JP2020143607A

JP2020143607A - エンジン

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Publication number: JP2020143607A
Application number: JP2019039775A
Authority: JP
Inventors: 享秀青柳; Yukihide Aoyagi; 崇原; Takashi Hara
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP7310175B2

Abstract

【課題】シリンダ内に流入する空気量を増加させ、燃焼効率を向上する。【解決手段】エンジンは、燃焼室が形成されるシリンダ１０２ｂと、シリンダの上端に接続されるシリンダヘッド１０４と、シリンダヘッドに形成され、燃焼室に連通する吸気ポート１１０と、吸気ポートを開閉する吸気バルブ１１４と、シリンダの内周面において前記上端から離隔し、前記吸気バルブの弁体と対向する位置に形成され、前記シリンダの径方向外側に吸気窪み部１２０ａとを備える。【選択図】図３

Description

本開示は、エンジンに関する。

従来、エンジンは、吸気ポートからシリンダ内に吸気が流入する。吸気ポートには、吸気ポートを開閉する吸気バルブが設けられる。吸気バルブがシリンダの延長線に接する構造をとる場合、シリンダと吸気バルブとの干渉を避けるために、シリンダの上端にバルブリセスが設けられている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−１８８５０９号公報

ところで、吸気バルブがシリンダの延長線より内側に位置する構造をとる場合において、燃焼室内に吸気バルブがリフトする際、吸気バルブとシリンダとの隙間が小さいと、燃焼室内に流入する空気量を確保できないことがある。このような場合、シリンダ内に流入する空気量が低下し、燃焼効率が低下するといった問題があった。

本開示は、このような課題に鑑み、シリンダ内に流入する空気量を増加させ、燃焼効率を向上することが可能なエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るエンジンは、燃焼室が形成されるシリンダと、シリンダの上端に接続されるシリンダヘッドと、シリンダヘッドに形成され、燃焼室に連通する吸気ポートと、吸気ポートを開閉する吸気バルブと、シリンダの内周面において上端から離隔し、吸気バルブの弁体と対向する位置に形成され、シリンダの径方向外側に窪む窪み部と、を備える。

吸気ポートは、燃焼室と連通する端部において、燃焼室側に拡径する座面を備え、窪み部は、シリンダの中心位置と吸気バルブの中心位置とを通るシリンダの軸方向に沿った平面上において、座面の延長線とシリンダの内周面とが交わる交点、または、交点よりもシリンダの下端側に形成されてもよい。

窪み部は、軸方向に沿って湾曲していてもよい。

窪み部の径方向の深さは、吸気バルブのリフト量の半分以下であってもよい。

本開示によれば、シリンダ内に流入する空気量を増加させ、燃焼効率を向上することが可能となる。

エンジンの概略的な構成を示す図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。吸気窪み部の形状を説明する図である。変形例の吸気窪み部を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１００の概略的な構成を示す図である。図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６を備える。シリンダヘッド１０４は、シリンダブロック１０２の上端に接続される。エンジン１００は、燃料ガスを燃焼させることで動力を得るミラーサイクルのガスエンジンである。ただし、エンジン１００は、レシプロエンジンであれば、ガスエンジンでなくてもよい。

シリンダブロック１０２には、シリンダライナ１０２ａが圧入または鋳込まれる。シリンダライナ１０２ａの内周面によってシリンダ１０２ｂが形成される。なお、シリンダライナ１０２ａは設けられていなくてもよく、シリンダブロック１０２によってシリンダ１０２ｂが形成されていてもよい。シリンダ１０２ｂには、ピストン１０６が収容される。

燃焼室１０８は、シリンダ１０２ｂ内部に形成される。燃焼室１０８は、シリンダライナ１０２ａ（シリンダ１０２ｂ）、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６の冠面１０６ａによって囲繞される。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１１０および排気ポート１１２がそれぞれ２個ずつ形成される。なお、吸気ポート１１０および排気ポート１１２の数は、いくつであってもよく、例えば１個ずつ形成されていてもよい。

吸気ポート１１０および排気ポート１１２は、燃焼室１０８に連通する。吸気ポート１１０には、吸気バルブ１１４が設けられる。吸気バルブ１１４は、シリンダ１０２ｂの軸方向に沿って摺動可能にシリンダヘッド１０４に支持される。吸気バルブ１１４は、吸気ポート１１０における燃焼室１０８との連通口を開閉する。

排気ポート１１２には、排気バルブ１１６が設けられる。排気バルブ１１６は、シリンダ１０２ｂの軸方向に沿って摺動可能にシリンダヘッド１０４に支持される。排気バルブ１１６は、排気ポート１１２における燃焼室１０８との連通口を開閉する。

吸気バルブ１１４および排気バルブ１１６は、シリンダ１０２ｂの内周面よりも径方向内側に全てが位置するように配置される。つまり、吸気バルブ１１４および排気バルブ１１６は、シリンダ１０２ｂの軸方向に沿って摺動しても、シリンダ１０２ｂと干渉しない位置に設けられる。

吸気ポート１１０には、空気（吸気）と燃料ガスとの混合気が導かれる。混合気は、吸気ポート１１０を介して、燃焼室１０８に流入する。燃焼室１０８から排気ポート１１２に排出された排気は、排気ポート１１２を介して外部に排出される。

シリンダヘッド１０４には、燃焼室１０８と連通する連通路１１８が形成される。連通路１１８には、不図示の副燃焼室が連通される。副燃焼室は、例えば、燃焼室１０８に対し、ピストン１０６と反対側に位置する。ただし、燃焼室１０８と副燃焼室が連通していれば、副燃焼室は、この配置に限定されない。また、副燃焼室の数も限定されない。

エンジン１００は、例えば、４サイクルエンジンである。吸気行程において、ピストン１０６が下死点に向かう。また、吸気バルブ１１４が開弁し、排気バルブ１１６が閉弁する。燃料ガスと空気との混合気は、吸気ポート１１０から燃焼室１０８に流入する。

圧縮行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。また、吸気バルブ１１４および排気バルブ１１６が閉弁する。ピストン１０６によって圧縮された混合気が、燃焼室１０８から副燃焼室に導かれる。

膨張（爆発）行程において、不図示の点火装置によって副燃焼室の混合気が点火され、火炎が燃焼室１０８に噴出する。燃焼室１０８において混合気が燃焼し、ピストン１０６が下死点側に押圧される。

排気行程において、ピストン１０６が上死点に向かう。また、吸気バルブ１１４が閉弁し、排気バルブ１１６が開弁する。排気ガスは、排気ポート１１２を通って燃焼室１０８から排出される。

ところで、エンジン１００では、シリンダ１０２ｂに流入する空気量を増加させ、燃焼効率を向上させることが希求されている。そこで、エンジン１００には、シリンダ１０２ｂの内周面に窪み部が形成される。なお、以下では、吸気バルブ１１４に対向する窪み部を吸気窪み部１２０ａとする。また、排気バルブ１１６に対向する窪み部を排気窪み部１２０ｂとする。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。なお、図２では、シリンダブロック１０２を省略している。図１および図２に示すように、吸気窪み部１２０ａは、シリンダ１０２ｂの径方向において、吸気バルブ１１４の弁体１１４ａと対向する位置に設けられる。排気窪み部１２０ｂは、シリンダ１０２ｂの径方向において、排気バルブ１１６の弁体１１６ａと対向する位置に設けられる。吸気窪み部１２０ａおよび排気窪み部１２０ｂは、それぞれ２個ずつ設けられる。

図１に示すように、吸気窪み部１２０ａおよび排気窪み部１２０ｂは、シリンダ１０２ｂの上端から所定距離だけ離隔した位置に形成される。吸気窪み部１２０ａおよび排気窪み部１２０ｂは、シリンダ１０２ｂの内周面側から径方向外側に向かって窪んでいる。

図２に示すように、吸気窪み部１２０ａは、シリンダ１０２ｂにおいて、吸気バルブ１１４の弁体１１４ａと最も近接した位置を基準として、シリンダ１０２ｂの周方向の両側における所定範囲に形成される。排気窪み部１２０ｂは、シリンダ１０２ｂにおいて、排気バルブ１１６の弁体１１６ａと最も近接した位置を基準として、シリンダ１０２ｂの周方向の両側における所定範囲に形成される。

以下では、吸気窪み部１２０ａの詳細な形状について説明する。なお、排気窪み部１２０ｂは、吸気窪み部１２０ａと同一形状であるため、説明は省略する。

図３は、吸気窪み部１２０ａの形状を説明する図である。なお、図３は、シリンダ１０２ｂの中心位置と、吸気バルブ１１４（吸気ポート１１０の連通口）の中心位置とを通る軸方向に沿った断面図である。また、図３では、閉弁時の吸気バルブ１１４を実線で示し、最も下方にリフトしているときの吸気バルブ１１４を一点鎖線で示す。

図３に示すように、吸気ポート１１０の連通口には、バルブシート１１０ａが設けられる。バルブシート１１０ａは、燃焼室１０８から離隔するほど（図３中、上側ほど）、径方向の内側となる向きに傾斜する座面１１０ｂが形成される。なお、吸気ポート１１０にバルブシート１１０ａが設けられてなく、吸気ポート１１０に座面１１０ｂが形成されていてもよい。つまり、吸気ポート１１０は、燃焼室１０８と連通する端部において、燃焼室１０８側に向けて拡径する座面１１０ｂが形成される。

吸気バルブ１１４は、燃焼室１０８側の端部に、拡径する弁体１１４ａが形成される。弁体１１４ａには、バルブシート１１０ａと当接する当接面１１４ｂが形成される。当接面１１４ｂは、軸方向に対して、バルブシート１１０ａの座面１１０ｂと同一の傾斜角に傾斜している。

吸気窪み部１２０ａは、シリンダ１０２ｂの中心位置と、吸気バルブ１１４（吸気ポート１１０の連通口）の中心位置とを通る軸方向の平面上において、座面１１０ｂの延長線Ｌ１とシリンダ１０２ｂの内壁面との交点Ｐ１に形成される。なお、吸気窪み部１２０ａは、交点Ｐ１よりもシリンダ１０２ｂの下端側に形成されてもよい。換言すると、吸気窪み部１２０ａの上端は、交点Ｐ１、または、交点Ｐ１よりも吸気ポート１１０から離隔する位置にある。

吸気窪み部１２０ａの下端は、軸方向において吸気バルブ１１４が最も下方にリフトした位置Ｐ２、または、位置Ｐ２よりもシリンダ１０２ｂの下端側に位置している。

また、吸気窪み部１２０ａの径方向の深さは、吸気バルブ１１４のリフト量Ｈ１の半分以下の長さＨ２である。

また、吸気窪み部１２０ａは、シリンダ１０２ｂの軸方向に沿って湾曲しており、断面がお椀状に形成される。つまり、吸気窪み部１２０ａの断面は、シリンダ１０２ｂの径方向内側を中心とした曲率を有している。

エンジン１００では、吸気行程において吸気バルブ１１４が下方にリフトして吸気ポート１１０が開かれる。そうすると、混合気は、吸気ポート１１０のバルブシート１１０ａと吸気バルブ１１４の弁体１１４ａとの間を通って燃焼室１０８に導かれる。このとき、混合気の一部は、吸気バルブ１１４の弁体１１４ａとシリンダ１０２ｂとの間を通過することになる。

ここで、吸気窪み部１２０ａが設けられている場合、吸気バルブ１１４とシリンダ１０２ｂとの間隔は、吸気窪み部１２０ａが設けられていない場合よりも大きくなる。

吸気バルブ１１４とシリンダ１０２ｂとの間隔が大きくなることで、混合気が燃焼室１０８に流入する際の圧損を低減することができる。これにより、吸気窪み部１２０ａは、燃焼室１０８に流入する混合気の流入量（空気量）を増加させることができ、燃焼効率を向上させることができる。また、吸気窪み部１２０ａは、空気量増加による効果により、圧縮比に対する膨張比を大きくすることができ、熱効率を向上させることができる。特に、ミラーサイクルのエンジン１００では、吸気バルブ１１４が閉弁するタイミングが早い（リフト量が少ない）ため、効果的である。

また、吸気窪み部１２０ａが軸方向に沿って湾曲していることで、吸気窪み部１２０ａを通過する混合気は、吸気窪み部１２０ａの壁面に沿って流れることになる。これにより、吸気窪み部１２０ａは、燃焼室１０８を縦方向（軸方向）に回転するタンブル流を促進させることになる。タンブル流が促進することで、混合気の燃焼伝搬が促進されるので、吸気窪み部１２０ａは、燃焼効率を向上することができる。

また、吸気窪み部１２０ａの上端は、交点Ｐ１、または、交点Ｐ１よりも下端側に位置している。これにより、吸気ポート１１０から燃焼室１０８に流入した混合気が、吸気窪み部１２０ａに直線的に導かれることになる。そのため、吸気窪み部１２０ａは、燃焼室１０８内の混合気の流れを整流することができる。また、吸気窪み部１２０ａは、吸気バルブ１１４の閉弁直前のバルブリフト量が小さくなる際に、吸気バルブ１１４とシリンダ１０２ｂとの間の流量を確保させることができる。

また、吸気窪み部１２０ａの径方向の深さは、吸気バルブ１１４のリフト量Ｈ１の半分以下の長さＨ２であるため、圧縮比の低下を抑制することができる。

また、排気窪み部１２０ｂが設けられていることにより、排気バルブ１１６とシリンダ１０２ｂとの間隔を、排気窪み部１２０ｂが設けられていない場合よりも大きくすることができる。これにより、燃焼室１０８から排気ポート１１２に導かれる排気を、圧損を低減して効率よく排気ポート１１２に導くことができる。したがって、排気窪み部１２０ｂは、排気行程で燃焼室１０８に残存する排気量を減らすことができ、燃焼効率を向上させることができる。

図４は、変形例の吸気窪み部２２０ａを説明する図である。上述した実施形態では、吸気窪み部１２０ａの断面が軸方向に湾曲しているお椀状に形成されていた。しかしながら、図４に示すように、吸気窪み部２２０ａの断面は、湾曲していない矩形であってもよい。同様に、排気窪み部も断面が矩形であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例では、吸気ポート１１０から燃焼室１０８に、空気と燃料ガスとの混合気が流入した。しかしながら、吸気ポート１１０から燃焼室１０８に空気が流入し、燃焼室１０８に燃料ガスが直接噴射されるようにしてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、副燃焼室が設けられ、副燃焼室において混合気が点火されるようにした。しかしながら、副燃焼室が設けられておらず、燃焼室１０８において混合気が点火されるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、排気窪み部１２０ｂが、排気バルブ１１６と対向する位置に設けられるようにした。しかしながら、排気バルブ１１６に対向する位置に排気窪み部１２０ｂが形成されていなくてもよい。つまり、排気窪み部１２０ｂがシリンダ１０２ｂに形成されていなくてもよい。

本開示は、エンジンに利用することができる。

１００エンジン
１０２ｂシリンダ
１０４シリンダヘッド
１１０吸気ポート
１１４吸気バルブ
１２０ａ吸気窪み部（窪み部）

Claims

燃焼室が形成されるシリンダと、
前記シリンダの上端に接続されるシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに形成され、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、
前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
前記シリンダの内周面において前記上端から離隔し、前記吸気バルブの弁体と対向する位置に形成され、前記シリンダの径方向外側に窪む窪み部と、
を備えるエンジン。
前記吸気ポートは、
前記燃焼室と連通する端部において、前記燃焼室側に拡径する座面を備え、
前記窪み部は、
前記シリンダの中心位置と前記吸気バルブの中心位置とを通る前記シリンダの軸方向に沿った平面上において、前記座面の延長線と前記シリンダの内周面とが交わる交点、または、前記交点よりも前記シリンダの下端側に形成される請求項１に記載のエンジン。
前記窪み部は、軸方向に沿って湾曲している請求項１または２に記載のエンジン。
前記窪み部の前記径方向の深さは、前記吸気バルブのリフト量の半分以下である請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジン。