JP2008308992A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気性能を低下させることなく、吸入空気の各気筒への均等分配を得ることができる内燃機関の吸気装置１０を提供する。
【解決手段】直列多気筒エンジン１のクランク軸方向と略平行に、その長手方向が配設されるサージタンク４の側壁に、略直交して接続される複数の分岐管５が、サージタンク４の長手方向に沿ってそれぞれ配列されて、各気筒に吸入空気を分配供給し、サージタンク４は側壁が一様に外側に向って凸状に湾曲してサージタンク４の長手方向に沿って断面積が漸次小さくなるように形成された吸気装置において、各分岐管５のサージタンク４内への突出部７は、開口端に向うにつれて拡径されるファンネル状に設けられ、各突出部７の各開口端の開口面積は、サージタンク４内を流れ、各開口端に流入する吸入空気の流速に対応して、それぞれ変えて、吸気性能を低下させることなく、吸入空気の各気筒への均等分配を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気を導入するサージタンクとサージタンクから内燃機関の各気筒に吸入空気をそれぞれ分配供給する分岐管を有する吸気マニホールドを備えた内燃機関の吸気装置に関する。

〔従来の技術〕
一般に、内燃機関に吸入される空気は、エアクリーナにて浄化されてスロットルボディ内のスロットル弁にて流量調整した後、吸気管で引き回されてサージタンク内に導入される。また、このサージタンクは、サージタンクと内燃機関の各気筒とを個別に連通する複数の分岐管を有する吸気マニホールドにて接続されており、吸気マニホールドの各分岐管を通じてサージタンク内の吸入空気が内燃機関の各気筒に分配供給される。

ところで、上記の吸入空気は、サージタンク内に特有の流速分布を形成して流入する。この特有の流速分布は、この吸気装置の吸気管の長さや曲がり等形状に依存して生じるものであり、このため、サージタンクは必要な容積を確保して、流速分布を解消すべく流れの動圧を静圧に変換して各気筒に吸入空気の均等分配を可能とするものである。しかし、車両搭載上サージタンクに十分な容積が確保できない状況にあって、なお、特有の流速分布が解消されずに残る場合がある。

流速分布が解消されずに残った場合の吸入空気は、吸気マニホールドの各分岐管に分配されるに際し、一般に、この流れの上流にて開口する分岐管ほど吸入されやすくなる。これにより、内燃機関の各気筒それぞれの吸入空気量に差が生じる（つまり、バラツキが生じる）ようになる。特に、このような吸入空気量の差が大きくなると、各気筒それぞれの燃焼状態が異なり、内燃機関の回転を安定化することができず、アイドリング時の騒音、振動の増加や内燃機関のふけ上がりを惹起させて、また、走行時においても出力トルク変動を起こして、内燃機関の性能低下を招くこととなる。

従って、内燃機関の各気筒それぞれの吸入空気量にバラツキが生じない均等な分配にするために、サージタンク内に導入された吸入空気が、一旦サージタンクの内壁に衝突して散乱した後に吸気マニホールドの各分岐管に分配供給されるようにサージタンク内に分配板を設けた提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。また、スロットルボディに接続するサージタンクから内燃機関の各気筒に個別に連通する複数の分岐管を有する吸気マニホールドとを備えた吸気構造において、サージタンクから各分岐管に分配される吸入空気の吸入圧力を均等にするために、スロットルボディ近傍から離間するに連れてサージタンクの断面積を漸次小さく形成する提案がなされている（例えば、特許文献２参照）。

〔従来技術の不具合〕
上記する特許文献１、２に開示される従来例の内燃機関の吸気装置によれば、いずれも吸入空気の分配性能の向上は図られる。しかし、これらの吸気装置では、それぞれ以下の点においてなお改善の余地を残すものとなっている。

まず、特許文献１に開示される内燃機関の吸気装置では、サージタンク内における吸入空気の流れに乱れを生じさせることで、各気筒の吸入空気量に対する吸入空気の流れの影響を低減して、その分配性能の向上を得ているものの、なお、流れの特有の速度分布は十分に解消されず、このため、分配板にてさらに吸入空気の流れの乱れを強くすると、流通損失も増えて、吸気性能が低下する懸念がある。

次に、特許文献２に開示される内燃機関の吸気装置（図２参照）では、各分岐管１０５のうちスロットルボディ１０３に近いものと遠いものとの吸入圧力の差は確かに小さくなっているが、各気筒の吸入空気量を計測してみると各気筒間での分配のバラツキは大きなものとなっている。ここで、図２は、特許文献２に開示される従来例の吸気装置１００の構成と特性を示したもので、（ａ）は各気筒間での吸入圧力および今回測定した吸入空気量の分配のバラツキを並べて示したグラフであり、（ｂ）は４気筒の内燃機関の吸気装置の構成を示した平面図である。

図２（ａ）に示すように、吸入空気量の各気筒（＃１〜＃４）毎の分配のバラツキは３％を超えており、これにより、出力トルクの変動による内燃機関１０１の性能低下や、アイドリング時の騒音、振動の増加など運転フィーリングの悪化が懸念される。分配のバラツキの許容限界は、内燃機関毎に、また、運転条件毎に変わるものであり、一概に上限値を決められるものではないが、分配のバラツキが小さいほど分配性能は良好といえ、経験的に３％程度以下をバラツキの許容限界とする場合が多い。

なお、図２（ａ）において、分配のバラツキは、所定の直列４気筒エンジンのＷＯＴ時の各気筒の吸入空気量の計測データを基に、各気筒間の平均吸入空気量からの各気筒のバラツキにて示し、吸入圧力は負圧で示している。また、サージタンク１０４は、その長手方向に沿って断面積が漸次小さくなるよう構成されたものである。
特開２００２−２３５６１９号公報 実開平５−３２７６４号公報

そこで、車両搭載性を考慮した内燃機関の吸気装置において、限られた容積と構造および配置が制約されるサージタンクにあって、吸入空気の流れによる動圧を積極的に静圧に変換するには限度があり、それでもなお残るサージタンク特有の流速分布による動圧の影響を、解消もしくは吸収するには新しい機構の検討が必要であり、サージタンクのみに限定するのでなく吸気マニホールドを含めた吸気装置全体の検討によって、吸気性能を低下させることなく、吸入空気の各気筒への均等分配を得ることができる内燃機関の吸気装置を提供することが課題となる。

よって、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、吸気性能を低下させることなく、吸入空気の各気筒への均等分配を得ることができる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の手段によれば、内燃機関の吸入空気を導入するサージタンクと、サージタンクと内燃機関の各気筒とをそれぞれ接続する複数の筒状の分岐管を有する吸気マニホールドとを備えた吸気装置であって、各気筒を直列に配置する直列多気筒内燃機関のクランク軸方向と略平行に、サージタンクの長手方向が配設され、長手方向の一方端には吸入空気の導入口が設けられ、各分岐管は、サージタンクの側壁に略直交して接続され、かつ、サージタンクの長手方向に沿ってそれぞれ個別に配列されて、各気筒に吸入空気を分配供給し、サージタンクは他の側壁が一様に外側に向って凸状に湾曲してサージタンクの長手方向に沿って断面積が漸次小さくなるように形成された内燃機関の吸気装置において、各分岐管のサージタンク内への突出部は、開口端に向かうにつれて拡径されるファンネル状に設けられ、各突出部の各開口端の開口面積は、サージタンク内を流れ、各開口端に流入する吸入空気の流速に対応して、それぞれ異なることを特徴としている。

これにより、サージタンクの容積を増やしたり、分配板を設けたりすることなく、簡単に、吸入空気の流れの特有な速度分布の影響が吸収でき、吸気性能を向上させるとともに各気筒への吸入空気の均等な分配供給がし易くなる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の手段によれば、内燃機関は３気筒以上の直列多気筒ガソリンエンジンであって、各突出部の各開口端の開口面積は、導入口から離間する最短位置の突出部と最長位置の突出部の各開口端の開口面積を、他の中間位置の各突出部の各開口端の開口面積より大きく設定することを特徴としている。

これにより、サージタンクの長手方向に沿って断面積が漸次小さくなることにより生じる流れの慣性力と流れのフローパスにより生じる流通損失との兼ね合いによって略一義的に決まる各突出部の各開口端での流速分布を吸収し、吸入空気の均等な分配供給が可能となる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の手段によれば、内燃機関は直列４気筒ガソリンエンジンであって、各突出部の各開口端の開口面積は、導入口から離間する最短位置の第１突出部と最長位置の第４突出部の各開口端の各開口面積を、中間位置の第２突出部および第３突出部の各開口端の開口面積より略３〜５％大きく設定したことを特徴としている。

これにより、各気筒への吸入空気の分配供給のバラツキを３％以内に低下させることができる。

この発明の最良の実施形態を、図に示す実施例１とともに説明する。

〔実施例１の構成〕
図１は、実施例１における内燃機関の吸気装置の構成と特性を示し、（ａ）は内燃機関の各気筒間の吸入空気量の分配のバラツキを示すグラフであり、（ｂ）は４気筒の内燃機関の吸気装置の構成と作動を一部断面で示す平面図である。

本実施例に示す吸気装置１０は、例えば、内燃機関である直列多気筒エンジン（以下、エンジンと呼ぶ）１に取付けられ、エンジン１のクランク軸方向（各気筒の直列方向と同じ）と略直交する向きに吸入空気を導入するように分岐管を有する吸気マニホールド６を配置し、吸気マニホールド６の上流に、その長手方向を各気筒の直列方向と略平行に向けてサージタンク４を配設し、同様にサージタンク４の長手方向と直交する向きに分岐管５をサージタンク内に流れる吸入空気の上流から下流に沿って個別に配列して吸入空気を各気筒に分配供給する構成の内燃機関の吸気装置に適用する。以下、図１に従って本実施例の吸気装置１０の構成を説明する。

吸気装置１０は、エンジン１の吸入空気の流量を調整するスロットルボディ３の下流の吸気管２に接続され、吸入空気の流れの圧力変化を緩和するサージタンク４と、サージタンク４から吸入空気をエンジン１の各気筒（本実施例では４気筒を採用する）へ個別に導入する分岐管５を備えた吸気マニホールド６とからなる。なお、サージタンク４は吸気マニホールド６と別体に構成されて接続されてもよく、また吸気マニホールド６と一体的に構成されてもよい。

そして、エンジン１に導入される吸入空気は、図示しないエアクリーナにて浄化されてスロットルボディ３内のスロットル弁（図示せず）にて流量調整された後、吸気管２で引き回されてサージタンク４内に導入される。また、このサージタンク４に導入される吸入空気は、大きな容積のサージタンク４内にて減速し、吸入空気が有する動圧が静圧に変換され、圧力変化が緩和されて後、個別に連通する各分岐管５を通じてエンジン１の各気筒に分配供給される。

ここで、サージタンク４は、図１（ｂ）に示すように、内部に空間を有する角筒状もしくは円筒状の構造壁で構成されるタンク（チャンバー）であり、その長手方向がエンジン１の各気筒の直列方向と略平行に配置され、吸入空気が長手方向の一方端に設けられる導入口８から流入し、長手方向の他方端に流れるように設定されている。そして、サージタンク４は、サージタンク４内を流れる吸入空気をサージタンク４の側壁に沿って配列された各分岐管５に均等に分配しやすいように、他の側壁が一様に外側に向って凸状に湾曲して、長手方向に沿ってその断面積が漸次小さくなるように構成されている。なお、ここで外側および内側とは、エンジン１を中心に眺めて、エンジン側を内側と呼び、反エンジン側を外側と呼ぶ。従って、各分岐管５が個別に配列される側壁を内側側壁と呼び、外側に向って凸状に湾曲する他の側壁を外側湾曲側壁と呼ぶ。

また、各分岐管５は、円筒状もしくは角筒状に形成されて、内部に吸入空気を流通する吸気通路を形成する配管部材である。そして、各分岐管５の一方端は、サージタンク４の内側側壁に、長手方向と略直交し、かつ、長手方向に沿って、個別に配列して接続されている。また、他方端は、同様に、エンジン１の各気筒の直列方向とも略直交して、各気筒に個別に接続される。そして、サージタンク４内の吸入空気を長手方向の内側に偏向させて個別に各気筒に分配供給する。

このとき、吸入空気の上流から下流に沿って個別に配列される各分岐管５は、サージタンク４の上流側にある導入口８から離間する最短位置の第１気筒に接続する第１分岐管５１と、最長位置の第４気筒に接続する第４分岐管５４、および、中間位置の第２分岐管５２、第３分岐管５３がそれぞれ構成される。

そして、さらに、個別の第１〜第４分岐管５１〜５４は、サージタンク４内に突出して突出部７を形成し、突出部７は開口端に向うにつれて内径が四分円状に拡がるファンネル状に設けられている。このとき、吸入空気の上流から下流に沿って個別に配列される第１分岐管５１〜第４分岐管５４に第１突出部７１〜第４突出部７４がそれぞれ対応する。

ファンネル形状は、従来から、流れの流量効率を高める技術としては公知であり、分岐管５の開口端から吸入空気を導入する際に、流入する空気が縮流を起こすことなく開口端の断面の内周全面を充満して通過することより流量効率が向上するものである。従って、突出部７がファンネル状に設けられることにより、吸気性能は突出部７がファンネル状に設けられないときより大幅に向上できる。

上記構成の吸気装置１０では、吸入空気がサージタンク４内で十分に圧力変化が緩和された場合には、流量効率の向上した突出部７を経由して、多量に、かつ、均等に各気筒内に分配される。しかし、実用上、サージタンク４の容積は制限されるので、十分に圧力変化の緩和がなされずに、動圧が残る場合がある。そして、この動圧が流れの慣性力として作用し、従来例のように、各気筒間の均等な分配が損なわれる。以下に、上記した構成の吸気装置１０の作動を述べ、この動圧による慣性力の影響について説明する。

図１（ｂ）に示すように、エンジン１に吸入される空気は、図示しないエアクリーナにて浄化されてスロットルボディ３にて流量調整された後、曲がり部を有する吸気管２を通過してサージタンク４内に導入される。このとき、吸気管２内を通過する流れは、吸気管２の曲がり部において、流れが曲がることにより曲がり部の外側が速い流速分布となって流れる。この流速分布は、曲がり部の曲率が大きいほど大きな分布となって現れ、従って、吸気管２を流れる吸入空気は流量の偏りをもってサージタンク４に流入することとなる。

サージタンク４に流入した吸入空気は、サージタンク４の大容積によって減速し、速度による動圧が静圧に変換されて圧力変化が緩和されるが、限られた所定の容積では即座の減速は起こらずに、流速または流量の運動量が慣性力として同様にサージタンク４内の流量分布を引き起こす。つまり、サージタンク４の外側湾曲側壁では相変わらず多量の流量が流れ、内側側壁での流量は少ないこととなる。

また、サージタンク４はその断面積が長手方向の上流側から下流側に向かうにつれて漸次小さくなるように形成されているため、外側湾曲側壁側では相変わらず多量に流れる吸入空気は、流れ方向に容積が減少することとフローパスが長くなることより流通損失が大きくなって流量が減ることとなる。従って、図１（ｂ）に、流速もしくは流量の流れる向きと大きさを実線矢印で示すように、サージタンク４に流入した吸入空気は、十分に圧力変化が緩和されないままに、長手方向内側に向って流れ、長手方向の上流側では流量は少なく、中間部では流量は多く、そして、下流側ではまた流量が少なくなるような流量の偏りをもつサージタンク４内での流量パターンを形成する。

従って、サージタンク４内の長手方向の各位置において流量の偏りをもつ吸入空気を、同等な開口面積の分岐管５にて接続したのでは、各気筒に導入される吸入空気の分配は不均等となってしまう。

そこで、本実施例では、サージタンク４の形状と容積の大きさに従って、予めサージタンク内の流量の偏りをもつ流量パターンを計測（シミュレーション）して、その流量の偏りを吸収して、均等な分配が可能なように各分岐管５の突出部７の開口端の開口面積を変えて構成することを特徴としている。なお、上記説明では、サージタンク４に導入される吸入空気の速度分布がサージタンク４内で流れの慣性力の影響を受け、流量の偏りを生じる流量分布を有する流量パターンとして説明したが、流速と流量とは等価と看做されるので、流量分布は流速分布、および流量パターンは流速パターンとして構わず、実用上、計測（シミュレーション）し易い方を採用すればよい。

本実施例では、従来例での各気筒間での吸入空気量の分配のバラツキが、図１（ａ）に示すように計測されることより、このバラツキ幅に対応して各突出部７の開口面積を変えている。具体的には、第１および第４突出部７１、７４の開口面積を第２および第３突出部７２、７３の開口面積より約３％大きくして形成している。これにより、図１（ａ）に示すように、分配のバラツキは略１％内に抑えることが可能となり、吸入空気の各気筒への均等分配を得ることができる。

また、第１および第４突出部７１、７４の開口面積を第２および第３突出部７２、７３の開口面積より約５％大きくして形成して各気筒間での吸入空気量の分配のバラツキを計測してみると、分配のバラツキは略３％内に抑えることが可能となる。分配のバラツキの経験的な許容限界である３％程度以下に分配のバラツキを抑えるには、本実施例で採用するエンジン１ならびに吸気装置１０においては、突出部７の開口面積の変化割合は３〜５％程度が好適であるといえる。

〔実施例１の作用〕
以上、上記構成の吸気装置１０の作用について説明する。
エンジン１の運転時には、スロットルボディ３にて流量調整される吸入空気が、吸気管２内で引き回されて通過し、特有の流速分布を有して、この吸気管２の下流側に接続されたサージタンク４内に流入する。

サージタンク４内に流入した吸入空気は、容積を有するサージタンク４内で一旦減速し、流速分布は緩和されるが、サージタンク４の外側湾曲側壁に沿って下流側内側に向って流される。このとき、吸入空気はこの長手方向を上流から下流に流れ、長手方向に沿って個別に分配するこのサージタンク４特有の流量分布を呈し、上流側と下流側が少なく、その中間側は多く流れるという流量分布をもつ。

そして、その後に、この流量分布を有したまま第１〜第４分岐管５１〜５４のそれぞれに分配されて流れるが、各分岐管５１〜５４の各突出部７１〜７４の各開口端の開口面積を流量分布（あるいは流速分布）に対応して変えているので、各気筒には略均等に分配供給される。

〔実施例１の効果〕
本実施例の吸気装置１０は、サージタンク４内の吸入空気の圧力変化が緩和されず流量分布が残っても、その流量分布に対応して開口端の開口面積を変えた突出部７を各分岐管５１〜５４に設けている。従って、サージタンク４の容積を増やしたり、分配板を設けたりすることなく、流量分布を計測（シミュレーション）するのみで、簡単に、吸入空気の流れの特有な流量分布の影響が吸収でき、吸気性能を向上するとともに各気筒への吸入空気の均等な分配供給が可能となる。これにより、エンジン１の運転を安定化でき、アイドリング時の騒音の減少やエンジン回転のふけ上がりを向上できる。

そして、本実施例で適用する直列４気筒エンジン１の吸気装置１０の突出部７においては、サージタンク４の吸入空気の導入口８から離間する最短位置の第１突出部７１と最長位置の第４突出部７４の開口面積を、中間位置の第２突出部７２および第３突出部７３より略３〜５％大きくすることが好適で、これにより、各気筒への吸入空気の分配供給のバラツキを３％以下に低下させることができる。

〔変形例〕
上記の実施例１では、本発明に係る内燃機関の吸気装置を直列４気筒エンジンに適用するようにしたが、これに限ることなく、３気筒以上の複数の気筒を有する直列多気筒エンジンの各気筒に分配供給する吸気装置にも適用できる。例えば、直列３気筒エンジンや、あるいは直列６気筒エンジンにおいても適用が可能である。

上記のような多気筒の場合にも、実施例１と同様な構成になるサージタンク４においては、吸入空気は圧力変化が十分に緩和されず、流速分布を残したまま各分岐管に流入することとなる。このとき、流速分布は、実施例１で説明したと同様に、吸入空気の上流側および下流側では減速され、中間側では増速される速度パターンを呈するので、サージタンク４の上流側で導入口８から離間する最短位置の突出部と、下流側で導入口８から離間する最長位置の突出部の各開口端の開口面積を、他の中間位置の各突出部の各開口端の開口面積より大きく設定することで、吸入空気を各気筒に略均等に分配供給することが可能となる。

（ａ）は内燃機関の各気筒間の吸入空気量の分配のバラツキを示すグラフであり、（ｂ）は４気筒の内燃機関の吸気装置の構成と作動を一部断面で示した平面図である（実施例１）。 （ａ）は内燃機関の各気筒間での吸入圧力および吸入空気量の分配のバラツキを並べて示したグラフであり、（ｂ）は４気筒の内燃機関の吸気装置の構成を示した平面図である（従来例）。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
４ サージタンク
５ 分岐管
６ 吸気マニホールド
７ 突出部
８ 導入口
１０ 吸気装置
７１ 第１突出部
７２ 第２突出部
７３ 第３突出部
７４ 第４突出部

Claims (3)

1. 内燃機関の吸入空気を導入する筒状のサージタンクと、該サージタンクと前記内燃機関の各気筒とをそれぞれ接続する複数の筒状の分岐管を有する吸気マニホールドと、を備えた吸気装置であって、
   前記各気筒を直列に配置する直列多気筒内燃機関のクランク軸方向と略平行に、前記サージタンクの長手方向が配設され、長手方向の一方端には吸入空気の導入口が設けられ、
   前記各分岐管は、前記サージタンクの側壁に略直交して接続され、かつ、前記サージタンクの長手方向に沿ってそれぞれ個別に配列されて、前記各気筒に吸入空気を分配供給し、
   前記サージタンクは他の側壁が一様に外側に向って凸状に湾曲して前記サージタンクの長手方向に沿って断面積が漸次小さくなるように形成された内燃機関の吸気装置において、
   前記各分岐管の前記サージタンク内への突出部は、開口端に向かうにつれて拡径されるファンネル状に設けられ、
   前記各突出部の各開口端の開口面積は、
   前記サージタンク内を流れ、各開口端に流入する吸入空気の流速に対応して、それぞれ異なることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記内燃機関は３気筒以上の直列多気筒ガソリンエンジンであって、
   前記各突出部の各開口端の開口面積は、
   前記導入口から離間する最短位置の突出部と最長位置の突出部の各開口端の開口面積を、他の中間位置の各突出部の各開口端の開口面積より大きく設定することを特徴とする内燃機関の吸気装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記内燃機関は直列４気筒ガソリンエンジンであって、
   前記各突出部の各開口端の開口面積は、
   前記導入口から離間する最短位置の第１突出部と最長位置の第４突出部の各開口端の各開口面積を、中間位置の第２突出部および第３突出部の各開口端の開口面積より略３〜５％大きく設定したことを特徴とする内燃機関の吸気装置。

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