JP2012530211A - ピストンエンジンのガス交換用制御装置 - 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に関連して吸気バルブ（３）を開閉するように構成された吸気バルブ機構（６）との間に適合されたピストンエンジンのガス交換用制御装置に関し、ピストン装置（９）がカム装置（５）およびバルブ機構（６）の力を伝達する接続をするように移動可能に配置され、カム装置（５）とピストン装置（９）との間で本体部分（８）に配置された案内部材（１０）は、カム装置（５）の動きに移動可能に応答する。制御装置は吸気バルブの開弁のタイミングを調整するための手段を有し、この手段はピストン装置（９）と協働する。

Description

本発明は、請求項１の前段によるピストンエンジンのガス交換用制御装置に関する。

現代の圧縮着火ピストンエンジンは一般に、スーパーチャージャ、通常ターボチャージャを備える。ターボチャージャ装置は、エンジンの外出ガスのエネルギーを利用するので特に有利である。これにより、エンジンの出力および効率を向上させることができる。しかし、実際は、ターボチャージャは、その圧縮機が排出ガスタービンで作動され、エンジンの低負荷運転条件では非効率になる傾向がある。

ターボチャージャの運転は、相互に関係のある圧縮機およびタービンの特性ならびに適合により影響される。圧縮機で高圧縮比を用いること、すなわちエンジンの吸気システムにかなり高いチャージ圧力を使用することは有益である。ターボチャージャの圧縮機部分の運転は、一方では圧縮機の最大の流れの容量に一致する制限によりおよび他方ではいわゆるサージマージンにより制限される。圧縮機がサージするとすぐにエンジンに供給された燃焼空気の圧力および流れが減少するので、圧縮機のサージングはエンジンの運転に有害である。

ターボ加給されるピストンエンジンの運転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後退になることを達成するための装置の例として特許文献１が参照される。内燃エンジンのバルブを制御するためのこの知られた装置は、エンジンのバルブの開弁を遅らせることを可能にし、バルブを早く閉じることはバルブの開放時間を短くする。この文献によれば、これは吸気および排気バルブの両方に使用され得るが、この文献はこのような装置の特定の応用を開示していない。

他方、特許文献２は、エンジンの異なる負荷状態、特に、シリンダに圧縮行程中に自己着火が起こる十分な空気が提供されない低負荷状態に適合するように、バルブの閉鎖の遅延を提供することを可能にする燃焼エンジンのガス交換バルブの閉鎖時期を調整するための装置を示し、これは特に、エンジン始動中および負荷が変化する間の２段ターボ加給エンジンのような高圧により加給されるエンジンに関して正しい。この種のエンジンでは、より鋭いまたはより短いカムノーズ形状と組み合わせたより高い圧力は、より短い時間で生じる吸入動作を生じさせることにそれぞれ利用される。したがって、エンジンの通常負荷での吸気バルブの開放時間は、このような特別な状態では十分長くなく、遅延機能は選択的に利用可能であるべきである。

上述した種類のターボ加給４ストローク内燃エンジンの低負荷状態に関連する他の問題は、バルブおよびそれに関連する構成部品が、シリンダの不十分な掃気に起因して過熱され得るという事実である。

国際公開第９８３０７８７Ａ１号 国際公開第２００８／０００８９９Ａ１号

本発明の目的は、ピストンエンジンのガス交換用制御装置を提供することであり、この装置は従来技術の上述のおよび他の問題を解決する。異なる負荷状態により良く応じるように必要に応じてピストンエンジンのシリンダのガス交換を改善するとともにエンジンの正確なタイプおよびそれぞれの場合の状況に応じてエンジンの効率および信頼性を向上させる、直接的で信頼性の高い解決方法を提供することも本発明の目的である。

本発明の目的は、実質的に請求項１そしてより具体的には他の請求項に開示されているように満足され得る。

本発明の基本的な考えは、必要に応じて利用されるシリンダのより効率的な掃気を提供することである。本発明によれば、制御装置は吸気バルブの開弁タイミングを調整する手段を有し、この手段は装置に含まれるピストン装置と協働するように構成される。改善された掃気を用いることで、サージングを全負荷の状況において回避することができる。他方、低負荷の状況において、本発明は、バルブおよびそれに関連した構成部品のより効率的な冷却を提供する。

調整するためのこの手段は、吸気バルブの開弁の時期を早めるように構成される一方、吸気バルブの開弁のピークの位相は少なくとも実質的に不変のままである。この結果、改善された掃気のために吸気バルブの開きの開始のみを早めることが可能になるが、他の点では吸気バルブは通常通りに開いてもよい。結果として、掃気と独立して、必要によりバルブの閉鎖のための可能な遅延機能も利用され得る。

実用的な実施形態では、カム装置が、カム装置のそのピークからある距離をカムプロファイルに沿って延びる、ピークから反対方向に延びる第２部分より実質的に長い第１部分を有するように、非対称設計のノーズを備える。したがって、ノーズの第１部分の始まり部分は、吸気バルブの開弁の早めたタイミングを決定するように有利に構成され得る。

さらに、案内部材が、案内部材とピストン装置との間に移動可能に配置されるとともに、いずれの場合においても吸気バルブの開弁のタイミングを決定するための液圧媒体で選択的に満たされ得るチャンバを案内部材とともに画定する補助ピストンを備える。このため、早めたタイミングの機能は必要に応じて選択され得るが止めることもできる。

チャンバを使用するために、本体部分は、案内部材の動きに沿って離間されるとともに案内部材に配置されたさらなるフローダクトを通ってチャンバと順に接続するように構成された入口ダクトおよび出口ダクトを備える。

吸気バルブの開弁の選択されたタイミングに応じて、補助ピストンは、吸気バルブが閉鎖位置にあるときに、ピストン装置または案内部材からわずかに離間される。吸気バルブの開弁の早めたタイミングを選択するために、吸気バルブの閉鎖期間中、チャンバは液圧媒体で満たされる。この場合、早めたタイミングを決定するための補助ピストンと案内部材との間のギャップと、チャンバ内の圧力が開放されるまでの強められた掃気と、ノーズのピークにより規定されたカムプロファイルに従うバルブリフト装置がある。

入口ダクトおよびフローダクトを有する供給ラインは、チャンバ内に十分な圧力が残ることを確実にするとともに早めたタイミング機能のさらなる変化を提供するために逆止弁を備え得る。

案内部材に対するピストン装置の遠位端部は、本体部分とともに吸気バルブの開弁のタイミングを調整する手段と独立して吸気バルブの閉鎖を制御するために選択的に満たされ得る液圧媒体チャンバを画定するように設計される。上述のように、これにより、バルブを閉じるためのこのようなものとして知られた遅延機能が、必要に応じて掃気と独立して提供され得るとともに利用され得る。

以下では、本発明が、例示のためのみに添付の概略図を参照して記載される。

図１は、ピストンエンジンおよびそのバルブ機構のスケルトン図を示す。 図２は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを提供するモードにおける作動の独立した連続した段階での本発明による制御装置の実施形態を示す。 図２ａは、図２の拡大を示す。 図３は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを提供するモードにおける作動の独立した連続した段階での本発明による制御装置の実施形態を示す。 図３ａは、図３の拡大を示す。 図４は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを提供するモードにおける作動の独立した連続した段階での本発明による制御装置の実施形態を示す。 図４ａは、図４の拡大を示す。 図５は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを提供するモードにおける作動の独立した連続した段階での本発明による制御装置の実施形態を示す。 図５ａは、図５の拡大を示す。 図６は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを提供するモードにおける作動の独立した連続した段階での本発明による制御装置の実施形態を示す。 図６ａは、図６の拡大を示す。 図７は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを含まない別のモードにおける作動の独立した連続した段階での図３の実施形態を示す。 図８は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを含まない別のモードにおける作動の独立した連続した段階での図４の実施形態を示す。 図９は、吸気バルブの開弁のタイミングの進みを含まない別のモードにおける作動の独立した連続した段階での図６の実施形態を示す。 図１０は、本発明による吸気バルブおよび排気バルブの相対開放曲線を示す。

図１は、本発明の理解にとって適切である範囲でのピストンエンジン１の概略図を示す。ピストンエンジン１のシリンダ（図示せず）のガス交換は、シリンダヘッド２に配置されたガス交換バルブ、すなわち吸気バルブおよび排気バルブの制御の下で実行される。吸気バルブ３のみが示され、それらはエンジンのカムシャフト４に配置されたカム装置５のカムプロファイル５‘により通常案内されるバルブ機構６を用いて操作される。各バルブ機構６と対応するカム装置５との間の力を伝達する接続は制御装置７により実現される。

制御装置７は図２−６により詳細に、そしてそれらに関連する図２ａ−６ａに拡大が示される。制御装置７は本体部分８を有し、この本体部分８は通常エンジン本体に取り付けられる。ピストン装置９が本体部分８内に移動可能に配置される。ピストン装置９の上端は、バルブ装置６（近くに示されていない）と力を伝達する接続をして配置される。この接続は、機械的あるいは液圧式であり得る。ピストン装置９の動きは、本体部分８内のピストン装置９の下端に配置された案内部材１０により制御される。案内部材１０は、スプリング１１とかみ合うとともにスプリング１１によりローラ１２に向かって付勢される。このローラ１２は、カム装置５のカムプロファイル５‘からの案内を受ける。したがって、図２−６において反時計周りにカムシャフト４が回転するとき、ローラ１２はカム装置５のカムプロファイル５‘に従い、カムプロファイル５‘の変化は吸気バルブ３の開弁および閉弁に影響を及ぼすように伝達される。

案内部材１０は、その中に移動可能に取付けられる補助ピストン１３を備えるとともに、この補助ピストン１３は案内部材１０とともにチャンバ１４を画定する。このチャンバ１４内には、液圧媒体が吸気バルブ３の開弁時期の進みを提供するために選択的に供給され得る。本体部分８は、案内部材１０の動きに沿って離間されるとともに案内部材１０に配置されたフローダクト１６を通ってチャンバ１４と順に接続するように構成された入口ダクト１５および出口ダクト１７を備える。供給ラインは、ポンプ手段１８、遮断弁１９および任意選択の逆止弁２０を備える。遮断弁１９により、チャンバ１４への供給ラインは、目的が吸気バルブ３の開放のための早めた（進めた）タイミング機能を使用することかどうかに応じて、接続され得るまたは遮断され得る。

カムプロファイル５‘は、基準円から上方に延びるとともに吸気バルブ３の開放を提供するためにピストン装置９を図の上方に動かすように構成されたノーズ５“を有する。本発明によれば、ノーズ５“は、カム装置のピークから回転方向にある距離をカムプロファイル５‘に沿って延びる、ピークから反対方向に延びる第２部分５“ｂより実質的に長い、第１部分５”ａを有するように、非対称設計である。ノーズ５“の設計および制御装置の動作の効果は以下に説明される。

図２は、ある状態の制御装置を示す。この状態では、制御装置と接続する吸気バルブ３は閉じたばかりであり、ローラ１２はもはやカムのノーズ５“および特にその部分５”ｂにより影響を及ぼされない。早めたタイミング機能を使用するために、液圧媒体、好ましくはエンジンのどこかのシステムからのオイルがダクト１５および１６を通ってチャンバ１４に供給される。この位置では、ダクト１６とチャンバ１４との間の接続は、小さいギャップ１４ａのみを通じて決定される。このギャップ１４ａはチャンバ１４の一部であるとともに図２ａにより明確に見ることができる。それにもかかわらず、カム装置５がさらに図３の位置に回転するとき、チャンバは、補助ピストン１３を図の上方に動かす作動油で満たされ、その底面は案内部材１０から開放されるとともにその上面はピストン装置９の下端に接触する。結果として、ローラ１２がさらに動くと、ノーズの部分５“ｂの位置において、補助ピストン１３およびピストン装置９を上方に動かす。そのとき、ピストン装置９の位置は通常より、すなわち、早めたタイミング機能が使用されないときより高く、差は補助ピストン１３の底面と案内部材１０との間のギャップにより決定される。

図４から見ることができるように、ダクト１４および１６の間の接続が閉じられる前に、ある作動油は供給ラインに押し戻され、これにより補助ピストン１３の底面と案内部材１０との間のギャップがわずかに減少する。これは逆止弁２０が提供されない場合に関連する。逆止弁２０の役割は、作動油が供給ラインに押し戻されることを防ぐことであり、これにより、補助ピストン１３の底面と案内部材１０との間のギャップがより大きくなり、吸気バルブ３に生じたリフトがそれぞれより大きくなるとともにより早期に起こる。

図５の状態では、ダクト１６がダクト１７の位置に移動され、これによりチャンバ１４とダクト１７との間の接続が確立されるとともにチャンバ１４内の圧力が開放される。その後は、リフト運動は通常の方法に従うとともに、吸気バルブ３の閉鎖は、ノーズ５“のピークに到達（図６参照）した後に生じるとともにさらにノーズ５”の第２部分５“ｂにより決定される。この場合、望む場合には、吸気バルブの閉鎖が吸気バルブの開弁の早めたタイミングと独立して影響を及ぼされ得る。これはピストン装置９を用いて有利に実行され得る。この目的のために、本体部分８とともにピストン装置９により画定されるチャンバ２１が、入口および出口ダクト（図２に破線により概略的にのみ示される）を備えるようなものとして知られる方法の圧力チャンバとして利用され得る。ここに参照により開示に含まれる特許文献２を参照すると、このような装置を実現する幾つかの代替方法を開示している。

上述の図２−５の説明から理解されるように、案内部材１０のリフト運動に関するダクト１５および１７の配置は、吸気バルブ３の開弁タイミングに影響を及ぼす。したがって、配置は所望のタイミングを達成できるように選ばれるべきである。

上述のように、吸気バルブ３の開弁タイミングの進みを提供するモードは、例えば、これにより作動油はチャンバ１４に供給されない遮断弁１９を用いて、止めることができる。図７−９を用いてサイクルが示される。図７から見られるように、この場合、補助ピストン１３とピストン装置９の端部部分との間にギャップがある。そのためローラ１２がノーズ５“の部分５”ａの位置に移動するとき、案内部材１０は上方に動いて最初にこのギャップを閉じる。その後でのみピストン装置９の上方移動が始まる。したがって、ピストン装置９の上方移動のこの遅れは、２つのモードの間、すなわち、早めたタイミングの機能が利用されているか否かの間の差を表すことが理解される。

図の実施形態の動作およびエンジンの吸気バルブの改変およびシリンダの掃気の効果が、エンジンのクランク角に応じた排気バルブおよび吸気バルブ両方の相対開放曲線を表す図１０に示される。図１０において、曲線ＡおよびＡ‘は、曲線Ａが通常モードを示し、曲線Ａ‘が吸気バルブの開弁の早めたタイミングを示すように、異なるモード下での吸気バルブの動きを示す。曲線Ｂは排気バルブの動きを示し、曲線Ｃは問題となる吸気バルブに関連してシリンダに関するエンジンピストンの動きを示す。さらに、曲線Ｄはエンジンピストンの上死点を示す。見られるように、早めたタイミングの機能は、吸気バルブと排気バルブの共通開放時間のより広範なオーバーラップを提供し、これは曲線ＡおよびＡ‘の間に残っている領域により示される。これはシリンダのより効率的な掃気を意味する。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内において多くの他の異なる方法で実施され得る。

Claims (8)

1. ピストン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に関連して吸気バルブを開閉するように構成された吸気バルブ機構との間に適合された前記エンジンのガス交換用制御装置であって、前記制御装置は、ピストン装置が前記カム装置および前記バルブ機構の力を伝達する接続をするように移動可能に配置される本体部分と、前記カム装置の動きに移動可能に応答するように、前記カム装置と前記ピストン装置との間で前記本体部分に配置された案内部材と、を有し、前記吸気バルブの開弁のタイミングを調整するための手段を有する制御装置において、
   前記手段は、前記吸気バルブの開弁の時期を早める一方前記吸気バルブの開弁のピークの位相は少なくとも実質的に不変のままであるように、前記ピストン装置と協働するように構成される、ことを特徴とする、
   制御装置。
2. 前記カム装置は、前記カム装置のピークから回転方向にある距離をカムプロファイルに沿って延びる、前記カム装置のピークから反対方向に延びる第２部分より実質的に長い第１部分を有するように非対称設計のノーズを備え、前記ノーズの前記第１部分の始まり部分は、前記吸気バルブの開弁の早めたタイミングを決定するように構成される、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記案内部材は、前記案内部材と前記ピストン装置との間に移動可能に配置されるとともに、いずれの場合も前記吸気バルブの開弁のタイミングを決定するための液圧媒体で選択的に満たされ得るチャンバを前記案内部材とともに画定する、補助ピストンを備える、ことを特徴とする、
   請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記本体部分は、前記案内部材の動きに沿って離間されるとともに前記案内部材に配置されたフローダクトを通って前記チャンバと順に接続するように構成された入口ダクトおよび出口ダクトを備える、ことを特徴とする、
   請求項３に記載の制御装置。
5. 前記吸気バルブの開弁の選択されたタイミングに応じて、前記補助ピストンは、前記吸気バルブが閉鎖位置にあるときに、前記ピストン装置または前記案内部材からわずかに離間される、ことを特徴とする、
   請求項３または４に記載の制御装置。
6. 前記吸気バルブの開弁の早めたタイミングを選択するために、前記吸気バルブの閉鎖期間中、前記チャンバは前記液圧媒体で満たされる、ことを特徴とする、
   請求項３乃至５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記入口ダクトおよび前記フローダクトを有する供給ラインが逆止弁を備える、ことを特徴とする、
   請求項４に記載の制御装置。
8. 前記案内部材に対する前記ピストン装置の遠位端部は、前記本体部分とともに前記吸気バルブの開弁のタイミングを調整する前記手段と独立して前記吸気バルブの閉鎖を制御するために選択的に満たされ得る液圧媒体チャンバを画定するように設計される、ことを特徴とする、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御装置。

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