JPS6035537B2 - ディ−ゼル機関用ヘリカル型吸気ポ−トの流路制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はディーゼル機関用ヘリカル型吸気ボートの流路
制御装置に関する。

へりカル型吸気ボートは通常吸気弁周りに形成された渦
巻部と、この渦巻部に接線状に接続されかつほぼまつす
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ボートを用いて吸入空気量合
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ボート形状が流れ抵
抗の大きな形状になってしまう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へりカル型吸気
ボート入口通路部から分岐されてへりカル型吸気ボート
渦巻部の渦巻終端部に運通する分岐路をシリンダヘッド
内に形成し、分岐路内にアクチュェ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ュェータを作動させて
開閉弁を関弁するようにしたガソリン機関用ヘリカル型
吸気ボ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。ガソリン機関用ヘリカル型吸気ボートでは機関
吸入空気量の多い機関高速高負荷運転時にへりカル型吸
気ボート入口通路部内に送り込まれた吸入空気の一部が
分岐路を介してへＩＪカル型吸気ボート渦巻部内に送り
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、更にガソリン機関用であるので高い充填効率を確保
しつつディーゼル機関に適した旋回流を燃競室内に発生
せしめるには分岐路から供給される吸入空気のディーゼ
ル機関に適した制御が必要となる。本発明は高い充填効
率を確保しつつ機関燃焼室内にディーゼル機関に適した
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を詳細に説明する。

第１図並びに第２図を参照すると、１はシリンダブロッ
ク、２はシリンダブロック１内で往復動するピストン、
３はシリンダブロック１上に固定されたシリンダヘツド
、４ａはピストン頂面上に形成されかつ燃焼室４を画定
する球状凹所、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ボート、７は排気弁、７ａは
排気ボート、８は燃焼室４内に配置された燃料噴射弁を
夫々示し、この燃料噴射弁８から球形凹所４ａ内に向け
て燃料が噴射される。

第３図並びに第４図に第２図のへりカル型吸気ボート６
の形状を図解的に示す。

このヘリカル型吸気ボート６は第４図に示されるように
流路軸線ａがわずかに誉曲した入口通路部Ａと、吸気弁
６の弁軸周りに形成された渦巻部Ｂとにより構成され、
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ｂに近い側の側壁面９の上方側壁面９ａは下方
を向いた傾斜面に形成され、この傾斜面９ａの中は渦巻
部Ｂに近づくに従って広くなり、入口通路部Ａ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１０（第８図）周りの吸気
ボート上壁面上に形成された円筒状突起１１の周壁面に
滑らかに後続これ、一方側壁面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Ｄに接続される。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Ａ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の入口閉口近
傍において側壁面９上に形成され、分岐路１４の出口開
□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
を制御するために分岐路１４の軸線に対してほぼ直角方
向に直線的に摺動可能なスライド弁１７が配置される。
スライド弁１７の上端部には弁ロッド１８が一体形成さ
れ、この弁ロッド１８の上端部はシリンダヘッド３内に
鉄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（第１０図）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
の頭部にピボツトピン２２を介して枢着される。また、
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が固着され、このアーム２３の先端部はステ
ップモータ３０１こ連結される。このステップモータ３
０は例えば４極２相同時励磁方式のステップモータから
なり、モータハウジング３１内において鞠方向に移動可
能にかつ回転不能に支承されたシャフト３２と、モータ
ハウジング３１内においてて回転可能に支承されかつシ
ャフト３２の外ねじ山と噛合する内ねじ山を具えたロー
タ３３と、ロータ３３を包囲するように配置された励磁
コイル３４とを具備し、この励磁コイル３４は電子制御
ユニット５０の出力端子に接続される。ロータ３３が回
転せしめられるとシャフト３２は鞠方向に移動し、その
結果シャフト３２の先端部に連結されたアーム２３を介
してアームロッド２０が回敷せしめられる。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
ためのポテンショメータ３５が連結される。このポテン
ショメータ３５はアームロッド２０１こ連結されてア−
ムロッド２０と共に回転する摺動子３６と、固定抵抗３
７とにより構成され、摺敷子３６は固定抵抗３７上を接
触しつつ酒動する。従って沼敷子３６にはスライド弁１
７の関口面積に比例した電圧が発生する。この摺動子３
６は電子制御ユニット５０の入力端子に接続される。一
方、アクセルペダル３８の回転支軸３９にも第２のポテ
ンショメータ４０が接続される。このポテンショメータ
４０が接続される。このポテンショメータ４０も摺動子
４１と、固定抵抗４２からなり、摺動子４１にはアクセ
ルペダル３８の踏込み量に比例した電圧、即ち機関負荷
に比例した電圧が発生する。この摺動子４１も電子制御
ユニット５０の入力端子に接続される。更に、機関クラ
ンクシャフトの回転数を検出するための回転数センサ４
３並びにスタータスィッチ４４が電子制御ユニット５０
の入力端子に接続される。電子制御ユニット５０はディ
ジタルコンピュータからなり、各種の演算処理を行なう
マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）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
等が予め格納されているリードオンリメモリ（ＲＯＭ）
５３、入力ボート５４並びに出力ボート５５が双方向性
バス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内には各種のクロック信号
を発生するクロック発生器５７が設けられる。第１０図
に示されるように入力ボート５４には夫夫対応するＡＤ
変換器５８，５９を介してポテンショメータ３５，４０
が接続され、更に入力ボート５４；こは回転数センサ４
３とスタータスィッチ４４が接続される。前述したよう
にポテンショメータ３５はスライド弁１７の閉口面積に
比例した出力電圧を発生し、この電圧力汎Ｄ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
ボート５４並びにバス５６を介してＭＰＵ５１に読込ま
れる。一方、ポテンショメータ４川ま機関負荷に比例し
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進数が入力ボート
５４並びにバス５６を介してＭＰＵ５１に読込まれる。
また、回転数センサ４３はクランクシャフトが所定クラ
ンク角度回転する毎にパルスを発生し、このパルスが入
力ボート５４並びにバス５６を介してＭＰＵ５１に読込
まれる。スタータスィッチ４４は機関を始動すべ〈スタ
ータモータを駆動したときにオンとなるスイッチであっ
てこのスタータスィッチ４４の作動信号は入力ボート５
４並びにバス５６を介してＭＰＵ５１に謙込まれる。出
力ボート５５はステップモータ３０を駆動するためのデ
ータを出力するために設けられており、この出力ボート
５５には２進数のデータがＭ円Ｕ５ １からバスス５６
を介して書込まれる。

出力ボート５５の出力端子はラツチ６０の対応する入力
端子に接続され、ラッチ６０の出力端子は夫々電力増中
器６１，６２，６３，６４を介してステップモ−夕３０
の対応する励磁コイル３４に接続される。前述したよう
にステップモータ３０は４極２相同時励磁方式のステッ
プモータであって１相励磁コイルから４相励磁コイルま
で具備し、ステップモータ３０を一方向に回転せしめる
場合には第１１図に示すように１相励磁コイル１から４
相励磁コイルＷを順次励磁させる。即ち、ステップモ−
夕３０を一方向に回転せしめるには出力ボート５５に４
ビットの駆動データ“１１０び、“０１１び、“００１
１”“１００１”を順次書込んでこの駆動データを１相
励磁コイル１から４相励磁コイルＷに夫々接続されたラ
ッチ６０の出力端子１からＷに一定時間保持させる。

従って第１１図に示す励磁パルスはラッチ６０の出力端
子１，０，ｍ，Ｎに表われるパルスと考えてもよい。な
お、ステップモータ３０を逆方向に回転する場合にはラ
ッチの６０の出力端子１，０，ｍ，Ｎに“００１ｒ、“
０１１び、“１１０び、“１００ｒなるパルス信号を順
次発生せしめらればよい。このようにしてステップモー
タ３０はＭＰＵ５１から出力ボート５５に書込まれた駆
動データによって回転せしめられる。第１２図はスライ
ド弁１７の開□面積と、機関回転数Ｎ並びに機関負荷Ｌ
との好ましい関係を示している。

第１２図において縦軸は機関回転数Ｎ（ｒ．ｐ．ｍ）を
示し、横軸は機関負荷Ｌを示している。また、ハッチン
グを付した曲線Ｓｏの上方領域はスライド弁全開領域を
示し、ハッチングを付した曲線Ｓ，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Ｓ２
，Ｓ３はスライド弁の等閉口面積曲線を示している。な
お、第１２図においてスライド弁の関口面積はＳ，から
Ｓ２，Ｓ３を経てＳｏに向かうに従って徐々に大きくな
る。第１２図に示す機関回転数Ｎ並びに機関負荷Ｌと、
スライド弁の開□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ＲＯＭ５３内に記憶されてい
る。第１３図は本発明による流路制御装置の作動を説明
するためのフローチャートを示している。第１３図にお
いてステップ７０は流路制御が時間割込みで行なわれる
ことを示している。まず始めにステップ７１においてス
タータスイツチ４４がオソであるか否かが判別され、ス
タータスィッチ４４がオンでない場合にはステップ７２
に進む。ステップ７２では回転数センサ４３の出力信号
をＭ円Ｕ５１内に入力して機関回転数Ｎを計算し、次い
でステップ７３において機関負荷Ｌを表わすポテンショ
メータ４０の出力信号をＭＰＵ５１内に入力する。次い
でステップ７４では計算された機関回転数Ｎ並びに機関
負荷Ｌに基いてＲＯＭ５３内に記憶された第１２図の関
係からスライド弁１７の目標開□蚕ＳＳを計算し、ステ
ップ７５に進む。一方、ステップ７１においてスタータ
スィッチ４４がオンであると判別されたときはステップ
６９において目標開□面積ＳＳに“全開”を入れた後ス
テップ７５に進む。

ステップ７５ではポテンショメータ３５の出力信号をＭ
ＰＵ５１内に入力して現在のスライド弁１７の閥口面積
Ｓを計算する。次いでステップ７６において目標関口面
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７６において目標関口面積ＳＳ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ップ７
７に進んでステップモータ３０をスライド弁１７が関弁
する方向に１ステップだけ回転するためにステップ数Ｓ
ＴＥＰに１が入れられ、次いでステップ７８に進む。一
方、ステップ７６において目標閉口面積ＳＳが現在の関
口面積よりも大きくないと判別されたときは・ステップ
７９に進み、目標開□面積ＳＳが現在の関口面積Ｓより
も小さいか否かが判別される。ステップ７９において目
標開□面積ＳＳが現在の開□面積Ｓよりも小さいと判別
されたときはステップ８川こ進んでステップモータ３０
をスライド弁１７が閉弁する方向に１ステップだけ回転
するためにステップ数ＳＴＥＰに−１が入られ、次いで
ステップ７８に進む。一方、ステップ７９において目標
開口面積ＳＳが現在の開口面積Ｓよりも４・さくないと
判別されたときはステップ８１に進んでステップモータ
３０を停止状態に保持するためにステップ数ＳＴＥＰに
０−が入れられ、次いでステップ７８に進む。ステップ
７８ではステップ７７，８０，８１‘こおいて求められ
たステップ数ＳＴＥＰに基いてステップモータ駆動デー
タを出力ボート５５に書込み、それによってステップモ
ータ３０がスライド弁１７の開弁或し、は閉弁方向に１
ステップだけ回転せしめられるか、或いは停止状態に保
持される。このようにしてスライド弁１７はスタータス
イツチ４４がオンのときは全開せしめられ、スタータス
ィッチ４４がオンでない場合には第１２図により定まる
閉口面積まで開弁或いは開弁せしめられる。従って第１
２図からわかるように機関低速低負荷運転時、機関高速
低負荷運転時並びに機関低速高負荷運転時にはスライド
弁１７が全閉せしめられ、機関高速高負荷運転時にはス
ライド弁１７が全開せしめられる。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内に送り込まれた空気は渦巻部Ｂ
の上壁面１３に沿っ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が関
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
流れ抵抗の小さな分岐路１４を介して渦巻部Ｂ内に送り
込まれる。渦巻部Ｂの上壁面１３に沿って進む空気流は
渦巻終端部Ｃの急傾斜壁Ｄによって下向きに流路が偏向
せしめられるために渦巻終端部Ｃ、即ち分岐路１４の出
口関口１６には大きな負圧が発生する。従って入口通路
部Ａと渦巻終端部Ｃとの圧力差が大きいのでスライド弁
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内に送り込まれる。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内に送り込まれ
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に傾斜面９ａ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きる。一方、第１２図におい
て曲線Ｓ，と曲線Ｓｏの間の領域では曲線Ｓ，からＳ２
，Ｓ３を経て曲線Ｓｏに向かうに従って、即ち吸入空気
量が増大するに従ってスライド弁１７の開□面積が徐々
に大きくなる。

第１８図は燃料噴射弁８のノズル８ａから噴射された燃
料８ｂを図解的に示している。前述したように燃焼室４
内には旋回流が発生せしめられ、この旋回流は燃料噴射
弁８の軸線を中心として水平面内で旋回する。第１８図
における各矢印Ｆは燃料８ｂの噴射が開始されてから終
了するまでの間に旋回空気流が移動する距離を表わして
おり、従って矢印Ｆを包絡する曲線日で囲まれた領域内
は燃料と空気との混合気となっている。従って第１８図
に示すように隣接する曲線日間に間隙１が生じる場合に
はこの間隙１内には空気のみであり、従ってこのような
間隙１が生じると空気利用率が小さなために良好な燃焼
は得られない。一方、曲線日で囲まれた領域が互に部分
的に重なるとこの重なった部分だけ燃料が濃くなるので
この場合も良好な燃焼は得られない。これに対して曲線
日の前緑と、隣接する曲線日の後縁が丁度重なるとき、
即ち曲線日で囲まれた領域が互に重なることなく間隙１
がなくなったときに燃料の分布が一様でかつ空気利用率
が最もよくなり、斯くしてこのときに最良の燃焼が得ら
れる。クランク角度で表わした燃料８ｂの噴射期間は機
関負荷Ｌによって定まるので最良の燃焼を得るためには
機関負荷Ｌが高くなるにつれて旋回流を弱めるようにし
なければならない。また、旋回流の絶対速度は機関回転
数に比例して増大するのに対して燃料噴射弁８から噴出
する燃料噴霧の速度は旋回流が上昇するほどに遠くなら
ないので旋回流が遠くなりすぎると燃料噴霧が旋回流の
周辺部分に到達する前に吹き飛ばされてしまい、従って
旋回流の周辺部分に燃料噴霧が到達しなくなる。従って
機関回転数が増大する場合にも施回流を弱める必要があ
る。第１５図の縦軸Ｚは機関アィドリング時の騒音を示
しており、接触Ｓはスワール比（クランク角度３６０度
当りの旋回流の旋回数）を示す。

一方、第１６図の横軸Ｓは同様にスワール比を示してお
り、曲線Ｓは燃料消費率、Ｒは排気ガス中の未燃ＨＣの
量を示している。なお、低中負荷運転時には機関回転数
に関係なく第１６図に示すような傾向になる。第１５図
からわかるように機関アィドリング運転時に旋回流が弱
いと、即ちスワール比が小さいと空気と燃料との混合が
十分でないために着火遅れ時間が長くなり、アイドル騒
音を発生すると共に未燃ＨＣが増大する。従って機関ア
ィドリング運転時において騒音並びに未燃ＨＣを低減す
るにはスワール比Ｓを大きくすることが好ましいがあま
り大きくしすぎると第１６図からわかるように燃料消費
率Ｓが悪化する。従ってスワール比Ｓは４程度にするこ
とが好ましい。一方、第１７図の縦軸Ｐは黒煙を発する
限界出力、即ち吐煙限界出力を示しており、横軸Ｓはス
ワール比を示している。第１７図からわかるようにスワ
ール比Ｓが２から３の間で吐煙限界出力Ｐが最大となる
。従ってスワール比Ｓは２から４の間で制御することが
好ましく、吸入空気量が増大するにつれてスワール比を
小さくすることが好ましい。本発明によれば吸入空気量
が少ないときにはスライド弁１７を閉弁してスワール比
が４程度の強力な旋回流が得られ「吸入空気量が増大す
るにつれてスライド弁１７の閉口面積を大きくすること
によってスワール比を徐々に小さくし、吸入空気量が多
いときにはスライド弁１７を全開することによってスワ
ール比を２程度にすることができる。また、第１４図の
縦軸Ｅは機関の始動性の良さを示し、横軸Ｓはスヮール
比を示している。機関始動時に強力な旋回流を発生せし
めると燃焼室壁面における熱伝達量が大きくなるために
着火しずらくなる。従って本発明では機関始動時にスラ
イド弁１７を全開してスワール比を小さくし、それによ
って良好な始動性を確保するようにしている。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に特にアィドリング運転時に
おける騒音を抑制することができる。

また、本発明によれば分岐路の断面形状を矩形状とし、
この矩形状断面の分岐路の流量制御をスライド弁により
行なうことによってスライド弁の移動量と分岐路の有効
流れ面積が正比例する。従って吸入空気量に比例してス
ライド弁の移動量を変化させるだけで分岐路の有効流れ
面積を吸入空気量に正確に正比例させることができるの
で吸入空気量に応じて容易に旋回流の制御を行なうこと
ができる。その結果、均一な燃料分布と最大の空気利用
率が確保され、斯くして良好な燃焼を得ることができる
。また、スライド弁を用いることによってスライド弁全
開時にスライド弁を分岐路から完全に後退せしめること
ができるのでスライド弁が分岐路内を流れる吸入空気の
抵抗とならず、斯くして機関高速高負荷運転時に高い充
填効率を得ることができると共に吐煙限界出力を向上す
ることができる。また、機関始動時に旋回流を弱めるこ
とによって良好な機関の始動を確保することができる。

【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０−ロ線に沿ってみた断面図、第３図はへりカル型
吸気ボ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Ｗ−の線に沿ってみた断面図、第
７図は第４図の肌一肌線に沿ってみた断面図、第８図は
第４図の肌一皿線に沿ってみた断面図、第９図は第５図
のＫ−Ｋ線に沿ってみた断面図、第１０図は流路制御装
置の全体図、第１１図はステップモータ駆動パルスを示
す線図、第１２図はスライド弁の関口面積を示す図、第
１３図は流路制御装置の作動を説明するためのフローチ
ャート、第１４図は機関始動を示すグラフ、第１５図は
アイドル騒音を示すグラフ、第１６図は燃料消費率と未
燃ＨＣの排出量を示すグラフ、第１７図は吐煙限界出力
を示すグラフ、第１８図は噴射燃料と旋回流との関係を
図解的に示す燃焼室の平面図である。 ５…・・・吸気弁、６・…・・ヘリカル型吸気ボート、
１４・・・・・・分岐路、１７…・・・スライド弁、１
８・・・・・・弁軸、３０・・・・・・ステップモータ
、３５，４０・・．・・・ポテンショメータ、５０・・
・・・・電子制御ユニット。 第２図第３図 第９図 第１図 第４図 第６図 第７図 第８図 第５図 第１０図 第１４図 第１１図 第１２図 第１５図 第１６図 第１７図 第１８図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸気弁周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つ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ポートにおいて、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ヘツド内に形成すると共に該分岐
   路の断面形状を矩形状に形成し、該分岐路の軸線に対し
   てほぼ直角方向に直線的に摺動可能なスライド弁を分岐
   路内に配置し、該スライド弁を機関吸入空気量およびス
   タータスイツチに応動するアクチユエータに連結して機
   関始動時にスライド弁を全開すると共に機関始動後にス
   ライド弁の開口面積を吸入空気量に比例させるようにし
   たデイーゼル機関用ヘリカル型吸気ポートの流路制御装
   置。