(57)【要約】燃焼エンジンは、シリンダ（２）と、シリンダ（２）内に変位可能に配置されたピストン（３）と、シリンダ（２）およびピストン（３）によって画定された燃焼室（６）と、弁（５）とを備え、燃焼エンジンの燃焼室（６）への弁（５）を作動させるための装置は、アクチュエータ室（８）を備えた弁アクチュエータ（７）と、アクチュエータ室（８）内に変位可能に配置され、弁（５）を駆動するように配置されたアクチュエータ・ピストン（９）と、弁（５）が開口される方向へアクチュエータ・ピストン（９）と弁（５）を駆動するために、圧力流体が燃焼室（８）の中に導かれる連通流路（１１）とを備える。連通流路（１１）は燃焼室（６）からアクチュエータ室（８）に延在し、圧力流体は燃焼室（６）内の圧力によって加圧される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼エンジンが、シリンダ（２）と、前記シリンダ（２）内に変位可能に配置されたピストン（３）と、前記シリンダ（２）および前記ピストン（３）よって画定された燃焼室（６）と、弁（５）と、前記弁（５）を駆動するように配置され、アクチュエータ室（８）内に設けられたアクチュエータ・ピストン（９）を備えた弁アクチュエータ（７）とを備え、前記アクチュエータ・ピストン（９）と、これによって前記弁（５）を駆動するために、圧力流体が前記アクチュエータ室（８）の中に導かれることで、燃焼エンジンの燃焼室（６）の弁（５）を作動させる方法において、
前記弁（５）の開口に関連して、前記弁（５）が開口される方向に前記アクチュエータ・ピストン（９）を駆動するために、前記燃焼室（６）内の圧力によって加圧された圧力流体が、前記アクチュエータ室（８）に導かれることを特徴とする、燃焼エンジンの燃焼室（６）の弁（５）を作動させる方法。
【請求項２】
前記圧力流体は、前記燃焼室（６）から前記アクチュエータ室（８）に延在する連通流路（１１）を通して前記アクチュエータ室（８）に導かれ、前記流路（１１）内の連通は、パイロット弁（１２）によって制御されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パイロット弁（１２）は、加圧流体、電磁石、または圧電素子によって作動されることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
前記パイロット弁（１２）は、前記燃焼室（６）内の上昇圧力が燃焼室（６）に作用する方向と同じ方向に変位されることによって開口されて連通が生じることを特徴とする、請求項２または３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記パイロット弁（１２）に関連付けられたパイロット弁のアクチュエータ（１３）の起動が、前記パイロット弁のアクチュエータ（１３）への信号によって引き起こされ、これによって前記パイロット弁（１２）は開口されて前記アクチュエータ室（８）と前記前記燃焼室（６）との間の連通が生じることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記弁（５）は出口弁であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記弁（５）は、前記パイロット弁（１２）の制御によって、前記燃焼室（６）内に存在するガスを排出するために、継続的な圧縮ストローク中または継続的な膨張ストローク中に、開口され、続いて閉鎖され、これが行われるクランク角度の範囲が、要請されている原動機制動効果に依存していることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記弁（５）の開口は、必要な制動効果が増大するほど、前記ピストン（３）の上死点により接近して実行されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記弁（５）は、圧縮ストロークの最終段階中または膨張ストロークの開始段階中に開口され、続いて閉鎖されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記弁（５）の開口および閉鎖後に、入口弁が開口され、続いて閉鎖され、これが膨張ストロークの最終段階中または圧縮ストロークの開始段階中に実行されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃焼室（６）内の圧力は、原動機制動に関連して、加圧流体容器内で圧力を構築する目的で使用され、前記弁（５）は、前記燃焼室（６）と前記圧力流体容器との間の連通を開通させ、閉鎖する目的で使用されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼エンジンが、シリンダ（２）と、前記シリンダ（２）内に変位可能に配置されたピストン（３）と、前記シリンダ（２）および前記ピストン（３）によって画定された燃焼室（６）と、弁（５）とを備え、
アクチュエータ室（８）を備えた弁アクチュエータ（７）と、前記アクチュエータ室（８）内に変位可能に配置され、前記弁（５）を駆動するように配置されたアクチュエータ・ピストン（９）と、前記弁（５）が開口される方向へ前記アクチュエータ・ピストン（９）と前記弁（５）を駆動するために、圧力流体が前記燃焼室（８）の中に導かれる連通流路（１１）とを備えた、燃焼エンジンの燃焼室（６）の弁（５）を作動させる装置において、
前記連通流路（１１）は前記燃焼室（６）から前記アクチュエータ室（８）に延在し、前記圧力流体は前記燃焼室（６）内の圧力によって加圧される流体から成ることを特徴とする、燃焼エンジンの燃焼室（６）の弁（５）を作動させる装置。
【請求項１３】
前記連通流路内の連通を開通／閉鎖するためのパイロット弁（１２）を備えていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記パイロット弁（１２）は圧力流体源に連結され、圧力流体源の加圧流体によって作動され、あるいは電磁石または圧電素子によって直接駆動されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記燃焼室（６）内の圧力によって加圧された流体が前記ピストン（９）上に作用する表面は、前記燃焼室（６）に向けられている前記弁（５）の表面よりも大きいことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記パイロット弁（１２）は、前記燃焼室（６）内の上昇圧力が前記燃焼室（６）に作用する方向と同じ方向に移動されることによって開口して連通が生じるように配置されていることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記弁（５）は出口弁であることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記弁（５）は、前記燃焼室（６）と、原動機制動に関連して、前記燃焼室（６）内の圧力によって圧力が構築されている圧力流体容器との間の連通を開通させ、閉鎖するように配置されていることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記圧力流体容器と前記アクチュエータ室（８）との間の連通を開通し、閉鎖するためのパイロット弁（２４）を備えていることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記圧力流体容器と前記アクチュエータ室（８）との間の連通を開通し、閉鎖するための前記パイロット弁（２４）は、前記圧力流体容器内の上昇圧力が圧力流体容器上に作用する方向に移動されることによって、連通を遮断するように配置されていることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記パイロット弁（１２）は前記弁（５）に関連付けられたステム（１０）の内部に延在することを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記ステム（１０）は、前記アクチュエータ・ピストン（９）に連結されていることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
シリンダ（２）と、前記シリンダ（２）内に変位可能に配置されたピストン（３）と、前記シリンダ（２）および前記ピストン（３）によって画定された燃焼室（６）と、前記燃焼室（６）に関連付けられた弁（５）を備えている燃焼エンジンにおいて、前記弁（５）に連結された、請求項１２〜２２のいずれか１項に記載の装置を備えていることを特徴とする、燃焼エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼エンジンの燃焼室の弁を作動させる方法において、上記燃焼エンジンは、シリンダと、シリンダ内に変位可能に配置されたピストンと、上記ピストンおよび上記シリンダによって画定された燃焼室と、上記弁と、弁を駆動するように設けられ、アクチュエータ室に配置されたアクチュエータ・ピストンを備えた弁アクチュエータとを備えている、方法であって、アクチュエータ・ピストンおよび弁を駆動する目的で、圧力流体がアクチュエータ室の中に導かれる方法に関する。
【０００２】
本発明はまた、燃焼エンジンの燃焼室の弁を作動させる装置において、上記燃焼エンジンは、シリンダと、シリンダ内に変位可能に配置されたピストンと、シリンダおよび上記ピストンによって画定された燃焼室と、上記弁とを備えている装置であって、アクチュエータ室を備えた弁アクチュエータと、上記アクチュエータ室の内部に変位可能に配置され、上記弁を駆動するように配置されたアクチュエータ・ピストンと、弁が開口される方向に、アクチュエータ・ピストンと弁を駆動する目的で、圧力流体がアクチュエータ室の中に導かれる連通流路とを備えている、装置にも関する。
【０００３】
本発明はまた、本発明による装置が設けられた燃焼エンジンであって、好ましくは、圧力流体によって駆動される自由作動可能なエンジン弁を備えた燃焼エンジンにも関する。詳しくは、このような燃焼エンジンは、乗用車または大型トラックなどの車両を推進するように構成されている。したがって、本発明は、上記燃焼エンジンが設けられたこのような車両を備える場合がある。
【背景技術】
【０００４】
開放弁がシリンダ・ヘッド内に設けられた燃焼エンジンがより多く負荷をかけられるほど、出口弁が開口されようとする際のシリンダの圧力は高くなり、出口弁の開口により大きなエネルギーが必要となる。この事実は、弁を解放するのに使用される方法とは関係がない。空気圧、電磁石、または液圧によって起動される弁の開口では直面するが、カム・シャフトによって起動される弁の開口では直面しない問題は、燃焼ガスの排出時の、シリンダの高圧力に対抗した開口である。主な問題は、弁の開口動力の大きさの決定を、最大圧力よりも大幅に小さな最も一般的なシリンダの圧力ではなく、シリンダの最大圧力に合わせて行わなければならないということである。弁の作動が、圧力流体または電磁石などの手段によって行われる場合、この手段の動力を、最新技術によって、最大シリンダ圧力によって生成される力に対抗して弁の解放を実行することが可能となるように寸法決めしなければならない。過度な寸法決めをしなければならないこの必要性を軽減することが望ましい。
【０００５】
さらに、シリンダ内の高い圧力は、燃焼排ガスが排出される際に、可能な拡張作用が利用されないという意味において、結果的にエネルギーの浪費となる（しかしターボが存在する場合には、エネルギーの一部が利用される）。
【０００６】
車両用の原動機制動技術を、容量および可制御性の観点で、また省動力の目的で発展させることができる。重量大型トラックなどの燃焼エンジンを備えた車両では、通常の制動システムに対する補足として原動機制動が積極的に使用されている。このような１つの方法は、エンジンのシリンダの外への燃焼排ガスの排出が阻止される、燃焼排ガス制動を備えている。代替的方法として、圧縮ストローク中に、空気が漏出して燃焼排ガスシステムの中に入ることが可能にされる。今日現在の、この方法の問題は、最大制動効果と制動効果の制御可能性とが満足のゆくものではないということである。この問題に関連して、また軽量車両について、原動機制動時に制動エネルギーを蓄積できると可能性がある。どのようにして原動機制動時に圧縮空気をタンクに導くのか、また、これに引き続いて加速の必要があるときに、この蓄積されたエネルギーをどのように使用するのかについて、知られている提案がある。軽量車両と重量車両との両方において、圧縮空気による、充分な制御可能性と高い制動効率と省エネルギーとが、エンジンのヘッドのシリンダ内の自由作動可能な弁を使用することによって可能になるという共通した特徴がある。このような状況において、自由作動可能な弁を使用する場合、圧縮ストローク中にシリンダの圧力が高くなる結果、弁を開口する目的で大量のエネルギーが必要になるということが問題になる可能性がある。大きなエンジン負荷は、廃棄ガスが排出されようとする際に比較的高いシリンダ圧力が存在する別の作動モードである。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００７】
本発明の主な目的は、自由作動可能な、空気圧によって起動される出口弁を備えた燃焼エンジンで、原動機制動中および燃焼排ガスの排出中に生じる可能性のあるあらゆるシリンダ圧力において、出口弁が充分な作動効率性で開口できるようにすることである。
【０００８】
本発明の目的は、ここで最初に規定した方法であって、弁の開口に関連して、弁が開口される方向にアクチュエータ・ピストンを駆動する目的で、燃焼室の圧力によって加圧された圧力流体がアクチュエータ室に導かれることを特徴とする手段によって達成される。空気圧式弁開口器は、本明細書で提案しているように、シリンダ圧力をエネルギー源として使用し、原動機制動中、存在し得るいかなるシリンダ圧力にも対抗して出口弁を開口する。したがって、弁開口器は、燃焼排ガスの排出時に、残存している作用能力におけるエネルギーを使用する。加圧された圧力流体は、必ずというわけではないが、燃焼室内に存在するガスまたはガス混合物であることが好ましい。
【０００９】
好ましい実施形態によると、上記圧力流体は、燃焼室からアクチュエータ室に延在する連通流路を通ってアクチュエータ室に導かれる。上記流路内の連通は、パイロット弁によって制御されることが好ましい。その場合、燃焼室への弁は、上記パイロット弁に対して従属弁を形成する。パイロット弁は、制御されている従属弁の対応する表面積よりも大幅に小さな、燃焼室からの圧力流体に向かった表面積を有することができる。これによって、従属弁の駆動を、燃焼室からの圧力、即ちシリンダ圧力によって実行していないものとする場合の、上述の上記従属弁を駆動するための対応する手段よりも、大幅に小さな寸法を、パイロット弁を駆動する手段に与えることができる。
【００１０】
パイロット弁は、圧力流体によって、電磁石によって、または圧電素子によって駆動されることが好ましい。
【００１１】
好ましい実施形態によると、パイロット弁は、燃焼室の高圧力が燃焼室上に作用している方向と同じ方向に移動されることによって開口されて燃焼室とアクチュエータ室との間の連通が生じる。これによって、燃焼排ガスが排出されようとするときなどの状況でパイロット弁を駆動する手段が機能停止する場合にも、開口を達成することができる。このような場合には、シリンダの最高圧力が、燃焼に関連した最高圧力よりも大幅に高くなる場合があり、これによって、重度のエンジン損傷を受ける相当程度のリスクが生じる。これによって、シリンダ圧力によって生成される力が、パイロット弁のアクチュエータによって生成される反作用力よりも大きくなることから、パイロット弁の開口は自動的に起こる。
【００１２】
パイロット弁に関連付けられたパイロット弁のアクチュエータは、上記アクチュエータに送信された信号によって始動されることが好ましく、これによって、パイロット弁が開口してアクチュエータ室と燃焼室との間の連通が生じる。これは、先に述べた受動的な安全に寄与することになる。一方、パイロット弁のアクチュエータへの信号を遮断することによってパイロット弁の起動が行われるものとした反対の場合には、エンジン・ピストンと弁との衝突が起こるリスクが増大することになる。
【００１３】
弁は出口弁であることが好ましく、即ち、燃焼室からの燃焼排ガスを後続の燃焼排ガスシステムへと放出し、あるいは空気または燃焼排ガスを、燃焼室に連結された圧力流体タンクに放出するように配置された弁であることが好ましい。後者の態様を後でさらに記述する。
【００１４】
高いシリンダ圧力に対抗して開口することが可能であるというとは、結果として、燃焼室内へと入る方向に開口されることになるポペット弁を、これも圧縮ストローク中の極めて後期に、または膨張ストローク中の極めて早期に開口させることができるということである。これは重要な可能性であり、圧縮作用によって車両を制動して、通常の制動システムへの負荷を軽減し、かつ／または制動エネルギーを蓄積するように、これをうまく利用するべきである。一例として、大型トラックは、通常の制動システムに対する補足として燃焼排ガスの制動を有している場合が多い。しかし、この方法は、容量および制御可能性について欠点を有している。ここで提案している方法（弁開口器）は、一方において、実際的な可能性を考慮して、シリンダ圧力を、圧力がこの最高にあるときに漏れさせることができることから、また、エンジンの弁が自由に作動可能であるという前提で２ストロークの作動を適用することができるということから、最大の制動効果をもたらす。また他方において、この制動効果は、圧縮中または膨張中のどのような時点でも、主に制動の必要度に応じて、シリンダのガスを排出するように開口することが可能であるということによって、制御可能性が極めて高くなる。これらの新たな可能性は、車両の原動機制動に、圧縮エネルギーが圧縮空気としてタンクに蓄積されて、例えば後で加速が必要になった際に使用されるということが含まれる空気圧式ハイブリッドにとっても大きな価値がある。後者の場合には、即ち加速中には、通常は加圧空気である圧力流体の流れをアクチュエータ室と上記タンクとの間の流路で制御するパイロット弁によって、起動が実行される。
【００１５】
したがって、好ましい実施形態は、弁は、パイロット弁の制御によって、継続的な圧縮ストローク中または継続的な膨張ストローク中に、開口され、続いて閉鎖されて、燃焼室内に存在するガスを排出すること、またこれが行われるクランク角度の範囲が、要求されている原動機制動効果に依存していることを特徴としている。要求される原動機制動効果は、例えば制御コンピュータからの指令に関係し、またはアクセル・ペダルなどの運転者によって制御される制御要素が、作動中および原動機制動中にどれだけ開放されるかに関係している。通常の膨張ストロークの前または開始時に、弁が一時的に開口し、閉鎖することよって、燃焼室には通常よりも低い圧力が生成される。これに続くピストンの下死点に向かった運動の間、燃焼室内で負の圧力が相応して生成されるが、これは、燃焼室の容積が流体の供給なく増大したことによる。ピストンは、生成された負の圧力の力に対抗して働き、制動効果がこの結果である。尚、本発明のこの態様は一般的な種類のものであり、これらの弁が、燃焼室以外の任意の圧力流体源からの圧力流体で直接的に動力供給される場合、または電磁石によって動力供給される場合にも、自由作動可能な弁に適用することができる。
【００１６】
求められている制動効果が大きいほど、弁は、ピストンの上死点により接近して開口されることになる。したがって、最大の制動効果を達成しようとする場合は、圧縮ストロークの終わりの間に、または膨張ストロークの初期段階中にも、弁を開口させ、続いて閉鎖するべきである。ディーゼル・エンジンなどの高い圧縮率では、大きな制動効果が加えられると、ピストンとポペット弁との間に接触が生じるというリスクがある。したがって、このような場合には、膨張ストローク中に、ピストンが移動する方向と同じ方向に弁が開口されるときに装置を起動し、これによって、可能性を最適な形で利用することができ、同時に、ピストン接触が起こったとしてもあまり高リスクでないようにする。現代の２ストローク・エンジンと、エンジンの入口および／または出口の弁用のカム・シャフトを備えた４ストローク・エンジンとを使用する際に、この場合は２ストロークの作動ではないが、ここで提案している装置を、燃焼排ガスの制動として、または空気圧ハイブリッドとして使用することができる。ディーゼル・エンジンで一般的に行われていることであるが、エンジンがピストン内にピットを有することによって、圧縮空気の大部分が、圧縮ストロークの終わりに上記ピット内に集められることになる。ピットの傍のピストンの表面であって、シリンダ・ヘッド内でエンジン弁が上に位置付けられている表面は、表面の、エンジン弁に対する最も近い位置にあるときに、シリンダ・ヘッド内でエンジン弁から１０分の数ミリメートルしか離れていない。圧縮ストロークの終わりと膨張ストロークの最初でピストンがシリンダ・ヘッドに極めて接近することによって、空気の排出を起動するとピストンと接触するものの、それはなんら有害な接触ではないという場合、これが最適かつ好ましい方法となる。
【００１７】
さらなる実施形態は、上記出口弁の開口および閉鎖の後に入口弁が開口され、続いて閉鎖されること、またこの措置が膨張ストロークの終わりの間に、または圧縮ストロークの初期段階で実行されることを特徴とする。これによって、膨張ストロークの終わりの間の開口と、後続の圧縮ストロークの始まりの間の閉鎖とを含む解決方法が含まれている。これによって、流体、好ましくは空気が、ピストンの下死点近くで燃焼室に供給され、これに続いてピストンが、これが再度上死点に向けて移動されるとき、圧縮作業を実行することになる。このようにして、さらなる制動効果が保証される。このように、原動機制動に関連して、ピストンの上死点近くで出口弁を一時的に開口させ、これに続いてピストンの下死点の領域の入口弁を一時的に開口させるという原理は、制動効果の向上をもたらす。本発明のこの態様は、一般的な種類のものであり、出口弁が燃焼室から加圧された圧力流体によって駆動されることが必要なわけではない。この原理は、出口弁が任意の他の圧力流体源によって直接的に駆動される場合、または電磁石によって直接的に駆動される場合にも適用することができる。
【００１８】
本発明のさらなる態様によると、燃焼室の圧力が、原動機制動に関連して、加圧流体容器内で圧力を構築する目的で使用され、弁は、上記圧力流体容器と燃焼室との間の連通を開通し、閉鎖するために使用される。これによって、例えば上述の原動機制動に関連して、燃焼室の圧力を利用し、このエネルギーを圧力容器内の加圧圧力流体として蓄積し、これに続いて、弁の開閉を適切に制御することによって、圧力流体容器から加圧流体を配送して、短時間の間、例えば原動機制動直後の加速中に、ピストンをこの加圧流体によって作動させることが可能になる。エンジンが２ストロークの原理に従って動作する実施形態では、次いで加圧流体が、好ましくはピストンの上死点位置に接近した弁によって燃焼室の中に放出され、またピストンが下死点近くに、さらに上死点の領域まで接近すると、排出される。膨張ストローク前および膨張ストローク間に、燃料を供給し、燃焼することができる。
【００１９】
本発明の目的は、最初に規定した装置であって、上記連通流路は燃焼室からアクチュエータ室まで延びること、また上記圧力流体は燃焼室の圧力によって加圧された流体を備えていることを特徴とする装置によっても達成される。
【００２０】
先に示した理由によって、この装置は、連通流路内の連通の開通／閉鎖を行うパイロット弁を備えていることが好ましい。
【００２１】
パイロット弁は、圧力流体源に連結されることによって、圧力流体源からの加圧流体によって駆動され、あるいは電磁石または圧電素子によって直接的に駆動されることが好ましい。
【００２２】
燃焼室内の圧力によって加圧された流体がアクチュエータ・ピストン上に作用する表面は、弁が燃焼室に向いた表面よりも大きい。実際には、これは、弁のこの種類の作動を可能にするための必須条件である。
【００２３】
本発明の方法を提示した際に先に述べたように、本発明の弁は、燃焼室内の過度の圧力が燃焼室に作用する方向と同じ方向に移動されることによって開口して連通が生じるように設けられていることが好ましい。
【００２４】
好ましい実施形態によると、この弁は出口弁である。
【００２５】
代替的方法として、上述の原理に従って、原動機制動に関して、この弁を設けて、燃焼室と、燃焼室内の圧力によって圧力が構築される圧力流体容器との間の連通を開通させ、閉鎖することができる。この弁は、この場合、動作の状況に応じて出口弁と入口弁とのいずれとしても作用することができる。
【００２６】
好ましい実施形態によると、この装置は、圧力流体容器とアクチュエータ室との間の連通を開通させ、閉鎖するパイロット弁を備えている。好ましくは、パイロット弁は、圧力流体容器内の過度の圧力が容器に作用する方向に移動されることによって、連通を抑制するように設けられている。これは、パイロット弁が故障した場合に、圧力流体が、制御なく圧力流体容器から燃焼室に配送されないことを保証するための安全上の問題である。
【００２７】
好ましい一実施形態によると、パイロット弁は弁のステムの内部に延在する。この場合、先に論じた連通流路はステムを通って延在し、ステムには好ましくは、アクチュエータ室の領域で、ステムの外側周囲に１つまたは複数の開口部が設けられ、上記圧力流体は、連通流路とアクチュエータ室との間の上記開口部を通過することが可能である。
【００２８】
ステムは、アクチュエータ・ピストンに連結されていることが好ましい。
【００２９】
本発明はまた、燃焼エンジンにおいて、シリンダと、シリンダ内に変位可能に配置されたピストンと、シリンダおよびピストンによって画定された燃焼室と、燃焼室に関連付けられた弁とを備えた燃焼エンジンであって、弁に連結された本発明による装置を備えていることを特徴とする、燃焼エンジンにも関する。
【００３０】
本発明のさらなる特徴および利点が、以下の詳細な説明および特許請求項で明らかになる。
【００３１】
次に本発明を、一実施例として、添付の図面を参照して記述する。
【詳細な説明】
【００３２】
全ての図は、本発明の燃焼エンジン１の一部を示している。燃焼エンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２に移動可能に配置されたピストン３と、シリンダ・ヘッド４とを備えている。弁５がシリンダ・ヘッド４に配置されている。弁５はポペット弁である。シリンダ２、ピストン３、およびシリンダ・ヘッド４は一緒に燃焼室６を画定している。弁５は燃焼室６の中に変位されることによって開口されるように配置されている。弁が閉鎖すると、弁は、自体が公知のやり方で、シリンダ・ヘッド４に設けられた着座にもたれる。当然のことながら、エンジン１は複数のシリンダを備えることができ、またこれらそれぞれを、自体が公知のやり方で、ここで述べている形に配置することができ、それぞれに、入口弁と出口弁、ならびに可能な別の燃料噴射ノズルをさらに設けることができる。弁５は、自由作動可能であり、空気圧によって作動されるタイプのものである。
【００３３】
本発明による装置は、弁アクチュエータまたは弁開口器７を備えており、これは、アクチュエータ室８とアクチュエータ室内で前後に変位されるように配置されたアクチュエータ・ピストン９とを備えている。アクチュエータ・ピストン９は、弁５に配置されたステム１０によって弁５に連結されている。アクチュエータ・ピストン９が弁５に間接的に連結され、または弁５を機械的に推進するように配置される他の実施形態も考えることができる。
【００３４】
燃焼室６から流路１１がアクチュエータ室８に通じている。図１〜図６による実施形態では、パイロット弁１２は、燃焼室６の圧力が、パイロット弁が開口する方向にパイロット弁に作用するようなやり方で流路１１に設けられている。ここで開示している実施形態では、パイロット弁１２はパイロット弁のアクチュエータ１３によって駆動され、制御される。パイロット弁のアクチュエータ１３は、圧力流体回路、電磁石、または圧電素子（図示せず）などの手段を備えることができる。パイロット弁１２を、図１のように、燃焼室６の圧力に対抗した燃焼室６の中へのまたはこれに向かう変位によって、あるいは図２などで示しているように、燃焼室６からの圧力による燃焼室６から離れる変位によって、開口させることができる。パイロット弁１２が開口して流路１１の連通が生じると、燃焼室６に存在する圧力が、アクチュエータ室８にも生成される。上記圧力と、この圧力が作用するアクチュエータ・ピストン９の表面の寸法とに比例する力が、弁５を開口方向に押圧する。弁５の開口を可能にするためには、アクチュエータ・ピストン９のこの表面積は、燃焼室に向かっている弁５の表面積よりも大きくなければならない。
【００３５】
高圧ガスを燃焼室６からアクチュエータ室８に導くために、弁開口器７が、パイロット弁１２の開口によって起動される。弁を閉鎖された状態にしておくこと、または弁をシリンダの高圧力に対抗して開口させることは、エネルギーを必要とする。パイロット弁１２は、燃焼室６に向かっているパイロット弁の表面積が比較的小さいことから、小さな量のエネルギーしか必要としない。図２、４、および５による実施形態では、パイロット弁１２は、安全上の理由から燃焼室６から離れた方向に開口し、弁開口器７の起動が、パイロット弁１２のアクチュエータ１３への信号を抑制することによって達成され、これによってパイロット弁１２が開口してアクチュエータ室との連結が生じる。
【００３６】
シリンダ・ヘッド４内にポペット弁５が設けられた燃焼室１に、より大きな負荷が掛けられているほど、出口弁５が開口されようとするときのシリンダ圧力は大きくなり、出口弁５を開口させるために、より大きなエネルギーが必要になる。この事実は、弁を開口させるために使用される方法とは無関係である。しかし本発明は、燃焼室に存在する加圧流体のエネルギーを使用することを可能にしており、これによって、シリンダ圧力の上昇にもかかわらず、弁の開口が保証される。
【００３７】
次に、図面に示している幾分異なった実施形態のそれぞれについて簡単に説明する。図面では、本発明とは具体的に関係ない詳細、例えばさらなる入口弁または出口弁あるいは燃料噴射などを示していない。
【００３８】
図１は、往復ピストン３および燃焼室６を備えたシリンダ２を示している。さらに、弁５の燃焼室６に向かう、またこの中への変位の際に上記燃焼室６と流体連通される燃焼排ガス流路１４が存在する。この弁５が有している燃焼室６に向けられた表面は、アクチュエータ室８に向けられたアクチュエータ・ピストン９の表面積よりも小さい。パイロット弁のアクチュエータ１３の起動によって、パイロット弁１２が燃焼室６の中に変位され、これによって流路１１が燃焼室６とアクチュエータ室８との連結を形成する。これによって、加圧シリンダのガスがアクチュエータ室８の中に、または少なくともこれに向かう方向に流れ、燃焼室６内の圧力に対応する圧力をアクチュエータ室８内に生成する。シリンダ・ガスの圧力は、直接アクチュエータ室８に向かって、アクチュエータ・ピストン９のアクチュエータ表面上に作用し、この結果、弁５が燃焼室６に向かってこの中へと変位されて、燃焼室６と燃焼排ガス流路１４との間に連結が作り出される。これによって、シリンダ・ガスは燃焼排ガス流路１４の中に流れ出し、燃焼室６内の圧力は低下し、その結果、弁５の閉鎖方向に力を掛けるバネの作用によって、弁５は、燃焼排ガス流路１４と燃焼室６との接続を閉鎖する。パイロット弁１２の開閉は、空気圧、油圧、電磁石、または他のタイプのパイロット弁のアクチュエータ１３によって制御される。弁５の開口直後に、パイロット弁のアクチュエータ１３を起動させて、パイロット弁１２に燃焼室６とアクチュエータ室８との連結を閉鎖させることによって、弁５を、要求される時間の間、開口位置に保つことができ、これによってシリンダの加圧ガスがアクチュエータ室８で維持される。この後この連結は再開口され、これによって、弁５が閉鎖されようとするとき、シリンダの加圧ガスが燃焼室６に流れて戻る。上記事例では、以下に述べる油圧ロックを用いる必要がない。代替的方法として、弁５を、油圧ロック部１６によって所望時間の間、開口位置に保つことができる。パイロット弁１２が開口されると、油圧ロック部１６内の開口１７は閉鎖され、同時に弁シャフト１０が移動するにつれて、油圧オイルが逆止弁１８を通って弁シャフト１０に追随する。弁５がこの最も端の位置に到達し、バネ１５の作用によって戻ろうとするとき、逆止弁１８がロックし、油圧ロック部１６内に存在する液体が、液体がシャフト１０とともに位置している流路から出るのを防止する。このロック位置は、パイロット弁１２がこの開始位置に戻ると開放される。
【００３９】
図２は、燃焼室６に向かって閉鎖するパイロット弁１２を示している。この事例では、パイロット弁１２の起動のための空気圧パイロット弁のアクチュエータ１３も示してある。図１に関して述べたもののようなロック機能がないことがここでは明らかである（しかしこのような機能を相応するやり方で配置することも可能である）。アクチュエータ１３を起動すると、パイロット弁１２が燃焼室６からの方向に変位し、これによって上記パイロット弁が開口して流路１１の連通が生じる。このようになるには、パイロット弁のアクチュエータ１３が、そのタイプにかかわらず、起動されると、燃焼室６に対するパイロット弁１２の閉鎖力が停止するような機能を有していることが必要である。パイロット弁１２は、図１のように、燃焼室６の方向に向かい、その中へと開口するが、パイロット弁のアクチュエータ１３が信号を受け取らないという事実によって、またシリンダの圧力が高すぎるという事実によって、パイロット弁のアクチュエータ１３がパイロット弁１２を開口させることができない場合、シリンダの圧縮ガスがエンジンを大きく損傷させる場合がある。
【００４０】
全ての図面に共通する特色は、シリンダ・ガスが弁５を通して燃焼室から抜かれようとするとき、燃焼室６とアクチュエータ室８との連結ができることによって、弁５が起動されるということである。図２で破線によって示している流路１９は、燃焼室６からアクチュエータ室８への、シリンダの材料内の流路１１の代替的な、大幅に長い延長部を示している。この長い延長部は、流路内の容積を拡大して、主に弁５が開口するたびに同じ量のガスがアクチュエータ室８の中に入り、ここから出るようにする一つのやり方であり、これは、アクチュエータ室の燃焼廃棄ガスからの汚染粒子の存在を軽減するために重要なものである。したがって、この事例では、流路１９の容積は、アクチュエータ・ピストン９の両端位置同士の間の変位中にアクチュエータ室８で起こる容積の変化分よりも大きい。
【００４１】
図３は、空気圧式複合型のエンジンのシリンダ２を示している。原動機制動の間、圧縮空気が、流路１４に連結された、図に示していない圧力流体容器またはタンク内に保管される。原動機制動の間、タンクおよび流路１４内の圧力はエンジンの圧縮率に依存する最高値まで上昇する。弁５はピストン２０を有しているが、これは、原動機制動中に流路１４で圧力が上昇する際に、弁５が誤って自動的に開口し、または閉鎖した状態にならないことを防止するように、燃焼室６から上向きにアクチュエータ室８に向かって作用する力を生成する目的による。ピストン２０は、流路１４内の圧力が上記ピストン２０を弁５が閉鎖する方向、即ちアクチュエータ室８に向かった方向に押圧するように位置決めされている。シリンダ内に設けられたピストン３には（この実施例では）ピストン・ピット２１が設けられている。ここではピストン３を、ピストン３の上死点位置で、ピストン３の表面、即ちピストン・ピット２１の傍の区域が弁５から数ミリメートル分だけ離れている状態で示している。パイロット弁のアクチュエータ１３がパイロット弁１２を起動すると、パイロット弁１２は開口して流路１１のアクチュエータ８への流体連通が生じ、これと同時にアクチュエータ室からのさらなる出口流路２２がパイロット弁１２によって、またはより精確にはパイロット弁１２の一部２３によって閉鎖される。有利に、出口流路２２は周囲環境へと（例えば燃焼排ガス管の中に）延在することができる。これによって、アクチュエータ室８は加圧され、弁５はこれがピストン３との接触を得るまで、またはほぼ得るまで変位され、空気が、燃焼室６から流路１４を通って圧力流体容器へと流れ始める。膨張ストローク中のピストン３の最初の下向きの運動の間、弁５はピストン３に追随し、さらに開口される。この連結、つまり流路１４を閉鎖するために、燃焼室６と圧力流体容器との間で、パイロット弁１２が、パイロット弁のアクチュエータ１３の非活動化によって燃焼室６の閉鎖部にもたらされ、同時に高圧空気がさらなる流路２２を通してアクチュエータ室８から外に出され、バネ１５、作用によって、図３に示しているように、弁５が弁の開始位置に戻る。
【００４２】
図３と同様に、図４は空気圧式複合型エンジンのシリンダ２を示しているが、ピストン３がこの端部に、シリンダ・ヘッドに向けられたピットを有していないという点で図３とは異なる。ここで、エンジンを推進するために、原動機制動中にタンクまたは圧力流体容器内に保管されていた圧縮空気が、次にどのようにして流路１４を通して燃焼室６に導かれるのかについて説明する。この実施形態は、先の実施形態で既に述べた第１パイロット弁とは別に、関連付けられたパイロット弁のアクチュエータ２５を備えた第２パイロット弁２４と、圧力流体容器から、または圧力流体容器に通じる流路１４からアクチュエータ室８に通じるさらなる流路２６とを備えている。さらなる流路２６の分岐部２７は、周囲環境（例えば燃焼排ガス管への）への圧力流体のための出口流路を形成している。第２のパイロット弁２４は開口し、第２流路２６ならびにこの分岐部２７内の連通を抑制し、これによって分岐部２７を閉鎖するときに流路２６を開口させ、またこの逆を行う。圧力流体容器に圧力流体が充填され、圧力流体が燃焼室６に供給されようとするとき、以下のステップが実行される。即ち、ピストン３の上死点に関連して、動力のストロークの前または開始時に、第２パイロット弁のアクチュエータ２５が起動され、これによって、第２パイロット弁２４が着座２８の領域内で流路２６を開通させ、分岐部２７を分岐部内に設けられた着座２９の領域で閉鎖する。これによって、高圧空気がアクチュエータ室８の中に流れ込み、流路１４と燃焼室６との間に接続が生じるように弁５を強制的に開口させる。これによって、高圧空気が、図で示していない圧力流体容器から流路１４を通って燃焼室６に流れ、ここで圧力が上昇し、ピストン３が上記動力ストローク中にこの下死点位置に向けて移動されるように、ピストン３に作用する。高圧空気の燃焼室６への供給が中断されようとするとき、第２パイロット弁のアクチュエータ２５が非活動化され、これによって、第２パイロット弁のアクチュエータ２５に関連付けられたパイロット弁２４がさらなる流路２６の閉鎖をもたらし、流路２６の分岐部２７を開口させる。この結果、アクチュエータ室８内の高圧空気が分岐部２７を通って流れ出し、バネ１５および弁５に連結されたピストン２０の下方側部に作用する圧力が、強制的に弁５に燃焼室６と流路１４との間の圧力流体連通の抑制をさせる。流路１４内の圧力に対抗した開口運動は、第２パイロット弁のアクチュエータ２５への信号はないが第１弁アクチュエータ１３へのこのような信号がある場合には、最高の安全度を提供する。
【００４３】
図５および６は、アクチュエータ・ピストン９とバネ１５とが完全または部分的にパイロット弁のアクチュエータ１３内に組み込まれ、または含まれている弁５を示している。パイロット弁１２は、（従属）弁５のシャフト内に延在する。また、燃焼室６をアクチュエータ室８に接続している流路１１が、弁５のシャフト１０内に延在し、燃焼室６に向けて向きを変えられた弁５の表面内と、弁シャフトの周囲内の開口部を通って、アクチュエータ室８に向けられた弁シャフト１０の表面内とで終端している。流路１１が開口されて、パイロット弁１２によって燃焼室６とアクチュエータ室８との間の流体連通が起こるにつれて、弁５は燃焼室６の中に変位される。図５による実施形態では、これはパイロット弁のアクチュエータ１３の非活動化によって達成され、図６による実施形態では、これはパイロット弁のアクチュエータ１３の起動によって達成される。この違いは、図５のパイロット弁１２が、燃焼室６内の圧力によりパイロット弁が開口される方向に作用を受け、図６のパイロット弁１２が、燃焼室６内の圧力によりパイロット弁が閉鎖する方向に作用を受けるという事実による。図５および６の実施形態で示しているパイロット弁のアクチュエータ１３は圧力流体アクチュエータ、例えば空気圧アクチュエータである。したがって、パイロット弁のアクチュエータ１３は、室３１内に移動可能に配置された、上記室３１内に設けられたバネ３２によって反作用を受けるピストン３０を備えている。パイロット弁１２は、言い換えると空気圧によって作動されているが、パイロット弁１２を作動させる、他の方法、例えば電磁石または圧電素子も可能であることを認識されたい。さらに、当然のことながら、パイロット弁のアクチュエータのタイプが限定されていない他の実施形態についてもこのことが当てはまる。
【００４４】
図５および６の実施形態の長所は、このコンパクトな、空間を必要としない設計である。
【００４５】
最後に図７は、本発明による装置の簡略化された実施形態を示している。この実施形態ではパイロット弁がなく、流路１１は、シリンダ・ヘッド４ではなくシリンダ壁内で燃焼室６の中に開口しており、上記流路は、シリンダ２内で往復するピストン３の位置に基づいて開閉されるポートを画定している。
【００４６】
ピストン３がこの下死点位置に接近して、流路１１がシリンダ壁内で開口している位置を通過すると、流路１１は開通されて、燃焼室６とアクチュエータ室８との間の圧力流体連通が生じ、これによって、シリンダ圧力が充分に高いという前提のもと、弁５が開口して、シリンダ・ガスが上記弁５に関連付けられた流路１４を通って流出する。
【００４７】
図７による実施形態の欠点は、シリンダ２の壁内の流路１１の開口部に対する上記通過の際に、ピストンからの油が擦り取られ、流路１１の中に導入され、燃焼プロセスによってここに付着されるということである。この欠点は、先の実施形態で述べたように、シリンダ・ヘッド内のパイロット弁によって解消される。さらに、このパイロット弁の解決法では、他の解決法によって実現される、弁５の柔軟な制御を有するという可能性は生じない。
【００４８】
当然のことながら、上記説明は一例として行ったものであり、本発明の複数の代替的実施形態が当業者に明らかとなろう。したがって、本発明は根本的に、この説明および添付図面によって支持された、添付の特許請求項の特色によって画定されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】。ここで概略を表している、本発明による燃焼エンジンの部分的に切り取られた部分に適用された、本発明による装置の概略図である
【図２】第２実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図３】第３実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図４】第４実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図５】第５実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図６】第６実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図７】第７実施形態の、図１の概略図に対応する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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