JPS63109225A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、吸気慣性を広口転数範囲にわたって利用して
高速時にも低速時にも高出力を発揮するようにした内燃
機関の吸気装置に関するものである。

（従来技術及びその問題点） 近年、例えば軽自動車用等の小排気量内燃機関において
も、燃費のよいディーゼル機関を採用することが要望さ
れている。

ところで、第１０図に示すように、同一排気量であれば
ディーゼル機関のトルク特性Ｘｄは、ガソリン機関のト
ルク特性Ｘｇより低いので、排気ターボ過給機を設けて
、トルク特性Ｘｔに示すようにトルク特性Ｘｄを向上さ
せることが試みられている。

しかしながら、トルク特性Ｘｔは定格回転数等の高回転
数域では、略トルク特性Ｘｇと同等の特性を発揮するが
、低回転数域では排気ターボ過給機の過給圧が上らず、
殆んどトルク特性Ｘｄと同じ程度の性能しか発揮できな
い。このため、ディーゼル機関を搭載した軽自動車は発
進時の立上がり加速が鈍く、駿敏な走行フィーリングが
得られない。

そこで、本件発明者は機関性能向上の手段として、吸気
慣性を利用して体積効率を向上させ得ることに着目し、
広い回転数域すなわち低回転時から高回転時まで高出力
を発揮できる内燃機関の吸気装置を開発することを企図
して本発明を案出した。

この種の内燃機関の吸気装置において、特開昭５９−２
１３９２１号、実開昭５７−８３２３２号等の先行技術
が知られているが、前者では吸気管の長さを連続的にゆ
っくりと変更するので、自動車の加速時等の急速な回転
数変動に対応できないという問題がある。また、後者で
は吸気マニホールドの途中を連通或は閉塞状態に切替え
る技術が開示されているに過ぎない。

（発明の目的） 本発明は、吸気管の吸気慣性マツチング回転数を複数の
回転数域でマツチングさせて広範囲にわたって高出力を
発揮できる内燃機関の吸気装置を提供することを目的と
している。

（発明の構成） （１）技術的手段 本発明は、複数気筒の内燃機関の各気筒毎に独立して設
けられた吸気管を複数の部分吸気管に分割し、各部分吸
気管の間には全気筒間を連通ずる連通通路を設け、この
連通通路に対し、部分吸気管に開口部を設け、この開口
部を開閉した時の固有吸気脈動振動数を、内燃機関に要
求される出ノ〕特性に対応した複数の吸気慣性マツチン
グ回転数に適合するように設定し、前記連通通路に対し
前記開口部分を、内燃機関の運転状態に応じて全気筒同
時に開閉する開閉機構を設け、この開閉機構による吸気
管の吸気慣性マツチング回転数の変更で、広範囲にわた
って高出力を発揮するようにしたことを特徴とする内燃
機関の吸気装置である。

（２）作用 開閉機構で部分吸気管の間隔部分を接続或は開放状態に
切替えて、吸気管の吸気慣性マツチング回転数を変更し
て、広い回転数範囲にわたって高出力を発揮する。

（実施例） 本発明を例えば３気筒５５０ＣＣの軽自動車用ディーゼ
ル機関に採用した場合を示す第１図において、１０は機
関本体のシリンダヘッドである。このシリンダヘッド１
０には３箇所に吸気ボート１２が形成されており、各吸
気ボート１２には高回転時用の部分吸気管１４と部分吸
気管１６からなる単管式の吸気管１８が各々独立して設
けられている。

部分吸気管１４は高回転時に吸気慣性に、部分吸気管１
４の固有吸気脈動振動数がマツチングするように設定さ
れており、すなわち直径ｄ１は比較的太く、かつ長さＬ
ｌは短く設定されている。

部分吸気管１６は部分吸気管１４と比較して直径ｄ２は
細く、かつ部分吸気管１４と部分吸気管１６を合せた長
さＬ２が長く、低回転時の吸気慣性に、部分吸気管１４
と部分吸気管１６を連続した状態の固有吸気脈動振動数
をマツチングさせるようになっている。

部分吸気管１６の上流側端部にはサージタンク２０が設
けられており、サージタンク２０は排気ターボ過給機２
２のブロワ−２４に繋がっている。

このサージタンク２０は３気筒分の吸気管１８を全て連
通するように形成されている。

部分吸気管１４と部分吸気管１６は互いの間口端部の間
に所定め間隔すなわち開口部２６を形成するように互い
に対向して直列に配列されている。

３気筒分の間口部２６を連通して囲むように密閉−〇　
− された容器状の連通通路２８が設けられており、この連
通通路２８および前記サージタンク２０の容積はそれぞ
れ所定の■１、Ｖ２に設定されている。

エンジンの運転状態に応じて最適な吸気慣性を発生させ
るように吸気管の固有吸気脈動振動数を得るために、開
口部２６を開閉制御する円筒弁３０（開閉機構）が各間
口部２６に設けられている。

この円筒弁３０は略円筒状をなし、軸方向に摺動して開
口部２６を開閉する構造であり、円筒弁３０は詳しくは
後述するリンク機構で３気筒分同時に摺動して開口部２
６を開閉制御するようになっている。

第１図の吸気装置をモデル化した第２図に示すように、
高回転時には開口部２６（第１図）を開いて部分吸気管
１６と部分吸気管１４を分離し、ブロワ−２４から圧送
される過給吸気をサージタンク２０を介して３本の部分
吸気管１６から連通通路２８に供給し、連通通路２８か
ら各部分吸気管１４に流通させる構造である。

この状態では高回転時に適合した吸気装置を構成し、直
径ｄ１が太く、長さＬｌが短くなって０るので、部分吸
気管１４の固有吸気脈動振動数も高周波数であり、高回
転時に吸気慣性による体積効率の向上が著しい。したが
って、第３図に示すように、この高回転時用の吸気装置
ではビークＰｈを比較的高回転時に発生する特性ｖｈを
発揮する。

円筒弁３０で開口部２６を塞ぎ、部分吸気管１４と部分
吸気＠１６を接続して長さＬ２の吸気管を形成した場合
には、ブロワ−２４（第１図）からの過給吸気はサージ
タンク２０を介して直接に各部分吸気管１６の上流側端
部に流れ込む。この低回転時に適合した吸気装置では、
直径ｄ２が細く、かつ長さＬ２が長くなり、体積効率η
Ｖ−機関回転数Ｎのグラフである第３図のビークＰｆＪ
を有する特性■βを発揮する。なお、Ｃは開口部２６の
開閉切換点であり、Ｃ以下では円筒弁３０は開口部２６
を塞いで低回転域用の吸気管を提供し、Ｃ以上の回転数
域では円筒弁３０を開いて開口部２６を開口し、部分吸
気管１４だけの高回転域用の吸気管を提供するようにな
っている。

また、吸気管１８は第１図、第２図のように２本の部分
吸気管から構成される場合に限らず、第２ａ図のように
連通通路２８の上流側に連通通路２８ａを設けて吸気管
１８を長さＬ３の長さまで伸ばしく直径ｄ２は同じ）、
第３ａ図のＣ１、Ｃ２で連通通路２８内の円筒弁３０、
連通通路２８ａ内の円筒弁３０ａを切換えて、ビークＰ
ｈを右する特性Ｖｈ１ビークｐｍを有する特性ＶＩ１１
１ピークＰ力を有する特性Ｖりを発揮するように体積効
率ηＶが高い部分でエンジンを運転するようにしてもよ
い。

更に、第２ｂ図に示すように、径が直径ｄ３で細く、長
さＬ３まで伸びた部分吸気管１６ａを繋いだ場合のよう
に、第３ｂ図の体積効率ηＶの更に高い部分を使用する
ようにしてもよい。

第１ａ図を参照して前記円筒弁３０を軸方向に摺動させ
るリンク機構を説明する。第１ａ図中で、各吸気管１８
に設けられた略円筒状の円筒弁３〇には、半径方向外方
に張り出したフランジ３１が形成されている。このフラ
ンジ３１にフォーク３２を係合させ、フォーク３２で円
筒弁３０を軸方向すなわち第１ａ図の紙面の直角方向に
摺動するようになっている。

各フ、オーク３２は、軸３３と一体に回動するように連
結されており、金気筒の円筒弁３０を同時摺動させる構
造になっている。軸３３の図中の左端部にはアーム３４
が固定されており、このアーム３４を回動することによ
って軸３３、フォーク３２が回動される（第１Ｃ図）。

なお、アーム３４はエンジン回転数を検出してアーム３
４を回動する周知のアクチュエーター（図示せず）等に
連結している。

第１ａ図のｂ−ｂ断面図である第１ｂ図に示すように、
円筒弁３０のフランジ３１の上面には前記フォーク３２
が係合しており、フランジ３１の下面には連通通路２８
の下面２８ａとの間に圧縮コイルスプリング３５が介装
されている。したがって、フォーク３２が回動駆動され
ない低回転時には圧縮コイルスプリング３５のばね力で
円筒弁３０全体が上方へ付勢されており、開口部２６を
塞ぐように連通通路２８の上面２８ｂに圧接している。

更に、第１ｄ図に示すように、円筒弁３０を形成すうろ
こともできる。この第１ｄ図では中心線を挟んでそれぞ
れ別の構造を図示している。

次に、高回転時用と低回転時用に吸気慣性を切換えるよ
うにした場合の部分吸気管１４．１６の各部の寸法の選
択について説明する。第１図中で、直径ｄ１の部分吸気
管１４の開口断面積をＡＯ１開口部２６の断面積をＡと
する。なお、３気筒のエンジンの場合、ある１気筒が吸
入工程にある時には他の気筒は吸入工程ではないので、
１本の部分吸気管１４には３本の部分吸気管１６から過
給吸気が流入する。

この時、Ａ／ＡＯの値を１．０〜１．２に設定するのが
、流路抵抗を少なくするために好ましい。

なお、圧力的に高回転時に吸気慣性効果を発揮させなく
する従来の場合には、Ａ／ＡＯの値は０．１〜０．４に
設定されるのが通例である。

また、吸気管の異径比すなわちｄｌ　／ｄ２の値は次の
条件に基づいて決定する。まず、流量係数をη、シリン
ダ数をｎとした場合に、流路抵抗を少なくづ゛るには、
次の（１）式を満足することが必要である。

（π／４）ｄ　　　≦ηＸｎ×（π／４）ｄ２・・・（
１） この（１）式から ｄ２／ｄ１≧１／ＶＦ−ｎ　　　　　・　（２＞が得ら
れる。

例えばη−０．７〜１．Ｏ，ｎ＝３の場合には、（２）
式の値は０．６９〜０．５８になる。

次に、管内流速から流路抵抗を少なくするために、定格
回転数をＮ１、吸気慣性マツチング回転数をＮ２とする
と、 Ｎ２／Ｎｌ幻（ｄ２　　・π／　４）／　（ｄｌ　　　
・π／４）・・・（３）の条件を満たすことが必要であ
り、この（３）式％式％ が得られる。例えばＮ１＝　　５００Ｏｒｐｍ、Ｎ１＝
　２００Ｏｒｐｍ。

を代入すると、 ｄ２　／ｄ１　＃０．６３　　　　　・・・（５）にな
る。

更に、吸気管内流速ｖ−３５〜５５ｍに設定するのが適
当である。

最後に、吸気管長さを部分吸気管１４も部分吸気管１６
と同等とみなして慣性過給特性数７３は、Ｚｓ　−（π
／３０　）　　−（Ｎ／ａＯ）　ｒ（Ｖｓｔ　−Ｌｓ）
　／Ａ・・・（６） Ｎ：機関回転数ｒｐｍ。

ａＯ：音速７１７．／５ ＶＳｔ：行程容積ｍ”　／ＣＶＩ ＬＳ　：吸気管長さ Ａ：吸気管断面ＴｒＬ２ で得られる。したがって、各数値を代入すると高回転時
用の部分吸気管１４だけの場合も、部分吸＝　１３− 気管１４と部分吸気管１６を連結した低回転時用の場合
もＺｓは０．４６〜０．５２になる。

以上の各数値決定条件によって、実際の３気筒５５０Ｃ
Ｃの軽自動車用ディーゼルエンジンの吸気装置を設計し
た場合の各部の数値は、 ｄｌ　＝２４〜２８φ、Ｌ１＝３５８ｍｄ２＝１８φ、
　　　　Ｌ２＝１２７４ｍ連通通路２８の容積　Ｖｌ　
＝０．９．１１サージタンク２０の容積　Ｖ２＝２．Ｏ
βに設定するのが最適である。

第１図の場合は高回転時にも低回転時にも高出力を発揮
するように設定されているが、前述のようにディーゼル
エンジンの場合は発進時の立上がり加速が鈍いので、低
回転時を特に重視したセツティングの場合を第４図で説
明する。

第４図中で、部分吸気管１４も部分吸気管１６と同じ直
径ｄ２に設定されており、低回転時の吸気慣性を第１図
の場合より更に強力に発揮し得るようになっている。

また、高回転時には、連通通路２８内の円筒弁３０を開
いて、ブロワ−２４による過給圧でエンジン出力を向上
させる。したがって、第４図の場合には部分吸気管１４
内の吸気脈動を減衰させて、ブロワ−２４の過給圧で出
力を向上させるので、長さＬｌをできるだ【プ短くした
い。

そこで、第５図に示すように連通通路２８を部分吸気管
１４のシリンダヘッド１０に近接した位置に配置する。

この場合、連通通路２８の内部の円筒弁３０は第５ａ図
に示すように、バタフライ弁形の円筒弁３０として部分
吸気管１４の開口部４２を開閉するようになっている。

更に第５ｂ図、第５Ｃ図に示すように、シリンダヘッド
１０の内部に連通通路２８、開閉弁形の円筒弁３０を設
けてもよい。

次に、比較的長さが長くなる吸気管１８をコンパクトに
まとめて、エンジン全体の外形を小型化する技術につい
て第６図で説明する。

第６図中で矢印Ｆは軽自動車の進行方向前方である。シ
リンダヘッド１０に隣接して略円筒状のサージタンク２
０が配置されており、このサージタンク２０にはブロワ
−２４（第６ａ図）が繋がっている。サージタンク２０
には吸気管１８の一部である部分吸気管１６の上流側端
部が連通している。部分吸気管１６はサージタンク２０
の・外壁４４に一体に形成されており、サージタンク２
０の周囲を囲むように巻き付ｔノられている。

なお、部分吸気管１６は外壁４４に一体の場合に限らず
、別体でもよい。

第６ａ図中のサージタンク２０の右上部には連通通路２
８が配置されており、この連通通路２８内には前記円筒
弁３０が内蔵されている。更に連通通路２８の下流側に
は、部分吸気管１４が接続しており、部分吸気管１４は
シリンダヘッド１０の吸気ボート１２〈第１図）に繋が
っている。

以上のように吸気管１８、サージタンク２０、連通通路
２８を配置すると、エンジン全体の外形が小型化され、
エンジンを狭隘な軽自動車のエンジンルームに搭載し易
くなる。

更に、第１図、第４図に示すような吸気装置では、前記
（２）式の条件を満足できないような極低回転用のセツ
ティングを要求される場合には、第７図に示すように、
サージタンク２０と連通通路２８の間を短絡する短絡通
路３６を設けて、極低回転用のセツティングを得ること
も可能である。

この第７図の場合では、高速機関にもががわらず、部分
吸気管１６を要求される機関の仕様に適合した細い直径
ｄ２に設定できるので、吸気慣性による過給効果が極低
速域まで働く。したがって、従来ではＮ／Ｎｏの回転比
が０．７〜０．８であったのが、略０．４にまで吸気慣
性が働く。

更に、直径ｄ２を細くできるので、 １−ｅ−πＪ（Ｌ−Ｖ）／Ａ で表される等価管長１ｅが短い。

次に作用を説明する。以上のような吸気装置において、
第１図の場合には、機関回転数Ｎと給気圧ｐａの関係を
表す第８図に示すように、ブロワ−２４だけを設けた従
来の吸気装置の特性Ｋｏに対して、円筒弁３０を開いて
部分吸気管１４を使用した高回転用の場合には特性に１
を発揮し、円筒弁３０をとじて部分吸気管１４と部分吸
気管１６を連結して使用した場合には特性に２を発揮す
る。

また、第９図に示すように体積効率ηＶは、それぞれ特
性ＶＯ１Ｖ１、Ｖ２を発揮する。したがって、第１図の
場合には、円筒弁３０は切換点Ｃで閉塞状態から開放状
態に切換わるので、Ｃ以下では特性ｖ２を発揮し、Ｃ以
上で特性ｖ１を発揮し、高回転時にも低回転時にも体積
効率ηＶが高くなり、広い回転数域にわたって高出力を
発生する。

（発明の効果〉 以上説明したように本発明による内燃機関の吸気装置で
は、例えば３気筒の内燃機関の各気筒毎に独立して設け
られた吸気管１８を複数の部分吸気管１４．１６に分割
し、各部分吸気管１４．１６の間には全気筒分を連通す
る連通通路２８を設け、この連通通路２８に対し、部分
吸気管１４．１６に間口部２６を設け、この開口部２６
を開閉した時の固有吸気脈動振動数を、内燃機関に要求
される出力特性に対応した複数の吸気慣性マツチング回
転数に適合するように設定し、前記連通通路２８に対し
前記開口部２６を、内燃機関の運転状態に応じて全気筒
同時に開閉する円筒弁３０（開閉機構）を設け、この円
筒弁３０による吸気管１８の吸気慣性マツチング回転数
の変更で、広範囲にわたって高出力を発揮するようにし
たので、次の効果を奏する。

円筒弁３０で部分吸気管１４．１６の開口部２６を接続
或は開放状態に切替えて、吸気管１８の吸気慣性マツチ
ング回転数を変更することができ、第９図に示すように
高回転時にも低回転時にも体積効率ηＶを向上させるこ
とができ、機関は広い回転数範囲にわたって高出力を発
揮することができる。

高回転時には、吸入行程にある１本の部分吸気管１４に
３本の細い部分吸気管１６から過給吸気が流入するので
、流路抵抗が小さくなり、高回転時用に好適である。

円筒弁３０を軸方向に摺動させるだけで瞬時に吸気管１
８を、部分吸気管１４だけの高回転状態と部分吸気管１
４．１６を連結した低回転状態に切換えることができ、
レスポンスが良好になる。

（別の実施例） （１）　本発明は、必ずしも排気ターボ過給機２２を備
えた場合に限らず、排気ターボ過給機２２を使用しない
無過給型機関にも適用できる。

（２）　本発明は、ディーゼル機関に適用される場合に
限らず、ガソリン機関等の他の内燃機関にも適用できる
。

（３）　本発明の開閉機構は、円筒弁３０に限らず、第
９ａ図に示すように部分吸気管１４．１６の回動で開閉
する長孔１００にしてもよい。

また、連通通路は、必ずしも密閉型である必要はなく、
少なくとも開口部２６を連通できるものであればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した３気筒デイ一ゼル機関の吸気
装置を示す構造略図である、第１ａ図はリンク機構を示
す第１図のａ−ａ断面図、第１ｂ図は第１ａ図のｂ−ｂ
断面図、第１Ｃ図は第１ａ図のＣ矢視図、第１ｄ図は円
筒弁の別の実施例を示す構造略図、第２図は第１図をモ
デル化した構造略図、第２ａ図は別の実施例を示す構造
略図、第２ｂ図は更に別の実施例を示す構造略図、第３
図は第２図のディーゼル機関の回転数一体積効率特性を
示すグラフ、第３ａ図は第２ａ図の場合の回転数一体積
効率特性を示すグラフ、第３ｂ図は第２ｂ図の場合の回
転数一体積効率特性を示すグラフ、第４図は各部分吸気
管の直径を同じにした場合の吸気装置の構造略図、第５
図は第４図の場合の連通通路を示す構造略図、第５ａ図
は第５図の要部縦断面図、第５ｂ図は第５ａ図の別の実
施例を示す構造略図、第５Ｃ図は第５ｂ図のＣ−Ｃ断面
図、第６図は機関外形を小型化した場合の機関を示す平
面図、第６ａ図は第６図のａ矢視部分破断図、第７図は
極低速マツチングの場合に好適な別の実施例を示す構造
略図、第８図は機関回転数−給気特性を示すグラフ、第
９図は機関回転数一体積効率特性を示すグラフ、第９ａ
図は開閉機構の別の実施例を示す構造略図、第１０図は
従来の場合の機関回転数−トルク特性を示すグラフであ
る。１０・・・シリンダヘッド、１４．１６・・・部分
吸気管、１８・・・吸気管、２０・・・サージタンク、
２４・・・ブロワ−，２６・・・間口部、２８・・・連
通通路、３０・・・円筒弁、３２・・・フォーク特許出
願人　ヤンマーディーゼル株式会社ｔｉ　　　　　　ｒ
ハ／＋　　　　１６第７０図 回灘ム１り；　Ｎ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数気筒の内燃機関の各気筒毎に独立して設けら
   れた吸気管を複数の部分吸気管に分割し、各部分吸気管
   の間には全気筒間を連通する連通通路を設け、この連通
   通路に対し、部分吸気管に開口部を設け、この開口部を
   開閉した時の固有吸気脈動振動数を、内燃機関に要求さ
   れる出力特性に対応した複数の吸気慣性マッチング回転
   数に適合するように設定し、前記連通通路に対し前記開
   口部分を、内燃機関の運転状態に応じて全気筒同時に開
   閉する開閉機構を設け、この開閉機構による吸気管の吸
   気慣性マッチング回転数の変更で、広範囲にわたって高
   出力を発揮するようにしたことを特徴とする内燃機関の
   吸気装置。
2. （２）各部分吸気管の長さと管断面積は、吸気管の上流
   側に向かって、長さは長くかつ管断面積は小さくなるよ
   うに順次に配列されている特許請求の範囲第１項記載の
   内燃機関の吸気装置。
3. （３）各部分吸気管の長さと管断面積は、吸気管の上流
   側に向かって、長さが長くかつ管断面積が小さくなるよ
   うに順次に配列されている特許請求の範囲第１項記載の
   内燃機関の吸気装置。
4. （４）部分吸気管の最も上流側の開口端部は、サージタ
   ンクを介して過給機のブロワーに繋がっている特許請求
   の範囲第１項記載の内燃機関の吸気装置。