JP2005256782A - 慣性過給エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】吸気制御弁を利用して吸気通路内に脈動を発生させ、慣性過給を行なう４気筒エンジンにおいて、最大限の充填効率を確保し、エンジンを高出力化する。
【解決手段】吸気行程で吸気弁８が開いても吸気制御弁１３を閉じておくことで吸気通路６内に負圧を発生させ、吸気弁開期間の途中で吸気制御弁１３を開いてこの負圧を解放することで吸気通路６内に吸気の脈動を発生させ、慣性過給を行なう４気筒エンジンにおいて、吸気行程において吸気弁８が開いてから吸気制御弁１３が開かれるまでにシリンダ３に吸入される第１の空気量に、吸気制御弁１３を開いている間にシリンダ３に吸入される第２の空気量を加えた値をシリンダ内空気量とし、シリンダ内空気量が最大になるように吸気制御弁１３の取付け位置を決定し、この決定した位置に吸気制御弁１３を取り付ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気制御弁を利用して吸気通路内に吸気の脈動を発生させ、慣性過給を行なうエンジンに関する。

特開平１−１５１７１５号（特許文献１）は、燃焼室に通じる吸気通路に吸気制御弁を設けたエンジンを開示している。このエンジンでは、吸気行程で吸気弁が開いても吸気制御弁を閉じておくことで吸気通路内に負圧を発生させ、吸気弁開期間の途中で吸気制御弁を開いてこの負圧を解放することで吸気通路内に脈動を発生させ、慣性過給を行なっている。
特開平１−１５１７１５号

上記従来技術のように吸気制御弁を利用して慣性過給を行うエンジンにおいては、吸気通路内に発生する負圧が大きいほど吸気制御弁を開いたときに発生する吸気脈動も大きくなるので、一般的には、発生する負圧が大きい（圧力値が小さい）ほど慣性過給効果も上がってエンジンの充填効率、トルクが上昇すると考えられる。

図６は、６気筒エンジンにおいて、吸気制御弁から吸気弁までの容積をＶｐ、シリンダ行程容積Ｖｃとし、吸気制御弁の取付け位置を変えて容積比Ｖｐ／Ｖｃを変更した場合の吸気通路内に発生する最大負圧、エンジンの充填空気量を示したものである。吸気制御弁を吸気弁に近づけ、容積Ｖｐを小さくしたほうが吸気通路内に発生する最大負圧が大きくなる（圧力値は下がる）ので、吸気制御弁を開いたときに発生する吸気脈動も大きくなり、充填空気量も多くなる。よって、６気筒エンジンにおいては、吸気制御弁を取り付け可能な範囲で最も吸気弁側の位置に取り付ければ、最大充填効率が得られ、高い出力が得られる。

しかしながら、４気筒エンジンにおいては、単に吸気制御弁を吸気弁に近づけて取り付けるだけでは必ずしもエンジンの充填効率が最大とはならない。これは、４気筒エンジンでは吸気干渉、排気干渉が大きく、これが脈動による過給を阻害する要因となって、容積比Ｖｐ／Ｖｃを小さくしても慣性過給効果がそれ程高められず、また、容積Ｖｐの減少を受けて吸気制御弁が開くまでの間に吸入される空気量が減少することの影響が大きくなるからである。

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、吸気制御弁を利用して吸気通路内に脈動を発生させ、慣性過給を行なう４気筒エンジンにおいて、最大限の充填効率を確保し、エンジンを高出力化することを目的とする。

上記慣性過給を行なう４気筒エンジンにおいて、吸気行程において吸気弁が開いてから吸気制御弁が開かれるまでにシリンダに吸入される第１の空気量に、吸気制御弁を開いている間にシリンダに吸入される第２の空気量を加えた値をシリンダ内空気量とし、このシリンダ内空気量が最大になるように吸気制御弁の取付け位置を決定し、当該位置に吸気制御弁を取り付ける。

これにより、吸気干渉、排気干渉が大きく、吸気制御弁を吸気弁にできる限り近づけて取り付けるという手法では必ずしも最大充填効率が得られなかった４気筒エンジンにおいても、充填効率を最大限に高め、エンジンの出力を高めることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明に係るエンジンの構成を示し、エンジンは図１に示す構成を４組備える４気筒エンジンである。シリンダヘッド１と、シリンダブロック２に形成されたシリンダ３と、シリンダ３に摺動可能に収装されるピストン４の間には燃焼室５が画成され、燃焼室５には吸気通路（吸気ポート及びそれに接続する吸気マニホールド）６、排気通路（排気ポート及びそれに接続する排気マニホールド）７が連通している。吸気通路６、排気通路７と燃焼室５との連通位置には、吸気通路６、排気通路７の燃焼室側開口を開閉する吸気弁８、排気弁９が設けられており、吸気弁８、排気弁９は吸気カム１０、排気カム１１を介して駆動される。

吸気通路６の途中であって吸気弁８の上流側には吸気制御弁１３が設けられており、吸気制御弁１３の下流には燃料噴射弁１４が設けられている。また、燃焼室５の上部中央には点火プラグ１５がそのギャップを燃焼室５内に突出させるように設けられている。これら吸気制御弁１３、燃料噴射弁１４、点火プラグ１５はエンジンコントローラ２０からの信号に基づき駆動される。

エンジンコントローラ２０には、運転状態を示す信号として、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量センサ２５、エンジンの回転速度及びクランク角を検出するクランク角センサ２６、冷却水温を検出する冷却水温センサ２７等からの信号が入力され、エンジンコントローラ２０は入力されたアクセル操作量信号、回転速度信号、クランク角信号等に基づき、目標とするエンジントルクを演算し、演算された目標エンジントルクが実現されるように燃料噴射弁１３からの燃料噴射量、噴射時期、点火プラグ１５による点火時期、図示しないスロットル弁の開度を制御する。また、エンジンコントローラ２０は、所定の運転領域において、所定のタイミングで吸気制御弁１３を開閉制御し、吸気通路内６に吸気の脈動を発生させ、これによって慣性過給を行なう。

図２を参照しながら吸気脈動を利用した慣性過給についてさらに説明する。

慣性過給を行なう場合、吸気行程において吸気弁８が開弁してもしばらくの間は吸気制御弁１３を閉じておき、吸気制御弁１３と吸気弁８の間に負圧を発生させる。そして、吸気弁開期間内に吸気制御弁１３を開いてこの負圧を解放し、吸気通路６内に吸気の脈動を発生させ、これを利用してシリンダ３内に大量の空気を導入する。図２において吸気制御弁１３を開いたタイミングと充填空気量が増大するタイミングにずれがあるのは、吸気制御弁１３を開いてから吸気脈動が発生し、この脈動を利用してシリンダ３内に空気が導入されるまでには若干の遅れがあるからである。吸気制御弁１３は吸気弁８が閉じられるタイミングよりも前に閉じられて、次回の吸気に備える。

ここで、シリンダ３に充填される空気の量は、吸気弁８が開いており、かつ吸気制御弁１３が閉じている期間に吸入される空気量Ａ（第１の空気量）、吸気制御弁１３が開いている間に吸入される空気量Ｂ（第２の空気量）、吸気弁８が完全に閉じられるまでにシリンダ３から吸気通路６に吹き返される（逆流する）空気量Ｃ（第３の空気量）によって決定される。すなわち、シリンダ３に充填される空気の量は、空気量Ａと空気量Ｂの和から空気量Ｃを減じた量となる。エンジンの充填効率を最大にし、最大出力を得るためには、この充填空気量を最大にする必要がある。本発明に係るエンジンでは、充填空気量が最大となるよう吸気制御弁１３の取付け位置を決定する。

図３は、吸気制御弁１３から吸気弁８までの間の容積をＶｐ、シリンダ行程容積をＶｃとし、これらの容積比Ｖｐ／Ｖｃと上記空気量Ａ、空気量Ｂ、空気量Ｃ、吸気通路６内に発生する最大負圧の関係を示したものである。

吸気制御弁１３の取付け位置を吸気弁８に近づけて容積Ｖｐを小さくしたほうが、吸気行程中で吸気制御弁１３を閉じているときに発生する負圧が大きくなり（圧力値は下がる）、吸気制御弁１３を開いたときに発生する吸気脈動も大きくなって吸気制御弁開期間に吸入される空気量Ｂも増大する。一方、吸気弁８が開いてから吸気制御弁１３が開かれるまでに吸入される空気量Ａは、容積Ｖｐを減少させると逆に少なくなる。また、吸気弁８が完全に閉じるまでにシリンダ３から吸気通路６に吹き返す空気量Ｃは容積Ｖｐを増大させると徐々に大きくなる。

充填空気量はこれら空気量Ａ、空気量Ｂ、空気量Ｃの影響を受けて変化するのであるが、吸気干渉、排気干渉の小さな６気筒エンジンにおいては容積Ｖｐを減少させたことによる慣性過給効果の高まり方が空気量Ａの減少に比べて大きいことから、空気量Ｂ、Ｃを考慮しなくても、空気量Ｂを最大にしさえすれば充填空気量も最大となっていた。そのため、６気筒エンジンにおいては、取付け可能な範囲内で吸気制御弁１３をできる限り吸気弁８の近くに設け、容積Ｖｐを減少させれば、充填空気量を最大にすることができた。

しかしながら、４気筒エンジンでは吸気干渉、排気干渉が大きく、容積Ｖｐを減少させたときの慣性過給効果の高まり方が６気筒エンジンよりも緩やかであることから、空気量Ｂ、空気量Ｃが充填空気量に与える影響も相対的に大きくなり、単に、吸気制御弁１３をできる限り吸気弁８の近くに設けるというだけでは、充填空気量を必ずしも最大にすることはできない。

そこで、本発明に係るエンジンでは、以下のようにして吸気制御弁１３の取付け位置を決定する。

まず、取付け可能な範囲内で吸気制御弁１３の取付け位置を変化させて容積比Ｖｐ／Ｖｃを変化させ、空気量Ａ、空気量Ｂ、空気量Ｃがどのように変化するかを、実験、演算あるいはシミュレーションによって求め、シリンダ内空気量（＝空気量Ａ＋空気量Ｂ−空気量Ｃ）が最大となる容積比（最大充填容積比）αを予め求めておく。

そして、シリンダ行程容積Ｖｃが一定値であることから、最大充填容積比αにＶｃを掛けて最大充填容積比αを実現するために必要な吸気制御弁１３から吸気弁８までの間の容積（最大充填容積）Ｖｐαを求め、この最大充填容積Ｖｐαと吸気通路６の直径、吸気弁８の位置及び形状等から最大充填容積比αを実現するための吸気制御弁１３の取付け位置を決定する。本発明では、このようにして決定した位置に吸気制御弁１３を取り付ける。これにより、エンジンのシリンダ内空気量を最大にして充填効率を最大限に高め、エンジン出力を最大にすることができる。

なお、本実施形態ではシリンダ内空気量を最大にする容積比αを正確に求めるために、空気量Ａ、空気量Ｂ、空気量Ｃ全てを考慮したが、空気量Ｃは他の２つの空気量と比べて少量であること、容積比Ｖｐ／Ｖｃが変化してもそれ程大きく変化しないことから、空気量Ａ、空気量Ｂのみを考慮するようにしてもよい。つまり、空気量Ａと空気量Ｂの和をエンジンのシリンダ内空気量と考え、これを最大にする容積比αを決定するようにしてもよい。

また、図１に示したエンジンは、シリンダ１個につき１本の吸気通路６が接続する構成であるが、図４に示すように吸気通路６が途中で分岐してシリンダ１個につき２本の吸気通路６ａ、６ｂが接続し、吸気通路６ａ、６ｂのそれぞれに第１及び第２の吸気制御弁１３ａ、１３ｂが取り付けられ、吸気通路６ａ、６ｂの燃焼室側開口にそれらを開閉する第１、第２の吸気弁８ａ、８ｂが設けられている２バルブ式エンジンにも本発明は適用可能である。

この場合、第１、第２の吸気制御弁１３ａ、１３ｂと第１、第２の吸気弁８ａ、８ｂの間の両容積Ｖｐ１、Ｖｐ２の和をＶｐとして上記した手法によりエンジンのシリンダ内空気量（空気量Ａと空気量Ｂの和、あるいはそれから空気量Ｃを減じた値）を最大とする最大充填容積比α、最大充填容積Ｖｐαを求め、第１の吸気制御弁１３ａと第１の吸気弁８ａの間の容積Ｖｐ１、第２の吸気制御弁１３ｂと第２の吸気弁８ｂの間の容積Ｖｐ２を、それぞれ最大充填容積Ｖｐαの半分に決定し、当該容積を実現するよう第１及び第２の吸気制御弁１３ａ、１３ｂの取付け位置を決定すればよい（第２の実施形態）。

続いて第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態は、図５に示すように、吸気通路６が途中で分岐し、シリンダ１個につき２本の吸気通路６ａ、６ｂが接続する２バルブ式エンジンであり、一方の吸気通路６ａにはスワール発生用かつ吸気脈動発生用のスワール制御弁（第１の吸気制御弁）１３ｓが設けられ、他方の吸気通路６ｂには吸気脈動発生用の吸気制御弁（第２の吸気制御弁）１３ｂが設けられている。また、吸気通路６ａ、６ｂの燃焼室側開口には第１及び第２の吸気弁８ａ、８ｂが設けられている。スワール制御弁１３ｓはシリンダ内にスワールを発生させるのに適した所定の位置（固定位置）に取り付けられる。

このエンジンにおいては、慣性過給時以外はスワール制御弁１３ｓの開度を絞るとともに吸気制御弁１３ｂを開いてシリンダ内にスワールを発生させ、このスワールを利用した燃焼、例えば、成層燃焼を行なう。一方、慣性過給時は、吸気行程においてスワール制御弁１３ｓと吸気制御弁１３ｂの両方を所定のタイミングで開閉することで吸気通路６、６ａ、６ｂ内に吸気の脈動を発生させる。本発明は、このようなエンジンにも適用可能である。

この場合、スワール制御弁１３ｓから第１の吸気弁８ａまでの容積をＶｐ１、吸気制御弁１３ｂから第２の吸気弁８ｂまでの容積をＶｐ２とし、両容積の和をＶｐとする。スワール制御弁１３ｓの位置が固定されていることから容積Ｖｐ１は固定値となる。

そして、第１の実施形態と同様の手法により、エンジンのシリンダ内空気量（空気量Ａと空気量Ｂの和、あるいはそれから空気量Ｃを減じた値）を最大とする最大充填容積比α、最大充填容積Ｖｐαを求める。このとき、スワール制御弁１３ｓが固定位置に取り付けられるので、吸気制御弁１３ｂの取付け位置のみを変化させて最大充填容積比αを求めることになる。

最大充填容積Ｖｐαを求めたら、これからスワール制御弁１３ｓから第１の吸気弁８ａまでの容積を容積Ｖｐ１を減じて、最大充填容積比αを実現するために必要な吸気制御弁１３ｂから第２の吸気弁８ｂまでの容積Ｖｐ２αを求める。吸気制御弁１３ｂの取付け位置は、吸気制御弁１３ｂと吸気弁の間の容積Ｖｐ２が容積Ｖｐ２αとなるよう決定すればよい。このように、本発明は、２バルブ式エンジンで２つの吸気制御弁を備え、かつ、一方の吸気制御弁をスワール制御用にも用いる４気筒エンジンに対しても適用することができ、充填効率を最大にしてエンジン出力を高めることができる。

吸気制御弁を利用して吸気通路内に脈動を発生させ、慣性過給を行なう４気筒エンジンに適用することができ、エンジンの充填効率を高め、エンジンの高出力化を図るのに有用である。

本発明に係る慣性過給エンジンの概略構成図である。 吸気脈動を利用した慣性過給効果を説明するための図である。 シリンダ行程容積Ｖｃに対する吸気制御弁から吸気弁までの間の容積Ｖｐの容積比Ｖｐ／Ｖｃと、エンジンのシリンダ内空気量、吸気通路に発生する負圧の関係を示したテーブルである。 吸気通路を分岐させて１個のシリンダにつき２本の吸気通路を接続し、２本の吸気通路にそれぞれ吸気制御弁を設けた２バルブ式エンジンの概略構成図であり、シリンダヘッド側から見た状態を示す。 吸気通路を分岐させて１個のシリンダにつき２本の吸気通路を接続し、一方の吸気通路にスワール制御弁を設け、他方の吸気通路に吸気制御弁を設けた２バルブ式エンジンの概略構成図であり、シリンダヘッド側から見た状態を示す。 ６気筒エンジンにおけるシリンダ行程容積Ｖｃに対する吸気制御弁から吸気弁までの間の容積Ｖｐの比Ｖｐ／Ｖｃと、エンジンのシリンダ内空気量、吸気通路に発生する負圧の関係を示したテーブルである。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ シリンダ
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気通路
６ａ 第１の吸気通路
６ｂ 第２の吸気通路
８ 吸気弁
８ａ 第１の吸気弁
８ｂ 第２の吸気弁
１３ 吸気制御弁
１３ａ 第１の吸気制御弁
１３ｂ 第２の吸気制御弁
１３ｓ スワール制御弁
１４ 燃料噴射弁
１５ 点火プラグ
２０ エンジンコントローラ
２５ アクセル操作量センサ
２６ クランク角センサ

Claims (6)

1. シリンダヘッドとシリンダと前記シリンダに収装されるピストンとの間に画成される燃焼室と、
   前記燃焼室に連通する吸気通路と、
   前記吸気通路の燃焼室側開口を開閉する吸気弁と、
   前記吸気通路の途中であって前記吸気弁の上流側に取り付けられた吸気制御弁と、
   を備え、吸気行程で前記吸気弁が開いても前記吸気制御弁を閉じておくことで前記吸気通路内に負圧を発生させ、吸気弁開期間の途中で前記吸気制御弁を開いて前記吸気通路内の負圧を解放することで前記吸気通路内に吸気の脈動を発生させ、慣性過給を行なう慣性過給エンジンにおいて、
   吸気行程において前記吸気弁が開いてから前記吸気制御弁が開かれるまでに前記シリンダに吸入される第１の空気量に、前記吸気制御弁を開いている間に前記シリンダに吸入される第２の空気量を加えた値をシリンダ内空気量とし、前記シリンダ内空気量が最大になるように前記吸気制御弁の取付け位置を決定し、該決定した位置に前記吸気制御弁を取り付けたことを特徴とする慣性過給エンジン。
2. 前記シリンダ内空気量が最大になる、前記シリンダの行程容積に対する前記吸気制御弁と前記吸気弁の間の容積の比を前記最大充填容積比として求め、
   前記最大充填容積比に基づき、前記シリンダ内空気量が最大になる前記吸気制御弁と前記吸気弁の間の容積を最大充填容積として求め、
   当該最大充填容積に基づき、前記シリンダ内空気量が最大になる前記吸気制御弁の取付け位置を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の慣性過給エンジン。
3. 前記吸気通路が第１の吸気通路と第２の吸気通路に分岐して前記燃焼室に連通しており、
   前記第１、第２の吸気通路に第１、第２の吸気制御弁がそれぞれ取り付けられており、
   前記第１、第２の吸気通路の燃焼室側開口を開閉する第１、第２の吸気弁が設けられており、
   前記吸気制御弁と前記吸気弁の間の容積を前記第１、第２の吸気制御弁と前記第１、第２の吸気弁の間の容積の和で置き換えて前記最大充填容積を求め、
   前記第１、第２の吸気制御弁と前記第１、第２の吸気弁の間の容積をそれぞれ前記最大充填容積の２分の１に決定し、該決定された容積に基づき前記第１、第２の吸気制御弁の取付け位置を決定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の慣性過給エンジン。
4. 前記吸気通路が第１の吸気通路と第２の吸気通路に分岐して前記燃焼室に連通しており、
   前記第１、第２の吸気通路に第１、第２の吸気制御弁がそれぞれ取り付けられており、
   前記第１、第２の吸気通路の燃焼室側開口を開閉する第１、第２の吸気弁が設けられており、
   前記吸気制御弁と前記吸気弁の間の容積を前記第１、第２の吸気制御弁と前記第１、第２の吸気弁の間の容積の和で置き換えて最大充填容積を求め、
   前記第１の吸気制御弁の取付け位置が固定位置である場合、前記最大充填容積から前記第１の吸気制御弁と前記第１の吸気弁の間の容積を減じて前記第２の吸気制御弁と前記第２の吸気弁の間の容積を決定し、該決定された容積に基づき前記第２の吸気制御弁の取付け位置を決定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の慣性過給エンジン。
5. 前記第１の吸気制御弁は、前記シリンダ内にスワールを発生させるために開閉されるスワール制御弁であり、スワール発生に適した位置に取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の慣性過給エンジン。
6. エンジンの吸気行程において前記吸気弁が開いてから前記吸気制御弁が開かれるまでに前記シリンダに吸入される第１の空気量に、前記吸気制御弁を開いている間に前記シリンダに吸入される第２の空気量を加えた値から、前記吸気弁が閉じるまでに前記シリンダから前記吸気通路に吹き返される第３の空気量を減じた値を前記シリンダ内空気量として用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の慣性過給エンジン。

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