JP2015169093A

JP2015169093A - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP2015169093A
Application number: JP2014042980A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　真吾; Shingo Sato; 真吾佐藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-09-28
Also published as: US9399957B2; US20150252755A1

Abstract

【課題】エンジン負荷およびエンジン回転数が異なる幅広い運転領域においてガスの気筒間バラツキを抑制できるエンジン１の吸気装置を提供する。【解決手段】吸気マニホールド３の各ブランチ５には、ポート長の切り替えを行うポート切替弁６が配設される。このポート切替弁６は、ショートポート５ｂを使用するＯＰＥＮ域と、ロングポート５ａを使用するＣＬＯＳＥ域とを設定した切替マップに基づいて開閉制御される。切替マップには、エンジン負荷が小さい低負荷域において、エンジン回転数が所定の回転数より低い領域にＯＰＥＮ域が設定され、所定の回転数より高い領域にＣＬＯＳＥ域が設定される。つまり、低負荷低回転数域ではポート切替弁６がショートポート５ｂを開くことでショートポート５ｂが使用され、低負荷高回転数域ではポート切替弁６がショートポート５ｂを閉じることでロングポート５ａが使用される。【選択図】図４

Description

本発明は、吸気マニホールドの各ブランチ毎にポート長を切り替えることができる可変吸気機構と、ＥＧＲ等のガスを各ブランチに導入するガス導入機構とを備える内燃機関の吸気装置に関する。

例えば、可変吸気機構に係る従来技術として特許文献１が公知である。
同文献１に記載された可変吸気機構は、吸気マニホールドの各ブランチ毎にポート長が異なるロングポートとショートポートとを切り替えることができるポート切替弁を有する。このポート切替弁は、例えば、図７に示すように、高負荷低回転数の領域（図中ＣＬＯＳＥ域）では、脈動による慣性過給効果を活かして出力を上げるためにロングポートを使い、それ以外の領域（図中ＯＰＥＮ域）ではショートポートを使うように制御される。すなわち、エンジン負荷が所定値ＴＨＲ１より小さい低負荷域では、吸気を絞っている領域であり、脈動による慣性過給を必要としないため、ポート切替弁によるポート長の切り替えを行うことはなく常時ロングポートが使用される。

また、ガス導入機構に係る従来技術として特許文献２が公知である。
同文献２に記載されたガス導入機構は、ＥＧＲ等のガス（以下、導入ガスと呼ぶ）を吸気マニホールドの各ブランチに分配して導入するガス通路を有し、このガス通路の開口面積を各ブランチ毎に変えることで導入ガスの気筒間バラツキを抑制している。

特開２０１０−１５１０６２号公報特開２０１２−２１９６２６号公報

ところで、特許文献２の従来技術では、エンジン回転数が変わると吸気脈動も変わり、導入ガスの気筒分配も変わってくるが、各ブランチに開口するガス通路の開口面積はエンジン回転数が変化しても一定である。従って、ある運転状態で導入ガスの気筒分配が良好に行われていても、エンジン回転数が異なる他の運転状態では導入ガスの気筒分配が悪化することは避けられない。
図８および図９は、ＥＧＲガスの気筒間バラツキをＣＡＥ解析によって検証したシミュレーション結果である。低負荷域でショートポートを使用した場合、図８に示すように、エンジン回転数が１０００、２０００ｒｐｍの時には気筒間バラツキが±０．５％以内に収まるのに対し、３２００、４４００ｒｐｍでは気筒間バラツキが大きくなり、±１．０％を超えている。

一方、低負荷域でロングポートを使用した場合、図９に示すように、エンジン回転数が２０００ｒｐｍの時は気筒間バラツキが±１．０％程度と大きくなるが、その他の回転数では気筒間バラツキが±０．５％以内に収まっている。
上記のように、特許文献１の可変吸気機構を備える吸気マニホールドに特許文献２のガス導入機構を追加しても、エンジン回転数やスロットル開度（エンジン負荷）によりガス通路前後の脈動による差圧などの環境が異なるため、導入ガスの気筒間バラツキを抑制することには限界がある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、エンジン負荷およびエンジン回転数が異なる幅広い運転領域において導入ガスの気筒間バラツキを抑制できるエンジンの吸気装置を提供することにある。

本発明は、内燃機関の各気筒に吸入空気を導く吸気マニホールドと、この吸気マニホールドの各ブランチ毎にポート長が異なるロングポートとショートポートを形成し、ロングポートとショートポートとを切り替えることができる可変吸気手段と、吸入空気とは異なるガスを各ブランチに導入するガス導入手段とを備える内燃機関の吸気装置であって、内燃機関に掛かる負荷が所定値以上の領域を高負荷域、所定値より低い領域を低負荷域と定義し、内燃機関の回転数を機関回転数と呼ぶ時、可変吸気手段は、高負荷域では、機関回転数が所定回数より低い領域でロングポートを使用し、且つ、機関回転数が所定回数以上の領域でショートポートを使用し、低負荷域では、機関回転数に応じてロングポートとショートポートとを適宜に切り替えることを特徴とする。

本発明の可変吸気手段は、高負荷域で機関回転数が所定回数より低い領域では、脈動による慣性過給効果を活かして出力を上げるためにロングポートを使い、高負荷域で慣性過給効果が得られにくい高回転数域ではショートポートを使用する。
また、慣性過給効果を必要としない低負荷域では、機関回転数に応じてロングポートとショートポートとを適宜に切り替える。具体的には、ガス導入手段によって各ブランチに分配されるガス分配量の最適化を考慮してロングポートとショートポートとの切り替えを行うことにより、ガスの気筒間バラツキを低減できる

エンジンの吸排気系を示す簡略図である。吸気マニホールドの概観図である。（ａ）ショートポートを閉じた状態を示す吸気マニホールドの断面図、（ｂ）ショートポートを開いた状態を示す吸気マニホールドの断面図である。ポート切替弁の開閉領域を設定したマップ図である（実施例１）。実施例１に係るＥＧＲガスの気筒間バラツキを示すグラフである。ポート切替弁の開閉領域を設定したマップ図である（実施例２）。従来技術に係るポート切替弁の開閉領域を設定したマップ図である。ショートポートを使用した場合のＥＧＲガスの気筒間バラツキを示すグラフである（従来技術）。ロングポートを使用した場合のＥＧＲガスの気筒間バラツキを示すグラフである（従来技術）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１のエンジン１は、例えば、直列４気筒エンジン１であり、排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ）を吸気側に還流させるＥＧＲ装置（後述する）を搭載している。
エンジン１の吸気系には、図１に示すように、スロットルバルブ２ａを内蔵する電子スロットル２の吸気下流側に吸気マニホールド３が配設される。この吸気マニホールド３は、図２に示すように、筒状のコレクタ部４と、このコレクタ部４より分岐する複数本のブランチ５とを有する。
コレクタ部４は、長手方向の一端側（図２の右端側）が開口して電子スロットル２の出口に接続され、その接続口よりスロットルバルブ２ａで調整された空気が流入する。

複数本のブランチ５は、エンジン１の気筒数（実施例１では４気筒）と同数本だけ設けられ、各ブランチ５の下流端（反コレクタ部側）がエンジン１の各吸気ポート１ａ（図１参照）に接続される。
また、各ブランチ５には、図３に示すように、ポート長の長いロングポート５ａとポート長の短いショートポート５ｂが形成され、且つ、ショートポート５ｂを開閉可能なポート切替弁６を備えている。つまり、各ブランチ５は、ポート切替弁６の開閉状態に応じてロングポート５ａとショートポート５ｂとを選択的に切り替えることができる。具体的には、図３（ａ）に示すように、ポート切替弁６がショートポート５ｂを閉じることで、コレクタ部４へ流入した吸入空気が図示矢印で示すようにロングポート５ａを通ってエンジン１の燃焼室１ｂ（図1参照）へ導入される。一方、図３（ｂ）に示すように、ポート切替弁６がショートポート５ｂを開くことで、コレクタ部４へ流入した吸入空気が図示矢印で示すようにショートポート５ｂを通ってエンジン１の燃焼室１ｂへ導入される。

前述のＥＧＲ装置は、図１に示すように、ＥＧＲガスをエンジン１の排気系から吸気系へ還流させるためのＥＧＲ通路７と、このＥＧＲ通路７を流れるＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲバルブ８とを備える。なお、ＥＧＲバルブ８の上流側（排気側）にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを設けることもできる。
ＥＧＲバルブ８より下流側（吸気側）のＥＧＲ通路７は、図２に示すように、第１ガス通路７ａと第２ガス通路７ｂとに分岐して設けられ、さらに、第１ガス通路７ａから枝分かれする第３ガス通路７ｃと、第２ガス通路７ｂから枝分かれする第４ガス通路７ｄとが設けられる。この第１〜第４ガス通路７ａ〜７ｄは、それぞれ吸気マニホールド３の各ブランチ５に接続されて、ＥＧＲガスを各ブランチ５に導入する。

〔実施例１の作用および効果〕
吸気マニホールド３の各ブランチ５内に組み込まれるポート切替弁６は、例えば、図４に示す切替マップに基づいて開閉制御される。この切替マップは、エンジン１の運転状態を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に内蔵されるメモリに保持されている。
切替マップには、ポート切替弁６がショートポート５ｂを開くＯＰＥＮ域と、ショートポート５ｂを閉じるＣＬＯＳＥ域とが設定され、横軸に示すエンジン回転数と縦軸に示すエンジン負荷とに基づいてＯＰＥＮ域またはＣＬＯＳＥ域が選択される。なお、エンジン負荷は、スロットル開度に置き換えることができる。

従来（特許文献１）の可変吸気システムと大きく異なる点は、エンジン負荷がある値ＴＨＲ１より小さい低負荷域でもポート長の切り替えを行うことである。例えば、エンジン回転数が所定の回転数ＮＥ１（図４の切替マップで２６００ｒｐｍ）より低い領域（低負荷低回転数域）ではＯＰＥＮ域が設定され、所定の回転数ＮＥ１より高い領域（低負荷高回転数域）ではＣＬＯＳＥ域が設定される。つまり、低負荷低回転数域ではポート切替弁６がショートポート５ｂを開くことでショートポート５ｂが使用され、低負荷高回転数域ではポート切替弁６がショートポート５ｂを閉じることでロングポート５ａが使用される。なお、エンジン負荷がＴＨＲ１より大きい高負荷域では、図７に示す従来例と同じく、エンジン回転数がＮＥ１より低い領域ではＣＬＯＳＥ域が設定され、ＮＥ１より高い領域ではＯＰＥＮ域が設定される。

図４の切替マップに従ってポート切替弁６の開閉動作を制御する、すなわちポート長の切り替えを行うことにより、従来では各気筒間のＥＧＲガスバラツキが大きかった低負荷域でのバラツキを抑制できる。
図５は、ＥＧＲガスの気筒間バラツキをＣＡＥ解析によって検証したシミュレーション結果であるが、検証した全てのエンジン回転数において気筒間バラツキが±０．５％以内に収まっている。なお、図中の♯１、♯２、♯３、♯４は、４気筒エンジン１の第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒に対応する。

上記のように、従来ではポート長の切り替えを行っていなかった低負荷域でもエンジン回転数によりポート長の切り替えを行うことにより、低回転数域から高回転数域に至る広い回転数域でＥＧＲガスの気筒間バラツキを抑制できる。
また、実施例１では、切替マップに従ってポート切替弁６の開閉動作を制御するだけで良いので、新規部品や構造などを追加することなく低コストでＥＧＲガスの気筒間バラツキを抑制できる。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
実施例１では、ポート切替弁６の開閉動作を切替マップに従って制御する事例を説明したが、その切替マップのＯＰＥＮ域とＣＬＯＳＥ域は、エンジン１の機種や吸気マニホールド３の形状などによって異なる。つまり、図４に示した切替マップを全てのエンジン１に適用するのではなく、エンジン１の機種や吸気マニホールド３の形状などに応じて切替マップのＯＰＥＮ域とＣＬＯＳＥ域とを適宜に設定できる。

実施例２に係る切替マップの一例を図６に示す。この図６に示す切替マップは、低負荷域の中でもエンジン回転数およびエンジン負荷に応じて、より広範囲にポート長の切り替えを行う一例である。この様に、エンジン１の機種および吸気マニホールド３の形状などに応じて切替マップのＯＰＥＮ域とＣＬＯＳＥ域とを適宜に設定することで、吸気マニホールド３の各ブランチ５に分配されるＥＧＲガス分配量の最適化を図ることができる。

〔変形例〕
実施例１、２では、吸気マニホールド３の各ブランチ５にＥＧＲガスを導入する事例を記載したが、ＥＧＲガスに限定するものではない。例えば、エンジン１の燃焼室１ｂからクランクケース内へ漏れ出るブローバイガス、あるいは燃料タンク内で発生する燃料蒸発ガスなどを吸気マニホールド３の各ブランチ５に分配導入する場合にも本発明を適用できる。

１エンジン（内燃機関）
３吸気マニホールド
５吸気マニホールドのブランチ
５ａロングポート（可変吸気手段）
５ｂショートポート（可変吸気手段）
６ポート切替弁（可変吸気手段）
７ＥＧＲ通路（ガス導入手段）
８ＥＧＲバルブ（ガス導入手段）

Claims

内燃機関（１）の各気筒に吸入空気を導く吸気マニホールド（３）と、
この吸気マニホールド（３）の各ブランチ（５）毎にポート長が異なるロングポート（５ａ）とショートポート（５ｂ）を形成し、前記ロングポート（５ａ）と前記ショートポート（５ｂ）とを切り替えることができる可変吸気手段と、
前記吸入空気とは異なるガスを前記各ブランチ（５）に導入するガス導入手段とを備える内燃機関（１）の吸気装置であって、
前記内燃機関（１）に掛かる負荷が所定値以上の領域を高負荷域、前記所定値より低い領域を低負荷域と定義し、前記内燃機関（１）の回転数を機関回転数と呼ぶ時、
前記可変吸気手段は、
前記高負荷域では、前記機関回転数が所定回数より低い領域で前記ロングポート（５ａ）を使用し、且つ、前記機関回転数が所定回数以上の領域で前記ショートポート（５ｂ）を使用し、
前記低負荷域では、前記機関回転数に応じて前記ロングポート（５ａ）と前記ショートポート（５ｂ）とを適宜に切り替えることを特徴とする内燃機関（１）の吸気装置。
請求項１に記載した内燃機関（１）の吸気装置において、
前記可変吸気手段は、前記低負荷域では、前記ガス導入手段によって前記各ブランチ（５）に分配されるガス分配量の最適化を考慮して前記ロングポート（５ａ）と前記ショートポート（５ｂ）との切り替えを行うことを特徴とする内燃機関（１）の吸気装置。
請求項１または２に記載した内燃機関（１）の吸気装置において、
前記可変吸気手段は、前記ショートポート（５ｂ）を開閉可能に設けられたポート切替弁（６）を有し、このポート切替弁（６）が前記ショートポート（５ｂ）を閉じることで前記ロングポート（５ａ）を使用し、前記ポート切替弁（６）が前記ショートポート（５ｂ）を開くことで前記ショートポート（５ｂ）を使用することを特徴とする内燃機関（１）の吸気装置。