(57)【要約】【課題】高い掃気効果と高い脈動過給効果とを両立し、脈動過給効果によるトルク向上を図ることを目的とする。【解決手段】内燃機関の燃焼室に開口部を有する吸気通路５と、開口部を開閉する吸気バルブ７と、吸気通路５の吸気バルブ５より上流に配置され、吸気通路５の流路断面を開放、閉鎖することが可能な吸気制御弁１２と、吸気制御弁１２を、内燃機関の回転数に応じて吸気バルブ５の開弁期間中に開閉動作させる制御手段１３と、を備え、吸気制御弁１２を吸気バルブ７閉弁前に閉じることによって吸気制御弁１２と吸気バルブ７との間に空気を保持し、前記保持した空気が吸気バルブ７開弁によって開放されたときに生じる脈動を利用して過給を行う内燃機関であって、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４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する【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に開口部を有する吸気通路と、
前記開口部を開閉する吸気バルブと、
前記吸気通路の前記吸気バルブより上流に配置され、前記吸気通路の流路断面を開放、閉鎖することが可能な吸気制御弁と、
前記吸気制御弁を、前記内燃機関の回転数に応じて前記吸気バルブの開弁期間中に開閉動作させる制御手段と、を備え、
前記吸気制御弁を前記吸気バルブ閉弁前に閉じることによって前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に空気を保持し、前記保持した空気が前記吸気バルブ開弁時に前記燃焼室に開放されたときに生じる吸気脈動を利用して過給を行う内燃機関であって、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に保持される気体に圧力として蓄えられるエネルギが略最大となるように、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路の容積を設定することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記エネルギの大きさを、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間に保持される気体の圧力値と、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の容積と、の積算値として算出し、
前記エネルギが略極大値となるように前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の容積を設定する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室に開口部を有する吸気通路と、
前記開口部を開閉する吸気バルブと、
前記吸気通路の前記吸気バルブより上流に配置され、前記吸気通路の流路断面を開放、閉鎖することが可能な吸気制御弁と、
前記吸気制御弁を、前記内燃機関の回転数に応じて前記吸気バルブの開弁期間中に開閉動作させる制御手段と、を備え、
前記吸気制御弁を前記吸気バルブ閉弁前に閉じることによって前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に空気を保持し、前記保持した空気が前記吸気バルブ開弁時に前記燃焼室に開放されたときに生じる吸気脈動を利用して過給を行う内燃機関であって、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に保持される気体に圧力として蓄えられ、前記燃焼室の掃気に供されるエネルギが略極大となるように、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路の容積を設定することを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
前記燃焼室の掃気に供されるエネルギの大きさを、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に保持される気体の圧力値と、予め設定したバルブオーバラップ期間中の平均排圧の推測値との差と、
前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路の容積と、の積算値として算出し、
前記燃焼室内の掃気に供されるエネルギが略極大値となるように、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路の容積を設定する請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記吸気通路がそれぞれ前記燃焼室に開口部を有する第１の吸気通路と第２の吸気通路とに分岐し、
前記第１、第２の吸気通路にそれぞれ第１、第２の吸気制御弁および第１、第２の吸気バルブを備え、
前記第１、第２の吸気通路ごとに算出した前記燃焼室の掃気に供されるエネルギの和が略極大値となるように、前記第１の吸気制御弁と前記第１の吸気バルブとの間の吸気通路の容積、および前記第２の吸気制御弁と前記第２の吸気バルブとの間の吸気通路の容積をそれぞれ設定する請求項３または４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、所定の運転領域では前記第１、第２の吸気制御弁のいずれか一方は閉弁したまま、いずれか他方は開弁したままに制御する請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記いずれか一方の吸気制御弁と、前記いずれか一方の吸気制御弁下流の吸気バルブとの間の吸気通路の容積を所定の容積に設定し、
前記いずれか他方の吸気制御弁と前記いずれか他方の吸気制御弁下流の吸気バルブとの間の吸気通路の容積を、前記第１、第２の吸気通路ごとに算出した前記燃焼室内の掃気に供されるエネルギの和が略極大値となるように設定する請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記所定の容積は、前記いずれか一方の吸気制御弁閉弁時に、前記吸気制御弁下流から前記燃焼室に流入する空気量が略最少となる容積である請求項７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、内燃機関の吸気装置に関し、特に、吸気の脈動を利用することによって過給効果を得る吸気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の出力を向上させるために、吸気の脈動による過給効果（脈動過給）を利用して充填効率を向上させる方法が知られている。脈動過給効果は吸気通路の経路長等により異なるため、広い運転領域で高い脈動過給効果を得るために経路長の異なる複数の吸気通路を備えるマニホールドと、これらの吸気通路を運転状態に応じて切換えるための制御弁を備える技術手段が知られている。
【０００３】
ところが、マニホールドを上記のように経路長の異なる複数の吸気通路を備える構成にすると、装置の大型化や、十分な脈動過給効果を得られる運転領域が限られるという問題があった。
【０００４】
特許文献１には、上記のような問題を生じることなく脈動過給効果を得るために装置として、吸気通路の吸気弁より上流に吸気通路を開閉する開閉制御弁を備え、吸気弁開弁期間中に前記開閉制御弁を開閉させ、かつ脈動過給効果が最大となるように前記開閉弁の開弁時期を機関運転状態に応じて制御する装置が開示されている。
【特許文献１】特開平１−１５１７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている装置では、適用するエンジンのシリンダ内の掃気効率が低い場合には、シリンダ内に既燃ガスが多く残った状態で充填効率が高まるので、シリンダ内が高温となり、ノッキング発生の原因となるだけであって、トルクの向上に寄与しないという問題がある。また、開閉制御弁の取り付け位置によっては、十分な脈動過給効果を得ることができないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明では、高い掃気効果と高い脈動過給効果とを両立し、脈動過給効果によるトルク向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内燃機関は、内燃機関の燃焼室に開口部を有する吸気通路と、前記開口部を開閉する吸気バルブと、前記吸気通路の前記吸気バルブより上流に配置され、前記吸気通路の流路断面を開放、閉鎖することが可能な吸気制御弁と、前記吸気制御弁を前記内燃機関の回転数に応じて前記吸気バルブの開弁期間中に開閉動作させる制御手段とを備え、前記吸気制御弁を前記吸気バルブ閉弁前に閉じることによって前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に空気を保持し、前記保持した空気が前記吸気バルブ開弁時に前記燃焼室に開放されたときに生じる吸気脈動を利用して過給を行う内燃機関であって、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に保持される気体に圧力として蓄えられるエネルギが略最大となるように、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路の容積を設定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の吸気通路に保持される気体に圧力として蓄えられるエネルギができるだけ大きくなるように、前記吸気制御弁と前記吸気バルブとの間の容積を設定するので、例えば、前記エネルギを燃焼室の掃気に用いられるエネルギとすると、掃気によってシリンダ内の既燃ガスが排出した後に脈動過給効果によって新気が十分に導入されることになる。これにより、シリンダ内の温度が過剰に上昇することがなくなるのでノッキングが発生しにくくなり、また、シリンダ内の掃気が十分に行われるので、脈動過給効果によって多くの新気をシリンダ内に導入することができ、トルクアップの向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１に第１実施形態の構成を示す。１はシリンダヘッド、２はシリンダブロックである。シリンダブロック２に設けられたシリンダ２ａにはピストン３が摺動可能に収められており、ピストン３の頂面とシリンダヘッド１、シリンダブロック２とで燃焼室４が形成される。
【００１１】
燃焼室４には吸気ポート５および排気ポート６が開口しており、それぞれの開口部には吸気バルブ７、排気バルブ８が開口部を開閉可能に取り付けられている。
【００１２】
吸気バルブ７、配気バルブ８はそれぞれ吸気カムシャフト９、排気カムシャフト１０により開閉駆動される。
【００１３】
吸気ポート５には、燃料噴射弁１１が吸気通路５内に臨むように設置され、燃料噴射弁５より上流側には、流路を閉鎖、開放する容積可変手段としての吸気制御弁１２が設置されている。吸気制御弁１２は、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量等と同様に、エンジン冷却水温、アクセル開度等に応じて制御手段としてのコントロールユニット１３によって制御される。
【００１４】
吸気制御弁１２は吸気通路５を横断するシャフト１２ａと、シャフト１２ａに取り付けられた弁体１２ｂとで構成され、シャフト１２ａを軸として回転することによって、吸気通路５を開閉する。
【００１５】
なお、図１において、吸気制御弁１２と吸気バルブ７との間の吸気通路の容積をＶｐ、シリンダ２ａの容積をＶｃと定義する。
【００１６】
次に吸気制御弁１２の動作について説明する。
【００１７】
吸気制御弁１２は、例えば高負荷高回転域等のように多量の吸気量が要求される運転域において、エンジンの回転速度に応じて最適な時期に開閉するよう制御される。以下に、開閉制御の一例について説明する。
【００１８】
図２は図示しないクランクシャフトの回転に応じた吸気バルブ７、排気バルブ８のリフト量の変化、吸気ポート５内圧力の変化を表した図である。吸気ポート５内圧力の変化については、比較のため、吸気制御弁１２を設けない場合についても示してある。
【００１９】
なお、横軸はクランクシャフトの回転角度であり、圧縮上死点（ＴＤＣ）をゼロとする。
【００２０】
圧縮上死点後（以下、ＡＴＤＣと記す）ゼロ度付近では、吸気制御弁１２は閉じている。そしてクランクシャフトの回転とともに吸気バルブ７が開き始め、吸気行程が開始される。このとき吸気制御弁１２は閉じたままにする。これにより、吸気通路から新気が導入されずに、ピストン３の降下によってシリンダ容積Ｖｃだけが増大するので、吸気ポート５の圧力は低下する。
【００２１】
そして、吸気ポート５内に負圧が十分に発達したところ（例えば図２のＡＴＤＣ１４０度付近）で吸気制御弁１２を開き、吸気ポート５内の負圧を解放する。これにより吸気ポート５内に脈動が発生し、吸気通路５の上流に向けて振幅の大きな負圧波が伝播し、上流にある図示しないコレクタで逆位相の正圧波として反射された後、振幅の大きな正圧波としてシリンダ２ａ方向に伝播する。この正圧波による過給効果によって、吸気ポート５の圧力は上昇する。
【００２２】
吸気ポート５の圧力が上昇してピーク値となる付近で、吸気制御弁１２を閉じる。その後、ピストン３が下死点を通過し、吸気制御弁１２が閉、吸気バルブ７が開の状態で上昇すると、ピストン３によって押し戻された吸気が吸気ポート５に導入されるので、吸気ポート５の圧力はさらに上昇する。この圧力上昇は吸気バルブ７が閉じるまで続き、吸気バルブ７閉弁後は吸気ポート５内は、バルブオーバラップ直前まで正圧に保持される。
【００２３】
この正圧は排気上死点付近まで保持され、排気上死点近傍のバルブオーバラップ期間において、燃焼室４内の既燃ガスを排気ポート６側に強制的に掃気するのに利用される。
【００２４】
上記のように既燃ガスを強制的に掃気することによって、ノッキングを発生しにくくすることができる。
【００２５】
また、吸気制御弁１２を設けない場合には、吸気バルブ７の開弁とともにシリンダ２ａに新気が導入され、吸気バルブ７が開いた状態でピストン３が上昇しても、押し戻された既燃ガスは吸気通路上流まで押し戻されるので、図２に示すように小さな脈動はあるものの、大きな圧力変動は無い。
【００２６】
上記動作中のシリンダ２ａ内の空気量の変化について図３を参照して説明する。
【００２７】
図３は図２と同様にクランクシャフトの回転に応じたシリンダ２ａ内の充填空気量の変化を表す図である。
【００２８】
図３に示すように、吸気制御弁１２を設けない場合には、吸気バルブ７のリフト量に応じて充填空気量が増加する。これに対して吸気制御弁１２を設けた場合は、吸気バルブ７が開いてから吸気制御弁１２が開くまでは吸気制御弁１２を設けない場合に比べて充填空気量の増加速度は小さいものの、吸気制御弁１２が開いた後、前述した脈動過給効果によって急激に充填空気量が増加する。そして最大充填空気量は吸気制御弁１２を設けない場合に比べて多くなる。
【００２９】
ところで、シリンダ２ａ内の掃気効率が低い場合には、シリンダ２ａ内の充填空気量は増加しても高温の既燃ガスが多く含まれることになり、ノッキングが発生しやすくなる。そして、ノッキングの発生を防止するためには充填空気量の増加を抑えざるを得なくなる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、高い脈動過給効果を得るとともに、シリンダ２ａ内の掃気効率を高めるように吸気制御弁１２の取り付け位置を設定する。以下、吸気制御弁１２を設ける位置について説明する。
【００３１】
図４は吸気制御弁１２と吸気バルブ７との間の吸気通路の容積Ｖｐと過給効果の特性を表す図であり、横軸が容積Ｖｐである。
【００３２】
図４のバルブオーバラップ中の平均排圧値Ｐｅ、バルブオーバラップ直前に吸気制御弁１２から吸気バルブ７の間に保持される圧力（保持圧力）Ｐｈは予め計算等により求めたものである。なお、平均排圧値Ｐｅは脈動過給効果を最も重視する運転領域について求めたものである。
【００３３】
残ガス率Ｒｒｅはシリンダ２ａ内に残る既燃ガスの割合を表す。
【００３４】
保持圧力Ｐｈは、容積Ｖｐに既燃ガスが押し込まれることによって生じる圧力である。そして、前記既燃ガス量が吸気制御弁１２および吸気バルブ７の開閉タイミングにより定まる一定値なので、保持圧力Ｐｈは容積Ｖｐが大きくなるほど低くなっている。
【００３５】
掃気指数Ｒｉは下式（１）のように定めた指数である。
【００３６】
Ｒｉ＝（Ｐｈ−Ｐｅ）×Ｖｐ      ・・・（１）
なお、掃気性能に対する排圧の影響を無視し得る場合には、下式（２）のように定める。
【００３７】
Ｒｉ＝Ｐｈ×Ｖｐ      ・・・（２）
この掃気指数Ｒｉは、シリンダ２ａ内の既燃ガスを排気通路へ掃気するエネルギの大きさに準じた傾向を示すものである。したがって掃気指数Ｒｉに応じて残ガス率Ｒｒｅは変化し、掃気指数Ｒｉが極大となる近傍（Ｖｐ＝Ｖｐ０付近）で残ガス率Ｒｒｅが極小値をとる。
【００３８】
そこで、容積Ｖｐが掃気指数Ｒｉが極大となるＶｐ＝Ｖｐ０となるように吸気制御弁１２の取り付け位置を設定する。
【００３９】
上記のように吸気制御弁１２を取り付け位置を設定することによって、排圧の掃気効果への影響を加味しつつ、吸気制御弁１２の作動によって吸気制御弁１２から吸気バルブ７の間に保持される期待に圧力として蓄えられるエネルギーを最大にすることができる。
【００４０】
以上により、本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００４１】
吸気バルブ７の開閉動作中に吸気制御弁１２を開閉することによって脈動過給効果を生じさせてシリンダ２ａ内への充填空気量を増大させる構成であって、吸気ポート５に保持される気体に圧力として蓄えられるエネルギによる掃気効果が最大となるように吸気制御弁１２の取り付け位置を設定するので、シリンダ２ａ内が十分に掃気され、かつ脈動過給によって充填空気量が増大する。これにより、ノッキングの発生を防止しつつエンジントルクを増大させることができ、運転性の向上を図ることができる。
【００４２】
なお、本実施形態は吸気バルブ７が気筒当たり複数設けられた場合であっても、同様に適用することができる。例えば吸気バルブ７が気筒当たり２本ある場合について図５を参照して説明する。図５はシリンダ２ａ周辺を上面側から見た図である。
【００４３】
図５に示すように、吸気ポート５は分岐している。分岐した吸気ポート５をそれぞれ吸気ポート５−１、５−２とする。そして、吸気ポート５−１、５−２にはそれぞれ吸気制御弁１２−１、１２―２が設置される。また、吸気制御弁１２−１、１２−２から下流の吸気弁までの容積をＶｐ１、Ｖｐ２（Ｖｐ１＝Ｖｐ２）とする。
【００４４】
容積Ｖｐ１、Ｖｐ２に対して、図２と同様に式（１）または（２）を用いて掃気指数Ｒｉ１、Ｒｉ２を求め、さらにこれらの和であるＲｉｓを求める。
【００４５】
そして、この掃気指数Ｒｉｓが極大となるように吸気制御弁１２の取り付け位置を設定すれば、図１〜図３に示したのと同様の効果を得ることができる。
【００４６】
第２実施形態について図６を参照して説明する。
【００４７】
図６は図５同様にシリンダ２ａ周辺を上面側から見た図である。
【００４８】
本実施形態の構成は、吸気制御弁１２−１、１２−２を設ける位置が図５に示した構成と異なる。本実施形態の吸気装置では、脈動過給を行うとき以外、例えば低負荷運転域等では、吸気制御弁１２−１は閉弁され、吸気制御弁１２−２のみ開弁されるものとする。これによって、吸気ポート５−２から燃焼室４内に流入した空気がシリンダ２ａ内周壁に沿って旋回してスワールを形成することとなり、燃焼室４内のガス流動が強化される。
【００４９】
このとき、吸気制御弁１２−１を閉弁しても、吸気ポート５−１にある空気の一部は、吸気バルブ７が開弁してピストン３が下降するとともに燃焼室４に流入する。ここで流入した空気は、吸気ポート５−２から流入した空気が燃焼室４の壁面に沿って流れることで形成したスワール流と衝突し、これによりスワールは弱められる。つまり、吸気ポート５−１から流入する空気の量が多いほど、スワールは弱められることになる。
【００５０】
また、吸気制御弁１２−１を閉じた状態で吸気ポート５−１から燃焼室４に流入する空気量は、容積Ｖｐ１の大きさに応じて定まる。
【００５１】
そこで、本実施形態では、吸気ポート５−１の形状や燃焼室４の形状を考慮したうえで、吸気制御弁１２−１を閉弁した状態で吸気ポート５−１から燃焼室４に流入する空気の量ができるだけ少なくなるような位置に吸気制御弁１２−１を設置することとする。
【００５２】
このとき掃気指数Ｒｉｓは、まず図５の場合と同様に式（１）または（２）から吸気制御弁１２−１、１２−２による掃気指数Ｒｉ１、Ｒｉ２を求め、これらを用いてＲｉｓ＝Ｒｉ１＋Ｒｉ２として定まる。
【００５３】
ここで、吸気制御弁１２−１の位置は前述したように強いスワールを形成するために適した位置に定まるので、容積Ｖｐ１は一定値となる。なお、容積Ｖｐ２が変化すると容積Ｖｐ１の圧力も変化するため、掃気指数Ｒｉ１が一定値になるとは限らない。
【００５４】
そこで、掃気指数Ｒｉｓが極大となるようにＶｐ２を設定し、これに応じて吸気制御装置１２−２の取り付け位置を設定する。
【００５５】
上記のように吸気制御弁１２−１、１２−２を取り付けることで、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、吸気制御弁非作動時においてはスワールを形成することによって燃焼室４内のガス流動を強化することができる。
【００５６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、内燃機関の吸気装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１実施形態を適用するエンジンの概略図である。
【図２】第１実施形態を適用した場合の、クランクシャフト回転に応じた吸気ポート内圧力変動を説明するための図である。
【図３】第１実施形態を適用した場合の、クランクシャフト回転に応じたシリンダへの充填空気量の変動を説明するための図である。
【図４】掃気指数、残ガス率、保持圧力、平均排圧の関係を表す図である。
【図５】吸気２弁式エンジンに適用する場合について説明するためのシリンダ上面図である。
【図６】第２実施形態について説明するためのシリンダ上面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    シリンダヘッド
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    燃焼室
５    吸気ポート
６    排気ポート
７    吸気バルブ
８    排気バルブ
９    吸気カムシャフト
１０  排気カムシャフト
１１  燃料噴射弁
１２  吸気制御弁
１３  コントロールユニット
【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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