JP2008501082A - 流体分配マニフォールド - Google Patents

Abstract

【課題】 インテークマニフォールド（１）が開示され、このマニフォールドは、内燃機関とともに好適に使用可能である。マニフォールドは、１組のランナ（１，２，３，４）、円錐形状のチャンバ（７）及び円錐形状の分配部材（８）を備える。分配部材（８）は、チャンバ（７）内でチャンバと同心に取付けられる。チャンバ（７）は、一の端部（９）を備え、該端部（９）は、エアインテーク／スロットル部材に取付けられる。チャンバ（７）の他端部（１０）は、各ランナ（１，２，３，４）に取付けられる。端部（１０）は、均等に４つの四分円状に分割される。各四分円状部分は、同一の断面積を有する。ランナ（１，２，３，４）の端部（１０）に対する接続順は、シリンダ（１，３，４，２）の点火順である。各ランナ（１，２，３，４）の体積は同一である。ランナ（１，２，３，４）の各端部は、チャンバの端部（１０）に非常に近接し、ランナが作用する対応するシリンダのインレットバルブに向けてランナ（１，２，３，４）は湾曲している。内部に配される円錐形状の分配部材（８）はチャンバ（７）内部に固定される。そして、分配部材（８）の断面積が大きい側の端部は、端部（１０）との接続部において、ランナ（１，２，３，４）に対して均等に重なりあい、端部（１０）に配され又は近接して配されることとなる。分配部材（８）は、チャンバ（７）内部において軸方向に移動することも可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体分配技術に関する。特に、本発明は、ガス状流体の流れを内燃機関内へ又は内燃機関から外方へ方向付ける技術に関する。特に、限定するものではないが、内燃機関の１若しくはそれ以上のシリンダへの空気又は空気／燃料混合体の吸気に関する。
説明の目的で、内燃機関の吸気マニフォールドについて特に参照するが、本発明が、流体、特にガス状流体の流れを均一に多数の流れに分割するための他の用途に用いてもよいことは理解されるべきである。

内燃機関は、インレットマニフォールドを利用し、インレットマニフォールドは空気／燃料混合体（混合ガス）を内燃機関のシリンダに分配する。混合ガスは、真空作用によりエンジンの燃焼チャンバ内に引き込まれる。この真空作用は、下方に向かって下がるシリンダの吸入工程の間のシリンダ内部のピストンの移動動作により生ずる。内燃機関内への空気／燃料混合ガスの吸入は複雑な現象であり、１つの課題として、均一な空気／燃料混合ガスを各シリンダ（全てのシリンダが作動状態にある）に供給することが挙げられる。

この特定の問題を解決するために、これまで多くの試みがなされてきている。１つの方法は、各シリンダに別個に設けられる独立式マニフォールドを使用する形態である。しかしながら、このような形態はしばしばレースエンジンに限定されるものである。なぜなら製造コストが日常使用するロードカーには高すぎるからである。多くの日常利用されるロードカーには、したがって、シングルプレーンのマニフォールドが全てのシリンダに使用されている。或いは、ツープレーン（ダブルプレーン）マニフォールドが使用され、各マニフォールドが、シリンダの総数の半分にのみ利用される形態が採用されている。
これら種類のマニフォールドは、一方のシリンダが他のシリンダから空気／燃料混合ガスを「盗み取る」傾向を生じさせる。

更に、吸気マニフォールドの設計は、特定のエンジンのトルク出力及びパワー出力に影響を与える。トルクは、エンジンスピードが低下するときに要求され、パワーはエンジンスピードが上限にあるときに要求される。従来技術の解決手段において、ローダウントルクを提供するマニフォールドの設計は、上限パワーを犠牲にするものであり、上限パワーをもたらすマニフォールドの設計はローダウントルクを犠牲にするものである。
これらの相反する要求を満たす試みにおいて、いくつかの近代的な自動車は、エンジンの作動状況に応じて形態変化をする吸入マニフォールドを備えている。これらはしばしば、デュアルレングス吸気マニフォールド又は可変吸気マニフォールドと称される。再度述べるが、しかしながら、このようなマニフォールドの設計は、製造コストが嵩むものとなる。

したがって、本発明の一般的な目的は、１若しくはそれ以上の上記課題を解決若しくは少なくとも改善することである。

本発明の第１の特徴は、多数のランナに流体を均等に分配するマニフォールドであって、該マニフォールドは、前記流体を受け入れるチャンバと、前記チャンバに接続するとともに前記均等に分配されたチャンバを受け入れる前記多数のチャンバと、前記チャンバ内に取付けられるとともに前記多数のランナにそれぞれ均等に前記流体を配分する分配手段を備えることを特徴とするマニフォールドを提供することである。
好ましくは、前記多数のランナの断面の総面積が、前記チャンバと前記多数のランナとの間の境界面における前記チャンバの断面積と略等しいことを特徴とする。
好ましくは、前記チャンバと前記多数のランナそれぞれの間の各境界面において、前記多数のランナのそれぞれが、略等しい断面積を有することを特徴とする。
好ましくは、前記多数のランナそれぞれが略同一の長さを備えることを特徴とする。
好ましくは、前記多数のランナそれぞれが、前記チャンバに略同一の角度で接続することを特徴とする。
好ましくは、前記マニフォールドが内燃機関に使用され、該境界面は、前記内燃機関の点火順に関連付けられたインテークバルブに向けた方向で、前記多数のランナが、前記チャンバの境界面に接続することを特徴とする。
好ましくは、前記分配手段が、前記チャンバに対して略同心に配されることを特徴とする。
好ましくは、前記分配手段が、テーパ形状の部材であることを特徴とする。
好ましくは、前記テーパ形状の部材が、大きな面積を有する端部を備え、該端部が、前記多数のランナそれぞれの略等しい部分と、前記境界面において重なり合うことを特徴とする。

内燃機関に用いられるインテークマニフォールドに関して、シリンダ内のピストンが下降するとき、燃焼チャンバ内に低い圧力を発生させる。このことは、インテークポート並びにマニフォールドのランナに沿って移動する負の圧力波を引き起こす。圧力波がプレナムチャンバに達すると、圧力波はエンジン方向に向けて反射する。空気がインテークバルブに達し、インテークバルブが再度開くと、この戻り方向の圧力波はラムが燃焼チャンバへより多くの空気を送り込むことを助ける能力を備える。
このパルスチューニング用のインテークシステムの設計は、多くの車のエンジン、特にレース用の車にとって望ましい効果をもたらす。

本発明の付随的な特徴は、分配手段が、移動手段を備えるものである。この移動手段は、前記分配手段を好ましくはチャンバ内において軸方向に移動させることを可能とする。これにより、結果として、インテークバルブへの負の圧力波の戻りタイミングを変更する手段を提供することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態において、この移動手段が、機械的に移動する形態が採用されてもよい。或いは、この移動手段が、電気的に起動するものであってもよい。或いは、この移動手段が、真空作用により動作するものであってもよい。

更に、自動車内の内燃機関に用いられるインテークマニフォールドに関して、空間的制約がインテークシステムの形状に制限を与え、多くの場合、インテークシステムに鋭い曲り部分が要求される。このことは、流入する空気及び／又は空気／燃料混合ガスの乱流をもたらすこととなる。結果として、燃焼チャンバに供給される流体は、不均一に分配されることとなる。この乱流は、プレナムチャンバの内側表面での流体の境界層の分離に起因するものである。もし内部表面が平滑でないならば、乱流は低減されることとなる。
したがって、本発明の付随的な特徴として、必要とされる形状に依存する形態を挙げることができる。分配手段の外側表面を、略平滑でない表面とすることができる。同様に、更なる本発明の付随的な特徴として、チャンバの内部表面を略平滑でない表面とすることもできる。好適な非平滑表面として、粗荒はだ鋳物表面、窪み部、溝部又は隆起部を備えるものを挙げることができる。

内燃機関に用いられるインテークマニフォールドに関して、あらゆる特定エンジンに対するパワー出力及びトルク出力が、ランナの長さ、ランナの径及びプレナムチャンバの体積に依存することが知られている。これらは、バルブサイズ、ポートサイズ及び要求されるｒｐｍの範囲に応じて定められる。これらパラメータが各特定エンジンに対して決定されることを可能とするように、本発明のマニフォールドが適用され、ランナの必要な断面が決定される。

本発明の更なる付随的特徴は、以下のものを備えることにある。
（ａ）分配手段及び／又はチャンバ用の加熱手段。この加熱手段は、内部の空気／燃料混合ガスの蒸発を助けるものである。
（ｂ）分配手段及び／又はチャンバ用の冷却手段。この冷却手段は、濃縮された空気／燃料混合ガスが燃焼チャンバに流入することを可能とするものである。
（ｃ）Ｖ型又はフラットエンジン或いはツインターボエンジン、スーパチャージャ付エンジン又はこれらの組み合わせに対して、２つのマニフォールドが使用され、各マニフォールドが、点火順に交互にシリンダと協働する。

本発明の構成部品は、任意の好適な材料から製造される。好適な材料としては、本技術分野で知られた材料であり、例えば金属（鉄やアルミニウムなど）、プラスチック及びカーボンファイバを挙げることができる。これら材料が適切なものであるか否かに関しては、使用時に部品が曝される温度及び／又は圧力により決定される。

本発明の第２の特徴は、多数のランナに均等に流体を分配する方法であって、該方法は、上述のマニフォールドを使用することを特徴とする方法を提供することである。

本発明は、自動車に用いられる内燃機関用のインレットマニフォールドのように特定の形態として説明されるが、本発明の動作原理は、エクゾーストマニフォールドとしての使用にも適用でき、連続的に隣接するエクゾーストヘッダから均一に且つ効果的に排ガスを抽出することを可能とする。

本発明の好適な実施形態について、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１を参照する。マニフォールド（５）は、４つのシリンダを有する内燃機関のシリンダヘッド（６）のインレット側に取り付けられている。内燃機関は、図中の「１」、「３」、「４」、「２」の順で点火する。マニフォールドは、１組のランナ（１，２，３，４）、チャンバ（７）及び円錐部材（８）を備える。円錐部材（８）は、チャンバ内で同心に取り付けられている。
チャンバ（７）は、略円錐形状をなし、外表面を備える。チャンバ（７）の外表面は、一方の端部（９）の延長部分を除いて、内部に配された円錐部材（８）の外表面と必然的に平行となる。一方の端部（９）は、吸気／スロットル部材に向けられ、又は、直接的に吸気／スロットル部材に固定される。
チャンバ（７）の他端部（１０）は、断面円形であり、各ランナ（１，２，３，４）に接続する。この端部（１０）は、必然的に均等に分割され、四分円を構成する。各四分円は、略同一の断面積を有するものとなる。ランナ（１，２，３，４）の端部（１０）への接続順は、シリンダ（１，３，４，２）の点火順である。各ランナ（１，２，３，４）の体積は略同一である。ランナ（１，２，３，４）の各端部は、チャンバの端部（１０）に非常に隣接しており、各ランナ（１，２，３，４）を利用する各シリンダのインレットバルブに向けて湾曲している。
内部に配された円錐部材（８）は、チャンバ（７）内に固定され、円錐部材（８）の広がりを有する側の端部（１１）は、端部（１０）との接続部位において、均等にランナ（１，２，３，４）に重なりあう。円錐部材（８）は、端部（１０）に配される。或いは、円錐部材（８）は、端部（１０）に近接して配される。

使用時において、空気／燃料混合ガスは、図中Ａで示す矢印の方向からチャンバ（７）に流入する。空気／燃料混合ガスは、円錐部材（８）を通過し、必然的に４つの均一な流れに分割される。各流れは、その後、エンジンの対応するインレットバルブが開くと、各ランナを通過することとなる。ランナ（１，２，３，４）がエンジンの点火順でチャンバに接続しているので、次のインレットバルブが開くときの初期慣性力に対して、隣接する流れが打ち勝つように、各流れは隣接する流れを補助することとなる。結果として、円滑で、必然的に一定及び均等な空気／燃料混合ガスを各燃焼チャンバに供給することが可能となる。

図１を参照しつつ上記した種類のマニフォールドは、多くの自動車に適合可能である。
（ａ）４つのシリンダを有するトヨタカローラのツインカムエンジン
（ｂ）ＬＰＧにより燃料供給される６つのシリンダを有するフォードファルコンのエンジン
（ｃ）フォードファルコンのＶ８クリーブランドエンジン

図２は、６つのシリンダを有するフォードファルコンエンジンのトルク出力（サードギア）を示し、このエンジンに、既製品のインレットマニフォールド（ファクトリインレットマニフォールド）を取り付けた状態（線Ｂで示す）と、本発明のマニフォールドを取り付けた状態（線Ｃで示す）を示す。
本発明のマニフォールドを取り付けたときの最大トルク（点Ｄ参照）は、既製品のインレットマニフォールドを取り付けたときよりも大きく（点Ｅ参照）、また、本発明のマニフォールドを取り付けたときの最大トルク（点Ｄ参照）は、既製品のインレットマニフォールドを取り付けたときよりも低いエンジンスピードで生ずる（点Ｅ参照）。
線Ｄに対する読取値は、線Ｅに対する読取値よりも高いエンジン温度で得られており、必要とされる温度修正は行われていないことは強調されるべきことである。したがって、トルク数値の実際の差異は、図２に示されるものよりも実際には大きいものである。

図３は、図２に示す６つのシリンダを有するフォードファルコンのエンジンのパワー出力（サードギア）を示し、このエンジンに、既製品のインレットマニフォールド（ファクトリインレットマニフォールド）を取り付けた状態（線Ｆで示す）と、本発明のマニフォールドを取り付けた状態（線Ｇで示す）を示す。
本発明のマニフォールドが取り付けられていない自動車と比して、路上スピード全般にわたって任意のエンジンスピードに対するパワーの顕著な増大を観察することができる。
線Ｇに対する読取値は、線Ｆに対する読取値よりも高いエンジン温度で得られており、必要とされる温度修正は行われていないことは強調されるべきことである。したがって、パワー数値の実際の差異は、図３に示されるものよりも実際には大きいものである。

本発明のマニフォールドを自動車が装備することにより以下の効果を奏するものとなる。
（ｉ）サードギアにした状態で歩行速度から自動車が確実に発車することができ、自在性において顕著な増大を得ることができる。
（ｉｉ）任意勾配を有する任意の丘で、本発明のマニフォールドを備えていない自動車と比較して、少なくとも１つのレベルだけ高いギア設定で快適な速度で丘の勾配を自動車が登坂することが可能となる。
（ｉｉｉ）本発明のマニフォールドを備えない自動車と比べて、最大トルクが増大するとともに、最大トルクは低いエンジンスピードで作り出される。
（ｉｖ）本発明のマニフォールドを備えない自動車と比べて、任意のエンジンスピードに対するパワーの増大を得られる。

自動車の内燃機関用のインレットマニフォールドとして用いた場合には、本発明は多くの利点をもたらす。
インレットバルブが開いたときに流入する空気／燃料混合ガスの初期慣性力に打ち勝つことができ、各燃焼チャンバに空気／燃料混合ガスを均等に分配することが可能となる。また、インレットバルブが開くときの負の圧力波を調整し、より多くの空気／燃料混合ガスが、次に開くバルブに流入することを補助することができる。

空気／燃料混合ガスが、一層均一且つ一定となるので、燃料のインジェクタを、燃焼チャンバに一層近接して配設することができる。浮遊する空気／燃料のガスから失われる燃料成分が少ない状態で、マニフォールドに燃料が流入する。したがって、小さなインジェクタを使用することができ、それ故、製造コストを抑制することが可能となる。
その代わりに、燃焼チャンバから追加の燃料インジェクタを用いてもよい。これにより、高いエンジンスピードでのパワーの増大を生じせしめることができる。
改善した空気／燃料ガスの流れに起因して、エンジン管理システムに認識される優れた信号を作り出すことができる。このことは、ＬＰＧのようにガス状流体によってのみ動力供給されるエンジンに対して特に有利であり、このような動力供給形態のエンジンが簡単に動作開始を行うことができる。
自在性の増大は、ギアチェンジの回数を低減させ、加えて／或いは、経済的なギアリングを得ることができる。また、低いエンジンスピードで、最大トルクを増大させることができ、任意のエンジンスピードに対してパワーの増大を生じせしめることができる。

上述の実施形態は、本発明の様々な特徴を例示するものにすぎない。したがって、添付の請求の範囲に記載の本発明の概念から逸脱することなしに改良や変更を行うことは可能である。

本発明にしたがって構築されたマニフォールドの概略斜視図であり、内燃機関のシリンダヘッドにマニフォールドが取付けられた状態を示す。 本発明のマニフォールドが取付けられた場合と取り付けられない場合のエンジンのトルク値に対するダイナモメータのグラフのプリントアウトである。 本発明のマニフォールドが取付けられた場合と取り付けられない場合のエンジンのパワー値に対するダイナモメータのグラフのプリントアウトである。

Claims (20)

1. 多数のランナに流体を均等に分配するマニフォールドであって、
   該マニフォールドは、
   前記流体を受け入れるチャンバと、
   前記チャンバに接続するとともに前記均等に分配された流体を受け入れる前記多数のランナと、
   前記チャンバ内に取付けられるとともに前記多数のランナにそれぞれ均等に前記流体を配分する分配手段を備えることを特徴とするマニフォールド。
2. 前記多数のランナの断面の総面積が、前記チャンバと前記多数のランナとの間の境界面における前記チャンバの断面積と略等しいことを特徴とする請求項１記載のマニフォールド。
3. 前記チャンバと前記多数のランナそれぞれの間の各境界面において、前記多数のランナのそれぞれが、略等しい断面積を有することを特徴とする請求項１又は２記載のマニフォールド。
4. 前記多数のランナそれぞれが略同一の長さを備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のマニフォールド。
5. 前記多数のランナそれぞれが、前記チャンバに略同一の角度で接続することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のマニフォールド。
6. 前記マニフォールドが内燃機関に使用され、
   前記境界面は、前記内燃機関の点火順に関連付けられたインテークバルブに向けた方向で、前記多数のランナが、前記チャンバの境界面に接続することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のマニフォールド。
7. 前記分配手段が、前記チャンバに対して略同心に配されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載のマニフォールド。
8. 前記分配手段が、テーパ形状の部材であることを特徴とする請求項２乃至７いずれかに記載のマニフォールド。
9. 前記テーパ形状の部材が、大きな面積を有する端部を備え、
   該端部が、前記多数のランナそれぞれの略等しい部分と、前記境界面において重なり合うことを特徴とする請求項８記載のマニフォールド。
10. 前記分配手段が、更に移動手段を備え、
    該移動手段は、前記分配手段が前記チャンバ内で移動することを可能とすることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載のマニフォールド。
11. 前記移動手段が機械的に移動され、又は、電気的に起動され、又は、真空により作動されることを特徴とする請求項１０記載のマニフォールド。
12. 前記分配手段の外側表面が、略平滑でない表面を備えることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載のマニフォールド。
13. 前記チャンバの内部表面が略平滑でない表面を備えることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載のマニフォールド。
14. 前記平滑でない表面が、粗荒はだ鋳物表面、窪み部、溝部又は隆起部からなる表面の群から選択されることを特徴とする請求項１２又は１３記載のマニフォールド。
15. 加熱手段を更に備え、
    該加熱手段が前記分配手段に用いられることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載のマニフォールド。
16. 加熱手段を更に備え、
    該加熱手段が前記チャンバに対して用いられることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載のマニフォールド。
17. 冷却手段を更に備え、
    該冷却手段が前記分配手段に用いられることを特徴とする請求項１乃至１６いずれかに記載のマニフォールド。
18. 冷却手段を更に備え、
    該冷却手段が、前記チャンバに用いられることを特徴とする請求項１乃至１７いずれかに記載のマニフォールド。
19. 請求項１乃至１８いずれかに記載の少なくとも１つのマニフォールドを備えることを特徴とする内燃機関。
20. 多数のランナに均等に流体を分配する方法であって、
    該方法は、請求項１乃至１８いずれかに記載のマニフォールドを使用することを特徴とする方法。

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