JP3188810U - 吸気弁の可変制御を備えたターボチャージのガソリンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】規則的・効率的な運転及び特に燃料消費量の低減を保証するターボチャージのガソリンエンジンを提供する。
【解決手段】ターボチャージのガソリンエンジンにおいて、開きの瞬間及び閉鎖の瞬間によって及びリフトによって、あるいは吸気弁の開きストロークによって規定された各吸気弁の開きプロファイルＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、排気逃し弁の介在を低減するか完全に除去し、かつ各エンジン作動状態における各シリンダが、理論混合比に近い空気/ガソリン投与値を備える最適な燃焼に必要な空気の量だけを処理することを保証するようにエンジン運転状態に従って変更される。
【選択図】図４

Description

この考案は、
少なくとも一つのシリンダとシリンダに付随した吸気弁及び排気弁と、
シリンダに接続された吸気管及び排気管と、
シリンダに過給するために吸気管に配置されたコンプレッサと、
過給機コンプレッサを運転するためにエンジンからの排気ガスを利用するために排気管に配置されるとともにコンプレッサに機械的に連結されたタービンと、
エンジンの運転状態を検出するセンサ手段と、
吸気弁の開き時間を変えるのに適した、シリンダ圧縮比のコントロール手段と、
タービンに並列接続されたバイパス管に排気ガスの一部をそらせる必要性を防止するか低減するためにエンジン回転数が増大したときに圧縮比を減少させるために、前記センサ手段の出力信号に従って、圧縮比の前述のコントロール手段を制御する電子ユニットと、を備えるタイプのターボチャージのガソリンエンジンに関する。

上記タイプのエンジンは、例えば、特許文献１に記載されている。かかる既知の解決策によれば、いわゆる「ウェストゲート（waste gate ）（排気逃し）」バルブの介在を低減するか完全に除去することが想定される。「ウェストゲート（waste gate ）（排気逃し）」バルブは、前述のバイパス管を通じて排気ガスの流れ速度を制御する。当該バルブは、高速のエンジン回転数で非常に高い過給圧力を防ぐために、ターボチャージ・エンジンにおいて通常用いられる。かかる状態で、消費されたガスの一部は、タービンを通じて導かれる代わりに、バイパス管で放出される。米国特許第5 255 637号（US-A-5 255 637）に示されるエンジンにおいて、「余剰（waste）のゲート」バルブの介在は、燃焼室に付随したセンサが爆発への傾向を検出するとき、吸気弁の閉じる瞬間（closing moment）(下死点の前後)の変化を通じて、エンジンの圧縮比の低減のための手段の性質（predisposition）おかげで低減されるか除去される。

米国特許第5 255 637号明細書（US-A-5 255 637）

この考案の目的は、エンジンの規則的・効率的な運転（operation）及び特に燃料消費量の低減を保証して、前述の既知の解決策を完成することである。

本目的に達成することを考慮して、この考案の範囲は、本願の導入部で示された特徴を有するとともに、エンジン回転数を検出するとともにドライバによって要求されるエンジントルクを見積もるために前述のセンサ手段が用いられ、前述のコントロール手段が、吸気弁の開きプロファイル(すなわち開きの瞬間及び閉鎖の瞬間（opening and closing moments）)、及び吸気弁のリフト(開きストロークの最大長さを意味する)を変えるように構成された手段を備え、前述の制御ユニットが、すべての特定の作動状態に対して、あるいは、ドライバによって要求されるエンジン回転数とエンジントルクのすべての特定の一対の値に対して吸気弁の所定の開きプロファイルを得て、化学量論値に近い空気/ガソリン投与量（dosage）を同時に維持するために、圧縮比の前記コントロール手段を制御するようにプログラムされていることを特徴とするエンジンである。

エンジンシリンダの「吸気弁」について言及されている当該説明及び実用新案登録請求の範囲において、各シリンダが一つだけの吸気弁を持っている場合と、シリンダが様々な吸気弁を持っている場合との両方を考えるよう意図されている。その場合には、ここの指摘（indication）は、ちょうど一つの吸気弁あるいは各吸気弁に有効である。

この考案の好ましい実施態様によれば、圧縮比の前述のコントロール手段は、吸気弁の可変駆動システムを含み、当該可変駆動システムは、エンジンのカムシャフトに支持されたカムと、前記吸気弁を制御するためにカムと協働するタペットと、タペットと吸気弁との間に配置された油圧システムとを備える。当該油圧システムは、ソレノイドバルブを通じて排気路（exhaust channel）に接続される圧力チャンバと、前記ソレノイドバルブの電子制御手段とを含む。ソレノイドバルブが閉じているとき、加圧された流体で前述のチャンバが満たされる。それによって、吸気弁は各カムによって制御されるが、ソレノイドバルブが開いているとき、流体は加圧されたチャンバから放出される。チャンバが、吸気弁を開いたままにしようとする位置にあるとき、吸気弁に付随したバネ手段と、前記ソレノイドバルブの電子制御手段との作用により吸気弁が閉じる。

本願の出願人は、商標ユニエアー（UNIAIR）及びマルチエアー（MULTIAIR）で特定されて、上記タイプのエンジンの吸気弁の可変駆動システムを以前に開発した。ヨーロッパ特許出願第803642号（EP-A-803642）、ヨーロッパ特許出願第0961870号（EP-A-0961870）、ヨーロッパ特許出願第0931912号（EP-A-0931912）、ヨーロッパ特許出願第0939205号（EP-A-0939205）、ヨーロッパ特許出願第1091097号（EP-A-1091097）、ヨーロッパ特許出願第1245799号（EP-A-1245799）、ヨーロッパ特許出願第1243763号（EP-A-1243763）、ヨーロッパ特許出願第1243762号（EP-A-1243762）、ヨーロッパ特許出願第1243764号（EP-A-1243764）、ヨーロッパ特許出願第1243761号（EP-A-1243761）、ヨーロッパ特許出願第1273770号（EP-A-1273770）、ヨーロッパ特許出願第1321634号（EP-A-1321634）、ヨーロッパ特許出願第1338764号（EP-A-1338764）、ヨーロッパ特許出願第1344900号（EP-A-1344900）、ヨーロッパ特許出願第1635045号（EP-A-1635045）、ヨーロッパ特許出願第1635046号（EP-A-1635046）、ヨーロッパ特許出願第1653057号（EP-A-1653057）、ヨーロッパ特許出願第1674673号（EP-A-1674673）、ヨーロッパ特許出願第1726790号（EP-A-1726790）を参照すること。

バルブのかかる可変駆動システムは、吸気弁の開きの瞬間及び閉鎖の瞬間だけでなく、バルブのリフトも変えることができる。この考案は、それ自身知られているかかるシステムをターボチャージのガソリンエンジンに適用し、かつ、エンジンの効率的な制御(特に、低消費の保証を備えている)を得て、「ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）」バルブの介在を低減又は完全に除去するようにシステムを制御するための考えから来ている。

この考案によれば、かかる結果は、個々の特定のエンジン作動状態に適するようにバルブの開きプロファイル(それはバルブの開閉の瞬間とバルブの開きストロークとの両方で規定される)が適宜変えられるということにより得られる。したがって、ドライバによって要求されるエンジン回転数とエンジントルクとの特定の一対の値によって同定された各エンジン作動状態に対して、エンジンが対応する作動状態にあることをセンサ手段が示すときに、この考案に係るシステムの一部である電子ユニットがかかるプロファイルを実行するように、ある特定のバルブ開きプロファイルが保存される（stored）。

ドライバによって要求されるエンジントルクを見積もるための手段は、アクセルペダル位置のセンサと、いずれかの所定のアルゴリズムに従って必要とされるエンジントルクを見積もるようにかかるセンサの出力信号を処理するための電子手段とを含むことができる。必要ならば、かかる処理は、アクセルペダルの動き速度の計算に設けられたり、必要とされるエンジントルクの評価においてかかるパラメータを考慮に入れることができる。

したがって、前述の特徴のおかげで、エンジンは、以下に詳細に説明されるように、既知のシステムと比較して、重要な利点を得ることができる。

この考案は、非制限的な実施例として提供されている添付図を参照しながら説明される。

この考案が適用されるタイプのターボチャージのガソリンエンジンに関する模式図である。 この考案が基づく原理を示している。 例えばヨーロッパ特許出願第803642号明細書（EP-A-803642）において既知のタイプのバルブの可変駆動システムの断面図である。 この考案が基づく原理を示す図である。 この考案が基づく原理を示す図である。 カムを模式的に示す図である。 この考案の一部であるコントロールシステムのブロック図である。

図１は、ターボチャージのガソリンエンジン1を全体的に示す模式図である。エンジン1は、吸気マニホルドIMに接続された各吸気管と、排気マニホルドEMに接続された各排気管とを備える四つのシリンダCYを含む。排気マニホルドEMから来る排気ガスは、排気管ECによって導かれる。排気管ECにおいて、入って来る空気を吸気マニホルドIMに向ける吸気管に挿入されたコンプレッサCOに機械的に連結されるタービンTUがその間に配置される。冷却デバイスICは、吸気管IAの中に配置される。タービンTUと並行にバイパス管BYが接続され、バイパス管BYにおいて、ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁WGが差し込まれる。

図１に示されるタイプの従来のエンジンにおいて、ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁WGは、エンジン回転数に応じて可変である、エンジン・チャージの閾値を超えると介在して（intervene）、排気ガスの一部がタービンを通過することを防止して、従って過給圧を下げる。

図２は、エンジン回転数の変化に応じてエンジンの平均有効圧における変化を示す。平均有効圧は、エンジン回転数のn₁値に合わせてp_ME1値に達する。エンジン回転数n₁を超えると、エンジン作動（operationg）状態の識別（identification）ポイントが、ラインpとラインlとの間で含まれる、図２に示された領域内にある場合はいつでも、ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁WGが開かれる。

従来エンジンでは、シリンダの中に閉じ込められた空気の質量（mass）は、吸気弁リフト及び過給圧によって一義的に規定される。過給圧は、ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁WGによって調節される。

従来エンジンの場合には、所望の平均有効圧値pmeが各エンジン作動状態において得られ、投与（dosing）(空気/ガソリン)と理論混合比(理論混合比と比較して、濃い混合気の場合には、値λが１より小さい)との間での比値λと同様に点火の進角（advance）を最適化する。特に、従来のエンジンにおいては、エンジン回転数とチャージ（charge）とが増大するとき、点火進角（ignition advance）を低減し混合物の濃さを増加させることによって、爆発（detonation）の現象を防止しようとし、その結果、過剰ガソリンを燃焼するために空気が欠乏することにより、それは燃焼室で蒸発し、燃焼温度を低く維持する冷却を生みだす。したがって、エンジンの正確な運転（operation）の制御は、高い消費を持った従来のエンジンにおいて得られる。

この考案の基礎的な考えは、過給圧にかかわらず吸気弁の開きプロファイル(開き及びリフト時間を意味する)を変えることにより、エンジン・シリンダの中に閉じ込められた空気の量の制御を得ることである。

この結果は、同じ出願人によって開発された、上述の既知タイプの吸気弁の可変駆動システムの適用のおかげで特に有利な方法で得られる。添付した図３は、単なる実施例として、同じ出願人のヨーロッパ特許出願第0 803 642号明細書（EP-A-0 803 642）に記載されている上述タイプの吸気弁の可変駆動システムを示す。

図３は、各シリンダに対して、ヘッド1のベース面（base surface）3に形成された凹部2を備える直列の４つのシリンダを持ったエンジンのヘッド1を示す。凹部2は燃焼室を画定する。二つの吸気管4，5と二つの排気管6とは、それぞれ、二つの吸気弁7と二つの排気弁70とによって制御される。示された実施例の場合、吸気弁7は、電子制御式の油圧システム20によるカムシャフト11のカム14によって制御される。各バルブの油圧駆動システムは、ソレノイドバルブ24によって制御される油圧チャンバ（hydraulic chamber）Cを含む。ソレノイドバルブ24は、通常開いていて、プログラム可能な電子制御ユニット25によって制御される。ソレノイドバルブ24が作動するとき、エンジンバルブは、カムの動き(完全なリフト（full lift）)に従う。バルブの事前閉鎖（advance closing）は、油圧チャンバを空にし、かつそれぞれの戻しバネ9の作用下でエンジンバルブの閉鎖（closure）を得るために、ソレノイドバルブ24を非作動すること(開くこと)により得ることができる。同様に、バルブの遅れた開きは、ソレノイドバルブの作動を遅らせることにより得られるが、遅れた開きをバルブの事前閉鎖（advance closing）と組合わせることは、関係のある(relative)カムを押し付ける（thrust）ことの間にソレノイドバルブの作動及び非作動で得ることができる。

添付した図４は、上述したタイプのシステムによって、吸気弁のリフト・プロファイルがどのように変えることができるかを示している。ソレノイドバルブ24が絶えずエネルギーを与えられた状態にあるならば、各吸気弁は、図４においてTとして示された従来のリフト・プロファイルに従う。可変方法でソレノイドバルブ24の非作動を制御することによって、多数の（multiplicity of）別のプロファイルT1、T2、T3を得ることが可能である。プロファイルT1、T2、T3のそれぞれは、バルブの開き期間（duration）とバルブの開きストローク（stroke）との両方に従って異なっている。示された実施例は、下死点（bottom dead center）と比較して、吸気弁の事前閉鎖（advance closing）の場合を言及している。プロファイルT3も遅延した開きを提供する。

図５Ａは、吸気弁を制御するカムが図５ＡにおいてSで示されたリフト・プロファイルを実行するようなプロファイルを持っている別のケースを示す。この場合、カムは図５Ｂで模式的に示したタイプのものである。そのプロファイルは、所定サイズの角度の伸び（stretch）に対する最大の半径方向の（radial）寸法を示す。この場合、ソレノイドバルブを制御することによって、下死点(BDC)と比較して角度α_MAXで遅延した閉鎖（deferred closing）を提供する図５ＡのプロファイルSに従うことの代わりに、従来タイプのサイクルT、角度αのBDCと比較して事前閉鎖（advance closing）を持ったサイクルT1、あるいは、同じ角度αのBDCと比較して遅延した閉鎖（deferred closing）持ったサイクルT2に従って、吸気弁を動かすことは可能である。プロファイルT2、あるいはプロファイルT1に従ってソレノイドバルブを制御することは、前述の利点と共に、あらゆる場合に圧縮比の低下を実行する。

したがって、この場合、システムは、吸気弁のために得られるリフト・プロファイルに関して最大の柔軟性（flexibility）を保証する。更に、このように、空気は、弁の大きなリフトのおかげで、プロファイルT1の場合と比較して、より少ない流体力学の（fluid dynamic）リークでシリンダに入れられる（let into）。

この考案によれば、エンジン1(図６)は、エンジン作動状態を検出するのに適した、及び、エンジン回転数を検出し且つドライバによって要求されるトルクを見積もるのに特に適した、あらゆる既知のタイプのセンサ手段50に付随している（associated with）。センサ手段50の出力信号51に従って、エンジン・シリンダに付随したソレノイドバルブ24の動作を制御する電子ユニット25(図３を参照すること)は、所望の吸気弁リフト・プロファイルを得るためにかかるソレノイドバルブを制御することを提供する。

このように、高速で且つ高いチャージ（charge）でエンジン圧縮比の低下を得るためにシステムを制御することが可能であり、したがって、ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁WGの介在の低減又は完全な除去が可能である。

この考案に係るシステムで、各シリンダに閉じ込められた空気質量（air mass）は、過給圧にかかわらず最適値に調節され、有効圧縮比の低い値により、低い冷却（cooling）を受ける。低い温度により、１に近い（closer）λ比値（ratio value）、あるいは化学量論の値に近い投与量混合物（dosage mixture）が、点火進角時間を最適値に維持し、したがって消費を低減することを同時に用いられることが可能になる。

タービンの上流のエンタルピー（enthalpy）の増大は、好循環（virtuous circle）を引き起こす過給圧力を増加させる。過給圧のさらなる増大により、このサイクルのスタートから、その後のさらなる冷却を伴う、圧縮比のさらなる低下、トラップされた空気の量の低減、混合物（mixture）のその後のさらなる希薄化、過給圧のさらなる増大等を可能にする。最小の爆発（detonation）及び排気ガス温度値と互換性がある（compatible with）最小の消費及び最大のエンタルピーを持った最適な燃焼条件に到達するまで、最適化処理が漸近的に（asymtotically）収束する。

ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁の介在（intervention）を低減し且つ防止するように圧縮比のコントロール手段を使用する既知のシステムと比較して、この考案に係るシステムにより、吸気弁の開き時間だけでなくリフトを介在する（intervene）可能性のおかげで、最適な結果が得られて、平均有効圧力/速度の図におけるポイントによって同定された各エンジン作動状態に対応する各吸気弁の特定のリフト・プロファイルが実行される。

この考案に係るエンジンにおいて、最適な燃焼に必要な量の空気が用いられる。エンタルピー（enthalpy）は、排気で浪費されるのではなく、過給圧力を増加させるために用いられる。吸気弁の制御により、取り入れられた空気の温度の低下及び乱流（turbulence）の増大が可能になる。

排気でのエンタルピーのレベルは、ターボチャージのエンジンの不規則な運転（operation）を防止するように、吸気弁により、空気量の調節（regulation）によって制御される。この考案に係るシステムは、「マルチエアー（MULTIAIR）」システムの特定の特徴のおかげで、本質的に安全である。

当然に、この考案の範囲から逸脱することなく、単なる実施例として説明且つ開示されたこの考案の精神の範囲内で、構成の詳細及び実施態様に対する様々な変更は可能である。

１：エンジンのヘッド
２：燃焼室（凹部）
３：ベース面
４：吸気管
５：吸気管
６：排気管
７：吸気弁
９：戻しバネ
１１：カムシャフト
１４：カム
２０：電子制御式の油圧システム
２４：ソレノイドバルブ
２５：電子ユニット
５０：センサ手段
５１：出力信号
７０：排気弁
ＢＹ：バイパス管
ＣＹ：シリンダ
ＥＭ：排気マニホルド
ＥＣ：排気管
ＩＡ：吸気管
ＩＣ：冷却デバイス
ＩＭ：吸気マニホルド
Ｓ：リフト・プロファイル
ＴＵ：タービン
ＷＧ：ウェストゲート（waste gate）（排気逃し）弁

Claims (5)

1. 少なくとも一つのシリンダ(CY)と、シリンダに付随した吸気弁(7)及び排気弁(70)と、
   シリンダ(CY)に接続された吸気管(IA)及び排気管(EC)と、
   シリンダに過給するための、吸気管(IA)に配置されたコンプレッサ(CO)と、
   過給コンプレッサ(CO)を運転するためにエンジンの排気ガスを利用するために、排気管(EC)に配置されてコンプレッサ(CO)に機械的に連結されたタービン(TU)と、
   エンジンの運転状態を検出するセンサ手段(50)と、
   吸気弁(7)の開き時間を変えるように構成した、シリンダ(CY)における圧縮比のコントロール手段(20)と、
   タービン(TU)に並列接続されたバイパス管(BY)に排気ガスの一部をそらせる必要性を防止又は低減するために、エンジン及びチャージの速度が増大するときに圧縮比を低減させるために、前記センサ手段の出力信号に応じて、圧縮比の前述のコントロール手段(20)を制御する電子制御ユニット(25)と、を含むターボチャージのガソリンエンジンであって、
   前記センサ手段は、エンジン回転数を検出するためと、ドライバによって要求されたエンジントルクを見積もるためとに用いられ、圧縮比の前記コントロール手段(20)は、吸気弁の開きプロファイル、または吸気弁の開きの瞬間及び／又は閉鎖の瞬間及びリフトを変えるように構成された手段から成り、
   前記電子制御ユニット(25)は、各特定の作動状態に対する、又は、エンジン回転数とドライバによって要求されたエンジントルクの特定の各一対の値に対する吸気弁の所定のリフト・プロファイルを得るように、圧縮比の前記コントロール手段(20)を制御するようにプログラムされていて、化学量論値に近い空気／ガソリンの投与を同時に維持することを特徴とするターボチャージのガソリンエンジン。
2. 前記圧縮比のコントロール手段(20)は、
   エンジンのカムシャフト(11)に支持されたカム(14)と、
   吸気弁を制御するようにカム(14)と協働するタペット(16)と、
   カム(14)が吸気弁を開いた状態にされやすい位置にあっても、各バネ手段(9)により吸気弁を閉鎖をもたらすために、ソレノイドバルブ(24)によって排気路(23)と接続される油圧チャンバ(C)を含んで、タペット(16)と吸気弁(7)との間に配置された油圧システムと、
   ソレノイドバルブ(24)を制御するための電子制御手段(25)と、を備える吸気弁の可変駆動システムを備えることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
3. 従来のサイクル(T)に従って、あるいは、下死点と比較して角度αで進む事前閉鎖サイクル(T1)に従って、あるいは、下死点と比較して角度αで遅延してα≦α_MAXである遅延閉鎖サイクル(T2)に従って、前記ソレノイドバルブ(24)を制御することにより、吸気弁の閉鎖が得られるように、下死点の後のエンジンクランク角度α_MAXで吸気弁(7)を閉じることに対応して、カム(14)が、所定角度を通じて一定状態を保っている最大の半径方向寸法を有するプロファイルを示すことを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
4. ドライバによって要求されるエンジントルクを見積もるための手段は、アクセルペダル位置を検出するためのセンサと、エンジンによって要求されるトルクを見積もるために、所定のアルゴリズムに従って、前記センサの出力信号を処理するための電子的処理手段と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
5. アクセルペダル位置の前記センサの出力信号は、アクセルペダルの動き速度の計算によって処理され、要求されたトルクの見積もりは、アクセルペダルの前記動き速度に従って実行されることを特徴とする、請求項４に記載のエンジン。

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