JPS598645B2 - 内燃機関に吸入気体を導入する導管系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気体の振動を用いてシリンダへの給気を改善
する吸入気体導管系を持つピストン型内燃機関に関する
ものである。

ピストン型内燃機関の出力圧力または平均圧力は、機関
のシリンダ内に導入された給気の量により基本的に制限
される。

オットー機関においては、吸入行程において給気は空気
燃料混合気体で形成された吸入気体として各機関シリン
ダの吸入口を経て各シリンダに導入される。

ディーゼル機関では吸入行程中にシリンダ内に入る吸入
気体は一般に燃料を含まない、あるいは燃料の量が非常
に少量で得られた混合気体の燃料・比が自己点火に不充
分なものである。

燃料の全量または燃料の不足量は、圧縮行程の終９にシ
リンダ中の吸入気体に加えられ、それにより燃焼給気が
形成される。

この理由により、本明細書において吸入口を経てシリン
ダ中に入る１吸入気体“と称するのは、内燃機関の種類
と動作様式に従って空気または空気一燃料混合物を意味
する。

内燃機関の平均圧力を増加させるためには、機関シリン
ダの吸入口に結合された吸入気体導管系中に現われる振
動を、シリンダ中の燃焼給気を増加（強化）させるに利
用する方法が既に知られている。

機関シリンダの不連続な吸入行程の効果によって発生す
る吸入気体の振動は、吸入行程が互いに大きく重なって
いない最大４個のシリンダが共通の１個の共鳴容器に結
合され該共鳴容器が少くとも１個の共鳴管に通じている
ものの吸入気体導管で特に有利に利用される。

共鳴容器と共鳴管で構成された空気振動系はある特定の
固有振動数を持つ。

系の固有振動数がシリンダ群によって行われる不連続な
周期的に吸入の振動数に少くとも近似的に相当すれば、
周期的吸入行程によって発生した気体振動は可成シの程
度に増巾されシリンダへの給気を増加させるに利用され
る。

しかしながら、一般に内燃機関は吸入気体として要求さ
れる空気を外囲大気から直接に取入れることはない。

そうではなくて、吸入気体導管には空気フィルター、あ
る場合にはさらに特殊な給気装置が結合されている。

このような場合、共鳴管と空気フィルタのフィルタ要素
の間あるいは共鳴管と給気装置の間に、燃料気体の振動
を減衰させるに役立つ空間を限定するための配置を設け
なければならない。

該配置を設ける目的は、１つは吸入気体振動のチョーク
効果が空気振動系内に発生した気体振動に悪影響をおよ
ぼさないように保証するためであり、他は気体振動が給
気装置または空気フィルタの固有の動作に悪影響をおと
ほさないように保証するためである。

これらの種類の吸入気体導管系は、例えば・・ンガリー
特許第１６１３２号およびアメリカ特許第３７９６０４
８号に公開されている。

これらの既知の配置では、直列６気筒内燃機関では第１
、第２、第３のシリンダが一つのシリンダ群を形成し、
他方第４、第５、第６のシリンダが他のシリンダ群を形
成する。

同→シリンダ群を形成する個々のシリンダの吸入行程は
重ならない。

同一のシリンダ群に属するシリンダの吸入団ま１個の共
通の共鳴容器に結合され、各共鳴容器には各１個の共鳴
管が結合されている。

複数個の共鳴管が１個の共通の減衰容器により互いに結
合されている。

減衰容器の吸入気体導入口は結合導管によシ給気装置の
圧力側と通じている。

６気筒内燃機関の通常の１−５−３−６−２ −４の点
火順序と通常の点火間隔により、各シリンダ群内の吸入
行程は２４００ずつ隔てられている（機関のクランク軸
の回転角で示す）。

同時に２つのシリンダ群の吸入行程は１２０°即ち正確
に１／２位相だけずれている。

このことは、それぞれのシリンダ群の空気振動系中に発
生する吸入気体振動が同様に１／２位相だけ互いにずれ
ていることを意味する。

従って１つのシリンダ群の共鳴容器内で圧力振動の極大
値が支配的であるとき、同時に他のシリンダ群の共鳴器
内で圧力振動の極小値が支配的になるであろう。

共鳴管の減衰容器に開いた吸入口でもこの関係は同じで
ある。

１つのシリンダ群と連続された共鳴管の吸入口において
、該シリンダ群の方へ流れる吸入気体の速度が極大値で
あるとき、他のシリンダ群に属する共鳴管の吸入口にお
いて流れている吸入気体の速度も最大であるが方向は反
対である（即ち、後者の吸入気体速度は減衰容器に向け
られたものである）。

従って、吸入気体振動によって起こされた非常定質量流
は減衰容器で互いに等化される。

それ故、減衰容器の吸入気体導入口では、機関の吸入気
体費費置に相当する定常吸入気体速度が得られ、減衰容
器内では定常の圧力レベルが支配的である。

この定常の圧力レベルは空気振動系内に現われる吸入気
体振動の境界条件を提供する。

これに対して、減衰容器の吸入気体導入口における定常
質量流はターボチャージャ（ ｔｎｒｂｏｃｈａｒｇｅ
ｒ）に定常動作と良好な能率を保証する。

容積の大きさは等化に重要な役割を演じないから、前記
等化と振動の減衰を遂行するには、非常に小さな減衰容
器の容積で充分である。

この条件から導かれる構造上の利点は明白である。

即ち、機関に小容積の減衰容器を設置することには何等
の困難もない。

各シリンダ群が別々に専用の減衰容器を持つ、即ち１つ
の減衰容器には１つのシリンダ群に役立つ単一の共鳴管
のみが結合されている機関では、事情は根本的に異なる
。

そのような内燃機関としては、構造上の理由から減衰容
器へ２個以上の共鳴管を結合することが不可能あるいは
実施不可能である、１気筒、２気筒、３気筒、４気筒あ
るいはさらに多気筒の機関がある。

そのような機関では、各シリンダ群と組合わされた共鳴
容器と共鳴管中に発生する吸入気体振動（即ち、空気振
動系に発生する振動）の故に、各シリンダ群に組合わさ
れた減衰容器に非定常な吸入即ち脈動質量流が現われる
。

そのような非常吸入に拘らず、減衰容器に比較的定常な
圧力レベルを実現し、さらに減衰容器の吸入気体導入口
に比較的定常な吸入気体速度を実現するには、減衰容器
の容積が非常に大きくなければならない。

機関の全行程容積の３０ないし５０倍でなければならな
い、従って１００ｔにも達する。

その結果、このような大きな減衰容器を備えることは非
常に困難であり、従って、本節で述べた如き種類の機関
では、前記の如き吸入気体振動によりシリンダの給気量
を向上させる吸入気体導管系は用いることができない。

本発明の１目的は、機関のそれぞれのシリンダ群と組合
わされた各減衰容器中に、該減衰容器の容器が小さくて
も定常な圧力レベルが保証される、前記記載に輪郭が与
えられた種類の改良吸入気体導管系を備えることにより
、前記欠点を解消するにある。

従って本発明は、シリンダの給気を改善するに吸入気体
の振動を利用する改良吸入気体導管系を持ったピストン
型内燃機関を提供しようとするものである。

１つのシリンダ群をなし吸入行程が犬き〈重ならない４
個以下のシリンダの吸入口は、該シリンダ群に吸入気体
を補給する共通の１個の給気共鳴容器に結合され、さら
に該給気共鳴容器を１個の共鳴管により該シリンダ群に
組合わされ吸入気体導入口を備えた１個の減衰容器に通
じている。

前記目的および以後の記載によシ明白になる他の目的は
、本発明により完遂される。

要約すると本発明によれば、減衰容器は１個の等化共鳴
管により１個の他の点では閉じられた共鳴容器に結合さ
れ、該閉共鳴容器は等化共鳴管と共に、給気共鳴容器と
給気共鳴管で形成された空気振動系の気体振動によって
振動が引起される他の空気振動系を形成する。

本発明の有利な他の特徴点によれば、閉共鳴容器と等化
共鳴管で形成された空気振動点の固有振動数は、給気共
鳴容器と給気共鳴管で形成された空気振動系の固有振動
数に少くとも近似的に等しい。

本発明の有利なさらに他の特徴点によれば、減衰容器に
開いている等化共鳴管の横断面領域と、同じく減衰容器
に開いている給気共鳴管とは互いに対面し、その上にそ
の軸線が互いに一致している。

本発明の他の有利な特徴点は、減衰容器が、他の独自の
機能を持った容器でつくられることにある。

このような他の独自の機能を持った容器は例えば空気フ
ィルタのハウジングである。

減衰容器の吸入気体導入口を給気装置の圧力側に結合で
きる点は本発明のさらに有利な特徴である。

給気装置が排気駆動タービンを持つターボチャージャで
あることも便利である。

給気装置の空気冷却器を減衰容器内に配置できることも
本発明の他の特徴点である。

本発明のさらに他の特徴点によれば減衰容器自体が冷却
器の冷却室となる。

本発明に従って構成されたピストン型内燃機関では、同
一シリンダ群に属するシリンダの周期的な吸入効果によ
り、同じシリンダ群に属する給気共鳴容器と給気共鳴管
中を流れる吸入気体の振動が発生する。

これらの吸入気体振動は機関の給気充填を改善すると同
時に該シリンダ群に組合わされた減衰容器内に非定常な
吸入効果を生せしめるそれにより圧力振動が減衰容器に
得られる。

非常に小さな振動のものであるにしても減衰容器内に現
われる圧力振動によシ、等化共鳴管とそれに通ずる閉共
鳴容器で形成され減衰容器に結合された等化空気振動系
に振動を生せしめる。

等化空気振動系中のこの振動は、減衰容器中の瞬間的な
圧力増加の影響で等化空気振動系が吸入気体で満たされ
、閉共鳴容器内の吸入気体の圧力が増加するようなもの
である。

振動の第２の半サイクルでは、減衰容器内に瞬間的な圧
力低下が現われる筈である。

このとき閉共鳴容器から等化共鳴管を通して吸入気体が
減衰容器中に流れ戻る。

このようにして、給気共鳴容器が減衰容器から吸入気体
を極大速度で引出す瞬間には、等化共鳴管から吸入気体
が極大速度で減衰容器中に到達し、従って非定常吸入が
等化され、減衰容器内に現われる圧力振動は受容できる
限度内に維持される。

従って同時に、減衰容器の導入口を通る吸入気体の比較
的定常的な流入もまた確保される。

閉共鳴容器と等化共鳴管で形成された空気振動系の前記
等化効果は、該空気振動系の固有振動数が給気共鳴容器
と給気共鳴管で形成される音響振動系の固有振動数に少
くとも近似的に等しいことを条件として、機関の回転数
の全範囲にわたり有効である。

給気共鳴管が減衰容器に開いている横断領域と等化共鳴
管が減衰容器に開いている横断領域とが互いに対面しそ
の軸線が互いに一致している場合には、等化効果は特に
良好である。

そのような場合には、給気共鳴管から外に出る吸入気体
の運動エネルギは、等化共鳴管と閉共鳴容器で形成され
る空気系中の振動を発生させるに直接用いられ、その際
系の流れによる損失は非常に減少する。

給気共鳴管が極大速度で減衰容器から吸入気体を引出す
瞬間においても、給気共鳴管と等化共鳴管が互いに対面
した開口を持っていれば、同瞬間において等化共鳴管か
ら極大速度で外に出る吸入気体の運動エネルギが直接に
給気共鳴管に用いられるから、同様な利点が得られる。

前記論議から、非定常流の効果の故に減衰容器中に認め
うる程の圧力振動は生じないであろうということが決諭
される。

吸入気体の振動は、２つの空気振動系即ち給気空気振動
系と等化空気振動系の間にのみ起こる。

添付図面の第１ないし５図は４気筒ピストン型内燃機関
と組合わされた、本発明の５種の好適実施態様の略図で
ある。

第１図には、点火間隔が１８００である４サイクル４気
筒ピストン型内燃機関のシリンダブロック１が略図で示
されている。

この機関のシリンダ２の吸入行程は大きく重なってはい
ない。

従って、１つのシリンダ群に属する４個のシリンダ２の
吸入口４は１個の共通の給気共鳴容器６に結合されてい
る。

シリンダ２の吸入口４は直接給気共鳴容器６に結合され
てもよいが、第１図に示された実施態様では、吸入口４
は吸入導管５を経て給気共鳴容器６に結合されている。

給気共鳴容器６には給気共鳴管７が結合され、給気共鳴
管は減衰容器８と通じている。

該減衰容器は吸入気体導入口９を持つ。

給気共鳴管７は、減衰容器８から給気共鳴管γへの導入
日になっている横断面領域１０を経て、減衰容器８と通
じている。

減衰容器８には等化共鳴管１１が結合されている。

その結合は、等化共鳴管１１の横断面領域１３が、減衰
容器８から等化共鳴管１１への入口をなし給気共鳴管１
の横断面領域１０と相い対し軸線が一致するように、行
われている。

等化共鳴管１１は他の点ては閉じられた共鳴容器１２に
結合されている。

等化共鳴管１１と閉共鳴容器１２とは１つの音響振動系
をなし、その固有振動数は、給気共鳴容器６と給気共鳴
管１で形成される空気振動系の固有振動数と等しいかあ
るいは少くとも近似している。

後者の振動系（給気系）においては、シリンダ２のピス
トン３が周期的にその吸入行程を行うにつれて振動が発
生している。

このようにして発生した吸入気体の振動を、機関のシリ
ンダへの給気の充填を改善するに用いる６この吸入気体
の振動は給気共鳴管７中に方向が交番される給入気体の
流れを引起こす。

その結果、振動の各サイクルのある特定の部分で吸入気
体が給気共鳴管７の吸入口１０を通して高速度で減衰容
器８から取出され、振動の各サイクルの第２の半期間で
吸入気体は高速度で反対方向に流れる。

従ってこの反流の間に、給気共鳴管７の開口１０から流
れ出した吸入気体のジェットは対面している開口１３を
通って等化共鳴管１１に入る。

横断面領域１０と１３が互いに対面しそれらの軸線が一
致している事実により、吸入気体の運動エネルギは、等
化共鳴管１１と閉共鳴容器１２で形成される音響振動系
中に振動を発生させるにそのまま用いられる。

この発生の間、閉共鳴容器１２は高圧の吸入気体で満た
される。

吸入気体振動のサイクルのこれに続く期間では、吸入気
体は絶えず増大する速度で給気共鳴管７の開口１０を通
って給気共鳴容器６の方向へ流れ、同時に閉共鳴容器１
２中に蓄積された吸入気体もそれ自身の圧力により、等
化共鳴管１１の開口１３を通って減衰容器８へ絶えず増
大する速度で流れ始める。

このときもまた等化共鳴管１１の開口１３から減衰容器
８へ流れる吸入気体の運動エネルギがそのまま給気共鳴
管７中の流れを発生させるに用いられる。

その結果、要するに２つの空気系、即ち給気共鳴容器６
と給気共鳴管γの間の給気振動系と等化共鳴管１１と閉
共鳴容器１２で形成される等化振動系との間に、吸入気
体の振動による非定常流が起こる。

かくして、吸入気体は吸入気体導入口９を経て減衰容器
８へほソ定常の速度で入る。

即ち、導入口９では定常流が支配的であり、減衰容器８
中ではほソ一定の圧力が支配的である。

この支配的な一定圧により、給気振動系中に起こる吸入
気体の振動に必要な条件は確保されていながら空気７’
ｆルタ（第１図中に図示されていない）の如ｉ開口９に
結合された通常の付属具を企図された如く機能させるた
めの予備条件である吸入気体導入口９における少くとも
一定に近い速度も保証される。

前述の吸入気体の２つの振動の等化に際して減衰容器８
の容積は何等の重要な割合を演じていないから、通常流
体力学で定まる要請に応ずる限り任意の小ささのもので
よい。

従って、小さい減衰容器８は内燃機関に許される利用空
間に容易に適合できるから、減衰容器を配置または設置
する構造上の難点は解消される。

さらに、既に他の一次的機能を持つ容器を減衰容器とす
ることもできる。

従って第２図に示された本発明の好適実施態様では空気
フィルタのハウジング１７が減衰容器８ａとなっている
。

第３図には、減衰容器８の吸入気体導入口９が導管１６
により、排気によって駆動されるタービンを含むターボ
チャージャであってもよい給気装置１４の圧力側１５と
通じた４気筒機関が示されている。

減衰容器８の導入口９は、前記排気タービン・ターボチ
ャージャ以外の給気装置の圧力側と連絡されてもよいこ
とを了解すべきである。

いずれにしても、導入口９に確立された近似的に一定の
吸入気体速度は給気装置１４の動作に対し有利な条件を
提供する。

もし、給気装置１４と減衰容器の吸入気体導入口９の間
に、例えば給気冷却器（第３図には図示されていない）
の如き他の慣用的な付属具が結合されるとすれば、吸入
気体の定常速度はこの付属具の動作にも有利な効果をも
たらすであろう。

吸人気体導管系に機関の操作に必要な付属具を付加する
こともできることを了解すべきである。

例えばオットー機関の場合には燃料噴射装置または燃料
気化装置あるいは吸入気体の流速を制限するバタフライ
バルブを備えることができる。

第４図には、給気冷却器１８が減衰容器８ｂ中に配置さ
れた本発明の他の好適実施態様が示されている。

この配置は、空気一水熱交換器を用いる場合特に有利で
ある。

第５図には、減衰容器８ｃが給気冷却器１８ａの給気室
をなす実施態様が示されている。

この特徴点は特に空気一空気熱交換器の場合に体積の小
さい配置を与える。

第２ないし５図に示された諸実施態様は、第１図に示さ
れた実施態様に関し記載された如く動作することを注意
すべきである。

本発明の前記記載は種々の変更、変化、応用を受けるも
のであり、それらは特許請求の範囲の記載の均等物の意
義を持ち、その範囲内に含まれるものであることが了解
されるであろう。

【図面の簡単な説明】

添付図面の第１ないし５図は４気筒ピストン型内燃機関
と組合わされた、本発明の５種の好適実施態様の略図で
ある。 １・・・シリンダブロック、２・・・シリンダ、３・・
・ピストン、４・・・吸入口、５・・・吸入導管、６・
・・給気共鳴容器、７・・・給気共鳴管、８・・・減衰
容器、９・・・吸入気体導入口、１０・・・横断面領域
（開口）、１１・・・等化共鳴管、１２・・・閉共鳴容
器、１３・・・横断面領域（開口、１４・・・給気装置
、１５・・・圧力側、１６・・・導管、１７・・・空気
フィルタのハウジング、１８・・・給気冷却器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各シリンダに各シリンダの吸入口を通して吸入気体
   を補給する吸入気体導管系；吸入行程が実質的に互いに
   重ならない関係にある最大４個の機関シリンダよシなる
   シリンダ群を含み：前記吸入気体導管系が、前記シリン
   ダ群の各シリンダの吸入口と通じている給気共鳴容器と
   、給気装置と通じている吸入気体導入口を持つ減衰容器
   と、給気共鳴容器と減衰容器の間の連通を維持する給気
   共鳴管とを含み；前記給気共鳴容器と前記給気共鳴管が
   、シリンダ群をなす各シリンダの周期的な吸入行程の効
   果により内に吸入気体の振動が発生する第１の空気振動
   系を形成しているシリンダーピストン型内燃機関におい
   て、前記吸入気体導管系が、閉共鳴容器と、該閉共鳴容
   器と前記減衰容器の間の連通を維持する等化共鳴管を含
   み；前記給気共鳴管の横断面領域が該給気共鳴管から前
   記減衰容器への導入口をなし、前記等化共鳴管の横断面
   領域が該等化共鳴管から前記減衰容器への導入口をなし
   て給気共瘍管と等化共鳴管の前記両導入口が互いに軸線
   が一致するように対面し；該閉共鳴容器と該等化共鳴管
   が、前記第１の空気振動系中に起っている振動により内
   に吸入気体の振動が起こる第２の空気振動系を形成して
   おり、且つ前記第１と第２の空気振動系の固有振動数が
   少くとも近似的に一致することを特徴とする改良された
   前記シリンダーピストン型内燃機関。 ２ 前記給気装置は、その圧力側が減衰容器の吸入気体
   導入口と通じている特許請求の範囲第１項載の内燃機関
   。 ３ 給気装置が、排気駆動タービン型ターボチャージャ
   である特許請求の範囲第１項記載の内燃機関。