JP2018162693A - エンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力性能と排ガス／燃費性能とを両立させるエンジン設計を行い易くする。【解決手段】エンジン装置は、エンジンと、第１吸気通路を開閉する少なくとも１つの第１スロットル弁と、第２吸気通路を開閉する少なくとも１つの第２スロットル弁と、アクセル操作量に応じて前記第１スロットル弁及び前記第２スロットル弁の少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する制御器と、を備える。ピストン往復方向に直交し且つ前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートが並ぶ方向である側方向から見て、第１吸気ポートの流路軸線と第２吸気ポートの流路軸線とは、互いに異なる姿勢に設定されている。前記制御器は、前記アクセル操作量に応じて前記第１吸気ポートの流量と前記第２吸気ポートの流量との比を変更するように前記少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、１つの燃焼室に２つの吸気ポートが連通してなるエンジンを備えた装置に関する。

自動二輪車等に搭載されるエンジンでは、ユーザニーズに応じて、エンジンの高回転化等による高出力化が図られているが、高回転域では１回の燃焼のための吸排気に与えられる時間が短いため、吸気ポート及び排気ポートの流路断面積の拡大や吸気弁及び排気弁の開弁期間の拡大などにより、燃焼室に十分な空気が取り込まれるようにしている。吸気弁及び排気弁の開弁期間を拡大し、吸気弁及び排気弁の両方が開いている期間（バルブオーバーラップ）が大きくなると、高回転高出力時において、燃焼室から排気ポートに押し出される既燃ガスの慣性によって吸気ポートから燃焼室への新気の導入が促進される。

米国特許第７７８９０６４号

近年は排ガス規制の強化や省エネ志向の影響により、エンジンの排ガス性能及び燃費性能を向上させることが求められ、常用域（低中回転域）でのエンジン性能改善も必要になる。しかし、高回転高出力型のエンジンでは、流路断面積の拡大によるスロットル弁から吸気弁までの容積の増大やバルブオーバーラップの拡大により、低中回転域において燃焼室内に多くの既燃ガスが残留した状態になる。そのため、常用域での燃焼が緩慢かつ不安定になり、排ガス／燃費性能が悪化し易いという問題がある。

そこで本発明は、出力性能と排ガス／燃費性能とを両立させるエンジン設計を行い易くすることを目的とする。

本発明の一態様に係るエンジン装置は、１つの燃焼室に第１吸気ポート及び第２吸気ポートが連通してなり、前記燃焼室内での混合気の燃焼によりピストンが往復動する少なくとも１つの気筒を有するエンジンと、前記第１吸気ポートに連通する第１吸気通路を開閉する少なくとも１つの第１スロットル弁と、前記第２吸気ポートに連通する第２吸気通路を開閉する少なくとも１つの第２スロットル弁と、アクセル操作量に応じて前記第１スロットル弁及び前記第２スロットル弁の少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する制御器と、を備え、前記ピストンの往復方向に直交し且つ前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートが並ぶ方向である側方向から見て、前記第１吸気ポートの流路軸線と前記第２吸気ポートの流路軸線とは、互いに異なる姿勢に設定されており、前記制御器は、前記アクセル操作量に応じて前記第１吸気ポートの流量と前記第２吸気ポートの流量との比を変更するように前記少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する。

前記構成によれば、１つの燃焼室に連通した第１吸気ポート及び第２吸気ポートが、側方向から見て互いに異なる姿勢となるため、第１吸気ポートから燃焼室に流入した空気の流動傾向と、第２吸気ポートから燃焼室に流入した空気の流動傾向とを異ならせることができる。そのため、第１吸気ポートの流量と第２吸気ポートの流量との比を変更することで、第１吸気ポートからの空気の流動傾向と第２吸気ポートからの空気の流動傾向との何れを優位にするか制御することが可能となる。よって、エンジンの吸気量や回転数域に応じて好適な混合気の流動傾向を選ぶことができ、出力性能と排ガス／燃費性能とを両立させるエンジン設計を行い易くすることができる。

前記側方向から見て、前記第１吸気ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線は、前記第２吸気ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりも、前記往復方向に直交する仮想線の角度に近い角度に設定されていてもよい。

前記構成によれば、第１吸気ポートから燃焼室に流入した空気が燃焼室の壁面に沿って流れやすく、燃焼室内での混合気の流動性が高まるため、第１吸気ポートによる吸気を優位とすることで、エンジンの排ガス／燃費性能を向上させることができる。

前記第２吸気ポートの流路軸線の最大曲率は、前記第１吸気ポートの流路軸線の最大曲率よりも小さくてもよい。

前記構成によれば、第２吸気ポートの流路軸線が第１吸気ポートの流路軸線よりも直線状に近く、第２吸気ポートから燃焼室に流入する空気の圧力損失が低減されるので、第２吸気ポートによる吸気を優位とすることで、空気充填率を上げてエンジンの高出力化を図ることができる。

前記少なくとも１つの気筒は、並列配置された複数の気筒を含み、前記少なくとも１つの第１スロットル弁は、前記複数の気筒の前記第１吸気ポートに夫々対応する複数の第１スロットル弁を含み、前記少なくとも１つの第２スロットル弁は、前記複数の気筒の前記第２吸気ポートに夫々対応する複数の第２スロットル弁を含み、前記第１スロットル弁と前記第２スロットル弁とは、前記側方向から見て互いの位置がずれており、前記複数の第１スロットル弁は、前記第２吸気通路の外部を通過する第１連動機構により互いに連結されており、前記複数の第２スロットル弁は、前記第１吸気通路の外部を通過する第２連動機構により互いに連結されてもよい。

前記構成によれば、エンジンが多気筒型であり、第１スロットル弁及び第２スロットル弁が夫々複数ある場合にも、第１連動機構が第２吸気通路を横断せず、第２連動機構が第１吸気通路を横断しないので、第１及び第２吸気通路の流路抵抗を低減でき、エンジンの効率を良好に保つことができる。

前記往復方向に直交する方向において、前記第２スロットル弁の中心と前記気筒の中心との間の距離は、前記第１スロットル弁の中心と前記気筒の中心との間の距離よりも小さくてもよい。

前記構成によれば、第１スロットル弁と第２スロットル弁とをピストン往復方向において互いに近づけ易くなるので、エンジン装置のピストン往復方向における大型化を抑制できる。

前記制御器は、前記アクセル操作量が所定の低出力範囲にある場合には、前記アクセル操作量が所定の高出力範囲にある場合に比べ、前記第２吸気ポートの流量に対する前記第１吸気ポートの流量の割合が大きくなるように、前記少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御してもよい。

前記構成によれば、エンジンの出力性能と排ガス／燃費性能とを好適に両立させることができる。

本発明によれば、出力性能と排ガス／燃費性能とを両立させるエンジン設計を容易に行うことができる。

第１実施形態に係るエンジン装置の要部平面図である。 図１に示すエンジン装置の縦断面図である。 図２に示すエンジンの第１吸気ポートによる吸気流れを説明する縦断面図である。 図２に示すエンジンの第２吸気ポートによる吸気流れを説明する縦断面図である。 図１に示すエンジン装置のアクセル操作量と各スロットル開度との関係を示すグラフである。 変形例の図５相当のグラフである。 第２実施形態に係るエンジン装置の要部平面図である。 図７に示すエンジン装置のアクセル操作量と各スロットル開度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るエンジン装置１の要部平面図である。図２は、図１に示すエンジン装置１の縦断面図である。図１及び２に示すように、エンジン装置１は、乗物（例えば、自動二輪車）に走行駆動源として搭載されたものである。乗物は、エンジン装置１と、アクセル操作子２と、アクセル操作量センサ３とを備える。アクセル操作子２は、運転者による操作でエンジン装置１に対する出力要求度が入力される部材であり、例えば、運転者が手首の捻りにより回動操作するスロットルグリップである。アクセル操作量センサ３は、アクセル操作子２の操作量（即ち、出力要求度）を検出するものであり、例えば、スロットルグリップの回動量を検出するセンサである。

エンジン装置１は、エンジン４と、スロットル装置５と、ＥＣＵ６（電子制御ユニット）とを備える。エンジン４は、並列多気筒エンジンであり、一例として、第１気筒１１と第２気筒１２とを有する並列二気筒エンジンである。エンジン４は、第１気筒１１及び第２気筒１２に夫々収容されたピストン１３と、第１気筒１１及び第２気筒１２に夫々形成される燃焼室１４と、第１気筒１１及び第２気筒１２の燃焼室１４の各々に連通する第１吸気ポート１５及び第２吸気ポート１６と、第１気筒１１及び第２気筒１２の燃焼室１４の各々に連通する第１排気ポート１７及び第２排気ポート１８とを有する。

第１吸気ポート１５及び第２吸気ポート１６には、吸気バルブ１９が夫々設けられている。第１排気ポート１７及び第２排気ポート１８には、排気バルブ（図示せず）が夫々設けられている。エンジン４では、燃焼室１４内での混合気の燃焼によりピストン１３が往復動することでクランク軸（図示せず）が回転し、当該クランク軸に連動する動弁機構（図示せず）により吸気バルブ１９が一定のタイミングで開閉する。なお、可変動弁機構が用いられても構わない。

第１吸気ポート１５の流路軸線Ｘ１（流路中心線）と、第２吸気ポート１６の流路軸線Ｘ２（流路中心線）とは、ピストン１３の往復方向に直交し且つ第１吸気ポート１５及び第２吸気ポート１６が並ぶ方向である側方向から見て（即ち、図２）、第１吸気ポート１５の流路軸線Ｘ１と第２吸気ポート１６の流路軸線Ｘ２とは、互いに異なる姿勢に設定されている。側方視において、第１吸気ポート１５の入口中心と出口中心とを結ぶ直線Ｌ１は、第２吸気ポート１６の入口中心と出口中心とを結ぶ直線Ｌ２よりも、ピストン１３の往復方向に直交する仮想線Ｈの角度に近い角度に設定されている。即ち、直線Ｌ１と仮想線Ｈとのなす角が、直線Ｌ２と仮想線Ｈとのなす角よりも小さい。

側方視において、第１吸気ポート１５の出口（燃焼室１４への入口）と第２吸気ポート１６の出口（燃焼室１４への入口）とは互いに重なるが、第１吸気ポート１５の入口は第２吸気ポート１６の入口よりも下方に位置している。また、第２吸気ポート１６の流路軸線Ｘ２の最大曲率は、第１吸気ポート１５の流路軸線Ｘ１の最大曲率よりも小さい。即ち、第２吸気ポート１６は、第１吸気ポート１５よりも直線状に近い形状で燃焼室１４に向けて延びている。

スロットル装置５は、エンジン４の吸気量を調節するものであり、エンジン４に接続されている。スロットル装置５は、第１吸気ポート１５に連通する第１吸気通路２１と、第２吸気ポート１６に連通する第２吸気通路２２とを有する。第１吸気通路２１には、第１スロットル弁２３が配置されており、第２吸気通路２２には、第２スロットル弁２４が配置されている。第１スロットル弁２３及び第２スロットル弁２４は、例えば、バラフライバルブである。

第１気筒１１の第１吸気ポート１５に対応する第１スロットル弁２３と、第２気筒１２の第１吸気ポート１５に対応する第１スロットル弁２３とは、第１スロットル軸２５（第１連動機構）により互いに連結されている。第１気筒１１の第２吸気ポート１６に対応する第２スロットル弁２４と、第２気筒１２の第２吸気ポート１６に対応する第２スロットル弁２４とは、第２スロットル軸２６（第２連動機構）により互いに連結されている。第１スロットル軸２５には、第１スロットル弁２３を回動させて第１吸気通路２１を開閉する第１電気モータ２７が接続されている。第２スロットル軸２６には、第２スロットル弁２４を回動させて第２吸気通路２２を開閉する第２電気モータ２８が接続されている。

側方視において、第１吸気通路２１と第２吸気通路２２とは、互いの位置がずれているため、第１スロットル弁２３と第２スロットル弁２４とも、互いの位置がずれている。第１スロットル軸２５は、第２吸気通路２２の外部（下方）を通過している。第２スロットル軸２６は、第１吸気通路２１の外部（上方）を通過している。第１スロットル軸２５が第２吸気通路２２を横断せず、第２スロットル軸２６が第１吸気通路２１を横断しないので、第１及び第２吸気通路２１，２２の流路抵抗が低減され、エンジン４の効率が良好に保たれる。

第１吸気通路２１及び第２吸気通路２２は、燃焼室１４側（即ち、下流側）に向けて下方に傾斜している。ピストン１３の往復方向に直交する方向において、第２スロットル弁２４の中心と第２気筒１２の中心との間の距離Ｄ２は、第１スロットル弁２３の中心と第１気筒１１の中心との間の距離Ｄ１よりも小さい。これにより、第１スロットル弁２３と第２スロットル弁２４とを、ピストン１３の往復方向において互いに近づけ易くなるので、エンジン装置１のピストン１３の往復方向における大型化が抑制される。

ＥＣＵ６（制御器）は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。ＥＣＵ６は、不揮発性メモリに保存されたプログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算処理することで、アクセル操作量センサ３の検出信号に応じて第１電気モータ２７及び第２電気モータ２８を制御する。即ち、ＥＣＵ６は、運転者のアクセル操作量に応じて第１スロットル弁２３及び第２スロットル弁２４の開度を制御する。

図３は、図２に示すエンジン４の第１吸気ポート１５による吸気流れを説明する縦断面図である。図３に示すように、第１吸気ポート１５からの吸気は、低い位置から燃焼室１４に流入して燃焼室１４の天面に沿って流れ、燃焼室１４内に縦渦（タンブル）が形成されて燃焼室１４内での混合気の流動性が高まる。よって、第１吸気ポート１５による吸気を優位にすれば、少ない空気量でも燃料分布の均一性や燃焼速度が高まり、エンジン４の排ガス／燃費性能が向上する。

図４は、図２に示すエンジン４の第２吸気ポート１６による吸気流れを説明する縦断面図である。図４に示すように、第２吸気ポート１６からの吸気は、高い位置から燃焼室１４に流入し、第２吸気ポート１６が直線状に近いので、第２吸気ポート１６から燃焼室１４に流入する空気の圧力損失が低減される。よって、第２吸気ポート１６による吸気を優位とすれば、燃焼室１４への空気充填率が上がり、エンジン４の高出力化が図られる。

図５は、図１に示すエンジン装置１のアクセル操作量と各スロットル開度との関係を示すグラフである。図５に示すように、ＥＣＵ６は、アクセル操作量センサ３で検出されるアクセル操作量に応じて、第１吸気ポート１５の流量と第２吸気ポート１６の流量との比を変更するように第１電気モータ２７及び第２電気モータ２８を制御する。具体的には、ＥＣＵ６は、アクセル操作量が所定の低出力範囲にある場合には、アクセル操作量が所定の高出力範囲にある場合に比べ、第２吸気ポート１６の流量に対する第１吸気ポート１５の流量の割合が大きくなるように第１電気モータ２７及び第２電気モータ２８を制御する。

例えば、図５の制御例では、低出力域において、第２スロットル弁２４は全閉のまま、第１スロットル弁２３の開度のみがアクセル操作量の増加に伴って増加する。中出力域では、アクセル操作量が増加するにつれて、第１スロットル弁２３の開度が減少して且つ第２スロットル弁２４の開度が増加する。高出力域では、第２スロットル弁２４は全開のまま、第１スロットル弁２３の開度がアクセル操作量の増加に伴って増加する。

別の制御例としては、図６に示すように、低出力域において、第２スロットル弁２４は全閉のまま、第１スロットル弁２３の開度のみがアクセル操作量の増加に伴って増加する。中高出力域では、第１スロットル弁２３は全開のまま、第２スロットル弁２４の開度がアクセル操作量の増加に伴って増加する。また、更に別の制御例としては、高出力域では、第２スロットル弁２４のみを開くようにすることもできる。

以上に説明した構成によれば、１つの燃焼室１４に連通した第１吸気ポート１５及び第２吸気ポート１６が、側方向から見て互いに異なる姿勢となるため、第１吸気ポート１５から燃焼室１４に流入した空気の流動傾向と、第２吸気ポート１６から燃焼室１４に流入した空気の流動傾向とを異ならせることができる。そのため、第１吸気ポート１５の流量と第２吸気ポート１６の流量との比を変更することで、第１吸気ポート１５からの空気の流動傾向と第２吸気ポート１６からの空気の流動傾向との何れを優位にするか制御することが可能となる。よって、エンジン４の吸気量や回転数域に応じて好適な混合気の流動傾向を選ぶことができ、出力性能と排ガス／燃費性能とを両立させるエンジン設計を行い易くすることができる。

また、第１スロットル弁２３及び第２スロットル弁２４の下流で流路を分岐させる必要が無いため、第１スロットル弁２３及び第２スロットル弁２４を燃焼室１４に近い下流側に配置することができる。そうすると、低出力時におけるバルブオーバーラップの際に、燃焼室１４から吸気ポートへの既燃ガスの逆流とこれに伴う排気ポートから燃焼室への逆流が低減されることで、燃焼室内に残留する既燃ガスが低減され、燃焼が安定すると共に、熱効率が向上する。また、スロットル急開時に吸気ポートの内圧が速やかに回復し、エンジン４の応答性を良好にできる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るエンジン装置１０１の要部平面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図７に示すように、第２実施形態のエンジン装置１０１のスロットル装置１０５では、第１スロットル軸２５は、アクセル操作子２とワイヤＷで接続されており、運転者によるアクセル操作子２の動きに連動して回動する。即ち、第１スロットル弁２３は、アクセル操作子２の動きに機械的に連動して開閉する。第１スロットル軸２５には、第１スロットル弁２３の開度を検出するスロットル開度センサ１０３が設けられている。

第２スロットル軸２６には、第２スロットル弁２４を回動させて第２吸気通路２２を開閉する電気モータ２８が接続されている。ＥＣＵ１０６は、スロットル開度センサ１０３で検出される第１スロットル弁２３の開度に応じて電気モータ２８を制御する。即ち、ＥＣＵ１０６は、運転者によるアクセル操作子２の操作量に応じて第２スロットル弁２４の開度を制御する。

図８は、図７に示すエンジン装置１０１のアクセル操作量と各スロットル開度との関係を示すグラフである。図８に示すように、ＥＣＵ１０６は、アクセル操作量が所定の低出力範囲にある場合には、アクセル操作量が所定の高出力範囲にある場合に比べ、第２吸気ポート１６の流量に対する第１吸気ポート１５の流量の割合が大きくなるように電気モータ２８を制御する。具体的には、全出力域において、第１スロットル弁２３の開度は、アクセル操作子２の操作量の増加に機械的に連動して増加する。第２スロットル弁２４は、低出力域では全閉のままとなる。中高出力域ではアクセル操作量の増加に伴って滑らかに開度が増加する。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよく、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。前述した実施形態では、第１連動機構として、第１スロットル軸２５を例示したが、複数の第１スロットル軸２５同士を連動させるものであれば他のものでもよい（第２連動機構も同様である。）。エンジン４として多気筒エンジンを例示したが、単気筒エンジンであってもよい。スロットル装置５，１０５は、第１スロットル軸２５及び第２スロットル軸２６を一体に保持するボディを有するものでもよいし、第１スロットル軸２５を保持するボディと第２スロットル軸２６を保持するボディとを個別に有するものでもよい。エンジン装置１の適用対象は、自動二輪車に限られず、他の乗物でもよい。

１，１０１ エンジン装置
４，１０４ エンジン
６，１０６ ＥＣＵ（制御器）
１１ 第１気筒
１２ 第２気筒
１３ ピストン
１４ 燃焼室
１５ 第１吸気ポート
１６ 第２吸気ポート
２１ 第１吸気通路
２２ 第２吸気通路
２３ 第１スロットル弁
２４ 第２スロットル弁
２５ 第１スロットル軸（第１連動機構）
２６ 第２スロットル軸（第２連動機構）
Ｈ 仮想線
Ｌ１，Ｌ２ 直線
Ｘ１，Ｘ２ 流路軸線

Claims (6)

1. １つの燃焼室に第１吸気ポート及び第２吸気ポートが連通してなり、前記燃焼室内での混合気の燃焼によりピストンが往復動する少なくとも１つの気筒を有するエンジンと、
   前記第１吸気ポートに連通する第１吸気通路を開閉する少なくとも１つの第１スロットル弁と、
   前記第２吸気ポートに連通する第２吸気通路を開閉する少なくとも１つの第２スロットル弁と、
   アクセル操作量に応じて前記第１スロットル弁及び前記第２スロットル弁の少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する制御器と、を備え、
   前記ピストンの往復方向に直交し且つ前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートが並ぶ方向である側方向から見て、前記第１吸気ポートの流路軸線と前記第２吸気ポートの流路軸線とは、互いに異なる姿勢に設定されており、
   前記制御器は、前記アクセル操作量に応じて前記第１吸気ポートの流量と前記第２吸気ポートの流量との比を変更するように前記少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する、エンジン装置。
2. 前記側方向から見て、前記第１吸気ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線は、前記第２吸気ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりも、前記往復方向に直交する仮想線の角度に近い角度に設定されている、請求項１に記載のエンジン装置。
3. 前記第２吸気ポートの流路軸線の最大曲率は、前記第１吸気ポートの流路軸線の最大曲率よりも小さい、請求項２に記載のエンジン装置。
4. 前記少なくとも１つの気筒は、並列配置された複数の気筒を含み、
   前記少なくとも１つの第１スロットル弁は、前記複数の気筒の前記第１吸気ポートに夫々対応する複数の第１スロットル弁を含み、
   前記少なくとも１つの第２スロットル弁は、前記複数の気筒の前記第２吸気ポートに夫々対応する複数の第２スロットル弁を含み、
   前記第１スロットル弁と前記第２スロットル弁とは、前記側方向から見て互いの位置がずれており、
   前記複数の第１スロットル弁は、前記第２吸気通路の外部を通過する第１連動機構により互いに連結されており、
   前記複数の第２スロットル弁は、前記第１吸気通路の外部を通過する第２連動機構により互いに連結されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジン装置。
5. 前記往復方向に直交する方向において、前記第２スロットル弁の中心と前記気筒の中心との間の距離は、前記第１スロットル弁の中心と前記気筒の中心との間の距離よりも小さい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン装置。
6. 前記制御器は、前記アクセル操作量が所定の低出力範囲にある場合には、前記アクセル操作量が所定の高出力範囲にある場合に比べ、前記第２吸気ポートの流量に対する前記第１吸気ポートの流量の割合が大きくなるように、前記少なくとも一方のスロットル弁の開度を制御する、請求項１乃至５のいずれ１項に記載のエンジン装置。

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