(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気管内にスロットル弁と、その下流の燃料噴射装置との間に配置され、燃焼室にタンブル流を生成するための吸気流制御弁とを備える内燃機関の吸気装置であって、
前記吸気流制御弁の形状は、該制御弁で形成される気流が該制御弁下流に存在する吸気管内突出部を避けて流れる形状であって、前記吸気管内突出部の突出位置、突出形状、該制御弁との距離に応じて設定されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
【請求項２】
前記吸気管内突出部は吸気管断面の上部中央に位置しており、前記吸気流制御弁の形状を、上部両側を切り欠いた凸形状としていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項３】
前記吸気流制御弁の外縁を滑らかに接続される直線と曲線で形成していることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項４】
吸気管内にスロットル弁と、その下流の燃料噴射装置との間に配置され、燃焼室にタンブル流を生成するための吸気流制御弁とを備える内燃機関の吸気装置であって、
前記吸気流制御弁の形状は、該制御弁で形成される気流が該制御弁下流に存在する吸気管内突出部を避けて流れる形状であって、前記吸気管の気流流通方向から見た前記吸気管内突出部の投影面積より、前記吸気管の気流流通方向から見た前記吸気流制御弁の対応する突出部の投影面積を小さく形成していることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の吸気装置に関し、特に吸気流制御弁によって吸気管内の吸気流を制御可能な内燃機関の吸気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気管内のスロットル弁下流側で燃料噴射装置の上流側に吸気流制御弁を配置する内燃機関の吸気装置が知られており、特開平９−４４７４号公報等に開示されている。
【０００３】
この吸気装置は、内燃機関始動時、例えば、スタータモータが始動されてから機関回転数が予め定められた設定回転数よりも高くなるまでの間に、吸気流制御弁を閉じて吸気通路の密閉度を高め、それによって吸気流制御弁下流の吸気通路内に大きな負圧が形成されるようにして燃料噴射弁から噴射された燃料が良好に微粒化されるようにしている。また、この制御弁には穴または切り欠きが設けられており、この穴または切欠きを通して気流を通過させることで燃焼室内にタンブル流を積極的に形成することにより、少ない燃料量で燃焼を行うことを可能とするので、未燃燃料の排出を抑制できる効果がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
制御弁の形状としては様々な形状が提案されている。本発明者らは、吸気流制御弁の下流の吸気管内に突出部が存在する場合には、従来提案されてきた制御弁形状では燃焼室内のタンブル流形成が不十分であって有効なエンジンの燃焼改善が得られない場合があることを見出し、その問題点を解決するため、本発明に至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、吸気流制御弁下流の吸気管内に突出部が存在する場合に燃焼室内に有効にタンブル流を形成可能な形状の燃料制御弁を有する内燃機関の吸気装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の吸気装置は、吸気管内にスロットル弁と、その下流の燃料噴射装置との間に配置され、燃焼室内にタンブル流を生成するための吸気流制御弁とを備える内燃機関の吸気装置であって、吸気流制御弁を該制御弁で形成される気流が該制御弁下流に存在する吸気管内突出部を避けて流れる形状とし、吸気管内突出部の突出位置、突出形状、該制御弁との距離に応じて設定していることを特徴とする。
【０００７】
吸気流制御弁の形状をこのような形状に設定することにより、制御弁で形成された気流は下流に存在する吸気管内突出部を避けて流れるため、気流が弱められたり、乱されることがなく、燃焼室へと導かれるので、燃焼室内に有効なタンブル流を形成することが可能であり、燃焼改善を図ることができる。
【０００９】
具体的には、突出位置（突出部と燃焼室入口との距離）は近いほど、突出形状は大きいほど、制御弁との距離は近いほど突出部による気流の乱れの効果が燃焼室に持ち込まれやすいから、形成される気流は突出部を大きく避ける必要がある。突出位置や突出形状によって吸気流制御弁の形状を設定することにより、燃焼室内に適切なタンブル流を形成することができる。
【００１０】
ここで、吸気管内突出部は吸気管断面の上部中央に位置しており、吸気流制御弁の形状を、上部両側を切り欠いた凸形状とすることが好ましい。このようにすると、吸気管、吸気弁の製造、組み立てが容易である。
【００１１】
この吸気流制御弁の外縁を滑らかに接続される直線と曲線で形成することが好ましい。このようにすると、吸気流制御弁を通過する気流に剥離が生じにくく、燃焼室内に比較的強いタンブル流を形成することが可能となるので、より一層の燃焼改善を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は本発明に係る内燃機関の吸気装置とこの吸気装置を適用した内燃機関とを表わす概略図である。
【００１４】
火花点火式のガソリン多気筒内燃機関（以下、単に内燃機関と称する）１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２２と、吸入空気量を検出するエアフローメータ２３と、アクセルペダル４の操作に連動するスロットル弁２４が配置されるとともにこのスロットル弁２４の開度を検出するスロットル開度センサ２５が配置されている。また、吸気管２のサージタンク２０には、吸気管２の圧力を検出するための吸気圧センサ２６が配置されている。さらに、内燃機関１の各気筒に接続される吸気ポート２１には電磁駆動式のインジェクタ（燃料噴射装置）２７が設けられており、このインジェクタ２７には燃料タンク５から燃料であるガソリンが供給される。そして、インジェクタ２７の先端の燃料噴出孔は吸気ポート２１内に突出して配置されている。この突出位置は、吸気ポート２１の断面で見ると、上部中央に該当する。図示の内燃機関１は、各気筒ごとに独立してインジェクタ２７が配置されているマルチポイントインジェクションシステムである。
【００１５】
サージタンク２０と吸気ポート２１との間には、吸気流制御バルブ２９を備える吸気流制御バルブアッシー２８が取り付けられている。図２、図３は、この吸気流制御バルブ２９の具体的構造を説明する図であり、図２が吸気流制御バルブ２９を横から見た図であり、図３が吸気流制御バルブ２９部分をサージタンク２０側から見た正面図である。バルブアッシー２８の管部は、図３に示されるように断面が長円形状であり、その管内には、吸気流制御バルブ２９がシャフト２９ｓを中心として転動可能な状態で配置されている。
【００１６】
吸気流制御バルブ２９の弁２９ｖの形状は、図４に示されるようにバルブアッシー２８の管部の斜断面形状（長楕円形）の上部両側を切り欠いた形状であって、図３に示されるように上部略中央に幅Δｗ、高さΔｈの突出部を有する形状に形成されている。すなわち、インジェクタ２７の突出位置に対応する位置に突出部が形成されている。
【００１７】
一方、吸気流制御バルブ２９の下流側には、実線で示される吸気流制御バルブ２９の閉止時に、この切欠き部の上縁部と接触する隔壁２８ａが上部管壁２８ｕと平行に配置されている。シャフト２９ｓに接続されたアクチュエータ６２を動作させて、シャフト２９ｓを駆動することで、吸気流制御バルブ２９の開閉動作を行うことができる。
【００１８】
内燃機関１の各気筒を構成するシリンダ１０内には図の上下方向に往復動するピストン１１が設けられ、このピストン１１はコンロッド１２を介して図示していないクランク軸に連結されている。ピストン１１の上方には、シリンダ１０とシリンダヘッド１３とによって区画された燃焼室１４が形成されている。この燃焼室１４の上部には点火プラグ２０が配置されるとともに、開閉可能な吸気バルブ１６と排気バルブ１７を介してそれぞれ吸気管２と排気管３に接続されている。
【００１９】
そして、排気管３には、排気ガス中の酸素濃度に応じた所定の電気信号を出力する空燃比センサ３１が配置されている。
【００２０】
内燃機関１を制御するエンジンＥＣＵ６（本発明に係る内燃機関の吸気装置の制御装置を含む）は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、上述した各センサ（吸気温センサ２２、エアフローメータ２３、スロットル開度センサ２５、吸気圧センサ２６、空燃比センサ３１）や車速センサ６０、クランクポジションセンサ６１の各出力信号が入力されるとともに、点火プラグ１５、インジェクタ２７、アクチュエータ６２の動作を制御するものである。
【００２１】
次に、本発明に係る内燃機関の吸気装置の動作について説明する。図５は、制御動作を説明するフローチャートである。この制御は、エンジンＥＣＵ６によって行われるものであって、イグニッションキーがオンにされてから所定の間隔で繰り返し実行されるものである。
【００２２】
ステップＳ１では、まず、エンジン冷却水温が所定範囲内にあるか否かを判定する。すなわち、寒冷環境以外のファーストアイドル時等で、エンジン冷却水温が十分に上昇していない場合には、判定結果はＹＥＳとなり、ステップＳ２へと移行する。ステップＳ２では、吸入空気量が所定値未満の状況が継続しているか否かを判定する。吸入空気量が低い状態であれば、アイドル状態と安定してステップＳ３へと移行する。ステップＳ３では、スロットル開度が所定値未満の状態が継続しているか否かを判定する。スロットル開度が所定値未満の状態が継続している場合は、アイドル操作状態であると判定してステップＳ４へと移行し、アクチュエータ６２を操作して吸気流制御バルブ２９を全閉にする。
【００２３】
吸気流制御バルブ２９を全閉にすると、図２に実線で示されるように、吸気流制御バルブアッシー２８内の管路は吸気流制御バルブ２９によって一部閉塞されているため、その切欠き部分のみを介して空気が流れる。このように管路を一部閉塞することで、吸気流制御バルブ２９の下流側には、大きな負圧が形成されるとともに、切欠き部分を通過する気流が加速される。
【００２４】
こうして切欠き部分を通過した気流は、隔壁２８ａと上部管壁２８ｕとの間に形成される流路２８ｐを流れることで、整流され、吸気ポート２１へと導かれる。吸気ポート２１内では、上壁面に沿って流れる強い気流が形成される。吸気流制御バルブ２９の下流の吸気ポート２１には、上壁面から突出しているインジェクタ２７が存在しているが、インジェクタ２７の突出位置と吸気流制御バルブ２７の突出位置とを合わせることで、吸気ポート２１内に形成されている気流は、インジェクタ２７の突出部を迂回して流れるため、この突出部によって乱されることなく、吸気バルブ１６まで到達し、燃焼室１４内へと導かれる。この結果、燃焼室内には強いタンブル流が形成される。
【００２５】
ファーストアイドル時には、吸気ポート２１の壁面温度が低く、吸気流制御バルブ２９が存在しない場合は、吸気管負圧も低いためインジェクタ２７から噴射された燃料の蒸発が進まず、壁面への付着が多くなる傾向がある。本発明に係る吸気装置においては、吸気管負圧を高めることができるため、減圧沸騰効果により燃料の蒸発を促進することができるので、燃料の壁面付着も抑制できる。
【００２６】
また、燃焼室内に強いタンブル流を形成することで、より希薄な空燃比（Ａ／Ｆ）での燃焼が可能となるので、燃料噴射量を削減することができ、点火時期遅角化と合わせて安定したアイドル運転の実現と未燃燃料の排出抑制が可能となる。
【００２７】
ステップＳ１〜Ｓ３までの判定結果のいずれかがＮＯであった場合は、ステップＳ５へと移行し、アクチュエータ６２を駆動して吸気流制御バルブ２９を全開にすることで、吸気流制御を行わず、通常運転を行う。ステップＳ１がＮＯの場合は、ファーストアイドル条件ではないため、壁面への付着量は少なく、また、排ガス浄化触媒が十分に昇温されていると考えられるため、未燃燃料を適切に浄化できるのでエミッションの悪化が抑制できるからである。ステップＳ２、Ｓ３のいずれがＮＯであった場合は、運転者が吸気量の増大を求めていると考えられるが、吸気流制御バルブ２９が全閉の状態では吸気量を適切に増大させることができないので、全開にすることで、吸気量増大を可能とする。この結果、ドライバビリティーが向上する。
【００２８】
ここで、吸気流制御バルブ２９の突出部の形状とインジェクタ２７の突出部との関係について説明する。図６は、吸気ポート２１内における吸気流制御バルブ２９、インジェクタ２７の位置関係を示す概略図である。図６に示されるようにインジェクタ２７の突出部の高さをＨ、幅をＷ、インジェクタ２７の突出部と吸気流制御バルブ２９との間の吸気ポート２１の長さをＬとする。
【００２９】
インジェクタ２７の突出部の幅Ｗ、高さＨが大きいほど吸気流制御バルブ２９で形成する気流がインジェクタ２７の突出部を大きく回避する必要が生ずるので、吸気流制御バルブ２９の上部に突出する突出部は、Ｗが大きいほどその幅Δｗを大きく、Ｈが大きいほどその高さΔｈを大きく設定する必要がある。ただし、Δｗ＜Ｗ、Δｈ＜Ｈとして、吸気ポート２１の断面における投影面積は、インジェクタ２７の突出部のそれより吸気流制御バルブ２９の突出部のそれを小さくすることが好ましい。また、Ｌが短いほど吸気流制御バルブ２９で形成する気流がインジェクタ２７の突出部を大きく回避する必要が生ずるので、Ｌが短いほど吸気流制御バルブ２９の突出部の幅Δｗ、高さΔｈをそれぞれ大きく設定する必要がある。なお、吸気流制御バルブ２９を全閉にしたときにその切欠き部を介して通過する空気流量を多くしたい場合は、突出部の幅Δｗを小さくするより、高さΔｈを拡大するほうが好ましい。
【００３０】
本発明者らは、本発明に係る内燃機関の吸気装置による燃焼改善効果を確認する比較実験を行ったので、その結果について以下に報告する。比較実験は、図３に示される形状の吸気流制御バルブ２９ｖを用いた実施例と、吸気流制御バルブを有しない比較例１、図７に示される特開平１１−２５７０７８号公報に開示されているような従来形状の吸気流制御バルブ２９ｖ’を用いた比較例２の３種について点火時期を調整して燃焼を行うことができるリーン限界について調べた。その結果を図８に示す。ここで、実施例と比較例２とで閉止時の流路面積はいずれも全体の１０％となるよう形状を設定した。なお、図８は、縦軸を点火時期、横軸を空燃比（Ａ／Ｆ）とした時のリーン限界を表わす等トルク変動ラインを示したものである。
【００３１】
図８に示されるように比較例２は、比較例１に対してリーン燃焼が可能であり、燃焼改善効果が見られるが、通常点火時期での燃焼改善効果は小さい。これに対して、実施例では比較例１、２のいずれに対してもどの点火時期においてもリーン燃焼が可能となり、その燃焼改善効果が確認できた。
【００３２】
本発明に係る内燃機関の吸気流制御バルブ２９のバルブ形状は図３の形態に限られるものではなく、図９（ａ）に示されるように、切欠き部をバルブ本体に食い込ませて開口面積を確保するようにしてもよい。また、図９（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示されるようにバルブの外縁を滑らかに接続される直線と曲線で構成してもよい。このように形成すると、吸気流制御バルブを通過する空気がバルブの縁で剥離しがたくなるので、比較的強いタンブル流を形成することができ、好ましい。
【００３３】
以上の説明では、突出部としてインジェクタが突出している場合を例に説明してきたが、他の突出部についても同じことがいえる。また、吸気流制御バルブはインテークマニホールドと別体となっている場合を例に説明したが、一体型のインテークマニホールド内に配置してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、吸気管内にインジェクタ噴射孔などの突出部が存在している場合でも、吸気流制御弁によって形成されたタンブル流がこの突出部によって弱められたり、乱されることなく燃焼室内に導かれるので、良好な燃焼改善効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の吸気装置とこれを適用した内燃機関とを示す概略図である。
【図２】図１の装置における吸気流制御バルブアッシーの断面図である。
【図３】図２のバルブ部分の正面図である。
【図４】図３のバルブの形状を表わす図である。
【図５】本発明に係る内燃機関の吸気装置における吸気流制御バルブの動作を説明するフローチャートである。
【図６】図１の内燃機関における吸気流制御バルブ、燃料噴射装置、吸気弁の位置関係を示す図である。
【図７】従来技術における吸気流制御バルブを示す図である。
【図８】本発明に係る内燃機関の吸気装置の燃焼改善効果を従来技術と比較して示すグラフである。
【図９】本発明に係る内燃機関の吸気装置における吸気流制御弁の他の形態を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…吸気管、エンジンＥＣＵ、１４…燃焼室、１６…吸気バルブ、２０…サージタンク、２１…吸気ポート、２２…吸気温センサ、２３…エアフローメータ、２４…スロットル弁、２５…スロットル開度センサ、２６…吸気圧センサ、２７…インジェクタ、２８…吸気流制御バルブアッシー、２９…吸気流制御バルブ、６２…アクチュエータ
【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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