JPH03202623A - 内燃機関の可変吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、通路長可変吸気系を有する内燃機関（以下、
「内燃機関」を必要に応じて「エンジン」という）の可
変吸気制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来より１通路長可変吸気系を有するエンジン、即ち一
部に通路長の異なる一対の吸気通路部分を並設された吸
気系を有するエンジンにおいて、これらの吸気通路部分
のいずれかを選択することにより有効吸気通路長を可変
にしうる制御弁（可変吸気コントロールパルプ）を設け
て、エンジン回転数が比較的低いときは、有効吸気通路
長が長くなるように、制御弁を切り替える一方、エンジ
ン回転数が比較的高いときは、有効吸気通路長が短くな
るように、制御弁を切り替えることにより。

広いエンジン回転数範囲にわたって高出力を得られるよ
うにした可変吸気制御システムが提案されている。

なお、かかる可変吸気制御システムにおいて、制御弁は
、ステッパモータ（ステッピングモータあるいはパルス
モータ）やバキュームモータ（差圧応動式アクチュエー
タ）によって、駆動されるようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の可変吸気制御装置では
、次のような問題点がある。

まず、ステッパモータを使用したものでは、ステッパモ
ータの実位置、即ち実際の弁位置をフィードバックして
いないので、電源電圧が低下したときや被駆動系のフリ
クションが増加した場合などは、ステッパモータが所要
の動きをしたかどうかが不明となり、これにより正確な
制御を行なえないおそれがあり、更にはコスト高を招く
という問題点がある。したがって、ステッパモータを用
いたものでは、ステッパモータへの給電電圧が所定値（
例えば１０ボルト）以下にはならないようにする必要が
ある。さらに、ステッパモータを用いたものは、駆動周
波数によっては、エンジン振動と共振して脱調するおそ
れもある。

また、バキュームモータをアクチュエータとしたもので
は、応答性が悪く、更には部品点数が多いため、信頼性
の点で不利となるほか、実際位置を検出していないので
、制御精度が悪い。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもので
、アクチュエータとして直流電動モータを用い、しかも
ポジションフィードバック手法を用いることにより、電
源電圧による制約を受けることなく、しかも小型且つ安
価にして、正確な制御を行なえるようにした、内燃機関
の可変吸気制御装置を提供することを目的とする。

［１１１題を解決するための手段］ このため、本発明の内燃機関の可変吸気制御装置は、一
部に通路長の異なる一対の吸気通路部分を並設された吸
気系を有する内燃機関において、これらの吸気通路部分
のいずれかを選択することにより有効吸気通路長を可変
にしつる制御弁と、該制御弁を歯車系を介して回転駆動
する直流電動モータとをそなえ、該直流電動モータまた
は該歯車系の回転軸が所定の回転角になる毎に出力を発
する回転角検出手段と、該回転角検出手段からの出力に
基づいて該制御弁の実弁開度を検出する実弁開度検出手
段と、該内燃機関の運転状態に応じて該制御弁の目標弁
開度を設定する目標弁開度設定手段と、該実弁開度検出
手段からの実弁開度と該目標弁開度設定手段からの該目
標弁開度との比較結果に基づいて該直流電動モータを制
御する制御手段とが設けられたことを特徴としている。

［作　用］ 上述の本発明の内燃機関の可変吸気制御装置では、制御
弁によって、吸気通路部分のいずれかを選択することに
より、有効吸気通路長を可変にしうるが、この制御弁は
歯車系を介して直流電動モータにて回転駆動される。こ
のとき１回転角検出手段によって、直流電動モータまた
は歯車系の回転軸が所定の回転角になる毎にその旨が検
出され、更にこの回転角検出手段からの出力に基づいて
、実弁開度検出手段により、制御弁の実弁開度が検出さ
れる。そして、制御手段によって、実弁開度検出手段か
らの実弁開度と目標弁開度設定手段からの目標弁開度と
の比較結果に基づき、直流電動モータが制御される。

［実施例］ 以下、図面により本発明の一実施例としての内燃機関の
可変吸気制御装置について説明すると、第１図（ａ）は
本装置を有するエンジンシステムを示す全体構成図、第
１図（ｂ）は制御ブロック図、第２図は可変吸気ポート
の外観を説明するための平面図、第３図は直流電動モー
タ配設部の詳細を示す部分断面図、第４図は回転角検出
手段を説明するための部分図、第５図はリングマグネッ
トの平面図、第６図は回転角検出手段の出力特性図、第
７図は制御要領を説明するフローチャート、第８図は制
御ゾーンを説明する図、第９図は目標弁開度特性図、第
１０図は制御弁開度をパラメータにして出力トルクとエ
ンジン回転数との関係を示すグラフである。

さて、本装置を有するガソリンエンジンシステムは、第
１図（ａ）のようになるが、この第工図（ａ）において
、エンジン（内燃機関）ＥはＶ型６気筒エンジンとして
構成されている。

また、このエンジンＥにおける各気筒の燃焼室１（この
燃焼室１には点火プラグの点火部が露出している）には
、吸気通路（吸気系）２および排気通路（排気系）３が
連通接続されており、吸気通路２と各燃焼室ｌとは吸気
弁４によって連通制御されるとともに、排気通路３と各
燃焼室１とは排気弁５によって連通制御されるようにな
っている。

また、吸気通路２には、上流側から順にエアクリーナ６
、スロットル弁７および電磁式燃料噴射弁（電磁弁；イ
ンジェクタ）８が設けられており、排気通路３には、そ
の上流側から順に排ガス浄化用の触媒コンバータ（三元
触媒）９および図示しないマフラ（消音器）が設けられ
ている。なお、吸気通路２には、サージタンク２ａが設
けられている。

さらに、電磁弁８は吸気マニホルド部分に気筒数だけ設
けられている。今、本実施例のエンジンＥはＶ形６気筒
エンジンであるから、電磁弁８は６個設けられているこ
とになる。即ちいわゆるマルチポイント燃料噴射（ＭＰ
Ｉ）方式のエンジンであるということができる。

また、スロットル弁７は車室内のアクセルペダルにアク
セル索を介して連係接続されており、これによりスロッ
トル弁７はアクセルペダルの踏込量に応じて回動するよ
うになっている。

ところで、サージタンク２ａの部分には、第１図（ａ）
および第２図に示すごとく、これをバイパスするバイパ
ス路（プライマリポート部）２Ａが各バンクごとに設け
られており、更に吸入空気が、バイパス路２Ａ経由の長
い吸気通路部分を流通するのか、バイパス路２Ａを経由
しない短い吸気通路部分を流通するのかを選択しうる可
変吸気コントロールバルブ（制御弁）１０が設けられて
おり、この可変吸気コントロールバルブ１０が第１図（
ａ）に実線で示す閉位置にあるときは、吸入空気はバイ
パス路２Ａを経由する長い吸気通路部分を流通し、可変
吸気コントロールバルブ１０が第１図（ａ）に鎖線で示
す開位置にあるときは、吸入空気はバイパス路２Ａを経
由しない短い吸気通路部分を流通するようになっている
。そして。

バイパス路２Ａ経由の長い吸気通路部分を吸気が流通す
るときのエンジン出力特性は、第１０図の全開特性のよ
うになり、バイパス路２Ａを経由しない短い吸気通路部
分を吸気が流通するときのエンジン出力特性は、第１０
図の全開特性のようになる。なお、可変吸気コントロー
ルバルブ１０を１／４，１／２，３／４開の時のエンジ
ン出力特性は、それぞれ第１０図の１／４．ｌ／２，３
／４開特性のようになる。

さらに、各可変吸気コントロールバルブ１０を開閉駆動
するアクチュエータとしての直流電動モータ１１（この
直流電動モータ１１はブラシ付きの小型直流電動モータ
として構成されており、以下、これをＩＤＣモータ１１
」という）が減速歯車系を介して設けられている。すな
わち、このＤＣモータ１１は、第２図に示すように、吸
気マニホールドに付設されているが、更にこのＤＣモー
タ１１の取付状態について詳述すると、第３図に示すご
とく、ＤＣモータ１１は吸気マニホールド付設のケーシ
ング内に設けられており、このＤＣモータ１１の出力軸
１１Ａ付きの歯車１１ａが中間歯車１２を介して歯車軸
１３の歯車１３ａに噛合している。歯車軸１３はケーシ
ング内に軸受を介して回転自在に支承されており、更に
この歯車軸１３には、ウオームギヤ１４ａが装着され１
いて、このウオームギヤ１４ａが可変吸気コントロール
バルブ１０のシャフト部付きのウオームホイール１４ｂ
に噛合している。これにより、ＤＣモータ１１を回転駆
動すると、その駆動力が減速歯車系を介して可変吸気コ
ントロールバルブ１０のシャフト部へ伝達され、これに
より、ＤＣモータ１１を回動させると、可変吸気コント
ロールバルブｌＯが開閉駆動されるようになっている。

さらに、このエンジンＥについて、上述の可変吸気コン
トロールバルブ１０の制御を行なうために、第１図（ｂ
）に示すごとく、回転角検出手段１５、実弁開度検出手
段１６．目標弁開度設定手段１７．制御手段１８を有し
ている。

ここで、回転角検出手段１５は、上記ＤＣモータ１１に
連結された歯車系の回転軸（歯車軸）１３が所定の回転
角度になる（半回転する）毎に出力を発するもので、こ
のために、第３，４図に示すごとく、リングマグネット
１５Ａと磁気センサ１５Ｂとをそなえて構成されている
。

リングマグネット１５Ａは、第５図に示すようにリング
状を呈しており、直径の一側半分（１８０°分）の外周
面が「Ｎ極」、他側半分（１８０°分）の外周面が「Ｓ
極」とされていて、更には第３，４図に示すように歯車
軸１３に嵌挿されることにより、歯車軸１３が半回転す
るごとに極性が変化するようになっている。なお、リン
グマグネット１５Ａは非磁性材を介して歯車軸１３に嵌
合されるようにしておくか、歯車軸１３を非磁性材製に
しておく。

磁気センサ１５Ｂは、リングマグネット１５Ａに僅かな
間隔で対向可能に近接して非接触状態で配設されること
により、リングマグネット１５Ａの磁気からリングマグ
ネット１５Ａの半回転毎に信号を出すもので、この磁気
センサ１５Ｂとしては、例えばホールＩＣが使用される
。すなわち、この磁気センサ１５Ｂは１例えばリングマ
グネット１５ＡのＮ極を検出しているときは、オン（Ｏ
Ｎ）となり、Ｓ極を検出しているときは、オフ（ＯＦＦ
）となり、その出力信号は、オン時にはローレベル（Ｌ
レベル）、オフ時にはハイレベル（Ｈレベル）となる。

これにより、磁気センサ１５Ｂからは、第６図に示すよ
うなパルス信号が出されるようになっている。

そして、この磁気センサ１５Ｂからの出力は、電子制御
装置（ＥＣＵ）１９へ入力されるようになっている。

実弁開度検出手段１６は、磁気センサ１５Ｂからの出力
に基づいて可変吸気コントロールバルブ１０の実弁開度
を検出するもので、この実弁開度検出手段王６において
は、例えば最初に初期値を与えておき、その後この初期
値に磁気センサ１５Ｂからの出力（パルス数）をアップ
カウントまたはダウンカウントすることにより、可変吸
気コントロールバルブ１０の実弁開度を検出する。

目標弁開度設定手段１７は、エンジンＥの運転状態例え
ばエンジン回転数に応じて可変吸気コントロールバルブ
１０の目標弁開度を設定するものであり、このために、
この目標弁開度設定手段１７によって設定される目標弁
開度の特性を示すと、例えば第９図のようになる。すな
わち、この目標弁開度設定手段１７は、第９図に示すよ
うな特性を記憶するマツプあるいは第９図に示すような
特性を規定する関数を演算する機能を有しており、更に
エンジン回転数センサ２０からのエンジン回転数情報が
この目標弁開度設定手段１７へ入力されるようになって
おり、このエンジン回転数情報から上記マツプまたは演
算機能により目標弁開度が設定されるのである。なお、
エンジン回転数センサ２ｏとしては、クランク角度を検
出するクランク角センサが兼用される。

ここで、目標弁開度特性は、第９図からもわかるように
、第１のエンジン回転数Ｎ１（例えば３５００ｒｐｍ付
近）以下の低回転域では全閉となっており、この第１の
エンジン回転数Ｎ１よりも高い第２のエンジン回転数Ｎ
Ｚ（例えば４５００ｒｐｍ付近）よりも高回転域では全
開となっており、上記の第１のエンジン回転数Ｎ１と第
２のエンジン回転数Ｎ２との間の過渡回転域では、目標
弁開度が徐々に大きくなっていくように設定されている
。すなわち、上記の過渡回転域においては、エンジン回
転数変化につれて連続的に弁開度を変化させていくよう
にしているのである。

制御手段１８は、実弁開度検出手段工６からの実弁開度
と目標弁開度設定手段１７からの目標弁開度との比較結
果に基づいて、目標弁開度となるように、ＤＣモータ１
１へ制御信号を出すものであるが、この制御手段１８は
、吸気慣性をあまり必要としない低負荷域（この負荷域
は１工ンジン回転数当たりの吸入空気量表現すると、Ａ
　／　Ｎ　ｘ、以下の運転領域となり、又充填効率Ｅｖ
では例えば６０％以下の運転領域となる）の場合は、上
記ＤＣモータ１１による可変吸気コントロールバルブ１
０の開閉制御は行なわず、可変吸気コントロ−ルバルブ
１０は全開状態にしておく、これは故障のことを考慮し
たフェールセーフの思想に基づくものである。逆に、可
変吸気コントロールバルブ１０の開閉のための制御ゾー
ンを示すと、第８図のようになる。従って、制御手段１
８には、エンジン回転数センサ２０のほかに、エアーフ
ローセンサ２１からの検出信号も入力されるようになっ
ている。

なお、上記のエンジン回転数センサ２０やエアーフロー
センサ２１については、本エンジンＥについての燃料供
給制御９点火時期制御等の制御用として用いられている
ものを使用すればよく、この可変吸気コントロールバル
ブ１０の制御を行なうために特別に設けなくてもよい。

また、このエンジンＥを制御するためには、種々のセン
サ（例えばスロットルセンサ、大気圧センサ、吸気温セ
ンサ、アイドルスイッチ、０□センサ、高温センサ、ノ
ックセンサ、水温センサ。

ＴＤＣセンサ等）が設けられ、更にはこれらのセンサか
らの検出信号は、電子制御装置１９へ入力されるが、本
実施例においては、センサや電子制御装置内部の機能ブ
ロックについては、可変吸気コントロールバルブ１０の
制御に着目して記載されている。

なお、電子制御装置１９はその主要部としてＣＰＵをそ
なえており、このＣＰＵの入力ポートへは、上記の各セ
ンサからの信号が適宜の入力インタフェースを介しであ
るいは直接的に入力されるようになっていることや、Ｃ
ＰＵが、パスラインを介して、プログラムデータや固定
値データを記憶するＲＯＭ、更新して順次書き替えられ
るＲＡＭおよびバッテリによってバッテリが接続されて
いる間はその記憶内容が保持されることによってバック
アップされたバッテリバックアップＲＡＭ（ＢＵＲＡＭ
）との間でデータの授受を行なうようになっていること
、更にはＣＰＵからの各種の制御信号は適宜の出力イン
タフェースを介して出力されるようになっていることは
、他のエンジンの電子制御装置と同じである。

上述の構成により、この可変吸気コントロールバルブ１
０についての制御要領を以下に説明する。

まず、第７図に示すように、エンジン情報を読み込み（
ステップ８１）、もしエンジン負荷状態（Ａ／Ｎ）が吸
気慣性をあまり必要としない低負荷域（Ａ／Ｎｚｖ以下
の運転域）である場合は、ステップＳ２でＮｏルートを
とって、ステップＳ３で、可変吸気コントロールバルブ
１０の弁開度を全開にする。これにより１本制御系故障
の場合でも、エンジン高負荷域において出力が低下する
ことはない。

一方、前記低負荷域（Ａ／Ｎｘｖ以下の運転域）でない
場合は、ステップＳ２でＹＥＳルートをとって、ステッ
プＳ４で、エンジン回転数に基づく目標弁開度を算出し
て、この目標弁開度となるようにＤＣモータ１１を制御
する。すなわち、ａｌ気センサ１５Ｂによって、歯車軸
１３が半回転する毎にその旨が検出され、更にこの磁気
センサ１５Ｂからの出力に基づいて、実弁開度検出手段
１６により、可変吸気コントロールバルブ１０の実弁開
度が検出される。そして、制御手段１８によって、実弁
開度検出手段１６からの実弁開度と目標弁開度設定手段
１７からの目標弁開度との比較結果に基づき、上記目標
弁開度となるようにＤＣモータ１１が制御されるのであ
る。

その制御態様は次のとおりである。即ち、エンジン回転
数が第１のエンジン回転数Ｎ１以下の場合は、可変吸気
コントロールバルブ１０を全開にするように、ＤＣモー
タ１１を制御し、これにより有効吸気通路長を長くする
一方、エンジン回転数が第２のエンジン回転数Ｎ２以上
の場合は、可変吸気コントロールバルブ１０を全開にす
るように、ＤＣモータ１１を制御し、これにより有効吸
気通路長を短くする。さらに、第１のエンジン回転数Ｎ
１と第２のエンジン回転数Ｎ２との間の過渡回転域では
、可変吸気コントロールバルブ１０が全開状態と全開状
態の間を連続的に変化していくように、ＤＣモータ１１
を制御する。

これにより、第１０図に太線で示すように、広いエンジ
ン回転域にわたって、高いエンジン出力トルク（適正な
トルク特性）が得られる。また、可変吸気コントロール
バルブ１０を全閉から全開にする際のトルクの不連続感
もなく、滑らかな加速特性が得られるものである。

なお、上記過渡回転域において、目標弁開度を連続的に
設定しているが、目標弁開度を離散的に設定してもよい
。

上述のようにアクチュエータとしてＤＣモータ１１を使
用し、磁気センサ１５Ｂの出力から可変吸気コントロー
ルバルブ１０の実弁開度をフィードバックして、この実
弁開度と目標弁開度との偏差をなくすような制御を行な
っているので、次のような効果ないし利点が得られる。

（１）ＤＣモータ１１を使用している利点として、電源
電圧（バッテリ電圧）が低下した場合でも、ＤＣモータ
↓工のスピードは遅くなるが確実に作動するので、ＤＣ
モータ１１への給電電圧が所定値以下にはならないよう
にする必要がなく、更にはエンジン振動と共振して脱調
することもなく、更には低コストで済む。

（２）磁気センサ１５Ｂで可変吸気コントロールバルブ
１０の実弁開度を常にモニタしながら、可変吸気コント
ロールバルブ１０の駆動制御を行なっているので、可変
吸気コントロールバルブ１０を正確に目標弁開度にする
ことができる。

（３）上記の（１）、（２）項から可変吸気システムと
しての信頼性が向上する。

なお、回転角検出手段１５としては、歯車系の回転軸が
所定の回転角になる毎に出力を発するもののほか、ＤＣ
モータ１１の回転軸が所定の回転角になる毎に出力を発
するようなものでもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように１本発明の内燃機関の可変吸気制御
装置によれば、アクチュエータとして直流電動モータを
用い、しかもポジションフィードバック手法を用いてい
るので、電源電圧による制約を受けることなく、しかも
小型且つ安価にして、正確で高い信頼性の制御を行なえ
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜１０図は本発明の一実施例としての内燃機関の可
変吸気制御装置を示すもので、第１図（ａ）は本装置を
有するエンジンシステムを示す全体構成図、第１図（ｂ
）は制御ブロック図、第２図は可変吸気ポートの外観を
説明するための平面図、第３図は直流電動モータ配設部
の詳細を示す部分断面図、第４図は回転角検出手段を説
明するための部分図、第５図はリングマグネットの平面
図、第６図は回転角検出手段の出力特性図、第７図は制
御要領を説明するフローチャート、第８図は制御ゾーン
を説明する図、第９図は目標弁開度特性図、第１０図は
制御弁開度をパラメータにして出力トルクとエンジン回
転数との関係を示すグラフである。 １−燃焼室、２−吸気通路、２Ａ−バイパス路、２ａ・
−・サージタンク、３・−排気通路、４−吸気弁、５・
−排気弁、６−・・エアクリーナ、７−スロットル弁、
８・−電磁弁、９−触媒コンバータ、１０−可変吸気コ
ントロールバルブ（制御弁）１１・−ＤＣモータ（直流
電動モータ）　、１１Ａ−・−ＤＣモータ出力軸、１１
ａ−歯車、１２・−中間歯車、１３・−歯車軸、１３ａ
・−歯車、１４ａ−ウオームギヤ。 ｂ−ウオームホイール、１５一回転角検出手段。 １５Ａ−リングマグネット、１５Ｂ−磁気センサ。 １６−実弁開度検出手段、１７−目標弁開度設定手段、
１８−制御手段、工９は電子制御装置、２０−エンジン
回転数センサ、２１−・−エアフローセンサ、Ｅ・・−
エンジン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一部に通路長の異なる一対の吸気通路部分を並設された
   吸気系を有する内燃機関において、これらの吸気通路部
   分のいずれかを選択することにより有効吸気通路長を可
   変にしうる制御弁と、該制御弁を歯車系を介して回転駆
   動する直流電動モータとをそなえ、該直流電動モータま
   たは該歯車系の回転軸が所定の回転角になる毎に出力を
   発する回転角検出手段と、該回転角検出手段からの出力
   に基づいて該制御弁の実弁開度を検出する実弁開度検出
   手段と、該内燃機関の運転状態に応じて該制御弁の目標
   弁開度を設定する目標弁開度設定手段と、該実弁開度検
   出手段からの実弁開度と該目標弁開度設定手段からの該
   目標弁開度との比較結果に基づいて該直流電動モータを
   制御する制御手段とが設けられたことを特徴とする、内
   燃機関の可変吸気制御装置。