JP3193476B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、運転領域によって空燃
比を変更する空燃比制御手段を備えたエンジンにおける
吸気装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃費節減が要求される運転領
域では空燃比をリーン、高負荷領域では空燃比をリッチ
にするというように、運転状態に応じて空燃比を変化さ
せる空燃比制御手段を備えたエンジンは一般に知られて
いる。

【０００３】ところで、後にも説明するように、空燃比
が理論空燃比よりもある程度リーン側の所定空燃比（Ａ
／Ｆ＝１６付近）ではＮＯｘが発生し易く、しかも三元
触媒の触媒性能が低下するので、この程度の空燃比とさ
れる運転領域が存在すると、ＮＯｘが多く排出されてエ
ミッションの悪化を招く。

【０００４】この問題の対策として、ＮＯｘの発生し易
い所定空燃比を避けて、これよりもリーンな運転領域と
リッチな運転領域とを隣合わせに設定し、その一方の領
域から他方の領域への運転状態移行時に、燃料噴射量を
所定量変化させることにより空燃比を急変させるように
し、また、このときのトルクの急変によるショックを防
止するため、点火時期の遅角制御によりトルクを調整す
るようにしたものが考えられている（特開昭６３−１３
９５３号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように空燃比変
更時に燃料噴射量を所定量変化させつつ点火時期の遅角
制御によりトルクを調整するものは、燃費的に無駄が生
じる。

【０００６】そこで、リーン領域とリッチ領域との間の
運転状態移行時に、燃料噴射量は急変させずに、両領域
の空燃比格差分だけ吸入空気量を変化させるようにすれ
ば、トルクの急変を避けつつ空燃比を変更し、かつ燃料
の無駄をなくす等のメリットが期待できる。

【０００７】ところが、吸気マニホールドの上流にスロ
ットル弁が設けられている一般的なエンジンにおいて
は、スロットル弁の開度を急変させたとしても、スロッ
トル弁下流の吸気マニホールドのボリュームにより、吸
入空気量の変化は緩慢になり、その吸入空気量変化の途
中でＮＯｘが発生し易い空燃比を通り、ＮＯｘ抑制効果
が阻害されるというという問題が残される。

【０００８】なお、スロットル弁による吸入空気量調整
の構造としては、例えば各気筒毎の独立吸気通路にそれ
ぞれスロットル弁を設けたもの（特開昭６３−１５４８
２７号公報参照）、スロットル弁を電気的な駆動手段で
駆動して要求に応じたスロットル開度の制御を行なうよ
うにしたもの（特開昭６０−２７７４４号公報参照）等
が従来において知られているが、上記のような問題の対
策としては考えられていなかった。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑み、ＮＯｘが発
生し易い空燃比を避けてこれよりリーンな空燃比とリッ
チな空燃比とに制御し、かつ、空燃比の変更時に、吸入
空気量を迅速に急変させて、トルクショックを防止する
とともに有効にＮＯｘを抑制することができるエンジン
の吸気装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、運転領域によって空燃比を変更し、か
つ、ＮＯｘ発生割合が多い所定空燃比よりもリーンな空
燃比に制御する第１の運転領域と上記所定空燃比よりも
リッチな空燃比に制御する第２の運転領域とを隣合わせ
に設定した空燃比設定手段を有するエンジンにおいて、
吸気マニホールド上流の吸気通路に、アクセル操作部の
操作量に対応して開度が変化する上流側スロットル弁を
設け、吸気通路下流側の各気筒毎の独立吸気通路にそれ
ぞれ下流側スロットル弁を設け、かつ、上記上流側スロ
ットル弁よりも下流で上記下流側スロットル弁の配設箇
所よりも上流に機械式過給機を設けるとともに、上記下
流側スロットル弁の開度を、上記第１の運転領域では、
上流側スロットル弁の開度に対して大きくし、運転状態
が上記第１の運転領域から第２の運転領域へ移行すると
きの空燃比変更時にはこの両運転領域の空燃比格差分に
見合う所定量だけ小さくし、上記第２の運転領域では上
流側スロットル弁の開度特性と同様に上記アクセル操作
部の操作量に対応して変化させるスロットル弁制御手段
を設けたものである。

【００１１】

【作用】上記構成によると、上記第１，第２運転領域の
間での運転状態移行時に、上記下流側スロットル開度の
変化による空気供給量の変化により、トルクは急変せず
に空燃比が変更される。とくに、下流側スロットル弁が
気筒毎の独立吸気通路に設けられて、下流側スロットル
弁から燃焼室までの通路容積が小さくされ、下流側スロ
ットル弁の開度変化に応じて応答性よく吸入空気量が変
化することにより、ＮＯｘ発生割合の多い空燃比よりも
リーン側とリッチ側との間で空燃比が瞬間的に変化す
る。このため、空燃比変更時に過渡的にＮＯｘが増大す
ることが避けられる。また、上記下流側スロットル弁に
加え、アクセル操作部の操作量に対応して開度が変化す
る上流側スロットル弁が設けられ、かつ、上記上流側ス
ロットル弁よりも下流で上記下流側スロットル弁の配設
箇所よりも上流に機械式過給機が設けられることによ
り、機械式過給機の駆動性能が高められる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を説明する前に、本発明の吸
気装置のうちの上流側スロットル弁及び機械式過給機を
具備しない基本構造に相当する参考例を、図１乃至図５
によって説明する。

【００１３】図１において、１は複数の気筒２を備えた
エンジン本体、３は吸気通路である。上記吸気通路３
は、上流側の共通吸気通路４と、下流側の吸気マニホー
ルド５とからなり、吸気マニホールド５は気筒別の独立
吸気通路６を有している。そして、各独立吸気通路６の
下流端の吸気ポート７が各気筒２の燃焼室に開口し、図
外の吸気弁で開閉されるようになっている。上記共通吸
気通路４には、エアクリーナ８およびエアフローメータ
９が配設されている。

【００１４】上記各独立吸気通路６にはそれぞれ、その
下流端付近に燃料噴射弁１０が配設されるとともに、こ
の燃料噴射弁１０の直上流で、吸気ポート７の近傍に、
スロットル弁１１が配設されている。この気筒毎の独立
吸気通路６に設けられた各スロットル弁１１は、同時に
作動されるように共通の軸１２で相互に連結され、この
軸１２が、ステップモータ等の電気的なアクチュエータ
（駆動手段）１３に連結されている。

【００１５】また、２０は排気通路であって、気筒毎の
独立排気通路２２を有する排気マニホールド２１とその
下流の共通排気通路２４とからなっており、各独立排気
通路２２の上流端の排気ポート２３が燃焼室に開口し
て、図外の排気弁で開閉されるようになっている。上記
共通排気通路２４には、触媒装置２５が設けられてい
る。

【００１６】３０はコントロールユニットであり、マイ
クロコンピュータ等で構成されている。このコントロー
ルユニット３０には、上記エアフローメータ９からの吸
入空気量の検出信号が入力されるとともに、エンジン回
転数を検出する回転数センサ３５、アクセルペダルの操
作量を検出するアクセル操作量センサ３６、空燃比を検
出する空燃比センサ３７等からの信号が入力されてい
る。そしてコントロールユニット３０から、上記燃料噴
射弁１０に燃料噴射制御信号が出力されるとともに、ス
ロットル弁１１のアクチュエータ１３にスロットル開度
制御信号が出力されている。

【００１７】上記コントロールユニット３０は、図２に
示すように、運転状態に応じて空燃比を設定するための
空燃比設定手段３１と、燃料制御手段３２およびスロッ
トル弁制御手段３３を含んでいる。上記空燃比設定手段
３１は、予め運転領域によって空燃比を定めた空燃比マ
ップ３４を有し、エンジン負荷信号３８（例えばアクセ
ル操作量の検出信号）と回転数センサ３５からの信号と
によって調べられる運転状態に応じ、空燃比マップ３４
から空燃比を読み出すようになっている。上記空燃比マ
ップ３４は、例えば図３のように、エンジン負荷および
エンジン回転数がそれぞれ所定値以下の第１の領域Ａで
は、ＮＯｘ発生割合が多い所定空燃比よりもリーンな空
燃比とし、比較的高負荷側および高回転側の第２の領域
Ｂでは、上記所定空燃比よりもリッチであるλ＝１の空
燃比とし、全負荷付近の第３の領域Ｃではさらにリッチ
な空燃比とするように定められており、上記第１の領域
Ａと第２の領域Ｂとが隣合うように設定されている。

【００１８】上記燃料制御手段３２は、運転状態が上記
マップ中の同一領域Ａにある状態が持続しているときに
は、エアフローメータ９、回転数センサ３５、空燃比セ
ンサ３７等からの信号に応じ、設定空燃比となるように
燃料噴射量を制御する。また、上記スロットル弁制御手
段３３は、通常はアクセル操作量センサ３６により検出
されアクセル操作量に対応するようにスロットル弁１１
の開度を制御するが、運転状態が上記第１の運転領域Ａ
から第２の運転領域Ｂへ移行するときや逆に第２の運転
領域Ｂから第１の運転領域Ａへ移行するときには、この
両運転領域Ａ，Ｂの空燃比格差分に見合う所定量だけ上
記スロットル弁１１の開度を瞬間的に変化させるように
なっている。そしてこのような運転状態移行時に、上記
燃料制御手段３２は燃料噴射量を大きく変動させること
がないようになっている。

【００１９】このような吸気装置の作用を、図４および
図５を参照しつつ次に説明する。

【００２０】図４は空燃比とＮＯｘ発生量との関係を示
し、この図のように、理論空燃比（λ＝１）よりもある
程度リーン側のＡ／Ｆ＝１６付近の空燃比域ＸでＮＯｘ
発生割合が増大する。そこで、上記第１の運転領域Ａで
はＮＯｘ発生量の多い空燃比域Ｘよりリーン側とされる
ことによりＮＯｘの発生が抑制され、また、上記第２の
運転領域ＢではＮＯｘ発生量の多い空燃比域Ｘに対して
リッチ側で、かつ触媒装置の浄化性能が高いλ＝１とさ
れることによりＮＯｘが低減される。

【００２１】図５は上記第１の運転領域Ａにある状態か
らアクセルペダルが徐々に踏み込まれることにより第２
の運転領域Ｂに移行した場合の、各種要素の変化を示し
ている。図のように、ｔ０ の時点からアクセルペダル
が徐々に踏み込まれる（線ａ）と、第１の運転領域Ａか
ら第２の運転領域Ｂに移行した時点ｔ１ で、空燃比の
設定値がリーンな値からλ＝１に変更される。この空燃
比変更時ｔ１ に、それまでアクセル踏み込み量の変化
に対応して徐々に大きくなっていたスロットル開度が、
空燃比の格差に見合う所定量だけ瞬間的に小さくなるよ
うに制御され（線ｂ）、これによって燃焼室に供給され
る空気の流量が減少する（線ｃ）。そして、燃料噴射量
（噴射パルス幅）は大きく急変せずに、ほぼアクセル踏
み込み量の変化に対応して徐々に変化しつつ（線ｄ）、
上記空気流量の減少により空燃比の変更が達成される
（線ｇ）。

【００２２】この場合に、仮に吸気通路上流側にスロッ
トル弁が設けられているとすると、上記空燃比変更時点
ｔ１ でスロットル開度を瞬間的に小さくしても、スロ
ットル弁下流における空気流量の減少は緩慢になり（破
線ｃ’）、このため実際の空燃比の変動も緩慢となって
（破線ｇ’）、その変動途中の空燃比でＮＯｘ発生量が
多くかつ触媒性能の悪い空燃比を通ることにより、触媒
装置下流側でもＮＯｘが増大する（破線ｆ’）。また、
点火時期は設定空燃比の変化に対応して制御される（線
ｈ）ので、実際の空燃比変動が緩慢になると、最適点火
時期からのずれが生じることでトルクの落ち込みを生じ
る（破線ｅ’）。

【００２３】これに対し、当参考例の装置によると、ス
ロットル弁から燃焼室までの通路容積が小さいため、上
記空燃比変更時点ｔ１ でのスロットル開度変化に対応
した空気流量減少が応答性良く行なわれ（線ｃ）、これ
によって空燃比がリーンからλ＝１へ瞬間的に変化する
（線ｇ）ので、空燃比変更時にもＮＯｘが少なく保たれ
る（線ｆ）。また、上記のような最適点火時期からのず
れによるトルクの落ち込みを生じることがなく、アクセ
ル踏み込み量の変化に対応する燃料噴射量の増加に対応
してトルクが滑らかに変化し（線ｅ）、トルクショック
が防止される。

【００２４】なお、図５に例示する場合とは逆にアクセ
ルペダルが踏み込み状態から徐々に戻されることにより
第２の領域Ｂから第１の領域Ａに移行する場合は、スロ
ットル開度等が図５の変化を逆にたどることになる。

【００２５】図６は本発明の実施例を示している。この
実施例では、各独立吸気通路６に設けられたスロットル
弁（以下、当実施例では下流側スロットル弁という）１
１に加え、吸気マニホールド５より上流の共通吸気通路
４に、上流側スロットル弁４０が設けられている。この
上流側スロットル弁４０は、図外のアクセルペダルに連
動して開度が変化する機械式のスロットル弁とされてい
る。また、下流側スロットル弁１１は、図１の参考例と
同様に電気的なアクチュエータ１３により軸１２を介し
て作動されるようになっている。

【００２６】また、上流側スロットル弁４０より下流
で、下流側スロットル弁１１の配設箇所よりも上流側の
吸気通路３には、エンジン出力軸によりベルト等の伝動
手段４２を介して駆動される機械式過給機４１が設けら
れている。さらに吸気通路３には、この過給機４１の下
流に位置して過給気を冷却するインタクーラ４３と、過
給機をバイパスするバイパス通路４４と、低負荷時にこ
のバイパス通路４４を開くバイパス制御弁４５が設けら
れている。その他の構造は前述の参考例と同様である。

【００２７】図７はアクセル踏み込み量と上記上流側ス
ロットル弁４０および下流側スロットル弁１１の開度と
の関係を示している。

【００２８】この図のように、アクセル踏み込み量が次
第に増加したとき、上流側スロットル弁４０の開度はア
クセル踏み込み量に対応して変化する。一方、コントロ
ールユニット３０によりアクチュエータ１３を介して制
御される下流側スロットル弁は、アクセル踏み込み量が
小さいときは全開とされ、空燃比がＮＯｘ発生量の多い
所定空燃比よりリーンにされる第１の運転領域と上記所
定空燃比よりリッチとされる第２の運転領域との境界に
相当する所定アクセル踏み込み量において所定開度まで
閉じられ、これよりアクセル踏み込み量が大きくなると
それに対応して開度が変化するように、その開度特性が
設定されている。なお、図３のような空燃比マップによ
る運転領域毎の空燃比の設定、および燃料噴射量の制御
等は先の参考例と同様である。

【００２９】この実施例によると、上流側スロットル弁
４０が機械的にアクセルペダルに連動して作動すること
により、信頼性が確保される。そして、第１の運転領域
から第２の運転領域へ移行する空燃比変更時点ｔ１ で
は下流側スロットル弁の開度が小さくされ、これに規制
されて燃焼室に供給される空気の流量が減少することに
より、トルクの変化を滑らかにしつつＮＯｘを抑制する
等の作用は、先の参考例と同様に得られる。

【００３０】また、機械式過給機４１が設けられている
ことにより出力性能が高められ、また、とくにこの過給
機４１が上流側スロットル弁４０より下流に設けられて
いると、吸気がバイパスされる低負荷時に過給機が小さ
な負荷で予回転し、高負荷移行時の過給機の駆動性能が
高められる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、ＮＯｘ発生割合が多い所定空
燃比よりもリーンな空燃比に制御する第１の運転領域と
上記所定空燃比よりもリッチな空燃比に制御する第２の
運転領域とを隣合わせに設定したものにおいて、上記第
１の運転領域から第２の運転領域へ移行するときの空燃
比変更時に、この両運転領域の空燃比格差分に見合う所
定量だけ下流側スロットル弁の開度を瞬間的に小さくす
るように制御しているため、燃料供給量は急激に変化さ
せないようにしてトルクの急変を避けつつ、上記のよう
な空燃比の変更を空気供給量の変化により達成すること
ができる。とくに、吸気通路下流側の各気筒毎の独立吸
気通路にそれぞれ下流側スロットル弁を設けてこの下流
側スロットル弁を上記のように制御することにより、ス
ロットル開度の変化に応じ、空気供給量が応答性よく変
化して瞬時に空燃比が変更されるため、空燃比変更時に
過渡的にＮＯｘが増大することを防止することができ、
ＮＯｘ低減の効果を高めることができる。

【００３２】また、上記下流側スロットル弁に加え、ア
クセル操作部の操作量に対応して開度が変化する上流側
スロットル弁を設け、この上流側スロットル弁よりも下
流で上記下流側スロットル弁の配設箇所よりも上流に機
械式過給機を設けるとともに、上記下流側スロットル弁
の開度を、上記第１の運転領域では、上流側スロットル
弁の開度に対して大きくし、運転状態が上記第１の運転
領域のから第２の運転領域へ移行するときの空燃比変更
時にはこの両運転領域の空燃比格差分に見合う所定量だ
け小さくし、上記第２の運転領域では上流側スロットル
弁の開度特性と同様に上記アクセル操作部の操作量に対
応して変化させるようにしているため、信頼性を確保
し、かつ、高負荷移行時の機械式過給機の過給性能等を
良好にしつつ、上記の効果を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例による吸気装置の概略図である。

【図２】制御系統のブロック図である。

【図３】空燃比制御マップを示す図である。

【図４】空燃比とＮＯｘとの関係を示す特性図である。

【図５】アクセルペダルが徐々に踏み込まれることによ
り運転状態移行時の、各種要素の変化を示すタイムチャ
ートである。

【図６】本発明の実施例による吸気装置の概略図であ
る。

【図７】図６の実施例による場合のアクセル踏み込み量
の変化に応じたスロットル開度の変化を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ２ 気筒 ３ 吸気通路 ６ 独立吸気通路 １０ 燃料噴射弁 １１ スロットル弁 ３０ コントロールユニット ３１ 空燃比設定手段 ３３ スロットル弁制御手段 ４０ 上流側スロットル弁 ４１ 機械式過給機

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−294631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−91611（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−41957（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−29467（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−13953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−27744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−101848（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−169829（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−154827（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−31543（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−76240（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−4945（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 41/40

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運転領域によって空燃比を変更し、か
   つ、ＮＯｘ発生割合が多い所定空燃比よりもリーンな空
   燃比に制御する第１の運転領域と上記所定空燃比よりも
   リッチな空燃比に制御する第２の運転領域とを隣合わせ
   に設定した空燃比設定手段を有するエンジンにおいて、 吸気マニホールド上流の吸気通路に、アクセル操作部の
   操作量に対応して開度が変化する上流側スロットル弁を
   設け、 吸気通路下流側の各気筒毎の独立吸気通路にそれぞれ下
   流側スロットル弁を設け、 かつ、上記上流側スロットル弁よりも下流で上記下流側
   スロットル弁の配設箇所よりも上流に機械式過給機を設
   けるとともに、 上記下流側スロットル弁の開度を、上記第１の運転領域
   では、上流側スロットル弁の開度に対して大きくし、運
   転状態が上記第１の運転領域から第２の運転領域へ移行
   するときの空燃比変更時にはこの両運転領域の空燃比格
   差分に見合う所定量だけ小さくし、上記第２の運転領域
   では上流側スロットル弁の開度特性と同様に上記アクセ
   ル操作部の操作量に対応して変化させるスロットル弁制
   御手段を設けたことを特徴とするエンジンの吸気装置。