JP4609730B2 - 吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、前記内燃機関への吸入空気量を調整する内燃機関の吸気制御装置に関する。

内燃機関の負荷状態や吸気弁の開閉状態に応じてタイミング良く吸入空気量を調整すると、特に低中速域の吸気脈動を強化することで、体積効率アップによるエンジン出力向上、吸入流速アップによる燃焼改善、スモーク低減などにつながり、燃費の改善などが見込まれる。吸入空気量を調整するために、吸気通路の吸気弁よりも上流側に吸気制御弁を設け、適宜この吸気制御弁を開閉させる方法がある。
下記に出典を示す特許文献１には、このような吸気制御弁を用いた内燃機関の吸気制御装置が示されている。吸気制御弁は、回動可能な所定のクリアランスを有して吸気通路内に備えられ、閉弁時には吸気通路を塞ぐ必要がある。また、内燃機関の１サイクルごとに閉弁、開弁、閉弁を高速に繰り返す必要がある。従って、吸気通路内に精度良く弁体を設置しなければならず、回転イナーシャによる影響も抑制しなければならない。

特許文献１によれば、吸気通路内において、回動する弁体の上下方向に当たる側壁が左右側の側壁から滑らかに連続する円筒面となるような流路拡大部が設けられている。この流路拡大部を弁体が通過する領域においては、吸気通路の内壁と弁体の先端部とのクリアランスが一定に保たれる。従って、流路拡大部の領域を弁体が通過している期間は、その移動が例え回転イナーシャによるものであったとしても、閉弁状態を維持できる。即ち、回転イナーシャによる影響を抑制することができる。
この流路拡大部は、流路拡大部の上下方向の距離をｄ１として、曲率半径Ｒ（＝１／２・ｄ１）の円弧形の切削刃を有した刃具を吸気通路内に挿入して回転させることによって切削形成される。

特開平８−２１８９０６号公報（第１４〜２０段落、図３、図１２）

特許文献１に記載された技術は、回転イナーシャによる影響を抑制すると共に、吸気通路内に精度良く弁体を設置することのできる優れたものである。しかし、切削用の刃具を用いて吸気通路内を加工する場合、長い加工時間を要す、加工法が限定されるなどの課題を有する。また、刃具の磨耗も含めた精度の管理が必要であり、閉弁時の弁体と吸気通路との微小なクリアランスを維持して大量生産するには困難を伴う。

本願は上記課題に鑑みてなされたもので、回転イナーシャによる影響を抑制し、高い生産性を備えると共に、吸気通路内に精度良く弁体を設置することのできる吸気制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る吸気制御装置は、内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、前記内燃機関への吸入空気量を調整するものであって、下記特徴構成を備える。
即ち、吸気通路を貫通するシャフトによって回動自在に支持され、前記吸気通路の断面積を調節するバルブと、
内周面が前記吸気通路となり、前記バルブによる前記吸気通路の全閉状態を前記バルブの回動方向に沿った所定角度に亘って維持するための不感帯領域を有して前記バルブを収納する筒状のボアと、
前記ボアの一方の端面側及び外周面側から前記ボアを包持し、前記ボアと連通して前記吸気通路を形成するブロック体と、
前記ボアおよび前記ブロック体に嵌合されて前記ボアと前記ブロック体とを位置決めし、前記シャフトが挿入される環状の位置決め部材と、
前記ブロック体に嵌合されて前記シャフトを支持し、前記ブロック体と前記バルブとを位置決めする軸受けと、
前記ボアの他方の端面側に位置し、前記ボア及び前記ブロック体と連通して前記吸気通路を形成するプレートと、を備えることを特徴とする。

この特徴構成によれば、閉弁時の吸気通路とバルブとのクリアランスを、独立した小部品であるボアとバルブとの関係によって管理することができる。従って、適正な高精度クリアランスを得やすく、多気筒エンジンにおいても、気筒ごとのクリアランスばらつきを低減することができる。また、ボアとバルブとの組合せを適宜選択することもでき、種々の吸気制御装置に展開することができる。勿論、部品交換によってクリアランスの変更や修理などのメンテナンスも行うことができる。
さらに、小部品であるボアは、内面に不感帯領域を形成する際に必ずしも専用の切削刃を有する刃具を用いる必要はなく、加工の自由度が高い。例えば、ＮＣ旋盤などによって容易に加工することもできる。当然、加工時間も短くなり、生産性は向上し、製造コストが低減される。吸気通路内のバルブが回動する領域には、空気の流れを良くするために表面処理が施されることがある。この表面処理に際しても大きな部品にマスキングを施すことなく、必要な部分のみを処理し易くなる。
また、バルブが回動する領域と、単に流路として機能する領域とで、材料等を異ならせることが好ましい場合もある。このような場合、本構成であれば、ボアと、ブロック体及びプレートとの材質を異ならせることによって、容易に対応することができる。例えば、精度の必要なボアには高価な材料及び加工法を用い、ブロック体は安価な材料及び加工法を用いるなどとすることもできる。
以上説明したように、本特徴構成によれば、回転イナーシャによる影響を抑制し、高い生産性を備えると共に、吸気通路内に精度良く弁体を設置することのできる吸気制御装置を提供することができる。
さらに、シャフトが挿入される環状の位置決め部材が、ボアおよびブロック体に嵌合されてボアとブロック体とを位置決めするように構成してあるから、位置決め部材の外周部を基準として、ブロック体とボアとが正確に位置決めされる。よって、仮に、ボアとブロック体との間に余裕が設けられているような場合でも、この余裕を取り付け自由度として、ブロック体とボアとが位置決め部材によって位置決めされて固定される。
また、ブロック体に嵌合させた軸受けによってシャフトを支持し、ブロック体とバルブとを位置決めするように構成してあるから、シャフトに固定されるバルブも、シャフトを介して軸受けによってブロック体に対して位置決めされ、ブロック体、ボア、バルブが精度良く位置決めされることとなる。

また、本発明に係る吸気制御装置においては、前記位置決め部材は、前記軸受けの側の端部が前記軸受けに当接すると共に、前記バルブの側の端部が前記ボアのシャフト挿入孔に形成された段部に当接することを特徴とする。

この特徴構成によれば、位置決め部材を挿入する際に位置決め部材が吸気通路内に突出しなくなり、位置決め部材の取り付けが容易になる。

また、本発明に係る吸気制御装置は、前記プレートと、前記ブロック体とが、下記のように構成されることを特徴とする。
即ち、前記プレートは、前記吸気通路の径方向に張り出すフランジ面と、前記ブロック体に対向する方向に突出し、前記ボアを前記他方の端面側及び外周側から包持する筒状端部とを有する。
前記ブロック体は、前記プレートに対向する開口部において、前記筒状端部を外周側から包持すると共に、開口端部において前記プレートの前記フランジ面と当接する。

この特徴構成によれば、ブロック体の内部にボアが収納され、プレートが単にブロック体に蓋をするような構成ではなく、ブロック体とプレートとによって、ボアが外周部側及び両端部側から挟み込まれて保持される。従って、ボアを確実に吸気通路に連通させることができると共に、堅固に固定することができる。吸気通路は、ブロック体と、ボアと、プレートとに分割されているが、このように堅固に固定することによって、分割しない場合と同様に一貫した吸気通路を構成することができる。

また、本発明に係る吸気制御装置は、前記ボアが、前記外周面において、前記ブロック体及び前記プレートと弾性シール部材を介して保持されることを特徴とする。

この特徴構成によれば、ブロック体及びプレートとボアとが、ボアの外周面において弾性シール部材によって気密性を保って接続される。つまり、ボアの外周面という最小径で３部品間の気密を保つことができる。
ブロック体とプレートとは、一般的にボルトなどによって締結される。従って、ブロック体とプレートとの当接面においてシールを行うと、締結の強さによって気密性が損なわれる場合もある。しかし、本特徴構成によれば、ボアの外周部側からボアを包持するブロック体とプレートとの間に弾性シール部材を備える。従って、ブロック体及びボア、プレート及びボア、をそれぞれ組み合わせた時点でシールができる。また、シールは弾性を有しているので、ブロック体やプレートとの間のがたつきなど、部品加工精度の誤差を吸収することができる。
従って、高精度が要求されるバルブとボアの内側以外の部分は、多少精度管理を緩めることもでき、生産性が向上する。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。初めに、理解を深めるために吸気制御装置（吸気制御弁）の適用例、及びその効果などについて説明する。
図５は、吸気弁と吸気制御弁（バルブ）との関係を示す説明図である。図中、符号１０は吸気通路、符号１１は吸気弁、符号２０は排気通路、符号２１は排気弁、符号３０はエンジン（内燃機関）、符号３１はピストン、そして符号３が吸気制御弁である。
吸入空気は、吸気通路１０を通り、吸気弁１１を介して燃焼室へと導入される。燃焼後の排気ガスは、排気弁を介して排気通路２０を通り、必要に応じて再循環され、最終的には車両の外部へ排出される。吸気制御弁３は、吸気通路１０を通り、燃焼室へと導かれる吸入空気の流量を調整する。

燃焼室へと導かれる吸入空気の最適な流量は、エンジンの負荷によって異なる。図６は、吸気弁と吸気制御弁との作動状態の一例を模式的に示す波形図である。図６（ａ）は、例えばガソリンエンジンにおいて、概ね４０００ｒｐｍ以下の低中速域における高負荷時の制御形態である。図中、Ｗ２は吸気弁１１の開くタイミングを示しており、Ｗ１は吸気弁１１に同期して全開し、全閉する吸気制御弁３のタイミングを示している。この図より明らかなように、吸気制御弁３は、吸気弁１１に同期して非常に短時間で全閉状態から全開状態に状態遷移し、全開状態を一定期間維持した後、再び非常に短時間で全閉状態に戻る。即ち、吸気制御弁３には、非常に高速且つ高精度な制御が要求される。

図６（ｂ）は、例えばガソリンエンジンにおいて、概ね４０００ｒｐｍを超え、最大出力を確保する必要がある高負荷時の制御形態である。回転数も高く、この場合には、吸気制御弁３は常時全開に制御される。

図７は、吸気弁１１のタイミングに同期した吸気制御弁３の開閉制御による体積効率の改善効果の一例を模式的に示すグラフである。上段の曲線が吸気制御弁３による開閉制御を行う場合、下段の曲線が開閉制御を行わない場合を示している。２つの曲線から明らかなように、特に低中速領域において、大きな改善効果が確認できる。
つまり、吸気弁の開閉タイミングに同期した吸気制御弁の開閉制御により、エンジンが低中速領域で高負荷の場合の体積効率が向上し、出力が向上する。またエンジンが低速領域で低負荷時（いわゆるパーシャル域）の場合には、吸入空気の流速を上げることによって燃焼改善を期待することができる。

このような効果を得るためには、従来、可変動弁システムなど、大規模なシステムを要するものであった。しかし、図５に示したように、より簡単な吸気制御弁３を用いたシステムによって、実現可能となってきた。
図５に示す吸気制御弁３は、吸気通路１０の外側からアクチュエータ（不図示）によって高速に駆動される。高速運動には、イナーシャに伴うオーバーシュートを伴うが、吸気制御弁３は、開閉作動中の回転イナーシャによる影響を抑制し、吸気通路１０内で精度良く吸入空気を調整可能でなければならない。また、当然ながら高い生産性を兼ね備えることが望ましい。

以下、このような課題を解決する本発明に係る吸気制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の吸気制御装置の断面図である。図１は、図５に示した説明図と同一面視で、吸気制御弁３（バルブ３）を中心として図示したものである。図２は、図１と同様に吸気通路１０に沿った断面図であるが、図１に直交する方向での断面図である。

図１及び図２より明らかなように、本発明の吸気制御装置は、主として、ブロック体１、ボア２、バルブ３、プレート４の４つの部品を有して構成されている。つまり、吸気通路１０が、ブロック体１、ボア２、プレート４の３つの部材により構成され、この吸気通路１０の中に吸気制御弁であるバルブ３が備えられている。
ここで、バルブ３は、吸気通路１０を貫通するシャフト５によって回動自在に支持されて、吸気通路１０の断面積を調節する弁体である。シャフト５は、その延伸方向でユニバーサルジョイント（不図示）などによってアクチュエータ（不図示）と接続される。アクチュエータは、エンジンの負荷、エンジンの吸気弁１１の制御状態などに基づいて制御部（不図示）により制御される。
ボア２は、内周面が吸気通路１０となり、バルブ３による吸気通路１０の全閉状態をバルブ３の回動方向に沿った所定角度θに亘って維持するための不感帯領域２ａ（後述する凹部２ａ）を有してバルブ３を収納する筒状の部材である。
ブロック体１は、ボア２を一方の端面側及び外周面側から包持し、ボア２と連通して吸気通路１０を形成する部材である。
プレート４は、ボア２の他方の端面側に位置し、ボア２及びブロック体１と連通して吸気通路１０を形成する部材である。本例では、プレート４は、ボア２を他方の端面側及び外周面側から包持すると共に、ブロック体１と当接し、ボア２及びブロック体１と連通して吸気通路１０を形成する。

ブロック体１は、開口部が外側に向かって大きな内径となるように少なくとも２つの段部１ａと１ｂとを有して形成される。ブロック体１は、一つの段部１ａにおいてボア２を包持する。そして、ボア２を保持する段部１ａよりも開口部側の別の段部１ｂにおいて、吸気通路１０に沿って延伸し、ボア２の外周面側を保持するプレート４の筒状端部４ａを受け入れる。さらに、ブロック体１は、開口部の先端（開口端部１ｃ）において、プレート４の吸気通路１０の径方向に張り出すフランジ面４ｂと当接する。

ボア２は、その外周面において、ブロック体１とはＯリング（弾性シール部材）６ａを介して、プレート４とはＯリング（弾性シール部材）６ｂを介して保持される。Ｏリング６ａ及び６ｂは、吸気通路１０における気密を確保すると共に、ブロック体１及びプレー
ト４と、ボア２とのがたつきを吸収する。

ブロック体１とボア２とは、シャフト５と同軸に配置され、ブロック体１及びボア２とに嵌合された環状の位置決め部材９によって位置決めされる。また、バルブ３はボルト７によって、バルブ３の中心を貫通するシャフト５と締結され、ボア２とバルブ３とは、シャフト５を支持する軸受け８によって位置決めされる。

組み立てに際しては、初めにブロック体１の開口部（段部１ａ）にボア２が、外周面側及び端面側を覆うように格納される。ボア２には、Ｏリング６ａが取り付けられているので、ボア２の外周面とブロック体１とは、Ｏリング６ａを介して接触する。上述したように、ブロック体１の開口部は、開口側に向かって大径となるように少なくとも２つの段部が形成されている。そして、ボア２の外周面はその約半分がボア２の外径よりやや大きな径を有する一つの段部１ａに覆われて格納され、残りの半分は段部１ａよりも大きな径を有する別の段部１ｂに覆われる。他方のＯリング６ｂは、この段部１ｂに囲われる上記残りの半分側に備えられるので、ボア２とブロック体１とは他方のＯリング６ｂを介しては接触しない。
尚、ボア２の端面とブロック体１とは、接触してもよいし、しなくてもよい。ボア２とブロック体１との取り付け誤差はＯリング６ａによって吸収される。

次に、ブロック体１及びボア２を貫通させて２つの位置決め部材９（９ａ、９ｂ）を取り付けることにより、位置決め部材９の外周部を基準として、ブロック体１とボア２とが正確に位置決めされる。上述したように、ボア２をブロック体１の開口部内に格納する際には、余裕が設けられている。この余裕を取り付け自由度として、ブロック体１とボア２とが位置合わせされ、位置決め部材９によって位置決めされて固定される。また、シャフト５にボルト７で固定されるバルブ３も、シャフト５を介して軸受け８によってブロック体１に対して位置決めされるので、ブロック体１、ボア２、バルブ３は、ブロック体１を介して、精度良く位置決めされる。
尚、バルブ３はシャフト５に対して２つのボルト７を用いて締結されるが、両方のボルト７の頭部が、閉弁時に吸入側、即ちエンジンヘッドとは反対の方向となるように締結される。これは、万が一、ボルト７が抜け落ちるようなことがあった場合でも、エンジン側に落下することがないようにするためである。

上述した状態において、ブロック体１の開口部の段部１ｂでは、所定の隙間を有して、外周部にＯリング６ｂが取り付けられたボア２と、ブロック体１の開口部の内壁とが対向している。この隙間に、プレート４の筒状端部４ａを挿入すると、筒状端部４ａの内壁が、Ｏリング６ｂを介してボア２に接触し、ボア２をブロック体１とは反対の端部側から包持する。ボア２は、ブロック体１及びプレート４によって、外周面側及び両端部側への動きを規制される。ブロック体１は、プレート４に対向する開口部において、筒状端部４ａを外周側から包持する。さらに、開口端部１ｃにおいてプレート４のフランジ面４ｂと当接し、ボルトなどによって締結される。これによって、ボア２は、ブロック体１とプレート４とで構成される本体の中に、完全且つ堅固に収納される。
最も精度を要求されるバルブ３の周辺、つまり、バルブ３とボア２とは上述したようにブロック体１を介して精度よく取り付けられている。従って、ブロック体１とプレート４の締結の精度に関しては、厳格である必要はなく、生産コストを低減することができる。

ボア２の内面には、バルブ３が吸気通路１０を全閉状態にする状態を、バルブ３の回動方向に沿って所定角度θに亘って維持するための不感帯領域２ａが、凹部２ａとして形成されている。円盤形状のバルブ３が、吸気通路１０に沿う方向に対して垂直の回動位置にあるとき、吸気通路１０は全閉状態となる。この位置に対して回動方向の前後θ／２を不感帯領域２ａとするために凹部２ａが形成される。この凹部２ａは、回動するバルブ３の
端部の軌跡に合わせてボア２の内面が球面となるように削られている。従って、ボア２の内面とバルブ３の端部とは、バルブ３が上記垂直の回動位置にあるときの前後θ／２において、常に同じクリアランスとなり、全閉状態が維持される。所定角度θは、例えば２０〜４０度（±１０〜２０度）である。

ボア２とバルブ３とは、特に閉弁時におけるクリアランスを可能な限り小さくして、吸入空気のリーク量を少なくすることが望ましい。そして、この低リーク量の閉弁状態が回転イナーシャによって受ける影響を可能な限り抑制することが望ましい。本発明によれば、ボア２を独立した小部品としたので、バルブ３に対する不感帯領域２ａを高精度に形成することが容易となる。

バルブ３は、吸気通路１０の直交断面とほぼ同じ形状である。ボア２は上述した不感帯領域２ａを凹部２ａとして形成する必要があるので、図１に示す上下方向で、少し肉厚を増して形成されている。このため、ブロック体１からボア２の方向へ流れる吸入空気が、ボア２の端面に衝突して抵抗となる可能性がある。従って、ボア２の端部には、面取り部２ｂが設けられて、この抵抗を低減させている。

図３は、ボア２の断面斜視図である。ボア２の内周面には、不感帯領域２ａとなる凹部２ａが形成され、凹部２ａの流路方向の端部には面取り部２ｂが形成されている。また、外周面には、上述したＯリング６ａ及び６ｂを取り付けるために、２本の溝２ｃが周回して設けられている。
凹部２ａ、面取り部２ｂ、溝２ｃは、ボア２において、流路方向に直交する中心軸に対して線対称に設けられている。従って、組み立て時にブロック体１に対して前後自在に取り付け可能である。これにより、生産上のミスを誘発する可能性が低減され、製品の直行率を向上させることができる。

〔第二実施形態〕
図４は、本発明の吸気制御装置の別の実施形態を示す断面図であり、上述した図１に対応するものである。
図４に示すように、本実施形態では、エンジンヘッドの直上流から少ない空気抵抗で吸入空気を分割することができるように、プレート４に分離壁４１を備える。分離壁４１は、バルブ３の全開状態においてバルブ３と共に一連の壁が形成されるように、バルブ３の端部に対して所定の隙間を有して上流側が鋭利となった板状に形成される。
これにより、圧損を極力抑えた流路の２分割構造をとることが可能となり、エンジンヘッドポートの作りを簡素化することができる。

〔他の実施形態〕
上述した実施形態においては、円形状のバルブ３を用いて説明した。しかし、バルブの形状はこれに限定されるものではない。左右の側面が突出する円弧面をなし、上下の側面が左右の円弧面から滑らかに連続する平行面となったレーストラック形状や、楕円形状など、他の形状を含むものである。

以上、説明したように本発明によって、回転イナーシャによる影響を抑制し、高い生産性を備える共に、吸気通路内に精度良く弁体を設置することのできる吸気制御装置を提供することができる。

本発明の吸気制御装置の断面図 本発明の吸気制御装置の断面図 図１及び図２に示すボアの斜視図 本発明の第二実施形態の断面図 吸気弁と吸気制御弁との関係を示す説明図 吸気弁と吸気制御弁との作動状態の一例を模式的に示す波形図 体積効率向上効果の一例を模式的に示すグラフ

１：ブロック体
１ｃ：開口端部
２：ボア
２ａ：不感帯領域、凹部
３：バルブ
４：プレート
４ａ：筒状端部
４ｂ：フランジ面
５：シャフト
６、６ａ、６ｂ：Ｏリング（弾性シール部材）
８：軸受け
９、９ａ、９ｂ：位置決め部材
１０：吸気通路
θ：所定角度

Claims (4)

1. 内燃機関の負荷状態及び前記内燃機関の吸気弁の開閉状態に応じて、前記内燃機関への吸入空気量を調整する吸気制御装置であって、
   吸気通路を貫通するシャフトによって回動自在に支持され、前記吸気通路の断面積を調節するバルブと、
   内周面が前記吸気通路となり、前記バルブによる前記吸気通路の全閉状態を前記バルブの回動方向に沿った所定角度に亘って維持するための不感帯領域を有して前記バルブを収納する筒状のボアと、
   前記ボアの一方の端面側及び外周面側から前記ボアを包持し、前記ボアと連通して前記吸気通路を形成するブロック体と、
   前記ボアおよび前記ブロック体に嵌合されて前記ボアと前記ブロック体とを位置決めし、前記シャフトが挿入される環状の位置決め部材と、
   前記ブロック体に嵌合されて前記シャフトを支持し、前記ブロック体と前記バルブとを位置決めする軸受けと、
   前記ボアの他方の端面側に位置し、前記ボア及び前記ブロック体と連通して前記吸気通路を形成するプレートと、を備える吸気制御装置。
2. 前記位置決め部材は、前記軸受けの側の端部が前記軸受けに当接すると共に、前記バルブの側の端部が前記ボアのシャフト挿入孔に形成された段部に当接する請求項１に記載の吸気制御装置。
3. 前記プレートは、前記吸気通路の径方向に張り出すフランジ面と、前記ブロック体に対向する方向に突出し、前記ボアを前記他方の端面側及び外周側から包持する筒状端部とを有し、
   前記ブロック体は、前記プレートに対向する開口部において、前記筒状端部を外周側から包持すると共に、開口端部において前記プレートの前記フランジ面と当接する請求項１又は２に記載の吸気制御装置。
4. 前記ボアは、前記外周面において、前記ブロック体及び前記プレートに弾性シール部材を介して保持される請求項１〜３の何れか一項に記載の吸気制御装置。

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