JP4595648B2 - 可変吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、可変吸気装置に関し、より特定的には、バルブの作動により内燃機関の有効吸気路長を切り換える可変吸気装置に関する。

従来の可変吸気装置に関して、たとえば、特開２００２−２７６３８０号公報には、Ｖ型内燃機関のエンジンルームへの搭載性を向上させることを目的とした可変吸気装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された可変吸気装置には、吸気マニホールドの途中を第１のサージタンクに連通させる短絡通路が設けられている。短絡通路の途中には、通路内を開閉する開閉弁が設けられている。

また、特開平１０−２９９５９４号公報には、流量精度を確保することを目的とした可変吸気バルブの取り付け方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された可変吸気バルブは、サージタンク室と吸気管との間を連通させている。可変吸気バルブを構成するバルブボディには、バルブシャフトに連結された板状弁体が回転自在に配設されている。
特開２００２−２７６３８０号公報 特開平１０−２９９５９４号公報

上記の特許文献１および２に開示されているように、可変吸気装置には、サージタンクと吸気通路との間を短絡させる短絡通路が設けられている。短絡通路には、通路内の空気流れを制御するバルブが配置されている。バルブを閉じると短絡通路内の空気流れが遮断され、吸気通路からなる相対的に長い吸気路が形成される。

また、バルブを開くと短絡通路内の空気流れが許容され、サージタンクと吸気通路との間が短絡された相対的に短い吸気路が形成される。このとき、バルブを設けた位置での圧力損失を最小にするため、バルブは短絡通路内の空気流れの流線に対して平行に開かれる。しかしながら、短絡通路と吸気通路とが滑らかに接続されていない場合、空気が短絡通路から吸気通路に円滑に合流できなくなる。これにより、空気流れに剥離が生じ、圧力損失が増大するおそれが生じる。

そこで、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、吸気路上における圧力損失が十分に低減された可変吸気装置を提供することである。

この発明に従った可変吸気装置は、内燃機関の吸気路長を変化させる可変吸気装置である。可変吸気装置は、内燃機関の燃焼室に向けて空気が流れ、経路上の所定の位置に第１の流線を規定するメイン通路と、所定の位置に接続され、その接続された位置に第１の流線に交差する方向に延びる第２の流線を規定する短絡通路と、所定の位置に隣り合って短絡通路に配置されたバルブとを備える。バルブは、空気流れを規制する弁体を有する。バルブが短絡通路からメイン通路に合流する空気流れを許容する時、弁体は、第１の流線が延びる方向と第２の流線が延びる方向との間の方向に延在するように位置決めされる。

このように構成された可変吸気装置によれば、バルブが短絡通路内の空気流れを許容する時、つまりバルブが開かれた時、短絡通路からメイン通路に合流する空気の流れ方向が、第２の流線に沿った方向からバルブの弁体が延在する方向に変化する。この場合、弁体が延在する方向は、第１の流線が延びる方向と第２の流線が延びる方向との間の方向であるため、空気の流れ方向は、第１の流線に沿った方向により近い方向に変化することとなる。このため、空気を、短絡通路からメイン通路により円滑に合流させることができる。これにより、吸気路上における圧力損失を低減させ、内燃機関の性能を向上させることができる。

また、バルブは、弁体を回転自在に軸支する弁軸をさらに有する。好ましくは、弁軸は、短絡通路が延びる方向に直交する平面で切断した場合の短絡通路の断面の中心位置に対して、メイン通路における空気流れの上流側にずれた位置に設けられている。

このように構成された可変吸気装置によれば、バルブが開かれた時、バルブが設けられた位置を通過する空気の流量を、弁体に対してメイン通路における空気流れの下流側で増大させることができる。これにより、より多くの空気を、短絡通路からメイン通路に円滑に合流させることができ、吸気路上における圧力損失をさらに効果的に低減させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、吸気路上における圧力損失が十分に低減された可変吸気装置を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における可変吸気装置が設けられた車両用Ｖ型多気筒エンジンを示す構成図である。図２は、図１中のエンジンが備えるインテークマニホールドを示す斜視図である。

図１および図２を参照して、エンジン１０は、燃焼室に連通する吸気ポート５０が形成されたシリンダヘッド５１と、シリンダヘッド５１に取り付けられたインテークマニホールド１１とを備える。インテークマニホールド１１は、車両前方から取り入れた空気を、エンジン１０の各シリンダに分配する役割を果たす。インテークマニホールド１１は、外気を取り込むエアインテークと、ホースによって接続されている。エアインテークとインテークマニホールド１１との間には、エアクリーナおよびレゾネータが配置されている。

インテークマニホールド１１には、エアインテークからインテークマニホールド１１に供給された空気が流れるサージタンク１２が形成されている。サージタンク１２は、エンジン１０の左右バンクのシリンダ組が複数、並ぶ方向、本実施の形態では、車両の前後方向に延びている。インテークマニホールド１１には、吸気通路２１および短絡通路２６の組が、サージタンク１２が延びる方向に複数、並んで形成されている。吸気通路２１および短絡通路２６の組は、その並ぶ方向に沿って、サージタンク１２と左バンクのシリンダとの間およびサージタンク１２と右バンクのシリンダとの間を、交互に連通させている。

吸気通路２１は、サージタンク１２の鉛直方向下側で開口する一方端２１ｍと、吸気ポート５０に連通する他方端２１ｎとを有する。吸気通路２１は、一方端２１ｍからサージタンク１２の周りを周回してサージタンク１２の鉛直方向上側に達し、さらに、サージタンク１２の周りを通って、他方端２１ｎに向かって延びている。吸気通路２１は、一方端２１ｍと他方端２１ｎとの間で途中、湾曲しながら延びている。吸気通路２１によって、サージタンク１２と吸気ポート５０とが連通している。

短絡通路２６は、サージタンク１２の鉛直方向上側で開口する一方端２６ｍと、吸気通路２１に連通する他方端２６ｎとを有する。短絡通路２６は、一方端２１ｍと他方端２１ｎとの間にある中間部２１ｒで、吸気通路２１に接続されている。短絡通路２６の通路長は、吸気通路２１の通路長よりも短い。短絡通路２６の通路長と、吸気通路２１の中間部２１ｒから他方端２１ｎまでの通路長とを足した長さは、吸気通路２１の一方端２１ｍから他方端２１ｎまでの通路長よりも短い。短絡通路２６は、車両の前後方向に延びるサージタンク１２の断面位置に重ならないように設けられている。短絡通路２６には、短絡通路２６内の空気流れを制御するバルブ３１が、中間部２１ｒに隣り合って設けられている。

エンジン１０には、さらに、バルブ３１を作動させるＤＣモータ５２と、クランクポジションセンサ５６およびスロットルポジションセンサ５７からの信号により、適切な時期にＤＣモータ５２に信号を送るエンジンコントロールコンピュータ５５とが設けられている。なお、アクチュエータと、アクチュエータにかかる負圧を制御するＶＳＶ（vacuum switching valve）とによって、バルブ３１を作動させても良い。

バルブ３１が閉じられると、短絡通路２６の空気流れが遮断される。このとき、サージタンク１２に流れる空気は、吸気通路２１を通って吸気ポート５０に供給される。一方、バルブ３１が開かれると、短絡通路２６の空気流れが許容される。このとき、サージタンク１２に流れる空気は、主に、短絡通路２６から吸気通路２１に合流し、さらに吸気通路２１を通って吸気ポート５０に供給される。

このようにバルブ３１を開閉することにより、サージタンク１２から吸気ポート５０までの吸気路長を２段階に切り換えることができる。これにより、吸気路内の脈動効果を利用して吸入空気量を増大させることができ、低回転から高回転に渡る全域でトルクアップを図ることができる。

図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った短絡通路の断面図である。図中には、空気流れの直交平面で切断した場合の短絡通路の断面形状が示されている。図３を参照して、短絡通路２６を規定する内壁２６ｃは、トラック形状（２つの半円状の円弧を直線でつないで形成される長円形状）の断面形状を有する。バルブ３１は、図１中のＤＣモータ５２に連結され、回転自在に支持された弁軸３３と、弁軸３３から延在する弁体３２とから構成されている。

図４は、バルブが開かれた状態を示す吸気通路および短絡通路の断面図である。図中には、図１中の２点鎖線ＩＶで囲まれた範囲が示されている。図５は、バルブが開かれた状態で弁体が延在する方向を示す図である。

図３から図５を参照して、吸気通路２１は、短絡通路２６が接続される中間部２１ｒにおいて、矢印１０１に示す方向に延びる空気流れの流線を規定する。短絡通路２６は、吸気通路２１に連通する他方端２６ｎにおいて、矢印１０２に示す方向に延びる流線を規定する。これらの流線が延びる方向は、中間部２１ｒおよび他方端２６ｎのそれぞれにおいて、吸気通路２１および短絡通路２６を通路が延びる方向の直交平面で切断した場合の中心位置で決定されている。

短絡通路２６は、吸気通路２１に対して斜めに交差しており、矢印１０１に示す方向と矢印１０２に示す方向とが鋭角をなしている。バルブ３１が開かれた状態で、弁体３２は、中間部２１ｒで吸気通路２１が規定する流線方向（矢印１０１に示す方向）と、他方端２６ｎで短絡通路２６が規定する流線方向（矢印１０２に示す方向）との間の方向（図５中の矢印１０３に示す方向）に延在するように位置決めされる。弁体３２が延在する方向は、吸気通路２１が規定する流線方向と短絡通路２６が規定する流線方向とが１８０°よりも小さい角度をなす範囲、本実施の形態では、鋭角をなす範囲に存在する。短絡通路２６の内壁２６ｃと吸気通路２１の内壁とは、湾曲しながら滑らかに連なっている。

バルブ３１が開かれた状態で、弁体３２は、吸気通路２１内の空気流れの下流側に面する表面３２ａを有する。表面３２ａは、一方端２６ｍから他方端２６ｎに近づくに従って、吸気通路２１内の空気流れの上流側から下流側に向かうように延在している。

このような構成により、バルブ３１が開かれると、他方端２６ｎにおける空気の流れ方向が、矢印１０２に示す方向から、矢印１０１に示す方向により近い、矢印１０３に示す方向に変化する。これにより、短絡通路２６に流れる空気を、より円滑に吸気通路２１に合流させることができる。

弁軸３３は、サージタンク１２が延びる、車両の前後方向に延びている。短絡通路２６が延びる方向の直交平面で切断した場合の短絡通路２６の断面の中心位置に、中心線１１０を規定した場合に、弁軸３３は、中心線１１０に対して吸気通路２１内の空気流れの上流側、つまり、図１中の一方端２１ｍ側に設けられている。

弁体３２は、弁軸３３の一方の側に、相対的に広い面積で延在する部分３２ｐと、弁軸３３の他方の側に、相対的に狭い面積で延在する部分３２ｑとから構成されている。弁軸３３は、内壁２６ｃの断面形状を規定するトラック形状の中心線１１１からずれた位置に設けられている。弁軸３３から最も離れて位置する部分３２ｑの周縁部３２ｄは、バルブ３１が開かれた状態で、一方端２６ｍにおける短絡通路２６の開口面１１５から突出している。

このような構成により、バルブ３１が開かれた状態で、弁体３２の表面３２ａと、表面３２ａに向い合う短絡通路２６の内壁２６ｃとの間の距離が広がる。これにより、弁体３２によって所望の方向に方向転換させられる空気の量を増大させることができる。またこのとき、弁体３２は短絡通路２６内で通路の壁面のように機能する。このため、短絡通路２６の長さを短く設定しても、サージタンク１２に流れる空気を吸気通路２１に安定して導くことができる。これにより、エンジン１０の全高を高くすることなく、サージタンク１２の容量を十分に確保できる。

この発明の実施の形態における可変吸気装置は、内燃機関としてのエンジン１０の吸気路長を変化させる可変吸気装置である。可変吸気装置は、エンジン１０の燃焼室に向けて空気が流れ、通路上の所定の位置としての中間部２１ｒに第１の流線を規定するメイン通路としての吸気通路２１と、中間部２１ｒに接続され、その接続された位置としての他方端２６ｎに第１の流線に交差する方向に延びる第２の流線を規定する短絡通路２６と、中間部２１ｒに隣り合って短絡通路２６に配置されたバルブ３１とを備える。バルブ３１は、空気流れを規制する弁体３２を有する。バルブ３１が短絡通路２６から吸気通路２１に合流する空気流れを許容する時、弁体３２は、第１の流線が延びる方向（矢印１０１に示す方向）と第２の流線が延びる方向（矢印１０２に示す方向）との間の方向（矢印１０３に示す方向）に延在するように位置決めされる。

このように構成された、この発明の実施の形態１における可変吸気装置によれば、バルブ３１が開かれた時に、短絡通路２６から吸気通路２１に合流する位置で、空気流れに剥離が生じることを抑制できる。これにより、吸気路内における圧力損失を低減させ、より多くの空気を吸気ポート５０に導入することができる。また、バルブ３１の開度を、開いた状態と閉じた状態との間の適当な位置に調整すれば、燃焼室内に任意のスワール流やタンブル流（特にタンブル流）を発生させることができる。

なお、本発明を適用する内燃機関は、ガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであっても良い。また、エンジンの形状としては、直列型、Ｖ型、Ｗ型もしくは水平対向型などのさまざまな形状のエンジンが挙げられる。さらに、インテークマニホールド１１の配置場所としても、車両の前方、中央および後方のいずれであっても良い。また、吸気通路２１および短絡通路２６とサージタンク１２とは、別の部材に形成されていても良い。

また、本発明における可変吸気装置を、車両用以外のエンジン、たとえば発電用のエンジンに適用しても良い。

図６は、図４中の矢印ＶＩで示す位置の流速分布を示す図である。図６を参照して、バブルが開かれた時の通路内の速度分布を求めるシミュレーションを行なった。短絡通路２６から吸気通路２１への合流位置では、通路の内壁から延びる実線３８に囲まれた範囲で大きい流速が得られた。また比較のため、弁体を、短絡通路２６が規定する流線方向に平行に位置決めした場合の通路内の速度分布を求めた。この比較例では、２点鎖線３９に囲まれた範囲で大きい流速が得られた。

比較例では、短絡通路２６から吸気通路２１への合流位置で、流速が大きくなる範囲が通路の内壁から中心に向かって広く形成された。その結果、通路の内壁から大きく離れた位置でも剥離が発生し、流れの有効管径が小さくなった。これに対して、本実施の形態のシミュレーションでは、流速が大きくなる範囲が、通路の内壁の近傍に限られ、剥離の発生を効果的に抑えることができた。このため、流れの有効管径が大きくなり、流量を増大させることができた。

図７は、図１中の可変吸気装置において、弁体の開き角と吸気流量との関係を示すグラフである。図７を参照して、吸気通路２１の一方端２１ｍおよび他方端２１ｎに差圧を与えることで、インテークマニホールド１１から吸気ポート５０に供給される吸気流量を算出するシミュレーションを行なった。この際、矢印１０２に示す短絡通路２６が規定する流線方向と、矢印１０３に示す弁体３２が延在する方向とがなす角度、つまり弁体３２の開き角α（図５を参照）を変化させ、それぞれの開き角で吸気流量がいくらになるかを求めた。

その結果、短絡通路２６が規定する流線方向に対して弁体３２が傾いている場合、開き角αが０°の場合と比較して、吸気流量が増大することを確認できた。特に開き角αが１０°から２０°の範囲で、吸気流量の増大が顕著となった。

（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２における可変吸気装置を示す断面図である。図８は、実施の形態１における図４に対応し、バルブが開かれた状態が示されている。図９は、図８中の可変吸気装置に設けられた短絡通路の断面図である。図９は、実施の形態１における図３に対応する図であり、バルブが閉じられた状態が示されている。本実施の形態における可変吸気装置は、基本的には、実施の形態１における可変吸気装置と同様の構造を備える。以下、重複する構造については、説明を繰り返さない。

図８および図９を参照して、本実施の形態では、短絡通路２６を規定する内壁２６ｃが、円形の断面形状を有する。短絡通路２６には、弁軸４３および弁体４２を有するバルブ４１が配置されている。弁体４２は、弁軸４３の一方の側および他方の側に半円状に広がり、互いに同一形状を有する部分４２ｐおよび４２ｑから構成されている。弁軸４３は、中心線１１０に重なる位置に設けられている。

バルブ４１が開かれた状態で、弁体４２は、中間部２１ｒで吸気通路２１が規定する流線方向と、他方端２６ｎで短絡通路２６が規定する流線方向との間の方向に延在するように位置決めされる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における可変吸気装置によっても、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

図１０は、図８中の可変吸気装置において、弁体の開き角と吸気流量との関係を示すグラフである。図１０を参照して、実施の形態１において図７を用いて説明したシミュレーションを、本実施の形態における可変吸気装置でも同様に行なった。その結果、短絡通路２６が規定する流線方向に対して弁体４２が傾いている場合、開き角αが０°の場合と比較して、吸気流量が増大することを確認できた。特に開き角αが５°から１５°の範囲で、吸気流量の増大が顕著となった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における可変吸気装置が設けられた車両用Ｖ型多気筒エンジンを示す構成図である。 図１中のエンジンが備えるインテークマニホールドを示す斜視図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った短絡通路の断面図である。 バルブが開かれた状態を示す吸気通路および短絡通路の断面図である。 バルブが開かれた状態で弁体が延在する方向を示す図である。 図４中の矢印ＶＩで示す位置の流速分布を示す図である。 図１中の可変吸気装置において、弁体の開き角と吸気流量との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２における可変吸気装置を示す断面図である。 図８中の可変吸気装置に設けられた短絡通路の断面図である。 図８中の可変吸気装置において、弁体の開き角と吸気流量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン、２１ 吸気通路、２１ｒ 中間部、２６ 短絡通路、２６ｎ 他方端、３１，４１ バルブ、３２，４２ 弁体、３３，４３ 弁軸。

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気路長を変化させる可変吸気装置であって、
   前記内燃機関の燃焼室に向けて空気が流れ、経路上の所定の位置に第１の流線を規定するメイン通路と、
   前記所定の位置に接続され、その接続された位置に前記第１の流線に交差する方向に延びる第２の流線を規定する短絡通路と、
   空気流れを規制する弁体を有し、前記所定の位置に隣り合って前記短絡通路に配置されたバルブとを備え、
   前記バルブが前記短絡通路から前記メイン通路に合流する空気流れを許容する時、前記弁体は、前記第１の流線が延びる方向と前記第２の流線が延びる方向とがなす１８０°よりも小さい角度の範囲に延在するように位置決めされ、
   前記バルブは、前記弁体を回転自在に軸支する弁軸をさらに有し、
   前記弁軸は、前記短絡通路が延びる方向に直交する平面で切断した場合の前記短絡通路の断面の中心位置に対して、前記メイン通路における空気流れの上流側にずれた位置に設けられ、
   前記弁体は、前記弁軸の一方の側に相対的に広い面積で延在する第１部分と、前記弁軸の他方の側に相対的に狭い面積で延在する第２部分とから構成され、
   前記バルブが前記短絡通路から前記メイン通路に合流する空気流れを許容する時、前記第１部分は、前記第２部分よりも前記短絡通路における空気流れの下流側に位置決めされ、
   前記短絡通路は、前記メイン通路に交差するように接続され、前記弁軸は、前記メイン通路の空気流れの最も上流側に接続される前記短絡通路の壁面と、前記短絡通路の断面の前記中心位置との間であって、前記短絡通路の前記壁面から離れた位置に設けられる、可変吸気装置。
2. 前記短絡通路は、前記メイン通路に対して、前記第１の流線が延びる方向と前記第２の流線が延びる方向とが空気流れ方向の内角の位置において鋭角をなすように交差し、
   前記バルブが前記短絡通路から前記メイン通路に合流する空気流れを許容する時、前記弁体は、その鋭角の角度の内側に延在するように位置決めされる、請求項１に記載の可変吸気装置。

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