JP2010090748A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 バタフライバルブのバルブ本体3の断面形状を、エンジンの各気筒毎の燃焼室に供給される吸入空気の流れに対する抵抗の少ない流線形状としている。そして、バルブ本体3のバルブディスク5、6の表裏両側面に、軸方向部4から外周端縁に向かって軸方向部4の軸線方向に対して直交する方向に延びる複数の第1、第2スリット31、32を形成し、第1スリット31の位置を、第2スリット32の位置よりも軸方向部4の軸線方向の片側寄りにオフセット配置している。これにより、合成樹脂製のバルブ本体3の内部の内接円直径が小さくなるので、シャフト2近傍の樹脂肉厚が薄くなり、厚肉によって発生するボイドを低減することができる。
【選択図】 図6
Description
従来より、内燃機関の吸気装置として、内燃機関の燃焼室に供給する吸入空気の流量(吸入空気量)を調整するスロットル装置(例えば、特許文献1参照)が提案されている。そして、内燃機関のスロットル装置に用いられるスロットルバルブは、図8ないし図11に示したように、合成樹脂製のバルブ本体101の軸方向部に金属製のシャフト102をインサート成形した円板状のバタフライ型樹脂モールドバルブ(バタフライバルブ)が使用されている。
ところが、特許文献1に記載の合成樹脂製のバタフライバルブ(従来例1及び2)においては、バルブ本体101の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚が厚くなり、バルブ本体101の軸方向部の内部、つまりシャフト近傍の樹脂内部にボイドが発生し易くなる。
そのため、バタフライバルブを射出成形する樹脂成形型のゲートとキャビティとの容積差等によりキャビティ内に射出充填された溶融樹脂に対して保圧が十分にかからないので、バルブ本体101の成形収縮が安定せず、バルブ本体101の寸法精度が悪化する。また、合成樹脂製のバルブ本体101と金属製のシャフト102との線膨張係数の差による耐冷熱性の低下を招き、シャフト102に対するバルブ本体101の剥離、あるいはバルブ本体101とシャフト102との界面近傍が樹脂割れの基点になり易く、品質の低下を招くという問題がある。
それらは、円板状のバタフライバルブ(バルブ本体101)の直径が大きくなる程、影響は顕著に現れると考えられる。
これによって、ダクト内においてバタフライバルブを全開したときに、バルブ本体の表裏両側面における空気の流れが空気流路に対して平行となり、バタフライバルブの軸方向部によって空気に乱れが生じることはない。この結果、バタフライバルブを全開したときの圧力損失を低減することができるので、バタフライバルブを全開したときの空気流量、つまり全開流量を増加させることができる。
これによって、バルブ本体の表側面に形成されるスリット位置とバルブ本体の裏側面に形成されるスリット位置とを対向配置させた場合に比べて、樹脂製のバルブ本体の内部、つまり樹脂内部の内接円直径が小さくなり、樹脂製のバルブ本体の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚が薄くなり、厚肉によって発生するボイドを低減することができる。この結果、バルブ本体の断面形状として、内燃機関の燃焼室に供給する空気の流れに対する抵抗の少ない流線形状を維持しながらも、樹脂製のバルブ本体の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚を低減することにより、全開流量性能を損なうことなく、樹脂製のバルブ本体の強度の確保および品質の向上を図ることができる。
請求項3に記載の発明によれば、バタフライバルブは、バルブ本体の軸方向部にシャフトを被覆する樹脂モールドバルブである。
請求項5に記載の発明によれば、バルブ本体の表側面の第1テーパ面に、軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第1スリットを形成し、且つバルブ本体の裏側面の第2テーパ面に、軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第2スリットを形成している。これによって、バルブ本体の断面形状として、内燃機関の燃焼室に供給する空気の流れに対する抵抗の少ない流線形状を維持しながらも、樹脂製のバルブ本体の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚を低減することにより、全開流量性能を損なうことなく、樹脂製のバルブ本体の強度の確保および成形性と品質の向上を図ることができる。
そして、複数の第1スリットのうちの少なくとも1つの第1スリットのスリット幅は、複数の第1テーパ面のうちの少なくとも1つの第1テーパ面の面幅よりも狭く、且つ複数の第2スリットのうちの少なくとも1つの第2スリットのスリット幅は、複数の第2テーパ面のうちの少なくとも1つの第2テーパ面の面幅よりも狭い。
これによって、第1スリットのスリット幅が第1テーパ面の面幅以上に広く、且つ第2スリットのスリット幅が第2テーパ面の面幅以上に広いタイプのものと比べて、樹脂製のバルブ本体の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚の減少の効果が大きいので、ボイドの発生量をより低減することができる。
これによって、a≦bの関係に設定されたものと比べて、樹脂製のバルブ本体の軸方向部の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚の減少の効果が大きいので、ボイドの発生量をより低減することができる。
図1ないし図7は本発明の実施例1を示したもので、図1および図2は内燃機関の電子スロットル装置を示した図で、図3および図4は合成樹脂製のバタフライバルブを示した図である。
シリンダブロックの内部に形成されるシリンダボア内には、連接棒を介してクランクシャフトに連結されたピストンがその摺動方向に摺動自在に支持されている。
エアクリーナホースは、エアクリーナとスロットルボディとを接続するインテークパイプである。また、エアクリーナホースは、柔軟性を有するゴム系弾性体(または柔軟性を有する合成樹脂等の樹脂材料)によって形成されている。このエアクリーナホースは、スロットルボディの吸気流方向における上端部に気密的に結合されている。
また、電子スロットル装置は、スロットルボディおよびバタフライバルブの他に、バタフライバルブを閉弁作動方向(バルブ全閉方向に戻す方向)に付勢するリターンスプリングを備えている。なお、本実施例では、リターンスプリングとしてコイルスプリングが使用されている。
なお、本実施例では、エアクリーナで濾過された吸入空気が、スロットルボディの円筒部1の図示上端部で開口した入口部からスロットルボア11内に流入し、スロットルボディの円筒部1の図示下端部で開口した出口部に接続されるサージタンク、更にインテークマニホールドを経てエンジンの各気筒の吸気ポートおよび燃焼室内に吸入されるように構成されている。
また、円筒部1の回転軸方向の端部(図1において図示右側端部)には、スロットル開度を検出するスロットル開度センサを保持固定するセンサカバー12が装着されている。また、スロットルボディまたは円筒部1の外壁部には、内部にモータを収容するモータハウジング13が一体的に形成されている。
第1シャフト軸受け部14のシャフト収容孔の内周(収容孔壁面)には、シャフト2の回転軸方向の一端部(第1突出部21)を軸支する第1ベアリング(滑り軸受け)16が嵌合保持されている。つまり第1シャフト軸受け部14は、第1ベアリング16を介して、シャフト2の回転軸方向の一端部(第1突出部21)を回転方向に摺動自在に支持している。また、第2シャフト軸受け部15のシャフト収容孔の内周(収容孔壁面)には、シャフト2の回転軸方向の他端部(第2突出部22)を軸支する第2ベアリング(滑り軸受け)17が嵌合保持されている。つまり第2シャフト軸受け部15は、第2ベアリング17を介して、シャフト2の回転軸方向の他端部(第2突出部22)を回転方向に摺動自在に支持している。
ここで、第1ベアリング16として滑り軸受けが使用され、また、第2ベアリング17として滑り軸受け(またはころがり軸受け、ボールベアリング)が使用されている。
そして、バタフライバルブは、スロットルボディの円筒部1に設けられるシャフト軸受け部14、15に回転自在に支持される金属製のシャフト2、およびこのシャフト2に支持される円板状のバルブ本体3を有している。
また、バタフライバルブは、全閉位置に設定されると、バルブ本体3の表裏両側面が、スロットルボディの円筒部1の流路方向(スロットルボア11の軸線方向)に垂直な垂線に対して開弁作動方向に所定の回転角度だけ若干傾くように配置される。
ここで、本実施例のバタフライバルブは、金属により成形される円柱状のシャフト2を、その回転軸方向の両端部を突出した状態でインサート成形した樹脂モールドバルブである。
なお、バタフライバルブ、特にシャフト2およびバルブ本体3の詳細は、後述する。
ここで、例えばロータのコイルに電力の供給を受けると、バタフライバルブのシャフト2を駆動する駆動力を発生するモータは、ECUによって通電制御(駆動)されるように構成されている。このECUには、制御処理や演算処理を行うCPU、制御プログラムまたは制御ロジックや各種データを保存する記憶装置(ROMやRAM等のメモリ)、入力回路(入力部)、出力回路(出力部)、電源回路、タイマー等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが設けられている。
また、ECUは、イグニッションスイッチがオフ(IG・OFF)されると、マイクロコンピュータのメモリ内に格納された制御プログラムまたは制御ロジックに基づく上記のスロットル開度制御、点火制御や燃料噴射制御等を含むエンジン制御が強制的に終了されるように構成されている。
これらのクランク角度センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、冷却水温センサ、吸気温センサ、エアフローメータおよび吸気圧センサ等によって、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段が構成される。また、スロットル開度センサは、スロットル開度を検出する非接触式の回転角度検出装置であって、最終減速ギヤの内周側に固着された分割型の永久磁石(マグネット)、このマグネットによって磁化される分割型のヨーク、およびセンサカバー12のセンサ搭載部に保持固定された非接触式の磁気検出素子等によって構成されている。なお、非接触式の磁気検出素子としては、ホール素子、ホールICまたは磁気抵抗素子等のいずれかを使用する。
ここで、ECUは、アクセル開度センサより出力されるアクセル開度信号とスロットル開度センサより出力されるスロットル開度信号との偏差がなくなるようにモータのコイルへの供給電力をフィードバック制御している。
バタフライバルブは、バルブ本体3の断面形状、つまり軸方向部4の軸線方向に対して直交する方向に垂直な断面が、軸方向部4から外周端に向かって徐々に肉厚が減少する菱形等の流線形状に形成されている。
シャフト2は、例えば真鍮、ステンレス鋼(または銅系金属を含有したアルミニウム合金またはマグネシウム合金)等の金属によって円柱形状(丸棒状)に一体的に形成されている。このシャフト2は、その回転軸方向に真っ直ぐに延びている。
そして、シャフト2は、バルブ本体3の回転軸方向の一端部(第1円筒部)18の円環状端面より外方に突出する第1突出部21、バルブ本体3の回転軸方向の他端部(第2円筒部)19の円環状端面より外方に突出する第2突出部22、および2つの第1、第2突出部21、22間に設けられて、バルブ本体3を一体的に結合するバルブ保持部を有している。2つの第1、第2突出部21、22のうちの一方の突出部(例えば第2突出部22)は、モータの出力軸に動力伝達機構を介して駆動連結されている。
第2突出部22は、バタフライバルブのシャフト2の回転軸方向の他端側に設けられる第2シャフト軸受け部15のシャフト収容孔内に挿入されている。この第2突出部22の外周面の一部または全体は、第2ベアリング17の第2摺動孔の内周に対して回転自在に摺動する第2摺動面として機能する。
ここで、バルブ本体3は、スロットルボディの円筒部1の流路方向の中心軸線とシャフト2の中心軸線との交点を中心にして半径方向の外径側に放射状に延びる円板状部を有している。なお、スロットルボディの円筒部1の流路方向とは、電子スロットル装置を自動車に搭載した時の天地方向(自動車の上下方向、重力方向における上下方向)のことで、しかもスロットルボア11の軸線方向(図2において図示上下方向)のことである。
バルブ本体3の軸方向部4の回転軸方向の両端には、軸方向部4の外径よりも大きい最大外径部(フランジ部)23、24が設けられている。軸方向部4と最大外径部23、24との間は、所定の傾斜角度の傾斜面(テーパ面)または円錐面となっている。
バルブ本体3の軸方向部4の回転軸方向の一端面、つまり最大外径部23の端面からは、軸方向部4および最大外径部23よりも小径の第1円筒部(最小外径部)18が突出している。また、バルブ本体3の軸方向部4の回転軸方向の他端面、つまり最大外径部24の端面からは、軸方向部4および最大外径部24よりも小径の第2円筒部(最小外径部)19が突出している。
なお、本実施例では、バタフライバルブの全閉時に、図1に示したように、バルブディスク5よりもバルブディスク6の方が重力方向における下方側に配置される。また、バタフライバルブは、図2に示されるバルブ本体3の面をバルブ本体3の表側面とすると、この反対側がバルブ本体3の裏側面となる。また、本実施例では、バタフライバルブの全開時に、図2に示したように、バルブディスク5よりもバルブディスク6の方が吸気流方向(流路方向)における下流側に配置される。
ここで、バルブ本体3のバルブディスク5、6の表裏両側面には、軸方向部4から外周端に向かって軸方向部4の軸線方向に対して直交する方向に下り傾斜した第1、第2テーパ面がそれぞれ形成されている。
そして、バルブ本体3のバルブディスク5の外周端は、バルブディスク5の外周に沿って緩く傾斜する外周端縁25が所定の幅(中央側の幅よりも軸受け側の幅が広い)で形成されている。また、バルブ本体3のバルブディスク6の外周端は、バルブディスク6の外周に沿って緩く傾斜する外周端縁26が所定の幅(外周端縁25よりも中央側の幅が狭く、外周端縁25よりも軸受け側の幅が狭く、中央側の幅よりも軸受け側の幅が広い)で形成されている。
バルブ本体3のバルブディスク5、6の裏側面に形成される第2テーパ面には、軸方向部4から外周端縁25、26に向かって軸方向部4の軸線方向に対して直交する方向(垂直方向)に延びる複数の第2スリット32が形成されている。
そして、バルブ本体3の表側面に形成される第1テーパ面は、複数の第1スリット31により互いに区画されて、軸方向部4の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第1整流テーパ面(または第1突条リブまたは第1整流リブ)41等によって構成されている。また、バルブ本体3の裏側面に形成される第2テーパ面は、複数の第2スリット32により互いに区画されて、軸方向部4の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第2整流テーパ面(または第2突条リブまたは第2整流リブ)42等によって構成されている。
ここで、本実施例のバタフライバルブは、第1スリット31の位置を、第2スリット32の位置よりも軸方向部4の軸線方向の一方側(片側:図5および図6において図示右側)寄りにオフセット配置している。すなわち、第1スリット31のスリット幅方向の中心線は、第2スリット32のスリット幅方向の中心線に対して軸方向部4の軸線方向の片側(図5および図6において図示右側)寄りにオフセット配置されている。
また、第1、第2スリット31、32のスリット幅(d)は、第1、第2整流テーパ面41、42の面幅をcとした場合、c>dの関係を満足するように設定(設計)されている。すなわち、複数の第1スリット31の各スリット幅(d)は、複数の第1整流テーパ面41の各テーパ面幅(c)よりも幅狭である。また、複数の第2スリット32の各スリット幅(d)は、複数の第2整流テーパ面42の各テーパ面幅(c)よりも幅狭である。なお、c≦dの関係に設定されたものと比べて、合成樹脂製のバルブ本体3の軸方向部4の肉厚、つまりシャフト近傍の樹脂肉厚の減少の効果が大きいので、バルブ本体3の肉厚部(合成樹脂内部)におけるボイドの発生量をより低減することができる。
次に、本実施例の内燃機関の吸気装置(電子スロットル装置)の作用を図1ないし図7に基づいて簡単に説明する。
ここで、運転者がアクセルペダルを踏み込むと、アクセル開度センサより出力されたアクセル開度信号がECUに入力される。そして、ECUによってバタフライバルブが所定のスロットル開度(回転角度)となるようにモータへの電力の供給が成されて、モータの出力軸が回転する。これにより、モータの出力軸に駆動連結されたシャフト2が、リターンスプリングの付勢力に抗してアクセルペダルの踏み込み量(アクセル操作量)に対応した回転角度分だけ回転する。
そして、エンジンの特定気筒が排気行程から、吸気バルブが開弁し、ピストンが下降する吸気行程に移行すると、ピストンの下降に従って当該気筒の燃焼室内の負圧(大気圧よりも低い圧力)が大きくなり、開弁している吸気ポートから混合気が吸い込まれる。このとき、吸気ダクトの途中、つまりスロットルボディのスロットルボア11が所定のバルブ角度(電子スロットル装置のスロットル開度)だけ開かれるので、エンジン回転速度がアクセルペダルの踏み込み量(アクセル操作量)に対応した速度に変更される。
以上のように、本実施例の内燃機関の電子スロットル装置のスロットルバルブとして使用されるバタフライバルブは、スロットルボディの円筒部1に設けられる第1、第2シャフト軸受け部14、15に回転自在に支持される金属製のシャフト2、およびこのシャフト2に支持される合成樹脂製のバルブ本体3によって構成されている。このバタフライバルブは、合成樹脂製のバルブ本体3の軸方向部4の中心部に金属製のシャフト2をインサート成形(被覆)した樹脂モールドバルブである。
これによって、スロットルボディの円筒部1内において、バタフライバルブを全開したときに、バルブ本体3の表裏両側面における吸入空気の流れがスロットルボア11に対して平行となり、バタフライバルブのバルブ本体3の軸方向部4によって吸入空気に乱れが生じることはない。この結果、バタフライバルブを全開したときの圧力損失を低減することができるので、バタフライバルブを全開したときの空気流量、つまり全開流量を増加させることができる。
本実施例では、本発明のバルブを、内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される吸入空気量を制御するバタフライバルブに適用しているが、内燃機関(エンジン)の燃焼室において混合気の燃焼を促進させるための吸気渦流を発生させる吸気流制御バルブに適用しても良い。また、本発明のバルブを、内燃機関(エンジン)の吸気通路を開閉する吸気通路開閉装置の弁体に適用しても良い。
本実施例では、バタフライバルブのシャフト2を駆動するアクチュエータを、モータおよび動力伝達機構を備えた電動式アクチュエータによって構成しているが、バルブのシャフトを駆動するアクチュエータを、電磁式または電動式負圧制御弁を備えた負圧作動式アクチュエータによって構成しても良い。
また、エンジンとして、ディーゼルエンジンを用いても良い。また、エンジンとして、多気筒エンジンだけでなく、単気筒エンジンを用いても良い。
本実施例では、エアクリーナケースとスロットルボディとの間にエアクリーナホース(エアホース)を接続しているが、エアクリーナケースとスロットルボディとの間にインテークダクトを接続しても良い。
2 バタフライバルブ(樹脂モールドバルブ)のシャフト
3 バタフライバルブ(樹脂モールドバルブ)のバルブ本体
4 バルブ本体の軸方向部(樹脂モールド)
5 バルブ本体のバルブディスク(半円板状部、プレートバルブ)
6 バルブ本体のバルブディスク(半円板状部、プレートバルブ)
11 スロットルボア(空気流路、吸気通路)
21 シャフトの第1突出部
22 シャフトの第2突出部
25 バルブ本体のバルブディスクの外周端縁
26 バルブ本体のバルブディスクの外周端縁
31 バルブ本体のバルブディスクの第1スリット
32 バルブ本体のバルブディスクの第2スリット
41 バルブ本体のバルブディスクの第1整流テーパ面
42 バルブ本体のバルブディスクの第2整流テーパ面
Claims (7)
- (a)内燃機関の燃焼室に連通する空気流路を形成するダクトと、
(b)このダクトの内部に収容されて、前記空気流路を開閉するバタフライバルブと
を備えた内燃機関の吸気装置において、
前記バタフライバルブは、前記ダクトに回転自在に支持される金属製のシャフト、およびこのシャフトに支持される樹脂製のバルブ本体を有し、
前記バルブ本体は、その回転軸方向に延びる軸方向部を有し、この軸方向部の軸線方向に対して直交する方向に垂直な断面が流線形状に形成されており、
前記バルブ本体の表側面には、前記軸方向部から外周端に向かって前記軸方向部の軸線方向に対して直交する方向に延びる第1スリットが形成されており、
前記バルブ本体の裏側面には、前記軸方向部から外周端に向かって前記軸方向部の軸線方向に対して直交する方向に延びる第2スリットが形成されており、
前記第1スリットの位置は、前記第2スリットの位置に対してオフセットされていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の吸気装置において、
前記第1スリットのスリット幅方向の中心線は、前記第2スリットのスリット幅方向の中心線に対してオフセットされていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項1または請求項2に記載の内燃機関の吸気装置において、
前記バタフライバルブは、前記軸方向部に前記シャフトを被覆する樹脂モールドバルブであることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の内燃機関の吸気装置において、 前記バルブ本体の表側面には、前記軸方向部から外周端に向かって下り傾斜した第1テーパ面が形成されており、
前記バルブ本体の裏側面には、前記軸方向部から外周端に向かって下り傾斜した第2テーパ面が形成されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項4に記載の内燃機関の吸気装置において、
前記第1スリットは、前記軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第1スリットよりなり、
前記第2スリットは、前記軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第2スリットよりなり、
前記第1テーパ面には、前記複数の第1スリットが形成されており、
前記第2テーパ面には、前記複数の第2スリットが形成されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項5に記載の内燃機関の吸気装置において、
前記第1テーパ面は、前記複数の第1スリットにより互いに区画されて、前記軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第1テーパ面よりなり、
前記第2テーパ面は、前記複数の第2スリットにより互いに区画されて、前記軸方向部の軸線方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の第2テーパ面よりなり、
前記複数の第1スリットのうちの少なくとも1つの第1スリットのスリット幅は、前記複数の第1テーパ面のうちの少なくとも1つの第1テーパ面の面幅よりも狭く、
前記複数の第2スリットのうちの少なくとも1つの第2スリットのスリット幅は、前記複数の第2テーパ面のうちの少なくとも1つの第2テーパ面の面幅よりも狭いことを特徴とする内燃機関の吸気装置。 - 請求項4ないし請求項6のうちのいずれか1つに記載の内燃機関の吸気装置において、 前記第1テーパ面と前記第2テーパ面との間の距離をa、
前記第1スリットのスリット幅方向の一方側のスリット壁面と前記第2スリットのスリット幅方向の他方側のスリット壁面との間の距離をbとしたとき、
a>b
の関係を満足していることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
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