JP4901779B2

JP4901779B2 - 多気筒内燃機関の吸気制御装置

Info

Publication number: JP4901779B2
Application number: JP2008033605A
Authority: JP
Inventors: 正司勝間田; 敦俊池川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: JP2009191746A

Description

本発明は、サージタンクから吸気弁までの間に吸気制御弁が設けられた多気筒内燃機関の吸気制御装置に関する。

内燃機関に対する吸気の供給方法として、サージタンクと吸気弁との間に設けられた吸気制御弁を閉弁させた状態で吸気行程におけるピストン下降を利用して気筒内の負圧を高めておき、圧縮行程に移行する前に速やかに吸気制御弁を開弁して吸気通路内に吸気圧力波を発生させて慣性過給効果を積極的に活用するインパルス過給が知られている。

一般に、内燃機関では吸気行程の初期に気筒内に生じる負圧が慣性効果で反転して正圧になるタイミングと、吸気弁が閉弁するタイミングとが同期しているときに、最も効率の良い慣性過給効果が得られることが知られている。そのため、最大トルクを実現したい機関回転数でこれらのタイミングが同期して高効率の慣性過給効果が得られるように、内燃機関の吸気系が設計されている。従って、内燃機関の回転数が設計基準となっている回転数から外れると慣性過給効果を十分に得ることができず出力トルクが低下する。例えば、その基準の回転数よりも低回転域では吸気弁の開弁時間、即ち吸気行程時間が圧力の反転時間に対して長くなるので、気筒内の圧力が最大になるタイミングをやり過ごしてから吸気弁が閉弁することになってしまう。

こうした内燃機関にインパルス過給を適用した場合には、上述した設計基準よりも低回転域において、吸気制御弁を閉弁状態に維持したまま吸気行程を開始しその後吸気制御弁を開弁することで吸気行程の開始時期を実質的に遅らせることができる。これにより、低回転域において圧力の反転時間に対して間延びした吸気行程時間が短くなるから、慣性過給効果を広範囲で活用することができる。

インパルス過給を多気筒内燃機関に対して適用する場合には気筒毎の慣性過給効果のばらつきを抑えて吸気充填効率を気筒毎に均一化することが望ましい。例えば、インパルス過給を行い得る吸気制御装置として、Ｖ型６気筒の内燃機関の気筒毎に設けられた独立通路に吸気制御弁を設け、バンク毎に設けられた共通の弁軸に吸気制御弁を連結し、各吸気制御弁をバンク毎に駆動するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平５−２４８２４７号公報特開２００６−２０７４５４号公報

特許文献１の吸気装置は、バンク毎の吸気制御弁を共通の弁軸で駆動するものであるので、独立通路に対する吸気制御弁の配置を各バンクの気筒間で揃えることは容易である。しかし、一本の弁軸で駆動できる吸気制御弁の個数には限界があるので、気筒数の増加に伴って吸気制御弁の駆動を複数の弁軸で分担せざるを得ない場合がある。複数の弁軸を用いる場合、各弁軸を相互の干渉を回避しつつ同軸に配置することは困難であるので、独立通路の長手方向に位置をずらして各弁軸を配置する必要がある。このように各弁軸を配置した場合には、吸気制御弁から吸気弁までの距離が異なることから、サージタンクから吸気制御弁までの距離も気筒間で相違することになる。その結果、吸気制御弁を利用した慣性過給効果に気筒間のばらつきが生じる。そのばらつきを抑えるために吸気制御弁の開閉時期を気筒毎に相違させる対応もあり得るが、その場合には制御内容の複雑化を回避することが困難である。

そこで、本発明は、吸気制御弁から独立通路を開閉する吸気弁までの距離が異なる場合であっても、気筒毎の慣性過給効果のばらつきを抑制できる多気筒内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的とする。

本発明の吸気制御装置は、多気筒内燃機関の気筒毎に設けられて吸気弁にて開閉される独立通路及び前記独立通路のそれぞれが接続されたサージタンクを有する吸気通路と、前記独立通路毎に設けられた吸気制御弁と、を備え、前記独立通路毎に設けられた前記吸気制御弁のなかに前記吸気弁までの距離が異なる少なくとも二つの吸気制御弁が含まれ、かつ前記吸気弁までの距離が同一の吸気制御弁が共通の弁軸にて駆動される多気筒内燃機関の吸気制御装置であって、前記気筒毎に設けられた前記独立通路の前記サージタンクに対する開放端から前記吸気制御弁までの距離が互いに異なり、かつ前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が短い前記独立通路の通路断面積が前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が長い前記独立通路の通路断面積よりも小さくなるように構成され、前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が短い前記独立通路は、その通路断面積が前記サージタンクに向かって徐々に縮小するように構成されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この吸気制御装置によれば、各吸気制御弁を駆動するために少なくとも２つの弁軸が必要になるが、各弁軸に一つずつアクチュエータを設けることにより全ての吸気制御弁を駆動できる。そのため、各吸気制御弁に対して弁軸を一つずつ設ける態様に比べてアクチュエータの数を減らすことができる。また、開放端から吸気制御弁までの距離が短い独立通路は、その通路断面積がサージタンクに向かって徐々に縮小するように構成されているから、独立通路の通路断面積の急変を防止できる。これにより、独立通路間における通路抵抗の差違を低減できる。

慣性過給の原理として周知なヘルムホルツの共鳴の原理によれば、容量がＶの容積部に長さＬ、通路断面積Ａの管が繋がっている系の共鳴の振動数ｆは、音速をＣとすると式：ｆ∝Ｃ×［（Ａ／（Ｌ×Ｖ）］^０．５で表される。従って、共鳴の振動数ｆを気筒毎に揃えることにより慣性過給効果を気筒毎に揃えることができるようになる。第２の吸気制御装置は、独立通路の開放端から吸気制御弁までの距離が互いに異なっているが、その距離が短い独立通路の通路断面積はその距離が長い独立通路の通路断面積よりも小さくなっている。そのため、共鳴の振動数ｆの気筒間の差違をなくす、又は低減することができる。これにより、独立通路の開放端から吸気制御弁までの距離を揃えずとも、吸気制御弁を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができる。

なお、本発明における開放端は、サージタンク内部に向かって独立通路の通路断面積が増加して行く過程でその増加割合が所定割合に達した位置に設定される。

以上説明したように、第１の吸気制御装置によれば、気筒毎に設けられた独立通路のサージタンクに対する開放端から吸気制御弁までの距離が互いに等しいので、吸気制御弁を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができる。また、第２の吸気制御装置によれば、開放端から吸気制御弁までの距離が短い独立通路の通路断面積がその距離が長い独立通路の通路断面積よりも小さくなっているため、独立通路の開放端から吸気制御弁までの距離を揃えずとも、吸気制御弁を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る吸気制御装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図である。内燃機関１は一方向に並ぶ４つの気筒２を有した直列４気筒型の多気筒内燃機関として構成されている。なお、以下の説明で各気筒２を互いに区別する必要があるときには気筒２の並び方向に対応する気筒番号♯１〜＃４を付与して説明する場合がある。

各気筒２には吸気通路５と排気通路６とがそれぞれ接続されており、吸気通路５は各気筒２に２本ずつ設けられた吸気弁７にて開閉され、排気通路６は各気筒２に２本ずつ設けられた排気弁（不図示）にて開閉される。これらの弁は不図示の動弁機構にて所定のタイミングで開閉駆動される。各気筒２に対する燃焼順序は＃１、＃３、＃４、＃２の順番に設定されている。

吸気通路５は、気筒２毎に設けられて吸気弁７にて開閉される独立通路１０と、各独立通路１０が接続されたサージタンク１１とを有している。各独立通路１０は各気筒２に開口する吸気ポート１０ａを含んでいる。サージタンク１１は気筒２毎の吸気干渉を緩和し得る所定容積を持っている。サージタンク１１の上流側には吸気絞り弁１２が設けられている。

各独立通路１０には吸気制御弁１３が一つずつ設けられている。各吸気制御弁１３は二つの弁駆動装置１５、１６にて開閉駆動される。第１弁駆動装置１５は＃１、＃４気筒に対して設けられた二つの吸気制御弁１３の開閉を担当し、第２弁駆動装置１６は＃２、＃３気筒に対して設けられた二つの吸気制御弁１３の開閉を担当する。

第１弁駆動装置１５は気筒２の並び方向に延びる弁軸１７を有し、その弁軸１７には＃１、＃４気筒に対して設けられた二つの吸気制御弁１３が一体回転可能に取付けられている。また、第２弁駆動装置１６は気筒２の並び方向に延び、かつ弁軸１７に対して独立通路１０の長手方向に位置をずらして配置された弁軸１８を有し、その弁軸１８には＃２、＃３気筒に対して設けられた二つの吸気制御弁１３が一体回転可能に取り付けられている。各弁軸１７、１８は独立通路１０を貫いていて、これらの一端にはアクチュエータ２０が一つずつ取り付けられている。このアクチュエータ２０は電動アクチュエータとして構成されている。アクチュエータ２０に対して所定のタイミングで制御信号を送ることにより、各吸気制御弁１３は全閉位置から全開位置までの間で回転駆動される。

各弁駆動装置１５、１６が図示のように構成されているので、４つの吸気制御弁１３のなかには吸気弁７までの距離が短い吸気制御弁１３と、吸気弁７までの距離が長い吸気制御弁１３とが２つずつ含まれる。本形態では、第１弁駆動装置１５にて駆動される吸気制御弁１３が吸気弁７までの距離が短いものに相当し、第２弁駆動装置１６にて駆動される吸気制御弁１３が吸気弁７までの距離が長いものに相当する。

本形態では、吸気制御弁１３から吸気弁７までの距離に拘わらず、独立通路１０のサージタンク１１に対する開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２が互いに等しくなるようにサージタンク１１の形状が設定されている。即ち、＃１、＃４気筒に設けられた独立通路１０に接続するサージタンク１１の両端部１１ａは、独立通路１０よりも外側に膨らんでいる。そのため、＃１、＃４気筒に設けられた独立通路１０の開放端１０ｂは他の独立通路１０の開放端１０ｂよりも気筒２に近い側に位置する。その結果、独立通路１０の開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２が互いに等しくなっている。そのため、ヘルムホルツの共鳴の原理に係る共鳴の振動数が各気筒２に関して均一化できる。これにより、吸気制御弁１３を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑制することができる。

（第２の形態）
次に、図２を参照して本発明の第２の形態について説明する。図２は本発明の第２の形態に係る吸気制御装置の一例を示している。第２の形態において、第１の形態と共通する部材には同一の参照符号を図２に示して説明を省略する。図２に示すように、この形態では、第１弁駆動装置１５と第２弁駆動装置１６との並び順、言い換えれば各気筒２に対して設けられた吸気制御弁１３の配置が図１に示した形態と比べて入れ替わっている。つまり、本形態では第１弁駆動装置１５にて駆動される吸気制御弁１３が吸気弁７までの距離が長いものに相当し、第２弁駆動装置１６にて駆動される吸気制御弁１３が吸気弁７までの距離が短いものに相当する。本形態も、図１の形態と同様に独立通路１０の開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２が互いに等しくなるように形状が設定されたサージタンク２１が設けられている。サージタンク２１は、＃２、＃３気筒に設けられた独立通路１０に接続するその中央部２１ａが気筒２に近い側に膨らんでいる。そのため、＃２、＃３気筒に設けられた独立通路１０の開放端１０ｂは他の独立通路１０の開放端１０ｂよりも気筒２に近い側に位置する。その結果、独立通路１０の開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２が互いに等しくなり、図１に示した形態と同等の効果を発揮できる。

（第３の形態）
次に、図３を参照して本発明の第３の形態について説明する。図３は本発明の第３の形態に係る吸気制御装置の一例を示している。第３の形態において、第１の形態と共通する部材には同一の参照符号を図３に付して説明を省略する。図３に示すように、この形態では、第１弁駆動装置１５と第２弁駆動装置１６とが図１に示した形態と同様に配置されている。また、本形態には各独立通路１０が接続されたサージタンク３１が設けられている。＃２、＃３気筒に設けられた独立通路１０の開放端１０ｂはサージタンク３１の内部に位置している。言い換えれば、＃２、＃３気筒に設けられた独立通路１０の一端がサージタンク３１の内部に突出している。＃２、＃３気筒に設けられた独立通路１０と＃１、＃４気筒に設けられた独立通路１０との間で、開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２を互いに等しくすることができる。これにより本形態も図１に示した形態と同等の効果を発揮することができる。

サージタンク３１の内部に突出した独立通路１０の突出部の形状は任意であり、また、その突出部が独立通路１０と一体であっても良いし別体であってもよい。図４は図３の形態の変形例を示した拡大図である。この図に示すように、この変形例には独立通路１０の突出部として機能するファンネル３３が設けられており、そのファンネル３３はボルト等の締結部材３４を利用してサージタンク３１の内側に着脱可能に取り付けられている。ファンネル３３は、サージタンク３１から空気を効率良く気筒２に取り込むことができるように開放端１０ｂに向かって通路断面積が徐々に拡大するように構成されている。この変形例においても図３の形態と同等の効果を発揮できる。

（第４の形態）
次に、図５を参照して本発明の第４の形態について説明する。図５は本発明の第４の形態に係る吸気制御装置の一例を示している。第４の形態において、第１の形態と共通する部材には同一の参照符号を図５に付して説明を省略する。本形態は第１弁駆動装置１５と第２弁駆動装置１６とが図１に示した形態と同様に配置されている。また、本形態は吸気弁７までの距離が長い吸気制御弁１３が設けられた独立通路４０を有している。独立通路４０は気筒２に開口する吸気ポート４０ａを含んでいて＃２、＃３気筒に接続されている。独立通路４０のサージタンク４１に対する開放端４０ｂの位置は、＃１、＃４気筒の独立通路１０の開放端１０ｂと同一レベルに並んでいる。従って、独立通路１０の開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１は、独立通路４０の開放端４０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ２よりも長い。上述したヘルムホルツの共鳴の原理によれば、通路断面積の平方根が共鳴の振動数に比例し、通路長さの平方根が共鳴の振動数に反比例する。そこで、本形態は各独立通路１０、４０に関して共鳴の振動数を等しくするため、独立通路４０の通路断面積を独立通路１０の通路断面積よりも小さくしている。図示の例では、吸気制御弁１３よりも上流側に位置する独立通路４０の上流部分４０ｃの通路断面積を、独立通路１０の通路断面積よりも小さくし、かつ上流部分４０ｃの通路断面積を略一定としている。これにより、共鳴の振動数が各気筒２に関して均一化又は気筒間の差を低減できる。このため、各独立通路１０、４０の開放端１０ｂ、４０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１、Ｌ２を揃えずとも、吸気制御弁１３を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができる。

（第５の形態）
次に、図６を参照して本発明の第５の形態について説明する。この形態は、図５の形態の変形例に相当する。本形態の独立通路５０は＃２、＃３気筒に開口する吸気ポート５０ａを含んでいる。そして、独立通路５０はその上流部分５０ｃが開放端５０ｂに向かって向かって徐々に縮小するように構成され、サージタンク５１に接続されている。その縮小具合は共鳴の振動数が各気筒２に関して均一化又は気筒間の差を低減できるように設定されている。従って、この形態によれば、吸気制御弁１３を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができ、なおかつ独立通路４０の通路断面積の急変を防止できるので、独立通路間における通路抵抗の差違を低減できる。

（第６の形態）
次に、図７を参照して本発明の第６の形態について説明する。図７は本発明の第６の形態に係る吸気制御装置の一例を示している。第６の形態において、第１の形態と共通する部材には同一の参照符号を図７に付して説明を省略する。図７に示すように、第１弁駆動装置１５と第２弁駆動装置１６とが図１に示した形態と同様に配置されている。また、＃２、＃３気筒の独立通路６０は気筒２に開口する吸気ポート６０ａを含んでおり、独立通路６０のサージタンク６１に対する開放端６０ｂの位置は＃１、＃４気筒の独立通路１０の開放端１０ｂと同一レベルに並んでいる。従って、第４及び第５の形態と同様に、独立通路１０の開放端１０ｂから吸気制御弁１３までの距離Ｌ１は、独立通路６０の開放端６０ｂから吸気制御弁６３までの距離Ｌ２よりも長い。本形態は、各独立通路１０、６０に関して共鳴の振動数を等しくするため、独立通路１０の通路断面積よりも独立通路６０の通路断面積をその全長に亘って小さくしている。そして、独立通路６０の通路断面積に対応するように、独立通路６０の吸気制御弁６３は独立通路１０の吸気制御弁１３に対して小型化されている。この形態によれば、ヘルムホルツの共鳴の原理に係る共鳴の振動数が各気筒２に関して均一化又は気筒間の差を低減できるため、距離Ｌ１、Ｌ２を揃えずとも、吸気制御弁１３、６３を利用した慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑えることができる。しかも、小型化された吸気制御弁６３はその重量及び慣性が他の吸気制御弁１３よりも小さくなるので、吸気制御弁６３の応答速度が向上するとともに、その駆動に要するエネルギー消費を抑えることができる。

本発明は以上の各形態に限定されず、種々の形態にて実施することができる。本発明の吸気制御装置はその適用対象となり得る内燃機関の気筒数に制限はない。従って、本発明の吸気制御装置を、上述した４気筒の他、６気筒や８気筒の多気筒内燃機関に適用して実施することもできる。本発明に係る独立通路の通路断面形状は任意である。即ち、上述したヘルムホルツの共鳴の原理は通路断面積がパラメータの一つであるので、独立通路は円形や楕円形或いは多角形状であってもよい。

また、本発明に係る吸気制御弁の搭載位置はサージタンクから吸気弁までの間であればいずれの箇所でもよく、例えばシリンダヘッドに形成された吸気ポート内に吸気制御弁を搭載することもできる。

本発明の一形態に係る吸気制御装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。本発明の第２の形態に係る吸気制御装置の一例を示した図。本発明の第３の形態に係る吸気制御装置の一例を示した図。図３の形態の変形例を示した拡大図。本発明の第４の形態に係る吸気制御装置の一例を示した図。本発明の第５の形態に係る吸気制御装置の一例を示した図。本発明の第６の形態に係る吸気制御装置の一例を示した図。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
５吸気通路
７吸気弁
１０独立通路
１０ｂ開放端
１１サージタンク
１３吸気制御弁
１７、１８弁軸
２１サージタンク
３１サージタンク
４０独立通路
４０ｂ開放端
４１サージタンク
５０独立通路
５０ｂ開放端
６０独立通路
６０ｂ開放端
６３吸気制御弁

Claims

多気筒内燃機関の気筒毎に設けられて吸気弁にて開閉される独立通路及び前記独立通路のそれぞれが接続されたサージタンクを有する吸気通路と、前記独立通路毎に設けられた吸気制御弁と、を備え、前記独立通路毎に設けられた前記吸気制御弁のなかに前記吸気弁までの距離が異なる少なくとも二つの吸気制御弁が含まれ、かつ前記吸気弁までの距離が同一の吸気制御弁が共通の弁軸にて駆動される多気筒内燃機関の吸気制御装置であって、
前記気筒毎に設けられた前記独立通路の前記サージタンクに対する開放端から前記吸気制御弁までの距離が互いに異なり、かつ前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が短い前記独立通路の通路断面積が前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が長い前記独立通路の通路断面積よりも小さくなるように構成され、
前記開放端から前記吸気制御弁までの距離が短い前記独立通路は、その通路断面積が前記サージタンクに向かって徐々に縮小するように構成されていることを特徴とする多気筒内燃機関の吸気制御装置。