JP4345724B2 - 内燃機関の吸気方法および吸気構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気方法および吸気構造に関する。

従来、特許文献１に記載のように、吸気ポートの通路内を隔壁により第１通路と第２通路とに区画形成し、第２通路を開閉する吸気制御弁（シャッタ弁）を設け、吸気制御弁の閉状態では吸気制御弁の前縁を隔壁と当接させてタンブル生成を確実に行うことが知られている。
実開平７−２５２６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では隔壁が１つであったため、吸気制御弁の開閉状態は、第２通路を全開にする状態と、第２通路を全閉にする状態との２つの状態しかなかった。このため、機関の運転状態に応じて種々の強度のガス流動を得ることが困難であった。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、吸気制御弁の開閉状態を変化させることで種々の強度のガス流動を得ることを可能にすると共に、吸気制御弁の開閉状態を変化させた場合においても、安定したガス流動を確保することを目的とする。

そのため本発明では、スロットルバルブの下流位置において、吸気通路内を流れる吸気の流れ方向と垂直な断面にて吸気が通過する面積である吸気通過面積を縮小することにより、吸気を吸気通路の一側方寄りに偏向させて燃焼室内における吸気の流動を高める場合に、吸気通路の吸気通過面積が吸気通路の全断面積の半分以下の割合となる範囲内で、吸気通路の全断面積に対する吸気通過面積の割合が複数の異なる割合となるときに、吸気通過面積を燃焼室近傍まで、各割合それぞれについて略一定に保って、燃焼室近傍まで吸気通路全断面積の一部のみを吸気が通流する構成とする。

本発明によれば、各割合をそれぞれ吸気制御弁から燃焼室近傍まで略一定に保つため、吸気制御弁の開閉状態に応じてガス流動を安定して生成することができ、大幅なエミッション低減および燃費向上ができるという効果がある。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の全体構成を示す図である。図２は、吸気制御弁２０と吸気整流体（第１板状部材２５、第２板状部材２６）との関係を示す図であり、（イ）は吸気通路１３の断面図、（ロ）は（イ）の矢印方向から見た図である。

複数個（例えば４個）設けられた各シリンダ１（１個のみ図示）内には、ピストン２が移動可能に配置されている。ピストン２の冠面２ａと、シリンダ１の上側に配設されたシリンダヘッド３とにより燃焼室４が画成されている。燃焼室４の上部のシリンダヘッド３には、点火プラグ５が配設されている。
各燃焼室４には、吸気バルブ６および排気バルブ７が２個ずつ配置されている。吸気バルブ６および排気バルブ７は、それぞれに設けられた動弁機構８，９により開閉駆動される。

更に各燃焼室４には、二股の吸気ポート１０および排気ポート１１が互いに対向して設けられている（各１個のみ図示）。吸気ポート１０には吸気マニホールド１２が接続されて吸気通路１３を構成している。排気ポート１１には、排気マニホールド（図示せず）が接続されて排気通路１５を構成する。
吸気通路１３には、上流側にスロットルバルブ１６が配置され、スロットルバルブ１６の開閉制御により、スロットルバルブ１６の上流側に配置されたエアクリーナー１７を介して新気が吸入される。

スロットルバルブ１６の下流側には、コレクタ１８が配置されており、このコレクタ１８に接続された吸気マニホールド１２を介して各シリンダ１に吸入空気を分配する。
吸気通路１３（例えば、吸気マニホールド１２）の通路壁近傍位置には、通路壁底面の一部を切り欠いて、吸気制御弁２０（弁軸２２）を格納する格納部２１が形成されている。これにより、図２（ロ）に示すように、吸気通路１３の断面の中心を挟んで吸気通路１３の上壁（一側方）とは反対側の底壁に格納部２１を形成する。

吸気制御弁２０（本実施形態ではタンブル制御弁）は、格納部２１の所定位置にて回動可能な弁軸２２に、板状の弁体２３の一端部２３ａが固定されたフラップ弁として構成されている。
吸気制御弁２０の弁軸２２は、アクチュエータ２４（サーボモータ）により回動可能となっている。このため、アクチュエータ２４の制御、すなわち弁軸２２の回動位置に応じて、弁体２３の他端側の前縁２３ｂが弁軸２２を中心とした円弧状に動くことにより、吸気通路１３の開閉が制御される。例えば、吸気制御弁２０が全開の場合、すなわち弁体２３が吸気通路１３の上壁と平行な位置にある場合には、吸気制御弁２０の全体が格納部２１に格納されることとなるため、吸入空気の流動抵抗が低減する。

吸気通路１３（例えば、吸気ポート１０）には、吸気整流体として、複数（図１，２では２つ）の薄い板状部材である第１板状部材２５および第２板状部材２６が配設されている。第１板状部材２５および第２板状部材２６は、吸気制御弁２０（弁軸２２）の複数の回動位置での弁体２３の他端側の前縁２３ｂの各位置から、吸入空気の流れ方向に延在している。図２（イ）に示すように、これらの板状部材２５，２６は、吸気制御弁２０から燃焼室近傍（吸気バルブ６近傍）付近まで吸気流れ方向に延在している。また、第２板状部材２６は、吸気通路１３内を流れる吸気の流れ方向と垂直な断面にて、吸気通路１３の全断面積を略半分に分割するように形成されている。

図１，２では、吸気制御弁２０の複数の回動位置を第１所定回動位置及び第２所定回動位置の２つとして説明する。
第１板状部材２５は、弁軸２２の第１所定回動位置において、弁体２３の他端側の前縁２３ｂに連続する。第２板状部材２６は、弁軸２２の第２所定回動位置において、弁体２３の他端側の前縁２３ｂに連続する。

吸気制御弁２０は、吸気通路１３内を流れる吸気の流れ方向と垂直な断面にて吸気が通過する面積である吸気通過面積を縮小することにより、吸気を吸気通路１３の一側方寄り（図では上壁側）に偏向させて燃焼室内における吸気の流動を高めることができるようになっている。これは、吸気制御弁２０が吸気流れ方向に対して吸気通路１３の一側方に鋭角な範囲でのみ回動可能になっているためである。

そして、吸気通路１３の吸気通過面積が吸気通路１３の全断面積の半分以下の割合となる範囲内で、吸気通路１３の全断面積に対する吸気通過面積の割合が吸気制御弁２０により複数の異なる割合となるときに、吸気通過面積を吸気制御弁２０から燃焼室近傍まで、各割合それぞれについて略一定に保つ吸気整流体（図２では、第１板状部材２５，第２板状部材２６）を有する。

吸気制御弁２０が第１所定回動位置にあり、弁体２３の前縁２３ｂが第１板状部材２５と連続するとき、第１板状部材２５が吸気制御弁２０から燃焼室近傍まで、吸気通路１３の全断面積に対する吸気通過面積の割合を略一定に保つ。
吸気制御弁２０が第２所定回動位置にあり、弁体２３の前縁２３ｂが第２板状部材２６と連続するとき、第２板状部材２６が吸気制御弁２０から燃焼室近傍まで、吸気通路１３の全断面積に対する吸気通過面積の割合を略一定に保つ。

このように図１，２では、複数の板状部材２５，２６から構成された吸気整流体に、吸気制御弁２０の開閉状態に合わせて弁体２３の他端部が連続されることで、吸気制御弁２０の回動位置が複数に変化する場合でも、各位置においてガス流動を安定して生成することができ、大幅なエミッション低減および燃費向上ができる。
吸気通路１３の下流側には、吸気ポート１０にて二股の分岐点よりも上流側の位置に燃料噴射弁２７が設けられている。

また、内燃機関の運転状態を検出するため、各種センサが配設されている。例えば、図示のように、スロットルバルブ１６の上流の吸気通路１３に設けられたエアフロメータ２８（吸入空気検出センサ）や、エンジン回転数に応じた信号を出力するクランク角センサ２９などが配設されている。
これらのセンサ２８，２９からの出力信号がＥＣＵ３０に入力され、各種演算・制御を行う。ＥＣＵ３０は、点火プラグ５の点火時期制御、スロットルバルブ１６の開度制御、アクチュエータ２４の制御（弁軸２２の回動位置制御）、燃料噴射弁２７からの燃料噴射制御などを行う。

また図２（イ）に示す通り、吸気制御弁２０の弁体２３の他端側の前縁２３ｂが第１板状部材２５の上流側端部と連続する場合には、吸入空気が、第１板状部材２５と吸気通路１３の上側壁面との間の開口部を流れることとなる。この状態では、（ロ）に示すように、第１板状部材２５より下側の吸気通路１３は吸気制御弁２０によって塞がれており、第１板状部材２５と吸気通路１３の上側壁面との間の開口部を流れる吸入空気によってシリンダ１内にタンブル流（縦渦流）が形成される。特に、内燃機関の負荷が低負荷である場合には、吸入空気量が少なくても、従来の吸入空気装置と比較してタンブル流をより強化することができる。

また、吸気制御弁２０の弁体２３の他端側の前縁２３ｂを第１板状部材２５または第２板状部材２６の上流側端部と連続させるかは、内燃機関の運転状態に応じて決定する。例えば、低回転低負荷時や冷間時などには、弁体２３の他端側の前縁２３ｂが第１板状部材２５の上流側端部と連続するように、吸気制御弁２０（弁軸２２）の回動を制御する。これにより、タンブル流をより強化し、運転の安定性を向上させる。

中回転中負荷時には、弁体２３の他端側の前縁２３ｂが第２板状部材２６の上流側端部と連続するように、吸気制御弁２０の回動を制御する。これにより、適切な吸入空気量を確保すると共に、適切なガス流動の確保を図る。
一方、高回転高負荷時には、吸気制御弁２０を全開にするよう、弁軸２２を回動制御して弁体２３を格納部２１に格納することで、吸入空気の流動抵抗をなくす。

そして、第１板状部材２５および第２板状部材２６の下流側は、燃料噴射弁２７の近傍まで延設されている。これらの部材２５，２６の下流側には、それぞれ切り欠き２５ａ，２６ａが形成されている。第１板状部材２５および第２板状部材の２６の下流側の切り欠き２５ａ，２６ａは、燃料噴射弁２７からの燃料噴霧形状に対応して形成されている。
第１板状部材２５および第２板状部材２６の切り欠き２５ａ，２６ａにより、燃料噴射弁２７が吸気通路１３内に突出している部分において吸入空気の通路を縮径することが無く、スムーズに吸入空気の導入を行うと共に、燃料噴霧が第１板状部材２５および第２板状部材２６に付着すること（壁流）を防止する。

なお、図１，２では複数の吸気整流部材は、第１板状部材２５と第２板状部材２６との２つの部材から構成することについて説明したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、多数の板状部材（例えば４枚の板状部材）から構成してもよい。この場合は、吸気制御弁２０の弁体２３の他端側の前縁２３ｂを、運転状況に応じて適切な位置に合わせるようにすればよい。

次に、本発明の第２の実施形態について図４および図５を用いて説明する。
本実施形態では、図４（イ）および図５（イ）に示すように、吸気制御弁２０として、弁体２３の他端側の右側にスワール発生用切り欠き２３ｃが形成されたスワール制御弁を用いている。吸気制御弁２０は、スワール発生用切り欠き２３ｃが形成されていない他端側の前縁である第１前縁２３ｄと、スワール発生用切り欠き２３ｃが形成されている他端側の前縁である第２前縁２３ｅと、を有する。

図４（イ）は、吸気制御弁２０を全閉位置において、吸気通路１３の上流側から吸気制御弁２０を見た図であり、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における端面図、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ線における端面図である。
図５（イ）は弁軸２２の所定回動位置において、吸気制御弁２０が所定の閉じ量である状態を示す図であり、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における端面図、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ線における端面図である。

吸気制御弁２０が全閉である時には、図４に示す通り、第１前縁２３ｄが吸気通路１３の上側壁面に当接する一方、第２前縁２３ｅが第１板状部材２５と連続する。
吸気制御弁２０が所定回動位置にある時には、図５に示す通り、第１前縁２３ｄが第１板状部材２５と連続する一方、第２前縁２３ｅが第２板状部材２６と連続する。
なお、本実施形態では、吸気整流体として第１板状部材２５および第２板状部材２６からなることについて説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、第１板状部材２５および第２板状部材２６だけでなく、多数の板状部材を配設し、吸気制御弁２０の第１前縁２３ｄと第２前縁２３ｅとが図５とは異なる位置にある時に、これらの位置に連続するように第１板状部材と第２板状部材とがあればよい。このようにすれば、吸気制御弁２０の中間開度においても適切にガス流動を安定させることができる。

本実施形態によれば、吸気制御弁２０は、弁体２３の他端側の幅方向のいずれか一方（図４，５では右側）にスワール発生用切り欠き２３ｃが形成され、スワール発生用切り欠き２３ｃが形成されていない他端側の前縁である第１前縁２３ｄと、スワール発生用切り欠き２３ｃが形成されている他端側の前縁である第２前縁２３ｅと、を有するスワール制御弁である一方、吸気整流体は、少なくとも、吸気制御弁２０の所定回動位置において、吸気制御弁２０の第１前縁２３ｄに連続する第１板状部材２５と、第２前縁２３ｅに連続する第２板状部材２６と、を有する。このため、吸気制御弁２０の開閉位置に応じて強いスワール流（ガス流動）を発生させることができる。

また本実施形態によれば、第１板状部材２５は、吸気制御弁２０の全閉時において、吸気制御弁２０の第２前縁２３ｅに連続する。このため、吸気制御弁２０の全閉時において強いスワール流を発生させることができる。
次に、本発明の第３の実施形態について図６を用いて説明する。
本実施形態では、吸気整流体を吸入空気の流れ方向に延在するハニカム構造としたハニカム部材３１として形成している。すなわち、ハニカム部材３１は、複数の横板状部材および縦板状部材によりハニカム構造とすることで、吸入空気の整流作用を十分に確保している。

この場合、吸気制御弁２０は、前述の第１実施形態にて説明したフラップ弁と同じ構成となっており、フラップ弁の他端側の前縁２３ｂがハニカム部材３１と連続するように構成されている。
すなわち、吸気制御弁２０が吸気通路１３を閉じるときにおいて、ハニカム部材３１の上流側が、吸気制御弁２０の弁体２３の他端側の前縁２３ｂと連続する構成となっている。

本実施形態によれば、吸気整流体は、吸入空気の流れ方向に延在するハニカム構造（ハニカム部材３１）となっている。このため、十分な吸入空気の整流が可能となる。そして、運転条件に応じて弁体２３の前縁２３ｂの位置を適切に変えることで、安定してガス流動を生成することができ、大幅なエミッションの低減および燃費向上ができる。

第１の実施形態に係る吸気装置を示す構成図 吸気通路の断面図 吸気通路の断面図 第２の実施形態において吸気制御弁の全閉時における状態を示す図 第２の実施形態において吸気制御弁の所定開度における状態を示す図 第３の実施形態に係る吸気通路の断面図

符号の説明

１０ 吸気ポート
１２ 吸気マニホールド
１３ 吸気通路
１６ スロットルバルブ
２０ 吸気制御弁
２１ 格納部
２２ 弁軸
２３ 弁体
２３ａ 弁体（吸気制御弁）の一端部
２３ｂ 弁体の他端側前縁
２３ｃ スワール発生用切り欠き
２３ｄ 第１前縁
２３ｅ 第２前縁
２４ アクチュエータ
２５ 第１板状部材
２６ 第２板状部材
２７ 燃料噴射弁
３１ ハニカム部材

Claims (6)

1. スロットルバルブの下流位置において、吸気通路内を流れる吸気の流れ方向と垂直な断面にて吸気が通過する面積である吸気通過面積を縮小することにより、吸気を吸気通路の一側方寄りに偏向させて燃焼室内における吸気の流動を高める内燃機関の吸気方法において、
   前記吸気通路の吸気通過面積が前記吸気通路の全断面積の半分以下の割合となる範囲内で、前記吸気通路の全断面積に対する前記吸気通過面積の割合が複数の異なる割合となるときに、前記吸気通過面積を燃焼室近傍まで、各割合それぞれについて略一定に保って、燃焼室近傍まで吸気通路全断面積の一部のみを吸気が通流するようにすることを特徴とする内燃機関の吸気方法。
2. スロットルバルブの下流位置において、吸気通路内を流れる吸気の流れ方向と垂直な断面にて吸気が通過する面積である吸気通過面積を縮小することにより、吸気を吸気通路の一側方寄りに偏向させて燃焼室内における吸気の流動を高めることが可能な吸気制御弁を有する内燃機関の吸気構造において、
   前記吸気通路の吸気通過面積が前記吸気通路の全断面積の半分以下の割合となる範囲内で、前記吸気通路の全断面積に対する前記吸気通過面積の割合が前記吸気制御弁により複数の異なる割合となるときに、前記吸気通過面積を前記吸気制御弁から燃焼室近傍まで、各割合それぞれについて略一定に保つ吸気整流体を設け、燃焼室近傍まで吸気通路全断面積の一部のみを吸気が通流するようにしたことを特徴とする内燃機関の吸気構造。
3. 前記吸気制御弁は、前記吸気通路の断面の中心を挟んで前記吸気通路の一側方とは反対側の吸気通路壁近傍位置に配設された弁軸と、該弁軸に一端部を固定されて弁軸回りを回動する弁体とを備え、該弁体の他端部が前記吸気整流体と連続することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の吸気構造。
4. 前記吸気制御弁は、吸気流れ方向に対して前記吸気通路の一側方に鋭角な範囲でのみ回動することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の吸気構造。
5. 前記吸気整流体は、吸入空気の流れ方向に延在し、前記各割合において前記吸気制御弁と連続する複数の板状部材であることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気構造。
6. 前記吸気整流体は、吸入空気の流れ方向に延在するハニカム構造になっていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気構造。

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