JPH0810679Y2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の各気筒の吸気ポート圧力を制御す
ることにより吸気行程時に気筒内に残留する燃焼ガス量
を変化させることが可能な内燃機関の制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に、スロットル弁を有する従来の内燃機関では、
アイドリング等の極低負荷時にはスロットル弁が前閉に
近い状態になるため、スロットル弁下流の吸気ポート圧
力は各気筒の吸気作用により大きな負圧になっている。

通常、内燃機関では、高速運転時の性能向上のため、
排気弁と吸気弁の開弁期間の一部が重なり合うようにバ
ルブオーバラップが設定されており吸気弁の開弁初期で
は排気弁が閉弁していない。このため上述のように吸気
ポートが大きな負圧になっていると吸気弁開弁直後に、
排気ポートや気筒内の燃焼ガスが吸気ポートに逆流し、
排気弁閉弁後に新気と共に気筒内に再度流入するいわゆ
る吹き戻しが生じ、気筒内の混合気に占める残留燃焼ガ
スの割合が高くなる。このため低負荷時の燃焼が不安定
になりアイドリング時の振動や低負荷走行時のサージと
呼ばれる車両前後振動が生じ運転感覚が著しく悪化する
問題がある。

また、上述のように吸気ポート負圧が大きいため吸気
行程にあるピストンに負圧が作用することによるポンピ
ング損失も大きく、機関効率の低下を招く問題がある。

本願出願人は上記問題を解決するために特願平１−31
7725にいわゆる吸気ポート充填法を用いた内燃機関の空
気供給装置を提案している。

吸気ポート充填法は、各気筒の吸気管毎に遮断弁を設
け、アイドリング等の低負荷時には遮断弁を全閉とし
て、吸気管の遮断弁上流側と下流側とを連通する副吸気
管に設けた遮断弁を開閉して給気ポートに空気を供給す
る方法である。制御弁は吸気弁閉弁後に開弁され吸気弁
開弁前に閉弁され、空気は遮断弁と吸気弁とにより略密
閉された空間に供給されるため吸気弁開弁前に吸気ポー
ト圧力は大気圧付近まで上昇する。従って吸気弁開弁時
の吸気ポート圧力が高いため従来のように多量の燃焼ガ
スが吸気ポートに逆流することがなく、気筒に吸入され
る新気に占める残留燃焼ガスの割合が減少し、安定した
燃焼を得ることができる。更に、吸気ポート圧力が高い
ため吸気行程のピストンのポンピング損失も減少し機関
効率が向上する利点がある。

上述の特願平１−317725の装置は、吸気ポート充填法
をアイドリングのみならず低負荷運転時にも採用し、吸
気弁の閉弁期間中に行なわれる制御弁開弁の期間を機関
負荷の増大に応じて延長することを特徴としている。制
御弁の開弁期間の延長は制御弁開弁時期を前進させるこ
とにより行ない制御弁の閉弁時期は吸気弁の開弁前の一
定時期のまま変更しない。この制御は機関負荷が所定値
に達して吸気ポートへの残留燃焼ガスの吹き戻しにより
燃焼状態が悪化しないようになるまで行なわれる。

〔考案が解決しようとする課題〕

特願平１−317725の装置は前述のように低負荷運転時
に残留燃焼ガスの吸気ポートへの逆流を出来るだけ減少
させ機関の燃焼状態を安定させることを目的としてい
る。

しかし、機関負荷がある程度上昇して安定した状態に
なった後は燃焼状態を悪化させない範囲で新気中の残留
燃焼ガスの割合を増加させた方が好ましい。

これは残留燃焼ガス（既燃ガス）の量を増すことによ
り混合気の燃焼温度を下げて排気中のNOx量を低下させ
ることができるためである。気筒に吸入される新気中に
排気ガスを混合してNOxの排出を低減する方法は従来よ
りEGR（排気ガス再循環）法として公知であり、EGR用の
装置としては一般的に排気管からEGR弁を介して計量し
た排気ガスを吸気管に吸入させる方法がとられている。
しかし、排気ガスの循環量が過大であると気筒内の燃焼
状態が悪化して出力低下や燃費の悪化を招き、一方排気
ガスの循環量が過少であると充分なNOx低減効果が得ら
れないため、排気ガスの循環量は機関負荷と回転数とに
応じて最適な値に制御する必要がある。

従来のEGR装置では排気管から排気ガスを取り出して
いるため、運転状態により排気圧力が変動することか
ら、吸気管に吸入させる排気ガス量を正確に制御するた
めのEGR弁が必要となり装置自体が複雑になる問題があ
った。また従来の装置では排気管から吸気管に至るEGR
配管中で排気ガス温度が低下してしまうため、少量の排
気ガスを循環させた場合でも気筒内の燃焼状態が悪化し
てしまい排気ガス循環量を充分に大きくとれない問題が
あった。

本考案は前述の特願平１−317725の装置を改良するこ
とにより上記問題を解決し、機関所定負荷以上での運転
時に簡易かつ高精度に所望の排気ガス循環量を得ること
のできる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

本考案によれば、第１図の発明の構成図に示すよう
に、各気筒の吸気管毎に、遮断弁と、各吸気管の前記遮
断弁の上流側と下流側とを連通する副吸気管と、前記副
吸気管をそれぞれ開閉する制御弁３とを備えた内燃機関
の吸気装置において、 機関負荷検出手段１と、機関負荷がアイドリングから
所定の値までは上記各吸気管の制御弁３を、吸気弁が閉
弁している期間にのみ開弁させて機関負荷の増大に応じ
て開弁期間を延長させると共に、機関負荷が前記所定値
以上では機関負荷の増大と共に前記制御弁の開弁時期を
遅延させる制御手段２を設けたことを特徴とする内燃機
関の吸気装置。

〔作用〕

機関負荷検出手段１により検出した負荷が所定値T₁よ
り低い場合、制御手段２は各吸気管の制御弁３の開弁時
期を負荷に応じて変更する。

この場合、開弁時期はアイドリングから前記所定値T₁
まで負荷が増大すれにつれ早められるが、閉弁時期は常
に吸気弁開弁前の一定時期とされており、負荷の増大に
つれて制御弁の開弁期間が延長され、吸気弁閉弁中に各
気筒に供給される空気量が増大するため、吸気弁開弁時
の吸気ポート圧力が上昇する。

機関負荷が前記所定値T₁を越えると制御手段２は制御
弁の開弁時期を、逆に負荷が増大するにつれて遅延させ
る。このため吸気弁開弁時の吸気ポート圧力は負荷の増
大につれて低下し、吸気弁開弁時に吸気ポートへ逆流す
る既燃ガス量が増大する。吸気弁開弁時の吸気ポート圧
力は制御弁の開弁時期により決まるため、制御弁の開弁
時期を変えることにより吸気ポートへ逆流する既燃ガス
の量を制御することができ、所定負荷T₁以上では各気筒
に吸入される新気中の既燃ガス量を所望の値に設定でき
る。

〔実施例〕

第２図は本考案を実施する吸気ポート充填法による内
燃機関（吸気ポート充填機関）の空気供給装置の実施例
を示しており、図において、11はシリンダブロック、12
はシリンダヘッド、13はピストン、14は燃焼室、15は吸
気ポート、16は排気ポート、17は吸気弁、18は排気弁、
19は各気筒の主吸気通路を形成する吸気管、20はサージ
タンクを示している。

各気筒の吸気管19には遮断弁21が設けられるが、この
実施例では遮断弁21がスロットル弁を兼ねていて、所定
の負荷以上では運転者の操作するアクセルペダルによっ
て要求量だけ開き、サージタンク20内から吸気ポート15
へ流れる吸気の流量を無段階に調節するようになるが、
所定負荷以下では、遮断弁21は全閉して実質的に空気の
流れを塞ぐようになっている。しかし別の実施例として
は、遮断弁21は単なる全開位置（所定負荷以上）と全閉
位置（所定負荷以下）をとるだけのものとし、別に運転
者の操作するスロットル弁を全気筒共通の吸気管等に設
けることもできる。なお、22は点火栓、23は燃料噴射弁
を示す。

24は遮断弁21をバイパスするように吸気ポート15とサ
ージタンク20を連絡してバイパス吸気通路を形成する副
吸気管で、各気筒毎に設けられ、その通路の一部には本
実施例では電磁弁からなる制御弁25が設けられて、バイ
パス吸気通路を流れる空気流を断続するようになってい
る。制御弁25は電子制御装置（ECU）26によって開閉制
御されるが、ECU26はデジタルコンピュータからなり、
双方向性バス27によって相互に接続されるROM26,RAM29,
CPU30、入力ポート31、出力ポート32を備えている。

ECU26は制御弁25の開閉制御以外に機関運転のための
種々の制御を行なっており入力ポート31には、機関冷却
水温度、バッテリ電圧、発電機の負荷等がそれぞれのセ
ンサから入力されている他、エアコンのオン／オフの信
号が入力されている。また、図示しないディストリビュ
ータには回転数センサ33が設けられておりクランク軸の
回転角30度毎にパルスを発生し、ECU26がこのパルス間
隔を計時することにより機関回転数を算出できるように
している。

また、図において38はアクセル開度センサであり、図
示しないアクセルペダルの運転者による操作量をECU26
に入力している。

本実施例では制御弁21の開弁時期と開弁時間とは機関
要求負荷、すなわちアクセル開度センサ38の出力に応じ
て決定され、回転数センサ33により検出された機関回転
数毎に制御弁の開弁クランク角θ₀と閉弁クランク角θ_c
の組としてECU26のROM28にマップの形で内蔵されてい
る。

第３図は回転数一定としたときの制御弁の開閉クラン
ク角と機関要求負荷との関係の一例を示したものであ
る。図に示すように制御弁開弁角θ₀は機関負荷が無負
荷（アイドリング）から所定値T₁までは負荷の増大につ
れて早くなるが負荷が所定値T₁を越えると逆に負荷の増
大につれて遅延するように設定されている。また、制御
弁の閉弁クランク角θ_cは負荷がT₁以下の領域では吸気
弁開弁前の一定時期に設定されているが負荷がT₁を越え
るとθ₀と同様、負荷の増大につれて遅延し、吸気弁開
弁後に閉弁するようになっている。

第４図は、第３図のように制御弁の開閉時期を制御し
た場合の吸気ポート15における圧力変化を示している。
第４図の実線Ａは機関無負荷時（アイドリング）時の制
御弁弁開閉タイミングに対応する吸気ポート圧力を、ま
た、破線Ｂは機関負荷がT₁以下での部分負荷時の吸気ポ
ート圧力を、一点鎖線Ｃは機関負荷がT₁を越えた状態で
の圧力変化をそれぞれ示している。

また、図において区間Ｉで示したのは吸気弁の開弁期
間でありII_a，II_b，II_cで示したのは上記負荷状態にお
ける制御弁の開弁期間である。

第３図で説明したようにアイドリング時の制御弁開弁
期間は吸気弁の閉弁している間に設定されている（第４
図II_a）。従って、吸気弁が開弁するときには制御弁25
を通して所要量の空気の供給が完了しているため吸気ポ
ート圧力は大気圧付近まで上昇しており（第４図Ａ）、
吸気弁開弁時に吸気ポート15に逆流する既燃ガス量は低
減される。

この領域で負荷が増加すると制御弁の閉弁時期は一定
のままで制御弁開弁時期のみが早められる。このため制
御弁開弁時間は負荷の増大につれて延長され、（第４
図、区間II_b）、制御弁25を通して吸気ポート15に供給
される空気量が増大する。従ってアイドリング時よりも
吸気弁開弁時の吸気ポート圧力が一層上昇し（破線
Ｂ）、既燃ガスの吸気ポートへの逆流が更に減少すると
共に機関負荷の増大に応じた空気量を供給することがで
きる。

しかし、機関負荷がT₁を越えると制御弁の開弁時期は
負荷の増大に応じて逆に遅延される。このときも制御弁
の開弁時間は負荷に応じた空気量を供給するだけの長さ
を確保する必要があるため、同時に閉弁時期も遅延さ
れ、制御弁25の閉弁時期は吸気弁開弁後となる。（第４
図区間II_c）。従って制御弁25を通じて充分な量の空気
が吸気ポートに供給される前の、吸気ポート圧力が低い
ときに吸気弁が開弁することとなるため既燃ガスの吸気
ポートへの逆流が増加する（一点鎖線Ｃ）。吸気ポート
に逆流する既燃ガスの量は吸気弁開弁直前の吸気ポート
圧力、すなわち制御弁の開弁時期を変えることにより調
整が可能であるため、機関負荷、回転数に応じて吸気弁
開弁時期を設定すれば適切な既燃ガスの再循環（いわゆ
る内部EGR）を行なうことができる。また、この場合制
御弁は吸気弁の開弁後に閉弁するようにされ、気筒への
供給空気量が確保されると共に、吸気上死点後のピスト
ン下降行程では吸気ポート圧力が高く維持されるため機
関のポンピング損失が減少する。

第５図はECU26の制御弁開弁期間設定動作を示すフロ
ーチャートである。このルーチンはクランク軸回転角18
0度毎に実行されるがメインルーチン中で実行するよう
にしても良い。図においてステップ200でルーチンが開
始されると、ステップ210で機関負荷を表わすパラメー
タとしてアクセル開度Acと機関回転数Neが読み込まれ
る。ステップ220では上記アクセル開度Acと機関回転数N
eとに応じてECRU26のROM28に内蔵した第３図のマップか
ら制御弁の開弁クランク角θ₀と閉弁クランク角θ_cとを
設定し、ステップ230で制御弁駆動回路に出力してルー
チンを終える。

なお、本実施例では上述のように機関の所定負荷T₁を
境界に、高出力側では既燃ガスの吸気ポートへの逆流を
生じさせ、気筒内燃焼温度低下によるNOx排出量の低減
を図ると共に、所定負荷T₁より低出力側では、逆に既燃
ガスの吸気ポートへの逆流をできるだけ少くして燃焼の
安定を図っているが上記負荷T₁は既燃ガスの逆流の量を
増加しても実用上燃焼に異常を生じない最大負荷であ
り、燃焼室や吸気／排気ポートの形状によって異なる機
関固有の値である。

〔考案の効果〕 本考案は上述のように機関負荷に応じて制御弁の開弁
時期を変化させて、吸気弁開弁直前の吸気ポート圧力を
制御することにより、機関負荷が所定値以下の領域で
は、吸気ポートに逆流する既燃ガス量を低減し、燃焼を
安定させると共に、機関負荷が所定値以上の領域では吸
気ポートに逆流する既燃ガス量を負荷に応じて増加させ
て排気ガス中のNOxを低減する効果を有する。

特に、本考案によれば従来のEGR装置のような排気管
から吸気管へ排気ガスを循環させる配管が不要となりEG
R装置の構成が極めて簡単なものとなると共に配管中で
の排気ガスの温度低下が少なく、排気ガスの循環量を大
きくしても燃焼に与える悪影響が少ないことにより排気
ガスの循環量を従来より多くとることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の構成を示すブロック図、第２図は本考
案の一実施例を示す略示図、第３図は制御弁の開閉時期
と機関負荷との関係を示す図、第４図は制御弁の開閉時
期と吸気ポート圧力との関係を示す図、第５図は制御弁
開閉時期設定動作を示すフローチャートである。 15……吸気ポート、17……吸気弁、21……遮断弁、25…
…制御弁、26……ECU、33……回転数センサ、38……ア
クセル開度センサ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】各気筒の吸気管毎に、遮断弁と、各吸気管
   の前記遮断弁の上流側と下流側とを連通する副吸気管
   と、前記副吸気管をそれぞれ開閉する制御弁とを備えた
   内燃機関の吸気装置において、 機関負荷検出手段と、機関負荷がアイドリングから所定
   の値までは、上記各吸気管の制御弁を、吸気弁が閉弁し
   ている期間にのみ開弁させて機関負荷の増大に応じて開
   弁期間を延長させると共に、機関負荷が前記所定値以上
   では機関負荷の増大と共に前記制御弁の開弁時期を遅延
   させる制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の吸
   気装置。