JPH0742860B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、吸気通路内に生じる圧力波を利用して吸気を
行う吸気装置の改良に関する。

（従来技術） 従来から、吸気慣性、共鳴効果等、吸気の動的効果を利
用して、充填効率を高めこれによって高出力を確保する
ようにしたエンジンが提案されている。

しかし、吸気の圧力波による効果を利用して、充填効率
の改善を図る場合には、次のような問題がある。エンジ
ン回転数が低下するとピストンの下降速度が小さくな
り、従って発生する負圧波が小さくなって得られる充填
効率向上効果も小さくなる。また、圧力波の伝播は、音
速という一定の速度で生じるのに対し、圧力波による吸
気の押し込み効果が望まれるタイミングは、エンジンの
回転速度に応じて変化するため、広い回転数領域で圧力
波による充填効率の向上効果を得ることが困難である。

このような事情に鑑がみ、特開昭55−107018号公報に
は、吸気弁上流の吸気通路に設けられる給気溜と、シリ
ンダと該給気溜とを連通する吸気通路に設けられ、クラ
ンク軸の同転速度と同一または２分の１の速度で回転す
る弁板を有する給気管制弁とを備え、該管制弁によって
クランク軸の回転速度に応じてシリンダと給気溜の連通
を制御し、広い範囲の回転数領域で吸気の圧力波による
充填率増大効果が得られるようにしたエンジンの吸気構
造が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に吸気系に生じる圧力波による充填率増大効果が得
られるエンジン回転数（以下同調回転数という）は、次
の関係式で表わされる。

ここで、N:同調回転数（rpm）、θe:有効開弁期間（de
g）、ν：吸気弁開弁期間中の吸気系の固有振動数（H
z）である。

第（１）式における有効開弁期間は、吸気弁の開弁期間
を意味するものではなく、吸気が実際にシリンダ内に導
入される期間であり、上記特開昭55−107018号に開示さ
れた構造では、吸気管制弁の開閉期間は、吸気弁の開弁
期間の範囲内に含まれるようになっているので、有効開
弁期間は給気管制弁が開いているとき、となる。そし
て、給気管制弁は、吸気弁が開いている期間内におい
て、エンジン回転数に応じて開弁タイミングが変更され
るようになっている。従って、この構成では、給気管制
弁の開弁タイミングを回転数に応じて変更制御すること
により、負圧波の発生時期をずらすことができるので、
ある程度幅のあるエンジン回転数領域において圧力波に
よる充填率増大効果を得ることができる。しかし、上記
開示された構造では、給気管制弁の開弁期間は、エンジ
ンの回転数の変化にかかわらず、常に吸気弁の開弁期間
に含まれているので、第（１）式における有効開弁期間
θｅは一定であり、また吸気系の固有振動数νもまた一
定である。従って、充填率増大効果の得られる回転数領
域は、上記吸気弁の開弁期間に含まれる範囲での給気管
制弁の開弁タイミング変更によって得られる領域にとど
まり、従って十分に広い回転数領域で充填率増大効果を
得ることができない。

また、上記構造では、低回転領域では、大きな負圧波を
生じさせるために、給気管制弁の開弁タイミングを遅ら
せて吸気開始時期を遅らせるようにしているが、このよ
うにするとポンピングロスが大きくなり、低負荷時にお
いては燃費に対する悪影響が顕著となる。

さらに、上記構造では、有効開弁期間は実質的に、吸気
弁よりも開弁期間の小さい給気管制弁の開弁期間となる
ので給気管制弁が通路抵抗を増大させる結果となり、特
に高回転高負荷運転時において十分な吸気量を確保する
ことができない恐れがある。

（上記問題を解決するための手段） 本発明は、上記問題を解決するために構成されたもの
で、本発明の吸気装置は、エンジンの回転に同期して開
閉される吸気ポートと、該吸気ポート上流の吸気通路に
設けられ低回転かつ高負荷運転時において該吸気通路を
吸気ポートの開閉時期よりも後であって吸入上死点以降
に開いて外気開始時期を遅延させる制御弁と、前記制御
弁よりも上流側の吸気通路に設けられ制御弁の開閉時に
該制御弁の下流側で生じる吸気負圧波を反転させる反転
部と、前記制御弁の上流側の吸気通路に設けられ前記吸
気負圧波の伝播系としての吸気系の固有振動数を変化さ
せる可変機構とを備え、低負荷運転時及び高回転運転時
には、前記制御弁による吸気開始時期の遅延制御を解除
するように構成されたことを特徴とする。

本発明の制御弁は、好ましくは、低回転から中回転及び
中負荷から高負荷運転時において吸入上死点、即ち、TD
Cよりも遅れて開かれこれによって大きな圧力波を発生
し吸気行程の終期に吸気の押し込み効果を与えるように
なっている。この場合制御弁の開弁時期は吸気弁の開弁
時期に対して一定のずれを有していてもエンジン回転数
及び負荷の変化に応じて、段階的または、連続的に変化
させるようにしても良い。本発明の装置は、制御弁より
も上流側に、該制御弁の開弁時に下流側で生じた吸気の
負圧波を反転させる反転部を備えている。この反転部
は、各気筒に共通の吸気通路に一定の容積を有する容積
部を形成することによって構成しても良いし、発生する
負圧波の位相が半波長ずれているような気筒の吸気管同
志を対向させるように連結して構成することもできる。

また、上記吸気系の固有振動数を変化させる可変機構
は、例えば、制御弁の開弁時に生じた負圧波が反転部に
至る伝播経路の長さ、すなわち、制御弁から上記反転部
までの吸気通路長さを運転状態に応じて変えるようにす
ることで構成することができる。この場合、代表的に
は、反転部から制御弁までの間に、異なる長さの複数の
吸気通路を設け、運転状態の変化に応じ、切替弁を用い
て、通路を切替えるようにすれば良い。また、同有振動
数は、振動系の容積を変えることによって、変更するこ
とができるので、反転部の容積を変化させるようにして
可変機構を構成することもできる。

上記制御弁による吸気開始時期の遅延制御は、好ましく
はエンジンの低負荷時及び高回転時では解除されるよう
になっている。この解除手段は、例えば、制御弁の開弁
期間を吸気弁以上に設定しておき、低負荷時、及び高回
転時においては、進角機構を用いて制御弁の開弁時期を
吸気弁に合わせるように構成すればよい。まだ、各気筒
用に設けられる制御弁をバイパスするバイパス通路を設
けるとともに、このバイパス通路を開閉するバイパス弁
を設け、低負荷時及び高回転時には、バイパス弁を開く
ようにしてもよい。さらに、制御弁下流側の各気筒用の
独立吸気通路を互いに連通するバイパス通路を設け、該
通路にバイパス弁を設置して、この弁を低負荷時、高回
転時に開いて他の気筒の吸気通路を介して吸気を導入す
るようにしてもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、低、中回転の中高負荷運転時などで
は、制御弁が吸入上死点よりも遅く開かれるように制御
され、吸気通路の制御弁下流側に大きな負圧波が生じ、
この負圧波は、吸気通路内を上流に伝播し、反転部で反
転して正圧波となり、この正圧波は反射波として下流に
伝播し吸気行程終期に燃焼室に吸気の押し込み効果を与
える。この効果により、本発明に係るエンジンは高充填
効率を確保でき、従って、出力の向上を図ることができ
るものである。

この場合、本発明によれば、吸気系の固有振動数は、運
転状態の変化に応じて、エンジンの低回転領域では大き
く、高回転領域では小さくなるように変更されるように
なっている。すなわち、上記第（１）式Ｎ＝θｅν/6に
おいてνが運転状態に応じて変更されるようになってお
り、従って、広い範囲で同調回転数を得ることができ
る。

さらに、本発明の好ましい態様では進角機構等を用い
て、エンジン回転、エンジン負荷等の運転状態に応じて
制御弁の開弁時期を遅らせることにより吸気開始時期を
遅らせこれによって有効開弁期間を制御するようになっ
ている。すなわち、第（１）式においてθｅが運転状態
に応じて変更されるようになっている。この制御を、固
有振動数の変更制御と組合わせることにより、さらに広
い回転数領域で同調回転数を得ることができ、異なる回
転域の各々において、圧力波による所望の充填率増大効
果を得ることができる。

さらに、本発明好ましい態様によれば、高回転時におい
て、上記制御弁による遅延制御が、通路抵抗を増大させ
る結果むしろ弊害となることに鑑がみ、制御弁による遅
延制御を解除するようにしている。

また、低負荷運転時においては、ポンピングロスが増大
し燃費に悪影響を与えることとなるので、制御弁による
上記遅延制御を解除するのが望ましい。従って、このよ
うに制御することにより、高回転時において十分な吸気
量を確保することができるとともに、低負荷時の燃費低
下も防止することができる。

（実施例の説明） 以下図面を参照しつつ、本発明の実施例につき説明す
る。

第１図及び第２図を参照すれば、本例のエンジン１は、
４気筒エンジンであり、シリンダブロック２には４つの
シリンダボア３が形成され各シリンダボア３にはピスト
ン４が往復動自在に配置される。シリンダブロック２の
上方にはシリンダヘッド５が結合されており、シリンダ
ボア３のピストン上方部空間とシリンダヘッド５の下部
凹部とによって形成される空間は、燃焼室６を構成す
る。燃焼室６には、吸気ポート７及び排気ポート８が開
口しており、シリンダヘッド５には該吸気ポート７、排
気ポート８に通じるように吸気通路９、排気通路10が形
成される。そして、吸気ポート７には、吸気弁11が、排
気ポート８には排気弁12がそれぞれ組合わされる。ま
た、シリンダヘッド５には点火プラグ12aがその先端部
が燃焼室内に突出するように配置される。各気筒の吸気
通路９には、マニホルドが接続されこの接続部付近に燃
料噴射ノズル12bが取付けられるとともに各吸気通路９
は上流で合流して主吸気通路13が形成されさらに上流に
延びている。主吸気通路13の上流端にはエアクリーナ14
が配置され、エアクリーナ14の下流には吸気流量を計量
するエアフローメータ15が設けられるとともに、その下
流側には、吸気系で生じた負圧波を反転させるための一
定の容積を有する容積部16が設けられる。そして、容積
部16の下流側の主吸気通路13には、バイパス吸気通路13
aが形成されており、バイパス吸気通路13aへ吸気の切替
えは、切替弁13bによって、行なわれるようになってい
る。さらに主吸気通路13には、スロットル弁17が配置さ
れるとともに、該スロットル弁下流の分岐部には、第３
図に示されるような筒状のロータリバルブ18が回動自在
に配置される。分岐部下流の各気筒への吸気通路９は、
バイパス通路19によって互いに連通されており、該バイ
パス通路19と各吸気通路９との接続部には、バイパス弁
20がそれぞれ取付けられる。また、バイパス通路19の上
流側は、主吸気通路13の分岐部とスロットル弁17との間
に接続されている。ロータリバルブ18の周壁には所定の
回転位置で各気筒の吸気通路９に連通する開口21が各気
筒に対応してそれぞれ設けられている。本例では点火が
１−３−４−２の順で行なわれるので、互いの吸気の干
渉を避けるため、第１及び第４気筒に対する開口位置
と、第２、及び第３気筒に対する開口位置とをそれぞれ
同じオリエンテーションで形成している。第１図に示す
ように、ロータリバルブ18の回動軸18aは、プーリ23に
接続されている。プーリ23は、クランク軸24の端部に取
付けられた駆動プーリ25にベルト26を介して接続されて
いる。本例では、プーリ23とプーリ25とは同じ径を有し
ており、従って、両者は同じ速度で回転するようになっ
ている。バイパス弁20は、好ましくは、マイコンを組込
んで構成されるコントロールユニット31によって、アク
チュエータ20aを介して開閉制御されるようになってい
る。コントロールユニット31は、回転数及び、負荷の値
に応じ、バイパス弁20のアクチューエータ20aに対して
所定の運転領域では、バイパス弁20を開くような命令信
号を出力するようになっている。

以上の構造において本例ではロータリバルブ18は、クラ
ンク軸24同じ速度で回転する。従ってロータリバルブ18
の開口21が各気筒の吸気通路９に連通するタイミングす
なわちロータリバルブ18の開弁期間は、各気筒の吸気弁
11の開弁期間に対して対応するようになっている。本例
では、吸気弁11が開いておりかつ、ロータリバルブ18が
開いている期間に実際に吸気が燃焼室６内に導入される
ことになり、従って、この期間が有効開弁期間となる。
本例においては、ロータリバルブ18の開弁時期は吸入上
死点、すなわち、TDCよりも遅れ側に設定されているの
でロータリバルブ18が開いたとき実際に吸気が燃焼室６
内に導入されることとなるが、この開弁時において、ロ
ータリバルブ18の下流側には吸気の負圧波が生じる。こ
の負圧波は吸気通路13を上流に伝播して容積部16に到達
する。容積部16において、負圧波は反転して正圧波とな
り吸気通路13内を下流側に伝播して最終的に燃焼室６に
到達する。

本例では、この正圧波が吸気行程の終期に燃焼室６に到
達するように吸気系を構成しており、これによって、上
記正圧波による吸気の押し込み効果を利用して、吸気の
高充填効率を得るようにしている。

そして、本例によれば、運転状態により容積部16下流側
の吸気流経路が変更されるようになっている。すなわ
ち、吸気閉時期を遅らせる大きな圧力波を形成するエン
ジンの低回転領域内で、低回転時には主吸気通路13の切
替弁13bは、閉じており、吸気は、バイパス通路13aを流
通して燃焼室６に導入される。一方、エンジンのより高
回転の領域では、切替弁13bは、開となり、吸気は、バ
イパス通路13aを通らず主吸気通路13を流通する。従っ
て、低回転時においては容積部下流側の吸気の圧力の伝
ぱ経路は、高回転時の場合よりも長くなる。この結果、
ロータリバルブ18の開弁時に生じる負圧波の振動系の固
有振動数は、エンジンの低回転時の方が高回転時よりも
小さくなる。したがって、エンジンの低回転状態では、
吸気系の固有振動数を小さくすることによって吸気圧力
波よる押し込み効果を得ることができ、またエンジンの
高回転時には吸気系の固有振動数が高くなるように制御
して高回転領域において圧力波による吸気充填効果を高
めることができる。圧力波による充填率増大効果が得ら
れる同調回転数Ｎは、有効開弁期間θｅと、吸気振動系
の固有振動数νとの関数としてＮ＝θｅν/6として表わ
されるが、本例の構造では、吸気の振動系の固有振動数
νは、運転状態の変化に応じて異なる２つの値をとるこ
とができ、従って、異なる回転数領域において、充填率
増大効果を得ることができる。

なお、エンジン回転数がより高い運転領域では、上記の
ようにロータリバルブで吸気の閉時期を遅らせるような
制御を行なうと通路抵抗が増大して、かえって高充填量
の確保に対する弊害となる恐れがある。従って、本例で
は、高回転時には、アクチュエータ20aを作動させて、
バイパス弁20を開き、バイパス通路19からも吸気を導入
するようにしている。これによって、高回転において、
吸気不足が生じるといった問題を解消することができ
る。さらに、エンジンの低負荷時においては、上記のよ
うなロータリーバルブ18の開弁時期を遅らせるような制
御を行なうと、ポンピングロスが増大し、燃費の悪化が
顕著となるので、同様にバイパス弁20を開き、バイパス
通路19からも吸気を導入して、実質的にロータリバルブ
18の遅延制御を解除するようにしている。

第４図を参照すれば、本発明の他の実施例に係るエンジ
ンが示されている。本例のエンジンにおける吸気負圧波
の振動系の固有振動数の可変機構は、負圧波を反転させ
るための容積部16の容積と運転状態に応じて変更するよ
うに構成されている。この場合、容積部の内部には、ピ
ストン16aが配置されており、このピストン16aは運転状
態に応じて、容積部内部を摺動変位するようになってお
り、これによって、容積部の容積が変化し、系の固有振
動数が変化する。すなわち、ピストンが押し込まれて容
積部16の容積が減少するとき、吸気系の固有振動数は増
大し、エンジンの高回転数領域において吸気の押し込み
効果が得られ、ピストンが引かれて容積部16の容積が増
大するとき吸気系の固有振動数は低下して低回転数領域
において吸気の押し込み効果が得られる。

また第５図には、固有振動数の可変機構のさらに異なる
形式のものが示されている。本例では、容積部16からロ
ータリバルブ18までの主吸気通路13の内部が分割壁33に
よって分割されて２つの吸気通路34a、34bが形成されて
いるとともに、一方の吸気通路に切替弁35が配置されて
いる。そして、この切替弁35は、運転状態に応じて、低
回転時には閉、高回転時には開となるように、開閉作動
させられるようになっており、これによって、吸気の流
通経路及び負圧波の伝播経路が変更させられ、系の固有
振動数が変化する。すなわち、エンジンの高回転時に
は、切替弁35を開にして吸気系の固有振動数を高くして
吸気の圧力波による押し込み効果を得るとともに、エン
ジンの低回転数時には、切替弁35を閉にして吸気系の固
有振動数を低くして低回転数領域で圧力波の押し込み効
果を得るようにすることによって広い回転数領域におい
て吸気の充填効率を高めることができる。

第６図には、可変機構のさらに異なる構造が示されてい
る。本例では、反転部16の長さを変えることによって系
の固有振動数を変更するようになっており、低回転時に
は、反転部16の長さを長く、従って固有振動数を低く、
高回転では短くなるように従って固有振動数を高くする
ように制御される。これによって吸気系の固有振動数の
比較的低い回転数領域及び固有振動数の比較的高い領域
の２つの異なる領域にわたって高い充填効率を得ること
ができるようになり、広い回転数領域にわたって高出力
化を促進することができる。

さらに、第７図を参照すれば本発明のさらに他の実施例
が示されている。

本例の構造では、点火が１−３−４−２の順で行なわれ
るのでまず、互いの行程が干渉しない第１、第４気筒、
及び第２、第３気筒の独立吸気通路９が、ロータリバル
ブ18の上流側で、それぞれ合流して共通吸気通路9aを形
成し、さらに上流において２つの共通吸気通路9aが合流
して主吸気通路13を形成するようになっている。さら
に、本例の構造ではこの主吸気通路13への合流地点9b′
よりも下流に、２つの共通吸気通路9a′を互いに連絡す
る連通路34′が形成されらるとともに、該連通路34′に
は、該通路34′を開閉する開閉弁35が設けられる。この
開閉弁35はコントロールユニット31からの命令信号によ
って開閉するようになっている。

第７図に示すように、ロータリバルブ18の回動軸18a′
は、進角機構22を介してプーリ23に接続されている。プ
ーリ23′は、クランク軸24の端部に取付けられた駆動プ
ーリ25にベルト26を介して接続されている。本例ではロ
ータリバルブ18の開状態が半回転ごとに得られるのでは
プーリ25の２倍の径を有しており、従って、プーリ23は
プーリ25の２分の１の速度で回転するようになってい
る。進角機構22は、プーリ23の回転軸23aの端部に取付
けられたヘリカルギア27と、ロータリーバルブ18の回転
軸18aの端部に取付けられ上記プーリ23側のヘリカルギ
ア27に対向して配置されるヘリカルギア28と、量ヘリカ
ルギア27、28に噛合する調整駒29とを備えている。調整
駒29はヘリカルギア27及び28との噛合位置をロータリバ
ルブ18の回転軸方向に変更できるようになっており、調
整駒29が上記軸方向に移動して噛合位置が変化するとヘ
リカルギア27、28との相対回転位置が変わり、これによ
って、進角量が変化するようになっている。調整駒29の
軸方向の位置を調整するために、アクチュエータ30が設
けられており、このアクチュエータは、好ましくは、マ
イコンを組み込んで構成されるコントロールユニット31
からの命令信号によって作動するようになっている。本
例ではコントロールユニット31には、エンジン回転数を
表わす信号が入力されるようになっており、コントロー
ルユニット31は、この回転数信号に応じた進角量を決定
し、アクチュエータ30を介して進角機構22を駆動する。

以上の構造において本例ではロータリバルブ18は、クラ
ンク軸24の２分の１の速度で回転する。第８図に併わせ
て参照すれば、ロータリバルブ18の開弁期間は、エンジ
ン回転数に応じて変更されるようになっており、回転数
が増大すると、図の破線で示すようにロータリバルブ18
の開弁時期は吸気弁11の開弁時期に近づくように設定さ
れる。一方、エンジンの低回転時には、ロータリバルブ
18の開弁時期は進角機構22の作動によって図に実線で示
すように遅れ側にずらされる。ロータリバルブ18が開い
たとき実際に吸気が燃焼室６内に導入されることとなる
が、この開弁時において、ロータリバルブ18の下流側に
は吸気の負圧波が生じる。この負圧波は、吸気通路13を
上流に伝播し開閉弁35′が開いているときすなわち比較
的高回転域では、連通路34′において、閉じている場合
すなわち低回転域では、合流地点9b″においてそれぞれ
干渉して反転し、正圧波となる。従って、本例の構造で
は、制御弁の作動により、吸気開始時期が遅らせられた
運転状態において、開閉弁35′の開閉動作により圧力波
の振動系を切り換えることができるので、前記関係式Ｎ
＝θｅ・ν/6において固有振動数νを変更することがで
きる。この結果、本例の吸気装置は、有効開弁時期間θ
ｅの制御が可能なことと、あいまって、さらに広い回転
数領域で有効に同調回転数を得ることができる。

なお、以上の実施例では、レシプロエンジンについて本
発明を適用した例について説明したが、本発明は、ロー
タリピストンエンジンについても同様に適用することが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例に係るエンジンの全体概略
図、第２図は、第１図のエンジンの部分断面図、第３図
は、ロータリバルブの斜視図、第４図は、本発明の他の
実施例に係るエンジンの概略図、第５図は、固有振動数
可変機構の他の構造を示す概略図、第６図はそれぞれ固
有振動数可変機構のさらに他の構造を示す概略図、第７
図は、本発明のさらに他の実施例を示すエンジンの概略
図、第８図は、エンジンのバルブタイミングを示すグラ
フである。 １……エンジン、２……シリンダブロック、 ３……シリンダボア、４……ピストン、 ５……シリンダヘッド、６……燃焼室、 ９……独立吸気通路、 9a、9a′、9a″……共通吸気通路、 10……排気通路、13……主吸気通路、 14……エアクリーナ、 15……エアフローメーター、16……容積部、 17……スロットルバルブ、 18……ロータリーバルブ、19……バイパス通路、 20……バイパス弁、22……進角機構、 31……コントロールユニット、 34……連通路、35……開閉弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 潤三 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 冨永 和憲 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−107018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−65230（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−164620（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの回転に同期して開閉される吸気
   ポートと、該吸気ポート上流の吸気通路に設けられ低回
   転かつ高負荷運転時において該吸気通路を吸気ポートの
   開閉時期よりも後であって吸入上死点以降に開いて吸気
   開始時期を遅延させる制御弁と、前記制御弁よりも上流
   側の吸気通路に設けられ制御弁の開閉時に該制御弁の下
   流側で生じる吸気負圧波を反転させる反転部と、前記制
   御弁の上流側の吸気通路に設けられ前記吸気負圧波の伝
   播系としての吸気系の固有振動数を変化させる可変機構
   とを備え、低負荷運転時及び高回転運転時には、前記制
   御弁による吸気開始時期の遅延制御を解除するように構
   成されたことを特徴とするエンジンの吸気装置。