JP2018197547A - 希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間での燃焼エンジンの切替え方法 - Google Patents

Abstract

【課題】希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間での燃焼エンジンの切替え方法を提供する。【解決手段】本発明は、希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間で内燃機関を切り替えるための方法であって、第１のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御するステップであって、第２のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を増加させるステップ（Ｓ１０１）と、第２のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御するステップであって、第１のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を減少させるステップ（Ｓ１０２）とを含む方法に関する。【選択図】図５

Description

本発明は、希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間で内燃機関を切り替えるための方法、および対応する内燃機関に関する。

オットー機関の希薄運転は、効率を高めるための効果的な手段である。特に、中程度の中間レベルの部分負荷の領域では、ブースト圧を提供するための既存の能力を利用して、効率的な希薄運転を実現することができる。これは、低燃費で、最大エンジン効率の増加と特性図領域の拡大とをもたらす。希薄運転は、窒素酸化物発生（ＮＯｘ発生）を最小限にするために許容可能な燃焼安定性の限界付近でできるだけ高い空燃比を必要とし、したがって、切替え中、低および中程度の希薄燃焼の値範囲（１．０＜λ＜１．６）は回避される。

できるだけ高い効率と低いＮＯｘ排出量を実現するためには、均質な混合気を用いた超希薄燃焼が有効である。過渡エンジン運転時、運転モード間で、できるだけ迅速なトルク中立の切替えの達成が目指され得る。切替えプロセスでは、ブースト圧とエンジントルクまたは空気消費との間の切離しが行われる。

（特許文献１）は、実質的に化学量論的な空気／燃料混合気を用いた運転モード、および希薄な空気／燃料混合気を用いた運転モードで、内燃機関の吸入空気量を制御するための方法に関する。

（特許文献２）は、特性図に応じてディーゼルエンジンの運転を制御し、ディーゼルエンジンの２つの運転モード間の変更を可能にする、排ガスターボチャージャによって過給されるディーゼルエンジン用のエンジン制御システムに関する。

独国特許第１９７２８７９８Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第１９９５１０９６Ａ１号明細書

本発明の課題は、希薄運転と化学量論的運転との間のトルク中立の切替えを可能にすることである。

この課題は、独立請求項による主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項、明細書、および図面の主題である。

第１の態様によれば、上記の課題は、希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間で内燃機関を切り替えるための方法であって、第１のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御するステップであって、第２のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を増加させるステップと、第２のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御するステップであって、第１のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を減少させるステップとを含む方法によって解決される。それにより、例えば、希薄運転と化学量論運転との間で内燃機関を容易に切り替えることができるという技術的利点が達成される。

この方法の技術的に有利な実施形態では、第１のカムは、第２のカムよりも大きい吸気バルブのバルブリフト量をもたらす。それにより、例えば、流入される空気量を簡単に増加させることができ、空燃比がシフトするという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、第１のカムは、第２のカムよりも長い吸気バルブのバルブ開口をもたらす。それにより、例えば、同様に、流入される空気量を簡単に増加させることができ、空燃比がシフトするという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、第１のカムによって空燃比が増加される間に、さらにブースト圧が増加される。それにより、例えば、空気量を再び増加させることができるという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、第２のカムによって空燃比が減少される間に、さらにブースト圧が低下される。それにより、例えば、空燃比が急速に減少されるという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、ターボチャージャで新鮮空気バイパスを接続することによってブースト圧の低下が達成される。新鮮空気バイパスの開放は、吸気システム内、したがってまた圧縮機を通る流れの循環をもたらす。それにより、例えば、燃焼室内の質量流量が減少されるという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、ブースト圧の低下は、タービンを迂回するように排ガスの部分流を流すターボチャージャでのバイパスを開放することによって行われる。それにより、例えば、ブースト圧を効率的に低下させることができるという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、第２のカムによって空燃比が減少される間に、充填量減少のためのカムシャフトの遅延が実施される。それにより、例えば、空燃比をさらに効率的に制御することができるという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる技術的に有利な実施形態では、噴射される燃料の量が一定に保たれる。それにより、例えば、空燃比をシフトさせるための制御を容易にするという技術的利点が達成される。

この方法のさらなる有利な実施形態では、制御するステップは、ラムダプローブによって提供される信号に基づいて実施される。それにより、例えば、現在の空燃比を迅速に決定することができるという技術的利点が達成される。

第２の態様によれば、上記の課題は、第１のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御し、第２のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を増加させるため、および第２のカムプロファイルを有するカムによって吸気バルブを用いて燃焼室への空気流入を制御し、第１のカムプロファイルを有するカムに比べて空燃比を減少させるための制御装置を備える内燃機関によって解決される。この内燃機関によって、第１の態様による方法と同じ技術的利点が達成される。

この内燃機関の技術的に有利な実施形態では、内燃機関は、制御装置に信号を提供するためのラムダプローブを含む。それにより、例えば、同様に、現在の空燃比を迅速に決定することができるという技術的利点が達成される。

この内燃機関のさらなる技術的に有利な実施形態では、制御装置は、第１のカムによって空燃比が増加される間に、ブースト圧を増加させるように構成されている。それにより、例えば、空燃比をさらに迅速に変更することができるという技術的利点が達成される。

この内燃機関のさらなる技術的に有利な実施形態では、制御装置は、第２のカムによって空燃比が減少される間に、ブースト圧を低下させるように構成される。それにより、例えば、同様に、空燃比を迅速に変えることができるという技術的利点が達成される。

この内燃機関のさらなる技術的に有利な実施形態では、第２のカムは、吸気バルブの開放をもたらさないゼロカムである。それにより、空燃比を効率的にシフトすることができるという技術的利点が達成される。

この内燃機関の技術的に有利な実施形態では、制御装置は、圧縮機を迂回するように空気の部分流を流すための新鮮空気バイパスの接続によって、またはタービンを迂回するように排ガスの部分流を流すターボチャージャでのバイパスの開放によってブースト圧をもたらすように構成されている。それにより、例えば、ブースト圧を簡単に変えることができるという技術的利点が達成される。

本発明の例示的実施形態が図面に示されており、以下でより詳細に説明する。

エンジン回転数および平均圧力に応じた様々な空燃比のグラフである。 空燃比を切り替えるための様々なカムを有するカムシャフトを示す図である。 空燃比を切り替えるための様々なカムを有するカムシャフトを示す図である。 クランク角に応じたバルブリフト量のグラフである。 クランク角に応じたバルブリフト量のグラフである。 内燃機関の概略図である。 ２つの運転モードを切り替えるための方法のブロック図である。

図１に、エンジン回転数ｒｐｍと正味平均有効圧ＢＭＥＰ（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に応じた様々な空燃比λの領域を含むグラフを示す。

空燃比λは、燃焼プロセスにおける空気と燃料の質量比を示す無次元の指標である。正味平均有効圧ＢＭＥＰは、往復動エンジンの固有トルクに関する尺度である。領域１１９−１は、空燃比λ＝１を有する領域である。領域１１９−２は、均質な空燃比λ＞１を有する領域である。領域１１９−３は、成層空燃比λ＞１または空燃比λ＝１を有する領域である。空燃比λは、例えば、排ガス中の残留酸素含有量を現在の大気中の酸素含有量と比較するラムダプローブ（λプローブ）によって決定される。

数値λから、燃焼過程、温度、汚染物質発生、および効率を導き出すことができる。空燃比λ＝１は、化学量論的空燃比と呼ばれ、酸素の不足または未燃の燃料の残存なく、全ての燃料分子が空気中の酸素と完全に反応する（完全燃焼）。化学量論に鑑みて、理論的には完全燃焼が可能である。しかし実際には、熱力学的平衡により、完全燃焼は達成できない。

空燃比λが１よりも大きい場合、空気の余剰があり、全ての酸素分子が燃料と反応するわけではない。この場合、燃料混合気は、希薄混合気と呼ばれる。

空燃比λ＞１を有する希薄運転から空燃比λ＝１を有する化学量論的運転への切替えは、高い部分負荷で、対応する充填量減少を伴って、大きいカムプロファイルから小さいカムプロファイルに切り替えることによって生じる。

小さいカムプロファイルが使用されるとき、より大きいカムプロファイルに比べ、燃焼室に流れる空気量がより小さく、空燃比はλ＝１の方向にシフトする。それに対し、より大きいカムプロファイルが使用される場合、より小さいカムプロファイルに比べ、燃焼室に流れる空気量がより大きく、空燃比はλ＞１の方向にシフトする。それにより、２段式の流入カム切替えで、可変の空燃比λを実現することができる。

例えば油圧式位相調整器による圧縮比の同時の減少とカムシャフトの遅延は、エンジンの所要空気量を増加させることがある。

図２Ａおよび２Ｂに、空燃比λを変えるためのカムシャフト１０９を例として示す。カムシャフト１０９は、ロッカーアーム１１１によって２つの吸気バルブ１０３を動作させる異なるカム１０５−１および１０５−２を含む。ロッカーアーム１１１は、カム１０５−１および１０５−２の曲線運動をカムシャフト１０９から吸気バルブ１０３に伝達するためのアームである。ロッカーアームベアリング１１９は、オイルによってスイングレバー１１３を油圧式にシフトさせる働きをするオイルチャネル１１５を有する。スイングレバー１１３の位置により、吸気バルブ１０３を動作させるために異なるカム１０５−１、１０５−２を選択することができる。

図２Ａで、スイングレバー１１３はロック解除されている。それにより、カムプロファイル１０７−２の曲線運動が吸気バルブ１０３に伝達される。カム１０５−２のカムプロファイル１０７−２は、カムシャフト１０９の中心までの径方向距離がより小さい。それにより、吸気バルブ１０３が生み出すバルブリフト量はより小さく、吸気バルブ１０３を通って燃焼室に流れる空気量はより少ない。

図２Ｂでは、スイングレバー１１３がロックされている。それにより、カムプロファイル１０７−１の曲線運動が吸気バルブ１０３に伝達される。カム１０５−１のカムプロファイル１０７−１は、カムシャフト１０９の中心までの径方向距離がより大きい。それにより、吸気バルブ１０３が生み出すバルブリフト量はより大きく、吸気バルブ１０３を通って燃焼室に流れる空気量はより大きい。

図３Ａに、カム１０５−２を使用する際の、クランク角φに応じた吸気バルブ１０３および排気バルブ１１７のバルブリフト量Ｈのグラフを示す。吸気バルブ１０３のバルブリフト量がより小さいため、燃焼室に流れる空気はより少ない。

図３Ｂに、カム１０５−１を使用する際の、クランク角φに応じた吸気バルブ１０３および排気バルブ１１７のバルブリフト量Ｈのグラフを示す。吸気バルブ１０３のバルブリフト量がより大きいため、燃焼室に流れる空気はより多い。

より大きいまたはより小さい空気量を異なるカム１０５−１、１０５−２によって燃焼室に意図的に供給することにより、例えばラムダプローブの信号を評価する電子エンジン制御部によって空燃比λを適宜変更することができる。

低い部分負荷での化学量論的運転または成層希薄運転での運転から均質な希薄燃焼への切替えは、小さいバルブリフトでの負荷点で始まる。より大きいカムプロファイルによる大きいバルブリフト量への切替えは、シリンダ充填量を増加させ、したがって燃料混合気の希薄燃焼を可能にする。

同様に、ブースト圧を上げるための手段を導入することもできる。タービンを迂回するように排ガスの部分流を流すターボチャージャでのバイパス（ウェイストゲート）の開放によって、並行して行われるブースト圧の低下が導入される。それにより、タービンを通る排ガス流が減少し、排気背圧が低下する。ブースト圧の低下は、可変タービンジオメトリ過給機（ＶＴＧ過給機）内の調節可能なガイドベーン（ＶＴＧ位置）の対応する位置によって導入される。

さらに、高い部分負荷での希薄運転から化学量論的運転への切替えは、ターボチャージャを迂回するように新鮮空気を流す新鮮空気バイパスの開放によってもたらすことができ（新鮮空気バイパス）、循環する新鮮空気の割合により、シリンダ充填量が減少する。

化学量論的運転または成層希薄運転を行うエンジンから均質な希薄燃焼への切替えのために、部分負荷での開始点は、例えば閉じたウェイストゲートバイパスまたは対応するＶＴＧ位置により、新鮮空気バイパスが開放されてバルブリフト量が小さい状態で既にブースト圧が提供されるように選択される。大きいリフトプロファイルへの変更と組み合わせた新鮮空気バイパスの閉止により、充填量およびブースト圧が上昇する。さらに、点火角の調節、および高圧ループの効率の意図的な低下によって、トルク中立の切替えが行われ得る。

低い部分負荷での化学量論的運転または成層希薄運転を行うエンジンから均質な希薄燃焼への切替えも同様に、カム１０５−１および１０５−２によってイベント長を変更することによって行うことができる。ここで、開始点は、各場合に、ミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）タイミングで負荷制御が行われるように選択される。イベント長および流入タイミングを変更することによって、シリンダ充填量の直接の適合を行うことができる。同時に、この場合にも、ブースト圧は、ウェイストゲートバイパスの閉止、対応するＶＴＧ位置の調節、または電気的に補助された過給（「Ｅチャージング」）によって設定することができる。

さらに、流入カムシャフト調節器（ＶＶＴ）によって可変圧縮比（ＶＣＲ）を実現することもできる。高い部分負荷で希薄運転から化学量論的運転に切り替えるためには、充填量減少の目的でカムシャフトの遅延が使用される。圧縮比を同時に減少させることにより内部効率が低下し、そのようにすると、同じトルクを提供するのに必要な空気量が増加する。さらに、同じ動機から、点火の遅延によって意図的に内部効率を低下させることができる。

低い部分負荷での化学量論的運転または成層希薄運転を行うエンジンから均質な希薄燃焼への切替えは、最大の遅延タイミングでの部分負荷点で始まる。例えば電子的カム調整器などタイミングの迅速な適合手段が、ブースト圧の上昇と組み合わさって、希薄運転への変更を可能にする。

図４に、例えばオットー機関など内燃機関２００の概略図を示す。内燃機関２００は、燃料混合気が供給される４つの燃焼室２０１を含む。燃焼室２０１では、大気中の酸素によって燃料が燃焼される。ここで生じる燃料ガスは、排気管２１３を通して排出される。

排気管２１３にはラムダプローブ２０９が取り付けられており、ラムダプローブ２０９によって、排ガス流中での空燃比λを決定することができる。排ガス流は、ターボチャージャ２０５を通して導かれる。ターボチャージャ２０５は、排ガス流の残留圧からエネルギーを受け取るタービンと、エンジンの吸入空気用のタービン駆動式圧縮機とを含み、この圧縮機は、給気管２１５内の空気流量を増加させ、ピストンの吸入仕事量を減少させる。

ターボチャージャ２０５は、タービンを迂回するように排ガスの部分流を流す切替え可能なバイパス２０７と、圧縮機を迂回するように新鮮空気を流す切替え可能な新鮮空気バイパス２０３とを含む。バイパス２０７と新鮮空気バイパス２０３とによって、給気管２１５内のブースト圧に影響を与えることができる。

電子制御装置２１１が、ラムダプローブ２０９の信号を評価し、カム１０５−１および１０５−２を切り替えて空燃比λの制御を行う。さらに、制御装置２１１は、新鮮空気バイパス２０３またはバイパス２０７を切り替えることもできる。電子制御装置２１１は、例えば、制御データを受信するためのメモリと、制御データを処理するためのマイクロプロセッサとを含む。

図５に、オットー機関を化学量論的運転と希薄運転との間で切り替えるための方法のブロック図を示す。

空燃比λ＝１を有する化学量論的運転では、燃焼室１０１への空気流入は、小さいカムプロファイル１０７−２を有するカム１０５−２によって吸気バルブ１０３を用いて行われる。ここから始めて、空燃比λを増加させるために、ステップＳ１０１で、大きいカムプロファイル１０７−１を有するカム１０５−１によって燃焼室１０１への空気流入が制御される。

空燃比λ＞１を有する希薄運転では、燃焼室１０１への空気流入は、大きいカムプロファイル１０７−１を有するカム１０５−１によって吸気バルブ１０３を用いて行われる。ここから始めて、空燃比λを減少させるために、ステップＳ１０２で、小さいカムプロファイル１０７−２を有するカム１０５−２によって燃焼室１０１への空気流入が制御される。

この方法は、燃焼機関２００の融通性を使用して、燃焼機関２００の過給と組み合わせて、希薄運転と化学量論的運転とを切り替える。中間レベルの部分負荷まで超希薄運転を行うオットー機関は、効率の最大化を達成すると同時にＮＯｘの排出量を減少し、排出削減面で、既存のダウンサイジングの概念を最適化するものとみなすことができる。したがって、この方法によって、希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との過渡的な切替えが実現される。さらに、プロセス管理と制御戦略が定義される。

多気筒エンジンでは、シリンダ停止によって希薄運転を低エンジン出力の方向に拡張することができる。個々のシリンダの停止により、まだ点火されているシリンダの動作点がより高い負荷の方向にシフトし、それにより、許容できない燃焼安定性による制約を回避することができる。このようにして、希薄運転範囲を拡張することができる。

これは、エンジンのシリンダの幾つかでフルバルブリフト量からゼロバルブリフト量に切り替えることによって実現されるので、シリンダ個別のバルブトレイン融通性を表す。

本発明の個々の実施形態に関連して説明して図示した全ての特徴は、それらの有利な作用を同時に実現するように、本発明による主題において様々な組合せで提供することができる。

方法ステップは全て、それぞれの方法ステップを実施するのに適した装置によって実現することができる。主題の特徴によって実行される全ての機能が、方法における１つの方法ステップであってもよい。

本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって与えられ、明細書で説明する特徴または図面に示す特徴によっては限定されない。

１０３ 吸気バルブ
１０５−１ 第１のカム
１０５−２ 第２のカム
１０７−１ 第１のカムプロファイル
１０７−２ 第２のカムプロファイル
１０９ カムシャフト
２０１ 燃焼室
２０３ 新鮮空気バイパス
２０５ ターボチャージャ
２０７ バイパス
２０９ ラムダプローブ
λ 空燃比

Claims (10)

1. 希薄エンジン運転と化学量論的エンジン運転との間で内燃機関を切り替えるための方法であって、
   第１のカムプロファイル（１０７−１）を有するカム（１０５−１）によって吸気バルブ（１０３）を用いて燃焼室（２０１）への空気流入を制御するステップであって、第２のカムプロファイル（１０７−２）を有するカム（１０５−２）に比べて空燃比（λ）を増加させるステップ（Ｓ１０１）と、
   前記第２のカムプロファイル（１０７−２）を有する前記カム（１０５−２）によって吸気バルブ（１０３）を用いて前記燃焼室（２０１）への空気流入を制御するステップであって、前記第１のカムプロファイル（１０７−１）を有する前記カム（１０５−１）に比べて前記空燃比（λ）を減少させるステップ（Ｓ１０２）と
   を含む方法。
2. 前記第１のカム（１０５−１）が、前記第２のカム（１０５−２）よりも大きい前記吸気バルブ（１０３）のバルブリフト量をもたらす、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のカム（１０５−１）が、前記第２のカム（１０５−２）よりも長い前記吸気バルブ（１０３）のバルブ開放をもたらす、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１のカム（１０５−１）によって前記空燃比（λ）が増加される間に、ブースト圧が増加される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２のカム（１０５−２）によって前記空燃比（λ）が減少される間に、ブースト圧が減少される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ターボチャージャ（２０５）での新鮮空気バイパス（２０３）の接続によってブースト圧の低下がもたらされ、またはターボチャージャ（２０５）でのバイパス（２０７）の開放によってブースト圧の低下がもたらされ、前記バイパス（２０７）が、タービンを迂回するように排ガスの部分流を流す、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２のカム（１０５−２）によって前記空燃比（λ）が減少される間に、充填量減少のためにカムシャフト（１０９）の遅延が実施される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記制御するステップ（Ｓ１０１、Ｓ１０２）が、ラムダプローブ（２０９）から提供される信号に基づいて実施される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記第２のカム（１０５−２）が、前記吸気バルブ（１０３）の開放をもたらさないゼロカムである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 第１のカムプロファイル（１０７−１）を有するカム（１０５−１）によって吸気バルブ（１０３）を用いて燃焼室（２０１）への空気流入を制御し、第２のカムプロファイル（１０７−２）を有するカム（１０５−２）に比べて空燃比（λ）を増加させるため、および前記第２のカムプロファイル（１０７−２）を有する前記カム（１０５−２）によって吸気バルブ（１０３）を用いて前記燃焼室（２０１）への空気流入を制御し、前記第１のカムプロファイル（１０７−１）を有する前記カム（１０５−１）に比べて前記空燃比（λ）を減少させるための制御装置（２１１）を備える内燃機関（１００）。

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