JP2010150993A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タンブルコントロールバルブの弁体そのものの欠損を的確に検知できるようにする。
【解決手段】気筒ごとに独立している吸気１１のブランチ部１１ａにおいて、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２の近傍に圧力取出穴１４を形成する。それぞれの圧力取出穴１４を共通の共有通路１５に開口させるとともに、共有通路１５には負圧センサを臨ませる。負圧センサによって検出したタンブル流生成時の負圧実測値を監視し、その負圧変化から弁体１２の欠損（欠損箇所Ｑ１）を的確に検知する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、特に吸気行程において気筒内にタンブル流あるいはスワール流のような旋回流を発生させるための気流制御バルブを備えた吸気装置に関するものである。

気筒内にタンブル流あるいはスワール流のような旋回流を発生させるための気流制御バルブ（タンブルコントロールバルブあるいはスワールコントロールバルブ）を備えた内燃機関の吸気装置において、その気流制御バルブの故障を検知するようにした技術が特許文献１および特許文献２で知られている。

これらの特許文献１，２においては、気流制御バルブを開閉駆動するためのモータとは別に気流制御バルブの開度を検出する開度センサを備えていて、その開度センサの出力と設定値とを比較することで気流制御バルブの故障を判定するようになっている。
特開２０００−７３８４３号公報 特開２００８−１３８５５０号公報

しかしながら、特許文献１，２に代表されるような従来の技術では、気流制御バルブの駆動応答性不良あるいは作動不良等の故障（異常）は検知することができても、例えば気流制御バルブそのものの欠損（破損や折損）については的確に検知することができず、なおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、気流制御バルブそのものの欠損（破損や折損）といった機械的な故障あるいは異常を的確に検知できるようにした内燃機関の吸気装置を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、気筒に接続された吸気管に気流制御バルブを設け、この気流制御バルブを開閉操作して吸気管の開口面積を可変制御することで気筒内に旋回流を発生させるようにした内燃機関の吸気装置であって、上記吸気管のうち気流制御バルブの近傍の圧力を検出する圧力検出手段を設け、この圧力検出手段による実測値と設定値との比較に基づいて気流制御バルブの異常を判定するようにしたことを特徴とする。

上記圧力検出手段は、例えば請求項２に記載のように負圧センサであって、且つ気流制御バルブの最小開度時の負圧を検出するものとする。

より具体的には、請求項３に記載のように、複数の気筒毎に独立しているそれぞれ吸気管のうち気流制御バルブの近傍に圧力取出穴を個別に設けるとともに、それらの複数の吸気管の圧力取出穴を共通の通路に集約し、その通路の圧力を負圧センサによって検出するようになっているものとする。

望ましくは、請求項４に記載のように、上記複数の圧力取出穴を集約するための通路を形成する通路用カバーを複数の吸気管にまたがるように架橋的に配置し、その通路用カバーによって形成される通路の端部に負圧センサを臨ませてあるものとする。

そして、請求項５に記載のように、上記吸気管のうち少なくとも気流制御バルブが設けられる部分が樹脂製のものである場合には、その樹脂製の吸気管に対して同じく樹脂製の通路用カバーを溶着固定するものとする。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、例えば気流制御バルブの弁体の一部が欠損（破損あるいは折損）した場合に、吸気管のうちその気流制御バルブの近傍では流量変化または流速変化による圧力変化が発生することになる。そして、この圧力変化を圧力検出手段で検出し、その実測値と予め設定してある設定値と比較することで、上記気流制御バルブの欠損に基づく異常判定または検知を行うことが可能となる。

請求項１，２に記載の発明によれば、気流制御バルブの弁体そのものが欠損した場合にこれを的確に検知することができる。

請求項３〜５に記載の発明によれば、複数の気筒ごとに独立している気流制御弁の欠損を共通の負圧センサによって検知できるため、各気流制御弁ごとに負圧センサを設ける場合と比べて構造の簡素化とコスト低減を実現できる。

図１はガソリンエンジンにおけるタンブルコントロールシステムの概略説明図であって、このシステムでは気流制御バルブとしてタンブルコントロールバルブ８を備えている。

同図において、１は気筒（シリンダ室）を、２は吸気ポートを、３は吸気バルブをそれぞれに示す。また、４はインジェクタである。さらに、５は排気ポートを、６は排気バルブを、７は点火栓をそれぞれに示す。

吸気ポート２には後述する吸気管１１のブランチ部１１ａを接続してあるとともに、ブランチ部１１ａのうち吸気ポート２に近い位置には開閉式のタンブルコントロールバルブ８を設けてある。このタンブルコントロールバルブ８の閉状態（図４に示した状態）では全閉状態とならないまでも、通路開口面積の下側を閉塞することでブランチ部１１ａの通路開口面積を縮小し、もってその通路開口面積を最小開度とするようになっている。

そして、タンブルコントロールバルブ８の開閉制御は制御装置であるＥＣＵ（電子制御コントロールユニット）９またはＥＣＵ９の一部であるＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）からの指令に基づくタンブルコントロールバルブアクチュエータ、例えばタンブルコントロールバルブモータ１０の作動によって行われるようになっている。

すなわち、吸気行程において図１のようにタンブルコントロールバルブ８を閉じると、吸気通路面積が縮小されることで気筒１内に強いタンブル流（縦旋回流）Ｓが発生して、空気と燃料の撹拌を促し、もって燃費の改善に寄与することが可能となる。

図２は図１のシステムを前提とした４気筒エンジンにおける例えば樹脂製の吸気管（インテークマニホールド）１１の要部を示し、図３は図２のＡ部相当部の拡大断面図であって、且つ図１と異なりタンブルコントロールバルブ８の開状態を示している。また、図４は図２のＡ部相当部の拡大断面図であって、且つ図１と同様にタンブルコントロールバルブ８の閉状態を示している。

図２，３に示すように、吸気管１１の各ブランチ部１１ａのうち図１の吸気ポート２との接続端に近い部分にはいわゆるフラップタイプのタンブルコントロールバルブ８を配置してある。このタンブルコントロールバルブ８は、各ブランチ部１１ａの通路内にそれぞれに独立した弁体１２を収容配置するとともに、それらの弁体１２をブランチ部１１ａの並設方向に当該各ブランチ部１１ａを横断するように貫通配置した共通のシャフト１３に支持させたものである。そして、そのシャフト１３がタンブルコントロールバルブアクチュエータであるタンブルコントロールバルブモータ１０によって回転駆動されるようになっている。

すなわち、各ブランチ部１１ａごとに独立しているタンブルコントロールバルブ８の弁体１２の閉動作または開動作はタンブルコントロールバルブモータ１０の起動により一斉に且つ同時に行われるようになっている。また、タンブルコントロールバルブモータ１０の正転または逆転動作は図１のＥＣＵ９からの指令に基づいて行われる。なお、従来と同様に、タンブルコントロールバルブモータ１０に付帯している開度センサ（回転センサ）、またはタンブルコントロールバルブモータ１０とは反対側のシャフト端側に設置されるを開度センサ（回転センサ）により、タンブルコントロールバルブ８が開状態にあるか閉状態にあるかが検出される。また、タンブルコントロールバルブモータ１０は吸気管１１のうちブランチ部１１ａの並設方向端部に装着してある。

ここで、図３に示すように、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２が開位置Ｐ１にある時には各ブランチ部１１ａの全ての弁体１２が開位置Ｐ１にあり、逆にタンブルコントロールバルブ８の弁体１２が閉位置Ｐ２にある時には各ブランチ部１１ａの全ての弁体１２が閉位置Ｐ２にあり、各ブランチ部１１ａでの弁体１２の開度に差が生じないように設定してある。そして、図４に示すように、各弁体１２の閉状態においてもブランチ部１１ａの通路の開口面積が全閉状態となることはなく、同図に示すように通路の上部に所定の隙間Ｇが確保されて最小開度となるように設定してある。

図２，３において、各ブランチ部１１ａの上部であって各弁体１２と近接する位置には直径が数ミリ程度の大きさの圧力取出穴１４を個別に形成してある。ここでは、図４のような弁体１２の閉状態において、その弁体１２とブランチ部１１ａの内壁面との間に形成される隙間Ｇの上流側直近位置に圧力取出穴１４を形成してある。さらに、各ブランチ部１１ａの上面には、それらの複数の圧力取出穴１４が共有する溝状の共有通路１５を形成するべく、複数の圧力取出穴１４を囲繞するようにして閉ループ状の隔壁１６を各ブランチ部１１ａ間にまたがるように架橋的に形成してある。そして、共有通路１５を形成している隔壁１６の上から上記隔壁１６とほぼ同形状をなす樹脂製の通路用カバー１７を各ブランチ部１１ａ間にまたがるように架橋的にかぶせて溶着してあり、それによってその共有通路１５を密閉してある。

この隔壁１６と通路用カバー１７とによって形成される共有通路１５の端部には円筒状のボス部１８を形成してあり、このボス部１８に対して圧力検出手段としての負圧センサ１９を挿入し、取付ボルト２０と取付ナット２１にて着脱可能に固定してある。なお、取付ナット２１はボス部１８に隣接するセンサ取付用ボス部２２に予め熱圧入される。

この構造のために、各ブランチ部１１ａごとに独立している圧力取出穴１４は共通の共有通路１５に開口していて、その共有通路１５に臨ませてある負圧センサ１９は各圧力取出穴１４が共有していることになる。そして、負圧センサ１９の出力は図１のＥＣＵ９に取り込まれるようになっている。

なお、図３，４において、吸気ポート２と接続されることになる各ブランチ部１１ａの開放端にはシール部材２３を装着してある。

したがって、このような構造によれば、図１に示したようなタンブル流Ｓを必要としない場合には、図３に示すようにタンブルコントロールバルブ８は開位置Ｐ１、すなわちタンブルコントロールバルブ８の弁体１２がブランチ部１１ａの管路の長手方向とほぼ平行となる開位置Ｐ１に置かれ、結果としてその弁体１２が各ブランチ部１１ａの通路面積を制限することはなく、図１のようなタンブル流Ｓが発生することはない。

これに対して、タンブル流Ｓを積極的に生成するべく、図４に示すようにタンブルコントロールバルブ８を閉位置Ｐ２とすると、各ブランチ部１１ａにおける通路面積の大部分が弁体１２にて閉塞されて、通路の上部にわずかな隙間Ｇが確保されているだけの最小開度の状態となる。このため、弁体１２によるいわゆる絞り効果のために図１の気筒１側に供給される吸入空気の流速が高められるとともに、その圧力が高くなる。その結果として、図１に示すように気筒１内では強いタンブル流（縦旋回流）Ｓが発生することになる。

なお、上記のようなタンブルコントロールバルブ８の開閉は、先に述べたように図１のＥＣＵ９からの指令に基づくタンブルコントロールバルブモータ１０の起動によって行われる。

このようなタンブルコントロールバルブ８の開閉制御において、万が一弁体１２が欠損（破損または折損）した場合、タンブルコントロールバルブ８の開状態においてはタンブルコントロールバルブ８の機能上問題とならないものの、タンブルコントロールバルブ８の閉状態においては本来のバルブ開度制御または気流制御が行えなくなり、その結果として必要十分なタンブル流Ｓを発生することができなくなる。

そこで、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２の欠損を検知するために、上記負圧センサ１９の出力である実測圧力（負圧実測値）をＥＣＵ９に取り込んでこれを監視し、弁体１２の欠損とみなし得る負圧変化が認められた場合には、例えば警告灯の点灯もしくは点滅または音声出力等をもって告知するものとする。

より具体的には、図４に示すように、タンブルコントロールバルブ８が閉位置Ｐ２にある場合、そのタンブルコントロールバルブ８の弁体１２が欠損していなければ（正常時）、その弁体１２による開度制御または気流制御によって該当する気筒１内には図１に示すようなタンブル流Ｓが発生することになる。そして、タンブル流Ｓの発生に伴うタンブルコントロールバルブ８の弁体１２近傍の負圧変化は圧力取出穴１４を通して共有通路１５側にも及び、その負圧は共有通路１５に臨ませてある負圧センサ１９によって検出されて、その負圧の実測値がＥＣＵ９に取り込まれることになる。

その一方、タンブルコントロールバルブ８が閉位置Ｐ２にある場合において、例えば図５に示すようにそのタンブルコントロールバルブ８の弁体１２の下部が欠損（欠損箇所を符号Ｑ１で示す）しているものとすると（弁体欠損による異常時）、その弁体１２の上部の本来の隙間Ｇに加えて弁体１２の下部にも隙間ｇができるため、図１に示したようなタンブル流Ｓの生成が十分なものでなくなるだけでなく、本来の隙間Ｇ側での流量が低下してそれに伴う負圧も小さいものとなる。その結果、共有通路１５に臨ませてある負圧センサ１９によって検出される負圧の実測値も図４の弁体正常時と比べて小さいものとなる。

そこで、先に述べた図１のＥＣＵ９の負圧監視部に図４のような弁体正常時と同等の負圧の設定値または基準値（しきい値）を予め設定しておき、図６に示すように各気筒１ごとの吸気行程において負圧センサ１９による負圧実測値と上記負圧設定値とを比較して、その適否判定を行うものとする。

より詳しくは、図６に示すように、エンジンの始動を条件に、タンブルコントロールバルブ８がＥＣＵ９からの指令に基づいて開閉作動することから、そのときの開度センサの実測値を読み込む（ステップＳ１〜Ｓ３）。そして、ＥＣＵ９からのタンブルコントロールバルブ８の開指令信号または閉指令信号と上記開度センサの実測値とをもって、タンブルコントロールバルブ８の開指令信号または閉指令信号とタンブルコントロールバルブ８の実際の開状態または閉状態とがマッチングしているか否かを判定する（ステップＳ４）。

そして、マッチングしている場合には次のステップＳ５に進み、マッチングしていない場合にはシステム異常としてステップＳ１０の異常処理を実行する。この異常処理は、例えば警告灯の点灯もしくは点滅または音声出力等をもって警報を発して運転者に告知する。

ステップＳ５およびステップＳ６では、タンブルコントロールバルブ８が閉状態にあることを条件に、予め設定されているエンジン回転数（例えば、アイドル回転数）のもとでの負圧センサ１９による負圧実測値を読み込む。この場合において、ステップＳ７のように各気筒ごとの点火時期情報を同時に読み込み、負圧実測値の読み込み（検出）タイミングと点火時期とを同期させることで、バルブ欠損等の異常検出の信頼性が高いものとなる。

ステップＳ８では、上記負圧実測値と負圧設定値とを比較し、負圧センサ１９による負圧実測値が上記負圧基準値の許容限界内にある場合には、該当する気筒１におけるタンブルコントロールバルブ８の弁体１２が正常であると判定し、次のステップＳ９に進む。そして、ステップＳ９では、エンジンが稼働中であるかぎりにおいてステップＳ３以降の処理を繰り返す。

他方、負圧センサ１９による負圧実測値が上記負圧基準値の許容限界を逸脱している場合には、該当する気筒１におけるタンブルコントロールバルブ８の弁体１２が欠損しているものと判定する。そして、その判定結果を受けて、先にも述べたステップＳ１０の異常処理として、例えば警告灯の点灯もしくは点滅または音声出力等をもって警報を発して告知するものとする。

なお、上記判定処理は一例にすぎず、例えば複数の気筒における負圧実測値の最大値と最小値との差を求め、その差分が設定値の許容範囲を逸脱した場合に、負圧実測値が最小のタンブルコントロールバルブ８に欠損等が発生したものとみなして異常処理を行うようにしても良い。あるいは、例えば所定時間内における複数の気筒における負圧実測値の平均値を求め、その平均値と正常値（設定値）との差が所定値異常となった場合に、少なくともいずれかのタンブルコントロールバルブ８に欠損等が発生したものとみなして異常処理を行うようにしても良い。

ここで、図５に示すように、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２の下部が破損または折損している場合だけでなく、図７に示すように、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２の上部が欠損している場合でも同様に検出することができる。

つまり、タンブルコントロールバルブ８が閉位置Ｐ２にある場合において、図７に示すようにそのタンブルコントロールバルブ８の弁体１２の上部が欠損（欠損箇所を符号Ｑ２で示す）しているものとすると、その弁体１２の上部の隙間Ｇの大きさが図４の弁体正常時よりも大きくなるため、図１に示したようなタンブル流Ｓの生成が十分なものでなくなるだけでなく、その隙間Ｇ側での流速が低下してそれに伴う負圧も小さいものとなる。その結果、共有通路１５に臨ませてある負圧センサ１９によって検出される負圧の実測値も図４の弁体正常時と比べて小さいものとなるからである。

図８は、特定の気筒１について上記負圧センサ１９によって検出された負圧変化を弁体正常時と弁体欠損時とで比較したグラフであり、弁体正常時と弁体欠損時での負圧変化が顕著に表れている。したがって、その負圧変化に基づいて先に述べたような弁体１２の欠損を検知できることが理解できる。

そして、図２に示したように、複数の気筒１の圧力取出穴１４を共通の共有通路１５に集約した上で同じく共通の負圧センサ１９にて検知する場合でも、図８の弁体正常時と弁体欠損時での負圧変化の差がわずかに小さくなるもの、図８とほぼ同じ特性となることから、この場合にも弁体１２の欠損を的確に検知することができる。

このように本実施の形態によれば、タンブルコントロールバルブ８の弁体１２そのものが万が一欠損した場合でも、これを的確に検知することができ、システム全体の信頼性が高いものとなる。

ここで、上記実施の形態では、気流制御バルブとしてタンブルコントロールバルブ８を例にとって説明しているが、タンブルコントロールバルブ８と同等または類似の機能を有する気流制御バルブ、例えばスワール（横旋回流）コントロールバルブ等にも本発明を適用することができる。

また、図４に示した圧力取出穴１４に代えて、同図のｂ１位置あるいはｂ２位置に圧力取出穴を形成しても、上記実施の形態と同様の機能が達成できることは言うまでもない。

本発明のより具体的な実施の形態としてタンブルコントロールシステムの概略構造を示す説明図。 図１のシステムに適用される吸気管の要部分解説明図。 図１のＡ部相当部の拡大図であって、タンブルコントロールバルブ開状態の断面説明図。 図１のＡ部相当部の拡大図であって、タンブルコントロールバルブ閉状態の断面説明図。 図１のＡ部相当部の拡大図であって、タンブルコントロールバルブの欠損時の断面説明図。 タンブルコントロールバルブの欠損時の処理手順を示すフローチャート。 同じく図１のＡ部相当部の拡大図であって、タンブルコントロールバルブの欠損時の断面説明図。 タンブル流の生成に伴う負圧の大きさをタンブルコントロールバルブの弁体正常時と弁体欠損時とで比較したグラフ。

符号の説明

１…気筒
８…タンブルコントロールバルブ（気流制御バルブ）
１０…タンブルコントロールバルブモータ
１１…吸気管
１１ａ…ブランチ部
１２…弁体
１４…圧力取出穴
１５…共有通路
１７…通路用カバー
１９…負圧センサ（圧力検出手段）
Ｇ…隙間
Ｐ１…弁体の開位置
Ｐ２…弁体の閉位置
Ｑ１…欠損箇所
Ｑ２…欠損箇所
Ｓ…タンブル流

Claims (5)

1. 気筒に接続された吸気管に気流制御バルブを設け、この気流制御バルブを開閉操作して吸気管の開口面積を可変制御することで気筒内に旋回流を発生させるようにした内燃機関の吸気装置であって、
   上記吸気管のうち気流制御バルブの近傍の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
   この圧力検出手段による実測値と設定値との比較に基づいて気流制御バルブの異常を判定するようにしたことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記圧力検出手段が負圧センサであって、且つ気流制御バルブの最小開度時の負圧を検出するものであ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. 複数の気筒毎に独立しているそれぞれ吸気管のうち気流制御バルブの近傍に圧力取出穴を個別に設けるとともに、
   それらの複数の吸気管の圧力取出穴を共通の通路に集約し、
   その通路の圧力を負圧センサによって検出するようになってい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. 上記複数の圧力取出穴を集約するための通路を形成する通路用カバーを複数の吸気管にまたがるように架橋的に配置し、
   その通路用カバーによって形成される通路の端部に負圧センサを臨ませてあることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 上記吸気管のうち少なくとも気流制御バルブが設けられる部分が樹脂製のものであって、
   その樹脂製の吸気管に対して同じく樹脂製の通路用カバーを溶着固定してある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。

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