JP2016079963A

JP2016079963A - 内燃機関

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Publication number: JP2016079963A
Application number: JP2014215637A
Authority: JP
Inventors: 健人山田; Taketo Yamada; 真嘉高橋; Masayoshi Takahashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-05-16
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: JP6099613B2

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室におけるタンブル流の持続性を高める。
【解決手段】クランク軸線方向をＸ方向、シリンダ軸線方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とし、燃焼室２０のＹ方向における一側である吸気側かつＸ方向における一側とＹ方向における吸気側かつＸ方向における他側とのそれぞれに吸気ポート２５が１つずつ形成され、燃焼室のＹ方向における他側である排気側に少なくとも１つの排気ポート２６が形成され、吸気ポートの燃焼室側の開口端に吸気弁３１が設けられ、排気ポートの燃焼室側の開口端に排気弁が設けられ、吸気ポートから燃焼室に流入する吸気がタンブル流を形成する内燃機関１であって、吸気ポートのそれぞれから燃焼室に流入する吸気は、Ｘ方向において燃焼室の中央側よりも燃焼室の周縁側において多いことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳細には燃焼室のタンブル流の持続性を高める技術に関する。

内燃機関において、燃焼改善を目的として、燃焼室内のガス流動性（ガスの乱れ強さ）を増加させ火炎伝播性を向上させる手法がある。ガスの流動性が増加すると、燃焼期間が短縮され、ノッキング等の異常燃焼が抑制されて燃焼が安定する。燃焼の改善には、燃焼開始（点火）時のガスの流動性が影響する。燃焼開始時の流動性を高めるためには、吸気ポートから燃焼室に流入するときに生成されるタンブル流を強化する手法と、燃焼室において生成されたタンブル流を燃焼開始時まで持続させる手法とがある。生成されるタンブル流を強化する手法としては、例えば、吸気ポートにその横断面を上下に二分する隔壁を設け、弁によって隔壁の下側の通路を絞ることによって、下側よりも上側の通路の流量を増やしたものがある（例えば、特許文献１）。また、生成されたタンブル流の持続性を高める手法としては、ピストンの冠面に曲面状の凹部を設け、吸気ポートから燃焼室に流入したタンブル流が凹部に沿って再び吸気ポート側に導かれるようにし、タンブル流が燃焼室内を円滑に回転するようにしたものがある（例えば、特許文献２）。

特許第３８６１７８９号公報特許第３７５８３６４号公報

しかしながら、特許文献２のようにピストンの冠面に凹部を設けるだけでは、タンブル流の持続性を十分に高めることはできない。そのため、タンブル流の持続性を高めるための新規な手法が望まれている。

本発明は、以上の背景を鑑み、内燃機関において、燃焼室におけるタンブル流の持続性を高めることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、クランク軸線方向をＸ方向、シリンダ軸線方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とし、燃焼室（２０）のＹ方向における一側である吸気側かつＸ方向における一側とＹ方向における吸気側かつＸ方向における他側とのそれぞれに吸気ポート（２５）が１つずつ形成され、燃焼室のＹ方向における他側である排気側に少なくとも１つの排気ポート（２６）が形成され、前記吸気ポートの前記燃焼室側の開口端に吸気弁（３１）が設けられ、前記排気ポートの前記燃焼室側の開口端に排気弁が設けられ、前記吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気がタンブル流を形成する内燃機関（１）であって、前記吸気ポートのそれぞれから前記燃焼室に流入する吸気は、Ｘ方向において前記燃焼室の中央側よりも前記燃焼室の周縁側において多いことを特徴とする。

この構成によれば、各吸気ポートから燃焼室に流入する吸気によって生成されるタンブル流の減衰が抑制され、タンブル流の持続性が向上する。２つの吸気ポートから互いに独立して吸気が燃焼室に流入する場合、各吸気によってそれぞれタンブル流が生成される。燃焼室は、平面視において円形に形成され、中央側から排気側に進むにつれてＸ方向における幅が狭まる。本願発明者らは、従来の内燃機関では、各タンブル流は燃焼室の排気側の壁面に沿ってＸ方向における中央側に寄り、各タンブル流の回転軸線は、Ｘ方向における燃焼室の中央側より周縁側においてＹ方向における排気側に進むように傾斜することを見出した。そして、このようなタンブル流では、２つの連なった回転軸線の屈曲が大きくなり、２つの回転軸線を直線に戻そうとする力が働いて回転が減衰するため、タンブル流の持続性が低くなることを見出した。本発明では、各吸気ポートから燃焼室に流入する吸気は、Ｘ方向において燃焼室の中央側よりも周縁側において多くなるため、吸気行程の初期には、各タンブル流の回転軸線は、Ｘ方向における燃焼室の中央側より周縁側において、Ｙ方向における吸気側に位置するように傾斜している。そのため、各タンブル流の回転軸線は直線状に延び、屈曲する量が低減してタンブル流の減衰が抑制され、タンブル流の持続性が向上する。

また、上記発明において、次の数式（１）によって求められるフローバランス値（ＦＢ）が０より大きく３未満であるとよい。

ここで、ｎは、前記吸気ポートの前記燃焼室側の開口端を、前記吸気ポートの軸線を中心として複数の偶数個の等幅の領域に分割したときの領域の番号であり、Ｙ方向において最も排気側かつＸ方向において前記燃焼室の中央側に位置する領域を第１領域とし、前記第１領域のＸ方向において前記燃焼室の中央側に位置する領域を第２領域とし、その後、周方向に昇順となるように第ｎ領域まで付され、Ｖｋは、第ｋ領域における吸気の流速であり、Ｖａｖは、各領域における吸気の流速の平均値である。

この構成によれば、各吸気ポートから燃焼室に流入する吸気は、Ｘ方向において燃焼室の中央側よりも周縁側において多くなるため、各タンブル流の減衰が抑制され、タンブル流の持続性が向上する。

また、上記発明において、前記数式（１）によって求められるフローバランス値（ＦＢ）が１以上３未満であるとよい。

この構成によれば、タンブル流の持続性が最も向上する。

また、上記発明において、前記吸気ポートのそれぞれから前記燃焼室に流入する吸気は、Ｙ方向において吸気側よりも排気側において多いとよい。

この構成によれば、吸気行程の初期におけるタンブル流が強化される。

また、上記発明において、前記吸気ポートのそれぞれは、上流端から下流端にかけて、Ｙ方向において吸気側から排気側に進むと共に、Ｘ方向において前記燃焼室の中央側から周縁側に進むように傾斜しているとよい。

この構成によれば、各吸気ポートから燃焼室に流入する吸気を、Ｘ方向において燃焼室の中央側よりも燃焼室の周縁側において多く、かつＹ方向において吸気側よりも排気側において多くすることができる。

また、上記発明において、前記吸気ポートの前記燃焼室側の前記開口端を、前記開口端の軸線を通り、Ｘ方向に延びる線分及びＹ方向に延びる線分で４等分し、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における前記燃焼室の中央側に位置する領域を排気側内領域、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における前記燃焼室の周縁側に位置する領域を排気側外領域、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向における前記燃焼室の中央側に位置する領域を吸気側内領域、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向における前記燃焼室の周縁側に位置する領域を吸気側外領域とした場合に、前記排気側外領域を通過して前記燃焼室に流入する吸気の流量が、前記排気側内領域、前記吸気側内領域、及び前記吸気側外領域のそれぞれを通過して前記燃焼室に流入する各流量よりも多いとよい。

この構成によれば、排気側外領域の吸気の流量が他の部分よりも多くなるため、各吸気ポートから流入する吸気によって生成されるタンブル流が強化されると共に、各タンブル流の減衰が避けられ、タンブル流の持続性が向上する。

また、上記発明において、前記排気側外領域を通過して前記燃焼室に流入する吸気の流量が、前記排気側内領域、前記吸気側内領域、及び前記吸気側外領域のそれぞれを通過して前記燃焼室に流入する各流量の合計よりも多いとよい。

この構成によれば、各吸気ポートから流入する吸気によって生成される各タンブル流が一層強化されると共に、タンブル流の持続性が一層向上する。

以上の構成によれば、内燃機関において、燃焼室におけるタンブル流の持続性を高めることができる。

本実施形態に係る内燃機関の燃焼室を示す側断面図本実施形態に係る内燃機関の燃焼室を下方から見た図吸気ポートと吸気弁との間に形成される環状開口を示す説明図タンブル比Ｔ／Ｒに対する燃焼開始時の乱流運動エネルギーＴＫＥの関係を示す図フローバランスＦＢに対する燃焼開始時の乱流運動エネルギーＴＫＥの関係を示す図環状開口の各領域を通過する吸気の速度分布を示す図比較例に係る内燃機関のタンブル流の（Ａ）吸気行程における状態、（Ｂ）燃焼開始時における状態を示す説明図実施形態に係る内燃機関のタンブル流の（Ａ）吸気行程における状態、（Ｂ）燃焼開始時における状態を示す説明図

以下、図面を参照して本発明を自動車用の内燃機関に適用した実施形態を説明する。

図１に示すように、内燃機関１は、レシプロエンジンであり、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上端面に結合されたシリンダヘッド３とを有する。シリンダブロック２には、一端がシリンダブロック２の上端面に開口すると共に、他端がシリンダブロック２の下部に形成されたクランク室に開口した断面が円形の貫通孔５が形成されている。貫通孔５の内周面には、両端が開口したシリンダスリーブ６が装着されている。シリンダスリーブ６の内周面は、断面が円形のシリンダボア７を形成する。シリンダボア７の軸線であるシリンダ軸線が延在する方向をＺ方向、内燃機関１のクランク軸（不図示）の延在する方向をＸ方向、シリンダ軸線及びクランク軸線と直交する方向をＹ方向とする。また、Ｙ方向における一側を吸気側、他側を排気側とする。シリンダブロック２の上端面は、シリンダ軸線方向と直交するように配置されている。シリンダボア７は、シリンダブロック２に少なくとも１つ形成されている。

シリンダヘッド３は、その下端面においてシリンダブロック２の上端面に結合されている。シリンダヘッド３の下端面におけるシリンダボア７の一端と対向する部分には、燃焼室凹部１０が凹設されている。燃焼室凹部１０は、ペントルーフ形や半球形等の公知の形状に形成されてよい。

シリンダボア７には、ピストン１２が往復動可能に収容されている。ピストン１２は、コンロッド１３を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。ピストン１２は、左右対称形をなし、円板状のピストン頭頂部１４（クラウン部）と、ピストン頭頂部１４の周縁部の吸気側及び排気側から下方へと突設された一対のスカート部１５と、各スカート部１５の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部１６とを有している。一対の連結壁部１６のそれぞれには、互いに同軸となり、かつクランク軸線と平行となるピンボス部１７が形成されている。ピンボス部１７には、ピストンピン１８が挿入され、ピストンピン１８にはコンロッド１３の小端部が枢支されている。

ピストン頭頂部１４の燃焼室凹部１０側を向く面であるピストン１２の冠面１９は、シリンダスリーブ６の内周面及び燃焼室凹部１０と共に燃焼室２０を形成する。冠面１９の中央部には、曲面状の凹部２１が形成されている。

燃焼室凹部１０の吸気側には２つの吸気ポート２５が開口し、排気側には２つの排気ポート２６が開口している。各吸気ポート２５は燃焼室凹部１０からシリンダヘッド３内を吸気側に延び、吸気側の側面に開口している。各排気ポート２６は燃焼室凹部１０からシリンダヘッド３内を排気側に延び、排気側の側面に開口している。吸気ポート２５及び排気ポート２６の燃焼室２０側の開口端には、円環状をなし、燃焼室２０側を向く弁座面（着座面）を有するバルブシート２８、２９が装着されている。

図１及び図２に示すように、吸気ポート２５及び排気ポート２６の燃焼室２０側の開口端には、吸気弁３１及び排気弁３２が設けられている。吸気弁３１及び排気弁３２は、ポペット弁であり、図示しない動弁機構によって開閉駆動される。吸気弁３１及び排気弁３２は、軸状のステム部３１Ａ、３２Ａと、ステム部３１Ａ、３２Ａの先端に形成され、ステム部３１Ａ、３２Ａよりも径が大きい傘部３１Ｂ、３２Ｂとを有する。各ステム部３１Ａ、３２Ａは、動弁機構によって駆動される基端から、シリンダヘッド３及び各ポート２５、２６の内部を通過して先端が燃焼室２０に延びている。傘部３１Ｂ、３２Ｂは、バルブシート２８よりも燃焼室２０側に配置され、開位置において燃焼室２０の内方に突出し、閉位置においてバルブシート２８に着座する。

吸気弁３１の傘部３１Ｂは、燃焼室２０側を向く傘表部３１Ｃと、吸気ポート２５（バルブシート２８）側を向く傘裏部３１Ｄとを有する。傘裏部３１Ｄは、燃焼室２０側に進むほど、外径が漸増するように形成されており、周縁部においてバルブシート２８の弁座面に着座可能になっている。

図３に示すように、吸気弁３１が開位置にあるとき、傘部３１Ｂの周縁部と、バルブシート２８の弁座面との間には、円筒の側面形状をなす環状開口３５が形成される。傘裏部３１Ｄが、吸気弁３１の先端側（燃焼室２０側）に進むほど外径が漸増するように形成されているため、吸気ポート２５から燃焼室２０に流入する吸気は、吸気ポート２５の燃焼室２０側の開口端（バルブシート２８）の軸線Ａに対して放射方向に流れる。

説明の便宜上、環状開口３５を通過して燃焼室２０に流入する吸気の各位置による分布を表すために、環状開口３５を以下のように区画して表す。図２及び図３に示すように、環状開口３５は、軸線Ａを中心として、環状開口３５を周方向に偶数であるｎ個の領域に区画される。各領域は、軸線Ａを中心とした周方向に等しい幅を有する。環状開口３５を分割する仮想上の分割線のうち、軸線Ａを通り、Ｙ方向に沿って燃焼室２０の中心側に進む面によって画定される分割線を基準分割線３６とする。ｎ個の領域のうちで、第１領域Ａ１は基準分割線３６に一方の側縁が画定され、基準分割線３６に対してＸ方向において燃焼室２０の中央側に配置されている。すなわち、第１領域Ａ１は、ｎ個の領域のうちで、Ｙ方向において最も燃焼室２０の中央側に位置する２つの領域のうちで、Ｘ方向において燃焼室２０の中央側に位置する領域となっている。軸線Ａを中心として第１領域Ａ１から基準分割線３６と相反する周方向に、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３、...第ｎ領域Ａｎが順に配置されている。第ｎ領域Ａｎは、基準分割線３６を挟んで第１領域Ａ１と隣り合っている。２つの吸気ポート２５の各領域は、Ｙ方向及びＺ方向を含む面に対して、互いに対称形となるように配置されている。

本実施形態では、環状開口３５は第１〜第１６領域Ａ１〜Ａ１６の１６個の領域に分割されている（ｎ＝１６）。環状開口３５を、軸線Ａを基準として、Ｘ方向における燃焼室２０の中央側である内領域と、Ｘ方向における燃焼室２０の周縁側である外領域とに２等分すると、第１〜第８領域Ａ１〜Ａ８は内領域に含まれ、第９〜第１６領域Ａ９〜Ａ１６は外領域に含まれる。

環状開口３５は、４等分した場合、軸線Ａを基準として、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における燃焼室２０の中央側である排気側内領域と、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向において燃焼室２０の中央側である吸気側内領域と、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向における燃焼室２０の周縁側である吸気側外領域と、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における燃焼室２０の周縁側である排気側外領域とに４等分することもできる。この場合、第１〜第４領域Ａ１〜Ａ４は排気側内領域に含まれ、第５〜第８領域Ａ５〜Ａ８は吸気側内領域に含まれ、第９〜第１２領域Ａ９〜Ａ１２は吸気側外領域に含まれ、第１３〜第１６領域Ａ１３〜Ａ１６は排気側外領域に含まれる。

各領域を通過して吸気ポート２５から燃焼室２０に流れる吸気の流量や流速は、シミュレーションや実測等によって得ることができる。本実施形態に係る内燃機関１では、各領域を通過する吸気の流量分布は、内領域よりも外領域の方が多くなるように、内燃機関１の構成が設定されている。詳細には、以下の式によって算出されるフローバランス値（ＦＢ）が０より大きい値、より好ましくは０より大きく３以下、更に好ましくは１以上３以下となるように設定されている。

ここで、ｎは上述した領域の数であり、本実施形態では１６である。Ｖｋ（ｋ＝１、２、...、１６）は、各領域における吸気の流速である。Ｖａｖは、各領域における流速Ｖｋの平均値であり、各領域における吸気の流速Ｖｋを合計した値を領域の数（本実施形態では１６）で除することによって得られる。数式１から解るように、フローバランス値は、内領域に含まれる第１〜第８領域Ａ１〜Ａ８を通過する吸気の流速に−１を掛けて負の値にし、外領域に含まれる第９〜第１６領域Ａ９〜Ａ１６を通過する吸気の流速に＋１を掛けて正の値にし、それらを全て合計しているため、正の値のフローバランス値は、外領域を通過する吸気量が内領域を通過する吸気量よりも多いことを意味し、負の値のフローバランス値は、内領域を通過する吸気量が外領域を通過する吸気量よりも多いことを意味する。すなわち、フローバランス値が正の値である場合、吸気は全体として外領域側に流れ、フローバランス値が負の値である場合、吸気は全体として内領域側に流れることを意味する。フローバランス値が、正の場合において数値が大きくなるほど外領域側に流れる吸気の割合が大きくなり、負の場合において数値が大きくなるほど内領域側に流れる吸気の割合が大きくなる。

各領域を通過する吸気の流量及び流速の割合は、吸気ポート２５の形状や、吸気ポート２５内に配置した吸気の流れ方向を変化させる偏向装置４０等によって変化させることができる。吸気ポート２５の形状は、例えば、吸気ポート２５の燃焼室２０側の開口端に向う吸気ポート２５の延在方向を変化させるとよい。本実施形態では、吸気ポート２５は、下流側（燃焼室２０側）に進むほど、Ｘ方向において燃焼室２０の中央側から燃焼室２０の周縁側に進むように延在している。これにより、吸気量の分布は、内領域よりも外領域が多くなる。また、本実施形態では、吸気ポート２５がＹ方向において吸気側から排気側に延びている。これにより、慣性力によって、吸気はＹ方向における吸気側の領域（第５〜第１２領域Ａ５〜Ａ１２）よりも排気側の領域（第１〜第４及び第１３〜第１６領域Ａ１〜Ａ４、Ａ１３〜Ａ１６）において多くなる。

本実施形態では、吸気ポート２５の内部に吸気の流れを変化させる偏向装置４０が設けられている。偏向装置４０は、吸気ポート２５の下部（Ｚ方向におけるシリンダブロック２側の部分）に固定された回転軸４１と、基端において回転軸４１に回転可能に支持され、先端が吸気ポート２５内において有端を形成するフラップ４２とを有する。フラップ４２は、図示しないモータ等の駆動装置によって駆動され、先端が上方に移動すると、吸気ポート２５内の流路の下部が閉塞され、吸気は吸気ポート２５の上部に偏って流れるようになる。これにより、吸気ポート２５から燃焼室２０に流れる吸気の分布は、Ｙ方向において吸気側よりも排気側において流量が多くなり、タンブル流が促進される。偏向装置４０は、ここで説明した例に限らず、公知の様々な偏向装置４０を適用することができる。

図１に示すように、燃焼室凹部１０の中央部には、スパークプラグ４５が設けられている。燃焼室凹部１０の２つの吸気ポート２５の間に位置する部分には、インジェクタ４６が設けられている。

図４及び図５に、タンブル比及びフローバランスを変化させたときの燃焼開始時の乱流運動エネルギー（ＴＫＥ、ｍ^２／ｓ^２）の変化をシミュレーションにより算出した結果を示す。ここで、タンブル比は、吸気行程におけるシリンダ内のタンブル流（縦渦）の回転速度をエンジンの回転速度で除したものであり、吸気行程におけるタンブル流の強さを示す。燃焼開始時の乱流運動エネルギーは、燃焼速度と比例関係があることが公知であり、燃焼開始時の乱流運動エネルギーが大きいほど燃焼速度が速くなり、燃焼期間が短くなる。すなわち、燃焼開始時の乱流運動エネルギーが大きいほど火炎伝播性が向上し、燃焼状態が良くなる。

図４は、フローバランス値ＦＢを−３〜＋７の間で変化させたときの、タンブル比Ｔ／Ｒに対する燃焼開始時の乱流運動エネルギーＴＫＥの関係を示す図である。図４に示すように、タンブル比が増加すると、燃焼開始時の乱流運動エネルギーが増加する傾向が確認される。しかしながら、タンブル比の値が同じでも、燃焼開始時の乱流運動エネルギーの値は大小にばらつくことが解る。

図５は、タンブル比Ｔ／Ｒを４．０〜５．０の間で変化させたときの、フローバランス値ＦＢに対する燃焼開始時の乱流運動エネルギーＴＫＥの関係を示す図である。図５に示す結果は、図４のタンブル比が４．０〜５．０の範囲の結果に対応する。図５に示すように、フローバランスに対する燃焼開始時の乱流運動エネルギーの関係から、上に凸の２次曲線である近似曲線が得られる。近似曲線は、フローバランスが＋１〜＋３のときに極大値となり、正側に偏倚していることが解る。

図４及び図５に示された結果から、吸気行程におけるタンブル比が大きくても、フローバランス値に応じて燃焼開始時の乱流運動エネルギーが相違することが解る。すなわち、フローバランス値は、タンブル流の持続性に影響を与えることが解る。フローバランス値は、燃焼開始時の乱流運動エネルギーが極大値をとるときの値が＋１〜＋３付近であり、正側に偏倚していることから、０以上であることが好ましく、より好ましくは０以上３以下、更に好ましくは１以上３以下である。

図６は、タンブル比が４．３、フローバランス値が２．７の場合における環状開口３５の各領域を通過する吸気の速度分布を示す図である。各領域において径方向に延びる矢印の長さは、速度の大きさを示している。図６に示す分布では、内領域（第１〜第８領域Ａ１〜Ａ８）よりも外領域（第９〜第１６領域Ａ９〜Ａ１６）の方が吸気の流速が大きくなっている。より詳細には、排気側外領域（第１３〜第１６領域Ａ１３〜Ａ１６）が、排気側内領域（第１〜第４領域Ａ１〜Ａ４）、吸気側内領域（第５〜第８領域Ａ５〜Ａ８）、吸気側外領域（第９〜第１２領域Ａ９〜Ａ１２）のいずれか１つよりも吸気の流速が大きくなっている。また、排気側外領域の流速が、排気側内領域、吸気側内領域、及び吸気側外領域の流速の合計値よりも大きくなっている。なお、この結果は、各領域の面積を等しくした条件で得られているため、吸気の流量は流速に比例する。そのため、上述した流速に関する各領域の関係は、流量についても同様に当てはまる。

燃焼開始時の乱流運動エネルギーがフローバランス値に影響を受けるメカニズムは、以下のように考えられる。図７は、比較例に係る内燃機関のタンブル流を示す説明図であり、（Ａ）は吸気行程の初期におけるタンブル流を示し、（Ｂ）は吸気行程の中盤以降におけるタンブル流を示す。比較例に係る内燃機関１は、フローバランス値が０に設定されている。各吸気ポート２５から燃焼室２０に流入する吸気は、内領域及び外領域の流量が等しくなっているためＹ方向と平行に排気側に流れる（図中の白色矢印参照）。各タンブル流は円筒状のシリンダボア７と衝突して流れの向きが変化し、シリンダボア７のＹ方向における排気側の端に流速の大きい部分が形成される。この強い流れにより、タンブル流の回転軸線が屈曲する。その後、吸気バルブが閉まるにつれて吸気流が弱まり、回転軸線を曲げる力が弱まる。すると、タンブル流の回転軸線が屈伸（変形）を繰り返すことになる。また、燃焼室２０を形成するシリンダボア７や燃焼室凹部１０の壁面の影響を受けて回転軸線が変位する（図中の黒色矢印参照）。この回転軸の変形及び変位するときにエネルギーが散逸する。

図８は、実施形態に係る内燃機関のタンブル流を示す説明図であり、（Ａ）は吸気行程の初期におけるタンブル流を示し、（Ｂ）は吸気行程の中盤以降におけるタンブル流を示す。実施形態に係る内燃機関１は、フローバランス値が＋２に設定されている。各吸気ポート２５から燃焼室２０に流入する吸気は、内領域よりも外領域の流量が多くなっており、Ｘ方向において燃焼室２０の周縁側に主に流れる（図中の白色矢印参照）。そのため、各吸気によって生成される各タンブル流は、吸気行程の初期において各回転軸線がＸ方向において燃焼室２０の周縁側に進むほどＸ方向に吸気側に進むように傾斜している。実施形態に係る内燃機関１の各タンブル流も、比較例に係る内燃機関１と同様に回転が継続する過程で燃焼室２０の側壁内面の影響を受け、各回転軸線のＸ方向における周縁部側が中央部側に対してＹ方向における排気側に進むように変化する（図中の黒色矢印参照）。本実施形態では、吸気行程の初期から各タンブル流の各回転軸線がＹ方向において燃焼室２０の周縁側に進むほど吸気側に進むように傾斜しているため、その後、各回転軸線のＸ方向における周縁部側が中央部側に対してＹ方向における排気側に進むように変化すると、各回転軸線がＸ方向と略平行になり、回転軸線の変形及び変位が生じ難い。そのため、各タンブル流は、持続性が向上し、燃焼開始時にも高い乱流運動エネルギーを維持することができる。

以上の実施形態に係る内燃機関１では、吸気ポート２５から燃焼室２０に流入する吸気が、Ｘ方向における燃焼室２０の中央側（内領域）よりも燃焼室２０の周縁側（外領域）において、流量が多くなる（流速が速くなる）ように設定されているため、各吸気ポート２５から燃焼室２０に流入する吸気によって生成されるタンブル流が減衰し難くなり、持続性が向上する。吸気の分布は、数式（１）によって表されるフローバランス値に基づいて設定することができる。本実施形態では、フローバランス値ＦＢを、０より大きい値、より好ましくは０より大きく３以下、更に好ましくは１以上３以下とすることによって、タンブル流の持続性を最大化することができる。

また、吸気の分布をＸ方向における燃焼室２０の中央側（内領域）と、燃焼室２０の周縁側（外領域）にニ分して考慮することに加えて、Ｙ方向における排気側と吸気側とを考慮して４つの領域とすることによって、吸気行程において生成されるタンブル流を強化することができ、燃焼開始時における乱流運動エネルギーを最大化することができる。本実施形態では、吸気の分布を、排気側外領域、排気側内領域、吸気側外領域、及び吸気側内領域の４つの領域に区分し、排気側外領域の吸気量（又は吸気の流速）を他の領域のいずれよりも多くすることによって、タンブル流を強化しつつ、タンブル流の持続性を高めることができる。また、排気側外領域の吸気量（又は吸気の流速）を他の領域の合計の吸気量（吸気の流速）よりも多くすることによって、更に、タンブル流を強化しつつ、タンブル流の持続性を高めることができる。

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。上述したように、所望のフローバランス値や吸気量分布に設定するための手法は、公知の様々な手法を適用することができ、上記の実施例はその一例である。また、上記の実施形態では、環状開口３５の分割数（ｎ）を１６としたが、分割数（ｎ）は任意の偶数値や、任意の４の倍数の値であればよい。また、上記実施形態では燃料噴射方式を直噴としたが、ポート噴射としてもよい。また、排気ポート２６の数も任意に設定してよい。

１...内燃機関、２...シリンダブロック、３...シリンダヘッド、７...シリンダボア、１０...燃焼室凹部、１２...ピストン、２０...燃焼室、２５...吸気ポート、２６...排気ポート、２８、２９...バルブシート、３１...吸気弁、３１Ａ...ステム部、３１Ｂ...傘部、３１Ｃ...傘表部、３１Ｄ...傘裏部、３２...排気弁、３５...環状開口、３６...基準分割線、４０...偏向装置

Claims

クランク軸線方向をＸ方向、シリンダ軸線方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とし、燃焼室のＹ方向における一側である吸気側かつＸ方向における一側とＹ方向における吸気側かつＸ方向における他側とのそれぞれに吸気ポートが１つずつ形成され、燃焼室のＹ方向における他側である排気側に少なくとも１つの排気ポートが形成され、前記吸気ポートの前記燃焼室側の開口端に吸気弁が設けられ、前記排気ポートの前記燃焼室側の開口端に排気弁が設けられ、前記吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気がタンブル流を形成する内燃機関であって、
前記吸気ポートのそれぞれから前記燃焼室に流入する吸気量は、Ｘ方向において前記燃焼室の中央側よりも前記燃焼室の周縁側において多いことを特徴とする内燃機関。
次の数式（１）によって求められるフローバランス値（ＦＢ）が０より大きく３未満であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

ここで、ｎは、前記吸気ポートの前記燃焼室側の開口端を、前記吸気ポートの軸線を中心として複数の偶数個の等幅の領域に分割したときの領域の番号であり、Ｙ方向において最も排気側かつＸ方向において前記燃焼室の中央側に位置する領域を第１領域とし、前記第１領域のＸ方向において前記燃焼室の中央側に位置する領域を第２領域とし、その後、周方向に昇順となるように第ｎ領域まで付され、
Ｖｋは、第ｋ領域における吸気の流速であり、
Ｖａｖは、各領域における吸気の流速の平均値である。
前記数式（１）によって求められるフローバランス値（ＦＢ）が１以上３未満であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記吸気ポートのそれぞれから前記燃焼室に流入する吸気は、Ｙ方向において吸気側よりも排気側において多いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
前記吸気ポートのそれぞれは、上流端から下流端にかけて、Ｙ方向において吸気側から排気側に進むと共に、Ｘ方向において前記燃焼室の中央側から周縁側に進むように傾斜していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
前記吸気ポートの前記燃焼室側の前記開口端を、前記開口端の軸線を通り、Ｘ方向に延びる線分及びＹ方向に延びる線分で４等分し、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における前記燃焼室の中央側に位置する領域を排気側内領域、Ｙ方向における排気側かつＸ方向における前記燃焼室の周縁側に位置する領域を排気側外領域、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向における前記燃焼室の中央側に位置する領域を吸気側内領域、Ｙ方向における吸気側かつＸ方向における前記燃焼室の周縁側に位置する領域を吸気側外領域とした場合に、前記排気側外領域を通過して前記燃焼室に流入する吸気の流量が、前記排気側内領域、前記吸気側内領域、及び前記吸気側外領域のそれぞれを通過して前記燃焼室に流入する各流量よりも多いことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
前記排気側外領域を通過して前記燃焼室に流入する吸気の流量が、前記排気側内領域、前記吸気側内領域、及び前記吸気側外領域のそれぞれを通過して前記燃焼室に流入する各流量の合計よりも多いことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。