JP7103932B2 - 吸気マニホルド - Google Patents

Description

本発明は、産業用エンジンなどの各種エンジンにおいて、シリンダヘッドの吸気側に装備される吸気マニホルドに関するものである。

産業用ディーゼルエンジンでは、特許文献１や特許文献２において開示されたものが知られており、それらのエンジンでは、複数の吸気ポートを覆う大きさの１つの開口を備えた吸気マニホルド、いわゆる箱型の吸気マニホルドを装備したものがある。産業用ディーゼルエンジンにおいては、寒冷時における始動トラブルを回避するため、マイナス２０℃でもエンジン始動が可能となるような性能が担保されているのが一般的である。

ディーゼルエンジンの始動性を向上させるには〔１〕燃料の着火温度を上げる、〔２〕筒内（シリンダ内）温度を上げる、の２つが有効な手段であることが知られている。
〔１〕については、噴射時期の進角が効果的であるが、排ガス規制が段階的に厳しくなってきたため、ＮＯｘの増加を抑制する点から進角の量には制約がある。つまり、Ｎｏｘの低減と始動性向上と相反する課題を持っている。

〔２〕については、圧縮比を上げることが効果的であるが、ポンピングロスを低減して燃費を向上させる点からは、低圧縮比の方がトレンドである。圧縮比を下げると、圧縮時の筒内温度は下がるため、マイナス２０℃という厳しい温度条件の始動環境では、空気が十分に温まらず、始動が困難になることが多い。

そこで、グロープラグやエアヒータを用いて吸気温度や筒内温度を上げ、燃料の着火を促すことで始動性を向上させる手段も考えられるが、十分な効果を得るには至っていない。従って、ディーゼルエンジンにおける寒冷時における始動性を向上させるには、さらなる改善の余地が残されているものであった。

特開２０１１－６４０７４号公報 特開２０１５－３４５２６号公報

本発明の目的は、吸気マニホルドに着目し、その形状や大きさなどに工夫を凝らすことにより、寒冷時におけるエンジンの始動性を向上させることが可能となるように改善された吸気マニホルドを提供する点にある。

本発明は、吸気マニホルドにおいて、
複数の吸気ポートを覆う大きさの１つの開口を備えるインマニ本体部と、空気の吸入部とを有し、
前記インマニ本体部の内部空間は、その奥行きが前記開口の幅よりも小となる扁平な断面を有する形状に設定されていることを特徴とする。

例えば、前記インマニ本体部は、直列に並ぶ複数の前記吸気ポートを覆う長尺状の前記開口を備えている。前記吸入部は、前記インマニ本体部の長手方向の中間において前記幅の方向に開口する状態で前記内部空間に連通する吸入通路を有するとともに、前記吸入通路の前記奥行きの方向の長さよりも前記インマニ本体部の前記奥行きが小となるように構成されている好都合である。

前記幅と前記奥行きとの比率は、前記インマニ本体部の内部空間で吸気脈動が生じる状態となるように設定されているとよろしい。そして、前記開口は、直列４気筒の吸気ポートを覆う長さを有している場合には、前記吸入部は、前記インマニ本体部における２気筒目の吸気ポートと３気筒目の吸気ポートとの間の位置に相当する箇所に設けられているとよい。

一般的に、吸入効率を高めるには、吸気マニホルドとは別にサージタンクを設けて実質的に吸気マニホルドの内部空間の容積を拡大し、それによって吸気脈動を有効利用する技術が用いられる。これに対して本発明では、インマニ本体部の内部空間の奥行きを開口幅より小とした扁平な断面を有する形状として、吸気マニホルドの内部空間を従来品よりも少なくする手段であり、それによって吸気脈動を有効利用させる技術である。

即ち、吸気マニホルドの内部空間の流路面積（断面の面積）を小さくすることにより、吸気マニホルドのコンパクト化、及び各気筒間（各吸気ポート間）の吸入空気量の均一化及び吸入効率の向上が図れるようになる。各気筒毎にバランスの取れた吸入空気量となり、かつ、吸入効率が向上するので、前述した２の有効な手段〔１〕、〔２〕が促進され、それによって寒冷時における始動性が改善される利点がある。

その結果、吸気マニホルドに着目し、その形状や大きさなどに工夫を凝らすことにより、寒冷時におけるエンジンの始動性を向上させることが可能となるように改善された吸気マニホルドを提供することができる。

産業用ディーゼルエンジンの右側面図 図１に示すエンジンの平面図 図１に示すエンジンの正面図 吸気マニホルドを示し、（Ａ）平面図、（Ｂ）右側面図 図４（Ｂ）のＺ－Ｚ線断面図、（Ｂ）図４（Ｂ）のＹ－Ｙ線断面図

以下に、本発明による吸気マニホルド（エンジンの吸気マニホルド）の実施の形態を、直列４気筒の産業用ディーゼルエンジンに適用された場合について、図面を参照しながら説明する。

図１～図３に示されるように、産業用ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと略称する）Ｅは、シリンダブロック１の上にシリンダヘッド２が組付けられ、シリンダヘッド２の上にシリンダヘッドカバー（以下、「ヘッドカバー」と略称する）３が組付けられ、シリンダブロック１の下部にオイルパン４が組付けられている。シリンダブロック１の上半部はシリンダ１Ａに、そして、下半部はクランクケース１Ｂにそれぞれ構成されている。

シリンダブロック１の前側に伝動ケース５が組み付けられ、伝動ケース５の下部にはクランク軸（図示省略）で駆動される駆動プーリ６が設けられている。伝動ケース５の上部には、エンジン冷却ファン７（図１を参照）を駆動するためのファンプーリ（図示省略）の支持ハブ７Ａが、前後向きの軸心Ｐを有する状態で設けられている。図示は省略するが、駆動プーリ６、ファンプーリ、及びその他の補機（オルタネータなど）の従動プーリ（図示省略）に亘って張架されるベルト（図示省略）が設けられている。

シリンダブロック１の後端部にはフライホイールハウジング８が組付けられ、シリンダブロック１の左側には排気マニホルド（図示省略）やウォータフランジ９などが設けられている。シリンダブロック１の右側には、オイルフィルタ１０、吸気マニホルド１１、燃料噴射用供給ポンプ１２などが設けられている。このエンジンＥは、４つのピストン（図示省略）が前後直列に並んだ直列４気筒エンジンに構成されている。吸気マニホルド１１には、図示しないエアクリーナなどの吸気系に連通するために、略Ｊ字管状の吸込みダクト１６がボルト連結されている。

図１、図４、図５に示されるように、シリンダヘッド２の右側に取付けられている吸気マニホルド１１は、前後方向に長い１つの開口１３Ａを有する内部空間１３が形成されているインマニ本体部１１Ａと、空気の吸入部１１Ｂとを有する箱型のものに構成されている。内部空間１３の開口１３Ａは、シリンダヘッド２において前後直列に並ぶ４箇所（複数の一例）の吸気ポートｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を覆う大きさを有する長尺状の開口に形成されている。

インマニ本体部１１Ａは、複数のボルト挿通用孔（符記省略）を有する外周フランジ１１ａを備えており、図５（Ｂ）に示されるように、左向きの開口１３Ａを有する内部空間１３は、その奥行きｄが開口１３Ａの幅ｗよりも小となる扁平な断面を有する形状に設定されている。奥行きｄは、幅ｗの３５～５５％（０．３５ｗ≦ｄ≦０．５５ｗ）が好ましく、より好ましくは、奥行きｄが幅ｗの４０～４５％である。なお、吸気ポートｐ１～ｐ４の形状、大きさ、吸気マニホルド１１との位置関係は、一例を示したものであり、図４の記載には限らない。

吸入部１１Ｂは、吸入ケース部１４及び吸入フランジ１５とを有し、吸入ケース部１４には吸入通路１４Ａが内部形成され、吸入フランジ１５には上向きに開口する空気入口１４ａ、及び２箇所のボルト孔（符記省略）が形成されている。吸入フランジ１５の上側に、前述の吸込みダクト１６を連結可能である。吸入部１１Ｂは、インマニ本体部１１Ａの長手方向の中間において幅ｗ方向に開口する状態で内部空間１３に連通する吸入通路１４Ａを有している。そして、吸入通路１４Ａの奥行きｄ方向の長さａよりも、インマニ本体部１１Ａの奥行きｄが小となる（ａ＞ｄ）ように構成されている。

吸入部１１Ｂは、前後方向において吸入通路１４Ａが第３吸気ポートｐ３の少し第２吸気ポートｐ２寄りに位置する状態で、インマニ本体部１１Ａから右方上方に突出形成されている。つまり、吸入ケース部１４はインマニ本体部１１Ａよりも反シリンダヘッド側（右側）に出っ張る構成になっているが、その限りではない。

また、図５（Ａ）に示されるように、吸入通路１４Ａは、そこから内部空間１３のインマニ本体部１１Ａの長手方向の端までの距離（長さ）が遠い側（前側）の開き角度βを、近い側（後側）の開き角度αよりも大きくなる（α＜β）ように、吸入ケース部１４を形成することが望ましいが、その限りではない。

開口１３Ａの幅ｗと内部空間１３の奥行きｄとの比率ｒ（ｄ／ｗ）は、インマニ本体部１１Ａの内部空間１３で吸気脈動が生じる状態となる範囲（０．３５≦ｒ≦０．５５）に設定されている。エンジンの回転速度、すなわち吸気バルブの開閉周波数によってはヘルムホルツ共鳴が発生するので、共鳴が発生するエンジンの回転速度は内部空間１３の幅ｗや奥行きｄなどに依存し、吸気マニホルド１１を適切に設計して圧力が高くなる位相と吸気バルブが開くタイミングを一致させることで吸気効率を高くすることができる。

従来は、吸気マニホルド１１とは別にサージタンクを設けて内部空間の容積を拡大することにより、前述のヘルムホルツ共鳴を有効利用しようとする思想が一般的であった。これに対して本発明では、寧ろ吸気マニホルド１１の内部空間１３を少なくすることによって、所定のヘルムホルツ共鳴を用いる技術である。
吸気マニホルド１１の内部空間１３の流路面積（断面の面積）を小さくすることにより、吸気マニホルド１１をコンパクト化、及び各気筒間（各吸気ポートｐ１～ｐ４間）の吸入空気量の均一化及び吸入効率の向上が図れ、それによって寒冷時における始動性が改善される利点がある。

従来の吸気マニホルドは、図４（Ａ）に仮想線で示されるように、３，４気筒目の吸気ポートｐ３，ｐ４に対応する部分のインマニ本体部１１Ａの奥行きが長く（深く）、１，２気筒目の吸気ポートｐ１，ｐ２に対応する部分のインマニ本体部１１Ａの奥行きが短い（浅い）という、奥行きが一定ではない内部空間１３’を有していた。その理由は、すぐ横に配置される燃料噴射用供給ポンプ１２’により、インマニ本体部１１Ａにおける１，２気筒目相当部分の奥行きが十分に取れないからである。

そこで、発想の転換を図り、３，４気筒目の吸気ポートｐ３，ｐ４に対応する部分のインマニ本体部１１Ａの奥行きを、１，２気筒目の吸気ポートｐ１，ｐ２に対応する部分の浅い奥行きに合せて、全体の奥行きを狭めたのが本発明による吸気マニホルド１１である。それにより、燃料噴射用供給ポンプ１２’の配置構造を変更しないで済む利点を得ながらも、次の（１）～（３）の作用効果も得られる。

（１）各気筒（各吸気ポートｐ１～ｐ４）への吸入空気流路面積を制限することで流速が上がり、吸気脈動による慣性力を利用して吸気効率を向上させることができる。
（２）吸気マニホルド１１を小さくすることで、エンジンサイズ全体をコンパクトにすることが可能になる。
（３）直列多気筒エンジンにおける吸入空気量の気筒間でのバラつきを最小限度に、或いは極力抑えることができる。

〔別実施形態〕
吸入部１１Ｂのインマニ本体部１１Ａに対する配置関係は、上述の記載条件から多少前後方向（気筒直列方向）にずれてもよい。また、吸入部１１Ｂのインマニ本体部１１Ａに対するインマニ長手方向の位置は変更設定が可能である。また、２気筒や３気筒、或いは５気筒以上の直列型エンジンの吸気マニホルドでもよい。

１１ 吸気マニホルド
１１Ａ インマニ本体部
１１Ｂ 吸入部
１３ 内部空間
１３Ａ 開口
１４Ａ 吸入通路
Ｆ 側壁
ａ 奥行き方向の長さ
ｄ 内部空間の奥行き
ｒ 幅と奥行きとの比率
ｗ 開口の幅

Claims (6)

1. 複数の吸気ポートを覆う大きさの１つの長尺状の開口を備えるインマニ本体部と、空気の吸入部とを有し、
   前記インマニ本体部の前記開口を有する内部空間は、前記複数の吸気ポートと前記開口とに接する水平面に垂直な方向であって前記開口から前記開口の反対側の側壁に向かう方向である奥行き方向の長さが、前記水平面に接する方向であって前記開口の長手方向に垂直な方向である幅方向の長さよりも小となる前記長手方向に垂直な断面を前記長手方向の全体に有する形状に設定され、
   前記吸入部は、前記インマニ本体部の前記長手方向の中間において前記内部空間に連通する吸入通路を有し、前記吸入通路の前記奥行き方向の長さよりも、前記インマニ本体部の前記奥行き方向の長さが小となるように構成され、
   前記吸入通路は、前記吸入通路の前記長手方向の長さが前記奥行きの方向において前記開口に近付くにつれて長くなる先拡がり状態で前記内部空間に連通され、
   先拡がり状態の前記吸入通路の開き角度は、前記吸入通路から前記内部空間の前記長手方向の端までの距離が遠い側が近い側よりも大きくなるように形成されている吸気マニホルド。
2. 前記インマニ本体部は、直列に並ぶ複数の前記吸気ポートを覆う長尺状の前記開口を備えている請求項１に記載の吸気マニホルド。
3. 前記吸入部は、前記幅方向に開口する状態で前記内部空間に連通する吸入通路を有している請求項１又は２に記載の吸気マニホルド。
4. 前記幅方向の長さと前記奥行き方向の長さとの比率は、前記幅方向の長さをｗ、前記奥行き方向の長さをｄ、前記比率をｒとしたとき、０．３５≦ｒ≦０．５５となるように設定されている請求項１～３の何れか一項に記載の吸気マニホルド。
5. 前記開口は、直列４気筒の吸気ポートを覆う長さを有している請求項１～４の何れか一項に記載の吸気マニホルド。
6. 前記吸入部は、前記インマニ本体部における２気筒目の吸気ポートと３気筒目の吸気ポートとの間の位置に相当する箇所に設けられている請求項５に記載の吸気マニホルド。

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