JP2022123561A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制する。
【解決手段】内燃機関の吸気装置は、１つの気筒に対して設けられた第１および第２吸気ポート１０，２０と、第１および第２吸気ポートにそれぞれ下流端が接続された第１および第２吸気通路１１，２１と、第１および第２吸気通路の上流端がそれぞれ接続された切替弁３０と、切替弁に下流端が接続された入口側通路４０とを備える。切替弁は、入口側通路から送られてきた吸気を第１吸気通路および第２吸気通路の両方に分配する第１位置Ｐ１と、第１吸気通路に供給し第２吸気通路に供給しない第２位置と、第１および第２吸気通路のいずれにも供給しない第３位置とに切り替え可能である。
【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の吸気装置に関する。

内燃機関において、吸気通路に設けられて吸気流量を調整する吸気スロットルバルブが公知である。また、１つの気筒に設けられた２つの吸気ポートのうち、一方に通じる吸気通路のみを開閉して、シリンダ内のスワール比を調整するスワールバルブも公知である。

特開平１１－２１５８号公報

こうした、吸気流量とスワール比の両方を調整可能な内燃機関の場合、吸気スロットルバルブとスワールバルブの両方が設けられるのが一般的である。しかし、２種類のバルブを設ける必要があるため、自ずと製造コストが増加してしまう。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、製造コストを抑制できる内燃機関の吸気装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
１つの気筒に対して設けられた第１吸気ポートおよび第２吸気ポートと、
前記第１吸気ポートおよび前記第２吸気ポートにそれぞれ下流端が接続された第１吸気通路および第２吸気通路と、
前記第１吸気通路および前記第２吸気通路の上流端がそれぞれ接続された切替弁と、
前記切替弁に下流端が接続された入口側通路と、
を備え、
前記切替弁は、
前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路および前記第２吸気通路の両方に分配する第１位置と、
前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路に供給し、前記第２吸気通路に供給しない第２位置と、
前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路および前記第２吸気通路のいずれにも供給しない第３位置と、
に切り替え可能である
ことを特徴とする内燃機関の吸気装置が提供される。

好ましくは、前記吸気装置は、前記第１吸気通路に下流端が接続されたＥＧＲ通路を備える。

好ましくは、前記第１吸気通路に、前記切替弁から送られてきた吸気を、前記ＥＧＲ通路の出口から排出されたＥＧＲガスに向かって指向させるための案内部が設けられる。

好ましくは、前記案内部は、前記ＥＧＲ通路の出口に対向する前記第１吸気通路の内壁に設けられた突起により形成される。

好ましくは、前記突起は、前記第１吸気通路の吸気流れ方向において前記ＥＧＲ通路の出口より下流側に位置される。

好ましくは、前記突起は、前記第１吸気通路の下流側に向かうにつれ前記第１吸気通路の内壁からの突出量が徐々に大きくなるように凹状に湾曲された案内面を有する。

好ましくは、前記切替弁はバタフライ弁からなる。

本開示によれば、製造コストを抑制できる。

切替弁が第１位置にあるときの内燃機関を示す概略図である。 切替弁が第２位置にあるときの内燃機関を示す概略図である。 切替弁が第３位置にあるときの内燃機関を示す概略図である。 吸気装置の構成を模式的に示す斜視図である。 ＥＧＲ通路の出口と案内部との周辺の構成を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１に、本実施形態の内燃機関を概略的に示す。内燃機関（エンジンともいう）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関であり、具体的には直列４気筒ディーゼルエンジンである。車両はトラック等の大型車両である。但し内燃機関および車両の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えばエンジンは火花点火式内燃機関（例えば天然ガスエンジンまたはガソリンエンジン）であってもよいし、車両は乗用車等の小型車両であってもよい。エンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。

便宜上、前後左右上下の各方向を図示の通り定める。但しこれら各方向が説明の便宜上定められたものに過ぎない点に留意されたい。本実施形態において、各方向は車両の各方向と概ね一致するが、一致しなくてもよい。エンジン１は車両に縦置きされ、クランクシャフトの中心軸Ｃは前後方向に延びている。以下特に断らない限り、中心軸Ｃの方向を単に軸方向という。

エンジン１は、＃１～＃４の４つの気筒を備える。これら４つの気筒は、軸方向に等間隔で配置される。１つの気筒に２つの吸気ポート、すなわち第１吸気ポート１０と第２吸気ポート２０が設けられる。これら第１吸気ポート１０と第２吸気ポート２０は気筒毎に設けられる。第１吸気ポート１０と第２吸気ポート２０は、シリンダヘッド内に形成され、対応気筒から右側に向かって延び、その入口がシリンダヘッドの右側面にて開放されている。

便宜上、軸方向の前側（一端側）から後側（他端側）に向かって順番に、第１吸気ポート１０と第２吸気ポート２０に番号を付す。＃１～＃４気筒の第１吸気ポート１０には奇数番１，３，５，７が付され、＃１～＃４気筒の第２吸気ポート２０には偶数番２，４，６，８が付される。

本実施形態の吸気装置は、第１吸気ポート１０および第２吸気ポート２０と、第１吸気ポート１０および第２吸気ポート２０にそれぞれ下流端が接続された第１吸気通路１１および第２吸気通路２１と、第１吸気通路１１および第２吸気通路２１の上流端がそれぞれ接続された切替弁３０と、切替弁３０に下流端が接続された入口側通路４０とを備える。

第１吸気通路１１は、上流側の第１集合通路１２と、第１集合通路１２から分岐された下流側の第１分岐通路１３とを有する。第１分岐通路１３は各気筒に対応して４つ設けられ、それぞれの下流端が各気筒の第１吸気ポート１０（すなわち奇数番ポート）の入口に接続される。

第２吸気通路２１も同様に、上流側の第２集合通路２２と、第２集合通路２２から分岐された下流側の第２分岐通路２３とを有する。第２分岐通路２３は各気筒に対応して４つ設けられ、それぞれの下流端が各気筒の第２吸気ポート２０（すなわち偶数番ポート）の入口に接続される。

切替弁３０は、本実施形態ではバタフライ弁からなり、球形のバルブ室３１Ａを画成するバルブボディ３１と、バルブボディ３１内で支持軸３２を中心に回動可能な円板状の弁体３３とを有する。弁体３３は支持軸３２に固定され、この支持軸３２が外部のアクチュエータ（図示せず）により回動されることで、弁体３３の角度位置が変更される。アクチュエータは、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラをなす電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００により制御される。これにより実質的に、弁体３３ないし切替弁３０の位置がＥＣＵ１００によって制御される。

入口側通路４０は、エアクリーナ（図示せず）から吸入された吸気を切替弁３０に導入するための通路である。ターボチャージャ付きエンジンの場合、コンプレッサによって過給された吸気が入口側通路４０を通じて切替弁３０に導入される。

支持軸３２を中心とした角度を考えた場合、第１集合通路１２の上流端と第２集合通路２２の上流端とは、互いの間にθ１の角度をなすように、バルブボディ３１に接続される。本実施形態の場合、θ１は約９０°である。また、入口側通路４０の下流端は、第１集合通路１２の上流端との間にθ２の角度をなし、第２集合通路２２の上流端との間にθ３の角度をなすように、バルブボディ３１に接続される。ここでθ２とθ３は等しくなく、θ２はθ３より小さい。これにより、以下に述べる切替弁３０の各位置を好適に実現することができる。

切替弁３０は、入口側通路４０から送られてきた吸気を第１吸気通路１１および第２吸気通路２１の両方に分配する第１位置Ｐ１（図１参照）と、入口側通路４０から送られてきた吸気を第１吸気通路１１に供給し、第２吸気通路２１に供給しない第２位置Ｐ２（図２参照）と、入口側通路４０から送られてきた吸気を第１吸気通路１１および第２吸気通路２１のいずれにも供給しない第３位置Ｐ３（図３参照）とに切り替え可能である。

図１に示すように、切替弁３０が第１位置Ｐ１にあるとき、入口側通路４０から送られてきた吸気は、弁体３３の表裏面に案内されて、第１吸気通路１１および第２吸気通路２１の両方に均等に分配される。弁体３３は、入口側通路４０の出口を二等分し、第１集合通路１２の入口と第２集合通路２２の入口とを全開するような角度位置に位置される。これにより、各気筒内には、第１吸気ポート１０と第２吸気ポート２０から同量ずつの吸気が導入される。

この第１位置Ｐ１から弁体３３を反時計回りに回動させることにより、切替弁３０を図２に示すような第２位置Ｐ２にすることができる。切替弁３０が第２位置Ｐ２にあるとき、入口側通路４０から送られてきた吸気は、第１吸気通路１１に全量供給され、第２吸気通路２１には供給されない。

ここで、通常の吸気スロットルバルブと同様、バルブボディ３１と弁体３３の間には、最小の隙間が常時形成されている。「吸気が供給されない」とは、この最小隙間を通じてのみ吸気の供給が許容されることを意味する。従って吸気の供給が全く許容されないことを意味するのではない。同様に、「吸気が全量供給される」とは、最小隙間を通じた量を差し引いた残りの量の吸気が供給されることを意味する。

弁体３３は、入口側通路４０の出口と第１集合通路１２の入口とを全開し、第２集合通路２２の入口を全閉するような角度位置に位置される。これにより、各気筒内には、第１吸気ポート１０を通じた吸気のみが導入される。第１吸気ポート１０の出口は、シリンダ中心Ｏよりも前方の位置で、気筒内に向かって略接線方向に開放されている。そのため、第１吸気ポート１０のみから気筒内に吸気が導入されると、気筒内にはシリンダ中心Ｏ周りに旋回するスワールＳが生成される。

第２位置Ｐ２から弁体３３を反時計回りに回動させることにより、切替弁３０を図３に示すような第３位置Ｐ３にすることができる。切替弁３０が第３位置Ｐ３にあるとき、入口側通路４０から送られてきた吸気は、第１吸気通路１１および第２吸気通路２１のいずれにも供給されない。弁体３３は、入口側通路４０の出口を全開するが、第１集合通路１２の入口と第２集合通路２２の入口とを全閉するような角度位置に位置される。これにより、各気筒内には、最小隙間を通じた最小流量の吸気のみが供給される。

図１に戻って、本実施形態の吸気装置は、第１吸気通路１１に下流端が接続されたＥＧＲ通路５０を備える。ここでＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）とは排気再循環の略称である。ＥＧＲ通路５０の上流端は排気マニホールド５１に接続される。ＥＧＲ通路５０は、排気の一部（ＥＧＲガスという）を吸気側に環流させる。ＥＧＲ通路５０には上流側から順にＥＧＲクーラ５２とＥＧＲ弁５３が設けられる。ＥＧＲ弁５３もＥＣＵ１００により制御される。

ＥＧＲ通路５０は、切替弁３０の直後の位置で第１集合通路１２内に開口された出口５４を有する。そして第１集合通路１２には、切替弁３０から送られてきた吸気を、ＥＧＲ通路５０の出口５４から排出されたＥＧＲガスに向かって指向させるための案内部５５が設けられる。

図４には、本実施形態の吸気装置の構成を模式的に示す。図５には、ＥＧＲ通路５０の出口５４と案内部５５との周辺の構成を示す。

図示するように、案内部５５は、ＥＧＲ通路５０の出口５４に対向する第１集合通路１２の内壁５６に設けられた突起５７により形成される。突起５７は、その内壁５６から出口５４側に向かって突出され、最大突出量である高さＨを有する。高さＨは、第１集合通路１２の内径等を考慮して適宜設定される。

突起５７は、第１集合通路１２の下流側に向かうにつれ内壁５６からの突出量が徐々に大きくなるように凹状に湾曲された案内面５８を有する。この案内面５８により、吸気ａの流れが滑らかに湾曲されて、出口５４から排出されたＥＧＲガスｂの流れにスムーズに合流される。

突起５７は、第１集合通路１２の吸気ａ流れ方向においてＥＧＲ通路５０の出口５４より下流側に位置される。言い換えれば、突起５７は、第１集合通路１２の吸気ａ流れ方向においてＥＧＲ通路５０の出口５４より下流側に位置された部分を有する。これにより、出口５４から排出されて直角に曲がったＥＧＲガスｂに対して、近い向きで吸気ａを合流させることができ、合流をスムーズになすことができる。

本実施形態では、略直角三角形の断面形状を有した部材により突起５７を形成した。しかしながら、突起５７の構成は変形可能であり、例えば舌片板状の部材により突起を形成してもよい。四角形の断面形状を有した部材により段差状の突起を形成してもよい。本実施形態の突起５７は、図５に示すように、第１集合通路１２の吸気ａ流れ方向（図中右側から左側に向かう方向）において、ＥＧＲ通路５０の出口５４の略中心部の位置から、出口５４から所定距離下流側の位置までの範囲内に設けられる。

上述の第１吸気通路１１および第２吸気通路２１と、切替弁３０と、入口側通路４０とは、同一の吸気マニホールドに一体的に設けることができる。

また各気筒には２つの排気ポート、すなわち第１排気ポート６０と第２排気ポート７０が設けられる。これら排気ポート６０，７０には周知の排気マニホールド５１が接続される。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態によれば、単一の切替弁３０により、吸気スロットルバルブとスワールバルブの両方を設けた場合と同等の機能を発揮できる。すなわち、切替弁３０を図１に示すような第１位置Ｐ１にすることにより、スワールバルブ開（スワール発生無し）で吸気スロットルバルブを全開にしたときと同様の状態を達成できる。

また、切替弁３０を図２に示すような第２位置Ｐ２にすることにより、吸気スロットルバルブ全開でスワールバルブ閉（スワール発生有り）にしたときと同様の状態を達成できる。

また、切替弁３０を図３に示すような第３位置Ｐ３にすることにより、吸気スロットルバルブを全閉にしたときと同様の状態を達成できる。

よって本実施形態によれば、吸気スロットルバルブとスワールバルブという２種類のバルブを設ける必要が無くなり、製造コストを抑制することができる。

因みに、エンジン停止時に切替弁３０を第３位置Ｐ３にするタイミングを制御することにより、エンジンの回転が停止したときのクランク角を制御できるメリットがある。すなわち、イグニッションスイッチをオフして燃料噴射を停止すると、エンジンは惰性回転後に停止する。一方、エンジン始動時にセルモータのスピンドルがフライホイールのリングギアに噛み合う際、スピンドルがリングギアに衝突する。リングギアの同じ位置にスピンドルが高頻度で衝突すると、その位置のギアに異常摩耗等が発生し、始動不良が起こる可能性がある。そこで本実施形態では、イグニッションスイッチオフ後に切替弁３０を第３位置Ｐ３にするタイミングを制御することにより、エンジンの回転が停止したときのクランク角をエンジン停止時毎に変化させる。これにより、スピンドルが噛み合うリングギアの位置をエンジン始動時毎に変化させることができ、リングギアの特定位置におけるギアの異常摩耗等や始動不良を抑制できる。

また本実施形態では、案内部５５を設けたので、ＥＧＲガスｂを吸気ａに良好に混合して各気筒に均等に分配できる。すなわち、図５に示すように、ＥＧＲ通路５０の出口５４の上流側から送られてきた吸気ａは、案内部５５に案内されて、ＥＧＲ通路５０の出口５４から出たＥＧＲガスｂに向かって曲げられ、そのＥＧＲガスｂに合流する。このときに吸気ａとＥＧＲガスｂが攪拌混合され、両者が均等に混合される。この後、両者の混合気は第１分岐通路１３を通じて各気筒に均等に分配される。これによりＥＧＲガスの気筒間ばらつきを無くし、全気筒で良好な燃焼状態を実現できる。

本実施形態の切替弁３０は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の間の中間位置も取ることもできる。第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に向かって弁体３３を反時計回りに回動させることにより、第１吸気ポート１０の吸気の分配比を第２吸気ポート２０の吸気の分配比よりも増加させ、同時にスワール比も増加させていくことができる。

また本実施形態の切替弁３０は、第２位置Ｐ２と第３位置Ｐ３の間の中間位置も取ることもできる。第２位置Ｐ２から第３位置Ｐ３に向かって弁体３３を反時計回りに回動させることにより、吸気流量とスワール比を同時に減少していくことができる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。例えば、切替弁３０はバタフライ弁に限らず、他の種類の弁（例えばスプール弁、シャッター弁等）からなってもよい。また案内部５５は、突起５７以外のもので形成してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０ 第１吸気ポート
１１ 第１吸気通路
２０ 第２吸気ポート
２１ 第２吸気通路
３０ 切替弁
４０ 入口側通路
５０ ＥＧＲ通路
５４ 出口
５５ 案内部
５６ 内壁
５７ 突起
５８ 案内面
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置

Claims (7)

1. １つの気筒に対して設けられた第１吸気ポートおよび第２吸気ポートと、
   前記第１吸気ポートおよび前記第２吸気ポートにそれぞれ下流端が接続された第１吸気通路および第２吸気通路と、
   前記第１吸気通路および前記第２吸気通路の上流端がそれぞれ接続された切替弁と、
   前記切替弁に下流端が接続された入口側通路と、
   を備え、
   前記切替弁は、
   前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路および前記第２吸気通路の両方に分配する第１位置と、
   前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路に供給し、前記第２吸気通路に供給しない第２位置と、
   前記入口側通路から送られてきた吸気を前記第１吸気通路および前記第２吸気通路のいずれにも供給しない第３位置と、
   に切り替え可能である
   ことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記第１吸気通路に下流端が接続されたＥＧＲ通路を備える
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記第１吸気通路に、前記切替弁から送られてきた吸気を、前記ＥＧＲ通路の出口から排出されたＥＧＲガスに向かって指向させるための案内部が設けられる
   請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記案内部は、前記ＥＧＲ通路の出口に対向する前記第１吸気通路の内壁に設けられた突起により形成される
   請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記突起は、前記第１吸気通路の吸気流れ方向において前記ＥＧＲ通路の出口より下流側に位置される
   請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記突起は、前記第１吸気通路の下流側に向かうにつれ前記第１吸気通路の内壁からの突出量が徐々に大きくなるように凹状に湾曲された案内面を有する
   請求項４または５に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 前記切替弁はバタフライ弁からなる
   請求項１～６のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気装置。

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