(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトと、６つのシリンダと、燃料注入ユニットとを有する内燃機関における振動を低減する方法であって、該内燃機関では、該クランクシャフトが２回転する間に該６つのシリンダのそれぞれがすべてのストロークを行い、該６つのシリンダのそれぞれは、燃料のための少なくとも１つの導入口を有し、該６つのシリンダは、通常動作状態を有する５つのシリンダと、通常動作状態と代替動作状態とを有する１つのシリンダとを含み、該通常動作状態において、該５つのシリンダには燃料が供給され、該通常動作状態において、該１つのシリンダには燃料が供給され、該代替動作状態において、該１つのシリンダは空気を圧縮し、該代替動作状態において該１つのシリンダへの燃料の供給が遮断され、そのことにより、該クランクシャフトに伝達されるトルクの変化を引き起こし、
該方法は、
ａ）該１つのシリンダが該代替動作状態にある場合において、該振動の成分である０．５次の振動、１．０次の振動、１．５次の振動のうち、該内燃機関の動作状態に応じて選択される少なくとも１つの振動を抑制するために必要とされるトルクがクランクシャフトに伝達されるように、該内燃機関の動作状態に応じて該５つのシリンダのそれぞれに供給される燃料の量を決定することであって、該選択された少なくとも１つの振動を抑制するために必要とされるトルクは、該選択された少なくとも１つの振動のそれぞれに寄与する６つのトルクを表す６つのベクトルの和の大きさが低減されるように予め設計されており、該６つのトルクは、それぞれ、該６つのシリンダに対応する、ことと、
ｂ）該５つのシリンダのそれぞれに該決定された量の燃料を供給するように該燃料注入ユニットを制御することと
を包含し、
該１つのシリンダへの燃料の供給は、該１つのシリンダが該代替動作状態に切り換えられた場合に遮断される、方法。
【請求項２】
クランクシャフトと、６つのシリンダと、燃料注入ユニットとを有する内燃機関における振動を低減する装置であって、該内燃機関では、該クランクシャフトが２回転する間に該６つのシリンダのそれぞれがすべてのストロークを行い、該６つのシリンダのそれぞれは、燃料のための少なくとも１つの導入口を有し、該６つのシリンダは、通常動作状態を有する５つのシリンダと、通常動作状態と代替動作状態とを有する１つのシリンダとを含み、該通常動作状態において、該５つのシリンダには燃料が供給され、該通常動作状態において、該１つのシリンダには燃料が供給され、該代替動作状態において、該１つのシリンダは空気を圧縮し、該代替動作状態において該１つのシリンダへの燃料の供給が遮断され、そのことにより、該クランクシャフトに伝達されるトルクの変化を引き起こし、
該装置は、
ａ）該１つのシリンダが該代替動作状態にある場合において、該振動の成分である０．５次の振動、１．０次の振動、１．５次の振動のうち、該内燃機関の動作状態に応じて選択される少なくとも１つの振動を抑制するために必要とされるトルクが該クランクシャフトに伝達されるように、該内燃機関の動作状態に応じて該５つのシリンダのそれぞれに供給される燃料の量を決定することであって、該選択された少なくとも１つの振動を抑制するために必要とされるトルクは、該選択された少なくとも１つの振動のそれぞれに寄与する６つのトルクを表す６つのベクトルの和の大きさが低減されるように予め設計されており、該６つのトルクは、それぞれ、該６つのシリンダに対応する、ことと、
ｂ）該５つのシリンダのそれぞれに該決定された量の燃料を供給するように該燃料注入ユニットを制御することと
を行うように構成された制御システムを含み、
該１つのシリンダへの燃料の供給は、該１つのシリンダが該代替動作状態に切り換えられた場合に遮断される、装置。
【請求項３】
前記１つのシリンダが前記代替動作状態にある場合において、前記１つのシリンダは、車両内の補助システムのために空気を圧縮する、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野：
本発明は、乗り物内のエンジンのアンバランスによって乗り物内で起こる振動を抑制するために用いられることを意図した方法および装置に関する。
技術的背景
圧縮空気を消費し圧縮空気によって駆動されるシステムを有する乗り物は、例えばトラックなど数多くある。これらのシステムが機能するためには、圧縮空気へのアクセスが必要である。圧縮空気へのアクセスは、通常、空気を圧縮するコンプレッサにより達成される。圧縮された空気は、その後圧力タンク内に貯蔵される。圧力タンク内において、圧縮空気は乗り物の圧縮空気を用いる部分により用いられる準備ができている。コンプレッサは、通常、乗り物のエンジンによって駆動される。このようなシステムはコンプレッサと適合する必要があり、このことは、乗り物の重量および燃料消費を増加させる。乗り物を経済的により魅力のあるものにするために、乗り物の必要部品の数を減少させることが興味の対象である。
複数のシリンダを有するピストンエンジンの場合、ある動作条件において、１以上のシリンダが、一時的に他の目的のために、例えば乗り物内の圧縮空気タンクを充填するエアーコンプレッサとして用いられるために通常燃焼から切り換わり得る。上記エアーコンプレッサは、別体のコンプレッサに置き換わる。コンプレッサの機能は、圧縮空気タンクに連結され得るシリンダルームにより達成される。この連結部は、通常動作中には閉じられ、シリンダがコンプレッサとして用いられるときに開く。１以上のシリンダがコンプレッサとして用いられる場合、対応するシリンダスペースへの燃料供給は遮断される。このようなシステムが用いられるとき、シリンダ内の圧力曲線は、シリンダが従来の動作に用いられるときと比較して、実質的に異なる特性を有する。従来の動作中、各シリンダは圧縮ストロークと伸張ストロークを有する。伸張ストロークの間、動力はシステムに供給され、圧縮ストロークの間、ピストンが封入されたガスに動力を供給する。１以上のシリンダが空気を圧縮するために用いられる場合、通常の伸張ストロークは起こらない。このことは、シリンダ内の圧力曲線を急激に変化させ、そのためエンジンのクランクシャフトに伝達されるトルクを急激に変化させる。シリンダの圧力曲線の上記変化により、エンジンは、すべてのシリンダが従来の動作に用いられている場合と同様にはバランスがとれない。このことにより、実質的に異なる周波数成分を有する振動が起こる。１以上のシリンダが他の理由のために主要目的に用いられない場合、対応する現象が起こる。
発明の要旨：
本発明の目的は、１以上のシリンダが燃焼以外の目的に用いられるエンジンにより発生する振動を抑制し、連結された駆動ロープおよび／または駆動コンパートメントなどのエンジン周辺部分を乱す振動を低減させる方法および装置を提供することである。
上記目的は、請求項１、２、３から特徴が明らかである、本発明による方法および装置により達成される。
図面：
本発明を、添付の図面を参照することにより、実施形態の例によって以下に、より詳細に説明する。
図１は、本発明による構造を備えた貨物用車の一部を模式的に示す。
図２は、本発明による構造の燃料ユニットを備えた内燃機関を模式的に示す。
図３は、異なる動作条件下における、トルクの変化を示す図である。
図４〜図７は、異なる動作条件下において発生したトルクを異なるベクタにより示す図である。
図８は、振動による乱れに対する感度を示す図である。
実施形態：
通常動作中であっても、従来の内燃機関、例えばモータビークル内のピストンエンジンは、クランクシャフトの回転に伴って変化するトルクを発生する。これは、異なるシリンダが、１回または数回の、通常２回の回転中に、クランクシャフトの異なる角度で異なるストロークを行うという事実による。例えば、圧縮ストロークはエネルギを消費してクランクシャフトに負のトルクを与え、伸張ストロークはピストンに動力を供給してクランクシャフトに正のトルクを与える。すべてのシリンダが従来の動作を行って、複数のシリンダ（３以上のシリンダ）を有するエンジン内のすべてのシリンダに燃料を円滑に供給する場合、エンジンは高度にバランスがとられ、最低の振動周波数が起こる。本発明は、１以上のエンジンシリンダが別の動作条件、例えば、燃料供給を遮断して空気のみを供給することによりエアコンプレッサとして動作する条件に切り換わることを可能にするように構成された内燃機関に関する。上記内燃機関において、出口は、圧縮空気レザバに圧縮空気を供給するように切り換わる。圧縮空気レザバは、圧縮空気によって駆動される乗り物内の装置、例えばブレーキシステムへの供給のために用いられる。はじめに述べたように、このことは伸張ストロークを変化させ、そのため、切り換わったシリンダのクランクシャフトの回転中にトルクを変化させる。
本発明によると、トルクの変化は、通常動作条件にある残りの（少なくとも２つの）シリンダの回転中にトルク曲線を変化させることにより、以下のように相殺される。残りのシリンダの動作状態を切り換えることにより起こるアンバランスが、駆動シリンダに供給される燃料の量を差別化する（differentiate）、すなわち各シリンダが特定に選択された量または割合の燃料を与えられることにより補償される。内燃機関の効率および他の動作データに関する知識を利用することにより、燃料の量と、伸張ストローク中に各シリンダに起こるトルクとの間の曖昧な相関ができる。大量の実験および計算により、エンジン内の振動周波数を最適に抑制するためにはトルクがいかに配分されるべきかを計算することが可能となる。それにより、供給すべき燃料の量の差別化が計算により求められ得る。燃料の量を差別化することは、１回の燃焼当たりの燃料の総量とクランクシャフトの所望の平均トルクとの間の曖昧な相関に基づき、パーセントにより（percentual）差別化すること及び／又はシリンダ毎の燃料の絶対量と回転とを計算することにより、行われる。
差別化された燃料供給の制御を行う制御システムは、開制御システムまたは適応制御システムのいずれでもよい。開制御システムの場合、制御ユニットは、異なる動作条件、例えばＲＰＭおよびエンジンの負荷レベルなどに関する各シリンダ用の個々の燃料の量を記載した大量の保存データを有している。上記データは、「マッピング」と呼ばれる、計算とシミュレーションとの組み合わせにより得られている。適応制御システムは、乗り物の振動を検出して制御ユニットを介して差別化された燃料供給を制御するセンサを有する。
図１は、２つの制御システムを非常に模式的に示し、内燃機関２（エンジン）を備えたトラック１の一部を示す。エンジンは内燃機関であり、図２の平面図により模式的に示すように、複数のシリンダを有するピストンタイプのエンジンである。エンジンはさらに、非連続的燃料曲線を有する種類のエンジンであり、従って、各シリンダのトルクは回転中に変化する。図示する実施例において、ピストンエンジンは、ピストンが往復運動する種類のものであり、図示する実施例において６つの燃料ユニット、すなわちシリンダ３〜８を有する。さらにエンジンは、すべてのシリンダに共通の、従来のクランクシャフト角度シークエンスを有するクランクシャフトを有する。従って、シリンダ間の角度変位と共にシリンダに対するトルクの追加が起こり、その結果、クランクシャフトにトルクが付与され、従って出力シャフトが、回転中できる限り円滑になる。
上記のように、少なくとも１つのシリンダ、図示する例では前から数えて５番めのシリンダ７が、通常動作状態と別の状態との間で切り換え可能である。別の状態において、シリンダ７は、乗り物を推進させる駆動ユニットとして作用せず、残りの駆動ユニットによって駆動される負荷として用いられる。負荷とは、例えば、圧縮空気により駆動される乗り物内の補助的システム、例えばブレーキシステムを駆動するためのエアコンプレッサである。この目的のために、問題のシリンダ７の燃料導入口３８は、この別の状態に切り換わるときには完全に閉じるように構成されている。あるいは、いくつかの目的のためには、例えば、排気システム内のカタライザの急速加熱のためには、燃料導入口３８はある程度開けられ得る。シリンダ７内の点火装置はここでオフになり、未使用の燃料をカタライザまで通過させる。さらにシリンダは、排気口１１から離れた位置に、圧縮空気排気口１２を備えている。圧縮空気排気口１２は図示しないバルブによって開けられ得、図示しない圧縮空気レザバに連結されている。上記のように、この別の状態は、エンジンの回転中シリンダ７内に起こるトルクの変化を補償する特別の手段がとられない限り、エンジンにアンバランスを引き起こす。
本発明によると、乗り物の異なる部分、例えば、駆動ロープ、および乗り物のシャーシ１３を介して乗り物の駆動コンパートメント１４に伝達される、エンジン２内の振動を低減させるため、制御システムが構成される。制御システムは、差別化を行う、すなわち、通常動作状態で動作するシリンダ３〜６および８の各々ごとに、ある量の燃料を個々に分配する。この目的のために、乗り物には、中央化タイプでも局部分散化タイプでもよい制御システム１５が備えられる。局部分散化制御システムは、例えば、図示する例のように、２つの制御システム、すなわち、１つの車制御ユニット１６ａおよびエンジン制御ユニット１６ｂを含む。車制御ユニット１６ａは、主にシャーシおよび駆動コンパートメントから／への信号を処理することを意図され、エンジン制御ユニット１６ｂは、主にエンジンの燃料システムを制御するための出力データを与えることを意図されている。制御システムは、上記のように、開制御システムでもよいし、閉適応制御システムでもよい。開制御システムは、異なる動作状態中の大量のテストに基づく大量の保存データを有している。異なる動作状態中の大量のテスト中、駆動コンパートメントの振動モードの測定が行われる。開制御システムにおいて、車制御システム１５ａは、現在のガス量に関する入力信号を受け取る、すなわち、ガスペダル１７の位置を順に検知するように構成された入力１７を有し、それによりエンジンの出力シャフト９に付与される所望のトルクに関する制御指示を与える。更なる制御入力１８は、車制御ユニット１６ａに、圧縮空気レザバ１９内の空気圧力と、それによるシリンダ７の通常動作状態と圧縮空気を発生する別の動作状態との切り換えを制御するための圧縮空気の必要性とを示す制御信号が供給されるように構成される。閉適応制御システムの実施形態においては、鎖線により示す第３の制御入力２０が設けられる。第３の制御入力２０は、車制御ユニット１６ａに、駆動コンパートメント１４内の振動センサ２１からの制御信号が供給されるように構成される。上記制御信号が供給されると、駆動コンパートメント内で起こり、本発明による制御システムにより抑制される振動が直接フィードバックされる。他の制御システムパラメータの例は、ＲＰＭ、乗り物の速度、ギアなどである。
エンジン制御ユニット１６ｂは、双方向連結により車制御ユニット１６ａに連結され、車制御ユニット１６ａからの制御信号を入力２２により受け取り、多くの出力２３〜２９により制御指示を出力するように構成されている。制御指示は、差別化のため、すなわち、通常動作状態にあるシリンダ３〜６および８への燃料の量の配分のため、および切り換え可能シリンダ７を２つの動作状態間で制御するためのものである。
図１および図２には、全ての出力２３〜２９およびリターン入力３０が単一の接続３１として示されており、各シリンダ３〜８へのそれぞれの入力３４、３５、３６、３７、３８および３９への燃料供給用の燃料供給線を有する燃料注入ユニット４５および５０を制御するように構成されている。
図３は、ディーゼルエンジン内のクランクシャフトが２回転する間に、６シリンダタイプのディーゼルエンジンの各シリンダがすべてのストロークを行うために要するトルクの変化量を示す図である。曲線５１は、全６つのシリンダが通常動作状態にある場合における、実質的に正弦形状の通常の３次オーダーのトルク曲線である。曲線５２は、ＥＡＣ（エンジンエアコンプレッサ）が活性化された状態、すなわち第５のシリンダ７がコンプレッサ状態にあり、クランクシャフトがある角度になったときにトルクが上昇する状態を示す。特許第４６７５０３号を参照のこと。曲線５３および５４は、本発明による、差別化された量の燃料がクランクシャフトのある角度でトルクを上昇させる状態を示す。燃料の量は、０．５次オーダーの振動が抑制され（曲線５３）、０．５次オーダーおよび１．５次オーダーの振動が抑制され（曲線５４）るように選択される。これを以下に詳細に述べる。
テストおよび計算により、１つの同一の動作状態においてすべての振動が抑制され得るわけではないことが判明している。このことは、図４、図５、図６および図７のベクタ図から理解され得る。図４は、６シリンダ動作状態、すなわち通常動作状態におけるトルクの乱れを示す。図５は、振動の低減がない場合の、第５のシリンダのエアコンプレッサ状態を示す。図６は、０．５次オーダーの振動モードが抑制された場合の第５のシリンダのエアコンプレッサ状態を示す。図７は、０．５次オーダーおよび１．５次オーダーの振動が抑制された場合のエアコンプレッサ状態を示す。図４ａ、ｂおよびｃは、０．５次、１．０次、および１．５次オーダーの振動においては振動が起こらないことを示す。他方、図４ｄによると、３．０次オーダーの振動は抑制されない。これらは概して、駆動コンパートメントに周辺を乱す振動を伝達しない周波数を有する。
図５は、０．５次と１．０次、および１．５次と３．０次オーダーの振動において振動が起こることを示す。このことは、実際に、駆動コンパートメントへの振動の非常に顕著な伝達を引き起こす。
図６により動作状態において、ある差別化および燃料の配分が、通常状態にある異なるシリンダ３〜６および８に対して選択されている。上記燃料の量は、０．５次オーダーの振動が抑制されるように選択されている（図６ａを参照のこと）。図６ｂ、ｃおよびｄは、１．０次、１．５次、および３．０次オーダーの振動が抑制されないことを示す。
図７は、燃料の量をこのように差別化した動作状態において、以下のオーダーが抑制されることを示す。図７ａは、相対的に良好に抑制された０．５次オーダーの振動を示す。図７ｂは、抑制されない１．０次オーダーの振動を示す。図７ｃは、相対的に良好に抑制された１．５次オーダーの振動を示す。最後に図７ｄは、相対的に限定された程度まで抑制された３．０次オーダーの振動モードを示す。
計算および実験により、燃料の量をベクタの長さに比例して配分することは、、異なる動作状態において達成された振動を、それぞれに対応するように抑制することが判明している。
燃料の量を同等にした場合および差別化した場合のテストを、異なるＲＰＭおよび異なる負荷で行った。これにより、異なるオーダーの振動において上記の振動抑制を提供するトルクが計算により求められた。値の例は以下の表より理解され得る。
【表１】
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図８は、例えばシャーシの自然周波数による異なる振動周波数の影響を示す。これより、影響は、周波数により大幅に変化することが理解され得る。このことは、あるオーダーの振動の抑制を選択するための基礎を形成する。乗り物の周辺部分において大きな振幅を有する振動を引き起こすオーダーは、小さい振幅を引き起こすオーダーよりも優先性を与えられる。
実験により、異なるシリンダに供給すべき燃料の量を選択的に差別化することが、ある振動の抑制を引き起こし、そのため理論的計算により引き起こされるトルクが測定された振動に対応することが判明している。
【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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【図８】
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