JP5725001B2

JP5725001B2 - 渦流発生装置

Info

Publication number: JP5725001B2
Application number: JP2012277563A
Authority: JP
Inventors: 宏昭服部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP2014122553A; US20140174401A1; US9341108B2

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室にタンブル流やスワール流等の渦流を発生させる渦流発生装置に関するものである。

従来から、渦流発生装置では、吸入空気が流れる流路内で回転駆動される板状のバタフライ弁を備え、バタフライ弁を回転駆動して吸入空気の流れを流路断面の特定の周辺に絞って偏らせるものが公知である（例えば、特許文献１、２参照）。そして、このような渦流発生装置では、特定の周辺に偏った流れ（以下、「偏流」と呼ぶことがある。）以外の流れを発生させないことで、偏流の流速低下や偏流の拡散を抑制して理想的な渦流を発生させることができると考えられている。

ところで、偏流以外の流れを発生させないようにするには、バタフライ弁が吸入空気の流れを特定の周辺に最も絞る全閉角を占めるときに、特定の周辺以外の周辺でバタフライ弁の周縁と流路壁との間に形成されるクリアランス（以下、「全閉時ＣＬ」と呼ぶことがある。）を限りなくゼロに近付ける必要がある。しかし、全閉時ＣＬを限りなくゼロに近付けるには、弁体の周縁を高弾性の材料で設けたり、部品の精度を高めたりする必要があり、コストアップになる。

なお、特許文献２では、バタフライ弁の回転軌跡よりも下流側に仕切り板を設けることで偏流の拡散防止を意図している。しかし、偏流以外の流れが発生することに変わりがなく、偏流の流速が低下して理想的な渦流発生の妨げになるものと考えられる。

特開２００１−２４８４５０号公報特開２０１０−１９０１６６号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、渦流発生装置において、コスト面で負担が大きい全閉時ＣＬの極小化を意図することなく、偏流の流速低下や偏流の拡散を抑制して理想的な渦流を発生させることにある。

本願の第１発明によれば、渦流発生装置は、以下に説明するバタフライ弁と流路壁段差とを備える。
まず、バタフライ弁は、内燃機関に吸入される吸入空気の流れを吸入空気の流路の断面の特定の周辺に絞るように回転駆動されるものであり、板状に設けられる。次に、流路壁段差は、吸入空気の流路を形成する流路壁において、吸入空気の流れに関してバタフライ弁の回転軌跡よりも下流側に設けられる段差であり、段差の隆起側、陥没側がそれぞれ吸入空気の流れに関して下流側、上流側に位置する。

また、流路の断面は矩形状であり、流路の断面には、特定の周辺以外に、特定の周辺の向かい側であって流路の中心軸を基準として特定の周辺の反対側に存在するボトム周辺、ならびに、特定の周辺およびボトム周辺以外の周辺である２つのサイド周辺が存在する。
そして、流路壁段差は、ボトム周辺および２つのサイド周辺に連続するように設けられている。
これにより、全閉時ＣＬからバタフライ弁の下流側に流出した流れ（偏流以外の流れ）は、流路壁段差における段差面に当たって曲がり、流路の周辺から中央に向かう（以下の説明では、ボトム周辺から流出した流れを「ボトム流れ」と呼ぶことがある。また、サイド周辺から流出した流れを「サイド流れ」と呼ぶことがある。）。

そして、ボトム流れはサイド流れを吸引しながら偏流に合流するので、バタフライ弁の下流側で吸入空気の流れは偏流に集約される。このため、渦流発生装置において、コスト面で負担が大きい全閉時ＣＬの極小化を意図することなく、偏流の流速低下や偏流の拡散を抑制して理想的な渦流を発生させることができる。

本願の第１発明に従属する第２発明によれば、流路壁段差の内、ボトム周辺の部位、および、サイド周辺の内のボトム周辺側の部位は、流路の中心軸に対し傾斜している。
これにより、サイド流れおよびボトム流れが偏流の方に向かいやすくなるので、より容易に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

本願の第１、第２発明に従属する第３発明によれば、流路壁段差の内、ボトム周辺の部位、および、サイド周辺の内のボトム周辺側の部位は、特定の周辺に近いほど吸入空気の流れの下流に存在するように、流路の中心軸に対し傾斜している。
これにより、サイド流れおよびボトム流れが偏流の方に向かいやすくなるので、より容易に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

本願の第１〜第３発明に従属する第４発明によれば、流路壁段差の内、ボトム周辺の部位と、サイド周辺の内のボトム周辺側の部位とは、流路の中心軸に対し、同じ角度だけ傾斜して同一平面をなす。
これにより、ボトム流れが偏流の方に向かいやすくなるので、より容易に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

本願の第１〜第４発明に従属する第５発明によれば、流路には、バタフライ弁の回転軸を基準として特定の周辺と同じ側、かつ、バタフライ弁の回転軌跡よりも下流側に、特定の周辺に絞られた吸入空気の流れが拡散するのを抑制する仕切り板が設けられている。
これにより、集約された偏流が拡散するのを防止することができる。

本願の第５発明に従属する第６発明によれば、バタフライ弁が吸入空気の流れを最も絞らない全開角を占めるとき、バタフライ弁の回転軸を基準として特定の周辺と同じ側の部分の流路断面積（Ｓ１）は、特定の周辺に絞られた吸入空気の通路であって仕切り板により形成される通路の断面積（Ｓ２）と、バタフライ弁の周縁の内の回転軸よりも下流側の周縁と仕切り板の上流縁とで挟まれる範囲の面積（Ｓ３）との和（Ｓ２＋Ｓ３）よりも小さい。

弁体が全開角を占めるときに、バタフライ弁の下流側の周縁と仕切り板の上流縁とが接近し過ぎていると、流路の中央において吸入空気の流れに対する流路抵抗が大きなって流路の圧力損失が大きくなる。そこで、バタフライ弁の下流側の周縁と仕切り板の上流縁との位置関係がＳ１≦Ｓ２＋Ｓ３の関係を満たすようにすることで、バタフライ弁の下流側の周縁と仕切り板の上流縁との過剰な接近配置を避け、流路の圧力損失の増加を抑制する。これにより、渦流を発生させないときの吸入空気の流量を確保することができる。

渦流発生装置の構成図である（実施例１）。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である（実施例１）。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である（実施例１）。渦流発生装置の構成図である（実施例２）。渦流発生装置の構成図である（実施例３）。渦流発生装置の構成図である（実施例４）。バタフライ弁が全閉角を占めるときの渦流発生装置の構成図である（実施例５）。バタフライ弁が全開角を占めるときの渦流発生装置の構成図である（実施例５）。Ｓ２＋Ｓ３と流路の圧力損失との関係を示す特性図である（実施例５）。

実施形態の渦流発生装置を実施例に基づき説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の渦流発生装置１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
渦流発生装置１は、例えば、内燃機関の燃焼室（図示せず。）にタンブル流やスワール流を発生させるものであり、例えば、燃焼室直近の上流側に配置されるインテークマニホールドの分岐管２内に設けられる。

そして、渦流発生装置１は、本願発明に係わる主な構成要素として、以下に説明するバタフライ弁３と流路壁段差４とを備える。
まず、バタフライ弁３は、内燃機関に吸入される吸入空気の流れを分岐管２内の流路６の断面の特定の周辺（以下、「特定周辺」と呼ぶ。）に絞るように回転駆動されるものであり、板状に設けられている（以下、バタフライ弁３を弁体３と呼ぶ。）。そして、弁体３は、吸入空気の流れを特定周辺に絞って偏らせることで、特定周辺に偏った流れ（偏流）を発生させ、この偏流が燃焼室に吸入されてタンブル流やスワール流になる。

また、弁体３は、全ての分岐管２内に一枚ずつ配置され、分岐管２が並ぶ方向に一本の回転軸７が通され、回転軸７は全ての弁体３に共通している。そして、分岐管２が並ぶ方向の一端に、回転軸７を回転駆動するトルクを発生するアクチュエータ（図示せず）が設けられている。アクチュエータには、電動モータや負圧式駆動装置等が採用され、負圧式駆動装置を採用した場合、吸入空気の燃焼室への吸引に伴い発生する負圧を利用することができる。
また、弁体３は矩形状に設けられており、回転軸７は、矩形の長辺に平行となるように弁体３に一体化されている。

そして、弁体３は、吸入空気の流れを特定周辺に最も絞る全閉角、および吸入空気の流れを最も絞らない全開角のいずれか一方の回転角を占めるように回転駆動される。
ここで、全閉角は、偏流を発生させるときに弁体３が占める回転角であり、例えば、流路６の軸（以下、「流路軸」と呼ぶ。）に垂直な面方向から弁体３の特定周辺の側の周縁が下流側に突き出るように角度θだけ弁体３が傾斜したときの回転角である。また、全開角は、偏流を発生させないときに弁体３が占める回転角であり、例えば、弁体３が流路軸に平行な面方向を占めるときの回転角である。

また、弁体３が全閉角を占めるとき、流路６の断面において特定周辺以外の周辺では、弁体３の周縁と流路６の壁（以下、「流路壁」と呼ぶ。）との間にクリアランス（全閉時ＣＬ）が形成される。そして、全閉時ＣＬ８からも吸入空気が漏れ出し、偏流以外の流れであるボトム流れ、およびサイド流れが形成される。

ここで、ボトム流れは、特定周辺の向かい側であって流路軸を基準として特定周辺の反対側の周辺（ボトム周辺）から漏れ出した流れである。また、サイド流れは、特定周辺およびボトム周辺以外の周辺（サイド周辺）から漏れ出した流れである。さらに、サイド周辺は特定周辺およびボトム周辺の両端に２箇所存在するので、サイド流れは偏流およびボトム流れの両端に形成される。

次に、流路壁段差４は、流路壁において、吸入空気の流れに関して弁体３の回転軌跡よりも下流側に設けられる段差である。そして、段差の隆起側、陥没側がそれぞれ吸入空気の流れに関して下流側、上流側に位置する。ここで、弁体３の回転軌跡は、全閉角と全開角との間の角度範囲（角度幅としてπ／２−θ）を往復するものである。

また、流路壁段差４は、ボトム周辺および２つのサイド周辺に連続するように設けられ、流路軸を包囲する環９を形成している。そして、環９は、流路軸に垂直な断面でみたときに流路軸を包囲するコの字状に見え（図２参照。）、流路軸に平行な断面でみたときに流路軸に垂直な１つの線分に見える（図１参照：なお、以下の説明では、流路軸に平行な断面でみることを「側面視する」と称する。）。さらに、流路壁段差４における段差面１０は、環９の全範囲において流路軸に垂直な平面である。

〔実施例１の効果〕
実施例１によれば、渦流発生装置１は流路壁段差４を備え、流路壁段差４は、吸入空気の流れに関して弁体３の回転軌跡よりも下流側に設けられ、段差の隆起側、陥没側がそれぞれ吸入空気の流れに関して下流側、上流側に位置する。
これにより、全閉時ＣＬ８から弁体３の下流側に流出した偏流以外の流れ（ボトム流れおよびサイド流れ）は、段差面１０に当たって曲がり、流路６のボトム周辺およびサイド周辺から中央に向かう。

そして、ボトム流れはサイド流れを吸引しながら偏流に合流するので、弁体３の下流側で吸入空気の流れは偏流に集約される。このため、渦流発生装置１において全閉時ＣＬ８が存在しても、偏流の流速低下や偏流の拡散を抑制して理想的な渦流を発生させることができる。

〔実施例２〕
実施例２の渦流発生装置１によれば、図４に示すように、環９は、弁体３が全閉角を占めるときに、弁体３の面方向と平行である。つまり、環９は、側面視したときに全閉角を占める弁体３に平行な１つの線分に見える。さらに、段差面１０は、環９の全範囲において全閉角を占める弁体３に平行な平面である。
これにより、サイド流れが偏流の方に向かいやすくなるので、より容易に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

〔実施例３〕
実施例３の渦流発生装置１によれば、図５に示すように、環９の内、回転軸７を基準としてボトム周辺と同じ側の部分９ｂは、弁体３が全閉角を占めるときに、特定周辺と同じ側の部分９ａよりも弁体３に近い。ここで、環９は、側面視したときに逆Ｎ字状に見える。すなわち、環９は、側面視したときに、全閉角を占める弁体３に平行な２つの線分と流路軸に平行な１つの線分とからなる逆Ｎ字状に見える。

ここで、部分９ａ、９ｂは、それぞれ、側面視したときに、全閉角を占める弁体３に平行な個別の線分として見える。また、側面視したときに、部分９ａに対応する線分は、部分９ｂに対応する線分よりも、全閉角を占める弁体３との距離が遠くに見える。そして、全ての段差面１０が、全閉角を占める弁体３に平行になっているのではなく、部分９ａ、９ｂの段差面１０が、全閉角を占める弁体３に平行になっている。

これにより、ボトム周辺ではボトム流れに対する流路抵抗が大きくなるので、ボトム流れの流速が大きくなる。このため、ボトム流れは、より強くサイド流れを吸引することができる。また、ボトム流れに対する流路抵抗が大きくなることで、ボトム流れの流量が低減して相対的に偏流の流量が増加する。このため、より強力に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

〔実施例４〕
実施例４の渦流発生装置１によれば、図６に示すように、部分９ａは、側面視したときに、弁体３の回転軌跡と略同一の形状であって角度π／２に対応する円弧に見え、弁体３の回転軌跡に沿う。
これにより、特定周辺と同じ側のサイド周辺では、サイド流れに対する流路抵抗が大きくなるので、サイド流れの流量が低減して相対的に偏流の流量が増加する。このため、より強力に吸入空気の流れを偏流に集約することができる。

〔実施例５〕
実施例５の渦流発生装置１によれば、図７および図８に示すように、流路６には、回転軸７を基準として特定周辺と同じ側、かつ、弁体３の回転軌跡よりも下流側に、偏流が拡散するのを抑制する仕切り板１２が設けられている。
これにより、集約された偏流が拡散するのを防止することができる。

また、図８に示すように、弁体３が全開角を占めるとき、弁体３の周縁の内の回転軸７よりも下流側の周縁（以下、下流縁３ａと呼ぶ。）と仕切り板１２の上流縁１２ａとの位置関係は、Ｓ１≦Ｓ２＋Ｓ３の関係を満たすように設定されている。ここで、Ｓ１は、流路６の断面の内、回転軸７を基準として特定周辺と同じ側の部分の流路断面積である。また、Ｓ２は、仕切り板１２により形成される偏流の流路断面積である。さらに、Ｓ３は、下流縁３ａと上流縁１２ａとで挟まれる範囲の面積である。

弁体３が全開角を占めるときに、弁体３の下流縁３ａと仕切り板１２の上流縁１２ａとが接近し過ぎていると、流路６の中央において吸入空気の流れに対する流路抵抗が大きなって流路６の圧力損失が大きくなる（図９参照。）。そこで、下流縁３ａと上流縁１２ａとの位置関係がＳ１≦Ｓ２＋Ｓ３の関係を満たすようにすることで、下流縁３ａと上流縁１２ａとの過剰な接近配置を避け、流路６の圧力損失の増加を抑制する。これにより、渦流を発生させないときの吸入空気の流量を確保することができる。

〔変形例〕
渦流発生装置１の態様は、実施例１〜７に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例１〜７の渦流発生装置１によれば、弁体３は矩形状に設けられていたが、弁体３を円板状に設けるとともに流路６を円形断面となるように設け、弁体３の一部の周辺を欠落させて欠落した部分により吸入空気の流れを絞るようにしてもよい。

１渦流発生装置３弁体（バタフライ弁）４流路壁段差６流路

Claims

内燃機関に吸入される吸入空気の流れを吸入空気の流路（６）の断面の特定の周辺に絞るように回転駆動される板状のバタフライ弁（３）と、
前記流路（６）を形成する流路壁において、吸入空気の流れに関して前記バタフライ弁（３）の回転軌跡よりも下流側に設けられる段差であり、段差の隆起側、陥没側がそれぞれ吸入空気の流れに関して下流側、上流側に位置する流路壁段差（４）とを備え、
前記流路（６）の断面は矩形状であり、前記流路（６）の断面には、前記特定の周辺以外に、前記特定の周辺の向かい側であって前記流路（６）の中心軸を基準として前記特定の周辺の反対側に存在するボトム周辺、ならびに、前記特定の周辺および前記ボトム周辺以外の周辺である２つのサイド周辺が存在し、
前記流路壁段差（４）は、前記ボトム周辺および２つの前記サイド周辺に連続するように設けられていることを特徴とする渦流発生装置（１）。
請求項１に記載の渦流発生装置（１）において、
前記流路壁段差（４）の内、前記ボトム周辺の部位、および、前記サイド周辺の内の前記ボトム周辺側の部位は、前記流路（６）の中心軸に対し傾斜していることを特徴とする渦流発生装置（１）。
請求項１または請求項２に記載の渦流発生装置（１）において、
前記流路壁段差（４）の内、前記ボトム周辺の部位、および、前記サイド周辺の内の前記ボトム周辺側の部位は、前記特定の周辺に近いほど吸入空気の流れの下流に存在するように、前記流路（６）の中心軸に対し傾斜していることを特徴とする渦流発生装置（１）。
請求項１または請求項３に記載の渦流発生装置（１）において、
前記流路壁段差（４）の内、前記ボトム周辺の部位と、前記サイド周辺の内の前記ボトム周辺側の部位とは、前記流路（６）の中心軸に対し、同じ角度だけ傾斜して同一平面をなすことを特徴とする渦流発生装置（１）。
請求項１または請求項４に記載の渦流発生装置（１）において、
前記流路（６）には、前記バタフライ弁（３）の回転軸（７）を基準として前記特定の周辺と同じ側、かつ、前記バタフライ弁（３）の回転軌跡よりも下流側に、前記特定の周辺に絞られた吸入空気の流れが拡散するのを抑制する仕切り板（１２）が設けられていることを特徴とする渦流発生装置（１）。
請求項５に記載の渦流発生装置（１）において、
前記バタフライ弁（３）が吸入空気の流れを最も絞らない全開角を占めるとき、前記バタフライ弁（３）の回転軸（７）を基準として前記特定の周辺と同じ側の部分の流路断面積（Ｓ１）は、前記特定の周辺に絞られた吸入空気の通路であって前記仕切り板（１２）により形成される通路の断面積（Ｓ２）と、前記バタフライ弁（３）の周縁の内の前記回転軸（７）よりも下流側の周縁（３ａ）と前記仕切り板（１２）の上流縁（１２ａ）とで挟まれる範囲の面積（Ｓ３）との和（Ｓ２＋Ｓ３）よりも小さいことを特徴とする渦流発生装置（１）。