(57)【要約】    【課題】内燃機関の吸気通路の壁面に付着した燃料の蒸発を促進し、エミッションを低減させる。    【解決手段】内燃機関の吸気通路において、燃料噴射弁４１の上流に吸気制御弁２１を設置する。この吸気制御弁２１には、全閉状態下でその全周に亘り、吸気通路の壁面との間に実質的な隙間ｇが形成される形状を持たせる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁が吸気通路に設置された内燃機関に設けられ、
前記吸気通路のうち前記燃料噴射弁の上流に設置されて、下流における空気の流れを制御する吸気制御弁であって、前記吸気通路の中心線に対して垂直な関係にある全閉状態下で全周に亘り、前記吸気通路の壁面との間に実質的な隙間が形成される形状を持たせた第１の吸気制御弁を含んで構成される内燃機関の吸気装置。
【請求項２】
機関において、前記吸気通路のうち前記第１の吸気制御弁の上流に、機関の吸入空気量を制御する第２の吸気制御弁が設けられ、
前記第１の吸気制御弁と前記吸気通路の壁面との間に形成される前記隙間が、全閉状態にある前記第２の吸気制御弁と前記吸気通路の壁面との間に形成される隙間よりも広い請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項３】
前記第１の吸気制御弁のうち、その外周の一部によりこれ以外の部分よりも広い隙間が形成される請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項４】
前記第１の吸気制御弁のうち、前記吸気通路の中心線を基準とする一側の部分により他側の部分よりも広い隙間が形成される請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項５】
筒内における空気の流れの旋回成分を強化する場合に、
前記第１の吸気制御弁のうち、前記流れの旋回中心から遠い一側で前記広い隙間が形成される請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項６】
前記吸気通路の内径よりも小さな値の外径の筒状に形成され、前記第１の吸気制御弁と前記燃料噴射弁との間に設置されて、前記吸気通路の壁面に沿わせて前記隙間から続く環状の流路を形成する案内手段を更に含んで構成される請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項７】
内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、
この検出手段により検出された運転状態に基づいて前記第１の吸気制御弁の位置を制御する制御手段と、を更に含んで構成される請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
【請求項８】
筒内への吸入前の空気に対して燃料が添加される内燃機関の吸気装置であって、
吸気通路に設置され、筒内に吸入される空気の流れを制御する吸気制御弁を含んで構成され、
前記吸気制御弁は、前記吸気通路の中心線に対して垂直な関係にある全閉状態下で全周に亘り、前記吸気通路の壁面との間に実質的な隙間を形成し、この隙間を介して形成される断面環状の空気の流れが下流の吸気通路の壁面上を通過して、この壁面に付着した燃料の蒸発が促進される内燃機関の吸気装置。
【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、詳細には、筒内に吸入される空気の流れを制御する吸気制御弁を含んで構成される内燃機関において、吸気通路の壁面に付着した燃料の蒸発を促進させて、エミッションを低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の典型として、筒内への吸入前の空気に対して燃料が添加される火花点火方式の内燃機関は、よく知られたところである。この火花点火機関に関し、主に低回転時における燃焼安定性の確保を目的として、吸気通路に吸気制御弁が設置され、この吸気制御弁を閉作動させることにより、この弁を通過する空気の流れを制御し、筒内における空気（又は混合ガス）の流れを強化する吸気装置が知られている。
【０００３】
このような内燃機関の吸気装置として、特に燃料の壁流の問題に着目して構成された、次のものが知られている。すなわち、機関の吸気通路において、燃料噴射弁の上流に吸気制御弁を備え、この吸気制御弁のうち、吸気通路の中心線を基準とする上下の各側に、大きさの異なる２つの切り欠きが設けられたものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−０４４４５９号公報（図１、段落番号０００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この公知の吸気装置によれば、上記の通り吸気通路の中心線を基準とする上下に切り欠きが設けられ、上側の一方の切り欠きが下側の他方の切り欠きよりも大きなものとして形成されたことで、一方の切り欠きを介して弁を通過した空気により筒内に強い流れが形成される。ここで、仮に他方の切り欠きがないとすれば、吸気制御弁の弁体後方に流れの渦が形成され、燃料噴射弁により噴射された燃料がこの渦の領域に停滞して、吸気制御弁の近傍の通路壁面に付着し、壁流を形成することとなるが、他方の切り欠きを形成したことで、この他方の切り欠きを介して弁を通過した空気の流れにより渦の発達が抑制され、燃料の滞留及び壁流の形成が抑制される。
【０００５】
しかしながら、このものには、壁流抑制等の手段として吸気制御弁の切り欠きを採用したことに起因した、次のような問題がある。上記の吸気装置において、一方の切り欠きによる流動強化の効果に併せ、他方の切り欠きによる壁流抑制の効果を充分に得ようとすれば、吸気制御弁のうち切り欠き以外の弁体部分を、空気の漏れがないように通路壁面に可及的に適合させた形状とし、それぞれの切り欠きを通過する空気の流れに充分な強さを持たせることが必要となる。このため、他方の切り欠きの存在にも拘わらず燃料が壁面に付着した場合は、切り欠き以外の部分で空気の流れが遮断されることから、その遮断部分の後方で付着した燃料の蒸発が促進されず、筒内に流入してエミッションを悪化させることが考えられる。
【０００６】
本発明は、筒内に吸入される空気の流れを制御する吸気制御弁を含んで構成される内燃機関の吸気装置において、従来遮断すべきとされた部分でこの吸気制御弁を通過する空気の流れを積極的に許容することで、この流れにより壁面に付着した燃料の蒸発を促進し、エミッションを低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、内燃機関の吸気装置を提供する。本発明に係る装置は、燃料噴射弁が吸気通路に設置された内燃機関に設けられ、吸気通路のうち燃料噴射弁の上流に設置されて、下流における空気の流れを制御する吸気制御弁を含んで構成される。この吸気制御弁には、吸気通路の中心線に対して垂直な関係にある全閉状態下で全周に亘り、吸気通路の壁面との間に実質的な隙間が形成される形状が付される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、全閉状態にある吸気制御弁の全周に亘り吸気通路の壁面との間に実質的な隙間が形成され、この隙間を介して通路壁面に沿う空気の流れが形成される。このため、壁面に付着した燃料の蒸発をこの空気の流れにより促進させ、エミッションを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。
【００１１】
エンジン１は、火花点火機関であり、吸気通路に設置された燃料噴射弁４１により、筒内への吸入前の空気に対して燃料が添加される。
【００１２】
シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入されており、ピストン１２の冠面１２１とシリンダヘッド１３の下面との間に形成される空間が、燃焼室１４となる。シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍを基準とした一側に吸気ポート１５が形成されており、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸ｍを基準とした他側に排気ポート１７が形成されており、排気ポート１７は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１８により開放及び遮断される。吸気弁１６及び排気弁１８は、各弁１６，１８の上方に設置された図示しない吸気カム及び排気カムにより夫々開方向に駆動される。なお、本実施形態において、吸気ポート１５は、気筒毎に２つずつ設けられ、筒内におけるタンブル流の強化のため、いわゆるストレートポートとして形成されている。
【００１３】
吸気通路には、「第１の吸気制御弁」としての吸気制御弁（以下、単に「吸気制御弁」というときは、第１の吸気制御弁をいう。）２１が設置されており、吸気制御弁２１により吸気通路が実質的に窄められ、その下流、延いては筒内における空気の流れが制御される。また、吸気制御弁２１の上流（サージタンクが設けられたエンジンにおいて、その上流）に、吸入空気量を制御するための「第２の吸気制御弁」としてのスロットル弁３１が設置されている。すなわち、本実施形態では、スロットル弁３１とは別に流動制御用の吸気制御弁２１が設けられている。吸気制御弁２１は、駆動手段としてのダイヤフラムアクチュエータ２２とリンク２３により連結されており、アクチュエータ２２は、後述するエンジンコントロールユニット５１からの信号に基づいて作動して、吸気制御弁２１の位置を制御する。
【００１４】
吸気通路において、吸気制御弁２１の下流には、燃料噴射弁４１が設置されており、燃料噴射弁４１によりエンジン１の運転条件に応じた量の燃料が噴射される。噴射された燃料は、空気との混合ガスを形成し、吸気弁１６の開期間に筒内に吸入される。シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍ上又はその近傍に点火プラグ４５が設置されており、吸入された混合ガスに対し、点火プラグ４５により点火が行われる。なお、本実施形態では、燃料の噴射開始時期は、吸気弁１６の開時期前に設定され、燃料は、排気行程から吸気行程にかけて噴射される。
【００１５】
吸気制御弁２１の動作に加え、スロットル弁３１、燃料噴射弁４１及び点火プラグ４５の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５１により制御される。ＥＣＵ５１には、エンジン１に対する要求負荷を示すアクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ６１からの信号、クランクシャフトの単位位置及び基準位置を検出するクランク角センサ６２からの信号（この信号に基づいてエンジン１の回転速度を算出することができる。）、及びエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ６３からの信号等が入力される。ＥＣＵ５１は、入力した信号をもとに、吸気制御弁２１等の各デバイスを制御するための信号を出力する。
【００１６】
図２は、吸気制御弁２１及びその周辺の構成を拡大して示すとともに、吸気制御弁２１の動作を説明している。図２ａは、吸気通路の中心線（以下「通路中心線」という。）ｎを含む平面による縦方向の断面を示しており、図２ｂは、通路中心線ｎに垂直な平面による断面を示している。図２ｂにおいて、吸気制御弁２１の下流の吸気通路を二点鎖線で示している。
【００１７】
本実施形態では、吸気制御弁２１は、吸気通路の壁面（以下「通路壁面」という。）の形状に合わせて長円に形成されたバタフライ弁である。吸気制御弁２１には、通路中心線ｎに対して垂直な関係にある全閉状態下でその全周に亘り、通路壁面との間に実質的な隙間（以下、単に「隙間」という。）ｇが形成される形状（ここでは、寸法を含む概念とする。）が付されている。この吸気制御弁２１により形成される環状の隙間ｇの幅は、流量制御用のスロットル弁３１により設計上の公差として形成されるものよりも大きく、吸気制御弁２１の上流及び下流の両側の空間は、吸気制御弁２１が全閉状態にあっても、隙間ｇを介して連通した状態に保たれる。本実施形態において、吸気制御弁２１は、アイドリング時を含むエンジン１の低回転時に全閉状態に置かれる。この全閉状態のもと、空気が隙間ｇを介して吸気制御弁２１を通過して、通路壁面に沿う空気の流れｆが形成される。既述の通り燃料の噴射期間が排気行程から吸気行程にかけて設定されているため、吸気通路内で空気が停滞している排気行程に噴射された燃料がこの通路内で滞留し、特に機関の冷間始動時において、その一部が通路壁面のほぼ全周に付着する。吸気行程に入り、吸気弁１６の開弁に伴って流れｆが形成されると、この流れｆが通路壁面上を通過することで、この壁面に付着した燃料ｗの蒸発が促進される。なお、低回転時以外の高回転時おいて、吸気制御弁２１は、通路中心線ｎに対して平行な関係にある全開状態に置かれ、通路断面全体を利用して吸気が行われる。
【００１８】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００１９】
すなわち、本実施形態では、全閉状態にある吸気制御弁２１の全周に亘り、実質的な隙間ｇを形成したことで、通路壁面の全周に付着した燃料ｗの蒸発を、隙間ｇを介して吸気制御弁２１を通過した空気の流れｆにより促進させることができる。このため、吸気通路における空気の流れが比較的に緩やかとなるエンジン１の低回転時に吸気制御弁２１を閉弁させることで、吸気制御弁本来の機能として得られる筒内における流動強化及び燃焼安定の効果に加え、流れｆにより付着燃料ｗの蒸発を促進させることができ、特にエンジン１の冷間始動時におけるエミッションを低減させることができる。
【００２０】
本実施形態により隙間ｇが吸気制御弁２１の全周に亘り設けられたことで、その下流において、吸気通路の内面全周に亘る環状の流れｆが形成される。この流れｆは、その全周で吸気制御弁２１の上流から連続しており、流速を維持した状態で燃料ｗが付着した通路壁面上を通過するため（流れｆが周方向でせん断されると、エネルギーの一部が渦により消散され、流速が低下する。）、通路壁面の全周に付着した燃料の蒸発を効果的に促進させる。なお、吸気制御弁２１の軸は、上流からの空気の流れを遮断する実質的な作用を及ぼすものではない。
【００２１】
以上では、吸気制御弁２１の全周に亘り通路壁面との間に一様な隙間ｇを形成する場合を例に説明した。しかしながら、隙間ｇは、周方向の一部を他の部分よりも拡大させて形成することとしてもよく、これにより筒内における混合ガスの特定方向の流れが強化される。なお、以下に示す各実施形態において、吸気制御弁２１ａ〜２１ｃの変更以外の構成は、第１の実施形態のもの（図１）と同様であり、対応する部分又は部品には、同じ符号を付している。
【００２２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作を示している。
【００２３】
本実施形態では、吸気制御弁２１ａの外周のうち、通路中心線ｎを基準とする上側の部分に切り欠き２１１が設けられている。このため、吸気制御弁２１ａと通路壁面との間には、吸気制御弁２１ａの全周に亘り隙間ｇ，ｇａが形成されるとともに、特に切り欠き２１１により、吸気通路の上部に他の部分のもの（ｇ）よりも大きな隙間ｇａが形成されている。全周に亘る隙間ｇ，ｇａにより通路壁面に沿う空気の流れｆ，ｆａが形成されるとともに、吸気通路の上部に拡大された隙間ｇａが形成されたことで、この隙間ｇａを介する空気の量が増大し、筒内における混合ガスの縦方向の旋回流動、すなわち、タンブル流が強化される。
【００２４】
本実施形態によれば、吸気制御弁２１ａを全閉状態に置くことで、隙間ｇ，ｇａを介して吸気制御弁２１ａを通過した空気の流れｆ，ｆａにより通路壁面に付着した燃料ｗの蒸発を促進させるとともに、拡大された隙間ｇａにより筒内でタンブル流を強化し、燃焼安定性を向上させることができる。
【００２５】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作を示している。
【００２６】
本実施形態では、吸気制御弁２１ｂの外周のうち、通路中心線ｎを基準として、気筒中心軸ｍに垂直な方向（すなわち、左右）の一側の部分に切り欠き２１２が設けられており、この切り欠き２１２により、吸気通路のその一側の部分に他の部分のもの（ｇ）よりも大きな隙間ｇｂが形成されている。吸気通路の左右の一側に拡大された隙間ｇｂが形成されたことで、筒内における混合ガスの横方向の旋回流動、すなわち、スワール流が強化される。
【００２７】
本実施形態によれば、吸気制御弁２１ｂを全閉状態に置くことで、以上の実施形態におけると同様に付着燃料ｗの蒸発を促進させるとともに、拡大された隙間ｇｂにより筒内でスワール流を強化し、燃焼安定性を向上させることができる。また、スワール流による場合は、タンブル流による場合と比較して、上死点後もスワール流の成分が保持されるため、火炎伝播が促進される。このため、排気通路に排気浄化用の触媒が設けられるエンジンにおいて、点火時期を安定して遅角させ、排気温度の上昇による触媒の早期活性を図ることができる。
【００２８】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作を示している。
【００２９】
本実施形態では、吸気制御弁２１ｃの外周のうち、通路中心線ｎを基準とする対角線上の、上側の一側に切り欠き２１３が設けられており、この切り欠き２１３により対角線上の部分で隙間ｇｃを拡大させている。対角線上の一側に拡大された隙間ｇｃが形成されたことで、筒内における混合ガスの縦及び横方向の成分が合成された旋回流動、すなわち、いわゆる斜めスワール流が強化される。
【００３０】
本実施形態によれば、隙間ｇ，ｇｃによる付着燃料ｗの蒸発促進の効果に加え、拡大された隙間ｇｃにより筒内で斜めスワール流を強化し、燃焼安定性を向上させるとともに、排気浄化触媒の早期活性等のため、点火時期を安定して遅角させることができる。
【００３１】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作を示している。
【００３２】
本実施形態では、「第１の吸気制御弁」として、第１の実施形態のものと同様に弁体の全周に亘り一様な隙間ｇが形成されるもの（２１）が採用されている。吸気制御弁２１に対し、下流に隣接させて「案内手段」としてのガイド筒７１が設置されている。ガイド筒７１の設置のため、吸気通路の一部（ここでは、シリンダヘッド１３内の通路のうち、吸気マニホールド１９に対する接合面に隣接する部分）に通路中心線ｎが直線となる直管部分が設けられており、ガイド筒７１は、この直管部分に設置されている。また、ガイド筒７１は、断面が通路壁面の形状に合わせて長円に形成されるとともに、吸気通路の内径よりも若干小さな外径が付されている。ガイド筒７１の下流の端面は、燃料の輸送経路との干渉を避け、この部材の中心軸に対して斜めに形成されている。ガイド筒７１をシリンダヘッド１３の直管部分に設置した実装状態で、ガイド筒７１の側面と通路壁面との間に、吸気制御弁２１により形成される隙間ｇから続く環状の流路ｃが形成される。この流路ｃの幅は、隙間ｇの幅と略等しい。なお、ガイド筒７１の設置以外の構成は、第１の実施形態のもの（図１）と同様である。筒内における特定方向の流動強化のため、第２〜第５の実施形態により吸気制御弁２１ａ〜２１ｃに切り欠き２１１〜２１３を形成する場合は、採用する吸気制御弁２１ａ〜２１ｃの形状に合わせて、ガイド筒７１の形状を変更することができる。
【００３３】
本実施形態によれば、吸気制御弁２１の下流にガイド筒７１を設置し、隙間ｇから続く流路ｃを形成したことで、燃料ｗの付着領域に至るまでの流れｆ’の減衰を抑制することができる。このため、通路壁面上をより強い流れｆ’が通過することになるので、付着燃料ｗの蒸発促進の効果を際立たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成
【図２】同上実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作
【図３】本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作
【図４】本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作
【図５】本発明の第４の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作
【図６】本発明の第５の実施形態に係る内燃機関の吸気装置の構成及び動作
【符号の説明】
【００３５】
１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気弁、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…「第１の吸気制御弁」としての吸気制御弁、２１１，２１２，２１３…切り欠き、３１…「第２の吸気制御弁」としてのスロットル弁、４１…燃料噴射弁、４５…点火プラグ、５１…エンジンコントロールユニット、６１…アクセルセンサ、６２…クランク角センサ、６３…水温センサ、７１…「案内手段」としてのガイド筒、ｃ…流路、ｆ，ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆ’…空気の流れ、ｇ，ｇａ，ｇｂ，ｇｃ…隙間、ｍ…気筒中心軸、ｎ…吸気通路の中心線。
【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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