(57)【要約】  本発明は少なくとも１つの吸気弁（１１）を有する内燃機関（１）、特にオットーエンジンの作動方法に関し、内燃機関（１）に供給された給気流が排気ガスターボチャージャー（２）によって圧縮され、部分負荷運転において前記内燃機関（１）の前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が、非常に早い第一の時点（ｔ１）又は非常に遅い第二の時点（ｔ２）で閉鎖され、前記部分負荷運転から全負荷運転への移行において、前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が、早い第三の時点（ｔ3）又は遅い第四の時点（ｔ4）で所定の時間だけ閉鎖され、前記第三の時点（ｔ3）は前記第一の時点（ｔ1）の後に、前記第四の時点（ｔ4）は前記第二の時点（ｔ2）の前にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの吸気弁（１１）を有する内燃機関（１）、特にオットーエンジンの作動方法であって、
前記内燃機関（１）に供給された給気流が排気ガスターボチャージャー（２）によって圧縮され、
部分負荷運転において前記内燃機関（１）の前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が非常に早い第一の時点（ｔ1）又は非常に遅い第二の時点（ｔ2）で閉鎖され、
前記部分負荷運転から全負荷運転への移行において、前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が、早い第三の時点（ｔ3）又は遅い第四の時点（ｔ4）で所定の時間だけ閉鎖され、前記第三の時点（ｔ3）は前記第一の時点（ｔ1）の後に、前記第四の時点（ｔ4）は前記第二の時点（ｔ2）の前にある、方法。
【請求項２】
前記内燃機関（１）のピストンが、前記内燃機関（１）の吸気行程に対応する前記ピストンの下死点（ＵＴ）に対してほぼ−４０°から−１００°又はほぼ＋４０°から１００°のいずれかの相対クランク角度（α1又はα2）を有するとき、前記内燃機関（１）の前記部分負荷運転において前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が閉鎖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】
前記内燃機関（１）のピストンが、前記内燃機関（１）の吸気行程に対応する前記ピストンの下死点（ＵＴ）に対してほぼ−７０°又はほぼ＋７０°のいずれかの相対クランク角度（α1又はα2）を有するとき、前記内燃機関（１）の前記部分負荷運転において前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が閉鎖され、
前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が前記内燃機関（１）の前記部分負荷運転から前記全負荷運転への前記移行において、前記所定の時間だけほぼ−６７°又は＋６７°の相対クランク角度（α3又はα4）のもとで閉鎖されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記所定の時間が少なくとも０．２ミリ秒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記所定の時間において排気ガス再循環率の減少が起こ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方法。
【請求項６】
前記内燃機関（１）の下流に設置された排気ガスターボチャージャー（２）のウェイストゲート装置（１８）のウェイストゲート開放が、少なくとも前記移行の前記所定の時間だけ閉鎖されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記所定の期間の間、前記内燃機関（１）の点火装置（１７）の点火時期が所定の遅延期間又は前記ピストンの所定の相対クランク角度だけ遅延させられることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の相対クランク角度が、前記内燃機関（１）の点火行程に対応する前記ピストンの上死点（ＯＴ）に対してほぼ＋５°から＋２３°であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法の実行のために形成され、
部分負荷運転において前記内燃機関（１）の前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が非常に早い第一の時点（ｔ1）又は非常に遅い第二の時点（ｔ2）で閉鎖し、
前記部分負荷運転から全負荷運転への移行において、前記内燃機関（１）の前記少なくとも１つの吸気弁（１１）が、早い第三の時点（ｔ3）又は遅い第四の時点（ｔ4）で所定の時間だけ閉鎖し、前記第三の時点（ｔ3）  が前記第一の時点（ｔ1）の後に、前記第四の時点（ｔ4）が前記第二の時点（ｔ2）の前にある、
ように形成された制御装置（１２）を有するチャージ部（２）を有する内燃機関（１）。
【請求項１０】
請求項８に記載の内燃機関（１）と、排気ガスターボチャージャー（２）が配置されている排気管（１４）とを有する自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの吸気弁を有する内燃機関、特にオットーエンジンの作動のための方法に関する。本発明はさらに、この方法で作動される内燃機関、及びこの種の内燃機関を有する自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近代的な実用車では、通常ディーゼルエンジンが内燃機関として使用される。構造上、このようなディーゼルエンジンにおいては高い圧縮比が可能となり、これによって比較的高い熱力学的効率、及び、その結果として、このようなディーゼルエンジンを使用する実用車の高い経済性が付随する。しかしながら、ディーゼルエンジンの燃焼室への燃料の噴射のためのディーゼルエンジンの噴射システムも、その他のディーゼルエンジンの構成要素も、比較的高額である。実用車におけるディーゼルエンジンの利用のさらなる不利な点は、ディーゼルエンジンから排出される汚染物質は、特に内燃機関の全負荷運転においては無視できず、高コストの排気の後処理が必要となる点である。これに対して、火花点火式のオットーエンジンはいわゆるリーン運転で作動することができる。さらに、燃焼の際に発生する、オットーエンジンとして構成された内燃機関の排気では、ディーゼルエンジンと比較して、殆どすすが出ない。これに対して、オットーエンジンの経済性は多数の熱力学的境界条件によって限定される。さらに、オットーエンジンの燃料のいわゆるノッキングに関して、幾何学的な圧縮比は所定の限界値を越えてはならず、この限界値はディーゼルエンジンの限界値を大幅に下回る。したがって、オットーエンジンの熱力学的効率はディーゼルエンジンの効率よりも小さくなる。
【０００３】
オットーエンジンの熱力学的な効率の改善のために、オットーエンジンはいわゆるミラーサイクル運転において「ミラーエンジン」として作動されてもよい。このようなミラーサイクル運転では従来のオットーエンジンは、オットーエンジンの通常運転に対して高い圧縮比で作動される。これによってもたらされるミラーエンジンのノッキングを減らすために、内燃機関のシリンダーの吸気弁は非常に早く又は非常に遅く、すなわち、特に内燃機関のピストンの下死点に対応する５４０°のクランク角度の明らかに前か後に閉じられる。これは、吸気弁を介した新鮮な燃焼用空気の燃焼室への吸入は早期に中断されるか、又は既に燃焼室へ吸入された空気量の一部が吸気弁の前に設置された吸気流路へ再び戻されることを意味する。どちらの場合も、それぞれのシリンダーは完全には満たされず、これによって、燃焼室における望ましくないノッキングの発生を回避するか、少なくとも低減することができる。
【０００４】
従来技術、例えば特許文献１より、従来のオットーエンジンをミラーエンジンとして排気再循環との組み合わせによって作動できることが公知である。さらにこの発展形に基づき、内燃機関は部分負荷運転でも全負荷運転でも作動でき、このため、適切な吸気及び排気弁の制御時間の設定によって、全負荷運転において高まった圧縮比を再び低下させることができる。さらに、この発展形に基づき内燃機関の下流に設置された排気ガスターボチャージャーによるチャージも可能である。しかし、内燃機関のピストン、及び排気弁の領域の排気ガスを伝導する部分も高い熱負荷を受けるため、このように作動されるオットーエンジンは全負荷運転に限定的に適している。この望ましくない高い熱負荷の減少のために、全負荷運転においては通常、燃料・空気混合気を濃くする処理がなされるが、これはしかしながら高燃費と、内燃機関の汚染物質の排出増加を引き起こし得る。
【０００５】
特許文献２は、経済性が向上したオットーエンジンの作動のための方法を開示している。この方法に基づき、オットーエンジンの少なくとも１つの吸気弁が非常に早く又は非常に遅く閉鎖される。このような少なくとも１つの吸気弁の非常に早い又は非常に遅い閉鎖によって、改善された熱力学的効率と温度レベルの低下がもたらされる。吸気弁の閉鎖時間によって低減されたシリンダーの充填は排気ガスターボチャージャーによる燃焼用空気流の圧縮によって、少なくともほぼ補償され、これによって十分に高いレベルの性能が得られる。温度低下のためのさらなる手段として、少なくとも全負荷において、燃焼用空気流に、排出された排気からの部分流が排気再循環として供給されてもよい。しかしながらこの方法の欠点は、いわゆる内燃機関の移行運転、即ち、内燃機関の低負荷から高負荷又は全負荷への負荷転換の間、負荷受容又は内燃機関の効率も比較的不十分であることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９ ５０ ６７７ Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０３２ ７１９ Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上記の欠点が排除されるか少なくとも低減された、内燃機関の作動方法を提示することである。本発明の課題はさらに、このような改善された方法の実施のための、これに対応する内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【０００９】
本発明は、内燃機関の部分負荷運転から全負荷運転への移行において、即ちいわゆる過渡運転において、吸気弁の閉鎖の時点を所定の時間だけ、即ち一時的に、内燃機関のピストンが下死点にある時点へと向かってシフトするという一般的な考えに基づく。これは、部分負荷運転から全負荷運転への移行の間、吸気弁の閉鎖の時点で、ピストンが実際の部分負荷運転又は全負荷運転の間よりも下死点位置に近いところにあることを意味する。このようにして部分負荷運転から全負荷運転への移行において、短時間だけ、増加された空気量が燃焼室へもたらされる。内燃機関の燃焼室を通過するこの種の短時間だけ増加された空気流量によって、排気ガスターボチャージャーのタービン出力も一時的に増加され、その結果内燃機関全体の一時的な性能向上がもたらされる。このため本発明に係る方法によって、部分負荷運転から全負荷運転への移行において要求される性能向上が、従来の上述した方法と比較して、特に速く効率的に得られる。これと同時に、内燃機関の燃料消費を部分負荷運転及び全負荷運転と同様に過渡運転においても、概して比較的低く保つことができる。
【００１０】
純粋な部分負荷運転又は全負荷運転において、内燃機関は本発明の方法に基づき、少なくとも１つの内燃機関の吸気弁が非常に早い第一の時点で閉鎖される従来のミラーサイクル運転において、又は少なくとも１つの内燃機関の吸気弁が非常に遅い第二の時点に閉鎖されるいわゆるアトキンソンサイクル運転において作動される。このため本発明に係る方法は、部分及び全負荷のもとでの、並びに部分負荷から全負荷への移行における過渡運転における修正された方法による従来の内燃機関のミラーサイクル運転又はアトキンソンサイクル運転に基づく。
【００１１】
有利な実施形態では、純粋な内燃機関全負荷又は／及び部分負荷運転において、内燃機関のピストンが内燃機関の吸気行程に対応する内燃機関のピストンの下死点に対してほぼ−７０°（「ミラーサイクル運転」）かほぼ＋７０°（「アトキンソンサイクル運転」）のいずれかの相対クランク角度であるとき、少なくとも１つの吸気弁が閉鎖される。全体のシステム設計に依存して、及び、利用可能ではあるが必要ではない、提示可能な多様で切替え可能なカム形状を有する可変の弁駆動の実行の設定に依存して、上記の７０°のクランク角度の値から＋−３０°のクランク角度の変動が生じる。
【００１２】
過渡運転、即ち部分負荷運転から全負荷運転への移行において、内燃機関の吸気弁は本発明に基づき所定の時間だけ、ほぼ例えば−６７°又は＋６７°の相対クランク角度で、即ち下死点の領域で閉鎖される。このようにして、低燃費と有害物質の低排出が同時になされた上で、過渡運転における内燃機関の特に速い性能向上を達成することができる。
【００１３】
発展形の実施形態においては、所定の時間は少なくとも０．２ミリ秒である。このようにして、内燃機関の下流に設置された排気ガスターボチャージャーの十分な性能向上が確実となる。
【００１４】
さらなる実施形態では、所定の時間において内燃機関の排気の排気ガス再循環率の減少が起こることが考えられる。ここで内燃機関の低圧又は／及び高圧排気ガス再循環装置はこれに応じた調節弁を備えてもよく、この調節弁は排気ガス再循環率の減少のために一時的に部分的に又は完全に閉鎖され、これによって、内燃機関の部分負荷運転及び全負荷運転に対して、過渡運転における排気ガス再循環流が一時的に減少される。
【００１５】
特に有利な実施形態では、内燃機関の下流に設置された排気ガスターボチャージャーのウェイストゲート装置のウェイストゲート開放が、少なくとも部分負荷運転から全負荷運転への移行の所定の時間だけ閉鎖されることが考えられる。ウェイストゲート開放の閉鎖によって排気ガスターボチャージャーのタービン出力は過渡運転の間最大化され、このため過渡運転において所望の性能向上を特に速く、効率的に達成することができる。ウェイストゲート開放の閉鎖に代えて、又は追加的に、排気ガスターボチャージャーにおいて場合によっては存在する排気ガスターボチャージャーのタービンの可変のタービン形状が、これに応じて調整されてもよい。
【００１６】
本発明に係る方法を実施する内燃機関のさらなる効率向上のために、有利な実施形態では所定の期間の間、内燃機関の点火装置の点火時期を所定の遅延期間又はピストンの所定の相対クランク角度だけ遅らせてもよい。この所定の相対クランク角度は、特に有利な実施形態において、内燃機関の点火行程に対応する内燃機関のピストンの上死点に対して、増加するＥＧＲ率とともに減少しながら、ほぼ＋５°から＋２３°である。
【００１７】
本発明はさらに、この方法の実施のために１つ又は複数の上述の特徴によって形成され、制御装置を有するチャージ部を備えた内燃機関に関し、この制御装置は部分負荷運転において少なくとも１つの内燃機関の吸気弁を非常に早い第一の時点又は非常に遅い第二の時点で閉鎖するように形成され、部分負荷運転から全負荷運転への移行、いわゆる過渡運転において、少なくとも１つの内燃機関の吸気弁が早い第三の時点又は遅い第四の時点で所定の時間だけ閉鎖し、第三の時点が第一の時点の後に、第四の時点が第二の時点の前にある。
【００１８】
本発明は、上述の本発明に係る内燃機関及び排気ガスターボチャージャーが配置された排気管を備えた自動車に関する。
【００１９】
本発明のさらなる重要な特徴と利点は従属請求項、図面、及びこれに対応する図面の説明によってもたらされる。
【００２０】
上述の、及び以下に説明する特徴はそれぞれ記載された組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせにおいて、又は独立して、本発明の範囲を逸脱することなく使用可能であるものとする。
【００２１】
本発明の有利な実施形態は図面に示すとともに以下の記述において詳細に説明され、この際同じ参照符号は、同じ又は類似の、又は機能的に類似の構成部分を指す。
【００２２】
以下、それぞれ概略図で示す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施形態を示す。
【図２】本発明に係る方法において重要なピストンのクランク角度の位置を明確にした図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１には、本発明に係る方法の実施のための内燃機関を概略的に示し、これに符号１を付す。内燃機関１はチャージ部２を含む。チャージ部２はこの実施形態では図１に基づき、タービン３と圧縮機４を備えた排気ガスターボチャージャー２の形で実施される。当然ながら、複数の排気ガスターボチャージャー、又は、１つ又は複数の排気ガスターボチャージャーと１つの機械的なチャージャーを含むチャージ部も考えられる。この際、排気ガスターボチャージャーは可変のタービン形状を有してもよい。内燃機関１は、例として４つのシリンダー６が配置されたシリンダーブロック５を含む。当然ながら、この実施形態の変形例において、別の数のシリンダー６が備えられてもよい。内燃機関１はオットーエンジンとして形成される。シリンダー６には吸気管８を通して新気が供給され、この吸気管はインテークマニホールド７を備えてもよい。吸気管８には冷却器９が配置されてもよい。冷却器９によってシリンダー６に供給する吸気を冷却可能であり、これによってシリンダー６内の作業温度を有利なやり方で低下させることができる。なお、簡略化した変形例では、冷却器９は省略されてもよい。
【００２５】
内燃機関１のシリンダー６にはその中を上下に可動であるように誘導されたピストンが配置されているが、これは図を明瞭にするために簡略化された図１には示していない。本発明に係る方法では、内燃機関１に供給された空気流量が排気ガスターボチャージャー２によって圧縮される。シリンダー６の中で燃焼する燃料・空気混合気の形成のために、燃料は吸気管８へ噴射されるか（吸気管噴射）、又は直接シリンダー６へと噴射されるか（直接噴射）のいずれかである。
【００２６】
シリンダー６での空気流量の供給（矢印１０を参照）の制御は、簡略に図示した吸気弁１１を通ってなされ、この際各シリンダー６がそれぞれ少なくとも１つの吸気弁１１を有する。吸気弁１１は開放された状態と閉鎖された状態の間で調節可能であり、吸気弁１１の開放角度は制御装置１２によって調整することができる。
【００２７】
燃料・空気混合気の燃焼の際にシリンダー６内で発生する排気は、排気流（矢印１３を参照）としてシリンダー６から排気管１４を通って排出される。排気流１３の排出制御は図１には示さない排気弁によってなされ、吸気弁１１に対応して個々のシリンダー６にそれぞれ少なくとも１つの排気弁が配置される。
【００２８】
排気管１４は、高圧排気ガス再循環ライン１５を通して吸気管８と接続している。高圧排気ガス再循環ライン１５の代わりに、又はこれに追加して、図１には示していない低圧排気ガス再循環を備えてもよい。高圧排気ガス再循環ライン１５は高圧弁のような調整要素１６を有してもよく、この調整要素によって還流する排気流量を調整することができる。これと同様に、場合によっては低圧排気ガス再循環を備えていてもよい。
【００２９】
還流されなかった排気流の一部は排気ガスターボチャージャー２のタービン３によって導かれ、タービン３によって排気ガスターボチャージャー２の圧縮機４が駆動される。圧縮機４は燃焼用空気流がシリンダー６にもたらされる前に、この燃焼用空気流を圧縮する。排気ガス再循環ライン１５はタービン３の上流側で排気管１４からいわゆる高圧排気ガス再循環として分岐してもよく、代替的又は追加的に、上述のように、タービン３の下流側で排気管１４からいわゆる低圧排気ガス再循環として分岐してもよい（図示せず）。
【００３０】
部分負荷運転においては、内燃機関１のシリンダー６の各吸気弁１１が、それぞれ非常に早い第一の時点ｔ1（ミラーサイクル運転）か、非常に遅い第二の時点ｔ2（アトキンソンサイクル運転）のいずれかに閉鎖される。これに続いて、部分負荷運転における吸気弁１１の閉鎖が、正確に、内燃機関１のシリンダー６のピストンが内燃機関１の吸気行程に対応する各ピストンの下死点ＵＴに対して、ほぼ−７０°（ミラーサイクル運転）かほぼ＋７０°（アトキンソンサイクル運転）のいずれかの相対クランク角度を有するときになされる。これは図２に詳細に示し、各シリンダー６のピストンのクランク角度αを簡易化した図で示している。ここでピストンの下死点は「ＵＴ」として示す。下死点ＵＴはピストンの絶対角度５４０°に対応する。
【００３１】
定常状態の全負荷運転においても、効率面の理由から吸気弁１１の早期又は遅い閉鎖がなされるべきである。
【００３２】
本発明に基づき、部分負荷運転において少なくとも１つの内燃機関１の吸気弁１１が、非常に早い第一の時点ｔ1（ミラーサイクル運転）又は非常に遅い第二の時点ｔ2（アトキンソンサイクル運転）で閉鎖される。ここで第一の時点ｔ1は相対クランク角度α1（下死点ＵＴに対する）に相応するか、α2又は同様に下死点ＵＴに対する相対クランク角度に相応し、このとき、非常に早い第一の時点ｔ1に対応する相対クランク角度α1はほぼ−４０°から−１００°であり、非常に遅い第二の時点ｔ2に対応する相対クランク角度α2はほぼ＋４０°から＋１００°である。好ましくは、クランク角度α1はほぼ−７０°であり、クランク角度α2はほぼ＋７０°である。
【００３３】
本発明に基づき、内燃機関１の過渡運転において、即ち部分負荷運転から全負荷運転への移行において、各相対クランク角度α1又はα2は下死点ＵＴへ向かって、すなわち所定の時間だけ減少し、この所定の時間は好ましくは少なくとも２ミリ秒である。好ましくは、相対ピストン角度αの下死点に向かっての相対的な移動はそれぞれ少なくとも３°であってもよく、これは、第一の相対クランク角度α1に対応する非常に早い第一の時点ｔ1が早い第三の時点ｔ3へ向かってシフトすることを意味し、この早い第三の時点ｔ3は時間的に第一の時点ｔ1の後にある。これに応じて非常に遅い第二の時点ｔ2は遅い第四の時点ｔ4へ向かってシフトし、この遅い第四の時点ｔ4は時間的に非常に遅い第二の時点ｔ2の前にある。クランク角度αに適用すると、これは、相対クランク角度がそれぞれ少なくとも３°だけ下死点ＵＴへ向かってシフトすることを意味し、これは図２において符号２０の矢印によって表される。よって、過渡運転における吸気弁１１の閉鎖は相対クランク角度αのもとでなされ、これはほぼ−６７°（ミラー）又は＋６７°（アトキンソン）である。対応する相対クランク角度は図２においてα3（ミラーサイクル運転）又はα4（アトキンソンサイクル運転）で示す。
【００３４】
好ましくは少なくとも０．２ミリ秒である所定の時間において、高圧排気ガス再循環ライン１５によって還流された排気ガスの排気ガス再循環率は、これに応じた調整要素１６の調整によって少なくとも所定の時間だけ所定の相対値に、例えば内燃機関１の部分及び全負荷運転における通常の再循環率の８０％に減少されてもよい。このようにして、排気ガスターボチャージャー２のタービン３のタービン出力を一時的に高めることができ、これによって、排気ガスターボチャージャー２の圧縮機４の圧縮機性能の向上、延いては内燃機関１全体の性能の向上ももたらされる。
【００３５】
所定の時間の間、それぞれ各シリンダー６内に配置されて図１に概略的にのみ示している点火装置１７の点火時期は、所定の遅延期間又はシリンダー６の各ピストンの所定の相対クランク角度αZの分だけ遅延されてもよい。点火時期の調整は遅角の方向へなされる。所定の相対クランク角度αZは、好ましくは、内燃機関１の点火行程に対応する内燃機関１のシリンダー６の各ピストンの上死点（「ＯＴ」）に対して、ほぼ＋５°から＋２３°である。
【００３６】
代替的に又は追加的に、少なくとも所定の時間だけ、図１に概略的にのみ示す内燃機関１の下流に設置された排気ガスターボチャージャー２のウェイストゲート装置１８のウェイストゲート開放が、少なくとも部分負荷運転から全負荷運転への移行の所定の時間だけ閉鎖されてもよく、このようにしてタービン３のタービン出力と、延いては排気ガスターボチャージャー２の圧縮機４の圧縮機性能も高められる。
【図１】
2015527531.tif 000003
【図２】
2015527531.tif 000004
【国際調査報告】
2015527531.tif 000005
2015527531.tif 000006
2015527531.tif 000007
2015527531.tif 000008