JP2005147065A - 内燃機関の吸気機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の形態や運転領域に関わらず、吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることを可能とする。
【解決手段】 吸気機構は、吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成する圧力脈動生成部９４と、圧力脈動生成部９４により生成される圧力脈動の内燃機関のサイクルに対する位相を変化させる位相制御部９２とを備え、圧力脈動生成部９４は、内燃機関の１サイクルあたりｎ（ｎは自然数）個の圧力脈動を生成する。位相制御部９２により圧力脈動の位相を変化させることによって、内燃機関の形態や運転領域に関わらず、吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気流路内に圧力脈動を生成可能な内燃機関の吸気機構に関する。

内燃機関において、熱効率向上や大気汚染物質排出量低減のために、体積効率を向上させることが望ましい。体積効率を向上させるための手段の１つとして、吸気流路内の脈動を利用することが有効である。すなわち、適切なタイミングに吸気流路内の圧力が高まるような脈動を吸気流路内に発生させることによって体積効率を向上させることができる。

このような技術として、例えば、吸気管長を内燃機関の回転数に応じて可変として慣性脈動を効果的に利用する技術や、２ストローク式エンジンのクランクケース掃気のように掃気期間に同調した給気を行う技術などが知られている。

特開２００１−３０３９６０公報 特開平１０−２１２９４５号公報 特開２０００−２４８９４６号公報 特開２００２−０８１３２４号公報 特開２００２−３０９９４７号公報

しかし、例えば、可変吸気管長の技術は、吸気管長を段階的に切替えることしかできないため、広い運転領域に対して適切な脈動を生成することができず、また、脈動の周波数が内燃機関の形態に依存する。また、掃気期間に同調した給気を行う技術では、脈動の位相を積極的に変化させることができず、また適用できる内燃機関の形態が限定される。このように、上記のような技術は、内燃機関の形態や運転領域に一定の制限を受けるため、種々の内燃機関や広い運転領域に対して適切な脈動を生成することができないという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の形態や運転領域に関わらず、吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関は、内燃機関の吸気機構であって、
吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成する圧力脈動生成部と、
前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の前記内燃機関のサイクルに対する位相を変化させる位相制御部と、
を備え、
前記圧力脈動生成部は、前記内燃機関の１サイクルあたりｎ（ｎは自然数）個の圧力脈動を生成する。

この内燃機関の吸気機構は、吸気流路内に、内燃機関の１サイクルあたりｎ（ｎは自然数）個の周期的な圧力脈動を生成し、その圧力脈動の位相を変化させることによって、内燃機関の形態や運転領域に関わらず、吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。

上記内燃機関の吸気機構において、前記内燃機関は、２ストローク式エンジンであり、前記位相制御部は、前記内燃機関の掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

このようにすれば、２ストローク式エンジンの掃気が効率的に行われ、吸気量が大きくなり、体積効率を向上させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記内燃機関は、４ストローク式エンジンであり、前記位相制御部は、前記内燃機関の吸気期間後半に吸気流路内の圧力を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

このようにすれば、４ストローク式エンジンにおいて、シリンダ内に吸入された空気が吸気期間後半に吸気流路内に逆流することを抑制することができ、その結果、吸気量が大きくなり、体積効率を向上させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記ｎの値が、前記内燃機関の気筒数の自然数倍であるとしてもよい。

このようにすれば、すべてのシリンダにおいて吸気量を大きくすることができ、体積効率をより向上させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記位相制御部は、前記内燃機関の回転数に応じて、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

このようにすれば、より広い運転領域において吸気量を大きくすることができ、体積効率をより向上させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記圧力脈動生成部は、圧力脈動を生成するための回転体を備え、
前記位相制御部は、前記内燃機関のクランク軸の位相および回転数と、前記圧力脈動生成部の前記回転体の位相および回転数とを検出する位相検出部を備え、前記位相検出部の検出結果に基づき前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

この構成によれば、例えばエンジンのチューニングの変更（バルブタイミングの変更等）が行われても、吸気流路内の圧力脈動を適切に制御することができ、吸気量を大きくして体積効率を向上させることができる。

上記内燃機関の吸気機構において、前記圧力脈動生成部は、ロータの回転によって間欠的に空気を吐出する容積型ポンプを備え、
前記容積型ポンプの前記ロータは、前記内燃機関のクランク軸により駆動されており、
前記位相制御部は、前記容積側ポンプの前記ロータの位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

この構成によれば、吸気流路内に圧力脈動を生成し、その圧力脈動の位相を任意に変化させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記圧力脈動生成部は、ロータの回転によって間欠的に空気を吐出する容積型ポンプを備え、
前記位相制御部は、前記容積型ポンプの前記ロータを回転させるロータ駆動部を備え、
前記位相制御部は、前記容積側ポンプの前記ロータの位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

この構成によっても、吸気流路内に圧力脈動を生成し、その圧力脈動の位相を任意に変化させることができる。

また、上記内燃機関の吸気機構において、前記圧力脈動生成部は、連続的に圧縮空気を吐出する軸流式ポンプと、吸気流路内の前記軸流式ポンプの下流側に設けられ吸気流路の断面積を周期的に変化させるロータリ弁と、を備え、
前記位相制御部は、前記ロータリ弁を回転させる弁駆動部を備え、
前記位相制御部は、前記ロータリ弁の位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させるとしてもよい。

この構成によれば、圧力脈動を生成しない過給機を用いる場合でも、吸気流路内に圧力脈動を生成し、その圧力脈動の位相を任意に変化させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、内燃機関や、内燃機関の吸気方法、内燃機関の吸気装置等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図である。第１実施例におけるガソリンエンジン１００は、クランクシャフトが１回転する間にエンジンの１サイクルの運転を行う２ストローク式エンジンである。

ガソリンエンジン１００は、図示しないシリンダブロック内に４つのシリンダ７６を備える４気筒エンジンである。シリンダ７６のそれぞれの内部には図示しないピストンが上下に摺動可能に設けられており、ピストンのそれぞれは図示しないコネクティングロッドを介して図示しないクランクシャフトに接続されている。クランクシャフトは、ピストンの上下動に伴い、軸を中心に回転する。

シリンダ７６のそれぞれには、吸入空気が流入する吸気マニホールド７１の吸気管７２が、シリンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッド７７の内部の吸気ポート７８を介して接続されている。また、同様に、シリンダ７６のそれぞれには、燃焼ガスを排出する排気マニホールド７３の排気管７４が、シリンダヘッド７７の内部の排気ポート７９を介して接続されている。吸気ポート７８および排気ポート７９のシリンダ７６に面する開口部は、シリンダヘッド７７に設けられた図示しない吸気弁および排気弁によって開閉される。

排気マニホールド７３には、排気ガスが通過する排気通路１６が接続されており、排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６が設けられている。なお本明細書において、排気通路１６、排気マニホールド７３の排気管７４、排気ポート７９で構成される排気のための流路を「排気流路」と呼ぶ。

一方、吸気マニホールド７１には吸入空気を導く吸気通路１２がサージタンク６０を介して接続されている。なお本明細書において、吸気通路１２、吸気マニホールド７１の吸気管７２、吸気ポート７８で構成される吸気のための流路を「吸気流路」と呼ぶ。

吸気通路１２の上流にはエアクリーナ２０が設けられており、エンジンに吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際に異物を除去される。また、吸気通路１２内にはスロットル弁２２が設けられており、スロットル弁２２は電動アクチュエータ２４によって適切な開度に設定されて、吸入空気量を調整する機能を有している。

さらに、吸気通路１２には、ルーツ式過給機９４が設けられている。ルーツ式過給機９４は、図示しないクランクシャフトにより駆動される機械式過給機であり、ルーツ式過給機９４に内蔵されたロータの回転に伴ってエアクリーナ２０から吸い込んだ空気の圧力を高めて、シリンダ７６に加圧された空気を供給している。なお、ルーツ式過給機９４の構成の詳細については後述する。

ルーツ式過給機９４と図示しないクランクシャフトとの間には、遊星歯車機構８０が設けられており、ルーツ式過給機９４とクランクシャフトとは、遊星歯車機構８０を介して互いに接続されている。遊星歯車機構８０は、同一軸上で回転数を変化させることができる歯車機構である。遊星歯車機構８０は、外歯歯車であるサンギア８２が中央に配置され、その周囲に内歯歯車であるリングギア８６が配置されており、サンギア８２とリングギア８６との間には外歯歯車であるプラネタリギア８４が複数個配置されている。プラネタリギア８４のそれぞれは、サンギア８２とリングギア８６とに噛み合っており、また各プラネタリギア８４はキャリア８８という枠に支持されている。

また、遊星歯車機構８０のリングギア８６の付近には位相制御アクチュエータ９２が設けられており、位相制御アクチュエータ９２の制御歯車部９２２は、リングギア８６に噛み合っている。位相制御アクチュエータ９２は、制御歯車部９２２を固定したり回転させたりすることによって、制御歯車部９２２に噛み合っているリングギア８６を固定したり回転させたりすることができる。

なお、ルーツ式過給機９４で加圧すると空気温度が上昇するので、吸入空気を冷却するために、ルーツ式過給機９４の下流側にはインタークーラ６２が設けられている。また、クランクシャフトには、クランク角θｃやエンジン回転数Ｎｅを検出することができるクランクセンサ３２が設けられている。また、ルーツ式過給機９４には、ルーツ式過給機９４に内蔵されているロータの角度θｄや回転数Ｎｄを検出することができるロータ位相センサ９６が設けられている。

このガソリンエンジン１００の動作は、エンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、クランク角θｃやエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度θａｃ等を検出し、これらに基づいてスロットル弁２２の開度の制御や、位相制御アクチュエータ９２の制御を実行する。アクセル開度θａｃはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出される。

図２は、ルーツ式過給機９４の構成を概略的に示す説明図である。ルーツ式過給機９４は、２つのまゆ型のロータ（ドライブロータ９４４およびドリブンロータ９４６）が互いに接触してハウジング９４８に内蔵されるように構成されている。ドライブロータ９４４が、図示しないクランクシャフトにより駆動されて回転軸９４５を中心として回転すると、ドリブンロータ９４６はドライブロータ９４４からの作用を受けて回転軸９４７を中心として同じ速度で逆方向に回転する。

ロータ９４４，９４６の回転により、吸入口９４０付近の空気はハウジング９４８内部に吸入される。ハウジング９４８内部に吸入された空気は、ロータ９４４，９４６のさらなる回転によって、ロータ９４４，９４６とハウジング９４８との隙間に閉じこめられる。その後さらにロータ９４４，９４６が回転すると、ロータ９４４，９４６とハウジング９４８との隙間に閉じこめられていた空気は吐出口９４２に開放され、ロータ９４４，９４６に押し出されることによって圧力を高められた状態で吐出される。このように、ルーツ式過給機９４は、ロータ９４４，９４６の回転に伴う周期的な圧縮空気の吐出により、吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成する。本実施例におけるルーツ式過給機９４は、ドライブロータ９４４が１回転する間に４回の吸入および吐出が行われるため、ドライブロータ９４４の１回転あたり４つの圧力脈動を生成する。

本実施例では、クランクシャフトはサンギア８２に接続され、ルーツ式過給機９４のドライブロータ９４４の回転軸９４５はキャリア８８に接続されている（図１）。従って、クランクシャフトの回転は、サンギア８２に伝達され、サンギア８２の回転が遊星歯車機構８０によって回転数変換を伴ってキャリア８８に伝達された後、ルーツ式過給機９４のドライブロータ９４４の回転軸９４５に伝達される。

ガソリンエンジン１００は、遊星歯車機構８０と位相制御アクチュエータ９２との組み合わせにより、ルーツ式過給機９４によって生成される吸気流路内の圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができる。なお、本明細書において、吸気流路内の圧力脈動の周波数は、クランクシャフト１回転あたりの脈動数によって表すものとする。

図３は、吸気流路内の圧力脈動の周波数および位相を変化させる方法の一例を示す説明図である。図３（ａ）および（ｂ）において、Ｎｓはサンギア８２の回転数、Ｎｒ（Ｎｒ１，Ｎｒ２）はリングギア８６の回転数、Ｎｃ（Ｎｃ１，Ｎｃ２）はキャリア８８の回転数を示している。また、ρはリングギア８６の歯数に対するサンギア８２の歯数の比である。

図３に示すように、遊星歯車機構８０のサンギア８２、リングギア８６、キャリア８８の各回転数（Ｎｓ、Ｎｒ、Ｎｃ）は、直線で結ばれる関係にある。そのため、例えば図３（ａ）および（ｂ）に示すように、サンギア８２の回転数Ｎｓを一定の値としても、リングギア８６の回転数Ｎｒを変化させることによって、キャリア８８の回転数Ｎｃは変化する。すなわち、サンギア８２の回転数Ｎｓとキャリア８８の回転数Ｎｃとの比は、リングギア８６の回転数Ｎｒの値を変化させることにより、種々の値に設定することができる。

上述のとおり本実施例においては、サンギア８２はクランクシャフトによって駆動されており、またキャリア８８の回転によってルーツ式過給機９４のドライブロータ９４４が駆動されている。そして、ドライブロータ９４４が１回転する間に４つの圧力脈動が吸気流路内に生成される。従って、吸気流路内の圧力脈動の周波数（クランクシャフト１回転あたりの圧力脈動数）は、リングギア８６の回転数Ｎｒの値を変化させることにより、種々の値に設定することができる。

また、位相制御アクチュエータ９２によって、リングギア８６を固定したり回転させたりすることにより、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相も変化させることができる。例えば、サンギア８２が一定の回転数で回転しているときに、位相制御アクチュエータ９２がリングギア８６を固定している状態から、位相制御アクチュエータ９２がリングギア８６に一定の回転を与えた後、再びリングギア８６を固定する場合を考える。

位相制御アクチュエータ９２がリングギア８６を固定している状態のときは、図３（ａ）のように、リングギア８６の回転数Ｎｒの値はゼロである。このとき、キャリア８８は一定の回転数で回転しており、キャリア８８の回転数Ｎｃと相関関係にあるルーツ式過給機９４のドライブロータ９４４の回転数も一定の値となっている。従って、吸気流路内には一定の周波数の圧力脈動が発生している。

次に、位相制御アクチュエータ９２がリングギア８６に一定の回転を与えると、図３（ｂ）のように、リングギア８６の回転数Ｎｒが増加するのに伴って、キャリア８８の回転数Ｎｃが増加する。そして、キャリア８８の回転数Ｎｃが増加している間は、ドライブロータ９４４の回転数も増加する。一方、サンギア８２の回転数は変化していないのでエンジンのサイクルの周期は変化していない。従って、ドライブロータ９４４の回転数が増加した分、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相は変化することとなる。

その後、再び、位相制御アクチュエータ９２がリングギア８６を固定すると図３（ａ）の状態に戻る。このとき吸気流路内の圧力脈動の周波数も元の状態に戻る。

このように、例えば、リングギア８６の回転数Ｎｒを変化させる量および変化させている時間を制御することによって、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を任意に変化させることができる。

以上説明したように遊星歯車機構８０と位相制御アクチュエータ９２とを用いることによって、ルーツ式過給機９４によって生成される吸気流路内の圧力脈動の周波数を種々の値に設定できると共に、圧力脈動の位相を変化させることができる。ここで、ガソリンエンジン１００は、１サイクルあたり、ｎ（ｎは自然数を表す。以下同じ。）個の圧力脈動が生成されるように設定されている。すなわち、本実施例におけるガソリンエンジン１００は２ストローク式エンジンであるため、クランクシャフト１回転あたりｎ個の圧力脈動が生成されるように、遊星歯車機構８０と位相制御アクチュエータ９２とが設定されている。

このように設定することにより、一定のエンジン回転数の下でガソリンエンジン１００のサイクル毎に吸気流路内の圧力脈動の位相が変動することがなくなるので、吸気流路内の圧力脈動のサイクル間変動を生じさせないようにすることができる。

また、ガソリンエンジン１００は、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、吸気流路内の圧力脈動の位相の制御が行われるのが好ましい。図４は、第１実施例におけるガソリンエンジン１００の吸気流路内の圧力脈動の位相制御の一例を示す説明図である。図４には、横軸にクランク角をとり、ガソリンエンジン１００のある気筒の吸気流路の吸気弁近傍における圧力脈動を実線で、排気流路の排気弁近傍における圧力脈動を破線でそれぞれ示している。また、図４（ａ）は位相制御前の状態であり、図４（ｂ）は位相制御後の状態を示している。図４の例では、吸気流路内の圧力脈動は、エンジンの１サイクル中に４個生成されている。

図４（ａ）の状態では、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が小さくなっている。すなわち、吸気流路内の圧力が大きいときに排気流路内の圧力も大きくなっている。従って、掃気が効率的に行われず、その結果、吸気量が小さくなる。

一方、図４（ａ）の状態から吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を変化させた後の図４（ｂ）の状態では、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が大きくなっている。すなわち、吸気流路内の圧力が大きいときに排気流路内の圧力が小さくなっている。従って、掃気が効率的に行われ、その結果、吸気量が大きくなる。

このように、２ストローク式エンジンであれば、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差を大きくするように吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を変化させることによって、吸気量を大きくし、体積効率の向上を図ることができる。

また、ガソリンエンジン１００は、１サイクルあたり、シリンダ数の自然数倍個の圧力脈動が生成されるように運転が行われるのがさらに好ましい。例えば、本実施例では、シリンダ数が４つであるので、４の自然数倍個の圧力脈動が生成されるのが好ましい。

図５は、第１実施例におけるガソリンエンジン１００の各シリンダにおける吸気流路内および排気流路内の圧力脈動の一例を示す説明図である。図５には、横軸にクランク角をとり、ガソリンエンジン１００の各シリンダ（ａシリンダ〜ｄシリンダ）の吸気流路の吸気弁近傍における圧力脈動を実線で、排気流路の排気弁近傍における圧力脈動を破線でそれぞれ示している。図５の例では、吸気流路内の圧力脈動は、エンジンの１サイクルあたり、シリンダ数の自然数倍である４個生成されている。

図５に示すように、ａシリンダからｄシリンダまでの４つのシリンダ７６に接続される吸気流路の圧力脈動の周波数および位相は、すべて同じである。これは、シリンダ７６の各シリンダに、ルーツ式過給機９４により生成された脈動が、ほぼ同一距離の経路を経て到達するからである。

一方、排気流路内の圧力脈動は、各シリンダ毎に位相がずれている。これは、排気流路内の圧力脈動は主に排気弁の開閉に伴う排気の慣性効果により生成されるが、圧縮・膨張・掃気を行うエンジンの１サイクルは各シリンダ毎にずれており、各シリンダで排気弁の開閉時期が異なるからである。本実施例のガソリンエンジン１００は、４気筒の２ストローク式エンジンエンジンであるため、各シリンダのサイクルは、クランク角９０度づつずれている。例えば、ａシリンダにおける圧縮の開始から９０度遅角してｂシリンダにおける圧縮が開始され、さらに９０度づつ遅角してｄシリンダ、ｃシリンダの順に圧縮が開始される。従って、本実施例におけるガソリンエンジン１００は、排気流路内の圧力脈動が、各シリンダ毎に９０度づつ位相がずれている。

図５の例では、排気流路内の圧力脈動が各シリンダ毎に位相がずれていても、すべてのシリンダにおいて、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が大きくなっている。このように、吸気流路内の圧力脈動の生成個数をエンジンの１サイクル中にシリンダ数の自然数倍個とすると、ある１つのシリンダにおける吸気流路内の圧力脈動の位相を掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が大きくなるように変化させれば、他のすべてのシリンダにおいても同様になる。従って、このようにすれば、すべてのシリンダにおいて掃気が効率的に行われるように吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができ、シリンダ間の吸気量のばらつきを抑制することができると共に、吸気量をさらに大きくすることができる。

また、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相は、ガソリンエンジン１００の回転数が変化しても維持されるように制御を行うのが好ましい。ルーツ式過給機９４によって生成された圧力脈動は、各シリンダの吸気弁に到達するまでに時間を要する。この時間は「時間遅れ」と呼ばれ、ルーツ式過給機９４から各シリンダ７６までの距離を圧力脈動の伝播速度で割ることによって求められる。ルーツ式過給機９４から各シリンダ７６までの距離は、各シリンダについてほぼ同一で、一定の値である。また、圧力脈動の伝播速度も、ほぼ音速で一定である。従って、時間遅れは、ガソリンエンジン１００の回転数が変化しても、ほぼ一定である。一方、時間遅れの間にクランクシャフトの回転するクランク角は、ガソリンエンジン１００の回転数の変化に伴って変化する。すなわち、低回転では時間遅れの間に回転するクランク角は小さく、高回転になるほど大きくなる。そのため、ガソリンエンジン１００の回転数が変化すると、吸気流路内の圧力脈動とエンジンのサイクルとの関係が変化し、それに伴って、吸気流路内の圧力脈動と排気流路内の圧力脈動との関係も変化する。従って、ガソリンエンジン１００の回転数が変化しても、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を維持するように遊星歯車機構８０および位相制御アクチュエータ９２の制御を行うことにより、広い運転領域において、掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が大きくなるようにするのが好ましい。

さらに、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相は、ガソリンエンジン１００の回転数に応じて変化させるようにしてもよい。排気流路内の圧力脈動は、あるサイクルにおいて排気弁の開弁により排気流路内に高い圧力が発生することにより生成される。この圧力脈動は、時間の経過と共に減衰していくが、次のサイクルにおいて排気弁の開弁により同様に生成される圧力脈動に影響を与える。エンジンの回転数が変化すると排気弁開弁作用の時間的間隔が変化するため、前のサイクルの脈動の減衰の程度も変化する。そのため、排気流路内の圧力脈動はエンジンの回転数に応じて変化しうる。

従って、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を、エンジンの回転数に応じて変化させることによって、同じくエンジンの回転数に応じて変化しうる排気流路内の圧力脈動に対して適切な、すなわち掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差が大きくなるような、吸気流路内の圧力脈動を生成することができる。

遊星歯車機構８０と位相制御アクチュエータ９２とによるガソリンエンジン１００の吸気流路内の圧力脈動の位相の制御方法は、あらかじめ定めておくこともできる。例えば、ガソリンエンジン１００の回転数Ｎｅの値やその変化量に応じて、位相制御アクチュエータ９２によりリングギア８６を回転させる量や時間を定めておくことにより、広い運転領域において吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を適切に変化させることができる。

また、ガソリンエンジン１００が運転状態を検知して、その検知結果に基づいて吸気流路内の圧力脈動の位相を制御するようにすることもできる。例えば、ガソリンエンジン１００が、クランクセンサ３２により検知されたクランク角θｃおよびエンジン回転数Ｎｅと、ロータ位相センサ９６により検知されたドライブロータ９４４の位相（角度）θｄおよび回転数Ｎｄとに基づき、位相制御アクチュエータ９２によりリングギア８６を回転させる量や時間を算出して、位相を変化させるようにすることもできる。このようにすれば、例えばバルブタイミングの変更等のようなエンジンのチューニングが行われても、吸気流路内の圧力脈動の位相を適切に制御することが可能である。

以上のようにして、本実施例においては、エンジン形態や運転領域に関わらず吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。

また、本実施例において用いる機構（ルーツ式過給機９４、遊星歯車機構８０、位相制御アクチュエータ９２）は、複雑なものではなく、コスト・スペース・耐久性の面でも優れている。

なお、予めシリンダ内に予混合気を形成し、その混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼運転においては、燃焼音低減等の面から、より多くの空気をシリンダ内に供給するのが好ましい。従って、ガソリンエンジン１００が予混合圧縮自着火燃焼方式による運転を行う場合は、上記のようにして体積効率を向上させることが特に好ましい。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例におけるガソリンエンジン１００は、クランクシャフトが２回転する間にエンジンの１サイクルの運転を行う４ストローク式エンジンであることが第１実施例と異なる点であり、その他の点は第１実施例と同じである。

第２実施例におけるガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、１サイクルあたり、ｎ個の圧力脈動が生成されるように設定されている。すなわち、本実施例におけるガソリンエンジン１００は４ストローク式エンジンであるため、クランクシャフト２回転あたりｎ個の圧力脈動が生成されるように、遊星歯車機構８０と位相制御アクチュエータ９２とが設定されている。

また、第２実施例におけるガソリンエンジン１００は、吸気期間後半に吸気流路内の圧力を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相の制御が行われる。図６は、第２実施例におけるガソリンエンジン１００の吸気流路内の圧力脈動の位相制御の一例を示す説明図である。図６には、横軸にクランク角をとり、ガソリンエンジン１００のある気筒の吸気流路の吸気弁近傍における圧力脈動を示している。また、図６（ａ）は位相制御前の状態であり、図６（ｂ）は位相制御後の状態を示している。図６の例では、吸気流路内の圧力脈動は、エンジンの１サイクル中に８個生成されている。

図６（ａ）の状態では、吸気期間後半（特に圧縮期間の直前）における吸気流路内の圧力が小さくなっている。従って、一旦シリンダ７６内に吸入された空気が、吸気期間後半に吸気流路内の負の圧力によって吸気流路内に逆流し、吸気量が小さくなる。その結果、体積効率が低下してしまう。

一方、図６（ａ）の状態から吸気流路内の圧力脈動の位相を変化させた後の図６（ｂ）の状態では、吸気期間後半（特に圧縮期間の直前）における吸気流路内の圧力が大きくなっている。従って、シリンダ７６に吸入された空気が、吸気期間後半に吸気流路内に逆流することを抑制することができ、吸気量が大きくなる。その結果、体積効率を向上させることができる。

このように、４ストローク式エンジンであれば、吸気期間後半における吸気流路内の圧力を大きくするように吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を変化させることによって、吸気量を大きくし、体積効率の向上を図ることができる。

また、第２実施例におけるガソリンエンジン１００は、第１実施例と同様に、１サイクルあたり、シリンダ数の自然数倍個の圧力脈動が生成されるように運転が行われるのがさらに好ましい。例えば、本実施例では、シリンダ数が４つであるので、４の自然数倍個の圧力脈動が生成されるのが好ましい。

図７は、第２実施例におけるガソリンエンジン１００の各シリンダにおける吸気流路内の圧力脈動の一例を示す説明図である。図７には、横軸にクランク角をとり、ガソリンエンジン１００の各シリンダ（ａシリンダ〜ｄシリンダ）の吸気流路の吸気弁近傍における圧力脈動を示している。図７の例では、吸気流路内の圧力脈動は、エンジンの１サイクルあたり、シリンダ数の自然数倍である８個生成されている。

図７に示す第２実施例においても、図５を用いて説明した第１実施例と同様に、ａシリンダからｄシリンダまでの４つのシリンダ７６に接続される吸気流路の圧力脈動の周波数および位相は、すべて同じである。また、吸気・圧縮・膨張・排気を行うエンジンの１サイクルは各シリンダ毎にずれており、本実施例のガソリンエンジン１００は、４気筒の４ストローク式エンジンエンジンであるため、各シリンダのサイクルは、クランク角１８０度づつずれている。

図７の例では、すべてのシリンダにおいて、吸気期間後半（特に圧縮期間の直前）における吸気流路内の圧力が大きくなっている。このように、吸気流路内の圧力脈動の生成個数をエンジンの１サイクル中にシリンダ数の自然数倍個とすると、ある１つのシリンダにおける吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を吸気期間後半における吸気流路内の圧力が大きくなるように変化させれば、他のすべてのシリンダにおいても同様になる。従って、このようにすれば、すべてのシリンダにおいて吸気量が大きくなるように吸気流路内の圧力脈動のエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができ、シリンダ間の吸気量のばらつきを抑制することができると共に、吸気量をさらに大きくすることができる。

以上のようにして、本実施例においても第１実施例と同様に、エンジン形態や運転領域に関わらず吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。

Ｃ．第３実施例：
図８は、本発明の第３実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、ルーツ式過給機９４がモータ１１４によって駆動されている点だけであり、その他の点は第１実施例と同じである。

モータ１１４は、回転数を可変とすることができるインバータ式のモータである。モータ１１４は、ルーツ式過給機９４に接続されており、ルーツ式過給機９４のドライブロータ９４４を回転軸９４５を中心に回転させる。従って、モータ１１４の回転数を変化させることにより、ドライブロータ９４４の回転数を変化させ、ルーツ式過給機９４により生成される吸気流路内の圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができる。

モータ１１４による吸気流路内の圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相の制御は、クランクセンサ３２により検出されるクランク角θｃおよびエンジン回転数Ｎｅと、ロータ位相センサ９６により検出されるドライブロータ９４４の位相（角度）θｄおよび回転数Ｎｄとに基づき行うことができる。このようにして、本実施例においても第１実施例と同様に、エンジン形態や運転領域に関わらず吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。

Ｄ．第４実施例
図９は、本発明の第４実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、ルーツ式過給機９４の代わりにリショルム式過給機１２０が設けられている点と、吸気通路１２のリショルム式過給機１２０より下流側にモータ１２４によって駆動されるロータリ弁１２２が設けられている点だけであり、その他の点は第１実施例と同じである。

リショルム式過給機１２０は、ルーツ式過給機９４と同様にクランクシャフトにより駆動される機械式過給機であり、エアクリーナ２０から吸い込んだ空気の圧力を高めて、シリンダ７６に加圧された空気を供給している。しかし、リショルム式過給機１２０は、その構造上周期的な圧力脈動を生成しない点でルーツ式過給機９４と異なる。

このように、本実施例においては、過給機によっては吸気流路内に圧力脈動が生成されないが、ロータリ弁１２２を用いることによって、第１実施例と同様に、吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成することができる。すなわち、ロータリ弁１２２が、モータ１２４によって回転させられ、吸気通路１２の断面積を周期的に変化させることによって、吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成される。

また、モータ１２４は、回転数を可変とすることができるインバータ式のモータである。従って、モータ１２４の回転数を変化させることにより、吸気通路１２の断面積の変化の周期を変化させ、吸気流路内の圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができる。

モータ１２４による吸気流路内の圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相の制御は、クランクセンサ３２により検出されるクランク角θｃおよびエンジン回転数Ｎｅと、ロータリ弁位相センサ１２６により検出されるロータリ弁１２２の角度θｖおよび回転数Ｎｖとに基づき行うことができる。

このように、周期的な圧力脈動を生成しない過給機を用いる場合でも、吸気通路１２の断面積を周期的に変化させることができるロータリ弁１２２のような機構を用いることによって、吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成し、その圧力脈動の周波数およびエンジンのサイクルに対する位相を変化させることができる。従って、本実施例においても第１実施例と同様に、エンジン形態や運転領域に関わらず吸気流路内に適切な脈動を生成し、体積効率を向上させることができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
各実施例では、４つのシリンダを備える４気筒エンジンを例に用いて説明したが、気筒数は任意の数でよい。例えば、２気筒、３気筒、６気筒等であってもよい。

Ｅ２．変形例２：
第４実施例では、ロータリ弁をモータで駆動させているが、ロータリ弁を第１実施例に用いたような遊星歯車機構と位相制御アクチュエータとの組み合わせにより駆動させてもよい。

Ｅ３．変形例３：
第４実施例では、脈動を生成しない過給機としてリショルム式過給機を例に用いて説明したが、他の過給機を用いてもよく、例えば、排気ターボチャージャ等を用いることができる。

Ｅ４．変形例４：
第１実施例ではガソリンエンジンは２ストローク式エンジンであり、第２実施例では４ストローク式エンジンであったが、ガソリンエンジンは２ストローク運転と４ストローク運転を切り替え可能なエンジンであるとしてもよい。

本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図。 ルーツ式過給機の構成を概略的に示す説明図。 吸気流路内の圧力脈動の周波数および位相を変化させる方法の一例を示す説明図。 第１実施例におけるガソリンエンジン１００の吸気流路内の圧力脈動の位相制御の一例を示す説明図。 第１実施例におけるガソリンエンジン１００の各シリンダにおける吸気流路内および排気流路内の圧力脈動の一例を示す説明図。 第２実施例におけるガソリンエンジン１００の吸気流路内の圧力脈動の位相制御の一例を示す説明図。 第２実施例におけるガソリンエンジン１００の各シリンダにおける吸気流路内の圧力脈動の一例を示す説明図。 本発明の第３実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図。 本発明の第４実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図。

符号の説明

１２...吸気通路
１６...排気通路
２０...エアクリーナ
２２...スロットル弁
２４...電動アクチュエータ
２６...触媒
３２...クランクセンサ
３４...アクセル開度センサ
６０...サージタンク
６２...インタークーラ
７１...吸気マニホールド
７２...吸気管
７３...排気マニホールド
７４...排気管
７６...シリンダ
７７...シリンダヘッド
７８...吸気ポート
７９...排気ポート
８０...遊星歯車機構
８２...サンギア
８４...プラネタリギア
８６...リングギア
８８...キャリア
９２...位相制御アクチュエータ
９４...ルーツ式過給機
９６...ロータ位相センサ
１００...ガソリンエンジン
１１４...モータ
１２０...リショルム式過給機
１２２...ロータリ弁
１２４...モータ
１２６...ロータリ弁位相センサ
９２２...制御歯車部
９４２...吐出口
９４４...ドライブロータ
９４５...回転軸
９４６...ドリブンロータ
９４７...回転軸
９４８...ハウジング

Claims (9)

1. 内燃機関の吸気機構であって、
   吸気流路内に周期的な圧力脈動を生成する圧力脈動生成部と、
   前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の前記内燃機関のサイクルに対する位相を変化させる位相制御部と、
   を備え、
   前記圧力脈動生成部は、前記内燃機関の１サイクルあたりｎ（ｎは自然数）個の圧力脈動を生成する、吸気機構。
2. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記内燃機関は、２ストローク式エンジンであり、前記位相制御部は、前記内燃機関の掃気期間における吸気流路内と排気流路内との圧力差を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
3. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記内燃機関は、４ストローク式エンジンであり、前記位相制御部は、前記内燃機関の吸気期間後半に吸気流路内の圧力を大きくすることによって吸気量が大きくなるように、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
4. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記ｎの値が、前記内燃機関の気筒数の自然数倍である、吸気機構。
5. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記位相制御部は、前記内燃機関の回転数に応じて、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
6. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記圧力脈動生成部は、圧力脈動を生成するための回転体を備え、
   前記位相制御部は、前記内燃機関のクランク軸の位相および回転数と、前記圧力脈動生成部の前記回転体の位相および回転数とを検出する位相検出部を備え、前記位相検出部の検出結果に基づき前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
7. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記圧力脈動生成部は、ロータの回転によって間欠的に空気を吐出する容積型ポンプを備え、
   前記容積型ポンプの前記ロータは、前記内燃機関のクランク軸により駆動されており、
   前記位相制御部は、前記容積側ポンプの前記ロータの位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
8. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記圧力脈動生成部は、ロータの回転によって間欠的に空気を吐出する容積型ポンプを備え、
   前記位相制御部は、前記容積型ポンプの前記ロータを回転させるロータ駆動部を備え、
   前記位相制御部は、前記容積側ポンプの前記ロータの位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。
9. 請求項１記載の吸気機構であって、
   前記圧力脈動生成部は、連続的に圧縮空気を吐出する軸流式ポンプと、吸気流路内の前記軸流式ポンプの下流側に設けられ吸気流路の断面積を周期的に変化させるロータリ弁と、を備え、
   前記位相制御部は、前記ロータリ弁を回転させる弁駆動部を備え、
   前記位相制御部は、前記ロータリ弁の位相および回転数を変化させることによって、前記圧力脈動生成部により生成される圧力脈動の位相を変化させる、吸気機構。

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