(57)【要約】【課題】  簡単かつ安価な構成で、排気による吸気の引っ張り効果を有効に利用し、比較的広範な回転速度領域において吸気充填効率を高めて内燃機関の出力、燃費、排気等の各種の性能を向上させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】  上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室から排出される排気圧力が負圧となって燃焼室へ戻ってくることを利用して吸気を燃焼室内へ引っ張り入れる吸気の引っ張り効果を奏する内燃機関において、排気系をヘルム・ホルツの共鳴系として構成し、所望の共鳴周波数を達成するようヘルム・ホルツの共鳴系を構成する排気通路長、排気通路断面積及び排気通路に設けられる容積部分の容積が設定されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室から排出される排気圧力が負圧となって燃焼室へ戻ってくることを利用して吸気を燃焼室内へ引っ張り入れる吸気の引っ張り効果を奏する内燃機関において、
排気系をヘルム・ホルツの共鳴系として構成し、所望の共鳴周波数を達成するようヘルム・ホルツの共鳴系を構成する排気通路長、排気通路断面積及び排気通路に設けられる容積部分の容積が設定されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記所望の共鳴周波数は、±３０％の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排気通路に設けられる容積部分が、排気タービン式過給機のタービン室、触媒装置の触媒室、パティキュレートフィルタ装置のフィルタ室、消音装置の消音室の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（エンジン）の吸気の充填効率を向上させることができる内燃機関の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関においては、高出力化や、燃費性能、排気性能の改善等に貢献することから、吸入空気流量を増加させることができるよう吸気充填効率を高めることが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されるものは、吸気制御弁（２４）をバルブオーバーラップ期間経過後に開弁制御すると共に、吸気バルブ（１３）が閉弁してから所定期間経過後に閉弁制御し、アイドリング時などの低速低負荷領域における吹き返し現象の発生を抑制することができるようにしたものである。
【０００４】
また、特許文献２に記載されるものは、エンジンの通常運転時には開閉バルブ（１２）を閉じ、また、エンジンの冷態始動時には開閉バルブ（１２）を開けるように構成し、シリンダ内における吸気充填効率の向上を図ることができるようにしたものである。
【０００５】
特許文献３に記載されるものは、吸気制御弁（１２）と吸気バルブ（７）との間に保持される気体に圧力として蓄えられ、燃焼室内を掃気するエネルギが最大となるように、吸気制御弁（１２）と吸気バルブ（７）との間の容積を設定し、高い掃気効率と高い脈動過給効果とを両立させ、脈動過給効果によるトルク向上を図ることができるようにしたものである。
【特許文献１】特開平１０−２８８０５５号公報
【特許文献２】特開２００４−９２４９９号公報
【特許文献３】特開２００６−１６１５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の装置は、比較的構成が複雑でコストが嵩むと共に、排気による吸気の引っ張り効果を有効に利用したものではない。
【０００７】
ここで、従来より、吸気弁と排気弁の開弁時期がオーバーラップしているオーバーラップ期間において、排気が排気管出口（開口端）に到達したときに排気管出口（開口端）発生し排気管をシリンダ方向へ逆戻りする負圧をシリンダ内へ導き、上死点付近でピストンが殆ど動いていない状態（すなわち、ピストン速度０付近）のときに吸気を引っ張ることができるように、バルブタイミングや排気管長を調整・設定することが行われている。
なお、排気による吸気の引っ張り効果については、図６〜図１２の模式図を参照されたい。
【０００８】
しかし、このような排気による吸気の引っ張り効果を排気管長の調整により行う従来の方法では、ある狭い範囲の回転速度領域にマッチングさせることしかできず、例えば低速域にマッチングさせて排気管長を長くすると、排気タービン式過給機（ターボチャージャ）や触媒までの距離が長くなるため、排気管に熱を奪われ効率良くこれらを作動させることができなくなるなど、低速から高速まで広い範囲に亘って良好な性能を得ることができないのが実情である。
【０００９】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成で、排気による吸気の引っ張り効果を有効に利用し、比較的広範な回転速度領域において吸気充填効率を高めて内燃機関の出力、燃費、排気等の各種の性能を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明に係る内燃機関は、
燃焼室から排出される排気圧力が負圧となって燃焼室へ戻ってくることを利用して吸気を燃焼室内へ引っ張り入れる吸気の引っ張り効果を奏する内燃機関において、
排気系をヘルム・ホルツの共鳴系として構成し、所望の共鳴周波数を達成するようヘルム・ホルツの共鳴系を構成する排気通路長、排気通路断面積及び排気通路に設けられる容積部分の容積が設定されることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記所望の共鳴周波数は、±３０％の幅を有することを特徴とすることができる。
【００１２】
本発明において、前記排気通路に設けられる容積部分が、排気タービン式過給機のタービン室、触媒装置の触媒室、パティキュレートフィルタ装置のフィルタ室、消音装置の消音室の少なくとも一つであることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単かつ安価な構成で、排気による吸気の引っ張り効果を有効に利用し、比較的広範な回転速度領域において吸気充填効率を高めて内燃機関の出力、燃費、排気等の各種の性能を向上させることができる内燃機関を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１５】
本発明の一実施の形態に係る内燃機関の吸気充填効率の向上は、以下のような考えを基本としている。
すなわち、
従来のように、単に排気管の拡管点（開口端或いは開放端、或いはこれらに相当する程度に管径が拡張されている場所）での圧力が正圧（排気圧力）の場合に、そこで生じる負圧をシリンダへ戻して吸気をシリンダ内に引っ張るのではなく、本発明は、排気管に加え、ターボチャージャの排気タービン室、消音装置（マフラー）の消音室、触媒装置の触媒室、パティキュレートフィルタ装置のフィルタ室などの排気系の容積拡張部分を容量として捉えてヘルム・ホルツの共鳴室を形成し、その共鳴点ｆ０の周波数の半波長（λ／２）分の時間ｔ秒（ｓｅｃ）で正圧にて排気系に流入した場合に、そのｔ秒後には負圧となってシリンダに戻ってくることを利用することで、排気の高圧（正圧）の１／２弱程度の比較的大きな負圧（通常の自然吸気エンジンの吸気負圧の数倍の負圧に相当）で、吸気をシリンダ内に引っ張り込むという思想に基づくものである。
【００１６】
つまり、排気管内を一往復する時間ｔと、ヘルム・ホルツ共鳴系の半波長λ／２に対応する時間ｔ０との関係が、ｔ＝ｔ０となるように、排気系各部の長さや容積を設定することで、従来の排気管長のみに基づく吸気の引っ張り効果と同等以上の吸気の引っ張り効果を得ることができるということに本発明者は想到し、当該考えに基づいて本発明をなしたものである。
【００１７】
ここで、ヘルム・ホルツ共鳴系を利用した吸気の引っ張り効果の特長は、共鳴点が比較的広い周波数域（１／（２１／２）・ｆ０〜＋２１／２・ｆ０）を持つので、従来の排気管長にのみ依存する吸気の引っ張り効果に比べて、より広い回転速度域で高い吸気の引っ張り効果を期待することができる。
【００１８】
以下、本発明に係るヘルム・ホルツ共鳴系を利用した排気による吸気の引っ張り効果について、より詳細に説明する。
図１に、本実施の形態に係る内燃機関（排気通路にターボチャージャを備えた一例）におけるヘルム・ホルツ共鳴系を構成する燃焼室廻りの各要素を示す。
符号１はシリンダヘッドであり、符号２は排気通路（例えば排気マニホールド）であり、符号３はターボチャージャの排気タービン室であり、符号４は排気バルブであり、符号５はターボチャージャの排気タービン室（容積室）３から排気が流出する排気出口部（絞り部）である。
【００１９】
また、図１において、Ｌ１は排気ポート長、Ｌ２は排気通路長、Ｌ３はターボチャージャの排気タービン室（容積室）３までの排気通路長である。更に、ＶＴは排気タービン室（容積室）３の容量であり、Ｓは排気通路の断面積（平均断面積）である。
ここで、図１におけるヘルム・ホルツ共鳴系の排気通路長（Ｌｖ）は、Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３である。
【００２０】
図２に、本実施の形態に係る内燃機関（排気通路に消音装置を備えた一例）におけるヘルム・ホルツ共鳴系を構成する消音装置廻りの各要素を示す。
符号２は、前述同様、排気通路であり、符号６は排気通路のカーブ部であり、符号７は消音装置（マフラー）内の仕切り板に設けられる絞り穴（絞り部）であり、符号８は消音装置（マフラー）である。
【００２１】
また、図２において、Ｌ２は排気通路長（例えば排気マニホールド長）、Ｌ４は排気通路途中のカーブ部の長さであり、Ｌ５は消音装置の入口パイプの前端から開口端までの長さである。更に、Ｖｓは消音室の第１室（容積室）３の容量である。
ここで、図２（ここでは、シリンダヘッド１、排気ポート長Ｌ１の図示は省略されている）におけるヘルム・ホルツ共鳴系の排気通路長（Ｌｖ）は、Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ４＋Ｌ５である。
【００２２】
図３には、本実施の形態に係る内燃機関（排気通路に触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた一例）におけるヘルム・ホルツ共鳴系を構成する触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置廻りの各要素を示す。
符号２は、前述同様、排気通路であり、符号９は触媒室或いはディーゼルパティキュレートフィルタ室であり、符号１０は触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置であり、符号１１は触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置の出口部分における絞り部である。
【００２３】
図３において、Ｌ２は排気通路長（例えば排気マニホールド長）である。Ｖｃは触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置の容積室の容量である。
ここで、図３（ここでは、シリンダヘッド１、排気ポート長Ｌ１の図示は省略されている）におけるヘルム・ホルツ共鳴系の排気通路長（Ｌｖ）は、Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２である。
【００２４】
ここにおいて、ヘルム・ホルツ共鳴系に基づく排気による吸気の引っ張り効果に関し、上述した排気通路長や各部容積の考え方を説明する。
排気通路（排気管）内の圧力波の移動は、音速＋ガス流速であるが、流れに対して往復するので、ガス流速はプラス（＋）側（往路）とマイナス（−）側（復路）で相殺され、ガス流速＝０と考えることができる。
【００２５】
排気の圧力波が、排気弁（Ｅｘ／Ｖ）の開弁開始から排気通路内を一回往復してシリンダまで戻ってくるタイミングと、吸気弁（ＩＮ／Ｖ）の開弁開始タイミング（ＶＴ）と、がマッチングするように排気通路長Ｌｖを設定する。
【００２６】
２Ｌ／Ｃ＝ｔが、排気の圧力波が往復に要する時間であり、正圧が負圧でｔ秒後に戻ってくると考えると、半波長でλＬ／２＝ｔ＝２Ｌ／Ｃとなる。Ｃは、音速である。
１／λＬ＝ｆＬであることから、ｆＬの同調点を持つ排気通路（排気管）であることが理解される。
【００２７】
ここで、ｆＬと同じ同調点を持つｔ秒後に半波長分を伝播する系があれば、同様の効果が得られる。すなわち、このような系として、前記排気通路（排気管）とは別の、ヘルム・ホルツの共鳴器（容積）を利用することで、同様の効果を得ることが可能である。
【００２８】
なお、ヘルム・ホルツの共鳴器は、その入口から圧力波が入り、ｔ秒後に半波長ずれてその入口へ戻ってくるので正圧であれば負圧で戻ってくることになるため、プラスとマイナスで０となり、吸排気系において消音器として利用されている。
【００２９】
ヘルム・ホルツの共鳴器を排気系に適用した場合（吸気の引っ張り効果に用いる場合）について考えてみると、
図１、図２、図３における共鳴点（共鳴周波数）ｆ０は、ヘルム・ホルツの共鳴点の式より、
ｆ０＝ｃ／（２×π）×（Ｓ／（Ｌｖ×Ｖ））１／２
で表される。
【００３０】
なお、図１の場合Ｖ＝ＶＴ、図２の場合Ｖ＝Ｖｓ、図３の場合Ｖ＝Ｖｃである。
Ｌｖは既述した通り、図１の場合Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３であり、図２の場合Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ４＋Ｌ５であり、図３の場合Ｌｖ＝Ｌ１＋Ｌ２である。
【００３１】
ところで、図１（排気通路＋ターボチャージャ）、図２（排気通路＋消音装置）、図３（排気通路＋触媒装置等）は、それぞれ別個独立に記載しているが、これら各要素（排気通路、ターボチャージャ、消音装置、触媒装置、パティキュレートフィルタ装置等）を、直列的に接続した場合或いは排気通路から分岐して並列的に接続した場合も、上記ヘルム・ホルツの共鳴点の式が適用されることは勿論である。
【００３２】
このｆ０を、前述したｆＬと同じ（ｆ０＝ｆＬ）とすると、従来の排気による吸気の引っ張り効果と同様に、オーバーラップトップ（吸排気弁のオーバーラップ期間におけるピストン上死点）付近で排気による吸気の引っ張り効果を生み出すことができ、これにより吸気通路内の空気をシリンダ内に引き込むことができ、以って吸気充填効率を高めることが可能となる。
【００３３】
なお、排気弁（Ｅｘ／Ｖ）出口の圧力波形を、図  に示す。
図４から理解されるように、
排気弁（Ｅｘ／Ｖ）出口の最大圧力点から、吸気弁（ＩＮ／Ｖ）が開弁（ＩＮ／Ｏ）するまでの時間をｔ０として、
ｔ０＝λ０／２＝１／（２×ｆ０）＝１／２・２π／Ｃ×（（Ｌｖ×Ｖ）／Ｓ）１／２
＝π／Ｃ×（（Ｌｖ×Ｖ）／Ｓ）１／２
【００３４】
Ｃ：音速（０．６１×Ｔ（°Ｃ）＋３３１）ｍ／ｓ
Ｌｖ：排気通路長（例えば、Ｅｘ／Ｖから触媒装置、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、タービン室、消音装置などの各容器入口までの長さ、図１〜図３のＬ１〜Ｌ５参照）
Ｖ：上記各容器の容量（容積）（例えば、図１のタービン室の場合はＶ＝ＶＴ、図２の消音装置の場合はＶ＝Ｖｓ、図３の触媒装置の場合はＶ＝Ｖｃ）
Ｓ：排気通路の平均断面積（平均通路面積）
【００３５】
なお、本発明では、各Ｌｖ（Ｌ１〜Ｌ５など）、Ｖ（ＶＴ、Ｖｓ、Ｖｃなど）の値を、それぞれ狙いである「ｔ０」を達成するように設定することが基本であるが、吸気引っ張り効果を期待できる範囲として、「ｔ０」の±３０％内の値となるように、前記各値を設定することもできる。
【００３６】
ここで、従来の排気管型の共鳴強度と、本発明に係るヘルム・ホルツ共鳴器型の共鳴強度と、の比較を、図５に示す。
当該図５に示したように、ヘルム・ホルツ共鳴器による共鳴強度は、排気管型の共鳴強度に比べて、比較的広い周波数範囲で得られることが解る。なお、吸気の引っ張り効果を期待できる周波数領域としては、図５に示したように、ほぼ１／（２１／２）×ｆ０〜２１／２×ｆ０の範囲であると考えられる。
【００３７】
このため、アイドル回転速度（例えば５００ｒｐｍ）〜最高出力回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）程度の回転速度域であるトラック・バスなどのディーゼル機関では、ｆ０を１２００ｒ．ｐ．ｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）に合わせたとすると、８５０ｒ．ｐ．ｍ〜１７００ｒ．ｐ．ｍ（１／２１／２×ｆ０〜２１／２×ｆ０）となりほぼ全領域をカバーすることができる。
【００３８】
なお、共鳴の強度は、反射波の強さを示している。排気通路の開口端で発生して戻ってくる圧力波は、排気弁（Ｅｘ／Ｖ）から排気通路内を出口に向かって進む圧力波の強度の１／２以下になる（開口端で出口に向かって進む圧力波を、シリンダへ戻る分と、出口を抜けた分と、で略半分づつに分けた形となるので、シリンダへ戻ってくる圧力波の強度が１／２を越えることはない）。
【００３９】
しかし、排気圧力は、吸気に対して高圧であるため、例え、その強度が１／２以下であっても、吸気に対する影響度は極めて大きく、吸気をシリンダ内へ引っ張るための圧力差としては非常に大きなものとなるため、排気圧力の１／２以下の負圧でシリンダ内へ吸気を引っ張ることによって、大幅な吸気充填効率の向上を図ることができる。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、内燃機関の排気系において、排気通路（排気ポート、排気マニホールド、排気管など）と、ターボチャージャのタービン室、触媒装置、ディーゼルパティキュレートフィルタ、消音装置などの容積室（チャンバ）によりヘルム・ホルツ共鳴系を形成し、所望の共鳴点ｆ０＝ｃ／（２×π）×（Ｓ／（Ｌｖ×Ｖ））１／２ を得ることができるように、各値（Ｌｖ、Ｖ、Ｓ）を設定するようにしたので、従来の排気管長にのみ依存する吸気の引っ張り効果に比べて、より広い周波数領域（１／（２１／２）×ｆ０〜２１／２×ｆ０）で高い吸気の引っ張り効果を得ることができ、以って比較的広範な回転速度領域において吸気充填効率を高めることができ、延いては内燃機関の出力、燃費、排気等の各種の性能を向上させることができる。
【００４１】
また、排気圧力は、吸気圧力に比較するとその強度が大きいため、例え、所望の共鳴点ｆ０から±３０％程度ずれても、吸気をシリンダ内へ引っ張るための圧力差としては効力を有することから、所望の共鳴点ｆ０から±３０％程度ずれても、シリンダ内へ吸気を引っ張ることによって吸気充填効率の向上を図ることができる。
【００４２】
このため、所望の共鳴点ｆ０に対して±３０％の範囲に実際の共鳴点が収まるように、排気通路（排気ポート、排気マニホールド、排気管など）の長さ・平均断面積（通路面積）、ターボチャージャのタービン室、触媒装置、ディーゼルパティキュレートフィルタ、消音装置などの容積を設定することも、吸気充填効率の向上を図るうえで有効である。
【００４３】
ところで、本発明に係る内燃機関としては、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどが適用可能であるが、これに限定されるものではなく、軽油、ガソリンその他の物質を燃料とする、ピストンの往復運動を利用し吸排気行程を伴う燃焼機関に適用することができ、移動式・定置式の何れに限定されるものではない。
【００４４】
また、本発明は、排気タービン式過給機（ターボチャージャ）に限定されるものではなく、他の排気を利用した過給機（プレッシャーウェーブ式など）にも適用可能である。
【００４５】
更に、ヘルム・ホルツの共鳴容器として、排気通路に単なるチャンバを設け、当該チャンバによりヘルム・ホルツの共鳴周波数を調整することも本発明の範囲に含まれるものである。
【００４６】
以上で説明した各実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一の実施の形態に係る排気系におけるヘルム・ホルツ共鳴系の構成例（ターボチャージャ）を示す図である。
【図２】同上実施の形態に係る排気系におけるヘルム・ホルツ共鳴系の構成例（マフラー）を示す図である。
【図３】同上実施の形態に係る排気系におけるヘルム・ホルツ共鳴系の構成例（触媒或いは／及びディーゼルパティキュレートフィルタ）を示す図である。
【図４】排気圧力と、シリンダへ戻ってくる負圧波と、吸・排気弁の開閉タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。
【図５】共鳴周波数に対する、排気管のみの場合の共鳴の強さ（強度）と、ヘルム・ホルツ共鳴系の共鳴の強さ（強度）と、を比較して示した図である。
【図６】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（１））。
【図７】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（２））。
【図８】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（３））。
【図９】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（４））。
【図１０】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（５））。
【図１１】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（６））。
【図１２】排気による吸気の引っ張り効果を説明するための図である（その（７））。
【符号の説明】
【００４８】
１      シリンダヘッド
２      排気通路（例えば排気マニホールド）
３      排気タービン室
４      排気バルブ
５      排気出口部（絞り部）
６      排気通路のカーブ部
７      絞り穴（絞り部）
８      消音装置（マフラー）
９      触媒室或いはディーゼルパティキュレートフィルタ室
１０    触媒装置或いはディーゼルパティキュレートフィルタ装置
１１    出口部（絞り部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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