JP2008057463A - エンジンの吸気制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットルバルブと、筒内吸気流動制御用の吸気制御弁とを併用しつつ、適切に吸入空気量を制御することで、応答性を向上できるエンジンの吸気制御装置および方法を提供する。
【解決手段】吸気通路３に設けられ、任意の開度に制御されて吸入空気量を制御するスロットルバルブ９と、スロットルバルブ９より下流の気筒ごとに分岐した吸気通路（吸気ポート１５）に設けられ、吸気通路（吸気ポート１５）の断面の一部を閉じて、筒内の吸気流動を制御する吸気制御弁１９と、を備えたエンジンの吸気制御装置において、吸気制御弁１９の開度を連続的に制御可能な構成とし、運転条件に応じて、スロットルバルブ９の開度の制御による吸入空気量の調節と、吸気制御弁１９の開度の制御による吸入空気量の調節と、を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの吸気制御装置および方法に関し、特に、スロットルバルブおよび吸気制御弁を備えたものにおいて、吸入空気量制御の応答性を向上させた技術に関する。

従来のエンジンの吸気制御装置および方法として特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のものでは、吸入空気量は、その要求量にかかわらず、吸気通路のスロットルバルブの開度調節によって制御されている。
一方、スロットルバルブより下流の吸気通路には、吸気通路の断面の一部を開閉可能な吸気制御弁が設けられ、吸入空気量の少ない運転領域では、吸気制御弁を閉じて筒内に渦流（スワールやタンブルなど）を発生させることで、吸気のガス流動を強化して燃焼状態を良好としている。
特開２０００−１６１１０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、吸入空気量を調節するスロットルバルブの配設位置は、吸気通路のシリンダから吸気上流に遠く離れた位置であるため、シリンダへの吸入空気量の応答に遅れが生じるという問題点があった。
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、スロットルバルブと、筒内吸気流動制御用の吸気制御弁とを併用しつつ、適切に吸入空気量を制御することで、応答性を向上できるエンジンの吸気制御装置および方法を提供することを目的とする。

このため本発明は、吸気通路に設けられ、任意の開度に制御されて吸入空気量を制御するスロットルバルブと、該スロットルバルブより下流の気筒ごとに分岐した吸気通路に設けられ、該吸気通路の断面の一部を閉じて、筒内の吸気流動を制御する吸気制御弁と、を備えたエンジンの吸気制御装置において、前記吸気制御弁の開度を連続的に制御可能な構成とし、運転条件に応じて、前記スロットルバルブの開度の制御による吸入空気量の調節と、前記吸気制御弁の開度の制御による吸入空気量の調節と、を切り換える構成とした。

以上の構成によって、スロットルバルブより下流の吸気通路に設けられた吸気制御弁は、筒内の吸気流動を制御すると共に、連続的に開度を制御されて吸入空気量を調節する。そして、運転条件に応じて、上記吸気制御弁の開度制御による吸入空気量の調節と、スロットルバルブの開度制御による吸入空気量の調節と、が切り換えられる。
例えば、筒内に渦流を生成する必要があるときは、吸気制御弁を閉じて、スロットルバルブによる吸入空気量制御を行うが、それ以外のときは、可能な限り吸気制御弁による吸入空気量制御を行う。

ここで、吸気制御弁は、スロットルバルブより下流の気筒ごとに分岐した吸気通路（吸気ポート）に配設される。したがって、可能な限り吸気制御弁を吸入空気量制御に用いることで、スロットルバルブによる吸入空気量制御より応答性が向上し、過渡性能（加減速性能）および空燃比制御の応答性が向上する。
さらに、既存の吸気制御弁をそのまま用いて、制御を変更するだけで、部品点数、コストの増大もない。

以下に、本発明に係るエンジンの吸気制御装置および方法の実施形態について説明する。
図１は、本発明の基本的な形態である第１実施形態のシステム構成を示す。
図１において、エンジン１のシリンダ１ａと接続した吸気通路３は、吸気上流から順に、エアクリーナ５、吸気流量を計測するエアフロメータ７、吸気流量を調節する電子制御式のスロットルバルブ９、コレクタ１１、吸気マニホールド１３、吸気ポート１５を備えて構成されている。

吸気ポート１５内には、その吸気の流れ方向に沿って延びた状態で、吸気ポート１５の一区間をその断面で図示上側の第１通路１５ａと図示下側の第２通路１５ｂとの２領域に区画するように、隔壁１７が設けられている。
そして、隔壁１７の吸気上流側に近接して、吸気制御弁１９が配設されている。吸気制御弁１９は、図２に示すように、吸気ポート１５の吸気の流れ方向に対して直交する方向に軸支された弁軸１９ａと、弁軸１９ａに一端部が固定され弁軸１９ａの回動により回動する略矩形板状の弁体１９ｂと、を備え、いわゆるフラップ式に構成されている。弁体１９ｂは、例えばボルト１９ｃ等によって、弁軸１９ａに対して取り付けられる。また、弁体１９ｂの弁軸１９ａの取付部と反対側の他端部には、その一部を切り欠いて切欠部１９ｄが形成されている。

一方、吸気通路３の第２通路１５ｂ側の内壁底部には、バスタブ形状の凹部が形成され、これにより、吸気制御弁１９を格納する格納部１５ｃが形成されている。そして、格納部１５ｃの吸気上流側の端部で軸支された弁軸１９ａが、アクチュエータ２１によって回転駆動されることで、弁体１９ｂが弁軸１９ａと一体に回動し、吸気制御弁１９の開度が制御される。

以上の構成により、吸気制御弁１９の全閉時には、第２通路１５ｂはほぼ遮蔽され、吸気ポート１５内の吸気の大部分は、切欠部１９ｄを介して第１通路１５ａへ流れ、シリンダ１ａ内の渦流（スワールやタンブルなど）の形成は強化される。一方、吸気制御弁１９の全開時には、吸気制御弁１９が格納部１５ｃに格納され、第１通路１５ａおよび第２通路１５ｂの双方を通って吸気が流れ、吸気の流動抵抗の増大が防止されると共に、シリンダ１ａ内の渦流は形成されない。

また、第１通路１５ａの吸気下流側の端部付近には、燃料を噴射する燃料噴射弁２３が設けられている。吸気ポート１５から吸気バルブ２５を介してシリンダ１ａに導かれた混合気は、燃焼室２７上部に電極を臨ませた点火プラグ２９によって着火され燃焼し、燃焼後の排気は、排気バルブ３１を介して、排気ポート３３へと排出される。
コントロールユニット３５には、エアフロメータ７からの吸気流量信号、要求トルクを算出するアクセル開度センサ３７からのアクセル開度信号、エンジン１の回転速度を検出するクランク角センサ３９からのクランク角信号、が夫々入力される。そして、上記要求トルクと回転速度とに基づいて、予めエンジンコントロールユニット３５に記憶されたマップ等により、要求吸気量が算出される。

また、コントロールユニット３５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、アクチュエータ２１の変位（吸気制御弁１９の開度）などの制御信号を算出し、さらにそれらの制御信号を燃料噴射弁２３、点火プラグ２９、アクチュエータ２１にそれぞれ出力する。
次に、上記コントロールユニット３５による本実施形態の制御を、図３および図４を参照して説明する。

図３には、運転時におけるエンジン１の回転速度および要求トルクの推移を示し、図４の（ａ）〜（ｅ）には、夫々、車速、アクセルの開度、スロットルバルブ９の開度、吸気制御弁１９の開度、隔壁１７より下流の吸気ポート１５内の圧力、のタイミングチャートを示す。なお、図４の（ｃ）〜（ｅ）では、実線は本実施形態、破線はスロットルバルブのみによって吸入空気量制御を行う従来の形態を示している（破線が実線と重なった部分は、実線で示している）。また、図３の領域Ａ〜点Ｅの運転状態は、図４の（ａ）〜（ｅ）の時間軸における領域Ａ〜点Ｅの運転状態と夫々対応している。

まず、アクセル開度センサ３７からのアクセル開度信号に基づいて、要求トルクを算出し、また、クランク角センサ３９からのクランク角信号に基づいて、エンジン１の回転速度を検出する。そして、上記要求トルクと回転速度とに基づいて、要求吸気量を算出する。
要求吸気量が所定値未満の、アイドル領域と判定された場合（図３の領域Ａ）は、吸気制御弁１９を全閉として、第１通路１５ａで定まる有効開口面積より小さい範囲で、スロットルバルブ９の開度制御によって、吸入空気量を調節する。一方、シリンダ１ａ内には、所定の渦流（スワールやタンブルなど）が形成され、燃焼状態が安定する。

これに対し、上記領域Ａ外の要求吸気量が前記所定値以上と判定された場合（図３で、領域Ａから点Ｂを通って点Ｃに至る区間）は、スロットルバルブ９を図４（ｃ）に示す境界開度に固定し、スロットルバルブ９で定まる有効開口面積より小さい範囲で、吸気制御弁１９の開度制御によって、吸入空気量を調節する。
要求吸気量がさらに大きい高負荷領域で、要求吸気量が、吸気制御弁１９の開度制御による吸入空気量調節時における吸気制御弁１９の全開時の吸入空気量を超える領域（図３で、点Ｃから点Ｄを通って点Ｄ’に至る区間）では、特に高回転領域で、強い吸気脈動により吸気制御弁１９が大きなモーメントを受けるなどして、吸気制御弁１９の開度制御による吸入空気量制御が不可能となる。そこで、吸気制御弁１９は、図４（ｄ）に示す全開位置に固定し、スロットルバルブ９の開度制御によって、吸入空気量を調節する。なお、図３の線Ｌは、このスロットルバルブ９による吸入空気量制御域と、上述した吸気制御弁１９による吸入空気量制御域と、の境界を示している。

また、図３で、点Ｄ’から点Ｅを通って点Ｅ’に至る区間では、上記領域Ａから点Ｂを通って点Ｃに至る区間と同様に吸入空気量を調節する。
さらに、減速パターンと判定された場合（図３で、点Ｅ’から領域Ａに至る区間）は、アクセルの踏み込みを解除するのに同期して吸気制御弁１９を全閉とする。そして、回転速度がアイドル領域まで低下して領域Ａに到達した後は、スロットルバルブ９の開度制御によって吸入空気量を調節し、吸気制御弁１９によってシリンダ１ａ内の渦流形成を強化する。

図４（ｅ）によると、点Ｂ直後の要求トルク増加時（アクセル踏み込み時）および点Ｄ直後の要求トルク減少時（アクセル踏み込み解除時）に、本実施形態では、従来の形態と比べて、アクセル操作に応じた隔壁１７より吸気下流の吸気ポート１５内の圧力の応答性が良く、吸入空気量の応答性が向上している。
以上のように、本実施形態では、スロットルバルブ９より下流の気筒ごとに分岐した吸気通路３（吸気ポート１５）に配設された吸気制御弁１９を、吸入空気量制御に用いることで、スロットルバルブ９による吸入空気量制御より応答性が向上し、過渡性能（加減速性能）および空燃比制御の応答性が向上する。さらに、既存の吸気制御弁をそのまま用いて、制御を変更するだけで、部品点数、コストの増大もない。

図５には、本発明に係るエンジンの吸気制御装置およびその制御方法の第２実施形態を示す。
本実施形態は、吸気制御弁１９を、弁体１９ｂの中央部が弁軸１９ａに固定される構成（いわゆるバタフライ式）とし、格納部１５ｃを省略した点で、前記第１実施形態と相違する。

前記第１実施形態では、弁体１９ｂが格納部１５ｃに格納された弁軸１９ａと共に回動し、吸気は吸気ポート１５の上壁に沿って流れるため、吸気の整流機能については、弁体１９ｂの図示下側にも吸気が流入する本実施形態よりも優れるが、構成については、本実施形態のほうが簡易で、コストをより低減できる。

本発明に係るエンジンの吸気制御装置および方法の第１実施形態の概要 図１に係る吸気制御弁の詳細構造 本発明の第１実施形態に係るエンジン回転速度および要求トルクの推移 図３に係る各パラメータのタイミングチャート 本発明に係るエンジンの吸気制御装置および方法の第２実施形態の概要

符号の説明

１ エンジン
１ａ シリンダ
３ 吸気通路
９ スロットルバルブ
１５ 吸気ポート
１５ｃ 格納部
１９ 吸気制御弁
１９ａ 弁軸
１９ｂ 弁体

Claims (7)

1. 吸気通路に設けられ、任意の開度に制御されて吸入空気量を制御するスロットルバルブと、
   該スロットルバルブより下流の気筒ごとに分岐した吸気通路に設けられ、該吸気通路の断面の一部を閉じて、筒内の吸気流動を制御する吸気制御弁と、
   を備えたエンジンの吸気制御装置において、
   前記吸気制御弁の開度を連続的に制御可能な構成とし、
   運転条件に応じて、前記スロットルバルブの開度の制御による吸入空気量の調節と、前記吸気制御弁の開度の制御による吸入空気量の調節と、を切り換える構成としたことを特徴とするエンジンの吸気制御装置。
2. 前記筒内の吸気流動を制御する所定値未満の要求吸気量条件では、前記スロットルバルブの開度の制御によって吸入空気量を調節し、前記所定値以上の少なくとも所定の要求吸気量条件で、前記吸気制御弁の開度の制御によって吸入空気量を調節する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気制御装置。
3. 前記要求吸気量が、前記吸気制御弁の開度の制御による吸入空気量の調節時における該吸気制御弁の全開時の吸入空気量を超える条件では、前記スロットルバルブの開度の制御によって吸入空気量を調節することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの吸気制御装置。
4. 前記吸気制御弁は、前記吸気通路の吸気の流れ方向と直交する方向に軸支された弁軸と、該弁軸に一端部が固定され該弁軸の回動により回動する弁体と、を有し、該弁体の回動によって開度が制御されるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの吸気制御装置。
5. 前記吸気制御弁は、全開位置では、前記吸気通路の内壁に凹状に形成した格納部に格納されることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの吸気制御装置。
6. 前記吸気制御弁は、前記吸気通路の吸気の流れ方向と直交する方向に軸支された弁軸と、該弁軸に中央部が固定され該弁軸の回動により回動する弁体と、を有し、該弁体の回動によって開度が制御されるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの吸気制御装置。
7. 吸気通路に設けられ、任意の開度に制御されて吸入空気量を制御するスロットルバルブと、
   該スロットルバルブより下流の気筒ごとに分岐した吸気通路に設けられ、該吸気通路の断面の一部を閉じて、筒内の吸気流動を制御する吸気制御弁と、
   を備えたエンジンの吸気制御方法において、
   前記吸気制御弁の開度を連続的に制御可能な構成とし、
   運転条件に応じて、前記スロットルバルブの開度の制御による吸入空気量の調節と、前記吸気制御弁の開度の制御による吸入空気量の調節と、を切り換えることを特徴とするエンジンの吸気制御方法。

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