JP5116465B2 - 内燃機関を運転する方法およびその方法を実施する内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は独立した特許請求の範囲の概念部によって内燃機関を運転する方法およびその方法を実施する内燃機関に関する。

４サイクルエンジンにおいて低回転数および最低回転数で高トルクを目標とするには、燃焼室に新混合気の少なくとも部分的に良好でない充填は障害となる。特に排気ガス過給器を装備したエンジン（ターボ付きエンジン）の場合は、その上、低回転数域で排気ガス流れの流量が少ないためターボチャージャーを最適にはできないということになる。周知のように、圧縮を始める前に空気と燃料の未燃焼混合気の比率部分と燃焼した混合気の比率部分とを共に燃焼室へ充填する。燃焼した混合気の比率部分はエンジンの周辺条件規模に応じて燃焼室の全充填量の１０％にまで達する。前述の作動サイクルに由来する残留ガスの温度はかなり高いので、燃焼した混合気の容積比率部分は明らかに１０％よりも大きい。残留ガス量は、
吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角の間に掃気されずにシリンダに残る残留ガスの部分と、
吸気バルブが開いた後、シリンダとエンジンの吸入域の間の負の掃気傾斜のためシリンダから吸入域に移動し、吸入工程で再度シリンダに入ってくる残留ガスの部分と、
排気バルブを閉じる前にエンジンの排気域からシリンダ内に再度押し戻されてくる残留ガスの部分とからなる。

吸気バルブの閉じ時期の選択は充填およびそれによってエンジンのトルク特性に別の制御期間よりも強い影響を与えることは公知である。その場合、早い閉じ時期は低回転数域における高トルクにとって好都合であるとして知られている。この際考慮されることは、吸入リフトを早くする方に移動することによって吸気バルブと排気バルブのオーバーラップが増加し、このことは残留ガス量を増やし、またそれによって新混合気の充填量を少なくする結果に導かれる。

さらに知られているように、バルブのオーバーラップが大きい場合、充填量の一部は燃焼に寄与することなくシリンダを通過する。このいわゆる掃気損失はエンジンの有効効率を悪化させる。この欠点のほかに利点も生じ、残留ガスは大幅に取り除かれ、このことはシリンダ充填量が大きくて出力性能が高くなる結果になる。部分負荷の場合はバルブのオーバーラップが増加すると残留ガス量は増加し、それによって充填交換仕事および窒素酸化物の排出が減少する。

本発明の課題は、特に低回転数の場合により高いトルクが得られる内燃機関の運転方法を考案することにある。発明のさらなる課題はその方法を実施する内燃機関の考案にある。

この課題は発明に従いそれぞれ特許請求の範囲の独立請求項に記載された特徴によって解決される。
発明による内燃機関を運転する新しい方法では、吸気バルブおよび排気バルブを有する少なくとも２つのシリンダを備え、低回転数域で新混合気のシリンダ充填を増やすため、少なくとも１つのシリンダのガス交換の際に吸気期間と排気期間のオーバーラップ位相角および排気期間を選択して、排気側の圧力が吸入側の圧力を上回る前に排気バルブを閉じることによって、少なくとも１つのシリンダのガス交換の際に排気期間を短縮し、かつ吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角を延長する。

発明による方法は、内燃機関の排気側において一定の期間に大きい圧力振幅が現れ、従来のガス交換の方法では負の掃気傾斜になるという認識に基づいている。シリンダの排気バルブを開けると、高い圧力傾斜のために燃焼ガスが大流量でエンジンの排気域、すなわち排気マニホールドに流れる。この領域にはスロットル調整器が存在するので排気ガスは十分に速く流出することができない。それによってエンジンの排気域全体に、特に別のシリンダの排気バルブの前に高い圧力が発生する。排気期間を短縮し、同時に吸気期間と排出期間のオーバーラップ位相角を延長すると、掃気戻りを避ける正の掃気傾斜および同時にシリンダの活発な掃気が達成されるので、新混合気のシリンダ充填量が増加する。同一シリンダに属する吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角を延長し排気期間を短縮する場合、エンジンの排気側域の圧力がその最大値に達する前に排気バルブは閉じられることになる。

本発明による内燃機関の場合、ガス交換の間に新混合気のシリンダ充填量を増加するため同一シリンダに属する吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角を延長し排気期間を短縮する制御モジュールが設けられる。

発明のさらなる形態は従属する特許請求の範囲に記載される。
低回転数域、好ましくは２５００／ｍｉｎ未満で単にオーバーラップ位相角の延長および排気期間の短縮を行うと、高回転数の場合の増加した充填交換作業に基づくこのような方法の欠点および効率の悪化は避けられる。エンジンは通常、中回転数域から高回転数域までの運転域において最適化されるので、特に低回転数域のトルク増加を考慮することが望ましい。

排気期間の短縮によってシリンダの点火順序による点火分離が実現されると、異なるシリンダ間の排気圧力衝撃の好ましくない連絡は阻止される。このような連絡はガス交換工程で重なって不利になる。

さらなる実施形態によると、シリンダの吸入側と排気側との間に正の掃気傾斜があるときに排気バルブを閉じるように排気期間が割り当てられる。正の掃気傾斜で残留ガス量の前述の燃焼サイクルからの掃気が良好に引き起こされる。この結果、シリンダの新混合気の充填効率は増加する。これに対応し、燃焼プロセスで得られた性能あるいはトルクは増加する。

内燃機関が排気ガスターボチャージャーを装備している場合は、ＮＡエンジンの場合に比べてより一定に近い圧力がエンジンの吸入側に生じる。それにより、最適の掃気傾斜を考慮した吸入側と排気側との間の圧力比の調整が緩和される。

この方法ではシリンダの排気側で高い排気ガス圧力が備わり、それにより排気ガスターボチャージャー付きのエンジンにおいてはタービンの高い駆動性能の達成が可能となる。その結果、高いシリンダ充填とこれに対応する高性能あるいは高トルクに導かれる。

特に、排気バルブを閉じた後に現れるシリンダ排気側の増加した圧力が、排気ガスターボチャージャーから生じた吸入側の過給圧力を高めるのに使用される。
排気期間は個々のシリンダの点火間隔、例えばＲ４エンジンの場合は約１８０°ＫＷよりも長くしないことが好ましい。シリンダバンク上の点火間隔が等しくないＶ型エンジンの場合は記載した規則から外れ、シリンダ個々の排気制御期間の作動角長さおよびオーバーラップが互いに必要となる。

さらに、シリンダの吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角はバルブリフトが１ｍｍに場合、５°と３０°ＫＷの間の長さが好ましいことが強調される。このようなオーバーラップ位相角は正の掃気傾斜が有効となるのに十分に大きい時間となる。

部分負荷域ではシリンダの吸気バルブと排気バルブとの間の大きいバルブオーバーラップのために排気ガス戻りによって残留ガス量が増加し、内部の低および中負荷域において脱スロットリングしたがって燃料消費改善に導かれる。追加の燃料消費潜在能力は排気バルブ開き時期を遅くするシステム固有の調整にしたがって、それに結合した膨張工程のより効率的な使用が生み出される。

新混合気のシリンダ充填量を増加し充填温度を約５０Ｋ減少して内燃機関を運転することによって、シリンダの充填効率を増加することができる。
さらに、新混合気比率部分を増加することによって温度は圧縮工程の終わりに下がり、したがって内燃機関のノッキング限界に有利に影響を及ぼす。残留ガス量の減少は同様に作用し、それによって点火遅延時間が短くなり、燃焼速度は大きくなる。

カムシャフトを使用した排気バルブの制御、配属された排気カムシャフトプロフィールを使用した排気期間の短縮およびオーバーラップ位相角の延長が適切に行われる。
低回転数の全負荷でオーバーラップ位相角を延長するため吸気バルブの開き始め時期の適切な値は従来の方法に対して３０±５°ＫＷだけ早くなっている。

発明のさらなる実施形態、態様および長所は要約書に依存することなく図面に基づく以下の詳細な記述で一般性を限定されることのない特許請求の範囲に含まれる。

図１に発明による４シリンダ・ターボチャージャー内燃機関１の概略図を示す。矢印で示されるように燃料供給装置４によってシリンダ３の燃焼室２に燃料が供給される。各シリンダには吸気バルブ５ａと排気バルブ５ｂとが備わる。

混合気供給は混合気供給装置６によって行われる。内燃機関１の吸入域に空気圧縮装置７が設けられる。空気供給は空気圧縮装置７の箇所の矢印でシンボル化される。排気ガス装置８には排気ガスで駆動可能な排気ガスタービン９が備わる。発明は基本的に排気ガスターボを装備しない内燃機関にも実現可能である。さらに触媒装置１０も排気ガス装置８に備わる。燃焼混合気の組成は排気ガス戻り供給装置１１によって影響を受ける。種々のエンジン機能は制御装置１２によって制御あるいは規制されるが、制御装置１２の信号は回転数、エンジン温度、触媒温度のセンサ１３、およびスロットルバルブ位置および負荷・出力要求から受け取られる。制御装置１２には制御モジュール１４が含まれ、この制御モジュール１４を使用して吸気および排気バルブあるいは吸気および排気バルブ期間が制御できる。

発明による方法では、特に回転数が低い場合、シリンダ負荷を明らかに上げることが可能となる。発明によると残留ガス量が減少し新混合気充填量が増加する。シリンダにある残留ガス量はバルブオーバーラップ位相角の間に吸気バルブおよび排気バルブによって掃気された残りの残留ガスと、吸気バルブを開いた後にシリンダと吸入側との間の負の掃気傾斜に基づきシリンダから吸入側に移動し吸入工程において再度シリンダ内に戻ってきた残留ガスと、排気バルブを閉じる直前に排気側から再度シリンダ内に押し戻された残留ガスとで構成される。エンジンの吸入側と排気側との圧力差（掃気傾斜）が大きくなればなるほど、残留ガス量は一般により少なくなる。

図２には低回転数（Ｎ＝１０００／ｍｉｎ）の場合のターボチャージャー付き内燃機関のクランク角による吸入域あるいは排気域の圧力経過２０，２１の概略図を示す。この図から明らかなように、重要な現象を述べなくても静圧のみで十分である。明らかなように、吸気バルブ手前の吸入側圧力２１は時間に対してほぼ一定である。それに対して排気側では大きい圧力振幅が現れることがわかるが、これがそれぞれの瞬間の掃気傾斜に基本的に影響を与える。この圧力振幅では、観察したエンジンのシリンダの排気圧力衝撃が問題になる。シリンダの排気バルブが開くとすぐに、燃焼ガスは高い圧力傾斜に基づいて排気域、特に排気ガスマニホールドに高流速で流れる。他のシリンダの排気バルブの前方では排気ガス設備にある絞り調整器のため圧力が上昇する。

バルブの排気期間２２を観察すると、排気側の圧力２０が最大に達したときに、排気バルブが閉じることがわかる。このことは特に図３の拡大図で明らかに理解できる。この遅い時期で比較的多くの残留ガスがシリンダに戻される。発明によると排気期間の短縮によって掃気傾斜は正になるように影響を受ける。

図４には従来のターボ付きエンジンの回転数ｎ＝１０００／ｍｉｎの場合の吸入域あるいは排気域の圧力経過２０，２１をクランク角に対応させて示す。図５の拡大図で示すように、排気側の圧力が最大に達したときに、排気バルブ（排気制御期間２２を参照）は閉じる。これに対し、発明による、ここに記載の方法では、排気側圧力３０が吸入側圧力３１を上回る前に排気バルブは閉じられる。この結果として正の掃気傾斜のため残留ガス量は減少し、新混合気充填量は増加する。これによって、排気ガスターボチャージャーではより多くのエネルギーが自由になり、これによって充填圧力３１が圧力水準２１より再度増加することになる。

発明によると排気期間は減少されるので、シリンダとの連絡遮断は排気側で行われる。
このような点火順序による点火分離はＲ４エンジンの場合、特に作動角が１８０°ＫＷで達成される。

残留ガスのシリンダからの掃気を可能にさせるために、さらに吸入および排気バルブの十分に長いオーバーラップ期間が必要となる。１ｍｍバルブリフトの場合はオーバーラップ位相角を１０°と２５°ＫＷにするのが好ましい。

短縮した作動角と延長したオーバーラップ位相角を実現するために、排気バルブの制御において追加の可変性の導入が提供される。
図６に示すように、発明による内燃機関にバルブ切り替えシステムを備えることができ、そのシステムを使用して発明による制御期間の変更を行うことができる。図６にカムシャフト４０の一部および発明による段付き排気カム４１および４２（２つの排気バルブ付きシリンダ）を示す。低回転数においては、大きいリフト輪郭を有するカム４１ａおよび４２ａから、小さいリフト輪郭を有するカム４１ｂおよび４２ｂに切り替えられる。ロッカーアーム４３を介してそれぞれのカムによってそれに対応するバルブが作動する。発明によるカム４１ａおよび４１ｂあるいは４２ａおよび４２ｂはリフト輪郭を備え、それらは相互に交差するが、相互に入り込んではいない。それによって発明による排気期間の必要な変形は排気側の位相調節装置を追加することなしに達成できる。

図７には従来の制御期間と対比して発明による制御期間の図をクランク軸の回転角に対応させて示す。従来の吸入リフト輪郭５０と比較して発明による吸入リフト輪郭５１が早い方に移動し、一方発明による排気リフト輪郭５３は従来の排気リフト輪郭５２と比較して遅い方に移動している。

高回転数の場合は吸入リフト輪郭の遅い状態が部分的に有利となるので、吸入リフト輪郭の移動はカムシャフト調節装置によって有意義に実現される。
高回転数におけるアイドル運転および全負荷運転の欠点が避けられるので、バルブ切り替えシステムは排気期間の短縮および吸入期間と排気期間のオーバーラップ位相角の延長のあらゆる可能性の利用が可能となる。

発明によると、残留ガス量の減少およびノッキング限界の移動の結果としてのシリンダ負荷の増大によって低回転数におけるエンジントルクの増加が可能となる。排気期間の短縮によって掃気戻りが避けられ、異なるシリンダのほぼ理想的な点火順序による点火分離が実現される。シリンダ燃焼室の残留ガス掃気はバルブオーバーラップの増加の結果の正の掃気傾斜によって改善される。排気ガスエネルギーは増加するので、ターボチャージャー付き内燃機関においてはシリンダ充填を再度増加させる過給圧力が増加する。同時に充填温度の低下および燃焼速度の増加によって点火条件への有利な影響が達成できる。

発明による内燃機関の概略図を示す。 従来のターボチャージャーエンジンの吸気域および排気域の圧力経過の図を示す。 図２の領域の拡大図を示す。 従来のエンジンと対比して発明によるエンジンの吸気域および排気域の圧力経過の図を示す。 図４の領域の拡大図を示す。 発明による方法を実施するため発明によるプロフィールのカムシャフトを示す。 内燃機関を運転する従来および発明による方法の制御期間を示す。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ燃焼室
３ シリンダ
４ 燃料供給装置
５ａ 吸気バルブ
５ｂ 排気バルブ
６ 混合気供給装置
７ 圧縮装置
８ 排気ガス装置
９ 排気ガスタービン
１０ 触媒
１１ 排気ガス戻り供給装置
１２ エンジン制御装置
１３ センサ
１４ 制御モジュール
２０ 圧力−排気側（従来）
２１ 圧力−吸入側（従来）
２２ 排気期間（従来）
３０ 圧力−排気側（発明）
３１ 圧力−吸入側（発明）
３２ 排気期間（発明）
４０ カムシャフト
４１ 排気カム（発明）
４１ａ 排気カム（発明）
４１ｂ 排気カム（発明）
４２ 排気カム（発明）
４２ａ 排気カム（発明）
４２ｂ 排気カム（発明）
４３ ロッカーアーム
５０ 吸入−制御期間（従来）
５１ 吸入−制御期間（発明）
５２ 排気−制御期間（従来）
５３ 排気−制御期間（発明）

Claims (15)

1. それぞれ吸気バルブおよび排気バルブを有する少なくとも２つのシリンダを備えた内燃機関を運転する方法において、
   少なくとも１つのシリンダ（３）のガス交換の際に新混合気のシリンダ充填を増加するため、吸気期間と排気期間のオーバーラップ位相角および排気期間を選択し、
   排気側の圧力が吸入側の圧力を上回る前で、シリンダ（３）とシリンダ（３）の吸入側の間に、新混合気が充填する方向に圧力傾斜があるときに排気バルブを閉じ、
   排気バルブを閉じるタイミングを、排気側の圧力が吸入側の圧力を上回る前に排気バルブを閉じるように選択することで、排気期間を短縮して各シリンダのガス交換工程をそれぞれ重ならないように分離して、異なるシリンダ間の排気圧力衝撃の好ましくない影響を阻止し、
   排気ガスターボチャージャーを装備する
   ことを特徴とする方法。
2. 特に２５００／ｍｉｎ未満の低回転数域において、排気側の圧力が吸入側の圧力を上回る前に排気バルブを閉じ、及びオーバーラップ位相角を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 内燃機関（１）に排気ガスターボチャージャーを装備することを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載の方法。
4. シリンダ（３）とシリンダ（３）の吸入側の間に、新混合気が充填する方向に圧力傾斜があるときに排気バルブを閉じ、排気バルブを閉じた後に排気バルブの排気側に高い圧力が生じることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 排気ガスターボチャージャー（７，９）を用いて吸入側の過給圧力を高めるために、少なくとも排気バルブ（５ｂ）を閉じた後で現れるシリンダ（３）の排気側の高い圧力を排気ガスターボチャージャーで使用することを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
6. Ｒ４エンジンの場合、排気期間は１８０°±１０°のクランク角とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. バルブリフト量が１ｍｍのときオーバーラップ位相角は５°から３０°までのクランク角にすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. ゼロ負荷と低負荷運転の間の部分負荷域において吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角を大きくすることによって、排気バルブ閉じる前にエンジンの排気域からシリンダ内に押し戻されてくる排気ガスの増加を実現することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 新混合気のシリンダ充填を増加することによって内燃機関を約５０Ｋ減少した負荷温度で駆動することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 残留ガス量を下げることによって燃焼速度を上げることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 負荷温度を減少させることによってエンジンのノッキング限界に有利に影響を及ぼすことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 排気バルブ（５ｂ）を制御するためカムシャフトを設け、配属された排気カムシャフトのプロフィールを使用して排気期間の短縮およびオーバーラップ位相角を大きくすることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 排気側の圧力が吸入側の圧力を上回る前で、シリンダ（３）とシリンダ（３）の吸入側の間に、新混合気が充填する方向に圧力傾斜があるときに排気バルブを閉じ、ガス交換の間に新混合気のシリンダ充填を高めるため排気期間を短縮し、吸気バルブと排気バルブのオーバーラップ位相角を大きくする制御モジュール（１４）を設けたことを特徴とする、吸気バルブおよび排気バルブを有する少なくとも２つのシリンダを備えた内燃機関。
14. 排気バルブ（５ｂ）を制御するためカムシャフト（４０）を設け、配属された排気カムシャフトプロフィールを使用して排気期間を短縮し、オーバーラップ位相角を大きくすることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。
15. 吸気バルブ（５ａ）を制御するためカムシャフトを設け、オーバーラップ位相角を大きくするため吸気バルブ（５ａ）の開き始めを従来のシステムより３０°±５°のクランク角分早くなるよう位相角を移動することを特徴とする請求項１３または１４に記載の内燃機関。

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