JP2011144727A

JP2011144727A - エンジンの吸気装置

Info

Publication number: JP2011144727A
Application number: JP2010005150A
Authority: JP
Inventors: Manabu Tateno; 学立野; Takeshi Okumura; 猛奥村; Naoto Hisaminato; 直人久湊
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】ポンプ損失を低減するとともに、混合気の排気通路への吹き抜けを抑制するエンジンの吸気装置を提供することを課題とする。
【解決手段】エンジン１の吸気装置１００は、第１吸気ポート１１により気筒２と連通された第１タンク１０２ａと、第２吸気ポート１２により気筒２と連通された第２タンク１０２ｂと、第１吸気ポート１１を開閉する第１吸気弁１３と、吸気行程において遅くとも下死点付近で第１吸気弁１３を閉弁する第１吸気弁開閉機構と、第２吸気ポート１２を開閉する第２吸気弁１４と、燃料消費を抑制する運転時に、第２吸気弁１４の開弁時期を排気弁７の閉弁後とするとともに、閉弁時期を下死点よりも遅角する第２吸気弁開閉機構と、第２タンク１０２ｂの吸気入口に配置され、気筒２から第２吸気ポート１２への混合気の吹き返し期間に閉弁する開閉弁１０７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高膨張比サイクルを利用するエンジンの吸気装置に関する。

従来、エンジンの高効率化を図り、燃焼サイクル中の膨張比が圧縮比を上回るようにした、いわゆる高膨張比サイクルのエンジンが実用化されている。特許文献１によると、高膨張比サイクルのエンジンは、吸気弁の閉弁時期を遅らせることにより、燃焼サイクル中の膨張比を圧縮比よりも大きくする。これにより、ポンプ損失（ポンピングロス）を低減して熱効率の向上を図るとともに、ノッキングを回避している。

特開２００４−１８３５１０号公報

高膨張比サイクルのエンジンでは、吸気バルブの閉弁期間を遅らせることにより、ポンプ損失を低減し、ノッキングを回避できるが、その反面、吸気通路側へと逆流する混合気が増加する。また、このように吸気通路側へ逆流した混合気は、排気行程終了間際に吸気弁を開弁する、いわゆるオーバーラップ期間において、排気通路へと吹き抜けてＨＣの増加や燃費の悪化を招く。

そこで、本発明はポンプ損失を低減するとともに、混合気の排気通路への吹き抜けを抑制するエンジンの吸気装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明のエンジンの吸気装置は、新気を気筒へ取り込む第１吸気通路と、前記第１吸気通路内に組み込まれたスロットルバルブの下流側で前記第１吸気通路から分岐し、前記気筒へ開口する第２吸気通路と、前記気筒側に設けられた前記第１吸気通路の開口部で前記第１吸気通路を開閉する第１吸気弁と、前記気筒側に設けられた前記第２吸気通路の開口部で前記第２吸気通路を開閉する第２吸気弁と、吸気行程において遅くとも下死点付近で前記第１吸気弁を閉弁する第１吸気弁開閉機構と、前記第２吸気弁の弁開閉時期を可変とする第２吸気弁開閉機構と、前記第２吸気通路における前記第１吸気通路側の入口に配置され、前記第２吸気通路を開閉する開閉弁と、を備え、燃料消費を抑制する運転時に、前記第２吸気弁開閉機構は、第２吸気弁の開弁時期を排気弁の閉弁後とするとともに、閉弁時期を下死点よりも遅角することにより、気筒内の吸入空気を第２吸気通路へ吹き返すとともに、前記開閉弁は、吹き返し期間に閉弁することを特徴とする。

このような構成とすることにより、ポンプ損失を低減するとともに、混合気の排気通路への吹き抜けを抑制することができる。上記構成によると筒内に一旦流入した混合気は下死点後に第２吸気通路へ吹き返す。このとき、ポンプ損失を低減することができる。また、第１吸気通路と第２吸気通路とは分離されていることから、筒内から第２吸気通路へ吹き返した混合気の第１吸気通路内への流入が防止される。上記構成によると、第２吸気弁と排気弁とはオーバーラップしないため、第２吸気通路内の混合気の排気側への吹き抜けを抑制することができる。

このようなエンジンの吸気装置は、前記第２吸気通路内に燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、筒内の混合気が前記第２吸気通路へ吹き返す期間に燃料を噴射する構成とすることができる。

上記構成によると、筒内からの混合気の吹き返しにより、噴射された燃料の霧化が促進される。燃料の霧化が促進されるため、燃焼状態が改善されて燃費を向上することができる。また、第２吸気弁と排気弁とはオーバーラップしないため、このように第２吸気通路内で生成された混合気の排気通路への吹き抜けが防止できる。

このようなエンジンの吸気装置は、負圧を要求する機器の内部と前記第１吸気通路の内部とを接続した構成とすることができる。

従来のエンジンにおいて、吸気通路は吸気引き込みにより負圧を発生するため、エンジンに搭載される負圧を要求するシステムの負圧発生源として用いられていた。高膨張比サイクルのエンジンにおいて、気筒からの吹き返しがある場合、吹き返しにより吸気通路内の圧が上昇するため、負圧発生源として機能しなくなるおそれがある。このため、別途負圧ポンプなどを備えることを考えなければならなかった。ところが、本発明の上記構成によれば、第１吸気通路内が各機器の負圧発生源となるとともに、第１吸気通路と仕切りによって隔てられた第２吸気通路内が気筒からの吹き返しを引き込むことができる。これにより、吸入空気のポンプ損失を低減するとともに、エンジンに搭載される各機器が要求する負圧が確保できる。このため、改めて負圧ポンプ等を必要とすることもない。なお、負圧を要求するシステムとは、例えば、燃料タンクパージシステム、外部ＥＧＲ、ブレーキブースタ、ブローバイガス吸引装置などが相当する。

このようなエンジンの吸気装置は、前記第１吸気通路の内部及び、前記第２吸気通路の内部に吸入された空気量のそれぞれを測定可能な吸入空気量測定手段を備えた構成とすることができる。

エンジンの気筒内に供給されるガスには、新気以外に、ＥＧＲ、ブローバイガス等も含まれる。これらのＥＧＲ量やブローバイガス量、さらに吹き返しによる混合気量が不明であるため、これらの変化により気筒内に供給される新気量の変化を正確に把握することは困難である。このため、Ａ／Ｆ制御において、誤差や遅れを招いてしまう。上記発明では、気筒内から第２吸気通路内へ吹き返す混合気の空燃比は、気筒内で燃焼する混合気の一部であるため、排気ガスから得られる空燃比の値と一致する点に着目した。上記発明の構成によると、第２吸気通路内に吸入する空気量と排気ガスから得られる空燃比の情報とから、噴射する燃料量を調整して気筒内へ供給する混合気の空燃比を詳細に制御できる。

また、このようなエンジンの吸気装置は、前記第１吸気通路の長さを変更する第１吸気路可変機構と、前記第２吸気通路の長さを変更する第２吸気路可変機構と、を備えた構成とすることができる。

上記構成によると、第１吸気通路の長さ及び第２吸気通路の長さを変更することにより、出力重視の運転や燃費向上を重視する運転に幅広く対応することができる。より詳細には、エンジンの出力を重視する運転の場合、前記第１通路長変更手段は、低速回転時に前記第１吸気通路の長さを長くし、高速回転時に前記第１吸気通路の長さを短くし、前記第２通路長変更手段は、低速回転時に前記第２吸気通路の長さを長くし、高速回転時に前記第２吸気通路の長さを短くし、前記開閉弁は全開とする。一方、燃料消費の抑制を重視する運転の場合、前記第１通路長変更手段は、前記第１吸気通路の長さを長くし、前記第２通路長変更手段は、前記第２吸気通路の長さを短くすることができる。

さらに、このようなエンジンの吸気装置は、エンジンの出力が上昇するにつれて、前記第２吸気弁開閉機構は、前記第２吸気弁の開閉時期を進角するとともに、前記開閉弁は、開弁方向に動作する構成とすることができる。

上記構成によると、負荷が上昇する高出力時には第２吸気弁の開閉時期を第１吸気弁の開閉時期に近づけ、筒内に吸引する新気量を増加し、筒内から吹き返す混合気量を減少させる。これにより、圧縮行程で圧縮される空気量が増加し、高出力を得ることができる。

本発明のエンジンの吸気装置は、気筒からの吹き返しが流入する第２吸気通路を備え、第２吸気通路を開閉する第２開閉弁と排気弁とのオーバーラップ期間を設けないことにより、ポンプ損失を低減するとともに、混合気の排気通路への吹き抜けを抑制することができる。

実施例１の吸気装置の概略構成を示した説明図である。吸気弁、排気弁の開閉機構を示した説明図である。燃料消費を抑制する運転時の第１吸気カム、第２吸気カム、排気カムのカム特性図である。吸気弁、排気弁のカム特性を示した説明図であって、（ａ）は燃料の消費を抑制する運転時のカム特性を示し、（ｂ）は、（ａ）の状態に比べ、第２吸気弁の開閉時期が進角したカム特性を示し、（ｃ）は、第１吸気弁と第２吸気弁とが、略同様の開閉時期となるカム特性を示している。第１インジェクタ、第２インジェクタの噴射時期の一例を示した説明図である。実施例２の吸気装置の概略構成を示した説明図である。実施例３の吸気装置一部の構成を示した説明図であって、（ａ）はエンジンを側面から見た場合の吸気装置の構成を示した説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１はエンジン１に組み込まれた吸気装置１００の概略構成を示した説明図である。エンジン１は４バルブ４気筒のＤＯＨＣエンジンである。エンジン１は、気筒２に開口する第１吸気ポート１１、第２吸気ポート１２、排気ポート６が形成されたシリンダヘッド３を備えている。

吸気装置１００は吸気管１０１、サージタンク１０２を備えている。吸気管１０１にはスロットル弁１０３が組み込まれている。スロットル弁１０３の下流側で吸気管１０１にサージタンク１０２が接続されている。このサージタンク１０２内は仕切り１０４により区画され、第１タンク１０２ａと、第２タンク１０２ｂとが形成されている。このとき、第１タンク１０２ａ、第２タンク１０２ｂのいずれも吸気管１０１側が開口しており、吸気管１０１を通過した新気が流入する。

第１タンク１０２ａには第１管路１０５が接続されている。この第１管路１０５は第１吸気ポート１１に接続されて、第１タンク１０２ａ内と気筒２内とが連通されている。また、第２タンク１０２ｂには第２管路１０６が形成されており、第２管路１０６は第２吸気ポート１２と接続されて、第２タンク１０２ｂ内と気筒２内とが連通されている。第１管路１０５、第２管路１０６は４つの気筒２のそれぞれに対して設けられている。

このような吸気管１０１、第１タンク１０２ａ、第１管路１０５、第１吸気ポート１１は第１吸気通路として機能し、新気を気筒２内へ取り込む。第２タンク１０２ｂ、第２管路１０６、第２吸気ポート１２は、第１吸気通路内に組み込まれたスロットル弁１０３の下流側で第１吸気通路から分岐し気筒２内に開口する第２吸気通路として機能する。

第１吸気ポート１１には第１吸気弁１３が組みつけられている。すなわち、この第１吸気弁１３は、第１吸気通路の気筒側の開口部において第１吸気通路を開閉する。また、第２吸気ポート１２には第２吸気弁１４が組みつけられている。すなわち、第２吸気弁１４は第２吸気通路の気筒側の開口部において第２吸気通路を開閉する。第１吸気弁１３、第２吸気弁１４は各気筒２のそれぞれに設けられている。さらに、第２タンク１０２ｂの吸気管１０１側、すなわち、第１吸気通路側の入口には、開閉弁１０７が組みつけられている。開閉弁１０７は電子制御により開度が切り替えられて、第２タンク１０２ｂと吸気管１０１とを開放、遮断する。

次に１つの気筒２に着目し、吸、排気弁の開閉機構１０について説明する。図２はエンジン１に組み込まれた吸、排気弁の開閉機構１０を示した説明図である。図２（ａ）は気筒２を側面から見た状態を示し、図２（ｂ）は気筒２を上側から見た状態を示している。図２に示すように、気筒２はシリンダヘッド３、シリンダブロック４内に形成されており、気筒２の内部にはピストン５が往復運動可能に収納されている。

上記の通り、第１吸気ポート１１、第２吸気ポート１２、排気ポート６が、シリンダヘッド３内に形成されている。第１吸気ポート１１の気筒２側の開口部に第１吸気弁１３が配置され、第２吸気ポート１２の気筒側の開口部に第２吸気弁１４が配置されている。また、排気ポート６の気筒側の開口部には、排気通路を開閉する排気弁７がそれぞれ配置されている。

さらに、エンジン１は第１吸気ポート１１に燃料噴射用の第１インジェクタ２６を備えている。第１インジェクタ２６は、筒内２へ向かう気流の順方向へと燃料を噴射する構成となっている。第１インジェクタ２６は第１吸気ポート１１を通過する新気に燃料を噴射して混合させる。

さらに、開閉機構１０は、第１カムシャフト１５と、第２カムシャフト１６とを備えている。第１カムシャフト１５の一端にはドリブンスプロケット１７が組み付けられている。また、第２カムシャフト１６の一端には可変動弁機構１８が組み付けられている。この可変動弁機構１８の外周にはギヤの歯が形成されている。ドリブンスプロケット１７及び可変動弁機構１８の外周は、タイミングチェーン１９によりクランクシャフト側のドライブスプロケット（図示しない）と連結されて、ドリブンスプロケット１７及び可変動弁機構１８へクランクシャフトの回転が伝達される。これにより、第１カムシャフト１５、及び第２カムシャフト１６が回転する。可変動弁機構１８は油圧室が設けられたベーン式の可変バルブタイミング（ＶＶＴ）コントローラを備えている。このＶＶＴコントローラは油圧の調整によりベーンを回転させて、第２カムシャフト１６を進角、遅角することができる。

第１カムシャフト１５には第１吸気カム２０と２つの排気カム２４とが組み付けられている。第１吸気カム２０は、ローラーロッカー２１を介して第１吸気弁１３を押し下げることにより、第１吸気ポート１１を開通させる。また、排気カム２４は、ロッカーアーム２５を介して排気弁７を押し下げることにより排気通路６を開通させる。一方、第２カムシャフト１６には、第２吸気カム２２が組み付けられている。第２吸気カム２２は、ロッカーアーム２３を介して第２吸気弁１４を押し下げることにより第２吸気ポート１２を開通させる。

第１カムシャフト１５、ドリブンスプロケット１７、ローラーロッカー２１は、第１吸気弁１３を制御し、開閉状態を設定する。また、第２カムシャフト１６、可変動弁機構１８、ロッカーアーム２２は第２吸気弁１４を制御し、開閉状態を設定する。以下、第１吸気弁１３、第２吸気弁１４の開閉状態の制御について説明する。第１吸気弁１３は、第１吸気カム２０のカム特性に従って開閉し、第２吸気弁１４は第２吸気カム２２のカム特性と、可変動弁機構１８による進角、遅角の作用により、開閉時期が変化する。

図３は、燃料消費を抑制する運転時の第１吸気カム２０、第２吸気カム２２、排気カム２４のカム特性図である。図３に示したＡ図は、気筒の１つについて示したカム特性図であり、Ｂ図はＡ図の気筒が吸気行程を経た次に吸気行程を行う気筒について示したカム特性図である。Ａ図とＢ図とは位相差があるのみで略同様のカム特性を示している。図３のＡ図、Ｂ図では、左側から排気カム２４、第１吸気カム２０、第２吸気カム２２のカム特性を示している。

第１吸気弁１３は、上死点（ＴＤＣ）以前の排気行程の終了間際に弁を開き始める。一方、排気弁７も上死点を経過した後に閉弁するため、排気弁７と第１吸気弁１３が同時に開弁状態にあるオーバーラップ期間が存在する。これにより、内部ＥＧＲが確保されるとともに、上死点よりも早期に第１吸気弁１３を開弁することにより、上死点における第１吸気弁１３のリフト量を増大させて空気量を確保し、ポンプ損失を低減する。

そして、この第１吸気弁１３は遅くとも下死点付近で閉弁するようにカム特性が選定されている。これにより、ピストン５の上昇により上昇するシリンダ内圧が、吸気慣性の押し込み効果により低下するポート圧を超える以前に第１吸気弁１３が閉弁する。このため、気筒２内に吸い込んだ混合気が第１吸気ポート１１に逆流しない。

第２吸気弁１４は、可変動弁機構１８の作用により第１吸気弁１３に比べ遅れて開閉する。第２吸気弁１４は、排気弁７が閉弁した後に開弁し、下死点（ＢＤＣ）よりも遅れて閉弁するように制御されている。第２吸気弁１４の開閉時期をこのように設定したことにより、下死点後のピストン５の上昇により、一旦、気筒２内へ吸入された混合気が第２吸気ポート１２内へ吹き返す期間が設けられる。このように、圧縮行程において圧縮する混合気の量を減少して、圧縮比を膨張比に比べて低減することにより、ポンピングロスを低減し、熱効率を向上する。特に、本実施例では、第２吸気弁１４が下死点よりも９０°以上遅れて閉じるように制御されている。これにより、十分な吹き戻しが行われるため、従来に比べてさらに燃費の向上が図られている。

また、開閉弁１０７は、気筒２から第２吸気ポート１２への吹き返しが生じる期間において閉弁する。気筒２から第２吸気ポート１４内への吹き返しが生じる時期には第１タンク１０２ａの内圧よりも第２タンク１０２ｂの内圧が高くなるため、第２タンク１０２ｂ内の混合気が第１タンク１０２ａ内へ流れこまないようにする。これにより、気筒２内から第２吸気ポート１２内へ流入した混合気は第２タンク１０２ｂ内に留まり、吸気管１０１や第１タンク１０２ａ側へ流れ出ることが防止される。上述の通り、第２吸気弁１４は排気弁７とのオーバーラップが無いため、第２タンク１０２ｂ内の混合気の排気通路６への吹き抜けが抑制され、エミッションの悪化が低減される。このように第２タンク１０２ｂ内に留まった混合気は、図３で示す次の気筒の吸い込み期間において、次の気筒内へ吸引される。このような吸い込み期間では、第２吸気弁１４の開弁開始時期や開弁期間によっては、ピストン５の上昇時に第２吸気弁１４の吸気開始が間に合わない場合があるが、押し出しの仕事の損失と吸気の圧が高いことによる吸い込み仕事の損失の減少でフリクションが釣り合う。

次に、燃料の消費を抑制する運転状態からエンジンの出力を重視する運転を行う場合について説明する。図４は、吸、排気弁のカム特性を示した説明図であって、図４（ａ）は燃料の消費を抑制する運転時の吸、排気弁のカム特性を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態に比べ、第２吸気弁１４の開閉時期が進角したカム特性を示し、図４（ｃ）は、第１吸気弁１３と第２吸気弁１４とが、略同様の開閉時期となるカム特性を示している。なお、図４（ａ）は、図３の開閉タイミングと同一のものである。

燃料の消費を抑制する運転状態から、エンジン１の出力を上昇する場合、可変動弁機構１８は、第２吸気弁１４の開閉時期を進角する。すなわち、図４（ａ）の状態で運転している場合よりもエンジン１の出力を上昇する場合には、図４（ｂ）のように、第２吸気弁１４の開閉時期を進角する。このとき、開閉弁１０７は、第２吸気弁１４の開弁時期が進角するのに連動して、開弁方向に動作し、第２吸気通路に吸引する新気量を増加する。さらに、エンジン１を最大出力で運転する場合には、図４（ｃ）に示すように、第２吸気弁１４を第１吸気弁１３と同様のタイミングで開閉する。また、開閉弁１０７は、最大出力時に全開となる。このように、第２吸気弁１４の開閉時期を進角することにより、気筒２内に吸引できる新気量が増加するので、エンジンの出力が向上する。

また、第１タンク１０２ａ、第２タンク１０２ｂ内に圧力センサを備え、これらの圧力センサから取得される内圧の情報に基づいて、開閉弁１０７の開度を制御することもできる。また、これらの圧力センサから取得される内圧の情報に基づいて、第１タンク１０２ａと第２タンク１０２ｂの圧力差を開閉弁１０７のアクチュエータに導入し、自動制御することもできる。このような開閉弁は、ダイアフラム、リード弁等を用いて構成することができる。

以上の通り、吸気装置１００は、気筒２から第２吸気通路内へ混合気を吹き返す。第２吸気弁１４は排気弁７とオーバーラップしないため、第２吸気通路内の混合気が排気側へ吹き抜けることが防止できる。第２吸気通路内に吹き返る混合気は、次に吸気行程を行う気筒２へ吸い込まれるため、ポンプ損失が低減される。なお、本実施例は、エンジン１に機械圧縮比を変更可能な可変圧縮機構を組み込み、圧縮行程を変更する構成とすることもできる。これにより、さらに柔軟にエンジン１の圧縮比を制御することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の吸気装置は、実施例１の吸気装置１００とほぼ同様の構成をしている。ただし、本実施例の吸気装置は、第２吸気ポート１２に燃料噴射用の第２インジェクタを備えている点で、実施例１の吸気装置１００と相違する。第２インジェクタは、図２中の第１インジェクタ２６と同様に、筒内２へ向かう気流の順方向へと燃料を噴射する構成となっている。なお、その他の構成は実施例１の吸気装置１００と同一であるため、その詳細な説明を省略するとともに、本実施例の説明中、同一の参照番号を用いて説明する。

図５は、実施例１で示した図３のＡ図に加えて、第１インジェクタ２６、第２インジェクタの噴射時期の一例を示した説明図である。図５中に示した時期の全てで燃料を噴射する必要はなく、本実施例の吸気装置では、適宜噴射時期を選択することができる。燃料の消費を抑制する運転時には、吸気吹き返しのある第２吸気ポート１２で燃料量を調整する。以下、噴射時期による特徴を説明する。

図５中（１）の吸気行程で燃料を噴射する場合、第２吸気弁１４と排気弁７とのオーバーラップ期間がないため、吸気行程中に吸気同期噴射をしても燃料の排気側への吹き抜けが発生しない。

図５中（２）の吹き返し期間で燃料を噴射する場合、気筒２内に一旦吸い込んだ空気が第２吸気ポート１２へ吹き返す。吹き返し期間に噴射した場合、気筒２内から吹き返す温度の高い空気に対して噴射することとなり、噴射により空気を冷却することができる。また、吹き返す空気の気流に対向して燃料を噴射することができるため、燃料の霧化が促進できる。

図５中（３）の吸気期間でない時点での噴射、いわゆる吸気非同期噴射をする場合、燃料の噴射時点では、第２吸気弁１４は閉弁状態であるため、噴射された燃料が第２吸気弁１４の背面に溜まる。これにより、燃料は第２吸気弁１４の熱を奪って気化し、燃料の霧化が促進される。また、第２吸気弁１４を冷却することができる。

なお、本実施例では、第１インジェクタ２６を搭載しない構成も選択できる。大排気量、高出力、燃料噴射量の増大が必要な場合に限り第１インジェクタ２６を搭載する。この場合、燃料の吹き抜けが生じないように、第１インジェクタ２６の燃料噴射の時期は第１吸気弁１３と排気弁７とのオーバーラップ期間を避ける。また、本構成とは異なり、シリンダヘッド３内にインジェクタを設け、気筒２内へ直接燃料を噴射するエンジンの場合では、燃料の吹き抜けを防ぐ目的で、吸気弁と排気弁とが同時に開くオーバーラップ期間を避け、第２吸気弁１４が開弁している期間に噴射する。この場合においても、吸気弁が閉じてからの圧縮行程における噴射は従来と同様である。

次に、本発明の実施例３について説明する。図６は、本実施例の吸気装置２００の概略構成を示した説明図である。本実施例の吸気装置２００は、実施例１の吸気装置１００とほぼ同様の構成をしている。ただし、本実施例の吸気装置２００は、クランクケース２０１内部、ブレーキブースタ２０２内部、チャコールキャニスタ２０３内部、外部ＥＧＲ装置２０４内部と第１タンク１０２ａ内とを接続した点で実施例１の吸気装置１００と相違する。これらクランクケース２０１、ブレーキブースタ２０２、チャコールキャニスタ２０３、外部ＥＧＲ装置２０４はいずれも、負圧を要求するシステムであって、第１タンク１０２ａを負圧源とする。

また、本実施例の吸気装置２００は、吸気管１０１のスロットル弁１０３の上流側に第１エアフロメータ３０１を備え、第１タンク１０２ａの入口１０２ａ１に第２エアフロメータ３０２を備え、第１タンク１０２ａ内の圧力を検出する第１圧力センサ３０３、第２タンク１０２ｂ内の圧力を検出する第２圧力センサ３０４を備えた点においても、実施例１の吸気装置１００と相違する。これらの第１エアフロメータ３０１、第２エアフロメータ３０２、第１圧力センサ３０３、第２圧力センサ３０４のそれぞれは図示しないＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）と電気的に接続されている。第１エアフロメータ３０１は、吸気管１０１を通過する吸入空気量を計測する。第２エアフロメータ３０２は吸気管１０１から第１タンク１０２ａ内に流入する空気量を計測する。すなわち、第１エアフロメータ３０１の計測した吸入空気量から第２エアフロメータ３０２の計測した空気量を差し引くと、第２タンク１０２ｂ内に流入する空気量を算出することができる。また、図示しないがエンジン１は、排気通路に空燃比を検出するＡ／Ｆセンサを備えている。なお、吸気装置２００のその他の構成は実施例１の吸気装置１００と同一であるため、吸気装置１００と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略するとともに、本実施例の説明中、同一の参照番号を用いて説明する。

本実施例のように、第１吸気通路と第２吸気通路とを分離して形成したことにより、第１吸気通路が負圧発生源としての機能を備え、第２吸気通路がポンプ損失の低減効果を得る機能を備える。これにより、上記システムは、吸気弁の開閉状態に左右されること無く作動できる。例えば、外部ＥＧＲについていえば、ＥＧＲ量の調整制御を確実に行うことができる。また、負圧を発生させるためのポンプ等を別途備える必要がなくなる。

ところで、従来、高膨張比サイクルのエンジンにおいて、吸入する新気の全量を計測しても、その後、混入するＥＧＲ、ブローバイガス、気筒からの混合気の吹き返しにより、新気量の変化を容易に把握できず、空燃比の制御にずれや遅れが生じていた。本実施例によると、第２タンク１０２ｂ内の混合気の空燃比を把握することにより、空燃比制御に対する外乱変化に応じて詳細な制御を行うことができる。以下、この詳細について説明する。

気筒２内では第１吸気ポート１１、第２吸気ポート１２から流入した新気、燃料、ＥＧＲ、ブローバイガスが混合し、この混合気の一部が第２吸気ポート１２へ吹き返す。残りの混合気は気筒２内で燃焼し、排気ポート６から排出される。したがって、気筒２から第２吸気ポート１２内へ吹き返した混合気の空燃比は、燃焼後の排気から検出される空燃比と同等である。第２タンク１０２ｂには、このように気筒２から吹き返した混合気に、吸気管１０１側から流入した新気が混合する。この第２タンク１０２ｂ内に流入する新気の量は、第１エアフロメータ３０１、第２エアフロメータ３０２の計測情報より得られるので、第２タンク１０２ｂ内の混合気の空燃比が判断できる。そして、第２タンク１０２ｂ側から各気筒２へ吸気する際に、第２吸気弁１４から噴射する燃料量を調整することにより、気筒２内に供給する混合気の空燃比を詳細に制御することができる。また、第１吸気ポート１１側から気筒２へ供給する混合気の空燃比は従来のエンジンと同様に制御する。

なお、第１タンク１０２ａに流入する空気量を第１圧力センサ３０３で計測し、第２タンク１０２ｂに流入する空気量を第２圧力センサ３０４で計測することもできる。また、第１タンク１０２ａの入口に代えて、第２タンク１０２ｂの入口に第２エアフロメータ３０２を備えても良い。また、エアフロメータに代えてその他吸入空気量を計測できる装置を用いることもできる。

次に、本発明の実施例４について説明する。図７は、本実施例の吸気装置４００の一部の構成を示した説明図である。図７（ａ）はエンジン１を側面から見た場合の吸気装置４００の構成を示した説明図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。

図７（ａ）に示した吸気装置４００は、実施例１と同様の機能を有する第１タンク１０２ａ、第２タンク１０２ｂ、第１管路１０５、第２管路１０６を備えている。図７（ａ）に示すように、吸気装置４００は、主に第１タンク１０２ａにより構成される第１吸気通路部ａと、主に第２タンク１０２ｂにより構成される第２吸気通路部ｂとが対称の構造となっている。

第１タンク１０２ａと第１管路１０５とは、第１長吸気管４０１により連通されている。また、吸気装置４００は、第１短吸気路４０２が形成された第１可変弁４０３を備えている。第１可変弁４０３が回動することにより、第１短吸気路４０２が第１タンク１０２ａと第１管路１０５とを連通する状態と、第１短吸気路４０２が閉塞される状態とが切替えられる。同様に、第２タンク１０２ｂと第２管路１０６とは、第２長吸気管４０４により連通されている。また、吸気装置４００は、第２短吸気路４０５が形成された第２可変弁４０６を備えている。第２可変弁４０６が回動することにより、第２短吸気路４０５が第２タンク１０２ｂと第２管路１０６とを連通する状態と、第２短吸気路４０５が閉塞される状態とが切替えられる。このような第１長吸気管４０１の長さと第２長吸気管４０４の長さは等しく、第１短吸気路４０２の長さと第２短吸気路４０５の長さは等しい。さらに、本実施例の吸気装置４００において、第１管路１０５と第２管路１０６とは流路断面積、長さがともに等しくなるように構成されている。なお、図７（ａ）中では、第１短吸気路４０２は閉塞された状態、第２短吸気路４０５は第２タンク１０２ｂと第２管路１０６とを連通した状態を示している。

このような吸気装置４００の吐出口４０７が吸気ポートに接続される。なお、吸気装置４００は、ここで説明した以外の構成要素について、実施例１の吸気装置１００と同様の構成要素を備えている。したがって、実施例１と同様の構成要素について、その詳細な説明を省略するとともに、本実施例の説明中、同一の参照番号を用いて説明する。

ところで、燃料の消費を抑制する運転と、エンジンの出力を重視する運転とでは、要求される吸気特性が異なる。このため、どちらか一方の吸気特性に合わせて吸気管を構成すると、他方の運転時に吸気特性の要求を満たせなくなるという課題がある。吸気装置４００はこれの両立を図る装置である。次に、燃料の消費を抑制する運転、及びエンジンの出力を重視する運転における吸気装置４００の動作について説明する。

まず、エンジン１が出力を重視する運転を行う場合について説明する。エンジン１の出力を重視する場合の低速回転時では、第１可変弁４０３が回動することにより第１短吸気路４０２を閉塞した状態とする。これにより、第１吸気弁１３の開弁時に、第１タンク１０２ａ内の空気は第１長吸気管４０１を通り第１吸気ポート１１へ流入する。このように、吸気管が長くなることにより、慣性過給効果が向上し、気筒２が吸入する空気量が増加する。一方、高速回転時では、第１可変弁４０３が回動することにより第１短吸気路４０２が第１タンク１０２ａと第１管路１０５とを連通した状態とする。これにより、第１吸気弁１３の開弁時に、第１タンク１０２ａ内の空気は、第１吸気ポート１１により近い第１短吸気管４０２を通り第１吸気ポート１１へ流入する。このように、短い吸気管にすることにより、吸気抵抗が減少し、気筒２内が吸入する空気量が増加する。

エンジン１の出力を重視する運転時には、第１吸気弁１１、第２吸気弁１２の開閉タイミングはほぼ同じであり、吸気管の長さも同様となる。したがって、第２タンク１０２ｂ側においても、低速回転時に第２短吸気路４０５を閉塞し、第２タンク１０２ｂ内の空気が、第２長吸気管４０４を通り第２吸気ポート１２へ流入するように構成する。このとき、慣性過給効果により気筒２が吸入する空気量が増加する。また、高速回転時に、第２短吸気路４０５により第２タンク１０２ｂと第２管路１０６とが連通した状態とする。これにより、第２吸気弁１４の開弁時に、第２タンク１０２ｂ内の空気が第２短吸気管４０５を通り第２吸気ポート１２へ流入するようにする。このとき、吸気抵抗が減少し、気筒２が吸入する空気量が増加する。また、このエンジンの出力を重視する運転時には、開閉弁１０７は全開の状態とする。このような構成とすることにより、気筒２が吸入する空気量が増加し、エンジン１が高出力で運転できる。

次に、エンジン１が燃料消費の抑制を重視する運転を行う場合について説明する。エンジン１が燃焼の消費を抑制する運転時には、実施例１で説明した通り（図３参照）、第１吸気弁１３と第２吸気弁１４との開閉時期は異なる。第１タンク１０２ａ側では、第１吸気弁１３が下死点付近で閉弁することから、吸気管を長くする。すなわち、第１短吸気路４０２を閉塞する。これにより、第１長吸気管４０１を空気が通過し、慣性過給効果が向上する。このように、気筒２内へ空気を押し込み、ポンプ損失を低減することができる。

一方、第２タンク１０２ｂ側では、他の気筒２の吸い込み効果を利用するため、吸気管を短くする。このため、第２短吸気路４０５により、第２タンク１０２ｂと第２管路１０６とを連通する。これにより、第２タンク１０２ｂへの圧力波の伝達が向上し、ポンプ損失が低減する。これにより、熱効率が向上し、燃費が改善する。

本実施例では、サージタンク１０２から吸気ポートへ接続する吸気管の長さを長短二段階に可変する機構を示したが、三段階やそれ以上に可変する構成とすることができる。さらに、連続して吸気管の長さを変更できれば、気筒２内に吸入する吸気量をより詳細に制御することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、上記実施例において、可変動弁機構１８は第２吸気弁１４のバルブタイミングの作用角を可変とする構成であっても良い。また、第１カムシャフト１６に可変動弁機構を組み付け、第１吸気弁１３のバルブタイミングを可変とする構成としても良い。これにより、さらに柔軟に気筒２内への吸入空気をコントロールすることが可能となり、燃焼効率を向上することができる。

１エンジン２気筒
３シリンダヘッド１０開閉機構
１１第１吸気ポート１２第２吸気ポート
１３第１吸気弁１４第２吸気弁
１５第１カムシャフト１６第２カムシャフト
１７ドリブンスプロケット１８可変動弁機構
１９タイミングチェーン２０第１吸気カム
２１ローラーロッカー２２第２吸気カム
２３ロッカーアーム２６第１インジェクタ
１００、２００、４００吸気装置１０１吸気管
１０２サージタンク１０２ａ第１タンク
１０２ｂ第２タンク１０３スロットルバルブ
１０５第１管路１０６第２管路
１０７開閉弁２０１クランクケース
２０２ブレーキブースタ２０３チャコールキャニスタ
２０４外部ＥＧＲ３０１第１エアフロメータ
３０２第２エアフロメータ４０１第１長吸気管
４０２第１短吸気路４０３第１可変弁
４０４第２長吸気管４０５第２短吸気路
４０６第２可変弁

Claims

新気を気筒へ取り込む第１吸気通路と、
前記第１吸気通路内に組み込まれたスロットルバルブの下流側で前記第１吸気通路から分岐し、前記気筒へ開口する第２吸気通路と、
前記気筒側に設けられた前記第１吸気通路の開口部で前記第１吸気通路を開閉する第１吸気弁と、
前記気筒側に設けられた前記第２吸気通路の開口部で前記第２吸気通路を開閉する第２吸気弁と、
吸気行程において遅くとも下死点付近で前記第１吸気弁を閉弁する第１吸気弁開閉機構と、
前記第２吸気弁の弁開閉時期を可変とする第２吸気弁開閉機構と、
前記第２吸気通路における前記第１吸気通路側の入口に配置され、前記第２吸気通路を開閉する開閉弁と、
を備え、
燃料消費を抑制する運転時に、
前記第２吸気弁開閉機構は、第２吸気弁の開弁時期を排気弁の閉弁後とするとともに、閉弁時期を下死点よりも遅角することにより、気筒内の吸入空気を第２吸気通路へ吹き返すとともに、
前記開閉弁は、吹き返し期間に閉弁することを特徴としたエンジンの吸気装置。
前記第２吸気通路内に燃料噴射弁を備え、
前記燃料噴射弁は、筒内の混合気が前記第２吸気通路へ吹き返す期間に燃料を噴射することを特徴とした請求項１記載のエンジンの吸気装置。
負圧を要求する機器の内部と前記第１吸気通路の内部とを接続したことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの吸気装置。
前記第１吸気通路の内部及び、前記第２吸気通路の内部に吸入された空気量のそれぞれを測定可能な吸入空気量測定手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
前記第１吸気通路の長さを変更する第１吸気路可変機構と、
前記第２吸気通路の長さを変更する第２吸気路可変機構と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。