JP2010144703A - 内燃機関における吸気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気効率を低下させることなくスロットル弁の氷結を防止することができる内燃機関の吸気構造を提供すること。
【解決手段】吸気通路２２の一部を形成する直線通路２２１がスロットル弁２０に向けて延びている。また、吸気通路２２は水分分離通路４１を備え、この水分分離通路４１は、入口４１ａが直線通路２２１に接続されるとともに、出口４１ｂが入口４１ａの直線通路２２１への接続位置よりも流通方向の下流側に接続されている。スロットル弁２０より上流であり、かつ直線通路２２１と水分分離通路４１の出口２２１ｂ，４１ｂとの合流部Ｐには切替バルブ４２が配設されている。切替バルブ４２は、水分分離通路４１の出口４１ｂ又は直線通路２２１の出口２２１ｂを開閉して、空気をスロットル弁２０に流すための通路を直線通路２２１又は水分分離通路４１に切り替える。切替バルブ４２はディーゼルエンジンの温度に基づきＥＣＵが制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸気通路における吸気ガスの流通方向でのスロットル弁より上流に、吸気通路の一部を形成する直線通路がスロットル弁に向けて延びるように形成された内燃機関における吸気構造に関する。

排気ガスの一部を吸気通路へ還流させて排気ガスの浄化を行なう内燃機関や、排気ガスの浄化を行わない内燃機関では、内燃機関の停止時に、空気や排気ガス等の吸気ガスに含まれる水分が凝縮して吸気通路に水が溜まることがある。そして、内燃機関が始動されたとき、吸気通路に溜まった水が、吸気通路を流れる吸気ガスによって飛散し、吸気通路上に配置されたスロットル弁に付着する。このとき、外気温度が非常に低温の場合には、スロットル弁に付着した水分が氷結してスロットル弁が固着してしまい、スロットル弁が適正に回動しなくなるおそれがある。

このような問題を解決する手段として、吸気ガスがスロットル弁に至る前に、吸気通路を通過する吸気ガスから水分を分離することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示のＥＧＲ装置付エンジンの吸気通路において、排気ガス（ＥＧＲガス）を空気と混合してエンジン（内燃機関）のシリンダ内に供給するため、吸気通路には排気ガスの入口が設けられている。また、吸気通路には、排気ガスの入口の下流に、円弧状に曲げられた円弧形状部が形成されている。吸気通路において、円弧形状部の最下部を含む所定の範囲には、吸気通路の壁面に開けたスリットと捕集室とからなる水分分離部が設けられている。

そして、特許文献１では、空気と排気ガスとの混合により発生した水分は、円弧形状部で遠心力によって吸気通路の壁面に付着する。その後、壁面に沿って流下した水分はスリットを通過して捕集室で捕捉される。捕捉された水分はドレン弁から適宜排出される。よって、特許文献１に開示の円弧形状部、及びスリットと捕集室とからなる水分分離部を、吸気通路におけるスロットル弁の上流に設けることで、吸気通路内の水分がスロットル弁に向けて飛散する前に捕捉することができ、スロットル弁に水分が付着することを防止して氷結によってスロットル弁が固着してしまうことが防止できる。
特開２００５−２５６６７９号公報

ところが、吸気通路を通過する吸気ガスから水分を分離するため、特許文献１のような円弧形状部を吸気通路におけるスロットル弁より上流に設けると、気筒へ吸気ガスが吸入される前、円弧形状部によって吸気ガスが旋回するように案内されることとなる。すると、円弧形状部を吸気ガスが通過する際、吸気ガスの流速が低下してしまうとともに圧力損失が発生して内燃機関の吸気効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、吸気効率を低下させることなくスロットル弁の氷結を防止することができる内燃機関における吸気構造を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、気筒に至る吸気通路上にスロットル弁が配設されるとともに、前記吸気通路における吸気ガスの流通方向での前記スロットル弁より上流に、前記吸気通路の一部を形成する直線通路が前記スロットル弁に向けて延びるように形成された内燃機関における吸気構造において、一端の入口が前記直線通路に接続されるとともに、他端の出口が前記入口の前記直線通路への接続位置よりも前記流通方向の下流側に接続された水分分離通路と、前記流通方向における前記スロットル弁より上流であり、かつ前記直線通路と前記水分分離通路の出口との合流部に配設され、前記水分分離通路又は前記直線通路の出口を開閉して、前記吸気ガスを前記スロットル弁に流すための通路を前記直線通路又は水分分離通路に切り替える切替バルブと、前記内燃機関の温度に基づき前記切替バルブを制御する制御装置と、を設け、前記制御装置が、前記内燃機関の始動後に該内燃機関の温度が所定温度未満の場合に前記直線通路の出口を閉鎖して前記水分分離通路を介して前記スロットル弁に前記吸気ガスが流れるように前記切替バルブを制御する一方で、前記内燃機関の温度が所定温度を超える場合に前記水分分離通路の出口を閉鎖して前記直線通路を介して前記スロットル弁に前記吸気ガスが流れるように前記切替バルブを制御することを要旨とする。

これによれば、内燃機関の始動時、内燃機関の温度が所定温度未満の場合には、制御装置によって切替バルブを制御して直線通路の出口を閉鎖し、スロットル弁へ向かう吸気ガスを水分分離通路に流れ込ませる。すると、水分分離通路を吸気ガスが通過する間に水分を吸気ガスから分離することができる。よって、水分分離通路から吸気通路へ環流された吸気ガスは水分を含んでおらず、水分を含まない吸気ガスがスロットル弁を通過することとなる。よって、スロットル弁に水分が付着することそのものが防止されるため、外気温度が非常に低温であっても、スロットル弁が氷結することが防止される。

一方、内燃機関の始動後、内燃機関の温度が所定温度を超えている場合には、制御装置によって切替バルブを制御して水分分離通路の出口を閉鎖し、スロットル弁へ向かう吸気ガスを直線通路に流れ込ませる。すると、吸気通路から気筒へ吸入される空気は、直線通路によって蛇行することなく直線的に流れるように案内される。よって、気筒へ向かう吸気ガスの流速の低下が防止されるとともに圧力損失が抑えられ、内燃機関における吸気効率の低下を防止することができる。

また、前記水分分離通路は、前記直線通路の外周側を取り囲んで螺旋状に延びるように形成されていてもよい。
これによれば、吸気ガスが水分分離通路を通過する際に、吸気ガスに遠心力を作用させ、吸気ガスに含まれる水分を確実に分離することができる。

本発明によれば、吸気効率を低下させることなくスロットル弁の氷結を防止することができる。

以下、本発明の内燃機関における吸気構造をディーゼルエンジンにおける吸気構造に具体化した一実施形態を図１〜図２にしたがって説明する。
図１に示すように、内燃機関としてのディーゼルエンジン１０は、複数の気筒１１を備えるとともに、気筒１１を形成するシリンダ（図示せず）に連結されたシリンダヘッド１２には気筒１１毎に燃料噴射ノズル１３が取り付けられている。なお、図示しないが、シリンダ内には、ピストンが往復動可能に設けられるとともに、各ピストンと、シリンダ及びシリンダヘッド１２によって各気筒１１毎に燃焼室が形成されている。ディーゼルエンジン１０において、燃料は燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して燃料噴射ノズル１３へ供給されるとともに、各燃料噴射ノズル１３は各気筒１１内に燃料を噴射する。

シリンダヘッド１２にはインテークマニホールド１６が接続されるとともに、このインテークマニホールド１６には、集合部３１と、集合部３１から分岐する複数の枝管３２とが設けられている。このインテークマニホールド１６の集合部３１には吸気管１７の一端が接続されるとともに、吸気管１７の他端はエアクリーナ１８に接続されている。また、吸気管１７の途中には過給機１９のコンプレッサ部１９１が介在されている。過給機１９は、排気ガス流によって作動される公知の可変ノズル式ターボチャージャーである。そして、吸気管１７には、エアクリーナ１８を介して吸入される空気が流れるようになっている。

さらに、吸気管１７の途中にはインタークーラ２１が介在されている。吸気管１７において、インタークーラ２１とインテークマニホールド１６（集合部３１）との間にはスロットル弁２０が設けられるとともに、吸気管１７内には弁体２０１が設けられている。スロットル弁２０は、吸気管１７に吸入される空気流量を調整するためのものであり、スロットル弁２０の弁体２０１の開度は、運転状態に基づいて調整される。インタークーラ２１は、吸気管１７を流れる空気を冷却する。そして、図２（ａ）に示すように、吸気管１７の内側及びインテークマニホールド１６の内側は、吸気ガスとしての空気が流れる吸気通路２２を形成している。

図１に示すように、シリンダヘッド１２にはエキゾーストマニホールド２３が接続されている。エキゾーストマニホールド２３には、排気管２４の一端が接続されるとともに、この排気管２４にはＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置２６が接続されている。そして、気筒１１から排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールド２３、排気管２４、過給機１９のタービン部１９２及び排気浄化装置２６を経由して大気に放出される。

インテークマニホールド１６とエキゾーストマニホールド２３とは、排気ガス供給管２８を介して接続されている。排気ガス供給管２８には流量調整弁２９及びＥＧＲクーラ３０が設けられている。流量調整弁２９は、排気ガス供給管２８における排気ガス供給量を制御する。流量調整弁２９が開状態のときには、エキゾーストマニホールド２３内の排気ガスの一部が排気ガス供給管２８内を経由してインテークマニホールド１６へ流出する。ＥＧＲクーラ３０は、排気ガス供給管２８内を流れる排気ガスを冷却する。

次に、ディーゼルエンジン１０における吸気構造について詳細に説明する。図２（ａ）に示すように、インタークーラ２１とスロットル弁２０との間に位置する吸気管１７の一部は、吸気通路２２での空気の流通方向に沿って、インタークーラ２１の出口から水平に直線状に延び、次に、上方に向けて直角に曲がった後、屈曲部１７ｂより上方に位置するスロットル弁２０に向けて直線状に延びるように形成されている。このため、吸気通路２２の一部は、屈曲部１７ｂからスロットル弁２０に向けて直線状に延びる直線通路２２１となっている。なお、直線通路２２１において、空気の流通方向における屈曲部１７ｂより下流直近に、直線通路２２１への空気の入口２２１ａが設けられ、空気の流通方向における入口２２１ａより下流であり、かつ弁体２０１より上流となる位置に直線通路２２１からの空気の出口２２１ｂが設けられている。

また、屈曲部１７ｂとスロットル弁２０との間に位置する吸気管１７の外側には、螺旋状吸気管４０が設けられている。螺旋状吸気管４０は、一端が吸気管１７における屈曲部１７ｂより下流（上側）の外面に接続されるとともに、他端が吸気管１７におけるスロットル弁２０より上流（下側）の外面に接続されている。また、螺旋状吸気管４０は、吸気管１７の周方向に沿って下側から上側に向かうに従い、吸気管１７の外周を取り囲む螺旋状に延びるように形成されるとともに、螺旋状吸気管４０の内側には、吸気管１７の外周面に曲率を有するように螺旋状に延びる水分分離通路４１が形成されている。

吸気管１７において、螺旋状吸気管４０の一端の接続位置には、吸気通路２２から水分分離通路４１へ空気を導出させる導出口１７ｃが形成されている。また、吸気管１７において、螺旋状吸気管４０の他端の接続位置には、水分分離通路４１から吸気通路２２へ空気を導入させる導入口１７ｄが形成されている。一方、螺旋状吸気管４０の一端には、吸気通路２２から水分分離通路４１への空気の入口４１ａが形成されるとともに、この入口４１ａは吸気管１７の導出口１７ｃに対向している。また、螺旋状吸気管４０の他端には、水分分離通路４１から吸気通路２２への空気の出口４１ｂが形成されるとともに、この出口４１ｂは吸気管１７の導入口１７ｄと対向している。そして、水分分離通路４１の出口４１ｂは、入口４１ａの吸気通路２２への接続位置よりも、空気の流通方向の下流側に接続されている。

吸気通路２２において、空気の流通方向におけるスロットル弁２０より上流は、直線通路２２１の出口２２１ｂと、水分分離通路４１の出口４１ｂとの合流部Ｐとなっている。そして、吸気通路２２における合流部Ｐには、切替バルブ４２が配設されている。この切替バルブ４２は、直線通路２２１の出口２２１ｂ又は水分分離通路４１の出口４１ｂを開閉可能とし、インタークーラ２１からスロットル弁２０に空気を流すための通路を直線通路２２１又は水分分離通路４１に切り替える。

図１に示すように、切替バルブ４２には、ディーゼルエンジン１０を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）４３が電気的に接続されている。また、ＥＣＵ４３には、水温検出器４４が電気的に接続されるとともに、この水温検出器４４はディーゼルエンジン１０を冷却するための冷却水の温度を検出する。ＥＣＵ４３は、水温検出器４４によって得られた水温情報に基づいて、ディーゼルエンジン１０の温度を推定する。ＥＣＵ４３には、水温検出器４４によって得られた水温情報と、ディーゼルエンジン１０の温度とを対応付けたマップが予め記憶されている。

また、ＥＣＵ４３は、推定されたディーゼルエンジン１０の温度に基づき、ディーゼルエンジン１０が所定温度にまで上昇したか否かを判断する。よって、ＥＣＵ４３が、ディーゼルエンジン１０の温度に基づき切替バルブ４２を制御する制御装置を構成している。なお、「所定温度」とは、スロットル弁２０の弁体２０１に氷が付着しても、その氷が確実に溶融するときのディーゼルエンジン１０の温度のことであり、本実施形態では３０〜４０°Ｃに設定されている。

次に、上記のように構成されたディーゼルエンジン１０における吸気構造の作用について説明する。
さて、ディーゼルエンジン１０の停止時（始動直前）の状態において、吸気通路２２におけるインタークーラ２１の出口付近に、水が溜まっているとする。そして、ディーゼルエンジン１０の始動時、ＥＣＵ４３は、水温検出器４４によって得られた水温情報が所定温度未満の場合には、ディーゼルエンジン１０の温度が所定温度未満であると判断し、図２（ａ）に示すように、直線通路２２１の出口２２１ｂが閉じるように切替バルブ４２を制御する。すると、図２（ａ）の矢印Ｙ１に示すように、インタークーラ２１を通過した空気は、吸気通路２２に溜まった水と共に導出口１７ｃを介して入口４１ａから水分分離通路４１内に流れ込む。

そして、空気が水分分離通路４１を通過する際、螺旋状吸気管４０の内壁面によって空気が吸気管１７の周りを旋回するように案内され、この空気の旋回に伴い空気には遠心力が作用する。すると、空気に含まれる水分が、空気から遠心分離され、螺旋状吸気管４０の内壁面に付着する。水分が除去された空気は、出口４１ｂから導入口１７ｄを介して吸気通路２２へ環流される。すなわち、水分分離通路４１から吸気通路２２へ環流された空気は、直線通路２２１を経由することなく吸気通路２２に環流される。

そして、吸気通路２２に環流された水分を含まない空気は、スロットル弁２０を通過して、インテークマニホールド１６から気筒１１へ吸入される。よって、スロットル弁２０を空気が通過する際、弁体２０１に水分が付着することが防止される。また、螺旋状吸気管４０の内壁面に付着した水分は、螺旋状吸気管４０の内壁面を流下して、吸気管１７のドレン弁４５から吸気管１７外へ排出される。

一方、ディーゼルエンジン１０の始動後、ディーゼルエンジン１０の温度が上昇してくると、ＥＣＵ４３は、水温検出器４４によって得られた水温情報が所定温度を超えた場合には、ディーゼルエンジン１０が所定温度を超えたと判断し、図２（ｂ）に示すように、水分分離通路４１の出口４１ｂ（導入口１７ｄ）が閉じるように切替バルブ４２を制御する。すると、図２（ｂ）の矢印Ｙ２に示すように、屈曲部１７ｂを通過した空気は、スロットル弁２０に向けて直線的に直線通路２２１を流れる。よって、インタークーラ２１を通過した空気は、水分分離通路４１を経由することなくスロットル弁２０を通過して、インテークマニホールド１６から気筒１１へ吸入される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）吸気通路２２は、一部に直線通路２２１を有するとともに、直線通路２２１の外周側に水分分離通路４１を有する。また、直線通路２２１と水分分離通路４１の出口２２１ｂ，４１ｂとの合流部Ｐには切替バルブ４２が配設されるとともに、この切替バルブ４２はＥＣＵ４３によって制御される。そして、ディーゼルエンジン１０の始動時、ディーゼルエンジン１０の温度が所定温度未満の場合には、ＥＣＵ４３によって切替バルブ４２を制御して、インタークーラ２１からスロットル弁２０へ向かう空気を水分分離通路４１に流れ込ませる。このため、水分分離通路４１を空気が通過する間に水分が空気から遠心分離され、スロットル弁２０の弁体２０１に水分が付着することが防止される。その結果として、水分の氷結によるスロットル弁２０（弁体２０１）の固着を防止して、弁体２０１を適正に回動させることができる。

一方、ディーゼルエンジン１０の始動後、ディーゼルエンジン１０の温度が所定温度を超えた場合には、ＥＣＵ４３によって切替バルブ４２を制御して、スロットル弁２０へ向かう空気を直線通路２２１に流れ込ませる。このため、気筒１１へ吸入される空気は、蛇行することなく気筒１１へ直線的に流れるように案内される。よって、気筒１１へ向かう空気の流速の低下が防止されるとともに圧力損失が抑えられ、ディーゼルエンジン１０における吸気効率の低下を防止することができる。

（２）水分分離通路４１は、直線通路２２１を取り囲む螺旋状に延びるように形成されている。よって、空気が水分分離通路４１を通過する際に、遠心分離によって水分を空気から確実に分離することができる。

（３）吸気管１７において、螺旋状吸気管４０より下側にはドレン弁４５が設けられている。よって、水分分離通路４１を通過する際に空気から分離されるとともに、螺旋状吸気管４０の内壁面を流下してきた水分を、ドレン弁４５から吸気管１７外へ排出することができる。

（４）ディーゼルエンジン１０は、インタークーラ２１からスロットル弁２０までの吸気通路２２の距離が短く、かつ直線通路２２１を有するタイプが多く、インタークーラ２１の出口付近に溜まった水が、空気の流れに乗ってスロットル弁２０（弁体２０１）に付着しやすい。しかし、本実施形態では、スロットル弁２０の上流に水分分離通路４１及び切替バルブ４２を設け、切替バルブ４２を制御することにより、インタークーラ２１からの空気が水分分離通路４１に流れるようにした。このため、インタークーラ２１からスロットル弁２０までの吸気通路２２の距離が短く、かつ直線通路２２１を有していても、水分分離通路４１によって空気から水分を分離することで、スロットル弁２０に水分が付着することを防止することができる。したがって、直線通路２２１に加え、水分分離通路４１、切替バルブ４２を設けるとともに、切替バルブ４２をＥＣＵ４３で制御するようにした吸気構造は、ディーゼルエンジン１０に設けるのが特に好ましい。

（５）ディーゼルエンジン１０の温度は、水温検出器４４によって得られた水温情報に基づいてＥＣＵ４３が推定する。水温検出器４４はディーゼルエンジン１０に既存の構成である。よって、螺旋状吸気管４０及び切替バルブ４２を設けるだけの簡単な構成で、ディーゼルエンジン１０の吸気効率を低下させることなくスロットル弁２０の氷結を防止することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 直線通路２２１の外周側に設ける水分分離通路４１は、螺旋状吸気管４０によって形成される螺旋状でなくてもよく、ループ状や蛇行したものであってもよい。

○ 内燃機関はディーゼルエンジンに限らずガソリンエンジンであってもよい。
○ ディーゼルエンジン１０の温度が所定温度に達したか否かの判断を、冷却水温度に基づいて行ったが、エンジンオイルの温度に基づいてディーゼルエンジン１０の温度が所定温度に達したか否かを判断するようにしてもよい。

○ ディーゼルエンジン１０の温度は、例えば、赤外線センサによって推定するようにしてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（１）前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである請求項１又は請求項２に記載の内燃機関における吸気構造。
（２）前記内燃機関の温度は、前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温検出器からの情報に基づき前記制御装置が推定する請求項１、請求項２、及び技術的思想（１）のうちいずれか一項に記載の内燃機関における吸気構造。

（３）前記吸気通路には、前記水分分離通路から流下した水分を排出するドレン弁が設けられている請求項１、請求項２、技術的思想（１）、及び技術的思想（２）のうちいずれか一項に記載の内燃機関における吸気構造。

実施形態のディーゼルエンジン及びその周辺構成を示す模式図。 （ａ）は切替バルブが直線通路を閉鎖した状態を示す模式図、（ｂ）は切替バルブが水分分離通路を閉鎖した状態を示す模式図。

符号の説明

Ｐ…合流部、１０…内燃機関としてのディーゼルエンジン、１１…気筒、２０…スロットル弁、２２…吸気通路、４１…水分分離通路、４１ａ…入口、４１ｂ，２２１ｂ…出口、４２…切替バルブ、４３…制御装置としてのＥＣＵ、２２１…直線通路。

Claims (2)

1. 気筒に至る吸気通路上にスロットル弁が配設されるとともに、前記吸気通路における吸気ガスの流通方向での前記スロットル弁より上流に、前記吸気通路の一部を形成する直線通路が前記スロットル弁に向けて延びるように形成された内燃機関における吸気構造において、
   一端の入口が前記直線通路に接続されるとともに、他端の出口が前記入口の前記直線通路への接続位置よりも前記流通方向の下流側に接続された水分分離通路と、
   前記流通方向における前記スロットル弁より上流であり、かつ前記直線通路と前記水分分離通路の出口との合流部に配設され、前記水分分離通路又は前記直線通路の出口を開閉して、前記吸気ガスを前記スロットル弁に流すための通路を前記直線通路又は水分分離通路に切り替える切替バルブと、
   前記内燃機関の温度に基づき前記切替バルブを制御する制御装置と、を設け、
   前記制御装置が、前記内燃機関の始動後に該内燃機関の温度が所定温度未満の場合に前記直線通路の出口を閉鎖して前記水分分離通路を介して前記スロットル弁に前記吸気ガスが流れるように前記切替バルブを制御する一方で、前記内燃機関の温度が所定温度を超える場合に前記水分分離通路の出口を閉鎖して前記直線通路を介して前記スロットル弁に前記吸気ガスが流れるように前記切替バルブを制御する内燃機関における吸気構造。
2. 前記水分分離通路は、前記直線通路の外周側を取り囲んで螺旋状に延びるように形成されている請求項１に記載の内燃機関における吸気構造。

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