(57)【要約】【課題】  全運転領域において吸気の適切な過給を行う内燃機関の可変吸気装置を提供する。【解決手段】  機関の低速領域では長吸気通路２２を介し、機関の高速領域では短吸気通路２３を介して吸気可能に、開閉弁２３ｃでもって切り替える制御手段を備えた内燃機関の可変吸気装置において、制御手段は、開閉弁２３ｃを、機関の低速領域では、短吸気通路２３を閉じるIの位置に、機関の高速且つ高負荷領域では、短吸気通路２３を開きつつ通気抵抗の少なくなるIIの位置に、機関の高速且つ低負荷領域では、短吸気通路２３を開きつつ反射正圧が最大になるIIIの位置に、制御する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の低速領域では長吸気通路を介し、機関の高速領域では短吸気通路を介して吸気可能に、開閉弁でもって切り替える制御手段を備えた内燃機関の可変吸気装置において、
前記制御手段は、前記開閉弁を、
前記機関の低速領域では、前記短吸気通路を閉じる第１の位置に、
前記機関の高速且つ高負荷領域では、前記短吸気通路を開きつつ通気抵抗の少なくなる第２の位置に、
前記機関の高速且つ低負荷領域では、前記短吸気通路を開きつつ反射正圧が最大になる第３の位置に、
制御することを特徴とする内燃機関の可変吸気装置。
【請求項２】
前記長吸気通路及び前記短吸気通路は、異なる長さの長吸気管および短吸気管により異なる長さに構成されると共に、前記短吸気管は前記長吸気管から同一平面内で分岐形成され、且つ前記開閉弁は前記短吸気管の前記長吸気管との分岐部に設けられ、
前記開閉弁の前記第３の位置は、前記短吸気管の軸線に対して平行な位置であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の可変吸気装置に関し、特に内燃機関の運転状態に応じて長さの異なる吸気通路に切り替えるように制御する内燃機関の可変吸気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気通路の長さを切り替えることにより慣性効果等の動的効果を利用して、吸気を燃焼室に過給する技術が知られ、実用化されている。この技術では、概して、機関の低速領域では吸気通路の長さを長くして低振動数側に、および機関の高速領域では吸気通路の長さを短くして高振動数側にそれぞれ固有振動数を設定するようにしている。
【０００３】
ところで、上記技術において、吸気通路の長さを切り替える要素である設定回転数は、概して、吸気通路の長さが長いときのトルク曲線と、吸気通路の長さが短いときのトルク曲線との重なる点における回転数とされ、固定の回転数とされている。しかしながら、固定の設定回転数に対して吸気通路の長さを切り替えるのみでは、機関の全運転領域において好ましい動的効果が得られないという問題があり、このような問題を解決するために例えば特許文献１に記載の技術が提案されている。
【０００４】
これは、エンジンの負荷の増大に従って、すなわち吸気量の増加に従ってトルク曲線が変動するため、エンジンの負荷に応じて設定回転数を切り替え、この設定回転数に対して、異なる長さの吸気通路に切り替えるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２５３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、高負荷運転領域では、出力向上を図るために、吸気を内燃機関の燃焼室に多く取り込む必要があるのに対して、低負荷運転領域では、高負荷運転領域に比して必要とされる吸気の量は少ない。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示のエンジンの吸気装置はエンジンの低回転数側と高回転数側で可変吸気の切り替えを行っているに過ぎず、負荷に応じた、すなわち運転状態に応じて必要とされる吸気量に応じた切り替え制御を行っているのではない。それ故、上記従来技術では、負荷に適した動的効果が得られないので、全運転領域において十分な慣性過給が行えないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題を解消し、機関の全運転領域において吸気の適切な慣性過給を行うことができる内燃機関の可変吸気装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一形態に係る内燃機関の可変吸気装置は、機関の低速領域では長吸気通路を介し、機関の高速領域では短吸気通路を介して吸気可能に、開閉弁でもって切り替える制御手段を備えた内燃機関の可変吸気装置において、制御手段は、開閉弁を、機関の低速領域では、短吸気通路を閉じる第１の位置に、機関の高速且つ高負荷領域では、短吸気通路を開きつつ通気抵抗の少なくなる第２の位置に、機関の高速且つ低負荷領域では、短吸気通路を開きつつ反射正圧が最大になる第３の位置に、制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の形態は、上記一形態において、長吸気通路及び前記短吸気通路は、異なる長さの長吸気管および短吸気管により異なる長さに構成されると共に、短吸気管は長吸気管から同一平面内で分岐形成され、且つ開閉弁は短吸気管の長吸気管との分岐部に設けられ、開閉弁の第３の位置は、短吸気管の軸線に対して平行な位置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関の運転状態が低速領域のときは、開閉弁が閉じられた第１の位置に制御されて長い吸気通路が用いられるので、吸気系の固有振動数が低振動数側に設定されて慣性効果による内燃機関への慣性過給が行なわれる。また、内燃機関の運転状態が高速且つ高負荷領域のときは、短い吸気通路に切り替えられ、且つ開閉弁の位置が吸気の流れに対する抵抗の少なくなる第２の位置に制御されるので、大量の吸気を通気抵抗が少なく円滑に流れさせると共に、吸気系の固有振動数を高振動数側に設定して慣性効果を用いることができ、その相乗効果により内燃機関への十分な慣性過給を行うことが可能になる。さらに、内燃機関の運転状態が高速且つ低負荷領域のときは、同じく短い吸気通路が用いられ、且つ開閉弁の位置が反射正圧を最大にする第３の位置に制御されるので、吸気系の固有振動数を高振動数側に設定して慣性効果を最大限に生かした内燃機関への慣性過給を行うことが可能になる。このように本発明の一形態に係る内燃機関の可変吸気装置は、内燃機関の回転数および負荷に基づいて開閉弁を制御することで、全運転領域において吸気の適切な慣性過給を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る内燃機関の可変吸気装置の具体的な実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変吸気装置１を、４気筒の燃料噴射式自動車用のエンジン３に適用したところを示す概略構成図であり、エンジン３は４つの気筒３ａを備えている。各気筒３ａは、それぞれ対応する吸気枝管２１を介して共通のサージタンク２４に接続されている。サージタンク２４はエアフロメータ２６が設けられた吸気ダクト２５を介してエアクリーナ２７に接続されている。吸気ダクト２５内にはステップモータ２５ａによって駆動されるスロットル弁２５ｂが配置されている。このスロットル弁２５ｂは、アクセルペダルの踏み込み量等に対応して後述するＥＣＵ６の信号に基づいて開閉される。一方、各気筒３ａは、排気通路４の一部である共通のエクゾースト・マニホールド４１に連結されている。
【００１４】
各気筒３ａに対応させて、吸気ポート内に向けて燃料を噴射するためのインジェクタ３４ａが取り付けられている。このインジェクタ３４ａは、ＥＣＵ６の出力信号に基づいて制御される。また、インジェクタ３４ａは、共通の燃料分配管３４に接続されている。
【００１５】
図２は、図１に示した本発明の一の実施形態に係る内燃機関の可変吸気装置１の概略を示す断面模式図であり、エンジン３の任意の一の気筒３ａに関して示されている。エンジン３の一の気筒３ａの各吸気ポート３２には、インテーク・マニホールドとして構成された吸気枝管２１が連結されている。吸気枝管２１は、連結された長吸気管２２を介してサージタンク２４に連通されている。一方、長吸気管２２から分岐された短吸気管２３もサージタンク２４に連通されている。かくて、吸気枝管２１および長吸気管２２により長吸気通路が構成され、そして吸気枝管２１および短吸気管２３により短吸気通路が構成されて、長短異なる長さの吸気通路２が形成されている。
【００１６】
より詳しくは、長吸気管２２は、サージタンク２４の周囲に沿って配置されて概略Ｕ字形状の部分を有し、その開放端２２ａがサージタンク２４内に位置されている。また、短吸気管２３は、サージタンク２４内に位置されていて、長吸気管２２と同一平面内で長吸気管２２から分岐されて形成されている。そして、この分岐部において、短吸気管２３の軸線Ｂが長吸気管２２の軸線Ａに対して、鋭角αをなして合流するように形成されている。短吸気管２３は、その軸線Ｂに対して垂直である開放端２３ａをサージタンク２４の内部に有し、他端の長吸気管２２との分岐部近傍には開閉弁２３ｃが備えられている。開閉弁２３ｃはバタフライバルブであり、当該開閉弁２３ｃの開閉軸２３ｄが短吸気管２３の軸線Ｂに対して直交する関係で設けられている。そして、ＥＣＵ６の制御によりこの開閉軸２３ｄがステップモータ２３ｂにより駆動されて、この開閉弁２３ｃの開閉作業を行うことが可能にされている。
【００１７】
開閉弁２３ｃの制御の他、エンジン３の燃料噴射制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic  ControlUnit）６を本発明に係る内燃機関の可変吸気装置１は備えている。ＥＣＵ６は、ＣＰＵと、種々のプログラムやデータを記録するメモリと、入力インタフェース回路と、出力インタフェース回路とを備える、例えばマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェース回路には、エンジン３の負荷や回転数などのエンジン３の運転状態を検出する手段である負荷センサ５２や回転数センサ５３などのセンサが電気配線を介して接続されている。負荷センサ５２は、吸気管内の圧力に比例した出力電圧を発生するセンサであり、サージタンク２４に形成された圧力取り出し口５１と接続されている。また、回転数センサ５３は、エンジン３の回転数を表す出力パルスを発生するセンサである。そして、ＥＣＵ６の出力インタフェース回路は、開閉弁２３ｃの駆動用のステップモータ２３ｂに接続されていて、負荷センサ５２および回転数センサ５３により得られたエンジン３の負荷および回転数に基づき、その開閉を制御可能にしている。
【００１８】
開閉弁２３ｃは、ＥＣＵ６からの信号に基づき、その開閉位置が三つの位置に切り替えられるように設定されている。この三つの位置は、図３の運転状態と開閉弁２３ｃの開閉位置との関係を示すグラフ、および図４の開閉弁２３ｃの開閉位置を表した模式図に、表されている。図３によれば、所定の設定回転数より小さいエンジン３の低速領域においては、開閉弁２３ｃは「I」の位置にされ、そして所定の設定回転数以上のエンジン３の高速領域においては、開閉弁２３ｃは「II」又は「III」の位置にされるように制御される。さらに、開閉弁２３ｃは、エンジン３の高速領域において、高負荷領域では「II」の位置に、又は低負荷領域では「III」の位置に、切り替えられる。ここで、「I」の位置とは、開閉弁２３ｃにより短吸気管２３が完全に閉じられる、図４における点線で表した位置である。また、「II」の位置とは、開閉弁２３ｃが短吸気管２３の軸線Ｂよりも若干傾けられて、短吸気管２３が開かれる、図４における一点鎖線で表した位置である。詳しくは、「II」の位置は、開放端２３ａと異なる側であって長吸気管２２側に位置される開閉弁２３ｃの弁端２３ｅが、吸気の流れる方向であって短吸気管２３の軸線Ｂに対してエンジン３の吸気ポート３２側に傾けられた位置であり、換言すれば、後述するように短吸気管２３を介して吸気が流れるときに通気抵抗の少なくなる位置である。なお、「II」の位置において、軸線Ｂと開閉弁２３ｃは、例えば図４形状においては５°から２０°の所定の角度範囲で鋭角βを形成する。さらに、「III」の位置とは、開閉弁２３ｃが短吸気管２３の軸線Ｂと重なって、短吸気管２３が開かれる、図４における実線で表した位置である。また、この「III」の位置は、開閉弁２３ｃが短吸気管２３の開放端２３ａに対して垂直となる位置でもある。さらに、「III」の位置は、後述するように、短吸気管２３内において伝播される振動波が最も打ち消されない位置である。
【００１９】
上記構成の内燃機関の可変吸気装置１に対する開閉弁２３ｃの制御の一例について、図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図５の開閉弁制御ルーチンは、所定時間毎に実行されるルーチンである。
【００２０】
まず、ＥＣＵは、ステップＳ１０１において、エンジン３の運転状態が、高速領域での運転状態か否かを判別する。ＥＣＵ６は、検知した回転数からエンジン３が高速領域での運転状態ではないと判別したときには、ステップＳ１０２へ進む。なお、エンジン３が高速領域での運転状態であるか否かは、エンジン３の回転数が、所定値以上であるか否かを判別することにより行われる。一方、回転数が所定値以上のときには、後述するようにステップＳ１０３へ進む。
【００２１】
そこで、ステップＳ１０２では、ＥＣＵは、開閉弁２３ｃが第１の位置となるようにステップモータ２３ｂを駆動制御する。ここで、第１の位置とは、図４における点線の「I」の位置である。この結果、エンジン３には長吸気管２２を介してのみ、空気が流れるようになる。
【００２２】
また、上記のステップＳ１０１での判別でエンジン３が高速領域での運転状態であると判別されると、ステップＳ１０３へ進む。そして、ステップＳ１０３では、さらに、低負荷か否かを判別する。ＥＣＵは、検知した負荷から、低負荷での運転状態ではないと判別したときは、ステップＳ１０４へ進む。なお、低負荷での運転状態であるか否かは、エンジンの負荷が、所定値以下であるか否かを判別することにより行われる。一方、負荷が所定値以下のときには、後述するようにステップＳ１０５へ進む。
【００２３】
ＥＣＵは、ステップＳ１０４では、開閉弁２３ｃを第２の位置となるようにステップモータ２３ｂを駆動制御する。ここで、第２の位置とは、図４における一点鎖線の「II」の位置である。この結果、長吸気管２２に加えて短吸気管２３からも、空気が流れるようになる。
【００２４】
また、上記のようにステップＳ１０１でエンジン３が高速領域での運転状態であると判別されると、ステップＳ１０３へ進む。さらに、ステップＳ１０３で低負荷での運転状態であると判別されると、ステップＳ１０５へ進む。
【００２５】
ステップＳ１０５では、ＥＣＵ６は、開閉弁２３ｃを第３の位置となるようにステップモータ２３ｂを駆動制御する。ここで、第３の位置とは、図４における実線の「III」の位置である。この結果、上記第２の位置のときと同様に、第３の位置では、長吸気管２２に加えて短吸気管２３からも、空気が流れるようになる。
【００２６】
ところで、開閉弁２３ｃが第２の位置にあるときと第３の位置にあるときとでは、上述したように短吸気管２３の軸線Ｂに対する傾きが異なり、この傾きの相違により短吸気管２３からの吸気の流れおよびその慣性過給に違いを生じさせている。そこで、第１の位置も含めて開閉弁２３ｃの三つの開閉位置に応じた吸気の流れおよびその過給について以下に詳細に述べる。
【００２７】
まず、開閉弁２３ｃが第１の位置、すなわち「I」の位置に制御されて、短吸気管２３が閉じられているときに関して説明する。このときは、吸入された空気、すなわち吸気は長吸気管２２を介してのみ、サージタンク２４からエンジン３に供給される。そして、吸気開始時に吸気ポート３２付近に発生した負の圧力により負の圧力振動波が生じ、長吸気管２２の開放端２２ａでこの負の圧力振動波は反射されて正の圧力振動波となり、吸気ポート３２方向に戻される。そして、この正の圧力振動波、すなわち反射正圧が、エンジン３の吸気弁３３が閉じる寸前に吸気弁３３のところまで最終的に伝達されて、その吸気弁３３の閉じるタイミングと一致すると、慣性効果を最大に利用したエンジン３の燃焼室３１への過給が可能になる。なお、当該明細書において、吸気ポート付近に発生した負の圧力により吸気通路内に負の圧力振動波が生じて、吸気通路の他端で反射して吸気ポート方向に戻される正の圧力振動波を、反射正圧という。
【００２８】
次に、開閉弁２３ｃが第２の位置、すなわち「II」の位置に制御されて、短吸気管が開かれているときに関して説明する。このときは、吸気は長吸気管２２に加えて短吸気管２３からも、サージタンク２４からエンジン３に供給される。吸気弁３３が開かれて吸気開始時に吸気ポート３２付近に負の圧力を発生すると、空気には慣性があるため、この発生した負の圧力により吸気通路内に負の圧力振動波が生じ、音速で吸気管端である開放端２２ａ、２３ａに伝播する。負の圧力振動波は、長吸気管２２の開放端２２ａで反射されて正の圧力振動波となり吸気ポート３２方向に戻されると共に、短吸気管２３の開放端２３ａでも反射されて正の圧力振動波となり吸気ポート３２方向に戻される。これらの正の圧力振動波は、長吸気管２２からの低振動数側の正の圧力振動波と、短吸気管２３からの高振動数側の正の圧力振動波の二つの圧力振動波である。ここで、エンジン３は高速領域での運転状態であるので、吸気弁３３の開閉の周期に適合し得るのは、高振動数側の正の圧力振動波の周期である。それ故、短吸気管２３からの高振動数側の正の圧力振動波が吸気の流れに概して影響を与える。一方、図６（ａ）に模式的に示すように、開閉弁２３ｃは短吸気管２３の軸線Ｂに対して吸気が流れやすい向きに傾いて開かれていて、その傾きの方向に吸気は流れるので、短吸気管２３と長吸気管２２との分岐部近傍における管内壁面２３ｆでの吸気の剥離が最小限に抑えられる。これにより、吸入された空気の通路幅を最大限に確保することができ、吸気通路内を流れる吸気は、通気抵抗の少ない状態で流れることが可能になる。さらに詳細に述べると、図６に二次元で模式的に示すように、開閉弁２３ｃが第３の位置にあるときには（図６(ｂ)参照）、吸気は管内壁面２３ｆで剥離して、剥離した領域（断面Ａ１）により、吸気が抵抗なく流れる領域の有効断面は断面Ａ２の部分のみしか確保できない。しかし、開閉弁２３ｃが第２の位置にあるときには（図６（ａ）参照）、吸気の剥離は最小限に抑えられるので、ほぼ全ての長吸気管２２の断面Ｓを通じて流れることが可能になり、吸気の通気抵抗は減少する。それ故、エンジン３の高速且つ高負荷の運転状態においては、高出力を得るために必要な大量の吸気を通気抵抗が少ない状態で流し、且つ高振動数側の正の圧力振動波による慣性効果を利用して燃焼室３１に過給することが可能になる。
【００２９】
さらに、開閉弁２３ｃが第３の位置、すなわち「III」の位置に制御されて、短吸気管が開かれているときに関して説明する。このときは、開閉弁２３ｃが開いた位置では、上記したように、エンジン３は高速運転であるので、短吸気管２３からの高振動数側の正の圧力振動波が概して吸気の流れに影響を与える。また、高速且つ低負荷での運転状態であるので、燃焼に必要な吸気量は高速且つ高負荷時に比して少なく、吸気の通気抵抗は過給に際して、概ね問題にならない。ここで、図６（ｂ）に示すように開閉弁２３ｃは短吸気管２３の軸線Ｂに対して平行且つその開放端２３ａに垂直な方向に開かれていて、正の圧力振動波は、開閉弁２３ｃの影響を最小限にして、すなわち開閉弁２３ｃにより打ち消される量が最小にされて吸気ポート３２に伝播される。しかして、開放端２３ａで反射した短吸気管２３からの正の圧力振動波、すなわち反射正圧が最大の状態で吸気ポート３２に伝播され、慣性効果を最大限に利用した過給が可能になる。
【００３０】
以上、本発明に係る内燃機関の可変吸気装置について、好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されない。また、本発明に係る上記一実施形態では、内燃機関を、４気筒の燃料噴射式自動車用のエンジンとしたが、その他の内燃機関を排除するものではない。さらに、本発明に係る上記一実施形態では、長短の吸気管２２、２３の開放端２２ａ、２３ａは、サージタンク２１内に位置するようにサージタンク２１と関係付けたが、本発明はこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変吸気装置を、４気筒の燃料噴射式自動車用のエンジンに適用したところを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した本発明の一の実施形態におけるエンジンの任意の一の気筒に関する断面模式図である。
【図３】エンジンのトルクと回転数、およびエンジンの運転状態における開閉弁の開閉位置との関係を示すグラフである。
【図４】開閉弁が制御される三つの開閉位置を示す模式図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における排気浄化制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】長吸気管と短吸気管の分岐部近傍での吸気の流れを説明するための模式図であり、開閉弁が（ａ）第２の位置にあるとき、および（ｂ）第３の位置にあるときの図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関の可変吸気装置
２  吸気通路
３  エンジン
２１  吸気枝管
２２  長吸気管
２２ａ  開放端
２３  短吸気管
２３ａ  開放端
２３ｂ  ステップモータ
２３ｃ  開閉弁
２３ｄ  開閉軸
２３ｅ  弁端
２３ｆ  管内壁面
２４  サージタンク
【図１】
2005325824.tif 000003
【図２】
2005325824.tif 000004
【図３】
2005325824.tif 000005
【図４】
2005325824.tif 000006
【図５】
2005325824.tif 000007
【図６】
2005325824.tif 000008