JP2007297999A - Vortex flow generating device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関における吸入空気に渦流を発生させる内燃機関用渦流発生装置に関する。 The present invention relates to a vortex generator for an internal combustion engine that generates a vortex in intake air in the internal combustion engine.
燃焼室内に混合気のスワール流やタンブル流などの渦流を発生させて燃焼効率の向上を図るために、吸気管のスロットルバルブの下流側に渦流発生装置を配置させることが行われている。このような渦流発生装置では、可変吸気絞り弁により吸入通路の一部を閉じ、片側通気状態を形成することで渦流を発生させるようにしており、片側通気状態を形成する可変吸気絞り弁の制御シャフト及び弁体には、制御シャフト回りに回転モーメントが発生し易い構造となっている。 In order to improve the combustion efficiency by generating a swirl flow such as a swirl flow or a tumble flow of an air-fuel mixture in the combustion chamber, a vortex flow generator is disposed downstream of the throttle valve of the intake pipe. In such a vortex generator, a part of the intake passage is closed by a variable intake throttle valve to generate a vortex flow by forming a one-sided ventilation state, and the variable intake throttle valve that forms the one-sided ventilation state is controlled. The shaft and the valve body have a structure in which a rotational moment is easily generated around the control shaft.
一方、自動車用内燃機関においては、燃費改善のためリーンバーン燃焼やEGR制御の採用化が進んでおり、また運転条件に応じた使い分けによる燃焼適合が図られている。このため、例えば、可変吸気絞り弁とEGRの作動タイミングに起因する燃焼の悪化が発生する場合や、運転条件によっては、バックファイヤ等の異常燃焼が発生する場合がある。このことから、回転モーメントを受け易い可変吸気絞り弁を備えた渦流発生装置においては、内燃機関側からの異常圧力により損傷されない構造が望まれている。
また、この異常圧力による衝撃荷重や、可変吸気絞り弁を開閉させるために印加する駆動トルクが加わった場合、渦流を良好に発生させることができる渦流発生装置が望まれている。
On the other hand, in an internal combustion engine for automobiles, the adoption of lean burn combustion and EGR control is progressing for improving fuel efficiency, and combustion adaptation by proper use according to operating conditions is achieved. For this reason, for example, deterioration of combustion due to the operation timing of the variable intake throttle valve and EGR may occur, or abnormal combustion such as backfire may occur depending on operating conditions. For this reason, in a vortex generator having a variable intake throttle valve that is susceptible to rotational moment, a structure that is not damaged by abnormal pressure from the internal combustion engine side is desired.
In addition, when an impact load due to the abnormal pressure or a driving torque applied to open and close the variable intake throttle valve is applied, an eddy current generator that can generate eddy currents is desired.
このため特許文献1に示される従来技術の内燃機関用渦流発生装置では、内燃機関への吸入空気通路の一部を開閉することを可能にする可変吸気絞り弁の駆動軸と、この駆動軸を駆動する駆動装置との間に圧力逃し手段を設けることで、内燃機関側より可変吸気絞り弁に衝撃荷重が加わっても、渦流発生装置の損傷を防止できるようにしている。
For this reason, in the vortex generator for an internal combustion engine of the prior art disclosed in
即ち、特許文献1では、バックファイヤ発生時の装置破損を防ぐ目的で、図3の入力用スパーギヤ部(駆動軸を駆動する駆動装置)31と駆動軸(可変吸気絞り弁の駆動軸)42とは固定されておらず、スプリング(圧力吸収手段)36によって一体で動く構造にしている。これにより、第1のプレート32、第2のプレート33とスプリング36を取り付ける係合部32b,33bの位置によっては、一体成形部材34の穴34bと駆動軸42のクリアランス分、円弧状の入力用スパーギヤ34cが駆動軸42に対して傾く現象が起きる。入力用スパーギヤ34cが傾くことにより、アクチュエータの出力用スパーギヤ27と入力用スパーギヤ34cのかみ合い率が低下し、ギヤの異常摩耗が発生するという問題がある。
That is, in
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関側からバックファイヤ等の異常圧力が加わっても損傷を防止することができると共に、ギヤの異常摩耗を防止でき、かつギヤの変形及びスプリングの摩耗を抑制することができる内燃機関用渦流発生装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to prevent damage even when abnormal pressure such as backfire is applied from the internal combustion engine side, and to prevent abnormal wear of the gear, And it is providing the eddy current generator for internal combustion engines which can suppress a deformation | transformation of a gear and abrasion of a spring.
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の内燃機関用渦流発生装置を提供する。
請求項1に記載の内燃機関用渦流発生装置は、可変吸気絞り弁4aが固定された駆動軸42とこの駆動軸42を駆動する駆動装置2との間に設けられて、可変吸気絞り弁4aを閉じる方向に付勢し、異常圧力発生時には、可変吸気絞り弁4aを全開方向に作動させる付勢手段であるコイルスプリング36の巻始めと巻終りを内径側に絞り込む形状にすることで、駆動軸42に係合された入力用スパーギヤ34cの傾きを抑制するものであり、これによって、入力用スパーギヤ34cの傾きによって生じるギヤの異常摩耗を防止することができる。また、内燃機関側からの異常圧力が可変吸気絞り弁4aに加わっても、渦流発生装置の損傷を防止できる。
The present invention provides a vortex generator for an internal combustion engine as set forth in each of the claims as means for solving the problems.
The vortex generator for an internal combustion engine according to
請求項2の該渦流発生装置は、コイルスプリング36の絞り込み形状を徐々に絞り込むようにしたものであり、これにより、比較的に広い範囲で入力用スパーギヤ34cを径方向に付勢でき、入力用スパーギヤ34cの傾きを抑えることができると共に、コイルスプリング36と入力用スパーギヤ34cとの接圧を低くし、ギヤの変形及びコイルスプリングとの摩耗を抑えることができる。
請求項3の該渦流発生装置は、コイルスプリング36の巻き始め端36aと巻き終り端36bとが、コイルスプリング36の中心軸線Lを挟んで対極に位置しているものであり、これにより、入力用スパーギヤ34cの傾きを抑制する力が最も有効に働く。
The eddy current generating device according to claim 2 is configured to gradually narrow down the narrowed shape of the
In the eddy current generator according to
以下、図面に従って本発明の実施の形態の内燃機関用渦流発生装置について説明する。図1は、内燃機関用吸気装置の一部で本発明の渦流発生装置1の概念を説明する構成図である。渦流発生装置1は、減速構造を備えた駆動装置2と、内燃機関側からの衝撃荷重を吸収する圧力吸収手段3と、片側通気状態を形成する可変吸気絞り弁4aを備えた吸気管(以下、可変吸気絞り弁部と呼ぶ)4等を含んで構成されている。
Hereinafter, an eddy current generator for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating the concept of a
可変吸気絞り弁部4は、吸入空気通路を形成し、内燃機関への吸入空気を導入するハウジング41と、開口面積を調整する回動自在な可変吸気絞り弁4aを備えている。ハウジング41には、吸入空気を導入する空気通路41aと、途中に導入された吸入空気を空気通路41bと41cとに分ける隔壁41dが設けられている。空気通路41bは、可変吸気絞り弁4aによって開口面積を調整されるようになっている。
The variable intake
可変吸気絞り弁4aは、ハウジング41内に回動可能に支持される駆動軸42と、この駆動軸42と共に回動して空気通路41bを流れる吸入空気を調量する弁体43とから構成されている。駆動軸42は、圧力吸収手段3を介して、減速構造を備えた駆動装置2により回動される。図1は、可変吸気絞り弁4aが全開の状態を示している。また、弁体43の形状は、例えば、駆動軸42を挟んで一方の側43aが半円形状で、他方の側43bが駆動軸42を長軸とする楕円形状をなしている。弁体43は、駆動軸42の回りに、回転モーメントを受け易い構造となっている。
The variable intake throttle valve 4a includes a
渦流発生装置1は、車両への搭載状態において、吸入空気の上流側は、スロットルバルブ200と気密に結合され、また吸入空気の下流側は、図示しない燃焼室を有する内燃機関(エンジン)300と気密に連通している。なお、吸入空気の流れは矢印Aで示され、矢印B及び矢印Cで示すように分かれて流れる。また、駆動装置2は、例えば、アクセルセンサ61、回転数センサ62等の信号によりコンピュータ60で制御された駆動電流によって、弁体43と共に回転する駆動軸42を回動させる。これにより、弁体43を図1中の二点鎖線で示す位置に回動させて空気通路41bを全閉させることで、矢印Bだけの偏った空気の流れを形成し、片側通気状態の吸入空気を燃焼室に送り込むことによって、燃焼室内に混合気のスワール流やタンブル流を発生させる。
In the state where the
図2は、渦流発生装置1における駆動装置2を示す構成図である。駆動装置2は、駆動モータMと、減速機構部20と、ケーシング21とを備えている。駆動モータMはDCモータ等の正逆駆動が可能なモータである。ケーシング21は、駆動モータMと減速機構部20を保持して、締結部材にて可変吸気絞り弁部4に固定されている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the driving device 2 in the
減速機構部20は、駆動モータMからの動力を減速する減速機構20aと、減速機構20aを構成する複数のギヤ間に挟まれて配置される衝撃吸収部材22から構成されている。
減速機構20aは、駆動モータMの出力軸に固定されたウォームギヤ25と、ウォームギヤ25に噛み合うヘリカルギヤ26と、ヘリカルギヤ26と同軸上に配置された出力用スパーギヤ27とを備えている。ヘリカルギヤ26と出力用スパーギヤ27との間には、両ギヤ26,27と一体となって回動可能な衝撃吸収部材22が配置されている。ヘリカルギヤ26と出力用スパーギヤ27は、ウォームギヤ25軸に垂直に配置されたシャフト28に回転自在に支持されている。シャフト28の一端は、減速機構20aを収容する円筒状内周壁を形成するハウジング21に固定され、他端28bは、ハウジング21の一部をなす封止部材21bに固定される。なお、ハウジング21及び封止部材21bは、樹脂材で形成され、例えば、超音波溶接等により一体に形成されている。
The speed
The reduction mechanism 20 a includes a
衝撃吸収部材22は、略円筒形をなしていて、両ギア26,27に接する端部に配置されている。この衝撃吸収部材22は、例えば圧延鋼板で形成される2枚のプレート間にゴム材よりなる弾性部材が挟持され、一体に成形されている。
この衝撃吸収部材22は、駆動モータMの出力軸に固定されているウォームギヤ25と噛み合うヘリカルギヤ26と一体に配置されている。トルクの伝達が衝撃的に作用してしまう場合、例えば全閉位置に弁体43が固定される瞬間において、衝撃吸収部材22の弾性部材が変形する捩り作用により、ウォームギヤに伝達される衝撃荷重を緩和させて、ウームギヤのねじ締め状態が発生することを防止する。
The
The
また、駆動装置2の動作中は、モータMの回転トルクが衝撃吸収部材22を捩り作用により撓ませているため、その反力によりギヤのバックラッシュを詰めた状態とすることができる。このため、駆動装置2の停止時に機能するウォームギヤ25のセルフロック効果とともに、駆動装置2の動作、非動作に関係なく、可変吸気絞り弁4aの弁体43のバタツキを防止できる。
Further, during the operation of the driving device 2, since the rotational torque of the motor M is deflecting the
図3は、圧力吸収手段3の分解図である。例えば、バックファイヤ等の異常燃焼が発生した場合、エンジン側より可変吸気絞り弁4aに、通常のエンジン運転条件で発生する吸入空気圧(例えば、過給気付エンジンでは、最大過給圧)以上の異常圧力が衝撃荷重として加わる場合がある。本発明の可変吸気絞り弁4aの弁体43のような回転モーメントを受け易い形状においては、特に異常圧力等が弁体43に加わった場合には、渦流発生装置1の一部が損傷することなく、渦流を良好に発生させる必要がある。本発明の圧力吸収手段3は、異常燃焼等により発生した異常圧力によって、渦流発生装置1の各々の部材に加わる衝撃荷重を緩和するものである。圧力吸収手段3は、図3に示すように、可変吸気絞り弁4aの駆動軸42に備えられる入力用スパーギヤ部31と、駆動軸42に固定され、駆動軸42と共に回動自在な第1のプレート32とを付勢手段であるコイルスプリング36によってつなぐことで、異常圧力が発生したとき、弁体43に加わる異常圧力による衝撃荷重に抗して、コイルスプリング36を撓ませることにより、入力用スパーギヤ部31と嵌合した駆動装置2とを切り離すことができる。これにより、全閉状態で受ける異常荷重、すなわち異常圧力の衝撃荷重に応じて、駆動軸42と一体の弁体43を全閉状態から全開側へ回動させることができる。このため、全閉状態で受ける異常荷重は、異常圧力を吸収することで、緩和される。
FIG. 3 is an exploded view of the
圧力吸収手段3の構成を更に詳しく説明する。第1のプレート32は、駆動軸42に固定するための嵌合孔と、コイルスプリング36の一端36aを係合させるための凹部32bと、入力用スパーギヤ部31に収容されたクッション35と当接する突起32cとを備えている。入力用スパーギヤ部31は、コイルスプリング36の一端36bと係合する第2のプレート33と、この第2のプレート33と第1のプレート32の突起32cとに周方向に挟まれるクッション35と、両プレート32,33に挟まれた入力用スパーギヤ34cを備えた一体成形部34とを備えている。この第2プレート33は、駆動軸42と摺動して回動可能な孔33aと、コイルスプリング36の一端36bを係合させるための凹部33bと、クッション35と当接する突起33cとを備えている。クッション35は、例えばゴム材により形成され、略円弧状の形状で、径方向には案内部34dに係合できるよう突起を有する。また、一体成形部材34は、第2プレート33の突起33cと係合可能で、第2のプレート33を駆動軸42回りに全開方向に回転可能な周方向溝34aと、駆動軸42と摺動して回動可能な孔34bと、嵌合する出力用スパーギヤ27と噛み合い得る範囲に設定された円弧状の入力用スパーギヤ34cとクッション35を周方向に移動することを規制する案内部34dを備えている。なお、第1のプレート32と入力用スパーギヤ部31及びコイルスプリング36とが、コイルスプリング36の撓みに応じて、互いに回動し得る配置を維持できるように、駆動軸42の軸端42aにはワッシャ37を介して、例えば、カシメ加工により軸方向係止部を設けてある。
The configuration of the
したがって、異常圧力に抗してコイルスプリング36が撓んで、入力用スパーギヤ部31と嵌合した駆動装置2とを切り離しでき、弁体43は、エンジン側からの異常圧力の衝撃荷重に応じて、全閉状態から全開側へ回動することができる。しかも、可変吸気絞り弁4aが全開時及び全閉時のような駆動装置2と駆動軸42とが一体に回動可能な状態で、弁体43にエンジン振動や吸入空気の流れが加わっても、駆動装置2の減速機構部20を損傷させないようにクッション35を設けている。更に異常圧力が発生した場合においては、例えば全閉状態から圧力吸収状態になり、異常圧力を吸収した後、再び全閉状態に戻る時、コイルスプリング36の付勢力により衝撃荷重が発生しても、駆動軸42に固定された第1プレート32の突起32cは、クッション35を介して、第2プレート33の突起33cを押圧するので、クッション35が付勢力による衝撃荷重を衝撃吸収できる。
Therefore, the
次に、本実施形態の特徴であるコイルスプリング36の形状について説明する。コイルスプリング36は、図5(a)に示すように入力用スパーギヤ34cと一体に成形された円筒状の一体成形部34の外周を、巻始めから巻終りまでの一定の曲率でコイル状に巻かれていて、コイルスプリング36の内側と一体成形部34の外周面との間に所定の隙間gが形成されている。そのため、先に従来技術で説明したように入力用スパーギヤ34c(一体成形部34)が駆動軸42に対して傾く現象が起きても、コイルスプリング36には、図5(b)に示すように一体成形部材34の傾きを抑制する力が働かない。このため、従来では入力用スパーギヤ34cの傾きにより、出力用スパーギヤ27と入力用スパーギヤ34cの噛み合い率が低下し、ギアの異常摩耗が発生する。
Next, the shape of the
そのため、本実施形態では、図4(a),(b)に示すようにコイルスプリング36の巻始めと巻終りを内径側に絞り込む形状にすることで、一体成形部材34(入力用スパーギヤ34c)を径方向に付勢することで、一体成形部材34の傾きを抑えるようにしている。この場合、コイルスプリング36の巻始めの近辺及び巻終り近辺から急激に内径側に絞り込んでもよいし、又は、図4(a)に示されるように、コイルスプリング36の内側が、一体成形部材34の外周面に略200度の範囲内で接するように、巻き始めと巻き終りを徐々に内径側に絞り込むようにしてもよい。徐々に絞り込んだ場合は、広い範囲(略200度)でギヤ(一体成形部材)を径方向に付勢でき、ギヤの傾きをより安定にして抑えることができる。またコイルスプリング36と一体成形部材34との接圧を低くし、ギヤの変形とコイルスプリングの摩耗を抑えることができる。また、コイルスプリング36の巻始め端36aと巻終り端36bとが、コイルスプリング36の中心軸線Lを挟んで対極に位置するようにすると、径方向への付勢力を有効に働かせることができる。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, the integrally formed member 34 (input spur gear 34c) is formed by narrowing the winding start and end of the
上記構成による本発明の渦流発生装置1の動作について説明する。
(1)渦流を発生させていない状態
駆動装置2へ電流を供給していない時、全開状態にある弁体43は、吸入空気通路41aの軸方向に対して傾斜して保持されることで、弁体43には、吸入空気の流れの力が働くので、エンジン振動や吸気の脈動に起因する弁体43のバタツキを防止できる。このため、燃焼室に渦流を発生させる必要のない運転条件では、渦流発生装置1を流れる吸入空気の流れを乱すことなく、燃焼室へ吸入空気を供給できる。なお、駆動装置2に電流を供給して、弁体43を全開状態に保持してもよい。
The operation of the
(1) A state in which no vortex is generated When the current is not supplied to the driving device 2, the
(2)渦流を発生させる状態
空気通路41bを全閉状態にして、空気通路41cだけで片側通気状態を形成して渦流を発生させるため、駆動装置2へ電流を供給して、この駆動装置2のモータMのトルクによって、弁体43を全閉側方向に回動させる。そして全閉側に到達すると、モータMのトルクにより、弁体43をハウジング41周壁内に設けた周方向突起41sに当接するように押圧する。この当接する瞬間に、モータMのトルクにより弁体43に衝撃荷重が加わる。このとき、減速機構部20に組み込まれている衝撃吸収部材22は、モータMのトルクに抗して、弾性部材の撓みによる捩り作用によって、衝撃荷重を吸収して緩和する。このため、衝撃的なトルクの伝達を緩和できるので、減速機構部20に内蔵されたウォームギヤ25のねじ締め状態が発生することを防止できる。したがって、駆動装置2へ電流を供給中、駆動装置2がねじ締め状態となり損傷することなく、渦流発生装置1を作動させることができる。
(2) State in which vortex flow is generated The
なお、駆動装置2の動作中は、モータMのトルクが衝撃吸収部材22を捩り作用により撓ませているため、その反力によりギヤのバックラシュを詰めた状態とすることができる。このため、駆動装置2の停止時に機能するウォームギヤ25のセルフロック効果とともに、駆動装置2の動作、非動作に関係なく、可変吸気絞り弁4aの弁体43のバタツキを防止できる。
During the operation of the driving device 2, the torque of the motor M causes the
(3)異常圧力発生時
エンジンの異常燃焼等により渦流発生装置1に異常圧力が発生したときは、圧力吸収手段3が作動して、弁体43が受ける異常圧力による衝撃荷重と、コイルスプリング36の付勢力との釣り合い状態の位置に、弁体43を全開側へ回動させる。これにより、可変吸気絞り弁4aを損傷させることなく、また減速機構部20のねじ締め状態の発生を防止するので、異常圧力発生後も、発生前の作動特性と変わりなく、当初設計狙い通りの渦流発生を維持できる。
なお、圧力吸収手段3は、異常圧力の発生状態が解消されるとコイルスプリング36により弁体43を発生前の位置に押し戻す。このため圧力吸収手段3は、付勢力により発生する衝撃荷重を吸収するために、クッション35を備えていることが望ましい。
(3) When abnormal pressure is generated When abnormal pressure is generated in the
In addition, the pressure absorption means 3 will push back the
1 渦流発生装置
2 駆動装置
3 圧力吸収手段
4 可変吸気絞り弁部(可変吸気絞り弁を備えた吸気管)
4a 可変吸気絞り弁
20 減速機構部
22 衝撃吸収部材
25 ウォームギヤ
26 ヘリカルギヤ
27 出力用スパーギヤ
31 入力用スパーギヤ部
32 第1プレート
33 第2プレート
34 一体成形部材(入力用スパーギヤを備えた一体成形部)
34c 入力用スパーギヤ
35 クッション
36 コイルスプリング(付勢手段)
36a 巻始め端(一端)
36b 巻終り端(一端)
41 ハウジング
41a 吸入空気導入通路
42 駆動軸
43 弁体
DESCRIPTION OF
4a Variable
34c
36a Winding end (one end)
36b End of winding (one end)
41
Claims (3)
前記ハウジング(41)内に回転自在に配設された駆動軸(42)と、
前記駆動軸(42)に固定され、前記吸入空気通路の一部(41b)を開閉することを可能にする可変吸気絞り弁(4a)と、
減速機構(20a)を有し、この減速機構を介して前記駆動軸(42)を駆動する駆動装置(2)と、
前記駆動軸(42)と前記駆動装置(2)との間に設けられて、前記可変吸気絞り弁(4a)を閉じる方向に付勢し、異常圧力発生時には、前記可変吸気絞り弁を全開方向に作動させる付勢手段(36)と、
を備えている内燃機関用渦流発生装置において、
前記付勢手段がコイルスプリング(36)であり、前記コイルスプリング(36)の巻始めと巻終りを内径側に絞り込む形状にすることによって、前記駆動軸(42)に係合された入力用スパーギヤ(34c)の傾きを抑制することを特徴とする内燃機関用渦流発生装置。 A housing (41) forming an intake air passage to the internal combustion engine;
A drive shaft (42) rotatably disposed in the housing (41);
A variable intake throttle valve (4a) fixed to the drive shaft (42) and capable of opening and closing a part (41b) of the intake air passage;
A drive device (2) having a speed reduction mechanism (20a) and driving the drive shaft (42) via the speed reduction mechanism;
Provided between the drive shaft (42) and the drive device (2) to urge the variable intake throttle valve (4a) in a closing direction. When an abnormal pressure occurs, the variable intake throttle valve is fully opened. Biasing means (36) for actuating
In an internal combustion engine eddy current generator comprising:
The biasing means is a coil spring (36), and the input spur gear engaged with the drive shaft (42) is formed by narrowing the winding start and end of the coil spring (36) toward the inner diameter side. An eddy current generator for an internal combustion engine, characterized by suppressing the inclination of (34c).
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