JP2007127098A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダボア内において、混合気に対してスワールを効率的に発生させ、着火性能を向上させ、それにより燃焼効率を向上させる。
【解決手段】 ピストンを収容するシリンダボア内に燃料を流入させる吸気ポートと、吸気ポートからシリンダボアへの燃料の流れを開閉する吸気バルブを含み、吸気バルブをシリンダボアの軸線に対して傾斜させて配置することにより、スワールを効率的に発生させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スワールを効率的に発生させることが可能なエンジンの新規な構造に関するものである。

４サイクルエンジンは、吸気バルブが開かれた時に吸気ポートから燃焼室に吸入された混合気をピストンで圧縮してから点火プラグで着火・燃焼させ、燃焼後の排気ガスを排気バルブが開いた時に排気ポートに排出するようになっている。このようなエンジンの燃費性能の向上や排気ガスのクリーン化を行うための一つの方法として混合気に含まれる燃料の比率を下げた薄い混合気を使用する方法がある。これはいわゆるリーンバーンエンジンと呼ばれるが、薄い混合気を用いると着火性が悪くなるため、リーンバーンエンジンでは燃焼室内の混合気に対してシリンダの円周方向の渦流、いわゆるスワールを生成させる方法が提案されている。このようなエンジンでは、スワールによって混合気の成層化が図られ、点火プラグの周辺に比較的濃い混合気（いわゆるリッチな混合気）の層が形成されるので、混合気の着火性が向上できるのである。このようなスワールを形成するためには、混合気をできるだけシリンダの円周方向に向けて燃焼室内に流入させる必要があり、そのために従来から様々な工夫がされている。

図５は、スワールを効率的に生成させる第１の従来例を説明する図である（特許文献１）。図５（ａ）がシリンダヘッド部の縦断面図である。これは吸気ポートの形状を工夫することによりスワールを発生させるもので、具体的には、図５（ａ）に示すように、吸気ポートの軸線がシリンダボアの軸線に対して偏心させるように吸気ポート３６を設けるとともに吸気ポート３６のシリンダボア３４側の壁面に偏向凹部２９を設け、その偏向凹部２９によって燃焼室３５に流入する吸気の流れをシリンダボアの軸線に直交する平面に沿うように偏向させた構造である。偏向凹部２９の部分の拡大図を図５（ｂ）に示す。この例は吸気ポート３６をシリンダボア３４に対して偏心させることによってスワールを発生させ、さらに偏向凹部２９によって吸気の流速の大部分をシリンダボアの接線方向に向けることで大きなスワールを発生させることができる構造である。

図６は、第２の従来例を説明する図面である（特許文献２）。これは吸気ポート４５を通常の吸気ポート４５―１より水平方向に傾斜させて設けるとともに、燃焼室４６内に流入する混合気が吸気バルブ４２の先端にある傘部４３に衝突して混合気の流れが乱されることによりスワールの生成が妨げられることを防止するために、吸気バルブ４２の設置位置と吸気バルブの傘部４３の構造との関係を工夫したものである。具体的には、水平方向からの傾斜角がω-１からωになるように、吸気ポートを従来に比べて水平方向に傾斜させることにより燃焼室４６に流入する混合気の水平方向の成分を増加させてスワールの生成を増加させるとともに、吸気バルブの軸線Ｌ４とシリンダ軸線Ｌ２がなすバルブ鋏み角γと吸気バルブの傘部の上面と下面がなすバルブ傘角βを特定の関係に設定することによって、吸気ポート４５から燃焼室内に流入する混合気を吸気バルブ４２の傘部４３の上面に沿って流すようにして、燃焼室天井面への衝突を軽減させることにより、スワールの生成をさらに増加させるものである。
特開平８−１８９３６６号公報 特開平５−１０６４５０号公報

しかしながら、図５に示す第１の従来例では、吸気バルブはシリンダボアの軸線に対してほぼ平行に設けられる（つまり吸気バルブはクランク軸に対してはほぼ垂直に設けられる）ため、吸入される混合気はシリンダの軸方向に流れる割合が大きく、シリンダの円周方向に流れる割合は少ないため、十分なスワール効果が得られないという欠点があった。またこの例では、スワールを形成させるために吸気ポートに偏向凹部を形成させることを特徴としており、吸気ポートを特殊な構造にする必要があるため汎用的でなく、エンジンの製造に手間がかかり経済的ではないという欠点もあった。

図６に示す第２の従来例でも、第１の従来例と同様に、吸気バルブはシリンダボアの軸線に対してほぼ平行に設けられるため、十分なスワール効果が得られないという欠点があった。またこの例は、吸気バルブの傘部の影響を除くために傘部の構造を工夫したもので、特殊な吸気バルブを使用することになって汎用的ではなく、やはり経済的ではないという欠点があった。

本発明のエンジンは、吸気バルブをシリンダボアの軸線に対して傾けて設置することで、燃焼室に吸入される燃料や混合気のシリンダ円周方向の成分を増加させて強力なスワールを形成させることを特徴とする。すなわち、ピストンを収容するシリンダボア内に形成される燃焼室内に燃料を吸入させる吸気ポートと、燃焼された排気ガスをこの燃焼室から排気する排気ポートと、前記吸気ポートから燃焼室への燃料の流れを開閉する吸気バルブと、前記燃焼室から排気ポートへの排気ガスの流れを開閉する排気バルブを含むエンジンにおいて、前記吸気バルブを前記シリンダボアの軸線に対して傾斜させて設置する構造としたことを特徴とする。

以上記載したように、本発明のエンジンによれば、吸気バルブをシリンダボアの軸線に対して傾斜させる構造としたから、シリンダボア内に形成される燃焼室に吸気ポートから流入する混合気や燃料はシリンダボアの軸線に対して斜めに吸入されるため、水平方向の割合、つまりシリンダの円周方向の成分が増えるため、スワールを効率的に生成して燃焼効率を向上させることができる。また吸気バルブを傾斜させて設置させるだけでよく、吸気ポートや吸気バルブを特別な構造にする必要がないため、汎用性が大きく、安価に実現できる。

図１から図３は本発明のエンジンの構造を示したものである。図１はエンジンの構造のうち、本発明に関係するシリンダヘッドの部分の外観図、図２は図１に示したシリンダヘッドの部分を吸気バルブと排気バルブの軸線を含む面で切った概略縦断面図、図３は図１に示したシリンダヘッドの部分を上方から見た平面図である。各図で同一の部分には同一の符号を付した。１はシリンダボア、２はシリンダボア内を摺動するピストン、３は混合気を燃焼室内に流入させる吸気ポート、４は燃焼後の排気ガスを排出する排気ポート、５は燃焼室への混合気の流入を開閉する吸気バルブ、６は吸気バルブを駆動する吸気用バルブスプリング、７はエンジンの動きに同期させて吸気バルブを作動させるための吸気用カム、８は排気ポートへの排気ガスの流れを開閉する排気バルブ、９は排気バルブを駆動する排気用バルブスプリング、１０はエンジンの動きに同期させて排気バルブを作動させるための排気用カム、１１は吸入ポートから流入する燃料や混合気がスワールした流れを示す線、１２は排気ガス、１３は吸気ポートの先端にある吸気口、１４は燃焼室である。Ｌ１はシリンダボアの軸線、Ｍ１は吸気バルブの軸線、Ｎ１は排気バルブの軸線である。

ピストン２はクランク軸に接続され、クランク軸の回転に伴ってシリンダボア１内を上下に摺動する構造であるが、クランク軸の部分は周知の構造なので図面では省略した。直列気筒エンジンの場合は、シリンダはクランク軸に対して垂直方向に設けられるのでシリンダボアの軸線Ｌ１もクランク軸に対して垂直な方向になるが、Ｖ型エンジンの場合はシリンダボアの軸線Ｌ１はクランク軸に対して傾斜し、水平対向エンジンの場合はシリンダボアの軸線Ｌ１はクランク軸に対して水平な方向になる。ここでは直列気筒エンジンの場合について示したが、それ以外の場合でも本発明は成立する。なぜなら、本発明はシリンダボア１に対する吸気バルブ５の設置構造を工夫したものだからである。また、各図では吸気バルブが１つの場合について示したが、複数の吸気バルブがある場合でも本発明は同様に成立する。また、カムは吸気用と排気用を別々に示したが、１つのカムで吸気バルブと排気バルブの双方を駆動する場合でも本発明は成立する。

本発明は吸気バルブ５をシリンダボアの軸線Ｌ１に対して所定の角度だけ傾斜させて設けた点が特徴である。シリンダボアの軸線Ｌ１を含む面内（すなわちシリンダボア１の縦断面）及びシリンダボアの軸線Ｌ１を含む面と直交する面内（すなわちシリンダボア１の横断面）において、それぞれシリンダボアの軸線に対して所定角度だけ傾けて設置する点が特徴である。ここでは図２に示すように、吸気バルブの軸線Ｍ１と排気バルブの軸線Ｎ１を含む面内におけるシリンダボア１の縦断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ１と吸気バルブの軸線Ｍ１のなす角度をθ１とし、図３に示すように、シリンダボア１の横断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ２と吸気バルブの軸線Ｍ１のなす角度をα１とした場合に、θ１がほぼ０度であった従来例に対して、ここでは３０度から７５度程度に設定した点が特徴である。また、α１がほぼ９０度であった従来例に対して、ここでは０度から７０度に設けた点が特徴である。複数の吸気バルブ５を用いたエンジンの場合には、個々の吸気バルブの傾斜量を同一にする場合はもちろん、各々の吸気バルブを独自の傾斜量で設けてもよい。ただし、構造の複雑さを避ける点からは、同一の傾斜量にする方が望ましい。

なお、本発明では排気バルブ８の設置位置は任意であり、吸気バルブの軸線Ｍ１と排気バルブの軸線Ｎ１を含む面内におけるシリンダボア１の縦断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ１と排気バルブの軸線Ｎ１のなす角度のθ２を従来と同様に０度近傍に設定してもいいし、吸気バルブ５の位置と対称になるようにθ２＝θ１に設定してもよい。同様に、シリンダボア１の横断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ２と排気バルブの軸線Ｎ１のなす角度をα２とした場合に、α２を従来のように９０度近傍に設定してもいいし、α２＝α１のように設定してもよい。各図では本発明の汎用性を示すために、敢えてθ１≠θ２、α１≠α２になるように示したが、エンジンの製造の容易性を考慮すると、排気ポート８は吸気ポート５と対称位置に設ける、つまりα１＝α２、θ１＝θ２に設定するのが好適である。

燃料の供給方法には、キャブレター（図示しない）で生成した燃料と空気の混合気をシリンダに供給する方式と、シリンダ内に燃料を直接噴射して吸気ポートからは空気のみを供給してシリンダ内で混合する方式、または複数の吸気ポートを設けて一方の吸気ポートからは燃料を供給し他方の吸気ポートからは空気を供給する方式等の様々な方式があるが、いずれの場合でも本発明は成立する。ここでは、最も一般的な燃料供給方式である、混合気を供給する場合を例にとって説明する。

ピストン２が下降し、吸気バルブ５が開になった時に、混合気１１が吸気ポート３から燃焼室１４を経由してシリンダボア１内に吸入される。この際、図２に示すように、吸気バルブ５がシリンダボア１の縦断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ１に対してある程度水平方向に傾斜しているため（３０゜＜θ１＜７０゜）、混合気１１もすべての成分がシリンダボアの軸線Ｌ１方向、つまり垂直方向に流れるのではなく、水平方向に流れる成分の割合が大きくなる。この水平方向の成分はシリンダボア１の円周方向に沿って流れ易いため、混合気全体に良好にスワールを形成することができる。

なお、図２に示すように、シリンダボア１の縦断面内で吸気バルブ５を水平方向に傾斜させるだけでは、吸気ポート５からシリンダボア１内に流入した混合気１１は吸気口１３の入口から２つに分離して互いに逆向きにシリンダボア１の円周方向を流れ、吸気口と反対側の部分で衝突して互いに干渉し、スワール発生効果を減じるおそれがある。最適のスワールは、全ての混合気１１が同一の円周方向に流れることが望ましい。このために、図３に示すように、シリンダボア１の横断面内におけるシリンダボアの軸線Ｌ２に対して吸気バルブ５を所定の角度α１だけ傾けることが望ましい。つまり従来のように、吸気バルブ５をシリンダボアの軸線Ｌ２に対して垂直の方向（α＝９０゜）に設けると、吸気ポート３からシリンダボア１内に流入した混合気１１は吸気口１３で２つに別れてシリンダボア１の円周方向を左回りと右回りに回転して吸気口の反対方向で干渉するおそれがあるが、本発明のように吸気バルブ５をシリンダボアの軸線Ｌ２から所定の角度だけ（０度から７０度）傾斜させて設置することで、シリンダボア１内に流入した混合気１１を全て同一方向に回転させる（図３では左回り）ことができ、シリンダボア１内での混合気の干渉を防止してさらに良好なスワールを形成させることができる。

以上のように、吸気バルブ５をシリンダボア１の縦断面内と横断面内の双方においてシリンダボア１の軸線から傾斜させて配置させれば、吸気ポート３からシリンダボア１内に流入する多くの混合気１１をシリンダボア１内で同一の円周方向に回転させることができるので、極めて良好なスワールを形成することができる。このスワールにより、シリンダボア１の内部で混合気が成層化するので、燃焼室内における混合気の濃度を高めることができ、着火性能を向上させることができる。これにより従来の方法に比べて、より薄い混合気濃度の燃料を用いることができ、いわゆるリーンバーンエンジンを実現することができ、環境対策上も経済的にも有利なエンジンとすることができる。

図４は本発明の構成とその作用を示すために、吸気バルブ５の周辺部分における動作を模式的に示したものである。図２と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図４（ａ）は吸気バルブ５をシリンダボアの軸線Ｌ１に対してほぼ平行に設けた従来の場合の例を示しており、燃焼室１４に流入する混合気１１は吸気バルブ５に沿って流れるので、シリンダボア１の内部ではほぼ全ての混合気が垂直に流れるため、スワールはほとんど発生しない。図４（ｂ）は、シリンダヘッドの縦断面内において、シリンダボアの軸線Ｌ１に対して吸気バルブ５を傾斜させて設けた本発明の例であり、混合気１１は吸気バルブ５に沿って流れるため、水平方向に傾斜させた吸気バルブ５によってシリンダボア１の内部において混合気１１に水平成分が発生し、この水平成分によってスワールの形成を促進させた例である。図４（ｃ）は、吸気バルブ５をシリンダボア１の横断面において上下対称の位置、すなわちシリンダボアの軸線Ｌ２に対して垂直の方向に設けたもので、吸気ポート３からの混合気１１は吸気バルブ５に沿ってその両側からシリンダボア１内に流入するため、シリンダボア１内における混合気１１の水平成分はシリンダボア１の円周方向を左回りに流れる成分と右回りに流れる成分に分離し、それらがシリンダボア１内で干渉するためスワールの発生量がいくぶん低下する。図４（ｄ）は図４（ｃ）の欠点を除くために、シリンダボア１の横断面内において吸気バルブ５を上下どちらかに傾斜させて設けたもので、これにより吸気ポート３から流入した混合気１１は吸気バルブ５に沿ってほとんどの成分が一つの方向から流入し、シリンダボア１内の円周方向を一つの方向に回転するので、十分なスワールを発生させることができる。

本発明のエンジンのシリンダヘッド部分の外観図である。 本発明のエンジンのシリンダヘッド部分の縦断面図である。 本発明のエンジンのシリンダヘッド部分の平面図である。 本発明の構成と作用を説明するための吸気バルブ周辺の模式図である。 従来のエンジンの第１の例である。 従来のエンジンの第２の例である。

符号の説明

１ シリンダボア
２ ピストン
３ 吸気ポート
５ 吸気バルブ
１３ 吸気口
１１ 混合気の流れを示す線
Ｌ１ シリンダボアの軸線
Ｍ１ 吸気バルブの軸線

Claims (5)

1. ピストンを収容するシリンダボア内に形成される燃焼室に燃料を流入させる吸気ポートと、燃焼された排気ガスを前記燃焼室から排出する排気ポートと、前記吸気ポートから前記燃焼室への燃料の流れを開閉する吸気バルブと、前記燃焼室から排気ポートへの排気ガスの流れを開閉する排気バルブを含むエンジンにおいて、
   前記吸気バルブは前記シリンダボアの軸線に対して傾斜させて配置される
   ことを特徴とするエンジン。
2. 前記吸気バルブは前記シリンダボアの縦断面内におけるシリンダボアの軸線（Ｌ１）に対して所定角度θ１だけ傾斜させて配置されることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
3. 前記吸気バルブは前記シリンダボアの横断面内において、吸気ポートの軸線の方向と直交する方向のシリンダボアの軸線（Ｌ２）に対して所定角度α１だけ傾斜させて配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジン。
4. 前記θ１は３０度から７０度の範囲であることを特徴とする請求項２記載のエンジン。
5. 前記α１は０度から７０度の範囲であることを特徴とする請求項３記載のエンジン。
   

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