JP7189681B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関する。

従来、燃焼室内のガス流動を制御するため、燃焼室に接続する吸気管の内部を第１通路と第２通路に区画する隔壁と、第１通路を開閉可能な制御弁とを備えた内燃機関の吸気装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の吸気装置は、燃焼室内に発生するタンブル流を強化するため、第１通路を閉じる方向に制御弁を作動させることで、気体が第２通路を通過して燃焼室内に吸入されるように整流する。

特開２００７－３０９２７５号公報

しかし、第２通路の内面における隔壁と吸気管との接続部または上記接続部の近傍で成長する境界層に起因して、燃焼室内に吸入される気体の流速分布が不安定となり、意図通りに燃焼室内のガス流動を制御することができないおそれがある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃焼室内のガス流動の制御性を向上することが可能な、新規かつ改良された内燃機関の吸気装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃焼室に接続する吸気管の内部を第１通路と第２通路に区画する隔壁と、上記第１通路を開閉可能な制御弁と、上記第２通路の内面における上記隔壁と上記吸気管との接続部または上記接続部の近傍にのみに開口する第３通路と、を有し、上記第３通路は、それぞれ上記隔壁の下流端から離れた位置において上記吸気管の内面の近傍のみに設けられて上記吸気管の軸方向に並ぶ、上記隔壁における上記接続部の近傍を貫通する複数の孔、又は、上記隔壁において上記接続部まで延びる複数のスリットであり、上記制御弁が上記第１通路を閉じる方向に作動した状態で上記第２通路を流れる気体が上記接続部または上記接続部の近傍で発生する境界層の少なくとも一部を吸い込むことが可能であるように構成されている内燃機関の吸気装置が提供される。

上記内燃機関は火花点火式であって、上記制御弁が上記第１通路を閉じる方向に作動した状態で点火直前の上記燃焼室の内部における吸気の流速変動を乱れ強さとしたとき、上記吸気管の軸方向に対し直角の方向における上記第３通路の開口の幅は、上記第３通路がない場合に発生する上記乱れ強さよりも大きな上記乱れ強さを発生する幅であってもよい。

上記吸気管の軸方向に対し直角の方向における上記第３通路の開口の幅は、ゼロより大きく６．６ｍｍより小さくてもよい。

上記第２通路における気体の流速の径方向分布が一定となるまで上記接続部の近傍で乱流境界層が発達する上記吸気管の軸方向距離を助走距離としたとき、上記第３通路の開口は、上記吸気管の軸方向において、上記隔壁の下流端から上記助走距離内にあってもよい。

上記第３通路の開口は、上記吸気管の軸方向において、上記隔壁の下流端から、上記第２通路の径の平均を４０倍した距離内にあってもよい。

上記孔の少なくとも一部は、上記吸気管の軸方向に対し直角の方向において上記接続部から６．４ｍｍの範囲内にあってもよい。

以上説明したように本発明によれば、上記境界層の少なくとも一部が吸い込まれることで、第２通路を通過して燃焼室内に吸入される気体の流速分布が安定化するため、燃焼室内のガス流動の制御性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係るエンジンの概略構成を示す断面図である。 同実施形態に係るエンジンをシリンダブロックの側からみた図である。 同実施形態に係るエンジンの吸気行程を示す断面図である。 比較例における気体の流れを示す模式図である。 比較例に係る隔壁を気体の境界層とともに示す平面図である。 比較例における気体の流速分布を示す（ｙ－ｚ平面内）。 比較例における気体の流速分布を示す（ｘ－ｙ平面内）。 第１の実施形態に係る隔壁を気体の境界層とともに示す平面図である。 同実施形態（隙間幅０．７ｍｍ）における気体の流速分布を示す（ｙ－ｚ平面内）。 同実施形態（隙間幅０．７ｍｍ）における気体の流速分布を示す（ｘ－ｙ平面内）。 同実施形態（隙間幅１．４ｍｍ）における気体の流速分布を示す（ｙ－ｚ平面内）。 同実施形態（隙間幅１．４ｍｍ）における気体の流速分布を示す（ｘ－ｙ平面内）。 クランク角と燃焼室内におけるガス流の速度との関係を示すグラフである。 隙間幅と燃焼室内におけるガス流の乱れ強さとの関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る隔壁の一部を含む模式図である。 第３の実施形態に係る隔壁の一部を含む模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

＜第１の実施形態＞
まず、図１、２を参照して、第１の実施形態に係る内燃機関（以下、エンジン）の吸気装置の構成について説明する。
［内燃機関の構成］
図１は、本実施形態のエンジン１における１つの気筒の断面を示す。エンジン１は、いわゆる４ストロークの火花点火式ガソリンエンジンであり、自動車に搭載され、自動車の動力源として機能する。図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック１０１、シリンダヘッド１０３、バルブユニット１０５、吸気バルブ１０７、排気バルブ１０９、吸気カムシャフト１１１、排気カムシャフト１１３、点火プラグ１１５、ピストン１１７、コンロッド１１９、およびクランクシャフト１２１を有している。

シリンダブロック１０１には、略円筒状のシリンダボア１０２が形成されている。シリンダブロック１０１には、シリンダヘッド１０３が設置されている。シリンダブロック１０１と一体にクランクケース１０４が設けられている。クランクケース１０４の内部には、クランク室が形成されている。クランク室には、クランクシャフト１２１が回転自在に収容されている。

シリンダボア１０２には、ピストン１１７が摺動自在に収容されている。シリンダヘッド１０３、シリンダボア１０２、およびピストン１１７により区画された空間が燃焼室１０６として機能する。シリンダヘッド１０３の側における燃焼室１０６の形状は、いわゆるペントルーフ型である。コンロッド１１９の小端部は、ピンを介してピストン１１７に支持されている。コンロッド１１９の大端部は、クランクシャフト１２１に回転自在に支持されている。ピストン１１７は、コンロッド１１９を介してクランクシャフト１２１に連結されている。

シリンダヘッド１０３には、吸気ポート２１及び排気ポート５１が形成されている。両ポート２１，５１は管状であり、それぞれ２つに分岐して燃焼室１０６に接続する（図２参照）。シリンダヘッド１０３には、２つの吸気バルブ１０７と２つの排気バルブ１０９が設置されている。吸気カムシャフト１１１は、２つの吸気バルブ１０７が並ぶ方向に、クランクシャフト１２１と略平行に延びている。排気カムシャフト１１３は、２つの排気バルブ１０９が並ぶ方向に、クランクシャフト１２１と略平行に延びている。

各吸気バルブ１０７の一端は、燃焼室１０６の内部であって吸気ポート２１が燃焼室１０６へ開口する部位またはその近傍に位置する。各吸気バルブ１０７の他端には、吸気カム１１２が当接している。吸気カム１１２は吸気カムシャフト１１１により回転駆動される。吸気カム１１２が回転することで、吸気バルブ１０７が往復移動する。これにより、吸気バルブ１０７は、吸気ポート２１と燃焼室１０６との間を開閉する。同様に、排気カム１１４が排気カムシャフト１１３により回転駆動されることで、排気バルブ１０９が往復移動する。これにより、排気バルブ１０９は、排気ポート５１と燃焼室１０６との間を開閉する。

シリンダヘッド１０３には、点火プラグ１１５が設置されている。点火プラグ１１５の先端は、シリンダボア１０２の軸心に略重なる位置であって吸気ポート２１と排気ポート５１に囲まれた位置で、燃焼室１０６の内部に突出する。

エンジン１の吸気行程では、吸気バルブ１０７が開くとともに燃焼室１０６の体積が増加することで、空気と燃料との混合気が、吸気ポート２１を介して燃焼室１０６に流入する。吸気ポート２１は、吸気管２０として機能する。吸気行程後の圧縮行程で、燃焼室１０６の混合気が圧縮される。点火プラグ１１５が所定のタイミングで火花を発生すると、混合気が点火されて燃焼する。これにより燃焼室１０６の体積が増加する（燃焼行程）。その後、排気バルブ１０９が開くとともに燃焼室１０６の体積が減少することで、燃焼後の混合気が、排気ポート５１を介して燃焼室１０６から流出する（排気行程）。排気ポート５１は、排気管５０として機能する。このように、燃焼によりピストン１１７が往復運動を行う。往復運動は、コンロッド１１９を介してクランクシャフト１２１の回転運動に変換される。

［吸気装置の構成］
図１に示すように、吸気ポート２１における燃焼室１０６と反対側の開口部には、バルブユニット１０５が設置されている。バルブユニット１０５は、通路部材１０８とＴＧＶ（Ｔｕｍｂｌｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）２３を有している。通路部材１０８の内部には、通路２２が形成されている。通路２２は、吸気ポート２１と接続しており、吸気管２０として機能する。ＴＧＶ２３は、通路２２に設置されている。ＴＧＶ２３は、例えば、いわゆるバタフライバルブであり、板状の部材（弁体）が軸２３１の周りに回転することで通路２２の開度を調整する。軸２３１は、電動モータにより回転駆動される。

バルブユニット１０５には、インテークマニホールドが取り付けられている。インテークマニホールドの内部の通路は、通路部材１０８の通路２２と接続しており、吸気管２０として機能する。インテークマニホールドにはスロットルボディが設置されており、インテークマニホールドの通路の開度はスロットル弁により調整される。

吸気管２０には、隔壁２４が設置されている。吸気管２０および隔壁２４は、エンジン１の吸気装置２として機能する。図２は、吸気管２０、燃焼室１０６、および排気管５０を、シリンダブロック１０１の側からみた模式図である。以下で、上流、中流、および下流とは、吸気管２０における吸気（主流）の流れ方向における上流、中流、および下流をそれぞれ意味する。

隔壁２４は、本体部２４０と連結部２４１を有している。本体部２４０は、例えば金属材料から形成されており、板状である。本体部２４０は、上流部２４２、中流部２４４、および下流部２４６を有している。上流部２４２は、平板状であり、中流部２４４に対して折れ曲がっている。上流部２４２は、バルブユニット１０５の通路２２の内部にあって、通路２２の軸方向（長手方向）すなわち吸気の流れ方向に延びている。中流部２４４および下流部２４６は、平板状であり、吸気ポート２１の内部にあって吸気ポート２１の軸方向（長手方向）すなわち吸気の流れ方向に延びている。

吸気管２０（具体的にはＴＧＶ２３および隔壁２４が設けられる箇所）を径方向に切った断面は略矩形状である。本体部２４０は、吸気管２０におけるシリンダブロック１０１の側の面に対し略平行に延びている。本体部２４０は、吸気管２０を第１通路２６と第２通路２８に区画している。吸気管２０の内部において吸気カムシャフト１１１の側に第１通路２６があり、シリンダブロック１０１の側に第２通路２８がある。図２で、隔壁２４は第２通路２８の側から見られている。本体部２４０は、吸気管２０の径方向において吸気管２０の軸心よりもシリンダブロック１０１の側に偏った位置にある。第１通路２６の流路断面積（径方向における断面積）は、第２通路２８の流路断面積よりも大きい。ＴＧＶ２３は、隔壁２４（本体部２４０）よりも上流側の吸気管２０にあり、第１通路２６を開閉することが可能である。ＴＧＶ２３は、吸気装置２として機能する。

隔壁２４の連結部２４１は、例えば樹脂材料から形成されており、半円柱状（棒状・スティック状）である。連結部２４１は、本体部２４０における中流部２４４の両側に一体的に接続している。図２に示すように、吸気ポート２１の内壁には、半円筒状の凹部２１０が形成されている。凹部２１０は、吸気ポート２１の軸方向に延びている。凹部２１０の軸方向における吸気上流側の一端は、吸気ポート２１とともにシリンダヘッド１０３の外壁面に開口している。隔壁２４の組み付け時、連結部２４１は、吸気ポート２１の開口部から軸方向に凹部２１０の内部に挿入され、凹部２１０に嵌まる。これにより、隔壁２４が吸気ポート２１の内壁に固定設置される。連結部２４１における本体部２４０の側の面（半円筒状の外周面に対し径方向反対側の面）は、吸気ポート２１の内面に連続しており、吸気ポート２１の内壁の一部として機能する。

図２に示すように、上流部２４２の幅（吸気管２０の軸方向に対し直角の方向における寸法）は、中流部２４４の幅よりも小さい。上流部２４２の幅方向（吸気管２０の軸方向に対し直角の方向）の両側と吸気管２０（通路部材１０８）の内壁との間には隙間がある。吸気ポート２１の内径は、上流側から下流側へ向かうにつれて、徐々に大きくなる。中流部２４４の幅は、吸気管２０の上流側から下流側へ向かうにつれて、吸気ポート２１の内径の変化に沿うように徐々に大きくなる。

下流部２４６の幅方向（吸気管２０の軸方向に対し直角の方向）の両側と（吸気ポート２１の内面に連続する）連結部２４１の面との間には隙間２５がある。隙間２５は、第２通路２８の内面において、隔壁２４（本体部２４０）と吸気ポート２１の内壁（を構成する連結部２４１）との接続部２９に開口し、第１通路２６と第２通路２８を接続している。吸気管２０の軸方向に対し直角の方向（本体部２４０の表面に沿う方向）における隙間２５の開口の幅（以下、単に「隙間２５の幅」という。）は、６．６ｍｍより小さくてもよい。例えば、隙間２５の幅は、（吸気管２０の軸方向で）平均して、（ゼロより大きく）２．１ｍｍ以下であってよい。隙間２５は、吸気管２０の軸方向において連続して延び、隔壁２４（下流部２４６）の下流端に開口している。隙間２５は、吸気管２０の軸方向において、下流部２４６の範囲にある。

［吸気装置の作用効果］
次に、図３～１４を参照して、本実施形態に係る吸気装置２の作用効果を説明する。図３は、図１における一部分を拡大した図であり、連結部２４１の図示を省略している。図３で、吸気行程における吸気（主流）の流れを破線の矢印３で示す。図３に示すように、吸気行程で、気体は吸気管２０を通って燃焼室１０６に吸入される。燃焼室１０６に流入した吸気は、シリンダボア１０２に沿ってピストン１１７の頂面に向かった後、この頂面に沿ってシリンダヘッド１０３の側へ流れる。これにより、吸気が燃焼室１０６の内部で縦渦流（タンブル流）を形成する。例えば、エンジン１の負荷が小さく吸気量が少量のとき、ＴＧＶ２３により第１通路２６の流路断面積を絞ることで、気体を第２通路２８の側に通過させる。ＴＧＶ２３の開度が最小となり、ＴＧＶ２３の弁体によって第１通路２６が閉じられると、吸気管２０に導かれた気体のほとんどは、第２通路２８を通って燃焼室１０６へ向かう。

このように、気体が通過する流路が狭まり、吸気管２０の流路断面積が小さくなることで、気体の流速が高められる。この流速が高まった気体（混合気）が燃焼室１０６に流入することで、タンブル流が強められる。圧縮行程でピストン１１７が上死点付近までストロークすると、タンブル流が崩壊して小さな乱流渦が複数生成し、点火直前の燃焼室１０６の内部における吸気の流速変動（ガス流の乱れ強さ）が大きくなる。この状態で点火プラグ１１５により混合気に点火されることで、希薄または希釈燃焼時にも燃料の急速燃焼が実現され、燃費改善や燃焼安定性の向上が可能になる。このように、ＴＧＶ２３は、第１通路２６を開閉することで、タンブル流を強化するための制御弁として機能する。なお、ピストン１１７の頂面は、ガス流動の強化や成層燃焼等に適した形状であってもよい。

以下、図４～７を参照して、比較例を用いて課題を説明する。比較例は、第２通路２８の内面における隔壁２４（下流部２４６）と吸気管２０との接続部２９または接続部２９の近傍に隙間２５その他の通路が開口しない吸気装置である。以下、吸気管２０（吸気ポート２１）の軸方向にｘ軸、吸気管２０の軸方向に対し直角の方向であって隔壁２４（中流部２４４および下流部）の面に平行な方向にｙ軸、隔壁２４（中流部２４４および下流部）の面に直交する方向にｚ軸を設ける。図４は、比較例における隔壁２４（下流部２４６）の下流端付近であって接続部２９付近の模式図であり、気体の流れを矢印で示す。図５は、比較例における吸気管２０（吸気ポート２１）に設置された隔壁２４を第２通路２８の側から見た平面図である。図５で、連結部２４１の図示が省略されている。

図４に示すように、ＴＧＶ２３が第１通路２６を閉じる方向に作動した状態で、第２通路２８を気体が流通する。第２通路２８の内面における隔壁２４と吸気管２０との接続部２９または上記接続部２９の近傍（隔壁２４の表面と吸気管２０の内壁面とに囲まれた領域）では、上流から下流へ向かうにつれて、気体の境界層３０が３次元的に成長する。図５に示すように、境界層３０は、隔壁２４の中流部２４４の上流端（中流部２４４と上流部２４２との間の隙間の終端）から成長を始め、上流側から下流側へ向かうにつれて、層流または乱流の境界層３０１として成長する。その後、図４に示すように、隔壁２４の下流端では、ウェイク（後流）３１が生じる。ウェイク３１が、逆流（巻き込み）３１１を生じることで、下流側の境界層３０（乱流境界層３０２）の成長が助長される。

図６、７は、実験により得られた、比較例における第２通路２８での隔壁２４の下流端付近における気体の流速の分布を示す。図７は、隔壁２４の表面付近における流速分布を示す。図６、７に示すように、隔壁２４の下流端で流速の分布に偏りが生じる。接続部２９の近傍（隔壁２４の表面と吸気管２０の内壁面とに囲まれた領域）では、流速が負となる（主流に対し逆流する）。境界層３０とウェイク３１（逆流３１１）により、第２通路２８の有効流路断面積が減少するため、主流の（平均）流速は増加する。隔壁２４の下流端で生じる逆流や流速分布の偏りは、相乗的にウェイク３１の剥離渦の生成に影響し、流れを非常に不安定化する。これにより、燃焼室１０６の内部に吸入される気体の流速分布が不安定となるため、点火直前（ピストン１１７の上死点付近）における燃焼室１０６で、意図したガス流動のパターン（乱れ強さ）を生成することができない。

例えば、吸気管２０の軸方向に対し直角の方向であって隔壁２４の表面に平行なｙ軸方向は、燃焼室１０６における吸気ポート２１の開口の径方向ないしシリンダボア１０２の径方向である。よって、ｙ軸方向における流速分布の偏りは、燃焼室１０６における吸気の横方向（径方向）の流れ成分（横渦）を生じうる。これによりタンブル流が弱まり、所期のタンブル流の強化を達成できないおそれがある。タンブル流を強化できなければ、燃焼速度が低下し、燃焼安定性を向上できない。なお、図２に示すように、吸気ポート２１は、隔壁２４よりも燃焼室１０６の側で２つに分岐して燃焼室１０６に接続している。このように吸気ポート２１が複数ある場合、隔壁２４の下流端における上記流速分布の偏りにより、各吸気ポート２１から燃焼室１０６の内部への吸気の流れがより不安定化するおそれがある。

これに対し、本実施形態の吸気装置では、第２通路２８の内面における隔壁２４と吸気管２０との接続部２９または接続部２９の近傍に、隙間２５が開口している。境界層３０（乱流境界層３０２）が隙間２５に吸い込まれ、第１通路２６へ吸い出される。これにより、上記境界層３０の成長（厚さの増大）が抑制されるため、隔壁２４の下流端で流速の分布に偏りが生じにくい。よって、燃焼室１０６の内部に吸入される気体の流速分布が安定化するため、燃焼室１０６の内部のガス流動の制御性を向上することができる。具体的には、タンブル流を意図通りに強化することが可能となる。

隙間２５は、吸気管２０の内面と隔壁２４との接続部２９に限らず、隔壁２４における接続部２９の近傍にあってもよい。要は境界層３０（乱流境界層３０２）が成長しうる範囲に開口していればよい。なお、吸気ポート２１の内壁を構成する連結部２４１やシリンダブロック１０１の内部に、第２通路２８の境界層３０の少なくとも一部を吸い込むことが可能な第３通路を形成してもよい。適当な低圧空間（第２通路２８よりも低圧ないし気体が流入可能な空間）に当該第３通路を接続させれば、境界層３０から吸い込んだ気体を上記低圧空間に排出することで境界層３０を吸い出しやすい。本実施形態では、第１通路２６と第２通路２８を接続する隙間２５が、上記第３通路として機能する。よって、シリンダブロック１０１等に第３通路を形成する必要がなく、また低圧空間として第１通路２６を用いることができるため、第３通路の構成を簡素化することができる。

図８は、本実施形態の隔壁２４の、図５と同様の、平面図である。図９～１２は、実験により得られた、本実施形態における隔壁２４の下流端付近における気体の流速の分布を示す、図６、７と同様の図である。図９、１０は、隙間２５の（平均）幅が０．７ｍｍである場合の流速分布を示す。図１１、１２は、隙間２５の（平均）幅が１．４ｍｍである場合の流速分布を示す。図９で矢印３２によって示すように、境界層３０が隙間２５から吸い出される。これにより、図８に示すように、境界層３０は、乱流境界層３０２として成長する前に吸い出され、大きく成長することが抑制される。特に、隔壁２４の下流端で乱流境界層３０２の成長が抑制され、境界層３０が排除される。すなわち、境界層３０の大きさ（厚さ）が制限される。

よって、図９、１０に示すように、隔壁２４の下流端での流速分布の偏りが抑制される。接続部２９の近傍における流速の低下が抑制され、流速が負となること（逆流）も抑制される。境界層３０等による第２通路２８の排除領域（有効流路断面積の減少量）が小さくなるため、主流の（最大）流速は比較例よりも低くなるが、その低下量は小さい。流速分布は全体として安定する。隙間２５の幅が０．７ｍｍよりも増大すると、図１１で矢印３２によって示すように、境界層３０が隙間２５から吸い出される量が多くなる。接続部２９（隙間２５）付近では、ｚ軸方向の流れの成分が大きくなるため、図１１、１２に示すように、ｘ軸方向の流速は低下する。また、第２通路２８の排除領域がさらに小さくなる（有効流路断面積がさらに増加する）ため、主流の流速も緩やかに低下する。

本実施形態では、隙間２５の幅は、６．６ｍｍよりも小さい。これは、ＴＧＶ２３が第１通路２６を閉じる方向に作動した状態で点火直前の燃焼室１０６の内部における吸気の流速変動を乱れ強さとしたとき、隙間２５がない場合に（上記比較例において）発生する乱れ強さよりも大きな乱れ強さを発生する幅である。以下、具体的に説明する。

図１３は、クランクシャフトの回転角度（クランク角度）θと、点火プラグ１１５の位置で計測される吸気の流速Ｕとの関係を示すグラフである。図１３は、エンジン回転数を１２００ｒｐｍとし、スロットル弁を全開とし、ＴＧＶ２３の開度を最小として、隙間２５の幅を０ｍｍから２．８ｍｍの間で０．７ｍｍごとに変えた実験結果に基づく上記関係を示す。吸気の流速Ｕは、図２の矢印３３で示される速度であり、図３の位置３４でレーザードップラー流速計により測定されたタンブル流の流速である。（任意のクランク角度θにおける）流速Ｕの平均に対する乖離量（流速変動）は、乱流の持つエネルギーの大きさ（乱れ強さ）を表す。例えば、計測された流速Ｕの変動の２乗平均値に対し平方根をとることで、乱れ強さｕが速度の単位で算出される。

図１３に示すように、吸気行程で流速Ｕが大きくなり、圧縮行程を経て、θ＝３６０±３０度（上死点付近）で流速がゼロ近傍まで低下する。すなわち、上死点付近でタンブル流が崩壊し、小さな乱流渦が複数生成される。この状態で点火されることで、燃焼速度の向上等が図られる。隙間２５の幅が０ｍｍである場合、上死点付近の流速Ｕが負となった。これは、燃焼室１０６の内部で意図したガス流動のパターンを生成できておらず、タンブル流の質が低下していることを示している。言い換えると、隙間２５の幅が０ｍｍより大きい各場合（０．７ｍｍ、１．４ｍｍ、２．１ｍｍ、２．８ｍｍ）には、いずれも、上死点付近の流速Ｕがゼロ付近となっており、タンブル流の質の低下が抑制されている。

図１４は、隙間２５の幅ｙｃに対して、上死点付近の乱れ強さｕ’をプロットしたグラフである。隙間２５の幅ｙｃが０ｍｍより大きい各場合（０．７ｍｍ、１．４ｍｍ、２．１ｍｍ、２．８ｍｍ）には、いずれも、幅ｙｃが０ｍｍの場合よりも、上記乱れ強さｕ’が大きい。すなわち、タンブル流の崩壊による小さな乱流渦が意図通りに生成されている。

隙間２５の幅ｙｃが大きくなるほど乱れ強さｕ’は小さくなる傾向にある。この傾向は図１４に示す直線ｌで近似される。幅ｙｃが０ｍｍのときの乱れ強さｕ’（＝１．２３）と同じ乱れ強さｕ’となる幅ｙｃを、上記直線ｌ（ｕ’＝－０．０１４３×ｙｃ＋１．３２５）に基づき算出したところ、６．６４ｍｍであった。隙間２５の幅ｙｃが大きくなるほど乱れ強さｕ’が小さくなる理由の１つは、幅ｙｃを大きくしすぎると主流の流速Ｕも低下することにある。主流速度Ｕは、小さな乱流渦（乱れ強さｕ’）を生成するエネルギーの指標となる。よって、本実施形態では、主流速度Ｕの低下により乱れ強さｕ’が小さくなりすぎないように、幅ｙｃを６．６ｍｍより小さい範囲に制限する。これにより、幅ｙｃが０ｍｍのときよりも大きい乱れ強さｕ’が得られる。

また、乱れ強さｕ’は、燃費の指標となる。よって、燃費を所定値以上に改善することができる乱れ強さの範囲となるように、隙間２５の幅ｙｃを設定してもよい。例えば、幅ｙｃが（ゼロより大きく）２．１ｍｍ以下であれば、上記直線ｌから明らかなように、乱れ強さｕ’が所定値以上になるため、燃費を所定以上に改善することができる。この場合、幅ｙｃが１ｍｍ未満の範囲で、幅ｙｃが２．１ｍｍのときの乱れ強さｕ’と同じ値となる幅ｙｃを実際に確かめ、この値をｙｃの下限の所定値として設定してもよい。なお、幅ｙｃと乱れ強さｕ’との関係を検出するために、流速Ｕ（乱れ強さｕ’）を、図３の位置３４に限らず燃焼室１０６における任意の位置で測定してもよく、またレーザードップラー流速計以外の流速計により測定してもよい。

隙間２５の開口は、隔壁２４の下流側にある。よって、乱流境界層３０２が発達しやすい領域で当該境界層３０２を吸い出すことが可能となるため、効率的に上記作用効果を得ることができる。

一般に、内径がｄである円管内の乱流境界層の助走距離Ｌ０について、Ｌ０＝（２５～４０）ｄという関係が知られている。よって、第２通路２８を円管で近似可能であれば、吸気管２０の軸方向において、隔壁２４の下流端からＬ０（例えばｄを４０倍した距離）内に、隙間２５の開口を設けてもよい。内径ｄとして、第２通路２８の径の平均値を用いることができる。隔壁２４の幅の平均値（言い換えると、隔壁２４の表面における第２通路２８の径を吸気管２０の軸方向で均した平均）をｄとしてもよい。これにより、隔壁２４の下流端で乱流境界層３０２の大きさ（厚さ）を抑制し、流速分布の偏りを改善することを図ることができる。

より具体的には、接続部２９の近傍で、（流れの途中で隙間２５が開口しない）第２通路２８における気体の流速の径方向分布が一定となるまで乱流境界層３０２が発達する（すなわち発達しきる）吸気管２０の軸方向距離を、助走距離Ｌ１とする。Ｌ１は、実験等により検出可能である。吸気管２０の軸方向において、隙間２５の開口が隔壁２４の下流端からＬ１の距離内にあれば、隔壁２４の下流端で乱流境界層３０２が発達しきることが避けられため、より確実に、隔壁２４の下流端における速度分布の偏りを改善することができる。

なお、隙間２５の形状は、本実施形態のような矩形（長方形）に限らず、楔形（三角形）等であってもよい。また、隙間２５を構成する部材（下流部２４６等）の縁は、直線状に限らず曲線状であってもよい。

本実施形態において、隙間２５は、吸気管２０の軸方向において連続しているが、吸気管２０の軸方向において断続してもよい。例えば、吸気管２０（隔壁２４）が軸方向に長い場合、軸方向において隔壁２４が占める範囲の途中に隙間２５を設けてもよい。言い換えると、隙間２５は、隔壁２４の下流端に開口していなくてもよい。また、隙間２５は、隔壁２４の下流側に限らず、中流側や上流側にあってもよい。これらの場合、隙間２５は、吸気管２０の軸方向において、隔壁２４の下流端における境界層３０の厚さが所定範囲（上記比較例よりも大きい乱れ強さが得られる範囲）内となるような位置・間隔に開口するように設けてもよい。

また、隙間２５は、隔壁２４の幅方向片側にあってもよい。本実施形態では、隙間２５は、隔壁２４の幅方向両側（における接続部２９またはその近傍）にある。よって、隔壁２４の下流端近傍における流速分布の偏りをより効果的に抑制できる。

吸気管２０の径方向断面の形状は、矩形状に限らず、円形状や楕円状等であってもよい。また、隔壁２４（本体部２４０）の形状は平板状でなくてもよい。例えば、吸気管２０の内壁が湾曲している場合、隔壁２４（本体部２４０）は、吸気管２０の内壁に沿って湾曲した形状でもよい。

なお、第２通路２８の内面における隔壁２４と吸気管２０との接続部２９において、隔壁２４と吸気管２０の内壁との間の角度が所定範囲内（例えば０度より大きく１３５度以下）であれば、隙間２５による境界層３０の吸出しとそれによる流速分布の安定化という上記作用効果をより効果的に得ることができる。すなわち、接続部２９では、上記角度が大きい（例えば隔壁２４の面と吸気管２０の内面とが緩やかに接続している）と、境界層３０が３次元的に成長しにくい。上記角度がある程度小さければ（上記所定範囲内であれば）、接続部２９で境界層３０が３次元的に成長し、隔壁２４の下流端で流速の分布に偏りが生じやすい。このような場合に隙間２５を設けることで、上記流速分布の偏りを効果的に抑制することができる。

なお、隔壁２４の本体部２４０の材質は、金属に限らず、樹脂等であってもよい。また、連結部２４１を省略してもよい。言い換えると、接続部２９は、（隔壁２４としての）本体部２４０と（連結部２４１により構成されない）吸気管２０の内壁との接続部であってもよい。吸気管２０の内壁への隔壁２４の取り付け方法は任意であり、ボルト、リベットや溶接等により隔壁２４を吸気管２０に固定可能である。また、シリンダヘッド１０３を鋳造する際に別体の金属板を鋳込むことで隔壁２４を吸気管２０（吸気ポート２１）に形成してもよい。隔壁２４は吸気管２０にあればよく、吸気ポート２１に限らず、インテークマニホールド等に設置されていてもよい。さらに、隔壁２４は吸気管２０と別体でなくてもよい。吸気管２０と一体の隔壁２４に隙間２５を設けてもよい。ＴＧＶ２３が開閉する第１通路２６は、第２通路２８に対し、吸気カムシャフト１１１の側（図１の上側）でなく、シリンダブロック１０１の側（図１の下側）にあってもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、図１５を参照して、第２の実施形態に係る内燃機関の吸気装置について説明する。本実施形態は、第１の実施形態における第３通路（隙間２５）の変形例である。図１５は、第２の実施形態における隔壁２４の下流端付近であって接続部２９の付近の模式図である。隔壁２４における接続部２９の近傍には、隔壁２４を貫通する孔２４７がある。孔２４７は、複数あり、吸気管２０の軸方向に並ぶ。各孔２４７の径は、ゼロより大きく６．６ｍｍより小さくてもよい。例えば、２．１ｍｍ以下であってよい。各孔２４７における少なくとも一部は、吸気管２０の軸方向に対し直角の方向において接続部２９から６．４ｍｍの範囲内にあってよい。

本実施形態では、孔２４７が、第２通路２８における境界層３０の少なくとも一部を吸い込むことが可能な第３通路として機能する。孔２４７の径は６．６ｍｍより小さい範囲に制限されてよい。これにより、第１の実施形態と同様、孔２４７の径が０ｍｍのときよりも大きい乱れ強さが得られる。また、孔２４７の径が（ゼロより大きく）２．１ｍｍ以下であれば、第１の実施形態と同様、燃費を所定以上に改善することができる。

各孔２４７における少なくとも一部は、吸気管２０の軸方向に対し直角の方向において接続部２９から６．４ｍｍの範囲内にあってよい。本出願人は、上記比較例で接続部２９の近傍に発生する境界層３０（乱流境界層３０２）の最大厚さは６．４ｍｍであることを確認した。よって、上記範囲内に孔２４７の少なくとも一部を配置することで、より確実に、当該孔２４７が第３通路として機能することができる。各孔２４７が、接続部２９から遠くにあるよりも、接続部２９に近いほうが、境界層３０の範囲内に位置する範囲（第３通路の開口面積）が広がる。この観点からは、各孔２４７は、接続部２９に近いほうが好ましい。なお、孔２４７の（開口の）形状は、円形に限らず、楕円形であってもよいし、三角形その他の多角形状であってもよい。

孔２４７は、複数あり、吸気管２０の軸方向に並んでいる。よって、孔２４７の位置や間隔を調整することで、第３通路全体としての開口面積を抑制しつつ、隔壁２４の下流端における境界層３０の厚さを所定範囲（上記比較例よりも大きい乱れ強さが得られる範囲）内とすることができる。例えば、吸気管２０（隔壁２４）が軸方向に長い場合、乱流境界層３０２が発達しきる手前の位置ごとに孔２４７を配置してもよい。また、第１の実施形態と同様、吸気管２０の軸方向において、隔壁２４の下流端から助走距離Ｌ０内やＬ１内に少なくとも１つの孔２４７を配置してもよい。

他の構成および作用効果は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

＜第３の実施形態＞
次に、図１６参照して、第３の実施形態に係る内燃機関の吸気装置について説明する。本実施形態は、第１の実施形態における第３通路（隙間２５）の変形例である。図１６は、第３の実施形態における隔壁２４の下流端付近であって接続部２９の付近の模式図である。隔壁２４にはスリット２４８がある。スリット２４８は、複数あり、吸気管２０の軸方向に並ぶ。各スリット２４８は、隔壁２４（本体部２４０）において接続部２９まで延びる（接続部２９に連続する）。各スリット２４８の幅は、ゼロより大きく２．１ｍｍ以下であってよい。各スリット２４８の長手方向寸法は、２．１ｍｍより大きく１０ｍｍ以下であってよい。

本実施形態では、スリット２４８が、第２通路２８における境界層３０の少なくとも一部を吸い込むことが可能な第３通路として機能する。各スリット２４８の長手方向寸法は、２．１ｍｍより大きく１０ｍｍ以下であってよい。隔壁２４（本体部２４０）の面に沿い、かつ吸気管２０の軸方向に対し直角の方向（以下、吸気管２０の幅方向という。）におけるスリット２４８の寸法が６．６ｍｍより小さければ、第１の実施形態と同様、当該スリット２４８がないときよりも大きい乱れ強さが得られる。本実施形態では、各スリット２４８が吸気管２０の幅方向に対し傾斜した形状であるため、吸気管２０の幅方向における各スリット２４８の寸法を当該スリット２４８の長手方向寸法よりも小さくすることができる。

なお、本実施形態では、各スリット２４８の形状は、接続部２９（吸気管２０の内壁）の側へ向かうにつれて上流側から下流側へ変位するよう（吸気管２０の幅方向に対し）傾斜した形状であるが、これに限らず、吸気管２０の幅方向に延びる形状や、接続部２９の側へ向かうにつれて下流側から上流側へ変位するよう傾斜した形状であってもよい。また、各スリット２４８は、直線状に限らず、曲線状であってもよい。

各スリット２４８は、隔壁２４において接続部２９まで延びる。よって、スリット２４８が接続部２９の近傍における境界層３０に開口することで、より確実に、当該スリット２４８が第３通路として機能することができる。

スリット２４８は、複数あり、吸気管２０の軸方向に並んでいる。よって、スリット２４８の位置や間隔を調整することで、第２の実施形態と同様、第３通路全体としての開口面積を抑制しつつ、隔壁２４の下流端における境界層３０の厚さを所定範囲内とすることができる。なお、第１の実施形態と同様、吸気管２０の軸方向において、隔壁２４の下流端から助走距離Ｌ０内やＬ１内に少なくとも１つのスリット２４８が開口するように配置してもよい。また、隔壁２４の下流端における境界層３０の厚さを抑制するためには、最も下流側に位置するスリット２４８は、隔壁２４の下流端に接続（開口）するのではなく、隔壁２４の下流端から上流側に離れた所定の位置にある（隔壁２４の下流端に開口しない）ことが好ましい。

他の構成および作用効果は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、ＴＧＶによって閉じられる流路は第２通路であってもよい。また、上記実施形態では、吸気管の内部にある制御弁は、タンブル流を強化するためのＴＧＶであるとしたが、横渦流（スワール流）を強化するためのスワール制御弁その他の弁であってもよい。スロットル弁がＴＧＶやスワール制御弁の機能を兼ね備えてもよい。上記実施形態では、内燃機関は４ストローク・エンジンとしたが、２ストローク・エンジンの吸気装置に本発明を適用してもよい。

隔壁の本体部は、湾曲した三次元形状であったり、その断面が翼断面形状等であったりしてもよい。また、吸気管において燃料を噴射する位置は、隔壁より上流側であってもよいし、下流側であってもよい。また、燃料を吸気管に噴射するエンジンに限らず、燃料を燃焼室に直接噴射するエンジンの吸気装置に本発明を適用してもよい。すなわち、吸気管を通るガスは混合気に限らず空気でもよい。また、燃料としてガソリンや軽油を用いるエンジンだけでなく、天然ガス等を用いるエンジンの吸気装置にも本発明を適用可能である。さらに、自動車のエンジンだけでなく、船舶や飛行機のエンジンの吸気装置に本発明を適用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気装置
２０ 吸気管
２３ ＴＧＶ（制御弁）
２４ 隔壁
２５ 隙間（第３通路）
２６ 第１通路
２８ 第２通路
２９ 接続部
３０ 境界層
３０２ 乱流境界層
１０６ 燃焼室
２４７ 孔（第３通路）
２４８ スリット（第３通路）

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気装置であって、
   燃焼室に接続する吸気管の内部を第１通路と第２通路に区画する隔壁と、
   前記第１通路を開閉可能な制御弁と、
   前記第２通路の内面における前記隔壁と前記吸気管との接続部または前記接続部の近傍のみに開口する第３通路と、を有し、
   前記第３通路は、それぞれ前記隔壁の下流端から離れた位置において前記吸気管の内面の近傍のみに設けられて前記吸気管の軸方向に並ぶ、前記隔壁における前記接続部の近傍を貫通する複数の孔、又は、前記隔壁において前記接続部まで延びる複数のスリットであり、前記制御弁が前記第１通路を閉じる方向に作動した状態で前記第２通路を流れる気体が前記接続部または前記接続部の近傍で発生する境界層の少なくとも一部を吸い込むことが可能であるように構成されている
   内燃機関の吸気装置。
2. 前記内燃機関は火花点火式であって、
   前記制御弁が前記第１通路を閉じる方向に作動した状態で点火直前の前記燃焼室の内部における吸気の流速変動を乱れ強さとしたとき、前記吸気管の軸方向に対し直角の方向における前記第３通路の開口の幅は、前記第３通路がない場合に発生する前記乱れ強さよりも大きな前記乱れ強さを発生する幅である
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記吸気管の軸方向に対し直角の方向における前記第３通路の開口の幅は、ゼロより大きく６．６ｍｍより小さい
   請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記第２通路における気体の流速の径方向分布が一定となるまで前記接続部の近傍で乱流境界層が発達する前記吸気管の軸方向距離を助走距離としたとき、前記第３通路の開口は、前記吸気管の軸方向において、前記隔壁の下流端から前記助走距離内にある
   請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記第３通路の開口は、前記吸気管の軸方向において、前記隔壁の下流端から、前記第２通路の径の平均を４０倍した距離内にある
   請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記孔又は前記スリットの少なくとも一部は、前記吸気管の軸方向に対し直角の方向において前記接続部から６．４ｍｍの範囲内にある
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。

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