JP5536526B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、吸気ポートが隔壁によって区画された内燃機関（エンジン）の吸気装置に関するものであり、とくに燃焼室内でのＥＧＲ（排気ガス再循環）ガスと吸入空気（新気）との分布の改善にかかわる。

特許文献１に記載の発明では、吸気ポートおよび排気ポートのそれぞれをタンブルプレートで区画し、吸気側タンブルプレートの上流端に吸気制御弁を設け、排気側タンブルプレートの下流端に排気制御弁を設けた筒内噴射式内燃機関が提案されている。この発明は、ＥＧＲ導入時は、それぞれの気流制御弁を閉じて、吸入空気およびＥＧＲガスの流れを制御し、筒内に空気の多い部分とＥＧＲガスの多い部分とを形成する。これにより、点火装置での点火は空気の多い部分で行い、確実に混合気に点火することが可能となる。この結果、大量のＥＧＲを実現し燃費を向上させる。

また、特許文献２に記載の発明では、吸気ポートを仕切り板により上下に分割し、空気制御弁により上側吸気ポートの流量を減少させて燃焼室内での縦スワールの生成を抑制するとともに、下側吸気ポートの下側壁部にＥＧＲガスの吹出し口を開口させた内燃機関エンジンの燃焼制御装置が開示されている。この発明では、ＥＧＲ導入時は空気制御弁を閉じ、下側吸気ポートのみに吸気が流れ、ＥＧＲガスは下側吸気ポートのみに供給される。これにより、筒内にてＥＧＲガスが層状化し、安定燃焼する。

特開２００９−４１５３１号公報 特開２００２−１０６４１９号公報

特許文献１に記載の発明では、排気ポート内の気流制御弁は高温度に晒されるため、信頼性が低下する。また、気流制御のための装置を複数もち、かつ耐高温部材を使用し、複数装置を制御するため、コストが高くなる。
特許文献２に記載の発明では、ＥＧＲガスは吸気行程のみでなく前行程にて吸気ポートに流入しており、新気と混ざるため、確実に層状化することは困難である。

この発明の目的は、吸気ポートを２分割した内燃機関において、ＥＧＲガスの流入方法を最適に制御することで、確実なＥＧＲガスの層状化を低コストで可能にする。これにより、大量のＥＧＲを実現しても機関の安定した運転が可能となり、燃費が向上できる内燃機関を提供する。

請求項１に記載の発明では、吸気ポートにＥＧＲガスを供給するＥＧＲガス供給路を付設するとともに、吸気ポートを第１吸気通路と第２吸気通路とに分割する隔壁を設けた内燃機関において、吸気ポートの入口に、第１吸気通路および第２吸気通路の開度調整を行う回動式気流制御弁を付設し、この気流制御弁は、第１吸気通路を開閉する第１板部と第２吸気通路を開閉する第２板部とを有し、ＥＧＲガス供給路は、第２吸気通路の上側にＥＧＲガスを吹き出す吹出口を有し、気流制御弁は、第１板部と第２板部とが一体に形成されており、吸気ポートの入口を全閉したときに、第２板部は燃焼室の吸気弁と隔壁とで第２吸気通路に閉空間を形成でき、第１板部は第１吸気通路に新気を供給する隙間ないし切欠きを有することを特徴とする。

さらに、本発明では、ＥＧＲガスの吹出口は、吸気口を通じて燃焼室の側壁を指向するよう設定されている。

内燃機関の吸気装置の概略断面図である。 内燃機関の吸気装置の概略断面図である。 内燃機関の吸気装置の概略断面図である。 吸気ポートの概略平面断面図である。 気流制御弁の斜視図である。 実施例２の内燃機関の吸気装置の概略断面図である。 実施例２の内燃機関の吸気装置の概略断面図である。 実施例２の作動を説明するフローチャートである。

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は、本発明が適用された例であるのに対し、実施例２は、本発明が適用されていない例を示す参考例である。

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。

吸気ポート２は、この実施例では横長の略矩形断面を有し、縦に隔壁２３が設けてある。隔壁２３は、吸気ポート２を流路方向に２分している。隔壁２３は、シリンダヘッドＣＨの側面１２に設けた吸気ポート２の入口凹所１３から、吸気口２１の近傍までの長さを有する。

吸気ポート２は、Ａ−Ａ視図に示す如く、燃焼室（気筒）１の中心軸と略同一面内に設けた隔壁２３により、縦（図示左右）に区画され、左側が第１吸気通路２４、右側は第２吸気通路２５となっている。入口凹所１３の下端部１４は、吸気ポート２の入口２６の下端より所定量（後記する気流制御弁６の厚さと同等量）だけ、吸気ポート２の下端より下位に設定されている。

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、第２吸気通路２５（吸気ポート２）の上側壁面２７に設けられている。ＥＧＲ通路４にはＥＧＲバルブ４２が介装されており、内燃機関の運転条件に応じて開閉される。また、吹出口４１は、吸気口２１（吸気バルブ２２）の上方で且つ吸気口２１より中心側に設定されている。さらに、吹出口４１は、燃焼室（気筒）１の中心側から吸気口２１を通してシリンダライナ（燃焼室側壁）ＣＲを指向するように傾斜して形成されている。

吸気ポート２の入口凹所１３には、吸気制御機構５が設置されている。吸気制御機構５は、入口凹所１３に設置された気流制御弁６、気流制御弁６の弁軸５１および弁軸５１を回転駆動するアクチュエータ５２を有する。気流制御弁６は、図４に第１吸気通路２４の入口を開度調整する第１板部６１、および第２吸気通路２５の入口を開度調整する第２板部６２からなる。

図５に示す如く、第１板部６１および第２板部６２は、いずれも略翼の断面形状を有し、図示下側が径大の基部６３、６４、図示上側がエッジ状の先端６５、６６となっている。第１板部６１および第２板部６２は、ほぼ同位置にある基部６３、６４に弁軸５１が貫通している。弁軸５１には、アクチュエータ５２（図４参照）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弁軸５１が回転し、気流制御弁６が回動して第２吸気通路２５の入口および第１吸気通路２４の入口の開度調整が行われる。

第１板部６１の先端６５は、気流制御弁６の閉弁位置において、第１吸気通路２４の入口の上端２８から隙間２９を隔てて下位に設定されている。また、第２板部６２の先端６６は、第２吸気通路２５の入口上端と略一致しており、閉弁位置において第２吸気通路２５の入口を封鎖している。すなわち、第１板部６１は第２板部６２より、長さが短くなっている。なお、隙間２９の形成位置、大きさ、形状は、吸気ポート２の形状によって異なる設計因子である。よって、内燃機関の型式によって、隙間２９を第１吸気通路２４の入口の下端に設けても、第１板部６１に切欠きまたは穴を設けても、この実施例の隙間２９と同様の作用を実現できる。

図２〜図４とともにこの発明の作用を説明する。気流制御弁６は、内燃機関があらかじめ決められた運転条件（例えば全開出力時）になると、図示二点鎖線の全開位置に設定されており、吸気流路の壁面に埋没して吸気の障害にならない。これは、入口凹所１３の下端部１４が、吸気ポート２の入口２６の下端より気流制御弁６の厚さと同等量だけ、吸気ポート２の下端より下位に設定され、弁軸５１が下端部１４の近傍に位置していることにより達成される。

内燃機関の運転条件が冷間始動、低速運転など、予め決められた条件になると、ＥＣＵからの信号によりアクチュエータ５２が作動し、弁軸５１を回動させ、気流制御弁６は、図示実線の如く吸気ポート２の入口２６を閉弁する位置に設定される。気流制御弁６が閉弁位置に設定されると、第２板部６２は、閉弁されている吸気弁２との間の第２吸気通路２５に閉空間を形成する。同様に運転条件が予め決められた条件になると、ＥＧＲバルブ４２が開き、ＥＧＲ通路にＥＧＲガスが流れ、第２吸気通路２５へＥＧＲガスが流入する。

吸気行程以外のときは、図２に示す如く、吸気バルブ２２は吸気口２１を閉じており、ＥＧＲ通路４から吸気と排気との差圧により第２吸気通路２５内にＥＧＲガスが流入する。ＥＧＲガスは、閉空間の圧力と排気圧が平行状態になるまで流入し、閉空間である第２吸気通路２５内に滞留する。

吸気行程中は、図３に示す如く、吸気バルブ２２は吸気口２１を開いており、吸入空気（新気）が第１板部６１の先端６５の隙間２９を通り、第１吸気通路から燃焼室１内へ流入する。このとき、第２吸気通路２５内に滞留しているＥＧＲガスも燃焼室１内に吸引される。同時に、吸気口２１の上方の第２吸気通路２５の上側に設定されているＥＧＲ通路４の吹出口４１からのＥＧＲガスが、燃焼室１内へ吸引される。

これにより、ＥＧＲの少ない吸気は第１吸気流路２４から、矢印Ｆの如く、吸気口２１を通じて燃焼室１の図示左側に噴流となって流入する。同時に、吹出口４１が、吸気口２１を通じて、シリンダライナ（燃焼室側壁）ＣＲを指向するように設定してある。このため、ＥＧＲガスの多い吸気は、第２吸気流路２５の吹出口４１から、矢印Ｅの如く、吸気口２１を通じて燃焼室１の図示右側に噴流となって流入する。この結果、点火装置１１の近傍は、着火性向上に有利な新気の多い雰囲気となる。

図４に示す如く、１つの気筒毎に２つの吸気口２１、２１を有する内燃機関においては、矢印Ｆで示す如くＥＧＲガスが少なく新気の多い吸気と、矢印Ｅで示すＥＧＲガスの多い吸気とは、互いに交差方向であるとともに、流路を比較的に大きく離すことができる。このため、両者が干渉ないし衝突する割合は少ない。また、ＥＧＲガスの吹出口４１を、吸入ポート２の上部（吸入口の上方でかつシリンダヘッドＣＨの中心側）に設けているので、矢印Ｅで示すＥＧＲの多い吸気を確実に燃焼室１内の側壁方向へ円滑かつ強力に噴射できる。この結果、矢印Ｅで示すＥＧＲの多い吸気のタンブル（縦渦）を点火装置１１から離れた燃焼室１の一方の側壁近傍に有利に形成できる。

つぎに、この発明の効果を説明する。
（吸気行程以外のとき）
圧縮、膨張、排気行程中には、気流制御弁６と隔壁２３と吸気バルブ２２により閉塞された第２吸気通路２５に、ＥＧＲ通路４よりＥＧＲガスが供給されて、第２吸気通路２５内はＥＧＲガスに満たされる。このとき、第２吸気通路内２５の圧力と、排気圧が平衡状態になるまでＥＧＲガスが第２吸気通路２５内に流入するので、大量のＥＧＲガスが滞留することを防止でき、失火などの燃焼悪化を防止できる。このため、着火、燃焼が円滑となり、ＥＧＲの限界を大きくでき、排気浄化および内燃機関の円滑な運転が確保できる。

（吸気行程のとき）
吸気行程になり吸気バルブ２２が開くと、新気は、気流制御弁６の第１板部６１の先端６５の隙間２９を通り、燃焼室１内へ流入する。この際に、隙間２９で絞られ流速が増速するため、燃焼室１内の排気バルブ３２の下方に強いダンブルを形成する。一方、第２吸気通路２５内のＥＧＲガスも燃焼室１内の負圧の増加に伴い燃焼室１内に流入し、第１吸気通路２４からの新気と混合する。

このときＥＧＲガスは、燃焼室１内のダンブル流により攪拌され、均質となる。第２吸気通路２５内の負圧の増加に伴いＥＧＲ通路４よりＥＧＲガスが噴流となって噴出する。このとき、ＥＧＲ通路４が、吸入ポート２（第２吸気流路２５）の上側に設置され、かつ吸気口２１に向かうように設置してあるので、噴流は吸気口２１のシリンダライナＣＬ側より流入し、燃焼室１内にてダンブルを形成する。

図６、図７は、この発明の内燃機関の吸気装置の実施例２を示す。この実施例では、気流制御弁６は、第１板部６１ａと第２板部６２ｂとが分離しており、それぞれ弁軸５１ａおよび弁軸５１ｂにより回動する。弁軸５１ａおよび弁軸５１ｂには、アクチュエータ５２ａおよび５２ｂが連結されている。

あらかじめ決められた運転条件になると、エンジン制御装置ＥＣＵからの出力により、アクチュエータ５２ａおよび５２ｂが作動して、軸５１ａおよび弁軸５１ｂは独立して回動し、第１板部６１ａと第２板部６２ｂとが決められた角度に設定される。第１板部６１ａと第２板部６２ｂとは、第１吸気通路２４および第２吸気通路２５に、それぞれ第１板部６１ａおよび第２板部６２ｂの端部と吸気ポート２の壁面との間に流路をつくる。また、ＥＧＲは、第２吸気通路２５が閉鎖されている場合のみ開制御を行い、吹出口４１からＥＧＲガスを第２吸気通路２５へ吹き出す。

図８に示すフローチャートとともに、実施例２の制御例を説明する。
エンジン制御装置ＥＣＵは、内燃機関の回転数、冷却水温、アクセルペダルの開度などエンジンの状態把握（７１）を行う。同時に、運転者の要求トルクに応じて必要とされる運転条件を判断する。

［冷却水温の低い運転条件の場合］
冷間始動か否かを判別し（７２）、冷間始動のときは、ＥＧＲバルブ４２を閉制御し、図７に示す如く、第１板部６１ａと第２板部６２ｂとを所定の角度に開く（７３）。これにより、第１吸気通路２４および第２吸気通路２５は、ともに第１板部６１ａおよび第２板部６２ｂのそれぞれの上端部と、吸気ポート２の壁面（第１吸気通路２４および第２吸気通路２５のそれぞれの入口の上端部）との間に、絞られた吸気通路が確保される。

［内燃機関の冷却水温が十分高い場合］
運転者が大きい出力を必要としない条件では、ＥＧＲ導入条件か否かを判別し（７４）、ＥＧＲ導入条件のときは、ＥＧＲを導入するためにＥＧＲバルブ４２を所定の開度だけ開いてＥＧＲ制御を行う（７５）。ＥＧＲ導入条件でないときは、第１板部６１ａと第２板部６２ｂを全開し、ＥＧＲ弁を閉弁状態に維持する（７６）。さらに、第１板部６１ａを所定の開度だけ開き、燃焼室１内のタンブル流の強さを制御する。第２板部６２ｂは、全閉制御となり第２吸気通路２５に閉空間を形成する（７５）。

実施例２の構成では、第１板部６１ａと第２板部６２ｂが独立で制御し、第１、第２吸気通路２４、２５両方に流速の高い流れを作ることにより、特に水温の低い始動時に、吸気ポート内に付着した燃料の気化を促進し、排出ガス内の未燃ＨＣを低減できる。
さらにＥＧＲ導入条件においても、第１板部６１ａがエンジン運転条件毎に最適な開度に制御されるため、広い運転条件での最適なタンブル流形成が可能である。

この発明の内燃機関の吸気装置では、この噴流は、酸素濃度の低いＥＧＲガスの濃度が高いガスであり、層状に燃焼室１内にて分布し、点火装置１１の近傍に存在しなくなるため、着火性には影響しない。さらに、先のタイミングで燃焼室１内に流入したＥＧＲガスとあわせて、大量のＥＧＲガスを導入できる。この結果、同等トルクを出すため、吸気圧が大気圧に近づきポンプ損失が低減でき燃費が向上する。また本発明は、吸気ポート２内に気流制御弁６とＥＧＲ通路４を設置するのみで制御が可能なため低コストである。

Ｃ シリンダボディ
ＣＨ シリンダヘッド
１ 燃焼室（気筒）
２ 吸気ポート
２１ 吸気口
２２ 吸気バルブ
２３ 隔壁
２４ 第１吸気通路
２５ 第２吸気通路
２６ 吸気ポートの入口
２９ 隙間
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 気流制御弁
６１ 第１板部
６２ 第２板部

Claims (1)

1. 吸気ポートにＥＧＲガスを供給するＥＧＲガス供給路を付設するとともに、前記吸気ポートを第１吸気通路と第２吸気通路とに分割する隔壁を設けた内燃機関の吸気装置において、
   前記吸気ポートの入口に、前記第１吸気通路および第２吸気通路の開度調整を行う回動式の気流制御弁を付設し、該気流制御弁は、前記第１吸気通路を開閉する第１板部と前記第２吸気通路を開閉する第２板部とを有し、
   前記ＥＧＲガス供給路のＥＧＲガスの吹出口は、前記第２吸気通路の上側に設けられるとともに、前記内燃機関の吸気口を通じて燃焼室側壁を指向しており、
   前記気流制御弁は、前記第１板部と前記第２板部とが一体に形成されており、前記吸気ポートの入口を全閉したときに、前記第２板部が燃焼室の吸気弁と前記隔壁とで前記第２吸気通路に閉空間を形成し、前記第１板部は前記第１吸気通路に新気を供給する隙間を有することを特徴とする内燃機関の吸気装置。

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