JPS6245934A - 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ボートが設けら
れ、この吸気ボ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。

上記吸気ボ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ボート（強制渦流吸気孔）が挙
げられる。

これは、第１４図（５）同に示すように、吸気ボート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が下降し吸気ボート０１が開放される吸入行程
時に吸気ボー１−０１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し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へ＜、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）但）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。上記吸気ボー１−１１５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ボー！−１１５ａ、１１５ｂとな
り、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（Ｉ３）に示す
ように開閉弁１１８を閉成すると、一方のボート１１５
ａ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１６図（４）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０３１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・
・は図中矢印て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（
Ｃ）に示すように吸気が一方のボー１−１１５ａ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１５図（５）（Ｉ３）に示す従来構造のも
のでは、単に吸気ポー１−１１５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（吸気ボー１−）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ボートと
からなる可変スワールポー１・が考えられ、前記副ボー
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ボ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ボ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ボー
トを流れる空気量を変えて前記燃−７＝ 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、前記制御系に備えら
れエンジンの通常運転時にはエンジン負荷、エンジン回
転数に基づき最適スワール比を選択する通常運転時用の
マツプとエンジンの低温始動時には低スワール比もしく
は中スワール比を選択する低温始動時用のマツプとから
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（５）（Ｂ）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中心に対し少し帰心し
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、前記副ボート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、排気ボート等からなる
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、副ボート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１４ｉｔ
！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ば全開と
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
副ボート１０から燃焼室６に入る空気量が調整され、審
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な介して燃焼室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
される乙ととなる。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回置０３）、低スワール状
態は第５図（５）β）から説明できる。すなわち各囚人
において吸気弁座７を８等分し、１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０
１　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−虚成分となり、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
自励に矢印で示す。なお、０２（よ吸気弁座７の中心点
である。第４図囚但）の場合は、副ボート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太き（
、全体として高スワール状態となる。

ところが、第５図（５）（Ｂｌ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、副ボート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、副ボート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、副ボ
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）（８）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１−１０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しさせる。

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（Ｃ）に示すように噴ｆｆＦ・・・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ボート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ば制御系としてのコントロール
ユニット１６からの制御（ｇ　号により開閉動制御され
る。コントロールユニット−１６に（よアクチュエータ
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］７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
ジェネレーク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、Ｐｍａχ変化量との関係についてスヮ一ル比を変
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＃　’Ｅ’Ｐ　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
におけろ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、騒音発生の目やすと
なっている。これらＰｍａｘ　、　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，
３／４，２／４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
ワール比としだ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Ｐｍａχｐｄｐ／
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く、ＮＯｘが低下しく排ガスが
きれいとなり）、Ｐｍａに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。

以上を考慮すると、通常運転時には、エンジンの低速・
高負荷領域、低中速・低中高負荷領域、低中高速・低中
高負荷領域においてスワール比を変えることが望ましく
、その−例として、第１図には通常運転時用マツプＭと
して上記領域を高スワール比領域、中スワール比領域、
低スワール比領域としたものを示しである。

ところで、エンジン１の低温始動時には正規時よりもス
ワール比は低いほうがよい。エンジン低温始動時には燃
焼ガスの熱が燃焼室６周囲に奪われてしまう熱損失（冷
却損失）が問題となり、この熱損失を少なくするにはス
ワール流速を遅くした方がよい。それゆえ、エンジンの
低温始動時には、エンジンの回転数、負荷にかかわりな
く低スワール比が選択できるようになっていることが望
ましい。そのため、本発明では、コントロールユニット
１６に上記通常運転時用のマツプＭのほかに低温始動時
のマツプＭ８が記憶され、エンジンの低温始動時には当
該低温始動時用のマツプＭＢが採用され、低スワール比
となるように制御されるのである。

コントロールユニット１６には雰囲９Ｋ　’ＩＦＡ　度
を検出するサーミスタ２１が設けられ、このサーミスタ
２１により検出されるエンジン始動時のエンジン雰囲気
温度によりマツプ選択回路２２によって低温始動時用マ
ツプＭ８が選択される。一方、サーミスタ２１による検
出温度に基づきタイマ設定ｕ２３により低温始動時用マ
ツプＭ、を採用している時間が決定され、この時間がタ
イマにセットされる。つまり、エンジンが始動して一定
時間経過した後には、スワール比制御が通常運転時用マ
ツプＭＡに基づく制御に切換えられ、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１ｏ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。

尚、低温始動時用のマツプＭ８としては、第１３図に示
すように、エンジン低温始動時、低中速・中高負荷で中
スワール比を選択するようにしたものも考えられる。

〈発明の効果〉 本発明に係るスワール制御装置によれば、吸気系を主ボ
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（５）（Ｂ）は本発明の一実施例の概略構成図及
びコントロールユニット内の一部の回路図、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（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５囚人は低スワール状態でのスワール成分を説明す
る図、同回部）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（ト））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図は低温始動時用マツプの他
の例の説明図であり、第１４図（５）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（５）（Ｂｌは従来の可変スワールボートの
平面概略図、第１６囚人はその概略斜視図、同図（Ｂ）
は噴霧状態の説明図、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は主ボート、 １０ば副ポート、 １１は吸気マニホルド、 １４ば弁、 １５ばアクチュエータ、 １６はコントロールユニット、 ＭＡは通常運転時用マツプ、 Ｍ８は低温始動時用マツプである。

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、前記制御系に備えられエンジン
   の通常運転時にはエンジン負荷、エンジン回転数に基づ
   き最適スワール比を選択する通常運転時用のマップとエ
   ンジンの低温始動時には低スワール比もしくは中スワー
   ル比を選択する低温始動時用のマップとからなることを
   特徴とするスワール制御装置。