JP2013133816A - 内燃機関の給気マニホールド - Google Patents

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Abstract

【課題】スワールを効果的に形成することができるとともに、複数のシリンダ間におけるスワールのバラツキを抑制可能とした給気マニホールドを提供する。
【解決手段】複数個の気筒が等間隔に配列された気筒列の長手方向に沿って配設される給気集合管2と、各気筒のシリンダヘッド側端部にそれぞれ接続されて気筒内にスワールを形成する複数の渦室4と、各渦室4と給気集合管2とをそれぞれ接続する複数の給気ポート5とを備える内燃機関の給気マニホールド1であって、複数の給気ポート5のうち、渦室4のスワール旋回開始部位42が該渦室4の旋回中心41に対して給気集合管2の主流発生起点(例えば給気入口21)側に位置する給気ポート5a、5bは、該給気ポート5a、5bの中心軸線l、mが渦室4a、4bの入口断面の中心位置C、Dより主流発生起点21側に偏心するように配設されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数個の気筒を有する内燃機関の給気マニホールドに関する。
一般に、内燃機関においては、燃焼性の向上を目的として、吸気工程にて燃焼室内でスワールを発生させる構造を採用したものがある。図7および図8に、この構造を有する多気筒内燃機関の給気マニホールドを一例として示す。これらの図において内燃機関は、複数個の気筒8が直線状に等間隔で配置された気筒列を有する。なお、図8には複数個の気筒8のうち一つだけを代表して示している。そして、内燃機関の給気マニホールド11は、気筒列の長手方向に沿って給気集合管12が設けられており、給気集合管12から分岐された複数の給気ポート15が気筒列の各気筒8に接続されている。給気ポート15と気筒8の間には、給気バルブ16(図2(B)参照)の軸線回りに形成された渦室14が設けられている。この給気マニホールド11において、給気導入管13の給気入口121から給気集合管12内部に導入された給気は、各給気ポート15を通って渦室14でスワールを形成し、給気バルブ16が開いた時に気筒8内に流入して、気筒8内においても混合気のスワールを形成する。このように気筒8内にスワールを形成することによって、希薄燃焼であっても混合気を安定燃焼させることができるので、内燃機関の低燃費化および低公害化が図れる。
このような給気マニホールド11では、各給気ポート15の形状が同一であるため、給気入口121から給気集合管12に導入される給気の主流は、図7の矢印で示すような流路を辿って給気ポート15に流入する。このとき、給気入口121の位置と給気ポート15との相対位置関係が、複数の給気ポート15でそれぞれ異なるので、給気ポート15ごとに流路断面の流速分布が異なってしまい、渦室14で形成されるスワールにバラツキが発生してしまう。このスワールのバラツキによって、気筒8ごとの燃焼にもバラツキが生じてしまい、内燃機関の排気や燃費が悪化するという問題があった。
そこで、特許文献1では、吸気入口から最も遠い吸気ポートに対応する気筒のスワール比が、他の気筒のスワール比と同程度となるように、前記最も遠い吸気ポートの吸気出口の上流側近傍位置に凸部を設けた吸気マニホールドを提案している。この吸気マニホールドでは、凸部によって各気筒間のスワール比の均等性を保つことができる。
また、関連する技術として、特許文献2には、吸気集合路と複数の気筒との間をそれぞれ給気ポートで接続した吸気マニホールドが記載されている。この吸気マニホールドでは、給気ポートが、吸気スワール生成用の吸気ポート入口部との連結部にて、気筒中央側に向けて突出した曲成部を形成した構成となっている。この曲成部によって、吸気の最大流速部分を気筒の中央側に指向させ、スワールの強さを略均一にすることができる。
特許第3871807号公報 特許第4249919号公報
ところで、上記したような渦室を有する給気マニホールドにおいては、通常、シリンダヘッド周りのスペースの制約上、大容積の渦室を設けることは困難であり、限られた渦室内空間で効果的にスワールを形成する必要がある。そのためには、スワールの旋回開始部位に多くの給気を流入させることが望ましい。
しかしながら、図7および図8に示すような従来の給気マニホールド11では、給気ポート15が給気集合管12から略垂直に延出しているので、給気入口121から遠い側の給気ポート15壁面側の方が流速が速くなる。したがって、スワールの旋回開始部位が給気入口側に位置する場合、図2(B)に示す渦室入口における給気ポート15の断面流速分布にみられるように、流速の速い領域が渦室14の旋回中心に位置することとなる。このように、渦室14への給気導入時、給気流れが旋回中心に向かうと、スワールの形成に寄与せず、直接シリンダ内に流入し、渦室のスワール旋回開始部位に流入する給気流量が少なくなり、効果的にスワールを形成することができなかった。また、給気入口と給気ポートとの距離によって、給気ポート15の断面流速分布が異なるので、複数のシリンダ間においてスワールのバラツキが発生してしまう。
ここで、特許文献1に記載される吸気マニホールドは、吸気ポート内に凸部を設けることによって、渦室のスワール旋回開始部位に給気を導入することができるが、この凸部により吸気流路上に圧力損失が発生し、スワールの形成に影響を及ぼすとともに、吸気効率が悪化するという問題がある。
一方、特許文献2に記載される吸気マニホールドは、渦室を有する構成ではなく、曲成部が形成された給気ポートによってスワールを形成するようになっている。したがって、渦室によってスワールを効果的に形成させる構成については何ら開示されていない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、スワールを効果的に形成することができるとともに、複数のシリンダ間におけるスワールのバラツキを抑制可能とした給気マニホールドを提供することを目的とする。
本発明に係る給気マニホールドは、複数個の気筒が等間隔に配列された気筒列の長手方向に沿って配設される給気集合管と、前記各気筒のシリンダヘッド側端部にそれぞれ接続されて前記気筒内にスワールを形成する複数の渦室と、前記各渦室と前記給気集合管とをそれぞれ接続する複数の給気ポートとを備える内燃機関の給気マニホールドであって、前記複数の給気ポートのうち、前記渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して前記給気集合管の主流発生起点側に位置する給気ポートは、該給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心位置より前記主流発生起点側に偏心するように配設されていることを特徴とする。
給気マニホールドにおいては、給気集合管から給気ポートに流れ込む給気流れは、主流発生起点から遠い側の給気ポート壁面の方が近い側の壁面よりも流速が速くなる。これに対して、渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して主流発生起点側に位置する給気ポートでは、主流発生起点から近い給気ポート壁面側に渦室のスワール旋回開始部位が位置するので、スワールを良好に形成することが困難であった。そこで、本発明では、スワール旋回開始部位が主流発生起点側に位置する給気ポートにおいては、給気ポートの中心軸線が渦室の入口断面の中心位置より主流発生起点側に偏心するようにしたので、スワール旋回開始部位に流入する流速が速くなる。これによって、無駄に圧力を損失することなく効率的に渦室の能力を発揮でき、スワールを効果的に形成することが可能となる。すなわち、給気ポートを偏心させることによって、スワール旋回開始部位における渦室流路の接線方向と給気ポートの中心軸線との角度が小さくなるか若しくは一致するので、給気ポートから渦室に略接線方向に給気を流入させることができ、強いスワールを形成できる。また、本発明では、等間隔に配列された複数の気筒の位置は変えずに、給気ポートの位置を偏心させるのみで良好なスワールを形成可能であるため、従来の給気マニホールドから設計を大幅に変更する必要がない。なお、主流発生起点とは、給気集合管内の主な給気流れの起点となる部位である。
上記給気マニホールドにおいて、前記給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心より前記主流発生起点側に偏心している前記給気ポートが2以上存在する場合であって、前記偏心した一の給気ポートは、該一の給気ポートより前記主流発生起点から遠い側に位置する他の給気ポートより偏心量が大きいことが好ましい。
これは、給気ポート内の流速分布は主流発生起点から近いほど大きくなるので、主流発生起点から近い側の給気ポートを遠い側の給気ポートより偏心量を大きくすることで、複数の渦室における渦室入口断面の流速分布を略均一とすることができ、各シリンダ内のスワールのバラツキを抑制することができる。
あるいは、上記給気マニホールドにおいて、前記給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心より前記主流発生起点側に偏心している前記給気ポートが2以上存在する場合であって、前記主流発生起点と、前記渦室の旋回中心を通り前記給気集合管に直交する線との距離に対して反比例的に前記給気ポートの偏心量が設定されていることが好ましい。
このように、主流発生起点と、渦室の旋回中心を通り給気集合管に直交する線との距離に応じて偏心量を調整することで、複数の渦室における渦室入口断面の流速分布を精度よく略均一化することができ、各シリンダ内のスワールのバラツキを抑制することができる。
上記給気マニホールドにおいて、前記複数の給気ポートのうち、前記渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して前記主流発生起点とは反対側に位置する給気ポートは、該給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心位置より前記主流発生起点側に偏心するように配設されていることが好ましい。
渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して主流発生起点とは反対側に位置する場合、給気ポートから渦室のスワール旋回開始部位に流入する給気流量が多くなり過ぎて他の渦室とのバランスが悪くなるので、こういった場合には給気ポートの中心軸線が渦室の入口断面の中心位置より主流発生起点側に偏心するように給気ポートを配設する。これにより、渦室のスワール旋回開始部位に流入する給気流量を少なくすることができ、各シリンダ内のスワールのバラツキをより一層抑制することができる。
上記給気マニホールドにおいて、主流発生起点は、前記給気集合管の給気入口であってもよい。
あるいは、上記給気マニホールドにおいて、前記主流発生起点は、前記給気集合管の給気入口から導入される給気が該給気集合管の壁面に衝突する位置であってもよい。
本発明では、スワール旋回開始部位が主流発生起点側に位置する給気ポートにおいては、給気ポートの中心軸線が渦室の入口断面の中心位置より主流発生起点側に偏心するようにしたので、スワール旋回開始部位に流入する流速が速くなる。これによって、無駄に圧力を損失することなく効率的に渦室の能力を発揮でき、スワールを効果的に形成することが可能となる。すなわち、給気ポートを偏心させることによって、スワール旋回開始部位における渦室流路の接線方向と給気ポートの中心軸線との角度が小さくなるか若しくは一致するので、給気ポートから渦室に略接線方向に給気を流入させることができ、強いスワールを形成できる。また、本発明では、等間隔に配列された複数の気筒の位置は変えずに、給気ポートの位置を偏心させるのみで良好なスワールを形成可能であるため、従来の給気マニホールドから設計を大幅に変更する必要がない。
本発明の第1実施形態に係る給気マニホールドの平面図である。 (A)は図1のA−A線断面に給気ポートの断面流速分布を重畳表示した図で、(B)は図7のB−B線断面図に給気ポートの断面流速分布を重畳表示した図である。 第1実施形態の第1変形例を示す給気マニホールドの平面図である 第1実施形態の第2変形例を示す給気マニホールドの平面図である 第1実施形態の第3変形例を示す給気マニホールドの平面図である 本発明の第2実施形態に係る給気マニホールドの平面図である。 従来の給気マニホールドの平面図である。 従来の給気マニホールドの斜視図である。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る給気マニホールドの平面図である。なお、本実施形態では、一例として、3個の気筒(不図示)が等間隔に且つ直線状に配列された気筒列を有する内燃機関に適用される給気マニホールド1について説明する。ただし、本実施形態において、内燃機関の気筒の数は3個に限定されるものではない。また、説明を簡単にするために、気筒列の長手方向をX方向、各気筒はX方向に端から第1気筒、第2気筒、第3気筒と称する。
図1において、給気マニホールド1は、給気集合管2と、複数の渦室4(4a〜4c)と、複数の給気ポート5(5a〜5c)とから構成される。
給気集合管2は、長尺の管路であり、気筒列に沿ってX方向に配設されている。給気集合管2には、紙面手前側から奥側へ向けて延びる給気導入管3が接続され、給気導入管3から給気集合管2へ給気を導入する給気入口21が給気集合管2の内部空間に設けられている。同図では、給気導入路21は第2給気ポート5bと第3給気ポート5cの間に設けられ、主流発生起点である給気入口21は気筒側の給気集合管2壁面に向けて開口している。
渦室4は、各気筒のシリンダヘッド側端部にそれぞれ設けられている。渦室4と気筒とは連通しており、渦室4の気筒への開口部は図2(A)に示す給気バルブ6によって開閉される。ここで、図2(A)は図1のA−A線断面に給気ポートの断面流速分布を重畳表示した図である。渦室4は、給気バルブ6の軸線回りにスワールを形成するように構成されている。したがって、渦室の旋回中心41は給気バルブ6の軸線と一致する。図1において渦室4は、給気入口21側にスワール旋回開始部位42が配置されるように形成されている。なお、第1気筒に設けられる第1渦室4aと、第2気筒に設けられる第2渦室4bと、第3気筒に設けられる第3渦室4cとは、全て同一方向に旋回開始部位42が配置され、同一旋回方向のスワールを形成するようになっている。
給気ポート5a〜5cは、複数の渦室4a〜4cと給気集合管2とをそれぞれ接続する略直線状の流路である。図中、各給気ポート5a〜5cの中心軸線を二点鎖線l〜mで示している。
上記給気マニホールド1では、給気導入管3から給気集合管2に導入された給気は、給気集合管2を通って各給気ポート5a〜5cに流入し、給気ポート5a〜5cからさらに渦室4a〜4cに流入する。そして、給気は渦室4a〜4cでスワールを形成しながら気筒内に供給される。
本実施形態において、給気ポート5はさらに以下の構成を有している。
複数の給気ポート5のうち、渦室4a、4bのスワール旋回開始部位42が旋回中心41に対して給気集合管2の給気入口21側に位置する第1給気ポート5aおよび第2給気ポート5bは、給気ポート5a、5bの中心軸線l、mが渦室4a、4bの入口断面43a、43bの中心位置C、Dより給気入口21側に偏心するように配設されている。なお、渦室4cのスワール旋回開始部位42が旋回中心41に対して給気集合管2の給気入口21と反対側に位置する第3給気ポート5cは、従来技術と同様に、給気ポート5cの中心軸線nと、渦室4の入口断面43cの中心位置Eとがほぼ一致するように配設されている。なお、第1給気ポート5aおよび第2給気ポート5bにおいて、図中、点線で表わされる輪郭は従来技術における給気ポートを示している。
ここで、上述した図7の従来構成の給気マニホールド11においては、給気集合管12から給気ポート15に流れ込む給気流れは、給気入口121から遠い側の給気ポート15壁面の方が近い側の壁面よりも流速が速くなる。すなわち、図2(B)に示すように、給気ポート断面の流速分布において、給気入口121から遠い給気ポート壁面側に流速の速い領域が形成される。ここで、図2(B)は図7のB−B線断面図に給気ポート15の断面流速分布を重畳表示した図である。これに対して、渦室14のスワール旋回開始部位142が該渦室14の旋回中心141に対して給気入口121側に位置する給気ポート15では、給気入口121から近い給気ポート壁面側に渦室14のスワール旋回開始部位142が位置するので、スワールを良好に形成することが困難であった。
そこで、本実施形態では、スワール旋回開始部位42が給気入口21側に位置する第1給気ポート5a、第2給気ポート5bにおいては、給気ポート5a、5bの中心軸線l、mが渦室4a、4bの入口断面43の中心位置C、Eより給気入口21側に偏心するようにしている。これにより、図2(A)に示すように、給気ポート断面の流速分布において、流速の速い領域がスワール旋回開始部位42側に移動し、スワール旋回開始部位42に流入する流速が速くなる。したがって、無駄に圧力を損失することなく効率的に渦室4の能力を発揮でき、スワールを効果的に形成することが可能となる。すなわち、図1に示すように、第1給気ポート5aを偏心させることによって、スワール旋回開始部位42における渦室流路の接線方向Tと給気ポート5aの中心軸線lとの角度θが小さくなるか若しくは一致するので、給気ポート5aから渦室4aの略接線方向に給気を流入させることができ、強いスワールを形成できる。また、本実施形態では、等間隔に配列された複数の気筒の位置は変えずに、給気ポート5の位置を偏心させるのみで良好なスワールを形成可能であるため、従来の給気マニホールドから設計を大幅に変更する必要がない。
また、給気入口21に近い第2給気ポート5bは、これより給気入口21から遠い側に位置する第1給気ポート5aより偏心量を大きくすることが好ましい。これは、給気ポート5a、5b内の流速分布は給気入口21から近いほど大きくなるので、給気入口21から近い側の第2給気ポート5bを遠い側の第1給気ポート5aより偏心量を大きくすることで、複数の渦室4a〜4cにおける渦室入口断面43の流速分布を略均一とすることができ、各気筒内のスワールのバラツキを抑制することができる。
さらにまた、給気入口21と、渦室4a、4bの旋回中心41を通って給気集合管2の軸線に直交する線Q、Rとの距離に対して反比例的に給気ポート5の偏心量が設定されるようにしてもよい。すなわち、給気入口21と渦室4aを通る線Qとの距離d1は、給気入口21と渦室4bを通る線Rとの距離d2より大きいので、第1給気ポート5aの偏心量は第2給気ポート5bの偏心量より小さくする。
このように、給気入口21と、渦室4a、4bの旋回中心41を通り給気集合管2の軸線に直交する線との距離に応じて給気ポート5a、5bの偏心量を調整することで、複数の渦室4a、4bにおける渦室入口断面の流速分布を精度よく略均一化することができ、各シリンダ内のスワールのバラツキを抑制することができる。
なお、上述の実施形態では、給気導入管3および給気入口21を第2給気ポート5bと第3給気ポート5c間に設けた場合を一例として示したが、給気導入管3および給気入口21の位置はこれに限定されるものではなく、図3または図4のように構成してもよい。
図3は、本実施形態の第1変形例を示す給気マニホールドの平面図である。この給気マニホールド1は、給気導入管3が第1給気ポート5aと第2給気ポート5bの間に設けられた構成となっている。この場合、スワール旋回開始部位42が給気入口21側に位置するのは第1給気ポート5aのみとなる。したがって、第1給気ポート5aの中心軸線lを、渦室4aの入口断面43aよりの中心位置CをX方向給気入口21側に偏心させる。
図4は、本実施形態の第2変形例を示す給気マニホールドの平面図である。この給気マニホールド1は、給気導入管3が第3給気ポート5cより給気集合管2の端部側に設けられた構成となっている。この場合、スワール旋回開始部位42が給気入口21側に位置するのは第1給気ポート5a〜第3給気ポート5cの全てとなる。したがって、第1給気ポート5a〜第3給気ポート5cの全てをX方向給気入口21側に偏心させる。
なお、本実施形態では、主流発生起点を給気集合管2の給気入口21とした場合を説明したが、これに限定されるものではなく、主流発生起点は、給気集合管2の給気入口21から導入される給気が該給気集合管2の壁面に衝突する位置としてもよい。特に、図5の第3変形例に示すように、給気入口21から導入される給気流れ方向が給気集合管2の長手方向に対して傾斜している場合は、給気入口21の中心から流入方向に延長し、給気集合管2の逆端面と交差する点Gを主流発生起点とすることが好ましい。
[第2実施形態]
次に、図6を参照して、第2実施形態に係る給気マニホールドについて説明する。ここで、図6は本発明の第2実施形態に係る給気マニホールドの平面図である。
本実施形態の給気マニホールド1’は、給気ポート5’(5a’〜5c’)および給気導入管3’の位置変更を除けば、既に説明した第1実施形態の給気マニホールド1と同様の構成である。したがって、ここでは、第1実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
本実施形態に係る給気マニホールド1’は、給気集合管2’と、複数の渦室4’(4a’〜4c’)と、複数の給気ポート5’(5a’〜5c’)とから構成される。この給気マニホールド1’は、渦室4’のスワール旋回開始部位42’が該渦室4’の旋回中心41’に対して給気入口21’とは反対側に位置している。このような構成を有する場合、給気ポート5’から渦室4’のスワール旋回開始部位42’に流入する給気流量が多くなり過ぎる可能性がある。したがって、第1給気ポート5a’、第2給気ポート5b’の中心軸線l’、m’が、渦室4a’、4b’の入口断面の中心位置C’、D’より給気入口42’側に偏心するように給気ポート5a’、5b’を偏心させる。なお、図6では、第1給気ポート5a’および第2給気ポート5b’のみを偏心させる構成としたが、第3給気ポート5c’も同様に偏心させてもよいことは勿論である。
また、上述の給気マニホールド1’において、第1給気ポート5a’と第2給気ポート5b’を偏心させる場合、給気入口21’と、渦室4a’、4b’を通り給気集合管2’の軸線に直交する線(図示略)との距離に対して反比例的に給気ポート5a’、5b’の偏心量が設定されていることが好ましい。
このように、給気入口21’と、渦室4a’、4b’を通り給気集合管2’の軸線に直交する線との距離に応じて偏心量を調整することで、複数の渦室4a’、4b’における渦室入口断面の流速分布を精度よく略均一化することができ、各シリンダ内のスワールのバラツキを抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上述の第1実施形態および第2実施形態を適宜組み合わせてもよいし、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
1、1’ 給気マニホールド
2、2’ 給気集合管
3、3’ 給気導入管
4、4a〜4c、4’、4a’〜4c’ 渦室
5、5a〜5c、5’、5a’〜5c’ 給気ポート
6、6’ 給気バルブ
8 気筒
21、21’ 給気入口
41、41’ 旋回中心
42、42’ スワール旋回開始部位
43a〜43c、43a’〜43c’ 渦室入口断面

Claims (6)

  1. 複数個の気筒が等間隔に配列された気筒列の長手方向に沿って配設される給気集合管と、前記各気筒のシリンダヘッド側端部にそれぞれ接続されて前記気筒内にスワールを形成する複数の渦室と、前記各渦室と前記給気集合管とをそれぞれ接続する複数の給気ポートとを備える内燃機関の給気マニホールドであって、
    前記複数の給気ポートのうち、前記渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して前記給気集合管の主流発生起点側に位置する給気ポートは、該給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心位置より前記主流発生起点側に偏心するように配設されていることを特徴とする給気マニホールド。
  2. 前記給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心より前記主流発生起点側に偏心している前記給気ポートが2以上存在する場合であって、
    前記偏心した一の給気ポートは、該一の給気ポートより前記主流発生起点から遠い側に位置する他の給気ポートより偏心量が大きいことを特徴とする請求項1に記載の給気マニホールド。
  3. 前記給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心より前記主流発生起点側に偏心している前記給気ポートが2以上存在する場合であって、
    前記主流発生起点と、前記渦室の旋回中心を通り前記給気集合管に直交する線との距離に対して反比例的に前記給気ポートの偏心量が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の給気マニホールド。
  4. 前記複数の給気ポートのうち、前記渦室のスワール旋回開始部位が該渦室の旋回中心に対して前記主流発生起点とは反対側に位置する給気ポートは、該給気ポートの中心軸線が前記渦室の入口断面の中心位置より前記主流発生起点側に偏心するように配設されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の給気マニホールド。
  5. 前記主流発生起点は、前記給気集合管の給気入口であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の給気マニホールド。
  6. 前記主流発生起点は、前記給気集合管の給気入口から導入される給気が該給気集合管の壁面に衝突する位置であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の給気マニホールド。
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