JP5548067B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車用内燃機関等の吸気装置に関し、特に、エアクリーナの入口側の有効通路断面積を吸入空気流量に応じて切り換えるようにした吸気装置に関する。

自動車用内燃機関等の内燃機関においては、吸気系の吸気入口として外部に開口する吸気ダクトの通路断面積が大きいと、外部へ漏洩する吸気騒音が大となり、他方で、通路断面積が過度に小さいと、吸入空気流量が大きいときに通気抵抗が大となり、吸気効率が低下する、ということが知られている。

そのため、エアクリーナの入口側の有効通路断面積を吸入空気流量に応じて変化させる技術が従来から種々提案されている。例えば、特許文献１には、エアクリーナの入口側に第１ダクトと第２ダクトとを並列に設け、その一方に、負圧アクチュエータにより開閉駆動される開閉弁を設けた構成が開示されている。この開閉弁は、例えば機関回転数に基づいて制御され、低回転域では閉、高回転域では開、となり、これによって有効通路断面積が２段階に切り換えられる。

また、特許文献２には、同様に、エアクリーナの入口側に２つのダクトを並列に設け、その一方を、吸気流によって自然に開度が定まるフラップ型の弁によって開閉するようにした構成が開示されている。このものでは、磁石粉末入りのゴムから弁が形成されており、磁力により閉位置に固定される一方、開き始めた後は、吸気流による付勢力と自重とがバランスするように、その開度が定まることになる。

特開２００４−７６６５７号公報 特開平１１−８２２０２号公報

上記のように吸気系の入口側の有効通路断面積を変化させ得る吸気装置にあっては、特に、弁ないしフラップが閉じている機関低速域（例えばアイドル状態）から内燃機関が加速した際に、弁ないしフラップが素早く全開となる必要がある。

上記特許文献１のように何らかのアクチュエータを介して弁ないしフラップを開閉する構成では、十分な応答速度でもって弁ないしフラップを開作動させることが可能ではあるが、アクチュエータを付加することによる部品点数の増加や構成の複雑化ならびにその制御システムが必要となる。

一方、特許文献２のような単純なフラップ型の構成では、例えば上記のような磁石粉末入りのゴムなど特殊な構成としないと閉位置を保持することができない。そして、仮に、このようなフラップ型の弁に、閉方向へ付勢するためのバネを付加したとすると（後述する図８の比較例参照）、開度が増加するほどバネ力が大となるので、結局、吸入空気流量が大となったときにフラップが全開とならず、通気抵抗が増大してしまう。

そこで、この発明は、２つの回動中心を具備したフラップ機構により開度の増加に伴うバネ力の増加が生じないようにし、吸入空気流量が増加したときにフラップが速やかに全開位置まで開放されるようにすることを目的としている。

この発明は、内燃機関のエアクリーナの吸気入口側に２つの吸気通路を有し、その一方の吸気通路に、吸気流に応答して開くフラップ機構を設けてなる内燃機関の吸気装置において、上記フラップ機構は、略矩形の通路断面形状に対応した略矩形の板状をなすフラップと、このフラップの一端に設けられた第１回転軸と、上記一端までの受圧面積よりも他端までの受圧面積の方が大となるように上記フラップの偏った中間位置に設けられた第２回転軸と、上記フラップが上記吸気通路を閉じた全閉位置にあるときの上記第１，第２回転軸の位置をそれぞれ第１回転軸基準位置および第２回転軸基準位置としたときに、上記第１回転軸基準位置を中心とした相対的に小角度の円弧に沿って上記第２回転軸基準位置から下流側の第２回転軸開位置まで上記第２回転軸を案内する第２案内部と、上記第２回転軸開位置にある上記第２回転軸を中心とした相対的に大角度の円弧に沿って上記第１回転軸基準位置から上流側の第１回転軸開位置まで上記第１回転軸を案内する第１案内部と、上記第２回転軸を上記第２案内部の上記第２回転軸基準位置へ向かって付勢するバネ手段と、を備えていることを特徴としている。

上記のような構成においては、上記フラップが全閉位置にあるときには、上記バネ手段によって第２回転軸が第２案内部の中で第２回転軸基準位置に位置決めされており、このバネ手段の付勢力によってフラップが全閉位置に保持される。なお、第１回転軸を案内する第１案内部の円弧は、上記第２回転軸基準位置とは異なる位置（第２回転軸開位置）を中心とするので、このときの第２回転軸（つまり第２回転軸基準位置）を中心としたフラップの回動は生じ得ない。

この状態から吸入空気流量が所定のレベルまで増加すると、バネ手段の付勢力に抗してフラップが第１回転軸を中心として下流側へ回動する。つまり第２回転軸が第２回転軸基準位置から第２回転軸開位置まで移動する。このとき、フラップは、比較的小さい所定の中間開度まで傾いた姿勢となる。第２回転軸が第２回転軸開位置まで移動した状態では、これを中心として第１回転軸が円弧形第１案内部に沿って移動可能となるので、吸入空気の流れに起因する第２回転軸を中心とした回転モーメント（詳しくは、第２回転軸を挟んで一方の側の受圧面積と他方の側の受圧面積との差により生じる回転モーメント）によって、フラップは、第２回転軸を中心として速やかに全開位置まで回動する。この第２回転軸を中心とした回動は、基本的にバネ手段の反力を受けないので、結局、第２回転軸が上記のように第２回転軸開位置まで移動した後、瞬時に全開位置までフラップが回動する。

従って、吸入空気流量の増加時に中間開度に留まることなく速やかにフラップが全開となり、通気抵抗の増加が回避される。

一つの例では、フラップの全閉位置では、該フラップが吸気通路の吸気流方向（通路の軸方向）に直交する姿勢にあり、全開位置つまり上記第２回転軸が上記第２回転軸開位置にあり、かつ上記第１回転軸が上記第１回転軸開位置にあるときに、上記フラップは吸気通路の吸気流方向と平行に位置する。従って、吸入空気流量が所定のレベルまで増加したときに、フラップは吸気流方向と平行となる位置まで瞬時に開く。

また、本発明では、望ましくは、上記フラップ機構は、上記フラップの全開位置近傍でのみフラップに閉方向の付勢力を与えるバネや磁石等からなる第２の付勢手段を備える。すなわち、上記のようにフラップが吸気流方向と平行となる位置まで開いた状態では、バネ手段の付勢力はフラップを閉じる方向に作用しないので、吸入空気流量が再び低下したときに、自然には全閉位置に復帰し得ず、従って、全閉位置に復帰させるための何らかの手段が必要である。上記の第２の付勢手段は、フラップが全開位置付近にあるときにのみフラップに閉方向の付勢力を与えるので、フラップが開く際の動作を妨げることがない一方、吸入空気流量が再び低下したときに、フラップをある程度の中間開度まで閉じようとする。すると、第２回転軸に作用しているバネ手段の付勢力により偶力が生じ、フラップが全閉位置まで瞬時に閉じる。

なお、本発明においては、吸入空気流量が再び低下した際のフラップの閉方向への応答性は必ずしも重要ではなく、従って、上記の第２の付勢手段に限らず、何らかの手段によって適当なタイミングで全閉位置に復帰させるようにすれば足りる。

この発明に係る内燃機関の吸気装置においては、エアクリーナの吸気入口側の有効通路断面積を大小変化させることができ、機関低速域での吸気騒音の低減と機関高速域での吸気効率の確保とを両立させることができる。特に、吸入空気流量の増加時に、フラップ機構が全開位置まで瞬時に開くので、その開動作の遅れに伴う加速性能の悪化を確実に回避することができる。

この発明に係る吸気装置全体の構成説明図。 フラップ機構を正面から見たセカンダリダクトの断面図。 フラップ機構の側面図。 フラップが全閉位置から全開位置まで開く際の動作説明図。 吸入空気流量とフラップの開度との関係を示した特性図。 第２の付勢手段として磁石を用いた実施例を示す構成説明図。 第２の付勢手段として板バネを用いた実施例を示す構成説明図。 比較例を示す構成説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、内燃機関１の吸気装置全体の構成を概略的に示した構成説明図であって、例えばガソリン機関からなる内燃機関１の吸気コレクタ（図示せず）に接続された吸気通路２は、スロットルバルブ３を具備し、かつ先端にエアクリーナ４が接続されている。このエアクリーナ４は、内部のエアクリーナエレメント５によっていわゆるダストサイドとクリーンサイドとに仕切られているが、そのダストサイドに、吸気入口となるプライマリダクト６とセカンダリダクト７とが接続されている。これらのプライマリダクト６およびセカンダリダクト７は、互いに並列に設けられており、各々の先端が外気取入口として外部に向かって開口している。そして、その一方、例えばセカンダリダクト７に、該セカンダリダクト７を開閉するフラップ機構８が設けられている。基本的に、吸入空気流量の少ない機関低速域ではこのフラップ機構８を閉じることで外部へ漏洩する吸気騒音を低減し、吸入空気流量の多い機関高速域ではこのフラップ機構８を開くことで必要な通路断面積を確保するようになっている。

図２は、上記フラップ機構８が設けられている部分でのセカンダリダクト７の断面を示しており、図示するように、左右一対の側壁７ａ，７ａおよび上部壁７ｂ，底部壁７ｃからなる細長い矩形状の通路断面形状を有し、かつこの通路断面形状に対応した矩形の板状をなすフラップ１１が設けられている。

図３は、上記フラップ機構８を図２の側方から見た側面図であって、特に、フラップ１１がセカンダリダクト７の吸気流方向（セカンダリダクト７の軸方向）に対し直交した全閉位置にある状態を示している。図３では、図１と同じく、図左方が吸気取入口側、図右方がエアクリーナ４側であり、図右方へ向かって吸気が流れる。なお、車両に搭載した状態ではフラップ機構８が必ずしも図２，図３に示すような姿勢にある訳ではないが、以下の説明では、理解を容易にするために、上・下、左・右、時計回り方向、反時計回り方向といった位置関係を示す用語を図３の姿勢を基準として用いることとする。

上記フラップ１１は、上端に第１回転軸１２を有し、下端が自由端となっている。そして、両者間の中間位置、より詳しくは、フラップ１１の受圧面を１：３ないし１：４程度に分割するように中心よりも上方に偏った位置に、第２回転軸１３が設けられている。これらの第１回転軸１２および第２回転軸１３は、互いに平行であり、例えば一実施例では、フラップ１１の側縁から側方へ突出した円柱状の軸部としてそれぞれ合成樹脂製フラップ１１と一体に成形されており、かつ各々の軸部に、回転自在な円筒状のカラー１２ａ，１３ａが装着されている。

上記セカンダリダクト７の一対の側壁７ａ，７ａには、上記第１回転軸１２を案内する第１案内溝１４と、上記第２回転軸１３を案内する第２案内溝１５と、がそれぞれ開口形成されており、各回転軸１２，１３となる上記の軸部が上記カラー１２ａ，１３ａを介して係合している。そして、上記第２案内溝１５を貫通した第２回転軸１３の端部に、コイル状の引張バネ１６の一端が係合しており、この引張バネ１６の他端は側壁７ａのピン１７に係止されている。なお、上記引張バネ１６は、セカンダリダクト７の両側にそれぞれ設けられている。

図３のようにフラップ１１が垂直な全閉位置にあるときに、第１回転軸１２は第１案内溝１４の右端に位置し、また第２回転軸１３は第２案内溝１５の左端に位置する。このときの第１回転軸１２の位置および第２回転軸１３の位置を「第１回転軸基準位置」および「第２回転軸基準位置」と各々呼ぶこととすると、上記第２案内溝１５は、上記第１回転軸基準位置を中心とした相対的に小角度の円弧に沿って、上記第２回転軸基準位置から右方つまり吸気下流側へ延びている。この第２案内溝１５の終端位置を、「第２回転軸開位置」と呼ぶ。上記第２回転軸基準位置から上記第２回転軸開位置までの円弧の角度範囲（つまり第２案内溝１５の角度範囲）は、５°〜１５°程度、例えば１０°である。上記引張バネ１６は、上記第２回転軸１３を上記第２案内溝１５に沿って左方つまり上記第２回転軸基準位置へ向かって付勢している。なお、図３では、引張バネ１６がほぼ水平に配置されているが、第２案内溝１５の全体的な傾斜に沿って斜め下方へ第２回転軸１３を引っ張るように引張バネ１６を配置してもよい。

一方、上記第１案内溝１４は、上記第２回転軸開位置を中心とした相対的に大きな角度の円弧に沿って、上記第１回転軸基準位置から左方つまり吸気上流側へ延びている。この第１案内溝１４の終端位置を、「第１回転軸開位置」と呼ぶ。上記第１回転軸基準位置から上記第１回転軸開位置までの円弧の角度範囲（つまり第１案内溝１４の角度範囲）は、上記の第２案内溝１５の角度範囲に対応して、８５°〜７５°程度、例えば８０°である。

ここで、第１案内溝１４および第２案内溝１５の円弧の半径は、第１回転軸１２と第２回転軸１３との間の距離に等しく、従って、２つの案内溝１４，１５の円弧の半径は互いに等しい。また、第１回転軸基準位置と第２回転軸基準位置とは、図３に明らかなように、上下に整列した位置にあり、従って、第１回転軸１２および第２回転軸１３が各々の基準位置にあるときに、フラップ１１は垂直な姿勢（つまり全閉位置）となる。また一方、第１回転軸開位置と第２回転軸開位置とは、左右の同じ高さ位置に整列した位置関係にあり、従って、第１回転軸１２および第２回転軸１３が各々の開位置にあるときに、フラップ１１は水平な姿勢つまりセカンダリダクト７の軸方向に沿った全開位置となる。

なお、上記実施例では、板状フラップ１１の肉厚の中心線上に第１回転軸１２および第２回転軸１３が位置しているが、必ずしもこれに限定されず、第１回転軸１２および第２回転軸１３の一方もしくは双方が板状フラップ１１に対しオフセットした位置にあってもよい。

次に、上記のように構成された吸気装置の作用について説明する。図４の（ａ）は、フラップ機構８の初期状態を示しており、フラップ１１はセカンダリダクト７の軸方向に対し直交した全閉位置にある。この状態では、第２回転軸１３が引張バネ１６によって矢印方向Ｆ０のように左方つまり吸気上流側へ付勢されている。従って、内燃機関１が低回転域にあって吸入空気流量が少ないときには、フラップ１１は吸入空気の流れに抗してこの全閉位置を維持し、上述したように外部へ漏洩する吸気騒音が抑制される。

このような状態から吸入空気流量が所定のレベルまで増加すると、吸入空気の流れに伴う力によってフラップ１１が下流側へ押され、引張バネ１６の付勢力に抗してフラップ１１全体が上端の第１回転軸１２を中心として下流側へ回動する。つまり第２回転軸１３が第２案内溝１５内で左端の第２回転軸基準位置から右端の第２回転軸開位置まで移動する。これにより、フラップ１１は、図４（ｂ）に示すように、比較的小さい所定の中間開度（例えば１０°）まで傾いた姿勢となる。

図４（ｂ）のように第２回転軸１３が第２回転軸開位置まで移動した状態では、この第２回転軸１３を中心として第１回転軸１２が円弧形の第１案内溝１４に沿って移動可能となる。ここで、吸入空気の流れにより、フラップ１１の第２回転軸１３を中心として、該第２回転軸１３よりも下方の受圧面に対しては反時計回り方向（つまり開方向）のモーメントが作用し、第２回転軸１３よりも上方の受圧面に対しては時計回り方向（つまり閉方向）のモーメントが作用するが、上述したように第２回転軸１３はフラップ１１の中心よりも第１回転軸１２寄りに偏っており、両者間に十分に大きな受圧面積差があるので、フラップ１１は、第２回転軸１３を中心として反時計回り方向へ回動する。

ここで、第２回転軸１３を中心としたフラップ１１の回動は、基本的に引張バネ１６の反力を受けず、そのため、フラップ１１は、吸入空気の流れによる比較的小さな力でもって図４（ｃ）に示す全開位置まで速やかに回動する。従って、吸入空気流量の増加時に中間開度に留まることなく速やかにフラップ１１が全開となり、通気抵抗の増加が回避される。

図５は、上記のように吸入空気流量の増加に伴いフラップ１１が開いていく際の吸入空気流量と開度（フラップ１１の角度）との関係を示した特性図である。上記実施例では、実線に示すように、図４（ｂ）の中間開度に対応する点ｂまでは吸入空気流量に応じて開度が徐々に増加するが、点ｂからは急激に開度が増加し、速やかに全開となる。

図５の破線は、図８に示す比較例の特性を示している。この比較例は、フラップ１０１を上端の回転軸１０２において回動可能に支持するとともに、その中間部に引張バネ１０３を連係して常に全閉方向へ付勢するようにしたものであって、このような構成では、開度の増加に伴って引張バネ１０３による付勢力が大となるので、フラップ１０１が傾くほど吸入空気の流れによる回転モーメントが小さくなることと相俟って、両者が中間の開度でバランスしてしまい、速やかに全開とすることができない。

さらに、図５の一点鎖線は、第２の参考例として図８の引張バネ１０３を除去した単純なフラップ１０１のみの構成とした場合の特性を示している。この場合は、吸入空気流量に応じてフラップ１０１が自由に動くものとなるが、吸入空気流量が少ないときでも全閉位置にフラップ１０１が保たれず、フラップ１０１が常にふらつくこととなり、しかも傾斜した姿勢ではフラップ１０１が自重で開いたままとなる可能性もあるので、吸気騒音の低減を十分に達成することができない。

これらの参考例に比較して、上記実施例では、全閉位置を引張バネ１６のばね力によって確実に保持し得る一方で、吸入空気流量の増加時に、速やかに全開とすることができ、従って、機関低速域での吸気騒音の低減と機関加速時の吸気効率の確保とを両立させることができる。

ところで、上記のように構成されたフラップ機構８においては、図４（ｃ）のようにフラップ１１が吸気流方向と平行となる全開位置まで開いた状態では、引張バネ１６の付勢力はフラップ１１を閉じる方向に作用しない。従って、吸入空気流量が再び低下したときに、フラップ１１は自然には全閉位置に復帰しないため、全閉位置に復帰させるための何らかの手段が必要である。吸気装置としては、機関加速時に素早くフラップ１１を開くことが重要であるが、機関減速時などのフラップ１１の閉方向への応答性は必ずしも重要ではない。また、フラップ１１が全開位置からある程度の中間開度まで閉じて傾斜した姿勢となると、引張バネ１６の付勢力によって時計回り方向（閉方向）への偶力が生じ、以後は、引張バネ１６の付勢力によって全閉となる。従って、適当な時期にフラップ１１を閉方向へ押圧するソレノイドや、フラップ１１に非常に緩い閉方向の力を付与する渦巻バネ等のバネ部材など、適宜な手段ないし機構によって復帰させるようにすればよい。

図６は、復帰機構の一例として、フラップ１１が全開位置付近にあるときにのみフラップ１１に閉方向の付勢力を与える第２の付勢手段を設けたものであって、この例では、互いに反発し合う１組の磁石２１，２２を、フラップ１１先端部とセカンダリダクト７の上壁部７ｂとに互いに対面するように配置してある。このような例では、フラップ１１が全開位置にあるときに磁石２１，２２の反発力を受けるので、吸入空気流量が再び低下したときに、フラップ１１がある程度の中間開度まで閉じようとする。すると、上述したように引張バネ１６の付勢力によって偶力が発生するため、フラップ１１が全閉位置まで瞬時に閉じる。この構成では、フラップ１１が全開位置に近付くまでは反発力が発生しないことから、前述したフラップ１１が開く際の速やかな動作を妨げることがない。

また、図７は、フラップ１１が全開位置付近にあるときにのみフラップ１１に閉方向の力を与える第２の付勢手段として、セカンダリダクト７の上壁部７ｂに板バネ３１を配置したものである。この板バネ３１は、フラップ１１が所定の中間開度まで開いた段階で該フラップ１１に当接し、図示する全開位置では所定の変位が与えられているものであって、従って、吸入空気流量が再び低下したときに、その中間開度までフラップ１１を押し戻すように作用する。これにより、図６の例と同様に、速やかに全閉となる。なお、板バネ３１の構成としては、ばね力が作用し始める中間開度から全開位置まで、できるだけ反力の増加が生じないような構成とすることが望ましい。板バネ３１に代えて、変位による反力変化が少ない渦巻バネのようなバネを用いてもよい。

以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限らず、種々の変更が可能である。例えば上記実施例では、第１回転軸１２および第２回転軸１３を軸部として突出させ、案内部となる第１，第２案内溝１４，１５を貫通した構成となっているが、本発明の「第１回転軸」および「第２回転軸」はフラップの回転中心として機能し得る構成であれば足り、また「案内部」としても、溝に限らず、種々の構成が可能である。また「バネ手段」としては、上記の引張バネ１６のほか、圧縮コイルバネ、捩りコイルバネ、ゴム等の残性材料などを適宜に用いることができる。

４…エアクリーナ
６…プライマリダクト
７…セカンダリダクト
８…フラップ機構
１１…フラップ
１２…第１回転軸
１３…第２回転軸
１４…第１案内溝
１５…第２案内溝
１６…引張バネ

Claims (3)

1. 内燃機関のエアクリーナの吸気入口側に２つの吸気通路を有し、その一方の吸気通路に、吸気流に応答して開くフラップ機構を設けてなる内燃機関の吸気装置において、
   上記フラップ機構は、
   略矩形の通路断面形状に対応した略矩形の板状をなすフラップと、
   このフラップの一端に設けられた第１回転軸と、
   上記一端までの受圧面積よりも他端までの受圧面積の方が大となるように上記フラップの偏った中間位置に設けられた第２回転軸と、
   上記フラップが上記吸気通路を閉じた全閉位置にあるときの上記第１，第２回転軸の位置をそれぞれ第１回転軸基準位置および第２回転軸基準位置としたときに、上記第１回転軸基準位置を中心とした相対的に小角度の円弧に沿って上記第２回転軸基準位置から下流側の第２回転軸開位置まで上記第２回転軸を案内する第２案内部と、
   上記第２回転軸開位置にある上記第２回転軸を中心とした相対的に大角度の円弧に沿って上記第１回転軸基準位置から上流側の第１回転軸開位置まで上記第１回転軸を案内する第１案内部と、
   上記第２回転軸を上記第２案内部の上記第２回転軸基準位置へ向かって付勢するバネ手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記第２回転軸が上記第２回転軸開位置にあり、かつ上記第１回転軸が上記第１回転軸開位置にあるときに、上記フラップは吸気通路の吸気流方向と平行に位置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 上記フラップの全開位置近傍でのみフラップに閉方向の付勢力を与える第２の付勢手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。

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