JP5243533B2 - 複数のリフト段階を用いて弁を制御するための方法および装置、ならびに熱機関に混合気を供給する方法 - Google Patents

複数のリフト段階を用いて弁を制御するための方法および装置、ならびに熱機関に混合気を供給する方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数のリフト段階をもって弁を制御するための方法および装置に関する。この方法および装置は、例えば、自動車の燃焼機関（本明細書では、単にエンジンとも呼ぶ）の弁を制御するために用いることができる。また本発明は、混合気を燃焼機関に供給する方法にも関する。
自動車の分野で使用されている燃焼機関は、一般に、一端がシリンダヘッドで閉じられ、かつクランクシャフトに連結されたピストンが内部をスライドするシリンダを画定しているエンジンブロックを備えている。４ストロークエンジンでは、シリンダヘッドは、吸気弁に連通する吸気管および排気弁に連通する排気管を備えている。吸気弁および排気弁は、シリンダと対応する管を連通させる開位置とシリンダを、対応する管から遮断する閉位置との間で移動することができる。
弁、特に吸気弁を作動させるために、制御装置を使用することが計画されている。この制御装置は、エンジンの最適な運転、特にシリンダ内に導入される空気の充填に関する所定のパラメータの関数として、電磁アクチュエータを制御するようにプログラムされた制御ユニットに接続され、かつ少なくとも１つの弁に関連づけた電磁アクチュエータを備えている。
弁を制御する様々な方法があるが、ＥＩＶＣモードおよびＬＩＶＯモードが有名である。ＥＩＶＣモード（「Ｅａｒｌｙ Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ Ｃｌｏｓｉｎｇ」の省略形）では、弁は、開いて、導入された空気の量が十分になると直ちに閉じる。この制御方法は、カムシャフトによる従来の方法で弁が作動されるエンジンに起こりがちなポンピング損失を低減させることができる。しかしながら、この制御方法は、吸気中にシンリンダ内での乱流の発生を促さないため、比較的低い燃焼効率となってしまう。ＬＩＶＯモード（「Ｌａｔｅ Ｉｎｔａｋｅ Ｖａｌｖｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ」の省略形）では、吸気弁は、ピストンの下方への運動によってシリンダ内に力が生じたときに遅れて開き、ＥＩＶＣモードと同様に、導入された空気の量が十分になると直ちに閉じる。ポンピング損失は、ＥＩＶＣモード単独よりも大きいが、燃焼効率は改善されている。
本発明の目的は、制御された吸気弁を用いた燃焼機関への空気の最適な流入を実現することにある。
この目的を果たすために、本発明は、閉位置と開位置を有する、燃焼機関の弁を制御する方法を提供するものである。この方法は、弁を開位置に到達させる少なくとも１つの段階、および弁を閉位置と開位置との間の中間位置に保持する１つの段階を有する、弁を開ける少なくとも１つの工程を含んでいる。
本発明の方法では、弁を、複数の開位置に到達させて、そこに保持する。流体の挙動および流速は、これらの複数の位置で同じではないため、弁をこれらの位置に連続的に位置合わせすることにより、それぞれの利点を兼ね備えることができる。弁を開位置に到達させる段階は、弁を中間位置に保持する段階の前または後のいずれかである。
本発明はまた、この方法を実行する装置にも関する。
さらに、本発明の別の目的は、吸気弁を閉位置と開位置との間で移動させることによって、吸気行程の際に燃焼機関のシリンダに混合気を供給する方法を提供することにある。この方法は、吸気弁を開位置に到達させる少なくとも１つの段階、および吸気弁を閉位置と開位置との間の中間位置に保持する１つの段階を含んでいる。
空気力学的撹拌、充填速度、および充填ロスは、弁を開位置に到達させる段階と、弁を中間位置に保持する段階とでは、明らかに同じでないため、これらの２つの段階を連続的に行うことにより、これらの利点を兼ね備えることができる。
弁を制御する第１の方法によると、弁を開位置に到達させる段階は、弁を中間位置に保持する段階の前である。
弁を開位置に到達させる段階は、殆どのシリンダの充填に用いることができ、圧力の低下は限られている。一方、弁を中間位置に保持する段階は、好ましくは吸気行程の後の圧縮行程の直前まで、シリンダ内の充填混合気の空気力学的撹拌が維持され、この空気力学的撹拌が燃焼を促進する。
制御の第２の方法によると、弁を開位置に到達させる段階は、弁を中間位置に保持する段階の後である。
弁を中間位置に保持する段階により、弁の移動に消費される必要なエネルギーの量を制限しても、後に弁を開位置に容易に移動させることができる。一方、弁を開位置に到達させる段階により、限られた圧力低下で、殆どのシリンダの充填を行うことができる。また、弁を開位置に到達させる段階は、同様に、好ましくは吸気行程の後の圧縮行程の直前まで、シリンダ内の充填混合気の流体力学的撹拌を維持することができる。
弁を到達させる段階および弁を保持する段階は、シリンダ内に導入される混合気の充填の関数として決定される継続時間を有しているのが好ましい。
混合気の充填は、保持段階の継続時間によって直に決まるため、この充填のために弁を、吸気管に配設する必要がない。
継続時間は、吸気行程の後の混合気の圧縮行程の開始の近くで、弁が閉位置に到達するように決定すると有利である。
これにより、混合気の流入によって生じる混合気の流体力学的撹拌は、圧縮行程の開始の直前まで維持され、混合気の燃焼性が改善され、高効率の燃焼が可能になる。
本発明の他の特徴および利点は、以下に示す本発明の限定目的ではない特定の実施形態の説明を読めば明らかになると思う。
本発明を実施できる燃焼機関の部分模式図である。 燃焼機関の１つのシリンダの部分模式図である。 １つの制御モードを用いた弁のリフトの時間に対するプロフィールを表すダイアグラムである。 もう１つの制御モードを用いた弁のリフトの時間に対するプロフィールを表すダイアグラムである。
本明細書では、吸気、圧縮、燃焼、および排気の４つの行程で動作する内燃機関を用いて、本発明を説明する。
図に示すように、本発明による内燃機関は、一列に並んだ４つのシリンダ１、２、３、４を画定しているエンジンブロック１０を備えている。シリンダ１および４はそれぞれ、シリンダ２および３に隣接している。各シリンダ１、２、３、４の、一端はシリンダヘッド６によって閉じられ、他端は、ピストン７によって閉じられた燃焼室５を画定している。ピストン７は、上部位置（上死点）と底部位置（下死点）との間で、シリンダ１、２、３、４内を前後にスライドすることができ、ブロック１０内で回転できるように取り付けられたクランクシャフト９に、連結ロッド８によって連結されている。
シリンダヘッド６に形成された吸気管１１および排気管１２は、各燃焼室５内に開口している。吸気管１１には、電磁アクチュエータ１５によって開位置と閉位置との間で移動する吸気弁１３が設けられており、排気管１２には、電磁アクチュエータ１６によって開位置と閉位置との間で移動する排気弁１４が設けられている。
公知のように、各アクチュエータ１５、１６は、２つの電磁石が取り付けられた本体を備えている。２つの電磁石の間には、一端が弁のステムに支持されるように設計されているアクチュエータロッドの他端に固定された磁気羽根が取り付けられている。また、各アクチュエータは、自体公知の方法で、弾性運動手段も備えている。弾性運動手段は、自体公知の方法で、磁気羽根を弁開位置に戻すために、アクチュエータの本体の一表面とアクチュエータロッドの肩との間に配設されたバネと、磁気羽根を弁閉位置に戻すために、シリンダブロックの一表面と弁のステムの肩との間に配設されたバネを備えている。
点火プラグ１９が、燃焼室５内に開口するように、シリンダヘッド６に取り付けられている。点火プラグ１９は、本明細書には記載しない公知の点火回路に接続されている。
燃料供給装置のインジェクタ２０も、シリンダヘッド６に取り付けられている。
電磁石は、本明細書に記載しない手段によって、公知の方法で制御装置１７、１８によって制御され、これにより、例えばロッド位置センサによって供給される位置信号を微分することによって得られるアクチュエータロッドの移動速度および基準電流に基づいた更なる制御が可能になる。
公知の制御装置１７、１８は、ＶＣＵ（「Ｖａｌｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ」の省略形）としてよく知られている電子ユニットであり、
・エンジン制御ユニット３０（またはＥＣＵ、このＥＣＵは「Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ」の省略形であり、広く知られている）によって送信されるデータ、およびメモリに保存されたデータに基づいてプログラムを実行するプロセッサが組み込まれたコンピュータ化制御モジュールと、
・アクチュエータに電源を供給するために、このアクチュエータに接続された、制御モジュールによって制御される電源モジュールとを備えている。
各吸気弁１３のアクチュエータ１５を制御する制御装置１７が実行するプログラムは、弁を開位置に到達させる少なくとも１つの段階、および弁を閉位置と開位置との間の中間位置に保持する１つの段階で弁を開くように設計されている。弁を開位置に到達させる段階、および弁を中間位置に保持する段階は、シリンダ内に導入される混合気の充填の関数として決定する継続時間を有する。また、中間位置での吸気弁１３のリフトも、シリンダ内に導入される混合気の充填に基づいて設定することができる。
さらに、継続時間は、吸気行程に続く混合気の圧縮行程の開始の近くで、弁が閉位置に到達するように決定する。
この場合、吸気弁１３は、開位置に保持されるのではなく、アクチュエータ１５が、吸気弁１３が閉位置に向かって戻れるようにするために、吸気弁１３を開位置に到達させたら吸気弁１３を解放するように駆動される。
図３に示すように、弁を開位置に到達させる段階Ｉは、弁を中間位置に保持する段階ＩＩの前である。
図４に示すように、弁を開位置に到達させる段階Ｉは、弁を中間位置に保持する段階ＩＩの後である。
アクチュエータ１５を制御する制御装置１７が、時間に対してこのプロフィールを実行するようにするために、制御装置３０は、このプロフィールを再現できる情報のフレームを、通信バスを介して送信する。制御装置１７は、遷移の終了を検出するまでバッファに情報のフレームを保存する。
第１の通信方法によると、フレームは、
・所望のリフト（例えば、ｍｍ単位）、
・前のリフトの終了の位置（クランク角における）、
・所望のリフトの開始の位置（クランク角における）のトリプレットの情報を含んでいる。
例えば、
・２ｍｍ、２０度、５０度（フレーム１）、
・１０ｍｍ、９０度、１２０度（フレーム２）、
・０ｍｍ、１５０度、１８０度（フレーム３）の一連のフレームを有することができる。
制御装置１７は、これらのフレームを復元して次のエンジンサイクルに利用する。一連のフレームのプロフィールの定義の終了は、
・最後のフレームの所望のリフトが０ｍｍに等しいこと、
・次のフレームを定義する初めのフレームが、前のフレームの値よりも高い所望のリフトの開始位置で終了したこと、
・所定の期間、情報が存在しないこと、によって検出される。
第２の通信方法によると、情報は、ダブレットの対、すなわち
・所望のリフト（例えば、ｍｍ単位）および前のリフトの終了の位置（例えば、クランク角）（ダブレット１）、および
・次のリフトおよび次のリフトの開始の位置（ダブレット２）を送信する。
一例として、一連のフレーム、すなわち
・０ｍｍ、２０度（ダブレット１）；２ｍｍ、５０度（ダブレット２）、
・２ｍｍ、９０度（ダブレット１）；１０ｍｍ、１２０度（ダブレット２）、
・１０ｍｍ、１５０度（ダブレット１）；０ｍｍ、１８０度（ダブレット２）、を有することができる。
プロフィールの終了は、前述のように決定される。
もちろん、本発明は、記載した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内でのあるあらゆる変更形態を包含するものである。
具体的には、エンジンおよび制御装置は、本明細書に記載する構造とは異なる構造を有することができる。したがって、本発明は、直接インジェクションまたは間接インジェクションの火花点火または圧縮点火エンジン、二重燃料エンジン、または他のタイプの弁の作動（油圧式の弁の作動が有名）に利用することができる。
また、本発明の方法は、排気弁にも適用することができる。
変更形態として、もちろん、弁を開位置に保持することも可能である。
さらに、２つ以上の中間位置を有することも可能である。
開位置および中間位置に対応する弁のリフトは、シリンダ内に導入される混合気の充填の関数として決定することができる。
弁を開位置に到達させる段階の継続時間、および弁を中間位置に保持する段階の継続時間は、圧縮行程の開始前、またはその直後に、弁が閉位置に到達するように決定することができる。
エンジン制御ユニットと弁制御装置との間で情報を伝達する方法は、他にも考えられる。さらに、情報の伝達方法は、本明細書の記載とは関係はない。他の情報を交換することもできる。
１、２、３、４ シリンダ
５ 燃焼室
６ シリンダヘッド
７ ピストン
８ 連結ロッド
９ クランクシャフト
１０ エンジンブロック
１１ 吸気管
１２ 排気管
１３ 吸気弁
１４ 排気弁
１５、１６ 電磁アクチュエータ
１７、１８ 制御装置
１９ 点火プラグ
２０ インジェクタ
３０ エンジン制御ユニット

Claims (11)

  1. 閉位置と開位置を有する、燃焼機関の弁を開ける少なくとも１つの工程を有し、
    この工程は、前記弁を前記開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階、および前記弁を前記閉位置と前記開位置との間の中間位置に保持する１つの第２の段階を含み、
    エンジン制御ユニットと情報を伝達する工程を更に含み、
    前記情報は、弁のリフト及びクランク角を備え、
    前記情報は、情報のフレームの形態で伝達され、
    各フレームは、弁のリフト、前のリフトの終了時のクランク角及び所望のリフトの開始時と一致するクランク角を規定するトリプレット及び前のリフトおよびこの前のリフトの終了時に一致するクランク角及び次のリフトおよびこの次のリフトの開始時と一致するクランク角を規定するダブレットを備えることを特徴とする、弁を制御する方法。
  2. 弁を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の前である、請求項１記載の方法。
  3. 弁を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の後である、請求項１記載の方法。
  4. コンピュータ化アクチュエータ制御ユニットに接続された弁アクチュエータを備えており、
    前記制御ユニットは、弁を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階、および前記弁を閉位置と前記開位置との間の中間位置に保持する１つの第２の段階で、前記弁を開くようにプログラムされ、
    エンジン制御ユニットと情報を伝達する工程を更に含み、
    前記情報は、弁のリフト及びクランク角を備え、
    前記情報は、情報のフレームの形態で伝達され、
    各フレームは、弁のリフト、前のリフトの終了時のクランク角及び所望のリフトの開始時と一致するクランク角を規定するトリプレット及び前のリフトおよびこの前のリフトの終了時に一致するクランク角及び次のリフトおよびこの次のリフトの開始時と一致するクランク角を規定するダブレットを備えることを特徴とする、前記弁の位置を前記閉位置と前記開位置との間で制御するための装置。
  5. 弁を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の前である、請求項４記載の装置。
  6. 弁（１３）を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の後である、請求項４記載の装置。
  7. 前記吸気弁を前記閉位置と前記開位置との間で移動させることによって、吸気行程の際に燃焼機関のシリンダに混合気を供給する方法であって、
    請求項１に記載の方法を含むことを特徴とする方法。
  8. 弁（１３）を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の前である、請求項７記載の方法。
  9. 弁（１３）を開位置に到達させる少なくとも１つの第１の段階は、前記弁を中間位置に保持する第２の段階の後である、請求項７記載の方法。
  10. 到達させる段階および保持する段階は、シリンダに導入される混合気の充填の関数として決定する継続時間を有する、請求項７記載の方法。
  11. 継続時間は、吸気行程の後の混合気の圧縮行程の開始近くで、弁が閉位置に到達するように決定される、請求項１０記載の方法。
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