JP4397943B2 - 旋回流発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに吸引される空気中に含まれた粉塵を、遠心力を利用して分離し、粉塵が除去された空気がエアクリーナに吸引されるようにした旋回流発生装置に関する。

図９に示すように、この種のエアクリーナは、主にインレットダクト８５、プリクリーナ８１及びエアクリーナ本体８６を備えている。前記インレットダクト８５に導入された粉塵を含む空気８４は、プリクリーナ８１内に設けられた旋回流発生装置８０により旋回力が与えられ、旋回流８２となる。このとき空気８４中の粉塵は遠心力を受けるため、プリクリーナ８１のダクト７１の中心側からダクト７１の内壁側に移動する。そして、エンジンに吸引される空気８４は図９の左から右へ流れるが、ダクト７１の内壁部近くの粉塵は下部の排塵弁８３に捕集され適宜排出される。粉塵が除去された空気はフィルタエレメント８８で更に細かな塵埃が除かれ清浄な空気８９としてエンジンに吸引される。

このようなプリクリーナ８１に用いられる旋回流発生装置８０は、図１０（ａ）に示すように、中心部のノーズコーン９１と外周の筒状のリング９２との間に、案内羽根９０が等間隔に配置された構造になっている。図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、そして、前記案内羽根９０は、上流側のガイドフィン９５と、下流側の変向フィン９３とが一体に設けられ、ガイドフィン９５により整流された空気８４は、所定の角度で傾斜している変向フィン９３により流れ方向を変えられ旋回流８２となる（特許文献１を参照）。
特開昭６３−１９２９５１号公報（図３及び図６を参照）

近年、車両のエンジン出力性能の向上は著しいものがあり、必然的にエンジンに吸入される空気の量も増大する。しかし、車両のサイズはそれほど変わるものではなく、しかも、エンジンルーム内の補機類の数も増える傾向にあって、吸気系機器設置のために許容される搭載空間の広さは限度がある。そのため、例えば吸気系ダクトの内径を大きくすることなく、吸引される空気の流速を高めることにより、高出力エンジンに対応することになる。このように高流速化される空気の粉塵を除去するため、上記従来型の旋回流発生装置８０を用いた場合、ガイドフィン９５と変向フィン９３との連結部を始点として空気流の剥離が生じる。この空気流の剥離は、吸気系管路において、騒音や異音を発生させるばかでなく、エンジンの制御系に対する悪影響を与え、例えば吸入空気流の量等を検出するエアフロメータの誤作動を引き起こし、さらには吸気効率を低下させてエンジン出力損失を招く等、各種の問題をもたらす。同時に、空気流の剥離は旋回流の発生の障害となり、粉塵除去という旋回流発生装置８０の本来の性能の低下の問題も発生する。

上記空気流の剥離を生じさせないためには、ガイドフィン９５と変向フィン９３とのなす角度を小さくすればよいが、角度を小さくすることは変向フィン９３の旋回流発生能力の低下に直結することになる。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、高速で吸引される空気に対応して有効に粉塵を除去することができると共に、騒音や脈動等の各種の問題点が発生することがない旋回流発生装置を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載の旋回流発生装置は、エアクリーナのフィルタエレメント側へ導入される空気通路内に設けられ、中心軸体と、その中心軸体の周りから外周側に向かって配置された複数の案内羽根とを有し、その案内羽根を、空気流を整流するために上流側に設けられたガイドフィンと、そのガイドフィンの下流側においてガイドフィンに対して傾斜するように設けられ、空気流に旋回力を付与する変向フィンとにより構成した旋回流発生装置において、前記変向フィンを、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る断面において、空気流方向に相互に傾斜状態で連結された複数の直線状をなす変向部分により構成し、前記複数の変向部分の空気流方向に対する傾斜角度は、空気流の下流に向かうほど増加するように設定され、前記複数の変向部分の前記ガイドフィンに対する傾斜角度は、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る断面における傾斜角度が、前記中心軸体側の傾斜角度より、外周側に向かうに従い徐々に大きくなっていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記変向フィンを構成する前記複数の変向部分は、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る全ての断面において、断面形状が所定角度で連結された直線状であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記ガイドフィンと変向フィンとの間の傾斜角度及び複数の変向部分間の傾斜角度は４５度未満であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、一枚の案内羽根の各傾斜角度の合計は、４５度以上９０度未満であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の発明において、前記中心軸体の軸方向において複数に分割された形状の分割部材を連結して構成したことを特徴とする。

（作用）
本発明の旋回流発生装置における案内羽根は、空気流を整流するためのガイドフィンの下流側に複数の変向部分よりなる変向フィンが設けられている。そのため、外気から導入された空気流が変向フィンにより流れ方向を方向変換される際、上流側の変向部で方向を変えられ、さらに連結部の下流側の変向部で流れを変えられて、空気流は旋回力を与えられる。このように空気流は少なくとも２回に亘って少しずつ方向変換を受ける。従って、一度に大きな方向変換を受ける場合と異なり、空気流は変向フィン全体により大きな角度で方向転換を受けたとしても、空気流が変向フィンから剥離することがない。そのため、空気流が変向フィンに沿わずに変向フィンから剥離することによって生じる、騒音や空気の脈動及び脈動による振動等を防ぐことができる。また、旋回流発生装置としての効率の低下や吸気圧力損失の増大等を防ぐことができる。

本発明によれば、旋回流発生装置に導入される空気流の流速が高速であっても、空気流が変向フィンから剥離することによって発生する笛吹き音に代表される騒音や異音等の問題が生じることなく、空気流に対して有効に旋回力を付与できる旋回流発生装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した旋回流発生装置の実施形態を図１〜７を用いて説明する。なお、従来技術と同一の構成については、その説明において用いた同一の符号を用いるものとする。

図１（ａ）は、旋回流発生装置１の上面図であり、（ｂ）は、その側面図である。図３に示すように、旋回流発生装置１は全体がプラスチックよりなり、図９に示すエアクリーナ本体８６内のフィルタエレメント８８に至る空気通路を形成するためのダクト７１内に組み込まれている。旋回流発生装置１は、中心軸体を構成するノーズコーン３１、リング３２、ノーズコーン３１とリング３２の間に一体形成された複数枚の案内羽根３０により構成されている。前記各案内羽根３０は、空気流の上流側のガイドフィン３５及びその下流側の変向フィン３６により一体形成されている。前記リング３２は、その外周面の適当位置において、ダクト７１の内周面に接着されている。

前記ノーズコーン３１の形状は図１（ｂ）の上部を砲弾型とする中空円筒状であり、前記リング３２の形状は変向フィン３６と高さ（空気流方向の寸法）を同一にする円筒状である。ノーズコーン３１の軸とリング３２の軸は同一であり、また旋回流発生装置１がダクト７１に組み込まれた場合、ノーズコーン３１の軸はダクト７１の軸とも同一となる。前記案内羽根３０の数は８枚であり、ノーズコーン３１の周囲に等間隔で配置されており、隣合う案内羽根３０の間には空隙３７が形成されている。

前記ガイドフィン３５は、ノーズコーン３１の頂部及び側面と変向フィン３６の上端との間を連結する略三角形の板状体であり、ノーズコーン３１の半径方向に、かつノーズコーン３１の軸に対し平行であるように配置されている。従って、このガイドフィン３５はダクト７１内の空気流をダクト軸方向に沿うように整流する。

図２に示すように、前記変向フィン３６は、稜線を有する連結部３８を介して前記ガイドフィン３５に所定の傾斜角度をもって連結している。その変向フィン３６は、断面直線状をなす変向部分としての上流側部３６ａと、稜線を有する連結部３８を介して前記上流側部３６ａに所定の傾斜角度をもって連結された断面直線状をなす変向部分としての下流側部３６ｂとにより構成されている。

すなわち、図２は、図１（ａ）においてノーズコーン３１の軸を中心とした半径ＲＫの円筒面（Ａ−Ａ線）に沿って案内羽根３０を断面して、その断面における一つの変向フィン３６を示したものである。変向フィン３６の前記上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂは、前記半径ＲＫの円筒面の位置に限らず、ノーズコーン３１の軸を中心とした全ての円筒面において断面形状が所定角度で連結された直線状である。そして、図２においては、上流側部３６ａはガイドフィン３５に対して第１角度Ｋ１＝３０度の角度で連結されている。下流側部３６ｂは上流側部３６ａに対して第２角度Ｋ２＝２０度の角度で連結されている。従って、第１，第２角度Ｋ１，Ｋ２の合計、すなわちガイドフィン３５に対する下流側部３６ｂの傾斜角度は５０度である。そして、ノーズコーン３１の軸方向に対する第１角度Ｋ１及び第２角度Ｋ２は、ノーズコーン３１側（中心側）の部分ほど小さく、リング３２側（外周側）の部分ほど大きい。言い換えれば、上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂの空気流に対する傾斜は、ノーズコーン３１側（中心側）の部分ほど小さく、リング３２側（外周側）の部分ほど大きい。ただし、リング３２側の端部の部分であっても、前記第１，第２角度Ｋ１，Ｋ２は４５度未満で、それらの合計は９０度未満である。また、リング３２側の端部の部分における第１，第２角度Ｋ１，Ｋ２の合計は、４５度以上であることが好ましい。

以上のように構成された旋回流発生装置１において、エンジンの稼働にともなう吸引空気流は、ガイドフィン３５によって整流されるとともに、変向フィン３６によって変向されて旋回流となる。このため、空気流に含まれる粉塵は遠心分離される。

ここで、上記実施形態の旋回流発生装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、変向フィン３６において、ノーズコーン３１の軸と同軸の円筒面で切った断面形状が所定角度で連結する２つの直線状をなす上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂから構成されている。その結果、例えば半径ＲＫの円筒面上において変向フィン３６はダクト７１の軸方向に対して第１角度Ｋ１＋第２角度Ｋ２＝５０度の傾斜を持つが、変向フィン３６の上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂはそれぞれ３０度，２０度傾斜するだけである。そのため、エンジンに吸引される空気流が高速であっても、変向フィン３６に関わる空気流の剥離を抑制して効率よく粉塵等を除去できる。従って、騒音や異音の発生、エンジンの制御系に対する悪影響及び吸気系部品に対する脈動振動等の問題をもたらさず、圧力損失増大等の問題のない、旋回流発生装置１を提供できる。

（２） ガイドフィン３５がノーズコーン３１の軸方向に平行な平板状をなすとともに、変向フィン３６の上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂがそれぞれノーズコーン３１の軸を中心とした円筒面上において直線状をなしているため、旋回流発生装置１を成形するための型の成形面の加工を容易に行うことができる。

次に、本実施形態の旋回流発生装置１の実施例及び比較例を用いて、空気流が旋回流となるときの様子を、コンピューターのシミュレーションを用いて説明する。
［実施例］
シミュレーションに用いた実施例の諸条件は以下の通りである。

リング３２の半径（内径）＝３２．７５ｍｍ
第１角度Ｋ１（半径ＲＫ＝２５ｍｍの円上）＝３０度
第２角度Ｋ２（半径ＲＫ＝２５ｍｍの円上）＝２０度
ノーズコーン３１の直径＝２５ｍｍ
リング３２（変向フィン２４）の高さ＝２２．４ｍｍ
ダクト７１の内径×長さ＝９９×１４０ｍｍ。

吸気量＝１５立米／分。
実施例のシミュレーションの結果を図５に示す。
図５は、図４のＢ−Ｂ線部分の断面を示した図である。図において、Ｂ１〜Ｂ５に示す部分において、ドットの密度が細かい部分ほど空気流の速度が遅いことを示し、ドットが存在しない部分（Ｂ５）は空気流の速度が最も速く、淀みなく流れ、層流となっている状態を示している。ここで、変向フィン３６の背面側及び下流側（Ｂ５の部分）が明るく示されており、空気流は変向フィン３６に沿って高速で流れて剥離現象を起こしていない様子が分かる。

このとき、空気流により発生した音圧を実際に測定した結果が図７（ａ）の実線で示した部分である。その測定は、図７（ｂ）に示すように、マイクロフォン６１をインレットダクト８５の開口部に設置して行われた。図７（ａ）からも明らかなように、いかなる周波数においても音圧にピーク値は現れず、実験観察者に耳障りな笛吹き音は聞こえなかった。

［比較例］
比較例として実施した従来型の旋回流発生装置８０のシミュレーション結果を図６に示す。このときの諸条件は、第１角度Ｋ１（ＲＫ）＝４５度、第２角度Ｋ２（ＲＫ）＝０度である以外、全て前記実施例の旋回流発生装置１と同一のものである。

図６に示すように、変向フィン９３の背面側と下流側に暗い部分（Ｂ３）が現れており、その部分で空気流の剥離や淀みが起きていることを示す。
この比較例の音圧測定結果は、図７（ａ）に一点鎖線で示したが、周波数が５００Ｈｚを超える位置においてピーク値が明確に現れ、実験観察者に耳障りな笛吹き音が聞こえた。

［考察］
以上のように、第１角度Ｋ１＝４５度において剥離現象が現れたのであるから、角度を４５度以上に大きくすれば、空気流の変向フィン９３からの剥離がより確実に現れる。

上記のように、第１角度Ｋ１、第２角度Ｋ２のそれぞれの最大値を４５度未満とすれば、変向フィン３６による空気流の剥離現象は起き難いことになる。
また、第１角度Ｋ１と、第２角度Ｋ２との合計が９０度を超えてしまうと、旋回流の発生は可能であるものの、ダクトの軸方向に対する空気流の旋回角度が急になるため、旋回発生装置内においてその上流側の空気流に対して逆流あるいはそれに近い流れを生じることになる。そのような流れは、吸気系ダクトとしての圧力損失に繋がり好ましくない。従って、第１角度Ｋ１と第２角度Ｋ２との合計角度は４５度以上９０度未満の範囲でエンジンの最大吸気量等を考慮して適宜選択すればよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した旋回流発生装置の第２の実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に図８を用いて説明する。

本実施形態の旋回流発生装置１は、ノーズコーン３１の軸方向において２つに分割された分割部材７４，７５を直列に連結して構成されている。ノーズコーン３１の先端部及びガイドフィン３５は一方の分割部材７４のみに設けられている。

そして、この第２実施形態においては以下の効果を得ることができる。
（３） 旋回流発生装置１が分割部材７４，７５により分割形成されているため、この旋回流発生装置１としてノーズコーン３１の軸方向に長いものとすることができる。すなわち、この第２実施形態と異なり、旋回流発生装置１として、軸方向に長く、かつ分割されない構成のものは、変向フィン３６間の空隙３７はその上流側開口端と下流側開口端とが円周方向においてずれて対応しない。このため、旋回流発生装置１を成形するための成形型において型開きが前記軸方向に行われる構造は採用できない。このため、成形型の構造に大きな制約が発生する。しかし、この第２実施形態にように、旋回流発生装置１を分割構成すれば、このような制約を回避することが可能となる。

従って、本実施形態においては、分割部材７４，７５を連結した状態において、軸方向寸法を長くした変向フィン３６を得ることができるため、旋回流を効率よく発生でき、かつ空気流の剥離が生じないさらに高性能の旋回流発生装置１の形成が可能となる。

（変更例）
なお、前記両実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 前記両実施形態において、変向フィン３６のそれぞれの数を８枚としたが、８枚に限らず、６枚，７枚等の８枚未満、または９枚，１０枚等の９枚以上としてもよい。

・ 前記両実施形態において、旋回流発生装置１をプラスチック製の成形品としたが、プラスチック成形品に限らず、非鉄金属のダイキャスト成形品や鋼板製の組立品であってもよい。

・ 前記実施形態において、変向フィン３６は、その上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂが、相互にあるいはガイドフィン３５に対して稜線を有する連結部３８を介して連結されている。これに対して、稜線を有しない連結部３８、すなわち、上流側部３６ａ及び下流側部３６ｂが、相互にあるいはガイドフィン３５に対して所定の曲率を有する円弧状の連結部３８を介して連結されるように構成してもよい。

・ 前記両実施形態において、変向フィン３６を２つの変向部分により構成した。これに対し、変向フィン３６を３つ以上の変向部分により構成してもよい。当然、これらの変向部分は、ノーズコーンの軸を中心とする円筒面の断面において直線状をなし、しかも、それらの角度は隣接する他の変向部分等に対して４５度未満であることが好ましい。

・ 前記両実施形態においては、ダクト７１と旋回流発生装置１のリング３２とを別体とした。これに対し、リング３２を設けることなく、案内羽根３０をダクト７１と一体に設けてともよい。

・ 前記両実施形態の旋回流発生装置１をダクト７１内に組み込むことなく、エアクリーナ本体８６のハウジングの入り口側の開口部に組み込んでもよい。
・ 前記第２実施形態において、旋回流発生装置１を３つ以上の分割部材により構成してもよい。

（ａ）は本発明の第１実施形態の正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 第１実施形態におけるフィンのＡ−Ａ矢視の断面図。 旋回流発生装置をダクトに組み込んだ一部断面図。 シミュレーションする空気流の状態を示す断面図。 第１実施形態の実施例における空気流を示すシミュレーション図。 比較例における空気流を示すシミュレーション図。 （ａ）は実施例と比較例の旋回流発生装置を音圧測定した結果を示すグラフ、（ｂ）は測定位置を示す正面図。 本発明の第２実施形態を示す一部断面図。 従来技術のエアクリーナを示す模式図。 （ａ）は従来技術の旋回流発生装置を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）はフィンの模式図。

符号の説明

Ｋ１…第１角度、Ｋ２…第２角度、１…旋回流発生装置、３０…案内羽根、３１…ノーズコーン、３２…リング、３５…ガイドフィン、３６…変向フィン、３６ａ…上流側部、３６ｂ…下流側部、７４…分割部材、７５…分割部材、８８…フィルタエレメント

Claims (5)

1. エアクリーナのフィルタエレメント側へ導入される空気通路内に設けられ、中心軸体と、その中心軸体の周りから外周側に向かって配置された複数の案内羽根とを有し、その案内羽根を、空気流を整流するために上流側に設けられたガイドフィンと、そのガイドフィンの下流側においてガイドフィンに対して傾斜するように設けられ、空気流に旋回力を付与する変向フィンとにより構成した旋回流発生装置において、
   前記変向フィンを、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る断面において、空気流方向に相互に傾斜状態で連結された複数の直線状をなす変向部分により構成し、
   前記複数の変向部分の空気流方向に対する傾斜角度は、空気流の下流に向かうほど増加するように設定され、
   前記複数の変向部分の前記ガイドフィンに対する傾斜角度は、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る断面における傾斜角度が、前記中心軸体側の傾斜角度より、外周側に向かうに従い徐々に大きくなっていることを特徴とする旋回流発生装置。
2. 前記変向フィンを構成する前記複数の変向部分は、前記中心軸体と同軸の円筒面を通る全ての断面において、断面形状が所定角度で連結された直線状であることを特徴とする請求項１に記載の旋回流発生装置。
3. 前記ガイドフィンと変向フィンとの間の傾斜角度及び複数の変向部分間の傾斜角度は４５度未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の旋回流発生装置。
4. 一枚の案内羽根の各傾斜角度の合計は、４５度以上９０度未満であることを特徴とする請求項３に記載の旋回流発生装置。
5. 前記中心軸体の軸方向において複数に分割された形状の分割部材を連結して構成したことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の旋回流発生装置。

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