JPH06280520A - エンジンのスワール制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸気バルブ自体の作動を変化させることによ
って、エンジンの運転域に応じた適切なスワール比と吸
気抵抗を得ることができる、エンジンのスワール制御装
置を提供することにある。 【構成】 ヘリカル・ポート３とダイレクショナル・ポ
ート４にそれぞれ設けられた吸気バルブ３ａ、４ａをバ
ルブ・アクチュエータ１５、１５によって別個に開閉可
能に構成する。これによって、エンジン１が高負荷でか
つ比較的低回転の運転域で運転されているときには、ヘ
リカル・ポート３を開放すると共にダイレクショナル・
ポート４を閉鎖し、高いスワール比のスワールを得るこ
とができる。また、エンジン１が上記運転域以外の運転
域で運転されるときには、ヘリカル・ポート３とダイレ
クショナル・ポート４を共に開放し、これによってエン
ジン１の吸気抵抗を低くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンのシリンダ内
で発生する吸気スワールをエンジンの運転状態に合わせ
て変化させることにより、エンジンの運転状態を改善す
るための、エンジンのスワール制御装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】車両搭載用のエンジンには、各シリンダ
に吸気ポートと排気ポートをそれぞれ二つずつ有し、各
吸気ポートにはそれぞれ吸気バルブを、また各排気ポー
トにはそれぞれ排気バルブを設けた、所謂、四弁エンジ
ンがある。そして、このような四弁エンジンの各シリン
ダに設けられた一対の吸気ポートを、ヘリカル・ポート
とダイレクショナル・ポートの二種類のポートで構成
し、ヘリカル・ポートからシリンダ内に流入した吸気流
によって生成される旋回流（以下、スワールという）に
より、混合気の燃焼の改善、排ガスの浄化等を図ってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、エンジンの回
転が比較的低速で、かつ必要とされるトルク（負荷）が
大きい運転域では、高いスワール比が必要とされるのに
対し、それ以外の運転域では、スワール比の高さよりも
エンジンの吸気抵抗を低くすることが必要とされる。こ
のようなエンジンの両運転域において適切なスワール比
あるいは吸気抵抗を得るために、従来は、吸気ポートを
機械的に閉鎖する装置を設けてエンジンの運転域に応じ
て吸気ポートを適宜閉鎖したり、吸気通路の流路を運転
域に応じて変化させたりすることによって、スワール比
やエンジンの吸気抵抗を変化させている。しかし、この
ようなスワール制御装置は、スワール比を変更するため
に吸気バルブの作動を変更するものではなく、吸気バル
ブ自体の作動は従来のままであるから、スワール比を大
きく変化させることはできない。

【０００４】そこで、本発明の目的は、吸気バルブ自体
の作動を変化させることによって、エンジンの運転域に
応じた適切なスワール比と吸気抵抗を得ることができ
る、エンジンのスワール制御装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を達成するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明のスワール制御装置は、ヘリカル・ポートと
ダイレクショナル・ポートとの二つの吸気ポートと少な
くとも一つの排気ポートを各シリンダに有するエンジン
と、前記各吸気ポートにそれぞれ設けられた吸気バルブ
と、前記吸気バルブを個別に開閉可能なように前記吸気
バルブにそれぞれ連結されたバルブ・アクチュエータ
と、前記バルブ・アクチュエータにそれぞれ作動流体を
供給する作動流体供給装置と、前記エンジンが高負荷で
かつ比較的低回転の運転域で運転されているときには前
記ヘリカル・ポートを開放すると共に前記ダイレクショ
ナル・ポートを閉鎖するように前記バルブ・アクチュエ
ータを制御し、また前記エンジンが上記以外の運転域で
運転されているときには前記ヘリカル・ポートと前記ダ
イレクショナル・ポートとを共に開放するように前記バ
ルブ・アクチュエータを制御する、吸気バルブ制御装置
とを有することを特徴とする。

【０００６】

【作用】このように本発明のスワール制御装置は、ヘリ
カル・ポートとダイレクショナル・ポートにそれぞれ設
けられた吸気バルブをバルブ・アクチュエータによって
別個に開閉可能に構成した。したがって、エンジンが高
負荷でかつ比較的低回転の運転域で運転されているとき
には、ヘリカル・ポートを開放すると共にダイレクショ
ナル・ポートを閉鎖し、これによって高いスワール比の
スワールを得ることができる。また、エンジンが上記以
外の運転域で運転されるときには、ヘリカル・ポートと
ダイレクショナル・ポートを共に開放し、これによって
エンジンの吸気抵抗を低くすることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、エンジン１のシリンダ２に開口する一対
の吸気ポート、すなわちヘリカル・ポート３とダイレク
ショナル・ポート４を表す断面図であり、これらの吸気
ポートには、図２に示すように、それぞれ吸気バルブ３
ａ、４ａが開閉自在に取り付けられている。これらの図
中には排気ポートは省略されている。所謂、四弁エンジ
ンでは排気ポートは二つあるが、排気ポートの数は本発
明の特徴とは直接的には関係がない。また、図２中、３
ｂ、４ｂはバルブ・シートである。

【０００８】吸気バルブ３ａ、４ａの基端部には、それ
ぞれ、バルブ・アクチュエータ１５が連結されている。
バルブ・アクチュエータ１５の構成及び作動の説明は後
述する。バルブ・アクチュエータ１５、１５は、それぞ
れ、高圧空気供給経路６ａ、６ｂを介して制御バルブ７
に連結され、制御バルブ７は高圧空気供給経路６ｃを介
して高圧空気供給源８に連結されている。そして、エン
ジン１の回転数と負荷とをパラメータにしてエンジン１
の運転域を判断し、制御バルブ７に吸気バルブ１５、１
５の開閉信号を発生する中央処理装置９（以下、ＣＰＵ
という。）が設けられている。バルブ・アクチュエータ
１５、１５、制御バルブ７、高圧空気供給源８、ＣＰＵ
９、及び高圧空気供給経路６ａ、６ｂ、６ｃによって、
吸気バルブ制御装置が構成される。

【０００９】図３に、エンジン１の性能を表す特性線図
を示す。同図中、横軸はエンジン１の回転数を示し、縦
軸はエンジン１の負荷（トルク）を示す。図３におい
て、エンジン１の運転域Ａはエンジン１にかかる負荷が
高くかつ比較的低回転の運転域であり、このような運転
域Ａではエンジン１のシリンダ２内にスワール比の高
い、強いスワール流を発生させることが望ましい。ま
た、図３において、運転域Ｂは運転域Ａ以外の運転域を
示し、この運転域Ｂでは強いスワール流を得るよりも、
吸気ポート３、４からシリンダ２内へ流入する流体の流
入抵抗、すなわち吸気抵抗が低い方が望ましい。

【００１０】そこで、ＣＰＵ９は、エンジン１が高負荷
でかつ比較的低回転の運転域Ａで運転されているときに
は、ヘリカル・ポート３を開放してダイレクショナル・
ポート４を閉鎖するように、制御バルブ７に信号を発す
る。この信号を受けた制御バルブ７は高圧空気供給経路
６ａを介してヘリカル・ポート３の吸気バルブ３ａのバ
ルブ・アクチュエータ１５に高圧空気を供給し、ヘリカ
ル・ポート３のみを開放させる。ヘリカル・ポート３か
ら供給された混合気あるいは空気等の燃焼用流体は、シ
リンダ２内で強いスワール流を形成し、エンジン１の燃
焼効率を向上させる。このとき、ダイレクショナル・ポ
ート４は閉鎖されたままであるから、シリンダ２内への
流体の流入抵抗は大きいが、運転域Ａではエンジン１の
回転数は比較的低いから、この流入抵抗が異常に大きく
なることはない。

【００１１】また、エンジン１が運転域Ａ以外の運転域
Ｂで運転されているときには、ＣＰＵ９はヘリカル・ポ
ート３とダイレクショナル・ポート４を共に開放させる
ように、制御バルブ７に信号を発する。この信号を受け
た制御バルブ７は、高圧空気供給経路６ａ、６ｂを介し
て、両吸気バルブ３ａ、４ａのバルブ・アクチュエータ
１５、１５にそれぞれ高圧空気を供給し、ヘリカル・ポ
ート３とダイレクショナル・ポート４を共に開放させ
る。混合気や燃焼用空気等の流体を両方のポート３、４
から同時にシリンダ２内へ流入させる場合には、ヘリカ
ル・ポート３のみからシリンダ２内へ流入させる場合に
比較して、ポート３、４の開口面積が大きくなるから、
シリンダ２内へ流入する流体の流入抵抗は遥かに小さ
い。これにより、エンジン１は運転域Ｂに適合した運転
状態で運転される。

【００１２】図４ないし図９は、バルブ・アクチュエー
タ１５が種々の作動状態にあるときの縦断面図である。
バルブ・アクチュエータ１５は上下方向に対象であり、
下側の部材に対応する上側の部材は、下側の部材と同一
参照番号に添字ａを付して示している。

【００１３】図４に示すように、バルブ・アクチュエー
タ１５は出力軸３１を有し、この一端に吸気バルブ３
ａ、４ａが固定されている。また、バルブ・アクチュエ
ータ１５はそのハウジング３９内に、Ｏリング４３を装
備した低質量のメインピストン３３、エアバルブ３５、
３５ａを有している。エアバルブ３５、３５ａはそれぞ
れ一定の位置で永久磁石４１、４１ａによって係止され
ると共に、制御装置 によってコイル４５、４５ａがパ
ルス励起されることによってそれぞれの位置から移動す
る。エアバルブ３５、３５ａはそれぞれ延出した中空の
バルブ軸３７、３７ａを有する環状ボディを有してい
る。エアバルブ３５、３５ａはバルブ・アクチュエータ
１５の作動中に種々の開閉作用を行うためにメイン・ピ
ストン３３及びハウジング３９と協働するようになって
いる。ハウジング３９は、図示しないポンプによって、
例えば１００ｐｓｉゲージ圧程度に加圧される高圧キャ
ビティ５９、５９ａと、大気に開放される低圧キャビテ
ィ６１、６１ａを有している。

【００１４】図４は、メイン・ピストン３３が下端位置
にあり、エアバルブ３５が閉じた初期状態を示してい
る。この状態では、エアバルブ３５の環状リング４９は
ハウジング３９の環状溝の中にあり、Ｏリング５１に接
触してシールしている。これにより、キャビティ５９の
中の圧縮空気を閉じ込めており、メイン・ピストン３３
に力を及ぼすことを阻止している。この位置において、
メイン・ピストン３３はキャビティ６４ａ内の圧縮空気
の力で下側に押さえ付けられている。この圧縮空気の圧
力はキャビティ６１ａのものより大きい。キャビティ６
１ａは、図４で、エアバルブ３５ａ内で孔４２ａに平行
でボディ５２、５２ａ内で通路７１と平行な環状の通路
３６ａを介して凹みを有するボディ５２の表面３４と連
通している。環状の通路３６、３６ａはエアバルブ３
５、３５ａがそれぞれ閉位置にあるときに形成され、エ
アバルブ３５、３５ａがそれぞれ開位置にあるときに閉
じられる。凹みを有するボディ５２、５２ａはメイン・
ピストン３３に取り付けられ、これと一体になってい
る。浅い凹み４６及び４６ａ、５４及び５４ａがボディ
５２、５２ａにそれぞれ形成されている。メイン・ピス
トン３３が下端にあるときには、メイン・ピストン３３
の面６２はバルブポート５３、孔４２、通路３６を介し
て低圧キャビティ６１と連通している。

【００１５】図５において、往復動するエアバルブ３５
は下に向かって例えば１．５ｍｍ移動し、一方メイン・
ピストン３３は未だ動いていない状態であるが、そこで
高圧の空気がキャビティ５９からボディ５２の周りに円
周方向に当間隔で設けられた四つの浅い凹み５４を通っ
て駆動力をメイン・ピストン３３の下面６２に加える。
永久磁石４１による接極子４０の拘束力を一時的に弱め
又は無力化するコイル４５に電気パルスを与えることに
よってエアバルブ３５が開かれる。この接極子４０はバ
ルブ軸３７の端部に固定されている。拘束力が一時的に
無力化されると、エアバルブ３５の第一環状面６９に応
答した圧力が作用するキャビティ５９中の空気圧がエア
バルブ３５を開かせる。エアバルブ３５の下側への移動
に伴って環状ショルダー４４によって第二環状面３８と
ハウジング壁４７との間に形成されるキャビティ５７と
キャビティ（低圧空気排出口）６１との間の連通がエア
バルブ３５のリング４９を介して達成され、メイン・ピ
ストン３３を上方向に動かす力が作用する。

【００１６】エアバルブ３５の環状ショルダー６３が凹
み５４の端に係合して初めてリング４９はハウジング３
９の環状溝の中から離れて凹み５４、キャビティ６４に
キャビティ５９の圧力をフルに伝える（図６参照）。

【００１７】図６はエアバルブ３５がほぼ全開の約２．
８ｍｍ開いた状態で且つメイン・ピストン３３が上に向
かって約３．５ｍｍ動いた状態を示す。図５で高圧空気
がキャビティ５７とメイン・ピストン３３の面６２に供
給され、上側に動かし始めた所を示した。このキャビテ
ィ６４への高圧空気の供給は凹み５４の端がハウジング
３９の環状のショルダー７５を通過すると止められる。
しかし、メイン・ピストン３３はキャビティ６４内の高
圧空気の力で上方向に動き続ける。エアバルブ３５の周
囲には複数の孔４２がある。エアバルブ３５とメイン・
ピストン３３の軸方向の相対運動によってエアバルブ３
５の環状ショルダー６５がキャビティ５９とキャビティ
５７を凹み４６と孔４２を介して連通させると、面３８
に作用する高圧力によりエアバルブ３５に閉じる方向
（上方向）の力が作用する。エアバルブ３５、３５ａの
内側の環状面４８、４８ａはそれぞれエアバルブの作動
中ずっと低圧の大気圧である。

【００１８】図７ではメイン・ピストン３３は約６．１
ｍｍ動き且つ図７で上方向に更に動き続ける。エアバル
ブはまだ２．８ｍｍの位置であり、最も下の全開位置に
ある。ショルダー６５は協働する凹み４６の端から完全
に離れ、キャビティ５９から高圧空気をシール面４７を
通りキャビティ５７に導き、面３８に圧力を作用させ
る。エアバルブ３５は、環状面６９とこれに連なる面に
作用する圧縮空気のため、この位置に短い時間止まろう
とするが、面３８の面積は面６９の面より大きいので、
エアバルブ３５はエアバルブ３５を閉じる方向（上方
向）に力を受ける。これは開位置（下端）からエアバル
ブを戻すのに必要とされる力を大幅に減少させるので、
接極子４０上の永久磁石４１に要求される磁力が大幅に
減少する。キャビティ５９の高圧空気を凹み５４の後ろ
に位置する凹み４６を通して放出することにより、面３
８の圧力はメイン・ピストン３３が十分に進行して且つ
エアバルブ３５がまだ閉まり切る前まで遅れる。

【００１９】このバルブ・アクチュエータ１５の特徴
は、軸方向に平行な通路７１がボディ５２、５２ａとメ
イン・ピストン３３に存在することである。これらは円
周方向に間隔を開けて配置され、エアバルブ３５、３５
ａとメイン・ピストン３３の作動中も常にキャビティ５
０、５０ａ内の圧力を均等化している。これは、少なく
ともキャビティ５０、５０ａの何れか一つが低圧キャビ
ティ６１、６１ａと流体的な連通を保っているからであ
る。これは、常に面４８、４８ａを低圧に保つ効率のよ
い方法である。したがって、キャビティ５７、５７ａ、
エアバルブ３５、３５ａに高い圧力が作用すると、空気
力により効率良く閉まるのである。

【００２０】図８において、エアバルブ３５はその閉位
置から約２．０ｍｍの位置にあり、面３８に空気力を受
けて閉位置に戻りつつあり、接極子４０に対する磁石４
１の吸引力が接極子４０を磁石ラッチの方へ戻そうとし
ている。図８では、メイン・ピストン３３は約６．１ｍ
ｍ動いている。図９では、メイン・ピストン３３は約
６．１ｍｍ動いている。図９では、エアバルブ３５は閉
位置から約１．５ｍｍであり、メイン・ピストン３３は
約１０ｍｍ動いている。

【００２１】キャビティ６４の中の高圧空気を中間圧力
まで低下させるように、ゲージ圧で４ｐｓｉ程度の中間
圧力が中間ポート６７からキャビティ６４に導入され
る。ポート６７はメイン・ピストン３３の表面６２に作
用していた圧力空気の圧力を排出し、ピストンから加速
力を除く。ポート６７は、また、ピストンの反対側の面
６２ａにも中間圧力を与え、これが閉じ込められ、圧縮
され、第二の位置に接近した時にスピードを落とすよう
に作用する。また、ポート６７は中間圧力をピストンの
この作用面に加え、エアバルブ３５ａが次の開作動を開
始するまでの間、ピストンを一時的に第二の位置に固定
する機能も果たす。

【００２２】図１０は、エアバルブ３５、３５ａが共に
全閉の状態で、且つメイン・ピストン３３が上端に達し
ようとしている状態を示す。キャビティ６４ａ内の高圧
に圧縮された空気は凹み５４ａ、孔４２、キャビティ５
７ａ、及びキャビティ６１を通して大気中に放出され
る。

【００２３】以上、バルブ・アクチュエータ１５の一方
向の動きに関して説明したが、このバルブ・アクチュエ
ータ１５の構造は上下方向に対象であるので、エアバル
ブ３５ａとメイン・ピストン３３の戻りの動きは前述し
た動作を上下逆にしたのと同じであり、その説明は省略
する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のエンジン
のスワール制御装置によれば、エンジンが高負荷でかつ
比較的低回転の運転域で運転されているときには、ヘリ
カル・ポートを開放すると共にダイレクショナル・ポー
トを閉鎖し、これによって高いスワール比のスワールを
得ることができ、また、エンジンが上記運転域以外の運
転域で運転されるときには、ヘリカル・ポートとダイレ
クショナル・ポートを共に開放し、これによってエンジ
ンの吸気抵抗を低くすることができるから、エンジンの
運転域全体に亙って良好な燃焼状態を得ることができ
る。これにより、排ガス中の白煙の減少、燃費の向上、
ＮＯｘの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 エンジンのシリンダに開口する一対の吸気ポ
ートを表す断面図である。

【図２】 図１のIIーII線に沿う断面図である。

【図３】 エンジンの運転領域を表すエンジンの特性線
図である。

【図４】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図５】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図６】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図７】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図８】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図９】 バルブ・アクチュエータの縦断面図である。

【図１０】 バルブ・アクチュエータの縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１…エンジン ２…シリンダ ３…ヘリカル・ポート ４…ダイレクショナル・ポート ３ａ、４ａ…吸気バルブ ７…制御バルブ ８…高圧空気供給源 ９…ＣＰＵ １５…バルブ・アクチュエータ

フロントページの続き (72)発明者 根岸 秀夫 東京都日野市日野台３丁目１番地１ 日野 自動車工業株式会社日野工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘリカル・ポートとダイレクショナル・
   ポートとの二つの吸気ポートと少なくとも一つの排気ポ
   ートを各シリンダに有するエンジンと、前記各吸気ポー
   トにそれぞれ設けられた吸気バルブと、前記吸気バルブ
   を個別に開閉可能なように前記吸気バルブにそれぞれ連
   結されたバルブ・アクチュエータと、前記バルブ・アク
   チュエータに作動流体を供給する作動流体供給源と、前
   記エンジンが高負荷でかつ比較的低回転の運転域で運転
   されているときには、前記ヘリカル・ポートを開放する
   と共に前記ダイレクショナル・ポートを閉鎖するように
   前記バルブ・アクチュエータを制御し、また前記エンジ
   ンが上記運転域以外の運転域で運転されているときに
   は、前記ヘリカル・ポートと前記ダイレクショナル・ポ
   ートとを共に開放するように前記バルブ・アクチュエー
   タを制御する、吸気バルブ制御装置とを有することを特
   徴とする、エンジンのスワール制御装置。
2. 【請求項２】 前記作動流体供給源は高圧空気供給源で
   構成され、前記バルブ・アクチュエータの前記作動流体
   は高圧空気である、請求項１に記載のエンジンのスワー
   ル制御装置。
3. 【請求項３】 前記吸気バルブ制御装置は、前記高圧空
   気供給源と前記バルブ・アクチュエータとの間に介装さ
   れ、かつ前記バルブ・アクチュエータに選択的に高圧空
   気を導入する、制御バルブと、前記エンジンの回転数と
   負荷とをパラメータにして前記エンジンの運転域を判断
   し、かつ前記制御バルブに前記吸気バルブの開閉信号を
   発生する、ＣＰＵとを有する、請求項２に記載のエンジ
   ンのスワール制御装置。