JPS62113860A - 内燃機関の吸気装置 - 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、内燃機関の吸気装置に関し、特に燃料の気化
性を向上して部分負荷運転特性を改善すると共に、吸気
絞り量を可及的に小さくして燃費改善を図った吸気装置
に関する。

〈従来の技術〉 従来、吸気加熱装置を備えた内燃機関の吸気装置として
は、例えば第９図に示されるようなものがある（株式会
社山海堂　昭和５５年７月２０日発行「自動車工学全書
」　第４巻　ガソリンエンジン第１７７頁参照）。

図に基づいて概要を説明すると、吸気通路３１の絞り弁
３２下流に排気通路３３壁に隣接するライザ部３１ａを
備えており、該ライザ部３１ａで排気と熱交換して吸気
加熱を行うことにより、燃料の気化性を促進し、始動性
向上を図っている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、かかる従来の吸気加熱は、始動性向上のみを
目的としたものであり、加熱の程度が小さいので低温暖
機時の燃料の気化効果は低く、一方、全負荷に近い高負
荷時は吸気加熱により吸気密度が低下するため、吸気充
填効率を低下させてしまうため、多少なりとも出力低下
を招くこととなる。

一方、通常のガソリン機関においては、アクセル操作に
より吸気通路に介装された絞り弁の開度を制御すること
により、機関の負荷を制御している。

しかしながら、かかる負荷制御方式では、低負荷時に、
絞り弁下流側の負圧を大きくすることによって吸気密度
を減少させて吸気充填量を減少させる方式であるため、
絞り弁通過時の圧力損失による燃費の悪化が大きい。

また、低負荷時は吸入空気量、燃料供給量共に小である
が、燃料と空気とが良好に混合かつ分配され難く、燃料
の多くは液流として吸気マニホールド内壁を伝って流れ
るので、各気筒毎に供給される燃料量が異なる。よって
気筒間で空燃比のバラツキを生じて機関回転が不安定と
なり易く、混合気を希薄化すると特定気筒の混合比が異
常に希薄となって失火し易くなる結果、希薄化を望み難
く、燃費改善にも限界があった。

本発明は、このような従来の実状に鑑みなされたもので
、部分負荷運転時は強力な吸気加熱を行って吸気密度を
大幅に減少させることにより、燃料の気化性を向上させ
て希薄燃焼を促進しつつ絞り弁開度を可及的に増大させ
て吸気絞りによる圧損も抑制し、もって燃焼性及び燃費
を大幅に改善できるようにした内燃機関の吸気装置を提
供することを目的とする。

く問題点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、吸気絞り弁の
開度制御等により吸入空気量を制御して機関の負荷を制
御する負荷制御手段Ａを備えた内燃機関の吸気装置にお
いて、機関の負荷を変える程度に強力に吸気を加熱する
吸気加熱手段Ｂと、機関の負荷を検出する負荷検出手段
Ｃと、前記吸気加熱手段を全負荷及びそれに近い高負荷
状態では停止し、それ以外の運転状態では作動させる吸
気加熱制御手段りと、を備えた構成とする。

（作用〉 かかる構成において、負荷検出手段により検出される機
関の負荷が全負荷及びそれに近い高負荷状態では、吸気
加熱制御手段により吸気加熱手段の作動が停止され、そ
れ以外の運転時は吸気加熱手段が作動して強力な吸気加
熱が行われる。

したがって、強力な吸気加熱が行われる部分負荷運転時
は、燃料の気化性が十分筒いため、空気との混合性かつ
気筒間の分配性に優れ、もって希薄燃焼性の向上により
燃費も改善できる一方、吸気絞りを可及的に小さくする
ことができるため、絞りによる圧損を可及的に減少して
この面でも燃費を改善できる。

また、全負荷及びそれに近い高負荷時は、吸気加熱が停
止されることにより、吸気密度を高めて高出力性能を確
保できる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例の図に基づいて説明する。

第１の実施例を示す第２図及び第３図において、火花点
火式内燃機関の機関本体１には、吸気マニホールド２及
び排気マニホールド３が接続される。

吸気マニホールド２の上流端には、吸気集合管４が接続
され、該吸気集合管４の吸気入口は、リジェネレータ（
回転蓄熱式熱交換器）５の低温ガス出口ボート５ａに接
続される。該リジェネレータ５は、後述するように排気
熱を蓄熱して吸気と熱交換することにより吸気を機関の
負荷を変える程度に強力に加熱する吸気加熱手段を構成
する。一方、排気マニホールド３の下流端には排気集合
管６が接続され、排気集合管６はその下流部分が後述す
る機能をもつ流体素子（スイッチング素子あるいは分流
素子とも称される）６Ａで構成され、その二叉に分岐し
た一方の出口は、前記リジェネレータ５の高温ガス入口
ボート５ｂに接続される。

リジェネレータ５は、第４図に示すようにノλウジング
５Ｃ内にハニカム構造を有した円筒状の回転式蓄熱体５
ｄが支軸回り回転自由に収納されており、該蓄熱体５ｄ
はハウジング５Ｃ壁に固定したモータ７により、ギヤ５
ｅとの係合を介して回転駆動される。そして、前記低温
ガス出口ポート５ａと高温ガス入口ポート５ｂとは、蓄
熱体５ｄの一側回転面の上部と下部とに面して形成され
ている。また、ハウジング５Ｃの上部には、蓄熱体５ｄ
の上部空間を介して低温ガス出口ポート５ａに通じる低
温ガス入口ボート５ｆが形成され、蓄熱体５ｄの他側の
回転面下部に面して高温ガス出口ポート５ｇが形成され
ている。

前記低温ガス入口ポート５ｆには、吸気管８が接続され
、その上流端にはエアクリーナ９が接続されている。

また、前記リジェネレータ５の高温ガス出口５ｇと排気
集合管６の他方の出口とが排気管１０の二叉の入口に夫
々接続される。これにより、リジェネレータ５を経由す
る排気通路とこれをバイパスする排気バイパス通路（図
中１０Ａで示す）とが形成される。

前記排気集合管６の流体素子６Ａの分岐点付近の側壁に
は、制御ボー）６ａ、６ｂを有し、これら制御ポート６
ａ、６ｂの一方に切換制御弁１１を介して選択的に制御
圧力を導くように制御することにより、排気を二叉の分
岐通路のいずれか一方のみを集中的に流通させることが
できる。この場合の制御圧力としては、吸気負圧等を利
用すればよく、排気圧は負圧が導入された制御ボートに
近い側の分岐通路を流通する。尚、制御圧力は一度導入
すれば、その後の導入を停止してもその状態を維持する
特徴をもち、分流率は１に近い（流体素子の参考文献：
尾崎省太部、原　英明　共著「純流体素子入門」第４５
頁〜第６１頁　株式会社日刊工業新開社　昭和４２年５
月３１日発行）。

また、吸気管８には、吸入空気流量を検出するエアフロ
メータ１２が装着され、吸気集合管４には、吸気圧力を
検出する圧力センサ１３と、吸気温度を検出する温度セ
ンサ１４とが装着される。この他、機関回転数を検出す
るクランク角センサ等の回転数センサ１５及びアクセル
ペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１６等が
設けられる。

また、吸気管８内には、モータ１７によって駆動される
絞り弁１８が装着され、リジェネレータ５の低温ガス出
口ポート５ａには、一対の燃料噴射弁１９Ａ、１９Ｂが
装着される。

ここで、前記燃料噴射弁１９Ａ、　１９Ｂに接続される
燃料供給管２０に介装された流量制御弁２１を吸入空気
量に応じて制御することにより燃料流量、即ち、燃料供
給量が制御されるようになっている。

また、燃料噴射弁１９Ａ、１９Ｂのノズル部には超音波
加振器が装着され、超音波振動によりノズル部から噴出
された燃料の微粒化を図っている。さらに、ノズル部の
外周から高速で空気を噴出させて燃料の微粒化をより促
進させる構成としたものを用いてもよい。

前記各種センサ類からの信号は、制御回路２２に人力さ
れ、制御回路２２はこれらセンナ類からの情報に基づい
て絞り弁駆動用モータ１７．　　リジェネレータ駆動用
モータ７、流量制御弁２１．切換制御弁１１及び流量制
御弁２１を以下のように制御する。

以下、制御回路２２による制御を第５図に示したフロー
チャートに従って説明する。

ステップ１　（図ではＳｌと記す。以下同様）では、各
種センサ類からのデータ（アクセル開度θ＾。

機関回転数Ｎ、吸気圧力Ｐ、吸気温度Ｔを読み込む。

ステップ２では、吸気温度Ｔが設定値Ｔ、Ａ８以下であ
るか否を判定し、ＹＥＳの場合はステップ３で切換制御
弁１１により例えばボート６ａに制御負圧を導いて排気
をリジェネレータ５を経由する通路に流通させ、排気バ
イパス通路１０Ａへの流通は停止させる。

これにより、吸気はりジェネレータ５を通過する際に排
気熱を蓄熱した蓄熱体５ｄと熱交換して加熱される。

また、ステップ２の判定がＮｏの場合、即ち吸気温度Ｔ
が設定値Ｔ　ＨＡＸを上回る場合は、ステップ４で制御
弁１１によりポート６ｂに制御負圧を導いて排気を排気
バイパス通路１０Ａに流通させ、リジェネレータ５への
流通は停止させる。これにより、吸気のりジェネレータ
５による吸気加熱は停止される。

ここで、吸気温度Ｔが設定値設定値Ｔ　ＭＡＸ以上のと
きに吸気加熱を停止させるのは、高負荷時には排気温度
の上昇によって吸気温度Ｔが上昇するため、全負荷及び
それに近い所定以上の高負荷時は吸気加熱を停止して吸
気密度を高めることにより、吸気充填効率を高めて高出
力を確保することと・’Ｊ　シエネＬ／−夕５に過大な
熱負荷が加わることを防止して耐久性を向上させること
を目的として行われる。

したがって、吸気温度を検出する温度センサ１４はζ負
荷検出手段に相当し、ステップ２，３．４の機能は、吸
気加熱制御手段に相当する。

次にステップ５では、ステップ１で読み込んだアクセル
開度θヶと機関回転数Ｎとで決まる機関の要求負荷に対
応する吸気（空気）の密度γ３１を記憶手段に記憶され
たマツプから検索する。

ステップ６では、ステップ１で読み込んだ吸気温度Ｔに
基づき、ステップ５で検索された吸気密度γを得るため
の設定吸気圧力Ｐ　ＳＥＴを次式により算出する。

但し、Ｔｏ、Ｔｏ、Ｐｏは夫々標準状態での吸気密度、
温度、圧力である。

次いで、ステップ７では、ステップ１で読み込んだ吸気
圧力Ｐをステップ６で算出した設定吸気圧力ＰＳＥアと
比較する。

そして、Ｐ　＞　Ｐ　ＳＥＴの場合は、ステップ８へ進
んでモータ７を駆動して絞り弁１８を所定量閉方向に回
動させ、Ｐ＜ＰＳＥアの場合は、ステップ９へ進んで絞
り弁１日を所定量開方向に回動させ、Ｐ＝ＰＳＥアの場
合は、現状に維持する。尚、定常状態に落ち着くと、か
かる動作の繰り返しによりＰ＝Ｐ　ＳＥＴとなって平衡
する。

ステップ１０では、要求負荷に対応する要求吸入空気量
Ｇ１を要求吸気密度γ１機関の圧縮比ε。

行程容積Ｖｓ、吸気温度Ｔ１機関回転数Ｎに基づいて算
出する。

ステップ１１では、前記要求吸入空気ＩＣ，に対応する
要求燃料流量Ｇｆを次式により算出する。

ステップ１２では、要求燃料流ＮＧ、を得るべく流量制
御弁２１０制御電圧Ｖ　ＳＥＴを設定する。

前記制御電圧ＶＳｔアは、Ｄ／Ａ変換器によりＤ／Ａ変
換された後流量制御弁２１へ出力され、これにより、燃
料噴射弁１９Ａ、１９Ｂから要求燃料流量Ｇｆに相当す
る量の燃料が噴射される。

以上の制御を行うことにより吸気温度ＴがＴ　ＷＡＸ以
下の部分負荷運転時には、リジェネレータ５によって強
力に吸気加熱される結果、燃料の気化性が向上して空気
との混合が十分良好に行われるため、始動性が向上する
ことは勿論のこと、始動後の燃焼性も十分向上するため
、混合気の希薄化を促進でき、燃費を大幅に改善できる
。

特に本実施例では、燃料噴射弁１９Ａ、１９Ｂに超音波
加振器を装着して燃料の微粒化を促進できるため、気化
性向上による希薄化を一層促進して燃費をさらに改善で
きる。

また、加熱された吸気は温度上昇により密度が大きく低
下するため、従来の絞り制御のみで負荷を制御する場合
に比較し、同一の一吸入空気量を得るための吸気圧力（
ステップ６で算出される）は大幅に高められる。この結
果、低負荷時でも絞り弁１８の開度を可及的に増大させ
ることができるので、吸気絞りによる圧力損失を大幅に
減少でき、この面からも大幅な燃費の改善を図れる。

例えば、排気１２ｚ程度の非過給型機関において、吸気
加熱を行うことなく吸気温度を大気温度と略等しく２０
℃とした場合に、吸気絞り制御のみ、換言すれば吸気圧
力制御のみで吸入空気量（負荷）を制御しようとすると
、第６図に示すようにアイドル時は吸気圧力を３１０ｍ
ｍ）ＩＧにまで絞りこむ必要がある。

これに対し、吸気加熱を行い、たとえば吸気温度ＴをＴ
＝３００℃まで上昇させた場合には、第７図に示すよう
にアイドル時に同一の吸気密度とする場合、吸気圧力は
６００ｍｍＨｇ程度に絞れば済む。

また別の例として、例えば非吸気加熱時に吸気圧力５０
０ｍｍＨｇ　（吸気密度０．８　Ｋｇ／ｍ”）の部分負
荷運転を行う場合は吸気加熱により吸気温度を１７０℃
として同一負荷運転を行おうとすれば、吸気圧力は７６
０ｍｍＨｇ、即ち大気圧と等しくなるため、絞り弁は全
開としてよいことになる。

但しこのよう“な強力な吸気加熱を行うと、全負荷及び
これに近い高負荷運転は吸気充填量の不足により出力不
足となるため、かかる高負荷運転時は吸気加熱を停止し
て絞り弁１８のみを制御して所望の吸気密度を確保し、
高出力性能を確保できるようにする。このため、本実施
例では、ステップ２において所定以上の高負荷運転で吸
気加熱を停止している。

第８図は、本発明の別の実施例の制御動作を示すフロー
チャートであり、ハードウェアの構成は第２図及び第３
図に示したものと同様であるが、圧力センサ１３を省略
し、ステップ２１では吸気圧力の代わりにフラップ式の
エアフロメータのフラップ角度θ、を読み込む。

ステップ２２〜ステツプ２５までは、前実施例のステッ
プ２〜ステツプ５までと同様である。

ステップ２６では、前記フラップ角度θ、要求空気量Ｇ
、を算出すると共に、該要求空気量をシリンダ容積Ｖで
除して実際の吸気密度Ｔを算出する。

そして、ステップ２７で実際の吸気密度γとステップ２
５で求められた要求吸気密度γｓｔＴとを比較し、γ＞
　Ｔ　ｓｉｒの場合は、ステップ２８で絞り弁７の開度
θｔｈを減少させ、γ＜Ｔｓｉｔの場合は、ステップ２
９でθいを増大させ、７　”　Ｔｓｉｔの場合は現状に
維持する。

ステップ３０．３１は、前実施例のステ・ノブ１１．１
２と同様である。

以上示した実施例では、負荷の検出を吸気温度Ｔにより
行ったが、アクセル開度θ４あるいは絞り弁開度θいで
行ってもよく、この機能をステ・ステ２の機能に加えて
もよい。２ さらに、リジェネレータの回転数を可変制御して吸気温
度を制御するようにしてもよい。この場合、例えば要求
負荷が小さい程回転数を上げて熱交換量を増大し、吸気
温度を上昇させればよく、吸気温度を可変できることに
より低負荷時の吸気温度を高めに制御できる利点がある
。

このものにおいては、例えば要求負荷量が低下した時は
、最初は絞り弁開度を減少させることで応答性を確保し
、これと同時にリジェネレータの回転数を変えることに
より吸気温度が上昇して要求吸気圧が増大していくため
、徐々に絞り弁開度が開かれることになる。

尚、高負荷時はりジェネレータの回転を停止する構成と
すれば排気バイパス通路１０Ａは省略できる。

゛さらに、吸気加熱手段もリジェネレータに限らず燃焼
式ヒータ等を使用しもよい。

排気バイパス通路１０Ａの切換も本実施例のように流体
素子６Ａを用いる代わりにバラフライ式の切換弁を介装
して行ってもよく、この場合、切換弁の開度を段階的又
は連続的に制御し排気バイパス量を変えて吸気加熱量を
可変制御するようにしてもよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、部分負荷運転時
は強力な吸気加熱を行うため、燃料の気化性を向上でき
、これに伴う混合性向上により気筒間の混合比のバラツ
キが解消されるので混合等の希薄化を促進して燃費の大
幅な改善が図れる。

また、圧縮着火式機関においては、着火遅れ期間が減少
するため、静粛運転が可能となる。

一方、温度上昇により吸気密度を大きく低下させること
ができるため、吸気絞り量を可及的に減少させて絞りに
よる圧力損失を減少し、この面でせ大幅に燃費改善を図
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成２機能を示すブロック図、第２図
及び第３図は本発明の第１の実施例の構成を示す平面図
及び正面図、第４図は同上実施例に使用するりジェネレ
ータの内部構造を示す断面図、第５図は同上実施例の制
御行程を示すフローチャート、第６図は吸気加熱を行わ
ない場合の吸気圧カー吸気密度の特性図、第７図は吸気
加熱を行う場合の吸気温度−吸気密度の特性図、第８図
は本発明の第２の実施例の制御過程を示すフローチャー
ト、第９図は従来の吸気加熱装置を備えた内燃機関の断
面図である。 １・・・内燃機関　　５・・・リジェネレータ　　６Ａ
・・・流体素子　　１０Ａ・・・排気バイパス通路　　
１１・・・切換制御弁　　１３・・・圧力センサ　　１
４・・・温度センサ　　１５・・・回転数センサ　　１
６・・・アクセル開度センサ　　１８・・・絞り弁　　
２２・・・制御回路特許出願人　　日産自動車株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　富二雄 第１図 第３図 第５図　その１ 第５図　その２ 政気圧力（ｍｍＨｇ　、　ａｂｓ、　）第７図 口々気温度（°Ｃ） 第８図その１ 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 吸入空気量を制御して機関の負荷を制御するようにした
   内燃機関の吸気装置において、機関の負荷を変える程度
   に強力に吸気を加熱する吸気加熱手段と、機関の負荷を
   検出する負荷検出手段と、前記吸気加熱手段を全負荷及
   びそれに近い高負荷状態では停止し、それ以外の運転状
   態では作動させる吸気加熱制御手段と、を備えたことを
   特徴とする内燃機関の吸気装置。