JP2017536506A - 吸気バルブシステムの動作を制御する方法及び吸気バルブ制御システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、内燃ピストンエンジン(40)の各シリンダ(14)に関連して配置された吸気バルブシステム(10)の動作を制御する方法に関する。前記方法は前記エンジンの動作中に、1)エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するステップ(15)と、2)前記ステップ1)で得られた少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御手順(16)を用いて前記吸気バルブシステム(10)の吸気バルブ(20)の開閉タイミングを制御するステップと、3)前記吸気バルブシステム(10)の吸気バルブ(20)が開いている場合に前記吸気バルブ(20)を通じて前記シリンダ(14)に給気を供給するステップ(30)とを含み、前記方法は二次制御手順(18)を用いるステップを含み、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを測定し(15、17)、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記主制御手順(16)から独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブシステム(10)の吸気バルブ(20)の閉鎖タイミングが制御される。本発明は、内燃ピストンエンジン(40)の各シリンダ(14)に関連して配置された吸気バルブシステム(10)にも関する。

Description

本発明は、請求項1のプリアンブルに記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法に関する。
本発明は、独立装置クレームのプリアンブルに記載の吸気バルブ制御システムにも関する。
燃焼機関の使用要求(operational requirements)はますます厳格になってきている。内燃ピストンエンジンの排ガス要求はますます厳しくなってきている。そのような要求に対処するため、エンジンが動作中のときにガスの放出を制御するのに利用可能な様々な技術が存在する。吸気バルブのタイミングはエンジンの性能にとって大きな役割を果たす。とりわけ、吸気バルブのタイミングは、シリンダ内で優勢な(prevailing)温度及び圧力に、それゆえにNox排気ガス等の気体汚染物質の形成に影響を及ぼす。
特許文献1には所謂ミラーサイクルが開示されている。該ミラーサイクルでは、ピストンが吸気工程の下死点に到達する前に吸気バルブが閉じられる。吸気バルブが閉じられた後、シリンダ内の給気又は空気が膨張し、給気の圧力及び温度の低下がもたらされる。
特許文献2には過給機付ディーゼル型ピストンエンジン及びそのようなエンジンを制御するための方法が開示され、窒素酸化物や煤粒子の排出に関する要求を引き続き維持できながら内燃エンジンの熱効率が高められる。
特許文献3には、エンジンの始動を改善するためにカムフェイザーを備える気体燃料エンジンの制御システムが開示されている。この制御システムは、吸気バルブの周期的な閉鎖タイミングを調整するように構成された可変吸気バルブタイミング装置を有し得る。コントローラは第1のミラーサイクルタイミング及び第2のミラーサイクルタイミングを選択的に開始するように構成され得る。
特許文献4には、ピストンエンジン内で該エンジンのカムシャフトとバルブ機構との間に適合されたガス交換バルブ(gas exchange valve)のための制御構成が開示されている。この制御構成は液圧媒体と接続されたチャンバであって、該チャンバ内では、少なくともバルブを開くためにバルブ機構及びカムシャフトに機械力伝達接続(mechanical force transmission connection)されるようピストンが可動に配置されている。
米国特許第2670595号明細書 米国特許第7395668号明細書 国際公開第2014/126737号パンフレット 国際公開第2011/135162号パンフレット
吸気バルブシステムの動作に、とりわけ吸気バルブの閉鎖タイミングの制御に異常が起きた場合、シリンダ内の圧力が大幅に高くなり得る。これは望ましくない結果をもたらす。場合によっては、吸気バルブシステム及びシリンダに関連する部品が破損することもある。
本発明は、先行技術の解決手段に比べて性能が大幅に改善した、吸気バルブシステムの動作を制御する方法及び吸気バルブ制御システムを提供することを目的とする。
本発明の目的は、内燃ピストンエンジンの各シリンダに関連して(in connection with)配置された吸気バルブシステムの動作を制御する方法によって実質的に実現される。当該方法は前記エンジンの動作中に、
1)エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するステップと、
2)前記ステップ1)で得られた少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するステップと、
3)前記吸気バルブシステムの吸気バルブが開いている場合に前記吸気バルブを通じて前記シリンダに給気を供給するステップと、を含む。
本発明は、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御手順を用いるのとは独立して且つ高い優先度で二次制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御することを特徴とする。
吸気バルブの閉鎖タイミングの変化は、例えば吸気バルブタペットと押し棒との間に液圧チャンバを加えることを通じて実現される。吸気バルブの調整可能性は液圧チャンバに対する油の流入及び流出を制御することにより実現される。
これは、性能が大幅に改善した吸気バルブシステムの動作を制御する方法を提供する。これは、エンジンのシリンダにおいて圧力レベルを適切なレベルにするように制御するのにとりわけ有用である。すなわち、シリンダ内で圧力が高くなり過ぎると望ましくない結果がもたらされ得る。二次制御手順は、吸気バルブを閉じることについて主制御手段が遅れるか又は抑制されるといった異常が主制御手順に生じた場合に行われ得る。そして、二次制御手順は主制御手順に取って代わって独立して吸気バルブを閉鎖するため、シリンダ内で圧力が適切なレベルを越えて高くなるのが防止される。即ち、二次制御手順は吸気バルブの閉鎖が遅くなり過ぎるのを防止する。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順では、前記少なくなくとも1つのパラメータは給気圧力である。給気は少なくとも2つの過給機によって加圧され、圧力又は給気は過給機の後の圧力であることが好ましい。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順では、前記少なくなくとも1つのパラメータは給気の温度である。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは互いに独立して取得される。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは異なるパラメータである。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは同じパラメータである。
本発明の一実施形態によれば、給気は2段過給(two supercharging stages)で加圧されて前記エンジンに供給され、5barよりも高い圧力で前記シリンダに供給される。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、少なくとも、点火前の所定の最大圧縮圧力よりも低い圧縮圧力がもたらされるクランク角度で主制御手順を覆して前記吸気バルブを閉じる。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、前記バルブ作動システムに機械的に影響を与えることにより(by mechanically effecting)前記吸気バルブを閉じる。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、前記バルブ作動システムに液圧的に影響を与えることにより(by hydraulically effecting)前記吸気バルブを閉じる。
本発明の一実施形態によれば、吸気は2段過給で5barよりも高い圧力に加圧され、主制御手順は、エンジンの動作中に、第1の、即ち下死点に対する上方(upper)クランク角度値及び第2の、即ち下死点に対する下方(lower)クランク角度値を有する第1の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成されている。加えて、二次制御手順は主制御手順と並行し且つ独立して実施され、二次制御手順は下死点に対して第3のクランク角度で吸気バルブを閉じる。第3のクランク角度は第2のクランク角度値以下である。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順では、下死点に対する第1のクランク角度値と第2のクランク角度値との間の第1の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記二次手順では、下死点に対する第3のクランク角度と第4のクランク角度との間の第2の範囲内で前記吸気バルブが閉じられる。前記第3のクランク角度は前記第1の範囲外にあるとともに上死点よりも下死点に近い。一例として、主制御手順で吸気バルブが閉じられる第1の範囲は下死点前70〜100°であることが有利であり、第3のクランク角度は下死点前55〜70°であることが有利である。
即ち、二次制御手順は、主制御手順がエンジンの定格負荷(nominal load)の間に吸気バルブを閉じるように構成されている範囲よりも下死点に近く且つ該範囲外の角度で独立して吸気バルブを閉じるように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順及び前記二次制御手順は共通の機械アクチュエータを制御するために用いられる。
本発明の別の実施形態によれば、前記主制御手順及び前記二次制御手順は、前記主制御手順及び前記二次制御手順のそれぞれ専用の機械アクチュエータを制御するために用いられる。
本発明の目的は、内燃ピストンエンジンのシリンダに関連して用いられる吸気バルブ制御システムによっても実現される。当該吸気バルブ制御システムは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するように構成された監視ユニットと、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して当該吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された主制御ユニットと、を含む。本発明は、当該吸気バルブ制御システムが、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された二次制御ユニットを含むことを特徴とする。
本発明の一実施形態によれば、前記第二次制御ユニットは、測定された給気の圧力に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記第二次制御ユニットは、測定された給気の温度に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブを閉じるためのコンピュータ実行可能命令を備える。
本発明の一実施形態によれば、主制御ユニットは、第1の、即ち下死点に対する上方クランク角度値及び第2の、即ち下死点に対する下方クランク角度値を有する第1の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成され、二次制御ユニットは下死点に対する第3のクランク角度と第4のクランク角度との間の第2の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成され、第3のクランク角度は第1の範囲外にあるとともに第1の範囲よりも下死点に近い。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは下死点前70〜100°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは下死点前70〜100°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは下死点前55〜70°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記方法は、二次制御手順を用いるステップを含み、エンジン負荷条件に関するパラメータは測定される給気の圧力であり、吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングは、給気の圧力に対応して、主制御手順から独立して且つ高い優先度で制御される。
本発明の一実施形態によれば、二次制御ユニットは各シリンダの吸気バルブに直接接続されるように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは共通の物理的システムに一体化されている。
本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは完全に互いに独立している。実際に、これはエンジンにおいて実際には、エンジンにおいて、機械及び/又は電気及び/又はソフトウェアのコンポーネントの全て又は一部は少なくとも複製であることを意味する。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの開閉タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブを閉じるためのコンピュータ実行可能命令を備える。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている。
本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは共通の機械アクチュエータを制御するように構成されている。
添付の例示の概略図を参照しながら本発明を以下で説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る吸気バルブ制御システムを示す。 図2は、本発明の別の実施形態に係る吸気バルブ制御システムを示す。 図3は、本発明の一実施形態に係る作動システムを示す。 図4は、本発明の別の実施形態に係る作動システムを示す。
図1は、内燃ピストンエンジン40との関連で用いられる吸気バルブ制御システム10を概略的に示す。吸気バルブ制御システム10は、内燃ピストンエンジン40の各シリンダ14に関連してその動作を制御するよう構成されている。エンジン40は、エンジン40の吸気バルブシステム25及び排気バルブシステムを備える。吸気バルブシステム25に関連して、バルブシステムをエンジンの動力部品(power parts)、とりわけピストンと同期的に動かすためにバルブ作動システム20’が存在する。
本発明の一実施形態に係る吸気バルブ制御システム10はエンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するように構成された監視ユニット15を含む。エンジン負荷に関するパラメータは特定の用途に従って選択してもよく、負荷に関するパラメータを求めるためにいくつかの異なるパラメータを同時に用いることも可能である。例えば、過給機付エンジンでは給気の圧力が負荷に関するパラメータとして使用され得る。また、燃料の流量、シリンダピーク圧力、圧縮圧力及び/又は算出したラムダ(calculated lambda)を負荷に関連するパラメータとして用いてもよい。制御システム10には通信システム152が設けられている。監視システム15は通信システム152を通じてパラメータの情報を受信し得る。エンジン負荷条件を検出し、監視ユニット15によって検出及び処理されるべき信号を生成するために、通信システム152を通じて監視ユニット15に接続され且つエンジン40に接続されるように構成された少なくとも1つのセンサ152’が設けられている。エンジンが電力の発電機に接続されている場合、少なくとも1つのセンサ152’は発電機に接続されるように構成され得る。その場合、電力の需要がエンジン負荷条件に関するパラメータとして使用され得る。バルブ制御システム10は主制御ユニット16をさらに含む。監視ユニット15及び制御ユニット16は別個のユニットであってもよいし、それらは互いに一体化されていてもよいし、エンジン又は発電機セットの全体的な制御システムの一部であってもよい。監視ユニット15は通信システム165を通じて主制御ユニット16に接続されるように構成されている。そのため、エンジンの動作中、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータが監視される。主制御ユニット16は吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。とりわけ、主制御ユニット16は、監視されているエンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、吸気バルブシステム25の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。主制御ユニット16は、エンジンの通常動作時に吸気バルブ20の動作を制御する。エンジンが動作中で吸気バルブが開いている場合に吸気バルブを通じてシリンダ14に給気が供給される。本発明の一実施形態によれば、給気は2段過給が適用される過給機31で加圧される。給気圧力は5barよりも高い。
閉鎖タイミング、即ち吸気バルブが閉鎖されるクランク角度は、ピストンによって行われる(とりわけ2段過給を適用する場合)圧縮段階の後でのチャンバ内で優勢なガス圧力に強い影響を有する。主制御ユニット16は吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御する実行可能命令を備える。主制御ユニットは、吸気バルブの動作に所望の効果を提供する実行可能命令を実行するように適合されたコンピュータであり得る。有効量の液圧媒体はカムシャフトのカム面とバルブ軸(図示せず)との間のバルブ昇降連結(valve lifting coupling)の有効長に影響するため、吸気バルブの動作は液圧媒体(hydraulic medium)によって部分的に液圧媒体の影響を受け得る。本発明の一実施形態によれば、エンジン負荷条件に関するパラメータは実際のエンジン負荷である。
具体的には、通信システムは、システム内のエンティティー間、例えば監視ユニット15から主制御ユニット16への情報伝達手段を形成する。主制御ユニット16は、監視ユニット15から主制御ユニット16に送られた信号に対応して吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御又は調整するように構成されている。エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視する間、監視する1つ又はそれ以上のパラメータと設定された1つ又はそれ以上のパラメータとの比較を行って動作中の差異や潜在的な望ましくない状況又は故障をも検出する。吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の制御は、主制御ユニット16から吸気バルブ20に至る通信システム164を通じて主制御ユニット16によって行われる。燃焼空気供給システム30は、各吸気バルブ20が開いている場合に、導管32を通じて圧縮した給気をシリンダ14に供給するように構成されている。図1では、左側の吸気バルブ20が開いており、右側の吸気バルブ20が閉じている。吸気バルブ20の閉鎖タイミングは調整可能であり、例えばエンジンの異なる負荷条件によって燃焼空気供給システム30からシリンダ14への燃焼空気流を通常の場合よりも後に又は先に停止することができる。そのような動作は所謂ミラーサイクルと呼ばれるものである。吸気バルブ20の閉鎖時間又はタイミングを遅くすること又は早くすることは、エンジンの様々な動作パラメータに基づいて予め決定されているか又は予め設定され、主制御ユニット16に保存されるか又は主制御ユニット10に利用可能であることが有利である。
吸気バルブ制御システム10は二次制御ユニット18も含む。二次制御ユニット18は、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御ユニット16から独立して且つ主制御ユニット16よりも高い優先度で吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。そのため、吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、二次制御手順18を用いて主制御手順16から独立して且つ主制御手順16よりも高い優先度で制御される。実際的な状況では、これは、バルブが下死点BDC前で閉じた場合の膨張及びBDC後の圧縮を考慮に入れた所望のレベルに最終圧縮圧力がなるクランク角で吸気バルブが遅くとも閉じられるのを二次制御ユニットが主制御ユニット16の動作から独立して確かなものにすることを意味する。とりわけ、エンジンが2段過給機31を備える場合、本発明を用いることで、主制御ユニット16又はより一般的には主制御システムの誤作動によってエンジンが破損しないようにすることができる。2段過給機を用いて給気する場合に吸気バルブの閉鎖段階が遅すぎると、圧縮圧力が過度に高いレベルに上昇し得る。
通信システム185は監視ユニット15から二次制御ユニット18への情報伝達を描く。監視ユニット15から二次制御ユニット18に送信された信号に対応して、二次制御ユニットは吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを調整する。
なお、監視は計測及び/又は測定値に基づく測定とも呼ぶことができるため、本発明の文脈では1つ又はそれ以上の監視ユニットは1つ又はそれ以上の計測ユニット及び/又は測定ユニットとしても理解すべきである。
第2の制御ユニットでは、エンジン負荷状態に関する少なくとも1つのパラメータを監視する間に、監視する1つ又はそれ以上のパラメータと設定した1つ又はそれ以上のパラメータとの比較が第1の制御ユニットから独立して行われる。監視する1つ又はそれ以上の値と設定した1つ又はそれ以上の値との間に差があり、係る差が許容可能な所定の範囲外にある場合、第1の制御ユニット16よりも二次制御ユニット18が優先されて吸気バルブ20の制御を第1の制御ユニット16に取って変わって行い第1の制御ユニットの制御を動作的に無視できるようにする。有利な実施形態によれば、第2の制御ユニット18は、エンジンを望ましい形で動作させるために吸気バルブ20の閉鎖位置を調整する。このように、理由が何であれ主制御ユニット16の動作が望ましくない場合でも、圧縮段階後にシリンダ内で適切な圧力レベルが二次制御ユニット18の制御の下で得られる。とりわけ、主制御ユニット16に異常が起きている場合又はエンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対して吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御することについて主制御ユニット20が禁止されているか又は動作に遅れが生じている場合に、二次制御ユニット18は、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して吸気バルブ20の閉鎖タイミングを調整するため、圧縮段階の後にシリンダ14内に適切な圧力レベルが提供される。すなわち、異常がある場合に二次制御ユニット18は主制御ユニット16に取って代わって吸気バルブ20の閉鎖タイミングを制御する。そのため、二次ユニットを用いることで、主制御手順から独立し且つ主制御手順よりも高い優先度で吸気バルブの閉鎖タイミングが制御される。したがって、異常の場合又は非常事態の場合、二次制御ユニット18は安全制御ユニットの役割を果たす。
特定の実施形態として、パラメータは給気の圧力であり、二次制御ユニット18には給気圧力の値と吸気バルブの好適な閉鎖タイミングの値との間の相関関係の情報が提供される。相関関係は独特な対又は値の表又は関数であり得る。ここで、本発明によれば、主制御ユニット16の通常動作に加えて、二次制御ユニット18が主制御ユニット16から独立して動作される。そして、二次制御ユニットが作動すべき場合、即ち給気の圧力が所定の水準を上回る場合、二次制御ユニット18が主制御ユニット16に取って代わって吸気バルブ20を閉鎖する。二次制御ユニットは主制御ユニット16から独立して作動される。二次ユニットは吸気バルブの機能窓(operating window)を積極的に制限すると言える。
そのため、二次制御ユニット18により、圧縮段階後に燃焼チャンバ内の圧力が所定の圧力レベルを越えて過度に高く上昇することがないようにできる。所定の圧力レベルは予め決定できるため、エンジンでの望ましくない影響又は破損の発生を防止できる。本発明の一実施形態によれば、吸気バルブ20は通信システム164及び184を通じてシリンダの面で(cylinder-wise)制御可能である。吸気バルブ20は調整可能な閉鎖タイミング動作を有する作動システムを備える既知の任意の種類の吸気バルブでよい。
なお、主制御ユニット及び二次制御ユニットの目標制御値(target control values)は、エンジン40が動作中の通常動作にあっては二次制御ユニット18が吸気バルブ20の閉鎖タイミングに影響を与えないように設定される。そのため、吸気バルブの閉鎖は主制御ユニット16によってのみ制御される。しかしながら、二次制御ユニット18はバックグラウンドで動作しており、二次制御ユニットを作動させるような形でエンジンを動作する場合は主制御ユニット16に取って変わる準備ができている。
本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは完全に互いに独立している。実際には、エンジンにおいて、機械及び/又は電気及び/又はソフトウェアのコンポーネントの全て又は一部は少なくとも複製であることを意味する。
図2は、吸気バルブ制御システム10の一実施形態を示す。図1と同様に、通信システム152を通じてエンジン負荷等のエンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するために監視ユニット15が配置されている。通信システム152はエンジン負荷条件を決定するための情報を検出するためにセンサ152’を備えることができる。監視ユニット15は、燃焼空気供給システム30で優勢な給気圧力を監視するために、通信システム153を通じて圧力センサ153’にも接続されるように構成されている。図2の実施形態では、監視ユニット15は、圧力センサに接続されていることに加えて、通信システム153を通じて給気温度センサにも接続されていてよい。通信システム153は圧力センサ153’及び温度センサ153’’を備えることができる。吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングは、給気圧力、給気温度、エンジン負荷又はエンジン速度等のエンジン負荷に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御ユニット16によって制御される。さらに、本発明の一実施形態によれば、制御システムは、監視システム15が圧力又は温度等のシリンダ内で優勢な条件も監視できるよう構成されるように、監視システム15からシリンダ14に至る通信システム154を含む。通信システム154は、シリンダ内で優勢な条件を検出するために圧力センサ及び/又は温度センサ等のセンサ154’を備えることができる。
本発明の一実施形態によれば、制御システムは、エンジンの負荷に関するパラメータを監視するように構成された第2の監視ユニット17を備える。そのようなパラメータは1つ以上の値に基づいて求められるか又は測定され得る。そのようなパラメータは、給気圧力、シリンダピーク圧力、トルク、圧縮圧力及び/又は算出したラムダ等を用いて負荷に関するパラメータを求めてもよい。第2の監視ユニット17は通信システム173を通じて好適なプローブに接続されている。図3では、第2の監視ユニット17が燃焼空気供給システム30で優勢な給気圧力を監視するために接続されていることを示す。ここで、一例として、通信システム173は燃焼空気供給システム30で優勢な圧力を検出できるように圧力センサ173’を備える。二次監視システムは二次制御ユニット18専用の監視システムとして配置されており、二次制御システム18は導管187を通じて第2の監視ユニット17から情報を受信するように構成されている。そのため、パラメータに対応して、二次制御ユニット18は、吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを主制御ユニット16及び監視システム15から独立して制御する。監視ユニット15及び第2の監視ユニット17を別個のユニットとして図示しているが、それらを1つの監視ユニットに統合することもできる。図2ではとりわけ、二次ユニット18が吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングを主制御手順から独立して且つ高い優先度で制御することができることを示す。
本発明の有利な実施形態によれば、第2の監視ユニット17は、燃焼空気供給システム30で優勢な給気圧力を監視するように構成されている。そのため、エンジン負荷条件に関するパラメータは測定される給気圧力であり、吸気バルブシステム10の吸気バルブ20の閉鎖タイミングは、給気圧力に対応して主制御システムから独立して且つ高い優先度で制御される。
なお、主制御ユニット16、二次制御ユニット18及び監視ユニット15は1つの物理的システムに配置することができる。
図3に作動システム20’の一実施形態を示す。図示の作動システム20’は、作動システム20’に接続されたバルブ20がカムプロファイル5によって部分的に開かれる状態にある。作動システム20’は、一般にエンジン本体に取り付けられる本体部51を含む。本体部51はチャンバ52を備える。チャンバ52内では、ピストン装置53がその長手軸の方向に移動可能に第1の側に配置されている。チャンバ52の中間部分には分離壁54が設けられ、分離壁54はチャンバの中間軸(middle axis)に配置された円筒状の開口55を備える。ピストン装置53は、チャンバ52の直径に対応する直径を有する第1の部分53.1と、分離壁の開口55の直径に対応しチャンバ52の直径よりも小さい直径を有する第2の部分53.2とを含む。ピストン装置の第2の部分53.2は本体部51内で延在し、開口55を通って分離壁の他方側に位置するチャンバ52に入る。ピストン装置の長手軸の方向における分離壁の厚さは、ピストン装置の第2の部分53.2のためのガイド要素として機能するような寸法を有する。
チャンバ52を分割する分離壁54はピストン装置の第1の部分53.1と共にチャンバ52の第1の側で第1のチャンバ空間59を形成する。第1のチャンバ空間59の容量は、ピストン装置53が吸気バルブ20の開放方向に、即ちカムシャフト4から離れる方に移動するにつれて大きくなる。分離壁54はチャンバ52の第2の側で第2のチャンバ空間60を形成する。チャンバ52の分離壁54の他方側にはガイド部56及びバネ57が配置されている。加えて、ガイド部56はローラー58を備え、ローラー58はカムシャフト4が回転する間カムプロファイル5と共に移動する。バネ57は、ガイド部56をカムシャフト4の方に押圧してローラー58とカムシャフト4のカムプロファイル5との接触を維持させるためにガイド部56と分離壁54との間に適合されている。チャンバ52の第1の側の分離壁54の近傍には、供給導管58.1及び放出導管58.2を含む液圧媒体のための接続が配置されている。双方の導管はチャンバ空間59に開口している。供給導管58.1は液圧媒体源7に接続されている。エンジンにおいて、液圧媒体源7は通常の圧送式潤滑システム(forced lubrication system)であり得る。供給導管58.1は遮断バルブ11及び一方向バルブ9を備える。供給導管58.1は、作動システム20’の使用目的が吸気バルブ20の遅延閉鎖のためかどうかに応じて遮断バルブ11を通じてチャンバ空間59に接続され得るか又は切り離され得る。液圧媒体59を空間59に加えて該空間から媒体を放出するタイミングを制御することで、吸気バルブ20の遅延閉鎖タイミングを制御することが可能となる。一方向バルブ9のおかげで、制御アレンジメントによって液圧媒体源内で脈動が生じることはない。これは、液圧媒体として潤滑油を用いる場合に特に重要である。放出導管58.2は液圧媒体のための返却システム(return system)8に接続されている。最も簡略な形では、返却システム8はエンジンの内部空間に開口し、それにより液圧媒体として用いられる潤滑由をエンジンの油だめに流れるようにさせるよう構成されている。放出導管58.2は、チャンバ空間59内の圧力を解放する厳密な時間を調整可能に決定するために電子制御主バルブ手段61を備える。電子制御主バルブ手段61はガス交換バルブ20の閉鎖を調整するように構成された主制御ユニット16からの制御信号164に対応して各場合のエンジンの動作条件に従う。第2のバルブ手段61’も配置されている。第2のバルブ手段61’は主バルブ手段61と並行して配置されるとともに、二次制御ユニット18の制御下でのみ動作するように構成されている。第2のバルブ手段61’は二次制御ユニット18からの制御信号184に反応するように構成されている。そのため、主制御ユニット及び二次制御ユニットは、本実施形態ではバルブ手段である各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている。このように、通常条件で動作する電子制御主バルブ61が故障しても、チャンバ空間59内の圧力が解放され得る。主バルブ手段61及び二次バルブ手段61’の双方は高速作動バルブ(fast acting valves)である。これは圧力の解放は吸気バルブを閉鎖するのに望ましい速度で行うべきだからである。図3には図示してないが、主制御ユニット16及び二次制御ユニット18は共通の機械アクチュエータ(本実施形態では1つのバルブ手段を意味する)を制御するように構成され得る。そのため、そのような実施形態では、主制御ユニット16及び二次制御ユニット18の双方は通信システム164及び184を通じて1つのバルブ手段61に接続されており、その場合には第2のバルブ手段61’は省略され得る。
図4に機械的なバルブ閉鎖システムを含む作動システム20’のさらなる実施形態を示す。図示の作動システムは、作動システムに接続されたバルブ20が液圧媒体によって部分的に開かれる状態にある。作動システム20’は本体部51を含む。本体部51はチャンバ52を備える。チャンバ52内では、ピストン装置53がその長手軸の方向に移動可能に配置されている。チャンバ52の中間部分には分離壁54が設けられ、分離壁54はチャンバの中間軸に配置された円筒状の開口55を備える。ピストン装置53は、チャンバ52の直径に対応する直径を有する第1の部分53.1と、分離壁の開口55の直径に対応しチャンバ52の直径よりも小さい直径を有する第2の部分53.2とを含む。ピストン装置の第2の部分53.2は本体部51内で延在し、開口55を通って分離壁の他方側に位置するチャンバ52に入る。ピストン装置の長手軸の方向における分離壁の厚さは、ピストン装置の第2の部分53.2のためのガイド要素として機能するような寸法を有する。
チャンバ52を分割する分離壁54はピストン装置の第1の部分53.1と共にチャンバ52の第1の側で第1のチャンバ空間59を形成する。第1のチャンバ空間59の容量は、ピストン装置53が吸気バルブ20の開放方向に、即ちカムシャフト4から離れる方に移動するにつれて大きくなる。分離壁54はチャンバ52の第2の側で第2のチャンバ空間60を形成する。チャンバ52の分離壁54の他方側にはガイド部56及びバネ57が配置されている。ガイド部56はローラー58を備え、ローラー58はカムシャフト4が回転する間カムプロファイル5と共に移動する。バネ57は、ガイド部56をカムシャフト4の方に押圧してローラー58とカムシャフト4のカムプロファイル5との接触を維持させるためにガイド部56と分離壁54との間に適合されている。チャンバ52の第1の側の分離壁54の近傍には、供給導管58.1及び放出導管58.2を含む液圧媒体のための接続が配置されている。双方の導管はチャンバ空間59に開口している。供給導管58.1は液圧媒体源7に接続されている。エンジンにおいて、液圧媒体源7は通常の圧送式潤滑システムであり得る。供給導管58.1は遮断バルブ11及び一方向バルブ9を備える。供給導管58.1は、作動システム20’の使用目的が吸気バルブ20の遅延閉鎖のためかどうかに応じて遮断バルブ11を通じてチャンバ空間59に接続され得るか又は切り離され得る。液圧媒体を空間59に加えて該空間から媒体を放出するタイミングを制御することで、吸気バルブ20の遅延閉鎖タイミングを制御することが可能となる。一方向バルブ9のおかげで、作動システム20’によって液圧媒体源内で脈動が生じることはない。これは、液圧媒体として潤滑油を用いる場合に特に重要である。放出導管58.2は液圧媒体のための返却システム8に接続されている。最も簡略な形では、返却システム8はエンジンの内部空間に開口し、それにより液圧媒体として用いられる潤滑由をエンジンの油だめに流れるようにさせるよう構成されている。放出導管58.2は、チャンバ空間59内の圧力を解放する厳密な時間を調整可能に決定するために電子制御バルブ手段61を備える。電子制御バルブ手段61はガス交換バルブ20の閉鎖を調整するように構成された主制御ユニット16からの制御信号164に対応して各場合のエンジンの動作条件に従う。図4の実施形態では、作動システム20’は、吸気バルブの閉鎖を電子制御バルブ手段61の動作から独立して保証するための機械アレンジメント62を含む。
作動システム20’は第1の圧力解放導管68を備える。第1の圧力解放導管68は放出導管58.2から第2のチャンバ空間60に延びている。第1の圧力解放導管68は制御バルブ72を備える。制御バルブ72は二次制御ユニット18の命令下で操作可能に構成されている。第1の圧力解放導管は、ガイド部56の動作領域で空間60に開口するように配置された端部70を有する。ガイド部56は、ガイド部56の位置によって空間60への導管64の閉鎖が制御されるように第2の圧力解放導管64の端部の位置に制御端部(control end)を有する。
本体部51は、放出導管58.2から第2のチャンバ空間60に延びる第2の圧力解放導管64を備える。即ち、第2の圧力解放導管64は第1の圧力解放導管68と平行である。そのため、第2の圧力解放導管64は常に開いているが、ガイド部56の動作領域で空間60に開口するように配置された端部66を有する。ガイド部56は、ガイド部56の位置によって空間60への導管64の閉鎖が制御されるように第2の圧力解放導管64の端部66の位置に制御端部を有する。第1の圧力解放導管68の端部70は、第2の圧力解放導管64の端部66よりも分離壁54の近くに配置されている。このように、ガイド部56が分離壁54の方に移動している場合は、第1の圧力解放導管68の端部70は第2の圧力解放導管64の端部66よりも前に開かれる。
第1の圧力解放導管68の制御バルブ72は、通常の動作状態の間に吸気バルブを制御する主制御手順から独立して二次制御ユニット18によって制御される。カムプロファイル5はその円形のベース線5’の下にサブレベル部(sublevel portion)を含む。サブレベル部により、ガイド部56はエンジンの所定のクランク角度範囲で圧力解放導管の端部70、66を通り過ぎた位置(図内の下側)に動かされる。このように、圧力解放導管及びガイド部56の構成は機械バルブ閉鎖システムを構成する。
第1の圧力解放導管68の動作に関して、カムプロフィールは第1のサブレベル部5.1を含む。第1のサブレベル部5.1はローラー58と接触すると、ガイド部56が第1の圧力解放導管68の端部70を通り過ぎて移動できるようにする。そのため、制御バルブ72の状態に応じて、第1のチャンバ空間59内の媒体圧が解放されるか又は維持される。この実施形態では、負荷に関するパラメータが例えば予め設定した範囲内にある場合には、第2の制御ユニット18によって制御バブル72が開かれ、常に開いているように維持される。制御バルブ72が開いている場合、端部70を通り過ぎたガイド部56の動きによって第1のチャンバ空間59と第2のチャンバ空間60との間の流通が開放されて、第1のチャンバ空間59から圧力が解放される。そのため、放出導管58.2において、例えば主バルブ手段64の動きから独立して所定のクランク角度で吸気バルブの強制閉鎖が起こる。
このように、動作は二次制御ユニット18によって制御される二次制御手順を含む。吸気バルブシステム10の吸気バルブ20は、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御ユニット16によって制御される主制御手順とは独立して且つ高い優先度で二次制御手順によって制御されて閉鎖される。
一例として、過給圧力が5barよりも高い特定の定格負荷(nominal certain load)で2段過給機を備えるエンジンが動作している場合、吸気バルブは、各ピストンの下死点前、例えば下死点前75°で、即ち上死点後105°で早期に閉じるよう制御される。主制御手順に関する第1の範囲のための好適な範囲は、下死点前7〜100°である。そのため、主制御手順は吸気バルブの適切な閉鎖タイミングを行う。エンジンを保護するために、主制御手順と並行して二次制御手順が適用される。二次制御手順によれば、二次制御ユニット18はエンジンが定格負荷で動作している間はバルブ72が常に開かれるように制御する。これは、ピストンの各周期の間、主制御ユニット又は手順が何らかの形で故障しても第1のチャンバ空間59と第2のチャンバ空間60との間の流通が保証され、端部70を通り過ぎてガイド部56が動くことでどのような場合でも吸気バルブがクランク角度で閉鎖されて圧縮圧力を過度に高いレベルに上昇させない。クランク角は例えば下死点前55°であり得る。
カムプロファイル5は第2のサブレベル部5.2を含む。第2のサブレベル部5.2はローラー58と接触するとガイド部56が第1の圧力解放導管68の端部70を通り過ぎて移動できるようにする。そのため、第1のチャンバ空間59内の媒体圧力が第2のチャンバ空間60に解放され、第2のチャンバ空間60からは媒体が実質的に自由に放出され得る。第2のサブレベル部5.2は圧力除去導管64と共に、主制御手順の外乱に関係なく吸気バルブが機械的に且つ最終的に閉じられることを保証する。
ここでは第1の圧力解放導管68は本体部51内に配置されているが、第1の圧力解放導管68は少なくとも部分的に本体部の外にあってもよい。例えば、バルブ72は本体部の外に配置され得る。
現段階で最も好ましいと考えられる実施形態との関連で本発明を例示的に説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されず、その特徴の様々な組み合わせ又は変更及び添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲に含まれるいくつかの他の用途を含むことを意図していると理解すべきである。上述した実施形態との関連で言及した詳細は、別の実施形態との組み合わせが技術的に可能である場合にはそれら別の実施形態との関連でも使用され得る。
本発明の目的は、独立項で及び本発明の様々な実施形態をより詳細を記載する他の請求項で開示されているようにすることで実質的に実現できる。
燃ピストンエンジンの各シリンダに関連して(in connection with)配置された吸気バルブシステムの動作を制御する方法によれば、当該方法は前記エンジンの動作中に、
1)エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するステップと、
2)前記ステップ1)で得られた少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するステップと、
3)前記吸気バルブシステムの吸気バルブが開いている場合に前記吸気バルブを通じて前記シリンダに給気を供給するステップと、を含む。
ンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御手順を用いるのとは独立して且つ高い優先度で二次制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御す
燃ピストンエンジンのシリンダに関連して用いられる吸気バルブ制御システムは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するように構成された監視ユニットと、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して当該吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された主制御ユニットと、を含む。該吸気バルブ制御システム、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された二次制御ユニットを含

Claims (22)

  1. 内燃ピストンエンジンの各シリンダに関連して配置された吸気バルブシステムの動作を制御する方法であって、当該方法は前記エンジンの動作中に、
    1)エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するステップと、
    2)前記ステップ1)で得られた少なくとも1つのパラメータに対応して、主制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するステップと、
    3)前記吸気バルブシステムの吸気バルブが開いている場合に前記吸気バルブを通じて前記シリンダに給気を供給するステップと、
    を含み、
    エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御手順を用いるのとは独立して且つ高い優先度で二次制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングが制御される、吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  2. 前記二次制御手順では、前記少なくなくとも1つのパラメータは給気圧力である、吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  3. 前記主制御手順では、下死点に対する第1のクランク角度値と下死点に対する第2のクランク角度値との間の第1の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記二次手順では、下死点に対する第3のクランク角度と第4のクランク角度との間の第2の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記第3のクランク角度は前記第1の範囲外にあるとともに前記第1の範囲よりも下死点に近い、請求項1又は2に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  4. 前記第1の範囲は有利には下死点前70〜100°である、請求項3に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  5. 前記第1の範囲は有利には下死点前70〜100°であり、前記第2の範囲は有利には下死点前55〜70°である、請求項3に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  6. 前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは互いに独立して取得される、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  7. 前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは異なるパラメータである、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  8. 前記主制御手順のための少なくとも1つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも1つのパラメータは同じパラメータである、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  9. 給気は2段過給で加圧されて前記エンジンに供給される、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  10. 給気は5barよりも高い圧力で前記シリンダに供給される、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  11. 前記二次制御手順は、少なくとも、点火前の所定の最大圧縮圧力よりも低い圧縮圧力がもたらされるクランク角度で前記吸気バルブを閉じる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  12. 前記主制御手順及び前記二次制御手順は共通の機械アクチュエータを制御するために用いられる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  13. 前記主制御手順及び前記二次制御手順は、前記主制御手順及び前記二次制御手順のそれぞれ専用の機械アクチュエータを制御するために用いられる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
  14. 内燃ピストンエンジンのシリンダに関連して用いられる吸気バルブ制御システムであって、当該吸気バルブ制御システムは、
    エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータを監視するように構成された監視ユニットと、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して当該吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された主制御ユニットと、を含み、当該吸気バルブ制御システムは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された二次制御ユニットを含む、吸気バルブ制御システム。
  15. 前記第二次制御ユニットは、測定された給気の圧力及び/又は温度に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている、請求項14に記載の吸気バルブ制御システム。
  16. 前記主制御ユニットは、下死点に対する第1のクランク角度値及び第2のクランク角度値を有する第1の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは、下死点に対する第3のクランク角度と第4のクランク角度との間の第2の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記第3のクランク角度は前記第1の範囲外にあるとともに前記第1の範囲よりも下死点に近い、請求項14又は15に記載の吸気バルブ制御システム。
  17. 前記主制御ユニットは下死点前70〜100°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている、請求項16に記載の吸気バルブ制御システム。
  18. 前記主制御ユニットは下死点前70〜100°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは下死点前55〜70°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている、請求項16に記載の吸気バルブ制御システム。
  19. 前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている、請求項14又は15に記載の吸気バルブ制御システム。
  20. 前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも1つのパラメータに対応して前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブを閉鎖するためのコンピュータ実行可能命令を備える、請求項14又は15に記載の吸気バルブ制御システム。
  21. 前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている、請求項14又は15に記載の吸気バルブ制御システム。
  22. 前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは共通の機械アクチュエータを制御するように構成されている、請求項14又は15に記載の吸気バルブ制御システム。
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