JP5347486B2 - 内燃機関の可変吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、特に、実質的な吸気管長さを可変に制御し得る可変吸気装置に関する。

内燃機関の出力を向上させるために、吸気慣性効果を利用する技術が知られている。この吸気慣性効果は、低速回転時には吸気マニホールド長さが相対的に長い方が有効であり、逆に高速回転時には相対的に短い方が有効である。そこで、メインコレクタから各気筒の吸気ポートに繋がる各分岐管と連通するサブコレクタを設け、このサブコレクタと各分岐管との連通部にバルブを設けた構成において、エンジン回転数に応じてバルブを開閉制御することにより、幅広いエンジン回転数域で吸気慣性効果を得る構成が、特許文献１に開示されている。具体的には、低速回転時にはバルブを閉じて吸気管長さを相対的に長くし、高速回転時にはバルブを開いて、吸気弁開弁時に発生した圧力波をサブコレクタで反射させることで、実質的な吸気管長さを相対的に短くしている。
特開昭６０−１６４６１９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、上述したバルブが開いているときにはメインコレクタで反射した圧力波の成分と、サブコレクタで反射した圧力波の成分の両方が慣性効果に作用する。すなわち、吸気管長さが短く周期が短い成分に、吸気管長さが長く周期が長い成分が干渉する。このため、実際の吸気管長さを短くした場合、つまり周期が短い成分のみの場合に比べて、吸気慣性効果が弱いという問題がある。

そこで、本発明では上記のような圧力波成分の干渉を抑制し、特に高速回転時において、より強い吸気慣性効果が得られる吸気装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の可変吸気装置は、スロットルバルブと、スロットルバルブの下流側に設けたメインコレクタタンクと、メインコレクタタンクから内燃機関の各気筒の吸気ポートへ延びる複数の吸気管と、各吸気管と連通するサブコレクタタンクと、を備える。さらに、気筒列方向に平行な軸部材及びこの軸部材を回転軸として回転する弁体を備え前記各吸気管と前記サブコレクタタンクとの連通部を開閉する複数のバルブを備える。そして、軸部材は各吸気管のバルブに開閉される流路断面の吸気流上下方向の中心を結ぶ連通部中心線よりも吸気流上流側、かつ、流路断面の吸気流上流端よりも下流側に位置し、バルブは開弁状態で弁体の軸部材より吸気流下流側部分が吸気管内に位置し、弁体の軸部材より吸気流上流側部分がサブコレクタタンク内に位置するように回転する。

本発明によれば、可変バルブが開いた状態では吸気管の閉塞率が高くなるので、メインコレクタタンクで反射する圧力波の振幅が低減し、高速回転時の吸気慣性効果が高まる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図1は、本実施形態を適用するエンジンシステムの概略構成図である。１はエンジンであり、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、及びカムカバー４で構成される。

１０はメインコレクタタンク、９はメインコレクタタンク１０と後述するシリンダヘッド３に設けた各気筒の吸気ポート５とを連通する吸気管、１１はメインコレクタタンク１０と吸気ポート５の間で連通管１４を介して各吸気管９と連通するサブコレクタタンク、１２はメインコレクタタンク１０の入口部分で吸気量を調整するスロットルバルブである。なお、サブコレクタタンク１１内は一の空間となっている。また、図1において、一般的なエンジンに備えられる他の補機類については省略している。

図２は、図１のエンジンシステムが車両に搭載された状態を、機関前方から見た図である。なお、可変バルブ１３が開弁した状態を表している。また、説明のために一部を断面図としている。

５は吸気管９が接続される吸気ポート、７は吸気ポート５の燃焼室側開口部を開閉する吸気バルブ、６は排気ポート、８は排気ポート６の燃焼室側開口部を開閉する排気バルブ、１３はサブコレクタタンク１１と吸気管９との連通を開閉する可変バルブ、２０はエンジンフードである。

可変バルブ１３はシャフト１３ａと弁体１３ｂからなり、連通管１４内に設けられ、この可変バルブ１３が閉弁すると連通管１４は閉塞され、開弁すると吸気管９とサブコレクタタンク１１とが連通する。可変バルブ１３は、エンジン１が低速回転時には閉弁し、高速回転時には開弁する。

これにより、吸気管長は低速回転時には相対的に長くなり、高速回転時には相対的に短くなるので、低速回転時及び高速回転時のいずれにおいても、吸気慣性効果を利用することができる。また、開弁時には他気筒の吸気管９からもサブコレクタタンク１１に吸気が流入するので、高速回転時に必要な吸気量を確保することができる。可変バルブ１３の構造、配置場所及び開閉動作については後述する。

また、メインコレクタタンク１０はカムカバー４の排気側上方に位置し、吸気管９はカムカバー４の上方からエンジン１の車両前方側に回り込み、吸気ポート５に接続されている。サブコレクタタンク１１は、吸気管９とカムカバー４の間に配置されている。

次に、可変バルブ１３及びサブコレクタタンク１１について説明する。

シャフト１３ａは各連通管１４の流路断面中心を結ぶ連通部中心線（図２中では点Ｃ）よりも、吸気流上流側にオフセットした位置に配置されている。このため、弁体１３ｂは、シャフト１３ａよりも上流側部分の面積に対して下流側部分の面積の方が大きくなる。すなわち、可変バルブ１３開弁時の連通管１４の開口面積は、シャフト１３ａより上流側よりも下流側の方が大きくなる。なお、シャフト１３ａの位置及びオフセットさせることによる効果については後述する。

サブコレクタタンク１１は、開弁状態の弁体１３ｂを含む面（図２では弁体１３ｂの軸線及びこれを延長した境界線（図２中の破線Ａ））で分割したときに、境界線に対して上流側の容積よりも、下流側の容積の方が大きくなっている。

また、弁体１３ｂは、シャフト１３ａよりも下流側の端部付近が、開弁時に吸気流下流側となる方向に湾曲している。そして、連通管１４及び可変バルブ１３は、可変バルブ１３が開弁したときに形成されるサブコレクタタンク１１から吸気管９への流路が、吸気管９内の吸気流に対して鋭角に、つまり下流方向に傾いて合流するような構成となっている。

ここで、シャフト１３ａの位置及びオフセットさせることによる効果について説明する。

図３は、シャフト１３ａの位置と可変バルブ１３開弁時の通気抵抗の関係を示す図である。通気抵抗は、シャフト１３ａの位置が連通管１４の流路断面中央よりも吸気流下流側にいくほど大きくなる。これは、シャフト１３ａの位置が下流側にいくほど、連通管１４のシャフト１３ａよりも上流側の流路断面積が大きくなり、サブコレクタタンク１１内から可変バルブ１３を回り込むようにして長い経路で吸気管９に流入する空気量が増大するためである。

一方、シャフト１３ａの位置が吸気流上流側の場合は、所定の位置で変曲点をもち、中央から変曲点までは徐々に通気抵抗は小さくなる。これは、連通管１４のシャフト１３ａよりも下流側の流路断面積が大きくなり、この下流側の流路を通って短い経路でサブコレクタタンク１１内から吸気管９に流入する空気量が増大するためである。

そして、シャフト１３ａの位置が変曲点よりもさらに上流側になると、通気抵抗は増大する。これは、Ｂ点から可変バルブ１３までの距離が長くなることで、弁体１３ｂがサブコレクタタンク１１からの空気の流れを整流しきれなくなり、空気の流れをＢ点側へ押さえ付けられなくなることで、Ｂ点で空気流の剥離が発生し易くなるためである。

そこで、シャフト１３ａの位置は、通気抵抗が最小となる位置に設定する。なお、通気抵抗が最小となる位置、つまり図３の変曲点の位置は、吸気管９、サブコレクタタンク１１等の形状により異なる。そして、上述したように、弁体１３ｂの下流側端部付近を開弁時に吸気流下流側方向に湾曲させることで、Ｂ点での空気流れの剥離を抑制する。

また、シャフト１３ａを上流側にオフセットすることで、可変バルブ１３開弁時における連通管１４のシャフト１３ａより下流側の流路断面積が大きくなる。これにより、吸気バルブ７が開いたときに発生する負圧波の、サブコレクタタンク１１での反射が強くなる。つまり、高速回転時の吸気慣性効果を高めるのに有効な短周期の圧力波が強くなる。

さらに、シャフト１３ａを上流側にオフセットすると、可変バルブ１３開弁時に吸気管９内に突き出る弁体１３ｂの面積が大きくなり、吸気管９の流路の閉塞率が高くなるので、メインコレクタタンク１０で反射する上記負圧波の振幅が減衰する。つまり、高速回転時の吸気慣性効果を妨げる長周期の圧力波が弱くなる。

上記のように、シャフト１３ａを上流側にオフセットすることで、可変バルブ１３開弁時において、吸気慣性効果を高める短周期の圧力波が強まり、吸気慣性効果を妨げる長周期の圧力波が弱まるので、高速回転時における吸気慣性効果が強くなる。

また、シャフト１３ａの位置を通気抵抗が最小となる位置に設定するので、通気抵抗を抑制して出力性能を向上させることができる。

ところで、低速回転時の吸気慣性効果を得るためにはある程度の吸気管長さが必要となる。この条件と、エンジンフード２０による高さ制限等のエンジンルーム内のレイアウト制約を満足するには、メインコレクタタンク８１０をエンジン１の排気側上方に配置して、吸気管９がエンジン１の上方から回り込むようにして吸気ポート５に接続する必要がある。

一方、吸気ポート５に流入する吸気の流れを考慮すると、吸気管９と吸気ポート５との接続部は直線状になっていることが望ましい。このため、吸気管９は、図２に示すようにエンジン１の排気側上方のメインコレクタタンク１０から吸気側に向けて延び、吸気ポート５との接続部に向けて湾曲することとなる。また、湾曲部における抵抗を抑えるために吸気管９の曲率は制限されるので、吸気管９はエンジン１の形状に沿って湾曲することはできない。

したがって、吸気管９とカムカバー４の吸気側上方との間には、デッドスペースが生じる。図２においてサブコレクタタンク１１が配置されている部位は、このデッドスペースである。すなわち、上述したサブコレクタタンク１１は元々デッドスペースであった部分に配置するので、サブコレクタタンク１１を設けることで、レイアウト性に影響を与えることはない。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）シャフト１３ａは連通部中心線Ｃよりも吸気流上流側にずれており、可変バルブ１３は開弁状態で弁体１３ｂのシャフト１３ａより吸気流下流側部分が吸気管９内に位置するように、つまり図２中で反時計周り方向に回転する。このため、可変バルブ１３が開いた状態では吸気管の閉塞率が高くなるので、メインコレクタタンク１０で反射する圧力波の振幅が低減し、高速回転時の吸気慣性効果が高まる。

（２）サブコレクタタンク１１は、開弁状態の弁体１３ｂを含む面（図２では弁体１３ｂの軸線及びこれを延長した境界線（図２中の破線Ａ））で分割したときに、上流側の容積よりも下流側の容積の方が大きい。このため、吸気行程開始とともに発生した圧力波のサブコレクタタンク１１での反射が強くなり、慣性効果が強まるとともに、サブコレクタタンク１１から吸気管９への空気経路を短くして通気抵抗を抑えることができる。

（３）メインコレクタタンク１０はエンジン１の排気側上方に配置し、吸気管９はエンジン上方を通過して回り込むように吸気ポート５に接続し、サブコレクタタンク１１は吸気管９とエンジン１との間に形成される空間に配置する。すなわち、元々デッドスペースであったところにサブコレクタタンク１１を配置するので、レイアウト性を損ねることなく、上記のように吸気慣性効果を高めることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

エンジンシステムの概略構成図である。 図１のエンジンシステムが車両に搭載された状態を示す図である。 シャフト位置と可変バルブ開弁時の通気抵抗の関係を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ カムカバー
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ 吸気管
１０ メインコレクタタンク
１１ サブコレクタタンク
１２ スロットルバルブ
１３ 可変バルブ
１４ 連通管

Claims (3)

1. 内燃機関に流入する吸気量を調節するスロットルバルブと、
   前記スロットルバルブの下流側に設けたメインコレクタタンクと、
   前記メインコレクタタンクから前記内燃機関の各気筒の吸気ポートへ延びる複数の吸気管と、
   前記各吸気管と連通するサブコレクタタンクと、
   気筒列方向に平行な軸部材及びこの軸部材を回転軸として回転する弁体を備え前記各吸気管と前記サブコレクタタンクとの連通部を開閉する複数のバルブと、
   を有し、
   前記軸部材は前記各吸気管の前記バルブに開閉される流路断面の吸気流上下方向の中心を結ぶ連通部中心線よりも吸気流上流側、かつ、前記流路断面の吸気流上流端よりも下流側に位置し、
   前記バルブは開弁状態で前記弁体の前記軸部材より吸気流下流側部分が前記吸気管内に位置し、前記弁体の前記軸部材より吸気流上流側部分が前記サブコレクタタンク内に位置するように回転することを特徴とする内燃機関の可変吸気装置。
2. 前記サブコレクタタンクは、開弁状態の前記弁体を含む平面で上流側と下流側に分割したときに、上流側の容積よりも下流側の容積の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変吸気装置。
3. 前記メインコレクタタンクは内燃機関の排気側上方に配置し、前記吸気管は内燃機関上方を通過して回り込むように前記吸気ポートに接続し、前記サブコレクタタンクは前記吸気管と内燃機関との間に形成される空間に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変吸気装置。

Images