JPH06100097B2

JPH06100097B2 - 可変スワ−ル装置

Info

Publication number: JPH06100097B2
Application number: JP60185781A
Authority: JP
Inventors: 泰三嶋田; 滋夫矢沢; 英治溝手; 治宮田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1985-08-26
Filing date: 1985-08-26
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS6245938A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、エンジンの燃焼室に形成される吸気スワール
のスワール比を広い範囲に亘って可変とした可変スワー
ル装置に関する。

＜従来の技術＞燃焼直接噴射式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに
は、空気を燃焼室に導くための吸気ポートが設けられ、
この吸気ポートと燃焼室とを仕切る吸気弁がエンジンの
各行程に応じて開閉するようになっている。そして、吸
気ポートから燃焼室に導入された空気はピストンにより
圧縮され、噴射ノズルから燃焼室に噴出する燃料と混合
して爆発燃焼することとなるが、空気と燃料との混合状
態が良いほど燃焼効率が向上することは周知である。

従来より、空気と燃料との混合状態を良くするため種々
の手段が用いられているが、その一つとしてハイスワー
ルポート（HSP:強制渦流吸気孔）構造が挙げられる。こ
れは、吸気ポートの中心を吸気弁の中心に対して偏心状
態で形成し、吸気弁が下降して吸気ポートが開放される
吸入行程時に吸気ポートで偏向された吸気が燃焼室に導
かれ、燃焼室の円周方向に沿っ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。従って、吸気と噴射ノ
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。

燃焼室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が、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
ール比と呼称されている）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時にはスワール比を大きく、エンジ
ン回転数が高速の時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良いことが知られている。このスワ
ール比の大小は窒素酸化物NOxの発生量とも関係し、高
スワール比になるほどNOxの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低負
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は低スワール比が良く、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
の大小が熱費率の悪化或いは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。

こ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から特公昭51−72
43号公報等に示すような機構が提案されている。この可
変スワール機構を表す第７図及び第８図に示すように、
図中、112が燃焼室、115が吸気ポート、116aが吸気弁座
である。吸気ポート115は低スワールをベースとした構
造となっており、仕切板117によって左右に二分割され
たポート115a,115bを有し、そのうちの一方のポート115
bは開閉弁118により開閉自在となっている。

従って、開閉弁118を開放すると両方のポート115a,115b
に吸気が導かれ、吸気弁座116aを通過する流速が遅いた
めに燃焼室112では低スワール状態となる。一方、開閉
弁118を閉成すると一方のポート115aにのみ吸気が導か
れて吸気流路断面積が半減し、この吸気流路断面積が吸
気弁座116aの内径面積以下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。な
お、各状態でのスワール成分は、図中、矢印に示す方向
と強さのベクトルで表される。

＜発明が解決しようとする問題点＞第７図及び第８図に示した従来の可変スワール機構で
は、低スワール状態において燃焼室112内で単に一つの
剛体のうず的な旋回流れが生じるだけであり、この剛体
うずの中に燃焼室112の中心から放射状に噴射される霧
状の燃料は剛体うずから横風をうける程度の効果しか与
えられていないため、燃料と空気との充分な混合が得ら
れない。

一方、高スワール状態では、吸気が一方のポート115aに
のみ導かれ、仕切板117の端部を通過したところで流路
面積の急拡大により剥離現象に基づく複数の渦流が生じ
たり、逆流等の損失が発生する。しかも、流路断面積が
半減すると共にポート115aの断面積が狭いため、多大な
流路抵抗が生じる上に吸気弁座116aの一部分からしか吸
気が燃焼室112に流出しないので、流量係数が低くて吸
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外周接線方向
から流入させるのが望ましく、この時の吸気量は小であ
る。逆に、低スワール状態を得たい場合は燃焼室に対し
て吸気をピストンの往復動方向から流入させるのが望ま
しく、この時の吸気量は大となる。

しかし、第７図及び第８図に示した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
状態の切換えに伴って吸気方向も変換するまでには至ら
ず、何れの状態でも吸気量の低減化として現れている。

なお、この他種々の可変スワール機構がみられるが、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
することができなかったり、或いは複数な構造でコスト
に悪影響を与えている。

本発明は従来の可変スワール機構における上述した種々
の不具合に鑑み、常に充分な吸気量を確保した状態で車
両の各種運転条件に応じた最適なスワール比が得られる
簡単な構造の可変スワール装置を提供することを目的と
し、もってエンジンの性能向上及び燃費率の向上及びNO
xの低減等を企図したものである。

＜問題点を解決するための手段＞本発明の可変スワール装置は、エンジンのシリンダヘッ
ド下面に形成された吸気弁座開口を開閉する吸気弁と、
前記エンジンの燃焼室に前記吸気弁座開口を介して供給
される吸気の流れに順スワールを与えるように前記吸気
弁の軸心に対し偏心した状態で前記燃焼室の円周接線方
向に沿って前記シリンダヘッド内に設けられる主ポート
と、同主ポートにおいて、上記吸気弁座開口に連接され
る部位に設けられるとともに前記主ポートの上流側から
前記燃焼室の外方側を経て前記吸気弁の軸線まわりをと
りかこむように延びて上記吸気弁座開口のほぼ全周にわ
たり形成された渦巻部と、前記シリンダヘッド内にその
全長に亘り前記主ポートの外部に独立して設けられると
共に、入口側が前記主ポートの上方に沿って延び、且つ
出口が前記主ポートの前記渦巻部の周壁における前記渦
巻部の巻終わり部分の前記吸気弁座開口の近傍に開口す
ると共に、前記出口近傍の上流側部分が前記吸気弁の軸
心方向に傾斜するように形成された副ポートと、前記エ
ンジンの運転状態に応じて前記副ポート内を流れる吸気
の量を制御する流量制御手段とを具え、前記燃焼室内に
おいて、前記主ポートからの順スワールの吸気に衝突さ
せる前記副ポートからの逆スワールの吸気の量を前記流
量制御手段により制御してスワール比を調節可能とした
ことを特徴とする。

＜作用＞副ポートが流量制御手段により開いている状態にあって
は、吸気弁の開成とピストンとの下降とに伴って主ポー
ト及び副ポートから燃焼室内へ吸気操作がなされる。こ
こで、副ポートの終端部が吸気弁の軸心に沿って傾斜状
態となっており、しかもその出口部が主ポートの出口部
と共に燃焼室に直接臨んだ状態となっているため、主ポ
ートからの吸気と干渉することなく、副ポートからの吸
気がピストンの下降に伴って勢い良く燃焼室内に吸い込
まれ、この燃焼室内で主ポートによるスワール流と副ポ
ートによるスワール流とが衝突する結果、主ポートによ
る吸気スワール流を減殺するように働いて低スワール比
が実現される。

一方、副ポートを閉じた状態にあっては主ポートからの
吸気操作のみで吸気スワール流が発生し、高スワール比
が実現される。そして、車両の運転条件に対応した流量
制御手段の操作により副ポートの吸気量を変化させ、ス
ワール比を連続的に可変とする。

＜実施例＞本発明に係る可変スワール装置の一実施例の制御概念を
表す第１図及びそのエンジンブロックの断面構造を表す
第２図及びその主要部を拡大した第３図に示すように、
１はエンジンで、２はそのシリンダブロック、３はシリ
ンダライナ、４はピストン、５はシリンダブロック２上
部に結合されたシリンダヘッド、６はシリンダライナ３
とピストン４とシリンダヘッド５とにより構成される燃
焼室である。又、７はシリンダヘッド５に設けられた吸
気弁座、８は吸気弁座７を開閉する吸気弁、９は吸気弁
８の上流側に設けられている主ポートであり、主ポート
９は、エンジン１の燃焼室６に吸気弁座７の開口を介し
て供給される吸気の流れに順スワールを与えるように吸
気弁８の軸心に対し偏心した状態で燃焼室６の円周接線
方向に沿ってシリンダヘッド５内に設けられている。21
は、吸気弁座７の開口に連接される部位に設けられると
共に主ポート９の上流側から燃焼室６の外方側を経て吸
気弁８の軸心まわりをとりかこむように延びて吸気弁座
７の開口のほぼ全周にわたり形成された渦巻部である。
また10は、シリンダヘッド５内にその全長に亘り主ポー
ト９の外部に独立して設けられると共に、入口側が主ポ
ート９の上方に沿って延び、且つ出口が主ポート９の渦
巻部21の周壁における渦巻部21の巻終わり部分の吸気弁
座７の開口の近傍に開口すると共に、出口近傍の上流側
部分が吸気弁８の軸心方向に傾斜するように形成された
副ポートである。

前記主ポート９は、吸気弁８中心に対し偏心した状態で
燃焼室６の円周接線方向に沿って設けられており、外部
空気を吸気弁座７を通して燃焼室６内に流入案内した時
に高スワール比を得るのに最適な形状となっている。
又、前記副ポート10はその入口部から途中部分までが主
ポート９に沿ってその上方に配設され且つ途中部分から
出口部20までがピストンの往復動方向に対して下方向に
斜交状態で延び、この出口部20が主ポート９の渦巻部21
に連通しており、燃焼室６への空気の供給が円滑になさ
れるようになっている。主ポート９に対する副ポート10
の連通位置を表す第４図に示すように、燃焼室６の中心
O₁と吸気弁座７の中心O₂とを結ぶ直線を境にして、副ポ
ート10から燃焼室６への吹き出し方向が後述するスワー
ル生成方向と逆のスワール減殺方向となる図中、矢印で
示す領域、即ち、ピストン４の中心O₁と吸気弁８の中心
O₂とを結ぶ線分によって２分割される前期吸気弁座７の
うち、主ポート９の入口側の吸気弁座７近傍に副ポート
10の出口部20が配置されている。そして、前記吸気弁８
はピストン４の往復動に同期して吸気弁座７を開閉する
ように駆動される。

なお、シリンダヘッド５には図示しない排気弁や排気ポ
ート等からなる排気系が設けられ、燃焼室６に臨む燃焼
噴射ノズルが設けられている。

シリンダヘッド５には吸気マニホルド11が接続してお
り、吸気マニホルド11の主空気通路12及び副空気通路13
はおのおの主ポート９及び副ポート10に接続している。
副空気通路13には当該通路13を開閉する弁体14が設けら
れており、この弁体14の端部には弁体14を開閉作動され
るためのアクチュエータ15が連結され、これらで流量制
御手段が構成される。弁体14の弁部14aは板状となって
おり、この弁部14aが第３図中、略水平になった状態で
通路13は全開となり、第３図中、略鉛直になった状態で
副空気通路13は全閉となる。アクチュエータ15の作動に
よる副空気通路13の開度調整によりここを流れる吸気流
量が調整され、つまり副ポート10から燃焼室６に入る吸
気量が調整されて吸気スワール流に変化が与えられるの
である。

上記吸気弁８が下降して主ポート９が開放する吸入行程
時に、吸気が吸気弁座７を介して燃焼室６に導かれ、こ
こでその円周方向に沿ってスワールを強制的に形成する
こととなる。この吸気は、図示しない噴射ノズルから噴
出される燃料と混合して燃焼する。

上記弁体14は燃焼室６に導入される吸気のスワール比を
高くとりたい場合に閉成し、低くとりたい場合に開放す
る。ここで、高スワール状態のスワール成分をベクトル
表示した第５図及び低スワール状態のスワール成分をベ
クトル表示した第６図に示すように、図中、矢印に示す
方向及び矢印の長さに相当する強さの吸気が燃焼室６に
吸入される。ＡからＤまでのスワール成分は、燃焼室６
においても主ポート９における吸気方向が燃焼室６の中
心O₁回りに作る図中、時計回り方向に沿うスワール生成
方向成分となり、これらのモーメントはスワール生成方
向モーメントとなる。しかし、ＥからＨのスワール成分
は、中心O₁の回りに反時計回り方向に回転しようとする
スワール減殺方向成分となり、これらのモーメントはス
ワール減殺方向モーメントとなる。

つまり、第５図の場合は副ポート10が閉成されているス
ワール生成方向モーメントの総和の方がスワール減殺方
向モーメント総和よりも充分大きく、全体として高スワ
ール状態となる。ところが、第６図の場合は副ポート10
が開放されていてこからも吸気が燃焼室６に導かれ、特
にF,G附近のスワール減殺方向モーメントが大となる。
そして、これらスワール減殺方向モーメントの総和がス
ワール生成方向モーメントの総和に近付く結果、燃焼室
６におけるスワール生成方向の吸気と副ポート10から導
かれたスワール減殺方向の吸気とが衝突して互いに相殺
し合い、低スワール状態を得る。但し、吸気流量として
は主ポート９から流入する分に加えて副ポート10から流
入する分が確保され、しかも副ポート10がピストン４の
往復動方向に沿って図中、略垂直に近く立っているた
め、燃焼室６への吸気流入が円滑となる。従って、低ス
ワール状態であっても吸気量は充分である。特に、エン
ジンが高回転域の場合には低スワール状態が良いことは
先に説明した通りであるが、副ポート10を開放すれば充
分な吸気量を確保してその状態が得られる。又、図中、
白矢印で示す主ポートからのスワール生成方向のスワー
ルと、図中、黒矢印で示す副ポート10からのスワール減
殺方向のスワールとが燃焼室６で互いに干渉し合い、回
転方向の異なる二つの渦を発生させると共にこれらの周
辺にも多数の小さな渦或いは乱れを多数生じさせる。こ
れら多数の渦或いは乱れは、圧縮行程後も若干残留して
霧状の燃料と空気との混合を良好化し、燃焼効率の改善
やスモーク及びNOxの低域に役立つ。高スワール状態で
は、流線形の滑らかな主ポート９の形状に沿って吸気は
必要最小限の速度で円滑に且つ損失なく導かれる。しか
も、吸気弁座７の全周から均等に燃焼室６に導かれるの
で、スワールの流速も高く、吸気量も非常に多い。な
お、高スワール状態で副ポート10が主ポート９中の吸気
の流れに悪影響を及ぼすことはない。

前記アクチュエータ15は制御系としてのコントロールユ
ニット16からの制御信号により開閉動制御される。コン
トロールユニット16にはアクチュエータ15の作動と基準
となる最適スワールマップＭが記憶されている。このス
ワールマップＭは、エンジン１の負荷、回転数に基づ
き、その運転状態における最適スワール比が選択できる
ようになっている。なお、エンジン１の負荷は、アクチ
ュエータペダル17の踏み込み量を検出することによりな
され、又、エンジン１の回転数Neはタコジェネレーータ
18により検出され、コントロールユニット16に入力され
る。なお、図中の符号で19は噴射ポンプであり、コント
ロールユニット16に記憶される最適スワールマップＭ
は、エンジン１の負荷及び回転数に応じた最適な運転状
態が得られるように決められる。

＜発明の効果＞本発明の可変スワール装置によると、吸気スワール流を
減殺する副ポートの終端部を吸気弁の軸心に沿って傾斜
状態で形成すると共にこの副ポートの出口部を主ポート
の出口部と共に燃焼室に直接臨ませ、副ポートからの吸
気を吸気弁座を介して燃焼室内に直接導き、主ポートに
よる吸気のスワール流と副ポートによる吸気のスワール
流とを燃焼室内にて衝突させる一方、副ポートの吸気流
量を流量制御手段にて調整するようにしたので、燃焼室
への吸気量を減らすことなくスワール比を広い範囲に亘
って変えることが可能となり、構造が簡単であることと
相俟ってエンジンの性能向上及び燃費率の向上及びNOx
の低減等を企図し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる制御概念図、第２図
はそのエンジンの平面に沿った断面図、第３図はその縦
断面図、第４図は本実施例にかかる副ポートの連通位置
を表す幾何概念図、第５図及び第６図はそのスワール成
分をベクトル表示したスワール原理図である。又、第７
図及び第８図は従来の可変スワール装置の一例を表す作
動原理図である。図中の符号で１はエンジン、４はピストン、６は燃焼
室、７は吸気弁座、８は吸気弁、９は主ポート、10は副
ポート、11は吸気マニホルド、14は弁体、15はアクチュ
エータ、16はコントロールユニット、20は出口部、21は
渦巻部、O₁は燃焼室の中心、O₂は吸気弁座の中心であ
る。

フロントページの続き (72)発明者溝手英治東京都大田区下丸子４丁目21番１号三菱自動車工業株式会社東京自動車製作所丸子工場内 (72)発明者宮田治東京都大田区下丸子４丁目21番１号三菱自動車工業株式会社東京自動車製作所丸子工場内 (56)参考文献特開昭58−131314（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−198331（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−126132（ＪＰ，Ｕ) 特公昭57−19292（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンのシリンダヘッド下面に形成され
た吸気弁座開口を開閉する吸気弁と、前記エンジンの燃焼室に前記吸気弁座開口を介して供給
される吸気の流れに順スワールを与えるように前記吸気
弁の軸心に対し偏心した状態で前記燃焼室の円周接線方
向に沿って前記シリンダヘッド内に設けられる主ポート
と、同主ポートにおいて、上記吸気弁座開口に連接される部
位に設けられるとともに前記主ポートの上流側から前記
燃焼室の外方側を経て前記吸気弁の軸線まわりをとりか
こむように延びて上記吸気弁座開口のほぼ全周にわたり
形成された渦巻部と、前記シリンダヘッド内にその全長に亘り前記主ポートの
外部に独立して設けられると共に、入口側が前記主ポー
トの上方に沿って延び、且つ出口が前記主ポートの前記
渦巻部の周壁における前記渦巻部の巻終わり部分の前記
吸気弁座開口の近傍に開口すると共に、前記出口近傍の
上流側部分が前記吸気弁の軸心方向に傾斜するように形
成された副ポートと、前記エンジンの運転状態に応じて
前記副ポート内を流れる吸気の量を制御する流量制御手
段とを具え、前記燃焼室内において、前記主ポートからの順スワール
の吸気に衝突させる前記副ポートからの逆スワールの吸
気の量を前記流量制御手段により制御してスワール比を
調節可能としたことを特徴とする可変スワール装置。