JP2007138899A - 内燃機関の吸気通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 より好適に吸気の流量、流速及び流通方向を可変にすることが可能な内燃機関の吸気通路構造を提供する。
【解決手段】 吸気通路内に、吸気通路を外側の吸気通路Ａと内側の吸気通路Ｂとに二重構造化するとともに、インテークマニホールド１１の上流側の端部に当接する当接部を上流側の端部に有し、当接部で吸気通路Ａを開閉する可動管１を備える。可動管１は内燃機関５０が備える吸気弁５６近傍まで延伸しており、インテークマニホールド１１と当接部以外で接触しない。また、インテークマニホールド１１の上流側の端部はサージタンク１２内に突出しており、可動管１の当接部と、インテークマニホールド１１の上流側の端部とは、サージタンク１２内で互いに当接する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気通路構造に関し、特に吸気の流量、流速及び流通方向を可変にする内燃機関の吸気通路構造に関する。

内燃機関ではより好適な燃焼状態を得るために、吸気の流量、流速、流通方向等を可変にする技術が従来から提案されている。係る技術においては、吸気通路を二重構造化する例や吸気通路内にさらに別の吸気通路が形成された可動部を備える例が開示されている。例えば特許文献１では、以下に示すエンジンの制御装置が提案されている。

特許文献１が提案するエンジンの制御装置（以下、単に特許文献１の制御装置と称す）は、吸気管の固定部と、この固定部に摺動自在に収容された可動部とで形成されたスライド可変機構で吸気管の長さを変更し、エンジンの吸気充填量を変化させて、所望のエンジンの運転状態を得ようとするものである。

また、特許文献２では、以下に示す吸気ポートインジェクタを備えたディーゼル機関（以下、単に特許文献２のディーゼル機関と称す）が提案されている。特許文献２のディーゼル機関は、各気筒の吸気ポートを内外二重構造とする内側ポート管を吸気ポート内に有しており、この内側ポート管には内外を連通する貫通孔が、吸気ポートインジェクタから噴射された燃料が衝突する部分のうち少なくとも一部に形成されている。

上述の内側ポート管を有する特許文献２のディーゼル機関では、吸気ポートインジェクタが内側ポート管内に燃料を噴射するときに、吸気ポートインジェクタよりも上流側の内側ポート管内に備えた吸気流量制御弁を閉じ側に制御する。これにより、内側ポート管内の圧力が内側ポート管外の圧力よりも低くなるため、内側ポート管外を流通する吸気が貫通孔を介して内側ポート管内に流入する。特許文献２のディーゼル機関によれば、この貫通孔を介して流入する吸気を利用して、噴射した燃料が内側ポート管の内壁面に付着することを抑制し、さらには液状の燃料が内壁面を伝わって気筒内に流入しボア壁面に付着することを抑制可能である。

また、特許文献３では、以下に示す内燃機関の吸気装置（以下、単に特許文献３の吸気装置と称す）が提案されている。特許文献３の吸気装置は、主吸気通路と、この主吸気通路内で低壁に密着させて配置した副吸気通路とで吸気通路を二重構造にし、この吸気通路で気筒内に吸気を導入している。副吸気通路の下流端は、吸気弁開口の近傍のうち排気弁寄りとは反対側の部分に位置しており、この副吸気通路内には開閉弁が配設されている。この開閉弁が閉じると吸気は主吸気通路のみを流通し、さらにこの主吸気通路で気筒中心寄りに偏位された吸気は気筒軸線方向に流通する。

上述の吸気通路で気筒内に吸気を導入する特許文献３の吸気装置によれば、内燃機関の低吸気量運転域で開閉弁を閉じることでタンブル流を確実に発生させて燃焼状態を改善できるとともに、慣性過給により吸入空気量が増大する所謂チューニングポイントを、開閉弁の開閉により２段階に切り替え可能にしつつも、配設スペースが増大することを抑制可能である。

特開平６−２４１０５１号公報 特開２００５−１２０９７８号公報 特開平１０−２７４０４５号公報

ここで、特許文献１の吸気装置は上述のような可動部を備えているが、吸気管長を変更して吸気充填量を変化させるために可動部を備える点で、後述する本発明とは技術的思想が異なる。また、特許文献２のディーゼル機関は上述のような内側ポート管を備えているが、噴射した燃料の付着を抑制するために内側ポート管を備える点で、後述する本発明とは技術的思想が異なる。

一方、特許文献３の吸気装置は、吸気の流量、流速及び流通方向を可変にするために、主吸気通路と副吸気通路とで二重構造化した吸気通路を採用している点で、後述する本発明と技術的思想は同一といえる。しかしながら、特許文献３の吸気装置では、副吸気通路内に開閉弁を配置しているため、この開閉弁が副吸気通路を流通する吸気の妨げとなって流路抵抗が大きくなる分、吸気充填効率が低下する虞がある。また、特許文献３の吸気装置では、主吸気通路と副吸気通路とを区画する壁面以外の吸気通路の壁面が内燃機関のシリンダヘッドで形成されているため、輻射及び熱伝達によりシリンダヘッドから吸気に熱が直接的に伝わり、その分吸気充填効率が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、より好適に吸気の流量、流速及び流通方向を可変にすることが可能な内燃機関の吸気通路構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、吸気通路を内外二重構造化するとともに、該吸気通路の壁部に当接する当接部を有し、該当接部で二重構造化された前記吸気通路のうち外側の吸気通路を開閉する可動管を備えることを特徴とする。本発明によれば、外側の吸気通路が遮断された状態で内側の吸気通路のみに吸気を流通させる状態にし、外側の吸気通路が開放された状態で内外の両吸気通路に吸気を流通させる状態にして、吸気の流量、流速及び流通方向を可変にすることが可能である。さらに、この両状態を可動管の動作で切り替える本発明によれば、吸気通路内に吸気制御用の弁を配設しないため、弁を配設する場合と比較して吸気充填効率の低下を抑制可能である。

また、本発明は、前記可動管が、内燃機関が備える吸気弁近傍まで延伸していてもよい。ここで、吸気は外側の吸気通路が遮断された状態では内側の吸気通路のみを流通する。この状態では吸気通路が細くなるため、吸気流速が大きくなる。本発明によれば、この吸気流速が大きい状態のままで吸気を燃焼室に導くことが可能である。これにより、可動管を適宜の方向へ向けることで、外側の吸気通路が遮断された状態で高い強度で燃焼室内にタンブル流やスワール流といった旋回気流を生成することが可能である。

また、本発明は、前記可動管が、前記吸気通路の壁部と前記当接部以外で接触しなくてもよい。本発明によれば、当接部以外でシリンダヘッドから内側の吸気通路を流通する吸気に熱が直接伝わることを抑制し、吸気温度を大幅に下げることが可能である。これによって、内燃機関におけるノッキングの発生を抑制可能であるほか、吸気温度を低下させた分、吸気充填効率を向上させることが可能である。

また、本発明は、前記当接部が、前記可動管の上流側の端部に形成され、前記吸気通路の壁部のうち、該壁部の上流側の端部と当接してもよい。例えば本発明のように当接部を形成し、吸気通路の壁部と当接させることが可能である。

また、本発明は、前記吸気通路が上流側で吸気貯蔵手段と連通し、前記当接部と前記吸気通路の壁部とが、前記吸気貯蔵手段内で当接してもよい。例えば本発明のように当接部と吸気通路の壁部とを当接させることが可能である。

本発明によれば、より好適に吸気の流量、流速及び流通方向を可変にすることが可能な内燃機関の吸気通路構造を提供可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の吸気通路構造（以下、単に吸気通路構造と称す）１００の構成を、適用する内燃機関５０及び内燃機関５０の吸気系の主要な構成であるインテークマニホールド１１、サージタンク（吸気貯蔵手段）１２とともに示す図である。また、図１（ａ）では、上述の構成を外側の吸気通路Ａが開放された状態で示しており、図１（ｂ）では、上述の構成を吸気通路Ａが遮断された状態で示している。

本実施例に示す内燃機関５０は直噴ガソリン機関であるが、例えば所謂リーンバーンエンジンにも本実施例に係る吸気制御装置１００を適用可能である。また、吸気の流量、流速及び流通方向を可変にすることで混合気のミキシング性や火炎の伝播性が向上し、出力向上の効果が得られる内燃機関であれば、その他のガソリンエンジンやディーゼルエンジン等にも本実施例に係る吸気制御装置１００を適用可能である。また、内燃機関５０の気筒数や気筒の配列は特に限定されるものでなく、例えば直列４気筒であってもＶ型６気筒であってもよい。

図１に示すように、燃焼室５１は、シリンダヘッド５２とシリンダブロック５３とピストン５４とで囲まれた空間として形成されている。燃焼室５１には吸気ポート５５が連通している。吸気ポート５５は、燃焼室５１に吸気を導くための構成であり、この吸気ポート５５はシリンダヘッド５２に形成されている。また、シリンダヘッド５２には吸気弁５６が配設されている。この吸気弁５６は、吸気ポート５５の流路を開閉することによって、燃焼室５１に吸気を流入させたり、燃焼室５１への吸気の供給を遮断したりするための構成である。また、シリンダヘッド５２には排気ガスを燃焼室５１から排出するための構成である排気ポート５７が形成されており、さらにこの排気ポート５７の流路を開閉するための構成である排気弁５８が配設されている。

シリンダヘッド５２の吸気ポート５５入口部分には、インテークマニホールド１１が接続されている。このインテークマニホールド１１は、吸気ポート５５と図示しない他の吸気ポートそれぞれとに対応する独立した流路を有しており、吸気ポート５５を含めた各吸気ポートとサージタンク１２とを連通するための構成である。本実施例ではインテークマニホールド１１と吸気ポート５５を含めた各吸気ポートとでそれぞれ吸気通路を形成しており、インテークマニホールド１１と吸気ポート５５を含めた各吸気ポートとが吸気通路それぞれの壁部を有している。なお、本実施例では、吸気通路構造１００を吸気ポート５５と、インテークマニホールド１１とで形成する吸気通路で代表的に示すが、他の各吸気ポートとインテークマニホールド１１とで形成する吸気通路それぞれについても、吸気通路構造１００と同様の構造を適用可能である。

サージタンク１２は内部に吸気を溜めて吸気の脈動や干渉を防ぐための構成である。本実施例では、インテークマニホールド１１の上流側の端部をサージタンク１２内に突出させており、この上流側の端部上面はファンネル状に形成されている。

可動管１は樹脂製の略円筒状の部材であり、インテークマニホールド１１と吸気ポート５５とが形成する吸気通路を、吸気通路Ａと吸気通路Ｂとに内外二重構造化するとともに、吸気通路Ｂを開閉するための構成である。この可動管１は吸気弁５６近傍まで延伸しており、さらに可動管１の上流側の端部にはインテークマニホールド１１の上流側の端部に当接する当接部が形成されている。また、可動管１は、インテークマニホールド１１と当接部以外で接触しないよう、吸気通路の略中央に配設されている。なお、可動管１の材質は樹脂に限られず例えばアルミニウムなどであってもよいが、可動管１を駆動する際の応答性を十分に確保できるよう、また可動管１を駆動するために備えるアクチュエータ２等の駆動機構の大型化を抑制できるよう、可動管１には軽量な材料を適用することが好ましい。また、吸気通路形状や製作容易性等を鑑み、可動管１は略円筒状であることが好ましいが、これに限られず、吸気通路を内外二重構造化することが可能であれば他の適宜の形状であってもよい。

また、可動管１の上流側の端部は、吸気流路Ｂに流入する吸気に対する流路抵抗を増大させないよう以下に示すようにして形成されている。図２は、サージタンク１２内に発生する吸気の流れを、インテークマニホールド１１の上流側の端部をサージタンク１２内に突出させず、且つ可動管１を配設しない場合について流線で示す図である。なお、図２では、上流側の端部をサージタンク１２に突出させないインテークマニホールドをインテークマニホールド１１Ｘとして示している。可動管１の上流側の端部をこの図２に示す流線に沿うファンネル形状することで、吸気流路Ｂに流入する吸気に対する流路抵抗を低減することが可能である。なお、インテークマニホールド１１の上流側の端部上面も同様に、吸気流路Ａに流入する吸気の流路抵抗を増大させないよう、ファンネル状に形成されている。本実施例では、吸気通路を形成している吸気ポート５５及びインテークマニホールド１１と、可動管１とで吸気通路構造１００を実現している。

アクチュエータ２は、ＥＣＵ（electronic control unit：電子制御装置）３の制御の基、可動管１を駆動するための構成であり、アクチュエータ２には例えば電動モータなどを適用可能である。アクチュエータ２は、可動管１を上流側には図１（ａ）に示す位置まで駆動する。この位置は、内燃機関５０が必要とする最大吸気流量を確保できる位置であり、また可動管１の当接部が、吸気通路Ａに流入する吸気に対する流路抵抗となることを抑制可能な位置である。この状態で、吸気通路Ａが開放される。また、アクチュエータ２は、可動管１を下流側には図１（ｂ）に示す位置まで駆動する。この位置は、可動管１の当接部がインテークマニホールド１１の上流側の端部に当接する位置である。この状態で、吸気通路Ａが遮断される。なお、アクチュエータ２で可動管１を駆動するための駆動機構については具体例を挙げて後述する。

上述の構成で、次に、図１（ａ）に示す状態と図１（ｂ）に示す状態とでの吸気の挙動及びこれらの状態を切り替える場合の一例についてそれぞれ詳述する。図１（ａ）に示す状態では吸気通路Ａが開放されているため、吸気は吸気流路Ａ及びＢを流通してサージタンク１２から燃焼室５１に供給される。これにより、図１（ｂ）に示す状態と比較して、内燃機関５０に供給する吸気の流量をより多くすることが可能である。したがって、例えば内燃機関５０が高回転、または高負荷である場合には、図１（ａ）に示す状態に切り替えることで内燃機関５０が必要とする吸気流量を確保することが可能である。

一方、図１（ｂ）に示す状態では吸気通路Ａが遮断されているため、吸気は吸気通路Ｂのみを流通してサージタンク１２から燃焼室５１に供給される。この状態では吸気通路が細くなるため、図１（ａ）に示す状態と比較して、吸気の流量が減少する代わりに吸気の流速を大きくすることが可能である。またこの状態では、可動管１が吸気弁５６近傍まで延伸しているため、流速の大きさを維持したまま吸気を燃焼室５１に供給することが可能である。したがって、例えば内燃機関５０が低回転、低負荷である場合には、図１（ｂ）に示す状態に切り替えることで、燃焼室５１内に高い強度でタンブル流やスワール流といった旋回気流を生成することが可能である。なお、本実施例では、可動管１が、燃焼室５１の壁面のうち排気弁５８側の壁面に向かって延伸しているため、図１（ｂ）に示す状態で吸気通路Ｂを流通した吸気は、燃焼室５１内で排気弁５８側の燃焼室５１の壁面、ピストン５４冠面、吸気弁５６側の燃焼室５１の壁面で方向転換し、強度が高いタンブル流に生成される。

また、図１（ｂ）に示す状態では、シリンダヘッド５２に形成された吸気ポート５５の壁面と、可動管１との間（閉じた吸気通路Ａ）に空気層が形成される。この空気層により、シリンダヘッド５２から吸気通路Ｂを流通する吸気に伝わる熱を格段に小さく抑制可能であるため、すなわち吸気温度を大幅に下げることが可能であるため、図１（ｂ）に示す状態では、内燃機関５０におけるノッキングの発生を抑制可能であるほか、吸気温度を低下させた分、吸気充填効率を向上させることが可能である。

次に、アクチュエータ２で可動管１を駆動するための駆動機構の具体例を、図３、図４、図５を用いて詳述する。図３は可動管１を駆動するための駆動機構の第１の具体例を示す図である。図３（ａ）では、この第１の具体例を吸気通路Ａが開放された状態で示しており、図３（ｂ）では、この第１の具体例を吸気通路Ａが遮断された状態で示している。アクチュエータ２で可動管１を駆動するための駆動機構は、例えば図３に示すようなリンク機構で実現可能である。このリンク機構はリンク５及び固定ピン６を有して構成され、このリンク機構を採用するにあたっては、吸気通路内に可動管１を外周面で支持するためのガイド７を圧入する。なお、アクチュエータ２には例えばステッピングモータ等のアクチュエータを適用可能であり、これは後述する第２の具体例、第３の具体例についても同様である。

リンク５は、一端部でアクチュエータ２の回転軸２ａに固定されている。但し、回転軸２ａはアクチュエータ２の出力軸そのものでなくてよい。リンク５には矢視Ｃで示すような長穴５ａが形成され、この長穴５ａには固定ピン６が摺動自在に配設されている。この固定ピン６はさらに可動管１の上流側の端部に固定されている。駆動機構として上述のリンク機構を採用すれば、アクチュエータ２によってリンク５を回動させることで、可動管１をガイド７に沿って摺動させることが可能であり、その結果、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように吸気通路Ａを開閉することが可能である。

次に、図４を用いて駆動機構の第２の具体例について詳述する。駆動機構は、例えば図４に示すようなラック＆ピニオン方式でも実現可能である。この場合、ラックギヤ８の延伸方向を、可動管１を駆動させようとする方向と平行な方向に向けた状態で、ラックギヤ８を可動管１の上流側の端部に固定する。また、ピニオンギヤ９を、ラックギヤ８に対応させて配設する。さらに、アクチュエータ２の回転軸２ａをピニオンギヤ９の回転中心に結合する。駆動機構を上述のラック＆ピニオン方式にすれば、アクチュエータ２によってピニオンギヤ９を回転させることで、可動管１を駆動して吸気通路Ａを開閉することが可能である。

次に、図５を用いて駆動機構の第３の具体例について詳述する。ここで、図５（ａ）では、この第３の具体例を吸気通路Ａが開放された状態で示しており、図５（ｂ）では、この第３の具体例を吸気通路Ａが遮断された状態で示している。駆動機構は、例えば図５に示すような剛体支持部材１０でも実現可能である。この場合、図５（ａ）に示す位置で可動管１が吸気通路Ａを開放するように、可動管１の上流側の端部とアクチュエータ２の回転軸２ａとを剛体支持部材１０で結合する。

アクチュエータ２は、剛体支持部材１０を介して可動管１を駆動し、図５（ｂ）に示すように、可動管１に傾きを生じさせた状態で吸気通路Ａを遮断する。この第３の具体例として示す駆動機構は、可動管１の傾きをある程度許容できる場合に簡便な駆動機構として採用できるほか、図５（ａ）に示す状態と、図５（ｂ）に示す状態とで、意図的に吸気通路Ｂを流通する吸気の流通方向を可変にしたい場合にも採用可能である。以上により、より好適に吸気の流量、流速及び流通方向を可変にする吸気通路構造１００を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本実施例に係る吸気通路構造１００の構成を、適用する内燃機関５０及び内燃機関５０の吸気系の主要な構成であるインテークマニホールド１１、サージタンク１２とともに示す図である。 サージタンク１２内に発生する吸気の流れを、インテークマニホールド１１の上流側の端部をサージタンク１２内に突出させず、且つ可動管１を配設しない場合について流線で示す図である。 可動管１を駆動するための駆動機構の第１の具体例を示す図である。 可動管１を駆動するための駆動機構の第２の具体例を示す図である。 可動管１を駆動するための駆動機構の第３の具体例を示す図である。

符号の説明

１ 可動管
２ アクチュエータ
３ ＥＣＵ
５ リンク
６ 固定ピン
７ ガイド
８ ラックギヤ
９ ピニオンギヤ
１１ インテークマニホールド
１２ サージタンク
５０ 内燃機関
５１ 燃焼室
５２ シリンダヘッド
５３ シリンダブロック
５４ ピストン
５５ 吸気ポート
５６ 吸気弁
５７ 排気ポート
５８ 排気弁
１００ 内燃機関の吸気通路構造

Claims (5)

1. 吸気通路内に、該吸気通路を内外二重構造化するとともに、該吸気通路の壁部に当接する当接部を有し、該当接部で二重構造化された前記吸気通路のうち外側の吸気通路を開閉する可動管を備えることを特徴とする内燃機関の吸気通路構造。
2. 前記可動管が、内燃機関が備える吸気弁近傍まで延伸していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気通路構造。
3. 前記可動管が、前記吸気通路の壁部と前記当接部以外で接触しないことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸気通路構造。
4. 前記当接部が、前記可動管の上流側の端部に形成され、前記吸気通路の壁部のうち、該壁部の上流側の端部に当接することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の内燃機関の吸気通路構造。
5. 前記吸気通路が上流側で吸気貯蔵手段に連通し、
   前記当接部と前記吸気通路の壁部とが、前記吸気貯蔵手段内で当接することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の内燃機関の吸気通路構造。
   

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