JPH0778371B2 - 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。すなわ
ち、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、発生する吸気負圧波が小さくなって、十分
な充填効率向上効果が得られなくなるという問題が生じ
る。また、圧力波は、一定速度すなわち音速で伝播する
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、エンジン回転数に応じて変化するので、通
常の固定的な吸気系の構造を有するエンジンでは、広い
エンジン回転数領域で圧力波による充填効率向上効果を
得ることが困難となる。

上記の事情に鑑み特開昭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、クランク軸の回
転速度と同一または、２分の１の速度で回動する弁板を
有する給気管制弁とを備え、該給気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
効率増大効果を得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効率増大効果が
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。

有効開弁期間は、吸気弁の開弁期間でなく、吸気が実際
にシリンダ内に導入される期間を意味するものであり、
上記特開昭55−107018号公報に開示された構造では、給
気管制弁の開弁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、吸気負圧波の発生
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効率増大効果
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は不変であ
り、また、系の固有振動数νもまた不変である。したが
って、充填効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
タイミングの変更によって得られる領域に止まり、した
がって、十分に広い回転数領域で充填効率増大効果をえ
ることができない。

また、上記構造では、低回転域では、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、燃費に対する悪影響が顕著となる。

さらに、上記の構造では、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、該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
確保できないおそれがある。

（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、エンジン回転数に同期して開
閉される吸気通路と、該吸気通路に設けられ該吸気通路
を吸入上死点より所定期間遅れて開き吸気開始時期を遅
延させる制御弁と、上記制御弁の遅延制御を解除する解
除手段と、吸気通路の上記制御弁よりも上流側の所定距
離だけ離れた位置に設けられ制御の開弁時に該制御弁の
下流側で生じる吸気負圧波を反転させる反転部とを備え
ている。そして、上記解除手段は、エンジンの低負荷時
に上記遅延制御を解除するようになったことを特徴とす
る。また、本発明の別の態様では、上記解除手段は、エ
ンジンの高回転時に遅延制御を解除するようになってい
る。

本発明によれば、上記制御弁は、エンジンの低負荷時ま
たは高回転時以外の運転状態では、吸入上死点、すなわ
ち、TDCよりも遅れて開き、これによって、吸気は圧力
波を発生する。そして、この圧力波は、吸気行程の終期
に吸気の押し込み効果を与える。この場合制御弁開弁タ
イミングは一定でも、あるいは、エンジン回転数、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。本発明では、上記制御弁による吸気開
始時期の遅延制御は、低負荷時または、高回転時におい
ては、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。また、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、低負荷時または、高回
転時にはこの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、該バイパス通路にバイパス
弁を設置して、このバイパス弁を低負荷時または、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。また、本発明の吸気装置は、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
吸気負圧波を反転させる反転部をそなえている。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、発生する吸
気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。

（本発明の効果） 本発明によれば、エンジンの所定の運転領域では、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の大きな吸気負圧波が生じ、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
正圧波となる。そして、この正圧波は反射波として下流
に伝播し吸気行程の終期に吸気の押し込み効果を与え
る。この効果により、本発明にかかるエンジンは充填効
率の向上を有効に図ることができ、従って、出力の向上
を図ることができるものである。

しかし、低負荷時において制御弁の開弁時期を遅らせる
と、エンジンのポンピングロスが増大して燃費に悪影響
を与えるので、低負荷時には上記遅延制御を解除するよ
うにしている。また、このような制御弁の遅延制御は、
高回転時においては、吸気慣性が大きくなって圧力波に
よる吸気押し込み効果が相対的に小さくなるとともに、
上記制御弁によって開弁時期を遅らせる分だけ、通路抵
抗を増大させる結果になる。従って、高回転時では、む
しろ、制御弁による遅延制御は、高充填効率を確保する
上で、弊害となるものである。本発明では、このような
事情に鑑み、高回転時には、制御弁による遅延制御を解
除するようにしている。

また、本発明の好ましい態様では、上記制御弁の開弁時
期は、エンジン回転数、負荷等の運転状態に応じて遅れ
側にずらされるようになっておりこれによって有効開弁
期間が運転状態に応じて制御される。すなわち、前述の
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。この結果、広い回転数領域で同調
回転数を得ることができ、異なる回転数領域の各々にお
いて圧力波による所望の充填効率増大効果をえることが
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、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、先端部
が燃焼室６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、マルホルドが接続されこの接続部付近に
燃料噴射ノズル12bが取りつ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となり、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が設置され、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、吸気系で生じた吸気負圧波を反転させるため
の一定の容積を有する容積部が設けられる。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17の下流の分岐部には、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、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がそれぞれ取り
つけられる。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と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、進角機構22を介してプーリ2
3に接続されている。プーリ23は、クランク軸24の端部
に取り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。進角機構22は、プーリ23の回転軸23aの
端部に取り付けられたヘリカルギア27とロータリバルブ
18の回転軸18aの端部に取りつけられた上記プーリ23側
のヘリカルギア28と、両ヘリカルギア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30は、好ましく、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
エンジン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。また、コントロ
ールユニット31は、エンジン回転数及び負荷の値に応じ
て、バイパス弁20のアクチュエータ20aに対して所定の
運転領域では、バイパス弁20を開くように命令信号を出
力するようになっている。

以上の構成において、本例では、ロータリバルブ18は、
クランクじく24と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Θに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が開いている期間が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Θｅとなる。第４図を合わせて参照すれば、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、エンジン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。この負圧波は主吸気通路13を上流に伝播し
て容積部16に達する。容積部16において、負圧波は反転
して正圧波となり今度は吸気通路13を下流側に伝播して
最終的に燃焼室６に戻る。

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、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
ることができる。そして、ロータリバルブ18の開弁時に
生じる負圧波の振幅が大きい程、大きな反転正圧波が生
じ、結果として大きな充填効率増大効果が得られる。従
って本例では、ピストン速度が遅く生じる負圧波が小さ
くなる傾向となる低回転時において、ロータリバルブ18
の開弁時期を高回転時よりも遅らせ、より大きな負圧波
を形成するように構成している。また、上記圧力波によ
る充填効率増大効果が得られるエンジン回転数すなわち
同調回転数Ｎ（rpm）は、有効開弁期間Θｅ（deg）及び
吸気系の固有振動数ν（Hz）との関数としてＮ＝Θｅ・
ν/6として表される。そして、このそれぞれの同調回転
数Ｎ近傍の回転数領域では、上記圧力波による充填効率
増大効果が得られる結果、第５図に示すように一定のピ
ーク値を有するように出力特性が変化する。この場合、
有効開弁期間Θｅは吸気系の固有振動数νが一定のと
き、同調回転数Ｎに対応して大きくなる。したがって、
エンジン回転数の変化に応じて有効開弁期間を適当に設
定することにより、第５図の実線で示す有効開弁期間固
定の出力特性よりも良好な特性を得ることができる。本
例の装置では、進角機構22を用いて有効開弁期間Θｅを
回転数変化に応じて変化させるようにしているので、広
い回転数領域にわたってそれぞれの領域の同調回転数を
得ることができ、この結果、低回転から中回転にわたる
広い回転数範囲で出力の向上を図ることができる。

なお、エンジンの高回転領域では、上記のようにロータ
リバルブ18を遅れ側にずらすような制御を行うと通路抵
抗が増大して、却して高充填効率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、高回転時において、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
の比較的低回転でかつ低負荷時において、上記のような
ロータリバルブ18の開弁時期を遅らせるような制御を行
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６図及び第７図には、本発明の他の実施例が開示され
ており、本例では、ロータリバルブ18′は、主吸気通路
13から分岐した各気筒への吸気通路９に設けられるとと
もに、負圧波を反転させる容積部16′は、主吸気路13の
分岐部に形成されている。本例の構造では、ロータリバ
ルブ18′の開口は、ロータリバルブ18′を貫通して形成
されており、ロータリバルブ18′がひらいたときには、
吸気は、ロータリバルブ18′を貫通して上流から下流に
向かって流通する。この構造では、ロータリバルブ18が
半回転する毎に開状態が得られるのでロータリバルブ1
8′は、クランク軸24の1/2の速度で回転されるようにな
っている。このため、ロータリバルブ18′用のプーリ2
3′はクランク軸24の駆動プーリ25の径の２倍に構成さ
れている。また、バイパス通路19′は各吸気通路９をた
がいに連通するように形成されており、ロータリバルブ
18′の遅延制御を解除するために、バイパス弁20が開か
れたときには、他の気筒への吸気通路９を介して所要量
の吸気が当該気筒のために導入されるようになってい
る。

第８図及び第９図を参照すれば、本発明の他の実施例が
示されている。本例の吸気構造は第５図及び第６図に示
す実施例と同様に主吸気通路13の下流に吸気負圧波を反
転させるための容積部16′を備えており、この容積部1
6′は本例ではサージタンクによって構成されている。
そしてロータリバルブ18′も前例と同様に気筒とサージ
タンク16′とを結ぶ各吸気通路９に設けられている。ロ
ータリバルブ18′をバイパスするバイパス通路19の上流
端19′ａはサージタンク16′に開口している。また、バ
イアス通路19′の下流端19′ｂはロータリバルブ18′の
下流側の吸気ポート７に極めて近接した位置において各
吸気通路９に接続されている。バイパス通路19′には、
その下流端付近において、開閉弁32が設けられている。
この開閉弁32は、負圧波作動式アクチュエータ33によっ
て作動させられるようになっている。すなわち、アクチ
ュエータ33は、ダイヤフラム34aによって画成された負
圧室34bを有しこの負圧室34bが、通路35を介して、開閉
弁32の上流側のバイパス通路と接続されている。そし
て、常態では、リターンスプリング34cの付勢力によっ
て、ダイヤフラム34aに連結された開閉弁32が閉じら
れ、吸気負圧が大きくなったとき、すなわち、エンジン
の低負荷時においては、リターンスプリング34cに抗し
てダイヤフラム34aが変位して、開閉弁32が開かれるよ
うになっている。このような吸気負圧と開閉弁32の作動
状態との関係が第10図に示されている。

本例の構造において、高負荷時には、バイパス通路19′
の吸気負圧が小さいため、開閉弁32は閉じている。従っ
て、各気筒への吸気開始時期は、ロータリバルブ18′に
よって設定されることとなる。すなわち、エンジン低回
転域においては、ロータリバルブ18′の開弁タイミング
が吸気弁11の開弁タイミングよりも大きく遅らされる。
これによって、吸気負圧波の振幅が大きくなって、有効
に充填効率効果を得ることができる。一方、エンジンの
高回転時においては、ロータリバルブ18′の開弁タイミ
ングが進角されて有効開弁期間が長くなり、これによっ
て高回転時における大きな吸気慣性効果を利用して高充
填効率を確保することができる。また、エンジンの低負
荷時には、バイパス通路19内の吸気負圧が大きくなるの
で、これによって、開閉弁32が開き吸気はバイパス通路
19が通じて各燃焼室６に供給されることとなる。すなわ
ち、低負荷時においては、ロータリバルブ18′の開閉作
動に関わらず、吸気は吸気弁11の開弁により燃焼室６に
導入される。この結果、低負荷時のロータリバルブ18′
による吸気導入の遅延制御に基づくポンピンググロスの
問題を解消することが出来る。尚、進角機構22は本例で
説明したもの以外に、例えば、遠心式進角機構等の任意
の形式のものを用いることができる。

また、第11図には、本発明のさらに他の実施例が開示さ
れており、本例では、エンジンの点火順序を考慮して負
圧波の反転部を構成するようにしている。本例のエンジ
ンの点火順序は、１−３−４−２となっている。そし
て、本例の構造では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。こ
の構成では、２つの共通吸気通路9aの合流地点9bにおい
て、位相が互いに半波長ずれている第１及び第２気筒、
及び第３、第４気筒の負圧波がそれぞれ干渉することに
なる。これによって、干渉した負圧波は反転して正圧波
となる。したがって、本例のように負圧波の位相が互い
に半波長ずれる気筒の吸気通路９を組合わせることによ
って、負圧波を反転させることができ、有効に充填効率
増大効果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
リー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、バルブる開弁タ
イミングを示すグラフ、第５図は、有効開弁期間と同調
回転数及び出力との関係を示すグラフ、第６図は、本発
明の他の実施例に係るエンジンの概略図、第７図は、第
６図のエンジンの部分断面図、第８図は本発明のさらに
他の実施例に係るエンジンの断面図、第９図は第８図の
エンジンの全体概略図、第10図は開閉弁の作動特性を示
すグラフ、第11図は本発明のさらに他の実施例にかかる
エンジンの全体概略図である。 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……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、 16、16′……容積部、 17……スロットルバルブ、 18、18′……ロータリバルブ、 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、 32……開閉弁、33……アクチュエータ

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
   通路と、 該吸気通路に設けられ該吸気通路を吸入上死点より所定
   期間遅れて開き吸気開始時期を遅延させる制御弁と、 前記制御弁の遅延制御を解除する解除手段と、 吸気通路の前記制御弁よりも上流側の所定距離だけ離れ
   た位置に設けられ制御の開弁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を備え、 前記解除手段は、エンジンの低負荷時に前記遅延制御を
   解除するようになったことを特徴とするエンジンの吸気
   装置。