JP5837759B2 - ピストン・エンジン、方法、および使用 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン・エンジンの駆動方法、より好ましくは動力車のピストン・エンジンの駆動方法に関する。本発明は、また、ピストン・エンジン、より好ましくは動力車のピストン・エンジンに関する。また、本発明は、電気音響変換器の使用に関する。

ピストン・エンジンは幾つかのシリンダを有し、その中では、ピストンがストローク調整可能に配置され、燃焼機関が構成されている。新鮮空気システムは、前記シリンダに、新鮮空気を供給するのに使用される。排気システムは、前記シリンダから、排気ガスを排出するのに使用される。ガス交換中、燃焼行程の後に、生成された排気ガスは、前記シリンダから排出され、次の燃焼行程のための新鮮空気が供給される。ガス交換を制御するために、通常、ガス交換バルブ、つまり、吸入バルブと排気バルブが配置される。

性能向上、効率改善、及び排出削減のために、新鮮空気システム内で発生する、動的な流れ効果を、ガス交換に利用することが知られている。ガス交換プロセスにおいて、新鮮空気システム内で、振動が発生する。共振チューブ、または、パルス・チューブを通して、共振効果を利用して、新鮮空気によるシリンダの充填を改善している。このような充填の改善を、ピストン・エンジンの回転速度が異なる場合にも達成可能とするために、調整可能なパルス・チューブが一般に知られており、ピストン・エンジンの回転速度が低い場合は、パルス・チューブの長さを比較的長く調整し、ピストン・エンジンの回転速度が高い場合は、パルス・チューブの長さを比較的短く調整することが可能である。

その上、例えば、コンプレッサやターボ・チャージャのような、様々な充填装置が知られており、これらを用いて、シリンダ内に供給された、新鮮空気の圧力レベルを上げることが可能である。また、これによって、シリンダの充填も改善する。

一方、排気システム内では、排気ガスの浄化を行い、ピストン・エンジンの排出値を低下させている。他方、排気システム内では、ピストン・エンジンによって生成され、排気ガス中に伝わる音響を抑制することも行なわれており、ピストン・エンジンからの音響の放出を軽減している。現代の排気システムでは、アクティブサイレンサを導入することも可能であり、これは、反音響発生の原理に基づいている。このようなアクティブサイレンサは、少なくとも一つの電気音響変換器を有しており、この変換器として、大抵、スピーカを利用することが可能であり、これを用いて、抑制すべき音響に対して位相シフトされた反音響を能動的に生成し、音響と反音響を重ねることによって、できるだけ大きく、互いに打ち消すことが行われる。このようなアクティブサイレンサは、新鮮空気システムにも導入することが可能で、ピストン・エンジンから発せられる音響を、新鮮空気側で抑制する。

本発明は、前記の問題に対処して、ピストン・エンジン、または、関連する駆動方法のために、改良された実施形態を提供するものであり、これにより、より好ましくはガス交換を改善することを特徴としている。

本発明によると、上述の問題は独立請求項の主題によって解決される。好適な実施形態は従属請求項の主題である。

本発明は、各シリンダへの新鮮空気の充填を、新鮮空気側の正圧力波を用いて改善するか、または、各シリンダからの排気ガスの排出を、排気ガス側の負圧力波を用いて改善するという、基本的な考えに基づいている。本発明によれば、各圧力波は、少なくとも一つの電気音響変換器を用いて生成され、この目的のために前記電気音響変換器は、新鮮空気システムまたは排気システムに接続または内蔵されている。

新鮮空気側の正圧力波は、新鮮空気システム内で、シリンダ方向に拡がり、かつ、ガス交換に特に適合しているので、吸入バルブが閉じられている場合でも、確実に、シリンダ内に伝播することが可能で、しかし、その後は、前記シリンダから漏れ出ることはなく、各シリンダ内の圧力が増加し、それによって、各シリンダの充填が改善される。排気側の負圧力波は、排気システム内で、シリンダ方向に拡がり、かつ、排気バルブを閉じる工程中であっても、確実に、各シリンダ内に伝播することが可能で、しかし、その後は、前記シリンダから漏れ出ることはなく、前記シリンダ内の圧力が大幅に減少し、以後の、新鮮空気の充填にとって有利である。妨害音を、反音響によって抑制することで良く知られている、電気音響変換器を用いることにより、そのような圧力波、つまり、前記新鮮空気システム内では、正圧力波を生成し、前記排気システム内では、負圧力波を生成して、個々のシリンダのガス交換を改善するという知見を、本発明は利用している。この場合、そのような電気音響変換器は、比較的コンパクトに実現可能で、かつ、圧力波の生成に関して、非常に柔軟に変更可能である。これにより、前記電気音響変換器によって生成された圧力波は、前記ピストン・エンジンの駆動状態が変化する場合でも、ガス交換プロセスの要求事項に対して、特に柔軟に適合させることが可能である。例えば、生成された前記圧力波の振幅は、変化させることが可能である。同様に、前記圧力波を生成する周波数も、変化させることができる。これにより、より好ましくは、前記ピストン・エンジンの回転速度が変わっても、簡単に適用することが可能である。二つの異なるパルス・チューブ長の調整のみ、および、それによって、二つの異なる回転速度のための最適化のみを可能にする、調節可能なパルス・チューブに比べると、前記電気音響変換器を用いることによって、燃焼機関の各回転速度に適合した圧力波を生成できるので、大幅な改善が得られる。

好適な実施形態によれば、点火タイミングに関し、前記圧力波の生成タイミングは、前記ピストン・エンジンの回転速度の関数として決定され得る。これにより、前記ピストン・エンジンの各回転速度に対して、前記電気音響変換器により生成された圧力波が、個々のシリンダのいずれにも適宜到達して、新鮮空気側の正圧力波として、各吸入バルブが閉じる直前に、各シリンダ内に伝播するか、または、排気側の負圧力波として、各排出バルブが閉じる直前に、各シリンダ内に伝播するように、前記電気音響変換器は駆動され得る。

他の好適な実施形態では、前記点火タイミングに関し、前記圧力波の生成タイミングは、前記ピストン・エンジンの回転速度の関数、ならびに、前記新鮮空気の温度および／または前記排気ガスの温度の関数として決定され得る。前記温度を考慮に入れることを追加することにより、さらに、前記温度によって変化する、音響の伝播速度を考慮することが可能である。したがって、前記電気音響変換器から前記各シリンダまでの距離に対して、前記各圧力波が必要とする稼動時間を、より適切に考慮することが可能である。

この場合、特に実用的な実施形態では、前記点火タイミングに関し、前記圧力波の生成タイミングは、データ・ベースと連動して決定され、前記データ・ベースには、前記点火タイミングに関し、前記圧力波の生成タイミングが、前記回転速度の関数として特性曲線に記憶され、前記特性曲線は、前記排気ガス、または、前記新鮮空気の、異なる温度、または、異なる温度範囲に割り当てられている。データ・ベースに基づく制御システムは、動作の信頼性が高く、かつ、必要とするのは、比較的、能力の低いコンピュータである。

他の実施形態では、前記圧力波の振幅は、現在のエンジン出力の関数として決定され得る。例えば、全負荷では、大きな、または、最大の振幅を生成し、部分負荷では、より小さな振幅が生成され、より好ましくは、アイドリング駆動では、振幅が生成されないこと、または、最小の振幅が生成されることは、実用的である。前記圧力波の振幅と、前記エンジン出力とを関係づけるために、例えば、エンジン制御装置から出力され、前記現在のエンジン出力に相関関係のある信号を考慮するように、構成することが可能である。この実施形態は、前記エンジン出力に関する必要な情報は、エンジン制御装置内にいずれにせよ存在し、前記エンジン出力に相関関係のある信号を、前記エンジン制御装置で準備するか、または、取り出すのは、特に、容易に実現可能であるという考えに基づいている。

他の実施形態によれば、前記圧力波の前記振幅は、調整によって設定され、前記調整は、調整量として、マイクロホンの測定信号、および／または、エンジン制御装置の信号を考慮する。この場合、前記圧力波の振幅を、現在の要求に、自動的に適合させる調整回路が構成される。

特に好適な実施形態によれば、少なくとも特定の回転速度範囲、および／または、負荷範囲において、前記圧力波を生成するための前記電気音響変換器は、同時に、または、交互に用いられて、反音響を生成し、前記新鮮空気システム内、および／または、前記排気システム内に広がる妨害ノイズを抑制するように、構成することが可能である。この措置によって、前記各電気音響変換器には、機能が追加されることになる。この発明によれば、それは、一方で、前記排気ガス交換プロセスを支援する、圧力波の生成に使用される。他方、従来のように使用され、前記ピストン・エンジンの音響放出を軽減する。

本発明は、このように、電気音響変換器の新しい使用形態にも関している、つまり、ピストン・エンジンの新鮮空気システム内で、正圧力波を生成して、ガス交換中に、前記ピストン・エンジンのシリンダへの、新鮮空気の充填を支援し、および／または、ピストン・エンジンの排気システム内で、負圧力波を生成して、ガス交換中に、前記ピストン・エンジンのシリンダからの、排気ガスの排出を支援する。この場合、そのような電気音響変換器は、前記新鮮空気システム内、または、排気システム内における、このタスクだけのために配置され得る。同様に、前記新鮮空気システム内、または、前記排気シテム内に、反音響による音響抑制のためにいずれにせよ配置される電気音響変換器を、前記ガス交換プロセスを支援するために、付加的に駆動することが可能である。

本発明の他の重要な特徴および効果は、従属請求項、図面、および図面に基づく説明より明らかになる。

前述した特徴、および以下に述べる特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、記載している各組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいて、あるいは、単独で利用できることは明白である。

本発明によると、前記の問題に対処して、ピストン・エンジン、または、関連する駆動方法のために、改良された実施形態を提供するものであり、これにより、ガス交換を改善する。

様々な実施形態におけるピストン・エンジンの、非常に簡略化された原理図である。 様々な実施形態におけるピストン・エンジンの、非常に簡略化された原理図である。 様々な実施形態におけるピストン・エンジンの、非常に簡略化された原理図である。

本発明の好適な実施例は図示されるとともに、以下に、詳細に説明されるが、同一か、類似しているか、または、機能的に同一の構成要素は同一の参照符号で示す。

以下の図面は、それぞれ、概略を示している。 図１〜図３は、各々、様々な実施形態におけるピストン・エンジンの、非常に簡略化された原理図である。

図１〜図３によれば、エンジン・ブロック２内のピストン・エンジン１は、幾つかのシリンダ３、新鮮空気システム４、および、排気システム５を有している。通常、このようなピストン・エンジン１は、動力車内に配置される。しかし、原則的には、固定して使用することも考えられる。

新鮮空気システム４は、シリンダ３内に、新鮮空気を供給するために使用される。排気システム５は、シリンダ３から、排気ガスを排出するために使用される。ガス交換プロセスを制御するために、シリンダ３には、ガス交換バルブが配置される、つまり、それぞれ、少なくとも一つの吸入バルブ６、および、少なくとも一つの排気バルブ７が配置される。また、二つ以上の吸入バルブ６、または、二つ以上の排気バルブ７を、シリンダ３ごとに配置することが可能なことは、明らかである。ピストン・エンジン１を駆動するために、通常、エンジン制御装置８も配置され、これは、適切な方法で、ピストン・エンジン１の制御すべき部品に接続されている。

ここで紹介するピストン・エンジン１は、さらに、少なくとも一つの電気音響変換器９を有しており、この電気音響変換器９は、新鮮空気システム４、または、排気シテム５に接続されている。図１に示す実施形態では、このような電気音響変換器９が、一つ配置されており、排気システム５に接続されている。図２に示す実施形態では、一つの電気音響変換器９が配置されており、新鮮空気システム４に接続されている。図３に示す実施形態では、丁度二つの電気音響変換器９が配置されており、その一方は、新鮮空気システム４に接続され、他方は、排気システム５に接続されている。原則的には、一つの電気音響変換器９を、新鮮空気システム４と、排気システム５とに接続する実施形態も考えられる。

各電気音響変換器９を作動させるために、制御装置１０が配置され、この制御装置１０は、少なくとも１本の制御線１１を介して、各変換器９に接続されている。その上、制御装置１０が、対応する信号線１２を介して、少なくとも一つのマイクロホン１３に接続されるように、選択的に構成することが可能である。マイクロホン１３は、排気ガス側に変換器９が配置されている場合、排気システム５の近くに配置されることが可能であり、これは、図１に示すとおりである。変換器９が新鮮空気側にある場合、マイクロホン１３は、新鮮空気システム４の近くに配置されることが可能であり、これは、図２に示すとおりである。図３は、二つのマイクロホン１３を用いた実施形態を示し、その一方は、新鮮空気システム４に配置され、他方は、排気シテム５に配置されている。各マイクロホン１３を用いて、制御装置１０は、調整回路を構成し、これを用いて、各変換器９の動作を、規則正しく行うことが可能である。図１〜図３では、マイクロホン１３ごとに、二つの代替的な、位置決めの可能性が示されている、つまり、エンジン近くでの位置決めであって、各変換器９の新鮮空気下流側か、または、排気ガス上流側、あるいは、エンジンから離れた所での位置決めであって、各変換器９の新鮮空気上流側か、または、排気ガス下流側である。

ここで紹介するピストン・エンジン１は、次のように説明され得る。

ピストン・エンジン１の駆動中、ガス交換は連続して行われる。この場合、燃焼行程後の各シリンダ３内の排気ガスが、シリンダ３から排出され、続いて、次の燃焼行程のために、各シリンダ３に、新鮮空気が供給される。また、ガス交換バルブ６，７が、適切に駆動される。このガス交換プロセスを改善するために、制御装置１０は、各電気音響変換器９を制御して、圧力波を生成することが可能である。

制御装置１０は、図１および図３のように、排気システム５に配置された変換器９を適切に駆動して、負圧力波を生成することが可能で、この負圧力波は、前記ガス交換プロセスに適合しており、関連する排気バルブ７が完全に閉じる前に、各シリンダ３において、負圧力波は、各シリンダ３内に伝播することが可能である。これによって、前記負圧力波によって、各シリンダ３内に導入された負圧力は、シリンダ３内に捕捉され、以後の新鮮空気の充填を大幅に改善する。前記新鮮空気は、関連する吸入バルブ６が開いている場合、各シリンダ３内に吸い込まれる。

各電気音響変換器９が、図２および図３のように、新鮮空気システム４に配置されている場合、制御装置１０は各変換器９を制御して、正圧力波を生成することが可能である。このような正圧力波の生成は、この場合、また、前記ガス交換プロセスに適合しており、各吸入バルブ６が閉じる直前に、正圧力波は各シリンダ３内に伝播可能である。これによって、この正圧力波は各シリンダ３内で捕捉され、これにより、そこでの、シリンダ３の充填が改善する。

前記圧力波を適切に生成して、前記圧力波が、各シリンダ３内に閉じ込められるのを可能にするには、前記各圧力波が各変換器９によって生成されるタイミングが、決定的に重要である。制御装置１０は、前記圧力波の生成タイミングを、ピストン・エンジン１の回転速度の関数として決定することが可能である。制御装置１０は、例えば、制御装置１０に適切に接続されたエンジン制御装置８から、ピストン・エンジン１の前記回転速度を知ることが可能である。実用的には、制御装置１０は、さらに、前記圧力波の生成タイミングを決定する際に、前記新鮮空気、または、排気ガスの現在の温度を考慮する。対応する温度は、ここでは、示されていない。より好ましくは、他の目的のために、このような温度センサがいずれにせよ存在するので、このような温度値も、エンジン制御装置８で読み出すことができる。前記現在の温度を考慮することによって、新鮮空気、または、排気ガス等の各ガスの温度に対する音響伝播速度の依存性を考慮し、これに応じて補償することが可能である。

制御装置１０がデータ・ベースを利用する実施形態が、この場合、特に、実用的であり、前記データ・ベースには、幾つかの特性曲線が記憶されており、前記特性曲線は、異なる温度、または、異なる温度範囲に割り当てられていて、かつ、それぞれに、前記圧力波の生成タイミングと、ピストン・エンジン１の前記回転速度との関係が記憶されている。

各変換器９によって前記圧力波が生成されるタイミングに加えて、制御装置１０は、さらに、前記圧力波の振幅を変化させることが可能である。実用的には、前記現在のエンジン出力の関数として、前記圧力波の振幅を適用することが可能である。また、制御装置１０は、より好ましくは、エンジン制御装置８と連動して、前記現在のエンジン出力を決定し、その関数として、各変換器９を制御して、前記エンジン出力に適合した振幅を有する圧力波を生成する。

代替的に、前記圧力波の振幅を、調整によって設定することが、同様に可能である。制御装置１０は、この場合、調整量として、各マイクロホン１３の測定値を考慮することが可能である。代替的に、または、付加的に、制御装置１０は、調整量として、エンジン制御装置８の信号も考慮することが可能である。例えば、前記マイクロホン信号と、前記現在のエンジン出力とを組み合わせて使用し、前記圧力波の振幅を調整することが可能である。

特に好適な実施形態によれば、少なくとも特定の回転速度範囲、および／または、負荷範囲において、制御装置１０を用いて反音響を生成するために、各変換器９を使用し、これにより、新鮮空気システム４内、または、排気システム５内に拡がる妨害ノイズを抑制することが可能である。この場合、前記ガス交換を改善するための前述の圧力波の生成に加えて、反音響の生成が実現され得る。また、各変換器９によって生成される、前記反音響波や前記圧力波は、容易に重ねられる。同様に、特定の回転速度範囲では、各電気音響変換器９を交互に駆動する、つまり、特定の回転速度範囲では、前記ガス交換プロセスを改善する圧力波の生成のみを行い、他の回転速度範囲では、反音響の生成のみを行って、妨害ノイズを抑制することが可能である。

１ ピストン・エンジン
２ エンジン・ブロック
３ シリンダ
４ 新鮮空気システム
５ 排気システム
６ 吸入バルブ
７ 排気バルブ
８ エンジン制御装置
９ 電気音響変換器
１０ 制御装置
１１ 制御線
１２ 信号線
１３ マイクロホン

Claims (6)

1. ピストン・エンジン（１）のシリンダ（３）に、新鮮空気を供給するための新鮮空気システム（４）と、前記シリンダ（３）から、排気ガスを排出するための排気システム（５）とを備えた、ピストン・エンジン（１）を駆動する方法であって、
   ガス交換中における、新鮮空気側の正圧力波を用いて前記各シリンダ（３）への新鮮空気の充填、および／または、排気ガス側の負圧力波を用いて前記各シリンダ（３）からの排気ガスの排出が支援され、
   前記各圧力波は、少なくとも一つの電気音響変換器（９）によって生成され、
   少なくとも特定の回転速度範囲、および／または、負荷範囲において、前記圧力波を生成するための前記電気音響変換器（９）は、前記新鮮空気システム（４）内および／または前記排気システム（５）内に拡がる妨害ノイズを抑制するための反音響を前記圧力波に加えて更に生成し、その際、前記圧力波と重ねて生成することを特徴とする方法。
2. 前記圧力波の振幅は、調整によって設定され、前記調整は、調整量として、マイクロホン（１３）の測定信号を考慮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記新鮮空気の充填の支援と前記排気ガスの排出の支援のうち、少なくとも前記排気ガスの排出の支援が行われ、
   排気側の前記電気音響変換器（９）は、前記排気システム（５）に含まれる排気路から分岐された分岐路に対して接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. ピストン・エンジンであって、
   前記ピストン・エンジン（１）のシリンダ（３）に、新鮮空気を供給するための新鮮空気システム（４）と、
   前記シリンダ（３）から、排気ガスを排出するための排気システム（５）と、
   前記新鮮空気システム（４）、および／または、前記排気システム（５）に接続された、少なくとも一つの電気音響変換器（９）と、
   前記電気音響変換器（９）によって生成される圧力波が、新鮮空気側の正圧力波として、前記シリンダ（３）への新鮮空気の充填を支援するように、および／または、排気ガス側の負圧力波として、前記シリンダ（３）からの排気ガスの排出を支援するように、前記電気音響変換器（９）を駆動する制御装置（１０）とを備え、
   前記制御装置（１０）は、少なくとも特定の回転速度範囲、および／または、負荷範囲において、前記各電気音響変換器（９）を駆動することにより、前記新鮮空気システム（４）内、および／または、前記排気システム（５）内に広がる妨害ノイズを抑制するための反音響を前記圧力波に加えて更に生成し、その際、前記圧力波と重ねて生成するように、構成、および／または、プログラムされていることを特徴とするピストン・エンジン。
5. 少なくとも一つのマイクロホン（１３）が、前記制御装置（１０）に接続され、前記圧力波の生成を調整することを可能にしていることを特徴とする請求項４に記載のピストン・エンジン。
6. 前記新鮮空気の充填の支援と前記排気ガスの排出の支援のうち、少なくとも前記排気ガスの排出の支援が行われ、
   排気側の前記電気音響変換器（９）は、前記排気システム（５）に含まれる排気路から分岐された分岐路に対して接続されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のピストン・エンジン。

Images