JPH0686811B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

エンジンの吸気装置

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JPH0686811B2
JPH0686811B2 JP59039258A JP3925884A JPH0686811B2 JP H0686811 B2 JPH0686811 B2 JP H0686811B2 JP 59039258 A JP59039258 A JP 59039258A JP 3925884 A JP3925884 A JP 3925884A JP H0686811 B2 JPH0686811 B2 JP H0686811B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンジンの吸気装置に関し、とくに吸気慣性効
果を利用して出力の向上を図る装置に関するものであ
る。
（従来技術） 従来からエンジンの吸気装置においては、吸気通路内に
生じる圧力波のうちで、吸気通路開放端で反射されてシ
リンダ側に返ってくる正圧波を利用し、いわゆる吸気慣
性効果により吸入効率を高めて出力の向上を図るという
手法は知られている。この場合、上記正圧波がシリンダ
側に返ってくるタイミングは吸気慣性効果を高めるため
の重要なファクターとなるが、このタイミングは吸気通
路の長さおよび断面積と関係し、かつ特にエンジン回転
数の変化に伴って変動する。このため一般には、出力上
の要求に応じた特定運転領域で吸気慣性効果を高めるよ
うに吸気通路が設定されているが、吸気通路の長さおよ
び断面積が固定されている限り、上記特定運転領域以外
では出力トルクが低下してしまう。
このため、例えば特開昭58−119919号公報に示すよう
に、吸気ポートに連通する２つの吸気通路のうちの１つ
に開閉弁を設けてこの開閉弁を開閉作動する等により、
吸気通路の実質的な断面積をエンジンの運転状態（エン
ジン回転数、エンジン負荷または吸入空気量）に応じて
切替式に変化させるようにした装置、あるいは実開昭57
−10427号公報に示すように、吸気通路の途中に互いに
長さが異なる分岐通路部を設けて、これらの連通を弁装
置で切替える等により、吸気通路の実質的な長さを運転
状態（エンジン回転数）に応じて切替式に変化させるよ
うにした装置が開発されている。これらの装置による
と、例えば所定回転数以下の低回転領域では吸気通路断
面積を小さくしまたは吸気通路長を長くすることによ
り、この低回転領域内に吸気慣性効果が極大となる回転
数域を存在させるとともに、所定回転数以上の高回転領
域では吸気通路断面積を大きくしまたは吸気通路長を短
くすることにより、この高回転領域内にも吸気慣性効果
が極大となる回転数域を存在させることができる。従っ
て広いエンジン運転領域にわたって吸気慣性効果を高め
ることができる。
ところで、これらの従来装置では、吸気弁の開閉タイミ
ングを一定とした状態で吸気通路の長さまたは断面積を
運転状態に応じて変化させるようにしているが、低回転
側と高回転側とで切替式に吸気通路の長さまたは断面積
を変えるだけでは、吸気慣性効果で充填効率を高めるこ
とのできる回転数域の範囲の広さに限界がある。また、
吸気慣性効果は吸気弁の閉弁タイミングにも影響され、
つまり上記閉弁タイミングが変わると吸気慣性同調回転
数も変化する。この点に着目すると、広範囲にわたる充
填効率の向上のためには改善の余地がある。
（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑み、低回転側と高回転側と
で吸気通路形状を変更することに加え、吸気通路の閉弁
タイミングとの関係も適正に調整することにより、広い
回転数域にわたり、吸気慣性効果を有効に利用して、エ
ンジン出力を大幅に向上することのできる吸気装置を提
供するものである。
（発明の構成） 本発明は、吸気通路形状を、設定回転数を境にこれより
高回転側の運転領域と低回転側の運転領域とで切替式に
変化させることにより、それぞれの運転領域内で吸気慣
性効果が高められるように調整する吸気慣性調整手段を
備えたエンジンの吸気装置において、吸気弁の少なくと
も閉弁タイミングを変更可能にするタイミング可変手段
と、上記設定回転数よりも高回転側の運転領域および低
回転側の運転領域でそれぞれ、回転数上昇に応じて上記
閉弁タイミングを遅くするように、上記タイミング可変
状態を制御する制御装置とを設けたものである。
この構成によると、低回転側の運転領域と高回転側の運
転領域とで吸気通路の断面積等の吸気通路形状が変更さ
れることにより、それぞれの領域で吸気慣性効果が得ら
れ、さらにそれぞれの領域で上記閉弁タイミングが調整
されることにより、一層適切に吸気慣性効果が調整され
て、広範囲にわたる領域で充填効率が高められる。
（実施例） 第１図および第２図は本発明の第１実施例を示す。これ
らの図において、１は複数のシリンダ２を備えたエンジ
ン本体であって、シリンダブロック３、シリンダヘッド
４およびシリンダヘッドカバー５等で構成されており、
各シリンダ２にはピストン６が挿入され、ピストン６の
上方に燃焼室７が形成されている。この各燃焼室７には
それぞれ、点火プラグ８が装備されるとともに、シリン
ダヘッド４に形成された２個ずつの吸気ポート9,10と排
気ポート11,12とが開口しており、これらのポート９〜1
2が第１および第２の吸気弁13,14と第１および第２の排
気弁15,16とによって開閉されるようになっている。上
記両吸気ポート9,10は、シリンダヘッド４の側端部付近
において互いに連通し、この連通部17に燃料噴射弁18が
装備されている。
上記エンジン本体１に対する吸気系には、吸気通路の断
面積をエンジン回転数に応じて切替式にて２段階に変化
させるようにした次のような吸気通路調整手段20が設け
られている。すなわち吸気系には、図外のエアクリーナ
からスロットル弁21を介して空気を導入するようにした
サージタンク22と、このサージタンク22から各シリンダ
別に分岐して前記両吸気ポート9,10の連通部17に接続さ
れた分岐管23とが具備され、この分岐管23には仕切壁24
によって第１吸気通路25と第２吸気通路26とが区画形成
されている。上記第２吸気通路26には開閉弁27が設けら
れ、この開閉弁27は軸27a、レバー27bおよびロッド27c
を介してアクチュエータ28に連結されている。このアク
チュエータ28には、エンジン回転数センサ31の検出信号
を受ける制御回路30から制御信号が出力されている。こ
うして、上記開閉弁が閉じられたときには、第１吸気通
路25のみから前記両吸気ポート9,10に吸気が供給される
ことにより実質的な吸気通路断面積が小さくなり、また
上記開閉弁27が開かれたときには、前記両吸気通路25,2
6から吸気が供給されることにより実質的な吸気通路断
面積が大きくなるようにしている。
この吸気通路調整手段20においては、設定回転数を境に
エンジン回転数の変化に応じて吸気通路形状が切替式に
変更され、当実施例では上記開閉弁27の開閉によって吸
気通路断面積が変更されるようになっている。つまり、
エンジン回転数が設定回転数未満のとき上記開閉弁27が
閉じられ、設定回転数以上のとき開閉弁27が開かれるよ
うに、制御回路30によって開閉弁27の作動が制御されて
いる。そして、この切替作動によって後に詳述するよう
に相異なる２つの特定エンジン回転数で吸気流速が吸入
効率にとって最適となり、かつ吸気慣性効果が与えられ
るように、上記の２段階の吸気通路断面積と吸気通路長
とが予め設定されている。
また、前記吸，排気弁13〜16に対する動弁機構として、
シリンダヘッド４上にはクランク軸（図示せず）によっ
て回転駆動される吸気弁用と排気弁の各カム軸34,36が
配置され、各カム軸34,36にはカム35,37が配設されてい
る。そして、排気弁15,16はカム37によりタペット38を
介して一定のタイミングで開閉され、同様に第１吸気弁
13も一定のタイミングで開閉されるが、第２吸気弁14
は、次のようなタイミング可変手段40によって作動のタ
イミングが変更可能とされている。すなわち第２吸気弁
14に対しては、カム軸34を中心に回転可能な回動部材41
が装備され、この回動部材41の下部にタペット部材42が
保持されている。このタペット部材42は、カム軸34に設
けられたカム35と接触する上面42aがフラットに、下面4
2bがカム軸を中心とする円弧面もしくは球面状にそれぞ
れ形成されており、この下面42bに第２吸気弁14のバル
ブステム14aの上端が当接している。また上記回動部材4
1の上端突出部43にはカム軸34と平行な制御ロッド44が
貫通し、この制御ロッド44に制御レバー45が係合してい
る。この制御レバー45は、制御ロッド44の軸方向と直交
する方向に摺動可能とされ、シリンダヘッドカバー５の
側壁に取付けられたアクチュエータ46によって作動され
るようにしてあり、このアクチュエータ46には制御手段
としての前記制御回路30から制御信号が出力されてい
る。
このような手段によれば、上記アクチュエータ46により
制御レバー45および制御ロッド44を介して回動部材41が
回動されると、それに伴って上記タペット部材42とカム
35との相対位相が変更されて、第２吸気弁14の開閉タイ
ミングが変更される。つまり、回動部材41がカム軸34の
回転方向Ｘと同方向に回動されたときには上記開閉タイ
ミングが遅らされ、これと逆の方向に回動されたときに
は上記開閉タイミングが早められる。
このタイミング可変手段40による場合、第３図に示すよ
うに、排気弁15,16および第１吸気弁13がそれぞれ所定
のタイミングで開閉されるのに対し、第２吸気弁14は第
１吸気弁13と同一タイミングからこれより遅れる方向へ
開閉タイミングが変更可能とされることにより、第１吸
気弁13による吸気弁開弁タイミングが一定に保たれなが
ら、第２吸気弁14によって決まる吸気弁閉弁タイミング
が調整されることとなる。
そして前記制御回路30により、第２吸気通路26の開閉弁
27が閉じられる低回転側運転領域と上記開閉弁27が開か
れる高回転側運転領域とにおいてそれぞれ、回転数上昇
に応じて吸気弁閉弁タイミングが遅らされるように、タ
イミング可変手段40が制御される。とくに当実施例で
は、後述するように、吸入効率にとって最適な吸気流速
が得られる各特定エンジン回転数で吸気慣性効果が最大
に利用されるように閉弁タイミングが制御されている。
次にこの吸気装置の作用を、第４図乃至第７図を利用し
て説明する。
第４図は、横軸をクランク角として、後に詳述するよう
な吸気慣性同調状態におけるシリンダ内圧力の変動特性
と、吸気作用により発生する負圧波、該負圧波に伴う反
射波の各変動特性、および上記負圧波と反射波の合成圧
力、すなわち吸気通路における吸気弁直前の圧力の変動
特性を示す。上記シリンダ内圧力はこの図に曲線Ａで示
すように、吸気弁開弁時点IO後のTDC時点から次第に低
下し、ピストン加工途中で負圧がピークとなってから次
第に圧力上昇して、BDC時点を過ぎてから正圧となる。
一方、吸気行程でのピストンの下降運動により吸気弁直
前にはこの図に曲線Ｂで示す負圧波が生じ、この負圧波
が吸気通路内を伝播し、吸気通路の上流側開放端（サー
ジタンク22への開放端）で正負が反転して反射されるこ
とにより、この第１反射波は曲線Ｃで示すように正圧波
となってシリンダ側に返ってくる。また第２反射波は曲
線Ｄで示すように負圧波となって返ってくる。これらの
曲線B,C,Dで示す圧力波を合成したものが、吸気弁直前
の圧力（曲線Ｅ）となる。そして吸気通路自体による吸
気慣性同調状態とは、この図のように、吸気弁直前での
第１反射波の波形が、TDCとBDCとの中間点付近から現わ
れ始めてBDCを過ぎた特定時点でピークとなり、この第
１反射波によって吸気通路自体による吸気慣性効果が高
められる状態をいう。つまり吸気弁直前圧力がどBDC後
の適正時期に最大限に高められて、吸気慣性効果にとっ
て最適な特性となる状態をいい、この状態では燃焼室容
積が大きいBDCおよびそれ以後の時期まで、曲線Ｅで示
す吸気弁直前圧力がシリンダ内圧力より充分大きくなっ
てシリンダ内に吸気を多く流入させることができ、吸気
慣性効果を高めることができる。第１反射波が返ってく
るタイミングが上記同調状態より遅れると、吸気弁直前
の圧力上昇が遅れてBDC付近でのシリンダ内圧力との圧
力差が小さくなるため吸入効率が低下する傾向を生じ、
また上記タイミングが同調状態より早くなると、第２反
射波による影響で吸気弁直前圧力のピーク値が低下する
ためやはり吸入効率が低下する傾向を生じる。また、IC
は吸気弁の最適閉弁時期を示しており、この時期はBDC
以後であって、吸気弁直前圧力とシリンダ内圧力とがほ
ぼ一致する時期であり、このように閉弁時期を設定すれ
ば吸気慣性効果が最も有効に発揮されて吸入効率が高め
られる。
このような吸気慣性効果は、吸気通路の断面積および長
さと関係するとともに、特にエンジン回転数に応じて変
化し、この吸気慣性効果は出力トルクに影響を与える。
吸気弁の閉弁タイミングが固定されているとした場合
に、前記開閉弁27を閉じて吸気通路断面積を小さくした
場合と、開閉弁27を開いて吸気通路断面積を大きくした
場合とにおけるエンジン回転数と出力トルクとの関係は
第５図に曲線Ｇとでそれぞれ示したようになる。つまり
吸気通路断面積を小さくした場合には、比較的低いエン
ジン回転数領域で吸気慣性が同調して出力が高められる
が、高回転側で出力が著しく低下する。一方、吸気通路
断面積を大きくした場合には、比較的高いエンジン回転
数領域で吸気慣性が同調して出力が高められるが、低回
転側で出力トルクが著しく低下する。そこで前記吸気通
路調整手段20により、上記両曲線F,Gの交叉点に相当す
る設定回転数R3で前記開閉弁27を作動させて吸気通路断
面積を変化させれば、この図に曲線Ｈで示すように、広
い回転数領域にわたって出力が高められる。
第６図は吸気慣性同調状態での吸気流速とエンジンの体
積効率（吸入効率）との関係を示し、この図では低回転
時の上記関係を曲線Ｉで、中回転時の上記関係を曲線Ｊ
で、高回転時の上記関係を曲線Ｋでそれぞれ表わしてい
る。これらの曲線I,J,Kで示すように体積効率は吸気流
速に影響され、特定の吸気流速（最適吸気流速）ｖで体
積効率が最大となる。つまり、吸気流速が大きくなるほ
ど前記第１反射波の振幅が大きくなり、これによっても
吸気慣性は高められるため、ある程度までは吸気流速が
大きくなるにつれて体積効率が大きくなるが、ある程度
以上吸気流速が大きくなると吸気抵抗の増大による影響
が強くなって体積効率が低下する。そしてエンジン回転
数が変化しても、体積効率が最大となる最適吸気流速ｖ
はほぼ一定である。一方、低回転時に最適吸気流速ｖが
得られるように吸気通路断面積を設定した場合と、高回
転時に最適吸気流速ｖが得られるようにした場合とにつ
き、エンジン回転数の変動に伴う吸気流速および体積効
率の変化はそれぞれ曲線L,Mで示すようになる。つま
り、エンジン回転数が高くなると吸気流速が大きくな
り、また吸気通路断面積が大きくなると吸気流速が小さ
くなる。従って、吸気通路断面積が一定であると一つの
特定回転数域以外では吸気流速が最適値からずれるが、
設定回転数未満では吸気通路断面積を小さくし、設定回
転数以上で吸気通路断面積を大きくすれば異なる二つの
エンジン回転数域で最適吸気流速ｖが得られる。
このように、吸気通路断面積を変えることにより吸気慣
性効果および吸気流速を調整することができる。この場
合、吸気慣性効果は吸気通路長にも関係するので、例え
ば前記開閉弁27を閉じて吸気通路断面積を小さくしたと
きに最適吸気流速ｖが得られる低回転側の特定回転数域
で吸気慣性も同調するように、予め吸気通路長を適正に
設定しておくとともに、吸気弁の閉弁タイミングをこの
特定回転数域での最適タイミングにしておくことによ
り、この特定回転数域で吸入効率が最大限に高められ
る。ただし吸気弁の閉弁タイミングを一定としてこのよ
うに設定しておくと、前記開閉弁27を開いて吸気通路断
面積を大きくしたときに最適吸気流速ｖが得られる高回
転側の特定回転数域では、低回転側の特定回転数域と比
べてシリンダ内圧力の変動時特性等がずれるため、吸気
弁の閉弁タイミングが最適値からずれ、吸気慣性効果が
最大限に利用されなくなる。そこで制御回路30において
は、第７図に示すように、低回転側の最適吸気流速が得
られる特定回転数（この図に符号R1で示す）における閉
弁タイミングIC1と、高回転側の最適吸気流速が得られ
る特定回転数（この図に符号R2で示す）における閉弁タ
イミングIC2とを異ならせ、この各特定回転数R1,R2でそ
れぞれ閉弁タイミングを最適にして吸気慣性効果を最大
限に高め、出力を向上するようにしている。
さらに、上記設定回転数R9より低回転側の領域および設
定回転数R9より高回転側の領域においてそれぞれ、吸気
弁閉弁タイミングを調整し、つまり上記設定回転数R9付
近まではエンジン回転数の上昇につれて閉弁タイミング
を遅らせ、上記設定回転数R9付近で吸気通路断面積の切
替に対応させて閉弁タイミングを所定値だけ進めてか
ら、これより高回転側では再びエンジン回転数の上昇に
つれて閉弁タイミングを遅らせている。このようにし
て、上記特定回転数R1,R2以外でも、吸気同調回転数に
影響を及ぼす吸気弁閉弁タイミングの調整によりできる
だけ吸気慣性効果をもたせるようにし、広範囲にわたっ
て充填効率を高めている。
なお、吸入効率の向上が要求されるのは主に高負荷運転
域であるため、エンジン負荷が所定値以上のときにのみ
上記のようなエンジン回転数に応じた吸気通路断面積お
よび吸気弁閉弁タイミングの調整を行うようにしてもよ
い。この場合、前記制御回路30には、エンジン回転数セ
ンサ31からの検出信号に加えて、第１図および第２図に
二点鎖線で示す負荷センサ32からの検出信号を入力させ
ておけばよい。
また、上記実施例において吸気通路調整手段20は、吸気
通路長を一定として吸気通路断面積のみを２段階に変化
させるようにしているが、エンジンによって必要とあれ
ば、異なる長さの経路を切替弁で選択的に開通させるよ
うな構造等によって吸気通路長も変更可能とし、吸気通
路断面積の切替えに応じて吸気通路長を変化させるよう
にしてもよい。また吸気通路断面積（および吸気通路
長）を３段階以上に変化させるようにしてもよい。
タイミング可変手段の構造も上記実施例に限定されず、
例えば、立体カムを用いてその軸方向位置を調整可能と
し、またはブッシュロッド式動弁機構に油圧等で作動す
る動弁調整部材を介在させ、あるいはクランク軸とカム
軸との間のベルト伝動機構に位相差調整手段を組込む等
の構造も採用することができる。そして立体カム等を用
いる場合に、第８図に示すように吸気弁の開閉タイミン
グならびにバルブリフト量を調整可能としてもよい。
（発明の効果） 以上のように本発明は、吸気通路形状を、高回転側の運
転領域と低回転側の運転領域とで切替式に変化させるこ
とによりそれぞれの運転領域内で吸気慣性効果を高める
ようにすることに加え、上記各運転領域でそれぞれ回転
数上昇に応じて上記閉弁タイミングを遅くするようにし
ているため、上記吸気形状の変更と吸気弁閉弁タイミン
グの変更とにより、吸気慣性効果を有効に利用して、広
範囲の回転数域にわたり出力を大幅に向上することがで
きるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置の一実施例を示す垂直断面図、第２
図は第１図のII−II線から見た底面図、第３図は吸，排
気弁の開閉タイミングを示す説明図、第４図はシリンダ
内圧力および吸気弁直前の各種圧力波の特性図、第５図
は吸気通路断面積の切替制御を行った場合のエンジン回
転数と出力トルクとの関係を示す説明図、第６図は種々
のエンジン回転数における吸気流速と体積効率との関係
を示す説明図、第７図はエンジン回転数に応じた吸気弁
閉弁タイミングの制御例を示す説明図、第８図は吸，排
気弁の開閉タイミングの別の例を示す説明図である。 １……エンジン本体、13,14……吸気弁、20……吸気通
路調整手段、30……制御回路、40……タイミング可変手
段。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】吸気通路形状を、設定回転数を境にこれよ
    り高回転側の運転領域と低回転側の運転領域とで切替式
    に変化させることにより、それぞれの運転領域内で吸気
    慣性効果が高められるように調整する吸気通路調整手段
    を備えたエンジンの吸気装置において、吸気弁の少なく
    とも閉弁タイミングを変更可能にするタイミング可変手
    段と、上記設定回転数よりも高回転側の運転領域および
    低回転側の運転領域でそれぞれ、回転数上昇に応じて上
    記閉弁タイミングを遅くするように、上記タイミング可
    変状態を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする
    エンジンの吸気装置。
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