JP2019143518A - 吸気構造 - Google Patents

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Fumitoku Sasaki
文得 佐々木
児玉 裕
Yutaka Kodama
裕 児玉
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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。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS55165923U (ja) * 1979-05-15 1980-11-28
JPS6030423A (ja) * 1983-07-29 1985-02-16 Hino Motors Ltd エンジン
JP2002089381A (ja) * 2000-09-08 2002-03-27 Mitsubishi Motors Corp ガスケット

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