JP2007113482A - 樹脂インテークマニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】個体差を低減させて、タンブルによる気流の強度が乱れることを回避して燃焼を安定化させる。
【解決手段】樹脂インテークマニホールド１０００は、シリンダヘッドに設けられた挿入孔に挿入されるガイド１１１０と、挿入孔の深さに対応してガイド１１１０の周囲に突出するように設けられたフランジ１１００と、フランジ１１００のシリンダへッド側端面に設けられたガスケットが封入されるガスケット挿入部１０１０と、ピストンの移動方向を上下方向としてインテークマニホールドを上下方向に区画する隔壁２００と、隔壁２００の上流端に接続するように下部の第１の流路５１を開閉する吸気制御弁３００とを含む。隔壁２００と吸気制御弁３００とは、一体化されて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダに接続された吸気ポートを含む内燃機関の吸気装置に関し、特に、、内燃機関の運転状態に応じて、シリンダ内のタンブル流（縦渦）等のガス流動の安定化を図る樹脂インテークマニホールドに関する。

たとえば、火花点火式内燃機関における希薄混合気の安定した燃焼の実現のためには、タンブル流もしくはスワール流（横渦）といったシリンダ内のガス流動が非常に重要であり、より広い運転領域でガス流動を強化できることが必要である。

特に、内燃機関の運転領域において、スロットル開度が小さく、それに応じて吸入空気量も少ない低負荷領域では、一般に混合気をやや濃く設定して燃焼を安定させるようにしているため、燃費やエミッションが悪化する傾向にある。このような燃費やエミッションの改善策としては、シリンダ内の吸気に旋回流を発生させて強い乱流により燃焼を促進することが有効であり、吸気にタンブル流やスワール流を発生させるようにしている。

ここで、スワール流は、吸気をシリンダの周壁に沿って旋回させるもので、吸気を均一化する効果は高いが、乱流生成による燃焼促進の効果は低い。一方、タンブル流は、吸気をシリンダの軸方向に沿って旋回させるもので、圧縮行程の後半にタンブル流が崩壊して強い乱流が発生することから、エンジン低負荷領域での燃焼改善策として有効である。

このようなシリンダ内のガス流動（スワール流、タンブル流）を強化する方法には、吸気ポートの通路断面の一部を遮へいする吸気制御弁を用いて、吸気ポート内を流れる吸気流を吸気ポートの一方の側に片寄らせる方法がある。たとえば、タンブル流の生成のためには、吸気ポートの下側に吸気制御弁を配置して、吸気ポートの上側に片寄って吸気が流れることで、シリンダ内のタンブル流が強化されることになる。

ガス流動強化時に、吸気ポートの通路断面積を、吸気制御弁によって実質的に減少させることになり、ベースとなる吸気ポート断面積に対する有効な通路断面積の割合を「開口率」として定義すると、一般に、開口率が小さいほどガス流動が高く得られる。しかしながら、開口率を小とすると、流体抵抗は増大し、シリンダ内に吸入可能な吸気量が減少するので、吸気制御弁を閉じてガス流動を強化することができる運転条件は、比較的狭い範囲に制限されてしまう。特開２００４−３０８４６８号公報（特許文献１）は、開口率を過度に小さくすることなくシリンダ内のガス流動を強化することができる内燃機関の吸気装置を開示する。この内燃機関の吸気装置は、内燃機関のシリンダヘッド内部の吸気ポートに、インテークマニホールド側のブランチ部通路が連続することによって、各シリンダに至る吸気通路が構成され、かつ吸気ポートの下流側の先端を吸気弁が開閉する内燃機関の吸気装置であって、吸気ポートをその断面で２つの領域に区画するように、吸気ポートの長手方向に沿って設けられた隔壁と、インテークマニホールド側に回転軸を有する回動可能な板状の弁体からなり、隔壁の上流端に近接してブランチ部通路の下流端部に位置するとともに、隔壁により区画された一方の流路を開閉する吸気制御弁とを備え、さらに、吸気制御弁が一方の流路を遮蔽した閉位置において、隔壁の上流端と弁体との間に、間隙が設けられていることを特徴とする。

この内燃機関の吸気装置によると、吸気制御弁が遮蔽した流路を介して一部の吸気が還流することによってシリンダ内のガス流動を効果的に向上させることができ、特に、吸気制御弁による開口率を小さくせずにより強いガス流動を得ることができる。従って、通気抵抗の増加に伴うポンピングロスの増加が抑制され、またシリンダ内に流入する吸気量を多く確保できることから広範な運転領域でガス流動の強化が図れる。
特開２００４−３０８４６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された内燃機関の吸気装置によると、吸気制御弁と隔壁とが別体の部材で製作されているので、各々の部材の位置精度が組付け状態により影響を受ける。このため、個体差が生じ、タンブルによる気流の強度が乱れて燃焼が不安定になるおそれがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、個体差を低減させて、タンブル流による気流の強度が乱れることを回避して燃焼を安定化させる樹脂インテークマニホールドを提供することである。

第１の発明に係る樹脂インテークマニホールドは、内燃機関のシリンダに吸気ポートが接続され、かつ、吸気ポートの下流側の先端を吸気弁が開閉する内燃機関のシリンダへッドに取り付けられる。この樹脂インテークマニホールドの内部には、吸気ポートをその断面で２つの流路に区画するように、吸気ポートの長手方向に沿って設けられた隔壁と、隔壁により区画された一方の流路を開閉する吸気制御弁とを含む。シリンダ内のピストンの摺動方向を上下方向として、２つの領域は上下方向の２つの領域に区画される。

第１の発明によると、インテークマニホールドとして、吸気制御弁と隔壁とを樹脂製のインテークマニホールドとして一体的に形成させた。このため、隔壁と吸気制御弁とを高い位置精度で取り付けることができる。その結果、個体差を低減させて、タンブル流による気流の強度が乱れることを回避して燃焼を安定化させる樹脂インテークマニホールドを提供することができる。

第２の発明に係る樹脂インテークマニホールドは、第１の発明の構成に加えて、樹脂インテークマニホールドの外周には、シリンダへッドに設けられた孔部に挿入されるガイド部を備えるものである。

第２の発明によると、ガイド部により、隔壁先端の変形が抑制されて、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。さらに、ガイド部により、隔壁先端の振動を抑制して、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。

第３の発明に係る樹脂インテークマニホールドは、第２の発明の構成に加えて、ガイド部の位置まで隔壁が設けられるものである。

第３の発明によると、隔壁の位置まで設けられたガイド部により、隔壁先端の変形が抑制されて、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。さらに、隔壁の位置まで設けられたガイド部により、隔壁先端の振動を抑制して、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。

第４の発明に係る樹脂インテークマニホールドは、第２の発明の構成に加えて、樹脂インテークマニホールドの内部に設けられた隔壁が、ガイドの端面よりもシリンダ側に突出するものである。

第４の発明によると、より燃料室のより近くまで吸気流を制御できるので、タンブル流の形成をより強く制御したり、より広範囲でタンブル流を制御したりできる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置に適用された樹脂インテークマニホールドについて説明する。なお、以下に示す内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンとして説明する。なお、エンジンに設けられるインジェクタは、吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタであっても、筒内に燃料を噴射するインジェクタであってもよい。また、それらの双方のインジェクタを有するエンジンでもよい。

図１は、本実施の形態に係る樹脂インテークマニホールドを筒内直接噴射式火花点火式ガソリンエンジンの吸気装置に適用した場合の全体構成を示す。この吸気装置は、ガス流動としてタンブル流の強化を図ったものである。

図１に示すように、シリンダブロック１０に円筒状のシリンダ２０が形成されているとともに、その頂部を覆うシリンダヘッド３０に、ペントルーフ型の燃焼室４０が設けられている。この燃焼室４０の２つの傾斜面にそれぞれ開口するように、吸気ポート５０および排気ポート６０が形成されており、吸気ポート５０の先端を吸気弁７０が開閉し、かつ排気ポート６０の先端を排気弁８０が開閉している。ここで、吸気ポート５０は、先端部が二股状に分岐しており、各気筒に一対設けられた吸気弁７０がそれぞれの先端を開閉している。同様に、排気弁８０も各気筒に一対設けられている。そして、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室４０中心部に、点火プラグ９０が配置されている。なお、シリンダ２０内に配置されたピストン１００は、本発明の要部ではないので、頂面が平坦な単純形状として図示してあるが、必要に応じて成層燃焼等に適した所望の形状に構成される場合もある。

そして、図１に示すように、本実施の形態においては、吸気ポート５０をその断面で上下２つの領域に区画するように、吸気ポート５０の長手方向に沿った隔壁２００が設けられている。この隔壁２００は、後述するように、吸気制御弁３００とともに、樹脂インテークマニホールド１０００として一体化されている。なお、この隔壁２００の下流端ができるだけ下流側つまり吸気弁７０に近い位置となるように配置されている。

ここで、図１に示すように、この隔壁２００が存在する長手方向の部分で吸気ポート５０がほぼ直線状をなし、これに対応して隔壁２００もほぼ直線状をなしているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、吸気ポート５０が湾曲している場合には、これに沿うように湾曲した隔壁２００が設けられる。

なお、当業者には明らかなように、吸気ポート５０や吸気流等についての「上」「下」とは、シリンダ２０の上下を基準とするものであり、空間上の絶対的な上下の意味ではない。また、「吸気ポート」という用語も、必ずしもシリンダヘッド３０内部の部分のみを意味するのではなく、その上流側の一部が、シリンダヘッド３０外部の他の部材、たとえばインテークマニホールドの一部として構成される場合も含む。つまり、シリンダヘッド３０とは別のインテークマニホールド等から構成される部分を含めて「吸気ポート」と呼ぶものとする。

隔壁２００が存在する部分では、吸気ポート５０内が、下側の通路部分つまり第１流路５１と上側の通路部分つまり第２流路５２とに分割される。そして、下側の第１流路５１を入口側つまり上流端で遮へいするように、各気筒毎に吸気制御弁３００が設けられている。この吸気制御弁３００は、隔壁２００の延長線上、特に、隔壁２００の上流側の端部に隣接して設けられる。後述するように、隔壁２００と吸気制御弁３００とは樹脂インテークマニホールド１０００として一体化されて形成されているので（すなわち、吸気制御弁を隔壁とは別体として隔壁をシリンダヘッドに鋳込むことなく形成されているので）、隔壁２００と吸気制御弁３００との位置精度は極めて向上される。

図１に示す樹脂インテークマニホールド１０００を、図１に加えて図２を参照して説明する。

樹脂インテークマニホールド１０００は、その材質が樹脂であって、樹脂の種類は耐熱性を考慮して選定される。樹脂インテークマニホールド１０００は、シリンダヘッド３０の吸気サイドに設けられた挿入孔へのガイド１１１０と、挿入孔の深さに対応してガイド１１１０の周囲に突出するように設けられたフランジ１１００と、フランジ１１００のシリンダへッド側端面に設けられたガスケットが封入されるガスケット挿入部１０１０とから構成される。さらに、樹脂インテークマニホールド１０００の内部には、隔壁２００と、吸気制御弁３００と、吸気制御弁３００を矢示Ａから矢示Ｂまで回動させる回転軸３６０と、回転軸３６０を支持する回転軸支持部３５０とを有する。吸気制御弁３００は、矢示Ａ方向にあるときに、吸気制御弁３００の端部が隔壁２００の吸気上流側端部と接続され、矢示Ｂ方向にあるときに、樹脂インテークマニホールド１０００の内壁に設けられた段差部分に収納される。なお、吸気制御弁３００は、矢示Ａよりもさらに第２の流路５２側まで回転させた位置で停止させることも可能である。以下の説明では、このように吸気制御弁３００は、矢示Ａよりもさらに第２の流路５２側まで回転させることができるものとして説明する。

吸気制御弁３００は、第１の状態として、全開状態を実現する。このとき、図１の矢示Ｂに示すような角度まで吸気制御弁３００が回転されて、下側の第１の流路５１および上側の第２の流路５２が構成される。

吸気制御弁３００は、第２の状態として、半開状態を実現する。このとき、図１の矢示Ａに示すような角度まで吸気制御弁３００が回転されて、下側の第１の流路５１が閉じられ、上側の流路５２だけになる。なお、上側の流路５２は全開状態である。

吸気制御弁３００は、第３の状態として、小開状態を実現する。このとき、図１の矢示Ａよりもさらに第２の流路５２側まで回転されて、下側の第１の流路５１が閉じられ、上側の流路５２だけになる。なお、上側の第２の流路５２は吸気制御弁３００により絞られている。

次に、の構成における作用について説明する。吸気行程において、吸気弁７０が開き、かつピストン１００が下降すると、吸気は、吸気弁７０の周囲の間隙を通して、シリンダ２０内に流入する。

このとき、吸気制御弁３００が第１の状態にあれば、下側の第１流路５１および上側の第２流路５２の双方を通して吸気が流れ、吸気弁７０の周囲の各部からほぼ均等に吸気が流れ込むので、シリンダ２０内に発生するガス流動は比較的弱い。なお、このとき、吸気制御弁３００は、樹脂インテークマニホールド１０００の内壁と同じ形状になっており、吸気制御弁３００が流体抵抗となることはない。

また、吸気制御弁３００が第２の状態にあれば、吸気制御弁３００の端部が隔壁２００の上流側端部と接続されることにより下側の第１流路５１は閉じられる。上側の第２流路５２のみを通して吸気が流れる。

さらに、吸気制御弁３００が第３の状態にあれば、吸気制御弁３００により下側の第１流路５１は閉じられる、上側の第２流路５２は、吸気制御弁３００によりその流路断面積が絞られる。このため、上側の第２の流路５２の一部のみを通して吸気が流れる。この場合、上述した第２の状態に近く、下側の第２流路５２が遮蔽され、上側の第１流路５１の一部のみを通して吸気がシリンダ２０側へ流れる。なお、上述したように、この第３の状態を有さない樹脂インテークマニホールドであってもよい。

このように、吸気制御弁３００が第２の状態および第３の状態にある場合には、吸気ポート５０の上側の内壁面に沿って吸気流が偏在し、吸気ポート５０の下側の内壁面に沿う流れは少なくなる。そのため、吸気弁７０の周囲について見たときに、吸気弁７０の下側つまりシリンダ２０外周に近い側の間隙では、吸気の流量が少ないとともに、流速も低く、また吸気弁７０の上側つまり点火プラグ９０に近い側の間隙では、吸気の流量が多いとともに、流速も高くなる。この結果、シリンダ２０内には、図１の矢印で示すように、吸気弁７０側から排気弁８０側を経てピストン１００頂面へと向かうタンブル流（いわゆる順タンブル）が生じる。なお、第２の状態よりも第３の状態の方においては、吸気ポート５０の上側の内壁面に沿って吸気流がさらに偏在し、吸気ポート５０の下側の内壁面に沿う流れはさらに少なくなるので、タンブル流はさらに強化される。

このような、３つの状態（さらに３つの状態の中間の状態を設定してもよい）に対応するエンジンの運転状態について説明する。

エンジンのスロットル弁が全開状態（第１の運転状態）である場合には、吸気制御弁３００が第１の状態である全開状態になるように、エンジンＥＣＵが回転軸３６０に連結されたモータを制御する。これにより、ＷＯＴ（Wide Open Throttle）に対応して、エンジンの燃焼室４０に吸気される空気量を増大させることができて、エンジンの出力を上昇させることができる。

エンジンの温度（多くの場合エンジン冷却水温度で表わされる）が低い状態（第３の運転状態）である場合には、吸気制御弁３００が第３の状態である小開状態になるように、エンジンＥＣＵが回転軸３６０に連結されたモータを制御する。これにより、エンジンが冷間状態であることに対応して、シリンダ２０内に発生するタンブル流を強化することができて、リーン限界をさらに希薄側にすることができて、燃費を向上させることができる。このことは、タンブル流が、吸気をシリンダの軸方向に沿って旋回させるため、圧縮行程の後半にタンブル流が崩壊して強い乱流が発生することから、エンジンの冷間時において燃焼を改善させることに起因するものと考えられる。

上述したエンジンの第１の運転状態（ＷＯＴ状態）と第３の運転状態（冷間状態）との間のエンジンの状態（第２の運転状態）である場合には、吸気制御弁３００が第２の状態である半開状態になるように、エンジンＥＣＵが回転軸３６０に連結されたモータを制御する。これにより、エンジンがパーシャル（中間）状態であることに対応して、シリンダ２０内に発生するタンブル流を強化することができて、燃焼性能を向上させることによりさらに希薄燃焼を実現できて、燃費を向上させることができる。このことは、前述の第３の状態と同様に、タンブル流が、吸気をシリンダの軸方向に沿って旋回させるため、圧縮行程の後半にタンブル流が崩壊して強い乱流が発生することから、燃焼を改善させることに起因するものと考えられる。

以上のようにして、エンジンの運転状態に対応させて、吸気装置においてタンブル流を発生させる吸気制御弁により吸気の通路の断面積を変化させた。この場合において、吸気制御弁と隔壁とを樹脂インテークマニホールドとして一体的に形成させた。このため、隔壁と吸気制御弁とを高い位置精度で取り付けることができるので、個体差等に起因するタンブル流の発生のばらつきを回避することができ、燃焼の安定化を実現できる。

さらに、ガイドがあるので、隔壁先端の変形が抑制されて、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。さらに、このガイドは、隔壁先端の振動を抑制して、これにより吸気流の乱れが抑制されて、燃焼の安定化を実現できる。このガイドに関して、ガイドがない場合には薄い隔壁がシリンダヘッドのポート内に伸びた状態で設けられることになり、その剛性を向上させるために隔壁の厚みを厚くする等の必要があるが、ガイドがあるとそのような対策が不要となる。樹脂で隔壁を形成した場合にガイドがない場合には、受熱による隔壁の変形等も発生する可能性もあるので、特に問題になる。

さらに、樹脂製のインテークマニホールドに設けられたガイドによる断熱効果で吸気温度を低下せしめ、体積効率を向上させて、ノッキングの抑制が可能になる。

さらに、樹脂製でインテークマニホールドを形成すると、吸気管路となるインテークマニホールドの内壁の表面粗さが小さく、流体抵抗の低減が可能になる。

なお、第３の状態において、上側の通路部分つまり第２流路５２を遮へいする断面積を決定する回転角度（第２流路の断面積を決定する）は、冷間時における燃費向上の実現のために要求されるタンブル流の強さに応じて設定される。また、第１の状態と第２の状態との２つの状態を切換えるようにしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置について説明する。なお、本実施の形態に係る内燃機関の吸気装置は、前述の第１の実施の形態に係る内燃機関の吸気装置において隔壁を吸気下流側まで延長させたものである。それ以外のエンジンの構造等については、前述の第１の実施の形態と同じである。したがってそれらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。

図３および図４に示すように、本実施の形態に係る樹脂インテークマニホールド１００１においては、第１の実施の形態に係る樹脂インテークマニホールド１０００よりも、隔壁２０１が、吸気流の下流側まで伸びている。このようにすると、上述の第１の実施の形態における効果に加えて、燃料室のより近くまで吸気流を制御できるので、タンブル流の形成をより強く制御したり、より広範囲でタンブル流を制御したりできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲はした説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る吸気装置の全体構造を示す断面図である。 図１の樹脂インテークマニホールドの斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る吸気装置の全体構造を示す断面図である。 図３の樹脂インテークマニホールドの斜視図である。

符号の説明

１０ シリンダブロック、２０ シリンダ、３０ シリンダヘッド、４０ 燃焼室、５０ 吸気ポート、５１ 第１流路、５２ 第２流路、６０ 排気ポート、７０ 吸気弁、８０ 排気弁、９０ 点火プラグ、１００ ピストン、２００，２０１ 隔壁、３００ 吸気制御弁、３５０ 回転軸支持部、３６０ 回転軸、１０００，１００１ 樹脂インテークマニホールド、１０１０ ガスケット挿入部、１１００ フランジ、１１１０ ガイド。

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダに吸気ポートが接続され、かつ、前記吸気ポートの下流側の先端を吸気弁が開閉する内燃機関のシリンダへッドに取り付けられる樹脂インテークマニホールドであって、前記樹脂インテークマニホールドの内部には、
   前記吸気ポートをその断面で２つの流路に区画するように、前記吸気ポートの長手方向に沿って設けられた隔壁と、
   前記隔壁により区画された一方の流路を開閉する吸気制御弁とを含み、
   前記シリンダ内のピストンの摺動方向を上下方向として、前記２つの領域は上下方向の２つの領域に区画される、樹脂インテークマニホールド。
2. 前記樹脂インテークマニホールドの外周には、前記シリンダへッドに設けられた孔部に挿入されるガイド部を備える、請求項１に記載の樹脂インテークマニホールド。
3. 前記ガイド部の位置まで前記隔壁が設けられる、請求項２に記載の樹脂インテークマニホールド。
4. 樹脂インテークマニホールドの内部に設けられた隔壁が、前記ガイドの端面よりもシリンダ側に突出する、請求項２に記載の樹脂インテークマニホールド。

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