JPS6245938A - 可変スワ−ル装置 - 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、エンジンの燃焼室に形成される吸気スワール
のスワール比を広い範囲に亙って可変とした可変スワー
ル装置に関する。

〈従来の技術〉 燃Ｒ直ｔ！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
、乙の吸気ポートと燃焼室とを仕切る吸気弁がエンジン
の各行程に応じて開閉するようになっている。そして、
吸気ポートから燃焼室に導入された空気はピストンによ
り圧縮され、噴射ノズルから燃焼室に噴出する燃料と混
合して爆発燃焼することとなるが、空気と燃料との混合
状態が良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良くするため種々
の手段が用いられているが、その一つとしてハイスワー
ルホー１−（ｆ（ＳＰ：強制渦流吸気孔）構造が挙げら
れろ。これは、吸気ポートの中心を吸気弁の中心に対し
て帰心状態で形成し、吸気弁が下降して吸気ポートが開
放される吸入行程時に吸気ポートで偏向された吸気が燃
焼室に導かれ、燃焼室の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１ノたものである。従って、吸
気と噴射ノズルから噴射される燃料どの混合状態が良く
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が、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
ール比と呼称されている）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時にはスワール比を大きく、エンジ
ン回転数が高速の時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良いことが知られている。このスワ
ール比の大小は窒素酸化物ＮＯｘの発生量とも関係し、
高スワール比になるほどＮＯｘの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（ッては低速
て低負荷て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は低スワール比が良く
、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或いは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。

こ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へ〈従来から特公昭５１−
７２４３号公報等に示すような機構が提案されている。

この可変スワール機構を表す第７図及び第８図に示すよ
うに、図中、１１２が燃焼室、１１５が吸気ポート、１
１６ａが吸気弁座である。吸気ポート１１５は低スワー
ルをベースとした構造となっており、仕切板１１７によ
って左右に二分割されたポート１１５ａ、１１５ｂを有
し、そのうちの一方のボー）１１５ｂは開閉弁１１８に
より開閉自在となっている。

従って、開閉弁１１８を開放すると両方のボー１−１１
５ａ、１１５ｂに吸気が導かれ、吸気弁座１１６ａを通
過する流速が遅いために燃焼室１１２では低スワール状
態となる。

一方、開閉弁１１８を閉成すると一方のボー）−１１５
ａにのみ吸気が導かれて吸気流路断面積が半減し、この
吸気流路断面積が吸気弁座１１６ａの内径面積以下に絞
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。なお、各状態でのスワール成分は
、図中、矢印に示す方向と強さのベクトルで表される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 第７図及び第８図に示した従来の可変スワール機構では
、低スワール状態において燃焼室１１２内で単に−っの
剛体うず的な旋回流れが生じるだけであり、この剛体う
ずの中に燃焼室１１２の中心から放射状に噴射される霧
状の燃料は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、燃料と空気との充分な混合が得られな
い。

一方、高スワール状態では、吸気が一方のポート１１５
ａにのみ導かれ、仕切板１】７の端部を通過したところ
で流路面積の急拡大により剥離現象に基づく複数の渦流
が生じたり、逆流等の損失が発生する。しかも、流路断
面積が半減すると共にポート１１５ａの断面積が狭いた
め、多大な流路抵抗が生じる上に吸気弁座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
量係数が低くて吸気量が不足する。

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外周接線方向
から流入させるのが望ましく、この時の吸気量は小であ
る。逆に、低スワール状態を得たい場合は燃焼室に対し
て吸気をピストンの往復動方向から流入させるのが望ま
しく、この時の吸気量は大となる。

しかし、第７図及び第８図に示しｔコ従来構造のもので
は単に吸気ボー１−１１５を二分しただけであり、各ス
ワール状態の切換えに伴って吸気方向も変換するまでに
は至らず、何れの状態でも吸気量の低減化として現れて
いる。

なお、この他種々の可変スワール機構がみられるが、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
することができなかったり、或いは複雑な構造でコスト
に悪影響を与えている。

本発明は従来の可変スワール機構におけろ上述した種々
の不具合に鑑み、常に充分な吸気量を確保した状態で車
両の各種運転条件に応じた最適なスワール比が得られる
簡単な構造の可変スワール装置を提供することを目的と
し、もってエンジンの性能向」二及び燃費率の向上及び
ＮＯｘの低減等を企図したものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明の可変スワール装置は、シリンダの円周接線方向
に沿って形成され且つ吸気弁を介して前記シリンダ上端
部の燃焼室に連通ずると共にこの燃焼室内に吸気スワー
ル流を発生させる主ポートと、この主ポートに対してピ
ストンの往復動方向に傾斜状態で形成されると共に当該
主ボー１−の終端部に連通ずる副ポートと、との副ポー
トの吸気量を制御する流量制御手段とを貝え、前記吸気
弁の軸心と前記シリンダの軸心とを含む平面を境として
前記燃焼室への吸気の吹き出し方向が前記吸気スワール
流を減殺する方向となる側に前記主ポートの終端部に対
する前記副ポートの連通位置を設定したことを特徴とす
るものである。

〈作　　　用〉 副ポートが流量制御手段により開いている状態にあって
は、吸気弁の開成とピストンの下降とに伴って主ポート
及び副ポートから燃焼室内へ吸気操作がなされる。ここ
で、副ポートからの吸気はピストンの下降方向に合致し
て効率の良い吸気操作となるが、主ポートによる吸気ス
ワール流を減殺するように働いて低スワール比が実現さ
れる。

一方、副ポートを閉じた状態にあっては主ホードからの
吸気操作のみで吸気スワール流が発生し、高スワール比
が実現される。そして、車両の運転条件に対応した流量
制御手段の操作により副ポートの吸気量を変化させ、ス
ワール比を連続的に可変とする。

〈実　施　例〉 本発明に係る可変スワール装置の一実施例の制御概念を
表す第１図及びそのエンジンブロックの断面構造を表す
第２図及びその主要部を拡大した第３図に示すように、
１はエンジンで、２はそのシリンダブロック、３はシリ
ンダライす、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
とピストン４とシリンダヘッド５とにより構成される燃
焼室である。

又、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の一ヒ流側
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）に接続し且つ前記主ポー１−
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中心に対し偏心した状態で燃焼室６の円周接線方向
に沿って設けられており、外部空気を吸気弁座７を通し
て燃焼室６内に流入案内した時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の終端部にピストン４の往復動方向に傾斜状態
で接続されており、燃焼室６への空気の供給が円滑にな
されろようになっている。主ポート９に対する副ポート
１０の連通位置を表す第４図に示すように、燃焼室６の
中心ＯＩと吸気弁座７の中心０２とを結ぶ直線を境にし
て、副ポート１０から燃焼室６への吹き出し方向が後述
するスワール生成方向と逆のスワール減殺方向となる図
中、矢印で示す領域の側に主ポート９に対する副ポート
１０の接続位置が設定されている。そして、前記吸気弁
８はピストン４の往復動に同期して吸気弁座７を開閉す
るように駆動される。

なお、シリンダヘッド５には図示しない排気弁や排気ポ
ート等からなる排気系が設けられ、燃焼室６に臨む燃料
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カ接続１．て
おり、吸気マニホルド］１の主空気通路１２及び副空気
通？８１３はおのおの主ボー１−９及び副ポート１０に
接続している。

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
閉作動されるためのアクチュエータ１５が連結され、こ
れらで流量制御手段が構成される。弁体１４の弁部１．
４ａは板状となっており、この弁部１４ａが第３図中、
略水平になった状態で通路１３は全開となり、第３図中
、略鉛直になった状態で副空気通Ｆ！＠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吸気流量、が調整され、つ
まり副ポート１０から燃焼室６に入る吸気量が調整され
て吸気スワール流に変化がりえられろのである。

上記吸気弁８が下降して主ポート９が開放する吸入行程
時に、吸気が吸気弁座７を介して燃焼室６に導かれ、と
とてその円周方向に沿ってスワールを強制的に形成する
こととなる。この吸気は、図示しない噴射ノズルから噴
出される燃料と混合して燃焼する。

上記弁体１４は燃焼室６に導入されろ吸気のスワール比
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。ここで、高スワール状態のスワール成分をベクト
ル表示した第５図及び低スワール状態のスワール成分を
ベクトル表示した第６図に示すように、図中、矢印に示
す方向及び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。ＡからＤ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の
中心０回りに作る図中、時計回り方向に沿うスワール生
成方向成分となり、これらのモーメントはスワール生成
方向モーメントとなる。しかし、ＥからＨのスワール成
分は、中心Ｏの回りに反時計回り方向に回転しようとす
るスワール減殺方向成分となり、これらのモーメントは
スワールＸ　段方向モーメントドなる。

つまり、第５図の場合は副ポート１０が閉成されている
スワール生成方向モーメントの総和の方がスワール減殺
方向モーメント総和よりも充分大きく、全体として高ス
ワール状態となる。ところが、第６図の場合は副ポート
１０が開放されていてここからも吸気が燃焼室６に導か
れ、特にＦ、Ｇ附近のスワール減殺方向モーメントが大
となる。そして、これらスワール減殺方向モーメントの
総和がスワール生成方向モーメントの総和に近付く結果
、燃焼室６におけるスワール生成方向の吸気と副ポート
１０から導かれｔこスワール減殺方向の吸気とが衝突し
て互いに相殺１ノ合い、低スワール状態を得る。但し、
吸気流量としては主ポート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、しかも副ポート
１０がピストン４の往復動方向に反って図中、略垂直に
近く立っているため、燃焼室６への吸気流入が円滑とな
る。従って、低スワール状態であっても吸気量は充分で
ある。特に、エンジンが高回転域の場合にＩＮＮススワ
ール状態良いことは先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
得られろ。又、図中、白矢印で示す主ポートからのスワ
ール生成方向のスワールと、図中、黒矢印で示す副ポー
ト１０からのスワール減殺方向のスワールとが燃焼室６
で互いに干渉し合い、回転方向の異なる二つの渦を発生
させると共にこねらの周辺にも多数の小さな渦或いは乱
ねを多数生じさせる。これら多数の渦或いは乱れは、圧
縮行程後も若干残留１７て鍔状の燃料と空気との混合を
良好化し、燃焼効率の改善やスモーク及びＮＯｘの低減
に役立つ。高スワール状態では、流線形の滑らかな主ポ
ート９の形状に沿って吸気は必要最小限の速度で円滑に
且つ損失な（導かれる。しかも、吸気弁座７の全周から
均等に燃焼室６に導かれるので、スワールの流速も高く
、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１−〇−
ルユニット１６からの制御信号ニ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る。なお、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。なお、図中の符号で１９は噴射ポンプであり
、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の負荷及び回転数に応じた最適
な運転状態が得られろように決められる。

〈発明の効果〉 本発明の可変スワール装置によると、吸気スワール流を
減殺する副ポートを主ポートに対してピストンの往復動
方向に傾斜して形成し、副ポートの吸気流量を流量制御
手段にて調整するようにしたので、燃焼室への吸気量を
減らすことなくスワール比を広い範囲に亙って変えるこ
とが可能となり、構造が簡単であることと相俟ってエン
ジンの性能向上及び燃費率の向」−及びＮＯｘの低減等
を企図し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる制御概念図、第２図
はそのエンジンの平面に沿った断面図、第３図はその縦
断面図、第４図は本実施例にかかる副ポートの連通位置
を表す幾何概念図、第５図及び第６図はそのスワール成
分をベクトル表示したスワール原理図である。又、第７
図倍及び第８図は従来の可変スワール装置の一例を表す
作動原理図である。 図中の符号で１はエンジン、４はピストン、６は燃焼室
、７は吸気弁座、８は吸気弁、９は主ボー１−１１．０
は副ポート、１１は吸気マニホルド、１４は弁体、１５
はアクチュエータ、１６はコンＩ・ロールユニット、０
□は燃焼室の中心、０は吸気弁座の中心である。 −１６＝ 第２図 Ｉｏ 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダの円周接線方向に沿って形成され且つ吸気弁を
   介して前記シリンダ上端部の燃焼室に連通すると共にこ
   の燃焼室内に吸気スワール流を発生させる主ポートと、
   この主ポートに対してピストンの往復動方向に傾斜状態
   で形成されると共に当該主ポートの終端部に連通する副
   ポートと、この副ポートの吸気量を制御する流量制御手
   段とを具え、前記吸気弁の軸心と前記シリンダの軸心と
   を含む平面を境として前記燃焼室への吸気の吹き出し方
   向が前記吸気スワール流を減殺する方向となる側に前記
   主ポートの終端部に対する前記副ポートの連通位置を設
   定したことを特徴とする可変スワール装置。