JPS6245936A - 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】 〈産業上の利用分軒〉 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Ｈ８Ｐ構造
と呼ばれるハイスワールボー１・（強制渦流吸気孔）が
挙げられる。

これは、第１６図（Ａ）　（Ｆ３１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。

これば第１７図（Ａｌ　（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
型をペ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）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（Ｂ）に示すように開閉
弁１１８を閉成すると、一方のボー）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、息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（Ｂｌ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ＦＪＦ
・・・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ｈ　１１．５　ａ
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＋−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１
１６ａ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（７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！ＡＩ　Ｂ）に示す従来構造のもの
では、単に吸気ポート１１５を二分しただけであり、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ボー１・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し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ボ一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、前記制御系に組込まれ、エンジ
ン回転数が中速でエンジン負荷が中・高負荷の領域にお
いて選択されるスワール比を基準値とし、この領域にお
けるエンジン回転数よりも低速で高負荷の領域では前記
基準値に対し０５〜２０加算したスワール比を選択し、
エンジン回転数が中・高速で低・中・高負荷の領域にお
いては前記基準値に対し０５〜３５減したスワール比を
選択するスワール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。

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、乙の弁体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（７、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（Ａｌ　ｆｆ’３）、低
スワール状態は第５図（Ａ）（Ｂ）から説明できる。す
なわち各図（Ａ）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においても主ボー１−９における吸気方向が燃焼室
６中心Ｏ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ヮ　
　一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
（Ｅ３）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、逆方肉刺に矢印で示す。なお、０□（よ
吸気弁座７の中心点である。第４図（Ｎに）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（Ａｌ但）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における類スワール方向の
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）　（ｆ３）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つの満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（Ｃ１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に導ひかれ
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１６からのｉｌＪ　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１
５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
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、”＃ｂｊ　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Ｐｍａχ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Ｐｍａにｐ　ｄｐ／’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」二するばかりでなく、ＮＯｘが低下しく排ガス
がきれいとなり）　、Ｐｍａχ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。

以上に基づき得られる最適スワール比を第１１図中に明
記しである。

この図かられかるように、エンジンの負荷が１００％の
付近では、エンジン回転数が高くなるにつれて最適スワ
ール比は５程度から１．５程度まで低下する。一方、エ
ンジン負荷２５％付近では、エンジン負荷１００％付近
での最適値よりも大幅に小さい値となる。これは、軽負
荷では、熱損失の要因が相対的に大きくなり、スワール
速度を小さくする必要があるためである。たｔ！シ、エ
ンジン回転数が高くなるにつれて最適スワール比が３３
程度から１０程度へと小さくなる傾向は高負荷時と変わ
らない。

以上の最適スワール比の絶対値は、エンジンの仕様によ
って当然具なるが、その傾向は変わらず、従って、相対
的なスワール比の変化量で表示すれば、普遍性のあるス
ワールマツプが得られることになる。第１図にはその一
例としての最適スワールマツプＭを示しである。これは
、エンジン回転数が中速でエンジン負荷が中・高負荷の
領域及び低速・低負荷領域を基準領域とし、ここのスワ
ール比（例えば３３）を基準値（０）として他の領域の
スワール比を定めたものであり、低速・中・高負荷領域
のスワール比を前記基準値よりも０５〜２．０（最適値
は１５）加算したものとし、中・高速、低負荷領域及び
中・高速、中・高負荷領域のスワール比を前記基準値よ
り０５〜２５　（最適値は２）減したものとじている。

最適スワールマツプの他の例を第１３図ないし第１５図
に示しである。第１３図に示すスワールマツプＭ１は、
高スワール比領域、中スワール比領域、低スワール比領
域を斜めに仕切ったもので、スワール比の決定の仕方は
第１図に示したものと同じである。第１４図に示すスワ
ールマツプＭ２は、第１図に示したスワールマツプにお
いて、低スワール比領域を更にやや低スワール比領域と
低スワール比領域とに分けたもので、中速、中高負荷領
域であるやや低スワール比領域では、スワール比を前記
基準値に対し、０５〜２０（最適値は１）減じたものと
し、高速、中・高負荷領域である低スワール比領域では
、スワール比を前記基準値に対し、２．０〜３５（最適
値３０）減じたものとしている。第１５図に示すスワー
ルマツプＭ３は、第１３図に示したものにやや低スワー
ル比領域をとったもので、スワール比の決定の仕方は第
１４図に示したものと同じとなっている。

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（Ａ）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（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（１３）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図体）は低スワール状態を説
明する斜視図、同図（１３）は同じくスワール状態を説
明する斜視図、同図（Ｑはその噴籾状態を説明する図、
第７図は吸気状態を説明する斜視図、第８図ないし第１
２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ｆＡ）は通常
の吸気装置の横断平面図、同図（１３）はそのＢ−Ｂ線
に沿う断面図、第１７図（Ａｌ　（Ｂ１は従来の可変ス
ワールポートの平面概略図、第１８図ｆＡ）はその概略
斜視図、同図０３）は噴震状態の説明図、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、 ９１よ主ポート、 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ばコントロールユニット、 Ｍ、　Ｍ、　、　Ｍ２．　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、前記制御系に組込まれ、エンジ
   ン回転数が中速でエンジン負荷が中・高負荷の領域にお
   いて選択されるスワール比を基準値とし、この領域にお
   けるエンジン回転数よりも低速で高負荷の領域では前記
   基準値に対し０．５〜２．０加算したスワール比を選択
   し、エンジン回転数が中・高速で低・中・高負荷の領域
   においては前記基準値に対し０．５〜３．５減じたスワ
   ール比を選択するスワール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。