JPH0754106B2 - 内燃機関の吸入空気量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の吸入空気量検出装置に関し、詳しく
は動的効果を利用して充填効率を向上するように吸気通
路の長さを可変する所謂可変吸気通路長内燃機関におけ
る吸入空気量を好適に測定する内燃機関の吸入空気量測
定装置に関する。

［従来の技術］ 従来より内燃機関の吸気系に生じる圧力の振動を積極的
に利用して内燃機関のシリンダに吸入される空気を過給
するよう構成された内燃機関が知られている（例えば特
開昭56−115818号公報の「多気筒内燃機関の吸気装
置」）。これを慣性過給あるいは共鳴過給と呼ぶが、そ
の原理は、吸気開始時吸気ポート付近に発生した負の圧
力波が音速で吸気管端（単気筒機関の場合）に伝播し、
正の圧力波となって吸気ポート方向に戻される吸気圧力
振動が生じることにある。即ち、吸気弁が閉じる寸前に
前記正の圧力波が吸気弁のところまで伝達されるように
吸気圧力振動の周期と吸気弁開閉周期とをマッチングさ
せることにより、正の圧力波が空気をシリンダ内に押し
込ませるようにして吸気の充填効果を高めるのである。

こうした吸気圧力の振動は吸入空気が各シリンダへと分
流する点からシリンダヘッドに至るまでの吸気通路の長
さによってその振動数が定まることから、内燃機関の回
転数に応じて吸気通路の長さを変更すれば内燃機関の低
回転域から高回転域に至る広範囲で、高い充填効率を実
現することができる。

第７図は６気筒内燃機関の吸気系を模式的に示した図で
あるが、Ｅは内燃機関、IM1ないしIM6は各気筒（＃１〜
＃６）に対応した吸気管、Ｓはサージタンク、ME1,ME2
は各々吸気管IM1ないしIM3,IM4ないしIM6が各々合流し
た分枝管、BVは外部からの制御信号をうけて開閉し開状
態の時に分枝管ME1,ME2を連通する切換弁、を各々表わ
している。第７図の下段は圧力振動の振巾を模式的に示
している。即ち、Ａは各気筒別の吸気管IM1ないしIM6の
各々に生じる振動の振巾を、Ｂは切換弁BVが閉じている
時の分板管ME1,ME2までを含めた振動の振巾を、Ｃは切
換弁BVが開いている時の振動の振巾を、各々示してい
る。ここでＡを短周期成分、B,Cを長周期成分と呼んで
いる。

短周期成分ＡによるサージタンクＳでの圧力変動は、ほ
ぼ零であり吸気ポートに近づくに従ってその振巾は大き
くなっている。この短周期成分Ａによる充填効率への影
響は、内燃機関が低速で回転している時には小さく、高
速になるに従って大きくなることが知られている。一
方、長周期成分Ｂは低速時にも充填効率に影響を与える
のに十分な大きさをもっている。そこで、内燃機関の回
転数に応じて切換弁BVを開閉し、長周期成分をB,C間で
制御すれば、内燃機関の低回転域でも充填効率を高める
ことができ、結果的に低回転域から高回転域に至る広範
囲において、動的効果を高め、高い充填効率を実現する
ことができる。

切換弁BVを開閉することによって吸気の圧力振動の状態
を変えることができるのは、各気筒の吸気管IM1ないしI
M6が集合する合流点では、各気筒の吸入行程における負
圧を連続してうけて常時ほぼ一定の負圧となる為、ここ
で吸気ポート側から上流への圧力波の伝播が緩衝され反
射を起こすことによっている。従って、切換弁BVを開く
とここが合流点となり圧力振動は長周期成分Ｃの如くな
るのである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが上記のように吸気通路の長さを可変して充填効
率を高めた内燃機関では、次のような問題があった。

（１）内燃機関の制御において吸入空気量を正確に検出
する必要のあることは、今更言うまでもないが、燃料噴
射によって燃料を供給する内燃機関では、各気筒の一回
の吸気行程に吸入される空気量を検出し、これに応じて
燃料噴射量が定められている。特にこの空気量を内燃機
関の吸気管圧力によって検出し、これに基づいて燃料噴
射量を定めるものを、所謂Ｄ−Ｊ式の燃料噴射量制御と
呼ぶが、応答性に優れていることから、この方式は広く
用いられている。

吸気通路の長さが固定された従来の内燃機関では、サー
ジタンク付近には短周期成分Ａによる圧力変動はほとん
ど現われず、吸入空気量をサージタンクにおける負圧に
よって検出することができた。

ところが、充填効率を高める為に動的効果を積極的に利
用した可変吸気通路長内燃機関では、吸気通路の長さに
よってはサージタンクでの圧力変動は無視しえない。こ
の為、サージタンクでの負圧を測定すると、測定のタイ
ミングによって検出値が変動してしまうという問題があ
った。従って、この圧力を基に吸入空気量を求めて燃料
噴射量を制御しようすると、大きな誤差を生じ、空燃比
制御等が正確に行なえなくなるといった問題も考えら
れ、場合によっては内燃機関出力の変動が許容範囲を越
えてしまうことも考えられた。第８図は代表的な可変吸
気通路長内燃機関で測定したサージタンクでの圧力変動
と吸気ポートでのそれとの一例を示している。

（２）こうした吸気系の圧力変動の周期は吸気通路の長
さに依拠しており、圧力変動の状態にも再現性が存在す
る。従って吸気通路の長さや圧力検出のタイミングに応
じて何組かのマップを用意しておき、吸気管圧力を測定
した時の吸気通路の長さや検出のタイミングに対応する
マップから吸入空気量を求めることも考えられなくはな
いが、多種多様な条件に合わせて何種類ものマップを用
意したり、これらを切換えて参照するといった煩雑な手
間を要する為、現実的に解決とはならなかった。

（３）一方、シリンダの直前、即ち吸気ポートにおいて
吸気行程における吸気管圧力を測定すれば、吸入空気量
を精度よく検出することができると考えられる。しかし
ながらその為には気筒数に応じた数の圧力検出手段が必
要となってしまい構成が複雑となり、組立工数や信頼性
の面からも現実的な解決となっていない。また、圧力検
出手段をひとつにすれば他の気筒については推定値とな
ってしまい精度が十分とならないことがあるばかりか、
応答性も充分なものでなくなるといった問題も考えられ
た。

そこで、本発明は、可変吸気管長の６気筒の内燃機関に
対し、少ない圧力センサで正確に各気筒の圧力を検出し
て、吸入空気量を求めることを目的とする。

発明の構成 ［問題を解決するための手段］ 即ち、本発明は上記の問題を解決するための手段とし
て、第１図の示す如く、 吸気通路の長さを可変とする６気筒の内燃機関の吸入空
気量測定装置において、 各気筒に連通するサージタンクを２分割して形成された
一対の分割サージタンクM1と、 該両分割サージタンクM1の連通路に設けられた可変吸気
管長用の切換弁M2と、 前記両分割サージタンクM1の各々に設けられた圧力セン
サM3と、 該各圧力センサM3からの信号に基づき、前記各気筒の吸
気行程終了付近の所定のクランク角における吸入空気量
を求める吸入空気量算出手段M4と、 を備えたことを特徴とする吸入空気量測定装置の構成を
とった。

この内燃機関は、内燃機関の回転数が高くなる程吸気通
路の長さを短くするように切換弁M2を制御して、動的効
果を利用した高い充填効率を実現するよう構成されてい
る。

圧力センサM3としては、ダイヤフラムにひずみゲージを
貼付したタイプの圧力センサや半導体圧力センサなど種
々のものがある。検出する吸気管圧力が内燃機関の回転
数に応じて振動することから、応答性の高い半導体圧力
センサ等を用いることが好適である。

クランク角を検出する場合は、各気筒の吸気行程終了付
近の所定の範囲を検出する。このクランク角の範囲とし
て、例えば吸気行程終了の下死点前20゜CAから、下死点
後10゜CAの30゜CAの範囲を検出する。こうしたクランク
角を検出する手段としては、クランク軸の回転に同期し
て、所定の角度毎にパルス信号出力するパルス発生器
を、例えばディストリビュータ内に備えたり、必要に応
じてこのパルス信号の間を補間する機構を付加するなど
して構成することができる。また、このクランク角の範
囲は固定しておく必要はなく、内燃機関の回転数に応じ
て、例えば検出するクランク角の範囲の開始点を早める
方向へ変更し、その範囲を広げることも有効である。

吸入空気量算出手段M4は、圧力センサM3の出力する圧力
検出信号を用い、所定のクランク角の範囲における圧力
検出信号から吸入空気量を求めるものである。このクラ
ンク角の範囲で、例えば圧力検出信号の平均値あるいは
積分値を用いて、充填効率を加味した吸入空気量を求め
るのである。

吸入空気量算出手段M4は、ディスクリートな回路構成と
してもよいが、周知のマイクロプロセッサを用いた論理
演算回路として構成してもよい。この時、予め定められ
た手順に従って所定の処理・判断を実行することにより
吸入空気量算出手段は実現され、例えばクランク角を検
出する手段の一部と一体に構成することもできる。

［作用］ ６気筒の内燃機関においては、各気筒の吸気ポートは、
第８図に示す様に、高周波の脈動によって圧力が変動す
る。従って、この様に変動する圧力から精密に吸入空気
量を求めるためには、各気筒毎に圧力センサを設ける方
法が考えられる。ところが、各気筒毎に圧力センサを設
けることは、圧力センサの取り付け工程及び作業の増
加，それに伴う検査の増加，故障の増加，更にはコスト
アップ等の不具合の発生が予想され、工業的に必ずしも
望ましいものとは言えない。

そこで、本発明では、６気筒の可変吸気管長システムに
おいて、可変吸気管長用の切換弁が閉弁された時に、第
８図の様に、サージタンク内には、各気筒が１回づつ爆
発しても（０〜720゜CAの間）、ほぼ一様な波として圧
力が発生し、しかもこの波は、各吸気ポートの圧力変動
と大体一致することに着目した。

つまり、分割された各サージタンクの圧力変動は、各吸
気ポートの圧力変動とほぼ一致するので、各サージタン
クに各々圧力センサを設け、この圧力センサによって各
サージタンク内の圧力を検出することにより、全ての気
筒の吸入空気量を精度良く検出することが可能となる。

しかも、本発明では、６気筒の内燃機関の吸入空気量を
精度良く検出できるにもかかわらず、使用する圧力セン
サはわずか２つで済むことになる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
第２図は本発明一実施例として内燃機関の吸気系をその
周辺装置と共に模式的に示す概略構成図である。

図示する如く、６気筒（＃１ないし＃６）の内燃機関１
は第1,第2,第３気筒を第１グループ、第4,第5,第６気筒
を第２グループとして吸気系が２分されている。各気筒
に対応したインテークマニホルド２ないし７のうちイン
テークマニホルド2,3,4は、サージタンク10に、インテ
ークマニホルド5,6,7はサージタンク12に各々合流して
おり、２つのサージタンク10,12は第１切換弁14の開閉
により連通または遮断されるよう構成されている。さら
にその上流側には、第２切換弁18によって隔壁された分
枝管20,22が設けられており、２つの分枝管20,22はその
上流、スロットルバルブ24の下流で合流するよう構成さ
れている。

この他、内燃機関の出力軸28には、内燃機関１の回転数
NEに応じた周期のパルス信号を出力することによって検
出する回転数センサ30が、サージタンク10,12にはサー
ジタンク10,12の圧力を導圧管32,34を介して検出する半
導体タイプの圧力センサ36,38が各々設けられている。

また第２図において、40は内燃機関１の吸気通路長さの
制御やその他の燃料噴射制御等を行なうと共に、圧力検
出回路50と制御信号をやりとりして、クランク角検出手
段及び吸入空気量算出手段として働く電子制御回路（EC
U）である。ECU40は周知のセントラルプロセッシングユ
ニット（CPU）61やROM62,RAM63等を中心に、入力ポート
65,出力ポート68等をコモンバス69を介して相互に接続
して構成されている。CPU61は予めROM62内に記憶された
プログラムに従って、内燃機関１の運転条件、例えば回
転数NEや吸入空気量Ｑあるいは冷却水温等を特に図示し
ないセンサ等から入力ポート65を介して読み込んで、内
燃機関１の燃料噴射量等を求め、出力ポート68を介して
図示しない燃料噴射弁の開弁時間を制御するといった燃
料噴射制御等を行なっているが、これらの制御について
は本発明の要旨には直接関係しないので省略する。

また、CPU61は回転数センサ30から読み込んだ回転数NE
に基づいて、第1,第２切換弁14,18を開閉することによ
り、吸気通路の長さを変更する制御も行なっている。即
ち、内燃機関の回転数NEが低い時には第1,第２切換弁1
4,18を共に閉状態とするように出力ポート68を介して駆
動信号を出力し、吸気通路の長さを各気筒の吸気ポート
から分枝管20,22の分流点（第２図ａ点）までとするの
である。この結果、吸気系の圧力振動の周期は長くな
り、吸気系の動的効果によって低回転域での充填効率は
高くされる。内燃機関１の回転数NEが高くなるに従っ
て、順次第２切換弁18,第１切換弁14を開いてゆくと、
吸気通路の長さは短くなり、圧力振動の周期は短くなる
ので、高回転域においても、圧力振動と各気筒の吸気行
程の周期とのマッチングをとることができ、充填効率を
高く維持することができる。

以上簡単に説明した吸気通路長の制御は、先行技術にも
開示されており、本発明実施例の説明に特に必要ないの
で、CPU61において実行される処理手順を詳しく説明す
ることは行なわない。

次に第３図に依拠して圧力検出回路50の構成について説
明し、併せて、第４図のフローチャートに拠って圧力検
出回路50と制御信号をやりとりする為のECU40内の制御
手順について説明する。

第３図に示すように、圧力検出回路50は２つの積分回路
70,71、加算回路73及びサンプルホールド回路75から構
成され、圧力センサ36,38より吸気系の圧力検出信号P1,
P2を入力し、ECU40より制御信号RST1,RST2,SHを入力
し、ECU40に出力信号をVpを出力している。

積分回路70,71は互いに等価な回路であって、コンデン
サC1（C2）をオペアンプOP1（OP2）に付加した一般的な
積分回路として抵抗器R1,R2,（R3,R4）と共に構成され
ている。コンデンサC1（C2）に並列にドレイン−ソース
端子を接続された電界効果型トランジスタFET1（FET2）
は、ゲートにECU40からの制御信号RST1（RST2）が接続
されており、制御信号RST1（RST2）がハイレベルの時に
ドレイン−ソース間をオフ状態とし、オペアンプOP1（O
P2）に積分動作を行なわせ、積分信号VI1（VI2）を出力
するよう働く。

加算回路73はオペアンプOP3を中心に抵抗器R8ないしR12
から単純な反転増幅器として構成されており、抵抗器R
7,R8を介して上記の積分信号VI1,VI2を入力することに
より、両信号を加算して増幅し、加算信号Vadを出力す
る。

この加算信号Vadは次段のサンプルホールド回路75に入
力されて制御信号SHに同期してホールドされ、出力信号
Vpとして出力される。サンプルホールド回路75はオペア
ンプOP3,OP4を中心に、電界効果トランジスタFET3とコ
ンデンサC3,ダイオードD1による充放電回路及び抵抗器R
13,R14から構成されている。制御信号SHがハイレベルと
なった時、電界効果トランジスタFET3のドレイン−ソー
ス間が導通状態となり、コンデンサC3の両端の電圧が加
算信号Vadの電圧と等しくなる。その後、制御信号SHが
ロウレベルとなると電界効果トランジスタFET3がオフ状
態となる為、出力信号Vpは最善の加算信号Vadの電圧レ
ベルに保持されるのである。

一方、上記の説明に用いた制御信号RST1,RST2,SHは次の
如く出力されている。即ち、第４図のフローチャートに
示すように、ECP40において行なわれる次の処理に従う
タイミングで出力されるのである。第４図の制御ルーチ
ンは、回転数センサ30より入力される30゜CA毎のパルス
信号を更に補間してクランク角の10゜CAを検出し、この
10゜CA毎に起動されるルーチンであるが、まず第４図の
各処理・判断について説明する。

ステップ100:回転数センサ30からのパルス信号によって
本制御ルーチンが起動された時点のクランク角を知るこ
とができるので、現在吸気行程にある気筒が第１グルー
プに属する気筒、即ち気筒番号＃1,＃2,＃３のいずれか
であるか否かの判断を行なう。

ステップ110:ステップ100での判断が「YES」である時に
実行され、現在のクランク角が何度であるかの判定を行
なう。本制御ルーチンを起動したクランク角が、吸気行
程後下死点前（BBDC）20゜CAであるか、吸気行程後下死
点後（ABDC）10゜CAであるか、それ以外のクランク角で
あるか、の判定を行なう。

ステップ120:ステップ100での判断が「NO」の時実行さ
れ、ステップ110と全く同一の判定を行なう。即ち、ス
テップ110でのクランク角の判定が第１グループの気筒
（＃1,＃2,＃３）について行なわれるのに対して、ステ
ップ120では第２グループの気筒（＃4,＃5,＃６）につ
いて判定が行なわれるのである。

ステップ130:制御信号RST1をハイレベルにする処理を行
なう。この処理は、圧力検出回路50の積分回路70に対し
て積分の開始を指令する。

ステップ140,ステップ150:制御信号SHを1msecの間、ハ
イレベルにする処理を行なう。これは、クランク角が吸
入空気量測定のクランク角の範囲の終了に至ったとし
て、圧力検出回路50内のサンプルホールド回路75に現在
の信号値を保持するように指令することに対応した処理
である。

ステップ160:制御信号RST1をロウレベルにする処理を行
なう。この処理は上記の積分回路70に対して、吸入空気
量の測定が終了したとして、積分の終了を指令するので
ある。

ステップ170:制御信号RST2をハイレベルにする処理を行
なう。ステップ130と同様の処理を、第２グループの気
筒の圧力センサ38に対応した積分回路71に指令するので
ある。

ステップ180:制御信号RST2をロウレベルにする処理を行
なう。ステップ160と同様に積分回路71に積分の終了を
指令する。

以上の各ステップから、第４図の如く構成された本制御
ルーチンによれば、各々の気筒の吸気行程に関し、第１
グループの気筒（＃1,＃2,＃３）のBBDC20゜CAよりABDC
10゜CAに至るまでの圧力センサ36の信号を制御信号RST1
により積分し、一方、第２グループの気筒（＃4,5,6）
についても同様に制御信号RST2によりBBDC20゜CAよりAB
DC10゜CAに至るまでの圧力センサ38の信号を積分する処
理が行なわれる。そして、両者の積分信号VI1,VI2を加
算した信号Vadを、その積分終了の時点（ABDC10゜CA）
で保持し、これを吸入空気量に対応した出力信号Vpとし
てECU40に取り込むのである。

こうした一連の処理による各信号の様子を第５図のタイ
ミングチャートに示した。図から明らかなように、BBDC
20゜CAからABDC10゜CAに至る30゜CAでは、サージタンク
10,12における圧力は上昇過程にあり、積分することに
よってその間での平均の大きさが検出されることにな
る。そのクランク角の範囲の圧力が吸入空気の充填効率
によく対応していることから、これを各気筒の吸入空気
量とすることができる。もっとも第７図に示した短期成
分Ａによる充填効率の向上は直接検出できないので、予
めこれは計測しておき、第６図に示した唯ひとつのマッ
プによって、サージタンク10,12での圧力に対応した出
力信号Vpから吸入空気量Ｑを求めるよう構成しておけば
よい。

以上のように構成された本実施例においては吸気通路の
長さを切換弁14,18によって制御し、吸気の動的効果に
よって吸入空気の充填効率を向上させるよう構成された
内燃機関１において、吸入空気量Ｑは、サージタンク1
0,12に設けられた圧力センサ36,38を用いて吸気行程に
ある気筒のBBDC20゜CAからABDC10゜CAに至る30゜CAのク
ランク角の範囲の圧力の積分値として測定されるよう構
成されている。従って、充填効率を最もよく反映した圧
力を用いて吸入空気量を測定することができる。また、
吸入空気量Ｑを検出するのに、圧力変動があるにもかか
わらず、吸気管圧力を用いることができるので、ベーン
式のエアフロメータ等と較べて良好な応答性を得ること
もできている。このことは、２つに分流された吸気系の
サージタンク10,12の各々に圧力センサ36,38を設けてい
ることによっても改善されている。従って、各気筒毎の
吸入空気量を高い応答性で検出することができ、例えば
独立気筒燃料噴射システムと組合わせれば、極めて高い
レスポンスで正確に燃料噴射量を制御することができ、
空燃比制御等も緻密なものとすることができる。更に、
本実施例によれば圧力検出回路50としては簡易な積分回
路70,71等を用いているにすぎず、簡略な構成により正
確な吸入空気量の検出が可能となっている。また、吸気
通路の長さや吸気管圧力の検出タイミング等に応じて複
数のマップを切換えて吸入空気量を求めるといった繁雑
な手間を必要とせず、全体を簡易な構成とすることがで
きる。

本実施例によれば、以上述べた種々の効果を得ることが
でき、吸入空気量Ｑを正確に測定できることから、空燃
比制御や燃料噴射量制御、更には点火時期制御等の制御
特性を向上させることができ、吸気系の動的効果を用い
た過給を行なう内燃機関１の性能を最大限に引き出すこ
とができる。しかも、本実施例では、６気筒の内燃機関
１の吸入空気量を精度良く検出できるにもかかわらず、
使用する圧力センサ36,38はわずか２つで済むという利
点がある。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
この実施例に何等限定されるものではなく、例えば圧力
センサ36,38を導圧管32,34を用いることなく直接サージ
タンク10,12に設け応答性を高めた構成や、吸気管の圧
力の検出を開始するクランク角の範囲をBBDC20゜CAに固
定せず、回転数に応じて早めるといった構成など、本発
明の要旨を変更しない範囲において、種々なる態様にて
実施し得ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の内燃機関の吸入空気量測
定装置によれば、吸気の動的効果を用いて充填効率を高
めるように構成された内燃機関において、圧力振動の存
在する吸気系の圧力から正確に吸入空気量を測定するこ
とができるという優れた効果を奏する。また、吸気管圧
力を用いるので、簡易な構成で各気筒の吸気行程による
吸入空気量を応答性良く検出することができ、吸気管圧
力から吸入空気量を求めるマップも多数用いる必要がな
いという利点も得られている。

従って、本発明の内燃機関の吸入空気量測定装置によれ
ば、吸気の動的効果を積極的に利用して過給を行なう吸
気通路長可変内燃機関の機能を最大限に引き出すことが
でき、正確に測定された吸入空気量を用いて、緻密な空
燃引制御や点火時期制御等を行なって、それらの制御特
定を一層向上させることができる。しかも、本発明で
は、６気筒の内燃機関の吸入空気量を精度良く検出でき
るにもかかわらず、使用する圧力センサはわずか２つで
済むという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成図、第２図は本発明一実施
例における内燃機関１とその周辺装置の構成を示す概略
構成図、第３図は圧力検出回路50の回路図、第４図は実
施例におけるECU40の制御例を示すフローチャート、第
５図は実施例における制御の一例を示すタイミングチャ
ート、第６図は吸気管圧力に対応した出力信号Vpから吸
入空気量Ｑを求めるマップ、第７図は吸気通路の長さを
変えた場合の吸気系の圧力信号の様子を説明する模式
図、第８図は吸気系の圧力振動の一例を示すグラフ、で
ある。 １……内燃機関 2,3,4,5,6,7……インテークマニホールド 10,12……サージタンク 14,18……切換弁 20,22……分枝管 30……回転数センサ 36,38……圧力センサ 40……電子制御回路（ECU） 50……圧力検出回路 61……CPU 70,71……積分回路 73……加算回路 75……サンプルホールド回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気通路の長さを可変とする６気筒の内燃
   機関の吸入空気量測定装置において、 各気筒に連通するサージタンクを２分割して形成された
   一対の分割サージタンクと、 該両分割サージタンクの連通路に設けられた可変吸気管
   長用の切換弁と、 前記両分割サージタンクの各々に設けられた圧力センサ
   と、 該各圧力センサからの信号に基づき、前記各気筒の吸気
   行程終了付近の所定のクランク角における吸入空気量を
   求める吸入空気量算出手段と、 を備えたことを特徴とする吸入空気量測定装置。