JPS6245930A - スワ−ル制御装置 - 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】 〈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）の制御装置に関する。

〈従来の技術〉 例えば、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っている。

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
、噴射ノズルから噴出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、空気と燃料との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Ｈ３Ｐ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１６図（Ａ）　（［３）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が下降し吸気ボー）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。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（
スワール比と呼ばれている）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ＮＯｘ　（窒素酸化物）の発生量と
も関係し、高スワール比になるほどＮＯｘ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
失が減少ずろ。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ずべく、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１７図（Ａｔ（Ｂｌに示すようになっていて、
図中１１２が燃焼室、１１５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っていて、仕切壁１１７によっ
て左右に二分割されたポート１］、５ａ、１１５ｂとな
り、その一方のポート１１５　ｂは開閉弁１１８により
開閉自在である。

同図（Ａｌに示すように開閉弁１１８を開放すると、両
方のボー）−１１５ａ、　１１５　ｂ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１
１２では低スワール状態となる。同図向に示すように開
閉弁１１８を閉成すると、一方のポート１１５ａのみに
吸気が導ひかれる。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。

乙の積構造のものでは、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１８図（５）に示すように、燃焼
室１１２において単に−っの剛体うず的な旋回流れが生
じるだけであり、同図ｆｆ３）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（ｑに示すように吸気が一方のボー）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。したがって、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１１５ａ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、このとき吸気量は
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１７図ｆＡｌ　（［３）に示す従来構造の
ものでは、単に吸気ポート］１５を１分したｔ！けであ
り、各スワール状態の切換えにともなって吸気方向も変
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ｌ−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
決するものとして、吸気弁の上流側に接続された主ポー
ト（吸気ポート）と主ポートの終端部近くにある角度を
もって接続され、前記主ポートと独立する副ポートとか
らなる可変スワールポートが考えられ、前記副ポートを
流れる空気量を変えることによってスワール比を変える
乙とが図られている。

このスワールポートによれ＋ｆ　ｍ　焼室への吸込空気
量を減少させる乙となくスワール比を変えることができ
るのである。

本発明は上記可変スワールポートを吸気系として用いて
、前述の各種条件に応じた最適スワール比が得られるよ
うにし、もってエンジンの性能向上、燃費率の向上、Ｎ
Ｏｘの低減等を図ることを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するための本発明の構成は、燃焼室の吸
気弁上流側に接続され前記燃焼室内に流入される空気を
スワール流とする主ポートと主ポートの終端部近くに角
度をもって接続された副ポートとからなる可変スワール
吸気系と、前記可変スワール吸気系における前記副ポー
トを流れる空気量を変えて前記燃焼室内のスワール流の
スワール比を変える弁機構と、エンジンの負荷、回転数
及び燃料の性状に基づいてスワール比を選択して当該ス
フ− ワール比が得られるように前記弁機構に作動指令信号を
出力する制御系とからなることを特徴とするスワール制
御装置に存する。

〈実　施　例〉 第１図には本発明に係るスワール制御装置の一実施例の
概略構成を示し、第２図にはエンジンを平面に沿い断面
とした概略構成を示し、第３図にはエンジンの側断面を
示しである。

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
、ピストン４、シリンダヘッド５により構成される燃焼
室（シリンダ室）である。シリンダヘッド５には可変ス
ワール吸気系が設けられており、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、
１０は主ポート９の終端部（本実施例では巻終り８一 部）に接続されている前記主ポート９と独立した副ポー
トである。前記主ポート９は、吸気弁８中心に対し少し
偏心して設けられており、外部空気を吸気弁座７を通し
て燃焼室６内に流入案内したとき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
主ポート９の終端部にある角度をもって接続されており
、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。前記吸気弁８はタイミングをとって吸気弁座７
を開閉するように即動される。尚、図では省略されてい
るが、シリンダヘッド５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６に臨ませて
燃料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が接続されて
おり、吸気マニホルド１１の主空気通路１２、副空気通
路１３はおのおの主ポート９、副ポート１０に接続され
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
閉作動させるためのアクチュエータ１５が連結されてい
る。弁体１４の弁部１４ａは板状となっており、この弁
部１４ａが略水平になった状態で通路１３は全開とされ
、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
調整により乙こを流れる空気量が調整され、つまり副ポ
ート１０から燃焼室６に入る空気量が調整され、スワー
ル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が開放する吸込行程
時に、吸込空気が吸気弁座を介して燃焼室６に導びかれ
、ここでその円周方向に沿ってスワールを強制的に形成
されることとなる。この空気は、図示しない噴射ノズル
から噴出される燃料と混合し、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。高スワール状態は第４図い１（ｆ３１、低スワー
ル状態は第５図（Ａｌ同から説明できる。すなわち各図
（Ａｌにおいて吸気弁座７を８等分し、１ないし８０番
号を附す。各番号の位置が、図中矢印に示す方向と、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
。番号１から４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中心０１回
りに作る時計回り方向（ト）に沿うので順スワール方向
成分となり、これらのモーメントは類スワール方向モー
メントとなる。番号５から８のスワール成分は、上記中
心Ｏ１の回りに反時計回り方向（へ）に回転しようとす
るので逆スワール成分となり、これらのモーメントは逆
スワール方向モーメントとなる。各図但）において、各
番号のスワール成分モーメントの大きさを、順、逆方向
側に矢印で示す。なお、０２は吸気弁座７の中心点であ
る。第４図（Ａｌ　（Ｂｌの場合は、副ポート１０が閉
成されているところから）類スワール方向モーメントの
総和と逆スワール方向モーメントの総和との差が充分大
きく、全体と１７で高スワール状態となる。

ところが、第５図（〜（Ｉ３）の場合は、副ポート１０
が開放されているところから、ここからも吸気が燃焼室
６に導びかれ、特に番号６，７附近の逆スワール方向モ
ーメントが大となる。

この方向のモーメントの総和は類スワール方向モーメン
トの総和に近づく。燃焼室６における順スワール方向の
吸気に、副ポート１０から導びかれな逆スワール方向の
吸気が衝突し、かつ互いに相殺し合って低スワール状態
を得る。ただし、吸気流量としては、本来、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
確保される。さらに、副ポート１０が略垂直に近く立っ
ているので、燃焼室６への吸気流入が円滑である。した
がって、低スワール状態であって、しかも吸気量は充分
である。特に、エンジンが高回転域の場合には低スワー
ル状態が良いことば先き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。また第６図（Ａ）　（ｆ３１に示すように
、主ポート９からの順方向高スワール（図中白矢印で示
す）と、副ポート１０からの逆方向スワール（図中黒矢
印で示す）とが燃焼室６で互いに干渉し合い、回転方向
の異る２つの渦を発生させるとともにこれらの周辺にも
多数の小さな渦あるいは乱れを多数生じさせる。

これら多数の渦あるいは乱れは、圧縮行程後も若干残留
して同図（Ｑに示すように噴ｉＦ・・・と空気との混合
を良好化し、燃焼効率の改善、スモークおよび排気ガス
の低減に役立つ。高スワール状態では、第７図に示すよ
うに流線形の滑らかな主ポート９形状に治って吸気は必
要最小限の速度で円滑に、かつ損失なく導ひかれる。し
かも、吸気弁座７の全周から均等に燃焼室６に導びかれ
るので、スワールも高く、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 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の作動の基準となる最適スワールマ
ツプＭが記憶されている。このスワールマツプ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。尚、
エンジン１の負荷は、アクセルペダル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。図中、Ｉ９ば噴射
ポンプである。

コントロールユニット 適スワールマツプＭは、エンジン１の負荷、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のであ
るが、その判断材料となるスワール比と各性能との関係
を第８図ないし第１１図に示す。

第８図にはスワール比と６モード値におけるＮＯｘ排出
量との関係を示してあり、第９図には全負荷で異なる回
転速度時におけるスワール比と燃費率、排煙濃度との関
係を示してあり、第１０図には一例として４５％Ｎｅ（
低速）におけるスワール比と異なる負荷における燃費率
、排煙濃度との関係を示してあり、第】１図にはエンジ
ンのある回転数、負荷における燃費率変化量とＮＯｘ変
化量、排煙濃度変化量との関係についてスワール比を変
えた場合の傾向を示してあり、第１２図にはエンジンの
ある回転数、負荷における燃費率変化量とｄｐ／ｄθ変
化量、Ｐｍａχ変化量との関係についてスワール比を変
えた場合の傾向を示しである。第１１図及び第１２図に
おいて、ａ，　ｂ，　ｃ・・・Ｊは測定点であり、図中
の数字は一例としてのスワール比である。第１２図にお
けるＰｍａには最大筒内圧であり、エンジンに要求され
る耐久性を決める目やすとなる。又、ｄｐ／ｄθは時間
に対する筒内圧の変化を示し、騒音発生の＝１５＝ 目やすとなっている。第１３図にはクランク角と筒内圧
との関係を示しである。これらＰｍａｘ　、　ｄｐ／ｄ
θはいずれも低い値であることが望ましい。

第８図に示すように６モード値においてはスワール比が
小さいほどＮＯｘ低減となる。

第９図に示すようにエンジンの回転数Ｎｅが１００％（
高速）では低スワール比、６５％（中途）では中スワー
ル比、３０％（低速）では高スワール比とした方が燃費
率、排煙温度ともよい。

第１０図に示すように低速４５％Ｎｅにおける４／４，
３／４，２／４負荷では高スワール比とした方が燃費率
、排煙濃度も良好となるが、それ以下の負荷では、低ス
ワール比とした方が燃費率向上となる。その理由は、軽
負荷はど冷却損失の影響を受けやすいことによる。

燃焼ガスからシリンダライナ、ピストン、シリンダヘッ
ド下面等への熱伝達はガス流動速度のｎ乗に比例するこ
とから軽負荷では、ス〜１６− ワール速度が小さい方が燃費率が良くなるのである。

又、第１１図に示すように、スワール比を下げるほどエ
ンジンのあらゆる運転状態におけるＮＯｘは低下する。

更に、第１２図及びこの図からスワール比とｄｐ／ｄθ
，Ｐｍａｘとの関係を求めた第１４図シζ示すように、
スワール比を下げるほどエンジンのあらゆる運転状態に
おいてＰｍａχｐ　ｄｐ／’θが低下し、エンジンの耐
久性の向上、騒音の低減が図れる。

従って、スワール比を変えても性能に大差ない領域では
低スワール比を選択するのを原Ｈりとする。又、高速や
低中速の部分負荷ではスワール比を低下させるほど、燃
費率が向上するばかりでなく、ＮＯｘが低下しく排ガス
がきれいとなり）、Ｐｍａｘが低下しくエンジン耐久性
が向上し）　、ｄｐ／ｄθも低下しく騒音が低減し）、
あらゆる点で有利となる。

第１図において、コントロールユニツＪ］６に記憶され
ているマツプＭは、以上を考慮して得られた最適スワー
ルマツプの一例である。

このスワールマツプＭでは、低速・中高負荷領域を高ス
ワール比領域、低中速・低中高負荷領域を中スワール比
領域、低中高速・低中高負荷領域を低スワール比領域と
し、各領域を階段状に仕切っである。

従って、上記マツプＭに基づき、エンジン１の負荷、回
転数に応じて最適のスワール比を選択し、当該スワール
比となるように副ポート１０を流れる空気量を制御すれ
ば、最適のスワール比によるエンジン１の最適な運転が
実現されるのである。

ところで、ディーゼルエンジンの燃料としては、必ずし
もセタン価の高い燃料が使用されるとは限らない。しか
し、セタン価の低い燃料（例えば、灯油、アルコール、
低セタン価軽油、重油等）を使用すると、第１５図に示
すように、前述のＰｍａｘ　、　ｄｐ／ｄθの値が大き
くなってしまう。Ｐｍａにｐ　’ｐ／ｄθが大きくなる
と、前述の如く、エンジン破壊、騒音発生の原因となる
ので、Ｐｍａにｐ　ｄｐ／ｄθをなるへく小さくした方
がよい。そのためには、第１４図に示すように、スワー
ル比を低くすればよいのである。つまり、本発明では、
燃料として低セタン価のものが使用された場合には、そ
れを検知してスワール比を一律に下げるようにしている
のである。

燃料がセタン価の低いものであるがどうかの検出手段と
しては、色々のものが考えられるが、セタン価が低くな
ると大体において比重が小さくなる傾向にあるので、第
１図に示す実施例では、燃料タンク２１内の燃料２２の
比重を比重計２３で計測し、計測値によってセタン価を
判定し、それに合ったスワール比を選択するようにして
いるのである。例えば、燃料２２がセタン価の低いもの
であると判定されたら、スワール比を１ランク下げるな
どの制卸がなされるのである。

他の例としては、ノックセンサ２４を利用してｄｐ／ｄ
θを検出し、それに基づきスワール比を制御することも
考えられる。

又、ガソリンエンジンにおいては、オクタン価の低い燃
Ｖ＃４（例えば、低質ガソリン、灯油、ＬＰＧ等）を使
用する場合にはノッキングが生ずるが、こればスワール
比を小さくすることにより回避することができる。この
ような場合にも、本発明に係る制御は有効である。

〈発明の効果〉 本発明に係るスワール制御装置によれば、吸気系を主ポ
ートと副ポートとからなる可変スワール吸気系としてス
ワール状態を容易に変えられるようにすると共に、常に
十分の空気量が確保できるようにし、更に、エンジンの
運転状態及び燃料の性状に応じて最適のスワール比が選
択できるようにしたので、燃焼効率の向上及び排気ガス
のＮＯｘ低減、排煙濃度低減、更には騒音の低減等が図
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図はエン
ジンを平面に沿い断面とした実施例の概略構成図、第３
図はエンジンの一部の側断面図、第４図（５）は高スワ
ール状態でのスワール成分を説明する図、同図（Ｉ３）
は同状態におけるスワール方向モーメントを説明する図
、第５図（Ａ）は低スワール状態でのスワール成分を説
明する図、同図（Ｂ）は同状態におけるスワール方向モ
ーメントを説明する図、第６図（５）は低スワール状態
を説明する斜視図、同図（Ｂ）は同じくスワール状態を
説明する斜視図、同図（Ｃ１はその噴霧状態を説明する
図、第７図は吸気状態を説明する斜視図、第８図ないし
第１２図はスワール比とＮＯｘ排出量、燃費率、排煙濃
度等との関係を示す線図、第１３図はエンジンのクラン
ク角と筒内圧との関係を示す線図、第１４図はスワール
比とＰ　ｗａｘ、　ｄｐ／ｄθとの関係を示す線図、第
１５図は燃料のセタン価とＰｍａにｐ　ｄｐ／’θとの
関係を示す線図、第１６図（５）は通常の吸気装置の横
断平面図、同図０３）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図、第
１７図（Ａ）β）は従来の可変スワールポートの平面概
略図、第１８図い）はその概略斜視図、同図０３）は噴
甥状態の説明図、同図（Ｑは吸気状態の説明図である。 図　面　中、 １はエンジン、 ６は燃焼室、 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、 １５はアクチュエータ、 １６はコントロールユニット、 Ｍは最適スワールマツプである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼室の吸気弁上流側に接続され前記燃焼室内に流入さ
   れる空気をスワール流とする主ポートと主ポートの終端
   部近くに角度をもって接続された副ポートとからなる可
   変スワール吸気系と、前記可変スワール吸気系における
   前記副ポートを流れる空気量を変えて前記燃焼室内のス
   ワール流のスワール比を変える弁機構と、エンジンの負
   荷、回転数及び燃料の性状に基づいてスワール比を選択
   して当該スワール比が得られるように前記弁機構に作動
   指令信号を出力する制御系とからなることを特徴とする
   スワール制御装置。