JP2005248818A

JP2005248818A - エンジンのスワール生成装置

Info

Publication number: JP2005248818A
Application number: JP2004059962A
Authority: JP
Inventors: Kozo Suzuki; 弘三鈴木; Yoji Fukami; 洋司深見; Yasuhiro Kuji; 泰広久慈
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US20050193976A1; US7140347B2

Abstract

【課題】燃焼室内に強くて大きく旋回する効果的なスワールを生成させることのできるエンジンのスワール生成装置を提供する。
【解決手段】吸気弁１０により開閉される吸気ポート７０の上流近傍から燃焼室９に空気または混合気からなる補助ガスを導入する補助通路２４を備える。補助通路２４の先端開口２５は、吸気ポート７０における排気ポート８０寄りの部分に位置し、補助ガスをシリンダ３の軸心方向から見てシリンダ内周面３ａの法線方向Ｎと異なる方向に導入してシリンダ３の内周面３ａに沿ったスワールＳを形成するように設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は主としてアイドル回転時や急減速時のようにエンジンが低負荷状態となったときに燃焼室内にスワールを生成させるスワール生成装置に関するものである。

従来、エンジンの低負荷時に希薄空燃比とし、かつ燃焼室内にスワールを発生させることにより、燃焼効率を向上させて燃費低減を図るようにしたリーンバーンエンジンが知られている。また、近年では、２吸気弁式エンジンにおいて、大気側からスロットル弁をバイパスして空気を吸入する二つのバイパス通路を設けるとともに、これらバイパス通路の各出口を吸気通路におけるスロットル弁の下流側の二つの吸気ポート部の各々の近傍箇所にそれぞれ開口させて、各バイバス通路を通る空気の噴流により燃焼室内にスワールを生成するようにしたスワール発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１１３７１９号公報

しかしながら、前記スワール発生装置では、バイパス通路を通る空気を主吸気通路における吸気弁の上流側で主吸気通路の空気と合流させて、各吸気ポートにおける燃焼室の外周に近い側から燃焼室内に導いているので、バイパス通路を通る空気の燃焼室内への導入位置が効果的なスワールを発生させるのに適切でない。すなわち、バイバス通路を通って燃焼室の外周に近い箇所から燃焼室内に噴射された空気は、燃焼室の外周およびピストンの頂面に衝突することから、スムーズに旋回流を発生させることができず、吸気弁からの吸入空気の流れを単に偏らせることでスワールを発生させるように作用するだけであるから、強くて大きく旋回するスワールを生成し難い。そのため、このスワール発生装置では、希薄空燃比の状態における燃焼効率を十分に向上させることができず、ＨＣの低減効果が低い。

本発明は前記従来の課題に鑑みてなされたもので、燃焼室内に強くて大きく旋回する効果的なスワールを生成させることのできるエンジンのスワール生成装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係るエンジンのスワール生成装置は、吸気弁により開閉される吸気ポートの上流近傍から燃焼室に空気または混合気からなる補助ガスを導入する補助通路を備え、前記補助通路の先端開口が、前記吸気ポートにおける排気ポート寄りの部分に位置し、前記補助ガスをシリンダの軸心方向から見てシリンダ内周面の法線方向と異なる方向に導入して前記シリンダ内周面に沿ったスワールを形成するように設定されている。

この構成によれば、補助通路を通って吸気ポートの上流近傍から燃焼室に導入される補助ガスは、吸気ポートにおける排気ポート寄りの箇所つまり燃焼室の中心から偏位した箇所から、シリンダの軸心方向から見てシリンダ内周面の法線方向と異なる方向、つまり斜め方向に向けて噴射されるので、燃焼室内においてシリンダ内周面やピストンの頂面に強く衝突して反転することなく滑らかに拡がっていくので、この補助ガスの広がりは吸気ポートから排気ポートに向けて延びる平面視ほぼ楕円形状となる。そのため、燃焼室内には、シリンダ内周面に沿って旋回する強くて大きな補助ガスのスワールが形成される。このスワールの旋回エネルギにより、燃焼室内の混合気が効果的に攪拌されるので、希薄空燃比に設定される低負荷時であっても、燃焼の均一化によって燃焼効率が向上し、排気ガス中のＨＣなどの成分を十分に低減することができる。

本発明の好ましい実施形態では、前記補助通路の先端開口が、吸気弁のバルブガイドよりも吸気通路の下流側に位置している。この構成によれば、補助通路の先端開口を、吸気弁のバルブガイドの存在が邪魔になることなく、容易に形成することができる。

本発明の他の好ましい実施形態では、さらに、所定のエンジン運転条件に応じて前記補助通路を開閉するコントロール弁が設けられている。この構成によれば、例えば、エンジンがアイドル回転時や急減速時などの低負荷状態となった時点でコントロール弁の作動により補助通路を吸気ポートに連通させるように制御することにより、補助通路から導入した補助ガスにより燃焼室内にスワールを生成させて、希薄空燃比となる低負荷時に燃焼効率を向上させることができる。

本発明のさらに他の好ましい実施形態では、前記補助通路が吸気通路におけるスロットル弁の上流側からスロットル弁をバイパスして吸入空気を燃焼室に導入するバイパス通路になっている。この構成によれば、従来のエンジンに広く使用されているアイドリング時の空気量増大用のバイパス通路を、その先端開口の配設位置および向きを変えることにより、本発明の補助通路として利用できる。さらに、例えば、従来のバイパス通路に設けられてその通路面積を調節するアイドルスピードコントロール弁を、そのまま補助通路の開閉用のコントロール弁として利用することもできる。したがって、既存のエンジンの一部分を改造するだけで、本発明のスワール生成装置を容易に装着できる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るスワール生成装置が適用されたエンジンＥの要部を示す縦断面図である。このエンジンＥは、例えば、自動二輪車に搭載されるものであり、内部をピストン１が摺動するシリンダ３を形成するシリンダブロック２が、クランクケース（図示せず）の上部に連結され、シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド４が取り付けられ、シリンダヘッド４の上部にシリンダヘッドカバー５が取り付けられて、シリンダヘッド４とシリンダヘッドカバー５との間に、動弁装置を収納した動弁室６が形成されている。

前記シリンダヘッド４には吸気通路７および排気通路８が形成されており、この吸気通路７および排気通路８は燃焼室９に開口し、その開口部の吸気ポート７０および排気ポート８０が、吸気弁１０および排気弁１１により、それぞれ開閉される。吸気弁１０および排気弁１１はそれぞれ、バルブガイド１２，１３により摺動自在に保持された状態でシリンダヘッド４に上下動自在に支持されているとともに、バルブスプリング１４，１７により閉弁方向に常時ばね力が付加されて、図示の状態ではバルブシート１８，１９を介して吸気ポート７０および排気ポート８０を閉じている。また、吸気弁１０および排気弁１１は、ステム部３３がタペット３４を介して（図示せず）の作動力を受けることにより、バルブスプリング１４，１７のばね力に抗して押し下げられたときに、吸気ポート７０および排気ポート８０を開くように構成されている。

シリンダヘッド４の吸気通路７は空気供給管２０を介して上流のアクリーナ１５に接続されている。すなわち、吸気通路７は、エアクリーナ１５のクリーナエレメント１５ａの下流室１５ｂおよび空気供給管２０から、シリンダヘッド４の内部通路を通って吸気ポート７０まで至るように形成されている。吸気通路７の一部を構成する前記空気供給管２０の内部には、チョーク弁（または副スロットル弁）２１と吸入空気の流量を調節するスロットル弁（または主スロットル弁）２２とが配設されているとともに、スロットル弁２２よりも下流側の吸入空気に向け燃料を噴霧する燃料噴射ノズル２３が配置されている。吸気通路７でアクリーナ１５からの吸入空気に燃料噴射ノズル２３からの燃料が混合されて混合気が生成され、この混合気が吸気ポート７０から燃焼室９内に供給される。

ピストン１の上方の燃焼室９には、上述の吸気通路７から混合気を導入するのとは別に、アクリーナ１５の下流室１５ｂから吸入された空気が、補助ガスとして、スロットル弁２２をバイパスするバイパス通路２４を介して、吸気ポート７０の上流近傍から導入されるようになっている。このバイパス通路２４が本発明の補助通路を形成している。

前記バイパス通路（補助通路）２４は、アクリーナ１５の下流室１５ｂに接続されたチューブからなる空気導出部２７と、この空気導出部２７に接続されて先端開口が吸気ポート７０の上流近傍箇所に配置された空気導入部２８とにより構成されている。空気導出部２７にはコントロール弁３０が設けられており、このコントロール弁３０は、所定のエンジン運転条件に基づいて作動するエンジンコントロールユニット２９により制御されて、バイパス通路２４を開閉する。前記バイパス通路２４およびコントロール弁３０は、従来よりエンジンに広く使用されているアイドル回転安定化のためのバイパス通路およびアイドルスピードコントロール弁に類似した構造であるが、特に、バイパス通路２４の先端開口２５の配設位置および配設方向を後述のスワールを効果的に生成できるように工夫した点に特徴を有しており、この構成について、以下に説明する。

図２は、図１とは異なる箇所を切断したシリンダヘッド４の要部の縦断面図を示す。図２の空気導入部２８は、シリンダヘッド４の吸気通路７に斜めに連通する配置でバルブガイド１２の下方位置からバルブシート１８の近傍上方位置に至る長さに形成された貫通孔３１と、この貫通孔３１の上部に圧入された接続パイプ３２とにより構成されている。これにより、バイパス通路２４の先端開口２５が吸気ポート７０の上流近傍箇所に配設されている。前記接続パイプ３２の圧入に代えて、シリンダヘッド４内に鋳抜きや機械加工で通路を形成し、この通路におけるシリンダヘッド４の端部に開口する開口部に、パイプもしくはチューブを連結して空気導入部２８を形成することもできる。

図３は、前記スワール生成装置の低負荷時における作動状態を模式的に示した平面図（シリンダ軸心方向から見た図）である。この実施形態では、吸気弁１０および排気弁１１をそれぞれ２つずつ有する４バルブ方式のエンジンＥを例示してあり、両弁１０，１１により開閉される吸気ポート７０および排気ポート８０は、燃焼室９の一つの直径線Ｄ１を挟んでほぼ線対称に配置されている。２つの吸気弁１０，１０によりそれぞれ開閉される吸気ポート７０，７０には、吸気通路７から分岐した吸気マニホ−ルド７Ａ，７Ｂを通って混合気が導入される。バイパス通路２４（図１，２）における前記先端開口２５は、一方（図３の右方）の吸気ポート７０の上流近傍における排気ポート８０寄りで燃焼室９の外側寄りの部分Ｐ１に位置し、かつ、シリンダ３の軸心方向から見てシリンダ内周面３ａの法線方向Ｎと異なる方向に空気を導入するように設定されている。なお、他方（図３の左方）の吸気ポート７０の近傍に先端開口を設けてもよく、その場合の先端開口は、前記一方の吸気ポート７０に設けた先端開口２５と面対称の位置に配置される。

つぎに、上記構成の作用について説明する。図１のエンジンＥがアイドル回転時または急減速時のように低負荷状態となったときには、スロットル弁２２が、吸気通路７を閉じるように作動されるとともに、コントロール弁３０が、エンジンＥの低負荷状態を検知したエンジンコントロールユニット２９により、バイパス通路２４における空気導出部２７の空気通路を開くように作動され、さらに、燃料噴射ノズル２３からの燃料の噴射量が低負荷状態に対応した量に減少するように調整される。したがって、この低負荷時には燃焼室９内に希薄混合気が導入される。

図３に示すように、バイパス通路２４を通って吸気ポート７０の上流近傍に供給された補助ガスである空気は、吸気ポート７０の上流近傍における排気ポート８０寄りのＡ−Ｂ−Ｃで示される部分Ｐ１、つまり燃焼室９の中心から偏位した部分に位置する先端開口２５から、シリンダ３の軸心方向から見てシリンダ内周面３ａの法線方向Ｎと異なる方向Ｔに向けて、シリンダ内周面３ａに対し斜め方向に導入される。そのため、シリンダ内周面３ａや図１のピストン１の頂面１ａに衝突することなく広がる。このときの吸気の広がりは、図３に一点鎖線Ｗ１で示すように、吸気ポート７０からシリンダ内周面３ａに向けて延びる平面視ほぼ楕円形状となる。比較のために、図３には、吸気ポート７０の上流近傍に開口するバイパス通路２４の先端開口２５から吸入空気を噴射しなかった場合の吸気の広がり形状を二点鎖線Ｗ３で示してあり、この場合の吸気の広がりは吸気ポート７０を拡径しただけの平面視ほぼ円形状となる。

こうして、燃焼室９内には、上述のように平面視ほぼ楕円形状Ｗ１に拡がる空気により、シリンダ内周面３ａに沿って旋回する強くて大きなスワールＳが形成される。この空気のスワールＳの旋回エネルギにより、吸入ポート７０から燃焼室９内に供給された混合気が効果的に攪拌されるので、上述のように希薄空燃比に設定される低負荷時であっても、燃焼の均一化によって燃焼効率が向上し、排気ガス中のＨＣなどの成分を十分に低減することができる。

一方、エンジンが高負荷状態となったときには、図１のスロットル弁２２が、吸気通路７を大きく開放する角度（空気供給管２０の軸方向と平行）に調整されるとともに、コントロール弁３０が、エンジンＥの高負荷状態を検知したエンジンコントロールユニット２９により、バイパス通路２４における空気導出部２７の空気通路を閉じるように調整され、さらに、燃料噴射ノズル２３からの燃料の噴射量が高負荷状態に対応した量に増大するよう調整される。これにより、燃焼室９内には大量の混合気が導入されて、必要とするエンジン出力が確保される。

バイパス通路２４の先端開口２５は、図３に図示した排気ポート８０に最も近い位置Ａとこれから燃焼室９の外側へ約４５°ずれた位置Ｂとの間の部分に配設すれば、上述した強くて大きなスワールＳが最も効果的に生成されるように、空気を燃焼室９内に導入することができる。但し、前記先端開口２５を図３の位置Ｂと、位置Ａから燃焼室９の外側へ９０°ずれた位置Ｃとの間の部分に配設しても、十分強くて大きなスワールＳを生成することが可能である。すなわち、吸気ポート７０をこれに近接する排気ポート８０に近い側である第１半部７０Ａと遠い側である第２半部７０Ｂとに２分割した場合に、バイパス通路２４の先端開口２５は、吸気ポート７０の第１半部７０Ａ内であって、燃焼室９の中心ＣＣから離間した外側位置に配設するのが好ましい。

また、前記実施形態では、図２に示すシリンダヘッド４における吸気弁１０のバルブガイド１２の下方箇所に、吸気ポート７０の上流近傍に開口する貫通孔３１を形成して、この貫通孔３１の下端開口をバイパス通路２４の先端開口２５としているので、この先端開口を、吸気弁７０のバルブガイド１２の存在に邪魔されることなく、容易に形成することができる。

さらに、前記スワール生成装置は、エンジンに従来から使用されているアイドリング時の空気量増大用のバイパス通路を、図１の先端開口２５の配設位置および向きを変えるだけの簡単な改造によって、スワール生成用の補助ガス（前記実施形態では空気）を燃焼室９に導くための補助通路として用い、従来のアイドル回転安定化用のアイドルスピードコントロール弁を、そのまま前記補助通路２４を開閉するためのコントロール弁３０として活用できるので、既存のエンジンに装着するのが容易である。

なお、前記実施形態では、燃料噴射型のエンジンＥに適用しており、吸気ポート７０の上流近傍から燃焼室９内に導いてスワールＳを形成させるための補助ガスとして、バイパス通路２４を通る空気を用いる場合を例示しているが、気化器型エンジンにも適用して同様の効果を得ることができる。気化器型の場合、前記実施形態と同様に、気化器およびスロットル弁をバイパスして、空気の一部を補助通路に導入してもよいが、気化器をバイパスしないで、その下流のスロットル弁のみをバイパスして、気化器からの混合気の一部を補助ガスとして、補助通路を介して取り出し、その混合気を吸気ポート７０の上流近傍から燃焼室９内に導入する構成とすることもできる。

図４は、燃焼室９の共通の直径線Ｄ２上に吸気弁１０および排気弁１１を１つずつ有する２バルブ方式のエンジンに適用した第２実施形態を模式的に示した平面図である。この２バルブ方式のエンジンにおいても、上述したバイパス通路２４における先端開口２５を、吸気ポート７０の上流近傍における排気ポート８０寄りのＥ−Ｆ−Ｇで示される部分Ｐ２に位置させて、シリンダ３の軸心方向から見てシリンダ内周面３ａの法線方向Ｎと異なる方向に空気を導入する向きＴに設定する。これにより、吸気の広がりは、図４に一点鎖線で示すように、吸気ポート７０からシリンダ内周面３ａに向けて延びる平面視ほぼ楕円形状Ｗ２となる。Ｅは吸気ポート７０における排気ポート８０に最も近い位置Ａから燃焼室９の外側へ約１５〜２５°ずれた位置、Ｆは位置Ａから燃焼室９の外側へ約４０〜５０°ずれた位置、Ｇは位置Ａから燃焼室９の外側へ約７０〜８０°ずれた位置である。強いスワールＳを得るためには、先端開口２５を位置Ｅ〜位置Ｆの部分に配置ずるのが最も好ましく、位置Ｆ〜位置Ｇの部分がその次に好ましい。

したがって、この第２実施形態においても、前記実施形態と同様に、燃焼室９内には、平面視ほぼ楕円形状に拡がる吸気により、シリンダ内周面３ａに沿って旋回する強くて大きなスワールＳが形成される。このスワールＳの旋回エネルギにより混合気が効果的に攪拌されるので、希薄空燃比に設定される低負荷時であっても、燃焼の均一化によって燃焼効率が向上し、排気ガス中のＨＣなどの成分を十分に低減することができる。

本発明の第１実施形態に係るエンジンのスワール生成装置を示す縦断面図である。図１とは異なる箇所を切断したシリンダヘッドの要部を示す縦断面図である。同上スワール生成装置の低負荷時における作動状態を模式的に示した平面図である。本発明の第２実施形態に係るエンジンのスワール生成装置の低負荷時における作動状態を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１ピストン
３シリンダ
３ａシリンダ内周面
４シリンダヘッド
７吸気通路
９燃焼室
１０吸気弁
１２バルブガイド
２２スローットル弁
２４バイパス通路（補助通路）
２５先端開口
３０コントロール弁（コントロール弁）
７０吸気ポート
８０排気ポート
Ｅエンジン
Ｎ法線方向
Ｓスワール
Ｔ法線と異なる方向

Claims

吸気弁により開閉される吸気ポートの上流近傍から燃焼室に空気または混合気からなる補助ガスを導入する補助通路を備え、
前記補助通路の先端開口が、前記吸気ポートにおける排気ポート寄りの部分に位置し、前記補助ガスをシリンダの軸心方向から見てシリンダ内周面の法線方向と異なる方向に導入して前記シリンダ内周面に沿ったスワールを形成するように設定されているエンジンのスワール生成装置。
請求項１において、前記補助通路の先端開口が、吸気弁のバルブガイドよりも吸気通路の下流側に位置しているエンジンのスワール生成装置。
請求項１または２において、さらに、所定のエンジン運転条件に応じて前記補助通路を開閉するコントロール弁が設けられているエンジンのスワール生成装置。
請求項１，２または３において、前記補助通路は吸気通路におけるスロットル弁の上流側からスロットル弁をバイパスして吸入空気を燃焼室に導入するバイパス通路であるエンジンのスワール生成装置。