JP4456970B2

JP4456970B2 - 可変スワール吸気装置及びそれを具備したディーゼルエンジン

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Publication number: JP4456970B2
Application number: JP2004286069A
Authority: JP
Inventors: 友三青柳
Original assignee: 株式会社新エィシーイー
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006097607A

Description

本発明は、広い範囲でスワール比を変動させることができる内燃機関用吸気装置、及びかかる吸気装置を具備したディーゼルエンジンに関する。

直噴式ディーゼルエンジンは、ピストン頂部のキャビティにより構成された燃焼室に燃料を直接噴射するとともに、同心状の旋回流（スワール）の形成により効率的な燃焼を実現させたものである。スワールにより燃焼室内のガスが旋回流動すると、燃料噴射弁から噴射された燃料と空気との混合が促進され、燃焼速度が高まり、排出ガスの浄化ができる。スワールの強さはエンジンの１回転中のスワールの旋回数で表され、「スワール比」と呼ばれる。

燃焼室内のスワール比はエンジンの運転条件により異なる。例えば、低速・低負荷のように燃料噴射量の少ない領域では、燃料と空気の混合を促進するために高スワール比が要求される。一方、高速・高負荷のように燃料噴射量の多い運転条件では、噴射された燃料が燃焼室全体に拡散し、かつスワールによりたなびいた燃料噴霧が互いに干渉しないように、スワール比を低く抑える必要がある。このように運転条件により異なるスワール比の要求を満たすために、吸気ポート部分に種々のスワール比を生成するための可変機構が設けられている。

特開平6-323145号は、シリンダごとに２つの吸気ポートを設け、一方の吸気ポートの流量を制限することによりスワール比を制御する可変スワール吸気装置を開示している。この可変スワール吸気装置では、一方の吸気ポートが高スワール比で、他方の吸気ポートが低スワール比であり、低スワールポートの入口に流量制御弁が設けられている。流量制御弁が閉じているときは、高スワール吸気ポートからのみ空気の吸入が行われて、高スワール比となる。また流量制御弁を開くと、低スワール吸気ポートからの空気流入量の割合が増えるので、低スワール比となる。このように流量制御弁の開度制御によりスワール比が可変制御される。

またシリンダごとに２つの吸気ポートを有するディーゼルエンジンの可変スワール吸気ポートとして、社団法人自動車技術会の「学術講演会前刷集974」、1997-10（非特許文献１）は、単独でスワール比12以上を生成できるヘリカルポートと、タンジェンシャルポートを組合せ、スワール可変範囲を４〜10とした吸気システムを開示している。ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとはバルブリフトの大きさに応じたスワール比の変化が異なるので、両ポートのバルブリフトを調節することにより、広い範囲で可変スワールとすることができる。

特開2004-84668号（特許文献１）は、図９に示すように、シリンダヘッド１01内の燃焼室103に開口する２つの吸気ポート102と、各吸気ポート102に連通する吸気路110と、各吸気ポート102に設けられた吸気弁105とを有し、各吸気路110は吸気弁105に面する弁空洞部106で合流する２つの吸気分流路111，112を有し、吸気分流路111，111は一次路で、他方112，112は二次路であり、二次路112，112を流れる空気の流量は調整弁115により可変であり、一次路111，111は接線路であり、二次路112，112は中立路又は接線路である内燃機関用可変スワール吸気路システムを開示している。調整弁115により一次路111，111及び二次路112，112内を流れる空気の流量が変更されるので、燃焼室103に流入する空気のスワール強度が可変となる。

特許文献１の吸気装置は非特許文献１のものに比べて著しく可変スワール比の範囲が高い側に拡大したという利点を有する。しかしながら、ディーゼルエンジンに対して現在益々高くなる高燃焼効率化及び低公害化の要望により、運転条件に応じてスワール比をより広く変化させようという要求が高まりつつある。この要求に対して、特許文献１の吸気装置には、最大流量係数時にスワール比を1.4以下にできないという欠点がある。一方、150 MPa以上の高圧での燃料噴射では、スワール比を1.0程度の小さい値にする必要がある。

特開2004-84668号公報「学術講演会前刷集974」，社団法人自動車技術会，1997-10

従って本発明の第一の目的は、可変スワール比の範囲がさらに拡大した内燃機関用可変スワール吸気装置を提供することである。

本発明の第二の目的は、かかる可変スワール吸気装置を具備することにより、高燃焼効率化と低公害化とを達成したディーゼルエンジンを提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、内燃機関のシリンダの燃焼室に開口する２つの吸気ポートの各々に連通する吸気路を２つの吸気分流路により構成するとともに、２つの吸気分流路の合流面の向きを一方の吸気路ではシリンダの接線方向とし、他方の吸気路ではシリンダの半径方向とすることにより、広いスワール比の範囲で吸気量を調節できることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の内燃機関用可変スワール吸気装置は、内燃機関のシリンダの燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、各吸気ポートに連通する第一及び第二の吸気路と、各吸気ポートに設けられた吸気弁とを有し、第一の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第一及び第二の吸気分流路を有し、第二の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第三及び第四の吸気分流路を有し、各吸気分流路には空気流量調節弁が設けられており、前記第一の吸気路では吸気ポートにおける第一及び第二の吸気分流路の合流面が前記シリンダの接線方向を向いており、前記第二の吸気路では吸気ポートにおける第三及び第四の吸気分流路の合流面が前記シリンダの半径方向を向いており、前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より吸気下流側に位置し、前記合流面付近で前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より上側に位置し、前記第一及び第二の吸気路は前記シリンダの接線方向を向いていることを特徴とする。ここで吸気分流路の「合流面」は、弁空洞部における２つの空気流の界面であって、弁空洞部を形成する前に吸気ポートに存在していたブリッジ部（後述する）の方向と実質的に同じである。

また本発明のディーゼルエンジンは、２つの吸気ポート、２つの排気ポート及び燃料噴射弁ホールが燃焼室に面する内壁に開口したシリンダヘッドと、各吸気ポートに連通するように前記シリンダヘッド内に設けられた第一及び第二の吸気路と、第二の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第三及び第四の吸気分流路と、各吸気ポートに設けられた吸気弁と、各排気ポートに設けられた排気弁と、前記燃料噴射弁ホールに設けられた燃料噴射弁とを有し、第一の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第一及び第二の吸気分流路を有し、各吸気分流路には空気流量調節弁が設けられており、前記第一の吸気路では吸気ポートにおける第一及び第二の吸気分流路の合流面が接線方向を向いており、前記第二の吸気路では吸気ポートにおける第三及び第四の吸気分流路の合流面が半径方向を向いており、前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より吸気下流側に位置し、前記合流面付近で前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より上側に位置し、前記第一及び第二の吸気路は前記シリンダの接線方向を向いていることを特徴とする。

前記空気流量調節弁はロータリ弁であるのが好ましい。前記可変スワール吸気装置によるスワール比の変動範囲は０〜14まで可能である。

本発明の可変スワール吸気装置では、それぞれ２つの吸気分流路を有する２つの吸気路が設けられているとともに、一方の吸気路では、吸気ポートにおける２つの吸気分流路の合流面がシリンダの接線方向を向いており、他方の吸気路では吸気ポートにおける２つの吸気分流路の合流面がシリンダの半径方向を向いているので、各吸気分流路の空気流量を弁により調節したときに、スワール比の調整範囲を広くとることができる。

図１は本発明の可変スワール吸気装置を具備するディーゼルエンジンのモデルの一例を示す。このモデルは実験用であり、実機と必ずしも同形ではないが、機能的には同等である。また各吸気分流路の配置を明瞭にするために、弁空洞部は省略してある。この例では、シリンダヘッド１の内壁には、第一及び第二の吸気ポート２，３と、燃料噴射弁ホール４と、２つの排気ポート5a，5bが設けられている。各吸気ポート２，３には吸気弁12，13が設けられており、燃料噴射弁ホール４には燃料噴射弁14が設けられており、各排気ポート5a，5bには排気弁15a，15bが設けられている。燃料噴射弁ホール４には燃料流路24（一部のみ図示）が連通している。

第一の吸気ポート２に開口する第一の吸気路22は2つの吸気分流路22a，22bからなり、第二の吸気ポート３に開口する第二の吸気路23は２つの吸気分流路23a，23bからなる。各吸気分流路22a，22b，23a，23bには、空気流量調節弁としてロータリ弁16a，16b，16c，16dが設けられている。

第一の吸気路22では、2つの吸気分流路22a，22bの合流面32（後述するブリッジ部224とほぼ同じ）はシリンダヘッド１の接線方向（シリンダヘッド１の中心Ｏを通る半径に直交する方向）に延在する。また第二の吸気路23では、2つの吸気分流路23a，23bの合流面33（後述するブリッジ部225とほぼ同じ）はシリンダヘッド１の半径方向に延在する。そのため図１に示す例では、第二の吸気ポート３付近では、吸気分流路23aは吸気分流路23bより上側に位置する。勿論、吸気ポート２，３とシリンダヘッドにおける吸気開口部のとの位置関係により、各吸気分流路22a，22b，23a，23bの形状は異なる。従って、第二の吸気路23では必ず吸気分流路23aが吸気分流路23bより上側に位置するという訳ではない。

図２は吸気分流路及び弁空洞部の配置を示す斜視図である。各吸気ポート２，３には吸気弁12，13が設けられるので、各対の吸気分流路22a，22b及び23a，23bの合流域に弁空洞部26が形成されている。図３は第一の吸気路22の弁空洞部26を示すが、第二の吸気路23の弁空洞部26も同じである。弁空洞部26は、吸気弁12の弁部12aを収容する拡径部26aと、吸気弁12のシャフト部12bを収容する細径部26bとからなる。各弁空洞部26の拡径部26aには弁座42，43が設けられている。また各弁空洞部26の細径部26bには弁ガイド28が収容されている。

図４は図１のＸ−Ｘ断面図であるが、図示を簡単にするために各吸気分流路の断面をハッチングで示す。なお各吸気分流路の断面は、弁空洞部26の形成前の断面である。図４より、2つの吸気分流路22a，22bが弁空洞部26により合流し、2つの吸気分流路23a，23bが弁空洞部26により合流することが分かる。2つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さであるが、吸気ポート３側では吸気分流路23aが吸気分流路23bの上に重なるように位置している。

図５は図１の可変スワール吸気装置を概略的に示す縦断面図である。図５から明らかなように、第一の吸気路22では2つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さで延在するが、第二の吸気路23では一方の吸気分流路23aが他方の吸気分流路23bより高い位置で延在する。

図６は図１の左側面図である。各吸気分流路22a，22b，23a，23bは小判形の断面形状を有しているが、全て同形である必要はない。各吸気分流路22a，22b，23a，23bの断面形状は、所望のスワール比の範囲に応じて適宜設定することができる。

図７は吸気分流路22aのロータリ弁16aを例示するが、他のロータリ弁も同じ構造を有する。ロータリ弁16aは、円柱状の弁本体161と、吸気分流路22aと整合するように弁本体161に設けられた開口部162と、弁本体161を回動させるためのレバー163とを有する。(a) の状態では、開口部162は吸気分流路22aと連通しているので、吸気分流路22aは開放状態である。レバー163により弁本体161を回動させて、開口部162が吸気分流路22aと直交する状態になると、吸気分流路22aは閉鎖状態である。

上記のようにして、各吸気分流路22a，22b，23a，23bに設けられたロータリ弁16a，16b，16c，16dを独立にＯＮ・OFFすることにより、各吸気分流路22a，22b，23a，23bを独立に開閉することができる。また必要に応じて、各ロータリ弁16a，16b，16c，16dを、ＯＮ・OFF以外に自由な開度となるように作動させることもできる。いずれにしても、各ロータリ弁16a，16b，16c，16dの作動により、広い範囲でスワール比を変更できる。

シリンダヘッドに本発明の可変スワール吸気装置を形成するには、まず図８の(a) に示すように各吸気分流路22a，22b，23a，23bに相当する中子122a，122b，123a，123bを用いて、シリンダヘッドを鋳造する。図８の(b) に示すように、鋳造したままの状態では、吸気ポート２，３の位置には中子122a，122b，123a，123bに相当する開口部222a，222b，223a，223bが形成されるだけで、開口部222aと開口部222bの間には接線方向のブリッジ部224が存在し、開口部223aと開口部223bの間には半径方向のブリッジ部225が存在する。この鋳造品に機械加工を施し、図２に示すように弁空洞部26を形成する。各弁空洞部26により、吸気分流路22a，22bは吸気ポート２の近傍で合流し、吸気分流路23a，23bは吸気ポート３の近傍で合流する。各弁空洞部26の開口縁部に弁座42，43を取付け、図１及び３に示すように弁12，13を装着する。

２つの吸気分流路の合流面がシリンダの接線方向の場合、流量係数は最大0.36から最小0.10まで変化し、最大流量係数でのスワール比は1.4となるとともに、全流量係数域でのスワール比は1.0〜14.1となる。また２つの吸気分流路の合流面がシリンダの半径方向の場合、流量係数は最大0.37から最小0.10まで変化し、最大流量係数でのスワール比は1.0となるとともに、全流量係数域でのスワール比は0.3〜14.1となる。従って、一方の吸気路22では２つの吸気分流路22a，22bの合流面がシリンダの接線方向であり、他方の吸気路23の吸気分流路23a，23bの合流面がシリンダの半径方向である本発明の可変スワール吸気装置では、ロータリ弁16a，16b，16c，16dの作動により流量係数を高めて、スワール比を0.3〜14.1の広い範囲にわたって調整することができる。

以上本発明の可変スワール吸気装置及びそれを具備するディーゼルエンジンを図面を参照して説明したが、本発明はそれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施例による可変スワール吸気装置を示す平面図である。図１の可変スワール吸気装置における吸気分流路及び弁空洞部の配置を示す斜視図である。吸気弁を摺動自在に収容する弁空洞部を示す斜視図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。図１の可変スワール吸気装置の縦断面図である。図１の可変スワール吸気装置の左側面図である。図１の可変スワール吸気装置におけるロータリ弁を示す横断面図であり、(a) は開放状態のロータリ弁を示し、(b) は閉鎖状態のロータリ弁を示す。吸気分流路形成用中子の配置を示し、(a) は斜視図であり、(b) は底面図である。従来の可変スワール吸気装置を示す平面図である。

符号の説明

１・・・シリンダヘッド
２，３・・・吸気ポート
12，13・・・吸気弁
22，23・・・吸気路
22a，22b，23a，23b・・・吸気分流路
26・・・弁空洞部
28・・・弁ガイド
42，43・・・弁座
４・・・燃料噴射弁ホール
14・・・燃料噴射弁
5a，5b・・・排気ポート
15a，15b・・・排気弁
16a，16b，16c，16d・・・ロータリ弁
161・・・弁本体
162・・・開口部
163・・・レバー

Claims

内燃機関のシリンダの燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、各吸気ポートに連通する第一及び第二の吸気路と、各吸気ポートに設けられた吸気弁とを有し、第一の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第一及び第二の吸気分流路を有し、第二の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第三及び第四の吸気分流路を有し、各吸気分流路には空気流量調節弁が設けられており、前記第一の吸気路では吸気ポートにおける第一及び第二の吸気分流路の合流面が前記シリンダの接線方向を向いており、前記第二の吸気路では吸気ポートにおける第三及び第四の吸気分流路の合流面が前記シリンダの半径方向を向いており、前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より吸気下流側に位置し、前記合流面付近で前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より上側に位置し、前記第一及び第二の吸気路は前記シリンダの接線方向を向いていることを特徴とする内燃機関用の可変スワール吸気装置。
請求項１に記載の可変スワール吸気装置において、前記空気流量調節弁がロータリ弁であることを特徴とする可変スワール吸気装置。
請求項１又は２に記載の可変スワール吸気装置において、０〜14のスワール比が得られることを特徴とする可変スワール吸気装置。
２つの吸気ポート、２つの排気ポート及び燃料噴射弁ホールが燃焼室に面する内壁に開口したシリンダヘッドと、各吸気ポートに連通するように前記シリンダヘッド内に設けられた第一及び第二の吸気路と、第二の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第三及び第四の吸気分流路と、各吸気ポートに設けられた吸気弁と、各排気ポートに設けられた排気弁と、前記燃料噴射弁ホールに設けられた燃料噴射弁とを有し、第一の吸気路は前記吸気弁に面する弁空洞部で合流する第一及び第二の吸気分流路を有し、各吸気分流路には空気流量調節弁が設けられており、前記第一の吸気路では吸気ポートにおける第一及び第二の吸気分流路の合流面が接線方向を向いており、前記第二の吸気路では吸気ポートにおける第三及び第四の吸気分流路の合流面が半径方向を向いており、前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より吸気下流側に位置し、前記合流面付近で前記第三の吸気分流路は前記第四の吸気分流路より上側に位置し、前記第一及び第二の吸気路は前記シリンダの接線方向を向いていることを特徴とするディーゼルエンジン。