JP4299346B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダに接続された吸気ポートに吸気流制御弁を備えた内燃機関の吸気装置に関し、特に、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内の旋回流（渦流）等のガス流動の強化を図る吸気流制御弁が内燃機関の停止中に作動不良状態になることを回避することができる吸気装置に関する。

たとえば、火花点火式内燃機関（以下、エンジンと記載する）における希薄混合気の安定した燃焼の実現のためには、タンブル流（縦渦）もしくはスワール流（横渦）といったシリンダ内のガス流動が非常に重要であり、より広い運転領域でガス流動を強化できることが必要である。

特に、エンジンの運転領域において、スロットル開度が小さく、それに応じて吸入空気量も少ない低負荷領域では、一般に混合気をやや濃く設定して燃焼を安定させるようにしているため、燃費やエミッションが悪化する傾向にある。このような燃費やエミッションの改善策としては、シリンダ内の吸気に旋回流を発生させて強い乱流により燃焼を促進することが有効であり、吸気にタンブル流やスワール流を発生させるようにしている。

ここで、スワール流は、吸気をシリンダの周壁に沿って旋回させるもので、吸気を均一化する効果は高いが、乱流生成による燃焼促進の効果は低い。一方、タンブル流は、吸気をシリンダの軸方向に沿って旋回させるもので、圧縮行程の後半にタンブル流が崩壊して強い乱流が発生することから、エンジン低負荷領域での燃焼改善策として有効である。

このようなシリンダ内のガス流動（スワール流、タンブル流）を強化する方法には、吸気ポートの通路断面の一部を遮へいする吸気流制御弁を用いて、吸気ポート内を流れる吸気流を吸気ポートの一方の側に片寄らせる方法がある。たとえば、タンブル流の生成のためには、吸気ポートの下側に吸気流制御弁を配置して、吸気ポートの上側に片寄って吸気が流れることで、シリンダ内のタンブル流が強化されることになる。

ところで、吸気流制御弁と吸気流制御弁を開閉可能に支持するハウジングとのクリアランスに燃焼室からの吹き戻し等によりオイルが吸気流制御弁に付着する場合がある。さらに、エンジンキーをオフし、エンジンを停止させるときに吸気流制御弁に付着するオイル量はエンジン運転中に比べて多くなる。さらに、エンジン始動時、エンジン回転速度は遅いため吸気流制御弁に働く負圧が小さいので、吸気流制御弁から付着オイルを吹き飛ばすことが困難になり、吸気流制御弁に多量のオイルが付着した状態になる。これにより、吸気流制御弁のハウジングとの摺動抵抗が増加し、吸気流制御弁の挙動が変化するので、エンジン始動直後のエンジン動作に不具合の生じることがある。また、エンジン停止期間が長くなると付着したオイルが硬化して吸気流制御弁がハウジングに固着し、エンジン始動時の吸気流制御弁の開閉動作を妨げることがある。

特開平９−２０３３２４号公報（特許文献１）は、このような問題点に鑑み、エンジンの運転状態に関わらず、吸気流制御弁に付着するオイル量を低減し、吸気流制御弁の固着を防止する内燃機関用吸気制御装置を開示する。この公報に開示された吸気制御装置は、内燃機関の各気筒に吸入空気を供給する吸気通路に設置され、各気筒への供給空気量を調整するスロットル弁と、スロットル弁よりも吸気流れの下流側において各気筒に接続する吸気通路に設置され、各気筒の吸気期間を調整する吸気流制御弁と、内燃機関の運転状態に基づいて吸気流制御弁の開弁期間および閉弁期間を決定する制御部とを備え、制御部は、内燃機関の停止時において、各気筒のピストンが動作している所定タイミングから吸気流制御弁を一定期間閉弁した後、吸気流制御弁を半開状態に保持することを特徴とする。

この内燃機関用吸気制御装置によると、エンジン停止時に吸気流制御弁を一定期間閉弁した後、吸気流制御弁を半開状態に保持することにより、吸気流制御弁と吸気流制御弁を支持するハウジングとの接触部分を極力減らしている。したがって、エンジン停止中に硬化したオイルにより吸気流制御弁がハウジングに固着されることを防止できる。
特開平９−２０３３２４号公報

上述した特許文献１に開示された、吸気流制御弁は、回動軸と、この回動軸に取付けられた弁体とを有する。弁体は左右一対の円板部と、両円板部の間に一体に形成された弁板部とからなる。円板部の軸方向外側には回動軸と同軸状に延びる軸支持部が形成されている。弁体の一端は軸支持部を介してベアリングにより回動自在に支持されており、弁体の他端はモータに連結されている。弁体を回動可能に収容する取付部は円筒状をなし、取付部の開口端から弁体が組付けられている。そして、弁体の回動時において、弁体の円板部の外周と取付部の内周面とは僅かなクリアランスを保持する。そして、エンジン停止から所定時間が経過すると、モータへの通電を停止し吸気流制御弁を半開状態にする。これにより、吸気流制御弁とバルブハウジングとの接触部位が殆どなくなるので、付着しているオイルにより吸気流制御弁がバルブハウジングに固着することを防止する。すなわち、エンジンキーのオフと同時に吸気流制御弁を一旦閉弁し、数秒後に半開状態にすることにより、吸気流制御弁に付着したオイルを吹き飛ばすとともに、吸気流制御弁がバルブハウジングに固着することを防止する。

しかしながら、特許文献１に開示された弁体を全開状態にしたところで、回動軸が吸気管の直径を貫くように設けられており、全開時であっても弁板部が大きな流体抵抗となり、圧力損失が大きくなる。これを回避するために、たとえば、吸気管断面形状を四辺形に円弧の一部または楕円弧の一部を重ねた形状として、吸気管の四辺形側面に対応して吸気流制御弁の弁体側面を形成して、この弁体側面に垂直な面に沿って回転軸を設ける。この回転軸は、吸気流制御弁を片方側（四辺形の底辺側）のみで支持し（いわゆる片持ち）、全開時には弁体を吸気管の底部に沿わせるようにする。特許文献１においては、半開状態として吸気流制御弁とバルブハウジングとの接触部位が殆どなくなるので、付着しているオイルにより吸気流制御弁がバルブハウジングに固着することを防止している。片持ち吸気流制御弁においては、全閉状態において漏れを抑えるためにクリアランスを最小としているので、半開状態としても、同じクリアランスにしかならない。このため、半開状態としても、オイルの付着や水分の氷着による吸気流制御弁の固着を回避できない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、全開時において大きな流体抵抗とならない吸気流制御弁を備えた吸気装置であって、内燃機関の停止中に作動不良状態になることを回避することができる内燃機関の吸気装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関のシリンダに吸気ポートが接続され、かつ、吸気ポートの下流側の先端において吸気弁が開閉する内燃機関の吸気装置である。吸気ポートに接続された吸気管の断面における側面形状は少なくとも一部が略直線状である。この吸気装置は、吸気弁の上流側に設けられ、少なくとも略直線状に合致した側面を有する弁体と弁体に設けられた回転軸とを含む吸気流制御弁と、回転軸を回転するための回転手段とを含む。この回転軸は、吸気管の一側面を回転中心として、弁体を回転させる。吸気管の形状は、回転手段により吸気流制御弁が吸気管を閉じる状態まで回転された第１の状態における弁体と吸気管との間の間隙が、回転手段により吸気流制御弁が中立状態である状態まで回転された第２の状態における弁体と吸気管との間の間隙よりも小さい。

第１の発明によると、吸気流制御弁は片方側（底辺側）のみで支持される、いわゆる片持ちであるので、全開時において、流体抵抗となり難い。吸気流制御弁が吸気管を閉じる（全閉とする）第１の状態においては、吸気流制御弁が中立状態である第２の状態よりも間隙が小さい。このため、第１の状態では、吸気流が間隙から漏れることを減少させて渦流の発生を強化でき、かつ、第２の状態では、内燃機関の停止時において間隙が大きいので、オイルの付着や水分の氷着による吸気流制御弁の固着を回避できる。その結果、全開時において大きな流体抵抗とならず、かつ、内燃機関の停止中に作動不良状態（固着状態）になることを回避することができる内燃機関の吸気装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の吸気装置においては、第１の発明の構成に加えて、第１の状態は、吸気管の断面を全閉とする状態であって、第１の状態における間隙は、吸気管からシリンダに流れる空気が漏れない間隙である。

第２の発明によると、第１の状態においては、吸気管の断面を全閉としたときに、吸気流が間隙から漏れることを減少させて渦流の発生を強化できる。

第３の発明に係る内燃機関の吸気装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、中立位置は、吸気管の略中間の位置であって、第２の状態における間隙は、内燃機関の停止時において、弁体が固着しない間隙である。

第３の発明によると、第２の状態においては、内燃機関の停止時において間隙が大きいので、オイルの付着や水分の氷着があってもに弁体が吸気管内壁に固着することを回避できる。

第４の発明に係る内燃機関の吸気装置においては、第３の発明の構成に加えて、第２の状態における間隙は、回転軸から離れるほど大きいものである。

第４の発明によると、回転軸から離れる位置で弁体が固着するほど、回転軸を大きなトルクで回転しなければならなくなる。このため、回転軸から離れるほど、間隙が大きく固着しにくい。このため、一旦固着してしまうと、その固着を解消するためにより大きなトルクが必要となる事態を回避できる。これにより、回転軸から離れた部位における弁体の固着を特に回避できるので、回転軸を回転させるアクチュエータの仕様を抑えることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本実施の形態に係る内燃機関の吸気装置について、その吸気装置が適用される内燃機関とともに説明する。なお、以下に示す内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジン（以下、エンジンを記載する）として説明する。なお、このエンジンに設けられるインジェクタは、吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタであっても、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタであってもよい。また、それらの双方のインジェクタを有するエンジンでもよい。

図１は、本実施の形態に係る内燃機関の吸気装置を、燃料であるガソリンを筒内に直接噴射する火花点火式のエンジンの吸気装置として適用した場合の全体構成を示す。この吸気装置は、ガス流動の一例として、タンブル流の強化を図ったものである。

図１に示すように、シリンダブロック１０に円筒状のシリンダ２０が形成されているとともに、その頂部を覆うシリンダヘッド３０に、べントルーフ型の燃焼室４０が設けられている。この燃焼室４０の２つの傾斜面にそれぞれ開口するように、吸気ポート５０および排気ポート６０が形成されており、吸気ポート５０の先端を吸気弁７０が開閉し、かつ排気ポート６０の先端を排気弁８０が開閉している。ここで、吸気ポート５０は、先端部が二股状に分岐しており、各気筒に一対設けられた吸気弁７０がそれぞれの先端を開閉している。同様に、排気弁８０も各気筒に一対設けられている。そして、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室４０中心部に、点火プラグ９０が配置されている。なお、シリンダ２０内に配置されたピストン１０は、本発明の要部ではないので、頂面が平坦な単純形状として図示してあるが、必要に応じて成層燃焼等に適した所望の形状に構成される場合もある。

なお、当業者には明らかなように、吸気ポート５０や吸気流等についての「上」「下」とは、シリンダ２０の上下を基準とするものであり、空間上の絶対的な上下の意味ではない。また、「吸気ポート」という用語も、必ずしもシリンダヘッド３０内部の部分のみを意味するのではなく、その上流側の一部が、シリンダヘッド３０外部の他の部材、たとえば吸気マニホールド（吸気管）の一部として構成される場合も含む。つまり、シリンダヘッド３０とは別の吸気マニホールド等から構成される部分を含めて「吸気ポート」と呼ぶものとする。

さらに、上述したようにこのエンジンの吸気ポート５０は先端部（燃焼室４０の手前）が二股状の２つの吸気管に分岐している。すなわち、燃焼室４０には２つの吸気弁７０を有する。たとえば、図２の紙面奥側に、さらなる吸気弁を備える。２つの吸気弁の上流側の一方の吸気管に吸気流制御弁を設けて、たとえば、その吸気流制御弁を用いてその一方の吸気管を全閉状態としてもう一方の吸気管からのみ空気を燃焼室に送り込むことにより、燃焼室内に渦流（この場合、主としてスワール流が形成されることになる）を形成する。また、少なくとも一方の吸気管に設けられた吸気流制御弁の開度を制御して、その一方の吸気管の上半分のみから空気を燃焼室に送り込むことにより、燃焼室内に渦流（この場合、主としてタンブル流が形成されることになる）を形成する。このように、吸気ポートに設けられた吸気流制御弁により燃焼室内に渦流が形成されるエンジンであれば、本発明の適用が可能である。

吸気流制御弁３００は、一端を支持されて回動する平板から構成される。吸気流制御弁３００は、回転軸３６０に連結され、回転軸３６０は、吸気流制御弁３００が回動自在になるように、回転軸支持部３５０により支持されている。回転軸３６０は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）により制御されるモータの回転軸に連結され、このモータにより吸気流制御弁３００が回転される。

また、吸気流制御弁３００を収納するための収納部３４０が吸気ポート５０下側に設けられている。

モータは、エンジンＥＣＵからの指令により正転（図１において吸気流制御弁３００が時計回りに回動する方向）して、吸気流制御弁３００Ｃの位置から吸気流制御弁３００Ｂの位置、吸気流制御弁３００Ａの位置に、吸気流制御弁３００の先端と吸気ポート５０の上側壁面とが当接するまで回転する。この回転は、たとえば、ストッパー（図示しない）により停止される。エンジンＥＣＵは、モータに、所定時間（回転軸３６０の回転角度に対応する時間が設定される）回転指令信号を出力するだけで、吸気流制御弁３００Ｃの位置から吸気流制御弁３００Ｂの位置、吸気流制御弁３００Ａの位置へ、吸気流制御弁３００を回動させることができる。

また、モータは、エンジンＥＣＵからの指令により逆転（図１において吸気流制御弁３００が反時計回りに回動する方向）して、吸気流制御弁３００Ａの位置から吸気流制御弁３００Ｂの位置、吸気流制御弁３００Ｃの位置に、吸気流制御弁３００が収納部３４０に収納されるまで回転する。この回転は、たとえば、ストッパー（図示しない）により停止される。エンジンＥＣＵは、モータに、所定時間（回転軸３６０）の回転角度に対応する時間が設定される）回転指令信号を出力するだけで、吸気流制御弁３００Ａの位置から吸気流制御弁３００Ｂの位置、吸気流制御弁３００Ｃの位置へ、吸気流制御弁３００を回動させることができる。

なお、ストッパーの代わりに、もしくはストッパーに加えて、吸気流制御弁３００が、その先端と吸気ポート５０の上側壁面とが当接したことをセンサで検出して、エンジンＥＣＵがモータに停止指令を出力したり、吸気流制御弁３００が、収納部３４０に収納されたことをセンサで検出して、エンジンＥＣＵがモータに停止指令を出力したりするようにしてもよい。

図２に、図１の吸気流制御弁近傍の拡大図を示す。吸気流制御弁３００Ａの位置がエンジン作動時において、吸気流制御弁３００を使用している状態である。この状態においては、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスを最小化して吸気流の漏れを抑制する必要がある。吸気流制御弁３００Ｃの位置が吸気流制御弁３００を使用していない状態であって、収納部３４０に吸気流制御弁３００が収納されて、吸気流制御弁３００が大きな流体抵抗になることを回避している。吸気流制御弁３００Ｂの位置がエンジン停止時の状態である。この状態においては、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスをできるだけ大きくして、オイルによる固着や水分による氷着を回避する必要がある。特に、氷着については、エンジンの停止時に吸気流制御弁３００の周囲の凝縮水が吸気流制御弁３００の側面と吸気ポート５０の内壁との間に溜まって、この溜まった水分が凍結することにより、吸気流制御弁３００が固着する。このため、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスが狭いと氷着しやすくなる。

図３に吸気流制御弁３００の弁体を吸気流の流れ方向から見た図（弁体の正面図）を示す。図３に示すように、吸気流制御弁３００は、回転軸３６０と垂直な面をその側面に有する。

図４に、エンジンが作動中の状態である、図２の４−４断面図を、図５に、エンジン停止中である、図２の５−５断面図を、それぞれ示す。

図４は、エンジンが作動中の状態を示し、吸気流制御弁３００を吸気流制御弁３００Ａの位置で使用して、吸気流を漏れがないように遮断している状態である。この吸気流制御弁３００Ａの位置においては、吸気ポート５０の内壁は拡大されていない。図４に、Ｘ部として示すように、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスは小さいものである。したがって、吸気流制御弁３００の側面から吸気流が漏れてエンジンに供給されることを回避でき、もう一方（各気筒に設けられた２つずつの吸気管があるとする）の吸気管のみから吸気流がエンジンに供給されて、燃焼室４０において強い渦流を発生させることができる。

一方、図５はエンジンが停止中の状態を示し、吸気流制御弁３００を吸気流制御弁３００Ｂの位置で使用している状態である。この吸気流制御弁３００Ｂの位置においては、吸気ポート５０の内壁は拡大されている。図５に、Ｙ部として示すように、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスは図４に示すよりも、大きいものである。したがって、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁との間で、オイルによる固着や水分による氷着が回避されて、エンジン停止中に吸気流制御弁３００が固着することを回避できる。

以上のような構造を有する本実施の形態に係る吸気装置の作用について説明する。
［吸気流制御弁の使用時］
エンジンが作動しており、吸気流制御弁３００が使用される条件においては、エンジンＥＣＵが、回転軸３６０を回転させるモータを制御して、吸気流制御弁３００Ａの位置まで吸気流制御弁３００を回転させる。このとき、図４に示すように、吸気ポート５０の内壁は、図５に示すようには拡大されていない。すなわち、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスは小さい。このため、吸気流制御弁３００の側面から吸気流が漏れてエンジンに供給されることを回避でき、もう一方（上述したように燃焼室手前で二股状に２つの吸気管に分岐）の吸気ポートのみから吸気流がエンジンに供給されて、燃焼室４０で強い渦流を発生させることができる。

［エンジン停止時］
エンジンが停止すると、吸気流制御弁３００が使用されない条件においては、エンジンＥＣＵが、回転軸３６０を回転させるモータを制御して、吸気流制御弁３００Ｂの位置まで吸気流制御弁３００を回転させる。このとき、図５に示すように、吸気ポート５０の内壁は、図５に示すように拡大されていいる。すなわち、吸気流制御弁３００と吸気ポート５０の内壁とのクリアランスは大きい。このため、吸気流制御弁３００の側面と吸気ポート５０の内壁の間のオイルによる固着や水分による氷着が回避されて、エンジン停止中に吸気流制御弁３００が固着することを回避できる。

特に、吸気流制御弁３００の先端部において固着や氷着してしまうと、モータに過大なトルクを発生させないと、その固着や氷着を外すことができない。このため、特に先端部において、クリアランスを大きく設定することが好ましい。

以上のようにして、本実施の形態に係る吸気装置によると、吸気弁の上流側に設けられ、渦流を発生させる吸気流制御弁の全閉状態での使用時においては、漏れる吸気流の発生を回避して、強い渦流を燃焼室に発生させることができる。さらに、エンジン停止時においては、吸気流制御弁と吸気ポート内壁の間のオイルによる固着や水分による氷着を回避できて、エンジン停止中に吸気流制御弁が固着することを回避できる。

＜変形例＞
図６を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係る吸気流制御弁３０００について説明する。上述した実施の形態に係る吸気流制御弁３００は、平板上の弁体であったが、本変形例に係る吸気流制御弁３０００は、断面が完全な平板形状ではなく、断面が略Ｕ字形状を有する。すなわち、このような吸気流制御弁３０００が、吸気ポート６０の断面における側面形状の少なくとも一部が略直線状に合致した側面を有するとともに、この側面に垂直な底面が少なくとも一部に形成されたものである。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る吸気装置の全体構造を示す断面図である。 図１の吸気流制御弁近傍の拡大図である。 吸気流制御弁の弁体を吸気流の流れ方向から見た図である。 図２の４−４断面を示す図である。 図２の５−５断面を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る吸気流制御弁の斜視図である。

符号の説明

１０ シリンダブロック、２０ シリンダ、３０ シリンダヘッド、４０ 燃焼室、５０ 吸気ポート、６０ 排気ポート、７０ 吸気弁、８０ 排気弁、９０ 点火プラグ、１００ ピストン、３００、３０００ 吸気流制御弁、３４０ 収納部、３５０ 回転軸支持部、３６０ 回転軸。

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダに吸気ポートが接続され、かつ、前記吸気ポートの下流側の先端において吸気弁が開閉する内燃機関の吸気装置であって、前記吸気ポートに接続された吸気管の断面における側面形状は少なくとも一部が略直線状であって、
   前記吸気装置は、
   前記吸気弁の上流側に設けられ、少なくとも前記略直線状に合致した側面を有する弁体と前記弁体に設けられた回転軸とを含む吸気流制御弁と、
   前記回転軸を回転するための回転手段とを含み、
   前記回転軸は、前記弁体の一端部に連結され、かつ、前記弁体の前記側面と前記吸気管の内壁とを対向させるように前記吸気管の一側面の近傍に配置されて、前記弁体を回転させ、
   前記吸気管の形状は、前記回転手段により前記吸気流制御弁が吸気管を閉じる状態まで回転された第１の状態における前記弁体の前記側面と前記吸気管の前記内壁との間の間隙が、前記回転手段により前記吸気流制御弁が中立状態である状態まで回転された第２の状態における前記弁体の前記側面と前記吸気管の前記内壁との間の間隙よりも小さい、内燃機関の吸気装置。
2. 前記第１の状態は、前記吸気管の断面を全閉とする状態であって、
   前記第１の状態における間隙は、前記吸気管から前記シリンダに流れる空気が漏れない間隙である、請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記中立位置は、前記吸気管の略中間の位置であって、
   前記第２の状態における間隙は、前記内燃機関の停止時において、前記弁体が固着しない間隙である、請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記第２の状態における間隙は、前記回転軸から離れるほど大きい、請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。

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