JP2015194081A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の気筒の燃焼室内におけるタンブル流をより一層強化する。
【解決手段】吸気を気筒の燃焼室に向けて流通させる主流路部と、主流路部と燃焼室との間に介在して両者を連通せしめるスロート部とを吸気ポートに備え、主流路部の下縁を直線状に成形し、その下縁を燃焼室に向かって延長させた延長線が、最大リフト量をとる吸気バルブの弁体の傘部よりも上方に位置し、主流路部の下縁とスロート部との交差箇所を屈曲形状に成形し、かつ、主流路部の上縁と下縁との中間近傍に位置する中間線を燃焼室に向かって延長させた延長線が、吸気バルブの弁体が着座する弁座における排気ポートに最も近い部位よりも下方に位置している内燃機関を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

気筒の燃焼室内で生成される縦回転の気流の渦、いわゆるタンブル流は、吸気と燃料とをよく混交せしめるとともに、燃焼室内における火炎伝播速度を高めるために重要である。それ故、従来より、タンブル流を強化するための様々な工夫がなされている。例えば、下記特許文献に開示された内燃機関では、一つの気筒の燃焼室に連接する二つの吸気ポートの下部の壁面を互いに相寄る内側方に凹ませ（膨出させ）ることで、吸気ポートの下部の開口断面積を拡大し、吸気ポートの下面に沿って流れる吸気の流速を高め、以てタンブル流を強化するようにしている。

特開２０１３−０１１２２９号公報

吸気ポートを気筒の燃焼室に向かって流れる吸気が、ポペット弁である吸気バルブの弁体の傘部に衝突したり、その弁体が着座する弁座に衝突したりすると、燃焼室内で生成されるタンブル流が弱まり、タンブル流の流速と内燃機関の回転速度との比であるタンブル比が低下してしまう。

また、吸気ポートから燃焼室に流入しようとする吸気には、吸気バルブの弁体の傘部の上面に沿うようにして直線的に気筒の中心軸または排気ポート側に向かう流れだけでなく、吸気バルブの弁体を避けるように気筒のボア壁側に向かって湾曲する流れも存在する。そして、後者の流れは、前者の流れが生み出す正のタンブル流とは逆方向に旋回する逆タンブル流を生み、タンブル比の低下の要因となる。

本発明は、内燃機関の気筒の燃焼室内におけるタンブル流をより一層強化することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、吸気を気筒の燃焼室に向けて流通させる主流路部と、前記主流路部と燃焼室との間に介在して両者を連通せしめるスロート部とを吸気ポートに備え、前記主流路部の下縁を直線状に成形し、その下縁を燃焼室に向かって延長させた延長線が、最大リフト量をとる吸気バルブの弁体の傘部よりも上方に位置し、前記主流路部の下縁とスロート部との交差箇所を屈曲形状に成形し、かつ、前記主流路部の上縁と下縁との中間近傍に位置する中間線を燃焼室に向かって延長させた延長線が、吸気バルブの弁体が着座する弁座における排気ポートに最も近い部位よりも下方に位置している内燃機関を構成した。

前記スロート部は、円筒状の内周をなす基部を有し、その上縁が基部の全周に亘って弁座から略同じ高さにあるものとすることが好ましい。

加えて、前記スロート部は、前記基部の上方に部分切頭円錐状の内周をなす頂部を有し、基部と当該頂部との交差箇所を屈曲形状に成形しているものとすることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の気筒の燃焼室内におけるタンブル流をより一層強化することができる。

本発明の一実施形態の内燃機関の吸気ポート及び燃焼室の天井部を示す側断面図。 同実施形態の内燃機関の吸気ポートにおける吸気の流れを模式的に示す側断面図。 同実施形態の内燃機関の吸気ポートの主流路部の開口断面形状を示すα−α線端面図。 同実施形態の内燃機関の吸気ポートの開口部及び弁座を拡大して示す要部側断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の内燃機関は、直列三気筒のポート噴射式内燃機関である。図１ないし図４に、本実施形態の内燃機関のシリンダヘッドに形成される吸気ポート１及び燃焼室の天井部３を示す。

図１及び図２は、シリンダヘッドを吸気バルブの弁体２の中心軸線（軸部（バルブステム）２２の中心を通り弁体２の進退方向に沿って伸びる軸線）Ｃ₁及び排気バルブの弁体５の中心軸線Ｃ₂を通り気筒の中心軸線（ボア壁の中心を通りピストン（図示せず）の進退方向に沿って伸びる軸線）Ｃ₃に対して平行な縦断面で切断した断面図であり、図３は同シリンダヘッドの吸気ポート１の主流路部１１の開口形状を示すα−α線端面図である。図１における吸気バルブの弁体２は、吸気バルブの開度即ち傘部２１と弁座１２３との離間距離が最大となる最大リフト量の状態となっている。

吸気ポート１は、吸気を気筒の燃焼室に向けて流通させる主流路部１１と、主流路部１１と燃焼室の天井部３との間に介在して両者を連通せしめるスロート部１２とを備える。吸気ポート１の主流路部１１の下面（燃焼室に近い側の面）１１１及び上面（燃焼室から遠い側の面）１１２はそれぞれ、燃焼室に向かって延伸するように傾斜した平坦面となっている。但し、吸気ポート１の上側に燃料噴射用のインジェクタ（図示せず）を設置する都合上、主流路部１１の上面１１２の一部に上方に凹む凹陥１１３を形成してある。インジェクタの先端部はこの凹陥１１３に収容され、当該インジェクタが吸気の流れの妨げとなることを抑制する。主流路部１１の下面１１１と上面（インジェクタ設置のための凹陥１１３を除く）１１２とは概ね平行であるが、厳密には下面１１１の方がより水平（気筒の中心軸線Ｃ₃に対して直交する面）に近い。

気筒の燃焼室内に生成されるタンブル流を強化する目的から、主流路部１１の下面１１１はスロート部１２に至るまで直線的に伸びている。そして、主流路部１１の下縁（主流路部１１における最も下方の縁）を気筒の中心軸に向かって延長させた延長線Ａ₁が、最大リフト量をとる吸気バルブの弁体２の傘部２１よりも上方（反燃焼室側）に位置している。これにより、図２に示すように、主流路部１１の下面１１１に沿って流れる吸気Ｉ₁を整流しつつ、できるだけ吸気バルブの弁体２の傘部２１に衝突させないようにして、勢いよく燃焼室に流入させることができる。側断面視直線状をなす主流路部１１の下面（下縁）１１１の長さＬ₁は、図４に示すスロート部１２の基部１２１の内径Ｌ₂の三倍よりも大きい。

また、主流路部１１の上面（上縁）１１２と下面（下縁）１１１との中間近傍に位置する中間線を燃焼室に向かって延長させた延長線Ａ₂が、吸気バルブの弁体２が着座する弁座１２３における排気ポート４に最も近い部位１２４よりも下方（燃焼室側）に位置している。これにより、図２に示すように、主流路部１１を流通する吸気Ｉ₂をできるだけ弁座１２３の当該部位１２４（及び、吸気バルブの弁体２の傘部２１）に衝突させないようにして、勢いよく燃焼室に流入させることができる。上記の中間線は、側断面視直線状をなす主流路部１１の上面（インジェクタ設置のための凹陥１１３を除く）１１２及び下面１１１の各々から略等距離にある。中間線の傾斜角度は、主流路部１１の下面１１１の傾斜角度と上面１１２の傾斜角度との略中間の角度をとる。つまり、中間線は上面１１２よりも水平に近く、下面１１１よりも垂直に近い。

スロート部１２は、円筒状の基部１２１の上方に、部分切頭円錐状の頂部１２２を有した形状をなしており、その基部１２１の下端に吸気バルブの弁座１２３を設けてある。主流路部１１の下面１１１は、スロート部１２の基部１２１に交差して連接する。その交差箇所１２７における主流路部１１の下面１１１とスロート部１２の基部１２１の内周面とは、屈曲して交わる（極端に言えば、先端が尖っている「ピン角」が形成される）。即ち、主流路部１１の下面１１１とスロート部１２の基部１２１の内周面とが、湾曲面を介して滑らかに連なってはいない。これにより、図２に示すように、主流路部１１の下面１１１に沿って流れる吸気Ｉ₁が、主流路部１１からスロート部１２に至る際にスロート部１２の基部１２１の内周面から剥離する。この気流Ｉ₁の剥離は、吸気バルブの弁体２を避けるように気筒のボア壁側（気筒の径方向に沿った外方）に向かって湾曲する流れＩ₃の量を減少させる。ボア壁側に向かって湾曲した後燃焼室に流入する流れＩ₃は、吸気バルブの弁体２の傘部２１の上面に沿うようにして直線的に気筒の中心軸Ｃ₃（または、排気ポート４）側に向かう流れＩ₁、Ｉ₂が生み出すタンブル流と矛盾する、換言すれば正のタンブル流とは逆方向に旋回する逆タンブル流を生む。ボア壁側に向かって湾曲する流れＩ₃の流量が減少することは、所望のタンブル流を強化することにつながる。

スロート部１２の基部１２１の上縁１２５は、当該基部１２１の全周に亘って弁座１２３から略同じ高さにある。主流路部１１の下面１１１は、この上縁１２５に接する。スロート部１２の頂部１２２もまた、この上縁１２５に接している。部分切頭円錐状の頂部１２２の下端の内径は、円筒状の基部１２１の内径に等しい。図１及び図２に示しているように、断面視スロート部１２の頂部１２２の上縁（部分切頭円錐面における最も上方の縁）と主流路部１１の上縁（インジェクタ設置のための凹陥１１３を除く上面１１２における最上縁）とは略同一線上に並ぶ。図４に示しているように、吸気バルブの弁体２の中心軸線（スロート部１２の基部１２１の中心軸線でもある）Ｃ₁方向に沿った頂部１２２の高さ寸法Ｌ₄は、同じ軸Ｃ₁方向に沿った基部１２１高さ寸法Ｌ₃よりも小さい。

スロート部１２の基部１２１と頂部１２２とが交差して連接する交差箇所１２８における、基部１２１の内周面と頂部１２２の内周面とは、屈曲して交わる。即ち、基部１２１の内周面と頂部１２２の内周面とが、湾曲面を介して滑らかに連なってはいない。このことは、一見すると、主流路部１１の上面１１２に沿って流れる吸気Ｉ₄を乱し、ひいては吸気全体の流れの阻害要因となるようにも見受けられる。しかし、計算機によるシミュレーション実験により、図２に示すように、スロート部１２の基部１２１と頂部１２２との交差箇所１２８の入隅には小さな気流の渦Ｉ₅が発生し、この渦Ｉ₅が例えるならばエアクッションのように働いて、主流路部１１の上面１１２に沿って流れる吸気Ｉ₄を円滑に燃焼室へと導くことが可能となっていることが明らかとなった。結果として、スロート部１２の基部１２１と頂部１２２との交差箇所１２８が屈曲形状をなしているといえども、必要十分な大きさの吸気流量及びタンブル比を確保できる。

なお、スロート部１２の基部１２１の高さ寸法Ｌ₃が小さすぎると、主流路部１１の下面１１１に沿って流れる吸気が吸気バルブの弁体２の傘部２１に衝突する上、その衝突した吸気の一部がスロート部１２の基部１２１と頂部１２２との交差箇所１２８に向かうため、当該交差箇所１２８にて流れが淀みタンブル流が弱まってしまう。逆に、スロート部１２の基部１２１の高さ寸法Ｌ₃が大きすぎると、主流路部１１を流れる吸気が弁座１２３の排気ポート４に最も近い部位１２４に衝突する上、吸気が主流路部１１からスロート部１２に差し掛かる過程でその流れが下方に曲げさせられる傾向が強まり、流れが吸気バルブの弁体２の傘部２１に衝突することとも相まって、圧損が増大し吸気流量の低下を招く。

スロート部１２は、鋳造部材であるシリンダヘッドに対しシートカッターを使用して切削加工を施すことによって成形される。上述したスロート部１２の形状によれば、加工成形が簡便となり、加工精度の良化及び加工コストの低廉化に寄与する。仮に、スロート部１２の基部１２１が上方に向かって窄まるような内周形状をなしていたとすると、そのような内周形状を切削するための斜角ドリルが必要となるが、円筒状の内周形状をなす基部１２１であれば斜角ドリルを必要としない。加えて、シリンダヘッドの鋳造時に中子を使用して形成される主流路部１１及び（シートカッターによる切削加工前の）スロート部１２の形状及び寸法に設計値に対する誤差や個体毎のばらつきが生じたとしても、加工を通じてスロート部１２の基部１２１及び頂部１２２を設計上の正しい形状及び寸法に近づける、即ち誤差やばらつきを修正することが容易であり、内燃機関としての性能の向上に資する。

図２に示しているように、所望のタンブル流を生む流れＩ₁、Ｉ₂を増強しつつ逆タンブル流を生む流れＩ₃を弱体化させることは、後者の流れＩ₃による吸気の流量を減少させる、即ち気筒への吸気の充填効率を低下させることにつながるおそれがある。

そこで、本実施形態では、図４に拡大して示すように、吸気バルブの弁体２の傘部２１が着座する弁座１２３に四段のテーパ面（バルブ当たり面）１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄを設け、吸気ポート１から燃焼室に流れ込む吸気の流量の増量を図っている。これらテーパ面１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄは、鋳造部材のシリンダヘッドのスロート部１２の下端に嵌入されるシートリング１２６に成形される。各テーパ面１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄと、吸気バルブの弁体２の中心軸線Ｃ₁とがなす角度は、上方に位置するテーパ面１２３ａから順に、３０°、６０°、９０°及び１２０°となっている。各テーパ面１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄは、上方に位置するものから順に切削形成される。従前の内燃機関における吸気バルブの弁座のテーパ面は、吸気バルブの弁体２の中心軸線Ｃ₁とのなす角度がそれぞれ６０°、９０°及び１２０°となる三段であるが、本実施形態の内燃機関における吸気バルブの弁座１２３では、最先に成形される最上位のテーパ面１２３ａを新たに追加して四段としている。仮に、最上位のテーパ面１２３ａが存在しないとすると、二段面のテーパ面１２３ｂが最上位のテーパ面となり、この面１２３ｂとシートリング１２６の円筒状の内周面とが交わることとなり、図４中に網点で表した部分だけシートリング１２６の開口断面積即ち吸気の流路が狭くなる。本実施形態では、最上位のテーパ面１２３ａを成形することにより、図４中に網点で表した部分を削り込んで吸気の流路を拡大している。

本実施形態では、吸気を気筒の燃焼室に向けて流通させる主流路部１１と、前記主流路部１１と燃焼室との間に介在して両者を連通せしめるスロート部１２とを吸気ポート１に備え、前記主流路部１１の下縁を直線状に成形し、その下縁を燃焼室に向かって延長させた延長線Ａ₁が、最大リフト量をとる吸気バルブの弁体２の傘部２１よりも上方に位置し、前記主流路部１１の下縁とスロート部１２との交差箇所１２７を屈曲形状に成形し、かつ、前記主流路部１１の上縁と下縁との中間近傍に位置する中間線を燃焼室に向かって延長させた延長線Ａ₂が、吸気バルブの弁体２が着座する弁座１２３における排気ポート４に最も近い部位１２４よりも下方に位置している内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、吸気が吸気ポート１の主流路部１１に沿って直線的に燃焼室に流れ込み、当該吸気が弁座１２３や吸気バルブの弁体２に衝突することが緩和ないし回避される。そして、燃焼室内において排気ポート４側に向かう流れが妨げられないことから、燃焼室内に生成されるタンブル流を強化できる。

加えて、前記スロート部１２が、円筒状の内周をなす基部１２１を有しており、その上縁１２５が基部１２１の全周に亘って弁座から略同じ高さにあるため、簡便な加工でスロート部１２を成形することが可能であり、その仕上がりの形状及び寸法のばらつきが小さくなる。即ち、シリンダヘッド毎の個体差を縮小できることから、量産に向く。

また、前記スロート部１２が、前記基部１２１の上方に部分切頭円錐状の内周をなす頂部１２２を有しており、基部１２１と当該頂部１２２との交差箇所１２８を屈曲形状に成形しているため、吸気ポート１の主流路部１１の上面に沿って流れる吸気を円滑に燃焼室内に導き入れてタンブル流を増強することができるとともに、圧損が低減し吸気の流量も増加する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

１…吸気ポート
１１…主流路部
１２…スロート部
１２１…基部
１２２…頂部
１２３…弁座
２…吸気バルブの弁体
２１…傘部
３…燃焼室の天井部
４…排気ポート

Claims (3)

1. 吸気を気筒の燃焼室に向けて流通させる主流路部と、前記主流路部と燃焼室との間に介在して両者を連通せしめるスロート部とを吸気ポートに備え、
   前記主流路部の下縁を直線状に成形し、その下縁を燃焼室に向かって延長させた延長線が、最大リフト量をとる吸気バルブの弁体の傘部よりも上方に位置し、
   前記主流路部の下縁とスロート部との交差箇所を屈曲形状に成形し、
   かつ、前記主流路部の上縁と下縁との中間近傍に位置する中間線を燃焼室に向かって延長させた延長線が、吸気バルブの弁体が着座する弁座における排気ポートに最も近い部位よりも下方に位置している内燃機関。
2. 前記スロート部が、円筒状の内周をなす基部を有しており、その上縁が基部の全周に亘って弁座から略同じ高さにある請求項１記載の内燃機関。
3. 前記スロート部が、前記基部の上方に部分切頭円錐状の内周をなす頂部を有しており、基部と当該頂部との交差箇所を屈曲形状に成形している請求項２記載の内燃機関。

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