(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下図面を参照しながら、自動車のガソリンエンジンに供給する空気を清浄化(濾過)するエアクリーナを例として、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。
【0015】
図1には、本発明の第1実施形態のエアクリーナ1の構成を示す。
図1には、エアクリーナ1を構成する主要な部材を、分解した状態で示している。以下の説明では、説明の便宜上、
図1のx軸方向を左右方向、y軸方向を前後方向、z軸方向を上下方向として説明するが、エアクリーナ1が必ずしもこの向きで使用されなければならないわけではない。
エアクリーナ1は、自動車のガソリンエンジンに供給する空気を濾過するエアクリーナである。エアクリーナ1は一対のケース2,3と、これらケースの分割面の間に挟持されるエレメント4を有する。
【0016】
ケース2,3は、組み立てられた際に、ケース内部に、エンジンの吸気経路における拡張空間を形成する。ケース2,3は、それぞれが開口部を有する箱状に形成されていて、開口部同士が対向するように組み立てることで、ケース内部に拡張空間が形成される。即ち、1対のケース2,3は、拡張空間を形成する箱を、1つの分割面で分割したような形状をしている。本実施形態では、ケース2,3の形状は略直方体状であるが、ケースの形状は円筒状など、他の形状であっても良い。
【0017】
下側のケース(下ケース)2には、略円筒状の吸気口22が設けられている。上側のケース(上ケース)3には、略円筒状の排気口32が設けられている。
【0018】
ケース2,3の間には、エレメント4が挟持されている。エレメント4は濾過材41を有している。エレメントの全体形状は矩形状の板状に形成されており、エレメント4がケース2,3の間に挟持されることによって、ケースの内部空間は、エレメントを境にして上流側と下流側に仕切られる。好ましくは、ケース2,3の開口部とエレメント4の周縁部の間はシール部材44などによってシールされる。好ましくは、ケース2,3の開口部がエレメント4の周縁部を挟持する部分は、フランジ状や段付き形状に形成される。
【0019】
板状のエレメント4が1対のケース2,3の間に挟持された状態で、係止部材や締結部材等によってケース2,3が閉じた状態に保持されて、エアクリーナ1は使用される。吸気口22には、インテークダクトや消音装置が接続されて、外気が吸気口22を通じてエアクリーナ1の内部に導入される。エアクリーナ内部に導入された空気は、エレメント4の濾過材41を通過することによって濾過され、清浄な空気となる。排気口32には、エアーダクトやスロットルボディが接続されて、エレメント2で濾過された空気が、排気口32を通じて、エンジンへと供給される。
【0020】
エレメント4についてより詳細に説明する。
図2は、エレメント4の形状を示す斜視図とX矢視図である。エレメント4は、濾過材41と枠体42とリブ43とシール部44を備え、板状に、本実施形態では偏平な直方体状に形成されている。濾過材41は、空気を濾過するための通気性を有する部材である。濾過材としては、濾紙や不織布や樹脂発泡体などが利用できる。濾紙や不織布などが濾過材の素材として使用される場合には、図示したように、これらを襞折りにして、平板状に形成し、濾過面積を増やすことが好ましい。
【0021】
濾過材の周囲を取り囲み、エレメントの形状を維持するように枠体42が設けられている。枠体42は、金属板や合成樹脂などにより形成され、濾過材41の周縁に接合一体化されている。濾過材の周縁部を圧縮成形するなどして、濾過材によって枠体を形成しても良い。本実施形態のエレメント4においては、襞折りにした不織布素材の濾過材41の周縁を取り囲むように枠体42が合成樹脂の射出成形により成形されており、不織布濾過材と枠体42とは、インサート成形により一体化されている。そして本実施形態においては、枠体42には、襞折りされた濾過材41の側面を覆うような板状部分が設けられている。板状部分は、襞折りの折りすじ方向の両端に位置する側面に設けられている。
【0022】
枠体42をさらに取り囲むように、シール部44が設けられている。シール部44がケース2,3の開口部に挟持されて、エアクリーナ1のシールがなされる。シール部は、弾力性を有する素材、特にゴム素材などによって形成されるシール部材であることが好ましい。シール部は必ずしも設ける必要はなく、要求されるシールの度合いによっては、枠体42の一部をそのままケースに挟持させるようにしても良い。
【0023】
シール部44、即ち、ケース2,3に挟持される部分は、エレメント4よりも、薄く(上下方向に)形成されている。そのため、エレメントの枠体42や濾過材41は、ケース2,3のいずれか、あるいは、両方に対し、ケースの分割面からケースの内側へ入り込むように配置される。本実施形態では、シール部44がエレメント4の上側(下流側)にオフセットして設けられており、エアクリーナ1を組み立てると、エレメント4がケースの分割面から、下ケース(上流側ケース)2に入り込むように配置される。
【0024】
エレメント4がケース2、3に入り込んだ部分では、エレメントの枠体42とケースの内周面の間に隙間が存在することになる。ケースの容量(容積)を拡大したいという要求と濾過材を経済的に形成可能な形状との兼ね合いや、製造上の理由などにより、この隙間をなくすことは一般に難しい。
【0025】
リブ43,43が、エレメントの枠体42がケース内部に入り込むように配置される部分に、突設されている。本実施形態においては、濾過材41の襞折りの方向の両端に位置する側面に設けられた板状部分に、複数のリブ43,43が枠体と一体に形成されている。リブ43,43は、枠体から、枠体に対向するケース内周面に向かって(
図1では前後方向:y方向に)突出するように形成されている。また、枠体のリブ43,43は、エレメント4の着脱方向(
図1では上下方向:z方向)に沿うように延在している。
【0026】
好ましくは、リブ43,43は、枠体とケース内周面の間の隙間寸法の半分以上、より好ましくは70%以上の高さ(前後方向(y方向)の寸法)を有するように設けられる。後述するように、リブ43、43は、枠体とケース内周面の間の隙間において、ケース開口部の周方向(
図1の前後方向や左右方向)に沿う方向に流れようとする空気の流れを妨げる働きをするので、リブ高さが高ければ、その効果がより高められる。一方、リブの高さが高すぎると、エレメントの着脱がしにくくなるおそれがあるので、リブの高さは隙間寸法の98%未満とされることが好ましい。
【0027】
本実施形態においては、リブ43、43は、所定の間隔を隔てて、複数本が平行に配置されている。リブは、1つでも良いが、多数あったほうが効果的である。
【0028】
下ケース2についてより詳細に説明する。
図3は、下ケース2の形状を示す斜視図及びz矢視図である。上述したように、下ケース2は、上方が開口した略直方体状の箱状のケースであって、吸気口22を有している。
【0029】
下ケース2のケース側面には、リブ23が設けられている。リブ23は、ケースの上下方向即ちエレメント4の着脱方向に沿うように延在して、複数本が所定の間隔を隔てて平行に設けられている。即ち、ケースのリブ23は枠体のリブ43と平行に設けられている。両者が平行であれば、エレメントの着脱が行いやすい。
【0030】
図4には、下ケース2とエレメント4を組付けた状態を示している。
図4におけるA面、即ち、エレメント4が下ケース2に入り込んだ部分に位置するxy平面と平行な断面での断面図を
図5に示している。
図4におけるB面、即ち、下ケース2の左右方向中央部に位置するyz平面と平行な断面での断面図を
図6に示している。なお、
図5、及び
図6においては、図を明瞭なものとするために、断面を示すハッチングは省いている。
【0031】
これらの図に示したように、リブ23、23は、下ケース2とエレメント4を組付けた際に、エレメント枠体42とケース内周面との間の隙間に、ケースのリブ23の一部(上側部分)が入り込むように形成されている。そして、リブ23、23は、ケース内周面からエレメントの枠体42に向かって突出するように形成されている。リブ23の突出寸法(リブの高さ、
図3の前後方向(y方向)の寸法)は、枠体42とケース内周面の間の隙間寸法の半分以上、より好ましくは70%以上の高さ(前後方向、y方向の寸法)を有するように設けられる。
【0032】
エレメント4と下ケース2を組付けた際に、枠体のリブ43と、ケースのリブ23とは、近接して配置されることが好ましい。近接の程度は、枠体とケース内周面の間の隙間寸法や、枠体のリブ43やケースのリブ23の高さ寸法と同程度か、より少ない間隔となる程度に近接していることが好ましい。
【0033】
そして、枠体とケース内周面の間の隙間が延在する方向であるケース周方向に沿って見て、枠体のリブ43とケースのリブ23は、両者の突出端部同士の少なくとも一部が互いに重なり合うようにされていることが好ましい。即ち、
図6に示すように、左右方向(
図4のx方向)に沿って見て、ケース側リブ23の突出端部の上側部分と、枠体側リブ43の突出端部とが重なり合うようになっている。
【0034】
枠体のリブ43と、ケースのリブ23とが、近接配置され、両者の突出端部同士が互いに重なり合うことによって、両者のリブが互いに補い合うように、ケース周方向の流れをさえぎるように働き、より効果が高められる。
【0035】
また、本実施形態のように、さらに、枠体のリブ43とケースのリブ23とがそれぞれ複数設けられており、枠体のリブ43,43と、ケースのリブ23,23とが、互いに噛み合うように、交互に並んで設けられていることが好ましい(
図5)。これにより、空気が、枠体22とケース内周面の間の隙間をケース周方向に流れようとする際に、その隙間が、屈曲した迷路状の空間となって、ケース周方向の流れをさえぎる効果が、特に高められる。
【0036】
上記実施形態のエアクリーナ1は、公知の製造方法により製造することができる。下ケース2及び、上ケース3は、典型的には合成樹脂の射出成形により製造できる。エレメント4は、典型的には、襞折りした濾過材41に合成樹脂のインサート成形により枠体42とリブ43を一体に成形し、シール材44を取り付けることにより製造できる。
【0037】
エアクリーナ1の作用及び効果について説明する。エアクリーナ1では、枠体42から突出形成されたリブ43が、枠体42とケース内周面の間の隙間をケース周方向に流れる空気の流れをさえぎる役割を果たす。これにより、エアクリーナ1を通流する空気流の通気抵抗が低減される。以下にそのメカニズムを説明する。
【0038】
図7に上記実施形態のエアクリーナ内部の空気の流れを、
図8に従来技術におけるエアクリーナ内部の空気の流れを示す。両図は、それぞれのエアクリーナをモデル化した数値流体シミュレーションの結果得られた図である。図は、エアクリーナの内部空間を透視するように描かれており、吸気口からの流線が表示されている。そして、これらの図は、ダストサイド側の気流が良くわかるように、エアクリーナ1の下側から見上げるような姿勢で描かれており、空気は、図の右側の吸気口から流入して、下ケースが形成する上流側拡張空間を流れ、エレメントの濾過材を通過して、上ケースが形成する下流側拡張空間を流れた後に、図の左側の排気口から流れ出ていく。なお、実施形態と従来技術の数値流体シミュレーションにおける解析条件は、ケースや枠体に設けられたリブの有無を除いて同じである。
【0039】
図8の従来技術のシミュレーション結果において顕著に見られるように、エアクリーナの拡張空間には、渦(旋回流)が発生する。この渦は、吸気経路における拡張空間の断面が吸気口や排気口の断面に比べ大きくされており、接続部で断面積が急変することに起因して発生するものであって、ダストサイド(上流側拡張空間)にもクリーンサイド(下流側拡張空間)にも発生しうる。特にダストサイドには、吸気口から勢いよく入り込んでくる気流によって、渦が発生しやすい。このような渦の発生を完全に防止することは難しい。特に、
図7や
図8に示す形状のエアクリーナのように、吸気口や排気口が、エアクリーナ側面の片側にオフセットした位置に設けられていたり、拡張空間が偏平であったりすると、このような渦が発生しやすい。
【0040】
このような渦が発生すると、渦が抵抗を生じ、エアクリーナを通過する気流の通気抵抗が増加する。発明者らは、エアクリーナ内部の気流をより詳細に検討し、エレメントの枠体とエアクリーナケース内周面の間の隙間の部分を、ケース開口部の周方向に沿って流れる気流が存在することを発見した。そして、この気流が、エアクリーナの通気抵抗に少なからぬ影響を及ぼしていることを発見した。
【0041】
即ち、
図8の従来技術のエアクリーナにおけるシミュレーション結果に見られるように、右側の吸気口から流入した気流は、その一部は渦を巻きながらもエレメントの濾過材に吸い込まれていくものの、気流の一部が、エレメント枠体と下ケース内周面の間の隙間に入り込んでしまい、その隙間を周方向に流れた後にエレメントに吸い込まれていく。このように、枠体とケースの間の隙間を流れる気流は、エレメントの濾過材部分に直接入る気流の割合を少なくしてしまうと共に、副次的な渦や乱れを発生させるので、エアクリーナの通気抵抗が上昇する原因となるのである。
【0042】
上記第1実施形態のように、エレメント枠体やケースにリブを突設して、枠体とケース内周面の間の隙間を周方向に流れる気流をさえぎるようにすれば、エアクリーナ内部の流れが改善されて通気抵抗が低減しうる。
図7は、上記第1実施形態におけるシミュレーション結果であるが、リブが設けられたことにより、吸気口からエアクリーナ内部に流れ込んだ流れは、エレメント枠体とケース内周面の間の隙間にはほとんど入り込まずに、エレメントの濾過材に吸い込まれていくことがわかる。このような流れとなると、余計な流れがなくなった分、通気抵抗が低減する。
【0043】
数値シミュレーションを行った際の主な諸元を示す。下ケースの内側代表寸法は、左右x前後x深さが、220x210x50〜75(mm)であり、吸気口の直径は54mmである。上ケースの内側代表寸法は、左右x前後x深さが、220x210x55〜80(mm)であり、吸気口の直径は54mmである。下ケースの底面や上ケースの上面は、ケースの分割面に対して傾斜している。エレメントは、高さ35mmの平板状であり、枠体の外周寸法は、左右x前後が、190x180(mm)であり、枠体と下ケース内周面の間には、幅15mmの隙間が環状に形成されている。本発明の実施形態が備えるリブの突出高さは、枠体側、ケース側、共に10mmである。またリブの板厚は1.5mmである。なお、エレメントの濾過材部分には、濾過材と等価な通気抵抗を生ずる濾材モデルを組み込んで、数値シミュレーションを実行した。シミュレーションにおいて、エアクリーナに流す空気の流量は6.0立方メートル/分で行った。
【0044】
エアクリーナの通気抵抗のシミュレーション結果を比較する。
図7に示した第1実施形態における通気抵抗は、654Paであった。
図8に示した従来技術における通気抵抗は、723Paであった。第1実施形態の通気抵抗は従来技術に比べ、約10%低減された。なお、通気抵抗は、拡張空間の吸気口側の入り口における静圧Pinと、拡張空間の排気口側の出口における静圧Poutとの差、即ち、Pin−Poutをエアクリーナの通気抵抗として評価した。
【0045】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。
【0046】
図9は、第2実施形態のエアクリーナにおける、下ケース5とエレメント6を示す断面図である。
図9は、第1実施形態における
図5に対応する図であり、エレメント6が下ケースに入り込んだ位置で下ケース開口面と平行に断面を取った図である。本実施形態においては、リブ63,63は、エレメントの枠体62から突出形成されている。そして、下ケース5の内周面からはリブが突出形成されていない。このような形態であっても、リブ63、63によって、枠体62とケース内周面の間の隙間をケースの周方向に流れる空気の流れを妨げることができるので、上記第1実施形態と同じ原理でエアクリーナの通気抵抗を改善することができる。この場合、リブ63の突出端部とケース内周面ができるだけ近接するように、リブ63を設けることが好ましい。
【0047】
また、本実施形態においては、リブ63,63は、方形状のエレメントの枠体62の4辺のすべてに設けられている。リブの働きは枠体とケース内周面の間の隙間を周方向に流れる空気流を妨げることにあるので、リブは、4辺に設けられることが好ましい。なお、第1実施形態のように、リブは対向する2辺に設けられていてもよく、1辺のみに設けられるものであっても、通気抵抗低減の効果は発揮される。
【0048】
また、上記実施形態では、リブが複数枚設けられる形態例を説明したが、リブは1枚でも良い。
【0049】
図10は、第3実施形態のエアクリーナにおける、下ケース7とエレメント8を示す断面図である。
図10も、第1実施形態における
図5に対応した図である。本実施形態においては、エレメント8の構成は第1実施形態のエレメント4と同様であり、エレメントの枠体82からリブ83が突出形成されている。ケース側のリブ73の形態は第1実施形態と異なっている。ケース側のリブ73は、下ケース7の側壁部分から、中空のコの字断面をなすような形状で突出形成されている。本実施形態においても、枠体のリブ83やケースのリブ73によって、上記第1実施形態と同じ原理でエアクリーナの通気抵抗が改善される。即ち、リブは、第1実施形態のような中実板状のリブに限定されず、枠体とケースの間の隙間におけるケース周方向の空気流れを妨げうる形状であれば、本実施形態のように中空のリブであっても良い。
【0050】
また、上記説明では、主にエレメントが下ケース(上流側ケース、ダストサイド側ケース)に入り込む形態を例に説明したが、エレメントは上ケース(下流側ケース、クリーンサイド側ケース)に入り込む形態であってもよく、その場合は、枠体から上ケース内周面に向けてリブを突出形成し、上ケース内周面から枠体に向けてリブを突出形成するようにすればよい。即ち、エレメントは、下ケースや上ケースの少なくとも一方に入り込むようにされていればよい。両方に入り込むようにされていても良い。通気抵抗を削減する観点からは、エアクリーナの拡張空間内の渦は、上流側拡張空間(ダストサイド空間)においてより強く発生するので、吸気口が設けられる側のケースにエレメントが入り込むようにして、エレメント枠体から、吸気口が設けられたケースの内周面に向かってリブが突出形成されるようにすることが、特に好ましい。
【0051】
上記実施形態の説明では説明を省略したが、エアクリーナは、他の部材を有していても良い。エアクリーナは、取付部材や支持部材、緩衝部材を有していても良い。また、エアクリーナには、流量センサや温度センサや圧力センサなどのセンサ類、弁やアクチュエータ等の可変・可変機構、燃料蒸気の吸着部材、吸音材などが設けられていても良い。
【0052】
本発明のエアクリーナは、上記実施形態で説明した自動車ガソリンエンジンの吸気系以外の他の用途にも応用できる。自動車における応用としては、エアコンディショナー、電池や電子回路の空冷装置、燃料電池の空気供給装置などにおける空気の濾過用途が例示できる。
さらに、本発明のエアクリーナの応用は車両用に限定されず、内燃機関を用いた据え置き型の発電機や、家庭用・産業用の燃料電池、ボイラ、冷却装置、空気清浄機など、空気を濾過する用途全般に応用できる。