JPH081131B2

JPH081131B2 - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JPH081131B2
Application number: JP62098572A
Authority: JP
Inventors: 淳一横山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-04-23
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1996-01-10
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: JPS63266122A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、制御弁を設けることにより吸気流動を制
御し、燃焼を改善させる内燃機関の吸気装置の提供を目
的とする。

［従来の技術］一般に、内燃機関では機関の低負荷域では燃焼室内に
強力なスワールを生成させて吸気乱れを起こし、燃焼効
率を向上させる一方、高負荷域側ではスワールを抑えて
吸気充填効率を高め、出力の向上を図る必要がある。

このため、従来では絞り弁下流の吸気通路に切欠部を
有するスワール制御弁を設け、この制御弁を低負荷域に
全閉として切欠部から吸気を導入して強力なスワールを
生成させる一方、高負荷域に制御弁を全開にして充填効
率の向上を図るものが提案されている。

例えば、特開昭61−112732号公報では、切欠部を備え
た制御弁の全閉時において、機関の冷機時には切欠部を
吸気ポートの下壁側に位置させて点火プラグへの燃焼の
付着による所謂かぶりを防止する一方、暖機時にはこの
状態から制御弁を反転させて全閉とし、切欠部を吸気ポ
ートの上壁側に位置させてより強力なスワールを生成さ
せるようにしている。

上述した冷機時及び暖機時何れの状態においても、制
御弁は吸気に対し垂直ではなく傾斜しており、冷機時に
は吸気弁側に前傾しかつ切欠部は吸気ポートの下壁側に
位置し、一方暖機時には吸気弁に対し後傾した状態でか
つ切欠部は吸気ポートの上壁側に位置している。

［発明が解決しようとする問題点］上述した従来の吸気装置は、制御弁の全閉時での吸気
ポートに対する傾斜についてはスワールの点から特に考
慮しておらず、また切欠部の制御弁周方向位置について
も特に考慮はなされていないので、適正な吸気流動が得
にくく安定した燃焼が得られていないというが実情であ
る。

この発明は上記のような実情に鑑み創案されたもの
で、適正な吸気流動が得られ、燃焼を安定化させた吸気
装置の提供を目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記問題点を解決するためにこの発明は、切欠部を有
し制御弁軸の回転により吸気通路を開閉する制御弁を、
絞り弁下流の前記吸気通路に設け、前記制御弁をその全
閉時に前記吸気通路の中心線と垂直な面に対し吸気弁側
に前傾させると共に、吸気ポートの燃焼室側開口部にお
ける吸気ポート側と反対側の２分割部位のうちシリンダ
外周側の略４分割部位の円弧を第１の円弧とする一方、
前記制御弁の外周と前記制御弁軸との２つの交点のうち
シリンダ列方向と垂直なシリンダ中心線より少なくとも
遠い位置にある交点から前記吸気通路の上壁面側の前記
制御弁外周に沿った前記第１の円弧の長さと略等しい第
２の円弧を設定し、前記第２の円弧に対応する前記制御
弁の面積部位上に、前記切欠部を重心位置に設ける構成
とした。

更に、この発明は、前記制御弁下流に、制御弁の切欠
部の面積より小さな面積の切欠部を有し全閉時に吸気通
路の中心線に対し垂直な副制御弁を設ける構成としてあ
る。

［作用］制御弁全閉時に制御弁は吸気通路に対し吸気弁側に前
傾しているので、吸気は制御弁に案内されて前傾側先端
の切欠部より流出した後、吸気通路に沿って滑らかに燃
焼室に流入する。これにより、最適な吸気流動が得ら
れ、安定した燃焼が得られることになる。

［実施例］以下、図面に基づきこの発明の実施例を説明する。

第１図乃至第11図は第１の実施例に係わり、第１図は
吸気装置の平断面図、第３図は同縦断面図である。シリ
ンダヘッド１には吸気ポート３及び排気ポート５がそれ
ぞれ形成され、各ポート3,5には吸気弁7,排気弁９がそ
れぞれ設けられている。吸気ポート３は燃焼室11の上部
の開口部13から上流側に向い徐々に湾曲し、吸気マニホ
ールド15付近でシリンダ中心軸線17に対し略直交する部
位19を形成している。この部位19に、切欠部21を有する
スワール制御弁23が制御弁軸25に支持された状態で、吸
気ポート３を開閉可能に設けられている。吸気マニホー
ルド15とシリンダヘッド１の吸気ポート３とで吸気通路
14を形成している。なお符号22は点火栓である。

上記スワール制御弁23は、全閉時に吸気通路14の中心
線28と垂直な面30に対し吸気弁７側にα゜前傾させてあ
る。また、吸気ポート３の燃焼室11側開口部13における
吸気ポート３側と反対側の半円形状の２分割部位のう
ち、シリンダ外周側の略４分割部位29の第１の円弧の長
さをl₁とする一方、スワール制御弁23の外周と制御弁軸
25の中心軸線26との交点A,Bのうちシリンダ列方向（第
１図中で上下方向）と垂直なシリンダ中心線18より遠い
交点Ａから、吸気通路14の上壁面16側のスワール制御弁
23外周に沿って、前記第１の円弧の長さl₁と略等しくな
る点を点Ｃとして、交点Ａと点Ｃとによって形成される
第２の円弧に対応する第２図に示すスワール制御弁23の
面積部位31上に切欠部21の重心位置を設けている。

即ち、４分割部位29の第１の円弧の長さl₁と、面積部
位31の円弧長さl₂と、スワール制御弁23の点Ａと点Ｃに
よって形成される第２の円弧の長さl₃とは、互いに略等
しいものとなっている。

尚、27は、４分割部位29の吸気ポート３側と最も遠い
反対側における部位と面積部位31上の点Ｃを結んだ線を
示す。

第４図乃至第７図に切欠部21の具体例を示す。それぞ
れの切欠部21の重心をＧで示す。この重心Ｇは何れも面
積部位31上に位置している。

このように構成することにより、スワール制御弁23の
全閉時吸気弁７が開くと、吸気マニホールド15を流れて
来る吸気はスワール制御弁23の切欠部21を通り、燃焼室
11側に流れる。このとき、スワール制御弁23は吸気弁７
側にα゜だけ前傾しているため、吸気ポート３の下壁側
の吸気はスワール制御弁23の傾斜に沿って切欠部21の設
けられた上壁面16に向って流れて切欠部21に達し、吸気
ポート３の上壁面16側を流れる吸気と共に切欠部21より
燃焼室11側にスムーズに流出するので、吸気ポート３内
壁に衝突することなく、しかも切欠部21の重心が、前述
したような位置にあるので、切欠部21を通過した吸気の
主流は吸気ポート３に沿って流れた後、吸気ポート３開
口部13の４分割部位29から燃焼室11の最深部に流れ込
む。このため、燃焼室11内にはスワール比の変化が均一
なスワールが生成され、圧縮行程後半までスワールの減
衰を最小限に保つことが可能となり、燃焼行程では火炎
伝播が阻害されることなく安定して進行し、大幅な燃焼
改善が図られ、燃費，エミッション，運転性が大きく向
上する。

そして、全負荷時になるとスワール制御弁23は全開
し、吸気充填効率か向上する。

第８図は、機関回転数Ｎ＝1400rpm,図示平均有効圧力
Pi＝0.31MPa,空燃比A/E＝22.5,点火進角がMBTの条件の
基で、第３図のIX矢視方向からの図に相当する第９図の
スワール制御弁32の傾斜角であるαが０゜,5゜,15゜,30
゜の各状態について、切欠部34の位置（θ゜で表わされ
る）による図示平均有効圧力の変動率を示している。切
欠部34の位置は、水平側の中心線33より上部側をプラス
（＋）とし、下部側をマイナス（−）としてあり、また
垂直側の中心線35より右側（側）にあるときを各傾斜
角何れについても実線で示し、左側（側）にあるとき
を同じく破線で示している。

なお、実験では第９図に示すように、スワール制御弁
32は楕円形状であり、切欠位置θの角度は楕円の長軸
（水平側の中心線33）と交わる制御弁32周縁部から16mm
の位置を中心としてとっている。また、切欠部34は直径
26mmの円により切り取られた円弧状を呈している。更
に、吸気マニホールドの燃焼室側開口部の直径は32mmで
ある。

上述した第８図から明らかなように、図示平均有効圧
力の変動率が低く燃焼が安定するのは、α＝15゜であ
り、しかも傾斜角αの如何に拘らず、切欠部34の位置は
θ＝０゜〜90゜の範囲にあることが条件となる。したが
って、第１の実施例を示す第１図及び第２図に示したよ
うに、切欠部21の重心位置を、吸気ポート３の燃焼室11
側開口部13における吸気ポート３側と反対側の半円形状
の２分割部位のうち、シリンダ外周側の略４分割部位29
の第１の円弧の長さをl₁とする一方、スワール制御弁23
の外周と制御弁軸25の中心軸線26との交点A,Bのうちシ
リンダ列方向（第１図中で上下方向）と垂直なシリンダ
中心線18より遠い交点Ａから、吸気通路14の上壁面16側
のスワール制御弁23外周に沿って、前記第１の円弧の長
さl₁と略等しくなる点を点Ｃとして、交点Ａと点Ｃとに
よって形成される円弧に対応する第２図に示すスワール
制御弁23の面積部位31上に設けることにより、切欠部21
は実験による第９図中の水平側の中心線33より上側かつ
垂直側の中心線35より右側のθ＝０゜〜90゜の範囲に位
置することになり、安定した燃焼が得られることにな
る。

第10図は、機関回転数Ｎ＝1400rpm、図示平均有効圧
力Pi＝0.31MPa,点火進角がMBTの条件の基に、空燃比A/F
の変化による図示燃費及び図示平均有効圧力の変動率
を、第９図のスワール制御弁32の傾斜角α＝15゜で切欠
部34の位置θ＝60゜のとき（実線図示）と、α＝０゜で
α＝60゜のとき（一点鎖線図示）と、α＝15゜でθ＝−
20゜のとき（破線図示）との３通りについて示してあ
る。上記第10図によっても、前述した第８図の結果同
様、スワール制御弁32は15゜前傾させ、かつ切欠部34の
位置はθ＝60゜すなわち第１の実施例である第１図及び
第２図に示した位置がよく、このとき安定度、燃費共に
大きく改善されることになる。

なお、上述した第８図及び第10図のデータは、スワー
ル制御弁32と吸気ポート壁との隙間は一定で実験を行な
っており、低負荷時スワール制御弁を直立状態で、吸気
ポートとの隙間を一定にし、負荷増大に伴ってスワール
制御弁の開度を増すシステムでは吸気ポートとの隙間が
大きくなってしまい、方向性のある均一なスワールを得
ることができず、安定した燃焼が得られないということ
がわかった。

第11図は、機関回転数Ｎ＝1400rpm,充填効率ηｃ＝40
％の条件の基に、レーザドップラ流速計で燃焼室内のガ
ス流動特性をα＝15゜でθ＝60゜のときと、α＝０゜で
θ＝60゜のときと、α＝15゜でθ＝−20゜のときとの３
通りについて示したものである。なお、図中で実線は吸
気開き始めの上死点前60゜（BTDC），一点鎖線は同30゜
（BTDC），破線は同０゜（BTDC）を示す。上記第11図に
よっても、やはり第10図と同様α＝15゜でθ＝60゜の条
件が良く、他の条件に見られる圧縮行程での流線の交わ
りもなく、点火時期から初期燃焼機関にかけて均一なス
ワール比が得らる。

第12図及び第13図は第２の実施例を示す。この実施例
は第１の実施例の変形であり、吸気弁７が２つある例
で、吸気ポート形状をサイアミーズ型として燃焼室11へ
の吸気ポート3a,3bの開口部13a,13bを形成させたもので
ある。この場合も、スワール制御弁23は第１の実施例と
同様に前傾しており、切欠部21の重心位置も第１の実施
例と同様に、吸気ポート３の燃焼室11側開口部13aにお
ける吸気ポート３側と反対側の半円形状の２分割部位の
うち、シリンダ外周側の略４分割部位29aの第１の円弧
の長さをl₁とする一方、スワール制御弁23の外周と制御
弁軸25の中心軸線26との交点A,Bのうち、シリンダ列方
向（第１図中で上下方向）と垂直なシリンダ中心線18よ
り遠い交点Ａから、吸気通路14の上鬼面16側のスワール
制御弁23外周に沿って、前記第１の円弧の長さl₁と略等
しくなる点を点Ｃとして、交点Ａと点Ｃとによって形成
される第２の円弧に対応するスワール制御弁23の面積部
位31上に設けてあるので、スワール制御弁23全閉時には
吸気は切欠部21を通り、第１の実施例と同様な均一なス
ワールが得られ、大幅な燃焼改善が図られる。

そして、全負荷時になるとスワール制御弁23は全開と
なり、吸気は２つの吸気ポート3a,3bを経て燃焼室11に
流入するため、吸気充填効率はより一層向上する。

なお、上記第２の実施例では、切欠部21を図中で下側
の吸気ポート3b側に設けてもよい。これを破線で示す。
この切欠部21の重心位置は、開口部13aの４分割部位29a
と、図中で上下方向の対称位置に相当する開口部13bの
４分割部位29bにおける前述の対応部位にあることは言
うでもない。また、サイアミーズ型でなくデュアルポー
ト型としてもよく、この場合もどちらか一方の吸気ポー
トに、所定位置に切欠部を形成したスワール制御弁を設
ければよい。更に、第２の実施例では排気弁が２つある
機関に適用してもよい。また、第1,第２の各実施例共、
スワール制御弁23を吸気マニホールド15に設けてもよ
い。

第14図及び第15図は第３の実施例を示す。この実施例
は、前述した第1,2の各実施例と同様の切欠部21を備え
たスワール制御弁23を吸気マニホールド15に設けると共
に、その下流のシリンダヘッド１内吸気ポート３に、弁
軸37に固定された切欠部39を有する副制御弁41を回動可
能に設けたものである。スワール制御弁23は第１の実施
例と同様にα゜前傾しており、切欠部21の重心位置も第
１の実施例と同様な位置に設けられている。一方、副制
御弁41はその全閉時に傾斜しておらず、吸気通路14の中
心線28に対し略垂直となっている。副制御弁41の切欠部
39はスワール制御弁23の切欠部21、吸気ポート３の開口
部13の４分割部位29とを結ぶ通路上にあり、その面積は
スワール制御弁23の切欠部21面の面積より小さく形成し
てある。

この場合、アイドリングを含む極低負荷域にはスワー
ル制御弁23及び副制御弁41共に全閉であり、このとき副
制御弁41は吸気ポート３に対し垂直となっている。一
方、第16図に示すように、機関回転数Ｎ＝700rpm,図示
平均有効圧力Pi＝0.08MPa,空燃比A/F＝15というアイド
リングを含む極低負荷域条件下（実験装置は第８図乃至
第11図のときと同じもの）では、第９図のスワール制御
弁の傾斜角αが大きくなるに従い切欠部の位置に拘ら
す、図示平均有効圧力の変動率が高くなっている。な
お、ここでは切欠部が第９図の垂直側の中心線35の右側
（側）にあるときのデータを示しているが、これと反
対側（側）も同様の傾向を示している。これはガス流
動測定の結果、制御弁直立状態（α＝０゜）では吸気ポ
ート内流線が吸気ポート壁に衝突する格好で乱され、燃
焼室内のガス流動の乱れも増大し、燃焼改善されている
理由による。

したがって、前述したように、極低負荷域に燃焼室11
側の副制御弁41を直立状態とすることにより、吸気マニ
ホールド５の上流から流入する吸気は、まず第１の実施
例と同様にしてスワール制御弁23の切欠部21を通過し、
その後直立状態（α＝０゜）の副制御弁41の切欠部39に
向って流れ燃焼室11側に流出する。このとき、副制御弁
41の切欠部39はスワール制御弁23の切欠部21より面積が
小さく、しかも副制御弁41は直立状態であるため、切欠
部39から流出した吸気は前述したように吸気ポート３内
壁に一部衝突しながら強い乱れを生じ、開口部13より燃
焼室11に流入する。この結果、燃焼室11内のガス流動の
乱れ及びサイクル変動は増大し、燃焼速度は速くなり大
幅な燃焼改善が図れる。

次に、負荷が増大し部分負荷域に達すると、副制御弁
41のみが開き、吸気はスワール制御弁23の切欠部21を通
って吸気ポート３に流出する。その後の吸気の流れは第
１の実施例と略同様であり、したがって、この場合は部
分負荷域に適合した乱れが少なくサイクル変動の小さい
均一なスワールが生成され、大幅な燃焼改善が図られ
る。

そして、全負荷域にはスワール制御弁23及び副制御弁
41共に全開となり、吸気充填効率が向上する。

以上によりこの実施例では、制御弁を２つ設けること
により負荷状態に対応したより細かなスワール制御が可
能となる。

第17図及び第18図は第４の実施例を示す。この実施例
は第３の実施例の変形で第２の実施例と同様に吸気弁が
２つある例で、吸気ポート形状をサイアミーズ型として
燃焼室11への吸気ポート3a,3bの開口部13a,13bを形成さ
せたものである。この場合も、スワール制御弁23は第３
の実施例と同様に前傾しており、切欠部21の重心位置も
第２の実施例と同様である。一方、副制御弁41も第３の
実施例と同様に全閉時には傾斜しておらず、その切欠部
39の面積もスワール制御弁23の切欠部21の面瀬より小さ
いものとなっている。

したがって、このように構成された吸気装置でも、第
３の実施例と同様に極低負荷域及び部分負荷域で大幅な
燃焼改善が図れる。また、この場合全負荷域にはスワー
ル制御弁23及び副制御弁41共に全開し、吸気は２つの吸
気ポート3a,3bを通るので、吸気充填率がより向上す
る。

なお、上記第４の実施例は、スワール制御弁23及び副
制御弁41の各切欠部21,39を図中で下側の吸気ポート3b
側に設けてもよく、また吸気ポート形状が独立したデュ
アルポート型であってもよく、更に排気弁が２つある機
関に適用してもよい。

第19図乃至第21図はそれぞれ第５乃至第７の実施例を
示しているが、これらは何れも吸気ポート３の燃焼室側
開口部13の径とスワール制御弁23の径とが略同一に形成
されている。したがって第５乃至第７の各実施例共、第
19図及び第20図のような吸気装置の平断面図において、
吸気通路14の中心線28と、４分割部位29の吸気ポート３
側と最も遠い反対側における部位と点Ｃとを結んだ線27
とは重なっている。

第19図に示す第５の実施例は、吸気ポート３と排気ポ
ート５とが燃焼室11に対し互いに対向する方向に延長さ
れ、かつ両者はシリンダ列方向に垂直なシリンダ中心線
18上に位置している。したがって、この場合制御弁軸25
の中心軸線26とスワール制御弁23の外周との交点A,B
は、シリンダ中心線18から互いに略等しい距離に位置す
る。このため、燃焼室側開口部13における吸気ポート３
側と反対側の２分割部位のうち、シリンダ外周側の略４
分割部位29は２個所となり、切欠部21も各４分割部位29
に対応して２つ形成される。

第20図に示す第６の実施例は吸気ポート３と排気ポー
ト５とが同方向に延長され、かつ各ポート3,5の燃焼室
側開口部13がシリンダ列方向に配設された所謂カウンタ
フロー式の機関にこの考案を適用したものを示す。

第21図に示す第７の実施例は、吸気ポート３と吸気マ
ニホールド15との接合部付近の吸気通路14を傾斜させ、
斜め上方より吸気を導入するようにした機関にこの考案
を適用したものを示す。

上記第５乃至第７の各実施例共、スワール制御弁23の
全閉時には吸気は切欠部21を通って燃焼室11側にスムー
ズに流出し、第１の実施例と同様の効果が得られる。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、（１）吸気ポートの
燃焼室側開口部における吸気ポート側と反対側の２分割
部位のうちシリンダ外周側の略４分割部位の円弧を第１
の円弧とし、制御弁の外周と制御弁軸との交点のうちシ
リンダ列方向と垂直なシリンダ中心線より少なくとも遠
い交点から吸気通路の上壁面側の制御弁外周に沿った前
記第１の円弧の流さと略等しい第２の円弧を設定し、前
記第２の円弧に対応する制御弁の面積部位上に制御弁の
切欠部の重心位置を設けたため、均一なスワールが圧縮
行程後半まで殆んど減衰させることなく維持され、火炎
伝播は安定して進行し、大幅な燃焼改善が図られ、燃
費，エミッション，運転性を大きく向上させることがで
きる。また、（２）前記制御弁の下流に、制御弁の切欠
部の面積より小さな面積の切欠部を有し、全閉時に吸気
通路の中心線に対し垂直な副制御弁を設けたため、低負
荷域には吸気乱れの発生により、また部分負荷域には副
制御弁が開きサイクル変動の少ない均一なスワールによ
り、共に大幅な燃焼改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第11図はこの発明の第１の実施例に係わり、
第１図は吸気装置の平断面図、第２図は第１図のII矢視
図、第３図は吸気装置の縦断面図、第４図乃至第７図は
制御弁の切欠部の具体例を示す説明図、第８図は切欠部
の位置による部分負荷域での図示平均有効圧力の変動率
を示す説明図、第９図は第３図IXの矢方向からの図に相
当する実験装置の説明図、第10図は空燃比による図示燃
費率及び図示平均有効圧力の変動率を示す説明図、第11
図はレーザドップラ流速計によるガス流動特性図、第12
図は第２の実施例の吸気装置の平断面図、第13図は第２
の実施例の同縦断面図、第14図は第３の実施例の吸気装
置の平断面図、第15図は第３の実施例の同縦断面図、第
16図は切欠部の位置による低負荷域での図示平均有効圧
力の変動率を示す説明図、第17図は第４の実施例の吸気
装置の平断面図、第18図は第４の実施例の同縦断面図、
第19図は第５の実施例の同平断面図、第20図は第６の実
施例の同平断面図、第21図は第７の実施例の縦断面図で
ある。３……吸気ポート、７……吸気弁 11……燃焼室、13……開口部 14……吸気通路、16……上壁面 18……シリンダ中心線、21……切欠部 23……スワール制御弁、25……制御弁軸 28……吸気通路の中心線、29……４分割部位 30……垂直な面、31……面積部位 l₁……第１の円弧の長さ l₃……第２の円弧の長さ、A,B……交点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切欠部を有し制御弁軸の回転により吸気通
路を開閉する制御弁を、絞り弁下流の前記吸気通路に設
け、前記制御弁をその全閉時に前記吸気通路の中心線と
垂直な面に対し吸気弁側に前傾させると共に、吸気ポー
トの燃焼室側開口部における吸気ポート側と反対側の２
分割部位のうちシリンダ外周側の略４分割部位の円弧を
第１の円弧とする一方、前記制御弁の外周と前記制御弁
軸との２つの交点のうちシリンダ列方向と垂直なシリン
ダ中心線より少なくとも遠い位置にある交点から前記吸
気通路の上壁面側の前記制御弁外周に沿った前記第１の
円弧の長さと略等しい第２の円弧を設定し、前記第２の
円弧に対応する前記制御弁の面積部位上に、前記切欠部
の重心位置を設けたことを特徴とする内燃機関の吸気装
置。
【請求項２】前記制御弁下流に、制御弁の切欠部の面積
より小さな面積の切欠部を有し前閉時に吸気通路の中心
線に対し垂直な副制御弁を設けたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の内燃機関の吸気装置。