JP2010185408A - 吸気ポート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気の流速を向上するとともに、吸気流量を多くする。
【解決手段】シリンダヘッド１２に形成された吸気が流通する共通ポート１６と、共通ポートの吸気の流通方向の下流側において分岐し、１つの気筒に開口する第１分岐ポート１８ａ及び第２分岐ポート１８ｂと、を備え、第１分岐ポートと第２分岐ポートとの分岐部分２０の稜線を、第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、吸気の流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延ばし、各分岐ポートの他方の分岐ポートと対向する部分を、分岐部分から流通方向下流側にかけて、他方の分岐ポートから離れる方向に第１の曲率半径で曲がった第１曲部２２ａ（２３ａ）と、第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径で曲がった第２曲部２２ｂ（２３ｂ）とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸気ポート構造に関し、更に詳しくは内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する吸気ポート構造に関する。

従来より、エンジンにおいては、１つの気筒に対して２つの吸気ポートを開口させて、各吸気ポートを別個の吸気弁によって個々独立して開閉するものが存在している。また、このような２つの吸気ポートを有するエンジンでは、気筒内に供給された吸気が、互いに略平行なタンブル流となるようにすることで、気体の流速を向上する工夫も各種なされている（例えば、特許文献１〜３参照）。

上記特許文献１には、最狭断面積部を長くとることによる整流作用により、吸気流速を早める技術が開示されている。また、上記特許文献２には、吸気ポートに弁体を設け、当該弁体の切欠部を通る吸気が吸気バルブ内側に向かうようにする技術が開示されている。また、上記特許文献３には、吸気ポートの横断面の形状を略三角形状にするとともに、シャッター弁を設けて、吸気量を一部に集中させる技術が開示されている。

特開平９−３０３１９９号公報 特開平６−２４８９５５９号公報 特開２００３−３０１７２３号公報

上記のように、気体の流速を向上するための工夫は各種なされているが、最近では、より簡易な構成で流速を向上させることが可能な方法についての検討が進められている。

本発明は、かかる事情の下になされたものであり、気体の流速を向上し、気体の流量を多くすることが可能な吸気ポート構造を提供することを目的とする。

本発明の吸気ポート構造は、シリンダヘッドに形成された気体が流通する共通ポートと、前記共通ポートの気体流通方向の下流側において分岐して形成された、１つの燃焼室に開口する第１分岐ポート及び第２分岐ポートと、を備え、前記第１分岐ポートと前記第２分岐ポートとの分岐部分の稜線は、前記第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、前記気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延び、前記各分岐ポートの他方の分岐ポートと対向する部分は、前記分岐部分から気体流通方向下流側にかけて、前記他方の分岐ポートから離れる方向に第１の曲率半径で曲がった第１曲部と、前記第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径で曲がった第２曲部とを有する吸気ポート構造である。

これによれば、第１分岐ポートと第２分岐ポートとの分岐部分の稜線が、第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延びるので、分岐部分で分岐した後に気体の流れが各分岐ポート内の中央付近に集まることが無く、気体の流速分布をポート内位置にかかわらず（中央位置か、壁面近傍かにかかわらず）略均一にすることができる。また、各分岐ポートの他方の分岐ポートと対向する部分（内側部分）は、分岐部分から気体流通方向下流側にかけて、他方の分岐ポートから離れる方向に第１の曲率半径で曲がった第１曲部と、前記第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径で曲がった第２曲部とを有するので、分岐部分で分岐した気体を当該内側部分に沿って円滑に下流側に流すことができる。これにより、特に各分岐ポートの内側部分における気体の流速を高く維持することができるので、タンブル流を強くして、気体の流速を向上することができるとともに、気体の流量を多くすることが可能である。

本発明の吸気ポート構造は、シリンダヘッドに形成された気体が流通する共通ポートと、前記共通ポートの気体流通方向の下流側において分岐して形成された、吸気バルブにより開閉される第１分岐ポート及び第２分岐ポートと、を備え、前記第１分岐ポートと前記第２分岐ポートとの分岐部分の稜線は、前記第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、前記気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延び、前記各分岐ポートの断面形状は略矩形状であり、他方の分岐ポートに近い側の２つの角部は、前記他方の分岐ポートから遠い側の２つの角部のうち前記吸気バルブの軸部から遠い側の角部よりも、曲率半径が小さく設定されている吸気ポート構造である。

これによれば、第１分岐ポートと第２分岐ポートとの分岐部分の稜線が、第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延びるので、分岐部分で分岐した後の気体の流速分布を、各分岐ポート内の壁面近傍や中央部などにかかわらず略均一にすることができる。また、各分岐ポートの断面形状は略矩形状であり、他方の分岐ポートに近い側（内側）の２つの角部が、他方の分岐ポートから遠い側（外側）の２つの角部のうち吸気バルブの軸部から遠い側の角部よりも曲率半径が小さく設定されているので、分岐ポートで分岐された気体を、各分岐ポートの内側壁面に沿って多く流通させることができる。これにより、各分岐ポートの内側部分における気体の流速を高く維持することができるので、タンブル流を強くして、気体の流速を向上することができるとともに、気体の流量を多くすることが可能である。

本発明の吸気ポート構造は、気体の流速を向上することができるとともに、気体の流量を多くすることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係るエンジンの構成を概略的に示す断面図である。 吸気ポート及び吸気ポート内における吸気の流れを模式的に示す図である。 吸気ポートにおける吸気の流れを示す図である。 第１の実施形態の比較例に係る吸気ポートを示す図である。 比較例に係る吸気ポートの図３に対応する図である。 第１の実施形態の効果を説明するためのグラフである。 第２の実施形態に係る吸気ポートの構成及び吸気の流れを模式的に示す図である。 第２の実施形態の比較例に係る吸気ポートの構成及び吸気の流れを示す図である。 第２の実施形態の別の比較例に係る吸気ポートの構成を示す図である。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明の吸気ポート構造を具備する第１の実施形態に係るエンジン１００について、図１〜図６に基づいて説明する。

図１には、エンジン１００の一部断面図が模式的に示されている。この図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１に接続されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１内に設けられたピストン１３と、を備えている。また、エンジン１００では、これらシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２及びピストン１３により燃焼室２１が形成されている。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート１４と、排気ポート１５と、が形成されている。吸気ポート１４には、外部から吸気マニホールドが接続され、排気ポート１５には、外部から排気マニホールドが接続される。

図２（ａ）には、吸気ポート１４を上側から見た状態が模式的に示され、図２（ｂ）には、吸気ポート１４内の気体の流れが模式的に示されている。図２（ａ）に示すように、吸気ポート１４は、シリンダヘッド１２外部に開口した共通ポート１６と、共通ポート１６から分岐し、燃焼室２１に開口した第１分岐ポート１８ａ及び第２分岐ポート１８ｂとを有する。

第１分岐ポート１８ａと第２分岐ポート１８ｂとが分岐している部分（分岐部分）２０は、その稜線部分が、図２（ｂ）に示すように、気体（吸気）の流通方向及び第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂが並ぶ方向のそれぞれに対して略垂直となっている。

また、第１分岐ポート１８ａの第２分岐ポート１８ｂと対向する面（以下、内側面と呼ぶ）は、図２（ａ）に示すように、分岐部分２０から気体の流通方向下流側にかけて、第２分岐ポート１８ｂから離れる方向に小さい曲率半径（第１の曲率半径ｒ）で曲がった第１曲部２２ａと、大きい曲率半径（第２の曲率半径Ｒ（＞ｒ））で曲がった第２曲部２２ｂとを有する。同様に、第２分岐ポート１８ｂの第１分岐ポート１８ａと対向する面（内側面）は、分岐部分２０から気体の流通方向下流側にかけて、第１分岐ポート１８ａから離れる方向に小さい曲率半径（第１の曲率半径ｒ）で曲がった第１曲部２３ａと、大きい曲率半径（第２の曲率半径Ｒ（＞ｒ））で曲がった第２曲部２３ｂとを有する。

図１に戻り、第１分岐ポート１８ａ（第２分岐ポート１８ｂ）には、第１吸気バルブ３４ａ（３４ｂ）が設けられている。各吸気バルブ３４ａ，３４ｂの軸部は、シリンダヘッド１２に形成された貫通孔３１ａ，３１ｂそれぞれに挿入されており、各吸気バルブ３４ａ，３４ｂは、図１に示す矢印Ｄ方向に往復移動することで、各分岐ポート１８ａ，１８ｂの開閉を行う。

排気ポート１５は、吸気ポート１４と同様、共通ポート及び共通ポートから分岐した２つの分岐ポートを有し、各分岐ポートは、排気バルブ３５ａ，３５ｂにより開閉される。

次に、上述した吸気ポート１４による作用について、図２、図３に基づき、かつ図４、図５の比較例と比較しながら説明する。

本第１の実施形態の吸気ポート１４では、前述したように、第１分岐ポート１８ａと第２分岐ポート１８ｂとの分岐部分２０の稜線が、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂが並ぶ方向と、気体（吸気）の流通方向（図２（ｂ）において太線矢印で示す方向）のそれぞれに対して略垂直な方向に延びている。このような構成を採用することにより、分岐部分２０で分岐した後の気体（吸気）の流速分布を、図２（ｂ）に太線矢印で示すように、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂ内の位置（壁面近傍や中央部など）にかかわらず、略均一にすることができる。ここで、図４（ａ）に示す比較例（気体の流通方向に対して凹形状を有する分岐部分２０’を採用した例）では、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂ内の位置（壁面近傍や中央部など）により、分岐後の気体（吸気）の流速分布にバラツキが生じ、その結果、図４（ａ）に太線矢印で示すように、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂの下流端近傍の曲がり部分にて、剥離Ｅが生じるおそれがあるが、本第１の実施形態では、吸気の流速分布のバラツキを抑制することにより、このような剥離が生じるのを抑制することができる。

また、本第１の実施形態の吸気ポート１４では、図２（ａ）に示すように、第１、第２分岐ポート１８ａ、１８ｂの内側面が、分岐部分２０から気体の流通方向下流側にかけて、第１の曲率半径（ｒ）で曲がった第１曲部２２ａ、２３ａと、第２の曲率半径Ｒ（＞ｒ）で曲がった第２曲部２２ｂ、２３ｂとを有している。これにより、本第１の実施形態では、図２（ａ）に太線矢印で示すように、分岐部分２０で分岐した気体を当該内側部分に沿って円滑に（スムーズに）下流側に流すことができる。ここで、図４（ｂ）に示す比較例（第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂの内側部分に第１の曲率半径（ｒ）で曲がった第１曲部２２ａ’，２３ａ’のみを設けた例）では、気体（吸気）が分岐部分２０’に当たると、当該分岐部分２０’から広がる方向に進むため、その広がりの影響により下流側において剥離Ｆが生じるおそれがあるが、本第１の実施形態では、吸気が円滑に流れるので、このような剥離が生じる可能性は低くなる。また、本第１の実施形態では、各分岐ポート１８ａ，１８ｂの内側部分に沿って流れる（ＩＮ−ＩＮ間を流れる）気体（吸気）の流速を速くすることができるので、図２（ａ）に示すタンブル流（白抜き矢印Ｔ）を強くすることができる。

更に、本第１の実施形態では、図３に示すように、吸気バルブ３４ａ（３４ｂ）が存在している状態でも、気体（吸気）が第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂ内の位置にかかわらず略均一に流れるので、気体（吸気）は、吸気バルブ３４ａ（３４ｂ）に沿って、スムーズに流れるようになる。この点、図４（ａ）、図４（ｂ）の比較例では、図５に示すように吸気の流れが中央に集中することで、吸気が吸気バルブ３４ａ（３４ｂ）に衝突するおそれがあり（図５の符合Ｇ参照）、これにより、流れ抵抗が大きくなり、吸気の流速が低下するおそれがある。

以上説明したように、本第１の実施形態では、各分岐ポート１８ａ，１８ｂ内における吸気の流れを均一にするとともに、各分岐ポート１８ａ，１８ｂにおける内側部分（ＩＮ−ＩＮ間）の吸気の流れをスムーズにすることで、吸気の剥離を抑制し、かつ吸気バルブ３４ａ，３４ｂ付近での流れ抵抗を抑制している。これにより、タンブル流を強くすることができるとともに、吸気の流速向上及び吸気流量増加を実現することが可能である。すなわち、図６のグラフに示すように、本第１の実施形態では、比較例と比較して、流量の低下を抑制しつつタンブル流を強くすることができ、ひいては、エンジン１００の燃費向上、及びエンジンの出力向上を図ることが可能である。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について、図７〜図９に基づいて説明する。

図７（ａ）に示すように、本第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、吸気ポート１４の第１分岐ポート１８ａと第２分岐ポート１８ｂとの分岐部分２０の稜線が、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂが並ぶ方向と、気体（吸気）の流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延びている。一方、本第２の実施形態では、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂの断面形状として、図７（ａ）のＡ−Ａ線断面図である図７（ｂ）に示すような断面形状を採用している。

第１分岐ポート１８ａは、図７（ｂ）に示すように断面略矩形状であり、４つの角部４８ａ〜４８ｄを有している。これら４つの角部４８ａ〜４８ｄのうちの３つの角部４８ａ〜４８ｃの曲率半径は、残りの１つの角部４８ｄの曲率半径よりも小さく設定されている。

また、第２分岐ポート１８ｂは、第１分岐ポート１８ａの断面形状と上下対象の断面形状を有し、４つの角部４９ａ〜４９ｄのうちの３つの角部４９ａ〜４９ｃの曲率半径が、残りの１つの角部４９ｄの曲率半径よりも小さく設定されている。

このように、本第２の実施形態では、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂが近接する側（内側）の角部４８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂの曲率半径を小さく設定することで、第１、第２分岐ポート１８ａ，１８ｂの分岐部分２０で分岐した吸気の流路を確保するようにしている。これにより、分岐部分２０にて分岐した吸気は、そのまま内側部分（ＩＮ−ＩＮ間）を直線的に強く流れる（図７（ｃ）参照）ので、タンブル流（図７（ｃ）の白抜き矢印Ｔ）を強くすることができる。ここで、４つの角部全ての曲率半径が同一の第１、第２分岐ポート１１８ａ，１１８ｂを有する比較例（図８（ａ）、図８（ｂ））では、曲率半径が同一であるため、分岐部分２０で分岐した気体（吸気）が、図８（ａ）に示すように、第１、第２分岐ポート１１８ａ，１１８ｂの中心方向に流れ（拡散し）、図８（ｂ）に示すような流れとなる。この場合、第１、第２分岐ポート１１８ａ，１１８ｂ内側部分における、吸気の直線的な強い流れが生じないため、第１の実施形態の比較例（図４）と同様、吸気の剥離が生じるおそれがある。本第２の実施形態では、上述したような角部の曲率半径を採用することで、比較例において発生する剥離現象と同様の現象の発生を抑制することができる。

また、本第２の実施形態では、図７（ｂ）に示すように、タンブル流（Ｔ）への影響の小さい部分（角部４８ｄや角部４９ｄ）の曲率半径を大きくしているので、角部４８ｄ，４９ｄにおける各分岐ポート８ａ，１８ｂの断面変化を少なくでき、これにより、吸気の流量を稼ぐことができる。

また、本第２の実施形態では、角部４８ｃ，４９ｃ近傍に、吸気バルブ３４ａ，３４ｂが位置する。（図１参照）このため、角部４８ｃ，４９ｃについても、上述したように、内側の角部４８ａ．４９ａ、４８ｂ，４９ｂと同様、小さい曲率半径とすることで、吸気バルブ３４ａ，３４ｂの軸部に吸気が衝突することによる吸気の流れ抵抗を少なくするようにしている。

図９（ａ）には、本第２の実施形態における別の比較例が示され、図９（ｂ）には図９（ａ）のＢ−Ｂ線断面図が示されている。この別の比較例では、図９（ｂ）に符合Ｈ１で示す内側部分と、符合Ｈ２で示す外側部分に吸気を強く流すことを目的として、第１、第２分岐ポート２１８ａ、２１８ｂの断面形状が、図９（ｂ）に示すような形状に設定されている。このような形状を採用した場合、図９（ａ）に示すように、符号Ｊ１で示される部分（図９（ｂ）のＨ１部分に対応）が下側に膨らむため、符合Ｊ２で示される部分（吸気ポート１４が下側に曲がる部分）の曲率半径が小さくなり、当該Ｊ２部分にて、流量低下が生じるおそれがある。これに対し、本第２の実施形態では、Ｊ１部分のような膨らみ部分がないので、図９の比較例のような影響を受けずに、分岐ポート１８ａ，１８ｂの内側部分における流量を大きく維持することができる。

以上説明したように、本第２の実施形態では、各分岐ポート１８ａ，１８ｂにおける吸気の流れを均一にするとともに、各分岐ポート１８ａ，１８ｂにおける内側部分の吸気の流れを直線的にすることで、吸気の剥離を抑制し、かつ、吸気バルブ３４ａ，３４ｂの軸部での流れ抵抗の増加を抑制する。これにより、タンブル流を強くすることができるとともに、吸気の流速向上及び吸気流量増加を実現することが可能である。

すなわち、本第２の実施形態では、流量の低下を抑制しつつ、タンブル流の向上を図ることができ、ひいてはエンジン１００の燃費向上、及びエンジンの出力向上を図ることができる。

なお、上記第２の実施形態においては、第２分岐ポート１８ｂの３つの角部４８ａ〜４８ｃ（又は４９ａ〜４９ｃ）の曲率半径を、角部４８ｄ（又は４９ｄ）の曲率半径よりも小さくする場合について説明したが、これに限らず、少なくとも、内側の２つの角部４８ａ，４８ｂが、外側の角部のうち吸気バルブ３４ａ，３４ｂの軸部から遠い側の角部４８ｄ（又は４９ｄ）よりも、曲率半径が小さく設定されていれば良い。

なお、エンジンは、上記第１、第２の実施形態で説明した特徴部分の両方を兼ね備えていても良い。

上述した各実施形態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。

１０ エンジン（内燃機関）
１２ シリンダヘッド
１４ 吸気ポート（吸気ポート構造）
１６ 共通ポート
１８ａ 第１分岐ポート
１８ｂ 第２分岐ポート
２０ 分岐部分
２２ａ，２３ａ 第１曲部
２２ｂ，２３ｂ 第２曲部
３４ａ，３４ｂ 吸気バルブ
４８ａ〜４８ｄ 角部
４９ａ〜４９ｄ 角部

Claims (2)

1. シリンダヘッドに形成された気体が流通する共通ポートと、
   前記共通ポートの気体流通方向の下流側において分岐して形成された、１つの燃焼室に開口する第１分岐ポート及び第２分岐ポートと、を備え、
   前記第１分岐ポートと前記第２分岐ポートとの分岐部分の稜線は、前記第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、前記気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延び、
   前記各分岐ポートの他方の分岐ポートと対向する部分は、前記分岐部分から気体流通方向下流側にかけて、前記他方の分岐ポートから離れる方向に第１の曲率半径で曲がった第１曲部と、前記第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径で曲がった第２曲部とを有することを特徴とする吸気ポート構造。
2. シリンダヘッドに形成された気体が流通する共通ポートと、
   前記共通ポートの気体流通方向の下流側において分岐して形成された、吸気バルブにより開閉される第１分岐ポート及び第２分岐ポートと、を備え、
   前記第１分岐ポートと前記第２分岐ポートとの分岐部分の稜線は、前記第１、第２分岐ポートが並ぶ方向と、前記気体流通方向のそれぞれに対して略垂直な方向に延び、
   前記各分岐ポートの断面形状は略矩形状であり、他方の分岐ポートに近い側の２つの角部は、前記他方の分岐ポートから遠い側の２つの角部のうち前記吸気バルブの軸部から遠い側の角部よりも、曲率半径が小さく設定されていることを特徴とする吸気ポート構造。

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