JP5020071B2 - 内燃機関の１グループのシリンダの動作の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の１グループのシリンダの動作の制御方法および装置に関する。より詳細には、本発明はエンジンのシリンダの弁の無効化または有効化に関する。

内燃機関、特に自動車すなわち陸上車両に装備されるエンジンは、大部分の時間、その公称出力のうちの一部までしか負荷がかけられない。大きなトルクを発生することが要求されないこのような動作段階では、エンジンはその効率に影響を及ぼすポンピング損失に直面し、燃料の過度の消費の原因となる。これらのポンピング損失は、比較的低圧の吸気マニホールド内に存在する空気／燃料混合気を吸引し、吸気段階時、燃焼室に投入するために行う仕事量に相当する。

これらのポンピング損失を低減するための方法として、シリンダの一部の動作を無効にすることが知られている。動作が無効になったシリンダはその吸気弁および排気弁が閉じるので、ガス流が通過しなくなる。これらの動作が無効になったシリンダはほとんど損失を発生しなくなるが、その理由は、それらのシリンダが、中に閉じ込められている空気の圧縮および膨張段階を交互に繰り返す空圧ばねのように作動するからである。一方、まだ有効なシリンダについては、より高いトルクを発生しなければならないため、マニホールド内において、より多い流量の吸入空気を必要とし、したがってマニホールド内の圧力が高くなり、エンジンのポンピングによる損失が減少する。

通常、無効化は、エンジンの動作条件に応じてシリンダの動作を制御する適当な機構によって行われる。

カムシャフトおよびアームによる制御の場合、アームの端部が載架する油圧タペットすなわち油圧ストッパーを操作することが知られている。特許ＦＲ２８３７８７１はそのような装置について記載している。

本発明は、より改良された弁の無効化または有効化方法および装置を提供することにより、エンジンの効率に対するシリンダの無効化の利点をさらに高めることを目的とする。

本発明による方法は、４ストロークサイクルマルチシリンダタイプの内燃機関のシリンダの動作の制御において、前記シリンダが、少なくとも１つの燃料噴射装置、吸気弁、排気弁、サイクルの進行に従って弁の開動作を駆動する制御装置、ならびに前記吸気弁および排気弁を選択的に有効化または無効化するために前記エンジンのあらかじめ決められた運転条件に応じてエンジン制御コンピュータにより制御される手段と協働する制御に関する。

本発明によれば、この方法は、弁の無効化が同時に行われること、および前記弁の無効化が、あるサイクル中の、吸気弁の開動作と排気弁の開動作との連続した理論的タイミングの間のほぼ真中の時間に相当するタイミングで行われることを特徴とする。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、この方法は、弁の再有効化が同時に行われ、前記弁の再有効化が、あるサイクル中の、吸気弁の開動作と排気弁の開動作との連続した理論的タイミングの間の時間のほぼ真中に相当するタイミングで行われることを特徴とする。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、動作が制御されるのが４ストロークサイクルマルチシリンダタイプの前記内燃機関の２つのシリンダであり、２つのシリンダのそれぞれについての弁の無効化または有効化が、前記シリンダの理論的点火順序に従いシリンダ毎に順番に行われる。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、被制御手段が、コンピュータによるその制御と弁の実質的な有効化または無効化との間に遅延時間を有し、前記被制御手段の駆動を行う際この遅延時間を考慮する。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、遅延時間の値がエンジンの動作点ならびに前記エンジンの老化に応じてマッピングされる。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、遅延の測定値に対する誤差値が求められ、好ましくは前記誤差値がエンジンの動作点ならびに前記エンジンの老化に応じてマッピングされる。

本発明が対象とする方法の別の特徴によれば、誤差値が吸気弁の開動作の理論的タイミングと排気弁の開動作の理論的タイミングとの間の間隔の半分未満である時にしか、シリンダの弁の無効化が行われない。

本発明は、本発明による方法を実施するための装置にも関する。

本発明が対象とする装置の別の特徴によれば、エンジン制御コンピュータが適当なプログラムを備え、このプログラムは、サイクルの進行中、吸気弁の開動作（ＯＡ）の理論的タイミングと、排気弁の開動作（ＯＥ）の理論的タイミングとの間のほぼ真中の時間で前記シリンダの弁の無効化または有効化が行われるよう、シリンダの弁の有効化または無効化手段の制御を行うことができる。

本発明が対象とする装置の別の特徴によれば、被制御手段は、前記弁と前記制御装置との間に介装されたクラッチ解除可能な油圧タペット、ならびにエンジン制御コンピュータによって駆動される電磁弁により制御される１つの油圧回路を備える。

本発明が対象とする装置の別の特徴によれば、被制御手段は、弁の開動作を駆動する電磁アクチュエータを備える。

本発明ならびにその長所は、非限定的な例示として添付の図面を参照して行う一実施形態についての詳細な説明を検討することにより、よりよく理解されよう。

図１においては、４サイクルで特に自動車に装備するための点火制御方式のエンジンを符号１で示した。本発明の対象となるシリンダの接続解除方法を利用するこのエンジン１は通常、それぞれ符号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を有する直列の４つのシリンダを含む。ここではシリンダＣ２のみについて詳細に記述した。

シリンダＣ２は、シリンダブロッククランクケース２内に設けられたボア３を有する。このボア３は、前記クランクケース２の上にあるシリンダヘッド４により、上端が閉じられている。ピストン５はシリンダ２のボア３内に滑動可能に取り付けられている。このピストンは、図示しないコンロッドにより、同じく図示しないクランクシャフトに接続されている。ピストン５の上面６、ボア３の上部、およびシリンダヘッド４により規定される下面は燃焼室７を画定している。

シリンダヘッド４は、少なくとも１つのパイプ８で形成される吸気ガスの吸気回路を備える。このパイプ８は、開口部９を塞ぐ閉位置とガスを吸気する開位置との間で作動することができる駆動弁１０と協働する開口部９により、燃焼室７のルーフ内に開口する。弁１０は駆動ロッド１１および円錐台形の閉塞ヘッド１２を備え、その傾斜した周囲面は、開口部９を閉じるための弁座を形成する開口部９の対応する表面と接触するようになる。

弁１０の開動作は、アームとも呼ばれる旋回レバー１６を介してカムシャフト１５により支承されるカム１４により、弁ばね１３に抗して行われる。このアームはバルブロッド１１の端部に載架するとともに、油圧タペットすなわち油圧ストッパー１７にも載架している。通常、ストッパー１７は、アーム用の旋回点として用いられるともに、遊び補正としても用いられる。

シリンダヘッド４は、駆動ロッド２１および閉塞ヘッド２２を備える駆動弁２０により閉じることができる開口部１９により、燃焼室７のルーフ内に開口する少なくとも１つの排気パイプ１８により形成される燃焼ガス排気回路も備える。

吸気と同様に、弁２０の開動作は、アーム２６を介してカムシャフト２５により支承されるカム２４により、弁ばね２３に抗して行われる。このアームはバルブロッド２１の端部に載架するとともに、ストッパー１７と同様の油圧タペットすなわちストッパー２７にも載架している。

シリンダヘッド４は、適切な圧力がかかった燃料を外部取入口で受け入れ、弁１０の上流側のシリンダＣ２の吸気回路内に開口する噴射ノーズを形成する端部を有する被制御噴射装置２８で形成される燃料噴射手段を備える。シリンダヘッド４は、点火プラグ２９も備える。

噴射のタイミングおよび噴射される燃料の量に関する噴射装置２８の制御は、エンジンの回転数、負荷、および図示しないクランクシャフト位置センサーからもたらされるシリンダ４内のピストン５の位置等の適当な情報を基に、エンジン制御コンピュータ３０により行われる。

コンピュータ３０は、エンジンの作動点に従いプラグ２９の点火タイミングも制御する。

通常、シリンダに係る噴射および点火順は、Ｃ１、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ２である。シリンダが順次点火されるこの点火順は、クランクシャフト、コンロッドおよびピストンで構成される図示しない可動要素の均衡を促進することを目的とする。

本発明に従い、エンジン１は、ある運転領域、特に部分的負荷運転時のポンピングによる損失を低減するためのシリンダの接続解除機構を備える。

この接続解除機構もまたエンジン制御コンピュータ３０によって制御されており、エンジンがあらかじめ決められた条件で作動している時、４つのシリンダのうちの２つの接続を解除し（すなわち動作させないようにし）、２つのシリンダだけでエンジンを作動させることを目的とする。シリンダの接続解除はガスの吸気弁および排気弁の作動を無効にすることにより行う。

２つのシリンダによる縮小運転により発生する冷却によるシリンダヘッドおよびエンジンブロックの拡張の問題を軽減する場合、無効化されるのは中間シリンダＣ３およびＣ２であり、両端のシリンダＣ１およびＣ４は有効なままである。当然のことながら、エンジンの運転が前述のあらかじめ決められた作動範囲から外れると、この機構は無効になっていたシリンダの再接続を行う。

以下の説明においては、シリンダＣ３の接続解除、次いでシリンダＣ２の接続解除が相次いで行われる接続方法について記述する。この方法は本発明に限定されるものではなく、シリンダＣ３の後、あらかじめ決められた時間の経過後、シリンダＣ２の接続を解除するようにすることも可能である。

非限定的な例示として与えられる接続解除機構は、クラッチを解除し弁の作動を無効にすること、すなわちカムシャフトの位置の如何に関わらず弁を閉位置の座に固定することができるようにした油圧ストッパー１７および２７を使用する。

このタイプのクラッチ解除可能型油圧ストッパーは２つのモード、すなわちストッパーがシリンダヘッド４内の定位置にロックされ、対応するアームの動作切り換え点となる第１モードと、ストッパーがその収納場所内で可動であり、組み合わされているカムの作用によるアームの動作切り換え点がバルブロッドの端部になり、バルブロッドがその座に固定されたままになる第２モードとで作動する。

図示する実施例によれば、ストッパー１７および２７のロックおよびロック解除操作は、被制御電磁弁３２により駆動される圧力がかかっている同一の油圧回路３１を経由して行われる。

通常、ストッパー１７、２７のうちのいずれか一方に結合された弁が開動作段階にある時は、対応するストッパーのロック解除操作は機能しなくなり、ストッパーのロック解除は、結合された弁がその座にある時しか行われない。

そのようなストッパーはそれ自体が既知であるのでこれ以上詳細に説明することはしない。たとえば、そのようなクラッチ解除可能型ストッパーの実施形態を記述した書類ＦＲ２８３７８７１を参照することができよう。

したがって、図示する接続解除装置の実施形態によれば、シリンダＣ２の吸気弁および排気弁の無効化は、ＥＶ２とも呼ばれる第１被制御電磁弁３２によって駆動される油圧回路３１により同時に行われる一方、シリンダＣ３の吸気弁および排気弁の接続解除は、第１油圧回路とは異なり、第２被制御電磁弁ＥＶ３によって駆動される別の油圧回路により行われる。

図２には、本発明による無効化方法の理解に有用なシリンダＣ２の弁の駆動プロセスのタイミングチャートを示した。シリンダＣ３の接続解除プロセスはシリンダＣ２の接続解除プロセスと同一であるので、以下においてはシリンダＣ２の接続解除のみを詳細に記述する。

タイミングチャートは、シリンダＣ２内でのエンジンサイクルの進行中、弁が作動している時の弁の駆動を、クランクシャフトの半回転毎に記述したものである。１サイクルはクランクシャフト２回転分すなわち７２０°になる。便宜上、全てのタイミングをクランクシャフトの角度値で識別することにする。

吸気弁１０は、新しく４ストロークサイクルを開始する上死点ＴＤＣ（０°）の直前のタイミングＯＡで開くが、排気弁２０はまだ開いている。この交差上死点ＴＤＣ（０°）の直後のタイミングＦＥで排気弁２０は閉じるが、吸気弁は開いているので、下降するピストンはフレッシュガスを吸気することができる。この「吸気」行程は、実質上、タイミングＦＡで吸気弁１０の閉動作が行われる後の下死点ＢＤＣ（１８０°）まで続く。

「吸気」行程に次いで、２つの行程、すなわち「圧縮」と「燃焼／膨張」がある。「圧縮」行程では点火ＴＤＣ（３６０°）までピストンが上昇するが、１サイクルのうちの「膨張」行程はＢＤＣ（５４０°）までのピストンの下降に相当する。

下死点ＢＤＣ（５４０°）の近傍では、タイミングＯＥで排気弁が開く。「排気」行程中、ＴＤＣ（７２０°）まで上昇するピストン５により、燃焼室７から燃焼ガスがほぼ全量除去される。次に、サイクルは新しく「吸気」行程になる。

エンジンに移相装置式可変制御システム、あるいはリフトのタイミングを変えることができる他の機構が装備されている場合、これらのタイミングＯＥ、ＦＥ、ＯＡ、ＦＡは、圧縮行程の終了時、ＴＤＣの近傍で発生するプラグ２９の点火タイミングＡＬと同様、エンジン１の運転条件、特に回転数および負荷条件に応じて変化する。

本発明による弁の無効化方法では、シリンダＣ２がＢＤＣに到達する頃に燃焼ガスを燃焼室７内に閉じ込めることを行うように制御される。これを行うために、ストッパー１７および２７のクラッチ解除は現在進行中のサイクルの「排気」段階の前、すなわち燃料空気混合気の吸気段階の開始点のＯＡの後であって、排気弁の開動作の開始点ＯＥの前、に行われなければならない。

実際、出願人は、接続を解除したシリンダ内に高温の燃焼ガスが存在することにより、フレッシュガスが充填されているかまたは空の、接続が解除されたシリンダと比較して、エンジンのサイクルずれを大幅に軽減することが可能であったことを明らかにした。

したがって本発明によれば、ストッパー１７およびストッパー２７の理論的有効ロック解除タイミングＤＥＴは、想定する動作点にそれぞれ対応する連続した理論的タイミングＯＡとＯＥとの間のほぼ真中、すなわち（ＯＥ−ＯＡ）／２、言い換えれば、ほぼ圧縮時間の真中であって、クランクシャフト２７０°の近傍であると決められる。上死点に対し２０°程度の進みを有するタイミングＯＡ、ならびに下死点に対し６０°の進みを有するタイミングＯＥを想定すると、ロック解除の理論的有効タイミングは２５０°になる。

コンピュータ３０は、油圧回路３１および弁ＥＶ２の応答時間ＲＥＴを考慮して、タイミングＤＥＴより先んじて、タイミングＴにて、すなわちＴ＋ＲＥＴがＤＥＴに等しくなるよう、弁ＥＶ２の駆動を開始しなければならない。

エンジンの運転条件、特に圧力および回転数パラメーターならびに油圧回路の部品の老化に応じて、油圧回路３１および弁ＥＶ２の応答時間ＲＥＴをマッピングする。

部品の製造個体差および老化を考えた場合、タイミングＲＥＴの決定には誤差が含まれており、この誤差自身はデルタＲＥＴの値により推定することができる。したがって、コンピュータがタイミングＴ（ＤＥＴ−ＲＥＴ）にロック解除を開始すると、時間幅[ＤＥＴ−デルタＲＥＴ；ＤＥＴ＋デルタＲＥＴ]内で実際の有効ロック解除が生じる。

たとえば、[ＯＡ；ＯＥ]の範囲内で実際の有効ロック解除が生じるといった前述の説明を考慮すると、油圧回路は、クランクシャフト２７０°よりもはるかに小さなデルタＲＥＴの値で応答するよう構成することが重要であり、これは１５ｍｓが３０００ｒｐｍに相当し、３０ｍｓが１５００ｒｐｍに相当する。反対に、クランクシャフト２７０°よりもはるかに小さなデルタＲＥＴの値を全ての接続解除範囲内で保持することが可能でない場合、もはや当初の範囲内では接続解除が行われず、２７０°よりも小さなデルタＲＥＴを保証することができる範囲内でしか行われない。

したがって、エンジン制御コンピュータ３０が使用するマップはこれら種々の値の全体を考慮して、シリンダＣ２の接続解除の指令を行う。

弁の再有効化の管理もほぼ同様である。たとえばまず燃焼済ガスの排出を行った後、吸気時に燃焼済ガスを過度に排出しないよう、燃料または空気の混合気を再度導入するのがよい。これを行うためには、吸気弁より前に排気弁を開かなければならない。

したがって本発明によれば、ストッパー１７および２７の理論的実ロックタイミングＶＥＴは、タイミングＯＡとＯＥとの間の時間の真中、すなわちほぼ圧縮時間の真中であって、クランクシャフト２７０°の近傍であると決められる。

したがって弁の再有効化は、エンジン制御コンピュータにより弁の無効化時と同じようにして制御される。したがって、被制御電磁弁の駆動に関して上で説明したことが全く同様に適用されるので、これ以上詳細に記述することはしない。しかしながら、有効化に相当する値とは異なる再有効化に特有な遅延値を考慮することが望ましいこともあることに留意されたい。

もちろん本発明は、上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明から逸脱することなく多くの変更および改造をこれらの実施形態に施すことができる。

したがって本発明は、電磁制御を有するエンジンにも適用される。この場合、停止させるシリンダの弁を無効化するよう制御されるのは弁を駆動するアクチュエータである。

このように本発明はエンジンの合計シリンダ数の如何（４、５、６、７、８等）に関わらず、また接続を解除するシリンダ数の如何（１、２、３、４等）に関わらず適用される。

本発明による方法を実施するための内燃機関の概略部分断面図である。 本発明による方法の詳細を説明するタイミングチャートである。

Claims (10)

1. ４ストロークサイクルマルチシリンダタイプの内燃機関のシリンダの動作の制御方法において、前記シリンダが、少なくとも１つの燃料噴射装置、吸気弁、排気弁、サイクルの進行に従って弁の開動作を駆動する制御装置、ならびに前記吸気弁および排気弁を選択的に有効化または無効化するために前記エンジンのあらかじめ決められた運転条件に応じてエンジン制御コンピュータにより制御される手段と協働する方法であって、弁の無効化が同時に行われること、および前記弁の無効化が、あるサイクル中の、吸気弁の開動作（ＯＡ）と排気弁の開動作（ＯＥ）との連続した理論的タイミングの間のほぼ真中の時間に相当するタイミングで行われることを特徴とする制御方法。
2. 前記弁の再有効化が同時に行われ、前記弁の再有効化が、あるサイクル中の、吸気弁の開動作（ＯＡ）と排気弁の開動作（ＯＥ）との連続した理論的タイミングの間のほぼ真中の時間に相当するタイミングで行われることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 動作が制御されるのが４ストロークサイクルマルチシリンダタイプの前記内燃機関の２つのシリンダであること、および、２つのシリンダのそれぞれについての弁の無効化または有効化が、前記シリンダの理論的点火順序に従いシリンダ毎に順番に行われることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の制御方法。
4. 前記被制御手段が、前記コンピュータによるその制御と前記弁の実質的な有効化または無効化との間に遅延時間を有すること、および前記被制御手段の駆動を行う際この遅延時間を考慮することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の制御方法。
5. 前記遅延時間の値がエンジンの動作点ならびに前記エンジンの老化に応じてマッピングされることを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
6. 前記遅延の測定値に対する誤差値が求められ、好ましくは前記誤差値がエンジンの動作点ならびに前記エンジンの老化に応じてマッピングされることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれか一項に記載の制御方法。
7. 誤差値が吸気弁の開動作（ＯＡ）の理論的タイミングと排気弁の開動作（ＯＥ）の理論的タイミングとの間の間隔の半分未満である時にしかシリンダの弁の無効化が行われないことを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
8. エンジン制御コンピュータが適当なプログラムを備え、前記プログラムは、サイクルの進行中、吸気弁の開動作（ＯＡ）の理論的タイミングと、排気弁の開動作（ＯＥ）の理論的タイミングとの間のほぼ真中の時間で前記シリンダの弁の無効化または有効化が行われるよう、シリンダの弁の有効化または無効化手段の制御を行うことができることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置。
9. 前記被制御手段が、前記弁と前記制御装置との間に介装されたクラッチ解除可能な油圧タペット、ならびにエンジン制御コンピュータによって駆動される電磁弁により制御される１つの油圧回路を備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記被制御手段が、弁の開動作を駆動する電磁アクチュエータを備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。

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