JP2019190286A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが大きくなるように構成された内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１は、吸気開口１３と、排気開口１４と、排気開口側とは反対側において吸気開口の外縁に沿って燃焼室７内に向かって延びる壁面５１を有するマスク部５０と、を備える。マスク部の壁面は、吸気弁２１のリフト方向側の壁面の縁部５２における吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが、吸気弁の反リフト方向側の壁面の縁部５３における吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスよりも大きくなるように、且つリフト方向側の壁面の縁部と反リフト方向側の壁面の縁部との間ではクリアランスがリフト方向側の縁部におけるクリアランスと反リフト方向側の縁部におけるクリアランスとの間のクリアランスになるように形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。

従来から、吸気弁によって開閉される吸気開口の周りにマスク部を設けることが提案されている（例えば、特許文献１、２）。斯かるマスク部は、排気開口側とは反対側（以下、「反排気開口側」ともいう）において吸気開口の外縁に沿って燃焼室内に向かって延びるように形成された壁面を備える。

斯かるマスク部の壁面は、吸気弁がリフトされたときに、吸気ポートから燃焼室内に吸入される吸気ガスの流路抵抗として機能し、吸気開口の反排気開口側に位置する領域を通って吸気ガスが燃焼室内に流入するのを禁止又は抑制する。これにより、燃焼室内に逆タンブル流が発生するのが抑制され、燃焼室内には強い正タンブル流を生成することができるようになる。

特開２０１１−１３２８３３号公報 特開昭６３−１１３１１７号公報

ところで、逆タンブル流の抑制という観点からは、マスク部の壁面と吸気弁の縁部との間のクリアランスは小さいことが好ましい。しかしながら、その一方で、このクリアランスを小さくすると、吸気弁の最大リフト時において吸気弁のマスク部側の領域から燃焼室内へ流入する吸気ガス量が少なくなる。このため、燃焼室への吸入空気量が多いときにはマスク部側とは反対側の領域では吸気ガスが吸気弁周りを通過する際に吸気ガスにチョークが生じる。このとき、燃焼室内に吸入される吸気ガス量が少なくなり、結果的に燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが小さくなる。

このように燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが小さくなると、燃料が空気と混ざりにくくなるため混合気の燃焼期間が長くなる。燃焼期間が長くなると、燃焼室内で生じる燃焼の等容度が低下し、よって燃費の悪化や出力の低下を招く。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃焼室への吸入空気量が多いときにおいて燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが大きくなるように構成された内燃機関を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１） 燃焼室に面すると共に吸気弁によって開閉される吸気開口と、前記燃焼室に面すると共に排気弁によって開閉される排気開口と、前記排気開口側とは反対側において前記吸気開口の外縁に沿って前記燃焼室内に向かって延びる壁面を有するマスク部と、を備え、前記マスク部の壁面は、前記吸気弁のリフト方向側の当該壁面の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが、前記吸気弁の反リフト方向側の当該壁面の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスよりも大きくなるように、且つ前記リフト方向側の当該壁面の縁部と前記反リフト方向側の当該壁面の縁部との間では前記クリアランスが前記リフト方向側の縁部におけるクリアランスと前記反リフト方向側の縁部におけるクリアランスとの間のクリアランスになるように形成される、内燃機関。

（２）前記壁面は、前記吸気弁の軸線方向の少なくとも一部において、前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される、上記（１）に記載の内燃機関。

（３）前記壁面は、前記吸気弁の反リフト方向側の一部の領域では前記吸気弁の軸線と平行に延びるように形成されると共に、前記吸気弁のリフト方向側の残りの領域では前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される、上記（２）に記載の内燃機関。

（４）前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが段階的に大きくなるように形成される、上記（１）に記載の内燃機関。

（５）前記吸気開口、前記排気開口及び前記マスク部が形成されたシリンダヘッドを更に備え、最も前記吸気弁のリフト方向側の前記壁面の縁部は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックとの当接面上に位置する、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関。

（６）前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向の各位置において、前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが周方向において一定になるように形成される、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の内燃機関。

（７）前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向側の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが１．８ｍｍ以上であり、前記吸気弁の反リフト方向の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが１．８ｍｍ未満である、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の内燃機関。

本発明によれば、燃焼室への吸入空気量が多いときにおいて燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが大きくなるように構成された内燃機関が提供される。

図１は、第一実施形態に係る内燃機関１を概略的に示す部分断面図である。 図２は、一つの燃焼室の上面を概略的に示す底面図である。 図３は、図１の吸気開口近傍を拡大して示した拡大断面図である。 図４は、各燃焼室内に生じるタンブル流のタンブル比及び吸気弁のリフト量のクランク角推移である。 図５は、２７０°ＢＴＤＣ付近における燃焼室７内に生じる吸気ガスの流れを概略的に示した図である。 図６は、吸気弁の縁部の通過面からの壁面のクリアランスと、燃焼室内に生じる乱れの強さとの関係を示す図である。 図７は、吸気開口近傍を拡大して示した、図３と同様な拡大断面図である。 図８は、吸気開口近傍を拡大して示した、図３と同様な拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪内燃機関の構成≫
図１は、第一実施形態に係る内燃機関１を概略的に示す部分断面図である。図１に示したように、内燃機関１は、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、ピストン４、コンロッド５を備える。

シリンダブロック２は、並んで配置された複数の気筒６を備える。シリンダヘッド３は、当接面Ａにおいてシリンダブロック２に当接するように配置され、シリンダブロック２に形成された気筒６の一方の端部を塞ぐように配置される。

ピストン４は、シリンダブロック２内に形成された気筒６内を往復運動するように配置される。ピストン４は、ピストンピンを介してコンロッド５に連結される。コンロッド５は、クランクピンを介してクランクシャフト（図示せず）に連結され、ピストン４の往復運動をクランクシャフトの回転運度に変換するように作用する。また、シリンダブロック２の気筒６の壁面とシリンダヘッド３とピストン４とによって、混合気が燃焼する燃焼室７が形成される。

図２は、一つの燃焼室７の上面を概略的に示す底面図である。したがって、図２は、シリンダヘッド３の底面であって、一つの気筒６を塞ぐように位置する部分を概略的に示している。図３は、図１の吸気開口近傍を拡大して示した拡大断面図である。

図１に示したように、シリンダヘッド３には、吸気ポート１１及び排気ポート１２が形成される。図１及び図２に示したように、吸気ポート１１は、燃焼室７に面すると共にシリンダヘッド３に形成された吸気開口１３を介して燃焼室７に連通する。同様に、排気ポート１２は、燃焼室７に面すると共にシリンダヘッド３に形成された排気開口１４を介して燃焼室７に連通する。

図２に示したように、本実施形態では、各燃焼室７毎に、二つの吸気開口１３及び二つの排気開口１４が設けられる。二つの吸気開口１３は、複数の気筒６が並んで配置される方向（以下、「気筒整列方向」ともいう）と同一方向に並んで配置される。同様に、二つの排気開口１４は、気筒整列方向と同一方向に並んで配置される。各気筒の中心を通って気筒整列方向に延びる中央平面Ｐに対して一方側に二つの吸気開口１３が配置され、他方側に二つの排気開口１４が配置される。

なお、本明細書では、気筒整列方向と垂直な方向であって中央平面Ｐから吸気開口１３へ向かう方向、すなわち排気開口１４から吸気開口１３に向かう方向を「反排気開口側」又は「反排気開口方向」と称し、気筒整列方向と垂直な方向であって中央平面Ｐから排気開口１４へ向かう方向、すなわち吸気開口１３から排気開口１４に向かう方向を「排気開口側」又は「排気開口方向」と称する。

また、図３に示したように、各吸気開口１３の縁部周りにはその全周に亘って、後述する吸気弁２１が閉弁時に当接する吸気シート部１５が設けられる。同様に、排気開口１４の縁部周りにはその全周に亘って、後述する排気弁３１が閉弁時に当接する排気シート部１６が設けられる。吸気シート部１５は、図３に示したように、シリンダヘッド３とは別体のバルブシートとして形成されてもよいし、シリンダヘッド３に直接形成されたシートであってもよい。

図１に示したように、シリンダヘッド３は、燃焼室７の上面が吸気側傾斜面１７と排気側傾斜面１８との二つの傾斜面を有するように形成される。吸気側傾斜面１７は、吸気開口側の縁部から中央平面Ｐに向かって当接平面Ａからの高さ（気筒６の軸線方向における当接平面Ａからの長さ）が高なっていくように形成される。排気側傾斜面１８は、排気開口側の縁部から中央平面Ｐに向かって当接平面Ａからの高さが高くなっていくように形成される。したがって、燃焼室７の上面は中央平面Ｐにおいて最も高くなるように傾斜する。なお、燃焼室７の上面は、吸気開口側から中央へ向かって高さが高くなるような傾斜面と、排気開口側から中央へ向かって高さが高くなるような傾斜面とを備えていれば、必ずしも中央平面Ｐにおいて最も高くなるように形成されていなくてもよい。

また、シリンダヘッド３には、吸気開口１３を開閉する吸気弁２１と、排気開口１４を開閉する排気弁３１と、燃焼室７内の混合気を点火する点火プラグ４１とが設けられる。また、シリンダヘッド３には、吸気ポート１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）が設けられる。

吸気弁２１は、バルブステム２２と、バルブステム２２の一方の端部に固定された弁体２３とを備える。吸気弁２１は、バルブステム２２が延在する方向、すなわち吸気弁２１の軸線方向に摺動可能にシリンダヘッド３内に配置される。吸気弁２１は、吸気動弁機構（図示せず）によってその軸線方向にリフトされる。吸気動弁機構は、吸気弁２１の作用角、位相角及び最大リフト量の少なくとも一つを変更可能な可変動弁機構であってもよいし、これらを変更不能な動弁機構であってもよい。

同様に、排気弁３１は、バルブステム３２と、バルブステム３２の一方の端部に固定された弁体３３とを備える。排気弁３１は、バルブステム３２が延在する方向、すなわち排気弁３１の軸線方向に摺動可能にシリンダヘッド３内に配置される。排気弁３１は、排気動弁機構（図示せず）によってその軸線方向にリフトされる。排気動弁機構は、排気弁３１の作用角、位相角及び最大リフト量の少なくとも一つを変更可能な可変動弁機構であってもよいし、これらを変更不能な動弁機構であってもよい。

点火プラグ４１は、燃焼室７のほぼ中央において、燃焼室７の上面に位置するようにシリンダヘッド３に取り付けられる。

なお、本実施形態では吸気ポート１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられているが、この燃料噴射弁の代わりに或いはこの燃料噴射弁に加えて、燃焼室７内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をシリンダヘッド３に設けてもよい。この場合、燃料噴射弁は、その噴孔が点火プラグ４１に近接して位置するか又は二つの吸気開口１３の間であって吸気開口１３よりも反排気開口側に位置するように配置される。

また、本実施形態では燃焼室７に曝されるように点火プラグ４１が設けられているが、点火プラグ４１は設けられなくてもよい。この場合、燃焼室７にて混合気が自着火するように、燃焼室７内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁からの燃料噴射が制御される。

≪マスク部の構成≫
図１〜図３に示したように、本実施形態のシリンダヘッド３は、吸気開口１３の反排気開口側に設けられたマスク部５０を備える。マスク部５０は、燃焼室７の上面から燃焼室７内へ向かって突出するように形成される。マスク部５０は、シリンダヘッド３と一体的に形成されてもよいし、別体として形成されてもよい。

マスク部５０は、吸気開口１３の外縁に沿って、且つ吸気開口１３周りの吸気シート部１５の外縁に沿って延びる壁面５１を有する。特に、壁面５１は、吸気開口１３の気筒整列方向における中央軸線Ｄよりも反排気開口側の領域（図２にＸで示した領域）内に全面的に又は部分的に延びるように形成される。すなわち、壁面５１は、反排気開口側において吸気開口１３の外縁に沿って燃焼室７内に向かって延びる。壁面５１は、図２にＸで示した領域のうち半分以上の領域に亘って延びるように形成されるのが好ましい。

また、壁面５１は、吸気開口１３の外縁近傍から燃焼室７内に向かって延びる。本実施形態では、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向においてシリンダヘッド３の当接面Ａまで延びる。したがって、吸気弁２１のリフト方向における壁面５１の縁部（以下、「リフト方向側縁部」ともいう）５２は、シリンダヘッド３の当接面Ａ上に位置する。このように壁面５１が当接面Ａまで延びることはマスク部５０が燃焼室７内へ向かって当接面Ａまで突出することを意味する。このようにマスク部５０が当接面Ａまで突出することにより、シリンダヘッドの当接面Ａからマスク部５０が突出することは無く、よってシリンダブロック２へのシリンダヘッド３の組み付けを容易に行うことができる。

なお、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向において必ずしもシリンダヘッド３の当接面Ａまで延びる必要はない。したがって、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向（軸線方向）における高さが、少なくとも部分的に、シリンダヘッド３の当接面Ａに到達する高さよりも低くなるように形成されてもよい。この場合、壁面５１は、例えば、吸気開口１３の最も反排気開口側に位置する領域では当接面Ａまで延び、吸気開口１３の気筒整列方向側に位置する領域においては当接面Ａまでは延びないように形成される。また、シリンダブロック２へのシリンダヘッド３の組み付けは難しくなるが、壁面５１は当接面Ａを超えて燃焼室７内へ向かって延びるように形成されてもよい。

また、本実施形態では、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向において、吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲが変化するように形成される。なお、吸気弁２１の縁部の通過面は、吸気弁２１がリフトされることによって吸気弁２１の弁体２３が吸気弁２１の軸線方向に移動する際に、弁体２３の縁部が通過する面を意味する。

本実施形態では、壁面５１は、そのリフト方向側縁部５２における吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲｔが、吸気弁２１のリフト方向とは反対方向（以下、「反リフト方向」ともいう）における壁面５１の縁部（以下、「反リフト方向側縁部」ともいう）５３における吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲｂよりも大きくなるように形成される。なお、本明細書では、図３からわかるように、吸気弁２１の閉弁時において吸気弁２１の外面上に位置する壁面５１の部分を壁面５１の反リフト方向側縁部５３と称する。

特に、本実施形態では、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向に向かって吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスが２段階に変化するように（リフト方向に向かってクリアランスが大きくなるように）形成されている。したがって、壁面５１は、反リフト方向側縁部５３から壁面５１の高さＨの半分程度（Ｈ１）まではクリアランスＣＲは相対的に小さい値ＣＲｂとなるように形成され、Ｈ１を超えるとクリアランスＣＲは相対的に大きい値ＣＲｔとなるように形成される。

具体的には、本実施形態では、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは１．０ｍｍ、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは２．６ｍｍとされる。しかしながら、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂが１．８ｍｍ未満、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが１．８ｍｍ以上であって３．４ｍｍ以下であれば、クリアランスＣＲｂ、ＣＲｔは上記とは異なる値であってもよい。

一方、クリアランスＣＲは、吸気弁２１のリフト方向の各位置において、吸気開口１３の周方向において一定になるように形成される。したがって、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向の各位置において、吸気弁２１の軸線を中心とした円弧状に形成される。

なお、本実施形態では、壁面５１は、その高さ方向中央において段が形成されるように、吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスが２段階に変化するように形成されている。しかしながら、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向に向かって吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスが段階的に大きくなるように変化していれば、３段階以上の複数段で形成されてもよい。この場合であっても、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは１．８ｍｍ未満、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは１．８ｍｍ以上且つ３．４ｍｍ以下とされる。

或いは、本実施形態では、マスク部５０は、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂが下記式（１）で算出されるＣｌ未満になるように構成され、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが下記式（１）で算出されるＣｌ以上であって、下記式（２）によって算出されるＣｈ以下になるように構成されてもよい。
Ｃｌ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．８ …（１）
Ｃｈ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．８ …（２）
ここで、上記式（１）及び（２）において、ＮＥｍは出力点における回転速度（ｒｐｍ）、Ｐｍは出力点における吸気ポート１１又は吸気枝管６１内の圧力（吸気管圧）（ｋＰａ）、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｆ＝０．６５３１９１４、ｎ＝−０．０６２１０２３である。

≪作用・効果≫
次に、図４及び図５を参照して、本実施形態における作用・効果を説明する。図４は、各燃焼室内に生じるタンブル流のタンブル比及び吸気弁２１のリフト量のクランク角推移である。図４の横軸は、圧縮上死点からの進角側の角度を示している。したがって、図４の０°ＢＴＤＣはピストン４が圧縮上死点にある状態を、１８０°ＢＴＤＣはピストン４が吸気下死点にある状態をそれぞれ示している。特に、図４は、内燃機関の出力が最大となる運転状態（出力点）におけるタンブル比のクランク角推移を示している。

また、図中の実線はシリンダヘッド３にマスク部を設けなかった場合における推移を示している。一方、図中の破線及び一点鎖線は、壁面５１のクリアランスＣＲが高さ方向全体に亘って１．０ｍｍ及び１．８ｍｍである（したがって、段差が設けられていない）場合における推移をそれぞれ示している。また、図４は、マスク部の壁面５１の高さがＨである場合の推移を示している。

３６０°ＢＴＤＣから吸気行程が開始されると、図４に示したように、吸気弁２１のリフト量が増大していき、これに伴って燃焼室７内には吸気ガスが流入する。吸気行程の開始時には燃焼室７内に流入する吸気ガスの流量がそれほど多くないため、燃焼室７内にはタンブル流は発生せず、よってタンブル比は低いままである。その後、吸気弁２１のリフト量が増大すると共にピストン４の降下速度が上昇するとそれに伴って燃焼室７内に流入する吸気ガスの流量も増大し、燃焼室７内に生じるタンブル流のタンブル比も大きくなる。そして、２７０°ＢＴＤＣにおいて、ピストン４の降下速度が最大になり、これに伴って燃焼室７内に生じるタンブル流のタンブル比も最大となる。

図４からわかるように、２７０°ＢＴＤＣ付近において、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル比は、マスク部が設けられていない場合及びクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル比に比べて小さい。以下、図５を参照して、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル比が小さい理由について説明する。

図５は、２７０°ＢＴＤＣ付近における燃焼室７内に生じる吸気ガスの流れを概略的に示した図である。図５（Ａ）はマスク部が設けられていない場合、図５（Ｂ）はクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合、図５（Ｃ）はクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合をそれぞれ示している。

図５（Ａ）に示したようにマスク部が設けられていない場合や図５（Ｂ）に示したようにクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁２１のリフト量が大きいときには、吸気開口１３の反排気開口側の領域においても吸気ガスに対する抵抗がそれほど大きくない。したがって、これらの場合、吸気ガスは、吸気開口１３の排気開口側の領域に加えて、反排気開口側の領域を通って燃焼室７内に流入することになる。すなわち、吸気ガスが吸気開口１３を通って燃焼室７に流入する際の実質的な流路面積は広い。この結果、燃焼室７内に流入する吸気ガスの全体的な流速は比較的速く、よって燃焼室７内に生じるタンブル流のタンブル比も大きくなる。

一方、図５（Ｃ）に示したようにクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気開口１３の反排気開口側の領域において吸気ガスに対する抵抗が大きい。したがって、この場合、吸気ガスはそのほとんどが吸気開口１３の排気開口側の領域を通って流入し、反排気開口側の領域を通って流入する吸気ガスは少ない。すなわち、吸気ガスが吸気開口１３を通って燃焼室７に流入する際の実質的な流路面積は図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示した場合に比べて狭い。加えて、吸気開口１３の実質的な流路面積が狭くて吸気ガスのほとんどが吸気開口１３の排気開口側の領域Ｚを通って流入することから、この領域Ｚを通ろうとする吸気ガスの流量が増大し、結果的にこの領域Ｚにおいてチョークが生じる。したがって、この場合、燃焼室７内に流入する吸気ガスの全体的な流速は図５（Ａ）や図５（Ｂ）に示した場合に比べて遅く、よって燃焼室７内に生じるタンブル流のタンブル比も小さい。

一方、図４からわかるように、吸気弁２１のリフト量が低下していきマスク部の壁面５１の高さＨ付近に到達してからは、マスク部が設けられていない場合にはタンブル流のタンブル比が急激に低下する。これは、吸気開口１３の反排気開口側の領域から流入する吸気ガスがタンブル流の旋回方向とは逆方向（以下、「逆タンブル方向」ともいう）に流入することで、タンブル流の流れを阻害するためである。

一方、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁２１のリフト量が高さＨ以下に低下すると、吸気開口１３の反排気開口側の領域から吸気ガスの流入を抑制することができる。したがって、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁２１のリフト量が高さＨ以下に低下したときに、逆タンブル方向の吸気ガスの流入を抑制することができ、よって図４に示したようにタンブル比の低下を抑制することができる。クリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁２１のリフト量が高さＨ以下に低下したときのタンブル比の低下の程度が、マスク部が設けられていない場合とクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合との間の程度となる。

したがって、吸気弁２１のリフト量が大きい領域では、すなわちピストン４の降下速度が速いときには、マスク部のクリアランスを大きくすることで、最終的に混合気に点火が行われる時期（３０°ＢＴＤＣ〜０°ＢＴＤＣ）における燃焼室７内の乱れ強さを高いものとすることができる。一方、吸気弁２１のリフト量が小さい領域では、マスク部のクリアランスを小さくすることで、混合気への点火が行われる時期における燃焼室７内の乱れ強さを高いものとすることができる。

上述したように、本実施形態では、マスク部５０の壁面５１は、そのリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂよりも大きくなるように形成される。したがって、吸気弁２１のリフト量が大きいときには、リフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔ大きいことにより燃焼室７内に流入する吸気ガスの流量を多くすることができる。一方、吸気弁２１のリフト量が小さいときには、反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂが小さいことにより逆タンブル方向に流入する吸気ガスの流量を減少させることができる。この結果、本実施形態によれば、混合気への点火が行われる時期におけるタンブル比を高いものとすることができる。

このようにタンブル比が高いと、燃焼室７内での混合気の乱れが大きいため、混合気の燃焼期間が短い。混合気の燃焼期間が短いと、燃焼室内で生じる燃焼の等容度が高くなり、よって燃費や出力を高くすることができる。したがって、本実施形態によれば、特に内燃機関の出力が最大となる運転状態（出力点）において、燃費及び出力を高いものとすることができる。

次に、図６を参照して、具体的なクリアランスの値について説明する。図６は、吸気弁２１の縁部の通過面からの壁面５１のクリアランスと、燃焼室７内に生じる乱れの強さとの関係を示す図である。図６は、出力点における関係を示している。また、図６では、クリアランスが吸気弁２１のリフト方向において一定である場合を示している。

なお、図６に示したクリアランスＣＲと乱れ強さとの関係は、下記諸元の内燃機関１における関係である。すなわち、この内燃機関１は、ストローク／ボア比が１．１４〜１．１７、吸気弁２１と気筒６の軸線との角度αが１８°、排気弁３１と気筒６の軸線との角度βが２３°であり（図２参照）、吸気ポートＴＴＲ（タンブル比）が２．６〜２．８である。吸気ポートＴＴＲは、吸気ポート１１の形状に応じて変化する変数である。具体的には、吸気弁２１のリフト量ＬをＬ／Ｄ＝０．３（Ｄは吸気弁２１のバルブ径）に設定し且つ燃焼室７内を−３０ｋＰａにて吸気ガスを吸入したときに燃焼室７内に生じるタンブル流のタンブル比を意味する。

また、この内燃機関１における出力点での機関回転速度は５６００ｒｐｍであり、出力点での吸気ポート１１又は吸気枝管６１内の圧力（吸気管圧又は過給圧）が２００ｋＰａである。したがって、図８（Ａ）は、機関回転速度が５６００ｒｐｍ、過給圧が２００ｋＰａであるときの関係を示している。

また、図６において、白抜き菱形印は、吸気弁２１の作用角が１９０°であって、吸気弁２１の閉弁時期が吸気下死点よりも２０°進角側（−２０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。また、白抜き四角印は、吸気弁２１の作用角が１９０°であって、吸気弁２１の閉弁時期が吸気下死点（０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。黒塗り菱形印は、吸気弁２１の作用角が２００°であって、吸気弁２１の閉弁時期が吸気下死点よりも２０°進角側（−２０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。また、黒塗り四角印は、吸気弁２１の作用角が２００°であって、吸気弁２１の閉弁時期が吸気下死点（０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。

図６からわかるように、出力点における燃焼室７内に生じる乱れの強さは、吸気弁２１の作用角や閉弁時期にかかわらず、壁面５１のクリアランスＣＲが２．６ｍｍ程度のときに最大となる。したがって、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関では、壁面５１のクリアランスＣＲが２．６ｍｍ程度のときに乱れ強さが最大になるといえる。

また、図６からわかるように、出力点における燃焼室７内に生じる乱れの強さは、吸気弁２１の作用角や閉弁時期にかかわらず、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ〜３．４ｍｍの範囲内において、比較的大きい値であることがわかる。したがって、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関１では、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ〜３．４ｍｍに設定されることが好ましい。

本実施形態では、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは、１．８ｍｍ以上であって３．４ｍｍ以下、特に２．６ｍｍとされる。したがって、出力点における燃焼室７内に生じる乱れ強さを大きいものとすることができる。

一方、吸気弁２１のリフト量が低下しているときに逆タンブル方向に吸気ガスが流入することを抑制する観点からは、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは小さいほど好ましい。したがって、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは、少なくとも、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔの最低値である１．８ｍｍ未満であることが好ましい。上述したように、本実施形態では、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは１．８ｍｍ未満される。したがって、吸気弁２１のリフト量が低下しているときに逆タンブル方向に吸気ガスが流入することを効果的に抑制することができる。

見方を変えると、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関１では、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは、出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍ（すなわち、２．６ｍｍ）から−０．８ｍｍ以上に設定されることが好ましいと言える。また、斯かる内燃機関１では、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは、出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍ（すなわち、２．６ｍｍ）から−０．８ｍｍ未満に設定されることが好ましいと言える。

ところで、出力点において圧縮上死点近傍において燃焼室７内に生じる乱れ強さｕ’は、応答曲面法を用いた解析により、下記式（１）で近似することができる。
ｕ’＝ａ・ＮＥ＋ｂ・ＩＶＡ＋ｃ・ＬＦ＋ｄ・ε＋ｅ・ＩＶＣ＋ｆ・ＣＲ＋ｇ・ＮＥ・ＩＶＡ＋ｈ・ＮＥ・ＣＲ＋ｉ・Ｐｍ・ＴＴＲ＋ｊ・Ｐｍ・ＣＲ＋ｋ・ＩＶＡ・ＩＶＣ＋ｌ・ε²＋ｍ・ＩＶＣ²＋ｎ・ＣＲ² …（１）

ここで、ＮＥは機関回転速度（ｒｐｍ）、ＩＶＡは吸気弁２１の作用角（°）、ＬＦは吸気弁２１の最大リフト量（ｍｍ）、εは圧縮比、ＩＶＣは吸気弁の閉弁時期（°ＢＴＤＣ）、ＣＲは吸気弁２１の縁部の通過面からの壁面５１のクリアランス（ｍｍ）、ＴＴＲは吸気ポート１１の形状に応じて変化する変数、Ｐｍは吸気通路内の圧力（ｋＰａ）をそれぞれ表している。また、ａ〜ｎは定数であり、特に、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｎ＝−０．０６２１０２３である。

ここで、式（１）を変形すると、燃焼室７内に生じる乱れ強さｕ’は下記式（２）のように表すことができる。

式（２）において、ｎは負の定数であることから、燃焼室７内に生じる乱れ強さｕ’はクリアランスＣＲに対して上に凸の２次関数として表されることがわかる。そして、式（２）より、燃焼室７内に生じる乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲは下記式（３）で表される。

上記式（３）より、内燃機関の出力が最大となる運転状態における機関回転速度ＮＥが高くなるほど乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲは大きくなることがわかる。同様に、式（３）より、内燃機関の出力が最大となる運転状態における吸気通路内の圧力Ｐｍが高くなるほど乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲは小さくなることがわかる。

本実施形態では、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは、このようにして算出される出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍに対して−０．８ｍｍ以上に設定されてもよい。また、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｔは、クリアランスＣＲｍに対して−０．８ｍｍ未満に設定されてもよい。これにより、出力点における乱れ強さを大きいものとすることができる。

ここで、市販車に用いられる過給機を備える多くの内燃機関では、機関回転速度が５５００〜６２００ｒｐｍの範囲内であって吸気管内の圧力が２００〜２４０ｋＰａの範囲内にあるときに内燃機関の出力が最大となる。斯かる機関回転速度の範囲及び吸気管内圧力の範囲内では、乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲは上記式（３）によって算出すると、約１．８ｍｍ〜約３．４ｍｍである。したがって、斯かる観点からも、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは１．８ｍｍ以上であって、３．４ｍｍ以下であることが好ましい。上述したように、本実施形態では、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは１．８ｍｍ以上且つ３．４ｍｍ以下とされることから、内燃機関の出力が最大となる運転状態において乱れ強さを大きいものとすることができる。

＜第二実施形態＞
次に、図７を参照して、第二実施形態に係る内燃機関について説明する。第二実施形態に係る内燃機関の構成は基本的に第一実施形態に係る内燃機関の構成と同様である。以下では、第一実施形態に係る内燃機関と異なる部分を中心に説明する。

図７は、吸気開口近傍を拡大して示した、図３と同様な拡大断面図である。本実施形態においても、シリンダヘッド３は、吸気開口１３の反排気開口側に設けられたマスク部５０を備える。マスク部５０は、吸気開口１３の外縁に沿って、且つ吸気開口１３周りの吸気シート部１５の外縁に沿って延びる壁面５１を有する。

また、本実施形態においても、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向において、吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲが変化するように形成される。そして、壁面５１は、そのリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが、反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂよりも大きくなるように形成される。本実施形態でも、例えば、リフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは２．６ｍｍとされ、反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは１．０ｍｍとされる。

特に、本実施形態では、壁面５１は、その全面が、吸気弁２１のリフト方向に向かってクリアランスＣＲが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される。すなわち、壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向（軸線方向）に対して一定の角度を有するテーパー状に形成される。なお、このときの角度は、吸気弁２１のリフト方向（軸線方向）に対する吸気シート部１５の当接面の角度よりも小さい。

本実施形態によれば、マスク部５０の壁面５１の全面を上述したようなテーパー状に形成することにより、第１実施形態の内燃機関と同様に内燃機関の出力が最大となる運転状態における乱れ強さを大きいものとすることができる。

なお、本実施形態においても、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂが１．８ｍｍ未満、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが１．８ｍｍ以上であれば、クリアランスＣＲｂ、ＣＲｔは上記とは異なる値であってもよい。

＜第三実施形態＞
次に、図８を参照して、第三実施形態に係る内燃機関について説明する。第三実施形態に係る内燃機関の構成は基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る内燃機関の構成と同様である。以下では、第一実施形態及び第二実施形態に係る内燃機関と異なる部分を中心に説明する。

図８は、吸気開口近傍を拡大して示した、図３と同様な拡大断面図である。本実施形態においても、シリンダヘッド３は、吸気開口１３の反排気開口側に設けられたマスク部５０を備える。マスク部５０は、吸気開口１３の外縁に沿って、且つ吸気開口１３周りの吸気シート部１５の外縁に沿って延びる壁面５１を有する。

また、本実施形態においても、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向において、吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲが変化するように形成される。そして、壁面５１は、そのリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが、反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂよりも大きくなるように形成される。本実施形態でも、例えば、リフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔは２．６ｍｍとされ、反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂは１．０ｍｍとされる。

特に、本実施形態では、壁面５１は、吸気弁２１の反リフト方向側の一部の領域では吸気弁２１の軸線と平行に延びるように形成されると共に、吸気弁２１のリフト方向側の残りの領域では吸気弁２１のリフト方向に向かってクリアランスＣＲが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される。

図８に示した例では、壁面５１は、反リフト方向側縁部５３から壁面５１の高さＨの半分程度（Ｈ１）までは、クリアランスＣＲが相対的に小さい値ＣＲｂで一定に維持されるように形成される。一方、壁面５１は、反リフト方向側縁部５３からの高さがＨ１を超えると、吸気弁２１のリフト方向（軸線方向）に対して一定の角度を有するテーパー状に形成される。なお、このときの角度は、吸気弁２１のリフト方向（軸線方向）に対する吸気シート部１５の当接面の角度よりも小さい。

なお、本実施形態においても、壁面５１の反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂが１．８ｍｍ未満、壁面５１のリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔが１．８ｍｍ以上であれば、クリアランスＣＲｂ、ＣＲｔは上記とは異なる値であってもよい。

＜まとめ＞
以上より、上記第一実施形態から上記第三実施形態では、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁２１のリフト方向側縁部５２における吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲｔが、吸気弁２１の反リフト方向側縁部５３における吸気弁２１の縁部の通過面からのクリアランスＣＲｂよりも大きくなるように形成される。また、マスク部５０の壁面５１は、リフト方向側縁部５２と反リフト方向側縁部５３との間ではクリアランスＣＲがリフト方向側縁部５２におけるクリアランスＣＲｔと反リフト方向側縁部５３におけるクリアランスＣＲｂとの間のクリアランスになるように形成される。

１ 内燃機関
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
１３ 吸気開口
１４ 排気開口
２１ 吸気弁
３１ 排気弁
５０ マスク部
５１ 壁面
５２ リフト方向側縁部
５３ 反リフト方向側縁部

Claims (8)

1. 燃焼室に面すると共に吸気弁によって開閉される吸気開口と、
   前記燃焼室に面すると共に排気弁によって開閉される排気開口と、
   前記排気開口側とは反対側において前記吸気開口の外縁に沿って前記燃焼室内に向かって延びる壁面を有するマスク部と、を備え、
   前記マスク部の壁面は、前記吸気弁のリフト方向側の当該壁面の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが、前記吸気弁の反リフト方向側の当該壁面の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスよりも大きくなるように、且つ前記リフト方向側の当該壁面の縁部と前記反リフト方向側の当該壁面の縁部との間では前記クリアランスが前記リフト方向側の縁部におけるクリアランスと前記反リフト方向側の縁部におけるクリアランスとの間のクリアランスになるように形成される、内燃機関。
2. 前記壁面は、前記吸気弁の軸線方向の少なくとも一部において、前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記壁面は、前記吸気弁の反リフト方向側の一部の領域では前記吸気弁の軸線と平行に延びるように形成されると共に、前記吸気弁のリフト方向側の残りの領域では前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが徐々に大きくなるようにテーパー状に形成される、請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向に向かって前記クリアランスが段階的に大きくなるように形成される、請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記吸気開口、前記排気開口及び前記マスク部が形成されたシリンダヘッドを更に備え、
   最も前記吸気弁のリフト方向側の前記壁面の縁部は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックとの当接面上に位置する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向の各位置において、前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが周方向において一定になるように形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向側の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが１．８ｍｍ以上であり、前記吸気弁の反リフト方向の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが１．８ｍｍ未満である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向側の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ以上であり、前記吸気弁の反リフト方向の縁部における前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ未満であり、
   Ｃｌ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍｍ＋ｆ）／２ｎ−０．８ …（１）
   上記式（１）において、ＮＥｍは出力点における回転速度（ｒｐｍ）、Ｐｍｍは出力点における筒内圧（ｋＰａ）、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｆ＝０．６５３１９１４、ｎ＝−０．０６２１０２３である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。

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