JP2020007990A

JP2020007990A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2020007990A
Application number: JP2018131262A
Authority: JP
Inventors: 阿部　和佳; Kazuyoshi Abe; 和佳阿部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-16

Abstract

【課題】気筒内において、気筒の軸線方向に対して直交する方向に旋回する吸気の横渦が発生することがある。【解決手段】吸気バルブ４０は、吸気ポート２３の開口を塞ぐための弁体４１と、弁体４１から延びる弁軸４２とを備えている。弁体４１における吸気ポート２３側の面からは案内リブ４３が突出している。案内リブ４３は、弁軸４２の径方向内側から外側に向けて延びているとともに弁軸４２の周方向一方側に湾曲している。気筒１２の中心軸線Ｊ方向から平面視した場合に、一方の吸気バルブ４０における案内リブ４３と他方の吸気バルブ４０における案内リブ４３とが、気筒１２の中心軸線Ｊ及び一対の吸気ポート２３の開口の間を通る仮想直線Ｌを対称線として対称的に延びている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関する。

特許文献１の内燃機関におけるシリンダブロックには、円柱状の気筒が区画されている。この気筒の内部には、当該気筒の軸線方向に往復移動可能にピストンが収容されている。ピストンは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。また、シリンダブロックの上端には、シリンダヘッドが取り付けられている。シリンダヘッドの内部には、シリンダブロックの気筒内へと吸気を供給するための一対の吸気ポート、及びシリンダブロックの気筒内から排気を排出するための一対の排気ポートが区画されている。そして、シリンダヘッドには、吸気ポートにおける気筒側の開口を開閉するための吸気バルブや、排気ポートにおける気筒側の開口を開閉するための排気バルブが取り付けられている。

特開２００３−１２０２９９号公報

特許文献１のような内燃機関の吸気行程においては、吸気バルブが開状態にされることにより、一対の吸気ポートから気筒内へと吸気が供給される。このとき、各吸気ポートの開口位置や開口径によっては、気筒内の特定の箇所において局所的に、気筒の軸線方向に対して直交する方向に旋回する吸気の横渦が発生することがある。そして、このような横渦が発生すると、気筒内に噴射された燃料が期待どおりに拡散しなかったり、気筒内で燃焼した火炎が期待どおりに広がらなかったりするおそれがある。

上記課題を解決するため、本発明は、円柱状の気筒が区画されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上端に取り付けられたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッド内に区画され、前記気筒に開口する一対の吸気ポートと、前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記各吸気ポートの開口を前記気筒の内部側から開閉する一対の吸気バルブとを備えている内燃機関であって、前記一対の吸気ポートは、前記気筒の中心軸線に対して、当該中心軸線に直交する方向の一方側に配置されており、前記吸気バルブは、前記吸気ポートの開口を塞ぐための弁体と、前記弁体から延びる弁軸とを備えており、前記弁体における前記吸気ポート側の面からは案内リブが突出しており、前記案内リブは、前記弁軸の径方向内側から外側に向けて延びているとともに前記弁軸の周方向一方側に湾曲しており、前記気筒の中心軸線方向から平面視した場合に、一方の吸気バルブにおける前記案内リブと他方の吸気バルブにおける前記案内リブとが、前記気筒の中心軸線及び前記一対の吸気ポートの開口の間を通る仮想直線を対称線として対称的に延びている。

上記構成によれば、吸気ポートから気筒内に吸気が供給される際、吸気が案内リブが延びる方向に案内されつつ供給される。また、各吸気バルブの案内リブは対称的に延びているため、一対の吸気ポートのいずれか一方側に吸気が偏って流通することも抑えられる。これらの結果、気筒内において吸気を広い範囲に分散して供給することができ、気筒内における吸気の気流の強さを均一化できる。そして、吸気の気流の強さが不均一であることに起因して、気筒内に横渦が発生することは抑制できる。

内燃機関の概略構成図。吸気ポート及び吸気バルブの周辺構成の模式上面図。一対の吸気バルブの斜視図。従来の吸気ポート及び吸気バルブの周辺構成の模式上面図。

先ず、内燃機関１０の概略構成を図１に従って説明する。
図１に示すように、内燃機関１０のシリンダブロック１１内には、円柱状の気筒１２が区画されている。気筒１２は、シリンダブロック１１の上端面に開口している。気筒１２内には、当該気筒１２の軸線方向に往復移動可能にピストン１３が収容されている。ピストン１３は、コネクティングロッド１４を介して、クランクシャフト１５に連結されている。このピストン１３が、気筒１２内を往復移動することにより、クランクシャフト１５が回転される。

シリンダブロック１１の上端には、シリンダヘッド２１が取り付けられている。シリンダヘッド２１の下面においては、平面視円形状の凹部２２が窪んでいる。凹部２２は、シリンダブロック１１における気筒１２と対向配置されている。この凹部２２の内壁面、気筒１２の内壁面、及びピストン１３の頂面（上面）によって、燃料を燃焼させるための燃焼室Ｒが区画されている。

シリンダヘッド２１内には、気筒１２（燃焼室Ｒ）内に吸気を供給するための吸気ポート２３が区画されている。吸気ポート２３は、１つの気筒１２につき一対（２つ）区画されている。なお、図１では、１つの吸気ポート２３のみ図示している。各吸気ポート２３の一端は、凹部２２において開口している。また、一対の吸気ポート２３の他端側は、互いに合流している。

各吸気ポート２３の他端には、車両外部の吸気を各吸気ポート２３へと導くための吸気管２４が接続されている。吸気管２４には、当該吸気管２４内を流通する吸気の量を調節するためのスロットルバルブ２５が取り付けられている。また、吸気管２４における吸気ポート２３の近傍位置には、吸気ポート２３内に燃料を噴射するポート噴射弁３１が取り付けられている。なお、図示は省略するが、吸気管２４には、吸気中の異物を取り除くエアクリーナや吸気脈動を抑えるためのサージタンクが取り付けられている。

シリンダヘッド２１内には、気筒１２（燃焼室Ｒ）からの排気を排出するための排気ポート２７が区画されている。排気ポート２７は、１つの気筒１２につき一対（２つ）区画されている。なお、図１では、１つの排気ポート２７のみ図示している。各排気ポート２７の一端は、凹部２２において開口している。また、一対の排気ポート２７の他端側は、互いに合流している。

各排気ポート２７の他端には、排気ポート２７からの排気を車両の外部へと導くための排気管２８が接続されている。なお、図示は省略するが、排気管２８には、排気に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物を浄化するための触媒や、排気に含まれる微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタが取り付けられている。

シリンダヘッド２１には、燃焼室Ｒ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁３２が取り付けられている。筒内噴射弁３２は、一対の吸気ポート２３と一対の排気ポート２７の間に配置されている。また、シリンダヘッド２１には、火花放電を行うことで燃焼室Ｒ内の燃料を添加する点火プラグ３３が取り付けられている。この点火プラグ３３も、一対の吸気ポート２３と一対の排気ポート２７の間に配置されている。

シリンダヘッド２１には、吸気ポート２３における気筒１２（燃焼室Ｒ）側の開口を開閉するための吸気バルブ４０が取り付けられている。吸気バルブ４０は、吸気ポート２３毎に設けられている。また、シリンダヘッド２１には、排気ポート２７における気筒１２（燃焼室Ｒ）側の開口を開閉するための排気バルブ４５が取り付けられている。排気バルブ４５は、排気ポート２７毎に設けられている。これら吸気バルブ４０及び排気バルブ４５は、シリンダヘッド２１内に収容された動弁機構によって、クランクシャフト１５の回転に連動して開閉駆動される。なお、図示は省略するが、シリンダヘッド２１の上端には、動弁機構等を覆うヘッドカバーが取り付けられている。

次に、シリンダヘッド２１における吸気ポート２３の周辺構成や吸気バルブ４０の構造について、より具体的に説明する。
図２に示すように、一対の吸気ポート２３における凹部２２（気筒１２）側の開口縁２３ａは、吸気ポート２３の軸線方向から平面視すると円形状になっている。また、気筒１２の中心軸線Ｊ方向の上側から平面視した場合に、一対の吸気ポート２３における凹部２２（気筒１２）側の開口縁２３ａは、中心軸線Ｊよりも、当該中心軸線Ｊに直交する方向の一方側（図２において右側）に位置している。気筒１２の中心軸線Ｊを通り、上記直交する方向に延びる直線を仮想直線Ｌとしたとき、一対の吸気ポート２３における開口縁２３ａは、仮想直線Ｌを挟んで対称的に位置している。

気筒１２の中心軸線Ｊ方向の上側から平面視した場合に、一対の排気ポート２７における凹部２２（気筒１２側）の開口縁２７ａは、中心軸線Ｊよりも、仮想直線Ｌ方向における、中心軸線Ｊを挟んで吸気ポート２３とは反対側（図２において左側）に位置している。また、一対の排気ポート２７の開口縁２７ａは、仮想直線Ｌを挟んで対称的に位置している。

気筒１２の中心軸線Ｊ方向の上側から平面視した場合に、筒内噴射弁３２は、凹部２２における中心軸線Ｊの近傍に位置している。この実施形態では、筒内噴射弁３２は、仮想直線Ｌ上に位置しているとともに、中心軸線Ｊよりも仮想直線Ｌ方向において排気側（開口縁２７ａ側）に位置している。また、点火プラグ３３は、凹部２２における中心軸線Ｊの近傍に位置している。この実施形態では、点火プラグ３３は、仮想直線Ｌ上に位置しているとともに、中心軸線Ｊよりも仮想直線Ｌ方向において吸気側（吸気ポート２３の開口縁２３ａ側）に位置している。

図３に示すように、各吸気バルブ４０は、吸気ポート２３における気筒１２側の開口を塞ぐための弁体４１を備えている。弁体４１は、概ね円板状になっている。弁体４１の径は、吸気ポート２３における開口縁２３ａの径よりも大きくなっている。弁体４１における厚み方向一方側の面は略平面になっている。また、弁体４１の厚み方向他方側の面は、当該弁体４１の中心ほど膨らんだ曲面になっている。したがって、弁体４１は、全体として傘状の外観になっている。弁体４１の厚み方向他方側の面からは棒状の弁軸４２が延びている。弁軸４２は、弁体４１の中心から延びている。弁軸４２の先端は、シリンダヘッド２１内の動弁機構に連結されている。

上記の吸気バルブ４０は、弁体４１が気筒１２（燃焼室Ｒ）内に位置し、弁軸４２がシリンダヘッド２１側を向くように配置されている。そして、弁軸４２が、動弁機構によりその軸線方向に動作されることで、弁体４１が、吸気ポート２３における気筒１２側の開口を、気筒１２側から開閉する。

吸気バルブ４０における厚み方向他方側の面、すなわち、吸気ポート２３側の面からは、複数の案内リブ４３が突出している。この実施形態では、案内リブ４３は、１つの吸気バルブ４０において４つ設けられている。案内リブ４３は、周方向に略等間隔で設けられている。案内リブ４３は、弁体４１における中心から軽方向外側に向けて延びている。弁体４１における中心から案内リブ４３における径方向外側の端までの径方向の距離は、吸気ポート２３における開口縁２３ａの半径よりも小さくなっている。換言すると、案内リブ４３の径方向外側の端は、弁体４１の径方向外側の縁には至ってなく、吸気バルブ４０が閉状態になったときに、吸気ポート２３の開口縁２３ａに干渉しないようになっている。

各案内リブ４３は、弁軸４２の周方向に湾曲している。この実施形態では、案内リブ４３における径方向内側（弁軸４３側）の端から径方向外側の端に亘って略一定の曲率で湾曲している。また、弁軸４２の周方向において、案内リブ４３における径方向内側（弁軸４３側）の端と径方向外側の端とがおよそ９０度ずれている。

図２に示すように、４つの案内リブ４３のうち、弁軸４２よりも仮想直線Ｌ側の２つの案内リブ４３の湾曲方向は、仮に湾曲せずに径方向に延びていると仮定した場合よりも、径方向外側の端が仮想直線Ｌ方向の排気側に位置するように定められている。また、４つの案内リブ４３のうち、弁軸４２よりも仮想直線Ｌから遠い側の２つの案内リブ４３の湾曲方向は、仮に湾曲せずに径方向に延びていると仮定した場合よりも、径方向外側の端が仮想直線Ｌ方向の吸気側に位置するように定められている。換言すると、図２において上側に図示されている吸気バルブ４０の案内リブ４３は、径方向外側ほど時計回り方向に進行するように湾曲している。また、図２において下側に図示されている吸気バルブ４０の案内リブ４３は、径方向外側ほど反時計回り方向に進行するように湾曲している。さらに、一方の吸気バルブ４０の各案内リブ４３と、他方の吸気バルブ４０の各案内リブ４３とは、仮想直線Ｌを対称線として、対称的に延びている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
先ず、吸気バルブ４０に案内リブ４３が設けられていないと仮定した場合の吸気の流れについて説明する。図４において矢印で示すように、各吸気ポート２３の開口縁２３ａを介して気筒１２に供給される吸気は、概ね仮想直線Ｌ方向の吸気側から排気側へ向かって流れる。そして、流入した吸気の一部は、気筒１２の内壁に当たって仮想直線Ｌ側へと案内される。このとき、一方の吸気ポート２３の開口縁２３ａから流入してきた吸気と、他方の吸気ポート２３の開口縁２３ａから流入してきた吸気とが仮想直線Ｌの近傍でぶつかり合う。そのため、気筒１２内における排気側であって仮想直線Ｌの近傍においては、比較的に強い横渦が生じる。この横渦が生じた箇所においては、当該横渦に遮られて吸気が仮想直線Ｌ方向における吸気側へと戻りにくくなる。したがって、気筒１２の中心軸線Ｊの近傍や、一対の吸気ポート２３の開口縁２３ａの間の部分においては、吸気の流れが弱くなる。このように、気筒１２内において局所的に吸気の流れが弱い部分が生じていると、吸気行程や圧縮行程における理想的な吸気の流れ（例えばタンブル流）を妨げることになり、気筒１２内に噴射された燃料が拡散しにくかったり、燃焼した火炎が広がらなかったりする。

ここで、例えば、吸気ポート２３の開口縁２３ａの径を大きくしたり、一対の吸気ポート２３の開口縁２３ａの距離を小さくすることで、気筒１２の中心軸線Ｊの近傍や一対の吸気ポート２３の開口縁２３ａの間の部分において吸気の流れが弱くなることを抑制でき得る。しかしながら、図２に示すように、上記実施形態では、シリンダヘッド２１における凹部２２の中心軸線Ｊ近傍に、筒内噴射弁３２及び点火プラグ３３が取り付けられている。したがって、これらを取り付けるためのスペースを確保するために、一対の吸気ポート２３の開口縁２３ａの距離として相応の距離を確保する必要があるし、各吸気ポート２３の開口縁２３ａの径の大きさにも制限がある。

この点、上記実施形態では、吸気ポート２３の開口縁２３ａから気筒１２に流入する吸気に対して案内リブ４３の延設方向に沿う流れを付与して、緩やかな旋回流とすることができる。具体的には、図２に示すように、上側の吸気ポート２３から流入する吸気を、時計回り方向の緩やかな旋回流とし、下側の吸気ポート２３から流入する吸気を、反時計回り方向の緩やかな旋回流とすることができる。このように、あえて吸気を緩やかな旋回流とすることで、図４に示す例では吸気が行き渡りにくかった気筒１２の中心軸線Ｊ近傍や一対の吸気ポート２３の開口縁２３ａの間の部分にも、吸気を分散して供給できる。

しかも、上記実施形態では、一対の吸気バルブ４０の案内リブ４３が、仮想直線Ｌを大将戦として対称的に延びている。したがって、仮想直線Ｌを挟んで一方側と他方側とで吸気の流れを揃えることができ、気流の流れがアンバランスであることに起因する横渦や乱流の発生も抑制できる。これらの結果、気筒１２内において燃料が全体に均等に行き渡らせやすくなり、気筒１２内において燃焼した火炎も全体に広がりやすくなる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・シリンダヘッド２１に対する筒内噴射弁３２及び点火プラグ３３の取り付け位置は適宜変更できる。例えば、点火プラグ３３が筒内噴射弁３２よりも、仮想直線Ｌ方向の排気側に位置していてもよい。また、筒内噴射弁３２及び点火プラグ３３は、必ずしも仮想直線Ｌ上に位置している必要はない。

・ポート噴射弁３１が存在するのであれば、筒内噴射弁３２を省略してもよい。また、内燃機関１０が軽油を燃料とするものであれば、点火プラグ３３も省略できる。
・吸気バルブ４０における案内リブ４３は、周方向に等間隔で設けられていなくてもよい。例えば、弁体４１における弁軸４２よりも仮想直線Ｌ方向の排気側に多くの案内リブ４３が偏って配置されていてもよい。

・吸気バルブ４０における案内リブ４３の数は４つに限らない。案内リブ４３の数は、１〜３つでもよいし、５つ以上でもよい。ただし、吸気ポート２３から流入する吸気に効率よく旋回する流れを付与するという観点では、弁体４１における弁軸４２よりも仮想直線Ｌ方向の排気側に、少なくとも１つの案内リブ４３が設けられていることが好ましい。

・案内リブ４３における湾曲の程度（曲率）は、適宜変更できる。案内リブ４３がわずかにでも湾曲していれば、吸気に対して旋回する流れを付与できる。また、複数の案内リブ４３の曲率がそれぞれ異なっていてもよい。

・案内リブ４３における湾曲の向きも、上記実施形態の例に限らない。すなわち、案内リブ４３の湾曲の向きを上記実施形態と反対にしてもよい。この場合、図２において、上側に図示されている吸気バルブ４０の案内リブ４３は径方向外側ほど反時計回り方向に進行するように湾曲し、下側に図示されている吸気バルブ４０の案内リブ４３は径方向外側ほど時計回り方向に進行するように湾曲することになる。

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…気筒、１３…ピストン、１４…コネクティングロッド、１５…クランクシャフト、２１…シリンダヘッド、２２…凹部、２３…吸気ポート、２３ａ…開口縁、２４…吸気管、２５…スロットルバルブ、２７…排気ポート、２７ａ…開口縁、２８…排気管、３１…ポート噴射弁、３２…筒内噴射弁、３３…点火プラグ、４０…吸気バルブ、４１…弁体、４２…弁軸、４３…案内リブ、４５…排気バルブ、Ｒ…燃焼室、Ｌ…仮想直線。

Claims

円柱状の気筒が区画されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上端に取り付けられたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッド内に区画され、前記気筒に開口する一対の吸気ポートと、前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記各吸気ポートの開口を前記気筒の内部側から開閉する一対の吸気バルブとを備えている内燃機関であって、
前記一対の吸気ポートは、前記気筒の中心軸線に対して、当該中心軸線に直交する方向の一方側に配置されており、
前記吸気バルブは、前記吸気ポートの開口を塞ぐための弁体と、前記弁体から延びる弁軸とを備えており、
前記弁体における前記吸気ポート側の面からは案内リブが突出しており、
前記案内リブは、前記弁軸の径方向内側から外側に向けて延びているとともに前記弁軸の周方向一方側に湾曲しており、
前記気筒の中心軸線方向から平面視した場合に、一方の吸気バルブにおける前記案内リブと他方の吸気バルブにおける前記案内リブとが、前記気筒の中心軸線及び前記一対の吸気ポートの開口の間を通る仮想直線を対称線として対称的に延びている
ことを特徴とする内燃機関。