JP5361770B2

JP5361770B2 - エンジンの吸気装置

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Publication number: JP5361770B2
Application number: JP2010055351A
Authority: JP
Inventors: 祐一片倉
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP2011190701A

Description

本発明は、自動車用等の内燃レシプロエンジンの吸気装置に関し、特に水平対向、Ｖ型のように複数のシリンダヘッドを有するエンジンに適用され、簡素な構造で燃焼室内気流を制御可能なものに関する。

例えば自動車用の内燃レシプロエンジンにおいては、燃焼状態を改善して出力や燃料消費の改善を図るため、運転状態に応じて吸気ポートの一部を閉塞する等してタンブル、スワール等の気流を燃焼室内に発生させることが知られている。
タンブルとはクランク軸方向にほぼ沿った軸回りに回転する旋回流のことをいい、スワールとはシリンダ中心軸にほぼ沿った軸回りに回転する旋回流のことをいう。

例えば、特許文献１には、各気筒毎にプライマリポート及びセカンダリポートを有するＶ型６気筒エンジンの吸気装置において、セカンダリポートを閉塞してスワール流を形成させるコントロール弁を設けることが記載されている。

特開平６−１０８８５９号公報

しかし、特許文献１に記載の技術においては、Ｖ型エンジンのバンク毎に独立したコントロール弁及びこれを駆動するアクチュエータを設ける必要があることから、部品点数が増加して構造が複雑となり重量、コストも増加する。
本発明の課題は、複数のシリンダヘッドを有するエンジンにおいて簡単な構造により良好な燃焼室内気流を形成するエンジンの吸気装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、クランク軸回りの位相をずらして配置されかつ複数の気筒をそれぞれ有する第１のシリンダブロック及び第２のシリンダブロックに設けられた第１のシリンダヘッド及び第２のシリンダヘッドの吸気ポートに燃焼用空気を供給するエンジンの吸気装置であって、前記第１のシリンダヘッドの吸気ポートに接続され、隔壁によって隔てられた第１の流路及び第２の流路が形成された第１の吸気管と、前記第２のシリンダヘッドの吸気ポートに接続され、隔壁によって隔てられた第１の流路及び第２の流路が形成された第２の吸気管と、外部から導入された空気を前記第１の吸気管の前記第１の流路、及び、前記第２の吸気管の前記第１の流路に供給する第１のコレクタ室と、前記第１のコレクタ室と連通しかつ前記第１のコレクタ室から導入された空気を前記第１の吸気管の前記第２の流路、及び、前記第２の吸気管の前記第２の流路に供給する第２のコレクタ室と、前記第２のコレクタ室の内部を気筒ごとに区画する仕切部と、前記第１のコレクタ室と前記第２のコレクタ室との連通箇所を実質的に開閉するとともに、閉塞時に前記第２のコレクタ室を介しての各気筒の前記第２の流路間の連通を遮断する制御バルブとを備えることを特徴とするエンジンの吸気装置である。

請求項２の発明は、前記制御バルブは所定の回転軸回りに揺動するバタフライバルブであって、前記回転軸の端部に前記回転軸と同心に配置された出力軸を有するアクチュエータが設けられることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気装置である。
請求項３の発明は、前記制御バルブは前記第１のコレクタ室と前記第２のコレクタ室とを区画する隔壁に形成された開口を開閉するとともに、前記隔壁に対して直交又は傾斜することによって、前記第１の吸気管及び前記第２の吸気管の前記第２の流路に空気を供給し、前記隔壁に対してほぼ平行となることによって、前記第１の吸気管及び前記第２の吸気管の前記第２の流路への空気供給を遮断することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの吸気装置である。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）第１のコレクタ室と第２のコレクタ室との連通箇所を開閉する制御バルブを設けることによって、第１及び第２のシリンダヘッドに新気を供給する吸気管の第２の流路を一括して遮断することができる。
これによって、シリンダ毎にバルブやアクチュエータ等を独立して設ける必要がなく、部品点数の低減、構造の簡素化等を図ることができる。
さらに、制御バルブの閉塞時に第２のコレクタ室を介しての各気筒の第２の流路間の連通を遮断することによって、ある気筒の第２の流路が他の気筒の第２の流路から空気を吸入することがなく、タンブル等の燃焼室内の気流を強めて燃焼を促進することができる。
また、第１及び第２のコレクタ室の連通箇所を開閉することによって、コレクタ室の実質的な容積が変化するため、吸気の同調回転数を可変として広い回転数範囲にわたって体積効率を改善し、エンジンの出力を向上することができる。
（２）制御バルブは所定の回転軸回りに揺動するバタフライバルブであって、回転軸の端部に同心に配置された出力軸を有するアクチュエータが設けられることによって、簡単な構成により上記（１）項の効果を得ることができる。
（３）制御バルブは第１及び第２のコレクタ室を区画する隔壁に形成された開口を開閉するとともに、隔壁に対して直交又は傾斜して第１の吸気管及び第２の吸気管の第２の流路に空気を供給することによって、第２の流路に空気を供給する際の流路抵抗を少なくすることができる。また、隔壁に対してほぼ平行となり第２の流路への空気供給を遮断することによって、第１の流路のみを用いる場合に第１のコレクタ室内の空気流を妨げることがない。

本発明を適用した吸気装置の実施例を備えたエンジンの構成を示す模式図である。実施例の吸気装置の模式的外観斜視図である。実施例の吸気装置の模式的透視斜視図である。図２のIV−IV部矢視断面図である。図２のＶ−Ｖ部矢視断面図である。

本発明は、複数のシリンダヘッドを有するエンジンにおいて簡単な構造により良好な燃焼室内気流を形成するエンジンの吸気装置を提供する課題を、コレクタ内を隔壁で２室に分割して各吸気管の第１流路、第２流路への空気供給をそれぞれ行わせるとともに、第２室の内部を気筒ごとに隔離し、隔壁の連通開口を開閉するバタフライバルブを設けることによって解決した。

以下、本発明を適用したエンジンの吸気装置の実施例について説明する。
エンジン１は、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられる水平対向４気筒のガソリンエンジンである。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロックＲＨ１０、シリンダブロックＬＨ２０、シリンダヘッドＲＨ３０、シリンダヘッドＬＨ４０等からなる本体部を有する。
シリンダブロックＲＨ１０、シリンダブロックＬＨ２０は、クランクシャフトを挟んで二分割構成されたエンジン１のクランクケースを構成する。
シリンダブロックＲＨ１０には、１番シリンダ（気筒）及び３番シリンダが設けられている。
シリンダブロックＬＨ２０には、２番シリンダ及び４番シリンダが設けられている。
各シリンダ内には、クランクシャフトとコンロッドで連結されたピストンが挿入されている。

シリンダヘッドＲＨ３０及びシリンダヘッドＬＨ４０は、シリンダブロックＲＨ１０及びシリンダブロックＬＨ２０の端部にそれぞれ設けられている。
シリンダヘッドＲＨ３０及びシリンダヘッドＬＨ４０は、燃焼室３１，４１、吸気ポート３２，４２、排気ポート３３，４３、動弁系３４，４４等を備えて構成されている。

燃焼室３１，４１は、各シリンダ内のピストン冠面と対向して配置された凹部であって、内部で燃焼が行われる部分である。
吸気ポート３２，４２は、燃焼室３１，４１に燃焼用空気（新気）を導入する流路である。吸気ポート３２，４２は、エンジン１の上面部に開口している。
排気ポート３３，４３は、燃焼室３１，４１から出た燃焼済ガス（排気ガス）を排出する流路である。排気ポート３３，４３は、エンジン１の下面部に開口している。
排気ポート３３，４３を出た排気は、図示しないエキゾーストマニホールドで集合した後、ターボチャージャ５０のタービン５２に導入され、その後図示しない排ガス処理装置及びサイレンサを通過した後車外に排出される。
動弁系３４，４４は、各ポートを開閉するバルブ及びこれを所定のバルブタイミングで駆動するバルブ駆動系等を備えている。

また、エンジン１は、ターボチャージャ５０、インタークーラ６０、インテークダクト７０、スロットル８０、インテークマニホールド１００等からなるインテークシステムを備えている。

ターボチャージャ５０は、排気ガスのエネルギを用いて空気を圧縮する過給器である。
ターボチャージャ５０は、空気を圧縮するコンプレッサ５１及び排気ガスによって駆動されコンプレッサ５１を駆動するタービン５２を備えている。

インタークーラ６０は、ターボチャージャ５０のコンプレッサ５１から出た空気を、走行風との熱交換によって冷却する熱交換器である。
インテークダクト７０は、インタークーラ６０から出た冷却済の空気をスロットルボディ８０に導入する管路である。
スロットル８０は、筒状に形成された空気流路の内部に、エンジン１の吸入空気量を調節して出力調整を行うバタフライバルブであるスロットルバルブ８１を備えている。スロットルバルブ８１は、図２に示す電動アクチュエータ８２によって駆動されるいわゆる電動スロットルとなっている。

インテークマニホールド１００は、スロットルボディ８０から出た空気をシリンダヘッドＲＨ３０及びシリンダヘッドＬＨ４０の吸気ポート３２，４２に分配する吸気管路である。
図２から図５に示すように、インテークマニホールド１００は、１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０、コレクタ１５０、タンブル生成バルブ（ＴＧＶ）１６０等を備えて構成されている。

１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０は、コレクタ１５０内の空気を、それぞれ１番から４番シリンダの吸気ポート３２，４２に導入するものである。
ここで、１番吸気管１１０及び３番吸気管１３０は、本発明にいう第１の吸気管であって、コレクタ１５０からシリンダヘッドＲＨ３０側に伸びている。また、２番吸気管１２０及び４番吸気管１４０は、本発明にいう第２の吸気管であって、コレクタ１５０からシリンダヘッドＬＨ４０側に伸びている。
１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０は、コレクタ１５０の側面からほぼ水平に突きだすとともに、上方が凸となるように湾曲し、対応するシリンダの吸気ポート３２，４２に接続される。

１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０の内部は、それぞれ隔壁１１１，１２１，１３１，１４１によって、第１流路１１２，１２２，１３２，１４２と、第２流路１１３，１２３，１３３，１４３とに区画されている。
第１流路１１２，１２２，１３２，１４２は、隔壁１１１，１２１，１３１，１４１の上方（湾曲部の外側）に形成されている。
第２流路１１３，１２３，１３３，１４３は、隔壁１１１，１２１，１３１，１４１の下方（湾曲部の内側）に形成されている。

隔壁１１１，１２１，１３１，１４１は、１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０のほぼ全長にわたって形成されている。
図４に示すように、隔壁１１１，１２１，１３１，１４１をクランク軸と直交する平面で切って見た断面形状は、１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０の湾曲に沿って湾曲している。
また、隔壁１１１，１２１，１３１，１４１を１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０の長手方向と直交する平面で切って見た断面形状は、クランク軸方向とほぼ平行な直線状となっている。

１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０において、第２流路１１３，１２３，１３３，１４３からの空気供給を停止すると、流速が速められた空気が第１流路１１２，１２２，１３２，１４２からのみ各燃焼室３１，４１に供給され、燃焼室内におけるクランク軸と平行な軸回りにおける旋回流（タンブル流）が強められるようになっている。

コレクタ１５０は、スロットル８０から出た空気が導入され、この空気を１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０に供給する容器状の部分である。
コレクタ１５０は、ほぼ直方体状のボックスとして形成され、高さ方向における中間部に設けられた隔壁１５１によって、その上方の第１室１５２及び下方の第２室１５３に区画されている。スロットル８０からの空気は、まず第１室１５２に導入される。

１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０の第１流路１１２，１２２，１３２，１４２は、第１室１５２と連通し、第１室１５２から空気が供給される。
１番吸気管１１０、２番吸気管１２０、３番吸気管１３０、４番吸気管１４０の第２流路１１３，１２３，１３３，１４３は、第２室１５３と連通し、第２室１５３から空気が供給される。

隔壁１５１は、エンジン１の上面とほぼ平行な平板状に形成され、その中央部には矩形の開口１５４が形成されている。開口１５４は、第１室１５２から第２室１５３へ空気を導入する連通箇所である。

第２室１５３の内部には、仕切板１５５，１５６が設けられている。仕切板１５５，１５６は、隔壁１５１と、これに対向する第２室１５３の内面（底面）との間にわたして設けられた平板状の部材である。
仕切板１５５は、エンジン１のクランク軸方向に沿って伸び、第２室１５３の内部をシリンダヘッドＲＨ３０側とシリンダヘッドＬＨ４０側とに区画するものである。
仕切板１５６は、エンジン１の横方向（縦置き搭載の場合の車幅方向）に沿って伸び、第２室１５３の内部をシリンダ毎に区画するものである。
仕切板１５５と仕切板１５６とは、上方から見た際に、ほぼ直交して配置され、その交差箇所は開口１５４の中央部に配置されている。
これらの仕切板１５５，１５６によって、第２室の内部は、１番から４番のシリンダ毎に仕切られている。

ＴＧＶ１６０は、エンジン１の回転数等の運転状態に応じて、コレクタ１５０の隔壁１５１の開口１５４を実質的に開閉するものである。ここで、実質的に開閉とは、閉状態において微小な隙間が形成されるものも含むものとする。
ＴＧＶ１６０は、回転軸（ステム）１６１、弁体１６２，１６３を有するバタフライバルブである。

回転軸１６１は、隔壁１５１に沿わせて開口１５４の中央部近傍を通過するように配置されている。回転軸１６１の一方の端部には、回転軸１６１と同心とされた出力軸を有する図示しない電動アクチュエータが配置されている。電動アクチュエータは、図示しないエンジン制御装置からの指令に応じて、回転軸１６１を回転駆動し、ＴＧＶ１６０の状態を切替える。
弁体１６２，１６３は、矩形状に形成された平板であって、その中央部が回転軸１６１に固定されている。弁体１６２，１６３は、回転軸１６１の回転に応じて回転軸１６１回りに揺動する。
弁体１６２は、開口１５４の仕切板１５５よりも１番、２番シリンダ側の領域を開閉するものである。
弁体１６３は、開口１５４の仕切板１５５よりも３番、４番シリンダ側の領域を開閉するものである。

弁体１６２（弁体１６３も同様）は、図４に実線で示すように、開状態においては、隔壁１５１に対してほぼ垂直となるように立った状態となっている。また、弁体１６２は、図４に点線で示すように、閉状態においては、隔壁１５１とほぼ同一平面上に並んで開口１５４を実質的に閉塞する。
弁体１６２，１６３の閉状態においては、第２室１５３の内部において、ある吸気管の第２流路から他の吸気管の第２流路へ空気が流れないよう、第２室１５３の内部はシリンダ毎（吸気管毎）に区画され、相互に遮断された状態となっている。

以上説明した実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）コレクタ１５０の第１室１５２と第２室１５３とを連通させる開口１５４を開閉するＴＧＶ１６０を設けることによって、左右のシリンダヘッド３０，４０に空気を供給する各吸気管１１０，１２０，１３０，１４０の第２流路１１３，１２３，１３３，１４３を一括して遮断することができる。
これによって、シリンダ毎にバルブやアクチュエータ等を独立して設ける必要がなく、部品点数の低減、構造の簡素化等を図ることができる。
さらに、ＴＧＶ１６０の閉塞時にコレクタ１５０の第２室１５３を介しての各気筒の第２流路１１３，１２３，１３３，１４３間の連通を遮断することによって、ある気筒の第２流路が他の気筒の第２流路から空気を吸入することがなく、燃焼室内に強いタンブル流を形成して燃焼を促進し、出力向上等を図ることができる。
また、コレクタ１５０の第１室１５２と第２室１５３とを連通させる開口１５４を開閉することによって、コレクタ１５０の実質的な容積が変化するため、吸気の同調回転数を可変として広い回転数範囲にわたって体積効率を改善し、エンジンの出力をより向上することができる。
（２）ＴＧＶ１６０を回転軸１６１回りに揺動するバタフライバルブとし、回転軸１６１の端部に同心に配置されたアクチュエータを設けることによって、簡単な構成により上記の効果を得ることができる。
（３）ＴＧＶ１６０はコレクタ１５０の第１室１５２及び第２室１５３を区画する隔壁１５１に形成された開口１５４を開閉するとともに、隔壁１５１に対してほぼ直交して各吸気管の第２流路に空気を供給することによって、第２流路に空気を供給する際の流路抵抗を少なくすることができる。また、隔壁１５１に対してほぼ平行となり第２流路への空気供給を遮断することによって、第１流路のみを用いる場合に第１室１５２内の空気流を妨げることがない。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、エンジンの形式、気筒数や、吸気装置を構成する各要素の形状、構造、配置等は上述した実施例のものに限定されず、適宜変更することができる。
例えば、実施例においてはエンジンは水平対向４気筒であったが、本発明は例えば６気筒以上の水平対向エンジンや、Ｖ型エンジンであっても適用することができる。ここで、６気筒以上の場合には、各バンクの気筒数増加に応じて、実施例の仕切板１５６及び弁体１６２，１６３に相当する部材を増加させればよいが、この場合であっても単一のアクチュエータによる駆動が可能である。
また、エンジンはガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンやその他の燃料を用いるものであってもよい。
さらに、実施例では吸気管の流路を切替えて主にタンブル流を制御しているが、本発明はこれに限らずスワール流やその他の空気流れを制御するものにも適用可能である。

１エンジン
１０シリンダブロックＲＨ２０シリンダブロックＬＨ
３０シリンダヘッドＲＨ３１燃焼室
３２吸気ポート３３排気ポート
３４動弁系
４０シリンダヘッドＬＨ４１燃焼室
４２吸気ポート４３排気ポート
４４動弁系
５０ターボチャージャ５１コンプレッサ
５２タービン６０インタークーラ
７０インテークダクト８０スロットル
８１スロットルバルブ８２電動アクチュエータ
１００インテークマニホールド
１１０１番吸気管１１１隔壁
１１２第１流路１１３第２流路
１２０２番吸気管１２１隔壁
１２２第１流路１２３第２流路
１３０３番吸気管１３１隔壁
１３２第１流路１３３第２流路
１４０４番吸気管１４１隔壁
１４２第１流路１４３第２流路
１５０コレクタ１５１隔壁
１５２第１室１５３第２室
１５４開口１５５，１５６仕切板
１６０タンブル生成バルブ（ＴＧＶ）
１６１回転軸１６２，１６３弁体

Claims

クランク軸回りの位相をずらして配置されかつ複数の気筒をそれぞれ有する第１のシリンダブロック及び第２のシリンダブロックに設けられた第１のシリンダヘッド及び第２のシリンダヘッドの吸気ポートに燃焼用空気を供給するエンジンの吸気装置であって、
前記第１のシリンダヘッドの吸気ポートに接続され、隔壁によって隔てられた第１の流路及び第２の流路が形成された第１の吸気管と、
前記第２のシリンダヘッドの吸気ポートに接続され、隔壁によって隔てられた第１の流路及び第２の流路が形成された第２の吸気管と、
外部から導入された空気を前記第１の吸気管の前記第１の流路、及び、前記第２の吸気管の前記第１の流路に供給する第１のコレクタ室と、
前記第１のコレクタ室と連通しかつ前記第１のコレクタ室から導入された空気を前記第１の吸気管の前記第２の流路、及び、前記第２の吸気管の前記第２の流路に供給する第２のコレクタ室と、
前記第２のコレクタ室の内部を気筒ごとに区画する仕切部と、
前記第１のコレクタ室と前記第２のコレクタ室との連通箇所を実質的に開閉するとともに、閉塞時に前記第２のコレクタ室を介しての各気筒の前記第２の流路間の連通を遮断する制御バルブと
を備えることを特徴とするエンジンの吸気装置。
前記制御バルブは所定の回転軸回りに揺動するバタフライバルブであって、
前記回転軸の端部に前記回転軸と同心に配置された出力軸を有するアクチュエータが設けられること
を特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸気装置。
前記制御バルブは前記第１のコレクタ室と前記第２のコレクタ室とを区画する隔壁に形成された開口を開閉するとともに、前記隔壁に対して直交又は傾斜することによって、前記第１の吸気管及び前記第２の吸気管の前記第２の流路に空気を供給し、前記隔壁に対してほぼ平行となることによって、前記第１の吸気管及び前記第２の吸気管の前記第２の流路への空気供給を遮断すること
を特徴とする請求項２に記載のエンジンの吸気装置。