JP2010037978A

JP2010037978A - 内燃機関の燃焼室構造

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Publication number: JP2010037978A
Application number: JP2008199537A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamamoto; 和裕山本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: JP4712844B2

Abstract

【課題】バルブリフト可変機構を備えた内燃機関での中高負荷時における吸気効率の向上等を実現した内燃機関の燃焼室構造を提供する。
【解決手段】シュラウド４１は、バルブシート１３の直下に位置する円環状のシュラウド面５１と、シュラウド面５１の下端に連続する凹曲面５２とを有している。
シュラウド４１は、バルブシート１３の直下に位置する円環状のシュラウド面５１を有しており、シュラウド面５１の下端には、シュラウド面５１に連続する凹曲面５２が形成されている。中リフト状態（実線で示す状態）においては、凹曲面５２と傘部１１ａとが対峙しながら、リフト量が大きくなるに従って、その距離Ｌ（すなわち、吸気流路５３の断面積）が漸増する寸法形状となっている。また、シュラウド面５１と凹曲面５２とは鈍角をなしているため、該部には鈍角のエッジ５４が形成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、バルブリフト可変機構を備えた内燃機関での中高負荷時における吸気効率の向上等を実現した内燃機関の燃焼室構造に関する。

４サイクルのガソリンエンジンやディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと記す）においては、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の開弁特性可変機構を搭載したものが多くなっている。開弁特性可変機構としては、運転状況に応じて低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年では過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現すべく、吸気バルブのリフト量を連続的に可変制御するバルブリフト可変機構が出現している（特許文献１参照）。この種のバルブリフト可変機構を備えたエンジンでは、低リフト時における燃焼効率を向上させるべく、所定の周長を有するシュラウドを吸気ポートの外縁に沿って設けることがある（特許文献２，３参照）。

特許文献２のシュラウドは、シリンダヘッドの燃焼室壁から突設されており、シュラウド面が吸気ポートの軸線に沿うかたちで円筒状に形成されるとともに、燃焼室側の端面が吸気バルブの軸線に直交する平坦面となっている。吸気バルブの低リフト時において、吸気ポートから燃焼室に流入した吸入空気は、シュラウド面に遮られることによってスワール流を生成する。また、特許文献３のシュラウドは、特許文献２と略同様であるが、その端面が燃焼室側に向けて傾斜している。
特開２００８−２５４１２号公報特開昭５９−７７３０号公報特開昭５６−５７９０６号公報

バルブリフト可変機構とシュラウドとを備えたエンジンでは、負荷の小さい低リフト時において、シュラウドによって吸入空気を遮ることによって強いスワール流を生じさせ、着火性の向上による燃焼効率の向上を図る一方、加速時等の比較的負荷の大きい中高リフト時において、シュラウドによる吸気損失を抑えてより高い吸気効率を実現するという相反する性能が要求される。

図８に示すように、特許文献２では、吸気バルブ１１の中リフト時において、吸気ポート６から流入した吸入空気は、シュラウド４１のシュラウド面５１を通過した後に燃焼室５に流入する。この際、シュラウド４１の燃焼室５側の端面６１が平坦面となっているため、吸気バルブ１１とシュラウド４１とによって画成される吸気流路５３の面積（すなわち、吸気バルブ１１の傘部１１ａとの距離Ｌ）が急増し、渦流等に起因する圧損が生じる。また、シュラウド面５１と端面６１とが９０°の角度をなしているため、該部に直角のエッジ５４が形成されてしまう。このような比較的鋭いエッジ５４は、燃焼ガスから受けた熱が放出され難いため（熱引きが悪いため）、ノッキングを引き起こすヒートスポットとなる、シリンダヘッドの局部的な熱変形を招く、エンジンが長期間にわたって運転されると熱疲労によるクラック等を起こす等のことが懸念される。また、図９に示すように、特許文献３では、シュラウド４１の燃焼室５側の端面６１が傾斜面となっているため、エッジ５４の角度が比較的大きくなってヒートスポットに関する問題は生じ難くなる。しかしながら、流路面積の増加率は依然として大きいため、吸気効率の低下が依然として懸念される。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、バルブリフト可変機構を備えた内燃機関での中高負荷時における吸気効率の向上等を実現した内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。

第１の発明に係る内燃機関の燃焼室構造は、シリンダヘッドに形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに穿設されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって燃焼室が画成される内燃機関において、前記燃焼室壁には、吸気バルブの傘部によって開閉される吸気ポートが開口するとともに、スワール流の形成に供されるシュラウドが当該吸気ポート開口部の外周に沿って所定の周長をもって突設され、前記吸気バルブが所定のリフト量であるときに前記傘部の外縁に対峙する凹曲面が前記シュラウドのシュラウド面に連続して形成されたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係る内燃機関の燃焼室構造において、前記燃焼室壁における前記シリンダボアとの接続部は、少なくともその一部が前記凹曲面に連続するかたちで形成されたことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る内燃機関の燃焼室構造において、前記シュラウドが形成された部位における吸気ポートの開口縁部と、シュラウドが形成されない部位における吸気ポートの開口縁部の少なくとも一部とが同一曲率の凹曲面からなることを特徴とする。

第１の発明によれば、吸気バルブの傘部と凹曲面との間に吸気流路が画成されるため、流路面積の急激な変化が抑制されて吸気流速の低下が生じ難くなる。また、第２の発明によれば、吸気ポートから流入した吸入空気が燃焼室内で滑らかに流れるため、吸気効率の一層の向上が得られる。また、第３の発明によれば、単一の切削工具で吸気ポート周りの加工が行えるため、製造装置の簡略化や加工時間の短縮が実現される。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼室構造の一実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態に係るエンジンの要部を示す縦断面図であり、図２は吸気側動弁装置の高リフト時の作動状態を示す図であり、図３は吸気側動弁装置の低リフト時の作動状態を示す図である。また、図４は実施形態に係るシリンダヘッドの要部を示す下面図であり、図５は図４中のＶ−Ｖ拡大断面図であり、図６は図４中のＶＩ−ＶＩ拡大断面図であり、図７は図４中のＶII−Ｖ拡大断面図である。

≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（内燃機関）Ｅは、自動車に搭載されるＤＯＨＣ４バルブ型の４サイクル直列４気筒ガソリンエンジンであり、シリンダボア１ａにピストン４が摺動自在に内嵌したシリンダブロック１と、シリンダボア１ａおよびピストン４の頂部とともにペントルーフ型の燃焼室５を画成する燃焼室壁２ａを有したシリンダヘッド２とを備えている。ピストン４は、どちらも図示しないコネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されており、シリンダボア１ａ内でレシプロ運動することによってクランクシャフトに回転力を与える。

シリンダヘッド２は、燃焼室５に開口する吸気ポート６および排気ポート７を各気筒２つずつ備えるとともに、これら吸排気ポート６，７を開閉する吸気バルブ１１と排気バルブ１２とを摺動自在に保持している。図１中に符号１０で示す部材は吸排気バルブ１１，１２をそれぞれ閉弁方向に付勢するバルブスプリングであり、符号１３，１４で示す部材は吸排気ポート６，７の開口端に圧入されたバルブシートである。

シリンダヘッド２の上面にはカムホルダ１７が締結されており、このカムホルダ１７に吸気カムシャフト１５と排気カムシャフト１６とが回転自在に保持されている。両カムシャフト１５，１６は、図示しないクランクスプロケットやカムチェーン、カムスプロケットを介して、クランクシャフトの１／２の回転速度をもって回転駆動される。吸気カムシャフト１５と吸気バルブ１１との間には、吸気ロッカアーム２１とサブカム２２とが介装されている。また、排気カムシャフト１６と排気バルブ１２との間には、排気ロッカアーム２３が介装されている。

次に、図２，図３を参照して、吸気側動弁装置の動作について説明する。
例えばエンジンＥが高速回転領域または高負荷領域で運転されるとき、ホルダ２５が図２に示す最大リフト位置を占める。このとき、制御カム２６ａは、その回転範囲においてカム山の高さが最大となる位置でローラ２７に当接する。そして、回転する吸気カム１５ａにより駆動されて時計方向に回転するサブカム２２は、駆動カム部２８の駆動面２８ａにより吸気ロッカアーム２１を時計方向に回転させて、吸気バルブ１１は、吸気カム１５ａがそのカム山の頂点でローラ２４に当接するとき、伝達機構Ｔにより変更され得る最大リフト量の変更範囲において、最大値となる最大リフト量で開弁する。

そして、エンジンＥがより低速の回転領域またはより小さい負荷領域に移行するとき、図３に示すように、制御軸２６が電動モータ（図示せず）により駆動されて反時計方向に回転するにつれて、制御用付勢部材２９により付勢されているホルダ２５は、ローラ２７が制御カム２６ａのカム山の高さがより低い部分に当接することにより、ホルダ中心線Ｌｈを中心に時計方向に回転する。ホルダ２５のこの回転により、揺動中心線Ｌｒが時計方向に回転し、同時に、軸端部３０ａに当接する付勢部材３１によりローラ２７が揺動中心線Ｌｓを中心に反時計方向に回転して、ローラ３２は、駆動カム部３３において駆動面３３ａ側から非駆動面３３ｂ側に移動した位置で接触する。このため、駆動面３３ａにより吸気ロッカアーム２１が駆動されたとき、吸気バルブ１１の最大リフト量は連続的に小さくなる。

＜シリンダヘッドの燃焼室壁形状＞
図４に示すように、シリンダヘッド２の燃焼室壁２ａには、両吸気ポート６ａ，６ｂの外縁に沿うかたちで、シュラウド（図４中には、黒塗りで示す）４１，４２が形成されている。シュラウド４１，４２は、燃焼室壁２ａの中心Ｐを基準にして、吸気ポート６ａ，６ｂの開口部の外周に沿って反時計周り側に形成されている。そのため、低リフト時において、吸気ポート６ａ，６ｂから燃焼室５に流入した吸入空気は、シュラウド４１，４２に遮られることにより、図４中に矢印で示すような時計回りのスワール流を生成する。なお、本実施形態の場合、シュラウド４１，４２の周長は、吸気ポート６ａ，６ｂの外周長に対して略１／４に（すなわち、略９０°の角度範囲で）設定されているが、０°〜１８０°の任意の角度範囲で設定することができる。

図４，図５に示すように、シュラウド４１は、バルブシート１３の直下に位置する円環状のシュラウド面５１を有しており、シュラウド面５１の下端には、シュラウド面５１に連続する凹曲面（図４中には、スマッジングで示す）５２が形成されている。吸気バルブ１１が最小リフト状態（図５中に二点差線で示す）となるときには、吸気バルブ１１の傘部１１ａがシュラウド面５１に対峙するが、この際における傘部１１ａとシュラウド面５１との距離（すなわち、吸気通路の断面積）は小さく、シュラウド４１が形成された側から吸入される空気はごく僅かである。

一方、中リフト状態（図５に実線で示す状態）においては、凹曲面５２と傘部１１ａとが対峙しながら、リフト量が大きくなるに従って、その距離Ｌ（すなわち、吸気流路５３の断面積）が漸増する寸法形状となっており、更に高リフト状態となれば、傘部１１ａは凹曲面５２に対峙する位置よりもシリンダボア１ａ（図６参照）側に位置することとなる。また、シュラウド面５１と凹曲面５２とは鈍角をなしているため、該部には鈍角のエッジ５４が形成される。そして、図５に示す部位では、凹曲面５２の下端と燃焼室壁２ａとは、なだらかな曲面５５を介して連続している。なお、凹曲面５２は、図５中に二点差線で示すように、先端側の外周が凸球面状となった円盤状の切削工具（フライスカッタ等）５６によって形成されている。

図４，図６に示すように、凹曲面５２の一部はシリンダブロック１のシリンダボア１ａ側に延設されており、該部において、燃焼室壁２ａとシリンダボア１ａとの接続部が凹曲面５２によって連続している。また、図４，図７に示すように、シュラウド４１が形成されない部位にも、凹曲面５２が加工されており、吸入空気の流路を増大させることで吸気効率を確保している。これら凹曲面５２は、いずれも上述した切削工具５６によって同時に加工することができる。

凹曲面５２をシリンダヘッド２側に形成するにあたっては、シュラウド４１，４２の高さを設定した後に、吸入空気が流入するスペースが確保されるように、燃焼室壁２ａを切削工具５６によって切削する。凹曲面５２は、両吸気ポート６の開口部間（もしくは、燃焼室５の中心近傍）に形成される場合には燃焼室５の天井に繋がるように形成されるが、シリンダボア１ａ側に延設される場合には、曲面状に切削される部分がシリンダヘッド２の下面に到達して、そのままシリンダボア１ａに繋がることとなる。

一方、凹曲面５２をシリンダボア１ａ側に形成するにあたっては、図５に示すように、シュラウド４１，４２に繋がるバルブシート１３の下端部をシリンダボア１ａ側に延長した直線Ｌｔを引き、この直線Ｌｔが接線をなすように凹曲面５２を形成するようにしてもよい。これにより、急激な増大を避けながら十分な流路面積を確保することができ、中高バルブリフト時において、吸入空気をシリンダボア１ａ内に滑らかに流入させることが可能となる。

≪実施形態の作用≫
本実施形態のエンジンＥでは、その低負荷低回転領域において、図３に示すように、制御軸２６を反時計方向に回転させて低リフト状態とすることにより、吸入空気量を減少させる。すると、吸気ポート６ａ，６ｂからの吸入空気は、シュラウド４１，４２のシュラウド面５１に遮られることにより、図４中に矢印で示すようにスワール流を生成する。

吸入空気は、図５，図６に示すように、吸気バルブ１１の傘部１１ａとシュラウド面５１の下端に連続する凹曲面５２との間に形成された吸気流路５３を通過することになる。この際、本実施形態では、傘部１１ａと凹曲面５２との距離Ｌ（すなわち、吸気流路５３のの断面積）が急増しないため、従来装置で問題となっていた渦流等に起因する吸気効率の低下が効果的に抑制される。また、シュラウド面５１と凹曲面５２との連続部位のエッジ５４が鈍角であることから、燃焼ガスから受けた熱が放熱されやすく、エンジンＥが長期間にわたって運転されても熱疲労によるクラック等が起こり難くなる。また、図６に示す部位においては、燃焼室壁２ａとシリンダボア１ａとの接続部が凹曲面５２によって連続しているため、吸入空気が円滑に燃焼室５に流入するようになる。更に、燃焼室壁２ａの凹曲面５２を単一の切削工具５６によって同時に加工することができるため、切削工具の交換が不要となって加工工数や加工時間の低減が実現される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や一部変形例に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を直列４気筒ＤＯＨＣガソリンエンジンに適用したものであるが、Ｖ型エンジンやディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、シュラウドの全体形状や凹曲面の形状等についても、本実施形態での例示に限られるものではなく、設計や製造上の都合等によって適宜変更可能である。

実施形態に係るエンジンの要部を示す縦断面図である。実施形態に係る吸気側動弁装置の高リフト時の作動状態を示す図である。実施形態に係る吸気側動弁装置の低リフト時の作動状態を示す図である。実施形態に係るシリンダヘッドの要部を示す下面図である。図４中のＶ−Ｖ拡大断面図である。図４中のＶＩ−ＶＩ拡大断面図である。図４中のＶII−Ｖ拡大断面図である。従来型シュラウドの第１の例を示す要部縦断面図である。従来型シュラウドの第２の例を示す要部縦断面図である。

符号の説明

１シリンダブロック
１ａシリンダボア
２シリンダヘッド
２ａ燃焼室壁
４ピストン
５燃焼室
６吸気ポート
１１吸気バルブ
１１ａ傘部
４１シュラウド
５１シュラウド面
５２凹曲面
５３吸気流路
５４エッジ
５６切削工具
Ｅエンジン
Ｔ伝達機構

Claims

シリンダヘッドに形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに穿設されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって燃焼室が画成される内燃機関において、
前記燃焼室壁には、吸気バルブの傘部によって開閉される吸気ポートが開口するとともに、スワール流の形成に供されるシュラウドが当該吸気ポート開口部の外周に沿って所定の周長をもって突設され、
前記吸気バルブが所定のリフト量であるときに前記傘部の外縁に対峙する凹曲面が前記シュラウドのシュラウド面に連続して形成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
前記燃焼室壁における前記シリンダボアとの接続部は、少なくともその一部が前記凹曲面に連続するかたちで形成されたことを特徴とする、請求項１に記載された内燃機関の燃焼室構造。
前記シュラウドが形成された部位における吸気ポートの開口縁部と、シュラウドが形成されない部位における吸気ポートの開口縁部の少なくとも一部とが同一曲率の凹曲面からなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された内燃機関の燃焼室構造。