JP2021028533A - ダクト - Google Patents

Abstract

【課題】通気抵抗を低減することのできるダクトを提供する。【解決手段】吸気ダクト２０は、湾曲して延在する筒状の湾曲部２２と、周壁２１を貫通する貫通孔２６とを有する。貫通孔２６の配設範囲Ｓ１は、周壁２１の周囲方向においては、湾曲部２２の曲げ方向内側において空気流の剥離が生じる剥離点Ｐ１と同一位置になる特定位置Ｐ２を含む範囲が定められている。貫通孔２６の配設範囲Ｓ１は、吸気ダクト２０の延設方向においては、剥離点Ｐ１よりも空気流れ方向の上流側の位置に定められている。【選択図】図１

Description

本発明は、湾曲して延在する筒状の湾曲部を有するダクトに関するものである。

特許文献１には、筒状をなして内部を空気が通過する内燃機関の吸気ダクトが記載されている。

特開２０１６−１２５３７９号公報

ここで、湾曲して延在する筒状の湾曲部を有する吸気ダクトにおいては、以下の不都合が生じる。すなわち、図１１に示すように、吸気ダクト１００の湾曲部１０２においては、内部通路における湾曲の内側に位置する内側壁部１０５の壁面において空気の剥離が生じて渦Ｗが発生する。そのため、上記内側壁部１０５の壁面近傍を空気が流れにくくなり、湾曲部１０２内の空気の主流の流路断面積が制限される。その結果、圧力損失が増大して、通気抵抗が増大してしまう。

なお、こうした問題は、内燃機関の吸気ダクトに限定されるものではなく、湾曲して延在する筒状の湾曲部を有するダクトであれば、他の機器（例えばエアーコンディショナ）のダクトにおいても同様にして生じるものである。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通気抵抗を低減することのできるダクトを提供することにある。

上記課題を解決するためのダクトは、湾曲して延在する筒状の湾曲部を有するダクトであって、当該ダクトの周壁を貫通する貫通孔を有し、前記貫通孔の形成位置は、前記周壁の周囲方向においては前記湾曲部の曲げ方向内側において空気流の剥離が生じる剥離点と同一位置になっており、且つ、前記ダクトの延設方向においては前記剥離点よりも空気流れ方向の上流側の位置になっている。

上記構成によれば、ダクトにおける剥離点よりも空気流れ方向の上流側の位置において、貫通孔を介して外部の空気がダクト内部に吸い込まれる。そのため、ダクト内壁面の近傍における上記貫通孔よりも空気流れ方向の下流側の領域に乱流境界層が形成されることで「小さな渦（小渦）」が発生するとともに、この小渦によって、上記湾曲部の曲げ方向の内側部分の近傍を流れる空気に対して運動エネルギが補われるようになる。そのため、上記湾曲部の曲げ方向の内側部分の近傍を流れる空気の下流側と上流側との間での圧力差が小さくなって、同内側部分の近傍における「大きな渦（大渦）」の発生が抑制されるようになる。これにより湾曲部内における空気の主流の流路断面積を大きくすることができるため、ダクトの圧力損失を低減することができる。したがって、ダクトの通気抵抗を低減することができる。

一実施形態の吸気ダクトの（ａ）は側面図であり、（ｂ）は（ａ）における１Ｂ矢視図であり、（ｃ）は（ａ）における１Ｃ矢視図。 同吸気ダクトの側断面図。 直線状に延ばした状態の吸気ダクトの側面図。 （ａ）は領域Ａにおける貫通孔の配置態様を示す説明図であり、（ｂ）は領域Ｂにおける貫通孔の配置態様を示す説明図。 内部における空気の流通態様を併せて示す吸気ダクトの側断面図。 小さな渦の供給態様を説明するための説明図。 補助孔からの空気の流入態様を併せて示す吸気ダクトの側断面図。 他の実施形態の吸気ダクトを直線状に延ばした状態を示す側面図。 同吸気ダクトの領域Ｃにおける貫通孔の配置態様を示す説明図。 その他の実施形態の吸気ダクトの（ａ）は領域Ａにおける貫通孔の配置態様を示す説明図であり、（ｂ）は領域Ｂにおける貫通孔の配置態様を示す説明図であり、（ｃ）は領域Ｃにおける貫通孔の配置態様を示す説明図。 従来の吸気ダクトの側断面図。

以下、ダクトの一実施形態である吸気ダクトについて説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、内燃機関の吸気ダクト２０は四角筒状をなしている。吸気ダクト２０の周壁２１は湾曲して延在する湾曲部２２を有している。周壁２１における上記湾曲部２２よりも空気流れ方向の上流側（以下、単に上流側）の部分である上流部２３と、上記湾曲部２２よりも空気流れ方向の下流側（以下、単に下流側）の部分である下流部２４とは共に直線状で延びている。周壁２１は、各部の断面形状が略同一であり、且つ湾曲部２２において９０度だけ曲がる態様で延びている。

図１および図２に示すように、吸気ダクト２０の周壁２１における配置範囲Ｓ１には、断面円形状で同周壁２１を貫通する複数の貫通孔２６が設けられている。この配置範囲Ｓ１は、上記湾曲部２２の曲げ方向内側において空気流の剥離が生じる剥離点Ｐ１、詳しくは内燃機関の吸入空気量が最大になる機関運転領域での剥離点Ｐ１を基準に定められている。なお本実施形態では、発明者による各種の実験やシミュレーションの結果をもとに、内燃機関の運転状態によることなく、後述する小渦Ｗ１をそのときどきの機関運転領域での剥離点およびその下流側に供給することの可能な貫通孔２６の配置範囲が予め求められている。そして、この求められた範囲が上記配置範囲Ｓ１として定められている。

図２および図３に示すように、上記配置範囲Ｓ１としては、吸気ダクト２０の延設方向において上記剥離点Ｐ１よりも上流側に位置する範囲が定められている。この配置範囲Ｓ１は、四角筒状の周壁２１を構成する四つの側壁のうちの上記湾曲部２２の曲げ方向の内側をなす内側壁部２５に定められている。

図３に示すように、配置範囲Ｓ１には、貫通孔２６の開口面積（開口径）が異なる二種類の領域Ａ，Ｂが定められている。なお図３は、各領域Ａ，Ｂの理解を容易にするために、全体を直線状に延ばした状態の吸気ダクト２０を示している。

そして、図４に示すように、各領域Ａ，Ｂでは、貫通孔２６が所定幅（例えば、１５ｍｍ）の格子における全ての格子点にあたる位置に設けられている。図４（ａ）に示すように領域Ａには大径（例えば、直径１．７ｍｍ）の貫通孔２６が設けられ、図４（ｂ）に示すように領域Ｂには小径（例えば、直径１．０ｍｍ）の貫通孔２６が設けられている。

このように上記配置範囲Ｓ１には、周壁２１の周囲方向においては、同一径の貫通孔２６が等間隔で並ぶ態様で配置される。しかも、周壁２１における上記延設方向の基準位置に定められた領域Ａには大径の貫通孔２６が設けられるとともに同領域Ａを間に挟む一対の領域Ｂには小径の貫通孔２６が設けられるといったように、上記配置範囲Ｓ１には延設方向において領域Ａに近づくに連れて開口径が大きくなる態様で貫通孔２６が設けられている。

また図１および図３に示すように、上記配置範囲Ｓ１は、内側壁部２５の幅方向（図３における上下方向）の中央にあたる特定位置Ｐ２、すなわち周壁２１の周囲方向において上記剥離点Ｐ１と同一位置になる特定位置Ｐ２を含む態様で定められている。

図１に示すように、四角筒状をなす周壁２１の断面における四つの角をなす部分には、同周壁２１の延設方向における全長にわたって延びる配置範囲Ｓ２が定められている。この配置範囲Ｓ２には、周壁２１を貫通する補助孔２７が設けられている。補助孔２７は、周壁２１の延設方向における全長にわたって等間隔で一列に並ぶように配置されている。

以下、本実施形態の吸気ダクト２０による作用について説明する。
図５に示すように、本実施形態の吸気ダクト２０では、周壁２１の内側壁部２５における剥離点Ｐ１よりも上流側の配置範囲Ｓ１に貫通孔２６が設けられている。

そのため、図５に白抜きの矢印で示すように、吸気ダクト２０における剥離点Ｐ１よりも上流側の位置において、貫通孔２６を介して外部の空気が吸気ダクト２０の内部に吸い込まれる。これにより、内側壁部２５の内壁面の近傍における上記貫通孔２６よりも下流側の領域に乱流境界層が形成されることで「小さな渦（小渦Ｗ１）」が発生するとともに、その小渦Ｗ１によって内側壁部２５の内壁面の近傍を流れる空気に対して運動エネルギが補われるようになる。その結果、湾曲部２２内において内側壁部２５の内壁面の近傍を流れる空気の下流側と上流側との間での圧力差ΔＰが小さくなる。

吸気ダクト２０の内部では、湾曲部２２の曲げ方向の内側において空気流が剥離することによって、上記小渦Ｗ１よりも大きい渦（以下、大渦Ｗ２）が発生するようになる。ただし、本実施形態の吸気ダクト２０では、貫通孔２６を設けることによって上記圧力差ΔＰを小さくすることができるため、貫通孔２６が設けられない比較例の吸気ダクト（図１１参照）と比較して、湾曲部２２の曲げ方向の内側で発生する大渦Ｗ２を小さくすることができる。これにより湾曲部２２内における空気の主流の流路断面積が大きくなるため、吸気ダクト２０の圧力損失が低減されるようになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）湾曲部２２を有する吸気ダクト２０の周壁２１には貫通孔２６が設けられている。貫通孔２６の配置範囲Ｓ１としては、周壁２１の周囲方向においては剥離点Ｐ１と同一位置である特定位置Ｐ２を含む範囲が定められており、且つ、吸気ダクト２０の延設方向においては剥離点Ｐ１よりも上流側の位置に定められている。こうした構成によれば、上述した作用を奏することから、通気抵抗を低減することができる。

（２）吸気ダクト２０の内側壁部２５における配置範囲Ｓ１には、複数の貫通孔２６が周囲方向において間隔を置いて並ぶ態様で配置されている。
吸気ダクト２０では、内部における空気流れ態様の変動に起因して剥離点Ｐ１の周囲方向における位置が変化する場合がある。吸気ダクト２０内における空気流れ態様を変動させる因子としては、吸入空気の温度や周壁２１の温度などといった吸気ダクト２０の使用環境を挙げることができる。

本実施形態によれば、図６に概略的に示すように、周壁２１の周囲方向（図６の左右方向）において等間隔で並ぶ態様で複数の貫通孔２６が配置されているため、前記小渦Ｗ１を、内側壁部２５の内壁面の近傍において周囲方向に幅を有する範囲で発生させることができる。したがって、剥離点Ｐ１の周囲方向の位置が変化する場合であっても、内側壁部２５の内壁面の近傍における上記貫通孔２６の下流側において発生する小渦Ｗ１を、上記剥離点Ｐ１およびその下流側の領域、すなわち空気流の剥離に起因して大渦Ｗ２が発生するおそれのある領域に確実に届けることができる。

（３）吸気ダクト２０の内側壁部２５における配置範囲Ｓ１には、延設方向において等間隔で並ぶ態様で複数の貫通孔２６が配置されている。これにより、前記小渦Ｗ１を延設方向において長い範囲で発生させることができるため、大渦Ｗ２の発生を抑える上で適切な大きさの小渦Ｗ１を供給可能な範囲を延設方向において長い範囲にすることができる。したがって、内燃機関の吸入空気量、すなわち吸気ダクト２０内を通過する空気量の変化に伴って剥離点Ｐ１の延設方向の位置が変化するとはいえ、内側壁部２５の内壁面の近傍における上記貫通孔２６の下流側において発生する小渦Ｗ１を、適切な大きさが保たれた状態で、上記剥離点Ｐ１およびその下流側の領域に確実に届けることができる。

（４）吸気ダクト２０では、内側壁部２５の領域Ａに形成される貫通孔２６の開口面積が、延設方向において上記領域Ａを間に挟む一対の領域Ｂに形成される貫通孔２６の開口面積よりも大きくされている。こうした構成によれば、剥離点Ｐ１およびその下流側の領域に対して適切な大きさの小渦Ｗ１を供給可能な領域においては貫通孔２６の開口面積を大きくすることにより、大渦Ｗ２が発生するおそれのある領域に小渦Ｗ１を確実に届ける機能が得られる。しかも、その周辺領域においては貫通孔２６の開口面積を小さくすることにより、貫通孔２６を設けることによる放射音の増大を抑えつつ、小渦Ｗ１を供給可能な範囲を大きくすることができる。

（５）内燃機関の吸入空気量が最大になる機関運転領域での剥離点Ｐ１を基準に、貫通孔２６の配置範囲Ｓ１が定められている。
吸入空気量が最大になる機関運転領域では、吸気ダクト２０の湾曲部２２内を通過する空気のエネルギが最大になるため、全ての機関運転領域の中で剥離点Ｐ１が最も上流側の位置になる。本実施形態によれば、そうした吸入空気量が最大になる機関運転領域での剥離点Ｐ１に合わせて貫通孔２６の配置範囲Ｓ１を定めることにより、内燃機関の吸入空気量によることなく、貫通孔２６の配置範囲Ｓ１をそのときどきの剥離点Ｐ１よりも上流側の位置にすることができる。そのため、全ての機関運転領域において小渦Ｗ１を剥離点Ｐ１およびその下流側の領域に上流側から確実に届けることができる。

（６）四角筒状の周壁２１における断面角状をなす部分には、同周壁２１を貫通する補助孔２７が設けられている。四角筒状をなす吸気ダクト２０では、断面角状をなす部分、すなわち周壁２１の断面における四隅の部分において空気が流れ難くなるため、有効通路面積が小さくなり易い。本実施形態によれば、図７に示すように、そうした吸気ダクト２０内における四隅の部分に補助孔２７を介して空気が流入するようになる。これにより、吸気ダクト２０内における四隅の部分において空気が流れ易くなるため、吸気ダクト２０の有効通路面積を大きくすることができる。しかも、吸気ダクト２０内における四隅の部分において空気が滞留し難くなるため、同部分において発生する渦を小さくすることができる。したがって、吸気ダクト２０内を渦が流れることによって生じる騒音を低減することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・補助孔２７の一部、または全部を省略してもよい。
・貫通孔２６の配置範囲Ｓ１に貫通孔２６の開口径が異なる三種類以上の領域を定めるようにしてもよい。

・貫通孔２６の配置範囲において、上流側の領域ほど周壁２１における貫通孔２６の開口部分の占める割合が大きくなるように、貫通孔２６を設けるようにしてもよい。そうした吸気ダクトの一例を図８に示す。なお図８は、各領域の理解を容易にするために、全体を直線状に延ばした状態の吸気ダクト３０を示している。図８に示す例では、周壁３１における貫通孔３６の配置範囲Ｓ３に、貫通孔３６の開口径が異なる三種類の領域Ａ，Ｂ，Ｃが定められている。そして、上流側の領域Ａ（図４（ａ）参照）には大径の貫通孔３６が設けられ、中間の領域Ｂ（図４（ｂ）参照）には中程度の径の貫通孔３６が設けられ、下流側の領域Ｃには図９に示すように小径の貫通孔３６（例えば、直径０．６ｍｍ）が設けられている。

上述のように内燃機関の吸入空気量が多いときほど、剥離点は上流側の位置になる。また内燃機関の吸入空気量が多いときほど、空気流の剥離によって生じる前記大渦Ｗ２を適度に小さくするために必要な小渦Ｗ１の大きさが大きくなるため、そうした小渦Ｗ１を発生させるために必要な貫通孔３６の開口面積も大きくなる。

上記構成によれば、そうした剥離点Ｐ１の延設方向における位置と同位置であるときに必要な貫通孔３６の開口面積との関係に合わせて、配置範囲Ｓ３の各部における貫通孔３６の大きさを定めることができる。

・周壁における貫通孔の配置範囲の各領域において、貫通孔の開口径を異なる大きさにすることに代えて、単位面積あたりの貫通孔の配置数を異なる数にするようにしてもよい。こうした構成によっても、周壁における貫通孔の開口部分の占める割合を、配置範囲における領域毎に異なる値にすることができる。

図１０に、そうした貫通孔の配置態様の一例を示す。図１０に示す例では、各領域Ａ〜Ｃにおいて、貫通孔４６が所定幅（例えば、５ｍｍ）の格子における格子点にあたる位置に設けられている。この貫通孔４６としては、同一径（例えば、０．６ｍｍ）の断面円形状の孔が形成されている。

図１０（ａ）に示すように、領域Ａは、領域Ａ〜Ｃの中で、周壁４１における単位面積あたりの貫通孔４６の配置数が最も多くなっている。具体的には、領域Ａでは、上記格子の各格子点に対して、軸線方向および周方向において一つ置きの格子点に配置される態様で貫通孔４６が設けられている。

図１０（ｂ）に示すように、上記領域Ｂは、領域Ａと比較して、周壁４１における単位面積あたりの貫通孔４６の配置数が少なくなっている。具体的には、上記領域Ｂでは、領域Ａ（図１０（ａ）参照）における各貫通孔４６の配置箇所に対して、二箇所置きに貫通孔４６が設けられない箇所を一つ設定するといったように、貫通孔４６が設けられている。

図１０（ｃ）に示すように、上記領域Ｃは、領域Ａ〜Ｃの中で、周壁４１における単位面積あたりの貫通孔４６の配置数が最も少なくなっている。具体的には、上記領域Ｃでは、領域Ａ（図１０（ａ）参照）における各貫通孔４６の配置箇所に対して、一箇所置きに貫通孔４６が設けられない箇所を二つ設定するといったように、貫通孔４６が設けられている。

・周壁２１の配置範囲Ｓ１に、各領域における貫通孔の開口部分の占める割合が同一になるように貫通孔を設けてもよい。
・周囲方向に間隔を置いて並ぶように複数の貫通孔を設けることに限らず、貫通孔の周囲方向における位置と剥離点の周囲方向における位置とが同一になる特定位置のみに同貫通孔を設けるようにしてもよい。こうした構成によっても、貫通孔を介して吸気ダクト内に空気を流入させることによって生じる小渦Ｗ１を、剥離点Ｐ１およびその下流側に供給することができる。

・延設方向に間隔を置いて並ぶように複数の貫通孔を設けることに限らず、延設方向における剥離点よりも上流側の一箇所のみに貫通孔を設けるようにしてもよい。こうした構成によっても、貫通孔を介して吸気ダクト内に空気を流入させることによって生じる小渦Ｗ１を、剥離点Ｐ１およびその下流側に供給することができる。

・貫通孔の断面形状は、断面円形状に限らず、任意に変更することができる。
・上記実施形態のダクトは、四角筒状の周壁を有する吸気ダクトに限らず、五角筒状や円筒状、楕円筒状などの任意の形状の周壁を有する吸気ダクトにも適用することができる。

・上記実施形態のダクトは、内燃機関の吸気ダクトに限らず、湾曲して延在する筒状の湾曲部を有するダクトであれば、他の機器（例えばエアーコンディショナ、車載電池の冷却装置）のダクトにも適用可能である。

２０…吸気ダクト、２１，３１，４１…周壁、２２…湾曲部、２３…上流部、２４…下流部、２５…内側壁部、２６，２６、４６…貫通孔、２７…補助孔、１０２…湾曲部、１０５…内側壁部。

Claims (6)

1. 湾曲して延在する筒状の湾曲部を有するダクトであって、
   当該ダクトの周壁を貫通する貫通孔を有し、
   前記貫通孔の形成位置は、前記周壁の周囲方向においては前記湾曲部の曲げ方向内側において空気流の剥離が生じる剥離点と同一位置になっており、且つ、前記ダクトの延設方向においては前記剥離点よりも空気流れ方向の上流側の位置になっている、ダクト。
2. 前記ダクトは、前記貫通孔を複数有しており、
   前記貫通孔の配置範囲は、前記周囲方向において前記剥離点と同一位置になる特定位置を含むとともに前記周囲方向において幅を有する範囲である
   請求項１に記載のダクト。
3. 前記貫通孔は、前記延設方向に間隔を置いて並ぶ態様で設けられている
   請求項１または２に記載のダクト。
4. 前記貫通孔は、前記延設方向の基準位置に近づくに連れて、前記周壁における前記貫通孔の開口部分の占める割合が大きくなるように設けられている
   請求項３に記載のダクト。
5. 前記ダクトは、内燃機関の吸気ダクトであり、
   前記剥離点は、前記内燃機関の吸入空気量が最大になる機関運転領域での剥離点である
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のダクト。
6. 前記ダクトは多角筒状をなすものであり、
   前記周壁における断面角状をなす部分には同周壁を貫通する補助孔が設けられている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のダクト。