JPH0650057B2 - スワ−ル制御装置 - Google Patents

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ＨＳＰ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(A)(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、中速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(A)(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、１１６
ａ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、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(A)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(B)に示すように開閉弁１
１８を閉成すると、一方のポート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１１６
ａ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(A)に示すように、燃焼室
１１２において単に一つの剛体うず的な旋回流れが生じ
るだけであり、同図(B)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(C)に示すよ
うに吸気が一方のポート１１５ａを導びかれ、仕切板１
１７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(A)(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、
NOx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
順方向スワール流とする主ポートと、同主ポートとは別
に同主ポートの上方から下方向に延び吸気が吸気弁座を
介して燃焼室内に直接導かれるように前記吸気弁座近傍
に接続されるとともに吸気弁と前記吸気弁座との隙間か
ら燃焼室内に流入する際の吸気流の燃焼室軸線に対して
垂直方向の速度成分によって前記燃焼室内で前記順方向
スワール流と反対の逆方向スワール流を形成せしめる副
ポートと、同副ポートを流れる空気量を変えて前記燃焼
室内で前記順方向スワール流と前記逆方向スワール流と
の総和から生成される順方向スワール流のスワール比を
変える弁機構と、エンジンの負荷及び回転数に基づいて
スワール比を選択して弁機構を操作する弁制御系と、前
記弁制御系においてエンジンが高回転時または中回転の
低・中負荷時に低スワール比を選択し、さらに燃料噴射
タイミングを早める制御を行うタイミング制御手段とを
備えたことを特徴とするスワール制御装置に存する。

＜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
示してある。

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、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(A)(B)、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においても主ポー
ト９における吸気方向が燃焼室６中心Ｏ_１回りに作る時
計回り方向(+)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Ｏ_１の回
りに反時計回り方向(-)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(B)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，逆方向別に矢印で示
す。なお、Ｏ_２は吸気弁座７の中心点である。第４図
(A)(B)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(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(A)(B)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１
０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(C)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からの制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１５の作
動の基準となる最適スワールマップＭが記憶されてい
る。このスワールマップＭは、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
ップ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、Ｐmax 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
ある。第１１図及び第１２図において、ａ，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、
エンジンが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、軽負荷ほど
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Ｐmax ，dp/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（排ガスがき
れいとなり）、Ｐmax が低下し（エンジン耐久性が向上
し）、dp/dθも低下し（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ップ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ップ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３．３）、低スワール比領域（例えばスワール
比２．０）としてある。

上記マップに基づき、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。

ところで、第１１図からわかるように、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
らわかるように、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、NOx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図に示すように、スワール比を
下げることによる燃費の低減(A)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(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(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６図(A)は低スワール状態を説明する
斜視図、同図(B)は同じくスワール状態を説明する斜視
図、同図(C)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１４図(A)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(A)(B)は従
来の可変スワールポートの平面概略図、第１６図(A)は
その概略斜視図、同図(B)は噴霧状態の説明図、同図(C)
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は最適スワールマップである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小室 秀一 東京都大田区下丸子４丁目21番１号 三菱 自動車工業株式会社東京自動車製作所丸子 工場内 (56)参考文献 特開 昭56−50226（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−132145（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−126132（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭57−19292（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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順方向スワール流とする主ポー
   トと、同主ポートとは別に同主ポートの上方から下方向
   に延び吸気が吸気弁座を介して燃焼室内に直接導かれる
   ように前記吸気弁座近傍に接続されるとともに吸気弁と
   前記吸気弁座との隙間から燃焼室内に流入する際の吸気
   流の燃焼室軸線に対して垂直方向の速度成分によって前
   記燃焼室内で前記順方向スワール流と反対の逆方向スワ
   ール流を形成せしめる副ポートと、同副ポートを流れる
   空気量を変えて前記燃焼室内で前記順方向スワール流と
   前記逆方向スワール流との総和から生成される順方向ス
   ワール流のスワール比を変える弁機構と、エンジンの負
   荷及び回転数に基づいてスワール比を選択して弁機構を
   操作する弁制御系と、前記弁制御系においてエンジンが
   高回転時または中回転の低・中負荷時に低スワール比を
   選択し、さらに燃料噴射タイミングを早める制御を行う
   タイミング制御手段とを備えたことを特徴とするスワー
   ル制御装置。