JP2019094782A - 内燃機関およびそれを備えた鞍乗型車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブスプリングの耐荷重性を維持しながら、ポート内の流体の乱れを抑制でき、または、小型化が可能な内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関５は、密巻部６２および粗巻部６３を有する吸気バルブスプリング６０を備えている。密巻部６２は、内燃機関５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ１の方向に互いに密着した状態となるように設けられている。粗巻部６３は、内燃機関５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ１の方向に互いに離反した状態となるように設けられている。密巻部６２の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６２は、粗巻部６３の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６３よりも小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関およびそれを備えた鞍乗型車両に関する。

例えば特許文献１に記載されているように、吸気口を有する吸気ポートと、吸気口を開閉する吸気バルブと、吸気口を閉じるように吸気バルブを付勢するバルブスプリングと、吸気口を周期的に開くように吸気バルブを押す吸気カムと、を備えた内燃機関がよく知られている。

図７は、そのような内燃機関の一例を示す部分断面図である。この内燃機関１００は、吸気口１０１ａを有する吸気ポート１０１と、吸気口１０１ａを開閉する吸気バルブ１１０と、吸気口１０１ａを閉じるように吸気バルブ１１０を付勢するバルブスプリング１２０と、吸気口１０１ａを周期的に開くように吸気バルブ１１０を押す吸気カム１０２と、を備えている。

バルブスプリング１２０は、コイル外径Ｄが一定の圧縮コイルスプリングからなっている。なお、圧縮コイルスプリングは、素線が螺旋状に巻かれることによって形成されている。吸気カム１０２が吸気バルブ１１０を押すと、吸気バルブ１１０は図７の下方に移動し、吸気口１０１ａを開く。この際、バルブスプリング１２０は収縮する。吸気カム１０２が回転してバルブスプリング１２０が伸張すると、吸気バルブ１１０は図７の上方に移動し、吸気口１０１ａを閉じる。吸気バルブ１１０の開閉に伴って、バルブスプリング１２０は収縮と伸張とを繰り返す。バルブスプリング１２０は常に圧縮された状態にあり、バルブスプリング１２０には常に荷重が加わっている。特に収縮時に、バルブスプリング１２０には大きな荷重が加わる。圧縮コイルスプリングでは、コイル外径Ｄが大きいほど、素線に発生する応力は小さくなる。そのため、コイル外径Ｄが大きいほど、バルブスプリング１２０の耐荷重性は高くなる。バルブスプリング１２０のコイル外径Ｄは、バルブスプリング１２０が収縮時の荷重に十分に耐えることができるように設定されている。コイル外径Ｄには、ある程度の大きさが必要である。

ところで、バルブスプリング１２０は、バルブスプリングシート１０３を介してシリンダヘッド１５０の一部分（以下、スプリング支持部分という）１５１に支持されている。スプリング支持部分１５１のうちバルブスプリングシート１０３が配置される面には、直径がコイル外径Ｄと等しい円の面積以上の面積が必要である。コイル外径Ｄは比較的大きいため、スプリング支持部分１５１の肉厚を確保するために、スプリング支持部分１５１の一部は吸気ポート１０１の方に出っ張ってしまう。そのため、吸気ポート１０１の内壁の一部１１１は、吸気ポート１０１の中心の方に突出してしまう。なお、図７における仮想線１１２は、スプリング支持部分１５１の一部が出っ張っていないと仮定した場合の吸気ポート１０１の内壁の位置を表している。

特開２０１１−３８４３８号公報

上記内燃機関１００では、吸気ポート１０１の内壁の一部１１１が出っ張っているため、吸気の流れが乱れることがある。一方、吸気ポート１０１の内壁の一部１１１が出っ張らないよう、バルブスプリングシート１０３および吸気カム１０２を、より上方に配置することが考えられる。しかし、その場合、シリンダヘッド１５０の上下方向の寸法が大きくなってしまい、内燃機関１００が大型化してしまう。

なお、上述の課題は、吸気ポート１０１だけでなく、排気ポート１３１においても同様に生じ得る課題である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バルブスプリングの耐荷重性を維持しながら、ポート内の流体の乱れを抑制でき、または、小型化が可能な内燃機関を提供することである。

本発明に係る内燃機関は、シリンダヘッドと、バルブと、第１バルブスプリングシートと、第２バルブスプリングシートと、バルブスプリングと、バルブリフタと、カムとを備える。前記シリンダヘッドには、燃焼室に向かって開いた開口を有するポートが形成されている。前記バルブは、バルブステムエンドと、前記バルブステムエンドから直線状に延び、前記シリンダヘッドに摺動可能に支持されたバルブステムと、前記バルブステムの先端部に設けられ、前記開口内に配置された弁体と、を有する。前記第１バルブスプリングシートは、前記シリンダヘッドに支持されている。前記第２バルブスプリングシートは、前記バルブの前記バルブステムエンドに支持されている。前記バルブスプリングは、前記第１バルブスプリングシートと前記第２バルブスプリングシートとの間に配置され、前記第１バルブスプリングシートと前記第２バルブスプリングシートとに支持された圧縮コイルスプリングからなっている。前記バルブリフタは、前記バルブステムエンドに支持されている。前記カムは、回転に伴って前記バルブリフタを周期的に押すように構成されている。前記バルブスプリングは、それぞれ螺旋状に一周しかつコイル軸線方向に並んだ複数の素線部を有している。前記複数の素線部は、前記第１バルブスプリングシートに支持された密巻部と、前記密巻部よりも前記第２バルブスプリングシートの方に配置された粗巻部とを含んでいる。前記密巻部は、前記内燃機関の運転が停止しているときに、前記コイル軸線方向に互いに密着した状態となるように設けられている。前記粗巻部は、前記内燃機関の運転が停止しているときに、前記コイル軸線方向に互いに離反した状態となるように設けられている。前記密巻部の少なくとも一部のコイル外径は、前記粗巻部の少なくとも一部のコイル外径よりも小さい。

上記内燃機関によれば、バルブスプリングの密巻部は、粗巻部よりもポートに近い位置に配置されている。密巻部の少なくとも一部のコイル外径は、粗巻部の少なくとも一部のコイル外径よりも小さい。そのため、バルブスプリングのうち、ポートに近い方の部分のコイル外径を比較的小さく抑えることができる。よって、ポートの内壁の一部が出っ張っていなくても、シリンダヘッドのスプリング支持部分の肉厚を確保することができる。したがって、ポートの内壁の出っ張りを少なくし、あるいは、なくすことにより、ポート内の流体の乱れを抑制することができる。また、バルブスプリングをポートにより近い位置に配置することとすれば、シリンダヘッドの寸法を小さくすることができる。よって、内燃機関を小型化することができる。

ところで、バルブスプリングのコイル外径を一律に小さくしただけでは、バルブスプリングの耐荷重性が低下してしまう。すなわち、密巻部および粗巻部の両方のコイル外径を小さくした場合、バルブスプリングの耐荷重性が低下してしまう。しかし、上記内燃機関によれば、バルブスプリングのうちコイル外径が小さい部分は、密巻部の少なくとも一部である。密巻部は、コイル軸線方向に互いに密着した部分であるため、コイル外径が小さくても、耐荷重性が高い。よって、上記内燃機関によれば、バルブスプリングの耐荷重性を維持しながら、ポート内の流体の乱れを抑制でき、または、内燃機関の小型化が可能となる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記密巻部のコイル外径は、前記第１バルブスプリングシートに近づくほど徐々に小さくなっている。

上記態様によれば、密巻部のコイル外径が徐々に変化しているので、コイル外径が急に変化する態様と異なり、密巻部に局所的に大きな応力が発生するおそれがない。バルブスプリングの耐荷重性を十分に確保することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記第１バルブスプリングシートは平ワッシャからなっている。

上記態様によれば、第１バルブスプリングシートを簡素化および低コスト化することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記内燃機関は、前記シリンダヘッドに支持された筒状のバルブガイドを備えている。前記バルブステムは、前記バルブガイドの内部に摺動可能に挿入されている。前記バルブガイドの一部は、前記バルブスプリングの前記密巻部の内側に配置されている。前記密巻部の少なくとも一部のコイル内径は、前記バルブガイドの外径と等しい。

上記態様によれば、密巻部の少なくとも一部は、バルブガイドに嵌め込まれる。密巻部の少なくとも一部は、バルブガイドの外周面と接触する。バルブガイドにより、密巻部の横方向の移動が規制される。そのため、バルブスプリングの伸縮時に、バルブスプリングがコイル軸線（＝バルブガイドの中心）からずれることが防止される。よって、バルブスプリングは、バルブステムの軸方向に沿って良好に伸縮する。

本発明の好ましい一態様によれば、前記バルブスプリングは、荷重をＰ、たわみをδ、ｋ２を定数ｋ１よりも大きな定数としたときに、荷重Ｐが０以上かつ第１荷重Ｐ１未満の場合はＰ＝ｋ１・δ、荷重が第１荷重Ｐ１以上の場合はＰ＝ｋ２・δ、となる特性を有している。

本発明の好ましい一態様によれば、前記バルブスプリングは、自然長にある状態から荷重を加えると、前記粗巻部が収縮せずかつ前記密巻部が収縮することによって前記密巻部が密着し、その後に前記粗巻部が収縮する特性を有している。

本発明の好ましい一態様によれば、前記ポートは、前記燃焼室に吸気を導く吸気ポートである。

上記態様によれば、吸気ポートにおける吸気の乱れを抑制することができる。そのため、燃焼室に対する吸気量の増大、燃焼室における吸気の流れの好適化などにより、内燃機関の性能を向上させることができる。

本発明の好ましい一態様によれば、前記内燃機関は、前記燃焼室の一部を区画するシリンダを有し、前記シリンダヘッドに接続されたシリンダボディを備えている。前記開口は、前記吸気ポートから前記燃焼室に前記吸気を導入する吸気口である。前記吸気ポートは、前記吸気口と逆側の開口である流入口を有している。前記シリンダヘッドにおける前記シリンダの中心線および前記流入口の中心線を通る断面において、前記シリンダの中心線と前記流入口の中心線とのなす角の角度が６０度以下である。

上記角度が小さいほど、吸気ポートとバルブスプリングとの距離が短くなる傾向がある。上記態様によれば、ポートの内壁の一部が出っ張っていなくてもシリンダヘッドのスプリング支持部分の肉厚を確保することができるという前述の効果が、より顕著に発揮される。

本発明の好ましい一態様によれば、前記バルブスプリングは、螺旋状の一本の素線によって形成されている。

本発明に係る鞍乗型車両は、前記内燃機関を備えた鞍乗型車両である。

本発明によれば、バルブスプリングの耐荷重性を維持しながら、ポート内の流体の乱れを抑制でき、または、小型化が可能な内燃機関を提供することができる。

実施形態に係る自動二輪車の側面図である。 実施形態に係る内燃機関の一部の断面図である。 上記内燃機関の吸気ポートの周辺部分の拡大断面図である。 吸気バルブスプリングの特性を表すグラフである。 上記内燃機関の排気ポートの周辺部分の拡大断面図である。 吸気バルブスプリングの一例を表す模式図である。 吸気バルブスプリングの他の一例を表す模式図である。 従来の内燃機関の一部の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。以下では、鞍乗型車両の一例として、図１に示す自動二輪車１について説明する。

自動二輪車１は、車体フレーム２と、車体フレーム２に支持された内燃機関（以下、エンジンという）５と、車体フレーム２に支持されたシート１１と、前輪３と、後輪４とを備えている。車体フレーム２は、ヘッドパイプ６と、ヘッドパイプ６から後方に延びるメインフレーム７とを有している。エンジン５はメインフレーム７に支持されている。ヘッドパイプ６には、ステアリングシャフト８が左右に回転可能に支持されている。ステアリングシャフト８の上部には、ハンドル９が固定されている。ステアリングシャフト８の下部にはフロントフォーク１０が設けられている。前輪３は、フロントフォーク１０に回転可能に支持されている。メインフレーム７にはピボット軸１２が設けられている。ピボット軸１２には、リアアーム１３の前端部が揺動可能に接続されている。後輪４はリアアーム１３の後端部に支持されている。後輪４とエンジン５とは、動力伝達部材の一例であるチェーン１４によって連結されている。

エンジン５は、図示しないクランク軸が収容されたクランクケース１５と、クランクケース１５に接続されたシリンダボディ１６と、シリンダボディ１６に接続されたシリンダヘッド１７と、シリンダヘッド１７に接続されたシリンダヘッドカバー１８とを有している。シリンダボディ１６の内部には、シリンダ１６ａ（図２参照）が設けられている。シリンダ１６ａ内には、図示しないピストンが配置されている。ピストンとクランク軸とは、図示しないコンロッドにより連結されている。シリンダヘッド１７には、吸気管１９と排気管２０とが接続されている。

図２は、エンジン５の一部の断面図である。図２に示すように、シリンダヘッド１７には、燃焼室２５に向かって開いた吸気口２１を有する吸気ポート２２と、燃焼室２５に向かって開いた排気口２３を有する排気ポート２４とが形成されている。エンジン５は、吸気バルブ３１と、排気バルブ４１と、吸気カム３２と、排気カム４２とを備えている。

吸気バルブ３１は吸気口２１を開閉する。吸気バルブ３１は、いわゆるポペットバルブ（Poppet Valve）である。吸気バルブ３１は、バルブステムエンド３３と、バルブステムエンド３３から直線状に延びるバルブステム３４と、バルブステム３４の先端部に設けられた弁体３５とを有している。シリンダヘッド１７には、円筒状のバルブガイド３６が嵌め込まれている。バルブステム３４は、バルブガイド３６に挿入されており、バルブガイド３６に摺動可能に支持されている。バルブステム３４は、バルブガイド３６を介して、シリンダヘッド１７に間接的に摺動可能に支持されている。弁体３５は茸形に形成されている。弁体３５は吸気口２１の内部に配置されている。吸気口２１にはバルブシート３７が嵌め込まれている。弁体３５は、バルブシート３７から離反することによって吸気口２１を開き、バルブシート３７に密着することによって吸気口２１を閉じるように構成されている。

シリンダヘッド１７には、第１バルブスプリングシート５１が支持されている。第１バルブスプリングシート５１は、平ワッシャからなっている。第１バルブスプリングシート５１は、平板状かつ円環状に形成されている。第１バルブスプリングシート５１の内側には、バルブガイド３６が挿入されている。バルブガイド３６は、第１バルブスプリングシート５１を貫通している。バルブステムエンド３３には、第２バルブスプリングシート５２が支持されている。第２バルブスプリングシート５２は、平板状の環状部５２ａと、環状部５２ａから第１バルブスプリングシート５１の方に延びる円筒部５２ｂとを有している。

図３に示すように、エンジン５は、第１バルブスプリングシート５１と第２バルブスプリングシート５２との間に配置された吸気バルブスプリング６０を備えている。吸気バルブスプリング６０は、第１バルブスプリングシート５１と第２バルブスプリングシート５２とに支持されている。吸気バルブスプリング６０は、圧縮コイルスプリングからなっている。吸気バルブスプリング６０は、螺旋状に巻かれた一本の素線６１によって形成されている。素線６１のうち螺旋状に一周した部分を素線部と称すると、吸気バルブスプリング６０は、コイル軸線Ｌ１の方向に並んだ複数の素線部を有している。

複数の素線部は、第１バルブスプリングシート５１に支持された密巻部６２と、密巻部６２よりも第２バルブスプリングシート５２の方に配置された粗巻部６３とを含んでいる。密巻部６２は、エンジン５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ１の方向に互いに密着した状態となるように設けられている。粗巻部６３は、エンジン５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ１の方向に互いに離反した状態となるように設けられている。密巻部６２の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６２は、粗巻部６３の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６３よりも小さい。なお、コイル外径とは、素線部のうちコイル軸線Ｌ１を中心として互いに反対側に位置する２つの部分のコイル半径方向の外端同士の距離を意味する。後述するコイル内径とは、素線部のうちコイル軸線Ｌ１を中心として互いに反対側に位置する２つの部分のコイル半径方向の内端同士の距離を意味する。

本実施形態では、粗巻部６３のコイル外径Ｄ６３は一定である。密巻部６２のコイル外径Ｄ６２は、第１バルブスプリングシート５１に近づくほど小さくなっている。ここでは、密巻部６２のコイル外径Ｄ６２は、第１バルブスプリングシート５１に近づくほど徐々に小さくなっている。言い換えると、コイル外径Ｄ６２は連続的に小さくなっている。吸気バルブスプリング６０の第１バルブスプリングシート５１の方の部分は、樽形に形成されている。ただし、コイル外径Ｄ６２は、非連続的に小さくなっていてもよい。例えば、コイル外径Ｄ６２は、段階的に小さくなっていてもよい。

吸気バルブスプリング６０は、第２バルブスプリングシート５２から第１バルブスプリングシート５１に向かって、一定のコイル外径Ｄ６３を有する部分と、コイル外径が上記コイル外径Ｄ６３よりも小さな部分とを有している。本実施形態では、一定のコイル外径Ｄ６３を有する部分は粗巻部６３であり、上記コイル外径Ｄ６３よりも小さなコイル外径を有する部分は密巻部６２である。しかし、一定のコイル外径Ｄ６３を有する部分は粗巻部６３の一部であり、上記コイル外径Ｄ６３よりも小さなコイル外径を有する部分は、粗巻部６３の残りの部分および密巻部６２であってもよい。あるいは、一定のコイル外径Ｄ６３を有する部分は粗巻部６３および密巻部６２の一部であり、上記コイル外径Ｄ６３よりも大きなコイル外径を有する部分は、密巻部６２の残りの部分であってもよい。

次に、吸気バルブスプリング６０の特性について説明する。図４は、吸気バルブスプリング６０の特性を表すグラフである。図４のグラフの横軸δ、縦軸Ｐは、それぞれたわみ、荷重を表す。図４に示すように、吸気バルブスプリング６０は、
荷重Ｐが０以上かつ第１荷重Ｐ１未満の場合は、Ｐ＝ｋ１・δ、
荷重が第１荷重Ｐ１以上の場合は、Ｐ＝ｋ２・δ、
となる特性を有している。ここで、ｋ１は定数、ｋ２はｋ１よりも大きな定数である。このように、吸気バルブスプリング６０は、２つのばね定数を有しており、途中からばね定数が変化する特性を有している。

吸気バルブスプリング６０は、自然長にある状態（すなわち、荷重が０の状態）から第１荷重Ｐ１以上の荷重を加えると、たわみδがδ１になるまで密巻部６２が収縮し、たわみδがδ１になった時点で密巻部６２が密着する。その後、密巻部６２が密着した状態のまま、粗巻部６３が収縮する。すなわち、吸気バルブスプリング６０は、自然長にある状態から第１荷重Ｐ１以上の荷重を加えると、始めに、粗巻部６３が収縮せずかつ密巻部６２が収縮することによって密巻部６２が密着し、その後に粗巻部６３が収縮する特性を有している。

吸気バルブスプリング６０は、エンジン５に組み込まれた状態では、第１荷重Ｐ１以上の荷重が加えられている。すなわち、吸気バルブスプリング６０は、第１バルブスプリングシート５１と第２バルブスプリングシート５２とに支持されることによって圧縮され、第１荷重Ｐ１以上の荷重が加えられている。そのため、エンジン５に組み込まれた吸気バルブスプリング６０は、エンジン５が停止しているときに、密巻部６２同士が密着し、粗巻部６３同士が離反した状態となる。

図３に示すように、バルブガイド３６の一部は、吸気バルブスプリング６０の密巻部６２の内側に配置されている。密巻部６２の少なくとも一部のコイル内径ｄ６２は、バルブガイド３６の外径Ｄ３６と等しい。密巻部６２の少なくとも一部は、バルブガイド３６の外周面に接触している。密巻部６２の少なくとも一部は、バルブガイド３６に嵌め込まれている。なお、粗巻部６３のコイル内径ｄ６３は、バルブガイド３６の外径Ｄ３６よりも大きい。粗巻部６３は、バルブガイド３６の外周面と接触していない。

バルブステムエンド３３にはバルブリフタ５５が支持されている。バルブリフタ５５は、円板部５５ａと、円板部５５ａから第１バルブスプリングシート５１の方に延びる円筒部５５ｂとを有している。吸気バルブスプリング６０の粗巻部６３の一部は、円筒部５５ｂの内側に配置されている。

バルブリフタ５５は吸気カム３２と接触している。吸気カム３２はバルブリフタ５５を第１バルブスプリングシート５１の方に押している。吸気カム３２は、吸気カム軸３９に設けられている。図示は省略するが、吸気カム軸３９はカムチェーンを介してクランク軸に連結されている。吸気カム軸３９はクランク軸と共に回転する。吸気カム３２は吸気カム軸３９の回転に伴って回転する。

図２に示すように、排気バルブ４１は排気口２３を開閉する。排気バルブ４１は吸気バルブ３１と同様、ポペットバルブである。排気バルブ４１は、バルブステムエンド４３と、バルブステムエンド４３から直線状に延びるバルブステム４４と、バルブステム４４の先端部に設けられた茸形の弁体４５とを有している。シリンダヘッド１７には円筒状のバルブガイド４６が嵌め込まれており、バルブステム４４はバルブガイド４６に摺動可能に支持されている。弁体４５は排気口２３の内部に配置されている。排気口２３にはバルブシート４７が嵌め込まれている。弁体４５は、バルブシート４７から離反することによって排気口２３を開き、バルブシート４７に密着することによって排気口２３を閉じるように構成されている。

図５に示すように、シリンダヘッド１７には、第３バルブスプリングシート５３が支持されている。第３バルブスプリングシート５３は、平板状の環状部５３ａと、環状部５３ａからバルブステム４４の軸方向に延びる円筒部５３ｂとを有している。第３バルブスプリングシート５３の内側には、バルブガイド４６が挿入されている。バルブステムエンド４３には、第４バルブスプリングシート５４が支持されている。第４バルブスプリングシート５４は、第２バルブスプリングシート５２と同様の形状を有している。

エンジン５は、第３バルブスプリングシート５３と第４バルブスプリングシート５４との間に配置された排気バルブスプリング７０を備えている。排気バルブスプリング７０は圧縮コイルスプリングからなっており、第３バルブスプリングシート５３と第４バルブスプリングシート５４とにより支持されている。排気バルブスプリング７０は、螺旋状に巻かれた一本の素線７１によって形成されている。素線７１のうち螺旋状に一周した部分を素線部と称すると、排気バルブスプリング７０は、コイル軸線Ｌ２の方向に並んだ複数の素線部を有している。

複数の素線部は、第３バルブスプリングシート５３に支持された密巻部７２と、密巻部７２よりも第４バルブスプリングシート５４の方に配置された粗巻部７３とを含んでいる。密巻部７２は、エンジン５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ２の方向に互いに密着した状態となるように設けられている。粗巻部７３は、エンジン５の運転が停止しているときに、コイル軸線Ｌ２の方向に互いに離反した状態となるように設けられている。排気バルブスプリング７０は、吸気バルブスプリング６０と異なり、コイル外径が一定に形成されている。密巻部７２のコイル外径Ｄ７２は、粗巻部７３のコイル外径Ｄ７３と等しい。密巻部７２のコイル内径ｄ７２は粗巻部７３のコイル内径ｄ７３と等しい。また、密巻部７２のコイル内径ｄ７２は、第３バルブスプリングシート５３の円筒部５３ｂの外径と等しい。

バルブステムエンド４３にはバルブリフタ５６が支持されている。バルブリフタ５６は、円板部５６ａと、円板部５６ａから第３バルブスプリングシート５３の方に延びる円筒部５６ｂとを有している。排気バルブスプリング７０の一部は、円筒部５６ｂの内側に配置されている。

バルブリフタ５６は排気カム４２と接触している。排気カム４２はバルブリフタ５６を第３バルブスプリングシート５３の方に押している。排気カム４２は、排気カム軸４９に設けられている。図示は省略するが、排気カム軸４９はカムチェーンを介してクランク軸に連結されている。排気カム軸４９はクランク軸と共に回転する。排気カム４２は排気カム軸４９の回転に伴って回転する。

図２に示すように、吸気ポート２２は、吸気口２１と逆側の開口である流入口２８を有している。本実施形態では、シリンダヘッド１７におけるシリンダ１６ａの中心線（以下、シリンダ軸線という）Ｌ３と流入口２８の中心線Ｌ４とを通る断面において、シリンダ軸線Ｌ３と流入口２８の中心線Ｌ４とのなす角の角度θは、６０度以下である。ただし、本実施形態は一例に過ぎず、角度θは必ずしも６０度以下でなくてもよい。

以上が本実施形態に係るエンジン５の構成である。次に、吸気バルブ３１および排気バルブ４１の動作について説明する。

吸気カム３２の回転に伴って、吸気カム３２はバルブリフタ５５を第１バルブスプリングシート５１の方に周期的に押す。吸気カム３２がバルブリフタ５５を押す力が、吸気バルブスプリング６０が第２バルブスプリングシート５２を吸気カム３２の方に押す力よりも大きくなると、吸気バルブ３１は図２の下方に移動する。その結果、吸気バルブ３１の弁体３５はバルブシート３７から離れ、吸気口２１を開く。これにより、吸気ポート２２から燃焼室２５に向けて、吸気が吸い込まれる。吸気カム３２がバルブリフタ５５を押す力が、吸気バルブスプリング６０が第２バルブスプリングシート５２を吸気カム３２の方に押す力よりも小さくなると、吸気バルブ３１は図２の上方に移動する。その結果、吸気バルブ３１の弁体３５はバルブシート３７に密着し、吸気口２１を閉じる。

排気カム４２の回転に伴って、排気カム４２はバルブリフタ５６を第３バルブスプリングシート５３の方に周期的に押す。排気カム４２がバルブリフタ５６を押す力が、排気バルブスプリング７０が第４バルブスプリングシート５４を排気カム４２の方に押す力よりも大きくなると、排気バルブ４１は図２の下方に移動する。その結果、排気バルブ４１の弁体４５はバルブシート４７から離れ、排気口２３を開く。これにより、燃焼室２５から排気ポート２４に向けて、排ガスが流出する。排気カム４２がバルブリフタ５６を押す力が、排気バルブスプリング７０が第４バルブスプリングシート５４を排気カム４２の方に押す力よりも小さくなると、排気バルブ４１は図２の上方に移動する。その結果、排気バルブ４１の弁体４５はバルブシート４７に密着し、排気口２３を閉じる。

吸気カム３２の回転に伴い、吸気バルブ３１は吸気口２１を開閉する動作を繰り返し行う。吸気バルブ３１は、図２の下方および上方への移動を繰り返し行う。それにより、吸気バルブスプリング６０は、収縮および伸張を繰り返す。前述したように、吸気バルブスプリング６０は密巻部６２と粗巻部６３とを有している（図３参照）。密巻部６２は互いに密着しているので、吸気バルブ３１が移動しても、収縮および伸張は行わない。粗巻部６３は、吸気バルブ３１の移動に伴い、収縮および伸縮する。

吸気バルブスプリング６０には、吸気カム３２による荷重が加えられる。素線６１が渦巻き状に巻かれてなる圧縮コイルスプリングでは、コイル軸線Ｌ１の方向に荷重が加わった場合、粗巻部６３の素線６１の各部分に、上記荷重に応じた軸線方向の応力が発生する。粗巻部６３では、素線６１の軸線方向の応力はコイル外径が大きいほど小さくなるという性質がある。そのため、粗巻部６３は、コイル外径が大きいほど耐荷重性が高いという性質を有する。吸気バルブスプリング６０の耐荷重性を高めるためには、粗巻部６３のコイル外径は大きいほど好ましい。

ところで、吸気バルブスプリング６０が密巻部６２を有していない場合、エンジン５の回転速度が大きくなったときなどにおいて、粗巻部６３がサージングを起こすおそれがある。すなわち、粗巻部６３の振動が不安定になるおそれがある。しかし、吸気バルブスプリング６０が密巻部６２を有している場合、密巻部６２は粗巻部６３の不安定な振動を抑制する役割を果たす。そのため、サージングが生じにくい。

密巻部６２はコイル軸線Ｌ１の方向に互いに密着している。そのため、密巻部６２に対してコイル軸線Ｌ１の方向に荷重が加わった場合、密巻部６２は全体が一つの剛体となって、上記荷重を支えることができる。よって、密巻部６２のコイル外径が比較的小さくても、密巻部６２のコイル軸線Ｌ１の方向の耐荷重性を確保することができる。

本実施形態に係るエンジン５によれば、吸気バルブスプリング６０の密巻部６２の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６２は、粗巻部６３の少なくとも一部のコイル外径Ｄ６３よりも小さい。吸気バルブスプリング６０のうち、吸気ポート２２に近い部分のコイル外径を比較的小さく抑えることができる。よって、吸気ポート２２の内壁２２Ｗが吸気ポート２２の中心に向かって出っ張っていなくても、シリンダヘッド１７のスプリング支持部分１７Ａの肉厚を確保することができる。図２に示すように、排気ポート２４の内壁には、排気ポート２４の中心に向かって出っ張った突部２４Ｐが形成されている。一方、吸気ポート２２の内壁２２Ｗには、そのような突部は存在しない。本実施形態に係るエンジン５によれば、吸気ポート２２の内壁２２Ｗの突部をなくすことにより、吸気ポート２２内の吸気の乱れを抑制することができる。これにより、燃焼室２５の吸気量を増加させ、または、燃焼室２５内の吸気の流れを良好にすることができ、燃費を向上することができる。

粗巻部６３のコイル外径Ｄ６３は密巻部６２のコイル外径Ｄ６２よりも大きいので、粗巻部６３のコイル軸線Ｌ１の方向の耐荷重性を確保することができる。一方、前述の通り、密巻部６２はコイル外径Ｄ６２が小さくても、コイル軸線Ｌ１の方向の耐荷重性が高い、よって、本実施形態によれば、吸気バルブスプリング６０の一部のコイル外径が小さいにも拘わらず、吸気バルブスプリング６０のコイル軸線Ｌ１の方向の耐荷重性を確保することができる。したがって、本実施形態に係るエンジン５によれば、吸気バルブスプリング６０の耐荷重性を維持しながら、吸気ポート２２内の吸気の乱れを抑制することができる。

なお、本実施形態では、吸気ポート２２の内壁２２Ｗに突部が存在しないが、内壁２２Ｗの一部に、従来よりも突出量が小さい突部があってもよい。また、突出量が従来と同等の突部があってもよい。その場合、シリンダヘッド１７のスプリング支持部分１７Ａの肉厚を確保しながら、第１バルブスプリングシート５１、吸気バルブスプリング６０、第２バルブスプリングシート５２、バルブリフタ５５、吸気カム３２、および吸気カム軸３９の位置を、より吸気口２１に近い位置に変更することができる。これにより、シリンダヘッド１７およびシリンダヘッドカバー１８のシリンダ軸線Ｌ３（図２参照）の方向の寸法を小さくすることができる。エンジン５の車両上下方向の寸法を小さくすることができる。従来と同等の性能を確保しながら、エンジン５を小型化することができる。よって、吸気バルブスプリング６０の耐荷重性を維持しながら、エンジン５を小型化することが可能である。

密巻部６２のコイル外径Ｄ６２は、第１バルブスプリングシート５１に近づくほど段階的に小さくなっていてもよいが、本実施形態では、徐々に小さくなっている。密巻部６２のコイル外径Ｄ６２が徐々に変化しているので、コイル外径Ｄ６２が急に変化する態様と異なり、密巻部６２に局所的に大きな応力が発生するおそれがない。よって、吸気バルブスプリング６０の耐荷重性を十分に確保することができる。

本実施形態に係るエンジン５によれば、密巻部６２の少なくとも一部のコイル内径ｄ６２は、バルブガイド３６の外径Ｄ３６と等しい、密巻部６２の少なくとも一部は、バルブガイド３６に嵌め込まれている。密巻部６２の少なくとも一部は、バルブガイド３６の外周面と接触している。バルブガイド３６により、密巻部６２の横方向（コイル軸線Ｌ１と垂直な方向）の移動が規制される。そのため、吸気バルブスプリング６０の伸縮時に、吸気バルブスプリング６０がコイル軸線Ｌ１上からずれることが防止される。よって、吸気バルブスプリング６０は、バルブステム３４の軸方向に沿って良好に伸縮する。

また、本実施形態に係るエンジン５によれば、吸気バルブスプリング６０がコイル軸線Ｌ１上からずれないので、第１バルブスプリングシート５１として、平板状の平ワッシャを用いることができる。そのため、第１バルブスプリングシート５１を簡素化および低コスト化することができる。

ところで、シリンダ軸線Ｌ３と吸気ポート２２の流入口２８の中心線Ｌ４とのなす角の角度θが小さいほど、吸気ポート２２と吸気バルブスプリング６０との距離が短くなる傾向がある。本実施形態では、θは６０度以下である。本実施形態に係るエンジン５は、吸気ポート２２と吸気バルブスプリング６０との距離が短いエンジンである。このようなエンジンでは、吸気ポート２２の内壁２２Ｗが出っ張っていなくてもシリンダヘッド１７のスプリング支持部分１７Ａの肉厚を確保することができるという前述の効果は、より顕著に発揮される。

以上、本発明の実施の一形態について説明した。しかし、前記実施形態は一例に過ぎない。他にも種々の実施形態が可能である。

前記実施形態では、排気バルブスプリング７０の密巻部７２のコイル外径Ｄ７２は、粗巻部７３のコイル外径Ｄ７３と等しい。しかし、密巻部７２の少なくとも一部のコイル外径Ｄ７２を粗巻部７３のコイル外径Ｄ７３よりも小さくしてもよい。この場合、排気ポート２４の内壁の突部２４Ｐをなくしてもよい。これにより、排気ポート２４における排ガスの流れを円滑化することができる。また、突部２４Ｐを残しつつ、シリンダヘッド１７およびシリンダヘッドカバー１８のシリンダ軸線Ｌ３の方向の寸法を小さくしてもよい。

図６Ａに模式的に示すように、コイル軸線Ｌ１を含む断面において、密巻部６２のコイル半径方向の外端同士を繋いだ線は、放物線Ｌ１１であってもよい。すなわち、密巻部６２は、樽状に形成されていてもよい。図６Ｂに模式的に示すように、コイル軸線Ｌ１を含む断面において、密巻部６２のコイル半径方向の外端同士を繋いだ線は、直線Ｌ１２であってもよい。すなわち、密巻部６２は、円錐状に形成されていてもよい。密巻部６２の形状は特に限定されない。

前記実施形態では、吸気カム３２はバルブリフタ５５と直接接触している。吸気カム３２はバルブリフタ５５を直接押すように構成されている。しかし、吸気カム３２とバルブリフタ５５との間に、ロッカアームなどの他の部材が介在していてもよい。吸気カム３２はバルブリフタ５５を間接的に押すように構成されていてもよい。

第１バルブスプリングシート５１は平ワッシャに限られない。第１バルブスプリングシート５１は、第３バルブスプリングシート５３と同様、平板状かつ円環状の円板部と、円板部からバルブステム３４の軸方向に延びる円筒部とを有していてもよい。

前記実施形態では、密巻部６２の少なくとも一部のコイル内径ｄ６２は、バルブガイド３６の外径Ｄ３６と等しい。しかし、密巻部６２の全てのコイル内径ｄ６２がバルブガイド３６の外径Ｄ３６よりも大きくてもよい。

前記実施形態では、吸気バルブスプリング６０は、螺旋状の一本の素線６１によって形成されている。しかし、吸気バルブスプリング６０は、互いに接続された螺旋状の二本以上の素線によって形成されていてもよい。

鞍乗型車両は、乗員が跨がって乗車する車両のことである。前記実施形態に係る鞍乗型車両は、自動二輪車１である。しかし、鞍乗型車両は自動二輪車１に限られない。鞍乗型車両は、自動三輪車、ＡＴＶ（All Terrain Vehicle）などであってもよい。

ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではない。ここに示されかつ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、本発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものである。この開示は本発明の原理の実施形態を提供するものと見なされるべきである。それらの実施形態は、本発明をここに記載しかつ／又は図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、実施形態がここに記載されている。ここに記載した実施形態に限定されるものではない。本発明は、この開示に基づいて当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ、改良及び／又は変更を含むあらゆる実施形態をも包含する。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施形態に限定されるべきではない。

１…自動二輪車（鞍乗型車両）、５…内燃機関、１６…シリンダボディ、１６ａ…シリンダ、１７…シリンダヘッド、２１…吸気口（開口）、２２…吸気ポート（ポート）、２５…燃焼室、２８…流入口、３２…吸気カム（カム）、３３…バルブステムエンド、３４…バルブステム、３５…弁体、３６…バルブガイド、５１…第１バルブスプリングシート、５２…第２バルブスプリングシート、５５…バルブリフタ、６０…吸気バルブスプリング（バルブスプリング）、６１…素線、６２…密巻部、６３…粗巻部

Claims (10)

1. 内燃機関において、
   燃焼室に向かって開いた開口を有するポートが形成されたシリンダヘッドと、
   バルブステムエンドと、前記バルブステムエンドから直線状に延び、前記シリンダヘッドに摺動可能に支持されたバルブステムと、前記バルブステムの先端部に設けられ、前記開口内に配置された弁体と、を有するバルブと、
   前記シリンダヘッドに支持された第１バルブスプリングシートと、
   前記バルブの前記バルブステムエンドに支持された第２バルブスプリングシートと、
   前記第１バルブスプリングシートと前記第２バルブスプリングシートとの間に配置され、前記第１バルブスプリングシートと前記第２バルブスプリングシートとに支持された圧縮コイルスプリングからなるバルブスプリングと、
   前記バルブステムエンドに支持されたバルブリフタと、
   回転に伴って前記バルブリフタを周期的に押すカムと、を備え、
   前記バルブスプリングは、それぞれ螺旋状に一周しかつコイル軸線方向に並んだ複数の素線部を有し、
   前記複数の素線部は、前記第１バルブスプリングシートに支持された密巻部と、前記密巻部よりも前記第２バルブスプリングシートの方に配置された粗巻部と、を含み、
   前記密巻部は、前記内燃機関の運転が停止しているときに、前記コイル軸線方向に互いに密着した状態となるように設けられており、
   前記粗巻部は、前記内燃機関の運転が停止しているときに、前記コイル軸線方向に互いに離反した状態となるように設けられており、
   前記密巻部の少なくとも一部のコイル外径は、前記粗巻部の少なくとも一部のコイル外径よりも小さい、内燃機関。
2. 前記密巻部のコイル外径は、前記第１バルブスプリングシートに近づくほど徐々に小さくなっている、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第１バルブスプリングシートは、平ワッシャからなっている、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記シリンダヘッドに支持された筒状のバルブガイドを備え、
   前記バルブステムは、前記バルブガイドの内部に摺動可能に挿入され、
   前記バルブガイドの一部は、前記バルブスプリングの前記密巻部の内側に配置され、
   前記密巻部の少なくとも一部のコイル内径は、前記バルブガイドの外径と等しい、請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
5. 前記バルブスプリングは、荷重をＰ、たわみをδ、ｋ２を定数ｋ１よりも大きな定数としたときに、
   荷重Ｐが０以上かつ第１荷重Ｐ１未満の場合は、Ｐ＝ｋ１・δ、
   荷重が第１荷重Ｐ１以上の場合は、Ｐ＝ｋ２・δ、
   となる特性を有している、請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関。
6. 前記バルブスプリングは、自然長にある状態から荷重を加えると、前記粗巻部が収縮せずかつ前記密巻部が収縮することによって前記密巻部が密着し、その後に前記粗巻部が収縮する特性を有している、請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関。
7. 前記ポートは、前記燃焼室に吸気を導く吸気ポートである、請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関。
8. 前記燃焼室の一部を区画するシリンダを有し、前記シリンダヘッドに接続されたシリンダボディを備え、
   前記開口は、前記吸気ポートから前記燃焼室に前記吸気を導入する吸気口であり、
   前記吸気ポートは、前記吸気口と逆側の開口である流入口を有し、
   前記シリンダヘッドにおける前記シリンダの中心線および前記流入口の中心線を通る断面において、前記シリンダの中心線と前記流入口の中心線とのなす角の角度が６０度以下である、請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記バルブスプリングは、螺旋状の一本の素線によって形成されている、請求項１〜８のいずれか一つに記載の内燃機関。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の内燃機関を備えた鞍乗型車両。

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