JP4897216B2 - 内燃機関用装置 - Google Patents

Description

本発明は、それぞれシリンダ内の燃焼室と吸気装置および排気装置との間における接続を制御する少なくとも１個の吸気弁および少なくとも１個の排気弁を有する内燃機関において弁動作を制御する装置であって、上り勾配と下り勾配とからなるカム曲線を有する回転カム軸は、弁機構と相互作用して弁ばねの作用下において前記吸気または排気弁を作動させるように設計され、前記弁機構は、前記吸気弁または前記排気弁の閉弁段階において前記カム曲線の下り勾配とは無関係に弁機構の戻り動作を制御することを可能にする制御部材からなる装置に関する。

自動車用内燃機関において、時には異なる動作モード間において切換えを行なう機能を有することが望ましい。たとえば、エンジンの吸気行程において吸気弁の閉弁時期を変動させることによって従来の対称サイクルといわゆるミラーサイクル等の非対称サイクルとの間において切換えを行なうことが可能である。これらの異なる動作モード間において切換えが可能であることの利点は、たとえばエンジンの有効圧縮比を変動させて効率を最適化しうるとともに排気物質を最小限に抑えうるところにある。したがって、この目的のためには、可変的に弁を作動させることが必要になる。

機械的な弁装置に代わるものとして可変的に弁を作動させる電子制御式油圧作動装置が試験的に使用されていることはすでに周知である。これらの周知の装置は、現時点では依然として非常に高価であるとともに依然として十分な信頼性と丈夫さを有しておらず、かつ特に弁とピストンとの間における衝突を回避するとともに温度によって変動する粘度に対処するために非常に高度なタイミングシステムを必要とする。

１つの動作モードからまた別の動作モードへの機械的な切換えを可能にするその他の機械的な装置は、たとえば米国特許第４８２９９４９号に開示されている。これらの周知の装置は、機械的に複雑であり、かつ製造と整備とのいずれにおいても極度に高い精度を必要とする。

１つの周知の方法は、「空動き」式の機械−油圧装置を手段によって可変的な弁動作を達成することである。これらは、機械的な弁装置の一部分を形成するとともに、たとえばソレノイド弁によって交互に開放または閉鎖されうる油圧リンクを特徴とする。閉鎖時において、弁の動作は、従来の機械的な装置の場合と同じ方法でカム曲線によって制御される。たとえば、閉弁が早められる場合は、油圧リンクがソレノイド弁によって開放されて、弁はカム曲線に従うことをやめるとともに、以って閉鎖されうるようになる。

前記装置の欠点は、従来の機械的な装置において弁が下降するときに弁ばねの力がカム軸に駆動トルクを伝えることにより大体において回収される、弁ばねに保存されるエネルギーの大部分が、「空動き」式の装置においてはエンジンがミラーサイクルモードで動作しているときに失われてしまうところにある。

ミラーサイクルが最も一般的に行なわれる動作モードを代表するエンジン設計のためには、このエネルギー損失は、収集運転試験サイクルにおいてエンジンの燃料消費量に有意な影響を及ぼしうる。

本発明は、ミラーサイクルモードにおいて従来の機械的な装置として機能することにより「空動き」式の装置の前記欠点が解消された機械／油圧式弁装置に関する。さまざまな理由により、たとえば過渡的状態またはある一定の負荷／エンジン速度範囲において、ミラー段階を減少または排除することが望ましい動作条件では、弁ばねの閉弁力に対抗する油圧装置によって弁の閉鎖が調節可能な期間にわたって遅らされるため、カム曲線と弁との間における機械的接触が遮断される。

ある一定の動作条件においては、吸気弁の閉弁点を早期閉弁と標準閉弁との間において配置される位置に設定することが有利でありうる。前記機械的接触が遮断されるときに生じるエネルギー損失は、閉弁動作の第１の部分において弁をカム曲線に従わせることによって減じられることができ、弁ばねに保存されるエネルギーは、前記機械的接触が遮断される前に行なわれる閉弁動作部分においてカム軸に対する駆動トルクの形で回収される。この方法は、標準閉弁点にも用いられうるとともに、さらにまた、閉弁動作の最終段階において弁面積が減少するにもかかわらず吸気弁を通過しなければならない空気量が少なく、かつ流動損失も小さい、より低いエンジン負荷時に特に有利に用いられうる。これに関連して、エンジンのピストンは、常に標準閉弁時に吸気弁の閉鎖の最終段階において下死点付近にあることを指摘しておくべきである。このことは、弁を介した流量は、高エンジン負荷時においても、常に相対的に低く、そのために流動損失が適度なレベルに保たれることを意味する。本発明は、弁装置における機械的損失と流動損失との総和を最小限に抑えることによって吸気弁の閉弁シーケンスを最適化することを可能にする。

最も簡単な実施例において、前記油圧装置は、油圧媒体とシリンダと該シリンダ内において移動するピストンとからなり、該シリンダはソレノイド弁によってポンプまたは出口に交互に接続または代わりに密封される。

この目的のために、本発明にしたがった装置は、制御部材が、弁ばねの閉弁力に対抗する油圧調節可能な力によって調節可能な期間にわたって遅らされうるように構成されることを特徴とする。

以下に、添付図面に示される例証的な実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１に示されるグラフ曲線は、吸気弁が本発明にしたがった内燃機関においてどのように動作するかを示している。エンジンは、図１の実線１０に対応する第１の動作モードと図１の線１１ａ〜１１ｃに対応するまた他の動作モードとの間において切り換えられうるように設計される。ここで、線１０にしたがう吸気弁は、ミラーサイクルにおいて吸気弁の閉弁を最大限に早めて内燃機関を動作させるように設計されるカム軸カム上の上り勾配と下り勾配とに従う。

この動作モードは、吸気弁が吸気段階において十分に早期に閉弁されて、シリンダ内において閉じ込められた一定体積のガスを膨張させた後に、吸気段階に続いてピストンが自身の下死点に到達することを意味する。これにより、前記一定体積のガスの温度は低下して、その後の圧縮および点火が、より低い温度レベルで行なわれうるようになり、このことによりエンジン排気ガスのＮＯｘ含有量が減じられうる一方で、同時にエンジン効率が高められうる。

第２の動作モードにおいて、線１１ａにしたがう吸気弁は、カム曲線の上り勾配に従うが、その後は下り勾配を離れて、吸気弁がより遅い時点（クランク角）で閉弁されるようになる。線１１ａは、ここでは、従来の対称サイクルを表す。この一般的な対称サイクルは、エンジンが過渡的条件下およびエンジン動作範囲のある一定の部分において動作しているときに有利でありうる。

第３の動作モードにおいて、線１１ｂにしたがう吸気弁は、カム曲線の上り勾配に従うが、下り勾配を離れて、吸気弁が早期および標準閉弁間において配置される時点で閉鎖されるようになる。

第４の動作モードにおいて、線１１ｃにしたがう吸気弁は、カム曲線の上り勾配と下り勾配の第１の部分とに従うが、その後は下り勾配を離れて、吸気弁が早期および標準閉弁間において配置される時点で閉鎖されるようになる。

図２において略図に示される弁機構は、シリンダヘッド内に配置されるとともに、弁ばね１３と共通ヨーク１４とを有する二重吸気弁１２からなる。ヨークは、周知の態様で、ロッカシャフト１６上において旋回可能に支持されるロッカ１５の作用を受ける。ロッカ１５は、シャフトの一方の側において弁加圧アーム１７を、他方の側においてカムフォロア１８を有しており、前記カムフォロアは、頭上カム軸２０と相互作用するロッカアームローラ１９を備える。これに代わる方法として、エンジンのより低い位置に配置されるカム軸が、弁タペットと押し棒とによってロッカと相互作用してもよい。

ヨーク１４は、シリンダ２３内においてピストン２２により垂直方向に変位可能になるように支持されるピストン棒２１上において取り付けられる。シリンダの端部２４は、ピストン棒２１に対する密封体を備えて、液密空間２５が前記ピストンと前記端部との間において形成されるようになっている。この空間２５は、管と制御弁２６とを介して加圧ポンプ２７に接続される。図２に、ポンプ２７が油タンク（リザーバ）２８から空間２５に逆止め弁２９を介して油圧油を供給することができる作動位置における制御弁２６が示されている。制御弁のその他の位置において、油圧油は、空間２５から油タンク２８内へと排出される。

したがって、前記弁機構は、通常的に上昇曲線１０に従い、制御弁２６は、非動作制御位置に配置される。この位置において、加圧されない油圧油は、空間２５と油タンク２８との間において自由に流動しうる一方で、ヨーク１４は、一方の方向においてロッカの、他方の方向において弁ばね１３の作用下で下降および上昇移動する。

エンジン制御装置が、また他の動作モードに切り換える時期であることを示すと、制御弁は、作動位置（図２に示される位置）につけられ、弁機構の作用下におけるヨーク１４の次の押下げによって、ポンプ２７は、空間２５を油タンク２８からの油圧油によって満たすことが可能になる。一旦下方移動が終了し、かつヨークが上方移動を始めると、ヨークは、逆止め弁２９の作用下で、適切な期間にわたって図２の上方向に移動することを防がれる。ヨークの上方移動は、制御弁が再び非作動位置に戻されることにより、適切な時点で開始される。吸気弁は、これにより、適切なクランク角において閉弁されうる。

カム軸またはクランク軸の角位置からの情報を用いて、制御弁２６を作動位置から非作動位置に切り換える正確な時期を得て、所望の閉弁を達成することができる。このプロセスは、エンジン制御装置がまた他の動作モードに切り換える時期であることを示すまで繰り返される。

弁機構のピストンシリンダ２１〜２５またはその他の部分には、弁が弁座上に着座する前に弁の移動を抑制する制動装置が適切に備えられうる。

図３および４に、ピストンシリンダ２１〜２５がロッカに作用するように配置される本発明のまた他の態様が示されている。

図５には、ピストンシリンダが角アーム３０によって弁ヨーク１４に接続される本発明のさらに他の態様が示されている。

本発明にしたがった装置を吸気弁に適用する場合において説明した。前記装置を排気弁に適用することも可能である。これは、たとえば、排気ガスの内部返送、いわゆる内部排気再循環（ＥＧＲ）に用いられることができ、排気弁の閉弁シーケンスの変形態様により、排気行程終了時における吸気および排気弁間の重複を調節することによって内部ＥＧＲの量を左右することができる。

本発明は、前記の例証的な実施例に制限されると見なされてはならず、多数のさらに他の変形態様および改変が以下の特許請求の範囲内において実施可能である。たとえば、ピストンシリンダ２１〜２５を異なる設計にすることができ、制御弁２６についても同様である。ピストンシリンダ２１〜２５を、たとえば、弁に直接作用させてもよい。下側に配置されるカム軸の場合は、ピストンシリンダ２１〜２５を押し棒または弁タペットと相互作用させることができる。

本発明にしたがった弁機構の場合における吸気弁の動作を示すグラフ曲線である。 本発明の第１の例証的な実施例にしたがった弁機構を示す線図である。 本発明にしたがった弁機構の３つの異なる態様を示す縮小線図である。 本発明にしたがった弁機構の３つの異なる態様を示す縮小線図である。 本発明にしたがった弁機構の３つの異なる態様を示す縮小線図である。

Claims (7)

1. それぞれシリンダ内の燃焼室と吸気装置および排気装置との間における接続を制御する少なくとも１個の吸気弁（１２）および少なくとも１個の排気弁を有する内燃機関において弁動作を制御する装置であって、上り勾配（１０ａ）と下り勾配（１０ｂ）とからなるカム曲線を有する回転カムシャフトは、弁ばね（１３）の作用下において弁機構（１４）と相互作用して前記吸気または排気弁（１２）を動作させるように設計され、前記弁機構（１４）は、前記吸気弁（１２）または前記排気弁の閉弁段階において、前記カム曲線の前記下り勾配（１０ｂ）から独立して動作するように前記弁機構の閉弁動作を制御することを可能にする制御部材からなり、前記制御部材は、前記吸気弁または排気弁（１２）の閉鎖が、前記弁ばねの閉弁力に対抗する油圧調節可能な力によって調節可能な期間にわたって遅らされうるように構成される装置において、
   前記制御部材（２１〜２５、２６）は、前記吸気弁または排気弁（１２）の閉弁方向の移動を所定時間阻止する作動状態を実現できるようになっており、該制御部材（２１〜２５、２６）は、前記吸気弁または排気弁（１２）が開弁位置から閉弁動作中に作動状態から非作動状態に切り換わる動作と、最も早期に閉弁させるときには、非作動状態にして弁動作を前記カム曲線に従わせる動作とを行えるようになっていることを特徴とする装置。
2. 前記弁（１２）は、前記カム曲線の前記上り勾配（１０ａ）により機械的に作動せしめられ、前記制御部材（２１〜２５、２６）に接続される油圧回路は、前記弁機構（１４）が前記上り勾配に従っているときに油圧油を制御部材へと流動させ、一旦前記上り勾配が通過されてしまうと、前記制御部材からのリターンフローを阻止することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記制御部材（２１〜２５、２６）は、前記弁（１２）が最大開弁位置の領域内にあるときに作動から非作動状態に切り換わって弁閉弁動作を作動させるように設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記弁（１２）は、該弁が弁座に着座する前に、その閉弁速度を低下させる装置を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記制御部材（２１〜２５、２６）は、前記弁（１２）に機械的に接続されるとともに油圧弁（２６）によって作動せしめられうる油圧ピストンシリンダ（２１〜２５）からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記制御部材（２１〜２５、２６）は、前記エンジン排気弁（１２）に適用されて内部排気再循環が行なわれることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の装置。
7. 前記制御部材（２１〜２５、２６）は、前記エンジン吸気弁（１２）に適用されて閉弁シーケンスを変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。

Images