JP3804178B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents
エンジンの吸気装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3804178B2 JP3804178B2 JP11160897A JP11160897A JP3804178B2 JP 3804178 B2 JP3804178 B2 JP 3804178B2 JP 11160897 A JP11160897 A JP 11160897A JP 11160897 A JP11160897 A JP 11160897A JP 3804178 B2 JP3804178 B2 JP 3804178B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- intake
- swirl
- combustion chamber
- engine
- section
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/24—Cylinder heads
- F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
- F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/12—Other methods of operation
- F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
- F02B2275/18—DOHC [Double overhead camshaft]
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
- F02B2275/48—Tumble motion in gas movement in cylinder
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
- F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
- F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
- F02B23/104—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on a side position of the cylinder
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の吸気ポートを有するとともにポート近傍にインジェクタが配置されたエンジンの吸気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下流端が燃焼室に開口する一対の吸気ポートをシリンダヘッドに形成するとともに、その吸気ポートの下方にインジェクタを配置するようにしたエンジンの吸気装置は知られている。例えば特開平７−２８６５２０号公報に示されている筒内噴射式のエンジンでは、吸気ポートの下方に配置したインジェクタの噴射口を燃焼室の周縁部に臨ませ、このインジェクタから燃焼室内に直接燃料を噴射するようにしている。この種のエンジンでは、上記インジェクタから圧縮行程で燃料が噴射されると、ピストン頂部で反射された燃料が点火プラグ周りに送られることで成層燃焼が行なわれ、また、吸気行程で燃料が噴射されると、混合気が燃焼室全体に拡散されて均一燃焼が行なわれる。
【０００３】
そこで、運転状態に応じて燃料噴射形態を変更し、例えば低負荷低回転領域では圧縮行程噴射により成層燃焼状態とする一方、高負荷領域や高回転領域では吸気行程噴射により均一燃焼状態とするというような制御が行なわれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように一対の吸気ポートの下方にインジェクタを配置しようとする場合、一般的な吸気ポート形状ではシリンダヘッドにおける吸気ポートの下方にスペース的余裕が少ないためインジェクタを吸気ポートと干渉しないように配置することが難しいといった問題がある。また、後に詳述するように成層燃焼時やリーン空燃比での均一燃焼時等に、スワール成分とタンブル成分とを含む斜めスワールを生成することが燃焼性向上等に有利となるが、上記公報に示されているような従来のこの種の装置の吸気ポート構造は斜めスワールの生成に適する構造にはなっていない。
【０００５】
なお、実用新案登録第２５２４１２４号の登録公報には、シリンダヘッドに形成される吸気ポートをその途中から分岐壁を介して分岐させ、その分岐したポートの下流端を燃焼室に開口させるとともに、分岐したポートの横断面形状を、分岐壁を一辺とし、かつ通路軸線より湾曲の遠心側を横幅方向に拡大し、求心側を横幅方向に縮小した略三角形状に形成した構造が示されている。しかし、この構造は、吸気ポートが途中から分岐する構造を前提として分岐した部分の流通抵抗の軽減を図っているものであり、上記のようなインジェクタの配置や斜めスワールの生成に有効なものではない。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み、一対の吸気ポートの下方にインジェクタを配置する構造において、インジェクタを吸気ポートに近接させてコンパクトにレイアウトすることができるとともに、斜めスワールを生成することができ、スワール成分及びタンブル成分を強化することができるエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、上流側がシリンダヘッドの上方側部に位置し、下流側が燃焼室に向かって延び、シリンダ軸心に対して横方向からシリンダ軸心方向へ湾曲して、下流端がシリンダヘッド下面側の燃焼室天井部分に開口する一対の互いに独立した吸気ポートを備えているエンジンの吸気装置において、上記一対の吸気ポートのスロート部を横断面円形とするとともに、その上流において上記吸気ポートの横断面形状を、シリンダヘッド下面から遠い側に位置する上辺部と、吸気ポート間側とは反対側に位置する外側辺部と、吸気ポート間側である内側から下側にかけての斜辺部とを有して、円形断面と比べ、横方向中心線より上側及び縦方向中心線より外側で断面積が増大した概略三角形状とし、上記一対の吸気ポートの間の下側にインジェクタを配置し、上記吸気ポートのスロート部より上流側に、シリンダ軸心と直交する方向に対するポート軸心の傾斜角度が最も小さい区間を設定し、この区間内の吸気ポート上壁に吸気弁のバルブガイドを設けるとともに、この区間内で吸気ポートの横断面を概略三角形状から円形に次第に変化させるように形成したものである。
【０００８】
この構成によると、上記吸気ポートの横断面において横方向中心線より上側と縦方向中心線より外側とで断面積が増大していることにより、タンブル成分及びスワール成分を強化し得、斜めスワールの生成に有利となる。また、内側から下側にかけて斜辺部となっていることにより、両吸気ポート間の下方にインジェクタ配置スペースが確保され、インジェクタを吸気ポートに近接せて配置することが可能となる。
【００１０】
また、吸気ポートに対してインジェクタ及びバルブガイドをコンパクトにレイアウトすることができるとともに、タンブル成分及びスワール成分が得られつつ吸気流がスムーズに燃焼室に導入される。
【００１１】
上流側における吸気ポートの横断面形状は、詳しくは上記上辺部と上記斜辺部との間に短い内側辺部を有するとともに上記外側辺部と上記斜辺部との間に短い下辺部を有する略五角形状としておけばよい。
【００１２】
また、燃焼室をペントルーフ型とし、この燃焼室の周縁に上記インジェクタを位置させて、インジェクタから燃焼室に直接燃料を噴射するようにしておけばよい。
【００１３】
このようにすると、燃焼室等の構造を簡単に保ちつつ、吸気ポート及びインジェクタを合理的にレイアウトすることができる。
【００１４】
また、一方の吸気ポートに対する吸気の流通を制御する制御弁を設け、少なくともこの制御弁が非全開状態のときにスワール成分とタンブル成分の両方を含む斜めスワールが生成されるようにしておくことが好ましい。
【００１５】
このようにすると、制御弁の制御によって斜めスワールをコントロールすることができる。
【００１６】
この場合に、上記一対の吸気ポートを互いに対称となる形状に形成することにより、上記制御弁が全開されたときにスワール成分が打ち消されて、タンブルのみが生成されるようにしておけば、運転状態に応じて斜めスワールが生成される状態とタンブルのみが生成される状態とに変更することができる。
【００１７】
また、上記制御弁が全閉のときにもタンブル比がスワール比より大きくなるようにしておけば、斜めスワールの生成が効果的に行なわれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は筒内噴射型火花点火式エンジンの構造の一例を示している。これらの図において、１はエンジン本体であって、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３等からなり、複数のシリンダを備えており、その各シリンダにはピストン４が嵌挿され、このピストン４の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室５が形成されている。上記ピストン４の頂部にはキャビティ６が設けられている。
【００１９】
上記シリンダヘッド３には、燃焼室５に開口する２つの吸気ポート７Ａ，７Ｂと、２つの排気ポート８Ａ，８Ｂとが形成されるとともに、上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂをそれぞれ開閉する２つの吸気弁９と、上記両排気ポート８Ａ，８Ｂをそれぞれ開閉する２つの排気弁１０と、点火プラグ１１と、インジェクタ１２とが取付けられている。上記インジェクタ１２は燃焼室５の周縁部に配置され、この位置から燃焼室５内に直接燃料を噴射するようになっている。また、上記点火プラグ１１は燃焼室５の中央部に配置されている。
【００２０】
これらの構造を具体的に説明すると、上記シリンダヘッド３の下面により構成される燃焼室５の天井部分はペントルーフ型となっており、上記ピストン４の頂部も上記天井部分に対応して中央部が隆起したペントルーフ形状とされている。また、上記キャビティ６は、図３及び図４にも示すように、ピストン４の頂部を部分的に凹陥させてなるもので、インジェクタ１２側にオフセットした位置に設けられている。つまり、ピストン４の頂部においてインジェクタ１２側の周縁付近から中央部付近にわたる範囲内でキャビティ６が形成され、このキャビティ６の周縁部のうちのピストン中央部側の部分と点火プラグ１１とが対応するような位置関係になっている。
【００２１】
上記吸気ポート７Ａ，７Ｂは互いに独立に形成されており、その縦断面（軸線に沿った断面）の形状としては図１に示すように、上流側がシリンダヘッド３の上方側部に位置し、下流側が燃焼室５に向かって延び、シリンダ軸心に対して横方向からシリンダ軸心方向へ湾曲して、下流端がシリンダヘッド下面側の燃焼室天井部分に開口している。吸気ポート７Ａ，７Ｂの縦断面形状をより詳しく説明すると、上流端から所定範囲の部分７１が斜め下方に直線状に延び、その斜め方向直線状部分７１の下流側に、水平方向（シリンダ軸心と直交する方向）に対する傾斜が最も緩やかになった区間７２を有し、この緩傾斜区間７２より下流側の部分７３（下流端近傍のスロート部から下流端までの部分）は水平方向に対する傾斜角度が次第に大きくなり、その下流端がペントルーフ型の燃焼室天井部分に開口している。
【００２２】
上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂの横断面（軸線の直交する断面）の形状は、互いに対称であって、上記斜め方向直線状部分７１で図５に示すような異形断面形状となっている。すなわち、図５において、両吸気ポート７Ａ，７Ｂの横断面形状は、シリンダヘッド下面から遠い側に位置する上辺部７４と、吸気ポート間側とは反対側に位置する外側辺部７５と、吸気ポート間側である内側から下側にかけての斜辺部７６とを有する概略三角形状とされ、当実施形態では上記上辺部７４、外側辺部７５及び斜辺部７６に加えて上辺部７４と斜辺部７６との間の短い内側辺部７７及び外側辺部７５と斜辺部７６との間の短い下辺部７８を有する略五角形状とされている。
【００２３】
そして、吸気ポート７Ａ，７Ｂの横方向の最大幅の中心で、かつ、縦方向の最大幅の中心となる位置を軸心Ｏとし、この軸心Ｏを通って互いに直交する横方向及び縦方向の２直線をそれぞれの方向の中心線Ｌｘ，Ｌｙと呼び、吸気ポート７Ａ，７Ｂの横方向または縦方向の最大幅に相当する径の円を基準円Ｃ（吸気ポートが円形断面の場合の横断面形状に相当）と呼ぶと、ポート断面は上記基準円Ｃと比べ、横方向中心線Ｌｘより上側及び縦方向中心線Ｌｙより外側で断面積が増大している。つまり、上辺部７４及び外側辺部７５はそれぞれ中心線の両側の部分が基準円Ｃよりも径方向外方に拡張されている。また、上記斜辺部７６は基準円Ｃよりも軸心Ｏ側に入り込んでいる。
【００２４】
ポート形状の説明図である図６にも示すように、上記斜め方向直線状部分７１では概略三角形状で一定断面とされ、一方、吸気ポート下流側のスロート部から燃焼室５への開口部にわたる部分７３では吸気弁形状に対応する円形断面とされ、その間の上記緩傾斜区間７２で異形断面から円形断面へ断面形状が次第に変化するように形成されている。
【００２５】
上記インジェクタ１２は、燃焼室周縁部から燃焼室５内の斜め下方に向けて燃料を噴射するように傾斜した状態で、両吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方に設けられたインジェクタ取付孔１３に取付けられている。
【００２６】
また、吸気ポート７Ａ，７Ｂの緩傾斜区間７２の上部壁には、吸気弁９の弁軸を摺動自在に支持するバルブガイド１４が設けられている。
【００２７】
上記エンジン本体１の一側部には吸気マニホールド１５が連結され、この吸気マニホールド１５には、サージタンク１６の下流にシリンダ別の分岐管１７が設けられるとともに、その分岐管１７に、上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂに通じる一対の吸気通路１７Ａ，１７Ｂが形成されている。また、一方の吸気ポート７Ａに対する吸気の流通を制御する制御弁１８が、この吸気ポート７Ａに通じる吸気通路１７Ａに設けられている。この制御弁１８はステップモータ等のアクチュエータ１９により作動されるようになっている。
【００２８】
上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂと制御弁１８とにより、スワール成分とタンブル成分とを有する斜めスワールの生成が可能で、かつ、上記スワール成分及びタンブル成分の調節が可能な吸気系が構成されている。
【００２９】
すなわち、上記制御弁１８が全閉もしくは部分開（全開と全閉との間の開度）とされることによって一方の吸気ポート７Ａの吸気流通が制限された状態では他方の吸気ポート７Ｂに多く流れる吸気によって燃焼室５内にスワール成分（渦流の水平方向成分）を有する渦流が生成される。また、吸気ポート７Ａ，７Ｂは斜め方向直線状部分７１及び下流端側の部分７３が比較的大きな傾斜角を有し、かつ、緩傾斜区間７２が比較的短くされることにより、吸気ポート７Ａ，７Ｂから燃焼室５に流入する吸気流がタンブル成分（渦流の垂直方向成分）を含むように形成されている。従って、制御弁が非全開状態（全閉もしくは部分開の状態）のときは上記スワール成分とタンブル成分との両方が得られ、図７に示すような斜めスワールＳが燃焼室５内に生成される。
【００３０】
そして、上記スワール成分は制御弁１８が全閉状態のときに最も強くなるが、好ましくはこのときにもタンブル比がスワール比以上となって、水平面（シリンダボア中心線と直交する面）に対する傾斜角θが４５°以上の斜めスワールが生成されるように吸気ポート形状が設定されている。また、上記制御弁１８が全閉から開かれていくとその開度が大きくなるにつれて両吸気ポート７Ａ，７Ｂからの気流の衝突によりスワール成分が弱くなり、制御弁１８が全開のときにスワール成分が略０となるが、このときにもタンブル成分は残されるようになっている。
【００３１】
上記インジェクタ１２からの燃料噴射は図外のＥＣＵ（コントロールユニット）によりエンジンの運転状態に応じて制御される。つまり、エンジン負荷等に応じて燃料噴射量が制御されるとともに、点火プラグ１１周りに混合気を偏在させる成層燃焼状態とすべく圧縮行程で燃料を噴射する圧縮行程噴射と、燃焼室全体に混合気を拡散させる均一燃焼状態とすべく吸気行程で燃料を噴射する吸気行程噴射とに、インジェクタ１２からの燃料噴射の形態が変更される。また、上記制御弁１８及び図外のエレキスロットル（電気的なアクチュエータで作動されるスロットル弁）等の吸入空気量調節手段も上記ＥＣＵにより運転状態に応じて制御されるようになっている。
【００３２】
図８は横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷（例えば平均有効圧力Ｐｅ）として、燃料噴射形態及び空燃比の制御マップを示している。この図において、所定負荷以下かつ所定回転数以下の領域が成層燃焼領域Ａとされ、この領域Ａで圧縮行程噴射が行なわれるとともに空燃比が例えばＡ／Ｆ＝４０程度というように理論空燃比より大幅にリーンとされる。一方、所定負荷より高負荷側と所定回転数より高回転側とにわたる領域が均一燃焼領域Ｂとされ、この領域Ｂで吸気行程噴射が行なわれる。この均一燃焼領域Ｂのうちで低負荷低回転側の、成層燃焼領域Ａに近い領域Ｂ１では、空燃比が理論空燃比よりリーン（λ＞１）とされ、例えばＡ／Ｆ＝２０程度とされる。また、均一燃焼領域Ｂのうちでもとくに高負荷側及び高回転側の領域Ｂ２では、空燃比が理論空燃比もしくはこれよりリッチ（λ≦１）とされ、例えばＡ／Ｆ＝１３〜１４．７とされる。
【００３３】
また、吸気流動の制御としては、成層燃焼領域Ａからリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１にかけて上記斜めスワールが生成される。そして、少なくともリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１で、スワールの傾斜角度θがインジェクタ１２の設置角αよりも大きくされる。なお、インジェクタ１２の設置角度は３５°±５°とされる。
【００３４】
当実施形態では、制御弁１８が全閉状態のときにもタンブル比がスワール比よりも大きくなって斜めスワールの傾斜角度θが４５°以上となるように吸気ポート形状が設定された上で、図９及び図１０のように運転状態に応じて制御弁１８が制御される。
【００３５】
すなわち、図９は上記各運転領域でのエンジン負荷に応じた吸気流動制御の特性を示している。この図のように、成層燃焼領域Ａでは、上記制御弁１８が部分開とされるとともに、低負荷側で制御弁１８の開度が比較的大きくされ、負荷が高くなるにつれ、適度に混合気を拡散させるべく、制御弁１８の開度が小さくされることでスワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが大きくされる。均一燃焼領域Ｂのうちでリーン空燃比とされる領域Ｂ１では、制御弁１８が全閉とされることにより、スワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが最も大きくされる。また、均一燃焼領域Ｂのうちで空燃比がリッチとされる領域Ｂ２では、制御弁１８が全開とされることにより、スワール比ＳＲｉが０とされる。
【００３６】
図１０は上記各運転領域でのエンジン回転数に応じた吸気流動制御の特性の一例を示している。この図のように、成層燃焼領域Ａでは、上記制御弁１８が部分開とされるとともに、エンジン回転数が高くなるにつれ、吸気流速そのものが早くなる傾向に対する調整のため、制御弁１８の開度が大きくされることでスワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが小さくされる。均一燃焼領域Ｂのうちの領域Ｂ１で制御弁が全閉、領域Ｂ２で制御弁が全開とされるのは、負荷に応じた制御の場合（図９）と同様である。
【００３７】
ここで、タンブル比及びスワール比の定義とその測定の方法を、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。
【００３８】
上記タンブル比とは、吸気流縦方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値であり、その吸気流縦方向角速度は図１１に示す計測装置を用いた測定に基づいて求められる。すなわち、同図に示す装置は、シリンダヘッド３を横向きに設置した状態で、測定のための吸気供給装置３１をシリンダヘッド３の吸気ポートに接続する一方、シリンダヘッド３の燃焼室側に、短い接続部を介してタンブル測定用チューブ３２を接続し、そのチューブ３２に一端に、ハニカム状ロータ３３を有するインパルスメータ３４を接続し、チューブ３２に一端にダミーハニカム状ロータ３５を接続してなる。
【００３９】
そしてこの装置により、吸気供給に応じて上記チューブ３２内に生じるタンブル（矢印）により上記ハニカム状ロータ３３に作用するトルクをインパルスメータ３４で計測し、それに基づいて吸気流縦方向角速度を求める。なお、この装置において、計測の安定性及び精度を確保するため、チューブ径をシリンダボア系と同一とするとともに、チューブ長さはチューブ径に対して充分に大きくし、例えばチューブ径の１０倍程度とする。
【００４０】
また、上記スワール比とは、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値であり、その吸気流横方向角速度は図１２に示す計測装置を用いた測定に基づいて求められる。すなわち、同図に示す装置は、基台にシリンダヘッド３を上下反転して設置して、吸気ポートを図外の吸気供給装置接続する一方、そのシリンダヘッド３上にシリンダ３６を設置するとともに、その上端にハニカム状ロータ３７を有するインパルスメータ３８を接続してなり、シリンダヘッド３とシリンダブロックとの合わせ面から１．７５Ｄ（Ｄはシリンダボア径）の位置にインパルスメータ３４の下面を位置させている。
【００４１】
そしてこの装置により、吸気供給に応じて上記シリンダ３６内に生じるスワール（矢印）によりハニカム状ロータ３７に作用するトルクをインパルスメータ３８で計測し、それに基づいて吸気流横方向角速度を求める。
【００４２】
次に、当実施形態のエンジンの吸気装置の作用を説明する。
【００４３】
低負荷低回転側の成層燃焼領域では、燃焼室５の周縁に配置されたインジェクタ１２から圧縮行程で燃料が噴射されて、点火プラグ１１周りに混合気が偏在するように成層化されることにより、空燃比が大幅にリーンな状態で着火、燃焼が可能となる。また、高負荷側の領域や高回転側の領域は均一燃焼領域Ｂとされ、この領域Ｂでは吸気行程で燃料が噴射されて燃焼室全体に混合気が拡散されるが、この均一燃焼領域Ｂのうちの低負荷側や低回転側の領域Ｂ１では空燃比がリーンとされることにより、この領域Ｂ１でも燃費改善が図られる。
【００４４】
このように運転状態に応じて燃焼の形態や空燃比が変えられるが、これ対応して、成層燃焼領域Ａからリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１にかけて斜めスワールが生成されるように吸気流動状態が調節されることにより、成層燃焼及びリーン空燃比で均一燃焼に対してそれぞれ燃焼性を向上する作用が得られる。
【００４５】
このような作用を具体的に説明すると、先ず成層燃焼時に、圧縮行程途中まではタンブル成分を含む斜めスワールが維持されて、インジェクタ１２から斜めに噴射された燃料の方向が上記斜めスワールのタンブル成分によって下方に向けられるため、噴射燃料の多くが上記キャビティ６内に入り、キャビティ６による燃料のトラップ性が高められる。
【００４６】
この場合、タンブルだけでは燃料のトラップ性は高められるものの混合気をキャビティから点火プラグ周りに向かわせる混合気輸送作用が充分に得られず、点火プラグ周りの混合気の空燃比にバラツキが生じ易い。これに対し、当実施形態の構造によると、噴霧がキャビティ６内にトラップされた後においてピストン４がさらに上死点に近づく圧縮行程後期に、上記斜めスワールのうちのタンブル成分がピストン４頂部のキャビティ外の隆起部により崩壊されて主にスワール成分が残る状態となり、このスワール成分で混合気がキャビティ６の周縁に沿って燃焼室中央側に流されつつ、上方へ舞い上がることにより、点火プラグ１１周りへの混合気の輸送性も良好となる。
【００４７】
さらに成層燃焼領域では、図９のように負荷が高くなるにつれてスワール及びタンブルが強められるように制御弁１８が調節されることにより、成層燃焼領域Ａのうちで比較的燃料噴射量が多い中負荷域では適度に混合気が拡散され、点火プラグ１１周りの混合気の空燃比が適正に保たれ、燃焼性が向上される。つまり、タンブルのみが生成される吸気系による場合と斜めスワールが生成される当実施形態による場合とにつき、成層燃焼領域での燃費率ｂｅを比較すると、図１３のように、タンブルのみが生成される場合はこれが圧縮行程後期に減衰、崩壊されて、燃料噴射量が多くなっても混合気の拡散が図れないため、成層燃焼領域内のうちの高負荷側の領域である中負荷域で燃費が悪化する（破線）の対し、斜めスワールが生成される場合は上記のように適度の拡散作用が得られるため上記中負荷域での燃費が改善される（実線）。
【００４８】
また、リーン空燃比での均一燃焼時は、上記制御弁１８が全閉とされることでスワール成分及びタンブル成分が強められ、かつ、この状態でタンブル成分がスワール成分よりも強くて傾斜角度θの大きい斜めスワールが生成されることにより、良好な成層燃焼状態が得られる。すなわち、燃焼室の周縁部に配置されるインジェクタ１２は吸気ポート７Ａ，７Ｂとの干渉防止等の制約から設置角度が比較的小さく、この設置角度に対応した方向に燃料が噴射されるので、燃焼室５内の気流が弱いと噴射燃料がインジェクタ１２に対向する側のシリンダ壁面に付着し易くなるが、上記のように斜めスワールが生成され、とくにインジェクタ１２の噴射方向よりも燃焼室下方側に向いた方向に斜めスワールが生成されることにより、インジェクタ１２から噴射された燃料が上記斜めスワールにより下方に向けられて、シリンダ壁面への付着が防止されつつ、燃焼室５全体に拡散され、燃焼性が向上される。
【００４９】
ここで、リーン空燃比での均一燃焼時の渦強さと燃焼期間との関係を、スワール傾斜角度θを種々変えた場合について、図１４に示す。この図のようにスワール傾斜角度θが小さい場合（θ＝１２°の場合やθ＝３８°の場合）、混合気が燃焼室周辺に偏在する逆成層状態となって混合気が均一に拡散し難くなり、このような混合気分布状態の悪化がスワールの燃焼促進作用を妨げるため、渦強さを大きくしても燃焼期間はあまり短縮されない。これに対し、スワール傾斜角度θを大きくした場合（図示の例ではθ＝５２°の場合）は、上記のような逆成層が防止されて燃焼室５全体に混合気が均一に拡散されるため、この拡散性の向上とスワールによる乱流強化との相乗作用により、渦強さが大きくなるにつれて燃焼が促進されて大幅に燃焼期間が短縮される。
【００５０】
このようなリーン空燃比での均一燃焼時の燃焼促進作用は、タンブル比をスワール比よりも大きくして、スワール傾斜角度θが４５°以上の斜めスワールを生成することにより有効に得られる。
【００５１】
また、均一燃焼のうちで空燃比がリッチ（λ≦１）とされる高負荷、高回転の領域では、制御弁が全開とされることで吸気ポート開口面積が大きされるとともにスワール成分が打ち消されるが、この状態でもタンブル成分が残されることにより混合気の拡散及び燃焼が良好に行なわれる。
【００５２】
ところで、当実施形態の吸気装置では、前述のように、図１に示すような吸気ポート７Ａ，７Ｂの縦断面形状によってタンブル成分が得られるとともに、一対の吸気ポート７Ａ，７Ｂのうちの一方の吸気流通を制御弁１８によって制御することによりスワール成分が得られ、そのタンブル成分とスワール成分とで斜めスワールが生成される。
【００５３】
とくに、図５に示すように、両吸気ポート７Ａ，７Ｂは途中箇所の横断面において横方向中心線Ｌｘより上側で断面積が増大していることにより、吸気ポートの上側を空気が多くながれてタンブル成分の生成を促進し得るとともに、縦方向中心線Ｌｙより外側でも断面積が増大していることにより、吸気ポートの外側を空気が多くながれてスワール成分の生成を促進し得る。従ってタンブル成分及びスワール成分を強め、燃焼促進作用等を向上することができる。
【００５４】
また、上記横断面において内側から下側にかけての斜辺部７６が基準円Ｃより軸心側に入り込んだ形状とされていることにより、この両吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方にインジェクタ１２の配置スペースが確保され、吸気ポート７Ａ，７Ｂとインジェクタ１２とがコンパクトに配置される。また、この部分にスペース的余裕ができることにより、インジェクタ設置角度の自由度も高められる。
【００５５】
さらに、吸気ポート下流端近傍に短い緩傾斜区間７２が設けられ、この部分の上壁にバルブガイド１４が設けられるとともに、緩傾斜区間７２で吸気ポート断面形状が概略三角形状から円形に次第に変化するようにしているため、両吸気ポート７Ａ，７Ｂとインジェクタ１２及び吸気弁９のバルブガイド１３が互いに干渉しないように合理的にレイアウトされ、かつ、タンブル成分及びスワール成分を生成する気流がスムーズに燃焼室に導入される。
【００５６】
なお、吸気ポート７Ａ，７Ｂの途中の横断面形状は概略的に前記のような三角形状（図５参照）となる範囲で変更可能であり、例えば図１５のように内側から下側にかけての斜辺部７６´が軸心Ｏ側に凹入した湾曲状となっていてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方に配置されるインジェクタ１２が燃焼室５に直接燃料を噴射する筒内噴射タイプとなっているが、吸気ポートと内に燃料を噴射するようなポート噴射タイプのものでも、Ｖ型エンジン等において一対の吸気ポートの下側にインジェクタを配置する方がレイアウト的に都合がよい場合等に、本発明を適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、一対の吸気ポートのスロート部を横断面円形とするとともに、その上流において上記吸気ポートの横断面形状を、上辺部と外側辺部と内側から下側にかけての斜辺部とを有して、円形断面と比べて横方向中心線より上側及び縦方向中心線より外側で断面積が増大した概略三角形状とし、上記一対の吸気ポートの間の下側にインジェクタを配置しているため、斜めスワールの生成を可能にし、そのタンブル成分及びスワール成分を強化することができる。しかも、両吸気ポートの間の下側にインジェクタ配置のためのスペースを確保し、インジェクタを両吸気ポートに近接させて配置することができるとともに、スペース的余裕ができることでインジェクタ設置角度等の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による吸気装置を具備したエンジンの断面図である。
【図２】上記エンジンの燃焼室及び吸気系の概略平面図である。
【図３】上記エンジンの燃焼室の断面図である。
【図４】ピストンの頂部の平面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線部分での吸気ポートの横断面形状を示す図である。
【図６】ポート形状についての説明図である。
【図７】斜めスワールを示す説明図である。
【図８】燃料噴射形態及び空燃比の制御マップを示す図である。
【図９】エンジン負荷に応じた吸気流動の制御を示す図である。
【図１０】エンジン回転数に応じた吸気流動の制御を示す図である。
【図１１】タンブル比測定のための装置の概略図である。
【図１２】スワール比測定のための装置の概略図である。
【図１３】吸気流動がタンブルの場合と斜めスワールの場合とにつき、エンジン負荷に応じた燃費率の変化を示す図である。
【図１４】渦強さと燃焼期間との関係を、スワール傾斜角を種々変えた場合について示す図である。
【図１５】吸気ポートの横断面形状の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ シリンダヘッド
５ 燃焼室
７Ａ，７Ｂ 吸気ポート
７４ 上辺部
７５ 外側辺部
７６ 斜辺部
１２ インジェクタ
１４ バルブガイド
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の吸気ポートを有するとともにポート近傍にインジェクタが配置されたエンジンの吸気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下流端が燃焼室に開口する一対の吸気ポートをシリンダヘッドに形成するとともに、その吸気ポートの下方にインジェクタを配置するようにしたエンジンの吸気装置は知られている。例えば特開平７−２８６５２０号公報に示されている筒内噴射式のエンジンでは、吸気ポートの下方に配置したインジェクタの噴射口を燃焼室の周縁部に臨ませ、このインジェクタから燃焼室内に直接燃料を噴射するようにしている。この種のエンジンでは、上記インジェクタから圧縮行程で燃料が噴射されると、ピストン頂部で反射された燃料が点火プラグ周りに送られることで成層燃焼が行なわれ、また、吸気行程で燃料が噴射されると、混合気が燃焼室全体に拡散されて均一燃焼が行なわれる。
【０００３】
そこで、運転状態に応じて燃料噴射形態を変更し、例えば低負荷低回転領域では圧縮行程噴射により成層燃焼状態とする一方、高負荷領域や高回転領域では吸気行程噴射により均一燃焼状態とするというような制御が行なわれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように一対の吸気ポートの下方にインジェクタを配置しようとする場合、一般的な吸気ポート形状ではシリンダヘッドにおける吸気ポートの下方にスペース的余裕が少ないためインジェクタを吸気ポートと干渉しないように配置することが難しいといった問題がある。また、後に詳述するように成層燃焼時やリーン空燃比での均一燃焼時等に、スワール成分とタンブル成分とを含む斜めスワールを生成することが燃焼性向上等に有利となるが、上記公報に示されているような従来のこの種の装置の吸気ポート構造は斜めスワールの生成に適する構造にはなっていない。
【０００５】
なお、実用新案登録第２５２４１２４号の登録公報には、シリンダヘッドに形成される吸気ポートをその途中から分岐壁を介して分岐させ、その分岐したポートの下流端を燃焼室に開口させるとともに、分岐したポートの横断面形状を、分岐壁を一辺とし、かつ通路軸線より湾曲の遠心側を横幅方向に拡大し、求心側を横幅方向に縮小した略三角形状に形成した構造が示されている。しかし、この構造は、吸気ポートが途中から分岐する構造を前提として分岐した部分の流通抵抗の軽減を図っているものであり、上記のようなインジェクタの配置や斜めスワールの生成に有効なものではない。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み、一対の吸気ポートの下方にインジェクタを配置する構造において、インジェクタを吸気ポートに近接させてコンパクトにレイアウトすることができるとともに、斜めスワールを生成することができ、スワール成分及びタンブル成分を強化することができるエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、上流側がシリンダヘッドの上方側部に位置し、下流側が燃焼室に向かって延び、シリンダ軸心に対して横方向からシリンダ軸心方向へ湾曲して、下流端がシリンダヘッド下面側の燃焼室天井部分に開口する一対の互いに独立した吸気ポートを備えているエンジンの吸気装置において、上記一対の吸気ポートのスロート部を横断面円形とするとともに、その上流において上記吸気ポートの横断面形状を、シリンダヘッド下面から遠い側に位置する上辺部と、吸気ポート間側とは反対側に位置する外側辺部と、吸気ポート間側である内側から下側にかけての斜辺部とを有して、円形断面と比べ、横方向中心線より上側及び縦方向中心線より外側で断面積が増大した概略三角形状とし、上記一対の吸気ポートの間の下側にインジェクタを配置し、上記吸気ポートのスロート部より上流側に、シリンダ軸心と直交する方向に対するポート軸心の傾斜角度が最も小さい区間を設定し、この区間内の吸気ポート上壁に吸気弁のバルブガイドを設けるとともに、この区間内で吸気ポートの横断面を概略三角形状から円形に次第に変化させるように形成したものである。
【０００８】
この構成によると、上記吸気ポートの横断面において横方向中心線より上側と縦方向中心線より外側とで断面積が増大していることにより、タンブル成分及びスワール成分を強化し得、斜めスワールの生成に有利となる。また、内側から下側にかけて斜辺部となっていることにより、両吸気ポート間の下方にインジェクタ配置スペースが確保され、インジェクタを吸気ポートに近接せて配置することが可能となる。
【００１０】
また、吸気ポートに対してインジェクタ及びバルブガイドをコンパクトにレイアウトすることができるとともに、タンブル成分及びスワール成分が得られつつ吸気流がスムーズに燃焼室に導入される。
【００１１】
上流側における吸気ポートの横断面形状は、詳しくは上記上辺部と上記斜辺部との間に短い内側辺部を有するとともに上記外側辺部と上記斜辺部との間に短い下辺部を有する略五角形状としておけばよい。
【００１２】
また、燃焼室をペントルーフ型とし、この燃焼室の周縁に上記インジェクタを位置させて、インジェクタから燃焼室に直接燃料を噴射するようにしておけばよい。
【００１３】
このようにすると、燃焼室等の構造を簡単に保ちつつ、吸気ポート及びインジェクタを合理的にレイアウトすることができる。
【００１４】
また、一方の吸気ポートに対する吸気の流通を制御する制御弁を設け、少なくともこの制御弁が非全開状態のときにスワール成分とタンブル成分の両方を含む斜めスワールが生成されるようにしておくことが好ましい。
【００１５】
このようにすると、制御弁の制御によって斜めスワールをコントロールすることができる。
【００１６】
この場合に、上記一対の吸気ポートを互いに対称となる形状に形成することにより、上記制御弁が全開されたときにスワール成分が打ち消されて、タンブルのみが生成されるようにしておけば、運転状態に応じて斜めスワールが生成される状態とタンブルのみが生成される状態とに変更することができる。
【００１７】
また、上記制御弁が全閉のときにもタンブル比がスワール比より大きくなるようにしておけば、斜めスワールの生成が効果的に行なわれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は筒内噴射型火花点火式エンジンの構造の一例を示している。これらの図において、１はエンジン本体であって、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３等からなり、複数のシリンダを備えており、その各シリンダにはピストン４が嵌挿され、このピストン４の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室５が形成されている。上記ピストン４の頂部にはキャビティ６が設けられている。
【００１９】
上記シリンダヘッド３には、燃焼室５に開口する２つの吸気ポート７Ａ，７Ｂと、２つの排気ポート８Ａ，８Ｂとが形成されるとともに、上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂをそれぞれ開閉する２つの吸気弁９と、上記両排気ポート８Ａ，８Ｂをそれぞれ開閉する２つの排気弁１０と、点火プラグ１１と、インジェクタ１２とが取付けられている。上記インジェクタ１２は燃焼室５の周縁部に配置され、この位置から燃焼室５内に直接燃料を噴射するようになっている。また、上記点火プラグ１１は燃焼室５の中央部に配置されている。
【００２０】
これらの構造を具体的に説明すると、上記シリンダヘッド３の下面により構成される燃焼室５の天井部分はペントルーフ型となっており、上記ピストン４の頂部も上記天井部分に対応して中央部が隆起したペントルーフ形状とされている。また、上記キャビティ６は、図３及び図４にも示すように、ピストン４の頂部を部分的に凹陥させてなるもので、インジェクタ１２側にオフセットした位置に設けられている。つまり、ピストン４の頂部においてインジェクタ１２側の周縁付近から中央部付近にわたる範囲内でキャビティ６が形成され、このキャビティ６の周縁部のうちのピストン中央部側の部分と点火プラグ１１とが対応するような位置関係になっている。
【００２１】
上記吸気ポート７Ａ，７Ｂは互いに独立に形成されており、その縦断面（軸線に沿った断面）の形状としては図１に示すように、上流側がシリンダヘッド３の上方側部に位置し、下流側が燃焼室５に向かって延び、シリンダ軸心に対して横方向からシリンダ軸心方向へ湾曲して、下流端がシリンダヘッド下面側の燃焼室天井部分に開口している。吸気ポート７Ａ，７Ｂの縦断面形状をより詳しく説明すると、上流端から所定範囲の部分７１が斜め下方に直線状に延び、その斜め方向直線状部分７１の下流側に、水平方向（シリンダ軸心と直交する方向）に対する傾斜が最も緩やかになった区間７２を有し、この緩傾斜区間７２より下流側の部分７３（下流端近傍のスロート部から下流端までの部分）は水平方向に対する傾斜角度が次第に大きくなり、その下流端がペントルーフ型の燃焼室天井部分に開口している。
【００２２】
上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂの横断面（軸線の直交する断面）の形状は、互いに対称であって、上記斜め方向直線状部分７１で図５に示すような異形断面形状となっている。すなわち、図５において、両吸気ポート７Ａ，７Ｂの横断面形状は、シリンダヘッド下面から遠い側に位置する上辺部７４と、吸気ポート間側とは反対側に位置する外側辺部７５と、吸気ポート間側である内側から下側にかけての斜辺部７６とを有する概略三角形状とされ、当実施形態では上記上辺部７４、外側辺部７５及び斜辺部７６に加えて上辺部７４と斜辺部７６との間の短い内側辺部７７及び外側辺部７５と斜辺部７６との間の短い下辺部７８を有する略五角形状とされている。
【００２３】
そして、吸気ポート７Ａ，７Ｂの横方向の最大幅の中心で、かつ、縦方向の最大幅の中心となる位置を軸心Ｏとし、この軸心Ｏを通って互いに直交する横方向及び縦方向の２直線をそれぞれの方向の中心線Ｌｘ，Ｌｙと呼び、吸気ポート７Ａ，７Ｂの横方向または縦方向の最大幅に相当する径の円を基準円Ｃ（吸気ポートが円形断面の場合の横断面形状に相当）と呼ぶと、ポート断面は上記基準円Ｃと比べ、横方向中心線Ｌｘより上側及び縦方向中心線Ｌｙより外側で断面積が増大している。つまり、上辺部７４及び外側辺部７５はそれぞれ中心線の両側の部分が基準円Ｃよりも径方向外方に拡張されている。また、上記斜辺部７６は基準円Ｃよりも軸心Ｏ側に入り込んでいる。
【００２４】
ポート形状の説明図である図６にも示すように、上記斜め方向直線状部分７１では概略三角形状で一定断面とされ、一方、吸気ポート下流側のスロート部から燃焼室５への開口部にわたる部分７３では吸気弁形状に対応する円形断面とされ、その間の上記緩傾斜区間７２で異形断面から円形断面へ断面形状が次第に変化するように形成されている。
【００２５】
上記インジェクタ１２は、燃焼室周縁部から燃焼室５内の斜め下方に向けて燃料を噴射するように傾斜した状態で、両吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方に設けられたインジェクタ取付孔１３に取付けられている。
【００２６】
また、吸気ポート７Ａ，７Ｂの緩傾斜区間７２の上部壁には、吸気弁９の弁軸を摺動自在に支持するバルブガイド１４が設けられている。
【００２７】
上記エンジン本体１の一側部には吸気マニホールド１５が連結され、この吸気マニホールド１５には、サージタンク１６の下流にシリンダ別の分岐管１７が設けられるとともに、その分岐管１７に、上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂに通じる一対の吸気通路１７Ａ，１７Ｂが形成されている。また、一方の吸気ポート７Ａに対する吸気の流通を制御する制御弁１８が、この吸気ポート７Ａに通じる吸気通路１７Ａに設けられている。この制御弁１８はステップモータ等のアクチュエータ１９により作動されるようになっている。
【００２８】
上記両吸気ポート７Ａ，７Ｂと制御弁１８とにより、スワール成分とタンブル成分とを有する斜めスワールの生成が可能で、かつ、上記スワール成分及びタンブル成分の調節が可能な吸気系が構成されている。
【００２９】
すなわち、上記制御弁１８が全閉もしくは部分開（全開と全閉との間の開度）とされることによって一方の吸気ポート７Ａの吸気流通が制限された状態では他方の吸気ポート７Ｂに多く流れる吸気によって燃焼室５内にスワール成分（渦流の水平方向成分）を有する渦流が生成される。また、吸気ポート７Ａ，７Ｂは斜め方向直線状部分７１及び下流端側の部分７３が比較的大きな傾斜角を有し、かつ、緩傾斜区間７２が比較的短くされることにより、吸気ポート７Ａ，７Ｂから燃焼室５に流入する吸気流がタンブル成分（渦流の垂直方向成分）を含むように形成されている。従って、制御弁が非全開状態（全閉もしくは部分開の状態）のときは上記スワール成分とタンブル成分との両方が得られ、図７に示すような斜めスワールＳが燃焼室５内に生成される。
【００３０】
そして、上記スワール成分は制御弁１８が全閉状態のときに最も強くなるが、好ましくはこのときにもタンブル比がスワール比以上となって、水平面（シリンダボア中心線と直交する面）に対する傾斜角θが４５°以上の斜めスワールが生成されるように吸気ポート形状が設定されている。また、上記制御弁１８が全閉から開かれていくとその開度が大きくなるにつれて両吸気ポート７Ａ，７Ｂからの気流の衝突によりスワール成分が弱くなり、制御弁１８が全開のときにスワール成分が略０となるが、このときにもタンブル成分は残されるようになっている。
【００３１】
上記インジェクタ１２からの燃料噴射は図外のＥＣＵ（コントロールユニット）によりエンジンの運転状態に応じて制御される。つまり、エンジン負荷等に応じて燃料噴射量が制御されるとともに、点火プラグ１１周りに混合気を偏在させる成層燃焼状態とすべく圧縮行程で燃料を噴射する圧縮行程噴射と、燃焼室全体に混合気を拡散させる均一燃焼状態とすべく吸気行程で燃料を噴射する吸気行程噴射とに、インジェクタ１２からの燃料噴射の形態が変更される。また、上記制御弁１８及び図外のエレキスロットル（電気的なアクチュエータで作動されるスロットル弁）等の吸入空気量調節手段も上記ＥＣＵにより運転状態に応じて制御されるようになっている。
【００３２】
図８は横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷（例えば平均有効圧力Ｐｅ）として、燃料噴射形態及び空燃比の制御マップを示している。この図において、所定負荷以下かつ所定回転数以下の領域が成層燃焼領域Ａとされ、この領域Ａで圧縮行程噴射が行なわれるとともに空燃比が例えばＡ／Ｆ＝４０程度というように理論空燃比より大幅にリーンとされる。一方、所定負荷より高負荷側と所定回転数より高回転側とにわたる領域が均一燃焼領域Ｂとされ、この領域Ｂで吸気行程噴射が行なわれる。この均一燃焼領域Ｂのうちで低負荷低回転側の、成層燃焼領域Ａに近い領域Ｂ１では、空燃比が理論空燃比よりリーン（λ＞１）とされ、例えばＡ／Ｆ＝２０程度とされる。また、均一燃焼領域Ｂのうちでもとくに高負荷側及び高回転側の領域Ｂ２では、空燃比が理論空燃比もしくはこれよりリッチ（λ≦１）とされ、例えばＡ／Ｆ＝１３〜１４．７とされる。
【００３３】
また、吸気流動の制御としては、成層燃焼領域Ａからリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１にかけて上記斜めスワールが生成される。そして、少なくともリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１で、スワールの傾斜角度θがインジェクタ１２の設置角αよりも大きくされる。なお、インジェクタ１２の設置角度は３５°±５°とされる。
【００３４】
当実施形態では、制御弁１８が全閉状態のときにもタンブル比がスワール比よりも大きくなって斜めスワールの傾斜角度θが４５°以上となるように吸気ポート形状が設定された上で、図９及び図１０のように運転状態に応じて制御弁１８が制御される。
【００３５】
すなわち、図９は上記各運転領域でのエンジン負荷に応じた吸気流動制御の特性を示している。この図のように、成層燃焼領域Ａでは、上記制御弁１８が部分開とされるとともに、低負荷側で制御弁１８の開度が比較的大きくされ、負荷が高くなるにつれ、適度に混合気を拡散させるべく、制御弁１８の開度が小さくされることでスワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが大きくされる。均一燃焼領域Ｂのうちでリーン空燃比とされる領域Ｂ１では、制御弁１８が全閉とされることにより、スワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが最も大きくされる。また、均一燃焼領域Ｂのうちで空燃比がリッチとされる領域Ｂ２では、制御弁１８が全開とされることにより、スワール比ＳＲｉが０とされる。
【００３６】
図１０は上記各運転領域でのエンジン回転数に応じた吸気流動制御の特性の一例を示している。この図のように、成層燃焼領域Ａでは、上記制御弁１８が部分開とされるとともに、エンジン回転数が高くなるにつれ、吸気流速そのものが早くなる傾向に対する調整のため、制御弁１８の開度が大きくされることでスワール比ＳＲｉ及びタンブル比ＴＲｉが小さくされる。均一燃焼領域Ｂのうちの領域Ｂ１で制御弁が全閉、領域Ｂ２で制御弁が全開とされるのは、負荷に応じた制御の場合（図９）と同様である。
【００３７】
ここで、タンブル比及びスワール比の定義とその測定の方法を、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。
【００３８】
上記タンブル比とは、吸気流縦方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値であり、その吸気流縦方向角速度は図１１に示す計測装置を用いた測定に基づいて求められる。すなわち、同図に示す装置は、シリンダヘッド３を横向きに設置した状態で、測定のための吸気供給装置３１をシリンダヘッド３の吸気ポートに接続する一方、シリンダヘッド３の燃焼室側に、短い接続部を介してタンブル測定用チューブ３２を接続し、そのチューブ３２に一端に、ハニカム状ロータ３３を有するインパルスメータ３４を接続し、チューブ３２に一端にダミーハニカム状ロータ３５を接続してなる。
【００３９】
そしてこの装置により、吸気供給に応じて上記チューブ３２内に生じるタンブル（矢印）により上記ハニカム状ロータ３３に作用するトルクをインパルスメータ３４で計測し、それに基づいて吸気流縦方向角速度を求める。なお、この装置において、計測の安定性及び精度を確保するため、チューブ径をシリンダボア系と同一とするとともに、チューブ長さはチューブ径に対して充分に大きくし、例えばチューブ径の１０倍程度とする。
【００４０】
また、上記スワール比とは、吸気流横方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値であり、その吸気流横方向角速度は図１２に示す計測装置を用いた測定に基づいて求められる。すなわち、同図に示す装置は、基台にシリンダヘッド３を上下反転して設置して、吸気ポートを図外の吸気供給装置接続する一方、そのシリンダヘッド３上にシリンダ３６を設置するとともに、その上端にハニカム状ロータ３７を有するインパルスメータ３８を接続してなり、シリンダヘッド３とシリンダブロックとの合わせ面から１．７５Ｄ（Ｄはシリンダボア径）の位置にインパルスメータ３４の下面を位置させている。
【００４１】
そしてこの装置により、吸気供給に応じて上記シリンダ３６内に生じるスワール（矢印）によりハニカム状ロータ３７に作用するトルクをインパルスメータ３８で計測し、それに基づいて吸気流横方向角速度を求める。
【００４２】
次に、当実施形態のエンジンの吸気装置の作用を説明する。
【００４３】
低負荷低回転側の成層燃焼領域では、燃焼室５の周縁に配置されたインジェクタ１２から圧縮行程で燃料が噴射されて、点火プラグ１１周りに混合気が偏在するように成層化されることにより、空燃比が大幅にリーンな状態で着火、燃焼が可能となる。また、高負荷側の領域や高回転側の領域は均一燃焼領域Ｂとされ、この領域Ｂでは吸気行程で燃料が噴射されて燃焼室全体に混合気が拡散されるが、この均一燃焼領域Ｂのうちの低負荷側や低回転側の領域Ｂ１では空燃比がリーンとされることにより、この領域Ｂ１でも燃費改善が図られる。
【００４４】
このように運転状態に応じて燃焼の形態や空燃比が変えられるが、これ対応して、成層燃焼領域Ａからリーン空燃比の均一燃焼領域Ｂ１にかけて斜めスワールが生成されるように吸気流動状態が調節されることにより、成層燃焼及びリーン空燃比で均一燃焼に対してそれぞれ燃焼性を向上する作用が得られる。
【００４５】
このような作用を具体的に説明すると、先ず成層燃焼時に、圧縮行程途中まではタンブル成分を含む斜めスワールが維持されて、インジェクタ１２から斜めに噴射された燃料の方向が上記斜めスワールのタンブル成分によって下方に向けられるため、噴射燃料の多くが上記キャビティ６内に入り、キャビティ６による燃料のトラップ性が高められる。
【００４６】
この場合、タンブルだけでは燃料のトラップ性は高められるものの混合気をキャビティから点火プラグ周りに向かわせる混合気輸送作用が充分に得られず、点火プラグ周りの混合気の空燃比にバラツキが生じ易い。これに対し、当実施形態の構造によると、噴霧がキャビティ６内にトラップされた後においてピストン４がさらに上死点に近づく圧縮行程後期に、上記斜めスワールのうちのタンブル成分がピストン４頂部のキャビティ外の隆起部により崩壊されて主にスワール成分が残る状態となり、このスワール成分で混合気がキャビティ６の周縁に沿って燃焼室中央側に流されつつ、上方へ舞い上がることにより、点火プラグ１１周りへの混合気の輸送性も良好となる。
【００４７】
さらに成層燃焼領域では、図９のように負荷が高くなるにつれてスワール及びタンブルが強められるように制御弁１８が調節されることにより、成層燃焼領域Ａのうちで比較的燃料噴射量が多い中負荷域では適度に混合気が拡散され、点火プラグ１１周りの混合気の空燃比が適正に保たれ、燃焼性が向上される。つまり、タンブルのみが生成される吸気系による場合と斜めスワールが生成される当実施形態による場合とにつき、成層燃焼領域での燃費率ｂｅを比較すると、図１３のように、タンブルのみが生成される場合はこれが圧縮行程後期に減衰、崩壊されて、燃料噴射量が多くなっても混合気の拡散が図れないため、成層燃焼領域内のうちの高負荷側の領域である中負荷域で燃費が悪化する（破線）の対し、斜めスワールが生成される場合は上記のように適度の拡散作用が得られるため上記中負荷域での燃費が改善される（実線）。
【００４８】
また、リーン空燃比での均一燃焼時は、上記制御弁１８が全閉とされることでスワール成分及びタンブル成分が強められ、かつ、この状態でタンブル成分がスワール成分よりも強くて傾斜角度θの大きい斜めスワールが生成されることにより、良好な成層燃焼状態が得られる。すなわち、燃焼室の周縁部に配置されるインジェクタ１２は吸気ポート７Ａ，７Ｂとの干渉防止等の制約から設置角度が比較的小さく、この設置角度に対応した方向に燃料が噴射されるので、燃焼室５内の気流が弱いと噴射燃料がインジェクタ１２に対向する側のシリンダ壁面に付着し易くなるが、上記のように斜めスワールが生成され、とくにインジェクタ１２の噴射方向よりも燃焼室下方側に向いた方向に斜めスワールが生成されることにより、インジェクタ１２から噴射された燃料が上記斜めスワールにより下方に向けられて、シリンダ壁面への付着が防止されつつ、燃焼室５全体に拡散され、燃焼性が向上される。
【００４９】
ここで、リーン空燃比での均一燃焼時の渦強さと燃焼期間との関係を、スワール傾斜角度θを種々変えた場合について、図１４に示す。この図のようにスワール傾斜角度θが小さい場合（θ＝１２°の場合やθ＝３８°の場合）、混合気が燃焼室周辺に偏在する逆成層状態となって混合気が均一に拡散し難くなり、このような混合気分布状態の悪化がスワールの燃焼促進作用を妨げるため、渦強さを大きくしても燃焼期間はあまり短縮されない。これに対し、スワール傾斜角度θを大きくした場合（図示の例ではθ＝５２°の場合）は、上記のような逆成層が防止されて燃焼室５全体に混合気が均一に拡散されるため、この拡散性の向上とスワールによる乱流強化との相乗作用により、渦強さが大きくなるにつれて燃焼が促進されて大幅に燃焼期間が短縮される。
【００５０】
このようなリーン空燃比での均一燃焼時の燃焼促進作用は、タンブル比をスワール比よりも大きくして、スワール傾斜角度θが４５°以上の斜めスワールを生成することにより有効に得られる。
【００５１】
また、均一燃焼のうちで空燃比がリッチ（λ≦１）とされる高負荷、高回転の領域では、制御弁が全開とされることで吸気ポート開口面積が大きされるとともにスワール成分が打ち消されるが、この状態でもタンブル成分が残されることにより混合気の拡散及び燃焼が良好に行なわれる。
【００５２】
ところで、当実施形態の吸気装置では、前述のように、図１に示すような吸気ポート７Ａ，７Ｂの縦断面形状によってタンブル成分が得られるとともに、一対の吸気ポート７Ａ，７Ｂのうちの一方の吸気流通を制御弁１８によって制御することによりスワール成分が得られ、そのタンブル成分とスワール成分とで斜めスワールが生成される。
【００５３】
とくに、図５に示すように、両吸気ポート７Ａ，７Ｂは途中箇所の横断面において横方向中心線Ｌｘより上側で断面積が増大していることにより、吸気ポートの上側を空気が多くながれてタンブル成分の生成を促進し得るとともに、縦方向中心線Ｌｙより外側でも断面積が増大していることにより、吸気ポートの外側を空気が多くながれてスワール成分の生成を促進し得る。従ってタンブル成分及びスワール成分を強め、燃焼促進作用等を向上することができる。
【００５４】
また、上記横断面において内側から下側にかけての斜辺部７６が基準円Ｃより軸心側に入り込んだ形状とされていることにより、この両吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方にインジェクタ１２の配置スペースが確保され、吸気ポート７Ａ，７Ｂとインジェクタ１２とがコンパクトに配置される。また、この部分にスペース的余裕ができることにより、インジェクタ設置角度の自由度も高められる。
【００５５】
さらに、吸気ポート下流端近傍に短い緩傾斜区間７２が設けられ、この部分の上壁にバルブガイド１４が設けられるとともに、緩傾斜区間７２で吸気ポート断面形状が概略三角形状から円形に次第に変化するようにしているため、両吸気ポート７Ａ，７Ｂとインジェクタ１２及び吸気弁９のバルブガイド１３が互いに干渉しないように合理的にレイアウトされ、かつ、タンブル成分及びスワール成分を生成する気流がスムーズに燃焼室に導入される。
【００５６】
なお、吸気ポート７Ａ，７Ｂの途中の横断面形状は概略的に前記のような三角形状（図５参照）となる範囲で変更可能であり、例えば図１５のように内側から下側にかけての斜辺部７６´が軸心Ｏ側に凹入した湾曲状となっていてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では吸気ポート７Ａ，７Ｂの間の下方に配置されるインジェクタ１２が燃焼室５に直接燃料を噴射する筒内噴射タイプとなっているが、吸気ポートと内に燃料を噴射するようなポート噴射タイプのものでも、Ｖ型エンジン等において一対の吸気ポートの下側にインジェクタを配置する方がレイアウト的に都合がよい場合等に、本発明を適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、一対の吸気ポートのスロート部を横断面円形とするとともに、その上流において上記吸気ポートの横断面形状を、上辺部と外側辺部と内側から下側にかけての斜辺部とを有して、円形断面と比べて横方向中心線より上側及び縦方向中心線より外側で断面積が増大した概略三角形状とし、上記一対の吸気ポートの間の下側にインジェクタを配置しているため、斜めスワールの生成を可能にし、そのタンブル成分及びスワール成分を強化することができる。しかも、両吸気ポートの間の下側にインジェクタ配置のためのスペースを確保し、インジェクタを両吸気ポートに近接させて配置することができるとともに、スペース的余裕ができることでインジェクタ設置角度等の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による吸気装置を具備したエンジンの断面図である。
【図２】上記エンジンの燃焼室及び吸気系の概略平面図である。
【図３】上記エンジンの燃焼室の断面図である。
【図４】ピストンの頂部の平面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線部分での吸気ポートの横断面形状を示す図である。
【図６】ポート形状についての説明図である。
【図７】斜めスワールを示す説明図である。
【図８】燃料噴射形態及び空燃比の制御マップを示す図である。
【図９】エンジン負荷に応じた吸気流動の制御を示す図である。
【図１０】エンジン回転数に応じた吸気流動の制御を示す図である。
【図１１】タンブル比測定のための装置の概略図である。
【図１２】スワール比測定のための装置の概略図である。
【図１３】吸気流動がタンブルの場合と斜めスワールの場合とにつき、エンジン負荷に応じた燃費率の変化を示す図である。
【図１４】渦強さと燃焼期間との関係を、スワール傾斜角を種々変えた場合について示す図である。
【図１５】吸気ポートの横断面形状の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
３ シリンダヘッド
５ 燃焼室
７Ａ，７Ｂ 吸気ポート
７４ 上辺部
７５ 外側辺部
７６ 斜辺部
１２ インジェクタ
１４ バルブガイド
Claims (6)
- 上流側がシリンダヘッドの上方側部に位置し、下流側が燃焼室に向かって延び、シリンダ軸心に対して横方向からシリンダ軸心方向へ湾曲して、下流端がシリンダヘッド下面側の燃焼室天井部分に開口する一対の互いに独立した吸気ポートを備えているエンジンの吸気装置において、
上記一対の吸気ポートのスロート部を横断面円形とするとともに、その上流において上記吸気ポートの横断面形状を、シリンダヘッド下面から遠い側に位置する上辺部と、吸気ポート間側とは反対側に位置する外側辺部と、吸気ポート間側である内側から下側にかけての斜辺部とを有して、円形断面と比べ、横方向中心線より上側及び縦方向中心線より外側で断面積が増大した概略三角形状とし、
上記一対の吸気ポートの間の下側にインジェクタを配置し、
上記吸気ポートのスロート部より上流側に、シリンダ軸心と直交する方向に対するポート軸心の傾斜角度が最も小さい区間を設定し、この区間内の吸気ポート上壁に吸気弁のバルブガイドを設けるとともに、この区間内で吸気ポートの横断面を概略三角形状から円形に次第に変化させるように形成したことを特徴とするエンジンの吸気装置。 - 上流側における吸気ポートの横断面形状を、上記上辺部と上記斜辺部との間に短い内側辺部を有するとともに上記外側辺部と上記斜辺部との間に短い下辺部を有する略五角形状としたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気装置。
- 燃焼室をペントルーフ型とし、この燃焼室の周縁に上記インジェクタを位置させて、インジェクタから燃焼室に直接燃料を噴射するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの吸気装置。
- 一方の吸気ポートに対する吸気の流通を制御する制御弁を設け、少なくともこの制御弁が非全開状態のときにスワール成分とタンブル成分の両方を含む斜めスワールが生成されるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。
- 上記一対の吸気ポートを互いに対称となる形状に形成することにより、上記制御弁が全開されたときにスワール成分が打ち消されて、タンブルのみが生成されるようにしたことを特徴とする請求項４記載のエンジンの吸気装置。
- 上記制御弁が全閉のときにもタンブル比がスワール比より大きくなるようにしたことを特徴する請求項４または５記載のエンジンの吸気装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11160897A JP3804178B2 (ja) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | エンジンの吸気装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11160897A JP3804178B2 (ja) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | エンジンの吸気装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10299497A JPH10299497A (ja) | 1998-11-10 |
| JP3804178B2 true JP3804178B2 (ja) | 2006-08-02 |
Family
ID=14565662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11160897A Expired - Fee Related JP3804178B2 (ja) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | エンジンの吸気装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3804178B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3692749B2 (ja) * | 1997-12-22 | 2005-09-07 | 日産自動車株式会社 | 筒内噴射式内燃機関のピストン |
| JP3726503B2 (ja) * | 1998-01-06 | 2005-12-14 | 日産自動車株式会社 | 直噴火花点火式内燃機関 |
| JP3806627B2 (ja) * | 2001-09-18 | 2006-08-09 | 株式会社クボタ | 直接噴射式ディーゼルエンジン |
| US20100031926A1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-11 | Jerry Lee Magnuson | Intake manifolds for internal combustion engines |
| CN106457365B (zh) * | 2014-05-26 | 2019-03-26 | 爱知机械工业株式会社 | 气缸盖及具有该气缸盖的内燃机以及进气口成形用型芯 |
-
1997
- 1997-04-28 JP JP11160897A patent/JP3804178B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10299497A (ja) | 1998-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH10299537A (ja) | 筒内噴射型火花点火式エンジン | |
| EP1365123B1 (en) | Direct-injection spark-ignition engine | |
| AU657392B2 (en) | Internal combustion engine | |
| JP3644249B2 (ja) | 筒内噴射式内燃機関 | |
| JP4054223B2 (ja) | 筒内噴射型エンジンおよび筒内噴射型エンジンの制御方法 | |
| US6065444A (en) | Direct-injection spark-ignition engine | |
| JP3840823B2 (ja) | 筒内噴射式エンジン | |
| JP3921732B2 (ja) | 筒内噴射型火花点火式エンジン | |
| JP3804178B2 (ja) | エンジンの吸気装置 | |
| US6155229A (en) | Charge motion control valve in upper intake manifold | |
| JP2917713B2 (ja) | 筒内噴射型内燃機関 | |
| JP4032762B2 (ja) | 火花点火式直噴エンジン | |
| JP2003262132A (ja) | 火花点火式直噴エンジンの吸気装置 | |
| JP2004245204A (ja) | 内燃機関の燃料噴射装置 | |
| JP2001055925A (ja) | 直噴式内燃機関の吸気制御装置 | |
| JP4013300B2 (ja) | 直噴エンジンの吸気装置 | |
| JPH06147022A (ja) | 筒内噴射型内燃機関 | |
| JP3817910B2 (ja) | 筒内噴射式内燃機関のピストン | |
| JP3903200B2 (ja) | 筒内噴射式火花点火内燃機関 | |
| JP4048814B2 (ja) | 火花点火式エンジンの吸気装置 | |
| JPH06213081A (ja) | エンジンのｅｇｒ装置 | |
| JP3644359B2 (ja) | 筒内噴射式内燃機関のピストン | |
| JP5216696B2 (ja) | 筒内噴射エンジンの制御装置 | |
| JP3993906B2 (ja) | 直接筒内噴射式火花点火エンジン | |
| JPH0430339Y2 (ja) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051220 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20051221 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060220 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060418 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060501 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090519 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100519 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110519 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110519 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120519 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |