JP2010174697A

JP2010174697A - 内燃機関の排気バルブ

Info

Publication number: JP2010174697A
Application number: JP2009016932A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nomura; 啓野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP5218102B2

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の排気バルブに関し、傘裏面に付着した燃料が排気バルブとバルブシートとの隙間に入り込むこと、及び傘裏面に付着した燃料がシリンダライナに伝わることを抑制することを目的とする。
【解決手段】排気バルブ３４は、バルブ軸３４ａと、バルブ軸３４ａの一端に設けられた燃焼室２２に面する傘裏面３４ｃを有する傘部３４ｂとを備える。傘裏面３４ｃはその外縁に凹型の湾曲部３４ｄを有する。湾曲部３４ｄの形状は、閉弁状態において、ピストン頂面１８ａに垂直で且つバルブ軸３４ａの軸線を含む平面上にある湾曲部３４ｄ端部の接線３６が、下死点位置のピストン頂面１８ａと交わる形状とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の排気バルブに関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、燃料を、排気バルブの燃焼室に面する傘裏面に直接衝突させるように噴霧する燃料噴射弁を備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、排気バルブの傘裏面に噴霧燃料の衝突を受ける円錐状の突起部を設けることが開示されている。このような構成によれば、噴射燃料を高温の突起部に当てて燃料の微粒化及び気化を促進させることができる。

特開平４−１４３４５６号公報特開２００８−１５１０８３号公報特開２００７−１７０２０６号公報特開平７−３１０５１２号公報

しかしながら、排気バルブに衝突した燃料の一部は排気バルブの傘裏面に付着する。付着した燃料が傘裏面上を流れて、排気バルブとバルブシートとの境界に達すると、毛管現象により一部燃料が排気バルブとバルブシートとの隙間に入り込み、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数の増加を招くこととなる。また、残りの付着燃料は、燃焼室壁面からシリンダライナに伝わってエンジンオイルと混ざり、オイル希釈の要因になるという課題がある。このような課題に対し、上記従来の内燃機関では十分な対策がなされていなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、傘裏面に付着した燃料が排気バルブとバルブシートとの隙間に入り込むこと、及び傘裏面に付着した燃料がシリンダライナに伝わることを抑制しうる内燃機関の排気バルブを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気バルブであって、
軸部と、前記軸部の一端に設けられ、燃焼室に面する傘裏面を有する傘部とを備え、
前記傘裏面は、外縁に凹型の湾曲部を有し、
前記湾曲部の形状は、閉弁状態において、ピストン頂面に垂直で且つ前記軸部の軸線を含む平面上にある前記湾曲部端部の接線が、下死点位置のピストン頂面と交わる形状であることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記傘部の側面部は、閉弁状態においてバルブシートよりも燃焼室に向けて突出しており、該側面部と前記湾曲部とは鋭角に隣接していることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記傘裏面は、傘裏面の中心部から前記湾曲部に向けた放射状の突起を有すること、を特徴とする。

第１の発明によれば、ピストン頂面に向けられた湾曲部の形状により、排気バルブの傘裏面に付着した燃料を、吸気流の流れに乗せてピストン頂面方向に誘導することができる。付着燃料が吸気流の流れに乗って燃焼室空間に誘導されることで、排気バルブとバルブシートとの隙間への燃料の入り込みを低減することができる。また、ピストン頂面に向けて付着燃料を誘導することにより、付着燃料が燃焼室壁面からシリンダライナに伝わることを低減することができる。このため、本発明によれば、排気バルブとバルブシートとの隙間への燃料の入り込みを低減し、ＰＭ粒子数の増加を抑制することができる。また、シリンダライナに到達する燃料を低減し、エンジンオイルのオイル希釈を抑制することができる。

第２の発明によれば、傘部の側面がバルブシートよりも燃焼室に向けて突出し、且つ側面と湾曲部とが鋭角に隣接しているため、付着燃料が傘部側面に回り込むことを大きく低減できる。そのため、排気バルブとバルブシートとの隙間に燃料が入り込むことを大きく低減することができる。このため、本発明によれば、ＰＭ粒子数の増加を大きく抑制することができる。

第３の発明によれば、傘裏面の窪みに放射状に設けられた突起により、排気バルブの傘裏面を数箇所に仕切ることができる。傘裏面を数箇所に仕切ることで、全ての付着燃料が一箇所に集中することを回避することができる。そのため、吸気流の流れに乗らないような大きな燃料液滴の形成を抑制することができる。吸気流の流れに乗らないような大きな燃料液滴の形成を抑制することで、燃料液滴のピストン頂面への再付着を低減し、ＰＭ粒子数の増加を抑制することができる。更に、上述した突起により、排気バルブの傘裏面の表面積を増やすことができる。表面積が増えることで受熱面積が増え、傘裏面の表面温度が上昇し易くなる。そのため、排気バルブに付着した燃料の蒸発を促進させることができる。このため、本発明によれば、傘裏面に放射状に突起を設けることで、ＰＭ粒子数の増加を抑制し、且つ傘裏面に付着した燃料の蒸発を促進させることができる。

実施の形態１におけるシステム構成を説明するための構成図である。実施の形態１における排気バルブ３４及びその周辺の構成を示す断面図である。実施の形態１における排気バルブ３４の軸方向の断面を表した縦断面図である。実施の形態２における排気バルブ３４の傘裏面３４ｃの形状を示す図である。図４に示す傘裏面３４ｃのＡ−Ａ面及びＢ−Ｂ面による断面を示した断面図である。実施の形態１における内燃機関１０の吸気行程において、燃焼室２２の上面を気筒１２方向から見た図である。実施の形態１における内燃機関１０に比較対象排気バルブ６０を用いた場合のシステム構成図である。図７に示す噴霧Ｂの一部が比較対象排気バルブ６０の傘裏面６０ｃに付着した場合の付着状態を示す図である。実施の形態１における比較対象排気バルブ６０について軸方向の断面を示した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための構成図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は図示しない複数の気筒を有している。図１にはそのうちの一つの気筒１２の断面が示されている。気筒１２はシリンダブロック１４内に形成されている。気筒１２の内面にはシリンダライナ１６が設けられている。気筒１２内には、ピストン１８がシリンダライナ１６に対し摺動可能に配置されている。シリンダブロック１４の上部には、シリンダヘッド２０が組み付けられている。また、シリンダブロック１４内の気筒１２、ピストン１８、およびシリンダヘッド２０で囲まれた空間により燃焼室２２が形成されている。シリンダヘッド２０には、燃焼室２２内に向けて、筒内噴射用のインジェクタ２４と点火プラグ２６とが配置されている。さらに、シリンダヘッド２０には、燃焼室２２に連通する吸気ポート２８と排気ポート３０とが各２つ形成されている。吸気ポート２８の下流端には、吸気ポート２８を燃焼室２２に対して開閉する吸気バルブ３２が設けられている。一方、排気ポート３０の上流端には、排気ポート３０を燃焼室２２に対して開閉する排気バルブ３４が設けられている。また、シリンダヘッド２０には、吸気バルブ３２及び排気バルブ３４の傘部が、閉弁時において密着するバルブシート３５が設けられている。

本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述のインジェクタ２４、点火プラグ２６等が接続されている。

本実施形態のシステムの内燃機関１０は、吸気行程において、吸気バルブ３２が開弁状態となり、排気バルブ３４が閉弁状態となる。吸気バルブ３２を開弁することで、図１に示されるように吸気流Ａが燃焼室２２内に流れ込み、タンブル流が形成される。ＥＣＵ５０は、燃料を吸気流Ａの流れに乗せるように、吸気行程においてインジェクタ２４に燃料を噴霧させる。例えば、吸気バルブ３２の吸気ポート２８側に面する傘表面を含む範囲に燃料を噴霧させる（図１に示す噴霧Ｂ）。噴霧Ｂにより、吸気バルブ３２の傘表面に当たって飛び跳ねた燃料の多くは、吸気流Ａの流れに乗って燃焼室空間に案内されつつ蒸発するが、一部の燃料は排気側の燃焼室壁面に到達し付着する。

［実施の形態１における特徴的構成］
続いて、本実施形態のシステムの特徴的構成について説明する。本実施形態のシステムの特徴的構成は主に排気バルブ３４の構造にある。そこで、まず、本実施形態のシステムにおける排気バルブ３４の比較対象として、一般的な排気バルブ（以下、比較対象排気バルブ６０という。）について図７〜図９を用いて説明する。

図７は、実施の形態１における内燃機関１０に比較対象排気バルブ６０を用いた場合のシステム構成図である。図８は、噴霧Ｂの一部が比較対象排気バルブ６０の傘裏面６０ｃに付着した付着状態を示す図である。図７に示す噴霧Ｂによって、燃焼室２２に面した傘裏面６０ｃには付着燃料が生じる（図８（Ａ））。傘裏面６０ｃに付着した燃料は、図７に示すように、吸気流Ａによって傘裏面６０ｃを流れる。その結果、付着燃料は、比較対象排気バルブ６０とバルブシート３５との境界に到達し、図８（Ｂ）に示すように、比較対象排気バルブ６０とバルブシート３５との隙間を伝って一箇所に集まる（ｂ_１部）。このとき、上述した境界に到達した付着燃料の一部は、図８（Ｃ）に示すように毛管現象によって比較対象排気バルブ６０とバルブシート３５との隙間に入り込む（ｃ_１部）。また、残りの付着燃料は燃焼室２２の壁面を流れて、シリンダライナ１６に到達する（ｃ_２部）。

比較対象排気バルブ６０とバルブシート３５との隙間に入り込んだ燃料は、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数を増大させる主要因となる。また、シリンダライナ１６に到達した燃料は、ピストン１８とシリンダライナ１６との摺動面からシリンダブロック１４下部のオイルパン（図示略）内に流れ込み、オイル希釈の主要因となる。さらに、比較対象排気バルブ６０は、図９のａ部に示すように、傘裏面６０ｃ外縁の端部に傘表面に向かって丸みを有しているため、端部から傘表面に向かって付着燃料の回り込みが生じる。そのため、比較対象排気バルブ６０とバルブシート３５との隙間に燃料が入り込み易い。また、付着燃料を運ぶ吸気流Ａも、シリンダライナ１６方向に案内され易いため、シリンダライナ１６に燃料が再付着するという課題もある。

そこで、これらの課題に対して、本実施形態のシステムでは、排気バルブ３４とバルブシート３５との隙間に入り込む付着燃料と、シリンダライナ１６に到達する付着燃料とを低減できる排気バルブ３４を設けることとした。

次に、本実施形態のシステムの特徴である排気バルブ３４の具体的構成について、図２と図３を用いて説明する。図２は、実施の形態１における排気バルブ３４及びその周辺（図１に示すＣ部近傍）を示す断面図である。排気バルブ３４は、バルブ軸３４ａと、バルブ軸３４ａの一端に設けられた傘部３４ｂとを有している。傘部３４ｂは、燃焼室２２に面する全体的に滑らかな傘裏面３４ｃを有している。傘裏面３４ｃの外縁部は、傘裏面３４ｃの他部分よりも突出するように湾曲（以下、湾曲部３４ｄという）した形状となっている。

詳細には、湾曲部３４ｄの形状は、排気バルブ３４の閉弁状態において、ピストン頂面１８ａに垂直で且つバルブ軸３４ａの軸線を含む平面上にある湾曲部３４ｄの端部の接線３６が、下死点におけるピストン頂面１８ａと交わる形状をしている。すなわち、湾曲部３４ｄの端部は、シリンダライナ１６方向には向かわず、ピストン頂面１８ａに向かっている。さらに、湾曲部３４ｄの形状には次の特徴がある。図３は、実施の形態１における排気バルブ３４について軸方向の断面を示した縦断面図である。図３に示すように、排気バルブ３４の湾曲部３４ｄと側面部３４ｅとは鋭角に隣接して、エッジ３４ｆを形成している。加えて、このエッジ３４ｆは、図２に示すように、排気バルブ３４の閉弁時において他部材（例えば、バルブシート３５や燃焼室内壁）よりも燃焼室２２に向けて突出するように配置されている。

以上説明したように、図２〜図３に示す本実施形態の構成によれば、排気バルブ３４の傘裏面３４ｃの外縁に設けられた湾曲部３４ｄ及びエッジ３４ｆにより、傘裏面３４ｃに付着した燃料の傘部側面への回り込みを抑制しつつ、付着燃料を吸気流Ａの流れに乗せて燃焼室空間に誘導することができる。そのため、排気バルブ３４とバルブシート３５との隙間への燃料の入り込みを低減しつつ、付着燃料を、吸気流Ａの流れに乗せて燃焼室空間に運びながら蒸発させることができる。
また、湾曲部３４ｄ端部をピストン頂面１８ａ方向に向けたことにより、吸気流Ａ及び付着燃料がシリンダライナ１６方向に運ばれることを抑制できる。そのため、付着燃料がシリンダライナ１６に再付着することを低減することができる。シリンダライナ１６への燃料の再付着を低減することで、オイル希釈を低減するこができる。加えて、湾曲部３４ｄは、吸気流Ａをスムーズにピストン頂面方向に向かわせるガイドとしての役割も果たすため、タンブル流を強める効果も得られる。
このように、本実施例のシステムによれば、排気バルブ３４とバルブシートの隙間に燃料が留まることによるＰＭ粒子数の増大を抑制し、且つシリンダライナ１６に燃料が付着することによるオイル希釈を低減することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、傘裏面３４ｃの形状を、その外縁部が湾曲した形状であることとしているが、この傘裏面３４ｃの形状はこれに限定されるものではない。例えば、傘裏面３４ｃの全体を凹型に湾曲させた断面形状としても良い。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、燃料を、吸気バルブ３２の傘表面を含むように噴霧することとしているが、この噴霧形状はこれに限定されるものではない。図６は、吸気行程において、気筒１２方向から燃焼室２２の上面を見た図である。噴霧形状は、図６に示すように、排気バルブ３４の傘裏面３４ｃに積極的に当てるように、左右に分割された中抜きの形状としてもよい。このような噴霧形状にすることで、左右の吸気バルブ３２間を抜けて燃焼室壁面やシリンダライナ１６に直接向かう噴射燃料を大きく低減することができる。そのため、シリンダライナ１６への燃料付着によるオイル希釈も低減することができる。また、このような噴霧形状にすることで、排気バルブ３４の傘裏面３４ｃに向かう燃料噴霧の割合が増すため、ＰＭ粒子数の増加を抑制することができる。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、バルブ軸３４ａが前記第１の発明における「軸部」に、傘裏面３４ｃが前記第１の発明における「傘裏面」に、傘部３４ｂが前記第１の発明における「傘部」に、湾曲部３４ｄが前記第１の発明における「湾曲部」に、ピストン頂面１８ａが前記第１の発明における「ピストン頂面」に、接線３６が前記第１の発明における「接線」に、側面部３４ｅが前記第２の発明における「側面部」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図４及び図５を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示した構成において、排気バルブ３４の傘裏面３４ｃの形状を変更した点を除いて、図１に示す構成と同様である。以下、同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

［実施の形態２における特徴的構成］
上述した実施の形態１では、傘裏面３４ｃの外縁に設けられた湾曲部３４ｄにより、吸気流Ａの流れに乗せて付着燃料を燃焼室空間に誘導することができる。しかしながら、付着燃料は、傘裏面３４ｃ窪みの一箇所に集まり易い。全ての付着燃料が一箇所に集まると大きな燃料液滴が生じることとなり、吸気流Ａにより燃焼室空間に運ばれながら蒸発することなく、ピストン頂面１８ａに到達し再付着してしまうことが考えられる。このような付着燃料はＰＭ粒子数の増大要因となる。そこで、本実施形態では、傘裏面３４ｃの形状を、付着燃料が一箇所に集まらないような形状にすることとした。

次に、本実施形態のシステムの特徴である排気バルブ３４の傘裏面３４ｃの具体的形状について図４と図５を用いて説明する。図４は、実施の形態２における排気バルブ３４の傘裏面３４ｃの形状を示す図である。図５は、図４に示す傘裏面３４ｃのＡ−Ａ面とＢ−Ｂ面による各断面を示した断面図である。

実施の形態１で説明したとおり、傘裏面３４ｃの外縁に湾曲部３４ｄ及びエッジ３４ｆを有している点については、実施の形態１と同様である。実施の形態２では、これに加えて、図４に示すようなフィン状突起３８が、窪んだ傘裏面３４ｃの中央部から湾曲部３４ｄにかけて放射状に設けられている。フィン状突起３８を含む断面を示す図５（Ａ）に表されるように、フィン状突起３８の形状は、傘裏面３４ｃ中央部から湾曲部３４ｄに向かって上るように傾斜した形状をしている。また、フィン状突起３８は、図５（Ｂ）に示すように、フィン状突起３８を有さない傘裏面３４ｃの他の箇所よりも全体が突出した形状をしている。

以上説明したように、図４〜図５に示す本実施形態の構成によれば、フィン状突起３８により、傘裏面３４ｃの窪みを複数の領域に仕切ることができる。複数の領域に仕切ることで、付着燃料が一箇所に集まり大きな燃料液滴が生じることを抑制できる。よって、大きな燃料液滴が燃焼室空間に飛び出すことを回避できる。そのため、吸気流Ａに乗らない大きな燃料液滴が、ピストン頂面１８ａに再付着することを抑制することができる。そのため、実施の形態１よりも確実にＰＭ粒子数を低減することができる。
また、フィン状突起３８を設けることにより、燃焼室２２に面する傘裏面３４ｃの表面積を増やすことができる。受熱面積が増えることにより、排気バルブ３４の表面温度を上昇させることができる。そのため、傘裏面３４ｃに付着した燃料の蒸発を促進させることができる。このように、本実施形態のシステムによれば、ＰＭ粒子数の増加を抑制しつつ、付着燃料の蒸発を促進させることができ、良好な燃焼を実現することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、フィン状突起３８が前記第３の発明における「突起」に相当している。

１６シリンダライナ
１８ピストン、１８ａピストン頂面
２２燃焼室
２４インジェクタ
２６点火プラグ
３２吸気バルブ
３４排気バルブ
３４ａバルブ軸、３４ｂ傘部、３４ｃ傘裏面、３４ｄ湾曲部、３４ｅ側面部、３４ｆエッジ
３５バルブシート
３６接線
３８フィン状突起

Claims

軸部と、
前記軸部の一端に設けられ、燃焼室に面する傘裏面を有する傘部と、を備え、
前記傘裏面は、外縁に凹型の湾曲部を有し、
前記湾曲部の形状は、閉弁状態において、ピストン頂面に垂直で且つ前記軸部の軸線を含む平面上にある前記湾曲部端部の接線が、下死点位置のピストン頂面と交わる形状であること、
を特徴とする内燃機関の排気バルブ。
前記傘部の側面部は、閉弁状態において、バルブシートよりも燃焼室に向けて突出しており、該側面部と前記湾曲部とは鋭角に隣接していること、
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気バルブ。
前記傘裏面は、傘裏面の中心部から前記湾曲部に向けた放射状の突起を有すること、
を特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気バルブ。