JPS6245931A - 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、この吸気ボード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Ｈ８Ｐ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囚人（２）に示すように、吸気ポート０
１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−１−０１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０
３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シｔこ
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１７図（５）（Ｂ）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
て左右にニー３−　　　　、 分割されたポート１１５ａ、１１５ｂとなり、その一方
のボー１−１１５ｂは開閉弁１１８により開閉自在であ
る。

同図（５）に示すように開閉弁１１８を開放すると、両
方のボー１−１１５　ａ、　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
１１２では低スワール状態となる。同図０３）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（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ＩＪＦ
・・・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、かっボー１−１１５　ａ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１１６
ａ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、乙のとき吸気量は
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（５）（Ｂｌに示す従来構造のもの
では、単に吸気ポート１１５を１分しただけであり、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
ことが図られている。

乙のスワールボー１・によれば燃焼室への吸込空気量を
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。

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。

く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あ
る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
転数等に基づいてスワール比を選択して前記弁機構を操
作する制御系と、前記制御系においてエンジンが低回転
数で高負荷のときに高スワール比を選択するマツプとを
備えて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
閉するように駆動される。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ＦＩＩｉ１２、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
調整によりこ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（Ａ３（Ｂｌ、低スワー
ル状態は第５図（５）（Ｂ）から説明できる。すなわち
各図（５）において吸気弁座７を８等分し、工ないし８
の番号を附す。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０
２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順スワール方向
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０１　の回りに反時計回り方向（ハ）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（１３）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ＣＡＪ（１３）の場合は、副ポー
ト１０が閉成されているところから、順スワール方向モ
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、全体として高スワール状態となる。

ところが、第５図（５）（Ｉ３）の場合は、副ポート１
０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順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から導びかれた逆スワール方向の
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）（Ｂ）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て互いに干渉し合い、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に示すように噴霧Ｆ・・・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形状に沿って吸気（よ
必要最小限の速度で円滑に、かつ損失なく導びかれる。

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
、高スワール状態て副ポート１０が主ポート９中の吸気
の流れに悪影響を及ぼすことばない。

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、１９は噴射ポンプである。

コントロールユニット１６に記憶される最適スワールマ
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１１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、Ｐｍａに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
Ｐｍａｘは最大筒内圧であり、エンジンかに要求される
耐久性を決める口やすとなる。又、ｄｐ／ｄθは時間に
対する筒内圧の変化を示し、騒音発生の目やすとなって
いる。これらＰｍａχｐ　ｄｐ／ｄθ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．
３／４．２７４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いてＰｍａにｐ　ｄｐ
／ｄθ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則とする。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り、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。

以上を考慮して得られるスワールマツプＭとしては、少
なくとも低速、高負荷領域では高スワール比として、そ
の他の領域では中。

低スワール比とするのである。

第１図に示すスワールマツプＭでは、低速・高負荷領域
、低中速・低中高負荷領域、低中高速・低中高負荷領域
を階段状に仕切り、それぞれを高スワール比領域（例え
ばスワール比４．３）、中スワール比領域（例えばスワ
ール比３３）、低スワール比領域（例えばスワール比２
０）としである。

第１３図ないし第１５図にはスワールマツプの他の例Ｍ
、、　Ｍ２．　Ｍ３　を示す。第１３図に示すスワール
マツプＭ１　は第１図に示したマツプＭの領域の幅を変
えたものであり、第１４図に示すスワールマツプＭ２　
ば高中負荷と低負荷の２段に分離し、高中負荷ではエン
ジンの回転数により３領域に分離し、低負荷では２領域
に分けたものである。第１５図に示すスワールマツプＭ
３　は第１４図に示したマツプＭ　において高中負荷を
エンジンの回転数により４領域に分割したものである。

上記マツプに基づき、エンジン１の負荷、回転数に応じ
て最適のスワール比が選択され、当該スワール比となる
ようにアクチュエータ１５が制御され、副ポート１０か
ら燃焼室６に吸引される空気量が変えられ、スワール比
が変更されるのである。

〈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
運転状態に応じて最適のスワール比が選択できるように
しなので、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（よエ
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囚人は高スワー
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
５図（５）は低スワール状態でのスワール成分を説明す
る図、同図０３１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β）は同じくスワール状態を説明す
る斜視図、同図（０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ＮＯχ排出量、燃費率、排煙濃度等との
関係を示す線図、第１３図ないし第１５図は最適スワー
ルマツプ例の説明図であり、第１６図（５）は通常の吸
気装置の横断平面図、同図（ＢｌはそのＢ−Ｂ線に沿う
断面図、第１７図（５）の）は従来の可変スワールポー
トの平面概略図、第１８図（５）はその概略斜視図、同
図（Ｂ）は噴霧状態の説明図、同図（Ｃ）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、 〜２０− ９は主ポート、 １０は副ポート、 １１ば吸気マニホルド、 １４ば弁、 １５はアクチュエータ、 １６はコントロールユニット、 Ｍ２Ｍ１２Ｍ２．Ｍ３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、回転数等に基づいてスワール比を選択して前記弁機
   構を操作する制御系と、前記制御系において少なくとも
   エンジンが低回転数で高負荷のときに高スワール比を選
   択するマップとを備えてなることを特徴とするスワール
   制御装置。