JP2016098745A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】慣性過給効果が低下するのを抑制して内燃機関でのトルクが低下するのを抑制しつつ、各々の吸気管に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することが可能な内燃機関の吸気装置を提供する。【解決手段】この内燃機関の吸気装置100では、サージタンク10からエンジン110の燃焼室Rまでの吸気ポートPの長さ(全長Lp)は、慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有しており、4つのEGRガス分配管34のEGRガス導入口23は、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Veがエンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Vi以上になる位置で、かつ、吸気ポートPの流通方向の中心Oよりもサージタンク10側(上流側)の位置に設けられている。【選択図】図5
Description
本発明は、内燃機関の吸気装置に関する。
従来の内燃機関の吸気装置において、EGRガスをサージタンクに導入するとともに、吸気の脈動や共鳴を利用して燃焼室内に多くの吸気を吸入する慣性過給効果を利用する構成が知られている。ここで、慣性過給効果を発揮させるために、内燃機関の吸気装置では、サージタンクから内燃機関の燃焼室までの吸気ポートの長さをある程度確保する必要がある。このため、EGRガスをサージタンクに導入する場合には、EGRガスをサージタンクに導入してから実際にEGRガスが内燃機関の燃焼室に入るまでに時間がかかる。したがって、EGRガスのサージタンクへの導入タイミングと実際のEGRガスの燃焼室への導入タイミングとの間の時間的なずれが大きくなり、この結果、EGRガスの過渡応答性が低下するという不都合があった。
そこで、従来、複数の気筒を有する内燃機関の各々に接続される複数の吸気管にガスを分配して、各々の吸気ポートにガスを導入する内燃機関の吸気装置が提案されている(たとえば、特許文献1および2参照)。
上記特許文献1には、集合管(サージタンク)と、集合管から4つに分岐する分岐管(吸気管)と、各々の分岐管に接続され、PCVガスを分配するためのガス通路とを備える吸気マニホールドが開示されている。この上記特許文献1の吸気マニホールドでは、ガス通路は、エンジン近傍において各々の分岐管に接続されており、その結果、PCVガスは、エンジン近傍に設けられたPCVガス導入口から分岐管に導入されるように構成されている。
また、上記特許文献2には、コレクタ(サージタンク)およびシリンダヘッドに各々接続され、4つに分岐するブランチ通路(吸気管)を備える吸気マニホールドが開示されている。この上記特許文献2の吸気マニホールドでは、ブランチ通路とコレクタとの接続部分に設けられたコレクタ側フランジ部を備えており、コレクタ側フランジ部には、PCVガスが供給される分配通路と、分配通路から各々のブランチ通路にPCVガスを導入するための分岐通路とが設けられている。つまり、PCVガスは、コレクタ近傍に設けられたPCVガス導入口からブランチ通路に導入されるように構成されている。
上記した特許文献1および2に記載のPCVガス導入口の構成をEGRガス導入口の構成に適用することも可能である。
しかしながら、上記特許文献1に記載された吸気マニホールドの構成を適用してEGRガス導入口をエンジン近傍に設けた場合には、EGRガスの過渡応答性は改善するものの、エンジン近傍の吸気に働く負圧が大きい領域において、他の分岐管とガス通路を介して連通するため、所定の分岐管の吸気と他の分岐管から侵入する吸気との干渉の度合いが大きくなるという不都合がある。このため、吸気の流れが大きく乱されることに起因して慣性過給効果が低下して、エンジンの燃焼室内に取り込まれる空気の量が減少してしまい、その結果、エンジンでのトルクが低下するという問題点がある。
また、上記特許文献2に記載された吸気マニホールドの構成を適用してEGRガス導入口をコレクタ近傍に設けた場合には、所定のブランチ通路の吸気と他のブランチ通路から侵入する吸気との干渉の度合いは小さいものの、EGRガスがコレクタに逆流することに起因して、コレクタを介して別のブランチ通路にガスが流出してしまうという不都合がある。このため、各々のブランチ通路に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、慣性過給効果が低下するのを抑制して内燃機関でのトルクが低下するのを抑制しつつ、各々の吸気管に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することが可能な内燃機関の吸気装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における内燃機関の吸気装置は、複数の気筒を有する内燃機関の気筒にそれぞれ接続される複数の吸気管と、複数の吸気管の上流に配置されるサージタンクとを含む吸気装置本体と、複数の吸気管にそれぞれEGRガスを分配するEGRガス導入口を有する複数のEGRガス分配管を含むEGRガス分配通路と、を備える。この内燃機関の吸気装置では、サージタンクから内燃機関の燃焼室までの吸気ポートの長さは、慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有しており、複数のEGRガス分配管のEGRガス導入口は、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの容積が内燃機関の1サイクルの間にEGRガス分配管から吸気管に導入されるEGRガスの容積以上になる位置で、かつ、吸気ポートの流通方向の中心よりもサージタンク側の位置に設けられている。
この発明の一の局面による内燃機関の吸気装置では、内燃機関の吸入行程終了後に吸気管内に流入したEGRガスがサージタンク側に逆流したとしても、EGRガスがサージタンク内に流入する前に、内燃機関の次のサイクルの吸入行程において吸気ポート内のEGRガスが内燃機関の燃焼室に吸入されるので、EGRガスがサージタンク内に流入するのを抑制することができる。これにより、吸気ポートに分配されたEGRガスが、サージタンクを介して他の吸気ポートに流入するのを抑制することができるので、各々の吸気管に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することができる。さらに、EGRガスをサージタンクに導入しないので、EGRガスの過渡応答性が低下するのも抑制することができる。また、複数のEGRガス分配管のEGRガス導入口を、吸気ポートの流通方向の中心よりもサージタンク側の位置に設けることによって、吸気ポートの流通方向の中心よりも内燃機関側に設ける場合と比べて、EGRガス導入口を内燃機関から十分に離間した位置に設けることができるので、所定の吸気ポートと他の吸気ポートから侵入する吸気との干渉の度合いを小さくすることができる。これにより、吸気の流れが乱されて慣性過給効果が低下するのを抑制することができるので、内燃機関の燃焼室内に取り込まれる空気の量が減少するのを抑制することができる。したがって、内燃機関でのトルクが低下するのを抑制することができる。
上記一の局面による内燃機関の吸気装置において、好ましくは、複数のEGRガス分配管のEGRガス導入口は、下記式(1)によって規定される位置で、かつ、吸気ポートの中心よりもサージタンク側の位置に設けられている。
(数1)
Le=Vs×Re×C/Se・・・(1)
上記式(1)において、Leは、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの長さであり、Vsは、1気筒当たりの行程容積(=1気筒当たりの排気量)であり、Reは、内燃機関の燃焼室に吸入される気体中に含まれるEGRガスの割合としてのEGR率(100%を1とする)であり、Cは1以上の係数であり、Seは、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの断面積である。
(数1)
Le=Vs×Re×C/Se・・・(1)
上記式(1)において、Leは、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの長さであり、Vsは、1気筒当たりの行程容積(=1気筒当たりの排気量)であり、Reは、内燃機関の燃焼室に吸入される気体中に含まれるEGRガスの割合としてのEGR率(100%を1とする)であり、Cは1以上の係数であり、Seは、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの断面積である。
このように構成すれば、式(1)により規定される位置にEGRガス導入口を設けることによって、EGRガスがサージタンク内に流入するのを抑制することができるので、各々の吸気管に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、複数のEGRガス分配管のEGRガス導入口は、係数Cが1.1以上1.5以下である場合に式(1)によって規定される位置に設けられている。
このように構成すれば、EGRガス導入口を係数Cが1.1以上である場合に式(1)によって規定される位置に設けることによって、EGRガスがサージタンク内に流入するのを確実に抑制することができる。また、EGRガス導入口を係数Cが1.5以下である場合に式(1)によって規定される位置に設けることによって、EGRガス導入口の位置を吸気ポートの流通方向の中心よりもサージタンク側に確実に設けることができるので、EGRガス導入口を内燃機関から十分に離間した位置に確実に設けることができる。
上記一の局面による内燃機関の吸気装置において、好ましくは、EGRガス分配管を含むEGRガス分配通路は、下流に向かって水平または下り勾配で形成されており、EGRガス導入口は、EGRガス分配管の最下部に位置する。
このように構成すれば、EGRガスに含まれる水分が低温環境下で凝縮されることによって発生した凝縮水が、EGRガス分配通路内に滞留するのを抑制することができる。これにより、急激な内燃機関の高回転などに起因して、EGRガス分配通路に滞留した多くの凝縮水が吸気管を介して一度に燃焼室内に吸い込まれてしまうのを抑制することができる。
上記一の局面による内燃機関の吸気装置において、好ましくは、EGRガス分配通路は、吸気装置本体と一体的に設けられている。
このように構成すれば、吸気装置本体とEGRガス分配通路との間で壁を共有することができるので、吸気装置をより軽量かつ小型な形状とすることができる。
なお、本出願では、上記一の局面による内燃機関の吸気装置において、以下のような構成も考えられる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図7を参照して、本発明の一実施形態による直列4気筒のエンジン110(内燃機関の一例)の吸気装置100の構成について説明する。なお、以下では、直列4気筒のエンジン110を基準とした場合にX軸に沿って各気筒が配置されており、水平面内でX軸に直交する方向をY軸方向とし、Z軸方向を上下方向として説明を行う。
本発明の一実施形態による吸気装置100は、図1に示すように、直列4気筒のエンジン110に搭載されている。なお、エンジン110の4つの気筒は、図1の紙面奥側(X1側)から手前側(X2側)に向かってX方向(図2参照)に並んで配置されている。また、吸気装置100は、吸気装置本体1と、吸気装置本体1に取り付けられるEGRガス分配部30とから構成されている。
また、吸気装置本体1は、サージタンク10と、サージタンク10の下流に配置される吸気管部20とから構成されている。また、吸気装置本体1では、吸気路としてのエアクリーナ(図示せず)およびスロットルバルブ(図示せず)を介して吸気がサージタンク10に流入される。
サージタンク10および吸気管部20は共に樹脂(ポリアミド樹脂)製である。吸気装置本体1およびEGRガス分配部30は、各々が樹脂製の第1ピース1aと第2ピース1bと第3ピース1cと第4ピース1dとを振動溶着により接合することにより一体化されている。ここで、第1ピース1aは、サージタンク10の約半分を構成するとともに、第2ピース1bは、サージタンク10の残り約半分とサージタンク10に繋がる吸気管部20の約半分とを構成している。さらに、第3ピース1cは、吸気管部20の約半分とEGRガス分配部30の約半分とを構成している。また、第4ピース1dは、EGRガス分配部30の約半分を構成している。したがって、EGRガス分配部30は、吸気装置本体1のY1側で吸気装置本体1と一体的に設けられており、この結果、吸気装置本体1とEGRガス分配部30との間で壁1eが共有されている。
吸気管部20は、サージタンク10に蓄えられた吸気をエンジン110の4つの各気筒に分配する役割を有する。なお、吸気管部20における矢印Z2方向側がサージタンク10に接続される吸気の上流側であり、矢印Z1方向側がエンジン110(シリンダヘッド111)に接続される吸気の下流側である。
また、図2に示すように、サージタンク10は、エンジン110(図1参照)の気筒列(X方向)に沿って延びるように形成されている。また、吸気管部20は、4つの吸気管21(吸気管21a〜21d)を有しており、X1側から順に、吸気管21a、21b、21cおよび21dが並ぶように設けられている。すなわち、吸気管21a〜21dは、エンジン110の気筒列に沿って配置されており、それぞれ、対応する気筒に接続されている。
また、図2および図3に示すように、各々の吸気管21の一方端(Z2側)が、サージタンク10の側部10aに接続されている。つまり、吸気管21の上流側に、サージタンク10が配置されている。また、各々の吸気管21の他方端(Z1側)は、共通のフランジ部22を介してシリンダヘッド111にそれぞれ接続されている。また、フランジ部22は、図3に示すように、第2ピース1bに一体的に形成されている。なお、図2では、吸気装置本体1に対して紙面奥側(Y2側、図1参照)に位置するエンジン110の図示を便宜的に省略し、図3では、吸気装置本体1に対してY2側に位置するエンジン110の図示を便宜的に省略している。
エンジン110は、図1に示すように、シリンダヘッド111と、シリンダブロック112と、クランクケース113とを含んでいる。シリンダブロック112の内部には、4つの各気筒にそれぞれ対応する4つのシリンダ部112aが設けられている。このシリンダ部112aは、上下方向(Z方向)に延びるように形成されている。また、4つのシリンダ部112aには、4つの各気筒にそれぞれ対応するピストン114が上死点から下死点までZ方向に摺動可能なように配置されている。
クランクケース113の内部には、気筒列(X方向)に沿って延びるクランクシャフト115が配置されている。そして、4つの各気筒にそれぞれ対応するピストン114は、コンロッド116を介して伝達されたクランクシャフト115からの駆動力によって、シリンダ部112aをZ方向に摺動するように構成されている。
また、エンジン110の内部には、シリンダヘッド111、シリンダ部112aおよびピストン114により、4つの各気筒にそれぞれ対応する燃焼室Rが形成されている。ここで、燃焼室Rの容積Vは、ピストン114の下死点の位置における、シリンダヘッド111、シリンダ部112aおよびピストン114によって形成される空間の容積であり、一般的に、ピストン114の下死点から上死点までの行程Kにおける容積(行程容積Vs)の約1.1倍である。なお、行程容積Vsは、1気筒当たりの排気量に相当し、シリンダ部112aの断面積Ssと行程Kとから、Vs=Ss×Kとして算出される。
また、シリンダヘッド111には、4つの各気筒にそれぞれ対応する4つの吸気通路117(吸気通路117a〜117d)と、4つの排気通路118とが設けられている。吸気通路117は、燃焼室Rと吸気管21とを連通させる機能を有している。また、吸気管21と吸気通路117とにより、各気筒の吸気ポートPが構成されている。つまり、吸気管21a〜21dと吸気通路117a〜117dとにより、各気筒の吸気ポートPa〜Pdがそれぞれ構成されている。なお、吸気ポートPとは、サージタンク10と吸気管21との接続部から吸気通路117と燃焼室Rとの接続部までの領域を意味している。ここで、4つの吸気ポートPa〜Pdは略同じ形状を有しており、その結果、略同じ全長Lp(図5および図6参照)を有している。また、排気通路118は、燃焼室Rと排気ガス管130とを連通させる機能を有している。
また、シリンダヘッド111には、4つの各気筒にそれぞれ対応する4つのインテークバルブ119と、4つのエキゾーストバルブ120とが設けられている。インテークバルブ119は、吸気通路117と燃焼室Rとの接続部を開閉する機能を有している。エキゾーストバルブ120は、排気通路118と燃焼室Rとの接続部を開閉する機能を有している。また、インテークバルブ119およびエキゾーストバルブ120の上側には、それぞれ、気筒列(X方向)に沿って延びるカムシャフト121および122が配置されている。そして、カムシャフト121および122の回転により、それぞれ、インテークバルブ119およびエキゾーストバルブ120が移動することによって、各々の接続部が開閉されるように構成されている。また、シリンダヘッド111には、燃焼室R内の混合気(吸気とEGRガスとの混合気)を燃焼させるためのスパークプラグ123が取り付けられている。
また、エンジン110は、燃焼室Rから排出された排気ガスの一部であるEGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスが、吸気装置本体1およびEGRガス分配部30を介して再循環されるように構成されている。具体的には、排気ガス管130の途中には、EGRガス管140の一方端が接続されている。また、EGRガス管140の他方端は、吸気装置本体1のEGRガス分配部30に接続されている。これにより、EGRガスは、排気ガス管130から、EGRガス管140、EGRガス分配部30、4つの吸気装置本体1および吸気通路117(4つの吸気ポートP)を介して、4つの燃焼室Rにそれぞれ再度供給されるように構成されている。
また、EGRガス管140の途中には、EGRガスの再循環量を制御するEGRバルブ150が設けられている。
また、EGRガスには、水分(水蒸気)が含まれている。ここで、排気ガスから分離されたEGRガスは、通常、約100℃前後まで冷却された後、吸気装置本体1に導入される。なお、外気温が低い寒冷地の場合には、さらにEGRガスが冷却されることによって、EGRガス分配部30内に凝縮水が発生する場合がある。
また、図1および図2に示すように、EGRガス分配部30は、エンジン110に再循環されるEGRガスを各気筒に対応した吸気管21(吸気ポートP)に分配する役割を有している。この際、EGRガスは、気筒間にトルクや馬力のばらつきが生じるのを抑制するために、4つの吸気ポートP(吸気ポートPa〜Pd)に略均等に分配されるように構成されている。
また、EGRガス分配部30は、図2に示すように、EGRガス管140の他方端が接続されるフランジ部31と、EGRガスが流通するEGRガス分配通路32とを含んでいる。EGRガス分配通路32は、フランジ部31に接続される1本の主管33と、主管33から下方(Z2側)に延びる4本のEGRガス分配管34(EGRガス分配管34a〜34d)とから構成されている。EGRガス分配管34a〜34dは、X1側から順にX方向に並ぶように配置されている。これらのEGRガス分配管34a〜34dは、それぞれ、X方向に並ぶように配置された吸気管21a〜21dに接続されており、その結果、対応する吸気管21a〜21d(吸気ポートPa〜Pd)にEGRガスを分配することが可能に構成されている。なお、EGRガス分配管34a〜34dは、それぞれ、吸気管21a〜21dに設けられたEGRガス導入口23(EGRガス導入口23a〜23d)において吸気管21a〜21dに接続されている。
ここで、所定の吸気ポートPは、EGRガス導入口23およびEGRガス分配通路32を介して他の吸気ポートPと連通する。
また、主管33は、水平方向(X方向)に延びるように形成されている。また、4つのEGRガス分配管34は、図1および図3に示すように、上流側(主管33側)で下方に延びるとともに、下流側(吸気管21側)で水平方向(Y2方向)に延びるように形成されている。この結果、EGRガス分配通路32は、下流(吸気管21側)に向かって水平または下り勾配で形成されているとともに、4つのEGRガス導入口23は、各々のEGRガス分配管34の最下部に位置している。また、4つのEGRガス導入口23a〜23dは、略同じ形状を有している。
ここで、本実施形態では、図1に示すように、4つのEGRガス導入口23の各々は、吸気管21のうち、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Ve(図5の細斜線部分)が、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Vi以上になる位置Peに設けられている。
なお、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Viは、1サイクルにおいて燃焼室R内に吸入される混合気の容積(いわゆる行程容積Vs)と、その混合気中に含まれるEGRガスの割合(EGR率Re)とから、容積Vi=Vs×Reとして算出することが可能である。
ここで、エンジン110の1サイクルとは、図4に示すように、エンジン110の燃焼室R内に混合気が導入される吸入行程と、燃焼室R内の混合気が圧縮される圧縮行程と、点火された混合気が燃焼して燃焼ガスが膨張する膨張行程と、エンジン110の燃焼室Rから燃焼ガスが排気ガスとして排出される排気行程との4つの行程から構成されている。なお、吸入行程および膨張行程において、ピストン114が下死点まで下降し、圧縮行程および排気行程において、ピストン114が上死点まで上昇するように構成されている。この際、吸入行程(図5参照)においてのみ、インテークバルブ119が開かれ、排気行程においてのみ、エキゾーストバルブ120が開かれる。
ここで、吸入行程以外の3つの行程(圧縮行程、膨張行程および排気行程)では、図6に示すように、EGRガス(混合気)が燃焼室Rに吸入されないため、EGRガスが、EGRガス導入口23を介して吸気管21内に流入し続ける。その際、EGRガスは、EGRガス導入口23よりも下流側(エンジン110側)と、上流側(サージタンク10側)との双方に、吸気管21内の空気と混ざり合いながら拡散して広がる。
ここで、本実施形態のように、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Veを、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Vi以上にすることによって、吸入行程後の3つの行程の間(EGRガスが吸入されない間)においてEGRガスがサージタンク10に到達する前に、図5に示す次のサイクルの吸入行程において、EGRガスを含む混合気が下流側に吸入されるので、サージタンク10に逆流したEGRガスがサージタンク10を介して他の吸気管21に流入するのが抑制される。
また、本実施形態では、4つのEGRガス導入口23の各々は、吸気管21のうち、下記式(1)によって規定される位置Peに設けられている。
(数3)
Le=Vs×Re×C/Se・・・(1)
上記式(1)において、Leは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さ(m)であり、Vsは、1気筒当たりの行程容積(=1気筒当たりの排気量)(m3)であり、Reは、エンジン110の燃焼室Rに吸入される混合気中に含まれるEGRガスの割合としてのEGR率(100%を1とする)であり、Cは1以上の係数であり、Seは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の断面積(m2)である。なお、EGR率は、一般的に約10%以上約30%以下の範囲内になる。また、平均の断面積Seは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の直径をDeとした場合に、Se=π×(De/2)2により算出される。
(数3)
Le=Vs×Re×C/Se・・・(1)
上記式(1)において、Leは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さ(m)であり、Vsは、1気筒当たりの行程容積(=1気筒当たりの排気量)(m3)であり、Reは、エンジン110の燃焼室Rに吸入される混合気中に含まれるEGRガスの割合としてのEGR率(100%を1とする)であり、Cは1以上の係数であり、Seは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の断面積(m2)である。なお、EGR率は、一般的に約10%以上約30%以下の範囲内になる。また、平均の断面積Seは、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の直径をDeとした場合に、Se=π×(De/2)2により算出される。
ここで、吸気ポートPの長さ(Leおよび後述するLp)とは、吸気ポートPの断面方向の略中央を通り、流通方向に沿って延びる直線A(図5および図6の二重鎖線の太線)上での長さを意味している。また、EGRガス導入口23の位置Peは、直線A上のサージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLeにより規定される位置において、流通方向と直交する方向に延びる直線と、吸気管21(吸気ポートP)の側面とが交わる位置になる。
また、係数Cは、吸気ポートPに導入されてから、吸気ポートP内のサージタンク10側から供給される吸気と混ざり合うことによるEGRガスの拡散度合いと、EGRガス導入口23から下流側(エンジン110側)に拡散するEGRガスの量とを考慮して求められる。
ここで、式(1)において係数Cが1の場合は、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Veが、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Viと等しくなる位置Peに、EGRガス導入口23が設けられている場合に対応する。つまり、係数Cが1の場合に式(1)により規定される位置Peよりも下流側(エンジン110側)にEGRガス導入口23が設けられていれば、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Veが、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Vi以上になる位置PeにEGRガス導入口23が設けられていることになる。
さらに、本実施形態では、4つのEGRガス導入口23の各々は、図5および6に示すように、吸気管21のうち、吸気ポートPの流通方向の中心Oよりも上流側(サージタンク10側)の位置Peに設けられている。つまり、EGRガス導入口23は、エンジン110から十分に離間した位置に設けられている。また、4つのEGRガス導入口23の各々は、吸気管21の流通方向の中心Oiよりも上流側の位置Peに設けられているのが好ましい。これにより、より確実に、EGRガス導入口23を、エンジン110から十分に離間した位置に設けることが可能である。なお、吸気管21の流通方向の中心Oiとは、吸気ポートPのうち、エンジン110の吸気通路117を除く部分における、流通方向の中心を意味する。
ここで、エンジン近傍にEGRガス導入口を設けた場合には、吸気に働く負圧が大きい領域において他の吸気ポートとEGRガス分配部を介して連通してしまうため、所定の吸気ポートの吸気と他の吸気ポートから侵入する吸気との干渉の度合いが大きくなってしまう。この結果、吸気の流れが大きく乱されることに起因して慣性過給効果が低下してしまう。一方で、本実施形態のように、EGRガス導入口23をエンジン110から十分に離間した位置に設けることによって、吸気に働く負圧が小さい領域において他の吸気ポートPとEGRガス分配部30を介して連通したとしても、所定の吸気ポートPの吸気と他の吸気ポートPから侵入する吸気との干渉の度合いが大きくなるのが抑制される。これにより、吸気の流れが乱されるのが抑制される。なお、所定の吸気ポートPの吸気と他の吸気ポートPから侵入する吸気との干渉の度合いは、EGRガス導入口23がエンジン110から離間するに従い、略線形(1次関数的)に小さくなる。
また、4つのEGRガス導入口23の各々は、係数Cが1以上2以下の場合に、上記式(1)によって規定される位置Peに設けられているのが好ましい。なお、一般的なエンジン110では、係数Cが2である場合に上記式(1)によって規定される位置Peは、吸気ポートPの流通方向の中心Oよりもサージタンク10側(上流側)の位置になる。
また、4つのEGRガス導入口23の各々は、係数Cが1.1以上1.5以下の場合に、上記式(1)によって規定される位置Peに設けられているのがより好ましく、係数Cが1.2以上1.4以下の場合に、上記式(1)によって規定される位置Peに設けられているのがさらに好ましい。
また、図2に示すように、4つのEGRガス導入口23の各々は、共に、吸気管21のうち、流通方向において、略同じ位置(サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLeが略同じ位置)に設けられている。これにより、慣性過給効果を略同じ大きさにすることができるので、エンジン110における各々の気筒での制御が複雑になるのを抑制することが可能である。
また、本実施形態では、吸気ポートPの全長Lpは、慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有している。ここで、慣性過給効果を発揮することが可能な長さとは、少なくともエンジン110の最大トルク点において、慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有していることを意味する。ここで、エンジン110の吸気通路117ではなく、吸気管21の流通方向の長さを調整することによって、容易に、吸気ポートPの全長Lpを調整することが可能である。
具体的には、吸気ポートPの全長Lpは、下記の式(2)によって規定される長さL以上になるように形成されている。
(数4)
上記式(2)において、aは、音速(m/s)であり、θは、エンジン110のインテークバルブ119の作用角(度(deg))であり、Nは、エンジン110の最大トルク点におけるエンジン110の回転数(rpm)であり、Spは、吸気ポートP全体の平均の断面積(m2)であり、Vは、1気筒当たりのエンジン110の燃焼室Rの容積(m3)(=行程容積Vsの約1.1倍)である。なお、インテークバルブ119の作用角とは、インテークバルブ119が開状態の期間におけるクランクシャフト115の回転角度である。また、エンジン110の最大トルク点とは、エンジン110において最も大きなトルクが発生する点である。
(数4)
上記式(2)において、aは、音速(m/s)であり、θは、エンジン110のインテークバルブ119の作用角(度(deg))であり、Nは、エンジン110の最大トルク点におけるエンジン110の回転数(rpm)であり、Spは、吸気ポートP全体の平均の断面積(m2)であり、Vは、1気筒当たりのエンジン110の燃焼室Rの容積(m3)(=行程容積Vsの約1.1倍)である。なお、インテークバルブ119の作用角とは、インテークバルブ119が開状態の期間におけるクランクシャフト115の回転角度である。また、エンジン110の最大トルク点とは、エンジン110において最も大きなトルクが発生する点である。
次に、本実施形態の一例として、直列4気筒のエンジン110が、2リットルの排気量を有している場合を想定して、EGRガス導入口23の位置Peを求める。
まず、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLe(m)を求める。ここで、直列4気筒のエンジン110が2リットルの排気量を有していることにより、1気筒当たりの行程容積Vsは、Vs=(2/4)×10-3=0.5×10-3m3になる。また、EGR率Reを一般的なエンジンにおける値である25%(Re=0.25)であるとする。また、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の直径Deを、0.045mであるとする。この結果、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの平均の断面積Se(m2)は、Se=π×(0.045/2)2=1.59×10-3m2となる。
これにより、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLe(m)は、上記式(1)から、Le=0.5×10-3×0.25×C/1.59×10-3=0.0786×C(m)と算出される。
次に、吸気ポートPの全長Lp(m)を求める。ここで、直列4気筒のエンジン110が2リットルの排気量を有していることにより、1気筒当たりのエンジン110の燃焼室Rの容積V(m3)は、Vs=0.5×10-3×1.1=0.55×10-3m3になる。また、音速aを、吸気温度が50℃である場合の音速である361m/sであるとする。また、エンジン110のインテークバルブ119の作用角θを、一般的な作用角である215度(deg)であるとする。また、エンジン110の最大トルク点におけるエンジン110の回転数Nを、一般的な5000rpmであるとする。また、吸気ポートP全体の直径Deを、一般的な吸気ポートPの全体の平均直径である0.042mであるとする。その結果、吸気ポートP全体の平均の断面積Sp(m2)は、Se=π×(0.042/2)2=1.38×10-3m2となる。
この場合、吸気ポートPの全長Lp(m)は、上記式(2)から、Lp=(361×215/(12π×5000))2×(1.38×10-3/0.55×10-3)=0.43mと算出される。
これらの結果、上記一例の場合には、4つのEGRガス導入口23の各々は、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLeが0.0786m(式(1)においてC=1)以上0.215m(=Lp/2=0.43/2(m))以下の位置Peに設けられる。
また、上記一例の場合、4つのEGRガス導入口23の各々は、長さLeが0.0786m(式(1)においてC=1)以上0.157m(式(1)においてC=2)以下の位置Peに設けられているのが好ましい。また、4つのEGRガス導入口23の各々は、長さLeが0.0865m(式(1)においてC=1.1)以上0.118m(式(1)においてC=1.5)以下の位置Peに設けられているのがより好ましく、長さLeが0.0943m(式(1)においてC=1.2)以上0.110m(式(1)においてC=1.4)以下の位置Peに設けられているのがさらに好ましい。
また、上記一例の場合で、かつ、エンジン110内の吸気通路117の長さを一般的な吸気通路117の長さである0.13mであるとした場合に、吸気管21の長さは0.30(=0.43−0.13)になる。この結果、4つのEGRガス導入口23の各々は、長さLeが0.0786m(式(1)においてC=1)以上0.150m(=0.30/2)以下の位置Peに設けられるのが好ましい。
ここで、上記一例の4気筒のエンジン110の場合において、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLeに対する、EGR率Reの気筒間のばらつきを、シミュレーションにより求めた。なお、EGR率Reの気筒間のばらつきは、所定の長さLeにおいて、EGR率Reが最も大きくなった気筒のEGR率Reから、EGR率Reが最も小さくなった気筒のEGR率Reを減算することによって算出した。その結果を、図7に示す。
図7から、長さLeが100mmよりも小さい領域では、長さLeを小さくするに従い、EGR率Reの気筒間のばらつきは大きくなった。一方、長さLeが100mmよりも大きい領域では、長さLeを大きくしたとしても、EGR率Reの気筒間のばらつきはあまり変化しなかった。これにより、長さLeが100mm以上であれば、EGRガスがサージタンク10を介して他の吸気ポートPに流入するのを抑制することができ、その結果、EGR率Reの気筒間のばらつきを小さくすることができることが確認された。
ここで、上記したように、所定の吸気ポートPの吸気と他の吸気ポートPから侵入する吸気との干渉の度合いは、EGRガス導入口23がエンジン110から離間するに従い、略線形(1次関数的)に小さくなる。この結果を踏まえると、長さLeが100mmである場合が、EGR率Reの気筒間のばらつきを小さくでき、かつ、干渉の度合いも小さくできるので、慣性過給効果が低下するのを抑制してエンジン110でのトルクが低下するのを抑制しつつ、各々の吸気管21(吸気ポートP)に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制するのに最適であることが確認された。
なお、長さLeが100mmの場合は、式(1)の係数Cは、略1.3であった。このことから、式(1)の係数Cは、略1.3周辺の1以上2以下であるのが好ましいことも確認することができた。ここで、上記一例のエンジン110以外の他のエンジン110においても、式(1)の係数Cの1以上2以下の範囲にすれば、慣性過給効果が低下するのを抑制してエンジン110でのトルクが低下するのを抑制しつつ、各々の吸気管21(吸気ポートP)に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することができると考えられる。
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、4つのEGRガス導入口23の各々を、サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの容積Veが、エンジン110の1サイクルの間にEGRガス分配管34から吸気管21に導入されるEGRガスの容積Vi以上になる位置Peに設ける。これにより、エンジン110の吸入行程終了後に吸気管21内に流入したEGRガスがサージタンク10側(上流側)に逆流したとしても、EGRガスがサージタンク10内に流入する前に、エンジン110の次のサイクルの吸入行程において吸気ポートP内のEGRガスがエンジン110の燃焼室Rに吸入されるので、EGRガスがサージタンク10内に流入するのを抑制することができる。これにより、吸気ポートPに分配されたEGRガスが、サージタンク10を介して他の吸気ポートPに流入するのを抑制することができるので、各々の吸気管21に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することができる。さらに、EGRガスをサージタンク10に導入しないので、EGRガスの過渡応答性が低下するのも抑制することができる。
また、本実施形態では、複数のEGRガス分配管34のEGRガス導入口23を、吸気ポートPの流通方向の中心Oよりもサージタンク10側(上流側)の位置に設けることによって、吸気ポートPの流通方向の中心よりもエンジン110側(下流側)に設ける場合と比べて、EGRガス導入口23をエンジン110から十分に離間した位置に設けることができるので、所定の吸気ポートPの吸気と他の吸気ポートPから侵入する吸気との干渉の度合いを小さくすることができる。これにより、吸気の流れが乱されて慣性過給効果が低下するのを抑制することができるので、エンジン110の燃焼室R内に取り込まれる空気の量が減少するのを抑制することができる。したがって、エンジン110でのトルクが低下するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、上記式(1)により規定される位置にEGRガス導入口23を設けることによって、EGRガスがサージタンク10内に流入するのを抑制することができるので、各々の吸気管21に分配されるEGRガスの量にばらつきが生じるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、EGRガス導入口23を係数Cが1.1以上である場合に式(1)によって規定される位置に設けることによって、EGRガスがサージタンク10内に流入するのを確実に抑制することができる。また、EGRガス導入口23を係数Cが1.5以下である場合に式(1)によって規定される位置に設けることによって、EGRガス導入口23の位置を、吸気ポートPの流通方向の中心Oよりもサージタンク10側(上流側)に確実に設けることができるので、EGRガス導入口23をエンジン110から十分に離間した位置に確実に設けることができる。
また、本実施形態では、EGRガス分配通路32を下流(吸気管21側)に向かって水平または下り勾配で形成するとともに、4つのEGRガス導入口23を各々のEGRガス分配管34の最下部に設ける。これにより、EGRガスに含まれる水分が低温環境下で凝縮されることによって発生した凝縮水が、EGRガス分配通路32内に滞留するのを抑制することができる。これにより、急激なエンジン110の高回転などに起因して、EGRガス分配通路32に滞留した多くの凝縮水が吸気管21を介して一度に燃焼室R内に吸い込まれてしまうのを抑制することができる。
また、本実施形態では、EGRガス分配通路32を吸気装置本体1と一体的に設けることによって、吸気装置本体1とEGRガス分配通路32との壁を共有することができるので、吸気装置100をより軽量かつ小型な形状とすることができる。
また、本実施形態では、サージタンク10からエンジン110の燃焼室Rまでの吸気ポートPの全長Lpを、上記の式(2)によって規定される長さL以上にすることによって、吸気ポートPを、少なくともエンジン110の最大トルク点において慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有するように形成することができる。
なお、今回開示された実施形態および実施例(一例)は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例(一例)の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、本発明の吸気装置100を、自動車用の直列4気筒のエンジン110に搭載した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明の吸気装置を4気筒以外の複数気筒のエンジンに搭載してもよい。
また、上記実施形態では、4つのEGRガス導入口23の各々を、共に、吸気管21のうち、流通方向において、略同じ位置(サージタンク10からEGRガス導入口23までの吸気ポートPの長さLeが略同じ位置)に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、4つのEGRガス導入口の各々を、吸気管のうち、流通方向の異なる位置に設けてもよい。この際、4つのEGRガス導入口の各々を、サージタンクからEGRガス導入口までの吸気ポートの容積がエンジンの1サイクルの間にEGRガス分配管から吸気管に導入されるEGRガスの容積以上になる位置で、かつ、吸気ポートの流通方向の中心よりもサージタンク側の位置に設ける必要がある。
また、上記実施形態では、主管33を水平方向に延びるように形成し、EGRガス分配管34を、上流側で下方に延びるとともに下流側で水平方向(Y2方向)に延びるように形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、主管やEGRガス分配管を下り勾配に傾斜するように形成してもよい。
また、上記実施形態では、EGRガス分配部30を吸気装置本体1と一体的に設けた例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、EGRガス分配部を吸気装置本体とは別に設けてもよい。これにより、EGRガス分配部のみを取り換えることが可能である。
また、上記実施形態では、本発明の吸気装置100を、自動車用の直列4気筒のエンジン110に適用した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明の吸気装置10を自動車用のエンジン110以外の内燃機関(たとえば、ガソリン機関以外のガス機関(ディーゼルエンジンおよびガスエンジンなどの内燃機関))などの内燃機関の吸気装置に適用してもよい。また、ガソリン機関であるか否かに関係なく、直列4気筒のエンジン110以外のV型多気筒エンジンや水平対向型エンジンなどの内燃機関の吸気装置に本発明を適用してもよい。
1 吸気装置本体
10 サージタンク
21 吸気管
23 EGRガス導入口
32 EGRガス分配通路
34 EGRガス分配管
100 吸気装置
110 エンジン(内燃機関)
119 インテークバルブ
P 吸気ポート
R 燃焼室
10 サージタンク
21 吸気管
23 EGRガス導入口
32 EGRガス分配通路
34 EGRガス分配管
100 吸気装置
110 エンジン(内燃機関)
119 インテークバルブ
P 吸気ポート
R 燃焼室
Claims (5)
- 複数の気筒を有する内燃機関の前記気筒にそれぞれ接続される複数の吸気管と、前記複数の吸気管の上流に配置されるサージタンクとを含む吸気装置本体と、
前記複数の吸気管にそれぞれEGRガスを分配するEGRガス導入口を有する複数のEGRガス分配管を含むEGRガス分配通路と、を備え、
前記サージタンクから前記内燃機関の燃焼室までの吸気ポートの長さは、慣性過給効果を発揮することが可能な長さを有しており、
前記複数のEGRガス分配管の前記EGRガス導入口は、前記サージタンクから前記EGRガス導入口までの前記吸気ポートの容積が前記内燃機関の1サイクルの間に前記EGRガス分配管から前記吸気管に導入されるEGRガスの容積以上になる位置で、かつ、前記吸気ポートの流通方向の中心よりも前記サージタンク側の位置に設けられている、内燃機関の吸気装置。 - 前記複数のEGRガス分配管の前記EGRガス導入口は、下記式(1)によって規定される位置で、かつ、前記吸気ポートの中心よりも前記サージタンク側の位置に設けられている、請求項1に記載の内燃機関の吸気装置。
(数1)
Le=Vs×Re×C/Se・・・(1)
上記式(1)において、Leは、前記サージタンクから前記EGRガス導入口までの前記吸気ポートの長さ(m)であり、Vsは、1気筒当たりの行程容積(=1気筒当たりの排気量)(m3)であり、Reは、前記内燃機関の燃焼室に吸入される気体中に含まれるEGRガスの割合としてのEGR率(100%を1とする)であり、Cは1以上の係数であり、Seは、前記サージタンクから前記EGRガス導入口までの前記吸気ポートの断面積(m2)である。 - 前記複数のEGRガス分配管の前記EGRガス導入口は、前記係数Cが1.1以上1.5以下である場合に前記式(1)によって規定される位置に設けられている、請求項2に記載の内燃機関の吸気装置。
- 前記EGRガス分配管を含む前記EGRガス分配通路は、下流に向かって水平または下り勾配で形成されており、
前記EGRガス導入口は、前記EGRガス分配管の最下部に位置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の吸気装置。 - 前記EGRガス分配通路は、前記吸気装置本体と一体的に設けられている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の吸気装置。
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