JP5369045B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、吸気流の流れ方向および流速を制御することにより、燃焼室内での縦渦（ダンブル）流を強化した内燃機関の吸気装置に関する。

特許文献１には、吸気ポート内に気流制御弁および仕切り板を備えた内燃機関の吸気装置が提案されている。この発明の気流制御弁は、中央部に切欠きを有し、運転条件により吸気ポートの閉制御を行う。この閉制御により、吸気ポート内で偏流を発生させ、燃焼室（気筒）内でダンブル流を発生させる。このとき気流制御弁を通過する気流が切欠きに集中するため、切欠きがない場合に比べ偏流が促進され、さらにダンブル流を強化できる。

また、特許文献２には、吸気通路の中央近傍に支軸をもつ気流制御弁を備えた内燃機関の吸気装置が開示されている。この気流制御弁は、運転条件により回転制御され、その回転方向に従い吸気ポート内に所定の流路を形成し、吸気ポート内に偏流を発生させ、燃焼室内でダンブル流を発生させる。このとき支軸が気流制御弁の中央近傍にあるため、支軸の回転方向にかかるトルクが相殺されるため小さい。この結果、角度保持および回転駆動に必要な駆動モータにかかる負荷を小さくできるとともに角度制御の信頼性が高くなる。

特開２００６−２８３６９６号公報 特開２００７−１３５８４０号公報

特許文献１に記載の発明では、気流制御弁の回転を端の支軸で支持しているため、支軸に回転トルクが発生しアクチュエータの負荷が高くなり、信頼性確保のためのコストが上がる。また、切欠きにより偏流を中央部に集中させる構成であるが、開口率が大きい制御の場合は効果を発揮しにくくなる。
特許文献２に記載の発明では、アクチュエータの負荷は軽いが、全開、略全閉、半開の３種類の開度制御しかできない。このため、運転条件に見合った無段階の開度が設定できず、燃焼室内でダンブル流を発生させる性能が劣る。
また、いずれの発明でも、気流制御弁の周りは、弁の移動範囲の吸気通路の側面が平らである必要があるため、最も一般的な横長の長円形断面のインポートを備えた内燃機関では、大きな設計変更を必要とする。

この発明の目的は、一般的な横長の長円形断面の吸気ポートを有する内燃機関においても、連続的に開度制御ができ、全ての開口率にて最適な偏流を形成できる吸気装置の提供にある。すなわち、この発明では、気流制御弁の形状を適正に設定することにより、性能とコストとを両立させ、吸気流の流れ方向および流速を最適に制御し、燃焼室内での縦渦（ダンブル）流を強化する。これにより、広範囲の運転条件において、燃焼室内の燃料、空気およびＥＧＲガスの混合を均一化でき、大量のＥＧＲを実現しても機関の安定した運転が可能となる。この結果、内燃機関の燃費が向上できる。

請求項１に記載の発明では、断面が横長の略長円形をしている吸気ポートを有する内燃機関の吸気装置であって、吸気ポートの上流側に、吸気ポートの入口と略同一の断面形状を有する吸気通路と、左右両側が回転支軸により、吸気通路の縦方向の略中央位置において支持された気流制御弁とを備える吸気制御機構を付設した内燃機関の吸気装置において、気流制御弁は、吸気通路の下半分の内周壁に倣った断面を有するとともに、先端（下流側端部）に向かって高さ漸減する左右の側壁部と、先端部に切欠きを有する底板部とを備えた弁板と、左右の側壁部の基端部（上流側端部）に連結された前記左右の回転支軸とからなり、内燃機関の運転条件に応じて、弁板を、底板部が吸気通路の底壁に当接する位置から先端部が吸気通路の天井壁に近接する位置まで回動させることを第１の特徴とする。
そして、気流制御弁の上記基端部の外側と、吸気通路の内壁との間に、基端部の断面外形に沿った略Ｕ字形の補助板を左右の回転支軸に連結して配するとともに、気流制御弁と連動させ、気流制御弁と吸気通路の内壁との隙間を塞いだことを第２の特徴とする。

この発明では、吸気通路の下半分の内周壁に倣った断面を有し、先端部に切欠きを有する気流制御弁を、内燃機関の運転条件に応じて回動させている。吸入空気は、この半ノズル形状の気流制御弁により、吸気ポートの上側に絞られて増速し吸入空気流を形成する。この増速された吸入空気流は、吸気口から燃焼室に吸引され、吸気口と反対側のシリンダライナ（燃焼室側壁）に衝突して下降し、吸入行程で下位に位置するピストンの上面で燃焼室の中心側に偏向してタンブル流が形成される。気流制御弁を、内燃機関の運転条件に応じて連続的に制御することで、全ての運転条件に応じて、強力なタンブル流が形成でき、希薄燃焼においても安定した運転を確保でき、燃費の向上、エミッションの改善が可能となる。

以上のように、本発明は、吸気通路の下半分の内周壁に沿った断面を有した場合を例に説明しているが、吸気通路の上半分の内周壁に沿った断面を有する気流制御弁であって、吸気通路を吸気ポートの下側に絞る構成でも効果に違いはない。なお、吸気通路の絞り部を下側にするか上側にするかは、エンジン毎によって異なる設計因子である。以下の実施例では、吸気通路の上側を絞る構成を例に説明する。

内燃機関の燃焼室の概略断面図である。 吸気制御機構の断面図および気流制御弁の斜視図である。 吸気制御機構の正面図である。 内燃機関の燃焼室の概略断面図である。 内燃機関の燃焼室の概略断面図である。 実施例２の気流制御弁の斜視図および側面図である。 実施例３の気流制御弁の斜視図および平面断面図である。

発明を実施するための形態を、図に示す実施例とともに説明する。ただし、実施例１、３は、本発明が適用されていない例を示す参考例であり、実施例２は、本発明が適用された例を示す。

図１は、この発明の実施例１にかかる内燃機関の吸気装置の概略断面を示し、Ｃはシリンダボディ、ＣＨはシリンダヘッド、Ｐはピストンである。シリンダヘッドＣＨには、吸気口２１を介して燃焼室（気筒）１に連通する吸気ポート２、および排気口３１を介して燃焼室１に連通する排気ポート３が設けられている。吸気口２１および排気口３１には、それぞれ吸気バルブ２２および排気バルブ３２が設置され、内燃機関の吸入行程、圧縮行程、着火、燃焼行程、排気行程などの運転に応じた所定のタイミングで開閉される。燃焼室１の天井部には略中央に点火装置１１が取り付けられている。

この内燃機関には、排気路３３からＥＧＲガスを吸気ポート２に供給するためのＥＧＲ通路４が付設されている。ＥＧＲ通路４の吹出口４１は、吸気ポート２の上側壁面２３に開口しており、ＥＧＲ通路４にはＥＧＲバルブ４２が介装されている。ＥＧＲバルブ４２は、内燃機関の運転条件に応じて開閉される。

吸気ポート２は、この実施例では、横長で略長円形断面を有する（図３参照）。この吸気ポート２は、各燃焼室１毎に２つの吸気バルブ２２を備えた内燃機関で多く採用されている。吸気ポート２と、吸気マニホールド１２との間には、この発明の要旨である吸気制御機構５が介装されている。

吸気制御機構５は、図１、図２の（イ）、図３に示す如く、内部が吸気通路５１となっているダクト５２、およびアクチュエータ５７を備える。ダクト５２（吸気通路５１）は、吸気ポート２の入口断面と略同一の横長で略長円形断面を有する。すなわち、吸気通路５１の断面は、縦（図示上下）方向の略中間位置が最大幅となている。

ダクト５２内には、吸入空気を偏向、増速させるための気流制御弁６が回動自在に設置されている。ダクト５２は左右対象的であり、略円筒面となっている左右の両側壁５３、５３、略平坦な底壁５４、および略平坦な天井壁５５を有し、長手方向（吸気通路５１方向）には締結用のフランジ５６、５６が設けられている。

気流制御弁６は、図２の（イ）、（ロ）に示す如く、ダクト５２の縦（図示上下）方向の略中間位置を貫通して配された左右の両回転支軸（支軸）６１、６１と、両支軸６１、６１に連結された弁板６２とを有する。弁板６２は、ダクト５２の左右の両側壁５３、５３に倣って湾曲した略三角板状の左右の側板部６３、６３と、ダクト５２の底壁５４に倣って平板状を呈する底板部６４からなる。図２の（イ）に示す如く、底壁５４の両端部を除く部分は、底板部６４の厚さ（高さ）と略同等分だけ吸気ポート２（図１参照）の入口の下端（底壁５４の両端部）より下位に設定されている。

側板部６３、６３は、図２の（ロ）に示す如く略円筒面板であるとともに、図２の（イ）に示す如く側面形状が略三角形状を呈する。側板部６３、６３の一つ頂点である基部６５、６５が両支軸６１、６１に連結されている。側板部６３、６３は、基部６５、６５から下方に延び、長さが両支軸６１、６１から底壁５４までの高さと同等の上流側辺６６、６６を有する。側板部６３、６３は、下流側に延長した長辺６７、６７を有し、長辺６７、６７は下流にいくに従って底板部６４に漸近している。側板部６３、６３の側面形状は、基部６５の頂角αは、９０度〜１１０度、先端角βは１５度〜４５度の範囲が実用的である。

底板部６４には、上流側辺６６、６６から下流側に両支軸６１、６１と同一中心を有数する円筒面部６８が設けられている。円筒面部６８は、ダクト５２の底壁５４に接触ないし近接するように設定されており、弁板６２の回動位置にかかわらず、底壁５４と弁板６２（円筒面部６８）との隙間から吸気が洩れることを阻止している。なお、底板部６４が円筒面部６８を備えず、平板である場合は、弁板６２の回動により、底壁５４と弁板６２との隙間から吸気が洩れる不具合が生じる。

底板部６４の先端部（下流側端）６９には、中央部に切欠き６０が設けられている。切欠き６０は、この実施例では、横長のスリット上であるが、底板部６４の先端部６９に矩形、円形など他の形状の切欠きを設けてもよく、底板部６４の先端部６９以外の先端部にスリット、矩形、円形などの穴を開けた構造であってもよい。

図４、図５とともに、作用を説明する。図４、図５は、いずれも吸入行程にある内燃機関の吸気装置を示す。支軸６１には、アクチュエータ５７が連結され、エンジン制御装置（ＥＣＵ）により内燃機関の運転条件にあわせて支軸６１が回転する。支軸６１の回転により、気流制御弁６が回動して吸気通路５１の開度調整が行われる。この実施例では、支軸６１の回転にともない、弁板６２は、底板部６４が底壁５４に当接した全開位置から、先端部６９が天井壁５５に近接する最強絞り位置まで回動する。

気流制御弁６は、内燃機関の高負荷、高速運転時には、図示二点鎖線の全開位置に設定されている。この状態では、弁板６２は、ダクト５２の底壁５４に埋没しているため、吸気抵抗になる不具合が防止されている。これは、底壁５４が底板部６４の厚さ（高さ）分だけ吸気ポート２の入口の下端より下位に設定されていることにより達成される。

内燃機関が予め決められた運転条件になると、ＥＣＵからの信号によりアクチュエータ５７が作動し、支軸６１を右回転させ、弁板６２は、図示実線の如く吸気通路５１を狭める位置に回動する。低負荷、低速運転など、吸気の流速が小さく、点火装置による着火条件の悪い運転条件のときは、図４に実線で示す如く、弁板６２は先端部６９が天井壁５５に近接する位置に設定される。

これにより、吸気流Ｆは白抜き矢印の如く、弁板６２の先端部６９の切欠き６０を通過して燃焼室１に吸引される。吸気流Ｆは、底板部６４の上面に沿って流れ、流路の断面積が漸減するため徐々に増速される。切欠き６０の位置で流路の断面積が最小となるため、吸気流Ｆの流速はこの位置で最大となり、吸気ポート２の上側壁２３に沿った流速の早い噴流状態となる。

この際に、気流制御弁６には、吸入空気流から通気抵抗が加わる。弁板６２は、両支軸６１、６１により、縦方向の略中間位置で支持している。このため、弁板６２に加わる外力は支軸６１の上下で相殺され、両支軸６１、６１に大きな回転トルクＴが大きくなることは阻止される。この結果、弁板６２の姿勢の保持および回動に要するアクチュエータ５７の負荷が高くなる不具合は、確実に低減される。

この増速された吸気流Ｆは、吸気口２１を通過し、燃焼室１の中央部に吸引される。燃焼室１に吸引された吸気流Ｆは、燃焼室１の左側側壁１３に沿って下降し、さらにピストンＰに衝突して中心方向に変更する。この結果、燃焼室１内には、全体に虚力なタンブル（縦渦）流Ｄが形成される。また、内燃機関が予め決められた運転条件になると、ＥＧＲバルブ４２が開き、ＥＧＲ通路４にＥＧＲガスが流れ、吹出口４１から吸気ポート２へＥＧＲガスが流入する。これにより、燃焼室１内は、吸気（新気）、ＥＧＲガス、噴射された燃料の混合が均一になり、点火装置１１による着火性が向上し、内燃機関の安定した運転が確保できる。

図５は、内燃機関が中負荷、中速運転されている状態の、吸気装置を示す。燃焼室１は吸気行程にあり、吸気流Ｆの流速は中程度である。気流制御弁６は、弁板６２の先端部６９が吸気通路５１の中央付近に設定されている。この運転条件においても、吸気流Ｆは板６２に沿って吸気通路５１の上半に集中し、増速されて吸気ポート２の上側に噴流となっって流入し、燃焼室１内に吸引されてタンブル流Ｄを形成する。このため大量のＥＧＲを行っても、出力が維持され、燃費の向上が実現する。なお、この場合も、弁板６２に加わる外力は支軸６１の上下である程度相殺され、両支軸６１、６１に大きな回転トルクＴが生じることは阻止される。

図６は、実施例２にかかる気流制御弁７を示し、気流制御弁７は主弁板７１と、吸気流の漏れを防止するための補助弁板７２、７３、７４からなる。主弁板７１は、弁板６２（図１参照）と略同一の構造を有する。図６の（イ）および（ロ）に示す如く、補助弁板７２、７３、７４は、ダクト５２の左右の両側壁５３、５３に倣って湾曲した略左右の側板部７２ａ〜７４ａと、ダクト５２の底壁５４に倣って平板状の底板部７２ｂ〜７４ｂとを有し、主弁板７１の基部７５とダクト５２の内壁との間に重ねて配されている。

補助弁板７２、７３は、主弁板７１の回動に伴い、遅れて従動して回動し、図６の（ロ）に示す如く、主弁板７１の基端７５と、底壁５４との隙間を塞ぎ、吸気の漏れを阻止する。この構成では、実施例１の弁板６２（図１参照）の如く、底板部６４（図１参照）に円筒面部６８（図１参照）を設ける必要はなく、気流制御弁６（図１参照）が図２の（イ）に示す如く全開状態において、底板部６４の後端が通気流路５１内にでぱって通気抵抗が増大する不具合が低減できる。

図７の（イ）は、実施例３にかかる気流制御弁８を示し、気流制御弁８は、実施例１の気流制御弁６と略同一構造を有するが、弁板８２の先端部に２つの切欠き８０、８０を備える。図７の（ロ）に示す如く、２つの切欠き８０、８０は、燃焼室１のシリンダヘッドＣＨに設けられた２つの吸気口２１、２１に指向している。２つの切欠き８０、８０を通過した吸気の噴流Ｆ１、Ｆ２は、それぞれ独立的に２つの吸気穴２１、２１へ吸引される。この結果、２つの吸気口２１、２１を備えた内燃機関おいて、燃焼室内でのタンブルをより強力に形成できる。

この発明の内燃機関の吸気装置では、広範囲の運転条件において、燃焼室内に強力なタンブル流を確実に形成できる。このため、アイドリング運転など低負荷、低速運転においても、安定した着火、燃焼を実現することが可能で、ＥＧＲを最大限まで増大でき、燃費が向上する。

Ｃ シリンダボディ
ＣＨ シリンダヘッド
１ 燃焼室
２ 吸気ポート
２１ 吸気口
２２ 吸気バルブ
３ 排気ポート
４ ＥＧＲ通路
４１ 吹出口
４２ ＥＧＲバルブ
５ 吸気制御機構
６、７、８ 気流制御弁

Claims (1)

1. 断面が横長の略長円形をしている吸気ポートを有する内燃機関の吸気装置であって、
   前記吸気ポートの上流側に、該吸気ポートの入口と略同一の断面形状を有する吸気通路と、左右両側が回転支軸により、前記吸気通路の縦方向の略中央位置において支持された気流制御弁とを備える吸気制御機構を付設した内燃機関の吸気装置において、
   前記気流制御弁は、前記吸気通路の下半分の内周壁に倣った断面を有するとともに、先端（下流側端）に向かって高さ漸減する左右の側壁部と、先端部に切欠きを有する底板部とを備えた弁板と、前記左右の側壁部の基端部（上流側端部）に連結された前記左右の回転支軸とからなり、
   内燃機関の運転条件に応じて、前記弁板を、前記底板部が前記吸気通路の底壁に当接する位置から前記先端部が前記吸気通路の天井壁に近接する位置まで回動させるものであり、
   前記気流制御弁の前記基端部の外側と、前記吸気通路の内壁との間に、該基端部の断面外形に沿った略Ｕ字形の補助板を前記左右の回転支軸に連結して配するとともに、前記気流制御弁と連動させ、前記気流制御弁と前記吸気通路の内壁との隙間を塞いだことを特徴とする内燃機関の吸気装置。

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