JP4362097B2 - 吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に付設される吸気装置に係り、詳しくは広い運転領域で高い共鳴効果を得る技術に関する。
内燃機関(以下、エンジンと記す)の発生トルクを向上させるためには、吸気効率(ピストンの下降時に気筒内に流入する吸入気(混合気や空気)の量を気筒容積で除した値)を高める必要がある。一般に、多気筒自然吸気エンジンでは、吸気流の慣性を利用した慣性過給を行うために、吸気装置におけるサージタンク容量や独立吸気通路長の最適値が実験等により求められている。一方、吸気通路に共鳴チャンバ(レゾネータ)を付設し、共鳴チャンバ内に生じる圧力変動と各気筒の吸気サイクルとを同調させることにより、共鳴効果(共鳴過給や吸気騒音の抑制)を得る吸気装置が存在する。共鳴チャンバは、連通路を介して吸気通路に接続されており、共鳴効果の得られる運転領域(エンジン回転速度)がこの連通路の長さ等によって決まることになる。
そこで、広い運転領域で共鳴効果を得ることができるように、共鳴チャンバと吸気通路とを接続する連通路の長さを可変とした吸気装置が存在する。例えば、長さの異なる複数の連通路とこれら連通路を開放・遮断する開閉弁とを設け、エンジン回転速度に基づいてこれら開閉弁を駆動制御することにより使用する連通路を変更するもの(特許文献1参照)が開示されている。また、共鳴チャンバを吸気通路に対して相対動可能とするとともに連通路を伸縮自在な二重管構造とし、エンジン回転速度に基づいて共鳴チャンバを移動させることにより、連通路の長さを連続的に変化させるもの(特許文献2参照)が開示されている。
特開平9−264143号公報(段落0013,0017、図1) 実公平3−29581号公報(第2頁、第1図)
しかしながら、特許文献1の吸気装置は、共鳴効果を得ることのできる運転領域を段階的にしか変化させないため、エンジン回転速度が連続的に変化する自動車用エンジンの吸気装置として最適なものとはいえなかった。一方、特許文献2の吸気装置は、共鳴効果を得ることのできる運転領域を連続的に変化させることができるが、共鳴チャンバを移動させることに起因する種々の問題を有していた。例えば、共鳴チャンバは、その体格が比較的大きいため、エンジン回転速度に応じて吸気装置の外形が大きく変化することになり、狭いエンジンルームに収容される自動車用エンジンの吸気装置として採用することが難しかった。また、共鳴チャンバの重量も比較的大きいため、駆動用のアクチュエータに大型のものが必要になる他、アクチュエータの作動エネルギ(電気やエア)も大きくなることが避けられなかった。更に、共鳴チャンバの慣性質量が大きいことから、起動や停止を瞬間的に行うことが難しく、応答性や制御性を高くすることもできなかった。
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、比較的簡便な構成を採りながら、広い運転領域で高い共鳴効果を得ることのできる吸気装置を提供することを目的とする。
請求項1の発明に係る吸気装置は、内燃機関に付設され、吸入気が流通する吸気通路と、この吸気通路に付設された共鳴チャンバと、前記共鳴チャンバを前記吸気通路に連通させる連通手段とを有する吸気装置であって、前記連通手段は、軸方向一端が前記吸気通路に開口するとともに、前記共鳴チャンバに開口する開口部をその筒壁に有する外筒と、この外筒に相対回動可能に内嵌し、軸方向一端が前記吸気通路に開口するとともに、前記外筒の開口部と重なることで連通孔を形成する開口部をその筒壁に有する内筒と、前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を前記内燃機関の運転状態に基づいて回動させる駆動手段とを備え、前記外筒と前記内筒とが相対回動すると、前記吸気通路から前記連通孔の端までの距離が変化することを特徴とする。
また、請求項2の発明に係る吸気装置は、請求項1に記載の吸気装置において、前記駆動手段は、前記内燃機関の回転速度の高いときの方が当該回転速度の低いときの方より前記吸気通路から前記連通孔の端までの距離が短くなるように、前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を回動させることを特徴とする。
また、請求項3の発明に係る吸気装置は、請求項1または請求項2に記載の吸気装置において、前記外筒と前記内筒とが相対回動すると、前記連通孔の面積が変化することを特徴とする。
また、請求項4の発明に係る吸気装置は、請求項3に記載の吸気装置において、前記駆動手段は、前記内燃機関の回転速度の高いときの方が当該回転速度の低いときの方より前記連通孔の面積が大きくなるように、前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を回動させることを特徴とする。
本発明の吸気装置によれば、吸気装置の外形を変化させることなく、共鳴効果を得ることのできる運転領域を連続的に変えることができる。また、内筒や外筒の重量が共鳴チャンバに比べて小さいため、駆動用のアクチュエータに比較的小さなものを採用することができ、エネルギ消費の低減や応答性および制御性の向上を図ることができる。
以下、図面を参照して、本発明を自動車用エンジンの吸気装置に適用した一実施形態を詳細に説明する。
図1は実施形態の吸気装置が採用された自動車用エンジンの斜視図である。また、図2は実施形態の吸気装置の背面図であり、図3は図2中のIII−III断面図であり、図4は図3中のIV−IV断面図である。また、図5は管長切換バルブユニットの斜視図であり、図6は管長切換バルブユニットの要部分解斜視図であり、図7はロストモーション機構の作動を説明するための図であり、図8は可変連通管の斜視図であり、図9は可変連通管の分解斜視図であり、図10は管長切換バルブユニットおよび可変連通管の作動を説明するための図である。なお、吸気装置の説明にあたっては、図2中の左方を前、図2中の右方を後、図3,図4中の右方を表、図3,図4中の左方を裏とそれぞれ記す。
《実施形態の構成》
〈全体構成〉
図1に示すエンジン100は、自動車用の4サイクル直列4気筒ガソリンエンジンであり、そのシリンダヘッド101の側面に吸気装置1を備えている。吸気装置1は、電子制御スロットル装置10と吸気マニホールド20とを外殻としている。電子制御スロットル装置10に電動式のスロットルアクチュエータ11が設けられる一方、吸気マニホールド20には電動式の可変吸気アクチュエータ21と連通管開度センサ22とが外装されている。なお、スロットルアクチュエータ11と可変吸気アクチュエータ21とは、電動モータや歯車減速機構、ケーシング等から構成されている。また、電子制御スロットル装置10には、図示しないエアクリーナからの空気を導入するための吸気ダクト12が接続している。
スロットルアクチュエータ11と可変吸気アクチュエータ21と連通管開度センサ22とは、車室内等に設置されたエンジンECU200に接続されている。スロットルアクチュエータ11および可変吸気アクチュエータ21はエンジンECU200からの指令に基づいて作動し、連通管開度センサ22はエンジンECU200に後述する内筒角度θipを出力する。なお、エンジンECU200には、エンジン100に装着されたNeセンサ102や、アクセルペダル300に取り付けられたアクセルポジションセンサ301等が接続されており、Neセンサ102からはエンジン回転速度NeがエンジンECU200に出力され、アクセルポジションセンサ301からはアクセルペダル300の踏み込み量θthがエンジンECU200に出力される。
吸気マニホールド20は、いわゆるチャンバ一体型マニホールドであり、4本の吸気ブランチ23a〜23dの下方にチャンバ部24が一体化されている。図2,図3に示すように、吸気マニホールド20には、電子制御スロットル装置10からの吸入気をチャンバ部24に案内する導入路25が形成されている。また、吸気マニホールド20には、エンジン100の運転状態に応じて吸気特性を変えるための吸気特性可変手段として、管長切換バルブユニット40と可変連通管50とが取り付けられている。
図2,図4に示すように、チャンバ部24には、吸気ブランチ23a〜23dに供給する吸入気を一時的に蓄える吸気チャンバ31と、共鳴効果を得るための共鳴チャンバ32とが設けられている。本実施形態の場合、共鳴チャンバ32は、吸気チャンバ31の前側に隔壁33によって画成されている。吸気チャンバ31と共鳴チャンバ32とは、管長切換バルブユニット40や可変連通管50の組み込みや、鋳造および溶着の容易化等を図るため等の理由により共に裏面側が開放されているが、その開口はカバー26により塞がれる。
図4に示すように、吸気マニホールド20には、チャンバ部24の外周側に比較的長い第1吸気路35a〜35d(図4には、第1吸気路35bのみ示す)が設けられ、第1吸気路35a〜35dの内側に比較的短い第2吸気路36a〜36d(図4には、第2吸気路36bのみ示す)が設けられている。第1,第2吸気路35a〜35d,36a〜36dは、吸気チャンバ31と吸気ブランチ23a〜23dとを連結している。そして、第2吸気路36a〜36dには、吸気チャンバ31側端部に管長切換バルブユニット40が装着されている。
〈管長切換バルブユニット〉
図5に示すように、管長切換バルブユニット40は、4つの吸気口41a〜41dが形成されたバルブベース42と、各吸気口41a〜41dの開閉を行うバルブ本体43a〜43dと、バルブ本体43a〜43dがビス止めされるバルブシャフト44と、後述する可変連通管50のドライブギヤ54に噛み合うドリブンギヤ45と、バルブシャフト44に連結されるとともにドリブンギヤ45に係合するコネクティングプレート46と、バルブ本体43a〜43dが閉鎖する方向にコネクティングプレート46を付勢するリターンスプリング47とを備えている。
図6に示すように、バルブシャフト44のドリブンギヤ45側端部には、ドリブンギヤ45が遊嵌するギヤ保持部44aと、ギヤ保持部44aの先端に形成されてC型止め輪48が係合する環状溝44bと、コネクティングプレート46が係合する雄スプライン44cとが形成されている。また、ドリブンギヤ45には、その軸心にバルブシャフト44の先端が遊嵌する軸孔45aが穿設されるとともに、外周側にコネクティングプレート46を駆動する駆動ピン45bが立設されている。なお、C型止め輪48は、バルブシャフト44からドリブンギヤ45が脱落することを防止する。
コネクティングプレート46には、その軸心にバルブシャフト44の雄スプライン44cが係合する雌スプライン46aが穿設されるとともに、ドリブンギヤ45の駆動ピン45bが係合する円弧溝46bと、リターンスプリング47のアーム47aが嵌入する係止孔46cとが形成されている。また、リターンスプリング47は、いわゆる捻りコイルばねであり、コネクティングプレート46の係止孔46cに嵌入するアーム47aと、バルブベース42の図示しない係止孔に嵌入するアーム47bとを有している。
本実施形態の場合、ドリブンギヤ45の駆動ピン45bとコネクティングプレート46の円弧溝46bとが、ロストモーション機構49を形成している。すなわち、図7(a)に示すように、ドリブンギヤ45が回動した場合にも、駆動ピン45bが円弧溝46b内を移動する範囲(駆動ピン45bが円弧溝46bに遊嵌する範囲)では、コネクティングプレート46は停止している。そして、図7(b)に示すように、電動アクチュエータ21側から見てドリブンギヤ45が時計回りに回動し、駆動ピン45bが円弧溝46bの端部に当接すると、ドリブンギヤ45とコネクティングプレート46とが一体に回動し(ドリブンギヤ45とコネクティングプレート46とが連れ回りし)、コネクティングプレート46にバルブシャフト44を介して連結されたバルブ本体43a〜43dが開放方向に駆動される。なお、円弧溝46bの角度は200°となっている。
〈可変連通管〉
一方、図2,図4に示すように、共鳴チャンバ32の上部には、導入路25と共鳴チャンバ32とを連通する可変連通管(連通手段)50が設けられている。図2,図8に示すように、可変連通管50は、圧入等によって吸気マニホールド20に固着された外筒51と、外筒51に相対回動自在に内嵌した内筒52と、内筒52が固着されるとともに先端に連通管開度センサ22が連結されるシャフト53と、内筒52に一体化されるとともに管長切換バルブユニット40のドリブンギヤ45に噛み合うドライブギヤ54と、シャフト53に一体化されるとともに可変吸気アクチュエータ21に連結するスプライン軸55とを備えている。なお、本実施形態の場合、ドリブンギヤ45とドライブギヤ54とは、同径(同一歯数)となっている。
図8,図9に示すように、外筒51には、その一端に導入路25への開口51aが形成されるとともに、管壁に吸気チャンバ31に開口する直線状のスリット(開口部)51bが形成されている。スリット51bは、外筒51の軸に沿って形成されている。一方、内筒52には、その一端(外筒51の開口51aと同じ側)に導入路25への開口52aが形成されるとともに、管壁に可変ポート(開口部)52bが形成されている。可変ポート52bは、内筒52の軸に平行な縁と螺旋状の縁とを有しており、展開状態では図9に二点差線で示すように直角三角形状を呈す。可変ポート52bは、外筒51のスリット51bと重なることで連通孔50aを形成する。連通孔50aは、外筒51と内筒52との相対角度に応じて、導入路25側の端部からの距離Lと面積Sとが変化する。
可変連通管50において、導入路25側から見て内筒52が時計回りに回動すると、上述の距離Lが短くなる一方で面積Sは大きくなる。本実施形態では、内筒52の角度を内筒角度θipとし、図2に示す状態(距離Lが最も長くなる状態)での内筒角度θipgを0°とする。
〈管長切換バルブユニットおよび可変連通管の作動〉
図10は、可変連通管50の内筒52の回動に伴う、距離Lおよび面積Sの変動と、管長切換バルブユニット40の作動とを示す模式図である。同図に示すように、可変連通管50の内筒52は内筒角度θipが0°〜290°となる範囲で回動し、内筒角度θipが大きくなるに連れて、距離Lは連続的に減少し、面積Sが連続的に増大する。また、管長切換バルブユニット40のバルブ本体43a〜43dは、可変吸気アクチュエータ21に可変連通管50が駆動されても、前述のロストモーション機構49の作用により、内筒角度θipが0°〜200°の角度範囲では閉鎖しており、内筒角度θipが200°から290°になることにより開放する。なお、図10においては、図が煩雑になることを避けるため、可変ポート52bは展開状態で示すとともに、スリット51b(すなわち、外筒51)が可変ポート52b(すなわち、内筒52)に対して移動するように描いてある。
《実施形態の作用》
自動車の運転者がイグニッションキーを操作してエンジン100が始動すると、エンジンECU200は、アクセルポジションセンサ301から入力したアクセルペダル300の踏み込み量θth等に基づいてスロットルアクチュエータ11を駆動制御する。これにより、スロットルアクチュエータ11が作動し、エンジン100の燃焼室に吸入される混合気の量が増減して運転者の意志の応じたエンジン出力が発生する。
一方、エンジンECU200は、スロットルアクチュエータ11の駆動制御と並行して、Neセンサ102から入力したエンジン回転速度Ne等に基づいて可変吸気アクチュエータ21を駆動制御する。これにより、可変吸気アクチュエータ21により可変連通管50(あるいは、可変連通管50と管長切換バルブユニット40の双方)が駆動され、エンジン100の吸気効率が高く保たれる。なお、エンジンECU200は、連通管開度センサ22から入力した可変連通管50の内筒角度θipを用い、可変吸気アクチュエータ21をフィードバック制御する。
例えば、エンジン回転速度Neが低いアイドル時等の運転領域では、導入路25を通過する吸入気の脈動波の固有振動数fiが小さくなる。
なお、脈動波の固有振動数fiは、サイクル数をZ、気筒数をnとすると、下式(1)で与えられ、
fi=(Ne/60)・(2/Z)・n ...(1)
4サイクル4気筒エンジンの場合には、
fi=(Ne/60)・(2/4)・4=Ne/30
となる。
そこで、エンジンECU200は、可変吸気アクチュエータ21に駆動指令を出力し、可変連通管50の内筒角度θipを0とさせる。すると、図10に示すように、連通孔50aの導入路25側の端部からの距離Lが長くなる。これにより、共鳴チャンバ32の共振周波数feと脈動波の固有振動数fiとが一致し、共鳴過給による吸入効率の向上が得られるとともに、共振による吸気騒音も低減する。
なお、共鳴チャンバ32の共振周波数feは、Cを定数、連通路断面積をSl、共鳴チャンバ32の体積をVとすると、下式(2)で与えられる。
fe=(C/2π)・(Sl/VL)1/2 ...(2)
一方、内筒角度θipが0°〜200°の角度範囲では、前述のロストモーション機構49の作用により、管長切換バルブユニット40のバルブ本体43a〜43dgが閉鎖しているため、吸気チャンバ31内の吸入気は、図4に矢印で示すように、比較的長い第1吸気路35a〜35dを経由してエンジン100の燃焼室に供給される。これにより、吸気行程の後半(ピストンが下死点から上昇し始めた後)にも吸入気の慣性によって吸入気が燃焼室に流入する慣性過給が効果的に行われ、吸入効率が向上する。
運転者がアクセルペダル300を踏み込むと、エンジン100の燃焼室に吸入される混合気の量が増大してエンジン回転速度Neが上昇し、脈動波の固有振動数fiも前述の式(1)から判るように上昇する。エンジンECU200は、エンジン回転速度NeがNeセンサ102から入力すると、可変吸気アクチュエータ21に駆動指令を出力し、可変連通管50の内筒角度θipを増大させる。すると、図10に示すように連通孔50aの距離Lが減少し、脈動波の固有振動数fiが前述の式(2)から判るように上昇する。これにより、エンジン回転速度Neが変化しても、共鳴チャンバ32の共振周波数feと脈動波の固有振動数fiとが一致し、共鳴効果が継続して得られる。
運転者がアクセルペダル300を更に踏み込むと、エンジン回転速度Neが所定の管長切換回転速度Neth(例えば、3000rpm)に達する。エンジンECU200は、エンジン回転速度NeがNeセンサ102から入力すると、可変吸気アクチュエータ21に駆動指令を出力し、可変連通管50の内筒角度θipを200°以上に増大させる。すると、図10に示すように連通孔50aの距離Lが更に減少すると同時に、ロストモーション機構49の駆動ピン45bが円弧溝46bの端部に当接することにより、管長切換バルブユニット40のバルブ本体43a〜43dも開き始める。これにより、共鳴効果が上記のように継続して得られるとともに、エンジン回転速度Neに対応した慣性過給が行われる。すなわち、吸気チャンバ31内の吸入気は、図11に矢印で示すように、その殆どが比較的短い第2吸気路36a〜36dを経由してエンジン100の燃焼室に供給されるようになり、エンジン回転速度Neの上昇に伴う脈動波の固有振動数fiの上昇に応じた慣性過給が実現される。
本実施形態では、このような構成を採ったことにより、図12に実線で示すように、広い運転領域でエンジン100のトルクを向上させることができた。図12において、一点鎖線は導入路25と共鳴チャンバ32とを固定長の連通管(長短4種類)で接続した場合のトルクを示し、二点差線は固定長の吸気管(長短2種類)を採用した場合のトルクを示している。
《変形例》
図13は、可変連通管50の変形例を示す斜視図である。この変形例は、内筒52の可変ポート52bを螺旋形状としたものであり、内筒52の回転により、連通孔50aの導入路25側の端部からの距離Lのみが変化する。
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は前記の実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態は自動車用の4サイクル直列4気筒ガソリンエンジンの吸気装置に本発明を適用したものであるが、船舶用のエンジンや2サイクルエンジン、V型6気筒エンジン等の吸気装置に本発明を適用してもよい。また、前記実施形態の吸気装置では可変連通管と管長切換バルブユニットとを単一の電動アクチュエータで駆動するようにしたが、それぞれを個別の電動アクチュエータで駆動するようにしてもよいし、駆動手段として電磁アクチュエータやエアシリンダ等を採用してもよい。また、可変連通管と管長切換バルブユニットとの間に設けるロストモーション機構として、レバーとピンとを用いたものや、カムを用いたもの等を採用してもよい。その他、吸気チャンバや共鳴チャンバの具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
実施形態の吸気装置が採用された自動車用エンジンの斜視図である。 実施形態の吸気装置の背面図である。 図2中のIII−III断面図である。 図3中のIV−IV断面図である。 管長切換バルブユニットの斜視図である。 管長切換バルブユニットの要部分解斜視図である。 ロストモーション機構の作動を説明するための図である。 可変連通管の斜視図である。 可変連通管の分解斜視図である。 管長切換バルブユニットおよび可変連通管の作動を説明するための図である。 管長切換バルブユニットの作用を説明するための図である 本実施形態の効果を説明するためのグラフである。 変形例に係る可変連通管を示す斜視図である。
符号の説明
1 吸気装置
10 電子制御スロットル装置
11 スロットルアクチュエータ
12 吸気ダクト
20 吸気マニホールド
21 可変吸気アクチュエータ(駆動手段)
25 導入路(吸気通路)
31 吸気チャンバ
32 共鳴チャンバ
35b 第1吸気路
36b 第2吸気路
40 管長切換バルブユニット
49 ロストモーション機構
50 可変連通管
50a 連通孔
51 外筒
51b スリット(開口部)
52 内筒
52b 可変ポート(開口部)
100 エンジン(内燃機関)

Claims (4)

  1. 内燃機関に付設され、吸入気が流通する吸気通路と、この吸気通路に付設された共鳴チャンバと、前記共鳴チャンバを前記吸気通路に連通させる連通手段とを有する吸気装置であって、
    前記連通手段は、
    軸方向一端が前記吸気通路に開口するとともに、前記共鳴チャンバに開口する開口部をその筒壁に有する外筒と、
    この外筒に相対回動可能に内嵌し、軸方向一端が前記吸気通路に開口するとともに、前記外筒の開口部と重なることで連通孔を形成する開口部をその筒壁に有する内筒と、
    前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を前記内燃機関の運転状態に基づいて回動させる駆動手段と
    を備え、
    前記外筒と前記内筒とが相対回動すると、前記吸気通路から前記連通孔の端までの距離が変化することを特徴とする吸気装置。
  2. 前記駆動手段は、前記内燃機関の回転速度の高いときの方が当該回転速度の低いときの方より前記吸気通路から前記連通孔の端までの距離が短くなるように、前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を回動させることを特徴とする、請求項1に記載の吸気装置。
  3. 前記外筒と前記内筒とが相対回動すると、前記連通孔の面積が変化することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の吸気装置。
  4. 前記駆動手段は、前記内燃機関の回転速度の高いときの方が当該回転速度の低いときの方より前記連通孔の面積が大きくなるように、前記外筒と前記内筒との少なくとも一方を回動させることを特徴とする、請求項3に記載の吸気装置。
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