JP2007182831A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気流を広い範囲で調整でき、しかも吸気通路を絞ったときの圧損を抑制できる吸気装置を提供する。
【解決手段】板状の弁体を軸支して回動させることにより、吸気管３内を流れる吸気流ＧＳを調整する吸気制御弁を備えている内燃機関の吸気装置１Ａであって、前記吸気制御弁はバタフライ型の弁体１１Ａ〜１１Ｅを複数含み、前記弁体の弁軸は互いに平行に設定されており、さらに、前記弁体は前後に位置するものと少なくとも一部が重なり合うようにして多段に配置されていると共に、駆動リンク機構に接続されて連動して動作する。複数の弁体により穏やかに吸気流ＧＳの向きを変更できる。そのため吸気通路を絞ったときの圧損を抑制できる。よって、圧損を抑制しつつ吸気流を広い範囲で調整できる吸気装置を提供できる
【選択図】 図２

Description

本発明は、吸気管内を流れる吸気流を制御するための吸気制御弁を備えた吸気装置に関する。

吸気管（吸気ポートとも称される）内を流れる吸入空気に渦流（或いは、旋回流とも称される）を発生させるための吸気制御弁を備えた吸気装置については、従来から複数の提案がなされている。発生させる渦流には、タンブル（Tumble）流と称される縦渦流と、スワール（Swirl）流と称される縦渦流とがある。吸気装置側でこれら渦流の発生を制御することにより、内燃機関の気筒内での燃焼効率を高めて、燃費向上やエミッションの改善などを図ることができる。

上記吸気制御弁としてバタフライ型の弁体が広く採用されている。バタフライ型の弁体は、吸気管内に配置した板状部材の側部中央に弁軸を有しており、この弁軸を中心に回動して吸気管内流路の開度を調整する。例えば、特許文献１は吸気管内に複数のバタフライ型の弁体（絞り弁）を配置した吸気装置を開示する。このように複数のバタフライ型の弁体を吸気管内に配置すれば吸気量（吸入空気量）を精度良く調整できる。

特開平６−２４８９８２号公報

しかしながら、特許文献１の吸入空気量は吸気管内を仕切壁で区切り、それぞれにバタフライ型の弁体を配置している。そして、これらの弁体を個別に制御して吸気流を調整する。よって、周辺構造や制御系が複雑なものとなり、小型化及びコスト低減に反した吸気装置になってしまう。また、１つの弁体を吸気管内に配置して開閉すると以下で説明するような問題がある。図８を参照して説明する。図８は従来の吸気装置について示した図である。

図８（Ａ）は、バタフライ型の弁体１０１を配置しているタンブル流を発生させる吸気装置１００について示している。この図で示すように、従来にあっては弁体１０１を回動して吸気管１０２内の吸気通路を絞ることにより、絞り部分で吸気流ＧＳの流速を速めて筒内に強いタンブル流ＴＵを形成するようにしている。ところが、吸気流ＧＳが絞られた部分では流速が急激に増加し、この流れは吸気管内壁に衝突してしまうので下流側での流速が低下してしまう。このように１枚ものの弁体を使用すると圧損が大きくなってしまう。そのため、効率良く下流側にタンブル流ＴＵを形成できないという問題がある。

なお、図８（Ｂ）は片持ち型の弁体１１１を使用してタンブル流を発生させる吸気装置１１０について示している。片持ち型の弁体についても、同様に圧損の問題がある。そして、片持ち型の弁体は一端部を支持して回動させるので、バタフライ型より大きなトルクが必要となる。また、弁体１１１を退避させるために設ける凹部１１２にオイルやカーボンなどが堆積した粘着性のデポジット１１３が発生する。このようなデポジット１１３は、弁体１１１の円滑な動作の障害となる。そのために、片持ち型の弁体は信頼性の点で劣るので、バタフライ弁型の弁体を使用することが好ましいという実情がある。

さらに、図８（Ｃ）は、スワール流を発生させる従来の吸気装置１２０について示している。この装置は、片側にバタフライ型の弁体１２１を備えている。この弁体を回動して片側（図８（Ｃ）では下側）の流れを止めることにより気筒１２５内にスワール流ＳＷを発生させる。しかし、弁体１２１を閉じたときには吸気流ＧＳが堰き止められた所に衝突するので前述したのと同様に圧損の問題が発生する。さらに、衝突した部分で吸気流が剥離状態となり小さな渦１２２が発生して吸気流を乱すという問題を発生させる場合もある。

本発明の目的は、吸気流を広い範囲で調整でき、しかも吸気通路を絞ったときの圧損を抑制できる吸気装置を提供することである。

上記目的は、板状の弁体を軸支して回動させることにより、吸気管内を流れる吸気流を調整する吸気制御弁を備えている内燃機関の吸気装置であって、前記吸気制御弁はバタフライ型の弁体を複数含み、前記弁体の弁軸は互いに平行に設定されており、さらに、前記弁体は前後に位置するものと少なくとも一部が重なり合うようにして多段に配置されていると共に、駆動リンク機構に接続されて連動して動作する内燃機関の吸気装置によって達成される。

本発明によると、吸気制御弁が複数のバタフライ型の弁体を含み、これらが多段に配置されて連動した動作をする。よって、複数の弁体により穏やかに吸気流の向きを変更できる。そのため吸気通路を絞ったときの圧損を抑制できる。よって、圧損を抑制しつつ吸気流を広い範囲で調整できる吸気装置を提供できる。

前記弁軸は、軸支位置が直線上に並ぶように配置してもよい。また、前記複数の弁体は、片側から他方側に向かって前記吸気流の流れ方向での長さが段々に長くなるように形成してもよい。また、前記吸気流の流れ方向での下流側端部が、前記吸気流を撥ね上げるように湾曲形成されていてもよい。また、前記複数の弁体は、前記吸気流の流れ方向での縦断面形状が翼形に形成してもよい。

本発明によれば、吸気流を広い範囲で調整でき、しかも吸気通路を絞ったときの圧損を抑制できる吸気装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸気装置について説明する。以下で示す吸気装置は、吸気制御弁が複数のバタフライ型の弁体を備えている。これらの弁体を連動して吸気管内に発生させる渦流の強さを連続的に変化させる。前述したように渦流には、タンブル流とスワール流とがある。以下の実施例ではタンブル流の発生を制御する場合の吸気装置、スワール流の発生を制御する場合の吸気装置について説明する。

図１は、実施例１に係る吸気装置に適用できる吸気制御弁の周辺構造について示した図である。この吸気制御弁１０は複数のバタフライ型の弁体１１を備えている。図１では、５個の弁体１１Ａ〜１１Ｅを備えた場合を例示している。これら弁体１１Ａ〜１１Ｅはほぼ同一の板状部材であり、それぞれが両側部に突出する弁軸１２を有している。弁体１１Ａ〜１１Ｅは吸気管３内に配置されており、弁軸１２は吸気管３の所定位置に軸支されている。よって、弁体１１Ａ〜１１Ｅそれぞれは、吸気管３内で回動自在である。

弁体１１Ａ〜１１Ｅは回動したときに吸気流ＧＳと平行な姿勢が取れるように設定されていると共に、前後（図１では上下）に隣接する弁体同士が少なくとも一部が重なり合うようにして多段に配置されている。なお、ここで一部が重なり合う状態とは、上面視で見て（上方から見て）弁体同士が一部領域を共有して位置していることである。弁体同士１１Ａ〜１１Ｅは一定の間隔をもって互いに接触しないように配置されている。また、図１は基本的な構造を示すという観点から弁軸１２の位置（軸支位置）が縦一列に並んだ状態を示しており、全ての弁体が縦方向に積層された状態を示している。しかし、この構造は一例であり、必ずしも軸支位置が吸気流ＧＳに直交するように一列に並でいる必要はない。この点については後述する。なお、軸支位置は弁軸１２が軸支されている位置である。

上記弁体１１Ａ〜１１Ｅは、駆動リンク機構に接続されて連動した動作をするように形成されている。この点について、説明する。各弁体１１Ａ〜１１Ｅの片側の弁軸１２には第１リンク１３が固定されている。この第１リンク１３は長方形の板材であり、この板材の中央部に弁軸１２が固定されている。さらに、第１リンク１３の両端に第２リンク１４Ａ、１４Ｂが回動自在に固定されている。

よって、例えば第２リンク１４Ａが矢印ＡＲ１のように上方へ移動すると、反対側の第２リンク１４Ｂは矢印ＡＲ２のように下方へ移動する。この動作に伴って全ての弁体１１Ａ〜１１Ｅは、これより前の姿勢から右端側を下げた姿勢に変更されることになる。図１は、この状態での弁体１１Ａ〜１１Ｅを示している。

そして、第１リンク１３の１つ（図示では弁体１１Ｃに接続されている第１リンク１３）がアクチュエータ１５の回転軸に固定されている。よって、アクチュエータ１５を制御することにより、この第１リンク１３を時計回り、或いは反時計回りに回動させることができる。この動きは第２リンク１４Ａ、１４Ｂを介して他の４つの第１リンク１３に伝達される。したがって、アクチュエータ１５を制御することにより、全ての弁体１１Ａ〜１１Ｅを連動させて動作させることができる。アクチュエータ１５はＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１６によって駆動が制御されている。このＥＣＵ１６は図示しない内燃機関を制御するＥＣＵと兼用してもよい。この場合には、内燃機関の状態に応じてアクチュエータ１５を制御して弁体１１を所望の位置に回動させることができる。

なお、弁体１１Ａ〜１１Ｅは同じ姿勢で第１リンク１３に固定してもよいし、初期における姿勢が弁体によって異なるように固定してもよい。例えば下側に位置する２個の弁体１１Ｄ、１１Ｅについては当初から僅かに上方へ傾斜しているなどの変更を加えてもよい。このような弁体姿勢の調整は、吸気管３内にどのような吸気流を形成させるかに応じて適宜に変更すればよい。

図２は、図１で示したのと同様の吸気制御弁の構造を適用した吸気装置１Ａについて示した図であり、（Ａ）は弁体を最も開いた全開状態（弁体同士がほぼ平行となる状態）、（Ｂ）は半開状態（弁体を所定角傾けた状態）、（Ｃ）は閉状態（弁体を最も傾けて吸気流を絞った状態）を示している。

なお、この図２（Ａ）では点線で示す部分が図１で示した吸気制御弁１０の構造部分に相当している。この例では、下側となる弁軸１２ほど軸支位置が上流側へずらされている。このように吸気流ＧＳの方向で軸支位置を順次にずらす（シフトさせる）と、軸支位置を吸気流ＧＳと直交するように配置した場合（図１で示す状態）よりも吸気流ＧＳを穏やかに案内できるので好ましい。図２のように弁体１１Ａ〜１１Ｅの軸支位置を吸気流ＧＳ方向でずらす配置は、吸気管３に対して図１で示す構造を傾けてセットすれば簡単に実現できる。なお、このように軸支位置をずらしたときの上面視を想定すると、図１で示している弁体同士が完全に重なった状態から、一部で重なりあった状態に変化する。また、図２では傾いた直線ＤＬ上に軸支位置が並ぶように配置した例を示している。同じ形状の弁体を使用するときには、このように軸支位置が一直線上に並ぶようにすれば、弁体同士が一部で重なる状態を簡単に形成できる。ただし、軸支位置は必要に応じて前後に移動させてもよい。特に、後述するように採用する弁体の形状が異なるなどの場合には、必要に応じて軸支位置を吸気流ＧＳ方向で移動させてもよい。

以上のような構成を有する吸気装置１Ａは、（Ａ）の全開状態としたときには、高い吸気量で筒内に小さいタンブル流を発生させることができる。この状態は、内燃機関が高負荷高出力時などのときに形成される。また、（Ｂ）の半開状態としたときには、弁体１１Ａ〜１１Ｅが傾斜するため（Ａ）の場合よりも吸気量が絞られる。よって、中間の吸気量で筒内に中タンブル流を発生させることができる。図示しているように、各弁体１１Ａ〜１１Ｅ間の隙間を通る吸気流も存在するので、一枚もののバタフライ弁を用いる場合より各弁体を駆動するトルクを小さくすることができる。また、吸気流ＧＳの流を穏やかに変更させることができる。

さらに、図２（Ｃ）で示す閉状態としたときには、各弁体１１Ａ〜１１Ｅが最も傾斜する。ただし、このように閉状態となった場合にも、各弁体１１Ａ〜１１Ｅ間の隙間は確保されており、吸気流ＧＳの少量の流れが許容されている。よって、半開状態の場合と同様に吸気流ＧＳの流を穏やかに変更し、吸気管３の内壁に沿うようにして下流に流すことができる。よって、図２（Ｃ）で示す閉状態としたときにも、吸気管の内壁へ吸気流が衝突する状態の発生を回避しつつ、小流量で強いタンブル流を筒内に形成できる。この状態は、内燃機関が低負荷低出力時などのときに形成される。

前述したように従来の吸気装置にあっては一枚の弁体で閉状態を形成していたので、流速が急に増加して吸気流が吸気管に衝突して圧損が大きくなっていた。しかし、本実施例の吸気装置１Ａでは、上記のように多段に配置した複数の弁体で吸気流ＧＳを穏やかに変化させるので圧損の発生を抑制して、効率良くタンブル流を形成させることができる。

以上のように、本実施例の吸気装置１Ａは閉状態での圧損を抑制しつつ、吸気流ＧＳの流れを広範囲に調整して、筒内に所望のタンブル流を形成できる。また、複数の弁体は駆動リンク構造によって接続されている。よって、１つのアクチュエータで複数の弁体を連動して作動させることができる。このような吸気装置１Ａを採用する内燃機関は、圧損を抑制しつつ、負荷状態に応じて最適なタンブル流を筒内に形成させることができるので燃費の向上及びエミッションの改善を図ることができる。

図３は、実施例２に係る吸気装置１Ｂについて示した図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は半開状態、（Ｃ）は閉状態について示している。この吸気装置１Ｂは、実施例１の吸気装置１Ａと基本構成は同様であるが、弁体１１Ａ〜１１Ｅの吸気流方向での長さが異なっている。より詳細には、最上部に位置する弁体１１Ａの長さが最も短く、下側に向かうに従って弁体の長さが段々に増加している。よって、最下部の弁体１１Ｅの長さが最も長くなっている。

吸気装置１Ｂは、半開状態及び閉状態を形成したときに下側に位置する弁体ほど長く設定してあるので、下側を流れていた吸気流を相対的に長時間案内（規制）できる。よって、吸気装置１Ａと比較して、確実に下側を流れる吸気流ＧＳを吸気管３内の上側に寄せることができるので、より強いタンブル流を発生させることできる。

（変形例）
図４は、実施例２の変形例について示した図である。なお、この図４は、前述した説明との対応では半開状態にある弁体１１Ａ〜１１Ｅを取出して示している。これらの弁体１１Ａ〜１１Ｅは吸気流の流れ方向での縦断面形状が翼形に形成してある。このように各弁体を翼形状にすると、上流から流れてきた吸気流ＧＳが最初に衝突する部分が湾曲面となるので、垂直に設定した面などに気流が衝突したときに生じる剥離状態の発生を防止できる。また、弁体１１Ａ〜１１Ｅは実施例２の場合と同様に最下部の弁体が最も長く形成される。しかも、中段から最下部に位置する弁体１１Ｃ〜１１Ｅの下流側端部ＤＰは、吸気流ＧＳを上方へ撥ね上げるように湾曲している。よって、吸気装置１Ｂと比較して、確実に吸気流ＧＳを吸気管３内の上側に寄せることができるので、より強いタンブル流を形成させることできる。

なお、図４は実施例２についての変形例を示しているが、実施例１の場合について弁体の縦断面形状を翼形に形成すれば剥離状態の発生を防止できる。

上述した実施例はタンブル流（縦渦流）を発生させる吸気装置について示したが、以下では更にスワール流（横渦流）を発生させる吸気装置について説明する。

図５は、実施例３に係る吸気装置に適用できる吸気制御弁の周辺構造について示した図である。この吸気制御弁２０も複数の弁体２１Ａ〜２１Ｅを備えている。これら弁体２１Ａ〜２１Ｅもバタフライ型であり、それぞれが両側部に突出する弁軸２２を有している点で同様である。しかし、これらの弁体２１Ａ〜２１Ｅは吸気管３内に立設状態で配置されている点が、前述した実施例とは異なっている。

弁体２１Ａ〜２１Ｅは回動したときに吸気流ＧＳと平行な姿勢が取れるように設定されていると共に、左右（図５で矢印ＹＤ方向）に隣接する弁体同士が少なくとも一部で重なるように配置されている。なお、この図５でも基本的な構造を示すという観点から弁軸１２の位置（軸支位置）が横一列に並んだ状態を示している。しかし、吸気流方向で軸支位置が前後するように配置してもよい。

上記弁体２１Ａ〜２１Ｅは、駆動リンク機構に接続されて連動して動作するように形成されている。この駆動リンク機構も図１と同様であり、各弁体２１Ａ〜２１Ｅの片側の弁軸２２には第１リンク２３の中央部に固定されている。さらに、第１リンク２３の両端に第２リンク２４Ａ、２４Ｂが回動自在に固定されている。

そして、アクチュエータ２５に固定した揺動腕２６が第２リンク２４Ａの一端に固定されている。よって、アクチュエータ２５を制御することにより、全ての弁体２１Ａ〜２１Ｅを連動させて回動できる。アクチュエータ１５を制御することにより、全ての弁体２１Ａ〜２１Ｅを連動させて傾けることができる。このアクチュエータ１５はＥＣＵ２７よって駆動が制御されている。

図６は、図５で示したのと同様の吸気制御弁の構造を適用した吸気装置１Ｃについて示した図であり、（Ａ）は弁体を最も開いた全開状態、（Ｂ）は弁体を回動させた半開状態を示している。なお、これらの図は平面視で示しており、気筒３０を図示してある。

以上のような構成を有する吸気装置１Ｃは、（Ａ）の全開状態になったときには、高い吸気量で筒内に比較的弱いスワール流を発生させることができる。また、（Ｂ）の半開状態としたときには、弁体２１Ａ〜２１Ｅが傾斜するため（Ａ）の場合よりも吸気の流れが片寄るように流されるので筒内に強いスワール流ＳＷを発生させることができる。この吸気装置１Ｃも複数の弁体２１Ａ〜２１Ｅによって吸気流ＧＳの向きを変更するので、一枚もののバタフライ弁を用いる場合より各弁体を駆動するトルクを小さくすることができる。また、吸気流ＧＳの流を穏やかに変更させることができる。よって、本実施例の吸気装置１Ｃは半開状態での圧損を抑制しつつ、吸気流ＧＳの流れを広範囲に調整して、筒内に所望のスワール流を形成できる。このような吸気装置１Ｃを採用する内燃機関は、圧損を抑制しつつ、負荷状態に応じて最適なスワール流を筒内に形成させることができるので燃費の向上及びエミッションの改善を図ることができる。

図７は、実施例４に係る吸気装置１Ｄについて示した図である。（Ａ）は弁体２１Ａ〜２１Ｅの吸気流方向での長さが異なっている。より詳細には、吸気流ＧＳの下流方向へ見て右端部に位置する弁体２１Ａの長さが最も短く、左側に向かうに従って弁体の長さが順次に増加している。よって、左端部の弁体２１Ｅの長さが最も長くなっている。このように構成することにより左側を流れる吸気流ＧＳを相対的に長時間案内できる。よって、実施例３の吸気装置１Ｃと比較して、確実に吸気流ＧＳを吸気管３内の右側に寄せることができるので、より強いスワール流を形成させることできる。また、（Ｂ）は更に弁体２１Ａ〜２１Ｅを縦断面形状が翼形に形成してある。しかも、中央から左端部に位置する弁体２１Ｃ〜２１Ｅの下流側端部ＤＰは、吸気流ＧＳを右向きに湾曲してある。よって、図７（Ａ）で示す構造と比較して、確実に吸気流ＧＳを吸気管３内の右側に寄せることができるので、より強いスワール流を形成させることできる。なお、上記実施例３の場合について弁体の縦断面形状を翼形に形成すれば剥離状態の発生を防止できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る吸気装置に適用できる吸気制御弁の周辺構造について示した図である。 図１で示したのと同様の吸気制御弁の構造を適用した吸気装置１Ａについて示した図であり、（Ａ）は弁体を最も開いた全開状態、（Ｂ）は半開状態、（Ｃ）は閉状態について示した図である。 実施例２に係る吸気装置１Ｂについて示した図であり、（Ａ）は全開状態、（Ｂ）は半開状態、（Ｃ）は閉状態について示した図である。 実施例２の変形例について示した図である。 実施例３に係る吸気装置に適用できる吸気制御弁の周辺構造について示した図である。 図５で示したのと同様の吸気制御弁の構造を適用した吸気装置１Ｃについて示した図であり、（Ａ）は弁体を最も開いた全開状態、（Ｂ）は弁体を回動させた半開状態について示した図である。 実施例４に係る吸気装置１Ｄについて示した図であり、（Ａ）は弁体の長さを変更した場合、（Ｂ）は更に縦断面形状を翼形に形成した場合について示した図である。 従来の吸気装置について示している図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｄ 吸気装置
１０ 吸気制御弁
１１Ａ〜１１Ｅ 弁体
１２ 弁軸
１３、１４Ａ、１４Ｂ 駆動リンク機構
１３ 第１リンク
１４Ａ、１４Ｂ 第２リンク
１５ アクチュエータ
１６ ＥＣＵ
２０ 吸気制御弁
２１Ａ〜２１Ｅ 弁体
２２ 弁軸
２３、２４Ａ、２４Ｂ 駆動リンク機構
２３ 第１リンク
２４Ａ、２４Ｂ 第２リンク
２５ アクチュエータ
２７ ＥＣＵ
ＧＳ 吸気流

Claims (5)

1. 板状の弁体を軸支して回動させることにより、吸気管内を流れる吸気流を調整する吸気制御弁を備えている内燃機関の吸気装置であって、
   前記吸気制御弁はバタフライ型の弁体を複数含み、
   前記弁体の弁軸は互いに平行に設定されており、
   さらに、前記弁体は前後に位置するものと少なくとも一部が重なり合うようにして多段に配置されていると共に、駆動リンク機構に接続されて連動して動作する、ことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記弁軸は、軸支位置が直線上に並ぶように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記複数の弁体は、片側から他方側に向かって前記吸気流の流れ方向での長さが段々に長くなっている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記吸気流の流れ方向での下流側端部が、前記吸気流を撥ね上げるように湾曲形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記複数の弁体は、前記吸気流の流れ方向での縦断面形状が翼形である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
   

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