JPS5820925A - ディ−ゼル機関用ヘリカル型吸気ポ−トの流路制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はディーぜル機関用ヘリカル型吸気ポートの流路
制御装置に関する。

ヘリカル型吸気−一トは通常吸気弁側ヤに形成された渦
巻部と、との渦巻部に接線状に接続されかつ’ｔｉＰ１
まっすぐに延びる入口通路部とにより構成される。この
ようなヘリカル型吸気？−トを用いて吸入空気量の少な
い機関低速低負荷運転時に機関燃焼室内に強力な旋回流
を発生せしめようとすると吸気ポート形状が流れ抵抗の
大きな形状になってしまうので吸入空気量の多い機関高
速高負荷運転時に充填効率が低下するという問題がある
。

このような問題を解決するためにヘリカル型吸気４−ト
入ロ通路部から分岐されてヘリカル型吸気ポート渦巻部
の渦巻終端部に連通する分岐路をシリンダヘッド内に形
成し、分岐路内にアクチュエータによって作動される常
時閉鎖型開閉弁を設けて機関吸入空気量が所定量よりも
大きくなったときにアクチュエータを作動させて開閉弁
を開弁するようにしたがソリン機関用ヘリカル盤吸気−
−ト流路制御装置が本出願人によシ既に提案されている
。ガソリン機関用ヘリカル型吸気ポートでは機関吸入空
気量の多−機関高速高負荷運転時にヘリカル型吸気／−
）入口通路部内に送り込まれ九吸入空気の一部が分岐路
を介してヘリカル型吸気／−）渦巻部内に送シ込まれる
ために吸入空気流に対する流れ抵抗が低下し、斯くして
高い充填効率を得ることができる。しかしながらこの流
路制御装置は基本作動原理を示しているにすぎず、更に
ガソリン機関用であるので高い充填効率を確保しつつデ
ィーゼル機関に適した旋回流を燃焼室内に発生せしめる
には分岐路から供給される吸入空気のディーゼル機関に
適した制御が必要となる。

本発明は高い充填効率を確保しつつ機関燃焼室内にディ
ーゼル機関に適した旋回流を発生せしめることのできる
流路制御装置を提供することにある。

以下、添附図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図並びに第２図を参照すると、ｌはシリンダブロッ
ク、２はシリンダシロツク１内で往復動するピストン、
３はシリンダプロ、り１上に固定されたシリンダヘッド
、４ｍはピストン頂面上に形成されかつ燃焼室４を画定
する球形凹所、５＃ｉ吸気弁、６はシリンダへ、ド３内
に形成されたへリカル型吸気−−ト、７は排気弁、７ｍ
は排気？−）、８ａ燃焼室４内に配置され九燃料噴射弁
を夫々示し、この燃料噴射弁８から球形凹所４ａ内に向
けて燃料が噴射される。

第３図並びに第４図に第２図のヘリカル型吸気ポート６
の形状を図解的に示す、このヘリカル型吸気ポート６は
第４図に示されるように流路軸線ａがわずかに彎曲した
入口通路部ムと、吸気弁５の弁軸側シに形成された渦巻
部３とによ）構成され、入ｐ通路部Ａは渦巻部Ｂに接線
状に接続される。第３図、第４図並びに第７図に示され
るように入口通路部Ａの渦巻軸線すに近い側の側壁面９
の上方側壁面９ａは下方を向いた傾斜面に形成され、こ
の傾斜面９１の巾は渦巻部Ｂに近づくに従って広くなシ
、入口通路部ムと渦巻部Ｂとの接続部においては第７８
ＥＩＫ示されるように側壁面９の１ 全体が下方に向いた傾斜面９＆に形成される。＠１壁面
９の上半分は吸気弁ガイド１０（第２図）１Ｎ＋１シの
吸気４−ト土壁面上に形成され九円筒状突起１１の周壁
面に滑らかに接続され、−刃側壁面９の下半分は渦巻部
Ｂの渦巻終端部Ｃにおいて渦巻部Ｂの側壁面１２に接続
される。なお、渦巻部Ｂの上壁面１３は渦巻終端部Ｃに
おいて下向きの急傾斜壁ＤＫ＊続される。

一方、第１図から第５図に示されるようにシリンダへ、
ド３内には入口通路部人から分岐された矩形断面を有す
る分岐路１４が形成され、この分岐路１４は渦巻終端部
ＣＫ接続される０分岐路１４０入ロ開ロ１５は入口通路
部Ａの入口開口近傍において側壁面９上に形成され、分
岐路１４の出ロ開ロ１６Ｆｉ渦巻終端部Ｃにおいて側壁
面１２の上熾部に形成される。この分岐路１４内には分
岐路１４の流通面積を制御するスライド弁１７が摺動可
能に挿入される。スライド弁１７の上熾部には弁ロッド
１８が一体形成され、この弁ロッド１８の上端部はシリ
ンダヘッド３内に嵌着された案内スリーｆ１９を貫通し
て上方に突出する。一方、シリンダへ、ド３には図示し
ない軸受を介してアームロッド２０が回動可能に取付け
られ、このアームロッド２Ｇ上には各気筒のスライド弁
１７’に対して夫々設けられ九アーム２１が固着される
。これらの各アーム２１の先端部は夫々対応する弁口、
ド１８の頭部にビーットピン２２を介して枢着される。

マ九、アーム口、ド２０には別のアーム２３が固着され
、このアーム２３の先端部はステ、グモータ３０に連結
される。このステ、グモータ３０は例えば４極２相同時
励磁方式のステ、ｆモータからなシ、モータハウシング
３１内において軸方向に移動可能にかつ回転不能に支承
されたシャフト３２と、モータハウジング３１内圧おい
て回転可能に支承されかつシャフト３２の外ねじ山と噛
合する内ねじ山を具えたロータ３３と、ロータ３３を包
囲するように配置された励磁コイル３４とを具備し、こ
の励磁コイル３４は電子制御ユニ、）５０の出力端子Ｋ
ｍ続される。

ロータ３３が回転せしめられるとシャフト３２は軸方向
に移動し、その結果シャフト３２の先端部に連結され九
アーム２３を介してアームロッド２０が回動せしめられ
る。ｉ九、アームロ、ド２０にはスライド弁１７の開口
面積を検出するためのポテンショメータ３５が連結され
る。このポテンショメータ３５Ｆｉアームロ、ド２０に
連結されてアームロッド２０と共に回転する摺動子３６
と、固定抵抗３７とにより構成され、摺動子３６は固定
抵抗３７上を接触しつつ摺動する。従って摺動子３６に
はスライド弁１７の開口面積に比例した電圧が発生する
。この摺動子３６は電子制御ユニット５００Å力端子に
接続される。一方、アクセルペダル３８の回転支軸３９
にも第２のポテンショメータ４０が接続される。このポ
テンショメータ４０も摺動子４１と、固定抵抗４２から
なり、摺動子４１にはアクセルペダル３８の踏込み量に
比例した電圧、即ち機関負荷に比例した電圧が発生する
。この摺動子４１も電子制御ユニ、　）５００Å力端子
に接続される。更に、機関クランクシャフトの回転数を
検出するための回転数センサ４３並びにスタータスイッ
チ４４が電子制御ユニット５００Å力端子に接続される
。

電子制御ユニツ）５０はディジタルコンピュータからな
り、各種の演算処理を行なうマイクロ！ロセ、す（ＭＰ
Ｕ）　５　Ｌうｙダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）　５２
、制御プログラム並びに演算定数郷が予め格納されてい
るリードオンリメモリ（ＲＯＭ　）５３、入力ポート５
４並びに出力ポート５５が双方向性ノ脅ス５６を介して
互に接続されている。更に、電子制御ユニット５０内に
は各種のクロック信号を発生するクリック発生器５７が
設けられる。

第１Ｏ図に示されるように入力−−ト５４には夫夫対応
するＡＤ変換器５８．５９を介してＩテンシ、メータ３
５．４０が接続され、更に入力４−ト５４には回転数セ
ンサ４３とスタータスイッチ４４が接続される。前述し
たようにポテンショメータ３５ｔｉスライド弁１７の開
口面積に比例した出力電圧を発生し、この電圧がＡＤ蜜
換Ｄ５８において対応する２進数に変換されてこの２進
数が入力ポート５４並びにパス５６を介してＭＰＵ　５
１に読込まれる。一方、ポテンシ、メータ４０１ｊ：機
関負荷に比例した出力電圧を発生し、この電圧がＡＤ変
換器５９において対応する２進数に変換されてこの２進
数が入力ポート５４並びＫｔ４ス５６を介してＭＰＵ５
１に読込まれる。また、回転数センｔ４３はクランクシ
ャフトが所定クランク角度回転する毎に／ｌｌスス発生
し、この・ｆルスが入力＄−）５４並びに／ぐス５６を
介してＭＰＵ　Ｓ　１　Ｋ読込まれる、スタータスイッ
チ４４は機関を始動すべくスタータモータを駆動したと
きにオンとなるスイッチであってこのスタータスイッチ
４４の作動信号は入力＆−）５４並びにパス５６を介し
てＭＰｏ　５１　Ｋ読込まれる。

出力ポート５５はステ、グモータ３０を駆動するための
データを出力するために設けられており、この出力／−
）５５には２進数のデータがＭＰＵ５１からパス５６を
介して書込まれる。出力Ｉ−ト５５の出力端子はラッチ
６０の対応する入力端子に接続され、ラッチ６０の出力
端子は夫々電力増巾器６１，６２，６３．６４を介して
ステ、グモータ３０の対応する励磁コイル３４に接続さ
れ石、前述したようにステ、ｆそ一夕３０は４極２相同
時励磁方式のステップモータであってｌ相励磁コイルか
ら４相励磁スイルまで具備し、ステ。

グモータ３０を一方向に回転せしめる場合には第１１図
に示すようにｌ相励磁コイル■から４相励磁コイル■を
順次励磁させる。即ち、ステップモータ３０を一方向に
回転せしめるには出力−一ト５５に４ピ、トの駆動デー
タ″″１１００”、′０１１０”、”　００１１　’、
”　１００１　’を順次書込んでこの駆動データを１相
励磁コイルＩから４相励磁コイルＲ［夫々接続されたう
、チロ０の出力端子ＩからＮＫ一定時間保持させる。従
って第１１図に示す励磁・中ルスはう、チロ０の出力端
子１．１，１．ＩＩ／に表われる）４ルスと考えて４よ
い。

なお、ステ、グモータ３０を逆方向に回転する場合には
う、チロ０の出力端子１．１，１．ｍＶに’００１１”
、＠　０１１０’、”１１００”、＠１００１”なるノ
臂ルス信号を順次発生せしめればよい、このようにして
ステップモータ３０はＭＰＵ　５１から出力／−）５Ｂ
に書込まれ九駆動データによって回転せしめられる。

第１２図はスライド弁１丁の開口面積と、機関回転数Ｎ
並びに機関負荷りとの好ましい関係を示している。第１
２図において縦軸は機関回転数Ｎ（ｒ、ｐ、ｍ）を示し
、横軸は機関負荷りを示しているｅまた、ハツチングを
付した曲線Ｓ・の上方領域はスライド弁全開領域を示し
、ハツチングを付した曲線Ｓ、の下方領埴祉スライド弁
全閉領域を示し、代表的に２本のみ示した曲線８Ｂｍ８
Ｂはスライド弁の弊開口面積曲線を示している。なお、
第１２図においてスライド弁の開口面積はｓｌからＳｍ
＋８１を経てＳ・に向かうに従って徐々に大傘くなる。

第１２図に示す機関回転数Ｎ並びに機関負荷りと、スラ
イド弁の開口面積Ｓとの好ましい関係は関数或いはデー
タテーブルの形で予めＲＯＭ　５３内に記憶されている
。

第１３図は本発明による流路制御装置の作動を説明する
丸めの７０−チャートを示している。第１３図において
ステップ、７０は流路制御が時間割込みで行なわれるこ
とを示している。まず始めにステ、グア１においてスタ
ータスイッチ４４がオンであるか否かが判別され、スタ
ータスイッチ４４がオンでない場合にはステラ７”７２
に進む。

ステ゛、デフ２では回転数センサ４３の出力信号をＭＰ
Ｕ５１内に入力して機関回転数Ｎを計算し、次いてステ
、デフ３において機関負荷りを表わすＩテンシ、メータ
４０の出力信号をＭＰＵ５１内に入力する１次いでステ
ップ７４では計算された機関回転数Ｎ並びに横開負荷Ｌ
Ｋ基いてＲＯＭ５３内に配憶された第１２図の関係から
スライド弁１７の目標開口面積ＳＳを計算し、ステ、ｆ
７５に進む。

一方、ステ、ツブ７１においてスタータスイッチ４４が
オンであると判別されたときはステ、ｆ６９において目
標開口面積８８Ｋ”全開”を入れた後ステップ７５に進
む一ステッ７”７５では一テンシ、メータ３５の出力信
号をＭＰＵ５１内に入力して現在のスライド弁１７の開
口面積Ｓを計算する０次いでステ、グア６において目標
開口面積ＳＳが現在の開口面□積Ｓよシも大舞いか否か
が判別される。ステップ７６において目標開口面積　　
　　　　　ＩＳＳが現在の開口面積Ｓよりも大きいと判
別されたときはステ、ノア７に進んでステップモータ３
０をスライド弁１７が開弁する方向にｌステップだけ回
転するためにステ、ｆ数８ＴＩＰに１が入れられ、次い
でステラｆ７Ｂに進む、一方、ステップ７６において目
標開口面積ＳＳが現在の開口面積８よりも大きくないと
判別されたときはステッｆ７ＧＫ進み、目標開口面積Ｓ
Ｓが現在の開口面積Ｓよりも小さいか否かが判別される
。ステラ７”７９にシいて目標開口面積ＳＳが現在の開
口面積８よシも小さいと判別されたときはステ、ｆ８０
に進んでステップモータ３０をスライド弁１７が閉弁す
る方向に１ステ、グだけ回転するためにステップ数５Ｔ
ＥＰに−１が入れられ、次いでステ、ｆ７８に進む。一
方、ステラｆ７９において目標開口面積ＢＳが現在の開
口面積Ｓよりも小さくないと判別され九ときはステップ
８１に進んでステップモータ３０を停止状態に保持する
ためにステップ数８７ＥＰに０が入れられ、次いでステ
、ｆ７８に進む、ステップ７８ではステップ７７゜８０
．８１において求められたステ、グ数８７ＥＰに基いて
ステップモータ駆動データを出力ポート５５に書込み、
それＫよってステップモータ３０がスライド弁１７の開
弁或いは閉弁方向Ｋｌステ、ｆだけ回転せしめられるか
、歳いは停止状態に保持される。このようにしてスライ
ド弁１７はスタータスイッチ４４がオンのときは全開せ
しめられ、スタータスイッチ４４がオンでない場合には
第１２図により定を石開口藺積まで開弁或いは閉弁ぜし
められる。従って第１２図かられかるように機関低速低
負荷運転時、機関高速低負荷運転時並びに機関低速高負
荷運転時にはスライド弁１７が全閉せしめられ、機関高
速高負荷運転時にはスライド弁１７が全開せしめられる
。

上述したように吸入空気量の少ない機関低負荷低速運転
時、機関高負荷低速運転時並びに機関低負荷高速運転時
にはスライド弁１７が分岐路１４を遮断している。この
とき入口通路部Ａ内に送シ込まれた空気は渦巻部Ｂの上
壁面１３に沿って旋回しつつ渦巻部Ｂ内を下降し、次い
で旋回しつつ燃焼室４内に流入するので燃焼室４内には
強力な旋回流が発生せしめられる。一方、吸入空気蓋が
多い機関高速高負荷運転時にはスライド弁１７が開弁す
るので入口通路部Ａ内に送り込まれた空気の一部が流れ
抵抗の小さな分岐路１４を介して渦巻部Ｂ内に送り込ま
れる。渦巻部Ｂの上壁面１３に沿って進む空気流は渦巻
終端部Ｃの急傾斜壁ＤＫよって下向きに流路が偏向せし
められるために渦巻終端部Ｃ１即ち分岐路１４の出口開
口１６には大きな負圧が発生する。従って入口通路部ム
と渦巻終端部Ｃとの圧力差が大きいのでスライド弁１７
が開弁すると大量の空気が分岐路１４を介して渦巻部Ｂ
内に送夛込まれる。このように機関高速高負荷運転時に
はスライド弁１７が開弁することＫよって全体の流路面
積が増大するばがヤでなく大量の吸入空気が流れ抵抗の
小さな分岐路１４を介して渦巻部Ｂ内に送９込まれるの
で高い充填効率を確保することができる。また、入口通
路部ムに傾斜側壁部９＆を設けることによって入口通路
部ＡＫ送り込まれた空気の一部は下向きのカを与えられ
、その結果この空気娘旋回することなく入口通路部ムの
下壁面に沿って渦巻部Ｂ内に流入するために流入抵抗は
小さくなり、斯くして高高負゛荷運転時における充填効
率を更に高めることができる。

一方、第１２図において曲＠Ｓ　１　と曲＠Ｓ・の間の
領域では曲線ｓ１から５ｓｏｆｉＢを経て曲線Ｓ＠に向
かうに従って、即ち吸入空気量が増大するに従ってスラ
イド弁１７の開口面積が徐々に大きくなる。

第１８図は燃料噴射弁８のノズル８ａから噴射された燃
料８ｂを図解的に示している。前述したように燃焼室４
内には旋回流が発生せしめられ、この旋回流は燃料噴射
弁８の軸線を中心として水平面内で旋回する。第１８図
における各矢印Ｆは燃料８ｂの噴射が開始されてから終
了するまでの間に旋回空気流が移動する距離を表わして
お）、従って矢印Ｆを包絡する曲ＩＩＨで囲まれた領域
内は燃料と空気との混合、、１気となっている。従って
第１８図に示すように隣接する曲線８間に間隙■が生じ
る場合にはこの間庫！内は空気のみであり、従ってこの
ような閏簾Ｉが生じると空気利用率が小さなために喪好
な燃焼は得られない。一方、曲＠Ｈで囲オれた領域が互
に部分的にＭなるとこの重なっ九部分だけ燃料が濃くな
るのでこの場合も良好な燃焼は得られない、これに対し
て曲線Ｈの前縁と、隣接する曲線Ｈの後縁が丁度型なる
とき、即ち曲線Ｈで囲まれた領域が互に重なることなく
間隙！がなくなったときに燃料の分布が一様でかつ空気
利用率が最もよくなり、斯くしてこのときに最良の燃焼
が得られる。クランク角度で表わし九燃料８ｂの噴射期
間は機関負荷りによって定まるので最喪の燃焼を得るた
めには機関負荷りが高くなるＫつれて旋回流を弱めるよ
うにしなければ、ならない、ｔた、旋回流の絶対速度は
機関回転数に比例して増大するのに対して燃料噴射弁８
から噴出する燃料噴霧の速度は旋回流が上昇するほどに
速くならないので旋回流が速くなりすぎると燃料噴霧が
旋回流の周辺部分に到達する前に吹き飛ばされてしまい
、従って旋回流の周辺部分に燃料噴霧が到達しなくなる
。従って機関回転数が増大する場合にも旋回流を弱める
必要がある。

第１５図の縦軸２は機関アイドリンダ時の騒音を示して
おり、横軸Ｓはスワール比（クランク角度３６０度当り
の旋回流の旋回数）を示す、一方、第１６図の横軸８は
同様にスワール比を示しており、８は燃料消費率、Ｒは
排気ｆス中の未燃ＨＣの量を示している。なお、低中負
荷運転時には機関回転数に関係なく第１６図に示すよう
な傾向になる。第１５図かられかるように機関アイドリ
ング運転時に旋回流が弱いと、即ちスワール比が小さい
と空気と燃料との混合が十分でないために着火遅れ時間
が長くなシ、アイドル騒音を発生すると共に未燃ＨＣが
増大する。従って機関アイドリング運転時において騒音
並びに未燃ＨＣを低減するにはスワール比Ｓを大きくす
ることが好ましいがあｔり大きくしすぎると第１６図か
られかるように燃料消費率Ｓが悪化する。従ってスワー
ル比Ｓは４程度にすることが好ましい、一方、第１７図
の縦軸Ｐｔｉ黒煙を発する限界出力、即ち吐煙限界出力
を示しておシ、横軸Ｅｌスワール比を示している。第１
７図かられかるようにスワール比Ｓが２から３の間で吐
煙限界出力Ｐが最大となる。

従りてスワール比Ｓは２から４の間で制御することが好
ましく、吸入空気量が増大するにつれてスワール比を小
さくすることが好ましい０本発明によれば吸入空気量が
少ないときにはスライド弁１７を閉弁してスワール比が
４程度の強力な旋回流が得られ、吸入空気量が増大する
につれてスライド弁１７の開口面積を大きくすることに
よってスワール比を徐々に小さくシ、吸入空気量が多い
ときにはスライド弁１７を全開することによってスワー
ル比を２糧度にすることができる。

また、第１４図の縦軸Ｅは機関の始動性の良さを示し、
横軸Ｓはスワール比を示している０横開始動時に強力な
旋回流を発生せしめると燃焼室壁面における熱伝達量が
大きくなるために着火しずらくなる。従って本発明では
横開始動時にスライ、□゛０１ ド弁１７を全開してスワール比を小さくシ、それによっ
て良好な始動性を確保するようにしている。

以上述べたように本発明によれば機関低速低負荷運転時
、機関低負荷高速運転時並びに機関高負荷低速運転時に
は強力な旋回流を燃焼室内に発生せし゛めることかでき
るので安定し九燃焼を確保できると共に特にアイドリン
グ運転時における騒音を抑制することができる。また、
機関高速高負荷運転時には旋回流の発生が抑制されるの
で高い充填効率を確保できると共に吐煙限界出力を向上
することかできる。更に１機関中賃荷中速運転時には吸
入空気量の増大に応じて旋回流が弱められるので均一な
燃料分布と最大の空気利用率が確保され、斯くして良好
な燃焼を得ることができる。ｔた、横開始動時に旋回流
を弱めることＫよって良好な機関の始動を確保すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る内燃機関の平面図、第２図は第１
図の■−■線に沿ってみた断面図、第３図はヘリカル型
吸気ポートの形状を示す斜視図、第４図は第・３図の平
面図、＃Ｉ５図は第３図の分岐　　　　　　。 路に沿って切断し圧側面断面図、第６図は＃Ｉ４図のＭ
−Ｍ線に沿ってみた断面図、第７図は＠４図の■−■線
に沿ってみた断面図、＃Ｉ８図は第４図の■−■線に沿
ってみた断面図、第９図は第５図のＩＸ−に線に沿りて
みた断面図、第１０図は流路制御装置の全体図、第１１
図はステツブモータ駆動・４ルスを示す線図、第１２図
はスライド弁の開口面積を示す図、第１３図は流路制御
装置の作動を説明するための７０−チャート、第１４図
は機関始動性を示すグラフ、第１５図はアイドル騒音を
示すグラフ、第１６図は燃料消費率と未燃Ｈｅの排出量
を示すグラフ、第１７図は吐煙限界出力を示すグラフ、
第１８図は噴射燃料と旋回流との関係を図解的に示す燃
焼室の平面図である拳５−・吸気弁、６−・・ヘリカル
型吸気Ｉ−ト、１４・・・分岐路、１７・・・スライド
弁、１Ｂ−・弁軸、３０・・・ステップモータ、３５．
４０・・・Ｉテンシ、メータ、５０・・・電子制御ユニ
ット。 第１図 第２図 第３図 第４図 第６回　　　　第７ＴＸＪ ＮＩＩＬ 田 １２３− 日 ■ 塚

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 吸気伸側りに形成された渦巻部と、該渦巻部に接線状に
   接続されかつほぼまっすぐに延びる入口通路部とＫよ多
   構成されたヘリカル型吸気ポートにおいて、上記入口通
   路部から分岐されて上記渦巻部の渦巻終端部に連通する
   分岐路をシリンダヘッド内に形成すると共に骸分岐路内
   にスライド弁を挿入し、該スライド弁を機関吸入空気量
   に応動するアクチュエータに連結して該スライド弁の開
   口面積を吸入空気量に比例させるようにし九ディーゼル
   機関用ヘリカル型吸気ポートの流路制御装置・