JP2007239659A - 内燃機関の吸気通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内における既燃ガスの分布を均一にすることを目的とする。
【解決手段】本発明は、内燃機関１の燃焼室６に連通する吸気通路７と、吸気通路７の内部に設けられ、その吸気通路７を上下の第一通路７ａ及び第二通路７ｂに区画し、その第一通路７ａを通流した空気の多くが吸気通路開口の特定範囲から燃焼室６に流入するように空気の流れに指向性を付与する隔壁１３と、隔壁１３の第一通路７ａ側の表面１３ｃに、その表面１３ｃの所定位置から吸気方向下流に進むにつれて、幅が拡幅されるとともに隔壁１３の板厚が薄くなるように形成される傾斜面１３１ａを備えるディフューザ１３１と、を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の吸気通路構造に関する。

内燃機関の吸気装置において、機関燃焼室内にタンブル流を発生させる技術がある。例えば特許文献１では、吸気ポート内を隔壁によって上側通路と下側通路とに区切る。そして隔壁の上流に開度調整弁を設ける。この開度調整弁によって下側通路を流れる吸気流量を減少させて上側通路を流れる吸気流量を増大させることで機関燃焼室内にタンブル流を発生させる。
特開２００２−２０１９４８号公報

ところで、内燃機関では、燃焼ガスのすべてが排気ポートへ排出されるのではなく、その一部は燃焼室内に残留する。この燃焼室内に残留した既燃ガスが、吸気弁の開弁とともに吸気ポートに流出するいわゆる吹き返しを生じることがある。前述した吸気ポートの構造では、吹き返した既燃ガスの多くは隔壁の上側通路に流入する。この既燃ガスが新気とともに燃焼室に再吸入されると、燃焼室内で偏って分布し、燃焼を不安定にするという問題があった。

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、隔壁の上側通路に吹き返した既燃ガスを再吸入の際に拡散させて、燃焼室内における既燃ガスの分布の均一化を図ることを目的とする。

本発明は、内燃機関の燃焼室に連通する吸気通路と、前記吸気通路の内部に設けられ、その吸気通路を上下の第一通路及び第二通路に区画し、その第一通路を通流した空気の多くが吸気通路開口の特定範囲から前記燃焼室に流入するように空気の流れに指向性を付与する隔壁と、前記隔壁の第一通路側の表面に、その表面の所定位置から吸気方向下流に進むにつれて、幅が拡幅されるとともに前記隔壁の板厚が薄くなるように形成される傾斜面を備えるディフューザと、を有することを特徴とする。

本発明では、隔壁の下流部上面にディフューザを形成する。上述のように、隔壁の上側通路に吹き返した既燃ガスが新気とともに燃焼室に吸入されるときに、このディフューザによって拡散される。このようにして燃焼室内における既燃ガスの均一化を図ることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２を参照して、本発明による内燃機関の吸気通路構造の実施形態について説明する。図１は、本発明による内燃機関の吸気通路構造の一実施形態を示す断面図である。図２は、本発明による内燃機関の吸気通路構造を上方から見た図である。

まず、図１を参照して説明する。内燃機関１は、シリンダブロック２と、その頂部を覆うシリンダヘッド３とを備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ４が形成される。シリンダ４には、ピストン５が摺動自在に嵌合する。

シリンダヘッド３には、ペントルーフ型の燃焼室６が凹設される。燃焼室６の頂壁中心には、点火栓９が配設される。燃焼室６に吸気ポート７（吸気通路）及び排気ポート８が連通する。

吸気ポート７及び排気ポート８は、図２に示すように先端が二股に分岐する。

吸気ポート７の内部には、吸気バルブ１０と、隔壁１３と、吸気制御弁１４とが設けられる。

吸気バルブ１０は、１つのシリンダごとに一対ずつ設けられる。吸気バルブ１０はバルブヘッド１０ａとバルブステム１０ｂとを備える。吸気バルブ１０は、シリンダヘッド３に装着されたバルブガイド１１によって保持される。吸気バルブ１０は、バルブ軸方向に往復動して燃焼室６と吸気ポート７との連通を開閉する。以下、便宜のため、バルブヘッド１０ａの上側つまり点火栓９に近い側を「バルブヘッド上顎側」という。バルブヘッド１０ａの下側つまりシリンダ４の壁面に近い側を「バルブヘッド下顎側」という。

隔壁１３は、吸気ポート７の内部に、吸気ポート７に一体形成される。隔壁１３は、吸気ポート７を流れる吸気の流れ方向に沿って形成される。隔壁１３は、下流端１３ｂが吸気ポート７の分岐部７ｄの近傍に位置するように形成される（図２参照）。隔壁１３は、吸気ポート７の内部を上側通路７ａ（第一通路）と下側通路７ｂ（第二通路）とに分割する。ここで、吸気ポート７についての「上」「下」とは、シリンダ４の上下を基準とするものであり、空間上の絶対的な上下の意味ではない。

隔壁１３の長さは、吸気制御弁１４を閉じたときに、上側通路７ａを流れる吸気流に、バルブヘッド上顎側へ強い指向性を付与するのに必要十分な長さである。上側通路７ａを流れて強い指向性が付与された高速の吸気流によって、燃焼室６内でタンブル流を中心とする強力なガス流動が生起される。

吸気制御弁１４は、隔壁１３の上流に配置される。吸気制御弁１４は、軸１５に取り付けられ、その軸１５を中心として回転する。軸１５は回転角度がアクチュエータ（図示せず）によって制御される。アクチュエータは、機関運転条件によって軸１５を回転させることで、吸気制御弁１４の開度を調整し、下側通路７ｂへ流れる吸気流量を調整する。なおアクチュエータは後述するコントローラ（図示せず）によって制御される。

図１は、吸気制御弁１４の閉位置を示す。図示の姿勢のように、吸気制御弁１４は、閉位置において僅かに傾斜するように保持される。このようになっているので、吸気制御弁１４が閉位置のときに、吸気制御弁１４の上流から流れてきた吸気流は、吸気ポート７の上側通路７ａへ案内され、下側通路７ｂへは流れない。なお吸気制御弁１４の開位置は、隔壁１３と平行になる位置である。

なお排気ポート８には一対の排気バルブ１２が配設され、燃焼室６と排気ポート８との連通を開閉する。

また、内燃機関１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等からなるコントローラを備える。コントローラは、図示しないエンジン回転速度センサや吸入空気量センサ等の各種計器によって検出した内燃機関１の運転条件に基づいて、上述した吸気制御弁１４のアクチュエータや、点火栓９の点火時期等を制御する。

ところで、排気行程において、排気バルブ１２が開弁すると、燃焼室６内の既燃ガスが排気ポート８へ排出される。しかし、排気行程から吸気行程に移行する際、実際には、内燃機関の吸気バルブ１０と排気バルブ１２とが共に開弁する期間、いわゆるバルブオーバーラップ期間が存在する。そのため、一部の既燃ガスは排気ポート８へ排出されることなく、吸気バルブ１２の開弁とともに吸気ポート７に流出するいわゆる吹き返しを生じる場合がある。

ここで、本発明の理解を容易にするために、図８から図１０を参照して従来技術における吹き返しによる問題について説明する。なお、従来技術において、本発明による内燃機関の吸気通路構造の実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図８は、従来の吸気通路構造における隔壁１１３の下流部の形状を示す図である。従来の吸気通路構造における隔壁１１３は矩形の形状であった。このような形状では、上流から下流へと隔壁１１３の上面１１３ａを流れる吸気は、図８に示す矢印の方向へ流れる。この矢印は、隔壁１１３と略平行であり、バルブヘッド上顎側へ向いている。隔壁１１３は吸気の流れ方向に沿って形成され、平坦である。したがって、隔壁１１３に沿って上流から下流へと流れる吸気は、この矢印の方向へ指向性が付与される。

図９は、従来の吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を示す図である。いずれも吸気制御弁１４は閉じられた状態である。図９において、ハッチング（クロスハッチング及び斜線）で示した部分が既燃ガスである。クロスハッチングと斜線の違いは既燃ガスの温度の違いを示す。クロスハッチングの方が、温度が高い。

図９（Ａ）は、排気行程を示す。このとき排気バルブ１２は開かれ、吸気バルブ１０は閉じられている。

図９（Ｂ）以降は吸気行程（バルブオーバーラップ期間を含む）を示す。図９（Ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間中に吸気バルブ１０が開かれると、既燃ガスの吹き返しが発生する。この既燃ガスは、バルブヘッド１０ａと吸気ポート７の開口との隙間からバルブステム１０ｂに沿って、吸気ポート７に流出する。

図９（Ｃ）で、バルブステム１０ｂに沿って吸気ポート７に流出した既燃ガスは、バルブガイド１１の下端に到達する。バルブガイド１１の下端まで到達した既燃ガスは、そこから吸気ポート７の内壁７ｃに沿って流れる。そして、この既燃ガスは、吸気ポート７の上流へと流れて拡散する。

ここで図９（Ｄ）に示すように、既燃ガスは、隔壁１１３が存在するため、吸気ポート７の内部に均一に拡散するのではなく、上側通路７ａに偏って拡散する。

図９（Ｅ）から（Ｇ）は、新気とともに吹き返してきた既燃ガスが再吸入されていく様子を示す。

上述したように、従来の吸気通路構造における隔壁１１３の形状では、上側通路７ａを流れる新気に対して、バルブヘッド上顎側へ強い指向性が付与されていた。その結果、図９（Ｆ）及び（Ｇ）に示すように、上側通路７ａに偏って拡散した既燃ガスは、上側通路７ａを流れてくる新気の流れに沿って、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａから再吸入されることになる。したがって、バルブヘッド下顎側近傍の領域Ｔに存在する既燃ガスが相対的に少なくなり、燃焼室６内で既燃ガスの分布が不均一となる。このような、燃焼室６内における既燃ガスの不均一性は、安定した筒内燃焼を阻害し、ノッキングの原因となる。

図１０は上述した従来の吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を模式的に示す図である。図１０の細線で描かれた矢印Ａ₁は吹き返してきた既燃ガスを示す。図１０の太線で描かれた矢印Ａ₂は新気とともに再吸入される既燃ガスを示す。

この図で改めて説明すると、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａ及びバルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから吸気ポート７に吹き返してきた既燃ガスは、矢印Ａ₁に示すように、吸気ポート７の上側通路７ａの上流へと流れて拡散する。そして、バルブヘッド上顎側へ強い指向性を付与された新気とともに、矢印Ａ₂に示すように、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａから再吸入される。したがって、燃焼室内でタンブル流は生起されるものの、既燃ガスの分布が偏り、燃焼に影響があることがわかった。

そこで本発明では、このような燃焼室６内において既燃ガスの分布が偏ることを防止すべく、隔壁１３の下流部にディフューザ１３１を形成する。

図３は、本発明の吸気通路構造における隔壁１３の上面１３ｃの下流部に形成されたディフューザ１３１の形状を示す図である。

ディフューザ１３１には、傾斜面１３１ａと、突条１３１ｂとが形成される。

傾斜面１３１ａは、隔壁上面１３ｃの所定位置から、下流端１３ｂまで形成される。傾斜面１３１ａは、上流から下流に進むにつれて隔壁の板厚が薄くなる。傾斜面１３１ａは、上流から下流に進むにつれてその幅が拡幅する。つまり、傾斜面１３１ａの幅は、上流から下流に進むにつれて、末広がりに拡がる。そのため、傾斜面１３１ａの幅方向の両サイドからは、隔壁１３に対して垂直に起立する内壁１３１ｃが形成される。

突条１３１ｂは、傾斜面１３１ａの上面に一体形成される。突条１３１ｂは、上流から下流へ、吸気の流れ方向に形成される。突条１３１ｂは、傾斜面１３１ａから、隔壁１３に対して垂直に起立する。本実施形態では、二枚の突条１３１ｂが設けられる。二枚の突条１３１ｂは、幅方向に均等に配置させる。なお、突条１３１ｂの数量はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。

このように、隔壁１３は、傾斜面１３１ａと、突条１３１ｂと、内壁１３１ｃとで区画される。

図４は、本発明の吸気通路構造における吸気ポート７の要部を示す断面図である。

傾斜面１３１ａの傾斜は、傾斜面１３１ａから平行に延びる延長線Ｌが、バルブヘッド下顎側に向くように設定する。

次に、このディフューザ１３１の作用について図５から図７を参照して説明する。

図５は、吸気ポート７の上側通路７ａにおけるガス流動の分布を示した図である。流体の性質上、上側通路７ａの中央を流れるガスの流量は、吸気ポート７の内壁７ｃ近傍及び隔壁１３の上面１３ｃを流れるガスの流量に比べて相対的に多く、かつ流速も速い。したがって、図５に示すように、上側通路７ａにおけるガス流動の分布は、上側通路７ａの中央付近が最大であり、そこから吸気ポート７の内壁７ｃ及び隔壁１３に向けて低下する凸形となる。

図６は、本発明による吸気通路構造における隔壁１３の上面１３ｃの下流部に形成されたディフューザ１３１の作用を示す図である。

隔壁１３に形成されたディフューザ１３１の傾斜面１３１ａによって、新気及び既燃ガスの一部が、バルブヘッド下顎側に流れる。同時に、傾斜面１３１ａは、上流から下流に進むにつれて幅が拡幅するため、図６に示す矢印のように、傾斜面１３１ａを流れる新気及び既燃ガスは左右に拡散する。また、突条１３１ｂによって、傾斜面１３１ａを流れる新気及び既燃ガスの整流効果を高める。

図７は、本発明による吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を模式的に示す図である。図７の細線で描かれた矢印Ｂ₁は吹き返してきた既燃ガスを示す。図７の太線で描かれた矢印Ｂ₂及びＢ₃は新気とともに再吸入される既燃ガスを示す。

この図に示すように、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａ及びバルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから吹き返してきた既燃ガスは、吸気ポート７の上側通路７ａの上流へと流れて拡散する。そして、吹き返してきた既燃ガスは、新気とともにバルブヘッド上顎側へ強い指向性を付与され、バルブヘッド上顎側から再吸入される。その際に、隔壁１３に形成されたディフューザ１３１の傾斜面１３１ａによって、新気及び既燃ガスの一部が、バルブヘッド下顎側に向けて流れる。そのため、バルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから流入するガスの流量は増加する。

以上説明した本実施形態によれば、ディフューザ１３１によって、隔壁上面１３ａの表面を流れる新気及び既燃ガスをバルブヘッド下顎側に向けて流す。そのため、バルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから流入するガスの流量は増加する。同時に、バルブヘッド下顎側に流れたガスは、左右に拡散する。そのため、バルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから流入するガスの流速を抑えられるとともに、そこから流入するガスの流量の均一にできる。

したがって、バルブヘッド下顎側近傍に存在する既燃ガスが相対的に少なくなることで、燃焼室６内における既燃ガスの分布が不均一になるという従来の問題を解決できる。

また、ディフューザ１３１によって、隔壁上面１３ａの表面を流れるガスの一部は、バルブヘッド下顎側に向けて流される。しかし、吸気行程後半の吸気流に慣性が付いた状態では、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａから流入するガスの流量は、バルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから流入するガスの流量と比べて十分多い。また、突条１３１ｂの整流効果により、バルブヘッド上顎側へ強い指向性を付与された新気及び既燃ガスの流れを阻害することもない。そのため、バルブヘッド上顎側へ向かうガスの流速は維持されており、バルブヘッド上顎側の間隙１６ａから流入するガスの流速は、バルブヘッド下顎側の間隙１６ｂから流入するガスの流速と比べて十分速い。

したがって、燃焼室６内ではタンブル流が生起される。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、吸気ポート７の形状に応じて、ディフューザ１３１の形状、すなわち、ディフューザ１３１の幅方向への拡がりや傾斜面１３１ａなどを適宜に設定することで、燃焼室６内の既燃ガスの分布を均一にできる。

本発明による内燃機関の吸気通路構造の一実施形態を示す断面図である。 本発明による内燃機関の吸気通路構造を上方から見た図である。 本発明の吸気通路構造における隔壁の上面の下流部に形成されたディフューザの形状を示す図である。 本発明の吸気通路構造における吸気ポートの要部を示す断面図である。 本発明の吸気通路構造における吸気ポートの上側通路のガス流動分布を示した図である。 本発明による吸気通路構造における隔壁の上面の下流部に形成されたディフューザの作用を示す図である。 本発明による吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を模式的に示す図である。 従来の吸気通路構造における隔壁の下流部の形状を示す図である。 従来の吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を示す図である。 従来の吸気通路構造における既燃ガスの吹き返しから再吸入までの挙動を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 燃焼室
７ 吸気ポート（吸気通路）
７ａ 上側通路（第一通路）
７ｂ 下側通路（第二通路）
１０ 吸気バルブ
１３ 隔壁
１３ｃ 隔壁上面
１３１ ディフューザ
１３１ａ 傾斜面
１３１ｂ 突条

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室に連通する吸気通路と、
   前記吸気通路の内部に設けられ、その吸気通路を上下の第一通路及び第二通路に区画し、その第一通路を通流した空気の多くが吸気通路開口の特定範囲から前記燃焼室に流入するように空気の流れに指向性を付与する隔壁と、
   前記隔壁の第一通路側の表面に、その表面の所定位置から吸気方向下流に進むにつれて、幅が拡幅されるとともに前記隔壁の板厚が薄くなるように形成される傾斜面を備えるディフューザと、
   を有する内燃機関の吸気通路構造。
2. 前記燃焼室と前記吸気通路との連通を開閉する吸気バルブを備え、
   前記第一通路は、その第一通路を通流した多くの空気が、前記吸気バルブのバルブヘッドと前記吸気通路開口との間隙であって前記燃焼室の頂部近傍の範囲から前記燃焼室に流入するように空気の流れに指向性を付与し、
   前記傾斜面は、前記第一通路を通流した空気の一部を前記吸気バルブのバルブヘッドと前記吸気通路開口との間隙であってシリンダ内壁近傍の範囲から前記燃焼室に流入させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気通路構造。
3. 前記ディフューザは、前記傾斜面に直立し、吸気方向下流に向けて延びる突条を備える、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の吸気通路構造。