JP4325380B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に関し、詳しくは、アクセル操作に対するトルク応答を改善する吸気制御技術に関する。

従来、内燃機関の加速応答性を改善する技術として、特許文献１に開示されるものがあった。
このものは、ターボ過給機付エンジンにおいて、アイドル停車時に、発進加速に備えて吸入空気量を増量すると共に空燃比をリーン化することで、燃費の悪化を最小限に抑えつつ、吸入空気量の増量により排気エネルギーを増大させて、タービン回転数を上昇させ、発進加速時の排気タービンの応答遅れを改善するものである。
特開平１１−３１５７４０号公報

しかし、上記従来技術のように、アイドル停車時に吸入空気量を増量すると、空燃比をリーン化しても燃費の悪化が避けられず、また、吸入空気量を増量することで、アイドル運転時の振動が悪化するなどの問題が発生する。
更に、燃費の悪化を避けるためにアイドル停車時に空燃比をリーン化すると、発進加速に伴って空燃比が大きく変化することになるため、燃焼コントロールが困難で、排気性状を悪化させる可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃費・排気性状・アイドル振動の悪化を回避しつつ、アクセル操作に対するトルク応答を改善できる内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明では、内燃機関のスロットル弁下流側に、コンプレッサにより空気を圧縮することで吸気圧よりも高い圧力に設定される高圧部を設け、機関トルクの増大要求時に、前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給する内燃機関の吸気制御装置において、前記スロットル弁下流側の吸気通路に対してバイパス通路を設け、該バイパス通路の出口を選択的に開閉可能に構成すると共に、前記バイパス通路にコンプレッサを介装し、前記バイパス通路の出口を閉じた状態で前記コンプレッサを駆動することで、前記コンプレッサと前記バイパス通路の出口との間を前記高圧部とし、前記バイパス通路の出口を閉じた状態で前記コンプレッサを駆動するときに、前記スロットル弁の通過空気量を増大補正する構成とした。

かかる構成によると、高圧部は、スロットル弁下流側に設けられ、然も、吸気圧よりも高い圧力に設定されるから、該高圧部を開放すると、空気が応答良く機関のシリンダ内に吸引され、トルク応答が向上する。
前記高圧部を備えない場合には、スロットル弁を開くと、スロットル弁を通過した空気が吸気コレクタ部を充足してからシリンダ内に吸引されることになるため、トルク応答に一次遅れが生じるが、吸気圧よりも高い圧力に設定される高圧部を開放させる構成とすれば、吸気コレクタの充足が瞬時に完了して、シリンダ内に応答良く空気が吸引されることになる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態における車両用機関の吸気系を示す図である。
図１において、内燃機関１の各シリンダには、スロットルチャンバ２，吸気ダクト３，吸気コレクタ４，吸気マニホールド５を介して、空気が吸引される。
前記スロットルチャンバ２は、モータで開閉駆動されるスロットル弁２ａを備えて構成される。

各シリンダの吸気ポート部には、燃料噴射弁６が設けられ、該燃料噴射弁６から噴射される燃料に基づいて混合気がシリンダ内に形成される。
尚、燃料噴射弁６が、シリンダ内に直接燃料を噴射する構成であっても良い。
前記吸気ダクト３（吸気通路）は、メインダクト３ａと該メインダクト３ａをバイパスするサブダクト３ｂ（バイパス通路）とから構成される。

前記サブダクト３ｂの入口（メインダクト３ａからの分岐部）及び出口（メインダクト３ａへの合流部）には、該入口及び出口を開閉する切替弁７ａ，７ｂが設けられている。
前記切替弁７ａ，７ｂは、電磁コイル等のアクチュエータによって開閉駆動される。
尚、前記サブダクト３ｂの出口に設けられる切替弁７ｂは、メインダクト３ａの出口を開きサブダクト３ｂの出口を閉じる状態と、メインダクト３ａの出口を閉じサブダクト３ｂの出口を開く状態とのいずれかに切り替えるように構成される（図４，５参照）。

また、前記サブダクト３ｂには、電動式コンプレッサ８が介装されている。
前記切替弁７ａ，７ｂの開閉及び前記電動式コンプレッサ８の駆動は、マイクロコンピュータを内蔵するコントローラ１０によって制御される。
前記コントローラ１０には、ブレーキペダルの踏み込み時にＯＮとなるブレーキスイッチ１１，アクセルペダルの踏み込み時にＯＮとなるアクセルスイッチ１２の信号が入力される。

そして、前記コントローラ１０は、図２のフローチャートに示すようにして、前記切替弁７ａ，７ｂ及び前記電動式コンプレッサ８を制御する。
尚、前記切替弁７ａ，７ｂは、サブダクト３ｂの入口及び出口を共に閉じる状態（図３参照）を基本状態とするものとする。
図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１１では、ブレーキスイッチ１１がＯＮからＯＦＦに切り換わったか否かを判別する。

ブレーキスイッチ１１がＯＮからＯＦＦに切り換わった場合、即ち、運転者がブレーキペダルから足を離した場合には、続いてアクセルペダルが踏み込まれて、発進加速が行われる可能性があると判断して、ステップＳ１２へ進む。
クリープ現象が発生するオートマチックトランスミッションを備える車両においては、一般に、発進加速前はブレーキペダルを踏んで車両を停止させておき、発進加速時には、ブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替えることになるため、ブレーキペダルから足を離した場合には、続いてアクセルペダルが踏み込まれる可能性が高い。

ステップＳ１２では、前記サブダクト３ｂの入口に設けられる切替弁７ａを開制御して、スロットル通過空気が、メインダクト３ａとサブダクト３ｂとの双方に流入するようにする。
続いてステップＳ１３では、コンプレッサ８の駆動を開始させる（図４参照）。
コンプレッサ８を駆動させると、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間の圧力が吸気圧よりも高い所定圧にまで加圧され、その圧力状態に保持されることになる。

即ち、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間が、吸気圧よりも高い圧力の高圧部に設定されることになる。
ここで、スロットルチャンバ２の通過空気量のうち、コンプレッサ８の下流側の閉塞空間に充填される分だけ（サブダクト３ｂ側に流入する分だけ）、機関のシリンダ吸入空気量（メインダクト３ａに流入する空気量）が減ることになる。

そこで、上記のように、コンプレッサ８を駆動させて、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間を、吸気圧よりも高い圧力の高圧部に設定するときには、サブダクト３ｂ側に流入する分だけ、スロットルチャンバ２の通過空気量を増やして、相対的に、メインダクト３ａ（機関）に流入する空気量が減らないようにする（図６参照）。
具体的には、コンプレッサ８の駆動を開始させた直後ほどサブダクト３ｂ側に流入する空気量が多く、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間が平衡圧力に近づくに従って、サブダクト３ｂ側に流入する空気量が減少する。

従って、サブダクト３ｂ側に流入する空気量の時間変化を予め求めておき、この空気量分だけスロットル通過空気量を増大させるべく、スロットルチャンバ２におけるスロットル開度の目標値を増大補正する。
これにより、コンプレッサ８の駆動に伴うトルク変動の発生を回避でき、運転性の悪化を回避できる。

ステップＳ１４では、アクセルスイッチ１２がＯＦＦからＯＮに切り換わったか否か、即ち、アクセルペダルが踏み込まれたか否かを判別する。
そして、アクセルペダルが踏み込まれると、ステップＳ１５へ進んで、前記切替弁７ｂを、メインダクト３ａの出口を閉じサブダクト３ｂの出口を開く状態に制御する（図５参照）。

上記切替弁７ｂの制御によって、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間の高圧部が開放され、高圧部に蓄えられていた高圧空気が放出されて、吸気コレクタ４が速やかに充足され、シリンダ吸入空気量が応答良く増大変化する。
このとき、メインダクト３ａの出口が閉じられているから、高圧部から開放された空気が、メインダクト３ａを逆流することが回避される。

従って、アクセルの開操作に対して機関吸入空気量が応答良く増大変化し、発進加速時のトルク応答性が改善される（図７参照）。
また、上記構成によると、実際に発進加速される前は、機関吸入空気量を増大補正することがないので、アイドル時の燃費性能の低下，振動性能の低下を抑制でき、また、空燃比を強制的に補正する必要もないので、燃焼性の悪化も回避できる。

尚、図２のフローチャートに示す構成では、ブレーキスイッチ１１がＯＮからＯＦＦに切り換わったことのみで、続く発進加速を推定し、コンプレッサ８の駆動を開始させる構成としたが、変速機が走行レンジであってかつブレーキスイッチ１１がＯＮからＯＦＦに切り換わったときにコンプレッサ８を駆動させる構成とすれば、発進加速されることがないニュートラル時に、無駄にコンプレッサ８が駆動されることを回避できる。

また、コンプレッサ８の圧縮応答が速い場合には、運転者がアクセルペダルに足を乗せてから、コンプレッサ８駆動を開始させるようにしてもよい。
更に、アクセル操作に伴ってサブダクト３ｂの出口側を開放させる期間は、例えば、予め設定された所定時間、高圧部の圧力を検出し該圧力が所定値にまで低下するまでの期間として設定することができる。

また、コンプレッサ８で高められた空気を閉塞空間内に閉じ込めることができるように、コンプレッサ８の直下に遮蔽弁を設け、コンプレッサ８下流の圧力が所定圧に達した段階で前記遮蔽弁を閉じて、前記遮蔽弁と切替弁７ｂとで挟まれる空間に吸気圧よりも高い圧力を閉じ込め、アクセルの開操作にまで蓄圧状態を保持させるようにすることができる。

ところで、高圧部を開放したときに、高圧部から機関に供給される空気量を調整すれば、発進加速時のトルク変化をコントロールすることができ、より好ましいトルク応答特性を実現できる。
そこで、図８に示す第２の実施形態のように、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間に、流量制御弁１３を介装し、高圧部から機関に供給される空気流量を調整できるようにすることがより好ましい。

図９のフローチャートは、前記流量制御弁１３を備える場合における、高圧部の設定・開放制御を示す。
図９のフローチャートにおいて、ステップＳ２１〜２４の各処理は、前記ステップＳ１１〜１４と同じであるので、ここでは詳細な説明を省略する。
ステップＳ２５では、前記切替弁７ｂを、メインダクト３ａの出口を閉じサブダクト３ｂの出口を開く状態に制御すると共に、前記流量制御弁１３の開度を制御することで、前記流量制御弁１３の通過空気量（高圧部からの放出空気量）を制御する。

具体的には、図１０に示すように、要求トルクが大きいほどより多い基本通過流量を設定し、更に、図１１に示すように、高圧部の圧力が低いほど基本通過流量を増大補正する補正を設定する。
そして、基本通過流量と高圧部の圧力で補正した結果と、そのときの機関回転速度とに基づいて前記流量制御弁１３の開度を制御することで、要求トルクに見合った空気を高圧部から供給させることができる。

ここで、前記流量制御弁１３でアイドル時の吸入空気量を調整する構成とすれば、図１２に示す第３の実施形態のように、サブダクト３ｂを廃止し、吸気ダクト３にコンプレッサ８及び流量制御弁１３を介装して、発進加速時のトルク応答の改善を行わせることが可能である。
図１２に示す構成において、コンプレッサ８を駆動したときに流量制御弁１３で吸入空気量を絞ってアイドル回転に制御すると、該絞りによってコンプレッサ８と流量制御弁１３との間が高圧部になる。

そして、アクセルペダルの踏み込みに伴って、流量制御弁１３の開度を大きくすると、高圧部が開放されて流量制御弁１３の上流側に圧縮されていた空気が放出され、吸気コレクタ４を速やかに充足する。
また、コンプレッサ８による圧縮を行わずに、大気圧（＞吸気圧）を蓄圧する蓄圧室を高圧部として設け、加速時に前記蓄圧室を開放させることで、蓄圧室内の大気圧空気を機関に供給する構成とすることができる。

図１３は、前記蓄圧室を備える第４の実施形態を示す。
図１３において、蓄圧室２１は、吸気ダクト３と制御弁２２を介して連通する一方、制御弁２３を介して大気中に開放される。
上記構成における高圧部の設定・開放制御を、図１４のフローチャートに従って説明する。

ステップＳ３１では、制御弁２２を閉じた状態で、制御弁２３を開くことで、蓄圧室２１内を大気開放する。
ステップＳ３２では、ブレーキスイッチ１１のＯＮ→ＯＦＦを判定し、ブレーキスイッチ１１のＯＮ→ＯＦＦを検出すると、ステップＳ３３へ進む。
ステップＳ３３では、制御弁２３を閉じることで、蓄圧室２１内に大気圧を閉じ込める。

そして、ステップＳ３４では、アクセルスイッチ１２のＯＦＦ→ＯＮを判定し、アクセルスイッチ１２のＯＦＦ→ＯＮを検出すると、ステップＳ３５へ進む。
ステップＳ３５では、制御弁２２を開くことで、蓄圧室２１（高圧部）を吸気ダクト３に向けて開放し、蓄圧室２１内の大気圧空気を吸気ダクト３内に放出する。
これにより、吸気コレクタ４が速やかに充足され、機関の吸入空気量を応答良く増大変化する。

ステップＳ３６では、蓄圧室２１内の大気圧空気の放出が終了したか否かを、例えば、経過時間又は蓄圧室２１内の圧力変化に基づいて判断する。
そして、蓄圧室２１内の大気圧空気の放出が終了したと判断されると、ステップＳ３７へ進み、制御弁２２を閉じて、高圧部の設定・開放制御を終了させる。
尚、前記制御弁２２を流量制御弁として、蓄圧室２１から吸気ダクト３内に放出される空気量を調整することが可能である。

ところで、前記高圧部（蓄圧室２１を含む）内から吸気ダクト３内に放出される空気は、その時点でスロットルチャンバ２の上流側に設けられるエアフローメータ１９では計量されない空気量である。
このため、前記高圧部（蓄圧室２１を含む）から吸気ダクト３内に空気を放出すると、シリンダ吸入空気量とエアフローメータ１９で計量される空気量とが一致しなくなり、エアフローメータ１９で計量される空気量に基づいて燃料噴射量を決定すると、空燃比が目標よりもリーン化してしまう。

そこで、前記高圧部（蓄圧室２１を含む）から吸気ダクト３内に放出される空気量に応じて、燃料噴射量又はエアフローメータ１９で計量された空気量を増量補正することで、空燃比のリーン化を回避することができる。
前記高圧部（蓄圧室２１を含む）から吸気ダクト３内に放出される空気量は、高圧部の圧力・体積、機関回転速度から推定できる。

更に、コンプレッサ８を駆動してコンプレッサ８下流側のサブダクト３ｂを加圧するときには、エアフローメータ１９で計量された空気量の一部が、シリンダ内に吸引されることなく、サブダクト３ｂに充填されることになるため、この場合は、サブダクト３ｂに充填される空気量に応じて燃料噴射量又はエアフローメータ１９で計量された空気量を減量補正する。

尚、上記実施形態では、アクセル開操作による発進加速時に、高圧部を開放して高圧部内の空気を放出させる構成としたが、アイドル運転時に、補機負荷が増えたり、機関回転速度が急減したりして、機関トルクを増大させる必要があるときに、高圧部を開放させる構成とすることができる。
図１５のフローチャートは、前記アイドル運転時の回転速度維持のための高圧部の設定・開放制御を示す。

尚、図１５のフローチャートに示す制御は、図１のシステム構成を用いることを前提とする。
図１５のフローチャートにおいて、ステップＳ４１では、スロットル弁２ａの全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチ１８がＯＮであって、機関のアイドル運転状態であるか否かを判別する。

そして、アイドルスイッチ１８がＯＮであると判別されると、ステップＳ４２へ進んで前記切替弁７ａを開き、次のステップＳ４３ではコンプレッサ８の駆動を開始させる。
これにより、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間の圧力が高められ、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間が高圧部に設定される。
ステップＳ４４では、補機負荷の増大（パワーステアリングの転舵時）や、機関回転速度（アイドル回転速度）の急減などの、機関トルクの増大要求が発生したか否かを判別する。

そして、アイドル運転状態で、機関トルクの増大要求が発生すると、ステップＳ４５へ進み、前記切替弁７ｂを、メインダクト３ａの出口を閉じサブダクト３ｂの出口を開く状態に制御する。
上記切替弁７ｂの制御によって、コンプレッサ８と切替弁７ｂとの間の高圧部が開放され、高圧部に蓄えられていた高圧空気が放出されて、シリンダ吸入空気量が応答良く増大変化し、アイドル回転速度の維持が図られる。

尚、上記アイドル運転時における高圧部の設定・開放制御は、図８，図１２，図１３のシステム構成を適用することが可能である。
また、上記実施形態では、コンプレッサ８として電動式のものを用いたが、機関駆動式として、機関駆動力の伝達を継ぎ手の制御で断続させることで、コンプレッサ８の駆動・停止を制御する構成としても良い。

また、図１又は図８に示したように、サブダクト３ｂを設ける構成において、メインダクト３ａ及びサダブダクト３ｂをそれぞれ独立に吸気コレクタ４に接続する構成とし、メインダクト３ａ及びサダブダクト３ｂの吸気コレクタ４に対する接続口に開閉弁を設ける構成としても良い。
更に、図１３に示すように、独立した蓄圧室を備える構成において、該蓄圧室内の圧力をコンプレッサによって大気圧以上に昇圧させる構成とすることができる。

第１実施形態における機関の吸気システムを示す図。 第１実施形態における高圧部の設定・開放制御を示すフローチャート。 第１実施形態における切替弁の基本位置を示す図。 第１実施形態におけるコンプレッサの駆動状態における切替弁の位置を示す図。 第１実施形態における高圧部の開放時における切替弁の位置を示す図。 第１実施形態において、コンプレッサの駆動時におけるスロットル通過空気量の増量補正制御を示すタイムチャート。 第１実施形態における発進加速性能の改善効果を示すタイムチャート。 第２実施形態における機関の吸気システムを示す図。 第２実施形態における高圧部の設定・開放制御を示すフローチャート。 第２実施形態における要求トルクと基本流量との相関を示す線図。 第２実施形態における過給圧と流量補正との相関を示す線図。 第３実施形態における機関の吸気システムを示す図。 第４実施形態における機関の吸気システムを示す図。 第４実施形態における高圧部の設定・開放制御を示すフローチャート。 アイドル運転時における高圧部の設定・開放制御を示すフローチャート。

符号の説明

１…内燃機関、２…スロットルチャンバ、３…吸気ダクト、３ａ…メインダクト、３ｂ…サブダクト、４…吸気コレクタ、５…吸気マニホールド、６…燃料噴射弁、７ａ、７ｂ…切替弁、８…コンプレッサ、１０…コントローラ、１１…ブレーキスイッチ、１２…アクセルスイッチ、１３…流量制御弁、１８…アイドルスイッチ、１９…エアフローメータ、２１…蓄圧室、２２，２３…制御弁

Claims (8)

1. 内燃機関のスロットル弁下流側に、コンプレッサにより空気を圧縮することで吸気圧よりも高い圧力に設定される高圧部を設け、機関トルクの増大要求時に、前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給する内燃機関の吸気制御装置において、
   前記スロットル弁下流側の吸気通路に対してバイパス通路を設け、該バイパス通路の出口を選択的に開閉可能に構成すると共に、前記バイパス通路にコンプレッサを介装し、前記バイパス通路の出口を閉じた状態で前記コンプレッサを駆動することで、前記コンプレッサと前記バイパス通路の出口との間を前記高圧部とし、
   前記バイパス通路の出口を閉じた状態で前記コンプレッサを駆動するときに、前記スロットル弁の通過空気量を増大補正することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 内燃機関のスロットル弁下流側に、吸気圧よりも高い圧力に設定される高圧部を設け、機関トルクの増大要求時に、前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置において、
   前記高圧部が、大気圧を蓄える蓄圧室によって構成されることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記高圧部から機関に供給される空気量を調整する流量制御弁を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 要求トルクと前記高圧部の圧力とに応じて、前記流量制御弁を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. アクセルの開操作時に前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 前記機関のアイドル運転状態における補機負荷の増大時及び／又は機関回転速度の急減時に、前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。
7. ブレーキを解除する操作に伴って前記コンプレッサによる加圧を開始させ、アクセルの開操作時に前記高圧部を開放して前記高圧部内の空気を機関に供給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制御装置。
8. 前記高圧部から機関に供給される空気量に応じて、機関への燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。