JP3953991B2 - 内燃機関の吸気量制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車用の内燃機関の吸気量制御装置に関し、特に内燃機関のポンピングロスの低減を行い燃料消費の低減を実現した内燃機関の吸気量制御装置に関するものである。

従来より、自動車に用いられる多気筒の内燃機関においては、各気筒の上流側に接続された独立吸気管に吸気絞り弁を配設し、吸気絞り弁の開度制御により機関出力を制御する多連絞り弁方式による吸気量制御装置が良く知られており、特に、低流量の制御性または圧力Ｆ／Ｂの制御精度などの向上を目的として、たとえば１個のソレノイドを回転同期でＤＵＴＹ制御する装置が知られている。

この種の吸気量制御装置においては、気筒毎の独立吸気管に絞り弁が設けられており、絞り弁の下流側に配置された各気筒の吸気弁との間の吸気管容積を減少させることができるので、各吸気弁の開度制御に対応した吸気管内圧力の応答性が向上する。
また、各気筒の吸気充填量の応答性が向上することから、内燃機関の出力応答性を大幅に向上させることができる。

ところで、上記のように気筒毎に独立に吸気絞り弁を設けた場合は、独立吸気管の上流側（吸気管の集合部）に単一の吸気弁のみを配置した場合と比べて、特に低回転・低負荷領域（アイドル運転状態など）での絞り弁の開度変化量に対する吸気量変化ゲインが大きくなるので、絞り弁開度に対する機関出力の変化も大きくなり、絞り弁の微妙な制御が必要となり、円滑な機関運転が困難になるおそれがある。

このため、各吸気絞り弁の下流に接続された流量制御弁を介して各絞り弁の上流に接続したバイパス通路を形成し、多連絞り弁での吸気量制御性の悪化する領域（機関の低回転・低負荷領域）では、バイパス通路を制御して機関出力を制御する装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このようなバイパス通路に設けられた流量制御弁の方式としては、バイパス通路の有効断面積をモータまたはリニアソレノイドで制御する方式と、バイパス通路を遮断／開放するソレノイドのＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹ比を制御する方式とが知られている。
また、他の従来装置として、バイパス通路に圧力検出手段を設け、バイパス通路を介して各気筒に供給されるバイパス流量の制御精度を向上させる装置も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

しかしながら、一般に、内燃機関の吸気管内には、燃料と空気以外の物質（排ガス浄化対策の一環として導入されるＥＧＲガスやブローバイガスなど）が長期間にわたって導入されており、この結果、コンタミ（汚れ）の影響で、絞り弁の有効隙間が閉塞（または、減少）されられることが知られている。
この現象は、多連絞り弁の方式においても発生し、しかも、これらコンタミの影響を各気筒に均等に発生させることは困難である。したがって、各絞り弁の開度が精密に初期調整されていても、経時変化によって、絞り弁を介して各気筒間に供給される吸気量が異なることになり、この不均等な吸気量を一括した流量制御弁で補正することは困難である。

また、内燃機関のポンピングロスに関しては、一般に、集合部に配設した単一絞り弁方式と比べて、多連絞り弁の方が少なくなり、また、吸気行程の始めの吸気管内圧力を高めるほど小さくなることが知られているが、従来装置においては、このような改善方向の提案がなされていない。

特許公報第２５２９６９２号 特開平７−７７４４０号公報

従来の内燃機関の吸気量制御装置では、多連吸気絞り弁が非同期制御されているので、燃料計算精度が悪く、また、多連吸気絞り弁に付随した課題である各気筒間への供給吸気量のバラツキへの対応や、内燃機関のポンピングロスへのさらなる低減方向の提案がなされていないので、ポンピングロスの低減や燃料消費の低減を実現することができないという課題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、独立した各吸気絞り弁をバイパスするバイパス通路を個別に配設し、各バイパス通路に個別に流量制御弁を設けるとともに、各気筒の吸気弁の開閉に同期してバイパス流量を制御することにより、個々の絞り弁を介したバイパス流量の、経時劣化にともなう変化を個別に補正することのできる内燃機関の吸気量制御装置を得ることを目的とする。
また、この発明は、吸気弁の開閉に同期してバイパス流量を制御することにより、たとえば、バイパス流量制御弁の駆動周期と吸気行程周期との不整合による行程毎の吸気量のバラツキの発生を抑制した内燃機関の吸気量制御装置を得ることを目的とする。

この発明による内燃機関の吸気量制御装置は、複数の気筒を有する内燃機関の吸気量制御装置であって、内燃機関の各気筒に吸入空気を供給するための吸気管と、各気筒に共通に対応するように吸気管に設けられた集合部と、各気筒に個別に設けられた吸気弁と、集合部と吸気弁との間を個別に連通する独立吸気管と、独立吸気管の各々に対して互いに連動するよう配設された吸気絞り手段と、吸気絞り手段の各絞り部を個別にバイパスするバイパス通路と、バイパス通路を介して各独立吸気管の下流側に供給されるバイパス流量を個別に調整する電磁弁と、内燃機関の回転を含む運転状態を検出する各種センサと、内燃機関の運転状態に応じて電磁弁を制御する吸気量制御手段とを備え、吸気量制御手段は、内燃機関の回転に同期してバイパス流量を制御するとともに、内燃機関の回転数が所定数以上を示す第１の条件と、内燃機関の負荷が所定値以上を示す第２の条件と、の少なくとも一方の条件が成立した場合には、内燃機関の回転に同期したバイパス流量の制御を禁止し、第１の条件下において、運転状態が加速状態に相当する高負荷を示す場合には、バイパス流量を最大流量に設定し、運転状態が定速走行に相当する中負荷を示す場合には、バイパス流量を最小流量に設定して吸気絞り手段による流量制御を行い、運転状態が減速状態に相当する低負荷を示す場合には、バイパス流量を最小流量に設定し、第２の条件下においては、バイパス流量を最大流量に設定するものである。

この発明によれば、吸気応答性に優れ且つポンピングロスを低減する多連絞り弁の各々にバイパス流量制御の電磁弁を配設し、吸気弁が閉じている間に電磁弁を開放して多くの吸気量を供給することにより、制御応答性を損なうことなく、多くのポンピングロスの改善を行うことができ、しかも、経時変化発生時においても安定した吸気量の供給が行うことのできる燃費効率の優れた内燃機関の吸気量制御装置を提供することができる。
また、バイパス通路の有効吸気断面積を大きく設定して内燃機関の出力を増大させるとともに、電磁弁の作動回数を減少させて信頼性の高い装置を実現することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による内燃機関の吸気量制御装置の要部を示す構成図である。
図１において、内燃機関（エンジン）１は、複数（ここでは、４個）の気筒１ａからなり、各気筒ａには、吸気弁１ｂおよび排気弁１ｃが個別に設けられている。
各気筒１ａの吸気弁１ｂには、独立吸気管２が個別に連通されており、各独立吸気管２には、吸気絞り手段を構成する電子制御スロットルバルブ（以下、「ＥＴＶ」と略称する）３が、電動機３ａにより互いに連動するように配設されている。

また、各独立吸気管２内のＥＴＶ３の下流側には、各吸気弁１ｂに向けて燃料を噴射する噴射弁４が設けられ、独立吸気管２の上流側には、吸気管の集合部５が形成され、さらに集合部５の上流側にはエアクリーナ６が設けられている。
すなわち、内燃機関１に吸入空気を供給するための吸気管には、各気筒１ａに共通に対応するように集合部５が形成されており、独立吸気管２は、集合部５と吸気弁１ｂとの間を個別に連通している。

一方、各気筒１ａの排気弁１ｃには、独立排気管７が連通され、独立排気管７の集合部８には、内燃機関１内の空燃比を検出する空燃比センサ９が設けられている。
また、内燃機関１には、内燃機関１の回転速度を検出するとともに、各気筒１ａの燃焼行程を判定するための気筒識別信号を生成する気筒識別センサ１０が設けられている。
なお、気筒識別センサ１０に加えて、クランク角センサ（図示せず）を設けてもよい。

また、各独立吸気管２にはバイパス通路１１が設けられており、バイパス通路１１は、ＥＴＶ３の絞り部を個別にバイパスして、集合部５から各独立吸気管２の下流側にバイパス空気を流入させるようになっている。

さらに、バイパス通路１１には、バイパス通路１１を介して各独立吸気管２の下流側に供給されるバイパス流量を個別に調整する電磁弁１１ａが設けられている。
電磁弁１１ａは、気筒識別センサ１０からの気筒識別信号に応じて、内燃機関１の回転に同期して個別制御され、バイパス通路１１を介した空気流入を遮断するように配設されている。

また、各独立吸気管２には、気筒毎に対応して吸気圧センサ１２が設置されており、吸気圧センサ１２は、各気筒１ａへの吸気量を検出する。なお、吸気圧センサ１２は、各気筒１ａの制御行程毎に切り替えて吸気量を計測しても良い。

各種センサ９、１０、１２は、図示されない他のセンサ（冷却水温センサなど）とともに、内燃機関１の運転状態を検出する。

ＥＣＵからなる制御手段１３は、各種センサからの検出情報（運転状態）を入力処理情報として、電磁弁１１ａを制御する吸気量制御手段１３ａと、内燃機関１の各気筒１ａへの吸気量、燃料量および点火時期を個別に演算制御する燃料量制御手段１３ｂとを備えている。

吸気量制御手段１３ａは、運転者が操作するアクセルペダル（図示しない）の指示（操作量）に基づき、各気筒１ａへの充填空気量を演算し、ＥＴＶ３の電動機３ａを制御するとともに、内燃機関１の回転に同期して電磁弁１１ａを開閉制御し、バイパス流量を制御する。
また、燃料量制御手段１３ｂからの制御信号は、噴射弁４に印加されて燃料噴射量を制御する。

図１において、エアクリーナ６を通過して吸気管に取り込まれた後、各独立吸気管２を介して内燃機関１側に供給される空気量は、ＥＴＶ３および電磁弁１１ａの制御により制限される。
したがって、吸気圧センサ１２は、吸気量制御手段１３ａにより制限された空気量（吸気量）を吸気圧として検出し、燃料量制御手段１３ｂに入力する。

燃料量制御手段１３ｂは、気筒識別センサ１０からの気筒識別信号と吸気圧センサ１２からの吸気量とから、各気筒１ａへの適切な燃料量を演算するとともに、噴射弁４の制御を行う。
また、燃料量制御手段１３ｂは、独立排気管７の集合部８に設けられた空燃比センサ９からの検出情報を受けて、フィードバック制御を行うことにより、精密に燃料量の調整を行う。

さらに、燃料量制御手段１３ｂは、点火制御手段（図示しない）を、あらかじめ定められたタイミング、すなわち、内燃機関１の環境に応じたＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅｄ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：最大出力を得るための最小進角点火時期）またはＭＢＴ近傍で、点火制御を行う。

ここで、各独立吸気管２内で連動するＥＴＶ３を介して内燃機関１に供給される吸気量は、たとえば経時変化によってバラツキが生じても、バラツキを抑制することができる。
すなわち、吸気量制御手段１３ａは、排気集合部８に設けられた空燃比センサ９の検出情報と、噴射弁４の駆動制御信号（燃料噴射量）とに基づいて、吸気量の過不足を演算することにより、個別に配設された電磁弁１１ａの開弁時間を調整し、吸気量のバラツキを抑制することができる。

また、吸気量制御手段１３ａは、電磁弁１１ａの開閉に関して、電磁弁１１ａを有するバイパス通路１１が配設されている独立吸気管２に接続された気筒１ａに対して、気筒識別センサ１０からの気筒識別信号に基づいて、吸気弁１ｂの開閉タイミングと同期するように電磁弁１１ａを作動させる。これにより、バイパス通路１１を介して独立吸気管２の下流側に注入されるバイパス流量は、各気筒１ａに確実に吸引されるように、正確に制御される。

すなわち、仮に、電磁弁４の開閉タイミングと吸気弁１ｂの開閉タイミングとが同期していなければ、各気筒１ａに吸引されるように電磁弁４が開放されても、この時点で吸気弁１ｂが閉成されている可能性がある。

この場合、気筒１ａへの吸引が停止して、バイパス流量は、吸気弁１ｂの上流の独立吸気管２内に滞留するので、該当する気筒１ａへの吸気量は、「少」状態となるとともに、クランク軸の２回転後には、前回の滞留分を含めて吸引が行われるので、吸気量は「多」状態となる。したがって、単位時間当たりの調整量が正確であっても、各吸気行程における吸気量に誤差が発生することになる。

しかし、この発明によれば、上記のような吸気量誤差による不具合の発生を防止することができる。
また、電磁弁１１ａの開閉制御を行う際に、吸気弁１ｂが閉成されている間のバイパス流量を増やすように制御して、ポンピングロスの低減を加速することができる。

ここで、図２〜図５の説明図を参照しながら、この発明の実施の形態１によるポンピングロスの低減効果について具体的に説明する。
図２は気筒１ａのシリンダ容積（横軸）とシリンダ内圧力（縦軸）との関係を示す説明図であり、大気圧、上死点および下死点に関連付けて、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程の相互関係を示している。

ポンピングロスとは、図２内の斜線部で示すように、吸気行程中に絞り弁下流の大気圧以下の圧力に逆らって吸引した空気を、排気行程においてほぼ大気圧下の独立排気管７に排出するために要する損失エネルギーであり、このポンピングロスを低減することにより燃費を向上させることができる。

図３は時間ｔ（横軸）に対する吸気管内圧力（縦軸）の変化を示す説明図であり、単一絞り弁（一点鎖線参照）と多連絞り弁（実線参照）とにおける吸気管内圧力を、それぞれ、４サイクル４気筒の場合を例にとって示している。
また、図４は図２と同様の説明図であり、気筒１ａのシリンダ容積（横軸）とシリンダ内圧力（縦軸）との関係を、単一絞り弁（一点鎖線参照）と多連絞り弁（実線参照）とに関連付けて示している。

図３において、単一絞り弁方式の場合には、４気筒のうちいずれかの気筒１ａが吸気行程にあって吸引しているので、吸気絞り弁の下流の圧力は、一点鎖線のように、常に低圧力となる。

一方、多連絞り弁の場合には、各気筒間の吸気の干渉がなくなり、実線に示すように、吸気行程が終了して吸気弁１ｂが閉じている間に、ＥＴＶ３（吸気絞り部）での絞り隙間を介して、独立吸気管２の下流側に空気（バイパス流量）が流入し、吸気管内圧力が上昇する。

この結果、図４内の実線および一点鎖線で示すように、ポンピング損失（斜線部Ａ、Ｂ参照）は、多連絞り弁（実線）の方が、単一絞り弁（一点鎖線参照）の場合よりも小さくなる。
すなわち、多連絞り弁（実線）のポンピングロスは、下死点側においては、斜線部Ｂの分だけ大きくなるものの、上死点側における斜線部Ａでの低減度が大きいので、トータルでは小さくなる。

したがって、吸気行程の始めの吸気管内圧力を高めれば高めるほど、ポンピング損失が小さくなるが、前述した通り、従来装置においては、このための提案がなされていない。
図５はバイパス通路１１の開閉に応じた吸気管内圧力の時間変化を示す説明図であり、破線は従来装置による特性曲線を示している。

ここで、この発明の実施の形態１によるポンピングロスの低減効果について説明する。
たとえば、図３および図５に示すように、多連吸気絞り弁の下流において、低負荷時には、音速で律則された空気が常時流入して吸気管内圧力が増加する。
このとき、吸気弁１ｂが開放されると、各気筒１ａは、絞り弁下流に充填された空気を吸引するとともに、リアルタイムでＥＴＶ３および電磁弁１１ａを通過する空気を吸引するので、結局各気筒には２回転分の期間にわたってＥＴＶ３と電磁弁１１ａとを流入した空気を吸引することになる。

ところで、ＥＴＶ３を通過する量は、２回転の期間にわたって一定量であるが、電磁弁１１ａを介したバイパス流量は、図５に示すように、吸気弁１ｂが閉成されている間に増加させるように制御することができる。
この結果、吸気行程の開始時の吸気管内圧力を高めて、ポンピングロスをさらに低減することができる。

次に、この発明の実施の形態１による内燃機関１の吸気量制御装置の動作について説明する。
上記のように、制御手段１３は、低負荷時（アイドル運転時など）の吸気量制御性の向上と、ポンピングロスの低減度向上とを目的として、バイパス通路１１によるバイパス流量を主体として制御を行うように、バイパス通路１１と連動するＥＴＶ３による吸入量を極力少ない値に設定するようになっている。

また、ＥＴＶ３の制御は、バイパス流量の制御が飽和（すなわち、電磁弁１１ａが常時開状態となって制御能力を喪失）した後に開始することが望ましい。
また、電磁弁１１ａの開閉制御は、吸気弁１ｂの開閉タイミング（エンジンの特定回転角度）と同期する必要はなく、たとえば、吸気弁１ｂが閉成されている間で吸気量に不足があれば、吸気弁１ｂの開放期間にまで延長して開弁しても、吸気量の増大効果は弱まるものの、その効果が完全に喪失するものではない。

さらに、この発明の実施の形態１において、ＥＴＶ３およびバイパス流量の回転同期制御は、ポンピングロスの低減と低負荷時の流量制御性とに関して効果を発揮するので、内燃機関１の運転状態における期待効果に応じて、制御内容を以下のように変更することが望ましい。

吸気量制御手段１３ａは、内燃機関１の回転数が所定数以上を示す第１の条件と、内燃機関１の負荷が所定値以上を示す第２の条件と、の少なくとも一方の条件が成立した場合には、内燃機関１の回転に同期したバイパス流量の制御を禁止する。
また、吸気量制御手段１３ａは、第１の条件下において、内燃機関１の運転状態が加速状態に相当する高負荷を示す場合には、バイパス流量を最大流量に設定し、運転状態が定速走行に相当する中負荷を示す場合には、バイパス流量を最小流量に設定してＥＴＶ３（吸気絞り手段）による流量制御を行い、運転状態が減速状態に相当する低負荷を示す場合には、バイパス流量を最小流量に設定する。
また、吸気量制御手段１３ａは、第２の条件下（高負荷）においては、バイパス流量を最大流量に設定する。

すなわち、ポンピングロスそのものは、内燃機関１の負荷の増大に応じて減少するので、ポンピングロスの影響が軽微となる高負荷領域では、内燃機関１の回転に同期した電磁弁１１ａの開閉制御を停止して常時開放（全開）して、バイパス流量を最大流量とする。
これにより、バイパス通路１１の有効吸気断面積を大きく設定することができ、内燃機関１の出力を増大させるとともに、電磁弁１１ａの作動回数を減少させて、信頼性の高い装置を実現することができる。

一方、高回転時の低負荷域（減速時）においては、ポンピングロスが、むしろ減速トルクとして車両の走行性能に有効に活用されるので、電磁弁１１ａを常時閉成（全閉）して、バイパス流量を最小流量とする。
この場合、独立吸気管２の各吸気絞り弁のバラツキによる吸気量のバラツキが生じる可能性があるが、高回転・低負荷の領域は、減速トルクの増大および燃費の向上を目的として燃料カットを行う運転領域なので、吸気量バラツキによる影響が生じることなく、大きな減速トルクが得られるとともに、電磁弁の作動回数を低減することができる。
したがって、信頼性の高い内燃機関の吸気量制御装置を得ることができる。

このように、吸気弁１ｂが閉成されている間に、電磁弁１１ａによるバイパス流量を増大制御することにより、図５に示すように、ポンピングロスをさらに低減させることができる。
また、ポンピングロスの比重が少ない内燃機関の高負荷領域および高回転時の低負荷領域においては、電磁弁１１ａの制御を禁止し、装置全体の信頼性を向上させるとともに、制御に要する無駄なエネルギー消費を低減させることができ、優れた燃費改善効果を実現することができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の吸気量制御装置のシステム全体を概略的に示す構成図である。 この発明の実施の形態１に関連するポンピングロスを示す説明図である。 この発明の実施の形態１に関連する吸気管内圧力（負圧）の時間変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるポンピングロスの低減効果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による吸気管内圧力（負圧）の時間変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関、１ａ 気筒、１ｂ 吸気弁、２ 独立吸気管、３ ＥＴＶ（電子制御スロットルバルブ）、４ 噴射弁、５ 吸気集合部、９ 空燃比センサ、１０ 気筒識別センサ（回転センサ）、１１ バイパス通路、１１ａ 電磁弁、１２ 吸気圧センサ、１３ 制御手段、１３ａ 吸気量制御手段、１３ｂ 燃料量制御手段。

Claims (3)

1. 複数の気筒を有する内燃機関の吸気量制御装置であって、
   前記内燃機関の各気筒に吸入空気を供給するための吸気管と、
   前記各気筒に共通に対応するように前記吸気管に設けられた集合部と、
   前記各気筒に個別に設けられた吸気弁と、
   前記集合部と前記吸気弁との間を個別に連通する独立吸気管と、
   前記独立吸気管の各々に対して互いに連動するよう配設された吸気絞り手段と、
   前記吸気絞り手段の各絞り部を個別にバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路を介して前記各独立吸気管の下流側に供給されるバイパス流量を個別に調整する電磁弁と、
   前記内燃機関の回転を含む運転状態を検出する各種センサと、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記電磁弁を制御する吸気量制御手段とを備え、
   前記吸気量制御手段は、
   前記内燃機関の回転に同期して前記バイパス流量を制御するとともに、
   前記内燃機関の回転数が所定数以上を示す第１の条件と、前記内燃機関の負荷が所定値以上を示す第２の条件と、の少なくとも一方の条件が成立した場合には、前記内燃機関の回転に同期した前記バイパス流量の制御を禁止し、
   前記第１の条件下において、
   前記運転状態が加速状態に相当する高負荷を示す場合には、前記バイパス流量を最大流量に設定し、
   前記運転状態が定速走行に相当する中負荷を示す場合には、前記バイパス流量を最小流量に設定して前記吸気絞り手段による流量制御を行い、
   前記運転状態が減速状態に相当する低負荷を示す場合には、前記バイパス流量を最小流量に設定し、
   前記第２の条件下においては、前記バイパス流量を最大流量に設定することを特徴とする内燃機関の吸気量制御装置。
2. 前記吸気量制御手段は、前記各吸気弁の開弁期間中に前記バイパス流量が減少するように前記電磁弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気量制御装置。
3. 前記吸気量制御手段は、前記各吸気弁の閉弁期間中に前記電磁弁を開放して前記バイパス流量の供給を行い、前記各吸気弁の閉弁期間中以外の期間においては、前記電磁弁を閉成して前記バイパス流量の供給を禁止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気量制御装置。

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