(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、前記内燃機関への吸入空気量を調整する吸気制御装置であって、
吸気通路に回動自在に設けられ、前記吸気通路の開口面積を調節するバルブと、
内周面が前記吸気通路となり、前記バルブによる前記吸気通路の全閉状態を前記バルブの回動方向に沿った所定角度に亘って維持するための不感帯領域を有して前記バルブを収納する筒状のボアと、を備えると共に、
前記不感帯領域を全閉状態奥側に設けた弁停止領域と、当該弁停止領域に対して全閉状態手前側に隣接した弁加減速領域とで構成し、
前記弁停止領域に、前記バルブを駆動する回転モータのコギング安定位置が含まれてある吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の負荷状態及び内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、内燃機関への吸入空気量を調整する内燃機関の吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の負荷状態や吸気弁の開閉状態に応じてタイミング良く吸入空気量を調整すると、特に低中速域の吸気脈動を強化することで、体積効率アップによるエンジン出力向上、吸入流速アップによる燃焼改善、スモーク低減等につながり、燃費の改善等が見込まれる。従来から、吸入空気量を調整するための技術として、吸気通路の吸気弁よりも上流側に吸気制御弁を設け、適宜この吸気制御弁を開閉させる方法が用いられてきた。このような方法に係る吸気制御弁は、回動可能な所定のクリアランスを有して吸気通路内に備えられ、閉弁時には吸気通路を塞ぐ必要がある。また、内燃機関の１サイクル毎に閉弁、開弁、閉弁を高速に繰り返す必要がある。したがって、吸気通路内に精度良く吸気制御弁を配設しなければならず、回転イナーシャによる影響を抑制する必要がある。このような回転イナーシャを小さくする技術として、内燃機関の吸気制御装置がある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載の内燃機関の吸気制御装置が有する吸気制御弁は、レーストラック形状で形成され、吸気制御を行う際には長軸を中心に開閉回動される。このようなレーストラック形状で形成された吸気制御弁は、同一面積の円形形状で形成された吸気制御弁と比べて、回転軸から最遠外周までの距離を短くすることができるため、回転イナーシャを小さくすることができる。したがって、吸気通路を開閉する際の吸気制御弁の応答性を向上させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２１８９０６号公報（段落番号０００８、００１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように吸気制御弁の形状をレーストラック形状とすることにより、回転イナーシャを小さくして、吸気通路を開閉する際の吸気制御弁の応答性を向上させることは可能であるが、高回転エンジンには更なる高速応答性が求められる。吸気制御弁の応答性を向上させる方法の一つとして、例えば吸気制御弁を回転駆動する回転モータを高出力化する方法が考えられる。しかしながら、回転モータを高出力化することにより、回転モータのサイズも大きくなってしまう可能性があり、そのために吸気制御装置がコストアップする虞がある。或いは、同サイズの回転モータを使用することも可能である。しかしながら、この場合には回転モータに通電する電流が大きくなるため、定格電流の大きな回転モータに変更しなければならない可能性があると共に、特に、当該電流を制御する制御部を構成する部品を定格電流の大きな部品に変更しなければならない虞がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストアップがなく、且つ通電する電流を大きくする必要がない、高速応答が可能な吸気制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る吸気制御装置の特徴構成は、内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、前記内燃機関への吸入空気量を調整し、吸気通路に回動自在に設けられ、前記吸気通路の開口面積を調節するバルブと、内周面が前記吸気通路となり、前記バルブによる前記吸気通路の全閉状態を前記バルブの回動方向に沿った所定角度に亘って維持するための不感帯領域を有して前記バルブを収納する筒状のボアと、を備えると共に、前記不感帯領域を全閉状態奥側に設けた弁停止領域と、当該弁停止領域に対して全閉状態手前側に隣接した弁加減速領域とで構成してある点にある。
【０００８】
このような特徴構成であれば、不感帯領域においては、どの位置においても、所定のクリアランスが確保されているため、シール性能には影響が無い。ここで、バルブの閉弁状態から開弁状態への応答性の指標として、バルブが不感帯領域から脱出した後、全開状態となる全開位置に到達するまでの時間と考えることができる。バルブの速度は、バルブの開閉状態を変更する回転モータ等に通電後、回転イナーシャの影響で徐々に加速する。閉弁時におけるバルブを、不感帯領域の全閉状態奥側に設けた弁停止領域で停止させ、当該停止位置を開弁時におけるバルブ始動位置とすることにより、不感帯領域の全閉状態手前側の領域を弁加減速領域とすることができる。
【０００９】
したがって、バルブが不感帯領域から脱出するまでの弁加減速領域を通過する間に、バルブの速度を加速させることができるため、バルブにより吸気通路が全開状態になるまでの時間を短縮することができる。即ち、特にバルブの開弁制御に重要な吸気時の応答性を向上させることができる。また、全開状態から全閉状態への制御を行う際も、バルブの速度を不感帯領域の全閉状態手前側に設けられる弁加減速領域で低下させることができる。したがって、バルブが当該弁加減速領域に進入するまでに、バルブの速度を低下させる必要がないため、全開状態から全閉状態までの移行に要する時間を短縮することができる。即ち、バルブの閉弁制御に係る応答性を向上させることが可能となる。
【００１０】
また、前記弁停止領域に、前記バルブを駆動する回転モータのコギング安定位置を含むように構成してあると好適である。
【００１１】
このような構成であれば、吸気通路が閉弁状態となる位置でバルブを止め易く、また保持し易くなる。したがって、吸気通路の閉弁制御を簡便に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る吸気制御装置１を備えた内燃機関１００を模式的に示した図である。吸気制御装置１は、例えば自動車のエンジン等の内燃機関１００に備えられる。この吸気制御装置１は、内燃機関１００が有する吸気通路１０１の開口面積を調節することにより燃焼室に導入される吸入空気量を調節する。
【００１３】
図１中に白抜き矢印で示されるように、吸入空気は、内燃機関１００のピストン１０５の下降に伴い、インジェクタ１０６から噴射される燃料と共に、吸気弁１０２を介して燃焼室に導入される。燃焼後の排ガスは、内燃機関１００のピストン１０５の上昇に伴い、排気弁１０３を介して排気通路１０４を通り、必要に応じて再循環され、最終的には内燃機関１００から外部に排出される。このようにバルブ４は、吸気通路１０１を通り燃焼室へと導かれる吸入空気の流量を調節する。
【００１４】
燃焼室へと導かれる吸入空気の最適流量は、エンジンの回転数及び負荷によって異なる。吸気弁１０２の開閉タイミングに同期して、バルブ４を開閉制御することにより、エンジンが低中速域で高負荷の場合の体積効率及び出力を向上させることができる。また、特にエンジンが低速領域で低負荷の場合は、バルブ４を絞り、吸入空気の流速を上げることによって燃焼改善が期待できる。
【００１５】
この吸気制御装置１は、主として、ボデー２、ボア３、バルブ４、シャフト５及びボルト７から構成される。即ち、ボデー２の内部にボア３が設けられ、ボデー２及びボア３により吸気通路１０１の一部が構成され、ボア３の内部にバルブ４が設けられる。ここで、バルブ４はボア３を貫通してボデー２に設けられたシャフト５にボルト７で固定される。したがって、バルブ４はシャフト５により回動自在に支持され、吸気通路１０１の開口面積を調節することが可能となる。また、シャフト５は、その一端が回転モータ５０と接続される（詳細は後述する）。ボア３は、その内周面が吸気通路１０１となり、バルブ４を収納する筒状の部材からなる。また、ボデー２は、ボア３をその外周面及び軸芯方向の両端面から保持してボア３と連通し、吸気通路１０１を形成する。
【００１６】
図２は、ボア３の拡大断面図であり、特にバルブ４の全開状態及び全閉状態に関して示した図である。図２（ａ）は、バルブ４が全開状態にされた場合のボア３の断面図を示したものである。図２（ａ）に示されるようにバルブ４は、吸気通路１０１を貫通するシャフト５によって回動自在に支持されて、吸気通路１０１の開口面積を調節する。シャフト５は、その延伸方向でユニバーサルジョイント（図示せず）等によって回転モータ５０と接続される。回転モータ５０は、エンジンの負荷やエンジンの吸気弁１０２の制御状態等に基づいて制御部（図示せず）により制御される。
【００１７】
ボア３は内周面が吸気通路１０１となり、バルブ４による吸気通路１０１の全閉状態を図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示されるようなバルブ４の回動方向に沿った所定角度θに亘って維持するための凹形状からなる不感帯領域６を有し、バルブ４を収納する筒状の部材からなる。また、ボデー２は、ボア３を一方の端面側及び外周面側から包持し、ボア３と連通して吸気通路１０１を形成する部材からなる。
【００１８】
ボア３は、その外周面において、ボデー２とＯリング（弾性シール部材）８を介して保持される。Ｏリング８は、吸気通路１０１における気密を確保すると共に、ボデー２とボア３との間に生じる、がたつきを吸収する。ボデー２とボア３とはシャフト５に対して同軸に配置され、バルブ３はボルト７によって、バルブ３の中心を貫通するシャフト５に締結される。
【００１９】
上述のようにボア３の内面には、不感帯領域６が凹形状で形成されている。円板形状のバルブ４が回動し、当該円板形状における端部が不感帯領域６内に位置すると、吸気通路１０１は、バルブ４により全閉状態とされる。例えば、バルブ４が、吸気通路１０１に沿う方向に対して垂直の回動位置、即ち中央位置にある時にも、バルブ４の端部が不感帯領域６に位置しているため、吸気通路１０１は全閉状態となる。不感帯領域６は、この中央位置に対して回動方向の前後θ／２（±θ／２）を不感帯領域６とするために凹形状で形成される。この凹形状は、回動するバルブ４の端部の軌跡に合わせてボア３の内面がシャフト５に沿う方向視において円弧状となるように削られて形成される。従って、ボア３の内面とバルブ４の端部とは、バルブ４が上記垂直の回動位置（中央位置）にあるときの前後θ／２（±θ／２）において、常に同じクリアランスとなり、吸気通路１０１の全閉状態が維持される。所定角度θは、例えば２０〜４０度（±１０〜２０度）であると好適である。なお、ボア３とバルブ４とは、特に閉弁時におけるクリアランスを可能な限り小さくして、吸入空気のリーク量を少なくすると好適である。また、このようにリーク量を少なくした場合における吸気通路１０１の閉弁状態が回転イナーシャによって受ける影響を可能な限り抑制すると好適である。
【００２０】
バルブ４は、吸気通路１０１の直交断面とほぼ同じ形状である。上述のようにボア３は不感帯領域６を凹形状として形成する必要があるため、例えば図２に示される上下方向で、少し肉厚を増して形成される。このため、ボデー２からボア３の方向へ流れる吸入空気が、ボア３の端面に衝突して抵抗となる可能性がある。したがって、ボア３の端部には、この抵抗を低減するために、面取り部９が設けられると好適である。
【００２１】
上述のように、図２（ａ）は、バルブ４が全開状態にされた場合のボア３の断面図を示したものである。全開状態では、吸気通路１０１において、吸入空気がボア３を連通する開口面積が最大となるように円盤形状のバルブ４が、吸気通路１０１に沿う方向に対して平行の回動位置となるように、図示しない回転モータ５０により固定される。
【００２２】
ここで、バルブ４の回動範囲に関して図を用いて説明する。図３は、バルブ４の回動範囲を概略的に示した図である。上述のようにバルブ４はシャフト５を軸心として回動するが、図３においては中心点Ｍが当該軸心に相当する。また、図３中の水平方向（Ａ−Ａ線）に沿って吸気通路１０１が備えられ、Ｃ−Ｃ線を中心に±θ／２の領域が不感帯領域６に相当する。
【００２３】
図２（ａ）で示されるようにバルブ４が吸気通路１０１を全開状態とするには、回転モータ５０によりシャフト５が中心点Ｍを中心に回動され、図３中のＡ−Ａ線上にバルブ４が位置するように制御される。一方、吸気通路１０１を閉弁状態とするには、上述のようにバルブ４は、不感帯領域６内に位置させる必要がある。即ち、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示されるように、不感帯領域６を形成するθ内にバルブ４を回動させる必要がある。したがって、図３において、開弁領域Iにバルブ４が位置する場合には吸気通路１０１は少なくとも開弁状態となる。
【００２４】
ここで、不感帯領域６は、全閉状態奥側に設けられた弁停止領域IIIと、当該弁停止領域IIIに対して全閉状態手前側に隣接した弁加減速領域IIとで構成される。上述のように、バルブ４が不感帯領域６内に位置すれば吸気通路１０１は全閉状態となる。この不感帯領域６でも、特に奥側、即ち開弁領域Iから離れる側にバルブ４を停止させる弁停止領域IIIが設けられ、また、特に不感帯領域６の手前側、即ち弁停止領域IIIと開弁領域Iとの間にバルブ４の加減速を行う弁加減速領域IIが設けられる。本吸気制御装置１は、吸気通路１０１の全閉状態においてバルブ４を停止させる際には、弁停止領域IIIで停止させる。
【００２５】
本吸気制御装置１が、吸気通路１０１を全閉状態から全開状態（図２（ａ）の状態に相当）にする際には、弁停止領域IIIから始動するバルブ４は、弁加減速領域IIで加速される。したがって、バルブ４が弁加減速領域IIから脱出する際には、バルブ４の速度が加速されているため、バルブ４が開弁領域Iを通過するのに要する時間を短縮することができる。したがって、Ｂ−Ｂ線上の全閉状態からＡ−Ａ線上の全開状態までの応答性を向上させることができる。
【００２６】
一方、吸気通路１０１を全開状態から全閉状態にする際には、弁加減速領域IIでバルブ４の減速が行われ、バルブ４は弁停止領域IIIで停止する。したがって、バルブ４が開弁領域Iにある場合には、必要以上に減速を行う必要がなくなるため、バルブ４が開弁領域Iを通過するのに要する時間を短縮することができる。したがって、Ａ−Ａ線上の全開状態からＢ−Ｂ線上の全閉状態までの応答性を向上させることができる。なお、この場合には、図２（ｃ）で示されるように、弁停止領域IIIの最も奥の位置で停止するように制御される。
【００２７】
上述のように、本吸気制御装置１は、吸気通路１０１の全閉状態時に、バルブ４が不感帯領域６の弁停止領域III内の位置で停止されるように制御される。この停止位置の制御は、弁停止領域III内にバルブ４を駆動する回転モータ５０のコギング安定位置を含むように構成することにより実現できる。
【００２８】
ここで、コギング安定位置とは、回転モータ５０を無通電状態としてロータ５２を回した場合に、回転モータ５０が備える鉄心（スロット１６）と永久磁石２２との相互作用により、所定角度毎に現れる安定した位置である。以下に、コギング安定位置について図を用いて説明する。図４は、バルブ４を駆動する回転モータ５０の断面図である。図４において、回転モータ５０は、ステータ５１と当該ステータ５１の内部空間に回転空隙を介して同心軸状に配置されるロータ５２とから構成される６極モータである。ステータ５１は、９個のスロット１６と、これらの各スロット間に形成される９個のスロット１６及び各ティース１７を連結するヨーク１８と、を含むステータコア１９を備え、各ティース１７には、夫々各ステータコイル２０が巻かれて構成される。
【００２９】
一方、ロータ５２は、鉄等の高透磁率材、または電磁鋼板等からなるロータコアシートを積層して形成されたロータコア２１を含む。このロータコア２１には、その外周部近傍に軸方向に延びて貫通する永久磁石２２の挿入用の磁石挿入孔２３がロータ５２の中心側に円周方向に６個設けられる。そして、各磁石挿入孔２３には、円周方向に隣接する永久磁石２２の極性が互いに逆極性となるように挿入される。即ち、ロータ５２の外周表面を向く永久磁石２２の極性が、交互になるように磁石挿入孔２３に挿入される。そして、各永久磁石２２の両側には、空気層または樹脂等の非磁性体が充満される。
【００３０】
このように形成された回転モータ５０において、ステータ５１の各ステータコイル２０にスイッチング回路（図示しない）等により制御された電流が流れると、ステータ５１の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界により永久磁石２２が備えられたロータ５２は回転軸２５を中心として回転する。この回転軸２５は、バルブ４が固定されるシャフト５にユニバーサルジョイント（図示せず）等を介して接続される。したがって、バルブ４は、回転モータ５０から出力される回転動力、或いはコギングトルクに応じて回転制御される。
【００３１】
一方、回転モータ５０には、図５の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示されるようにロータ５２とステータ５１との位置関係によって磁束の流れ方が変化して磁束変化でコギングトルクが発生する。すなわち、ステータ５１のティース１７とロータ５２の突極２４とが図５（ａ）の位置関係にある場合には、突極２４の左側の磁気抵抗が右側に比べて大きくなるため、ロータ５２には右回りのトルクが発生する。一方、ステータ５１のティース１７とロータ５２の突極２４とが図５（ｂ）の位置関係にある場合には、突極２４の左右の磁気抵抗は等しいため、回転力は発生しない。また、ステータ５１のティース１７とロータ５２の突極２４とが図５（ｃ）の位置関係にある場合には、突極２４の右側の磁気抵抗が左側に比べて大きくなるため、ロータ５２には左回りのトルクが発生する。
【００３２】
このように、例えば、回転モータ５０が有するステータ５１のティースが９スロットで回転モータ５０が有する永久磁石２２が６極の場合（所謂、６極９スロットの場合）には、コギング安定位置は２０度毎に現れる。このようなコギング安定位置をバルブ４が不感帯領域６の弁停止領域IIIに含まれるように構成することにより、回転モータ５０に対して通電をしなくても、バルブ４を不感帯領域６の弁停止領域IIIの位置で停止させることが可能となる。
【００３３】
また、上述のようなコギング安定位置でバルブ４を停止させた場合には、吸気通路１０１を全閉状態から全開状態とする際に、バルブ４は不感帯領域６の弁停止領域IIIから始動されることとなる。バルブ４を弁停止領域IIIから始動し、吸気通路１０１を開弁状態にするには、まず、回転モータ５０のステータコイル２０に通電される。一方、上述の不感帯領域６の弁停止領域IIIと、吸気通路１０１が少なくとも開弁状態となる開弁領域Iとの間には、弁加減速領域IIが設けられている。したがって、バルブ４は吸気通路１０１を開弁状態に切り替える際に、この弁加減速領域IIを必ず通過することとなる。バルブ４は、当該弁加減速領域IIを脱出するまでの間に徐々に加速され、回転速度が上昇する。したがって、全閉状態から全開状態への切り替えにおいて、高速応答性を確保することができる。
【００３４】
次に、バルブ４が不感帯領域６の弁停止領域IIIから始動する場合における、回転モータ５０に通電されてからバルブ４が不感帯領域６を脱出するまでの時間と、不感帯領域６を脱出する際のバルブ４の速度との関係について、図６を用いて説明する。まず、時間ｔ-1から時間ｔ0の間は、回転モータ５０には通電はされていない。したがって、上述の通り、バルブ４は、鉄心（スロット１６）と永久磁石２２とによりコギング安定位置を含む不感帯領域６の弁停止領域IIIで停止し、吸気通路１０１は全閉状態となる。
【００３５】
次に、バルブ４が不感帯領域６の中央位置で停止していた場合に、回転モータ５０に通電されたとすると、バルブ４が不感帯領域６を脱出するのに要する時間がｔ1、バルブ４が不感帯領域６を脱出する際の速度がｖ1であったとする。一方、バルブ４が不感帯領域６の弁停止領域IIIの最も奥の位置で停止していた場合に、回転モータ５０に通電されたとすると、バルブ４が不感帯領域６を脱出するのに要する時間はｔ2、バルブ４が不感帯領域６を脱出する際の速度はｖ2となる。このように、バルブ４が不感帯領域６を脱出する際の速度、即ち、全閉状態から全開状態に切り替える際のバルブ４の速度は、バルブ４の始動位置に大きく依存する。したがって、バルブ４を不感帯領域６の弁停止領域III、特に最も奥の位置から始動することにより、不感帯領域６から脱出後のバルブ４の速度をより速くすることができる。このため、コストアップがなく、且つ回転モータ５０の電流定格を大きくする必要がない、高速応答が可能な吸気制御装置を実現することが可能となる。なお、バルブ４が不感帯領域６の中央位置で停止していた場合の時間ｔ1に比べて、バルブ４が不感帯領域６の最も奥の位置で停止していた場合の時間ｔ2の方が長くなっている。吸気通路１０１の開閉制御に係る応答性は、吸入通路１０１が少なくとも開弁状態となってから全開状態となるまでに要する時間で決定されるため、脱出に要する時間（例えばｔ2）が、内燃機関１００が有する吸気弁１０２の弁開閉制御に要する時間に比べて短い時間であれば、問題となることはない。したがって、開閉制御に係る応答性は、バルブ４が不感帯領域６を脱出する際の速度に依存することとなり、不感帯領域６の中でも、より奥側の位置にバルブ４を停止させ、且つ始動させる方が好適である。
【００３６】
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、本吸気制御装置１のバルブ４と内燃機関１００の気筒との数量関係に関しては、限定されるものではない。内燃機関１００の気筒が複数からなる場合には、本吸気制御装置１のバルブ４を各気筒に備えるように構成することも可能であるし、数個の気筒を一つのバルブ４で吸気制御を行うことも可能である。
【００３７】
上記実施形態では、コギング安定位置の説明において、回転モータ５０は６極９スロットの構成であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではない。例えば、８極９スロットでも良いし、１０極９スロットや、１０極１２スロットや、１４極１２スロットやそれ以外の組み合わせでも可能である。そのような場合であっても、コギング安定位置が現れる角度に応じて、コギング安定位置を不感帯領域６の弁停止領域IIIに含まれるように構成することは、当然に可能である。
【００３８】
上記実施形態では、不感帯領域６は、全閉状態奥側に設けられた弁停止領域IIIと、当該弁停止領域IIIに対して全閉状態手前側に隣接した弁加減速領域IIとで構成されているとして説明した。この弁加減速領域IIと弁停止領域IIIとの夫々の範囲の設定は、少なくとも弁加減速領域IIの範囲が弁停止領域IIIの範囲よりも大きくなるように構成すると好適である。このような構成であれば、大きく設定した弁加減速領域IIにおいてバルブ４を十分加速或いは減速することが可能となり、開閉制御に伴う応答性を向上させることが容易となる。
【００３９】
また、上記実施形態では、コギング安定位置の説明において、ステータ５１に設けられる鉄心（スロット１６）とロータ５２に備えられる永久磁石２２との相互作用により、所定角度毎に現れる安定した位置であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。ステータ５１に永久磁石２２が備えられ、ロータ５２に鉄心（スロット１６）が備えられるように形成された回転モータ５０であっても、本発明を適用することは当然に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】吸気制御装置を備えた内燃機関を模式的に示した図
【図２】バルブが全開状態にされた場合のボアの断面を示す図
【図３】バルブの回動範囲を概略的に示した図
【図４】バルブを駆動する回転モータの断面を示す図
【図５】コギング安定位置を図示する図
【図６】不感帯領域を脱出する際のバルブの速度について示した図
【符号の説明】
【００４１】
１：吸気制御装置
２：ボデー
３：ボア
４：バルブ
５：シャフト
７：ボルト
８：Ｏリング
１００：内燃機関
１０１：吸気通路
１０２：吸気弁
１０３：排気弁
１０４：排気通路
１０５：ピストン
１０６：インジェクタ
【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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