JP2008274832A

JP2008274832A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2008274832A
Application number: JP2007118574A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amano; 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】傘部ｕｂと、この傘部ｕｂと一端で連結されるステムｓｔｍとを有する吸気弁１０１を備える内燃機関１００であって、吸気弁１０１として、ステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１を含む平面Ｓ１によって２つに分割される吸気の通過領域のうち、燃焼室５４中心側に位置する内側通過領域ｉｎｒが大きくなるように、且つ、ステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１が傘部ｕｂの底面の中心点Ｐ２を含まないようにステムｓｔｍがオフセットしている特定吸気弁を備えている。吸気弁１０１のステムは、さらに具体的には内側通過領域ｉｎｒが他方の外側通過領域ｏｔｒよりも大きくなるようにオフセットしている。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に関し、特に筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気を筒内に好適に流入させる内燃機関に関する。

従来、内燃機関においては筒内にタンブル（縦渦）やスワール（横渦）といった旋回気流を生成する技術が知られている。係る旋回気流を生成する内燃機関では、一般により強度の高い旋回気流を生成することで、内燃機関の希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上などを図ることができる。この点、強度の高い旋回気流を生成するにあたっては、筒内に流入する吸気の流入態様が重要な要素の一つとなっている。これに対して、筒内に流入する吸気の流入態様を改善するための技術が例えば特許文献１または２で提案されている。

特開平０７−２７９７５１号公報実開昭５９−１３５３３５号公報

筒内に吸気が流入する際には、吸気が吸気弁のステムに干渉するとともに分岐される結果、意図した流れが形成されないという問題がある。この点、吸気弁が大きくリフトしているときには多量の吸気が勢いをもって筒内に流入するため、上記問題があっても強度の高い旋回気流が筒内に比較的生成され易くなる。しかしながら、吸気弁高リフト時の吸気の流通のみでは十分な強度の旋回気流を筒内に生成することは困難であり、このため、十分な強度の旋回気流を生成するためには、吸気弁低中リフト時の吸気の流入態様を改善する必要がある。これに対して、特許文献１が提案する技術は、吸気ポート開口部を吸気弁とともに燃焼室外側に偏心させることで、燃焼室中央寄りの吸気流を多く形成するとともに、さらに吸気流を燃焼室中央寄りに集めることを可能にしている。このためこの提案技術によれば、吸気弁低中リフト時に吸気の流入態様を改善できると考えられる。しかしながら、この提案技術ではステムで分岐するとともに燃焼室中央に向かって流通しない吸気も多く存在していることから、十分な強度の旋回気流を得ることは困難であると考えられる。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は傘部と、該傘部と一端で連結されるステムとを有する吸気弁を備える内燃機関であって、前記吸気弁として、前記ステムの中心軸線を含む平面によって２つに分割される吸気の通過領域のうち、燃焼室中心側に位置する内側通過領域が大きくなるように、且つ、前記ステムの中心軸線が前記傘部の底面の中心点を含まないように前記ステムがオフセットしている特定吸気弁を備えていることを特徴とする。本発明によれば、燃焼室中央に向かって流入しようとする吸気がステムに干渉することをより多く回避できることから、吸気弁小中リフト時に燃焼室中央に向かって流入する吸気の流れをより多く形成できる。このため本発明によれば、筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる。

なお、本発明は吸気弁小中リフト時から吸気の流入態様を改善するという上記課題及びその課題を解決する必要性の高さに鑑み、ステムを上記のようにオフセットさせた点で、前述の特許文献１または２が提案する技術とは異なっている。この点、吸気弁のステムは強度や加工容易性などの観点から、ステムの中心軸線が傘部の底面の中心点を含み、且つこの底面に対して垂直に延伸するように形成されていることが一般的である。また、ステムをオフセットさせることは、吸気の流入態様を改善するために例えばステムをオフセットさせることなく吸気弁の配置を吸気ポート開口部の位置とともに変更しようとする場合と比較して、変更の自由度が高いと考えられることから、この点においても、本発明によれば吸気の流入態様をより好適に改善できる。

また本発明記載のステムの中心軸線を含む平面は、吸気の通過領域をステムよりも燃焼室内側と外側とに分割し得る平面であれば、必ずしも一つの平面に限定されないが、この平面は筒内で旋回気流に生成されるように流通する吸気の主流が主に内側通過領域に含まれるように、吸気の通過領域を燃焼室内側と外側とに分割する平面に特定される。この点、旋回気流として筒内にタンブル流を生成するように吸気ポートが形成された内燃機関にあっては、この平面をさらにシリンダ軸線と平行になる平面として本発明を実現すれば、吸気の主流が主に内側通過領域に含まれるようになることから、燃焼室中央に向かって流入しようとする吸気がステムに干渉することをより多く、且つより確実に回避し得る点で好適である。

また、本発明記載の内側通過領域が大きくなるように、とはステムが本発明のようにオフセットしていない一般的な吸気弁を備えた場合と比較して内側通過領域が大きくなるように、の意であるが、この点、筒内にタンブル流を生成するように吸気ポートが形成された内燃機関で、ステムが本発明のようにオフセットしていない一般的な吸気弁を備えた場合にあっては、吸気の通過領域は通常、ステムの中心軸線を含み、且つシリンダ軸線と平行になる平面で内側通過領域と外側通過領域とに略均等に分割されると考えられる。このため特定吸気弁に係るステムは、さらに具体的には内側通過領域のほうが他方の外側通過領域よりも大きくなるようにオフセットしていることが好適である。

また本発明は前記特定吸気弁に係る前記ステムが、吸気の流れ方向について、前記特定吸気弁に係る前記中心点よりも上流側にオフセットしていてもよい。ここで、吸気の流入態様を改善すべく特定吸気弁のステムをオフセットさせるにあたっては、具体的には水平投影視で吸気の流れ方向に対して垂直な方向にオフセットさせることと、これに加えてさらに吸気の流れ方向について特定吸気弁に係る中心点よりも下流側にオフセットさせること、或いは吸気の流れ方向について特定吸気弁に係る中心点よりも上流側にオフセットさせることができる。すなわち、特定吸気弁のステムをオフセットさせるにあたっては、シリンダ中心軸線を含み、且つ吸気の流れと平行な平面から離れる側にオフセットさせることができる。そしてこのとき特定吸気弁のステムを吸気の流れ方向について特定吸気弁に係る中心点よりも下流側にオフセットさせた場合には、特定吸気弁に係る傘部の直上、且つ後流側で吸気の流れがスムースに形成されなくなる虞がある。このためステムは具体的には本発明のようにオフセットしていることが好適である。

また本発明は前記特定吸気弁に係る前記傘部のうち、前記内側通過領域に対応する部分のほうが、他方の外側通過領域に対応する部分よりも体積が小さくなるように形成されていてもよい。本発明によれば、燃焼室中心側に位置する吸気の内側通過領域をより大きく確保できることから、吸気弁小中リフト時に燃焼室中央に向かって流入する吸気の流れをさらに多く形成できる。このため本発明によれば、筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内により好適に流入させることができる。また本発明によれば、本発明を実施せずにステムをオフセットさせた吸気弁よりもオフセットの度合いを小さくした場合でも同等の効果を得ることができることから、吸気弁の強度を好適に維持することも可能になる。

なお、特定吸気弁の傘部は吸気の流れを阻害しないように全周に亘ってスムースに形成されていることが好ましい。また、特定吸気弁の傘部をスムースに形成するにあたっては、例えば特定吸気弁の傘部を少なくとも部分的に断面円弧状に形成することができる。この点、例えば特定吸気弁の傘部のうち、内側通過領域に対応する部分と、外側通過領域に対応する部分とをともに断面円弧状に形成するとともに、内側通過領域に対応する部分のほうが、外側通過領域に対応する部分よりも曲率半径が小さくなるように形成すれば、本発明を容易に実現し得る点で好適である。

また本発明は前記特定吸気弁が該特定吸気弁に係る前記ステムの中心軸線周りに回転することを防止する回転防止手段をさらに備えてもよい。ここで特定吸気弁がステム中心に回転した場合には、吸気ポートを閉じることができなくなってしまう虞があるところ、本発明によれば係る不都合を解消できる。

本発明によれば、筒内に旋回気流を生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係る内燃機関１００の要部を一気筒につき、鉛直断面視で模式的に示す図である。内燃機関１００は筒内燃料直接噴射式のガソリンエンジンであり、吸気２弁構造が適用されている。但し内燃機関１００は本発明を効果的に実施できる内燃機関であれば特に限定されず、例えば所謂リーンバーンエンジンなどであってもよく、また後述するように例えば吸気３弁構造が適用されてもよい。また内燃機関１００は適宜の気筒数及び気筒配列構造を有していてよい。

内燃機関１００はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３などを有して構成されている。シリンダブロック５１には略円筒状のシリンダ５１ａが形成されており、シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５４はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には吸気を燃焼室５４内（以下、単に筒内とも称す）に導入するための吸気ポート１０ａ及び１０ｂ（以下、総称するときには単に吸気ポート１０と称し、他の部品についても同様とする）と、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート２０とが夫々形成されており、さらに吸気ポート１０を開閉するための吸気弁１０１と、排気ポート２０を開閉するための排気弁５５とが夫々配設されている。内燃機関１００は図示しない回転防止手段を備えている。この回転防止手段は例えば吸気弁１０１のステム延伸方向に延伸するスリットをステムｓｔｍに形成するとともに、このスリットと係合するステム保持部品をシリンダヘッド５２に備えることなどで実現できる。本実施例では吸気弁１０１が特定吸気弁となっている。

点火プラグ５６は上方から燃焼室５４内に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁（図示省略）は吸気ポート１０内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されており、この燃料噴射弁は吸気行程でシリンダ５１ａ内に直接燃料を噴射できるようになっている。なお、燃料噴射弁はこれに限られず、例えば燃焼室５４内に噴射孔を突出させた状態で吸気ポート１０よりもシリンダブロック５１側の位置や、燃焼室５４の上方などでシリンダヘッド５２に配設されてもよい。吸気ポート１０から筒内に流入した吸気は、筒内で旋回気流に生成される。この旋回気流は本実施例では具体的には図１に示すようなタンブル流Ｔとなっている。なお、ピストン５３の頂面にはタンブル流Ｔを案内するためのキャビティが形成されてもよい。

図２は内燃機関１００の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。また図３は図２に示すＡ−Ａ断面で、吸気弁１０１を模式的に示す図である。図２に示すように、吸気ポート１０は水平投影視で燃焼室５４中央に向かって吸気を流通させるように長く延伸している。これにより、吸気が燃焼室５４中央に向かって流通するとともに、筒内でタンブル流Ｔに生成されるように流通する吸気の主流を形成することから、吸気の流れ方向Ｆは図２に示すようにクランク軸線と略平行な軸線Ｐ４と略直交する方向となっている。なお、吸気の流れ方向Ｆは、筒内でタンブル流Ｔに生成されるように流通する吸気の主流が流通する方向を示すものであり、吸気ポート１０の形状次第では、例えばステムｓｔｍが介在している部分の吸気ポート１０の延伸方向とすることなどもできる。

図２及び図３に示すように、ステムｓｔｍはステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１が、傘部ｕｂの底面の中心点Ｐ２を含まないようにオフセットしている。このステムｓｔｍは本実施例では具体的には、図２に示すように水平投影視で吸気の流れ方向Ｆに対して略垂直な方向に、換言すれば軸線Ｐ４と略平行な方向にオフセットしている。またステムｓｔｍは図２に示すように、ステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１を含む平面Ｓ１によって２つに分割される吸気の通過領域ｉｎｒ、ｏｔｒのうち、燃焼室５４中心側に位置する内側通過領域ｉｎｒが、ステムｓｔｍがオフセットしていない場合と比較して大きくなるようにオフセットしており、さらに具体的には内側通過領域ｉｎｒが、他方の外側通過領域ｏｔｒよりも大きくなるようにオフセットしている。このため図２に示すように、燃焼室５４中央に向かって流入しようとする吸気はステムｓｔｍに干渉することをより多く回避される。したがって、吸気弁小中リフト時に燃焼室５４中央に向かって流入する吸気の流れをより多く形成できる。

なお、図２では平面Ｓ１をさらにシリンダ中心軸線Ｐ３と略平行な平面と想定したため、図２ではこの平面Ｓ１が直線状に示されている。また図示しないステムガイドに収納されている状態を含めて、ステムｓｔｍが吸気ポート１０に介在している位置において吸気ポート１０の断面（例えば吸気ポート１０に垂直な断面や吸気の流れ方向Ｆに垂直な断面など、吸気ポート１０の延伸方向においてある位置の吸気ポート１０の形状を示すために適当な断面。）をとったときには、この吸気ポート１０の断面は平面Ｓ１によって２つの部分に分割されるが、このようにして二分割された部分夫々は、内側及び外側通過領域ｉｎｒ、ｏｔｒの一部に相当する。

この点、このような吸気ポート１０の断面すべてで内側通過領域ｉｎｒに対応する部分のほうが、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分よりも大きくなっていることが好ましいが、吸気ポート１０の形状次第では必ずしもこれに限られない。また上記のように内側及び外側通過領域ｉｎｒ、ｏｔｒは、ステムｓｔｍが吸気ポート１０に介在している位置における吸気の通過領域であるため、内側及び外側通過領域ｉｎｒ、ｏｔｒには、ステムｓｔｍが吸気ポート１０に介在しない位置で、平面Ｓ１によって分割される吸気の通過領域までは含まれない。

図４はタンブル強度とバルブリフト量との関係を示す図であり、このタンブル強度はタンブル回転数で表されたものとなっている。図４では、吸気弁１０１の代わりにステムｓｔｍがオフセットしていない吸気弁を備えた内燃機関１００Ｘと、内燃機関１００とについて、タンブル強度の比較を行った結果を示している。なお、内燃機関１００Ｘは吸気弁が異なっている点以外、内燃機関１００と実質的に同一のものとなっている。図４から、内燃機関１００では内燃機関１００Ｘよりも、吸気弁小中リフト時からタンブル強度が向上していることがわかる。

次にステムｓｔｍのオフセット量Ｌについて詳述する。図５はオフセット量Ｌと、タンブル強度、バルブ強度及び空気流量との関係を示す図である。また図６は図２で右側に配置される吸気弁１０１ｂを傘部ｕｂの底面に対して垂直な方向からの視線で、且つ図２と同様の向きで模式的に示す図である。図６に示すように、オフセット量Ｌは中心点Ｐ２からステムｓｔｍ（より具体的には傘部ｕｂの底面とステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１とが交わる点Ｐ５）までの距離を示すものとして設定されている。またバルブ外径Ｄは吸気弁１０１ｂの傘部ｕｂの外径を示している。なお、オフセット量Ｌの正負の符号は、図６に示すようにステムｓｔｍがシリンダ中心軸線Ｐ４から吸気の流れ方向Ｆに略直交する方向で離れる方向を正としている。

図５に示すように、オフセット量Ｌが０（ゼロ）からＤ／１２になるまでの間は、タンブル強度はオフセット量Ｌが大きくなるにしたがって大きく向上し、さらにオフセット量ＬがＤ／１２よりも大きくなった場合でも、タンブル強度はオフセット量Ｌが大きくなるにしたがって緩やかに向上する。このためオフセット量Ｌが次の数１で示す範囲内にあれば、タンブル強度を向上させることができる。
（数１）
０＜Ｌ

一方、オフセット量がＤ／４程度まで大きくなると、吸気弁１０１のバルブ強度が大きく低下し始める。さらにオフセット量ＬがＤ／４よりも大きくなると、バルブ強度が大きく低下するとともに、空気流量も大きく低下し始める。これは外側通過領域ｏｔｒを通過しようとする吸気の量が極端に低下するためと考えられる（図７参照）。このためオフセット量Ｌは、次の数２に示す範囲を許容範囲として、この許容範囲内にあることが好ましい。
（数２）
０＜Ｌ≦Ｄ／４

また図６に示すように、オフセット量Ｌが０（ゼロ）からＤ／１２になるまでの間は、タンブル強度が大きく向上する途中の段階に対応するので、オフセット量Ｌは次の数３に示す範囲を推奨範囲として、この推奨範囲内にあることがさらに好適である。
（数３）
Ｄ／１２≦Ｌ≦Ｄ／４

図８は燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。図８では内燃機関１００と内燃機関１００Ｘとについて、流速を比較した結果を示している。オフセット量Ｌが次の数４に示す範囲内にある場合には、内燃機関１００Ｘの場合よりも大きく、且つ所定値α未満の流速が得られる。
（数４）
０＜Ｌ＜Ｄ／１２

一方、オフセット量Ｌが数３に示す推奨範囲内にある場合には、所定値α以上の流速が得られる。このことからもオフセット量Ｌは数３に示す推奨範囲内にあることがさらに好適であることがわかる。また数３や数４に示す範囲は吸気の流れ方向Ｆについてステムｓｔｍの位置を変更した場合でも、相応の効果を得ることができる範囲になると考えられる。このため図６では、数４に示す範囲に対応させてさらに相応の効果を奏すると考えられるエリアをエリアＡＲ１として示すとともに、数３に示す推奨範囲に対応させてさらに相応の効果を奏すると考えられるエリアをエリアＡＲ２として示している。以上により、筒内にタンブル流Ｔを生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関１００を実現できる。

本実施例に係る内燃機関１１０は、吸気弁１０１が吸気弁１１１に変更されている点以外、実施例１に係る内燃機関１００と基本的に同一のものとなっている。吸気弁１１１はステムｓｔｍが、さらに吸気の流れ方向Ｆについて中心点Ｐ２よりも上流側にオフセットしている点で、吸気弁１０１とは異なるものとなっている。本実施例ではこの吸気弁１１１で特定吸気弁が実現されている。

図９は吸気の流れ方向Ｆについてステムｓｔｍを上流側にオフセットさせた場合と、下流側にオフセットさせた場合とについて、オフセット量Ｌとタンブル強度との関係を示す図である。また図１０は図２で右側に配置される吸気弁１０１ｂと同様に右側に配置される吸気弁１１１ｂを、図６と同様に模式的に示す図である。図１０に示すように、吸気の流れ方向Ｆに略直交するとともに中心点Ｐ２を含む直線Ｐ６と、中心点Ｐ２及びステムｓｔｍに係る点Ｐ５を含む直線Ｐ７とがなす角のうち、鋭角が設置角度θと設定されている。また設置角度θの正負の符号は、図１０に示すようにステムｓｔｍが吸気の流れ方向Ｆについて、上流側にオフセットしているときに正としている。なお、図１０においてオフセット量Ｌは図６と同様に設定されている。

実施例１で前述したように、オフセット量Ｌは数３に示す推奨範囲内にあることが好ましいといえる。この点、さらに設置角度θを設定した場合には、オフセット量ＬがＤ／４のときに設置角度θがおよそ７０度よりも大きく、或いはおよそ−７０度よりも小さくなると、ステムｓｔｍがエリアＡＲ１に含まれることになる。このことから、設置角度θは次の数５に示す範囲を許容範囲として、この許容範囲内にあることが好ましい。
（数５）
−７０°≦θ≦７０°
但し、エリアＡＲ１はタンブル強度が多少なりとも向上すると考えられるエリアであるため、設置角度θが−９０°以上、且つ９０°以下であれば相応の効果が得られると考えられる。

一方、図９に示すように、設置角度θを９０°に設定した上でステムｓｔｍを上流側にオフセットさせた場合には、タンブル強度はオフセット量Ｌが大きくなるにしたがって緩やかに向上した後、大きく向上する傾向が見られる。これに対して、設置角度θを−９０°に設定した上でステムｓｔｍを下流側にオフセットさせた場合には、タンブル強度はオフセット量Ｌが大きくなるにしたがって緩やかに低下した後、大きく低下する傾向が見られる。これは、ステムｓｔｍを下流側にオフセットさせた場合には、傘部ｕｂ直上で、後流側への吸気の流れをスムースに形成することが困難になるためと考えられる。このことから、設置角度θは次の数６に示す範囲を推奨範囲として、この推奨範囲内にあることがさらに好ましい。
（数６）
０°≦θ≦７０°

またこのように設置角度θを設定した場合でも、オフセット量ＬがＤ／４よりも大きくなったときには、図９に示すようにバルブ強度は低下する。このため、設置角度θを設定した場合には、数３及び数６をともに満たす範囲内でステムｓｔｍを形成することが好適である。オフセット量Ｌを数３に示す範囲内で設定するとともに、設置角度θを数６に示す範囲内で設定した場合に対応するエリアは、具体的にはエリアＡＲ３として図１０のように示される。このため、本実施例ではステムｓｔｍは図１０に示すようにエリアＡＲ３内に含まれるようにオフセットしている。

図１１は燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。図１１では内燃機関１１０と内燃機関１００Ｘとについて、流速を比較した結果を示している。吸気弁１１１のステムｓｔｍがエリアＡＲ３内にある場合には、所定値βよりも大きい流速が得られる。またこの所定値βは所定値αよりも大きな値となっていることから、内燃機関１１０によれば、実施例１で前述した内燃機関１００よりも高い流速が得られることがわかる。

図１２は内燃機関１１０の希薄燃焼時の燃費性能、及び高負荷運転時の出力性能を示す図である。希薄燃焼時の燃費性能は具体的には図１２（ａ）で内燃機関１１０の燃料消費率と空燃比との関係で示されており、高負荷運転時の出力性能は図１２（ｂ）で軸トルクと内燃機関１１０の回転数との関係で示されている。また図１２（ｂ）では出力性能は全負荷性能で示されている。なお、図１２（ａ）及び（ｂ）では、内燃機関１００Ｘと内燃機関１１０とについて比較を行った結果を示している。また、図１２（ｃ）では数２及び数３に示すオフセット量Ｌの範囲に対応する見込みの燃費低減率及び性能向上率と、数５及び数６に示す設定角度θの範囲に対応する見込みの燃費低減率及び出力性能向上率とを夫々定量的に示している。

ステムｓｔｍを適度にオフセットさせた場合には、吸気弁小中リフト時から筒内に強度の高いタンブル流Ｔを生成できるとともに、強い乱れを発生させることができるようになる。このため希薄燃焼時には燃焼性が向上し、結果として燃料消費率を低減できるとともに、高負荷運転時には出力性能を向上させることができる。図１２（ａ）に示すように、内燃機関１１０では内燃機関１００Ｘよりも燃料消費率が低減されるとともに、希薄燃焼領域が拡大される。また図１２（ｂ）に示すように、内燃機関１１０では内燃機関１００Ｘよりも回転数全域に亘って軸トルクが向上する。また図１２（ｂ）から、回転数が低いときほど軸トルクの向上幅が大きくなっていることから、ステムｓｔｍをオフセットさせることによって回転数が低いときほど高い効果が得られることがわかる。

また数３及び数４に示す範囲内でオフセット量Ｌを設定すれば、定量的には図１２（ｃ）に示す燃費低減率及び出力性能向上率を期待できる。また数５及び数６に示す範囲内で設定角度θを設定すれば、定量的には図１２（ｃ）に示す燃費低減率及び出力性能向上率を期待できる。以上により、筒内にタンブル流Ｔを生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関１１０を実現できる。

本実施例に係る内燃機関１２０は、吸気弁１１１が吸気弁１２１に変更されている点以外、実施例２に係る内燃機関１１０と実質的に同一のものとなっている。吸気弁１２１はさらに傘部ｕｂのうち、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分のほうが、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分よりも体積が小さくなるように形成されている点で、吸気弁１１１と異なるものとなっている。ここで、体積が小さくなるようにとは、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分をステムｓｔｍの中心軸線Ｐ１中心に回転させて、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分に重ね合わせたときに、これらの部分が一致せず、且つ内側通過領域ｉｎｒに対応する部分が、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分に少なくとも部分的に含まれることをいう。本実施例ではこの吸気弁１２１で特定吸気弁が実現されている。

図１３は、図２に示すＡ−Ａ断面と同様の断面で吸気弁１２１を模式的に示す図である。吸気弁１２１は具体的には傘部ｕｂのうち、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分と、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分とがともに、中心軸線Ｐ１を含む平面による断面で断面円弧状に形成されているとともに、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分のほうが、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分よりも曲率半径が小さくなるように形成されている。また内側通過領域ｉｎｒに対応する部分は曲率半径Ｒ２で、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分は曲率半径Ｒ１でステムｓｔｍとスムースに繋がるように夫々形成されており、さらに曲率半径Ｒ２は曲率半径Ｒ１よりも小さく設定されている。

本実施例ではこのように傘部ｕｂを形成することで、傘部ｕｂのうち、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分のほうが、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分よりも体積が小さくなるようにしている。これにより、内側通過領域ｉｎｒをより大きく確保できることから、吸気弁小中リフト時に燃焼室５４中央に向かって流入する吸気の流れをさらに多く形成できる。なお、吸気弁１２１の傘部ｕｂは吸気の流れを阻害しないように全周に亘ってスムースに形成されており、この点に関しては前述した吸気弁１０１及び１１１も同様となっている。

図１４は、図２で右側に配置される吸気弁１０１と同様に右側に配置される吸気弁１２１を、図６或いは図１０と同様に模式的に示す図である。なお、図１４においてオフセット量Ｌは図６と同様に設定されており、設置角度θは図１０と同様に設定されている。吸気弁１２１を備えた内燃機関１２０では、上述のように燃焼室５４中央に向かって流入する吸気の流れをさらに多く形成できる。このため、内燃機関１２０では、内燃機関１００または１１０よりもオフセット量Ｌを小さくした場合であっても、内燃機関１００または１１０と同等の効果を得ることができる。このことから内燃機関１２０の場合には、数３に示す推奨範囲と比較して、次の数７に示すようにオフセット量Ｌの推奨範囲を拡大できる。
（数７）
Ｄ／２４≦Ｌ≦Ｄ／４
図１４では、この数７に示す推奨範囲に対応させてさらに相応の効果を奏すると考えられるエリアをエリアＡＲ４として示している。

一方、設置角度θを設定した場合には、オフセット量ＬがＤ／４のときに設置角度θがおよそ８０度よりも大きく、或いはおよそ−８０度よりも小さくなると、ステムｓｔｍがエリアＡＲ４に含まれることになる。このことから内燃機関１２０の場合には、数５に示す許容範囲と比較して、次の数８に示すように設置角度θの許容範囲を拡大できる。
（数８）
−８０°≦θ≦８０°

また吸気の流れ方向Ｆについて、ステムｓｔｍを中心点Ｐ２よりも上流側にオフセットさせたほうが好適である点は、内燃機関１２０でも内燃機関１１０の場合と同様となっている。このことから内燃機関１２０の場合には、数６に示す推奨範囲と比較して、次の数９に示すように設置角度θの推奨範囲を拡大できる。
（数９）
０°≦θ≦８０°

これにより、オフセット量Ｌ及び設置角度θの範囲が拡大された分だけ、さらに吸気弁１２１の強度を維持することも可能になる。また内燃機関１２０の場合には、数７及び数９をともに満たす範囲内でステムｓｔｍが形成されることが好適である。オフセット量Ｌを数７に示す範囲内で設定するとともに、設置角度θを数９に示す範囲内で設定した場合に対応するエリアは、具体的にはエリアＡＲ５として図１４のように示される。

図１５は燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。図１５では内燃機関１２０と内燃機関１１０及び１００Ｘについて、流速を比較した結果を示している。なお、図１５において内燃機関１１０と内燃機関１２０とでは、オフセット量Ｌは数３に示す推奨範囲内で、設置角度θは数６に示す推奨範囲内で、夫々同じ大きさに設定されている。また図１５において、内燃機関１１０に係る吸気弁１１１の傘部ｕｂは、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分と、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分とがともに同じ曲率半径でステムｓｔｍとスムースに繋がるように形成されている。図１５に示すように内燃機関１２０によれば、内燃機関１１０よりも大きな流速が得られる。以上により、筒内にタンブル流Ｔを生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関１２０を実現できる。

本実施例に係る内燃機関１３０は吸気３弁構造になっている点で、前述した実施例１から３までに係る内燃機関１００、１１０及び１２０とは異なるものとなっている。図１６は図２と同様に内燃機関１３０の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。この内燃機関１３０では、両端に位置する吸気弁１３１ａ、１３１ｂのステムｓｔｍが吸気弁１０１と同様にオフセットしている。なお、これら吸気弁１３１ａ、１３１ｂは吸気弁１１１と同様にさらに設置角度θが設定されてもよく、また吸気弁１２１と同様にさらに傘部ｕｂのうち、内側通過領域ｉｎｒに対応する部分のほうが、外側通過領域ｏｔｒに対応する部分よりも体積が小さくなるように形成されてもよい。

図１６に示すように、内燃機関１３０では一気筒につき両端に位置する吸気弁１３１ａ、１３１ｂが特定吸気弁となっており、このように特定吸気弁を備えることにより、吸気３弁構造を有する内燃機関１３０であっても、吸気弁小中リフト時に燃焼室５４中央に向かって流入する吸気の流れをより多く形成できる。以上により、筒内にタンブル流Ｔを生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関１３０を実現できる。

本実施例に係る内燃機関１４０は、吸気ポート１０内で吸気を偏流させて筒内に強度の高いタンブル流Ｔを生成するための気流制御弁６０をさらに吸気ポート１０に備えている点以外、実施例１に係る内燃機関１００と実質的に同一のものとなっている。すなわち内燃機関１４０は、内燃機関１００がさらに気流制御弁６０を備えたものとなっている。なお、実施例２から４までに係る内燃機関１１０、１２０及び１３０もさらに気流制御弁６０と同様の作用効果を奏する気流制御弁を備えてよい。

図１７は図２と同様に内燃機関１４０の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。気流制御弁６０は一端部を弁軸６１で片持ち状に軸支されており、気流制御弁６０の他端部には閉弁時に吸気を燃焼室５４中央に指向させるための切欠き部Ｋが形成されている。この切欠き部Ｋは吸気を燃焼室５４中央に指向させるために、他端部を燃焼室５４中央に対応する部分ほど大きく切欠いて、中心が拡大した形状に形成されている。気流制御弁６０が全閉や半開になっているときには、吸気ポート１０を流通する吸気は切欠き部Ｋを通過することにより燃焼室５４中央に指向される。このように筒内に流入する前に予め吸気を燃焼室５４中央に指向させることで、燃焼室５４中央に向かって流入する吸気をより多くすることができる。これにより、ステムｓｔｍと干渉する吸気をさらに減少させることができ、以って吸気を筒内に好適に流入させることができる。

図１８はタンブル強度とバルブリフト量との関係を示す図である。図１８では、吸気弁１０１の代わりにステムｓｔｍがオフセットしていない吸気弁を備えた内燃機関１００Ｙと、内燃機関１４０とについて、タンブル強度の比較を行った結果を示している。なお、内燃機関１００Ｙは吸気弁が異なっている点以外、内燃機関１４０と実質的に同一のものとなっている。図１８から、気流制御弁６０を全開にしたときよりも全閉にしたときのほうが、タンブル強度が向上することがわかるが、さらに内燃機関１４０では内燃機関１００Ｙよりも、気流制御弁６０を全閉にしたときに吸気弁小中リフト時からタンブル強度が向上していることがわかる。以上により、筒内にタンブル流Ｔを生成するにあたって、吸気弁小中リフト時から吸気を筒内に好適に流入させることができる内燃機関１４０を実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

内燃機関１００の要部を一気筒につき、鉛直断面視で模式的に示す図である。内燃機関１００の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。図２に示すＡ−Ａ断面で、吸気弁１０１を模式的に示す図である。タンブル強度とバルブリフト量との関係を示す図である。オフセット量Ｌと、タンブル強度、バルブ強度及び空気流量との関係を示す図である。吸気弁１０１ｂを傘部ｕｂの底面に対して垂直な方向からの視線で、且つ図２と同様の向きで模式的に示す図である。図２に示す内燃機関１００の要部図と同様の図を用いて、オフセット量ＬをＤ／４よりも大きくしたときの様子を模式的に示す図である。燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。吸気の流れ方向Ｆについてステムｓｔｍを上流側にオフセットさせた場合と、下流側にオフセットさせた場合とについて、オフセット量Ｌとタンブル強度との関係を示す図である。吸気弁１１１ｂを図６と同様に模式的に示す図である。燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。内燃機関１１０の希薄燃焼時の燃費性能、及び高負荷運転時の出力性能を示す図である。図２に示すＡ−Ａ断面と同様の断面で吸気弁１２１を模式的に示す図である。吸気弁１２１を図６と同様に模式的に示す図である。燃焼室５４中央での流速分布を模式的に示す図である。内燃機関１３０の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。内燃機関１４０の要部を一気筒につき、水平投影視で模式的に示す図である。タンブル強度とバルブリフト量との関係を示す図である。

符号の説明

１０吸気ポート
５１シリンダブロック
５２シリンダヘッド
５３ピストン
５４燃焼室
５５排気弁
５６点火プラグ
６０気流制御弁
６１弁軸
１００、１１０、１２０、１３０、１４０内燃機関
１０１、１１１、１２１、１３１吸気弁

Claims

傘部と、該傘部と一端で連結されるステムとを有する吸気弁を備える内燃機関であって、
前記吸気弁として、前記ステムの中心軸線を含む平面によって２つに分割される吸気の通過領域のうち、燃焼室中心側に位置する内側通過領域が大きくなるように、且つ、前記ステムの中心軸線が前記傘部の底面の中心点を含まないように前記ステムがオフセットしている特定吸気弁を備えていることを特徴とする内燃機関。
前記特定吸気弁に係る前記ステムが、吸気の流れ方向について、前記特定吸気弁に係る前記中心点よりも上流側にオフセットしていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記特定吸気弁に係る前記傘部のうち、前記内側通過領域に対応する部分のほうが、他方の外側通過領域に対応する部分よりも体積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関。
前記特定吸気弁が該特定吸気弁に係る前記ステムの中心軸線周りに回転することを防止する回転防止手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の内燃機関。