JPH05187238A

JPH05187238A - 内燃機関の吸気制御装置

Info

Publication number: JPH05187238A
Application number: JP4003741A
Authority: JP
Inventors: 昭夫 ▲吉▼松; Akio Yoshimatsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-01-13
Filing date: 1992-01-13
Publication date: 1993-07-27

Abstract

(57)【要約】【目的】全負荷運転時における機関出力トルクを向上
する。【構成】吸気枝管８内に吸気制御弁１３を配置する。
機関全負荷運転時に吸気制御弁１３を吸気弁５開弁期間
の途中で開弁させかつ吸気制御弁１３の開弁時期を慣性
過給効果が得られるように機関回転数に応じて制御す
る。吸気制御弁１３の開弁時期が吸気弁５開弁期間の前
半となるときには吸気制御弁１３が開弁するまで吸気制
御弁１３を全閉にする。吸気制御弁１３の開弁時期が吸
気弁５開弁期間の後半となるときには吸気弁開弁期間の
後半において吸気制御弁１３が開弁せしめられる前の吸
気弁開弁期間の前半においても吸気制御弁１３を開弁さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の吸気制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸気弁を介して燃焼室内に通ずる機関吸
気通路内に吸気制御弁を配置し、この吸気制御弁を吸気
弁開弁後も閉弁しておくとピストンが下降するにつれて
吸気制御弁下流側の負圧が次第に高くなる。次いで吸気
制御弁下流側の負圧が高くなったときに吸気制御弁を開
弁すると吸入空気が一気に流動を開始し、これにより惹
起された正圧波が吸気弁に向かって進行する。この正圧
波が開放端、即ち燃焼室で反射し、この反射波は負圧波
の形で今度は吸気通路内を上流に向けて流れる。この負
圧波は開放端、即ち吸気マニホルドの集合部或いはサー
ジタンク内で再び反射し、この反射波は今度は正圧波と
なって吸気弁に向け進行する。この正圧波が吸気弁に到
達したときに吸気弁が閉弁すれば吸気弁が閉弁したとき
の燃焼室内の圧力が高くなり、斯くして充填効率が大巾
に増大せしめられる。

【０００３】ところで吸気制御弁が開弁した後、サージ
タンク内等で反射した正圧波が吸気弁に到達するまでの
時間は一定であり、一方この時間内において機関が回転
するクランク角度は機関回転数が高くなるほど大きくな
る。従ってサージタンク内等で反射した正圧波が吸気弁
閉弁直前に吸気弁に到達させるようにするには、即ち慣
性過給効果を利用して充填効率を大巾に増大せしめるた
めには吸気制御弁の開弁時期を機関回転数が高くなるに
つれて早めなければならないことになる。

【０００４】そこで吸気弁を介して燃焼室内に通ずる機
関吸気通路内に吸気制御弁を配置し、この吸気制御弁の
開弁時期を機関回転数が高くなるにつれて早めるように
した内燃機関が公知である（特開昭６２−５８０１６合
公報参照）。ただし、この内燃機関では機関高速運転時
には十分に充填効率を高めることはできない。即ち、こ
のように慣性過給効果を利用して充填効率を高めるには
強力な正圧波を発生させなければならない。強力な正圧
波を発生させるためには吸気制御弁が開弁する直前に吸
気制御弁の前後差圧がある程度以上大きくなっていなけ
ればならず、そのためには吸気弁が開弁してピストンが
下降しはじめた後暫らくしてから吸気制御弁を開弁させ
るようにしなければならない。しかしながら上述した公
知の内燃機関では機関高速運転時には吸気弁開弁時に吸
気制御弁が開弁しており、従って強力な正圧波が発生せ
しめられないので充填効率を充分に高められないことに
なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで慣性過給効果
を利用して充填効率を高めるには上述したように吸気制
御弁の開弁時期を機関回転数に応じて制御しなければな
らない。ところがこの場合吸気制御弁の開弁時期が遅く
なって吸気制御弁が吸気弁開弁期間の後半において開弁
するようになると吸気制御弁が開弁するときにはピスト
ンがかなり下降しており、斯くして燃焼室内の負圧がか
なり大きくなる。即ち、ポンピング損失がかなり大きく
なる。その結果、慣性過給効果による機関出力トルクの
増大作用よりもポンピング損失による機関出力トルクの
減少作用の方が大きくなり、斯くして機関出力トルクが
低下してしまうという問題を生じる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、吸気弁を介して燃焼室内に通ずる
機関吸気通路内に吸気制御弁を配置した内燃機関におい
て、吸気制御弁を吸気弁開弁期間の途中で開弁させかつ
吸気制御弁の開弁時期を慣性過給効果が得られるように
機関回転数に応じて制御する吸気制御弁駆動装置を具備
し、慣性過給効果が得られる吸気制御弁の開弁時期が吸
気弁開弁期間の後半となるときには吸気弁開弁期間の後
半において吸気制御弁が開弁せしめられる前の吸気弁開
弁期間の前半においても吸気制御弁を開弁せしめるよう
にしている。

【０００７】

【作用】吸気制御弁の開弁時期が吸気弁開弁期間の後半
となるときには吸気弁開弁期間の前半においても吸気制
御弁が開弁せしめられて空気が燃焼室内に供給される。
その結果、吸気弁開弁期間の後半において吸気制御弁が
全開するまでの間に燃焼室内に発生する負圧は小さくな
る。

【０００８】

【実施例】図１および図２を参照すると、１はシリンダ
ブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４は燃
焼室、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁を夫々
示す。各吸気ポート６は対応する吸気枝管８を介して共
通のサージタンク９に接続され、サージタンク９はエア
フローメータ１０を介してエアクリーナ１１に連結され
る。各給気枝管８内にはアクチュエータ１２によって開
閉制御される吸気制御弁１３が配置され、このアクチュ
エータ１２は電子制御ユニット２０の出力信号により制
御される。更に吸気制御弁１３下流の吸気枝管８内には
吸気ポート６内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射
弁１４が配置される。なお、図１からわかるように本発
明による実施例では機関吸気通路にアクセルペダル１５
に連結されたスロットル弁は配置されていない。

【０００９】電子制御ユニット２０はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス２１によって相互に接続
されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセ
ッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具
備する。エアフローメータ１０は吸入空気量に比例した
出力電圧を発生し、この出力電圧はＡＤ変換器２７を介
して入力ポート２５に入力される。また、アクセルペダ
ル１５にはアクセルペダル１５の踏込み量に比例した出
力電圧を発生する負荷センサ２８が取付けられ、この負
荷センサ２８の出力電圧はＡＤ変換器２９を介して入力
ポート２５に入力される。更に入力ポート２５には機関
回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ３０
が接続される。一方、出力ポート２６は駆動回路３１を
介して吸気制御弁１３のアクチュエータ１２に接続され
る。

【００１０】図３（Ａ）および（Ｂ）にアクチュエータ
１２および駆動回路３１を概略的に示す。図１および図
２に示されるように吸気制御弁１３の弁軸４０の下端部
には円筒状の永久磁石４１が固定されており、図３
（Ａ）および（Ｂ）に示すようにこの永久磁石４１には
弁軸４０の軸線に対して互いに反対側にＮ極とＳ極が形
成される。永久磁石４１の周囲には９０度の角度間隔を
隔てて永久磁石４２、電磁石４３、永久磁石４４、電磁
石４５が順次配列されている。永久磁石４２には永久磁
石４１の外周面に対面する側にＳ極が形成されており、
永久磁石４４には永久磁石４１の外周面に対面する側に
Ｎ極が形成されている。

【００１１】電磁石４３の励磁コイル４６の一端および
電磁石４５の励磁コイル４７の一端は互いに接続され、
励磁コイル４６の他端および励磁コイル４７の他端は夫
々駆動回路３１の可動接点４８，４９に接続される。駆
動回路３１は実際には電子回路からなるが図３（Ａ）お
よび（Ｂ）ではこれを簡略化して可動接点４８，４９で
表わしている。これら可動接点４８，４９の切換え作用
は電子制御ユニット２０の出力信号に基いて行われる。

【００１２】図３（Ａ）に示されるように可動接点４８
が電源に接続され、可動接点４９が接地されると電磁石
４３は永久磁石４１の外周面に対面する側がＮ極とな
り、電磁石４５は永久磁石４１の外周面に対面する側が
Ｓ極となる。このとき吸気制御弁１３は図２において破
線で示されるように全開する。これに対して図３（Ｂ）
に示されるように可動接点４８が接地され、可動接点４
９が電源に接続されると電磁石４３は永久磁石４１の外
周面に対面する側がＳ極となり、電磁石４５は永久磁石
４１に対面する側がＮ極となる。従ってこのときには吸
気制御弁１３が９０度回転し、吸気制御弁１３は図２に
おいて実線で示されるように吸気枝管８内の通路を全閉
する。

【００１３】次にまず初めに無負荷運転時および部分負
荷運転時の吸気制御弁１３の制御方法について図４を参
照しつつ簡単に説明する。無負荷運転時および部分負荷
運転時には図４（Ａ）および（Ｂ）に示されるように吸
気制御弁１３は吸気弁５が開弁せしめられる前に全開せ
しめられ、吸気弁５が閉弁する前に閉弁せしめられる。
更に、吸気弁５の開弁期間および吸気制御弁１３の開弁
時期θＯは固定されており、吸気制御弁１３の閉弁時期
θＣが制御される。燃焼室４内に吸入空気が供給される
のは吸気弁５および吸気制御弁１３が共に開弁している
期間だけであり、従って吸気制御弁１３の閉弁時期θＣ
を制御することによって燃焼室４内に供給される吸入空
気量が制御されることになる。

【００１４】吸気制御弁１３の閉弁時期θＣはアクセル
ペダル１５の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数であ
り、概略的に云うと吸気制御弁１３の閉弁時期θＣはア
クセルペダル１５の踏込み量Ｌが増大するほど遅らされ
る。従って機関負荷が高くなると図４（Ａ）に示される
ように吸気制御弁１３の閉弁時期θＣは遅くなり、機関
負荷が低くなると図４（Ｂ）に示されるように吸気制御
弁１３の閉弁時期θＣが早められる。

【００１５】上述したように機関吸気通路内にはアクセ
ルペダル１５に連結されたスロットル弁は設けられてお
らず、また吸気制御弁１３は吸気弁５が開弁する前に開
弁せしめられる。従って吸気弁５が開弁する直前には吸
気ポート６内は大気圧となっている。次いで吸気弁５が
開弁して燃焼室４内に吸入空気の流入が開始されても吸
気制御弁１３は全開しているので燃焼室４内は大きな負
圧が発生することなくほぼ大気圧に維持され、斯くして
ポンピング損失を低減できることになる。

【００１６】このように無負荷運転時および部分負荷運
転時にはポンピング損失を低減させることによって機関
出力トルクを高めることができるが全負荷運転時にはポ
ンピング損失を低減させるよりもむしろ慣性過給効果を
利用した方が機関出力トルクを増大させることができ
る。従って全負荷運転時における吸気制御弁１３の制御
は無負荷運転時および部分負荷運転時における制御と若
干異なる。次にこのことについて図５を参照しつつ説明
する。

【００１７】図５は全負荷運転時における吸気制御弁１
３の開弁時期を示している。図５（Ａ）に示されるよう
に全負荷運転時には吸気制御弁１３の閉弁時期θＣは吸
気下死点付近の一定クランク角に固定されている。これ
に対して吸気制御弁１３は例えば吸気弁開弁期間の途中
まで閉弁せしめられると共に吸気弁開弁期間の途中で全
開せしめられ、全負荷運転時にはこの吸気制御弁１３の
開弁時期θＯが慣性過給効果を得られるように機関回転
数に応じて制御される。

【００１８】次にこの慣性過給効果について図６を参照
しつつ説明する。図６は図１に示す内燃機関の吸気系を
図解的に示しており、以下吸気ポート６および吸気枝管
８を吸気通路６，８と称する。前述したように全負荷運
転時には吸気弁５が開弁してピストンが下降しはじめて
から暫らくして吸気制御弁１３が全開せしめられる。従
って吸気制御弁１３が全開する直前には吸気制御弁１３
の上流側は大気圧となっており、吸気制御弁１３の下流
側は負圧となっている。このとき吸気制御弁１３前後の
圧力差が或る程度以上大きいと吸気制御弁１３が全開し
たときにそれまで吸気制御弁１３によってせき止められ
ていた吸入空気が吸気弁５に向けて急激に移動し、この
吸入空気の急激な移動によって吸気制御弁１３のすぐ下
流に正圧波が発生する。

【００１９】この正圧波は図６において矢印ａで示すよ
うに音波でもって吸気弁５に向けて伝播し、この正圧波
は開放端、即ち燃焼室４において反射して今度は図６の
矢印ｂで示されるように負圧波となって吸気通路６，８
内をサージタンク９に向けて流れる。この負圧波は開放
端、即ちサージタンク９内で再び反射し、今度は図６の
矢印ｃで示されるように正圧波となって吸気通路６，８
を吸気弁５に向けて流れる。この正圧波が吸気弁５に達
したときにはこの正圧波によって燃焼室４内の圧力は最
も高くなり、従ってこのとき吸気弁５を閉弁すれば高い
充填効率が得られることになる。即ち、吸気弁５が閉弁
するときにサージタンク９で反射した正圧波ｃが吸気弁
５に到達するように吸気制御弁１３の開弁時期θＯを制
御してやれば高い充填効率が得られることになる。

【００２０】ところで吸気通路６，８の長さは一定であ
るので正圧波ａが発生してから正圧波ｃが吸気弁５に到
達するまでの時間は一定である。一方、この時間に対応
する機関のクランク角度は機関回転数に応じて変化し、
この機関のクランク角度は機関回転数が高くなるほど大
きくなる。吸気弁５の閉弁時期は固定されており、従っ
て機関回転数にかかわらずに吸気弁５が閉弁するときに
正圧波ｃが吸気弁５に到達するようにするには吸気制御
弁１３の開弁時期θＯを機関回転数が高くなるにつれて
早めなければならないことになる。

【００２１】図７における曲線Ａは機関回転数Ｎが一定
回転数Ｎ₀、例えば２０００r.p.m以下の場合において
吸気弁５が閉弁するときに正圧波ｃが吸気弁５に到達す
る吸気制御弁１３の開弁時期θＯを示している。図７に
示す例では機関回転数Ｎが最も低いときには吸気制御弁
１３の開弁時期θＯは上死点後１００°程度であり、機
関回転数ＮがＮ₀になると吸気制御弁１３の開弁時期θ
Ｏは上死点後５０°程度となる。

【００２２】一方、機関回転数ＮがＮ₀を越えたときに
吸気制御弁１３の開弁時期θＯを更に早めると今度は吸
気弁５が開弁してから吸気制御弁１３が全開するまでの
クランク角度が小さくなり、その結果吸気制御弁１３が
全開する直前の吸気制御弁１３前後の圧力差が小さくな
るために十分大きな正圧波が発生しなくなる。そこでこ
のときには正圧波ｃの反射波を利用して慣性過給を行う
ために図７の曲線Ｂで示されるように吸気制御弁１３の
開弁時期θＣが大巾に遅らされる。即ち、図６に示され
るように正圧波ｃの反射波は負圧波ｄとなり、この負圧
波ｄの反射波は正圧波ｅとなり、機関回転数ＮがＮ₀以
上となったときには吸気弁５が閉弁するときに正圧波ｅ
が吸気弁５に到達するように吸気制御弁１３の開弁時期
θＯが制御される。このとき曲線Ｂからわかるように吸
気制御弁１３の開弁時期θＯは吸気弁開弁期間の後半と
なる。

【００２３】ところが吸気制御弁１３の開弁時期θＯを
図７に示すように制御すると図８の実線で示すように機
関回転数ＮがＮ₀、即ち２０００r.p.m を越えたときに
機関出力トルクが低下する。即ち、図７の曲線Ｂで示す
ように吸気制御弁１３の開弁時期θＯが吸気弁開弁期間
の後半になると図９のＰ−Ｖ線図のＫ点で示されるよう
に吸気制御弁１３が開弁するまでに燃焼室４内の圧力Ｐ
がかなり低下する。このように燃焼室４内の圧力Ｐがか
なり低下するとポンピング損失が大きくなり、その結果
慣性過給効果による機関出力トルクの増大作用よりもポ
ンピング損失による機関出力トルクの減少作用の方が大
きくなるために図８に示すように機関回転数Ｎが２００
０r.p.m を越えると機関出力トルクが低下することにな
る。

【００２４】このような機関出力トルクの低下を抑える
ためには図９において破線で示されるように吸気制御弁
１３が全開するまでに燃焼室４内の圧力Ｐがさほど低下
しないようにすればよく、そのためには吸気弁開弁期間
の後半において吸気制御弁１３が全開する前に吸気弁開
弁期間の前半において吸気制御弁１３を一旦開弁し、空
気を燃焼室４内に供給してやればよいことになる。

【００２５】図１および図２に示す実施例では図５
（Ｂ）に示されるように吸気制御弁１３の開弁時期θＯ
が吸気弁開弁期間の後半となったときには吸気弁５が開
弁する前にθＰにおいて吸気制御弁１３が開弁せしめら
れ、吸気弁５の開弁後、吸気弁開弁期間の前半において
吸気制御弁１３が閉弁せしめられる。即ち、吸気制御弁
１３の開弁時期θＯが吸気弁開弁期間の後半となったと
きには吸気制御弁１３は吸気弁開弁期間の前半に一旦開
弁せしめられる。このように吸気弁５の開弁時に吸気制
御弁１３を一旦開弁状態にすると吸気弁５が開弁するや
否や吸入空気が燃焼室４内に流入するので吸気行程時に
おける燃焼室４内の圧力Ｐは図９の破線で示すように小
さくなり、斯くしてポンピング損失が低減されることに
なる。このように吸気弁開弁期間の前半に吸気制御弁１
３を開弁させてもその後吸気制御弁１３が一旦閉弁すれ
ば吸気制御弁１３前後の圧力差は正圧波を発生しうる圧
力差となるので吸気弁開弁期間の前半に吸気制御弁１３
を一旦開弁させても良好な慣性過給効果が得られる。従
って吸気弁開弁期間の前半に吸気制御弁１３を一旦開弁
させると良好な慣性過給効果はそのまま維持され、ポン
ピング損失は低減するので図８において破線で示すよう
に機関出力トルクが向上することになる。なお、図５
（Ｂ）に示す例では吸気制御弁１３の開弁時期θＰは吸
気弁５が開弁する直前の一定クランク角に固定されてい
る。

【００２６】一方、図７の曲線Ｂで示されるように機関
回転数Ｎが高くなるほど吸気制御弁１３の開弁時期θＯ
は早くなり、従って吸気制御弁１３を開弁時期θＯまで
閉弁しておいた場合に発生するポンピング損失は機関回
転数Ｎが高くなるほど小さくなる。従って図１０の実線
Ｃで示されるように吸気弁開弁期間の前半において開閉
せしめられるときの吸気制御弁１３の閉弁時期θＱは機
関回転数Ｎが高くなるにつれて早められる。なお、図１
０には慣性過給効果を得るための吸気制御弁１３の開弁
時期も同時に破線Ａ，Ｂで示している。

【００２７】図１１は吸気制御弁１３の制御ルーチンを
示しており、このルーチンは例えば一定クランク角度毎
の割込みにより実行される。図１１を参照するとまず初
めにステップ６０において機関回転数Ｎおよびアクセル
ペダル踏込み量Ｌが読込まれる。次いでステップ６１で
はアクセルペダル踏込み量Ｌから全負荷運転時であるか
否かが判別される。全負荷運転時でないときには図４に
示す制御を行うためにステップ６８で吸気制御弁１３の
開弁時期θＯが読込まれ、次いでステップ６９において
吸気制御弁１３の閉弁時期θＣが算出される。次いでス
テップ６７では開弁時期θＯから閉弁時期θＣの間、吸
気制御弁１３を全開にする処理が行われる。

【００２８】一方、ステップ６１において全負荷運転時
であると判別されたときはステップ６２に進んで機関回
転数Ｎに基き図７に示す吸気制御弁１３の開弁時期θＯ
が算出される。次いでステップ６３では吸気制御弁１３
の閉弁時期θＣが読込まれる。この閉弁時期は固定値で
ある。次いでステップ６４では機関回転数Ｎが図７に示
すＮ₀よりも高いか否かが判別される。Ｎ≦Ｎ₀のとき
にはステップ６７に進んで開弁時期θＯから閉弁時期θ
Ｃの間、吸気制御弁１３を全開にする処理が行われる。

【００２９】一方、ステップ６４においてＮ＞Ｎ₀であ
ると判別されるとステップ６５に進んで吸気弁開弁期間
の前半に開閉せしめられるときの吸気制御弁１３の開弁
時期θＰが読込まれる。この開弁時期θＰは固定値であ
る。次いでステップ６６では機関回転数Ｎに基き図１０
において実線Ｃで示す関係から吸気弁開弁期間の前半に
おいて開閉せしめられるときの吸気制御弁１３の閉弁時
期θＱが算出される。次いでステップ６７では開弁時期
θＰから開弁時期θＱまでの間、吸気制御弁１３を一旦
全開し、開弁時期θＯから閉弁時期θＣの間、吸気制御
弁１３を再び全開にする処理が行われる。

【００３０】

【発明の効果】機関の全負荷運転時に機関の全回転領域
に亘り慣性過給効果を有効に利用することにより機関の
全回転領域において機関の出力トルクを向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】図１に示す内燃機関の平面断面図である。

【図３】アクチュエータおよび駆動回路を概略的に示す
図である。

【図４】無負荷運転時および部分負荷運転時における吸
気制御弁の開度変化を示す線図である。

【図５】全負荷運転時における吸気制御弁の開度変化を
示す線図である。

【図６】吸気慣性効果を説明するための図である。

【図７】吸気制御弁の開弁時期を示す線図である。

【図８】機関出力トルクを示す線図である。

【図９】Ｐ−Ｖ線図である。

【図１０】吸気弁開弁期間の前半において開閉せしめら
れるときの吸気制御弁の閉弁時期を示す線図である。

【図１１】吸気制御弁を制御するためのフローチャート
である。

【符号の説明】

５…吸気弁８…吸気枝管１２…アクチュエータ１３…吸気制御弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁を介して燃焼室内に通ずる機関吸
気通路内に吸気制御弁を配置した内燃機関において、吸
気制御弁を吸気弁開弁期間の途中で開弁させかつ吸気制
御弁の開弁時期を慣性過給効果が得られるように機関回
転数に応じて制御する吸気制御弁駆動装置を具備し、慣
性過給効果が得られる吸気制御弁の開弁時期が吸気弁開
弁期間の後半となるときには吸気弁開弁期間の後半にお
いて吸気制御弁が開弁せしめられる前の吸気弁開弁期間
の前半においても吸気制御弁を開弁せしめるようにした
内燃機関の吸気制御装置。