JP7008479B2 - 吸気系の旋回流発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気系に設けられて旋回流を発生させる旋回流発生装置に関する。

内燃機関の一部の吸気系では、エアクリーナよりも上流側にプリクリーナとも称される旋回流発生装置を設けることが行われている。例えば特許文献１，２には、エアクリーナの上流側に設けたダクト内に旋回流生成のための複数枚の固定式の羽根部を設けると共に、羽根部の下流側にはダクトよりも小径の内筒を同心状に設けたものが開示されている。

このような旋回流発生装置では、エアクリーナに吸引される前の空気に積極的に旋回流を発生させて、いわゆるサイクロン方式の遠心分離の原理で吸気に含まれるダスト（異物）を分離して、ダクトと内筒との間の空間に捕集する一方、旋回流を付与された中心部分の空気のみを内筒を介してエアクリーナ側に送出するようになっている。

特開２００６－２７４９４８号公報 特開２０１５－２０６３５３号公報

例えば内燃機関の吸気系に近接する他の機器との配置上の制約から、旋回流発生装置を含むダクトの形状としてストレートな形状（真直形状）を確保できない場合がある。このような場合に、特に引用文献１，２に記載されたものとは異なり、羽根部と内筒とを同一軸線上に配置することができなくなると、本来の目的であるサイクロン効率、すなわちダストの分離効率が悪くなるという問題がある。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に旋回流生成部として機能する羽根部と内筒とを同一軸線上に配置することができない場合であっても、サイクロン効率であるダストの分離効率の低下を抑制できるようにした吸気系の旋回流発生装置を提供するものである。

本発明は、エルボ状に屈曲している外筒と、前記外筒の内周面と中心部との間において当該外筒の軸心に対して傾斜するように配置された複数の羽根を有する旋回流生成部と、前記外筒のうち前記旋回流生成部よりも下流側に設けられ、流入口が前記外筒の内部で前記旋回流生成部に向かって開口していると共に、軸心が前記旋回流生成部の軸心を前記エルボ状の屈曲に沿って延長した場合に対して前記エルボ状の屈曲の内周側に偏倚している内筒と、を備えている吸気系の旋回流発生装置である。その上で、前記エルボ状に屈曲している外筒の屈曲部の直前位置に当該部分の外筒と軸心を同じくするように前記旋回流生成部が配置されていると共に、前記内筒の流入口の開口端面が当該内筒の軸心に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする。

この場合、外筒と内筒との間の空間がダスト捕集のための空間として機能し、必要に応じて上記空間に連通するダスト取り出し口が形成されていることが望ましい。

望ましい態様としては、前記外筒のうち前記旋回流生成部よりも下流側で前記内筒と二重筒構造をなす部分が上流側部分よりも大径化されていて、この大径化された部分の外筒の軸心が、前記内筒の軸心と共に偏倚しているものとする。

同様に、望ましい態様としては、前記内筒の内周面が、前記流入口に向かって次第に小径となる円錐形状のものとして形成されているものとする。

さらに望ましい態様としては、前記内筒の流入口の開口端面近傍が前記旋回流生成部に向かって拡径化されているものとする。

本発明によれば、旋回流生成部の軸心に対して内筒の軸心が偏倚していても、サイクロン効率であるダスト分離効率の低下を抑制することができる。そのため、旋回流生成部で得た旋回力を維持することができて、遠心分離されたダストを外筒と内筒との間の空間に効率良く導くことができる。その結果、旋回流発生装置の下流側に位置することなるエアクリーナのエアエレメント（エアフィルタ）の長寿命化に寄与することができる。

本発明に係る吸気系の旋回流発生装置についてその第１の実施の形態を示す図で、内燃機関の吸気系の一部をエアクリーナのケースの外側から見た要部斜視図。 図１に示した吸気系の一部をエアクリーナのケースの内側から見た要部斜視図。 図１，２に示した外気導入ダクトの軸線に沿った拡大断面図。 図３に示した旋回流生成羽根部材の詳細を示す斜視図。 図３に示した外気導入ダクトでの機能を説明するための説明図。 図３に示した旋回流発生装置におけるアウトレットダクトの流入口の角度（θ）とサイクロン効率Ｑ（％）との関係を示すグラフ。 本発明に係る吸気系の旋回流発生装置についてその第２の実施の形態を示す図で、図３と同様に外気導入ダクトの軸線に沿った拡大断面図。 図７に示した外気導入ダクトでの機能を説明するための説明図。 図７に示した旋回流発生装置におけるアウトレットダクトの口径比（Ｄ２／Ｄ１）とサイクロン効率Ｑ（％）との関係を示すグラフ。

図１～６は本発明に係る吸気系の旋回流発生装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、特に図１は内燃機関の吸気系の一部をエアクリーナのケースの外側から見た要部斜視図であり、また、図２は図１に示した吸気系の一部をエアクリーナのケースの内側から見た要部斜視図である。また、図３は図１，２に示した外気導入ダクトの軸線に沿った拡大断面図である。

図１，２に示すように、エアクリーナ１のうち例えば角形をなすケース２の周壁部には、ダーティサイド側（入口側）となる外気導入ダクト３が接続されている。この外気導入ダクト３を外筒として、それ自体に内蔵された後述の旋回流生成部としての旋回流生成羽根部材６や内筒としてのアウトレットダクト７と共に旋回流発生装置が形成されている。なお、ケース２の内部空間は、周知のように図示を省略したエアエレメント（エアフィルタ）の収容空間となる。

外気導入ダクト３は、概略的には、図３に示すように、その一端部がケース２の接続フランジ部２ａに挿入されることで嵌合接続されていて、ケース２の直近位置で略エルボ状に屈曲している。そして、この屈曲形状部において後述する旋回流生成羽根部材６を保持するために、本実施の形態での外気導入ダクト３は、ケース２側となる下流側ダクト４と上流側ダクト５とのいわゆる２ピース構造のもとして形成されている。

上流側ダクト５は、後述する旋回流生成羽根部材６に嵌合接続される大径の嵌合フランジ部５ａを有し、他方、下流側ダクト４は、旋回流生成羽根部材６に嵌合接続される流入口側端部４ａと、ケース２側の接続フランジ部２ａに嵌合接続される流出口側端部４ｂと、を有している。流入口側端部４ａと流出口側端部４ｂとを有する下流側ダクト４は、それ自体が所定の曲率でエルボ状に屈曲している。

下流側ダクト４と上流側ダクト５とからなる外気導入ダクト３の長手方向の中間部には、旋回流生成部として機能する旋回流生成羽根部材６が介装されている。図４はこの旋回流生成羽根部材６のみを拡大した斜視図である。旋回流生成羽根部材６は、図３のほか図４に示すように、円環状の胴部６ａの一端の内側に、軸心に対し螺旋状をなして傾斜しつつ屈曲した複数枚の羽根６ｂを等ピッチで放射状に配置したものである。旋回流生成羽根部材６を形成している複数枚の羽根６ｂは胴部６ａの中心部で集約されていて、各羽根６ｂは胴部６ａから上流側ダクト５の内部に向かって突出しているとともに、中心部から外周側に向かって高さが次第に小さくなるように徐変している。

そして、この旋回流生成羽根部材６を継手部材として用い、旋回流生成羽根部材６の両側から、当該旋回流生成羽根部材６を内側にして、上流側ダクト５の嵌合フランジ部５ａと下流側ダクト４の流入口側端部４ａをそれぞれ嵌合接続することで、略エルボ状に屈曲した外気導入ダクト３が形成されている。同時に、下流側ダクト４と上流側ダクト５とからなる外気導入ダクト３の長手方向の中間部に旋回流生成羽根部材６が介装されていることになる。これにより、少なくとも嵌合フランジ部５ａを含む上流側ダクト５と旋回流生成羽根部材６とは軸心を同じくする同心状のものとなっていて、外気導入ダクト３内を流れる空気が旋回流生成羽根部材６を通過することで旋回流が付与される。

また、下流側ダクト４の流出口４ｃを含む流出口側端部４ｂは、上記のように旋回流生成羽根部材６に嵌合される流入口側端部４ａよりも大径に形成されている。この下流側ダクト４の流出口４ｃはエアクリーナ１のケース２内に臨んでいて、流出口４ｃには内筒として機能するフランジ部７ａ付きで且つストレート形状（真直形状）のアウトレットダクト７が嵌合接続されている。これにより、下流側ダクト４のうち流出口４ｃに近い部分では、流出口側端部４ｂとアウトレットダクト７とが重なり合っていて、実質的に二重筒構造となっている。

このアウトレットダクト７の直径は、下流側ダクト４における流出口側端部４ｂの直径よりも小さいものとして形成されていて、アウトレットダクト７の一端に形成した大径のフランジ部７ａを下流側ダクト４の流出口４ｃに着座させるようにして嵌合接続している。これにより、下流側ダクト４の流出口４ｃは閉塞されている。そして、アウトレットダクト７の流入口７ｂの開口端面はそれ自体の軸心に対して斜めに形成されていると共に、アウトレットダクト７は下流側ダクト４の流出口側端部４ｂと軸心を同じくする同心状のものとして形成されている。

ここで、図３に示すように、略エルボ状に屈曲している下流側ダクト４の曲率部分の内周側（曲率周長の短い側）を内隅部８とすると、流入口側端部４ａの軸心に対して流出口側端部４ｂの軸心は所定量だけ内隅部８側に偏倚（オフセット）している。具体的には、上流側ダクト５の軸心と旋回流生成羽根部材６の軸心および下流側ダクト４の流入口側端部４ａの軸心は相互に一致している。ここでは、これらに共通する軸心を上流側の軸心Ｌ１と言う。同時に、下流側ダクト４の流出口側端部４ｂの軸心とアウトレットダクト７の軸心は相互に一致している。ここでは、これらに共通する軸心を下流側の軸心Ｌ２と言う。その一方で、上流側の軸心Ｌ１に対して下流側の軸心Ｌ２が所定量だけ内隅部８側に偏倚（オフセット）している。

また、アウトレットダクト７の流入口７ｂの開口端面はそれ自体の軸心に対して斜めに形成されていることは先に述べた通りである。このアウトレットダクト７の流入口７ｂについては、図３に示すように、アウトレットダクト７のうち、下流側ダクト４の曲率部分の内隅部８に近い部分の胴長を、内隅部８から遠い部分の胴長に比べて次第に短くなるように形成することで、結果としてアウトレットダクト７の流入口７ｂの開口端面が斜めに形成されている。

下流側ダクト４の流出口側端部４ｂとアウトレットダクト７とが重なり合っている部分であって、それら両者で囲まれた空隙部Ｒは、後述するように、旋回流を付与された空気に含まれるダストを収集するための空間として機能する。この空隙部Ｒと連通するように、下流側ダクト４の流出口側端部４ｂの一部には、短いパイプ状のダスト取り出し口９が外側に向かって突出形成されている。さらに、このダスト取り出し口９の外側には可撓性に富んだダストカップ１０が装着されている。そして、後述するように、空隙部Ｒで収集したダストをダスト取り出し口９を介してダストカップ１０に集約した上で、外部に排出するようになっている。

なお、ダストカップ１０の機構上、図３に示すように、エアクリーナ１は、車載状態でダストカップ１０が下向きとなるような姿勢で配置される。また、ダストカップ１０は、それ自体を二分するようなサイプ（切り込み）が形成されていて、微細な外力でサイプが開閉する公知の構造のものである。

このように構成された吸気系の旋回流発生装置では、内燃機関の吸気行程時に、燃焼室内での燃焼に必要な空気を吸引することになるので、外気導入ダクト３とエアクリーナ１とを介して外気が燃焼室内に供給される。

その際に、外気導入ダクト３のうち上流側ダクト５を介して吸引された外気が旋回流生成羽根部材６を通過する過程で旋回流を付与される。すなわち、旋回流生成羽根部材６を形成しているところの羽根６ｂ，６ｂ同士の間の隙間を外気が通流する過程で旋回流を付与され、その旋回流となった空気が下流側ダクト４に流入する。

図５は、図３に示した外気導入ダクト３での機能を説明するための説明図である。上記のように旋回流生成羽根部材６を通過することで旋回流となった空気のなかにダスト（異物）が含まれていると、質量（重量）の大きなダストは、いわゆる旋回流による遠心分離の原理（サイクロン効果）で、例えば図５に符号Ｑ１で示すように、下流側ダクト４内の外周側（下流側ダクト４の軸直角断面での外周側）に追いやられる。そのため、旋回流となって下流側ダクト４内を流れる空気のうち、質量の大きなダストが除去された中央部分（下流側ダクト４の軸直角断面での中央部分）の空気のみがアウトレットダクト７を通ってエアクリーナ１に流入する。

そして、エアクリーナ１では、下流側ダクト４で取り除くことのできなかった微細なダストが図示を省略したエアエレメントで除去され、最終的には、エアクリーナ１を通過することで清浄化された空気のみが燃焼室に供給されることになる。

また、旋回流による遠心分離の原理で下流側ダクト４内の外周側に追いやられた質量の大きなダストは、図５に符号Ｑ１で示すように、下流側ダクト４の流出口側端部４ｂとアウトレットダクト７の間の空隙部Ｒに集められる。そして、やがては、上記吸気行程での吸気脈動に伴って、ダスト取り出し口９を通してダストカップ１０内に集められた上で、上記吸気脈動またはそれに伴う振動によってダストカップ１０が開閉することで外部に排出される。

このように本実施の形態での吸気系の旋回流発生装置によれば、外筒としての外気導入ダクト３が略エルボ状に屈曲している場合であって、且つその外気導入ダクト３内に配置される内筒部材としてのアウトレットダクト７の軸心が、同じく外気導入ダクト３内に配置される旋回流生成部材としての旋回流生成羽根部材６の軸心に対して偏倚していて、両者が同一軸心上にない場合であっても、アウトレットダクト７の流入口７ｂの開口端面をそれ自体の軸心に対して傾斜させることにより、旋回流の付与によるサイクロン効率の低下を抑制することができる。このサイクロン効率の低下の抑制には、上流側ダクト５に比べ下流側ダクト４の方が大径化されていることも寄与しているものと推測される。なお、サイクロン効率の定義は後述する。

したがって、例えば吸気系のレイアウト上の制約から、旋回流生成羽根部材６を含む外気導入ダクト３の形状としてストレート形状を採用できない場合であっても、サイクロン効率の低下を抑制して、所期の目的を達成することができるようになる。

ここで、本実施の形態では、図３に示したアウトレットダクト７について、図５に示すように、その流入口７ｂの開口端面の傾斜角度θを１０度に設定している。そこで、ここでは、旋回流の付与により遠心分離の原理（いわゆるサイクロン効果）でダストを捕集して回収・排出することができた度合いであるダストの分離効率をサイクロン効率Ｑ（％）と定義する。その上で、上記傾斜角度θを１０度とした場合のほか、傾斜角度θを５度とした場合、および傾斜角度θを０度（流入口７ｂの開口端面がアウトレットダクト７の軸心に対して直角）とした場合のそれぞれについて、サイクロン効率Ｑ（％）として計測してみた。

その結果、サイクロン効率Ｑ（％）は、傾斜角度θが１０度の場合に４３％、傾斜角度θが５度の場合に３８％、傾斜角度θが０度の場合に３０％となった。これらの結果をグラフ化したものを図６に示す。なお、サイクロン効率Ｑ（％）は下記式（１）にて表される。

サイクロン効率Ｑ（％）＝Ｂ÷（Ａ－Ｂ）×１００‥‥（１）
ただし、Ａはダスト投入量、Ｂはサイクロン効果によるダストの回収・排出量である。

図６から明らかなように、上記傾斜角度θとサイクロン効率Ｑ（％）との相関として両者の間には比例関係があり、傾斜角度θ＝１０度の場合に、サイクロン効率Ｑ（％）が最も高くなることが判明した。この場合において、傾斜角度θが０度の場合には、アウトレットダクト７が単純なストレート形状であるために、アウトレットダクト７の存在がかえって図５に符号Ｑ１で示した旋回流の抵抗となり、サイクロン効率Ｑ（％）が最も低くなるものと推測される。

このように、本実施の形態によれば、旋回流生成部としての旋回流生成羽根部材６の軸心に対して内筒としてのアウトレットダクト７の軸心が偏倚していても、ダスト分離効率であるサイクロン効率の低下を抑制することができる。そのため、旋回流生成羽根部材６で得た旋回力を維持することができて、遠心分離されたダストを下流側ダクト４とアウトレットダクト７との間の空隙部Ｒに効率良く導くことができる。その結果として、アウトレットダクト７の下流側に位置することなるエアクリーナ１のエアエレメント（エアフィルタ）の長寿命化に寄与することができるようになる。

図７～９は本発明に係る吸気系の旋回流発生装置の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態での説明にあたっては、図３と共通する部分には同一符号を付して、重複する説明は省略するものとする。

図７に示した第２の実施の形態では、内筒として機能するアウトレットダクト１２の形状が図３に示したものと異なっている。図７に示したアウトレットダクト１２は、その直径が旋回流生成羽根部材６に向かって次第に小径となるように円錐形状のもとして形成されている。より具体的には、旋回流生成羽根部材６を通過することで旋回流を付与された空気の流れが、下流側ダクト４からアウトレットダクト１２を通ってエアクリーナ１のケース２の内部に向かう際の流れの円滑性を考慮して、図７に示すように、アウトレットダクト１２が円錐形状に形成されているのに加えて、その円錐形状のアウトレットダクト１２の周壁部は、内側に向かって凸形状となるような滑らかな湾曲形状または円弧状のものとして形成されている。

また、アウトレットダクト１２の流入口１２ｂの開口端面近傍を旋回流生成羽根部材６に向かって拡径化させるべく拡径部１１が折り曲げ形成されていて、いわゆるベルマウス形状に形成されている。

図８は、図７に示した外気導入ダクト３での機能を説明するための説明図である。図８に示すように、アウトレットダクト１２の流入口１２ｂの開口端面の傾斜角度θは、図３と同様に１０度に設定されている。さらに、アウトレットダクト１２の流入口１２ｂと流出口１２ｃの大きさの口径比に着目した場合、流入口１２ｂの直径Ｄ１と流出口１２ｃの直径Ｄ２との口径比Ｄ２／Ｄ１は１．４に設定されている。

図３に示した第１の実施の形態では、図６に基づいて先に説明したように、アウトレットダクト７の流入口７ｂの開口端面の傾斜角度θが１０度に設定されていると、傾斜角度θが１０度よりも小さい場合と比べて、サイクロン効率Ｑ（％）が向上することが判明している。

その一方、図３に示した第１の実施の形態では、アウトレットダクト７がストレート形状（真直形状）のものであることは先に述べた通りである。この場合、旋回流生成羽根部材６を通過することで旋回流を付与された空気の流れがアウトレットダクト７に向かう際に、アウトレットダクト７の開口面積全体が有効に活用されずに、図５に符号Ｑ２で示すように、主として下流側ダクト４のうち内隅部８に近い部分に偏った状態で通過する傾向があることが判明した。そして、この流れの偏り傾向が、先に述べたサイクロン効率Ｑ（％）に何らかの影響を及ぼしているものと推測される。

これに対して、図７に示した第２の実施の形態では、アウトレットダクト１２が円錐形状のものとして形成されていて、しかも流入口１２ｂの近傍が拡径化されたいわゆるベルマウス形状のものとなっている。そのため、先に述べたような空気の流れの偏りが解消されて、図８に符号Ｑ３で示すように、アウトレットダクト１２の開口面積全体が有効に活用されることで、サイクロン効率が一段と向上することが判明した。

また、図７に示したアウトレットダクト１２の周囲での流れ解析を行ったところ、旋回流生成羽根部材６を通過することで生成された旋回流が、ダスト取り出し口９の入口にあたって逆回転となった旋回流とぶつかって、当該位置で流速を急激に落とす結果となることが判明した。これにより、ダストがダスト取り出し口９に向かって下降しやすい流れ場が形成されたものと考えられ、サイクロン効率がさらなる向上に寄与するものと推測される。

本実施の形態では、図７に示したアウトレットダクト１２について、図８に示すように、その流入口１２ｂの開口端面の傾斜角度θを第１の実施の形態と同様に１０度に設定している。その上で、アウトレットダクト１２の流入口１０ｂと流出口１２ｃとの口径比に着目した場合、流入口１２ｂの直径Ｄ１と流出口１２ｃの直径Ｄ２との口径比Ｄ２／Ｄ１を１．４に設定している。

そこで、アウトレットダクト１２の流入口１２ｂの開口端面の傾斜角度θを１０度とした上で、上記の口径比Ｄ２／Ｄ１を１．４とした場合のほか、口径比Ｄ２／Ｄ１を１．２とした場合、および口径比Ｄ２／Ｄ１を１とした場合のそれぞれについて、先の第１の実施の形態と同様にサイクロン効率Ｑ（％）を計測してみた。

その結果、サイクロン効率Ｑ（％）は、口径比Ｄ２／Ｄ１が１．４の場合に５５％、口径比Ｄ２／Ｄ１が１．２の場合に５２％、口径比Ｄ２／Ｄ１が１の場合に４３％となった。これらの結果をグラフ化したものを図９に示す。なお、サイクロン効率Ｑ（％）は上記と同様に式（１）にて表される。

図９から明らかなように、上記口径比Ｄ２／Ｄ１とサイクロン効率Ｑ（％）との相関として両者の間には比例関係があり、口径比Ｄ２／Ｄ１が１．４の場合に、サイクロン効率Ｑ（％）が最も高くなることが判明した。

そして、図６と図９とに基づいて総合的に考察するに、アウトレットダクト１２の流入口１２ｂの開口端面の傾斜角度θが１０度で、且つ上記の口径比Ｄ２／Ｄ１を１．４とした場合に、サイクロン効率Ｑ（％）が最も高くなることが判明した。

このように本実施の形態によれば、先の第１の実施の形態と同様の効果が奏されることはもちろんのこと、サイクロン効率が一段と向上することになる。

３…外気導入ダクト（外筒）
４…下流側ダクト
５…上流側ダクト
６…旋回流生成羽根部材（旋回流生成部）
６ｂ…羽根
７…アウトレットダクト（内筒）
７ｂ…流入口
９…ダスト取り出し口
１１…拡径部
１２…アウトレットダクト（内筒）
１２ｂ…流入口

Claims (5)

1. エルボ状に屈曲している外筒と、
   前記外筒の内周面と中心部との間において当該外筒の軸心に対して傾斜するように配置された複数の羽根を有する旋回流生成部と、
   前記外筒のうち前記旋回流生成部よりも下流側に設けられ、流入口が前記外筒の内部で前記旋回流生成部に向かって開口していると共に、軸心が前記旋回流生成部の軸心を前記エルボ状の屈曲に沿って延長した場合に対して前記エルボ状の屈曲の内周側に偏倚している内筒と、
   を備えていて、
   前記エルボ状に屈曲している外筒の屈曲部の直前位置に当該部分の外筒と軸心を同じくするように前記旋回流生成部が配置されていると共に、
   前記内筒の流入口の開口端面が当該内筒の軸心に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする吸気系の旋回流発生装置。
2. 前記外筒のうち前記旋回流生成部よりも下流側で前記内筒と二重筒構造をなす部分が上流側部分よりも大径化されていて、
   この大径化された部分の外筒の軸心が、前記内筒の軸心と共に偏倚していることを特徴とする請求項１に記載の吸気系の旋回流発生装置。
3. 前記内筒の内周面が、前記流入口に向かって次第に小径となる円錐形状のものとして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の吸気系の旋回流発生装置。
4. 前記内筒の流入口の開口端面近傍が前記旋回流生成部に向かって拡径化されていることを特徴とする請求項３に記載の吸気系の旋回流発生装置。
5. 前記外筒のうち前記内筒の流入口近傍に相当する位置にダスト取り出し口が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の吸気系の旋回流発生装置。

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