JP6097002B2 - 直噴過給式の多シリンダ内燃エンジンの残留燃焼気体の掃気方法 - Google Patents

Description

本発明は、直噴過給式の内燃エンジンの残留燃焼気体を掃気する方法に関する。

公知のように、内燃エンジンによって得られる出力は、エンジンの燃焼室に供給される空気の量に依存しており、この空気の量自体は空気の密度に比例する。

したがって、この空気の量は、一般に、高出力が必要な場合に燃焼室内に供給される前の外部の空気の圧縮によって増加する。過給と呼ばれるこの動作は、ターボ圧縮機や、スクリュー圧縮機のような駆動圧縮機などの任意の手段を使用して実施することができる。

さらに、シリンダの燃焼室内の空気の量を増加させるために、元々燃焼室の排除容積（dead volume）内に含まれている残留燃焼気体が、ピストンの上死点の位置で排出され、過給空気と置き換えられる。この段階を、より一般的には燃焼気体の掃気と呼び、一般にはエンジンの排気行程の終了前に実施される。

フランス特許出願公開第２，８８６，３４２号（以下、特許文献１と呼ぶ。）で知られるように、この掃気は、シリンダの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、エンジンの排気行程の終了時、かつ吸気行程の開始時に実施される。このオーバーラップは、これらの吸気弁と排気弁とを、数度から数十度のクランク回転角度の間に同時に開くことによって実現される。

したがって、吸入気体は、燃焼室に含まれている排気気体を追い出し、排気行程の終了前に燃焼室に供給される。したがって、この排気気体は、排気弁を通して排出されて、吸入気体と置き換えられる。

この種類のエンジンは、満足な結果をもたらすが、決して些細とは言えない欠点がある。

実際に、そのような掃気はピストンに深い凹部を必要とし、その結果、燃焼室の形状や燃料混合気の燃焼の経過が悪化する。さらに、この種類のエンジンは、排気弁の開く角度と吸気弁の閉じる角度とを共に修正することが必要である。

本出願人によって出願されているフランス特許出願公開第２，９２６，８５０号（以下、特許文献２と呼ぶ。）は、別の残留燃焼気体の掃気方法を開示している。この掃気方法では、排気弁の開閉シーケンスはエンジンの排気行程中に実施され、この排気弁の開閉シーケンス中に、残留燃焼気体の掃気を実現するように吸気弁の開閉シーケンスが実施される。

フランス特許出願公開第２，８８６，３４２号 フランス特許出願公開第２，９２６，８５０号

上記のような掃気方法には、排気圧力が掃気行程の終了のはるか前に吸気圧力よりも高くなることがあるという欠点が伴う。

これは、一般的に、隣接するシリンダからの排気気体の圧力波（pressure wave）が、一般的には排気マニフォールドを通して、掃気中のシリンダの排気弁に到達し、その結果シリンダの排気圧力を増加させるためである。

シリンダの高い排気圧力によって燃焼気体の排気部への排出が妨げられ、それによって、過給されている吸入気体が燃焼室に供給されることを妨げる。そのため、燃焼室に含まれる過給空気の量は、所望のエンジン出力を得るために十分ではなくなる。

本発明は、燃焼室の形状を悪化させずに燃焼室への過給空気の充填を増加させつつ、ほとんど全ての残留燃焼気体を排出可能にする単純な構成の掃気方法によって、前述の欠点を克服することを目的としている。

本発明は、燃焼気体の掃気段階が、エンジンの排気行程中に少なくとも１つの排気弁を開閉するシーケンスと、排気弁の開閉シーケンス中に少なくとも１つの吸気弁を開閉する少なくとも１つのシーケンスと、によって実施される、上死点と下死点との間を往復運動するピストンを有する直噴過給式の多シリンダ内燃エンジン、特にディーゼル形式のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法において、シリンダの排気行程の期間中において、掃気段階の終了時のシリンダの吸気圧力（Ｐａ）がシリンダの吸気上死点（ＰＭＨａ）の後における掃気段階の終了時のシリンダの排気圧力（Ｐｅ）を上回る場合に、排気行程の下死点後に排気弁を開閉するシーケンスを開始することと、排気行程におけるシリンダの排気弁のシーケンスを遅くとも次の上死点で終了することと、を含むことを特徴とする方法に関する。

本方法は、排気弁の開閉シーケンスを開始するクランク角度で、吸気弁の開閉のシーケンスを開始することを含んでいて良い。

本方法は、排気弁の開閉シーケンスを開始するクランク角度後のあるクランク角度で、吸気弁の開閉シーケンスを開始することを含んでいて良い。

本方法は、遅くとも排気行程の終了時に吸気弁を閉じることを含んでいて良い。

本方法は、排気弁が開く角度かこの角度後のある角度から吸気上死点までの排気行程の領域で、吸気弁の開閉シーケンスを実施することを含んでいても良い。

本方法は、排気弁のリフトの高さよりも低くなるように排気行程中に吸気弁のリフトの高さを減少させることを含んでいても良い。

本発明のその他の特徴や利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例による以降の説明を読むことで明らかになろう。

本発明の方法を使用する過給内燃エンジンの模式図である。 掃気中のシリンダの吸気弁および排気弁の様々なリフト規則（Ｌ）を示す曲線を、本発明の方法を使用するエンジンのクランク回転（クランク角度°Ｖで表されている）の関数として示す図である。 シリンダの吸気（Ｐａ）と排気（Ｐｅ）の位置での圧力（Ｐ：バールで示されている）を、クランク回転（クランク角度°Ｖで表されている）の関数として示す曲線を表わすグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示されている内燃エンジンは、自己着火形式の過給内燃エンジン、特にディーゼルエンジンであり、吸気行程Ａ、圧縮行程Ｃ、膨張行程Ｄおよび排気行程Ｅを有する４ストロークモードで動作する。

このエンジンは、少なくとも２つのシリンダ１０、ここでは４つのシリンダ１０₁〜１０₄を有している。シリンダの内部では、燃料混合気の燃焼が行われる燃焼室１２を区切ることによって、ピストン（不図示）が上死点（ＰＭＨ）と下死点（ＰＭＢ）との間の直線的な往復運動でスライドしている。

公知のように、この燃料混合気は、再循環排気気体（ＥＧＲ）と混合された過給空気と燃料との混合気か、過給空気と燃料との混合気である。

シリンダ１０は、少なくとも１つ、本例では２つの燃焼気体排出手段１４を有し、燃焼気体排出手段１の各々は、排気弁１８のような遮断手段に連結された排気管１６を有する。

排気管１６は、排気マニフォールド２０内で終端しており、燃焼気体を燃焼室１２から排出できるようにしている。排気マニフォールド２０は、排気ライン２２に接続されている。

このシリンダ１０は、少なくとも１つ、ここでは２つの吸気手段２４を有し、吸気手段２４の各々は、吸気弁２８のような遮断手段によって制御された吸気管２６を有する。

通常、吸気マニフォールド３０は、複数の吸気管２６に接続されており、新気（通常過給されており、再循環排気気体と混合されていたりされていなかったりする）を複数の燃焼室１２に分配できるようにしている。

吸気マニフォールドは、ターボ圧縮機３６の圧縮部分３４の出口にライン３２によって接続されているのに対して、排気マニフォールド２０は、ターボ圧縮機３６のタービン３８の入口にライン２２によって接続されている。

吸気弁２８の開閉は、これらの弁のリフト規則を変化させることができる任意の公知の手段によって制御することができる。これらの手段は、より具体的には、高出力が必要なエンジンの動作条件、特に低いエンジン回転数でのこれらの弁の２段リフト、または中間および高いエンジン回転数での通常の動作条件下における単一リフトを達成できるようにする。

そのため、これらの弁の２つのリフト規則を実現できるようにするＶＶＡ（可変弁作動）カムシャフト形式の制御手段４０が使用される。第１の規則によって、エンジンの排気行程Ｅ中に吸気弁２８を開閉する少なくとも１つのシーケンスを実行し、これに続き、吸気行程Ａ中にこれらの弁を開閉する従来のシーケンスを実行することができる。別のリフト規則によって、エンジンの吸気行程Ａ中に吸気弁２８を開閉するシーケンスだけを実行することができる。

非限定的な例として、このカムシャフトは、エンジンの排気行程Ｅおよび吸気行程Ａ中にこれらの吸気弁２８に対して２段のリフト規則を実現できるようにする、第２のカムに連動するカムだけでなく、エンジンの吸気行程Ａ中に吸気弁２８の単一のリフトを実現するように、複数のカムのうちの１つ、たとえば第２のカムを動作不能にする連結解除装置を有する。

排気弁１８の開閉は、これらの弁のリフト規則を変化させることができる制御手段４２によって制御することができる。これらの手段も、排気行程Ｅ中に排気弁を閉じるクランク角度の修正と共にまたは修正なしに、これらの排気弁が開き始めるクランク角度の変化を実現できるようにするＶＶＡ（可変弁作動）カムシャフト形式である。

もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの制御手段４０，４２は、弁棒に直接作用する電磁アクチュエータ、電気空圧アクチュエータまたはその他の、各弁用の具体的な制御手段であって良い。

「リフト」という用語は、パイプオリフィスを開き始める瞬間からオリフィスが完全に開いた位置まで、そしてこのオリフィスが閉じ終わる瞬間までの弁の動きを（２つの軸線に沿った）グラフ的に表現したものに対応する。

このエンジンは、吸気マニフォールド３０内の吸気圧力Ｐａおよび排気マニフォールド２０内の排気圧力Ｐｅ、エンジン回転数またはエンジンの負荷などのような、データ線４６によって送信された複数のエンジンパラメータの値に基づいて、車両のドライバの要求を満たすようにエンジンが発生すべき出力を評価することを可能にする、マップまたはデータチャートを収容するエンジン計算機と呼ばれる処理ユニット４４も有している。

より正確には、この計算機４４によって、これらの値に従って、吸気弁２８の単一または２段のリフトを実現するように、制御手段４０に作用している制御線４８を通して吸気弁２８のリフト規則を制御することができる。この計算機４４は、開および／または閉に対するクランク角度を修正できるように、制御手段４２に作用する制御線５０を通して排気弁１８のリフト規則を制御できるようにすることもできる。

したがって、エンジンが高出力の要求に対応する条件下で動作しなければならないときには、この計算機は、吸気マニフォールド２４内で記録された圧力Ｐａが排気マニフォールド内での圧力Ｐｅよりも高い場合、燃焼室１２に存在している残留燃焼気体を掃気するようにエンジンを制御する。

この図に示している例では、エンジンは行程（cycle）１、３、４、２で動作する。ここで、燃焼行程中のクランク軸が所定の回転角度の時に、シリンダ１０₁は排気行程Ｅの最後かつ吸気行程Ａの最初であって、吸気弁と排気弁とが同時に開くことによって燃焼室に存在している燃焼気体を掃気する段階にあり、次のシリンダ１０₂は排気弁および吸気弁が閉じた位置にある圧縮行程にあり、シリンダ１０₃は排気弁が開いている排気行程Ｅにあり、最後のシリンダ（シリンダ１０₄）は排気弁および吸気弁が閉じている膨張行程にある。

掃気されるシリンダの燃焼気体を掃気する段階中に、排気行程Ｅにあるシリンダから来て排気マニフォールド２０内を循環する排気気体の圧力波が排気気体の排出を妨げないようにするために、排気されるシリンダ１０の排気弁の開き始めのクランク角度が修正される。そのため、排気弁が閉じるまで、排気圧力よりも吸気圧力の方がより高くなるように、この圧力波のピークが対象のシリンダの掃気段階の最後またはその後に来るようにすることが可能である。

図２は、開いている位置（Ｏ）と閉じている位置（Ｆ）との間の掃気中のシリンダ１０の吸気弁２８および排気弁１８のさまざまなリフト規則を表わす複数の曲線を、クランク回転角度（°Ｖ）の関数として示している。

この図は、これらのクランク角度における吸気圧力Ｐａと排気圧力Ｐｅとの複数の曲線を示している図３と関連している。

燃焼気体掃気される技術を有する特許文献２に記載のエンジンについては、細い曲線で示しているように、排気弁Ｓｅは、（エンジンの排気行程Ｅの間は）燃焼室内に含まれている排気気体を排気マニフォールド２０に向けて排出するように、ピストンの排気下死点（ＰＭＢｅ）と吸気上死点（ＰＭＨａ）との間は従来の開閉シーケンスに従う。

排気弁Ｓｅのこの開閉シーケンスの間に、残留燃焼気体の掃気を実現するために吸気弁２８の開閉シーケンスが実行される。

図３からわかるように、この従来技術の排気圧力曲線Ｐｅ_aaは、下死点ＰＭＢｅの後に位置している吸気圧力曲線Ｐａとの交点Ｐ₁を有しており、この交点Ｐ₁以降では排気圧力が吸気圧力よりも低くなっている。この曲線Ｐｅ_aaは、吸気上死点ＰＭＨａの前に、吸気圧力曲線Ｐａとの別の交点Ｐ₂を有しており、この交点Ｐ₂以降では排気圧力が吸気圧力よりも高くなっている。曲線Ｐｅ_aaは、隣接するシリンダ１０からの排気圧力波との組み合わせに起因する圧力ピーク領域Ｐｅ_maxまで連続しており、それから圧縮下死点ＰＭＢｃの周辺まで減少する。

この構成においては、排気圧力の方がより高くなるような圧力差により、燃焼気体は点Ｐ₂からもはや掃気されないのに対し、排気弁１８と吸気弁２８とは開いている位置のままである。この点Ｐ₂から排気弁１８がＰＭＨａで閉じるまで、燃焼室１２に既に存在している過給空気が吸気弁２８を通して排出されつつ、燃焼ガスが燃焼室１２へ再導入されるという不必要な期間が発生する。

これを防止するために、排気弁１８の開閉シーケンスの開始のクランク角度ｅ１は、ＰＭＢｅに一致していてはならず、図３に太線で示しているように、右側に変位した排気圧力曲線Ｐｅが得られるように、このＰＭＢｅの後に位置していなければならない。

この角度ｅ１の値は、排気下死点ＰＭＢｅ後の０°を超えて５０°までの範囲にあることが好ましい。

排気弁の開き始めを変位させることによって、曲線Ｐａとの交点Ｐ’₁が実質的にクランク角度ａ１に位置し、曲線Ｐａとの交点Ｐ’₂が吸気上死点ＰＭＨａの十分後に位置するようにできる。

そのため、排気圧力Ｐｅは排気弁が閉じるまで常に吸気圧力よりも低いままであり、これにより、排気気体の掃気に有利な領域を増加させることができる。曲線Ｐｅは、隣接するシリンダの排気からの排気圧力波との組み合わせの結果として生じる圧力ピーク領域Ｐｅ’_maxまで連続する。

これは、排気弁の開く角度とそのため圧力波の位置によって排気圧力の位相設定が即座に決まり、これが、排気弁を遅く開くことによってＰｅがＰｅ_aaに対して変位する原因である。

したがって、高出力の要求に相当するエンジンの動作状態に対しては、排気弁１８は、排気行程Ｅの間、排気下死点ＰＭＢｅ後の点ｅ１と吸気上死点ＰＭＨａとの間に開閉シーケンスを行うように、制御手段４２によって制御される。

この排気弁の開閉シーケンスと共に、排気行程Ｅ中かつ排気弁の開閉シーケンス中に吸気弁２８の少なくとも１つの開閉シーケンスを実現するように、制御手段４０は計算機４４によって制御される。

このシーケンスは、より具体的には、吸気弁２８のレベルで検知された圧力Ｐａが排気弁１８のレベルで検知された圧力Ｐｅよりも高いという情報を計算機４４が受信したときに実施される。

より具体的には、これらの吸気弁は、排気弁が開く角度ｅ１後のある角度ａ１（またはこの角度ｅ１）で開き、燃焼室１２に過給空気を供給して吸気上死点ＰＭＨａで閉じる。

角度ａ１とＰＭＨａとの間で、吸気圧力Ｐａと排気圧力Ｐｅとの間の圧力差に関して吸気圧力の方がより高いため、燃焼室１２に含まれている排気気体は、排気弁１８を通して排気マニフォールド２０に向けて排出される。したがって、この排気気体は、エンジンの吸気行程Ａの最後に燃焼室１２に存在する空気の量を全体的に増加させる過給空気によって置き換えられる。

排気行程Ｅに続くこのエンジン吸気行程Ａ中に、計算機４４は、従来のようにＰＭＨａの近傍で再び開いて圧縮下死点ＰＭＢｃの近傍で閉じるように、これらの吸気弁２８の制御手段４０を制御する。

角度ａ１とＰＭＨａとの間の吸気弁２８のリフトは、対象としている排気行程Ｅについて、吸気圧力Ｐａと排気圧力Ｐｅとの間の圧力差が全体的に最大になるのに対して吸気圧力については正になるような排気行程の領域に相当している（図３を参照）。

吸気弁のリフトの高さは排気弁のリフトの高さに実質的に等しいことが有利である。しかし、吸気弁のリフトの高さは、図２でパターン混合線（一点二短鎖線）によって示しているように、残留燃焼気体の排出を制御できるように、たとえば完全に開いている位置Ｏと３分の１だけ開いている位置Ｏ／３との間で変えてもよい。

同様に、開閉シーケンスを、角度ａ１で開始してＰＭＨａの前のクランク角度で終了させるように、排気行程中の吸気弁リフトの範囲を変えることができる。

排気行程中のこれらの吸気弁の最大リフトおよび最大範囲は、排気弁の最大リフトおよび最大範囲よりも小さいことが好ましい。

このようにして、吸気弁の第２のリフトの間、吸気行程Ａの最後の空気の量がより多くなるように、掃気動作後に燃焼室１２内に既に存在している過給空気に対してさらに過給空気が追加される。

燃焼気体の掃気の無い従来のエンジン動作状態において、計算機４４は、排気行程Ｅ中に吸気弁２８の従来の開閉シーケンスを実現するように制御手段４２を制御する。また、この計算機は、排気行程Ｅ中に吸気弁２８の開閉シーケンスを実施しないように制御手段４０を制御する。

この排気行程には、吸気弁がＰＭＨａとＰＭＢｃとの間で従来の開閉シーケンスに従う吸気行程Ａが続く。

本発明は、排気行程中に排気弁のリフト規則に作用して掃気パラメータ（排出される燃焼気体の量、燃焼気体の排出の時間など）を調整可能で、排気ガスが掃気されるエンジン動作状態から、従来のエンジン動作状態への変更、およびその逆の変更を、容易に行うことができる。さらに、吸気規則のモジュール化によって、吸気圧力と排気圧力との圧力差に従って残留燃焼気体の掃気を管理することができる。

本発明は、前述の例に限定されるものでは無く、あらゆる変形例または等価な例を含む。

１２ 燃焼室
１８ 排気弁
２８ 吸気弁

Claims (6)

1. 燃焼気体の掃気段階が、エンジンの排気行程（Ｅ）中に少なくとも１つの排気弁（１８）を開閉するシーケンスと、前記排気弁の開閉シーケンス中に少なくとも１つの吸気弁（２８）を開閉する少なくとも１回の開閉シーケンスと、によって実施される、上死点（ＰＭＨ）と下死点（ＰＭＢ）との間を往復運動するピストンを有する直噴過給式の多シリンダ内燃エンジン（１０）の残留燃焼気体を掃気する方法において、
   シリンダの前記排気行程の期間中において、掃気段階の終了時のシリンダの吸気圧力（Ｐａ）がシリンダの吸気上死点（ＰＭＨａ）の後における掃気段階の終了時のシリンダの排気圧力（Ｐｅ）を上回る場合、前記排気行程の下死点（ＰＭＢｅ）後に前記シリンダの排気弁（１８）を開閉するシーケンスを開始することと、前記排気行程における前記シリンダの前記排気弁の開閉シーケンスを遅くとも次の上死点（ＰＭＨａ）で終了することと、を含むことを特徴とする、エンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。
2. 前記排気弁（１８）の開閉シーケンスを開始する前記クランク角度（ｅ１）で、前記吸気弁（２８）の開閉のシーケンスを開始することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。
3. 前記排気弁（１８）の開閉シーケンスを開始する前記クランク角度（ｅ１）後のあるクランク角度（ａ１）で、前記吸気弁（２８₁）の開閉シーケンスを開始することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。
4. 遅くとも前記排気行程（Ｅ）の終了時に前記吸気弁（２８）を閉じることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。
5. 前記排気弁が開く角度（ｅ１）か該角度後のある角度（ａ１）から前記吸気上死点（ＰＭＨａ）までの前記排気行程の領域（ａ１−ＰＭＨａ）で、前記吸気弁（２８）の開閉シーケンスを実施することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。
6. 前記排気弁のリフトの高さよりも低くなるように前記排気行程中に前記吸気弁（２８₁）のリフトの高さを減少させることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジンの残留燃焼気体を掃気する方法。

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