JP2003172169A

JP2003172169A - 内燃機関の吸気制御装置

Info

Publication number: JP2003172169A
Application number: JP2001372540A
Authority: JP
Inventors: Jiro Kondo; 二郎近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】吸気制御弁の制御精度を向上でき最適なタイ
ミングで吸入空気量を制御でき、燃費及び出力の改善を
図ることができる内燃機関の吸気制御装置を提供する。【解決手段】吸気制御装置４には、開度センサ８３及
びコイル温度センサ８６とが設けられており、アクセル
開度と内燃機関の回転数とにより吸気制御弁４０の開閉
動作の目標作動タイミングをＣＵＰ５内のマップを利用
して演算すると共に、開度センサから得られる実作動タ
イミングとの誤差及びコイル温度センサからの温度変化
に基づく応答遅れ分を算出し、次回の吸気制御弁の作動
において、これらを補正してやり、目標作動と実作動と
を一致させてやる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸気通
路に設けられた吸気制御弁を開閉制御して吸入空気量を
各気筒毎に制御できるようにした内燃機関の吸気制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の吸気通路に吸気制
御弁を設け、これを開閉制御することにより、内燃機関
に設けられたスロットルバルブとは別に、吸入空気量を
各気筒毎に制御できるようにした吸気制御装置が知られ
ている。

【０００３】この種の吸気制御装置では、各気筒の吸気
通路に設けた吸気制御弁を各々アクチュエータで独立し
て開閉制御できるので、内燃機関の回転速度や負荷に応
じて吸気制御弁の開閉時期を制御することにより、内燃
機関の低回転域において吸気行程中に発生する吸入空気
の逆流を防止して出力を向上させるとか、内燃機関の部
分負荷時、特にアイドリング時のポンピングロスを低減
させることにより、燃費を向上させることができること
が知られている。また、内燃機関の低負荷時、特にアイ
ドリング時において片ポートのみで吸気させることにな
り、筒内にスワールやタンプルが発生して、燃料の霧化
が良くなり燃料と空気がよく混合されることにより、燃
焼を改善させることができることも知られている。

【０００４】また吸気制御弁を開閉駆動するアクチュエ
ータとして、非通電時には吸気制御弁を吸気通路を半開
する中立位置に保持し、通電時にはその通電電流及びそ
の電流方向に応じて吸気制御弁を中立位置から吸気通路
の開方向或いは閉方向に駆動する、９０°揺動型のロー
タリソレノイドアクチュエータ（以下、単にＲ／Ｓアク
チュエータ）を用いていた。

【０００５】このように非通電時に吸気制御弁を中立位
置に保持するＲ／Ｓアクチュエータを用いた場合には、
故障等によりＲ／Ｓアクチュエータに通電できなくて
も、吸気通路を閉じてしまうことがなく内燃機関を運転
できるので、安全性を確保でき、しかも通電方向を切り
替えることにより、吸気制御弁の開閉方向を切り替える
ことができるので、全開から全閉、或いは全閉から全開
へと吸気制御弁を高速で駆動できる。

【０００６】このＲ／Ｓアクチュエータを用いて吸気制
御弁を制御する場合、従来においては、特開平４−２９
２５２８号公報に記載されているように、電子制御装置
（ＥＣＵ）からの指令に応じて、毎回の吸気行程毎に一
回だけ吸気制御弁を開閉作動させて、吸入空気量を制御
している。しかも、吸気制御弁は、開度センサ、コイル
温度検出センサ等のセンサが設けられておらず、オープ
ンループ制御されるため予めプログラムされたタイミン
グでしか制御できない。このため、吸気制御弁を最適な
タイミングで制御して吸入空気量を調整することができ
なくなり、燃費の改善及び出力の改善等を図ることがで
きないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みなされたもので、その目的は、吸気制御弁の制御精
度を向上でき最適なタイミングで吸入空気量を制御で
き、燃費及び出力の改善を図ることができる内燃機関の
吸気制御装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載の内燃機関の吸気制御装置を提供する。請求項１に
記載の内燃機関の吸気制御装置は、アクセル開度と内燃
機関の回転数とにより吸気制御弁の開閉動作の目標作動
タイミングをマップを利用して演算すると共に、吸気制
御弁に設けた開度センサから得られる実作動タイミング
との誤差を求めて、次回の吸気制御弁の開閉動作におい
て、この誤差を修正した作動タイミングで作動させるよ
うにしたものである。これにより、実際の作動タイミン
グにばらつきが生じることはなく、好適なタイミングで
吸入空気量を制御することができ、燃費及び出力が改善
される。

【０００９】請求項２の該吸気制御装置は、吸気制御弁
のロータリソレノイドアクチュエータにコイル温度セン
サを設けると共に、これによって検出されたコイル温度
に基づくコイル抵抗値及びインダクタンス値の変化によ
る電流応答遅れ分を算出し、これを目標作動タイミング
と実作動タイミングとの誤差に加えるようにしたもので
あり、これによって、一層最適なタイミングで吸気制御
弁の開閉動作を行うことができ、最適な吸入空気量に制
御でき、燃費及び出力の一層の改善を図れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態の内燃機関の吸気制御装置について説明する。
図１は、本実施形態の吸気制御装置が搭載される内燃機
関のシステム構成を示している。図１に示すように、本
発明の内燃機関のシステム構成は、４気筒内燃機関１
と、この内燃機関１の吸気系２及び排気系３と、吸気系
２の各気筒に接続する各吸気マニホールド２ａ〜２ｄに
設けられた吸気制御装置４と、これらを制御する電子制
御装置（ＥＣＵ）５などから構成されている。

【００１１】内燃機関１は４個の気筒１ａ〜１ｄを備え
ている。各気筒１ａ〜１ｄには、高速適合カムによって
開閉される吸気弁（図示せず）と排気弁（図示せず）と
が設けられ、各気筒の吸気弁より上流の吸気マニホール
ド２ａ〜２ｄには、それぞれ吸気制御装置４が設けられ
ている。吸気制御装置４が設けられた吸気マニホールド
２ａ〜２ｄより上流の吸気系２には、エアクリーナ６が
設けられているだけであり、本発明の内燃機関のシステ
ム構成では、運転手のアクセル操作によって開閉される
スロットルバルブは設けられていない。各気筒１ａ〜１
ｄの排気弁より下流の排気系３には、触媒部７が設けら
れている。

【００１２】また内燃機関１には、その運転状態を検出
するセンサとして、各気筒１ａ〜１ｄのピストンが上死
点（ＴＤＣ）に位置するときにパルス信号を出すクラン
ク角センサ８１、気筒毎にトルクあるいは燃焼を検出す
る気筒判別センサ８２、吸気制御装置４の吸気制御弁の
開度を検出する開度センサ８３、内燃機関１全体の吸入
空気量を検出するエアフロメータ８４、アクセルペダル
の踏込量を検出するアクセル開度センサ８５及び吸気制
御弁を駆動する後述のロータリソレノイドアクチュエー
タ（Ｒ／Ｓアクチュエータ）のコイル温度を検出するコ
イル温度センサ８６などが設けられており、これらの各
センサからの検出信号は、ＥＣＵ５に出力される。

【００１３】ＥＣＵ５は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中
心に算術論理回路として構成されており、コモンパスを
介して入出力部と接続され、外部との入出力を行う。各
センサからの検出信号は、ＥＣＵ５に入力され、ここか
ら後述する吸気制御装置４のロータリソレノイドアクチ
ュエータ（Ｒ／Ｓアクチュエータ）に制御信号を出力す
る。また、ＥＣＵ５内には、内燃機関の運転状態に対応
した吸気制御弁の目標作動タイミング用のマップを備え
ていると共に、実際の運転状態時の各種情報をセンサ等
で入力し、このマップの各値と比較して補正を加えて、
最終的な指令タイミングを出力できるように構成されて
いる。

【００１４】次に本発明の吸気制御装置４を、図２乃至
図５により説明する。図２は、吸気制御装置４の縦断面
図である。吸気制御装置４は、主に吸気制御弁４０及び
Ｒ／Ｓアクチュエータ５０とから構成されている。吸気
制御弁４０は、吸気マニホールド２ａ〜２ｄ内部に設け
たバタフライ型の円形弁板（弁体）４１を備えている。
円形弁板４１は支軸４２により回動自在に支持されてお
り、吸気マニホールド２ａ〜２ｄの壁面に対し極めて狭
いクリアランスを持ちながら非接触で支軸４２を中心に
揺動する。なお、支軸４２の一端はベアリング４３によ
り吸気マニホールド２ａ〜２ｄに支持され、支軸４２の
他端は、Ｒ／Ｓアクチュエータ５０に連結されている。

【００１５】また、支軸４２の一端には、Ｒ／Ｓアクチ
ュエータ５０の非通電時に円形弁板（弁体）４１を中立
位置（半開状態）に保持するスプリング４４が設けられ
ている。更に、吸気制御弁４０には、円形弁板４１の開
度を検出する開度センサ８３が設けられている。

【００１６】Ｒ／Ｓアクチュエータ５０は、強磁性体の
ロータ５１と同じく強磁性体のステータ５２とより構成
されており、ロータ５１は吸気制御弁４０の支軸４２に
連結している。図３は、Ｒ／Ｓアクチュエータ５０の横
断面図である。ロータ５１は、断面円形の中実棒状部５
１ａと、中実棒状部５１ａの軸心（ロータの軸心）に対
して対称的に配置され、中実棒状部５１ａの周面に設け
られた２つの扇形部５１ｂとよりなり、これらが一体的
に形成されている。ステータ５２には、９０°毎に４つ
の方向にそれぞれ電磁コイル５３ａ〜５３ｄが配置され
ており、またステータ５２には、電磁コイル５３ａ，５
３ｃが設けられている部分から、ロータ５１に向って先
細状に突出する一対の突出部５２ａが形成されており、
かつ同様に電磁コイル５３ｂ，５３ｄが設けられている
部分から延出して、先端が扇形部５１ｂの円弧と同じ形
状の凹状の円弧面をもつ一対の延出部５２ｂが形成され
ている。

【００１７】ロータ５１の扇形部５１ｂの一側面が、ス
テータ５２の一方の突出部５２ａの側面に当接すること
で、即ち図３に示される位置で、吸気制御弁４０を全閉
状態にしており、ロータ５１がその扇形部５１ｂがステ
ータ５２の延出部５２ｂの円弧面に接するようにして回
動して、ステータ５２の他方の突出部５２ａの側面に、
ロータ５１の扇形部５１ｂの他側面が当接することで、
吸気制御弁４０を全開状態にする。したがって、吸気制
御弁４０が全閉状態から全開状態への移動期間、即ち、
ロータ５１が全閉位置から全開位置への移動期間におい
て、ロータ５１の扇形部５１ｂの側面とステータ５２の
突出部５２ａと間にエアギャップｇが形成され、ロータ
５１の回動によってこのエアギャップｇが変化する。即
ち、ロータ５１は両突出部５２ａ間で搖動することにな
り、略９０°の範囲で搖動する。

【００１８】図４は、Ｒ／Ｓアクチュエータ５０の磁気
回路モデルを示したものであり、（ａ）は、ロータ５１
を全閉位置に保持する磁気回路モデルであり、（ｂ）は
ロータ５１を全開位置に保持する磁気回路モデルであ
る。図４（ａ）に示すように４個の電磁コイル５３ａ〜
５３ｄの通電方向を設定すると、図４（ａ）の左上部の
四半分には、反時計回りの閉回路の電流が流れ、図で示
すように反時計回りの磁束が形成される。同様に図４
（ａ）の右下部の四半分には、時計回りの閉回路の電流
が流れ、時計回りの磁束が形成される。左下部及び右上
部のそれぞれの四半分には、電流が流れず、磁束が形成
されない。なお、磁気抵抗部がエアギャップｇに相当す
る。したがって、図４（ａ）に示すような磁気回路にし
た場合には、ロータ５１を中立位置から移動させ全閉位
置に保持する吸引力が働く。次に、一対の電磁コイル５
３ｂ，５３ｄの通電方向を切り替える。別の一対の電磁
コイル５３ａ，５３ｃの通電方向はそのままにしてお
く。これにより、図４（ｂ）で示されるような磁気回路
が形成される。即ち、図４（ｂ）の左下部の四半分に
は、反時計回りの閉回路の電流が流れ、反時計回りの磁
束が形成され、同様に右上部の四半分には、時計回りの
閉回路の電流が流れ、時計回りの磁束が形成される。右
上部及び左下部のそれぞれの四半分には、電流が流れ
ず、磁束が形成されない。したがって、図３（ｂ）に示
すような磁気回路にした場合には、ロータ５１を中立位
置から移動させ全開位置に保持する吸引力が働く。この
ようにして、一対の電磁コイル５３ｂ，５３ｄの通電方
向を切り替えることによって吸引方向を変えてやり、ロ
ータ５１を中立位置から全閉又は全開位置、即ち吸気制
御弁４０を中立状態（半開状態）から全閉又は全開状態
へと切り換え保持できる。

【００１９】図５は、本発明の吸気制御装置４の模式図
である。即ち吸気制御装置４は、吸気制御弁４０、Ｒ／
Ｓアクチュエータ５０、スプリング４４及び開度センサ
８３とから構成されている。Ｒ／Ｓアクチュエータ５０
は、吸気制御弁４０を全開又は全閉に保つ保持力形成手
段としての役割をしており、スプリング４４は、吸気制
御弁４０を中立位置（半開状態）に戻すと共に応答性向
上の役割をしている。開度センサ８３は、特にアイドリ
ング時において吸気制御弁の開度を微少な開度に保持し
なければならない場合等において、開度センサ８３から
の信号によって電磁コイルに流れる通電量を変えること
によって吸気制御弁の開度を制御できるようにしてい
る。

【００２０】図６は、スプリング４４のトルク特性を示
すグラフであり、直線の傾きはスプリング４４のバネ定
数を示している。したがって、このスプリング４４のバ
ネ定数を適宜選択することによってこの傾きを大きくす
ることができ、それによって、吸気制御弁４０の応答性
の向上を図ることができる。

【００２１】図７は、Ｒ／Ｓアクチュエータ５０のトル
ク特性を示すグラフである。即ち、図４（ａ）に示され
たように電磁コイル５３ａ〜５３ｄに通電させる場合の
トルク特性が、下の曲線で示され、図４（ｂ）に示され
たように電磁コイル５３ａ〜５３ｄに通電させる場合の
トルク特性が上の曲線で示される。この場合、横軸は弁
体４１の角度又はエアギャップｇである。一般にコイル
通電によって得られる吸引力は、吸引力＝α（１／ｘ²)
（α：定数、ｘ：エアギャップ長）で表わされる。した
がって、この吸引力は、ｘ² に反比例し、エアギャップ
ｇのエアギャップ長ｘが小さくなるにつれて、急激に吸
引力が増大する。それ故、電磁コイルへの小さな保持電
流によって、ロータ５１を全閉又は全開位置に保持する
ことができる。また、電磁コイルへの通電流を制御し
て、スプリング力と吸引力とをバランスさせることで、
吸気制御弁の開度を調整することができる。

【００２２】以上のように構成された本発明の吸気制御
装置の作動について説明する。Ｒ／Ｓアクチュエータ５
０の電磁コイル５３ａ〜５３ｄに図４（ａ）に示すよう
な通電方向で通電すると、スプリング４４によって中立
位置にあるロータ５１は、スプリング４４のトルクに打
ち勝って回転し、全閉位置に保持される。したがって、
ロータ５１に直結している吸気制御弁４０の円形弁板４
１も中立（半開）状態から全閉状態に保持される。Ｒ／
Ｓアクチュエータ５０の電磁コイル５３ａ〜５３ｄへの
通電を止めると、ロータ５１及び円形弁板４１はスプリ
ング４４のトルクにより回転し、ロータ５１は全開付近
（円形弁板４１は全開付近）に到達する。この場合、摩
擦及び粘性抵抗等により、ロータ５１及び円形弁板４１
は全開には到達しない。この状態で、Ｒ／Ｓアクチュエ
ータ５０の電磁コイル５３ａ〜５３ｄに図４（ｂ）に示
すような通電方向（電磁コイル５３ｂ，５３ｄの通電方
向が切り替えられている）で再び通電すると、ロータ５
１は吸引されて全開位置に保持される。したがって、吸
気制御弁４０の円形弁板４１も全開状態に保持される。

【００２３】このようにして、上記の動作（電磁コイル
の通電方向の切り替え）を所望のタイミングで繰り返す
ことにより、内燃機関の各気筒毎の吸入空気量を制御す
る。

【００２４】次に、本発明の特徴である吸気制御装置４
の閉閉制御について、図８〜１０に基づいて説明する。
図８は、吸気制御弁の開閉タイミングの修正処理のフロ
ーチャートであり、図９は、吸気制御弁と吸・排気弁の
動作を示すタイミングチャートであり、図１０は、吸気
制御弁の開閉タイミングの修正処理の説明図である。

【００２５】図９のステップＳ１において、吸気制御弁
４０の閉閉動作のタイミング演算が開始されると、ま
ず、ステップＳ２において、ＥＣＵ５に入力されるアク
セル開度センサ８５及びクランク角センサ８１に基づい
てアクセル開度と内燃機関の回転数が計測され、ＥＣＵ
５はこの内燃機関の運転状態に応じて、マップの中から
吸気制御弁４０の目標の作動タイミングを算出する。こ
のマップはＥＣＵ５内に記憶されている。次に、ステッ
プＳ３において、ＥＣＵ５は、ステップＳ２において算
出した前回の目標作動タイミングと、吸気制御弁４０に
設けられた開度センサ８３から得られた実際の作動タイ
ミングとから作動タイミングの誤差を算出し、その補正
を行う。

【００２６】ステップＳ４では、ＥＣＵ５は、Ｒ／Ｓア
クチュエータ５０に設けられたコイル温度センサ８６の
情報に基づいてコイル抵抗、インダクタンス値の変化に
よる電流の応答遅れ分を算出し、その補正を行う。これ
は、コイル温度によってＲ／Ｓアクチュエータ５０の発
生トルクが変化し、吸気制御弁４０の作動タイミングが
ずれるのを補正してやるものである。ステップＳ５で
は、ステップＳ２で算出された目標の作動タイミングに
対して、ステップＳ３及びステップＳ４で算出された補
正を加えることで、次回の吸気制御弁４０の開閉動作の
指令タイミングを算出して、これに基づいて指令を行
う。即ち、目標作動タイミングと実作動タイミングとが
一致するようにする。これらの吸気制御弁４０の開閉タ
イミングの修正処理は、ＥＣＵ５内で行われる。

【００２７】図９に示されるように、吸気制御弁４０の
開閉動作は、内燃機関の１サイクルで１回行われる。即
ち、気筒の吸気弁が開いているときに、吸気制御弁４０
は全開→全閉の動作が行われ、吸・排気弁の両者が閉じ
ているときに、全閉→全開の動作が行われる。

【００２８】図１０において、上段の細い実線は吸気制
御弁４０の目標の作動タイミングを示しており、下段の
太い実線は吸気制御弁４０の実作動タイミングを示して
いる。なお、中段の太い実線は指令値を示している。こ
の図に示すように、目標作動タイミングと実作動タイミ
ングとが一致するように、上記した誤差による補正とコ
イル温度変化に基づく補正を加えるものである。この場
合、作動の指令は或る程度の遅れを予測して早めに指令
を出す必要がある。

【００２９】以上説明したように、本発明では内燃機関
の１サイクル毎に吸入空気量を制御可能な吸気制御装置
に、開度センサ及びコイル温度検出センサを設けること
で、吸気制御弁の作動タイミングのバラツキを学習し、
次回のサイクルで吸気制御弁の作動タイミングを補正す
ることによって、作動タイミングの制御精度が向上し、
燃費及び出力を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の吸気制御装置を適用した
内燃機関のシステム構成を説明する図である。

【図２】本発明の吸気制御装置の縦断面図である。

【図３】本発明の吸気制御装置のロータリソレノイドア
クチュエータの横断面図である。

【図４】本発明のロータリソレノイドアクチュエータの
磁気回路モデルを示しており、（ａ）はロータを全閉位
置に保持する磁気回路モデルで、（ｂ）はロータを全開
位置に保持する磁気回路モデルである。

【図５】本発明の吸気制御装置の模式図である。

【図６】スプリングのトルク特性を表すグラフである。

【図７】本発明のロータリソレノイドアクチュエータの
トルク特性を示すグラフである。

【図８】本発明の実施の形態の吸気制御装置における吸
気制御弁の開閉タイミングの修正処理のフローチャート
である。

【図９】吸気制御弁と吸・排気弁の動作のタイミングチ
ャートである。

【図１０】吸気制御弁の開閉タイミングの修正処理説明
図である。

【符号の説明】

４…吸気制御装置４０…吸気制御弁５…電子制御装置（ＥＣＵ）５０…ロータリソレノイドアクチュエータ（Ｒ／Ｓアク
チュエータ）８１…クランク角センサ８２…気筒判別センサ８３…開度センサ８５…アクセル開度センサ８６…コイル温度センサ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６４Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６４ＧＦターム(参考） 3G065 AA04 CA11 DA07 FA09 GA00 GA05 GA41 GA46 HA03 KA34 KA36 3G084 BA04 DA04 EA08 EB12 EC03 FA00 FA07 FA10 FA38 FA39 3G301 HA06 JA14 LA02 LA03 LC01 NA08 NB06 NC02 PA01Z PA11Z PE04Z PE05Z PF03Z PG00Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の各気筒の吸気通路に設けられ
た吸気制御弁と、非通電時には、前記吸気制御弁を前記吸気通路を半開に
する中立位置に保持し、通電時には、通電電流に応じて
通電方向に対応した方向に前記吸気制御弁を開閉駆動す
るロータリソレノイドアクチュエータと、を備えてい
て、前記吸気制御弁を所定のタイミングで開閉して吸入空気
量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、この装
置が、アクセル開度と内燃機関の回転数とよりマップの中から
前記吸気制御弁の目標の作動タイミングを算出する目標
作動演算手段と、前記吸気制御弁に設けられた開度センサからの信号によ
って、前記吸気制御弁の実際の作動タイミングを計測す
る実作動計測手段と、前記目標作動演算手段によって得られた前記吸気制御弁
の目標作動タイミングと、前記実作動計測手段によって
得られた前記吸気制御弁の実際の作動タイミングとの誤
差を修正する誤差補正手段と、を備えていて、次回の前記吸気制御弁の開閉動作におい
て、前記誤差を修正した作動タイミングで作動させるこ
とを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】前記ロータリソレノイドアクチュエータ
が、更にコイル温度センサを備えると共に、前記コイル
温度センサによって検出されたコイル温度に基づくコイ
ル抵抗値及びインダクタンス値の変化による電流応答遅
れ分を算出するコイル温度補正手段とを更に具備してい
て、前記コイル温度補正手段によって算出された電流応
答遅れ分を前記誤差に加えることを特徴とする請求項１
に記載の内燃機関の吸気制御装置。