JP2004270549A - スロットルバルブの弁開閉構造 - Google Patents

Abstract

【課題】乱流を防ぎ、吸気管路の断面積を最大限に利用する。エンジン性能を最大限に引き出す。
【解決手段】前記目的を達成するため、本発明に係るスロットルバルブの弁開閉構造は、弁体が管路内壁から離れることによって作られる開口が、管路内壁の特定の一カ所から徐々に管路内壁の周面に沿って拡大するよう弁体を駆動する。具体的には、弁体の片側を軸部材によって回動可能に支持し、軸部材と対向する側の弁体外周部が管路内壁と離隔するよう構成する。基端部に回動軸を設けた弁体が、管路の下流に向かって傾倒し、乱流の発生を防ぐ。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関に適用するスロットルバルブ装置に係り、とくに弁体の開閉機構を改良してエンジンの応答性や燃焼効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スロットルバルブ（絞り弁）は、管路の断面を種々に変えて流体の流量を制御するものであり、内燃機関の気化器（キャブレター）に取り付けて吸入空気量を加減するものや、蒸気機関に取り付けて蒸気量を加減するものなどがある。以下、自動車エンジン等に適用するスロットルバルブを例にとって説明する。
【０００３】
従来、スロットルバルブは、図７に示すように、吸気管路１の略中央部に駆動軸２を配し、この駆動軸２を適宜の駆動手段によって回動させることにより、弁体（バタフライ）３を開閉駆動するようになっている。
【０００４】
自動車のエンジンでいえば、アクセルの踏み込み量に応じて駆動軸２が働いて弁体３の開度が変化し、弁体３の開度に応じて吸気管路１を流れる空気（矢印Ｘで示す）の流量が増減変化する。このとき噴射ノズル５から供給される燃料と空気Ｘとが混合し、アクセルの踏み込み量に応じたエンジン回転数を実現する燃料混合ガスが作られる。
【０００５】
自動車のエンジンのスロットルバルブは、弁体３を駆動するための駆動軸２が吸気管路１の中央に配される。例えば、特開平０８−３１２４７７号公報、特開平０９−２３６０２８号公報、特開平１１−２４７６６１号公報などである。少なくともスロットルバルブに関する従来の提案においては、他の開閉駆動構造を発見できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来のスロットルバルブでは、弁体３の開閉に伴って、空気Ｘが吸気管路１の両側（上下）を通って下流に流れる。
【０００７】
このことは、アクセルを最大限に踏み込んで弁体３を全開の状態にしたときでも同じである。弁体３を全開にしたときでも駆動軸２と弁体３は吸気管路１の中央にあって上流から流れてくる空気Ｘ１の進行を妨げ、空気Ｘ１を強制的に上下（または左右）に分岐させるからである。
【０００８】
問題は、吸入空気Ｘをこのように分岐させると、噴射ノズル５から供給される燃料と吸入空気Ｘとの均質な混合が難しいという点にある。
【０００９】
噴射ノズル５は一般には弁体３の下流に配されるが（図８）、弁体３を挟んで吸入空気Ｘが強制的に分岐させられる結果として、噴射ノズル５に近い空気流と、噴射ノズル５から遠い空気流では、混合ガスの燃料密度に著しい相違が生ずる。とくに弁体３の開度が小さい場合は、燃料密度の差異は非常に大きい。この結果として、低速運転時にも不必要にアクセルを踏み込み、エンジン回転数に見合わない無用な燃料を消費する傾向が生まれる。
【００１０】
また弁体３が全開した状態では、燃料密度の差というより、吸気管路１の断面積からいって本来得られるべき量の混合ガスをエンジン４に送り込めないという問題が生ずる。エンジン性能は、とくに小型車であればあるほど、吸気管路１の断面積を最大限に有効活用して、エンジンがもつ本来の設計性能を引き出すことが望まれる。
【００１１】
そこで本発明の目的は、噴射ノズルから供給される燃料と吸入空気との混合の不均等を可能な限り解消し、吸気管路の断面積を最大限に利用することによって、エンジンの設計性能を最大限に引き出す点にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係るスロットルバルブの弁開閉構造は、弁体が管路内壁から離れることによって作られる開口が、管路内壁の特定の一カ所から徐々に管路内壁の周面に沿って拡大するよう弁体を駆動する（請求項１）。エンジン回転数が少ないときは管路の片側のみが開口し、その他の部位は管路を閉塞出来ものであって、徐々に開口が拡大し、スロットルを全開したときには、弁体が管路の片側に収まって空気流路を邪魔しないようにするものである。
【００１３】
このような構造を実現するためには、具体的には、弁体の片側を軸部材によって回動可能に支持し、軸部材と対向する側の弁体外周部が管路内壁と離隔するよう構成することが出来る（請求項２）。これは基端部に回動軸を設けた弁体が、管路の下流に向かって傾倒するものである。
【００１４】
また、弁体の片側を進退動部材を介して支持し、進退動部材と対向する側の弁体外周部が管路内壁と離隔する場合がある（請求項３）。これは、弁体を単純に上下動させるものである。単純な弁体の上下動でも、請求項１の技術思想は実現できる。
【００１５】
弁体は、管路を流れる流体を最小限にするときに二枚のパネルが中折れして重なり合った状態となる構造とするとともに、中折れ可能な弁体の一カ所を０度から１８０度の範囲で開閉可能に屈伸運動させてもよい（請求項４）。弁体の傾倒（請求項２）、弁体の上下動（請求項３）に限らず、管路の閉塞時には二枚のパネルが重なり合う弁体でも同一効果を発揮できる。接続箇所を上下動させることにより二枚のパネルは管路の閉塞（屈折状態；０度）から全開（伸展状態；１８０度）の範囲で動き、管路内壁の断面積を自由に調整する。
【００１６】
【作用】
本発明に係るスロットルバルブの弁開閉構造は、弁体が管路内壁から離れることによって作られる開口が、管路内壁の特定の一カ所から徐々に管路内壁の周面に沿って拡大させるものである。弁体の片側または一部分のみが開口の大きさを決定し、他の部分は、全開時以外は管路を閉塞する。
【００１７】
従来の弁開閉構造のように、弁体の両側に気体が流れる開口を形成せず、一カ所のみが開口となって操作量に応じて徐々に開口面積を拡大できるようにするため、気体の流れを邪魔するものがなく、空気の流れに分岐が生じない。この結果、自動車エンジン等の場合であれば噴射ノズルから供給される燃料との混合が均等化され、アクセルの踏み込みに応じた快適なエンジン応答を得ることが出来る。また蒸気や液体のような他の流体の制御の時にも、弁体を挟んでの前後における乱流が生じないため、機関部の性能を素直に引き出すことが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る弁開閉構造の第一の実施形態を例示するものである。これは、吸気管路１に弁体１０を配するとともに、弁体１０の下端部に駆動軸１１を設ける。そして、弁体１０の適宜箇所に上下動する駆動部材１２を固定し、この駆動部材１２の上下動によって弁体１０の傾斜角度を制御する。駆動軸１１は固定（非移動）である。
【００１９】
駆動部材１２は、例えばモータ１３を介して伸展可能なワイヤを用いる。この場合、駆動軸１１は、弁体１０を傾倒させる側と逆向きの方向にバネを介して常時付勢しておくことが望ましい。駆動部材１２の作動量は、例えばアクセルの踏み込み量に応じて制御する。弁体１０は、吸気管路１を流れる流体Ｘ（吸入空気等）の下流側に傾倒させることが望ましい。
【００２０】
従って、かかる構造によれば、駆動部材１２の上下動に伴って弁体１０の傾倒角度が適宜調整され、吸気管路１の開口の大きさ、つまり吸気管路１を流れる流体Ｘの流量を例えばアクセルの踏み込み量に応じて適宜コントロール可能であって、なおかつ吸気管路１を流れる流体Ｘを分岐させずにすむ。吸気管路１は断面円形である必要はない。弁体１０が全開したときに管路（１）の底面に収納できるよう管路（１）の底面に凹部を形成しておいても良い。
【００２１】
この結果、例えば図２に示すように、弁体１０の上流近傍に配した噴射ノズル１６から燃料を供給する気化器では、流体Ｘ（吸入酸素）に対してダイレクトに燃料を与えて瞬時に均等密度の安定した混合ガスを発生させることが出来る。
【００２２】
このように吸気管路１を流れる吸入酸素（Ｘ）を分岐させずにダイレクトに燃料を噴射する方式をとると、弁体１０の開度（傾倒角度）が小さいときには、少量の燃料混合が非常にうまくゆき、少ない燃料噴射でも好ましいエンジン回転数を達成することが出来る。つまり、自動車の低速運転時や安定クルージング時における燃費効率が格段に向上する。
【００２３】
一方、アクセルを目一杯踏み込んだ状態、つまり弁体１０を全開させた状態では、吸気管路１を流れる吸入酸素（Ｘ）を中央で妨げる大きな妨害物（弁体や駆動軸）がないため、混合ガス（Ｘ）は吸気管路１の断面積を最大限に利用しつつ、しかも乱流を生ずることなく綺麗な流れを形成することが出来る。この結果として、エンジンの理想的な性能を運転テクニック等の高度な技術によらずに素直に引き出すことが可能となる。尚、駆動部材１２は金属棒や金属板を用いることも出来るが、ワイヤの巻き取り又は開放によって弁体１０の開度を調整するときには、駆動軸１１をバネによって逆方向に付勢することによって、弁体１０の戻りを素早くすることが出来る。
【００２４】
以上の結果、アクセル操作に対するエンジンの応答性が確実に高まり、公道を走る乗用車の場合であれば、発進時や低速ないし中速運転時において燃費消費を最小限に抑えることが可能となる。また追い越し運転時などアクセルを最大限に踏み込むときには、従来のスロットル装置に較べてエンジン性能が格段に向上する感触があり、車両走行上の安全を高めることが出来る。
【００２５】
このような作用効果は、アクセル操作とエンジン回転数との関係に高い技術や敏感な応答性を求められるレーシング用車両に適用する場合は、さらに大きな意味を持つ。発進時のエンジン応答、低中速から高速にシフトするときのエンジンの滑らかさ、高速時におけるエンジンの理想的な能力発揮など、すべてのシーンにおいて理想的なエンジン性能を引き出すことが出来るからである。なお、これらのことは、弁体１０の下流側に噴射ノズル（１６）を設けた場合でも基本的には同じである。
【００２６】
尚、この実施形態では、駆動部材１２を、流体Ｘの下流側において弁体１０に固定する構造を示してあるが、駆動部材１２は弁体１０を傾倒駆動できればよいので配設位置や構造は限定されない。油圧やエアシリンダを用いた棒状又は板状部材の駆動方式でも良いし、電気モータや油圧による駆動軸１１の直接駆動であっても構わない。
【００２７】
また、図面上は弁体１０の上部から下方に向かって開口が広がる構造として示してあるが、吸気管路１を流れる流体量（Ｘ）を調整できればよいから、このような上下の区別は原理的には必要がない。側方位置や下方位置において開口を拡大縮小しても流体Ｘの流量調整としては同じ結果を得る。どの方向で弁体１０を傾倒させるかは、噴射ノズル１６の取付位置や駆動部材１２の取付位置との関係で設定することが望ましい。
【００２８】
図３、図４は、本発明に係る弁開閉構造の第二の実施形態を例示するものである。これは、弁体２０が、側面から見たときに略Ｖ字状となって開口の大きさを制御するようにしたものである。３２は、弁体２０の長手方向略中央部に固定した駆動部材であり、この駆動部材３２の進退動（例えば上下動）によって弁体２０の頂点Ｐの位置を決める。Ｍは、駆動部材３２を動かすモータである。
【００２９】
弁体２０の基端部２１Ｒ、すなわち駆動部材３２が固定される頂点Ｐから最も離れた部分は、駆動部材３２の進退動に伴って吸気管路１の内壁を前後方向に移動し、弁体２０の一般面２１の傾斜角度を可変する。一般面２１は流体の流れを整える整流板として機能する。基端部；２１Ｒは、吸気管路１の内壁に沿って摺動できる滑らかな素材、例えば難錆の柔軟金属や樹脂を用いれば良い。また必要に応じてガイドを設け、ガイドに沿って摺動するように構成しても良い（図５、図６参照）。
【００３０】
また頂点Ｐの部分は、弁体２０を構成する二枚のパネル材を蝶番等の軸部材を介して連結させることが出来る。また、弁体２０を一枚の長尺の柔軟性パネルで形成し、頂点Ｐを進退動させることによって、基端部２１Ｒが吸気管路１の内壁を前後方向に移動するようにしても良い。蝶番を用いても用いなくても、頂点Ｐを駆動部材３２を介して進退動（上下動等）すれば、流体Ｘが流れる開口の大きさを自由に拡大／縮小できるからである。
【００３１】
蝶番を用いない場合は、弁体２０を構成する一枚の長尺パネルの頂点部分（Ｐ）を予め折曲形成しておくことが望ましい。こうすれば、二枚のパネル材を蝶番を介して連結しなくても、一枚のパネル材によって開口の開度を容易に調整することが出来る。パネル材が整流板として働く限り、一枚パネル式でも二枚パネル式でも構わない。
【００３２】
頂点Ｐの位置は、吸気管路１の上部とする必要はない。側方または下方であっても流体Ｘの流れを安定させる点では同一の作用効果を得るからである。図３は頂点Ｐを上方に位置させて示してあるため、側面から見ると弁体２０の形状は逆Ｖ字状となっているが、逆から見ればＶ字状となる。つまり、このような中折れ式の弁体構造では、頂点Ｐの位置に関係なく何れかの方向から断面で見たときに弁体２０がＶ字状を呈する構造であれば良い。
【００３３】
このような中折れ式の弁開閉構造によれば、吸気管路１を流れる流体Ｘは、弁体２０の下流で弁体２０に衝突しても、開口の大きさに応じて設定される弁体２０の一般面２１の傾斜（上昇面）に沿ってスムースに開口に流れ込む。また、頂点Ｐを超えたときには反対側の一般面２１の傾斜（下降面）に沿って流れることが出来るため、弁体２０の前後において乱流が生ずる可能性が極めて少ない。この結果、例えば自動車エンジンのスロットルに適用する場合には、燃料の噴射ノズル（１６）が弁体２０の前後どの位置にあっても、均質均等な混合ガスを容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００３４】
また、この中折れ式の弁開閉構造では、開口の断面積を決定する頂点Ｐを流体Ｘが通過したときに、一般面２１の傾斜下降面に沿って流体Ｘが流れることが出来るため、頂点Ｐの下流側における負圧の発生を確実に抑えることが出来る。
【００３５】
この結果、自動車のエンジンであれば、アクセルの操作量に応じて弁体２０の作動量が負圧に影響されることなく一義的に決定できることになり、アクセルの操作量に応じた正確なエンジン回転数を実現できる。従来のスロットル装置では、弁体を通過した気体（Ｘ）の負圧の影響によって弁体が強制的に引き下げられ、アクセルの踏み込み量よりもエンジン回転数が上がることがあり、弁体の前後で発生する乱流のためアクセルの踏み込み量よりもエンジン回転数がドライバーの予期に反して過度に上がったり下がったりする現象が見られたが、このような問題を確実に改善することが可能となった。
【００３６】
図５、図６は、本発明に係る弁開閉構造の第三の実施形態を例示するものである。これは、第二の実施形態と同様の作用効果を営むが、弁体２０の一方の基端部２７Ｒを固定（非移動）の回転軸とし、他方の基端部２７Ｌを、ガイドスリット２８に沿って摺動する構造として、移動可能な基端部２７Ｌを進退駆動させることによって弁体２０の開度を制御するものである。
【００３７】
基端部２７Ｌを吸気管路１に沿って前後方向に駆動する機構はとくに限定されないが、応答性の点では例えば電気モータの正逆回転をワイヤ又はベルトに伝達し、ワイヤ又はベルトの運動によって、基端部２７Ｌを駆動する方式をとることが出来る。尚、この実施形態に係る構造は、図３、図４に示した構造と流体に関する作用効果においては同じであるが、ガイドスリット２８を利用するため構造上ないし製品の厳密な寸法精度が要求されないと云う利点がある。このため比較的低コストで整流板（２１）をもった弁開閉構造を得ることが出来る。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスロットルバルブの弁開閉構造によれば、乱流の発生を抑えることによって噴射ノズルから供給される燃料と吸入空気との混合の不均等を解消できると同時に、吸気管路の断面積を最大限に利用することが可能となって、エンジン性能を最大限に引き出すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る弁開閉構造の第一の実施形態を示す図である。
【図２】図１の弁開閉構造の上流に噴射ノズルを設けた場合を示す図である。
【図３】本発明に係る弁開閉構造の第二の実施形態を示す図である。
【図４】図３の弁体開度を大きくした状態を示す図である。
【図５】本発明に係る弁開閉構造の第三の実施形態を示す図である。
【図６】図５の弁体開度を大きくした状態を示す図である。
【図７】従来のスロットルにおける弁開閉構造を示す図である。
【図８】図７に示す構造と噴射ノズルとの関係を例示する図である。
【符号の説明】
１ 吸気管路
１０、２０ 弁体
１１ 駆動軸
１２、２２ 駆動部材
１６ 噴射ノズル
３２ 駆動部材
２１Ｒ、２１Ｌ 弁体の基端部
Ｐ 弁体２０の頂点
Ｘ 流体

Claims (4)

1. 弁体を開閉駆動することにより、管路を流れる気体の流量を制御するスロットルバルブにおいて、
   弁体が管路内壁から離れることによって作られる開口が、管路内壁の特定の一カ所から徐々に管路内壁の周面に沿って拡大するよう弁体を駆動することを特徴とするスロットルバルブの弁開閉構造。
2. 弁体の片側を軸部材によって回動可能に支持し、軸部材と対向する側の弁体外周部が管路内壁と離隔するよう構成することを特徴とする請求項１記載のスロットルバルブの弁開閉構造。
3. 弁体の片側を進退動部材を介して支持し、進退動部材と対向する側の弁体外周部が管路内壁と離隔するよう構成することを特徴とする請求項１記載のスロットルバルブの弁開閉構造。
4. 弁体は、管路を流れる流体を最小限にするときに二枚のパネルが中折れして重なり合った状態となる構造とするとともに、中折れ可能な弁体の一カ所を０度から１８０度の範囲で開閉可能に屈伸運動させることを特徴とする請求項１記載のスロットルバルブの弁開閉構造。

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