(57)【要約】【課題】サージタンクから吸気弁に至る通路長さが不揃いであっても、部品点数の増大や制御の複雑化を招かずに気筒毎の慣性過給効果のばらつきを抑制できる多気筒内燃機関の吸気装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の吸気通路１０は、気筒２毎に設けられた独立通路２０と、その独立通路２０が接続されて互いに異なる気筒２で共用される共通通路２０とを有する。吸気弁１２からサージタンク１６に至る通路長さが長い気筒２に対して設けられた独立通路２０の通路断面積は通路長さが短い気筒２に対して設けられた独立通路３０の通路断面積よりも大きくなっている。【選択図】図１
2009127609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を持つ多気筒内燃機関の気筒毎に設けられて吸気弁にて開閉される独立通路、前記独立通路が接続されて互いに異なる気筒で共用される共通通路、及び前記共通通路の一端に接続されたサージタンクを有し、前記吸気弁から前記独立通路及び前記共通通路を経由して前記サージタンクに至るまでの通路長さが互いに異なる少なくとも二つの気筒が前記複数の気筒に含まれるように構成された吸気通路と、前記共通通路を開閉する吸気制御弁と、前記独立通路が前記吸気弁にて開かれた状態で前記共通通路が前記吸気制御弁にて開かれたときに前記通路長さが短い気筒へ到達する吸気圧力波と前記通路長さが長い気筒へ到達する吸気圧力波との間に速度差を生じさせる速度差発生手段と、を備えることを特徴とする多気筒内燃機関の吸気装置。
【請求項２】
前記速度差発生手段は、前記通路長さが長い気筒に対して設けられた前記独立通路の通路断面積を前記通路長さが短い気筒に対して設けられた前記独立通路の通路断面積よりも大きくすることにより構成されている請求項１に記載の吸気装置。
【請求項３】
前記独立通路は前記気筒に対して開口する吸気ポートと、前記吸気ポートと前記共通通路とを接続する接続部とを有し、前記吸気ポートの通路断面積は前記通路長さが長い気筒と前記通路長さが短い気筒との間で同一である請求項２に記載の吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気弁とサージタンクとの間に吸気制御弁が設けられた多気筒内燃機関の吸気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に対する吸気の過給方法としては、吸気弁とサージタンクとの間に設けられた吸気制御弁を閉弁させた状態で吸気行程におけるピストン下降を利用して気筒内の負圧を高めておき、圧縮行程に移行する前に速やかに吸気制御弁を開弁して吸気通路内に吸気圧力波を発生させて慣性過給効果を積極的に活用するインパルス過給が知られている。
【０００３】
一般に、内燃機関では吸気行程の初期に気筒内に生じる負圧が慣性効果で反転して正圧になるタイミングと、吸気弁が閉弁するタイミングとが同期しているときに、最も効率の良い慣性過給効果が得られることが知られている。そのため、最大トルクを実現したい機関回転数でこれらのタイミングが同期して高効率の慣性過給効果が得られるように、内燃機関の吸気系が設計されている。従って、内燃機関の回転数が設計基準となっている回転数から外れると慣性過給効果を十分に得ることができず出力トルクが低下する。例えば、その基準の回転数よりも低回転域では吸気弁の開弁時間、即ち吸気行程時間が圧力の反転時間に対して長くなるので、気筒内の圧力が最大になるタイミングをやり過ごしてから吸気弁が閉弁することになってしまう。
【０００４】
こうした内燃機関にインパルス過給を適用した場合には、上述した設計基準よりも低回転域において、吸気制御弁を閉弁状態に維持したまま吸気行程を開始しその後吸気制御弁を開弁することで吸気行程の開始時期を実質的に遅らせることができる。これにより、低回転域において圧力の反転時間に対して間延びした吸気行程時間が短くなるから、慣性過給効果を広範囲で活用することができる。
【０００５】
インパルス過給を多気筒内燃機関に対して適用する場合には気筒毎の慣性過給効果のばらつきを抑えて吸気充填効率を気筒毎に均一化することが理想的である。例えば、インパルス過給を行い得る吸気装置として、気筒毎に独立通路が設けられた多気筒内燃機関に適用され、吸気弁の開弁期間が重複しない二つの気筒のそれぞれの独立通路に対して一つずつ吸気制御弁を設け、これらの吸気制御弁を共通の弁軸で同位相に連結するとともに、一つのアクチュエータで駆動するものがある（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−７１２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の吸気装置は吸気弁の開弁期間が重複しない二つの気筒に対して互いに異なるタイミングで吸気制御弁を開閉できない。そのため、この吸気装置を用いてインパルス過給を行って気筒間で均一な慣性過給効果を得るには、吸気弁から吸気制御弁又はサージタンクまでの通路長さを気筒間で等長にすることが不可欠である。同様に、単一の吸気制御弁を用いて複数の気筒に対してインパルス過給を行う場合にも、吸気制御弁から各気筒に至る通路長さを揃えなければ慣性過給効果に気筒間のばらつきが生じる。そのため吸気系の設計自由度が制限される。また、通路長さが気筒間で不揃いな吸気系で、均一な慣性過給効果を得るためには、気筒毎に設けられた独立通路のそれぞれに吸気制御弁を設け、これらの吸気制御弁を別々に制御するか、又は単一の吸気制御弁の開閉時期を気筒毎に相違させる制御が必要になる。こうした場合には、部品点数の増大や制御の複雑化をもたらす。
【０００８】
そこで、本発明は、サージタンクから吸気弁に至る通路長さが不揃いであっても、部品点数の増大や制御の複雑化を招かずに気筒毎の慣性過給効果のばらつきを抑制できる多気筒内燃機関の吸気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】
【０００９】
本発明の吸気装置は、複数の気筒を持つ多気筒内燃機関の気筒毎に設けられて吸気弁にて開閉される独立通路、前記独立通路が接続されて互いに異なる気筒で共用される共通通路、及び前記共通通路の一端に接続されたサージタンクを有し、前記吸気弁から前記独立通路及び前記共通通路を経由して前記サージタンクに至るまでの通路長さが互いに異なる少なくとも二つの気筒が前記複数の気筒に含まれるように構成された吸気通路と、前記共通通路を開閉する吸気制御弁と、前記独立通路が前記吸気弁にて開かれた状態で前記共通通路が前記吸気制御弁にて開かれたときに前記通路長さが短い気筒へ到達する吸気圧力波と前記通路長さが長い気筒へ到達する吸気圧力波との間に速度差を生じさせる速度差発生手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【００１０】
この吸気装置によれば、速度差発生手段により吸気制御弁から通路長さが長い気筒に到達する吸気圧力波と、通路長さが短い気筒に到達する吸気圧力波との間で速度差を発生させることができる。例えば、通路長さが長い気筒に到達する吸気圧力波の速度を、その長さが短い気筒に到達する吸気圧力波の速度に対して速くすることにより、吸気制御弁の開弁タイミングを気筒間で変更しなくても、最大筒内圧力が得られるタイミングの気筒間のずれを容易に低減できる。即ち、共通通路に設けられた単一の吸気制御弁をその開弁時期を気筒毎に変更せずに操作することによって、通路長さが不揃いの気筒間における慣性過給効果のばらつきを抑制することができる。
【００１１】
速度差発生手段は、吸気圧力波の速度を通路長さが不揃いの気筒毎に相違させることができるものであればよい。例えば、速度差発生手段は、前記通路長さが長い気筒に対して設けられた前記独立通路の通路断面積を前記通路長さが短い気筒に対して設けられた前記独立通路の通路断面積よりも大きくすることにより構成されていてもよい（請求項２）。インパルス過給の原理として周知なヘルムホルツの共鳴の原理によれば、容量がＶの容積部に長さＬ、通路断面積Ａの管が繋がっている系の共鳴の振動数ｆは、音速をＣとすると式：ｆ∝Ｃ×［（Ａ／（Ｌ×Ｖ）］０．５で表される。この原理を内燃機関の吸気系に当てはめると、容積部が内燃機関の気筒に、管が吸気通路にそれぞれ相当する。この原理によれば、内燃機関の吸気通路に発生した負圧をサージタンクに開放した場合、その開放時から共鳴の半周期（１／２ｆ）後に正圧に反転する。そのため、通路長さを変えずとも通路断面積を変化させることにより共鳴の周期を変えることができるので、負圧が正圧に反転する時期を調整できる。換言すれば、通路長さを変えずとも通路断面積を変化させることにより、通路長さが不揃いの気筒に到達する吸気圧力波の速さを調整できる。
【００１２】
この態様によれば、通路長さが長い気筒に設けられた独立通路の通路断面積が通路長さが短い気筒に設けられた通路断面積よりも大きいため、通路長さが長い気筒に到達する吸気圧力波の速度を速くする一方で、通路長さが短い気筒に到達する吸気圧力波の速度を遅くすることができる。その結果、通路長さが不揃いの各気筒に対する吸気圧力波の到達時期のずれを低減できるようになる。
【００１３】
この態様においては、前記独立通路は前記気筒に対して開口する吸気ポートと、前記吸気ポートと前記共通通路とを接続する接続部とを有し、前記吸気ポートの通路断面積は前記通路長さが長い気筒と前記通路長さが短い気筒との間で同一であってもよい（請求項３）。この場合、通路長さが不揃いの気筒間において、吸気ポートの吸気断面積が同一で接続部の通路断面積が異なることになる。接続部の通路断面積が大きい部分に関してはその断面積が小さい部分よりも吸気圧力波の速度が高速となるが、吸気弁に近い吸気ポートに関しては通路断面積に気筒間差が設けられていない。そのため、接続部において気筒間差があった吸気圧力波の速度が吸気弁の直前で均一化される。これにより、気筒内に導かれる吸気流れに関して気筒間差が生じ難くなる結果、気筒間の燃焼状態に差が生じ難くなるから、出力トルク又はエミッションの気筒間のばらつきが抑制される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、速度差発生手段により吸気制御弁から通路長さが長い気筒に到達する吸気圧力波と、通路長さが短い気筒に到達する吸気圧力波との間で速度差を発生させることができるから、例えば、通路長さが長い気筒に到達する吸気圧力波の速度を、その長さが短い気筒に到達する吸気圧力波の速度に対して速くすることにより、吸気制御弁の開弁タイミングを気筒間で変更しなくても、最大筒内圧力が得られるタイミングの気筒間のずれを容易に低減できる。これにより、共通通路に設けられた単一の吸気制御弁をその開弁時期を気筒毎に変更せずに操作することによって、通路長さが不揃いの気筒間における慣性過給効果のばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示している。図２は図１の内燃機関を上方から見た状態を模式的に示した説明図である。これらの図に示した内燃機関１はディーゼル機関として構成されていて、不図示の自動車の走行用動力源として搭載される。内燃機関１は一方向に並ぶ４つ（図１では一つ）の気筒２が形成されたシリンダブロック３と、各気筒２の開口部が塞がれるようにしてシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４とを備える。なお、以下の説明で各気筒２を互いに区別する必要があるときには気筒２の並び方向に対応する気筒番号♯１〜＃４（図２参照）を付与して説明する場合がある。各気筒２にはピストン５が往復動可能な状態で挿入されており、各ピストン５はコンロッド６を介してクランクシャフト７に連結されている。また、各気筒２には燃料噴射弁８が一つずつ設けられており、これらの燃料噴射弁８はその先端を気筒２内に臨ませるようにしてシリンダヘッド４に取り付けられている。
【００１６】
各気筒２には吸気通路１０と排気通路１１とがそれぞれ接続されており、吸気通路１０は各気筒２に２本ずつ設けられた吸気弁１２にて開閉され、排気通路１１は各気筒２に２本ずつ設けられた排気弁１３にて開閉される。これらの弁１２、１３はクランクシャフト７の回転位置に同期して不図示の動弁機構にて開閉駆動される。これにより、吸気弁１２が開かれることにより吸気通路１０を通じて気筒２内に空気が取り込まれる。気筒２内に空気が取り込まれた状態で燃料噴射弁８にて燃料が噴射されることにより気筒２内に混合気が形成される。この混合気がピストン５にて圧縮されることにより自着火して燃焼する。その燃焼によるピストン５の運動がコンロッド６を介してクランクシャフト７に伝達されることによりクランクシャフト７が回転駆動される。燃焼後の排気は排気弁１３が開かれることにより排気通路１１に導かれ、触媒コンバータ１４にて浄化された後に不図示のマフラーを介して大気へ放出される。なお、各気筒２の燃焼順序は＃１、＃３、＃４、＃２の順番に設定されている。
【００１７】
吸気通路１０には、吸気を濾過するエアクリーナ１５と、吸気干渉を緩和し得る所定容積を持ち吸気通路１０の一部として機能するサージタンク１６と、そのサージタンク１６と吸気弁１２との間に配置された吸気制御弁１７とがそれぞれ設けられている。図２にも示すように、吸気通路１０は、気筒２毎に設けられた独立通路２０と、各独立通路２０が接続される共通通路２１とを有している。各独立通路２０は気筒２に対して開口する吸気ポート２０ａとその吸気ポート２０ａと共通通路２１とを接続する接続部２０ｂとを有している。独立通路２０は気筒２間で構成が相違している。即ち、＃１及び＃４の気筒２に関しては吸気弁１２から位置Ｘ１までの通路部分が独立通路２０に相当し、＃２及び＃３の気筒２に関しては吸気弁１２から位置Ｙ１までの通路部分が独立通路２０に相当する。共通通路２１は互いに異なる気筒２で共用される。即ち、各位置Ｘ１、Ｙ１よりも上流側の通路部分が共通通路２１に相当する。
【００１８】
図２から明らかなように、内燃機関１は、吸気弁１２から独立通路２０及び共通通路２１を経由してサージタンク１６に至るまでの通路長さが同一の気筒２と相違する気筒２とが混在している。即ち、内燃機関１においては、気筒２の並び方向の両端に位置する＃１及び＃４の気筒２の通路長さは互いに同一で、かつ＃１及び＃４の気筒２に挟まれた＃２及び＃３の気筒２の通路長さも互いに同一である。そして、＃１及び＃４の気筒２に関する通路長さと、＃２及び＃３の気筒２に関する通路長さとが互いに相違している。つまり、内燃機関１においては、４つの気筒２に通路長さが互いに異なる少なくとも二つの気筒が含まれるように吸気通路１０が構成されている。なお、内燃機関１の吸気通路１０の構成は図２に示すように左右対称であるため、以下、通路長さが互いに相違する左側の＃１及び＃２の気筒２に対する吸気通路１０の構成を説明し、右側の＃３及び＃４の気筒２に対する吸気通路１０の構成の説明は適宜省略する。
【００１９】
通路長さが長い＃１の気筒２に設けられた独立通路２０の通路断面積は、通路長さが短い＃２の気筒２に設けられた独立通路２０の通路断面積よりも大きくなっている。即ち、＃１及び＃２の気筒２の間で通路断面積が異なっている。このように通路断面積を相違させたのは、吸気制御弁１７の操作によって実施されるインパルス過給の慣性過給効果を、通路長さが長い気筒２と短い気筒２との間で均一化して、その慣性過給効果の気筒間のばらつきを抑制するためである。
【００２０】
図３は内燃機関１の独立通路２０の通路面積を各気筒２で同一にした比較例１′を模式的に示した説明図である。図４は内燃機関１及び比較例１′について、インパルス過給の実施時における吸気弁１２及び吸気制御弁１７の各動作と、＃１及び＃２の各気筒２の筒内圧とのクランク角に応じた変化の様子を示した説明図である。
【００２１】
図２〜図４に示すように、インパルス過給では、吸気弁１２とサージタンク１６との間に設けられた吸気制御弁１７を破線に示した閉弁位置に保持した状態で吸気弁１２を開き始める。吸気行程の進行に伴いピストン５が下降するため気筒２内の筒内圧は負圧となりその負圧は徐々に高まる。吸気行程の途中の時期θ１で吸気制御弁１７を速やかに開弁すると、気筒２内の負圧が開放されて吸気通路１０内に吸気圧力波が発生する。その吸気圧力波は吸気通路１０内を伝播する。その吸気圧力波の速度はヘルムホルツの共鳴の原理に基づいて通路長さと通路断面積とに依存して変化する。
【００２２】
図４に示すように、＃２の気筒２に関しては、内燃機関１及び比較例１′のそれぞれの通路長さも通路断面積も共に等しく吸気圧力波の速度が同じになるから、筒内圧が極大値になった時期θ２に吸気制御弁１７を閉じることができる。一方、＃１の気筒２に関しては、内燃機関１及び比較例１′のそれぞれで通路長さは等しいが、内燃機関１の通路断面積が比較例１′の通路断面積に比べて大きいため、ヘルムホルツの共鳴の原理に従って内燃機関１の吸気圧力波の速度が比較例１′に比べて速くなる。その結果、比較例においては、＃１の気筒２に対する吸気制御弁１７の閉弁時期を＃２の気筒２に対する閉弁時期と同じにすると、＃１の気筒２の筒内圧が極大値に達する前に吸気制御弁１７が閉じられることになる。そのため、慣性過給効果が＃１の気筒２と＃２の気筒２との間でばらついてしまう。
【００２３】
これに対して、内燃機関１においては、通路長さが長い＃１の気筒２に到達する吸気圧力波の速さが＃２の気筒２に到達する吸気圧力波の速さよりも速くなることにより、＃１の気筒２の通路長さが＃２の気筒２に対して長くなることに伴う極大値の到達遅れをカバーできる。つまり、筒内圧が極大値になる時期を＃１の気筒２と＃２の気筒２との間で略一致させることができる。その結果、図４に示すように、内燃機関１は＃１の気筒２についての吸気制御弁１７の操作時期を＃２の気筒２についての操作時期に対して変更せずに筒内圧が極大値になる時期を捉えることができる。それにより、吸気制御弁１７の操作時期を変えずとも、慣性過給効果が＃１の気筒２と＃２の気筒２との間でばらつくことを抑制できる。これは＃３及び＃４の気筒２に関しても同様である。
【００２４】
本形態の内燃機関１は、吸気通路１０の構成により通路長さの長い気筒へ到達する吸気圧力波の速度を通路長さの短い気筒２へ到達する吸気圧力波の速度よりも速くさせることによりこれらの吸気圧力波の間に速度差を生じさせている。従って、＃１又は＃４の気筒２に対して設けられた独立通路２０の通路断面積を＃２又は＃３の気筒２に対して設けられた独立通路２０の通路断面積よりも大きくすることによって、本発明に係る速度差発生手段が構成される。
【００２５】
（第２の形態）
【００２６】
次に、本発明の第２の形態を図５を参照して説明する。第１の形態と共通する構成には同一符号を図面に付して説明を省略する。図５は第２の形態に係る内燃機関を上方から見た状態を模式的に示している。本形態に係る内燃機関３０は吸気通路４０を有し、その吸気通路４０は第１の形態とは異なる構成を持っている。即ち、吸気通路４０は、気筒２毎に設けられた独立通路５０と、各独立通路５０が接続される共通通路５１とを有している。各独立通路５０は気筒２に対して開口する吸気ポート５０ａとその吸気ポート５０ａと共通通路５１とを接続する接続部５０ｂとを有している。独立通路５０は＃１〜＃４の各気筒２において互いに構成が相違している。＃１の気筒２に関しては吸気弁１２から位置Ｘ２までの通路部分が独立通路５０に相当し、＃２〜＃４の各気筒２に関しては、吸気弁１２から共通通路５１との接続位置までが独立通路５０に相当する。共通通路５１は位置Ｘ２よりも上流側の通路部分が共通通路５１に相当する。
【００２７】
図５から明らかなように、吸気弁１２からサージタンク１６に至るまでの通路長さは＃１〜＃４の各気筒２で互いに相違している。そして、通路長さが最も長い＃１の気筒２に対する独立通路５０の通路断面積が最も大きく、通路長さが最も短い＃４の気筒２に対する独立通路５０の通路断面積が最も小さくなっている。即ち、通路長さが長くなるに従って、各気筒２の独立通路５０の通路断面積が徐々に大きくなるように設定されている。そのため、吸気制御弁１７の操作による吸気圧力波の速さは、独立通路５０の通路断面積が大きくなるほど速くなる。これにより、第１の形態と同様に、インパルス過給による慣性過給効果は気筒間で均一になるから慣性過給効果の気筒間のばらつきが抑制される。吸気通路４０が図５に示すように構成されることにより、本発明に係る速度差発生手段が構成される。
【００２８】
（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態を図６を参照して説明する。図６は第３の形態に係る内燃機関６０を上方から見た状態を模式的に示している。この形態は第１の形態の改良に属するもので、基本的な構成は第１の形態と同一である。図６の内燃機関１は独立通路２０の吸気ポート２０ａの通路断面積が＃１〜＃４の気筒２の間で同一であることを特徴としている。即ち、吸気ポート２０ａの通路断面積は通路長さが長い＃１及び＃４の気筒２と、通路長さが短い＃２及び＃３の気筒２との間で同一で、接続部２０ｂの通路断面積がこれらの気筒間で異なる。接続部２０ｂの通路断面積が大きい部分に関してはその断面積が小さい部分よりも吸気圧力波の速度が高速となるが、吸気弁１２に近い吸気ポート２０ａに関しては通路断面積に気筒間差が設けられていない。そのため、接続部２０ｂにおいて気筒間差があった吸気圧力波の速度が吸気弁１２の直前で均一化される。これにより気筒２内に導かれる吸気流れに関して気筒間差が生じに難くなる結果、気筒間の燃焼状態に差が生じ難くなるから、内燃機関６０の出力トルク又はエミッションの気筒間のばらつきを抑制することができる。
【００２９】
本発明は以上の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。本発明の吸気装置を適用し得る内燃機関の形式はディーゼル機関に限らず、ポート噴射式又は筒内直接噴射式のガソリン機関でもよい。また、本発明の吸気装置とターボチャージャーやスーパーチャージャー等の過給機とを組み合わせて実施することは可能であり、これを排除するものではない。また、本発明の吸気装置は、気筒数や気筒配列形式（直列型、Ｖ型等）がどのような内燃機関に対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示した図。
【図２】図１の内燃機関を上方から見た状態を模式的に示した説明図。
【図３】内燃機関の独立通路の通路面積を各気筒で同一にした比較例を模式的に示した説明図。
【図４】実施形態と比較例とについて、インパルス過給の実施時における吸気弁及び吸気制御弁の各動作と、＃１及び＃２の各気筒の筒内圧とのクランク角に応じた変化の様子を示した説明図。
【図５】第２の形態に係る内燃機関を上方から見た状態を模式的に示した説明図。
【図６】第３の形態に係る内燃機関を上方から見た状態を模式的に示した説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１  内燃機関
２  気筒
１０  吸気通路
１２  吸気弁
１６  サージタンク
１７  吸気制御弁
２０  独立通路
２０ａ  吸気ポート
２０ｂ  接続部
２１  共通通路
４０  吸気通路
５０  独立通路
５０ａ  吸気ポート
５０ｂ  接続部
５１  共通通路
【図１】
2009127609.tif 000003
【図２】
2009127609.tif 000004
【図３】
2009127609.tif 000005
【図４】
2009127609.tif 000006
【図５】
2009127609.tif 000007
【図６】
2009127609.tif 000008