(57)【要約】【課題】エンジンの運転状態に応じて、適切な吸気量とスワール強さを得ることができるように改良されたディーゼルエンジンの吸気技術を提供する。【解決手段】スワールを形成する第１吸気ポートと、吸気量を確保する第２吸気ポート２と、第２吸気通路２を開閉する開閉弁１１とを備えたディーゼルエンジンの吸気装置において、開閉弁１１をロータリーバルブで構成する。そして、ロータリーバルブは、高速域では全開状態で固定し、低回転域および中回転域では、第２吸気バルブ４の高リフト時に全開、低リフト時に半開、零リフト時に全閉となるように、第２吸気バルブ４のリフト動作に位相を合わせて回転作動する構成とした。【選択図】  図４
2004169580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンのシリンダに第１吸気バルブを介して接続されたスワールを形成するための第１吸気通路と、前記シリンダに第２吸気バルブを介して接続された吸気量を確保するための第２吸気通路と、前記第２吸気通路を開閉制御する開閉弁とを備えたディーゼルエンジンの吸気装置であって、
前記開閉弁が、前記第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて開度を可変とするようにしたことを特徴とするディーゼルエンジンの吸気装置。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼルエンジンの吸気装置であって、前記開閉弁は、前記第２吸気バルブのリフト量が小さくなると、開度を小さくする方向に開度を調整することを特徴とするディーゼルエンジンの吸気装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの吸気装置であって、低回転域、中回転域、高回転域のうちの少なくとも中回転域において、前記開閉弁が、前記第２吸気バルブの位相に合わせて開度を可変とすることを特徴とするディーゼルエンジンの吸気装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの吸気装置であって、前記開閉弁は、一定方向に回動することで開度を可変とする回転式であることを特徴とするディーゼルエンジンの吸気装置。
【請求項５】
ディーゼルエンジンのシリンダに第１吸気バルブを介して接続されたスワールを形成するための第１吸気通路と、前記シリンダに第２吸気バルブを介して接続された吸気量を確保するための第２吸気通路と、前記第２吸気通路を開閉制御する開閉弁とを備えたディーゼルエンジンの吸気方法であって、
前記第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて前記開閉弁の開度を可変しつつ前記第２吸気通路を経て空気を前記シリンダに導入することを特徴とするディーゼルエンジンの吸気方法。
【請求項６】
請求項５に記載のディーゼルエンジンの吸気方法であって、前記開閉弁は、前記第２吸気バルブのリフト量が小さくなると、開度を小さくする方向に開度を調整することを特徴とするディーゼルエンジンの吸気方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載のディーゼルエンジンの吸気方法であって、低回転域、中回転域、高回転域のうちの少なくとも中回転域において、前記第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて前記開閉弁の開度を可変しつつ前記第２吸気通路を経て空気を前記シリンダに導入することを特徴とするディーゼルエンジンの吸気方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの吸気方法であって、前記開閉弁は、一定方向に回動することで開度を可変とすることを特徴とするディーゼルエンジンの吸気方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの吸気装置に関し、特にエンジンの運転状態に応じて適切な吸気量とスワール強さを与えることができる吸気技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、シリンダ内で圧縮され高温化された空気に、直接燃料を噴射することで燃焼を行っている。そのため、近年におけるディーゼルエンジンの更なる出力性能の向上と低エミッション化の要求を満足するには、シリンダ内での空気と燃料とのミキシングをあらゆる運転状態で行うことが必要になってきた。
このような要求に応えるために、シリンダに対して、スワールを生成する第１吸気通路としてのヘリカルポートのほかに、スワールの強さおよび吸気量を制御する開閉弁付きの第２吸気通路としてのストレートポートを設けた吸気装置が提案されている。この吸気装置においては、低回転側の運転領域では、開閉弁を全閉状態に切り替えることで強いスワールを生成し、シリンダ内での空気と燃料との混合を促進するとともに、スワールによるシリンダ内の乱れによって燃焼速度を速めて燃焼を改善することができる。一方、高回転側の運転領域では、開閉弁を全開状態に切り替えて吸気量を増量するとともに、スワールを弱めることにより、空気と燃料のミキシングの最適化を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０１９４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低回転域では開閉弁を閉じ、高回転域では開閉弁を開くといった開閉切替方式の従来技術では、例えば中回転域において、開閉弁を開いてスワールを弱めると、空気と燃料のミキシングは悪くなる。かといって、開閉弁を閉じてスワールを強めようとすると、逆に充填効率が低下し、必要な吸気量が得られないという問題がある。すなわち、低回転域と高回転域との中間的な領域である中回転域では、適切な吸気量とスワール強さとの両立を満足させることが困難であった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの運転状態に応じて、適切な吸気量とスワール強さを得ることができるように改良されたディーゼルエンジンの吸気技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明に係るディーゼルエンジンの吸気装置は、特許請求の範囲の請求項１〜４に記載の通りに構成される。また、本発明に係るディーゼルエンジンの吸気方法は、請求項５〜８に記載の通りである。なお、これら各請求項に係る発明は、ディーゼルエンジンのシリンダに第１吸気バルブを介して接続されたスワールを形成するための第１吸気通路と、シリンダに第２吸気バルブを介して接続された吸気量を確保するための第２吸気通路と、第２吸気通路を開閉する開閉弁とを備えたディーゼルエンジンの吸気装置において、エンジンの運転状態に応じて、適切な吸気量とスワール強さとを得ることができるようにした技術である。
【０００７】
請求項１に記載のディーゼルエンジンの吸気装置においては、開閉弁が、第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて開度を可変とするように構成したことを特徴としている。この場合、請求項２に記載したように、開閉弁は、第２吸気バルブのリフト量が小さくなると、開度を小さくする方向に開度を調整する構成とすることが好ましく、また、請求項３に記載したように、低回転域、中回転域、高回転域のうちの少なくとも中回転域において、開閉弁が、第２吸気バルブの位相に合わせて開度を可変とするように構成することが好ましい。
したがって、上記のように構成された請求項１〜３に記載の発明によれば、エンジンの運転状態に応じた適切な吸気量とスワール強さとを得ることが可能となる。例えば、中回転域において、開閉弁が、第２吸気バルブの低リフト時に半開となるように、第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて開度を可変とした場合、開閉弁が半開の状態であることに伴い流量が絞られて第２吸気通路を流れる空気の流速が高まる。そして、流速の高められた空気がそのままの流速でシリンダ内にスワールを形成する向きに送られことで、第２吸気通路自体が生成するスワールが強められ、結果的に第１吸気通路によって生成されるスワールも含めたスワール効果がアップする。これにより、吸気量を確保しながらスワール強さを高めることができることになる。すなわち、中間領域において、第２吸気バルブのリフト量の位相に合わせて開閉弁の開度を可変するようにエンジンを運転することで、図８に示すように、低回転域と高回転域との間の中間的な領域（斜線で示す領域）において、適切な吸気量とスワール強さとを両立させることが可能となる。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、開閉弁は、一定方向に回動することで開度を可変とする回転式であることを特徴としている。このような構成によれば、開閉弁の開閉動作が単純であることに伴い開閉弁を開閉させるための駆動手段を簡単化できる。
【０００９】
請求項５〜８の発明によれば、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、適切な吸気量とスワール強さとを得ることが可能なディーゼルエンジンの吸気方法を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る吸気装置を備えたディーゼルエンジンの１つのシリンダに関する概略平面図である。本実施の形態に係るディーゼルエンジンは、吸排気４弁式であり、二つの吸気ポート１，２と、二つの排気ポート５，６を有する。一方の第１吸気ポート１は、第１吸気バルブ３を介してシリンダ９内に接続され、他方の第２吸気ポート２は、第２吸気バルブ４を介してシリンダ９に接続されている。二つの排気ポート５，６は２つの排気バルブ７，８を介してシリンダ９内に接続されている。
第１吸気ポート１は、その先端が平面図上において渦巻き状に湾曲されたヘリカルポートであり、シリンダ９への空気の導入に際して、シリンダ９内に図１に矢印で示すような時計回りのスワールを形成する。第２吸気ポート２は、ストレートポートであり、その先端が平面図上において直線状に延びるとともに、シリンダ９に対して接線に近い向きで接続されている。そして、第２吸気ポート２は、第１吸気ポート１に比べて流量係数が高くなるように設計されており、吸気流量を確保できる。また、第２吸気ポート２は、図６に示すように、第１吸気ポート１より導入された空気により形成されるスワールと同方向のスワールをシリンダ９内に形成する。上記の第１吸気ポート１が本発明でいう第１吸気通路に対応し、第２吸気ポート２が本発明でいう第２吸気ポートに対応する。
【００１１】
図２は第２吸気ポート２を示す模式図である。図示のように、第２吸気ポート２内には、第２吸気バルブ４の近くに、第２吸気ポート２を開閉することでシリンダ９内に生成されるスワールの強さおよびシリンダ９内に流れ込む空気の流量を制御するための開閉弁１１が配置されている。本実施の形態では、開閉弁１１として、一方向に一定速度で回転することで全開から全閉までの範囲にわたって開度を順次変えることができる回転式を採用しており、以下の説明では、この回転式開閉弁１１をロータリーバルブという。ロータリーバルブ１１は、図示省略の駆動手段によって回転駆動される。ロータリーバルブ１１の駆動手段は、例えば、図示省略の電動モータを駆動源として、あるいはエンジンのクランクシャフトまたは動弁機構等から動力を取出し、その動力を駆動源として駆動されるように構成される。
【００１２】
本実施の形態では、第２吸気バルブ４のリフト量に合わせてロータリーバルブ１１を開閉するように構成したものである。すなわち、図３および図４に示すように、エンジンの低回転域および中回転域において、第２吸気バルブ４の高リフト時にロータリーバルブ１１が全開、低リフト時に半開、零リフト時に全閉となるように、第２吸気バルブ４とロータリーバルブ１１の位相を合わせてある。そして、ロータリーバルブ１１は、エンジンの低回転域および中回転域では回転作動され、高回転域では全開状態で回転作動を停止するように構成されている。なお、ロータリーバルブ１１の停止は、例えば電動モータでの駆動時にはモータを停止することで、クランクシャフトや動弁機構での駆動時には、動力を途中で遮断することで実現される。
図３には、第２吸気バルブ４のリフト動作とロータリーバルブ１１の開閉動作との動作タイミングが示され、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には第２吸気バルブ４のリフト状態とロータリーバルブ１１の開閉状態が段階的に示されている。
【００１３】
本実施の形態に係るディーゼルエンジンの吸気装置は、上述のように構成したものである。したがって、エンジンの運転状態が低回転域および中回転域では、第１吸気バルブ３のリフト動作（開弁）に伴い第１吸気ポート１を経てシリンダ９内に空気が導入される。この空気によりシリンダ９内には図１に示す矢印で示すようなスワールが生成される。一方、第２吸気ポート２側では、ロータリーバルブ１１は、第２吸気バルブ４のリフト動作に関連して全開、半開、全閉の形でその開度が連続的に可変となる。すなわち、第２吸気バルブ４が一回のリフト動作を行う間に、ロータリーバルブ１１は一方向に一定速度で約１回転し、全閉状態から半開、全開、半開の各状態を経たのち、全閉状態に戻る（図３および図４参照）。
【００１４】
図４の（Ａ）に示すように、第２吸気バルブ４の高リフト時には、ロータリーバルブ１１は全開状態となり、第２吸気ポート２を経て大量の空気がシリンダ９内に送り込まれる。そして、図７に示すように、このとき、大量の空気がシリンダ９内に導入されると、比較的強いスワールが形成される。つまり、第２吸気バルブ４の高リフト時には、ロータリーバルブ１１を全開状態とすることで、吸気量とスワール強さの両方を確保することができる。
図４の（Ｂ）に示すように、ロータリーバルブ１１の半開状態では、第２吸気ポート２の通路断面積が絞られる（狭められる）ことによって空気の流速が高められる。そして、流速を高められた空気は、流速が高い状態のまま局所的にシリンダ９内に送り込まれる。このとき、シリンダ９内に流れる空気は、図６に矢印で示すようなシリンダ９の接線方向に流れる偏流となり、この流れはシリンダ９内にスワールを生成する向きの流れである。
図５には第２吸気ポート２の出口における吸気速度分布が示され、第２吸気ポート２の出口は下向きとなっている。したがって、ロータリーバルブ１１を経てほぼ水平方向から送られた空気は、図示の如く第２吸気ポート２の出口付近で流れの向きが変わるが、そのとき外側（図示右側）と内側とで流れに速度差が発生する。そして、流速の高い方の空気がシリンダ９の接線方向に向かって流れ、これにより、第２吸気ポート２自体で生成されるスワールが強められる。また、上記のように、第２吸気ポート２からシリンダ９内に導入される空気は、第１吸気ポート１によって生成されるシリンダ９内のスワールをも強める。すなわち、本実施の形態によれば、低回転域および中回転域において、吸気量を確保しながらスワールの強さを高めることができる。
【００１５】
なお、図９には、従来の開閉切替式のバタフライ形開閉弁２１を備えた吸気量確保用の吸気ポート２２が模式的に示されており、図１０には開閉弁２１を全閉状態に切替えたときの吸気速度分布が示されている。エンジンの低回転域および中回転域において、例えば、開閉弁２１が全閉状態に切替えられた状態では、開閉弁２１と吸気ポート２２の壁面との隙間しか空気が通り抜けることができない。このため、シリンダへの吸気は殆ど見込まれず、吸気ポート２２自体のスワールも向上しないことになる。また、吸気量が少ないために、シリンダに送り込まれるときの流速も上がらない。
図７は、本実施の形態に係るロータリーバルブ１１付きの第２吸気ポート２を用いたときのスワール特性（実線）と、従来の切替式開閉弁２１付き吸気ポート２２を用いたときのスワール特性（破線）とを示したものである。これによれば、本実施の形態の方が従来に比べてスワール特性が向上していることが分かる。以上のように、本実施の形態によれば、エンジンの低速域および中回転域において、適切な吸気量とスワール強さとを両立させることが可能となるため、空気と燃料とのミキシングの最適化が図られ、エンジンの性能が向上し、排気ガス規制に対する適応性が向上する。
また、本実施の形態では、開閉弁にロータリーバルブ１１を採用し、一定方向への回転によって開閉する構成としたので、その駆動系を単純な形態で構成することができる。
【００１６】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更してもよい。
例えば、上述した実施の形態では、低回転域および中間回転域において、ロータリーバルブ１１を回転させるとしたが、低回転域では回転を停止して全閉状態に保持し、中回転域でのみ回転させるように変更してもよい。
また、第２吸気ポート２に配置される回動式の開閉弁として、図示のようなそれ自体が流路を有するロータリーバルブ１１としたが、これに変えて、例えば図９に示すようなバタフライバルブを採用してもよい。
また、ロータリーバルブ１１が第２吸気ポート２内で一方向に一定速度で回転することによって開度を変える構成としたが、必ずしも回転速度が一定である必要はなく、間欠的に回転することで開度を変える構成、あるいは往復回転することで開度を変える構成に変更してもよい。さらには回動式に変えて直線的な動作で開度を変える構成に変更してもよい。
開閉弁は、開度を無段階に調節できる必要はなく、少なくとも２段階以上に調節できればよい。２段階の場合には、吸気バルブが所定リフト量以上で開閉弁の開度大、吸気バルブが所定リフト量以下で開閉弁の開度小のように制御すれば、適正な吸気量とスワール強さを得ることができる。
また、開閉弁の開度の調節方法は、実施の形態で説明したものに限定されず、例えば実験や計算等によって色々な開度調整を行い、その結果の中から、より良い調節方法を使用することもできる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、エンジンの運転状態に応じて適切な吸気量とスワール強さを得ることができるように改良されたディーゼルエンジンの吸気技術を提供することができる。これにより、排気ガス規制に対する適応性や中回転域での性能向上が図られるとともに、高出力化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る吸気装置を備えたディーゼルエンジンの１つのシリンダに関する概略平面図である。
【図２】ロータリーバルブを有する第２吸気ポートを示す模式図である。
【図３】第２吸気バルブのリフト動作とロータリーバルブの開閉動作との動作タイミングを示す図である。
【図４】第２吸気バルブのリフト状態とロータリーバルブの開閉状態を段階的に示す図であり、（Ａ）はロータリーバルブ全開時を示し、（Ｂ）はロータリーバルブ半開時を示し、（Ｃ）はロータリーバルブ全閉時を示す。
【図５】ロータリーバルブ半開時のポート出口における吸気速度分布を説明する模式図である。
【図６】ロータリーバルブ半開時のシリンダ内の吸気流れ方向を説明する図である。
【図７】実施の形態に係るロータリーバルブ付き第２吸気ポートを用いたときのスワール特性と、従来の切替式開閉弁付き吸気ポートを用いたときのスワール特性を示す図である。
【図８】本発明を説明する図である。
【図９】従来の切替式の開閉弁付き吸気ポートを示す模式図である。
【図１０】従来の開閉弁を全閉状態に切替えたときの吸気速度分布を示す図である。
【符号の説明】
１…第１吸気ポート（第１吸気通路）
２…第２吸気ポート（第２吸気通路）
３…第１吸気バルブ
４…第２吸気バルブ
９…シリンダ
１１…ロータリーバルブ（開閉弁）
【図１】
2004169580.tif 000003
【図２】
2004169580.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004169580.tif 000009
【図８】
2004169580.tif 000010
【図９】
2004169580.tif 000011
【図１０】
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