JP2017180261A - サージタンク一体式吸気マニホールド - Google Patents

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陽介 中田
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Abstract

【課題】フランジの上部にインマニ側PCV通路の始端を開口させて、このインマニ側PCV通路の終端を、シリンダヘッドの吸気側面に開口させたヘッド側PCV通路と連通させている吸気マニホールドにおいて、凝縮水の悪影響を防止する。【解決手段】ヘッド側PCV通路15とインマニ側PCV通路16とは、吸気側面11に向けて下向きの傾斜姿勢である。吸気マニホールドに、上端をインマニ側PCV通路16に連通させて下端をサージタンク部4に連通させた補助PCV通路18が形成されている。PCV通路15,16に凝縮水27が発生しても、凝縮水27は補助PCV通路18からサージタンク部4にリークする。従って、凝縮水27がヘッド側PCV通路15とインマニ側PCV通路16との接続部で凍結して機関に悪影響を与えることが防止される。【選択図】図5

Description

本願発明は、サージタンクを一体に設けた吸気マニホールドに関するものであり、より詳しくは、ブローバイガス(PCVガス)やEGRガスのような還流ガスの通路を備えたサージタンク一体式吸気マニホールドを対象にしている。
内燃機関では、クランク室に吹き抜けたブローバイガスを吸気系に還流させたり、排気ガスの一部を吸気系に還流させたりしている。ブローバイガスについてその流れを見ると、シリンダブロックに設けた通路から動弁室に至って、ヘッドカバーに設けた気液分離通路に入り、気液分離通路で油分を除去してから吸気系に還流させている。
気液分離通路を通過したブローバイガスは、パイプやチューブのような管路で吸気系に接続されていることが多く、その例として特許文献1には、サージタンク部を一体に設けた吸気マニホールドに、ブローバイガスを各枝管部に分配する分配通路を設けることが開示されている。
他方、特許文献2には、パイプやチューブのような管路を使用せずに、ブローバイガス通路と吸気マニホールドに形成したPCV通路とを連通させることが開示されている。
この特許文献2において、シリンダヘッドに形成したPCV通路の終端部は、シリンダヘッドの吸気側面に対して斜め下向きの姿勢になっている一方、吸気マニホールドに形成したPCV通路の始端部は、シリンダヘッドの吸気側面に対して斜め下向き姿勢で開口している。従って、特許文献2では、シリンダヘッドに形成したPCV通路と吸気マニホールドに形成したPCV通路との接続部は最も低くなっている。
特許文献2のようにシリンダヘッドにPCV通路を形成すると、パイプやチューブの接続作業は不要になるため、加工コストや組み立てコストを抑制できる。また、パイプやチューブを使用すると、組み付け時に接続不良が発生したり、機関のメンテナンスに際して物が当たって損傷したりすることが有り得るが、PCV通路をシリンダヘッドに内蔵すると、接続不良や損傷の問題は皆無になる。
特開2013−151906号公報 特開2011−169258号公報
さて、内燃機関(特に自動車用内燃機関)の使用環境は様々であり、寒冷地での使用や冬季の使用のように、低温環境下で使用されることも多い。この場合の吸気系のトラブルとして、ブローバイガスやEGRガスに含まれていた水分の凝縮の問題がある。
すなわち、例えば機関停止後に水分が凝縮して水滴となり、これが凍結して氷となって、次の始動時に氷が吸気と一緒に燃焼室に流入してエンジントラブルを発生させることがある(運転中でも、PCV装置やEGR装置を使用していない場合は、凝縮水の発生があり得る。)。また、氷によってPCV通路が閉塞してしまう問題も懸念される。更に、EGRガスの場合は凝縮水の酸性度が高いため、部材を腐食させるという問題もある。
そこで特許文献2を見ると、特許文献2では、上記のとおり、シリンダヘッドに形成したPCV通路と吸気マニホールドに形成したPCV通路との接続部は最も低くなっているため、PCV通路の内部で発生した凝縮水は、シリンダヘッドと吸気マニホールドとの接合部に溜まることになり、このため凍結や腐食の問題が発生やすいと云える。
更に述べると、特許文献2では、ブローバイガスは、吸気マニホールドの上部に設けた分配通路から吸気マニホールドの各枝管部に分配される態様が開示されており、この態様では、凝縮水が凍結して氷になると、その氷はサージタンク部に入らずに各枝管部に直接に流入するため、粒の大きい氷が気筒に流入する可能性も高くなっていて、エンジントラブルの原因になるおそれも高いと云える。
本願発明はこのような現状を改善すべく成されたものであり、PCV通路等のガス通路をシリンダヘッドに形成するという点は特許文献2と軌を一にしつつ、凝縮水の問題を解消せんとするものである。
本願発明の内燃機関は、
「吸気流入口を設けたサージタンク部に、複数の枝管部を、その出口が気筒列方向に並ぶようにして一体に設けており、前記各枝管部の出口は、シリンダヘッドの吸気側面に固定されるフランジ部から前記シリンダヘッドに向けて開口している、」
という基本構成である。
そして、上記基本構成において、
「前記フランジ部に、前記シリンダヘッドの吸気側面に斜め下向き姿勢で開口したヘッド側ガス通路に連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端部が斜め下向きとなるようにして形成されており、
更に、前記インマニ側ガス通路の始端部又はヘッド側ガス通路の終端部と前記サージタンク部とに連通した補助ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記補助ガス通路の始端の開口面積は、前記ヘッド側ガス通路又はインマニ側ガス通路の断面積より遥かに小さくなっている、」
という構成になっている。
請求項2の発明は、請求項1と同じ基本構成において、
「前記シリンダヘッドと対向する側に、前記シリンダヘッドに設けたヘッド側ガス通路と連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記インマニ側ガス通路の始端は前記フランジ部からシリンダヘッドに向いて開口し、前記インマニ側ガス通路の終端は前記サージタンク部の内部に開口している」、
という構成になっている。
さて、既述のとおり、ブローバイガスの気液分離室はヘッドカバーに設けているので、シリンダヘッドにPCV通路を内蔵する場合、ヘッド側ガス通路は、その終端を低くして、斜め下向きの姿勢で吸気側面に開口させるのが合理的である。
また、シリンダヘッドには吸気ポートの列が形成されているが、隣り合った吸気ポートの間の部位や吸気ポートの列の下方にPCV通路やEGR通路を形成することは、シリンダヘッドの強度や加工性(鋳造又はドリル加工)の点から不合理であり、従って、ヘッド側のガス通路は、吸気ポートの列の上側に設けるのが合理的であり、すると、吸気マニホールドのガス通路も、吸気マニホールドの上部に設けるのが合理的である。
他方、近年の吸気マニホールドは樹脂製であることが多く、この場合、複数の部材を振動溶着等で接合して中空構造品と成しているが、吸気マニホールドにガス通路を形成する場合は、主たる部材に形成した溝を蓋部材で塞ぐのが合理的であり、すると、スペースの有無の点や加工性の点から見ても、ガス通路は吸気マニホールドの上部に設けるのが好ましい。
本願請求項1の発明では、このような合理性に基づいてインマニ側ガス通路を吸気マニホールドの上部に設けているが、吸気マニホールドの姿勢等の制約により、特許文献2のように、インマニ側ガス通路の始端部を斜め下向きに形成せねばならない場合があり、従って、低温環境下での使用により、機関停止時やPCVバルブ停止運転時等に、還流ガスに含まれていた水分が凝縮することがあり、この場合は、凝縮水は、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部に流下する。
しかるに本願請求項1の発明では、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部から分岐した状態で補助ガス通路が形成されており、この補助ガス通路は、上流側の始端から下流側の終端に向けて下向き姿勢になっていて終端はサージタンク部に開口しているため、凝縮水はサージタンク部に流下(滴下)する。
従って、凝縮水が発生しても、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部に溜まることはなくて、これにより、まず、ガス通路が氷で閉塞されるという問題を防止できる。また、サージタンク部に至って凝縮水は広く分散するため、仮に凍結しても影響は無視できるし、更に、次の始動時等に、吸気の流れによってサージタンク部の内面に衝突するため、衝撃によって更に微細に粉砕される。従って、サージタンク部の内部で凍結しても、悪影響は生じない。
結局、本願請求項1の発明では、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路とを合理的な設計にして信頼性向上や加工性確保を図りつつ、凝縮水に起因した問題を解消できるのである。
請求項1の発明は補助ガス通路の配置に特徴を有するが、請求項2の発明は、インマニ側ガス通路自体が、請求項1の補助ガス通路と同じ構成になっている。従って、ヘッド側ガス通路で凝縮水が発生してこれがインマニ側ガス通路に流入したり、インマニ側ガス通路で凝縮水が発生したりしても、当該凝縮水はサージタンク部にリークするため、請求項1と同様の効果を発揮する。
実施形態をシリンダヘッドの側から見た背面図である。 分離斜視図である。 (A)はクランク軸線方向から見た側面図、(B)は補助ガス通路に沿って切断した部分的な縦断側面図である。 フランジ部の接合面を少し表して平面方向から見た図である。 (A)は補助ガス通路に沿って切断した全体的な縦断側面図、(B)は補助ガス通路を構成する溝部の部分斜視図、(C)は(A)のC−C視断面図である。
(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、請求項1を具体化したものである。本実施形態では、方向を特定するため上下・前後・左右の文言を使用するが、上下方向は鉛直方向と同じであり、前後方向はシリンダヘッドの吸気側面と直交した方向として定義し、左右方向はクランク軸線方向としている。なお、内燃機関の方向については、クランク軸線方向(気筒列方向)を前後方向とするのが一般的であるが、本実施形態の方法は、一般的な呼び方とは相違している。正面視方向は、シリンダヘッドの吸気側面を向いた方向である。
まず、概要を説明する。吸気マニホールドは樹脂製であり、図3(A)や図5から容易に理解できるように、基本的には、概ねシリンダヘッド1の側に位置した内側部材2と、概ねシリンダヘッド1と反対側に位置した外側部材3との2つの部材を重ねて振動溶着等で接合することにより、中空構造になっている。従って、内側部材2と外側部材3とが、吸気マニホールドとして必須の基本部材になっている。2つの部材2,3の合わせ面は、図3(A)及び図5で太線で表示している。
吸気マニホールドは、左右方向に長い大きな容積のサージタンク部4を有しており、このサージタンク部4に、例えば図3に示す1つの吸気流入口5と、図4に示す第1〜第3の3つの枝管部6,7,8とが一体に形成されている。吸気流入口5は左右方向の一端寄り部位に位置しており、シリンダヘッド1から遠い部位に上向き開口した状態で突設されている。従って、吸気流入口5は外側部材3に形成されている。敢えて述べるまでもないが、吸気流入口5にはスロットルボデー(図示せず)が固定される。
各枝管部6,7,8は吸気マニホールドの上部に形成しており、主として、内側部材2と外側部材3とによって構成されている。図4に吸気流入口5と枝管部6,7,8とが表示されているが、吸気流入口5に近いものから順に第1〜第3の番号を付している。
各枝管部6,7,8の先端部は、1つのフランジ部9によって一連に繋がっている。フランジ部9は内側部材2に形成しており、各枝管部6,7,8の個所ごとに、左右に並んだ2つずつの吸気穴10が空いている。従って、本実施形態の吸気マニホールドが固定されるシリンダヘッド1には、図示は省略するが、1つの気筒に対応した2つの吸気ポートが、左右に分かれた状態で吸気側面11に開口している。
図3に示すように、本実施形態の吸気マニホールドが取り付くシリンダヘッド1の吸気側面11は、上にいくほどカム軸側に寄るように鉛直線12に対して側面視で後傾した姿勢になっており、従って、フランジ部9の接合面は、鉛直線に対して俯き姿勢になっている。また、吸気流入口5の上面はほぼ水平姿勢になっている。図5ではフランジ部9を紙面の縦辺と平行に表示しているが、念のため、鉛直線12と水平面とを表示している。
例えば図4に示すように、吸気マニホールドを構成する外側部材3のうち吸気流入口5と反対側に寄った部位には、EGRガス導入部13を突設している。EGRガス導入部13から導入されるEGRガスは、サージタンク部4の内部に放散される。
(2).PCV通路
図3(B)及び図5(A)に示すように、シリンダヘッド1の吸気側面11には、ヘッド側ガス通路の一例としてのヘッド側PCV通路15が開口している一方、吸気マニホールドを構成するフランジ部9の接合面上部には、インマニ側ガス通路の一例としてのインマニ側PCV通路16が開口している。図1,2に示すとおり、インマニ側PCV通路16は、第1枝管部6の吸気穴10と第2枝管部7の吸気穴10との間の部位でかつ、吸気穴10よりも僅かに上に位置している。従って、ヘッド側PCV通路15の終端も、吸気ポートの入り口よりも上に位置している。
図3(B)に示すとおり、ヘッド側PCV通路15の下流側終端部は、出口に向けて高さが低くなるように水平に対して僅かに傾斜している。他方、インマニ側PCV通路16の上流側始端部16aはフランジ部9の接合面と直交した姿勢であるが、フランジ部9は傾斜した姿勢でシリンダヘッド1に固定されるため、インマニ側PCV通路16の始端部16aは、シリンダヘッド1に向けて下がるように傾斜している。従って、ヘッド側PCV通路15とインマニ側PCV通路16との接続部は、下向き突の曲がり部になっている。
インマニ側PCV通路16の始端部16aには、ブローバイガスを各枝管部6,7,8に分配するための分配通路16bが連続されている。図3(B)及び図5(A)では、分配通路16bのうちの集合部16cを部分的に表示している。集合部16cは枝管部6,7,8を横切るようにして左右方向に延びており、この集合部16cから、各枝管部6,7,8に向けて、図4に外観を示している分岐通路16dが分岐している。
分配通路16bは、吸気マニホールドを構成する外側部材3の上面に形成された溝を第1蓋部材17で塞ぐことにより構成されている。第1蓋部材17は左右長手の形態である。敢えて述べるまでもないが、第1蓋部材17も樹脂製であり、振動溶着等によって外側部材3に接合されている。なお、第1蓋部材17にも溝が形成されている。
上記のとおり、ヘッド側PCV通路15とインマニ側PCV通路16との接続部は下向き突の屈曲部になっており、PCV通路15,16に発生した凝縮水は、この屈曲部に流れ落ちてくる。そこで、流れてきた凝縮水をサージタンク部4に排出するために、補助ガス通路の一例として、図5に全体を示す補助PCV通路18を形成している。
図5に全体を示すように、補助PCV通路18は、吸気マニホールドを構成する内側部材2の上部に形成した前向き開口の第1部分18aと、吸気マニホールドを構成する内側部材2に空けた貫通穴状の第2部分18bと、内側部材2に形成した溝19を第2蓋部材23で塞ぐことによって構成された第3部分18cとから成っている。第2蓋部材23にも溝19aが膨出形成されている。従って、正確には、補助PCV通路18の第3部分18Cは、内側部材2に形成した溝19と第2蓋部材23に形成した溝19aとによって構成されている。
第1部分18aは、第1枝管部6と第2枝管部7との隣り合った吸気穴10を区分するための溝を利用しており、第1部分18aの上端は、インマニ側PCV通路16の始端と連通した連通溝21になっている。連通溝21の左右深さは僅かであり、従って、連通溝21の断面積はインマニ側PCV通路16の断面積よりも遥かに小さくなっている。第2部分18bは丸穴であり、金型にスライドピンを設けることによって形成しているが、ドリル加工で空けることも可能である。
図5(C)に示すように、補助PCV通路18の第3部分18cを構成する溝19は、細長い閉ループ形状のリブ22の内側に形成されている。従って、第2蓋部材23は、リブ22の端面(前面)に接合されている。この場合、サージタンク部4を構成する内側部材2の下半部が、下に行くに従ってシリンダヘッド1から遠ざかるように曲がっているため、溝19の深さは上から下に向けて浅くなっている。また、補助PCV通路18は、正面視でくの字状に屈曲している。
図5(B)に明瞭に示すように、溝26の上端部は広幅部になっており、下に向けて溝幅が徐々に狭くなっている。従って、補助PCV通路18は、上から下に向けて断面積が小さくなっており、断面積の変化率は相当に大きくなっている。
また、溝19の内部には、平行に延びるリブ22を繋ぐ仕切り板25が設けられており、これにより、溝19は高い強度が確保されている。補助PCV通路18の終端部は、吸気マニホールドの内側部材2に空けた出口穴29で構成されている。仕切り板25は、吸気マニホールドの内側部材2から下方に延びているため、水滴が仕切り板25に触れることはない。
(3).まとめ
図3(B)及び図5(A)に示すように、PCV通路15,16で発生して第1部分18aから第2部分18bに至る凝縮水27は、第2蓋部材23の溝26を伝ってサージタンク部4の内部に流入する。従って、ヘッド側PCV通路15とインマニ側PCV通路16との接続部に凝縮水27が溜まることはなく、凍結した凝縮水27でインマニ側PCV通路16が塞がれたり、凍結した凝縮水27が枝管部6,7,8から気筒に流入してトラブルを発生したりすることはない。
そして、第1部分18aの連通溝21は、インマニ側PCV通路16の断面積に比べて数分の一かそれ以下の断面積であるため、ブローバイガスが補助PCV通路18に吸い込まれることはない。更に述べると、サージタンク部4の内部よりも枝管部6,7,8の個所の負圧が高くなっているため、ブローバイガスは、補助PCV通路18に吸い込まれることはなくて、インマニ側PCV通路16を介して枝管部6,7,8に吸い込まれていく。また、PCV通路15,16に負圧が生じていない状態ではPCVバルブが閉じているため、ブローバイガスが補助PCV通路18に圧送されるような現象は生じない。
実施形態では、補助PCV通路18は、ブローバイガスの流れ方向から見て、上流側の始端と下流側の終端との間の相当部分が大きな容積のバッファ室になっているため、サージタンク部4の吸気がサージタンク部4と補助PCV通路18との間で自由に流れることや、ブローバイガスがPCV通路15,16と補助PCV通路18との間で自由に流れることに対して、強い抵抗が生じる。従って、補助PCV通路18自体が、気体の通過を阻止する逆止弁の働きをしており、この面でも、ブローバイガスの流れが阻害されることはない。他方、凝縮水27は質量が大きいため、サージタンク部4に向けて的確に流下する。従って、凝縮水27の排除機能には問題はない。
サージタンク部4に流入した凝縮水27は、サージタンク部4の底部に溜まることになるが、機関の停止後にサージタンク部4の内部で凍結しても、次の始動時に、吸気の流れによってサージタンク部4の内面に衝突するため、ピストンやシリンダに悪影響を与えない状態まで粉砕される。
また、機関の運転中にブローバイガスの流れが停止することがあり、この場合も凝縮水27が発生することは有り得るが、この場合は、サージタンク部4の内部には吸気の流れがあるため、サージタンク部4に流入した凝縮水27は、凍結することなく吸気の流れに乗って霧化して気筒に流入する。従って、この場合も、悪影響は全く発生しない。リブ22等の補助PCV通路構成要素は、吸気マニホールドの補強効果も有している。
本実施形態では、補助PCV通路18の第1部分18aはフランジ部9に形成した溝を利用しており、かつ、フランジ部9が側面視で傾斜姿勢になっているため、図3(B)に示すように、第1部分18aの下端とシリンダヘッド1とで形成されたごく小さい凹所28ができるが、この凹所28の容積は僅かであるため、凝縮水27が溜まって凍結しても、補助PCV通路18を塞ぐような問題は生じない。また、凹所28で凝縮水27が凍結しても、氷は凹所28の個所に閉じ込められた状態になり、気筒に流入することはない。この面でも、機関に悪影響を与えることはない。
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、PCV通路に代えてEGR通路に適用することも可能である。また、PCV通路にしてもEGR通路にしても、必ずしも分配通路を設ける必要はないのであり、ガスをサージタンク部に流入させることも可能である。補助ガス通路の形成手段としては、例えば、金属製又は樹脂製のパイプを内側部材2にインサート成形する(又は鋳込む)ことも可能である。
上記の実施形態は請求項1の具体例であったが、請求項2の具体例の場合は、実施形態の補助PCV通路をインマニ側ガス通路に置き換えたらよい。この場合、ブローバイガスやEGRガスのような還流ガスは、単にサージタンク部に放散させるだけでもよいし、サージタンク部を構成する内側部材に分配通路を設けて、分配通路から枝管部に向けて分配してもよい。
本願発明は、実際に吸気マニホールドに具体化できる。従って、産業上利用できる。
1 シリンダヘッド
2 吸気マニホールドを構成する内側部材
3 吸気マニホールドを構成する外側部材
4 サージタンク部
5 吸気流入口
6〜7 枝管部
9 フランジ部
11 シリンダヘッドの吸気側面
15 ヘッド側ガス通路の例としてのヘッド側PCV通路
16 インマニ側ガス通路の例としてのインマニ側PCV通路
17 第1蓋部材
18 補助ガス通路の例としての補助PCV通路
19 補助PCV通路を構成する溝
20 第2蓋部材
21 インマニ側PCV通路の始端を構成する連通穴
22 リブ
26 インマニ側PCV通路の終端を構成する出口穴

Claims (2)

  1. 吸気流入口を設けたサージタンク部に、複数の枝管部を、その出口が気筒列方向に並ぶようにして一体に設けており、前記各枝管部の出口は、シリンダヘッドの吸気側面に固定されるフランジ部から前記シリンダヘッドに向けて開口している構成であって、
    前記フランジ部に、前記シリンダヘッドの吸気側面に斜め下向き姿勢で開口したヘッド側ガス通路に連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端部が斜め下向きとなるようにして形成されており、
    更に、前記インマニ側ガス通路の始端部又はヘッド側ガス通路の終端部と前記サージタンク部とに連通した補助ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記補助ガス通路の始端の開口面積は、前記ヘッド側ガス通路又はインマニ側ガス通路の断面積より遥かに小さくなっている、
    サージタンク一体式吸気マニホールド。
  2. 吸気流入口を設けたサージタンク部に、複数の枝管部を、その出口が気筒列方向に並ぶようにして一体に設けており、前記各枝管部の出口は、シリンダヘッドの吸気側面に固定されるフランジ部から前記シリンダヘッドに向けて開口している構成であって、
    前記シリンダヘッドと対向する側に、前記シリンダヘッドに設けたヘッド側ガス通路と連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記インマニ側ガス通路の始端は前記フランジ部からシリンダヘッドに向いて開口し、前記インマニ側ガス通路の終端は前記サージタンク部の内部に開口している、
    サージタンク一体式吸気マニホールド。
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