JP2005171813A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートの分割された通路の一方を吸気制御弁で閉じて吸気流動を強化する吸気装置において、吸気制御弁の駆動力を小さく維持しつつ全開性能を確保する。
【解決手段】吸気制御弁１２の弁体１２Ａを弁体中心に設けた弁軸１２ａ周り回動自由で、かつ、クランク板２２の偏心した位置に弁軸１２ａ回動自由に軸支し、クランク板２２の回動によって弁軸１２ａを通路断面に沿って移動自由とし、吸気ポートの下側通路４Ｂを閉じる位置と、下側通路４Ｂの延長上に弁軸１２ａを位置させて弁体１２Ａを開く位置と、分割プレート１０の延長上に弁軸１２ａを位置させて弁体１２Ａを開く位置とに運転状態に応じて切り換えるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の吸気流動を制御する吸気装置に関する。

吸気ポートの通路断面を隔壁によって分割すると共に、分割された一方の通路に弁体中心部に弁軸を有した吸気制御弁を介装し、低負荷条件で前記吸気制御弁を閉じ他方の通路からのみ吸気を流通させて吸気流動を強化し、タンブル流動を生成するようにした内燃機関の吸気装置がある（特許文献１）。
特開平６−１５９２０３号公報

しかしながら、上記従来の吸気装置においては、全開運転条件で、前記吸気制御弁を開いたときでも分割された通路の延長上に位置する吸気制御弁の厚みが抵抗となって吸気充填効率を低下させ、全開性能が損なわれてしまう。
この点を考慮し、隔壁の下流端部近傍に弁軸を有し、該弁軸の片側のみに弁体を有した吸気制御弁とすれば、全開運転時には弁体が隔壁の延長上に位置し、吸気の抵抗となることを抑制できるので、全開性能を確保できる。しかし、この構造では、吸気制御弁により分割された一方の通路を閉じているときに、該閉側の通路から弁体に作用する吸気負圧によって弁軸周りに大きな閉方向のトルクを生じているので、この状態から負荷が増大して吸気制御弁を開こうとするときに開方向の大きな駆動トルクが要求され、大出力のアクチュエータを設ける必要があり、コスト高につき、レイアウトも難しくなる。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気流動を制御する吸気制御弁の駆動トルクを軽減しつつ全開性能を確保できるようにした内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、吸気ポートの通路断面を分割壁によって分割すると共に、吸気制御弁を、弁体中心部に設けた弁軸周り回動自由で、かつ、前記弁軸を前記通路断面方向に沿って移動自由に形成し、該吸気制御弁を弁駆動機構によって前記弁軸周りの回動及び弁軸の前記通路断面方向に沿った移動を制御しつつ開閉駆動する構成とした。

このようにすれば、弁体中心軸に弁軸が設けられるので、弁軸を挟んで両側の弁体に吸気圧を受けて作用するトルクが逆向きに生じて相殺されるので、開弁時の駆動トルクを軽減できると共に、全開運転時などの高出力時には、弁体を分割壁の延長上に重ねるように弁軸を移動させて全開とすることにより吸気制御弁が抵抗とならず全開出力性能も確保できる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る吸気装置を備えた内燃機関のシステム構成を示す。
内燃機関１は、気筒毎に２個ずつ吸気弁２と排気弁３を備え、これら吸気弁２と排気弁３にいたる２本ずつの吸気ポート４と排気ポート５を備える。燃焼室６頂壁の中心に点火栓７を備え、前記２本の吸気ポート４の間で下側に燃料噴射弁８を備え、ピストン９に形成されたキャビティ９ａに向けて燃料を噴射し、点火栓７で点火して燃焼するようになっている。

前記吸気ポート４内に上下に仕切る分割プレート（分割壁）１０を配設し、該分割プレート１０により上側通路１１Ａと下側通路１１Ｂとに分割する。前記分割プレート１０の下流端部に、吸気制御弁１２を配設する。該吸気制御弁１２は、弁体１２Ａの中心部に弁軸１２ａを備え、該弁軸１２ａ周りに回動して開閉するようになっている。前記吸気制御弁１２を、その弁軸１２ａを吸気ポート４の通路断面に沿って移動させながら駆動する弁駆動機構１３を配設する。該弁駆動機構１３は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４からの信号によって制御される。

図２は、前記弁駆動機構１３の構成を示す。吸気ポート４の側壁両側に外側に突出する円筒状のフランジ部２１を形成し、これらフランジ部２１にそれぞれ円板状のクランク板（クランク軸部材）２２を中心軸周り摺動回転自由に嵌合する。これらのクランク板２２には、弁軸取付孔２２ａが開けられ、これら弁軸取付孔２２ａに前記吸気制御弁１２の弁体１２Ａ中心部に設けられる弁軸１２ａの両端部を通し、該弁軸１２ａの中心軸周り摺動回転自由に取り付ける。前記弁軸１２ａの一方の端部は該クランク板２２の外側に突出するように弁軸取付孔２２ａを貫通させる。

前記弁軸１２ａ端部が外側に突出する側に以下のリンク機構を連結する。フランジ部２１側のクランク板２２の外側壁には偏心した位置にストッパピン２２ｂを植設し、該ストッパピン２２ｂと、吸気ポート４の外側壁に植設したピン２３とに両端を係止したリターンスプリング２４を設ける。該リターンスプリング２４の引っ張り力により、クランク板２２を図で時計周り回転方向に付勢し、前記ストッパピン２２ｂを吸気ポート４の外壁に設けたストッパ壁３０に突き当てることにより、該回転方向の回転量を規制する。

前記クランク板２２の外側に突出する弁軸１２ａ端部にはアーム２５を連結し、該アーム２５の一端部にはリンク２６の上端部を揺動自由に軸支し、該リンク２６の下端部に上下方向に直進動するラック２７を揺動自由に軸支する。該ラック２７の歯と噛み合わせたピニオン２８を、吸気ポート４の底壁に固定したモータ２９によって回転駆動する。
また、吸気ポート４の外側壁に、前記アーム２５の下端部両側縁と当接自由な１対のストッパ壁４ａ，４ｂを設ける。そして、アーム２５下端部の図示左側の側縁がストッパ壁４ａに当接して図で時計回り方向の回転を規制される位置で、アーム２５と弁軸１２ａを介して一体の弁体１２Ａが下側通路１１Ｂを閉じる閉位置となり、アーム２５下端部の図示右側の側縁がストッパ壁４ｂに当接して図で反時計回り方向の回転を規制される位置で、弁体１２Ａが下側通路１１Ｂの軸方向と平行となって開位置となるように、各部材を連結する。これにより、上記閉位置から開位置までの回転角範囲を、アーム２５及び弁体１２Ａが回転する。

ここで、前記ストッパ壁４ｂは、後述するように該ストッパ壁４ｂにアーム２５の下端部側縁を当接させた状態でアーム２５の回転位置を維持したまま、該アーム２５に連結されたクランク板２２を図で反時計周りに回転させることを可能とするように、該クランク板２２回転時の弁軸１２ａ中心の回転軌跡に合わせた円弧状に形成されている。この回転を滑らかにするために、アーム２５とリンク２６との連結部に適度の遊びを持たせる。なお、アーム２５を図で時計周り方向に付勢するリターンスプリングを設けてモータ２９の停止時には、弁体１２Ａが閉位置に保持されるようにしてもよい。

また、上記アーム２５と連結されたクランク板２２を、該クランク板２２の中心軸周りに回転させると、該クランク板２２の弁軸取付孔２２ａを通る弁軸１２ａのクランク板２２中心軸周りの回転（公転）が反対側のクランク板２２に伝達され、該クランク板２２も同一量回転する。
次に、上記弁駆動機構による吸気制御弁１２の一連の動作を図３も参照して説明する。

前記モータ２９が停止している状態では、前記リターンスプリング２４の付勢力によりクランク板２２は、前記ストッパピン２２ｂがフランジ部２１に設けたストッパ壁２１ａに突き当たる回転位置に保持され、弁軸１２ａは図で最も下側に位置し、下側通路１１Ｂの延長上に位置する［図３（Ｂ）参照］。
この状態で、弁体１２Ａは上記のようにクランク板２２の回転位置が保持された状態で弁軸１２ａ周りに回転して下側通路１１Ｂを開閉できる。

そして、前記アーム２５の下端部側縁が前記ストッパ壁４ａに当接する回転位置つまり弁体１２ａが開位置にある状態から、モータ２９を駆動してピニオン２８を図２で反時計回りに回転させると、ラック２７が同図で上方に動き、リンク２６を介してアーム２５、弁体１２Ａが一体に弁軸１２ａ周りを図で反時計回りに回転し、アーム２５の下端部側縁が前記ストッパ壁４ｂに当接する回転位置、つまり弁体１２Ａが下側通路１１Ｂの軸と平行に位置し最大の開度となったところで、該アーム２５の同一方向の回転が規制される［図３（Ｃ）参照］。

この状態で、モータ２９を更に同一方向に回転駆動すると、アーム２５の下端部側縁が円弧状のストッパ壁４ｂに摺動しつつ該アーム２５の弁軸１２ａ周りの回転位置を維持したまま、前記リターンスプリング２４の付勢力に抗してクランク板２２が図で反時計周りに回転し、同時に弁軸１２ａが図で上方に移動する。そして、図２に１点鎖線で示すように弁体１２Ａが分割プレート１０の延長上に位置するまで、すなわち、吸気ポート４の開口面積が最大となる全開位置まで回転する。なお、この位置で同方向の回転を規制するストッパを設けてもよい［図３（Ｄ）参照］。

上記全開位置からモータ２９を逆方向（図で時計周り方向）に回転駆動させると、上記開弁動作時と同一の経過を辿りながら閉弁する。すなわち、リターンスプリング２４の引張り付勢力により弁体１２Ａは通路軸と平行に最大開度を維持しながらクランク板２２の図で時計周り方向の回転と共に下降し、前記ストッパピン２２ｂがストッパ壁２１ａに当接するクランク板２２の回転位置で、同方向の回転が規制され、以降は、アーム２５及び弁体１２Ａが弁軸１２ａ周りに回転し、アーム２５の下端部側縁が前記ストッパ壁４ａに当接する回転位置で弁体１２Ａが下側通路１１Ｂを閉じる。

次に、運転状態に応じた吸気制御弁１２の制御（弁体１２Ａ位置の制御）について、図４，図５を参照して説明する。
低回転低負荷領域（図３のＩ）では、成層燃焼を行うが、吸入空気量が少なくガス流動が弱いのでガス流動の利用では良好な成層混合気を安定して得ることが難しい。
そこで、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように燃料噴射弁８から噴射される燃料噴霧の流動エネルギによって混合気を点火栓７周りに送り出し、安定した成層燃焼を得られるようにする。この場合、吸気制御弁１２により下側通路１１Ｂを閉じることによって吸気流に乱れを生じさせることは、燃焼のサイクルバラツキ等の影響を生じ、安定した成層燃焼を得られなくなるので好ましくない。すなわち、ガス流動のバラツキを極力無くすように、吸気制御弁１２は開とするが、さらに、吸気流の乱れをより無くせるように、弁体１２Ａを下側通路１１Ｂの延長上で通路軸と平行に位置して開となるように制御する。この位置に弁体１２Ａを制御すると、下側通路１１Ｂに導入される吸気流が下側通路１１Ｂの通路軸と平行に位置する弁体１２Ａによって流れの方向が案内付けられて整流化され、サイクルバラツキのない安定した吸気流が得られる。これにより、低回転低負荷領域Ｉで安定した成層燃焼運転を行うことができる。

一方、中高回転低負荷領域（図３のII）では、ガス流動が強くなるので、弁体１２Ａを閉じて下側通路１１Ｂを閉じることにより、吸気を強制的に上側通路４Ａのみに導入させる。これにより、図５（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ガス流動が強化されて強いタンブル流動を得ることができ、該タンブル流動によって燃料噴霧を点火栓７周りに輸送しつつ均質な混合気を得て、良好な均質燃焼運転を行うことができる。なお、図でIIＡの領域では、ＥＧＲを行ない、これより外側の回転、負荷が高い領域IIＢでは、ＥＧＲを停止する。

さらに、全開及び全開に近い高回転高負荷領域（図３のIII）では、吸気制御弁１２を弁軸１２ａ及び弁体１２Ａが分割プレート１０の延長上に位置する全開位置に制御する。これにより、弁軸１２ａ及び弁体１２Ａの厚みが分割プレート１０の厚みと重なるので、吸気ポート４の開口面積が最大となり、吸入空気量を最大限大きくして出力性能を確保できる。

なお、高回転高負荷領域IIIの図中点線より下側に示される領域は、この領域より図で上側の領域と中高回転低負荷領域との間で吸気制御弁１２の制御を切り換える場合に両領域の制御位置が切り換わる過渡領域となる。
次に、上記実施形態で示される本発明の効果を、前記特許文献１に記載されたもの及び弁軸の片側のみに弁体を有した吸気制御弁を供えたもの（以下、比較例という）と比較して説明する。

既述したように、特許文献１では全開運転時に、弁軸位置が下側通路の延長上に固定されたまま最大開度として全開にするため、吸気ポートを分割する分割壁の厚みに加えて、下側通路の延長上に位置する吸気制御弁の厚みが、吸気ポートの通路断面積を減少させて抵抗を増大させることになる。
これに対し、本発明では、上記のように全開運転時には弁軸１２ａ及び弁体１２Ａ吸気制御弁１２の厚みによる通路抵抗を減らせる分、最大吸入空気量を増大して全開出力性能を向上できる。

また、比較例では、既述したように吸気制御弁が閉じて下側通路を閉じた状態から全開位置まで弁体を回転させるときに、吸気負圧による弁軸周りの大きな閉方向のトルクに抗して開弁させるため、大きな駆動トルクを要し、大型のアクチュエータが必要となってコスト高につき、レイアウトも難しくなる。
これに対し、本発明では、開弁時の駆動トルクを十分小さくすることができる。すなわち、弁体１２Ａの中心部に弁軸１２ａを設けたので、まず、閉位置から最大開度まで弁体１２Ａを弁軸１２ａ回りに回動する際に、弁軸１２ａを挟んで両側の弁体部に吸気圧を受けて作用するトルクが逆向きに生じて相殺されるので、駆動トルクが十分小さくてすむ。また、全開位置に駆動する際に、上記のように先に弁軸位置を維持して弁体１２Ａを最大開度まで回転させた後、該最大開度を維持したまま分割プレート１１の延長上まで平行移動する構成としたため、弁体１２Ａに加わる負圧抵抗を最小限に維持しつつ全開位置まで回動され、駆動トルクを十分小さくすることができる。因みに、閉位置から急加速を行って全開位置に切り換える場合に、先に最大開度にすることなく、連続的に開度が増大する（クランク板と弁体とが一体に回転する）ようにしたのでは、弁体１２Ａ全体に作用する吸気負圧による閉弁トルクに抗した開弁駆動トルクが要求され、比較例と変わりないことになってしまう。

このように、本発明では、全開運転時の吸気抵抗を小さく抑制して最大出力を向上しつつ開弁トルクを小さく維持して小型のアクチュエータを用いてコストを低減でき、レイアウトも容易である。
なお、実施形態では、吸気ポートを上下に分割して下側通路の閉時にタンブル流動を生成するものを示したが、該タンブル流動を生成するものに限らず、吸気制御弁によって上側の通路を閉じて逆向きのタンブル流動を生成したり、吸気ポートを左右に分割して一方の通路を閉じてスワールを生成するようなものにも適用できる。

本発明に係る吸気装置を備えた内燃機関のシステム構成図。 同上吸気装置における吸気制御弁の弁駆動機構の機能を示す断面図。 同上吸気制御弁の一連の動作と各制御位置を示す図。 同上吸気制御弁の機関運転領域毎の制御位置を示す図。 低回転低負荷領域での成層燃焼運転と、中高回転低負荷領域での成層燃焼運転との混合気生成方法の相違を示す図。

符号の説明

１…内燃機関
４…吸気ポート
４Ａ…上側通路
４Ｂ…下側通路
４ａ…ストッパ壁
４ｂ…ストッパ壁
７…点火栓
８…燃料噴射弁
１０…分割プレート
１２…吸気制御弁
１２Ａ…弁体
１２ａ…弁軸
１３…弁駆動機構
１４…エンジンコントロールユニット
２２…クランク板
２２ｂ…ストッパピン
２３…ピン
２４…リターンスプリング
２５…アーム
２６…リンク
２７…ラック
２８…ピニオン
２９…モータ
３０…ストッパ壁

Claims (7)

1. 吸気ポートの通路断面を分割壁によって分割すると共に、弁体中心部に設けた弁軸周り回動自由で、かつ、前記弁軸を前記通路断面方向に沿って移動自由に形成された吸気制御弁と、前記弁軸周りの回動及び弁軸の前記通路断面方向に沿った移動を制御しつつ前記吸気制御弁を開閉駆動する弁駆動機構と、を設けたことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記弁駆動機構は、前記弁軸を前記分割壁の延長上の位置から前記分割壁で分割された通路の延長上の位置までの範囲を移動させながら吸気制御弁を駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記弁駆動機構は、機関の全開及び全開に近い高負荷運転時に前記分割壁の延長上に前記弁軸及び弁体を位置させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記弁駆動機構は、前記分割壁で分割された通路の閉時に該通路の延長上に前記弁軸を位置させて閉じるように駆動することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記弁駆動機構は、所定の運転条件では前記分割壁で分割された通路の延長上に前記弁軸を位置させつつ、前記弁体を該通路の軸方向と平行に開いて位置させることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記弁駆動機構は、前記吸気制御弁の弁体が前記分割された通路を閉じた状態からの開弁時に、前記弁体を前記分割された通路の軸と平行に開く位置まで弁軸周りに回動させた後、該弁軸の回動位置を維持したまま弁軸を分割壁の延長上に位置させるまで移動させて全開とし、該全開状態からの閉弁時には前記開弁時の動作と逆方向に動作するように構成されることを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気装置。
7. 前記弁駆動機構は、吸気ポート壁にクランク軸部材を回動自由に支持し、該クランク軸部材の偏心した位置に前記弁軸を回動自由に軸支し、前記弁軸の回動範囲を規制するストッパ機構を設け、前記弁軸端部にリンク機構を連結し、該リンク機構を駆動することにより弁体を弁軸周りに前記ストッパ機構で規制される回動範囲だけ回動し、該回動を規制された前記弁軸を介して前記クランク軸部材を回動させて弁軸を移動するように構成したこと特徴とする請求項６に記載の内燃機関の吸気装置。
   

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