JP2016138536A - エンジンの吸気ポート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を複雑にすることなく、燃料室内のタンブル流を強化する。
【解決手段】エンジンの燃焼室３に接続され吸気バルブ６によって開閉する吸気ポート５と、前記吸気ポート５の燃焼室３に臨む領域に設けられる環状のシートリング２０とを備え、シートリング２０は、吸気バルブ６が当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部２１と、そのバルブ当接部２１よりも奥部側に設けられ奥部側からバルブ当接部側２１に向かって拡がるスロート部２２とを備え、シートリング２０の平面視円形の外面２３の中心線ｐ２に対して、同じく平面視円形の流路の内面２４の中心線ｐ１をシリンダボアの軸心ｘから遠い側へ偏心して配置したエンジンの吸気ポート構造とした。スロート部２２は、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端側よりも、シリンダボアの軸心ｘに近い前端側の方が、より奥部側へ深く形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃焼室内で良好な燃焼を可能とするエンジンの吸気ポート構造に関する。

従来から、エンジンの燃焼室内に、シリンダボアの軸心方向に沿って流れる旋回流であるタンブル流（縦渦）や、シリンダボアの内周面の周方向に沿って流れる旋回流であるスワール流（横渦）を発生させる種々の技術が知られている。

タンブル流を発生させる技術としては、例えば、吸気ポート内に設けた吸気流制御弁によって、その吸気ポート内の遮蔽度合いを変化させて、タンブル流を生成させるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、吸気ポート内に設けたノズルから、バルブスロート部の壁面に沿って下向きに空気を噴出することにより、タンブル流を生成させるものもある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、タンブル流を強化するために、吸気ポートの内径を縮小するとともに、その吸気ポートにおけるシリンダボアの軸心から遠い側の内面にエッジ部を設ける技術がある。エッジ部を設けることにより流路断面積が小さくなり、流速の増大を図ることで、タンブル流が強化できるとされている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−３２５６０号公報 特開２０１３−１２２１８８号公報 特開２００７−４６４５７号公報（第３頁明細書段落００１０、第８頁第６図参照）

上記のように、燃料室内に吸気のタンブル流を生成する場合、良好な燃焼を確保するために、そのタンブル流をさらに強化したいという要請がある。しかし、タンブル流を強化するために、種々の弁装置やノズルを追加することは、装置の複雑化やコストの増大につながるので限界がある。

また、特許文献３の技術によれば、吸気ポート内のエッジ部周辺において吸気通路が屈曲するので、流量係数が低下し、逆にタンブル流が弱まってしまう事態も想定される。

そこで、この発明の課題は、構造を複雑にすることなく、燃料室内のタンブル流を強化することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に接続され吸気バルブによって開閉する吸気ポートと、前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、前記シートリングは、前記吸気バルブが当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部と、そのバルブ当接部よりも奥部側に設けられ奥部側から前記バルブ当接部側に向かって拡がるスロート部とを備え、前記シートリングの外面及び流路の内面は平面視円形であり、前記外面の中心線に対して前記流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置し、前記スロート部は、シリンダボアの軸心から遠い後端側よりも、シリンダボアの軸心に近い前端側の方が、より奥部側へ深く形成されているエンジンの吸気ポート構造を採用した。

前記スロート部は、前記吸気バルブの中心線周りに回転するスロートカッタによって前記シートリングの内面又は前記吸気ポートの内面に加工されたものであり、前記バルブ当接部は、前記吸気バルブの中心線周りに回転するシートカッタによって前記シートリングの内面に加工されたものである構成を採用することができる。

また、前記バルブ当接部は、その深さが前記前端側と前記後端側で等しくなるよう形成されたものである構成を採用することができる。

さらに、エンジンの燃焼室に接続され吸気バルブによって開閉する吸気ポートと、前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、前記シートリングは、前記吸気バルブが当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部と、そのバルブ当接部よりも奥部側に設けられ奥部側から前記バルブ当接部側に向かって拡がるスロート部とを備えたエンジンの吸気ポートの製造方法において、前記シートリングの外面及び流路の内面は平面視円形であり、前記外面の中心線に対して前記流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置し、前記スロート部を、前記吸気バルブの中心線周りに回転するスロートカッタによって前記シートリングの内面又は前記吸気ポートの内面に加工し、前記バルブ当接部を、前記吸気バルブの中心線周りに回転するシートカッタによって前記シートリングの内面に加工するエンジンの吸気ポートの製造方法を採用した。

この発明は、シートリングが、吸気バルブが当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部と、そのバルブ当接部よりも奥部側に設けられ奥部側から前記バルブ当接部側に向かって拡がるスロート部とを備えた構成において、シートリングの外面及び流路の内面は平面視円形であり、外面の中心線に対して流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置したので、その偏心側の反対側、すなわち、シリンダボアの軸心寄りのスロート部を深く確保しやすい。

すなわち、スロート部は、シリンダボアの軸心から遠い後端側よりも、シリンダボアの軸心に近い前端側の方が、より奥部側へ深く形成することができ、その前端側において吸気をスムーズに燃焼室に誘導すること、また、後端側において吸気ポート内面からの吸気の剥離を抑制することで、タンブル比、すなわち、ピストンが一往復する間のタンブル流の回転数を向上させることができる。このため、構造を複雑にすることなく、燃料室内のタンブル流を強化することができる。

また、シートリングの外面の中心線に対して、流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置したので、シリンダボアの軸心寄りの部分でスロート部を深く確保しつつ、スロート部とバルブ当接部の加工を、ともにバルブの中心線と同軸の施工とできる効果も期待できる。

この発明の実施形態を示す吸気ポートの要部拡大図である。 同実施形態を示す要部拡大図である。 （ａ）（ｂ）は吸気ポートの加工方法を示す説明図である。 （ａ）はエンジンの内部を模式的に示す縦断面図、（ｂ）（ｃ）は吸気ポートの詳細図である。 この発明の効果を示すグラフ図である。 他の実施形態を示す吸気ポートの要部拡大図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１及び図２は、この実施形態のエンジンの吸気ポート５付近を示す要部拡大図である。図３は、吸気ポート５の加工方法を示す説明図である。

エンジンの燃焼室３の配置と吸気ポート５の形状を図４に示す。この実施形態のエンジンは自動車用のディーゼルエンジンである。エンジンのシリンダ１内にはピストン２が収容されている。シリンダ１の内周面、及び、ピストン２の上面等により燃焼室３が形成されている。各シリンダの燃焼室３内に吸気を送り込む吸気ポート５、燃焼室３から引き出された排気ポート７、燃焼室３内へ燃料を噴射する燃料噴射装置９等を備えている。

これらの図面では、この発明に直接関係する部材、手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。

この実施形態では、図４（ｃ）に示すように、吸気ポート５は、燃焼室３の手前で２つの通路に分岐している。また、図示していないが、排気ポート７も、燃焼室３の手前で２つの通路に分岐している。

各吸気ポート５の燃焼室３への開口部である吸気弁孔５ａは、吸気バルブ６によって開閉される。また、各排気ポート７の燃焼室３への開口部である排気弁孔７ａは、排気バルブ８によって開閉される。このとき、吸気バルブ６及び排気バルブ８は、それぞれ吸気ポート５、排気ポート７の燃焼室３に臨む領域に設けられる環状のシートリング２０に接離する。

これらの吸気バルブ６及び排気バルブ８は、シリンダヘッド４側に設けたカムシャフトの回転によって、所定のタイミングで吸気弁孔５ａ、排気弁孔７ａを開閉する。吸気バルブ６及び排気バルブ８の軸部は、吸気ポート５、排気ポート７の内面に開口する軸挿通部から、シリンダヘッド４内のカムシャフト側へ引き出されている。吸気ポート５の軸挿通部５ｂは、図４（ｂ）に示すように、吸気ポート５における吸気弁孔５ａの上流側に位置する屈曲部５ｃ、又は、その屈曲部５ｃのすぐ上流側に開口している。

シートリング２０は、図１及び図２に示すように、吸気バルブ６が当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部２１と、そのバルブ当接部２１よりも奥部側に設けられ、奥部側からバルブ当接部２１側に向かって拡がるスロート部２２とを備える。

シートリング２０の外面２３、及び、流路の内面２４は平面視円形である。図１に示す符号ｒ１は、流路の半径を示す。符号ｒ２は、外面２３の半径を示す。ここで、シートリング２０の外面２３の中心線ｐ２に対して、流路の内面２４の中心線ｐ１は、シリンダボアの軸心ｘから遠い側、すなわち、吸気弁孔５ａの後端側へ距離ｗだけ偏心して配置されている。

吸気バルブ６の中心線は、シートリング２０の外面２３の中心線ｐ２に一致しているので、シートリング２０の流路の内面２４の中心線ｐ１は、吸気バルブ６の中心線に対して、同じく距離ｗだけシリンダボアの軸心ｘから遠い側、すなわち、吸気弁孔５ａの後端側へ偏心して配置されていることになる。以下、吸気バルブ６の中心線を、シートリング２０の外面２３の中心線ｐ２と同様に、符号ｐ２で表す。

スロート部２２の加工は、つぎのようにして行う。加工前のシートリング２０は、吸気ポート５の燃焼室３へ臨む部分に予め圧入されて、その吸気ポート５に固定されているものとする。

図３（ａ）に示すように、スロートカッタＡを吸気バルブ６の中心線ｐ２に一致する軸心に沿って吸気ポート５内へ所定量進入させる。スロートカッタＡを中心線ｐ２周りに回転させることにより、シートリング２０の内面の削り加工を行う。スロート部２２は、仕様によっては、シートリング２０の内面から吸気ポート５の内面に亘って連続的に加工される場合もある。スロートカッタＡの加工により、シートリング２０の内面、又は、シートリング２０の内面と吸気ポート５の内面に、円錐面又は球面等からなるスロート部２２を形成する。

バルブ当接部２１の加工は、つぎのようにして行う。スロートカッタＡを取り外した後、図３（ｂ）に示すように、シートカッタＢを吸気バルブ６の中心線ｐ２に一致する軸心に沿ってシートリング２０内へ所定量進入させる。シートカッタＢを中心線ｐ２周りに回転させることにより、シートリング２０の内面の削り加工を行う。シートカッタＢの加工により、シートリング２０の内面に、円錐面又は球面等からなるバルブ当接部２１を形成する。

なお、スロート部２２がバルブ当接部２１よりも先に加工される場合もあるし、バルブ当接部２１がスロート部２２よりも先に加工される場合もある。

図中の符号ｏ１は、シートリング２０の流路（シートリング２０の内面２４）の中心を示す。また、図中の符号ｏ２は、シートリング２０の外面２３の中心（吸気バルブ６の軸部の中心と一致）を示す。符号ｔ１は、前端側において、シートリング２０の外面２３から、スロート部２２及びバルブ当接部２１を除く部分の流路の内面２４に至る、シートリング２０の半径方向への最大厚部分の肉厚である。符号ｔ２は、後端側において、シートリング２０の外面２３から、スロート部２２及びバルブ当接部２１を除く部分の流路の内面２４に至る、シートリング２０の半径方向への最大厚部分の肉厚である。この肉厚は、ｔ１＞ｔ２の関係になっている。

このように、シートリング２０が、吸気バルブ６が当接するバルブ当接部２１と、そのバルブ当接部２１よりも奥部側にスロート部２２とを備えた吸気ポート構造において、シートリング２０の平面視円形の外面２３の中心線ｐ２に対して、同じく平面視円形の流路の内面２４の中心線ｐ１をシリンダボアの軸心ｘから遠い側へ偏心して配置したので、スロート部２２は、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端側よりも、シリンダボアの軸心ｘに近い前端側の方が、より奥部側へ深く形成することができる。

図２において、符号Ｌ２１ａは、前端側におけるバルブ当接部２１の深さ（母線方向の長さ。以下同じ。）である。符号Ｌ２１ｂは、後端側におけるバルブ当接部２１の深さである。バルブ当接部２１の深さは、吸気バルブ６との接触圧を全周に亘って均一とするため、この実施形態のように、Ｌ２１ａ＝Ｌ２１ｂの関係となっていることが望ましい。

また、符号Ｌ２２ａは、前端側におけるスロート部２２の深さ（母線方向の長さ。以下同じ。）である。符号Ｌ２２ｂは、後端側におけるスロート部２２の深さである。スロート部２２の深さは、Ｌ２２ａ＞Ｌ２２ｂの関係となっていることが望ましい。

スロート部２２をこのような形状としたことにより、前端側において、吸気をスムーズにシリンダボアの軸心ｘ、すなわち、燃焼室３の軸心ｘ側へ誘導すること、また、後端側において、吸気ポート５の内面からの吸気の剥離を抑制することで、タンブル比を向上させることができる。このため、構造を複雑にすることなく、燃料室３内のタンブル流を強化することができる。

また、シートリング２０の平面視円形の外面２３の中心線ｐ２に対して、同じく平面視円形の流路の内面２４の中心線ｐ１をシリンダボアの軸心ｘから遠い側へ偏心して配置したので、スロート部２２とバルブ当接部２１を加工するスロートカッタＡ、シートカッタＢを、吸気バルブ６の中心線ｐ２と同軸に配置した状態で施工でき、その作業を容易で高精度なものとできる。

図５に、この発明のタンブル比向上の効果を示す。従来のエンジンでは、流量とタンブル比とはトレードオフの関係にあり、流量を増大させるとタンブル比が減少してしまうという問題があった。しかし、この発明によれば、流量を増加させながらタンブル比を増加させることができるので、従来の流量とタンブル比とのトレードオフの関係を改善できる。

他の実施形態を、図６に示す。

図６に示す実施形態において、シートリング２０の流路の内面２４の上流側に連続する吸気ポート５の内面（以下、シートリング上流部３０と称する。）は、燃焼室３側からの下面視、すなわち、燃焼室３側からのシートリング２０の流路の中心線ｐ１方向に沿う平面視において、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端側に、シートリング２０の流路の内面２４と面一な内面一致部３２を備える。この実施形態では、図中の後端部３１ｄが内面一致部３２に相当する。

また、シートリング上流部３０のうち他の部分、すなわち、前記平面視において、シリンダボアの軸心ｘに近い前端側と、その前端側と後端側とを結ぶ両側の側方部に、シートリング２０の流路の内面２４よりも内側に突出する張り出し部３１を備える。この実施形態では、図６の前端部３１ｃと側方部３１ａ、３１ｂが、張り出し部３１に相当する。そして、シートリング上流部３０の断面形状は、前端部と後端部との間を結ぶ前後方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも大きく設定された、いわゆるオーバル形状となっている。

この張り出し部３１によって、シートリング上流部３０の流路の断面積は、シートリング２０の流路の断面積よりも小さくなる。これにより、吸気の燃焼室３内への流速をさらに高めることができる。

ここで、シートリング上流部３０のうち、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端部３１ｄには張り出し部３１を設けていない。張り出し部３１は、その後端部３１ｄを除く箇所に設けられる。これにより、シリンダ１の内周面に近い側での吸気の流量を確保しつつ、他の部分、すなわち、張り出し部３１を設けた側において流路を狭くして吸気の流速を高めることができる。このような、後端部３１ｄでの流量確保と、それ以外の側での流速向上により、シートリング２０の外面２３の中心線ｐ２と流路の内面２４の中心線ｐ１との偏心による前述の効果に加え、さらに、タンブル比を向上できることが実験により確認できた。

ここで、シートリング上流部３０、すなわち、シートリング２０の流路の内面２４の上流側に連続する吸気ポート５の内面とは、鋳物等の金属で構成される吸気ポート５の内面のうち、シートリング２０の直上に位置する部分を意味する。また、張り出し部３１とは、吸気ポート５内の流路の断面積を縮小するために設けられるものである。
このため、吸気バルブ６の軸部を支持する軸挿通部５ｂは、吸気ポート５の内面に突出する部分を有していても、それは張り出し部３１に該当しない。また、屈曲部５ｃの内面が、前記平面視において、シートリング２０の流路の内面２４から内側に見えていても、その屈曲部５ｃの内面は流路の断面積を縮小するためのものではないので、張り出し部３１には該当しない。シートリング上流部３０は、吸気ポート５の流路の断面積が、燃焼室３に向かって徐々に拡がる部分でもある。

なお、張り出し部３１の位置や形状の異なる変形例としては、例えば、前記平面視において、後端部３１ｄと前端部３１ｃ側に内面一致部３２を備え、両側の側方部３１ａ、３１ｂに張り出し部３１を備えた構成も採用できる。また、両方の側方部３１ａ、３１ｂのうち、いずれか一方の側方部にのみ張り出し部３１を設け、他方の側方部は内面一致部３２としてもよい。

いずれの場合も、シートリング上流部３０に張り出し部３１を設ける場合、シートリング上流部３０の断面形状は、シートリング２０の平面視円形の外面２３の中心線ｐ２と、同じく平面視円形の流路の内面２４の中心線ｐ１との偏心方向への内径、すなわち、前端側と後端側とを結ぶ前後方向への最大径が、両側の側方部間を結ぶ幅方向の最大径に対して大きく設定された形状であることが望ましい。

シートリング上流部３０を含む吸気ポート５は、鋳造によりシリンダヘッド４とともに製作される。シートリング上流部３０の断面形状は、張り出し部３１と内面一致部３２とが介在することにより真円ではないので、鋳造時の鋳物の型をこのような形状とするか、あるいは、鋳造後の部材を三次元マシニングセンタ等で切削加工する。

スロートカッタＡでの加工の際は、シートリング２０の削り加工と同時に、シートリング上流部３０を削り加工して、相互に滑らかな面で接続することが望ましい。シートリング上流部３０とシートリング２０の流路の内面２４とが滑らかに接続されている場合は、スロートカッタＡでの加工をシートリング２０のみとしてもよい。

これらの実施形態では、自動車用のディーゼルエンジンを例に、この発明の構成を説明したが、自動車用の４サイクルガソリンエンジン、その他各種用途、各種形式のエンジンにおいても、この発明を適用できる。

１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
４ シリンダヘッド
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 燃料噴射装置
２０ シートリング
２１ バルブ当接部
２２ スロート部
２３ シートリングの外面
２４ 流路の内面
３０ シートリング上流部
３１ 張り出し部
３２ 内面一致部
ｏ１ シートリングの流路の中心
ｏ２ シートリングの外面の中心
ｐ１ シートリングの流路の中心線
ｐ２ シートリングの外面の中心線

Claims (4)

1. エンジンの燃焼室に接続され吸気バルブによって開閉する吸気ポートと、
   前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、
   前記シートリングは、前記吸気バルブが当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部と、そのバルブ当接部よりも奥部側に設けられ奥部側から前記バルブ当接部側に向かって拡がるスロート部とを備え、
   前記シートリングの外面及び流路の内面は平面視円形であり、前記外面の中心線に対して前記流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置し、
   前記スロート部は、シリンダボアの軸心から遠い後端側よりも、シリンダボアの軸心に近い前端側の方が、より奥部側へ深く形成されている
   エンジンの吸気ポート構造。
2. 前記スロート部は、前記吸気バルブの中心線周りに回転するスロートカッタによって前記シートリングの内面又は前記吸気ポートの内面に加工されたものであり、
   前記バルブ当接部は、前記吸気バルブの中心線周りに回転するシートカッタによって前記シートリングの内面に加工されたものである
   請求項１に記載のエンジンの吸気ポート構造。
3. 前記バルブ当接部は、その深さが前記前端側と前記後端側で等しくなるよう形成されている請求項２に記載のエンジンの吸気ポート構造。
4. エンジンの燃焼室に接続され吸気バルブによって開閉する吸気ポートと、
   前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、
   前記シートリングは、前記吸気バルブが当接するように奥部側から燃焼室側に向かって拡がるバルブ当接部と、そのバルブ当接部よりも奥部側に設けられ奥部側から前記バルブ当接部側に向かって拡がるスロート部とを備えたエンジンの吸気ポートの製造方法において、
   前記シートリングの外面及び流路の内面は平面視円形であり、前記外面の中心線に対して前記流路の内面の中心線をシリンダボアの軸心から遠い側へ偏心して配置し、
   前記スロート部を、前記吸気バルブの中心線周りに回転するスロートカッタによって前記シートリングの内面又は前記吸気ポートの内面に加工し、
   前記バルブ当接部を、前記吸気バルブの中心線周りに回転するシートカッタによって前記シートリングの内面に加工する
   エンジンの吸気ポートの製造方法。

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