JP6761656B2 - サージタンク一体式吸気マニホールド - Google Patents

Description

本願発明は、サージタンクを一体に設けた吸気マニホールドに関するものであり、より詳しくは、ブローバイガス（ＰＣＶガス）やＥＧＲガスのような還流ガスの通路を備えたサージタンク一体式吸気マニホールドを対象にしている。

内燃機関では、クランク室に吹き抜けたブローバイガスを吸気系に還流させたり、排気ガスの一部を吸気系に還流させたりしている。ブローバイガスについてその流れを見ると、シリンダブロックに設けた通路から動弁室に至って、ヘッドカバーに設けた気液分離通路に入り、気液分離通路で油分を除去してから吸気系に還流させている。

気液分離通路を通過したブローバイガスは、パイプやチューブのような管路で吸気系に接続されていることが多く、その例として特許文献１には、サージタンク部を一体に設けた吸気マニホールドに、ブローバイガスを各枝管部に分配する分配通路（ブローバイガス通路、ＰＣＶ通路）を設けることが開示されている。

他方、特許文献２には、パイプやチューブのような管路を使用せずに、シリンダヘッドに形成したＰＣＶ通路と吸気マニホールドに形成したＰＣＶ通路とを連通させることが開示されている。

この特許文献２において、シリンダヘッドに形成したＰＣＶ通路の終端部は、シリンダヘッドの吸気側面に対して斜め下向きの姿勢になっている一方、吸気マニホールドに形成したＰＣＶ通路の始端部は、シリンダヘッドの吸気側面に対して斜め下向き姿勢で開口している。従って、特許文献２では、シリンダヘッドに形成したＰＣＶ通路と吸気マニホールドに形成したＰＣＶ通路との接続部は最も低くなっている。

特許文献２のようにシリンダヘッドにＰＣＶ通路を形成すると、パイプやチューブの接続作業は不要になるため、加工コストや組み立てコストを抑制できる。また、パイプやチューブを使用すると、組み付け時に接続不良が発生したり、機関のメンテナンスに際して物が当たって損傷したりすることが有り得るが、ＰＣＶ通路をシリンダヘッドに内蔵すると、接続不良や損傷の問題は皆無になる。

特開２０１３−１５１９０６号公報 特開２０１１−１６９２５８号公報

さて、内燃機関（特に自動車用内燃機関）の使用環境は様々であり、寒冷地での使用や冬季の使用のように、低温環境下で使用されることも多い。この場合の吸気系のトラブルとして、ブローバイガスやＥＧＲガスに含まれていた水分の凝縮の問題がある。

すなわち、例えば機関停止後に水分が凝縮して水滴となり、これが凍結して氷となって、次の始動時に氷が吸気と一緒に燃焼室に流入してエンジントラブルを発生させることがある（運転中でも、ＰＣＶ装置やＥＧＲ装置を使用していない場合は、凝縮水の発生があり得る。）。また、氷によってＰＣＶ通路が閉塞される問題も懸念される。更に、ＥＧＲガスの場合は凝縮水の酸性度が高いため、部材を腐食させるという問題もある。

そこで特許文献２を見ると、特許文献２では、上記のとおり、シリンダヘッドに形成したＰＣＶ通路と吸気マニホールドに形成したＰＣＶ通路との接続部は最も低くなっているため、ＰＣＶ通路の内部で発生した凝縮水は、シリンダヘッドと吸気マニホールドとの接合部に溜まることになり、このため凍結や腐食の問題が発生しやすいと云える。

更に述べると、特許文献２には、ブローバイガスは、吸気マニホールドの上部に設けた分配通路から吸気マニホールドの各枝管部に分配される態様が開示されているが、この態様では、凝縮水が凍結して氷になると、その氷はサージタンク部に入らずに各枝管部に直接に流入するため、粒の大きい氷が気筒に流入する可能性も高くなっていて、エンジントラブルの原因になるおそれも高いと云える。

本願発明はこのような現状を改善すべく成されたものであり、ＰＣＶ通路等のガス通路をシリンダヘッドに形成するという点は特許文献２と軌を一にしつつ、凝縮水の問題を解消せんとするものである。

本願発明の内燃機関は、
「吸気流入口を設けたサージタンク部に、複数の枝管部を、その出口が気筒列方向に並ぶようにして一体に設けており、前記各枝管部の出口は、シリンダヘッドの吸気側面に固定されるフランジ部から前記シリンダヘッドに向けて開口している、」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記フランジ部に、前記シリンダヘッドの吸気側面に斜め下向き姿勢で開口したヘッド側ガス通路に連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端部が斜め下向きとなるようにして形成されており、
更に、前記インマニ側ガス通路の始端部又はヘッド側ガス通路の終端部と前記サージタンク部とに連通した補助ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記補助ガス通路の始端の開口面積は、前記ヘッド側ガス通路又はインマニ側ガス通路の断面積より遥かに小さくなっている、」
という構成になっている。

さて、既述のとおり、ブローバイガスの気液分離室はヘッドカバーに設けているので、シリンダヘッドにＰＣＶ通路を内蔵する場合、ヘッド側ガス通路は、その終端を低くして、斜め下向きの姿勢で吸気側面に開口させるのが合理的である。

また、シリンダヘッドには吸気ポートの列が形成されているが、隣り合った吸気ポートの間の部位や吸気ポートの列の下方にＰＣＶ通路やＥＧＲ通路を形成することは、シリンダヘッドの強度や加工性（鋳造又はドリル加工）の点から不合理であり、従って、ヘッド側のガス通路は、吸気ポートの列の上側に設けるのが合理的であり、すると、吸気マニホールドのガス通路も、吸気マニホールドの上部に設けるのが合理的である。

他方、近年の吸気マニホールドは樹脂製であることが多く、この場合、複数の部材を振動溶着等で接合して中空構造品と成しているが、吸気マニホールドにガス通路を形成する場合は、主たる部材に形成した溝を蓋部材で塞ぐのが合理的であり、すると、スペースの有無の点や加工性の点から見ても、ガス通路は吸気マニホールドの上部に設けるのが好ましい。

本願発明では、このような合理性に基づいてインマニ側ガス通路を吸気マニホールドの上部に設けているが、吸気マニホールドの姿勢等の制約により、特許文献２のように、インマニ側ガス通路の始端部を斜め下向きに形成せねばならない場合があり、従って、低温環境下での使用により、機関停止時やＰＣＶバルブ停止運転時等に、還流ガスに含まれていた水分が凝縮することがあり、この場合は、凝縮水は、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部に流下する。

しかるに本願発明では、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部から分岐した状態で補助ガス通路が形成されており、この補助ガス通路は、上流側の始端から下流側の終端に向けて下向き姿勢になっていて終端はサージタンク部に開口しているため、凝縮水はサージタンク部に流下（滴下）する。

従って、凝縮水が発生しても、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路との接続部に溜まることはなくて、これにより、まず、ガス通路が氷で閉塞されるという問題を防止できる。また、サージタンク部に至った凝縮水は広く分散するため、仮に凍結しても影響は無視できるし、更に、次の始動時等に、吸気の流れによってサージタンク部の内面に衝突するため、衝撃によって更に微細に粉砕される。従って、サージタンク部の内部で凍結しても、悪影響は生じない。

結局、本願発明では、ヘッド側ガス通路とインマニ側ガス通路とを合理的な設計にして信頼性向上や加工性確保を図りつつ、凝縮水に起因した問題を解消できるのである。

実施形態をシリンダヘッドの側から見た背面図である。 分離斜視図である。 （Ａ）はクランク軸線方向から見た側面図、（Ｂ）は補助ガス通路に沿って切断した部分的な縦断側面図である。 フランジ部の接合面を少し表して平面方向から見た図である。 （Ａ）は補助ガス通路に沿って切断した全体的な縦断側面図、（Ｂ）は補助ガス通路を構成する溝部の部分斜視図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、方向を特定するため上下・前後・左右の文言を使用するが、上下方向は鉛直方向と同じであり、前後方向はシリンダヘッドの吸気側面と直交した方向として定義し、左右方向はクランク軸線方向としている。なお、内燃機関の方向については、クランク軸線方向（気筒列方向）を前後方向とするのが一般的であるが、本実施形態の方法は、一般的な呼び方とは相違している。正面視方向は、シリンダヘッドの吸気側面を向いた方向である。

まず、概要を説明する。吸気マニホールドは樹脂製であり、図３（Ａ）や図５から容易に理解できるように、基本的には、概ねシリンダヘッド１の側に位置した内側部材２と、概ねシリンダヘッド１と反対側に位置した外側部材３との２つの部材を重ねて振動溶着等で接合することにより、中空構造に形成されている。従って、内側部材２と外側部材３とが、吸気マニホールドとして必須の基本部材になっている。２つの部材２，３の合わせ面は、図３（Ａ）及び図５において太線で表示している。

吸気マニホールドは、左右方向に長い大きな容積のサージタンク部４を有しており、このサージタンク部４に、例えば図３に示す１つの吸気流入口５と、図４に示す第１〜第３の３つの枝管部６，７，８とが一体に形成されている。吸気流入口５は左右方向の一端寄り部位に位置しており、シリンダヘッド１から遠い部位に上向き開口した状態で突設されている。従って、吸気流入口５は外側部材３に形成されている。敢えて述べるまでもないが、吸気流入口５にはスロットルボデー（図示せず）が固定される。

各枝管部６，７，８は吸気マニホールドの上部に形成しており、主として、内側部材２と外側部材３とによって構成されている。図４に吸気流入口５と枝管部６，７，８とが表示されているが、吸気流入口５に近いものから順に第１〜第３の番号を付して呼ぶこととする。

各枝管部６，７，８の先端部は、１つのフランジ部９によって一連に繋がっている。フランジ部９は内側部材２に形成しており、各枝管部６，７，８の個所ごとに、左右に並んだ２つずつの吸気穴１０が空いている。従って、本実施形態の吸気マニホールドが固定されるシリンダヘッド１の吸気側面１１には、図示は省略するが、１つの気筒に対応した２つの吸気ポートが左右に分かれた状態に開口している。

図３に示すように、本実施形態の吸気マニホールドが取り付くシリンダヘッド１の吸気側面１１は、上にいくほどカム軸側に寄るように鉛直線１２に対して側面視で後傾した姿勢になっており、従って、フランジ部９の接合面は、鉛直線に対して俯き姿勢になっている。また、吸気流入口５の上面はほぼ水平姿勢になっている。図５ではフランジ部９を紙面の縦辺と平行に表示しているが、念のため、鉛直線１２と水平面とを表示している。

例えば図４に示すように、吸気マニホールドを構成する外側部材３のうち吸気流入口５と反対側に寄った部位には、ＥＧＲガス導入部１３を突設している。ＥＧＲガス導入部１３から導入されるＥＧＲガスは、サージタンク部４の内部に放散される。

(2).ＰＣＶ通路
図３（Ｂ）及び図５（Ａ）に示すように、シリンダヘッド１の吸気側面１１には、ヘッド側ガス通路の一例としてのヘッド側ＰＣＶ通路１５が開口している一方、吸気マニホールドを構成するフランジ部９の接合面上部には、インマニ側ガス通路の一例としてのインマニ側ＰＣＶ通路１６が開口している。図１，２に示すとおり、インマニ側ＰＣＶ通路１６は、第１枝管部６の吸気穴１０と第２枝管部７の吸気穴１０との間の部位でかつ、吸気穴１０よりも僅かに上に位置している。従って、ヘッド側ＰＣＶ通路１５の終端も、吸気ポートの入り口よりも上に位置している。

図３（Ｂ）に示すとおり、ヘッド側ＰＣＶ通路１５の下流側終端部は、出口に向けて高さが低くなるように水平に対して僅かに傾斜している。他方、インマニ側ＰＣＶ通路１６の上流側始端部１６ａはフランジ部９の接合面と直交した姿勢であるが、フランジ部９は傾斜した姿勢でシリンダヘッド１に固定されるため、インマニ側ＰＣＶ通路１６の始端部１６ａは、シリンダヘッド１に向けて下がるように傾斜している。従って、ヘッド側ＰＣＶ通路１５とインマニ側ＰＣＶ通路１６との接続部は、下向き突の曲がり部になっている。

インマニ側ＰＣＶ通路１６の始端部１６ａには、ブローバイガスを各枝管部６，７，８に分配するための分配通路１６ｂが連続されている。図３（Ｂ）及び図５（Ａ）では、分配通路１６ｂのうちの集合部１６ｃを部分的に表示している。集合部１６ｃは枝管部６，７，８を横切るようにして左右方向に延びており、この集合部１６ｃから、各枝管部６，７，８に向けて、図４に外観を示している分岐通路１６ｄが分岐している。

分配通路１６ｂは、吸気マニホールドを構成する外側部材３の上面に形成された溝を第１蓋部材１７で塞ぐことにより構成されている。第１蓋部材１７は左右長手の形態である。敢えて述べるまでもないが、第１蓋部材１７も樹脂製であり、振動溶着等によって外側部材３に接合されている。なお、第１蓋部材１７にも溝が形成されている。

上記のとおり、ヘッド側ＰＣＶ通路１５とインマニ側ＰＣＶ通路１６との接続部は下向き突の屈曲部になっており、ＰＣＶ通路１５，１６に発生した凝縮水は、この屈曲部に流れ落ちてくる。そこで、流れてきた凝縮水をサージタンク部４に排出するために、補助ガス通路の一例として、図５に全体を示す補助ＰＣＶ通路１８を形成している。

図５に全体を示すように、補助ＰＣＶ通路１８は、吸気マニホールドを構成する内側部材２の上部に形成した前向き開口の第１部分１８ａと、吸気マニホールドを構成する内側部材２に空けた貫通穴状の第２部分１８ｂと、内側部材２に形成した溝１９を第２蓋部材２３で塞ぐことによって構成された第３部分１８ｃとから成っている。第２蓋部材２３にも溝１９ａが膨出形成されている。従って、正確には、補助ＰＣＶ通路１８の第３部分１８ｃは、内側部材２に形成した溝１９と第２蓋部材２３に形成した溝１９ａとによって構成されている。

第１部分１８ａは、第１枝管部６と第２枝管部７との隣り合った吸気穴１０を区分するための溝を利用して形成しており、第１部分１８ａの上端は、インマニ側ＰＣＶ通路１６の始端と連通した連通溝２１になっている。連通溝２１の左右深さは僅かであり、従って、連通溝２１の断面積はインマニ側ＰＣＶ通路１６の断面積よりも遥かに小さくなっている。第２部分１８ｂは丸穴であり、金型にスライドピンを設けることによって形成しているが、ドリル加工で空けることも可能である。

図５（Ｃ）に示すように、補助ＰＣＶ通路１８の第３部分１８ｃを構成する溝１９は、細長い閉ループ形状のリブ２２の内側に形成されている。従って、第２蓋部材２３は、リブ２２の端面（前面）に接合されている。この場合、サージタンク部４を構成する内側部材２の下半部が、下に行くに従ってシリンダヘッド１から遠ざかるように曲がっているため、溝１９の深さは上から下に向けて浅くなっている。また、補助ＰＣＶ通路１８は、正面視でくの字状に屈曲している。

図５（Ｂ）に明瞭に示すように、溝１９の上端部は広幅部になっており、下に向けて溝幅が徐々に狭くなっている。従って、補助ＰＣＶ通路１８の第３部分１８ｃは、上から下に向けて断面積が小さくなっており、断面積の変化率は相当に大きくなっている。

また、溝１９の内部には、平行に延びるリブ２２を繋ぐ仕切り板２５が設けられており、これにより、溝１９は高い強度が確保されている。補助ＰＣＶ通路１８の終端部は、吸気マニホールドの内側部材２に空けた出口穴２９で構成されている。仕切り板２５は、吸気マニホールドの内側部材２から下方に延びているため、水滴が仕切り板２５に触れることはない。

(3).まとめ
図３（Ｂ）及び図５（Ａ）に示すように、ＰＣＶ通路１５，１６で発生して第１部分１８ａから第２部分１８ｂに至る凝縮水２７は、第２蓋部材２３の溝１９ａを伝ってサージタンク部４の内部に流入する。従って、ヘッド側ＰＣＶ通路１５とインマニ側ＰＣＶ通路１６との接続部に凝縮水２７が溜まることはなく、凍結した凝縮水２７でインマニ側ＰＣＶ通路１６が塞がれたり、凍結した凝縮水２７が枝管部６，７，８から気筒に流入してトラブルを発生したりすることはない。

そして、第１部分１８ａの連通溝２１は、インマニ側ＰＣＶ通路１６の断面積に比べて数分の一かそれ以下の断面積であるため、ブローバイガスが補助ＰＣＶ通路１８に吸い込まれることはない。更に述べると、サージタンク部４の内部よりも枝管部６，７，８の個所の負圧が高くなっているため、ブローバイガスは、補助ＰＣＶ通路１８に吸い込まれることはなくて、インマニ側ＰＣＶ通路１６を介して枝管部６，７，８に吸い込まれていく。また、ＰＣＶ通路１５，１６に負圧が生じていない状態ではＰＣＶバルブが閉じているため、ブローバイガスが補助ＰＣＶ通路１８に圧送されるような現象は生じない。

実施形態では、補助ＰＣＶ通路１８は、ブローバイガスの流れ方向から見て、上流側の始端と下流側の終端との間の相当部分が大きな容積のバッファ室になっているため、サージタンク部４の吸気がサージタンク部４と補助ＰＣＶ通路１８との間で自由に流れることや、ブローバイガスがＰＣＶ通路１５，１６と補助ＰＣＶ通路１８との間で自由に流れることに対して、強い抵抗が生じる。従って、補助ＰＣＶ通路１８自体が、気体の通過を阻止する逆止弁の働きをしており、この面でも、ブローバイガスの流れが阻害されることはない。他方、凝縮水２７は質量が大きいため、サージタンク部４に向けて的確に流下する。従って、凝縮水２７の排除機能には問題はない。

サージタンク部４に流入した凝縮水２７は、サージタンク部４の底部に溜まることになるが、機関の停止後にサージタンク部４の内部で凍結しても、次の始動時に、吸気の流れによってサージタンク部４の内面に衝突するため、ピストンやシリンダに悪影響を与えない状態まで粉砕される。

また、機関の運転中にブローバイガスの流れが停止することがあり、この場合も凝縮水２７が発生することは有り得るが、この場合は、サージタンク部４の内部には吸気の流れがあるため、サージタンク部４に流入した凝縮水２７は、凍結することなく吸気の流れに乗って霧化して気筒に流入する。従って、この場合も、悪影響は全く発生しない。リブ２２等の補助ＰＣＶ通路構成要素は、吸気マニホールドの補強効果も有している。

本実施形態では、補助ＰＣＶ通路１８の第１部分１８ａはフランジ部９に形成した溝を利用しており、かつ、フランジ部９が側面視で傾斜姿勢になっているため、図３（Ｂ）に示すように、第１部分１８ａの下端とシリンダヘッド１とで形成されたごく小さい凹所２８ができるが、この凹所２８の容積は僅かであるため、凝縮水２７が溜まって凍結しても、補助ＰＣＶ通路１８を塞ぐような問題は生じない。また、凹所２８で凝縮水２７が凍結しても、氷は凹所２８の個所に閉じ込められた状態になり、気筒に流入することはない。この面でも、機関に悪影響を与えることはない。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、ＰＣＶ通路に代えてＥＧＲ通路に適用することも可能である。また、ＰＣＶ通路にしてもＥＧＲ通路にしても、必ずしも分配通路を設ける必要はないのであり、ガスをサージタンク部に流入させることも可能である。補助ガス通路の形成手段としては、例えば、金属製又は樹脂製のパイプを内側部材２にインサート成形する（又は鋳込む）ことも可能である。

本願発明は、実際に吸気マニホールドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
２ 吸気マニホールドを構成する内側部材
３ 吸気マニホールドを構成する外側部材
４ サージタンク部
５ 吸気流入口
６〜７ 枝管部
９ フランジ部
１１ シリンダヘッドの吸気側面
１５ ヘッド側ガス通路の例としてのヘッド側ＰＣＶ通路
１６ インマニ側ガス通路の例としてのインマニ側ＰＣＶ通路
１７ 第１蓋部材
１８ 補助ガス通路の例としての補助ＰＣＶ通路
１９ 補助ＰＣＶ通路を構成する溝
２０ 第２蓋部材
２１ 補助ＰＣＶ通路の始端を構成する連通穴
２２ リブ
２６ 補助ＰＣＶ通路の終端を構成する出口穴

Claims (1)

1. 吸気流入口を設けたサージタンク部に、複数の枝管部を、その出口が気筒列方向に並ぶようにして一体に設けており、前記各枝管部の出口は、シリンダヘッドの吸気側面に固定されるフランジ部から前記シリンダヘッドに向けて開口している構成であって、
   前記フランジ部に、前記シリンダヘッドの吸気側面に斜め下向き姿勢で開口したヘッド側ガス通路に連通するインマニ側ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端部が斜め下向きとなるようにして形成されており、
   更に、前記インマニ側ガス通路の始端部又はヘッド側ガス通路の終端部と前記サージタンク部とに連通した補助ガス通路が、還流ガスの流れ方向に向いて始端から終端に向けて低くなるようにして形成されており、前記補助ガス通路の始端の開口面積は、前記ヘッド側ガス通路又はインマニ側ガス通路の断面積より遥かに小さくなっている、
   サージタンク一体式吸気マニホールド。

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