JP5884366B2 - 内燃機関のスロットル装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車等の車両におけるエンジンのスロットル装置に関するものである。

自動二輪車等の車両の吸気系において、車両外部から燃焼用空気が取り込まれるエアクリーナとエンジンとの間に吸気通路が設けられ、この吸気通路の途中適所にスロットル装置が配置される。このスロットル装置は、スロットルボディ内に形成される吸気通路を開閉するスロットルバルブを有し、エンジンに供給すべき空気量を制御するようになっている。

例えば特に小型単気筒エンジンでは一般的に、エアクリーナとエンジンの間に形成される吸気通路にはスペースあるいはレイアウトの都合上、それらの制約から数ヶ所程度の曲り部を設ける必要がある。この場合、吸気通路内での圧力損失や流れの剥離が発生し易い構造となっている。一方、市場の要求としてコストを維持したまま燃費を向上する必要があり、そのため低スロットル開度でも吸入空気量を確保し、燃焼を安定させる構造が求められている。

例えば特許文献１には、この種の車両における内燃機関の吸気装置が開示されている。この吸気装置では吸気通路からエンジンのインテークポートに向かい適度に湾曲し、その曲率中心軸方向に沿ってスロットルバルブの回転軸が配置されている。

特公平７−６２４４９号公報

従来のスロットル装置において、吸気管長の影響で吸気流れの剥離及び圧力損失が発生し易く、そのままでは吸入空気量が減少する。また、特にスロットルバルブの低スロットル開度域で燃焼が不安定になるばかりか、エンジンのシリンダ内でスワール流が発生し難い等の問題がある。更に、小型単気筒エンジンではスペースに制限があり、スワール制御弁等の機構を設けるスペースがない。

本発明はかかる実情に鑑み、スペース制約でも効果的且つ効率的な吸気を実現する内燃機関のスロットル装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関のスロットル装置は、吸気通路の断面中心に設定される回転軸を介してスロットルボディ内に支持されたスロットルバルブにより、前記スロットルボディ内の吸気通路を開閉するようにした内燃機関のスロットル装置であって、前記スロットルボディの上流側にエアクリーナ内に配置収容されるアウトレットチューブが接続され、前記スロットルボディの下流側にインテークポート及び燃焼室へ至るインテークパイプが接続され、前記アウトレットチューブと前記インテークパイプは同一平面上に反対方向に湾曲する湾曲流路として接続され、前記アウトレットチューブ及び前記インテークパイプは所定の曲率半径で湾曲しながら前記スロットルボディに接続され、前記インテークパイプの下流には前記インテークポート及び燃焼室へ至る吸気通路がＳ字状を呈するように湾曲して形成され、前記スロットルボディには前記湾曲流路の曲率中心軸と直交するように前記回転軸が配置されたことを特徴とする。
また、本発明の内燃機関のスロットル装置において、混合気が供給されるシリンダの軸線を含む平面上に、前記回転軸が配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、スロットルボディの上流及び下流のいずれか又は双方に湾曲流路が接続されるにも拘わらず、スロットルバルブの回転軸が湾曲流路の曲率中心軸とは直交していることで、吸気通路内の吸入空気の流れは全体として、円滑且つ均一化したものとなるため吸気効率を高めることができる。

本発明に係る自動二輪車の全体構成を示す側面図である。 本発明に係る自動二輪車に搭載されるパワーユニットまわりの構成例を示す側面図である。 本発明に係る自動二輪車に搭載されるパワーユニットまわりの構成例を示す後方斜視図である。 本発明によるスロットル装置まわりを比較例との関係で示す断面図である。 本発明によるスロットル装置におけるスロットルボディ上流側の吸気通路内の吸気流れの様子を比較例との関係で示す断面図である。 本発明によるスロットル装置におけるスロットルボディ下流側の吸気通路内の吸気流れの様子を比較例との関係で示す断面図である。 本発明によるスロットル装置における吸入空気の流動状態を比較例との関係で示す断面図である。 本発明によるスロットル装置における吸入空気の流れのシミュレーションの結果を比較例との関係で模式的に示す断面図である。 本発明によるスロットル装置における吸入空気の流れのシミュレーションの結果を比較例との関係で模式的に示す断面図である。 本発明によるスロットル装置における吸入空気の流れのシミュレーションの結果を比較例との関係で模式的に示す断面図である。

以下、図面に基づき、本発明による内燃機関のスロットル装置の好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る自動二輪車の側面図である。先ず、図１を用いて、自動二輪車の全体構成について説明する。なお、図１を含め、以下の説明で用いる図においては、必要に応じて車両の前方を矢印Ｆｒにより、車両の後方を矢印Ｒｒにより示し、また、車両の側方右側を矢印Ｒにより、車両の側方左側を矢印Ｌにより示す。

車両１００は、鋼製あるいはアルミニウム合金製でなる車体フレームにより車体骨格を形成し、車体フレームに対する各種部品の艤装を経て構成される。車体フレームの構成例として例えば所謂アンダーボーンタイプとし、その前上端部に結合するステアリングヘッドパイプから下方へ向けてダウンフレームもしくはチューブが延設され、このダウンフレームの後側にリヤフレームが結合する。エンジンを含むパワーユニット１０は車体フレームにより車体の略中央部で支持される。

上述したステアリングヘッドパイプは、フロントフォーク１０１を回動可能に支持し、フロントフォーク１０１の上端にはハンドルバー１０２が固定されると共に、その下端側には前輪１０３が回転可能に支持される。なお、前輪１０３の上方はフロントフェンダ１０４により覆われる。パワーユニット１０の後方には後輪１０５が回転可能に支持され、後輪１０５の上方にはライダーが着座するシート１０６が配置される。

車両外観としては、各種車体カバーが車体フレーム等の適所に支持されて被着される。フロントレッグシールド１０７は車両前面側を覆うと共にウィンカ等が実装され、リヤフレームカバー１０８はシート１０６の下方乃至車両後方側を覆うと共に、ウィンカやブレーキランプが実装される。後輪１０５の上方はリヤフェンダ１０９によって覆われる。

図２及び図３は、パワーユニット１０まわりを示している。図２はその側面図、図３はその後方斜視図である。この例ではパワーユニット１０は空冷式４サイクル単気筒エンジン１１を有し、このエンジン１１は主に、左右方向に水平配置されるクランクシャフトを回転自在に支持するクランクケース１２と、クランクケース１２の前部に結合し、その軸線が略水平方向に設定されたシリンダ１３と、シリンダ１３の更に前部に結合するシリンダヘッド１４及びシリンダヘッド１４に蓋着するシリンダヘッドカバー１５とを含んで構成される。

エンジン１１に混合気を供給する吸気系において、シリンダヘッド１４の斜め前上方には車体フレームによりエアクリーナ１１０が支持される。このエアクリーナ１１０とエンジン１１との間に形成される吸気通路の途中にスロットル装置１６が配置される。ここでは詳細な説明を省略するが、スロットル装置１６は、そのスロットルボディ内に形成される吸気通路を開閉するスロットルバルブを有し、エンジン１１に供給すべき空気量を制御するが、これについては後述する。

また、エンジン１１の排気系において、シリンダヘッド１４の下部側にエキゾーストパイプ（排気管）１７が結合する。なお、エキゾーストパイプ１７は、シリンダヘッド１４に形成された後述するエキゾーストポートに接続される。エンジン１１で生成された燃焼ガスが排気ガスとして、エキゾーストポートからエキゾーストパイプ１７を通って排気される。エキゾーストパイプ１７はエキゾーストポートから後方へ湾曲しながら延出し、エンジン１１の右側下部を通り抜けて、車両後部寄りに配置されたマフラ（排気消音器）１８に結合する。

図４は、スロットル装置１６まわりを比較例との関係で示し、エンジン１１のシリンダ１３の軸線Ｌを通る縦断面図である。本発明のスロットル装置１６において図４（ａ）に示されるようにアウトレットチューブ１９、スロットルボディ２０及びインテークパイプ２１が上流側から下流側へ順次接続され、これらが部材の内部に形成される吸気通路は側面視で、図示例のように湾曲しながら延設される。インテークパイプ２１はシリンダヘッド１４の上部側に結合する。シリンダヘッド１４の上部側にはインテークポート２２が、またその下部側にはエキゾーストポート２３が形成され、これらインテークポート２２及びエキゾーストポート２３は燃焼室２６に連通するが、それぞれ吸気バルブ２４及び排気バルブ２５によって所定のタイミングで開閉される。

アウトレットチューブ１９はエアクリーナ１１０内に収容配置されるが、この例ではスロットルボディ２０との間で概略「ノ」の字状等に湾曲もしくは屈曲するように接続する。また、インテークパイプ２１は、スロットルボディ２０との間で概略「ノ」の字状等に湾曲もしくは屈曲するように接続するが、その湾曲方向はアウトレットチューブ１９とは反対方向となっている。また、インテークパイプ２１、インテークポート２２及び燃焼室２６へと至る吸気通路は、概略Ｓ字状を呈するように湾曲する。なお、インテークパイプ２１には燃料噴射用インジェクタ２７が取り付けられ、このインジェクタ２７から吸気通路下流側へ向けて所定角度で燃料が噴射されるようになっている。

スロットルボディ２０内にはスロットルバルブ２８が配置され、このスロットルバルブ２８によりスロットルボディ２０内部の吸気通路を開閉する。スロットルバルブ２８は、吸気通路の断面中心に設定される回転軸２９を介して、スロットルボディ２０内で回転可能に支持される。本実施形態において吸気通路は典型的には円形断面形状とし、これに対応してスロットルバルブ２８も円板型とする。スロットルバルブ２８は吸気通路に対して直交する位置で吸気通路を実質的に全閉し、この状態から回転するに従いスロットル開度が増加する。

スロットルボディ２０の上流側及び下流側に接続するアウトレットチューブ１９及びインテークパイプ２１は上記のように湾曲し、この例ではそれらの内部に形成される吸気通路は、所定の曲率半径の湾曲流路となっている。アウトレットチューブ１９及びインテークパイプ２１の湾曲流路の曲率中心軸は、図４の紙面と直交する。スロットルバルブ２８の回転軸２９は該紙面と同一平面上、言い換えればアウトレットチューブ１９及びインテークパイプ２１の湾曲流路の曲率中心軸とは略直交する、即ち略９０°回転方向に配置される。この場合、スロットルボディ２０内部に形成される吸気通路は、この例では概略円筒状であり、図４（ａ）のようにその軸線Ｌ₁とすると、回転軸２９は軸線Ｌ₁とも直交するように配置される。

また、上記のようにスロットルボディ２０の下流側に接続されるインテークパイプ２１にはインジェクタ２７が装着されるが、図４（ａ）のようにインジェクタ２７の軸線Ｌ₂と回転軸２９とが同一平面上に配置される。

ここで、図４（ｂ）は本発明の比較例としてスロットル装置まわりを示している。この比較例において、本発明の場合のものと同一又は対応する部材には同一符号を用いるものとする。この比較例の基本的構成は、図４（ａ）に示す本発明の場合と同様であり、即ちアウトレットチューブ１９、スロットルボディ２０及びインテークパイプ２１が順次接続され、インテークパイプ２１がインテークポート２２に接続される。その他の構成についても本発明と実質的に同様である。

スロットルボディ２０内にはスロットルバルブ２８が配置され、このスロットルバルブ２８によりスロットルボディ２０内部の吸気通路を開閉する。この比較例では特に、スロットルバルブ２８の回転軸２９Ａは、アウトレットチューブ１９あるいはインテークパイプ２１の曲率中心軸と平行、即ち図４の紙面と直交するように配置される。つまり本発明の場合とは略９０°回転方向に変位して回転軸２９Ａが配置される。

本発明のスロットル装置１６は上記のように構成されており、次にその作用について比較例と対比しつつ説明する。
図５（ａ）はスロットルボディ２０の上流側の吸気通路を示している。この場合、スロットルボディ２０の軸線Ｌ₁方向に見た低開度時のスロットルバルブ２８の様子が併記されており、この低開度時にスロットルバルブ２８によって形成される流路を斜線で示す。この例ではアウトレットチューブ１９は所定の曲率半径で湾曲しながら（矢印Ｒで示される曲り部３０）スロットルボディ２０に接続するにも拘わらず、回転軸２９はその曲率中心軸とは直交しているため、回転軸２９の両側の流路（斜線部）で均等して吸入空気が流れる。このとき吸入空気の流れＦは、吸気通路の略中央部付近で支配的あるいは主流となっている。スロットルボディ２０の吸気通路内の吸入空気の流れも全体として、円滑且つ均一化したものとなるため吸気効率を高めることができる。

一方、図５（ｂ）の比較例において、なおスロットルボディ２０の軸線Ｌ₁方向に見た低開度時のスロットルバルブ２８の様子が併記されており、この低開度時にスロットルバルブ２８によって形成される流路を斜線で示す。吸入空気の流れＦは図示のように、アウトレットチューブ１９の内壁面に沿って支配的あるいは主流となっている。このような流れＦにおいて曲り部３０では圧力損失が生じ、曲り部３０の対向側では剥離が生じて剥離領域３１が形成される。この場合、スロットルバルブ２８の上下両側に吸入空気の流路（斜線部）が形成されるが、それらは相互に不均等になる。このように圧力損失や剥離があることから、スロットルボディ２０の吸気通路内の吸入空気の流れは不均一になり、吸気効率が低下する。

また、スロットルボディ２０の下流側の流れについて、図６（ａ）はスロットルボディ２０の下流側の吸気通路を示している。インテークパイプ２１は曲がり部３２（矢印Ｒ）において所定の曲率半径で湾曲するが、吸入空気の流れＦは吸気通路の略中央部付近で支配的あるいは主流となっているため、圧力損失や剥離の影響を受け難い。インテークパイプ２１内での吸入空気の流れは全体として、円滑且つ均一化したものとなり、そのような状態のまま燃焼室２６へと流れ込んでいくことができる。

一方、図６（ｂ）に示す比較例において、上流のスロットルバルブ２８の上下両側に形成された流路から吸入空気が流入し、吸入空気の流れＦは図示のように、インテークパイプ２１の内壁面に沿って支配的あるいは主流となっている。このような流れＦにおいて曲り部３２では圧力損失が生じ、曲り部３２の対向側では剥離が生じて剥離領域３３が形成される。スロットルボディ２０の下流側においても圧力損失や剥離のために、結果的に吸気効率が低下する。

更に、エンジン１１の燃焼室２６に到達する吸入空気の流動状態、特に渦流について説明する。図７（ａ）のように回転軸２９が紙面と同一平面上に配置され、低開度時のスロットルバルブ２８の開口部の位置関係（図５（ａ）参照）から、それらの開口部を通過する吸入空気の速度差を考慮すると、スワール方向の渦流ｆが発生し易い。なお、このスワール方向の渦流ｆは、図７（ａ）において典型的にはその紙面に直交する面に沿って形成され、吸入空気はこのような渦流となって燃焼室２６に流入する。ここで、一般にスワール流はシリンダ軸線Ｌ回りの旋回流であり、エンジン作動サイクルにおける圧縮工程の上死点でも保持されるため、エンジン燃焼効率の改善には極めて有効である。本発明では燃焼室２６に到達する吸入空気をスワール流Ｓとすることで、高い燃焼効率を得ることが可能になる。

一方、図７（ｂ）に示す比較例において、スロットルバルブ２８の回転軸２９Ａが紙面と直交方向に配置され、低開度時のスロットルバルブ２８の開口部を通過する吸入空気の速度差を考慮すると、タンブル方向の渦流ｆが発生し易い。なお、このタンブル方向の渦流ｆは、図７（ｂ）において典型的にはその紙面に沿って形成され、吸入空気はこのような渦流となって燃焼室２６に流入する。一般にタンブル流はシリンダ軸線Ｌに直交する、クランクシャフト軸方向と平行な軸線回りの旋回流であり、所謂、縦渦であるタンブル流Ｔはピストンの上昇と共に崩壊する。

次に、本発明のスロットル装置の作用効果等を確認すべく、更にシミュレーションによる検証を行った。図８〜図１０はこのシミュレーションの結果を比較例との関係で、模式的に示している。なお、このシミュレーションでは本実施形態の構成を単純化し、即ちアウトレットチューブ１９あるいはインテークパイプ２１等の曲り部もしくは湾曲を実質的になくし、ストレートな管路としている。この場合、図８（ａ）、図９（ａ）及び図１０（ａ）は本発明を示し、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は比較例を示す。

図８（ａ）、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示されるように本発明によれば、吸気系においてアウトレットチューブ１９からスロットルボディ２０を経て、インテークパイプ２１、インテークポート２２及び燃焼室２６へと至る吸気通路には矢印で示されるような吸気の流れが形成され、最終的にシリンダ１３内でスワール流Ｓを形成し易い状態となっていることが確認された。なお、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示される比較例では、吸気通路においてタンブル流Ｔを形成し易い吸気の流れ状態となっているのが分かる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば、上記実施形態においてスロットルボディ２０の上流側及び下流側にそれぞれアウトレットチューブ１９及びインテークパイプ２１の湾曲流路が配置される例を説明したが、スロットルボディ２０の上流側及び下流側のいずれか一方に湾曲流路が配置される場合も本発明は適用可能である。

１０ パワーユニット、１１ エンジン、１２ クランクケース、１３ シリンダ、１４シリンダヘッド、１５ シリンダヘッドカバー、１６ スロットル装置、１７ エキゾーストパイプ（排気管）、１８ マフラ（排気消音器）、１９ アウトレットチューブ、２０ スロットルボディ、２１ インテークパイプ、２２ インテークポート、２３ エキゾーストポート、２４ 吸気バルブ、２５ 排気バルブ、２６ 燃焼室、２７ インジェクタ、２８ スロットルバルブ、２９ 回転軸、３０ 曲り部、３１ 剥離領域、３２ 曲がり部、３３ 剥離領域、１００ 車両、１０１ フロントフォーク、１０２ ハンドルバー、１０３ 前輪、１０４ フロントフェンダ、１０５ 後輪、１０６ シート、１０７ フロントレッグシールド、１０８ リヤフレームカバー、１０９ リヤフェンダ、１１０ エアクリーナ。

Claims (2)

1. 吸気通路の断面中心に設定される回転軸を介してスロットルボディ内に支持されたスロットルバルブにより、前記スロットルボディ内の吸気通路を開閉するようにした内燃機関のスロットル装置であって、
   前記スロットルボディの上流側にエアクリーナ内に配置収容されるアウトレットチューブが接続され、前記スロットルボディの下流側にインテークポート及び燃焼室へ至るインテークパイプが接続され、
   前記アウトレットチューブと前記インテークパイプは同一平面上に反対方向に湾曲する湾曲流路として接続され、
   前記アウトレットチューブ及び前記インテークパイプは所定の曲率半径で湾曲しながら前記スロットルボディに接続され、
   前記インテークパイプの下流には前記インテークポート及び燃焼室へ至る吸気通路がＳ字状を呈するように湾曲して形成され、
   前記スロットルボディには前記湾曲流路の曲率中心軸と直交するように前記回転軸が配置されたことを特徴とする内燃機関のスロットル装置。
2. 混合気が供給されるシリンダの軸線を含む平面上に、前記回転軸が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のスロットル装置。

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