JP2009007953A - 内燃機関の吸排気ポート - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートから供給される吸気が吸気弁の弁体と衝突し、燃焼室内にて吸気の流動方向が逸れたり、乱流を引き起こしたりするおそれがあった。
【解決手段】弁棒案内２６が突出する部分よりも上流側の吸気ポート１４の断面積Ａ１と、弁棒案内２６が突出する部分におけるこの突出部分を含む吸気ポート１４の断面積Ａ２と、弁棒案内２６が突出する部分と弁座２１との中間における弁棒２４ｂを含む吸気ポート１４の断面積Ａ３と、弁座２１の直近における弁棒２４ｂを含む吸気ポート１４の断面積Ａ４とが、Ａ１＜Ａ２＞Ａ３＜Ａ４の関係にあり、断面積Ａ２の部分よりも下流側の吸気ポート１４の断面の輪郭形状がほぼ円形であって、断面積Ａ３の部分から下流側に向けて吸気ポート１４の有効断面積が次第に増加し、断面積Ａ２の部分における吸気ポート１４の有効断面積がＡ１以上であり、断面積Ａ３の部分における吸気ポート１４の有効断面積がＡ１以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気弁または排気弁の弁棒およびその弁棒案内が突出する内燃機関の吸気ポートまたは排気ポートに関する。

内燃機関の燃焼室に開口して吸気弁の弁体が当接し得る吸気弁座をその開口端に有する吸気ポートには、吸気弁の弁体と一体の弁棒が突出状態で配されている。また、この弁棒の往復動を案内する弁棒案内もその先端部が吸気ポート内に突出している場合が多い。このため、吸気ポートを流れる吸気は、その一部が弁棒および弁棒案内に衝突して強い乱流を吸気ポート内に形成したり、これらを通過した後の吸気ポート内における吸気の流動方向が逸れてしまうこととなる。この結果、燃焼室に流入する吸気の流速が低下したり、燃焼室内に形成される混合気のタンブル流が阻害されてしまうおそれがあった。

このような不具合を解消するため、特許文献１ではバルブシャフト侵入流路位置よりも上流側から吸気ポートの横幅を徐々に広げてその流路断面積を下流に向けて徐々に大きくし、吸気ポートの有効断面積の変化が所定範囲内に設定している。また、特許文献２においては、吸気ポートの下流側部分の通路断面積を燃焼室開口から上流側に遡るに従い縮小させ、燃焼室開口から上流側に吸気ポートの全長の約１０％の距離だけ遡った位置の通路断面積を燃焼室開口の面積の０.８倍以下に設定している。

特開２００４−３０８４４１号公報 特開２００６−７０８６０号公報

特許文献１，２に開示された技術は、何れも弁体と吸気との衝突に関して何ら対策がなされていない。このため、吸気ポート内を流れる吸気の一部が弁棒案内と衝突して強い乱流を吸気ポート内に形成したり、これらを通過した後の吸気ポート内における吸気の流動方向が逸れてしまうことを回避することが基本的にできない。同様に、排気ポートにおいては、燃焼室内の排気ガスを円滑に排気ポート内で流動させることが困難である。

（発明の目的）
本発明の目的は、燃焼室内での混合気の乱流を抑制し得る内燃機関の給排気ポートを提供することにあり、特に強い吸気のタンブル流の形成を企図したものである。

本発明による内燃機関の吸排気ポートは、内燃機関の燃焼室に開口して吸気弁または排気弁の弁体が当接し得る弁座をその基端に有し、前記弁体と一体の弁棒およびその弁棒案内が突出状態で配された吸気ポートまたは排気ポートであって、前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１と、前記弁棒案内が突出する部分におけるこの突出部分を含むポートの断面積Ａ２と、前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間における前記弁棒を含むポートの断面積Ａ３と、前記弁座の直近における前記弁棒を含むポートの断面積Ａ４とが、Ａ１＜Ａ２＞Ａ３＜Ａ４の関係にあり、前記弁棒案内が突出する部分よりも基端側のポートの断面の輪郭形状がほぼ円形であり、前記弁棒案内が突出する部分におけるポートの有効断面積は、前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１以上であり、前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間部分におけるポートの有効断面積は、前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１以下であり、前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間部分から基端に向けてポートの有効断面積が次第に増加していることを特徴とするものである。

本発明を吸気ポートに適用した場合、弁棒案内が突出する部分と弁座との中間部分から基端側、つまり下流端側に向けてポートの有効断面積が次第に増加しているため、吸気が吸気弁の弁体に沿って流動しやすくなる。この結果、吸気弁座と吸気弁の弁体との隙間から燃焼室内に流入する吸気は、強いタンブル流を燃焼室内に形成することとなる。逆に、燃焼室から排気ポート内に排出される排気は、排気弁座と排気弁の弁体との隙間から、排気弁の弁体に沿って排気ポートの末端側、つまり下流端側へと円滑に流出する。

本発明による内燃機関の吸排気ポートにおいて、弁棒案内が突出する部分と弁座との中間部分よりも末端側のポートの有効断面積がほぼ一定に設定されているものであってよい。

本発明の内燃機関の吸排気ポートによると、ポート内に介在する弁棒案内および弁棒による通路断面積の減少を補償するようにポートの断面形状をほぼ円形のまま拡大するようにしたので、弁棒案内および弁棒による影響を抑制することができる。特に、本発明を吸気ポートに適用した場合、吸気を吸気ポートの基端側から弁体に沿って燃焼室内に流入させることが可能となり、燃焼室内での吸気のタンブル流を従来のものよりも強めることが可能である。

弁棒案内が突出する部分と弁座との中間部分よりも末端側のポートの有効断面積をほぼ一定に設定した場合、この領域を流れる吸気または排気の圧力がほぼ一定となり、抵抗または損失を抑えた状態で円滑にポート内を流動させることができる。

本発明による内燃機関の吸排気ポートの実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。例えば、吸気ポートが１つの気筒に対して複数に分岐したものや、あるいは排気ポートにも本発明を適用することができる。

本実施形態における内燃機関の主要部の断面構造を模式的に図１に示す。すなわち、本実施形態におけるエンジン１０は、燃料であるガソリンやアルコールまたはこれらの混合物あるいは液化天然ガスなどを燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射して空気と混合させ、点火プラグ１３により着火させる直噴形式の多気筒火花点火機関である。このような火花点火機関に代えて圧縮点火機関に対して本発明を適用することも当然可能であり、燃料を吸気ポート１４内に噴射するポート噴射形式の燃料噴射弁を採用することも可能である。

ピストン１５が摺動自在に嵌め込まれるシリンダ１６が形成されたシリンダブロック１７には、個々の気筒におけるピストン１５との間に燃焼室１２を画成するシリンダヘッド１８が取り付けられている。このシリンダヘッド１８には、吸気通路を画成する吸気ポート１４と、排気通路を画成する排気ポート１９とが各燃焼室１２に臨むように形成されている。各燃焼室に接続する吸気ポート１４は、これらの上流端側で一つにまとめられ、シリンダヘッド１８に連結される吸気マニホールド２０に連通状態となっており、このような構成は排気ポート１９も同様である。

吸気ポート１４の円形開口端および排気ポート１９の円形開口端に装着した円環状の弁座２１，２２は、ピストン１５の往復運動、つまりコンロッド２３を介してピストン１５に連結される図示しないクランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて往復動する吸気弁２４および排気弁２５の弁体２４ａ，２５ａによりそれぞれ開閉されるようになっている。吸気弁２４の往復動を案内する弁棒案内２６は、その先端部が吸気ポート１４内に突出するようにシリンダヘッド１８に取り付けられている。弁体２４ａが一体に形成された吸気弁２４の弁棒２４ｂは、吸気ポート１４を横切るように筒状をなす弁棒案内２６を摺動自在に貫通している。

シリンダヘッド１８に取り付けられて燃焼室１２内に燃料を噴射する先の燃料噴射弁１１は、ピストン１５の往復運動に連動して所定のタイミングにて燃料を燃焼室１２内に噴射するようになっている。燃料噴射弁１１からの燃料噴射量は、図示しない各種センサなどからの情報に基づき、エンジン１０の運転状態に応じて図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）にて設定される。

前記点火プラグ１３もまた、シリンダヘッド１８に取り付けられており、その点火ギャップ２７が燃焼室１２の中央部に臨むように配されている。この点火プラグ１３の点火ギャップ２７には、クランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて高電圧が図示しないイグニッションコイルを介して印加され、混合気中に含まれる燃料の点火を行うようになっている。イグニッションコイルに対する通電時期は、図示しない各種センサなどからの検出情報に基づき、エンジン１０の運転状態に応じてＥＣＵにて設定される。

吸気ポート１４の上流端側から下流端側にかけての吸気ポート１４の輪郭形状を模式的に図２〜図４に示し、この吸気ポート１４の基端、つまり燃焼室開口端からの距離とその断面積との関係を図５に示す。すなわち、本実施形態における吸気ポート１４は、弁棒案内２６が突出する部分（図１中、III−III線で示す領域およびその近傍）よりも末端側、つまり吸気ポート１４の場合には上流端側（例えば図１中、II−II線で示す領域）における吸気ポート１４の断面積Ａ１と、弁棒案内２６が突出する部分におけるこの突出部分を含む吸気ポート１４の断面積Ａ２と、弁棒案内２６が突出する部分と弁座２１との中間（図１中、IV−IV線で示す領域およびその近傍）における弁棒２４ｂを含む吸気ポート１４の断面積Ａ３と、弁座２１の直近における弁棒２４ｂを含む吸気ポート１４の断面積Ａ４とが、Ａ１＜Ａ２＞Ａ３＜Ａ４の関係にある。この場合、断面積Ａ２は、吸気ポート１４内に突出する弁棒案内２６および弁棒２４ｂを切除し、吸気ポート１３の内面を滑らかに整形したと仮定した際の吸気ポート１３の断面の輪郭形状に基づいて算出され、図５中の破線で示す部分がこれに該当する。また、弁棒案内２６が突出する部分よりも基端側、つまり吸気ポート１４の場合には下流端側の吸気ポート１４の断面の輪郭形状がほぼ円形に設定され、弁棒案内２６が突出する部分と弁座２１との中間部分から燃焼室開口端に向けて吸気ポート１４の有効断面積が次第に増加するように設定されている。なお、ここで言う有効断面積は、先の断面積Ａ２，Ａ３から弁棒案内２６や弁棒２４ｂの面積を除いた断面積であり、実際に吸気が通過し得る空隙部分の領域を示し、図５中の実線で示す部分に該当する。弁棒案内２６が突出する部分における吸気ポート１４の有効断面積は、弁棒案内２６が突出する部分よりも上流側における吸気ポート１４の断面積Ａ１以上であることが好ましい。同様に、弁棒案内２６が突出する部分と弁座２１との中間部分における吸気ポート１４の有効断面積は、弁棒案内２６が突出する部分よりも上流側における吸気ポート１４の断面積Ａ１以下であることが好ましい。本実施形態では、弁棒案内２６が突出する部分と弁座２１との中間部分よりも上流側の吸気ポート１４の有効断面積をほぼ一定に設定している（図５参照）。換言すれば、このような有効断面積の変化が得られるように、弁棒案内２６が突出する部分から下流側に向けて吸気ポート１４の輪郭径を連続的に変化させている。なお、図３，図４における二点鎖線は、弁棒案内２６や弁棒２４ｂを考慮しない場合における従来の吸気ポートの輪郭を示す。

吸気ポート１４がこのような構成となっているため、吸気弁２４の弁棒２４ｂや弁棒案内２６との干渉を回避してこれら弁棒２４ｂおよび弁棒案内２６よりも下流側における吸気の剥離現象を低減させることができる。しかも、吸気が弁体２４に衝突することなく、弁体２４ａに沿って吸気を燃焼室１２内に導くことが可能となり、燃焼室１２の周壁に沿って強い吸気のタンブル流を形成することができ、燃焼室１２内での火炎の拡散を均一化させることが可能である。

このような吸気ポート１４の構成を排気ポート１９にも同様に形成することができ、これによって排気ポート１９内を通過する排気に対する通路抵抗などを少なくすることができる。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

本発明を火花点火内燃機関に応用した一実施形態の主要部の構造を表す断面図である。 図１中のII−II矢視に沿った断面図である。 図１中のIII−III矢視に沿った断面図である。 図１中のIV−IV矢視に沿った断面図である。 図１に示した実施形態において、吸気ポートの位置とその断面積との関係を表すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 燃料噴射弁
１２ 燃焼室
１３ 点火プラグ
１４ 吸気ポート
１５ ピストン
１６ シリンダ
１７ シリンダブロック
１８ シリンダヘッド
１９ 排気ポート
２０ 吸気マニホールド
２１，２２ 弁座
２３ コンロッド
２４ 吸気弁
２４ａ 弁体
２４ｂ 弁棒
２５ 排気弁
２５ａ 弁体
２６ 弁棒案内
２７ 点火ギャップ

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室に開口して吸気弁または排気弁の弁体が当接し得る弁座をその基端に有し、前記弁体と一体の弁棒およびその弁棒案内が突出状態で配された吸気ポートまたは排気ポートであって、
   前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１と、前記弁棒案内が突出する部分におけるこの突出部分を含むポートの断面積Ａ２と、前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間における前記弁棒を含むポートの断面積Ａ３と、前記弁座の直近における前記弁棒を含むポートの断面積Ａ４とが、Ａ１＜Ａ２＞Ａ３＜Ａ４の関係にあり、
   前記弁棒案内が突出する部分よりも基端側のポートの断面の輪郭形状がほぼ円形であり、
   前記弁棒案内が突出する部分におけるポートの有効断面積は、前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１以上であり、
   前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間部分におけるポートの有効断面積は、前記弁棒案内が突出する部分よりも末端側におけるポートの断面積Ａ１以下であり、
   前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間部分から基端に向けてポートの有効断面積が次第に増加していることを特徴とする内燃機関の吸排気ポート。
2. 前記弁棒案内が突出する部分と前記弁座との中間部分よりも末端側のポートの有効断面積がほぼ一定に設定され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排気ポート。

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