JP2004526098A

JP2004526098A - エンジンの吸気管閉鎖装置

Info

Publication number: JP2004526098A
Application number: JP2002585799A
Authority: JP
Inventors: ラノイヴォルフガング; ブラスールフィリップ
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2004-08-26
Also published as: FR2824360B1; FR2824360A1; EP1383996B1; WO2002088533A1; ATE336646T1; DE60213963D1; EP1383996A1

Abstract

複数の閉鎖部材（１）を備えたバルブと、空気を通すための側面開口部を両側に備えたスリーブ（４）とを有する、多気筒内燃機関の吸気管を閉鎖する装置であって、スリーブは長手方向の凹部を有しており、該凹部に、該凹部内で回転軸を中心として回転することのできる前記バルブが挿入されている形式の装置において、閉鎖部材（１）は、装置が開位置にあるときに、スリーブの対応する開口部の下縁または上縁と一直線にそろうほぼ平坦な機能表面をもつプレートを有し、前記回転軸は少なくとも１つの閉鎖部材のプレートを横断している。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、多気筒内燃機関の吸気管閉鎖装置に関するものである。より具体的にはエンジンの吸気マニホルド（共通部分またはプレナムと、吸気管で構成される分配器とから形成される）とエンジンの異なるシリンダ間を流れる空気流量の調節を可能にする閉鎖装置に関するものである。
【０００２】
この種のエンジンでは、吸気行程中に支燃性ガスとして用いられる燃料空気混合気を改善することによって、シリンダ内における燃料の燃焼の最適化に努めている。燃料噴射式エンジンにおいて、吸入空気中に燃料エアロゾルを発生させるキャブレター・システムがないことによる問題は、低回転時において重大である。この問題は、一般にエンジンの各シリンダに導入されたガスに乱流を発生させることによって解決される。よく用いられる技術は「スワール」効果の技術である。すなわち、ガスがシリンダ内に入るとシリンダの中心軸に平行な中心軸を有する渦流を発生させる技術である。これは空気燃料混合気の改善に適している。渦流発生のために、たとえば、１つのシリンダに２つの吸気管を有するエンジンの場合、低回転時に２つの吸気管のうちの一方を閉鎖することができる。別の技術は、「タンブル」効果、すなわち、シリンダの中心軸に垂直な中心軸を有する渦流を発生させるものである。この種の効果は、壁によって２つの部分に分けられたシリンダヘッド管を設け、この管の２つの部分のうちの一方を閉鎖することによって得ることができる。
【０００３】
エンジンの負荷と回転数に応じて強さの変わるスワール効果またはタンブル効果を発生させることができ且つ高回転時に（すなわち開位置で）空気流を乱さない装置は、開発されている。たとえば、欧州特許出願第１０８３３１０号には、１つのシリンダに１つ以上の吸気弁を備えたエンジンのための閉鎖システムが開示されている。このエンジンは（吸気管の各列につき１つの）二重マニホルドを使用して実現されており、二重マニホルドの一部（吸気管列に関連する部分）には、吸気管の閉鎖を可能にするバルブを備えたケーシングが設けられている。このバルブはケーシング内に形成された孔に収容されており、開位置で空気流が乱れないようにするのに適した幾何形状の閉鎖部材を有している。しかしながら、このようなバルブは幾何形状が複雑であること並びに剛性が低いという欠点を有しており、作動時に振動の問題につながりうる。また、二重マニホルド・システムは追加部品の取付を前提としているので、労賃や付随する漏れの危険性が伴う。最後に、この特許出願に記載されているタイプのバルブでは、閉鎖されていない部分の空気流を乱すことなしに吸気管の部分的閉鎖を行なうことはできない。
【０００４】
これらの欠点を解消するために、本発明の目的は、開位置のときに空気流が乱れないという利点を保持したままで、吸気管の全面的または部分的な閉鎖に適した、幾何形状がシンプルで且つ剛性のある閉鎖装置を提供することである。さらに、この装置は空気分配器に組み込むことができ、したがって、単体部品としてエンジン・メーカーによってエンジンのシリンダヘッドに１回の作業で取り付けられる。
【０００５】
そのため本発明は、複数の閉鎖部材を備えたバルブと、空気を通すための側面開口部を両側に備えたスリーブとを有し、スリーブは長手方向の凹部を有し、この凹部にはバルブが挿入されており、バルブがこの凹部内で回転軸を中心として回転することがでる形の多気筒内燃機関の吸気管を閉鎖装置であって、閉鎖部材は、装置が開位置にあるときにスリーブの対応する開口部の下縁または上縁と一直線にそろうほぼ平坦な機能表面をもつプレートを有し、また回転軸が少なくとも１つの閉鎖部材のプレートを横断する形の装置に関するものである。
【０００６】
本発明による閉鎖装置は、内燃機関の吸気管の少なくとも一部を全面的にまたは部分的に随意に閉じることを可能にする。これらの管は各熱機関に存在している管であり、吸気弁の位置で各シリンダの上部に達しており、吸入空気をすべてのシリンダに分配する機能を果たす分配器から出ている。
【０００７】
ここでは、熱機関とは少なくとも２つのシリンダを有し、その内部をピストンが往復運動し、この往復運動がコンロッドクランクシステムにより回転運動に変換され、また燃料の燃焼による化学エネルギーがシャフトの回転という運動エネルギーに変換される内燃機関のことをいう。
【０００８】
本発明による装置は、一般に空気分配器とシリンダヘッドとの間に、すなわちエンジンによって支燃性ガスとして用いられる空気を複数のシリンダに分配する部品とエンジンのシリンダヘッドとの間に位置する。
【０００９】
本発明によれば、スリーブには両側に空気を通すための側面開口部があり、バルブを収容するため、また軸を中心としたバルブの回転運動を可能にするための長手方向の凹部がある。これらの側面開口部はどのような形状であってもよい。この形状は一般に閉鎖すべき管の形状に対応しているが、多くの場合、その形状は同じである。どちらかと言えば、閉鎖すべき管の形状はほぼ長方形である。しかし、形状がどうであろうとも、これらの管は有利には角に切り込みを有する。
【００１０】
本発明によれば、閉鎖部材は、装置が開位置にあるときに、スリーブの対応する開口部の下縁または上縁と一直線にそろうほぼ平坦な機能表面をもつプレートを有する。下縁か上縁かは、管を上から閉鎖したいのか、それとも下から閉鎖したいのか（または管の下部あるいは上部だけを閉鎖したいのか）に依存する。「ほぼ平坦な」とは、表面の少なくとも８０％、できれば少なくとも９０％、さらには表面の少なくとも９５％が平坦であることを指す。平坦部分は一般に表面の中央部であり、縁は空気流をできるだけ乱さないようにするために切り込みを入れることができる。これらの要素の形状およびサイズ、また閉鎖すべき管に対するそれらの回転軸の位置は、閉鎖すべき管の形状およびサイズに、またスリーブの内部の形状に対応している。
【００１１】
プレートの厚みを極端に増やさずに作動時の機械的応力と振動に耐えるのに十分な剛性をもつバルブを得るためには、機能表面の反対側のプレートに１つまたは複数のリブを付ける方が往々にして有利である。これらのリブの数、幾何形状および配置は、部品の曲げやねじりにおける慣性モーメントを最大にするように変えられる。すべてのプレートに同じリブを付ける方がよい。これらのリブは一般にプレートに対し垂直に付けられる。リブはたいてい回転軸を包含する平面に含まれている。通常、ただ１つの中央リブで、曲げやねじりにおいて十分な剛性を得ることができる。このリブの高さは必要な剛性に応じて、またケーシング内の設置場所に応じて決まる。閉鎖すべき管が円筒形である場合、リブは閉鎖すべき管の半径にほぼ等しい高さを持つことが望ましい。
【００１２】
本発明によれば、装置は複数の吸気管の閉鎖を可能にするとともに、閉鎖制御はすべての管に同時に行なわれる。実現される閉鎖率は各々のシリンダの対応する管について同じであることが望ましい。
【００１３】
本発明による装置は、別の部品としてマニホルドとエンジンのシリンダヘッドとの間に挿入することができる。
【００１４】
あるいはまた、本発明による装置を吸気マニホルドに組み込んでもよい。指摘しておくが、この場合、もしアーキテクチャが許すならば、マニホルドにシリンダヘッド・カバーを一体化させることもできる。こうすれば、エンジンに取り付ける部品数をできるだけ減らすことが可能となる。スリーブは吸気マニホルドと一体成形することが望ましい。
【００１５】
スリーブ内においてバルブの回転を可能にしながらバルブを所定の位置に保持するために、バルブは通常その両端にガイドピンを備えている。ピンの一方の端部は適切な装置によって操作される駆動装置に連結され、ピンの他方の端部はハウジング内に挿入される。このハウジングはスリーブに組み込まれるか、もしくは栓の役目をする別の部品の中に作られる。ハウジング内でピンが回転する際の摩擦を減らすために、これらの部品のうちの少なくとも１つ（ピンおよび／またはハウジング）は、少なくとも表面の摩擦係数が小さな材料で構成することができる。択一的に、このような材料でできた補助部品をピンとハウジングとの間に挿入してもよい。もし必要ならば、外側に対する気密性は（たとえばＯリングまたはリップシールタイプの）シールによって改善される。
【００１６】
本発明による装置では、バルブは任意の既知の手段によりその軸を中心として回転運動させることができる。したがって、たとえば、軸の端部にニューマチック・アクチュエータを設けてもよい。また、バルブの角度位置は、任意の既知の手段によって、たとえばポテンシオメータを用いて測定することができる。
【００１７】
閉鎖部材は、エンジンの環境、特に吸気管の環境に適合した様々な材料または構成部品で製作することができる。たとえば、金属製部材を使用することができる。したがって、鋼製またはアルミニウム合金製フラップを使用することも可能である。また、プラスチック製閉鎖部材も使用可能であり、たとえば、熱可塑性または熱硬化性樹脂系のバルブも使用することができる。むしろプラスチック製の閉鎖部材の方がよい。
【００１８】
閉鎖部材は、円形断面の結合部材によって相互に結びつけられる。これらの結合部材の対称軸はバルブの回転軸と一致しており、これらの結合部材の外径は、スリーブ内におけるバルブの回転を可能にする寸法と許容差が考慮されている。留意すべきことは、寸法と許容差に関するこの同じ要件が閉鎖部材の輪郭についても存在する。本発明の有利な実施形態によれば、これらの結合部材には、バルブの重量を減らすために凹部が設けられている。有利には、これらの凹部はバルブの回転軸に直角な平面上でディスクの一部分の形状を有する。
【００１９】
有利には、これらの結合部材のうちの少なくとも１つはリングを備えている。振動によって生じる騒音を減らす役目をもつこのリングはＰＯＭ（ポリオキシメチレン）等の摩擦係数の小さい材料で製作する。実施形態によっては、１つまたは複数のリングは、結合部材の凹部にクリップ留めにより取り付けられた複数の部品で構成される。この場合、リングの外径は結合部材の外径よりも僅かに大きい。別の実施形態によれば、１つまたは複数のリングはスリーブの内部で結合部材に対して直角に取り付けられる。
【００２０】
結合部材は、それらが結びつける閉鎖部材の種類とは無関係に、様々な種類の材料または構成部品で製作される。たとえば、結合部材は鋼またはアルミニウムやアルミニウム合金等の軽金属で作られる。プラスチック材料としては、たとえばポリアミド樹脂を使用することができる。
【００２１】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、バルブ（すなわち閉鎖部材と結合部材のアセンブリ）はできれば成形によって作られる単体部品である。場合によっては、１つまたは複数の粒子素材（たとえば雲母またはガラス）あるいは繊維素材（たとえばガラスファイバまたはカーボンファイバ）を混入したポリアミド等のようなプラスチック材がよく適している。このプラスチック材にはその摩擦係数を小さくする添加剤（たとえばＰＴＦＥ）を入れることができるが、その量は、プラスチック材の機械的強度をそこなわない程度のものとする。
【００２２】
上述の装置は、１つのシリンダに少なくとも２つの吸気弁を内蔵したエンジンにおける使用に特に適している。とりわけ、１つのシリンダに２つの吸気弁をもち、したがって１つのシリンダに２つの吸気管が付いたエンジンに特に適している。この場合閉鎖部材は、２つの管のうちの一方を全面的に閉鎖できるように、あるいは各管を部分的に閉鎖できるように設計、配置される。管の部分的閉鎖の場合には、シリンダヘッドの吸気管は管内を２つに分ける壁を備え、そのうち一部分だけが本発明による装置によって閉鎖されることになる。この場合、本発明による装置は、適切なサイジングにより、閉鎖したくない部分の流れを閉位置においても乱さないようにすることができる。
【００２３】
本発明による装置が、吸気管を専ら部分的に閉鎖するためのものである場合、装置は一般にスリーブと一体成形される壁を備えている。この壁は一般にシリンダヘッドの吸気管に長手方向に配置された類似の壁を延長したものである。実際のところ、バルブはその軸を中心として回転運動を行なうので、また閉位置では、管の下壁に対する閉鎖部材の角度はゼロではないので、この壁は、吸気管の当該部分の閉鎖を効果的に行なうために必要である。したがって、本発明のこの実施形態によれば、閉位置において閉鎖部材がスリーブの内壁にぴったり合うようになっている。この場合、この壁と閉鎖部材の縁の形状は、装置が閉位置にあるときに各々の管の漏れの流量が等しく且つ制限されるように設計される。そのため、閉鎖される各管内のプレートと壁との間に０．１〜５ｍｍ（約０．５ｍｍが最適）のあそびを設けるとよい。有利には、壁はスリーブ内の側面開口部に対し直角である。
【００２４】
本発明による装置は、フレッシュエアとリサイクル排気ガスを完全に分離するように給気したいエンジンの吸気管を部分的に閉鎖するのに特に適している。
【００２５】
本発明による装置のスリーブがプラスチック成形によって製作される場合、考慮すべき重要な点は、スリーブの内部に長手方向の凹部を作ることである。そのために、中子が通常使用されるが、型抜き時にそれを除去できることが重要である。この簡単であるがコストのかかる技術では、可溶性中子（たとえば、専門家によって知られているような、融点の低い金属系または合金系のもの）を用いる。別の技術では、円錐形の凹部を設ける。容易に型抜きできる部品を得るためには、円錐角は０．１〜１°とするとよい。また、バルブとの良好な気密性を得るためには、バルブも円錐形にする必要があり、バルブがスリーブに挿入されるときに、これら２つの円錐の中心軸がバルブの回転軸と一致するようにしなければならない。
【００２６】
バルブが円錐形であって、管の閉鎖が部分的である場合は、主として充填の均一性という理由から、管の非閉鎖部分における流れの長さが管ごとに一定となるように、円錐の中心軸（すなわち回転軸）の位置を調節しなければならない。この場合、（回転軸に直角な）調節のための壁の長さは管ごとに同じになる。あるいは、この壁の長さは、スリーブに沿って管ごとに異なることもありうる。ただしこの場合、非閉鎖部分における流れの長さは、管ごとに同じでなくなる。これはエンジンの充填の問題につながる。
【００２７】
本発明は図１から図９によって非限定的に示されている。
【００２８】
図1は、本発明の実施形態による装置の分解図である。
【００２９】
図２および図３は、この装置のバルブの詳細を、それぞれ透視図、及び、閉鎖部材に対して垂直で閉鎖部材の回転軸を通る平面に沿って切断された断面図で示している。
【００３０】
図４から図６は開位置におけるこの装置を示したもので、それぞれ正面図（図４）と、図４でＣ１−Ｃ１と記された平面に沿って切断した断面図（図５）やＣ８−Ｃ８と記された平面に沿って切断した断面図（図６）である。これらの断面図は、それぞれ左側のシリンダヘッドの断面、また右側の閉鎖装置が有利に組み込まれるマニホルドの断面によって補完されている。
【００３１】
図７から図９は閉位置におけるこの装置を示し、それぞれ正面図（図７）と、図７中でＣ１−Ｃ１と記された平面に沿って切断した断面図（図８）やＣ８−Ｃ８と記された平面に沿って切断した断面図（図９）である。これらの断面図は、それぞれ左側のシリンダヘッドの断面、また右側の閉鎖装置が有利に組み込まれるマニホルドの断面によって補完されている。
【００３２】
これらすべての図において、同一部品または同一部品の一部を指すために同一番号を使用した。
【００３３】
かくして、図１は閉鎖部材（１）と結合部材（２）を備えたバルブから成る本発明による装置を示している。このバルブは、ニューマチック・アクチュエータ（３）によって動作可能となり、固定具（５）を備えたスリーブ（４）の中に挿入されるためのものである。スリーブには閉鎖すべき管の内径と同じサイズの開口部があり、それらは管と一直線に並んでいる。図示されている装置は、１つのシリンダに２つの吸気弁をもつ４気筒エンジンの吸気管を（下部においてのみ）部分的に閉鎖するためのものである。それ故に装置は４×２の開口部を備えている。
【００３４】
図２および図３は、様々な角度におけるバルブの詳細を示している。これらの図を参照すれば分かるように、閉鎖部材はリブ（６）の付いたプレートを有し、結合部材には凹部（７）があるが、そのいくつかには、前述のように防振部材（リング）（図示せず）を収容するためのものである。また、回転軸の一方の端（８）は、アクチュエータ（３）に連結されるのに適した形状となっており、回転軸のもう一方の端（９）は、スリーブによって支持されるのに適した形状となっている。図３は、本発明によって、端（８）および（９）の中心を通る回転軸が少なくとも１つの閉鎖部材の長手方向の壁を横断していることをよく示している。この利点は、閉鎖部材の中心が、このように回転軸上のほぼ中心に来るようにすることによって、バルブの形状を、たとえばプラスチックの単体部品として成形し易い、単純で偏心のないバランスのとれた形状にすることができることである。また、この形状のバルブは、曲げやねじりに対し高い慣性モーメントを有し、それによって機械的応力の軽減が可能となり、作動時の振動の問題を減らすこともできる。
【００３５】
図４から図６は、装置が開位置にあるときに、プレートがスリーブの開口部の下縁と一直線にそろう（ほぼ平坦な）上部表面をもつことを示している。このとき、スリーブは閉鎖すべき管の下壁と一直線にそろう。したがって、マニホルドからシリンダヘッドへの（すなわち図５および図６において右から左への）空気の流れは乱されない。
【００３６】
図７から図９は、装置が閉位置にあるときに、壁（１０）は閉鎖したいシリンダヘッド管の下部を閉鎖するのに必要であることを示している。
【００３７】
図４から図９はまた、バルブとスリーブがともに円錐形である有利な実施形態を誇張して示したものである。実際、平面Ｃ１（図５及び８）による断面図では、スリーブ内のプレートと凹部が平面８（図６及び９）による断面図におけるよりも大きな寸法であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態による装置の分解図である。
【００３９】
【図２】本発明による装置の詳細を示す透視図である。
【００４０】
【図３】閉鎖部材に対して垂直で、閉鎖部材の回転軸を通る平面による、本発明の装置の断面図である。
【００４１】
【図４】開位置のときの装置の正面図である。
【００４２】
【図５】図４においてＣ１−Ｃ１と記された平面による断面図である。
【００４３】
【図６】図４においてＣ８−Ｃ８と記された平面による断面図である。
【００４４】
【図７】閉位置のときの装置の正面図である。
【００４５】
【図８】図７においてＣ１−Ｃ１と記された平面による断面図である。
【００４６】
【図９】図７においてＣ８−Ｃ８と記された平面による断面図である。

Claims

複数の閉鎖部材（１）を備えたバルブと、空気を通すための側面開口部を両側に備えたスリーブ（４）とを有する、多気筒内燃機関の吸気管を閉鎖する装置であって、スリーブは長手方向の凹部を有しており、該凹部に、該凹部内で回転軸を中心として回転することのできる前記バルブが挿入されている形式の装置において、
閉鎖部材（１）は、装置が開位置にあるときに、スリーブの対応する開口部の下縁または上縁と一直線にそろうほぼ平坦な機能表面をもつプレートを有し、
前記回転軸は少なくとも１つの閉鎖部材のプレートを横断している、ことを特徴とする多気筒内燃機関の吸気管を閉鎖する装置。
閉鎖部材のプレートは、機能表面とは反対側に、１つまたは複数のリブ（６）を備えている、請求項１記載の装置。
前記長手方向の壁は、該長手方向の壁に対して垂直であり且つ前記回転軸を包含する平面内に位置する中央リブ（６）を有する、請求項１または２記載の装置。
スリーブ（４）が吸気マニホルドに組み込まれている、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
バルブが閉鎖部材（１）を相互に結びつける円形断面の結合部材（２）を有し、該結合部材は対称軸が前記回転軸と一致しており、凹部を備えている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
少なくとも１つの凹部（７）が摩擦係数の小さい材料でできたリングを備えている、請求項５記載の装置。
バルブがプラスチックの単体部品から成る、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
スリーブは、装置が閉位置にあるときに閉鎖部材が当接する内壁（１０）を有している、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。
バルブが円錐形であり、バルブの回転軸は、閉鎖部材（１）と、吸気管（または吸気管の一部）を閉鎖するために前記閉鎖部材が当接する壁（１０）との間に一定のあそびが生じるように配置されている、請求項８記載の装置。
１つのシリンダに２つの吸気弁をもつエンジンにおける請求項９記載の装置の使用。