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JP3936901B2 - 内燃機関と内燃機関制御方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの吸気弁および少なくとも１つの排気弁のバルブタイミングを調節するための手段と、シリンダごとに少なくとも１つのイグニション装置および少なくとも１つの直接噴射装置とを備えており、第１運転領域ではガソリンで自己着火によって運転可能であるとともに第２運転領域では外部点火によって運転可能である内燃機関、ならびに、このような内燃機関を運転させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自己着火によって発火する希薄な燃料・空気・混合気の燃焼は、濃度分布や温度分布が均一なのでＮＯｘや煤のきわめて低い排出値が実現されるという利点がある。この方法は英語圏では「ＨＣＣＩ方式」（Ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、均一吸気圧縮着火）と呼ばれている。つまりＨＣＣＩ方式ではＮｏｘ排気ガスの含有量がわずかである結果、多数の着火地点で燃焼が始まるので、比較的低い燃焼温度で燃焼が進行することになる。ガソリンは自己着火する傾向が非常に弱く、沸点の範囲が約３０°から１９０°の間と低いので、ＨＣＣＩ方式にとってはディーゼル燃料に比べて大きな利点がある。この場合、ディーゼルエンジンの場合と同じように、圧縮比を約１５から１７の値まで上げることができる。ただし発火の正確な時期は、実効平均作動圧が低いときにしか、所望の形で上死点の直前に固定することができないので、ＨＣＣＩ方式で実現可能な実効平均作動圧は部分負荷領域に制限されるという欠点があることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
実効平均作動圧の事前に定義された限界値よりも下側では内燃機関を均一に自己着火し、限界値よりも上側では外部点火によってガソリンで作動する内燃機関を運転させる方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、ＨＣＣＩ方式の利点を欠点なしに生かすことができる。
【０００４】
ＨＣＣＩ運転方式は、まず第１に低負荷領域と部分負荷領域をカバーすることが意図されており、それに対して外部点火によるエンジン運転は、高い部分負荷および全負荷のときに適用される。内燃機関のダイナミックな動作では、移行段階でトルクを出すときに重大な損失を払うことなく、エンジン動作中に両方の運転方式を切り換えることが不可欠である。
【０００５】
中程度の部分負荷領域では均一に自己着火により運転し、上側の部分負荷領域、全負荷領域、あるいは下側の部分負荷領域では均一に外部点火により運転する内燃機関が公知である（例えば、特許文献２参照。）。外部点火による運転から自己着火による運転への切換領域では、確実な自己着火を保証するために、再循環させられる排気ガスの量が増やされる。逆に自己着火による運転から外部点火による運転へ切り換えるときは、ノッキング現象を防ぐために、再循環させられる排気ガスの量が適時に減らされる。
【０００６】
さまざまな弁リフト量の間で切換を行うことができるリフト量切換装置も公知であり、その際ゼロリフト量も可能である（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
マイクロプロセッサを介して制御される電気油圧式の弁リフト量装置を備える、カム操作されるバルブ制御システムを記載している。弁リフト量をほぼフレキシブルに構成することが可能である（例えば、特許文献４参照。）。
【０００８】
主吸気弁と副吸気弁とを有するハイブリッド制御を備える４サイクル内燃機関が公知である（例えば、特許文献５参照。）。この内燃機関では、カム操作される主吸気弁は、吸気カムと弁棒の間の伝達路にある切換部材によって遮蔽することができる。副吸気弁の弁リフト量は、操作装置によりエンジン負荷に依存して変えることができる。
【０００９】
バケットタペットに配置された油圧式の操作部材をそれぞれ有するグローブ弁の可変なバルブ動作が記載されている（例えば、特許文献６参照。）。この操作部材により、カムによって設定される機械的な往復運動に加えて、油圧式の追加的な往復運動を生成することができる。これに類する特別なバルブ動作は、カムシャフトの位置に関わりなく油圧による往復運動を生成するのに適しており、つまり、残留ガスを再循環させる目的のために吸気段階の間に排気弁を操作するのにも適している（例えば、特許文献７参照。）。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔａｒｏ Ａｏｙａｍａ（青山太郎）他著「均一吸気圧縮着火ガソリンエンジンの実験的研究（Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｅｍｉｘｅｄ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ）、ＳＡＥ９６００８１、１９９６年２月２６日、ｐ．１−５
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−０６４８７６号公報（段落番号９−１５、第１図）
【００１２】
【特許文献２】
欧州特許出願公開第１０８５１９２Ａ２号明細書（第４−５頁、第８図）
【００１３】
【特許文献３】
独国特許出願公開第１９６０２０１３号明細書（第３−５欄、第１図）
【００１４】
【特許文献４】
欧州特許出願公開第０１５６９９６Ａ１号明細書（第４−７頁、第１図）
【００１５】
【特許文献５】
米国特許第５,６４７,３１２号明細書（第３−６欄、第１図）
【００１６】
【特許文献６】
独国特許出願公開第４３１７６０７Ａ１号明細書（第３欄、第１図、第２図）
【００１７】
【特許文献７】
オーストリア国実用新案公開第４,８７２Ｕ１号明細書（第５−７頁、第１図、第３図）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ガソリンで自己着火動作と外部点火動作のいずれでも運転する公知の内燃機関は、燃焼の最適な制御を達成し、それによって急速な燃焼による高い効率と、最小のＮｏｘおよび煤の排出を達成するために、完全に可変なバルブ動作を実現するための装置と、燃焼に即応したエンジン制御装置とを備えている。しかしながら設計費用が高く、コストが著しくかかるのが欠点である。
上記実状に鑑み、本発明の課題は、できるだけ簡単なやり方で、ガソリンによる確実な自己着火動作と外部点火動作を実現することができる内燃機関及びそのような内燃機関の制御方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による内燃機関では、シリンダごとに２つの吸気弁を備えるとともにそれぞれ１つの吸気通路が通じており、少なくとも１つの吸気弁および少なくとも１つの排気弁のバルブタイミングを調節するための手段と、シリンダごとに少なくとも１つのイグニション装置および少なくとも１つの直接噴射装置とを備えており、第１運転領域ではガソリンで自己着火によって運転可能であるとともに第２運転領域では外部点火によって運転可能であり、前記吸気弁を操作するために少なくとも１つの吸気カムシャフトが設けられるとともに前記排気弁を操作するために少なくとも１つの排気カムシャフトが設けられており、シリンダごとの前記２つの吸気弁がリフト量切換装置によって第１リフト量および第２リフト量の間で切換可能であり、前記シリンダごとに１つの吸気通路を制御機構によって遮蔽可能であり、前記少なくとも１つの排気弁は残留ガス再循環機構によって吸気行程中に操作可能である。
【００２０】
本発明によれば、吸気弁を操作するために少なくとも１つの吸気カムシャフトが設けられるとともに排気弁を操作するために少なくとも１つの排気カムシャフトが設けられており、シリンダごとに少なくとも１つの吸気弁がリフト量切換装置によって第１および第２リフト量の間で切換可能であり、少なくとも１つの排気弁が残留ガス再循環機構によって吸気行程中に操作可能であることによって達成される。つまりこの内燃機関は、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトによる簡単なバルブ駆動部を有している。少なくとも１つの吸気弁の、第１の小さなリフト量と第２の大きなリフト量との間のリフト量切換は、機械的、油圧式、または電気式に操作可能であってよい簡単なリフト量切換装置を介して行われる。たとえばリフト量切換装置は、１つの吸気弁ごとに、異なるリフト量形状をもつ２つの吸気カムによって具体化することができる。
【００２１】
さらに本発明では、シリンダごとに少なくとも２つの吸気弁をもつ内燃機関の場合、一方の吸気弁がリフト量切換装置によって第１リフト量および第２リフト量の間で切換可能であり、他方の吸気弁はバルブ遮蔽装置によって遮蔽可能である。また、２つの分離した吸気通路を備える内燃機関の場合には、両方の吸気弁がリフト量切換装置によって第１リフト量および第２リフト量の間で切換可能であり、シリンダごとに１つの吸気通路が制御機構を介して遮蔽可能である。
【００２２】
上記課題を解決するため、本発明による内燃機関制御方法では、第１運転領域ではガソリンで空燃比λ＞＝１で自己着火により運転し、第２運転領域ＳＩでは空燃比λ＜＝１で外部点火により運転する内燃機関を運転させる方法であって、少なくとも内部的な残留ガス再循環を通じて燃焼状態を制御し、シリンダごとに少なくとも１つの吸気弁を第１リフト量と第２リフト量の間で切り換えるためのリフト量切換装置を設け、第１運転領域（例えばＨＣＣＩ）では少なくとも１つの吸気弁のリフト量を第２リフト量から第１リフト量へと減らし、第２運転領域（例えばＳＩ）ではこの吸気弁のリフト量を第１リフト量から第２リフト量へと増やし、かつ第１運転領域と第２運転領域の間の移行領域では内燃機関を空燃比λ＝１で運転し、少なくとも１つの吸気弁のリフト量が第１リフト量へ切り換えられる。
【００２３】
この本発明の方法では、第１運転領域では、少なくとも１つの吸気弁のリフト量が、第２リフト量から第１リフト量へと減らされる。第２運転領域では、この吸気弁のリフト量が再び第１リフト量から第２リフト量へと増やされる。このときシリンダの充填はスロットルバルブを介して制御されるのが好ましい。この場合、第１および第２運転領域の間の移行領域では内燃機関が空燃比λ＝１で運転され、少なくとも１つの吸気弁のリフト量が第１リフト量へ切り換えられるように構成されてもよい。
【００２４】
特に外部点火による動作から自己着火による動作へ切り換えるときの燃焼を安定化するため、第１運転領域での開放時期を、イグニションの上死点の方向へ一時的にずらすことができる。それにより、燃焼状態を先に進める燃焼室内の乱流が増えることになる。このことは、吸気カムシャフトが吸気位相シフト装置によって回動可能に構成されることによって実現することができる。
【００２５】
確実な自己着火のために必要な混合気の温度上昇を達成するため、第１運転領域でシリンダごとに少なくとも１つの排気弁が吸気サイクル中に開放され、残留ガス再循環の制御は少なくともこの追加の排気行程の位相位置によって行われると好都合であり、この方法を実施するために、残留ガス再循環機構が排気位相シフト装置を有しており、この排気位相シフト装置によって排気カムシャフトが回動可能に構成される。燃焼の特別にフレキシブルな制御は、排気弁が吸気サイクル中に油圧式または電気式に操作される場合に達成することができ、そのような操作によって、位相位置（開放時期）と開放時間が変えられるのが好ましい。追加の排気行程の時間または位置（時期）あるいはその両方がシリンダ間で個別的に適合化されると格別に好都合であり、この場合、追加の排気行程の時間または位置（時期）あるいはその両方の適合化によって、それぞれのシリンダの燃焼状態と燃焼速度がシリンダ個別的に制御されるのが好ましい。追加の排気行程を時間または位置（時期）あるいはその両方に関して適合化することにより、特に動作方式が一定していないときに燃焼安定性が改善される。外部点火が行われる移行領域でも、内部的な残留ガス再循環機構によって、スロットルバルブからの脱却とこれに伴う燃費削減を実現することができる。
【００２６】
完全に可変なバルブ動作と比較したとき、ここで提案される設計および上述した方法は、簡単かつ低コストである。内部的な高い残留ガス率によって、部分負荷のときに自己着火運転が可能になる。
【００２７】
ガス交換弁は従来式のやり方で機械的に操作されるので、オイル温度がバルブ操作に影響を及ぼすことはない。このことは、コールドスタートを従来式のやり方で外部点火によって行えるという利点をもたらす。
【００２８】
機械的なバルブ操作は、従来どおり大きなリフト量での高い回転数と高い負荷を可能にし、それによって最小の摩擦損失しか生じず、無制限の全負荷運転が可能である。
【００２９】
低い部分負荷のときおよび中程度の部分負荷のとき外部点火運転でリフト量切換をすることにより、および内部的な残留ガス制御により、格別に低い燃料消費量と非常に低いエミッションを実現することができる。
【００３０】
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に示す特性マップには、図示シリンダ圧力ｐｉが回転数ｎの上にプロットされている。第１運転領域ＨＣＣＩでは、内燃機関が空燃比λ＞＝１で均一に自己着火により運転する。この第１運転領域ＨＣＣＩは、下側の部分負荷領域から中程度の部分負荷領域まで達している。第２運転領域ＳＩでは、内燃機関は空燃比λ＜＝１で外部点火により運転する。この第２運転領域ＳＩは、高い部分負荷から全負荷まで達している。
【００３２】
第１運転領域ＨＣＣＩと第２運転領域ＳＩの間には移行領域ＴＳＩがあり、ここでは内燃機関が空燃比λ＝１で外部点火により運転する。この移行領域は中程度の部分負荷の領域に位置している。コールドスタート動作およびウォームアップ動作のとき、移行領域ＴＳＩはアイドリング運転領域まで伸長されて、第１運転領域ＨＣＣＩに取って代わる。運転領域ＴＳＩでは、内部的な残留ガス再循環機構によって、スロットルバルブからのいっそうの脱却とこれに伴う燃費削減を実現することができる。ただしこのとき内部的な残留ガス量は、運転領域ＨＣＣＩのときよりも明らかに低い。
【００３３】
なお、図１でＧ１〜Ｇ５は異なる変速段を示している。
【００３４】
図２は、全負荷および高い部分負荷のときのバルブタイミングを示しており、排気弁および吸気弁の弁リフト量ｈが図示されている。符号Ａで排気弁の弁リフト量曲線が描かれており、符号Ｅで吸気弁の弁リフト量曲線が描かれている。第２運転領域ＳＩでは、内燃機関は空燃比λ＜＝１で通常の外部点火による動作で運転する。吸気弁は最大リフト量である第２リフト量ｈに切り換えられており、それにより、スロットルバルブを介して追加的に制御される最大の充填が保証される。排気弁は、通常どおり排気段階の間しか操作されない。符号ＵＴは下死点を示しており、符号ＬＷＯＴは排気上死点を示している。
【００３５】
図３は、中間運転領域ＴＳＩにおける中程度の部分負荷のときの排気弁のバルブタイミングを示している。吸気弁は最小リフト量である第１リフト量に切り換えられており、それにより、図３に示す小さな弁リフト量Ｅが生じている。充填の制御はスロットルバルブを介して行われる。乱流を生成させるため、吸気開放の開始をイグニションの上死点ＺＯＴの方向へずらすことができる。生成される大きな乱流によって燃焼速度が上昇する。排気弁は通常どおり排気段階の間しか開放されない。
【００３６】
図４は、第１運転領域ＨＣＣＩでのバルブタイミングを示している。吸気弁は、図３の場合と同じく、最小の第１リフト量に切り換えられている。自己着火のために必要な条件を整えるため、曲線Ａ２によって図示されているように、吸気サイクルの間に排気弁の２回目の開放が行われる。それによって燃焼室内の残留ガスが吸い戻され、このことは、次回の燃焼のために温度を上昇させるように作用する。本実施例では、残留ガスの制御は位相位置を通じてのみ行われる。
【００３７】
図５は、第２実施例における第１運転領域ＨＣＣＩでのバルブタイミングを示している。この場合も吸気弁は最小の弁リフト量でのみ操作される。図４とは異なり、線Ａ２に示すように２回めの排気弁リフト量を位置と長さに関して変化させることができ、それによって残留ガス制御でいっそう高いフレキシビリティが得られる。したがってシリンダ個別的な調節が可能である。２回めの排気弁リフト量の操作は、油圧式または電気式に行うことができる。
【００３８】
図４に示す実施例は、高圧オイル供給の必要がない、非常に低コストで純粋に機械的な解決法であるという利点がある。このシステムは最低限の摩擦損失で運転させることができる。
【００３９】
図６は、第１運転領域ＨＣＣＩでは自動着火によって運転可能、かつ第２運転領域ＳＩでは外部点火によって運転可能な本発明による内燃機関のバルブメカニズム設計の一実施形態を、シリンダ１の模式的な断面図で示している。符号１７は、燃焼室６に直接連通している噴射装置を示しており、符号１８はイグニション装置を示している。シリンダ１には２つの吸気通路２と少なくとも１つの排気通路３が合流しており、これら通路の燃焼室６における合流部４，５はそれぞれ１つの吸気弁７ないし排気弁８によって制御され、吸気弁７は吸気カムシャフト９、排気弁８は排気カムシャフト１０によってそれぞれ操作される。少なくとも１つの吸気弁７のリフト量は、たとえば独国特許出願公開第１９６０２０１３Ａ１号明細書などから公知となっているリフト量切換装置１１によって、第１リフト量と第２リフト量の間で切換可能である。さらに吸気弁７のバルブタイミングを調節するため、吸気カムシャフト１２を回動させることができる。
【００４０】
内部的な残留ガス再循環を行うため、吸気行程中に少なくとも１つの排気弁８を残留ガス再循環機構１３によって操作可能である。残留ガス再循環機構１３は、油圧式または電気式に活動化可能な操作部材１４をバケットタペット１５の内部に有していてよく、この操作部材１４により、排気カム１６によって設定される機械的な排気行程に関わりなく、吸気段階の間に排気弁８の追加的な往復運動を生成することができる。このような種類の装置はオーストリア国実用新案公開第４,８７２Ｕ１号明細書などから知られている。
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】さまざまな運転領域を含むエンジン特性を説明する図
【図２】全負荷および高い部分負荷における弁リフト量とクランク角の関係を示す図
【図３】中程度の部分負荷における弁リフト量とクランク角の関係を示す
【図４】第１実施形態における第１運転領域における弁リフト量とクランク角の関係を示す図
【図５】第２実施形態における第１運転領域における弁リフト量とクランク角の関係を示す図
【図６】本発明による内燃機関のバルブ操作装置を示す模式図
【符号の説明】
１ シリンダ
７ 吸気弁
８ 排気弁
９ 吸気カムシャフト
１０ 排気カムシャフト
１１ リフト量切換装置
１３ 残留ガス再循環機構
１７ 直接噴射装置
１８ イグニション装置
ＨＣＣＩ 第１運転領域
ＳＩ 第２運転領域

Claims (11)

  1. シリンダ（１）ごとに２つの吸気弁（７）を備えるとともにそれぞれ１つの吸気通路（２）が通じており、少なくとも１つの吸気弁（７）および少なくとも１つの排気弁（８）のバルブタイミングを調節するための手段と、シリンダごとに少なくとも１つのイグニション装置（１８）および少なくとも１つの直接噴射装置（１７）とを備えており、第１運転領域（ＨＣＣＩ）ではガソリンで自己着火によって運転可能であるとともに第２運転領域（ＳＩ）では外部点火によって運転可能である内燃機関において、
    前記吸気弁（７）を操作するために少なくとも１つの吸気カムシャフト（９）が設けられるとともに前記排気弁（８）を操作するために少なくとも１つの排気カムシャフト（１０）が設けられており、シリンダ（１）ごとの前記２つの吸気弁（７）がリフト量切換装置（１１）によって第１リフト量および第２リフト量の間で切換可能であり、前記シリンダ（１）ごとに１つの吸気通路（２）を制御機構によって遮蔽可能であり、前記少なくとも１つの排気弁（８）は残留ガス再循環機構（１３）によって吸気行程中に操作可能であることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記吸気カムシャフト（９）が吸気位相シフト装置（１２）によって回動可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 残留ガス再循環機構（１３）が排気位相シフト装置を有しており、この排気位相シフト装置によって排気カムシャフト（１０）が回動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 前記残留ガス再循環機構（１３）が、少なくとも１つの排気弁（８）のために、排気行程中に排気弁（８）を操作するための切換可能な追加の排気カムを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
  5. 前記排気弁（８）が少なくとも吸気サイクルの間に油圧式または電気式に操作可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
  6. 第１運転領域ではガソリンで空燃比λ＞＝１で自己着火により運転し、第２運転領域ＳＩでは空燃比λ＜＝１で外部点火により運転する内燃機関を運転させる方法であって、少なくとも内部的な残留ガス再循環を通じて燃焼状態を制御する内燃機関制御方法において、
    シリンダ（１）ごとに少なくとも１つの吸気弁（７）を第１リフト量と第２リフト量の間で切り換えるためのリフト量切換装置（１１）を設け、第１運転領域（ＨＣＣＩ）では少なくとも１つの吸気弁（７）のリフト量を第２リフト量から第１リフト量へと減らし、第２運転領域（ＳＩ）ではこの吸気弁（７）のリフト量を第１リフト量から第２リフト量へと増やし、かつ
    第１運転領域（ＨＣＣＩ）と第２運転領域（ＳＩ）の間の移行領域では内燃機関を空燃比λ＝１で運転し、少なくとも１つの吸気弁（７）のリフト量が第１リフト量へ切り換えられることを特徴とする内燃機関制御方法。
  7. 燃焼安定性を制御するために第１運転領域（ＨＣＣＩ）での開放時期をイグニションの上死点（ＺＯＴ）の方向へ一時的にずらすことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関制御方法。
  8. 前記第１運転領域（ＨＣＣＩ）ではシリンダ（１）ごとの少なくとも１つの排気弁（８）を吸気段階の間に開放させ、残留ガス再循環の制御は少なくともこの追加の排気行程の位相位置を通じて行われることを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関制御方法。
  9. 吸気サイクルの間の前記排気弁（８）の操作が油圧式または電気式に行われ、これにより、前記排気弁（８）の位相位置または開放時間あるいはその両方が操作されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関制御方法。
  10. 前記追加の排気行程の時間または時期あるいはその両方をシリンダ個別的に適合化することを特徴とする請求項８または９に記載の内燃機関制御方法。
  11. 前記追加の排気行程の時間または時期あるいはその両方の適合化により、それぞれのシリンダ（１）の燃焼状態と燃焼速度がシリンダ個別的に制御されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関制御方法。
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