(57)【要約】【課題】吸気通路内のガス類が筒内に急激に流入するおそれを排除しつつ、吸気通路の断面積を適宜に変化させることが可能な内燃機関の吸気装置を提供する。【解決手段】吸気ポート２の内壁面の一部２ａに固定された状態で吸気ポート２の流路２ｂの断面積が変化するように膨張及び収縮が可能な流路変更部材としてのバッグ３と、バッグ３の内部に圧縮空気を供給するポンプ５と、バッグ３の内部の圧力を変化させる調圧弁４とを吸気装置１に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路の内壁面の一部に固定された状態で該吸気通路の流路断面積が変化するように膨張及び収縮が可能な袋状の流路変更部材と、前記流路変更部材の内部に吸気温度よりも高温の流体を供給する流体供給手段と、前記流路変更部材の内部の圧力を変化させる圧力調整手段と、を備えた内燃機関の吸気装置。
【請求項２】
前記流体供給手段は、前記流体として、前記内燃機関の排気ガスを前記流路変更部材に供給する請求項１に記載の吸気装置。
【請求項３】
前記流体供給手段は、前記流体として、前記内燃機関の冷却水を前記流路変更部材に供給する請求項１に記載の吸気装置。
【請求項４】
前記流体供給手段が、前記内燃機関から吸熱した冷却水を前記流路変更部材に供給するように設けられている請求項３に記載の吸気装置。
【請求項５】
前記流路変更部材が膨張したときに、該流路変更部材の吸気流れ方向における下流側の端部が前記吸気通路の終端部に臨む位置にある請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸気装置。
【請求項６】
前記内燃機関の要求空気量に応じて前記流路変更部材の内部の圧力が変化するように前記圧力調整手段の動作を制御する圧力制御手段をさらに備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸気装置。
【請求項７】
前記吸気通路の終端部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁が、前記吸気通路の前記流路変更部材によっては塞がれない領域に設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の吸気装置。
【請求項８】
ＥＧＲガスを導入するためＥＧＲ管の終端部が、前記吸気通路の前記流路変更部材によっては塞がれない領域に接続されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気通路の断面積を変化させることが可能な内燃機関の吸気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気通路内に仕切壁を設けて吸気通路を複数の流路に区分し、一つの流路の開度を吸気流制御弁にて変化させることにより筒内の吸気流を制御する吸気装置においては、仕切壁等への燃料付着が生じることがある。その対策として、仕切壁の終端部の形状を三角形状として燃料付着を抑制する技術（例えば特許文献１参照）、あるいは、吸気流制御弁に設けた連通路に吸気の一部を分配し、その連通路を通過した吸気を仕切壁に沿って流すことにより燃料を吹き飛ばす技術（例えば特許文献２参照）が提案されている。タンブル流を形成するための吸気制御弁を加熱して燃料付着を抑制する技術も提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１５９２０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２８３６９７号公報
【特許文献３】特開２００６−３２２３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した吸気装置を有する内燃機関では、冷間始動時の非同期噴射制御によって燃料噴射弁からポート内に噴射された燃料が仕切壁背後の袋小路状の空間に回り込み、その燃料が暖機完了まで滞留することがある。この場合、暖機完了後に、吸気流制御弁を開くと、仕切壁背後の空間に残留した燃料が急激に筒内に流入する。また、広範囲の運転領域で吸気通路にＥＧＲガスを導入する内燃機関の場合には、過渡運転時にて仕切壁背後の空間に一時的に高濃度のＥＧＲガスが残留することがある。この場合も、吸気流制御弁を開くと残留したＥＧＲガスが急激に筒内に流入する。ガス類（ここでは燃焼に影響を与えるガスであって、燃料噴霧、ＥＧＲガス等を含む。）の残留量の予測は困難なため、その急激な流入により空燃比制御が乱れるといった不都合が生じるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、従来とは異なる構成により吸気通路の断面積を適宜に変化させることが可能で、吸気通路内のガス類が筒内に急激に流入するおそれを排除でき、しかも、燃料付着も抑制することが可能な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】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の吸気装置は、吸気通路の内壁面の一部に固定された状態で該吸気通路の流路断面積が変化するように膨張及び収縮が可能な袋状の流路変更部材と、前記流路変更部材の内部に吸気温度よりも高温の流体を供給する流体供給手段と、前記流路変更部材の内部の圧力を変化させる圧力調整手段とを備えている（請求項１）。
【０００７】
本発明の吸気装置においては、流路変更部材を膨張又は収縮させることにより、吸気通路内の流路断面積を変化させることができる。袋状の流路変更部材の内部空間は、吸気通路内の吸気が流れる領域と完全に仕切られ、吸気通路内に袋小路状の空間が生じない。そのため、吸気通路内に燃料、ＥＧＲガス等が導入されても、それらが流路変更部材の内部空間に回り込んで残留せず、吸気弁が開く毎にそれらのガス類が吸気に押し出されて筒内に流入する。従って、燃料、あるいはＥＧＲガス等のガス類が吸気通路内に蓄積されて流路断面積の増加時にそれらのガス類が筒内に筒内に急激に流入するおそれもない。流路変更部材を収縮させることにより、その流路変更部材が吸気の流れに与える抵抗を十分に低減し、吸気量の増大に容易に対応することができる。さらに、流路変更部材の内部に吸気温度よりも高温の流体が供給されることにより、流路変更部材が加熱されてその表面温度が上昇する。これにより、流路変更部材の表面上での燃料の気化を促して燃料付着を抑制することができる。
【０００８】
本発明の一形態において、前記流体供給手段は、前記流体として、前記内燃機関の排気ガスを前記流路変更部材に供給してもよい（請求項２）。あるいは、前記流体供給手段は、前記流体として、前記内燃機関の冷却水を前記流路変更部材に供給してもよい（請求項３）。この場合、前記流体供給手段が、前記内燃機関から吸熱した冷却水を前記流路変更部材に供給するように設けられてもよい（請求項４）。これらの形態によれば、流路変更部材を加熱して吸気の気化を確実に促すことができる。
【０００９】
本発明の一形態において、前記流路変更部材が膨張したときに、該流路変更部材の吸気流れ方向における下流側の端部が前記吸気通路の終端部に臨む位置にあってもよい（請求項５）。この形態によれば、流路変更部材を膨張させることにより、吸気通路の終端部付近まで流路を狭めて筒内に特定の吸気流を確実に生じさせることができる。
【００１０】
本発明の一形態において、前記内燃機関の要求空気量に応じて前記流路変更部材の内部の圧力が変化するように前記圧力調整手段の動作を制御する圧力制御手段をさらに備えてもよい（請求項６）。この形態によれば、要求空気量に応じて流路変更部材が膨張又は収縮して流路断面積が変化する。これにより、内燃機関の負荷に対して流路断面積を適正化することができる。
【００１１】
本発明の吸気装置の一形態においては、前記吸気通路の終端部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁が、前記吸気通路の前記流路変更部材によっては塞がれない領域に設けられてもよい（請求項７）。あるいは、ＥＧＲガスを導入するためＥＧＲ管の終端部が、前記吸気通路の前記流路変更部材によっては塞がれない領域に接続されてもよい（請求項８）。これらの形態によれば、吸気通路に燃料、あるいはＥＧＲガスを導入しても、吸気弁が開く毎にそれらのガス類を吸気通路に残留させることなく筒内に流入させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上に説明したように、本発明の内燃機関の吸気装置においては、吸気通路の内壁面の一部に固定された流路変更部材を膨張又は収縮させることにより、吸気通路の流路断面積を適宜に変化させることが可能である。吸気弁が開く毎に吸気通路内のガス類を筒内に流入させることができるので、流路断面積の増加時にそれらのガス類が筒内に筒内に急激に流入するおそれを排除することができる。しかも、流路変更部材を収縮させた場合には、その流路変更部材が吸気の流れに与える抵抗を十分に低減することが可能であり、吸気量の増大に容易に対応することができる。流路変更部材の内部に供給される流体で流路変更部材を加熱してその表面温度を上昇させ、それにより、流路変更部材の表面上での燃料の気化を促して燃料付着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】
【００１３】
図１は本発明の第１の形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の吸気系の要部を示す縦断面図である。なお、図１は、内燃機関のシリンダ軸線が上下方向に向けられ、かつシリンダヘッドが燃焼室の上方に位置している状態で描かれている。図示の吸気装置１においては、内燃機関の吸気通路の一部である吸気ポート２の内部に、膨張収縮が可能な袋状の流路変更部材としてのバッグ３が設けられている。図１は、バッグ３が膨らんだ状態を示している。バッグ３は、吸気ポート２内における吸気の流れ方向に延ばされた形状を有し、その下面３ａの少なくとも一部は吸気ポート２の内壁面の一部である下面２ａに固定されている。バッグ３は、その膨張状態において吸気ポート２の略下半分の空間を埋め、かつその上面３ｂ側に吸気の流路２ｂが残るような大きさを有している。
【００１４】
バッグ３の下面３ａの中央には吸排気口３ｃが設けられている。吸排気口３ｃは吸気ポート２外に引き出され、その先端部には調圧弁４を介してポンプ５が接続されている。調圧弁４は、ポンプ５から供給される流体をバッグ３の内部に送り込み、あるいはバッグ３の内部から流体を排出させてバッグ３の内部の圧力を調整する。これにより、調圧弁４は、本発明の圧力調整手段として機能する。ポンプ５は、内燃機関の排気通路１１から分岐されたバイパス管１２と接続され、そのバイパス管１２から排気ガスを取り込んで調圧弁４に送り込む。排気ガスは吸気ポート２の吸気温度よりも高温であり、従って、ポンプ５は本発明の流体供給手段として機能する。なお、ポンプ５は、内燃機関のクランク軸、車軸等の回転部品から動力を取り込んで作動するものでもよいし、内燃機関が搭載された車両の電源を利用して作動するものでもよい。ポンプ５と調圧弁４との間に圧力蓄積が可能なタンクを設けてもよい。但し、タンクを設ける場合には、その内部に蓄えられる排気ガスの温度を吸気温度よりも高温に維持できるように保温手段を設けることが望ましい。
【００１５】
吸気ポート２の終端部（吸気通路の終端部に相当。）２ｄには吸気弁６の弁軸６ａが通されている。バッグ３は、その膨張状態において、吸気ポート２内の吸気流れ方向下流側の端部が、弁軸６ａよりも吸気の流れ方向上流側（図１では右側）に幾らか後退した位置で終端部２ｄに臨むように設けられている。なお、吸気ポート２はシリンダヘッドの内部に設けられるが、図１に示したバッグ３は、その一部がインテークマニホールドの分岐管内に位置するものであってもよい。また、内燃機関には気筒数に応じて複数の吸気ポートが設けられているが、他の吸気ポートに関しても図１と同様の構成の吸気装置が適用される。
【００１６】
吸気ポート２の上部の流路２ｂ、すなわち、バッグ３によっては塞がれない領域にはポート噴射用の燃料噴射弁８が設けられている。燃料噴射弁８は、吸気ポート２の終端部７に向かって燃料を噴射する。吸気ポート２の流路２ｂには、ＥＧＲ管９の終端部９ａがさらに接続されている。内燃機関の排気通路から戻されるＥＧＲガスは、ＥＧＲデリバリ１０を経由してＥＧＲ管９から流路２ｂに導入される。
【００１７】
調圧弁４及びポンプ５の動作はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと表記する。）２０にて制御される。ＥＣＵ２０は、内燃機関の機関回転数、負荷といった情報に基づいて燃料噴射弁８からの燃料噴射量等を制御することにより、内燃機関を目標とする運転状態に制御するコンピュータユニットである。ＥＣＵ２０による調圧弁４等の制御については後述する。
【００１８】
次に、図２〜図４を参照して吸気装置１の動作を説明する。図２は、内燃機関の冷間始動時において、バッグ３を膨張させた状態で燃料噴射弁８から吸気ポート２内に燃料３０が非同期噴射されたときの燃料の挙動を示している。非同期噴射された燃料は吸気弁６が開くまで吸気ポート２の終端部２ｄ付近で拡散する。また、図３に示すように、バッグ３を膨張させ、かつ吸気弁６が閉じている状態でＥＧＲ管９から流路２ｂにＥＧＲガス３１が導入された場合、そのＥＧＲガス３１は吸気弁６が開くまで吸気ポート２の終端部２ｄ付近で拡散する。
【００１９】
一方、図４に示したように吸気弁６が開かれると、流路２ｂを経由して吸気Ａがシリンダ１３内に導入される。このとき、吸気ポート２の終端部２ｄに残されていた燃料３０やＥＧＲガス３１は、吸気Ａに押し出されてシリンダ１３内に流入する。図４の状態では、吸気ポート２の下半分の空間がバッグ３にて埋められているので、吸気Ａがシリンダ１３の中心寄りに偏って流入し、それによりシリンダ１３内には比較的強いタンブル流が形成される。また、バッグ３の内部圧力を調整して流路２ｂの断面積を変化させることにより、吸入空気量（吸気量）を連続的に変化させることができる。例えば、図４に破線で示すようにバッグ３を縮めることにより吸気量を増加させることができる。バッグ３をほぼ完全に畳んだ場合には、バッグ３が吸気の流れに与える抵抗が十分に小さく、仕切板等が吸気ポート２内に残る従来例に比して、吸気量の増大に容易に対応することができる。
【００２０】
上述した構成によれば、バッグ３を膨張させて流路２ｂの断面積を減少させた場合でも、従来の可動部材の内部空間のような袋小路状の空間が吸気ポート２の内部に生じない。このため、吸気弁６が開かれているにも拘わらず、吸気ポート２の内部に燃料３０やＥＧＲガス３１が残留するおそれを排除することができる。つまり、吸気弁６が開く毎に、吸気ポート２内の燃料３０やＥＧＲガス３１がほぼ完全にシリンダ１３内に流入する。このため、吸気ポート２の内部に残留ガスが蓄積され、バッグ３を畳んで流路２ｂの断面積を増加させたときにその残留ガスがシリンダ１３内に急激に流入して空燃比制御が乱れるといった不都合が生じるおそれを排除することができる。
【００２１】
図２に太線Ｆで示したように、バッグ３０を膨らませた状態で吸気ポート２内に燃料３０が噴射された場合、その燃料３０の一部はバッグ３の表面に一時的に付着する。しかし、バッグ３内には、高温の排気ガスが導かれているため、バッグ３の表面温度は吸気温度よりも上昇する。従って、図４に模式的に示したように、バッグ３表面の熱で燃料３０の気化が促進され、その結果として、バッグ３の表面への燃料付着が抑制される。
【００２２】
次に、ＥＣＵ２０によるバッグ３の圧力調整手順について説明する。ＥＣＵ２０は、内燃機関の運転状態を制御するために各種のルーチンを実行するが、その一つとして図５の流路断面積制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行する。流路断面積制御ルーチンは、吸気ポート２の流路２ｂの断面積を内燃機関の運転状態に応じて制御するための処理である。図５の流路断面積制御ルーチンを開始すると、ＥＣＵ２０はまずステップＳ１で内燃機関の運転状態を判別する。運転状態は、公知の内燃機関の制御と同様に、機関回転数、アクセルペダルの開度といった情報に基づいて判別してよい。続くステップＳ２にて、ＥＣＵ２０は運転状態に応じた要求空気量、すなわち内燃機関を目標とする運転状態に制御するために必要な吸気量を演算する。その演算手法も公知の内燃機関の運転制御と同様に行えばよい。次のステップＳ３にて、ＥＣＵ２０は要求空気量に応じたバッグ３内の目標圧力を決定する。この場合、要求空気量が大きいほどバッグ３の目標圧力は低下する。なお、ステップＳ３の処理を実行するためには、要求空気量とバッグ３内の圧力との関係を対応付けたマップを予めベンチ適合試験等で作成してＥＣＵ２０のＲＯＭに格納し、そのマップを参照して要求空気量に対応する圧力を目標圧力として取得すればよい。なお、吸気圧力がバッグ３の膨張率に与える影響が無視できない場合には、ステップＳ３で吸気圧力を考慮して目標圧力を決定してもよい。例えば、吸気圧が低いほど目標圧力を相対的に小さい値に補正してもよい。
【００２３】
続くステップＳ４にて、ＥＣＵ２０は、バッグ３の圧力がステップＳ３で決定した目標圧力となるように調圧弁４の設定値を変更する。この場合において、制御前の調圧弁４の設定値が目標圧力よりも高い値であれば、調圧弁４の設定値を低下させてバッグ３から空気を排出させればよい。一方、制御前の調圧弁４の設定値が目標圧力よりも低い値にあるときは、調圧弁４の設定値を上昇させるとともにポンプ５を駆動してバッグ３内に空気を送り込む必要がある。ステップＳ４にて圧力を調整した後、ＥＣＵ２０は今回のルーチンを終了する。以上のルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２０は圧力制御手段として機能する。
【００２４】
図６は、内燃機関の要求空気量とタンブル比との関係を示すグラフであって、図中の実線は本形態の吸気装置１の場合を示し、図中の破線は吸気ポート２内に従来の固定型の仕切板を有する吸気装置の場合を示している。図６から明らかなように、本形態では要求空気量が増加するほどバッグ３の圧力が小さく制御されて吸気量が増加し、その吸気量の増加に伴ってタンブル比も増大する。従来例でも同様の関係ではあるが、要求空気量が増加するに従って吸気ポート内の仕切板等が抵抗となり、本形態に比して空気量が早期に頭打ちとなる。その結果、タンブル比の上限も従来例では小さい。一方、本形態の吸気装置１によれば、バッグ３を収縮させた場合の空気抵抗が従来例よりも小さいため、要求空気量の上限が拡大し、それによりタンブル比の上限も従来例と比してより大きくなる。
【００２５】
図７は、排気ガスに代えて内燃機関の冷却水をバッグ３の内部に供給する第２の形態の吸気装置１Ａを示している。すなわち、図７に示した吸気装置１Ａにおいては、内燃機関の冷却水循環路１５のウォータポンプ１６の吸込側と吐出側との間にバイパス管路１７が接続され、そのバイパス管路１７に三方弁１８が設けられている。ウォータポンプ１６は内燃機関から吸熱した高温の冷却水をラジエータ１５ａに戻す位置に設けられている。三方弁１８は、ウォータポンプ１６から吐出された冷却水をバッグ３の内部に導入する位置と、バッグ３の冷却水をウォータポンプ１６の吸込側に排出する位置との間で切り替え可能である。三方弁１８の動作は、ＥＣＵ２０にて制御される。その制御手順は、図５に示した流路断面積制御ルーチンと同様でよい。なお、バッグ３の内圧は、一例として三方弁１８からバッグ３に冷却水を導入した時間長等から推定すればよい。
【００２６】
以上の吸気装置１Ａにおいては、三方弁１８からバッグ３内に冷却水を導入すると、バッグ３内の圧力が上昇してバッグ３が膨張し、バッグ３の冷却水を三方弁１８から排出するとバッグ３内の圧力が低下してバッグ３が収縮する。ラジエータ１５ａに戻される冷却水は吸気温度よりも高温であり、その高温の冷却水をバッグ３内に導入すれば、バッグ３の表面温度が上昇する。従って、バッグ３の表面からの燃料の気化を促進し、燃料付着を抑制することができる。バッグ３の膨張、収縮により流路２ｂの断面積を連続的に変化させることができ、かつバッグ３の収縮時の空気抵抗を減らして吸気量の増大に対応できる点も第１の形態と同様である。図７の形態では、ウォータポンプ１６が流体供給手段に、三方弁１８が圧力調整手段にそれぞれ相当する。
【００２７】
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態ではタンブル流の形成を目的として吸気ポート２の下半分の領域をバッグ３にて埋めるようにしたが、バッグ３を吸気ポートの左右いずれか一方の空間に配置してスワール流を制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の形態に係る吸気装置が適用された吸気系の要部を示す縦断面図。
【図２】燃料噴射弁から吸気ポート内に非同期噴射された燃料の挙動を示す図。
【図３】吸気ポート内に導入されたＥＧＲガスの挙動を示す図。
【図４】図２又は図３の状態から吸気弁が開弁したときの吸気の流れを示す図。
【図５】図１のＥＣＵが実行する流路断面積制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】内燃機関の要求空気量とタンブル比との関係を示す図。
【図７】本発明の第２の形態に係る吸気装置が適用された吸気系の要部を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１、１Ａ  吸気装置
２  吸気ポート
２ｂ  吸気ポート内の流路
２ｄ  吸気ポートの終端部
３  バッグ（流路変更部材）
４  調圧弁（圧力調整手段）
５  ポンプ（流体供給手段）
６  吸気弁
８  燃料噴射弁
９  ＥＧＲ管
１０  ＥＧＲデリバリ
１１  排気通路
１２  バイパス管路
１３  シリンダ
１５  冷却水循環路
１６  ウォータポンプ（流体供給手段）
１７  バイパス管路
１８  三方弁（圧力調整手段）
２０  エンジンコントロールユニット（圧力制御手段）
３０  燃料
３１  ＥＧＲガス
【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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【図７】
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