JP2005061285A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性過給効果を得るとともに、負荷制御の自由度を拡大する。
【解決手段】吸気通路５の吸気弁７上流側に、吸気行程の途中で吸気通路５を開閉可能な吸気制御弁１２を備え、さらに上流側に、電子制御型のスロットル弁１３が設けられている。要求負荷ｔＴｅが所定の負荷Ｔｅ１より大きいときには、吸気制御弁１２の開閉制御を行う。吸気弁７が開弁するときに吸気制御弁１２を閉じておき、吸気行程の途中で開くことにより、吸気流が加速され、慣性過給効果が得られる。所定負荷Ｔｅ１以下では、吸気制御弁１２は、常時開状態に保持される。スロットル弁１３の開度制御を組み合わせることにより、負荷制御の自由度が高くなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、慣性過給効果を得るための吸気制御弁を備えた内燃機関の吸気装置に関する。

特許文献１には、各気筒に至る吸気通路の燃焼室側開口端を開閉する吸気弁の上流側に、慣性過給効果を得るための吸気制御弁を設けた内燃機関の吸気装置が開示されている。上記吸気弁は、周知のように、内燃機関の回転に同期して所定のクランク角度の間、開弁するが、上記吸気制御弁を、吸気弁が開弁するときには閉じておき、かつ負圧が発達した吸気弁の開弁期間の途中で開放することにより、吸気流が加速されてシリンダ内に流入し、慣性過給効果を得ることができる。
特開２０００−２４８９４６号公報

特許文献１に記載の吸気装置においては、シリンダ内に入る空気量つまり機関吸入空気量を、吸気制御弁のみで調整しているため、負荷制御の自由度が低い。

この発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関の回転に同期して開閉する吸気弁の上流側において吸気通路を開閉する吸気制御弁を備えており、上記吸気弁の開弁期間の途中で上記吸気制御弁を開弁させることにより慣性過給効果を得るようになっている。そして、特に、上記吸気制御弁よりも上流側に、上記吸気通路の通路面積を任意に調整可能なスロットル弁が配設されている。

このようにスロットル弁と組み合わせることにより、内燃機関の要求負荷に応じて、上記スロットル弁の開度と上記吸気制御弁の開弁時期とを制御し、内燃機関の負荷を制御することが可能となり、負荷制御の自由度が拡大する。

この発明によれば、吸気弁の開弁期間の途中で開弁する吸気制御弁の作用によって高い慣性過給効果を得ることができるとともに、スロットル弁と吸気制御弁とを組み合わせたことにより負荷制御の自由度が拡大し、広い負荷範囲での運転が可能となる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明を、内燃機関１として４サイクルガソリン機関の吸気装置に適用した一実施例を示している。内燃機関１は、シリンダ２内を摺動するピストン３によって画成された燃焼室４に対し、吸気通路５および排気通路６が接続されており、吸気通路５の燃焼室４側の開口端を、ポペット弁からなる吸気弁７が開閉し、かつ排気通路６の燃焼室４側の開口端を、同じくポペット弁からなる排気弁８が開閉している。これらの吸気弁７および排気弁８は、クランクシャフト１０の回転に同期して回転する図示せぬカムシャフトによってそれぞれ開閉駆動され、従って、クランクシャフト１０の回転に同期して開閉される。これらの開閉時期は、一般的な４サイクルガソリン機関と特に変わりはなく、吸気弁７は、吸気上死点の少し前に開弁し、吸気下死点の少し後に閉弁する。燃焼室４の中心部には、点火プラグ９が配置されている。また、上記クランクシャフト１０のクランク角度を検出するクランク角センサ１１が設けられている。このクランク角センサ１１の検出信号に基づいて、機関回転速度Ｎｅが求められる。

上記吸気通路５の吸気弁７上流側には、慣性過給効果を得るために吸気通路５を開閉し得る吸気制御弁１２が設けられている。この吸気制御弁１２は、前述した特開２０００−２４８９４６号公報に開示されているものと同様の構成であり、一対のフラップを電磁石により開閉する応答性に優れた構成となっている。なお、この吸気制御弁１２は、各気筒毎に独立した吸気通路５の各々に設けられているものであり、吸気制御弁１２の配設位置は、該吸気制御弁１２と吸気弁７との間の距離が慣性過給効果を得る上で最適となるように設定されている。

各気筒毎に独立した吸気通路５は、上記吸気制御弁１２の上流側において１本の吸気通路５として集合しており、かつこの１本に集合した部分に、吸気通路面積を任意に調整可能なバタフライバルブ型のスロットル弁１３が配設されている。このスロットル弁１３は、モータ等のアクチュエータ１４により開度が制御されるいわゆる電子制御スロットル弁であり、実開度を検出するスロットル開度センサ１５の検出信号に基づいて、目標開度ＴＶＯにフィードバック制御される。後述するように、このスロットル弁１３の開度制御と吸気制御弁１２の開閉制御とによって、各シリンダ２への吸入空気量が制御される。

また、燃料噴射弁１６が各気筒毎に吸気通路５に配設されており、負荷つまり吸入空気量に応じた量の燃料が噴射される。なお、実際に流入する空気量を検出するように、適宜な吸入空気量センサ（例えばエアフロメータ等）をスロットル弁１３上流側等に配設するようにしてもよい。上記燃料噴射弁１６は、上記吸気制御弁１２の下流側において、吸気弁７を指向するように配置されている。

上記吸気制御弁１２の開閉やスロットル弁１３の開度、さらには、上記燃料噴射弁１６からの燃料噴射量、点火プラグ９の点火時期、等は、エンジンコントローラ１７によって制御される。このエンジンコントローラ１７には、クランク角センサ１１の検出信号やスロットル開度センサ１５の検出信号などが入力されるほか、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１８からのアクセル開度信号（アクセル操作量）Ａｐｓが入力されている。

次に、上記構成における吸入空気量の制御について説明する。

図２は、上記吸気制御弁１２の開弁時期を決定するための基本制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、例えば１０ｍｓ周期で繰り返し実行される。なお、フローチャート中では、吸気制御弁１２を「遮断弁」と略記する。

まずステップ１で、アクセル操作量Ａｐｓと機関回転速度Ｎｅとを読み込み、ステップ２で、このアクセル操作量Ａｐｓと機関回転速度Ｎｅとをパラメータとして、図４に示すような特性の三次元のマップに基づき、要求負荷ｔＴｅを検索する。なお、要求負荷ｔＴｅが負となる領域は、いわゆるエンジンブレーキが必要な領域となる。上記スロットル弁１３の開度ＴＶＯは、図示せぬ他のルーチンによって、上記要求負荷ｔＴｅに基づき制御される。具体的には、図６に示すような特性に沿って、要求負荷ｔＴｅに対応する目標開度ＴＶＯが与えられる。

一方、ステップ３では、アクセル操作量Ａｐｓと機関回転速度Ｎｅとをパラメータとして、図５に示すような特性のマップに基づき、遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１を検索する。この遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１は、遮断弁つまり吸気制御弁１２による慣性過給効果の付与を行うか否かの閾値となる負荷の大きさを示す。基本的には、スロットル弁１３を全開にしても達成できない負荷が要求されたときに慣性過給効果の付与を行えばよいので、吸気制御弁１２常開かつスロットル弁１３全開時の負荷を遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１にすればよいが、スロットル弁１３の制御容易性（Ｔｅ１前後におけるＴＶＯ段差の大きさ等）を考慮し、遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１を吸気制御弁１２常開かつスロットル弁１３全開時の負荷より小さい値に設定する場合がある（図６参照）。

ステップ４で、要求負荷ｔＴｅが上記遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１よりも大きいか否かを判定し、要求負荷ｔＴｅが遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１よりも大きければ、ステップ５へ分岐し、要求負荷ｔＴｅが遮断弁動作判定負荷Ｔｅ１以下であれば、ステップ６へ分岐する。ステップ５では、遮断弁つまり吸気制御弁１２の開閉制御を行うものとして、遮断弁制御フラグＦを「１」にセットし、ステップ７へ進む。ステップ６では、遮断弁つまり吸気制御弁１２を常時開状態に維持するものとして、遮断弁制御フラグＦを「０」にクリアし、一連のルーチンを終了する。

ステップ７では、機関回転速度Ｎｅをパラメータとして、図７に示すような特性のマップに基づき、遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を検索する。この遮断弁開弁クランク位置Ｐ１は、遮断弁つまり吸気制御弁１２を開弁するタイミングを、吸気上死点（排気上死点）からのクランク角度でもって表したものであり、図示するように、機関回転速度Ｎｅが高いほど小さくなり、つまり、吸気上死点に近付くように進角する。ステップ８で、上記のように検索した遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を出力し、一連のルーチンを終了する。

ここで示したルーチンでは、吸気制御弁１２の開閉制御を行う場合の遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を機関回転速度Ｎｅのみに基づいて決定しており、要求負荷ｔＴｅに対してはＰ１を固定している。遮断弁開弁クランク位置Ｐ１によって慣性過給の効果を変えることができるので、スロットル弁１３を全開に固定しつつＰ１を調整することで負荷調整を行うことも可能であるが、ここでは、要求負荷ｔＴｅに対する吸気制御弁開閉制御をオン／オフ的なものとし、細かな負荷調整は常にスロットル弁１３で行うようにしている。

次に、図３は、上記のように決定した遮断弁開弁クランク位置Ｐ１に基づく遮断弁つまり吸気制御弁１２の開閉制御の処理を示すフローチャートである。

これは、例えばクランク角度に同期して繰り返し実行されるもので、ステップ１１で、上記の遮断弁制御フラグＦの状態と遮断弁開弁クランク位置Ｐ１の値とを読み込み、かつそのときのクランク位置（吸気上死点を０としたクランク角度）Ｐを読み込む。

ステップ１２では、遮断弁制御フラグＦが「０」であるか否かを判断し、遮断弁制御フラグＦが「０」の場合は、吸気制御弁１２を常時開状態とする負荷条件であるので、ステップ１６に進み、遮断弁つまり吸気制御弁１２を「開」として、終了する。遮断弁制御フラグＦが「１」の場合は、慣性過給のために吸気制御弁１２を開閉制御することになり、ステップ１３へ進む。

ステップ１３では、そのときのクランク位置Ｐが、遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を越えたか、つまりＰ＞Ｐ１であるか否かを判定する。クランク位置Ｐが遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を越えていなければ、ステップ１５へ分岐し、遮断弁つまり吸気制御弁１２を閉状態として、終了する。クランク位置Ｐが遮断弁開弁クランク位置Ｐ１を越えていれば、遮断弁つまり吸気制御弁１２を開弁するものとして、ステップ１４へ進む。

ステップ１４では、そのときのクランク位置Ｐが吸気下死点前か否かを判断する。吸気下死点前であれば、ステップ１６へ進み、遮断弁つまり吸気制御弁１２を「開」として、終了する。クランク位置Ｐが吸気下死点に達していれば、ステップ１５へ進み、吸気制御弁１２を閉状態として終了する。

つまり、遮断弁制御フラグＦが「１」の場合、クランク位置Ｐが遮断弁開弁クランク位置Ｐ１に達するまでは吸気制御弁１２が閉じており、遮断弁開弁クランク位置Ｐ１から吸気下死点までの間、開状態となる。上記遮断弁開弁クランク位置Ｐ１は、吸気弁７の開弁期間の途中に設定されている。従って、吸気行程の作用を説明すると、吸気上死点の少し前に吸気弁７が開弁するが、この段階では、吸気制御弁１２は閉じている。そのため、ピストン３が下降するに伴って、燃焼室４および吸気制御弁１２下流の吸気通路５内で負圧が発達する。そして、ピストン３の下降中に遮断弁開弁クランク位置Ｐ１に達したときに、吸気制御弁１２が開弁するため、上流側から吸気が加速されてシリンダ２内へと流入し、高い慣性過給効果が得られる。ピストン３が下死点に達すると、吸気弁７が閉じる前に、吸気制御弁１２が閉じられ、吸気流の逆流による体積効率の低下が回避される。

図８は、ある１つの気筒について、吸気制御弁（遮断弁）１２の開閉のタイミングを示したものであり、クランク位置（クランク角度）の「０°」および「７２０°」が、吸気上死点（排気上死点）となり、「１８０°」が吸気下死点に相当する。図示するように、クランク位置がＰ１から吸気下死点までの間、吸気制御弁１２が開状態となり、それ以外の期間では、吸気制御弁１２が閉状態に保たれる。

このように、上記実施例においては、要求負荷ｔＴｅが所定の負荷Ｔｅ１よりも大きい場合には、吸気制御弁１２の開閉制御により慣性過給効果が得られ、体積効率の増大つまりトルクの増大を図ることができる。また、スロットル弁１３の開度によって負荷制御が可能であり、広い負荷範囲において、慣性過給効果を利用した運転が可能である。なお、慣性過給効果によって体積効率が高くなるので、目標のスロットル開度ＴＶＯは、図６に示すように、閾値となる負荷Ｔｅ１において、不連続な特性となる。

ここで、上記のように吸気制御弁１２を用いて慣性過給を行うと、吸気流速が高くなることから、吸気騒音の点では不利となる。しかしながら、このように負荷が高い条件下では、燃焼騒音等により機関騒音全体が低負荷時に比較して大きくなっているので、吸気騒音の増加が機関騒音の悪化に与える影響は相対的に小さい。

一方、要求負荷ｔＴｅが所定の負荷Ｔｅ１以下のときには、吸気制御弁１２は常時開状態となり、スロットル弁１３によって負荷制御されるので、吸気騒音は低く、機関騒音全体が低い中で吸気騒音が目立つようなことがない。

以上、この発明を４サイクルガソリン機関に適用した一実施例を説明したが、この発明は、これに限定されず、ディーゼル機関や２サイクル機関など、種々の内燃機関の吸気装置に適用することが可能である。

この発明に係る内燃機関の吸気装置の一実施例を示す構成説明図。 この実施例における基本制御ルーチンを示すフローチャート。 吸気制御弁の開閉制御の処理の流れを示すフローチャート。 機関回転速度Ｎｅとアクセル操作量Ａｐｓとに対する要求負荷ｔＴｅの特性を示す特性図。 慣性過給制御の閾値となる負荷Ｔｅ１の特性を示す特性図。 要求負荷ｔＴｅに対するスロットル開度ＴＶＯの特性を示す特性図。 機関回転速度Ｎｅに対する遮断弁開弁クランク位置Ｐ１の特性を示す特性図。 クランク位置Ｐ１の変化に対する吸気制御弁の開閉を示すタイムチャート。

符号の説明

１…内燃機関
５…吸気通路
７…吸気弁
１２…吸気制御弁
１３…スロットル弁

Claims (7)

1. 内燃機関の回転に同期して開閉する吸気弁の上流側において吸気通路を開閉する吸気制御弁を備え、上記吸気弁の開弁期間の途中で上記吸気制御弁を開弁させることにより慣性過給効果を得る内燃機関の吸気装置において、
   上記吸気制御弁よりも上流側に、上記吸気通路の通路面積を任意に調整可能なスロットル弁を配設したことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 内燃機関の負荷に応じて、上記スロットル弁の開度と上記吸気制御弁の開弁時期とを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 内燃機関の負荷が所定値以下の場合には、少なくとも吸気弁の開弁中は上記吸気制御弁を開状態とし、かつ負荷に応じてスロットル弁開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 内燃機関の負荷が所定値より大きい場合には、少なくとも吸気弁の開弁時期には上記吸気制御弁を閉状態とし、かつ吸気弁の開弁期間の途中で上記吸気制御弁を開弁するとともに、負荷に応じてスロットル弁開度を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 上記吸気制御弁の開弁時期は、負荷によっては変化しないことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 上記吸気制御弁の開弁時期は、内燃機関の回転速度が高いほど上死点に近付くように進角することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 上記吸気制御弁は、各気筒毎に独立した吸気通路の各々に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
   

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