JP4037352B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば自動車用の内燃機関への吸気量を制御する内燃機関の吸気装置に関するものである。

従来、吸気集合管と、この吸気集合管に一端部が接続され他端部が各シリンダにそれぞれ接続された複数個の吸気管と、各吸気管に設けられ前記シリンダに設けられた吸気弁を通じて各シリンダ内に供給する空気量を制御する制御弁であるバタフライ弁とを備え、バタフライ弁を回動して吸気管内の吸気通路面積を制御して各シリンダへの吸気量を電子的に制御する内燃機関の吸気装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の内燃機関の吸気装置は、吸気集合管にバタフライ弁を設けた吸気装置と比較して、バタフライ弁を各吸気管にそれぞれ配置することで、バタフライ弁と各シリンダの吸気弁との間の吸気管内の独立吸気管容積が減少し、またその独立吸気管容積が吸気管毎に独立性を持つため、吸気行程終了後の吸気管内の前記容積内の圧力回復が早まる。そのため、ポンプ損失の低減効果が著しく、燃費効率が向上する。

特開平４−３５０３２４号公報（図１）

この内燃機関の吸気装置では、独立吸気管容積が最適空間容積以下の場合、独立吸気管容積の不足のため、吸気行程開始時は最適空間容積と同様に略大気圧の状態からシリンダ内への吸気が行われるものの、ピストンの下動により吸気管側の負圧が大きくなるために、大気圧であるクランク側との間で、ピストンの下動を妨げる差圧が生じる結果、ポンプ損失が増大してしまう。
また、独立吸気管容積が最適空間容積以上の場合でも、最適空間容積分だけの空気が独立吸気管内に供給されるため独立吸気管内の圧力が大気圧よりも始めから低下するため、吸気行程開始時から大気圧であるクランク側との間で、ピストンの下動を妨げる差圧が生じる結果、ポンプ損失が増大してしまう。
従って、ポンプ損失を低減するためには、独立吸気管容積を最適空間容積で運転する必要性があるが、この最適空間容積は内燃機関の運転状態で変化するので、独立吸気管容積が、吸気管内に取り付けられたバタフライ弁の位置で定められた内燃機関の吸気装置では、ある運転状況によりポンプ損失の低減効果が大きくなったり小さくなったりして、常に最適なポンプ損失低減効果を得ることは困難であり、ある運転条件下でしか高いポンプ損失の低減効果が得られないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、運転状態が変化しても、その変化に対応することでポンプ損失低減効果を得ることができ、燃費を節減することができる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

この発明に係る内燃機関の吸気装置は、吸気集合管と、この吸気集合管に一端部が接続され他端部が各シリンダにそれぞれ接続された複数個の吸気管と、各前記吸気管にそれぞれ設けられ、前記吸気集合管から吸気管を通じて前記シリンダに設けられた吸気弁を通ってシリンダ内に供給される空気量を制御する制御弁と、この制御弁と前記吸気弁との間で前記吸気管に連通して設けられ、制御弁と吸気弁との間の空間容積を吸気量及び機関回転数から算出される各前記シリンダの空気の充填効率に応じて制御弁と吸気弁との間の空間容積が一定である内燃機関の吸気装置と比較したときのポンプ損失の低減効果が最大となるよう調整する空間容積調整手段とを備えたものである。

この発明に係る内燃機関の吸気装置は、運転状態が変化してもその変化に対応することでポンプ損失低減効果を得ることができ、燃費を節減することができる。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、同一または相当の部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の内燃機関の吸気装置（以下、吸気装置と呼ぶ）の構成図である。
この吸気装置は、吸気集合管（図示せず）と、この吸気集合管に一端部が接続され他端部が各シリンダ１にそれぞれ接続された複数個の吸気管３と、各吸気管３にそれぞれ設けられ、吸気集合管から吸気管３を通じてシリンダ１に設けられた吸気弁２を通ってシリンダ１内に供給する空気量を制御する制御弁であるバタフライ弁４と、このバタフライ弁４と吸気弁２との間で吸気管３に連通して設けられバタフライ弁４と吸気弁２との間での空間容積を調整可能にした空間容積調整手段５と、各吸気管３にそれぞれ設けられた空間容積調整手段５を駆動させる駆動装置１０と、この駆動装置１０を駆動制御するコントロールユニット１１と、バタフライ弁４の上流側で吸気管３に取り付けられた流量センサ１２と、コントロールユニット１１に接続された機関回転数センサ１３とを備えている。
空間容積調整手段５は、空気孔９を有する円筒形状のケース６と、このケース６の中心軸線に沿って延びた回動軸７と、この回動軸７に固定され回動軸７の回動とともに回動する可動板８とを備えている。ケース６の内壁面と可動板８の先端面との間には両者間での気密性を確保するための潤滑油が施されている。なお、ケースの形状は、円筒形状に限定されるものではなく、例えば球状であってもよい。

コントロールユニット１１には、流量センサ１２からの吸気量検出信号と機関回転数センサ１３からの回転数検出信号を基づいて計算される各シリンダ１の空気の充填効率をパラメータとした空間容積マップが組み込まれている。この空間容積マップでは、バタフライ弁４と吸気弁２との間での最適空間容積が予め実験等で作成されており、各シリンダ１の充填効率が増加する程最適空間容積は大きい。
なお、符号１４は燃料噴射弁、１５は排気弁、１６はシリンダ１内を上下動するピストン、１７はピストン１６に連結されたクランクである。

図２は容積比率とポンプ損失低減率との関係を、シリンダ１内の空気の充填効率をパラメータとして示した図であり、発明者が実験により求めたものである。ここで、容積比率とは、シリンダ１の行程容積に対する前記空間容積（バタフライ弁４と吸気弁２との間の吸気管３内の一定空間と、吸気管３に連通したケース６内の変動空間との合計空間容積）の比である。また、ポンプ損失低減率とは、次式で求めた値である。

この図２から、バタフライ弁と吸気弁との間での独立吸気管容積が一定である従来の内燃機関の吸気装置と比較して、この実施の形態の吸気装置ではポンプ損失低減率が向上し、またその効果の大きさも容積比率に対しポンプ損失低減率は山形に変化し、ポンプ損失低減率が最大となる容積比率（Ｉ、ＩＩ 以下、最適空間容積と称す）を有することが分かる。また、最適空間容積の値はシリンダ１の空気の充填効率が大きくなると大きくなることが分かる。

上記構成の内燃機関の吸気装置では、流量センサ１２から吸気量検出信号、機関回転数センサ１３から回転数検出信号がコントロールユニット１１に入力される。コントロールユニット１１では、吸気量検出信号および回転数検出信号から各シリンダ１の空気の充填効率を演算し、それをパラメータとして空間容積マップを参照することで最適空間容積値を決定する。
決定された最適空間容積値を基にコントロールユニット１１から駆動装置１０に空間容積制御信号が送られ、駆動装置１０が回動軸７を駆動することで、可動板８は、図１中のポイントＡ、Ｂ間の矢印イで示される運動により目標位置まで移動する。因みに、ポイントＢは、アイドル運転時において最適空間容積となる位置である。
可動板８の回動に際しては、ケース６の空気孔９を通じてケース６の外部の空気と呼吸し、可動板８は円滑に回動する。
なお、吸気弁２が開いている時に可動板８を移動させると、バタフライ弁４で調節した吸気量よりも多い、又は少ない吸気量がシリンダ１内に流入してしまうため、吸気量制御が困難となる。そのため、吸気弁２が閉じている時に可動板８を回動させてケース６内の容積を変更することで、可動板８の回動による各シリンダ１への空気の吸気量の影響を防止している。

上記構成の内燃機関の吸気装置によれば、バタフライ弁４と吸気弁２との間で吸気管３に連通して設けられ、バタフライ弁４と吸気弁２との間での空間容積を調整可能にした空間容積調整手段５を設けたので、運転状況の変化に応じて前記空間容積を変えることでポンプ損失低減率を高めることができる。
また、空間容積がそれぞれ独立に変えることができるので、これにより各シリンダ１間の吸気量のバラツキに対しても各吸気管３毎にそれぞれ独立した最適空間容積に変えることが可能となり、またレイアウトの自由度が高い。

なお、上記実施の形態では、駆動装置１０を駆動させて可動板８を回動させていたが、駆動装置１０の代わりに、例えば空間容積制御信号によりエアポンプを駆動し、このエアポンプで空気を空気孔９を通じてケース６内に送ることで、可動板８を回動させるようにしてもよい。
また、例えば４シリンダの内燃機関において２シリンダ分の可動板を一本の回動軸で連結したときには、二つの吸気管の空間容積を連動して一度に可変とすることができるので、可動板を回動させるための駆動装置を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。
また、流量センサ１２は、各シリンダ１への吸気量が等しいときには、吸気集合管の上流に単数だけ設置してもよい。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２の吸気装置の空間容積調整手段２０の要部構成図である。
この空間容積調整手段２０は、吸気管３に連結されているとともに空気孔２３を有する円筒形状のケース２１と、このケース２１内を上下に摺動可能な可動板２２と、先端部がこの可動板２２に固定され軸線方向に伸縮可能な可変長ロッド２４と、この可変長ロッド２４の基端部が固定され可変長ロッド２４を伸縮させる駆動装置２５とを備えている。ケース２１の内壁面と可動板２２の外周端面との間には、両者間の気密性を確保するための潤滑剤が施されている。
なお、ケース２１は、中空である四角柱形状であってもよい。

この吸気装置では、コントロールユニット１１から駆動装置２５へ空間容積制御信号が送られ、その信号により駆動装置２５が可変長ロッド２４の長さを変化させる。これによって、可動板２２は図中の矢印ロに示すように直線方向に移動し、吸気管３に連通する側のケース２１内の容積は目標値まで変化する。

この実施の形態では、ケース２１の容積が同一のまま、図中の幅寸法Ｗの値および高さ寸法Ｈの値を変化させることにより、容積変化の応答性や可変容積精度を変更することができる。
即ち、例えば幅寸法Ｗを長くし、高さ寸法Ｈを短くすることで、可動板２２の単位移動長さに対する吸気管３に導通する側のケース２１の容積変化率が大きくなって応答性が高くなるが、可変容積精度は低くなる。これに対して、高さ寸法Ｈを長くし、幅寸法Ｗを短くすると可変容積精度は高くなるが、容積変化の応答性は低くなる。
これにより内燃機関のコンセプトに従って可変容積精度と容積変化の応答性のどちらをより重視するかをレイアウトの許す範囲で自由に設定可能となる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３の吸気装置の空間容積調整手段３０の要部構成図である。
この空間容積調整手段３０は、吸気管３１のうち、バタフライ弁４と吸気弁２との間で径方向に突出して形成された突出拡大部３２と、この突出拡大部３２内に設けられた支持部材３３と、この支持部材３３に１８０度回動可能に設けられた一対の円板状の切替弁３４、３５とを備えている。

この吸気装置では、コントロールユニット１１から支持部材３３の内部に設けられた駆動装置（図示せず）に切替弁制御信号が送られ、その信号により駆動装置が駆動し、切替弁３４、３５は図中の矢印ハに示すように回動する。
この結果、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、空間容積調整手段３０の空間容積は３パターンに切り替えられる。
図５（ａ）は切替弁３４、３５が支持部材３３の受け部３３ａに収まっているときの図であり、図５（ｂ）は切替弁３４、３５が受け部３３ａから離れ９０度回動して突出拡大部３２の内部空間を塞いでいるときの図である。また、図５（ｃ）は切替弁３４、３５が受け部３３ａから離れ１８０度回動してときの図である。

この実施の形態では、空間容積調整手段３０の空間容積の切替パターンは、３パターンであるので、コントロールユニット１１での空気の充填効率をパラメータとした空間容積マップの最適容積空間は実施の形態１および２と比較して小さくなる。
また、切替弁３４、３５を制御するためにコントロールユニット１１から発信される切替弁制御信号は３パターンで、切替弁３４、３５に同信号を送信して制御することが可能であるので、実施の形態１および２と比較して非常に簡単な制御でよい。

この実施の形態では、内燃機関の運転状態の大部分が数パターンの可変容積で高いポンプ損失低減効果を得られる場合や、例えばポンプ損失の大きな低負荷領域の空間容積制御の運転状態を重視する場合には、実施の形態１、２とほぼ同等もしくはそれに近いポンプ損失低減効果を、より低コストでかつ簡単な制御で得ることができる。
なお、空間容積調整手段３０をバタフライ弁４と吸気弁２との間に複数設置することで空間容積の切替パターンを増加させることができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４の吸気装置の要部構成図である。
この吸気装置は、吸気管３内に制御弁である第１のバタフライ弁４１、第２のバタフライ弁４２および第３のバタフライ弁４３が設けられている。
この実施の形態では、第２のバタフライ弁４２および第３のバタフライ弁４３の開度を全開とすることで、作動制御弁である第１のバタフライ弁４１と吸気弁２との間の吸気管３内の空間容積が独立吸気管容積となる。同様にして第１のバタフライ弁４１および第３のバタフライ弁４３の開度を全開とすることで、作動制御弁である第２のバタフライ弁４１と吸気弁２との間の吸気管３内の空間容積が独立吸気管容積となる。また、第１のバタフライ弁４１および第２のバタフライ弁４２の開度を全開とすることで、作動制御弁である第３のバタフライ弁４３と吸気弁２との間の吸気管３内の空間容積が独立吸気管容積となる。第３のバタフライ弁４３は、その設置位置により最小となる独立吸気管容積を決定することになり、アイドル運転時の最適空間容積となる位置となる。

この吸気装置では、コントロールユニット１１は実施の形態１〜３と同様の空間容積マップを持ち、独立吸気管容積制御信号として第１のバタフライ弁４１、第２のバタフライ弁４２および第３のバタフライ弁４３にそれぞれ開度調節信号を送信し、例えば第１のバタフライ弁４１を作動空気量制限手段とする場合は、第１のバタフライ弁４１には吸気量制限のための開度調節信号を、そして第２のバタフライ弁４２および第３のバタフライ弁４３には開度を全開とする開度調節信号を送信することで独立吸気管容積可変制御を行うことができる。

この実施の形態によれば、実施の形態３と同様にそれぞれの吸気管の空間容積制御が簡単であり、かつ実施の形態１〜３のように新たに空間容積調整手段５、２０、３０を設ける必要がないので、新たなスペースを確保する必要がない。
また、内燃機関の運転状態の大部分が数パターンの空間容積パターンで高いポンプ損失低減効果を得られる場合や、例えばポンプ損失の大きな低負荷領域の空間容積制御を重視する場合での利用が期待でき、実施の形態１、２とほぼ同等もしくはそれに近いポンプ損失低減効果を、より低コストでかつ簡単な制御で得ることができる。
また、バタフライ弁の設置数を増加させることで、空間容積の切替パターンを増加させることができる。
なお、上記各実施の形態では、自動車の内燃機関について説明したが、例えば船外機の内燃機関の吸気装置であってもよい。
また、制御弁としてバタフライ弁について説明したが、これ以外の開閉弁であってもよい。

この発明の実施の形態１の内燃機関の吸気装置の構成図である。 容積比率とポンプ損失低減率との関係を、シリンダ内の空気充填効率をパラメータとして示した図である。 この発明の実施の形態２の内燃機関の吸気装置の空間容積調整手段の要部構成図である。 この発明の実施の形態３の内燃機関の吸気装置の空間容積調整手段の要部構成図である。 （ａ）は図４の切替弁が支持部材の受け部に収まっているときの図、（ｂ）は切替弁が受け部から離れ９０度回動して突出拡大部の内部空間を塞いでいるときの図、（ｃ）は切替弁が受け部から離れ１８０度回動してときの図である。 この発明の実施の形態４の内燃機関の吸気装置の要部構成図である

符号の説明

１ シリンダ、２ 吸気弁、３，３１ 吸気管、４ バタフライ弁（制御弁）、５，２０，３０ 空間容積調整手段、６，２１ ケース、７ 回動手段、８，２２ 可動板、９，２３ 空気孔、１０，２５ 駆動装置、１１ コントロールユニット、２４ 可変長ロッド、３２ 突出拡大部、３３ 支持部材、３４，３５ 切替弁、４１ 第１のバタフライ弁，４２ 第２のバタフライ弁，４３ 第３のバタフライ弁。

Claims (11)

1. 吸気集合管と、
   この吸気集合管に一端部が接続され他端部が各シリンダにそれぞれ接続された複数個の吸気管と、
   各前記吸気管にそれぞれ設けられ、前記吸気集合管から吸気管を通じて前記シリンダに設けられた吸気弁を通ってシリンダ内に供給される空気量を制御する制御弁と、
   この制御弁と前記吸気弁との間で前記吸気管に連通して設けられ、制御弁と吸気弁との間の空間容積を吸気量及び機関回転数から算出される各前記シリンダの空気の充填効率に応じて制御弁と吸気弁との間の空間容積が一定である内燃機関の吸気装置と比較したときのポンプ損失の低減効果が最大となるよう調整する空間容積調整手段と
   を備えた内燃機関の吸気装置。
2. 前記空間容積調整手段は、各前記吸気管と連通したケースと、このケースの中心軸線に沿って延びた回動軸と、この回動軸に固定され回動軸の回動とともに前記空間容積を変動させる可動板と、前記回動軸を駆動させる駆動手段とを備えている請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. １つの前記回動軸には、複数個の前記可動板が固定されており、回動軸の回動に連動して複数の前記空間容積が変動するようになっている請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記空間容積調整手段は、各前記吸気管と連通したケースと、このケース内に往復摺動可能に設けられ前記空間容積を変動させる可動板と、先端部がこの可動板に固定され軸線方向に伸縮可能な可変長ロッドと、この可変長ロッドの基端部が固定され可変長ロッドを伸縮させる駆動手段とを備えている請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記ケースには、前記可動板の作動に応じて外部の空気と呼吸するための空気孔が形成されている請求項２ないし４の何れか１項に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記空間容積調整手段は、前記吸気管に径方向に突出して設けられた突出拡大部と、この突出拡大部内に設けられた支持部材と、この支持部材に１８０度回動可能に設けられ前記空間容積を変動させる一対の切替弁とを備えている請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 前記空間容積調整手段は、それぞれの前記吸気管に個別に設けられている請求項１、２、４ないし６の何れか１項に記載の内燃機関の吸気装置。
8. 各前記シリンダの前記充填効率の増加に従い、前記空間容積を増加させる信号を前記空間容積調整手段に送るコントロールユニットを備えている請求項１ないし７の何れか１項に記載の内燃機関の吸気装置。
9. 吸気集合管と、
   この吸気集合管に一端部が接続され他端部が各シリンダにそれぞれ接続された複数個の吸気管と、
   各前記吸気管にそれぞれ複数個ずつ間隔を空けて設けられた制御弁とを備え、
   複数の前記制御弁のうち、選択されなかった制御弁は全開とされ、
   複数の前記制御弁のうち、選択された作動制御弁の作動により、前記吸気集合管から前記シリンダに設けられた吸気弁を通じてシリンダ内に供給する空気量が制御され、
   複数の前記制御弁のうちから選択される前記作動制御弁は、各前記シリンダの空気の充填効率に応じて決定され、前記作動制御弁と前記吸気弁との間の空間容積が調整されるようになっている内燃機関の吸気装置。
10. 各前記シリンダの前記充填効率の増加に従い、前記吸気弁側の前記制御弁を全開として前記空間容積を増加させる信号を制御弁に送るコントロールユニットを備えている請求項９に記載の内燃機関の吸気装置。
11. 前記空間容積の調整は、前記吸気弁が閉じているときに行われるようになっている請求項１ないし１０の何れか１項に記載の内燃機関の吸気装置。

Images