JP6397575B2 - 吸気バルブシステムの動作を制御する方法及び吸気バルブ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法に関する。

本発明は、独立装置クレームのプリアンブルに記載の吸気バルブ制御システムにも関する。

燃焼機関の使用要求（operational requirements）はますます厳格になってきている。内燃ピストンエンジンの排ガス要求はますます厳しくなってきている。そのような要求に対処するため、エンジンが動作中のときにガスの放出を制御するのに利用可能な様々な技術が存在する。吸気バルブのタイミングはエンジンの性能にとって大きな役割を果たす。とりわけ、吸気バルブのタイミングは、シリンダ内で優勢な（prevailing）温度及び圧力に、それゆえにＮｏｘ排気ガス等の気体汚染物質の形成に影響を及ぼす。

特許文献１には所謂ミラーサイクルが開示されている。該ミラーサイクルでは、ピストンが吸気工程の下死点に到達する前に吸気バルブが閉じられる。吸気バルブが閉じられた後、シリンダ内の給気又は空気が膨張し、給気の圧力及び温度の低下がもたらされる。

特許文献２には過給機付ディーゼル型ピストンエンジン及びそのようなエンジンを制御するための方法が開示され、窒素酸化物や煤粒子の排出に関する要求を引き続き維持できながら内燃エンジンの熱効率が高められる。

特許文献３には、エンジンの始動を改善するためにカムフェイザーを備える気体燃料エンジンの制御システムが開示されている。この制御システムは、吸気バルブの周期的な閉鎖タイミングを調整するように構成された可変吸気バルブタイミング装置を有し得る。コントローラは第１のミラーサイクルタイミング及び第２のミラーサイクルタイミングを選択的に開始するように構成され得る。

特許文献４には、ピストンエンジン内で該エンジンのカムシャフトとバルブ機構との間に適合されたガス交換バルブ（gas exchange valve）のための制御構成が開示されている。この制御構成は液圧媒体と接続されたチャンバであって、該チャンバ内では、少なくともバルブを開くためにバルブ機構及びカムシャフトに機械力伝達接続（mechanical force transmission connection）されるようピストンが可動に配置されている。

米国特許第２６７０５９５号明細書 米国特許第７３９５６６８号明細書 国際公開第２０１４／１２６７３７号パンフレット 国際公開第２０１１／１３５１６２号パンフレット

吸気バルブシステムの動作に、とりわけ吸気バルブの閉鎖タイミングの制御に異常が起きた場合、シリンダ内の圧力が大幅に高くなり得る。これは望ましくない結果をもたらす。場合によっては、吸気バルブシステム及びシリンダに関連する部品が破損することもある。

本発明は、先行技術の解決手段に比べて性能が大幅に改善した、吸気バルブシステムの動作を制御する方法及び吸気バルブ制御システムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、独立項で及び本発明の様々な実施形態をより詳細を記載する他の請求項で開示されているようにすることで実質的に実現できる。
内燃ピストンエンジンの各シリンダに関連して（in connection with）配置された吸気バルブシステムの動作を制御する方法によれば、当該方法は前記エンジンの動作中に、
１）エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するステップと、
２）前記ステップ１）で得られた少なくとも１つのパラメータに対応して、主制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するステップと、
３）前記吸気バルブシステムの吸気バルブが開いている場合に前記吸気バルブを通じて前記シリンダに給気を供給するステップと、を含む。

エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、前記主制御手順を用いるのとは独立して且つ高い優先度で二次制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御する。

吸気バルブの閉鎖タイミングの変化は、例えば吸気バルブタペットと押し棒との間に液圧チャンバを加えることを通じて実現される。吸気バルブの調整可能性は液圧チャンバに対する油の流入及び流出を制御することにより実現される。

これは、性能が大幅に改善した吸気バルブシステムの動作を制御する方法を提供する。これは、エンジンのシリンダにおいて圧力レベルを適切なレベルにするように制御するのにとりわけ有用である。すなわち、シリンダ内で圧力が高くなり過ぎると望ましくない結果がもたらされ得る。二次制御手順は、吸気バルブを閉じることについて主制御手段が遅れるか又は抑制されるといった異常が主制御手順に生じた場合に行われ得る。そして、二次制御手順は主制御手順に取って代わって独立して吸気バルブを閉鎖するため、シリンダ内で圧力が適切なレベルを越えて高くなるのが防止される。即ち、二次制御手順は吸気バルブの閉鎖が遅くなり過ぎるのを防止する。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順では、前記少なくなくとも１つのパラメータは給気圧力である。給気は少なくとも２つの過給機によって加圧され、圧力又は給気は過給機の後の圧力であることが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順では、前記少なくなくとも１つのパラメータは給気の温度である。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは互いに独立して取得される。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは異なるパラメータである。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは同じパラメータである。

本発明の一実施形態によれば、給気は２段過給（two supercharging stages）で加圧されて前記エンジンに供給され、５ｂａｒよりも高い圧力で前記シリンダに供給される。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、少なくとも、点火前の所定の最大圧縮圧力よりも低い圧縮圧力がもたらされるクランク角度で主制御手順を覆して前記吸気バルブを閉じる。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、前記バルブ作動システムに機械的に影響を与えることにより（by mechanically effecting）前記吸気バルブを閉じる。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御手順は、前記バルブ作動システムに液圧的に影響を与えることにより（by hydraulically effecting）前記吸気バルブを閉じる。

本発明の一実施形態によれば、吸気は２段過給で５ｂａｒよりも高い圧力に加圧され、主制御手順は、エンジンの動作中に、第１の、即ち下死点に対する上方（upper）クランク角度値及び第２の、即ち下死点に対する下方（lower）クランク角度値を有する第１の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成されている。加えて、二次制御手順は主制御手順と並行し且つ独立して実施され、二次制御手順は下死点に対して第３のクランク角度で吸気バルブを閉じる。第３のクランク角度は第２のクランク角度値以下である。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順では、下死点に対する第１のクランク角度値と第２のクランク角度値との間の第１の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記二次手順では、下死点に対する第３のクランク角度と第４のクランク角度との間の第２の範囲内で前記吸気バルブが閉じられる。前記第３のクランク角度は前記第１の範囲外にあるとともに上死点よりも下死点に近い。一例として、主制御手順で吸気バルブが閉じられる第１の範囲は下死点前７０〜１００°であることが有利であり、第３のクランク角度は下死点前５５〜７０°であることが有利である。

即ち、二次制御手順は、主制御手順がエンジンの定格負荷（nominal load）の間に吸気バルブを閉じるように構成されている範囲よりも下死点に近く且つ該範囲外の角度で独立して吸気バルブを閉じるように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御手順及び前記二次制御手順は共通の機械アクチュエータを制御するために用いられる。

本発明の別の実施形態によれば、前記主制御手順及び前記二次制御手順は、前記主制御手順及び前記二次制御手順のそれぞれ専用の機械アクチュエータを制御するために用いられる。

内燃ピストンエンジンのシリンダに関連して用いられる吸気バルブ制御システムは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するように構成された監視ユニットと、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して当該吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された主制御ユニットと、を含む。当該吸気バルブ制御システムは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された二次制御ユニットを含む。

本発明の一実施形態によれば、前記第二次制御ユニットは、測定された給気の圧力に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記第二次制御ユニットは、測定された給気の温度に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブを閉じるためのコンピュータ実行可能命令を備える。

本発明の一実施形態によれば、主制御ユニットは、第１の、即ち下死点に対する上方クランク角度値及び第２の、即ち下死点に対する下方クランク角度値を有する第１の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成され、二次制御ユニットは下死点に対する第３のクランク角度と第４のクランク角度との間の第２の範囲内で吸気バルブを閉じるように構成され、第３のクランク角度は第１の範囲外にあるとともに第１の範囲よりも下死点に近い。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは下死点前７０〜１００°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは下死点前７０〜１００°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは下死点前５５〜７０°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記方法は、二次制御手順を用いるステップを含み、エンジン負荷条件に関するパラメータは測定される給気の圧力であり、吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングは、給気の圧力に対応して、主制御手順から独立して且つ高い優先度で制御される。

本発明の一実施形態によれば、二次制御ユニットは各シリンダの吸気バルブに直接接続されるように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは共通の物理的システムに一体化されている。

本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは完全に互いに独立している。実際に、これはエンジンにおいて実際には、エンジンにおいて、機械及び／又は電気及び／又はソフトウェアのコンポーネントの全て又は一部は少なくとも複製であることを意味する。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの開閉タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して前記主制御ユニットから独立して且つ高い優先度で前記吸気バルブを閉じるためのコンピュータ実行可能命令を備える。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている。

本発明の一実施形態によれば、前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは共通の機械アクチュエータを制御するように構成されている。

添付の例示の概略図を参照しながら本発明を以下で説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る吸気バルブ制御システムを示す。 図２は、本発明の別の実施形態に係る吸気バルブ制御システムを示す。 図３は、本発明の一実施形態に係る作動システムを示す。 図４は、本発明の別の実施形態に係る作動システムを示す。

図１は、内燃ピストンエンジン４０との関連で用いられる吸気バルブ制御システム１０を概略的に示す。吸気バルブ制御システム１０は、内燃ピストンエンジン４０の各シリンダ１４に関連してその動作を制御するよう構成されている。エンジン４０は、エンジン４０の吸気バルブシステム２５及び排気バルブシステムを備える。吸気バルブシステム２５に関連して、バルブシステムをエンジンの動力部品（power parts）、とりわけピストンと同期的に動かすためにバルブ作動システム２０’が存在する。

本発明の一実施形態に係る吸気バルブ制御システム１０はエンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するように構成された監視ユニット１５を含む。エンジン負荷に関するパラメータは特定の用途に従って選択してもよく、負荷に関するパラメータを求めるためにいくつかの異なるパラメータを同時に用いることも可能である。例えば、過給機付エンジンでは給気の圧力が負荷に関するパラメータとして使用され得る。また、燃料の流量、シリンダピーク圧力、圧縮圧力及び／又は算出したラムダ（calculated lambda）を負荷に関連するパラメータとして用いてもよい。制御システム１０には通信システム１５２が設けられている。監視システム１５は通信システム１５２を通じてパラメータの情報を受信し得る。エンジン負荷条件を検出し、監視ユニット１５によって検出及び処理されるべき信号を生成するために、通信システム１５２を通じて監視ユニット１５に接続され且つエンジン４０に接続されるように構成された少なくとも１つのセンサ１５２’が設けられている。エンジンが電力の発電機に接続されている場合、少なくとも１つのセンサ１５２’は発電機に接続されるように構成され得る。その場合、電力の需要がエンジン負荷条件に関するパラメータとして使用され得る。バルブ制御システム１０は主制御ユニット１６をさらに含む。監視ユニット１５及び制御ユニット１６は別個のユニットであってもよいし、それらは互いに一体化されていてもよいし、エンジン又は発電機セットの全体的な制御システムの一部であってもよい。監視ユニット１５は通信システム１６５を通じて主制御ユニット１６に接続されるように構成されている。そのため、エンジンの動作中、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータが監視される。主制御ユニット１６は吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。とりわけ、主制御ユニット１６は、監視されているエンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、吸気バルブシステム２５の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。主制御ユニット１６は、エンジンの通常動作時に吸気バルブ２０の動作を制御する。エンジンが動作中で吸気バルブが開いている場合に吸気バルブを通じてシリンダ１４に給気が供給される。本発明の一実施形態によれば、給気は２段過給が適用される過給機３１で加圧される。給気圧力は５ｂａｒよりも高い。

閉鎖タイミング、即ち吸気バルブが閉鎖されるクランク角度は、ピストンによって行われる（とりわけ２段過給を適用する場合）圧縮段階の後でのチャンバ内で優勢なガス圧力に強い影響を有する。主制御ユニット１６は吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御する実行可能命令を備える。主制御ユニットは、吸気バルブの動作に所望の効果を提供する実行可能命令を実行するように適合されたコンピュータであり得る。有効量の液圧媒体はカムシャフトのカム面とバルブ軸（図示せず）との間のバルブ昇降連結（valve lifting coupling）の有効長に影響するため、吸気バルブの動作は液圧媒体（hydraulic medium）によって部分的に液圧媒体の影響を受け得る。本発明の一実施形態によれば、エンジン負荷条件に関するパラメータは実際のエンジン負荷である。

具体的には、通信システムは、システム内のエンティティー間、例えば監視ユニット１５から主制御ユニット１６への情報伝達手段を形成する。主制御ユニット１６は、監視ユニット１５から主制御ユニット１６に送られた信号に対応して吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御又は調整するように構成されている。エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視する間、監視する１つ又はそれ以上のパラメータと設定された１つ又はそれ以上のパラメータとの比較を行って動作中の差異や潜在的な望ましくない状況又は故障をも検出する。吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の制御は、主制御ユニット１６から吸気バルブ２０に至る通信システム１６４を通じて主制御ユニット１６によって行われる。燃焼空気供給システム３０は、各吸気バルブ２０が開いている場合に、導管３２を通じて圧縮した給気をシリンダ１４に供給するように構成されている。図１では、左側の吸気バルブ２０が開いており、右側の吸気バルブ２０が閉じている。吸気バルブ２０の閉鎖タイミングは調整可能であり、例えばエンジンの異なる負荷条件によって燃焼空気供給システム３０からシリンダ１４への燃焼空気流を通常の場合よりも後に又は先に停止することができる。そのような動作は所謂ミラーサイクルと呼ばれるものである。吸気バルブ２０の閉鎖時間又はタイミングを遅くすること又は早くすることは、エンジンの様々な動作パラメータに基づいて予め決定されているか又は予め設定され、主制御ユニット１６に保存されるか又は主制御ユニット１０に利用可能であることが有利である。

吸気バルブ制御システム１０は二次制御ユニット１８も含む。二次制御ユニット１８は、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、主制御ユニット１６から独立して且つ主制御ユニット１６よりも高い優先度で吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御するように構成されている。そのため、吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、二次制御手順１８を用いて主制御手順１６から独立して且つ主制御手順１６よりも高い優先度で制御される。実際的な状況では、これは、バルブが下死点ＢＤＣ前で閉じた場合の膨張及びＢＤＣ後の圧縮を考慮に入れた所望のレベルに最終圧縮圧力がなるクランク角で吸気バルブが遅くとも閉じられるのを二次制御ユニットが主制御ユニット１６の動作から独立して確かなものにすることを意味する。とりわけ、エンジンが２段過給機３１を備える場合、本発明を用いることで、主制御ユニット１６又はより一般的には主制御システムの誤作動によってエンジンが破損しないようにすることができる。２段過給機を用いて給気する場合に吸気バルブの閉鎖段階が遅すぎると、圧縮圧力が過度に高いレベルに上昇し得る。

通信システム１８５は監視ユニット１５から二次制御ユニット１８への情報伝達を描く。監視ユニット１５から二次制御ユニット１８に送信された信号に対応して、二次制御ユニットは吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを調整する。

なお、監視は計測及び／又は測定値に基づく測定とも呼ぶことができるため、本発明の文脈では１つ又はそれ以上の監視ユニットは１つ又はそれ以上の計測ユニット及び／又は測定ユニットとしても理解すべきである。

第２の制御ユニットでは、エンジン負荷状態に関する少なくとも１つのパラメータを監視する間に、監視する１つ又はそれ以上のパラメータと設定した１つ又はそれ以上のパラメータとの比較が第１の制御ユニットから独立して行われる。監視する１つ又はそれ以上の値と設定した１つ又はそれ以上の値との間に差があり、係る差が許容可能な所定の範囲外にある場合、第１の制御ユニット１６よりも二次制御ユニット１８が優先されて吸気バルブ２０の制御を第１の制御ユニット１６に取って変わって行い第１の制御ユニットの制御を動作的に無視できるようにする。有利な実施形態によれば、第２の制御ユニット１８は、エンジンを望ましい形で動作させるために吸気バルブ２０の閉鎖位置を調整する。このように、理由が何であれ主制御ユニット１６の動作が望ましくない場合でも、圧縮段階後にシリンダ内で適切な圧力レベルが二次制御ユニット１８の制御の下で得られる。とりわけ、主制御ユニット１６に異常が起きている場合又はエンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対して吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御することについて主制御ユニット２０が禁止されているか又は動作に遅れが生じている場合に、二次制御ユニット１８は、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを調整するため、圧縮段階の後にシリンダ１４内に適切な圧力レベルが提供される。すなわち、異常がある場合に二次制御ユニット１８は主制御ユニット１６に取って代わって吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを制御する。そのため、二次ユニットを用いることで、主制御手順から独立し且つ主制御手順よりも高い優先度で吸気バルブの閉鎖タイミングが制御される。したがって、異常の場合又は非常事態の場合、二次制御ユニット１８は安全制御ユニットの役割を果たす。

特定の実施形態として、パラメータは給気の圧力であり、二次制御ユニット１８には給気圧力の値と吸気バルブの好適な閉鎖タイミングの値との間の相関関係の情報が提供される。相関関係は独特な対又は値の表又は関数であり得る。ここで、本発明によれば、主制御ユニット１６の通常動作に加えて、二次制御ユニット１８が主制御ユニット１６から独立して動作される。そして、二次制御ユニットが作動すべき場合、即ち給気の圧力が所定の水準を上回る場合、二次制御ユニット１８が主制御ユニット１６に取って代わって吸気バルブ２０を閉鎖する。二次制御ユニットは主制御ユニット１６から独立して作動される。二次ユニットは吸気バルブの機能窓（operating window）を積極的に制限すると言える。

そのため、二次制御ユニット１８により、圧縮段階後に燃焼チャンバ内の圧力が所定の圧力レベルを越えて過度に高く上昇することがないようにできる。所定の圧力レベルは予め決定できるため、エンジンでの望ましくない影響又は破損の発生を防止できる。本発明の一実施形態によれば、吸気バルブ２０は通信システム１６４及び１８４を通じてシリンダの面で（cylinder-wise）制御可能である。吸気バルブ２０は調整可能な閉鎖タイミング動作を有する作動システムを備える既知の任意の種類の吸気バルブでよい。

なお、主制御ユニット及び二次制御ユニットの目標制御値（target control values）は、エンジン４０が動作中の通常動作にあっては二次制御ユニット１８が吸気バルブ２０の閉鎖タイミングに影響を与えないように設定される。そのため、吸気バルブの閉鎖は主制御ユニット１６によってのみ制御される。しかしながら、二次制御ユニット１８はバックグラウンドで動作しており、二次制御ユニットを作動させるような形でエンジンを動作する場合は主制御ユニット１６に取って変わる準備ができている。

本発明の一実施形態によれば、主制御ユニット及び二次制御ユニットは完全に互いに独立している。実際には、エンジンにおいて、機械及び／又は電気及び／又はソフトウェアのコンポーネントの全て又は一部は少なくとも複製であることを意味する。

図２は、吸気バルブ制御システム１０の一実施形態を示す。図１と同様に、通信システム１５２を通じてエンジン負荷等のエンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するために監視ユニット１５が配置されている。通信システム１５２はエンジン負荷条件を決定するための情報を検出するためにセンサ１５２’を備えることができる。監視ユニット１５は、燃焼空気供給システム３０で優勢な給気圧力を監視するために、通信システム１５３を通じて圧力センサ１５３’にも接続されるように構成されている。図２の実施形態では、監視ユニット１５は、圧力センサに接続されていることに加えて、通信システム１５３を通じて給気温度センサにも接続されていてよい。通信システム１５３は圧力センサ１５３’及び温度センサ１５３’’を備えることができる。吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングは、給気圧力、給気温度、エンジン負荷又はエンジン速度等のエンジン負荷に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、主制御ユニット１６によって制御される。さらに、本発明の一実施形態によれば、制御システムは、監視システム１５が圧力又は温度等のシリンダ内で優勢な条件も監視できるよう構成されるように、監視システム１５からシリンダ１４に至る通信システム１５４を含む。通信システム１５４は、シリンダ内で優勢な条件を検出するために圧力センサ及び／又は温度センサ等のセンサ１５４’を備えることができる。

本発明の一実施形態によれば、制御システムは、エンジンの負荷に関するパラメータを監視するように構成された第２の監視ユニット１７を備える。そのようなパラメータは１つ以上の値に基づいて求められるか又は測定され得る。そのようなパラメータは、給気圧力、シリンダピーク圧力、トルク、圧縮圧力及び／又は算出したラムダ等を用いて負荷に関するパラメータを求めてもよい。第２の監視ユニット１７は通信システム１７３を通じて好適なプローブに接続されている。図３では、第２の監視ユニット１７が燃焼空気供給システム３０で優勢な給気圧力を監視するために接続されていることを示す。ここで、一例として、通信システム１７３は燃焼空気供給システム３０で優勢な圧力を検出できるように圧力センサ１７３’を備える。二次監視システムは二次制御ユニット１８専用の監視システムとして配置されており、二次制御システム１８は導管１８７を通じて第２の監視ユニット１７から情報を受信するように構成されている。そのため、パラメータに対応して、二次制御ユニット１８は、吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを主制御ユニット１６及び監視システム１５から独立して制御する。監視ユニット１５及び第２の監視ユニット１７を別個のユニットとして図示しているが、それらを１つの監視ユニットに統合することもできる。図２ではとりわけ、二次ユニット１８が吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングを主制御手順から独立して且つ高い優先度で制御することができることを示す。

本発明の有利な実施形態によれば、第２の監視ユニット１７は、燃焼空気供給システム３０で優勢な給気圧力を監視するように構成されている。そのため、エンジン負荷条件に関するパラメータは測定される給気圧力であり、吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０の閉鎖タイミングは、給気圧力に対応して主制御システムから独立して且つ高い優先度で制御される。

なお、主制御ユニット１６、二次制御ユニット１８及び監視ユニット１５は１つの物理的システムに配置することができる。

図３に作動システム２０’の一実施形態を示す。図示の作動システム２０’は、作動システム２０’に接続されたバルブ２０がカムプロファイル５によって部分的に開かれる状態にある。作動システム２０’は、一般にエンジン本体に取り付けられる本体部５１を含む。本体部５１はチャンバ５２を備える。チャンバ５２内では、ピストン装置５３がその長手軸の方向に移動可能に第１の側に配置されている。チャンバ５２の中間部分には分離壁５４が設けられ、分離壁５４はチャンバの中間軸（middle axis）に配置された円筒状の開口５５を備える。ピストン装置５３は、チャンバ５２の直径に対応する直径を有する第１の部分５３．１と、分離壁の開口５５の直径に対応しチャンバ５２の直径よりも小さい直径を有する第２の部分５３．２とを含む。ピストン装置の第２の部分５３．２は本体部５１内で延在し、開口５５を通って分離壁の他方側に位置するチャンバ５２に入る。ピストン装置の長手軸の方向における分離壁の厚さは、ピストン装置の第２の部分５３．２のためのガイド要素として機能するような寸法を有する。

チャンバ５２を分割する分離壁５４はピストン装置の第１の部分５３．１と共にチャンバ５２の第１の側で第１のチャンバ空間５９を形成する。第１のチャンバ空間５９の容量は、ピストン装置５３が吸気バルブ２０の開放方向に、即ちカムシャフト４から離れる方に移動するにつれて大きくなる。分離壁５４はチャンバ５２の第２の側で第２のチャンバ空間６０を形成する。チャンバ５２の分離壁５４の他方側にはガイド部５６及びバネ５７が配置されている。加えて、ガイド部５６はローラー５８を備え、ローラー５８はカムシャフト４が回転する間カムプロファイル５と共に移動する。バネ５７は、ガイド部５６をカムシャフト４の方に押圧してローラー５８とカムシャフト４のカムプロファイル５との接触を維持させるためにガイド部５６と分離壁５４との間に適合されている。チャンバ５２の第１の側の分離壁５４の近傍には、供給導管５８．１及び放出導管５８．２を含む液圧媒体のための接続が配置されている。双方の導管はチャンバ空間５９に開口している。供給導管５８．１は液圧媒体源７に接続されている。エンジンにおいて、液圧媒体源７は通常の圧送式潤滑システム（forced lubrication system）であり得る。供給導管５８．１は遮断バルブ１１及び一方向バルブ９を備える。供給導管５８．１は、作動システム２０’の使用目的が吸気バルブ２０の遅延閉鎖のためかどうかに応じて遮断バルブ１１を通じてチャンバ空間５９に接続され得るか又は切り離され得る。液圧媒体５９を空間５９に加えて該空間から媒体を放出するタイミングを制御することで、吸気バルブ２０の遅延閉鎖タイミングを制御することが可能となる。一方向バルブ９のおかげで、制御アレンジメントによって液圧媒体源内で脈動が生じることはない。これは、液圧媒体として潤滑油を用いる場合に特に重要である。放出導管５８．２は液圧媒体のための返却システム（return system）８に接続されている。最も簡略な形では、返却システム８はエンジンの内部空間に開口し、それにより液圧媒体として用いられる潤滑由をエンジンの油だめに流れるようにさせるよう構成されている。放出導管５８．２は、チャンバ空間５９内の圧力を解放する厳密な時間を調整可能に決定するために電子制御主バルブ手段６１を備える。電子制御主バルブ手段６１はガス交換バルブ２０の閉鎖を調整するように構成された主制御ユニット１６からの制御信号１６４に対応して各場合のエンジンの動作条件に従う。第２のバルブ手段６１’も配置されている。第２のバルブ手段６１’は主バルブ手段６１と並行して配置されるとともに、二次制御ユニット１８の制御下でのみ動作するように構成されている。第２のバルブ手段６１’は二次制御ユニット１８からの制御信号１８４に反応するように構成されている。そのため、主制御ユニット及び二次制御ユニットは、本実施形態ではバルブ手段である各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている。このように、通常条件で動作する電子制御主バルブ６１が故障しても、チャンバ空間５９内の圧力が解放され得る。主バルブ手段６１及び二次バルブ手段６１’の双方は高速作動バルブ（fast acting valves）である。これは圧力の解放は吸気バルブを閉鎖するのに望ましい速度で行うべきだからである。図３には図示してないが、主制御ユニット１６及び二次制御ユニット１８は共通の機械アクチュエータ（本実施形態では１つのバルブ手段を意味する）を制御するように構成され得る。そのため、そのような実施形態では、主制御ユニット１６及び二次制御ユニット１８の双方は通信システム１６４及び１８４を通じて１つのバルブ手段６１に接続されており、その場合には第２のバルブ手段６１’は省略され得る。

図４に機械的なバルブ閉鎖システムを含む作動システム２０’のさらなる実施形態を示す。図示の作動システムは、作動システムに接続されたバルブ２０が液圧媒体によって部分的に開かれる状態にある。作動システム２０’は本体部５１を含む。本体部５１はチャンバ５２を備える。チャンバ５２内では、ピストン装置５３がその長手軸の方向に移動可能に配置されている。チャンバ５２の中間部分には分離壁５４が設けられ、分離壁５４はチャンバの中間軸に配置された円筒状の開口５５を備える。ピストン装置５３は、チャンバ５２の直径に対応する直径を有する第１の部分５３．１と、分離壁の開口５５の直径に対応しチャンバ５２の直径よりも小さい直径を有する第２の部分５３．２とを含む。ピストン装置の第２の部分５３．２は本体部５１内で延在し、開口５５を通って分離壁の他方側に位置するチャンバ５２に入る。ピストン装置の長手軸の方向における分離壁の厚さは、ピストン装置の第２の部分５３．２のためのガイド要素として機能するような寸法を有する。

チャンバ５２を分割する分離壁５４はピストン装置の第１の部分５３．１と共にチャンバ５２の第１の側で第１のチャンバ空間５９を形成する。第１のチャンバ空間５９の容量は、ピストン装置５３が吸気バルブ２０の開放方向に、即ちカムシャフト４から離れる方に移動するにつれて大きくなる。分離壁５４はチャンバ５２の第２の側で第２のチャンバ空間６０を形成する。チャンバ５２の分離壁５４の他方側にはガイド部５６及びバネ５７が配置されている。ガイド部５６はローラー５８を備え、ローラー５８はカムシャフト４が回転する間カムプロファイル５と共に移動する。バネ５７は、ガイド部５６をカムシャフト４の方に押圧してローラー５８とカムシャフト４のカムプロファイル５との接触を維持させるためにガイド部５６と分離壁５４との間に適合されている。チャンバ５２の第１の側の分離壁５４の近傍には、供給導管５８．１及び放出導管５８．２を含む液圧媒体のための接続が配置されている。双方の導管はチャンバ空間５９に開口している。供給導管５８．１は液圧媒体源７に接続されている。エンジンにおいて、液圧媒体源７は通常の圧送式潤滑システムであり得る。供給導管５８．１は遮断バルブ１１及び一方向バルブ９を備える。供給導管５８．１は、作動システム２０’の使用目的が吸気バルブ２０の遅延閉鎖のためかどうかに応じて遮断バルブ１１を通じてチャンバ空間５９に接続され得るか又は切り離され得る。液圧媒体を空間５９に加えて該空間から媒体を放出するタイミングを制御することで、吸気バルブ２０の遅延閉鎖タイミングを制御することが可能となる。一方向バルブ９のおかげで、作動システム２０’によって液圧媒体源内で脈動が生じることはない。これは、液圧媒体として潤滑油を用いる場合に特に重要である。放出導管５８．２は液圧媒体のための返却システム８に接続されている。最も簡略な形では、返却システム８はエンジンの内部空間に開口し、それにより液圧媒体として用いられる潤滑由をエンジンの油だめに流れるようにさせるよう構成されている。放出導管５８．２は、チャンバ空間５９内の圧力を解放する厳密な時間を調整可能に決定するために電子制御バルブ手段６１を備える。電子制御バルブ手段６１はガス交換バルブ２０の閉鎖を調整するように構成された主制御ユニット１６からの制御信号１６４に対応して各場合のエンジンの動作条件に従う。図４の実施形態では、作動システム２０’は、吸気バルブの閉鎖を電子制御バルブ手段６１の動作から独立して保証するための機械アレンジメント６２を含む。

作動システム２０’は第１の圧力解放導管６８を備える。第１の圧力解放導管６８は放出導管５８．２から第２のチャンバ空間６０に延びている。第１の圧力解放導管６８は制御バルブ７２を備える。制御バルブ７２は二次制御ユニット１８の命令下で操作可能に構成されている。第１の圧力解放導管は、ガイド部５６の動作領域で空間６０に開口するように配置された端部７０を有する。ガイド部５６は、ガイド部５６の位置によって空間６０への導管６４の閉鎖が制御されるように第２の圧力解放導管６４の端部の位置に制御端部（control end）を有する。

本体部５１は、放出導管５８．２から第２のチャンバ空間６０に延びる第２の圧力解放導管６４を備える。即ち、第２の圧力解放導管６４は第１の圧力解放導管６８と平行である。そのため、第２の圧力解放導管６４は常に開いているが、ガイド部５６の動作領域で空間６０に開口するように配置された端部６６を有する。ガイド部５６は、ガイド部５６の位置によって空間６０への導管６４の閉鎖が制御されるように第２の圧力解放導管６４の端部６６の位置に制御端部を有する。第１の圧力解放導管６８の端部７０は、第２の圧力解放導管６４の端部６６よりも分離壁５４の近くに配置されている。このように、ガイド部５６が分離壁５４の方に移動している場合は、第１の圧力解放導管６８の端部７０は第２の圧力解放導管６４の端部６６よりも前に開かれる。

第１の圧力解放導管６８の制御バルブ７２は、通常の動作状態の間に吸気バルブを制御する主制御手順から独立して二次制御ユニット１８によって制御される。カムプロファイル５はその円形のベース線５’の下にサブレベル部（sublevel portion）を含む。サブレベル部により、ガイド部５６はエンジンの所定のクランク角度範囲で圧力解放導管の端部７０、６６を通り過ぎた位置（図内の下側）に動かされる。このように、圧力解放導管及びガイド部５６の構成は機械バルブ閉鎖システムを構成する。

第１の圧力解放導管６８の動作に関して、カムプロフィールは第１のサブレベル部５．１を含む。第１のサブレベル部５．１はローラー５８と接触すると、ガイド部５６が第１の圧力解放導管６８の端部７０を通り過ぎて移動できるようにする。そのため、制御バルブ７２の状態に応じて、第１のチャンバ空間５９内の媒体圧が解放されるか又は維持される。この実施形態では、負荷に関するパラメータが例えば予め設定した範囲内にある場合には、第２の制御ユニット１８によって制御バブル７２が開かれ、常に開いているように維持される。制御バルブ７２が開いている場合、端部７０を通り過ぎたガイド部５６の動きによって第１のチャンバ空間５９と第２のチャンバ空間６０との間の流通が開放されて、第１のチャンバ空間５９から圧力が解放される。そのため、放出導管５８．２において、例えば主バルブ手段６４の動きから独立して所定のクランク角度で吸気バルブの強制閉鎖が起こる。

このように、動作は二次制御ユニット１８によって制御される二次制御手順を含む。吸気バルブシステム１０の吸気バルブ２０は、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、主制御ユニット１６によって制御される主制御手順とは独立して且つ高い優先度で二次制御手順によって制御されて閉鎖される。

一例として、過給圧力が５ｂａｒよりも高い特定の定格負荷（nominal certain load）で２段過給機を備えるエンジンが動作している場合、吸気バルブは、各ピストンの下死点前、例えば下死点前７５°で、即ち上死点後１０５°で早期に閉じるよう制御される。主制御手順に関する第１の範囲のための好適な範囲は、下死点前７〜１００°である。そのため、主制御手順は吸気バルブの適切な閉鎖タイミングを行う。エンジンを保護するために、主制御手順と並行して二次制御手順が適用される。二次制御手順によれば、二次制御ユニット１８はエンジンが定格負荷で動作している間はバルブ７２が常に開かれるように制御する。これは、ピストンの各周期の間、主制御ユニット又は手順が何らかの形で故障しても第１のチャンバ空間５９と第２のチャンバ空間６０との間の流通が保証され、端部７０を通り過ぎてガイド部５６が動くことでどのような場合でも吸気バルブがクランク角度で閉鎖されて圧縮圧力を過度に高いレベルに上昇させない。クランク角は例えば下死点前５５°であり得る。

カムプロファイル５は第２のサブレベル部５．２を含む。第２のサブレベル部５．２はローラー５８と接触するとガイド部５６が第１の圧力解放導管６８の端部７０を通り過ぎて移動できるようにする。そのため、第１のチャンバ空間５９内の媒体圧力が第２のチャンバ空間６０に解放され、第２のチャンバ空間６０からは媒体が実質的に自由に放出され得る。第２のサブレベル部５．２は圧力除去導管６４と共に、主制御手順の外乱に関係なく吸気バルブが機械的に且つ最終的に閉じられることを保証する。

ここでは第１の圧力解放導管６８は本体部５１内に配置されているが、第１の圧力解放導管６８は少なくとも部分的に本体部の外にあってもよい。例えば、バルブ７２は本体部の外に配置され得る。

現段階で最も好ましいと考えられる実施形態との関連で本発明を例示的に説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されず、その特徴の様々な組み合わせ又は変更及び添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲に含まれるいくつかの他の用途を含むことを意図していると理解すべきである。上述した実施形態との関連で言及した詳細は、別の実施形態との組み合わせが技術的に可能である場合にはそれら別の実施形態との関連でも使用され得る。

Claims (21)

1. 内燃ピストンエンジンの各シリンダに関連して配置された吸気バルブシステムの動作を制御する方法であって、当該方法は前記エンジンの動作中に、
   １）エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するステップと、
   ２）前記ステップ１）で得られた少なくとも１つのパラメータに対応して、主制御手順を用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するステップと、
   ３）前記吸気バルブシステムの吸気バルブが開いている場合に前記吸気バルブを通じて前記シリンダに給気を供給するステップと、
   を含み、
   エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、前記主制御手順から独立して用いられる二次制御手順を、前記主制御手順より優先して用いて前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングが制御され、
   前記主制御手順では、下死点に対する第１のクランク角度値と第２のクランク角度値との間の第１の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記二次制御手順では、下死点に対する第３のクランク角度と第４のクランク角度との間の第２の範囲内で前記吸気バルブが閉じられ、前記第３のクランク角度は前記第１の範囲外にあるとともに前記第１の範囲よりも下死点に近い、吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
2. 前記二次制御手順では、前記少なくとも１つのパラメータは給気圧力である、請求項１に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
3. 前記二次制御手順は前記主制御手順と並行且つ独立して実施され、前記二次制御手順では下死点に対する第３のクランク角度で前記吸気バルブが閉じられ、前記第３のクランク角度は前記第２のクランク角度値以下である、前記請求項１に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
4. 前記第１の範囲は有利には下死点前７０〜１００°である、請求項３に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
5. 前記第１の範囲は有利には下死点前７０〜１００°であり、前記第２の範囲は有利には下死点前５５〜７０°である、請求項３に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
6. 前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは互いに独立して取得される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
7. 前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは異なるパラメータである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
8. 前記主制御手順のための少なくとも１つのパラメータ及び前記二次制御手順のための少なくとも１つのパラメータは同じパラメータである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
9. 給気は２段過給で加圧されて前記エンジンに供給される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
10. 給気は５ｂａｒよりも高い圧力で前記シリンダに供給される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
11. 前記二次制御手順は、少なくとも、点火前の所定の最大圧縮圧力よりも低い圧縮圧力がもたらされるクランク角度で前記吸気バルブを閉じる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
12. 前記主制御手順及び前記二次制御手順は共通の機械アクチュエータを制御するために用いられる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
13. 前記主制御手順及び前記二次制御手順は、前記主制御手順及び前記二次制御手順のそれぞれ専用の機械アクチュエータを制御するために用いられる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の吸気バルブシステムの動作を制御する方法。
14. 内燃ピストンエンジンのシリンダに関連して用いられる吸気バルブ制御システムであって、当該吸気バルブ制御システムは、
    エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータを監視するように構成された監視ユニットと、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して当該吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成された主制御ユニットと、を含み、当該吸気バルブ制御システムは二次制御ユニットを含み、該二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ前記主制御ユニットより優先されて前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成され、
    前記主制御ユニットは、下死点に対する第１のクランク角度値と第２のクランク角度値との間の第１の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは、下死点に対する第３のクランク角度と第４のクランク角度との間の第２の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記第３のクランク角度は前記第１の範囲外であるとともに前記第１の範囲よりも下死点に近い、吸気バルブ制御システム。
15. 前記二次制御ユニットは、測定された給気の圧力及び／又は温度に対応して前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている、請求項１４に記載の吸気バルブ制御システム。
16. 前記主制御ユニットは下死点前７０〜１００°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている、請求項１４に記載の吸気バルブ制御システム。
17. 前記主制御ユニットは下死点前７０〜１００°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成され、前記二次制御ユニットは下死点前５５〜７０°の範囲内で前記吸気バルブを閉じるように構成されている、請求項１４に記載の吸気バルブ制御システム。
18. 前記二次制御ユニットは機械バルブ閉鎖システムを作動させることにより前記吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するように構成されている、請求項１４又は１５に記載の吸気バルブ制御システム。
19. 前記主制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して前記吸気バルブシステムの吸気バルブの閉鎖タイミングを制御するためのコンピュータ実行可能命令を備え、前記二次制御ユニットは、エンジン負荷条件に関する少なくとも１つのパラメータに対応して、前記主制御ユニットから独立して且つ前記主制御ユニットより優先して前記吸気バルブを閉鎖するためのコンピュータ実行可能命令を備える、請求項１４又は１５に記載の吸気バルブ制御システム。
20. 前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは各制御ユニット専用の機械アクチュエータを制御するように構成されている、請求項１４又は１５に記載の吸気バルブ制御システム。
21. 前記主制御ユニット及び前記二次制御ユニットは共通の機械アクチュエータを制御するように構成されている、請求項１４又は１５に記載の吸気バルブ制御システム。

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