(57)【要約】【課題】内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、自動的にエンジン冷却水の温度、潤滑オイルの温度、吸気ポートの壁の温度等に応じて自動的にスワールの度合いを調整でき、しかも、可変スワール機構におけるフラップ軸とアクチュエータ等の部品点数を減少できると共に、温度に応じて吸気ポートを通過する吸気量を変化させる制御を不要にできて、装置及び制御を簡素化することができる可変スワール機構、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法を提供する。【解決手段】ベーン２０の温度Ｔｂが低い形状からベーン２０の温度Ｔｂが高い形状に変化する際に、ベーン２０の温度Ｔｂが低いときにはスワールの度合いを大きくし、ベーン２０の温度Ｔｂが高いときにはスワールの度合いを小さくするように、ベーン２０の温度Ｔｂによる変形で吸気ポート１１ａ、１１ｃの通路断面積Ａａ、Ａｃを変化させる。【選択図】図１
2016133082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、吸気ポートの壁面にベーンを設けて、該ベーンを温度変形材料で形成すると共に、該ベーンの温度が低い形状から該ベーンの温度が高い形状に変化する際に、該ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、該ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくするように、該ベーンの温度による変形で前記吸気ポートの通路断面積を変化させるように構成したことを特徴とする可変スワール機構。
【請求項２】
前記内燃機関のエンジン冷却水又は潤滑オイルの温度を前記ベーンに伝熱する伝熱部材を前記ベーンに接続若しくは接触させて設けた請求項１に記載の可変スワール機構。
【請求項３】
前記内燃機関が各シリンダに第１の吸気弁と第２の吸気弁を有して構成され、前記第１の吸気弁側の第１の吸気ポートに前記ベーンを設けて、前記ベーンの温度が低い形状から  前記ベーンの温度が高い形状に変化する際に、前記第１の吸気ポートの通路断面積が小さい通路断面積から大きな通路断面積に変化して、前記ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、前記ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくする請求項１又は２に記載の可変スワール機構。
【請求項４】
前記内燃機関が各シリンダに一つの吸気弁を有して構成され、この吸気弁に接続する吸気ポートに前記ベーンを設けて、前記ベーンの温度が低い形状から前記ベーンの温度が高い形状に変化する際に、前記吸気ポートの通路断面積が大きい通路断面積から小さい通路断面積に変化して、前記ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、前記ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくする請求項１又は２に記載の可変スワール機構。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変スワール機構を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる内燃機関のスワール変化方法において、前記吸気ポートの壁面に温度変形材料で形成されたベーンを設けて、該ベーンの温度が低い形状から該ベーンの温度が高い形状に変化する際の前記吸気ポートの通路断面積の変化により、該ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、該ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくすることを特徴とする内燃機関のスワール変化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、内燃機関の燃焼室内におけるスワールを温度によって自動的に変化させることができる可変スワール機構、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、シリンダの中心軸周りの吸気の旋回流（スワール）をシリンダ内に発生させることで、空気と燃料の混合を促進し、燃焼速度を向上させて、燃焼効率を上げることが行われている。このスワールは、例えば、吸気ポートの形状をらせん形状に形成して、吸気を旋回させながらシリンダ内に供給することで発生することができる。
【０００３】
更に、内燃機関の運転領域に応じて、スワールの度合いを変化させる可変スワール機構を設けて、排出ガスの低減と燃費の向上を図ることも行われている。この可変スワール機構では、例えば、吸気マニホールドやシリンダヘッドの吸気ポート内にスワールコントロールバルブを備えて、このスワールコントロールバルブの弁開度を制御することで、燃焼室内に生じるスワールと呼ばれる渦流の強弱を制御している。このスワールコントロールバルブの制御により、低速運転時や低負荷時には、スワールを強めて、燃費と低速トルクを改善することができ、高速運転時や高負荷時には、スワールコントロールバルブを開くことで、シリンダ内への吸気の流入抵抗を減少して、高出力を確保している。
【０００４】
この可変スワール機構の例としては、例えば、単一のヘリカルポートを用いたものにおいて、スワール比を広範囲に可変制御できるようにするために、ヘリカルポートからなる吸気ポートは、入口側のポート導入部と、吸気バルブの上部で螺旋状をなすスクロール部と、スクロール部からバルブシートを経てシリンダに至るスロート部と、から構成され、スクロール部とスロート部はスロート開口部で連通し、スロート部はスロート下壁部とスロート上壁部で構成されるが、スロート上壁部はバルブステムに沿って上下に可動で、スロート上壁部が上下方向に移動すると、バルブステムボス下部からバルブシートまでの距離が変化して、この距離とスロート半径とで定義される比が変化すると、スワール比は大きく変化するディーゼルエンジンの可変スワール吸気装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、別の例としては、吸気バルブ及び吸気ポートをそれぞれ２個備えたシリンダに対して、一方のスワールが発生し易いヘリカルポート形状の吸気ポートと、他方のスワールを打ち消し旋回流を発生しないタンジェンシャルポート形状の吸気ポートとの組み合わせで、他方のタンジェンシャルポートの吸気ポートに可変スワール弁を設けてアクチュエータをエンジン回転速度に応じて制御マップを参照しながら制御し、エンジン回転速度が低い領域では可変スワール弁を閉じて適度なスワールを発生させ、エンジン回転速度が高い領域では可変スワール弁を開いてオーバースワールにならないようにする可変スワール制御装置がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、吸気システム部のインテークマニホールド内において、スワールポートの入口部分にスワールコントロールバルブを配設し、このスワールコントロールバルブを、形状記憶合金またはバイメタル等の熱変形金属で形成した渦巻バネ、コイルバネ等の駆動源で、熱変形金属の可逆的な熱変形を利用して、スワールコントロールバルブを作動して、低温時にはプレートの開き角を大きくしてスワール比（旋回流速度／エンジン回転数）を小さくし，一方温間時には逆に開き角を小さくしてスワール比を大きくして、エンジンの低温始動性を向上させる直噴式ディーゼルエンジンにおける可変スワール機構が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
この可変スワール機構では、熱変形金属を使用しているため、スワールポートに吸入される空気の温度に応じて、応答性良くスワール比を制御し、エンジンの低温始動時におけるシリンダ壁面への燃料の付着を防止している。
【０００８】
しかしながら、熱変形金属をスワールコントロールバルブの駆動源にしているため、このスワールコントロールバルブでは、通路開閉用のプレートに加えて、このプレートを回転可能に支持するための可動軸と熱変形金属で形成された渦巻き状のバネが必要であり、また、インテークマニホールドの壁面の凹部を利用する必要もあり、プレート（フラップ）、可動軸（フラップ軸）、渦巻き状バネ（アクチュエータ）等の部品点数が多く、取り付け作業も複雑になる上に、小型化された内燃機関の狭いシリンダヘッド内に、これらの部品を収容するのが難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３１５７２３号公報
【特許文献２】特開２００２−３７１８５６号公報
【特許文献３】実公平０７−１６０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、自動的にエンジン冷却水の温度、潤滑オイルの温度、吸気ポートの壁の温度等に応じて自動的にスワールの度合いを調整でき、しかも、可変スワール機構におけるフラップ軸とアクチュエータ等の部品点数を減少できると共に、温度に応じて吸気ポートを通過する吸気量を変化させる制御を不要にできて、装置及び制御を簡素化することができる可変スワール機構、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の可変スワール機構は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、吸気ポートの壁面にベーンを設けて、該ベーンを温度変形材料で形成すると共に、該ベーンの温度が低い形状から該ベーンの温度が高い形状に変化する際に、該ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、該ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくするように、該ベーンの温度による変形で前記吸気ポートの通路断面積を変化させるように構成される。
【００１２】
この構成によれば、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、ベーンをバイメタルや形状記憶合金などの温度変形によってその形状を変化させる熱変形材料で形成しているので、このベーンの温度変形によって、自動的にエンジン冷却水の温度、潤滑オイルの温度、吸気ポートの壁の温度等に応じて形状を変化するベーンの温度により、ベーンが自動的に変形するので、スワールの度合いを自動的に調整することができるようになる。
【００１３】
しかも、従来技術の可変スワール機構で必要とされていた、フラップ軸とアクチュエータ等を不要にして、部品点数を減少できると共に、同様に必要とされていた、エンジン冷却水の温度、潤滑オイルの温度、吸気ポートの壁の温度等の温度に応じて吸気ポートを通過する吸気量を変化させる制御を不要にできる。その結果、この構成によれば、可変スワール機構における装置及び制御を簡素化することが可能となる。
【００１４】
上記の可変スワール機構において、前記内燃機関のエンジン冷却水又は潤滑オイルの温度を前記ベーンに伝熱する伝熱部材を前記ベーンに接続若しくは接触させて設けて構成すると、エンジン冷却水の温度又は潤滑オイルの温度に応じて、ベーンを変形することができるようになり、これらの温度に応じてスワールの度合いを変化させることができるようになる。
【００１５】
上記の可変スワール機構において、前記内燃機関が各シリンダに第１の吸気弁と第２の吸気弁を有して構成され、前記第１の吸気弁側の第１の吸気ポートに前記ベーンを設けて、前記ベーンの温度が低い形状から前記ベーンの温度が高い形状に変化する際に、前記第１の吸気ポートの通路断面積が小さい通路断面積から大きい通路断面積に変化して、前記ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、前記ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくするように構成すると次のような効果を得ることができる。
【００１６】
この構成は、第１の吸気弁に接続する第１の吸気ポートをタンジェンシャルポートで形成し、第２の吸気弁に接続する第２の吸気ポートをスワールを促進するヘリカルポートで形成しているような、各シリンダに２個の吸気弁を備えた内燃機関に適用するのに適した構成である。そして、このタンジェンシャルポートの吸気量調整を、温度が低い時に小さい通路断面積となるベーンで行う。
【００１７】
これにより、エンジン冷却水の温度、潤滑油の温度、吸気ポートの壁の温度等が低く、シリンダ内のスワールの度合いを大きくすることが好ましい場合には、タンジェンシャルポートの吸気量の割合を小さくして、ヘリカルポート側の吸気量の割合を大きくして、シリンダ内のスワールを自動的に大きくすることができ、逆に、エンジン冷却水の温度、潤滑油の温度、吸気ポートの壁の温度等が高い場合には、シリンダ内のスワールを自動的に小さくすることができる。
【００１８】
あるいは、上記の可変スワール機構において、前記内燃機関が各シリンダに一つの吸気弁を有して構成され、この吸気弁に接続する吸気ポートに前記ベーンを設けて、前記ベーンの温度が低い形状から前記ベーンの温度が高い形状に変化する際に、前記吸気ポートの通路断面積が大きい通路断面積から小さい通路断面積に変化して、前記ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、前記ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくするように構成されると、次のような効果を得ることができる。
【００１９】
この構成は、シリンダに吸気弁が一つのみ設けられている内燃機関に適用するのに適した構成である。そして、この吸気弁からシリンダ内に吹き込まれる吸気の流速を変化させることでスワールの度合いを変化させる場合に、この吸気の流速の調整を、ベーンの温度が低い時に、ベーンの開き角を大きくして、通路断面積を小さくするベーンで行う。
【００２０】
これにより、エンジン冷却水の温度、潤滑油の温度、吸気ポートの壁の温度等が低く、シリンダ内のスワールの度合いを大きくすることが好ましい場合には、通路断面積を小さくすることで吸気の流速を高めて、シリンダ内のスワールを自動的に大きくすることができる。逆に、エンジン冷却水の温度、潤滑油の温度、吸気ポートの壁の温度等が高い場合には、シリンダ内のスワールを自動的に小さくすることができる。
【００２１】
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の可変スワール機構を備えて構成され、上記の可変スワール機構と同様の効果を奏することができる。
【００２２】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のスワール変化方法は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる内燃機関のスワール変化方法において、吸気ポートの壁面に温度変形材料で形成されたベーンを設けて、該ベーンの温度が低い形状から該ベーンの温度が高い形状に変化する際の前記吸気ポートの通路断面積の変化により、該ベーンの温度が低いときにはスワールの度合いを大きくし、該ベーンの温度が高いときにはスワールの度合いを小さくすることを特徴とする方法である。この方法によれば、上記の可変スワール機構と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の可変スワール機構、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法によれば、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、エンジン冷却水の温度、潤滑オイルの温度、吸気ポートの壁の温度等に応じてスワールの度合いを自動的に調整でき、しかも、可変スワール機構におけるフラップ軸とアクチュエータ等の部品点数を減少できると共に、温度に応じて吸気ポートを通過する吸気量を変化させる制御を不要にできて、可変スワール機構において装置及び制御を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の２つの吸気弁を備えたシリンダに対する可変スワール機構の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の吸気弁を一つしか備えないシリンダに対する可変スワール機構の構成を模式的に示す図である。
【図３】従来技術における２つの吸気弁を有するシリンダに対する可変スワール機構の構成を模式的に示す図である。
【図４】従来技術における吸気弁を一つしか備えないシリンダに対する可変スワール機構の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態の可変スワール機構、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１に示す第１の実施の形態の可変スワール機構１は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ１０内のスワール比を変化させる可変スワール機構であり、各シリンダ２０に第１の吸気ポート１１ａに接続する第１の吸気弁１２ａと、第２の吸気ポート１１ｂに接続する第２の吸気弁１２ｂを有して、即ち、各シリンダに２つの吸気弁を備えて構成される。
【００２７】
この第１の吸気ポート１１ａの壁面にベーン２０を設けて、このベーン２０をバイメタルや形状記憶合金などの温度変形材料で形成する。このベーン２０は、ベーン２０の温度Ｔｂが低い形状から温度Ｔｂが高い形状に変化する際に、第１の吸気ポート１１ａの通路断面積Ａａが小さい通路断面積から大きい通路断面積に変化して、ベーン２０の温度Ｔｂが低いときには、実線矢印（クロスハッチング）のようにスワールの度合いを大きくし、ベーン２０の温度が高いときには点線矢印のようにスワールの度合いを小さくするように構成する。
【００２８】
更に、内燃機関のエンジン冷却水の温度Ｔｗ又は潤滑オイルの温度Ｔｏをベーン１０に伝熱する伝熱部材（黒塗部分）２１をベーン２０に接続若しくは接触させて設ける。この伝熱部材２１の一端側はベーン２０の固定用のボルトとナットとしたりして、ベーン１０の熱伝達を効率よく行える構成にし、他端側は、シリンダヘッド内のエンジン冷却水の水路内、又は、潤滑オイルの油路内に突出させたり、これらの近傍に配置したりして、エンジン冷却水の温度Ｔｗ又は潤滑オイルの温度Ｔｏを迅速にベーン１０に伝達できるよう構成する。また、この伝熱部材２１の材料としては、熱伝導率の高いアルミニウム合金や銅合金等を用いることが好ましい。
【００２９】
これにより、第１の吸気ポート１１ａの壁の温度Ｔｓだけでなく、エンジン冷却水の温度Ｔｗ、又は、潤滑オイルの温度Ｔｏに応じて、ベーン２０を変形することができるようになるので、これらの温度Ｔ１、Ｔｏに対応して、スワールの度合いを変化させることができるようになる。
【００３０】
この構成は、第１の吸気ポート１１ａをタンジェンシャルポートで形成し、第２の吸気ポート１１ｂをスワールを促進するヘリカルポートで形成している内燃機関に適用するのに適した構成である。この構成によれば、タンジェンシャルポートの第１の吸気ポート１１ａの吸気量調整をベーン２０で行うことができる。
【００３１】
これにより、エンジン冷却水温度Ｔｗ、潤滑油温度Ｔｏ、吸気ポート１１ａの壁の温度Ｔｓ等が低く、シリンダ１０内のスワールの度合いを大きくすることが好ましい場合には、ベーン２０の温度Ｔｂも低くなるので、第１の吸気ポート１１ａの吸気量の割合を小さくして、第２の吸気ポート１１ｂの吸気量の割合を大きくして、シリンダ１０内のスワールを大きくすることが自動的にできる。逆に、エンジン冷却水温度Ｔｗ、潤滑油温度Ｔｏ、吸気ポート１１ａの壁の温度Ｔｓ等が高い場合には、シリンダ１０内のスワールを小さくすることが自動的にできる。
【００３２】
一方、図２に示す第２の実施の形態の可変スワール機構１Ａは、第１の実施の形態の可変スワール機構１と同じ、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ１０内のスワール比を変化させる可変スワール機構であるが、各シリンダ１０に一つの吸気弁１０ｃを有して構成される。
【００３３】
そして、この吸気弁１２ｃに接続する吸気ポート１１ｃの壁面にベーン２０を設けて、ベーン２０の温度Ｔｂが低い形状からベーン２０の温度Ｔｂが高い形状に変化する際に、吸気ポート１０ｃの通路断面積Ａｃが大きい通路断面積から小さい通路断面積に変化して、ベーン２０の温度Ｔｂが低いときにはスワールの度合いを大きくし、ベーン２０の温度Ｔｂが高いときにはスワールの度合いを小さくするように構成される。
【００３４】
この構成は、シリンダ１０に吸気弁１０ｃが一つのみ設けられている内燃機関に適用するのに適した構成であり、この吸気弁１０ｃからシリンダ１０内に吹き込まれる吸気の流速を変化させることでスワールの度合いを変化させる。この吸気の流速の調整を、ベーンの温度Ｔｂが低い時に、ベーン２０の開き角を大きくして、通路断面積Ａｃを小さくする。
【００３５】
これにより、エンジン冷却水の温度Ｔｗ、潤滑油の温度Ｔｏ、吸気ポート１１ｃの壁の温度Ｔｓ等が低く、シリンダ１０内のスワールの度合いを大きくすることが好ましい場合には、通路断面積Ａｃを自動的に小さくすることで吸気の流速を高めて、シリンダ１０内のスワールを大きくすることが自動的にできる。逆に、エンジン冷却水の温度Ｔｗ、潤滑油の温度Ｔｏ、吸気ポート１１ｃの壁の温度Ｔｓ等が高い場合には、シリンダ１０内のスワールを小さくすることが自動的にできる。
【００３６】
つまり、本発明の可変スワール機構１、１Ａは、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる可変スワール機構において、吸気ポート１１ａ、１１ｃの壁面にベーン２０を設けて、このベーン２０を温度変形材料で形成すると共に、このベーン２０の温度Ｔｂが低い形状から温度Ｔｂが高い形状に変化する際に、このベーン２０の温度Ｔｂが低いときにはスワールの度合いを大きくし、このベーン２０の温度Ｔｂが高いときにはスワールの度合いを小さくするように、このベーン２０の温度Ｔｂによる変形で吸気ポート１１ａ、１１ｃの通路断面積Ａａ、Ａｃを変化させるように構成される。
【００３７】
次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関のスワール変化方法について説明する。この方法は、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ内のスワール比を変化させる内燃機関のスワール変化方法であり、吸気ポート１１ａ、１１ｃの壁面に温度変形材料で形成されたベーン２０を設けて、このベーン２０の温度Ｔｂが低い形状からこのベーン２０の温度Ｔｂが高い形状に変化する際の吸気ポート１１ａ、１１ｃの通路断面積Ａａ、Ａｃの変化により、このベーン２０の温度Ｔｂが低いときにはスワールの度合いを大きくし、このベーン２０の温度Ｔｂが高いときにはスワールの度合いを小さくする方法である。
【００３８】
そして、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、上記の第１又は第２の実施の形態の可変スワール機構１、１Ａを備えて構成される。
【００３９】
上記の構成の第１及び第２の実施の形態の可変スワール機構１、１Ａ、内燃機関、及び内燃機関のスワール変化方法によれば、内燃機関の運転状態に応じてシリンダ１０内のスワール比を変化させる可変スワール機構１、１Ａにおいて、自動的にエンジン冷却水の温度Ｔｗ、潤滑オイルの温度Ｔｏ、吸気ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃの壁の温度Ｔｓ等に応じて変化するベーン２０の温度Ｔｂによりスワールの度合いを自動的に調整でき、しかも、図３、図４に示すような従来技術の可変スワール機構１Ｘ、１Ｙに比べて、フラップ軸３１とアクチュエータ３２等の部品点数を減少できる。
【００４０】
それと共に、図３、図４に示すような従来技術の可変スワール機構１Ｘ、１Ｙでは、各温度Ｔｗ、Ｔｏ、Ｔｓに応じて、ＥＣＵ制御装置３４でバキューム制御装置３３を制御して吸気ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを通過する吸気量を変化させる構成及び制御が必要になるが、本発明の可変スワール機構１、１Ａにおいては、これらの構成及び制御が不要になるので、装置及び制御を簡素化することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１、１Ａ、１Ｘ、１Ｙ  可変スワール機構
１０  シリンダ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  吸気ポート
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  吸気弁
１３  燃焼室
２０  ベーン
２１  伝熱部材
３０  フラップ
３１  フラップ軸
３２  アクチュエータ
３３  バキューム制御装置
３４  ＥＣＵ制御装置
【図１】
2016133082.tif 000003
【図２】
2016133082.tif 000004
【図３】
2016133082.tif 000005
【図４】
2016133082.tif 000006