JP5218671B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高膨張比サイクルを利用するエンジンの吸気装置に関する。
従来、エンジンの高効率化を図り、燃焼サイクル中の膨張比が圧縮比を上回るようにした、いわゆる高膨張比サイクルのエンジンが実用化されている。特許文献1によると、高膨張比サイクルのエンジンは、吸気弁の閉弁時期を遅らせることにより、燃焼サイクル中の膨張比を圧縮比よりも大きくする。これにより、ポンプ損失(ポンピングロス)を低減して熱効率の向上を図るとともに、ノッキングを回避している。
特開2004−183510号公報
ところで、エンジンの圧縮工程において、筒内に吸入された混合気は、吸気流速の変化によりせん断が生じ、乱れを生成しながら圧縮される。この乱れにより混合気が筒内に均一に拡散し、安定した燃焼が得られる。ところが、吸気弁の閉弁時期を遅らせる、いわゆる、吸気遅閉じによる高膨張比サイクルのエンジンでは、吸気弁が圧縮工程半ばまで開いた状態となる。このため、混合気が吸気通路へ吹き抜け、筒内の混合気の乱れが急激に減衰してしまう。特に、圧縮工程半ばを過ぎて吸気弁を閉じた時点では、筒内の混合気の乱れがほとんど消滅してしまい、燃焼が不安定になるという問題が生じていた。
そこで、本発明は、エンジンのポンピングロスを低減するとともに、安定した燃焼を実現し、燃費向上を図ることを目的とする。
かかる課題を解決する本発明のエンジンの吸気装置は、気筒内へ新気を供給する第1吸気通路と、前記第1吸気通路と並べて配置され、前記気筒内に新気を供給する第2吸気通路と、前記第1吸気通路の開口部において前記第1吸気通路を開閉する第1吸気弁と、前記第2吸気通路の開口部において前記第2吸気通路を開閉する第2吸気弁と、を備え、前記第1吸気弁の開弁時期が上死点よりも進角しているとともに、吸気行程において、前記第1吸気弁のバルブリフト量と前記第2吸気弁のバルブリフト量とが異なり、前記第1吸気弁のバルブリフト量が前記第2吸気弁のバルブリフト量よりも大きい期間を設け、前記第2吸気通路へ吸気を吹き抜けさせることを特徴とする。
このような構成とすることにより、リフト量の大きい第1吸気弁側の第1吸気通路からリフト量の小さい第2吸気弁側の第2吸気通路へと吸気の吹き抜けが生じる。この吹き抜けにより筒内の内周壁に沿った旋回流が発生する。また、この吹き抜けにより吸入された新気が抜けるため、筒内の膨張比が圧縮比より大きくなりポンピングロスを低減できる。このとき、新気が第2吸気通路を吹き抜けることにより、筒内における気流に偏りが生じて旋回流の減衰が抑制される。このように、ポンピングロスを低減するとともに、筒内に発生する旋回流の減衰を抑制し、空気と燃料との混合を促進して安定した燃焼状態を形成することができる。また、上記エンジンの吸気装置は、吸気行程前半において、前記第1吸気弁のバルブリフト量が前記第2吸気弁のバルブリフト量よりも大きい構成とすることができる。
上記エンジンの吸気装置は、前記第1吸気弁が前記第2吸気弁より先に開弁する構成とすることができる。これにより、第1吸気弁が開弁し、第2吸気弁が閉じている間に、新気が第1吸気通路を通り、旋回流が形成できる。また、上記エンジンの吸気装置は、前記第1吸気弁が前記第2吸気弁より先に閉弁する構成とすることができる。これにより、第1吸気弁が閉弁し、第2吸気弁が開いている間に、第2吸気通路へ吹き抜けが生じるため、旋回流が維持できる。
上記エンジンの吸気装置において、前記第2通路内へ筒内の旋回流を導く導入手段を備えることができる。このような構成により、第2通路へ吹き抜ける気流の流速を向上できる。これにより、筒内の旋回流の流速を向上し、旋回流の減衰を抑制することができる。
また、前記導入手段は、気筒の壁側から前記第2通路へと旋回流が吹き込むように形成されたガイドとすることができる。このような構成とすることにより、第2通路へ流れ込む気体のうち、旋回流を減衰する方向の流れの発生が抑制される。これにより、筒内を流れる旋回流の減衰が抑制され、空気と燃料との混合が促進される。
上記エンジンの吸気装置において、前記第2吸気通路上に前記第2吸気通路を開閉する制御弁を備え、当該制御弁は、前記第1吸気弁が開弁し、前記第2吸気弁が開弁している期間において閉弁し、前記第1吸気弁が閉弁し、前記第2吸気弁が開弁している期間において開弁する構成とすることができる。このような構成とすることにより、制御弁が閉じる時期に、第1吸気通路のみから筒内へ混合気が供給されるため、筒内における気流に偏りが生じて旋回流を発生することができる。また、開閉弁が開く時期に、第2吸気通路のみから吹き抜けが生じるため、さらに気流に偏りが生じて旋回流の減衰が抑制される。これにより、筒内は旋回流により、混合気の乱れが維持され、安定した燃焼が行われる。
また、上記エンジンの吸気装置において、前記第2吸気通路内に燃料を噴射する第2通路噴射弁を備え、当該第2通路噴射弁は、前記第2吸気弁の開弁時に燃料を噴射する構成とすることができる。このような構成とすることにより、筒内から第2通路内へ吹き抜ける空気に対抗する方向へ燃料を噴射するため、噴霧の微粒化が促進される。これにより、燃焼効率を向上できる。
さらに、上記エンジンの吸気装置において、前記第1吸気通路内に燃料を噴射する第1通路噴射弁と、前記第2吸気通路内に燃料を噴射する第2通路噴射弁とを備え、前記第1通路噴射弁は、前記第1吸気弁の開弁以前に燃料の噴射を終え、前記第2通路噴射弁は、前記第2吸気弁の開弁時に燃料を噴射する構成とすることができる。このような構成とすることにより、バルブオーバーラップ時の混合気の吹き抜けが低減される。第1吸気弁は進角して開弁されるため、排気弁とオーバーラップする時期がある。本発明のように、第1吸気弁が開弁する以前に第1吸気通路内での燃料噴射が終わるので、排気側へと吹き抜ける混合気が低減できる。これにより、燃費向上、エミッション向上が図られる。また、第2通路側において噴射される燃料の噴霧が微粒化されて、燃焼効率が向上できる。
本発明のエンジンの制御装置は、ポンピングロスを低減するとともに、筒内に発生する旋回流の減衰を抑制し、空気と燃料との混合を促進して安定した燃焼状態を形成することができる。
実施例1の吸気装置を示した説明図であって、(a)は吸気装置の正面図を示し、(b)は吸気装置の平面図を示している。 第1吸気カム、第2吸気カム、排気カムのカム特性図である。 第1吸気弁が閉弁し、第2吸気弁が開弁している期間において、気筒内に発生する空気の流れを示した説明図であって、(a)は、気筒内を上から見た場合を示し、(b)は、(a)中のA−A断面を示している。 吸気制御弁の開弁、閉弁の時期を示した説明図である。 実施例2において気筒内に発生する空気の流れを示した説明図であって、(a)は、第2吸気弁が開弁しているが、吸気制御弁が閉弁している場合の様子を示し、(b)は、第2吸気弁が開弁した状態で吸気制御弁を開弁した場合の様子を示している。 実施例3の吸気装置における気筒と第1吸気通路と第2吸気通路と排気通路との概略構成を示した説明図である。 第1インジェクタ及び第2インジェクタの噴射時期を示した説明図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
本発明の実施例1について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施例の吸気装置10を示した説明図である。図1(a)は吸気装置10の正面図を示し、図1(b)は吸気装置10の平面図を示している。吸気装置10はエンジン1が備える気筒2へ新気を供給する装置であって、気筒毎に備えられている。本実施例におけるエンジン1は4バルブ4気筒のDOHCエンジンである。ここでは、気筒2の1つに着目して説明する。
気筒2はシリンダヘッド3、シリンダブロック4内に形成されており、気筒2の内部にはピストン5が往復運動可能に収納されている。
吸気装置10は、気筒2内へ新気を供給する2本の吸気通路、第1吸気通路11と、第2吸気通路12とを備えている。第1吸気通路11、第2吸気通路12は、シリンダヘッド3内に形成されている。第1吸気通路11と第2吸気通路12とは、吸気マニホールド(図示しない)から分岐し、並列して気筒2へ接続している。第1吸気通路11の開口部において第1吸気通路11を開閉する第1吸気弁13が配置されている。また、第2吸気通路12の開口部において第2吸気通路12を開閉する第2吸気弁14が配置されている。
さらに、吸気装置10は第1吸気通路11に燃料噴射用の第1インジェクタ26を備えている。また、吸気装置10は、第2吸気通路12にガイド27を備えている。このガイド27は、気筒2内に発生する旋回流を第2吸気通路12内へ導くものである。
また、エンジン1は排気通路6を備えており、この排気通路6は、2本の通路に分岐してそれぞれ気筒2に接続している。分岐した排気通路6の開口部において、排気通路6を開閉する排気弁7がそれぞれ配置されている。
吸気装置1は第1カムシャフト15と、第2カムシャフト16とを備えている。第1カムシャフト15の一端には可変動弁機構17が組み付けられている。この可変動弁機構17の外周にはギヤの歯が形成されている。また、第2カムシャフト16の一端にはドリブンスプロケット18が組み付けられている。可変動弁機構17の外周及びドリブンスプロケット18は、タイミングチェーン19によりクランクシャフト側のドライブスプロケット(図示しない)と連結されて、可変動弁機構17及びドリブンスプロケット18へクランクシャフトの回転が伝達される。これにより、第1カムシャフト15、第2カムシャフト16とが回転する。可変動弁機構17は油圧室が設けられたベーン式の可変バルブタイミング(VVT)コントローラを備えている。このVVTコントローラは油圧の調整によりベーンを回転させて、第1カムシャフト15を進角、遅角することができる。
第1カムシャフト15には、第2吸気カム20が組み付けられている。第2吸気カム20は、ロッカーアーム21を介して第2吸気弁14を押し下げることにより第2吸気通路12を開通させる。一方、第2カムシャフト16には、第1吸気カム22と2つの排気カム24とが組み付けられている。第1吸気カム22は、ローラーロッカー23を介して第1吸気弁13を押し下げることにより、第1吸気通路11を開通させる。また、排気カム24は、ロッカーアーム25を介して排気弁7を押し下げることにより排気通路6を開通させる。
ここで、第1吸気カム22、第2吸気カム20、排気カム24のカム特性に関して説明する。図2は、第1吸気カム22、第2吸気カム20、排気カム24のカム特性図である。図2において、0°(=720°)、360°のとき、ピストン5が上死点に位置する。図2で示すように、第1吸気カム22は上死点(360°)よりも進角側でバルブリフトが開始するように形成されているため、第1吸気弁13の開弁時期は上死点よりも進角している。一方、第2吸気カム20のバルブリフト開始時期はVVTコントローラにより制御される。この第2吸気カム20のバルブリフト開始時期は、進角側に移動した場合には、第1吸気弁13の開弁時期と同一にでき、遅角側に移動した場合には、上死点よりも遅角側とすることができる。なお、図2中では、第2吸気カム20のバルブリフト開始が上死点よりも遅角側となっている。また、第2吸気カム20は第2吸気カム20の作用角が第1吸気カム22の作用角よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第2吸気弁14の開弁期間が第1吸気弁13の開弁期間より拡大されている。これにより、第2吸気弁14は第1吸気弁13よりも遅い時期に閉弁することとなる。なお、図2によると、第2吸気弁14が第1吸気弁13よりも90°程度遅く閉弁するように構成されている。すなわち、吸気装置1の吸気行程において、第1吸気弁13のバルブリフト量と第2吸気弁14のバルブリフト量とが異なり、第1吸気弁13のバルブリフト量が第2吸気弁14のバルブリフト量よりも大きい期間が設けられている。特に、吸気行程前半において、第1吸気弁13のバルブリフト量が第2吸気弁14のバルブリフト量よりも大きくなっている。このようなカム特性を設定したことにより、排気弁7と第1吸気弁13とが同時に開弁している期間、すなわち、オーバーラップ期間が存在する。また、第1吸気弁13が開弁し、第2吸気弁14が閉弁している期間(以下、「第1吸気期間」と称する。)、第1吸気弁13および第2吸気弁14の両方が開弁している期間(以下、「第2吸気期間」と称する。)、第1吸気弁13が閉弁し、第2吸気弁14が開弁している期間(以下、「第3吸気期間」と称する。)が存在する。
次に、吸気期間中に本実施例のエンジン1の気筒2内に発生する空気の流れについて説明する。図3は、上記第3吸気期間において、気筒2内に発生する空気の流れを示した説明図である。図3(a)は、気筒2内を上から見た場合を示し、図3(b)は、図3(a)中のA−A断面を示している。図3(a)では、第1吸気通路11、第2吸気通路12の様子も示しているが排気通路6は省略している。図3(b)では、第2吸気通路12と排気通路6の様子も示している。
吸気が開始されると、図2のカム特性における第1吸気期間では、第1吸気弁13のみ開弁するため、第1吸気通路11側からのみ新気が気筒2内へ供給される。これにより、気筒2内に偏流が生じ、反時計回りの旋回流が発生する。この旋回流により、空気と燃料との混合が促進される。そして、第2吸気期間で第2吸気弁14が開弁することにより、第2吸気通路12側からも新気が取り込まれる。
さらに、圧縮工程の始まるタイミングで第3吸気期間となり第1吸気弁13が閉弁となるが、この後も第2吸気弁14が開弁状態であるので、第2吸気通路12側へ新気が吹き抜ける。この第2吸気通路12への吹き抜けは、図3(a)、図3(b)に示すように、気筒2内に反時計回りの旋回流を発生させる。この期間に発生した旋回流は、その後第2吸気弁14の閉弁後における混合気の圧縮期間が短いため、減衰が小さく、燃焼まで混合気の乱れを維持することができる。さらに、第2吸気通路12に設けられたガイド27は、第1吸気通路11側から第2吸気通路12側へ流入する気流を阻害し、気筒2内部の外周側から第2吸気通路12へ向かう気流のみを第2吸気通路12へ流入しやすくして、旋回流が第2吸気通路12へ吹き込むことを補助する。これにより、気筒2内の旋回流がさらに強化され、混合気の乱れが第2吸気弁14の閉弁後にも維持される。このように、第2吸気弁14の閉弁後にも混合気の乱れが維持されるので、気筒2内の混合気が均一となり、安定した燃焼が形成される。
また、上記の通り、このような第2吸気弁14の閉弁時期はVVTコントローラにより制御可能である。このため、エンジン1が高回転、高負荷となるような条件では、VVTコントローラにより第2吸気弁14の閉弁時期が旋回流を維持できる適切なタイミングに設定される。これにより、エンジン1は高トルク、高出力の状態を確保できる。
以上のように、本実施例の吸気装置10は、吸気行程中に第1吸気弁13が開弁し、第2吸気弁14が閉弁している期間、及び、第1吸気弁13が閉弁し、第2吸気弁14が開弁している期間を備えている。これにより、吸気行程中の第1吸気弁13が開弁し、第2吸気弁14が閉弁している期間において、気筒2内の内周壁に沿った旋回流が発生する。さらに、圧縮工程半ばに第1吸気弁13が閉弁し、第2吸気弁14が開弁している期間において、旋回流が吸気側へ吹き抜ける。この旋回流の吸気側への吹き抜けは第2通路のみであるため、筒内における気流に偏りが生じ、旋回流の減衰が抑制される。また、吹き抜けにより、気筒2内の空気が抜けるため、膨張比が圧縮比より大きくなり、ポンピングロスが低減する。このように、ポンピングロスを低減するとともに、気筒2内に発生する旋回流の減衰を抑制し、空気と燃料との混合を促進して安定した燃焼状態を形成することができる。これにより、耐EGR性が増し、燃費を改善する。
次に、本発明の実施例2について説明する。本実施例の吸気装置30は、実施例1の吸気装置10とほぼ同様の構成をしている。ただし、本実施例の吸気装置30は、第2吸気通路12上に第2吸気通路12を開閉する吸気制御弁31を備えた点で、実施例1の吸気装置10と異なる。この吸気制御弁31は、第1吸気弁13が開弁し、第2吸気弁14が開弁している期間において閉弁し、第1吸気弁13が閉弁し、第2吸気弁14が開弁している期間において開弁するように構成されている。なお、吸気装置30のその他の構成は実施例1の吸気装置10と同一であるため、吸気装置10と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略するとともに、本実施例の説明中、同一の参照番号を用いて説明する。
図4は、吸気制御弁31の開弁、閉弁の時期を示した説明図である。図4は、上記実施例1で示した図2に吸気制御弁31の開閉の時期を加えた説明図である。吸気制御弁31は、第2吸気弁14の開弁とほぼ同時に閉弁し、第1吸気弁13が閉弁するタイミングで開弁する。ここでは、弁が開閉してから空気の流れが発生するまでに時間を要することを考慮して、吸気制御弁31は、第1吸気弁13が閉弁する前から開弁する。また、上記以外の期間では、吸気制御弁31は開弁している。
図5は、気筒2内に発生する空気の流れを示した説明図である。図5(a)は、第2吸気弁14が開弁しているが、吸気制御弁31が閉弁している場合の様子を示し、図5(b)は、第2吸気弁14が開弁した状態で吸気制御弁31を開弁した場合の様子を示している。
図4中の吸気制御弁31の閉弁期間において、第2吸気弁14が開弁するのと同時に吸気制御弁31が閉弁するため、第2吸気通路12内は空気の流れが生じない。このため、吸気制御弁31が閉弁しているこの期間においては、気筒2内へ供給される空気は第1吸気通路11からに限られ、気筒2内に偏流が発生し、図5(a)に示すように、旋回流の発生が促進される。その後、第1吸気弁13が閉弁となるタイミングで吸気制御弁31が開弁して、気筒2内から第2吸気通路12への空気の吹き抜けが発生するため、図5(b)に示すように、旋回流の減衰が抑制され、気筒2内の気流の乱れが増加する。このため、第2吸気弁14が閉弁した後にも気流の乱れが残存し、混合気が拡散して安定した燃焼が実現される。なお、本実施例では、ガイド27を備えていなくとも同様の効果が得られる。
次に、本発明の実施例3について説明する。図6は、本実施例の吸気装置40における気筒2と第1吸気通路11と第2吸気通路12と排気通路6との概略構成を示した説明図である。本実施例の吸気装置40は、実施例1の吸気装置1とほぼ同様の構成をしている。ただし、本実施例の吸気装置40は、第2吸気通路12に燃料噴射用の第2インジェクタ41を備えた点で、実施例1の吸気装置10と異なる。なお、吸気装置40のその他の構成は実施例1の吸気装置10と同一であるため、吸気装置10と同一の構成要素については、その詳細な説明を省略するとともに、本実施例の説明中、同一の参照番号を用いて説明する。
図7は第1インジェクタ26及び第2インジェクタ41の噴射時期を示した説明図である。この図7は、上記実施例1で示した図2に第1インジェクタ26及び第2インジェクタ41の噴射時期を加えた説明図である。図7に示すとおり、第1インジェクタ26は、吸気非同期噴射を行い、第1吸気弁13の開弁以前に燃料の噴射を終える。一方、第2インジェクタ41は、吸気同期噴射を行い、第2吸気弁14の開弁時に燃料を噴射する。
このように第2インジェクタ41を設けたことにより、第1インジェクタ26のみの場合に第1インジェクタ26で噴射していた燃料の一部を第2インジェクタ41で噴射することができる。これにより、第1吸気弁13と排気弁7とのバルブオーバーラップ時において、排気側へ吹き抜ける混合気を減少できるため、燃費、エミッションが向上する。また、第2吸気通路12側において、第2インジェクタ41から噴射される燃料は、第2吸気通路12を吹き抜ける気流に対向するため、燃料の噴霧が微粒化される。このため、燃料の気化が促進して吸気温が低下し、体積効率が向上して出力が改善される。なお、本実施例では、ガイド27を備えていなくとも同様の効果が得られる。
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
例えば、上記実施例において、可変動弁機構17は第2吸気弁14のバルブタイミングの作用角を可変とする構成であっても良い。また、第2カムシャフト16に可変動弁機構を組み付け、第1吸気弁13のバルブタイミングを可変とする構成としても良い。これにより、さらに柔軟に気筒2内への吸入空気をコントロールすることが可能となり、燃焼効率を向上することができる。
1 エンジン
2 気筒
6 排気通路
7 排気弁
10、30、40 吸気装置
11 第1吸気通路
12 第2吸気通路
13 第1吸気弁
14 第2吸気弁
15 第1カムシャフト
16 第2カムシャフト
17 可変動弁機構
18 ドリブンスプロケット
19 タイミングチェーン
20 第2吸気カム
21 ロッカーアーム
22 第1吸気カム
23 ローラーロッカー
26 第1インジェクタ
27 ガイド
31 吸気制御弁
41 第2インジェクタ

Claims (9)

  1. 気筒内へ新気を供給する第1吸気通路と、
    前記第1吸気通路と並べて配置され、前記気筒内に新気を供給する第2吸気通路と、
    前記第1吸気通路の開口部において前記第1吸気通路を開閉する第1吸気弁と、
    前記第2吸気通路の開口部において前記第2吸気通路を開閉する第2吸気弁と、
    を備え、
    前記第1吸気弁の開弁時期が上死点よりも進角しているとともに、吸気行程において、前記第1吸気弁のバルブリフト量と前記第2吸気弁のバルブリフト量とが異なり、前記第1吸気弁のバルブリフト量が前記第2吸気弁のバルブリフト量よりも大きい期間を設け、前記第2吸気通路へ吸気を吹き抜けさせることを特徴とするエンジンの吸気装置。
  2. 吸気行程前半において、前記第1吸気弁のバルブリフト量が前記第2吸気弁のバルブリフト量よりも大きい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. 前記第1吸気弁が前記第2吸気弁より先に開弁することを特徴とした請求項1または2記載のエンジンの吸気装置。
  4. 前記第1吸気弁が前記第2吸気弁より先に閉弁することを特徴とした請求項1乃至3のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
  5. 前記第2通路内へ筒内の旋回流を導く導入手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
  6. 前記導入手段は、気筒の壁側から前記第2通路へと旋回流が吹き込むように形成されたガイドであることを特徴とする請求項5記載のエンジンの吸気装置。
  7. 前記第2吸気通路上に前記第2吸気通路を開閉する制御弁を備え、
    当該制御弁は、前記第1吸気弁が開弁し、前記第2吸気弁が開弁している期間において閉弁し、前記第1吸気弁が閉弁し、前記第2吸気弁が開弁している期間において開弁することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
  8. 前記第2吸気通路内に燃料を噴射する第2通路噴射弁を備え、当該第2通路噴射弁は、前記第2吸気弁の開弁時に燃料を噴射することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
  9. 前記第1吸気通路内に燃料を噴射する第1通路噴射弁と、
    前記第2吸気通路内に燃料を噴射する第2通路噴射弁とを備え、
    前記第1通路噴射弁は、前記第1吸気弁の開弁以前に燃料の噴射を終え、前記第2通路噴射弁は、前記第2吸気弁の開弁時に燃料を噴射することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項記載のエンジンの吸気装置。
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