JP2006329161A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内でタンブル流又はスワール流を生じさせる内燃機関において、タンブル流又はスワール流の減衰を抑えるとともに、ポンピングロスの発生を抑止すること。
【解決手段】 内燃機関１０の吸気通路１２に設けられ、内燃機関１０の筒内に送られる吸入空気量を制御するスロットルバルブ２２と、スロットルバルブ２２よりも下流側の吸気通路１２に設けられ、内燃機関１０の筒内に送られる吸気流の流れを制御する可変気流制御弁３４と、スロットルバルブ２２の開き量に応じて、可変気流制御弁３４の開き量を制御する制御手段と、を備える。スロットルバルブ２２の下流における吸気流の流れの状態に応じて、可変気流制御弁３４により吸気流の流れを制御することが可能となるため、筒内に確実にタンブル流又はスワール流を形成することができ、ポンピングロスの発生を抑えることが可能となる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、筒内にタンブル流又はスワール流を生じさせる内燃機関に適用して好適である。

従来、例えば特開２００４−２４５２０４号公報には、吸気ポートに設けたタンブル制御弁によりタンブル流の強さを調整し、スロットル開度とエンジン回転数に応じてタンブル制御弁の開度を設定する方法が開示されている。

特開２００４−２４５２０４号公報 特開２０００−１６１１０３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、スロットルバルブを半開きにすると、スロットルバルブにおける剥離現象とコアンダー効果により流れに偏流が発生する。この状態で、タンブル流を強化するためにタンブル制御弁を閉じると、吸気抵抗が大きくなり、ポンピングロスが増大するという弊害が発生する。従って、内燃機関の効率が低下してしまう。

また、スワールポートを備えた内燃機関など筒内にスワール流を発生させるシステムでは、スロットルバルブの下流で吸気流に偏流が発生するため、筒内のスワール流が減衰してしまうという問題が生じる。このため、スワール流により燃焼改善効果を十分に発揮することが困難となる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、筒内でタンブル流又はスワール流を生じさせる内燃機関において、タンブル流又はスワール流の減衰を抑えるとともに、ポンピングロスの発生を抑止することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸入空気量を制御するスロットルバルブと、前記スロットルバルブよりも下流側の前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸気流の流れを制御する可変気流制御弁と、前記スロットルバルブの開き量に応じて、前記可変気流制御弁の開き量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記スロットルバルブが半開きの場合は、前記スロットルバルブが全開の場合に比べて前記可変気流制御弁の開き量を大きくすることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記制御手段は、内燃機関が高負荷域で運転される場合ほど前記可変気流制御弁の開き量を大きくすることを特徴とする。

第４の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られた吸気流にスワール流を形成するスワール流発生手段と、前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸入空気量を制御するスロットルバルブと、前記スロットルバルブよりも下流側の前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸気流の流れを制御する可変気流制御弁と、前記スロットルバルブの開き量に応じて、前記可変気流制御弁の開き量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記制御手段は、前記スロットルバルブが半開きの場合は、前記スロットルバルブが全開の場合に比べて前記可変気流制御弁の開き量を小さくすることを特徴とする。

第６の発明は、第４又は第５の発明において、前記制御手段は、内燃機関が高負荷域で運転されるほど前記可変気流制御弁の開き量を小さくすることを特徴とする。

第１の発明によれば、スロットルバルブの開き量に応じて可変気流制御弁の開き量を制御するため、スロットルバルブの下流における吸気流の流れの状態に応じて、可変気流制御弁により吸気流の流れを制御することが可能となる。従って、吸気流の流れを最適に制御することが可能となり、筒内に確実にタンブル流を形成することができ、また、ポンピングロスの発生を抑えることが可能となる。

第２の発明によれば、スロットルバルブが半開きの場合は、スロットルバルブが全開の場合に比べて可変気流制御弁の開き量を大きくするため、スロットルバルブが半開きの場合に発生する偏流によりポンピングロスが増加することを確実に抑止できる。

第３の発明によれば、スロットルバルブが半開きの場合に発生する偏流は内燃機関が高回転域で運転されるほど強くなるため、高負荷域で運転される場合ほど可変気流制御弁の開き量を大きくすることで、偏流によるポンピングロスの増加を確実に抑止できる。

第４の発明によれば、スロットルバルブの開き量に応じて可変気流制御弁の開き量を制御するため、スロットルバルブの下流における吸気流の流れの状態に応じて、可変気流制御弁により吸気流の流れを制御することが可能となる。従って、吸気流の流れを最適に制御することが可能となり、筒内に形成されるスワール流が減衰してしまうことを確実に抑止できる。

第５の発明によれば、スロットルバルブが半開きの場合は、スロットルバルブが全開の場合に比べて可変気流制御弁の開き量を小さくするため、スロットルバルブが半開きの場合に発生する偏流を整流することが可能となる。従って、偏流によりスワール流が減衰してしまうことを確実に抑止できる。

第６の発明によれば、スロットルバルブが半開きの場合に発生する偏流は内燃機関が高回転域で運転されるほど強くなるため、高負荷域で運転される場合ほど可変気流制御弁の開き量を小さくすることで、偏流を確実に整流することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の各実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。また、排気通路１４には排気浄化触媒３２が配置されている。

エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２は内燃機関１０が備える複数の気筒毎に独立して設けられており、各気筒への吸気流が流れるインテークマニホールド部に設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。

スロットルバルブ２２の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。なお、燃料噴射弁３０は筒内に燃料を噴射するものであっても良い。

燃料噴射弁３０の下流には、吸気通路１２から内燃機関１０の筒内に入る吸気流の流れを制御する可変気流制御弁３４が設けられている。可変気流制御弁３４は、不図示のアクチュエータによって駆動される。

内燃機関１０は、吸気バルブ３６および排気バルブ３８を備えている。吸気バルブ３６には、吸気バルブ３６のリフト量または作用角を可変するための可変機構４８が接続されている。また、内燃機関１０の筒内には、点火プラグ４２が設けられている。更に、筒内には、その内部を往復運動するピストン４４が設けられている。

図１に示すように、本実施形態の制御装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０、可変気流制御弁３４、可変機構４８に加えて、機関回転数を検出する回転数センサ４６、冷却水温を検出する水温センサ５０などが接続されている。

図２は、内燃機関１０の筒内と、スロットルバルブ２２、可変気流制御弁３４の近傍を詳細に示す模式図である。ここで、図２（Ａ）はスロットルバルブ２２が最大に開かれた状態を示している。また、図２（Ｂ）は、スロットルバルブ２２が半開きの状態を示している。

図２に示すように、スロットルバルブ２２は支点２２ａを中心として回転することで、開度（図２中に示す角度φ）が可変するように構成されている。ここで、開度φはスロットルバルブ２２が全開の状態で０となる。すなわち、スロットルバルブ２２が実際に開いている量を表す「開き量」は、開度φが小さくなるほど大きくなる。

また、図２に示すように、可変気流制御弁３４は、支点３４ａを中心として回転することで、開度（図２中に示す角度θ）が可変するように構成されている。従って、可変気流制御弁３４によれば、内燃機関１０の筒内への吸気流の流れを制御することができる。ここで、開度θは可変気流制御弁３４が全開の状態で０となる。すなわち、可変気流制御弁３４が実際に開いている量を表す「開き量」は、開度θが小さくなるほど大きくなる。

本実施形態のシステムでは、可変気流制御弁３４により吸気通路１２の下側における吸気流の流れを遮断することで、図２に示すように吸気通路１２の上側から点火プラグ４２側に吸気流を流し、筒内にタンブル流を形成するようにしている。これにより、タンブル流により燃料と空気を十分に混合することができるため、筒内の燃焼をより速くすることが可能となり、燃費、機関性能を向上することが可能となる。

可変気流制御弁３４により吸気流の流れを制御した場合に、スロットルバルブ２２の開き量が小さいと、吸気流がスロットルバルブ２２、および可変気流制御弁３４を通過する際の圧力損失が大きくなり、ポンピングロスが発生する場合がある。このため、本実施形態では、スロットルバルブ２２の開度φと可変気流制御弁３４の開度θを連動して制御することで、ポンピングロスの発生を最小限に抑えるようにしている。

図３は、スロットルバルブ２２の開度φと、可変気流制御弁３４の開度θとの関係を示す特性図であって、内燃機関１０が低回転域で運転される場合の特性を示している。図３において、横軸はスロットルバルブ２２の開度φを示しており、縦軸は可変気流制御弁３４の開度θを示している。

図３に示すように、スロットルバルブ２２が全開（φ＝０）、または全閉（φ＝９０°）の場合は、可変気流制御弁３４が最も閉じた状態（θ＝９０°）とされる。スロットルバルブ２２が全開または全閉の状態から半開きの状態へ移行すると、可変気流制御弁３４の開き量が大きくなる。そして、スロットルバルブ２２が半開きの状態（φ＝φ１）では、可変気流制御弁３４が最も開いた状態となり、開度θが最小値（θ＝θ１）となる。

図２（Ａ）に示す状態ではスロットルバルブ２２が全開であるため、図３の特性に従って、可変気流制御弁３４の開度θは９０°に設定される。これにより、可変気流制御弁３４は最も閉じた状態となり、図３に示すように、スロットルバルブ２２を通過した吸気流は、可変気流制御弁３４と吸気通路１２の上側の壁面との間を通過する。これにより、吸気通路１２の上側から筒内に吸気流を導入することができる。従って、筒内に確実にタンブル流を形成することができ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

スロットルバルブ２２が半開きの状態で図２（Ａ）の場合と同様に可変気流制御弁３４を最も閉じた状態にしておくと、吸気流がスロットルバルブ２２および可変気流制御弁３４を通過する際の圧力損失が大きくなり、筒内へ吸気流が送り込まれる際のポンピングロスが大きくなる。

本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、スロットルバルブ２２が半閉きの状態（φ＝φ１）では、図３の特性に従って可変気流制御弁３４の開度θはθ１に設定される。このように、スロットルバルブ２２が半開きの場合は、スロットルバルブ２２が全開の場合に比べて可変気流制御弁３４の開き量を大きくすることで、吸気流の圧力損失を抑えることができる。従って、ポンピングロスを最小限に抑えることが可能となる。

図２（Ｂ）に示す状態では、スロットルバルブ２２を通過する際に偏流が発生するため、図２（Ａ）の場合よりも可変気流制御弁３４の開度θを小さくした場合であっても、図２（Ａ）の場合と同程度のタンブル流を筒内に形成することができる。従って、タンブル流を低減することなく、ポンピングロスを抑えることが可能である。

特に、本実施形態のように各気筒毎に独立してスロットルバルブ２２が設けられるシステムでは、スロットルバルブ２２と可変気流制御弁３４が近接するため、スロットルバルブ２２が半開きの場合、可変気流制御弁３４の開度がポンピングロスに与える影響が大きくなる。従って、スロットルバルブ２２の開度に応じて可変気流制御弁３４の開度を可変することで、確実にポンピングロスを抑えることが可能となる。

図４は、図３と同様に、スロットルバルブ２２の開度φと可変気流制御弁３４の開度θとの関係を示す特性図であって、図３の特性（図４中に実線で示す）に加えて内燃機関１０が高回転域で運転される場合の特性（図４中に破線で示す）を示している。

内燃機関１０が高回転域で運転される場合は、低回転域で運転される場合に比べて、スロットルバルブ２２の下流における吸気流の偏流が大きくなる。この場合、偏流によって筒内でのタンブル流が低減し、また、ポンピングロスが増加する場合がある。このため、高回転域で運転が行われる場合は、図４中に破線で示すように、低回転域の場合に比べて可変気流制御弁３４の開度θが小さく設定される。図４中に破線で示す特性では、スロットルバルブ２２が半開きの状態（φ＝φ１）で可変気流制御弁３４が最も開いた状態となり、開度θが最小値（θ＝θ２）となる。

これにより、可変気流制御弁３４がより大きく開かれることとなり、スロットルバルブ２２の下流で発生した偏流による影響を抑えることができる。これにより、吸気流をスムーズに筒内へ導入することができ、ポンピングロスの発生を確実に抑えるとともに、タンブル流の低減を抑えることが可能となる。

以上説明したように実施の形態１によれば、吸気流の流れを制御する可変気流制御弁３４を備えたシステムにおいて、スロットルバルブ２２と可変気流制御弁３４を連動して制御し、スロットルバルブ２２の開き量が半開きとなる場合は全開時に比べて可変気流制御弁３４を大きく開くようにしたため、ポンピングロスの発生を最小限に抑えた状態で効率的にタンブル流を強化することができる。従って、ポンピングロスに起因した内燃機関１０の効率低下を抑止でき、且つ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２のシステムの基本的な構成は図１のシステムと同様であるが、実施の形態２では、内燃機関１０の筒内にスワール流を生じさせるシステムに関するものである。

すなわち、実施の形態２では、吸気バルブ３６の近傍の吸気通路１２に、筒内へ送られる吸気流にスワール流を形成するためのスワールポートが設けられている。スワールポートは、例えば公知のヘリカルポートにより構成されている。このような構成によれば、筒内でスワール流を形成することにより、筒内における燃焼状態を良好にすることができ、燃焼促進を図ることが可能となる。実施の形態２においても、各気筒毎に独立してスロットルバルブ２２が設けられており、スロットルバルブ２２はスワールポートに設けられている。なお、スワール流はスワールポート以外の手段により発生させても良く、例えば所定の作動弁を吸気ポートに設けることでスワール流を発生させても良い。

図５は、実施の形態２において、内燃機関１０の筒内と、スロットルバルブ２２、可変気流制御弁３４の近傍を詳細に示す模式図である。ここで、図５（Ａ）はスロットルバルブ２２が最大に開かれた状態を示している。また、図５（Ｂ）は、スロットルバルブ２２が半開きの状態を示している。

図５に示すように、実施の形態２では、可変気流制御弁３４の支点３４ａは吸気通路１２の上側の壁面に設けられている。そして、実施の形態１と同様に、可変気流制御弁３４は、支点３４ａを中心として回転することで、開度（図５中に示す角度θ）が可変するように構成されている。ここで、開度θは可変気流制御弁３４が全開の状態で０となる。すなわち、可変気流制御弁３４が実際に開いている量を表す「開き量」は、開度θが小さくなるほど大きくなる。

このように構成された実施の形態２のシステムにおいて、吸気流がスロットルバルブ２２を通過すると、スロットルバルブ２２の下流で偏流が発生する。特にスロットルバルブ２２が閉じた状態では、スロットルバルブ２２の下流で発生する偏流が大きくなる。

スロットルバルブ２２の下流で偏流が発生すると、吸気流が偏って流れた状態で筒内に送られるため、筒内で形成されるスワール流が減衰してしまう場合がある。このため、本実施形態では、スロットルバルブ２２の開度に応じて可変気流制御弁３４の開度を制御することで、筒内に確実にスワール流を形成するようにしている。

図６は、スロットルバルブ２２の開度φと、可変気流制御弁３４の開度θとの関係を示す特性図であって、内燃機関１０が低回転域で運転される場合の特性を示している。図６において、横軸はスロットルバルブ２２の開度φを示しており、縦軸は可変気流制御弁３４の開度θを示している。

図６に示すように、スロットルバルブ２２の開度φが全開（φ＝０）、または全閉（φ＝９０°）の場合は、可変気流制御弁３４が最も開いた状態に設定される（θ＝０）。スロットルバルブ２２が全開、または全閉の状態から半開きの状態へ移行すると、可変気流制御弁３４の開き量は小さくなる。そして、スロットルバルブ２２の開度が半開きの状態（φ＝φ２）では、可変気流制御弁３４が最も閉じた状態となり、開度θが最大値（θ＝θ３）となる。

図５（Ａ）に示す状態ではスロットルバルブ２２が全開であるため、図６の特性に従って、可変気流制御弁３４の開度θは０に設定される。これにより、可変気流制御弁３４は最も開いた状態となり、図５（Ａ）に示すように、スロットルバルブ２２を通過した吸気流は、可変気流制御弁３４により流れを可変されることなく、内燃機関１０の筒内へ向かう。スロットルバルブ２２が全開の場合、スロットルバルブ２２の下流で偏流は発生しないため、吸気流をそのまま筒内に送ることで、筒内でスワール流を形成することができる。

一方、図５（Ｂ）に示す状態では、スロットルバルブ２２が半閉きの状態（φ＝φ１）であるため、図５（Ｂ）に示すように、スロットルバルブ２２の下流で吸気流が吸気通路１２の上側に集まり、偏流が発生する。上述したように偏流が発生した状態で吸気流を筒内に送ると、筒内でのスワール流が低減してしまう場合がある。

このため本実施形態では、スロットルバルブ２２が半閉きの状態では、図６の特性に従って可変気流制御弁３４の開度θをθ３に設定し、スロットルバルブ２２が全開の場合に比べて可変気流制御弁２４を閉じるようにしている。これにより、吸気通路１２の上側に偏って流れている吸気流を吸気通路１２の下側へ分散させることができ、吸気流の流れを均一化することができる。従って、偏流が発生した状態で吸気流が筒内に送られることを抑止でき、筒内に確実にスワール流を形成することができる。これにより、筒内での燃焼状態を良好にすることができ、燃焼促進を達成することが可能となる。

特に、本実施形態のように各気筒毎に独立してスロットルバルブ２２が設けられるシステムでは、スロットルバルブ２２と機関筒内が近接するため、スロットルバルブ２２の下流で発生した偏流が筒内のスワール流に与える影響が大きくなる。従って、スロットルバルブ２２の下流で可変気流制御弁３４により吸気流を整流することで、スワール流の減衰を確実に抑えることが可能となる。

図７は、図６と同様にスロットルバルブ２２の開度φと、可変気流制御弁３４の開度θとの関係を示す特性図であって、図６の特性（図７中に実線で示す）に加えて内燃機関１０が高回転域で運転される場合の特性（図７中に破線で示す）を示している。

実施の形態１で説明したように、内燃機関１０が高回転域で運転される場合は、低回転域で運転される場合に比べて、スロットルバルブ２２の下流における吸気流の偏流が大きくなる。この場合、偏流によって筒内でのスワール流が低減してしまう場合がある。このため、高回転域で運転が行われる場合は、図７に破線で示すように、低回転域の場合に比べて可変気流制御弁３４の開度θが大きく設定される。

これにより、可変気流制御弁３４がより閉じられることになり、高回転域の運転でスロットルバルブ２２の下流で偏流が発生した場合であっても、吸気流を確実に整流することが可能となる。従って、筒内でスワール流を確実に形成することができ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

以上説明したように実施の形態２によれば、筒内でスワール流を発生させるスワールポートを備えたシステムにおいて、スロットルバルブ２２と可変気流制御弁３４を連動して制御し、スロットルバルブ２２の開き量が半開きとなる場合は全開時に比べて可変気流制御弁３４を閉じるようにしたため、スロットルバルブ２２の下流で偏流が生じた場合であっても、筒内に送られる吸気流を整流することが可能になる。従って、筒内に確実にスワール流を形成することができ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

本発明の各実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。 実施の形態１において、内燃機関の筒内と、スロットルバルブ、可変気流制御弁の近傍を詳細に示す模式図である。 実施の形態１において、スロットルバルブの開度φと、可変気流制御弁の開度θとの関係を示す特性図である。 スロットルバルブの開度φと可変気流制御弁の開度θとの関係を示す特性図であって、図３の特性に加えて内燃機関が高回転域で運転される場合の特性を示す特性図である。 実施の形態２において、内燃機関の筒内と、スロットルバルブ、可変気流制御弁の近傍を詳細に示す模式図である。 実施の形態２において、スロットルバルブの開度φと、可変気流制御弁の開度θとの関係を示す特性図である。 スロットルバルブの開度φと、可変気流制御弁の開度θとの関係を示す特性図であって、図６の特性に加えて内燃機関が高回転域で運転される場合の特性を示す特性図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
２２ スロットルバルブ
３４ 可変気流制御弁

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸入空気量を制御するスロットルバルブと、
   前記スロットルバルブよりも下流側の前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸気流の流れを制御する可変気流制御弁と、
   前記スロットルバルブの開き量に応じて、前記可変気流制御弁の開き量を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記スロットルバルブが半開きの場合は、前記スロットルバルブが全開の場合に比べて前記可変気流制御弁の開き量を大きくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、内燃機関が高負荷域で運転される場合ほど前記可変気流制御弁の開き量を大きくすることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関の吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られた吸気流にスワール流を形成するスワール流発生手段と、
   前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸入空気量を制御するスロットルバルブと、
   前記スロットルバルブよりも下流側の前記吸気通路に設けられ、内燃機関の筒内に送られる吸気流の流れを制御する可変気流制御弁と、
   前記スロットルバルブの開き量に応じて、前記可変気流制御弁の開き量を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記スロットルバルブが半開きの場合は、前記スロットルバルブが全開の場合に比べて前記可変気流制御弁の開き量を小さくすることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、内燃機関が高負荷域で運転されるほど前記可変気流制御弁の開き量を小さくすることを特徴とする請求項４又は５記載の内燃機関の制御装置。

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