(57)【要約】【課題】圧縮空気を有効に利用してサイクルの圧縮仕事を低減する。【解決手段】吸気弁の閉時期を可変制御する可変動弁機構を備えるとともに、圧縮空気を貯蔵する圧縮空気タンクと、圧縮空気をシリンダ内に供給する圧縮空気噴射弁と、を備える。タンク内圧力が高いときには、（ｂ）のように、吸気弁を早閉じとし、かつ圧縮空気の割合を多くする。圧縮空気は、点火時期までに供給し終わらない可能性を考慮して、吸気弁閉時期直後に供給する。タンク内圧力が低いときには、（ｃ）のように、吸気弁を介して流入する空気量を増やし、圧縮空気の割合を少なくする。圧縮空気は、ピストン上昇行程において吸気弁閉時期と同じピストン位置となる時期Ｔ１に供給する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁を介してシリンダ内に流入する空気量を制御するために、吸気弁の少なくとも閉時期を可変制御する可変動弁機構と、
圧縮空気を貯蔵する圧縮空気タンクと、
この圧縮空気を計量してシリンダ内に供給する圧縮空気供給手段と、
上記圧縮空気タンクにおけるタンク内圧力を検出する圧力検出手段と、
要求負荷に応じた燃料をシリンダ内に供給する燃料供給手段と、
を備えた内燃機関において、
上記タンク内圧力が高いほど上記吸気弁を介してシリンダ内に流入する空気量の割合が少なくなるように、上記吸気弁閉時期および上記圧縮空気供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【請求項２】
負荷とタンク内圧力とに基づいて、上記吸気弁閉時期および圧縮空気供給量がそれぞれ設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項３】
吸気弁の閉期間中に上記圧縮空気がシリンダ内に供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項４】
遅くとも燃焼開始時期前に上記圧縮空気の供給が終了するように、上記圧縮空気の供給開始時期が設定されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項５】
タンク内圧力が高いときには圧縮空気の供給開始時期を上死点寄りとし、タンク内圧力が低いときには下死点寄りとすることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項６】
吸気弁閉時期直後に圧縮空気の供給を開始することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項７】
シリンダ内に流入する空気量を制限するために吸気弁閉時期が下死点後のピストン上昇行程中に設定されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項８】
吸気弁閉時期が下死点前であることを条件として、吸気弁閉時期から下死点までのクランク角度だけ下死点から遅れた時期に、圧縮空気の供給を開始することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【請求項９】
必要な圧縮空気供給量が所定量よりも少ない場合は下死点後のピストン上昇行程中に圧縮空気の供給を行い、所定量以上の場合は下死点前のピストン下降行程中に少なくとも一部の圧縮空気の供給を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮仕事の低減のために、ピストンの下降に伴う吸気の導入に代えて、圧縮機で生成した圧縮空気をシリンダ内に直接に供給するようにした内燃機関が、例えば特許文献１等で提案されている。この特許文献１では、所定の圧縮比とした空気をリザーバ内に蓄え、ピストン上昇行程の後半において、この圧縮空気をシリンダ内に供給するようにしており、必要な空気量の全量が圧縮空気として与えられる。
【特許文献１】特表２００６−５１７６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１の技術では、圧縮機を常時駆動して空気量の全量を圧縮空気として与えることを前提としており、例えばリザーバタンク内に十分な圧力の空気が存在しない場合には、機関の運転を維持することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、この発明は、一般的な内燃機関と同様にピストンの下降に伴って吸気弁を介してシリンダ内に取り込まれる空気と、シリンダ内に直接に供給される圧縮空気と、を適宜に併用するようにした。
【０００５】
すなわち、この発明に係る内燃機関の吸気制御装置は、吸気弁を介してシリンダ内に流入する空気量を制御するために、吸気弁の少なくとも閉時期を可変制御する可変動弁機構と、圧縮空気を貯蔵する圧縮空気タンクと、この圧縮空気を計量してシリンダ内に供給する圧縮空気供給手段と、上記圧縮空気タンクにおけるタンク内圧力を検出する圧力検出手段と、要求負荷に応じた燃料をシリンダ内に供給する燃料供給手段と、を備えている。そして、上記タンク内圧力が高いほど上記吸気弁を介してシリンダ内に流入する空気量の割合が少なくなるように、上記吸気弁閉時期および上記圧縮空気供給手段を制御する。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、シリンダ内に圧縮空気を供給することによって、内燃機関の圧縮仕事が低減する。そして、吸気弁を介してシリンダ内に流入する空気量と圧縮空気量との割合がタンク内圧力に応じて制御されるため、常時一定圧力の圧縮空気を確保する必要がなく、適宜な手段で生成される圧縮空気をより有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本発明に係る内燃機関の吸気制御装置のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、シリンダヘッド４とシリンダブロック５とピストン６とによって画成される燃焼室７を有し、かつ吸気弁８を介して燃焼室７に連通する吸気通路２および排気弁９を介して燃焼室７に連通する排気通路３を備えている。
【０００９】
吸気弁８は、該吸気弁８の少なくとも閉時期を可変制御し得る可変動弁機構１０を備えている。この可変動弁機構１０による閉時期の可変制御によって、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量を制御することができる。
【００１０】
燃焼室７には、燃料タンク１１から送られた燃料を燃焼室７内に噴射供給する燃料噴射弁１２と、圧縮空気タンク１３内に蓄えられた圧縮空気を燃焼室７内に直接に供給する圧縮空気噴射弁１４と、燃焼室７内の混合気を着火・燃焼させるための点火プラグ１５と、を備えている。圧縮空気タンク１３には、内部の圧縮空気の圧力を検出する圧力センサ１６が設けられている。ここで、圧縮空気は、図示せぬ圧縮機等の適宜な手段で生成されて圧縮空気タンク１３に蓄えられるが、例えば車両の減速エネルギ等の一般に無駄に捨てられてしまうエネルギを利用して圧縮空気を生成するようにすれば、燃費低減の上でより望ましいものとなる。
【００１１】
また、この内燃機関１は、上記圧力センサ１６のほかに、図示せぬクランク角度センサ、アクセル開度センサ、水温センサ等の一般的なセンサ類を備えており、コントロールユニット１７は、これらのセンサ類からの検出信号に基づいて、上記の可変動弁機構１０、燃料噴射弁１２、圧縮空気噴射弁１４、点火プラグ１５等を統合的に制御している。
【００１２】
なお、図示例は火花点火機関となっているが、この発明は、圧縮自己着火の内燃機関にも適用できる。
【００１３】
図８は、この実施例における吸気制御の流れを示すフローチャートであって、先ずステップ１で、アクセル開度等に基づいて要求負荷つまり要求エンジントルクを算出する。ステップ２では、そのときの圧縮空気タンク１３のタンク内圧力を読み込む。そして、ステップ３で、この要求負荷とタンク内圧力とに基づき、図２に示すマップを用いて、吸気弁閉時期を決定する。さらに、ステップ４で、同じく要求負荷とタンク内圧力とに基づき、図３に示すマップを用いて、圧縮空気供給量を決定する。
【００１４】
図２に示すように、吸気弁閉時期は、要求負荷が大きいほど、またタンク内圧力が低いほど、より遅角側となって下死点に近づき、逆に、要求負荷が小さいほど、またタンク内圧力が高いほど、より進角側となって上死点に近づく特性を有している。また、図３に示すように、圧縮空気供給量は、要求負荷が高くかつタンク内圧力が高い領域で最大となり、要求負荷が低いほど、あるいはタンク内圧力が低いほど、少なくなる。ここで、図２，図３において、ハッチング（斜線）を付して示す領域Ａは、圧縮空気供給を行わず、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気が、必要な要求空気量の１００％となる領域である。またドットを付して示す領域Ｂは、吸気弁８を実質的に全閉（つまり閉時期を上死点ないし開時期まで進角させる）として、圧縮空気が、必要な要求空気量の１００％となる領域である。さらに、圧縮空気が全空気量の中で占める割合が高くなると、後述するように圧縮仕事が減少し、外部に出力される実質的なトルクが上昇するので、要求負荷に沿うように、圧縮空気の割合の増加に伴って総空気量が減少補正されるように、図２，図３のマップは設定されている。
【００１５】
なお、この実施例は、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量を少量に制限する際に、吸気弁閉時期がピストンの下降行程中に設定される所謂早閉じとした例である。本発明では、空気量を少量に制限する際に、吸気弁閉時期をピストン上昇行程の途中まで遅らせる所謂遅閉じとすることもでき、この場合は、図２の進角・遅角の方向が逆となる。
【００１６】
次にステップ５では、ステップ３で決定された吸気弁閉時期が図２に例示する所定値ＩＶＣｘよりも進角側であるか否かを判定する。ここでＹＥＳであれば、ステップ７へ進み、圧縮空気の供給開始時期を吸気弁閉時期直後に設定する。ステップ５でＮＯであれば、ステップ６へ進み、ステップ４で決定された圧縮空気供給量が図３に例示する所定量Ｑｘよりも多いか否かを判定する。ここでＹＥＳであれば、やはりステップ７へ進み、圧縮空気の供給開始時期を吸気弁閉時期直後に設定する。ステップ６でＮＯであれば、ステップ８へ進み、圧縮空気の供給開始時期を、ピストン上昇行程中の筒内が大気圧に戻るタイミングに設定する。つまり、吸気弁閉時期が下死点前である場合に、吸気弁閉時期から下死点までのクランク角度だけ下死点から遅れた時期（換言すれば、吸気弁閉時期のピストン位置と同じピストン位置に戻る時期）を、圧縮空気の供給開始時期とする。
【００１７】
なお、閾値となる上記の吸気弁閉時期ＩＶＣｘや圧縮空気供給量Ｑｘの値は、制御性や効率を考慮して適宜に設定される。また、図２，図３のマップは機関回転速度に応じて変更するようにしてもよい。具体的には、機関回転速度が低いほど、圧縮空気供給量が多くなるように設定することができる。
【００１８】
図４は、要求負荷が比較的高い条件において、（ａ）圧縮空気を利用しない場合（つまり図２，図３の領域Ａにある場合、あるいは一般的な内燃機関の場合）、（ｂ）圧縮空気タンク内圧力が高く（例えば図２，図３のＰ１）、前述のステップ７へ進んだ場合、（ｃ）圧縮空気タンク内圧力が低く（例えば図２，図３のＰ２）、前述のステップ８へ進んだ場合、の各々の吸気弁８開閉時期と圧縮空気供給時期とを示している。
【００１９】
図４では、吸気弁８の開期間をドットを付した角度領域でもって示しているが、（ｂ），（ｃ）のいずれの場合も、吸気弁８の閉期間中に圧縮空気の供給が行われるので、吸気弁８を介した圧縮空気の漏洩ないし逆流は生じない。図４においては、ハッチング（斜線）を施して示す角度領域は、圧縮空気の供給がないものと仮定して、吸気弁８が閉じた後のピストンの下降に伴いシリンダ内が負圧となる期間である。後述するように、圧縮空気の供給を負圧が発達している期間に行うと、圧縮仕事の低減効果が小さくなる。そこで、圧縮空気供給量が多い場合は、図４（ｂ）のように、ピストン下降行程において吸気弁閉時期直後に圧縮空気を供給する。これは、例えば図４（ｂ）にＴ１として示す時期に圧縮空気供給を開始すると、点火時期までに圧縮空気の供給が完了しない可能性が生じるので、これを確実に回避するためである。
【００２０】
これに対し、圧縮空気供給量が多くない場合は、図４（ｃ）のように、吸気弁閉時期から下死点までのクランク角度だけ下死点から遅れた時期（換言すれば、吸気弁閉時期のピストン位置と同じピストン位置に戻る時期）Ｔ１に、圧縮空気を供給する。なお、図４（ｃ）では、上記の時期Ｔ１がちょうど圧縮空気供給開始時期となっているが、圧縮空気供給期間が上記の時期Ｔ１を含むように圧縮空気供給開始時期が図４（ｃ）よりも進角した位置にあってもよく、さらには、上記の時期Ｔ１から圧縮空気供給期間が多少離れていてもよい。
【００２１】
図４（ｃ）のようにピストン上昇行程中にシリンダ内に供給された圧縮空気は、点火時のシリンダ内のガス流動強化にも寄与し、燃焼効率を向上させるので、このガス流動強化の点からは、図４（ｂ）のようにピストン下降行程において圧縮空気を供給するよりも、図４（ｃ）のようにピストン上昇行程において圧縮空気を供給する方が好ましい。なお、このようなガス流動強化と点火時期までの圧縮空気供給完了とを両立させるために、必要な圧縮空気量の一部を図４（ｂ）のように吸気弁閉時期直後に供給し、残部を図４（ｂ）のＴ１の時期に供給するようにしてもよい。
【００２２】
また、筒内圧は、ピストン位置が上死点に近いほど高くなるので、圧縮空気タンク１３のタンク内圧力が相対的に高くないと、シリンダ内への導入が困難となる。従って、図４（ｂ），（ｃ）に例示した圧縮空気供給時期を、タンク内圧力が低いほど下死点に近づけるようにして、圧縮空気供給をより確実なものとすることもできる。
【００２３】
次に、図５〜図７に示すＰＶ線図について説明する。
【００２４】
図５は、図４（ａ）に示したような圧縮空気を利用しない場合のサイクルのＰＶ線図である。良く知られているように、ハッチング（斜線）を施した領域Ｃが、損失となる圧縮仕事であり、ドットを付して示す領域Ｄが、外部へ取り出せる仕事である。本発明は、圧縮空気の導入によって、領域Ｃの面積で示される圧縮仕事を低減しようとするものである。
【００２５】
図６は、前述した図４（ｂ）に示したような、圧縮空気タンク内圧力が高く、ピストン下降行程において圧縮空気を供給した場合のＰＶ線図であり、特に、図６（ａ）は、図４（ｂ）のように、吸気弁閉時期直後に圧縮空気を供給した場合の特性を示す。この図に示すように、圧縮空気タンク内圧力が高いときには、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量は少なく制御され、圧縮空気供給量の割合が高くなっている。ハッチング（斜線）を施した領域Ｃが損失となる圧縮仕事であり、ドットを付して示す領域Ｄ１，Ｄ２が外部に取り出せる仕事である。ここで、領域Ｄ１は吸気行程中での仕事で、領域Ｄ２は膨張行程での仕事から圧縮仕事を除いた仕事である。厳密には、圧縮仕事は、圧縮空気を利用しない場合（図５）と同様に存在するのであるが、圧縮空気による吸気行程中の仕事Ｄ１で相殺されるため、実質的には、領域Ｃとして図示するように大幅に低減される。
【００２６】
図６（ｂ）は、参考例として示すものであり、図４（ｂ）に示した圧縮空気供給時期を、吸気弁閉時期から多少遅らせた場合のＰＶ線図を示している。この図６（ｂ）から理解できるように、圧縮空気供給時期が吸気弁閉時期から遅れると、圧縮空気による吸気行程中の仕事Ｄ１が減少し、最終的な損失となる仕事Ｃが大きくなって、圧縮空気供給による効果が小さくなる。従って、前述したように、ピストン下降行程において圧縮空気を供給する場合は、図６（ａ）および図４（ｂ）のように、吸気弁閉時期直後から供給を開始するのが有利である。
【００２７】
図７は、前述した図４（ｃ）に示したような、圧縮空気タンク内圧力が低く、ピストン上昇行程において圧縮空気を供給した場合のＰＶ線図であり、特に、図７（ａ）は、図４（ｃ）のように、吸気弁閉時期から下死点までのクランク角度だけ下死点から遅れた時期（換言すれば、吸気弁閉時期のピストン位置と同じピストン位置に戻る時期）Ｔ１に、圧縮空気の供給を開始した場合の特性を示す。この図に示すように、圧縮空気タンク内圧力が低いときには、吸気弁８を介してシリンダ内に流入する空気量が多く与えられ、圧縮空気供給量の割合が少なくなっている。ハッチング（斜線）を施した領域Ｃが損失となる圧縮仕事であり、ドットを付して示す領域Ｄが外部に取り出せる仕事である。このように、タンク内圧力が低い場合でも、圧縮空気をシリンダ内へ供給することにより、実質的な圧縮仕事Ｃが減少する。
【００２８】
図７（ｂ）は、参考例として示すものであり、図４（ｃ）に示した圧縮空気供給時期を、図４（ｃ）に図示した時期から多少進角させた場合のＰＶ線図を示している。この図７（ｂ）から理解できるように、圧縮空気供給時期を早めると、圧縮仕事Ｃが増加し、圧縮空気供給による効果が小さくなる。従って、前述したように、ピストン上昇行程において圧縮空気を供給する場合は、図７（ａ）および図４（ｃ）のように、筒内の負圧がなくなってから供給を開始するのが有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明に係る吸気制御装置のシステム構成図。
【図２】吸気弁閉時期の制御マップの特性を示す特性図。
【図３】圧縮空気供給量の制御マップの特性を示す特性図。
【図４】（ａ）圧縮空気を利用しない場合、（ｂ）タンク内圧力が高い場合、（ｃ）タンク内圧力が低い場合、の吸気弁開閉時期と圧縮空気供給時期とを示す特性図。
【図５】図４（ａ）に対応するＰＶ線図。
【図６】（ａ）図４（ｂ）に対応するＰＶ線図、および（ｂ）圧縮空気供給時期を遅らせた場合のＰＶ線図。
【図７】（ａ）図４（ｃ）に対応するＰＶ線図、および（ｂ）圧縮空気供給時期を早めた場合のＰＶ線図。
【図８】この実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３０】
１…内燃機関
２…吸気通路
８…吸気弁
１０…可変動弁機構
１３…圧縮空気タンク
１４…圧縮空気噴射弁
１６…圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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