JP4983508B2

JP4983508B2 - 内燃機関の吸気制御装置

Info

Publication number: JP4983508B2
Application number: JP2007247071A
Authority: JP
Inventors: 修治緒川; 幹修長谷川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: JP2009079480A

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内にスワール流、タンブル流等の渦流を発生させる内燃機関の吸気制御装置に関する。

従来、内燃機関の吸気管に吸気制御弁を設け、吸気制御弁の上流から吸気管をバイパスする副吸気通路を設けた装置がある（特許文献１）。副吸気通路は、内燃機関のシリンダに通じる吸気ポートに開口している。副吸気通路を通る空気は噴流となり、吸気ポートを通ってシリンダ内に流入し、シリンダ内にスワール流を生成する。スワール流により、シリンダ内での空気と燃料の混合が促進され、内燃機関の燃焼改善を図ることができる。

また、内燃機関のシリンダに通じる吸気ポートに開口する噴射パイプを設け、圧縮空気を噴射パイプから吸気ポートに噴射する装置がある（特許文献２）。圧縮空気は、コンプレッサによってつくられ、噴射パイプを通って吸気ポートに噴射され、シリンダ内にスワール流を生成する。

また、ターボチャージャを備えた内燃機関において、シリンダに通じる吸気ポートに開口する空気供給通路を設け、圧縮空気を空気供給通路から吸気ポートに噴射する装置がある（特許文献３）。圧縮空気は、エアタンクによって供給され、車両の急加速時等、多量の吸気が必要とされる場合に、空気供給通路を通って吸気ポートに噴射される。エアタンク内の空気は、コンプレッサによって所定圧に維持される。
特許第３４２２０２４号公報実開昭５９−２１０３０号公報特開昭５９−１５８３２４号公報

特許文献１に記載の装置では、吸気管内を流れる空気が副吸気通路を通って吸気ポートに噴出されるので、吸気ポートに噴出される空気の圧力は、吸気管内の空気の圧力や副吸気通路の内径等に依存する。このため、吸気ポートに噴出される空気の圧力を自由に変えることができず、シリンダ内に生成されるスワール流（渦流）の強さを自由に制御できない。したがって、内燃機関の運転状態によっては、スワール流による効果を十分には得られない可能性がある。

特許文献２に記載の装置では、吸気ポートに噴射される圧縮空気がコンプレッサによってつくられる。コンプレッサは、必要な圧力を発生させるのに、ある程度の時間（立ち上がり時間）を必要とする。このため、圧縮空気がコンプレッサの運転開始後すぐには噴射されず、内燃機関の運転状態によっては、必要とされるスワール流（渦流）をシリンダ内に生成できない可能性がある。また、特許文献３に記載の様に、コンプレッサとエアタンクを併用する方法も考えられるが、圧縮空気を連続して噴射できる回数がエアタンクの容量、蓄圧能力で決まってしまう。このため、内燃機関の運転状態によっては、必要とされるスワール流（渦流）をシリンダ内に生成できない可能性がある。

以上の様に、従来の装置では、燃焼改善に寄与する渦流の制御が十分ではなく、内燃機関の様々な運転状態において、さらなる燃焼改善の余地があった。

よって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の様々な運転状態において、さらなる燃焼改善を図ることができる内燃機関の吸気制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明にて講じた技術的手段は、請求項１に記載の様に、内燃機関のシリンダ内に吸気ポートを介して燃焼用空気を送る吸気通路と、前記吸気通路に送られる燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器と前記吸気通路を連通し、前記燃焼ガスを前記吸気通路に送る排気管と、前記吸気通路の壁面に設けられ、前記排気管からの前記燃焼ガスを湾曲した前記吸気ポートの外径側壁面に向けて噴出して前記燃焼ガスを前記シリンダ内に送る噴出口と、を備え、前記燃焼ガスは前記燃焼用空気よりも早い速度で前記吸気通路内を流動し、前記シリンダ内に渦流を生成する構成としたことである。

好ましくは、請求項２に記載の様に、前記吸気通路は二つ以上の前記吸気ポートを介して前記シリンダに連通し、前記噴出口は二つ以上の前記吸気ポートのいずれか一つにのみ前記燃焼ガスを噴出すると良い。

好ましくは、請求項３に記載の様に、前記噴出口は、前記吸気通路の壁面のうち、前記シリンダ側とは対向する側に設けられると良い。

好ましくは、請求項４に記載の様に、前記噴出口は、二つ以上の前記吸気ポートの中心軸間に位置する領域の外側に前記燃焼ガスを噴出すると良い。

好ましくは、請求項５に記載の様に、前記燃焼器はパルスジェット燃焼であると良い。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼ガスの噴出によってシリンダ内の空気（燃焼用空気）の流れに偏りができ、シリンダ内に渦流が生成する。燃焼ガスの圧力は、燃焼器での燃焼量を変えることによって制御できるので、シリンダに向けて噴出される所望の燃焼ガスの流速が可変となり、シリンダ内に生成される渦流の強さを内燃機関の運転状態に応じてより自由に制御できる。

また、燃焼器の立ち上がり時間はコンプレッサの立ち上がり時間よりも短く、且つ燃焼ガスは連続的に生成可能なので、内燃機関の運転状態に応じて、必要とされる渦流をシリンダ内により好適に生成できる。

以上の様に、本発明の装置は、燃焼ガスによってシリンダ内に渦流を生成することにより、内燃機関の様々な運転状態において、シリンダ内での空気（燃焼用空気）と燃料の混合をさらに促進でき、内燃機関における燃焼改善を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、吸気ポート間で空気の流速差が生じるので、シリンダ内にスワール流が生成される。これにより、シリンダ内での燃焼が促進され、内燃機関における燃焼改善をさらに図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、吸気通路におけるシリンダ側とその対向する側との間で空気の流速差が生じるので、シリンダ内にタンブル流が生成される。これにより、シリンダ内での燃焼が促進され、内燃機関における燃焼改善をさらに図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、噴出口から噴出される燃焼ガスがシリンダ内の空気の流れにより強い偏りを生じさせるので、シリンダ内により強いスワール流が生成される。これにより、シリンダ内での燃焼が促進され、内燃機関における燃焼改善をさらに図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、パルスジェット燃焼によってより高圧の燃焼ガスが生成されるので、シリンダに向けて噴出される燃焼ガスの流速が連続燃焼の場合より高まり、より強い渦流がシリンダ内に生成される。これにより、シリンダ内での燃焼が促進され、内燃機関における燃焼改善をさらに図ることができる。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を基に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る吸気制御装置２０を備えたエンジン１の概略図である。

エンジン１（内燃機関）は、１気筒当たり２つのバルブを持つ公知の４気筒エンジンであって、吸気管２、スロットルボディ３、吸気マニホールド４、インジェクタ５、吸気ポート６、エンジン本体７、等を備える。エンジン本体７には、シリンダ８が設けられる。吸気管２に吸入された空気は、スロットルボディ３を通って吸気マニホールド４に送られる。吸気マニホールド４に送られた空気（燃焼用空気）は、インジェクタ５から噴射される燃料と吸気ポート６にて混合され、シリンダ８に送られる。吸気管２、スロットルボディ３、吸気マニホールド４、及び吸気ポート６は、本発明における吸気通路３０を構成している。第１実施形態では、吸気通路３０が一つの吸気ポート６を介してシリンダ８に連通している。

エンジン１は、さらに、燃焼器９と、排気管１０とを備える。燃焼器９は、燃料を燃焼させることによって燃焼ガスを生成する。排気管１０は、燃焼器９と吸気通路３０を連通し、燃焼器９にて生成された燃焼ガスを吸気通路３０に送る。

図２は、吸気制御装置２０の要部を示す図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。吸気制御装置２０は、吸気通路３０と、燃焼器９と、排気管１０と、噴出口１１とを備える。

吸気通路３０は、通路３１と、吸気ポート６とを備える。通路３１は、吸気マニホールド４の出口部４１に設けられる。吸気マニホールド４の出口部４１は、エンジン本体７に取り付けられる。吸気ポート６は、通路３１と連続してエンジン本体７に設けられ、シリンダ８と連通する。吸気ポート６は、エンジン本体７に設けられた吸気バルブ７１によって開閉される。吸気ポート６は、吸気管２、スロットルボディ３（図１参照）を通って吸気マニホールド４（通路３１）に送られた空気１４（燃焼用空気）を、インジェクタ５から噴射される燃料５１とともに、シリンダ８内に送る。

燃焼器９は、燃料を燃焼させることによって燃焼ガスを生成する。燃焼器９として、例えば、パルスジェット燃焼によって高圧の燃焼ガスを間欠的に生成するパルスジェット燃焼器を用いることができる。燃焼器９で用いられる空気は、ポンプ１２および配管１３を介して吸気管２から供給される（図１参照）。燃焼器９で用いられる燃料は、エンジン１の燃料と同じものでも良いし、エンジン１の燃料と異なる専用のものでも良い。

排気管１０は、燃焼器９と吸気通路３０を連通し、燃焼器９にて生成された燃焼ガスを吸気通路３０に送る。排気管１０は、燃焼ガスの圧力損失低減のため、できるだけ短い方が良い。

噴出口１１は、吸気通路３０（通路３１）の壁面３２に設けられる。噴出口１１は、通路３１の壁面３２のうち、シリンダ側３３ではなく、シリンダ側とは対向する側３４に設けられる。噴出口１１は、排気管１０からの燃焼ガスを、通路３１の壁面３２及び吸気ポート６の壁面６ａに沿ってシリンダ８の方向に（シリンダ８に向けて）噴出する。噴出口１１から噴出された燃焼ガス１５は、シリンダ８内に送られる空気１４（燃焼用空気）よりも早い速度で吸気通路３０（通路３１、吸気ポート６）内を流動し、シリンダ８内の流れに偏りを生じさせ、シリンダ８内に渦流１６を生成する。

なお、図４に示す様に、噴出口１１の内周面に螺旋状の溝を形成し、燃焼ガス１５が噴出口１１から噴出される速度（流速）を向上することもできる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る吸気制御装置２０の第２実施形態について、図５乃至図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と共通する点については、詳しい説明を省略する。

図５は、吸気制御装置２０の第２実施形態を示す図で、第１実施形態の図１に対応する図である。

エンジン１（内燃機関）は、１気筒当たり４つのバルブを持つ公知の４気筒エンジンである。吸気管２に吸入された空気は、スロットルボディ３を通って吸気マニホールド４に送られる。吸気マニホールド４に送られた空気（燃焼用空気）は、インジェクタ５から噴射される燃料と吸気ポート６にて混合され、シリンダ８に送られる。吸気管２、スロットルボディ３、吸気マニホールド４、及び吸気ポート６は、本発明における吸気通路３０を構成している。第２実施形態では、吸気通路３０が二つの吸気ポート６、６を介してシリンダ８に連通している。

図６及び図７は、吸気制御装置２０の第２実施形態を示す図で、第１実施形態の図３に対応する図である。

噴出口１１は、排気管１０からの燃焼ガスを、吸気ポート６の壁面６ａに沿ってシリンダ８の方向に（シリンダ８に向けて）噴出する。噴出口１１は、二つの吸気ポート６、６のいずれか一方（図６及び図７では左側の吸気ポート６）にのみ、燃焼ガスを噴出する。噴出口１１から噴出された燃焼ガスは、シリンダ８内に送られる空気（燃焼用空気）よりも早い速度で吸気ポート６内を流動し、シリンダ８内の流れに偏りを生じさせ、シリンダ８内に渦流を生成する。図７の例では、噴出口１１は、二つの吸気ポート６、６の中心軸６ｂ、６ｂ間に位置する領域６ｃの外側に、燃焼ガスを噴出する。

本発明に係る吸気制御装置２０は、燃焼器９にて生成された燃焼ガスを吸気ポート６内に噴出することによって、シリンダ８内に渦流１６を生成する。燃焼ガスの圧力は、燃焼器９での燃焼の強さを変えることによって制御できるので、噴出口１１から噴出される燃焼ガス１５の流速が可変となり、シリンダ８内に生成される渦流１６の強さをエンジン１の運転状態に応じてより自由に制御できる。

また、燃焼器９の立ち上がり時間（運転開始後、燃焼ガスを生成するまでの時間）はコンプレッサの立ち上がり時間よりも短く、且つ燃焼ガスは連続的に生成可能なので、エンジン１の運転状態に応じて、必要とされる渦流１６をシリンダ８内により好適に生成できる。

以上の様に、本発明に係る吸気制御装置２０は、燃焼ガスによってシリンダ８内に渦流１６を生成することにより、エンジン１の様々な運転状態において、シリンダ８内での空気（燃焼用空気）と燃料の混合をさらに促進でき、エンジン１における燃焼改善をさらに図ることができる。

さらに、本発明に係る吸気制御装置２０では、燃焼ガスという高温の不活性ガスがシリンダ８内に流入するので、ＮＯｘ低減（ＥＧＲ効果）、コールドスタート時の燃焼改善、エンジン１の暖機の効果が得られる。

さらに、図３に示す様に、燃焼ガスを噴出する噴出口１１が、吸気通路３０の壁面３２のうち、シリンダ側とは対向する側３４に設けられる場合には、吸気通路３０におけるシリンダ側とその対向する側との間で空気の流速差が生じるので、シリンダ８内にタンブル流が生成される。これにより、シリンダ８内での燃焼が促進され、エンジン１における燃焼改善をさらに図ることができる。

さらに、図５乃至図７に示す様に、吸気通路３０が二つの吸気ポート６、６を介してシリンダ８に連通し、噴出口１１が二つの吸気ポート６、６のいずれか一方にのみ燃焼ガスを噴出する場合には、二つの吸気ポート６、６間で空気の流速差が生じるので、シリンダ８内にスワール流が生成される。これにより、シリンダ８内での燃焼が促進され、エンジン１における燃焼改善をさらに図ることができる。なお、図７の様に噴出口１１を配置すれば、噴出口１１から噴出される燃焼ガスがシリンダ８内の空気の流れにより強い偏りを生じさせるので、シリンダ８内により強いスワール流が生成される。

さらに、燃焼器９がパルスジェット燃焼器の場合には、パルスジェット燃焼によってより高圧の燃焼ガスが生成され、シリンダ８に向けて噴出される燃焼ガス１５の流速がより高まる。これにより、より強い渦流１６がシリンダ８内に生成され、シリンダ８内での燃焼が促進され、エンジン１における燃焼改善をさらに図ることができる。

本発明に係る吸気制御装置２０を備えたエンジン１の概略図。吸気制御装置２０の要部を示す図。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。噴出口１１の変形例を示す図。吸気制御装置２０の第２実施形態を示す図。吸気制御装置２０の第２実施形態を示す図。吸気制御装置２０の第２実施形態を示す図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
６吸気ポート
６ｂ中心軸
６ｃ領域
８シリンダ
９燃焼器
１０排気管
１１噴出口
１４空気（燃焼用空気）
１５燃焼ガス
１６渦流
２０吸気制御装置（内燃機関の吸気装置）
３０吸気通路
３２壁面
３３シリンダ側
３４シリンダ側とは対向する側

Claims

内燃機関のシリンダ内に吸気ポートを介して燃焼用空気を送る吸気通路と、
前記吸気通路に送られる燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器と前記吸気通路を連通し、前記燃焼ガスを前記吸気通路に送る排気管と、
前記吸気通路の壁面に設けられ、前記排気管からの前記燃焼ガスを湾曲した前記吸気ポートの外径側壁面に向けて噴出して前記燃焼ガスを前記シリンダ内に送る噴出口と、を備え、
前記燃焼ガスは前記燃焼用空気よりも早い速度で前記吸気通路内を流動し、前記シリンダ内に渦流を生成する、ことを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
前記吸気通路は二つ以上の前記吸気ポートを介して前記シリンダに連通し、前記噴出口は二つ以上の前記吸気ポートのいずれか一つにのみ前記燃焼ガスを噴出する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
前記噴出口は、前記吸気通路の壁面のうち、前記シリンダ側とは対向する側に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
前記噴出口は、二つ以上の前記吸気ポートの中心軸間に位置する領域の外側に前記燃焼ガスを噴出する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
前記燃焼器はパルスジェット燃焼である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気制御装置。