JPS5828525A - ヘリカル型吸気ポ−トの流路制御装置 - 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】 本発明はヘリカル型吸気−一部の流路制御装置に関する
。

ヘリカル型吸気？−トは通常吸気弁間りに形成された渦
巻部と、この渦巻部に接線状に接続されかつほぼまりす
ぐに延びる入口通路部とにより構成される。このような
ヘリカル型吸気−一部を用いて吸入空気量の少ない機関
低速低負荷運転時に機関燃焼室内に強力な旋回流を発生
せしめようとすると吸気ポート形状が流れ抵抗の大きな
形状になりてしまりので吸入空気量の多い機関高速高負
荷運転時に充填効率が低下するという問題がある。

このような問題を解決するためにヘリカル型吸気ポート
入口通路部から分岐されてヘリカル型吸気テート渦巻部
の渦巻終端部に連通する分岐路をシリンダへ、部内に形
成し、分岐路内にアクチュエータによって作動される常
時閉鎖型開閉弁を設けて機関吸入空気量が所定量よりも
大きくなったときにアクチ、二一タを作動させて開閉弁
を開弁するようにし・たヘリカル型吸気ポート流路制御
装置が本出願人により既に提案されている。このヘリカ
ル型吸気ポートでは機関吸入空気量の多い機関高速高負
荷運転時にヘリカル型吸気ポート入口通路部内に送り込
まれた吸入空気の一部が分岐路を介してヘリカル！！！
！吸気／−）渦巻部内に送り込まれるために吸入空気流
に対する流れ抵抗が低下し、斯くして高い充填効率を得
ることができる。しかしながらこの流路制御装置は基本
作動原理を示しているにすぎず、従って高い充填効率を
確保しつつ機関燃焼室内に最適な旋回流を発生せしめる
には機関吸気系の構造に関連して分岐路を最適に配置し
なければならない。

本発明は高い充填効率を確保しつつ機関燃焼室内に最適
な旋回流を発生せしめることのできる流路制御装置を提
供することにある。

以下、添附図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図並びに第２図を参照すると、１はシリンダプロ、
り、２はシリンダブロック１内で往復動するピストン、
３はシリンダグ口、り１上に固定され次シリンダへ、ド
、４はピストン２とシリンダへ、ド３間に形成された燃
焼室、５は吸気弁、６はシリンダヘッド３内に形成され
たヘリカル型吸気ポート、７は排気弁、８はシリンダへ
、ド３内に形成された排気テートを夫々示す。なお、図
には示さないが燃焼室４内に点火栓が配置される。

第３図並びに第４図に第２図のヘリカル型吸気／−）６
の形状を図解的に示す。このヘリカル型吸気ポート６は
第４図に示されるように流路軸線ａがわずかに彎曲した
入口通路部Ａと、吸気弁５の弁軸周りに形成された渦巻
部Ｂとによシ構成され、入口通路部Ａは渦巻部Ｂに接線
状に接続される。第３図、第４図並びに第７図に示され
るように入口通路部Ａの渦巻軸線すに近い側の側壁面９
の上方側壁面９＆は下方を向いた傾斜面に形成され、こ
の傾斜面９ａの巾は渦巻部Ｂに近づくに従って広くなり
、入口通路部人と渦巻部Ｂとの接続部においては第７図
に示されるように側壁面９の全体が下方に向いた傾斜面
９ａに形成される。側壁面９の上半分は吸気弁ガイド１
０（第２図）周りの吸気ポート上壁面上に、形成された
円筒状突起１１０周壁面に滑らかに接続され、−実測壁
面９の下半分は渦巻部Ｂの渦巻終端部Ｃにおいて渦巻部
Ｂの側壁面１２に接続される。なお、渦巻部Ｂの上壁面
１３は渦巻終端部Ｃにおいて下向きの急傾斜壁ＤＫ接続
される。

一方、第１図から第５図に示されるようにシリンダヘッ
ド３内には入口通路部人から分岐された矩形断面を有す
る分岐路１４が形成され、この分岐路１４は渦巻終端部
Ｃに接続される。分岐路１４の入口開口１５は入口通路
部Ａの入口開口近傍において入口通路部上壁面近傍の側
壁面９上に形成され、分岐路１４の出口開口１６は渦巻
終端部Ｃにおいて側壁面１２の上端部に形成される。

この分岐路１４内には分岐路１４の流通面積を制御する
スライド弁１７が摺動可能に挿入される。

スライド弁１７の上端部には弁口、ド１８が一体形成さ
れ、この弁口、ド１８の上端部はシリンダへ、ド３内に
嵌着された案内スリーブ１９を貫通して上方に突出する
。一方、シリンダヘッド３には図示しない軸受を介して
アームロッド２０が回動可能に取付けられ、このアーム
ロッド２０上には各気筒のスライド弁１７に対して夫々
設けられたアーム２１が固着される。これらの各アーム
２１の先端部は夫々対応する弁ロッド１８の頭部にビＩ
、トピン２２を介して枢着される。情た、アームロッド
２０には別のアーム２３が固着され、このアーム２３の
先端部は負圧ダイアフラム装置３０のダイアフラム３１
に固着された制御ロッド３２に連結される。第２図に示
されるように吸気ポート６０入口開口には吸気管２４が
接続され、この吸気管２４は各気筒に共通のサージタン
ク２５並びに図示しないエアフローメータを介して大気
に連通ずる。各吸気管２４のシリンダヘッド接合部には
夫々燃料噴射弁２６が取付けられ、これらの燃料噴射弁
２６から各吸気／−）６内に燃料が噴射される。第２図
に示されるように吸気管２４線吸気？−トロの入口通路
部Ａの入口開口ｉ−ら下方に延び、次いで再び上方に向
きを変えてサージタンク２５に接続される下方に垂れた
彎曲形状を有する。最近の自動車では車高を低く、従っ
てエンジンフードを低くする傾向にあり、従ってサージ
タンク２５の取付は位置を下げなければならないがその
ような場合でも吸気慣性を利用して低速トルクを向上す
るために吸気管２４はある程度の長さが必要であり、斯
くして吸気管２４は第２図に示すように彎曲構造になっ
てしまう。

一方、再び第１０図を参照すると、負圧ダイアフラム装
置３０はダイアフラム３１により隔離された負圧室３４
と大気圧室３３を具備し、負圧室３４内にはダイアフラ
ム押圧用圧縮ばね３５が挿入される。この負圧室３４は
負圧導管３６並びに電磁制御弁３７を介して負圧アキ、
ムレータ２９に接続される。電磁制御弁３７は弁室３８
と、負圧アキュムレータ２９に連通する負圧ポート３９
と、大気に連通ずる大気／　−）　４０と、負圧−−ト
３９並びに大気／−）４０の開閉制御をする弁体４１と
、弁体４１に連結された可動グランジャ４２と、可動グ
ランジャ吸引用のソレノイド４３とを具備し、このソレ
ノイド４３は電子制御ユニ、ト５０の出力端子に接続さ
れる。一方、負圧アキュムレータ２９は負圧アキュムレ
ータ２９がら吸気管２４に向けてのみ流通可能な逆止弁
４５を介して吸気管２４内に接続される。逆止弁４５は
吸気管２４内の負圧が負圧アキュムレータ２９内の負圧
よシも大きくなると開弁し、吸気管２４内の負圧が負圧
アキ、ムレータ２９内の負圧よｐも小さくなると閉弁す
るので負圧アキュムレータ２９内の負圧は吸気管２４内
に発生した最大負圧に維持される。一方、吸気管２４に
は吸気管２４の負圧を検出するための負圧センサ４６が
取付けられ、との負圧センサ４６は電子制御ユニット５
０の入力端子に接続される。また、アームロッド２０に
はスライド弁１７の開口面積を検出するための４テンシ
、メータ４７が取付けられる。このデテンシ、メータ４
７はアームロッド２０に連結されてアームロッド２０と
共に回転する摺動子４７ｍと、固定抵抗４７ｂとによシ
構成され、摺動子４７ｍは固定抵抗４７ｂ上を接触しつ
つ摺動する。従って摺動子４７ｍにはスライド弁１７の
開口面積に比例した電圧が発生する。この摺動子４７ｍ
は電子制御ユニ、）５０の入力端子に接続される。一方
、機関クランクシャフトの回転数を検出するために回転
数センサ４８が電子制御ユニ、ト５０の入力端子に接続
される。

電子制御ユニット５０はディジタルコンビ、−タからな
シ、各種の演算処理を行なうマイクロプロセッサ（ＭＰ
Ｕ）５１、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５２、制
御プログラム並びに演算定数郷・が予め格納されている
リードオンリメモリ（ＲＯＭ）５３、入力ポート５４並
びに出力ポートｓｇが双方向性パス５６を介して互に接
続されている。更に、電子制御ユニット５０内には各種
のクロ、り信号を発生するクロ、り発生器５７が設けら
れる。

第１０図に示されるように入力ポート５４には夫夫対応
するＡＤ変換器５８．５９を介して負圧センサ４６並び
に？テンショメータ４７が接続され、頁に入力／−）５
４には回転数センサ４８が接続される。負圧センサ４６
は吸気管２４内の負圧に比例した出力電圧を発生し、こ
の電圧がＡＤ変換器５８において対応する２進数に変換
されてこの２進数が入力ポート５４並びにパス５６を介
してＭＰＵ　５１に読み込まれる。一方、ポテンショメ
ータ４７はスライド弁１７の開口面積に比例した出力電
圧を発生し、この電圧がＡＤ変換器５９において対応す
る２進数に変換されてこの２進数が入力ポート５４並び
にパス５６を介してＭＰＵ５１に読み込まれる。また、
回転数センサ４８はクランクシャフトが所定クランク角
度回転する毎にノ臂ルスを発生し、このノ臂ルスが入力
ポート５４並びにパス５６を介してＭＰＵ５１に読み込
まれる。

出力ポート５５は電磁制御弁３７を作動するためのデー
タを出力するために設けられており、この出力ポート５
５には２進数のデータがＭＰＵ　５１からパス５６を介
して書き込まれる。出力／−）５５の各出力端子はダウ
ンカウンタ６０の対応する各入力端子に接続されている
。ダウンカウンタ６０はＭＰＵ　５１から書き込まれた
２進数のデータをそれに対応する時間の長さに変換する
九めに設けられており、このダウンカウンタ６０は出力
ｆ−ト５５から送り込まれたデータのダウンカウントを
クロック発生器５７のクロック信号によって開始し、カ
ウント値が０になるとカウントを完了して出力端子に・
カウント完了信号を発生する。Ｓ−Ｂフリ、プフロ、プ
ロ１のリセット入力端子８はダウンカウンタ６０の出力
端子に接続され、Ｓ−Ｒフリ、プフロップ６１のセット
入力端子Ｓはクロ、り発生器５７に接続される。５−Ｒ
７す。

グフロ、プロ１はクロ、り発生器５７のクロｉり信号に
よりダウンカウント開始と同時にセットされ、ダウンカ
ウント完了時にダウンカウンタ６゜のカウント完了信号
によってリセットされる。従って５−Ｒ７す、ｆフロ、
グ６１の出力端子Ｑはダウンカウントが行なわれている
間高レベルとなる。５−Ｒ７リップフロップ６１の出力
端子、Ｑは電力増巾回路６２を介して電磁制御弁３７に
接続されている。従って電磁制御弁３２のソレノイド４
３はダウンカウントが行なわれている間付勢される。

電磁制御弁３７のソレノイド４３が消勢されているとき
は第１０図に示すように弁体４１が大気／−）４０を開
口すると共に負圧−一部３９を閉鎖するので負圧ダイア
フラム装置３０の負圧室３４内は大気圧となる。このと
きダイアフラム３１は圧縮ばね３５のばね力によシ左端
位置にあるのでスライド弁１７が分岐路１４を閉鎖して
いる。一方、電磁制御弁３７のソレノイド４３が付勢さ
れると弁体４１が大気／−）４０を閉鎖すると共に負圧
ポート３９を開口するので負圧ダイアフラム装置３０の
負圧室３４内には負圧アキ、ムレータ２９内の負圧が加
わる。このときダイアフラム３１は圧縮ばね３５に抗し
て右方に移動するためにスライド弁１７は上昇せしめら
れ、それによってスライド弁１７が分岐路１４を全開す
る。

前述したように電磁制御弁３７のソレノイド４３はダウ
ンカウントが行なわれている間、即ち５−Ｒ７リップフ
ロップ６１の出力端子Ｑに表われる電圧が高レベルのと
き付勢される。従って電磁制御弁３７の弁体４１が負圧
ポート３９を開口しかつ大気＆−）４０を閉鎖する時間
割合はソレノイド４３に印加されるＡ／ルスのデユーテ
ィ−サイクルに比例する。弁体４１が負圧／−）３９を
開口しかつ大気−一）４０を閉鎖する時間が長くなれば
なるほど負圧ダイアフラム装置３０の負圧室３４内の負
圧が大きくなり、スライド弁１７の開口面積が大きくな
る。従りてスライド弁１７の開口面積はソレノイド４３
に印加されるノクルスのデユーティ−サイクルが大きく
なるほど大きくなることがわかる。

第１３図はスライド弁１７の開す面積と、機関回転数Ｎ
並びに吸気管負圧Ｐとの好ましい関係を示している。第
１３図において縦軸は機関回転数Ｎ　（ｒ、ｐ、ｍ　）
を示し、横軸は吸気管負圧Ｐ（−■Ｈｇ）を示している
。また、ハツチングを付した曲線Ｓ、の上部領域はスラ
イド弁全開領域を示し、ハツチングを付した曲線Ｓ１の
下方領域はスライド弁全閉領域を示し、代表的に２本の
み示した曲線８ｍ＋ＳＩはスライド弁の等開口面積曲線
を示して−る。なお、第１３図においてスライド弁の開
口面積はＳ！から８！＋Ｓｍを経てＳｏに向かうに従っ
て徐々に大きくなる。第１３図に示す機関回転数Ｎ並び
に吸気管負圧Ｐと、スライド弁の開口面積Ｓとの好まし
い関係は関数或いはデータテーブルの形で予めＲＯＭ　
５３内に記憶されている。

第１１図は本発明による流路制御装置の作動を説明する
ための７ｐ−チャートを示している。第１１図において
ステ、プ７０は流路制御が時間割込みで行なわれている
ことを示している。まず始めにステ、プ７１において回
転数センサ４８の出力信号をＭＰＵ　５１内に入力して
機関回転数を計算し、次いでステ、プ７２において負圧
センサ４６の出力信号をＭＰＵ　５１内に入力する。次
いでステ、プ７３では計算された機関回転数Ｎ並びに負
圧Ｐに基いてＲＯＭ　５３内に記憶された第１３図の関
係からスライド弁１７の目標開口面積ＳＳを計算する。

次いでステ、グア４においてポテンショメータ４７の出
力信号をＭＰＵ　５１内に入力して現在のスライド弁１
７の開口面積Ｓを計算する。次いでステ、ｆ７５におい
て目標開口面積ＳＳが現在の開口面積Ｓよりも大きいか
否かが判別される。

ステップ７５において目標開口面積ＢＳが現在の開口面
積Ｓよりも大きいと判別されたときはステ、プ７６にお
いて電磁制御弁３７のソレノイド４３に印加すべきノ々
ルスのノ々ルス巾ＰＬに一定値人が加算され、この加算
結果をＰＬとしてステップ７７に進む。一方、ステ、プ
７５において目標開口面積ＳＳが現在の開口面積Ｓよシ
も大きくないと判別され次ときはステ、プ７８に進み、
ステ、プ７８１Ｃおいて目標開口面積ｓｓが現在の開口
面積Ｓよりも小さいか否かが判別される。ステ。

プ７８において目標開口面積ｓｓが現在の開口面積Ｓよ
りも小さいと判別されたときはステ、７＃７９において
ノ々ルス巾ＰＬから一定値Ａを減算し、この減算結果を
ＰＬとしてステ、ｆｌ７に進む。

一方、ステ、シフ８において目標開口面積ｓｓが現在の
開口面積Ｓよりも小さくないと判別され九ときはステ、
ｆｌ７に進む。ステップ７７では斯くして得られｆｌ　
／？ルス巾ＰＬを表わす２進数の駆動データを出力／−
）５５に書込み、この出力デート５５に書込まれた駆動
データに基いて電磁制御弁３７のソレノイド４３の付勢
制御が行なわれる。

第１２図は電磁制御弁３７のソレノイド４３に印加され
る／４ルスを示しており、このＩ？ルスが発生している
間ソレノイド４３が付勢される。前述したようにスライ
ド弁１７の現在の開口面積Ｓが目標開口面積ＳＳよりも
小さなときには第１２図に示すように開口面積が目標開
口面積ＳＳＫ達するまでパルス巾が順次一定巾づつ増大
せしめられる。従りてソレノイド４３に印加されるノヤ
ルスのデユーティ−サイクルが次第に増大するために負
圧ダイアフラム装置３０の負圧室３４内の負圧は次第に
大きくなり、斯くしてスライド弁１７が上昇して目標開
口面積ＳＳとなる。なお、第１３図かられかるように機
関低負荷低速運転時、機関高負荷低速運転時並びに機関
低負荷高速運転時には５−Ｒ７す、７″′フロ、プロ１
の出力電圧が継続的に低レベルとなるためにソレノイド
４３が消勢されつづけ、斯くしてスライド弁１７が分岐
路１４を閉鎖し続ける。一方、機関高速高負荷運転時に
は５−Ｒ７す、ゾフロ、ｆ６１の出力電圧が継続的に高
レベルとなるためにソレノイド４３が付勢されつづけ、
斯くしてスライド弁１７が分岐路１４を全開し続ける。

上′述したように吸入空気量の少ない機関低負荷低速運
転時、機関高負荷低速運転時並びに機関低負荷高速運転
時にはスライド弁１７が分岐路１４を遮断している。こ
のとき入口通路部Ａ内に送シ込まれた空気は渦巻部Ｂの
上壁面１３に沿りて旋回しつつ渦巻部Ｂ内を下降し、次
いで旋回しつつ燃焼室４内に流入するので燃焼室４内に
は強力な旋回流が発生せしめられる。一方、吸入空気量
が多い機関高速高負荷運転時にはスライド弁１７が開弁
するので入口通路部Ａ内に送り込まれた空気の一部が入
口開口１５を介して分岐路１４内に流入し、次いでこの
空気は分岐路１４を通って渦巻部Ｂ内に流入する。第２
図に示すように吸気管２４が彎曲していると吸気管２４
から吸気？−トロ内に送り込まれる空気は矢印Ｗで示す
ように遠心力によりて吸気ポート６の上壁面側に押し寄
せられ、その結果吸気が一トロ内の圧力はその上壁面側
がその下側面側に比べて高くなる。本発明ではこのよう
に圧力が高い吸気ポート上壁面近傍に分岐路１４０入口
開口１５が配置されているので分岐路１４０入口開口１
５と出口開口１６との圧力差が大きくなり、斯くしてス
ライド弁１７が開弁すると大量の空気が分岐路１４を介
して渦巻部Ｂ内に送シ込まれる。このように機関高速高
負荷運転時にはスライド弁１７が開弁することによって
全体の流路面積が増大するばかりでなく大量の吸入空気
が流れ抵抗の小さな分岐路１４を介して渦巻部Ｂ内に送
シ込まれるので高い充填効率を確保することができる。

また、入口通路部Ａに傾斜側壁部９龜を設けることによ
って入口通路部Ａに送り込まれた空気の一部は下向きの
力を与えられ、その結果この空気は旋回することなく入
口通路部Ａの下壁面に沿って渦巻部Ｂ内に流入するため
に流入抵抗は小さくなり、斯くして高速高負荷運転時に
おける充填効率を更に高めることができる。

一方、第１３図において曲１ｉ　８　ｔ　と曲線８００
間の領域では曲線Ｓ１からＳｌ＋８ｍを経て曲線８０に
向かうに従りて、即ち吸入空気量が増大するに従ってス
ライド弁１７の開口面積が徐々に大きくなる。吸入空気
量が少ないときには安定した燃焼を確保するために強力
な乱れを燃焼室４内に発生せしめることが必要であるが
吸入空気量が増大すると自然発生の乱れが強力となるた
めにむ−しろ旋回流のような強制的な乱れを抑制するこ
とが必要とされ、更に吸入空気量が増大するにつれて出
力低下をひき起こす充填効率の低下を阻止することが必
要となる。従って吸入空気量が増大するにつれてスライ
ド弁１７の開口面積を徐々に大きくすることによって旋
回流の発生を抑制しつつ充填効率の低下が阻止され、斯
くして吸入空気量に応じた最適の旋回流と高い充填効率
を確保することができる。

以上述べたように本発明によれば機関低速低負荷運転時
、機関低負荷高速運転時並びに機関高負荷低速運転時に
は強力な旋回流を燃焼室内に発生せしめることができる
ので安定した燃焼を確保できると共Ｋ特に機関高負荷低
速運転時にノッキングの発生を抑制することができる。

また機関高速高負荷運転時には旋回流の発生を抑制しつ
つ高い充填効率を確保することができるので高出力を得
ることができる。更に、機関中負荷中速運転時には吸入
空気量の増大に応じて弱められる最適の旋回流と高い充
填効率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る内燃機関の平面図、第２図は第１
図の■−■線に沿ってみた断面図、第３図はヘリカル型
吸気テートの形状を示す斜視図、第４図は第３図の平面
図、第５図は第３図の分岐路に沿って切断した側面断面
図、第６図は第４図のＭ−Ｍ線に沿ってみた断面図、第
７図は第４図の■−■線に沿ってみた断面図、第８図は
第４図の■−■線に沿ってみた断面図、第９図は第５図
の■−に線に沿りてみた断面図、第１０図は流路制御装
置の全体図、第１１図は流路制御装置の作動を説明する
ための７０−チャート、第１２図は電磁制御弁のソレノ
イドに印加されるノ臂ルスを示す線図、第１３図はスラ
イド弁の開口面積を示す図である。 ５・・・吸気弁、６・・・ヘリカル型吸気テート、１４
・・・分岐路、１７・・・スライド弁、１８・・・弁軸
、２４・・・・吸気管、２５・・・サージタンク、２６
・・・燃料噴射弁、３０・・・負圧ダイアフラム装置、
３７・・・電磁制御弁、５０・・・電子制御ユニｙ）。 特許出願人 トヨタ自動車工業株式会社 特許出願代理人 弁理士　　青　木　　　朗 弁理士　西舘和之 弁理士　吉田正行 弁理士　　山　口　昭　之 第１回 第４０ 第５０ 第６０　　　　　第７回 第１２０ 第１３回 Ｐ（−ｍｍＨｇ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 吸気弁側りに形成された渦巻部と、該渦巻部に接線状に
   接続されかつほぼまっすぐに延びる入口通路部とにより
   構成されたヘリカル型吸気／−）において、上記入口通
   路部から分岐されて上記渦巻部の渦巻終端部に連通する
   分岐路をシリンダへ、部内に形成すると共に該分岐路の
   入口開口を該入口通路部上壁面近傍に配置し、該分岐路
   内に吸入空気量に応動する開閉弁を設け、更に上記入口
   通路部の入口開口を下方に延びる吸気管に接続したヘリ
   カル型吸気−一部の流路制御装置。