WO2013118650A1

WO2013118650A1 - 内燃機関の可変吸気装置

Info

Publication number: WO2013118650A1
Application number: PCT/JP2013/052342
Authority: WO
Inventors: 修大木
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-08-15

Abstract

　複数の吸気制御弁（７）が取り付けられた回転軸部材（８）は、所定の２つの吸気制御弁（７）間が吸気マニホールド（１）内の軸受穴（２６）に固定されたボールベアリング（２８）に回転可能に支持されている。このボールベアリング（２８）は、軸受穴（２６）に挿入された吸気制御弁（７）のジャーナル部（２２）の端面によって覆われ、ボールベアリング（２８）とブランチ部（３）内部との間には、軸受穴（２６）とジャーナル部（２２）とによりクランク状の間隙（２９）が形成されている。これによって、ブランチ部（３）内を流れる吸気中のダストがボールベアリング（２８）の可動部分に混入してしまうことを抑制することができる。

Description

内燃機関の可変吸気装置

　本発明は、内燃機関の可変吸気装置に関する。

　吸気通路に設けられた吸気制御弁の駆動することで、吸気制御弁が設けられた位置における吸気通路の通路断面積を可変して、吸気の流れを制御する可変吸気装置が従来から知られている。

　例えば、特許文献１には、吸気マニホールドに通路長の長い低回転用の吸気通路と通路長の短い高回転用の吸気通路とが形成され、内燃機関の運転状態に応じて吸気通路の実効長さを切り替えることにより、内燃機関の出力向上を図るようにした可変吸気装置が開示されている。

　この特許文献１の可変吸気装置においては、高回転用の吸気通路に設けられた切替弁が、当該切替弁を貫通する駆動軸部材を回転駆動することにより開閉され、吸気が流れる吸気通路の全長が変更される。

　ここで、この特許文献１における上記駆動軸部材の一端は、上記切替弁を開閉駆動するアクチュエータに連結されている。また、上記駆動軸部材は、複数の樹脂製の中間軸受部材によって回転可能に支持されているが、その他端は、上記中間軸受部材よりも形状精度が良い金属製で円環状の端部軸受部材によって回転可能に支持されている。

　このような特許文献１においては、上記アクチュエータに連結されていない上記駆動軸部材の他端を形状精度を向上させた上記端部軸受部材によって拘束したり、上記端部軸受部材や上記中間軸受部材としてボールベアリングを用いることで、上記駆動軸部材と軸受部材との間のクリアランスを小さく設定することができ、吸気脈動に伴う吸気圧力が上記切替弁に作用しても、上記駆動軸部材の振動を抑制することができる。

　しかしながら、上記他端側軸受部材や上記中間軸受部材をボールベアリングに置き替えると、上記ボールベアリングは、吸気マニホールド内に配置されることになるため、ボールベアリングの可動部分に吸気通路内のダストが混入してしまい、ボールベアリングの可動部分から異音が発生したり、場合によってはボールベアリングの可動部分が焼き付きを起こしてしまう虞がある。

特開２００４－６０５２５号公報

　そこで、本発明は、複数の吸気制御弁が取り付けられた回転軸が吸気マニホールドに対して回転可能に支持された内燃機関の可変吸気装置において、隣り合う所定の２つの吸気制御弁間では、上記回転軸部材が上記吸気マニホールド内の収容凹部に固定された転がり軸受けに回転可能に支持され、上記転がり軸受けは、上記収容凹部に挿入される吸気制御弁のジャーナル部の端面によって覆われ、上記転がり軸受けと上記吸気通路内部との間には、上記収容凹部と上記ジャーナル部とによりクランク状の間隙が形成されていることを特徴としている。

　本発明によれば、転がり軸受けが吸気制御弁のジャーナル部によって覆われ、転がり軸受けと吸気通路内部との間にはクランク状の間隙が形成されているので、吸気通路内を流れる吸気中のダストが転がり軸受けの可動部分に混入してしまうことを抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の可変吸気装置が適用された吸気マニホールドの概略構成を示す平面図。本発明に係る内燃機関の可変吸気装置が適用された吸気マニホールドの概略構成を示す断面図。図１のＡ－Ａ線に沿った断面図。ボールベアリングが配置された位置の構成を模式的に示す説明図。ボールベアリングが配置された位置の構成を模式的に示す説明図。吸気制御弁に作用する吸気圧力の変化を時系列で並べて示した説明図。

　以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１及び図２は、本発明の可変吸気装置が適用された吸気マニホールド１の概略構成を示している。

　この吸気マニホールド１は、直列４気筒の内燃機関（図示せず）に接続されるものであって、スロットル弁（図示せず）を介して吸気が導入されるコレクタ部２と、コレクタ部２内の空気を各気筒へ分配する４本のブランチ部３と、を有し、４本のブランチ部３の下流側端に形成されたフランジ部４でシリンダヘッド（図示せず）に固定される。コレクタ部は、気筒列方向に沿って細長くなるように形成されている。なお、本実施例では、４本のブランチ部３は、図１における左端から順に、第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒に対応するものとする。つまり、ブランチ部３ａは第１気筒に対応し、ブランチ部３ｂは第２気筒に対応し、ブランチ部３ｃは第３気筒に対応し、ブランチ部３ｄは第４気筒に対応するものとする。

　ブランチ部３は、上流側となる一端がコレクタ部２に接続され、下流側となる他端の周囲にフランジ部４が形成された第１ポート５と、上流側となる一端がコレクタ部２に接続され、下流側となる他端が第１ポート５に接続された第２ポート６と、を有し、全体がコレクタ部２の周囲を取り囲むように湾曲した形状に形成されている。

　第１ポート５は、コレクタ部２の周囲を取り囲むように湾曲した形状に形成されている。第２ポート６は、下流側の一端が第１ポート５に接続され、上流側の他端がコレクタ部２に接続されている。詳述すると、第２ポート６の一端は、第１ポート５の一端と他端との間の位置で、第１ポート５に対して接続されている。また、第２ポート６の通路長は、第１ポート５の一端から、第１ポート５の第２ポート６一端が接続される位置までの通路長よりも短くなるように設定されている。そして、第２ポート６の一端は、吸気制御弁７によって開閉可能となっている。なお、第１ポート５ａ及び第２ポート６ａはブランチ部３ａに対応し、第１ポート５ｂ及び第２ポート６ｂはブランチ部３ｂに対応し、第１ポート５ｃ及び第２ポート６ｃはブランチ部３ｃに対応し、第１ポート５ｄ及び第２ポート６ｄはブランチ部３ｄに対応するものとする。

　ここで、吸気制御弁７が第２ポート６の一端を開閉することで、コレクタ部２内の吸気を上記内燃機関の燃焼室（図示せず）まで導く吸気通路を、通路長が相対的に短い短ポートあるいは通路長が相対的に長い長ポートに切り替え可能となっている。吸気制御弁７により第２ポート６を開状態とすると、コレクタ部２内の吸気は第２ポート６と第１ポート５の一部を流れて上記燃焼室に導入されることになるため、ブランチ部３における吸気通路長は相対的に短くなる。一方、吸気制御弁７により第２ポート６を閉状態とすると、コレクタ部２内の吸気は第１ポート５の全長を流れて上記燃焼室に導入されることになるため、ブランチ部３における吸気通路長は相対的に長くなる。

　図３に示すように、各吸気制御弁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、内燃機関の気筒列方向に沿って延びる金属製の一本の回転軸部材８に対して、直列に並んで固定されている。そして、吸気制御弁７を貫通する回転軸部材８が回転することで、各気筒の第２ポート６の一端の開閉が同時に実施される。回転軸部材８は、断面矩形に形成され、その一端側に取り付けられたアクチュエータ９により回転駆動される。

　吸気制御弁７は、第２ポート６の一端を開閉する矩形板状の弁本体２１と、弁本体２１の両側部から突出し、外周に円形の軸受面が形成されたジャーナル部２２と、弁本体２１の外周縁に設けられたシールリップ２３と、を有している。弁本体２１及びジャーナル部２２は、樹脂材料からなっている。弁本体２１は、その中央が回転軸部材８に貫通されている。吸気制御弁７の回転軸となるジャーナル部２２は、その中心が回転軸部材８に貫通されている。

　シールリップ２３は、ゴム材料からなり、第２ポート６の一端を閉状態とした際には、シールリップ２３が第２ポート６の一端の内周面に全周に亙って密着した状態となり、第２ポート６の一端から第１ポート５への吸気の流れをシールする。

　吸気制御弁７のジャーナル部２２は、樹脂材料からなる軸受部材２５の段付き状の軸受穴２６に挿入されており、ジャーナル部２２の外周面が軸受穴２６の内周面に回転可能に支持されている。軸受穴２６は、吸気マニホールド１内の収容凹部に相当するものである。つまり、回転軸部材８は、吸気制御弁７のジャーナル部２２を介して吸気マニホールド１に回転可能に支持される。

　そして、本実施例では、図４及び図５に示すように、第２気筒に対応するブランチ部３ｂと第３気筒に対応するブランチ部４ｃとの間の位置と、回転軸部材８の他端の位置とに、転がり軸受けとしてボールベアリング２８が配置されている。ボールベアリング２８が配置された位置では、吸気制御弁７のジャーナル部２２がボールベアリング２８に回転可能に支持されている。

　ボールベアリング２８に支持された吸気制御弁７のジャーナル部２２は、軸受部材２５に対してボールベアリング２８を介して支持されている。このジャーナル部２２は、図４に示すように、軸受部材２５に対して、直接接触しないようにボールベアリング２８に支持されている。また、ボールベアリング２８は、一方の端面が軸受部材２５に密着するように、軸受部材２５に取り付けられる。そして、ブランチ部３内の吸気通路側となるボールベアリング２８の他方の端面は、吸気制御弁７のジャーナル部２２によって覆われており、吸気制御弁７のジャーナル部２２に対して離間している。そのため、ボールベアリング２８に支持されるジャーナル部２２と、軸受部材２５の軸受穴２６との間の形成される間隙２９は、図４に示すように、クランク状に折れ曲がった形状に形成されている。

　つまり、ボールベアリング２８は、吸気マニホールド１内に配置されるものの、ボールベアリング２８の他方の端面はジャーナル部２２によって覆われ、ボールベアリング２８と吸気が流れるブランチ部３内部との間には、ジャーナル部２２と軸受穴２６とによりクランク状の間隙２９が形成されているので、シール部材等の別部品を設けることなく、ブランチ部３内を流れる吸気中のダストがボールベアリング２８の可動部分に混入してしまうことを抑制することができ、異物混入によるボールベアリング２８の可動部分からの異音や、異物混入によるボールベアリング２８の可動部分の焼き付き等を抑制することができる。

　また、ボールベアリング２８は、吸気マニホールド１内に配置され、吸気圧力が作用する吸気制御弁７に近接させることができるので、回転軸部材８の端部を吸気マニホールド１の外側に配置したボールベアリングで支持する場合に比べて、その大きさを相対的に小さくすることができる。

　ここで、吸気制御弁７には、ブランチ部３内の吸気圧力に応じた力が作用する。ブランチ部３内の吸気圧力は、内燃機関のクランクアングルに応じて変化する。本実施例の直列４気筒の４サイクル内燃機関では、上述した第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の点火順序となり、吸入行程となる気筒が変化するとブランチ部３内の吸気圧力が変化する。

　図６は、ブランチ部３内の吸気制御弁７に作用する吸気圧力の変化を時系列で並べて示した説明図であり、図６（ａ）は第１気筒が吸入行程のとき、図６（ｂ）は第３気筒が吸入行程のとき、図６（ｃ）は第４気筒が吸入行程のとき、図６（ｄ）は第２気筒が吸入行程のときをそれぞれ示している。なお、図６中における白抜き矢印は吸気圧力が負圧であることを示し、図６中における黒矢印は吸気圧力が正圧であることを示している。また、図６中における矢印の長さは、吸気圧力の大きさを表している。ここで、負圧及び正圧は、大気圧を基準としたものであり、大気圧よりも低い圧力を負圧とし、大気圧よりも高い圧力が正圧とする。そして、小さい負圧ほどが大気圧に近い圧力であり、小さい正圧ほど大気圧に近い圧力とする。

　図６に示すように、第１気筒が吸入行程の場合、第１気筒の吸気制御弁７ａには大きな負圧が作用し、第３気筒の吸気制御弁７ｃには第１気筒の吸気制御弁７ａよりも小さい負圧が作用する。また、第２気筒の吸気制御弁７ｂには比較的大きな正圧が作用し、第４気筒の吸気制御弁７ｄには、第２気筒の吸気制御弁７ｂよりも小さい正圧が作用する。第３気筒が吸入行程の場合、第３気筒の吸気制御弁７ｃには大きな負圧が作用し、第４気筒の吸気制御弁７ｄには第３気筒の吸気制御弁７ｃよりも小さい負圧が作用する。また、第１気筒の吸気制御弁７ａには比較的大きな正圧が作用し、第２気筒の吸気制御弁７ｂには、第１気筒の吸気制御弁７ａよりも小さい正圧が作用する。第４気筒が吸入行程の場合、第４気筒の吸気制御弁７ｄには大きな負圧が作用し、第２気筒の吸気制御弁７ｂには第４気筒の吸気制御弁７ｄよりも小さい負圧が作用する。また、第３気筒の吸気制御弁７ｃには比較的大きな正圧が作用し、第１気筒の吸気制御弁７ａには、第３気筒の吸気制御弁７ｃよりも小さい正圧が作用する。第２気筒が吸入行程の場合、第２気筒の吸気制御弁７ｂには大きな負圧が作用し、第１気筒の吸気制御弁７ａには第１気筒の吸気制御弁７ｂよりも小さい負圧が作用する。また、第４気筒の吸気制御弁７ｄには比較的大きな正圧が作用し、第３気筒の吸気制御弁７ｃには、第４気筒の吸気制御弁７ｄよりも小さい正圧が作用する。

　本実施例のような直列４気筒の４サイクル内燃機関では、吸入行程が第３気筒から第４気筒に移行する際や、吸入行程が第２気筒から第１気筒に移行する際に、第２気筒の吸気制御弁７ｂと第３気筒の吸気制御弁７ｃのうちの一方に負圧、他方に正圧が作用する状態から、一方に正圧、他方に負圧が作用する状態とに移行し、第２気筒の吸気制御弁７ｂ及び第３気筒の吸気制御弁７ｃに作用する吸気圧力の変化量が大きくなる。そのため、これら２つの吸気制御弁７ｂ、７ｃの振動もそれぞれ大きくなり、これら隣り合う２つの吸気制御弁７ｂ、７ｃ間において、回転軸部材８が大きく振動する可能性がある。

　特に、内燃機関の高出力化に伴い、当該の内燃機関の回転時に生じる吸気脈動が大きくなると、各吸気制御弁７に作用する吸気圧力が相対的に大きくなるため、これら隣り合う２つの吸気制御弁７ｂ、７ｃ間において、回転軸部材８が吸気マニホールド１に対して、極めて小さいクリアランス（例えば１０μｍ程度）でもって回転可能に支持されていなければ、回転軸部材８の振動により、回転軸部材８と吸気マニホールド１との間で打音が発生する可能性がある。なお、内燃機関は、吸気制御弁７により第２ポート６を閉状態とする際に、吸気制御弁７のシールリップ２３が第２ポート６の一端の内周面に全周に亙って密着させ、第２ポート６の一端から第１ポート５への吸気の流れ（抜け）を防止することでも、出力を相対的に高くすることができる。

　そこで、本実施例では、吸気脈動により大きく振動する可能性のある第２気筒の吸気制御弁７ｂと第３気筒の吸気制御弁７ｃとの間に、小さいクリアランスで対象物を回転可能に支持可能なボールベアリング２８を配置する。

　換言すれば、隣り合う２つの吸気制御弁７間のうち、所定気筒が吸気行程の際に、一方の吸気制御弁７に負圧、他方の吸気制御弁７に正圧が作用し、上記所定気筒が圧縮行程の際に、上記一方の吸気制御弁７に正圧、他方の吸気制御弁７に負圧が作用する位置にボールベアリング２８を配置する。さらに言い換えれば、４気筒の内燃機関において、隣り合う２つの吸気制御弁７間のうち、内燃機関のどの気筒が吸気行程であっても、隣り合うブランチ部３の一方に負圧が生じ他方のブランチ部３に正圧が生じる位置に、ボールベアリング２８を配置する。

　これによって、高出力化に伴い吸気脈動が大きくなるような内燃機関であっても、回転軸部材８の中で吸気脈動により大きく振動する可能性のある部分をボールベアリング２８により回転可能に支持することで回転軸部材８の振動を効果的に抑制することができる。そのため、吸気制御弁７及び回転軸部材８の振動に起因する衝突音や打音の発生を最小限の数のボールベアリング２８で、効果的に抑制することができる。

　また、回転軸部材８は、その一端が吸気マニホールド１に対して固定されたアクチュエータ９に連結されており、一端が吸気マニホールド１に対して大きく振動することはない。そこで、回転軸部材８の他端の位置にボールベアリング２８をさらに配置することで、回転軸部材８の両端が吸気マニホールド１に対して、実質的に極めて小さいクリアランスをもって回転可能に支持されることになり、吸気脈動に起因する回転軸部材８の振動をより一層効果的に抑制することができる。

　なお、上述した実施例では、回転軸部材８の他端の位置にもボールベアリング２８が配置されているが、回転軸部材８の他端の位置については、ボールベアリング２８を配置せず、吸気制御弁７ａのジャーナル部２２の外周面を、軸受穴２６の内周面で回転可能に支持するようにしてもよい。

　また、上述した実施例では、転がり軸受けとしてはボールベアリングを用いているが、ボールベアリング以外の転がり軸受けを適用することも可能である。

　そして、本発明は、吸気マニホールド１のブランチ部３に配置され、ブランチ部３の通路断面積を可変するような吸気制御弁、例えば、燃焼室内に流入した吸気にタンブル流やスワール流を付与するタンブルコントロール弁やスワールコントロール弁の軸受部分に対しても適用可能である。また、本発明は、直列４気筒以外の多気筒内燃機関に対しても適用可能である。

Claims

　内燃機関の各気筒に吸気を分配する複数の吸気通路が形成された吸気マニホールドと、
　上記各吸気通路内の吸気の流れを制御する複数の吸気制御弁と、
　気筒列方向に沿って延び、上記各吸気制御弁が取り付けられた回転軸部材と、
　上記回転軸部材の一端に取り付けられ、該回転軸部材を回転駆動することで上記各吸気制御弁を開閉駆動するアクチュエータと、を備え、上記回転軸部材が上記吸気マニホールドに対して回転可能に支持された内燃機関の可変吸気装置において、
　上記回転軸部材は、隣り合う所定の２つの吸気制御弁間が、上記吸気マニホールド内の収容凹部に固定された転がり軸受けに回転可能に支持され、
　上記吸気制御弁は、その両側部から突出するジャーナル部を有し、
　上記転がり軸受けは、上記収容凹部に挿入された上記ジャーナル部の端面によって覆われ、上記転がり軸受けと上記吸気通路内部との間には、上記収容凹部と上記ジャーナル部とによりクランク状の間隙が形成されている内燃機関の可変吸気装置。
　上記回転軸部材は、隣り合う２つの吸気制御弁間のうち、所定気筒が吸気行程となると、一方の吸気制御弁に負圧、他方の吸気制御弁に正圧が作用し、上記所定気筒の次の気筒が吸気行程となると、上記一方の吸気制御弁に正圧、他方の吸気制御弁に負圧が作用する位置において、上記転がり軸受けに回転可能に支持されている請求項１に記載の内燃機関の可変吸気装置。
　上記内燃機関は直列４気筒内燃機関であり、気筒列方向で中央に位置する２つの気筒に対応する２つの吸気制御弁間が、上記転がり軸受けによって支持されている請求項２に記載の内燃機関の可変吸気装置。
　上記回転軸部材の他端が、上記吸気マニホールド内の第２の収容凹部に固定された第２の転がり軸受けによって回転可能に支持され、
　上記第２の転がり軸受けは、上記第２の収容凹部に挿入される上記ジャーナル部の端面によって覆われ、上記第２の転がり軸受けと上記吸気通路内部との間には、上記第２の収容凹部と上記ジャーナル部とによりクランク状の第２の間隙が形成されている請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関の可変吸気装置。
　上記各吸気制御弁により、上記吸気マニホールド内の上記各吸気通路が通路長の短い短ポートまたは通路長の長い長ポートに切り替えられる請求項１～４のいずれかに記載の内燃機関の可変吸気装置。