JP2015529308A - 内燃機関用の弁制御システムおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関用の弁制御システムであって、内燃機関が、少なくとも１組の少なくとも２つの弁（１２、１７、１４、１９）を有する少なくとも１つのシリンダを有する弁制御システムが提供される。上記組の弁が全て吸気弁または排気弁であり、システムは、シングルバルブ動作モードで上記組の弁を選択的に動作させるように構成され、シングルバルブ動作モード中、常に上記組のうちのただ１つの弁が開いている。

Description

本発明は、内燃機関（internal combustion engine）用の弁制御システムであって、内燃機関が、少なくとも２つの吸気弁および／または少なくとも２つの排気弁を有するシリンダを有する弁制御システムに関する。より詳細には、エンジンクランクシャフトの回転とは無関係に作動させることができる弁を有するエンジンの効率および寿命の改良に関する。

回転するカムシャフトによって内燃機関の吸気弁および排気弁を動作させることがよく知られている。より従来型の多くのエンジン設計では、カムシャフトの回転は、クランクシャフトの回転に機械的に結合され、エンジン速度または負荷に応じて弁タイミングを変えることはできない。しかし、エンジンに対する要求に応じて弁動作を変えることによって、より高い効率を実現することができる。

弁作動に対するより高度な制御を提供するために、コンピュータ制御型のエンジン管理システムによって管理される電磁ソレノイドアクチュエータを使用して弁を動作させることが提案されている。代替の手法は、国際公開第２００４／０９７１８４号パンフレットに記載されている。この特許文献は、適切な連係機構によって弁に結合された被動回転子を有する電磁アクチュエータに関する。

本発明は、内燃機関用の弁制御システムであって、内燃機関が、少なくとも１組の少なくとも２つの弁を有する少なくとも１つのシリンダを有し、上記組の弁が全て吸気弁または排気弁であり、システムが、シングルバルブ動作モードで上記組の弁を選択的に動作させるように構成され、シングルバルブ動作モード中、常に上記組のうちのただ１つの弁が開いている弁制御システムを提供する。

したがって、上記組が２つの弁のみを有する場合には、シングルバルブモードでの動作期間中、任意の一時点に上記組の２つの弁の一方のみが開かれ、または任意の一時点に他方の弁のみが開かれる。

内燃機関の動作速度および負荷範囲のかなりの部分にわたって、マルチバルブシリンダにおける１つの吸気弁および／または排気弁のみを開けば十分であり、これは、例えば、寄生損失を減少させ、吸気速度をより高くし、スパーク点火エンジンの場合における混合物の準備を改良することができる。

好ましくは、システムは、シングルバルブ動作モード中にある順序で、またはシングルバルブ動作モードの連続する期間にわたって上記組の弁を作動させるように構成される。

好ましくは、システムは、シングルバルブモード中に、エンジンの行程の全過程中にただ１つの弁を作動させるように構成される。

好ましくは、システムは、シングルバルブ動作モード中に上記組の各弁を順番に作動させるように構成される。

したがって、例えば組が２つの弁を有する場合、システムは、弁を交互に作動させるように構成することができる。

その結果、機械的な摩耗が、弁によって実質的に等しく分担される。また、そのような手法は、シングルバルブ動作モード中に、１組の吸気弁のうちの同じ弁または１組の排気弁のうちの同じ弁を動作させることに勝るいくつかの利点を有する。ポート燃料噴射式エンジンでの吸気弁の場合には、静止している弁のヘッドの後方に燃料が蓄積しないようにし、これは排ガスの質に関して特に有益となり得る。さらに、利用可能な弁によって弁機能が分担され、各個の弁の作動サイクル間の期間が倍増されるので、個々の弁に対する熱負荷が大幅に減少される。電磁作動式のシステムの場合、アクチュエータ構成要素の温度が低下され、より低い温度では巻線の電気抵抗が低下されるので、エネルギー消費が減少される。熱デューティサイクルは、単に分担されるだけでなく、絶対量を減少される。

排気弁に関しては、熱的な利点が弁自体にも及ぶ。排気弁は、典型的には燃焼室内で最も高温の構成要素であり、各弁を順番に動作させることは、高速の排気ガスが弁内に熱を伝達している時間に対する、弁座（排気弁のための一次冷却経路）に熱が伝達されるときに冷却に費やされる時間の比を２倍よりも大きくする。

これは、スパーク点火エンジンで特に有利であり、スパーク点火エンジンでは、エンジンの作業シリンダ内部の最も高温の表面の温度が、点火タイミングを理論上の理想的なタイミングにどれだけ近づけることができるかに関して影響を持つ。典型的には、点火タイミングが早められ、それにより、ピストンが上死点に達する前に、圧縮行程中の一時点にスパークが発生される。理想的には、タイミングパターンはエンジン速度および負荷に応じて変化し、較正中、「遅い」（遅延された）タイミングから開始し、最高性能が実現される（これは最良の燃料消費も与える）まで早めていくことによって決定される。理想的なタイミングを越えてスパークのタイミングをさらに早めることは、上死点に達する寸前にシリンダ圧力が高くなりすぎる。これは、上死点後のより高いシリンダ圧力によって得られるよりも多くの作業がピストンに対して行われなければならないことを意味する。今日利用可能な標準の燃料を使用する現代のエンジンでは、この理想的なタイミングを実現することができない速度：負荷マップの大きな範囲が存在する。なぜなら、理想的なタイミングに伴って、燃焼する燃料−空気混合物によって引き起こされる圧力の増加は、正常な燃焼が完了する前に未燃焼の燃料／空気の制御不能なデトネーションを引き起こすのに十分なものであるからである。これは、ピンキング、デトネーション、またはノッキングとして一般に知られている現象を生じる。この現象は、スパークタイミングを（遅延された位置から）最適に早めることが実現される前に生じ得る。実際には、これは、通常は点火タイミングの設定が最適には早められず、典型的には、速度：負荷マップの少なくとも一部にわたって「デトネーション境界線」タイミングから３°遅延されることを意味する。現代のエンジン管理システムは、ノックセンサおよび適応制御技法を使用して、実現可能な最も早い設定で点火タイミングを維持する。

排気弁温度が、エンジンのノッキングの生じやすさを決める影響力の大きいパラメータであることが認識されており、したがって、排気弁温度を低下させることが、点火をさらに早め、その最適なタイミングにより近付けることを可能にする。実際、シュテファン（Ｓｔｅｆａｎ）の法則によれば、弁から放射される熱の量はその絶対温度の４乗に比例するので、排気弁温度の低下はかなりの影響を及ぼす。

排気弁を順番に作動させることは、排気弁の両方または全てが同時に作動される場合よりもスパーク点火エンジンでの点火タイミングをさらに早めることを可能にし得ると考えられる。

シングルバルブ動作モード中、１組の各弁は、順番に１回ずつ作動サイクルを実施することも、順番に数回ずつ作動サイクルを実施することもできる。

順番に数回ずつ弁作動サイクルを実施すること（例えば、数回のエンジンサイクルに関して第１の弁のみを動作させ、後続の数回のサイクルに関して第２の弁のみを動作させる）は、順番に１回ずつ作動サイクルを実施するのに比べていくつかの利点を備え得る。

第１に、この手法が、ポート燃料噴射式エンジンの吸気弁に関して使用されるとき、順番に数回ずつ作動サイクルを実施することは、エンジンの後続の吸入サイクルに関する吸気口内での最適な空気／燃料条件を再確立するのに必要とされる、過渡的な吸気口の壁に付着した液膜の燃料補償が少なくなることを意味する。１回ずつの作動の場合には、エンジンの１つおきのサイクルで、壁に付着した液膜を再確立するために余剰の燃料が必要とされる。第２に、各弁のためのそれぞれのアクチュエータは、数回ずつ作動させるサイクル手法に関しては、より低い頻度で始動／停止プロセスを行えばよい。これにより、数回ずつ作動させる手法を用いた場合の始動／停止時の（特に電磁アクチュエータに関連する）機械的および電気的なパワー損失は、１回のサイクルにわたる損失ではなく、数回のサイクルにわたって拡散され、したがって、比例的に、１回のサイクル毎の切換えよりも数回のサイクル毎の切換えでエネルギー損失が小さくなる。この利点は、組の弁が吸気弁であっても排気弁であっても得られる。

さらに、（シングルバルブモード中の）各弁が数回作動されてから他の弁が作動される場合、始動および停止時の熱損失が減少される。これは、数回のサイクル毎の切換えに関連付けられる温度変動が、排気弁および／または吸気弁の１回のサイクル毎の切換えの場合ほど急速でないからである。

数回ずつ作動させるサイクル機能において生じ得るさらなる利点は、吸気弁に適用されるときに、ポート燃料供給システムおよび制御ストラテジの安定な動作を乱すことがある過渡的な吸気口での圧力波の影響がより小さくなることである。

別の実施形態によれば、弁制御システムは、異なる動作モードが要求されるまで、またはエンジンが停止されるまで、シングルバルブ動作モードの期間にわたって上記組の弁を動作させ、シングルバルブ動作モードのある期間にわたって上記組の弁のうちの１つの弁を使用し、シングルバルブ動作モードの次の期間にわたって上記組の弁のうちの別の弁を使用するように構成される。このようにすると、時間と共に、全ての弁が平均して実質的に同じデューティサイクルを有する。したがって、動弁機構に対する機械的摩耗と熱的デューティサイクルの両方が、動弁機構の間で分担される。また、この手法は、排気弁に適用されるときには、最良の（理想的な点火タイミングに最も近い）点火性能を与えることができる。

本発明はまた、内燃機関用の弁制御システムであって、内燃機関が、少なくとも１組の少なくとも２つの弁を有する少なくとも１つのシリンダを有し、上記組の弁が全て吸気弁または排気弁である弁制御システムを動作させる方法であって、上記システムによって、シングルバルブ動作モードで上記組の弁を動作させるステップを含み、シングルバルブ動作モード中、常に上記組のうちのただ１つの弁が開いている方法を提供する。

弁制御システムは、それぞれの弁に機械的に結合されたアクチュエータを制御するための制御信号を出力するように構成された電気制御装置を備えることができる。

本発明の概念は、エンジンクランクシャフトの回転とは無関係に動作可能な弁を有するエンジンに適用可能であることを理解されたい。弁アクチュエータは、電磁式で動作しても、油圧式で動作しても、および／または空気圧式で動作してもよい。したがって、用語「アクチュエータ」は、関連の弁を動作させるための力またはトルクを生成する任意の電4磁、空気圧、または油圧デバイスを包含するものと意図される。「アクチュエータサイクル」中、弁棒は、その初期開始位置から移動して離れ、その後、その位置に戻る。

次に、本発明の実施形態を、添付の概略図面を参照して単に例として説明する。

既知の内燃機関でのシリンダの上部の側断面図である。 本発明を具現化する弁制御システムを含むエンジン制御システム、およびまたそのシステムによって制御される弁を有するエンジンのシリンダヘッドの一部を示すブロック図である。 ２つの吸気弁と２つの出口弁を示す、シリンダヘッドの下面の概略図である。

図１は、周知の内燃機関構成のシリンダの断面図を示す。ピストン２は、シリンダブロック４内部で上下に往復動するように構成される。シリンダヘッド８内部の吸気口６から燃焼室１０への充填空気（またはエンジン構成によっては空気と燃料の混合物）の流れは、吸気ポペット弁１２を使用して制御される。排気ポペット弁１４が、燃焼が行われた後に燃焼室から排気ガスを逃がし、排気ガスは、排気口１６を通して搬送されて除去される。

図１には、１つの吸気弁と１つの排気弁のみが示されている。マルチバルブエンジンでは、各シリンダが３つ以上の弁を有する。すなわち、各シリンダが、１組の少なくとも２つの吸気弁および／または１組の少なくとも２つの排気弁を有して、性能を改良する。様々な構成が開発されている。そのような構成として、ただ１つの大きい排気弁と２つのより小さい吸気弁を有する３バルブシリンダヘッドが挙げられる。２つの吸気弁と２つの排気弁を有する４バルブシリンダヘッドがより一般的である。２つの排気弁と３つの吸気弁を有する５弁シリンダヘッドも開発されている。本発明が他のマルチバルブ構成にも適用可能であることを理解されよう。

図２は、本発明を具現化する少なくとも１つの弁制御システムを含むエンジン制御システムを示す。シリンダヘッド２０は、マルチバルブ構成（ただし図面には１つの吸気弁１２と１つの排気弁１４のみが示されている）を有し、すなわち２つの吸気弁と２つの排気弁を有し、各弁が、シリンダヘッドにあるそれぞれの吸気口および出口を開閉する。

図３で、４つの弁全ての位置を示すようにシリンダヘッドが図示されており、それらの弁の弁頭が図中に見られる。第２の吸気弁１７は、第２の吸気口を開閉し、第２の排気弁１９は、第２の排気口を開閉する。吸気弁の対と出口弁の対がそれぞれ２つの弁の組を成すことが理解されよう。単気筒エンジンに関して本発明を述べるが、シリンダヘッドは、複数のシリンダを有するエンジン用に構成することもでき、各シリンダがそれぞれ、１組の２つの吸気弁と１組の２つの排気弁に関連付けられる。したがって、例えば、４気筒エンジンは、計１６個の吸気弁／排気弁を有する。

この例では、吸気弁と排気弁はどちらも、エンジンクランクシャフトの回転とは無関係に個別に電子的に制御可能である。また、本発明は、（ａ）１組の排気弁と（ｂ）１組の吸気弁との一方のみがエンジンクランクシャフトの回転とは無関係に制御可能である構成にも適用可能である。各弁は、それぞれのアクチュエータによって動作される。したがって、吸気弁１２を動作させるためにアクチュエータ３０が提供され、アクチュエータ３２が排気弁１４を動作させる。各アクチュエータは、例えば国際公開第２００４／０９７１８４号パンフレットに示されるタイプのものでよい。

エンジンの全体の動作は、エンジン制御ユニット３４によって管理される。双方向通信リンク３８が、エンジン制御ユニット３４と弁制御ユニット４０との間に提供される。実際には、制御ユニット３４と４０は、物理的に別個のユニットでも、単一の制御装置に統合されていてもよい。弁制御ユニット４０は、アクチュエータパワーエレクトロニクスモジュール４２ならびにアクチュエータ３０および３２と共に、吸気弁および排気弁の組の動作を制御する弁制御システムを形成する。

エンジン制御ユニットからの制御信号を考慮して、弁制御ユニットは、吸気アクチュエータ駆動信号４４および排気アクチュエータ駆動信号４６を生成し、それらがアクチュエータパワーエレクトロニクスモジュール４２に送信される。これらの信号に応答して、モジュール４２は、それぞれの導電ライン４８および５０に沿って吸気アクチュエータ駆動電流および排気アクチュエータ駆動電流を発生する。アクチュエータの動作がそれらの動作条件の変化に応じることができるようにするために、フィードバック信号５２および５４が、それぞれ吸気弁アクチュエータおよび排気弁アクチュエータから弁制御ユニットに通信される。これらのフィードバック信号は、それぞれの弁アクチュエータの１つまたは複数の動作条件、例えばその位置、電磁巻線の温度、巻線の電流、または、アクチュエータに供給される制御信号とアクチュエータが動作させる弁の位置の生じる変化との間の関係に影響を及ぼすことがある任意の他のパラメータに関係する情報を提供することができる。当然、これらの信号によって搬送される情報は、採用される作動のタイプに応じて、例えば電磁作動であるか、油圧作動であるか、または空気圧作動であるかに応じて異なることがある。この情報を使用して、シリンダの最初の発火サイクル中に、正常動作中の制御システムへの適応入力としてアクチュエータの動作を較正する。

弁制御ユニットは、いくつかの異なる動作モードに従って弁を動作させることができ、そのような動作モードとして、マルチバルブ動作モードが挙げられ、マルチバルブ動作モードでは、１組の吸気弁の全ての弁が同時に作動し、１組の排気弁の全ての弁が同時に作動する。したがって、マルチバルブ動作モードでは、シリンダヘッドに関連付けられる吸気弁はどちらも同時に作動され（すなわち開閉され）、両方の排気弁についても同様である。複数のシリンダを有するエンジンでは、吸気弁および排気弁の開閉のタイミングは、関連のピストンの位相によって支配されるが、この場合には、各シリンダに関する吸気弁は、関連のピストンの吸気行程中にどちらも開かれ、排気弁は、排気行程中にどちらも開かれる。また、弁制御ユニットは、シングルバルブ動作モードに従って弁を動作させることもでき、シングルバルブ動作モードでは、エンジンの動作サイクル中の関連のピストンの位相に応じて、任意の一時点にただ１つの吸気弁または排気弁が開く。

２つの吸気弁と２つの排気弁を有するシリンダの例では、シングルバルブモード中の動作は、２つの吸気弁それぞれの間、および２つの排気弁それぞれの間で交番される。この交番は、シングルバルブ動作モード中に弁の間でサイクル毎に行うことができ、ある吸気行程中に吸気弁の一方が作動され、次の吸気行程中に他方が作動され、ある排気行程中に一方の排気弁が作動され、次の排気行程中に他方が作動され、以下同様である。代替として、各弁によって２サイクル以上行ってから他の弁に切り換えることもできる。図３を参照すると、取り得る動作順序を示す助けとなるように、吸気弁と出口弁に符号ＡおよびＢが付されている。交互作動によって、各組の吸気弁および排気弁は、順序Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂなどで作動され、吸気弁または排気弁が数回の作動サイクルを行ってから他方の吸気弁／排気弁への切換えが行われるシングルバルブ動作モードは、順序Ａ−Ａ−Ａ−Ａ−Ｂ−Ｂ−Ｂ−Ｂ−Ａ−Ａ−Ａ−Ａなどを提供することができる。

さらなる手法では、マルチバルブ動作が要求されるまで、またはエンジンが停止されるまで、連続的なサイクルにわたって一方の吸気弁のみが稼働される。シングルバルブ動作が再度要求されるとすぐに、他方の吸気弁を使用してシングルバルブ動作モードが再開される。

対応するオプションが、排気弁の動作にも同様に適用可能である。
システムは、多気筒エンジンに関しては、異なるシリンダを異なるモードで動作させるように、または可変排気量モードでエンジンを動作させるように構成することができ、可変排気量モードでは、いくつかのシリンダが作動停止され、それらの弁が閉位置に維持される。さらに、シングルバルブ動作モードが一方の組の弁（例えば吸気弁）のみに使用され、他方の組の弁（例えば排気弁）はデュアルモードで動作されてもよく、デュアルモードでは、上記他方の組の弁がエンジンの各サイクル中にどちらも作動される（例えば同時に開閉される）。

Claims (14)

1. 内燃機関用の弁制御システムであって、前記内燃機関が、少なくとも１組の少なくとも２つの弁を有する少なくとも１つのシリンダを有し、前記組の前記弁が全て吸気弁または排気弁であり、システムが、シングルバルブ動作モードで前記組の弁を選択的に動作させるように構成され、前記シングルバルブ動作モード中、常に前記組のうちのただ１つの弁が開いている、弁制御システム。
2. 前記組の前記弁を、前記シングルバルブ動作モード中にある順序で、またはシングルバルブ動作モードの連続する期間にわたって作動させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記組の各弁を、前記シングルバルブ動作モード中に順番に、または前記連続する期間にわたって作動させるように構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記組の各弁が、順番に１回ずつ作動サイクルを実施するように前記システムによって制御される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記組の各弁が、順番に数回ずつ作動サイクルを実施するように前記システムによって制御される、請求項３に記載のシステム。
6. 前記シングルバルブモード中に、前記エンジンの行程の全過程中に前記ただ１つの弁を作動させるように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記組の前記弁が排気弁である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 異なる動作モードが要求されるまで、または前記エンジンが停止されるまで、前記シングルバルブ動作モードの期間にわたって前記組の弁を動作させ、前記シングルバルブ動作モードのある期間にわたって前記組の弁のうちの１つの弁を使用し、前記弁が、数回の作動サイクルを実施するように制御され、さらに前記シングルバルブ動作モードの次の期間にわたって前記組の弁のうちの別の弁を使用し、前記別の弁が、数回の作動サイクルを実施するように制御されるように構成される、請求項５に記載のシステム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の弁制御システムと、少なくとも１組の少なくとも２つの弁を有する少なくとも１つのシリンダとを含む内燃機関であって、前記組の弁が全て吸気弁または排気弁である内燃機関。
10. 内燃機関用の弁制御システムであって、前記内燃機関が、少なくとも１組の少なくとも２つの弁を有する少なくとも１つのシリンダを有し、前記組の前記弁が全て吸気弁または排気弁である弁制御システムを動作させる方法であって、前記システムによって、シングルバルブ動作モードで前記組の弁を動作させるステップを含み、前記シングルバルブ動作モード中、常に前記組のうちのただ１つの弁が開いている方法。
11. 前記組の各弁が、前記シングルバルブ動作モード中に順番に作動される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記組の各弁が、順番に１回ずつ作動サイクルを実施する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記組の各弁が、順番に数回ずつ作動サイクルを実施する、請求項１１に記載の方法。
14. ａ．異なる動作モードが要求されるまで、または前記エンジンが停止されるまで、前記シングルバルブ動作モードのある期間にわたって、前記組の弁のうちの１つの弁を動作させるステップと、
    ｂ．前記シングルバルブ動作モードの次の期間にわたって、前記組の弁のうちの別の弁を動作させるステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。

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