JP2009275603A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室でタンブル流を生成する気流制御弁の加工を容易にする内燃機関の吸気装置を提供する。
【解決手段】吸気管３０は、内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する横断面形状が矩形状の吸気通路３１を形成する。弁軸１２は、吸気管３０の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁を跨ぐように設けられる。弁体１１は、弁軸１２に固定され、吸気通路３１の開口断面積を変更する。凸壁３６は、吸気管３０の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁に、かつ弁軸１２及び弁体１１の位置よりも上流側位置に、吸気通路３１側に突き出すように形成される。このため、弁体１１の端部と吸気管３０の一方または他方の内壁との隙間を、凸壁３６が吸気通路３１側に突き出す範囲内で形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する吸気管内に正回転および逆回転可能に気流制御弁を設けたもので、吸気管に形成される吸気通路中の吸入空気の流れを制御し、燃焼室にタンブル流を生成する吸気装置が知られている。
このような吸気装置では、吸気管の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁を跨ぐように回転可能な弁軸を設け、この弁軸に固定される弁体が弁軸の回転によって吸気通路の開口断面積を変更する。
この吸気管の一方または他方の内壁とこの内壁に対向する弁体の端部との隙間が大きいと、この隙間を流れる吸入空気の流量が増加することで、弁体の反弁軸側の端部とこの端部に対向する吸気管の内壁との間の流量が相対的に減少し、燃焼室で強いタンブル流を生成することが困難になる。
一方、吸気管の一方または他方の内壁とこの内壁に対向する弁体の端部との隙間が小さいと、熱膨張または熱収縮によって、吸気管の内壁とこの内壁に対向する弁体の端部とが干渉することが生じる。
このため、吸気管および気流制御弁の加工精度を高め、適切な隙間を設けている。しかし、吸気管および気流制御弁の加工精度を高めることは製造コストの増加を招く。
特許文献１では、気流制御弁の回転軸方向の端部を吸入空気の下流側に延ばし、気流制御弁の回転軸方向の端部と吸気管との隙間に形成される乱流境界層を長くすることで、隙間の流れを減少させ、気流制御弁の径方向の端部と吸気管の内壁との間の流れを確保している。しかし、内燃機関のクランク角の変位、回転数および負荷等の条件によって、吸気管内の吸入空気の流れが弱いときには、乱流境界層が形成されにくくなり、燃焼室で強いタンブル流を生成することが困難となる虞がある。

特開２００７−２３１８５１号公報

本発明の目的は、燃焼室でタンブル流を生成する気流制御弁の加工を容易にする内燃機関の吸気装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明によると、吸気管は、内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する横断面形状が矩形状の吸気通路を形成する。弁軸は、吸気管の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁を跨ぐように設けられる。弁体は、弁軸に固定され、吸気通路の開口断面積を変更する。凸壁は、吸気管の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁に、かつ弁軸及び弁体の位置よりも上流側位置に、吸気通路側に突き出すように形成される。このため、弁体の端部と吸気管の一方または他方の内壁との隙間を、凸壁が吸気通路側に突き出す範囲内で形成することができる。これにより、燃焼室にタンブル流を生成する気流制御弁の加工を容易にすることができる。

請求項２に記載の発明によると、吸気管の内壁に設けられる凸壁の一方の端部から他方の端部までが、弁体の一方の端部から他方の端部の位置よりも、吸気通路側に突き出している。このため、吸気管の吸入空気の流れは、凸壁の下流側に位置する弁体に沿って流れ、弁体の作る吸気通路の開口へ導かれる。これにより、弁体の端部と吸気管の一方または他方の内壁との隙間の流れが相対的に減少する。

請求項３に記載の発明によると、吸気管は、内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する横断面形状が矩形状の吸気通路を形成する。弁軸は、吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第１内壁と、この内壁に対向する他方の第１内壁を跨ぐように設けられる。弁体は、弁軸に固定され、吸気通路の開口断面積を変更する。吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第２内壁とこの内壁に対向する他方の第２内壁は、第１内壁よりも上流側位置で第１内壁よりも吸気通路側に突き出すように形成される。このため、弁体の端部と第１内壁との隙間を、第２内壁が吸気通路側に突き出す範囲内で形成することができる。これにより、気流制御弁の加工を容易にすることができる。

請求項４に記載の発明によると、吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第１内壁とこの内壁に対向する他方の第１内壁に、かつ前記弁軸及び前記弁体の位置よりも上流側位置に、吸気通路側に突き出すように形成される凸壁をさらに備える。凸壁における吸気通路の開口断面積は、第２内壁における吸気通路の開口断面積以上に設定される。このため、凸壁が吸気抵抗となることを防止し、内燃機関全負荷時の出力を確保することができる。

請求項５に記載の発明によると、吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第３内壁とこの内壁に対向する他方の第３内壁は、第１内壁よりも下流側位置で第１内壁よりも吸気通路側に突き出すように形成される。第３内壁の吸気通路の開口断面積は、第２内壁の吸気通路の開口断面積以上に設定される。このため、第３内壁が吸気抵抗となることを防止し、内燃機関全負荷時の出力を確保することができる。

請求項６に記載の発明によると、第３内壁は、吸気ポートと吸気バルブとの開口におけるシリンダの軸中心近傍へ吸入空気を案内するよう傾斜している。このため、燃焼室に強いタンブル流を生成することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による内燃機関の吸気装置を図１〜図８に示す。第１実施形態は、請求項１〜請求項６に対応する。まず、内燃機関１の全体構成を図２に基づき説明する。内燃機関１は、エンジン本体２、吸気装置３、排ガス装置４、高圧排ガス再循環装置（高圧ＥＧＲ装置）５、低圧排ガス再循環装置（低圧ＥＧＲ装置）６および電子制御装置（ＥＣＵ）７等を備える。
エンジン本体２は、シリンダ２１およびピストン２２を有する。シリンダ２１とピストン２２との間には燃焼室２３が形成される。

吸気装置３は、吸気通路３１を形成する吸気管３０を有する。吸気装置３は、吸気管３０の吸入口３２から吸気通路３１を通してエンジン本体２の燃焼室２３へ吸入空気を導入する。吸気管３０は、吸気ポートおよびインテークマニホールドを含んで構成される。吸気装置３には、過給機７０、インタークーラ７１、スロットル７２、サージタンク７３、気流制御弁１０および燃料噴射装置（インジェクタ）７４等が設けられる。
排ガス装置４は、排ガス通路４１を形成する排ガス管４０を有する。排ガス装置４は、エンジン本体２から排出される排ガスを排ガス通路４１を通して排ガス管４０の排出口４２へ導く。排ガス装置４には、過給機７０および排ガス浄化部４３等が設けられる。

高圧ＥＧＲ装置５は、高圧ＥＧＲ通路５１を形成する高圧ＥＧＲ通路部材５０と、高圧ＥＧＲ弁５２とを有する。高圧ＥＧＲ通路部材５０は過給機７０の上流側の排ガス管４０とスロットル７２の下流側の吸気管３０とを接続し、排ガス通路４１と吸気通路３１とを高圧ＥＧＲ通路５１が連通する。高圧ＥＧＲ弁５２は、高圧ＥＧＲ通路５１を開閉し、排ガス通路４１から吸気通路３１へ還流する高圧ＥＧＲガスの流量を制御する。

低圧ＥＧＲ装置６は、低圧ＥＧＲ通路６１を形成する低圧ＥＧＲ通路部材６０と、低圧ＥＧＲ弁６２とを有する。低圧ＥＧＲ通路部材６０は排ガス浄化部４３の下流側の排ガス管４０と過給機７０の上流側の吸気管３０とを接続し、排ガス通路４１と吸気通路３１とを低圧ＥＧＲ通路６１が連通する。低圧ＥＧＲ弁６２は、低圧ＥＧＲ通路６１を開閉し、排ガス通路４１から吸気通路３１へ還流する低圧ＥＧＲガスの流量を制御する。
ＥＣＵ７は、図示しないアクセルセンサ、吸気圧センサ、速度センサ、エンジン回転数センサ、冷却水水温センサ等から出力される情報に基づき車両の運転状態を検出し、車両の各部を制御する。

以下、本実施形態による吸気装置３について、図１〜図４に基づき詳細に説明する。
吸気装置３は、吸気管３０と、この吸気管３０内で気流制御弁１０とを備える。気流制御弁１０は、吸気管３０の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁を跨ぐように設けられる弁軸１２と、弁軸１２に固定される弁体１１とを含んで構成される。
吸気管３０は、横断面形状が矩形状の吸気通路３１を内部に形成する。吸気管３０は図１、図３および図４の左側でエンジン本体２と接続し、吸気通路３１は燃焼室２３と連通する。吸気通路３１を通り燃焼室２３へ導入される吸入空気は、吸気通路３１の右側から左側へ流れる。以下、図１、図３および図４の右側を吸入空気の上流側、左側を下流側と称する。なお、図１では、吸気管３０の図１における上側の壁面は、説明の便宜上省略してある。

吸気通路３１の横断面矩形の一辺を構成する内壁と、この内壁に対向する他方の内壁は、図１の上流側から第２内壁３３、第１内壁３２および第３内壁３９を含んで構成される。
第２内壁３３は、第１内壁３２よりも吸気通路３１側に突き出すように形成される。第１内壁３２は、第２内壁３３に対し、弁軸１２の延びる方向へ吸気通路３１が拡がるように形成される。
第１内壁３２には、凸壁３６が設けられる。凸壁３６は、弁軸１２の上流側で吸気通路３１側へ突き出すように形成される。凸壁３６の下流側には弁軸１２と平行な段差３８が形成され、凸壁３６の上流側には吸気通路３１が弁軸１２の延びる方向へ拡がるように形成される凹壁３７が形成される。
凸壁３６の一方の端部から他方の端部までの距離Ｓは、第２内壁３３における一方の端部から他方の端部までの距離Ｔ以上に設定される。このため、凸壁３６における吸気通路３１の開口断面積は、第２内壁３３における吸気通路３１の開口断面積以上となる。

吸気管３０の一方の第１内壁３２と他方の第１内壁とを跨ぐように弁軸１２が設けられる。弁軸１２に固定される弁体１１は、弁軸１２と一体で揺動する。第１内壁３２の段差３８より下流側は、弁体１１の揺動する範囲で形成されており、このため、弁体１１は吸気通路３１の開口断面積を変化させ、吸入空気を第１内壁３２の反弁軸１２側の図示しない壁面側へ導くことができる。

第３内壁３９は、第１内壁３２の下流側で吸気通路側へ徐々に突き出るように形成される。
第１内壁３２の一方の端部から他方の端部までの距離Ｕは、凸壁３６の一方の端部から他方の端部までの距離Ｓ以上に設定される。第３内壁３９の一方の端部から他方の端部までの距離Ｖは、第２内壁３３の一方の端部から他方の端部までの距離Ｔ以上に設定される。このため、第３内壁３９における吸気通路３１の開口断面積は、第２内壁３３における吸気通路３１の開口断面積以上となる。

第１内壁３２とこれに対応する弁体１１の端部１３との間の隙間の距離をＬ１とし、段差３８の弁軸１２が延びる方向の距離をＬ２とすると、Ｌ１はＬ２以下である。弁体１１の端部１３と第１内壁３２との隙間を、段差３８の大きさの範囲内で形成することができる。

次に、本実施形態による内燃機関の吸気装置３における吸入空気の流れついて、図５〜図９に基づき説明する。
ＥＣＵが内燃機関の回転数、負荷等により気流制御弁１０の最適な回転角度を判断し、駆動モータに制御信号を伝送すると、駆動モータはこの制御信号に基づき気流制御弁１０を回転駆動する。
図６に示すように、弁体１１と吸気管３０の壁面３５との間に開口が形成されると、吸気通路３１の吸入空気の流れａは、この開口を通過して壁面３５側の流速の速い流れｄとなる。さらに、図５に示すように、凹壁３７の近傍の流れｂは、凸壁３６から壁面３５側かつ管軸Ｏ側へ導かれる。このため、端部１３と第１内壁３２との隙間の流れが相対的に減少する。第１内壁３２の近傍の流れｃは、第３内壁３９の上流側の傾斜３４に案内され、壁面３５側かつ管軸Ｏ側へ導かれる。このため、吸入空気の流れｂおよび流れｃは、図７に示すように、流速の速い流れｄと共に吸気ポート２５と吸気バルブ２６との開口においてシリンダ２１の軸中心近傍から燃焼室２３へ流入する。燃焼室２３へ流入した流れｄは、シリンダ２１およびピストン２２の壁面に沿って燃焼室２３内で強いタンブル流ｅを生成する。

図９に示すように、例えば、吸気管３０の管軸付近の流れｄの他に吸気管３０の壁面近傍の流れｆがあるとき、流れｆは燃焼室２３内でタンブル流ｅの生成を阻害する流れｇとなる。図９では、流れｇがタンブル流ｅの生成を阻害する位置を阻害位置ｈとして模式的に表している。
これに対し、本実施形態では、図８に示すように、吸気管３０の管軸付近の流れｄが、吸気ポート２５と吸気バルブ２６との開口においてシリンダ２１の軸中心近傍へ流入するので阻害要因となる流れが抑制され、燃焼室２３内で強いタンブル流ｅを生成することができる。

本実施形態では、弁体１１の端部１３と第１内壁３２との間の距離Ｌ１を、段差３８における弁軸１２の延びる方向の距離Ｌ２以下とすることで、端部１３と第１内壁３２との隙間の流れを相対的に減少させる。このため、気流制御弁１０の加工精度を高めることなしに容易に形成することができる。
また、本実施形態では、凸壁３６の一方の端部から他方の端部までの距離Ｓおよび第３内壁３９の一方の端部から他方の端部までの距離Ｖを、いずれも第２内壁３３の一方の端部から他方の端部までの距離Ｔ以上としている。このため、凸壁３６および第３内壁３９が、吸気管３０の吸気抵抗となることを抑制し、内燃機関全負荷時の出力を確保することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による内燃機関の吸気装置を図１０および図１１に示す。第２実施形態は、請求項１および請求項２に対応する。第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態では、吸気管３０の一方の内壁３２１と他方の内壁３２１とを跨ぐように弁軸１２が設けられる。弁軸１２に固定される弁体１１は、弁軸１２と一体で揺動する。
内壁３２１には、凸壁３６が設けられる。凸壁３６は、弁軸１２の上流側で吸気通路３１側へ突き出すように形成される。凸壁３６の下流側には弁軸１２と平行な段差３８が形成される。凸壁３６の上流側には内壁３３１が形成される。

第１内壁３２とこれに対応する弁体１１の端部１３との間の隙間の距離をＬ１とし、段差３８の弁軸１２が延びる方向の距離をＬ２とすると、Ｌ１はＬ２以下である。弁体１１の端部１３と内壁３２１との隙間を、段差３８の範囲内で形成することができる。

本実施形態では、凸壁３６の近傍の流れは、管軸Ｏ側へ案内され、端部１３と内壁３２１との隙間の流れが相対的に減少する。
また、凸壁３６の近傍の流れは、吸気管３０の管軸Ｏ側へ案内され、流速の速い気流と共に吸気ポートと吸気バルブとの開口にけるシリンダの軸中心近傍から燃焼室へ流入する。このため、燃焼室内で強いタンブル流が生成される。
さらに、弁体１１の端部１３と内壁３２１との間の距離Ｌ１を、Ｌ２以下で設定することで、気流制御弁１０の加工精度を高めることなしに容易に形成することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による内燃機関の吸気装置を図１２に示す。第３実施形態は請求項４に対応する。第１および第２実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第３実施形態では、吸気通路３１の横断面矩形の一辺を構成する内壁と、この内壁に対向する他方の内壁は、図１２の上流側から第２内壁３３、第１内壁３２および第３内壁３９を含んで構成される。

第２内壁３３は、第１内壁３２よりも吸気通路３１側に突き出すように形成される。第１内壁３２は、第２内壁３３に対し、弁軸１２の延びる方向へ吸気通路３１が拡がるように形成される。第１内壁３２における吸気通路３１の開口断面積は、第２内壁３３における吸気通路３１の開口断面積以上となる。
吸気管３０の一方の第１内壁３２と他方の第１内壁３２とを跨ぐように弁軸１２が設けられる。弁軸１２に固定される弁体１１は、弁軸１２と一体で揺動する。
第１内壁３２とこれに対応する弁体１１の端部１３との間の隙間の距離をＬ１とし、第１内壁３２の一方の端部と第２内壁３３の一方の端部との間の垂直距離をＬ２とすると、Ｌ１はＬ２以下である。このため、第２内壁３３を流れる吸入空気の流れは、弁体１１に沿って弁体１１の反弁軸１２側の端部１４へ導かれ、端部１３と第１内壁３２との隙間の流れが相対的に減少する。

第３内壁３９は、第１内壁３２の下流側で吸気通路３１側へ徐々に突き出るように形成される。第３内壁３９における一方の端部から他方の端部までの距離Ｖは、第２内壁３３の一方の端部から他方の端部までの距離Ｔ以上に設定される。このため、第３内壁３９における吸気通路３１の開口断面積は、第２内壁３３における開口断面積以上となる。
第１内壁３２の近傍の流れは、第３内壁３９の上流側の傾斜３４に案内され、管軸Ｏ側へ導かれる。この流れは、気流制御弁１０によって形成された流速の速い気流と共に吸気ポートと吸気バルブとの開口におけるシリンダの軸中心近傍へ流入する。このため、阻害要因となる流れが抑制され、燃焼室内で強いタンブル流を生成することができる。

本実施形態においても、弁体１１の端部１３と第１内壁３２との間の隙間の距離Ｌ１を、第１内壁３２の一方の端部と第２内壁の一方の端部との垂直距離Ｌ２以下とすることで、気流制御弁１０の加工精度を高めることなく容易に形成することができる。
さらに、第３内壁３９における一方の端部から他方の端部までの距離Ｖを、第２内壁３３の一方の端部から他方の端部までの距離Ｔ以上としているので、第３内壁３９が、吸気管３０の吸気抵抗となることを抑制し、内燃機関全負荷時の出力を確保することができる。

（他の実施形態）
上述した第１〜第３実施形態では、吸気管３０の形成する吸気通路３１の横断面が略矩形状の吸気装置について説明した。これに対し、吸気通路を略円形とする吸気装置に本発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態において、低圧ＥＧＲ装置６および過給機７０、インタークーラ７１等がない内燃機関であってもよい。
以上説明したように、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の第１実施形態による内燃機関の吸気装置を示す模式図。 本発明の第１実施形態による内燃機関の全体構成図。 図１のＩＩ方向の平面図。 図３のＩＶ部分の拡大図。 本発明の第１実施形態による内燃機関の吸気装置の吸入空気の流れを示す模式図。 本発明の第１実施形態による内燃機関の吸気装置の吸入空気の流れを示す模式図。 本発明の第１実施形態による内燃機関の吸入空気の流れを示す模式図。 本発明の第１実施形態による内燃機関の吸入空気の流れを示す模式図。 内燃機関の吸気装置の吸入空気の流れを示す比較図。 本発明の第２実施形態による内燃機関の吸気装置の平面図。 図１０のＸＩ部分の拡大図。 本発明の第３実施形態による内燃機関の吸気装置の平面図。

符号の説明

１：内燃機関、２：エンジン本体、３：吸気装置、１０：気流制御弁、１１：弁体、１２：弁軸、１３：端部、３０：吸気管、３１：吸気通路、３２第１内壁、３３：第２内壁、３６：凸壁、３９：第３内壁

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する横断面形状が矩形状の吸気通路を形成する吸気管と、
   この吸気管の一方の内壁とこの内壁に対向する他方の内壁を跨ぐように設けられる回転可能な弁軸と、
   前記弁軸に固定され、前記吸気通路の開口断面積を変更する弁体と、
   前記吸気管の前記一方の内壁とこの内壁に対向する前記他方の内壁に、かつ前記弁軸及び前記弁体の位置よりも上流側位置に、吸気通路側に突き出すように形成される凸壁と、を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記吸気管の内壁に設けられる前記凸壁の一方の端部から他方の端部までが、前記弁体の一方の端部から他方の端部の位置よりも、吸気通路側に突き出していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気装置。
3. 内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する横断面形状が矩形状の吸気通路を形成する吸気管と、
   前記吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第１内壁とこの内壁に対向する他方の第１内壁を跨ぐように設けられる回転可能な弁軸と、
   前記弁軸に固定され、前記吸気通路の開口断面積を変更する弁体と、
   前記吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第２内壁とこの内壁に対向する他方の第２内壁であって、前記第１内壁よりも上流側位置で前記第１内壁よりも吸気通路側に突き出すように形成される第２内壁と、を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
4. 前記吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する前記一方の第１内壁とこの内壁に対向する前記他方の第１内壁に、かつ前記弁軸及び前記弁体の位置よりも上流側位置に、吸気通路側に突き出すように形成される凸壁を備え、
   前記凸壁における吸気通路の開口断面積は、第２内壁における吸気通路の開口断面積以上に設定されることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記吸気通路の横断面矩形の一辺を構成する一方の第３内壁とこの内壁に対向する他方の第３内壁であって、前記第１内壁よりも下流側位置で前記第１内壁よりも吸気通路側に突き出すように形成される第３内壁と、を備え、
   前記第３内壁の吸気通路の開口断面積は、前記第２内壁の吸気通路の開口断面積以上に設定されることを特徴とする請求項３または４記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記第３内壁の上流側は、吸気ポートと吸気バルブとの開口におけるシリンダの軸中心近傍へ吸入空気を案内するよう傾斜していることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の吸気装置。

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