JP2007162517A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合う二つの吸気ポート間の流れの干渉を抑制して、所望のスワール流と吸気流量とを確保できる内燃機関の吸気装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関１の同一のシリンダ２に設けられて互いに隣り合う二つの吸気ポート４、５を有し、これらの吸気ポート４、５はそれぞれヘリカルポートとして構成されている。これらの吸気ポートのうち、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポート４には、シリンダ２に近い側の導入部４ｃの流路を、導入部４ｃとヘリカル部４との境界位置Ｘに向かって徐々に絞る絞り部４ｄが設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のシリンダに吸気を導入する内燃機関の吸気装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関に適用される吸気装置として、吸気バルブを中心にして螺旋状に旋回するヘリカル部と、このヘリカル部に続く導入部とを備えたヘリカルポートを有し、内燃機関のシリンダ内にスワール流を生成するようにした吸気装置が広く知られている。例えば、このようなヘリカルポートの上流と最下流とを結ぶバイパスポートを設け、このバイパスポートを開閉可能な開閉弁を閉じることにより吸気の流れを一部に集中させてスワール流を強化する一方で、この開閉弁を開くことにより吸気の流れを分散させてスワール流を弱めるようにした吸気装置がある（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

実開平５−０４２６４０号公報 実開平２−１４７８３０号公報

強いスワール流をシリンダ内に生成するとともに十分な吸気流量を確保するために、へリカルポートを同一のシリンダに対して複数設ける場合がある。この場合には、隣り合うポート間で生じ得る流れの干渉を考慮して、トータルとして要求されるスワール流と吸気流量とをそれぞれ確保する必要がある。しかしながら、特許文献１は、スワール流を強める弱めるといった記載はあるが、ヘリカルポートを単独で使用した場合についての開示に留まり他のヘリカルポートと組み合わせて使用することを考慮したものではない。そのため、特許文献１のヘリカルポートを他のポートと組み合わせた場合には、他のポートからの吸気流と干渉が生じ、十分な性能を発揮できないおそれがある。

そこで、本発明は、隣り合う二つの吸気ポート間の流れの干渉を抑制して、所望のスワール流と吸気流量とを確保できる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の吸気装置は、内燃機関の同一のシリンダに設けられて互いに隣り合う二つの吸気ポートを有し、前記二つの吸気ポートのそれぞれが、前記シリンダの下方向に向かうようにして前記シリンダに開口する開口部と、前記開口部の周方向に沿って湾曲しながら前記開口部に続くヘリカル部と、前記ヘリカル部の上流側に接続された導入部とを備えたヘリカルポートとして構成され、前記シリンダ内にスワール流を生成する内燃機関の吸気装置において、前記二つの吸気ポートのうち、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートには、前記導入部からヘリカル部へ導かれる吸気に対して前記シリンダの上方向に向かう流れ成分を与える吸気流制御部が設けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この吸気装置によれば、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートに導かれる吸気に対してシリンダの上方向に向かう流れ成分が与えられる。そして、その流れ成分が与えられた吸気はヘリカル部を経て開口部に向かいシリンダ内に導入される。吸気流制御部にて付与される流れ成分は開口部の開口方向と反対向きであるので、一旦その成分が与えられた吸気は、そのような流れ成分が付与されずにヘリカル部へ導かれる吸気と比べて開口部への進入角度が深くなる。そのため、シリンダの下方向に向かう成分が相対的に増加する一方で、開口部から離れる方向へ向かう成分が減少する。更に、上方向に向かう成分の一部がヘリカル部に導かれて旋回成分に振り分けられる。これにより、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートから隣の吸気ポートへ向かう流れが弱められる。従って、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートに導かれる吸気の流れと、隣の吸気ポートに導かれる吸気の流れ、即ちスワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポートに導かれる吸気の流れとの干渉を抑制することができる。

本発明に係る吸気流制御部は種々の態様で構成できる。例えば、前記吸気流制御部として、前記シリンダに近い側の前記導入部の流路を前記導入部と前記ヘリカル部との境界位置に向かって徐々に絞る絞り部を有していてもよい（請求項２）。この場合、シリンダに近い側の流路が境界位置に向かって徐々に絞られるため、導入部からヘリカル部へ導かれる吸気に対してシリンダの上方向に向かう流れ成分を付与することができる。この態様における絞り部は、前記導入部の流路が前記境界位置において前記ヘリカル部の湾曲の内側に向かう部分よりも外側に向かう部分のほうが広くなるように構成されていてもよい（請求項３）。これにより、ヘリカル部に導かれる吸気の流量を増大させることができるので、導入部に絞り部を設けることによる流量の低下を抑制することができる。

また、前記吸気流制御部として、前記シリンダに近い側の前記導入部の流路内に設けられ、かつ前記導入部と前記ヘリカル部との境界位置に向かう方向に並べられた複数の突起部を有していてもよい（請求項４）。この場合、シリンダに近い側の流路内に沿う吸気の流れを剥離させる効果があり、これにより導入部からヘリカル部へ導かれる吸気に対してシリンダの上方向に向かう流れ成分を付与することができる。複数の突起部の間には少なからず隙間が存在するため、流路を絞る場合と比べて流路面積が大きく低下しない。この態様における複数の突起部は、前記導入部の通路を横切る方向に並べられており、前記境界位置において前記ヘリカル部の湾曲の内側に向かう部分に設けられた突起部の高さが外側に向かう部分に設けられた突起部の高さよりも高くなるように構成されていてもよい（請求項５）。これにより、ヘリカル部に導かれる吸気の流量を増大させることができるので、導入部に複数の突起部を設けることによる流量の低下を抑制することができる。

本発明の吸気装置においては、吸気流制御部が設けられる吸気ポートに隣接して配置される吸気ポートがヘリカルポートである限り、その態様に特段の制限はない。例えば、前記二つの吸気ポートのうち、スワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポートの前記導入部は、前記シリンダの上下方向に関して上側に位置する上側領域と下側に位置する下側領域とに区分されて前記ヘリカル部に接続される接続部を有し、前記接続部は、前記上側領域の横幅が前記下側領域の横幅よりも狭く、かつ前記ヘリカル部に近付くに従って前記上側領域と前記下側領域との横幅の差が徐々に拡大するように構成されていてもよい（請求項６）。この態様によれば、上側領域によって旋回流を生成するとともに、下側領域によってシリンダの接線方向に向かう吸気の流れを強めることができる。このような吸気ポートとの干渉が吸気流制御部によって抑制されるので、その吸気ポートの利点を殺すことなく性能を最大限に引き出すことができる。

以上説明したように、本発明によれば、導入部からヘリカル部へ導かれる吸気に対してシリンダの上方向に向かう流れ成分を与える吸気流制御部がスワール流の下流側に配置された吸気ポートに設けられているので、シリンダの下方向に向かう成分が相対的に増加する一方で、開口部から離れる方向へ向かう成分が減少する。これにより、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートに導かれる吸気の流れと、スワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポートに導かれる吸気の流れとの干渉を抑制できる。

（第１の形態）
図１及び図２は本発明の吸気装置が組み込まれた内燃機関の要部を模式的に示している。内燃機関１はディーゼルエンジンとして構成されていて、シリンダ２へ吸気を導入するための二つの吸気ポート４、５と、燃焼後の排気をシリンダ２から排出するための二つの排気ポート６、６とを備えている。なお、排気ポート６、６については開口部を想像線で示して形状の図示を省略した。吸気ポート４、５のそれぞれの開口部４ａ、５ａには、吸気バルブ７が一つずつ配置され、各排気ポート６の開口部にも排気バルブ（不図示）が配置されている。吸気ポート４、５及び排気ポート６は内燃機関１のシリンダヘッド８（図３）にそれぞれ形成されている。また、シリンダ２の上部にはシリンダ２内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル９が設けられている。燃料噴射ノズル９は図示しないコモンレールに接続されて所定の燃圧で燃料が供給される。シリンダ２内にはピストン（不図示）が往復運動自在に設けられ、図示を省略したが、コネクティングロッドを介してクランク軸に連結されている。

吸気ポート４、５は互いに隣り合うように配置されており、吸気ポート４、５のそれぞれはいわゆるヘリカルポートとして構成されている。吸気ポート４は、開口部４ａの周方向ｓ１（図２）に沿って湾曲しながら開口部４ａに続くヘリカル部４ｂと、ヘリカル部４ｂの上流側（シリンダ２から離れる側）に接続された導入部４ｃとを備えている。吸気ポート５も同様に、ヘリカル部５ｂ及び導入部５ｃをそれぞれ備えている。吸気ポート４の開口部４ａには吸気バルブ７を着座させるためのバルブシート１０が設けられている。これらの吸気ポート４、５は、図１及び図２に示す方向に流れるスワール流Ｆｓｗがシリンダ２内に生成されるように配置されている。吸気ポート４はスワール流Ｆｓｗの流れ方向の下流側に配置された吸気ポートに、吸気ポート５はスワール流Ｆｓｗの流れ方向の上流側に配置された吸気ポートにそれぞれ相当する。

図３及び図４は吸気ポート４の詳細を示し、図３は図２のIII−III線に沿った断面を、図４は図３のａ〜ｃ線に沿った各断面をそれぞれ示している。図３に示すように、吸気ポート４には吸気流制御部としての絞り部４ｄが設けられている。図４（ａ）〜（ｃ）にも示すように、絞り部４ｄは、シリンダ２に近い側（図３の下側）の導入部４ｃの流路を、導入部４ｃヘリカル部４ｂとの境界位置Ｘに向かって徐々に絞るように構成されている。換言すれば、絞り部４ｄは導入部４ｃの流路面積の減少が開始する開始位置ｘから境界位置Ｘまで延びており、この開始位置ｘとバルブシート１０の上面側の外周縁１０ａとを結ぶ仮想面Ｓ１を基準とした場合、絞り部４ｄはこの仮想面Ｓ１から導入部４ｃの底面Ｓ２までのシリンダ２の中心軸線方向に関する高さＨが境界位置Ｘに向かって徐々に大きくなるように構成されている。

これにより、導入部４ｃに導かれた吸気流Ｆ１は絞り部４ｄにてシリンダ２の上方向に向かう流れ成分が与えられる。そのため、絞り部４ｄを通過した吸気は、仮想面Ｓ１に沿った流れＦ２と比べて開口部４ａへの進入角度が深くなり、シリンダ２の下方向に向かう成分ｆａが相対的に増加する一方で、開口部４ａから離れる方向へ向かう成分ｆｂが減少する。更に、上方向に向かう成分の一部がヘリカル部に導かれて旋回成分に振り分けられる。

一方、吸気ポート５は、吸気ポート４の構成と相違している。図５（ａ）〜（ｃ）は図２のｄ〜ｆ線に沿った各断面を示している。これらの図に示すように、吸気ポート５の導入部５ｃは、シリンダ２の中心軸線方向に関して上側に位置する上側領域５１と下側に位置する下側領域５２とに区分されてヘリカル部５ｂに接続される接続部５０を有している。接続部５０は上側領域５１の横幅が下側領域５２の横幅よりも狭く、かつヘリカル部５ｂに近付くに従ってこれらの領域の横幅の差が徐々に拡大するように構成されている。また、図１に示すように、吸気ポート５のヘリカル部５ｂにおいては、開口部５ａの周方向ｓ２（図２）に沿って湾曲する過程で、シリンダ２の上下方向に関する縦幅が漸次小さくなるように構成されている。これにより、図２に示すように、上側領域５１に導かれる流れＦｓよって旋回流を生成するとともに、下側領域５２によってシリンダ２の接線方向に向かう吸気の流れＦｔを強めることができる。

以上の形態によれば、一方の吸気ポート４から他方の吸気ポート５に向かう方向の流れが弱められて、吸気ポート４からの流れと吸気ポート５からの流れとの干渉を抑制することができる。なお、この形態においては、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように絞り部４ｄの構成を変更することができる。これらの図は図４（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応する。図６に示す形態では、絞り部４ｄは導入部４ｃの流路が境界位置Ｘ（図３参照）においてヘリカル部４ｂの湾曲の内側に向かう部分（図６（ａ）〜（ｃ）の各図の右側の部分）よりも外側に向かう部分（同各図の左側の部分）が広くなるように構成されている。換言すれば、絞り部４ｄは導入部４ｃの底面Ｓ２が仮想面Ｓ１に対して内側に向かう部分の高さＨ１のほうが外側に向かう部分の高さＨ２よりも高くなるように傾けられている。高さＨ１、Ｈ２のそれぞれは、境界位置Ｘに向かって徐々に変化している。図６の構成によれば、ヘリカル部４ｂに導かれる吸気の流量を増大させることができるので、導入部４ｃに絞り部４ｄを設けることによる流量の低下を抑制することができる。

（第２の形態）
次に、図７〜図１０を参照しながら本発明の第２の形態について説明する。この形態に係る吸気ポート４０の基本的な構成は第１の形態の吸気ポート４同様であるが、吸気流制御部の形態が異なっている。それ以外の構成は第１の形態と同様であるので、第１の形態と共通の構成には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図７〜図９に示すように、吸気ポート４０は、スワール流の流れ方向の下流側に配置されており、開口部４０ａの周方向ｓ１（図７）に沿って湾曲しながら開口部４０ａに続くヘリカル部４０ｂと、ヘリカル部４０ｂの上流側（シリンダ２から離れる側）に接続された導入部４０ｃとを備えている。導入部４０ｃには吸気流制御部としての複数の突起部４１…４１が設けられている。複数の突起部４１…４１は、シリンダ２に近い側（図８の下側）の導入部４０ｄの流路内に設けられ、かつ導入部４０ｃとヘリカル部４０ｂとの境界位置Ｘ（図８）に向かう方向及び導入部４０ｃの流路を横切る方向に並べられている。各突起部４１は突出方向に向かうに従って横幅が小さくなるような円錐状に構成されている。そのため、隣接する突起部４１、４１の間には隙間Ｇが形成される。また、図９に示すように、シリンダ２の中心軸線方向に関する各突起部４１の高さＨ３は互いに同一である。

このように構成された複数の突起部４１…４１により、シリンダ２に近い側の流路内に沿う吸気の流れＦ１を渦流Ｆ１１を伴って剥離させる。そのため、吸気流Ｆ１にはシリンダ２の上方向に向かう流れ成分が与えられる。これにより、複数の突起部４１…４１を通過した吸気は、これらの突起部４１を有しない場合の流れＦ２と比べて開口部４ａへの進入角度が深くなる。このため、シリンダ２の下方向に向かう成分ｆａが相対的に増加する一方で、開口部４ａから離れる方向へ向かう成分ｆｂが減少する。更に、上方向に向かう成分の一部がヘリカル部に導かれて旋回成分に振り分けられる。しかも、隣接する突起部４１、４１の間には隙間Ｇが形成されるので、第１の形態のように流路面積を絞る場合と比べて流路面積が大きく低下しない。

以上の形態によれば、、図７に示すように、一方の吸気ポート４０から他方の吸気ポート５に向かう方向の流れが弱められて、吸気ポート４０からの流れと吸気ポート５からの流れとの干渉を抑制することができる。なお、この形態においては、図１０に示すように複数の突起部４１…４１の構成を変更することができる。この図は図９に対応する。図１０に示す形態では、複数の突起部４１…４１は、導入部４０ｃの流路が境界位置Ｘ（図８参照）においてヘリカル部４０ｂの湾曲の内側に向かう部分（図１０の右側の部分）に設けられた突起部４１の高さＨ４が外側に向かう部分（同図の左側の部分）に設けられた突起部４１の高さＨ５よりも高くなるように構成されている。これにより、ヘリカル部４０ｂに導かれる吸気の流量を増大させることができるので、導入部４０ｃに複数の突起部４１…４１を設けることによる流量の低下を抑制することができる。

本発明は以上の形態に限定されず、種々の形態で実現してもよい。本発明の吸気装置は、シリンダ内にスワール流を形成することが要望されるディーゼルエンジンに適用されることに適しているが、他の形式の内燃機関への本発明の適用を排除するものではなく、例えばガソリンエンジンに適用することもできる。また、スワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポートの構成は、図５等に示したものに限定されず、他の形態のヘリカルポートでもよい。第２の形態の突起部の形状は、突出方向に向かって横幅を徐々に小さく設定された円錐形状に限定されず、横幅が突出方向に関して一定の柱状のものでもよい。また、吸気ポートの通路を横切る方向に関して突起部の高さが一様でなく、その高さが区々であっても構わない。

なお、以上の説明では、互いに隣り合う二つの吸気ポートを区別するため、「スワール流の流れ方向の上流側の吸気ポート」及び「スワール流の流れ方向の下流側の吸気ポート」という表現を使用した。そこで、これらの表現の代りに、二つの吸気ポートを区別し得る他の表現について説明する。図１１は二つの吸気ポートＡ、Ｂの位置関係を説明する説明図である。この図において、上述した形態の構成と同一構成には同一の参照符号が付されている。吸気ポートＡは上述した吸気ポート４、４０に、吸気ポートＢは上述した吸気ポート５にそれぞれ相当する。

図１１に示すように、吸気ポートＡから隣の吸気ポートＢまでの中心角をシリンダ２の中心線ＣＬ回りにスワール流Ｆｓｗの流れ方向と同方向に測った場合、その中心角はαとなる。一方、吸気ポートＢから隣の吸気ポートＡまでの中心角をシリンダ２の中心線ＣＬ回りにスワール流Ｆｓｗの流れ方向と同方向に測った場合、その中心角はβとなる。この図から明らかなように、中心角α、βはα＜βの関係になる。従って、二つの吸気ポートＡ、Ｂのうち、吸気ポートＡは、シリンダの中心線回りにスワール流の流れ方向と同方向に隣の吸気ポートまでの中心角を測った場合にその中心角が小さい側の吸気ポートということができ、一方、吸気ポートＢは、シリンダの中心線回りにスワール中の流れ方向と同方向に隣の吸気ポートまでの中心角を測った場合にその中心角が大きい側の吸気ポートということができる。こうして、二つの吸気ポートＡ、Ｂを互いに区別することができる。

本発明の吸気装置が組み込まれた内燃機関の要部を模式的に示した斜視図。 本発明の吸気装置が組み込まれた内燃機関の要部を模式的に示した平面図。 図２のIII−III線に沿った断面図。 図３の各部の断面を示し、（ａ）はａ−ａ線に沿った断面図、（ｂ）はｂ−ｂ線に沿った断面図、（ｃ）はｃ−ｃ線に沿った断面図である。 図２の各部の断面を示し、（ａ）はｄ−ｄ線に沿った断面図、（ｂ）はｅ−ｅ線に沿った断面図、（ｃ）はｆ−ｆ線に沿った断面図である。 変形例の各部の断面を図４に対応させて示し、（ａ）はａ−ａ線に沿った断面図、（ｂ）はｂ−ｂ線に沿った断面図、（ｃ）はｃ−ｃ線に沿った断面図である。 第２の形態に係る内燃機関の要部を模式的に示した平面図。 図７のVIII−VIII線に沿った断面図。 図７のｇ−ｇ線に沿った断面図。 変形例の断面を示した断面図。 二つの吸気ポートの位置関係を説明する説明図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
４、４０ スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポート
４ａ、４０ａ 開口部
４ｂ、４０ｂ ヘリカル部
４ｃ、４０ｃ 導入部
４ｄ、４０ｄ 絞り部（吸気流制御部）
５ スワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポート
５ａ 開口部
５ｂ ヘリカル部
５ｃ 導入部
４１ 突起部
５０ 接続部
５１ 上側領域
５２ 下側領域
Ｘ 境界位置

Claims (6)

1. 内燃機関の同一のシリンダに設けられて互いに隣り合う二つの吸気ポートを有し、前記二つの吸気ポートのそれぞれが、前記シリンダの下方向に向かうようにして前記シリンダに開口する開口部と、前記開口部の周方向に沿って湾曲しながら前記開口部に続くヘリカル部と、前記ヘリカル部の上流側に接続された導入部とを備えたヘリカルポートとして構成され、前記シリンダ内にスワール流を生成する内燃機関の吸気装置において、
   前記二つの吸気ポートのうち、スワール流の流れ方向の下流側に配置された吸気ポートには、前記導入部からヘリカル部へ導かれる吸気に対して前記シリンダの上方向に向かう流れ成分を与える吸気流制御部が設けられていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 前記吸気流制御部として、前記シリンダに近い側の前記導入部の流路を前記導入部と前記ヘリカル部との境界位置に向かって徐々に絞る絞り部を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記絞り部は、前記導入部の流路が前記境界位置において前記ヘリカル部の湾曲の内側に向かう部分よりも外側に向かう部分のほうが広くなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記吸気流制御部として、前記シリンダに近い側の前記導入部の流路内に設けられ、かつ前記導入部と前記ヘリカル部との境界位置に向かう方向に並べられた複数の突起部を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 前記複数の突起部は、前記導入部の通路を横切る方向に並べられており、前記境界位置において前記ヘリカル部の湾曲の内側に向かう部分に設けられた突起部の高さが外側に向かう部分に設けられた突起部の高さよりも高くなるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記二つの吸気ポートのうち、スワール流の流れ方向の上流側に配置された吸気ポートの前記導入部は、前記シリンダの上下方向に関して上側に位置する上側領域と下側に位置する下側領域とに区分されて前記ヘリカル部に接続される接続部を有し、前記接続部は、前記上側領域の横幅が前記下側領域の横幅よりも狭く、かつ前記ヘリカル部に近付くに従って前記上側領域と前記下側領域との横幅の差が徐々に拡大するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気装置。
   

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