JP2006183550A - Intake and exhaust structure for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関の吸排気構造に関する。 The present invention relates to an intake / exhaust structure for an internal combustion engine.
インジェクタを備えた内燃機関において、燃料を吸気バルブの傘裏面に向けて噴射し、傘裏面の温度を利用して燃料の霧化を促進する吸気構造が提案されている。例えば、特許文献1では、作動流体が流動するウイック部と、作動流体が蒸発して蒸気が移動する蒸発部とを有するヒートパイプを吸気バルブの傘部に内蔵している。ヒートパイプの下部が傘表面から熱を受ける受熱部となり、上部が蒸発した作動流体を凝縮する放熱部となる。このような構造によって、吸気バルブの傘表面で受熱された熱が、ヒートパイプを介して傘裏面に伝導し、その熱によって燃料の霧化が促進されるのである。 In an internal combustion engine provided with an injector, an intake structure has been proposed in which fuel is injected toward the back surface of an umbrella of an intake valve, and fuel atomization is promoted using the temperature of the back surface of the umbrella. For example, in Patent Document 1, a heat pipe having a wick portion in which a working fluid flows and an evaporation portion in which the working fluid evaporates and vapor moves is incorporated in the umbrella portion of the intake valve. The lower part of the heat pipe serves as a heat receiving part that receives heat from the umbrella surface, and the upper part serves as a heat radiating part that condenses the evaporated working fluid. With such a structure, the heat received on the umbrella surface of the intake valve is conducted to the back surface of the umbrella through the heat pipe, and the atomization of the fuel is promoted by the heat.
さらにバルブステムの内部には軸線方向にわたって空気層が設けられている。この空気層が断熱空間として作用するので、バルブステムにおける熱負荷を軽減することができる。 Further, an air layer is provided in the valve stem over the axial direction. Since this air layer acts as a heat insulating space, the thermal load on the valve stem can be reduced.
さらにまたバルブのバルブシートへの当たり面を広くすることで、バルブの熱がバルブシートを介してシリンダヘッドに多く逃げるようにしている。
しかし、前述した従来の吸気バルブでは、ヒートパイプを吸気バルブの傘部という狭い空間に内蔵するので、ヒートパイプ容量が小さく、熱移動サイクルの効率が低く、燃料霧化の促進効果が小さかった。 However, in the above-described conventional intake valve, since the heat pipe is built in a narrow space called the umbrella portion of the intake valve, the heat pipe capacity is small, the efficiency of the heat transfer cycle is low, and the fuel atomization promoting effect is small.
また、吸気バルブの傘部という狭い空間にヒートパイプを埋設したり、バルブステムの内部に空気層を形成することは困難であり、製造コストも嵩んでしまう。 In addition, it is difficult to embed a heat pipe in a narrow space called an umbrella portion of the intake valve or to form an air layer inside the valve stem, which increases the manufacturing cost.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、構造を複雑化することなく燃料霧化の促進効果の高い内燃機関の吸排気構造を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object thereof is to provide an intake / exhaust structure of an internal combustion engine having a high effect of promoting fuel atomization without complicating the structure. .
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、吸気ポート(11)を開閉する吸気バルブ(12)と、前記吸気バルブ(12)のバルブフェース(12e)と密着して燃焼室の気密を保つ吸気バルブシート(13)と、前記吸気バルブ(12)のバルブステム(12a)を挿通し、その吸気バルブ(12)の往復動を案内する吸気バルブガイド(14)とを備え、前記吸気バルブシート(13)の熱伝達率は、前記吸気バルブ(12)の熱伝達率よりも小さく、前記吸気バルブ(12)の熱伝達率は、前記吸気バルブガイド(14)の熱伝達率よりも小さい、ことを特徴とする。 The present invention includes an intake valve (12) that opens and closes an intake port (11), an intake valve seat (13) that keeps an air tightness of a combustion chamber in close contact with a valve face (12e) of the intake valve (12), An intake valve guide (14) that guides the reciprocation of the intake valve (12) through the valve stem (12a) of the intake valve (12), and the heat transfer coefficient of the intake valve seat (13) is: The heat transfer coefficient of the intake valve (12) is smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve guide (14).
本発明によれば、吸気バルブシートの熱伝達率を吸気バルブの熱伝達率よりも小さくしたので、吸気バルブの傘表面で受熱された熱は、バルブシートへ逃げにくくなり、吸気バルブの内部を伝導して、傘裏面が高温となり、燃料の霧化が促進される。 According to the present invention, the heat transfer coefficient of the intake valve seat is smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve, so that the heat received on the umbrella surface of the intake valve is less likely to escape to the valve seat, and the inside of the intake valve Conducted, the back of the umbrella becomes hot, and fuel atomization is promoted.
また、吸気バルブの熱伝達率を吸気バルブガイドの熱伝達率よりも小さくしたので、バルブステムを伝導する熱は、バルブガイドとの挿通部分からバルブガイドへと伝導する。したがって、バルブステムにおける熱負荷を軽減することができる。 Further, since the heat transfer coefficient of the intake valve is made smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve guide, the heat conducted through the valve stem is conducted from the insertion portion with the valve guide to the valve guide. Therefore, the thermal load on the valve stem can be reduced.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は本発明による内燃機関の吸排気構造の一実施形態を示す図である。 FIG. 1 is a view showing an embodiment of an intake / exhaust structure for an internal combustion engine according to the present invention.
吸気バルブ12は、傘部12bによって吸気ポート11を開閉し、吸気を制御する。バルブシート13は、吸気バルブ12の傘部12bの傘裏面12dに形成されたバルブフェース12eと密着し燃焼室の気密を保つ。吸気バルブ12の傘表面12cは燃焼室から熱を受熱する。バルブガイド14は、吸気バルブ12のバルブステム12aを挿通し、吸気バルブ12の往復動を案内する
吸気ポート11には、インジェクタ42が設けられている。このインジェクタ42は、不図示の燃料供給管(デリバリパイプ)を介して供給される燃料を吸気ポート11内に噴射する。インジェクタ42から噴射された燃料は、吸気バルブ12の傘部12bに当たり霧化が促進される。
The
排気バルブ22は、傘部22bによって排気ポート21を開閉し、排気を制御する。バルブシート23は、排気バルブ22の傘部22bの傘裏面22dに形成されたバルブフェース22eと密着し燃焼室の気密を保つ。排気バルブ22の傘表面22cは燃焼室から熱を受熱する。バルブガイド24は、排気バルブ22のバルブステム22aを挿通し、排気バルブ22の往復動を案内する
ピストン31が上死点の付近では、吸気バルブ12及び排気バルブ22が閉弁し、点火プラグ41によって点火される。
The exhaust valve 22 controls the exhaust by opening and closing the
本件発明者は、吸気バルブ及び排気バルブの熱の流れについて解析することによって図2に示す熱流束図を得た。 The present inventor obtained the heat flux diagram shown in FIG. 2 by analyzing the heat flow of the intake valve and the exhaust valve.
この熱流束図より明らかなように、バルブ2を伝導する熱には、傘部2bの付け根付近の断面A−Aを境にして下方に伝導する熱と、上方に伝導する熱とがある。
As is apparent from this heat flux diagram, heat conducted through the
そこで、本件発明者は、この解析結果に基づき、吸気バルブ12の下方に伝導する熱については、できる限り傘部12bに留めることで、傘裏面12dを高温にしてその熱を利用してインジェクタ42から噴射された燃料の霧化を促進するようにした。また吸気バルブ12の上方に伝導する熱については、できる限りバルブステム12aからバルブガイド14に逃がすことで吸気バルブ12における熱負荷を軽減するようにした。
Therefore, the present inventor, based on this analysis result, keeps the heat conducted below the
そこで本発明では、吸気バルブ12と、バルブシート13と、バルブガイド14との熱伝導率の関係を以下のようにしたのである。
Therefore, in the present invention, the relationship of the thermal conductivity among the
従来の吸気バルブ12、バルブシート13、バルブガイド14の材料はいずれも例えば耐熱鋼、焼結合金、鋳鉄等の鋼製である。そこで本発明では、バルブシート13は従来通り焼結合金とし、吸気バルブ12は、それよりも熱伝導率の大きい例えばアルミニウム合金製とした。またバルブガイド14は、吸気バルブ12よりもさらに熱伝導率の大きくするために、例えば銅合金製とした。
The materials of the
このように、バルブシート13の熱伝導率を吸気バルブ12の熱伝導率よりも小さくすることで、吸気バルブ12の傘表面12cで受熱された熱は、バルブシート13へ逃げにくくなり、吸気バルブ12の内部を伝導して、傘裏面12dが高温となり、燃料の霧化を促進できるのである。
Thus, by making the thermal conductivity of the
その一方で、バルブガイド14の熱伝導率を吸気バルブ12の熱伝導率よりも大きくしたので、バルブステム12aを伝導する熱は、バルブガイド14との挿通部分からバルブガイド14へと伝導する。したがって、バルブステム12aにおける熱負荷を軽減できるのある。
On the other hand, since the heat conductivity of the
なお吸気バルブ12をアルミニウム合金製とすることで、耐熱鋼製の吸気バルブ(スタンダード(STD)タイプ)に比較して強度の低下が懸念される。そこで形状も見直した。具体的な形状を図3に示す。図3は本発明による吸気バルブの形状を示す図である。図中実線は本発明による吸気バルブを示し、破線は従来の耐熱鋼製の吸気バルブを示す。
By making the
図3に示すように、従来バルブの傘裏角度θ1,本発明による吸気バルブ12の傘裏角度θ2,従来バルブの傘頭厚T1,本発明による吸気バルブ12の傘頭厚T2としたときに以下の関係を満たす。
As shown in FIG. 3, when the umbrella back angle θ1 of the conventional valve, the umbrella back angle θ2 of the
θ1×2≦θ2≦θ1×3
T1×2≦T2≦T1×3
このように傘部を厚くすることで強度低下を防止することができたのである。
θ1 × 2 ≦ θ2 ≦ θ1 × 3
T1 × 2 ≦ T2 ≦ T1 × 3
In this way, the thickness reduction can be prevented by increasing the thickness of the umbrella portion.
また本件発明者は、図2の解析結果に基づき、排気バルブ22については、上方に伝導する熱についても下方に伝導する熱についても、できるだけ排気バルブ22から逃がすことで排気バルブ22における熱負荷を軽減するようにした。 Further, based on the analysis result of FIG. 2, the present inventor increases the heat load on the exhaust valve 22 by letting the exhaust valve 22 escape from the exhaust valve 22 as much as possible. I tried to reduce it.
そこで本発明では、排気バルブ22と、バルブシート23と、バルブガイド24との熱伝導率の関係を以下のようにしたのである。
Therefore, in the present invention, the relationship of the thermal conductivity among the exhaust valve 22, the valve seat 23, and the
次に具体的な効果について説明する。 Next, specific effects will be described.
図4は燃費向上効果について説明する図である。図中、黒丸●は従来品であり、白丸○は吸気バルブの材質をアルミニウム合金にしたものである。 FIG. 4 is a diagram for explaining the fuel efficiency improvement effect. In the figure, the black circle ● is a conventional product, and the white circle ○ is an intake valve made of an aluminum alloy.
吸気バルブの材質を高熱伝導材であるアルミニウム合金に変更することで、吸気バルブの傘裏温度が上昇する(図4(A))。これにより、燃料の霧化を促進でき、未燃率が低下する(図4(B))。そしてその結果として燃費率が向上した(図4(C))。 By changing the material of the intake valve to an aluminum alloy that is a high thermal conductivity material, the umbrella back temperature of the intake valve increases (FIG. 4A). Thereby, the atomization of fuel can be accelerated | stimulated and an unburned rate falls (FIG. 4 (B)). As a result, the fuel consumption rate was improved (FIG. 4C).
図5はノック改善効果を説明する図である。図中、黒丸●は従来品であり、白丸○は吸気バルブの材質をアルミニウム合金にしたものである。 FIG. 5 is a diagram for explaining the knock improvement effect. In the figure, the black circle ● is a conventional product, and the white circle ○ is an intake valve made of an aluminum alloy.
吸気バルブの材質をアルミニウム合金に変更することで、シリンダ内の熱は傘表面12cから傘裏面12dに伝導しやすくなり、この熱が燃料を霧化する気化熱として消費される。その結果として傘表温度が低下する(図5(B))。それにともない、シリンダ内の温度が低下し、ノッキングが発生しにくくなる(図5(A))。
By changing the material of the intake valve to an aluminum alloy, the heat in the cylinder is easily conducted from the
図6は冷機時の排ガス低減効果を説明する図である。図中、黒丸●は従来品であり、白丸○は吸気バルブの材質をアルミニウム合金にしたものである。 FIG. 6 is a diagram for explaining the exhaust gas reduction effect during cold operation. In the figure, the black circle ● is a conventional product, and the white circle ○ is an intake valve made of an aluminum alloy.
吸気バルブの材質をアルミニウム合金に変更することで、上述のようにノッキングが発生しにくくなるので(図5(A))、従来品に比べて同じ燃焼安定度の得られる点火時期を遅らせることができる(図6(C))。点火時期を遅らせることで排温は上昇し(図6(B))、炭化水素(HC)の排出量を低減することができる(図6(A))。 By changing the material of the intake valve to an aluminum alloy, knocking is less likely to occur as described above (FIG. 5A), so that the ignition timing at which the same combustion stability is obtained can be delayed compared to the conventional product. Yes (FIG. 6C). By delaying the ignition timing, the exhaust temperature rises (FIG. 6B), and the hydrocarbon (HC) emissions can be reduced (FIG. 6A).
図7はフリクション低減効果を示す図である。図中、黒丸●は従来品であり、白丸○は吸気バルブの材質をアルミニウム合金にしたものである。 FIG. 7 is a diagram showing a friction reducing effect. In the figure, the black circle ● is a conventional product, and the white circle ○ is an intake valve made of an aluminum alloy.
吸気バルブの材質を耐熱鋼からアルミニウム合金に変更することで、吸気バルブの質量が低下するので、吸気バルブを閉弁するバネのバネ定数を小さくでき、フリクションも低下する(図7)。 By changing the material of the intake valve from heat-resistant steel to aluminum alloy, the mass of the intake valve is reduced, so that the spring constant of the spring that closes the intake valve can be reduced and the friction is also reduced (FIG. 7).
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
例えば上述の実施形態では、排気ポート21にバルブシート23を有するタイプで説明したが、バルブシート23を有さず、排気バルブ22が排気ポート21の開孔に直接密着するシートレスタイプのものであってもよい。その場合は、排気バルブの熱伝達率を、排気バルブガイドの熱伝達率よりも小さくすることで、同様の効果を得ることができる。
For example, in the above-described embodiment, the
11 吸気ポート
12 吸気バルブ
12a バルブステム
12b 傘部
12c 傘表面
12d 傘裏面
12e バルブフェース
13 バルブシート
14 バルブガイド
21 排気ポート
22 排気バルブ
23 バルブシート
24 バルブガイド
42 インジェクタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記吸気バルブのバルブフェースと密着して燃焼室の気密を保つ吸気バルブシートと、
前記吸気バルブのバルブステムを挿通し、その吸気バルブの往復動を案内する吸気バルブガイドと、
を備え、
前記吸気バルブシートの熱伝達率は、前記吸気バルブの熱伝達率よりも小さく、
前記吸気バルブの熱伝達率は、前記吸気バルブガイドの熱伝達率よりも小さい、
ことを特徴とする内燃機関の吸気構造。 An intake valve that opens and closes the intake port;
An intake valve seat that is in close contact with the valve face of the intake valve to keep the combustion chamber airtight;
An intake valve guide for inserting the valve stem of the intake valve and guiding the reciprocation of the intake valve;
With
The heat transfer coefficient of the intake valve seat is smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve,
The heat transfer coefficient of the intake valve is smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve guide,
An intake structure for an internal combustion engine.
排気ポートを開閉する排気バルブと、
前記排気バルブのバルブフェースと密着して燃焼室の気密を保つ排気バルブシートと、
前記排気バルブのバルブステムを挿通し、その排気バルブの往復動を案内する排気バルブガイドと、
を備え、
前記排気バルブの熱伝達率は、前記排気バルブガイドの熱伝達率よりも小さく、
前記排気バルブガイドの熱伝達率は、前記排気バルブシートの熱伝達率よりも小さい、
ことを特徴とする内燃機関の吸排気構造。 An intake / exhaust structure for an internal combustion engine having the intake structure according to claim 1,
An exhaust valve that opens and closes the exhaust port;
An exhaust valve seat that is in close contact with the valve face of the exhaust valve to keep the combustion chamber airtight;
An exhaust valve guide for inserting the valve stem of the exhaust valve and guiding reciprocation of the exhaust valve;
With
The heat transfer coefficient of the exhaust valve is smaller than the heat transfer coefficient of the exhaust valve guide,
The heat transfer coefficient of the exhaust valve guide is smaller than the heat transfer coefficient of the exhaust valve seat,
An intake / exhaust structure for an internal combustion engine.
排気ポートを開閉し、排気ポートの開孔に直接密着して燃焼室の気密を保つ排気バルブと、
前記排気バルブのバルブステムを挿通し、その排気バルブの往復動を案内する排気バルブガイドと、
を備え、
前記排気バルブの熱伝達率は、前記排気バルブガイドの熱伝達率よりも小さい、
ことを特徴とする内燃機関の吸排気構造。 An intake / exhaust structure for an internal combustion engine having the intake structure according to claim 1,
An exhaust valve that opens and closes the exhaust port and directly adheres to the opening of the exhaust port to keep the combustion chamber airtight;
An exhaust valve guide for inserting the valve stem of the exhaust valve and guiding reciprocation of the exhaust valve;
With
The heat transfer coefficient of the exhaust valve is smaller than the heat transfer coefficient of the exhaust valve guide,
An intake / exhaust structure for an internal combustion engine.
吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
前記吸気バルブのバルブフェースと密着して燃焼室の気密を保ち、熱伝導率が前記吸気バルブの熱伝達率よりも小さい吸気バルブシートと、
前記吸気バルブのバルブステムを挿通し、その吸気バルブの往復動を案内し、熱伝達率が前記吸気バルブの熱伝達率よりも大きい吸気バルブガイドと、
を備え、
前記インジェクタは前記吸気バルブの傘裏面に向けて燃料を噴射して燃料の気化を促進する、
ことを特徴とする内燃機関の燃料気化の促進方法。 An injector provided at the intake port;
An intake valve that opens and closes the intake port;
An intake valve seat that is in close contact with the valve face of the intake valve to keep the combustion chamber airtight, and has a thermal conductivity smaller than the heat transfer coefficient of the intake valve;
An intake valve guide that passes through the valve stem of the intake valve, guides the reciprocation of the intake valve, and has a heat transfer coefficient larger than the heat transfer coefficient of the intake valve;
With
The injector injects fuel toward the back of the umbrella of the intake valve to promote fuel vaporization;
A method for promoting fuel vaporization in an internal combustion engine.
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