JP4449750B2

JP4449750B2 - 内燃機関の吸気装置

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Publication number: JP4449750B2
Application number: JP2005003166A
Authority: JP
Inventors: 洋一小堀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: EP1834070A1; CN1977097A; JP2006189015A; DE602006009757D1; WO2006072874A1; EP1834070B1; US7213559B2; CN100460639C; US20060150939A1

Description

本発明は、例えば車載用エンジン等の内燃機関に備える吸気装置に関する。

車載用エンジン等の内燃機関には、燃焼室に混合気を供給するための吸気装置が設けられている。この吸気装置は、サージタンクとシリンダヘッドの吸気ポートとを連通連結する吸気通路を有し、吸気通路は吸気ポート（気筒）毎に一つずつ設けられている。

従来の吸気装置には、通路長が所定寸法に固定されたタイプと、通路長が長短調整可能とされたタイプ（特許文献１，２参照）とがある。

通常、内燃機関の吸気行程では、吸気バルブを開いて混合気を導入する際に、吸気通路内の空気が脈動しながら燃焼室内へ供給される。このように吸気通路内の空気が脈動しているので、空気流の中に空気の密度が高い部分と低い部分とが交互にできる。このような空気の脈動の周期は、吸気通路の形状、長さ、断面積等の選定により決まる。一方、吸気バルブの開閉タイミングは機関回転数によって決まる。

仮に、空気の密度の高い部分を吸気行程後半に配置することができれば、ピストンが下死点を過ぎても吸入空気が慣性によって燃焼室内へ流入され続けるという慣性過給効果が得られるので、燃焼室への吸気体積効率が向上し、内燃機関の出力が向上する。

前記可変タイプの吸気装置では、通路長を内燃機関の負荷や回転数等の運転状態に応じて変更することによって、内燃機関の全運転域において上記慣性過給効果を利用することが可能になるので、燃焼室への吸気体積効率を向上させることが可能になる。

なお、２系統の吸気通路を有し、内燃機関の低回転域では一方の吸気通路を、また、内燃機関の高回転域では他方の吸気通路を選択して使用するようにしたものがある（特許文献３参照。）。
特開２００１−８２１５５号公報特表２００１−５０９５６２号公報特許第３３９５００９号公報

上記従来例の可変タイプの吸気装置は、最大通路長と断面積とを一定の寸法に固定していて、通路長のみを可変調節できるようにした構成であるため、内燃機関の低回転数域から高回転数域までの全域において吸気体積効率を向上させることは難しいと言える。

というのは、仮に、前記吸気通路の断面積を内燃機関の低回転数域での必要空気量に合わせて小さく設定すると、内燃機関の高回転数域での必要空気量を確保しにくくなる。一方、前記吸気通路の断面積を内燃機関の高回転数域での必要空気量に合わせて大きく設定すると、内燃機関の低回転数域に適応させるために最大通路長を可及的に長く確保する必要が生じる等、吸気通路を構成する部品の大型化を余儀なくされるので、その設置スペースを車両に確保できない場合には搭載不可能となる。

また、上記従来例において、２系統の吸気通路を有し、いずれか一方を選択使用する構成の場合、２系統の吸気通路の通路長や断面積を各回転数域で適正とするように設計する
必要があり、吸気装置が大型化するとともに、その設置スペースを車両に確保できない場合には搭載不可能となる。

本発明は、内燃機関の吸気装置において、内燃機関の運転状態に応じて適正な吸気性能を確保することを目的としている。

本発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関の燃焼室に空気と燃料とを混合した混合気を供給するものであって、通路長が固定された固定吸気通路と、通路長が長短調整可能とされかつ下流端が前記固定吸気通路の下流側に合流するよう連通連結された可変吸気通路と、前記固定吸気通路の開度を調整する第１弁と、前記可変吸気通路の下流端部の開度を調整する第２弁と、内燃機関の負荷や回転数等の運転状態に応じて前記第１弁および第２弁を駆動する駆動手段とを備え、前記固定吸気通路の通路長は、前記可変吸気通路の最大通路長より長く設定され、かつ、前記固定吸気通路の断面積は、前記可変吸気通路の断面積より大きく設定されており、前記駆動手段は、内燃機関が低回転数域のときに第１弁を閉塞して第２弁を開放することにより可変吸気通路を単独使用する第１状態とし、内燃機関が中回転数域のときに第１弁を開放して第２弁を閉塞することにより固定吸気通路を単独使用する第２状態とし、内燃機関が高回転数域のときに両弁を共に開放することにより固定吸気通路と可変吸気通路とを併用する第３状態とするよう制御されることを特徴としている。

この構成によれば、第１状態では低回転数域で必要な空気量を可変吸気通路のみで確保することが可能になり、また、第２状態では中回転数域で必要な空気量を固定吸気通路のみで確保することが可能になり、さらに第３状態では高回転数域で必要な空気量を固定吸気通路および可変吸気通路の両方で確保することが可能となる。このように、内燃機関の運転状態（例えば低回転数域、中回転数域、高回転数域）に応じて、吸気経路を少なくとも三パターンに変更することができるから、前記運転状態に応じて適正な吸気性能を確保することが可能になる。しかも、駆動手段で各吸気通路の使用形態を三パターンに選択的に切り替えるときの駆動手段の制御を比較的簡単なものとすることが可能になる。

なお、上記構成は、第１弁および第２弁の少なくとも一方を無段階に開度調整する形態も含んでおり、その場合には、内燃機関の回転数に応じて空気吸入量をさらに細かく制御することが可能になる。

上記吸気装置において、前記可変吸気通路は、内周溝を有する外筒と外周溝を有する内筒とを組み合わせて形成される孔状空間からなり、かつ、内筒をその中心軸線周りに回転させることによって前記可変吸気通路の長さが無段階に長短調整されるよう構成することができる。

この場合、可変吸気通路を外筒と内筒とを組み合わせて形成しているから、構成が簡素で済み、低コスト化、省スペース化が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図１から図８に示して説明する。この実施形態では、内燃機関として例えば車載用の４気筒ガソリンエンジンを例に挙げている。但し、気筒数は限定されるものでなく、また、ディーゼルエンジンであってもよい。

図２に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを有している。

シリンダブロック２には、複数（ここでは四つ）のシリンダ４・・・が設けられ、各シリンダ４には、それぞれピストン５・・・が往復移動可能に挿入されている。各シリンダ４において各ピストン５の上端とシリンダヘッド３とで囲む空間が、それぞれ燃焼室６・・・となる。

シリンダヘッド３には、吸気ポート７および排気ポート８が各燃焼室６毎に対応して設けられている。吸気ポート７、排気ポート８における各内側開口（燃焼室６側）は、吸気バルブ９、排気バルブ１０で開閉されるようになっている。

各吸気ポート７における外側開口には、吸気装置１５が取り付けられており、この吸気装置１５には、図示していないが、吸気管を介してアクセルペダルの操作に基づいて開閉されるスロットルボディおよびエアクリーナが取り付けられる。各排気ポート８には、エキゾーストマニホールド１１が取り付けられる。

ここで、吸気装置１５の構成を詳しく説明する。

吸気装置１５は、図１から図４に示すように、単一の外筒１６と内筒１７とを有し、外筒１６と内筒１７との間に所定容量の単一空間からなるサージタンク１８が設けられているとともに、固定吸気通路１９と可変吸気通路２０とが、それぞれ吸気ポート７の数と同数（四つ）設けられた構成になっている。これら各構成要素を以下で詳細に説明する。

外筒１６は、シリンダヘッド３に固定状態で取り付けられるものであり、内筒１７は、外筒１６に対し回動可能に支持されている。

固定吸気通路１９は、通路長（図７のＬｘ参照）および断面積が一定寸法に固定されたものであり、外筒１６の肉厚部内において周方向に貫通するとともに軸方向に並ぶ孔とされている。この固定吸気通路１９の下流端はシリンダヘッド３の吸気ポート７に連通連結され、また、上流端はサージタンク１８に連通連結されている。

可変吸気通路２０は、通路長（図４のＬｙ参照）が無段階に長短調整可能とされたものであり、外筒１６と内筒１７との間に設けられている。この可変吸気通路２０の構成を以下で具体的に説明する。

まず、図３から図６に示すように、外筒１６の内周面において、両端には径方向内向きの外壁１６ａ，１６ｂが、また、これら各外壁１６ａ，１６ｂの間の領域には径方向内向きの三つの隔壁１６ｃ・・・がそれぞれ設けられている。これら二つの外壁１６ａ，１６ｂと、三つの隔壁１６ｃ・・・とでそれぞれ四つの内周溝２０ａ・・・が形成されている。

なお、外筒１６の片方の外壁１６ａには、サージタンク１８に外部の空気を導入するための管状の空気導入部１６ｄが設けられている。この空気導入部１６ｄに、上述した吸気管（図示省略）を介してスロットルボディ（図示省略）およびエアクリーナ（図示省略）が取り付けられる。

一方、図３から図６に示すように、内筒１７の外周面において、両端には径方向外向きの外壁１７ａ，１７ｂが、また、これら各外壁１７ａ，１７ｂの間の領域には径方向外向きの三つの隔壁１７ｃ・・・がそれぞれ設けられている。これら二つの外壁１７ａ，１７ｂと、三つの隔壁１７ｃ・・・とでそれぞれ四つの外周溝２０ｂ・・・が形成されている。

これら外筒１６の四つの内周溝２０ａ・・・と内筒１７の四つの外周溝２０ｂ・・・とで囲まれる孔状空間が、可変吸気通路２０・・・とされている。

この可変吸気通路２０の通路長は、例えばサーボモータやステッピングモータ等の電動モータ等アクチュエータ３０により内筒１７をその中心軸線Ｏ周りに回転させることによって無段階に長短調整されるようになっている。

詳しくは、内筒１７における両端の外壁１７ａ，１７ｂおよび各隔壁１７ｃ・・・の円周方向所定位置には、図５および図６に示すように、サージタンク１８内の空気を可変吸気通路２０に導入する導入口として、切欠き１７ｄ・・・が設けられている。

つまり、この内筒１７を正方向または逆方向に回転させると、切欠き１７ｄの位置が内筒１７の中心軸線Ｏ周りに変位することになるので、可変吸気通路２０の通路長が長短変更されることになるのである。例えば図４において、内筒１７を反時計方向に回転させれば、可変吸気通路２０の通路長Ｌｙが短くなる一方、内筒１７を時計方向に回転させれば、可変吸気通路２０の通路長Ｌｙが長くなる。

なお、可変吸気通路２０は、固定吸気通路１９の内径側に沿うように設けられており、可変吸気通路２０の下流端は、固定吸気通路１９の下流端側の屈曲コーナー部分に連通連結されて合流されている。

そして、固定吸気通路１９において可変吸気通路２０との合流部分手前には、通路を開閉する第１弁２１が設けられており、また、可変吸気通路２０において固定吸気通路１９との合流部には、通路を開閉する第２弁２２が設けられている。

これら第１弁２１および第２弁２２は、その中央位置を支点として揺動可能となるように外筒１６の内周部分に支持されており、エンジン１の負荷や回転数等の運転状態に応じて例えばサーボモータやステッピングモータ等の電動モータ等のアクチュエータ（駆動手段）３１，３２で開閉駆動されるようになっている。

次に、上述した吸気装置１５を用いたエンジン１の動作を説明する。

この実施形態では、固定吸気通路１９の通路長Ｌｘが可変吸気通路２０の最大通路長Ｌｙより長く設定され、かつ、固定吸気通路１９の断面積が可変吸気通路２０の断面積より大きく設定されており、この条件の場合におけるエンジン１の運転状態と吸気経路との対応関係を以下で説明する。

まず、エンジン１の低回転数域では、例えば図４に示すように、第１弁２１を閉塞して第２弁２２を開放することにより可変吸気通路２０を単独使用する第１状態とする。これ
により、外部の空気は、不図示のエアクリーナおよび吸気管を通って吸気装置１５のサージタンク１８内に導入され、可変吸気通路２０の内部を脈動しながら通り、シリンダヘッド３の吸気ポート７から燃焼室６内に導入される。

この第１状態では、可変吸気通路２０を単独使用するので、吸気経路の断面積が小さいものとなる。この可変吸気通路２０の最大通路長および断面積は、適宜の実験に基づき経験的に把握した寸法に設定することが好ましく、そのように設定することによりエンジン１の低回転数域において適正な空気量を確保できる。

但し、この第１状態においては、エンジン１の回転数の変動に応じて、内筒１７を適宜方向に適宜角度回転させるように制御することにより、可変吸気通路２０の通路長を長短変更することができる。例えば回転数が上がるときには、内筒１７を図４において反時計方向に回転させることにより可変吸気通路２０の通路長Ｌｙを短くするが、回転数が下がるときには、内筒１７を図４において時計方向に回転させることにより可変吸気通路２０の通路長Ｌｙを長くする。これにより、エンジン１の低回転数域において回転数の上下変動に対応して適正な空気量を確保できる。

また、エンジン１の中回転数域では、例えば図７に示すように、第１弁２１を開放して第２弁２２を閉塞することにより固定吸気通路１９を単独使用する第２状態とする。これにより、外部の空気は、不図示のエアクリーナおよび吸気管を通って吸気装置１５のサージタンク１８内に導入され、固定吸気通路１９のみの内部を脈動しながら通り、シリンダヘッド３の吸気ポート７から燃焼室６内に導入される。

この第２状態では、固定吸気通路１９を単独使用するので、吸気経路の断面積が第１状態に比べて大きいものとなる。この固定吸気通路１９の通路長および断面積は、適宜の実験に基づき経験的に把握した寸法に設定することが好ましく、そのように設定することによりエンジン１の中回転数域において適正な空気量を確保できる。

さらに、エンジン１の高回転数域では、例えば図８に示すように、両弁２１，２２を共に開放することにより固定吸気通路１９と可変吸気通路２０とを併用する第３状態とする。これにより、外部の空気は、不図示のエアクリーナおよび吸気管を通って吸気装置１５のサージタンク１８内に導入され、固定吸気通路１９および可変吸気通路２０の両方の内部を脈動しながら通り、シリンダヘッド３の吸気ポート７から燃焼室６内に導入される。

この第３状態では、固定吸気通路１９および可変吸気通路２０を併用するので、吸気経路全体の断面積としては第１、第２状態に比べて大きいものとなる。

しかも、この第３状態においては、エンジン１の回転数の変動に応じて、内筒１７を適宜方向に適宜角度回転させるように制御することにより、可変吸気通路２０の通路長を長短変更することができる。例えば回転数が上がるときには、内筒１７を図８において反時計方向に回転させることにより可変吸気通路２０の通路長Ｌｙを短くするが、回転数が下がるときには、内筒１７を図８において時計方向に回転させることにより可変吸気通路２０の通路長Ｌｙを長くする。これにより、エンジン１の高回転数域において回転数の上下変動に対応して適正な空気量を確保できる。

ところで、上記動作については、図示していないエンジンＥＣＵ（Electronic Control
Unit）により管理することができる。この場合、エンジンＥＣＵは、例えばエンジン回
転数および吸入空気量に基づいてエンジン１の運転状態を検出し、アクチュエータ３１，３２で各弁２１，２２を駆動することにより図４に示す第１状態、図７に示す第２状態、ならびに図８に示す第３状態のいずれかとする処理、ならびに第１、第３状態において可
変吸気通路２０の通路長を長短調整する処理等を実行するものとする。

エンジン回転数は、図示していないが、例えばクランク角センサやカム角センサ等の回転数センサを用いて検出される。吸入空気量は、図示していないが、例えば吸気管に取り付けられるエアフローメータ、吸気系内部の圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ、あるいはスロットルバルブの開度（スロットル開度）検出するスロットルセンサ等を用いて検出される。

なお、可変吸気通路２０の通路長の制御は、エンジン１の運転状態に応じて目標となる通路長を算出して内筒１７を回動制御するとともに、内筒１７の回動位相に基づき算出される実際の通路長と、前記目標の通路長との偏差を調べて、その偏差が許容範囲であるか否かに応じてフィードバック制御することができる。この内筒１７の回動位相の検出は、図示していないが、内筒１７の所定の基準位置からの回動位相（角度）を検出する回動位相センサを用いることができる。この回動位相センサは外筒１６に取り付けられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１の低回転数域から高回転数域までの全運転域において吸気経路の断面積を各々適正に調整することができるので、全運転域において吸気体積効率を向上させることができる。

また、エンジン１が中回転数域のときにおける固定吸気通路１９の通路長Ｌｘを基準としたうえで、低回転数域および高回転数域において可変吸気通路２０の通路長を長短調整するように構成しているから、エンジン１の全運転域において通路長を各々適正に調整することができて、空気の脈動の周期変化を吸気バルブ９の開閉タイミングに合わせることができる。

これらのことの相乗作用により、エンジン１の出力向上に貢献できる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。

（１）上記実施形態において、固定吸気通路１９の通路長Ｌｘを可変吸気通路２０の最大通路長Ｌｙより長く設定したままで、固定吸気通路１９の断面積を可変吸気通路２０の断面積と同じかまたは小さく設定することができる。このような条件の場合、空気吸入量を考慮すると、アクチュエータ３１，３２は、エンジン１が低回転数域のときに上記第２状態とし、エンジン１が中回転数域のときに上記第１状態とし、エンジン１が高回転数域のときに上記第３状態とするのが好ましい。つまり、ここでは、エンジン１が低回転数域のときにおける固定吸気通路１９の通路長Ｌｘを基準としたうえで、中・高回転数域での通路長を変更するようにできる。

（２）上記吸気装置１５については、図示していないが、エンジン１の気筒数と同数の互いに独立した管状の固定吸気通路１９および可変吸気通路２０を一体的に結合した構造とすることができる。但し、その場合、可変吸気通路２０については、図示していないが、例えば、内周に溝を有する外側半割管と、外周に溝を有する内側半割管とを組み合わせて断面略矩形または円形の吸気通路を形成するとともに、この外側半割管を管状の固定吸気通路１９に固定し、内側半割管を管状の固定吸気通路１９に回転可能に支持させることにより、通路長を長短変更できるような構成にする必要がある。

本発明に係る内燃機関の吸気装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。図１の吸気装置を備える内燃機関の概略構成を示す断面図である。図２の（３）−（３）線断面の矢視図である。図３の（４）−（４）線断面の矢視図で、可変吸気通路を単独使用する第１状態を示している。図１の吸気装置の内部を模式的に示す分解斜視図である。図５の吸気装置の分解斜視図である。図４に対応する図で、固定吸気通路を単独使用する第２状態を示している。図４に対応する図で、固定吸気通路と可変吸気通路とを併用する第３状態を示している。

符号の説明

１内燃機関
６燃焼室
７吸気ポート
１５吸気装置
１６外筒
１７内筒
１８サージタンク
１９固定吸気通路
２０可変吸気通路
２１第１弁
２２第２弁
３０内筒駆動用のアクチュエータ
３１第１弁駆動用のアクチュエータ（駆動手段）
３２第２弁駆動用のアクチュエータ（駆動手段）

Claims

内燃機関の燃焼室に空気と燃料とを混合した混合気を供給する内燃機関の吸気装置であって、
通路長が固定された固定吸気通路と、通路長が長短調整可能とされかつ下流端が前記固定吸気通路の下流側に合流するよう連通連結された可変吸気通路と、前記固定吸気通路の開度を調整する第１弁と、前記可変吸気通路の下流端部の開度を調整する第２弁と、内燃機関の負荷や回転数等の運転状態に応じて前記第１弁および第２弁を駆動する駆動手段とを備え、
前記固定吸気通路の通路長は、前記可変吸気通路の最大通路長より長く設定され、かつ、前記固定吸気通路の断面積は、前記可変吸気通路の断面積より大きく設定されており、
前記駆動手段は、内燃機関が低回転数域のときに第１弁を閉塞して第２弁を開放することにより可変吸気通路を単独使用する第１状態とし、内燃機関が中回転数域のときに第１弁を開放して第２弁を閉塞することにより固定吸気通路を単独使用する第２状態とし、内燃機関が高回転数域のときに両弁を共に開放することにより固定吸気通路と可変吸気通路とを併用する第３状態とするよう制御されることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
前記可変吸気通路は、内周溝を有する外筒と外周溝を有する内筒とを組み合わせて形成される孔状空間からなり、かつ、内筒をその中心軸線周りに回転させることによって前記可変吸気通路の長さが無段階に長短調整されるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。