JPH0436053A - 内燃機関の吸入空気制御装置 - 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、シリンダに吸入される空気量を制御する内燃
機関の吸入空気制御装置に関する。

〈従来の技術〉 内燃機関の吸入空気制御装置の従来例として、Ｓ、Ａ、
Ｅ、ペーパー８８０３８８の第２図に示すようなものか
ある。

すなわち、吸気弁上流の吸気通路にロータリバルブを介
装し、このロータリバルブを吸気弁の開閉に動悸して開
弁させるようにしている。そして、吸気弁とロータリバ
ルブとの開弁オーバラップ時に、空気を燃焼室にピスト
ンの下降によって吸入するようにしている。ここで、ロ
ータリバルブによって、吸気弁の開弁初期にロータリバ
ルブ下流の空気圧力を略大気圧にすることによりボンピ
ングロスを低減するようにしている。

また、ロータリバルブと吸気弁との間の吸気通路容積が
比較的大きいときには、ボンピングロスの低減効果が小
さくなるかロータリバルブ上流の吸気通路に絞弁を設け
るようにしている（Ｓ、　Ａ。

Ｅ、ペーパー８８０３８８の第９図参照）。そして、絞
弁により空気を絞り吸気通路内の圧力を予め大気圧より
も低士させておくことにより、ピストンが下死点に位置
するときの燃焼室圧力をアイドル運転時に例えば−５５
０，Ｈ，に設定できるようにしている。

さらに、吸気弁上流にロータリバルブを備えるものとし
て、特開昭５５−１４８９３２号公報等が挙げられる。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、このような従来の吸入空気制御装置にお
いては、吸気弁と直列にロータリバルブを設けるように
しているので、ロータリバルブの回転位相を変化させる
ためにギアを複数個組合わせて行う複雑な構造になるた
め、摩擦損失が大きく総合的に見るとポンピングロスの
低減効果が低下するという不具合がある。また、複雑な
構造のため気筒毎に吸入空気流量を制御するのが困難で
あるという不具合がある。

これを解決するために、本願出願人は、特願平１−２９
６０７２号にて、気筒毎に独立して設けられた絞弁のバ
イパス通路に開閉弁を介装し、これら開閉弁を吸気弁の
開閉動作に応じて電磁アクチュエータにより開閉駆動し
て低負荷域の吸入空気流量をボンピングロスを低減しつ
つ制御するものを、提案している。

しかし、かかる開閉弁制御においては、絞弁開度が低開
度（機関回転速度によって変化するか例えば８００．、
　、、、のときで２０°）のときに、絞弁が高開度のと
きよりも、燃焼室に吸入される吸入空気流量が多くなる
ことが実験にて確認されており、これに伴って高開度時
に出力トルクの低下を招くという不具合がある。

これは、絞弁開度か所定開度のときに、燃焼室容積がピ
ストンの動作に伴って変化するために発生するのである
。

すなわち、ピストンの下降に伴って燃焼室容積は増大す
るがこの増加速度に燃焼室に流入する吸入空気流量の増
加速度が追従できず燃焼室圧力は低下する。このとき、
通常は吸気弁が閉じる時の燃焼室容積よりも流入した吸
入空気流量か少ないので、吸気弁が閉じる時の燃焼室圧
力は負圧となる。

ところで、吸気弁の閉弁タイミングは吸気弁の慣性効果
を考慮して下死点以降に設定されているもの対して前記
先願（特願平１−２９６０７２号）のように、絞弁下流
の吸気圧力が吸気弁か開いたときに略大気圧力になるよ
うに、開閉弁を制御するのものを適用した場合、下死点
以降において、燃焼室容積の減少と共に燃焼室圧力が増
加して燃焼室容積と流入した吸入空気流量とが同じにな
ると、燃焼室圧力が大気圧力となる。その後、燃焼室容
積の減少に伴って燃焼室圧力は大気圧力以上に上昇する
が、吸気弁の閉じるタイミングまでは燃焼室の吸気が吸
気弁を介して吸気通路に逆流する。このとき、絞弁開度
が低いときには絞弁の絞り効果によって絞弁の間隙から
絞弁上流に逆流する吸入空気流量が絞弁の高開度時より
も少なくなる。

このため、第８図に示すように、吸気弁が閉じたときの
燃焼室圧力換言すれば燃焼室の吸入空気流量は絞弁か低
開度の時に高開度のときよりも多くなるのである。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、低
負荷運転時の出力トルクを簡易な構成で最適に維持しつ
つ高開度時の比カトルクの低下を防止できる内燃機関の
吸入空気流量制御装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため、本発明は第１図に示すように、ピストン下降
時に吸気弁Ａを關いて燃焼室Ｂに空気を吸入するように
したものにおいて、気筒毎に設けられ各気筒の吸気弁Ａ
に連通ずる吸気通路Ｃを開閉路する第１開閉弁りと、各
第１開閉弁り下流の吸気通路Ｃに少なくとも連通しかつ
前記吸気通路Ｃより通路断面積の小さな連通路Ｅと、こ
れら連通路を夫々開閉する第２開閉弁Ｆと、各第２開閉
弁を駆動する駆動手段Ｇと１、機関回転速度を検圧する
機関回転速度検出絞弁Ｈと、検出された機関回転速度に
基づいて、吸気弁が閉じるときに燃焼室圧力が略最大と
なる最大制限開度を設定する制限開度設定手段■と、設
定された最大制限開度に基づいて前記第１開閉弁りの最
大開度を規制する開度制限手段Ｊと、を備えるようにし
た。

〈作用〉 このようにして、第１開閉弁下流の吸気通路に連通ずる
連通路に第２開閉弁を介装して、吸気弁が閉じてから關
くまでの期間に第２開閉弁を通過する吸入空気流量によ
り第１の開閉弁と吸気弁との間の吸気管小容積部の圧力
を短時間すなわち吸気弁が閉じている間に第１開閉弁上
流の吸気圧力まで上昇させるようにした。

これにより、吸気行程における燃焼室での吸気圧力変化
を最適に制御してポンピングロスの低減効果を大幅に向
上させ、もって特に低負荷運転時において機関の出力ト
ルクを最大限に発揮できると共に気筒毎に吸入空気流量
を制御できるようにした。

さらに、最大制限開度に基づいて第１開閉弁の最大開度
を規制することにより、第１開閉弁の高開度時に吸入空
気流量が逆流するのを抑制して出力トルクの低下を防止
するようにした。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を第２図〜第７図に基づいて説
明する。尚、本実施例においては、４気筒内燃機関を例
にとり説明する。

第２図及び第３図において、気筒毎に独立した吸気通路
１にはアクセルペダルの踏込動作に連動する第１開閉弁
としてのバタフライ式の絞弁２が吸気弁３と直列に配設
された夫々介装され、各絞弁２をバイパスする連通路と
してのバイパス通路４が夫々形成されている。前記バイ
パス通路４には第２開閉弁５が夫々介装され、第２開閉
弁５は駆動手段としての電磁式アクチュエータ５Ａによ
り開閉駆動される。前記アクチュエータ５Ａには制限開
度設定手段としての制御装置６から制御信号が入力され
ている。ここで、前記絞弁２から吸気弁３に至る吸気通
路１の容積は、燃焼室の最大容積（ピストンが下死点に
あるときの燃焼室容積）の約１７２に設定されている。

前記制御装置６には、機関回転速度検出手段としてのク
ランク角センサ７からのレファレンス信号（クランク角
度で１８０゜毎）及びポジション信号（クランク角度で
例えば１°毎）と、各気筒の点火栓（図示せず）の座金
部に埋込まれた筒内圧センサ（図示せず）からの筒内圧
検出信号と、アクセルペダル８の踏込角度を検出するア
クセルセンサ９からの検出信号と、か入力されている。

また、前記絞弁２の弁軸の一端部には、第３図に示すよ
うに、変速ギヤｌＯが取付けられ、前記絞弁２は変速ギ
ヤ１０を介してモータ１１により開弁駆動される。前記
モータ１１にはスロットルコントローラ１２から通電さ
れるようになっている。前記スロットルコントローラ１
２には絞弁２の開度を検出するスロットル弁センサ１３
から検出信号か入力されている。

前記スロットルセンサ１３には前記制御装置６から相互
通信によりアクセルセンサ９にて検出されたアクセルペ
ダル８の踏込角度に対応する目標絞弁開度と後述の最大
制限開度とのいずれかが入力される。前記スロットルコ
ントローラ１２は、前記絞弁２開度か前記目標絞弁開度
と最大制限開度との一方になるように、スロットルセン
サ１３の検出信号に基づいてフィードバック制御により
、モータ１１を駆動するようになっている。

尚、１４は絞弁２を閉弁方向に付勢するリターンスプリ
ング、１５は絞弁２の閉弁位置を規制するストッパ、１
６は燃料噴射弁である。

次に作用を第５図のフローチャートに従って説明する。

このルーチンは一定時間（例えば１０．、、。）毎に実
行される。

まず、第２開閉弁５の開閉制御を説明すると、筒内圧セ
ンサにより燃料開始直前の燃焼室圧力を気筒毎に複数回
（例えば４回）検出した後、検出された複数回の燃焼室
圧力を気筒毎に平均化して平均燃焼室圧力を気筒毎に求
める。

そして、各気筒の平均燃焼室圧力を平均して金気筒の総
平均燃焼室圧力を求め、この総平均燃焼室圧力から各気
筒の平均燃焼室圧力を減算してずれ分を気筒毎に求めた
後、このずれ分に基づいて金気筒の出力トルクが略同様
になるようにアクチュエータ５Ａの制御値を気筒毎に算
出する。

そして、算出された制御値に対応する制御信号を対応す
る気筒のアクチュエータ５Ａに出力し、第２開閉弁５の
開度を気筒毎に制御する。

かかる制御時における第２開閉弁５の開度変化及び絞り
弁２下流の吸気圧力変化を第４図のタイムチャートに従
って説明する。尚、この説明では絞り弁２の全閉時すな
わちアイドル運転時を例にとり説明し、第４図中吸気は
吸気行程を示し圧縮は圧縮行程を示し、爆発は爆発行程
を示し、排気は排気行程を示す。

すなわち、吸気弁３が開き始める吸気行程開始時におい
て、絞弁２下流の吸気圧力が大気圧になるように、圧縮
行程から爆発行程にて第２開閉弁５を全開させる。これ
により、絞弁２下流の吸気圧力は第４図中Ｃに示すよう
に、吸気行程におけるピストン下死点時の吸気圧力（吸
気行程終了時の吸気圧であってアイドル運転時には例え
ば−５５０〜−５７０，、Ｈ，）から大気圧力付近まで
上昇する。

ここで、吸気行程開始時の吸気圧力が大気圧になるよう
に第２開閉弁５を常時一定開度に保持させて開弁すると
、吸気圧力は第４図中Ａに示すようになり燃焼室に吸入
される吸入空気流量が希望値よりも多くなる。また、ピ
ストン下死点時の吸気圧力が前記−５５０〜−５７０，
、Ｈ、になるように第２開閉弁５の開度を常時小さく設
定すると、吸気行程開始時の吸気圧力が第４図中Ｂに示
すように大気圧にならない。

そこで、本実施例では、吸気弁３が開く時点で第２開閉
弁５の開度を全開から所定開度まで閉弁駆動する。これ
により、第４図中Ｃに示すように吸気弁３が開く時点で
の吸気圧力を大気圧付近に設定すると共に吸気行程終了
時の吸気圧力を所定値に設定し、吸入空気流量を所定値
に設定できるようにしたのである。具体的には、吸気弁
３の開閉期間中に第２開閉弁５を全開し吸気弁３が開く
直前に第２開閉弁５を所定開度まで閉弁する。

このようにして、第２開閉弁５の開度を制御すると、第
２開閉弁５の開度は機関回転速度に比例した単純な制御
で行える。これは吸気行程開始時の吸気圧力か大気圧と
すると、絞り弁２下流の吸気通路１の容積と、ピストン
の下降に伴って増加する燃焼室の容積と、の比から吸気
空気流量を知ることかでき、これによって不足分を第２
開閉弁５の開度制御により補えば良いからである。

ここで、第４図において第２開閉弁５の閉弁タイミング
を吸気行程開始前（排気行程に入ったところ）に設定し
ているのは、制御系の応答遅れを考慮しているためであ
り、実際には第２開閉弁５は吸気弁３が開く直前に所定
開度に切換られる。

尚、アクチュエータ５Ａをオン・オフデユーティ信号に
より制御してバイパス通路の吸入空気流量を前述の如く
制御しても良い。

次に、絞弁開度制御を説明すると、制御装置６はアクセ
ルセンサ９により検出されたアクセルペダル８の踏込角
度から目標絞弁開度を設定し、この目標絞弁開度をスロ
ットルコントローラ１２に出カスる。スロットルコント
ローラ１２は、スロットルセンサ１３の検出信号に基づ
いて、絞弁２の開度が前記目標絞弁開度になるように、
モータｌｌ−＼の通電量を制御する。

かかる制御中に第５図のフローチャートに示すルーチン
か実行される。

すなわち、Ｓｌでは、クランク角センサ７により検出さ
れた機関回転速度を読込む。

Ｓ２では、読込まれた機関回転速度に基づいて、マツプ
から最大制限開度を検索する。この最大制限開度は、第
６図に示すように、機関回転速度が高くなるに従って大
きくなるように設定されており、前記機関回転速度か一
定のときに、絞弁開度を変化させた場合に吸気弁を閉じ
る時の燃焼室圧力か最大となる値になっている。

Ｓ３では、前記目標絞弁開度か前記最大制限開度を超え
ているか否かを判定し、ＹＥＳのときにはＳ４に進みＮ
Ｏのときにはルーチンを終了させる。

Ｓ４では、前記最大制限開度を目標絞弁開度に設定して
、スロットルコントローラ１２に出力する。

これにより、スロットルコントローラ１２は、アクセル
ペダル８の踏込角度が大きくなっても、この踏込み角度
に拘わらす絞弁２の最大開度を前記最大制限開度に保持
するようにスロットルセンサ１３の検出信号に基づいて
モータ１１をフィードバック制御する。従って、スロッ
トルコントローラ１２とモータ１１とが開度制限手段を
構成する。

以上説明したように、絞り弁２をバイパスするバイパス
通路４に第２開閉弁５を気筒毎に配設する共に、各絞弁
２下流の吸気通路１の容積を燃焼室の最大容積の１／２
に設定し、かつ吸気弁３が開く時点の絞り弁２下流の吸
気圧力を大気圧近傍になるように第２開閉弁５を全開さ
せると共に吸気行程においては第２開閉弁５を所定開度
まで閉弁駆動させるようにしたので、以下の効果がある
。

すなわち、吸気弁３が開き始めたときには燃焼室圧力（
吸気通路１の吸気圧力と略同様）が大気圧近傍に維持さ
れるので、ピストンの下降に伴って燃焼室圧力は大気圧
からアイドル運転時におけるピストン下死点位置での燃
焼室圧力（例えば−５５０〜−５７Ｌ、Ｈ、）まで略直
線的に低下する。

したがって従来の絞り弁制御のみによる吸気圧力変化よ
りもボンピングロスを大幅に低減できるため、機関出力
を最大限に発揮できる。また、バイパス通路４の第２開
閉弁５を電磁式アクチュエータ５Ａにより制御するよう
にしたので従来のものより構造を簡易化できる。

ここで、絞り弁２から吸気弁３に至る吸気通路ｌの容積
を、燃焼室の最大容積の１７２以下に設定する理由を説
明する。前記燃焼室の最大容積をＡと改定し、絞り弁２
から吸気弁３に至る吸気通路ｌの容積をＢと仮定し圧縮
比を１７１Ｏと仮定し、またアイドル運転時のピストン
下死点位置における燃焼室圧力（吸気圧力）を−４５６
，Ｈ，（高回転型のエンジンではバルブオーバーラツプ
期間が大きいのでこの程度の値になる）と仮定して説明
する。

すなわち、ピストン上死点時における吸気通路１と燃焼
室との総容積は（Ａ／１０＋Ｂ）となり、またピストン
下死点上死点における吸気通路１と燃焼室との総容積は
（Ａ＋Ｂ）となる。かかる状態で大気圧（１気圧）から
−４５０，、Ｈ，（０，４気圧）に燃焼室圧力及び吸気
圧力が変化するときには（Ａ／ｌｏ十Ｂ）／　（Ａ＋Ｂ
）＝０．４となり、これを解くとＡ＝２Ｂとなる。

したかって、前記吸気通路ｌの容積が燃焼室の最大容積
の約１７２以下のときに、アイドル運転時等の低負荷運
転時に最適なピストン下死点位置における燃焼室圧力を
確保できるのである。

また、金気筒の総平均燃焼室圧力から各気筒毎にズレ分
（偏差）を求めるようにしたので、各気筒の燃焼室圧力
が前記総平均燃焼室圧力に近づくようになるため、燃焼
圧力を金気筒にて略同様にできる。これによって全気筒
の出力トルクを略同様にできるので、アイドル運転時の
運転性を安定化できる。

また、各気筒において、−燃焼行程（レファレンス信号
）毎にアクチュエータ５Ａの制御値を求めるようにした
ので、各気筒においても、出力トルク及び機関回転速度
を略同様にでき、これによってもアイドル運転時の運転
性を安定化できる。

さらに、アクセルペダル８の踏込角度に拘わらず絞弁２
の最大開度を、吸気弁３か閉じるときに燃焼室圧力か最
大となる最大制限開度に規制するようにしたので、下死
点以降において絞弁２を介して逆流する吸入空気流量を
抑制できる。したかって、燃焼室圧力を（吸入された吸
入空気流量）を、第７図に示すように、最大制御開度時
の値に維持できるため、高開度の出力トルクの低下を防
止できる。

尚、実施例においては、燃焼室圧力から機関の出力トル
クを予測するようにしたか、吸気圧力、吸気空気流量、
機関の空燃比（例えば排気中の酸素濃度がら空燃比を検
出する酸素センサの検出信号）或いは実際の出力トルク
に基づいて第２開閉弁を制御してもよい。また、絞り弁
をバイパスするバイパス通路に第２開閉弁を介装するよ
うにしたが、例えば外部に設けられた蓄圧式のタンクと
絞り弁下流の吸気通路とを連通させこの連通路に第２開
閉弁を介装させるようにしてもよい。

〈発明の効果〉 本発明は、以上説明したように、各気筒毎に設けられた
第１開閉弁下流の吸気通路に連通ずる連通路に第２開閉
弁を介装し、吸気弁が閉じてから開くまでの期間に第２
開閉弁を通過する吸入空気流量により第１開閉弁から吸
気弁に至る吸気通路の小容積部の圧力を上昇させ、吸気
弁が開いた時点での第１開閉弁下流の吸気圧力を大気圧
力近傍になるようにしたので、簡易な構成ボンピングロ
スを大幅に低減して低負荷運転時における出力トルクを
向上できると共に気筒毎に吸入空気量を制御できる。

また、第１開閉弁の開度を最大制限開度に規制するよう
にしたので、第１開閉弁の高開度時に燃焼室圧力の低下
を抑制できるため、出力トルクの低下を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は本発明の一
実施例を示す要部構成図、第３図は同上の全体構成図、
第４図は同上のタイムチャート、第５図は同上のフロー
チャート、第６図〜第７図は同上の作用を説明するため
の図、第８図は従来例の作用を説明するための図である
。 ■・・・吸気通路　　２・・・絞弁　　４・・・バイパ
ス通路　　５・・・第２開閉弁　　５Ａ・・・電磁式ア
クチュエータ　　６・・・制御装置 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　富二雄 ｖ、３図 ＠　Ｙ　ｓＷＥ　’ｉｉ敗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストン下降時に吸気弁を開いて燃焼室に空気を吸入す
   るようにした内燃機関において、気筒毎に設けられ各気
   筒の吸気弁に連通する吸気通路を開閉路する第１開閉弁
   と、各第１開閉弁下流の吸気通路に少なくとも連通しか
   つ前記吸気通路より通路断面積の小さな連通路と、これ
   ら連通路を夫々開閉する第２開閉弁と、各第２開閉弁を
   駆動する駆動手段と、機関回転速度を検出する機関回転
   速度検出手段と、検出された機関回転速度に基づいて、
   吸気弁が閉じるときに燃焼室圧力が略最大となる最大制
   限開度を設定する制限開度設定手段と、設定された最大
   制限開度に基づいて前記第１開閉弁の最大開度を規制す
   る開度制限手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関
   の吸入空気制御装置。