JP2004060461A

JP2004060461A - エンジンの吸気装置

Info

Publication number: JP2004060461A
Application number: JP2002216265A
Authority: JP
Inventors: Shinzo Mori; 森　信三; Akira Inoue; 井上　晶
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP4300763B2

Abstract

【課題】吸気通路内に設けた隔壁の上面で発生する流れの剥離を防止することによって、充填効率の低下を防止する。
【解決手段】隔壁１によって上下に仕切られた吸気通路６を有する内燃機関の吸気装置において、前記隔壁１によって仕切られた上側の吸気通路２と下側の吸気通路３を連通する開口部１０を前記隔壁１に設けることによって、隔壁１付近で発生する流れの剥離を防止して、高回転・高負荷時の充填効率の低下を防止する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気装置に関するもので、特に燃焼性能向上の為にタンブル流を強化する吸気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気通路内を順タンブルポートと逆タンブルポートに分岐し、順タンブルポート上流に設けたタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）を開閉することで適正流れに制御する方法が特開平９−２５６２５８号に開示されている。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、低中回転・部分負荷時には燃焼室内でタンブル流を形成し、良好な燃焼効率を得られるが、高回転・高負荷時には吸気通路内の通気抵抗が大きくなるため、充填効率が低下して出力が低減してしまうという問題があり実用化が困難であった。
【０００４】
そこで本発明では吸気流れの適正化を図ることにより、低中回転・部分負荷時に十分なタンブルを発生し、かつ高回転・高負荷時に充填効率を低下させず、出力の低下を防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
隔壁によって上下に仕切られた吸気通路を有する内燃機関の吸気装置において、
前記隔壁は吸気通路の軸線に対して傾斜して設けられ、かつ上下に仕切られた吸気通路を連通する開口部を設ける。
【０００６】
【作用・効果】
本発明によれば、隔壁上面の流速が上昇して圧力が低下したときに、前記上下の吸気通路を連通する開口部から空気を吸い込むことによって隔壁上面での吸気の剥離を防止して、吸気の流路面積を確保する。これにより低中回転・部分負荷時には十分なタンブルを発生させながら、高回転・高負荷時の充填効率の低下を防止することが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
第一実施形態について説明する。
【０００９】
図１に示すように吸気通路６は隔壁１によって吸気通路２、３に仕切られており、下流には吸気バルブ５、燃焼室７が配置されている。吸気バルブ５が開くと吸気通路６と燃焼室７は連通する。前記隔壁１は吸気通路６の軸線８方向に延びかつ軸線８に対して傾斜し吸気通路２、３を上下に仕切る。
【００１０】
隔壁１の上流にタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）４を設ける。
【００１１】
ＴＣＶ４は、吸気通路６を横断するシャフト４ａとシャフト４ａに取り付けられた遮蔽板４ｂとで構成されており、シャフト４ａが回転することによって開閉する。ＴＣＶ４閉時には一方の吸気通路３の上流側が閉塞される。
【００１２】
隔壁１には吸気通路２と３とを連通する開口部１０を設ける。
【００１３】
隔壁１は仕切り板１１を吸気通路６に固定し形成される。
【００１４】
図２（Ａ）は本実施形態に用いる仕切り板１１と鋳込み時に用いる中子３０を組み合わせた状態を示す平面図である。仕切り板１１は四隅に突出部２５を有する略Ｉ形の板で、突出部２５の先端部を中子３０からはみ出させて鋳込み部２０とし、この鋳込み部２０を吸気通路６に鋳込むことによって固定する。
【００１５】
また、突出部２５以外の側端部は中子３０の外周面よりも内側に位置するようにする。これにより吸気通路６の壁面と隔壁１の側端部の間に空間ができる。この空間を吸気通路２、３を連通する開口部１０とする。
【００１６】
仕切り板１１の流れ方向の全長に対する鋳込み部２０の流れ方向の長さの比率については後述する。
【００１７】
以上のように構成され、次に空気の流れについて説明する。
【００１８】
高回転・高負荷域では流路面積を広くするためにＴＣＶ４を開くので、空気は吸気通路２および３の両方を流れて、下流に設けた吸気バルブ５が開くのに伴って燃焼室７に吸入される。
【００１９】
低中回転・部分負荷域ではＴＣＶ４を閉じて吸気通路３の上流側を閉塞するので、空気は吸気通路２を流れ、吸気バルブ５が開くのに伴って燃焼室７に吸入される。この時空気が流れるのは上側の吸気通路２のみなので、空気の流れは吸気通路６の流路断面の上部に偏り、吸入される空気の多くが吸気バルブ５の吸気通路２側の部分から燃焼室７に吸入されることになる。
【００２０】
このため燃焼室７に吸入された空気は、燃焼室７内で上昇しタンブル流を形成するので、良好な燃焼効率を得ることができる。
【００２１】
隔壁１に設けた開口部１０の効果について図４〜図８を参照しながら説明する。
【００２２】
まずＴＣＶ４が開いている場合について図４、図５を用いて説明する。
【００２３】
図４（Ａ）は吸気通路６の断面図で、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図であり、ａは隔壁１に対する吸気の剥離が発生している領域である。
【００２４】
図５も図４と同様に（Ａ）は吸気通路６の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００２５】
この時空気は吸気通路２、３を流れるが、吸気通路６は燃焼室７に向けてカーブしているため、遠心力によりカーブの外側に向けて吸気が偏り、また隔壁１はカーブせず吸気通路６に対して直線状であるため、隔壁上面１ａには負圧が発生しやすい。
【００２６】
開口部１０がない場合には図４に示すように隔壁上面１ａで空気の流れが剥離して、剥離している領域ａの分だけ流路面積が減少してしまうので、充填効率が低下して出力、燃費が悪化してしまう。
【００２７】
しかし開口部１０を設けることによって図５に示すように隔壁下面１ｂ付近を流れる空気が隔壁上面１ａに吸い出されて隔壁上面１ａの流れの剥離を防止できるので、充填効率の低下を防止できる。
【００２８】
次にＴＣＶ４を閉じた場合について図６〜図８を用いて説明する。
【００２９】
図６の（Ａ）は吸気通路６の断面図、（Ｂ）は吸気通路６側からバルブ５を見たときの吸気流れの流量分布を示している。（Ｂ）の楕円６ａは分布量の大きさを示しており、楕円６ａ内の矢印６ｂが長いほど分布量が多いことを示す。
【００３０】
図７も図６と同様に、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は流量分布を示している。
【００３１】
図８はエンジンのクランク角と燃焼室内での吸気の流速（筒内流速）の関係について示しており、図中Ａは吸気流れの流量分布の偏りが過大になっている場合（従来）、図中Ｂは吸気流れの流量分布が適正である場合（本発明）である。
【００３２】
前述の通り、ＴＣＶ４を閉じることにより吸気通路２のみを流れ、空気の流れが偏り、燃焼室７に供給された空気はこの偏りによってタンブル流を形成して、良好な燃焼効率を得ることができる。
【００３３】
開口部１０がない場合には図６（Ａ）に示すようにＴＣＶ４付近で縮流が生じ、隔壁上面１ａでは流れの剥離が発生して図６（Ｂ）に示すように、前記空気の偏りが過大になる。
【００３４】
図８に示すように、偏りが過大な流れＡは流速の最大値は適正分布流れＢよりも高くなるが、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近での流速は逆に適正分布流れＢの方が速くなっている。これは、偏りが過大な流れＡは流速が速くなりすぎたために燃焼室７の内壁やピストンキャビティーのエッジ（図示せず）に衝突し、これによって流れのエネルギーの崩壊が早まったためである。
【００３５】
燃焼効率を高めるために重要なのは最大流速ではなくＴＤＣ付近での流速であるので、図７に示すように開口部１０を設けて吸気通路３に回り込んだ空気を吸気通路２に吸い出すことにより、ＴＣＶ４付近での縮流、隔壁上面１ａでの剥離を防止して、空気の流れを適正分布としている。
【００３６】
次に開口部１０の流れ方向の長さと位置について図１１〜図１４を用いて説明する。図１１〜図１４は吸気通路６の縦断面図で、各図中の矢印は吸気流れを示している。
【００３７】
吸気通路６の軸線８は直線ではないため、隔壁１は吸気通路６の軸線８に対して傾きを持つことになる。このため隔壁１の上流端部で空気の流れは隔壁１に沿って曲がることができず、図１１に示すように隔壁上面１ａに負圧領域４０が発生し剥離の原因となる。
【００３８】
したがって、図１２のように隔壁１の上流部分に開口部１０を設けて負圧領域４０の発生を防止する必要がある。
【００３９】
また、開口部１０の流れ方向の長さが十分でないと、隔壁１の上流寄りの部分に開口部１０を設けて負圧領域の発生を防止しても図１２に示すように隔壁１の下流部分では負圧領域５０が発生し、剥離が発生してしまう。
【００４０】
したがって、隔壁１の中央部分にも開口部１０を設ける必要がある。
【００４１】
また、吸気通路２と３では諸々の原因によって差圧が発生しやすく、差圧が発生することにより図１３に示すように隔壁１の下流端部付近で空気の流れが乱れ、通気抵抗の原因となる。
【００４２】
したがって、隔壁１の下流部分にも開口部１０を設ける必要がある。
【００４３】
以上のことを考慮すると、図１４に示すように開口部１０は隔壁１の上流部から下流部にかけて開口していることが必要になり、さらに前述した鋳込み時の熱の問題も考慮しなくてはならない。
【００４４】
具体的に本実施形態では開口部１０の流れ方向の長さは、仕切り板１１の全長の６０％以上とし、鋳込み部２０の流れ方向の長さは上流側、下流側それぞれ隔壁１の流れ方向の長さの３〜１０％とし、隔壁１の上流端部、下流端部から隔壁１の流れ方向の長さの１０〜２０％までの位置に設ける。
【００４５】
したがって、例えば鋳込み部２０の長さが仕切り板１１の全長の３％、鋳込み部２０の開口部１０ａ側の端部が仕切り板１１の全長の２０％の位置にある場合には図２（Ｂ）に示すように、隔壁１の両端に開口部１０ｂ、１０ｃができることになる。
【００４６】
開口部１０の面積は出力、燃焼効率と図９、１０に示すような関係がある。
【００４７】
図９はスロットルまたはアクセル全開時、つまりＴＣＶ４が開いている状態での充填効率と開口部１０の面積との関係を示すグラフで、Ａは高回転、Ｂは低回転の場合である。
【００４８】
このグラフより、高回転であれば開口部１０の面積を大きくするほどスロットルまたはアクセル全開時の充填効率は上がり、出力が向上するが、低回転の場合は高回転の場合に比べ開口部１０の面積の影響が小さいことがわかる。
【００４９】
図１０は部分負荷域、つまりＴＣＶ４が閉じている状態での燃焼効率と開口部１０の面積との関係を表すグラフであり、Ａは中回転、Ｂは低回転の場合である。
【００５０】
このグラフより、中回転の場合はある程度までは開口部１０の面積が大きくなるにしたがって燃焼効率が上がるが、低回転の場合は開口部１０の面積が大きくなるにしたがって燃焼効率は低下することがわかる。
【００５１】
以上のことから、開口部１０の面積を決めるには、どのような特性のエンジンにするのかを考慮する必要がある。
【００５２】
例えば、出力を重視するエンジンの場合はスロットルまたはアクセル全開時の高回転の充填効率を高くする必要があるので、開口部１０の面積は大きくし、燃費を重視するエンジンの場合は、部分負荷域で低中回転の燃焼効率を高くする必要があるので開口部１０の面積は小さくする。
【００５３】
以下に本実施形態の効果を記す。
【００５４】
ＴＣＶ４が開いているときには吸気通路３を流れる空気が開口部１０を通して吸気通路２に吸い込まれることによって、吸気通路２を流れる空気が隔壁１から剥離することを防止できるので、流路面積の減少およびそれに伴う充填効率の低下を防止できる。
【００５５】
ＴＣＶ４が閉じているときには、吸気通路３に回り込んだ空気が開口部１０を通して吸気通路２に吸い込まれることにより、ＴＣＶ４付近で発生する縮流および隔壁上面１ａで発生する流れの剥離を防止できるので、吸気通路２を流れる空気の流れを適正分布に保ち、燃焼室７内に強いタンブル流を起こすことが可能となる。
【００５６】
第二実施形態について説明する。
【００５７】
本実施形態は一つの燃焼室に２つの吸気バルブ５を有する内燃機関の吸気装置に関するもので、基本的には第一実施形態で用いた装置が一つの燃焼室に２つ設けられていると考えてよい。
【００５８】
ただし一つの吸気通路が枝分かれして２つの吸気通路６になっているため、隔壁１の形成に用いる仕切り板２１の形状が第一実施形態と異なる。
【００５９】
図３（Ａ）は本実施形態で用いる仕切り板２１と、仕切り板２１を吸気通路６に鋳込む時に用いる中子３０を組み合わせた状態の平面図である。
【００６０】
仕切り板２１は略コ字形をしており、第一実施形態で用いた仕切り板１１を略平行かつ両端の位置が揃うように並べ、二組の向かい合う突出部２５の一方の組を連結したような形状となっている。
【００６１】
第一実施形態と同様に、突出部２５の先端を中子３０からはみ出させて鋳込み部２０とし、鋳込み部２０以外の仕切り板２１の側端部は中子３０の外周よりも内側に位置するようにする。
【００６２】
鋳込み部２５を吸気通路６に鋳込むことによって仕切り板２１を吸気通路６に固定し、中子３０の外周よりも内側に位置していた仕切り板２１の側端部と吸気通路６内壁との間に開口部１０を形成する。
【００６３】
図３（Ｂ）は図２（Ｂ）と同様に、鋳込み部２５の吸気流れ方向の長さおよび位置によって、仕切り板２１の流れ方向の両端部が開口部１０ｂ、１０ｃとなる場合の仕切り板２１と中子３０を組み合わせた状態の平面図である。
【００６４】
本実施形態の作用、効果は第一実施形態と同様で、ＴＣＶ４が開いているときには吸気通路３を流れる空気が開口部１０を通して吸気通路２に吸い込まれることによって、吸気通路２を流れる空気が隔壁１から剥離することを防止できるので、流路面積の減少およびそれに伴う充填効率の低下を防止できる。
【００６５】
また、ＴＣＶ４が閉じているときには、吸気通路３に回り込んだ空気が開口部１０を通して吸気通路２に吸い込まれることにより、ＴＣＶ４付近で発生する縮流および隔壁上面１ａで発生する流れの剥離を防止できるので、吸気通路２を流れる空気の流れを適正分布に保ち、燃焼室７内に強いタンブル流を起こすことが可能となる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施形態の構成を示す縦断面図と横断面図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）は第一実施形態に用いる仕切り板の平面図である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は第二実施形態に用いる仕切り板の平面図である。
【図４】（Ａ）は隔壁に開口部がない場合のＴＣＶ開時の吸気通路内の空気の流れを示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】（Ａ）は隔壁に開口部を設けた場合のＴＣＶ開時の吸気通路内の空気の流れを示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図６】（Ａ）は隔壁に開口部がない場合のＴＣＶ閉時の吸気通路内の空気の流れを、
（Ｂ）はその場合の流量分布を表す図である。
【図７】（Ａ）は隔壁に開口部を設けた場合のＴＣＶ閉時の吸気通路内の空気の流れ
（Ｂ）はその場合の流量分布を表す図である。
【図８】筒内流速とクランク角の関係を示すグラフ。
【図９】出力と隔壁の開口部の面積の関係を示す特性図である。
【図１０】燃焼効率と隔壁の開口部の面積の関係を示す特性図である。
【図１１】隔壁に開口部がない場合の剥離発生領域を示す図である。
【図１２】開口部の長さが短い場合の剥離発生領域を示す図である。
【図１３】隔壁下流端部での空気の流れの乱れを示す図である。
【図１４】隔壁に開口部を設けた場合の空気の流れを示す図である。
【符号の説明】
１　隔壁
１１、２１　仕切り板
２、３　吸気通路
４　タンブルコントロールバルブ
４ａ　シャフト
４ｂ　遮蔽板
５　吸気バルブ
６　吸気通路
７　燃焼室
１０　開口部
２０　鋳込み部
３０　中子
４０、５０　剥離発生領域

Claims

隔壁によって上下に仕切られた吸気通路を有する内燃機関の吸気装置において、
前記隔壁は前記吸気通路の軸線に対して傾斜して設けられ、かつ仕切られた上側の吸気通路と下側の吸気通路を連通する開口部を有することを特徴とする内燃機関の吸気装置。
前記隔壁に設けられた開口部は、少なくとも前記隔壁の上流部にある請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
前記隔壁の上流に開閉弁を設け、閉弁時には隔壁によって仕切られた吸気通路のうち下側の吸気通路が前記開閉弁によって閉塞される請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
前記隔壁に設けられた開口部は、隔壁の両側の吸気通路壁面近傍に設けられる請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
前記隔壁に設けられた開口部の吸気流れ方向の長さは、隔壁の吸気流れ方向の長さに対して所定の割合である請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
前記隔壁の吸気流れ上流端が、前記開口部として開口している請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
内燃機関の吸気通路に鋳込まれた、前記吸気通路を上下の流路に仕切る吸気仕切り板において、
前記仕切り板は前記吸気通路の軸線に対して傾斜して設けられ、かつ上下に仕切られた吸気通路を連通する開口部を有することを特徴とする内燃機関の吸気仕切り板。
前記仕切り板に設けられた開口部は、少なくとも前記仕切り板の上流側の部分にある請求項７に記載の内燃機関の吸気仕切り板。
前記仕切り板に設けられた開口部は、吸気通路壁付近に設けられた請求項７または８のいずれかに記載の内燃機関の吸気仕切り板。
前記仕切り板に設けられた開口部の吸気流れ方向の長さは、仕切り板の吸気流れ方向の長さに対して所定の割合である請求項９に記載の内燃機関の吸気仕切り板。
前記仕切り板に設けられた開口部は、前記仕切り板の前記吸気通路への鋳込み部分の間に設けられた請求項９または１０に記載の内燃機関の吸気仕切り板。
前記仕切り板の上端が、前記開口部として開口している請求項９から１１のいずれかに記載の内燃機関の吸気仕切り板。