JP2007032485A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、広い機関回転数の範囲で吸気の脈動効果を有効に利用して、性能向上を図ることこと。
【解決手段】この吸気マニホールド１０は、断面円弧形状の第１部材２１Ａと第２部材２１Ｂとが、第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂによって支持され、円弧の内面が対向するように組み合わされる。これによって、燃焼室へ空気を導く管路２１が構成される。第２部材２１Ｂは、第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂに沿って、第１部材２１Ａとの距離を変化させるように移動する。そして、モータ２７によって、第２部材２１Ｂを移動させることにより、管路２１の管径を変更する。
【選択図】 図３−１

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の吸気は、吸気弁の開閉動作やピストンの動作に関連して、吸気管内で脈動する。そして、吸気脈動効果、吸気慣性効果を利用して吸気の充填効率を向上させることにより、内燃機関の性能向上を図る技術が知られている。例えば、特許文献１には、内燃機関の吸気管内圧力及び排気管内圧力の大小管径に基づいて、吸気弁又は排気弁の開閉弁時期を設定する内燃機関が開示されている。

特開２００４−２１１６１４号公報

ところで、脈動効果を有効に利用できる固有の周波数が決まっている。特許文献１に開示された技術では、内燃機関の機関回転数がその固有の周波数から外れた場合には、吸気脈動効果を有効に利用することはできない。このため、広い機関回転数の範囲において、吸気脈動効果を利用することにより内燃機関の性能向上を図ることについては、改善の余地がある。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広い機関回転数の範囲において吸気の脈動効果を有効に利用して、性能向上を図ることのできる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、空気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室へ空気を導く管路を有し、前記管路の管軸に垂直な断面内における管径が、機関回転数に応じて変化する吸気マニホールドと、を備えることを特徴とする。

この内燃機関は、燃焼室へ空気を導く吸気マニホールドを構成する管路の管径を、内燃機関の機関回転数に応じて変化させる。これによって、吸気マニホールドの管路の管径を、内燃機関の機関回転数に対応した最適な管径とすることができる。その結果、内燃機関の広い機関回転数の範囲で、吸気の脈動効果を有効に利用して吸気の充填効率を向上させて、内燃機関の性能を向上させることができる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、機関回転数の上昇とともに、前記管径が大きくなるとともに、同じ機関回転数において、前記内燃機関が冷間時に運転されているときにおける前記管路の管径を、前記内燃機関の暖機が終了した後における前記管路の管径よりも小さくすることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記吸気マニホールドは、可撓性の仕切り膜が前記吸気マニホールドの管路内に設けられ、前記管路の内面と前記仕切り膜との間に形成される空間に流体を供給、又は前記空間から流体を吸引することにより、前記管路の管径を変更することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記吸気マニホールドは、断面円弧形状の第１部材と第２部材とが、円弧の内面が対向するように組み合わされて前記管路が構成され、前記第１部材又は前記第２部材のうち少なくとも一方を移動させて前記管路の管径を変更することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、燃焼室へ空気を導く管路を有し、前記管路の管軸に垂直な断面内における管径が変化する吸気マニホールドを備える内燃機関の運転を制御するものであり、前記内燃機関の機関回転数に応じて、前記管路の管径を変更する管径制御部を備えることを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、吸気マニホールドを構成する管路の管径が変化する内燃機関に対して、内燃機関の機関回転数に応じて前記管路の管径を変化させる。これによって、吸気マニホールドの管路の管径を、内燃機関の機関回転数に対応した最適な管径とすることができる。その結果、内燃機関の広い機関回転数の範囲で、吸気の脈動効果を有効に利用して吸気の充填効率を向上させて、内燃機関の性能を向上させることができる。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、さらに、前記内燃機関が冷間時に運転されているか否かを判定する運転条件判定部を備え、前記運転条件判定部が、前記内燃機関が冷間時に運転されていると判定したときには、前記管径制御部は、同じ機関回転数において、前記内燃機関が冷間時に運転されているときにおける前記管路の管径を、前記内燃機関の暖機が終了した後における前記管路の管径よりも小さく設定することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、前記内燃機関の運転制御装置において、前記管径制御部は、前記管路の管径を変更する際において、前記管路の実際の管径が、前記機関回転数から求められる目標管径の許容範囲外にあるときに、前記管路の管径を変更することを特徴とする。

本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、広い機関回転数の範囲において吸気の脈動効果を有効に利用して、性能向上を図ることができるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させて動力を得る内燃機関全般に対して適用でき、レシプロ式、ロータリー式、火花点火式、ディーゼル式を問わない。本発明は、特に乗用車やバス、あるいはトラックといった車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。

この実施形態に係る内燃機関は、管路の管軸に垂直な断面内における管径が変化する吸気マニホールドを備え、内燃機関の機関回転数に応じて吸気マニホールドの管径を変更する点に特徴がある。図１は、この実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。図２は、この実施形態に係る内燃機関を示す平面図である。図１、２を用いて、この実施形態に係る内燃機関について説明する。

図２に示すように、この実施形態に係る内燃機関１は、４個の気筒１ｓ及び燃焼室１ｂを備えるが、図１には、内燃機関１が備える４個の気筒１ｓ及び燃焼室１ｂのうち、一つの気筒１ｓ及び燃焼室１ｂを示している。なお、内燃機関１の気筒数や気筒配置は限定されるものではない。この内燃機関１は、いわゆる火花点火式の内燃機関であり、シリンダヘッド１ｈに取り付けられる点火プラグ９によって、燃焼室１ｂ内の混合気に点火してこれを燃焼させる。

内燃機関１に取り込まれる空気Ａは、吸気通路１７の入口に設けられるエアクリーナ１６によって、塵や埃が除去される。内燃機関１へ取り込まれる空気Ａは、吸気通路１７に取り付けられるエアフローセンサ４３によって流量が計測される。吸気通路１７には、スロットル弁１１が設けられる。スロットル弁１１は、バタフライ弁１１ｂが開閉して、内燃機関１の燃焼室１ｂ内へ導入される空気Ａの量を調整する。この実施形態において、スロットル弁１１は、電子スロットル弁であり、機関ＥＣＵ５０へ取り込まれたアクセル開度センサ４４のアクセル開度情報を基に、機関ＥＣＵ５０がスロットル弁１１の開度を制御する。なお、この実施形態で使用できるスロットル弁は、電子スロットル弁に限られるものではない。

エアフローセンサ４３で計測された空気Ａの流量は機関ＥＣＵ５０へ取り込まれて、内燃機関１の運転を制御するパラメータとして用いられる。内燃機関１のシリンダヘッド１ｈには、吸気弁５ｉ、及び排気弁５ｅが取り付けられている。吸気弁５ｉは吸気カム１８ｉで、排気弁５ｅは排気カム１８ｅで駆動され、開閉する。

スロットル弁１１で流量が調整された空気Ａは、サージタンク１２へ集められた後、この実施形態に係る吸気マニホールド１０へ導かれる。図２に示すように、吸気マニホールド１０は複数の管路２１で構成され、それぞれの管路２１は内燃機関１が備えるそれぞれの燃焼室１ｂに接続される吸気ポート３ｉに接続されている。そして、吸気マニホールド１０は、サージタンク１２へ集められた空気Ａを内燃機関１の各燃焼室１ｂに分配する。すなわち、吸気マニホールド１０は、サージタンク１２からの分岐管となる。この実施形態に係る吸気マニホールド１０は、内燃機関１の機関回転数ＮＥに応じて、管路２１の管軸Ｚに垂直な断面内における管径が変化する。この制御は、機関ＥＣＵ５０内に設けられる内燃機関の運転制御装置３０が行う。この実施形態に係る吸気マニホールド１０及び内燃機関の運転制御装置３０については、後述する。ここで、管軸Ｚは、管路２１の軸線であり、管路２１の貫通方向における中心線である。この実施形態において、管路２１の管径は変化するので、管路２１の管軸Ｚに垂直な断面内における中心位置も変化することになる。

それぞれの燃焼室１ｂに接続される各吸気ポート３ｉには、それぞれ燃料噴射弁４が設けられる。なお、吸気ポート３ｉへ燃料噴射弁４を設ける代わりに、燃焼室１ｂ内へ直接燃料を噴射する、いわゆる直噴噴射弁を用いてもよい。また、吸気ポート３ｉへ燃料噴射弁４を設けるとともに、いわゆる直噴噴射弁を設け、内燃機関１の運転条件に応じて両者を使い分けてもよい。

燃料噴射弁４から噴射された燃料Ｆは、吸気ポート３ｉに導かれる空気Ａと混合気を形成する。この混合気は、吸気弁５ｉが開くことにより、内燃機関１のシリンダヘッド１ｈに設けられた吸気口２ｉから燃焼室１ｂ内へ導入される。そして、ピストン６がＴＤＣ（点火上死点）に到達する前後のタイミングで、内燃機関１のシリンダヘッド１ｈに取り付けられる点火プラグ９が放電し、燃焼室１ｂ内へ導入された混合気に点火し、火炎伝播により前記混合気を燃焼させる。ここで、各燃焼室１ｂに対する燃料噴射時期及び点火時期は、クランク軸８の近傍に設けられるクランク角度センサ４２から取得するクランク角度に基づき、機関ＥＣＵ５０が決定する。

燃焼室１ｂ内で燃焼した混合気の燃焼圧力はピストン６に伝えられ、ピストン６を往復運動させる。ピストン６の往復運動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８に伝えられ、ここで回転運動に変換される。クランク軸８は、ピストン６の往復運動を内燃機関１の出力として取り出す。燃焼後の混合気は排気Ｅｘとなる。排気Ｅｘは、排気弁５ｅが開くことにより燃焼室１ｂから排気口２ｅを通って、排気通路である排気ポート３ｅへ排出される。この排気Ｅｘは、排気ポート３ｅからエキゾーストマニホールド１３を通って浄化触媒１４へ導かれ、ここで浄化される。浄化触媒１４で浄化された排気Ｅｘは、消音器１５へ導かれて騒音を低減されてから大気中へ放出される。

機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０は、冷却水温センサ４１、クランク角度センサ４２、エアフローセンサ４３、アクセル開度センサ４４その他のセンサ類からの出力を取得する。機関ＥＣＵ５０は、取得した信号に基づいて、内燃機関１に対する燃料噴射量、点火時期、その他の制御パラメータを決定する。そして、機関ＥＣＵ５０は、決定した制御パラメータに基づいて、燃料噴射弁４や点火プラグ９等の制御対象を制御することよって、内燃機関１の運転を制御する。次に、この実施形態に係る吸気マニホールド１０の構成について説明する。なお、次の説明においては、適宜図１、図２を参照されたい。

図３−１〜図３−３は、この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの構成を示す説明図である。この実施形態に係る内燃機関１は、機関回転数ＮＥに応じて、吸気マニホールド１０の管路の管径（管軸Ｚ方向に垂直な断面内における管径）を変化させる。内燃機関１の運転中においては、ピストン６が往復運動するとともに吸気弁５ｉが開くので、吸気マニホールド１０内には負圧波が発生する。発生した負圧波は、吸気マニホールド１０内を伝播して気柱振動するため、吸気の脈動（吸気脈動）が生ずる。

この吸気脈動を利用することにより充填効率を向上させることができるが、内燃機関１の運転条件（機関回転数ＮＥ）によって、脈動効果が発生する管径は変化する。このため、この吸気マニホールド１０では、内燃機関１の運転条件（機関回転数ＮＥ）に応じて、脈動効果が発生する最適な管径に吸気マニホールド１０の管路の管径を制御する。これによって、低回転から高回転までの全域にわたって充填効率を向上させて、内燃機関１の出力及びレスポンスを向上させることができる。

図３−１、図３−２に示すように、この実施形態に係る吸気マニホールド１０は、断面円弧形状の第１部材２１Ａと、第２部材２１Ｂとが、円弧の内面が対向するように組み合わされて、空気が通過する管路２１が構成される。第１部材２１Ａの端部２１Ａｔと第２部材２１Ｂの端部２１Ｂｔとは、第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂによって支持される。そして、第２部材２１Ｂは、第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂにガイドされて、第１部材２１Ａとの距離を増減させるように移動する。

また、第１部材２１Ａの端部２１Ａｔ及び第２部材２１Ｂの端部２１Ｂｔと、第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂとの間には、シール部材２３が設けられる。これによって、第１部材２１Ａと、第２部材２１Ｂとによって構成される管路２１の気密を維持する。また、シール部材２３は、第２部材２１Ｂが移動する際には、第２部材２１Ｂとともに第１及び第２ガイド部材２２Ａ、２２Ｂ上を摺動しながら移動して、管路２１の気密を維持する。

第２部材２１Ｂには、ギヤロッド２４が取り付けられており、アクチュエータであるモータ２７の回転軸２６に取り付けられたギヤ２５と前記ギヤロッド２４とが噛み合う。そして、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置３０によりモータ２７が駆動されると、第２部材２１Ｂが、第１部材２１Ａとの距離を増減させるように移動する（図３−３）。これによって、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を変化させることができる。図３−３に示す例では、第２部材２１Ｂが図中の矢印Ｍ方向に移動して、管路２１の管径を大きくする。

なお、管路２１の管径を変化させる場合には、第１部材２１Ａを移動させてもよいし、第１及び第２部材２１Ａ、２１Ｂをともに移動させてもよい。ここで、管路２１の管径は、等価直径で表される。すなわち、管路２１の管径をＤ、管路２０の管軸Ｚに垂直な断面内の内周長をＳ、管路２１の管軸Ｚに垂直な断面内の面積をＡとすると、Ｄ＝４×Ａ／Ｓで表される。

図４−１〜図４−３は、この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの他の構成を示す説明図である。図４−１、図４−２に示すように、この吸気マニホールド１０ａは、断面円弧形状の第１部材２１Ａａと、第２部材２１Ｂａとを、円弧の内面が対向するように配置する。そして、第１部材２１Ａａと、第２部材２１Ｂａとの間には、第１及び第２板状部材２２Ａａ、２２Ｂａを設ける。このとき、第１部材２１Ａａの端部２１Ａｔａと第２部材２１Ｂａの端部２１Ｂｔａとは、第１及び第２板状部材２２Ａａ、２２Ｂａの端部と組み合わされる。

上記管路２１ａの内部には、可撓性の仕切り膜２８が設けられる。仕切り膜２８は、例えば、ゴム等の弾性材料で構成される。仕切り膜２８によって、第１部材２１Ａａ、第２部材２１Ｂａ、第１板状部材２２Ａａ及び第２板状部材２２Ｂａで囲まれる空間は、第１空間２１ａと第２空間２１Ｓとに仕切られる。ここで、第１空間２１ａは、仕切り膜２８と第１部材２１Ａａ側の管路内面２１ａｉ₁とで囲まれる空間であり、第２空間２１Ｓは、仕切り膜２８と第２部材２１Ｂａ側の管路内面２１ａｉ₂とで囲まれる空間である。そして、第１空間２１ａが、吸気マニホールド１０ａの管路２１ａとなる。なお、管路２１ａの最大寸法は、第１部材２１Ａａ、第２部材２１Ｂａ、第１板状部材２２Ａａ及び第２板状部材２２Ｂａで囲まれる空間にほぼ等しくなる。

第２部材２１Ｂａには、流体出入口２９ｈが開口する。流体出入口２９ｈには、流体通路２９が接続されている。この流体通路２９は、流体供給／吸引手段であるポンプ２７ａに接続されている。このような構成によって、仕切り膜２８と、前記第２空間２１Ｓに、ポンプ２７ａから流体を供給したり、前記空間２１Ｓ内の流体を吸引したりすることができる。

この実施形態において、前記第２空間２１Ｓに供給する流体は、空気を用いる。なお、この流体は空気に限られず、水や油等の液体を用いてもよい。図４−１に示す状態において、ポンプ２７ａによって前記第２空間２１Ｓから空気を吸引する。すると、可撓性の仕切り膜２８は、第２部材２１Ｂａ側の管路内面２１ａｉ₂に近づくように変形するので（図３−３）、管路２１ａの管径が大きくなる。また、ポンプ２７ａによって前記第２空間２１Ｓへ空気を供給すると、可撓性の仕切り膜２８は、第２部材２１Ｂａの管路内面２１ａｉ₂から遠ざかるように変形するので、管路２１ａの管径は小さくなる。このように、前記第２空間２１Ｓの空気量を変化させることで、管路２１ａの管径を変化させることができる。次に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。

図５は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。この実施形態に係る運転制御は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置３０によって実現できる。図５に示すように、内燃機関の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。

なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ５０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置３０は、運転条件判定部３１と、管径制御部３２とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る内燃機関の運転制御方法を実行する部分となる。この実施形態において、内燃機関の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１の運転を制御する制御部５３が含まれる。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₃で接続される。また、内燃機関の運転制御装置３０が備える運転条件判定部３１、管径制御部３２、及びＣＰＵ５０ｐの制御部５３は、バス５４₁、５４₂によって、入力ポート５５及び出力ポート５６に接続される。これにより、内燃機関の運転制御装置３０を構成する運転条件判定部３１と管径制御部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を発したりできるように構成される。また、内燃機関の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１の負荷や機関回転数その他の、内燃機関１の運転制御に用いるデータを取得したり、内燃機関の運転制御装置３０の制御を機関ＥＣＵ５０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、冷却水温センサ４１、クランク角度センサ４２、エアフローセンサ４３、アクセル開度センサ４４その他の、内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、運転制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、モータ２７、あるいはポンプ２７ａ等の、内燃機関１の運転制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、前記センサ類からの出力信号に基づいて、内燃機関１の燃料噴射量や燃料噴射割合、あるいは燃料噴射時期や点火時期等を制御して、内燃機関１の運転を制御する。

記憶部５０ｍには、この実施形態に係る内燃機関の運転制御に用いるコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは内燃機関の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせることによって、この実施形態に係る運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転条件判定部３１、管径制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御について説明する。この説明においては、図２、図３−１、図３−３に示す吸気マニホールド１０を備える内燃機関を例とする。次の説明では、適宜図１〜図３−３を参照されたい。

図６は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。図７は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御に用いる制御マップの一例を示す説明図である。この実施形態に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置という）３０が備える運転条件判定部３１は、内燃機関１が運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。内燃機関１が運転中であるか否かは、例えばクランク軸８の回転を、クランク角度センサ４２によって検出することで、判定できる。

内燃機関１が運転中でない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻り、運転制御装置３０は、内燃機関１の運転状態を監視する。内燃機関１が運転中である場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、管径制御部３２は、内燃機関１のクランク角度センサ４２の出力情報から内燃機関１の機関回転数ＮＥを算出する。そして、算出した機関回転数ＮＥを、図７に示す制御マップ６０に与えて、吸気マニホールド１０を構成する管路２１の管径の目標値（目標管径）Ｄｏを決定する（ステップＳ１０２）。

制御マップ６０には、機関回転数ＮＥと、目標管径Ｄｏとが記述されている。そして、管径制御部３２が制御マップ６０に機関回転数ＮＥを与えると、制御マップ６０は、その機関回転数ＮＥに対して目標管径Ｄｏを管径制御部３２に返すようになっている。ここで、目標管径Ｄｏは、機関回転数ＮＥの上昇とともに大きくなる。制御マップ６０は、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍに格納されている。

目標管径Ｄｏを決定したら、管径制御部３２は、現時点における吸気マニホールド１０を構成する管路２１の実際の管径（現管径）Ｄｐを取得する（ステップＳ１０３）。そして、現管径Ｄｐが、目標管径Ｄｏを含む許容範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。すなわち、図６、図７に示すように、Ｄｏ−α≦Ｄｐ≦Ｄｏ＋βであれば、吸気マニホールド１０の管路２１の管径は変化させない。

機関回転数ＮＥが変化したときに、現管径Ｄｐが目標管径Ｄｏを含む許容範囲内にある場合にも管径を変化させると、機関回転数ＮＥの測定ばらつき等により機関回転数ＮＥが変化した場合でも管径を変化させる。その結果、管径変化が極めて頻繁に発生することになり、モータ２７のチャタリング等を招くおそれがある。現管径Ｄｐが目標管径Ｄｏを含む許容範囲内にある場合には管径を変化させないことで、機関回転数ＮＥの測定ばらつき等の影響を抑えることができるので、前記チャタリング等を抑制できる。なお、α、βは同じ値でもよい。

Ｄｏ−α≦Ｄｐ≦Ｄｏ＋βである場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、管径制御部３２は、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を現管径Ｄｐに維持する。そして、ＳＴＡＲＴに戻り、運転制御装置３０は、内燃機関１の運転状態を監視する。Ｄｏ−α≦Ｄｐ≦Ｄｏ＋βでない場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、すなわち、現管径Ｄｐが目標管径Ｄｏを含む許容範囲外にある場合であって、Ｄｐ＞Ｄｏ＋βである場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、現管径Ｄｐは、目標管径Ｄｏよりも大きい。したがって、この場合には、現管径Ｄｐを小さくして（ステップＳ１０６）、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、ステップＳ１０２で決定した目標管径Ｄｏとする。

Ｄｏ−α≦Ｄｐ≦Ｄｏ＋βでない場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）であって、Ｄｐ＞Ｄｏ＋βでない場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、すなわち、Ｄｏ−α＞Ｄｐである場合には、現管径Ｄｐは、目標管径Ｄｏよりも小さい。したがって、この場合には、現管径Ｄｐを大きくして（ステップＳ１０７）、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、ステップＳ１０２で決定した目標管径Ｄｏとする。

上記のように制御することにより、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、内燃機関１の機関回転数ＮＥに対応した最適な管径とすることができる。その結果、内燃機関１の充填効率を向上させて、内燃機関１の性能を向上させることができる。また、吸気マニホールド１０の管路２１の長さは変化しないので、レスポンスの低下はほとんど発生しない。次に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御に関して、他の制御例を説明する。この説明においては、図２、図３−１、図３−３に示す吸気マニホールド１０を備える内燃機関を例とする。次の説明では、適宜図１〜図３−３を参照されたい。

この内燃機関の運転制御は、冷間時、すなわち内燃機関１の暖機完了前においては、暖機終了後と比較して、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を小さくするように制御する。図８は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。図９は、この実施形態に係る内燃機関の運転制御に用いる制御マップの一例を示す説明図である。

この実施形態に係る内燃機関の運転制御を実行するにあたり、内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置という）３０が備える運転条件判定部３１は、内燃機関１が運転中であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。内燃機関１が運転中でない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻り、運転制御装置３０は、内燃機関１の運転状態を監視する。内燃機関１が運転中である場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、運転条件判定部３１は、内燃機関１が冷間時に運転されているか否か、すなわち、内燃機関１の暖機が終了したか否かを判定する（ステップＳ２０２）。

内燃機関１が冷間時に運転されているか否かは、例えば、内燃機関１に取り付けられる冷却水温センサ４１から取得した内燃機関１の冷却水温度により判定できる。内燃機関１が冷間時にある場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、すなわち内燃機関１の暖機が完了していない場合には、管径制御部３２は、内燃機関１のクランク角度センサ４２の出力情報から内燃機関１の機関回転数ＮＥを算出する。そして、算出した機関回転数ＮＥを、図９に示す制御マップ６１に与えて、冷間時における管路２１の管径の目標値（冷間時目標管径）Ｄｏｃを決定する（ステップＳ２０３）。なお、制御マップ６１の冷間マップ曲線６１ｃが、冷間時目標管径Ｄｏｃを表す。

内燃機関１が冷間時にない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、すなわち内燃機関１の暖機が完了した場合には、管径制御部３２は、内燃機関１の機関回転数ＮＥを、図９に示す制御マップ６１に与えて、暖機終了後における管路２１の管径の目標値（温間時目標管径）Ｄｏｈを決定する（ステップＳ２０４）。なお、制御マップ６１の温間マップ曲線６１ｈが、温間時目標管径Ｄｏｈを表す。

図９に示す制御マップ６１は、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍに格納されている。制御マップ６１には、機関回転数ＮＥと、冷間時目標管径Ｄｏｃと、温間時目標管径Ｄｏｈとが記述されている。図９に示すように、冷間時目標管径Ｄｏｃ及び温間時目標管径Ｄｏｈは、いずれも機関回転数ＮＥの上昇とともに大きくなる。管径制御部３２が、制御マップ６１に機関回転数ＮＥとともに内燃機関１が冷間時に運転されているか否かの情報を与えると、制御マップ６１は、その機関回転数ＮＥに対して、冷間時目標管径Ｄｏｃ又は温間時目標管径Ｄｏｈを管径制御部３２に返すようになっている。

ここで、吸気弁５ｉ、排気弁５ｅを備える内燃機関１においては、吸気弁５ｉの開時期と排気弁５ｅの開時期とがオーバーラップするときがある。このとき、排気口２ｅから吸気口２ｉへ向かう吹き返しが発生する。この吹き返しによって、吸気弁５ｉの付近の吸気ポート３ｉに付着していた燃料が、吸気マニホールド１０まで吹き返されて、吸気マニホールド１０の管路２１の内面へ付着することがある。

ここで、管路２１の管径が大きい、すなわち管路２１の内面の表面積が大きい方が、吸気マニホールド１０の管路２１の内面へ付着する燃料の付着量は多くなる。これによって、管路２１の内面へ付着した燃料が、再度燃焼室１ｂへ吸入されるときにおいては、空燃比Ａ／Ｆが燃料過多側に狂うおそれがある。特に、内燃機関１が冷間時にあるとき、すなわち暖機終了前においては、暖機が終了するまで燃料を増量するため、管路２１の内面に付着する燃料が増加し、空燃比Ａ／Ｆがより燃料過多側に狂いやすくなる。その結果、エミッションの悪化を招くおそれがある。

このため、この例においては、図９に示すように、同じ機関回転数ＮＥにおいては、冷間時目標管径Ｄｏｃを、温間時目標管径Ｄｏｈよりも小さく設定する。これによって、冷間時における管路２１の管径を、暖機終了後における管路２１の管径よりも小さくできる。すなわち、冷間時における管路２１の内面の表面積を、暖機終了後における管路２１の内面の表面積よりも小さくできる。その結果、冷間時において、管路２１の内面に付着する燃料の量を低減できるので、空燃比Ａ／Ｆの狂いを抑制して、エミッションの悪化を抑制できる。

冷間時目標管径Ｄｏｃ又は温間時目標管径Ｄｏｈを決定したら、管径制御部３２は、現時点における吸気マニホールド１０の管路２１の管径（現管径）Ｄｐを取得する（ステップＳ２０５）。そして、現管径Ｄｐが、冷間時又は温間時目標管径Ｄｏｃ、Ｄｏｈを含む所定の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。すなわち、図８、図９に示すように、Ｄｏｃ−α₁≦Ｄｐ≦Ｄｏｃ＋β₁（冷間時）又はＤｏｈ−α₂≦Ｄｐ≦Ｄｏｈ＋β₂（温間時）であれば、吸気マニホールド１０の管路２１の管径は変化させない。なお、α₁＝β₁、α₂＝β₂としてもよい。

Ｄｏｃ−α₁≦Ｄｐ≦Ｄｏｃ＋β₁又はＤｏｈ−α₂≦Ｄｐ≦Ｄｏｈ＋β₂である場合（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、管径制御部３２は、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を現管径Ｄｐに維持する。そして、ＳＴＡＲＴに戻り、運転制御装置３０は、内燃機関１の運転状態を監視する。Ｄｏｃ−α₁≦Ｄｐ≦Ｄｏｃ＋β₁又はＤｏｈ−α₂≦Ｄｐ≦Ｄｏｈ＋β₂でない場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、すなわち、現管径Ｄｐが温間時又は冷間時目標管径Ｄｏｈ、Ｄｏｃを含む許容範囲外にある場合であって、Ｄｐ＞Ｄｏｃ＋β₁（冷間時）又はＤｐ＞Ｄｏｈ＋β₂（温間時）である場合（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、現管径Ｄｐは、冷間時又は温間時目標管径Ｄｏｃ、Ｄｏｈよりも大きい。したがって、この場合には、現管径Ｄｐを小さくして（ステップＳ２０８）、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、ステップＳ２０３又はステップＳ２０４で決定した冷間時又は温間時目標管径Ｄｏｃ、Ｄｏｈとする。

Ｄｏｃ−α₁≦Ｄｐ≦Ｄｏｃ＋β₁又はＤｏｈ−α₂≦Ｄｐ≦Ｄｏｈ＋β₂でない場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）であって、Ｄｐ＞Ｄｏｃ＋β₁又はＤｐ＞Ｄｏｈ＋β₂でない場合（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、すなわち、Ｄｏｃ−α₁＞Ｄｐ又はＤｏｈ−α₂＞Ｄｐである場合には、現管径Ｄｐは、冷間時又は温間時目標管径Ｄｏｃ、Ｄｏｈよりも小さい。したがって、この場合には、現管径Ｄｐを大きくして（ステップＳ２０９）、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、ステップＳ２０３又はステップＳ２０４で決定した冷間時又は温間時目標管径Ｄｏｃ、Ｄｏｈとする。

上記のように制御することにより、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、内燃機関１の機関回転数ＮＥに対応した最適な管径とすることができる。その結果、内燃機関１の充填効率を向上させて、内燃機関１の性能を向上させることができる。また、吸気マニホールド１０の管路２１の長さは変化しないので、レスポンスの低下はほとんど発生しない。さらに、冷間時においては、吸気マニホールド１０の管路２１の管径を、暖機終了後よりも小さくするので、排気口２ｅから吸気口２ｉへの吹き返しによって管路２１の内面に付着する燃料の量を低減できる。これによって、冷間時におけるエミッションの悪化を抑制できる。

以上、この実施形態では、吸気マニホールドを構成する管路の管径を、内燃機関の機関回転数の増加とともに大きくする。これによって、吸気マニホールドの管路の管径を、内燃機関の機関回転数に対応した最適な管径とすることができる。その結果、内燃機関の充填効率を向上させて、内燃機関の広い機関回転数の範囲で、性能を向上させることができる。また、吸気マニホールドの管路の長さは変化させないので、レスポンスの低下はほとんど発生しない。

また、この実施形態では、吸気マニホールドを構成する管路の管径を変化させることによって、広い機関回転数の範囲で吸気脈動効果を有効に利用する。このとき、管路の最大管径は、内燃機関の最高出力に対応した大きさとする。これによって、管径を変化させる場合は、最大管径よりも大きくなることはないので、吸気マニホールドの長さを変化させる場合と比較して、省スペース化を図ることができる。

また、この実施形態では、吸気マニホールドを構成する管路の管径を変化させるが、管径の変化により管路の断面積も変化する。この実施形態においては、高回転側では管径を大きくするため、管路の断面積も大きくなる。これによって、高回転側においては吸気マニホールドの管路を流れる空気の流速を低下させることができるので、内燃機関のポンピングロスを低下させることができる。その結果、内燃機関の性能をより向上させることができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の運転制御装置は、吸気の脈動効果を利用する際に有用であり、特に、広い機関回転数の範囲において、吸気脈動を有効に利用することに適している。

この実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。 この実施形態に係る内燃機関を示す平面図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの他の構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの他の構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関が備える吸気マニホールドの他の構成を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。 この実施形態に係る内燃機関の運転制御に用いる制御マップの一例を示す説明図である。 この実施形態に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。 この実施形態に係る内燃機関の運転制御に用いる制御マップの一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１ｂ 燃焼室
１ｓ 気筒
２ｉ 吸気口
２ｅ 排気口
３ｉ 吸気ポート
３ｅ 排気ポート
４ 燃料噴射弁
１０、１０ａ 吸気マニホールド
１２ サージタンク
２１ 管路
２１ａ 第１空間（管路）
２１Ｓ 第２空間
２１Ａ、２１Ａａ 第１部材
２１Ｂ、２１Ｂａ 第２部材
２２Ａ 第１ガイド部材
２２Ｂ 第２ガイド部材
２２Ａａ 第１板状部材
２２Ｂａ 第２板状部材
２３ シール部材
２８ 仕切り膜
３０ 内燃機関の運転制御装置（運転制御装置）
３１ 運転条件判定部
３２ 管径制御部
５０ 機関ＥＣＵ
６０、６１ 制御マップ
６１ｃ 冷間マップ曲線
６１ｈ 温間マップ曲線

Claims (7)

1. 空気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室へ空気を導く管路を有し、前記管路の管軸に垂直な断面内における管径が、機関回転数に応じて変化する吸気マニホールドと、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 機関回転数の上昇とともに、前記管径が大きくなるとともに、
   同じ機関回転数において、前記内燃機関が冷間時に運転されているときにおける前記管路の管径を、前記内燃機関の暖機が終了した後における前記管路の管径よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気マニホールドは、
   可撓性の仕切り膜が前記吸気マニホールドの管路内に設けられ、前記管路の内面と前記仕切り膜との間に形成される空間に流体を供給、又は前記空間から流体を吸引することにより、前記管路の管径を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記吸気マニホールドは、
   断面円弧形状の第１部材と第２部材とが、円弧の内面が対向するように組み合わされて前記管路が構成され、
   前記第１部材又は前記第２部材のうち少なくとも一方を移動させて前記管路の管径を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 燃焼室へ空気を導く管路を有し、前記管路の管軸に垂直な断面内における管径が変化する吸気マニホールドを備える内燃機関の運転を制御するものであり、
   前記内燃機関の機関回転数に応じて、前記管路の管径を変更する管径制御部を備えることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。
6. さらに、前記内燃機関が冷間時に運転されているか否かを判定する運転条件判定部を備え、
   前記運転条件判定部が、前記内燃機関が冷間時に運転されていると判定したときには、
   前記管径制御部は、同じ機関回転数において、前記内燃機関が冷間時に運転されているときにおける前記管路の管径を、前記内燃機関の暖機が終了した後における前記管路の管径よりも小さく設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の運転制御装置。
7. 前記管径制御部は、
   前記管路の管径を変更する際において、前記管路の実際の管径が、前記機関回転数から求められる目標管径の許容範囲外にあるときに、前記管路の管径を変更することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の運転制御装置。

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