JP3562165B2 - ディーゼルエンジンの吸気ポート - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンに備えられるヘリカル型吸気ポートの形状に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料をシリンダに直接噴射する直噴式ディーゼルエンジンにおいて、ヘリカル型吸気ポートからシリンダに流入する吸気流が旋回するスワールを生起して、燃焼性を高めるものがある。
【0003】
ヘリカル型吸気ポートは、直線状に延びる直線通路部と、燃焼室天井壁に開口する円柱状をしたスロート部と、スロート部と直線通路部を結んで渦巻き状に湾曲した旋回通路部とによって構成される。
【0004】
従来、この種の吸気ポートとして、例えば特開昭59−12123号公報に開示されたものは、平面図上における吸気ポートの渦巻き形状を規定して、スワールの強化と体積効率の向上を両立するようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のディーゼルエンジンの吸気ポートにあっては、平面図上における吸気ポートの渦巻き形状を規定しても、通路形状の高さを変更すると、シリンダに生起されるスワールの強さが変化し、スワールの強化と体積効率の向上を両立できないという間題点が考えられる。
【0006】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、ディーゼルエンジンの吸気ポートにおいて、通路形状の高さを規定してスワールの強化と体積効率の向上を両立することを目的とする。
【0007】
請求項1に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートは、燃焼室天井壁に開口する円柱状をしたスロート部と、スロート部の上方に接続して渦巻き状に湾曲した旋回通路部と、旋回通路部の上流側に接続する直線通路部と、を備えるディーゼルエンジンのヘリカル型吸気ポートにおいて、前記旋回通路部とスロート部が連通したスロート開口部を燃焼室天井壁に対する高さHをもって形成し、スロート部の開口半径をRtとし、旋回通路部からスロート開口部を通過してスロート部に流入する単位時間当たりの吸気流量の分布図の重心位置(以下、「流量重心位置」という)と、スロート部からシリンダに流出する吸気流れが、スワール生起効率を最も高めることができる流出位置(以下「最適流出位置」という)と、がスロート部の中心に対してなす角度をαとし、旋回通路部における吸気の降下角度をθとすると、スロート開口部の高さHをH=Rt・α・tanθとして決める。
【0008】
請求項2に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートは、請求項1に記載の発明において、前記スロート部の中心についてスロート開口部が拡がる角度γに係数Cを乗じた角度C・γを定め、係数Cを0.25≦C≦0.45の範囲に設定し、スロート開口部の開始点とスロート部の中心を結ぶ直線に対してスワール旋回方向に角度C・γをとった直線と、スロート部の中心とシリンダの中心を結ぶ直線とがなす角度をαとする。
【0009】
請求項3に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートは、請求項1または2に記載の発明において、目標にするスワール比をSrとし、前記直線通路部と旋回通路部の接続部の断面積をAとし、ピストンのストロークをStとし、シリンダの開口直径をBとすると、吸気の降下角度θをθ=cosθ−1 ((Sr・A)/(St/B))として算出し、旋回通路部の天井面の降下角度を算出された吸気の降下角度θと略統一させる。
【0010】
【作用】
請求項1に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートにおいて、直線通路部を通過した空気は旋回通路部を経てスロート部の壁面に沿って螺旋状に旋回しながらシリンダに流入する。強いスワールを生起するためには、スロート部からシリンダ壁面に沿う方向に吸気流を導く必要がある。
【0011】
シリンダに流入する吸気主流の向きは螺旋流の旋回角度に依存し、スロート部の開口半径Rtと、旋回通路部とスロート部が連通したスロート開口部の流量重心位置と最適流出位置とがスロート部の中心に対してなす角度をαと、旋回通路部とスロート部が連通したスロート開口部の位置および大きさによって決まる値αと、旋回通路部における吸気の降下角度θと、スロート開口部の燃焼室天井壁に対する高さHとの関数となる。
【0012】
スロート部を通過した吸気がシリンダの壁面に沿い、角運動量が最も大きくなる流出位置はシリンダの中心とスロート部の中心を結んだ直線上である。
【0013】
したがって、スロート開口部の流量重心位置と最適流出位置とがスロートの中心に対してなす角度をαとすれば旋回距離LはL=Rt・αで表される。
【0014】
したがって、スロート開口部の高さHをH=Rt・α・tanθとして決めることにより、スロート部からシリンダに流出する吸気流の向きがシリンダ壁面に沿わせることが可能となり、スワールの強化と体積効率の向上を両立することができる。
【0015】
請求項2に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートにおいて、スロート部における螺旋流の起点はスロート開口部の全体にわたる。そこでスロート開口部から流出する吸気流量の重心が最もシリンダの壁面に沿う流れを強化する位置となるようにするためには、実験並びに数値解析結果から、スロート開口部が拡がる角度γの0.25〜0.45倍の位置で与えられる。
【0016】
一方、吸気流がシリンダの壁面に沿い、角運動量が最も大きくなる流出位置はシリンダ中心とスロート中心を結んだ直線上である。
【0017】
したがって、スロート開口部の流量重心位置と最適流出位置とがスロート部の中心に対してなす角度をαとすれば旋回距離LはL=Rt・αで表される。
【0018】
したがって、スロート開口部の高さHをH=Rt・α・tanθとして決めることにより、スロート部からシリンダに流出する吸気流の向きがシリンダ壁面に沿わせることが可能となり、スワールの強化と体積効率の向上を両立することができる。
【0019】
請求項3に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートにおいて、旋回通路部の天井の降下角度を吸気の螺旋流の降下角度θに略一致させることにより、旋回通路部からスロート部に流入する吸気がスムースに流れ、このため吸気ポートの流量係数が向上する。
【0020】
【発明の効果】
請求項1に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートによれば、スロート部からシリンダに流出する吸気流をシリンダ壁面に沿わせて、シリンダに強いスワールを生起することことが可能となり、エンジンの燃焼性を改善し、出力・排気性能の向上がはかれる。
【0021】
請求項2に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートによれば、スロート部からシリンダに流出する吸気流をシリンダ壁面に的確に沿わせて、シリンダに強いスワールを生起することことが可能となる。
【0022】
請求項3に記載のディーゼルエンジンの吸気ポートによれば、旋回通路部からスロート部に流入する吸気がスムースに流れ、吸入空気量が増加し、エンジンの出力・排気性能の向上がはかれる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0024】
図1に示すように、シリンダ1にはヘリカル型の吸気ポート10が接続される。シリンダ1にはヘリカル型の吸気ポート10と図示しないディレクショナル型吸気ポートがそれぞれ並んで接続しているとともに、2本の排気ポートがそれぞれ並んで接続されている。シリンダ1の中央部には図示しない燃料噴射弁が臨み、燃料噴射弁からシリンダ1に噴射される燃料がシリンダ1に吸入された吸気と混合し、ピストンで圧縮された状態で着火燃焼する。
【0025】
ヘリカル型吸気ポート10とディレクショナル型吸気ポートは共にシリンダヘッドの右側壁に開口し、ヘリカル型吸気ポート10はディレクショナル型吸気ポートを越えてシリンダ1の左側の領域まで延びている。したがって、ヘリカル型吸気ポート10の通路長はディレクショナル型吸気ポートより長い。
【0026】
ヘリカル型の吸気ポート10はその先端が平面図上において渦巻き状に湾曲して、シリンダ1内に横方向に旋回する吸気流、いわゆるスワールを生起する。
【0027】
吸気ポート10は、直線通路部2と旋回通路部4およびスロート部3から構成される。
【0028】
直線通路部2はその上流端がシリンダヘッドの右側壁に開口し、その断面積を上流側から下流側にかけて次第に減少させつつ、直線状に延びている。
【0029】
図2に示すように、燃焼室天井壁11に開口したスロート部3は、シリンダ1と平行な円柱状をしており、円筒面状の側面32と天井壁31によって画成される。図2において、線分Osはスロート部3の中心線である。図示しない吸気弁はスロート中心Os上に配置され、スロート部3を貫通して設けられる。
【0030】
旋回通路部4は直線通路部2とスロート部3を連通して、渦巻き状に湾曲している。
【0031】
スロート中心Osについて旋回通路部4とスロート部3が連通したスロート開口部5が拡がる角度γに係数Cを乗じた角度C・γを定める。ただし、係数Cは、0.25≦C≦0.45の範囲に設定される。
【0032】
スロート開口部5の開始点6とスロート中心Osを結ぶ直線Mに対してスワール旋回方向に角度C・γをとった直線Nと、スロート中心Osとシリンダ中心Ocを結ぶ直線Pとがなす角度をαとする。
【0033】
直線通路部2と旋回通路部4の接続部の断面積をAとする。この部分が直線通路部2の最少断面積部分となる。
【0034】
スロート部3の天井面31と燃焼室天井壁11間の距離tが、旋回通路部4の高さとなる。
【0035】
ここでスロート開口部5の高さHは、旋回通路部4における吸気の降下角度をθ、スロート部3の開口半径をRtとすると次式で決定する。
【0036】
H=Rt・α・tanθ …(1)
旋回通路部4はその天井面の降下角度が吸気の降下角度θと略一致するように形成される。吸気の降下角度θは次式で表される。
【0037】
θ=cosθ−1 ((Sr・A)/(St/B)) ・・・(2)
ただし、
Sr:エンジン性能から要求されるスワール比
B:シリンダ1の開口直径
St:ピストンのストローク
とする。
【0038】
ここでスワール比Srは、インパルススワールメータによって計測される吸気バルブのフルリフト時の定常流試験によるスワール比であり次式で定義される。
【0039】
Sr=2Uh×St×ρ/(Q・Q) ・・・(3)
ただし、
Uh:インパルススワールメータにより測定されたスワール流の単位時間当たりの角運動量
ρ:空気の密度
Q:測定時の空気質量流量
とする。
【0040】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【0041】
図3にヘリカル型吸気ポート10によって生起されるスワールの形態を示す。図中矢印aで示すスワールはシリンダ1の壁面に沿う吸気流であり、図中矢印bで示すスワールはスロート部3の壁面に沿う吸気流である。aのスワールがbのスワールに比べて、シリンダ1に流入する過程で保持する角運動量が大きく、高スワールを効果的に生起できる。したがって、強いスワールを生起するためには、スロート部3からシリンダ1の壁面に沿う方向に吸気流を導く必要がある。
【0042】
直線通路部2を通過した空気は旋回通路部4を経てスロート部3の壁面に沿って螺旋状に旋回しながらシリンダ1に流入する。このとき図4に矢印で示すようにシリンダ1に流入する吸気主流の向きは螺旋流の旋回角度に依存し、螺旋流の降下角度θと流速v、スロート部3の開口半径Rt、そしてスロート開口部5の高さHの関数となる。スワール生起効率を最も高めるためには、図8に矢印で示すように、スロート部3からシリンダ1に流出する吸気流の向きがシリンダ1の壁面に沿っていることが望ましく、以下の関係式が成り立つ。
【0043】
すべての吸気が速度vでシリンダ1の壁面に沿って流出すると仮定すると、単位時間当たりの角運動量Uは、次式で表される。
【0044】
U=(Q・v・B/2)・cosθ ・・・(4)
また、流入速度vは直線通路部2の流速として、次式で表される。
【0045】
v=Q/(ρ・A) ・・・(5)
したがって、角運動量Uは、次式で表される。
【0046】
U=Q・Q・B・cosθ/(2・ρ・A) ・・・(6)
したがって、スワール比Srは次式で表される。
【0047】
Sr=St・B・cosθ/A …(7)
したがって、吸気の降下角度θは前記(2)式で表される。
【0048】
θ=cosθ−1((Sr・A)/(St・B)) ・・・(2)
この場合、スロート部3内での螺旋流の旋回距離Lは次式で表される。
【0049】
L=H/tanθ ・・・(9)
【0050】
一方、シリンダ1の壁面に沿い、角運動量が最も大きくなる流出位置はシリンダ中心Ocとスロート中心Osを結んだ直線P上である。
【0051】
したがって、スロート開口部5の流量重心位置と最適流出位置とがスロート中心Osに対してなす角度をαとすれば旋回距離Lは次式で表される。
【0052】
L=Rt・α …(10)
よってスロート開口部5の高さは前記(1)式で表される。
【0053】
H=Rt・α・tanθ …(1)
ここで、本式は吸気の角運動量をすべてシリンダ1の壁面に沿う流れで代表させている、あるいはスロート開口部5からの流れを流量の重心位置で代表させているといった誤差要因(実際より生起スワールを高めに評価する)があるが、一方流出速度vを直線通路部2の速度で代表させており、実際にはスロート開口部5での縮流により増速する効果があるため、両者の誤差要因が相殺し、本式による吸気ポート10の設定が成立する。
【0054】
また、吸気の螺旋流の降下角度θに、旋回通路部4の天井の降下角度を略一致させることにより、旋回通路部4からスロート部3に流入する吸気がスムースに流れ、このため吸気ポート10の流量係数が向上する。
【0055】
以上のようにして、スロート部3からシリンダ1に流入する吸気流を効率よく旋回させることにより、スワール比が6を越える強いスワールを生起することが可能となり、燃焼性を改善し、エンジンの出力・排気性能の向上がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す吸気ポート等の平面図。
【図2】同じく吸気ポートの縦断面図。
【図3】同じくスワールの生起される形態を示す図。
【図4】同じく作用を説明するための図。
【図5】同じく作用を説明するための図。
【図6】同じくスロート開口部の位置とスロート部へ流入する空気流量の関係を示す図。
【図7】同じく連通部高さとスワール比の関係を示す図。
【図8】同じくスロート開口部高さがスワール比に及ぼす影響を説明するための図。
【符号の説明】
1 シリンダ
2 直線通路部
3 スロート部
4 旋回通路部
5 スロート開口部
6 直線通路部とスロート部の開口開始点
11 燃焼室天井壁
31 スロート部の天井面
Claims (3)
- 燃焼室天井壁に開口する円柱状をしたスロート部と、
スロート部の上方に接続して渦巻き状に湾曲した旋回通路部と、
旋回通路部の上流側に接続する直線通路部と、
を備えるディーゼルエンジンのヘリカル型吸気ポートにおいて、
前記旋回通路部とスロート部が連通したスロート開口部を燃焼室天井壁に対する高さHをもって形成し、
スロート部の開口半径をRtとし、
旋回通路部からスロート開口部を通過してスロート部に流入する単位時間当たりの吸気流量の分布図の重心位置である流量重心位置と、
スロート部からシリンダに流出する吸気流れが、スワール生起効率を最も高めることができる流出位置である最適流出位置と、がスロート部の中心に対してなす角度をαとし、
旋回通路部における吸気の降下角度をθとすると、
スロート開口部の高さHをH=Rt・α・tanθとして決めたことを特徴とするディーゼルエンジンの吸気ポート。 - 前記スロート部の中心についてスロート開口部が拡がる角度γに係数Cを乗じた角度C・γを定め、
係数Cを0.25≦C≦0.45の範囲に設定し、
スロート開口部の開始点とスロート部の中心を結ぶ直線に対してスワール旋回方向に角度C・γをとった直線と、スロート部の中心とシリンダの中心を結ぶ直線とがなす角度をαとしたことを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの吸気ポート。 - 目標にするスワール比をSrとし、
前記直線通路部と旋回通路部の接続部の断面積をAとし、
ピストンのストロークをStとし、
シリンダの開口直径をBとすると、
吸気の降下角度θをθ=cosθ−1 ((Sr・A)/(St/B))として算出し、
旋回通路部の天井面の降下角度を算出された吸気の降下角度θと略統一させたことを特徴とする請求項1または2に記載のディーゼルエンジンの吸気ポート。
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