JP2005180183A - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気制御弁の開閉による脈動を用いて過給を行う装置において、吸気の温度や圧力が変化しても良好な過給効果が得られるようにする。
【解決手段】サージタンクからシリンダへ至る各気筒別の吸気通路に、該吸気通路を遮断し得る吸気制御弁が配設されており、吸気行程の途中まで閉じておき、吸気行程途中で開くことにより生じた負圧波が正圧波となって戻ってくるタイミングで再び閉じることにより、過給効果が得られる。吸気の温度や圧力が変化すると音速が変わり、タイミングがずれる。水温Ｔｗや外気温度Ｔｅｍ、外気圧力Ｐを検出し、圧力ピークに同調するように開弁期間Ｔｉｈを補正する。開弁期間Ｔｉｈを縮小する際に、開時期リミットＴｏｌまでは開時期Ｔｏを遅角し、その後は、閉時期Ｔｃを進角させていく。
【選択図】図９

Description

この発明は、内燃機関の吸気制御装置に関し、特に、吸気系の気筒毎に吸気制御弁を有し、その開閉作動による吸気脈動効果によって過給作用を与え、機関の充填効率を高めるようにした内燃機関の吸気制御装置に関する。

内燃機関においては、吸気系の上流に配設されたサージタンクと各気筒との間の気筒別の吸気通路の通路長（吸気管長）を適切に設定することで、吸気通路内の圧力脈動により機関の体積効率を高めることが可能なことが知られている。しかしながら、この過給効果は、吸気通路内の圧力脈動が吸気弁の閉時期に正圧となるように同調する機関回転速度付近に限定される。より幅広い運転領域において体積効率の向上効果を得るためには吸気管長を変化させる必要があり、例えば、各気筒に長さの異なる吸気通路を２種類用意し、高速または低速といった機関の運転条件によってこれらを選択的に使用する技術等が知られている。

これとは別に、各気筒の吸気弁とサージタンクの間の吸気通路に該吸気通路を遮断可能な吸気制御弁を設け、この吸気制御弁を吸気行程中に適切なタイミングで開閉制御することにより、気筒別の吸気通路内に圧力脈動を生じさせ、機関の体積効率を向上させる技術が、例えば特許文献１、２等に開示されている。このタイプの吸気制御装置においては、吸気制御弁の開閉時期を機関の運転状態に応じて適切に制御することで、幅広い運転条件下において、体積効率を増大することが可能となる。

このものでは、吸気行程の途中までは吸気制御弁は閉じており、ピストンの下降に伴って負圧が発達する。吸気行程の途中の所定の開時期に吸気制御弁が開くと、負圧波が上流に進み、かつサージタンクで正圧となって反射してくるので、吸気弁付近の吸気通路内圧力が高まったときに吸気制御弁を閉じることにより、過給効果が得られる。この方式の過給は、特に機関回転速度が低い領域での過給が可能であり、かつ過渡時には１サイクル目から過給効果が得られるので、応答性に優れたものとなる。
特開２０００−２４８９４６号公報 特開平１−１５１７１５号公報

上記のように吸気制御弁を吸気行程の途中で開いてから再び閉じるまでの期間つまりクランク角で示される開弁期間は、その実時間が重要であるので、基本的には、機関回転速度に対応したものとなる。従って、例えば、予め機関回転速度に対応して作成したテーブルを用いて、実際の機関回転速度に基づいて、開時期および閉時期が制御されることになる。

しかしながら、例えば寒冷地や高地など、吸気通路内の温度や圧力（平均的な圧力）が種々の条件により変化すると、圧力波の伝播速度が変化するため、吸気制御弁の最適な開閉タイミングからずれてしまい、十分な過給効果が得られずに体積効率が低下する、という問題がある。

この発明に係る内燃機関の吸気制御装置は、吸気弁上流の気筒別の吸気通路内に該吸気通路を遮断可能な吸気制御弁を備え、吸気行程の途中で、機関回転速度に対応した開弁期間の間、上記吸気制御弁を開くことにより、慣性過給効果を得るようにしたものであって、特に、吸気通路内の温度もしくは圧力に関連する１つもしくは複数のパラメータを検出する状態検出手段を有しており、上記パラメータに基づいて、上記開弁期間の長さを補正するようになっている。

圧力波の伝播速度は温度が高いほど速くなり、吸気行程途中の吸気制御弁の開弁により生じた負圧波が上流で反射して正圧波となって戻ってくるまでの時間が相対的に短くなるので、温度が高いほど上記開弁期間が短くなるように補正することが望ましい。同様に、吸気通路内の圧力（平均的な圧力）が低いほど上記開弁期間が短くなるように補正することが望ましい。

上記状態検出手段としては、音速に関与する吸気通路内の温度や圧力を直接に検出することが望ましいが、これに代えて、外気温度、外気圧力、冷却水温度、などの吸気通路内の温度や圧力に影響する外部的なパラメータを検出するようにしてもよい。

一方、例えば吸気通路内の温度が高くなって音速が高くなると、正圧波となって戻ってきたときの脈動のピークの圧力（極大値）は、音速が低いときよりも低下する傾向がある。吸気制御弁の開弁期間は、開時期と閉時期とによって定まるが、吸気行程途中に設定される開時期は、ピストンの下降により発達する負圧の大きさ、つまり吸気制御弁の開弁時に最初に生じる負圧波の強さを左右する。従って、音速の低下に対応して開弁期間の長さを短くするに際しては、閉時期を進角させるのではなく、開時期を遅角させることが望ましい。このように開時期を遅角させると、それだけ負圧が発達するので、上述した脈動のピーク圧力の低下傾向が相殺され、これによる過給圧の低下が回避される。

この発明によれば、例えば寒冷地や高地など、吸気通路内の温度や圧力が変化した場合でも、吸気制御弁の開閉時期が実際の脈動のピークに対応した時期に制御され、常に良好な過給効果を得ることができる。

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、内燃機関として４サイクルガソリン機関の吸気制御装置に適用した一実施例を示している。この内燃機関は、シリンダ１内を摺動するピストン２によって画成された燃焼室３に対し、吸気通路４および排気通路５が接続されており、吸気通路４の燃焼室３側の開口端を、ポペット弁からなる吸気弁６が開閉し、かつ排気通路５の燃焼室３側の開口端を、同じくポペット弁からなる排気弁７が開閉している。これらの吸気弁６および排気弁７は、図示せぬクランクシャフトの回転に同期して回転するカムシャフト８，９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６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。なお、燃焼室３の中心部には、図示せぬ点火プラグが配置されている。

気筒別に設けられている上記吸気通路４の吸気弁６上流側には、過給効果を得るために吸気通路４を遮断し得る吸気制御弁１１が設けられている。この吸気制御弁１１は、１サイクル中の任意の時期に応答性良く開閉可能な構成であり、例えば電磁石により開閉するフラップ弁あるいはバタフライバルブ型の弁などから構成されている。なお、この吸気制御弁１１は、各気筒毎に独立した吸気通路４の各々に設けられているものであり、吸気制御弁１１の配設位置は、吸気管長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４は、上記吸気制御弁１１の上流側において、各気筒に共通のサージタンク１２に接続されている。このサージタンク１２の吸気入口には、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（図示せず）が配設されている。このスロットル弁としては、モータ等の駆動装置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が用いられる。

また、燃料噴射弁１３が各気筒毎に吸気通路４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。上記燃料噴射弁１３は、吸気通路４の上記吸気制御弁１１より下流側の部分に位置し、吸気弁６を指向するように配置されている。

上記吸気制御弁１１の開閉やスロットル弁の開度、さらには、上記燃料噴射弁１３からの燃料噴射量、点火プラグの点火時期、等は、エンジンコントロールユニット１４によって制御される。このエンジンコントロールユニット１４には、クランク角センサ１５の検出信号や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１６からのアクセル開度信号などが入力されるほか、冷却水温を検出する水温センサ１７、外気温度を検出する外気温センサ１８、外気圧力を検出する大気圧センサ１９などからの検出信号がそれぞれ入力されている。

図２は、上記吸気制御弁１１の基本的な過給作用を説明するものであり、吸気制御弁１１は、各サイクル中において図中に示すように吸気行程の途中で１回開閉される。図の「吸気ポート圧」は、吸気制御弁１１と吸気弁６との間の吸気通路４の部分における圧力（より厳密には吸気弁６直前の圧力）を示している。図示するように、当該気筒が圧縮〜燃焼〜膨張行程にある間は、吸気制御弁１１と吸気弁６はいずれも閉状態であり、吸気通路４の吸気制御弁１１下流には、前サイクルによる正圧が保持されている。その後、吸気行程に入り、ピストン２が下降するに従い、吸気制御弁１１より下流側では負圧が発達する。吸気制御弁開時期（ＩＣＶＯ）にて吸気制御弁１１が開弁すると、この吸気通路４内およびシリンダ１内に発生していた負圧が圧力波となって吸気通路４を上流に向かって伝播する。負圧波は、サージタンク１２で正圧となって反射し、再び吸気通路４の吸気弁６近傍およびシリンダ１へと戻ってくる。正圧波が吸気弁６近傍に戻ってきたタイミング（吸気制御弁閉時期（ＩＣＶＣ））で吸気制御弁１１を閉弁すれば、この正圧によってシリンダ１内により多量の新気を充填することができ、過給効果が得られる。

なお、もしもそのまま吸気制御弁１１を閉弁しなければ、図中に点線で示すように、圧力振動が繰り返されることになる。

吸気弁６は、所定の吸気弁閉時期（ＩＶＣ）において閉弁するが、この吸気弁６が閉弁した後も、吸気制御弁１１を閉弁状態のまま維持することで、図示するように吸気通路４の吸気制御弁１１下流に正圧を保持することができ、次サイクルにおいて、残留ガスを掃気する効果を発生する。

なお、低負荷域など過給が不要な領域では、上記吸気制御弁１１は、サイクルの間、開状態に制御される。

本発明では、吸気温度や圧力の変化に対し、上述した適切な開閉タイミングによる過給効果を維持するように、吸気制御弁１１の開時期（ＩＣＶＯ）および閉時期（ＩＣＶＣ）を補正する。

図３は、その制御の一例を示すフローチャートであり、以下、これを説明する。なお、以下では、吸気制御弁１１の開時期（ＩＣＶＯ）および閉時期（ＩＣＶＣ）の指令値を、それぞれ、開時期指令値Ｔｏ、閉時期指令値Ｔｃとして表す。

まずステップ１では、そのときの機関回転速度Ｎを所定の回転速度境界Ｎｓと比較し、Ｎ＞Ｎｓの場合は、ステップ１１へ進んで、開時期指令値Ｔｏを基準開時期Ｔｏｂとし、閉時期指令値Ｔｃを基準閉時期Ｔｃｂとする。ここで、基準開時期Ｔｏｂおよび基準閉時期Ｔｃｂは、基準の温度、圧力の下で、回転速度Ｎに対応して設定された基準の開時期および閉時期である。すなわち、高回転速度では、図４に示すように開弁期間に対する充填効率の感度が小さくなるため、開弁期間の補正は行わない。

ステップ１でＮ≦Ｎｓの場合は、ステップ２へ進み、各センサで検出された外気圧力Ｐ、外気温度Ｔｅｍ、冷却水温度Ｔｗをそれぞれ読み込み、ステップ３で、開閉時期補正倍率Ｃｉｈを所定のマップから検索する。このマップは、外気圧力Ｐ、外気温度Ｔｅｍ、冷却水温度Ｔｗをパラメータとして、対応する開閉時期補正倍率Ｃｉｈの値を割り付けた多次元のマップである。このマップの開閉時期補正倍率Ｃｉｈの値は、上記の基準開時期Ｔｏｂおよび基準閉時期Ｔｃｂによる開弁期間を基準とした倍率を表すものとして、予め実験等で求められているものである。図５および図６は、上記の３つのパラメータのうち一つを固定した形で上記マップの特性を示した特性図であり、図５は外気圧力Ｐを一定とした場合の開閉時期補正倍率Ｃｉｈの特性、図６は外気温度Ｔｅｍを一定とした場合の開閉時期補正倍率Ｃｉｈの特性である。

次に、ステップ４で、開時期リミットＴｏｌを所定のテーブルから検索する。このテーブルは、吸気通路４の最低圧力の制約ならびにシリンダ１の最低圧力の制約を超えないための開時期の限界（限界開時期）を設定したもので、図７のように回転速度毎に定められる。なお、より具体的には、吸気通路４で発達する負圧が、シリンダ１のオイルシール性能限界もしくは吸気制御弁１１のシール性能限界を超えないように設定されている。

次に、ステップ５では、補正後開弁期間Ｔｉｈが、吸気制御弁１１の応答速度から定まる限界よりも短いか否か判定する。具体的には、上記補正後開弁期間Ｔｉｈは、上記の基準開時期Ｔｏｂと基準閉時期Ｔｃｂの角度差Ｔｉｂ（＝Ｔｃｂ−Ｔｏｂ）と上記の開閉時期補正倍率Ｃｉｈとを用いて、Ｔｉｈ＝Ｃｉｈ×Ｔｉｂとして演算される値であり、回転速度Ｎの下での開弁期間の時間的長さは、「Ｔｉｈ／Ｎ」に比例するので、この「Ｔｉｈ／Ｎ」の値を所定時間Ｔｉｓと比較する。

「Ｔｉｈ／Ｎ」が所定時間Ｔｉｓより小さい場合は、ステップ９へ進み、図８に示すように、開時期Ｔｏ後、圧力脈動の初回のピークＰ１から遅れて生じる２番目のピークＰ２に閉時期Ｔｃが合致するように設定された第２の開閉時期マップから、開時期Ｔｏｓおよび閉時期Ｔｃｓを参照し、ステップ１０で、これらを、それぞれ開時期指令値Ｔｏおよび閉時期指令値Ｔｃとして設定する。上記の所定時間Ｔｉｓは、吸気制御弁１１が応答できる開閉速度以上の値に設定する。つまり補正後の開弁期間に対して吸気制御弁１１が応答できない場合は、脈動の第２のピークによる過給を行うものとして開弁期間を長く確保し、制御追従不可に起因する過給性能悪化を回避している。

ステップ６では、閉時期Ｔｃを固定したまま開時期Ｔｏの変更のみで開弁期間を補正した場合に、前述した開時期リミットＴｏｌを超えないかの判定を行う。具体的には、閉時期Ｔｃを基準閉時期Ｔｃｂに固定したまま開時期Ｔｏの変更のみで開弁期間を補正した後の仮の開時期を「Ｔｃｂ−Ｔｉｈ」として求め、これを開時期リミットＴｏｌと比較する。

ここで、「Ｔｃｂ−Ｔｉｈ≦Ｔｏｌ」であれば、ステップ７へ進んで、吸気制御弁１１の開時期指令値Ｔｏを「Ｔｏ＝Ｔｃｂ−Ｔｉｈ」とし、閉時期指令値Ｔｃを「Ｔｃ＝Ｔｃｂ」とする。つまり、この場合は、閉時期Ｔｃを基準閉時期Ｔｃｂに固定したまま開時期Ｔｏを遅進させて、目標とする補正後の開弁期間Ｔｉｈを確保する。

これに対し、ステップ６で「Ｔｃｂ−Ｔｉｈ＞Ｔｏｌ」のときは、ステップ８へ進んで、開時期指令値Ｔｏを開時期リミットＴｏｌとし、閉時期指令値Ｔｃを、「Ｔｃ＝Ｔｏｌ＋Ｔｉｈ」として求める。つまり、この場合は、開時期Ｔｏを開時期リミットＴｏｌに維持し、閉時期Ｔｃを修正して、目標とする開弁期間Ｔｉｈを確保する。

図９は、補正後開弁期間Ｔｉｈの大小による開時期Ｔｏおよび閉時期Ｔｃの変化の概略を示し、図示するように、補正後開弁期間Ｔｉｈが徐々に縮小する場合に、開時期Ｔｏが開時期リミットＴｏｌに達するまでは、開時期Ｔｏが遅角し、その後は、閉時期Ｔｃが徐々に進角することになる。また、図１０は、このような開時期Ｔｏおよび閉時期Ｔｃの変化を、吸気通路４内の圧力（吸気制御弁１１下流の圧力）の特性とともに示したものである。通常の温度・圧力の下では、実線のような開閉時期および圧力特性となるのに対し、開時期Ｔｏの遅角により破線のような特性となり、閉時期Ｔｃが進角すると点線のような特性となる。

図１１は、一例として、温度や圧力が変化した場合の本実施例の作用を示すタイムチャートである。時刻ｔ０から、外気温度Ｔｅｍおよび冷却水温度Ｔｗが徐々に上昇し、また外気圧力Ｐは徐々に低下するものとすると、開弁期間補正倍率Ｃｉｈは低下方向に変化する。従って、開時期指令値Ｔ０は遅角側に変化し、吸気ポート最低圧力Ｐｍｉｎも低下する。なお、吸気ポート最低圧力Ｐｍｉｎとは、吸気制御弁１１下流におけるサイクル中の最低圧力（つまり吸気制御弁１１開弁直前の圧力）である。

時刻ｔ１にて開時期指令値Ｔｏが開時期リミットＴｏｌと等しくなり、以後は、開時期Ｔｏが開時期リミットＴｏｌに保持され、閉時期Ｔｃが進角する。これにより最低圧力Ｐｍｉｎは、所定の耐久圧力値Ｐｓ以上に保たれる。

時刻ｔ２で開弁期間の時間的長さ「Ｔｉｈ／Ｎ」が、吸気制御弁１１の応答速度を示す限界値Ｔｉｓより小さくなるので、脈動の第２のピークに同調するように、第２の開閉時期マップにより開時期Ｔｏおよび閉時期Ｔｃが決定される。従って、ここでは指令値の開弁期間「Ｔｃ−Ｔｏ」は補正後開弁期間Ｔｉｈより長くなる。なお、必要に応じ、さらに後に生じる第３のピーク等に同調するように設定することも可能である。

時刻ｔ３で回転速度Ｎが回転速度境界Ｎｓを超えると、補正は行われないことになり、開時期指令値Ｔｏ＝Ｔｏｂ、閉時期指令値Ｔｃ＝Ｔｃｂとなる。

本発明に係る吸気制御装置を備えた内燃機関のシステム構成図。 過給時の基本的な開閉時期等を示すタイミングチャート。 温度や圧力による補正処理の流れを示すフローチャート。 低速時および高速時の吸気制御弁の開閉による圧力変化を示す特性図。 開弁期間補正倍率の冷却水温Ｔｗおよび外気温度Ｔｅｍに対する特性を示す特性図。 開弁期間補正倍率の冷却水温Ｔｗおよび外気圧力Ｐに対する特性を示す特性図。 開時期リミットＴｏｌの特性を示す特性図。 第２のピークに同調させる場合の圧力変化を示す特性図。 開弁期間Ｔｉｈの変化に対する開閉時期の変化を示す特性図。 開閉時期の変化を圧力変化とともに示す特性図。 外気温度Ｔｅｍ等が変化していく過程の作用を示すタイムチャート。

符号の説明

１…シリンダ
２…ピストン
４…吸気通路
１１…吸気制御弁
１４…エンジンコントロールユニット
１７…水温センサ
１８…外気温センサ
１９…大気圧センサ

Claims (8)

1. 吸気弁上流の気筒別の吸気通路内に該吸気通路を遮断可能な吸気制御弁を備え、吸気行程の途中で、機関回転速度に対応した開弁期間の間、上記吸気制御弁を開くことにより、慣性過給効果を得るようにした内燃機関の吸気制御装置において、
   吸気通路内の温度もしくは圧力に関連する１つもしくは複数のパラメータを検出する状態検出手段を有し、上記パラメータに基づいて、上記開弁期間の長さを補正することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 上記状態検出手段は、外気温度、外気圧力、冷却水温度、の中の少なくとも一つを検出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制御装置。
3. 温度が高いほど、あるいは圧力が低いほど、上記開弁期間が短くなるように補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 上記開弁期間の長さの補正を、上記吸気制御弁の開時期の遅進により行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 上記開弁期間の長さを短く補正するときに、所定の限界開時期までは開時期を遅角し、それ以降は閉時期を進角することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 上記限界開時期は、ピストンの下降に伴い発達する負圧が、シリンダのオイルシール性能限界もしくは吸気制御弁のシール性能限界を超えないように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸気制御装置。
7. 機関回転速度が所定値を超える高速域では上記開弁期間の補正を行わない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制御装置。
8. 補正後の開弁期間の長さが、上記吸気制御弁の応答速度から定まる限界よりも短い場合に、圧力脈動の初回のピークから遅れて生じる２番目以降のピークに閉時期が合致するように、開弁期間を再補正することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の吸気制御装置。

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