JP4678323B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吸気装置に関し、特に、各気筒の吸気管に設けられた吸気制御弁によって燃焼室内のガス流動を強化するようにしたエンジンの吸気装置の改良に関する。

内燃機関の燃焼改善、特に希薄混合気の安定した燃焼を実現するためには、燃焼室内のガス流動を強化（スワールやタンブルを生成）することが有効である。
各気筒の吸気管に設けられた吸気制御弁によって燃焼室内のガス流動を強化するようにしたエンジンの吸気装置としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。この装置では、吸気ポートの通路断面の中で吸気流を偏在させたい側と反対側の領域から、吸気流を偏在させたい側の吸気上流側に吸気の一部を還流させることによってガス流動の強化を図るようにしている。より具体的には、吸気ポートの下側の領域から吸気ポートの上側に吸気の一部を下流させてタンブルを強化している（タンブル流を生成している）。
特開２００４−１２４８３５号公報

しかしながら、上記従来の技術では、次のような問題がある。
すなわち、吸気ポート内において還流通路側（吸気流を偏在させたい側と反対側）の吸気流量が減少するため、この吸気ポートの還流通路側の領域を介して、吸気の一部とともに前サイクルで筒内に残された残留ガスが吸気ポート内に逆流し易くなる。絞り部となる吸気制御弁の下流側には低圧領域が発生するため、この逆流した残留ガスは吸気制御弁の近傍にまで到達することとなる。このため、残留ガスに含まれるカーボン等が吸気制御弁の近傍にデポジットとして付着してしまい、吸気制御弁の動作不良や制御精度の悪化を招くおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、各気筒の吸気管に設けられた吸気制御弁によって燃焼室内のガス流動を強化して燃焼安定性の改善を図りつつ、残留ガスの吸気管への逆流を効果的に防止して吸気制御弁の近傍におけるデポジット付着を防止することのできるエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、各気筒の吸気管に設けられ、シャフトとともに回転して前記吸気管内の流路を開閉する吸気制御弁を備えたエンジンの吸気装置において、前記吸気制御弁を閉じたときに、前記吸気管の中心線よりも上側に第１開口部が形成されるとともに、前記吸気管の中心線よりも下側に第２開口部が形成され、前記第２開口部の開口面積が前記第１開口部の開口面積よりも小さくなるように構成した。

ここで、前記第１開口部としては、例えば、前記吸気制御弁に設けられた切欠部によって（切欠部と吸気管の内壁との間に）形成されるものがある。なお、前記吸気管が仕切り壁によって上下（流路）に分割され、前記吸気制御弁が下側の流路を開閉するような場合には、吸気制御弁が下側流路を閉塞したときに開放している上側流路が前記第１開口部となる。

また、第２開口部は、前記吸気制御弁の下端面と前記吸気管の内壁との間や、前記シャフトと前記吸気管との間に形成されてもよいし（隙間等）、吸気制御弁に設けられた第２切欠部によって(第２切欠部と吸気管の内壁との間に)形成されてもよい。さらに、前記吸気制御弁に設けられた貫通孔が第２開口部となってもよい。
なお、吸気制御弁を閉じたときの状態を吸気上流側から見たときに（換言すると、吸気管の流路断面において）、前記第１開口部が左側（又は右側）に偏っている場合には、前記第２開口部はそれとは反対側の右側（又は左側）に形成されるのが好ましく、また、第２開口部の開口面積は、第１開口部の開口面積の２０〜２５％程度とするのが好ましい。

本発明によれば、各気筒の吸気管に吸気制御弁を備えた構成において、所定の運転条件のときに吸気制御弁を閉じたときに形成される第１開口部によって吸入空気の流れを偏らせて燃焼室内にガス流動（スワールやタンブル）を生成して燃焼安定性（特に希薄域における燃焼安定性）を改善することができる。また、同時に形成される第２開口部を通過する吸入空気によって、吸気の一部及び残留ガスの吸気管への逆流や吸気制御弁の下流側における低圧領域の発生も抑制できる。これにより、吸気制御弁の近傍へのデポジット付着を防止でき、長期間にわたって吸気制御弁の安定した動作と高い精度を維持できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るシステム構成を示している。図１において、エンジン１に吸入される空気は、エアクリーナ２を通過後、エアフローメータ３で流量を計測されて電制スロットル弁４に導かれる。この電制スロットル弁４で吸入空気量の制御が行われる。吸入空気は、その後、吸気コレクタ５を経て各気筒の吸気管６に導かれる。そして、吸気管６において、燃料噴射弁７から噴射された燃料と混合されて混合気を形成し、該混合気が吸気弁８を介して燃焼室９内に供給される。

燃焼室９内に供給された混合気は、点火プラグ１０によって着火され、燃焼する。燃焼排気は、排気弁１１を介して排気通路１２へと排出される。その後、燃料排気は、排気通路１２に介装された排気浄化触媒（図示省略）によって浄化されて大気中に放出される。
各気筒の吸気管６には、吸気制御弁１３が配設されている。この吸気制御弁１３は、その下端付近に回転シャフト１４が固定される、いわゆるフラップ式のバルブであり、回転シャフト１４とともに回転して吸気管６（すなわち、吸気管６内の流路）を開閉する。なお、各吸気制御弁１３は、エンジン１の気筒列方向に延びて各吸気管６を貫通する一本の回転シャフト１４に取り付けられている。

図２は、参考例となる吸気制御弁１３の閉弁時（吸気管６内流路を閉じた時）の状態を示している。
図２に示すように、この参考例においては、吸気制御弁１３の閉弁時に、吸気管６の中心線Ｘよりも上側に上側開口部（本発明に係る第１開口部に相当する）６１が形成され、吸気管６の中心線Ｘよりも下側に下側開口部（本発明に係る第２開口部に相当する）６２が形成される。具体的には、吸気上流側から見て、吸気管６内の右上部（すなわち、吸気管６の流路断面の右上部）に上側開口部６１が形成され、吸気管６内の下部（すなわち、吸気管６の流路断面の下部）に下側開口部６２が形成されている（図２（ｂ）のハッチング部参照）。なお、吸気制御弁１３の全開時には、該吸気制御弁１３は吸気管６の下部に形成された格納部６３に格納されるようになっている（図２（ａ）参照）。

すなわち、吸気制御弁１３には、その上端が左右方向の所定範囲で（図では、右端から左右方向の中央まで）切り欠かれた切欠部１３１が設けられており、吸気制御弁１３の閉弁時には、この切欠部１３１によって上記上側開口部６１が形成される。また、吸気制御弁６の閉弁時には、回転シャフト１４と吸気管６の内壁との間に所定の隙間ｇが形成されるようになっており、この隙間ｇが上記下側開口部６２となる。かかる隙間ｇは、例えば、図２（ｃ）に示すように、回転シャフト１４と吸気管６の内壁（内底面）との間に隙間ｇが形成されるように回転シャフト１４の取付位置を設定してもよいし、図２（ｄ）に示すように、回転シャフト１４の該当箇所に所定幅の周方向の溝（又は小径部）１４１を形成し、吸気制御弁１３の閉弁時において、該溝（又は小径部）１４１が吸気管６の内壁（内底面）に対向する位置となるように構成するようにしてもよい。

ここで、上側開口部６１は、燃焼室９内のガス流動を強化するために形成されるものであり、基本的には、エンジン毎にその形状、開口面積及び開口位置が設定される（但し、ガス流動をより効果的に強化する観点からは、吸気管断面の上部で左右のいずれかに偏った位置に開口部を設けるが一般的である）。また、下側開口部６２は、（全サイクルの）残留ガスが吸気管６へ逆流することや吸気制御弁１３閉弁時に吸気制御弁１３の下流側に低圧領域が発生することを防止するために形成されるものである。

なお、実験及びシミュレーションの結果によれば、上側開口部６１によるガス流動の強化を損なうことなく、残留ガスの逆流や低圧領域の発生を防止するためには、下側開口部６２の開口面積を、上側開口部６１の開口面積の２０〜２５％程度とすればよいことが確認されており、本実施形態においてもそのように設定されている。
図１に戻って、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０は、エンジン１の運転条件等に基づいて、電制スロットル弁４、燃料噴射弁７、点火プラグ１０及び吸気制御弁１３を制御する。このため、ＥＣＵ２０には、エアフローメータ３により計測（検出）される吸入空気量Ｑａのほか、アクセルペダルセンサ（図示省略）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ（図示省略）により検出されるエンジン回転速度Ｎｅ、水温センサ（図示省略）により検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗなどが入力されるようになっている。

次に、以上のような基本的構成における作用を説明する。
ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態が低回転低負荷領域にある場合には、吸気制御弁１３を全閉状態とする。すると、吸気制御弁１３によって吸気管６（内の流路）は、その大部分が閉塞されるが、吸気制御弁１３に設けられている切欠部１３１及び回転シャフト１４と吸気管６の内壁（内底面）との間に生じる隙間ｇによって、上側開口部６１及び下側開口部６２が形成される。このため、吸入された空気は、図３の矢印Ａ、Ｂで示すように、上側開口部６１と下側開口部６２とを通過することになる。

ここで、下側開口部６２の開口面積は、上側開口部６１の開口面積の２０〜２５％程度と小さく設定されており、吸入された空気の大部分は上側開口部６１を通過する。この上側開口部６１を通過する空気は、その流速が高められて吸気管断面の斜め上方から燃焼室９内に流れ込む。これにより、燃焼室９内に強力なスワールやタンブル（ガス流動）が生成される（矢印Ａ）。

また、吸入された空気の一部は下側開口部６２、すなわち、回転シャフト１４と吸気管６の内壁との間の隙間ｇを通過する。この下側開口部６２を通過する空気は流吸気管６の下部を流れることになる（矢印Ｂ）。この結果、吸気管６の下部に流れが生じることにより、吸気制御弁１３の閉弁時において、前サイクルの残留ガスの逆流（吸気の一部とともに逆流するものであり、矢印Ｃで示す）が防止される。また、同時に吸気制御弁１３の下流側（Ｄ部）における低圧領域の発生も防止される。

この結果、吸気制御弁１３を閉じることにより、特に希薄域における燃焼安定性を改善することができるとともに、残留ガスの逆流、特に吸気制御弁１３の近傍にまで逆流してしまうような事態を防止できる。これにより、吸気制御弁の近傍へのデポジット付着を防止でき、長期間にわたって吸気制御弁の安定した動作と高い精度を維持できる
なお、上記の参考例では、吸気制御弁１３の閉弁時に、吸気上流側から見て、吸気管６内の右上部（吸気管６の流路断面の右上部）に上側開口部６１が形成され、吸気管６内の下部の全幅（吸気制御弁１３の左端に対応する位置から右端に対応する位置まで）にわたって下側開口部６２が形成されているが、これに限るものではなく、下記実施例のように、吸気管６の中心線Ｘよりも上側に上側開口部６１が形成され、吸気管６の中心線Ｘよりも下側に下側開口部６２が形成されればよい（もちろん、これらを適宜組み合わせるようにしてもよい）。

以下、上記参考例を変形した本発明の実施例をいくつか示す。
図４は、実施例を各々示し、図２（ｂ）に対応する図である。
図４（ａ）は、第１の実施例を示している。この例では、回転シャフト１４と吸気管６の内壁との間に所定の隙間ｇ１が、吸気上流側から見て、吸気制御弁１３（吸気管６の流路断面）の左端から吸気制御弁１３（流路断面）の左右方向の中央までの間に形成されるようになっている（すなわち、下側開口部６２が吸気管６の左右方向の中央よりも左側に偏って形成されている）。これは、上側開口部６１が右側に偏って形成されていることから、この偏りによる影響（生成されるガス流動の影響）を受けて、残留ガスが左側に偏って逆流し易くなることを考慮したものである（したがって、上側開口部６１が左側に偏っている場合には、下側開口部６２は右側に偏らせることになる）。なお、この例における下側開口部６２は、例えば、回転シャフト１４側、吸気管６の内壁側のいずれかに（又は双方に）凹部を設けることで容易に形成できる。

図４（ｂ）は、第２の実施例を示している。この例では、吸気上流側から見て、吸気制御弁１３の上下方向の中央よりも下側の左端面と吸気管６の内壁との間の隙間ｇ２を下側開口部６２としている（すなわち、下側開口部６２は左側に偏って形成されている）。なお、図では、吸気管６の内壁側を部分的に凹ませているが、吸気制御弁１３側を切り欠いてもよい（下記図４（ｃ）参照）。また、場合によっては、図４（ｂ）において破線で示すように、吸気管断面の左端全体を開口させるようにしてもよい（すなわち、少なくとも吸気管６の流路断面の下側に開口部が形成されるようにすればよい）。

図４（ｃ）は、第３の実施例を示している。この例では、吸気制御弁１３に設けられた第２切欠部１３２によって下側開口部６２が形成される。この変形例においても、第２切欠部１３２（すなわち、下側開口部６２）は、吸気上流側から見て、左側に偏って形成されている。なお、第２切欠部１３２の形状やより詳細な位置などはエンジン毎に適宜設定される。

図４（ｄ）は、第４の実施例を示している。この例では、吸気制御弁１３に設けられた貫通孔１３３によって下側開口部６２が形成される。貫通孔１３３が左側に偏って形成されていることやエンジン毎にその形状や詳細な位置などが適宜設定されることは第２切欠部１３２の場合と同様である。
図５に示す各々の例は、上記の各実施例がフラップ式のバルブを用いているのに対して、バタフライ式のバルブを用いるようにしたものである。基本的な構成や動作は上記各実施例と同じである。

図５（ａ）は、参考例であり、図２（ｂ）の例が回転シャフト１４と吸気管６の内壁との間の隙間ｇによって下側開口部６１が形成されるのに対し、吸気制御弁１３の下端面と吸気管６の内壁との間の隙間ｇ３によって下側開口部６２が形成される点が異なる。例えば、回転シャフト１４が吸気管６の上下方向の中央に（中心線Ｘに直交するように）配置される場合には、回転シャフト１４の中心から吸気制御弁１３の上端までの寸法Ｌ１よりも回転シャフト中心から吸気制御弁１３の下端までの寸法Ｌ２の方がｇ３だけ小さくなっていれば、上記隙間ｇが形成されることになる。そして、図５（ｂ）〜（ｅ）は、フラップ式のバルブを用いた場合の各実施例の構成（図４（ａ）〜（ｄ））をバタフライ式のバルブに適用したものを示している。これらにおいても、下側開口部６２は、回転シャフト１４側、吸気管６の内壁側のいずれかに（又は双方に）凹部や切欠部を設けることで容易に形成できる（もちろん、具体的な形状や詳細な位置は適宜設定される）。

以上の各種変形例においても、燃焼室９のガス流動を強化して、特に希薄域における燃焼安定性を改善することができるとともに、残留ガスの逆流、特に吸気制御弁１３の近傍にまで逆流してしまうことを防止できる。これにより、吸気制御弁の近傍へのデポジット付着を防止でき、長期間にわたって吸気制御弁の安定した動作と高い精度を維持できる。
次に、第２実施形態を説明する。

図６は、第２実施形態における吸気制御弁１３の閉弁時の状態を示しており、図６（ａ）は図２（ａ）に、図６（ｂ）は図３にそれぞれ対応する図である。図６に示すように、本実施形態では、吸気制御弁１３の下流側において、吸気管６が仕切り壁１５によって上側流路６ａと下側流路６ｂとに分割されている点が上記第１実施形態と相違する。その他の構成は上記第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、吸気制御弁１３の閉弁時には、上記第１実施形態と同様に、吸気管６の中心線Ｘよりも上側に上側開口部６１が形成され、吸気管６の中心線Ｘよりも下側に下側開口部６２が形成される（図２〜図５を参照）。
この実施形態によると、吸気制御弁１３の下流側に仕切り壁１５を設け、吸気管６を上側流路６ａと下側流路６ｂとに分割しているので、吸入された空気の大部分は、上側開口部６１を通過した後も上側流路６ａのみを流れることとなり、吸気管断面の上半分の部分から燃焼室９内に流れ込む（図６（ｂ）の矢印Ａ）。したがって、空気がより急な傾斜をもって燃焼室９内に流れ込むことになるので、燃焼室９内でさらに強力なガス流動が生成される（ガス流動がさらに強化される）。なお、下側開口部６２を通過する空気により（図６（ｂ）の矢印Ｂ）、残留ガスの逆流（図６（ｂ）の矢印Ｃ）や低圧領域（図６（ｂ）のＤ部）の発生を防止し、残留ガスが吸気制御弁１３の近傍にまで逆流してしまうことを防止できることは上記第１実施形態と同様である。特に、本実施形態では、燃焼室９内により強力なガス流動が生成され、残留ガスの逆流がし易くなる傾向にあるので、下側開口部６２を設けた効果（すなわち、残留ガスの逆流防止及び吸気制御弁近傍へのデポジット付着の防止）が顕著にあらわれる。

ところで、上記第２実施形態のように、吸気管６を仕切り壁１５によって上側流路６ａと下側流路６ｂとに（上下に）分割した構成においては、図７（図２（ａ）、図６（ａ）に対応する図である）に示すように、吸気制御弁１３の閉弁時に、該吸気制御弁１３が下側流路６ｂのみを閉塞する（すなわち、吸気制御弁１３は下側流路６ｂのみを開閉する）場合がある（変形例）。このような場合には、吸気制御弁１３の閉弁時に開放されている上側流路６ａが上側開口部６１に相当することとなり、下側開口部６２は上記第１、２実施形態と同様に形成する。かかる構成においても、燃焼室９のガス流動を強化しつつ、残留ガスの逆流、特に吸気制御弁１３の近傍にまで逆流してしまうことを防止して、これにより、長期間にわたって吸気制御弁の安定した動作と高い精度を維持できる。

本発明の実施形態に係るエンジンのシステム図である。 第１実施形態における吸気制御弁の閉弁時の状態を示す図である。 第１実施形態の作用を説明するための図である。 第１実施形態の変形例を示す図である。 第１実施形態の他の変形例を示す図である。 第２実施形態における吸気制御弁の閉弁時の状態を示す図である。 第２実施形態の変形例を示す図である。

符号の説明

１…エンジン、６…吸気管、６ａ…上側流路、６ｂ…下側流路、９…燃焼室、１３…吸気制御弁、１４…回転シャフト、１５…仕切り壁、６１…上側開口部、６２…下側開口部、６３…（吸気制御弁）格納部、１３１…切欠部、１３２…第２切欠部、１３３…貫通孔、１４１…溝（又は小径部）

Claims (8)

1. 各気筒の吸気管に設けられ、シャフトとともに回転して前記吸気管内の流路を開閉する吸気制御弁を備えたエンジンの吸気装置において、
   前記吸気制御弁を閉じたときに、前記吸気管の中心線よりも上側に第１開口部が形成されるとともに、前記吸気管の中心線よりも下側に第２開口部が形成され、
   前記第２開口部は、その開口面積が前記第１開口部の開口面積よりも小さく、
   前記第１開口部は、前記吸気管の流路断面において左右方向の中央より左側又は右側に偏って形成され、
   前記第２開口部は、前記吸気管の流路断面において前記第１開口部とは左右反対側に偏って形成されることを特徴とするエンジンの吸気装置。
2. 前記第１開口部は、前記吸気制御弁に設けられた切欠部によって形成されることを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気装置。
3. 前記吸気管は、前記吸気制御弁の下流側が仕切り壁によって上側流路と下側流路とに分割されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの吸気装置。
4. 前記第１開口部は、前記吸気制御弁が前記下側流路を閉塞したときの前記上側流路であることを特徴とする請求項３記載のエンジンの吸気装置。
5. 前記第２開口部は、前記シャフトと前記吸気管の内壁との間又は吸気制御弁の端面と前記吸気管の内壁との間に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンジンの吸気装置。
6. 前記第２開口部は、前記吸気制御弁に設けられた第２切欠部によって形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンジンの吸気装置。
7. 前記第２開口部は、前記吸気制御弁に設けられた貫通孔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンジンの吸気装置。
8. 前記第２開口部の開口面積は、前記第１開口部の開口面積の２０〜２５％であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のエンジンの吸気装置。

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