JP4546394B2 - 吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気装置に関し、例えばサイクロン式エアクリーナを用いて吸気を内燃機関に導入する吸気装置に適用して好適なものである。

従来、例えば内燃機関の吸気系等に用いられる吸気装置には、中空円筒状のエレメントを収容した円筒状のケーシングの側壁に接線方向の空気導入管を取り付け、空気をケーシング内の側壁に沿った旋回流（サイクロン流）として導入し、空気に混入するダスト等を分離するサイクロン式エアクリーナがある（特許文献１）。この種のサイクロン式エアクリーナでは、旋回流により空気をエレメント全周で濾過するとともに、濾過された空気がエレメント内の中空部で合流し、ケーシングの空気導出管を介して内燃機関へ供給される。

特許文献２では、内燃機関へ供給する空気流量を検出する装置として、発熱抵抗体を用いる熱式エアフローメータが開示されている。この技術では、エアクリーナの空気導出管に熱式エアフローメータが配置されている。
特公平６−５８０９８公報 特開平１０−７３４６５公報

吸気装置にサイクロン式エアクリーナを用いる従来技術では、旋回流によりエレメントの中空部で合流する空気は、中空部内で、エレメントのばらつき等による偏流や、空気の乱れを生じて衝突合流するので、圧力損失が増加するという問題がある。

また、エアクリーナの空気導出管に熱式エアフローメータなどの空気流量検出装置を搭載する場合、上記衝突合流が原因で出力変動等が生じ、空気流量検出装置の検出精度が確保できないおそれがある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、サイクロン式エアクリーナを用いるものにおいて、エレメント濾過後の乱れや偏流による圧力損失を低減することを目的とする。

また、別の目的は、空気流量検出装置の上流側における空気の乱れや偏流を低減するとともに、空気流量を高精度に検出可能な吸気装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。

即ち、請求項１乃至６記載の発明では、吸気導入管および吸気導出管を有するケーシングの内部に筒状の濾過エレメントを備え、吸気導入管に流入した空気を、濾過エレメントの外周に沿って旋回させて濾過エレメントで濾過するように導くとともに、濾過エレメントの内側に形成された中空部に合流させて、濾過した空気を吸気導出管より流出する吸気装置において、
濾過エレメントの中空部内に設けられ、ケーシングに固定されるアーム部と、アーム部間を繋ぐとともに、濾過エレメントに接合可能な接合部とを備え、濾過エレメントをケーシングに懸架する略Ｕ字形の支持部材を備え、濾過エレメントの中空部内に、中空部の延伸する方向に延びる整流板が設けられており、整流板は、支持部材に取付けられ、支持部材のアーム部間を架橋する隔壁とされていることを特徴とする。

これによると、濾過エレメントの中空部内に、中空部の延伸する方向に延びる整流板を設けたので、濾過エレメント直後で発生する空気の乱れ、偏流、および衝突合流という空気流れの不安定要因に対し、濾過エレメントの中心部側にある中空部に配置された整流板によって、これら不安定要因の発生途中で空気流れを整流できる。したがって、空気の乱れと偏流による圧力損失を低減することができる。
ここで、一般に、筒状の濾過エレメントをケーシングに収容する場合、濾過エレメントをケーシングに懸架する略Ｕ字形の支持部材を設けている。これに対して請求項１に記載の発明では、濾過エレメントをケーシングに懸架する略Ｕ字形の支持部材に、整流板を取り付けているので、中空部内に整流板を配置するための整流板固定部材を、従来構成より追加する必要がない。したがって、濾過エレメント直後で発生する空気の乱れ、偏流、および衝突合流という空気流れの不安定要因に対し、これら不安定要因の発生途中で空気流れを整流できる整流板を有する吸気装置を、簡素に提供できる。
また、一般に、濾過エレメントの中空部内に設けられる支持部材自体も、濾過エレメントにより濾過された空気が衝突するおそれのある障害物となるため、支持部材による空気の乱れを抑制する必要がある。これに対して請求項１に記載の発明では、整流板は、アーム部間を架橋する隔壁を形成しているので、アーム部への衝突により生じる空気の乱れを整流板で抑制することができる。

特に、請求項２に記載の発明では、中空部は、前記濾過エレメントを円筒状に形成した内周であって、内周と、吸気導出管のケーシング側の開口部は、同軸に配置されていることを特徴とする。

これにより、中空部の延伸する方向に延びる整流板によって整流された濾過空気を、スムースに吸気導出管のケーシング側の開口部へ導くことが可能である。したがって、空気の乱れや偏流による圧力損失が低減された空気流れを、吸気導出管より流出することができる。

また、請求項３に記載の発明では、整流板は、同軸上に延びるように設けられていることを特徴とする。

これにより、整流板を、濾過され空気が衝突する衝突領域内を、上流側から下流側に向かって、二分割する隔壁のように設けることができる。例えば、濾過空気が直接衝突するときに生じる空気の乱れエネルギを緩和することができる。

また、請求項４に記載の発明では、整流板は、中空部内のうち、少なくとも吸気導出管から遠い部位に配置されていることを特徴とする。

一般に、筒状の濾過エレメントの内側に形成された中空部に、濾過された空気が合流する場合、吸気導出管に向かって濾過エレメントの筒状に延びる方向に、濾過空気が衝突する衝突領域が形成される。このため、衝突領域の上流側に形成された空気の乱れエネルギにより、下流側の空気の乱れエネルギが拡大する。

これに対して請求項４に記載の発明では、整流板を、少なくとも吸気導出管から遠い上流側に配置するので、下流側での空気の乱れエネルギ拡大を抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明では、空気の流量を検出する空気流量検出装置を備え、空気流量検出装置を吸気導出管内に配置していることを特徴とする。

これにより、空気流量検出装置を、濾過エレメントを収容するケーシングの吸気導出管内に配置している場合において、空気流量検出装置の上流側における空気の乱れや偏流を低減するとともに、空気流量を高精度に検出することが可能である。

また、請求項６に記載の発明では、吸気導出管は、中空部と、空気流量検出装置との間に屈曲部を有していることを特徴とする。

一般に、空気が流れる管内に、屈曲部を設ける場合には、屈曲部で空気流れの乱れを生じ易い。そのため、濾過エレメント内で空気の乱れ等が発生すると、屈曲部によって空気の乱れエネルギが拡大するおそれがある。

これに対して請求項６に記載の発明では、中空部に整流板を設けているため、屈曲部に到達する前に空気流れが整流板で整流されているので、乱れエネルギの拡大を抑制することができる。

以下、本発明の吸気装置を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の吸気装置装置を示す縦断面図である。図２は、図１の吸気装置の横断面図である。図３は、図１中の濾過エレメント内に配置された支持部材を示す矢視図である。図４は、本発明の吸気装置の空気流れを説明する図であって、図１中のＩＶ方向からみた模式的断面図である。図５は、図１の吸気装置の圧力損失を示す特性図である。図６は、図１の吸気装置の空気流量検出装置の出力安定性および出力ばらつきと、整流板長さとの関係を示すグラフである。なお、図５において、実線で示す特性が本発明の実施例を、破線で示す特性が従来例を示している。

吸気装置は、図１に示すように、エアクリーナ１と、その下流においてエアクリーナに接続配置された空気流量検出装置２０とから構成されている。この吸気装置は、例えば自動車用のエンジンの吸気系に用いられ、エアクリーナ１はエンジンの燃焼室にダスト（塵および油等）を含まない空気を送るために外部の空気を濾過するためのものである。また、空気流量検出装置２０はエアクリーナ１よりエンジンへ供給される空気（以下、吸気）の空気流量を測定する。空気流量検出装置２０は、発熱抵抗体などの測定素子を有する熱式エアフローメータなどが用いられている。

図１および図２に示すように、エアクリーナ１は、吸気導入管３および吸気導出管４を有するケーシング２と、ケーシング２内に収容された濾過エレメント８と、濾過エレメント８をケーシング２に懸架する支持部材としてのファスナー５とを含んで構成されている。

ケーシング２は、図２に示すように、略円筒状に形成されており、その円筒側壁の接線方向に延びる吸気導入管３が設けられている。また、ケーシング２の上壁には吸気導出管４が設けられている。吸気導入管３および吸気導出管４は、ケーシング２内に開口している。吸気導出管４内には、空気流量検出装置２０が配置されている。吸気導出管４は、吸気ポートなどの吸気通路を介してエンジンの燃焼室に接続するように構成されている。また、ケーシング２の底部は、ダストパン１２を有し、ガスケット１１を介して底部が着脱自由に構成されている。

ケーシング２は、鋼板などの金属材料、またはポリプロピレンなどの樹脂材から形成されている。以下、本実施形態で説明するケーシング２は金属材料で形成されているものとする。

濾過エレメント８は、中空円筒状に形成されており、濾材のエレメント本体８ａの両軸端に、それぞれ環状の端板が接合されている周知のフィルタエレメントである。エレメント本体８ａは、図２に示すように、濾紙等を菊花形かつ円筒状に形成した濾材からなる。

濾過エレメント８の中空部８ｂと、吸気導出管４の開口部４ａは、ほぼ同軸上に配置されている。また、吸気導出管４は、開口部４ａから空気流量検出装置に向かって屈曲部を有している。

濾過エレメント８の中空部８ｂ内には、濾過エレメント８をケーシング２内に固定するとともに、ケーシング２の下方の底部側に固定するためのファスナー５が設けられている。ファスナー５の上端部は、吸気導出管４の開口部４ａに取り付けられ、ファスナー５の下端部は、締付具７との螺合により仕切り板１０に取り付けられる。具体的には、濾過エレメント８は、その両端板側にガスケット６、９が配置され、ファスナー５によりガスケット６、９を介してケーシング２の上壁と仕切り板１０に気密に装着されている。

ファスナー５は、図１に示すように、帯状の鋼材を略Ｕ字形に折り曲げられたステー５１と、締付具７に螺合可能な締付け部材としてのねじ部材５２と、整流板５５を備えている。ステー５１とねじ部材５２は、濾過エレメント８をケーシング２に懸架する周知構造のＵ字形支持部材である。なお、互いに螺合するねじ部材５２と締付具７のねじ部は、図１に示す雄ねじと、ナットなどの雌ねじの組合せに限らず、ねじ部材を雌ねじ、締付具を雄ねじとする組合せであってもよい。

ステー５１は、略軸方向に延びるアーム部５１ａと、両アーム部５１ａを繋ぐ下端部５１ｂとから形成されており、アーム部５１ａの上端側は、吸気導出管４の内周と溶接等により接合固定されている。下端部５１ｂは、ねじ部材５２の一方軸端部が係止されている。なお、下端部５１ｂとねじ部材５２は、請求範囲に記載の接合部を構成する。

整流板５５は、金属製板からなり、図１および図２に示すように、濾過エレメント８と同軸上に配置されている。具体的には、図２に示すように、整流板５５は、中空部８ｂの内周を、二分割するように配置されている。整流板５５は、アーム部５１ａ間を架橋するように配設されており、アーム部５１ａ間の所定の軸方向範囲（図１では、軸方向長さＬ１）を架橋する隔壁を形成している。

整流板５５は、濾過エレメント８の中空部８ｂにおいて、少なくとも吸気導出管４の開口部４ａからと遠い部位側に配置されている。具体的には、中空部８ｂのうち、吸気導出管４の開口部４ａへ向かう吸気流れの上流側に整流板５５が配置され、整流板５５が下流側に延びるように形成されている。

なお、ここで、本実施例では、整流板５５の軸方向長さＬを、Ｌ１＝４５ｍｍとする。濾過エレメント８の軸方向高さＨは、Ｈ１＝２００ｍｍであり、整流板５５と濾過エレメント８の軸方向長の比率Ｌ／Ｈは、約０．２３に設定されている。

なお、整流板５５とステー５１とは溶接等により接合固定されている。

次に、上述の構成を有する吸気装置の作動について以下説明する。吸気導出管４をエンジンの吸気ポート側に連結してエンジンを運転すると、吸気導入管３からケーシング２内に外気が吸入される。吸気導入管３の開口部３ａよりケーシング２内へ流入した空気は、ケーシング２の円筒側壁の内周と濾過エレメント８の外周との間を旋回する。また、空気の旋回流は、開口部３ａが対向する濾過エレメント８の下部側から上部側に向かって螺旋状に下流から上流側に流れる。

ケーシング２の内周と濾過エレメント８の外周との間を旋回する間に、空気の旋回流による遠心力によって空気中に含まれる比較的粗大なダストがケーシング２の内周に押し付けられ、旋回流の遠心力作用とダストの自重によりケーシング２の内周に沿って降下する。降下したダストは、ケーシング２の底部に溜められる。

一方、螺旋状に旋回する空気は、濾過エレメント８の外周全体に行き渡るため、濾過エレメント８の全外周から内周に向かって流入し、中空部８ｂへ合流する。エレメント本体８ａで濾過された空気は、中空部８ｂの中心部に向かって流出する。この中心部に向かって合流しようとする濾過空気は、螺旋状に旋回する空気に起因して、濾過エレメント８の下流側（図１の上方向）に向かうほど、濾過空気同士の合流機会が増える。

中空部で合流した濾過空気は、吸気導出管４の開口部４ａに向かって流れ、吸気導出管４内に配置された空気流量検出装置２０へ導かれる。

なお、ここで、本実施形態の効果と比較説明するための従来例を、図７および図８を説明する。図７および図８において、濾過エレメントの中空部には整流板５５が配置されていない。図７は、エレメント本体８ａの濾材のばらつきや、螺旋状に旋回する空気流れの影響により、中空部内へ合流する濾過空気の流れの大小が生じる場合の一例を示しており、図８は、上記中空部内へ合流する濾過空気の流れの大きさがほぼ同じ場合の一例を示すものである。

図７に示すように、エレメント本体８ａの濾材のばらつき等により濾過直後の濾過空気の流れに大小の不均一が生じ、中空部８ｂの中心部に合流しようとする濾過空気流れに偏流が発生する。具体的には、紙面上左方向に向かって流れる濾過空気の流れ（以下、濾過空気の第２流れと呼ぶ）Ｆ２より、紙面上右方向に向かって流れる濾過空気の流れ（以下、濾過空気の第１流れと呼ぶ）Ｆ１が大きいため、中空部８ｂの中心から右方向にずれた合流点で、濾過空気の第１流れＦ１と第２流れＦ２が衝突合流する。合流した流れは開口部４ａに向かって曲げられ、図７に示すように、吸気導出管４へ向かう濾過空気の流れ（以下、合流後の出口流れと呼ぶ）Ｆ３が、開口部４ａに対して傾斜する偏流の状態となり、吸気導出管４の流路方向に沿わない流れとなる。偏流自体の発生により吸気導出管４の流路方向で空気の乱れを生じてしまうため、出口流れＦ３は圧力損失が増加する。

また、図８に示すように、濾過空気の第１流れＦ１と第２流れＦ２の大きさの不均一が生じない場合であっても、第１流れＦ１と第２流れＦ２の衝突により乱れを生じるので、衝突合流が下流側に向かって繰り返されると、空気の乱れが大きくなり、乱れエネルギが増大する。ほぼ同じ大きさの第１流れＦ１と第２流れＦ２が衝突合流した出口流れＦ３は、ほぼ吸気導出管４の流路方向へ曲げられるが、衝突合流の繰り返しにより増大した空気の乱れによって、出口流れＦ３自体の流れ方向が屈曲するなど不安定となる。

なお、図７においても、第１流れＦ１と第２流れＦ２が衝突合流する合流点では、空気の乱れを生じている。

また、熱式エアフローメータ等の流路断面の一部の流速を測定して流路断面全体の流量を測定する空気流量検出装置２０においては、出口流れＦ３の偏流や不安定状態、およびこれに伴なう空気の乱れの影響を受け易い。

これに対して本実施形態では、中空部８ｂ内に整流板５５を設けるので、濾過空気の第１流れＦ１と第２流れＦ２との直接衝突による合流を回避できる。第１流れＦ１と第２流れＦ２の衝突領域に整流板５５が設けられているので、整流板５５の紙面垂直面に沿って第１流れＦ１と第２流れＦ２を整流することができる。これにより、第１流れＦ１と第２流れＦ２との衝突合流による空気の乱れの発生を緩和できる。

また、整流板５５は、衝突合流が繰り返される衝突領域の上流側に配置されているので、衝突合流の連鎖により発生途中の空気の乱れの拡大を効果的に抑制できる。

このように整流板５５は、中空部８ｂの延申する方向に延びるように設けられているので、濾過エレメント８での濾過直後で発生する空気の乱れ、偏流、および衝突合流という空気流れの不安定要因に対し、濾過エレメント８の中心部側に配置された整流板５５によって、これら不安定要因の発生途中で空気流れＦ１、Ｆ２、Ｆ３を整流できる。したがって、空気の乱れと偏流による圧力損失を低減することができる。

また、本実施形態では、濾過エレメント８の中空部８ｂと、吸気導出管４の開口部４ａは、ほぼ同軸上に配置されている。これにより、中空部８ｂ内の整流板５５によって整流された濾過空気を、スムースに吸気導出管４の開口部４ａへ導くことができる。したがって、空気の乱れや偏流による圧力損失が低減された空気流れを、吸気導出管４より流出することができる。

また、本実施形態では、整流板５５は、上記同軸上に延びるように設けられている。これにより、整流板５５を、濾過され空気が衝突する衝突領域内を、上流側から下流側に向かって、二分割する隔壁のように設けることができる。したがって、濾過空気が直接衝突するときに生じる空気の乱れエネルギを緩和することができる。

なお、衝突合流の連鎖により空気の乱れは増大し空気の乱れエネルギが拡大するものであるから、中空部８ｂ内を二分割する隔壁のように整流板５５を設けることにより、濾過空気同士の衝突合流の機会を低減でき、従って空気の乱れエネルギを低減することができる。

また、中空部８ｂ内を整流板５５で二分割するように構成することが好ましいが、本実施形態では、少なくとも中空部８ｂのうち、少なくとも吸気導出管４の開口部４ａから遠い部位側、言い換えると上流側に配置する。

一般に、筒状の濾過エレメント８の内側に形成された中空部８ｂに、濾過された空気が合流する場合、吸気導出管４に向かって筒状に延びる方向に、濾過空気が衝突する衝突領域が形成される。このため、衝突領域の上流側に形成された空気の乱れエネルギにより、下流側の空気の乱れエネルギが拡大する。

これに対して本実施形態では、整流板５５を、少なくとも吸気導出管４から遠い上流側に配置するので、下流側での空気の乱れエネルギ拡大を抑制することができる。

また、本実施形態では、整流板５５を、濾過エレメント８をケーシング２に懸架する略Ｕ字形のファスナー５に、取り付けるようにしているので、中空部８ｂ内に整流板５５を配置するための整流板固定部材を、従来構成より追加する必要がない。したがって、濾過エレメント８直後で発生する空気の乱れ、偏流、および衝突合流という空気流れの不安定要因に対し、これら不安定要因の発生途中で空気流れを整流できる整流板５５を有する吸気装置を、簡素に提供できる。

また、ここで、一般に、周知構造の従来のファスナー自体も、中空部８ｂ内に配置するものであるから、濾過エレメント８により濾過された空気が衝突するおそれのある障害物となり得るため、ファスナーによる空気の乱れを抑制する必要がある。

これに対して本実施形態では、整流板５５は、ファスナー５におけるアーム部５１ａ間を架橋する隔壁を形成しているので、濾過空気がアーム部へ衝突することにより生じる空気の乱れを整流板５５で抑制することができる。

ここで、本実施例による圧力損失の低減効果、および空気流量検出装置２０による出力安定性（出力変動）、出力ばらつきへの影響を実験により検証した。図５は横軸に流量、縦軸に圧力損失を示している。また、図６において、実線で示す特性が出力変動を示し、破線で示す特性が出力ばらつきを示している。図５に示すように、本実施例は、従来例と比較して圧力損失が低減できる。また、図６に示すように、整流板の長さＬを、Ｌ１＝４５ｍｍに設定することにより、空気流量を高精度に検出することができる。なお、整流板５５と濾過エレメント８の軸方向長の比率Ｌ／Ｈで示すと、Ｌ／Ｈ＞約０．２３に設定することである。

上述するように、空気流量検出装置２０を濾過エレメント８を収容するケーシング２での下流側部位（吸気導出管４）に設ける吸気装置の場合においては、空気流量検出装置２０の上流側における空気の乱れや偏流を低減するとともに、空気流量を高精度に検出することが可能である。

また、本実施例では、吸気導出管４は、中空部８ｂと空気流量検出装置２０との間に屈曲部を有している。

一般に、空気が流れる管内に、屈曲部を設ける場合には、屈曲部で空気流れの乱れを生じ易い。そのため、濾過エレメント８内で空気の乱れ等が発生すると、屈曲部によって空気の乱れエネルギが拡大するおそれがある。

これに対して本実施例では、中空部８ｂに整流板５５を設けているため、屈曲部に到達する前に空気流れが整流板５５で整流されているので、乱れエネルギの拡大を抑制することができる。

（他の実施形態）
（１）以上説明した本実施形態では、整流板５５をファスナー５に設けるものとして説明したが、整流板５５をファスナー５に設けるものに限らず、濾過エレメント８の中空部８ｂ内に設けるものであれば、整流板を固定するファスナー以外の固定部材であってもよい。

（２）以上説明した本実施形態では、ケーシング２、ファスナー５、および整流板５５を金属製として説明したが、金属製に限らず、樹脂製からなるものであってもよい。なお、樹脂製の場合には、ケーシング２、ファスナー５、および整流板５５を樹脂材で一体成形することも可能である。

本発明の実施形態の吸気装置装置を示す縦断面図である。 図１の吸気装置の横断面図である。 図１中の濾過エレメント内に配置された支持部材を示す矢視図である。 本発明の吸気装置の空気流れを説明する図であって、図１中のＩＶ方向からみた模式的断面図である。 図１の吸気装置の圧力損失を示す特性図である。 図１の吸気装置の空気流量検出装置の出力安定性および出力ばらつきと、整流板長さとの関係を示すグラフである。 従来の吸気装置の空気流れの一例を示す模式的断面図である。 従来の吸気装置の空気流れの一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ エアクリーナ
２ ケーシング
３ 吸気導入管
４ 吸気導出管
４ａ 開口部
５ ファスナー（支持部材）
５１ ステー
５１ａ アーム部
５１ｂ 下端部（接合部）
５２ 雄ねじ（締付け部材、接合部）
５５ 整流板
８ 濾過エレメント
８ａ エレメント本体
８ｂ 中空部
２０ 空気流量検出装置

Claims (6)

1. 吸気導入管および吸気導出管を有するケーシングの内部に筒状の濾過エレメントを備え、前記吸気導入管に流入した空気を、前記濾過エレメントの外周に沿って旋回させて前記濾過エレメントで濾過するように導くとともに、前記濾過エレメントの内側に形成された中空部に合流させて、濾過した空気を前記吸気導出管より流出する吸気装置において、
   前記濾過エレメントの前記中空部内に設けられ、前記ケーシングに固定されるアーム部と、前記アーム部間を繋ぐとともに、前記濾過エレメントに接合可能な接合部とを備え、前記濾過エレメントを前記ケーシングに懸架する略Ｕ字形の支持部材を備え、
   前記濾過エレメントの前記中空部内に、前記中空部の延伸する方向に延びる整流板が設けられており、
   前記整流板は、前記支持部材に取り付けられ、前記支持部材の前記アーム部間を架橋する隔壁とされていることを特徴とする吸気装置。
2. 前記中空部は、前記濾過エレメントを円筒状に形成した内周であって、
   前記内周と、前記吸気導出管の前記ケーシング側の開口部は、同軸に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の吸気装置。
3. 前記整流板は、前記同軸上に延びるように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の吸気装置。
4. 前記整流板は、前記中空部内のうち、少なくとも前記吸気導出管から遠い部位に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の吸気装置。
5. 空気の流量を検出する空気流量検出装置を備え、
   前記空気流量検出装置を前記吸気導出管内に配置していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の吸気装置。
6. 前記吸気導出管は、前記中空部と、前記空気流量検出装置との間に屈曲部を有していることを特徴とする請求項５に記載の吸気装置。

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