JP5926241B2 - ピストンエンジンにおけるガス交換バルブのための制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分によるピストンエンジンのガス交換バルブ用制御装置に関する。

現代の圧縮点火ピストンエンジンは、共通してスーパーチャージャー、通常はターボチャージャー、が設けられている。ターボチャージャー装置は、エンジンの排ガスのエネルギーを使用するため、特に有利である。ターボチャージャーディーゼルエンジンからの排気を少なくするため、注入口バルブのタイミングは、ピストンの下死点より早く閉じられるようにされ、一方、シリンダー内に充分な量の空気が入るように、ブースト圧が高められる必要がある。これにより、エンジンの出力と効率が高められる。しかしながら、実際のターボチャージャーにおいては、排気ガスタービンと共に作動するコンプレッサーは、低いエンジン負荷の状態では、ターボチャージャーのブースト圧は依然として低いため、不十分となる傾向にある。

ターボチャージャーの作動は、タービンとコンプレッサーとの相互関係と特性に影響される。コンプレッサーにおける高圧比の使用、即ち、エンジンの吸気システムの実質的に高いチャージ圧の利用は有利なものとなる。ターボチャージャーのコンプレッサー部の作動は、一方において、コンプレッサーの最大流量キャパシティに対応する限界により制限を受け、他方において、いわゆるサージマージンによって制限を受ける。エンジンに供給される燃焼空気の圧力と流量が、コンプレッサーがサージングすると直ちに減少するため、コンプレッサーのサージングはエンジンの作動にとって有害である。

WO 2008/0008999A1 は、エンジンの異なる負荷、特に低負荷、に追従するようにバルブの閉鎖を遅らせることを可能にする燃焼エンジンのガス交換バルブの閉鎖タイミングを調整する装置であり、これにより、シリンダーには圧縮ストロークの期間に自己発火が起きるのに充分な空気が供給されないようにする装置を示している。これは、２ステージターボチャージャーエンジンのようなエンジンの始動期間及び負荷変動の期間において高圧でチャージされるエンジンに関しては当てはまる。この種のエンジンでは、よりシャープな、又は、より短いカムノーズの形状との組み合わせと共に、より高い圧力が使用され、結果として、いずれも、より短期間でチャージが行われるようになる。したがって、エンジンの通常負荷の状態では、吸気バルブの開放時間は、遅延機能が選択的に採られるような特別状況のために充分に長くなることはない。

異なるエンジンと負荷状況によっては、エンジンの排気と効率に関する更なるより高い要求の観点から、ガス交換バルブの夫々の種々の作動のタイミングによってシリンダー内に供給される空気量を調整できるようにすることが有利である。WO 2008/000899A1に示されている装置は、このような観点から充分な可能性を提示していない。したがって、本発明の目的は、前記問題点及び従来技術における他の問題点を解決するための、更なる改良されたピストンエンジンのガス交換の制御装置を提供することにある。

本発明の目的は請求項１及びより緊密的には他の請求項に示されるようにして達成される。本発明によれば、チャンバー空間内の圧力を放出するための正確な時間を調整可能に決定するための電子的に制御されるバルブ手段が排出通路に設けられる。これにより、バルブ手段の開放時間、したがって、ガス交換バルブの閉動作の開始及び開放を維持するための遅延が、各ケースにおけるエンジンの駆動状態に適合するように、自由に選択できる。

実際のところ、電子制御バルブ手段は、ガス交換バルブの閉鎖を必要に応じて調整することができるように、制御ユニットからの制御信号に有効に応答するようにされる。したがって、一又は複数のエンジンの負荷状態に関連する物理的パラメータ、例えば、エンジンの駆動速度、が測定され、当該パラメータの予め設定した値と比較するために制御ユニットに入力され、前記測定値の比較に基づいて制御ユニットがバルブ手段を開放する制御信号を与え、これにより、チャンバー空間から排出通路を経由する油圧媒体の流れを可能とするようにしている。

更に、排出通路には、流量絞り弁装置をバルブ手段の下流に設けることができ、そして、その流量絞り弁装置は流量絞りのための制御ユニットにより好適に制御される。この種の絞り弁装置により、排出通路を流れる油圧媒体の速度を調整することができる。したがって、一旦、最初にガス交換バルブの閉鎖動作が電子制御バルブ手段により開始されると、ピストン装置の運動及びその結果としてのガス交換バルブの閉鎖動作は必要に応じて制御され、選択される。

本発明の他の実施例によると、ピストン装置はガイド部を介してカムシャフトに力が伝達されるように連結される。更に、排出通路には、電子制御バルブ手段と独立して作動するバルブ装置が設けられ、その動作モードは本体部分に関してガイド部分の位置に追従するようにされる。この目的のため、排出通路は分岐するようにされ、バルブ装置は電子制御バルブ手段とは異なる分岐路に設けられる。この装置は、電子的制御バルブ手段、特に、その電子制御にいかなる異常作動が生じた場合においても信頼性のある解決を与える。

本発明は、必要に応じてエンジンのガス交換バルブの閉弁を調整するために多目的の可能性を与えることにより、広範囲の負荷と回転数に対してエンジン性能の最適化を改善する。

以下に、添付の図面を参照して、具体例により本発明をより詳細に説明する。

ピストンエンジンとそのバルブ機構の概略を示す図である。 本発明による不作動状態の制御装置を示す図である。 本発明による開弁段階の制御装置を示す図である。 本発明による閉弁段階の制御装置を示す図である。 本発明による閉弁状態の第２の制御装置を示す図である。 バルブの相対的開弁曲線を示す図である。

図面の詳細な説明
図１は本発明の理解を容易にするためのピストンエンジンの簡略化した図である。ピストンエンジン１のシリンダー（図示せず）のガス交換はシリンダーヘッド２上に位置するガス交換バルブ３の制御の下に行われる。ガス交換バルブ３はメカニズムを介して作動し、典型的にはエンジンのカムシャフト４により駆動され、カム・プロファイル４．１により案内される。各バルブ機構６とカムシャフト４との間の力伝達結合は制御装置５により実現される。

制御装置５の第１実施例が図２−４により詳細に示され、図２は不作動状態を示し、ここでは、連結されるガス交換バルブ３（図示せず）が閉じている。制御装置５は、典型的にはエンジン本体に固定されている本体部５１を有している。本体部５１にはチャンバー５２が設けられ、その中にはピストン装置５３が第１側部に長手軸方向に移動可能に設けられている。チャンバー５２の中央部にはチャンバーの中央軸に設けられた円筒状開口５５を持つ仕切り壁５４が設けられている。ピストン装置５３は、その直径がチャンバー５２の直径に対応する第1部分５３．１と、チャンバーの直径より小さい仕切り壁内の開口５５の直径に対応する第２部分５３．２を有している。ピストン装置の第２部分５３．２は、本体部５１内を、開口５５を通して仕切り壁５４の他方の側に位置するチャンバー５２内へ延びている。仕切り壁のピストン装置の長手軸方向の厚さは、ピストン装置の第２部分５３．２のための案内要素として働くような厚さとされる。ピストン装置の第１部分５３．１と共にチャンバー５２を分割している仕切り壁５４はチャンバー５２の第１側部にチャンバー空間５９を与え、その体積は、ピストン５３がガス交換バルブ３を開とする方向、即ち、カムシャフト４から離れる方向に、動くに従い増加する。

チャンバー５２の仕切り壁５４の他方の側にはガイド部５６がスプリング５７と共に設けられている。更に、ガイド部５６には、カムシャフト４が回転する間にカム・プロファイル４．１に沿って動くローラ５８が設けられる。スプリング５７は、ガイド部５６と仕切り壁５４の間に設けられ、ガイド部５６をカムシャフト５４に向けて押し付け、ローラ５８とカムシャフト４のカム・プロファイル４．１との接触を維持するようにしている。チャンバー５２の第１側において、仕切り壁５４の近傍に、共にチャンバー空間５９に開口する供給通路５８．１及び排出通路５８．２を備える油圧媒体のための連結部が存在する。

供給通路５８．１は媒体油圧源７に接続されており、これはエンジンにおいては通常の加圧潤滑システムとなり得るものである。供給通路５８．１には開閉弁１１と逆止弁９が設けられている。本発明によりガス交換バルブの閉弁を遅らせるために制御装置を使用することを目的とするか否によって、開閉弁１１により、供給通路５８．１はチャンバー空間５９に接続されるか、或いは、そこから遮断される。逆止弁９により、制御装置は油圧媒体源にいかなる脈動も生じさせない。

排出通路５８．２は、油圧媒体のための戻りステム８に接続され、これは、最も簡単なものとしては、エンジン内の空間に通じるようにされ、油圧媒体として使用される潤滑油がエンジンのオイル受皿に流入されるようにしている。
排出通路５８．２には、チャンバー空間５９における圧力の正確な開放時間を調整可能に決定するための電子制御バルブ手段６１が設けられている。電子制御バルブ手段６１は、エンジンの各ケースに作動状態に応じてガス交換バルブ３の閉弁を調整するようにされた制御ユニット６２からの制御信号６３に応答する。この目的のため、一又は複数のエンジンの負荷状態に関連する物理的パラメータ、例えば、エンジンの駆動スピード、が測定され、制御ユニット６２に入力され、そこで、それらの測定値は当該パラメータの予め設定した値と比較される。その測定値の比較に基づいて、制御ユニット６２は、バルブ手段６１を開にしたり閉にするための制御信号を与える。

この実施例では、排出通路５８．２には、更に、電子制御バルブ手段６１の下流に調整可能な流量絞り弁１０が設けられる。この絞り弁１０も、絞り効果のために制御ユニット６２により効果的に制御される。

図３はカムシャフト４のカム・プロファイル４．１がピストン装置５３の上昇がすでに開始され、これによりガス交換バルブ３の開放が同様に開始されている状態を示す。潤滑油のような油圧媒体が油圧媒体源７から逆止弁９を経由してチャンバー空間５９内に供給され、チャンバー空間５９の体積は、ピストン装置５３がガス交換バルブの開弁方向に移動するにつれて増加する。すると、ガス交換バルブはカム・プロファイル４．１の形状により決められて開弁し、同時に、チャンバー空間５９が油圧媒体により満たされる。したがって、バルブの開弁状態は完全に機械的力伝達結合により調整され、油圧媒体による効果は閉弁状態となるまで現れない。カムシャフトが回転しているとき、カム・プロファイル４．１がそのピークを越えた後は、ピストン装置５３の移動方向は変わる。

図３において、ピストン装置５３は上昇し、図４においては、移動方向は下降、即ち、カムシャフトに向かう方向、に変わる。ここでは、チャンバー空間５９は油圧媒体を含んでおり、その排出は電子制御バルブ手段６１によって決定され、その開口はチャンバー空間５９内の圧力の放出を開始し、ピストン装置５３が図の下方に移動することを可能にする。このことは、また、ガス交換バルブの閉弁を開始することとなる。電子制御により、バルブ手段６１の開弁時間、したがって、ガス交換バルブ３の閉弁運動の開始及び開弁時間の遅延が各ケースにおけるエンジンの駆動状態に従うように自由に選択することができる。

更に、絞り弁１０及び絞り効果の調整可能性により、チャンバー空間５９から排出通路５８．２を経て排出される油圧媒体の流れも、また、調整され得る。このことはピストン装置５３の移動速度に影響を与え、その結果、ガス交換バルブ３の閉弁運動に影響を与え、電子制御バルブ手段６１によりガス交換バルブ３の閉弁が一旦開始されると、ガス交換バルブは、必要に応じて調整され、選択される。この段階において、ガイド部５６は、カムシャフト４のカム・プロファイル４．１、特に、その基準円に追随するが、ピストン装置５８は、油圧媒体がチャンバー空間５９から排出される割合にしたがって初期位置に戻ることとなる。

図５は本発明の他の実施例を示し、図２−４に示されたものと構成は異なり、チャンバー空間５９からの油圧媒体の排出を制御するバルブ装置６０が設けられている。バルブ装置６０の駆動モードはガイド部５６の本体部５１に対する位置に依存する。この目的のため、排出通路５８．２は分岐され、電子制御バルブ手段６１が第1分岐通路５８．２aに、バルブ装置６０が第２分岐通路５８．２bに設けられている。したがって、この場合においては。バルブ装置６０は、電子制御バルブ６１とは独立して作動することが理解できるであろう。

図５に示されるように、油圧媒体用の分岐排出通路５８．２bはチャンバー５２の仕切壁５４の他の側に接続され、仕切壁５４から距離を置いて空間内に開口している。制御装置が不作動状態のときは、ガイド部５６は排出通路５８．２bを覆うようにしている。この実施例のアイディアは、ピストン装置５３の運動方向はカム・プロファイル４．１がそのピークを超えた後に変わるが、本来、その運動はガイド部５６が開口５８．２b’を通過するまでは開始されない。
この時期は、ピストン装置５３の（図中の）下降の開始及びガス交換バルブ３の閉弁の最も遅い時期を決定する。チャンバー５２の他の側に流れる油圧媒体はローラ５８のベアリングを潤滑するに利用することができる。

しかしながら、上述の閉弁プロセスとは独立して、選択される遅延を短くするためにガス交換バルブ３の閉弁を早く開始させたい場合は、できる限り、調整可能な絞り装置１０（図５には図示せず）によって補完されるようにして、常に、電子制御バルブ装置６１の影響を受けるようにすることができる。

図６は、図５の実施例によるエンジンのカム角度に対するガス交換バルブの相対的開口曲線を示す。曲線Ａは、油圧媒体がチャンバー空間５９内に供給されない状態であり、バルブの制御はカム・プロファイルのみによって決定することにより行われる状態を示す。曲線Ｂは、油圧媒体がチャンバー空間５９に供給され、ピストン装置５３がバルブが開弁する方向に動き、チャンバー空間５９からの流出はバルブ装置６０によって決定される状態を示す。最後の曲線Ｃは、チャンバー空間５９内の圧力の開放開始が、電子制御バルブ手段６１により影響を受ける前に開始される状態を示す。

したがって、本発明に従えば、ガス交換バルブの閉弁を、例えば、エンジンの異なる負荷状態により、通常より遅くすることが可能となる。この遅延は、電子制御バルブ手段６１により、遅延を終了させるための開始時期が決定され、ガス交換バルブ３が完全に閉じるまでの残り時間を絞り弁１０により影響を受けるように、必要に応じて自由に決定することができる。

本発明は、上述の実施例に限定されるものでなく、添付のクレームの範囲内において種々の変形が考え得るものである。

Claims (5)

1. エンジンのカムシャフトとバルブ機構との間に適用されるピストンエンジンのガス交換バルブのための制御装置であって、前記制御装置は、
   本体部と、その中に設けられるチャンバーを備え、前記チャンバー内へ油圧媒体のための連結部が開口し、前記チャンバー内には、少なくとも前記ガス交換バルブを開口するため、前記カムシャフトと前記バルブ機構に機械的力伝達結合がなされるようにピストン装置が移動可能に設けられ、前記油圧媒体のための連結部は、前記チャンバー内のチャンバー空間に開口する油圧媒体のための供給通路と戻りシステムに接続された排出通路を備え、前記チャンバー空間は、前記ピストン装置が前記ガス交換バルブの開弁方向に移動するに従い増加し、これにより前記ガス交換バルブの閉弁を遅延させるために前記油圧媒体が前記チャンバー空間内に供給され、前記ガス交換バルブが開弁されるとき、前記チャンバー空間内の圧力の放出は前記ガス交換バルブの閉弁を決定するものであり、前記排出通路には、前記チャンバー空間内の圧力を放出する時期を調整可能に決定するための電子制御バルブ手段が設けられ、
   前記ピストン装置は前記カムシャフトにガイド部を介して力伝達結合がなされ、前記排出通路は、前記本体部の内部に形成され、前記排出通路から分岐する分岐路を有し、前記分岐路には、前記電子制御バルブ手段とは異なる電子制御バルブ手段と独立して作動するバルブ装置が設けられ、前記バルブ装置の作動モードは前記ガイド部の前記本体部に対する位置に追随していることを特徴とする、制御装置。
2. エンジンの各状況による作動条件に適合させるため、前記電子制御バルブ手段は前記ガス交換バルブの閉弁を調整するように設けられた制御ユニットからの制御信号に応答するようにされることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. エンジンの負荷状態に関連する一又は複数の物理的パラメータが測定され、前記パラメータの予め設定した値と比較するため前記制御ユニットに入力され、測定した値と予め設定した値との比較に基づき、前記制御ユニットは前記バルブ手段を開弁するための制御信号を供給するようにされていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記排出通路には、更に、流量絞り弁が前記バルブ手段の下流に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の制御装置。
5. 前記流量絞り弁は前記制御ユニットにより制御されることを特徴とする請求項４に記載の制御装置。

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