JP2008309096A

JP2008309096A - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP2008309096A
Application number: JP2007159167A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Ito; 弘和伊藤; Yasuo Sato; 康夫佐藤; Tomoyuki Takada; 倫行高田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】スワール流を弱めることを抑えつつ冷却損失の増加を抑制できる内燃機関の吸気装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１にはシリンダ２内にスワール流Ｆｓｗを形成するための吸気ポート５とスワールコントロールバルブ１３とが設けられている。対向流発生機構１５はシリンダ２内に形成されたスワール流Ｆｓｗが接触するシリンダ２の内周面２ａに沿うようにしてスワール流Ｆｓｗの流れと対向する向きの成分を持った対向流Ｆｒｅを供給する。対向流Ｆｒｅの供給は内周面２ａへ向かう熱の逃げが多くなる時期と同期するように行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内にスワール流を形成する内燃機関の吸気装置に関する。

ディーゼル機関の吸気ポートに隣接してシリンダヘッドに開口する補助吸気ポートを設けた内燃機関の吸気装置がある（特許文献１）。この吸気装置は、シリンダ内にスワール流が発生しているときに補助吸気ポートから縦流をシリンダ内に導入し、スワール流と縦流とを混ぜることにより吸気の乱れエネルギを増加させる。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開平４−４７１２４号公報実開平６−４３０３号公報特開平１１−２５７０７７号公報

シリンダ内に形成されるスワール流が強くなると流速が大きくなるため、シリンダの内周面やピストンの頂面等のスワール流と接触する壁面からの放熱量が増加して、冷却損失が増加する問題がある。また、特許文献１の吸気装置のようにスワール流に縦流を混ぜただけでは、補助吸気ポートから導入される縦流とシリンダ内のスワール流とが干渉し合いスワール流が弱められるおそれがある。

そこで、本発明は、スワール流を弱めることを抑えつつ冷却損失の増加を抑制できる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の吸気装置は、内燃機関のシリンダ内にスワール流を形成するスワール形成手段と、前記シリンダ内に形成されたスワール流が接触する壁面に沿うようにしてスワール流の流れと対向する向きの成分を持った対向流を供給する対向流供給手段と、を備え、前記対向流供給手段は、前記壁面へ向かう熱の逃げが多くなる時期と同期するように前記対向流を供給することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この吸気装置によれば、スワール流が接触する壁面に沿って対向流が供給されるので、壁面付近におけるスワール流の流速がその対向流によって減速される。そのため、スワール流の壁面における境界層が実質的に厚くなり、それに伴って温度境界層も厚くなる。これにより、シリンダ内から壁面へ向かう熱の逃げが抑制される。また、この吸気装置によれば、壁面へ向かう熱の逃げが多くなる時期に同期して対向流が供給されるので、対向流の供給期間が必要な期間に制限される。これにより、スワール流と対向流とが干渉する期間が短くなるので、対向流にてスワール流が弱められることを抑えることができる。その結果、スワール流による燃料の混合、拡散効果を損なうことなく冷却損失の増加を抑えることができるので、低燃費で低スモークな燃焼が可能になる。なお、本発明の対向流はスワール流の流れと対向する向きの成分を有していれば十分であり、例えばスワール流の流れに対して斜め方向に向かう流れでもよい。本発明の対向流は、スワール流の流れに対して正面に向かう流れ、即ちスワール流の流れ方向と反対方向に流れる逆流をも含む概念である。

本発明の吸気装置においては、対向流供給手段が供給する対向流はスワール流が接触する壁面に沿うように流れるものであればよい。対向流が接触する壁面としてはシリンダの内周面やピストンの頂面或いはピストンにピストンキャビティが形成されている態様の場合にはピストンキャビティの内面等がある。また、そのような対向流を供給する対向流供給手段は種々の態様で実現できる。例えば、前記対向流供給手段として、前記シリンダ内のガスを一旦吸入し、その吸入したガスを圧縮して前記シリンダ内に噴射することにより前記対向流を供給できる対向流発生機構が設けられていてもよい（請求項２）。この態様によれば、シリンダ内のガスを利用して対向流が形成されるので、外部からの空気を利用して対向流を供給する態様と比べて、対向流の供給に伴う空燃比の変化を抑えることができる。これにより、対向流の供給によって燃焼が不安定になることを容易に回避できる。

対向流発生機構としては、種々の態様を採用できる。例えば前記対向流発生機構は、所定の容積を持つ制御室と、前記制御室と前記シリンダとを結び前記対向流を供給可能な方向に向かって前記シリンダ内に開口する供給通路と、前記制御室内に往復動可能に設けられた対向流発生用ピストンと、前記内燃機関のカム軸の回転運動を前記対向流発生用ピストンの往復運動に変換して伝達する動力伝達機構と、を備えてもよい（請求項３）。この場合には、カム軸の回転運動を利用して対向流発生用ピストンを駆動できるので、対向流発生用ピストンを駆動するために、電動モータ等の専用の駆動源を設ける必要がない。そのため、シリンダ内に対向流を効率的に供給することができる。

以上説明したように、本発明によれば、スワール流が接触する壁面に沿って対向流が供給されるので、壁面付近におけるスワール流の流速がその対向流によって減速される。そのため、スワール流の壁面における境界層が実質的に厚くなり、それに伴って温度境界層も厚くなる。これにより、シリンダ内から壁面へ向かう熱の逃げが抑制される。また、この吸気装置によれば、壁面へ向かう熱の逃げが多くなる時期に同期して対向流が供給されるので、対向流の供給期間が必要な期間に制限される。これにより、スワール流と対向流とが干渉する期間が短くなるので、対向流にてスワール流が弱められることを抑えることができる。その結果、スワール流による燃料の混合、拡散効果を損なうことなく冷却損失の増加を抑えることができるので、低燃費で低スモークな燃焼が可能になる。

図１は本発明の吸気装置が適用された内燃機関の要部を示している。図１に示した内燃機関１は、複数（図では１つのみ示す）シリンダ２が一方向に並べられた直列型のディーゼルエンジンとして構成されていて、シリンダ２に接続された吸気通路３及び排気通路４をそれぞれ有している。吸気通路３は各シリンダ２に吸気を導入するための吸気ポート５を備え、排気通路４は燃焼後の排気を各シリンダ２から排出するための排気ポート６を備えている。なお、内燃機関１は、吸気ポート５及び排気ポート６が各シリンダ２に対して二つずつ設けられているが図１ではそれぞれ一つだけ示した。吸気ポート５にはこれを開閉する吸気バルブ７が、排気ポート６にはこれを開閉する排気バルブ８がそれぞれ設けられている。吸気バルブ７は不図示のクランクシャフトと同期して回転するカム軸９を備えた周知の動弁機構１０にて開閉駆動される。排気バルブ８も同様に動弁機構１０と同様な構成を持つ動弁機構（不図示）にて開閉駆動される。

各シリンダ２には、ピストン１１が往復運動自在に設けられている。周知のように、ピストン１１は図示しないコネクティングロッドを介在させてクランクシャフトに連結されている。また、ピストン１１の頂面１１ａの中央部にはピストンキャビティ１２が形成されている。ピストンキャビティ１２が形成されることにより、ピストン１１の頂面１１ａは一様な平面ではなく窪みを有した形状に構成される。

図２は図１の内燃機関１をシリンダ２の上方から模式的に示した平面模式図である。この図に示すように、各吸気ポート５は吸気に旋回成分を与えることができる周知のヘリカルポートとして構成されている。二つの吸気ポート５のうち、一方（図２の下側）の吸気ポート５には、通路の開度を任意に調整できるスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）１３が設けられている。吸気ポート５によってシリンダ２内に吸気が導かれると図示の流れ方向に旋回するスワール流Ｆｓｗが形成される。また、このスワール流Ｆｓｗは、ピストンキャビティ１２内においても同一方向に旋回する。スワール流Ｆｓｗの強さはＳＣＶ１３の開度を調整することによって任意に設定できる。なお、機関回転数及び負荷が一定の場合、ＳＣＶ１３の開度が絞られるに従いスワール流Ｆｓｗの強さが高まる傾向を示す。本発明に係るスワール形成手段は吸気ポート５及びＳＣＶ１３の組み合わせにより実現される。

図１及び図２に示すように、内燃機関１には対向流形成手段としての対向流発生機構１５が設けられている。対向流発生機構１５はシリンダ２内のガスを一旦吸入し、その吸入したガスを圧縮してシリンダ２内に噴射することにより、シリンダ２の内周面２ａに沿って流れる対向流Ｆｒｅ（図２）を供給できる。この機能を実現するため、対向流発生機構１５は所定の容積を持つ制御室１６と、制御室１６とシリンダ２とを結ぶ供給通路１７と、制御室１６内に往復動可能に設けられた対向流発生用ピストン１８と、カム軸９の回転運動を対向流発生用ピストン１８の往復運動に変換して伝達する動力伝達機構としてのコンロッド１９とを備えている。コンロッド１９の一端はピストンピン１８ａを介して対向流発生用ピストン１８にリンク結合されており、コンロッド１９の他端はカム軸９の軸線から所定量偏った位置９ａにリンク結合されている。

制御室１６はその内部のガスが対向流発生用ピストン１８にて押し出された際にスワール流Ｆｓｗの流速と略同じ流速の対向流Ｆｒｅを供給できる程度の容積を持っている。供給通路１７は対向流Ｆｒｅを供給可能な方向に向かってシリンダ２内に開口する。つまり、供給通路１７はシリンダ２の内周面２ａの周方向に沿う方向に向かって開口している。供給通路１７の開口部１７ａは、ピストン１１の上死点前後の期間においてピストン１１にて隠されない位置に設けられている。例えば、開口部１７ａは上死点前２０°ＣＡの時にピストン１１の頂面１１ａと同一水準になるような位置に設けられている。

対向流発生用ピストン１８は、対向流Ｆｒｅの供給時期が圧縮行程後期から膨張行程前期までの時期に同期するように往復運動する。つまり、対向流発生機構１５は制御室１６に吸入されたシリンダ２内のガスが圧縮行程後期から膨張行程前期までの時期に圧縮されて供給通路１７の開口部１７ａから噴射されるように構成されている。対向流Ｆｒｅの供給時期はシリンダ２内から外部へ向かう熱伝達が大きくなる時期である。つまり、圧縮行程後期から膨張行程前期までの時期は内周面２ａへ向かう熱の逃げが多くなる時期に相当する。

図３は本形態の作用を説明する説明図であり、スワール流Ｆｓｗが接触する壁面（シリンダ２の内周面２ａ）におけるスワール流Ｆｓｗの速度分布を模式的に示している。また、図３では、対向流Ｆｒｅを供給しない比較例の速度分布を破線で示している。この図に示すように、本形態ではスワール流Ｆｓｗの流れと対向する向きの成分を持った対向流Ｆｒｅが壁面に沿って供給されるため、壁面の付近の流速が比較例よりも減少し速度分布の形状が変化する。これにより、境界層の厚さは比較例と比べて実質的に厚くなる。また、温度分布についても図３の速度分布と同様の形態を呈する。そのため温度境界層の厚さも比較例と比べて厚くなり、熱伝達を抑制することが可能となる。これにより、シリンダ２内から内周面２ａへ向かう熱の逃げが抑制される。

図４はシリンダ２内の圧力と熱伝達（熱の逃げ）との関係を説明する説明図である。図４において、対向流Ｆｒｅを供給しない比較例を破線で示す。シリンダ２内の圧力が高まる圧縮行程後期から膨張行程前期までの期間Ｔにおいては、シリンダ２内の温度が高まるため熱の逃げが増加する。図４から明らかなように、本形態では、期間Ｔにおいて対向流Ｆｒｅが供給されるため熱の逃げの増加が抑制されている。対向流Ｆｒｅの供給が熱の逃げが多くなる期間Ｔに限定されるので、他の期間において対向流Ｆｒｅとスワール流Ｆｓｗとが干渉することがない。即ち、スワール流Ｆｓｗと対向流Ｆｒｅとが干渉する期間が短くなるので、対向流Ｆｒｅにてスワール流Ｆｓｗが弱められることを抑えることができる。従って、図示の形態によれば、スワール流Ｆｓｗによる燃料の混合、拡散効果を損なうことなく冷却損失の増加を抑えることができるので、低燃費で低スモークな燃焼が可能になる。

また、図示の形態によれば、シリンダ２内のガスを利用して対向流Ｆｒｅが形成されるので、対向流Ｆｒｅの供給に伴う空燃比の変化を抑えることができる。これにより、対向流Ｆｒｅの供給によって燃焼が不安定になることを容易に回避できる。また、対向流Ｆｒｅを供給する対向流発生機構１５はカム軸９の回転運動を利用して対向流発生用ピストン１８を駆動できるので、そのピストン１８を駆動するために電動モータ等の専用の駆動源を設ける必要がない。そのため、シリンダ２内に対向流Ｆｒｅを効率的に供給することができる。

本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。本発明の吸気装置は、シリンダ内にスワール流を形成することが要望されるディーゼルエンジンに適用されることが適しているが、他の形式の内燃機関への本発明の適用を排除するものではなく、例えばガソリンエンジンに適用することもできる。また、スワール流が接触する壁面はピストンの頂面であってもよい。この場合には、ピストン頂面に沿って流れる対向流を形成できるように対向流発生機構１５の供給通路１８の開口方向を変更して本発明を実施することもできる。

対向流供給手段は、上述した対向流発生機構１５に限らず種々の形態で実現できる。例えば、電動ポンプ等の加圧手段にて加圧された空気をシリンダ内に導く供給通路と、供給通路を開閉する電磁駆動型の弁手段とを設け、弁手段の開閉タイミングをＥＣＵ等のコンピュータで制御する形態で本発明を実施することも可能である。

本発明のスワール形成手段としては、シリンダ内にスワール流を形成できるものであればどのような形態で実現してもよい。図２に示したＳＣＶ１３と吸気ポート５とを組み合わせた形態は一例にすぎない。例えば、ＳＣＶ１３を省略した形態でスワール形成手段を実現してもよい。

本発明の一形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示した図。図１の内燃機関をシリンダの上方から模式的に示した平面模式図。実施形態の作用を説明する説明図。シリンダ内の圧力と熱伝達（熱の逃げ）との関係を説明する説明図。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
２ａ内周面（壁面）
５吸気ポート（スワール形成手段）
１３ＳＣＶ（スワール形成手段）
１５対向流発生機構（対向流供給手段）
１６制御室
１７供給通路
１７ａ開口部
１８対向流発生用ピストン
１９コンロッド（動力伝達機構）
Ｆｓｗスワール流
Ｆｒｅ対向流

Claims

内燃機関のシリンダ内にスワール流を形成するスワール形成手段と、前記シリンダ内に形成されたスワール流が接触する壁面に沿うようにしてスワール流の流れと対向する向きの成分を持った対向流を供給する対向流供給手段と、を備え、
前記対向流供給手段は、前記壁面へ向かう熱の逃げが多くなる時期と同期するように前記対向流を供給することを特徴とする内燃機関の吸気装置。
前記対向流供給手段として、前記シリンダ内のガスを一旦吸入し、その吸入したガスを圧縮して前記シリンダ内に噴射することにより前記対向流を供給できる対向流発生機構が設けられてい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。
前記対向流発生機構は、所定の容積を持つ制御室と、前記制御室と前記シリンダとを結び前記対向流を供給可能な方向に向かって前記シリンダ内に開口する供給通路と、前記制御室内に往復動可能に設けられた対向流発生用ピストンと、前記内燃機関のカム軸の回転運動を前記対向流発生用ピストンの往復運動に変換して伝達する動力伝達機構と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。