(57)【要約】  本発明は、吸気弁（５）及び排気弁（７）両方のカムプロファイルを調整するためのカムアジャスタ（２３）を備える、火花点火式の４行程の運転モードと２行程のエンジンブレーキモードとでの交互動作用内燃機関に関する。運転モードからエンジンブレーキモードへの移行において、カムアジャスタ装置（２３）が排気弁（７）を作動させて、膨張行程及び圧縮行程両方における全エンジンブレーキモード中、前記弁を永久的に開放位置にあるようにする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給気交換弁（５、７）を制御することによって、燃焼空気が、シリンダ（１）に供給され、そのシリンダ（１）において圧縮され、その後排気系統（１６）に排出される、火花点火式の４行程の運転モードと２行程のエンジンブレーキモードとでの交互動作用内燃機関であって、
前記シリンダ（１）の膨張行程では、吸気弁（５）が、下死点（ＵＴ）に到達する前に開き、前記下死点（ＵＴ）を通過後に再び閉じ、かつ前記排気系統（１６）に開口する排気弁（７）が開放位置に移動され、
前記吸気弁（５）及び前記排気弁（７）両方のストローク曲線（ＥＶ、ＡＶ）を調整するためにストローク曲線調整装置（２３）が設けられ、前記ストローク曲線調整装置（２３）が、前記火花点火式の運転モードから前記エンジンブレーキモードへの移行において前記排気弁（７）に作用して、前記排気弁（７）が、前記膨張行程及び前記圧縮行程の両方における全エンジンブレーキモード中、連続的に開放位置にあるようにすることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記４行程の運転モードと前記２行程のエンジンブレーキモードとの間の切換えにおいて、前記ストローク曲線調整装置（２３）によって、前記吸気弁（５）及び前記排気弁（７）の前記ストローク曲線（ＥＶ、ＡＶ）の連続的な移行が可能となることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ストローク曲線調整装置が、前記吸気弁（５）及び排気弁（７）に作用する調整可能なカムシャフト（２３）を含み、前記カムシャフト（２３）には、前記４行程の運転モード及び前記２行程のエンジンブレーキモードに対してカム曲線の異なる前記吸気弁（５）及び前記排気弁（７）のためのカム（２４、２５）が配置されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記カムシャフト（２３）が軸方向に調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ストローク曲線調整装置（２３）の共通の作動運動によって、前記４行程の運転モードと前記２行程のエンジンブレーキモードとの間の前記吸気弁（５）及び前記排気弁（７）両方の前記ストローク曲線（ＥＶ、ＡＶ）が調整可能となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記エンジンブレーキモードでは、前記排気弁（７）が、前記ストローク曲線調整装置（２３）によって一定の開放位置に保持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記ストローク曲線調整装置（２３）が、前記吸気弁（５）及び排気弁（７）を前記一定の開放位置に維持する前記エンジンブレーキモードのためのカムシャフトとして、カムのないシリンダを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記ストローク曲線調整装置（２３）が、前記エンジンブレーキモードのために、前記吸気弁（５）及び排気弁（７）のストロークを連続的に調整するために軸方向に移動可能に構成されたカムシャフトとして、カムのない円錐体を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
排気ターボチャージャ（２）が、吸気セクション（２０）にコンプレッサ（１１）と、前記排気系統（１６）に排気タービン（１０）とを備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記排気タービン（１０）が、有効タービン入口断面積を可変設定するために可変タービンジオメトリ（１３）を備え、前記エンジンブレーキモードでは、前記可変タービンジオメトリ（１３）を、タービン入口断面積を低減する遮断位置に調整できることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記排気タービン（１０）を迂回しかつ調整可能なバイパス弁（２７）を有するバイパス（２６）が前記排気系統（１６）に配置され、前記エンジンブレーキモードにおいて必要なエンジンブレーキ力を、前記バイパス弁（２７）を設定することによって調整可能なことを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記可変タービンジオメトリ（１３）が制動カスケードとして供され、かつ前記タービンの吸気ダクトに挿入され得ることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記排気ターボチャージャ（２）を寸法決定して、前記排気ターボチャージャの、最大制動力における前記エンジンブレーキモードを指すターボ−ブレーキング因子（ＴＢＦ）が、関係式
ＴＢＦ＝ＡＴ，ｈ＊ＤＴ／ＶＨ
（各パラメータ、
ＡＴ，ｈ  最大制動力における前記排気タービン（１０）への前記排気ガス経路における自由流れ断面積、
ＤＴ  前記排気タービンにおけるタービン入口直径、
ＶＨ  前記内燃機関の排気量）
により決定され、その値が０．００５未満、
ＴＢＦ＜０．００５
であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段による、火花点火式の４行程の運転モードと、２行程のエンジンブレーキモードとでの交互動作用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
２行程のエンジンブレーキ法が、特許文献１に記載されており、それによれば、エンジンブレーキモードでは、シリンダの膨張行程の間、下死点に到達する直前に吸気弁が開かれ、その後、吸気セクションを介して燃焼空気がシリンダに流入し、下死点を通過後に再び閉じられる。次の圧縮行程では、上死点に到達する直前に排気弁が開かれ、その後、圧縮燃焼空気が、シリンダから開いている排気弁を経由して排気系統に流れる。上死点を通過直後、排気弁は再び閉じられ、再び始めからサイクルが開始する。
【０００３】
特許文献１の内燃機関は、吸気セクションにコンプレッサ及び排気系統に排気タービンを含む排気ターボチャージャを備える。排気タービンは、有効タービン入口断面積を可変に設定できる可変タービンジオメトリを備える。タービンの自由通過領域を低減させる背圧位置では、シリンダの出口と排気タービンとの間のラインセクションにおいて排気ガスの背圧が増大し、その結果、シリンダ内のピストンは、排出作業を増大させて行う必要がある。その結果、エンジンブレーキ力をかなり増大できる。
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００４  ００６  ６８１  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、構造的に複雑でなく、高い制動力レベルを実現できる内燃機関を見出すことに基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、本発明による請求項１の特徴に従い達成される。従属請求項には有利な発展形態を開示する。
【０００７】
火花点火式モードでは４行程サイクル及びエンジンブレーキモードでは２行程サイクルで動作する新規の内燃機関では、ストローク曲線調整装置が設けられて、吸気弁及び排気弁両方のストローク曲線を調整する。有利な一実施形態では、共通の作動運動において、吸気弁及び排気弁両方のストローク曲線調整を調整して、４行程の運転モードと２行程のエンジンブレーキモードとの間を切換える。しかしながら、代替的な実施形態によれば、ストローク曲線調整装置に、吸気弁及び排気弁にそれぞれ作用する別個の作動ユニットを設けることも可能である。
【０００８】
さらに、ストローク曲線調整装置の使用に対応する作用によって、排気弁が、全エンジンブレーキモード中、すなわち膨張行程及び圧縮行程両方において連続的に開放位置にあるように、前記排気弁が影響を受けることに対する対策が提供される。２行程のエンジンブレーキモードでは、シリンダの膨張行程中、吸気弁を下死点に到達する前に開き、その結果、吸入行程からの燃焼空気がシリンダの燃焼室に流れ込むことができる。下死点を通過後、吸気弁を閉じて、上死点の方向へのその後のピストンのストローク運動において、燃焼室の内容物を圧縮する。圧縮が増大すると、連続的に開いている排気弁を経由して燃焼空気が燃焼室から排気系統へ排出される。このようにして作動にかかる費用はかなり削減される。非常に高いシリンダ内部圧力に反して排気弁の作動運動を行う必要がないことが特に有利であり、その結果、従来技術の実施形態と比較して、かなりのエネルギー節約を達成できる。さらに、ストローク曲線調整装置の作動ユニットを対応して小さな寸法とすることができる。
【０００９】
内燃機関を、基本的に追加的なブレーキ弁なしで使用できる。排気はもっぱら開放した排気弁を経由して行い、排気弁は、２行程のエンジンブレーキモードではブレーキ弁の機能をさらに行う。排気弁の動きを最小にするので、火花点火式の運転モードからエンジンブレーキモードへの移行及びその反対において排気弁に作用するには小さな作動力で十分である。エンジンブレーキモード中、排気弁を動かすために、作動力は全く必要ないか又は小さな作動力のみ必要である。吸気弁の開放は、燃焼室に過圧のない行程において下死点直前に起こるので、非常に小さな作動力のみで吸気弁が動くことも可能である。
【００１０】
有利な第１の実施形態においては、排気弁のストローク曲線は、エンジンブレーキモードの実行中完全に一定のままであり、排気弁は、ストローク曲線を全く変化させることなく、一定の開放位置に保持される。この変形例では、エンジンブレーキモード中、排気弁のために作動力は全く必要ない。
【００１１】
有利な第２の変形例では、排気弁は、全エンジンブレーキモード中開放位置に保持されるが、ストローク曲線は、最小開放位置と最大開放位置との間で変動する。作動に伴う費用を最小限にするために、排気弁のストロークの変化は厳しい制限内にあることが有利である。この実施形態の利点は、吸気弁が開いている膨張行程中、燃焼室により多く給気することが可能であり、及び圧縮行程中、比較的高い内部圧力を燃焼室に確立できることである。
【００１２】
ストローク曲線調整装置によって、好都合に、４行程の運転モードから２行程のエンジンブレーキモードへの及びその反対の切換えの間の吸気弁及び排気弁のストローク曲線において連続的な移行を設定することが可能となる。一方では、着実な伝達がストローク曲線における急激な変化（ｊｕｍｐ）を回避し、他方では、ストローク曲線調整装置にける移行領域は、ストローク曲線に影響を及ぼす設定の別の可能性を構成する。
【００１３】
好都合な一実施形態によれば、ストローク曲線調整装置は、弁に作用する調整可能なカムシャフトを含み、いずれの場合も、各弁に、運転モード及びエンジンブレーキモードのカム曲線用のカムが設けられる。それゆえ、各弁のためのこれらのカムは、それぞれ被駆動動作モード及び制動モードに割り当てられる２つの部分を有する。それらの部分は、連続的な移行部分を有することが好都合である。さらに、吸気弁用カム及び排気弁用カムを共通のカムシャフトに配置して、カムシャフトに作用する一度の作動運動だけで、運転モードとエンジンブレーキモードとの間の移行を行うことが可能となることが有利であろう。カムシャフトの場合、この作動運動を純粋な軸方向運動として供してもよい。
【００１４】
代替的な実施形態によれば、吸気弁用カム及び排気弁用カムを、異なるカムシャフトに配置することもできる。この形態では、両カムが、被駆動動作モードとエンジンブレーキモードとの間の移行のためにカムシャフトを軸方向に調整する共通のアクチュエータ要素による作用を受けることが可能である。
【００１５】
カムシャフトによって弁のストローク曲線に影響を及ぼすことは、有利な機械的な実施形態を構成する。しかしながら、その代わりに、別のストローク曲線調整装置、例えば、液圧式又は電磁式の作動装置を使用することも可能である。
【００１６】
別の有利な実施形態によれば、内燃機関は、吸気セクションにコンプレッサ、及び排気系統に排気タービンを含む排気ターボチャージャを備える。排気タービンは、有効タービン入口断面積を可変設定するための可変タービンジオメトリを備えることができるか、又はタービン入口断面積において、最大開放の開放位置と、低減された遮断位置との間で調整される。エンジンブレーキ力を増大させるために、タービンジオメトリを遮断位置に動かし、その結果、シリンダの出口と排気タービンとの間の排気系統に、排気ガスにより増大したラム圧が生成され、そのラム圧は、シリンダへのピストンの排出作業を緩和する。可変タービンジオメトリの位置決めは、エンジンブレーキ力を調整するための、影響のある追加的な変数を構成する。
【００１７】
さらに、排気タービンを迂回し、調整可能なバイパス弁が組み込まれているバイパスを設けてもよい。バイパス弁が開いているとき、排気タービンを迂回することによって、排気ガスによるラム圧が低減される。バイパス弁の設定は、エンジンブレーキ力を調整するための別の自由度を構成し、さらに、これは排気タービンにおける過負荷防止を実施する。
【００１８】
別の利点及び有利な実施形態は他の請求項、図面の説明及び図面から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に概略的に示す内燃機関、例えば、ディーゼル機関又は火花点火機関のシリンダ１の１つを、拡大して示す。前記シリンダ１の燃焼室９は、吸気弁５を経由して吸気ダクト４に及び排気弁７を経由して排気マニホルド６に接続される。吸気ダクト４は、内燃機関の吸気セクション２０の構成要素であり、排気マニホルド６は、排気ライン１６に接続されている。吸気弁５が開いているときは、燃焼空気が吸気ダクト４を経由してシリンダ１の燃焼室に導かれ、排気弁７が開いているときは、燃焼室にある残留ガスが排気マニホルド６を経由して運ばれる。弁５及び７の制御は、カム２４及び２５が配置されるカムシャフト２３によって行われる。カム２４は吸気弁５に割り当てられ、カム２５は排気弁７に割り当てられる。カムの輪郭が、好適な伝動要素によって弁５、７に伝達され、弁のストローク曲線を決定する。カムシャフトの長手方向軸の周りを回転する間に、各カムの輪郭を検知し伝達する。
【００２０】
火花点火式の運転モード及びエンジンブレーキモードにおいて、吸気弁５及び排気弁７に対して異なるストローク曲線を実施し得るためには、カム２４及び２５のそれぞれを２部品構成にし、火花点火式の運転モードの各カム２４及び２５の１つのカム部分、及び各カムの隣接するカム部分がエンジンブレーキモードに割り当てられる。両カム部分を軸方向に互いに直接隣接して配置し、定常な移行部分にわたって互いに接続する。隣接する両カム部分の切換えを、アクチュエータ２２によってもたらされるカムシャフト２３を軸方向に調整することによって行う。
【００２１】
内燃機関２は、排気ライン１６に排気タービン３、及び吸気セクション２０にコンプレッサ１１を含む排気ターボチャージャ２も備える。排気タービン１０のタービンホイールとコンプレッサ１１のコンプレッサホイールがシャフト１２によって回転するように固定式に結合される。内燃機関の作動中は、周囲からの燃焼空気がコンプレッサ入口１９を経由してコンプレッサ１１に移動し、前記燃焼空気はコンプレッサホイールによって圧縮されて、圧力が上昇する。この圧縮空気はコンプレッサ出口２１を経由してコンプレッサ１１を出て、吸気セクションライン２０を経由して、おそらくは給気冷却器を貫流後に吸気ダクト４に供給される。排気側では、燃焼室９から排出されたガスが、排気ライン１６及びタービン入口１７を経由して、タービンホイールが駆動される排気タービン１０まで流れる。圧縮が解けたガスが、タービン出口１８を経由してタービンから運ばれる。
【００２２】
排気タービン１０は、可変タービンジオメトリ１３を備え、それにより、最小の遮断位置と最大開放位置との間でタービンホイールに対して有効タービン入口断面積を調整できる。可変タービンジオメトリを、有利には、タービンの吸気ダクトに挿入できる制動カスケードとして供する。その代わりに、調整可能なガイドブレードを備えるガイドブレードカスケードも可能である。別の可能な構造的な実施形態は、タービンホイールに衝突する２つの流れ用の、比較的小さい排気ガス流、及び比較的大きい排気ガス流を有する非対称的なタービンである。各排気ガス流のガスの供給は別で制御可能であり、タービンホイールへの、２つの排気ガス流のうちの少なくとも１つのタービン入口断面積は、可変タービンジオメトリによって調整可能である。
【００２３】
使用される内燃機関にタービンの大きさを最適に適合するために、及び比較的低い熱応力で高いエンジンブレーキ力値を可能とするために、ターボ−ブレーキング因子ＴＢＦを規定して、排気ターボチャージャの寸法を決定する。前記ターボ−ブレーキング因子ＴＢＦを、以下の関係式
ＴＢＦ＝ＡＴ，ｈ＊ＤＴ／ＶＨ
（最大制動力におけるタービンへの排気経路の自由流れ断面積ＡＴ，ｈ、タービンホイールの入口直径ＤＴ及び内燃機関の排気量ＶＨ）によって決定する。小さな排気ターボチャージャ、例えば、乗用車の排気ターボチャージャの場合、ターボ−ブレーキング因子ＴＢＦは０．００２（２０／００）未満の値を有し、この値は、必要に応じて、０．５０／００を下回ることもある。比較的大きなエンジンの場合、特に重量物運搬車の場合、ターボ−ブレーキング因子は、０．００７５（７．５０／００）未満の大きさの範囲、好ましくは０．００５（５０／００）未満の範囲であってもよい。
【００２４】
排気タービン１０を、排気タービン１０の上流の排気ライン１６から分岐して排気タービンの下流で排気ラインに再び開口するバイパス２６によって迂回する。バイパス２６には調整可能なバイパス弁があり、バイパス弁は、遮断位置と開放位置との間をアクチュエータ１４によって無限に調整され得る。
【００２５】
内燃機関のアクチュエータ要素及びアクチュエータ、及び内燃機関に割り当てられた組立体を、種々の状態変数及び動作変数に応じて、閉ループ・開ループ制御ユニット１５の作動信号を使用して制御する。状態変数及び動作変数は、エンジンパラメータとして、とりわけ、エンジン回転数ｎ、吸気ダクト４の給気圧力ｐＬ及びタービン入口１７におけるタービン入口圧力ｐＥを含む。別の影響のある変数は、運転者によって生成されかつ機械的なホイールブレーキＰＢｒ，Ｒに供給される要求制動力ＰＢｒ、及び必要に応じて、ハンドブレーキＰＢｒ，Ｈである。速度ｖ、及び必要に応じて、危険状況を示すハザード信号ＧＳが、動作状態を表しかつ閉ループ・開ループ制御ユニット１５において処理される変数である。さらに、ブロックＳでは、給気交換弁の安全点検を行うことができ、欠陥がある場合には、誤り信号Ｆを表示する。
【００２６】
火花点火式の運転モードを４行程サイクルで行い、エンジンブレーキモードを２行程サイクルで行う。エンジンブレーキモードでは、吸気弁５は、シリンダ１の膨張行程において下死点に到達する前に開き、その後、吸気セクション２０から燃焼空気が吸気ダクト４を経由して燃焼室９に流れ込むことができる。下死点を通過後、吸気弁５は再び閉じ、燃焼空気をその直後の圧縮行程において圧縮して、開放位置にある排気弁７及び排気マニホルド６を経由して排気ライン１６に運ぶ。
【００２７】
図２による行程の図では、吸気弁５及び排気弁７のストローク曲線を、３６０°のクランク角範囲にわたって示す。吸気弁のストローク曲線をＥＶによって示し、排気弁のストローク曲線をＡＶによって示す。矢印の方向Ｄは、反転方向を描いて示している。行程の図は２行程のエンジンブレーキモードを示し、それによれば、吸気弁は、シリンダの膨張サイクル中の下死点ＵＴに到達する直前の入口開放時ＥＯＥに開く。この行程では低い燃焼室の圧力のために、反対圧力がなくても吸気弁は開くことができ、さらに、給気圧力より低い燃焼空気が圧力勾配のために燃焼室に流れ込む。下死点ＵＴを通過後、入口閉鎖時ＥＳに吸気弁は再び閉じる。タイミングＥＯＥ及びＥＳは、例えば、下死点ＵＴの前後それぞれ３０°のクランク角範囲にある。
【００２８】
上死点ＯＴと下死点ＵＴとの間のクランク角範囲は膨張サイクルを意味し、隣接する下死点ＵＴと上死点ＯＴとの間のクランク角範囲は圧縮サイクルを構成する。吸気弁が閉じた後、燃焼室のガスは圧縮サイクルにおいて圧縮される。全エンジンブレーキモード中、すなわち圧縮サイクル中及び膨張サイクル中、好都合にはストロークΔｈＡＶ＝一定の一定開放位置にある、開いた排気弁を経由した流出が起こる。全エンジンブレーキモード中、排気弁の位置は変化しないので、排気弁の調整のための作動に伴う支出も必要がない。排気弁が、上死点ＯＴに到達直前の燃焼室の高い内部圧力に反して開く必要がある実施形態と比較して、これは、単純化し、エネルギーを節約する。膨張サイクル及び圧縮サイクル中の開いた排気弁によって生じる圧力損失を、排気弁のストロークが小さいことによって許容限界内に保つことができる。
【００２９】
図３による図では、弁上昇曲線Δｈをクランク角ＣＡに応じて示す。吸気弁の上昇曲線ＥＶ及び排気弁の上昇曲線ＡＶを示し、４行程サイクルの火花点火式の運転モード（破線）、及び２行程のエンジンブレーキモード（吸気弁ＥＶは実線、及び排気弁ＡＶは実線で境界されたストローク帯域（ｓｔｒｏｋｅ  ｂａｎｄ））をそれぞれ示す。
【００３０】
４行程の運転モードでは、排気弁が下死点ＵＴの直前に開き、ここで、開放位置は、ほぼ上死点に到達する時間まで維持される。吸気弁は、上死点の領域において排気弁と若干重なって開き、開放行程は下死点ＵＴ後まで続く。
【００３１】
図３に実線で示す２行程のエンジンブレーキモードでは、上昇曲線ＡＶによれば排気弁は連続的に開放状態にある。排気弁の上昇曲線ＡＶの帯域を図３に示す。排気弁の開放位置は、ここで示す帯域幅内で好都合に変動する。全エンジンブレーキ方法の間、排気弁を一定で不変の値に保つこと又は低開放レベルにおいて変化する排気弁の上昇曲線を図示の帯域幅内で変動させることのいずれかが可能である。
【００３２】
図示のストローク曲線ＥＶによれば、吸気弁は下死点に到達する直前に開き、かつ下死点ＵＴを通過直後に再び閉じる。吸気弁のストローク曲線の最大開放ストロークは、火花点火式の運転モードの吸気弁の最大ストロークよりはるかに低い。同じことが、エンジンブレーキモードにおいて吸気弁よりも開放ストロークが低い排気弁にも当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】排気ターボチャージャを有する内燃機関の概略図であり、拡大図の内燃機関のシリンダの１つに吸気弁、排気弁、及び弁のストローク曲線に影響を及ぼすカムシャフトが割り当てられている。
【図２】排気弁のストローク曲線のプロファイルの概略図を含む、２行程のエンジンブレーキ方法実行中の吸気弁の入口開放時及び入口閉鎖時の行程の図である。
【図３】クランク角に応じた吸気弁及び排気弁のストローク曲線を含む図であり、それぞれ、火花点火式の運転モード（破線）及び２行程のエンジンブレーキモード（実線）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009526160.tif 000005
【国際調査報告】
2009526160.tif 000006
2009526160.tif 000007
2009526160.tif 000008
2009526160.tif 000009
2009526160.tif 000010
2009526160.tif 000011