JP4322204B2 - 少なくとも２つのシリンダを備えている過給式内燃エンジンの制御方法およびそのような方法を用いているエンジン - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのシリンダを備えている過給式内燃エンジンの制御方法およびそのような方法を用いているエンジンに関するものである。

通常、内燃エンジンの出力は、このエンジンの燃焼室に供給される空気の量によって決まり、空気の量は空気の密度に比例している。周知のように、より高い出力を必要とする場合には、このシリンダ内に空気を過給するために、エンジンのシリンダ内に吸気を供給する前に、ターボ過給機のような任意の圧縮手段によって吸気を圧縮することができる。

シリンダ内の空気の量を増加させ、また、火花点火式のエンジンの場合にはエンジンのノッキングに対する感度を低くするために、燃焼室内に残留している燃焼ガスは、一般に燃焼ガスの掃気と呼ばれているエンジンの排気相の終了前に、過給された空気に置き換えられるようにして排出させられる。

この掃気は、間接噴射エンジンに関して特許文献１に記載されているように、排気相を終了して吸気相を開始しつつあるシリンダの上死点近くで、排気弁と吸気弁とをオーバーラップさせることによって達成することができる。このオーバーラップは、排気相の終わりにピストンの上死点（ＴＤＣ）近くにおいて、クランク軸が数度または約十度回転する間に、シリンダの排気弁と吸気弁とを同時に開くことによって達成される。そのため、このシリンダは、過給された混合気を燃焼室内に供給する従来の吸気手段を補うものとして、過給された非混合気用の特定の吸気手段を有しており、各々の手段は管と弁とからなる。この構成において、この燃焼ガスの掃気は、排気部における圧力よりも圧力が高い過給された非混合気が燃焼室内に供給され、過給された非混合気が燃焼ガスを排気弁を介して排出することで掃気して、燃焼ガスが排出されることにより空いた体積を占めるようにする、排気弁と過給された非混合気用の吸気弁とのオーバーラップによって行われる。掃気段階の終わりに、排気弁が閉じて、過給された混合気が燃料ノズルを備えている他の吸気手段を介して燃焼室内に供給される。

この種類のエンジンは十分に作動するが、決して些細とは言えない欠点を伴う。

実際上、そのような掃気を行うには、排気ガスを排気弁に向けて流動させて、排気ガスを吸気弁を介して供給された過給空気で置き換えるように、過給空気の吸気圧は、ピストンの上死点の近くで燃焼ガスの排気圧よりも高くなければならい。

しかしながら、排気ガス用の１つの入口をタービンに有している従来のターボ過給機を使用すると、少なくとも２つのシリンダを有しているエンジン、より具体的には４つのシリンダを有しているエンジンに関しては、この掃気を行えない場合がある
実際上、各シリンダから排気手段を介して排出された排気ガスは、すべてのシリンダのすべての排気部をタービンの入口に、直接的に、または排気マニフォールドによって間接的につないでいる管路を介して、過給機のタービンの１つの入口に送られる。

したがって、シリンダの各排気相の開始時に排気弁が開くときに、タービンの入口の排気圧は、クランク軸が数度回転する間に増加する。この圧力の増加は、排気マニフォールドを介して、他のシリンダの排気弁に影響する。
米国特許第４，２１７，８６６号明細書

４シリンダエンジンのように少なくとも２つのシリンダを有している４ストロークエンジンでは、このエンジンの作動サイクルは、吸気弁が開くことによるシリンダの吸気相の開始が、排気弁が開くことによる他のシリンダの排気相の開始と実質的に同時に開始されるようになっている。そのため、シリンダが、吸気弁と排気弁とのオーバーラップによって燃焼ガスを掃気している吸気相にあるときに、排気相を開始した他のシリンダからの排気ガスは、排気マニフォールドを介して、この掃気を行うために排気弁が開いている吸気相を開始したシリンダに通じている。したがって、マニフォールド内の排気ガスは、吸気圧よりも圧力が高いため、弁のオーバーラップ中は、吸気相を開始したシリンダの排気弁を介して燃焼ガスが排出されることを妨げる。

この問題を克服するために、ダブルフロー式過給機と呼ばれる特定のターボ過給機を使用することが周知である。この種の過給機では、排気ガスの入口がタービンの段階で２つの部分に分割されており、第１の部分は直接またはマニフォールドによって一部のシリンダの排気部に接続され、第２の部分は他のシリンダの排気部に接続されている。前述の欠点を回避するために、各部分は、あるシリンダの吸気相と他のシリンダの排気相とが同時に起こらないような複数のシリンダに連結されている。

したがって、過給機の一方の部分に接続されている、複数のシリンダのうちの１つが、燃焼ガスの掃気を伴う吸気相を開始したときに、過給機の他方の部分に接続されている排気相を開始したシリンダの排気ガスの圧力が燃焼ガスの掃気プロセスを妨げることはあり得ない。

このダブルフロー式過給機の技術は、満足できるものであるが、入口が１つの従来の過給機よりもはるかにコストが高くなる。

本発明の目的は、シリンダの燃焼ガスの掃気を任意の時期に行うことが可能であり、かつ、入口が１つの過給機によって過給される空気を使用することが可能なエンジン制御によって、前述の欠点を克服することである。

したがって、本発明は、燃焼サイクル中に、他方のシリンダがその下死点近くにおいて排気相にあるときに、一方のシリンダがその上死点近くにおいて燃焼ガスを掃気する吸気相にある少なくとも２つのシリンダを有し、シリンダは、吸気弁を備えた少なくとも１つの吸気手段と、排気弁を備えた少なくとも１つの排気手段とを有している、過給式内燃エンジンの制御方法において、吸気相にあるシリンダの排気弁と吸気弁とを同時に開くことによる弁のオーバーラップ段階によって、吸気相にある前記シリンダの燃焼ガスの掃気を行うことと、オーバーラップ段階の少なくとも一部の期間中に、吸気相にあるシリンダの排気圧がその吸気圧よりも低くなるように、排気相にあるシリンダの排気弁の開度を制御することと、を有することを特徴とする、過給式エンジンの制御方法に関する。

この方法は、吸気相にあるシリンダの排気圧がその排気弁が閉じるときのその吸気圧と等しくなるように、排気相にあるシリンダの排気弁の開度を制御することを有していてもよい。

この方法は、吸気相にあるシリンダの排気弁が閉じるときに、排気相にあるシリンダの排気弁の開度を制御することを有していてもよい。

この方法はまた、吸気相にあるシリンダの排気圧がその排気弁が閉じるときのその吸気圧よりも高くなるように、排気相にあるシリンダの排気弁の開度を制御することを有し、燃焼ガスの掃気が弁のオーバーラップ段階の開始時に行われるようになっていてもよい。

この方法はまた、排気相にあるシリンダの排気弁を、吸気相にあるシリンダの排気弁を閉じた後に開くことを有していてもよい。

また、本発明は、吸気弁を備えた少なくとも１つの吸気手段と、排気弁を備えた少なくとも１つの排気手段とを有している少なくとも２つのシリンダを備えた過給式内燃エンジンにおいて、掃気段階の少なくとも一部の期間中に、燃焼ガスを掃気している吸気相にあるシリンダの排気圧がその吸気圧よりも低くなるように排気相にあるシリンダの排気弁の開度を制御するように排気弁を制御する手段を有していることを特徴とする過給式内燃エンジンに関する。

制御手段は、少なくとも排気弁のリフト規則の位相設定を変更する手段を有していてもよい。

変更手段はＶＶＴ形式またはＶＶＡ形式の制御システムを有していてもよい。

吸気の過給がターボ過給機によって行われる場合、このターボ過給機は１つの入口を有している。

本発明のその他の特徴と利点は、非限定的な例として示された以下の説明を添付図面を参照して読むことで明らかになるであろう。

図１の過給式内燃エンジン、たとえば直噴エンジンは、４つのシリンダ１０または、複数の４つのシリンダ、たとえば８つまたは１２の直列またはＶ型のシリンダを有している。図１の例では、シリンダは、この図の下側から順に、１番シリンダ、２番シリンダ、３番シリンダ、および４番シリンダと呼ぶ。各シリンダ１０は、吸気弁１４（吸気弁を備えているシリンダ１０毎に１４₁から１４₄の参照番号を付している）と吸気管１６とを備えている少なくとも１つの吸気手段１２と、排気弁２０（吸気弁を備えているシリンダ１０毎に２０₁から２０₄の参照番号を付している）と排気管２２とを備えている少なくとも１つの排気手段１８とを有している。吸気手段１２の吸気管１６が吸気マニフォールド２４上に開口しているのに対し、排気手段１８の排気管２２は排気マニフォールド２６上に開口している。吸気マニフォールド２４が管路２８によって入口が１つのターボ過給機３２の圧縮部分３０の出口につながっているのに対して、排気マニフォールド２６は管路３４によってこのターボ過給機３２のタービン３６の１つの入口につながっている。

この技術分野で公知のように、各シリンダ１０は、このようなエンジンが通常は備えているクランク軸のクランクピンに連結されているコネクティングロッドによって、上死点（ＴＤＣ）と呼ばれている上側の位置と下死点（ＢＤＣ）と呼ばれている下側の位置との間で往復直線運動をするピストンを有している。このシリンダ１０は、ピストンの上部とシリンダ１０の上部とによって形成された燃焼室も有しており、吸気手段１２と排気手段１８とはその内部に開口している。

吸気弁１４₁〜１４₄および排気弁２０₁〜２０₄の開閉は、ＶＶＡ（バリアブル・バルブ・アクチュエーション）またはＶＶＴ（バリアブル・バルブ・タイミング）として知られ、好ましくはＶＶＴ形式が用いられる手段のような、これらの弁のリフト規則の位相設定を互いに独立に、または互いに関連させて変更することを可能にする手段３８および４０によってそれぞれ制御される。

この図に示している例では、エンジンは、１，３，４，２と呼ばれるサイクルで動作しており、この場合、燃焼サイクル中の、クランク軸の特定の回転角度において、たとえば、１番シリンダ１０は吸気弁１４₁と排気弁２０₁とが同時に開くことで燃焼室内の燃焼ガスの掃気段階を行う吸気相にあり、次のシリンダ（２番シリンダ１０）は排気弁２０₂および吸気弁１４₂が閉じた位置にある圧縮相にあり、３番シリンダ１０は排気弁２０₃が開いている排気相にあり、最後のシリンダ（４番シリンダ１０）は排気弁２０₄および吸気弁１４₄が閉じている膨張相にある。

３番シリンダ１０からの排気ガスが、吸気相にある１番シリンダ１０の燃焼ガスの掃気段階の間に排気ガスが排出されることを防ぐために、３番シリンダ１０の排気弁２０₃は、この排気弁２０₃が開かれることによる排気ガスの圧力増加がこの排出を妨げないように、または全体的なバランスが吸気圧に常に有利になるように開いている。

例として、このことは、燃焼ガスの掃気相を通して排気マニフォールド２６内の排気圧が吸気圧よりも低くなるように、３番シリンダ１０の排気弁２０₃を開くことによって行うことができる。

図２は、１番シリンダ１０の吸気圧Ｐａの変化と排気圧Ｐｅの変化を、ピストンの上死点（ＴＤＣ）を通るクランク角度−θから＋θまでの間のピストンの行程との関係において示している。この図は、このピストンの行程中の、排気弁２０₁と吸気弁１４₁のリフト規則も示している。最後に、この図は、１番シリンダ１０のピストンのこの行程に対応した、３番シリンダ１０の排気弁２０₃の対応する下死点（ＢＤＣ）からのリフト規則（点線）も示している。

１番シリンダ１０の排気相中には、吸気弁１４₁は閉じており、排気弁２０₁は開いている。燃焼室内の排気ガスは、ピストンの上死点ＴＤＣへの上昇と、燃焼室内の排気ガスの圧力と排気マニフォールド２６内の排気圧Ｐｅとの圧力差との作用の組み合わせによって、この排気弁２０₁を通って排出される。

このシリンダ１０のピストンが上死点ＴＤＣの近く、つまりクランク軸角度がこの上死点ＴＤＣの数度または約十度前にあるときに、弁のオーバーラップ段階が制御手段３８，４０によって行われる。このオーバーラップは、吸気弁１₁と排気弁２０₁のリフト規則の位相設定を変えることで、吸気弁１４₁を角度−θ１で開き、かつ排気弁２０₁を開いたままにすることによって達成される。この角度では、このシリンダ１０の吸気部の吸気圧Ｐａは、このシリンダ１０の排気部の排気圧Ｐｅよりも高い。そのため、燃焼室内に依然として存在している残留燃焼ガスは、排気弁２０₁を介して排出されるように燃焼室内で掃気され、この燃焼室内に供給された過給空気に置き換えられる。この燃焼ガスの掃気動作は、排気弁２０₁が上死点ＴＤＣ後の＋θ２のクランク軸角度で閉じたときに終了する。燃焼ガスを掃気する弁のオーバーラップ段階に対応している、上死点ＴＤＣを通過する−θ１から＋θ２までの角度範囲は、最大量の残留燃焼ガスが排出され、かつ過給空気に置き換えられるように定められている。

掃気を確実に行うためには、吸気圧Ｐａを排気圧Ｐｅよりも高くする必要があるが、排気弁２０₃が開く排気相にある３番シリンダ１０のようなシリンダ１０の下死点ＢＤＣは、１番シリンダ１０の上死点ＴＤＣに対応している。

排気弁２０₃が開くことで排気マニフォールド２６を介して１番シリンダ１０の排気部の圧力が増加して１番シリンダ１０の排気圧Ｐｅが吸気圧Ｐａよりも高くなるのを防止するために、制御手段４０は、１番シリンダ１０の掃気動作の終了時近く、または１番シリンダ１０の掃気動作の終了時、または１番シリンダ１０の排気弁２０₁が閉じた掃気動作の終了後に、３番シリンダ１０の排気弁２０₃を開く。

排気弁２０₃を開くこの制御は、掃気動作の終了時近くで排気圧Ｐｅが吸気圧Ｐａよりも高くなるようにすることもできるが、過給空気の吸気の全体のバランスがこの過給空気に有利になるように設定されている。

排気弁２０₁の開度がオーバーラップ段階の末期に制御されている例を示している図２に示されているように、３番シリンダ１０の排気弁２０₃は、１番シリンダ１０の排気弁２０₁の閉じる角度θ２に非常に近いか、あるいは一致する角度に対応している、３番シリンダ１０の下死点ＢＤＣ近くのクランク軸角度−θ３で開き始める。

実際には、排気弁２０₃は、吸気圧Ｐａと排気圧Ｐｅとの圧力差が、吸気圧Ｐａに常に有利に、かつ排気弁２０₁が閉じたときにほぼゼロまたちょうどゼロになるように、角度＋θ２の数度または約十度前に位置する角度−θ３で開く。実際上、図示のように角度−θ３と＋θ２との間で排気弁２０₃が開くと、排気圧Ｐｅは、この排気弁２０₃の開き具合にしたがって角度＋θ２で吸気圧Ｐａと等しくなるまで徐々に増加し、この角度からは吸気圧Ｐａよりも大きくなる。前述のように、排気弁２０₃は、排気弁２０₁が閉じるときの吸気圧Ｐａと排気圧Ｐｅとの圧力差が吸気圧Ｐａに有利になるような角度で開くように制御することができる。排気弁２０₃を開くこの制御は、弁のオーバーラップ段階で導入された過給空気の量が残留燃焼ガスの量よりも多いという意味においてバランスが全体的にプラスになるように行われる。

これは、ＶＶＴ形式の制御手段４０により、排気弁２０₃のリフト規則に従って元のリフト位置に対して位相をシフトすることによって行うことが可能である。より具体的には、この排気弁２０₃のリフト規則を表している曲線の点−θ３にある始点を、弁のオーバーラップが無くなるように、吸気弁１４₁が開く点−θ１からさらに離す。

もちろん、上述の説明において、上死点または下死点をピストンに関して説明した場合、その上死点または下死点は、ピストンがコネクティングロッドによって接続されているクランクピンの位置についてもあてはまる。

さらに、上述の説明は、過給式直噴エンジン、特に火花点火式エンジンだけでなく、過給式間接噴射エンジンについてもあてはまる。

本発明による過給式４シリンダエンジンを示す図である。 クランク軸の回転（度）の関数として表わされている燃焼ガスの掃気相にあるシリンダの吸気圧および排気圧（Ｐ，バール）、燃焼ガスの掃気相にあるこのシリンダの吸気弁と排気弁のリフト規則（Ｌ）、およびこのクランク軸の回転の関数として表されている排気相にある他のシリンダの排気弁のリフト規則（Ｌ）を示す曲線のグラフである。

符号の説明

１０ シリンダ
１２ 吸気手段
１４₁〜１４₄ 吸気弁
１６ 吸気管
１８ 排気手段
２０₁〜２０₄ 排気弁
２２ 排気管
２４ 吸気マニフォールド
２６ 排気マニフォールド
２８ 管路
３０ 圧縮部分
３２ ターボ過給機
３４ 管路
３６ タービン
３８，４０ 制御手段

Claims (9)

1. 燃焼サイクル中に、他方のシリンダ（１０）がその下死点（ＢＤＣ）近くにおいて排気相にあるときに、一方のシリンダ（１０）がその上死点（ＴＤＣ）近くにおいて燃焼ガスを掃気する吸気相にある少なくとも２つのシリンダ（１０）を有し、該シリンダは、吸気弁（１４₁，１４₂，１４₃，１４₄）を備えた少なくとも１つの吸気手段（１２）と、排気弁（２０₁，２０₂，２０₃，２０₄）を備えた少なくとも１つの排気手段（１８）とを有している過給式内燃エンジンの制御方法において、
   吸気相にある前記シリンダの排気弁（２０₁）と吸気弁（１４₁）とを同時に開くことによる弁のオーバーラップ段階によって、吸気相にある前記シリンダの燃焼ガスの掃気を行うことと、
   前記オーバーラップ段階の少なくとも一部の期間中に、吸気相にある前記シリンダの排気圧（Ｐｅ）がその吸気圧（Ｐａ）よりも低くなるように、排気相にある前記シリンダの排気弁（２０₃）の開度を制御することと、
   を有することを特徴とする、過給式内燃エンジンの制御方法。
2. 吸気相にある前記シリンダの排気圧（Ｐｅ）がその排気弁（２０₁）が閉じるときのその吸気圧（Ｐａ）と等しくなるように、排気相にある前記シリンダの排気弁（２０₃）の開度を制御することを有する、請求項１に記載の過給式エンジンの制御方法。
3. 吸気相にある前記シリンダの排気弁（２０₁）が閉じるときに、排気相にある前記シリンダの排気弁（２０₃）の開度を制御することを有する、請求項１または２に記載の過給式エンジンの制御方法。
4. 吸気相にある前記シリンダの排気圧（Ｐｅ）がその排気弁（２０₁）が閉じるときのその吸気圧（Ｐａ）よりも高くなるように、排気相にある前記シリンダの排気弁（２０₃）の開度を制御することを有する、請求項１に記載の過給式エンジンの制御方法。
5. 排気相にある前記シリンダの排気弁（２０₃）を、吸気相にある前記シリンダの排気弁（２０₁）を閉じた後に開くことを有する、請求項１に記載の過給式エンジンの制御方法。
6. 吸気弁（１４₁，１４₂，１４₃，１４₄）を備えた少なくとも１つの吸気手段（１２）と、排気弁（２０₁，２０₂，２０₃，２０₄）を備えた少なくとも１つの排気手段（１８）とを有している少なくとも２つのシリンダ（１０）を備えた過給式内燃エンジンにおいて、
   掃気段階の少なくとも一部の期間中に、燃焼ガスを掃気している吸気相にある前記シリンダの排気圧（Ｐｅ）がその吸気圧（Ｐａ）よりも低くなるように排気相にあるシリンダの排気弁（２０₃）の開度を制御するように排気弁（２０₁、２０₂、２０₃、２０₄）を制御する手段（４０）を有していることを特徴とする過給式内燃エンジン。
7. 制御手段（３８，４０）は、少なくとも排気弁（２０₁，２０₂，２０₃，２０₄）のリフト規則の位相設定を変更する手段を有する、請求項６に記載の過給式内燃エンジン。
8. 前記変更手段はＶＶＴ形式またはＶＶＡ形式の制御システムを有している、請求項７に記載の過給式内燃エンジン。
9. ターボ過給機が吸気を圧縮し、該ターボ過給機（３２）は１つの入口を有している、請求項６から８のいずれか１項に記載の過給式内燃エンジン。

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