JPS6245932A - 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ｆｒｌＪ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１４図（５）（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が下降し吸気ポート０１が開放される吸入
行程時に吸気ポ−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、スワールの強冷は、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、中途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１５図（５）（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１１５ａ、１１５ｂとなり
、−３＝ 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（５）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０３）に示すように開閉
弁１１８を閉成すると、一方のポー）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１
１６ａ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１６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（５）に示すように剛体うずの＝
４− 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、乙のとき吸気量は
小である。

低スワール状態を得な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１５図（５）但）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。

このスワールポート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、エンジンの運転状態
に最適なスワール比を選択して前記弁機構を制御すると
共に、エンジンの運転状態とスワール比とに基づいて燃
料の噴射タイミングを制御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。

く実　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ば吸気弁座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ば、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。

シリンダへラド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Ｒｊ１１３を開閉する弁体１
４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ニ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（５）（Ｂ）、低スワー
ル状態は第５図（５）β）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Ｏ２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（Ｉ３）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（５）（Ｂ）の場合は、副ポート１
０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（Ａ）（Ｂ）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
ヲ得る。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
ル状態が良いことは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（５）（１３）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ＦＪＦ・・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形状に沿って吸気は必
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４Ｎ号により開閉動制御される
。コントロールユニッ）・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ば、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１
６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％Ｍｅ（
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ＮＯ’ｘ
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、’）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％（中速）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、スワール速度が小さい方が燃費率が
良くなるの一１６＝ 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Ｐｍａｘ　、　ｄ
ｐ／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（、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。

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１′１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１
０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。

ところで、第１１図かられかるように、運転状態によっ
ては、低スワール比とした場合、ＮＯｘの変化量に十分
な余裕ができる場合がある。一方、第１１図、第１２図
かられかるように、燃料の噴射タイミングを変えること
によって性能は変わる。第１１図、第１２図において、
破線で示す特性が一例としての噴射タイミング変化時特
性である。本発明では、スワール比と噴射タイミングを
調整することにより、ＮＯｘ変化量を規定値内に抑えた
状態で燃費率を更に向上させるようにしている。

例えば、第１３図において、■で示す点は、燃費率、Ｎ
Ｏｘ排出量とも規定値を満たす現用のスワール比、燃料
噴射タイミングを示しており、この点よりスワール比を
更に下げると■の点となり、燃費の向上、ＮＯｘ排出量
の低減が図れる。しかし、ここで、ＮＯｘ排出量を規定
値に抑え、燃料噴射タイミングを進めると、■の点とな
り燃費は更に向上する。つまり、第１３図（こ示すよう
に、スワール比を下げることによる燃費の低減（４）に
加えて燃料噴射タイミングを早めることによる燃費の低
減Ｂが図れるのである。

実際の制御は、エンジンの運転状況とスワール比に基づ
き、第１１図に示す各運転状態における線図から、スワ
ール比を上げても燃費が規定値を満たし、しかも燃料噴
射タイミングの変化が燃費向上に寄与する領域を判別し
、もって制御されるのである。

〈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（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開開は低スワール状態でのスワール成分を説明する
図、同図（Ｂｌ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（ＡＪば低スワール状態を説明
する斜視図、同図（Ｉ３）は同じくスワール状態を説明
する斜視図、同図（Ｑ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図はスワール比、噴射タイミ
ングの変化に伴う燃費率変化量とＮＯｘ変化量との関係
を示す線図であり、第１斗　囚人は通常の吸気装置の横
断平面図、同図（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図、第
１５　　図ＣＡＪ（Ｂｌは従来の可変スワールポートの
平面概略図、第１ｂ　　図（５）はその概略斜視図、同
図の）は噴霧状態の説明図、同図（Ｃ１ｌ１才吸気状態
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、エンジンの運
   転状態に最適なスワール比を選択して前記弁機構を制御
   すると共に、エンジンの運転状態とスワール比とに基づ
   いて燃料の噴射タイミングを制御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。