JP2016516944A - 内燃エンジンのガス交換弁の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジン（３）のガス交換弁（２）を制御するための装置（１）に関する。装置は、軸方向に移動可能な弁要素（４）を備え、この弁要素は、当該弁要素の燃焼室から離れている端部にピストン（５）を有している。ピストンは、２つの作動室（６，７）を互いに軸方向に分離している。装置は、作動室（６，７）の少なくとも１つに油圧油を案内するための高圧ポンプ（８）および制御弁（９）を備えている。高圧ポンプ（８）に接続された油空圧蓄圧器（１０）が設けられていることは本発明に必須であって、蓄圧器には、ピストン（５）およびそれゆえに弁要素（４）を駆動するために必要とされる油圧油が加圧下で蓄えられ得る。また、エンジン制御ユニット（１１）が設けられていることも本発明に必須であって、このエンジン制御ユニットは、内燃エンジン（３）の回復モードにおいて高圧ポンプ（８）を作動させ、よって内燃エンジン（３）の回復モードにおいて油空圧蓄圧器（１０）を油圧油で満たす。よって、自動車（１３）は、省エネルギーの態様で作動させられ得る。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の導入節に従って、内燃エンジンのガス交換弁の制御装置に関するものである。本発明は、加えて、そのような装置を備えた自動車およびそのような自動車を運転する方法に関する。

特許文献１から、内燃エンジンのガス交換弁を制御するための一般的な装置が知られている。ここで、装置は、軸方向に移動可能な弁要素を備えている。この弁要素は、当該弁要素の燃焼室から離れた端部にピストンを有していて、２つの油圧式の作動室を互いに軸方向に分離している。燃焼室に近い一方の作動室は弁要素に閉じる方向に作用し、燃焼室から遠い作動室は弁要素に開く方向に作用する。作動室に油圧油を案内するための、およびピストンとそれゆえに弁とを動かすための高圧ポンプおよび電子制御弁がまた設けられている。弁は、そのため、ピストンを介して油圧により駆動され、ピストンは、さらには、電子制御弁により駆動され、この電子制御弁は素早く切り替えられ得る。ここで、駆動のために必要とされる油圧油の高い圧力は高圧ポンプにより生み出され、小さな中間的な油タンクが油圧油の中間的な貯蔵に役立つ。

独国特許出願公開第１９８２６０４７号明細書

しかしながら、既知の装置の不利な点は、弁の駆動のために必要とされる圧力の供給のための高圧ポンプが比較的高いエネルギーを必要とすることである。

したがって、本発明は、一般的なタイプの装置のために、特に明確により省エネルギーの態様で作動され得る改善された実施形態を示すという問題に関する。

本発明によれば、この問題は、独立請求項の主題により解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、それに接続されたピストンおよび弁要素を動かす圧力を生み出すための高圧ポンプを機械的に駆動可能な態様で自動車のドライブトレインに結合し、好ましくはそれをもっぱら自動車の回復モードにおいて作動させるという一般概念、および加えて、高圧ポンプに接続されてその内部でピストンおよびそれゆえに弁要素の駆動のために必要とされる油圧が加圧下で蓄えられ得る油空圧蓄圧器を提供するという一般概念に基づいている。ここで、ガス交換弁を制御するための本発明に係る装置は、燃焼室から離れたその端部に、２つの作動室を互いに軸方向に分離するピストンを有しており、燃焼室に近い作動室は弁要素に閉じる方向に作用し、燃焼室から遠い作動室は弁要素に開く方向に作用する。ここで、概して、両作動室は油圧油により作用され得る。特殊なケースでは、燃焼室に近い作動室が空気により作動されることがまた考えられ、そのためガスの圧縮性はスプリングとして使用され、そのばね定数は圧力を動かすことにより目標を定めた態様で設定され得る。本発明に係る高圧ポンプ、および、作動室に油圧油を案内するための、あるいは燃焼室に近い作動室を空気で作動させる場合にガス圧を調節するための電子制御弁がまた設けられている。本発明によると、上述した油空圧蓄圧器は、高圧下にある油圧油の長時間の貯蔵のために設けられ、高圧ポンプは、内燃エンジンの回復モードにおいてエンジン制御ユニットにより駆動され、したがって内燃エンジンの回復モードにおいて油空圧蓄圧器を油圧油で満たし得る。したがって、自動車の制動エネルギーが油空圧蓄圧器を満たすために使用され、それにより従来は使用され得なかったエネルギーが使用され得、したがって装置全体として明確により省エネルギーの態様で作動され得る。制動操作では、すなわち自動車の回復モードでは、本発明に従って自動車のドライブトレインに機械的に結合された高圧ポンプから最大出力が引き出され、油空圧蓄圧器が満たされる。通常動作では、完全可変の弁機構、すなわち少なくとも１つのピストンおよびそれと協働する弁は、蓄圧器により単独で作動され、そのためこの動作状態では高圧ポンプはオフに切り替えられ得る。高圧ポンプは、また、蓄圧器内に配置された圧力エネルギーがもはや十分でないときにのみ、通常運転動作において機械的に駆動されて油空圧蓄圧器を満たすために使用される。

油空圧蓄圧器の利点は、それらが、小さな風袋容量の油圧システムにおいて大量のエネルギーを蓄えられることである。さらに、それらは非常にシンプルな動作原理を有しており、それは少数の構成要素、すなわち実際の蓄圧器およびそれに含まれて膜により分離された２つの作動室のみにより形成される。それらの非常に低い圧縮性のおかげで、油圧油は、通常、限られた容量においてエネルギーを不完全に蓄えている。一方、この特性は、それらが大きな力を伝達することを許容する。これとは対照的に、実質的により集中的に圧縮できるガスは、小さな容量における大量のエネルギーの蓄積を可能とし、そのため油空圧蓄圧器はこれら２つのタイプの媒体の特性を最適な態様で併せ持つ。油空圧蓄圧器は、柔軟な隔壁、すなわち例えば上述した膜により、２つの小室に、すなわち２つの作動室に分割され、一方の小室には加圧下にある油圧油が配置され、他方の小室には圧縮性のガス、例えば窒素が配置されている。ここで、膜は、エラストマーで構成されていてもよい。本発明に係る装置によれば、とにかく、従来は使用されずに浪費されていた制動エネルギーを有効的に利用すること、および、高圧ポンプの作動のためにそれを使用することが可能であり、本発明に係る装置のエネルギー消費は大きく低減され得る。

本発明に係る解決法のさらなる有利な展開では、高圧ポンプは、ベーンポンプとして、または回転ピストンポンプとして構成されている。ベーンポンプは、しばしば回転羽根ポンプとも呼ばれ、気体および液体のための容積型ポンプであって、吸引および圧縮作用の両方に適している。それらは、内部でロータが回転する中空のシリンダ（ステータ）から構成されている。ここで、ロータの回転軸はステータに対して偏心して配置されており、ロータは、入口および出口の開口部の間におけるステータの内壁に接触する。ロータには、概ね放射状に配置された案内部が組み込まれており、この案内部には回転弁が位置している。これらの回転弁は、ロータとステータとの間の空間をいくつかの小室に分割していて、回転運動におけるロータとステータとの間の距離の変化を補償するために案内部内を移動可能である。

もちろん、前述した列挙は最終的なものではなく、そのため高圧ポンプのためのさらなる実施形態も考えられる。

便宜的に、油空圧蓄圧器は貯蔵ガスとして窒素を有し、この貯蔵ガスは、蓄えられ得る油圧油から膜により分離されている。概して、もちろん、油空圧蓄圧器のための他の不活性ガスも考えられ、窒素は、安価に入手可能であって、健康または環境に対していかなる危険性も示さないという大きな利点を提供する。加えて、そのような油空圧蓄圧器は、手ごろで実績のある標準部品として既に市場で入手可能である。

本発明は、さらに、そのような装置を自動車に実装するという一般概念に基づいており、装置の高圧ポンプは自動車のドライブトレインに機械的に結合されている。これにより、好ましくはもっぱら、自動車が制動されてそれゆえにその回復モードにある限りにおいて、高圧ポンプを作動させることが可能となる。回復モードでは、自動車の消費部を通して浪費され得るよりも多くのエネルギーが利用可能である。このため、通常、蓄積エネルギーは、例えばブレーキディスクにおいて、自動車を制動するために熱に変換されなければならず、そこで利用されずに浪費される。高圧ポンプのドライブトレインへの機械的な結合を通して、高圧ポンプは自動車の回復モードの間作動させられ得、それにより制動エネルギーが油空圧蓄圧器を満たすために利用され得る。好ましくは、ここで、高圧ポンプはドライブトレインのカップリングの後ろに設けられており、このことは、制動操作において切り離された内燃エンジンの場合に高圧ポンプがまた作動され得るという大きな利点を提供する。

本発明は、さらに、そのような装置を備えた自動車の操作方法を示すという一般概念に基づいており、この方法では、自動車が回復モードにある、すなわち制動操作中である限りにおいて、油空圧蓄圧器を油圧油で満たすためにエンジン制御ユニットが高圧ポンプを作動させる。これにより、高圧ポンプが従来のように独立して、例えば電気的に作動される必要がないため、自動車の操作において多量のエネルギーが節約され得る。エンジン制御ユニットは、もちろん、油空圧蓄圧器内の圧力が所定の制限圧力を下回る限りにおいて、回復モードの存在から独立して高圧ポンプを作動させてもよい。そして、このことは、自動車が例えば高速道路において制動されない状態で遠距離を移動し、油空圧蓄圧器において利用可能な圧力がピストンの駆動およびそれゆえに弁の駆動のためにもはや十分でない限りにおいて特に必要となる。この場合、もちろん、圧力供給を確保するために、高圧ポンプはオンに切り替えられなければならない。ここで、高圧ポンプのオンへの切替えは、例えば、蓄圧器の領域に設けられた圧力センサが所定の制限圧力に達しているかまたは下回っていることを検知する限りにおいて自動的に行われる。

概して、高圧ポンプは、また、もっぱら回復モードにおいて電流が供給される電気駆動装置を有していてもよい。このために、例えば発電機がドライブトレインに駆動連結において結合され得る。高圧ポンプのドライブトレインへの機械的な結合により、活動化または非活動化が、例えば自動車が回復モードにある限りにおいて閉じられるカップリングを介して行われ得る。ここで、内燃エンジンがドライブトレインから切り離され、高圧ポンプがドライブトレインに連結されることが考えられる。同様に、高圧ポンプを永久的にドライブトレインと固定的に接続されたままにするために回転ピストンポンプを使用し、この回転ピストンポンプの調節によりポンプ動作を連動させるかまたはニュートラルに設定することが考えられる。全ての変形例が、現在の運転動作や運転状態または油空圧蓄圧器の負荷状態に従って、中央制御装置により監視されて制御され得る。

本発明のさらなる重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図面の説明から明らかになるであろう。

上述したおよび以下でさらに説明する特徴が、それぞれ示される組合せのみでなく、本発明の範囲を外れることなく、他の組合せあるいは単独で使用され得ることを理解されたい。

図１は、ガス交換弁を制御するための本発明に係る装置を示す図である。

本発明の好ましい例の実施形態が、図面に示されていて、以下の記載においてさらに詳しく説明される。

図１に示すように、内燃エンジン３のガス交換弁２を制御するための本発明に係る装置１は、軸方向に移動可能な弁要素４を備えており、この弁要素は、その燃焼室から離れた端部にピストン５を有している。ここで、ピストン５は、２つの油圧式の作動室６および７を軸方向に分離しており、燃焼室に近い作動室７は弁要素４に閉じる方向に作用し、燃焼室から遠い作動室６は弁要素４に開く方向に作用する。高圧ポンプ８および電子制御弁９は、また、作動室６，７および油空圧蓄圧器１０に油圧油を案内するために設けられている。もちろん、また、油圧油は、燃焼室から遠い作動室６へのみ案内されることが可能であり、その一方で、燃焼室に近い作動室７にはガスがスプリングとして満たされている。本発明によると、高圧ポンプ８は、油空圧蓄圧器１０と接続されており、この油空圧蓄圧器には、ピストン５およびそれゆえに弁要素４の動作のために必要とされる油圧が加圧下で蓄えられ得る。エンジン制御ユニット１１が追加的に設けられており、このエンジン制御ユニットは、好ましくはもっぱら内燃エンジン３または自動車１３の回復モードにおいて高圧ポンプ８を作動させ、そのため回復モードにおいて油空圧蓄圧器１０を油圧油で満たす。ここで、高圧ポンプ８は、自動車１３のドライブトレイン１２に機械的に結合されていて、そのため内燃エンジン３の回復モード、すなわち好ましくはもっぱら機械的な自動車１３の制動操作において駆動される。したがって、高圧ポンプ８のための独立した電気エネルギー供給およびそれゆえに比較的高いエネルギー消費は不要であり、そのため全体的な装置１は比較的低エネルギーの態様で作動され得る。

ここで、高圧ポンプ８は、好ましくはドライブトレイン１２内のカップリング１４の後ろに設けられており、そのため蓄圧器１０を満たすための制動エネルギーの利用は、また、切り離された内燃エンジン３の場合に利用され得る。

蓄圧器１０において利用可能なエネルギーが作動室６，７に加圧下の油圧油を供給するために、そしてそれゆえに弁２を作動させるために十分でない場合、高圧ポンプ８は、もちろんまた、回復モード以外で自動車１３のドライブトレイン１２と機械的に結合され、それにより作動され得る。良好な動作のために必要な油圧が蓄圧器１０内に存在しているかどうかは、例えば圧力センサ１５により検知され、この圧力センサは、同時に、エンジン制御ユニット１１に接続されている。加えて、エンジン制御ユニット１１は、また、制動操作において自動車１３の制動動作を制御するように構成され得る。

蓄圧器１０は、２つの小室１６および１７を有しており、これらの小室は、膜１８により互いに仕切られている。ここで、小室１６には圧縮ガス、例えば窒素が配置されており、一方、小室１７には油圧油が配置されている。

概して、本発明に係る装置１を備えた自動車１３は、高圧ポンプ８の作動のために必要とされるエネルギーが、好ましくはもっぱら自動車１３の回復モードにおいて、すなわちその制動操作において得られ、高圧ポンプ８の作動のために追加的に生み出される必要がないので、従来の完全可変の弁機構を有する自動車に比べて非常に低エネルギーの態様で動作され得る。油空圧蓄圧器１０を通じて、装置１は、さらに、装置１の作動のために必要とされる油圧を長時間維持することができ、そのため、最も好ましい場合には、高圧ポンプ８が、もっぱら回復モードにおいて、そしてそれゆえにもっぱら追加的なエネルギー入力なくして、蓄圧器１０を満たすことができると想定される。例えば高速道路における長旅の場合など、蓄圧器１０に蓄えられたエネルギーが十分でない場合はいつでも、高圧ポンプ８は、もちろん、どんな時にも駆動技術により自動車１３のドライブトレイン１２と接続され得、それにより動作され得る。エンジン制御ユニット１１は、例えば圧力センサ１５が所定の制限圧力以下の圧力低下を検知する限りにおいて、これを自動的に開始し得る。

油空圧蓄圧器１０は、さらに、構造において比較的小さく、このことは特に現代のエンジン室における窮屈なスペースの場合に非常に有利である。

Claims (11)

1. 内燃エンジン（３）のガス交換弁（２）を制御するための装置（１）であって、
   燃焼室から離れている端部にピストン（５）を有する軸方向に移動可能な弁要素（４）を備え、
   上記ピストンが、２つの作動室（６，７）を互いに軸方向に分離し、
   上記燃焼室に近い一方の上記作動室（７）が、上記弁要素（４）に閉じる方向に作用し、
   上記燃焼室から遠い上記作動室（６）が、上記弁要素（４）に開く方向に作用し、
   上記作動室（６，７）の少なくとも一方に油圧油を案内するための高圧ポンプ（８）および制御弁（９）を備え、
   上記高圧ポンプ（８）に接続された油空圧蓄圧器（１０）が設けられ、該油空圧蓄圧器には、上記ピストン（５）およびそれゆえに上記弁要素（４）を駆動するために必要とされる油圧油が加圧下で蓄えられ得るようになっており、
   上記内燃エンジン（３）の回復モードにおいて上記高圧ポンプ（８）を駆動し、よって上記内燃エンジン（３）の回復モードにおいて上記油空圧蓄圧器（１０）を油圧油で満たすエンジン制御ユニット（１１）が設けられている
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１において、
   上記高圧ポンプ（８）が、ベーンポンプまたは回転ピストンポンプとして構成されている
   ことを特徴とする装置。
3. 請求項１または２において、
   上記油空圧蓄圧器（１０）が、膜（１８）により油圧油から分離された貯蔵ガスとして窒素を有している
   ことを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記燃焼室に近い上記作動室（７）が、ガスにより作用され、したがって空気により作動され得る
   ことを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１）を備えた自動車（１３）。
6. 請求項５において、
   上記高圧ポンプ（８）が、上記自動車（１３）のドライブトレイン（１２）に機械的に結合されている
   ことを特徴とする自動車。
7. 請求項６において、
   上記高圧ポンプ（８）が、上記ドライブトレイン（１２）のカップリング（１４）の後ろに設けられている
   ことを特徴とする自動車。
8. 請求項５〜７のいずれか１項において、
   上記油空圧蓄圧器（１０）における圧力検知のための圧力センサ（１５）が設けられ、上記圧力センサは、同時に、上記エンジン制御ユニット（１１）に接続されている
   ことを特徴とする自動車。
9. 請求項５〜８のいずれか１項において、
   上記エンジン制御ユニット（１１）が、回復モードにおいて、上記自動車（１３）の制動動作を制御するように構成されている
   ことを特徴とする自動車。
10. 請求項５〜９のいずれか１項に記載の自動車（１３）を操作する方法であって、
    上記自動車（１３）が回復モード、すなわち制動操作にある限りにおいて、エンジン制御ユニット（１１）が、上記油空圧蓄圧器（１０）を油圧油で満たすために高圧ポンプ（８）を作動させる
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１０において、
    上記エンジン制御ユニット（１１）が、上記油空圧蓄圧器（１０）内の圧力が所定の制限圧力を下回る限りにおいて、回復モードの存在から独立して上記高圧ポンプ（８）を作動させる
    ことを特徴とする方法。