JP4173849B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に空気を吸入させるための内燃機関の吸気装置に関し、一層詳細には、前記吸入空気の空気量を測定する空気量検出部を有する内燃機関の吸気装置に関する。
従来から、車両等に用いられる内燃機関には、燃焼室となるシリンダに対して吸入エアを吸入するための吸気管が接続され、前記吸気管が接続されるシリンダの吸気ポートには、前記シリンダと吸気管との間の連通状態を切り換え可能な吸気弁が設けられている。そして、前記吸気弁が開弁することにより、前記吸気管を介してシリンダの内部に吸入エアが吸入される。
この吸気管には、前記吸気管の内部に流通する吸入エアの流量(空気量)を調整するためのスロットルバルブが設けられ、前記スロットルバルブを開閉動作させることにより、シリンダの内部に吸入される吸入エアの空気量を調整している。吸気管におけるスロットルバルブの上流側には、前記吸気管内を流通する吸入エアの空気量を測定検出する手段として空気流量センサが設けられている。一方、吸気管におけるスロットルボディの下流側には、サージタンクが設けられ、前記サージタンクには、吸気管内の圧力を検出する圧力センサが設けられている。
そして、前記空気流量センサによって検出された検出信号が制御回路へと出力され、前記検出信号からシリンダ内に吸入される吸入エアの空気量(質量又は体積)が演算される。その後、前記空気量に対して内燃機関の運転状態に応じた最適な燃料噴射量が演算され、前記制御回路で算出された結果に基づいて制御信号が燃料噴射装置へと出力されて前記燃料噴射装置の制御が行われる(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−190591号公報
ところで、特許文献1に係る従来技術においては、例えば、車両を急加速させる際に、前記スロットルバルブを急速に開状態とした場合に、実際にシリンダの内部に吸入される吸入エアに加えて、負圧状態にある吸気管のサージタンク内を充填するための吸入エアが前記吸気管の内部に導入される。これにより、空気流量センサによって検出される空気量は、実際に内燃機関のシリンダに吸入される吸入エアと、吸気管内に充填される吸入エアの一部とが合算されたものとなる。
そのため、前記空気流量センサとは別個にスロットルバルブの下流側に設けられた圧力センサによって前記吸気管の内部の吸入エアの圧力値を検出することにより、前記吸気管の内部に充填された空気量を推定している。そして、この推定された空気量を前記空気流量センサによって検出された全空気量から減算することにより、実際にシリンダへと吸入される吸入エアの空気量を推定してエンジン制御を行う必要がある。
しかしながら、上述した吸気装置では、シリンダに吸入される吸入エアの空気量は、吸気管においてスロットルボディの上流側に設けられた空気流量センサによって検出された空気量及び圧力センサによって検出された圧力値に基づいて推定されたものであるため、実際にシリンダに吸入される空気量を正確に把握することができず、前記空気量に基づいて行われる燃料の噴射量を高精度に制御することが困難である。
本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、内燃機関に吸入される吸入空気の空気量の検出精度を向上させ、高精度なエンジン制御を行うことが可能な内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、内燃機関の本体部に接続される吸気マニホールドを備え、前記吸気マニホールドは、複数に分岐して形成された分岐管と、前記分岐管に連通する集合管とを有し、前記集合管に接続された絞り弁を開閉させることにより、前記吸気マニホールドの主吸気通路を通じて前記内燃機関に吸入される吸入空気量を調整し、前記吸入空気量に応じた噴射量で燃料が噴射される内燃機関の吸気装置において、
前記吸気装置は、前記主吸気通路とは別個に設けられると共に、前記絞り弁の下流側において前記集合管と前記分岐管との間に接続され前記主吸気通路と連通する副吸気通路と、
前記副吸気通路の軸線方向に沿った通路長の略中央部に設けられ、前記内燃機関に吸入される吸入空気の空気量を検出する空気量検出部と、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、主吸気通路とは別個に設けられた副吸気通路に、軸線方向に沿った通路長の略中央部となるように空気量検出部を設け、前記空気量検出部によって副吸気通路を流通して内燃機関に吸入される吸入空気の空気量を検出している。その際、内燃機関の吸気行程時に吸気マニホールド内の負圧に脈動が発生し、該脈動した負圧が副空気通路へと進入した場合にも、空気量検出部を副吸気通路の略中央部に設けられているため、その影響を受けることを防止することができる。
従って、副吸気通路に設けられた空気量検出部によって該副吸気通路内を流通する安定した吸入空気の空気量を検出することができるため、実際に内燃機関に吸入される吸入空気の空気量を高精度に検出することができ、前記吸入空気の空気量と燃料の噴射量に基づいてリアルタイムでの高精度な内燃機関の制御を行うことが可能となる。
また、空気量検出部を、副吸気通路の前記集合管に接続される一端部から該副吸気通路の通路長の1/3以上の距離離間させ、且つ、前記副吸気通路の分岐管に接続される他端部から該副吸気通路の通路長の1/3以上の距離離間させた範囲内に配設するとよい。
これにより、内燃機関の吸気行程時に吸気マニホールド内の負圧に脈動が発生した際に、副吸気通路の一端部側となる集合管から脈動した吸入空気が進入し、反対に、前記副吸気通路の他端部側となる分岐管から脈動した吸入空気が進入することがある。その場合においても、空気量検出部が、副吸気通路の一端部及び他端部からそれぞれ前記副吸気通路の通路長の1/3以上離間させた範囲内に設けられているため、前記脈動して副吸気通路内に進入した脈動によって不安定な吸入空気の空気量を検出することがなく、前記副吸気通路の一端部及び他端部より離間して安定した吸入空気の空気量を検出することが可能となる。
本発明によれば、以下の効果が得られる。
すなわち、副吸気通路の軸線方向に沿った通路長の略中央部となるように空気量検出部を設けることにより、内燃機関の吸気行程時に吸気マニホールド内の負圧に脈動が発生し、該脈動した負圧が副空気通路へと進入した場合にも、その影響を受けることがなく、前記空気量検出部によって該副吸気通路内を流通する安定した吸入空気の空気量を検出することができる。そのため、実際に内燃機関に吸入される吸入空気の空気量を高精度に検出することができ、前記吸入空気の空気量と燃料の噴射量に基づいてリアルタイムでの高精度な制御を行うことが可能となる。
本発明に係る内燃機関の吸気装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図1及び図2において、参照符号10は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置を示す。なお、この図1及び図2は、内燃機関の吸気装置を模式的に示した概略構成図であり、ここでは、複数のシリンダを有する多気筒エンジンに適用される吸気装置について説明する。
この吸気装置10は、車両等に搭載される、例えば、4つの第1〜第4シリンダ室12a〜12d(図2参照)を有する多気筒のエンジン(内燃機関)14に設けられている。このエンジン14が搭載される車両としては、例えば、自動車や自動二輪車等が挙げられる。
エンジン14は、図1及び図2に示されるように、エンジン本体16の内部に形成される複数の第1〜第4シリンダ室12a〜12d(図2参照)にそれぞれ第1〜第4ピストン18a〜18d(図2参照)が軸線方向に沿って変位自在に設けられている。すなわち、前記第1〜第4ピストン18a〜18dがストローク変位し、第1〜第4シリンダ室12a〜12dの容積を変化させることによりエンジン14における吸気、圧縮、燃焼、排気行程が行われる。
そして、第1〜第4ピストン18a〜18dからコネクティングロッド20及びクランクシャフト22を介してエンジン14の駆動力として出力される。なお、第1〜第4ピストン18a〜18dと第1〜第4シリンダ室12a〜12dとからそれぞれ第1気筒C1、第2気筒C2、第3気筒C3及び第4気筒C4が構成されている(図2参照)。
また、エンジン14における複数の第1〜第4シリンダ室12a〜12dには、それぞれ吸気ポート24及び排気ポート26が開口し、前記吸気ポート24にはそれぞれ吸気バルブ28が設けられ、一方、排気ポート26にはそれぞれ排気バルブ30が設けられている。そして、前記吸気ポート24と排気ポート26との間となる第1〜第4シリンダ室12a〜12dの上方には、第1〜第4シリンダ室12a〜12d毎に点火プラグ32が設けられている。
エンジン本体16における第1〜第4シリンダ室12a〜12dの吸気ポート24には、インテークマニホールド34の第1〜第4分岐管36a〜36d(図2参照)がそれぞれ接続されている。
このインテークマニホールド34は、下流側に複数本に分岐するように枝状に形成される第1〜第4分岐管36a〜36dと、上流側に形成され、前記第1〜第4分岐管36a〜36dが纏められて集合した集合管38と、前記集合管38と第1〜第4分岐管36a〜36dとを接続するように形成され、所定容量を有するタンク部40とからなる。
そして、前記集合管38の上流側には、アクセルペダル(図示せず)の操作に連動して開閉するスロットルバルブ(絞り弁)42を含むスロットルボディ44が設けられている。このスロットルボディ44の上流側には、吸気管46を介してエアクリーナ48が設けられ(図1参照)、前記エアクリーナ48を通じてインテークマニホールド34に外部から吸入空気が取り込まれる。その際、前記エアクリーナ48によって前記吸入空気に含有される塵埃等が好適に除去される。
このインテークマニホールド34は、円筒状の集合管38が略中央部に形成され、前記集合管38は、前記集合管38の軸線と略直交する方向に所定幅で拡幅した略矩形状のタンク部40に接続されている。
また、インテークマニホールド34の内部には、吸入空気が流通する吸気通路(主吸気通路)50が形成され、前記吸気通路50は、集合管38の内部に形成される集合通路52と、第1〜第4分岐管36a〜36dの内部にそれぞれ形成される分岐通路54a〜54dとから構成されている(図2参照)。吸気ポート24に接続される第1〜第4分岐管36a〜36dには、それぞれ燃料噴射弁として機能するインジェクタ56が前記吸気ポート24と対向するように配設されている(図1参照)。そして、制御部76からの電気信号によってインジェクタ56からインテークマニホールド34の分岐通路54a〜54dに対して燃料が噴射される。
すなわち、このインテークマニホールド34に吸入空気が導入された際、スロットルバルブ42の開状態において集合管38から導入された吸入空気が、集合通路52を通じてタンク部40に導入される。そして、吸入空気がタンク部40の内部で一時的に充填され、前記タンク部40からそれぞれ第1〜第4分岐管36a〜36dへと分配されて流通する構造としている。
一方、インテークマニホールド34には、図1及び図2に示されるように、タンク部40又は集合管38と第2及び第3分岐管36b、36cとの間をバイパスするバイパス配管(副吸気通路)58が接続されている。すなわち、インテークマニホールド34において略並列に配置された4本の第1〜第4分岐管36a〜36dの略中央部に配置された第2及び第3分岐管36b、36cの2本のみにバイパス配管58が接続されている。
このバイパス配管58は、タンク部40又は集合管38に接続され、上流側となる導入部60と、前記第2及び第3分岐管36b、36cに対応して二股状に分岐して形成され、下流側となるように前記第2及び第3分岐管36b、36cに接続される一組の分岐部62a、62bと、前記分岐部62a、62bを集合させて導入部60に導く集合部64とからなる。
バイパス配管58の一端部となる第1接続端部66が、インテークマニホールド34を構成するタンク部40又は集合管38に接続され、前記バイパス配管58の内部と集合管38の集合通路52とが連通した状態となる。
また、バイパス配管58の他端部となる分岐部62a、62bの第2接続端部68は、それぞれインテークマニホールド34を構成する第2及び第3分岐管36b、36cの管壁70に接続され、前記バイパス配管58の内部と第2及び第3分岐管36b、36cの分岐通路54b、54cとがそれぞれ連通した状態となる。このバイパス配管58を構成する導入部60、分岐部62a、62b及び集合部64は、インテークマニホールド34を構成する集合管38及び第1〜第4分岐管36a〜36dより細管状に形成されている。
なお、バイパス配管58における上流側となる第1接続端部66は、前記タンク部40又は集合管38に接続される場合に限定されるものではなく、前記第1接続端部66が、前記インテークマニホールド34の上流側となるスロットルボディ44側に直接接続され、前記バイパス配管58の下流側となる第2接続端部68が、前記インテークマニホールド34の下流側となるエンジン本体16側に接続されていればよい。
さらに、バイパス配管58の導入部60には、前記バイパス配管58の内部を流通する吸入空気の空気量を検出するためのエアフローメータ(空気量検出部)72が配設され、前記エアフローメータ72は空気量検出部として機能している。
エアフローメータ72は、例えば、シリコン基板にプラチナ薄膜が蒸着された検出部74を有し、前記検出部74の周囲に吸入空気が流通することにより、予め一定温度に保持されている前記検出部74の温度が変化し、前記検出部74の温度を一定に保持させるために検出部74に供給される電流量が変化する。すなわち、前記エアフローメータ72は、この電流の変化量を検出することによりバイパス配管58の内部を流通する吸入空気の空気量を検出する熱線式である。
なお、空気量検出部として機能するエアフローメータ72は、上述した熱線式に限定されるものではなく、前記バイパス配管58の内部に流路抵抗となる抵抗部材を設け、前記抵抗部材の下流側に発生する渦を検出することにより吸入空気の体積流量を検出するカルマン渦式や、前記バイパス配管58を流通する吸入空気によって押されるフラップの回動角度を検出することにより吸入空気の体積流量を検出するフラップ式等を採用してもよい。
このエアフローメータ72は、図4に示されるように、バイパス配管58における第1接続端部66から第2接続端部68までの管路長Lの略中央近傍となる位置に設けられている。詳細には、エアフローメータ72を、バイパス配管58における第1接続端部66から該バイパス配管58の管路長Lの1/3以上の距離L1だけ第2接続端部68側に離間させた位置に配設すると共に、第2接続端部68から第1接続端部66側に該バイパス配管58の管路長Lの1/3以上の距離L2だけ離間させた位置に配設するとよい(L1=L2)。
換言すると、エアフローメータ72は、バイパス配管58における第1及び第2接続端部66、68からそれぞれ該バイパス配管58の管路長Lの1/3以上の距離L1、L2だけ離間した範囲Ls内に配設するとよい(図4参照)。
すなわち、エアフローメータ72をバイパス配管58における第1及び第2接続端部66、68からそれぞれ所定距離だけ離間させた位置に配設することにより、前記エアフローメータ72をバイパス配管58の内部を流通する吸入空気の流れが安定した層流位置に配設することができるため、前記エアフローメータ72によって吸入空気の空気量を確実に検出することができる。
詳細には、第1〜第4気筒の吸気行程において吸気マニホールドにおける第1〜第4分岐管36a〜36dの内部で発生する脈動によって負圧が常時変動している状態にある。そのため、バイパス配管58における第1接続端部66側と第2接続端部68近傍の圧力がそれぞれ上昇することがあり、前記エアフローメータ72を第1接続端部66近傍又は第2接続端部68近傍に設けた場合には、前記脈動によって不安定となっている吸入空気の空気量を検出してしまうことがある。
そのため、エアフローメータ72をバイパス配管58における第1及び第2接続端部66、68からそれぞれ所定距離だけ離間させた位置に配設することにより、第1接続端部66からバイパス配管58内に流入した吸入空気の流れと、第2接続端部68からバイパス配管58内に流入した吸入空気の流れとが前記バイパス配管58の略中央部で互いに相殺されるため、脈動によって生じる吸入空気量をエアフローメータ72によって検出することがなく、前記バイパス配管58内を第1接続端部66から第2接続端部68に向かって流通する吸入空気量のみを高精度に検出することができる。
本発明の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、第2気筒C2に吸入空気が吸入される場合について説明する。
先ず、図2に示されるように、エンジン14が始動している状態において、運転者が図示しないアクセルペダルを操作してスロットルバルブ42を開弁させ、吸気バルブ28が吸気ポート24より離間し、且つ、第2ピストン18bが下方へ変位する吸気行程において、前記第2ピストン18bによるストローク変位に伴って第2シリンダ室12bからの吸入負圧によってエアクリーナ48(図1参照)を介して吸入空気がインテークマニホールド34の内部に導入される。
その際、スロットルバルブ42を介してインテークマニホールド34の吸気通路50へと導入された吸入空気の一部が、タンク部40よりバイパス配管58の第1接続端部66を通じて該バイパス配管58の内部へと導入され、前記バイパス配管58の管路長Lに対して略中央部に設けられたエアフローメータ72によってバイパス配管58を流通する吸入空気の空気量が検出される。なお、前記吸入空気の空気量は、エアフローメータ72がバイパス配管58の略中央部に設けられているため流れが安定した層流状態で前記エアフローメータ72によって検出される。
図5は、単位時間T当りのエアフローメータ72によって検出された第2シリンダ室12bに吸入される吸入空気の吸入空気量Qを示した線図である。なお、実線がエアフローメータ72をバイパス配管58の略中央部に設けた場合の吸入空気量Q1を示し、破線が仮にエアフローメータ72をバイパス配管58の第1接続端部66近傍又は第2接続端部68近傍に設けた場合の吸入空気量Q2を示している。
エアフローメータ72をバイパス配管58の管路長Lに対して略中央部に設けた場合には、図5に示されるように、第2気筒C2の吸気タイミングに応じて吸入空気量Q1がそれぞれ所定間隔離間した複数の山状となるように検出されていることがわかる。それに対して、前記エアフローメータ72をバイパス配管58の第1接続端部66近傍又は第2接続端部68近傍に設けた場合には、第2気筒C2の吸気タイミングに応じた吸入空気量Q2が、細かい波状になって乱れた状態で検出されていることがわかる。
このように、エアフローメータ72をバイパス配管58の略中央部に設けることにより、エンジン14の吸気行程において安定した流れとなる層流状態の吸入空気の空気量を検出することができることが諒解される。
そして、バイパス配管58を流通する吸入空気は、第2接続端部68を介して再びインテークマニホールド34の第2分岐管36bへと流通して第2シリンダ室12bの内部へと吸入される。
その際、エアフローメータ72によって検出された吸入空気の空気量が、検出信号として制御部76へと出力され、前記制御部76において前記検出信号に基づいて最適な燃料噴射量が演算される。そして、前記制御部76において演算された燃料噴射量に基づいた制御信号がインジェクタ56へと出力されることにより、前記インテークマニホールド34の吸気通路50内を流通する前記吸入空気に対して、吸気ポート24の近傍においてインジェクタ56から燃料が噴射され、前記燃料と吸入空気とが混合された混合気が第2シリンダ室12bの内部へと吸入される。
なお、第1、第3及び第4シリンダ室12a、12c、12dに吸入空気が吸入される場合についても、上述した第2シリンダ室12bに吸入空気が吸入される場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
また、上述の説明においては、インテークマニホールド34における4本の第1〜第4分岐管36a〜36dのうちの第2及び第3分岐管36b、36cにバイパス配管58の分岐部62a、62bを接続し、該第2及び第3分岐管36b、36cを流通する吸入空気の空気量をエアフローメータ72によって検出する構成としているが、これに限定されるものではなく、前記第1〜第4分岐管36a〜36dのうちのいずれか1本のみにバイパス配管58を接続するようにしてもよいし、反対に、第1〜第4分岐管36a〜36dにおける2本以上の複数の分岐管にバイパス配管58の分岐部をそれぞれ接続して吸入空気の空気量を検出するようにしてもよい。
このいずれの場合にも、エアフローメータ72をバイパス配管58の管路長Lにおける略中央部に設けるようにするとよい。
以上のように、本実施の形態では、エアフローメータ72を、タンク部40側に接続される第1接続端部66からバイパス配管58の管路長Lの1/3以上離間させ、且つ、第2及び第3分岐管36b、36c側に接続される第2接続端部68からバイパス配管58の管路長Lの1/3以上離間させた前記バイパス配管58の略中央部に設けることにより、インテークマニホールド34において吸気行程時に発生する脈動の影響を受けることなく前記バイパス配管58内を流通する吸入空気の空気量を高精度に検出することができる。
その結果、エアフローメータ72によって検出された第1〜第4シリンダ室12a〜12dに吸入される吸入空気の空気量に基づいて燃料の噴射量を制御することにより、前記吸入空気の空気量と燃料の噴射量とからリアルタイムでの高精度なエンジン制御を行うことが可能となる。
本発明の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置の概略構成説明図である。 図1における吸気装置の近傍を示す概略平面断面図である。 第1の吸気装置が設けられるインテークマニホールドの単体斜視図である。 図2のバイパス配管を一直線状に図示した模式図である。 エンジンにおいて第2気筒に吸入空気が吸入される際の時間と吸入空気量との関係を示す特性曲線図である。
符号の説明
10…吸気装置 12a〜12d…第1〜第4シリンダ室
14…エンジン 16…エンジン本体
18a〜18d…第1〜第4ピストン 20…コネクティングロッド
22…クランクシャフト 24…吸気ポート
26…排気ポート 28…吸気バルブ
30…排気バルブ 32…点火プラグ
34…インテークマニホールド 36a〜36d…第1〜第4分岐管
38…集合管 40…タンク部
42…スロットルバルブ 44…スロットルボディ
46…吸気管 48…エアクリーナ
50…吸気通路 52…集合通路
54a〜54d…分岐通路 56…インジェクタ
58…バイパス配管 60…導入部
62a、62b…分岐部 64…集合部
66…第1接続端部 68…第2接続端部
70…管壁 72…エアフローメータ
74…検出部 76…制御部

Claims (2)

  1. 内燃機関の本体部に接続される吸気マニホールドを備え、前記吸気マニホールドは、複数に分岐して形成された分岐管と、前記分岐管に連通する集合管とを有し、前記集合管に接続された絞り弁を開閉させることにより、前記吸気マニホールドの主吸気通路を通じて前記内燃機関に吸入される吸入空気量を調整し、前記吸入空気量に応じた噴射量で燃料が噴射される内燃機関の吸気装置において、
    前記吸気装置は、前記主吸気通路とは別個に設けられると共に、前記絞り弁の下流側において前記集合管と前記分岐管との間に接続され前記主吸気通路と連通する副吸気通路と、
    前記副吸気通路の軸線方向に沿った通路長の略中央部に設けられ、前記内燃機関に吸入される吸入空気の空気量を検出する空気量検出部と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
  2. 請求項1記載の内燃機関の吸気装置において、
    前記空気量検出部は、前記副吸気通路の前記集合管に接続される一端部から該副吸気通路の通路長の1/3以上の距離離間し、且つ、前記副吸気通路の分岐管に接続される他端部から該副吸気通路の通路長の1/3以上の距離離間した範囲内に配設されることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
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