JP4034251B2 - 内燃機関の吸気装置及び吸入空気量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置及び内燃機関の吸入空気量測定方法に関する。

車両等に用いられる内燃機関の中には、吸気マニホールド（吸気通路）の上流側にスロットルバルブ（絞り弁）が設けられ、このスロットルバルブの上流側または下流側に燃料噴射弁及び空気流量センサが設けられるものがある（例えば、特許文献１参照）。
空気流量センサは、吸入空気の流量を検出して吸気流量信号を出力するものであり、スロットルバルブの下流側に設置された場合には、一般に、吸気マニホールドの吸気通路の軸線方向に設置されている。
空気流量センサが出力する吸気量信号は制御回路に入力され、内燃機関の運転状態に応じた燃料噴射量が演算される。そして、演算された燃料噴射量に基づく燃料噴射量信号が制御回路から出力されて前記燃料噴射弁の作動制御が行われる。
特公平４−１５３８８号公報（第２頁、第１図）

従来の内燃機関の吸気装置において、空気流量センサが空気の量を質量流量として検出するエアフローメータであり、エアフローメータがスロットルバルブの上流に設置された場合、そのエアフローメータは、燃焼室に吸入される空気量と吸気マニホールドに充填された空気量との和を計測しているため、過渡時において燃焼室に吸入される空気量を正確に測定できないという問題があった。

一方、エアフローメータがスロットルバルブの下流に吸気通路の軸線方向に設置された場合、スロットルバルブの下流側に発生する空気の乱れの影響で、正確な吸入空気量を測定することができない。すなわち、スロットルバルブの回転によってスロットルバルブの一端が空気の流れに対して順方向に傾くとともに、スロットルバルブの他端が空気の流れに対して逆方向に傾く。スロットルバルブをわずかに開いている場合、吸気通路内におけるスロットルバルブと吸気通路との間に隙間が形成されるため、空気がこの隙間を通って吸気通路内の内壁に沿ってスロットルバルブの下流側に流れる。これにより、順方向に傾いたスロットルバルブの一端側下流において吸気通路の内壁に沿って空気が直進して流れ、逆方向に傾いたスロットルバルブの他端側下流において吸気通路の中心方向に向かって空気が渦を形成して流れる。すなわち、スロットルバルブの下流ではその他端側から一端側に向かって、スロットルバルブの傾きとほぼ平行な空気の流れが形成される。したがって、スロットルバルブの直後にエアフローメータが吸気通路の軸線方向に延在するように設置されると、エアフローメータが燃焼室に吸入される空気量を正確に測定できないという問題があった。

また、スロットルバルブを全開している場合、空気が吸気通路内を流れるが、スロットルバルブの回転軸の下流側に空気の流速が遅くなる領域が生じるため、スロットルバルブの直後にエアフローメータが吸気通路の軸線方向に延在するように設置されると、エアフローメータが燃焼室に吸入される空気量を正確に測定できないという問題があった。
これらの問題を解決するために、従来では、空気の乱れを少なくすべく吸気通路を大きくして、エアフローメータを適当な位置に設置しなければならなかった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、正確な空気量を測定することができ、吸気通路を小型化できる内燃機関の吸気装置及びを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関（例えば本実施形態におけるエンジン２）の吸気通路（例えば本実施形態における吸気通路４）に設けられた絞り弁（例えば本実施形態におけるスロットルバルブ１２）と、前記絞り弁の下流側に設けられ前記吸気通路に吸入される空気量を測定する空気流量センサ（例えば本実施形態におけるエアフローメータ１４）とを備え、前記空気流量センサは、センサ素子（例えば本実施形態におけるセンサ素子１４ａ）が配された空気流通路（例えば本実施形態における空気流通路１４ｂ）を備えるとともに、その空気流通路の軸線（例えば本実施形態における軸線１４Ａ）が吸気通路の軸線（例えば本実施形態における軸線４Ａ）に対して所定の角度（例えば本実施形態における角度α）をもって前記吸気通路に設置されることを特徴とする。

内燃機関の吸気通路に設けられた絞り弁を開いた場合、吸気通路内で絞り弁の直後の位置では、絞り弁自体が障害となって空気の流速が遅くなる。一方、吸気通路内で絞り弁の直後ではない位置、例えば吸気通路の内壁に近い位置では、障害なく空気の流速が速くなる。そこで、空気流量センサが、センサ素子が配された空気流通路を備えるとともに、その空気流通路の軸線が吸気通路の軸線に対して所定の角度をもって吸気通路に設置されることにより、空気の流速の速い位置における正確な空気量を読み取ることが可能になる。特に、絞り弁が吸気通路の内壁に近い位置から開く場合、吸気通路の内壁に近い位置では、空気流量センサが、絞り弁の開度によらず常に空気の流速が速い位置における正確な空気量を読み取ることが可能になる。

また、本発明に係る内燃機関の吸気装置において、前記絞り弁は、前記吸気通路の軸線に垂直な回転軸（例えば本実施形態における回転軸１２ａ）と、前記回転軸を中心に回転する翼部（例えば本実施形態における翼部１２ｂ，１２ｃ）とを備え、前記空気流量センサは、前記翼部を回転させて前記絞り弁を開く所定の角度（例えば本実施形態における角度β）と、前記空気流通路が前記吸気通路の軸線に対してなす角度とを一致させる方向に傾けられることを特徴とする。

空気流量センサが絞り弁の下流に吸気通路の軸線方向に設置された場合、絞り弁の回転によって絞り弁の一端が空気の流れに対して順方向に傾くとともに、絞り弁の他端が空気の流れに対して逆方向に傾く。このとき、絞り弁をわずかに開いている場合、吸気通路内における絞り弁と吸気通路との間に隙間が形成されるため、空気がこの隙間を通って吸気通路内の内壁に沿って絞り弁の下流側に流れる。これにより、順方向に傾いた絞り弁の一端側下流において吸気通路の内壁に沿って空気が直進して流れ、逆方向に傾いた絞り弁の他端側下流において吸気通路の中心方向に向かって空気が渦を形成して流れる。すなわち、絞り弁の他端側から一端側に向かって、絞り弁の傾きとほぼ平行な空気の流れが形成される。そこで、空気流量センサが、翼部を回転させて絞り弁を開く所定の角度と、空気流通路が吸気通路の軸線に対してなす角度とを一致させる方向に傾けられることにより、空気流量センサが絞り弁の傾きとほぼ平行な空気の流れを空気流量センサのほぼ正面から受けて空気量を検出することとなるため、空気流量センサによる吸入空気量の測定精度が向上する。

また、本発明は、センサ素子が配された空気流通路を備える空気流量センサを内燃機関の吸気通路に設けられた絞り弁の下流側に設け、前記空気流量センサを用いて前記吸気通路に吸入される空気量を測定する内燃機関の吸入空気量測定方法であって、前記空気流量センサを前記空気流通路の軸線が前記吸気通路の軸線に対して所定の角度をもつように前記吸気通路に設置して前記空気量を測定することを特徴とする。

内燃機関の吸気通路に設けられた絞り弁を開いた場合、吸気通路内で絞り弁の直後の位置では、絞り弁自体が障害となって空気の流速が遅くなる。一方、吸気通路内で絞り弁の直後ではない位置、例えば吸気通路の内壁に近い位置では、障害なく空気の流速が速くなる。そこで、空気流量センサを空気流通路の軸線が吸気通路の軸線に対して所定の角度をもつように吸気通路に設置して空気量を測定することにより、空気の流速の速い位置における空気の流速を読み取ることが可能になる。特に、絞り弁が吸気通路の内壁に近い位置から開かれる場合、吸気通路の内壁に近い位置では、空気流量センサが、絞り弁の開度によらず常に空気の流速が速い位置における空気の流速を読み取ることが可能になる。

本発明における内燃機関の吸気装置及び内燃機関の吸入空気量測定方法によれば、空気の流速の速い位置における空気の流量を読み取ることが可能になり、特に、絞り弁が吸気通路の内壁に近い位置から開かれる場合、吸気通路の内壁に近い位置では、空気流量センサが、絞り弁の開度によらず常に空気の流速が速い位置における空気の流量を読み取ることが可能になるので、空気の流量を精度よく測定することができる。さらに、空気の流量を精度よく測定することにより、空気の乱れを少なくすべく吸気通路を大きくする必要がないので、吸気通路の小型化が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態における内燃機関の制御装置を備えるエンジン制御システムを示す概略図である。
図１に示す本実施形態のエンジン制御システム１は、内燃機関であるエンジン２の吸気マニホールド３に連結された吸気通路４から空気を吸入し、この空気と、吸気マニホールド３に配設されたインジェクタ５から噴出する燃料とを混合させた後にエンジン２の燃焼室２ａ内で燃焼させ、燃焼後の燃焼ガスを排気マニホールド６から排出するに際し、内燃機関の制御装置７が、エンジン２が吸入する空気量（吸気量）に応じて噴射する燃料の噴射量および噴射タイミングを制御する。

吸気通路４は、エアクリーナ１１と、エアクリーナ１１よりも下流で空気量の調整を行う絞り弁であるスロットルバルブ１２を有するスロットルボディ１３とを備えている。 この吸気通路４を通ってエンジン２に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１２よりも下流側に位置するように配設されたセンサであるエアフローメータ（空気流量センサ）１４において質量流量として検出される。エアフローメータ１４がスロットルバルブ１２よりも下流にあることで、エアクリーナ１１を通過した空気のうち、実際にエンジン２の燃焼室２ａに吸入される空気量を正確に検出することができる。なお、エアフローメータ１４をスロットルボディ１３に取付けると、セッティングの工数を削減することができる。

図２は、吸気通路４に設けられたスロットルバルブ１２及びエアフローメータ１４を示す部分拡大図である。なお、内燃機関の吸気装置は、吸気通路４と、吸気通路４に設けられたスロットルバルブ１２と、吸気通路４に設けられたエアフローメータ１４とを備えて構成されるものである。
スロットルバルブ１２は、吸気通路４の軸線上にあり軸線に垂直な回転軸１２ａと、回転軸１２ａを中心に回転する翼部１２ｂ，１２ｃとを備えている。
エアフローメータ１４は、その中央部に設けられたセンサ素子１４ａと、センサ素子１４ａが配置されエアフローメータ１４の長手方向に延在した空気流通路１４ｂとを備えている。このエアフローメータ１４は、図２において紙面に垂直方向でありかつスロットルバルブ１２の回転軸１２ａに平行な中心軸が吸気通路４の軸線４Ａ上にあり、中心軸に垂直な空気流通路１４ｂの軸線１４Ａが吸気通路４の軸線４Ａに対して角度αをもって吸気通路４に設置されている。
エアフローメータ１４は、翼部１２ｂ，１２ｃを回転させてスロットルバルブ１２を開く角度βと、エアフローメータ１４の空気流通路１４ｂの軸線１４Ａが吸気通路４の軸線４Ａに対してなす角度αとを一致させる方向に傾けられて吸気通路４に設置されている。

本実施形態に好適なエアフローメータ１４としては、シリコン基板にセンサ素子１４ａとしてプラチナ薄膜を蒸着し、プラチナ薄膜の温度を一定に保つように通電するセンサが挙げられる。プラチナ薄膜の周囲すなわち図２に示す空気流通路１４ｂを通流する空気の質量が増加すると、空気を介してプラチナ薄膜から散逸する熱量が増大し、これに比例してプラチナ薄膜の温度が低下する。このとき、エアフローメータ１４は、温度を一定に保つようにプラチナ薄膜に通電する電流を増加させる。一方、プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量が減少すると、空気を介してプラチナ薄膜から散逸する熱量が減少してプラチナ薄膜の温度が上がるので、エアフローメータ１４はプラチナ薄膜に通電する電流を減少させる。このように、プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量の増減に比例して電流値が増減するので、この電流値をモニタすることで空気量を測定することができる。
なお、このようなエアフローメータ１４は、プラチナ製のワイヤを用いる場合に比べてヒートマスを減少させることできるので、高い応答性と高い測定精度とを実現している。

インジェクタ５は、吸気マニホールド３内を通流する空気内に、電磁噴射弁の開閉動作により燃料を噴出するもので、燃料タンク１５内に設けられた燃料ポンプ１６から汲み出されレギュレータ１７で調圧された燃料が供給される。
燃焼室２ａへの混合気体の供給および燃焼後の排出は、図示しないバルブタイミング機構により駆動される吸気バルブ２ｂおよび排気バルブ２ｃで行う。
混合気体への点火は、点火プラグ８で行われる。点火プラグ８は、点火回路９に蓄積させた高エネルギを利用して放電を行う。

このエンジン制御システム１における制御を行う制御装置７は、いわゆるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を有し、バッテリ１０からの電力供給を受けて作動する。この制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流を入力データとし、所定の処理を行って、燃料ポンプ１６からインジェクタ５に供給する燃料の量と、インジェクタ５の噴射量およびその噴射タイミングと、点火回路９への充電開始のタイミングと、点火タイミングとを決定し、各部に指令信号を出力する。

次に、上記の構成からなる内燃機関の吸気装置の機能および吸入空気量測定方法について説明する。
エンジン２が稼動すると、ある程度の時間が経過してからエンジン２内への空気の吸引が開始され、エンジン２の吸気通路４内に空気が吸入され、その空気が吸気通路４内のスロットルバルブ１２を通過してその下流側のエアフローメータ１４の方へ流れる。

吸気通路４に設けられたスロットルバルブ１２をわずかに開いた状態でエンジン２内への空気の吸引が開始されると、スロットルバルブ１２の回転軸１２ａを中心として翼部１２ｂ，１２ｃが回転することによって、翼部１２ｂが空気の流れに対して順方向に傾くとともに、翼部１２ｃが空気の流れに対して逆方向に傾く。このとき、吸気通路４内における翼部１２ｂ，１２ｃと吸気通路４の内壁４ａとの間にそれぞれ隙間Ａ，Ｂが生じるため、空気がこれら隙間Ａ，Ｂを通って吸気通路４内の内壁４ａに沿ってスロットルバルブ１２の下流側に流れる。そして、スロットルバルブ１２の翼部１２ｂ側において吸気通路４の内壁４ａに沿って空気が直進して流れ（図２の矢印ａ）、スロットルバルブ１２の翼部１２ｃ側において吸気通路４の中心方向すなわち回転軸１２ａの方向に向かって空気が渦を形成して流れる（図２の矢印ｂ，ｃ，ｄ）。すなわち、スロットルバルブ１２の直後においては、翼部１２ｃ側から翼部１２ｂ側に向かって、スロットルバルブ１２の傾きとほぼ平行となるような空気の流れが形成される。

このとき、空気の流れに対して順方向に傾いている翼部１２ｂと吸気通路４の内壁４ａとの隙間Ａを通過する空気が、空気の流れに対して翼部１２ｂが順方向に傾いていることで隙間Ａの方に集約されながら通過するため、空気の流速が速くなり、隙間Ａの下流側における空気圧が減少する。一方、空気の流れに対して逆方向に傾いている翼部１２ｃと吸気通路４の内壁４ａとの隙間Ｂを通過する空気が、空気の流れに対して翼部１２ｂが逆方向に傾いていることで隙間Ｂの方に集約されずにそのまま通過するため、空気の流速が速くならず、隙間Ｂの下流側における空気圧がほとんど減少しない。そのため、隙間Ａの下流側で圧力が低下しており、その結果、スロットルバルブ１２の下流側で、翼部１２ｃから翼部１２ｂの方向に空気が流れやすくなる。

そこで、回転軸１２ａを中心として翼部１２ｂ，１２ｃを回転させてスロットルバルブ１２を開く角度βと、エアフローメータ１４の空気流通路１４ｂの軸線１４Ａが吸気通路４の軸線４Ａに対してなす角度αとを一致する方向に傾くように、吸気通路４内においてスロットルバルブ１２の下流側にエアフローメータ１４が設置されることにより、スロットルバルブ１２の翼部１２ｃ側から翼部１２ｂ側に向かってスロットルバルブ１２の傾きとほぼ平行となるように形成された空気の流れに対して、エアフローメータ１４のほぼ正面から空気の流れを受けて空気量を検出することとなるため、エアフローメータ１４による吸入空気量の測定精度が向上することとなる。

また、吸気通路４に設けられたスロットルバルブ１２を全開した状態でエンジン２内への空気が吸引されると、吸気通路４内におけるスロットルバルブ１２の直後の位置では、スロットルバルブ１２自体が障害となって空気の流速が遅くなる。一方、吸気通路４内でスロットルバルブ１２の直後ではなく吸気通路４の内壁４ａに沿った位置では、スロットルバルブ１２による空気の流れの障害を受けることなく空気の流速が速くなる。そこで、エアフローメータ１４が、その長手方向軸線が吸気通路４の軸線に対してある角度をもって吸気通路４に設置されることにより、空気の流速の速い位置における正確な空気量を読み取ることが可能になる。さらに、吸気通路４の内壁４ａに近い位置では、スロットルバルブ１２の開度によらず、エアフローメータ１４が常に空気の流速が速い位置における正確な空気量を読み取ることが可能になる。

図３は、エンジン２の燃焼室２ａへの吸入される空気の流速と、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量に基づいて算出された空気の流速とを比較した図である。ここで、図３は、エアフローメータ１４の長手方向軸線が吸気通路４の軸線に対してなす角度（エアフローメータ１４の設置角度）を時計回りに３０度、４５度、６０度及び７５度とした場合のそれぞれについて検討した結果を示している。なお、縦軸は吸気通路４の入口における空気の流速及びエアフローメータ１４を通過する空気の流速であり、横軸はスロットルバルブ１２を閉じた状態から反時計回りに回転した角度を示す。

エアフローメータ１４の設置角度が３０度以上の場合、スロットルバルブ１２の回転角度によらず、空気の流速が負になることがない。すなわち、空気の流れが逆流した影響を打ち消すことができる。したがって、エアフローメータ１４の設置角度が３０度以上であることが好ましい。
また、エアフローメータ１４の設置角度が６０度を超える場合、さらにエアフローメータ１４の設置角度が増大し、エアフローメータ１４が９０度、すなわち全開となっても空気の流速が変化しない。したがって、スロットルバルブ１２を全開したときの空気の流れを捉えるためには、エアフローメータ１４の設置角度が６０度以下とすれば十分であるので、エアフローメータ１４の設置角度が６０度以下であることが好ましい。
このようにエアフローメータ１４の設置角度を３０度以上かつ６０度以下とすることで、精度のよい波形を得られやすくなる。

上記の構成によれば、エアフローメータ１４が、空気の流速の速い位置における空気量を読み取ることが可能になり、さらに、吸気通路４の内壁４ａに近い位置では、スロットルバルブ１２の開度によらず、エアフローメータ１４が常に空気の流速が速い位置における正確な空気量を読み取ることが可能になるので、空気の流量を精度よく測定することができる。さらに、空気の流量を精度よく測定することにより、空気の乱れを少なくすべく吸気通路４を大きくする必要がないので、吸気通路４の小型化が可能となる。
また、空気流量を精度よく測定することが可能になるので空気流量の単位時間当たりの波形の数からエンジン２の回転数を算出することが容易となり、また、その時点におけるクランク角度あるいはスロットルバルブの開度など、エンジン２の状態を推定できるので、正確な燃料噴射、点火時期制御などをエアフローメータのみで実現することができる。

本発明の実施形態における吸気装置を含むエンジン制御システムの概略図である。 スロットルバルブ及びエアフローメータを示す部分拡大図である。 エンジンの燃焼室への吸入される空気の流速と、エアフローメータによって検出された吸入空気量に基づいて算出された空気の流速とを比較した図である。

符号の説明

２ エンジン（内燃機関）
４ 吸気通路
１２ スロットルバルブ（絞り弁）
１４ エアフローメータ（空気流量センサ）
１４Ａ 軸線（空気流通路の軸線）

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、前記吸気通路の軸線に垂直な回転軸と当該回転軸を中心に回転する翼部とを有する絞り弁と、
   前記絞り弁の下流側に設けられ、センサ素子が配された空気流通路を有すると共に前記吸気通路に吸入される空気量を測定する空気流量センサとを備え、
   前記空気流量センサは、前記絞り弁の翼部が前記吸気通路の軸線に対して所定角度傾いた方向と前記空気流通路の軸線とが略平行になるように設置されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. センサ素子が配された空気流通路を備える空気流量センサを、内燃機関の吸気通路に設けられ、前記吸気通路の軸線に垂直な回転軸を中心に回転する翼部を有する絞り弁の下流側に設け、前記空気流量センサを用いて前記吸気通路に吸入される空気量を測定する内燃機関の吸入空気量測定方法であって、
   前記空気流量センサを、前記絞り弁の翼部が前記吸気通路の軸線に対して所定角度傾いた方向と前記空気流通路の軸線とが略平行になるように設置して前記空気量を測定することを特徴とする内燃機関の吸入空気量測定方法。

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