JP4300357B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、可変動弁装置による吸気弁のバルブリフト特性の変更によって吸入空気量を制御するようにした内燃機関の吸気装置に関する。

ガソリン機関においては、一般に吸気通路中に設けたスロットル弁の開度制御によって吸気量を制御しているが、良く知られているように、この種の方式では、特にスロットル弁開度の小さな中低負荷時におけるポンピングロスが大きい、という問題がある。これに対し、吸気弁の開閉時期やリフト量を変化させることで、スロットル弁に依存せずに吸気量を制御しようとする試みが以前からなされている。

特許文献１は、本出願人が先に提案したものであるが、吸気弁の可変動弁装置として、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小可能な第１可変動弁機構（リフト・作動角可変機構）と、作動角の中心角の位置を連続的に遅進させる第２可変動弁機構（位相可変機構）と、を備え、機関運転状態に応じて、主に吸気弁のバルブリフト特性を変化させることで、吸入空気量を制御するようにした内燃機関の吸気装置が開示されている。

この種の吸気装置によれば、上述のように、スロットル弁の開度制御に依存せずにシリンダ内に流入する空気量を可変制御することが可能であり、特に負荷の小さな領域において、いわゆるスロットルレス運転ないしはスロットル弁の開度を十分に大きく保った運転を実現でき、ポンピングロスの大幅な低減が図れる。

ここで特許文献１のように吸気弁のバルブリフト特性の可変制御により吸入空気量を制御するように構成した場合、スロットル弁を具備しない完全なスロットルレスの構成であると、吸気系に負圧が発生しないため、例えば、ブローバイガスやエバポレータからのパージガスなどを吸気系に還流させる既存のシステムが利用できなくなったり、種々のアクチュエータなどの駆動源としても利用されている負圧が容易に得られない、といった新たな課題が派生する。

そのため、特許文献１に記載されているように、吸入負圧を生成するための負圧制御弁を吸気通路に設け、その開度制御と組み合わせることで、最小限の負圧を確保しつつ吸気弁のバルブリフト特性による吸入空気量の制御を実現することが望ましい。

また、内燃機関の吸入吸気量を検出する流量検出センサとして、熱線式エアフロメータのように、吸入吸気量を質量流量として検出するセンサが公知であるが、スロットル弁により吸入吸気量を制御する従前の吸気装置においては、この種のセンサは、必ずスロットル弁よりも上流側に配置されている。これは、スロットル弁開度が小さい低負荷時にスロットル弁下流の吸入負圧が発達し、シリンダから未燃ガスや既燃ガスが吸気系に吹き返すため、スロットル弁下流に熱線式エアフロメータのようなセンサが位置すると、該センサが汚損し、検出精度の低下等を招来するためである。

なお、特許文献２は、スロットル弁により吸入吸気量を制御するとともに、吸入吸気量を体積流量として検出する可動ベーン式の吸入空気量センサを用いた吸気装置に関し、吸入空気量センサがスロットル弁の下流側に配設されている。
特開２００２−２５６９０５号公報 特開平６−２９９９１６号公報

スロットル弁で吸入吸気量を制御する従前の構成にあっては、スロットル弁の開度が変化してからシリンダ内の吸入吸気量が実際に変化するまでには、ある程度の応答遅れが存在する。

これに対し、特許文献１のように吸気弁のバルブリフト特性によって吸入吸気量を可変制御する構成にあっては、シリンダの直前位置で流量が制御されることから、過渡時において、バルブリフト特性変化に対する実際のシリンダ内の吸入吸気量の変化は、非常に応答性に優れたものとなる。従って、熱線式エアフロメータのような流量検出センサが吸気系の上流側に配置されていると、過渡時に、シリンダに実際に吸入される吸気量とセンサで検出された吸気量との誤差が大きくなる。

また、特許文献２のように、スロットル弁により吸入吸気量を制御する構成において、スロットル弁の下流側に吸入吸気量センサを配設すると、燃料成分を含むガスの吹き返しによる汚損の問題があり、特に、熱線式エアフロメータなどでは汚損により精度低下を生じてしまう。また、熱線式エアフロメータのように吸気の流れ方向に拘わらず流量を検出するものでは、吹き返しによる逆流によって大きな誤差が生じることになる。

この発明に係る吸気装置は、吸気弁の少なくともリフト・作動角を両者同時にかつ連続的に拡大・縮小する機械的機構からなる可変動弁装置と、吸気通路に介装され、かつ制御信号により開度が制御される負圧制御弁と、を備え、上記負圧制御弁により吸気通路内の吸入負圧を制御するとともに、主に上記リフト・作動角を含む吸気弁のバルブリフト特性の変更によって吸入空気量を制御するように構成されている。

上記負圧制御弁は、吸気通路内に適宜な吸入負圧を生成するためのものであり、内燃機関の負荷に拘わらず吸入負圧を略一定に保つように制御される。

そして、本発明では、吸入空気量を質量流量として検出する流量検出センサが、上記負圧制御弁の下流側に配設されている。

上記のように吸気弁のバルブリフト特性によって吸入吸気量を制御する構成では、シリンダ直前位置で吸気量が制御されるので、過渡時に、バルブリフト特性が変化すると、応答性よくシリンダ内の吸気量が変化するが、流量検出センサを負圧制御弁の下流側に配設することで、このシリンダに流入する吸気量を、より精度よく検出することができる。

また、低負荷時にも、吸入負圧は必要最小限のものとなり、バルブリフト特性により吸入吸気量が制限されるので、シリンダから吸気通路への吹き返しが抑制される。従って、流量検出センサの汚損の問題はなく、かつ、逆流による検出精度の低下も抑制される。

本発明においては、望ましくは、上記可変動弁装置は、内燃機関の停止時に、最小リフトとなるように制御される。一般に、多気筒内燃機関では、機関停止中もいずれかの気筒が吸気行程中となり、吸気弁が開いた状態のままとなるが、停止の際に最小リフトとすることで、シリンダから吸気通路への既燃ガスないしは未燃ガスの流出が抑制される。

また、望ましくは、上記可変動弁装置は、内燃機関の停止時に、バルブオーバラップが０となるように制御される。このようにバルブオーバラップが０であれば、機関停止中に、排気系から吸気通路へ既燃ガスが逆流することがない。

また、望ましくは、上記可変動弁装置は、吸気弁閉時期が吸気下死点よりも遅角側とならないように制御される。これにより、ピストンの上昇に伴うシリンダからの吸気の逆流が回避される。

本発明によれば、吸気弁のバルブリフト特性によって吸入吸気量を制御する吸気装置において、吸気量制御を行う吸気弁により近い位置で吸入吸気量の検出を行うので、特に過渡時における検出精度が向上する。また、吸気弁のバルブリフト特性によって吸入吸気量を制御することから、シリンダから吸気通路への吹き返しが少なく、質量流量を検出する熱線式エアフロメータのような流量検出センサであっても、その汚損による検出精度の低下の問題がない。さらに、吹き返しに伴う逆流が流量として検出されることによる誤差が少なくなる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る吸気装置の構成を模式的に示した構成説明図であって、４ストローク・サイクルの火花点火式ガソリン機関である内燃機関１に、吸気通路２と排気通路６とが接続されている。上記吸気通路２の下流端とシリンダ（図示せず）との間は、後述する可変動弁装置を備えた吸気弁によって開閉され、また、上記排気通路６の上流端とシリンダとの間は、図示せぬ排気弁によって開閉される。なお、上記内燃機関１は、図示せぬ燃料噴射弁によりシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式燃料噴射装置を備えている。

上記吸気通路２の上流端には、エアクリーナエレメント４を備えたエアクリーナ３が取り付けられている。上記吸気通路２のエアクリーナ３よりも下流側には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御されるバタフライバルブ型の負圧制御弁５が設けられている。ここで、上記負圧制御弁５は、該負圧制御弁５より下流の吸気通路２内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させる目的で設けられており、吸入空気量の調整は、基本的に、可変動弁装置により吸気弁のバルブリフト特性を変更することで行われる。

そして、この負圧制御弁５よりも下流側に、吸入吸気量を質量流量として検出する流量検出センサ８が配置されている。この流量検出センサ８は、例えば公知の熱線式エアフロメータからなり、熱線部分を通過する吸気の流速から質量流量を検出している。この流量検出センサ８によって検出された吸入吸気量に基づき、上述した燃料噴射装置による燃料噴射量が制御される。

図２は、上記内燃機関１の吸気弁９を開閉駆動する可変動弁装置を示す構成説明図であって、この可変動弁装置は、吸気弁９のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構（ＶＥＬ）１１および作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（ＶＴＣ）２１を備えている。これらの第１，第２可変動弁機構１１，２１および上記の負圧制御弁５は、コントロールユニット１９によってそれぞれ制御される。

上記の第１可変動弁機構１１および第２可変動弁機構２１は、上述した特許文献１等によって公知のものであり、従って、その概要のみを説明する。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構１１は、内燃機関１のクランクシャフトにより駆動される駆動軸３２と、この駆動軸３２に固定された偏心カム３３と、回転自在に支持された制御軸１２と、この制御軸１２の偏心カム部１８に揺動自在に支持されたロッカアーム３６と、吸気弁９のタペット１０に当接する揺動カム３９と、を備えており、上記偏心カム３３とロッカアーム３６とはリンクアーム３４によって連係され、ロッカアーム３６と揺動カム３９とは、リンク部材３８によって連係されている。

上記ロッカアーム３６は、略中央部が上記偏心カム部１８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン３５を介して上記リンクアーム３４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン３７を介して上記リンク部材３８の上端部が連係している。上記偏心カム部１８は、制御軸１２の軸心から偏心しており、従って、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム３６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム３９は、駆動軸３２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン１７を介して上記リンク部材３８の下端部が連係している。この揺動カム３９の下面には、駆動軸３２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム３９の揺動位置に応じてタペット１０の上面に当接する。

上記制御軸１２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ１３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ１３は、例えばウォームギア１５を介して制御軸１２を駆動する電動モータからなり、コントロールユニット１９からの制御信号によって制御される。上記制御軸１２の回転角度は、制御軸センサ１４によって検出される。

上記第１可変動弁機構１１によれば、上記制御軸１２の回転角度位置に応じて吸気弁９のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁９の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸１２の回転角度によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ１４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示されることになる。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構２１は、上記駆動軸３２の前端部に設けられたスプロケット２２と、このスプロケット２２と上記駆動軸３２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ２３と、から構成されている。上記スプロケット２２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ２３は、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット１９からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ２３の作用によって、スプロケット２２と駆動軸３２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構２１の制御状態は、駆動軸３２の回転位置に応答する駆動軸センサ１６によって検出される。

従って、第１，第２可変動弁機構１１，２１の制御を組み合わせることにより、吸気弁９の開時期および閉時期をリフト量とともに可変制御でき、シリンダ内に流入する吸気量を負荷に応じて制御することができる。

上記実施例の構成によれば、流量検出センサ８が負圧制御弁５よりも下流側に位置するので、上記吸気弁９のバルブリフト特性によって変化する吸入吸気量を、より高精度に検出することができる。また、上記構成では、負圧制御弁５によって生成される吸入負圧は最小限のものであり、吸気弁９のバルブリフト特性によって吸気量が制御されるので、シリンダから吸気通路２への既燃ガスないしは未燃ガスの吹き返しが非常に少ない。従って、熱線式エアフロメータからなる流量検出センサ８の汚損の問題がない。さらに、熱線式エアフロメータは、原理的に正逆両方向の流れに感応するが、吹き返しによる逆流が少ないので、逆流による誤差が抑制される。

なお、図１に模式的に示した吸気通路２は、実際には、適宜な容積のコレクタを負圧制御弁５の下流側に備え、該コレクタから各気筒へ至るブランチ通路が分岐していく構成となっているが、上記流量検出センサ８は、複数のブランチ通路の分岐部よりも上流側、より具体的には、コレクタよりも上流側に配置することが望ましい。これにより、負荷変動に対しより応答遅れのない吸気量の検出ができるとともに、シリンダからの逆流の影響をより確実に排除することができる。

図３は、内燃機関１の負荷が比較的低い場合における上記実施例の流量検出センサ８の位置でのサイクル中の流量変化を示している。また「従来例」として、特許文献２のようにスロットル弁により吸入吸気量を制御する構成におけるスロットル弁下流での流量変化を示してある。図示するように、スロットル弁により吸入吸気量を制御する構成では、既燃ガスおよび未燃ガスの吹き返しが大きく生じる。これに対し、上記実施例の構成では、吹き返しが非常に少ない。従って、流れの方向の判別等の処理や何らかの逆流防止機構等を用いずとも、逆流による誤差が少なく、高い検出精度を得ることができる。

図４は、内燃機関１停止時の吸気弁９のバルブリフト特性を示しており、図示するように、エンジン停止時には、上記の可変動弁装置（詳しくは第１可変動弁機構１１）によって、リフト・作動角が最小に制御される。なお、４１は燃焼室、４２は吸気ポート、４３は排気ポート、４４は排気弁、をそれぞれ示す。また図中の仮想線は、運転中のリフト・作動角が最大の状態を示している。

すなわち、一般に多気筒内燃機関（４気筒以上）では、機関停止の際にいずれかの気筒が吸気行程中となり、吸気弁９が開いた状態のまま停止することになるが、上記のように最小のリフト・作動角とすることで、吸気弁９が開いた状態にあっても、シリンダから吸気通路２への既燃ガスないしは未燃ガスの流出は最小限に抑制される。

さらに望ましくは、内燃機関１の停止時に、第２可変動弁機構２１によって中心角を遅角させ、排気弁とのバルブオーバラップのない設定にすると、吸気弁９が開いたままの気筒においても、排気通路６側から吸気通路２へ既燃ガスが拡散することがない。従って、流量検出センサ８の汚損がより確実に防止される。

また、図５は、運転中のバルブリフト特性の一例を示しているが、図示するように、吸気弁閉時期ＩＶＣが吸気下死点よりも遅角側とならない範囲内でバルブリフト特性の可変制御を行うようにすれば、ピストンの上昇に伴う未燃ガスの逆流が確実に回避される。従って、流量検出センサ８の汚損防止の上で、より望ましい。

次に、図６は、負圧制御弁５の下流、より具体的には直後の位置に、流れを整流する整流板５１を設置した実施例を示している。このように整流板５１を設けることにより、負圧制御弁５下流の偏流が低減し、流量検出センサ８において、より精度の高い吸入吸気量の検出が可能となる。また、偏流領域が少なくなるため、負圧制御弁５と流量検出センサ８との間の距離を短く設定することが可能となる。

次に、図７は、流量検出センサ８の下流側つまり該流量検出センサ８と内燃機関１との間に、適宜なフィルタ５２を設置した実施例を示している。このフィルタ５２によって、既燃ガスおよび未燃ガスに含まれる燃料成分や微粒子成分等が除去されるため、流量検出センサ８の汚損がより低減する。

次に、図８は、吸気通路２の一部として、負圧制御弁５と流量検出センサ８との間に、合成樹脂パイプ等からなるダクト５３を設け、負圧制御弁５と流量検出センサ８とを十分に離間して配置するようにした実施例を示している。このように中間のダクト５３により負圧制御弁５と流量検出センサ８との間の距離を十分に確保することによって、負圧制御弁５直後の偏流が減衰し低減するため、流量検出センサ８において精度の高い検出を行なうことができる。

この発明に係る吸気装置の一実施例を示す構成説明図。 可変動弁装置を示す構成説明図。 サイクル中の流量検出センサ位置での流量変化を示す特性図。 機関停止時の吸気弁のリフト量の説明図。 運転中におけるバルブリフト特性の一例を示すバルブタイミングチャート。 この発明に係る吸気装置の第２の実施例を示す構成説明図。 この発明に係る吸気装置の第３の実施例を示す構成説明図。 この発明に係る吸気装置の第４の実施例を示す構成説明図。

符号の説明

１…内燃機関
２…吸気通路
５…負圧制御弁
６…排気通路
８…流量検出センサ

Claims (9)

1. 吸気弁の少なくともリフト・作動角を両者同時にかつ連続的に拡大・縮小する機械的機構からなる可変動弁装置と、吸気通路に介装され、かつ制御信号により開度が制御される負圧制御弁と、を備え、上記負圧制御弁により吸気通路内の吸入負圧を制御するとともに、主に上記リフト・作動角を含む吸気弁のバルブリフト特性の変更によって吸入空気量を制御するようにした内燃機関の吸気装置において、
   上記負圧制御弁は、内燃機関の負荷に拘わらず吸入負圧を略一定に保つように制御され、
   吸入空気量を質量流量として検出する流量検出センサが、上記負圧制御弁の下流側に配設されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記可変動弁装置は、内燃機関の停止時に、最小リフトとなるように制御され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. 上記可変動弁装置は、吸気弁閉時期が吸気下死点よりも遅角側とならないように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 上記可変動弁装置は、内燃機関の停止時に、バルブオーバラップが０となるように制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
5. 上記流量検出センサは、各気筒へそれぞれ至る複数のブランチ通路の分岐部よりも上流側に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
6. 上記流量検出センサは、上記ブランチ通路が接続されるコレクタよりも上流側に位置することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 上記負圧制御弁の下流に整流板が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
8. 上記流量検出センサの下流にフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
9. 上記負圧制御弁と上記流量検出センサとが、吸気通路を構成する中間のダクトにより離間していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。

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