御する方法に関し、この方法では、エンジンは、所定の負荷以下で動作され、燃焼空気は、コンプレッサ部で加圧され、吸気バルブは、第１吸気バルブリフトプロフィールにより制御され、燃料は、エンジン内で燃焼され、排気バルブは、第１排気バルブリフトプロフィールにより制御される。エンジンは、所定負荷より大きい第２動作モードで動作され、該第２動作モードでは、吸気バルブの閉成は、第１動作モードに比べて進められ、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の空気流れが増加され、より多くの燃焼空気がコンプレッサ部を通って流れることを可能とする。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル部によるピストンエンジンのターボチャージャー速度を制御する方法に関する。本発明は、請求項１４のプリアンブル部によるターボチャージ型ピストンエンジン用の制御システムに関する。

圧縮点火エンジンにおける燃料の燃焼及び燃料のエネルギを機械的な仕事に変換することは、種々の因子により影響を受け、それらの幾つかは、プロセスに関連し、幾つかは、エンジンの機械的な構造に関連する。近代の圧縮点火ピストンエンジンは、一般的に、スーパーチャージャー、通常ターボチャージャーが設けられる。ターボチャージャー装置は、エンジンの排気ガスのエネルギを利用するという事実から特に効果的である。従って、ターボチャージャーを使用することによって、例えばエンジンの効率及び出力を増加することが可能である。しかし、実際には、ターボチャージャーは、そのコンプレッサが排気ガスタービンで動作されるが、エンジンの低い負荷動作条件では非効率となりがちである。この問題は、通常、より高い負荷動作下で排気ガスの一部がそれを通ってタービンをバイパスできるウエィストゲートと共に僅かに過小化されたタービンを設けることの組み合わせにより取り組まれる。しかし、ウエィストゲートを使用することは、例えばエンジンの燃料消費率を増加させる高い負荷動作における効率に対しては利点が無い。

エンジンに対して一般的に目標とされる幾つかの動作目標値がある。かかる目標値は、排他的ではないが特に、燃料消費率及び排気ガスのエミッションを下げる。ターボチャージャーを使用することは、エンジンの性能を改善する一般的に受け入れられた方法である。ターボチャージャーの動作は、相関するコンプレッサとタービンの特性及び適合により影響を受ける。コンプレッサにおいて高い圧力比を使用すること、即ちエンジンの吸気システムにおいて相当に高いチャージ圧を使用することは有利である。ターボチャージャーのコンプレッサ部の動作は、一方では、コンプレッサの最大流れ能力に対応する制限により制約され、他方では、サージマージンにより制約される。コンプレッサのサージングは、コンプレッサがサージすると直ぐにエンジンに供給される燃焼空気の圧力及び流れが減少するので、エンジンの動作に有害である。このため、変化する条件下でエンジン及びコンプレッサの最適な動作を保証するために、コンプレッサの動作ポイントとサージリミットの間に特別な安全マージンが存在すべきである。また、コンプレッサの動作効率は、動作ポイントがサージリミットからある距離にあるときに、最も高い。

ターボチャージ型エンジンの動作に関する重要な問題は、バルブタイミングである。バルブのタイミングの変化を達成する装置の一例は特許文献１に開示される。ここで開示される装置は、エンジンのバルブを制御するものであり、エンジンのバルブの開放を遅らせ、バルブを早く閉じ、バルブの開放時間を短くすることを可能とする。この文献によれば、これは、吸気と排気の双方に対して使用できるが、この文献は、かかる装置の特定の用途を開示していない。

特に大型のピストンエンジン、即ちシリンダ当たり１５０ｋＷを超える出力を生成することができる及び／又は２００ｍｍ以上のシリンダ径を有するエンジンでは、エンジンの制御及び燃焼プロセスは、例えば相当大きい燃焼空間に起因して、非常に要求のきびしいものである。また、可動の部品のイナーシャは、遷移の動作に影響を有する。エンジンの性能に対する要求が近年顕著に上昇していることを鑑みると、出力、エミッション及び／又は他の動作目標値の観点からエンジンが要求された制限内で動作できる進んだ制御システムに対する必要性がある。

特許文献２は、エンジンのガス交換バルブの閉じる瞬間を調整し、例えばエンジンの異なる負荷状況において、例えば通常よりも遅くバルブの閉じることを可能とする装置を開示する。

特許文献３は、エンジン動作における急速に燃料が減少する過渡状態中にターボチャージャー出力の急速な減少を防止するためのシステムを有するターボチャージ型エンジン及び方法を開示する。エンジン排気バルブの開くタイミングを可変する排気バルブ制御装置が設けられる。排気バルブ制御装置は、排気バルブの動作のタイミングを進め、追加の排気ガスがタービンに搬送されるようにし、これにより、コンプレッサ速度の急速な減少を防止し、コンプレッササージを防止する。

ＷＯ９８３０７８７ Ａ１ ＷＯ２００８／０００８９９ Ａ１ ＵＳ６，１０５，５５５

本発明の目的は、従来のエンジンよりも効率的な動作で、ピストンエンジンのターボチャージャー速度を制御する方法を提供することである。

この文脈において、用語“％度（％ｄｅｇ）”は、クランク角の範囲に亘る相対的なバルブ位置の積分を意味し、％は、シリンダ径に対するバルブ位置を意味する。クランク角は、エンジンのクランクシャフトの位置を表し、この場合、４ストロークエンジンの４サイクルは、出力ストローク前の上死点で始まる７２０度を含む。

本発明の目的は、少なくとも１つの吸気バルブ及び少なくとも１つの排気バルブと、バルブを動作させるよう構成された吸気バルブ動作システム及び排気バルブ動作システムと、少なくとも１つの吸気バルブの吸気側と連通するコンプレッサ部及び少なくとも１つの排気バルブの排気側に連通するタービン部を含むターボチャージャー装置とを含むピストンエンジンのターボチャージャー速度を制御する方法であって、エンジンは、第１動作モードで動作され、該第１動作モードでは、エンジンは、所定の負荷以下で動作され、燃焼空気は、ターボチャージャー装置のコンプレッサ部で加圧され、吸気バルブは、第１吸気バルブリフトプロフィールにより制御され、空気は、シリンダに導入され、燃料は、燃焼空気によりエンジン内で燃焼され、排気バルブは、第１排気バルブリフトプロフィールにより制御され、燃焼中に生成される排気ガスは、ターボチャージャー装置のタービン部に搬送される、方法により満たされる。本発明の特徴として、エンジンは、所定負荷より大きい第２動作モードで動作され、該第２動作モードでは、吸気バルブの閉成は、第１動作モードに比べて進められ、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の空気流れが増加され、より多くの燃焼空気がコンプレッサ部を通って流れることを可能とする。

本発明の好ましい実施例によれば、エンジンは、ウエィストゲートを備えるターボチャージャーが設けられる。この場合、ウエィストゲートは、第１動作モードで開けられ、第２動作モードで閉じられるように制御される。これは、第２動作モード中により高いチャージ空気圧を提供する。増加されたチャージ空気圧は、吸気バルブの進んだ閉成の作用を補償すると同時に、エンジンの掃気フェーズ中にエンジンを通るガス流れを増加する。ウエィストゲートは、また、第１動作モードで閉じられ、第２動作モードで閉じられたまま維持されるように、制御されてもよい。

本発明のその他の好ましい実施例によれば、エンジンは、ウエィストゲートの無いターボチャージャーが設けられる。この場合、ターボチャージャーは、第２動作モードにおいて適切に増加されたチャージ圧を提供すると共に、第１動作モードで必要とされる性能を提供するように設計される。

効果的には、第２動作モード中、吸気バルブリフトの閉成は、第１動作モード中よりも約２０度早いクランク角にてシリンダボアの１％に閉じられるように制御される。

１％の開位置は、この明細書に関して定義で使用され、というのは、実際には、１％の開位置は、容易に検出可能であり、完全に閉じた位置からの開成の初期の開始よりも明確であるためである。

本発明の一実施例によれば、吸気バルブリフトの閉成は、下死点前の３５−６５度の間のクランク角にてシリンダボアの１％に閉じられるように制御される。

本発明のその他の実施例によれば、第２動作モード中、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の空気流れは、コンプレッサ部の出口側とタービン部の入口側の間に延在するエンジン内に設けられるバイパス導管を、より多くの空気が通ることを許容することによって、増加される。

本発明のその他の実施例によれば、燃料は、外部点火により点火され、第１動作中、排気バルブリフトの閉成及び吸気バルブリフトの開成は、オーバーラップされて掃気領域を形成し、第２動作モード中、掃気領域は、第１動作モード中よりも５−３００％大きくなるように制御される。

本発明の更なるその他の実施例によれば、圧縮点火は、エンジン内で実行され、第１動作中、排気バルブリフトの閉成及び吸気バルブリフトの開成は、オーバーラップされて掃気領域を形成し、第２動作モード中、掃気領域は、第１動作モード中よりも５−６０％大きくなるように制御される。

効果的には、第２動作モード中、掃気領域は、１５０％度よりも大きい。第２動作中、排気バルブリフトの閉成は、好ましくは、第１動作中よりも約１５度送れたクランク角にてシリンダボアの１％に閉じられるように制御される。

好ましくは、吸気バルブは、開く動きの間、クランク角が下死点前の１５−５０度の間にある間にバルブが１％の位置にあるように、動作される。

本発明の更なるその他の実施例によれば、第２動作モード中の燃料点火タイミングは、０度より大きく５度（クランク角）以下で、第１動作モードよりも進められる。好ましくは燃料点火タイミングは、約２−３度（クランク角）進められる。

所定の負荷は、エンジンの最大負荷の７０−８５％である。

好ましい実施例によれば、エンジンは、所定負荷より大きい第２動作モード中に、ターボチャージャー組立体により加圧された燃焼空気により燃料を燃焼させる間、エンジンの吸気バルブが第１動作モードよりも速く閉じられ、ターボチャージャー組立体により得られるブースト圧が増加され、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間のバイパス空気流の量が増加され、コンプレッサ部を通る空気の質量流量を増加するように、動作される。

本発明の好ましい実施例によれば、エンジンは、ウエィストゲートを備え、ブースト圧は、第２動作モード中にターボチャージャー組立体のウエィストゲートを閉じることにより増加される。

また、本発明の目的は、ウエィストゲートインテーク及び排気バルブを備えるターボチャージャーを有するターボチャージ型ピストンエンジン用の制御システムであって、少なくとも１つの吸気又は排気バルブは、調整可能なバルブ動作システムを含み、当該制御システムは、処理ユニットと、エンジンのバルブ動作システムの一方に少なくとも接続される制御信号送信ユニットと、エンジンの負荷、速度及び／又は少なくとも１つの燃焼プロセス変数を監視するエンジンセンサに接続される制御信号受信ユニットとを含む、制御システムにより満たされる。制御システムは、バルブ動作システムの状態の変化が、エンジンの負荷、速度及び／又は少なくとも１つの燃焼プロセス変数を監視するエンジンセンサのいずれかからの情報に基づいて始動される態様で、信号受信ユニットにより受信された信号を処理し、信号送信ユニットにより送信されるべき信号を提供するように構成される。

好ましくは、制御システムは、７０−７３％の負荷を上回る（第２動作モード）間、ウエィストゲートを閉状態に設定及び／又は維持し、吸気バルブの閉じタイミングを進め、排気バルブの閉成を遅くするように、動作するように構成される。

本方法が実行される４ストロークピストンエンジンは、少なくとも１つの吸気バルブ及び少なくとも１つの排気バルブと、バルブを動作させるよう構成された吸気バルブ動作システム及び排気バルブ動作システムと、少なくとも１つの吸気バルブの吸気側と連通するコンプレッサ部及び少なくとも１つの排気バルブの排気側に連通するタービン部を含むターボチャージャー装置とを含む。ピストンエンジンは、コンプレッサ部の出口側とタービン部の入口側の間に調整可能な流れ接続が設けられ、吸気バルブ動作システムは、吸気バルブの閉じタイミングを調整する手段を含む。

このようにして、エンジン及びターボチャージャーの動作は、効率的に制御されることができる。

効果的には、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の調整可能な流れ接続は、排気バルブリフトの閉じと吸気バルブの開く動きの間オーバーラップする調整可能なバルブを有する吸気バルブ動作システム及び排気バルブ動作システムを含む。

このようにして、ターボチャージャーの動作は、エンジンの熱負荷に正の効果を有するバルブオーバーラップを制御することにより効果的に制御されることができる。

本発明の一実施例によれば、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の調整可能な流れ接続は、吸気バルブ動作システムがバルブ開成の調整可能なタイミングを備えるように、調整可能なバルブオーバーラップを含む。

本発明のその他の実施例によれば、コンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間の調整可能な流れ接続は、排気バルブ動作システムがバルブ閉成の調整可能なタイミングを備えるように、調整可能なバルブオーバーラップを含む。

本発明のその他の実施例によれば、コンプレッサ部の出口側とタービン部の入口側の間の調整可能な流れ接続は、バイパス導管と導管に設けられる制御バルブを含む。

本発明は、幾つかの利点を有する。本発明は、例えばターボチャージャーのコンプレッサ部の動作に対して効率的な制御を提供する。従って、エンジンの熱負荷は最小化される。具体的には、本発明は、エンジンの高負荷範囲内においてターボチャージャー速度及びエンジンの燃焼圧を制御する効率的な方法を提供する。更に、ＮＯｘのエミッションは、進められた吸気バルブの閉成に起因して低減される。燃料消費率もエンジンの高負荷時に減少される。

本発明の第１実施例によるピストンエンジンを示す図。 本発明の第１実施例によるバルブリフトプロフィールを示す図。 本発明に関連する模範的なコンプレッサマップを示す図。 本発明の第２実施例によるバルブリフトプロフィールを示す図。 本発明の第３実施例によるバルブリフトプロフィールを示す図。 本発明の第２実施例によるピストンエンジンを示す図。 本発明の一実施例によるターボチャージ型４ストロークピストンエンジンにおける制御システムを示す図。

以下、添付の模範的な概略図面を参照して、本発明の説明を行う。

図１は、ピストンエンジン１０の部分を概略的に示す。エンジンは、エンジンの本体２０内に配設されるシリンダ１５を含む。エンジンは、ターボチャージャー装置２５を備えるスーパーチャージ型４ストロークエンジンである。ターボチャージャー装置２５は、そのガス交換システム３０に結合される。ターボチャージャー装置２５は、コンプレッサ部２５．１とタービン部２５．２とを含み、基本動作及び構造はそれ自体知られている。図１の実施例では、エンジンに接続される単一のターボチャージャーが存在するが、明らかながら、コンプレッサ装置は、１つより多いターボチャージャーの組み合わせを含んでもよい。

図面をより明確にするため、各シリンダ１５は、１つの吸気バルブ３５及び１つの排気バルブ４０、及び、エンジンのクランク角に応じてバルブを開閉するように構成されたバルブ動作システム４５，５０を備える。しかし、実際には、この出願に関して、バルブの数は、１つより多くてもよい。バルブ動作システムは、好ましくは、ここでは明瞭化のために示されないエンジンのクランクシャフトに結合されるカムシャフトを含む。コンプレッサ部２５．１は、エンジンの吸気バルブ３５に連通して配設される。それぞれ、タービン部２５．２は、エンジンの排気バルブ４０に連通して配設される。実際、マルチシリンダ型エンジンに該当するとき、コンプレッサ部は、空気受け部に結合されてもよく、タービン部は、エンジンの排気マニホルドに結合されてもよい。

本発明の第１実施例では、エンジンにバイパス導管５５が設けられ、バイパス導管５５は、図１に示すように、コンプレッサ部の出口側とタービン部の入口側の間に延在する。より具体的には、この実施例では、導管は、排気マニホルドにエンジンの空気受け部を接続するように配設されるが、導管は、ターボチャージャー装置２５に一体化されてもよい。バイパス導管５５は、制御バルブのような、制御可能な流れ調整手段６０を備える。従って、コンプレッサ部の出口側とタービン部の入口側の間の調整可能な流れ接続は、バイパス導管５５により形成される。

更に、本発明の第１実施例によれば、少なくとも吸気バルブ３５のバルブ動作システム４５は、バルブの閉じタイミングを調整する手段を備える。吸気バルブ動作システム４５は、エンジンの動作中に吸気バルブの閉じタイミングが調整できるように動作するように構成される。これに関して、これは、別個の状態間の動作を設定すること若しくは連続的な制御を意味する。これは、本発明の第１実施例によるエンジンに関する次の方法を実現することを可能とし、この場合、動作モードがエンジンの負荷に基づいて変更される。

所定の負荷以下での第１動作モードでエンジンが動作する間、排気バルブ動作システム５０及び吸気バルブ動作システム４５は、本発明の一実施例により、バルブが図２にて実線で示すようなリフトプロフィールで動作するように、動作される。尚、図２では、本発明の動作を説明するのに関連するクランク角の範囲のみが示される。この文脈において、バルブリフト、即ちバルブの位置は、当該シリンダボア径に関連して表現される。図２では、バルブリフトプロフィールは実線で示され、これに従って排気バルブ動作システム４５が排気バルブ４０の動作を制御するように構成される。分かるように、本発明の第１実施例において排気バルブリフトは、第１動作モードと第２動作モードの間で顕著に変更されない。従って、吸気バルブ２２０のリフトプロフィールは、同様に実線で示され、同様に、これに従って吸気バルブ動作システム４５が第１動作モードにおいて吸気バルブ３５の動作を制御するように構成される。

図２に示す実施例では、排気バルブは、閉じる動き中にリフトプロフィールは、クランク角が上死点後の０−１５度の間、好ましくは３−６度の間、１％の開位置にあるように、動作される。排気バルブの全体の開く動きは、約７．５％であり、閉じる動きの開始は、約２９０度のクランク角度で生じる。これは、本発明の第１実施例によるエンジンの排気バルブの適切な動作を提供する。

本発明の第１実施例では、いわゆる掃気領域２３０は、図２に示すように、約９５％度の領域を有する。

吸気バルブ３５は、開成中、クランク角が上死点前の１５−５０度の間、好ましくは３０−４０度の間、バルブリフト２２０が１％の位置にあるように、動作される。バルブの閉成中、バルブリフト２２０は、クランク角が下死点前の３５−６５度の間、好ましくは４０−５０度の間、バルブリフト２２０が１％の位置にある。

本発明の第１実施例によれば、所定負荷を超えた動作は、第２動作モードでエンジンが動作している間、次のフェーズを含む。図２では、吸気バルブのリフトプロフィール２２０’は、破線で示され、これに従い、吸気バルブ動作システム４５は、第２動作モードで吸気バルブ３５の動作を制御するように構成される。第２動作モード中、吸気バルブ３５は、閉じる動き中、リフトプロフィール２２０’は、クランク角が上死点前３５−６５度の間、好ましくは５０度の間、バルブリフト２２０が１％の位置にあるように制御される。このようにして、吸気バルブが開けられる時間は、第１動作モードに比べて早くバルブを閉じることにより低減される。好ましくは、略全体の閉じる動きは、第１動作モードに比べて約２０度進められる。

実際のエンジンの動作中、エンジンの負荷が増加されることを意味し、ターボチャージャー装置から得られるブースト圧は必然的に増加される。しかし、本発明によれば、ブースト圧は、ウエィストゲートターボチャージャーによりウエィストゲートがより高い負荷で典型的には開けられるという事実に起因して従来よりも大きく増加される。本発明によるエンジンの動作時、第２動作モードでターボチャージャー装置から得られるブースト圧は、ターボチャージャーのウエィストゲートを閉じることにより増加される。本発明のその他の実施例によれば、第２動作モードでターボチャージャーから得られるブースト圧は、ターボチャージャー装置の動作を、例えば適切な全体のターボチャージャーの寸法決定により、短縮された吸気バルブ開成時間に合わせることによって、増加される。

これは、幾つかの態様でエンジンの全体の動作に対して利点がある。開成時間は減少されるが、得られるより高いブースト圧は、実質的に、シリンダの受け持つ空気量を補償する。

本発明の第１実施例によれば、バルブを早く閉めることにより吸気バルブの開成時間を増加すると同時に、コンプレッサ部２５．１の出口側とタービン部の入口側との間の連通、即ち、バイパス５５が開かれ、ターボチャージャー装置２５のコンプレッサ部２５．１をより多くの燃焼空気が流通することを可能とする。このようにして、コンプレッサマップにおけるコンプレッサ部２５．１の動作点は、サージラインから遠くに移動する。

効果的には、所定の負荷は、好ましくは、エンジンの最大負荷の７０−８５％である。従って、第１動作モードでは、エンジンは、エンジンの最大負荷の７０−８５％以下で動作され、第２動作モードでは、エンジンは、エンジンの最大負荷の７０−８５％を超えて動作される。

コンプレッサ部２５．１に関する本発明の動作は、図３に図示されており、図３は、コンプレッサ部２５．１の模範的なコンプレッサマップである。第１動作中、即ち所定負荷以下の動作が符号３１０で図示されている。コンプレッサ部により得られる圧力は、それぞれ、エンジンの負荷が増加し、コンプレッサ部の回転速度が増加する間、着実に増加される。そして、符号３２０で図示されている、あるポイントでは、第２動作モードが開始される。ポイント３２０を超える高い負荷では、動作ライン３３０は、符号３４０の点線で動作ラインが示される従来のウエィストゲート制御型ターボチャージャー装置に比べて修正された動作ラインに従うようにされる。従来の装置では、ウエィストゲートは、動作ライン３４０で動作している間開かれる。修正された動作ライン３３０の位置は、図中のハッチングされた領域３５０である、あるサージマージンの右側（図３）の動作ライン３３０を維持するように、上述のような吸気バルブの閉じタイミングと、コンプレッサ部２５．１の出口側とタービン部の入口側との間の連通の組み合わせを制御することによって、制御される。サージマージンは、コンプレッサ部２５．１のサージライン３６０から約１０−１５％である。従って、本方法では、第２動作モードにシフトするポイントは、使用されるターボチャージャーのコンプレッサマップに基づいて決定される。

図３では、仮想的な動作ライン３３０’が示され、これは、第２動作モードが、バルブを早く閉めることにより吸気バルブの開成時間を増加すると同時に、コンプレッサ部２５．１の出口側とタービン部の入口側との間の連通が開かれ、これにより、ターボチャージャー装置２５のコンプレッサ部２５．１をより多くの燃焼空気が流通することを可能とするという、ステップを含まないだろう動作条件を表す。このようにして、コンプレッサマップにおけるコンプレッサ部２５．１の動作点は、サージライン３３０’から３３０へと、サージライン３３０’から離れる方向に移動する。

サージマージンは、動作店がサージにどれくらい近いかの指標を提供する。この文脈において、サージマージンは以下の通り定義される。
サージマージン＝１００％＊（ｑ_ｗ−ｑ_ｓ）／ｑ_ｗ
ここで、ｑ_ｗは、動作ラインでの体積流量であり、ｑ_ｓは、サージラインでの体積流量である。

従って、本発明の第１実施例によれば、エンジンは、所定エンジン負荷を超えた第２動作モード中に、ターボチャージャー組立体により加圧された燃焼空気により燃料を燃焼しつつ、吸気バルブが第１動作モードよりも早く閉められ、ターボチャージャー組立体により得られるブースト圧が増加され、コンプレッサ部２５．１の出口側とタービン部の入口側との間のバイパス空気流れの量が増加されるように、動作され、コンプレッサ部を通る空気の質量流量を増加する。

これは、エンジンの動作において幾つかの効果的な作用を生む、エンジンの動作、特にターボチャージャー装置のコンプレッサ部２５．１の動作を制御するための効率的な態様を提供する。

コンプレッサ部２５．１及びエンジン１０の略等価の挙動は、本発明の第２実施例により達成されてもよく、更なる幾つかの追加の有利な効果を達成することができる。図６に示される本発明の第２実施例によれば、エンジン１０は、図１に示されるものと、バイバス導管５５が必要とされない点で一方では異なる。他方では、また、排気バルブ動作システム５０は、調整可能なバルブ動作機能を備える。本発明の第２実施例によれば、吸気バルブ３５のバルブ動作システム４５は、バルブの閉じタイミングを調整する手段を備える。吸気バルブ動作システム４５は、エンジンの動作中に吸気バルブの閉じタイミングが調整できるように、動作するように構成される。この点、これは、別個の状態間の動作を設定すること若しくは連続的な制御を意味する。これは、本発明の第２実施例によるエンジンに関する次の方法を実現することを可能とする。また、排気バルブ４０のバルブ動作システム５０は、バルブを閉じるタイミングを調整する手段を備える。排気バルブ動作システム５０は、エンジンの動作中に吸気バルブの閉じタイミングが調整できるように、動作するように構成される。この点、これは、別個の状態間の動作を設定すること若しくは連続的な制御を意味する。これは、本発明の第２実施例によるエンジンに関する次の方法を実現することを可能とし、この場合、動作モードは、エンジンの負荷に基づいて変更される。

本発明の第２実施例による方法は、図４を参照して説明される。ここでは、所定負荷以下で第１動作モードでエンジンが動作している間、排気バルブ動作システム５０及び吸気バルブ動作システム４５は、図４に示すように本発明の第２実施例により動作される。ここでは、本発明の動作を説明するのに関連するクランク角の範囲のみが示される。図４では、排気バルブ２１０のバルブリフトプロフィールは実線で示され、これに従って排気バルブ動作システム４５が第１動作モードにおいて排気バルブ４０の動作を制御するように構成される。従って、吸気バルブ２２０のリフトプロフィールは、同様に実線で示され、同様に、これに従って吸気バルブ動作システム４５が第１動作モードにおいて吸気バルブ３５の動作を制御するように構成される。

図４に示す実施例において、排気バルブは、第１動作モードにおいて、閉じる動き中にリフトプロフィールは、クランク角が上死点後０−１５度の間、好ましくは３−６度の間、１％の開位置にあるように、動作される。排気バルブの全体の開く動きは、約７．５％であり、閉じる動きの開始は、約２９０度のクランク角度で生じる。

第１動作モード中、いわゆる掃気領域２３０は、約９５％度の領域を有する。

吸気バルブ３５は、バルブの開く動き中、クランク角が上死点前１５−５０度の間、好ましくは３０−４０度の間、バルブリフト２２０が１％の位置にあるように、動作される。バルブの閉じる動き中、バルブリフト２２０は、クランク角が上死点前３５−６５度の間、好ましくは４０−５０度の間、バルブリフト２２０が１％の位置にある。

本発明の第２実施例によれば、第２動作モードでエンジンが動作している間、排気バルブ動作システム５０及び吸気バルブ動作システム４５は、図４の破線で示すように動作される。図４では、吸気バルブのリフトプロフィール２２０’は、破線で示され、これに従い、排気バルブ動作システム５０は、第２動作モードにおいて排気バルブ４０の動作を制御するように構成される。また、吸気バルブのリフトプロフィール２２０’は、破線で示され、これに従い、吸気バルブ動作システム４５は、第２動作モードにおいて吸気バルブ３５の動作を制御するように構成される。

図４の模範的実施例では、第２動作モード中、排気バルブは、クランク角が上死点後の１５−２５度の間、閉じる動き中のバルブリフトが１％の位置にあるように、動作される。排気バルブの閉じる動きの開始は、約３１０度のクランク角で生じる。吸気バルブ３５は、閉じる動き中、クランク角が下死点前の３５−６５度の間、バルブリフト２２０’が１％の位置にあるように、動作される。

実際に、本発明にとって排気バルブの閉じる正確なクランク角及び吸気バルブが開く正確なクランク角よりも重要なものは、掃気領域２３０である。第２動作モードでは、いわゆる掃気領域２３０は、約１６０％度の領域を有する。従って、本発明の模範的な第２実施例では、掃気領域２３０は、第１動作モードから第２動作モードにシフトする間、約７０％増加される。

尚、理解されるべきこととして、第１動作モードから第２動作モードへのシフトは、エンジンの実際の用途にも依存して、異なる種類のエンジンにおいて極めて異なる変化を伴ってもよい。しかし、共通の特徴は、常に、吸気バルブリフトの閉成を進め、ターボチャージャーのコンプレッサ部の出口とタービン部の入口の間に、増加された空気通路を配置することである。増加された空気通路は、好ましくは、上述の如く掃気領域を増加することにより達成される。

一例として、スパークやレーザービームのような、外部点火により燃料が点火されるガスエンジンにおいては、第１動作モード中の掃気領域は、非常に小さく、時々ゼロともなる。かかる場合、第２動作モード中の、バルブオーバーラップ、即ち掃気領域は、数百％増加されてもよい。

ディーゼルエンジンでは、第２動作モード中の掃気領域は、典型的には、５−６０％増加される。

従って、本発明の第２実施例によれば、エンジンは、第２動作モード中に、ターボチャージャー組立体により加圧された燃焼空気により燃料を燃焼しつつ、エンジンの吸気バルブが第１動作モードよりも早く閉められ、ターボチャージャー組立体により得られるブースト圧が増加され、エンジンの排気バルブが第１動作モードよりも早く閉められ、エンジンを通る空気流れを増大する。ターボチャージャー組立体により得られるブースト圧は、好ましくは、タービンバイパスを閉じるか閉じた状態を維持することによって、増加される。

これは、図３に示すように、ターボチャージャーのコンプレッサ部２５．１及びエンジンの動作を制御するための等価の動作及び利点を提供する。本発明の第２実施例では、吸気バルブが閉じる期間は、第２動作モードにおいてバルブを早く閉じることにより低減される。開時間は減少されるが、得られるより高いブースト圧は、シリンダの受け持つ空気量を補償する。バルブを早く閉じることにより吸気バルブの開時間を低減すると同時に、排気バルブの開時間は、排気バルブを遅く閉めることによって増加される。これは、第２動作中のバルブ開期間のオーバーラップを増加し、より多くの空気がエンジン１０及びそれに伴いターボチャージャー装置２５のコンプレッサ部２５．１を通って流れることを可能とする。このようにして、コンプレッサマップにおけるコンプレッサ部２５．１の動作点は、サージラインから遠くに移動する。

本発明の第２実施例によれば、第２動作モード中の動作は、吸気バルブの閉成を進めつつ、バルブオーバーラップ、即ちいわゆる掃気領域２３０を増加することを含み、これにより、より多くの空気が掃気フェーズ中にエンジンを通って流れる。掃気フェーズ中におけるバルブオーバーラップ領域は、この例では、実質的にクランク角３１０−３８０度の間で生じる。

本発明の更にその他の実施例によれば、吸気及び排気バルブは、掃気領域が排気バルブ側で非対称となるように動作するように制御される。

バイパス導管５５を使用する代わりに（若しくはそれに加えて）エンジン１０を通る空気流れを許容することは、シリンダ及びシリンダヘッドにおけるエンジン構成要素、即ち主にピストンの上部及びバルブの熱負荷を低減する効果的な作用を有する。

図５では、本発明の第３実施例によるバルブの動作が示される。第３実施例によるエンジンは、第２実施例、即ちバイパス導管が省略できるものに対応する。第１動作モード中の第３実施例の動作は、第２実施例における同動作に対応し、第２動作モード中の第３実施例の動作は、第２実施例同動作に対応するが、例外として、吸気バルブ動作システム４５は、閉じタイミングと開きタイミングの双方を第１動作モード中の動作に比べて進めるように、動作するように構成される。閉じるタイミングを進める効果は、第１及び第２実施例の同効果に対応する。

この場合、掃気領域２３０は、第２動作モードに第１動作モードからシフトする間、約５０％増加される。

本発明の第３実施例において第２動作モード中に空気流れを増加することは、排気バルブの閉じタイミングと吸気バルブの開きタイミングを制御することを組み合わせて、掃気フェーズ中にバルブオーバーラップ領域及び掃気領域２３０を増加することにより達成される。

実際、バルブ動作システム４５，５０は、種々の態様で実現されてもよい。閉じるタイミングを変更若しくは調整することは、例えば特許文献２に開示されるように実現されてもよい。

図６を参照するに、本発明の更なる実施例が次に説明される。エンジンは、制御システム２００を備え、制御システム２００は、エンジンの他の動作のうち、例えば、バルブ動作システム４５，５０によるバルブ３５，４０の動作、燃料噴射及び／又は点火システム６１を制御するように構成される。制御システムは、エンジンの動作パラメータが記憶されたメモリユニット２０７を含む。制御システム２００は、エンジンの動作条件を画成するように構成される処理ユニット２０２を含む。この場合、制御システム２００は、負荷が所定負荷を超えて増加する態様でエンジンの負荷が変化したことの情報を取得した場合に、吸気バルブを早く閉じるように制御する。これに加えて、制御システム２００は、また、第２実施例に関連して上述したように排気バルブを遅く閉じるように制御する。更に、エンジンが直噴エンジン（例えば、ディーゼルエンジン若しくはガスエンジン）である場合、制御システム２００は、噴射及び／又は点火のタイミングを進めるように燃料噴射システム６１を制御する。ガスエンジンを用いる場合、これは、パイロット燃料の噴射及び／又はスパーク若しくは他の点火システムの制御を含む。

これは、処理ユニット２０２により実行される。エンジン負荷及び／又は速度の測定値に基づいて、制御システムは、実際のサージマージンが下方の設定値と上方の設定値の間で維持されるように、バルブ動作システム４５，５０を制御する。好ましくは、下方の設定値は、約１０％であり、上方の設定値は、約１５％である。

下方の設定値と上方の設定値の間でサージマージンを維持することは、次のステップを含む。
１）実際のサージマージンが下方の設定値よりも低い場合、
・バルブ動作システム４５，５０は、掃気領域２３０のサイズが増加するように、即ちバルブのオーバーラップが３６０度のクランク角周辺で増加するように、バルブを稼動するように制御され、及び／又は、
・吸気バルブ動作システム４５は、閉じタイミングが遅れるように吸気バルブを稼動するように制御される。
２）実際のサージマージンが上方の設定値よりも高い場合、
・バルブ動作システム４５，５０は、掃気領域２３０のサイズが減少するように、即ちバルブのオーバーラップが３６０度のクランク角周辺で減少するように、バルブを稼動するように制御され、及び／又は、
・吸気バルブ動作システム４５は、閉じタイミングが進められるように吸気バルブを稼動するように制御される。

吸気バルブの閉成が第２の動作モード中に進まれるという事実は、急激に減少するＮＯｘのエミッションをもたらす。従って、第２動作モード中に燃料噴射タイミングを進めることは効果的である。好ましくは、第２動作モード中に燃料噴射タイミングは、第１動作モードよりも少なくとも０−５度（クランク角）進められる。一例として、第１動作モードでエンジンが動作するとき、燃料噴射は、上死点の前の約１３−１５度で生じ、第２動作モード中は、料噴射は、上死点の前の約１７度で生じてもよい。このようにして、第２動作モード中の燃料消費率は、従来のウエィストゲート制御型ターボチャージャーエンジンよりも顕著に低くすることができる。

図７は、本発明の更なるその他の一実施例によるピストンエンジン１０の制御装置を概略的に示す。エンジンは、エンジンの本体２０内に配設されたシリンダ１５を含む。エンジンは、ターボチャージャー装置２５を備えるスーパーチャージャー型４ストロークエンジンである。より具体的には、エンジンは、大型ピストンエンジンであり、シリンダ当たり１５０ｋＷを超える出力を生成するように構成され及び／又は２００ｍｍ以上のシリンダ径を有する。

ターボチャージャー装置２５は、エンジンのガス交換システム３０に結合される。ターボチャージャー装置２５は、コンプレッサ部２５．１とタービン部２５．２とを含み、基本動作及び構造はそれ自体知られている。更に、ターボチャージャーは、ウエィストゲートシステム２５．３を備え、タービン部をバイパスする排気ガスの部分を許容若しくは防止する。図７の実施例では、エンジンに接続される単一のターボチャージャーが存在するが、明らかながら、コンプレッサ装置は、１つより多いターボチャージャーの組み合わせを含んでもよい。

図７をより明確にするため、各シリンダ１５は、１つの吸気バルブ３５及び１つの排気バルブ４０、及び、エンジンのクランク角に応じてバルブを開閉するように構成されたバルブ動作システム４５，５０を備える。コンプレッサ部２５．１は、エンジンの吸気バルブ３５に連通して配設される。それぞれ、タービン部２５．２は、エンジンの排気バルブ４０に連通して配設される。実際、マルチシリンダ型エンジンに該当するとき、コンプレッサ部は、空気受け部に結合されてもよく、タービン部は、エンジンの排気マニホルドに結合されてもよい。エンジンは、また、燃料噴射及び／又は点火システム６１を備える。

エンジン内で生じる燃焼プロセスに関連する変数及び／又はエンジンのある処理装置に関連する変数を監視するために、エンジン１０及びその制御システム２００に関連して配置されるセンサが存在する。図７では、エンジンは、チャージ空気温度センサ１５１とチャージ空気圧センサ１５２を備える。これらのセンサは、例えばターボチャージャーのコンプレッサ部２５．１の、動作を表す情報を提供する。エンジンは、また、速度センサ１５４とエンジン負荷センサ１５５を備える。エンジンは、また、排気ガス温度センサ１５３、シリンダノック／点火タイミング／シリンダ圧センサ１５６を備える。これらの全ては、燃焼プロセス変数を監視するためのセンサである。また、燃料噴射タイミング及び持続時間のような利用可能な情報を利用して決定されてもよい他の燃焼プロセス変数も存在する。

好ましくは、少なくとも吸気バルブ３５のバルブ動作システム４５は、バルブの閉じるタイミングを調整する手段を備える。吸気バルブ動作システム４５は、制御システム２００によるエンジンの動作中に吸気バルブの閉じ時間が調整されるように、動作するように構成される。

制御システム２００は、少なくとも２つの別の状態間で吸気バルブの閉成を設定することによって好ましい実施例により吸気バルブ動作システムの動作を制御するように構成される。これは、本発明の第１実施例によるエンジンに関連する次の方法を実行することを可能とし、この場合、動作モードは、エンジンの負荷に基づいて変更される。

制御システム２００は、処理ユニット２０２、制御信号送信ユニット２０４及び制御信号受信ユニット２０６を含む。制御信号送信ユニット２０４は、制御システムからの信号を、選択された装置に送信するように構成される。制御信号送信ユニット２０４は、エンジンの制御装置の状態を変化させるためにエンジンに配設されたアクチュエータ２５．３，４５に関連して配設される。制御信号送信ユニット２０４は、また、少なくともエンジンの吸気バルブ動作システム４５に関連する。信号送信ユニット２０４は、また、用途に応じてターボチャージャーのウエィストゲート２５．３にも関連する。信号受信ユニットは、制御システムに信号を受信するように構成される。信号受信ユニットは、エンジンの変数、特にエンジンの負荷１５４、速度１５５及び／又は少なくとも１つの燃焼プロセス変数１５１，１５２，１５３，１５６を監視するエンジンセンサに関連して配設される。

処理ユニット２０２は、信号受信ユニット２０６により受信される信号を処理し、信号送信ユニット２０４により送信される信号を提供するよう構成される。制御システムは、バルブ動作システム４５，５０の状態の変化が、エンジンの負荷１５４、速度１５５、少なくとも１つの燃焼プロセス変数及び／又は外部起動１６０を監視するエンジンセンサのいずれかからの情報に基づいて始動される態様で、動作されるように構成される。これは、広範なアプローチでターボチャージャー型４ストロークエンジンの吸気バルブの動作を制御することを可能とする。

制御システム２００は、所定負荷以下で第１動作モードにおいてバルブを動作させる間、排気バルブ動作システム５０及び吸気バルブ動作システム４５は、本発明の一実施例により、バルブが図２の実線で示されるようなリフトプロフィールで動作されるように、動作される。

エンジンの負荷１５５、速度１５４、少なくとも１つの燃焼プロセス変数又は外部起動１６０を監視するエンジンセンサのいずれかが制限値を越えた場合、制御システム２００は、第１動作モードから第２動作モードへの動作状態の変化を開始して、バルブは、図２の破線で示されるようなリフトプロフィールで動作される。

吸気バルブの閉じる瞬間は、プロセスにおいてエンジンの挙動に大きな影響を有する。閉じる瞬間は、吸気バルブが開いている全体の時間及びそれに伴い燃焼空気の量に影響を有する。加えて、閉じる瞬間は、圧縮ストローク後のチャージ空気の温度に影響を有する。本発明によれば、制御システム２００は、吸気バルブ動作システム４５の状態の変化が、エンジンの負荷、速度及び、少なくとも１つの燃焼プロセス変数を監視するエンジンセンサのいずれかからの情報に基づいて開始されるように、動作するように構成される。このようにして、エンジンの燃焼は、エンジンの種々の動作環境中に厳密な制御下におかれる。

制御システムは、エンジンの動作変数及び／又はエンジンの動作を監視するセンサのそれぞれに対して個々の制限値を備える。好ましくは、変数は、３つの基本イベント集合に分割されることができる。即ち、１）速度／負荷起動、２）負荷遷移起動、３）外部起動。従って、吸気バルブ動作システムの状態の変化、即ち吸気バルブの閉じタイミングの状態の変化は、イベント集合のいずれかに属する変数の所定の変化により開始される。

速度／負荷起動は、エンジンの所定の動作範囲に基づくものであり、この場合、各定義された動作範囲が制御システムに利用可能とされる若しくは制御システムに記憶される値の特定の状態に関連付けられる。現在の速度／負荷に起因したバルブ状態の遷移は、隣接する動作範囲のセット間の制限値を速度／負荷の実際の値が過ぎたときに始動される。

負荷遷移起動は、エンジンの動作変数に関する制御システムに利用可能とされる制限値若しくは制御システムに記憶される制限値に基づく。各監視される変数に対して制限値があり、処理ユニットは、変数のいずれかの信号の実際の値が負荷の制限値を過ぎた場合に、吸気バルブ動作システムの状態の変化を始動するように構成される。

外部起動は、吸気バルブ動作システムの状態の変化を始動する任意の所望の外部イベントに基づく。

速度／負荷起動は、実際は、エンジンの負荷が、速度／負荷の実際の値が制限値を超えるように増減されることを意味する。エンジンの負荷が、制限値を超えるように上昇するとき、ターボチャージャー装置から得られるブースト圧も必然的に増加される。本発明による制御システムの動作において、制御システムは、吸気バルブの閉じるのを進めるのと実質的に同時に、ターボチャージャーのウエィストゲートの閉成を始動し、若しくは、それを閉じた状態に維持することにより、ターボチャージャー装置から得られるブースト圧を増加するように構成される。これは、好ましくは、エンジンの負荷がエンジンの最大負荷の７０−８０％を超えるときになされる。

本発明は、現時点で、最も好ましい実施例と考えられるものにより、例示により個々に開示されたが、本発明は、開示された実施例に限定されるものでないことは理解されたい。上述の如何なる実施例に関連して説明された詳細は、技術的に実現可能なときに他の実施例に関連して使用されてもよい。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの吸気バルブ及び少なくとも１つの排気バルブと、前記バルブを動作させるよう構成された吸気バルブ動作システム及び排気バルブ動作システムと、前記少なくとも１つの吸気バルブの吸気側と連通するコンプレッサ部及び前記少なくとも１つの排気バルブの排気側に連通するタービン部を含むターボチャージャー装置とを含むピストンエンジンのターボチャージャー速度を制御する方法であって、
   エンジンは、第１動作モードで動作され、該第１動作モードでは、エンジンは、所定の負荷以下で動作され、燃焼空気は、前記ターボチャージャー装置のコンプレッサ部で加圧され、前記吸気バルブは、第１吸気バルブリフトプロフィールにより制御され、空気は、シリンダに導入され、燃料は、燃焼空気によりエンジン内で燃焼され、前記排気バルブは、第１排気バルブリフトプロフィールにより制御され、燃焼中に生成される排気ガスは、前記ターボチャージャー装置のタービン部に搬送され、
   前記エンジンは、前記所定負荷より大きい第２動作モードで動作され、該第２動作モードでは、前記吸気バルブの閉成は、前記第１動作モードに比べて進められ、前記コンプレッサ部の出口と前記タービン部の入口の間の空気流れが増加され、より多くの燃焼空気が前記コンプレッサ部を通って流れることを可能とすることを特徴とする、方法。
2. 前記第２動作モード中、前記吸気バルブの閉成は、下死点前の３５−６５度の間のクランク角にてシリンダボアの１％に閉じられるように制御される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２動作モード中、前記吸気バルブリフトの閉成は、前記第１動作モード中よりも約２０度早いクランク角にてシリンダボアの１％に閉じられるように制御される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２動作モード中、前記コンプレッサ部の出口と前記タービン部の入口の間の空気流れは、前記コンプレッサ部の出口側と前記タービン部の入口側の間に延在するエンジン内に設けられるバイパス導管を、より多くの空気が通ることを許容することによって、増加される、請求項１に記載の方法。
5. 燃料は、外部点火により点火され、前記第１動作中、前記排気バルブリフトの閉成及び前記吸気バルブリフトの開成は、オーバーラップされて掃気領域を形成し、前記第２動作モード中、前記掃気領域は、前記第１動作モード中よりも５−３００％大きくなるように制御される、請求項１に記載の方法。
6. 圧縮点火は、エンジン内で実行され、前記第１動作中、前記排気バルブリフトの閉成及び前記吸気バルブリフトの開成は、オーバーラップされて掃気領域を形成し、前記第２動作モード中、前記掃気領域は、前記第１動作モード中よりも５−６０％大きくなるように制御される、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２動作モード中、前記掃気領域は、１５０％度よりも大きい、請求項１に記載の方法。
8. 吸気バルブは、開く動きの間、クランク角が下死点前の１５−５０度の間にある間にバルブが１％の位置にあるように、動作される、請求項１に記載の方法。
9. 前記バルブ動作システムは、掃気領域が非対称となり、吸気バルブリフトプロフィールが上死点に関して排気バルブリフトプロフィールよりも大きい領域を形成するように、動作される、請求項１に記載の方法。
10. 前記第２動作モード中における燃料噴射タイミングは、前記第１動作モードに対して少なくとも０−５度進められる、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記所定負荷は、エンジンの最大負荷の７０−８５％である、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の方法。
12. 前記エンジンは、前記所定負荷より大きい第２動作モード中に、ターボチャージャー組立体により加圧された燃焼空気により燃料を燃焼させる間、エンジンの吸気バルブが前記第１動作モードよりも速く閉じられ、ターボチャージャー組立体により得られるブースト圧が増加され、前記コンプレッサ部の出口側と前記タービン部の入口側の間のバイパス空気流の量が増加され、前記コンプレッサ部を通る空気の質量流量を増加するように、動作される、請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ブースト圧は、前記第２動作モード中にターボチャージャー組立体のウエィストゲートを閉じることにより増加される、請求項１２に記載の方法。
14. ウエィストゲートインテーク及び排気バルブを備えるターボチャージャーを有するターボチャージ型ピストンエンジン用の制御システムであって、
    少なくとも吸気又は排気バルブは、調整可能なバルブ動作システムを含み、
    当該制御システムは、処理ユニットと、前記エンジンのバルブ動作システムの少なくとも１つに接続される制御信号送信ユニットと、エンジンの負荷、速度及び／又は少なくとも１つの燃焼プロセス変数を監視するエンジンセンサに接続される制御信号受信ユニットとを含み、
    前記処理ユニットは、前記バルブ動作システムの状態の変化が、エンジンの負荷、速度及び／又は少なくとも１つの燃焼プロセス変数を監視するエンジンセンサのいずれかからの情報に基づいて始動される態様で、前記信号受信ユニットにより受信された信号を処理し、前記信号送信ユニットにより送信されるべき信号を提供するように構成される、制御システム。
15. ターボチャージ型４ストロークピストンエンジン用の請求項１４に記載の制御システムであって、
    前記制御システムは、７０−７３％の負荷を上回る間、ウエィストゲートを閉状態に設定及び／又は維持し、吸気バルブの閉じタイミングを進め、前記排気バルブの閉じを遅くするように、動作するように構成される、制御システム。

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