JP2006241985A

JP2006241985A - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP2006241985A
Application number: JP2005054628A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kobori; 洋一小堀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14
Also published as: WO2006092948A1; US20060191504A1; CN101166894A; EP1859134B1; CN101166894B; US7270103B2; DE602006016079D1; EP1859134A1

Abstract

【課題】空気導入部（３２）から燃焼室６までの通路長Ｌが長短変更可能とされる可変吸気通路１６を有する内燃機関１の吸気装置１５において、コンパクトでありながら、内燃機関１の運転状態に応じて適正な吸気性能を確保する。
【解決手段】可変吸気通路１６は、固定部材２０とこの固定部材２０に対向配置されるとともに固定部材２０との相対対向位置が変更される可動部材３０とで形成される孔状空間からなり、かつ可動部材３０を動かして空気導入部（３２）の位置を燃焼室６に対して遠近変位させることで通路長Ｌが長短変更されるものである。可変吸気通路１６の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされている。この場合、可変吸気通路１６の通路長Ｌを長短変更すると、それに伴い可変吸気通路１６の空気導入部（３２）の断面積が増減変更されるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車載用エンジン等の内燃機関に備える吸気装置に関する。

一般的に、車載用エンジン等の内燃機関には、燃焼室に混合気を供給するための吸気装置が設けられている。この吸気装置は、サージタンクとシリンダヘッドの吸気ポートとを連通連結する吸気通路を有し、吸気通路は吸気ポート（気筒）毎に一つずつ設けられている。

従来の吸気装置には、通路長が所定寸法に固定されたタイプと、通路長が長短変更可能とされたタイプ（特許文献１，２参照）とがある。

通常、内燃機関の吸気行程では、吸気バルブを開いて混合気を導入する際に、吸気通路内の空気が脈動しながら燃焼室内へ供給される。このように吸気通路内の空気が脈動しているので、空気流の中に空気の密度が高い部分と低い部分とが交互にできる。このような空気の脈動の周期は、吸気通路の形状、長さ、断面積等の選定により決まる。一方、吸気バルブの開閉タイミングは機関回転数によって決まる。

仮に、空気の密度の高い部分を吸気行程後半に配置することができれば、ピストンが下死点を過ぎても吸入空気が慣性によって燃焼室内へ流入され続けるという慣性過給効果が得られるので、燃焼室への吸気体積効率が向上し、内燃機関の出力が向上する。

前記可変タイプの吸気装置では、通路長を内燃機関の負荷や回転数等の運転状態に応じて変更することによって、内燃機関の全運転域において上記慣性過給効果を利用することが可能になるので、燃焼室への吸気体積効率を向上させることが可能になる。
特表２００１−５０９５６２号公報特開２００１−８２１５５号公報

まず、特許文献１に示す従来例は、その空気導入方向上流側から下流側まで断面積を一定の寸法に固定していて、通路長のみを変更できるようにした構成であるため、内燃機関の低回転数域から高回転数域までの全域において吸気体積効率を向上させることは難しいと言える。

というのは、仮に、前記吸気通路の断面積を、内燃機関の低回転数域での必要空気量に合わせて小さく設定すると、内燃機関の高回転数域での必要空気量を確保しにくくなる。一方、前記吸気通路の断面積を、内燃機関の高回転数域での必要空気量に合わせて大きく設定すると、内燃機関の低回転数域に適応させるために最大通路長を可及的に長く確保する必要が生じる等、吸気通路を構成する部品の大型化を余儀なくされるので、その設置スペースを車両に確保できない場合には搭載不可能となる。

一方、特許文献２に示す従来例では、特許文献２に添付している図１および図３に示しているように静止管９と出し入れ管８との内径サイズが相違しているために、出し入れ管８の内端側に内径の段差ができてしまい、吸気効率が低下するおそれがある。

本発明は、内燃機関の吸気装置において、コンパクトで、かつ、内燃機関の運転状態に
応じて適正な吸気性能を確保することを目的としている。

本発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関の燃焼室に空気を供給するものであって、空気導入部から前記燃焼室までの通路長が長短変更可能とされる可変吸気通路を有し、この可変吸気通路は、固定部材とこの固定部材に対向配置されるとともに前記固定部材との相対対向位置が変更される可動部材とで形成される孔状空間からなり、かつ前記可動部材を動かして前記空気導入部の位置を前記燃焼室に対して遠近変位させることで通路長が長短変更されるものであり、前記可変吸気通路の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされていることを特徴としている。

なお、上記可変吸気通路は、直線形状、屈曲形状、ループ形状等のすべてを含むものである。

この構成によれば、例えば可動部材の空気導入部を燃焼室側に近づけるよう動かすにつれて通路長が徐々に短くなるとともに空気導入部の断面積が徐々に大きくなり、また、可動部材の空気導入部を燃焼室側から遠ざけるよう動かすにつれて通路長が徐々に長くなるとともに空気導入部の断面積が徐々に小さくなる。これにより、前者の形態では、高回転数域での使用に好適となり、後者の形態では、低回転数域での使用に好適となる。

このように、内燃機関の運転状態（例えば回転数）に応じて、通路長および断面積を適宜変更することができるから、前記運転状態に応じて適正な吸気性能を確保することが可能になる。しかも、可変吸気通路の内面に従来例のような段差が生じていないから、空気流通が円滑となり、吸気効率の向上に貢献できる。

上記吸気装置において、前記固定部材は、外筒とされ、前記可動部材は、前記固定部材としての外筒に同心状に相対回転可能に支持される内筒とされ、前記可動部材としての内筒をその中心軸線周りに正逆一方向に回転させることによって前記可変吸気通路の通路長が無段階に長短変更されるよう構成されたものとすることができる。

この構成は、可変吸気通路をループ形状に特定しており、外形サイズのコンパクト化および占有スペースの縮小化が可能になる。

上記吸気装置において、前記固定部材としての外筒は、内周溝を有し、前記可動部材としての内筒は、前記固定部材の内周溝の開口を閉塞する蓋形状とされており、前記固定部材の内周溝の溝深さが、前記可変吸気通路の空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次深くされたものとすることができる。

この構成では、外筒の内周溝の溝深さを変更することで可変吸気通路の断面積を空気導入方向上流から下流へ漸増させるようにして、内筒を蓋形状と簡単な形状に特定しているから、内筒の製造が容易となる。

上記吸気装置において、前記固定部材としての外筒は、内周溝を有し、前記可動部材としての内筒は、前記固定部材の内周溝と対向して孔状空間を形成する外周溝を有し、前記固定部材の内周溝および前記可動部材の外周溝の少なくともいずれか一方の溝深さが、前記可変吸気通路の空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次深くされたものとすることができる。

この構成は、外筒の内周溝または内筒の外周溝の溝深さを変更することで可変吸気通路の断面積を空気導入方向上流から下流へ漸増させるようにしているから、外筒または内筒
の製造が容易となり、また、可変吸気通路の内面において長手方向の途中に段差が生じない。

上記吸気装置において、前記可動部材としての内筒を回転駆動する駆動手段を有し、この駆動手段は、内燃機関が低回転数域のときに可動部材の空気導入部を前記燃焼室から遠ざける方向に回転させて通路長を長くするとともに空気導入部の断面積を小さくする一方で、内燃機関が高回転数域に向かうにつれて前記可動部材の空気導入部を前記燃焼室に近づける方向に回転させて通路長を短くするとともに空気導入部の断面積を大きくするよう制御されたものとすることができる。

この構成では、可変吸気通路の通路長を長短変更するための内筒の駆動手段を備えて通路長変更を容易に行えるようにしている。この駆動手段を用いれば、例えば内燃機関の運転状態を検出してその状態に応じて通路長および空気導入部の断面積を適正に調節する処理を自動化するうえで有利となる。

本発明によれば、コンパクトでありながら、内燃機関の低回転数域から高回転数域までの全運転状態に応じて適正な吸気性能を確保することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図１から図５に示して説明する。この実施形態では、内燃機関として例えば車載用の４気筒ガソリンエンジンを例に挙げている。但し、気筒数は限定されるものでなく、また、ディーゼルエンジンであってもよい。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを有している。

シリンダブロック２には、複数（ここでは四つ）のシリンダ４・・・が設けられ、各シリンダ４には、それぞれピストン５・・・が往復移動可能に挿入されている。各シリンダ４において各ピストン５の上端とシリンダヘッド３とで囲む空間が、それぞれ燃焼室６・・・となる。

シリンダヘッド３には、吸気ポート７および排気ポート８が各燃焼室６毎に対応して設けられている。吸気ポート７、排気ポート８における各内側開口（燃焼室６側）は、吸気バルブ９、排気バルブ１０で開閉されるようになっている。

各吸気ポート７における外側開口には、吸気装置１５が取り付けられており、この吸気装置１５には、図示していないが、吸気管を介してアクセルペダルの操作に基づいて開閉されるスロットルボディおよびエアクリーナが取り付けられる。各排気ポート８には、エキゾーストマニホールド１１が取り付けられる。

ここで、吸気装置１５の構成を詳しく説明する。

吸気装置１５は、図１から図４に示すように、通路長Ｌを無段階に長短変更可能な可変吸気通路１６・・・が吸気ポート７の数と同数（四つ）設けられている。

この可変吸気通路１６・・・は、シリンダヘッド３に固定される固定部材としての外筒２０と、外筒２０に相対回転可能に支持される可動部材としての内筒３０とを組み合わせることによって形成されている。

外筒２０は、図４に示すように、有底円筒形の外筒本体部２１と、外筒本体部２１の円周所定位置から接線方向に直線状に所定長さ延びる直線突出部２２とを有し、外筒本体部２１において底壁部２１ａと反対側の開口は、空気導入管２４を有する蓋２３が取り付けられることで閉塞されるようになっている。この空気導入管２４に、上述した吸気管（図示省略）を介してスロットルボディ（図示省略）およびエアクリーナ（図示省略）が取り付けられる。

外筒本体部２１の開口側には、図２および図４に示すように、径方向内向きの外鍔部２１ｂが設けられており、外筒本体部２１の外周壁部の内周面において外鍔部２１ｂと底壁部２１ａとの間の領域には径方向内向きの三つの隔壁２１ｃ・・・が等間隔に設けられている。これら底壁部２１ａと外鍔部２１ｂと三つの隔壁２１ｃ・・・とでそれぞれ四つの内周溝１６ａ・・・が形成されている。

直線突出部２２は、その内部に横並びに平行に四つの通孔２２ａ・・・が突出端から外筒本体部２１まで貫通して設けられている。この直線突出部２２の突出端側がシリンダヘッド３に固定状態で取り付けられることよって各通孔２２ａ・・・がシリンダヘッド３の各吸気ポート７・・・に個別に連通連結されるようになっている。なお、通孔２２ａ・・・の断面積は、その全長にわたって一定とされている。

内筒３０は、図４に示すように、実際には円周所定領域が切り離されていて側面から見るとＣ字形状になっており、外筒２０の内周部分に組み込まれて回動可能に支持されている。この内筒３０を外筒２０内に組み込んだ状態で内筒３０の内側空間がサージタンク３１とされている。なお、内筒３０の前記引き離し部に符号３２を付している。

そして、外筒２０の内周溝１６ａ・・・の開口側を内筒３０で閉塞することにより孔状空間からなる可変吸気通路１６・・・が得られるようになっている。なお、可変吸気通路１６・・・の断面形状は、半円形、円形、矩形、楕円形等、特に限定されない。

可変吸気通路１６・・・は、直線突出部２２の通孔２２ａと連通連結されており、内筒３０における切り離し部３２・・・が、内筒３０内側のサージタンク３１内の空気を可変吸気通路１６・・・に導入する空気導入部とされている。

つまり、内筒３０を動かして空気導入部（引き離し部３２）の位置を燃焼室６に対して遠近変位させると、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌが長短変更される。

さらに、可変吸気通路１６・・・の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされている。この実施形態では、可変吸気通路１６・・・の断面積は、直線突出部２２の通孔２２ａとの連結部分で最も大きくなっており、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌを最も長くした状態において内筒３０の引き離し部３２の位置で最も小さくなっている。

このようにするために、可変吸気通路１６・・・において直線突出部２２の通孔２２ａとの連結部分での外筒２０の内周溝１６ａ・・・における溝深さ（図１、図２のＡｍａｘ参照）を最も深くしており、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌを最も長くした状態において内筒３０の引き離し部３２の位置での外筒２０の内周溝１６ａ・・・における溝深さ（図１、図２のＡｍｉｎ参照）を最も浅くしている。

ところで、内筒３０は、例えばサーボモータやステッピングモータ等の電動モータからなるアクチュエータ１７により任意方向に回転駆動されるようになっている。

例えば、アクチュエータ１７により内筒３０をその中心軸線Ｏ周りに正方向または逆方向に回転させると、内筒３０の切り離し部３２の位置が内筒３０の中心軸線Ｏ周りに円周方向に変位することになり、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌが無段階に長短変更されるようになる。この可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌの長短変更に伴い空気導入部（引き離し部３２）の断面積が増減変更されるようになる。

具体的に、エンジン１の低回転数域では、内筒３０を例えば図１に示すように配置させれば、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌが長くなるとともに空気導入部（引き離し部３２）の断面積が小さくなる。また、高回転数域では、内筒３０を例えば図５に示すように配置させれば、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌが短くなるとともに空気導入部（引き離し部３２）の断面積が大きくなる。中回転数域では、内筒３０を図１と図５の間に適宜配置させればよい。これにより、エンジン１の回転数の上下変動に対応して適正な空気量を確保できる。

いずれの状態においても、外部の空気は、不図示のエアクリーナおよび吸気管を通って吸気装置１５のサージタンク３１内に導入され、可変吸気通路１６・・・の内部を脈動しながら通り、シリンダヘッド３の吸気ポート７から燃焼室６内に導入される。

なお、可変吸気通路１６・・・の最大通路長、最小通路長、最大断面積、最小断面積は、適宜の実験に基づき経験的に把握した寸法に設定することが好ましく、そのように設定することによりエンジン１の各回転数域において適正な空気量を確保できる。

ところで、上記動作については、図示していないエンジンＥＣＵ（Electronic Control
Unit）により管理することができる。この場合、エンジンＥＣＵは、例えばエンジン回
転数および吸入空気量に基づいてエンジン１の運転状態を検出し、可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌを長短変更する処理を実行するものとする。

この可変吸気通路１６・・・の通路長Ｌの制御は、例えばエンジン１の運転状態に応じて目標となる通路長を算出して内筒３０をアクチュエータ１７で回動制御するとともに、内筒３０の回動位相に基づき算出される実際の通路長と、前記目標の通路長との偏差を調べて、その偏差が許容範囲であるか否かに応じてフィードバック制御することができる。

なお、エンジン回転数は、図示していないが、例えばクランク角センサやカム角センサ等の回転数センサを用いて検出される。また、吸入空気量は、図示していないが、例えば吸気管に取り付けられるエアフローメータ、吸気系内部の圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ、あるいはスロットルバルブの開度（スロットル開度）検出するスロットルセンサ等を用いて検出される。さらに、内筒３０の回動位相の検出は、図示していないが、内筒３０の所定の基準位置からの回動位相（角度）を検出する回動位相センサを用いることができる。この回動位相センサは外筒２０に取り付けられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１の低回転数域から高回転数域までの全運転域において可変吸気通路１６・・・における通路長Ｌおよび空気導入部（引き離し部３２）の断面積を各々適正に調整することができて、空気の脈動の周期変化を吸気バルブ９の開閉タイミングに合わせることができる。これにより、全運転域において吸気体積効率を向上させることが可能になり、エンジン１の出力向上に貢献できる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。

（１）上記実施形態において、内筒３０を図６に示すように円筒形にするとともに、その円周所定領域のみに、空気導入部として、径方向内外に貫通する窓３３・・・を吸気ポ
ート７の数と同数設けた構成とすることができる。

（２）図７から図１０に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、内筒３０が、その外周に径方向外向きに開放する外周溝１６ｂ・・・を設けた構成とされている。

つまり、図９に示すように、側面視略Ｃ字形状の内筒３０の外周面において、両端には径方向外向きの外鍔３３ａ，３３ｂが設けられており、これら各外鍔３３ａ，３３ｂの間の領域には径方向外向きの三つの隔壁３３ｃ・・・が設けられている。これら二つの外鍔３３ａ，３３ｂと三つの隔壁３３ｃ・・・とで四つの外周溝１６ｂ・・・が形成されており、この内筒３０の外周溝１６ｂ・・・と外筒２０の内周溝１６ａ・・・とで囲まれる孔状空間が可変吸気通路１６・・・とされる。

なお、内筒３０における切り離し部３２・・・が、サージタンク３１内の空気を可変吸気通路１６・・・に導入する空気導入部とされている。

この例では、外筒２０の外筒本体部２１における内周溝１６ａ・・・の溝深さを、空気導入方向上流側（Ａｍｉｎ）から下流側（Ａｍａｘ）へ向けて漸次深くして、内筒３０の外周溝１６ｂ・・・の溝深さＢを一定にすることにより、可変吸気通路１６の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされている。

（３）図１１から図１３に本発明のさらに他の実施形態を示している。この実施形態では、上記（２）に示した実施形態と逆に、内筒３０の外周溝１６ｂ・・・の溝深さを空気導入方向上流側（Ｂｍｉｎ）から下流側（Ｂｍａｘ）へ向けて漸次深くして、外筒２０の内周溝１６ａ・・・の溝深さＡを一定にすることにより、可変吸気通路１６の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされている。

（４）上記吸気装置１５については、図示していないが、エンジン１の気筒数と同数の互いに独立した管からなる可変吸気通路１６・・・を用いて、それらを互いに連結した構造とすることができる。つまり、例えば、各可変吸気通路１６を形成する管については、内周溝を有する外側半割管と、外周溝を有する内側半割管とを組み合わせて得るものとしたうえで、各外側半割管の内周に各内側半割管をそれぞれ回転可能に支持させることにより、通路長を長短変更できるような構成にすることができる。なお、各外側半割管の一端には、直線突出部２２が一体的に設けられるものとする。

本発明に係る吸気装置を備える内燃機関の一実施形態を示す断面図である。図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。図１の吸気装置の外観を示す斜視図である。図１の吸気装置の内部を模式的に示す分解斜視図である。図２の可変吸気通路の通路長を短くした状態を示す断面図である。図４の内筒の他の例を示す図である。本発明に係る内燃機関の吸気装置の他の実施形態で、図２に対応する図である。図７の（８）−（８）線断面の矢視図である。図７に示す実施形態で、図４に対応する図である。図７に示す実施形態で、図５に対応する図である。本発明に係る内燃機関の吸気装置のさらに他の実施形態で、図２に対応する図である。図１１の（１２）−（１２）線断面の矢視図である。図１１に示す実施形態で、図５に対応する図である。

符号の説明

１内燃機関
６燃焼室
７吸気ポート
１５吸気装置
１６可変吸気通路
１７内筒駆動用のアクチュエータ
２０外筒（固定部材）
３０内筒（可動部材）
３２切り離し部（空気導入部）

Claims

内燃機関の燃焼室に空気を供給する吸気装置であって、
空気導入部から前記燃焼室までの通路長が長短変更可能とされる可変吸気通路を有し、この可変吸気通路は、固定部材とこの固定部材に対向配置されるとともに前記固定部材との相対対向位置が変更される可動部材とで形成される孔状空間からなり、かつ前記可動部材を動かして前記空気導入部の位置を前記燃焼室に対して遠近変位させることで通路長が長短変更されるものであり、
前記可変吸気通路の断面積が空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次大きくされていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
前記固定部材は、外筒とされ、前記可動部材は、前記固定部材としての外筒に同心状に相対回転可能に支持される内筒とされ、前記可動部材としての内筒をその中心軸線周りに正逆一方向に回転させることによって前記可変吸気通路の通路長が無段階に長短変更されるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
前記固定部材としての外筒は、内周溝を有し、前記可動部材としての内筒は、前記固定部材の内周溝の開口を閉塞する蓋形状とされており、前記固定部材の内周溝の溝深さが、前記可変吸気通路の空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次深くされていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
前記固定部材としての外筒は、内周溝を有し、前記可動部材としての内筒は、前記固定部材の内周溝と対向して孔状空間を形成する外周溝を有し、前記固定部材の内周溝および前記可動部材の外周溝の少なくともいずれか一方の溝深さが、前記可変吸気通路の空気導入方向上流側から下流側へ向けて漸次深くされていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
前記可動部材としての内筒を回転駆動する駆動手段を有し、この駆動手段は、内燃機関が低回転数域のときに可動部材の空気導入部を前記燃焼室から遠ざける方向に回転させて通路長を長くするとともに空気導入部の断面積を小さくする一方で、内燃機関が高回転数域に向かうにつれて前記可動部材の空気導入部を前記燃焼室に近づける方向に回転させて通路長を短くするとともに空気導入部の断面積を大きくするよう制御されることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。