JP4928135B2 - 内燃機関の吸気装置および吸気マニホルド - Google Patents

Description

この発明はスロットル弁を備えた内燃機関の吸気装置および吸気マニホルドに関し、特に、スロットル弁を急に開いたときの異音を低減する技術に関する。

スロットル弁を備えた内燃機関にあっては、スロットル弁を全閉状態から急に開いたときに、「シュパッ」ないしは「シュッ」という気流騒音が発生することが知られており、特に、吸気マニホルドが合成樹脂製である場合には、一層顕著な音が生じ、問題となっている。

この気流騒音の低減のために、特許文献１〜３等に見られるように従来から種々の対策が講じられており、スロットル弁直後の流れを整流するために格子状整流部材を吸気通路に取り付けたり、逆に、スロットル弁直後に凸部などを設けて、積極的に乱流を生じさせる、などにより、スロットル弁を通過した流れの合流に伴う騒音を抑制することが提案されている。
特開平１１−１３５００号公報 特開平１１−１４１４１６号公報 特開２００２−１５５８１７号公報

しかしながら、これらの従来の騒音低減手段は、いずれも圧力損失の増加を伴い、騒音低減効果の大きなものほど、通気抵抗が大となる傾向にある。例えば吸気通路全面に格子状整流部材を配置すれば比較的大きな騒音低減効果が得られるものの、通気抵抗が非常に大きなものとなる。つまり、騒音低減効果と通気抵抗とはトレードオフの関係にあり、従来の騒音低減手段では、通気抵抗を増加させずに騒音低減を達成することはできない。

また吸気マニホルドを合成樹脂製とした場合に、従来の騒音低減手段となる格子状整流部材などは吸気マニホルドの本体部分と一体に成形することはできず、必ず別部品となるので、部品点数の増加や組立工程の複雑化の要因となる。

この発明は、回転軸を中心に板状の弁体が回転するスロットル弁を吸気通路中に備え、該スロットル弁の開動作時に、弁体の一方の端縁が吸気通路の下流側へ移動し、他方の端縁が吸気通路の上流側へ移動する内燃機関の吸気装置において、上記弁体よりも下流でかつ弁体の一方の端縁の側を通過した吸気流と他方の端縁の側を通過した吸気流とが合流する長手方向位置付近の吸気通路内壁面に、該吸気通路の周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室が設けられていることを特徴としている。

上記の拡張室は、一つの態様では、吸気通路の長手方向については上記弁体の上記の一方の端縁よりも下流側に位置し、吸気通路の断面で見た位置としては、上記回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ吸気通路の中心から上記回転軸と直交する方向を含まず吸気通路の中心から上記回転軸に対し４５°傾いた方向の周方向位置を含む周方向の一部のみに設けられている。

また他の一つの態様では、吸気通路の長手方向については上記弁体の上記の一方の端縁よりも下流側に位置し、吸気通路の断面で見た位置としては、上記回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ、吸気通路の中心から上記回転軸に沿った方向および該回転軸と直交する方向を含まない周方向の一部のみに設けられている。

また本発明に係る内燃機関の吸気マニホルドは、複数のブランチ部が接続されたコレクタ部と、スロットル弁を備えたスロットルチャンバが取り付けられるスロットルチャンバ取付フランジと、このスロットルチャンバ取付フランジから上記コレクタ部に至る略円筒状の管状部と、を備えてなる合成樹脂製の吸気マニホルドであって、上記管状部の周壁に、周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室が一体に形成されている。そして、この拡張室は、管状部の長手方向については、上記スロットル弁の開動作時に相対的に下流側に移動する弁体の一方の端縁よりも下流側に位置し、管状部の断面で見た位置としては、上記スロットル弁の回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ上記管状部の中心から上記回転軸と直交する方向を含まず上記管状部の中心から上記回転軸に対し４５°傾いた方向の周方向位置を含む周方向の一部のみに設けられている。

すなわち、スロットル弁を急に開いたときの気流騒音は、弁体の一方の端縁の側を通過した高速の吸気流と他方の端縁の側を通過した高速の吸気流とがスロットル弁の直後で合流して局部的な圧力の上昇を生じることに起因すると考えられるが、このような局部的な圧力上昇が生じる位置に適切に拡張室を設けることで、圧力エネルギが拡散し、異音の発生が抑制される。なお、拡張室を設ける吸気通路長手方向の位置としては、スロットル弁の口径等に応じて適切な位置が存在し、過度に下流側（つまりスロットル弁からの距離が大）であるとその効果が小さく、また過度に上流側（つまりスロットル弁からの距離が小）であると、逆に騒音が増大することがあり得る。

また、吸気通路の通路断面における位置としては、開時における弁体の傾斜方向との関係から、回転軸の位置から一方へ片寄った位置、詳しくは、開動作時に吸気通路の下流側へ移動することとなる弁体の一方の端縁の側に片寄った位置に、上述した局部的な圧力の上昇が生じることから、上記の一方の端縁が位置する側で、かつ吸気通路の中心から回転軸に対し４５°傾いた方向の周方向位置に拡張室を設けると、最も効果的に騒音低減効果が得られる。

本発明の拡張室を設けた構成においては、吸気の主流が流れる流路内に格子状整流部材や突起物が介在しないので、圧力損失つまり通気抵抗の増加を生じない。

そして、例えば合成樹脂製マニホルドに適用する場合には、管状部の周壁の一部を部分的に窪ませることで拡張室が形成され得るので、マニホルドの一部として一体に成形することが可能である。

この発明によれば、スロットル弁を急に開いたときの気流騒音を、吸気系の通気抵抗を増加させることなく抑制することができる。また、別部品からなる格子状整流部材等を用いずに簡単な構成となり、例えば、合成樹脂製マニホルドに拡張室を一体に成形することにより部品点数の削減や組立の簡略化が可能である。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関（例えば直列４気筒ガソリン機関）の吸気装置の構成を概略的に示した構成説明図であって、容積室つまりコレクタ部１に、各気筒に至る４本のブランチ部２が接続されているとともに、吸気通路の一部となる入口通路３が接続されている。この入口通路３は、少なくとも一部が断面真円形の円筒状をなすものであって、その円筒状部分に、スロットル弁４が配置されている。上記スロットル弁４は、一般的なバタフライバルブ型の構成であり、入口通路３の中央を直径方向に横切るように回転軸５が設けられているとともに、該回転軸５に円板状の弁体６が固定されており、図示せぬ電動アクチュエータもしくはアクセルワイヤを介して、開閉駆動される。なお、吸気通路のスロットル弁４の上流側には、図示せぬエアクリーナが配置されている。

また、周知のように、上記スロットル弁４は、全閉時に、弁体６の一端縁６ａが相対的に下流に、かつ他端縁６ｂが相対的に上流に、それぞれ位置するように僅かに傾斜した姿勢をなしている。そして、開動作時には、この全閉時の位置から、一端縁６ａがさらに下流側へ移動し、他端縁６ｂがさらに上流側へ移動する。

ここで、本発明では、上記入口通路３における上記スロットル弁４よりも僅かに下流側の位置において、入口通路３の内壁面に、周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室７が形成されている。この拡張室７によって、スロットル弁４を急に開いたときの局部的な圧力の上昇が緩和され、気流騒音が抑制される。上記拡張室７の形状としては、単純な矩形状、円柱状、など任意の形状とすることができるが、本実施例では、例えば、矩形状の凹部として形成されている。

次に、上記拡張室７のより具体的な形成位置について説明する。

図２は、スロットル弁４が開いたときの気流騒音の原因となる局部的な圧力上昇を説明するものであり、スロットル弁４が閉じていてコレクタ部１内の負圧が発達している状態の下でスロットル弁４が急に開くと、弁体６の一端縁６ａの側の間隙１１および他端縁６ｂの側の間隙１２を通して高速の吸気流がそれぞれ矢印Ｖ１，Ｖ２のように流れ、スロットル弁４の下流側で複雑に合流する結果、符号Ｐで示す領域において局部的な圧力の上昇が生じる。特に、間隙１１と間隙１２とでは、その弁体６の傾斜の関係で流速が異なり、かつ流れの前後方向の位置も異なるので、領域Ｐは、図２に示すように、吸気通路の中心線の高さ位置（つまり回転軸５に対応した高さ位置）ではなく、これよりも下方つまり一端縁６ａの側に片寄って位置する。拡張室７は、この領域Ｐの付近に位置する必要があり、従って、吸気通路の長手方向については、スロットル弁４の口径等によっても異なるが、２つの吸気流Ｖ１，Ｖ２が合流する位置付近、例えば回転軸５から下流側へ数ｃｍ程度の付近が最適位置となる。また、吸気通路の断面で見た位置としては、吸気通路の中心から回転軸５に対し４５°傾いた方向、特に、開動作時に下流側へ移動する一端縁６ａが位置する側で、４５°傾いた方向が最適位置となる。このように局部的な圧力上昇が生じる領域Ｐに対応した最適位置に拡張室７を設けることで、圧力エネルギが拡散し、実際に生じる騒音が低減する。この本発明の拡張室７は、従来の格子状整流部材のように実質的な通路断面積を狭めたり流れの抵抗となることはなく、従って、通気抵抗の増加を伴わずに気流騒音の低減を達成できる。なお、拡張室７は、後述するように、不適切な位置にあると、逆に気流騒音の悪化の原因となることがある。

図３は、拡張室７を設ける位置やその大きさといったパラメータの影響についてまとめたものであり、排気量２０００ｃｃの直列４気筒ガソリン機関の吸気装置に本発明を適用した場合の例を示している。ここで、音圧差とは、スロットル弁４の上方位置にマイクロフォンを配置して、スロットル弁４を全閉から全開へ変化させたときに生じる気流騒音をそれぞれ集音し、拡張室７を具備しない構成における騒音を基準としたときの音圧差を示している。従って、マイナスは騒音の低減を意味し、プラスは騒音の悪化を意味する。

また、距離Ｌは、図４に示すように、スロットル弁４の回転軸５から拡張室７中心までの距離を示す。角度θは、図４（ｂ）に示すように、吸気通路を図４（ａ）の右側から見たときの通路断面における拡張室７中心の周方向位置を示し、特に、下方つまり弁体６の一端縁６ａが位置する方向を０°とし、この点からの角度を示す。従って、９０°および−９０°の方向は、回転軸５の軸方向となる。また、容積Ｖは、拡張室７の容積を示す。なお、この例では、拡張室７は矩形に形成されている。

実施例は、距離Ｌが８０ｍｍ、角度θが４５°、容積Ｖが１５ｃｃである。このような最適なパラメータの下では、３．４ｄＢの騒音低減効果が得られた。

これに対し、比較例１は、距離Ｌを６０ｍｍと短くしたもの、つまり拡張室７をスロットル弁４に近づけて配置した例であり、この場合は、気流騒音は、逆に０．５ｄＢ悪化してしまった。つまり拡張室７をスロットル弁４に過度に近づけると、騒音低減効果は得られず、逆に騒音が悪化する。比較例２は、距離Ｌを１００ｍｍと長くしたもの、つまり拡張室７をスロットル弁４から離して配置した例であり、この場合は、騒音低減効果が１．７ｄＢと低下した。このように実施例および比較例１，２の対比から、長手方向の距離Ｌに、ある最適範囲があることが明らかである。

比較例３，４は、実施例に比較して、拡張室７が形成される周方向位置を特定する角度θを異ならせた例である。比較例３は、θが９０°であり、回転軸５に沿った方向に拡張室７を設けた例であるが、この場合は、騒音は変化がない。つまり拡張室７による騒音低減効果は得られなかった。比較例４は、θが０°であり、弁体６の一端縁６ａが位置する方向に拡張室７を設けた例である。この場合は、気流騒音は、逆に１．４ｄＢ悪化してしまった。このように４５°の方向付近で最も良好な騒音低減効果が得られる。

比較例５，６は、拡張室７の容積Ｖを異ならせた例であり、いずれも拡張室７の吸気通路に面する開口形状は変えずに、その深さ（吸気通路半径方向の寸法）を変化させることで、容積Ｖを変えている。比較例５は、容積Ｖが５ｃｃの例であり、騒音低減効果は、２．９ｄＢである。比較例６は、容積Ｖが３０ｃｃの例であり、騒音低減効果は、３．２ｄＢである。従って、容積Ｖの大小は、騒音低減効果に殆ど影響を及ぼさない、と言える。

次に、図５〜図８は、この発明に係る具体的な吸気マニホルドの構成を示している。この吸気マニホルドは、直列４気筒ガソリン機関用の合成樹脂製マニホルドであって、図示せぬシリンダヘッドの側面に取り付けられるシリンダヘッド取付フランジ２１と、このシリンダヘッド取付フランジ２１にそれぞれの先端が接続された４本のブランチ部２２と、この４本のブランチ部２２の基端が接続された細長い容積室つまりコレクタ部２３と、このコレクタ部２３の一端部から該コレクタ部２３の長手方向に沿って延びた略円筒状の管状部２４と、この管状部２４の先端に設けられた略正方形のスロットルチャンバ取付フランジ２５と、を備えている。上記スロットルチャンバ取付フランジ２５には、スロットル弁を備えた図示せぬスロットルチャンバが取り付けられ、スロットル弁によって開閉されるスロットルチャンバ内の吸気通路は、上記管状部２４内の吸気通路に段差なく連続する。上記ブランチ部２２は、シリンダヘッドの一方の側面に取り付けられたシリンダヘッド取付フランジ２１から上方へ向かい、かつ該シリンダヘッドの上方を横切って延びるように、大きく湾曲した形状をなしている。上記コレクタ部２３は、気筒列方向に沿って細長く延びており、その一端に連続する管状部２４の流路中心線は、同じく気筒列方向にほぼ沿っている。上記スロットルチャンバ取付フランジ２５のフランジ面は、この管状部２４の流路中心線にほぼ直交している。従って、スロットルチャンバと管状部２４とコレクタ部２３とが直線上に配置されることになる。

ここで、上記管状部２４の周壁の一部には、周方向の一部を部分的に外周側へ窪ませてなる拡張室２６が一体に形成されている。この拡張室２６は、単純な矩形状をなしており、管状部２４を二つ割りにした形に射出成形する際に、同時に金型成形されている。拡張室２６の凹部の深さ方向と金型の型開きの方向とを整合させることにより、複雑なコア等を用いずに一体に金型成形することが可能である。

なお、図にはスロットル弁は図示していないが、前述したように、スロットル弁の回転軸に対し４５°傾いた所定の方向に拡張室２６が設けられており、かつスロットル弁の回転軸から所定距離下流側となるように、その位置が設定されている。

このように、本発明では、合成樹脂製吸気マニホルドに単に拡張室２６を形成した簡単な構成でもって、スロットル弁を急に開いたときの気流騒音を効果的に低減することができ、格子状整流部材のような別部材が不要となって、部品点数を削減できるとともに、組立工数も最小限となる。

この発明に係る吸気装置の構成を概略的に示した構成説明図。 スロットル弁が開いたときの局部的な圧力上昇の説明図。 拡張室のパラメータを変化させた実施例および比較例をまとめた説明図。 各パラメータの説明図。 この発明に係る合成樹脂製吸気マニホルドの平面図。 同じく底面図。 同じく側面図。 図６の要部の拡大図。

符号の説明

１…コレクタ部
２…ブランチ部
３…入口通路
４…スロットル弁
５…回転軸
６…弁体
７…拡張室
２６…拡張室

Claims (4)

1. 回転軸を中心に板状の弁体が回転するスロットル弁を吸気通路中に備え、該スロットル弁の開動作時に、弁体の一方の端縁が吸気通路の下流側へ移動し、他方の端縁が吸気通路の上流側へ移動する内燃機関の吸気装置において、
   上記弁体よりも下流でかつ弁体の一方の端縁の側を通過した吸気流と他方の端縁の側を通過した吸気流とが合流する長手方向位置付近の吸気通路内壁面に、該吸気通路の周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室を有し、
   この拡張室は、吸気通路の長手方向については上記弁体の上記の一方の端縁よりも下流側に位置し、吸気通路の断面で見た位置としては、上記回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ吸気通路の中心から上記回転軸と直交する方向を含まず吸気通路の中心から上記回転軸に対し４５°傾いた方向の周方向位置を含む周方向の一部のみに設けられていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記拡張室の中心が上記回転軸に対し４５°傾いた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 回転軸を中心に板状の弁体が回転するスロットル弁を吸気通路中に備え、該スロットル弁の開動作時に、弁体の一方の端縁が吸気通路の下流側へ移動し、他方の端縁が吸気通路の上流側へ移動する内燃機関の吸気装置において、
   上記弁体よりも下流でかつ弁体の一方の端縁の側を通過した吸気流と他方の端縁の側を通過した吸気流とが合流する長手方向位置付近の吸気通路内壁面に、該吸気通路の周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室を有し、
   この拡張室は、吸気通路の長手方向については上記弁体の上記の一方の端縁よりも下流側に位置し、吸気通路の断面で見た位置としては、上記回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ、吸気通路の中心から上記回転軸に沿った方向および該回転軸と直交する方向を含まない周方向の一部のみに設けられていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
4. 複数のブランチ部が接続されたコレクタ部と、スロットル弁を備えたスロットルチャンバが取り付けられるスロットルチャンバ取付フランジと、このスロットルチャンバ取付フランジから上記コレクタ部に至る略円筒状の管状部と、を備えてなる合成樹脂製の吸気マニホルドにおいて、
   上記管状部の周壁に、周方向の一部を部分的に外周側に窪ませてなる拡張室が一体に形成されており、
   この拡張室は、管状部の長手方向については、上記スロットル弁の開動作時に相対的に下流側に移動する弁体の一方の端縁よりも下流側に位置し、管状部の断面で見た位置としては、上記スロットル弁の回転軸を挟んで上記弁体の上記の一方の端縁が位置する側にあり、かつ上記管状部の中心から上記回転軸と直交する方向を含まず上記管状部の中心から上記回転軸に対し４５°傾いた方向の周方向位置を含む周方向の一部のみに設けられていることを特徴とする内燃機関の吸気マニホルド。

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