JPH0444087B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、エンジンの燃焼室（シリンダ室）に
形成される吸込空気スワール（旋回渦流）を調節
できるようにした吸気装置に関する。

＜従来の技術＞ 例えば、直接噴射式デイーゼルエンジンのシリ
ンダヘツドには、空気を燃焼室に導くための吸気
ポートが設けられ、この吸気ポートに備えられた
吸気弁がエンジンの各行程に応じて開閉するよう
になつている。

上記吸気ポートから燃焼室に導入された空気は
圧縮され、噴射ノズルから噴射される燃料と混合
して爆発燃焼されるが、空気と燃料との混合状態
がよいほど燃焼効率が向上することは周知であ
る。

従来より、空気と燃料と混合状態をよくするた
め種々の手段が用いられているが、その一つとし
てHPS構造と呼ばれるハイスワールポート（強
制渦流吸気孔）が挙げられる。

これは、第６図Ａ，Ｂに示すように、吸気ポー
ト０１を吸気弁０２の中心に対して少し偏心させ
て設け、吸気弁０２が下降して吸気ポート０１が
開放される吸入行程時に吸気ポート０１で偏向さ
れた吸込空気が燃焼室０３に導かれ、円周方向に
沿つてスワールが強制的に形成されるようにした
ものである。従つて、吸込空気と噴射ノズルから
噴射される燃料との混合状態が良くなり、燃焼効
率が向上するのである。

燃焼率に形成されるスワールの強さは種々の条
件から可変であることが望ましい。尚、スワール
の強弱は、燃焼室における吸気の旋回回転数とエ
ンジン回転数との比（スワール比とよばれてい
る）で表される。

スワール比とエンジンの性能との関係について
は、エンジン回転数が低速のときにはスワール比
を大きく、エンジン回転数が高速のときにはスワ
ール比を小さくした方がエンジンの性能の面でよ
いことが知られている。

スワール比の大小はNO_x（窒素酸化物）の発生
量とともに関係し、高スワール比になるほど
NO_x発生量が増大することが知られている。

又、エンジンの負荷に対しては、低速で軽負荷
であれば低スワール比が最適であり、中速におい
ても軽負荷から中負荷にかけて低スワール比でよ
く、高速においては負荷状態にかかわりなく低ス
ワール比が最適である。

更に、スワール比と熱損失との関係について
は、低スワール比の方が燃焼ガスからシリンダ壁
に吸収される熱損失が減少する。特に、軽負荷で
は、この熱損失の大小が燃費率の悪化、良化に対
応するため、この点からも低スワール比の方が有
利である。

上記のように各種条件に応じて最適スワール比
があることから、スワール比を可変とすべく、従
来では例えば特公昭51−7243号公報に示すような
機構が提案されている。これは第７図Ａ，Ｂに示
すようになつていて、図中、１１２が燃焼室。１
１５が吸気ポート、１１６ａが吸気弁座である。
上記吸気ポート１１５は低スワール型をベースと
した構造となつていて、仕切板１１７によつて左
右に二分割されたポート１１５ａ，１１５ｂとな
り、その一方のポート１１５ｂは開閉弁１１８に
より開閉自在である。

同図Ａに示すように開閉弁１１８を開放する
と、両方のポート１１５ａ，１１５ｂに吸気が導
びかれ、吸気弁座１１６ａを通過する流速が遅い
ので燃焼室１１２では低スワール状態となる。同
図Ｂに示すように開閉弁１１８を閉成すると、一
方のポート１１５ａのみに吸気が導びかれる。吸
気流路断面積が半減し、吸気弁座１１６ａ内径面
積以上に絞られるので吸気の流速が速くなり、燃
焼室１１２では高スワール状態となる。各状態で
のスワール成分は、図中矢印に示す方向と強さが
得られる。

この種構造のものでは、必要に応じてスワール
比を可変できるが、以下に述べる欠点がある。す
なわち、低スワール状態においては第８図Ａに示
すように、燃焼室１１２において単に一つの剛体
うず的な旋回流れが生じるだけであり、同図Ｂに
示すように剛体うずの中に燃焼室１１２の中心か
ら放射状に噴射される噴霧Ｆ…は図中矢印で示す
剛体うずから横風をうける程度の効果しか与えら
れないため、充分な噴霧Ｆ…と空気の混合が得ら
れない。さらに高スワール状態では、同図Ｃに示
すように吸気が一宝のポート１１５ａを導びか
れ、仕切板１１７の端部を通過したところで流路
面積が急拡大することとなる。したがつて、剥離
による複数の渦流が生じたり、逆流などの損失が
ある。また、流路断面積が半減し、かつポート１
１５ａの断面積が狭いため多大な流路抵抗が生じ
るとともに吸気弁座１１６ａの一部からしか吸気
が燃焼室１１２に流出しないので、流量係数が低
く吸気量が不足する。

スワールについての基本的な考え方として、高
スワール状態を得たい場合は燃焼室に対して吸気
を水平方向（周方向）から流入させるのが望まし
く、このとき吸気量が小である。低スワール状態
を得たい場合は燃焼室に対して吸気を垂直方向
（軸方向）から流入させるのが望ましく、このと
き吸気量は大となる。

ところが、第７図Ａ，Ｂに示す従来構造のもの
では、単に吸気ポート１１５を二分しただけであ
り、各スワール状態の切換えにともなつて吸気方
向も変換するまでには至らず、いずれの状態でも
吸気量の低減化として現れている。

なお、この他種々の構造がみられるが、全て充
分な吸気量を常に確保したままスワール状態を可
変することができず、また複雑な構造でコストに
悪影響を与えている。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記のような従来の可変スワール構造における
欠点を解決する吸気装置として、吸気にスワール
を与えるように形成された主ポートを備え、吸気
弁の中心を主ポートに対して偏心して設け、吸気
行程時に吸気弁回りからシリンダ内に流入される
吸気が、スワール方向と同一方向の順スワール
と、スワール方向と反対方向の逆スワールの流れ
を形成するようにしてスワール比を変えることが
図られている。この吸気装置によれば燃焼室への
吸込空気量をさほど減少させることなくスワール
比を変えることができるのである。

ところが、エンジンのシリンダヘツドにおいて
吸気ポートを設定し得る範囲はその構造の上から
或る程度に制御される。このため、或る一定の空
気量を供給する主ポートと弁の開閉によりその空
気量が変化する副ポートとの断面積をどのように
調整して設定するかが問題となる。すなわち、主
ポートの断面積を大きく設定して副ポートの断面
積を小さく設定しすぎてしまう場合にはスワール
の可変幅（スワール変化量）が小さくなつてしま
う一方、主ポートの断面積と副ポートの断面積と
の関係を上記とは逆に設定してしまう場合には副
ポートの弁を閉じた時に燃焼量に供給される空気
量が不足してしまう。

本発明は、上記従来の問題点を解決する吸気装
置を提供することを目的とし、余裕スペースの少
ないシリンダヘツド部に最適な断面積を有した主
ポートと副ポートとを設けたものである。

＜問題点を解決するための手段＞ 上記目的を達成する本発明に係るエンジンの吸
気装置は、エンジンのシリンダヘツドに形成され
た吸気にスワールを与えるように形成された主ポ
ートと、上記シリンダヘツド下面に形成された弁
座を開閉するように設けられた吸気弁とを有し、
同吸気弁の中心を上記主ポートに対して偏心して
設け、さらに吸気行程時に上記弁座と上記吸気弁
との間を通過するときに上記吸気弁の周縁上にお
ける上記シリンダ中心軸に対し直交する方向の速
度成分が上記スワール方向と同一方向の順スワー
ルと、上記スワール方向と反対方向の逆スワール
との流れを生ずるようにしたものにおいて、人口
部から途中部分までを上記主ポートの上方に同主
ポートに沿つて配設され上記途中部分から出口部
までをピストンの往復動方向に対して下方向に斜
交して延びて配設された副ポートと、同副ポート
の吸気量を制御する流量制御手段とを具え、上記
副ポートの上記出口部は上記逆スワールの流れを
生ずる弁座近傍に配設され、上記主と及び副ポー
トの入口部はそれぞれ略同一幅の矩形断面形状を
有するとともに同副ポートの入口部は偏平の矩形
断面を有し同断面積を上記主ポートの入口部断面
積の15％以上35％以下とし、15％のときには上記
流量制御手段の作動によつて約１のスワール変化
量が得られ35％のときには約３のスワール変化量
が得られるように構成されたことを特徴とする。

＜作用＞ 高スワール型、すなわち主ポートから供給され
た吸気により形成されたスワール比の高い渦流を
副ポートから供給された吸気により弱めるタイプ
に吸気装置を設定した場合、副ポートを閉じて主
ポートのみから吸気を供給する高スワール時に燃
焼室への吸気不足の問題が生ずる。一方、副ポー
トは或る程度以上の断面積を確保しておかない
と、必要とされるスワール変化量を達成すること
ができない。本発明は上記相反する条件を調整
し、両者共に満足させる。

＜実施例＞ 以下、本発明の一実施例を図面により具体的に
説明する。

第１図は本発明の一実施例にかかる吸気ポート
の正面図、第２図はエンジンのシリンダヘツド部
を断面した平面図、第３図はその断面側面図、第
４図はスワール制御装置の概略構成図、第５図は
作用を説明するグラフである。

図面において、１１はエンジンで、１２はその
シリンダブロツク、１３はシリンダライナ、１４
はピストン、１５がシリンダブロツク１２の上部
に結合されたシリンダヘツド、１６はシリンダラ
イナ１３、ピストン１４、シリンダヘツド１５に
より構成される燃焼室（シリンダ室）である。シ
リンダヘツド１５には可変スワール吸気系が設け
られており、１７はシリンダヘツド１５に設けら
れた吸気弁座、１８は吸気弁座１７を開閉する吸
気弁、１９は吸気弁１８の上流側に設けられてい
る主ポート、２０は主ポート１９の終端部（本実
施例では巻終り部）に接続されている前記主ポー
ト１９と独立した副ポートである。前記主ポート
１９は、吸気弁１８中心に対し少し偏心して設け
られており、外部空気を吸気弁座１７を通して燃
焼室１６内に流入案内したときに高スワール比を
得るのに最適な形状となつていると共に、後述す
る枝管部２１ｃが接続される主ポート１９の入口
部の断面積は燃焼室１６に充分な空気量を供給で
きるものとなつている。副ポート２０は、入口部
から途中部分までを主ポート１９の上方にこの主
ポート１９に沿つて配設され、途中部分から出口
部分までをピストン１４の往復動方向に対して下
方向に斜交して延びて配設され、燃焼室１６への
空気の供給が円滑になされるようになつている。
そして、後述する枝管部２１ｃが接続される副ポ
ート２０の入口部の断面積は前記主ポート１９の
断面積の15％以上、35％以下に設定してあり、主
ポート１９からの流入空気により燃焼室１６内に
形成されるスワールの強さをこの副ポート２０か
らの流入空気により実用上充分な範囲で変化させ
られるようになつている。前記吸気弁１８はタイ
ミングをとつて吸気弁座１７を開閉するように駆
動される。尚、図では省略されているが、シリン
ダヘツド１５には、排気弁、排気ポート等からな
る排気系が設けられており、又、燃焼室１６に臨
ませて燃焼噴射ノズルが設けられている。

シリンダヘツド１５には吸気マニホルド２１が
接続される。吸気マニホルド２１は、図示しない
エアクリーナに接続される入口部２１ａと、それ
に続く集合部２１ｂと、集合部２１ｂから枝分か
れして各シリンダヘツド１５にそれぞれ接続され
る複数の枝管部２１ｃを有しており、各枝管部２
１ｃにはその内部を主通路２２と副通路２３との
２つに仕切る仕切板２４が設けられている。これ
ら主通路２２及び副通路２３の先端は各々シリン
ダヘツド１５の主ポート１９及び副ポート２０に
接続され、それにより各ポート１９，２０を集合
部２１ｂに連結されている。又、副通路２３の基
端部には当該通路２３を開閉してそこを流れる空
気量を制御する弁体２５が回動自在に設けられて
いる。弁体２５は各枝管部２１ｃに亘つて貫通す
る丸棒状をなすと共に、各副通路２３内に位置す
る弁部２５ａは板状となつており、この弁部２５
ａが副通路２３と平行な略水平になつた状態で吹
通路２３は全開とされ、それと直角を成す略鉛直
になつた状態で副通路２３は全開となる。この弁
体２５の端部には弁体２５を回動させてそれを開
閉作動させるためのアクチユエータ２６が連結さ
れており、このアクチユエータ２６の作動による
副通路２３の開度調整により副通路２３を流れる
空気量が調整され、つまり副ポート２０から燃焼
室１６に入る空気量が調整され、スワールに変化
が与えられる。ここで、スワール比を高くとりた
い場合は副通路２３を閉じ、低くとりたい場合に
は副通路２３を開放する。すなわち、主ポート１
９からのみ吸気を導入するときは順方向の主スワ
ールだけが発生して高スワール比が得られるのに
対して、副ポート２０からも吸気を導入するとそ
こから逆方向の逆スワールが発生してそれが主ス
ワールと衝突し、逆スワール量に応じて全体とし
て順方向のスワールが減殺されて低スワールとな
る。

ここで、上記のように副通路２３の開閉により
副ポート２０からの吸気量を制御したときの燃焼
室１６内でのスワール変化量は、主ポート１９と
副ポート２０との断面積比を前述の条件に設定し
てあることから、第５図に示すように約１〜約３
が得られ、エンジン性能、NO_x発生等の面にお
ける可変スワールの効果を充分に発揮できる。
尚、スワール変化量とは、エンジン１行程で１回
旋回するスワールが２回旋回に変化したときは変
化量は１、３回旋回に変化したときは変化量は２
とい言うように、或る値に対して加算的に変化量
を表したものである。そして、同図に示すよう
に、低スワール時には主ポート１９と副ポート２
０との断面積比がどのようであつても主ポート１
９と副ポート２０とから合計して一定した量の吸
気が燃焼室１６内へ供給される。一方、副ポート
２０が閉じられた高スワール時には燃焼室１６内
へは主ポート１９からのみしか吸気が供給されな
いため、この吸気量は主ポート１９と副ポート２
０との断面積比に応じて変化することとなるが、
この断面積比は上記条件に設定してあるため、高
スワール時における吸気量は最低でも、すなわち
断面積比が35％であつても充分な燃焼を達成でき
る。

前記アクチユエータ２６は制御系としてのコン
トロールユニツト２７からの制御信号により制御
されるようになつている。コントロールユニツト
２７にはアクチユエータ２６の作動の基準となる
最適スワールマツプＭが記憶されており、このス
ワールマツプＭからのエンジン１１の負荷、回転
数に応じてその運転の状態における最適スワール
比が選択されると共にそれに基づいてアクチユエ
ータ２６に対する制御信号が発せられる。尚、エ
ンジン１１の負荷はアクセルペダル２８の踏み込
み量を検出することによりなされ、又、エンジン
１１を回転数はタコジエネータ２９により検出さ
れ、それぞれコントロールユニツト２７に入力さ
れる。

＜発明の効果＞ 以上、一実施例を挙げて詳細に説明したように
本発明の吸気装置によれば、余裕スペースの少な
いエンジンのシリンダヘツド部に最適な断面積を
有した主ポートと副ポートとを設けることがで
き、高スワール時の吸気量不足を生ずることなく
スワールを変化させてエンジン性能の向上、
NO_x発生量の減少、燃費向上を達成できること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる吸気ポート
の正面図、第２図はエンジンのシリンダヘツド部
の断面平面図、第３図はその断面側面図、第４図
はスワール制御装置の概略構成図、第５図は作用
を説明するグラフ、第６図Ａは従来例にかかる吸
気ポートの断面平面図、第６図Ｂは第６図ＡのＢ
−Ｂ断面図、第７図Ａ，Ｂは他の従来例にかかる
吸気装置おけるスワール成分の説明図、第８図Ａ
はその概略斜視図、第８図Ｂはその噴射状態の説
明図、第８図Ｃはその吸気状態の説明図である。 図面中、１６は燃焼室、１９は主ポート、２０
は副ポートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンのシリンダヘツドに形成され吸気に
   スワールを与えるように形成された主ポートと、
   上記シリンダヘツド下面に形成された弁座を開閉
   するように設けられた吸気弁とを有し、同吸気弁
   の中心を上記主ポートに対して偏心して設け、さ
   らに吸気行程時に上記弁座と上吸気弁との間を通
   過するときに上記吸気弁の周縁上における上記シ
   リンダ中心軸に対し直交する方向の速度成分が上
   記スワール方向と同一方向の順スワールと、上記
   スワール方向と反対方向の逆スワールとの流れを
   生ずるようにしたものにおいて、入口部から途中
   部分までを上記ポートの上方に同主ポートに沿つ
   て配設され上記途中部分から出口部までをピスト
   ンの往復動方向に対して下方向に斜交して延びて
   配設された副ポートと、同副ポートの吸気量を制
   御する流量制御手段とを具え、上記副ポートの上
   記出口部は上記逆スワールの流れを生ずる弁座近
   傍に配設され、上記主ポート及び副ポートの入口
   部はそれぞれ略同一幅の矩形断面形状を有すると
   ともに同副ポートの入口部は偏平の矩形断面を有
   し同断面積を上記主ポートの入口部断面積の15％
   以上35％以下とし、15％のときには上記流量制御
   手段の作動によつて約１のスワール変化量が得ら
   れ35％のときには約３のスワール変化量が得られ
   るように構成されたことを特徴とするエンジンの
   吸気装置。