JP3357286B2 - 内燃機関のスロットルボディ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のスロッ
トルボディに係り、アクセルペダルの踏み込み量に対し
て吸入空気流量が非線形な特性を有するスロットルボデ
ィに関する。

【０００２】

【従来の技術】スロットルボディは、燃料と混合気を形
成する吸入空気の量を調整するもので、図１０に示すよ
うに、筒状のハウジング７０１に吸入空気が流通するス
ロットルボア７０２を形成し、スロットルボア７０２
に、フラップ状のスロットルバルブ７０３をシャフト７
０４を中心として回動自在に配設しサージタンクへの吸
入空気流量を調整する。スロットルバルブ７０３は運転
者により操作されるアクセルペダルの踏み込み量に応じ
て開度が調整される（例えば特開平８−１４４７３２号
公報）。

【０００３】スロットルボディには、自動車の発進時に
おける滑らかな加速感を得るために、スロットルバルブ
とスロットルボア面の間に形成される空気通路の通路面
積の変化率を、アクセルペダルの踏み初め、すなわちス
ロットルバルブの開き初めにおいて小さくし、アクセル
ペダルの踏み初めにおいて吸入空気流量が制限されるよ
うにしたスロットルボディがある。

【０００４】このようなスロットルボディとして、例え
ば図１１に示すものがある。このスロットルボディは、
スロットルバルブ７０３の開度の調整機構が、スロット
ルペダルと連動するワイヤ７０６により、曲率半径が徐
々に変化する非円弧状のスロットルリンク７０５を介し
てシャフト７０４を回転せしめる構成となっており、ス
ロットルバルブ７０３の開度が小さいときに、ワイヤ７
０６の引っ張り量に対してシャフト７０４の回転量が小
さくなるようにしている（第１従来例）。

【０００５】また図１２に示すスロットルボディは、ス
ロットルバルブ７０３の開度の調整機構が、通電駆動に
よりスロットルバルブ７０３の開度を変化せしめるスロ
ットルアクチュエータ８０１を有し、これを制御回路
（ＥＣＵ）８０３が、スロットルポジションセンサ８０
２による検出開度と、アクセルペダル踏み込み量信号８
０４とに基づいて所定の開度となるようにスロットルア
クチュエータ８０１を通電制御する構成となっており、
踏み初めにスロットルアクチュエータ８０１の動作量を
緩やかにしてスロットルバルブ７０３の開度を制限する
ようにしている（第２従来例）。

【０００６】また図１３に示すように、スロットルボア
７０２のスロットルバルブ７０３位置近傍でかつスロッ
トルバルブ７０３の回転によりスロットルバルブ７０３
が近づく側の面７０２ａ，７０２ｂを、曲率半径がスロ
ットルバルブ７０３の回転半径に近い値とすることで、
アクセルペダルの踏み初めに、スロットルボア７０２面
とスロットルバルブ７０３の間の空気通路の面積が、ス
ロットルバルブ７０３の回転に応じて緩やかに変化する
ようにしたものもある（第３従来例）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記第１
従来例は、曲率半径が一定ではないスロットルリンクが
必要なため、構造が複雑化し、高価である。また上記第
２従来例は、スロットルバルブの全開状態での吸入空気
流量を増やすべくボア径を大きくした場合に、図１４に
示すようにスロットルバルブの開度に対する空気通路面
積の変化率が大きくなり、スロットルバルブに対し、開
き初めに相当微妙な制御が要求される。このためスロッ
トルアクチュエータ等の部品に精密駆動の可能な高価な
ものが必要になる。また第３従来例は、スロットルボア
の形状が上下に非対称でかつ軸線方向にも形状が変化す
る複雑な形状のため、機械加工が困難で、量産に適して
おらず、高価になる。またボアに球面部があるために図
１３中、矢印で示すごとく渦流が生じて圧力損失を招
き、スロットル開度が大きいときの吸入空気流量が減少
し出力性能が低下するという問題もある。

【０００８】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
その目的は、加工の容易な構造で、部品数が少なく、し
かも精密なスロットルバルブ開度の制御も不要であり、
さらにスロットルバルブ開度の小さな領域ではアクセル
ペダルの踏み込み量に対する吸入空気流量の変化が小さ
く、スロットルバルブ開度の大きな領域では吸入空気流
量が十分な非線形な吸入吸気流量特性を有するスロット
ルボディを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、スロットルボアを、開くときに上流側に変位するス
ロットルバルブの周縁部と対向するスロットルボア面を
含む位置で上流側からスロットルバルブ位置に向けて縮
径し、スロットルバルブ位置から下流側へ向けて拡径す
る形状とし、スロットルボアの縮径部の傾斜角度を３°
から１０°の範囲内に設定し、かつスロットルボアの拡
径部の傾斜角度を２°から８°の範囲内に設定する。

【００１０】スロットルバルブの開度が小さいときに
は、空気流がスロットルボア面とスロットルバルブの僅
かな隙間からスロットルボアの下流側へ進入する。空気
流の進入方向は、開くときに上流側に変位するスロット
ルバルブの周縁部と対向するスロットルボア面を含む位
置では、縮径部のスロットルボア面に略平行な方向、す
なわちスロットルボアの径方向中側に偏した方向とな
り、空気流はスロットルバルブを通過した後にスロット
ルボア面から剥離して渦流を生じる。渦流は圧力損失を
伴うから、吸入空気流量が抑えられ、スロットルバルブ
開度に対する吸入空気流量の変化率が小さくなる。した
がってアクセルペダルの踏み込み量に比例してスロット
ルバルブ開度が変化しても踏み込み量に対する吸入空気
流量の変化が小さくなる。

【００１１】スロットルバルブの開度が大きいときに
は、スロットルボア面からスロットルボアの径方向に離
れたところにも空気流が形成されるから、スロットルボ
ア面側の空気流は拡径部への進入時に僅かな剥離しか生
じず、スロットルボアの最小径部であるスロットルバル
ブ位置の通過時の圧力損失が抑えられる。そしてスロッ
トルバルブ位置において絞り効果により低下した圧力が
拡径部において速やかに回復され、大きな吸入空気流量
が得られる。

【００１２】さらにスロットルボアにスロットルバルブ
を配設するだけの構成であるから、複雑な形状の部品が
不要で、新たな部品を追加する必要もない。またスロッ
トルバルブの開度が小さいときにスロットルバルブ開度
に対する吸入空気流量の変化率が小さくなる非線形な特
性となるから、精密なスロットルバルブ開度の制御が不
要である。またスロットルボアは筒体に縮径部と拡径部
とを形成すればよいから、加工が容易である。

【００１３】請求項２記載の発明では、スロットルボア
の拡径部の長さを、スロットルボアの最小径の７０％か
ら２６０％の範囲内に設定することで、拡径部の圧力回
復性能を高く保持しつつスロットルボア面との摩擦を小
さくすることができる。

【００１４】請求項３記載の発明では、スロットルボア
が形成されたハウジングを上記サージタンク壁を貫通し
て配設し、上記スロットルボアの下流側位置がサージタ
ンク内となるようにする。

【００１５】スロットルボアがサージタンク内に進入し
た分、相対的にスロットルバルブ位置をサージタンク近
くにすることができ、スロットルボディおよびサージタ
ンクの空間専有率が小さくなって内燃機関がコンパクト
にできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１〜図９により本発明の内燃機
関のスロットルボディの実施の形態を説明する。図１
は、図略の吸気マニホールドの上流側に接続されたサー
ジタンクとこれに付設されたスロットルボディの断面を
示すもので、スロットルボディ１は外周面に鍔部２１を
形成した円筒状のハウジング２を有し、筒内をスロット
ルボア３としてある。ハウジング２はサージタンク６の
端壁を貫通して設けられ、鍔部２１よりも先端側（図中
右側）がサージタンク６内に進入している。スロットル
ボディ１は、鍔部２１がサージタンク６の端壁に接合さ
れてサージタンク６に固定される。

【００１７】スロットルボア３の軸方向中程にはスロッ
トルバルブ４が配設してある。スロットルバルブ４はフ
ラップ状の円板で、スロットルボア３を径方向に橋渡し
するシャフト５に固定され、シャフト５を中心に回動す
るようになっており、回転角度に応じてスロットルボア
３面とスロットルバルブ４間に形成される空気通路の面
積が変わるようになっている。

【００１８】スロットルボア３の上流側（左側）は左端
からスロットルバルブ４位置に向けて縮径する縮径部３
１としてあり、下流側（右側）はスロットルバルブ４位
置から下流側へ向けて拡径する拡径部３３としてある。
またスロットルボア３は、スロットルバルブ４位置の、
スロットルバルブ４の厚さよりもやや長い部分３２が、
ボア径が略スロットルバルブ４と同じである等径部３２
としてある。縮径部３１の傾斜角度（以下、縮径角度と
いう）θ1 は３°から１０°の範囲内に設定し、かつ拡
径部３３の傾斜角度（以下、拡径角度という）θ2 は２
°から８°の範囲内に設定してある。

【００１９】本スロットルボディ１の作用を、スロット
ルバルブ４の開度が微小開度のときとスロットルバルブ
４の開度が大きいときとに分けて説明する。

【００２０】図２はスロットルバルブ４の開度が微小開
度（１８％）のときの空気流を示すもので、図中の矢印
が空気の流れを表している。スロットルバルブ４は、回
動して開くときには、図中上側の周縁部が上流側に変位
する。スロットルボア３において、上流からの空気はス
ロットルボア３面とスロットルバルブ４間に形成される
空気通路を通って拡径部３３に流入する。空気はスロッ
トルボア３面側の微小な範囲を流れるため、スロットル
ボア３面とスロットルバルブ４の図中上側の周縁部間を
通る空気流の進入方向は、略縮径部３１におけるスロッ
トルボア３面に平行な方向であり、拡径部３３において
空気流の進入方向がスロットルボア３面に対してなす角
度θ3 は略縮径角度θ1 ＋拡径角度θ2 となる。したが
って本発明のごとく縮径角度θ1 を３°から１０°の範
囲内に設定し、拡径角度θ2 を２°から８°の範囲内に
設定すると、角度θ3 は５°から１８°となる。

【００２１】さて一般に管内に流入した空気流と管壁面
とのなす角度が約５°を越えると、急激に空気流の管壁
面からの剥離が増加する。本発明では角度θ3 が５°以
上となっており、したがって図中の矢印のごとく、剥離
した空気流がスロットルボア３の径方向中心側に巻き込
まれて渦流を生じ、圧力損失が発生する。よってスロッ
トルバルブ４の開度に対するサージタンク６への吸入空
気流量の変化率が小さくなる。

【００２２】一方、図３はスロットルバルブ４の開度が
大きい（全開）ときの空気流を示すもので、空気流は、
スロットルボア３面からスロットルボア３の径方向に離
れた位置をもスロットルバルブ４の開度に応じてスムー
ズに流れる。

【００２３】発明者らは拡径角度θ2 とスロットルボア
３の通気抵抗との関係について実験を行い、図４を得
た。図４は縮径角度θ1 が３°で拡径角度θ2 を変化さ
せたときのスロットルボア３の通気抵抗のグラフであ
る。図は下に凸の傾向を示し、拡径角度θ2 は、２°か
ら８°の範囲が通気抵抗が小さく高い吸入空気流量が得
られ、適当であった。

【００２４】拡径角度θ2 が２°よりも小さくなると、
通気抵抗が大きくなって吸入空気流量が減少し、十分で
はなかった。これは、スロットルボア３が最小径となる
スロットルバルブ４位置において空気の圧力は絞り効果
により最小となるが、拡径部３３の拡径角度θ2 が２°
よりも小さいため、拡径部３３はディフューザとしては
有効に働かず、圧力の回復が少ないため、通気抵抗が大
きくなるものと認められる。

【００２５】この拡径部３３における圧力回復作用につ
いて説明する。図５、図６は空気流があるときの、スロ
ットルボア３における空気の圧力分布のシミュレーショ
ン結果である。図５は、本発明のスロットルボディ１で
ある。図６は、従来のスロットルボディ９であり、ハウ
ジング９０１に形成されたスロットルボア９０２がスロ
ットルバルブ４よりも下流部９０３で一定径（拡径角度
＝０°）となっている。なおスロットルバルブ４よりも
上流側は比較の便宜のため本発明のスロットルボディと
同様の縮径部３１となっている。図にはスロットルバル
ブ４よりも下流の圧力分布を濃淡で表しており、濃色に
なるほど圧力が大気圧に対して低い、すなわち圧力損失
が大きいことを示している。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，
Ｐ５，Ｐ６は濃淡で表される領域の圧力を示し、Ｐ１が
最も低く、この順に高くなり、Ｐ６が最も高い。

【００２６】図５、図６とも、スロットルバルブ４位置
で低下した圧力がスロットルバルブ４下流において回復
していくが、図６のスロットルボディ９のようにスロッ
トルバルブ４よりも下流を一定径としたもの、ないし拡
径角度の小さなものでは、低下した圧力がＰ４まで回復
するのはサージタンク６の深い領域６ａにおいてである
のに対して、本発明のスロットルボディ１では、拡径部
３３において圧力が速やかに回復し、すでにサージタン
ク６との接合位置においてＰ４まで回復している。すな
わち本発明のスロットルボディ１はスロットルバルブ４
の開度が大きいとき、圧力損失を伴わず吸入空気流量が
大きくなる。

【００２７】また拡径角度θ2 が８°を越えてしまう
と、上記２°よりも小さいときのように、通気抵抗が大
きくなって吸入空気流量が減少し、十分ではなかった。
これは、拡径角度θ2 が大きくなると、等径部３２から
拡径部３３に進入する空気流の進入方向と拡径部３３に
おけるスロットルボア３面とのなす角度も大きくなり、
拡径部３３のスロットルボア３面からの空気流の剥離が
増大して圧力損失が増大し通気抵抗が大きくなるものと
認められる。

【００２８】また発明者らは、スロットルボディの最も
上流側の内径を同じにした条件で、スロットルバルブ４
の開度の全開時における縮径角度θ1 とスロットルボア
３の通気抵抗との関係について実験を行い、図７を得
た。図７は拡径角度θ2 が５°で縮径角度θ1 を変化さ
せたときのスロットルボア３の通気抵抗のグラフであ
る。図は右上がりの傾向を示し、縮径角度θ1 は小さい
ほど通気抵抗が小さく高い吸入空気流量が得られる。

【００２９】縮径角度θ1 が３°よりも小さくなると、
通気抵抗は小さくなるが、スロットルバルブ４の開度が
小のときに次の不都合があり適当ではない。すなわち上
記のごとく拡径角度θ2 を２°以上としているので、縮
径角度θ1 を３°よりも小さくすると、縮径部３１から
拡径部３３への空気流の進入方向が拡径部３３において
スロットルボア３面に対してなす角度θ3 が５°を下回
ってしまい、拡径部３３における空気流のスロットルボ
ア３面からの剥離作用が十分に得られない。このため、
スロットルバルブ４の開度に対するサージタンク６への
吸入空気流量の変化率が小さくならない。

【００３０】縮径角度θ1 が１０°を越えてしまうと、
通気抵抗が大きくなって吸入空気流量が減少し、十分で
はなかった。これは、スロットルバルブ４やシャフト５
はその形状（特にスロットルバルブ４の厚さやシャフト
５の径）に応じて一定の通気抵抗を生じさせる。このた
め上記比較例のように縮径角度θ1 が大きくなりスロッ
トルボア３の等径部３２の径が小さくなると、通気抵抗
を発生させるスロットルバルブ４やシャフト５が相対的
に大きな空間を占め通気抵抗が大きくなるものと認めら
れる。よって縮径角度θ1 は、３°から１０°の範囲
が、吸入空気流量を非線形な特性にするのに適切であ
る。

【００３１】また上記構成において、スロットルボア３
の拡径部３３の長さＬを、スロットルボア３の最小径で
ある等径部３２の径Ｄの７０％から２６０％の範囲内に
設定する。例えば等径部３１の径Ｄが７０ｍｍのとき、
拡径部３３の長さＬを５０ｍｍから１８０ｍｍの範囲内
に設定する。

【００３２】また発明者らは、スロットルバルブ４の開
度の全開時におけるスロットルボア３の拡径部３３の長
さＬと等径部３２の径Ｄの比率（Ｌ／Ｄ）とスロットル
ボア３の通気抵抗との関係について実験を行い、図８を
得た。図８は比率（Ｌ／Ｄ）を変化させたときのスロッ
トルボア３の通気抵抗のグラフである。図は下に凸の傾
向を示し、比率（Ｌ／Ｄ）は、７０％から２６０％の範
囲が通気抵抗が小さく高い吸入空気流量が得られ、適当
であった。

【００３３】比率（Ｌ／Ｄ）が７０％よりも小さくなる
と、通気抵抗が大きくなって吸入空気流量が減少し、十
分ではなかった。これは、比率（Ｌ／Ｄ）が小さいと、
スロットルバルブ４位置で低下した圧力がスロットルバ
ルブ４下流において十分に回復するだけの長さが確保で
きず、通気抵抗が大きくなるものと認められる。

【００３４】一方、比率（Ｌ／Ｄ）が２６０％を越えて
しまうと、通気抵抗が大きくなって吸入空気流量が減少
し、十分ではなかった。これは、比率（Ｌ／Ｄ）が大き
いと、スロットルボア３の拡径部３３において圧力は十
分に回復してもスロットルボア３面との摩擦により通気
抵抗が大きくなるものと認められる。

【００３５】以上のように、本発明のスロットルボディ
では、図９に示すように、図１０のような従来のスロッ
トルボディに比してスロットル開度の小さな領域ではア
クセルの踏み込み量に対する吸入吸気流量の変化を小さ
く、スロットル開度の大きな領域では吸入空気流量を高
くすることができる。しかもスロットルボアが、上流側
から上記スロットルバルブ位置に向けて縮径し、上記ス
ロットルバルブ位置から下流側へ向けて拡径するように
筒状のハウジングを加工するだけでよいから、部品を複
雑な形状に加工する必要がなく製作が容易であり、また
新たな部品を追加する必要もない。したがって安価にで
きる。

【００３６】なお本実施形態はハウジングがサージタン
クの端壁を貫通しスロットルボアの下流側位置がサージ
タンク内となっているが、必ずしもかかる態様に限定さ
れるものではなく、スロットルボアの下流端がサージタ
ンクの端壁の内側の面に開口する構成でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関のスロットルボディおよび上
記スロットルボディが付設されたサージタンクの断面図
である。

【図２】本発明の内燃機関のスロットルボディの、スロ
ットルバルブの開度が小のときのスロットルボアにおけ
る空気流を示す図である。

【図３】本発明の内燃機関のスロットルボディの、スロ
ットルバルブの開度が大のときのスロットルボアにおけ
る空気流を示す図である。

【図４】スロットルボアの通気抵抗と形状パラメータの
関係を示す第１の図である。

【図５】本発明の内燃機関のスロットルボディの、スロ
ットルバルブの開度が大のときのスロットルボアにおけ
る圧力分布を示す図である。

【図６】本発明の内燃機関のスロットルボディと比較さ
れるスロットルボディの、スロットルバルブの開度が大
のときのスロットルボアにおける圧力分布を示す図であ
る。

【図７】スロットルボアの通気抵抗と形状パラメータの
関係を示す第２の図である。

【図８】スロットルボアの通気抵抗と形状パラメータの
関係を示す第３の図である。

【図９】スロットルボディの、吸入空気流量とスロット
ルバルブの開度の関係を示すグラフである。

【図１０】内燃機関のスロットルボディの第１の従来例
の断面図である。

【図１１】内燃機関のスロットルボディの第２の従来例
の側面図である。

【図１２】内燃機関のスロットルボディの第３の従来例
の断面図である。

【図１３】内燃機関のスロットルボディの第４の従来例
の断面図である。

【図１４】内燃機関のスロットルボディの第３の従来例
の問題点を示すグラフである。

【符号の説明】

１ スロットルボディ ２ ハウジング ３ スロットルボア ３１ 縮径部 ３２ 等径部 ３３ 拡径部 ４ スロットルバルブ ５ シャフト ６ サージタンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小浜 時男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 神永 晃一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 高田 充 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 井伊 明 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−128367（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−144732（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−49443（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−10868（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 9/00 - 11/10 F02M 19/00 F02M 3/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸入空気が流通するスロットルボアに、
   これを橋渡しするシャフトに固定されたフラップ状のス
   ロットルバルブを配設し、スロットルバルブをシャフト
   を中心に回動して吸入空気流量を調整し、流量調整され
   た吸入空気をサージタンクに供給する内燃機関のスロッ
   トルボディにおいて、上記スロットルボアを、開くとき
   に上流側に変位するスロットルバルブの周縁部と対向す
   るスロットルボア面を含む位置で上流側から上記スロッ
   トルバルブ位置に向けて縮径し、上記スロットルバルブ
   位置から下流側へ向けて拡径する形状とし、スロットル
   ボアの縮径部の傾斜角度を３°から１０°の範囲内に設
   定し、かつスロットルボアの拡径部の傾斜角度を２°か
   ら８°の範囲内に設定した内燃機関のスロットルボデ
   ィ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の内燃機関のスロットルボ
   ディにおいて、上記スロットルボアの拡径部の長さを、
   スロットルボアの最小径の７０％から２６０％の範囲内
   に設定した内燃機関のスロットルボディ。
3. 【請求項３】 請求項１または２いずれか記載の内燃機
   関のスロットルボディにおいて、上記スロットルボアが
   形成されたハウジングを上記サージタンク壁を貫通して
   配設し、上記スロットルボアの下流側位置がサージタン
   ク内となるようにした内燃機関のスロットルボディ。