JP2006329016A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポート内を仕切り板にて上下２段の流路に区画し、その２つの流路の上流に配置したタンブルコントロールバルブの開閉制御によりタンブル流を制御する吸気装置において、タンブルコントロールバルブにてタンブル流を制御したときに上下２段の流路の一方に発生する逆流を、燃焼室への吸入空気量を減じることなく抑制する。
【解決手段】タンブルコントロールバルブ１５の下流側にエアを噴射するエアインジェクタ７１と、このエアインジェクタ７１にエアを供給するエアポンプ７２からなるエア導入装置７を設け、仕切り板１４にて区画された上下２段の流路１１ａ，１１ｂのうち、ポート下段の流路１１ｂがタンブルコントロールバルブ１５にて遮蔽されたときに、エアインジェクタ７１から流路１１ｂ内にエアを導入することにより、ポート下段の流路１１ｂに生じる逆流をキャンセルする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、さらに詳しくは、内燃機関の燃焼室内へのタンブル流を制御する吸気装置に関する。

燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関（以下、エンジンともいう）においては、燃料の燃焼効率や出力の向上等を図ることを目的として、燃焼室内にスワール流（横方向の渦流）やタンブル流（縦方向の渦流）を発生する技術が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。

エンジンの燃焼室にタンブル流を発生する吸気装置としては、例えば、特許文献３及び４に開示されているように、エンジンのシリンダに接続される吸気ポートを隔壁（仕切り板）によって上下２段の流路に区画するとともに、それら２つの流路の一方を開閉する吸気制御弁（タンブルコントロールバルブ）を設け、エンジンの燃焼室内にタンブル流を発生させる必要があるときに、上記吸気制御弁を閉じるように構成された吸気装置がある。
特開平５−２６３６４８号公報 特開平５−３９７２５号公報 特開２００４−３１６５８２号公報 特開２００４−１２４８３６号公報

ところで、吸気ポート内を仕切り板にて上下２段の流路に区画し、その一方の流路、例えばポート下段の流路に設けたタンブルコントロールバルブを開閉制御することにより吸気タンブル流を制御する吸気装置では、タンブルコントロールバルブを少し開いた半開時において、ポート上段の流路とポート下段の流路との間に圧力差が生じて、燃焼室（もしくはポート上段の流路）からポート下段の流路に向けて混合気が逆流することがある。また、タンブルコントロールバルブが全閉状態のときにも、タンブルコントロールバルブの周縁と流路内壁面との間に隙間が形成されるので、上記した圧力差が生じてポート下段の流路に向かう逆流が生じることがある。

そして、このようなポート下段の流路への混合気の逆流が生じると、仕切り板の下面などに燃料が付着して燃料の液溜まりが発生し、その溜まった燃料がタンブルコントロールバルブの全開時に燃焼室内に流れてしまい、機関出力や排気性能が低下するという問題が発生する。

なお、特許文献３及び４に記載された吸気装置においても同様な問題が発生する。すなわち、これら特許文献３及び４に記載の吸気装置では、タンブル流の強化のために、吸気ポート内を上下に区画する隔壁（仕切り板）の上流部（吸気制御弁に近い位置）に、ポート下段の流路とポート上段の流路とを連通する連通路を設けてポート下段の流路への逆流を積極的に利用しているので、上記した燃料の液溜まりの問題が発生する。

ここで、内燃機関の吸気装置において、混合気の逆流を防止する手法として、特許文献１に、スワール制御弁の下流側に２次制御弁（整流板等）を設け、その２次制御弁にて吸気ポート内の流れを制御することにより逆流を防止する構造が記載されている。また、特許文献３には、吸気弁の燃焼室側の開口部に部分的に張り出したマスキング部を設けることにより、吸気の逆流を抑制する構造が記載されている。

しかしながら、これら特許文献１及び３に記載の逆流防止構造では、２次制御弁（整流板等）やマスキング部の存在によって、燃焼室内への吸気通路の断面積が小さくなってしまい、燃焼室への吸入空気量が減少するという問題がある。

本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、内燃機関の燃焼室への吸気通路内を仕切り板にて上下２段の流路に区画し、その２つの流路の上流に配置したタンブルコントロールバルブの開閉制御によりタンブル流を制御する吸気装置において、タンブルコントロールバルブにてタンブル流を制御したときに上下２段の流路の一方に発生する逆流を、燃焼室への吸入空気量を減じることなく抑制することを目的とする。

本発明は、内燃機関の燃焼室に接続された吸気通路（例えば吸気ポート）の一部を上下２段に区画するように設けられた仕切り板と、その仕切り板の上流側に配置されたタンブルコントロールバルブとを備え、前記タンブルコントロールバルブを開閉制御することにより前記燃焼室内へのタンブル流を制御する内燃機関の吸気装置において、前記仕切り板にて区画された上下２段の流路のいずれか一方の流路が前記タンブルコントロールバルブにて遮蔽されたときに、その遮蔽された流路に混合気が逆流することを抑制するエア導入手段を備えていることを特徴としている。

なお、本発明において「タンブルコントロールバルブによる流路の遮蔽」とは、上下２段の一方の流路への吸気の流れを遮断する状態のことであり、一方の流路を閉鎖する全閉状態、及び、一方の流路を僅かに開放する半開状態（図１参照）が含まれる。

本発明によれば、仕切り板にて区画された上下２段の流路うち、タンブルコントロールバルブにて遮蔽された流路（例えば下段の流路）に逆流が生じても、エア導入手段にて流路内にエアを導入することにより、逆流をキャンセルすることができる。しかも、エア導入（エアアシスト）により逆流を防止しているので、燃焼室への吸入空気量が少なくなることもない。

ここで、本発明の具体的な構成として、前記エア導入手段が、タンブルコントロールバルブの下流側にエアを噴射するエアインジェクタと、このエアインジェクタにエアを供給するエアポンプを備え、仕切り板にて区画された上下２段の流路の一方がタンブルコントロールバルブにて遮蔽されたときに、インジェクタからタンブルコントロールバルブの下流側にエアを導入するという構成を挙げることができる。更に具体的な構成として、前記仕切り板にて区画された上下２段の流路のうち、下段の流路に前記エア導入手段からエアを導入することにより、当該下段の流路への混合気の逆流を抑制するという構成を挙げることができる。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室への吸気通路内を仕切り板にて上下２段の流路に区画し、その２つの流路の上流に配置したタンブルコントロールバルブの開閉制御によりタンブル流を制御する吸気装置において、仕切り板にて区画された上下２段の流路うち、一方の流路（例えば下段の流路）に生じる逆流を抑制するためのエア導入手段を設けているので、タンブルコントロールバルブに向かう逆流を燃焼室への吸気空気量を減じることなくキャンセルすることができる。これによって仕切り板の下面などへの燃料付着を防止することができ、機関出力や排気性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−エンジン−
まず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）について図１を参照して説明する。

図１のエンジン１は、例えば１気筒に２つの吸気バルブと２つの排気バルブを備えた４バルブ式の多気筒ガソリンエンジンである。なお、図１には、エンジン１の１気筒の構成のみを示しており、また、吸気バルブ１２及び排気バルブ２２についても、それぞれ１バルブの構成のみを示している。

エンジン１の各気筒を構成するシリンダ１ｂ内には上下方向に往復動するピストン１ａが設けられている。ピストン１ａは、図示はしないが、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されており、ピストン１ａの往復運動がコネクティングロッドによってクランクシャフトの回転へと変換される。

エンジン１内でピストン１ａの上方に燃焼室１０が形成されている。この燃焼室１０の上部には点火プラグ３が配置されている。

エンジン１の燃焼室１０には吸気ポート１１と排気ポート２１が接続されている。吸気ポート１１と燃焼室１０との間に吸気バルブ１２が設けられており、この吸気バルブ１２を開閉駆動することにより、吸気ポート１１と燃焼室１０とが連通または遮断される。また、排気ポート２１と燃焼室１０との間に排気バルブ２２が設けられており、この排気バルブ２２を開閉駆動することにより、排気ポート２１と燃焼室１０とが連通または遮断される。これら吸気バルブ１２及び排気バルブ２２の開閉駆動は、図示はしないが、クランクシャフトの回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。

吸気ポート１１には、吸気マニホールド１３内に形成された吸気通路１３ａが接続されている。また、排気ポート２１には、図示はしないが、排気マニホールド内に形成された排気通路が接続されている。

吸気通路１３ａの上流側にはエアクリーナ（エアフローメータ付き）５が設けられている。また、吸気通路１３ａには、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ４などが配置されている。

そして、吸気ポート１１には、燃料噴射用のインジェクタ２が配置されている。インジェクタ２には、燃料タンクから燃料ポンプ（いずれも図示せず）によって所定圧力の燃料が供給され、吸気ポート１１に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１０に導入される。燃焼室１０に導入された混合気（燃料＋空気）が点火プラグ３にて点火されて燃焼する。この混合気の燃焼室１０内での燃焼によりピストン１ａが往復運動して出力軸であるクランクシャフトが回転する。

以上のエンジン１の運転状態は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６によって制御される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ６は、図示はしないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びバックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭは、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモ
リである。

そして、ＥＣＵ６は、図示はしないが、水温センサ、エアフローメータ、吸気温センサ、スロットルポジションセンサ、クランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）、カムポジションセンサ、及び、アクセルポジションセンサなどの各種センサの出力に基づいて、燃料噴射用のインジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ、スロットルバルブ４のスロットルモータなどの各部を制御することにより、エンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ６は、後述するタンブルコントロールバルブ１５及びエア導入装置７の各制御を実行する。

−吸気装置−
次に、吸気装置について説明する。

図１に示すように、吸気ポート１１内には、当該吸気ポート１１の長手方向（吸気の流れ方向）に沿って所定長さで延びる仕切り板１４が設けられており、この仕切り板１４とタンブルコントロールバルブ１５によってタンブル流を制御する吸気装置が構成されている。なお、仕切り板１４は、インジェクタ２から噴射される燃料噴霧Ｆとは干渉しない位置に配置されている。

吸気ポート１１内において仕切り板１４が存在する領域では、吸気ポート１１内が上下２段に区画され、吸気ポート１１の入口部分にポート上段の流路１１ａとポート下段の流路１１ｂが形成されている。これら上下の２つ流路１１ａ，１１ｂの上流にタンブルコントロールバルブ１５が設けられている。タンブルコントロールバルブ１５は吸気ポート１１の上流側に接続される吸気マニホールド１３内に配置されている。

タンブルコントロールバルブ１５は、板状の弁体１５ａと、この弁体１５ａの一端を支持する回転軸１５ｂを備えている。回転軸１５ｂには、モータ等のアクチュエータ（図示せず）が連結されており、そのアクチュエータの駆動により弁体１５ａの開度つまりタンブルコントロールバルブ１５の開度を調整することができる。

タンブルコントロールバルブ１５の開度はＥＣＵ６によって制御され、タンブル流が必要な運転状態（例えば低・中回転域やエンジン１が冷えている状態）では、弁体１５ａが図１に示すような位置（半開位置）に制御される。また、エンジン１の運転状態が、例えば高回転域やエンジン１が温まっている状態であるときには、弁体１５ａが図２に示すような位置（全開位置）に制御される。なお、この例では、タンブル流が必要な運転状態のときに、弁体１５ａの位置が、ポート下段の流路１１ｂを閉鎖する位置（以下、「下段ポート全閉位置」という）に制御されることもある。

そして、この例では、仕切り板１４にて上下２段に区画された２つの流路１１ａ，１１ｂのうち、ポート下段の流路１１ｂへの逆流（混合気の逆流）を抑制するエア導入装置７を設けている点に特徴がある。

エア導入装置７は、エアインジェクタ７１、エアポンプ７２、切替バルブ７３、及び、エア導入流路７４等によって構成されている。

エアインジェクタ７１の先端（エア噴出口）は、ポート下段の流路１１ｂ内に臨むように配置されており、このエアインジェクタ７１にエアを供給することにより、ポート下段の流路１１ｂ内にエアを吸気流れ方向（燃焼室１０に向かう方向）に沿って導入することができる。

エアインジェクタ７１にはエア導入流路７４の一端が接続されている。エア導入流路７４の他端は、エアクリーナ５とスロットルバルブ４との間の吸気通路１３ａ内に連通している。エア導入流路７４にはエアポンプ７２及び切替バルブ７３が接続されており、この切替バルブ７３を操作することにより、エアポンプ７２から吐出するエアをエアインジェクタ７１または排気ポート２１のいずれか一方に選択的に供給することができる。これらエアポンプ７２の駆動及び切替バルブ７３の切替操作はＥＣＵ６によって制御される。

なお、この例において、エンジン１が運転状態であるときには、エアポンプ７２は常時駆動される。

−作用説明−
次に、この例の作用について説明する。

まず、エンジン１の吸気行程において、吸気バルブ１２が開き、ピストン１ａが下降すると、吸入空気は、吸気バルブ１２の周囲の間隙を通過して燃焼室１０内に流入する。このとき、エンジン１の運転状態が、例えば高回転域やエンジン１が温まっている状態であると、タンブルコントロールバルブ１５の弁体１５ａが、図２に示すような位置（全開位置）に制御される。

このようにタンブルコントロールバルブ１５が全開位置にある状態では、ポート上段の流路１１ａ及びポート下段の流路１１ｂの双方に吸気が流れ、吸気バルブ１２の周囲の各部から吸気がほぼ均等に流れ込むので、燃焼室１０内に発生するガス流は比較的弱くてタンブル流は発生しない。なお、タンブルコントロールバルブ１５が全開状態のときには、エア導入装置７の切替バルブ７３は、エアポンプ７２からのエアを排気ポート２１に導く位置に設定される。

これに対し、エンジン１の運転状態が、例えば低・中回転域やエンジン１が冷えている状態であり、タンブルコントロールバルブ１５の弁体１５ａが、図１に示すような位置（半開位置）に制御される場合、吸気空気の殆どがポート上段の流路１１ａを通過して燃焼室１０内に流入する状態となるので、燃焼室１０内に強いタンブル流が発生する。このようなタンブル流の発生時においては、燃焼室１０もしくはポート上段の流路１１ａから、ポート下段の流路１１ｂに向けて混合気が逆流することがある。

そこで、この例では、タンブルコントロールバルブ１５を、図１に示す半開位置に制御しているときには、エア導入装置７の切替バルブ７３を切替操作してエアポンプ７２からのエアをエアインジェクタ７１に供給することにより、ポート下段の流路１１ｂ内にエアを吸気流れ方向に沿って導入する。このようなエアの導入（エアアシスト）により、ポート下段の流路１１ｂに生じる逆流を、燃焼室１０への吸気空気量を減じることなくキャンセルすることができる。

なお、タンブルコントロールバルブ１５の弁体１５ａを下段ポート全閉位置に制御する場合においても、ポート下段の流路１１ｂに逆流が発生することがあるので、タンブルコントロールバルブ１５を下段ポート全閉位置に制御したときには、エアインジェクタ７１からポート下段の流路１１ｂ内にエアを導入するようにしてもよい。

以上のように、この例によれば、ポート下段の流路１１ｂに生じる逆流を抑制することができるので、仕切り板１４の下面などに燃料が付着することを抑制することができ、タンブルコントロールバルブ１５の下流側に燃料の液溜まりが発生することを防止できる。その結果として、エンジン１の出力や排気性能を向上させることができる。

なお、エア導入により逆流を防止する場合、燃焼室１０に供給される吸気空気量が多くなり、その吸気空気量の増大がエンジン１の性能等に影響を与えることが考えられる。

このような吸気空気量の増大が問題となる場合には、例えば、エアインジェクタ７１からポート下段の流路１１ｂに導入されるエアの流量（エア導入量）を予め実験や計算等により求め、そのエア導入量をＥＣＵ６のＲＯＭ等に記憶しておき、タンブルコントロールバルブ１５の弁体１５ａを、図１に示すような位置（半開位置）や下段ポート全閉位置に制御する際に、目標吸気空気量を前記エア導入量の記憶値を用いて補正するという対策を採ればよい。また、この場合、エアインジェクタ７１に供給するエア供給量をエアフローメータ等により検出し、その検出結果に基づいて目標吸入空気量を学習補正するようにしてもよい。

−他の実施形態−
以上の例では、エア導入装置７にエアポンプ７２を設けているが、本発明はこれに限られることなく、エアクリーナ５の下流部からエアインジェクタ７１までのエア導入系において、エアインジェクタ７１からポート下段の流路１１ｂ内にエアを噴射できる圧力を確保することが可能であれば、エアポンプ７２を省略しても、本発明を実施することができる。

以上の例では、エンジン１の運転時においてエアポンプ７２を常時駆動しているが、これに限られることなく、タンブルコントロールバルブ１５を半開位置や下段ポート全閉位置に制御する際に、そのバルブ制御に追従して、タイムラグの少ない状態でエアインジェクタ７１からエアを導入できるのであれば、タンブルコントロールバルブ１５の開閉制御に応じてエアポンプ７２の駆動／停止を制御するようにしてもよい。

以上の例では、ポート下段の流路１１ｂにエアインジェクタ７１を配置しているが、エアインジェクタ７１の配置位置は、エアインジェクタ７１の下流側でポート下段の流路１１ｂに生じる逆流を防止（キャンセル）できる位置であれば、特に限定されない。

以上の例では、ポート下段の流路１１ｂを開閉制御して、ポート上段の流路１１ａを利用してタンブル流を発生する吸気装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、ポート下段の流路１１ｂを利用してタンブル流を発生する吸気装置にも適用可能である。この場合、ポート上段の流路１１ａに生じる逆流を抑制するようにエア導入装置７を配置すればよい。

以上の例では、吸気ポートに燃料噴射用のインジェクタを設けたポート噴射型エンジンに、本発明を適用した例を示したが、これに限られることなく、燃焼室に燃料を直接噴射する筒内直噴型エンジンにおいても、仕切り板とタンブルコントロールバルブにて構成される吸気装置を適用した場合、燃焼室からタンブルコントロールバルブ側に向けて逆流が生じることがあるので、このような吸気装置を備えた筒内直噴型エンジンにも本発明を適用することができる。

本発明を適用するエンジン及び吸気装置の一例を示す概略構成図である。 図１の吸気装置においてタンブルコントロールバルブの全開状態を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１０ 燃焼室
１１ 吸気ポート
１１ａ ポート上段の流路
１１ｂ ポート下段の流路
１２ 吸気バルブ
１３ 吸気マニホールド
１３ａ 吸気通路
１４ 仕切り板
１５ タンブルコントロールバルブ
２ インジェクタ（燃料噴射用）
６ ＥＣＵ
７ エア導入装置
７１ エアインジェクタ
７２ エアポンプ
７３ 切替バルブ
７４ エア導入流路
２１ 排気ポート
２２ 排気バルブ

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室に接続された吸気通路の一部を上下２段に区画するように設けられた仕切り板と、その仕切り板の上流側に配置されたタンブルコントロールバルブとを備え、前記タンブルコントロールバルブを開閉制御することにより前記燃焼室内へのタンブル流を制御する内燃機関の吸気装置において、
   前記仕切り板にて区画された上下２段の流路のいずれか一方の流路が前記タンブルコントロールバルブにて遮蔽されたときに、その遮蔽された流路に混合気が逆流することを抑制するエア導入手段を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記エア導入手段は、前記タンブルコントロールバルブの下流側にエアを噴射するエアインジェクタと、このエアインジェクタにエアを供給するエアポンプとを備え、前記一方の流路が前記タンブルコントロールバルブにて遮蔽されたときに、前記インジェクタから前記タンブルコントロールバルブの下流側にエアを導入するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記仕切り板にて区画された上下２段の流路のうち、下段の流路に前記エア導入手段からエアを導入することにより、当該下段の流路への混合気の逆流を抑制することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸気装置。

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