JPWO2010071013A1 - 吸気マニホルド - Google Patents

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Abstract

内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、気筒への吸気経路を開放する開姿勢と吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能で、閉姿勢のときに吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有するタンブル制御弁とを備え、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とが水平投影面上で重ならず、且つ、開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で切欠部の範囲内にあるよう構成した。

Description

本発明は、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とを備えた吸気マニホルドに関する。
従来、排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガス」とする）を内燃機関の吸気経路に導入し、排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減することが知られている。窒素は超高温になると、酸化して有害な窒素酸化物となる。しかし、ＥＧＲガスを吸気経路に導入することで、吸気中の酸素濃度が低くなり燃料がゆるやかに燃えるようになると共に、酸素より温まり難い二酸化炭素の濃度が高くなる。このため、燃焼温度が上がり難くなり、窒素酸化物の生成を抑えることができる。
さらに、吸気経路にタンブル制御弁を備え、吸気流速が遅いアイドリング時等においてタンブル制御弁により吸気経路を絞ると、吸気速度が速まり、気筒内でのタンブル流（渦流）の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進されることが知られている。この結果、燃料と吸気との混合率が高まって、内燃機関の燃焼効率を向上させることができるとされている。
例えば、エンジンのシリンダヘッドにタンブル制御弁を備え、タンブル制御弁のやや下流側にＥＧＲ開口部を備えた技術がある（特許文献１及び特許文献２）。この技術によると、上述のＥＧＲガスの効果とタンブル制御弁の効果とを得つつ、ＥＧＲガスに含まれるカーボン等の異物がタンブル制御弁に付着することがない。したがって、回転抵抗の増大によってタンブル制御弁が正常に動作しなくなることを防止することができる。また、カーボン等がタンブル制御弁周辺の吸気経路の内周壁に付着することもなく、タンブル流を生成する際の吸気の弁漏れ量が変化し、タンブル流の強度が不安定になることがない。したがって、エンジンの燃焼効率の低下を抑制することができる。

また、特許文献１の技術によると、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の近傍に配置することにより、効果的にＥＧＲガスがタンブル流に乗って気筒内へ流れ込む。このため、気筒内において、吸気と燃料との混合気を取り巻くようにＥＧＲガスが存在し、ＥＧＲガスの断熱作用によって、燃焼温度の冷却損失を抑制することができるとされていた。
特開２００８−１２８１８０号 特開平１０−２７４１０４号
通常、エンジンのシリンダヘッドは金属製であるため、特許文献１及び２の技術のごとく、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁をシリンダヘッドの吸気経路に備えると、製品の加工や組付け等に手間がかかり、コストアップの要因となる。さらに、タンブル制御弁の交換や、ＥＧＲ導入口付近の清掃に際しても、非常に手間が掛かり、メンテナンス性が低下する虞もあった。
一方、コスト削減のため、吸気マニホルドを、成形が容易である樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備える要望がある。しかし、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁の吸気方向下流側に配置されるべきであり、タンブル制御弁を吸気マニホルドの吸気方向最下流に配置することができない。よって、タンブル制御弁と気筒とが離れてしまい、タンブル流が管路抵抗によって減衰し、適正なタンブル流が維持されなくなる虞がある。このように、吸気マニホルドを樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備えるには問題があった。
本発明は上記実情に鑑み、ＥＧＲガスの適正な導入とタンブル制御弁の適正な動作とを実現可能な樹脂製の吸気マニホルドを提供することを目的としている。
本発明に係る吸気マニホルドの第一特徴構成は、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能で、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有するタンブル制御弁とを備え、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口と前記タンブル制御弁とが水平投影面上で重ならず、且つ、前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で前記切欠部の範囲内にあるよう構成した点にある。
本構成によると、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、吸気経路を開放する開姿勢と吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能なタンブル制御弁とを備えている。
吸気マニホルドは樹脂製であるため、形状が複雑であっても射出成形等により容易に成形することができる。そのため、タンブル制御弁の組付け部やＥＧＲ導入口の加工が容易であり、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を金属性であるシリンダヘッドに備える場合と比べて、タンブル制御弁の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁の動作精度の向上を図ることもできる。また、製造コストを抑えることもできる。
また、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とが水平投影面上で重ならないため、ＥＧＲ導入口の周りに排気凝縮水が発生しても、その排気凝縮水がタンブル制御弁に滴ることがない。したがって、タンブル制御弁が酸化して腐食したり、寒冷地においてタンブル制御弁が凍結し作動しなくなったりするといった不具合が生じるのを抑制することができる。
さらに、閉姿勢のときに吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部をタンブル制御弁が有し、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で切欠部の範囲内にある。このため、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の下流側に配置しつつ、吸気マニホルドの吸気方向最下流にタンブル制御弁を設置することができる。したがって、ＥＧＲガス導入による窒素酸化物量の低減の効果とタンブル制御弁による内燃機関の燃焼効率の向上の効果とを維持しつつ、タンブル制御弁と気筒との距離を短く抑えることができ、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第二特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを備えた点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンクとＥＧＲ導入口とを接続する接続管等が不要となり、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形することができるため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第三特徴構成は、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、前記吸気ポートに接続される出口ポートよりも前 記気筒の側へ突出し、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路の開度を制限する閉姿勢とに姿勢変更可能であるタンブル制御弁とを備えた点にある。
本構成のように、樹脂製の吸気マニホルドにタンブル制御弁を備えた結果、タンブル制御弁の組付けが容易となり、タンブル制御弁の組付け精度が向上し、タンブル制御弁の動作精度の向上を図ることができる。また、タンブル制御弁の組付け部の加工が容易となり、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁をシリンダヘッドに備える場合と比べて、製造コストを抑えることができる。
さらに、ＥＧＲ導入口が出口ポートよりも気筒の側に突出しているため、ＥＧＲ導入口の位置に関わらず、タンブル制御弁はＥＧＲ導入口の上流に位置することとなる。即ち、タンブル制御弁を吸気マニホルドの吸気方向最下流に近づけて配置することができる。したがって、タンブル制御弁と気筒との距離を短く抑えることができ、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第四特徴構成は、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記出口ポートよりも前記気筒の側に前記タンブル制御弁の一部が突出し、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口と前記タンブル制御弁とが水平投影面上で重ならないよう構成した点にある。
本構成のように、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、タンブル制御弁の一部を吸気ポートに接続される出口ポートよりも気筒の側に突出させることで、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁との吸気方向の位置関係は維持しつつ、タンブル制御弁の回転軸芯が辛うじて吸気マニホルドに位置する程度に、タンブル制御弁をさらに吸気マニホルドの吸気方向最下流に近付けることができる。また、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とが水平投影面上で重ならないように構成することで、ＥＧＲ導入口の周りで排気凝結水が発生しても、その排気凝結水がタンブル制御弁に滴ることがない。
本発明に係る吸気マニホルドの第五特徴構成は、前記タンブル制御弁が、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有し、前記タンブル制御弁が前記閉姿勢のとき、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が前記隙間を通過するよう構成した点にある。
本構成のように、タンブル制御弁が閉姿勢のときでも、排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が、タンブル制御弁に設けた切欠部と吸気経路の内周壁との隙間を通過するよう構成することで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路を配置しても、閉姿勢のときに切欠部がＥＧＲ通路を跨ぐこととなる。このため、タンブル制御弁とＥＧＲ通路が接触することがなく、タンブル制御弁の姿勢変更動作は阻害されない。したがって、気筒側の吸気ポートの形状を変更することなく、ＥＧＲ導入口を吸気ポートの側に突出させることができ、本発明に係る吸気マニホルドを適用することができる内燃機関のバリエーションが広がる。
本発明に係る吸気マニホルドの第六特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が、前記出口ポートの径方向外側に前記吸気経路と並列形成された点にある。
本構成のように、出口ポートの径方向外側にＥＧＲ通路を吸気経路に並列して形成することで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路が位置しなくなる。即ち、吸気経路の断面エリアの外側にＥＧＲ通路が位置する。このため、タンブル制御弁の位置及び形状に関わらず、タンブル部制御弁とＥＧＲ通路とが接触せず、タンブル制御弁の姿勢変更動作が阻害されることがない。このとき、気筒の側の吸気経路においてＥＧＲ導入口が開口する箇所を一部拡径すれば、吸気経路の径方向内側にＥＧＲ導入口が突出することも無い。また、吸気経路内の凹凸が少なくなるため、吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第七特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の径方向内側に突出させた点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路が吸気経路の径方向内側に突出されている。したがって、気筒側の吸気ポートの形状を変更することなく、ＥＧＲ導入口を吸気ポートの側に突出させることができ、本発明に係る吸気マニホルドを適用することができる内燃機関のバリエーションが広がる。
本発明に係る吸気マニホルドの第八特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の外部に備えた点にある。
本構成のように、ＥＧＲ通路を吸気経路の外部に備えることで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路が位置しなくなる。即ち、吸気経路の断面エリアの外側にＥＧＲ通路が位置する。このため、タンブル制御弁の位置及び形状に関わらず、タンブル部制御弁とＥＧＲ通路とが接触せず、タンブル制御弁の姿勢変更動作が阻害されることがない。また、吸気経路内の凹凸が少なくなるため、吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第九特徴構成は、前記ＥＧＲ通路を前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドに一体成形するため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドと別体とする場合と比べて、部品点数を抑えられ、製作コストの低減できると共に、別体のＥＧＲ通路を着脱する手間も、その別体のＥＧＲ通路が離脱する虞もない。
本発明に係る吸気マニホルドの第十特徴構成は、前記ＥＧＲ通路が、前記ＥＧＲサージタンクに接続された延長管である点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路が吸気マニホルドと別体の延長管であるため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドに一体成形できない場合等に有効である。また、延長管の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口の位置を容易に調整することもできる。
本発明に係る吸気マニホルドの第十一特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンクとＥＧＲ導入口とを接続する接続管等が不要に長くならず、また、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形するため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第十二特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留する前記ＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ通路が不要に長くならず、また、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形するため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
は、本発明に係る吸気マニホルド全体を示す図である。 は、吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、図２に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 は、タンブル制御弁を吸気方向に長くした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、図４に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 は、吸気通路の傾きを大きくした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、図６に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 は、第一別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、第二別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 は、第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。
以下、本発明に係る吸気マニホルドを自動車のエンジンに適用した例を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
筒内噴射式のエンジン（図示しない）は、一つまたは複数の気筒１０１を備え、図１に示すごとく、各々の気筒１０１は、シリンダヘッド１１０、燃焼室１１１、ピストン１１２、吸気弁１１３、及び排気弁１１４を備えている。吸入空気（以下、「吸気」と称する）は、ピストン１１２の下降に伴い、吸気経路としての吸気通路７を通り燃焼室１１１に流入する。燃焼室１１１において、図外のインジェクタから燃料が噴射され、吸気と燃料は混合する。燃焼後の排ガスは、ピストン１１２の上昇に伴い、排気弁１１４を介して排気通路１０４を通り、外部に排出される。インジェクタは、シリンダヘッド１１０の側の吸気経路としての吸気通路７に備えられていても良い。
本エンジンでは、図１において破線で示すごとく、排気ガスの一部を排気通路１０４から吸気通路７へ再循環させる。この排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガスＥ」と称する）を再循環させる機構は、ＥＧＲガスＥの流量を調節する図外の開閉バルブと、ＥＧＲガスＥが排気通路１０４へ逆流することを防止する図外のチェックバルブとを備えている。ＥＧＲガスＥの流量はエンジンの運転状態に応じて調整され、尚、ＥＧＲガスＥを再循環させる当該機構は周知の技術であるため詳細説明は省略する。
吸気マニホルド１００は、図１に示すごとく、サージタンク６を備えており、吸気マニホルド１００より吸気方向上流に備えられたスロットルバルブ（図示しない）の開閉によって吸気量が調整され、吸気は吸込口（図示しない）を介してサージタンク６に流入する。吸気マニホルド１００のうち吸気方向最下流である出口ポート３は、シリンダヘッド１１０に備えられた吸気ポート１０２に接続されている。サージタンク６に貯留された吸気は、吸気通路７を介して気筒１０１の燃焼室１１１に供給される。シリンダヘッド１１０と吸気マニホルド１００とに亘って吸気通路７が滑らかに繋がるよう、出口ポート３は吸気ポート１０２と同形状に形成してある。
吸気マニホルド１００は、ＥＧＲガスＥを貯留するＥＧＲ用サージタンク４、ＥＧＲガスＥを吸気通路７に放出するＥＧＲ導入口１、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続するＥＧＲ通路５、吸気通路７の開度を制限するタンブル制御弁２、及び、タンブル制御弁２を回転させる図外の回転モータを備えている。吸気マニホルド１００は樹脂製であるため、複数の部品を備えた構成であっても射出成形により容易に成形することができる。このように、タンブル制御弁２の組付け部やＥＧＲ導入口１等の加工が容易であるため、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２を金属製であるシリンダヘッド１１０に備える場合と比べて製造コストを抑えることができる。また、タンブル制御弁２の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁２の動作精度の向上を図ることもできる。
サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４は吸気マニホルド１００と一体成形してある。このため、ＥＧＲ用サージタンク４を別途備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続する接続管が不要となり、吸気マニホルドの周辺をコンパクトにすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンク４の製作工程が不要となるため、製作コストの低減を図ることができる。
ＥＧＲ通路５は、図１に示すごとく、吸気通路７に対して傾斜させてある。このため、ＥＧＲガスＥは吸気ポート１０２に向けてＥＧＲ導入口１から放出され、ＥＧＲガスＥは吸気通路７を流れる吸気流に乗って気筒１０１（図１参照）に到達し易い。また、ＥＧＲ導入口１及びＥＧＲ用サージタンク４が吸気通路７の鉛直方向上側に配置されているため、排気凝結水等がＥＧＲ導入口１に浸入せず、ＥＧＲ通路５が閉塞されることはない。
タンブル制御弁２の回転軸芯であるシャフト１２は、図３に示すごとく、ベアリング２１を介して吸気マニホルド１００に固定されており、回転モータの回転駆動によってタンブル制御弁２は回転自在で、開姿勢と閉姿勢とに姿勢変更可能である。タンブル制御弁２は、図１から３に示すごとく、ビス等によってシャフト１２に結合されている。さらに、タンブル制御弁２は、平面視凹状形状の切欠部１１を備えている。回転モータはエンジンコントロールユニット（図示しない）に接続されており、回転モータの動作はエンジンコントロールユニットによって制御される。
タンブル制御弁２を開姿勢及び閉姿勢に保持する機構は、図示はしないが、例えば、電磁力による弁保持機構であっても、吸気通路７の内周壁１３から径方向内側に向けて突出した突起部とタンブル制御弁２との当接による弁保持機構であっても良い。
タンブル制御弁２は、図２に示すごとく、開姿勢のとき吸気通路７に対して平行となり、吸気通路７が全開放される。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき、吸気通路７が閉塞されると共に、切欠部１１と吸気通路７の上側の内周壁１３との間に隙間１４が形成され、吸気通路７の開度が制限されて、吸気速度が速まる。よって、速度の速い吸気が燃焼室１１１に流入し、燃焼室１１１内でのタンブル流の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進され、吸気と燃料との混合率が高まる。
〔ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁との位置関係〕
図３は、吸気マニホルド１００の吸気ポート１０２の付近を水平投影した図であって、（ａ）はタンブル制御弁２が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。本実施形態においては、図３に示すごとく、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう、ＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの、切欠部１１の範囲内に位置しないようＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。
ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極限まで近接させて、タンブル制御弁２を出口ポート３に極限まで近づけて配置することで、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。一方で、ＥＧＲ導入口１はタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するため、ＥＧＲガスＥに含まれるカーボン等がタンブル制御弁２に付着することはない。また、ＥＧＲ導入口１の周りで排気凝結水が発生しても、排気凝結水がタンブル制御弁２に滴ることがない。
ブローバイガス及びエバポレーションガス（燃料蒸気）が大気へ拡散することを防止するために、これらのガスを吸気通路に導入することがある。しかし、これらのガスがＥＧＲガスに曝されるとデポジットが発生する。デポジットがタンブル制御弁の吸気方向上流側で発生すると、タンブル制御弁にデポジットが付着し、タンブル制御弁の動作が阻害される虞がある。しかしながら、本構成であると、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁に対して吸気方向下流側に位置し、さらに、ＥＧＲガスは吸気方向下流側の気筒の側に向けて放出されるため、デポジットがタンブル制御弁に付着する虞はない。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは図２及び図３に示すように配置及び形成したが、これに限定されるものではない。即ち、吸気通路７の傾斜角度、タンブル制御弁２の回転角度範囲及び大きさ等によっては、水平投影面上での切欠部１１に対するＥＧＲ導入口１の配置が異なる場合がある。しかしながら、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならず、且つ、開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう構成すれば良い。例えば、図４及び図５、又は、図６及び図７に示すような配置であっても、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２は極限まで接近しており、本実施形態と同様の効果が得られる。
図４及び図５に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう設定してある。
図６及び図７に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの切欠部１１の範囲内に位置しない。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にある。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極力近付けるために、切欠部１１の形状を図３等に示すような切れ込みの深い凹状形状としたが、この形状に限定されるものではない。適正に吸気速度を速めることができ、且つ、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを近づけて配置できるならば他の形状であっても良い。
本実施形態において、サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４を吸気マニホルド１００に一体的に形成したが、これらは吸気マニホルド１００と別途に構成されていても良い。
本実施形態において、インジェクタを燃焼室の内部に配置した筒内噴射式のエンジンとしたが、これに限定されるものではない。インジェクタを気筒の側の吸気経路に配置してあっても良い。
〔第一別実施形態〕
上述の実施形態においては、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２が出口ポート３から突出していない例を示したが、ここでは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが、出口ポート３から気筒の側へ突出した例を図面に基づいて説明する。上述の実施形態と同様の構成については説明を省略し、同じ構成の箇所には同じ符号を付すこととする。
図８に示すごとく、吸気マニホルド１００にシャフト１２を辛うじて保持できる程度にまで、タンブル制御弁２を吸気方向下流に寄せて配置してある。少なくとも開姿勢のとき、タンブル制御弁２は出口ポート３よりも気筒の側へ突出する。このため、タンブル制御弁２より吸気方向下流側へＥＧＲガスＥを放出できるよう、且つ、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならないよう、ＥＧＲ通路５を延長管１５で延長し、ＥＧＲ導入口１を気筒の側へ突出させてある。ＥＧＲ導入口１の位置は、タンブル制御弁２より吸気方向下流側であれば良い。
また、閉姿勢のときに吸気通路７の内周壁１３との間に隙間１４を形成する切欠部１１をタンブル制御弁２に備えてある。切欠部１１は、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき吸気速度を速められ、延長管１５を跨ぐことができる程度の大きさである。このように、延長管１５が隙間１４を通過できるため、タンブル制御弁２が閉姿勢に姿勢変更する際の動作は阻害されない。
延長管１５が吸気通路７の径方向内側に突出しつつ、ＥＧＲ導入口１が吸気ポート１０２の側に突出する構成であるため、吸気ポート１０２の形状を変更することなく、本吸気マニホルド１００を適用可能なエンジンのバリエーションが広がる。
さらに、延長管１５によってＥＧＲ導入口１を突出させている構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することもできる。
なお、延長管１５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、延長管１５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第二別実施形態〕
上述の実施形態では、ＥＧＲ導入口１を延長管１５によって吸気ポート１０２の側へ突出させているが、図９に示すごとく、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００と一体形成しても良い。本実施形態であれば、吸気マニホルド１００とは別体の延長管を設置する手間を省くことができると共に、延長管が離脱する虞もない。
なお、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、ＥＧＲ通路５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第三別実施形態〕
上述の別実施の形態１及び２では、ＥＧＲ通路５が出口ポート３の径方向内側に配置された例を示したが、ＥＧＲ通路５が吸気通路７と干渉しない例を図面に基づいて説明する。
図１０に示すごとく、少なくとも、シリンダヘッド１１０の側の吸気通路７を径方向外側へ凸状形状に一部拡径してある。ＥＧＲ通路５は、出口ポート３の径方向外側において吸気通路７と並列になるよう形成され、その先端であるＥＧＲ導入口１は拡径部１０３に向けて開口するよう拡径部１０３にまで延長されている。即ち、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７の外部に形成されており、吸気通路７の断面エリアの外側に位置する。このように、ＥＧＲ通路５が吸気通路７の内部に位置せず、互いに干渉しないよう構成することで、タンブル制御弁２の形状につき設計の自由度が高まる。また、吸気通路７内の凹凸がほとんどないため吸気の流通が疎がされず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
さらに、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００に一体成形してあるため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルド１００と別体とする場合と比べて、部品点数が低減され、製作コストを抑えられると共に、別体のＥＧＲ通路を着脱する手間も、その別体のＥＧＲ通路が離脱する虞もない。
図１１に示すごとく、ＥＧＲ通路５の一部または全部を、吸気マニホルド１００とは別体の延長管１５で形成しても良い。延長管１５は、ＥＧＲ導入口１とは反対側の端部をＥＧＲ通路１５に接続されつつ、吸気マニホルド１００に、または、吸気マニホルド１００及びシリンダヘッド１１０に、固定されている。延長管１５によってＥＧＲ導入口１を出口ポート３よりも気筒１０１の側へ突出させる構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することが可能となる。
本発明は、自動車のエンジンだけでなく、他の内燃機関についても適用可能である。
１ ＥＧＲ導入口
２ タンブル制御弁
３ 出口ポート
４ ＥＧＲサージタンク
５ ＥＧＲ通路
７ 吸気通路（吸気経路）
１１ 切欠部
１３ 内周壁
１４ 隙間
１５ 延長管
１００ 吸気マニホルド
１０１ 気筒
１０２ 吸気ポート
Ｅ ＥＧＲガス（排気還流ガス）
本発明は、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とを備えた吸気マニホルドに関する。
従来、排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガス」とする）を内燃機関の吸気経路に導入し、排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減することが知られている。窒素は超高温になると、酸化して有害な窒素酸化物となる。しかし、ＥＧＲガスを吸気経路に導入することで、吸気中の酸素濃度が低くなり燃料がゆるやかに燃えるようになると共に、酸素より温まり難い二酸化炭素の濃度が高くなる。このため、燃焼温度が上がり難くなり、窒素酸化物の生成を抑えることができる。
さらに、吸気経路にタンブル制御弁を備え、吸気流速が遅いアイドリング時等においてタンブル制御弁により吸気経路を絞ると、吸気速度が速まり、気筒内でのタンブル流（渦流）の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進されることが知られている。この結果、燃料と吸気との混合率が高まって、内燃機関の燃焼効率を向上させることができるとされている。
例えば、エンジンのシリンダヘッドにタンブル制御弁を備え、タンブル制御弁のやや下流側にＥＧＲ開口部を備えた技術がある（特許文献１及び特許文献２）。この技術によると、上述のＥＧＲガスの効果とタンブル制御弁の効果とを得つつ、ＥＧＲガスに含まれるカーボン等の異物がタンブル制御弁に付着することがない。したがって、回転抵抗の増大によってタンブル制御弁が正常に動作しなくなることを防止することができる。また、カーボン等がタンブル制御弁周辺の吸気経路の内周壁に付着することもなく、タンブル流を生成する際の吸気の弁漏れ量が変化し、タンブル流の強度が不安定になることがない。したがって、エンジンの燃焼効率の低下を抑制することができる。
また、特許文献１の技術によると、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の近傍に配置することにより、効果的にＥＧＲガスがタンブル流に乗って気筒内へ流れ込む。このため、気筒内において、吸気と燃料との混合気を取り巻くようにＥＧＲガスが存在し、ＥＧＲガスの断熱作用によって、燃焼温度の冷却損失を抑制することができるとされていた。
特開２００８−１２８１８０号 特開平１０−２７４１０４号
通常、エンジンのシリンダヘッドは金属製であるため、特許文献１及び２の技術のごとく、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁をシリンダヘッドの吸気経路に備えると、製品の加工や組付け等に手間がかかり、コストアップの要因となる。さらに、タンブル制御弁の交換や、ＥＧＲ導入口付近の清掃に際しても、非常に手間が掛かり、メンテナンス性が低下する虞もあった。
一方、コスト削減のため、吸気マニホルドを、成形が容易である樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備える要望がある。しかし、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁の吸気方向下流側に配置されるべきであり、タンブル制御弁を吸気マニホルドの吸気方向最下流に配置することができない。よって、タンブル制御弁と気筒とが離れてしまい、タンブル流が管路抵抗によって減衰し、適正なタンブル流が維持されなくなる虞がある。このように、吸気マニホルドを樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備えるには問題があった。
本発明は上記実情に鑑み、ＥＧＲガスの適正な導入とタンブル制御弁の適正な動作とを実現可能な樹脂製の吸気マニホルドを提供することを目的としている。
本発明に係る吸気マニホルドの第一特徴構成は、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能で、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有するタンブル制御弁とを備え、前記吸気マニホルドを前記内燃機関に組付けた状態で、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもと前記タンブル制御弁とが交わらず、且つ、前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が前記切欠部の領域と交わるよう構成した点にある。
本構成によると、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、吸気経路を開放する開姿勢と吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能なタンブル制御弁とを備えている。
吸気マニホルドは樹脂製であるため、形状が複雑であっても射出成形等により容易に成形することができる。そのため、タンブル制御弁の組付け部やＥＧＲ導入口の加工が容易であり、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を金属性であるシリンダヘッドに備える場合と比べて、タンブル制御弁の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁の動作精度の向上を図ることもできる。また、製造コストを抑えることもできる。
また、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁とが交わらないため、ＥＧＲ導入口の周りに排気凝縮水が発生しても、その排気凝縮水がタンブル制御弁に滴ることがない。したがって、タンブル制御弁が酸化して腐食したり、寒冷地においてタンブル制御弁が凍結し作動しなくなったりするといった不具合が生じるのを抑制することができる。
さらに、閉姿勢のときに吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部をタンブル制御弁が有し、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が水平投影面上で切欠部の領域と交わる。このため、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の下流側に配置しつつ、吸気マニホルドの吸気方向最下流にタンブル制御弁を設置することができる。したがって、ＥＧＲガス導入による窒素酸化物量の低減の効果とタンブル制御弁による内燃機関の燃焼効率の向上の効果とを維持しつつ、タンブル制御弁と気筒との距離を短く抑えることができ、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第二特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを備えた点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンクとＥＧＲ導入口とを接続する接続管等が不要となり、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形することができるため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第三特徴構成は、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、前記吸気ポートに接続される出口ポートよりも前記気筒の側へ突出し、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路の開度を制限する閉姿勢とに姿勢変更可能であるタンブル制御弁とを備えた点にある。
本構成のように、樹脂製の吸気マニホルドにタンブル制御弁を備えた結果、タンブル制御弁の組付けが容易となり、タンブル制御弁の組付け精度が向上し、タンブル制御弁の動作精度の向上を図ることができる。また、タンブル制御弁の組付け部の加工が容易となり、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁をシリンダヘッドに備える場合と比べて、製造コストを抑えることができる。
さらに、ＥＧＲ導入口が出口ポートよりも気筒の側に突出しているため、ＥＧＲ導入口の位置に関わらず、タンブル制御弁はＥＧＲ導入口の上流に位置することとなる。即ち、タンブル制御弁を吸気マニホルドの吸気方向最下流に近づけて配置することができる。したがって、タンブル制御弁と気筒との距離を短く抑えることができ、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第四特徴構成は、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記出口ポートよりも前記気筒の側に前記タンブル制御弁の一部が突出し、前記吸気マニホルドを前記内燃機関に組付けた状態で、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもと前記タンブル制御弁とが交わらないよう構成した点にある。
本構成のように、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、タンブル制御弁の一部を吸気ポートに接続される出口ポートよりも気筒の側に突出させることで、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁との吸気方向の位置関係は維持しつつ、タンブル制御弁の回転軸芯が辛うじて吸気マニホルドに位置する程度に、タンブル制御弁をさらに吸気マニホルドの吸気方向最下流に近付けることができる。また、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁とが交わらないように構成することで、ＥＧＲ導入口の周りで排気凝結水が発生しても、その排気凝結水がタンブル制御弁に滴ることがない。
本発明に係る吸気マニホルドの第五特徴構成は、前記タンブル制御弁が、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有し、前記タンブル制御弁が前記閉姿勢のとき、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が前記隙間を通過するよう構成した点にある。
本構成のように、タンブル制御弁が閉姿勢のときでも、排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が、タンブル制御弁に設けた切欠部と吸気経路の内周壁との隙間を通過するよう構成することで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路を配置しても、閉姿勢のときに切欠部がＥＧＲ通路を跨ぐこととなる。このため、タンブル制御弁とＥＧＲ通路が接触することがなく、タンブル制御弁の姿勢変更動作は阻害されない。したがって、気筒側の吸気ポートの形状を変更することなく、ＥＧＲ導入口を吸気ポートの側に突出させることができ、本発明に係る吸気マニホルドを適用することができる内燃機関のバリエーションが広がる。
本発明に係る吸気マニホルドの第六特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が、前記出口ポートの径方向外側に前記吸気経路と並列形成された点にある。
本構成のように、出口ポートの径方向外側にＥＧＲ通路を吸気経路に並列して形成することで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路が位置しなくなる。即ち、吸気経路の断面エリアの外側にＥＧＲ通路が位置する。このため、タンブル制御弁の位置及び形状に関わらず、タンブル部制御弁とＥＧＲ通路とが接触せず、タンブル制御弁の姿勢変更動作が阻害されることがない。このとき、気筒の側の吸気経路においてＥＧＲ導入口が開口する箇所を一部拡径すれば、吸気経路の径方向内側にＥＧＲ導入口が突出することも無い。また、吸気経路内の凹凸が少なくなるため、吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第七特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の径方向内側に突出させた点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路が吸気経路の径方向内側に突出されている。したがって、気筒側の吸気ポートの形状を変更することなく、ＥＧＲ導入口を吸気ポートの側に突出させることができ、本発明に係る吸気マニホルドを適用することができる内燃機関のバリエーションが広がる。
本発明に係る吸気マニホルドの第八特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の外部に備えた点にある。
本構成のように、ＥＧＲ通路を吸気経路の外部に備えることで、出口ポートの径方向内側にＥＧＲ通路が位置しなくなる。即ち、吸気経路の断面エリアの外側にＥＧＲ通路が位置する。このため、タンブル制御弁の位置及び形状に関わらず、タンブル部制御弁とＥＧＲ通路とが接触せず、タンブル制御弁の姿勢変更動作が阻害されることがない。また、吸気経路内の凹凸が少なくなるため、吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第九特徴構成は、前記ＥＧＲ通路を前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドに一体成形するため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドと別体とする場合と比べて、部品点数を抑えられ、製作コストの低減できると共に、別体のＥＧＲ通路を着脱する手間も、その別体のＥＧＲ通路が離脱する虞もない。
本発明に係る吸気マニホルドの第十特徴構成は、前記ＥＧＲ通路が、前記ＥＧＲサージタンクに接続された延長管である点にある。
本構成であると、ＥＧＲ通路が吸気マニホルドと別体の延長管であるため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルドに一体成形できない場合等に有効である。また、延長管の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口の位置を容易に調整することもできる。
本発明に係る吸気マニホルドの第十一特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンクとＥＧＲ導入口とを接続する接続管等が不要に長くならず、また、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形するため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第十二特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留する前記ＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形した点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ通路が不要に長くならず、また、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形するため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルド全体を示す図である。 吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図２に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 タンブル制御弁を吸気方向に長くした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図４に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 吸気通路の傾きを大きくした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図６に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 第一別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第二別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。
以下、本発明に係る吸気マニホルドを自動車のエンジンに適用した例を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
筒内噴射式のエンジン（図示しない）は、一つまたは複数の気筒１０１を備え、図１に示すごとく、各々の気筒１０１は、シリンダヘッド１１０、燃焼室１１１、ピストン１１２、吸気弁１１３、及び排気弁１１４を備えている。吸入空気（以下、「吸気」と称する）は、ピストン１１２の下降に伴い、吸気経路としての吸気通路７を通り燃焼室１１１に流入する。燃焼室１１１において、図外のインジェクタから燃料が噴射され、吸気と燃料は混合する。燃焼後の排ガスは、ピストン１１２の上昇に伴い、排気弁１１４を介して排気通路１０４を通り、外部に排出される。インジェクタは、シリンダヘッド１１０の側の吸気経路としての吸気通路７に備えられていても良い。
本エンジンでは、図１において破線で示すごとく、排気ガスの一部を排気通路１０４から吸気通路７へ再循環させる。この排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガスＥ」と称する）を再循環させる機構は、ＥＧＲガスＥの流量を調節する図外の開閉バルブと、ＥＧＲガスＥが排気通路１０４へ逆流することを防止する図外のチェックバルブとを備えている。ＥＧＲガスＥの流量はエンジンの運転状態に応じて調整され、尚、ＥＧＲガスＥを再循環させる当該機構は周知の技術であるため詳細説明は省略する。
吸気マニホルド１００は、図１に示すごとく、サージタンク６を備えており、吸気マニホルド１００より吸気方向上流に備えられたスロットルバルブ（図示しない）の開閉によって吸気量が調整され、吸気は吸込口（図示しない）を介してサージタンク６に流入する。吸気マニホルド１００のうち吸気方向最下流である出口ポート３は、シリンダヘッド１１０に備えられた吸気ポート１０２に接続されている。サージタンク６に貯留された吸気は、吸気通路７を介して気筒１０１の燃焼室１１１に供給される。シリンダヘッド１１０と吸気マニホルド１００とに亘って吸気通路７が滑らかに繋がるよう、出口ポート３は吸気ポート１０２と同形状に形成してある。
吸気マニホルド１００は、ＥＧＲガスＥを貯留するＥＧＲ用サージタンク４、ＥＧＲガスＥを吸気通路７に放出するＥＧＲ導入口１、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続するＥＧＲ通路５、吸気通路７の開度を制限するタンブル制御弁２、及び、タンブル制御弁２を回転させる図外の回転モータを備えている。吸気マニホルド１００は樹脂製であるため、複数の部品を備えた構成であっても射出成形により容易に成形することができる。このように、タンブル制御弁２の組付け部やＥＧＲ導入口１等の加工が容易であるため、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２を金属製であるシリンダヘッド１１０に備える場合と比べて製造コストを抑えることができる。また、タンブル制御弁２の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁２の動作精度の向上を図ることもできる。
サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４は吸気マニホルド１００と一体成形してある。このため、ＥＧＲ用サージタンク４を別途備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続する接続管が不要となり、吸気マニホルドの周辺をコンパクトにすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンク４の製作工程が不要となるため、製作コストの低減を図ることができる。
ＥＧＲ通路５は、図１に示すごとく、吸気通路７に対して傾斜させてある。このため、ＥＧＲガスＥは吸気ポート１０２に向けてＥＧＲ導入口１から放出され、ＥＧＲガスＥは吸気通路７を流れる吸気流に乗って気筒１０１（図１参照）に到達し易い。また、ＥＧＲ導入口１及びＥＧＲ用サージタンク４が吸気通路７の鉛直方向上側に配置されているため、排気凝結水等がＥＧＲ導入口１に浸入せず、ＥＧＲ通路５が閉塞されることはない。
タンブル制御弁２の回転軸芯であるシャフト１２は、図３に示すごとく、ベアリング２１を介して吸気マニホルド１００に固定されており、回転モータの回転駆動によってタンブル制御弁２は回転自在で、開姿勢と閉姿勢とに姿勢変更可能である。タンブル制御弁２は、図１から３に示すごとく、ビス等によってシャフト１２に結合されている。さらに、タンブル制御弁２は、平面視凹状形状の切欠部１１を備えている。回転モータはエンジンコントロールユニット（図示しない）に接続されており、回転モータの動作はエンジンコントロールユニットによって制御される。
タンブル制御弁２を開姿勢及び閉姿勢に保持する機構は、図示はしないが、例えば、電磁力による弁保持機構であっても、吸気通路７の内周壁１３から径方向内側に向けて突出した突起部とタンブル制御弁２との当接による弁保持機構であっても良い。
タンブル制御弁２は、図２に示すごとく、開姿勢のとき吸気通路７に対して平行となり、吸気通路７が全開放される。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき、吸気通路７が閉塞されると共に、切欠部１１と吸気通路７の上側の内周壁１３との間に隙間１４が形成され、吸気通路７の開度が制限されて、吸気速度が速まる。よって、速度の速い吸気が燃焼室１１１に流入し、燃焼室１１１内でのタンブル流の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進され、吸気と燃料との混合率が高まる。
〔ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁との位置関係〕
図３は、前記吸気マニホルドを前記内燃機関に組付けた状態で、吸気マニホルド１００の吸気ポート１０２の付近を水平投影した図であって、（ａ）はタンブル制御弁２が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。本実施形態においては、図３に示すごとく、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁２とが交わらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が切欠部１１の領域と交わるよう、ＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。即ち、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にある。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁２とが交わらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が切欠部１１の領域と交わらないよう、ＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。即ち、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの、切欠部１１の範囲内に位置しない。
ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極限まで近接させて、タンブル制御弁２を出口ポート３に極限まで近づけて配置することで、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。一方で、ＥＧＲ導入口１はタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するため、ＥＧＲガスＥに含まれるカーボン等がタンブル制御弁２に付着することはない。また、ＥＧＲ導入口１の周りで排気凝結水が発生しても、排気凝結水がタンブル制御弁２に滴ることがない。
ブローバイガス及びエバポレーションガス（燃料蒸気）が大気へ拡散することを防止するために、これらのガスを吸気通路に導入することがある。しかし、これらのガスがＥＧＲガスに曝されるとデポジットが発生する。デポジットがタンブル制御弁の吸気方向上流側で発生すると、タンブル制御弁にデポジットが付着し、タンブル制御弁の動作が阻害される虞がある。しかしながら、本構成であると、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁に対して吸気方向下流側に位置し、さらに、ＥＧＲガスは吸気方向下流側の気筒の側に向けて放出されるため、デポジットがタンブル制御弁に付着する虞はない。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは図２及び図３に示すように配置及び形成したが、これに限定されるものではない。即ち、吸気通路７の傾斜角度、タンブル制御弁２の回転角度範囲及び大きさ等によっては、水平投影面上での切欠部１１に対するＥＧＲ導入口１の配置が異なる場合がある。しかしながら、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならず、且つ、開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう構成すれば良い。例えば、図４及び図５、又は、図６及び図７に示すような配置であっても、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２は極限まで接近しており、本実施形態と同様の効果が得られる。
図４及び図５に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう設定してある。
図６及び図７に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの切欠部１１の範囲内に位置しない。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にある。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極力近付けるために、切欠部１１の形状を図３等に示すような切れ込みの深い凹状形状としたが、この形状に限定されるものではない。適正に吸気速度を速めることができ、且つ、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを近づけて配置できるならば他の形状であっても良い。
本実施形態において、サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４を吸気マニホルド１００に一体的に形成したが、これらは吸気マニホルド１００と別途に構成されていても良い。
本実施形態において、インジェクタを燃焼室の内部に配置した筒内噴射式のエンジンとしたが、これに限定されるものではない。インジェクタを気筒の側の吸気経路に配置してあっても良い。
〔第一別実施形態〕
上述の実施形態においては、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２が出口ポート３から突出していない例を示したが、ここでは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが、出口ポート３から気筒の側へ突出した例を図面に基づいて説明する。上述の実施形態と同様の構成については説明を省略し、同じ構成の箇所には同じ符号を付すこととする。
図８に示すごとく、吸気マニホルド１００にシャフト１２を辛うじて保持できる程度にまで、タンブル制御弁２を吸気方向下流に寄せて配置してある。少なくとも開姿勢のとき、タンブル制御弁２は出口ポート３よりも気筒の側へ突出する。このため、タンブル制御弁２より吸気方向下流側へＥＧＲガスＥを放出できるよう、且つ、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならないよう、ＥＧＲ通路５を延長管１５で延長し、ＥＧＲ導入口１を気筒の側へ突出させてある。ＥＧＲ導入口１の位置は、タンブル制御弁２より吸気方向下流側であれば良い。
また、閉姿勢のときに吸気通路７の内周壁１３との間に隙間１４を形成する切欠部１１をタンブル制御弁２に備えてある。切欠部１１は、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき吸気速度を速められ、延長管１５を跨ぐことができる程度の大きさである。このように、延長管１５が隙間１４を通過できるため、タンブル制御弁２が閉姿勢に姿勢変更する際の動作は阻害されない。
延長管１５が吸気通路７の径方向内側に突出しつつ、ＥＧＲ導入口１が吸気ポート１０２の側に突出する構成であるため、吸気ポート１０２の形状を変更することなく、本吸気マニホルド１００を適用可能なエンジンのバリエーションが広がる。
さらに、延長管１５によってＥＧＲ導入口１を突出させている構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することもできる。
なお、延長管１５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、延長管１５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第二別実施形態〕
上述の実施形態では、ＥＧＲ導入口１を延長管１５によって吸気ポート１０２の側へ突出させているが、図９に示すごとく、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００と一体形成しても良い。本実施形態であれば、吸気マニホルド１００とは別体の延長管を設置する手間を省くことができると共に、延長管が離脱する虞もない。
なお、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、ＥＧＲ通路５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第三別実施形態〕
上述の別実施の形態１及び２では、ＥＧＲ通路５が出口ポート３の径方向内側に配置された例を示したが、ＥＧＲ通路５が吸気通路７と干渉しない例を図面に基づいて説明する。
図１０に示すごとく、少なくとも、シリンダヘッド１１０の側の吸気通路７を径方向外側へ凸状形状に一部拡径してある。ＥＧＲ通路５は、出口ポート３の径方向外側において吸気通路７と並列になるよう形成され、その先端であるＥＧＲ導入口１は拡径部１０３に向けて開口するよう拡径部１０３にまで延長されている。即ち、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７の外部に形成されており、吸気通路７の断面エリアの外側に位置する。このように、ＥＧＲ通路５が吸気通路７の内部に位置せず、互いに干渉しないよう構成することで、タンブル制御弁２の形状につき設計の自由度が高まる。また、吸気通路７内の凹凸がほとんどないため吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
さらに、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００に一体成形してあるため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルド１００と別体とする場合と比べて、部品点数が低減され、製作コストを抑えられると共に、別体のＥＧＲ通路を着脱する手間も、その別体のＥＧＲ通路が離脱する虞もない。
図１１に示すごとく、ＥＧＲ通路５の一部または全部を、吸気マニホルド１００とは別体の延長管１５で形成しても良い。延長管１５は、ＥＧＲ導入口１とは反対側の端部をＥＧＲ通路１５に接続されつつ、吸気マニホルド１００に、または、吸気マニホルド１００及びシリンダヘッド１１０に、固定されている。延長管１５によってＥＧＲ導入口１を出口ポート３よりも気筒１０１の側へ突出させる構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することが可能となる。
本発明は、自動車のエンジンだけでなく、他の内燃機関についても適用可能である。
１ ＥＧＲ導入口
２ タンブル制御弁
３ 出口ポート
４ ＥＧＲサージタンク
５ ＥＧＲ通路
７ 吸気通路（吸気経路）
１１ 切欠部
１３ 内周壁
１４ 隙間
１５ 延長管
１００ 吸気マニホルド
１０１ 気筒
１０２ 吸気ポート
Ｅ ＥＧＲガス（排気還流ガス）
本発明は、ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁とを備えた吸気マニホルドに関する。
従来、排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガス」とする）を内燃機関の吸気経路に導入し、排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減することが知られている。窒素は超高温になると、酸化して有害な窒素酸化物となる。しかし、ＥＧＲガスを吸気経路に導入することで、吸気中の酸素濃度が低くなり燃料がゆるやかに燃えるようになると共に、酸素より温まり難い二酸化炭素の濃度が高くなる。このため、燃焼温度が上がり難くなり、窒素酸化物の生成を抑えることができる。
さらに、吸気経路にタンブル制御弁を備え、吸気流速が遅いアイドリング時等においてタンブル制御弁により吸気経路を絞ると、吸気速度が速まり、気筒内でのタンブル流（渦流）の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進されることが知られている。この結果、燃料と吸気との混合率が高まって、内燃機関の燃焼効率を向上させることができるとされている。
例えば、エンジンのシリンダヘッドにタンブル制御弁を備え、タンブル制御弁のやや下流側にＥＧＲ開口部を備えた技術がある（特許文献１及び特許文献２）。この技術によると、上述のＥＧＲガスの効果とタンブル制御弁の効果とを得つつ、ＥＧＲガスに含まれるカーボン等の異物がタンブル制御弁に付着することがない。したがって、回転抵抗の増大によってタンブル制御弁が正常に動作しなくなることを防止することができる。また、カーボン等がタンブル制御弁周辺の吸気経路の内周壁に付着することもなく、タンブル流を生成する際の吸気の弁漏れ量が変化し、タンブル流の強度が不安定になることがない。したがって、エンジンの燃焼効率の低下を抑制することができる。
また、特許文献１の技術によると、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の近傍に配置することにより、効果的にＥＧＲガスがタンブル流に乗って気筒内へ流れ込む。このため、気筒内において、吸気と燃料との混合気を取り巻くようにＥＧＲガスが存在し、ＥＧＲガスの断熱作用によって、燃焼温度の冷却損失を抑制することができるとされていた。
特開２００８−１２８１８０号 特開平１０−２７４１０４号
通常、エンジンのシリンダヘッドは金属製であるため、特許文献１及び２の技術のごとく、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁をシリンダヘッドの吸気経路に備えると、製品の加工や組付け等に手間がかかり、コストアップの要因となる。さらに、タンブル制御弁の交換や、ＥＧＲ導入口付近の清掃に際しても、非常に手間が掛かり、メンテナンス性が低下する虞もあった。
一方、コスト削減のため、吸気マニホルドを、成形が容易である樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備える要望がある。しかし、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁の吸気方向下流側に配置されるべきであり、タンブル制御弁を吸気マニホルドの吸気方向最下流に配置することができない。よって、タンブル制御弁と気筒とが離れてしまい、タンブル流が管路抵抗によって減衰し、適正なタンブル流が維持されなくなる虞がある。このように、吸気マニホルドを樹脂製とし、吸気マニホルドにＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を備えるには問題があった。
本発明は上記実情に鑑み、ＥＧＲガスの適正な導入とタンブル制御弁の適正な動作とを実現可能な樹脂製の吸気マニホルドを提供することを目的としている。
本発明に係る吸気マニホルドの第一特徴構成は、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能で、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有するタンブル制御弁とを備え、前記吸気マニホルドを前記内燃機関に組付けた状態で、前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもと前記タンブル制御弁とが交わらず、且つ、前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が前記切欠部の領域と交わるよう構成した点にある。
本構成によると、内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、排気還流ガスを気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、吸気経路を開放する開姿勢と吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能なタンブル制御弁とを備えている。
吸気マニホルドは樹脂製であるため、形状が複雑であっても射出成形等により容易に成形することができる。そのため、タンブル制御弁の組付け部やＥＧＲ導入口の加工が容易であり、ＥＧＲ導入口及びタンブル制御弁を金属性であるシリンダヘッドに備える場合と比べて、タンブル制御弁の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁の動作精度の向上を図ることもできる。また、製造コストを抑えることもできる。
また、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁とが交わらないため、ＥＧＲ導入口の周りに排気凝縮水が発生しても、その排気凝縮水がタンブル制御弁に滴ることがない。したがって、タンブル制御弁が酸化して腐食したり、寒冷地においてタンブル制御弁が凍結し作動しなくなったりするといった不具合が生じるのを抑制することができる。
さらに、閉姿勢のときに吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部をタンブル制御弁が有し、タンブル制御弁が開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が水平投影面上で切欠部の領域と交わる。このため、ＥＧＲ導入口をタンブル制御弁の下流側に配置しつつ、吸気マニホルドの吸気方向最下流にタンブル制御弁を設置することができる。したがって、ＥＧＲガス導入による窒素酸化物量の低減の効果とタンブル制御弁による内燃機関の燃焼効率の向上の効果とを維持しつつ、タンブル制御弁と気筒との距離を短く抑えることができ、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。
本発明に係る吸気マニホルドの第二特徴構成は、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを備えた点にある。
本構成であれば、吸気マニホルドに対してＥＧＲ用サージタンクを別途に備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンクとＥＧＲ導入口とを接続する接続管等が不要となり、吸気マニホルドをコンパクトな構成とすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンクを吸気マニホルドと一体成形することができるため、ＥＧＲ用サージタンクの製作工程が不要となり、製作コストの低減を図ることができる。
本発明に係る吸気マニホルド全体を示す図である。 吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図２に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 タンブル制御弁を吸気方向に長くした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図４に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 吸気通路の傾きを大きくした吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 図６に示す吸気マニホルドの吸気ポート付近を水平投影した図である。（ａ）はタンブル制御弁が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。 第一別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第二別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。 第三別実施形態に係る吸気マニホルドの吸気ポート付近の断面図である。
以下、本発明に係る吸気マニホルドを自動車のエンジンに適用した例を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
筒内噴射式のエンジン（図示しない）は、一つまたは複数の気筒１０１を備え、図１に示すごとく、各々の気筒１０１は、シリンダヘッド１１０、燃焼室１１１、ピストン１１２、吸気弁１１３、及び排気弁１１４を備えている。吸入空気（以下、「吸気」と称する）は、ピストン１１２の下降に伴い、吸気経路としての吸気通路７を通り燃焼室１１１に流入する。燃焼室１１１において、図外のインジェクタから燃料が噴射され、吸気と燃料は混合する。燃焼後の排ガスは、ピストン１１２の上昇に伴い、排気弁１１４を介して排気通路１０４を通り、外部に排出される。インジェクタは、シリンダヘッド１１０の側の吸気経路としての吸気通路７に備えられていても良い。
本エンジンでは、図１において破線で示すごとく、排気ガスの一部を排気通路１０４から吸気通路７へ再循環させる。この排気還流ガス（以下、「ＥＧＲガスＥ」と称する）を再循環させる機構は、ＥＧＲガスＥの流量を調節する図外の開閉バルブと、ＥＧＲガスＥが排気通路１０４へ逆流することを防止する図外のチェックバルブとを備えている。ＥＧＲガスＥの流量はエンジンの運転状態に応じて調整され、尚、ＥＧＲガスＥを再循環させる当該機構は周知の技術であるため詳細説明は省略する。
吸気マニホルド１００は、図１に示すごとく、サージタンク６を備えており、吸気マニホルド１００より吸気方向上流に備えられたスロットルバルブ（図示しない）の開閉によって吸気量が調整され、吸気は吸込口（図示しない）を介してサージタンク６に流入する。吸気マニホルド１００のうち吸気方向最下流である出口ポート３は、シリンダヘッド１１０に備えられた吸気ポート１０２に接続されている。サージタンク６に貯留された吸気は、吸気通路７を介して気筒１０１の燃焼室１１１に供給される。シリンダヘッド１１０と吸気マニホルド１００とに亘って吸気通路７が滑らかに繋がるよう、出口ポート３は吸気ポート１０２と同形状に形成してある。
吸気マニホルド１００は、ＥＧＲガスＥを貯留するＥＧＲ用サージタンク４、ＥＧＲガスＥを吸気通路７に放出するＥＧＲ導入口１、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続するＥＧＲ通路５、吸気通路７の開度を制限するタンブル制御弁２、及び、タンブル制御弁２を回転させる図外の回転モータを備えている。吸気マニホルド１００は樹脂製であるため、複数の部品を備えた構成であっても射出成形により容易に成形することができる。このように、タンブル制御弁２の組付け部やＥＧＲ導入口１等の加工が容易であるため、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２を金属製であるシリンダヘッド１１０に備える場合と比べて製造コストを抑えることができる。また、タンブル制御弁２の組付けが容易となるため、組付け精度が向上し、タンブル制御弁２の動作精度の向上を図ることもできる。
サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４は吸気マニホルド１００と一体成形してある。このため、ＥＧＲ用サージタンク４を別途備える場合と比べて、ＥＧＲ用サージタンク４とＥＧＲ導入口１とを接続する接続管が不要となり、吸気マニホルドの周辺をコンパクトにすることができる。また、ＥＧＲ用サージタンク４の製作工程が不要となるため、製作コストの低減を図ることができる。
ＥＧＲ通路５は、図１に示すごとく、吸気通路７に対して傾斜させてある。このため、ＥＧＲガスＥは吸気ポート１０２に向けてＥＧＲ導入口１から放出され、ＥＧＲガスＥは吸気通路７を流れる吸気流に乗って気筒１０１（図１参照）に到達し易い。また、ＥＧＲ導入口１及びＥＧＲ用サージタンク４が吸気通路７の鉛直方向上側に配置されているため、排気凝結水等がＥＧＲ導入口１に浸入せず、ＥＧＲ通路５が閉塞されることはない。
タンブル制御弁２の回転軸芯であるシャフト１２は、図３に示すごとく、ベアリング２１を介して吸気マニホルド１００に固定されており、回転モータの回転駆動によってタンブル制御弁２は回転自在で、開姿勢と閉姿勢とに姿勢変更可能である。タンブル制御弁２は、図１から３に示すごとく、ビス等によってシャフト１２に結合されている。さらに、タンブル制御弁２は、平面視凹状形状の切欠部１１を備えている。回転モータはエンジンコントロールユニット（図示しない）に接続されており、回転モータの動作はエンジンコントロールユニットによって制御される。
タンブル制御弁２を開姿勢及び閉姿勢に保持する機構は、図示はしないが、例えば、電磁力による弁保持機構であっても、吸気通路７の内周壁１３から径方向内側に向けて突出した突起部とタンブル制御弁２との当接による弁保持機構であっても良い。
タンブル制御弁２は、図２に示すごとく、開姿勢のとき吸気通路７に対して平行となり、吸気通路７が全開放される。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき、吸気通路７が閉塞されると共に、切欠部１１と吸気通路７の上側の内周壁１３との間に隙間１４が形成され、吸気通路７の開度が制限されて、吸気速度が速まる。よって、速度の速い吸気が燃焼室１１１に流入し、燃焼室１１１内でのタンブル流の発生が促進されると共に、燃料の霧化が促進され、吸気と燃料との混合率が高まる。
〔ＥＧＲ導入口とタンブル制御弁との位置関係〕
図３は、前記吸気マニホルドを前記内燃機関に組付けた状態で、吸気マニホルド１００の吸気ポート１０２の付近を水平投影した図であって、（ａ）はタンブル制御弁２が開姿勢のときの状態を示し、（ｂ）は閉姿勢のときの状態を示す。本実施形態においては、図３に示すごとく、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁２とが交わらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が切欠部１１の領域と交わるよう、ＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。即ち、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にある。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１から鉛直下方に向けて設定した直線の何れもとタンブル制御弁２とが交わらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の部分から鉛直下方に向けて設定した直線が切欠部１１の領域と交わらないよう、ＥＧＲ導入口１の位置及び形状を決定してある。即ち、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの、切欠部１１の範囲内に位置しない。
ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極限まで近接させて、タンブル制御弁２を出口ポート３に極限まで近づけて配置することで、管路抵抗による吸気速度の減衰を抑制することができる。一方で、ＥＧＲ導入口１はタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するため、ＥＧＲガスＥに含まれるカーボン等がタンブル制御弁２に付着することはない。また、ＥＧＲ導入口１の周りで排気凝結水が発生しても、排気凝結水がタンブル制御弁２に滴ることがない。
ブローバイガス及びエバポレーションガス（燃料蒸気）が大気へ拡散することを防止するために、これらのガスを吸気通路に導入することがある。しかし、これらのガスがＥＧＲガスに曝されるとデポジットが発生する。デポジットがタンブル制御弁の吸気方向上流側で発生すると、タンブル制御弁にデポジットが付着し、タンブル制御弁の動作が阻害される虞がある。しかしながら、本構成であると、ＥＧＲ導入口はタンブル制御弁に対して吸気方向下流側に位置し、さらに、ＥＧＲガスは吸気方向下流側の気筒の側に向けて放出されるため、デポジットがタンブル制御弁に付着する虞はない。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは図２及び図３に示すように配置及び形成したが、これに限定されるものではない。即ち、吸気通路７の傾斜角度、タンブル制御弁２の回転角度範囲及び大きさ等によっては、水平投影面上での切欠部１１に対するＥＧＲ導入口１の配置が異なる場合がある。しかしながら、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならず、且つ、開姿勢及び閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう構成すれば良い。例えば、図４及び図５、又は、図６及び図７に示すような配置であっても、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２は極限まで接近しており、本実施形態と同様の効果が得られる。
図４及び図５に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にあるよう設定してある。
図６及び図７に示す吸気マニホルド１００は、タンブル制御弁２が開姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１は水平投影面上でタンブル制御弁２の吸気方向下流側に位置するものの切欠部１１の範囲内に位置しない。また、タンブル制御弁２が閉姿勢のときは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とは水平投影面上で重なっておらず、且つ、ＥＧＲ導入口１の吸気方向最上流側の位置は水平投影面上で切欠部１１の範囲内にある。
本実施形態において、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを極力近付けるために、切欠部１１の形状を図３等に示すような切れ込みの深い凹状形状としたが、この形状に限定されるものではない。適正に吸気速度を速めることができ、且つ、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とを近づけて配置できるならば他の形状であっても良い。
本実施形態において、サージタンク６及びＥＧＲ用サージタンク４を吸気マニホルド１００に一体的に形成したが、これらは吸気マニホルド１００と別途に構成されていても良い。
本実施形態において、インジェクタを燃焼室の内部に配置した筒内噴射式のエンジンとしたが、これに限定されるものではない。インジェクタを気筒の側の吸気経路に配置してあっても良い。
〔第一別実施形態〕
上述の実施形態においては、ＥＧＲ導入口１及びタンブル制御弁２が出口ポート３から突出していない例を示したが、ここでは、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが、出口ポート３から気筒の側へ突出した例を図面に基づいて説明する。上述の実施形態と同様の構成については説明を省略し、同じ構成の箇所には同じ符号を付すこととする。
図８に示すごとく、吸気マニホルド１００にシャフト１２を辛うじて保持できる程度にまで、タンブル制御弁２を吸気方向下流に寄せて配置してある。少なくとも開姿勢のとき、タンブル制御弁２は出口ポート３よりも気筒の側へ突出する。このため、タンブル制御弁２より吸気方向下流側へＥＧＲガスＥを放出できるよう、且つ、タンブル制御弁２が開姿勢及び閉姿勢のとき、ＥＧＲ導入口１とタンブル制御弁２とが水平投影面上で重ならないよう、ＥＧＲ通路５を延長管１５で延長し、ＥＧＲ導入口１を気筒の側へ突出させてある。ＥＧＲ導入口１の位置は、タンブル制御弁２より吸気方向下流側であれば良い。
また、閉姿勢のときに吸気通路７の内周壁１３との間に隙間１４を形成する切欠部１１をタンブル制御弁２に備えてある。切欠部１１は、タンブル制御弁２が閉姿勢のとき吸気速度を速められ、延長管１５を跨ぐことができる程度の大きさである。このように、延長管１５が隙間１４を通過できるため、タンブル制御弁２が閉姿勢に姿勢変更する際の動作は阻害されない。
延長管１５が吸気通路７の径方向内側に突出しつつ、ＥＧＲ導入口１が吸気ポート１０２の側に突出する構成であるため、吸気ポート１０２の形状を変更することなく、本吸気マニホルド１００を適用可能なエンジンのバリエーションが広がる。
さらに、延長管１５によってＥＧＲ導入口１を突出させている構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することもできる。
なお、延長管１５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、延長管１５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第二別実施形態〕
上述の実施形態では、ＥＧＲ導入口１を延長管１５によって吸気ポート１０２の側へ突出させているが、図９に示すごとく、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００と一体形成しても良い。本実施形態であれば、吸気マニホルド１００とは別体の延長管を設置する手間を省くことができると共に、延長管が離脱する虞もない。
なお、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７に対して径方向内側に完全に突出していなくても良い。例えば、図示はしないが、ＥＧＲ通路５のうち横方向の一部や縦方向の一部分が吸気通路７に対して径方向内側に突出するよう構成してあっても良い。
〔第三別実施形態〕
上述の別実施の形態１及び２では、ＥＧＲ通路５が出口ポート３の径方向内側に配置された例を示したが、ＥＧＲ通路５が吸気通路７と干渉しない例を図面に基づいて説明する。
図１０に示すごとく、少なくとも、シリンダヘッド１１０の側の吸気通路７を径方向外側へ凸状形状に一部拡径してある。ＥＧＲ通路５は、出口ポート３の径方向外側において吸気通路７と並列になるよう形成され、その先端であるＥＧＲ導入口１は拡径部１０３に向けて開口するよう拡径部１０３にまで延長されている。即ち、ＥＧＲ通路５は、吸気通路７の外部に形成されており、吸気通路７の断面エリアの外側に位置する。このように、ＥＧＲ通路５が吸気通路７の内部に位置せず、互いに干渉しないよう構成することで、タンブル制御弁２の形状につき設計の自由度が高まる。また、吸気通路７内の凹凸がほとんどないため吸気の流通が阻害されず、乱流の発生が低減されると共に、効率よく吸気を気筒に送ることができる。
さらに、ＥＧＲ通路５を吸気マニホルド１００に一体成形してあるため、ＥＧＲ通路を吸気マニホルド１００と別体とする場合と比べて、部品点数が低減され、製作コストを抑えられると共に、別体のＥＧＲ通路を着脱する手間も、その別体のＥＧＲ通路が離脱する虞もない。
図１１に示すごとく、ＥＧＲ通路５の一部または全部を、吸気マニホルド１００とは別体の延長管１５で形成しても良い。延長管１５は、ＥＧＲ導入口１とは反対側の端部をＥＧＲ通路１５に接続されつつ、吸気マニホルド１００に、または、吸気マニホルド１００及びシリンダヘッド１１０に、固定されている。延長管１５によってＥＧＲ導入口１を出口ポート３よりも気筒１０１の側へ突出させる構成であるため、延長管１５の形状や長さを調整すれば、ＥＧＲ導入口１の位置を容易に調整することが可能となる。
本発明は、自動車のエンジンだけでなく、他の内燃機関についても適用可能である。
１ ＥＧＲ導入口
２ タンブル制御弁
４ ＥＧＲ用サージタンク
５ ＥＧＲ通路
７ 吸気通路（吸気経路）
１１ 切欠部
１３ 内周壁
１４ 隙間
１００ 吸気マニホルド
１０１ 気筒
１０２ 吸気ポート
Ｅ ＥＧＲガス（排気還流ガス）

Claims (12)

  1. 内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、
    排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、
    前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路を閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能で、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有するタンブル制御弁とを備え、
    前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口と前記タンブル制御弁とが水平投影面上で重ならず、且つ、前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記ＥＧＲ導入口の吸気方向最上流側の位置が水平投影面上で前記切欠部の範囲内にあるよう構成した吸気マニホルド。
  2. 前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを備えた請求項１に記載の吸気マニホルド。
  3. 内燃機関の気筒の吸気ポートに接続される樹脂製の吸気マニホルドであって、
    前記吸気ポートに接続される出口ポートよりも前記気筒の側へ突出し、排気還流ガスを前記気筒の側に向けて放出するＥＧＲ導入口と、
    前記気筒への吸気経路を開放する開姿勢と前記吸気経路の開度を制限する閉塞する閉姿勢とに姿勢変更可能であるタンブル制御弁とを備えた吸気マニホルド。
  4. 前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のうち少なくとも一方のとき、前記出口ポートよりも前記気筒の側に前記タンブル制御弁の一部が突出し、
    前記タンブル制御弁が前記開姿勢及び前記閉姿勢のとき、前記ＥＧＲ導入口と前記タンブル制御弁とが水平投影面上で重ならないよう構成した請求項３に記載の吸気マニホルド。
  5. 前記タンブル制御弁が、前記閉姿勢のときに前記吸気経路の内周壁との間に隙間を形成する切欠部を有し、
    前記タンブル制御弁が前記閉姿勢のとき、前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が前記隙間を通過するよう構成した請求項３または４に記載の吸気マニホルド。
  6. 前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路が、前記出口ポートの径方向外側に前記吸気経路と並列形成された請求項３または４に記載の吸気マニホルド。
  7. 前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の径方向内側に突出させてある請求項３または４に記載の吸気マニホルド。
  8. 前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクと前記ＥＧＲ導入口とを接続するＥＧＲ通路を、前記吸気経路の外部に備えた請求項３または４に記載の吸気マニホルド。
  9. 前記ＥＧＲ通路を前記吸気マニホルドに一体成形してある請求項５から８の何れか一項に記載の吸気マニホルド。
  10. 前記ＥＧＲ通路が、前記ＥＧＲサージタンクに接続された延長管である請求項５から８の何れか一項に記載の吸気マニホルド。
  11. 前記排気還流ガスを貯留するＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形してある請求項３または４に記載の吸気マニホルド。
  12. 前記排気還流ガスを貯留する前記ＥＧＲ用サージタンクを前記吸気マニホルドに一体成形してある請求項５から１０の何れか一項に記載の吸気マニホルド。
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