JP2004084668A

JP2004084668A - 内燃機関用吸気路システム

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Publication number: JP2004084668A
Application number: JP2003300194A
Authority: JP
Inventors: Harald Stuetz; ハラルト・シュトュッツ; Reinhard Glanz; ラインハルト・グランツ; Markus Schwarzl; マルクス・シュヴァルツル; Manfred Suppan; マンフレート・ズッパン
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: DE10338132B4; DE10338132A1; JP3914190B2; US20040159300A1; US6880509B2

Abstract

【課題】容易に製作可能で、できるだけ僅かなスペースしか必要とせず、高いスワール強度での高い流量ならびに広いスワール強度調節範囲を可能とする吸気路システムを提供する。
【解決手段】吸気弁５に互いに完全に分離した２つの吸気路によって形成されるとともに弁空間部４では一致するように重なり合う少なくとも２つの吸気流路が設けられ、吸気路の１つは一次路２として、他の１つの吸気路は二次路３として形成され、前記二次路３を流れる流量は調節装置９によって可変化され、前記二次路３は中立路または接線路として形成される。一次路２は接線路として形成され、この一次路２は第一の入口断面と吸気ポート１２との交差部にはぎ取りエッジを有する。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は、少なくとも１個の吸気ポートを経て燃焼室に流入する少なくとも１つの吸気流のスワール強度を可変とする内燃機関用吸気路システムであって、前記吸気ポートは吸気弁によって制御され、少なくとも１個の吸気弁に互いに完全に分離した吸気路によって形成されるとともに弁空間部では一致するように重なり合う少なくとも２つの吸気流路が設けられ、前記吸気路の少なくとも１つは一次路として、少なくとも１つの吸気路は二次路として形成され、前記二次路を流れる流量は調節装置によって可変化され、前記二次路は中立路または接線路として形成されているものに関する。

　長手方向に延びる１枚の隔壁を有した内燃機関用吸気路が公知であり、この吸気路システムでは、一方で部分負荷時にシリンダ内に十分激しい渦流形成を達成し、他方でより高回転時に最良のシリンダ充填を達成するため、前記隔壁はそれ自体としては非常に低いレベルのスワール強度をつくり出す吸気路内にシリンダ軸と平行に配置されている（例えば、特許文献１参照。）。　このシステムでは、部分負荷用に渦流が所望される場合には、流路の一部が調節弁によって閉じられ、これにより非対称な吸気流が弁を通ってシリンダ内に流入し、シリンダ壁との相互作用によって激しく回転する給気運動が形成されるに至る。ただし、吸気路形状が基本的に中立的であることにより低度から中度のスワール強度範囲しか実現されない点が短所である。

　１枚の垂直な隔壁によって一次路と二次路とに分割されて、相対的に急角度で燃焼室に開口する吸気路を有した吸気路システムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このシステムでは、一次路の第一入口断面部のはぎ取りエッジ（吸気の流れをはぎ取るエッジ）設けられておらず、やはり中度のスワール強度しか達成することができない。

　燃焼室に臨んでいる非分割式吸気路の流入部に形成されているはぎ取りエッジは公知である（例えば、特許文献３、特許文献４参照。）。

　各シリンダに２個の吸気弁が配され、各々にそれぞれ１つの吸気路が延びている内燃機関で、これら２つの吸気路の一方は流路の高さ全体に達する１枚の隔壁によって２つの部分流路に分割されている吸気路システムも知られている（例えば、特許文献５参照。）。この場合にもスワール強度は相対的に狭いスワール強度範囲でしか調節することができない。

　さらに各シリンダに２つの吸気路を配したシリンダヘッドおいて、これら２つの吸気路のうちの一方が１枚の隔壁によって２つの部分流路に分割されているとともに、双方の吸気路は路壁が流路自体の内部における非渦流の形成を保証する充填路として形成されている吸気路システムも知られている（例えば、特許文献６参照。）。この構造は、特許文献５のものにも言えるが、スワール強度を比較的狭いスワール強度範囲でしか調節できないという短所を有する。

　内燃機関において可変スワール強度調節を実現しようとする要求は一方においてできるだけ広い範囲でスワール強度を調節し得るようにする目標と高いスワール強度でできるだけ高い流量を達成しようとする目標との間の矛盾を結果することとなる。

　一次路と二次路とを有した内燃機関用吸気路システムで、一次路がらせん状に形成されており、二次路は調節装置を経て開閉可能なものある（例えば、特許文献７参照。）。この構成では、一方で広いスワール強度調節範囲を実現することができると共に、他方で高いスワール強度に際しても同じく低いスワール強度に際してもすぐれた流量を達成することができる。ただし、らせん路として形成された一次路はスペース上の理由または製造上の理由から必ずしもすべての内燃機関に適用し得るわけではない。

欧州特許出願公開第０２５８２０７号明細書（第３頁、第１図）

米国特許第４９３０４６８号明細書（第２−３欄、第１図）

欧州特許出願公開第０５５４２３５号明細書（第３欄１３−４０行、第１図）

独国特許出願公開第４０１２４９２号明細書（第３欄２３−３７行、第４図）

オーストリア国実用新案第００３１３７号明細書（第４頁、第１図）

オーストリア国特許第４０２３２６号明細書（第３頁、第１図）

オーストリア国実用新案第００５０３７号明細書（第４頁、第１、２図）

　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、容易に製作可能で、できるだけ僅かなスペースしか必要とせず、高いスワール強度での高い流量ならびに広いスワール強度調節範囲を可能とする吸気路システムを提供することである。

　上記目的を達成するため、少なくとも１個の吸気ポートを経て燃焼室に流入する少なくとも１つの吸気流のスワール強度を可変とする内燃機関用吸気路システムにおいて、前記吸気ポートは吸気弁によって制御され、少なくとも１個の吸気弁に互いに完全に分離した吸気路によって形成されるとともに弁空間部では一致するように重なり合う少なくとも２つの吸気流路が設けられ、前記吸気路の少なくとも１つは一次路として、少なくとも１つの吸気路は二次路として形成され、前記二次路を流れる流量は調節装置によって可変化され、前記二次路は中立路または接線路として形成され、さらに、前記一次路は接線路として形成され、この一次路は第一の入口断面と吸気ポートとの交差部にはぎ取りエッジを有する。これにより、高いスワール強度での高い流量ならびに広いスワール強度調節範囲を可能とする吸気路システムが実現する。

　シリンダ軸をもつシリンダボアの径方向に基本的に並んで配置された２つの吸気路が少なくとも弁空間部で単一の吸気弁に達するように構成され、その際、好ましくは一次路は二次路よりもシリンダ軸から離間して配置されるとよい。二次路の形態は中立路または接線路とするかあるいはこれら２つの形態の中間形態とすることができる。いずれにしても、こうした構成により、一方で非常に広いスワール強度調節範囲を実現することができると共に、他方で高いスワール強度に際しても同じく低いスワール強度に際してもすぐれた流量を達成することが確実にかつ高いレベルで実現される。

　なお、吸気の流れをはぎ取ってしまう作用がある、いわゆるはぎ取りエッジは、一次路の路壁、好ましくはシリンダヘッド面に最も近接した下側路壁とコントロール断面との交差によって形成されることが望ましい。この場合、一次路はフラットにシリンダ内空間に開口し、その際、好ましくはシリンダヘッド面に最も近接した一次路下側路壁はシリンダヘッド面と角度β＜６０°、好ましくはβ＜４５°をなすように構成される。

　良好なスワール形成を実現するため、一次路の断面は第一の入口断面部で好ましくはシリンダ軸を基準にしておおよそシリンダボアの接線方向に縮小されている。

　本発明の別な実施形態において、各シリンダには少なくとも２個の吸気ポートが配置され、各吸気ポートに一次路と二次路とが設けられている。この場合、各二次路には調節装置が配置されているのが好適である。この場合、さらに一次路の１つにも調節装置が配置されていれば、特に高いスワール強度を達成することが可能である。
　本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。

　本発明の第１の実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、第１実施形態の模式図であり、図２は図１におけるII-II線断面を示し、図３は図１におけるIII-III線断面を示し、図４は図１におけるIV-IV線断面を示す。なお、全図面において機能的に同じ部品には同一の符号を付してある。

　内燃機関のシリンダヘッド１７の吸気路システム１は一次路２と二次路３とを有し、これらの流路は吸気弁５の弁空間４の領域で一致するように重なり合っている。一次路２と二次路３とは弁空間４に開口するまで互いに完全に別個なものとして形成されている。この場合、一次路２は接線路（吸気流が接線方向に流出する）として、二次路３は中立路としてかあるいはまた接線路として形成されているし、二次路３の形態は中立路または接線路とするかあるいは中立路と接線路との中間形態とすることができる。不図示の吸気マニホルドから延びるこれら２本の吸気路２，３は単一の吸気弁５に達し、その際、少なくとも弁空間部４で一次路と二次路２，３はシリンダ７のシリンダ軸６をもつシリンダボアの径方向に並んで配置されている。この場合、接線方向からシリンダ７に開口している一次路２は二次路３よりもシリンダ軸６から離間して配置されている。シリンダ７はシリンダヘッド１７と詳細不図示のピストンとによって燃焼室１８を形成している。　

　二次路３は調節装置９　−これは蝶形弁、仕切り弁またはロータリ弁等として形成されていてよい−　によって全面的または部分的に開閉される。この場合、二次路３のフランジ面１０は一次路２のフランジ面１１に対して若干ずらして配置することができるため、蝶形弁として形成された調節装置９の軸９ａは一次路２の断面を入り込んでいない。一次路２にも、場合により、調節装置を配置することが可能であり、これにより追加的なスワール強度調節が可能となる。本実施例においてフランジ面１０，１１はシリンダ軸６と平行に配置されたシリンダヘッド１７の側壁１９から発している。まったく同様にフランジ面１０，１１はシリンダヘッド１７の詳細不図示の天壁面に形成されてもよいし、またはシリンダヘッド１７の天壁面および側壁面１９に対して傾斜して形成されていてもよい。さらに、２つのフランジ面１０，１１の一方が天壁面に形成され、他方がシリンダヘッド１７の側壁面１９に形成されてもよい。

　燃焼室１８内に激しいスワールが形成されるようにするため、一次路２の第一の入口断面Ｅと吸気ポート１２との間の交差部で、シリンダヘッド面１４に最も近接している下側路壁１３にはぎ取りエッジ８が形成されている。本実施例において吸気ポート１２は弁座リング２０によって制限されている。下側路壁１３はシリンダヘッド面１４と角度β＜４５°を成している。第一の入口断面部Ｅおいて一次路２は下側路壁１３と上側路壁１５との間でシリンダ軸６を基準にしておおよそ接線方向に狭められている。

　はぎ取りエッジ８ならびに一次路２の形状形成は吸気ポート１２の領域におけるコントロール断面１６によって生ずる。

　吸気路システム１は各シリンダ７に１個の吸気弁５を有した内燃機関に使用されるが、また各シリンダ毎に２個もしくはそれ以上の吸気弁を有した内燃機関にも使用することができる。各シリンダ７に２個もしくはそれ以上の吸気弁が配された内燃機関にあっては一次路２を吸気システムのその他の一次路とシリンダヘッド内で開口させることも可能となる。

　図５は蝶形弁として形成された調節装置を備えた吸気路システムを例として、スワール強度Ｄと流量Ｑとの絞り弁角度αの関係を示したものである。弁角度α＝０は閉鎖された弁ポジションを表している。およそ７８°で弁は完全に開放されている。スワール強度Ｄは開放ポジションＯと閉鎖ポジションＣとの間で広く変動し得ることが明確に看取されるが、他方、流量Ｑの低下は比較的僅かにすぎない。

　図６は各シリンダ７に２個の吸気ポート１２を配置した内燃機関のための本発明による吸気路システム１の第２の実施形態を示したものである。いずれの吸気ポート１２にも一次路２と二次路３とが達している。少なくとも１つの二次路３、好ましくは、この実施形態で示されているように、いずれの二次路３にも、流路開閉用の調節装置９が配置されるとよい。さらに一次路２の１つにも調節装置２９　−これはこの実施形態において軸２９aを中心に回転する蝶形弁として形成されている−　が配置されている場合には特に高いスワール強度を達成することが可能である。

　図７は、図６に示した実施形態における、流量値Ｑとスワール強度Ｄの関係を、２つの二次路３と１つの一次路２とに配置された３個の調節装置９,２９の操作状態別に１つのグラフで示したものである。同図には、操作状態：ａ−全弁開放、操作状態：ｂ−１弁閉鎖、操作状態：ｃ−２弁閉鎖、操作状態：ｄ−３弁閉鎖が表されている。同図から看取されるように、３個の調節装置９，２９によって高いスワール強度＞４．５（羽根車法による）を実現することができる。

　１枚の隔壁によって２つの流路部分に分割された吸気路を有した従来の吸気路システムに比較して前記のすべての実施形態において大きなスワール強度調節範囲の利点が得られる。

　尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。

本発明による吸気路システムの第１実施形態の模式的平面図図１のII-II線による吸気路システムの断面図図１のIII-III線による吸気路システムの断面図図１のIV-IV線による吸気路システムの断面図吸気路システムの特性曲線図本発明による吸気路システムの第２実施形態の模式的平面図第２実施形態の特性曲線図

符号の説明

１：吸気路システム
２：一次路
３：二次路
４：弁空間部
５：吸気弁
８：はぎ取りエッジ
９：調節装置
１２：吸気ポート
１３：下側路壁
１８：燃焼室

Claims

　少なくとも１個の吸気ポート（１２）を経て燃焼室（１８）に流入する少なくとも１つの吸気流のスワール強度を可変とする内燃機関用吸気路システム（１）であって、前記吸気ポート（１２）は吸気弁（５）によって制御され、少なくとも１個の吸気弁（５）に互いに完全に分離した吸気路によって形成されるとともに弁空間部（４）では一致するように重なり合う少なくとも２つの吸気流路が設けられ、前記吸気路の少なくとも１つは一次路（２）として、少なくとも１つの吸気路は二次路（３）として形成され、前記二次路（３）を流れる流量は調節装置（９）によって可変化され、前記二次路（３）は中立路または接線路として形成されているものにおいて、
　前記一次路（２）は接線路として形成され、この一次路（２）は第一の入口断面と吸気ポート（１２）との交差部にはぎ取りエッジ（８）を有することを特徴とする内燃機関用吸気路システム。
　前記はぎ取りエッジ（８）は、一次路（２）のシリンダヘッド面（１４）に最も近接した下側路壁（１３）とコントロール断面（１６）との交差によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用吸気路システム。
　前記一次路（２）の断面は、第一の入口断面部（Ｅ）で、シリンダ軸（６）を基準にしておおよそそのシリンダボアの接線方向に縮小されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用吸気路システム。
　前記一次路（２）と前記二次路（３）とは少なくとも弁空間部（４）でシリンダ軸（６）をもつシリンダボアの径方向に並んで配置され、その際前記一次路（２）が前記二次路（３）よりもシリンダ軸（６）から離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用吸気路システム。
　前記一次路（２）はフラットに燃焼室（１８）に開口し、シリンダヘッド面（１４）に最も近接した一次路（２）の下側路壁（１３）はシリンダヘッド面（１４）と角度β＜６０°、好ましくはβ＜４５°を成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用吸気路システム。
　各シリンダに少なくとも２個の吸気ポート（１２）が配置され、各吸気ポート（１２）に前記一次路（２）と前記二次路（３）とが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関用吸気路システム。
　各二次路（３）に調節装置（９）が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用吸気路システム。
　前記一次路（２）の１つに調節装置（２９）が配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関用吸気路システム。