JP5873274B2

JP5873274B2 - 吸気管構造

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Publication number: JP5873274B2
Application number: JP2011198055A
Authority: JP
Inventors: 川口　健一; 健一川口
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: JP2013060821A

Description

本発明は、吸気管構造に関するものである。

近年、エンジン排気流路から分流した排気を水冷式の管形熱交換器であるＥＧＲクーラ（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）により冷却した上でエンジン吸気流路へ戻し、燃焼温度を下げてＮＯxの発生を低減させる排気再循環が一般的に行われている。

排気容量を変えずにエンジンの出力を高めるためには、１サイクル当たりの燃料噴射量を多くすると共に、ターボチャージャにより過給圧を上げてシリンダへの吸気の送給量を増やす必要がある。

又、吸気の送給量を減らさずに高ＥＧＲ率を達成するためにも、ターボチャージャを用いて過給圧を上げる必要がある。

そこで、高圧力比が得られる二段過給システムをエンジンに採用することが提案されている。

図２は従来の二段過給システムの一例を示すものであり、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって高圧段タービン３を作動させ且つ高圧段コンプレッサ４で圧縮した吸気Ａをエンジン１の吸気マニホールド５へ送給する高圧段ターボチャージャ６と、該高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３から送出される排気Ｇ、或いは該高圧段タービン３の吸込側から吐出側へ至るウエストゲート配管７を経た排気Ｇによって低圧段タービン８を作動させ低圧段コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記高圧段コンプレッサ４へ送給する低圧段ターボチャージャ１０とを備え、前記ウエストゲート配管７には、高圧段タービン３に対応するウエストゲートバルブ１１が組み込まれている。

前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９の吐出側と前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吸入側とをつなぐ低圧吸気流路１２には、インタクーラ１３が介装されており、前記高圧段コンプレッサ４の吐出側とエンジン１の吸気マニホールド５とをつなぐ高圧吸気流路１４には、アフタクーラ１５が介装されている。

又、前記高圧段タービン３よりも上流側のエンジン排気流路（図２の例では排気マニホールド２）からは、前記アフタクーラ１５よりも下流側の高圧吸気流路１４（図２の例では吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ配管１６が分岐接続され、該ＥＧＲ配管１６には、前記エンジン排気流路から分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１７と、前記高圧吸気流路１４（図２の例では吸気マニホールド５）へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１８とが設けられている。

尚、図２中、１９は前記低圧段コンプレッサ９へ吸気Ａを供給する吸気管、２０は前記高圧段タービン３と低圧段タービン８とをつなぐ排気接続管、２１は低圧段タービン８を駆動した後の排気Ｇを排出する排気管である。

そして、前述の如き二段過給システムにおいては、エンジン１が稼動状態にあるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は、高圧段タービン３へ流入して高圧段コンプレッサ４を駆動した後、排気接続管２０を介し低圧段タービン８へ流入して低圧段コンプレッサ９を駆動し、排気管２１から排出される。

前記吸気管１９から低圧段コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、前記低圧吸気流路１２に介装されたインタクーラ１３を経て高圧段コンプレッサ４に送給され、該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮され、前記高圧吸気流路１４に介装されたアフタクーラ１５を経て吸気マニホールド５へ送給される。

これにより、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクル当たりの燃料噴射量を多くすれば、エンジン１の出力を高めることができる。

又、前記排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ配管１６へ流入し、ＥＧＲクーラ１７で冷却され且つＥＧＲバルブ１８で流量調整が行われた排気Ｇが、吸気Ａと一緒に吸気マニホールド５へ送給され、これにより、シリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯxの発生が低減される。

更に、前記エンジン１が高速高負荷領域に達した際には、高圧段タービン３の能力を上回るような高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇが、該高圧段タービン３に流れ込むことがないようにウエストゲートバルブ１１を開き、排気Ｇの一部をウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導くようにして、タービン内の圧力過上昇抑制と過回転防止、並びにポンピングロス低減を図るようになっている。因みに、前記ウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導かれる排気Ｇは、全体の０〜３０％程度の範囲内で、前記ウエストゲートバルブ１１の開度調節による流量調節が行われ、ウエストゲートバルブ１１全閉時より燃費改善を図っている。

尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

特開２００７−７１１７９号公報

ところで、トラック等の大型の車両は、普通乗用車と比べて未舗装の悪路を走行する機会が多いことから、エンジン１の吸気としては、塵埃が多く含まれている地面付近の空気ではなく、地面から充分高い部分の清浄な空気を取り入れることが好ましく、又、地面付近では、走行時に跳ね上げられる雨水や積雪等を一緒に取り込んでしまう虞もあるため、地面から充分高い部分で空気だけを確実に取り入れることが好ましい。

このため、図３に示される如く、トラック等の車両２２の場合、該車両２２のキャブ２３後面における左右方向一側下部に、前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９に吸気管１９から空気を吸気Ａとして供給するエアクリーナ２４を配置し、該エアクリーナ２４から上方へ立ち上がるエアクリーナ入口ダクト２５に対し、可撓性を有するブーツ２６を介して吸気ダクト２７を接続し、該吸気ダクト２７を前記キャブ２３の後面に組み付け、前記吸気ダクト２７の上部に開口させた空気取入口２８から外気を、水や塵埃等の異物が吸気ダクト２７内に侵入することを防止しつつ、吸気ダクト２７内へ導き、前記エアクリーナ２４で濾過し、清浄な吸気Ａとして前記吸気管１９から低圧段コンプレッサ９へ供給するようになっている。

一方、従来の場合、前記高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ１０は、図２に示される如く、エンジン１に取り付けられるが、前記エアクリーナ２４はキャブ２３の後面側に設置されるため、該キャブ２３の後面側に設置されるエアクリーナ２４と前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９とをつなぐ吸気管１９は、エンジン１の振動並びにキャブ２３の揺れに起因する相対変位を吸収しなければならない。

このため、従来においては、前記吸気管１９の中間部に、図４及び図５に示される如く、山部１９ａと谷部１９ｂとが交互に連なる蛇腹状の相対変位吸収部１９ｃを形成していた。尚、図５中、Ｐは山部１９ａ間（谷部１９ｂ間）のピッチ、Ｌは相対変位吸収部１９ｃの全長、Ｒは山部１９ａ及び谷部１９ｂの曲率半径、θは山部１９ａ及び谷部１９ｂの傾斜開き角度を示している。

しかしながら、従来の吸気管１９では、図５に示される如く、単に同一形状の山部１９ａと谷部１９ｂとを交互に連ねるだけで蛇腹状の相対変位吸収部１９ｃを形成しているため、エンジン１の振動に起因する相対変位を吸収することは可能であるが、キャブ２３の揺れに起因する大きな相対変位が発生した場合、相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における山部１９ａ及び谷部１９ｂに応力が集中する形となり、改善が望まれていた。

又、前述の如く吸気管１９の中間部に、山部１９ａと谷部１９ｂとが交互に連なる蛇腹状の相対変位吸収部１９ｃを形成した場合、該相対変位吸収部１９ｃの内面側で吸気Ａが剥離して負圧となる部分が生じ、圧力損失が大きくなるという不具合も有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、エンジンの振動並びにキャブの揺れに起因する相対変位を確実に吸収し得、相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における応力低減を図ることができ、且つ圧力損失低減を図ることができる吸気管構造を提供しようとするものである。

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサとエアクリーナとを接続し、中間部に山部と谷部とが交互に連なる蛇腹状の相対変位吸収部が形成された吸気管構造において、
前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部に応力緩和部を形成し、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の傾斜開き角度を、前記エアクリーナ側の端部以外の相対変位吸収部の山部及び谷部の傾斜開き角度と等しくすると共に、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の曲率半径を、前記エアクリーナ側の端部以外の相対変位吸収部の山部及び谷部の曲率半径より大きくすることによって、前記応力緩和部を構成したことを特徴とする吸気管構造にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述の如く、相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部に応力緩和部を形成すると、従来の吸気管のように、単に同一形状の山部と谷部とを交互に連ねるだけで蛇腹状の相対変位吸収部を形成するのとは異なり、エアクリーナ側の揺れに起因する大きな相対変位が発生したとしても、相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部に形成した応力緩和部により、山部及び谷部には応力が集中しにくくなる。尚、エンジンの振動に起因する相対変位は、従来と同様、山部と谷部とを交互に連ねた応力緩和部以外の部分により吸収することが可能となっている。

前記吸気管構造においては、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の傾斜開き角度を、それ以外の山部及び谷部の傾斜開き角度と等しくすると共に、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の曲率半径を、それ以外の山部及び谷部の曲率半径より大きくすることによって、前記応力緩和部を構成したことにより、エアクリーナで濾過された清浄な吸気が吸気管の相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部に差し掛かった際、該相対変位吸収部の内面側で吸気が剥離しにくくなって負圧となる部分が生じにくくなり、圧力損失が小さくなる。

又、前記吸気管構造においては、エンジンから直に送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備え、前記低圧段コンプレッサとキャブ後面に設置されるエアクリーナとを湾曲させた吸気管を介して接続する二段過給システムに適用することができる。

本発明の吸気管構造によれば、エンジンの振動並びにキャブの揺れに起因する相対変位を確実に吸収し得、相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における応力低減を図ることができ、且つ圧力損失低減を図ることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の吸気管構造の実施例における蛇腹状の相対変位吸収部を示す断面図である。従来の二段過給システムの一例を示す概念図である。従来の吸気ダクトの一例を示す概略斜視図である。従来の吸気管の一例を示す平面図である。従来の吸気管の一例における蛇腹状の相対変位吸収部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の吸気管構造の実施例であって、図中、図２〜図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図２〜図５に示す従来のものと同様であるが、本実施例の特徴とするところは、図１に示す如く、相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部に応力緩和部１９ｄを形成した点にある。

本実施例の場合、前記応力緩和部１９ｄは、前記相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における複数（図１の例では二個）の山部１９ａ及び複数（図１の例では二個）の谷部１９ｂの傾斜開き角度θを、それ以外の山部１９ａ及び谷部１９ｂの傾斜開き角度θと等しくすると共に、前記相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における複数（図１の例では二個）の山部１９ａ及び複数（図１の例では二個）の谷部１９ｂの曲率半径Ｒ´を、それ以外の山部１９ａ及び谷部１９ｂの曲率半径Ｒより大きくすることによって構成してある。

因みに、前記曲率半径Ｒが、例えば、
Ｒ＝２［ｍｍ］
である場合、前記曲率半径Ｒ´は、その二倍〜三倍の
Ｒ´＝２Ｒ〜３Ｒ＝４〜６［ｍｍ］
に設定することができる。

次に、上記実施例の作用を説明する。

前述の如く、相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部に応力緩和部１９ｄを形成すると、図５に示される従来の吸気管１９のように、単に同一形状の山部１９ａと谷部１９ｂとを交互に連ねるだけで蛇腹状の相対変位吸収部１９ｃを形成するのとは異なり、キャブ２３の揺れに起因する大きな相対変位が発生したとしても、相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部に形成した応力緩和部１９ｄにより、曲率半径Ｒ´を大きくした山部１９ａ及び谷部１９ｂには応力が集中しにくくなる。尚、エンジン１の振動に起因する相対変位は、従来と同様、応力緩和部１９ｄ以外の曲率半径Ｒの山部１９ａと谷部１９ｂとを交互に連ねた部分により吸収することが可能となっている。

又、前記相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における複数（図１の例では二個）の山部１９ａ及び複数（図１の例では二個）の谷部１９ｂの曲率半径Ｒ´を、それ以外の山部１９ａ及び谷部１９ｂの曲率半径Ｒより大きくしたことにより、エアクリーナ２４で濾過された清浄な吸気Ａが吸気管１９の相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部に差し掛かった際、該相対変位吸収部１９ｃの内面側で吸気Ａが剥離しにくくなって負圧となる部分が生じにくくなり、圧力損失が小さくなる。

尚、前記応力緩和部１９ｄにおいて、前記相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における複数（図１の例では二個）の山部１９ａ及び複数（図１の例では二個）の谷部１９ｂの傾斜開き角度θを、それ以外の山部１９ａ及び谷部１９ｂの傾斜開き角度θと等しくすると共に、前記相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における複数（図１の例では二個）の山部１９ａ及び複数（図１の例では二個）の谷部１９ｂの曲率半径Ｒ´を、それ以外の山部１９ａ及び谷部１９ｂの曲率半径Ｒより大きくしたことに伴い、前記応力緩和部１９ｄにおける山部１９ａ間（谷部１９ｂ間）のピッチＰ´は、応力緩和部１９ｄ以外の山部１９ａ間（谷部１９ｂ間）のピッチＰより長くなり、
Ｐ´＝Ｐ＋２×（Ｒ´−Ｒ）
と表され、該ピッチの増加分に対応して、相対変位吸収部１９ｃの全長Ｌ´も従来の全長Ｌ（図５参照）より長くなるが、該相対変位吸収部１９ｃの全長Ｌ´の増加分は、全体の収縮で充分相殺できる量であり、車両２２への搭載に関し特に問題が生じる心配はない。

こうして、エンジン１の振動並びにキャブの揺れに起因する相対変位を確実に吸収し得、相対変位吸収部１９ｃのエアクリーナ２４側の端部における応力低減を図ることができ、且つ圧力損失低減を図ることができる。

尚、本発明の吸気管構造は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、二段過給システムに限らず、ターボチャージャが一基の車両にも適用可能なこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１エンジン
３高圧段タービン
４高圧段コンプレッサ
６高圧段ターボチャージャ
８低圧段タービン
９低圧段コンプレッサ（コンプレッサ）
１０低圧段ターボチャージャ（ターボチャージャ）
１９吸気管
１９ａ山部
１９ｂ谷部
１９ｃ相対変位吸収部
１９ｄ応力緩和部
２３キャブ
２４エアクリーナ
Ａ吸気
Ｇ排気
Ｒ曲率半径
Ｒ´ 曲率半径
θ 傾斜開き角度

Claims

ターボチャージャのコンプレッサとエアクリーナとを接続し、中間部に山部と谷部とが交互に連なる蛇腹状の相対変位吸収部が形成された吸気管構造において、
前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部に応力緩和部を形成し、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の傾斜開き角度を、前記エアクリーナ側の端部以外の相対変位吸収部の山部及び谷部の傾斜開き角度と等しくすると共に、前記相対変位吸収部のエアクリーナ側の端部における複数の山部及び複数の谷部の曲率半径を、前記エアクリーナ側の端部以外の相対変位吸収部の山部及び谷部の曲率半径より大きくすることによって、前記応力緩和部を構成したことを特徴とする吸気管構造。
エンジンから直に送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備え、前記低圧段コンプレッサとキャブ後面に設置されるエアクリーナとを湾曲させた吸気管を介して接続する二段過給システムに適用するようにした請求項１記載の吸気管構造。