JP2015512489A

JP2015512489A - 機械的に制御可能な動弁アセンブリ、内燃機関ならびに該内燃機関を運転する方法

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Publication number: JP2015512489A
Application number: JP2015503788A
Authority: JP
Inventors: ノヴァクマーティン; グリムカーステン; ブロイアーミヒャエル; モーアマンシュテファン; ロートガングシュテファン
Original assignee: Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2015-04-27
Also published as: US20150047586A1; CN104271902A; WO2013149737A1; DE102012006983A1; CN104271902B; EP2834483B1; WO2013149737A9; EP2834483A1; US9157381B2

Abstract

本発明は、それぞれ少なくとも１つのガス流入弁（８，１０）と少なくとも１つのガス流出弁とを有する少なくとも２つのシリンダ（４，６）を備えた内燃機関用の、機械的に制御可能な動弁アセンブリであって、少なくとも各ガス流入弁（８，１０）に、中間レバーアセンブリ（２２，２４）および旋回レバーアセンブリ（２６，２８）が対応して配置されているように、少なくとも１つの伝達アセンブリ（１８，２０）が設けられており、中間レバーアセンブリ（２２，２４）の中間レバー（３０，３２）は、旋回レバーアセンブリ（２６，２８）の旋回レバー（４６，４８）に作用結合する作業湾曲部（３８，４０）を有しており、中間レバー（３０，３２）は、カムシャフト（１２）の周囲輪郭部（１４，１６）に作用結合しており、中間レバーアセンブリ（２２，２４）は、作用機構（６４，６６）を有しており、種々様々な弁リフト位置が調節可能であり、少なくとも１つの休止シリンダ（４）のガス流入弁（８）のゼロリフト位置が可能であるように、作用機構（６４，６６）が弁リフト調節装置（５８）の制御輪郭部（６０，６２）に作用結合しており、弁リフト調節装置（５８）は、制御シャフトを有しており、該制御シャフトに、制御輪郭部（６０，６２）が配置されており、全ての制御輪郭部（６０，６２）は、アイドリング範囲および全負荷範囲のためにはほぼ同一に形成されており、休止シリンダ（４）に設けられたガス流入弁（８）の、部分負荷範囲用の制御輪郭部（６０）は、残りのシリンダ（６）に設けられたガス流入弁（１０）の、部分負荷範囲用の制御輪郭部（６２）に対して異なって形成された部分片（６８）を有している。

Description

本発明は、それぞれ少なくとも１のガス流入弁と、少なくとも１つのガス流出弁とを有する少なくとも２つのシリンダを備えた内燃機関用の、機械的に制御可能な動弁アセンブリであって、少なくとも各ガス流入弁に中間レバーアセンブリおよび旋回レバーアセンブリが対応して配置されているように、少なくとも１つの伝達アセンブリが設けられており、中間レバーアセンブリの中間レバーが、旋回レバーアセンブリの旋回レバーに作用結合する作業湾曲部を有しており、中間レバーは、カムシャフトの周囲輪郭部に作用結合しており、中間レバーアセンブリは作用機構を有しており、種々様々な弁リフト位置が調節可能であり、少なくとも１つの休止シリンダのガス流入弁のゼロリフト調節が可能であるように、作用機構が弁リフト調節装置の制御輪郭部に作用結合している、機械的に制御可能な動弁アセンブリに関する。

さらに本発明は、機械的に制御可能なこのような動弁アセンブリを備えた内燃機関およびそのような内燃機関を運転する方法に関する。

このような動弁アセンブリは、十分に知られている。動弁アセンブリは特に、弁リフト高さによって、ひいては内燃機関のシリンダの充填度によって、燃焼プロセスを負荷要求にその都度適合させて、負荷要求に対してできるだけ効率のよい燃焼、ひいては有害物質の少ない燃焼をも生ぜしめるために使用される。さらに、特定の負荷範囲、特に部分負荷範囲では、幾つかの個数のシリンダを完全に休止させ、これによりたとえば、４気筒の内燃機関において、内燃機関を２つのシリンダのみで運転することができる。ここでも、燃焼プロセスの効率およびエミッション最適化が注目されている。シリンダ休止に関して、数多くの技術が知られている。この技術には、たとえば切換え可能なタイミングタペット、ロストモーション機能を有するスイングアーム式のロッカアームもしくは旋回レバーアセンブリ（Schwenkarmanordnung）ならびにゼロリフト輪郭を有するディスクカムが含まれる。これらの技術的なコンセプトにおいて問題となるのは、対応する弁が閉じられている場合、つまり２つの動作サイクル間で、休止されるべきシリンダの対応する弁の作動もしくは非作動化を実施しなければならないことである。これにより、内燃機関に対して緩衝すべき明らかな負荷飛躍が生じる。これにより、理論的な効率および利点は部分的に失われてしまう。

これに対して、独国特許出願公開第１０２００６０３３５５９号明細書は、互いに独立して駆動可能な２つの弁リフト調節装置を有する、機械的に制御可能な動弁装置を記載している。該特許明細書によれば、弁リフト調節装置は、シリンダ休止のためにも利用され得る。互いに独立して運転されるべき弁リフト調節装置を設けることは、高められた組付け手間および費用の原因となる。

したがって、本発明の課題は、上記の欠点を回避する、機械的に制御可能な動弁装置および内燃機関および該内燃機関を運転する方法を提供することにある。

この課題を解決した本発明による機械的に制御可能な動弁装置の構成によれば、弁リフト調節装置が制御シャフトを有しており、該制御シャフトに制御輪郭部が配置されており、全ての制御輪郭部が、アイドリング範囲および全負荷範囲のためにはほぼ同一に形成されており、休止シリンダのガス流入弁の部分負荷範囲のための制御輪郭部は、残りのシリンダのガス流入弁の部分負荷範囲のための制御輪郭部に対して異なって形成された部分片を有している。これによって、たとえば列設されたシリンダにおいて、シリンダ休止を単に１つの調節装置によって実施することが可能である。

この場合、制御輪郭部が制御シャフトの基本円内に配置されていると、簡単で廉価な組立てのために特に有利である。

この場合、休止シリンダに対応配置された制御輪郭部の部分片が、残りのシリンダに対応配置された制御輪郭部の対応する部分片に対してセットバックして配置されていると特に有利である。

２つの中間レバーが、１つの結合シャフトを介して、作業湾曲部とは反対の側に位置する端部において互いに結合されており、カムシャフトの力伝達用に第１のローラが設けられており、中間レバーの間で滑子案内部内でのガイドのために第２のローラが設けられていることによって、特にコンパクトな機械的に制御可能な動弁アセンブリが達成される。

問題となる、効率を損なう負荷飛躍なしに使用される、内燃機関の、負荷に依存するシリンダ休止を保障するために、それぞれの制御輪郭部の半径ｒとガス流入弁のリフト高さｈとは正比例しており、この場合、１つのシリンダのガス流入弁のリフト高さｈは、当該シリンダ内の平均圧力ｐに対応していると、特に有利である。

上記課題は、機械的に制御可能な上記のような動弁アセンブリを備えた内燃機関によっても解決される。この場合、第１の制御輪郭部の半径ｒ１は、第２の制御輪郭部の半径ｒ２に関連して選択されており、内燃機関の部分負荷範囲では、内燃機関のシリンダ全体に関する圧力ｐ_ｇｅｓが制御シャフト５８の調節角度にわたって単調に上昇するように変化する。この場合、特に有利には、部分負荷範囲では、シリンダのうちの半数のシリンダは休止されている。

本発明の課題は、内燃機関を運転する方法によって解決される。該方法では、トルクが上昇する方向で見て、アイドリング範囲では、全てのシリンダの少なくとも全てのガス流入弁を同一の、増大していくリフト高さで運転し、アイドリング範囲と部分負荷範囲との間の移行範囲では、シリンダのうちの半数のシリンダのガス流入弁を増大していくリフト高さで運転し、シリンダのうちの別の半数のシリンダのガス流入弁を減少していくリフト高さで運転し、部分負荷範囲では、シリンダのうちの半数のシリンダのガス流入弁を増大していくリフト高さで運転し、シリンダのうちの別の半数のシリンダのガス流入弁をゼロリフトで運転し、部分負荷範囲と全負荷範囲との間の移行範囲では、シリンダのうちの半数のシリンダのガス流入弁を減少していくリフト高さで運転し、シリンダのうちの別の半数のシリンダのガス流入弁を増大していくリフト高さで運転し、全負荷範囲では、全てのシリンダの全てのガス流入弁を同一の、増大していくリフト高さで運転する。

本発明を以下に図面につき詳しく説明する。

機械的に制御可能なそれぞれ１つの動弁アセンブリが対応配置された、相並んで配置された２つのガス流入弁の概略的な図である。第１および第２の制御輪郭部と調節角度の関係を示す図である。制御シャフトの、図２ａから導かれる第１および第２の制御輪郭部を示す図である。動弁アセンブリの概略図ならびに所属するアイドリング範囲のグラフを示す図である。動弁アセンブリの概略図ならびにアイドリング範囲から部分負荷範囲への移行部のグラフを示す図である。動弁アセンブリの概略図ならびに所属する部分負荷範囲におけるグラフを示す図である。動弁アセンブリの概略図ならびに部分負荷範囲から全負荷範囲への移行範囲の所属するグラフを示す図である。動弁アセンブリの概略図ならびに全負荷範囲の所属するグラフを示す図である。

図１は、機械的に制御可能な動弁アセンブリ２の概略図を示している。この場合、ガス流入弁およびガス流出弁を有する２つのシリンダ４，６が示されている。見易くするために、ここではそれぞれ１つのガス流入弁８，１０しか示されていない。

さらに、カム１４，１６を備えたカムシャフト１２が示されている。本実施の形態では、ガス流入弁８，１０の弁リフトを引き起こすために、カム１４，１６がそれぞれ１つの伝達アセンブリ１８，２０に作用するように結合されている。見易くするために、動弁アセンブリの特定の部分、たとえば支承部、滑子案内部（Kulisse）およびばねは意図的に省略されている。これらの構成部材は、独国特許出願公開第１０２００４００３３２７号明細書に明瞭に記載されており、したがって上掲の特許明細書は、本明細書の開示内容に含まれるものとする。より良好に理解するために、図３から図７に関して、カム１４，１６は同一に配向されているが、このカムの配向は実際の場合には互いに異なっていて良い。

本実施の形態では、伝動アセンブリ１８，２０はそれぞれ、中間レバーアセンブリ２２，２４と旋回レバーアセンブリ２６，２８とから成っている。中間レバーアセンブリ２２，２４は、第１のローラ３４，３６を備えた中間レバー３０，３２を有している。第１のローラ３４，３６は、それぞれカムシャフト１２のカム１４，１６に作用結合している。示唆されているように、１つの結合シャフト３１が、シリンダ６の対応するガス流入弁１０に対応して配置されている２つの中間レバー３２を互いに結合している。結合シャフト３１には、滑子案内部（図示せず）内におけるガイドのためのローラ３３が設けられている。第１のローラ３４，３６とは反対の側に位置する端部で、各中間レバー３０，３２は、作業湾曲部３８，４０を有している。これらの作業湾曲部３８，４０は、さらに旋回レバーアセンブリ２６，２８のローラ４２，４４にそれぞれ作用結合している。この場合、ローラ４２，４４は、それぞれ旋回レバー４６，４８に支持されている。旋回レバー４６，４８は、さらに一方の側で支持位置５０，５２に支持されており、他方の側５４，５６でもって、公知の形式でガス流入弁８，１０に作用する。ガス流入弁８，１０の種々様々な弁リフト位置を調節するために、１つの弁リフト調節装置が設けられている。弁リフト調節装置のうち、図面には制御シャフト５８しか示されていない。制御シャフト５８は、このためには制御輪郭部６０，６２を介して中間レバー３０，３２の第２のローラ６４，６６に作用結合している。この図面では、制御輪郭部６０が、特定の部分片を介して制御輪郭部６２とは異なって実施されていることが示唆されている。

別の図面により詳細に図示され説明されるように、制御シャフト５８の回動は、ガス流入弁８，１０の互いに異なる最大リフトをもたらす。作業輪郭６０，６２が、制御シャフト５８の基本円内に位置していることによって、制御シャフトの特に簡単な支持が可能である。これに関しては、独国特許出願公開第１０２００４００３３２７号明細書が参照される。この場合、制御シャフト５８は、一部分から形成されていても、複数の部分から形成されていてもよいことが示唆されている。さらに、制御シャフト５８は、作動装置（図示せず）の較正を簡単にするために、端部ストッパを有していてよい。

本実施の形態では、各制御輪郭部６０，６２の半径ｒと、各ガス流入弁８，１０のリフト高さｈとが正比例していることを前提とする。さらに各ガス流入弁８，１０のリフト高さｈは、さらに各シリンダ４，６内の平均圧力ｐに対応している。この場合、制御輪郭部６２に対してセットバックされた部分片６８を有する制御輪郭部６０の流入弁８に対応して配置されたシリンダ４は、休止シリンダとして実施されていてよい。休止シリンダを休止または作動させるための移行範囲において不都合な負荷の飛躍が発生することを阻止するためには、内燃機関、つまりシリンダ全体の平均圧力ｐ_ｇｅｓが制御シャフト５８の正の調節角度にわたって、もしくは増大する負荷にわたって実質的に単調に上昇するように変化することを必要とする。この前提に基づいて、まず図２ａの図を導くことができる。図２ａでは、各制御輪郭部６０，６２の半径ｒが、制御シャフト５８の調節角度に関連して記入されている。図２ａに基づいて、次いで図２ｂに示すように、制御輪郭部６０，６２を、直接に導き出すことができる。連続生産における制御シャフト５８の実施は、当然ながらこの数学的な導出から逸脱してよい。

図３から図７は、動弁アセンブリ２を、各ガス流入弁８、１０のリフト高さおよび位置で概略的に示し、添付のグラフに示す。この場合、上側のグラフは、各弁８，１０のリフト高さをそれぞれ制御シャフト５８の角度位置にわたって示し、下側のグラフは、それぞれのシリンダ４，６の平均圧力と、平均総圧力ｐ_ｇｅｓの変化を制御シャフト５８の調節角度にわたって示している。

図３は、出発位置として、アイドリング範囲の内燃機関の状態を示している。必要となる総圧ｐ_ｇｅｓは、極めて小さく、この場合、約２ｂａｒの範囲である。このことは、休止シリンダのガス流入弁を含む全てのガス流入弁の、約０．７５ｍｍリフト高さに一致する。線７０，７２で示されている流出弁は両方とも、動作タイミングに従って開放する。制御シャフト５８の位置が明確に判る。この場合、第１の作業輪郭部６０の作用点の半径ｒ１は、第２の制御カム６２の作用点の半径ｒ２と同一である。負荷要求が上昇するにつれて、つまりアイドリング範囲と部分負荷範囲との間の移行範囲において、第１のシリンダ４のリフト−平均圧力は降下し、第２のシリンダ６のリフト−平均圧力は上昇する。このことは、図４に示されている。両流出弁は、いまだ作業タイミングに従って開放する。ここでも、制御輪郭部６０が、制御輪郭部６２に対してセットバックされた部分領域６８で中間レバーアセンブリ２２に作用していることが明らかである。

図５には、負荷要求がさらに上昇した場合に、第１のシリンダ４の流入弁８が閉じられたままであることが示されている。第１のシリンダ４に対応配置された流出弁も、線７０にしたがって閉じられたままである。第２のシリンダ群６は、この場合、効率のよい高い負荷で運転され、この場合、シリンダ４，６全体で見てほぼ線形に上昇する圧力ｐ_ｇｅｓが実現されるようになる。

図６は、部分負荷範囲と全負荷範囲との間の移行範囲の状態を示している。さらなる負荷要求は、この場合、第１のシリンダ群８を再作動することにより満たされ得る。エンジントルクの引き続き単調な変化を実現するために、第２のシリンダ１０の負荷は対応して減じられる。

図７は、全負荷範囲の状態を示している。両制御輪郭部６０，６２は、中間レバー３０，３２の各作用機構６４，６６に同じ半径で作用している。

Claims

それぞれ少なくとも１つのガス流入弁（８，１０）と少なくとも１つのガス流出弁とを有する少なくとも２つのシリンダ（４，６）を備えた内燃機関用の、機械的に制御可能な動弁アセンブリであって、少なくとも各ガス流入弁（８，１０）に、中間レバーアセンブリ（２２，２４）および旋回レバーアセンブリ（２６，２８）が対応して配置されているように、少なくとも１つの伝達アセンブリ（１８，２０）が設けられており、
前記中間レバーアセンブリ（２２，２４）の中間レバー（３０，３２）は、前記旋回レバーアセンブリ（２６，２８）の旋回レバー（４６，４８）に作用結合する作業湾曲部（３８，４０）を有しており、
前記中間レバー（３０，３２）は、カムシャフト（１２）の周囲輪郭部（１４，１６）に作用結合しており、
前記中間レバーアセンブリ（２２，２４）は、作用機構（６４，６６）を有しており、種々様々な弁リフト位置が調節可能であり、少なくとも１つの休止シリンダ（４）の前記ガス流入弁（８）のゼロリフト位置が可能であるように、前記作用機構（６４，６６）が弁リフト調節装置（５８）の制御輪郭部（６０，６２）に作用結合している、機械的に制御可能な動弁アセンブリにおいて、
前記弁リフト調節装置（５８）は、制御シャフトを有しており、該制御シャフトに、前記制御輪郭部（６０，６２）が配置されており、全ての制御輪郭部（６０，６２）は、アイドリング範囲および全負荷範囲のためにはほぼ同一に形成されており、
前記休止シリンダ（４）に設けられた前記ガス流入弁（８）の、部分負荷範囲用の前記制御輪郭部（６０）は、残りのシリンダ（６）に設けられた前記ガス流入弁（１０）の、部分負荷範囲用の前記制御輪郭部（６２）に対して異なって形成された部分片（６８）を有していることを特徴とする、機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
前記制御輪郭部（６０，６２）は、前記制御シャフト（５８）の基本円内に配置されている、請求項１記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
前記制御シャフト（５８）は、端部ストッパを有している、請求項１または２記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
前記休止シリンダ（４）に対応配置された前記制御輪郭部（６０）に設けられた前記部分片（６８）は、前記残りのシリンダに対応配置された前記制御輪郭部（６２）の対応する部分片に対してセットバックして配置されている、請求項１または２記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
２つの中間レバー（３０，３２）は、１つの結合シャフトを介して、前記作業湾曲部（３８，４０）とは反対の側に位置する端部において互いに結合されており、前記カムシャフト（１２）の力伝達用に第１のローラが設けられており、前記中間レバー（３０，３２）の間に滑子案内部内でのガイドのために第２のローラが設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
各制御輪郭部（６０，６２）の半径（ｒ）と、前記ガス流入弁（８，１０）のリフト高さ（ｈ）とは正比例しており、１つのシリンダ（４，６）の前記ガス流入弁（８，１０）の前記リフト高さ（ｈ）は、該シリンダ（４，６）の平均圧力（ｐ）に対応している、請求項１から５までのいずれか１項記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリ。
請求項１から６までのいずれか１項記載の機械的に制御可能な動弁アセンブリを備えた内燃機関であって、前記第１の制御輪郭部（６０）の半径（ｒ１）は、前記第２の制御輪郭部（６２）の半径（ｒ２）に関連して選択されており、前記内燃機関の部分負荷範囲では、前記内燃機関のシリンダ（４，６）全体に関する前記圧力ｐ_ｇｅｓが、前記制御シャフト（５８）の調節角度にわたって単調に上昇するように変化することを特徴とする内燃機関。
前記部分負荷範囲では、前記シリンダ（４，６）のうちの半数のシリンダが休止している、請求項７に記載の、機械的に制御可能な動弁アセンブリを備えた内燃機関。
請求項７または８記載の内燃機関を運転する方法において、
トルクが上昇する方向で見て、アイドリング範囲では、全てのシリンダ（４，６）の少なくとも全てのガス流入弁（８，１０）を同一の、増大していくリフト高さで運転し、アイドリング範囲と部分負荷範囲との間の移行範囲では、前記シリンダのうちの半数のシリンダ（６）の前記ガス流入弁（１０）を増大していくリフト高さで運転し、前記シリンダのうちの別の半数のシリンダ（４）の前記ガス流入弁（８）を減少していくリフト高さで運転し、部分負荷範囲では、前記シリンダのうちの半数のシリンダ（６）の前記ガス流入弁（１０）を増大していくリフト高さで運転し、前記シリンダのうちの別の半数のシリンダ（４）の前記ガス流入弁（８）を、ゼロリフトで運転し、部分負荷範囲と全負荷範囲との間の移行範囲では、前記シリンダのうちの半数のシリンダ（６）の前記ガス流入弁（１０）を減少していくリフト高さで運転し、前記シリンダのうちの別の半数のシリンダ（４）の前記ガス流入弁（８）を増大していくリフト高さで運転し、全負荷範囲では、前記全てのシリンダ（４，６）の全てのガス流入弁（８，１０）を同一の、増大していくリフト高さで運転する、ことを特徴とする、内燃機関を運転する方法。