JP4259715B2 - 直列4気筒内燃機関の可変吸気装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、内燃機関の低回転速度域から高回転速度域まで広い回転速度域にわたって高い吸気充填効率と高い出力トルクとが得られるようにされた4気筒内燃機関の可変吸気装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、多気筒内燃機関の各気筒に連通接続される吸気通路に発生する吸気圧力振動を利用して、各気筒における吸気行程の後半に、その気筒の吸気ポート部分の圧力を上昇させて、吸気過給効果を得るようにした吸気装置が種々提案されている。
【0003】
例えば、内燃機関の吸気管の管路長や容積を内燃機関の回転数に応じて変えて、吸気の慣性過給効果や共鳴過給効果を得て、これらを適切に組み合わせ利用することにより、低回転速度域から高回転速度域まで広い回転速度域にわたって吸気充填効率を高く維持して、出力トルクを向上させることが行なわれている。
【0004】
4気筒内燃機関においては、各気筒に連通する吸気管路長を内燃機関の低回転速度域、中回転速度域、高回転速度域の3段階に変えて、いずれも吸気の慣性過給効果を利用して、高い吸気充填効率を得て、出力トルクの向上を図ったもの(特公平7−30698号公報)や、各気筒に連通する吸気管路を吸気行程が互いに連続しない気筒群毎に合流させた合流部を共鳴室とし、その上流側に共鳴管を気筒配列方向に沿って接続し、これら一対の共鳴管の上流側に集合部を設け、一対の共鳴室間の連通を内燃機関の低中回転速度域、高回転速度域にしたがって遮断、連通させて、吸気の共鳴過給効果および慣性過給効果を利用して、高い吸気充填効率を得て、出力トルクの向上を図ったもの(特開平10−73024号公報)等がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のものにおいては、各々が個別に作動し得る2つの吸気制御弁が必要であり、部品点数、重量が増大して、スペース的にも不利であるという難点があった。また、低中回転速度域において共鳴過給効果を利用した後者のものにおいては、共鳴室、共鳴管、集合部の設置が必要であり、一対の共鳴管を有することで気筒配列方向に吸気装置自体が大型化し、気筒配列方向にスペース的に不利があった。また、低中回転速度域と高回転速度域との狭間の部分におけるフラットな吸気充填効率が得られにくかった。
【0006】
本願の発明は、従来の4気筒内燃機関の可変吸気装置が有する前記のような問題点を解決して、内燃機関の低回転速度域から高回転速度域まで広い回転速度域にわたって高い吸気充填効率を得ることができ、これにより、高い出力トルクを得ることができて、しかも、部品点数が少なく、構造を簡単化でき、スペースを要さない4気筒内燃機関の可変吸気装置を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および効果】
本願の発明は、前記のような課題を解決した4気筒内燃機関の可変吸気装置に係り、その請求項1に記載された発明は、直列4気筒内燃機関の各気筒に一端がそれぞれ連通接続され、単一の吸気集合室に他端が連通接続される4つの互いに独立な吸気通路が、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、吸気行程が互いに連続しない気筒群毎に気筒配列方向に平行に直列に配置され、前記吸気通路の途中に、その外周の略1/4円弧長が突出するようにして、ロータリーバルブが設けられ、前記ロータリーバルブは、前記内燃機関の回転速度に応じて3段階に切り換えられて、隣接する全ての吸気通路間もしくは吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通もしくは遮断するとともに、各吸気通路と前記吸気集合室とを短絡的に連通することができるようにされたことを特徴とする直列4気筒内燃機関の可変吸気装置である。
【0008】
請求項1に記載された発明は、前記のように構成されているので、直列4気筒内燃機関の各気筒に一端がそれぞれ連通接続され、単一の吸気集合室に他端が連通接続される4つの互いに独立な吸気通路が、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、吸気行程が互いに連続しない気筒群毎に気筒配列方向に平行に直列に配置される。そして、それらの吸気通路の途中に、その外周の略1/4円弧長が突出するようにして、前記のような作用をするロータリーバルブが設けられている。
【0009】
この結果、4つの互いに独立な吸気通路は、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、互いに交差することがなく、また、可変吸気作用をするロータリーバルブが長さ方向に出っ張ることもなく、吸気マニホールドを含む可変吸気装置を特に気筒配列方向においてコンパクトに形成することができて、スペース効率が良い。また、各吸気通路の等長化を図ることが容易である。
【0010】
また、吸気通路の途中に、その外周の略1/4円弧長が突出するようにして、ロータリーバルブが設けられ、該ロータリーバルブは、内燃機関の回転速度に応じて3段階に切り換えられて、隣接する全ての吸気通路間もしくは吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通もしくは遮断するとともに、各吸気通路と吸気集合室とを短絡的に連通することができるようにされる。
【0011】
この結果、直列4気筒内燃機関の可変吸気装置が、吸気通路の途中にその外周の略1/4円弧長が突出するようにして設けられるロータリーバルブを、内燃機関の回転速度に応じて3段階に切り換えるようにすることにより得られるので、バルブやアクチュエータ等の部品の点数が少なくなり、コストの低減、構造の簡単化、軽量化等に資することができ、スペースを要さない直列4気筒内燃機関の可変吸気装置を容易に得ることができる。また、ロータリーバルブは、その弁体および軸部が吸気通路内に突出しないので、吸気抵抗を増大させることがない。
【0012】
また、請求項2記載のように請求項1記載の発明を構成することにより、ロータリーバルブは、その外周に、その軸方向から側面視して周方向に仕切られた仮想3面を有し、該仮想3面は、1/4円弧長を有する2つの仮想面と、1/2円弧長を有する1つの仮想面とからなり、該仮想3面が、内燃機関の回転速度に応じて周方向に3段階に切り換えられて、内燃機関の低回転速度域で、隣接する全ての吸気通路間を遮断し、中回転速度域で、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通し、高回転速度域で、隣接する全ての吸気通路間を連通するとともに、各吸気通路と吸気集合室とを短絡的に連通するようにされる。
【0013】
この結果、仮想3面の各面側に、内燃機関の低、中、高回転速度域に応じてそれぞれの可変吸気作用を発揮する構造を付与すればよいので、ロータリーバルブの内部構造を比較的簡単に形成することができる。特に、内燃機関の中回転速度域で、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される1対の吸気通路間を連通するのに、これら1対の吸気通路は互いに隣接し合っているのでこれらの間の仕切壁を削除するのみでよく、その連通路の構造をきわめて簡単に形成することができる。
【0014】
また、仮想3面が内燃機関の回転速度に応じて周方向に3段階に切り換えられて、ロータリーバルブが前記のような作用をするので、内燃機関の低回転速度域においては、吸気集合室が大気開放部として作用して、ここが吸気圧力振動の反転室となり、燃焼室から吸気集合室までの長い独立した各吸気通路内での低い固有振動数の吸気圧力振動と機関の低回転に基づく吸気弁の長い開閉サイクルとが同調して、高い慣性過給効果が得られ、全ての気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができる。
【0015】
さらに、中回転速度域においては、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間の連通部より上流側の吸気通路部分が各気筒群の共鳴系を構成して、各吸気通路および吸気連通部内を吸気圧力波が反転することなく、同一気筒群における他の気筒の次の吸気行程にその吸気圧力波を伝播させることができ、高い共鳴過給効果が得られ、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができ、低回転速度域と高回転速度域との間の吸気充填効率と出力トルクとが低下する谷間の部分を埋め合わせることができる。
【0016】
また、高回転速度域においては、隣接する全ての吸気通路間の連通部および吸気集合室が大気開放部として作用して、ここが吸気圧力振動の反転室となり、燃焼室から該連通部までの短い吸気通路内での高い固有振動数の吸気圧力振動と機関の高回転に基づく吸気弁の短い開閉サイクルとが同調して、高い慣性過給効果が得られ、全ての気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができる。
このように、低回転速度域から高回転速度域までの広い回転速度域にわたって、高い吸気充填効率と高い出力トルクとを得ることができる。
【0017】
また、高回転速度域においては、各吸気通路と吸気集合室とがロータリーバルブを介して短絡的に連通されるので、隣接する吸気通路間の連通室より上流側の各吸気通路部分(長い吸気通路部分)を細くして、低回転速度域をより低回転側に移行させたとしても、高回転速度域において必要な吸気流量を十分に確保することができ、可変吸気装置をさらにコンパクトに形成することができる。
【0018】
さらに、請求項3記載のように請求項1記載の発明を構成することにより、ロータリーバルブは、それぞれ外方に向けて開放された4つの互いに独立な通路と3つの連通室とを有し、該4つの互いに独立な通路は、ロータリーバルブの外周を周方向に等間隔に4分割して得られる正方形の隣接する2つの頂点間にまたがり、4つの互いに独立な吸気通路の並設長に及ぶ長さを有する第1の仕切壁と、該第1の仕切壁に連設されて、隣接する吸気通路間を遮断する3つの第2の仕切壁とにより区画形成され、該3つの連通室のうちの2つは、正方形の対角線上の2つの頂点間にまたがり、4つの互いに独立な吸気通路の並設長に及ぶ長さを有する第3の仕切壁と、該第3の仕切壁と該第1の仕切壁とにまたがって連設されて、中央2つの隣接する吸気通路間を遮断する第4の仕切壁とによりそれぞれ区画形成され、該3つの連通室のうちの残りの1つは、該4つの互いに独立な通路および該3つの連通室のうちの2つを除いた空間により形成される。
【0019】
この結果、ロータリーバルブを内燃機関の回転速度に応じて3段階に切り換えて、隣接する全ての吸気通路間もしくは吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通もしくは遮断するとともに、各吸気通路と吸気集合室とを短絡的に連通もしくは遮断することができるロータリーバルブの内部構造を、ロータリーバルブの内部を第1〜第4の仕切壁により仕切って、4つの互いに独立な通路と3つの連通室とを形成するという、比較的簡単な方法により得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図1ないし図6、図10および図11に図示される本願の請求項1ないし請求項3に記載された発明の一実施形態(実施形態1)について説明する。
図1は、本実施形態1における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置を吸気通路部分について吸気通路に沿って上半分を切断して仮想して見た概略斜視図であって、内燃機関が低回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図、図2は、図1の可変吸気装置の横断面図であって、吸気通路を完全体で示した図、図3は、図1と同様の図であって、内燃機関が中回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図、図4は、図2と同様の図であって、図3の可変吸気装置の横断面図、図5は、図1と同様の図であって、内燃機関が高回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図、図6は、図2と同様の図であって、図5の可変吸気装置の横断面図、図10は、図1の可変吸気装置の作用を説明するための図、図11は、図1の可変吸気装置の特性線図である。なお、以下において、気筒配列方向を左右方向とし、図1において左方を左方とする。
【0021】
図1および図2において、本実施形態1における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置1は、内燃機関の第1〜第4気筒♯1〜♯4(図示されず)の各気筒に一端がそれぞれ連通接続され、単一の吸気集合室5に他端が連通接続される4つの互いに独立な第1〜第4吸気通路41 〜44 を有する吸気マニホールド2を備えている。
【0022】
第1〜第4気筒♯1〜♯4は、第1気筒♯1、第3気筒♯3、第4気筒♯4、第2気筒♯2の順に点火される。したがって、各気筒における吸気行程も、この順となり、第1、第4気筒♯1、♯4からなる気筒群と、第2、第3気筒♯2、♯3からなる気筒群とは、吸気行程が互いに連続しない気筒群である。
【0023】
第1〜第4吸気通路41 〜44 は、各気筒♯1〜♯4に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分(図1において、第4吸気通路44 の上方湾曲部分が第2、第3吸気通路42 、43 の上方湾曲部分と交差している部分)を除いて、吸気行程が互いに連続しない気筒群♯1、♯4と♯2、♯3毎に第1、第4吸気通路41 、44 と第2、第3吸気通路42 、43 とに纏められて、気筒配列方向に平行且つ直列に配置されている。したがって、第1、第4吸気通路41 、44 の各々は、気筒配列方向左半において互いに隣接し合っており、第2、第3吸気通路42 、43 の各々は、気筒配列方向右半において互いに隣接し合っている。
【0024】
これより、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路は、第1、第4気筒♯1、♯4からなる気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の第1、第4吸気通路41 、44 と、第2、第3気筒♯2、♯3からなる気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の第2、第3吸気通路42 、43 とである。
【0025】
第1〜第4吸気通路41 〜44 は、略等長にされ、図2に図示されるように、丸く内側に巻き込まれるようにして湾曲されて形成されており、その先端に吸気集合室5が連通接続されている。この吸気集合室5は、この吸気集合室5に隣接して設けられた吸気ダクト6とともに、第1〜第4吸気通路41 〜44 の湾曲の内部空間に抱持されるようにして設けられていて、可変吸気装置1のコンパクト化が図られている。
【0026】
図示されないエアクリーナ、スロットルボディを経て吸気ダクト6に導かれた吸気は、次いで、比較的大容積からなる吸気集合室5に流入し、ここに集合させられる。そして、内燃機関の回転数が低中回転速度域にあるとき、ここからさらに第1〜第4吸気通路41 〜44 のそれぞれに分かれて流入して、これらの比較的長い通路を流れて、第1〜第4気筒♯1〜♯4のそれぞれに吸入される。吸気ダクト6と吸気集合室5との連通路は、図示されてはいないが、吸気集合室5の長さ方向の中央部に設けられ、これにより、吸気集合室5から各気筒♯1〜♯4に至る第1〜第4吸気通路41 〜44 を含む各吸気通路長の等長化が図られている。
【0027】
第1〜第4吸気通路41 〜44 のそれぞれの途中の底壁には、正面視略矩形状の第1〜第4開口71 〜74 が形成されており、これらの第1〜第4開口71 〜74 からその一部を第1〜第4吸気通路41 〜44 のそれぞれに突出させるようにして、単一体からなるロータリーバルブ3が設けられている。このロータリーバルブ3の第1〜第4吸気通路41 〜44 への突出部分は、ロータリーバルブ3を軸方向から側面視した場合、その略1/4円弧長で切り取られる三日月状部分に相当する(図2参照)。
【0028】
このロータリーバルブ3は、その略1/2円弧長で切り取られる半円柱体状部分が吸気マニホールド2の本体壁部分8により抱持され、残りの略1/4円弧長を有する部分が吸気集合室5に突出するようにして、配置されている。この本体壁部分8は、側面視略1/2円弧状をなしていて、ロータリーバルブ3の後述する第1、第2連通室10、12(121 、122 )をロータリーバルブ3の回転位置に応じて閉鎖することができる。本体壁部分8の略1/4は、吸気集合室5の方に伸長しており、その端縁と第1〜第4吸気通路41 〜44 の途中の内壁面との間には、これらの通路と吸気集合室5とを短絡させるときに使用される短絡用開口20が形成されている。
【0029】
このロータリーバルブ3は、第1〜第4吸気通路41 〜44 のそれぞれの途中と吸気集合室5との間にあって、後述するように内燃機関の回転速度に応じて切り換えられることにより、このロータリーバルブ3内の後述する連通室10と第1〜第4開口71 〜74 とを介して各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5との間を短絡的に連通もしくは遮断することができる。
【0030】
次に、ロータリーバルブ3の構造と作用、効果について詳細に説明する。
ロータリーバルブ3は、図2に図示されるように、その外周に、その軸方向から側面視して周方向に仕切られた仮想3面a、b、cを有し、これら仮想3面a、b、cが内燃機関の回転速度に応じて周方向に等間隔に3段階に順次切り換えられることにより、以下に詳しく説明されるように、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間もしくは吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される1対の吸気通路41 と44 、42 と43 間を連通もしくは遮断するとともに、各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5とを短絡的に連通もしくは遮断することができるようにされている。
【0031】
ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cは、1/4円弧長を有する2つの仮想面b、cと、1/2円弧長を有する1つの仮想面aとからなる。
ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちの1面a側は、図5および図6に図示されるように、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間を連通するとともに、これらの吸気通路41 〜44 を吸気集合室5に連通することができる比較的大容積の第1の連通室10を有している。
【0032】
そして、ロータリーバルブ3が図5および図6に図示される回転位置にあるとき、その第1の連通室10の一方の1/4円弧長に対面する側の部分(図6において上半の部分)は第1〜第4吸気通路41 〜44 の第1〜第4開口71 〜74 に臨み、他方の1/4円弧長に対面する側の部分(図6において下半の部分)は吸気集合室5に臨む位置にあるので、吸気集合室5内の吸気は、第1の連通室10を通ってロータリーバルブ3内を横断し、かつ、その軸と平行な方向に流れて、第1〜第4吸気通路41 〜44 にそれぞれ流出することができる。このようにして、各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5との間が短絡的に連通される。第1の連通室10は、ロータリーバルブ3が図1、図2に図示される回転位置にあるとき、吸気マニホールド2の本体壁部分8により閉鎖される。
【0033】
ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちの他の1面b側は、図3および図4に図示されるように、吸気行程が互いに連続しない気筒群♯1、♯4と♯2、♯3における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の第1、第4吸気通路41 、44 、隣接する1対の第2、第3吸気通路42 、43 の各間をそれぞれ連通することができる連通室121 、連通室122 を有している。これら2つの連通室121 、122 を纏めて、第2の連通室12と呼ぶこととする。この第2の連通室12(121 、122 )は、ロータリーバルブ3が図5、図6に図示される回転位置にあるとき、吸気マニホールド2の本体壁部分8により閉鎖される。
【0034】
第2の連通室12のうちの1つである連通室121 、他の1つである連通室122 は、1面a側と他の1面b側とをロータリーバルブ3の全長にわたって仕切る仕切壁(第3の仕切壁)14と、他の1面b側と後述するさらに他の1面c側とをロータリーバルブ3の全長にわたって仕切る仕切壁(第1の仕切壁)15と、中央2つの第4、第2吸気通路44 、42 間を仕切る仕切壁(第4の仕切壁)16とにより囲まれて、それぞれ形成されている。これら第2の連通室12(121 、122 )は、それらの断面積が各吸気通路41 〜44 の断面積に略等しくなるような形状に形成されるのが望ましい。
【0035】
ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちのさらに他の1面c側は、図1および図2に図示されるように、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間をそれぞれ遮断する仕切壁を有している。この仕切壁は、これらの吸気通路間をそれぞれ仕切る三日月状仕切壁(第2の仕切壁の1〜3)17〜19と、前記した仕切壁(第1の仕切壁)15とから構成されている。そして、ロータリーバルブ3が図1および図2に図示される回転位置にあるとき、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間をそれぞれ遮断して、完全に独立した長い吸気通路41 〜44 を形成する4つの独立な通路部分を提供する。
【0036】
この仕切壁15は、図1および図2においては直線をもって描かれているが、その外面は、各吸気通路41 〜44 の通路長さ方向に沿う断面形状を変化させないように、各通路内に突出するようにわずかに湾曲され、また、各吸気通路41 〜44 の通路長さ方向と直交する方向に沿う断面形状を変化させないように、ロータリーバルブ内方にわずかに凹むように湾曲されて形成されるのが望ましい。
【0037】
第1〜第4の仕切壁14〜19、第1、第2の連通室10、12(121 、122 )について、さらに詳細に説明する。
第1の仕切壁15は、ロータリーバルブ3の外周を周方向に等間隔に4分割して得られる正方形の隣接する2つの頂点間にまたがり、4つの互いに独立な吸気通路41 〜44 の並設長に及ぶ長さを有している。3つの第2の仕切壁17〜19は、第1の仕切壁15に連設されて、三日月状を呈し、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間を遮断する。第3の仕切壁14は、正方形の対角線上の2つの頂点間にまたがり、4つの互いに独立な吸気通路41 〜44 の並設長に及ぶ長さを有している。第4の仕切壁16は、第3の仕切壁14と第1の仕切壁15とにまたがって連設されて、中央2つの隣接する吸気通路44 、42 間を遮断する。第1の連通室10と第2の連通室12(121 、122 )とは、第3の仕切壁14を境にして背中合わせに配置されている。ロータリーバルブ3は、その内部に合計3つの区画された連通室10、121 、122 を有する。
【0038】
ロータリーバルブ3は、仮想3面a、b、cのうちのいずれか(仮想面aについては、その上半部分)が第1〜第4吸気通路41 〜44 の第1〜第4開口71 〜74 に面するように、内燃機関の回転速度に応じて等間隔に3段階に順次切換可能な制御手段を備えている。この制御手段には、電動もしくは負圧アクチュエータ(図示されず)が使用される。なお、仮想面aについては、その全円弧長(1/2円弧長)にまたがる連続切換作動は行なわれない。
【0039】
これらのアクチュエータは、ロータリーバルブ3の一側端側の吸気装置1に配設される。ロータリーバルブ3は、内燃機関の回転速度に応じて段階的に順次作動するようになっており、内燃機関の回転速度の増減に応じて正方向に、また、逆方向に回転する。電動アクチュエータの場合、制御手段の信号により、電動モータを段階的に作動させるだけでよい。負圧アクチュエータの場合、負圧室を少なくとも2室備えたダイヤフラムが必要であり、その各々に制御弁を設け、内燃機関の回転速度に応じて順に制御弁を作動させ負圧導入することで、ロータリーバルブ3の段階的な作動が可能になり、その負圧の導入(指示)を制御手段が行なう。その負圧は、スロットルバルブの下流から導入され、負圧チャンバーを介して各制御弁に分配される。
【0040】
この制御手段は、内燃機関の回転速度に応じて、ロータリーバルブ3を次のように切換制御する。
先ず、この制御手段は、内燃機関の回転数が所定の回転数N1 より低い低回転速度域ある場合(N<N1 )においては、図1および図2に図示されるように、ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちのさらに他の1面c側が第1〜第4吸気通路41 〜44 の第1〜第4開口71 〜74 に面するようにロータリーバルブ3を切換制御する。これにより、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間が仕切壁15、仕切壁17〜19により全て遮断され、完全に独立した長い第1〜第4吸気通路41 〜44 が形成される。
【0041】
そして、吸気集合室5内の吸気は、これらの長い第1〜第4吸気通路41 〜44 にそれぞれ流入し、これらの吸気通路41 〜44 を流れて、各気筒♯1〜♯4に供給される。このとき、吸気集合室5は、大気開放部として作用して、ここが吸気圧力振動の反転室となり、燃焼室から吸気集合室5までの長い吸気通路41 〜44 内での低い固有振動数の吸気圧力振動と機関の低回転に基づく吸気弁の長い開閉サイクルとが同調して、高い慣性過給効果が得られ、全ての気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができる(図10、図11の▲1▼参照)。なお、このとき、第2の連通室12(121 、122 )の容積が吸気集合室5の容積に加わるので、吸気圧力振動の反転室の容積はその分大きくなり、前記のような効果が助長される。
【0042】
次に、この制御手段は、内燃機関の回転数がN1 より高く、所定の回転数N2 (N1 <N2 )より低い中回転速度域にある場合(N1 <N<N2 )においては、図3および図4に図示されるように、ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちの他の1面b側が第1〜第4吸気通路41 〜44 の第1〜第4開口71 〜74 に面するようにロータリーバルブ3を切換制御する。これにより、吸気行程が互いに連続しない気筒群♯1、♯4、気筒群♯2、♯3における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される1対の第1、第4吸気通路41 、44 間、1対の第2、第3吸気通路42 、43 間が、それぞれ連通室121 、122 を介して連通される。
【0043】
そして、これら1対の第1、第4吸気通路41 、44 間、1対の第2、第3吸気通路42 、43 間の各連通部(第2の連通室12を構成する連通室121 、122 )より上流側の各吸気通路部分41u、44uの組と42u、43uの組とが、各気筒群の共鳴系を構成して、各吸気通路41 〜44 および各吸気連通部(連通室121 、122 )内を吸気圧力波が反転することなく、同一気筒群における他の気筒の次の吸気行程にその吸気圧力波を伝播させることができ、高い共鳴過給効果が得られ、吸気行程が互いに連続しない気筒群♯1、♯4と♯2、♯3における各気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができる。このようにして、低回転速度域と高回転速度域との間の吸気充填効率と出力トルクとが低下する谷間の部分を埋め合わせることができる(図10、図11の▲2▼参照)。
【0044】
さらに次に、この制御手段は、内燃機関の回転数がN2 より高い高回転速度域にある場合(N2 <N)においては、図5および図6に図示されるように、ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cのうちの1面a側が第1〜第4吸気通路41 〜44 の第1〜第4開口71 〜74 と吸気集合室5とに面するようにロータリーバルブ3を切換制御する。これにより、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間が全て連通されるとともに、各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5とが第1の連通室10を介して短絡的に連通される。
【0045】
このとき、比較的大容積に形成されている第1の連通室10および吸気集合室5は、大気開放部として作用して、ここが吸気圧力振動の反転室となり、燃焼室から該第1の連通室10までの短い吸気通路部分41d〜44d内での高い固有振動数の吸気圧力振動と機関の高回転に基づく吸気弁の短い開閉サイクルとが同調して、高い慣性過給効果が得られ、全ての気筒について高い吸気充填効率が得られて、出力トルクを向上させることができる(図10、図11の▲3▼参照)。
【0046】
このようにして、内燃機関の低回転速度域から高回転速度域までの広い回転速度域にわたって、フラットな高い吸気充填効率と高い出力トルクとを得ることができる。一般に、慣性過給と共鳴過給とを比較すると、その効果は、慣性過給の方が大きく、共鳴過給は慣性過給を補う効果として位置付けられるが、本実施形態1においては、前記のとおり、低回転速度域において得られる慣性過給効果に基づく高い吸気充填効率と高回転速度域において得られる慣性過給効果に基づく高い吸気充填効率との間の谷間の部分が、中回転速度域において得られる共鳴過給効果に基づく吸気充填効率の向上により十分に補われている。
【0047】
本実施形態1は、前記のように構成されているので、さらに、次のような効果を奏することができる。
直列4気筒内燃機関の各気筒に一端がそれぞれ連通接続され、単一の吸気集合室5に他端が連通接続される4つの互いに独立な第1〜第4吸気通路41 〜44 が、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、吸気行程が互いに連続しない気筒群毎に気筒配列方向に平行に直列に配置される。そして、これらの吸気通路41 〜44 の途中に、その外周の略1/4円弧長が突出するようにして、ロータリーバルブ3が設けられている。
【0048】
この結果、第1〜第4吸気通路41 〜44 は、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、互いに交差することがなく、また、可変吸気作用をするロータリーバルブ3が長さ方向に出っ張ることもなく、吸気マニホールド2を含む可変吸気装置1を特に気筒配列方向においてコンパクトに形成することができて、スペース効率が良い。また、各吸気通路41 〜44 の等長化を図ることが容易である。
【0049】
また、低回転速度域から高回転速度域までの広い回転速度域にわたる高い吸気充填効率と高い出力トルクとが、第1〜第4吸気通路41 〜44 の途中にその外周の略1/4円弧長が突出するようにして設けられるロータリーバルブ3を内燃機関の回転速度に応じて等間隔に3段階に切換制御することにより得られるので、バルブやアクチュエータ等の部品の点数が少なくなり、コストの低減、構造の簡単化、軽量化等に資することができ、スペースを要さない4気筒内燃機関の可変吸気装置1を容易に得ることができる。また、ロータリーバルブ3は、その弁体および軸部が第1〜第4吸気通路41 〜44 内に突出しないので、吸気抵抗を増大させることがない。
【0050】
また、ロータリーバルブ3は、電動もしくは負圧アクチュエータにより切換作動されるので、ロータリーバルブ3を内燃機関の回転速度に応じて等間隔に3段階に切換制御する制御手段の構成が容易になる。
【0051】
さらに、ロータリーバルブ3は、その外周に、その軸方向から側面視して周方向に仕切られた仮想3面a、b、cを有し、該仮想3面a、b、cが内燃機関の回転速度に応じて周方向に等間隔に3段階に切り換えられて、内燃機関の低回転速度域で、隣接する全ての吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間を遮断し、中回転速度域で、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の第1、第4吸気通路41 、44 間、1対の第2、第3吸気通路42 、43 間を連通し、高回転速度域で、隣接する全ての吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間を連通するとともに、各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5とを第1の連通室10を介して短絡的に連通するようにされる。
【0052】
この結果、仮想3面a、b、cの各面側に、内燃機関の低、中、高回転速度域に応じてそれぞれの可変吸気作用を発揮する構造を付与すればよいので、ロータリーバルブ3の内部構造を比較的簡単に形成することができる。特に、内燃機関の中回転速度域で、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される1対の第1、第4吸気通路41 、44 間、1対の第2、第3吸気通路42 、43 間を連通するのに、これら各対における吸気通路は互いに隣接し合っているのでこれらの間の仕切壁を削除するのみでよく、その連通路(第2の連通室12(121 、122 ))の構造をきわめて簡単に形成することができる。
【0053】
また、高回転速度域においては、各吸気通路41 〜44 と吸気集合室5とがロータリーバルブ3を介して短絡的に連通されるので、隣接する吸気通路41 と44 、44 と42 、42 と43 間の連通室12(121 、122 )より上流側の各吸気通路部分(長い吸気通路部分)41u〜44uを細くして、低回転速度域をより低回転側に移行させたとしても、高回転速度域において必要な吸気流量を十分に確保することができ、可変吸気装置1を、この面からもさらにコンパクトに形成することができる。
【0054】
また、第1〜第4吸気通路41 〜44 は、内側に巻き込むように湾曲され、その湾曲の内部空間に、吸気集合室5および吸気ダクト6が配置され、ロータリーバルブ3は、その外周の一部(略1/2円弧長)が該吸気集合室3の壁を含む吸気マニホールド2の本体壁部分8により抱持されるようにして配置されているので、可変吸気装置1は、全体が側面視丸い形状に纏められ、可変吸気装置1をさらにコンパクトに形成することができて、スペース効率がさらに良くなる。
【0055】
次に、図7ないし図9に図示される本願の請求項1ないし請求項3に記載された発明の他の実施形態(実施形態2)について説明する。
図7ないし図9は、実施形態1の図2、図4、図6における各ロータリーバルブの周辺部にそれぞれ対応する図であって、対応する部分には、それぞれ同一の符号を付している。
【0056】
図7ないし図9において、本実施形態2における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置1は、実施形態1と比較して、ロータリーバルブ3が第1の仕切壁15を第3の仕切壁14の反対側に有する点と、第1〜第4吸気通路41 〜44 が、ロータリーバルブ3の突出部を通り過ぎる前後部分において、若干より直線状に形成されている点において異なっている。
【0057】
前記のように、本実施形態2におけるロータリーバルブ3は、実施形態1におけるロータリーバルブ3と比較して、第1の仕切壁15を第3の仕切壁14の反対側に有するので、ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cが内燃機関の回転速度に応じて周方向に3段階に順次切り換えられる方向は、実施形態1においては時計方向であったのに対して、本実施形態2においては反時計方向に変更される。
【0058】
さらに、ロータリーバルブ3の仮想3面a、b、cが内燃機関の回転速度に応じて周方向に3段階に順次切り換えられるのに、実施形態1においては等間隔(0°、90°、180°)に3段階に順次切り換えられたのに対して、本実施形態2においては不等間隔(0°、90°、270°)に3段階に順次切り換えられる。
【0059】
本実施形態2は、以上の点で実施形態1と異なっているが、その他の点において異なるところはないので、詳細な説明を省略する。
【0060】
本実施形態2は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
特に内燃機関の中回転速度域において、吸気通路41 〜44 の途中には、側面視ロータリーバルブ3の外周の略1/4円弧長を有する仮想面bが突出するが(図8参照)、このとき、ロータリーバルブ3の最大径の長さを有する第3の仕切壁14は、ロータリーバルブ3の外周の略1/4円弧を切り取る第1の仕切壁15より吸気流の後流側に位置して、しかも、吸気流の流れ方向に傾いた姿勢を取ることになる。
【0061】
この結果、吸気流がロータリーバルブ3の突出部を通り過ぎるとき、この吸気流が第3の仕切壁14の吸気通路側端部によって流れを乱されたり、流れの抵抗を受ける程度が、第1の仕切壁15が第3の仕切壁14より吸気流の後流側に位置する実施形態1の場合(図4参照)より、より少なくなる。これにより、吸気抵抗が低減されて、吸気が第1〜第4気筒♯1〜♯4により円滑に供給される。
【0062】
このような効果は、本実施形態2におけるように、第1〜第4吸気通路41 〜44 が、ロータリーバルブ3の突出部を通り過ぎる前後部分において、若干より直線状に形成される場合に、より顕著に発揮される。それは、このような場合、吸気は、第1〜第4吸気通路41 〜44 の各断面内を略等速で流れて、第1〜第4吸気通路41 〜44 が湾曲状に形成される場合に比し、相対的に大量の吸気が第3の仕切壁14の吸気通路側端部に接触しながら流下するからである。
【0063】
また、内燃機関の低回転速度域において、吸気通路41 〜44 の途中には、側面視ロータリーバルブ3の外周の略1/4円弧長を有する仮想面cが突出するが(図7参照)、このとき、吸気集合室5には、第1の連通室10が開口する。この第1の連通室10は、第3の仕切壁14により第2の連通室12と仕切られ、第2の連通室12より大きな容積を有するので、第2の連通室12が吸気集合室5に開口する実施形態1の場合(図2参照)と比較して、吸気集合室5の容積がより拡大される。
【0064】
この結果、吸気集合室5の大気開放部(吸気圧力振動の反転室)としての機能が高められ、内燃機関の低回転速度域における慣性過給効果がより向上して、全ての気筒についてより高い吸気充填効率が得られて、出力トルクをさらに向上させることができる。
【0065】
なお、第1の連通室10、第2の連通室12(121 、122 )、第1の仕切壁15、第3の仕切壁14の構造は、本実施形態1および2の図示のものに限定されず、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の請求項1ないし請求項3に記載された発明の一実施形態(実施形態1)における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置を、吸気通路部分について吸気通路に沿って上半分を切断して仮想して見た概略斜視図であって、内燃機関が低回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図である。
【図2】図1の可変吸気装置の横断面図である。
【図3】図1と同様の図であって、内燃機関が中回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図である。
【図4】図2と同様の図であって、図3の可変吸気装置の横断面図である。
【図5】図1と同様の図であって、内燃機関が高回転速度域にあるときのロータリーバルブの回転状態と吸気の流れ状態とを併せて示した図である。
【図6】図2と同様の図であって、図5の可変吸気装置の横断面図である。
【図7】本願の請求項1ないし請求項3に記載された発明の他の実施形態(実施形態2)における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置のロータリーバルブ周辺部の横断面図であって、図2に対応する図である。
【図8】同図4に対応する図である。
【図9】同図6に対応する図である。
【図10】本実施形態における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置の作用を説明するための図である。
【図11】本実施形態における直列4気筒内燃機関の可変吸気装置の特性線図である。
【符号の説明】
1…可変吸気装置、2…吸気マニホールド、3…ロータリーバルブ、41 〜44 …第1〜第4吸気通路、41u〜44u…上流側吸気通路部分、41d〜44d…下流側吸気通路部分、5…吸気集合室、6…吸気ダクト、71 〜74 …第1〜第4開口、8…本体壁部分、10…第1の連通室、12(121 、122 )…第2の連通室、14…第3の仕切壁、15…第1の仕切壁、16…第4の仕切壁、17〜19…3つの第2の仕切壁、20…短絡用開口、a〜c…仮想3面。
Claims (3)
- 直列4気筒内燃機関の各気筒に一端がそれぞれ連通接続され、単一の吸気集合室に他端が連通接続される4つの互いに独立な吸気通路が、各気筒に一端がそれぞれ連通接続される部分の近傍の交差部分を除いて、吸気行程が互いに連続しない気筒群毎に気筒配列方向に平行に直列に配置され、
前記吸気通路の途中に、その外周の略1/4円弧長が突出するようにして、ロータリーバルブが設けられ、
前記ロータリーバルブは、前記内燃機関の回転速度に応じて3段階に切り換えられて、隣接する全ての吸気通路間もしくは吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通もしくは遮断するとともに、各吸気通路と前記吸気集合室とを短絡的に連通もしくは遮断することができるようにされた
ことを特徴とする直列4気筒内燃機関の可変吸気装置。 - 前記ロータリーバルブは、その外周に、その軸方向から側面視して周方向に仕切られた仮想3面を有し、
前記仮想3面は、1/4円弧長を有する2つの仮想面と、1/2円弧長を有する1つの仮想面とからなり、
前記仮想3面が、前記内燃機関の回転速度に応じて周方向に3段階に切り換えられて、
前記内燃機関の低回転速度域で、隣接する全ての吸気通路間を遮断し、
中回転速度域で、吸気行程が互いに連続しない気筒群における各気筒に一端がそれぞれ連通接続される隣接する1対の吸気通路間を連通し、
高回転速度域で、隣接する全ての吸気通路間を連通するとともに、各吸気通路と前記吸気集合室とを短絡的に連通する
ようにされたことを特徴とする請求項1記載の直列4気筒内燃機関の可変吸気装置。 - 前記ロータリーバルブは、それぞれ外方に向けて開放された4つの互いに独立な通路と3つの連通室とを有し、
前記4つの互いに独立な通路は、前記ロータリーバルブの外周を周方向に等間隔に4分割して得られる正方形の隣接する2つの頂点間にまたがり、前記4つの互いに独立な吸気通路の並設長に及ぶ長さを有する第1の仕切壁と、前記第1の仕切壁に連設されて、隣接する吸気通路間を遮断する3つの第2の仕切壁とにより区画形成され、おり、
前記3つの連通室のうちの2つは、前記正方形の対角線上の2つの頂点間にまたがり、前記4つの互いに独立な吸気通路の並設長に及ぶ長さを有する第3の仕切壁と、前記第3の仕切壁と前記第1の仕切壁とにまたがって連設されて、中央2つの隣接する吸気通路間を遮断する第4の仕切壁とにより区画形成され、それぞれ外方に向けて開放されており、
前記3つの連通室のうちの残りの1つは、前記4つの互いに独立な通路および前記3つの連通室のうちの2つを除いた空間により形成され、外方に向けて開放されている
ことを特徴とする請求項1記載の直列4気筒内燃機関の可変吸気装置。
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