JP2003214169A

JP2003214169A - エンジンの吸気装置

Info

Publication number: JP2003214169A
Application number: JP2002010306A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Nooi; 芳尚乃生; Daisuke Shimo; 大輔志茂; Masahiko Fujimoto; 昌彦藤本; Yasushi Murakami; 康村上; Michihiko Tabata; 道彦田端
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低速運転領域ではタンブル流を強化して燃費向
上を図れる一方、高速運転領域では流動抵抗の増大を抑
制しつつ、吸気充填効率を確保して高出力化が図れるエ
ンジンの吸気装置を提供する。【解決手段】吸気ポート３におけるポート開口部３ａの
直上流付近の内壁面には、吸気ポート３の流路横断面に
おいてシリンダ軸線寄りとシリンダボア壁寄りに２分割
する仮想面Ｐ１を基準とすると、シリンダボア壁寄りに
周方向に窪み３ｄが拡径方向に膨出するように形成さ
れ、この窪み３ｄの深さは、気筒２の平面視において、
吸気ポート３の軸線Ｌ１上に対応する内壁面が最大深さ
ｔmaxとなり、仮想面Ｐ１に近づくほど浅くなっていく
形状とされ、窪み３ｄの吸気流方向の上流端部に角部３
ｅが形成される形状とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気筒内にタンブル
流を生成するエンジンの吸気装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、エンジンの低速運転領域にお
ける初期燃焼速度を高めて燃費を向上させるために、気
筒内に生成されるタンブル流を強化する技術が提案され
ている。

【０００３】例えば、特開平７−２６９３６０号公報に
は、吸気ポートにおける気筒に開口する開口部近傍であ
ってシリンダボア壁寄りに燃焼室に突出する突起部を設
けることにより、当該開口部からシリンダボア壁寄りの
内壁面に沿って流入する吸気流を抑えてシリンダ軸線寄
りの内壁面に沿う吸気流を増大させてタンブル流を強化
する構成が提案されている。

【０００４】また、特開平７−１６６８６７号公報に
は、可変バルブリフト機構を設けると共に、吸気ポート
における気筒に開口する開口部近傍であってシリンダボ
ア壁寄りに燃焼室に突出する突起部を設けることによ
り、エンジンの低速運転領域（希薄燃焼領域を含む）で
はバルブリフト量を低リフトにしつつ当該開口部からシ
リンダボア壁寄りの内壁面に沿って流入する吸気流を抑
えてシリンダ軸線寄りの内壁面に沿う吸気流を増大させ
てタンブル流を強化する一方、高速運転領域ではバルブ
リフト量を高リフトにして気筒内への吸気充填効率を確
保する構成が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、気筒内
に生成されるタンブル流を強化することによって初期燃
焼速度が高められ、希薄燃焼若しくは希釈燃焼領域での
燃焼安定性をもたらし、その結果として希薄燃焼若しく
は希釈燃焼領域限界が高くなって低燃費化を図ることが
できる。

【０００６】しかしながら、上記従来技術のように、吸
気ポートの開口部近傍に燃焼室に向けて突出する突起部
を設けたものではタンブル流を強化できる一方、バルブ
の可変リフト機構を併用して高速運転領域でのリフト量
を大きくした場合でも流動抵抗が大きくなり、吸気充填
効率が低下して高出力化が図れないという不都合があ
る。

【０００７】また、高速運転領域では、圧縮比が高まる
ことによりノッキングが発生し、出力低下を招くという
不都合がある。

【０００８】本発明は上記課題に鑑みてなされ、その目
的は、低速運転領域ではタンブル流を強化して燃費向上
を図る一方、高速運転領域では流動抵抗の増大を抑制し
て、吸気充填効率を確保し、高出力化を図るエンジンの
吸気装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するため、本発明のエンジンの吸気装置は、気
筒から斜め上方に延びる吸気ポートを備え、当該気筒内
にタンブル流を生成するレシプロエンジンの吸気装置に
おいて、前記吸気ポートの前記気筒に開口する開口部の
直上流であって、シリンダボア壁寄りの前記吸気ポート
の内壁面を拡径方向に膨出させ、かつこの膨出部位の上
流端部に角部が形成されるように窪みを形成し、シリン
ダ軸線寄りの前記吸気ポートの内壁面を当該吸気ポート
の軸線に沿って滑らかに形成した。

【００１０】また、好ましくは、前記吸気ポートは、前
記吸気ポートの開口部から斜め上方に延びる開口通路
と、当該開口通路から上流に向けて斜め上方に延びる上
流通路とを有し、気筒の側面視において、当該開口通路
の軸線が当該上流通路の軸線と交わる交点において当該
上流通路の軸線に接する線分が、気筒側において当該開
口通路の軸線に対してシリンダボア壁寄りに傾斜するよ
うに前記開口通路と前記上流通路とを湾曲して形成し、
当該湾曲した開口通路の周方向に前記窪みを設けた。

【００１１】また、好ましくは、前記吸気ポートの開口
部のシリンダボア壁側であって、前記窪みの下流側に
は、バルブ最大径に沿ってバルブの最大リフト量より小
さくバルブリフト方向に突出する突起部を設けた。

【００１２】また、好ましくは、前記窪みは、前記気筒
の平面視において、前記吸気ポートの軸線上に対応する
内壁面が最大深さとなり、前記吸気ポートの軸線を通り
当該吸気ポートの流路断面をシリンダボア壁側とシリン
ダ軸線側とに分割する仮想線に近づくほど浅くなる形状
とされる。

【００１３】また、好ましくは、前記吸気ポートは互い
に隣接して２つ設けられ、前記窪みの近傍には前記吸気
ポートに沿うように燃料噴射弁が配設されている。

【００１４】また、好ましくは、前記吸気ポートは、コ
モン部を介して２つの開口通路に分岐して２つの開口部
に通じると共に、前記窪みの上流端部の角部が当該コモ
ン部よりも下流側に位置する。

【００１５】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、吸気ポートの気筒に開口する開口部の直上流であっ
て、シリンダボア壁寄りの吸気ポートの内壁面を拡径方
向に膨出させ、かつこの膨出部位の上流端部に角部が形
成されるように窪みを形成し、シリンダ軸線寄りの吸気
ポートの内壁面を吸気ポートの軸線に沿って滑らかに形
成したことにより、エンジンの低速運転時、特に希薄燃
焼運転時（気筒内の空燃比がλ＞１のリーン燃焼運転
時）、若しくは希釈燃焼運転時（気筒内の空燃比が必ず
しもλ＞１ではないものの、ヘビーＥＧＲ状態で燃料供
給量が少ない状態にある燃焼運転時）には、吸気ポート
のシリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流が角部によ
って剥離されることが少なくなる（ほとんど無くなる）
ことから、このシリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気
流の流速ベクトルが窪みによって偏流され、吸気ポート
から流出する吸気流の中心（吸気主流）が吸気ポートの
軸心よりもシリンダ軸線寄りに変位して、気筒内にタン
ブル流を生成する吸気ポートのシリンダ軸線寄りの内壁
面に沿った吸気流量及び吸気流速が大きくなるため、角
部と窪みがない従来の構成に比べてタンブル流を強化す
ることができる。

【００１６】そして、タンブル流を強化できることで初
期燃焼速度が高められ、希薄燃焼若しくは希釈燃焼領域
での燃焼安定性をもたらし、その結果として希薄燃焼若
しくは希釈燃焼限界が高くなって低燃費化を図ることが
できる。

【００１７】また、エンジンの高速運転時には、吸気ポ
ートのシリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流が窪み
の上流端部の角部によってしっかり剥離され、窪み内が
吸気流の小さな渦で満たされて窪みを平滑化するように
厚い境界層が形成されるため、吸気ポートのシリンダボ
ア壁寄りの内壁面に沿う吸気流の流速ベクトルが窪みに
よって偏流されることなく、流動抵抗が低減し、吸気ポ
ートの内壁面全周に沿って吸気流量及び吸気流速が大き
くなるため、高い吸気充填効率を確保することができ
る。その結果、低速運転時のタンブル流強化による低燃
費化と、高速運転時の高い吸気充填効率の確保による高
出力化とを両立させることができる。

【００１８】請求項２の発明によれば、吸気ポートは、
吸気ポートの開口部から斜め上方に延びる開口通路と、
開口通路から上流に向けて斜め上方に延びる上流通路と
を有し、気筒の側面視において、開口通路の軸線が上流
通路の軸線と交わる交点において上流通路の軸線に接す
る線分が、気筒側において開口通路の軸線に対してシリ
ンダボア壁寄りに傾斜するように開口通路と上流通路と
を湾曲して形成し、湾曲した開口通路の周方向に窪みを
設けたことにより、開口通路は水平方向に対する傾斜角
度が大きくなると同時に、上流通路は水平方向に対する
傾斜角度が小さくなり、吸気ポート内部で窪みを形成す
る空間を確保でき、更に、窪みによって吸気ポート内部
で吸気流を偏流させることができるので、バルブリフト
量に対する平均流量係数Ｃｆを従来に比べて低下させる
ことなく、また、バルブリフト量に対するタンブル強度
ＮＴは従来より強化できる。

【００１９】請求項３の発明によれば、吸気ポートの開
口部のシリンダボア壁側であって、窪みの下流側には、
バルブ最大径に沿ってバルブの最大リフト量より小さく
バルブリフト方向に突出する突起部を設けたことによ
り、低速運転時において、吸気ポートのシリンダボア壁
寄りの内壁面に沿う吸気流が、角部と窪みによって偏流
され、吸気主流が吸気ポートのシリンダ軸線側に寄るこ
とから、吸気ポートの開口部における突起部が形成され
たシリンダボア壁側の吸気流量及び吸気流速が低下し
て、バルブリフト量が少なく突起部の影響を受けやすい
状態においても、吸気抵抗の増大を少なくでき、平均流
量係数Ｃｆを高めにできると共に、突起部側の吸気流速
が低いことで逆タンブル成分（突起部側から気筒内に流
出する吸気ベクトルが強くなるほど増大する逆タンブル
成分）の生成を抑えることができ、その分タンブル流が
強化できる。

【００２０】以上の結果、吸気バルブの低リフト運転領
域（タンブル流を強化できる運転領域）を拡大すること
ができ、低燃費化が図れる。一方高速運転時において
は、窪みによる偏流は望めないものの、吸気バルブのリ
フト量が大きい高リフト状態にあるため突起部の影響が
少なくなり、吸気充填量が確保できる。

【００２１】請求項４の発明によれば、窪みは、気筒の
平面視において、吸気ポートの軸線上に対応する内壁面
が最大深さとなり、吸気ポートの軸線を通り吸気ポート
の流路断面をシリンダボア壁側とシリンダ軸線側とに分
割する仮想線に近づくほど浅くなる形状とされることに
より、窪みに形成される境界層を利用して、吸気ポート
の開口部の直下流に形成された突起部による流動抵抗の
増大を抑えることができる。

【００２２】請求項５の発明によれば、吸気ポートは互
いに隣接して２つ設けられ、窪みの近傍には吸気ポート
に沿うように燃料噴射弁が配設されていることにより、
燃料噴射弁の設置角度の自由度が拡大するため、気筒内
に対する噴射方向の自由度が拡大すると同時に、燃焼室
に露出して熱の影響を受ける燃料噴射弁の先端部を冷却
するための冷却水路を確保できるため、燃料噴射弁の信
頼性が高くなる。

【００２３】請求項６の発明によれば、コモン部より下
流の吸気流速が高まる吸気ポート区間に角部と窪みが形
成されているため、エンジンの高速運転時において、吸
気ポートのシリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流が
窪みの上流端部の角部によってしっかり剥離され、窪み
内が吸気流の小さな渦で満たされて窪みを平滑化するよ
うに厚い境界層が形成されるため、吸気ポートのシリン
ダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流の流速ベクトルが窪
みによって偏流されることなく、流動抵抗が低減し、吸
気ポートの内壁面全周に沿って吸気流量及び吸気流速が
大きくなるため、高い吸気充填効率を確保することがで
きる。その結果、低速運転時のタンブル流強化による低
燃費化と、高速運転時の高い吸気充填効率の確保による
高出力化とを両立させることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２５】尚、以下に説明する実施の形態は、本発明
の実現手段として自動車用直列４気筒エンジンの吸気装
置に適用した一例であるが、本発明は、その趣旨を逸脱
しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものにも
適用可能である。

【００２６】図１は本発明に係る実施形態のエンジンの
吸気装置を低速運転時のバルブのリフト状態と共に示す
シリンダヘッド部分の側断面図、図２は本発明に係る実
施形態のエンジンの吸気装置を高速運転時のバルブのリ
フト状態と共に示すシリンダヘッド部分の側断面図、図
３は図１及び図２に示す吸気ポートの気筒への開口部を
気筒側から見た図、図４は本実施形態のエンジンの吸気
装置でのエンジン回転数とトルクとの関係を示す図を夫
々示し、本実施形態のエンジンの吸気装置は、ガソリン
やアルコール系燃料を含む混合気を火花で点火、爆発さ
せてピストンが気筒内を往復する火花点火式のレシプロ
エンジンに適用され、エンジンの構成要素であるシリン
ダヘッド１には、その下部に組み付けられる不図示のシ
リンダブロックに形成された気筒（シリンダ）２に連通
する２つの並列の吸気ポート３及び２つの並列の排気ポ
ート４と、気筒２の上端部分を画定すると共に、気筒２
に開口する２つの吸気ポート３及び２つの排気ポート４
の各ポート開口部３ａ，４ａが形成された頂面部２ａが
形成されている。

【００２７】吸気ポート３には、気筒２に開口するポー
ト開口部３ａを開閉する吸気弁５が設けられ、吸気弁５
はバルブステム５ａの一端部に設けられたタペット５ｂ
がシリンダヘッド１の上部に軸支された吸気カム６に当
接し、ポート開口部３ａにおいて吸気ポート３のポート
開口部３ａ直上流までの開口通路３ｂの軸線と同軸に動
作するようにバルブガイド５ｃにて案内されつつ、吸気
カム６の回転によりバルブガイド５ｃに沿って駆動され
る。

【００２８】吸気ポート３と同様に、排気ポート４に
は、気筒２に開口するポート開口部４ａを開閉する排気
弁７が設けられ、排気弁７はバルブステム７ａの一端部
に設けられたタペット７ｂがシリンダヘッド１の上部に
軸支された排気カム８に当接し、ポート開口部４ａ直上
流までの通路の軸線と同軸に動作するようにバルブガイ
ド７ｃにて案内されつつ、排気カム８の回転によりバル
ブガイド７ｃに沿って駆動される。

【００２９】吸気カム６は、吸気弁５のリフト量をエン
ジン回転数やエンジン負荷に応じて可変とする低速カム
６ａと高速カム６ｂとを有し、低速カム６ａは高速カム
６ｂより小さいリフト量で吸気弁５を駆動するカムプロ
フィールを持ち、図４に示すように、エンジンが希薄燃
焼運転される成層燃焼領域をカバーするように、低速運
転領域において吸気弁５を駆動する。

【００３０】また、高速カム６ｂは、低速カム６ａより
大きいリフト量で吸気弁５を駆動するカムプロフィール
を持ち、図４に示すように、エンジンが高速運転される
領域において吸気弁５を駆動する。

【００３１】気筒２内には、頂面部２ａ、ピストン９、
２つの吸気弁３及び２つの排気弁４によりペントルーフ
型燃焼室が形成され、気筒２の軸線の延長上に対応する
頂面部２ａには火花を発生して燃焼室内に充填、圧縮さ
れた混合気を着火させる点火プラグ１０がシリンダヘッ
ド１に形成されたシリンダヘッド取付孔１０ａを介して
先端部が燃焼室に露出するように配設されている。

【００３２】吸気ポート３は、上流通路３ｃの上流部分
が１本で、その下流途中で互いに隣接して２本に分岐し
て気筒２内に連通している。また、吸気ポート３が２本
に分岐する手前の上流通路３ｃには、ポート開口部３ａ
に向けて霧状燃料を噴射する燃料噴射弁１１が配設され
ている。

【００３３】２本に分岐した吸気ポート３は気筒２から
斜め上方に延びており、気筒２内に充填される混合気に
縦渦のタンブル流ｆ１を生成する。＜吸気ポートの詳細形状＞図１乃至図３に加えて、図５
（ａ）は図１及び図２に示す吸気ポートのポート開口部
付近の軸線方向に沿った断面図、図５（ｂ）は図５
（ａ）のＩ−Ｉ断面図、図５（ｃ）は後述する窪み３ｄ
部分の拡大図であり、吸気ポート３におけるポート開口
部３ａの直上流付近の内壁面には、吸気ポート３の流路
横断面（図５（ｂ）で示す横断面）において、シリンダ
軸線寄り（上側）とシリンダボア壁寄り（下側）に２分
割する仮想面（線）Ｐ１を基準とすると、シリンダボア
壁寄り（下側）に周方向に窪み３ｄが拡径方向に膨出す
るように形成され、この窪み３ｄの深さは、気筒２の平
面視において、吸気ポート３の軸線Ｌ１上に対応する内
壁面が最大深さｔmaxとなり、仮想面Ｐ１に近づくほど
浅くなっていく形状とされる。

【００３４】換言すると、窪み３ｄは、吸気ポート３の
ポート開口部３ａの直上流であって、当該ポート開口部
３ａから流出する吸気流のうち、気筒２内に旋回流とし
てのタンブル流を生成する吸気流に接する部位とは反対
側の内壁面（シリンダボア壁寄りの内壁面）が拡径方向
に膨出させて形成されている。

【００３５】そして、窪み３ｄの上流端部は、角部３ｅ
が形成されている（図５（ｃ）参照）。

【００３６】尚、角部３ｅには、エンジンの低速運転時
において、シリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流が
剥離しないように（剥離してもその程度が小さくなるよ
うに）、なお且つエンジンの高速運転時においては、こ
の内壁面に沿う吸気流が十分に剥離するように、比較的
小さなＲがつけられており、このＲの終端位置は、図５
（ｃ）に示すように、吸気ポート３の軸線方向における
窪み３ｄの上流端部側にとどめられている。

【００３７】このようにして、実質的に角張った角部３
ｅが形成されている。

【００３８】更に、吸気ポート３の軸線方向における窪
み３ｄの区間長は、弁シート１２の同軸線方向の区間長
（高さ）とほぼ同等に形成されている。

【００３９】また、吸気ポート３におけるポート開口部
３ａの直上流付近の内壁面であって、上記仮想面Ｐ１の
シリンダ軸線寄り（上側）は、吸気ポート３の軸線に沿
って滑らかに形成されている。

【００４０】吸気ポート３の開口通路３ｂと上流通路３
ｃとは、吸気弁５の軸線Ｌ２が上流通路３ｃの軸線Ｌ１
と交わる交点Ｌ０において上流通路３ｃの軸線Ｌ１に接
する線分Ｌ３が当該交点Ｌ０より気筒２側において吸気
弁５の軸線Ｌ２に対して角度α（約１５度）で気筒２の
軸線方向に傾斜するように湾曲して形成され、当該湾曲
内方の開口通路３ｂの内周面に上記窪み３ｄが設けられ
ている。

【００４１】この吸気ポート３の基本形状は、軸線Ｌ２
に対して角度α（約１５度）で気筒２の軸線方向に傾斜
する軸線Ｌ３と、軸線Ｌ１（Ｐ１）に接する上流側の軸
線Ｌ４とが交わる交点Ｐ２において、弁シート１２の端
面１２ａと当該交点Ｐ２との最短距離をなす長さ：ポー
ト高さＨ１を大きく形成するように設定されている。

【００４２】また、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とが交わる交点
Ｌ０と、軸線Ｌ１（Ｐ１）と軸線Ｌ４とが接する接点若
しくは交わる交点Ｐ３との間で形成される軸線Ｌ１（Ｐ
１）の軸線角度βを小さく形成するように設定されてい
る。

【００４３】このポート高さＨ１、軸線Ｌ１（Ｐ１）の
軸線角度βの設定により、弁シート１２の上流通路３ｃ
並びに開口通路３ｂにおいて、吸気ポート３の湾曲部に
おける吸気流の偏流を抑制しつつ、開口通路３ｂにおい
て、吸気が整流される距離並びに時間を大きく得ること
が可能となる。これにより吸気弁５の傘状弁部５ｄ、ポ
ート開口部３ａにおける吸気流速の値を平滑化し、吸気
弁５の傘状弁部５ｄ、ポート開口部３ａの通路面積を有
効に活用できる。

【００４４】以上により、低速運転時において吸気弁５
のリフト量を低く設定する場合や、高速運転時並びに高
速のエンジン回転数を使用する運転領域、つまり吸気流
量及び吸気流速が増大した状態において、吸気抵抗を低
減でき、平均流量係数Ｃｆを高くすることを可能として
いる。

【００４５】また、吸気ポート３のポート開口部３ｂに
は、吸気弁５の傘状弁部５ｄの外周縁部に当接する傾斜
したシート面を有するリング状の弁シート１２が圧入さ
れて取り付けられ、上記窪み３ｄの下流端部側は、この
弁シート１２の端面１２ａに対して少しの傾斜角を持っ
て（詳しくは、シリンダ軸線を鉛直方向としたときの水
平面に対してやや下方に傾斜するように）形成されてい
る。尚、この窪み３ｄの下流端部側の壁面を弁シート１
２の端面１２ａによって形成してもよく、更に、窪み３
ｄの形状を弁シート１２に一体的に作り込んで形成して
もよい。

【００４６】更に、上記窪み３ｄが形成されたポート開
口部３ａ（弁シート１２）の直下流付近であって上記仮
想面Ｐ１に対してシリンダボア壁寄り（下側）の内壁面
には、傘状弁部５ｃの外周縁部を取り囲むように傘状弁
部５ｄの最大径より大きい径を持ち、吸気弁５の最大リ
フト量よりも小さくバルブリフト方向に突出する突起部
１３が形成されている。［他の実施形態］上記実施形態のエンジンの吸気装置で
は、点火プラグ１０を気筒２の軸線の延長上に対応する
頂面部２ａ（シリンダボアの中心付近）のみに配設した
形式を例示したが、ポート噴射形式故に、２本に分岐し
た吸気ポート３の間の下方であってポート開口部３ａ間
にもう１つの点火プラグ３１を配置することもできる。

【００４７】図８は点火プラグを２つ設けた場合を示す
シリンダヘッドの側断面図、図９は図８の概略構成を示
す平面図であり、点火プラグ３１は、２本に分岐した吸
気ポート３の間の下方であって、その先端部３１ａが窪
み３ｄ近傍に位置するように配置されている。

【００４８】そして、希薄燃焼領域において２つの点火
プラグ１０，３１（以下、第１点火プラグ１０、第２点
火プラグ３１と呼ぶ）を同時に点火することで、図１０
に示すように１つの第１点火プラグ１０で点火した熱発
生率特性（Ｒ１）に比べて初期燃焼速度を速めた熱発生
率特性（Ｒ２）とすることができ、熱効率アップによる
低燃費化が可能となる。また、全負荷領域、少なくとも
低速高負荷運転領域において第２点火プラグ３１を第１
点火プラグ１０に対して先行して点火することで、図１
１に示すように１つの第１点火プラグ１０で点火した熱
発生率特性（Ｒ３）に比べて初期燃焼速度を遅くしつ
つ、後期燃焼速度を速めた後期重心型熱発生率特性（Ｒ
４）とすることができ、ノッキングを抑制することがで
きる。

【００４９】更に、図１２に示すように、吸気ポート３
を気筒２に対してシリンダボア壁の接線Ｌ４と略平行に
配設することにより、気筒２内に充填される混合気にシ
リンダボア壁に沿って気筒軸線まわりに渦状のスワール
流ｆ２を生成することができる。ここで、図１２の構成
においては、吸気ポート３は気筒２から斜め上方に延び
ているため、気筒２内に充填される吸気はスワール流と
タンブル流とが混在した気筒軸線まわりに下方に向けて
螺旋状に旋回する旋回流（斜めスワール流）が生成され
る。また、窪み３ｄは、気筒２の平面視において、吸気
ポート３の軸線Ｌ１上に対応する内壁面が最大深さｔma
xとなるように形成される。

【００５０】尚、図１２において下側の吸気ポート３に
開閉弁を設けて当該吸気ポート３を閉じることによって
も他方（上側）の吸気ポート３から気筒２内に充填され
る吸気によって、より強いスワール流を生成させること
ができる。

【００５１】図１２のように、吸気ポート３をスワール
流も生成可能なポートにすることによって、エンジンの
低速運転時、特に希薄燃焼運転時には、吸気ポート３の
シリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流の流速ベクト
ルが窪みによって偏流され、図１２においてポート開口
部３ａの吸気ポート３の軸線方向下流端部側寄りの内壁
面に沿った吸気流量及び吸気流速が大きくなるため、角
部有りの窪み３ｄがない従来の構成に比べてスワール流
を強化することができる。

【００５２】また、エンジンの高速運転時には、窪み３
ｄが吸気流の小さな渦で満たされて窪み３ｄを平滑化す
るように厚い境界層が形成されるため、吸気ポート３の
シリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流の流速ベクト
ルが窪み３ｄによって偏流されることなく、流動抵抗の
増大が抑制され、吸気ポート３の内壁面全周に沿って吸
気流量及び吸気流速が大きくなるため、窪み３ｄがない
従来の構成に比べて吸気充填効率を増大することができ
る。

【００５３】更に、図１３に示すように、一方の（上側
の）吸気ポート３の開口通路３ｂ付近を気筒２に対して
シリンダボア壁の接線Ｌ４と略平行に配設することによ
りスワール流を生成するポートとし、他方の（下側の）
吸気ポート３を対向する排気ポート４の開口部４ａ方向
に向けた気筒２から斜め上方に延ばすことによりタンブ
ル流を生成するポートとすることも可能である。この場
合も、気筒２内に充填される吸気はスワール流とタンブ
ル流とが混在した気筒軸線まわりに下方に向けて螺旋状
に旋回する斜めスワール流となる。また、窪み３ｄは、
気筒２の平面視において、吸気ポート３の軸線Ｌ１上に
対応する内壁面が最大深さｔmaxとなるように形成され
る。他の構成については、同一の番号を付して説明を省
略する。

【００５４】上記実施形態の構成によれば、エンジンの
低速運転時、特に希薄燃焼運転時で吸気弁５のリフト量
が高速運転時に比べて小さい低リフト状態の時（図
１）、図１４（ｂ）に示すように、窪み３ｄ内におい
て、吸気ポート３内の吸気の流れに逆らう向き（吸気上
流方向）の流れがほとんど生成されず（このことは、窪
み３ｄ内を満たすような小さな渦が生成していないこと
を意味する）、図１４（ａ）に示すように、吸気ポート
３のシリンダボア壁寄りの内壁面に沿う吸気流の流速ベ
クトルが窪み３ｄによって偏流され（矢印Ｓ１）、吸気
ポートから流出する吸気流の中心（吸気主流）が吸気ポ
ート３の軸心よりもシリンダ軸線寄りに変位して吸気ポ
ート３のシリンダ軸線寄りの内壁面に沿った吸気流量及
び吸気流速が大きくなるため、窪み３ｄがない従来の構
成に比べてタンブル流を強化することができる。

【００５５】そして、タンブル流を強化できることで初
期燃焼速度が高められ、希薄燃焼領域での燃焼安定性を
もたらし、また、タンブル流を強化しつつ、平均流量係
数Ｃｆの低下を抑制することができる。その結果として
図４の点線で示すように希薄（成層）燃焼領域を拡大す
ることができ、その分低燃費化を図ることができる。

【００５６】また、低速運転時には、ポート開口部３ａ
の直下流に形成された突起部１３の作用も加わって平均
流量係数Ｃｆの低下を抑制しつつ、タンブル流を強化す
ることができる。

【００５７】また、エンジンの高速運転時で吸気弁５の
リフト量が低速運転時に比べて大きい高リフト状態の時
（図２）、図１５（ｂ）に示すように、窪み３ｄ内にお
いて、吸気ポート３内の吸気の流れに逆行する向きの流
れが生じており（このことは、窪み３ｄ内を十分に満た
す小さな渦が生成していることを意味する）、図１５
（ａ）に示すように、窪み３ｄが吸気流の小さな渦で満
たされて窪み３ｄを平滑化するように厚い境界層が形成
されるため、吸気ポート３のシリンダボア壁寄りの内壁
面に沿う吸気流の流速ベクトルが窪み３ｄによって偏流
されることなく、吸気ポート３の内壁面全周に沿って吸
気流量及び吸気流速が大きくなるため、窪み３ｄがない
従来の構成に比べて吸気充填効率を増大することができ
る。そして、吸気充填効率が増大できることで高出力化
を図ることができる。

【００５８】また、高速運転時には、吸気弁５の高リフ
ト状態において、ポート開口部３ａの直下流に形成され
た突起部１３の高さが低く、突起部１３による流動抵抗
の増大を抑えることができる。

【００５９】尚、上記実施形態のエンジンの吸気装置で
は、吸気ポート３の途中に燃料噴射弁１１を設置した、
所謂ポート噴射形式を例示したが、燃焼室内に直接燃料
を噴射する直噴形式の場合にも適用できる。

【００６０】図６は直噴形式の燃料噴射弁の配置例を示
すシリンダヘッドの側断面図、図７は図６のＩＩ−ＩＩ
断面図であり、燃料噴射弁２１は２本に分岐した吸気ポ
ート３の間の下方であって、その先端部２１ａが窪み３
ｄ近傍に位置するように配置され、これら２本に分岐し
た吸気ポート３間や燃料噴射弁２１の先端部２１ａのま
わりには熱に晒される燃料噴射弁２１の先端部２１ａを
冷却するための冷却水通路２２が形成されている。他の
構成については、同一の番号を付して説明を省略する。

【００６１】尚、図５で説明したように吸気ポート３の
開口通路３ｂと上流通路３ｃとは、吸気弁５の軸線Ｌ２
が上流通路３ｃの軸線Ｌ１と交わる交点Ｌ０において上
流通路の軸線Ｌ１に接する線分Ｌ３が当該交点Ｌ０より
気筒２側において吸気弁５の軸線Ｌ２に対して約１５°
の角度で気筒２の軸線方向に傾斜するように湾曲して形
成されていることで、開口通路３ｂは水平方向に対する
傾斜角度が大きくなると同時に、上流通路３ｃは水平方
向に対する傾斜角度が小さくなり、吸気ポート３内部で
窪み３ｄを形成する空間を確保でき、更に、窪み３ｄに
よって吸気ポート３内部で吸気流を偏流させることがで
きるので、図１６に示したバルブリフト量に対する平均
流量係数Ｃｆを従来に比べて低下させることなく、ま
た、図１７に示したバルブリフト量に対するタンブル強
度ＮＴは従来より強化できると同時に、開口通路３ｂの
軸線方向への高さ区間を長くして燃焼室内に直接燃料を
噴射する直噴形式の場合の燃料噴射弁の配置スペースを
吸気ポート３の下方であって窪み近傍に確保することが
できる。

【００６２】また、燃料噴射弁の設置角度の自由度が拡
大するため、気筒２内に対する噴射方向の自由度が拡大
すると同時に、燃焼室に露出して熱の影響を受ける燃料
噴射弁の先端部を冷却するための冷却水路を確保できる
ため、燃料噴射弁の信頼性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態のエンジンの吸気装置を
低速運転時のバルブのリフト状態と共に示すシリンダヘ
ッド部分の側断面図である。

【図２】本発明に係る実施形態のエンジンの吸気装置を
高速運転時のバルブのリフト状態と共に示すシリンダヘ
ッド部分の側断面図である。

【図３】図１及び図２に示す吸気ポートの気筒への開口
部を気筒側から見た図である。

【図４】本実施形態のエンジンの吸気装置でのエンジン
回転数とトルクとの関係を示す図である。

【図５】（ａ）は図１及び図２に示す吸気ポートのポー
ト開口部付近の軸線方向に沿った断面図、（ｂ）は
（ａ）のＩ−Ｉ断面図、（ｃ）は（ａ）のＡ部の部分拡
大図である。

【図６】直噴形式の燃料噴射弁の配置例を示すシリンダ
ヘッドの側断面図である。

【図７】図６のＩＩ−ＩＩ断面図である。

【図８】他の実施形態として点火プラグを２つ設けた場
合を示すシリンダヘッドの側断面図である。

【図９】図８の概略構成を示す平面図である。

【図１０】希薄（成層）燃焼領域において１つの点火プ
ラグで点火した場合と２つの点火プラグを同時点火した
場合の熱発生率を比較して示す図である。

【図１１】低速高負荷運転領域において１つの点火プラ
グで点火した場合と２つの点火プラグのうち吸気ポート
側を先行点火した場合の熱発生率を比較して示す図であ
る。

【図１２】他の実施形態としてスワール流を生成する吸
気ポートを示す平面図である。

【図１３】他の実施形態としてタンブル流とスワール流
を生成する吸気ポートを示す平面図である。

【図１４】（ａ）は低速運転領域での吸気流の状態を示
す吸気ポートの側断面図、（ｂ）は窪み周辺の吸気ベク
トル図である。

【図１５】（ａ）は高速運転領域での吸気流の状態を示
す吸気ポートの側断面図、（ｂ）は窪み周辺の吸気ベク
トル図である。

【図１６】本実施形態のように吸気ポートを１５°傾斜
させた場合と傾斜させない場合でのバルブリフト量と平
均流量係数との関係を示す図である。

【図１７】本実施形態のように吸気ポートを１５°傾斜
させた場合と傾斜させない場合でのバルブリフト量とタ
ンブル強度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１シリンダヘッド２気筒３吸気ポート３ｄ窪み３ｅ角部４排気ポート５吸気弁６吸気カム７排気弁８排気カム９ピストン１０第１点火プラグ１１，２１燃焼噴射弁１２弁シート１３突起部３１第２点火プラグｆ１タンブル流ｆ２スワール流

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ０２Ｆ 1/42 ＫＦ０２Ｐ 13/00 ３０１Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ // Ｆ０１Ｌ 3/06 Ｆ０１Ｌ 3/06 Ｚ (72)発明者藤本昌彦広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者村上康広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者田端道彦広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内Ｆターム(参考） 3G019 KA12 KA15 3G023 AA02 AB02 AB03 AC04 AC05 AD05 AD07 AG02 3G024 AA09 DA01 DA06 FA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気筒から斜め上方に延びる吸気ポートを
備え、当該気筒内にタンブル流を生成するレシプロエン
ジンの吸気装置において、前記吸気ポートの前記気筒に開口する開口部の直上流で
あって、シリンダボア壁寄りの前記吸気ポートの内壁面
を拡径方向に膨出させ、かつこの膨出部位の上流端部に
角部が形成されるように窪みを形成し、シリンダ軸線寄
りの前記吸気ポートの内壁面を当該吸気ポートの軸線に
沿って滑らかに形成したことを特徴とするエンジンの吸
気装置。
【請求項２】前記吸気ポートは、前記吸気ポートの開
口部から斜め上方に延びる開口通路と、当該開口通路か
ら上流に向けて斜め上方に延びる上流通路とを有し、気
筒の側面視において、当該開口通路の軸線が当該上流通
路の軸線と交わる交点において当該上流通路の軸線に接
する線分が、気筒側において当該開口通路の軸線に対し
てシリンダボア壁寄りに傾斜するように前記開口通路と
前記上流通路とを湾曲して形成し、当該湾曲した開口通
路の周方向に前記窪みを設けたことを特徴とする請求項
１に記載のエンジンの吸気装置。
【請求項３】前記吸気ポートの開口部のシリンダボア
壁側であって、前記窪みの下流側には、バルブ最大径に
沿ってバルブの最大リフト量より小さくバルブリフト方
向に突出する突起部を設けたことを特徴とする請求項１
又は２に記載のエンジンの吸気装置。
【請求項４】前記窪みは、前記気筒の平面視におい
て、前記吸気ポートの軸線上に対応する内壁面が最大深
さとなり、前記吸気ポートの軸線を通り当該吸気ポート
の流路断面をシリンダボア壁側とシリンダ軸線側とに分
割する仮想線に近づくほど浅くなる形状とされることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエン
ジンの吸気装置。
【請求項５】前記吸気ポートは互いに隣接して２つ設
けられ、前記窪みの近傍には前記吸気ポートに沿うよう
に燃料噴射弁が配設されていることを特徴とする請求項
１乃至４のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。
【請求項６】前記吸気ポートは、コモン部を介して２
つの開口通路に分岐して２つの開口部に通じると共に、
前記窪みの上流端部の角部が当該コモン部よりも下流側
に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のエ
ンジンの吸気装置。