JP4507933B2 - 多気筒エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は多気筒エンジンの制御装置に関し、特に、インパルス（気筒内に導入される高圧の圧力波）を生成するパルス発生装置を備えた多気筒エンジンの制御装置に関する。

従来より、インテークマニホールドのサージタンクと、サージタンクから分岐して各気筒の吸気ポートに接続された分岐管が設けられた多気筒エンジンの制御装置において、体積効率を高める技術が種々開発されている。

例えば、特許文献１には、吸気ポート毎に通路長の異なる複数の吸気通路を設け、これら吸気通路を切替弁によって択一的にサージタンクと連通する技術が開示されている。

他方、非特許文献１には、インパルスによる低運転領域のトルクアップを図る技術が開示されている。その構成では、インテークマニホールドの分岐管途中に、当該分岐管の経路方向にストロークする電磁弁を設け、吸気行程の途中までは、電磁弁を閉じて負圧を形成し、吸気行程の下死点近傍にて電磁弁を開放することによって、急激に気筒内に空気を供給する構成が開示されている。

また、特許文献２、非特許文献２には、インパルスを生成する装置として、フラップ弁を用いてパルスを発生させる装置が開示されている。
特開２００３−４１９３９号公報 特開２０００−２４８９４６号公報 Impulse charging boosts torque at low speed , Findlay Publications社 「European Automotive Design」２００４年２月号掲載 Development of an Actuator for a Fast Moving Flap for impulse Charging , Findlay Publications社 「European Automotive Design」２００３年１月号掲載

エンジンの燃費を抑制しつつ出力性能を高めるためには、全ての運転領域にわたってポンピングロスを抑制しつつ充分な体積効率を確保する必要がある。

しかるに、上述したパルス発生装置においては、体積効率が高まるので、出力は向上するものの、当該パルス発生装置の開弁時に大きな負圧が生じるため、ポンピングロスも高くなり、燃費は低下する。そのため、単にパルス発生装置を用いただけでは、全ての運転領域に対応して燃費と出力とのバランスを取ることができなかった。

本発明は上述のような不具合に鑑みてなされたものであり、運転領域に応じて燃費と出力とをバランスさせることのできる多気筒エンジンの制御装置を提供することを課題としている。

前記課題を解決するために、本発明は、複数の気筒の各吸気ポートに空気を供給する吸気管と、各吸気管の上流端がそれぞれ開口する集合部と、各気筒の吸気行程に対応して、吸気ポートの開弁期間内の吸気行程途中で開弁して、気筒内に圧力波を生成するパルス発生装置とを備えた多気筒エンジンの制御装置において、エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記吸気管に連通する容積部と、容積部と吸気管との連通部分を開閉する容積部開閉機構と、前記エンジン回転数検出手段の検出に基づいてパルス発生装置の運転および容積部開閉機構の開閉動作を制御する制御手段とを設け、各吸気管の吸気ポート下流端から前記容積部までの吸気通路長は、第１の所定回転数以上の高速運転領域で動的過給できる長さに設定し、各吸気管の吸気ポート下流端から前記集合部までの吸気通路長は、前記第１の所定回転数よりも少ない第２の所定回転数以上の中速運転領域で動的過給できる長さに設定し、前記制御手段は、前記第１の所定回転数以上では、容積部を開くように容積部開閉機構を制御するとともに、前記第２の所定回転数に満たない運転領域では、パルス発生装置を作動させるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置である。

この態様では、エンジン回転数が第１の所定回転数以上の高速運転領域では、容積部が開くことにより、各吸気管の吸気ポート下流端から前記容積部までの間に動的過給を生じさせることが可能になる。このため、高速運転領域での体積効率が向上する。前記動的過給は、慣性過給であってもよいし、共鳴過給であってもよい。ここで、慣性過給とは、個々の気筒において吸気行程中に生じた圧力波がサージタンク等で反転して反射され、自気筒に対して吸気行程終期に作用することにより充填効率を高めるような動的効果をいう。また、共鳴過給とは、複数気筒において生じる吸気圧力振動が共鳴することによりに充填効率を高めるような動的効果をいう。尤も、動的過給として、慣性過給に対応して各吸気通路長を設定した場合には、共鳴過給に比べて距離を短くすることが可能になる。次に、この第１の所定回転数から第２の所定回転数までの中速運転領域では、容積部が閉じることにより、各吸気管の吸気ポート下流端から前記集合部までの間に動的過給を生じさせることが可能になる。このため、中速運転領域での体積効率が向上する。さらに、前記第２の所定回転数にも満たない低速運転領域では、容積部が閉じたままの状態でパルス発生装置が作動することにより、吸気管に圧力波を生成することができる。このため、低速運転領域での体積効率が向上する。

好ましい態様において、前記制御手段は、少なくとも第２の所定回転数から第１の所定回転数までの運転領域では、パルス発生装置の作動を停止するものである。この態様では、中高速運転領域においては、圧力波が生成されなくなり、容積部または集合部を設けたことによる吸気通路の動的過給を積極利用することが可能になる。

好ましい態様において、前記容積部は、各吸気管を連通する連通路で構成されている。この態様では、容積部の開閉動作によって吸気通路長を確実に切換えることができるので、中高速運転領域における吸気通路の動的過給を積極利用することが可能になる。

好ましい態様において、エンジン負荷を検出して制御手段に入力するエンジン負荷検出手段を設け、前記制御手段は、部分負荷領域では、第２の所定回転数以下でも容積部を開くものである。この態様では、エンジンが高負荷である全開運転領域では、パルス発生装置による過給効果によって、高い体積効率を得ることができる一方、それ以外の部分負荷領域では、容積部が開くことによって、パルス発生装置による圧力波生成効果を迅速に解除し、燃費の向上を図ることが可能になる。特に、容積部が各吸気管を連通する連通路で構成されていることと相俟って、パルス発生装置による筒内圧力を迅速に高めることが可能になる。このため、エンジン回転数が低い低速運転領域において、大きな出力を必要としない部分負荷領域では、パルス発生装置によるポンピングロスを低減し、燃費を向上することが可能になる。

好ましい態様において、前記パルス発生装置は、開弁タイミングを変更可能な可変開弁機構を有し、前記制御手段は、エンジン回転数が第２の所定回転数に近づくに連れてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるように可変開弁機構を制御するものである。この態様では、エンジン回転数が第２の所定回転数に上昇するに連れて、パルス発生装置の開弁タイミングが吸気弁の開弁タイミングに近づくので、生成される圧力波も弱まり、高速側におけるポンピングロスを低減し、燃費の向上を図ることができる。また、生成される圧力波が弱まることにより、相対的に吸気管内での動的過給（慣性過給または共鳴過給）を高めることになり、筒内の体積効率を高い状態に維持することが可能になる。

好ましい態様において、前記パルス発生装置は、前記集合部内に収容され、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するロータリバルブである。この態様では、パルス発生装置として、クランクシャフトと同期して回転するロータリバルブを採用しているので、大きな吸気抵抗を受けることなく、周波数を確実に同調させて所望のタイミングで気筒内に圧力波を生成することが可能になる。集合部または容積部を設けることによる動的過給を阻害することなく、圧力波を生成するパルス発生装置を装備することが可能になる。

好ましい態様において、前記パルス発生装置は、クランクシャフトと同期して回転するロータリバルブであって、このロータリバルブの径を吸気管断面幅より大きく設定するとともに、各吸気管の上流端は、ロータリバルブの周面に形成された開口に臨んで、選択的に開閉されるように配置され、各気筒の単一の行程容積に対する吸気ポートの下流端からロータリバルブの前記開口までの単一の独立吸気通路容積の割合が７０パーセントから１３０パーセントの範囲に設定されている。この態様においても、パルス発生装置として、クランクシャフトと同期して回転するロータリバルブを採用しているので、大きな吸気抵抗を受けることなく、周波数を確実に同調させて所望のタイミングで気筒内に圧力波を生成することが可能になる。また、ロータリバルブの径が吸気管断面幅よりも大きく設定されているので、吸気管に対して速い周速で開閉動作を行ない、強い圧力波を発生させることができる。さらに、このロータリバルブは、各気筒の単一の行程容積に対する吸気ポートの下流端からロータリバルブの前記開口までの単一の独立吸気通路容積の割合を７０パーセントから１３０パーセントの範囲となる位置に設定されている。この設定範囲は、本件発明者が鋭意研究の結果、シミュレーションによって見出した範囲であり、詳しくは後述するように、中速運転領域での体積効率を約９０％以上に向上することができる範囲である。なお、各気筒の単一の行程容積に対する吸気ポートの下流端からロータリバルブの前記開口までの単一の吸気通路容積の割合をこの明細書では「吸気通路／行程容積率」と呼称する。この吸気通路／行程容積率が１３０パーセントを超えたとしても、体積効率は、必ずしも低下しない。しかし、その場合には、吸気通路が長くなるため、トルク向上に対するレスポンスが低下する傾向を持つ。そのため、定常的な走行時のトルクを高くすることができたとしても、加速時の過渡的な状態では、必ずしもトルクを向上させることができなくなる恐れがある。他方、吸気通路／行程容積率が７０パーセントを下回った場合、今度は、気筒に必要な空気量を確保することができなくなるため、レスポンスは高くなるものの、体積効率は低下する。そこで、本態様では、吸気通路／行程容積率を７０パーセントから１３０パーセントに設定している。この結果、定常時のトルクはもちろん、加速時の過渡的な状態でのトルクも効率よく高めることが可能になる。なお「７０パーセントから１３０パーセント」という限定は、発明を実施するに当たって不可避的な測定誤差や個体差によるばらつきをも排除する趣旨ではない。

好ましい態様において、各吸気管の吸気ポート下流端から前記容積部までの吸気通路長は、前記高速運転領域で慣性過給できる長さに設定されており、各吸気管の吸気ポート下流端から前記集合部までの吸気通路長は、前記中速運転領域で慣性過給できる長さに設定されているものである。この態様では、各吸気通路長を短く設定することができるので、吸気系のコンパクト化を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、全ての運転領域において、好適な過給効果を得られるので、運転領域に応じて燃費と出力とをバランスさせることができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る４サイクル火花点火式多気筒エンジンの右側面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面略図である。また図３は、本実施形態の要部を簡略化して示す斜視図である。

各図を参照して、このエンジン１０は、シリンダブロック１１およびこのシリンダブロック１１の上部に一体化されたシリンダヘッド１２とを一体に有している。エンジン１０には、第１〜第４気筒１２Ａ〜１２Ｄが設けられるとともに、各気筒１２Ａ〜１２Ｄの内部には、クランクシャフト３に連結されたピストン４が嵌挿されることにより、その上方に燃焼室１５が形成されている。

シリンダヘッド１２には、前記各気筒１２Ａ〜１２Ｄの燃焼室１５毎に点火プラグ１６が固定されている。各点火プラグ１６は、その先端が対応する燃焼室１５の内部に頂部から臨むように設置されている。

また、シリンダヘッド１２には、前記気筒１２Ａ〜１２Ｄ毎に燃焼室１５に向かって開口する吸気ポート１７、排気ポート１８がそれぞれ形成されているとともに、これらのポート１７、１８には、吸気弁１９および排気弁２０がそれぞれ装備されている。

各吸気ポート１７には燃料噴射弁２１が設けられている。この燃料噴射弁２１は、ニードル弁およびソレノイドを内蔵している。

排気ポート１８には、図略の排気マニホールドが接続されている。この排気マニホールドの集合部下流の排気通路には、排気ガス浄化触媒が設けられている。この排気ガス浄化触媒は、例えば、排気の空燃比状態が理論空燃比近傍にあるときにＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの浄化率が極めて高い、いわゆる三元触媒からなっている。この三元触媒からなる排気ガス浄化触媒は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。

吸気弁１９および排気弁２０は、エンジン１０に支承された吸気弁用および排気弁用のカムシャフト２２、２３によって、所定位相差で同期して吸気ポート１７、排気ポート１８を開閉するように構成されている。前記カムシャフト２２、２３は、図略のカムスプロケットギヤに連結され、このカムスプロケットギヤは、カムプーリ３０から図略のタイミングベルトを介して動力を受けている（図３参照）。カムプーリ３０は、エンジン１０の前面にクランクシャフト３と平行な軸線を中心に回転自在に取り付けられている。他方、クランクシャフト３にはエンジン１０の前面側に取り付けられた出力プーリ３２が固定されており、両プーリ３０、３２は、タイミングベルト３４によって同期連動するように構成されている。

なお、各カムシャフト２２、２３に対し、その回転の位相を調節することにより、開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構２４、２５が設けられている。この結果、吸気弁１９は、クランク角に対する位相を変更することができるようになっている。

本実施形態に係る吸気装置４０は、エンジン１０の側部に固定されるインテークマニホールド４１と、このインテークマニホールド４１に内蔵されるパルス発生装置またはＰＧＶ（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）としてのロータリバルブ５０とを有している。

インテークマニホールド４１は、図略の支持部材を介してエンジン１０に固定されており、エンジン１０の前後方向（各気筒１２Ａ〜１２Ｄが並んでいる方向）に水平に延びる集合部としてのサージタンク４２と、このサージタンク４２に接続され、それぞれが分離した吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４を形成する吸気管としての第１〜第４分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを一体に有している。サージタンク４２の後端部には、スロットルボディ４４が固定されており、このスロットルボディ４４の内部には、図略のスロットルバルブが内蔵されている。

サージタンク４２は、略円筒形部材であり、分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄと連通することによって、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの差圧を吸収し、異音やセンサの誤作動を防止する機能を果たすものである。本実施形態において、このサージタンク４２の気筒列方向の長さＳＬは、次に説明する各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの気筒列方向における下流端側の間隔ＤＬよりも短くなるように設定されている（図１参照）。

各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄは、気筒１２Ａ〜１２Ｄ毎に設けられ、正面視略Ｌ字形に湾曲した状態で、それぞれ対応する気筒１２Ａ〜１２Ｄをサージタンク４２と連通させている。図示の実施形態において、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄは、その吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４の通路長（本実施形態においては、吸気ポート１７からサージタンク４２内のロータリバルブ５０の周面５１までの長さ）が同じ長さに設定されている。各吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４の長さは、５００ｍｍ以内に設定されており、これによって、後述するロータリバルブ５０によるトルクへのレスポンスの向上を図っている。さらに、「吸気通路／行程容積率」（各気筒の単一の行程容積に対する吸気ポート１７の下流端からロータリバルブ５０の開口５２、５３までの単一の吸気通路容積の割合）は、７０パーセント以上１３０パーセント以下（吸気通路の通路長が５００ｍｍ以下）の範囲に設定されている。この容積は、エンジンの中速運転領域（３５００ｒｐｍ以上）Ｒ２において、吸気が同調共鳴する固有振動数に対応するように決定される。この結果、比較的中速領域で固有振動数が同調共鳴することになるので、その領域では、吸気弁１９の開弁時間を確保することができ、エンジンの中速運転領域Ｒ２で通路長設定による慣性過給効果を発揮させ、体積効率を高めることが可能になる。

ロータリバルブ５０は、円筒形部材であり、その外周面５１がサージタンク４２の内周面に摺接した状態で、回転自在に配置されている。

図３を参照して、ロータリバルブ５０の前端部には、入力ギア５４Ａが同心に設けられている。入力ギア５４Ａは、前記カムプーリ３０と同心に設けられた出力ギア５４Ｂが噛合しており、この出力ギア５４Ｂを介して、クランクシャフト３から１：０．５の比率で動力が伝達されるようになっている。換言すれば、ロータリバルブ５０は、カムプーリ３０と１：１の比率で同期している。このロータリバルブ５０の周面には、サージタンク４２の内部と分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを連通する一対の開口５２、５３が形成されている。各開口５２、５３は、周方向に１８０°位相がずれており、軸方向において、前方の開口５２が後方の開口５３に対して、回転方向上流側にずれている。なお図において、５５はアイドラである。

図示の実施形態においては、ロータリバルブ５０と入力ギア５４Ａとの間にロータリバルブ進角機構５６が設けられている。このロータリバルブ進角機構５６は、基本的には、本件出願人が先に提案している回転位相制御装置（特開平１１−１０７７１８号公報参照）等を用いることにより、入力ギア５４Ａとロータリバルブ５０との間に位相差を形成し、当該ロータリバルブ５０の開弁タイミングを変更するための機構である。ロータリバルブ進角機構５６は、図１に示すように、ＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）システム５７によって駆動制御されるようになっている。さらに、図１に示すように、ロータリバルブ５０の位相を検出するために、ロータリバルブ進角機構５６には、ＰＧＶ角度センサ５８が付設されている。

図示のエンジンは、直列４気筒エンジンであって、エンジン１０の前方から順に各気筒を第１〜第４気筒１２Ａ〜１２Ｄとするとき、吸気行程を迎える順番は、第１気筒１２Ａ、第３気筒１２Ｃ、第４気筒１２Ｄ、第２気筒１２Ｂとなるように設定されている。この結果、第１気筒１２Ａが吸気行程を迎える時点を起点とすると、各気筒と行程の関係は、表１の通りとなる。

そこで、本実施形態では、ロータリバルブ５０の開口５２に対して、第１分岐吸気管４３Ａを回転方向下流側、第２分岐吸気管４３Ｂを回転方向上流側に位相をずらせて対向可能に配置するとともに、開口５３に対して第３分岐吸気管４３Ｃを回転方向上流側、第４分岐吸気管４３Ｄを回転方向下流側に位相をずらせて対向可能に配置している。

より詳細に説明すると、第２気筒１２Ｂに接続される第２分岐吸気管４３Ｂと第１気筒１２Ａに接続される第１分岐吸気管４３Ａとが、前方の開口５２に対向可能な位置に、上流側から順に９０°位相をずらした状態でサージタンク４２に固定されているとともに、第３気筒１２Ｃに接続される第３分岐吸気管４３Ｃと第４気筒１２Ｄに接続される第４分岐吸気管４３Ｄとが、後方の開口５３に対向可能な位置に、上流側から順に９０°位相をずらした状態でサージタンク４２に固定されている。さらに、第１分岐吸気管４３Ａと第４分岐吸気管４３Ｄ（従って、第２分岐吸気管４３Ｂと第３分岐吸気管４３Ｃ）がサージタンク４２の周方向において同一位相に配置されている。従って、この構成では、エンジンの回転数に拘わらず、所定のタイミングで分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを開閉することが可能になっているとともに、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの等長化並びにコンパクト化に寄与することになる。この結果、吸気通路ＰＨ１１〜ＰＨ１４を可及的に短縮化し、トルク向上に対するレスポンスの高い吸気構造を構成することが可能になる。また、上述したように、サージタンク４２の気筒列方向の長さＳＬは、次に説明する各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの気筒列方向における下流端側の間隔ＤＬよりも短くなるように設定されている（図１参照）ことと相俟って、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの上流端は、下流端に比べて気筒列方向に集束している。このため、本実施形態においては、極めてトルク向上に対するレスポンスが高くなる構造になっている。

図４は図２の要部を拡大した断面図である。

同図を参照して、ロータリバルブ５０の直径Ｄは、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの断面幅よりも大きく設定されている。このロータリバルブ５０をクランクシャフト３と同期させて回転させることにより、各開口５２、５３が対応する分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを開く時間も短くなる。またロータリバルブ５０が回転によって、周面に形成された開口５２、５３によって、当該周面に臨む分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄに空気を供給するものであるので、空気の脈動を抑制することができ、異音の発生も少なくなる。

さらに、ロータリバルブ５０に形成された各開口５２、５３間の閉弁角度θは、例えば１２０°に設定されており、開弁開始タイミングを吸気行程の前半部分とすることにより、吸気弁１９が吸気ポート１７を開いてもロータリバルブ５０がサージタンク４２を遮蔽した状態になるので、ロータリバルブ５０が開くまでの間、吸気行程によって、対応する分岐吸気管４３Ａ（〜４３Ｄ）内に負圧が生じることになる。

図５は図１の要部を拡大して示す部分拡大図である。

図４および図５を参照して、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄには、ＶＩＳ（Ｖａｌｕａｂｌｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）６０が設けられている。

ＶＩＳ６０は、クランクシャフト３と平行に延びる容積部としての容積管６１と、この容積管６１と各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄとを接続する連通管６２と、連通管６２を開閉する開閉機構としてのＶＩＳバルブ６３とを有している。図示の例において、容積管６１は、各分岐吸気通路４３Ａ〜４３Ｄを連通する連通路としても機能する部材である。各ＶＩＳバルブ６３は、同一の駆動軸６４に連結されており、駆動軸６４を駆動するＶＩＳバルブアクチュエータ６５によって、一斉に開閉駆動されるように構成されている。図示の実施形態において、各吸気ポート１７の下流端から前記容積管６１までの吸気通路長Ｌｆは、第１の所定回転数（例えば４５００ｒｐｍ）Ｎｆ以上の高速運転領域Ｒ３で動的過給（この実施形態では、慣性過給）できる長さに設定されている。他方、各吸気ポート１７の下流端からロータリバルブ５０までの吸気通路長Ｌｓは、第１の所定回転数Ｎｆよりも少ない第２の所定回転数（例えば３８００ｒｐｍ）Ｎｓ以上の中速運転領域Ｒ２で動的過給（この実施形態では、慣性過給）できる長さに設定されている。この結果、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄは、ＶＩＳバルブアクチュエータ６５がＶＩＳバルブ６３を開いた状態では、第１の所定回転数Ｎｆで吸気が同調共鳴する固有振動数に対応し、高速運転領域Ｒ３での慣性過給効果を高めることができるとともに、ＶＩＳバルブアクチュエータ６５がＶＩＳバルブ６３を閉じた状態では、第２の所定回転数Ｎｓで吸気が同調共鳴する固有振動数に対応し、中速運転領域Ｒ２での慣性過給効果を高めることができるようになっている。

図２を参照して、エンジン１０には、一対のエンジンクランク角度センサ６６が設けられている。各エンジンクランク角度センサ６６は、所定の位相差をもってクランクシャフト３の周囲に配置されており、一方のエンジンクランク角度センサ６６から出力される検出信号に基づいてエンジンの回転数が検出されるとともに、両エンジンクランク角度センサ６６から出力される検出信号に基づいてクランクシャフト３の回転方向および回転角度が検出されるようになっている。さらに、エンジン１０の運転状態を検出するために、エンジン１０の冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ６７、エンジン負荷検出手段としてのアクセル開度センサ６８、および排気ポート１８から排出された排気ガスの酸素量を検出するＯ_２センサ６９が設けられている。

また、排気ポート１８に排出された既燃ガスの一部を吸気ポート１７に還流するためのＥＧＲシステム７０が設けられている。

図６は本実施形態に係るブロック図である。

同図を参照して、エンジン１０を駆動制御するためのＥＣＵ１００は、マイクロプロセッサ、メモリ、入力部および出力部を有しているユニットである。このＥＣＵ１００の入力部には、ロータリバルブ５０の位相を検出するＰＧＶ角度センサ５８、エンジンクランク角度センサ６６、エンジン水温センサ６７、アクセル開度センサ６８、Ｏ_２センサ６９が入力要素として接続されている。また、ＥＣＵ１００の出力部には、点火プラグ１６、燃料噴射弁２１、吸気弁１９および排気弁２０の可変バルブタイミング機構２４、２５、ロータリバルブ進角機構５６（具体的にはＯＣＶシステム５７）、およびＶＩＳバルブアクチュエータ６５が出力要素として接続されている。

次に、ＥＣＵ１００のメモリに記憶されている制御マップについて説明する。

図７はエンジン回転数Ｎに対するトルク、ロータリバルブ５０の位相、およびＶＩＳバルブ６３の開閉動作を示すグラフである。

図７を参照して、エンジンの出力特性は、ロータリバルブ５０を用いた場合、トルクの特性は、曲線Ｃ１のようになる。また、ＶＩＳバルブ６３を閉じたときのトルクの特性、すなわち、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの吸気通路長がＬｓのときは、曲線Ｃ２のようになる。さらに、ＶＩＳバルブ６３を開いたときのトルクの特性、すなわち、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの吸気通路長がＬｆのときは、曲線Ｃ３のようになる。そこで、運転領域をロータリバルブ５０によって過給する低速運転領域をＲ１、吸気通路長をＬｓとして慣性過給を生じさせる中速運転領域をＲ２、吸気通路長をＬｆとして慣性過給を生じさせる高速運転領域をＲ３と設定し、予め実験等でＶＩＳバルブ６３を閉じるときのエンジン回転数を第１の所定回転数Ｎｆとし、これよりも低いエンジン回転数を第２の所定回転数Ｎｓとして、図７に基づく制御マップを作成し、ＥＣＵ１００のメモリに記憶させている。

ところで、低速運転領域Ｒ１においても、必ずしもロータリバルブ５０を作動させることが得策でない場合もある。

図８はトルクと燃費の関係を示すグラフである。

図８を参照して、ロータリバルブ５０が作動している場合、ポンピングロスが増加することに伴い、ロータリバルブ５０が作動していない場合よりも燃費は悪くなる。このため、エンジン１０の部分負荷領域においては、低速運転領域Ｒ１であってもＶＩＳバルブ６３を開いて、燃費の向上を図り、高負荷領域（エンジン全開領域）でのみロータリバルブ５０による過給効果が得られるようにＥＣＵ１００が設定されている。

次に、上述した実施形態の動作について、図９以下のフローチャートを参照しながら説明する。

図９を参照して、以上の構成では、まず、エンジン１０が始動を開始した後（ステップＳ１）、ＥＣＵ１００は、入力部に接続された入力要素から各検出値を読み込む（ステップＳ２）。

次いで、これらの検出値に基づき、ＰＧＶとしてのロータリバルブ５０の目標値を設定する（ステップＳ３）。図示の実施形態において、エンジン始動時のロータリバルブ５０の位相は、最進角した状態（すなわちＯＦＦの状態）に設定されている。この状態でＥＣＵ１００は、ロータリバルブ進角機構５６のＯＣＶシステム５７を制御し、ロータリバルブ５０の開弁タイミングを決定する。図７に示されているように、ロータリバルブ５０は、低速側では、遅角（吸気弁１９の開弁タイミングに対して最も開弁タイミングが遅れる状態）に設定されている一方、エンジン回転数Ｎが上昇するに連れて進角（吸気弁１９の開弁タイミングに対して開弁タイミングが近づく状態）するように構成されている。

次に、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎが第２の所定回転数Ｎｓに到達しているか否かを検出する（ステップＳ４）。仮にエンジン回転数Ｎが第２の所定回転数Ｎｓに満たない場合、ＥＣＵ１００は、低速運転領域Ｒ１にてエンジン１０が運転しているものと判定し、さらにアクセル開度から部分負荷領域であるか否かを判定する（ステップＳ５）。仮に運転状態が部分負荷領域である場合、ＥＣＵ１００は、ＶＩＳバルブ６３を作動させるためのフラグＦを参照する（ステップＳ６）。フラグＦのドメインは、ＶＩＳバルブ６３を閉じる値を０、開く値を１として二者択一的に設定されている。ステップＳ６において、フラグＦの値が０の場合、ＥＣＵ１００は、ＶＩＳバルブ６３を開く（ステップＳ７）。ここで、ロータリバルブ５０の運転を停止するための手段として、本実施形態のステップＳ７では、ロータリバルブ進角機構５６を直接制御するのではなく、ＶＩＳバルブ６３を開いて、容積管６１を介し各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを連通させる方法を採用しているので、イナーシャや空気抵抗の大きいロータリバルブ５０を直接駆動する場合に比べて、高い応答性を発揮することが可能になる。これにより、ロータリバルブ５０によるインパルス生成による過給効果が解除され、燃費の向上を図ることが可能になる。

その後、ＥＣＵ１００はフラグＦの値を１に更新する（ステップＳ８）。また、ステップＳ６において、フラグＦの値が１の場合には、そのまま次のステップに進む。

ステップＳ４において、エンジン回転数が第２の所定回転数Ｎｓ以上であった場合、ＥＣＵ１００は、ロータリバルブ５０の停止設定を行う（ステップ９）。つまり、図７にも示すように、第２の所定回転数Ｎｓ以上では、吸気行程期間中にロータリバルブ５０が開くようにロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させる。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎが第１の所定回転数Ｎｆ未満であるか否かを判別する（ステップＳ１０）。仮にエンジン回転数Ｎが第１の所定回転数Ｎｆ以上であった場合、ＥＣＵ１００は、エンジン１０が高速運転領域Ｒ３で運転しているものと判定し、ステップＳ６に移行する。このため、高速運転領域Ｒ３では、ＶＩＳバルブ６３が開くことに伴い、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄでは、高速運転領域Ｒ３に適した短い吸気通路長Ｌｆで動的過給（慣性過給）効果を得ることができる。

他方、ステップＳ５において、運転状態が全負荷領域であった場合、またはステップＳ１０において、エンジン回転数Ｎが第１の所定回転数Ｎｆに満たない場合、ＥＣＵ１００はフラグＦの値が１であるか否かを参照し（ステップＳ１１）、フラグＦの値が１である場合には、ＶＩＳバルブ６３を閉じて（ステップＳ１２）、フラグＦの値を０に更新する（ステップＳ１３）。また、フラグＦの値が０である場合には、そのまま次のステップに移行する。

図１０を参照して、図９のフローが終了した後、ＥＣＵ１００は、当該フローのステップＳ３またはステップＳ９における設定に基づいて、ロータリバルブ５０を運転する（ステップＳ１４）。この場合、ステップＳ９の設定に基づく運転状態では、ロータリバルブ５０は実質的に停止していることになる。また、エンジン回転数Ｎが第１の所定回転数Ｎｆ以上のときは、ＶＩＳバルブ６３が開いており、ロータリバルブ５０は、その開閉タイミングに拘わらず実質的に停止している。その後は、所定時期で設定期間、燃料噴射弁２１を駆動して、燃料を噴射し（ステップＳ１５）、さらに所定時期で点火プラグ１６を駆動して燃焼室１５内の混合気を燃焼させる（ステップＳ１６）。その後、ＥＣＵ１００は、エンジン１０が運転を停止した場合には、処理を終了し、運転を継続している場合には、ステップＳ２に戻る（ステップＳ１７）。

以上説明したように、本実施形態においては、エンジン回転数Ｎが第１の所定回転数Ｎｆ以上の高速運転領域Ｒ３では、ＶＩＳバルブ６３が開いて容積管６１を分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄと連通することにより、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄにおける吸気ポート１７の下流端から前記容積管６１までの間に慣性過給を生じさせることが可能になる。このため、高速運転領域Ｒ３での体積効率が向上する。次に、この第１の所定回転数Ｎｆから第２の所定回転数Ｎｓまでの中速運転領域Ｒ２では、ＶＩＳバルブ６３が容積管６１を閉じることにより、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの吸気ポート１７下流端から前記サージタンク４２までの間に慣性過給を生じさせることが可能になる。このため、中速回転域での体積効率が向上する。さらに、前記第２の所定回転数Ｎｓにも満たない低速運転領域Ｒ１では、容積管６１が閉じたままの状態でロータリバルブ５０が作動することにより、分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄにインパルスを生成することができる。このため、低速運転領域Ｒ１での体積効率が向上する。

また、本実施形態において、前記ＥＣＵ１００は、少なくとも第２の所定回転数Ｎｓから第１の所定回転数Ｎｆまでの中速運転領域Ｒ２では、ロータリバルブ５０の作動を停止するものである。このため本実施形態では、中高速運転領域Ｒ２、Ｒ３においては、インパルスが生成されなくなり、容積管６１またはサージタンク４２を設けたことによる吸気通路の慣性過給を積極利用することが可能になる。

また、本実施形態において、前記容積管６１は、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを連通する連通路で構成されている。このため本実施形態では、容積管６１を開閉するＶＩＳバルブ６３の開閉動作によって吸気通路長を確実に切換えることができるので、中高速運転領域Ｒ２、Ｒ３における各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄによる慣性過給を積極利用することが可能になる。

また、本実施形態では、エンジン負荷を検出してＥＣＵ１００に入力するエンジン負荷検出手段としてのアクセル開度センサ６８を設け、前記ＥＣＵ１００は、部分負荷領域では、第２の所定回転数Ｎｓ以下でも容積管６１を開くものである。このため本実施形態では、エンジン１０が高負荷である全開運転領域では、ロータリバルブ５０による過給効果によって、高い体積効率を得ることができる一方、それ以外の部分負荷領域では、容積管６１が開くことによって、ロータリバルブ５０によるインパルス生成効果を迅速に解除し、燃費の向上を図ることが可能になる。特に、容積管６１が各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄを連通する連通路で構成されていることと相俟って、ロータリバルブ５０による筒内圧力を迅速に高めることが可能になる。このため、エンジン回転数Ｎが低い低速運転領域Ｒ１において、大きな出力を必要としない部分負荷領域では、ロータリバルブ５０によるポンピングロスを低減し、燃費を向上することが可能になる。

また、本実施形態において、前記ロータリバルブ５０は、開弁タイミングを変更可能な可変開弁機構としてのロータリバルブ進角機構５６を有し、前記ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎが第２の所定回転数Ｎｓに近づくに連れてロータリバルブ５０の開弁タイミングを進角させる（吸気弁１９の開弁タイミングに近づける）ようにロータリバルブ進角機構５６を制御するものである。このため本実施形態では、エンジン回転数Ｎが第２の所定回転数Ｎｓに上昇するに連れて、ロータリバルブ５０の開弁タイミングが吸気弁１９の開弁タイミングに近づくので、生成されるインパルスも弱まり、高速側におけるポンピングロスを低減し、燃費の向上を図ることができる。また、生成されるインパルスが弱まることにより、相対的に分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄ内での慣性過給を高めることになり、筒内の体積効率を高い状態に維持することが可能になる。

本実施形態において、前記パルス発生装置は、前記サージタンク４２内に収容され、エンジン１０のクランクシャフト３と同期して回転するロータリバルブ５０である。このため本実施形態では、大きな吸気抵抗を受けることなく、周波数を確実に同調させて所望のタイミングで気筒内にインパルスを生成することが可能になる。サージタンク４２または容積管６１を設けることによる慣性過給を阻害することなく、インパルスを生成するロータリバルブ５０を装備することが可能になる。

また、本実施形態においては、前記ロータリバルブ５０の径を分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄ断面幅より大きく設定するとともに、各分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄの上流端は、ロータリバルブ５０の周面に形成された開口５２、５３に臨んで、選択的に開閉されるように配置され、各気筒１２Ａ〜１２Ｄの単一の行程容積に対する吸気ポート１７の下流端からロータリバルブ５０の前記開口５２、５３までの単一の独立吸気通路容積の割合が７０パーセントから１３０パーセントの範囲に設定されている。このため本実施形態では、分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄに対して速い周速で開閉動作を行ない、強いインパルスを発生させることができる。さらに、このロータリバルブ５０は、各気筒１２Ａ〜１２Ｄの単一の行程容積に対する吸気ポート１７の下流端からロータリバルブ５０の前記開口までの単一の独立吸気通路容積の割合を７０パーセントから１３０パーセントの範囲となる位置に設定されている。この設定範囲は、本件発明者が鋭意研究の結果、シミュレーションによって見出した範囲であり、後述するように、例えば３５００ｒｐｍでの体積効率を約９０％以上に向上することができる範囲である。

各気筒１２Ａ〜１２Ｄの単一の行程容積に対する吸気ポート１７の下流端からロータリバルブ５０の前記開口までの単一の吸気通路容積の割合、すなわち吸気通路／行程容積率が１３０パーセントを超えたとしても、体積効率は、必ずしも低下しない。しかし、その場合には、吸気通路が長くなるため、トルク向上に対するレスポンスが低下する傾向を持つ。そのため、定常的な走行時のトルクを高くすることができたとしても、加速時の過渡的な状態では、必ずしもトルクを向上させることができなくなる恐れがある。他方、吸気通路／行程容積率が７０パーセントを下回った場合、今度は、気筒に必要な空気量を確保することができなくなるため、レスポンスは高くなるものの、体積効率は低下する。そこで、本実施形態では、吸気通路／行程容積率を７０パーセントから１３０パーセントに設定している。この結果、定常時のトルクはもちろん、加速時の過渡的な状態でのトルクも効率よく高めることが可能になる。

この点に関し、行程容積と吸気通路容積との関係について説明する。

本件発明者は、上述した実施形態の吸気装置４０を構成するに当たり、表２の仕様のシリンダで当該シリンダの行程容積と分岐管の容積との関係についてシミュレーションを行った。

表２において、吸気通路長は、吸気ポート１７と分岐管（分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄ）の通路長さの和であり、具体的には、吸気ポート１７の燃焼室５に対する開口端（下流端）からロータリバルブ５０の開口５２（５３）までの長さである（図２参照）。行程容積Ｖｈは、シリンダ１４のピストン上死点からピストン下死点までの容積であり、吸気通路容積Ｖは、シリンダヘッド１２に形成された吸気ポート１７の容積と分岐管（分岐吸気管４３Ａ〜４３Ｄ）の容積の和である。

図１１は、本仕様で体積効率ηｖと回転数Ｎの関係を示したグラフである。

図１１の測定結果は、吸気通路長が２５０ｍｍの場合（Ｔ３の場合）をベースとして、ロータリバルブ５０を１１５°ＣＡで開いたときの吸気弁１９の開閉範囲が５０°ＣＡ／３０°ＣＡから１０°ＣＡ／７０°ＣＡのときの最高値を示したものである。

同図に示すように、吸気通路／行程容積率が低い場合、吸気通路／行程容積率が７０パーセントを下回ると、図のＴ１で示すように、全体的に体積効率ηｖが低くなり、特に３５００ｒｐｍの体積効率ηｖが大きく落ち込んでしまう。これは、吸気通路容積Ｖが小さすぎるため、ロータリバルブによるパルス発生作用によっても充分な空気量を確保することができないこと、並びにパルス発生時に低速運転領域（２５００ｒｐｍの範囲）Ｒ１と高速運転領域（４５００ｒｐｍ〜５５００ｒｐｍ）Ｒ３がピーキーになり、３５００ｒｐｍのところで谷ができてしまうことによるものと考えられる。他方、吸気通路長がベース長さよりも長い場合（吸気通路／行程容積率が９６パーセント以上の場合）には、高速運転領域Ｒ３でのピークが緩和される結果、低速運転領域Ｒ１での体積効率ηｖが高くなっても、３５００ｒｐｍの谷が小さくなる傾向となることがわかった。尤も、吸気通路長が長くなると、吸気のレスポンスも悪くなる結果、加速時の過渡的なトルクが小さくなる恐れがある。これらの観点から、吸気通路／行程容積率が７０パーセント以上１３０パーセント以下（吸気通路長さが５００ｍｍ以下）である場合には、定常時、過渡時の双方において高トルクを得ることができ、しかも、レスポンスも向上することがわかった。

さらに本実施形態において、前記吸気通路長Ｌｆは、前記高速運転領域Ｒ３で慣性過給できる長さに設定されており、前記吸気通路長Ｌｓは、前記中速運転領域Ｒ２で慣性過給できる長さに設定されている。このため本実施形態では、各吸気通路長Ｌｆ、Ｌｓを短く設定することができるので、吸気系のコンパクト化を図ることが可能になる。

このように本実施形態によれば、全ての運転領域Ｒ１〜Ｒ３において、好適な過給効果を得られるので、運転領域Ｒ１〜Ｒ３に応じて燃費と出力とをバランスさせることができるという顕著な効果を奏する。

上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。

本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の一形態に係る４サイクル火花点火式多気筒エンジンの右側面図である。 図１のＡ−Ａ断面略図である。 本実施形態の要部を簡略化して示す斜視図である。 図２の要部を拡大した断面図である。 図１の要部を拡大して示す部分拡大図である。 本実施形態に係るブロック図である。 エンジン回転数に対するトルク、ロータリバルブの位相、およびＶＩＳバルブの開閉動作を示すグラフである。 トルクと燃費の関係を示すグラフである。 本実施形態に係るフローチャートである。 本実施形態に係るフローチャートである。 本仕様で体積効率と回転数の関係を示したグラフである。

符号の説明

１０ エンジン
１２Ａ〜１２Ｄ 気筒
１５ 燃焼室
１６ 点火プラグ
１７ 吸気ポート
１９ 吸気弁
２１ 燃料噴射弁
４０ 吸気装置
４１ インテークマニホールド
４２ サージタンク（集合部）
４３Ａ〜４３Ｄ 分岐吸気管
５０ ロータリバルブ（ＰＧＶ：パルス発生装置）
５２ 開口
５３ 開口
５６ ロータリバルブ進角機構（可変開弁機構）
５７ ＯＣＶシステム（可変開弁機構）
５８ ＰＧＶ角度センサ
６１ 容積管（容積部）
６３ ＶＩＳバルブ（容積部開閉機構）
６５ バルブアクチュエータ（容積部開閉機構）
６６ エンジンクランク角度センサ
６８ アクセル開度センサ
６９ Ｏ_２センサ
Ｌｆ 吸気通路長
Ｌｓ 吸気通路長
Ｎ エンジン回転数
Ｎｆ 第１の所定回転数
Ｎｓ 第２の所定回転数
ＰＨ１１〜ＰＨ１４ 吸気通路
Ｒ１ 低速運転領域
Ｒ２ 中速運転領域
Ｒ３ 高速運転領域
θ 開口角度

Claims (8)

1. 複数の気筒の各吸気ポートに空気を供給する吸気管と、各吸気管の上流端がそれぞれ開口する集合部と、
   各気筒の吸気行程に対応して、吸気ポートの開弁期間内の吸気行程途中で開弁して、気筒内に圧力波を生成するパルス発生装置と
   を備えた多気筒エンジンの制御装置において、
   エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
   前記吸気管に連通する容積部と、
   容積部と吸気管との連通部分を開閉する容積部開閉機構と、
   前記エンジン回転数検出手段の検出に基づいてパルス発生装置の運転および容積部開閉機構の開閉動作を制御する制御手段と
   を設け、
   各吸気管の吸気ポート下流端から前記容積部までの吸気通路長は、第１の所定回転数以上の高速運転領域で動的過給できる長さに設定し、
   各吸気管の吸気ポート下流端から前記集合部までの吸気通路長は、前記第１の所定回転数よりも少ない第２の所定回転数以上の中速運転領域で動的過給できる長さに設定し、
   前記制御手段は、前記第１の所定回転数以上では、容積部を開くように容積部開閉機構を制御するとともに、前記第２の所定回転数に満たない運転領域では、パルス発生装置を作動させるものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記制御手段は、少なくとも第２の所定回転数から第１の所定回転数までの運転領域では、パルス発生装置の作動を停止するものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
3. 請求項２記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記容積部は、各吸気管を連通する連通路で構成されていることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
4. 請求項３記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   エンジン負荷を検出して制御手段に入力するエンジン負荷検出手段を設け、前記制御手段は、部分負荷領域では、第２の所定回転数以下でも容積部を開くものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記パルス発生装置は、開弁タイミングを変更可能な可変開弁機構を有し、前記制御手段は、エンジン回転数が第２の所定回転数に近づくに連れてパルス発生装置の開弁タイミングを進角させるように可変開弁機構を制御するものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記パルス発生装置は、前記集合部内に収容され、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するロータリバルブであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   前記パルス発生装置は、クランクシャフトと同期して回転するロータリバルブであって、このロータリバルブの径を吸気管断面幅より大きく設定するとともに、各吸気管の上流端は、ロータリバルブの周面に形成された開口に臨んで、選択的に開閉されるように配置され、各気筒の単一の行程容積に対する吸気ポートの下流端からロータリバルブの前記開口までの単一の独立吸気通路容積の割合が７０パーセントから１３０パーセントの範囲に設定されていることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載の多気筒エンジンの制御装置において、
   各吸気管の吸気ポート下流端から前記容積部までの吸気通路長は、前記高速運転領域で慣性過給できる長さに設定されており、各吸気管の吸気ポート下流端から前記集合部までの吸気通路長は、前記中速運転領域で慣性過給できる長さに設定されているものであることを特徴とする多気筒エンジンの制御装置。

Images