【手続補正書】
【提出日】平成17年11月15日(2005.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】    明細書
【発明の名称】  内燃機関の燃焼空気を供給する吸気システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】  シリンダ別の吸気管（１６）がそれぞれ内燃機関（１８）のシリンダの吸気口に通じる独立した少なくとも一つのエアコレクタ（１４，１５）を備え、エアコレクタ（１４，１５）の中に少なくとも一つのバランス弁（２０）が配置されており、このバランス弁が、エアコレクタ（１４，１５）を選択的に閉じた状態で長い前置吸気区間（１２，２２）に分割するか、あるいは開いた状態で長い前置吸気区間（１２，２２）の代わりに容積（２２，２４）の拡大したエアコレクタ（１４，１５）を提供する、特に自動車用の内燃機関（１８）へ燃焼空気を供給する吸気システムにおいて、
吸気管（１６）が、内燃機関（１８）の高回転数領域のためのラムチューブとして形成されていること、内燃機関（１８）が、１８０度クランク角度のクランクシャフトとｎ個のシリンダを有し、シリンダ１〜ｎ／２が、それぞれの吸気管（１６）を介して第一エアコレクタ（１４）に、またシリンダ（ｎ／２＋１)〜ｎが、それぞれの吸気管（１６）を介して第二エアコレクタ（１５）に接続されていること、エアコレクタ（１４，１５）のバランス弁（２０）と吸気管（１６）が、バランス弁（２０）が閉じた時、吸気管（１６）を介してそれぞれ供給されるシリンダに対してシリンダ番号の増加と共に増加する吸気区間（１２，２２，２４）となるように配置されていることを特徴とする吸気システム。
【請求項２】  独立した少なくとも二つのエアコレクタ（１４，１５）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気システム。
【請求項３】  それぞれ二つのエアコレクタ（１４，１５）が共鳴管（３２）を介して互いに接続されており、共鳴管（３２）が、それぞれのエアコレクタ（１４，１５）を共鳴管（３２）を介して選択的に互いに接続または遮断するように、選択的に開閉する共鳴弁（３６）を有することを特徴とする請求項２に記載の吸気システム。
【請求項４】  ｎ＝４であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の吸気システム。
【請求項５】  ｎ＝８であり、シリンダ１〜８の点火順は、以下のよう、つまり１−５−２−６−４−８−３−７であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の吸気システム。
【請求項６】  シリンダが、少なくとも二つのシリンダバンク（３８，４０）、特に二つのシリンダ二重バンクに分割されており、各エアコレクタ（１４，１５）が、一方のシリンダバンク（３８，４０）あるいは一方のシリンダ二重バンクのシリンダに燃焼空気を供給し、第一エアコレクタ（１４）の吸気管（１６）が第二エアコレクタ（１５）の吸気管と交差していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の吸気システム。
【請求項７】  シリンダ別の吸気管（１６）がそれぞれ内燃機関（１８）のシリンダの吸気口に通じる独立した少なくとも一つのエアコレクタ（１４，１５）を備え、エアコレクタ（１４，１５）の中に少なくとも一つのバランス弁（２０）が配置されており、このバランス弁が、エアコレクタ（１４，１５）を選択的に閉じた状態で長い前置吸気区間（１２，２２）に分割するか、あるいは開いた状態で長い前置吸気区間（１２，２２）の代わりに容積（２２，２４）の拡大したエアコレクタ（１４，１５）を提供する、特に自動車用の内燃機関（１８）へ燃焼空気を供給する吸気システムにおいて、
吸気管（１６）が、内燃機関（１８）の高回転数領域のためのラムチューブとして形成されていること、内燃機関（１８）が、９０度クランク角度のクランクシャフトとｎ個のシリンダを有し、シリンダのｎ／２個または（ｎ−１)／２個が、それぞれの吸気管（１６）を介して第一エアコレクタ（１４）に、また他方のｎ／２個または（ｎ＋１)／２個のシリンダが、それぞれの吸気管（１６）を介して第二エアコレクタ（１５）に接続されていること、シリンダが、少なくとも二つのシリンダバンク（３８，４０）、特に二つのシリンダ二重バンクに分割されており、エアコレクタ（１４，１５）が、それぞれ一方のシリンダバンク（３８，４０）あるいはシリンダ二重バンクに隣接し、かつそれぞれ他方のシリンダバンク（３８，４０）あるいはシリンダ二重バンクに対向するように配置されており、一方のエアコレクタ（１４）の吸気管（１６）が部分的に他方のエアコレクタ（１５）の吸気管（１６）と交差するように対向するシリンダバンク（３８，４０）あるいはシリンダ二重バンクに通じ、部分的に頭上で隣接するシリンダバンク（３８，４０）あるいはシリンダ二重バンクに通じていることを特徴とする吸気システム。
【請求項８】  独立した少なくとも二つのエアコレクタ（１４，１５）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の吸気システム。
【請求項９】  それぞれ二つのエアコレクタ（１４，１５）が共鳴管（３２）を介して互いに接続されており、共鳴管（３２）が、それぞれのエアコレクタ（１４，１５）を共鳴管（３２）を介して選択的に互いに接続または遮断するように、選択的に開閉する共鳴弁（３６）を有することを特徴とする請求項８に記載の吸気システム。
【請求項１０】  ｎ＝４であることを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載の吸気システム。
【請求項１１】  ｎ＝８であり、シリンダ１〜８の点火順は、以下のよう、つまり１−５−７−４−８−３−２−６であることを特徴とする請求項７〜１０の何れか１項に記載の吸気システム。
【請求項１２】  シリンダ１，２，７，８が第一エアコレクタ（１４）に、またシリンダ５，６，３，４が第二エアコレクタ（１５）に接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の吸気システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、シリンダ別の吸気管がそれぞれ内燃機関のシリンダの吸気口に通じる独立した少なくとも一つのエアコレクタを備えた、特に自動車用の内燃機関へ燃焼空気を供給する吸気システムに関する。
【０００２】
Asia-Pacific Automotive Report（アジア太平洋自動車報告）第 234巻、1996年４月５日により、切換可能な二つの弁で共鳴管を長くまたは短くし、これにより共鳴距離を選択的に変更することが知られている。しかし、このシステムは、異なった共鳴状態の間を交互に切り換えるだけであり、これは、限られた回転数領域でシリンダの最適な充填を保証するに過ぎない。それ故、開いた状態で燃焼空気の流れ断面を相応に大きくし、これにより回転数が高い時に大きなマスフローを保証する第三の切換可能な弁が設けられている。しかし、これは、燃焼空気の吸気システム内のどんな共鳴効果も完全に壊し、付加的なシリンダ充填を何ら支援していない。
【０００３】
従って、本発明の課題は、上に述べた難点を克服し、内燃機関のできる限り広い回転数領域にわたって最適にシリンダに燃焼空気を充填することができる冒頭で述べた種類の吸気システムを提供することにある。
【０００４】
上記の課題は、本発明によれば、請求項１の特徴構成を有する上記種類の吸気システムにより解決される。本発明の有利な構成は従属請求項に開示されている。
【０００５】
そのため、本発明によれば、吸気管が、内燃機関の高回転数領域のためにラムチューブとして形成されており、エアコレクタの中に少なくとも一つのバランス弁が配置されており、このバランス弁が、エアコレクタを選択的に閉じた状態で長い前置吸気区間に分割するか、あるいは開いた状態で長い前置吸気区間の代わりに容積の拡大したエアコレクタを提供する。
【０００６】
これには、構造上単純で構造空間を最適にして内燃機関の低回転数領域のために選択的にバランス弁を閉ざして共鳴過給を行うか、あるいは内燃機関の高回転数領域のためにバランス弁を開いてラムチューブ過給を行うという利点がある。
【０００７】
別々のシリンダバンクに配置されている、例えば８気筒エンジンの場合、Ｖ字型または二重Ｖ字型配置もしくはＶＲ型配置にされたシリンダを有する内燃機関に対しては、独立した二つのエアコレクタを設けると特に有利である。
【０００８】
内燃機関の中回転数領域のための付加的な共鳴状態は、それぞれ二つのエアコレクタが共鳴管を介して互いに接続されており、共鳴管が、それぞれのエアコレクタを共鳴管を介して選択的に互いに接続または遮断するように、選択的に開閉する共鳴弁を有することによって得られる。
【０００９】
有利な構成では、内燃機関が、１８０度クランク角度のクランクシャフトとｎ個のシリンダを有し、乱れのない吸気過程を保証するため、シリンダ１〜ｎ／２は、それぞれの吸気管を介して第一エアコレクタに、またシリンダ（ｎ／２＋１）〜ｎは、それぞれの吸気管を介して第二エアコレクタに接続されている。
【００１０】
好ましくはｎ＝４または８である。後者の場合、シリンダ１〜８に対する点火順は、例えば以下のようである。つまり１−５−２−６−４−８−３−７である。
【００１１】
コンパクトな構造様式による特に小さいスペースの要請は、シリンダが、例えば少なくとも二つのシリンダバンク、特に二つのシリンダ二重バンクに分割されており、各エアコレクタが、一方のシリンダバンクあるいは一方のシリンダ二重バンクのシリンダに燃焼空気を供給し、第一エアコレクタの吸気管が第二エアコレクタの吸気管と交差することにより得られる。
【００１２】
この場合、エアコレクタのバランス弁と吸気管は、バランス弁が閉じている場合、それぞれ吸気管を介して供給されるシリンダに対してシリンダ番号の増加と共に増加する吸気区間となるように配置すると有効である。
【００１３】
他の有利な構成では、内燃機関は、９０度クランク角度のクランクシャフトとｎ個のシリンダを有し、それぞれシリンダのｎ／２個または（ｎ−１)／２個が、それぞれの吸気管を介して第一エアコレクタに、また他方のｎ／２または（ｎ＋１)／２個のシリンダが、それぞれの吸気管を介して第二エアコレクタに接続されている。
【００１４】
有効であるのはｎ＝４または８である。後者の場合、シリンダ１〜８の点火順は、例えば以下のようである。即ち、１−５−７−４−８−３−２−６である。
【００１５】
この場合、乱れていない吸気過程を保証するため、シリンダ１，２，７，８が第一エアコレクタに、またシリンダ５，６，３，４が第二エアコレクタに接続されていると有利である。
【００１６】
コンパクトな構造様式による特に小さい構造空間の要請は、シリンダが、少なくとも二つのシリンダバンク、特に二つのシリンダ二重バンクに分割されており、エアコレクタが、それぞれ一方のシリンダバンクあるいはシリンダ二重バンクに隣接し、かつそれぞれ他方のシリンダバンクあるいはシリンダ二重バンクに対向するように配置されており、一方のエアコレクタの吸気管が部分的に他方のエアコレクタの吸気管と交差するように対向するシリンダバンクあるいはシリンダ二重バンクに通じ、部分的に頭上で隣接するシリンダバンクあるいはシリンダ二重バンクに通じることにより得られる。
【００１７】
本発明の他の特徴、利点および有利な構成は、従属請求項並びに添付図面に基づく本発明の以下の説明から理解できる。
【００１８】
図１と２に示す本発明による吸気システムの第一好適実施例には、流れ方向に見て、エアフィルタ１０，前置吸気区間１２，エアコレクタ１４およびシリンダ別の吸気管１６がある。この吸気管は、内燃機関１８のシリンダに対する図示していない吸気口に通じている。エアコレクタ１４の中には、バランス弁２０が図１に示すように閉じた状態でエアコレクタ１４を二つの部分に分割するように回転可能に配置されている。その場合、エアコレクタ１４のエアフィルタ側のスペース２２は、補助的に前置吸気区間として働くが、吸気管側のスペース２４は、容積の減ったエアコレクタとして働く。図１のこの切換状態では、内燃機関１８により吸気される燃焼空気は、矢印２６に従い延長された前置吸気区間を介して流れ、構造部品の寸法は、内燃機関１８の低回転数領域に対して、エアフィルタシステム１０と前置吸気区間における圧力波の反射が流れ動特性を決めるので、共鳴過給が生じるように選択されている。
【００１９】
図２に示す第二の切換状態では、バランス弁は、例えば電動モータのような駆動部２８により９０度回転しているので、エアコレクタ１４は、スペース２２と２４の和から成る拡大した容積となり、更に前置吸気区間１２は減少する。この時、高回転数領域で内燃機関１８に対してラムチューブとして有利に形成されかつ寸法決めされた吸気管１６は、内燃機関により吸気された燃焼空気の流れ特性を決めるので、ラムチューブ過給が生じる。即ち、この切換状態では、エアコレクタ１４における圧力波の反射がシステムの特性を決める。
【００２０】
バランス弁２０は、エアコレクタ１４内の一つの部分に配置することは必ずしも必要でない。むしろ、バランス弁を共通にまたは別々に回転させ、別々に支承される二つまたはそれ以上の部分に分割することもできる。これには、大きなバランス弁２０の振動の傾向を効果的に低減するという利点がある。更に、本発明の有利な他の構成では、エアコレクタの容積とそれに伴う前置吸気区間の長さを複数の段階で大きくしたり小さくしたりすることができるように順次配置することもできる。
【００２１】
本発明による吸気システムの特別な利点は、ラムチューブの原理と共鳴の原理を組み合わせている点にある。バランス弁２０の姿勢に応じて、１つの吸気システムおよび同じ吸気システムによって共鳴過給またはラムチューブ過給のいずれかが適切に行われる。しかし、この場合、相応に異なるように寸法設定された複数の吸気管あるいはエアコレクタを必要とすることはない。
【００２２】
図１と２の図面では、本発明による吸気システムは、例示的に４気筒エンジに対して設計されている。しかし、任意の気筒数のエンジンに対して本発明により構成することも可能である。それ故、以下では８気筒の内燃機関１８に対する他の実施例を説明する。その場合、これも、本発明の原理をより理解し易くするために例示的であると理解すべきである。
【００２３】
本発明による吸気システムは、先の説明と同様に、図３〜７に示すような８気筒のエンジンに対しても適している。この場合、内燃機関１８のシリンダは、二重のＶ字型配置に、つまり所謂ＶＲエンジンとして配列されている。二つのエアコレクタ１４と１５が設けられており、それぞれ一方のエアコレクタ１４が内燃機関１８の所定のシリンダに、またそれぞれ他方のエアコレクタ１５が内燃機関１８の残りのシリンダに接続されており、これ等のシリンダには、吸気口２９を介して燃焼空気が供給される。前置吸気区間１２は、エアコレクタ１４と１５に燃焼空気を供給する。両方のエアコレクタ１４，１５には、回転軸３０の周りに回転可能に支承されているそれぞれ一つのバンラス弁２０が配置されている。更に、並列接続式に吸気管３２に対して、二つのエアコレクタ１４と１５を接続する一つの共鳴管３２が設けられている。この共鳴管３２には、軸３４の周りに回転可能に支承されている共鳴弁３６が設けられており、この共鳴弁は、弁位置に応じて選択的に共鳴管３２を介してエアコレクタ１４と１５の間の流体導通結合を形成するか、これを遮断する。バランス弁２０と共鳴弁３６は、駆動部２８、例えばそれぞれの電動モータにより、弁２０と３６が開いた位置か、閉じた位置かのいずれかにあるように操作可能である。弁２０と３６の開いた位置と閉じた位置を適当に組み合わせて、実質上異なる三つの切換状態が生じる。これ等の切換状態は、後で図８〜１０に基づき詳しく説明する。
【００２４】
図３と４の実施例と図５〜７の実施例の重要な相違は、図３と４が所謂１８０度クランクシャフトの内燃機関１８に対する実施例を、また図５〜７が所謂９０度クランクシャフトの内燃機関１８に対する実施例を示していることにある。
【００２５】
図３〜７の本発明による吸気管の上記の構想も、エアコレクタ１４と１５の容積や個々の予備管１２の長さを切換え可能にする、組み合わせのラムチューブ−共鳴システムを問題としている。このシステムにより、広い回転数スペクトルにわたり高い充填度が可能になる。このシスムテムは、構造スペースを最適にして非常に平坦に形成できる。
【００２６】
乱れのない吸気過程を発生させるため、図３と４の実施例では、１８０°クランク角度の点火間隔でシリンダがそれぞれエアコレクタ１４，１５の各々のところに接続される。点火順１−５−２−６−４−８−３−７（「１８０°クランクシャフト」）に対して、シリンダ１，２，３と４あるいは５，６，７と８がそれぞれ共通のエアコレクタ１４または１５に接続される（図３）。これから、例えば図４の断面図に原理的に示してある全ての８シリンダに対して交差する吸気管の案内部が生じる。エアコレクタ１４は、一方のシリンダバンク３８の上に配置され、それぞれの吸気管１６は、対向するシリンダバンク４０に進む。このシリンダバンク４０の上には他方のエアコレクタ１５が配置されている。これ等の吸気管１６は、同じようにエアコレクタ１５に対向するシリンダバンク３８に接続している。
【００２７】
図５〜７の実施例による点火順１−５−７−４−８−３−２−６（「９０°の快適クランクシャフト」）に対して、乱れのない吸気過程を保証するためシリンダ１，２，７と８あるいはシリンダ３，４，５と６がそれぞれ一方の共通のエアコレクタ１４，１５から供給を受ける（図５）。このため、例えばシリンダ１，２，５と６の吸気管１６は、図７に示すように「頭上」に、またシリンダ３，４，７と８の吸気管１６は図６に示すように「交差」して配置されている。
【００２８】
バランス弁２０を用いてエアコレクタ１４と１５の切換え可能な容積変更により、システムの振動を同調させることが特に低回転数領域で行われる。このため、切換えにより振動性のエアコレクタの容積が、エアコレクタ１４，１５とエアフィルタ（図３〜７には図示せず）との間の前置吸気区間１２の幾何学形状に関連して振動性の共鳴システムに切り換えられる。
【００２９】
エアコレクタの容積は、バランス弁２０を適当に切り換えることによって小さくされ、エアコレクタの容積の一部が、前置吸気区間１２の円管に似た延長部２２として利用される（図８）。こうして、低回転数に合わせた振動システムの固有周波数が発生させられ、この固有振動数が共鳴過給に利用される。
【００３０】
共鳴管３２による両方のエアコレクタ１４と１５の切換可能な横接続により、両方のエアコレクタ１４と１５の間の共鳴振動が可能になる。共鳴管の長さと共鳴管の直径を設計することにより、共鳴システムをそれぞれのエンジンシステムに合わせることが行われる。この共鳴システムは、特に中回転数領域で吸気管の振動を最適化するために使用される。
【００３１】
クロスパイプとも称する共鳴管３２の共鳴弁３６が閉じている場合、ラムチューブ過給は、吸気管１６およびエアコレクタの容積により行われる。システムの同調は、シリンダによる吸気の励起に関連して吸気管の直径と吸気管の長さおよびエアコレクタ容積２２，２４により行われる。
【００３２】
シリンダヘッドの通路の長さが異なることによる吸気管１６の振動長の相違は、シリンダヘッドと主エアコレクタ（図示せず）の間の吸気管の案内部により相殺される。可変カムシャフトを有するエンジンでは、この状況は例えば異なった吸気側のカム外形により更に考慮される。更に、個々の吸気管１６の特定の圧力損失は補償手段として利用できる。
【００３３】
以下、図８〜１０に関連させて、本発明による吸気システムの機能原理を説明する。この場合、図８〜１０は、図３の実施例の一部断面図を例示的に示すにすぎないが、全ての実施例に対する説明に当てはまるか、あるいは共鳴弁３６の付加的な切換えに関する限り、少なくとも二つのエアコレクタ１４と１５を有する実施例の全てに対して当てはまる。
【００３４】
これに応じて、１８０°のクランクシャフトの例（図３）に付いて以下に説明する切換えの機能原理は、９０°のクランクシャフト（図５）に対しても同じように成立する。その場合、空間的なクランクシャフトの点火順に付いては、変更した吸気管の案内部（それぞれ一つのエアコレクタのシリンダ１，２，７と８あるいは３，４，５と６の吸気管）を考慮に入れるべきである。
【００３５】
切換ステップ１（図８）は、低回転数領域でのシリンダの充填のために使用される。このため、バランス弁２０を閉めてエアコレクタの容積を少なくし、清浄空気吸気区間１２を、分離されたエアコレクタの領域２２と２４により延長する。エアコレクタ１４と１５の間の共鳴弁３６は閉じたままである。可変カムシャフトを有するエンジンでは、吸気側のカムシャフトをタイミング調整（進角の開放時間）に切り換えると有利である。この切換位置では、エアフィルタシステムおよび前置吸気区間１２の圧力波の反射が重要である。これにより低回転数領域での共鳴過給が生じる。この場合、共鳴弁で閉ざされるクロスパイプあるいは共鳴管３２の一部の管は、λ/4管としてエアコレクタ１４，１５のシステムの振動を支援するために利用される。
【００３６】
切換ステップ２（図９）では、バランス弁２０を開いてエアコレクタの容積を大きくする。共鳴弁３６は閉じている。可変カムシャフトを有するエンジンでは、吸気側のカムシャフトが好ましくは進角位置にある。この切換位置では、エアコレクタ１４，１５の圧力波の反射がシステムの特性を決める。本発明による吸気システムは、ラムチューブ過給の原理に従って動作する。
【００３７】
切換ステップ３（図１０）では、バランス弁２０と共鳴弁３６が開いている。可変カムシャフトを有するエンジンでは、吸気側のカムシャフトが好ましくは進角位置にある。共鳴弁３６を開くことにより、エアコレクタ１４と１５の間の質量交換が可能となり、両方のエアコレクタ１４と１５の間の共鳴振動が生じる。この共鳴振動は、中回転数領域でシリンダの充填を高めるために利用される。
【００３８】
可変カムシャフトを有するエンジンでは、更に切換ステップ４が実現できる。このステップは、バランス弁２０と共鳴弁３６の位置に関して先に説明した切換ステップ２と同じである。バランス弁２０を開くことによりエアコレクタの全容積が利用される。共鳴弁３６が閉じているため、両方のエアコレクタ１４と１５の間の直接の圧力交換が阻止される。しかし、吸気側のカムシャフトの遅角位置により更にラムチューブの過給システムが高回転数領域に合う。
【００３９】
吸気システム内の管の長さや管の直径を合わせることにより、エアコレクタの容積の低減と、場合によって行われる吸気側のカムシャフトの位置変化に関連して、吸気システムをそれぞれのエンジン構造に合わせることが行える。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】  一方の切換状態でのこの発明による吸気システムの第一好適実施例の部分断面図を示す。
【図２】  他方の切換状態でのこの発明による吸気システムの第一好適実施例の部分断面図を示す。
【図３】  この発明による吸気システムの第二好適実施例の部分断面図を示す。
【図４】  図３のこの発明による吸気システムの第二好適実施例の横断面図を示す。
【図５】  この発明による吸気システムの第三好適実施例の部分断面図を示す。
【図６】  図５のこの発明による吸気システムの第三好適実施例の図５の線分Ａ−Ａから見た断面図を示す。
【図７】  図５のこの発明による吸気システムの第三好適実施例の図５の線分Ｂ−Ｂから見た断面図を示す。
【図８】  図３のこの発明による吸気システムの第二好適実施例の第一切換状態の部分断面図を示す。
【図９】  図３のこの発明による吸気システムの第二好適実施例の第二切換状態の部分断面図を示す。
【図１０】  図３のこの発明による吸気システムの第二好適実施例の第三切換状態の部分断面図を示す。