(57)【要約】【課題】コストを増加させることなく、筒内の気流の混合を促進させることができる内燃機関の吸気制御装置を提供する。【解決手段】各気筒に設けられる２つの吸気弁と、１本の共通集合吸気通路から分岐して２つの吸気弁に通じる２本の吸気通路と、を備える内燃機関において、共通集合吸気通路に設けられ、２つの吸気弁のうち一方の吸気弁へ吸気が流れるようにする切り欠け部を有する閉塞板と、吸気行程時、一方の吸気弁へ吸気が流れるようにした後、他方の吸気弁へ吸気が流れるように閉塞板を反転させる手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒に設けられる２つの吸気弁と、
１本の共通集合吸気通路から分岐して前記２つの吸気弁に通じる２本の吸気通路と、を備える内燃機関において、
前記共通集合吸気通路に設けられ、前記２つの吸気弁のうち一方の前記吸気弁へ吸気が流れるようにする切り欠け部を有する閉塞板と、
吸気行程時、一方の前記吸気弁へ吸気が流れるようにした後、他方の前記吸気弁へ吸気が流れるように前記閉塞板を反転させる手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒内の中心軸をまわる横渦の気流（以下、スワール流という。）を発生させるスワールコントロールバルブを備えた内燃機関が知られている。例えば、特許文献１には、各気筒に接続される２本の吸気通路に１つずつスワールコントロールバルブを備えた内燃機関が開示されている。特許文献１の内燃機関では、低回転低負荷時の各気筒の吸気行程において、それぞれのスワールコントロールバルブを択一的に開弁させる制御が行われる。それぞれのスワールコントロールバルブを択一的に開弁させることで、既に筒内に流れているスワール流の向きと対向するスワール流が発生する。これにより、筒内でスワール流同士が衝突して、筒内の気流に乱れが生じる。この結果、筒内の気流の混合を促進させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３４０２５９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９３６６５号公報
【特許文献３】特開２００９−１２７５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の内燃機関では、２本の吸気通路のそれぞれにスワールコントロールバルブを設ける必要がある。このため、部品点数が多くなり、コストが増加するおそれがある。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、コストを増加させることなく、筒内の気流の混合を促進させることができる内燃機関の吸気制御装置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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気制御装置であって、
各気筒に設けられる２つの吸気弁と、
１本の共通集合吸気通路から分岐して前記２つの吸気弁に通じる２本の吸気通路と、を備える内燃機関において、
前記共通集合吸気通路に設けられ、前記２つの吸気弁のうち一方の前記吸気弁へ吸気が流れるようにする切り欠け部を有する閉塞板と、
吸気行程時、一方の前記吸気弁へ吸気が流れるようにした後、他方の前記吸気弁へ吸気が流れるように前記閉塞板を反転させる手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、部品点数を増やしてコストを増加させることなく筒内乱れを大きくすることができる。筒内乱れを大きくすることによって、リーンバーン燃焼に必要な火炎伝播速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１のエンジンにおける吸気通路及び気筒の上面図である。
【図２】実施の形態１のスワールコントロールバルブの構造を表した図である。
【図３】圧縮行程時における、タンブル流による気流の分布について表した図である。
【図４】圧縮行程時における、スワール流による気流の分布について表した図である。
【図５】タンブル流またはスワール流の発生時におけるポンプロスについて示した図である。
【図６】タンブル流またはスワール流の発生時における筒内乱れについて示した図である。
【図７】タンブル流またはスワール流の発生時における筒内平均流速について示した図である。
【図８】実施の形態１において、両方向スワール流が発生する様子について表した図である。
【図９】各気流による筒内乱れの大きさを示した図である。
【図１０】実施の形態１において、両方向スワール流発生制御フローを示した図である。
【図１１】実施の形態１におけるスワール運転マップを表した図である。
【図１２】実施の形態１における反転時期マップを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１のエンジンにおける吸気通路及び気筒の上面図である。実施の形態１のエンジンは、熱効率向上のため、リーンバーン燃焼を行うエンジンである。また、通常、エンジンは複数の気筒で構成されるが、図１には１つの気筒１０のみが描かれている。本発明において、気筒数に限定はない。
【００１０】
気筒１０には、第１の吸気弁１２Ａが設けられている。第１の吸気弁１２Ａには、第１の吸気通路２６Ａが接続されている。また、気筒１０には、第２の吸気弁１２Ｂが設けられている。第２の吸気弁１２Ｂには、第２の吸気通路２６Ｂが接続されている。
【００１１】
気筒１０には、第１の排気弁１４Ａ及び第２の排気弁１４Ｂが設けられている。また、上記２つの吸気弁と上記２つの排気弁との間の中央部分には、点火プラグ１６が設けられている。
【００１２】
第１の吸気通路２６Ａ及び第２の吸気通路２６Ｂの上流には、共通集合吸気通路２８が設けられている。共通集合吸気通路２８から第１の吸気通路２６Ａ及び第２の吸気通路２６Ｂがそれぞれ分岐している。
【００１３】
共通集合吸気通路２８には、スワール流を発生させるスワールコントロールバルブ３０が設けられている。以下、スワールコントロールバルブ３０の構造について、図２を参照して詳述する。
【００１４】
図２は、実施の形態１のスワールコントロールバルブ３０の構造を表した図である。スワールコントロールバルブ３０は、シャフト２２に閉塞板２０が取り付けられている構造となっている。閉塞板２０は、シャフト２２を中心軸として、反転させることができる。さらに、閉塞板２０の一方の端部は、図２の破線で示すように、切り欠けとなっている。以下、この切り欠けの部位を、切り欠け部２４と称する。なお、図示しないが、スワールコントロールバルブ３０のシャフト２２には、閉塞板２０を反転させるアクチュエータが接続されている。このアクチュエータが動作することで、スワールコントロールバルブ３０の閉塞板２０を反転させることができる。
【００１５】
また、図示されていないが、実施の形態１のエンジンは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵの入力部には、クランク角センサ（不図示）、エアフローメータ（不図示）などの各種センサが接続されている。ＥＣＵは、クランク角センサが出力した一定のパルス信号から、エンジン回転速度を検出する。ＥＣＵは、エアフローメータの出力から、吸入空気量を算出する。ＥＣＵは、エンジン回転速度と吸入空気量とに基づいて、エンジン負荷を算出する。
【００１６】
ＥＣＵの出力部には、点火プラグ１６、スワールコントロールバルブ３０のアクチュエータなどの各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵは、スワールコントロールバルブ３０のアクチュエータに駆動信号を出力することで、スワールコントロールバルブ３０の閉塞板２０を反転させる。
【００１７】
以下、実施の形態１において、筒内で発生するスワール流について、図１を参照して説明する。
【００１８】
図１の太矢印Ａは、共通集合吸気通路２８から第２の吸気通路２６Ｂへの吸気流れを示している。図１において、スワールコントロールバルブ３０の切り欠け部２４は、第２の吸気通路２６Ｂ側に位置している。このため、共通集合吸気通路２８を流れる吸気は、スワールコントロールバルブ３０の切り欠け部２４を通過して、第２の吸気通路２６Ｂへと流れる。このように、実施の形態１では、切り欠け部２４が位置している側の吸気通路に吸気が流れる。
【００１９】
さらに、図１の太矢印Ｂは、筒内で発生したスワール流を示している。この太矢印Ｂで示されるスワール流は、第２の吸気通路２６Ｂを通過して第２の吸気弁１２Ｂから流入した吸気によって発生したスワール流である。一方、スワールコントロールバルブ３０の閉塞板２０が反転して、第１の吸気通路２６Ａから吸気が流入した場合、図１の太矢印Ｂとは反対の向きのスワール流が発生する。
【００２０】
ところで、エンジンでリーンバーン燃焼を行う場合、混合気濃度のリーン化に伴い燃焼速度が緩慢化するため、筒内における気流の流動の強さ（以下、筒内乱れという。）を強化し火炎伝播速度を向上させる必要がある。実施の形態１では、図１で説明したように、筒内乱れ強化と混合気の成層度向上との両立を図るため、スワール流を発生させている。
【００２１】
一方、上記のスワール流の他に、筒内を流れる縦渦の気流（以下、タンブル流という。）がある。以下、タンブル流とスワール流との気流の分布の違いについて、図３及び図４を参照して説明する。
【００２２】
図３は、圧縮行程時における、タンブル流による気流の分布について表した図である。また、図４は、圧縮行程時における、スワール流による気流の分布について表した図である。図３及び図４ともに、筒内乱れの大小が表されている。
【００２３】
図３に示すように、圧縮行程時、ピストンの上昇によって筒内の領域が狭くなる。これにより、圧縮行程時のタンブル流の渦の直径は、膨張行程と比べると小さくなる。この結果、筒内における気流の速度勾配が生じやすくなり、筒内乱れが強くなる。一方、図４に示すように、スワール流は横渦であるため、圧縮行程時、ピストンが上昇しても渦の直径の大きさは変化しない。このため、スワール流は、タンブル流と比べて、筒内乱れが小さい。
【００２４】
上記説明した、圧縮行程時におけるタンブル流とスワール流のそれぞれの違いによって生じる各データの差異について、図５、図６、図７を参照して説明する。
【００２５】
図５は、筒内に旋回流が生じたときのポンプロスについて示した図である。図５の縦軸には、ポンプロスの大きさが示されている。図５の横軸には、筒内に生じる旋回流のタンブル成分とスワール成分の相対的な強さが示されている。図５の実線は、エンジンにおけるポンプロスの大きさを示している。実線の左側には、相対的に強いタンブル流を発生させるエンジンにおけるポンプロスの大きさが丸印によって示されている。実線の右側には、相対的に強いスワール流を発生させるエンジンにおけるポンプロスの大きさが四角い印によって示されている。図５に示すように、ポンプロスは、強いタンブル流を発生させるエンジンにおいて最小になり、強いスワール流を発生させるエンジンにおいて最大となる。
【００２６】
図６は、筒内に旋回流が生じたときの筒内乱れについて示した図である。図６の縦軸には、筒内乱れの大きさが示されている。図６の横軸には、筒内に生じる旋回流のタンブル成分とスワール成分の相対的な強さが示されている。図６の実線は、エンジンにおける圧縮行程時の筒内乱れの大きさを示している。実線の左側には、相対的に強いタンブル流を発生させるエンジンにおける筒内乱れの大きさが丸印によって示されている。実線上に点在する四角い印は、タンブル流またはスワール流の相対的な強さに応じた筒内乱れの大きさを示している。図６の実線が示すように、強いタンブル流を発生させるエンジンと、強いスワール流を発生させるエンジンとでは、筒内乱れの大きさは同程度となる。
【００２７】
図７は、筒内に旋回流が生じたときの筒内平均流速について示した図である。図７の縦軸には、筒内平均流速の大きさが示されている。図７の横軸には、筒内に生じる旋回流のタンブル成分とスワール成分の相対的な強さが示されている。図７の実線は、エンジンにおける圧縮行程時の筒内平均流速の大きさを示している。実線の左側には、相対的に強いタンブル流を発生させるエンジンにおける筒内平均流速の速さが丸印によって示されている。実線上に点在する四角い印は、タンブル流またはスワール流の相対的な強さに応じた筒内平均流速の速さを示している。図７の実線が示すように、強いスワール流を発生させるエンジンの筒内平均流速の方が、強いタンブル流を発生させるエンジンの筒内平均流速よりも速くなる。
【００２８】
図６、図７のデータによれば、スワール流を発生させるエンジンでタンブル流を発生させるエンジンと同等の筒内乱れを得るには、タンブル流発生時よりも速い筒内平均流速が必要である。筒内平均流速を向上させるための手法として、例えば、吸気流入部の絞りを強化してスワール流を発生させる手法がある。ところが、この手法では、図５で説明したように、スワール流が強くなることによってポンプロスが増大する。この結果、熱効率が低下するおそれがある。
【００２９】
そこで、実施の形態１では、筒内において両方向スワール流を発生させる制御が行われる。具体的には、吸気行程時、スワールコントロールバルブ３０の閉塞板２０を反転させる。これにより、既に発生しているスワール流と反対方向のスワール流が発生する。このため、筒内に両方向スワール流が発生する。この結果、対向するスワール流の界面でせん断力が発生し、筒内乱れが大きくなる。以下、両方向スワール流が発生する様子について、図８を参照して説明する。
【００３０】
図８は、実施の形態１において、両方向スワール流が発生する様子について表した図である。図８には、対向する２つのスワール流が、それぞれ矢印の実線によって示されている。具体的には、図８の矢印Ｉは、第１の吸気通路２６Ａから流入した吸気によって発生したスワール流を示している。一方、図８の矢印ＩＩは、第２の吸気通路２６Ｂから流入した吸気によって発生したスワール流を示している。
【００３１】
図８の破線は、対向する２つのスワール流の界面において筒内乱れが生じやすい領域を示している。このように、両方向スワール流が発生すると、対向する２つのスワール流の界面においてせん断力が発生し筒内乱れが生じやすくなる。
【００３２】
図９は、各気流による筒内乱れの大きさを示した図である。図９の横軸に示す棒グラフは、左から、タンブル流発生時、片側方向スワール流発生時、そして両方向スワール流発生時におけるそれぞれの上死点前３０°における筒内乱れの大きさを示している。これらの各気流における筒内乱れの大きさを比較すると、片側方向スワール流よりも両方向スワール流のほうが筒内乱れは大きくなる。これは、図８で説明したように、両方向スワール流が発生することによって、対向するスワール流の界面において筒内乱れが発生しやすくなるためである。
【００３３】
また、図９に示すように、両方向スワール流発生時の筒内乱れの大きさは、片側スワール流発生時の筒内乱れの大きさと比べると、タンブル流発生時の筒内乱れの大きさに近くなっている。このように、両方向スワール流を発生させることによって、タンブル流発生時と同程度の筒内乱れの大きさを得ることができる。
【００３４】
実施の形態１の両方向スワール流を発生させる制御によれば、吸気流入部の絞りを強化することなく筒内乱れを大きくすることができる。このため、ポンプロスの増加による熱効率の低下を生じさせることなく筒内乱れを大きくして、リーンバーン燃焼に必要な火炎伝播速度を得ることができる。
【００３５】
以下、実施の形態１のＥＣＵで実行される、両方向スワール流を発生させる具体的な制御内容について、図１０を参照して説明する。
【００３６】
図１０は、実施の形態１において、両方向スワール流発生制御フローを示した図である。まず、ＥＣＵは、スワールコントロールバルブ３０を初期状態にする（Ｓ１００）。この初期状態とは、例えば、スワールコントロールバルブ３０の切り欠け部２４を第１の吸気通路２６Ａ側に位置させるようにすることである。
【００３７】
次に、ＥＣＵは、エンジンの運転状態を取得する（Ｓ１０２）。ＥＣＵは、クランク角センサ及びエアフローメータの出力から、エンジン回転速度及びエンジン負荷を取得する。
【００３８】
次に、ＥＣＵは、スワール流を利用するか否かを判定する（Ｓ１０４）。ＥＣＵは、後述するスワール運転マップに基づいて、スワール流を利用するか否かを判定する。ＥＣＵは、Ｓ１０４において、スワール流を利用しないと判定した場合、本フローは終了する。
【００３９】
以下、スワール運転マップについて、図１１を参照して説明する。
【００４０】
図１１は、実施の形態１におけるスワール運転マップを表した図である。図１１には、エンジン負荷及びエンジン回転速度に応じてスワール流による制御を行うか否かを判定するためのマップであるスワール運転マップが示されている。スワール運転マップによれば、両方向スワール流を行う運転状態は、低負荷低回転速度の状態に設定されている。ここで、ＥＣＵは、現在の運転状態が、図１１のスワール運転マップにおける「スワール有」または「両スワール有」の運転状態である場合に、Ｓ１０４においてスワール流を利用すると判定する。以下、再び図１０の説明に戻る。
【００４１】
ＥＣＵは、Ｓ１０４において、スワール流を利用すると判定した場合、両方向スワール流の実施を行うか否かを判定する（Ｓ１０６）。ＥＣＵは、現在の運転状態が、図１１で説明したスワール運転マップの「両スワール有」の運転状態である場合に、Ｓ１０６において両方向スワール流の実施を行うと判定する。ＥＣＵは、Ｓ１０６において、両方向スワール流の実施を行わないと判定した場合、本フローは終了する。
【００４２】
一方、ＥＣＵは、Ｓ１０６において、両方向スワール流の実施を行うと判定した場合、後述する反転時期マップに基づいてスワール流の反転時期を取得する（Ｓ１０８）。
【００４３】
以下、反転時期マップについて、図１２を参照して説明する。
【００４４】
図１２は、実施の形態１における反転時期マップを表した図である。図１２の反転時期マップには、等負荷線が示されている。この等負荷線は、負荷を一定にしてエンジン回転速度を上昇させた際に得られる線である。ＥＣＵは、エンジン負荷とエンジン回転速度に基づいてスワールコントロールバルブ３０の反転時期を取得する。また、等負荷線が示すように、反転時期は、負荷が増大するにつれて、または、エンジン回転速度が増加するにつれて、進角側に設定される。これは、エンジン回転速度及びエンジン負荷が増加すると、スワールコントロールバルブ３０の応答性が低下するためである。以下、再び図１０の説明に戻る。
【００４５】
次に、ＥＣＵは、Ｓ１０８で取得した反転時期に従ってスワールコントロールバルブ３０を反転させる（Ｓ１１０）。その後、本フローは終了する。
【符号の説明】
【００４６】
１０  気筒
１２Ａ  第１の吸気弁
１２Ｂ  第２の吸気弁
２０  閉塞板
２２  シャフト
２４  切り欠け部
２６Ａ  第１の吸気通路
２６Ｂ  第２の吸気通路
２８  共通集合吸気通路
３０  スワールコントロールバルブ
【図１】
2016151212.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016151212.tif 000007
【図６】
2016151212.tif 000008
【図７】
2016151212.tif 000009
【図８】
2016151212.tif 000010
【図９】
2016151212.tif 000011
【図１０】
2016151212.tif 000012
【図１１】
2016151212.tif 000013
【図１２】
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