JP2019044631A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】強いタンブル流を形成できるシリンダヘッドを提供する。【解決手段】吸気ポート７の終端寄り部位の上面に、上傾斜案内面１８が形成されている。吸気ポート７の終端に形成した拡径部２１には吸気用バルブシート１５が装着されている。クランク軸線と直交すると共に吸気バルブ１３及び吸気弁用バルブシート１５の軸心を含む平面で切断した縦断正面視において、上傾斜案内面１８は直線で規定されるプロフィールであり、吸気用バルブシート１５の上部を、上傾斜案内面１８の延長線２２を挟んで吸気ポート７と反対側の上側に配置している。従って、段差面２１ａは吸気用バルブシート１５よりも吸気ポート７の中心側にはみ出している。吸気は、吸気用バルブシート１５に衝突することなく強く方向付けられた状態でシリンダボア５に噴出する。従って、強いタンブル流を形成できる。【選択図】図３

Description

本願発明は内燃機関のシリンダヘッドに関するものであり、特に、タンブル流の生成機能に特徴を有している。

内燃機関では、空気と燃料との混合性を高めるためにタンブル流を積極的に生成させており、そのための手段が多々提案されている。その例として特許文献１には、吸気ポートのうち下流側の端部に、半径が増大する吸気ポート拡幅部と、これに連続して半径を減少させた吸気調整部とを形成して、吸気調整部によって吸気を吸気ポートの中心線側に寄せることが開示されている。

特許文献１は、吸気ポート拡幅部によって吸気量を増大させつつ、吸気調整部によって吸気の流れに強い方向性を持たせようというものであり、タンブル流の強さを高い状態に維持しつつ、吸気量を増大させることができるとの説明が成されている。

特開２００５−６１３６８号公報

さて、タンブル流は、吸気をシリンダボアの壁面に当てることによって下向きに方向を変換し、次いでピストンの頂面の案内作用でシリンダボアを横切る方向に変換させることによって旋回流となすものであり、強いタンブル流を形成するためには、吸気ポートから噴出した吸気を拡散させずに強い方向性を持たせてシリンダボアに噴出させることと、吸気をできるだけ高い位置においてシリンダボアの壁面に当てることとが重要であるといえる。

特許文献１は、吸気ポートの下流端部に面積を絞った吸気調整部を形成することで吸気に方向性を持たせようとしているが、吸気調整部は内径が急激に変化しているため、吸気ポートの内面に沿って流れた吸気が吸気調整部に当たって大きく拡散して乱流化するおそれがあり、これが吸気の流れの方向性付与にマイナスの影響を与えることが懸念される。

また、内燃機関では、吸気ポートの下流側の端部に吸気バルブの傘部の外周部が当たるバルブシートを装着しており、特許文献１の場合は、バルブシートは、吸気調整部の下流側に配置していると推測される。従って、特許文献１の場合は、吸気がバルブシートに当たることは基本的にはなく、吸気ポートの内周面に沿って流れる吸気は、絞り部である吸気調整部に当たることになると推測される。

他方、特許文献１のような絞り部としての吸気調整部を備えていない場合、吸気ポートの軸線とバルブシートの軸線（吸気バルブの軸線）とが交差していることにより、吸気ポートの上面側を流れてきた吸気がバルブシートの側面に当たることが多く、このため、吸気がバルブシートに当たって下向きに方向変換したり、乱流化して方向性を低下させたりする現象があり、これが、タンブル流の強化を阻害する一因になっていた。

本願発明は、上記のような現状を改善すべく成されたものであり、吸気に強い方向性を付与して強いタンブル流を得ることを課題とするものである。

本願発明は、吸気の流れ方向から見て上流側の始端を吸気側面に開口させて下流側の終端をシリンダボアに開口させた吸気ポートを備えているシリンダヘッドに関するものであり、このシリンダヘッドは、
「動弁室の側を上としてシリンダブロックの側を下とした状態で、前記吸気ポートの上面のうち終端寄りの部位を、前記シリンダボアに向けて斜め下向きの上傾斜案内面に形成することにより、吸気が前記シリンダボアに向けて斜め下向きに噴出するようになっており、
かつ、前記吸気ポートの終端に、吸気バルブ用のバルブシートが下方から嵌着する拡径部を形成しており、このため、前記拡径部は、前記バルブシートの外周面が嵌まる内周面と、前記バルブシートの上端面が当たる下向きの段差面とを有している一方、
前記バルブシートの内周には、吸気バルブの傘部に対応したテーパ面が形成されている」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
前記吸気ポートの上傾斜案内面は、クランク軸線と直交しかつ前記バルブシートの中心を通る平面で切断した縦断正面視において直線状のプロフィールを成しており、かつ、前記縦断正面視において、前記バルブシートのうち前記吸気ポートの上傾斜案内面の側に位置した部分の全体又は大部分が、前記上傾斜案内面のプロフィールを成す直線の延長線を挟んで前記吸気ポートと反対側の上側に位置している。

本願発明では、吸気ポートの上面に沿って流れてきた吸気は、上傾斜案内面に方向性を付与されてシリンダボアに噴出するが、まず、上傾斜案内面が直線状のプロフィールであることにより、強い方向性が付与されている。

また、バルブシートの上部の全体又は大部分が、前記上傾斜案内面のプロフィールを成す直線の延長線を挟んで吸気ポートと反対側の上側に位置していることにより、上傾斜案内面に沿って流れてきた吸気がバルブシートの内周面に当たることを防止できるため、吸気の流れが方向変換したり、バルブシートに当たって乱流化したりすることはない。また、吸気がバルブシートに当たって下向きに方向変換することはないため、シリンダボアの高い位置に向けて吸気を噴出させることができる。

このように、本願発明によると、吸気に強い方向性を付与できることと、方向変換や乱流化を防止して強い方向性を維持できること、及び、シリンダボアのできるだけ高い位置に向けて吸気を噴出させることができることとが相まって、シリンダボアに強いタンブル流を形成することができる。その結果、空気と燃料との混合性を向上させて、燃費の向上や排気ガスの改善に貢献できる。しかも、構造は簡単であり、コストの増大も生じない。

吸気の流速が高くなると、僅かの突起等に当たっても大きな抵抗が発生して流れを乱す原因になるが、特許文献１のように絞り部である吸気調整部を形成すると、機関が高速になればなるほど吸気の乱れと圧損が大きくなると推測される。これに対して本願発明では、上傾斜案内面は直線状であるため、高速回転によって吸気の流れが高速化しても流れに乱れや圧損が生じることはない。この面でも、高い効果を発揮している。

本願発明者が解析したところ、本願発明は、吸気ポートの上面に沿って流れてきた吸気がバルブシートの内周面に当たっていたタイプに比べて、タンブル流の強さが８％向上するという結論を得た。従って、本願発明の効果は実証されているといえる。

実施形態をクランク軸線方向から見た縦断正面図（クランク軸線と直交すると共に１つの吸気弁の軸心を通る平面で切断した断面図）である。 開弁状態での要部拡大縦断正面図である。 作用を示す要部拡大縦断正面図である。 タンブル流の生成状態を示す縦断正面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本願では、方向を特定するため、上下と前後、左右の文言を使用するが、上下は、請求項で定義しているように、動弁室の側が上でシリンダブロックの側が下であり（従って、上下方向はシリンダボア方向と同じである。）、縦型エンジンの場合は、上下は鉛直方向と同じになる。スラント型エンジンやＶエンジンの場合は、シリンダボアの傾斜角度が大きくなると、上下方向は必ずしも鉛直方向とはいえなくなる。前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。

内燃機関の基本構造は従来と同様であり、機関本体の主要要素として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、両者の間にはガスケット３が挟まれている。シリンダブロック１には、ピストン４が摺動自在に配置されたシリンダボア５が、クランク軸線方向に沿って複数形成されている。

一方、シリンダヘッド２には、各シリンダボア５に対応して略円錐状の凹所（燃焼室）６が形成されていると共に、前後２本ずつの吸気ポート７と排気ポート８とが左右に分かれて形成されている。敢えて説明するまでもないが、吸気ポート７は、吸気の流れ方向に向かって上流側の始端７ａがシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口して、吸気の流れ方向に向かって下流側の終端７ｂが凹所６及びシリンダボア５に向けて開口している。排気ポート８は、凹所と排気側面とに開口している。凹所６の中央部には、点火プラグ（図示せず）の下端が露出している。

本実施形態では、２本の吸気ポート７はそれぞれ独立しており、従って、吸気マニホールド９にも、各気筒の箇所ごとに２本の吸気枝管１０が形成されているが、２本の吸気ポート７の始端７ａを１つに纏めて、途中で二股状に前記した構造もある。

各吸気ポート７の上面部のうち始端７ａに寄った部位には、インジェクタ用凹所１１が上向きに抉られた状態に形成されており、このインジェクタ用凹所１１に、燃料噴射インジェクタ１２のノズル１２ａを傾斜姿勢で配置している。本実施形態では、燃料噴射インジェクタ１２を吸気マニホールド９に取付けているが、シリンダヘッド２に取り付けることも可能である。

吸気ポート７の終端７ｂは吸気バルブ１３で開閉されて、排気ポート８の始端は排気バルブ１４で開閉される。従って、吸気ポート７の終端には、吸気用バルブシート１５が下方から装着されており、排気ポート８の始端には、排気用バルブシート１６が下方から装着されている。各バルブ１３，１４の弁軸１３ａ，１４ａは、ブッシュ１７を介して摺動自在に保持されている。

(2).要部の詳細
吸気ポート７の上面のうち、終端７ｂに近い側に、吸気バルブ１３の弁軸を挟んだ左右両側に広がった上傾斜案内面１８が形成されている。図１に示すように、吸気ポート７のうち終端部を除いた部分の基本中心線１９は、クランク軸線方向から見た縦断正面視（吸気用バルブシート１５の中心を通る平面で切った断面）で、概ね、シリンダヘッド２の下面に対して、４５度よりも小さい緩い角度θ１で斜め下向きに傾斜しているが、上傾斜案内面１８は、吸気ポート７の基本中心線１９に対して若干の角度θ２だけ下向きに傾斜している（なお、弁軸１３ａは、上傾斜案内面１８に貫通している。）。

従って、上傾斜案内面１８がシリンダヘッド２の下面に対して成す傾斜角度θ３は、吸気ポート７の基本中心線１９の傾斜角度θ２よりも少し大きくなっている。このように傾斜角度θ１、θ３が相違するのは、吸気ポート７の終端７ｂがシリンダボア軸心２０を挟んだ片側に位置していて、吸気ポート７の終端部をシリンダボアに向けて方向変換させなければならないことに起因している。なお、吸気ポート７の基本中心線１９の傾斜角度θ１を大きくすると、θ１＝θ３にすることができるが、この場合は、吸気マニホールド９の取付け位置が高くなるため、シリンダヘッド２の高さが高くなる等の問題が生じてくる。

吸気用バルブシート１５は、外周面と上端面とを有するリング構造であり、吸気ポート７の終端７ｂに形成した拡径部２１に嵌め込んでいる。従って、拡径部２１は、吸気用バルブシート１５の上端面が重なる段差面２１ａを有している。また、吸気用バルブシート１５の内周のうち上側にはストレート面１５ａが形成されて、その下端に下広がりの第１傾斜面１５ｂが連続し、更に、第１傾斜面１５ｂには、第１傾斜面１５ｂよりも広がり角度が大きい第２傾斜面１５ｃが連続している。

従って、吸気用バルブシート１５の内面には、第１及び第２の傾斜面１５ｂ，１５ｃから成るテーパ面が形成されている。また、ストレート面１５ａと第１傾斜面１５ｂとの連接部である第１角部１５ｄと、第１傾斜面１５ｂと第２傾斜面１５ｃとの連接部である第２角部１５ｅが形成されている。

吸気バルブ１３の傘部の外周は下広がりのテーパ面１３ｂになっているが、テーパ面１３ｂは、閉弁状態で、第２傾斜面１５ｃに重なるか、又は、第２角部１５ｅに線接触状態に重なっている。或いは、第２傾斜面１５ｃに続く第３傾斜面を形成して、第２傾斜面１５ｃと第３傾斜面との連接部である第３角部に、吸気バルブ１３のテーパ面１３ｂを線接触状態で当てることも可能である。更に、吸気用バルブシート１５のテーパ面及び吸気バルブ１３のテーパ面１３ｂのうちいずれか一方又は両方をラッパ状の曲面に形成して、両者を線接触状態で当てることも可能である。

そして、図２に明示するように、吸気バルブ１３及び吸気用バルブシート１５の軸心を含む平面で切断した縦断正面視において、吸気用バルブシート１５のうち上傾斜案内面１８の側に位置した部分の全体が、上傾斜案内面１８の上面のプロフィールを規定する直線の延長線２２を挟んで吸気ポート７と反対側の上側（点火プラグの側）に位置している。従って、拡径部２１の段差面２１ａは、上部において吸気用バルブシート１５の内側にはみ出している。なお、吸気用バルブシート１５の上部は、その大部分（例えば８割以上）が延長線２２の上側に位置していたらよい。

(4).上傾斜案内面の作用
図３では、従来の上傾斜案内面２３を点線で表示している。すなわち、この従来構造では、上傾斜案内面２３は下向きに凹んだ曲面になっており、その終端は、吸気用バルブシート１５の上角部の箇所に位置している。従って、この場合は、拡径部２１の段差面２１ａの上部の幅は吸気バルブ１３の上端面の幅と同じになっている。

そして、従来構造では、吸気ポート７の上面に沿って流れてきた吸気は、点線の矢印２４で示すように、上傾斜案内面２３に案内されて下向きに方向を変えてから吸気用バルブシート１５の内周面に当たることになり、このため、シリンダボア５に向かう吸気の流れが全体として下向きに方向変換させられる傾向を呈すると共に、吸気用バルブシート１５に衝突したときに乱流化するおそれがあるといった問題があり、結果として、タンブル流を強くすることに限度があった。

これに対して本実施形態では、上傾斜案内面１８が直線形状であることと、吸気が吸気用バルブシート１５に衝突しないこととが相まって、吸気を下向きに方向変換させることなく、できるだけシリンダボア５の上部に向かうように方向性を付与した状態のままで、勢いを殺さずにシリンダボア５にスムースに噴出させることができる。その結果、図４に示すように、シリンダボア５とピストン４との案内作用を利用して強いタンブル流Ｔを形成できる。

(5).吸気ポートの下面の構造
本実施形態は、吸気ポート７のうち終端寄りの部位の下面部にも改良を施している。すなわち、吸気ポート７の下面２５の基本形態は、クランク軸線方向から見た縦断正面視でほぼ直線のプロフィールになっているが、まず、第１の特徴として、終端寄りの部位のうち概ね上傾斜案内面１８の始端部と対向した部位に下部ガイド凹所２６を形成している。

次に、第２の特徴として、下部ガイド凹所２６よりも下流側の部位を、吸気ポート７の下面２５の基本形態を成す直線に対して斜め下向きに傾斜させて逃がし面２７と成している。下部ガイド凹所２６の長さＬは３０〜４０ｍｍ程度、最大深さは１ｍｍ程度である。吸気ポート７の下面２５に対して逃がし面２７の傾斜角度θ４は、５〜１０度程度に設定している。

図２に明示するように、下部ガイド凹所２６は、全体として曲面形状ではあるものの、最も深い部位２６ａを終端側に寄せている。従って、吸気ポート７の下面に沿って流れてきた吸気は、図３に矢印２８で示すように、下部ガイド凹所２６によって上向きに方向変換するような作用を受ける。つまり、吸気ポート７を流れてきた吸気は、下部ガイド凹所２６によって上向きに押し上げられる作用を受ける。

下部ガイド凹所２６は、上傾斜案内面１８よりも上流側に位置しているため、吸気は、下部ガイド凹所２６によって上向きに押されるような作用を受けて、吸気ポート７の上面に沿って流れる傾向を呈するが、上傾斜案内面１８が直線状でかつ吸気用バルブシート１５で方向変換することはないため、吸気は、上傾斜案内面１８によるガイド作用をフルに享受して、シリンダボア５に向かう強い流れが維持される。その結果、強いタンブル流Ｔが形成される。

従って、本実施形態では、上傾斜案内面１８と下部ガイド凹所２６とは、協働して強いタンブル流Ｔの生成に貢献している。また、下部ガイド凹所２６の深さは１ｍｍ程度であるため、機関が高速回転して吸気の流速が速くても、吸気の流れを大きく乱すようなことはなく、強いタンブル流Ｔを形成できる。また、圧損が生じることもない。

逃がし面２７は、吸気ポート７の終端部の断面積を大きくして、吸気の流れ抵抗を抑制する働きをしている。すなわち、吸気ポート７は逃がし面２７の箇所において最も断面積が小さくなっているが、吸気ポート７の上面に直線状の上傾斜案内面１８を形成したことよる断面積減少を、吸気ポート７の下面に逃がし面２７を形成することによって補っている。なお、逃がし面２７は、吸気ポート７の軸心方向から見て下向きに凹んだ凹所になっており、シリンダヘッド２の下面側からエンドミルを当てることにより、切削加工することができる（勿論、鋳込みによって形成してもよい。）。

上傾斜案内面１８の大部分の下方は凹所６及びシリンダボア５に開放されているので、逃がし面２７の断面積が少なくとも、吸気の流れ抵抗の増大になることはない。つまり、上傾斜案内面１８を直線形状にしたことによる吸気ポート７の断面積の低減は、上傾斜案内面１８の始端部の僅かの部分において問題になるのであり、この僅かの断面積の低減を下部の逃がし面２７によって補っているのである。

結局、本実施形態では、上傾斜案内面１８と下部ガイド凹所２６と逃がし面２７との三者が有機的に結合して、強いタンブル流Ｔの形成に貢献している。

本願発明は、実際に内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
４ ピストン
５ シリンダボア
６ 凹所（燃焼室）
７ 吸気ポート
７ａ 吸気ポートの始端
７ｂ 吸気ポート７終端
９ 吸気マニホールド
１３ 吸気バルブ
１３ｂ 傘部のテーパ面
１５ 吸気用バルブシート
１５ａ ストレート面
１５ｂ，１５ｃ テーパ面
１９ 吸気ポートの基本中心線
２１ 拡径部
２１ａ 段差面
１８ 上傾斜案内面
２２ 上傾斜案内面の延長線
２５ 吸気ポートの下面
２６ 下部ガイド凹所
２７ 逃がし面
Ｔ タンブル流

Claims (1)

1. 吸気の流れ方向から見て上流側の始端を吸気側面に開口させて下流側の終端をシリンダボアに開口させた吸気ポートを備えているシリンダヘッドであって、
   動弁室の側を上としてシリンダブロックの側を下とした状態で、前記吸気ポートの上面のうち終端寄りの部位を、前記シリンダボアに向けて斜め下向きの上傾斜案内面に形成することにより、吸気が前記シリンダボアに向けて斜め下向きに噴出するようになっており、
   かつ、前記吸気ポートの終端に、吸気バルブ用のバルブシートが下方から嵌着する拡径部を形成しており、このため、前記拡径部は、前記バルブシートの外周面が嵌まる内周面と、前記バルブシートの上端面が当たる下向きの段差面とを有している一方、
   前記バルブシートの内周には、吸気バルブの傘部に対応したテーパ面が形成されている構成であり、
   更に、前記吸気ポートの上傾斜案内面は、クランク軸線と直交しかつ前記バルブシートの中心を通る平面で切断した縦断正面視において直線状のプロフィールを成しており、かつ、前記縦断正面視において、前記バルブシートのうち前記吸気ポートの上傾斜案内面の側に位置した部分の全体又は大部分が、前記上傾斜案内面のプロフィールを成す直線の延長線を挟んで前記吸気ポートと反対側の上側に位置している、
   内燃機関のシリンダヘッド。

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