JP2019143518A - 吸気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】スワールを抑制することにより、燃焼効率の悪化を防止する。【解決手段】シリンダヘッドに設けられたヘリカル型の吸気ポート１２Ａと、吸気マニホールド２０に設けられ吸気ポート１２Ａと接続されるポート接続部２０Ｄとを備え、吸気ポート１２Ａの入口径に対してポート接続部２０Ｄの出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれている。【選択図】図２

Description

本開示は、吸気構造に関し、特に、ガス燃料を用いたエンジンの吸気構造に関する。

ディーゼルエンジンにおいては、シリンダ内で燃料と吸入空気とが混合されるが、これらの混合状態が燃焼効率に大きく影響する。このため、吸入空気にシリンダ軸を中心とする旋回流（スワール）を発生させ、燃料と吸入空気の混合を促進している。スワールを発生させるために、一般的には、吸気ポートの内周面を螺旋状に形成したヘリカルポートが用いられる。さらに、ヘリカルポートの構造の一部を改良することにより、スワールを強化することが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００３-２８６８５１号公報 特開２００９-１９１６８２号公報

一方、ガス燃料を用いたエンジンの場合、ガソリンエンジンと同様に、シリンダ内に設けられたスパークプラグで点火して、空気と燃料が混ざった混合気を燃焼させている。このため、シリンダ内でスワールが強くなり過ぎると、スパークプラグで失火が起こり、燃焼効率が悪化することがある。

本開示の技術は、スワールを抑制することにより、燃焼効率の悪化を防止することを目的とする。

本開示の技術は、シリンダヘッドに設けられたヘリカル型の吸気ポートと、吸気マニホールドに設けられ前記吸気ポートと接続されるポート接続部とを備え、前記吸気ポートの入口径に対して前記ポート接続部の出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれていることを特徴とする。なお、本明細書において、「出口径が外側から中心方向へ」の「外側」とは、ポート接続部の出口で、ヘリカル型の吸気ポート内の外周りの流れに繋がる流れの箇所をいう。

また、前記吸気ポートの入口径に対して前記ポート接続部の出口径が小さく形成され、前記ポート接続部の前記外側の部分に段差部が形成されていてもよい。

また、前記吸気ポートの外径及び前記ポート接続部の外径よりも小径の開口部を有するガスケットを備え、前記ガスケットが前記吸気ポートと前記ポート接続部との接続部分に介装されることにより、前記ポート接続部の出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれ、前記ポート接続部の前記外側の部分に遮蔽部が形成されていてもよい。

さらに、前記シリンダヘッドには点火プラグが装着されていてもよく、前記吸気ポートに、ガス燃料と空気との混合気が導入されてもよい。

本開示の技術によれば、スワールを抑制することにより、燃焼効率の悪化を防止することができる。

各実施形態に係る吸気構造に用いられる内燃機関の吸排気系の一例を示す模式的な全体構成図である。 第１実施形態に係る吸気構造を示す模式図である。 第２実施形態に係る吸気構造を示す模式図である。 第２実施形態に係る吸気構造に用いられるガスケットの一例を示す平面図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る吸気構造について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
（全体構成）
図１は、各実施形態に係る吸気構造に用いられる内燃機関の吸排気系の一例を示す模式的な全体構成図である。内燃機関としてのエンジンＥは、主として、シリンダヘッド及びシリンダブロック等で構成されるエンジン本体部１０を備えている。エンジン本体部１０のシリンダブロックには、不図示のピストンを往復移動可能に収容する複数のシリンダ（以下、気筒）＃１〜＃４が設けられている。また、エンジン本体部１０のシリンダヘッドには、吸気ポート１２Ａ，Ｂ及び排気ポート１３Ａ，Ｂが形成されている。

なお、図示例において、エンジンＥは４気筒直列エンジンとして示されているが、これには限定されず、単気筒、或いは、４気筒以外の多気筒エンジンであってもよい。また、エンジンＥは、各気筒＃１〜＃４に対して２つの吸気ポート１２Ａ，Ｂ及び２つの排気ポート１３Ａ，Ｂが設けられた４バルブエンジンとして示されているが、２バルブエンジンであってもよい。

エンジン本体部１０のシリンダヘッドの吸気側には、各吸気ポート１２Ａ，Ｂに吸気（新気及び、又は新気とＥＧＲガスとの混合気）を分配する吸気マニホールド２０が取り付けられている。吸気マニホールド２０は、後述する吸気管５０及びＥＧＲ配管７１と接続される管接続部２０Ａと、吸気を各気筒＃１〜＃４に分配する吸気分配部２０Ｂと、吸気分配部２０Ｂにて分配された吸気を各吸気ポート１２Ａ，Ｂに供給するための吸気導入部２０Ｃと、吸気導入部２０Ｃから二股に分岐形成され、各吸気ポート１２Ａ，Ｂにそれぞれ接続されるポート接続部２０Ｄ，Ｅと、を一体に備えている。

また、吸気分配部２０Ｂの排気側でかつ各吸気導入部２０Ｃの吸気側には、天然ガス等の燃料を噴射して吸気と予混合させるインジェクタ２４がそれぞれ設けられている。さらに、吸気マニホールド２０には、吸気管５０が接続されている。吸気管５０には、上流側から順に、エアクリーナ５１、過給機８０のコンプレッサ８１、インタークーラ５２、吸気スロットルバルブ５３等が設けられている。

エンジン本体部１０のシリンダヘッドの排気側には、各排気ポート１３Ａ，Ｂから排気を集合させる排気マニホールド６０が取り付けられている。排気マニホールド６０には、排気管６１が接続されている。排気管６１には、上流側から順に、過給機８０のタービン８２、排気浄化装置８３等が設けられている。

ＥＧＲ装置７０は、例えば、高圧ＥＧＲ装置であって、タービン８２よりも上流側の排気管６１（又は、排気マニホールド６０）から分岐して吸気マニホールド２０に合流するＥＧＲ配管７１と、ＥＧＲ配管７１に設けられたＥＧＲクーラ７２と、ＥＧＲ配管７１のＥＧＲクーラ７２よりも下流側に設けられたＥＧＲバルブ７３と、逆止弁として機能するリードバルブ７４とを備えている。ＥＧＲ装置７０は、エンジンＥの運転状態に応じて、不図示のコントロールユニットによりＥＧＲバルブ７３の開閉度が制御されることにより、ＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が適宜に調整されるようになっている。なお、ＥＧＲ装置７０は、低圧ＥＧＲ装置であってもよい。

以下、図面に基づいて、各実施形態に係る吸気構造の詳細について説明する。なお、図１における気筒＃１〜＃４は、それぞれ同一の構造を有するため、以下、気筒＃１についてのみ説明する。
［第１実施形態］
（本実施形態の構成）
図２は、第１実施形態に係る吸気構造を示す模式図である。

本実施形態に係る吸気構造においては、気筒＃１の上面に、２個の吸気孔１４，１５が形成されると共に、２個の排気孔１６，１７が形成される。これら４個の吸排気孔１４，１５，１６，１７は略四角状に配置されている。吸気孔１４，１５では、気筒＃１内で生じるスワール方向Ｓの上流側に位置する吸気孔１４に吸気ポート１２Ａが接続され、下流側に位置する吸気孔１５に吸気ポート１２Ｂが接続される。

吸気ポート１２Ａは、スワールを形成するために、例えば、ヘリカル型吸気ポートとされる。ヘリカル型吸気ポートは、その吸気孔１４近傍が螺旋形状に形成されている。他方、吸気ポート１２Ｂは、例えば、その軸線がシリンダ軸心を中心とする仮想円に略接するタンジェンシャルポートとされる。また、排気孔１６，１７には、それぞれ排気ポート１３Ａ，１３Ｂが接続される。さらに、シリンダ上面の中央近傍には、空気と燃料が混ざった混合気を点火して燃焼させるためのスパークプラグ１８が配置される。

また、本実施形態では、吸気ポート１２Ａとポート接続部２０Ｄとの接続部分において、吸気ポート１２Ａの入口径に対してポート接続部２０Ｄの出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれ、当該外側の部分に段差部２５が形成されている。

これに対して、ポート接続部２０Ｅの外径と吸気ポート１２Ｂの外径とは、ほぼ等しく形成されている。
（本実施形態の作用・効果（１）
天然ガス等の燃料と吸気との混合気は、吸気マニホールド２０の吸気導入部２０Ｃから一方がポート接続部２０Ｄへ、他方がポート接続部２０Ｅへと分岐される。ポート接続部２０Ｄへと分岐された混合気は、吸気ポート１２Ａへと導入される。ここで、段差部２５によって、吸気ポート１２Ａ内の外側（即ち、外周り）の混合気の流れは、吸気ポート１２Ａの内側（即ち、内回り）の流れよりも抑制される。

一般的に、ヘリカル型吸気ポートでは、スワール（横回転）が大きくなり、特にヘリカル型吸気ポートの外周りの流れは、スワールにより影響を与える。

本実施形態では、ヘリカル型吸気ポートである吸気ポート１２Ａの外側の流れが段差部２５によって吸気ポート１２Ａの内側の流れよりも抑制されている。このため、スワールが過大となることを抑制できる。その結果、混合気をスパークプラグ１８で点火して燃焼させる際に、失火が起こりにくくなる。よって、燃焼効率の悪化を効果的に抑制することができる。

また、一般的に、シリンダヘッドは鋳型を用いて作られる。従って、ヘリカル型吸気ポートの外周りの流れを抑制すべく、吸気ポート１２Ａの構造を変更するには、鋳型の設計から見直す必要があり、手間とコストが増大する。これに対して、本実施形態では、従来の吸気ポート１２Ａの構造を変更しなくても、吸気マニホールド２０側の構造を一部変更することによって、ヘリカル型吸気ポートの外周りの流れを抑制することができる。従って、スワールを増大させる思想で設計された従来品のディーゼルエンジン用シリンダヘッドを用いることも可能である。この場合は、大幅なコスト削減につながる。

これに対して、タンジェンシャル型吸気ポートは、タンブル（縦回転）が大きくなる吸気ポートである。このため、スパークプラグを用いるエンジン（例えば、天然ガス、ガソリン用エンジン）に対して、有利な流れが生じるポートとなる。

本実施形態では、ポート接続部２０Ｅの外径と吸気ポート１２Ｂの外径とがほぼ等しく形成されている。このため、タンブルを小さくすることなく最大限に利用することができる。
（本実施形態の作用・効果（その２）
一般的に、天然ガス燃料は、ガソリン等の液体燃料と比較して空気と混ざりにくい。特に混合気の流速が遅いときは、燃料の層と空気（又は新気とＥＧＲ）の層とが別々に平行して流れてしまい、混合むらが生じることがある。

本実施形態では、段差部２５を設けているため、吸気ポート１２Ａ内で外側の流れと内側の流れとで流速に変化が生じる結果、巻き込み流が生じ易くなる。このため、混合気の流速が遅い時であっても、天然ガスと空気（又は新気とＥＧＲ）とを効果的に混合することができる。
［第２実施形態］
（本実施形態の構成）
図３は、第２実施形態に係る吸気構造を示す模式図である。

本実施形態に係る吸気構造においては、ポート接続部２０Ｄの外径と吸気ポート１２Ａの外径とがほぼ等しく形成され、吸気ポート１２Ａと接続部２０Ｄとの接続部分において、ガスケット３０が介装された以外は、第１実施形態に係る吸気構造と同様の構造を有する。

図４は、本実施形態に係る吸気構造に用いられるガスケットの一例を示す平面図である。

ガスケット３０は、例えば、一枚の金属製のシート３１に、大径孔３２及び小径孔３３が形成されてなる。大径孔３２は、ガスケット３０が装着された際に、ポート接続部２０Ｅと吸気ポート１２Ｂとが連通されるように、ポート接続部２０Ｅの外径及び吸気ポート１２Ｂの外径とほぼ等しい径に形成されている。これに対して、小径孔３３は、ガスケット３０が装着された際に、ポート接続部２０Ｄの内側と吸気ポート１２Ａの内側とが連通されるように、ポート接続部２０Ｄの外径及び吸気ポート１２Ａの外径よりも小径とされる。また、吸気ポート１２Ａと接続部２０Ｄとの接続部分において、小径孔３３によって連通されていない部分は、遮蔽部３５が形成されている。
（本実施形態の作用・効果（１）
天然ガス等の燃料と吸気との混合気は、吸気マニホールド２０の吸気導入部２０Ｃから一方がポート接続部２０Ｄへ、他方がポート接続部２０Ｅへと分岐される。ポート接続部２０Ｄへと分岐された混合気は、小径孔３３を介して吸気ポート１２Ａへと導入される。ここで、遮蔽部３５によって、吸気ポート１２Ａ内の外側の混合気の流れは、吸気ポート１２Ａの内側の流れよりも抑制される。

このため、スワールが過大となることを抑制でき、その結果、混合気をスパークプラグ１８で点火して燃焼させる際に、失火が起こりにくくなり、燃焼効率の悪化を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、吸気ポート１２Ａ及びポート接続部２０Ｄの構造を変更しなくても、ガスケット３０を介装するのみで、ヘリカル型吸気ポートの外周りの流れを抑制することができる。従って、スワールを増大させる思想で設計された従来品のディーゼルエンジン用シリンダヘッドを用いることも可能である。この場合は、大幅なコスト削減につながる。
（本実施形態の作用・効果（その２）
本実施形態では、遮蔽部３５を設けているため、吸気ポート１２Ａ内で外側の流れと内側の流れとで流速に変化が生じる結果、吸気ポート１２Ａ内で巻き込み流が生じ易くなる。このため、混合気の流速が遅い時であっても、天然ガスと空気（又は新気とＥＧＲ）とを効果的に混合することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第１実施形態においては、吸気ポート１２Ａとポート接続部２０Ｄとの接続部分において、外側に段差部２５を設けたが、内側に設けた場合でも、混合気の混合効果については同様の効果を得ることができる。

また、第２実施形態においても同様に、吸気ポート１２Ａとポート接続部２０Ｄとの接続部分において、外側に遮蔽部３５を設けたが、内側に設けた場合でも、同様の混合効果を得ることができる。さらに、第２実施形態では、ガスケット３０は、ポート接続部２０Ｄと吸気ポート１２Ａとの接続部分及びポート接続部２０Ｅと吸気ポート１２Ｂとの接続部分の双方に設けられているが、ポート接続部２０Ｄと吸気ポート１２Ａとの接続部分のみに設けられても良い。また、小径孔３３の形状は、真円状だけでなく、楕円形状や矩形状であっても良い。

Ｅ エンジン
１０ エンジン本体部
１２Ａ，Ｂ 吸気ポート
１３Ａ，Ｂ 排気ポート
１４，１５ 吸気孔
１６，１７ 排気孔
１８ スパークプラグ（点火プラグ）
２０ 吸気マニホールド
２０Ｄ，Ｅ ポート接続部
２５ 段差部
３０ ガスケット
３１ シート
３２ 大径孔
３３ 小径孔（開口部）
３５ 遮蔽部
Ｓ スワール方向

Claims (5)

1. シリンダヘッドに設けられたヘリカル型の吸気ポートと、吸気マニホールドに設けられ前記吸気ポートと接続されるポート接続部とを備え、
   前記吸気ポートの入口径に対して前記ポート接続部の出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれている
   ことを特徴とする吸気構造。
2. 前記吸気ポートの入口径に対して前記ポート接続部の出口径が小さく形成され、前記ポート接続部の前記外側の部分に段差部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の吸気構造。
3. 前記吸気ポートの外径及び前記ポート接続部の外径よりも小径の開口部を有するガスケットを備え、
   前記ガスケットが前記吸気ポートと前記ポート接続部との接続部分に介装されることにより、前記ポート接続部の出口径が外側から中心方向へ向かって絞り込まれ、前記ポート接続部の前記外側の部分に遮蔽部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の吸気構造。
4. 前記シリンダヘッドには点火プラグが装着されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸気構造。
5. 前記吸気ポートに、ガス燃料と空気との混合気が導入される
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の吸気構造。

Images