JP5711584B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で燃焼室内のスワール流およびタンブル流を制御できる内燃機関を提供することを目的とする。
ここで、スロットルバルブの開口の一側に拡開部を設け、スロットルバルブ低開度での拡開部側の吸入気を制限することにより、気流がより不均一となるので、スロットルバルブ低開度で強いスワール流やタンブル流を発生させることができる。
少なくとも一組の前記スロットルバルブ軸(98,99)の軸線(100,101)が交差し、それぞれが独立して駆動されてもよい。
少なくとも一組の吸入気ポートのスロットルバルブ軸の軸線が交差しているので、これら2つのスロットルバルブのうち、一方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流と、他方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流とが異なる。そして、この2つの吸入気ポートに設けられたスロットルバルブはそれぞれが独立して駆動するので、燃焼室内のスワール流およびタンブル流を調整できる。
本発明では、各吸入気ポートにそれぞれスロットルバルブが設けられているので、これらのスロットルバルブが低開度で開いて空気が流れるときには、各吸入気ポートに、ポート壁面の一部に沿う強い流れを有する不均一な気流が生じ、この気流の強い流れがポート壁面に沿って燃焼室内に吸入され、燃焼室内にスワール流やタンブル流が生じる。
ここで、少なくとも一組の吸入気ポートのスロットルバルブ軸の軸線が交差しているので、これら2つのスロットルバルブのうち、一方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流と、他方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流とが異なる。そして、この2つの吸入気ポートに設けられたスロットルバルブはそれぞれが独立して駆動するので、燃焼室内のスワール流およびタンブル流を調整できる。
これにより、各ポートにそれぞれ一つのスロットルバルブを設けただけの簡単な構造で、燃焼室内のスワール流およびタンブル流を制御できる。
また、スロットルバルブを内燃機関の低回転から高回転になるにつれて、スワール燃焼、タンブル燃焼、通常燃焼に順次切り換えられるように前記一組のスロットルバルブ軸を駆動することにより、燃焼状態を順次切り換えることで、内燃機関の燃焼効率を向上させることができる。
2つの不均一な気流の流れが強い箇所が重複することがないので、効率よくスワール流、タンブル流を発生させることができる。
スワール発生側のスロットルバルブ(85)は、シリンダ(42)外側寄りのポート壁面に沿って吸入気が流れても良い。
シリンダ外側の流れが強い気流を燃焼室に導入できるので、より強力なスワール流を発生させることができる。
タンブル発生側のスロットルバルブ(86)は、ポート軸線(108)に対して外周側のポート壁面に沿って吸入気が流れても良い。
ポート軸線に対して外周側の流れが強い気流を燃焼室に導入できるので、より強力なタンブル流を発生させることができる。
ここで、スロットルバルブの開口の一側に拡開部を設け、スロットルバルブ低開度での拡開部側の吸入気を制限することにより、気流がより不均一となるので、スロットルバルブ低開度で強いスワール流やタンブル流を発生させることができる。
また、少なくとも一組の吸入気ポートのスロットルバルブ軸の軸線が交差しているので、これら2つのスロットルバルブのうち、一方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流と、他方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流とが異なる。そして、この2つの吸入気ポートに設けられたスロットルバルブはそれぞれが独立して駆動するので、燃焼室内のスワール流およびタンブル流を調整できる。
ここで、少なくとも一組の吸入気ポートのスロットルバルブ軸の軸線が交差しているので、これら2つのスロットルバルブのうち、一方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流と、他方を低開度で開くときに生じるスワール流およびタンブル流とが異なる。そして、この2つの吸入気ポートに設けられたスロットルバルブはそれぞれが独立して駆動するので、燃焼室内のスワール流およびタンブル流を調整できる。
これにより、各ポートにそれぞれ一つのスロットルバルブを設けただけの簡単な構造で燃焼室内のスワール流およびタンブル流を制御できる。
また、スロットルバルブを内燃機関の低回転から高回転になるにつれて、スワール燃焼、タンブル燃焼、通常燃焼に順次切り換えられるように一組のスロットルバルブ軸を駆動することにより、燃焼状態を順次切り換えることで、内燃機関の燃焼効率を向上させることができる。
スワール発生側のスロットルバルブは、シリンダ外側寄りのポート壁面に沿って吸入気が流れるようにすれば、シリンダ外側の流れが強い気流を燃焼室に導入できるので、より強力なスワール流を発生させることができる。
タンブル発生側のスロットルバルブは、ポート軸線に対して外周側のポート壁面に沿って吸入気が流れるようにすれば、ポート軸線に対して外周側の流れが強い気流を燃焼室に導入できるので、より強力なタンブル流を発生させることができる。
図1は、本発明に係る内燃機関を搭載した自動二輪車1の左側面図である。自動二輪車1は、車体フレーム2を備える。車体フレーム2の前端部に位置するヘッドパイプ3には、前輪4を軸支する左右のフロントフォーク5がステアリングステム6を介して操向可能に枢支される。ステアリングステム6の上部には、転舵用のバーハンドル7が取り付けられる。
クランクケース21後部左側にはドライブスプロケット32が設けられている。このドライブスプロケット32には、クランクケース21内のクラッチ及び変速機を介して、エンジン20の回転動力が出力される。ドライブスプロケット32と後輪11左側のドリブンスプロケット34とにはドライブチェーン33が掛け回されており、エンジン20の回転動力はドライブスプロケット32からドライブチェーン33およびドリブンスプロケット34を介して後輪11に伝達される。
図2はエンジンの一部断面図である。尚、スロットルボディ26の配置に関し図1のものと一部不整合があるが、この部位に関し図1は概略図とする。
図2に示すように、エンジン20は、クランクケース21と、シリンダ部22とを備えている。シリンダ部22は、クランクケース21に連設されたシリンダブロック39と、シリンダブロック39の前側に設けられたシリンダヘッド40と、シリンダヘッド40の前側を覆うシリンダヘッドカバー41とからなる。
シリンダブロック39には、シリンダ室42が形成されており、このシリンダ室42内には、ピストン43が摺動自在に嵌め込まれている。ピストン43はコンロッド44を介して、クランクケース21に回転自在に支持されたクランクシャフト45に連結されており、ピストン43の往復動がクランクシャフト45の回転動に変換される。
ピストン43のピストン頂面46、シリンダ室42の側壁47、およびシリンダヘッド40で囲まれた部分は、燃焼室49を形成している。
図2に示すように、第2吸気バルブ64は、第2吸気口55に沿う傘部66と、傘部66から前方上方へ延びる棒状のステム部67とを備え、第2排気バルブ65は、第2排気口62に沿う傘部68と、傘部68から前方下方へ延びる棒状のステム部69とを備えている。
そして、第2吸気バルブ64のステム部67の先端および第2排気バルブ65のステム部69の先端には、それぞれリテーナ73,74が取り付けられ、このリテーナ73,74とシリンダヘッド40との間にバルブスプリング75,76が設けられている。
すなわち、第2吸気バルブ64および第2排気バルブ65は、それぞれリテーナ73,74およびバルブスプリング75,76を介してシリンダヘッド40に支持され、バルブスプリング75,76により、第2吸気口55および第2排気口62を閉じる方向に付勢されている。
また、シリンダヘッド40の動弁室72のシリンダヘッドカバー41側には、吸気側ロッカーアームシャフト80及び排気側ロッカーアームシャフト81が設けられている。
排気側ロッカーアームシャフト81には、2つの排気カム79と、第1排気バルブ(不図示)のステム部(不図示)先端および第2排気バルブ65のステム部69の先端とに跨って延びる2本の排気側ロッカーアーム83の中間部が揺動自在に支持される。
そして、カムシャフト77の回転に伴い各カムの外周パターンに応じて各ロッカーアーム82,83が揺動することで、各バルブが往復動し、各吸気口53,55および各排気口60,62を開閉させる。
すなわち、スロットルボディ26の第1吸気通路90とシリンダヘッド40の第1吸気ポート51とは連通して、側面視で弓状に湾曲した左側吸気通路92(図4B参照)を構成し、スロットルボディ26の第2吸気通路91とシリンダヘッド40の第2吸気ポート52とは連通して、側面視で弓状に湾曲した右側吸気通路94を構成している。これにより、エアクリーナを通った空気は、左側吸気通路92または右側吸気通路94を通り、燃焼室49に供給される。
第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86は、それぞれ第1吸気通路90および第2吸気通路91を開閉して、燃焼室49に供給される空気量を調整するバタフライバルブである。第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86は、それぞれ、弁体96,97と、弁体96,97に一体に設けられた弁軸98,99とを備え、それぞれの弁軸98,99が、ケース体84に回動自在に支持されている。第1スロットルバルブ85の弁軸98の軸線100は、第2スロットルバルブ86の弁軸99の軸線101と直交している。
第1スロットルバルブ85の弁軸98および第2スロットルバルブ86の弁軸99には、図示しないギヤを介してそれぞれ第1モータ87および第2モータ88が連結されている。第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86は、第1モータ87および第2モータ88によりそれぞれ独立に駆動される。
エンジン20の低回転モードにおける燃焼状態は、点104で示される。点104では、スワール比が3に近く、強いスワール流Sが生じている。また、燃焼下限界空燃比も23付近と高い。中回転モードにおける燃焼状態は、点105で示される。点105では、スワール比は小さいが、タンブル比が2を超えており、強いタンブル流Tが生じている。また、燃焼下限界空燃比も22付近と高い。
移行モードにおける燃焼状態は、点104から点105への移行で示される。
高回転モードにおける燃焼状態は、点106で示される。点106では、スワール比、タンブル比ともに小さく、燃焼下限界空燃比も20を下回っている。
具体的には、図4および図5に示すように、第1スロットルバルブ85の弁軸98の軸線100は、第1吸気通路90の中心軸線107と直交して車体左右方向と垂直な面内で前傾して延びている。そして、第1スロットルバルブ85は、図5(A)中矢印109で示すように前上方から見たときには、弁体96が左右方向に略沿う場合に閉状態となり、弁体96が時計回りに回動することで開状態となるように構成されている。すなわち、図5(B)に示すように、第1スロットルバルブ85が低開度で開いて空気が流れる場合には、第1スロットルバルブ85の左方を流れる空気の流速が、右方を流れる空気の流速より速くなり、第1吸気通路90の出口側に左側に強い流れを有する不均一な気流が生じる。
これにより、第1スロットルバルブ85を低開度として燃焼室49に空気が吸入される場合には、第1スロットルバルブ85および第1拡開部102により生成された左側に強い流れを有する不均一な気流が、第1吸気通路90および第1吸気ポート51を通り第1吸気口53から燃焼室49内に入る。このとき、気流の強い流れは、第1吸気通路90および第1吸気ポート51の左側に沿って第1吸気口53の左側からシリンダ室42に導入され、シリンダ室42の側壁47に沿って進行してシリンダ室42の円周方向に旋回する。これにより、燃焼室49内に吸入される空気に強いスワール流Sが生成される。
具体的には、図4および図6に示すように、第2スロットルバルブ86の弁軸99の軸線101は、第1吸気通路90の中心軸線108と直交して車体左右方向に延びている。そして、第2スロットルバルブ86は、右側面視では、弁体97が第1吸気通路90の中心軸線108と略直交する場合に閉状態となり、弁体97が時計回りに回動することで開状態となるように構成されている。
すなわち、図6Aに示すように、第2スロットルバルブ86が低開度で開いた場合には、第2スロットルバルブ86の上方すなわち第2吸気通路91の湾曲外側を流れる空気の流速が、下方すなわち第2吸気通路91の湾曲内側を流れる空気の流速より速くなり、第2吸気通路91の出口側に湾曲外側に強い流れを有する不均一な気流が生じる。
これにより、第2スロットルバルブ86を低開度として燃焼室49に空気が吸入される場合には、第2スロットルバルブ86および第2拡開部103により生成された湾曲外側に強い流れを有する不均一な気流が、第2吸気通路91および第2吸気ポート52を通り第2吸気口55から燃焼室49内に入る。このとき、気流の強い流れは、第2吸気通路91および第2吸気ポート52の湾曲外側に沿って第2吸気口55の下側からシリンダ室42に導入され、後方(ピストン43側)へ向かった後、ピストン頂面46の中央付近に衝突して前方(シリンダヘッド40側)へ向きを変え、シリンダ室42の軸方向に旋回する。これにより、燃焼室49内に吸入される空気に強いタンブル流Tが生成される。
このスロットルシステムは、第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86と、第1モータ87および第2モータ88と、第1モータ87および第2モータ88を制御する図示しないECUと、ECUにユーザのアクセル操作を示す信号を出力するアクセル開度センサ(不図示)と、ECUにスロットルバルブ開度を示す信号を出力するスロットルバルブ開度センサ(不図示)とを備え、ユーザのアクセル操作量や操作速度に応じて、燃焼室49への供給空気量を制御する。
以下、このスワール流Sおよびタンブル流Tの制御について説明する。
ECUは、第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86の開閉を制御する4つの制御モード、すなわち、低回転モード、移行モード、中回転モード、高回転モードを記憶している。
例えば、アクセル全閉の状態からアクセルを開けていく操作が入力された場合には、ECUは、第2スロットルバルブ86および第1スロットルバルブ85の両方を全閉とした状態から、図5に示すように、第2スロットルバルブ86を全閉としたまま、第1スロットルバルブ85だけを開いていき、エンジン回転数をアイドル回転数から上昇させていく。第1スロットルバルブ85が所定開度だけ開くと、エンジン回転数が低回転閾値近傍となる。この所定開度が低回転モードにおける第1スロットルバルブ85の最大開度であるが、この最大開度は低開度である。
ここで、低回転モードでは、第1スロットルバルブ85の開度が低開度であるため、上述したように燃焼室49内に強いスワール流Sが生成される。これにより、インジェクタから燃焼室49内に噴射された燃料がスワール流Sに巻込まれて燃焼室49内の混合気が均一となるうえ、スワール流Sにより火炎速度が速くなり、いわゆるスワール燃焼が生じて燃焼が促進される。
例えば、エンジン回転数が低回転閾値未満であり低回転閾値近傍のときにアクセルを連続的に開けていく操作が入力された場合には、ECUは、燃焼室49に供給される空気量が一定と成るように、図示は省略したが、第1スロットルバルブ85を、低回転モードにおける最大開度から閉じていくと同時に、第2スロットルバルブ86を開いていく。すなわち、移行モード開始時には、第1スロットルバルブ85が低開度で開き、第2スロットルバルブ86が全閉であるが、移行モード終了時には、第1スロットルバルブ85が全閉となり、第2スロットルバルブ86が低開度で開く。
例えば、エンジン回転数が低回転閾値を超えたときにアクセルを連続的に開けていく操作が入力された場合には、ECUは、図6に示すように、第2スロットルバルブ86を低開度で開いたまま、第1スロットルバルブ85だけを全閉から開いていき、エンジン回転数を低回転閾値から上昇させていく。第1スロットルバルブ85が全開のときエンジン回転数が中回転閾値近傍となる。
ここで、第2スロットルバルブ86は低開度であるため、上述したように燃焼室49内に強いタンブル流Tが生成される。これにより、インジェクタから燃焼室49内に噴射された燃料がタンブル流Tに巻込まれて空気との混合が促進され、また圧縮行程の後半でタンブル流Tが崩壊する際には、ガス流動や乱れが強まって更に混合が促進され、燃焼室49内の混合気が均一となるうえ、タンブル流Tにより火炎速度が速くなり、いわゆるタンブル燃焼が生じて燃焼が促進される。
例えば、エンジン回転数が中回転閾値を超えたときにアクセルを連続的に開けていく操作が入力された場合には、図7に示すように、第1スロットルバルブ85を全開としたまま、第2スロットルバルブ86を開いていき、中回転閾値からエンジン回転数を上昇させていく。第1スロットルバルブ85および第2スロットルバルブ86が全開のとき、エンジン回転数は上限値近傍となる。
ここで、左側吸気通路92の第1スロットルバルブ85は全開であり、右側吸気通路94の第2スロットルバルブ86の開度も大きいため、吸気行程では、多量の空気が2つの吸気ポートにより迅速且つ円滑にシリンダ内に吸入されて、いわゆる通常燃焼が生じて大きいエンジン出力が得られる。
例えば、上述した実施の形態では、第1スロットルバルブ85の軸線100を、第1吸気通路90の中心軸線107と直交して車体左右方向と垂直な面内で前傾するように延在させ、第2スロットルバルブ86の軸線101を、第1吸気通路90の中心軸線108と直交して車体左右方向に延在させることで、第1スロットルバルブ85を低開度としたときに燃焼室49内にスワール流Sを発生可能に、また第2スロットルバルブ86を低開度としたときに燃焼室49内にタンブル流Tを発生可能な構成としたが、各スロットルバルブの軸線の向きはこれに限定されず、例えば、各スロットルバルブを、各スロットルバルブの軸線が正面視でV字状をなすように設けても良い。この構成によれば、一方のスロットルバルブだけを低開度で開くことで、吸気通路内の左右いずれかに強い流れを有する空気の流れを生成して、燃焼室49内にスワール流Sを生成できる。また、両方のスロットルバルブを低開度で開くことで、吸気通路内の湾曲外側に強い流れを有する空気の流れを生成して燃焼室49内にタンブル流Tを生成できる。
また、上述した実施の形態では、単気筒エンジンを例示したが、エンジンの気筒数はこれに限定されず、多気筒エンジンであっても良い。さらに、上述した実施の形態では、燃料噴射位置を吸気バルブの傘部とした構成を例示したが、燃料噴射位置はこれに限定されず、筒内噴射いわゆる直噴であっても良い。また、本実施の形態では、各スロットルバルブを駆動する各モータを、ケース体(84)に一体に取り付けているが、各モータを、例えばケース体(84)から離れた場所に配置し、リンクやワイヤなどを介して、各スロットルバルブを駆動しても良い。
26 スロットルボディ
42 シリンダ室(シリンダ)
51 第1吸気ポート(吸入気ポート)
52 第2吸気ポート(吸入気ポート)
64 第2吸気バルブ
85 第1スロットルバルブ
86 第2スロットルバルブ
87 第1モータ
88 第2モータ
89 第2インジェクタ
98,99 弁軸(バルブ軸)
100,101 軸線
102 第1拡開部
103 第2拡開部
107,108 中心軸線(ポート軸線)
S スワール流
T タンブル流
Claims (6)
- 複数の吸気バルブ(64)からそれぞれ上流に延びる吸入気ポート(51,52)と、
吸入気ポート(51,52)の上流に設けられるスロットルバルブ(85,86)と、を備える内燃機関において、
各吸入気ポート(51,52)に対してそれぞれスロットルバルブ(85,86)が設けられるとともに、前記スロットルバルブ(85,86)の開口の一側に拡開部(102,103)を設け、スロットルバルブ(85,86)低開度での拡開部(102,103)側の吸入気を制限したことを特徴とする内燃機関。 - 少なくとも一組の前記スロットルバルブ軸(98,99)の軸線(100,101)が交差し、それぞれが独立して駆動するものであることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
- 複数の吸気バルブ(64)からそれぞれ上流に延びる吸入気ポート(51,52)と、
吸入気ポート(51,52)の上流に設けられるスロットルバルブ(85,86)と、を備える内燃機関において、
各吸入気ポート(51,52)に対してそれぞれスロットルバルブ(85,86)が設けられるとともに、少なくとも一組のスロットルバルブ軸(98,99)の軸線(100,101)が交差し、それぞれが独立して駆動するものであり、
前記スロットルバルブ(85,86)は内燃機関の低回転から高回転になるにつれて、スワール燃焼、タンブル燃焼、通常燃焼に順次切り換えられるように前記一組のスロットルバルブ軸(98,99)が駆動されることを特徴とする内燃機関。 - 前記一組のスロットルバルブ軸(98,99)の軸線(100,101)が直交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。
- スワール発生側のスロットルバルブ(85)は、シリンダ(42)外側寄りのポート壁面に沿って吸入気が流れることを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関。
- タンブル発生側のスロットルバルブ(86)は、ポート軸線(108)に対して外周側のポート壁面に沿って吸入気が流れることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか一項に記載の内燃機関。
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