JP2021038746A - バルブトレインおよびガス交換バルブを作動させるための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス交換バルブを作動させる新規なバルブトレインの創出。【解決手段】吸排気バルブを作動させるバルブトレインは開放フランク(11a)と閉鎖フランク(11b)を持つ吸気カムを有する吸気カムシャフトと、開放フランク(10a)と閉鎖フランク(10b)を持つ排気カムを有する排気カムシャフトを有する。フランク(10b,11a)は全/部分負荷時、上死点(OT)前に吸気バルブが開き始め排気バルブがその後全閉するよう設計される。フランク(10b)は排気バルブが最初大勾配で、次に小勾配で閉じるよう設計され、大勾配から小勾配への変化が上死点領域で生じ、全負荷時、小勾配により吸気バルブが全閉される前に排気バルブが60°〜30°KWで完全に閉じられる。フランク(11a)は吸気バルブが最初小勾配で、次に大勾配で開くよう設計され、全負荷時、小勾配が上死点前90°〜60°KWで吸気バルブを開き始め、全負荷時、小勾配から大勾配への変化が上死点領域で生じる。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるためのバルブトレインに関する。さらに本発明は、請求項６のプリアンブルによる内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させる方法に関する。

内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるためのバルブトレインの基本的な構造が経験から知られている。したがって、バルブトレインは、吸気カムを有する吸気カムシャフトを備え、吸気カムは内燃機関のシリンダーの吸気バルブを作動させるように機能する。さらに、バルブトレインは排気カムを有する排気カムシャフトを備え、排気カムは内燃機関のシリンダーの排気バルブを作動させるように機能する。

各吸気カムは、それぞれの吸気バルブを開放するための吸気バルブ開放フランクと、それぞれの吸気バルブを閉鎖するための吸気バルブ閉鎖フランクとを備える。各排気カムは、それぞれの排気バルブに追従する排気バルブ開放フランクと、それぞれの排気バルブを閉鎖するための排気バルブ閉鎖フランクとを備える。

特許文献１から、あるバルブトレインが知られており、このバルブトレインの場合、カムレバーがカムシャフトのカムと相互作用し、カムレバーのローラーがそれぞれのカムのカム輪郭をスキャンすると共に、それぞれのガス交換バルブを作動させるカム輪郭を、プッシュロッドおよびロッカーアームを介して、それぞれのガス交換バルブに伝達する。

特許文献２から、内燃機関用の別なバルブトレインが知られており、このバルブトレインの場合、カムレバーのローラーがカムのカム輪郭をスキャンし、それを、プッシュロッドを介して、しかしロッカーアームを使用せずに、ガス交換バルブに伝達する。

経験から、内燃機関のそれぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブと少なくとも一つの排気バルブとの間にバルブオーバーラップが存在し得ることが知られている。バルブオーバーラップは、それぞれの吸気バルブがそれぞれのシリンダーの上死点の前でさえ開き始め、それぞれのシリンダーのそれぞれの排気バルブがそれぞれのシリンダーの上死点の後でのみ完全に閉じることを特徴とする。この場合、各シリンダーの燃焼室から排気ポート内へと外気を利用して残留排気ガスを排出するために、各排気ポートの給気圧力と各排気ポートの排気背圧との差圧を利用することができる。

さらに、全負荷および部分負荷におけるシリンダーのガス交換バルブのための異なるバルブ動作を提供するために可変バルブ動作を伴うバルブトレインが経験から知られている。これにより、特に部分負荷において、シリンダーの充填を改善することができる。

独国特許出願公開第１０２０１６１１２４４７号明細書 独国特許発明第１０２０１６１１２４４８号明細書

全負荷および部分負荷の両方の下で内燃機関の最適な運転を可能にし、特に全ての負荷範囲で排気バルブの良好な冷却を保証し、消費損失を回避するバルブトレインが求められている。

これから出発して、本発明は、ガス交換バルブを作動させるための新しいタイプのバルブトレインおよび対応する方法を創出するという目的に基づいている。

この目的は、請求項１に記載の内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるためのバルブトレインによって解決される。

バルブトレインは、シリンダーの吸気バルブのための吸気カムを有する吸気カムシャフトを備え、各吸気カムは、吸気バルブ開放フランクおよび吸気バルブ閉鎖フランクを備える。バルブトレインは、シリンダーの排気バルブのための排気カムを有する排気カムシャフトを備え、各排気カムは、排気バルブ開放フランクおよび排気バルブ閉鎖フランクを備える。バルブトレインはまた、吸気カムシャフトのためのカムシャフト調整デバイスを備えており、これにより、内燃機関の部分負荷の下でのそれとは異なる、内燃機関の全負荷の下でのシリンダーの吸気バルブのためのバルブ動作を提供するために、吸気カムは排気カムに対して調整可能である。

排気カムの排気バルブ閉鎖フランクおよび吸気カムの吸気バルブ開放フランクは、各シリンダーの全負荷および部分負荷の下で、少なくとも一つの吸気バルブがそれぞれのシリンダーの上死点の前に開き始めるように、そして少なくとも一つの排気バルブがそれぞれのシリンダーの上死点の後で完全に閉じるように設計される。

排気カムの排気バルブ閉鎖フランクは、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブが最初に比較的大きな勾配で閉じ、その後、比較的小さな勾配で閉じるように形成され、比較的大きな勾配から比較的小さな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの上死点の領域で生じ、内燃機関の全負荷の下で、比較的小さな勾配は、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブを、少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、６０°ＫＷから３０°ＫＷの範囲で完全に閉じる（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

吸気カムの吸気バルブ開放フランクは、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブが最初に比較的小さな勾配で開き、その後、比較的大きな勾配で開くように設計され、内燃機関の全負荷の下で、比較的小さな勾配は、それぞれのバルブの上死点の前の、９０°ＫＷから６０°ＫＷの範囲で、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブを開き始め、全負荷の下で、比較的小さな勾配からの比較的大きな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの上死点の領域で生じる（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

バルブトレインにおいて、カムシャフト調整デバイスは、排気カムに対する吸気カムの調整を可能にする。全負荷および部分負荷の両方の下で、規定されたバルブのオーバーラップを提供するために、排気カムの排気バルブ閉鎖フランクおよび吸気カムの吸気バルブ開放フランクは規定された方法で形成され、これによって、全負荷および部分負荷の両方の下で、排気ガスを排気ポート内に排出するために、そしてこのプロセスにおいてシリンダーの排気バルブを冷却するために給気が利用される。他方、排気カムの排気バルブ閉鎖フランクおよび吸気カムの吸気バルブ開放フランクの規定された輪郭により、消費損失が回避される。全負荷および部分負荷の両方において、消費損失を伴わずに全ての負荷範囲において排気バルブの良好な冷却を保証するために、適切な期間のバルブオーバーラップが利用可能である。

優先的に、カムシャフト調整デバイスは、全負荷から部分負荷への変化中に、吸気カムを遅角に向かって角度βだけ調整する。部分負荷の下では、吸気バルブ開放フランクの比較的小さな勾配が、それぞれのバルブの上死点前の、（９０°−β）ＫＷから（６０°−β）ＫＷの範囲で、少なくとも一つの吸気バルブを開き始める。部分負荷の下では、比較的小さな勾配が、少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、（６０°＋β）ＫＷから（３０°＋β）ＫＷの範囲で、少なくとも一つの排気バルブを完全を閉じる。優先的に、βは３０°ＫＷから５０°ＫＷの間である（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

これにより、部分負荷および全負荷の両方での内燃機関の特に有利な運転が可能になる。全負荷時および部分負荷の両方の間、消費損失を伴わずに排気バルブの適切な冷却が保証される。

内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるための方法は請求項６において規定されている。

本発明の好ましいさらなる展開は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、それに限定されることなく、図面によって、より詳細に説明される。

全負荷時における本発明によるバルブトレインの吸気および排気カムの開閉フランクを示す図である。 部分負荷における本発明によるバルブトレインの吸気および排気カムの開閉フランクを示す図である。

内燃機関のバルブトレインの基本的な構造は、本発明が対象とする技術分野の当業者には知られている。

したがって、内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるよう機能するバルブトレインは、吸気カムを有する吸気カムシャフトを含む。吸気カムは、吸気バルブとして構成された内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させる役割を果たし、各吸気カムは、それぞれの吸気バルブを開放するための吸気バルブ開放フランクと、それぞれの吸気バルブを閉鎖するための吸気バルブ閉鎖フランクとを備える。

さらに、バルブトレインは、排気カムを有する排気カムシャフトを備える。排気カムは、排気バルブを開閉するために、排気バルブとして構成された内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させる役割を果たす。したがって、各排気カムは、それぞれの排気バルブを開放するための排気バルブ開放フランクと、それぞれの排気バルブを閉鎖するための排気バルブ閉鎖フランクとを備える。

さらに、バルブトレインは、カムシャフト調整デバイスを備える。カムシャフト調整デバイスにより、排気カムシャフトの排気カムに対して吸気カムを調整するために、吸気カムシャフトを調整することができる。このようにして、シリンダーの吸気バルブのための個別のバルブ動作を、内燃機関の全負荷のために、そしてまた、内燃機関の部分負荷のために提供することができる。

図１および図２においては、全負荷運転（図１参照）および部分負荷運転（図２参照）の場合の、シリンダーの排気バルブおよび吸気バルブの動作が示されており、カーブプロファイル１０は、排気カムの開閉フランクによる排気バルブの動作に対応しており、カーブプロファイル１１は、吸気カムの開閉フランクによる吸気バルブの動作に対応している。

それぞれの排気バルブの開放は、排気バルブ開放フランク１０ａによって規定され、かつ、それぞれの排気バルブの閉鎖は、それぞれの排気カムの排気バルブ閉鎖フランク１０ｂによって規定される。排気バルブ開放フランク１０ａは連続的に引かれた線で示され、排気バルブ閉鎖フランク１０ｂは破線で示されている。カーブプロファイル１１による、それぞれの吸気バルブの開放は、吸気バルブ開放フランク１１ａによって規定され、一方、カーブプロファイル１１による、それぞれの吸気バルブの閉鎖は、吸気バルブ閉鎖フランク１１ｂによって規定される。吸気バルブ開放フランク１１ａは破線で示され、吸気バルブ閉鎖フランク１１ｂは連続的に引かれた線で示されている。

図１および図２は、カーブプロファイル１０に従って、排気バルブが、角度α_A1から始まって開き始め、角度α_A2で完全に閉鎖されることを示している。排気バルブ開放フランク１０ａは、角度α_A1でそれぞれの排気バルブを開放し始める。排気バルブ閉鎖フランク１０ｂは、角度α_A2でそれぞれの排気バルブを完全に閉鎖する。全負荷および部分負荷では、これらの角度α_A1およびα_A2は同じである。

カーブプロファイル１１に従って、吸気バルブは角度α_E1またはα^* _E1で開き始め、それぞれ角度α_E2およびα^* _E2で完全に閉鎖される。吸気バルブ開放フランク１１ａは、それぞれの吸気バルブを角度α_E1およびα^* _E1でそれぞれ開き始め、吸気バルブ閉鎖フランク１１ｂは、それぞれの吸気バルブを角度α_E2およびα^* _E2で完全に閉じる。図１と図２の比較から、図１の全負荷運転に対して図２の部分負荷運転では、カーブプロファイル１１を決定する吸気カムが、カーブプロファイル１０を決定する排気カムに対して、遅角方向に調整されることが分かる。この調整は角度βで行われる。したがって、以下の式が適用される。
α^* _E1＝α_E1＋β
α^* _E2＝α_E2＋β

排気カムの排気バルブ閉鎖フランク１０ｂおよび吸気カムの吸気バルブ開放フランク１１ａは、全負荷（図１参照）および部分負荷（図２参照）の両方の下で、それぞれの吸気バルブが、それぞれのシリンダーのいわゆる上死点（ＯＴ）の前に、すなわち図１の全負荷では角度α_E1で、図２の部分負荷の下では角度α^* _E1で開き始め、そして、それぞれの場合において、それぞれのシリンダーの上死点（ＯＴ）後に、すなわちそれぞれの場合に角度α_A2で、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブが完全に閉じるように形成される。

排気カムの排気バルブ閉鎖フランク１０ｂは、さらに、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブが最初は比較的大きな勾配で閉じ、その後、比較的小さな勾配で閉じるように具現化されている。排気バルブ閉鎖フランクの比較的大きな勾配から比較的小さな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの上死点ＯＴの領域で生じる。

内燃機関の全負荷の下では、排気バルブ閉鎖フランク１０ｂの比較的小さな勾配は、角度α_E2で少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、全負荷において６０°ＫＷと３０°ＫＷとの間である角度α_A2で、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブを閉じる（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

部分負荷の下では、排気バルブ閉鎖フランク１０ｂの比較的小さな勾配は、同様に、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブを角度α_A2において閉じるが、当該角度は、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブが角度α^* _E2で完全に閉じる前の、（６０°＋β）ＫＷと（３０°＋β）ＫＷとの間にある（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

さらに、吸気カムの吸気開放フランク１１ａは、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブが最初に比較的小さな勾配で開き、その後、比較的大きな勾配で開くように設計されている。

内燃機関の全負荷（図１参照）の下では、比較的小さな勾配が、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの吸気バルブを、それぞれのシリンダーの上死点の前の、９０°ＫＷから６０°ＫＷの範囲にある角度α_E1で開き始める。

部分負荷の下では、吸気バルブ開放部フランクの比較的小さな勾配が、それぞれのシリンダーの少なくとも吸気バルブを角度α^* _E1において開き始めるが、当該角度は、それぞれのバルブの上死点ＯＴの前の、（９０°−β）ＫＷから（６０°−β）ＫＷの範囲にある（ＫＷはクランクシャフト角度を表す）。

全負荷の下では、吸気バルブ開放フランク１１ａの比較的小さな勾配から吸気バルブ開放フランク１１ａの比較的大きな勾配への変化が、それぞれのシリンダーの上死点ＯＴの領域で生じる。部分負荷の下では、吸気バルブ開放フランク１１ａの比較的小さな勾配から吸気バルブ開放フランク１１ａの比較的大きな勾配への変化は、全負荷に対して、βだけ遅角方向に調整される。

吸気カムおよび排気バルブおよび排気カムの排気バルブ閉鎖フランク１０ｂおよび吸気カムの吸気バルブ開放フランク１１ａの上記の構成により、十分に大きなバルブオーバーラップ１２が、図１に係る全負荷および図２に係る部分負荷の両方において提供され、バルブオーバーラップ１２は、それぞれの吸気バルブの開放の開始と、それぞれの排気バルブの完全な閉鎖との間の角度範囲によって特徴付けられる。図１に係る全負荷では、したがって、バルブオーバーラップ１２はα_A2‐α_E1によって規定され、部分負荷運転では、α_A2‐α^* _E1によって規定される。したがって、このバルブオーバーラップ１２の角度範囲は、消費損失を伴わずに全ての負荷範囲で給気による排気バルブの冷却を保証するために、全負荷および部分負荷の下で十分に大きい。

１０ａ 排気バルブ開放フランク
１０ｂ 排気バルブ閉鎖フランク
１１ａ 吸気バルブ開放フランク
１１ｂ 吸気バルブ閉鎖フランク
１２ バルブオーバーラップ

Claims (10)

1. 内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるためのバルブトレインであって、各シリンダーは、ガス交換バルブとして、少なくとも一つの吸気バルブと、少なくとも一つの排気バルブと、を備えており、
   前記シリンダーの前記吸気バルブのための吸気カムを有する吸気カムシャフトであって、各吸気カムは吸気バルブ開放フランク（１１ａ）および吸気バルブ閉鎖フランク（１１ｂ）を備える、吸気カムシャフトと、
   前記シリンダーの前記排気バルブのための排気カムを有する排気カムシャフトであって、各排気カムは排気バルブ開放フランク（１０ａ）および排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）を備える、排気カムシャフトと、
   前記吸気カムシャフトのためのカムシャフト調整デバイスであって、このカムシャフト調整デバイスを用いて、前記内燃機関の部分負荷の下でのそれとは異なる、前記内燃機関の全負荷の下での前記シリンダーの前記吸気バルブのためのバルブ動作を提供するために、前記吸気カムが前記排気カムに対して調整可能であるカムシャフト調整デバイスと
   を具備し、
   前記排気カムの前記排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）および前記吸気カムの前記吸気バルブ開放フランク（１１ａ）は、各シリンダーの全負荷および部分負荷の下で、前記少なくとも一つの吸気バルブが、それぞれのシリンダーの上死点（ＯＴ）前に開き始め、かつ、前記少なくとも一つの排気バルブが、それぞれのシリンダーの前記上死点（ＯＴ）の後に完全に閉じるように形成されており、
   前記排気カムの前記排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）は、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブが最初に比較的大きな勾配で閉じ、その後、比較的小さな勾配で閉じるように形成されており、比較的大きな勾配から比較的小さな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの上死点（ＯＴ）の領域で生じ、前記内燃機関の全負荷の下で、比較的小さな勾配は、前記少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、６０°ＫＷから３０°ＫＷの範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブを完全に閉じ、
   前記吸気カムの前記吸気バルブ開放フランク（１１ａ）は、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブが最初に比較的小さな勾配で開き、その後、比較的大きな勾配で開くように形成されており、内燃機関の全負荷の下では、比較的小さな勾配は、それぞれのバルブの上死点（ＯＴ）の前の、９０°ＫＷから６０°ＫＷの範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブを開き始め、かつ、全負荷の下では、比較的小さな勾配から比較的大きな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの前記上死点（ＯＴ）の領域で生じる、バルブトレイン。
2. 全負荷から部分負荷への変化中、前記カムシャフト調整デバイスは、遅角方向に角度βだけ前記吸気カムを調整することを特徴とする請求項１に記載のバルブトレイン。
3. 部分負荷の下で、比較的小さな勾配が、それぞれのバルブの前記上死点（ＯＴ）の前の、（９０°‐β）ＫＷと（６０°‐β）ＫＷとの間の範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブを開き始めることを特徴とする請求項２に記載のバルブトレイン。
4. 部分負荷の下で、比較的小さな勾配が、前記少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、（６０°＋β）ＫＷと（３０°＋β）ＫＷとの間の範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブを完全に閉じることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のバルブトレイン。
5. βが３０°ＫＷから５０°ＫＷの間であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のバルブトレイン。
6. 内燃機関のシリンダーのガス交換バルブを作動させるための方法であって、
   各シリンダーは、ガス交換バルブとして、少なくとも一つの吸気バルブおよび少なくとも一つの排気バルブを具備し、
   それぞれのシリンダーの前記または各吸気バルブは、吸気バルブ開放フランク（１１ａ）および吸気バルブ閉鎖フランク（１１ｂ）を備える吸気カムから始まって、開閉のために作動させられ、
   それぞれのシリンダーの前記または各排気バルブは、排気バルブ開放フランク（１０ａ）および排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）を備える排気カムから始まって、開閉のために作動させられ、
   前記内燃機関の全負荷と部分負荷との間の変化の間、部分負荷時とは異なる全負荷時の吸気バルブのバルブ動作を提供するために、前記吸気カムが前記排気カムに対して調整され、
   各シリンダーの全負荷および部分負荷の下で、それぞれの吸気カムの前記吸気バルブ開放フランク（１１ａ）は、それぞれのシリンダーの上死点（ＯＴ）の前に、前記少なくとも一つの吸気バルブを開き始め、かつ、それぞれの排気カムの前記排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）は、それぞれのシリンダーの前記上死点（ＯＴ）の後で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブを完全に閉じ、
   前記排気カムの前記排気バルブ閉鎖フランク（１０ｂ）は、最初、比較的大きな勾配で、その後、比較的小さな勾配で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブを閉じ、比較的大きな勾配から比較的小さな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの前記上死点（ＯＴ）の領域で生じ、前記内燃機関の全負荷の下で、比較的小さな勾配は、それぞれのシリンダーの少なくとも一つの排気バルブを、前記少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、６０°ＫＷから３０°ＫＷの間の範囲で完全に閉じ、
   前記吸気カムの前記排気バルブ開放フランク（１１ａ）は、最初、比較的小さな勾配で、その後、比較的大きい勾配で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブを開き、前記内燃機関の全負荷下で、前記比較的小さな勾配は、それぞれのバルブの前記上死点（ＯＴ）の前の、９０°ＫＷから６０°ＫＷの範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブを開き始め、全負荷の下で、比較的小さな勾配から比較的大きな勾配への変化は、それぞれのシリンダーの前記上死点（ＯＴ）の領域で生じる、方法。
7. 内燃機関の全負荷から部分負荷への変化中、前記吸気カムが、吸気カムシャフトを介して、遅角方向に角度βだけ調整されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 部分負荷の下で、前記比較的小さな勾配は、それぞれのバルブの前記上死点（ＯＴ）の前の、（９０°‐β）ＫＷと（６０°‐β）ＫＷとの間の範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの吸気バルブを開き始めることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 部分負荷の下で、前記比較的小さな勾配は、前記少なくとも一つの吸気バルブが完全に閉じる前の、（６０°＋β）ＫＷと（３０°＋β）ＫＷとの間の範囲で、それぞれのシリンダーの前記少なくとも一つの排気バルブを完全に閉じることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の方法。
10. βが３０°ＫＷから５０°ＫＷの間であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。

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