JPS63248917A - 過給機付エンジンの吸気装置 - 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］ 本発明は過給機付エンジンの吸気装置に関し、特に８．
５以上の高い幾何学的圧縮比で吸気遅閉じとしながらも
気筒間の吸気オーバーラツプを防止して吸気共鳴効果に
より充填効率を高めるようにした吸気装置に関する。

〔従来技術〕

従来、例えば実開昭５６−１７１６３０号公報にも記載
されているように、エンジンの吸気系に過給機を介設し
て吸気の充填効率を高めるようにしたものが種々知られ
ている。上記過給機としては排ガスで駆動されるターボ
過給機、エンジン出力軸で駆動される機械式過給機等が
一般に用いられる。

そして、これら過給機付エンジンでは、燃焼安定性の確
保のための適度の圧縮比を確保しながら、高過給時のノ
ッキング防止を図るために、一般にエンジンの幾何学的
圧縮比が７．５〜８，５、吸気弁は少なくとも上死点前
に開かれまた下死点後２０〜４０°の時期に閉じられる
ようになっている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来、過給機付エンジンではノッキング防止の為８．５
以下の低い圧縮比に設定されているので、エンジンのサ
イクル熱効率が低くなるばかりでなく、高過給域におい
ては排ガス温度低減の為出力上の要求燃料よりもリッチ
混合気にする必要がある。そのため、過給機付エンジン
では、燃費が悪化し、特に高負荷域での燃費が悪化する
。

また、低負荷域においては吸気負正によるボンピングロ
スが大きく、そのため燃費改善が妨げられている。

そこで本発明出願人は、過給機付エンジンにおイ仔 いて、エンジンの幾何学的圧縮比を８．５以上の間圧縮
化に設定するとともに、吸気ボートの実質的閉弁時期を
下死点後５０°以上の遅い時期に設定したものを先に提
案している。（特願昭６１−２８２６２４号公報参照） ところが、上記のように吸気ボートの実質的閉弁時期を
下死点後５０°以上に遅らせて他の気筒の吸気ボート開
時期とオーバーラツプさせると、吸気通路内に発生する
圧力波を気筒間で利用して過給を行う吸気共鳴効果を行
う場合には、他気筒の吸気ポート開により干渉されて上
記共鳴効果が十分に得られないおそれがあった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る過給機付エンジンの吸気装置は、過給機付
エンジンにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比を８．５
以上の高圧縮比に設定するとともに、吸気ボートの実質
的閉弁時期を下死点後５０°以上の遅い時期に設定し、
少なくとも吸気共鳴効果を利用する所定の運転領域にお
いて気筒間の吸気オーバーラツプを防止する吸気オーバ
ーラツプ防止手段を設けたものである。

尚、上記吸気ボートの実質的閉弁時期とは吸気弁がバル
ブリストＷｋ　１　ｍまで閉弁したときの時期をいうも
のとする。

〔作用〕

本発明に係る過給機付エンジンの吸気装置においては、
エンジンの幾何学的圧縮比が８．５以上の高圧縮比に設
定され、かつ吸気ボートの実質的閉弁時期を下死点後５
０゛以上の遅い時期に設定するので、過給量の多い高負
荷高速域では有効圧縮比が低く設定されるものの幾何学
的圧縮比に応じて膨張比が高くなり、これによりサイク
ル熱効率が高まりかつ排気ガス温度が低減する。

一方、少な（とも吸気共鳴効果を利用する所定の運転領
域において気筒間の吸気オーバーラツプを防止する吸気
オーバーラツプ防止手段を設けたので、上記所定の運転
領域では気筒間の吸気オーバーラツプが生じることはな
く、吸気共鳴効果により吸気の充填効率を高めることが
出来る。

〔発明の効果〕

本発明に係る過給機付エンジンの吸気装置によれば、以
上説明したように、過給量の多い高負荷高速域において
有効圧縮比を低く抑えてノッキングを防ぎながら、高い
膨張比によりサイクル熱効率を高め且つ排気ガス温度を
低減させることが出来る。

加えて、気筒間の吸気オーバーラツプを防止することに
より吸気共鳴効果を利用して吸気充填効率を高めエンジ
ン出力・トルクを向上させることが出来る。

〔実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

〈第１実施例〉　（第１図〜第５図参照）第１図に示す
ように、■型６気筒過給機付エンジンＥ０は、第１気筒
１ａと第３気筒ＩＣと第５気筒１ｅを有する第１バンク
２Ａと、第２気筒１ｂと第４気筒１ｄと第６気筒１ｆを
有する第２バンク２Ｂとを備えており、エアクリーナ３
から延びる吸気通路４は、メイン吸気通路５と、サージ
タンク６と、サージタンク６から分岐した第１バンク２
Ａの吸気マニホールド７Ａと、サージタンク６から分岐
した第２バンク２Ｂの吸気マニホールド７Ｂからなり、
両吸気マニホールド７Ａ・７Ｂの合流通路８には夫々ス
ロットル弁９が介設され、これらスロットル弁９はアク
セルペダルに連動連結され、両吸気マニホールド７Ａ・
７Ｂの各分岐通路は対応する吸気ボート１０に接続され
ている。また、第１バンク２Ａには排気マニホールドＩ
ＩＡがまた第２バンク２Ｂには排気マニホールドＩＩＢ
が設けられている。

上記メイン吸気通路５には上流側から順にエアフローメ
ータ１２とエンジンで駆動される機械式過給機１３とイ
ンタクーラ１４とが介設され、またメイン吸気通路５に
は過給機１３とインククーラ１４とをバイパスするバイ
パス通路１５が設けられ、バイパス通路１５にはその通
路を開閉するバイパス弁１６が介装され、バイパス弁１
６はエアフローメータ１２よりも下流側のメイン吸気通
路５に負圧導入通路１７を介して接続されたダイヤフラ
ム式アクチュエータ１６ａにより開閉駆動され、負圧導
入通路１７にはその通路を開閉する電磁弁１８が介装さ
れており、過給の必要のない低負荷時には過給機１３が
電磁クラッチを介して停止されるとともに電磁弁１８が
開かれてバイパス弁１６が開かれ、またそれ以外の過給
を要する時にはバイパス弁１６が閉じるようにコントロ
ールユニットにより電磁弁１８と電磁クラッチとが制御
される。

上記吸気マニホールド７Ａの合流通路８と吸気マニホー
ルド７Ｂの合流通路８とを連通ずる連通路１９が設けら
れ、連通路１９にはシャツタ弁２０が介設され、シャツ
タ弁２０はダイヤフラム式アクチュエータやソレノイド
式アクチュエータで開閉駆動されエンジン回転数が所定
回転数（例えば、４０００ｒｐｍ）以上のときにシャツ
タ弁２０が開くようにコントロールユニットによりアク
チュエータが制御される。

上記第１〜第６気筒１ａ〜１ｆの夫々は幾何学的圧縮比
が８．５以上の高圧縮比に予め設定されており、各吸気
弁（図示路）は第２図に示すような開口特性となるよう
にその動弁機構が設定されている。即ち、従来装置にお
ける吸気弁の開口特性（二点鎖線Ａ）では上死点（ＴＤ
Ｃ）前約２０〜１０°頃開弁開始し下死点（ＢＤＣ）後
２０〜４０°頃閉弁するように設定されているが、本案
の開口特性（実線Ｂ）では上死点後（Ａ’ｌ’ＤＣ）約
２０°以上の遅い時期に開弁開始しまた下死点後（ＡＢ
ＤＣ）５０°以上の遅い時期に閉弁するようになってい
る。但し、開弁とはバルブリフト量が１■まで開いた実
質的開弁のことであり、また閉弁とはバルブリフトｆｉ
ｌｔが１ｆｌまで閉じた実質的閉弁のことである。

上記６気筒エンジンＥ０における点火順序は第１気筒１
ａ→第２気筒１ｂ→第３気筒１ｃ→第４気筒１ｄ→第５
気筒１ｅ→第６気筒１ｆの順であり、各吸気弁が上述の
ような開口特性を有しているので、例えば第１バンク２
Ａの３つの気筒１ａ・ＩＣ・１ｅの吸気弁作動特性は第
３図のようになり、第２バンク２Ｂの３つの気筒１ｂ・
１ｄ・１ｆの吸気弁作動特性も位相はシフトしているが
同様になる。つまり、吸気弁の閉弁時期を遅らせると各
バンク２Ａ・２Ｂにおける気筒間の吸気オーバーラツプ
が生じやす（なるが、吸気弁の開弁開始時期も遅らせる
ことにより吸気オーバーラツプを防止するようになって
いる。

上記過給機付エンジンＥ。においては、幾何学的圧縮比
は従来の過給機付エンジンと比べて大幅に高く設定され
ているけれども、吸気ポート閉時期が遅く設定されてい
るので、有効圧縮比は適度に引下げられる。このことに
ついて従来装置と比較して示すと、第４図のようになる
。

この図において、破線の斜線を付した範囲Ｃは従来の過
給機付エンジンにおける場合のもの、実線の斜線を付し
た範囲りは本実施例のエンジンにおける幾何学的圧縮比
および吸気ポート閉時期によって有効圧縮比を適度に設
定した場合のものである。従来の過給機付エンジンでは
、幾何学的圧縮比が７．５〜８．５、吸気ポート閉時期
がＡＢＤＣ（下死点後）２０〜４０°程度に設定されて
お一す、この範囲で高過給時のノッキング防止および燃
焼安定性の確保のための適度の有効圧縮比が得られるよ
うにしている。これに対し、本実施例のエンジンでは幾
何学的圧縮比を８．５以上の高圧縮比とする一方、吸気
ポート閉時期をＡＢＤＣ５０°以上に遅く設定すること
により、有効圧縮比を例えば従来装置と同程度にするこ
とができる。あるいは、幾何学的圧縮比を高くすると隙
間容積が小さくなって残留ガスの減少により燃焼安定性
が高められるので、有効圧縮比を従来装置よりも低く設
定することもできる。有効圧縮比は第４同に示す所定範
囲り内とすることが望ましく、そのため幾何学的圧縮比
と吸気ポート閉時期の設定にあたっては、両者の関係が
第５図に斜線を付して示した範囲Ｅとなるように、幾何
学的圧縮比を高くするほど吸気ポート閉時期の遅れを大
きくすればよい。

上記のように有効圧縮比を適度に引下げることによりノ
ッキングを防止できるとともに、幾何学的圧縮比が高く
設定されているので膨張比は高くなり、これによってサ
イクル熱効率が高められるため燃費が改善される。

更に、有効圧縮比と比べて膨張比が高くなることにより
、膨張時に排気温度を引下げる作用が得られるため、高
負荷高速時にも、従来装置のようにリッチ混合気にしな
くとも、排気温度上昇を抑制して排気系の信頼性を確保
することができる。

また、低中負荷域において従来装置よりも吸気負圧が小
さくなるようにスロットル弁８等を調整しておけば、過
剰に吸入した混合気がＢＤＣ以後の吸気ポート開口中に
吸気ポートに戻されるので、吸気負圧に起因したポンピ
ングロスを低減することが出来る。

尚、本願の吸気装置を備えたエンジンと、従来の過給機
付エンジンと、無過給エンジンとについて実験した結果
、本願のものでは燃費が低減し、吸気負圧が小さくなっ
て吸入ボンピングロスが低減し、排気ガス温度も従来の
過給機付エンジンと比べて低下していることが実証され
た。

上記のように吸気弁の閉弁時期を遅くすると、圧縮行程
の初期に吸気ボート１０への吹き返しが生じやすいが、
本実施例の吸気装置では吸気弁の開弁開始時期を遅らせ
ることにより各バンク２Ａ・２Ｂの気筒間の吸気オーバ
ーラツプを防止して吸気共鳴効果（動的充填作用）によ
り充填効率を確保して高い出力及びトルクが得られる。

即ち、高速回転域においてはシャツタ弁２０が開かれ、
吸気弁の開放によって燃焼室から吸気ボート１０へ伝播
した吸気負圧波は吸気マニホールド７Ａ・７Ｂ内を上流
側へ音速で伝播し、連通路１９で反転しその反転正圧波
が下流側へ伝播し吸気弁が閉じる直前に吸気ボート１０
の下流端へ到達するので、上記吹き返しが抑制され適度
の充填効率が得られる。上記反転正圧波が吸気ポー１−
１０側へ伝播して来たときに当該吸気マニホールド７Ａ
・７Ｂに接続された他の吸気ボート１０は実質的に閉じ
ていて吸気オーバーラツプがないので反転正圧波は他の
気筒へ吸収されることはない。

第３図の曲線Ｆは吸気共鳴が最も顕著になったときの吸
気の圧力波形を示すもので、エンジン回転数をＮ　ｒ　
ｐ　ｒｎとしたときにエンジンの吸入周波数ｆ、＝　（
Ｎ／６０）ｘ　（３／２）が吸気マニホールド７Ａ・７
Ｂの固有周波数ｆ。に略等しくなるようなエンジン回転
数Ｎのときに顕著な吸気共鳴が起り、その正圧波は吸気
弁の閉弁時にピーク値となるので吸気の吹き返しが効果
的に抑制され、充填効率が向上する。

低速回転域のときにはシャツタ弁２０が閉弁され吸気負
圧波はサージタンク６で反転するという点で異なるのみ
で、上記同様に吸気動的充填作用が得られる。

尚、この第１実施例の場合、吸気弁が遅く開弁開始する
ように設定された動弁機構でもって吸気オーバーラツプ
防止手段が構成されていることになる。

く第２実施例〉　（第６図・第７図参照）この第２実施
例は、本発明を立型４気筒過給機付エンジンＥ＋に適用
した場合のもので、第６図において前記第１実施例と同
一機能を果すものに同一の符号を付して説明を省略する
。このエンジンＥ、において各気筒１ａ〜１ｄの幾何学
的圧縮比は８．５以上に高く設定され、且つ第７図に示
すように各吸気弁はＡＴＤＣ２０°以上の遅い時期に開
弁開始されるとともにＡＢＤＣ５０°以上の遅い時期に
閉弁するようになっている。

この吸気装置の作用については、前記第１実施例の場合
と略同様なので説明を省略する。

〈第３実施例〉　（第８図・第９図参照）この第３実施
例は、本発明を２吸気弁・２排気弁の４弁の立型４気筒
過給機付エンジンＥ２に適用した場合のもので、第８図
に示すように各気筒１ａｘｌｄは主吸気ポート１０ａと
副吸気ポート１０ｂとを有し、これら主吸気ポート１０
ａは夫々分岐吸気通路１０Ａによりサージタンク６に接
続され、これら副吸気ポート１０ｂは夫々分岐吸気通路
１０Ｂによりサージタンク６に接続され、各分岐吸気通
路１０Ｂにはシャツタ弁２１が介装され、これら４つの
シャツタ弁２１は共通の弁軸を介してコントロールユニ
ットで制御されるダイヤフラム式アクチュエータやソレ
ノイド式アクチュエータにより開閉駆動され、これらシ
ャツタ弁２１はエンジン運転状態が第１０図の低負荷低
速域Ｉと高負荷中速域Ｈのときに閉弁されるようになっ
ている。領域■では吸入量が少ないのでシャツタ弁２１
を開く必要がなく、領域１１では吸気の吹き返しを防ぎ
動的充填作用を促進するためにシャツタ弁２１が閉じら
れる。

尚、第８図において符号２２は排ガスターボ過給機、符
号１４はインタークーラ、符号１１は排気マニホールド
、その他第１実施例のものと同一機能のものには同一符
号を付しである。

各気筒１ａ〜１ｄの幾何学的圧縮比は８．５以上に高く
設定してあり、第９図に示すように各主吸気ボート１０
ａを開閉する主吸気弁はＴＤＣ後かなり遅く開弁開始し
ＢＤＣ後５０°以上の遅い時期に閉弁するようにその動
弁機構が設定されており、また各副吸気ボート１０ｂを
開閉する副吸気弁はＴＤＣ前に開弁開始し主吸気弁と同
時に閉弁するようにその動弁機構が設定されている。

このように、シャツタ弁２１を閉じた状態では気筒間の
吸気オーバーラツプが生じないようになっているので、
第１０図の領域Ｈの運転状態のときには吸気動的充填作
用を利用して主吸気ポート１０ａへの吹き返しを防止し
充填効率を冑め、出力及びトルクを高めることが出来る
。

尚、この実施例の場合、シャツタ弁２１を開閉すること
により副吸気ボート１０ｂを閉しるように構成したが、
シャツタ弁２１を省略し副吸気ボート１０ｂを開閉する
副吸気弁を閉弁状態に停止させるような機構、を用いて
もよいし、或いはシャツタ弁２１を省略し副吸気弁の開
弁開始タイミングを切換えるような機構を設けてもよい
。

〈第４実施例）（第１１図参照） この実施例は、本発明を■型６気筒過給機付エンジンＥ
３に適用した場合のもので、気筒間の吸気オーバーラツ
プが生じないような吸気マニホールド構造を採用したも
のである。即ち、このエンジンＥ、の点火順序が第１気
筒１ａ→第２気筒１ｂ→第３気筒ＩＣ→第４気筒１ｄ→
第５気筒１ｅ→第６気筒１ｆの順であるとすると、第１
気筒１と第４気筒１ｄの為の吸気マニホールド７Ｃと、
第２気筒ｌｂと第５気筒１ｅの為の吸気マニホールド７
Ｄと、第３気筒１ｃと第６気筒１ｆの為の吸気マニホー
ルド７Ｅとが設けられ、これら吸気マニホールド７Ｃ〜
７Ｅはサージタンク６より分岐している。

このような吸気マニホールド構造を採用することにより
、気筒間の吸気オーバーラツプが起り得なくなるので、
吸気弁がＴＤＣ前より開弁開始するようにしてもよい。

尚、その他の点については第１実施例と同様なので説明
を省略する。この実施例では、上記点火順序との関連に
おいて決定された上記の吸気マニホールド構造によって
吸気オーバーラツプ防止手段が構成されていることにな
る。

く第５実施例〉　（第１２図参照） この実施例は、本発明を立型４気筒過給機付エンジンＥ
、に適用した場合のもので、第４実施例と同様の考え方
により気筒間の吸気オーバーランプが生じないような吸
気マニホールド構造を採用したものである。即ち、この
エンジンＥ４の点火順序が第１気筒１ａ→第３気筒ＩＣ
→第４気筒１ｄ→第２気筒ｌｂの順であるとすると、点
火順序において隣接していない第１気筒１ａと第４気筒
１ｄの為の吸気マニホールド７Ｆと、第３気筒ＩＣと第
２気筒ｌｂの為の吸気マニホールド７Ｇとが設けられ、
両吸気マニホールド７Ｆ・７Ｇの合流吸気通路８ａ・８
ｂはメイン吸気通路５から分岐し、両合流吸気通路８ａ
・８ｂは分岐部よりも下流側においてシャツタ弁２０を
存する連通路１９で連通連結されている。このような吸
気マニホールド構造を採用することにより気筒間の吸気
オーバーラツプが起り得なくなるので、吸気弁がＴＤＣ
前より開弁開始するようにしてもよい。

尚、その他の点については第１実施例と同様なので説明
を省略する。この実施例では、上記点火順序との関連で
決定された上記の吸気マニホールド構造によって吸気オ
ーバーラツプ防止手段が構成されていることになる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図〜第５図は
第１実施例を示し第１図は■型６気筒過給機付エンジン
の吸気装置の構成図、第２図は吸気弁の開口特性図、第
３図は第１バンクの吸気弁作動特性などを示す動作タイ
ムチャート、第４図は幾何学的圧縮比と吸気ボート閉時
期とをパラメータとして有効圧縮比を示す説明図、第５
図は幾何学的圧縮比をパラメータとして吸気ボート閉時
期を示す説明図、第６図・第７図は第２実施例を示し第
６図は第１図相当図、第７図は第３図相当図、第８図〜
第１０図は第３実施例を示し第８図は第１図相当図、第
９図は第３図相当図、第１０図はシャツタ弁を閉弁する
運転領域を示す説明図、第１１図は第４実施例を示すも
ので第１図相当部分図、第１２図は第５実施例を示すも
ので第１図相当部分図である。 ４・・吸気通路、　　６・・サージタンク、　　７Ａ〜
７Ｇ・・吸気マニホールド、　　１０・１０ａ・１０ｂ
・・吸気ポート、　　１３・・過給機、２１・・シャツ
タ弁、　　２２・・排ガスターボ過給機。 特　許　出　願　人　　マツダ株式会社幾町学的圧縮比 第５図 幾１学的圧縮比 第７図 □□□−−−］ ′丁°−１７，２−″″−−−−゛８　　　　□　　　
［４漏−一＼＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　−７・′／第１Ｑ図 一一一一 一、■ −へ＼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）過給機付エンジンにおいて、 エンジンの幾何学的圧縮比を８．５以上の高圧縮比に設
   定するとともに、吸気ポートの実質的閉弁時期を下死点
   後５０°以上の遅い時期に設定し、少なくとも吸気共鳴
   効果を利用する所定の運転領域において気筒間の吸気オ
   ーバーラップを防止する吸気オーバーラップ防止手段を
   設けたことを特徴とする過給機付エンジンの吸気装置。