JP6416614B2 - エンジンの過給機 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吸気を加圧する遠心式のインペラを備えた過給機に関するものである。

エンジンの出力を向上させるために、吸気を加圧する過給機を設けたものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１のエンジンでは、遠心式インペラを備えた機械式過給機が用いられている。

特開平０５−２５６１４６号公報

遠心式の過給機を搭載したエンジンでは、吸気が加圧されるので、吸気温度が高くなる。吸気温度が高くなると、シリンダの充填効率が低下して、エンジンの出力が低下する。そこで、エンジンにインタークーラを設けて吸気温度を下げるようにしたものもあるが、インタークーラを設けると、構造が複雑になるうえに、インタークーラの設置スペースを確保する必要がある。

本発明は、簡単な構造で、吸気温度の上昇を抑えてエンジン出力の向上を図ることができるエンジンの過給機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のエンジンの過給機は、エンジンの吸気を加圧する過給機であって、遠心式のインペラと、前記インペラを覆うインペラハウジングとを備え、前記インペラハウジングが、前記インペラからの圧縮空気の吐出通路を形成する渦巻室と、その下流のディフューザ室とを有し、少なくとも前記ディフューザ室の内面の一部分が研磨され、研磨部分が非研磨部分よりも表面粗さが小さくなっている。研磨された面の十点平均粗さＲｚは、５μｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、ディフューザ室の内面の一部分が研磨され、研磨部分が非研磨部分よりも表面粗さが小さくなっているので、吸気がディフューザ室を通過する際の流路抵抗の一つである摩擦抵抗が低下する。これにより、吸気温度の上昇を抑えて、充填効率が向上する結果、エンジンの出力が向上する。また、ディフューザ室の内面を研磨するだけなので、構造も簡単である。

本発明において、少なくとも前記ディフューザ室における吐出口から上流側にわたる領域の径方向外側部の内面が研磨されていることが好ましい。この構成によれば、ディフューザ室の径方向外側部の内面は、遠心力により吸気が押し付けられる面であるので、この面の表面粗さを小さくすることで、吸気温度の上昇を抑制しやすい。

本発明において、前記インペラハウジングは砂型成形され、前記ディフューザ室の全体を含む吐出口側部分が研磨されていることが好ましい。この構成によれば、インペラハウジングを砂型成形することで、複雑な形状のインペラハウジングを容易に形成できる。砂型成形を用いる場合、成形肌のままではインペラハウジングの表面は粗いが、上述のようにディフューザ室の内面を研磨することで、流路抵抗が低減し、吸気温度の上昇が抑制されることにより充填効率が向上する。

本発明において、前記インペラハウジングの内面が塗装され、前記内面の研磨により、前記研磨部分の塗装膜が除去されていることが好ましい。この構成によれば、内面を塗装することで、内面の粗度が低下して流路抵抗が低減し、吸気温度の上昇が抑制されることにより充填効率が向上する。さらに、塗装後に研磨を施すことで、内面の粗度がさらに低下するとともに、研磨部分の塗装膜が除去されることで、研磨を実施したことの確認が容易になる。

本発明の過給機は、エンジンに供給される吸気温度が９０℃以上であるエンジンに特に有効である。このようなエンジンでは、吸気温度の低下が必要となるが、本発明の過給機によれば、インタークーラなしで、吸気温度の上昇を抑制することができるので、エンジンの小形化が実現できる。

また、本発明の過給機は、過給機からの吸気を蓄える吸気チャンバを備えた鞍乗型車両に搭載されるエンジンに好適に用いられる。鞍乗型車両では、吸気チャンバを大形化して膨張による吸気温度の低下を図るのが困難であるから、吸気温度が上昇しやすい傾向にあるが、本発明の過給機によれば、インタークーラなしで、吸気温度の上昇を抑制することができるので、鞍乗型車両の大形化を抑制できる。

本発明のエンジンの過給機によれば、ディフューザ室の内面の一部分が研磨され、研磨部分が非研磨部分よりも表面粗さが小さくなっているので、吸気がディフューザ室を通過する際の流路抵抗の一つである摩擦抵抗が低下する。これにより、吸気温度の上昇が抑制されて、充填効率が向上する結果、エンジンの出力が向上する。また、ディフューザ室の内面を研磨するだけなので、構造も簡単である。

本発明の第１実施形態に係る過給機を備えたエンジンを搭載した鞍乗型車両の一種である自動二輪車を示す側面図である。 同エンジンを後方斜め上方から見た斜視図である。 同過給機のインペラハウジングの回転軸に沿った断面図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 同インペラハウジングの研磨部分と非研磨部分とを示す断面図である。 同過給機を備えたエンジンと従来の過給機を備えたエンジンとの出力および吸気温度を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。本明細書において、「左側」および「右側」は、車両に乗車した運転者から見た左右側をいう。

図１は本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給機を備えた自動二輪車の側面図である。この自動二輪車の車体フレームＦＲは、前半部を形成するメインフレーム１と、後半部を形成するリヤフレーム２とを有している。メインフレーム１の前端にヘッドパイプ４が設けられ、このヘッドパイプ４にステアリングシャフト（図示せず）を介してフロントフォーク８が回動自在に軸支されている。フロントフォーク８の上端部に操向用のハンドル６が固定され、フロントフォーク８の下端部に前輪１０が取り付けられている。

メインフレーム１の後端部に、スイングアームブラケット９が設けられている。このスイングアームブラケット９に取り付けたピボット軸１６の回りに、スイングアーム１２が上下揺動自在に軸支されている。このスイングアーム１２の後端部に、後輪１４が回転自在に支持されている。

車体フレームＦＲの中央下部でスイングアームブラケット９の前側に、エンジンＥが取り付けられている。エンジンＥがドライブチェーン１１を介して後輪１４を駆動する。エンジンＥは、クランク軸２６の軸線方向に複数気筒が並ぶ並列多気筒エンジンで、本実施形態では、４気筒４サイクルの多気筒エンジンである。ただし、エンジンＥの形式はこれに限定されるものではない。

エンジンＥは、エンジン回転軸であるクランク軸２６を支持するクランクケース２８と、クランクケース２８の前部の上面から上方に突出したシリンダブロック３０と、その上方のシリンダヘッド３２と、クランクケース２８の下部に連結されたオイルパン３３とを有している。シリンダブロック３０およびシリンダヘッド３２は前方に傾斜し、エンジンＥのシリンダを構成している。つまり、エンジンＥは、側面視でほぼＬ字形である。

シリンダヘッド３２の前面の４つの排気ポート３５に、４本の排気管３６が接続されている。これら４本の排気管３６が、エンジンＥの下方で集合され、後輪１４の右側に配置された排気マフラ３８に接続されている。

メインフレーム１の上部に燃料タンク１５が配置され、リヤフレーム２にライダー用シート１８および同乗者用シート２０が支持されている。また、車体前部に、樹脂製のカウリング２２が装着されている。カウリング２２は、前記ヘッドパイプ４の前方から車体前部の外側方にかけての部分を覆っている。カウリング２２には、空気取入口２４が形成されている。空気取入口２４は、カウリング２２の前端に位置し、外部からエンジンＥへの吸気を取り入れる。

車体フレームＦＲの左側に、吸気ダクト５０が配置されている。吸気ダクト５０は、前端開口５０ａをカウリング２２の空気取入口２４に臨ませた配置でヘッドパイプ４に支持されている。つまり、吸気ダクト５０の前端開口５０ａが空気取入口２４に連通している。吸気ダクト５０の前端開口５０ａから導入された空気は、ラム効果により昇圧される。

シリンダブロック３０の後方でクランクケース２８の後部の上面に、エアクリーナ４０および過給機４２が、エアクリーナ４０を外側にして車幅方向に並んで配置されている。吸気ダクト５０は、エンジンＥの前方からシリンダブロック３０およびシリンダヘッド３２の左外側方を通過して、エアクリーナ４０に走行風を吸気Ｉとして導いている。過給機４２は、エアクリーナ４０で浄化された清浄空気を加圧してエンジンＥに供給する。

過給機４２とシリンダヘッド３２の後部の吸気ポート５４との間に、吸気チャンバ５２が配置され、過給機４２と吸気チャンバ５２とが直接接続されている。吸気チャンバ５２は、過給機４２から供給された高圧の吸気Ｉを貯留する。本実施形態の吸気チャンバ５２は、エンジンＥの排気量の２倍程度の容量である。吸気チャンバ５２と吸気ポート５４との間には、スロットルボディ４４が配置されている。スロットルボディ４４に、燃料を吸気に噴射するメインインジェクタ５５が取り付けられている。また、吸気チャンバ５２の上部に、吸気チャンバ５２内に燃料を噴射するトップインジェクタ５３が取り付けられている。

吸気チャンバ５２は、過給機４２およびスロットルボディ４４の上方でシリンダヘッド３２の後方に配置されている。エアクリーナ４０は、側面視で、クランクケース２８とその上方の吸気チャンバ５２との間に配置されている。吸気チャンバ５２およびスロットルボディ４４の上方に、前記燃料タンク１５が配置されている。

図２に示すように、過給機４２はエアクリーナ４０の右側に隣接して配置され、図示しないボルトによりクランクケース２８の上面に固定されている。この過給機４２は、エンジンＥのクランク軸（回転軸）２６によって駆動される機械式過給機であり、車幅方向（左右方向）に延びる回転軸心ＡＸを有する過給機回転軸４４を備えている。クランクケース２８の上方でエンジンＥの車幅方向の中央部に、左向きに開口した過給機４２の吸込口４６と上向きに開口した吐出口４８が位置している。過給機４２の吸込口４６にエアクリーナ４０の出口５９が接続され、エアクリーナ４０の入口５７に吸気ダクト５０の後端部５０ｂが車幅方向外側から接続される。

過給機４２は、過給機回転軸４４の一端部（左側端部）４４ａに固定された遠心式のインペラ６０と、インペラ６０を覆うインペラハウジング６２と、過給機回転軸４４を回転自在に支持する過給機ケース６４と、エンジンＥのクランク軸２６の回転を増速して過給機回転軸４４に伝達する増速装置６５とを有している。増速により過給機回転軸４４の最大回転数は、１０万ｒｐｍ以上、本実施形態では約１４万ｒｐｍである。遠心式の過給機４２は、吐出口４８で吸気Ｉが圧縮されており、吸気温度が高くなりやすく、本実施形態では、吸気温度が９０℃以上となる。また、本実施形態の過給機４２は、圧縮比が高く、圧縮比は２以上、具体的には、２．５に設定されている。

吸気ダクト５０、エアクリーナ４０、インペラハウジング６２および過給機ケース６４は金属製である。吸気ダクト５０とエアクリーナ４０とはボルト（図示せず）により連結され、インペラハウジング６２と過給機ケース６４およびエアクリーナ４０とがボルト（図示せず）により連結されている。つまり、インペラハウジング６２は、エアクリーナ４０と面接触する第１端面５６と、過給機ケース６４と面接触する第２端面５８とを有している。このように、過給機ケース６４と面接触するとともに、エアクリーナ４０を介して吸気ダクト５０と面接触するので、インペラハウジング６２の放熱性が向上する。

図４はインペラハウジング６２の回転軸心ＡＸに垂直な、図３のIV−IV線に沿った断面を示す。図４に示すように、インペラハウジング６２は、Ｒ方向に回転するインペラ６０からの圧縮空気の吐出通路を形成する渦巻室６８と、その下流のディフューザ室７０とを有しており、インペラハウジング６２の内面の一部分が研磨されている。ディフューザ室７０は、真直な軸心ＦＸを有するほぼ円錐の形状である。

研磨することにより、図５にクロスハッチングで示す研磨部分Ｓ１が非研磨部分Ｓ２よりも表面粗さが小さくなっている。本実施形態では、ディフューザ室７０の全体を含む吐出口側部分の内面、および渦巻室６８におけるディフューザ室７０に連なる下流部６８ａの内面が研磨されている。ただし、少なくともディフューザ室７０の内面の一部分が研磨されていればよく、例えば、ディフューザ室７０の吐出口４８から上流側にわたる領域の径方向外側部７２の内面のみを研磨してもよい。

つぎに、インペラハウジング６２の製造方法について説明する。インペラハウジング６２は砂型鋳造により形成されている。ダイキャストではなく鋳造により形成することで、低脆性材料を用いることが可能となり、薄肉化を図ることができる。また、中子を用いることで、複雑な形状のインペラハウジング６２を容易に成形できる。本実施形態では、インペラハウジング６２は、ＡＣ４ＣＨ（アルミ合金鋳物）により形成されている。鋳肌の表面粗さは、十点平均粗さＲｚで２５μｍ程度である。

つづいて、インペラハウジング６２の外面および内面を塗装する。本実施形態では、シリコン系溶剤塗料を用いた紛体塗装を行っている。塗装を施すことで、インペラハウジング６２の表面粗さは、十点平均粗さＲｚで１０μｍ以下になる。

つぎに、インペラハウジング６２の内面を研磨する。本実施形態では、研磨は、粒度２４０番程度の研磨ベルト６９を用いて行われる。詳細には、図５に示すように、回転工具Ｔの先端に研磨ベルト６９を取り付け、回転工具Ｔの駆動により研磨ベルト６９を回転させながら、吐出口４８からインペラハウジング６２の内部に研磨ベルト６９を挿入する。その後、インペラハウジング６２の内面の研磨を行う。

本実施形態では、吐出口４８から見える範囲のほぼ全面が、回転軸心ＡＸに垂直な断面の全周に渡って研磨される。詳細には、吐出口４８から、上流に向かって縮径する部分、換言すれば、回転工具Ｔの先端の研磨ベルト６９がディフューザ室７０の軸心ＦＸ方向にまっすぐに挿入可能な部分まで研磨される。これにより、図５に示す研磨部分Ｓ１は、吐出口４８から上流側にわたって連続して形成される。

研磨部分Ｓ１は、回転軸心ＡＸに垂直な断面でみて、図５の回転軸心ＡＸから軸心ＦＸに直交する直交線ＰＬを引いたとき、吐出口４８から直交線ＰＬを超えて若干渦巻室６８の下流部６８ａまで研磨される。ここでは、ディフューザ室７０の上流端縁と直交線ＰＬとがほぼ一致している。また、インペラハウジング６２の内面における径方向外側部分７４と径方向内側部分７６とでは、外側部分７４の方が研磨部分Ｓ１は長く形成される。つまり、径方向外側の研磨部分Ｓ１の方が上流側まで研磨される。

インペラハウジング６２の内面を研磨することにより、研磨部分Ｓ１の塗装膜は除去される。研磨部分Ｓ１の表面は、十点平均粗さＲｚが５μｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、Ｒｚが約３．２μｍである。換言すれば、研磨部分Ｓ１は、砂型成形時の中子押出しピン座跡の凸の段差がなく、且つ中子のパーティングラインが残らない程度に研磨される。ただし、吐出口４８付近の段差７８に鋳肌が残ってもよい。

研磨が完了した後に、機械加工により、図３に示す第１および第２端面５６，５８が形成される。ただし、塗装後に、研磨を行う前に、機械加工を施してもよい。

上記構成によれば、図５に示すディフューザ室７０の全体の内面が研磨され、研磨部分Ｓ１が非研磨部分Ｓ２よりも表面粗さが小さくなっている。したがって、吸気Ｉがディフューザ室７０を通過する際の摩擦抵抗が低下する。これにより、吸気温度の上昇が抑制されて充填効率が向上する結果、エンジンの出力が向上する。

図６は、本実施形態の過給機４２を備えたエンジンＥと、内面に研磨を施さない従来の過給機を備えた比較例のエンジンとのエンジン出力および吸気温度を示すグラフである。図中のデータＤ１は本実施形態のエンジンＥの出力を示し、データＤ２は比較例のエンジンの出力を示している。また、データＤ３は本実施形態のエンジンＥの吸気温度を示し、データＤ４は比較例のエンジンの吸気温度を示している。吸気温度は吸気チャンバ５２（図１）内の温度を測定している。

同グラフに示すように、本実施形態のエンジンＥでは、エンジンの高出力領域において、吸気温度の上昇が抑制され、エンジンの出力が向上している。具体的には、高出力領域において、吸気温度が５℃程度低く、エンジンの出力が約１％向上した。同グラフでは、点火時期が同じ場合のデータを示しているが、吸気温度が低くなることにより、点火時期の遅角を抑えることができ、ノッキングを防ぎやすくなる。このように点火時期の遅角を抑えることで、さらなるエンジン出力の向上が得られる。しかも、ディフューザ室７０の内面を研磨するだけであり、インタークーラのような吸気を冷却するための装置も不要であるから、構造も簡単である。

また、本実施形態のエンジンＥでは、高出力領域以外の中低速領域でも、エンジンの可動性能が向上する。具体的には、ディフューザ室７０の内面を研磨して流路抵抗を下げることで、ライダーの出力変化指令に対して実際に出力が変化するまでの遅れが少なくなる。これにより、エンジンの加速性能およびライダーの走行フィーリングが向上する。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、吸気チャンバ５２に燃料を噴射するトップインジェクタ５３が設けられている。したがって、吸気チャンバ５２内に噴射された燃料が気化する際の気化熱により、吸気チャンバ５２内の吸気温度がさらに低下する。

ディフューザ室７０の径方向外側部７２の内面は、遠心力により吸気が押し付けられる面であるので、特に、ディフューザ室７０の径方向外側部７２の内面を研磨して、この面の表面粗さを小さくすることで、効果的に吸気温度の上昇を抑制できる。上記構成の過給機４２は、圧縮比が高いので、このような研磨が特に効果的である。

インペラハウジング６２は砂型成形されているので、複雑な形状のインペラハウジング６２を容易に形成できる。砂型成形を用いる場合、成形肌のままではインペラハウジング６２の表面は粗いが（Ｒｚ＝２５μｍ程度）、ディフューザ室７０の内面を研磨することで、表面粗さを小さくしている（Ｒｚ＝３．２μｍ程度）。これにより、流路抵抗が低減するので、吸気温度の上昇が抑制されて充填効率が向上する。

また、インペラハウジング６２の内面が塗装されているので（Ｒｚ＝１０μｍ程度）、流路抵抗が低減し、吸気温度の上昇が抑制されて充填効率が向上する。さらに、塗装後に研磨を施すことで、図５の研磨部分Ｓ１の塗装膜が除去されるので、研磨を実施したことの確認が容易になる。

本発明の過給機４２は、吸気温度が９０℃以上であるエンジンＥに特に有効である。このようなエンジンでは、吸気温度の低下が必要となるが、本発明の過給機４２によれば、インタークーラなしで、吸気温度の上昇を抑制することができるので、エンジンＥの小形化が実現できる。

また、本発明の過給機４２は、図１の吸気チャンバ５２を備えた鞍乗型車両に搭載されるエンジンに好適に用いられる。鞍乗型車両では、吸気チャンバ５２を大形化して膨張による吸気温度の低下を図るのが困難であるから、吸気温度が上昇しやすい傾向にあるが、本発明の過給機４２によれば、インタークーラなしで、吸気温度の上昇を抑制することができるので、鞍乗型車両の大形化を抑制できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、インペラハウジング６２の内外面を塗装しているが、内面または外面のみの塗装としてもよく、また、塗装工程を省略してもよい。さらに、本発明の過給機４２は、インタークーラを備えるエンジンにも適用できる。これにより、吸気温度が一層低下する。

また、上記実施形態では、自動二輪車のエンジンに適用した例を説明したが、本発明の過給機４２は、自動二輪車以外の車両、船舶等のエンジンにも適用可能で、さらに、地上設置のエンジンにも適用できる。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

４２ 過給機
４８ 吐出口
５２ 吸気チャンバ
６０ インペラ
６２ インペラハウジング
６８ 渦巻室
７０ ディフューザ室
Ｅ エンジン
Ｉ 吸気
Ｓ１ 研磨部分
Ｓ２ 非研磨部分

Claims (7)

1. エンジンの吸気を加圧する過給機であって、
   遠心式のインペラと、
   前記インペラを覆うインペラハウジングと、を備え、
   前記インペラハウジングが、前記インペラからの圧縮空気の吐出通路を形成する渦巻室と、その下流の円錐形状のディフューザ室とを有し、
   少なくとも前記ディフューザ室の内面が研磨され、研磨部分が非研磨部分よりも表面粗さが小さくなっており、
   少なくとも前記ディフューザ室における吐出口から上流側にわたる領域の径方向外側部の内面が研磨されているエンジンの過給機。
2. 請求項１に記載の過給機において、前記渦巻き室の内面が前記非研磨部分であるエンジンの過給機。
3. 請求項１または２に記載の過給機において、乗物に搭載されたエンジンの過給機であって、前記過給機に走行風が導入され、
   インペラが固定された過給機回転軸と、前記エンジンのクランク軸の回転を増速して前記過給機回転軸に伝達する増速装置とを有しているエンジンの過給機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の過給機において、前記インペラハウジングの内面が塗装され、
   前記内面の研磨により、前記研磨部分の塗装膜が除去され、
   前記研磨部分の表面粗さは、塗装部分の表面粗さよりも小さく設定されているエンジンの過給機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の過給機において、前記インペラハウジングが、アルミニウム合金で形成され、金属製のエアクリーナに面接触しているエンジンの過給機。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の過給機において、前記エンジンに供給される吸気温度が９０℃以上であるエンジンの過給機。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の過給機において、前記エンジンは鞍乗型車両に搭載され、
   前記鞍乗型車両が、過給機の吐出口に接続されて前記吸気を蓄える吸気チャンバを備えているエンジンの過給機。

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