JP2006070860A - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸気ポートの通路構造を改良して、吸気の燃焼室への吸入効率の向上を図ることができる内燃機関の吸気ポート構造を供する。
【解決手段】 シリンダヘッドの側方から穿孔され湾曲して燃焼室開口６に至る吸気ポート７の途中の外側湾曲壁に固定されたバルブガイド11によりバルブステム10ａが摺動自在に支持されて吸気バルブ10が燃焼室開口６を開閉する内燃機関において、吸気ポート７の下流側部分７Ｌの通路断面積は、燃焼室開口６から上流側に遡るに従い縮小し、吸気ポート７の全長の約10％の距離燃焼室開口から上流側に遡った位置Ｐ_１０の通路断面積が、燃焼室開口の面積の0.8倍以下となる内燃機関の吸気ポート構造。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気ポートの構造に関する。

内燃機関の吸気ポートは、シリンダヘッドに形成され、燃焼室に開口して吸気を燃焼室に導く通路であり、この燃焼室開口を開閉する吸気バルブが開口中心から垂直にバルブステムを延出させているので、これを避けて吸気ポートは燃焼室開口から湾曲して延設されている。

したがって、シリンダヘッドに湾曲して形成される吸気ポートの湾曲中心から遠い側の外側湾曲壁にバルブガイドが固定されて、同バルブガイドに摺動自在に吸気バルブが支持される。

すなわち、吸気ポートは、シリンダヘッドの側方上流側から延設されてバルブガイド辺りでバルブステムが中心垂直軸となるように湾曲して燃焼室開口に至るのが、一般的形状である（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−３０１１１９号公報

この吸気ポートのバルブガイドが設けられる箇所より下流部分は、その通路断面積が殆ど変化しないまま燃焼室開口に至っているのが、通常である。

したがって、吸気ポートを流れる吸気は、湾曲壁面に沿って湾曲した後は、拡大縮小することなくそのまま燃焼室開口に垂直に出て、殆どが吸気バルブのカサ部に向かって流れるので、流入抵抗が大きく、燃焼室への吸入効率の向上が図り難い。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、吸気ポートの通路構造を改良して、吸気の燃焼室への吸入効率の向上を図ることができる内燃機関の吸気ポート構造を供する点にある。

課題を解決するための手段および効果

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダヘッドの側方から穿孔され湾曲して燃焼室開口に至る吸気ポートの途中の外側湾曲壁に固定されたバルブガイドによりバルブステムが摺動自在に支持されて吸気バルブが燃焼室開口を開閉する内燃機関において、前記吸気ポートの下流側部分の通路断面積は、燃焼室開口から上流側に遡るに従い縮小し、吸気ポートの全長の約10％の距離燃焼室開口から上流側に遡った位置の通路断面積が、燃焼室開口の面積の0.8倍以下となる内燃機関の吸気ポート構造とした。

吸気ポートの下流側部分は、吸気ポートの全長の約10％の距離だけ上流側に遡った位置（同位置の通路断面積が燃焼室開口の面積の0.8倍以下）から通路断面積が従来に比べて急激に広がり燃焼室開口に至るので、吸気バルブが燃焼室開口を開き吸気ポートを上流側から空気が燃焼室に吸入される手前で空気が外周方向に急激に広がっていく状態で燃焼室開口から燃焼室に流入する。

したがって、急激に広がりながら燃焼室に流入する空気の流れは、流入直後に位置する吸気バルブのカサ（傘）部の山裾のごとく広がる曲面に滑らかに沿い、よって流入抵抗を小さくして燃焼室への吸入効率を向上させることができる。

さらに、空気は急激に広がりながら燃焼室に流入するので、吸気ポートの壁面近傍に空気の淀み層が形成されても、実質空気が流れる流路面積は大きくなるので、燃焼室への吸入効率を益々向上させる。

請求項２記載の発明は、シリンダヘッドの側方から穿孔され湾曲して燃焼室開口に至る吸気ポートの途中の外側湾曲壁に固定されたバルブガイドによりバルブステムが摺動自在に支持されて吸気バルブが燃焼室開口を開閉する内燃機関において、該吸気ポートの前記バルブガイドより下流部分は、通路断面形状が連続的に変化し、通路断面形状の縦横径比が0.9以下の部位を備えた内燃機関の吸気ポート構造である。

ここに、吸気ポートの通路断面において、通路断面の中心とバルブステムの軸線を含む平面が通路断面と交差する直線が指向する方向を縦方向、この縦方向に垂直な方向を横方向とし、通路断面形状の縦方向最大幅を縦径、横方向最大幅を横径としたときの横径に対する縦径の比（縦径／横径）が、ここでいう縦横径比である。

この縦横径比が0.9以下という比較的大きく縦方向につぶれた長円形状の通路断面形状の部位を吸気ポートのバルブガイドより下流側に備えることで、吸気ポートを流れる空気は同縦横径比が0.9以下の部位から真円形の燃焼室開口に至るまでに縦方向に広がりながら燃焼室に流入すること縦方向につぶれたになり、特に燃焼室に流入する空気のうち吸気バルブのカサ部に最も垂直に近い角度を持って流入する外側湾曲壁面に沿った空気の流れを外側に広がる流れに変えることができ、よって流入直後に位置する吸気バルブのカサ部の山裾のごとく広がる曲面に滑らかに沿わせ、流入抵抗を小さくして燃焼室への吸入効率を向上させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関の吸気ポート構造において、該吸気ポートの前記バルブガイドより下流側部分の外側湾曲壁面が変曲点を経て逆に湾曲して外側に広がりながら燃焼室開口部に至る逆湾曲壁面を有することを特徴とする。

吸気ポートのバルブガイドより下流側部分の外側湾曲壁面が変曲点を経て逆湾曲壁面をなして外側に広がりながら燃焼室開口部に至るので、燃焼室に流入する空気のうち最も吸気バルブのカサ部に垂直に近い角度を持って流入する外側湾曲壁面に沿った空気の流れを、燃焼室に流入する燃焼室開口部手前で逆湾曲壁面によって外側に広がる流れに無理なく滑らかに変えることができ、よって丁度吸気バルブのカサ部の曲面に沿わせることができ、流入抵抗を小さくして燃焼室への吸入効率をより一層向上させることができる。

以下、本発明に係る一実施の形態について図１ないし図６に基づいて説明する。
本実施の形態に係る内燃機関１は、４バルブ方式の４ストロークサイクル内燃機関であり、該内燃機関１のシリンダヘッド部の断面図を図１に示す。

シリンダボアに摺動自在にピストン２が嵌合するシリンダブロック３にシリンダヘッド４が接合されており、シリンダヘッド４にはシリンダブロック３との結合部に隣接してピストン２の上方に燃焼室５が設けられている。
燃焼室５の天井面は、１対の平坦なルーフ面を中央が高くなるように交差させた所謂ペントルーフ型である。

１ルーフ面に１対の吸気口６，６を有し、各吸気口６，６からシリンダヘッド側方に湾曲して吸気ポート７，７が延出し、両吸気ポート７，７は１本に集合している。
すなわち吸気ポート７は、シリンダヘッド４の側方から穿孔され二又に分岐し湾曲して燃焼室５に開口する各吸気口６，６に至る吸気通路である。

他方、もう１つのルーフ面には１対の排気口８，８が形成され、各排気口８，８から湾曲して吸気ポート７，７とは反対方向に排気ポート９，９が延出している。
なお、吸気口６，６および排気口８，８は、それぞれ円環状のバルブシート６ａ，８ａで構成されている。

吸気口６を開閉する吸気バルブ10は、吸気ポート７の途中の外側湾曲壁（湾曲中心から遠い側の湾曲壁）に嵌着されたバルブガイド11に、バルブステム10ａを貫通して摺動自在に支持され、バルブステム10ａの先端のカサ部10ｂの外周縁部のバルブフェース10ｃが吸気口６のバルブシート６ａに接離して吸気口６の開閉を行う。

同様に、排気口８を開閉する排気バルブ12は、排気ポート９の途中の外側湾曲壁に嵌着されたバルブガイド13に、バルブステム12ａを貫通して摺動自在に支持され、バルブステム12ａの先端のカサ部12ｂの外周縁部のバルブフェース12ｃが排気口８のバルブシート８ａに接離して排気口８の開閉を行う。

シリンダヘッド４の上方には、図示されないが吸気バルブ10および排気バルブ12を駆動する動弁機構が設けられる。

以上のような内燃機関１における本吸気ポート７の形状を、さらに詳しく以下説明する。
図２は、吸気バルブ10のバルブステム10ａの軸線Ａｓを含む面で吸気ポート７を縦に切断したときの吸気ポート７の輪郭形状を示した端面図である。
湾曲する吸気ポート７の中心線Ｌｃも湾曲しており、同中心線Ｌｃに垂直な平面で吸気ポート７を切断した断面が通路断面である。

吸気ポート７における吸気口６から上流側に遡って上流連結口７ａ（シリンダヘッド４の側壁に開口し吸気管に連結する吸気ポート７の上流端開口）までの通路断面積の変化を図５のグラフに実線で示す。
図５のグラフの横軸は、吸気口６を基点として上流連結口７ａまでの各通路位置までの距離を、吸気口６から上流連結口７ａまでの全長に対する割合（百分率）で示したものである。

通路断面積の変化を、０％通路位置（吸気口６）Ｐ_０から上流側に遡ってみると、通路断面積は、０％通路位置（吸気口６）Ｐ_０から10％通路位置Ｐ_１０まで急激に減少し、そこからバルブガイド11が位置する30％通路位置Ｐ_３０近くまで徐々に増加した後、再度約40％通路位置Ｐ_４０までは減少し、その後は最後の100％通路位置（上流連結口７ａ）Ｐ_１００まで徐々に増加している。

本吸気ポート７の吸気口６から10％通路位置Ｐ_１０までの下流側部分７Ｌについてみると、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積は、吸気口６の開口面積の0.8倍以下にまで減少している。

この吸気ポート７の下流側部分７Ｌの通路断面の変化を、図３に図示する。
図２において示す０％通路位置（吸気口６）Ｐ_０，３％通路位置Ｐ_３，６％通路位置Ｐ_６，10％通路位置Ｐ_１０の各位置で吸気ポート７を切断した通路断面を、図３は図示している。

図３(1)は、０％通路位置（吸気口６）Ｐ_０の通路断面であり、真円形をしている。
図３(2)は、３％通路位置Ｐ_３の通路断面で、吸気口６の真円の上下特に上部が偏平に凹んで減少率が大きく大幅に減少している。

図３(3)は、６％通路位置Ｐ_６の通路断面で、下部とともに特に上部がさらに凹んで通路断面積がさらに減少している。
図３(4)は、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面であり、６％通路位置Ｐ_６の通路断面から全体的に縮小しているが、減少率は小さい。

図５のグラフには、従来の一般的な吸気ポートの通路断面積の変化の例を破線で示しており、この従来の吸気ポートの０％通路位置（吸気口）Ｐ_０の開口面積に対して10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積を比較してみると、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積は、吸気口の開口面積の0.96倍程度で減少率が小さく緩やかに減少している。

このように従来の吸気ポートと比較してみても明らかなように、本実施の形態の吸気ポート７の下流側部分７Ｌは、図３に示すように吸気口６から10％通路位置Ｐ_１０まで通路断面積が急激に減少している。

本吸気ポート６の通路断面積の変化を吸気の流れ方向に見ていくと、通路断面関を徐々に狭くしながら下流側部分７Ｌに近づき10％通路位置Ｐ_１０から初め緩やかに後から急激に通路断面積を拡大して吸気口６に至っている。

したがって、吸気バルブ10が吸気口６を開き吸気ポート７を上流側から空気が燃焼室５に吸入されるとき、燃焼室５に入る直前で空気が外周方向に急激に広がっていく状態となって吸気口６から燃焼室５に流入する。

急激に広がりながら燃焼室５に流入する空気の流れは、図４に破線矢印で示すように、吸気口６を出て燃焼室５に流入する直後に位置する吸気バルブ10のカサ部10ｂの山裾のごとく広がる曲面に滑らかに沿い、よって流入抵抗を小さくして燃焼室５への吸入効率を向上させることができる。

空気は急激に広がりながら燃焼室に流入するので、吸気ポートの壁面近傍に空気の淀み層が形成されても、実質空気が流れる流路面積は大きくなるので、燃焼室への吸入効率を益々向上させることができる。

また、本吸気ポート７は、下流側部分７Ｌの通路断面形状も、前記図３に図示したように通路位置に応じて変化している。
通路断面形状は円形を偏平に変形しているが、特に図３の通路断面形状の上部の凹みが大きく、この図３に示す通路断面形状の上部は、図２を参照して湾曲する吸気ポート７の湾曲中心から遠い側の外側湾曲壁面７ｏ，近い側の内側湾曲壁面７ｉとすると、外側湾曲壁面７ｏ側に相当し、図２に示すように、２点鎖線で示す通路断面形状が略真円のまま変形せずに形成された吸気ポートと比べると、吸気ポート７の外側湾曲壁面７ｏ側は、他に比べて特に凹みが大きいことが分かる。

そして、この吸気ポート７の外側湾曲壁面７ｏの下流側部分７Ｌは、10％通路位置Ｐ_１０近傍に変曲点Ｑを有して、変曲点Ｑより下流側に逆向きに湾曲した逆湾曲壁面７ocが形成されている（図２参照）。
逆湾曲壁面７ocは、そのまま吸気口６に至っている。

通常であると、外側湾曲壁面７ｏに沿った空気の流れは、図２に２点鎖線で示すように最も大きく向きを変えて、燃焼室に流入する空気のうち最も吸気バルブ10のカサ部10ｂに垂直に近い角度を持って流入することになるが、本吸気ポート７の場合は、吸気口６の手前に逆湾曲壁面７ocを有しているので、外側湾曲壁面７ｏに沿った空気の流れを、燃焼室５に流入する吸気口６の手前で逆湾曲壁面７ocによって外側に広がる流れに無理なく滑らかに変えることができる。

したがって、図４に破線矢印で示すような外側湾曲壁面７ｏに沿った吸気の流れ、すなわち丁度吸気バルブ10のカサ部10ｂの曲面に沿った吸気の流れを形成することができ、流入抵抗を小さくして燃焼室５への吸入効率をより一層向上させることができる。

本実施の形態に係る吸気ポート７よりは、全体に亘って通路断面積が大きい別の実施の形態に係る吸気ポートについて、その通路断面積の変化を、図５のグラフに１点鎖線で示す。

同吸気ポートの通路断面積は、前記吸気ポート７より全体に亘って通路断面積が大きいとともに、吸気ポート７で30％通路位置Ｐ_３０近くでピークを備えていたものが、20％通路位置Ｐ_２０近くにピークが移っている。
しかし、吸気口の開口面積に対する10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積を比較してみると、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積は吸気口６の開口面積の約0.78倍にまで減少している。

このように、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面積が、吸気口の開口面積の約0.8倍以下にまで減少していれば、燃焼室に入る直前で空気が外周方向に急激に広がって吸気バルブのカサ部に滑らかに沿い、よって流入抵抗を小さくして燃焼室への吸入効率を向上させることができる。

次ぎに、吸気ポート７の通路断面形状について、円形を扁平に変形した偏平の程度を表す縦横径比に基づいて考察する。
ここに、吸気ポート７の任意の通路断面において、該通路断面の中心とバルブステム10ａの軸線Ａｓを含む平面が通路断面と交差する直線が指向する方向を縦方向、この縦方向に垂直な方向を横方向とし、通路断面形状の縦方向最大幅を縦径Ｖ、横方向最大幅を横径Ｈとしたときの横径Ｈに対する縦径Ｖの比Ｖ／Ｈが、ここでいう縦横径比である。

図３に示した各通路断面形状は、図面の上下方向が縦方向で左右方向が横方向として図示されている。
例えば、図３(4)に示されたように、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面形状において、縦方向の最大幅が縦径Ｖであり、横方向の最大幅が横径Ｈである。
そして、上記横径Ｈに対する上記縦径Ｖの比Ｖ／Ｈが、10％通路位置Ｐ_１０の通路断面形状の縦横径比である。

本実施の形態の吸気ポート７の下流側部分７Ｌにおける縦横径比Ｖ／Ｈの変化を、図６のグラフに実線で示す。
図６において、縦横径比Ｖ／Ｈが1.0のところが真円形状であり、Ｖ／Ｈ＝１の水平線より上方が横径に対して縦径が大きい横につぶれた形状であり、Ｖ／Ｈ＝１の水平線より下方が横径に対して縦径が小さい縦につぶれた形状であり、Ｖ／Ｈ＝１の水平線から離れる程偏平の度合が大きくなる。

図６の横軸は、吸気口６を基点として吸気ポート７を遡る距離を示し、30mm辺りがバルブガイド13のある位置である。
本実施の形態の吸気ポート７は、実線で示すようにＶ／Ｈ＝１の水平線より下方にあって真円形状が縦につぶれた形状をしており、吸気口６から３mm離れた位置から25mm離れた位置までの間は、縦横径比Ｖ／Ｈが0.9を下回っている。

従来の吸気ポートの例を、図６に破線で示す。
従来の吸気ポートの下流側部分の縦横径比Ｖ／Ｈは、Ｖ／Ｈ＝１の水平線を僅かに上下するだけで、略真円形状が維持されている。

これに対して本実施の形態の吸気ポート７は、縦横径比が0.9以下という従来に比べ大きく縦方向につぶれた長円形状の通路断面形状の部位を吸気ポートのバルブガイド13より下流側に備えている。

したがって、吸気ポート７を流れる空気は同縦横径比が0.9以下の縦方向につぶれた部位から真円形の吸気口６に至るまでに縦方向に広がりながら燃焼室５に流入することになり、特に燃焼室５に流入する空気のうち吸気バルブのカサ部に最も垂直に近い角度を持って流入する外側湾曲壁面７ｏに沿った空気の流れを外側に広がる流れに変えることができ、よって、図４に破線矢印で示すように、吸気口６を出て燃焼室５に流入直後に位置する吸気バルブ10のカサ部10ｂの山裾のごとく広がる曲面に滑らかに沿わせ、流入抵抗を小さくして燃焼室５への吸入効率を向上させることができる。

また、本吸気ポート７は、前記したように外側湾曲壁面７ｏの下流側部分７Ｌは、10％通路位置Ｐ_１０近傍に変曲点Ｑを有して、変曲点Ｑより下流側に逆向きに湾曲した逆湾曲壁面７ocが形成されているので（図２参照）、燃焼室５に流入する吸気口６の手前で逆湾曲壁面７ocによって外側に広がる流れに無理なく滑らかに変えることができ、吸気バルブ10のカサ部10ｂの曲面に沿った吸気の流れを形成することができ、流入抵抗を小さくして燃焼室５への吸入効率をより一層向上させることができるものである。

別の実施の形態に係る吸気ポートの例を、図６に１点鎖線で示している。
同吸気ポート下流側部分７Ｌの通路断面形状は、吸気口に極めて近い部位が真円形状（縦横径比Ｖ／Ｈ＝１）を維持しているが、同吸気口近傍を離れるに従い急激に縦横径比Ｖ／Ｈが減少し、縦方向につぶれていき、吸気口からの通路距離18mmでは最低の縦横径比Ｖ／Ｈが0.68と縦方向に大きくつぶれた形状をしている。

したがって、外側湾曲壁面に沿った空気の流れを外側に広がる流れに変えることがより顕著にでき、吸気口を出て燃焼室に流入直後に位置する吸気バルブのカサ部の山裾のごとく広がる曲面に滑らかに沿わせ、流入抵抗を小さくして燃焼室への吸入効率を向上させることが可能である。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッド部の断面図である。 吸気ポートの輪郭形状を示した端面図である。 同吸気ポートの下流側部分の通路断面の変化を示す図である。 吸気バルブを含む同吸気ポートの断面図である。 同吸気ポートの通路断面積の変化を示すグラフである。 同吸気ポートの下流側部分の縦横径比Ｖ／Ｈの変化を示したグラフである。

符号の説明

１…内燃機関、２…ピストン、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッド、５…燃焼室、６…吸気口、７…吸気ポート、８…排気口、９…排気ポート、10…吸気バルブ、11…バルブガイド、12…排気バルブ、13…バルブガイド。

Claims (3)

1. シリンダヘッドの側方から穿孔され湾曲して燃焼室開口に至る吸気ポートの途中の外側湾曲壁に固定されたバルブガイドによりバルブステムが摺動自在に支持されて吸気バルブが燃焼室開口を開閉する内燃機関において、
   前記吸気ポートの下流側部分の通路断面積は、燃焼室開口から上流側に遡るに従い縮小し、
   吸気ポートの全長の約10％の距離燃焼室開口から上流側に遡った位置の通路断面積が、燃焼室開口の面積の0.8倍以下となることを特徴とする内燃機関の吸気ポート構造。
2. シリンダヘッドの側方から穿孔され湾曲して燃焼室開口に至る吸気ポートの途中の外側湾曲壁に固定されたバルブガイドによりバルブステムが摺動自在に支持されて吸気バルブが燃焼室開口を開閉する内燃機関において、
   該吸気ポートの前記バルブガイドより下流部分は、通路断面形状が連続的に変化し、通路断面形状の縦横径比が0.9以下の部位を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気ポート構造。
3. 該吸気ポートの前記バルブガイドより下流側部分の外側湾曲壁面が、変曲点を経て逆に湾曲して外側に広がりながら燃焼室開口部に至る逆湾曲壁面を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の吸気ポート構造。

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