JP5810713B2 - エンジンの吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吸気を制御する吸気制御装置に関するものである。

従来から、弁機構の開閉タイミングを調整することによってエンジンの吸気を制御する吸気制御装置が用いられている。

特許文献１には、スロットルバルブと吸気弁との間に吸気通路を遮断可能な遮断弁を備える吸気制御装置が開示されている。この吸気制御装置では、アクセルオフで惰性走行している状態にて遮断弁を閉状態に切り換える。これにより、アクセルオフによる燃料カット時に燃焼せずに排出される排気を抑制し、排気触媒の酸素被毒を防止している。

特開２００６−１１２３５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の吸気制御装置では、遮断弁が閉状態である場合、吸気側の圧力が低下する。排気圧が吸気圧と比較して高くなるため、バルブオーバーラップ中には、排気ガスが吸気側に逆流し、いわゆる内部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）量が多くなる。そのため、次にアクセルオンして遮断弁が開状態に切り換えられたときに、燃焼室内のＥＧＲ率が高くなり、燃焼の安定性が損なわれるおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、排気触媒の酸素被毒の防止と、燃焼の安定性の向上とを両立することを目的とする。

本発明のエンジンの吸気制御装置は、燃焼室に空気を送り込む吸気通路に設けられ、前記吸気通路を遮断可能な開閉弁と、前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射弁とを備える。吸気制御装置は、アクセル開度が所定以下となった惰性走行時に前記燃料噴射弁による燃料供給を停止可能な燃料供給制御部と、惰性走行時に前記燃料噴射弁による燃料供給が停止された場合に、前記開閉弁を閉じるとともに、バルブオーバーラップ中に前記開閉弁を開く開閉弁制御部とを備える。前記開閉弁制御部は、前記開閉弁よりも下流の前記吸気通路の圧力が、吸気弁が開きはじめるときに略最大となるように、前記開閉弁を開きはじめ、排気弁の全閉タイミングよりも前に閉じるように前記開閉弁を閉じる。

本発明では、惰性走行が開始され、アクセル開度が所定以下となると、燃料噴射弁による燃料供給を停止可能となる。惰行走行時に燃料噴射弁による燃料供給が停止された場合、開閉弁を閉じるとともに、バルブオーバーラップ中に開閉弁を開く。これにより、開閉弁を閉じることで、燃焼せずに排出される排気を抑制できるとともに、バルブオーバーラップ中に開閉弁を開くことで、吸気通路から排気通路へ空気を流して燃焼室内を掃気できる。したがって、排気触媒の酸素被毒の防止と、燃焼の安定性の向上とを両立することができる。

本発明の実施の形態に係るエンジンの吸気制御装置の構成図である。 吸気制御装置の動作を示す図である。 吸気制御装置の動作に伴う弁開度，圧力，及び流量の変化を示す図である。 燃焼室の容積と圧力との関係を示す線図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るエンジンの吸気制御装置１００について説明する。

まず、図１を参照して、エンジン３０と、エンジン３０における吸気を制御する吸気制御装置１００との構成について説明する。

エンジン３０は、シリンダヘッド６とシリンダブロック９とピストン１０とによって画成される燃焼室５と、燃焼室５に吸気を導入する吸気通路２と、燃焼室５から排気を導出する排気通路８とを備える。また、エンジン３０には、その制御を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）４が設けられる。

吸気通路２は、シリンダヘッド６に設けられた吸気弁１を介して燃焼室５へ吸気を導入する。吸気通路２には、燃焼室５に吸入される空気量を調整可能なスロットル弁１７と、スロットル弁１７よりも下流に設けられて吸気通路２を遮断可能な開閉弁３と、燃焼室５へ燃料を供給する燃料噴射弁１８とが設けられる。

スロットル弁１７は、吸気弁１の上流の吸気通路２に設けられる。スロットル弁１７には、開閉を行うためのスロットル弁駆動装置２７と、開度を検出するスロットル弁開度センサ２５とが設けられる。

燃料噴射弁１８は、吸気弁１の上流、かつスロットル弁１７の下流の吸気通路２に設けられる。燃料噴射弁１８は、吸気通路２を介して燃焼室５に燃料を供給する。燃料噴射弁１８は、各気筒ごとに設けられる。

開閉弁３は、燃料噴射弁１８の上流、かつスロットル弁１７の下流の吸気通路２に設けられる。開閉弁３は、吸気弁１と同期して開閉される。開閉弁３は、閉じられたときに吸気通路２を完全に遮断するものである。開閉弁３を開閉するために、開閉弁駆動装置２６が設けられる。開閉弁３と開閉弁駆動装置２６とは、各気筒ごとに設けられる。

燃焼室５には、先端が燃焼室５に臨むように点火プラグ１２が設けられる。吸気通路２から導入された混合気は、点火プラグ１２によって点火されて燃焼する。

ピストン１０は、燃焼室５の燃焼によって発生したエネルギーによって下方向へ摺動する。ピストン１０の上下運動は、ピストン１０に連結されるコンロッド１３とコンロッド１３に連結されるクランク１４とによって、クランク１４の回転運動に変換される。

排気通路８は、シリンダヘッド６に設けられた排気弁７を介して燃焼室５からの排気を導出する。排気弁７の下流の排気通路８には、排気中の有害成分を浄化する排気触媒２８が設けられる。

排気通路８と吸気通路２との間には、排気通路８から吸気通路２に燃焼室５の外部を通じて排気の一部をＥＧＲガスとして還流する外部ＥＧＲ通路３１が設けられる。外部ＥＧＲ通路３１の一端は、排気弁７の下流かつ排気触媒２８の上流の排気通路８に連結され、他端は、スロットル弁１７の下流かつ開閉弁３の上流の吸気通路２に連結される。外部ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、吸気通路２に還流されるＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲ弁３３とが設けられる。

ＥＣＵ４は、エンジン３０の制御を行うとともに、吸気制御装置１００の制御を行うものである。ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

ＥＣＵ４には、アクセル全閉スイッチ１９，クラッチスイッチ２０，車速センサ２１，変速機ニュートラルスイッチ２２，クランク角センサ２４，及びスロットル弁開度センサ２５からの検出信号が送信される。ＥＣＵ４は、送信された信号に基づいて、点火プラグ１２，燃料噴射弁１８，スロットル弁１７，開閉弁３，及びＥＧＲ弁３３を制御する。

ここで、アクセル全閉スイッチ１９は、アクセルペダルの操作量が０であることを検出する。クラッチスイッチ２０は、クラッチ（図示省略）が締結状態であることを検出する。車速センサ２１は、車両の速度を検出する。変速機ニュートラルスイッチ２２は、変速機（図示省略）がニュートラルであることを検出する。クランク角センサ２４は、クランク１４の回転角度を検出する。スロットル弁開度センサ２５は、スロットル弁１７の開度を検出する。

ＥＣＵ４は、スロットル弁１７の開度を制御するスロットル制御部４１と、燃料噴射弁１８による燃料噴射量を制御する燃料供給制御部４２と、開閉弁３を開閉制御する開閉弁制御部４３とを有する。

燃料供給制御部４２は、上記惰性走行時に燃料噴射弁１８による燃料供給を停止可能である。燃料供給制御部４２は、所定の条件を満たした場合に、燃料噴射弁１８による燃料噴射を停止する。この所定の条件は、エンジン回転速度が所定値以上（例えば１０００ｒｐｍ以上）であること，車速が所定値以上（例えば１０ｋｍ／ｈ以上）であること，及び変速機がニュートラルでないことである。燃料供給制御部４２は、これらの全ての条件を満たしたときに、燃料噴射弁１８による燃料供給を停止する。

開閉弁制御部４３は、惰性走行時に燃料噴射弁１８による燃料供給が停止された場合に、開閉弁３を閉じるとともに、バルブオーバーラップ中に開閉弁３を開くものである。スロットル制御部４１は、この惰性走行時にスロットル弁１７を全閉とするように制御する。

バルブオーバーラップ中には、開閉弁制御部４３は、吸気弁１が開きはじめるときに開閉弁３よりも下流の吸気通路２の圧力が略最大となるようなタイミングで開閉弁３を開きはじめる。開閉弁３が開いてから開閉弁３の下流における吸気通路２の圧力が略最大値まで上昇するまでにはある程度の時間が必要である。そこで、開閉弁制御部４３は、吸気弁１が開きはじめるより早いタイミングで開閉弁３を開く。これにより、吸気弁１が開きはじめるときまでに、開閉弁３の下流の吸気通路２の圧力を上昇させておくことができる。

また、開閉弁制御部４３は、排気弁７が閉じるよりも前に閉じるようなタイミングで開閉弁３を閉じる。

次に、図２から図４を参照して、吸気制御装置１００の作用について説明する。

図２に示す状態（ａ）から状態（ｇ）は、惰性走行時に燃料噴射弁１８による燃料供給が停止された場合における吸気制御装置１００による吸気制御を示すものである。図２の状態（ａ）から状態（ｇ）におけるドットの濃淡は、圧力の高低を示している。図３及び図４における（ａ）から（ｇ）は、図２の状態（ａ）から状態（ｇ）の状態に対応するものである。

図２に示す状態（ａ）は、バルブオーバーラップ期間が終了したときの状態である。状態（ａ）では、吸気弁１が開かれて排気弁７が閉じられるとともに、開閉弁３が閉じられている。図３に示すように、状態（ａ）では、開閉弁３の下流における吸気通路２の圧力と、燃焼室５の圧力と、排気通路８の圧力とが等しくなっている。この状態からピストン１０が下降して状態（ｂ）に移行する。

図２に示す状態（ｂ）は、吸気弁１が開かれて排気弁７が閉じられ、ピストン１０が下降している吸気行程の前半である。状態（ｂ）においても、開閉弁３は閉じられたままである。状態（ｂ）では、開閉弁３と排気弁７とによって開閉弁３の下流の吸気通路２と燃焼室５とが閉塞されている。そのため、図３に示すように、開閉弁３の下流の吸気通路２と燃焼室５との圧力は、ピストン１０の下降に伴って低下することとなる。

図２に示す状態（ｃ）は、状態（ｂ）に続く吸気行程の後半である。図３に示すように、状態（ｃ）では、開閉弁３の下流の吸気通路２と燃焼室５との圧力が、ピストン１０の下降によってさらに低下している。

図４に示すように、状態（ａ）から状態（ｃ）の吸気行程では、開閉弁３が閉じられているため、燃焼室５内に新気が導入されることはなく、ほぼ断熱膨張している。

図２に示す状態（ｄ）は、ピストン１０が吸気下死点に到達して燃焼室５の圧力が下がり切った後、吸気弁１が閉じられた状態である。吸気弁１が閉じられると、開閉弁３の下流における吸気通路２は、開閉弁３と吸気弁１とによって閉塞される。そのため、図３に示すように、開閉弁３の下流における吸気通路２は、圧力が負圧のまま一定となる。

図２に示す状態（ｅ）は、吸気弁１と排気弁７とが閉じられ、ピストン１０が上昇する圧縮工程である。図３に示すように、状態（ｅ）では、吸気弁１と排気弁７とが閉じられて燃焼室５が閉塞されたままピストン１０が上昇するため、燃焼室５内の圧力は上昇する。

このとき、開閉弁３の下流の吸気通路２は、吸気弁１が閉じられているため、圧力が一定である。同様に、排気通路８は、排気弁７が閉じられているため、圧力が一定である。

図４に示すように、状態（ｄ）から状態（ｅ）の圧縮工程では、燃焼室５内はほぼ断熱圧縮されるので、体積の減少とほぼ反比例するように圧力が上昇する。状態（ｅ）から、ピストン１０が下降する膨張行程を経て、状態（ｆ）に移行する。

図２に示す状態（ｆ）は、膨張行程にてピストン１０が下降した後、ピストン１０が膨張下死点を過ぎて、排気工程に移行した状態である。図３に示すように、状態（ｆ）では、排気弁７が開かれて連通した燃焼室５の圧力と排気通路８の圧力とを比較すると、排気通路８の方が高い。なお、このときもまた、開閉弁３の下流の吸気通路２は、吸気弁１が閉じられているため、圧力が一定である。

図３に示すように、状態（ｆ）の排気工程では、排気弁７が開かれると、略大気圧の排気通路８から負圧の燃焼室５にＥＧＲガスが逆流する。その後、ピストン１０の上昇によって燃焼室５から排気通路８に排気が流れるが、このときの燃焼室５と排気通路８との圧力は一定である。よって、図４に示すように、燃焼室５は、圧力が大気圧まで上昇して一定となり、体積のみが減少することとなる。

図２に示す状態（ｇ）は、排気弁７が開かれた状態で吸気弁１が開かれ、バルブオーバーラップが開始された状態である。状態（ｇ）では、吸気弁１と排気弁７とが開かれるとともに、開閉弁３が開かれている。これにより、吸気通路２から新気が導入され、燃焼室５内から吸気通路２に渡って滞留していたＥＧＲガスが掃気される。

よって、次にアクセル操作がなされたときには、吸気通路２と燃焼室５とが掃気されてＥＧＲガスの濃度が低下しているため、失火することなく安定した燃焼が可能となる。

図３に示すように、開閉弁３が開きはじめると、開閉弁３の下流の吸気通路２の圧力が上昇しはじめ、吸気弁１が開きはじめるタイミングで略最大値となる。そして、吸気弁１が開きはじめると、燃焼室５の圧力が上昇する。よって、図４に示すように、燃焼室５は、ピストン１０の上昇によって体積が減少するとともに、圧力が上昇することとなる。

その後、開閉弁３が閉じはじめると、導入される新気の流量が減少するため、開閉弁３の下流の吸気通路２の圧力は低下しはじめる。開閉弁３が閉じはじめても、排気弁７が開いているうちは、燃焼室５の圧力は一定である。排気弁７が閉じられると、燃焼室５の圧力は低下しはじめ、再び状態（ａ）に移行することとなる。

開閉弁３の開閉タイミングは、クランク１４の回転角度で決まっているため、エンジン回転速度が増加すると、開閉弁３が開いている時間が短縮される。開閉弁３が開いている時間が短いと、開閉弁３の下流の吸気通路２の圧力が充分に上昇せず、バルブオーバーラップ時に充分に掃気が行われないおそれがある。

そこで、開閉弁制御部４３は、エンジン回転速度が増加するほど進角して開閉弁３を開くようにする。これにより、エンジン回転速度が変化しても、開閉弁３が開いている時間を一定とすることができる。よって、エンジン回転速度が変化しても、開閉弁３が開かれることによる燃焼室５の掃気効果が損なわれることはない。

また、開閉弁制御部４３は、アクセル開度が惰性走行中の所定開度である期間が設定期間と比較して短い場合には、バルブオーバーラップ中に開閉弁３を開き、アクセル開度が惰性走行中の所定開度である期間が設定期間以上である場合には、開閉弁３を開くことなく閉じておく。

このときの設定期間は、アクセル開度が惰性走行中の所定開度になってからのエンジン回転速度の時間積算値に基づいて設定される。具体的には、設定期間は、吸気通路２と燃焼室５との掃気が充分に行われて滞留していたＥＧＲガスの量が少なくなり、かつ、排気通路８の下流に設けられる排気触媒２８の酸素被毒量が許容範囲内となる期間に設定される。

これにより、掃気の全流量に基づいて設定期間が設定されるため、排気触媒２８の酸素被毒量が許容範囲内のうちに掃気を停止することができる。よって、吸気通路２と燃焼室５との掃気を充分に行うことができるとともに、必要以上の掃気によって排気触媒２８が酸素被毒することを防止できる。

また、設定期間は、外部ＥＧＲ通路３１を通じて排気の一部を還流する運転状態からアクセル開度が惰性走行中の所定開度となった場合と比較して、内部ＥＧＲによって排気の一部を還流する運転状態からアクセル開度が惰性走行中の所定開度となった場合の方が短くなるように設定される。

外部ＥＧＲ通路３１を通じて外部ＥＧＲが行われる場合には、ＥＧＲガスは、吸気通路２を介して燃焼室５に還流される。一方、内部ＥＧＲが行われる場合には、ＥＧＲガスは、吸気弁１が閉かれているときに排気通路８から燃焼室５に還流される。よって、外部ＥＧＲの場合と比較して、内部ＥＧＲの場合の方が吸気通路２にＥＧＲガスが還流されない分だけ、滞留するＥＧＲ量が少ない。したがって、設定期間を短く設定されても、充分な掃気を行うことが可能であるとともに、排気触媒２８の酸素被毒量を最小限とすることができる。

その後、アクセルが操作されてアクセル開度が惰性走行中の所定開度と比較して大きくなった場合には、開閉弁制御部４３は、上述したようにバルブオーバーラップ中に開閉弁３を開いて一旦閉じるとともに、その同一サイクルにおける吸気行程中に、開閉弁３を再度開いて閉じる。

これにより、燃焼室５を掃気した後に、新たに燃焼室５に混合気を導入できる。よって、燃焼室５の掃気と新気導入とを両立して、燃焼を安定させることができる。

吸気行程中に開閉弁３を再度開く制御は、エンジン３０の回転数が、市場使用頻度の高い回転数である例えば３２００ｒｐｍ以下の場合に実行される。エンジン３０が更に高い回転数となった場合には、開閉弁３を常に開いたままとする。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

惰性走行が開始されると、所定の条件により燃料噴射弁１８による燃料供給が停止される。惰行走行時に燃料噴射弁１８による燃料供給が停止されたときには、開閉弁３が閉じられる。これにより、燃焼せずに排出される排気を抑制できるため、排気触媒２８が酸素被毒することを防止できる。

また、開閉弁３を閉じた後、バルブオーバーラップ中に開閉弁３を開く。これにより、吸気通路２から排気通路８へ空気を流して燃焼室５内を掃気できるため、次にアクセルが操作されたときの燃焼の安定性を向上できる。

したがって、排気触媒２８の酸素被毒の防止と、燃焼の安定性の向上とを両立することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記においては、燃料噴射弁１８が吸気通路２に設けられる場合が例示されている。しかしながら、これに限られず、燃料噴射弁１８がエンジン３０のシリンダヘッド６に設けられる直噴タイプであってもよい。

１００ 吸気制御装置
１ 吸気弁
２ 吸気通路
３ 開閉弁
４ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
５ 燃焼室
７ 排気弁
８ 排気通路
１７ スロットル弁
１８ 燃料噴射弁
２８ 排気触媒
３０ エンジン
３１ 外部ＥＧＲ通路
４１ スロットル制御部
４２ 燃料供給制御部
４３ 開閉弁制御部

Claims (6)

1. 燃焼室に空気を送り込む吸気通路に設けられ、前記吸気通路を遮断可能な開閉弁と、
   前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射弁と、
   アクセル開度が所定以下となった惰性走行時に前記燃料噴射弁による燃料供給を停止可能な燃料供給制御部と、
   前記惰性走行時に前記燃料噴射弁による燃料供給が停止された場合に、前記開閉弁を閉じるとともに、バルブオーバーラップ中に前記開閉弁を開く開閉弁制御部と、を備え、
   前記開閉弁制御部は、前記開閉弁よりも下流の前記吸気通路の圧力が、吸気弁が開きはじめるときに略最大となるように、前記開閉弁を開きはじめ、排気弁の全閉タイミングよりも前に閉じるように前記開閉弁を閉じる、
   ことを特徴とするエンジンの吸気制御装置。
2. 前記開閉弁制御部は、エンジン回転速度が増加するほど進角して前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気制御装置。
3. 前記開閉弁制御部は、前記アクセル開度が前記惰性走行中の所定開度である期間が設定期間と比較して短い場合には、前記バルブオーバーラップ中に前記開閉弁を開き、前記アクセル開度が前記所定開度である期間が前記設定期間以上である場合には、前記開閉弁を開くことなく閉じておくことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの吸気制御装置。
4. 排気通路に配置される排気触媒をさらに備え、
   前記設定期間は、前記アクセル開度が前記所定開度になってからのエンジン回転速度の時間積算値に基づいて、前記吸気通路と前記燃焼室とが掃気され、かつ前記排気触媒の酸素被毒量が許容範囲内となる期間に設定されることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの吸気制御装置。
5. 前記排気通路から前記吸気通路に前記燃焼室の外部を通じて排気の一部を還流する外部ＥＧＲ通路を更に備え、
   前記設定期間は、前記外部ＥＧＲ通路を通じて排気の一部を還流する運転状態から前記アクセル開度が前記所定開度となった場合と比較して、内部ＥＧＲによって排気の一部を還流する運転状態から前記アクセル開度が前記所定開度となった場合の方が短く設定されることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの吸気制御装置。
6. 前記アクセル開度が前記所定開度から開かれた場合、前記開閉弁制御部は、前記バルブオーバーラップ中に前記開閉弁を開いて一旦閉じ、その同一サイクルにおける吸気行程中に、前記開閉弁を再度開いて閉じることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のエンジンの吸気制御装置。