JP2023063835A - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合う吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気流同士が干渉することを抑制できる内燃機関の燃焼室構造を提供する。【解決手段】シリンダヘッド４の内部に燃焼室が形成され、燃焼室の内面に複数の吸気ポートと複数の排気ポートとが形成され、吸気ポートを開閉する複数の吸気バルブ１２ａを備えた内燃機関の燃焼室構造において、シリンダヘッド４の内壁面には、複数の吸気バルブ１２ａとの隙間を狭める湾曲したマスク部１４を有し、マスク部１４は、吸気バルブ１２ａの外周縁のうちの排気ポートとは反対側の部分と対向した後端部１４ａから接線方向が排気ポートに向いた前端部１４ｂまで形成され、かつ後端部１４ａから前端部１４ｂに向けて吸気バルブ１２ａとの隙間が次第に大きくなるように形成されている。【選択図】図３

Description

この発明は、気筒毎に複数の吸気ポートと複数の排気ポートとが形成された内燃機関の燃焼室構造に関し、特に吸気ポートから燃焼室に流入する吸気流の向きを定める構造に関するものである。

特許文献１には、吸気ポートから燃焼室内に流入した吸気の流れが、シリンダボアにおける軸線方向に縦向きに旋回するタンブル流となるように構成した内燃機関の燃焼室構造が記載されている。この特許文献１に記載された内燃機関の燃焼室構造は、吸気ポートを開閉する吸気弁が開弁したときに、吸気ポートのうち排気ポートとは反対側の半周の壁面と吸気弁との隙間を流れる吸気流を弱めるように構成されている。具体的には、吸気ポートのうち排気ポートとは反対側の半周の壁面に、吸気ポート側に突出した突起を形成し、またはその壁面を窪ませて形成している。

特許文献２には、中・低速域の運転ではスワールやタンブルを発生しやすくして燃焼を安定化させ、高速域の運転ではスワールやタンブルを弱めて燃焼音の発生を抑制するように構成された吸気ポートの構造が記載されている。具体的には、燃焼室に連通した一方の吸気ポートは、吸気バルブの中心軸線と同軸を中心としたバルブシートを形成した後に、その中心軸線から点火プラグ側に偏心した軸線を中心としてマスキングを切削することによって形成され、他方の吸気ポートは、吸気バルブの中心軸線と同軸を中心としたバルブシートを形成している。すなわち、一方の吸気ポートは、吸気バルブが開弁すると、その吸気バルブの外周縁と吸気ポートが形成されたシリンダヘッドとの壁面との点火プラグ側（燃焼室の中心側）の隙間が、他方側の隙間よりも広くなるように構成され、他方の吸気ポートは、吸気バルブが開弁した場合に、その吸気バルブの外周縁とシリンダヘッドの壁面との隙間が均一になるように構成されている。また、他方の吸気ポートには、制御バルブが設けられていて、中・低車速域で運転する場合には、制御バルブによって他方の吸気ポートを閉弁して、一方の吸気ポートのみから燃焼室内に吸気が流動するように構成されている。

特開平７－２６９３６０号公報 特開平７－１５０９５７号公報

特許文献１に記載されているように、吸気ポートのうち排気ポートとは反対側の半周の壁面に、吸気ポートの内側に突出した突起を形成することによって、吸気ポートのうち排気ポートとは反対側の隙間から吸気が燃焼室内に流動することを抑制することができ、その結果、タンブル流に対向した逆タンブル流の発生を抑制することができる。しかしながら、突起部が形成されていない領域から燃焼室内に放射状に吸気が流入すると、隣り合う吸気ポートから流入した吸気流同士が干渉する可能性がある。すなわち、各吸気ポートから流入した吸気流同士が干渉することによるエネルギー損失が生じる可能性があり、タンブル流を強めるための技術的な改善の余地がある。

また、特許文献２に記載されているように、一方の吸気ポートのみから燃焼室内に吸気が流動することによってタンブル流を発生させる場合には、吸気が燃焼室内に流入するための開口面積が小さいことにより、十分な吸気を燃焼室内に流動させることができず、またはタンブル流を発生させるための吸気のエネルギー量が不足する可能性がある。また、一方の吸気ポートは、吸気バルブの中心軸線から点火プラグ側に偏心した軸線を中心としてマスキングを切削して形成されているため、二つの吸気ポートから燃焼室内に吸気を流入する場合には、他方の吸気ポートから燃焼室内に流入した吸気側に、一方の吸気ポートから燃焼室内に流入した吸気が流れるため、燃焼室内に流入した吸気流同士が干渉することを助長し、その結果、各吸気ポートから流入した吸気流同士が干渉することによるエネルギー損失が増加し、タンブル流が低下する可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、隣り合う吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気流同士が干渉することを抑制できる内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とするものである。

この発明は、上記の目的を達成するために、シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッドの内部に燃焼室が形成され、前記燃焼室の内面となっている天井壁面に複数の吸気ポートと複数の排気ポートとが形成され、前記吸気ポートを前記燃焼室側で開閉する複数の吸気バルブを備えた内燃機関の燃焼室構造において、前記複数の吸気ポートが並んで形成され、前記複数の排気ポートが前記複数の吸気ポートと平行に並んで形成され、前記シリンダヘッドの内壁面には、前記複数の吸気バルブとの隙間を狭める湾曲したマスク部を有し、前記マスク部は、前記吸気バルブの外周縁のうちの前記排気ポートとは反対側の部分と対向した後端部から接線方向が前記排気ポートに向いた前端部まで形成され、かつ前記後端部から前記前端部に向けて前記吸気バルブとの隙間が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とするものである。

この発明では、前記前端部と前記吸気バルブとの隙間は、前記吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気流を低減することができる限界値に定められていてよい。

この発明では、前記前端部は、前記吸気ポートのうち、隣り合う前記吸気ポート側の内周側前端部と、前記燃焼室の外周側の外側前端部とを含んでよい。

この発明によれば、内部に燃焼室が形成されたシリンダヘッドに吸気ポートが形成され、その吸気ポートを燃焼室側で開閉するように吸気バルブが設けられている。そのシリンダヘッドの内壁面には、吸気バルブとの隙間を狭める湾曲したマスク部を有し、マスク部は、吸気バルブの外周縁のうちの排気ポートとは反対側の部分と対向した後端部から接線方向が排気ポートに向いた前端部まで形成され、かつ後端部から前端部に向けて吸気バルブとの隙間が次第に大きくなるように形成されている。すなわち、マスク部の後端部と吸気バルブとの隙間が最も小さくなるように構成されている。そのため、後端部側から燃焼室内に吸気が流入することによる逆タンブル流の発生を抑制することができる。その結果、逆タンブル流によってタンブル流が弱められることを抑制することができるため、燃焼室での燃焼を迅速に行うことができる。また、マスク部の前端部は、その接線方向が排気ポートに向いて形成され、さらに、後端部から前端部に向けて吸気バルブとマスク部との隙間が次第に大きくなるように形成されているため、マスク部の前端部から燃焼室に流入する吸気流を排気ポート側に向けることができ、隣り合う吸気ポートから燃焼室に流入した吸気流と干渉することを抑制できる。その結果、タンブル流を強化することができる。

この発明の実施形態における燃焼室の形状を説明するための模式的な断面図であって、図２のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。 その燃焼室をピストン側から見た概略図である。 マスクの形状を説明するための図１における矢視ＩＩＩの正面図である。 吸気ポートから燃焼室に流入した吸気流の流れを模式的に示す上面図である。 マスクを設けていないシリンダヘッドの比較例を示す図である。 マスクと吸気バルブとの隙間を最小に設定した比較例を示す図である。 実施例と各比較例とのタンブル比を比較した結果を示す図である。

以下、この発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態はこの発明を具体化した場合の一例に過ぎないのであって、この発明を限定するものではない。

図１にこの発明の実施形態を模式的に示し、その燃焼室をピストン側から見た図を図２に示してある。図１に示すようにシリンダブロック１にボア２が形成され、その内部には、図示しないクランクシャフトの回転に伴ってボア２内を気密状態に維持しながら上下動するピストン３が収容されている。このシリンダブロック１の上方側（ボア２の開口部側であって、図１における上側）には、シリンダヘッド４が取り付けられている。このシリンダヘッド４の下面のうち前記ボア２に対応した位置は、上側に窪んで形成されていて、この窪んだ位置が燃焼室５とされている。

この燃焼室５は、その天井壁面６が左右両側から次第に高くなっているペントルーフ型に形成され、その中央部分（すなわち、ボア２の中心軸線との交点部分）には、点火プラグ７が設けられている。その天井壁面６の稜線の一方側には、図２に示すように二つの円形の吸気ポート８ａ，８ｂが並んで形成され、その吸気ポート８ａ，８ｂにそれぞれ吸気管９ａ，９ｂが連通している。

同様に、天井壁面６の稜線の他方側には、二つの円形の排気ポート１０ａ，１０ｂが並んで形成され、その排気ポート１０ａ，１０ｂにそれぞれ排気管１１ａ，１１ｂが連通している。具体的には、二つの吸気ポート８ａ，８ｂの中心を結ぶ線が、稜線と平行となるように吸気ポート８ａ，８ｂが形成され、同様に二つの排気ポート１０ａ，１０ｂの中心を結ぶ線が、稜線と平行となるように排気ポート１０ａ，１０ｂが形成されている。

言い換えると、二つの吸気ポート８ａ，８ｂの中心を結ぶ線と、二つの排気ポート１０ａ，１０ｂの中心を結ぶ線とが平行となるように、それぞれの吸気ポート８ａ，８ｂおよび排気ポート１０ａ，１０ｂが形成されている。以下の説明では、吸気ポート８ａ，８ｂと排気ポート１０ａ，１０ｂとが対向する方向を左右方向とし、互いの吸気ポート８ａ，８ｂの間隔方向を前後方向として説明する。なお、上記の吸気管９ａ，９ｂは、その上流側で分岐して形成されていて、その上流側の流路には、開口面積を調整するための図示しないスロットルバルブなどが設けられている。

上記の吸気ポート８ａ，８ｂを燃焼室５側から閉弁するように構成された吸気バルブ１２ａ，１２ｂが設けられている。この吸気バルブ１２ａ，１２ｂは、従来の吸気バルブと同様に構成されていて、吸気ポート８ａ，８ｂに垂直な方向に上下動可能に構成されたロッドの下端に連結された円錐状の部分であって、吸気ポート８ａ，８ｂの開口面積よりも大径に形成されている。

同様に排気ポート１０ａ，１０ｂを燃焼室５側から閉弁するように構成された排気バルブ１３ａ，１３ｂが設けられている。この排気バルブ１３ａ，１３ｂは、従来の排気バルブと同様に構成されていて、排気ポート１０ａ，１０ｂに垂直な方向に上下動可能に構成されたロッドの下端に連結された円錐状の部分であって、排気ポート１０ａ，１０ｂの開口面積よりも大径に形成されている。

上記の各バルブ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、図示しないクランクシャフトの回転に伴って吸気ポート８ａ，８ｂや排気ポート１０ａ，１０ｂを開閉するように構成されている。言い換えると、ピストン３の上下動に応じて開閉動作する。具体的には、ボア２内に空気や燃料を供給する吸気行程では、ピストン３が上死点から下死点に向けて下降している過程で、吸気バルブ１２ａ，１２ｂが一度開閉動作し、ボア２内の排気を排出する排気行程では、ピストン３が下死点から上死点に向けて上昇している過程で、排気バルブ１３ａ，１３ｂが一度開閉動作する。

上記のシリンダヘッド４の下端には、吸気バルブ１２ａ，１２ｂが開弁した直後あるいは吸気バルブ１２ａ，１２ｂが閉弁する直前に、左右方向で対向する排気ポート１０ａ，１０ｂ側に吸気が流動するように、言い換えると、左右方向で対向する排気ポート１０ａ，１０ｂとは反対側に吸気が流動することを抑制するように構成され、また一方の吸気ポート８ａ（８ｂ）から燃焼室５内に流入した吸気流が、他方の吸気ポート８ｂ（８ａ）から燃焼室５内に流入した吸気流と干渉しないように構成された壁面（以下、マスクと記す）１４を備えている。このマスク１４は、吸気バルブ１２ａ，１２ｂとの隙間から吸気が燃焼室５内に流動することを抑制するためのものであって、シリンダヘッド４と一体に形成してもよく、シリンダヘッド４とマスク１４とを個別に成形した後に一体化させたものであってもよい。このマスク１４は、吸気ポート８ａ，８ｂから吸気バルブ１２ａ，１２ｂの軸線方向で予め定められた所定長さの範囲に形成されている。

図３に、マスク１４の形状を説明するための図１における矢視ＩＩＩの図を示してある。なお、吸気ポート８ａに形成されたマスク１４と、吸気ポート８ｂに形成されたマスク１４とは、同様に形成することができるため、以下の説明では、吸気ポート８ａに形成されたマスク１４の形状についてのみ説明する。

図３に示すマスク１４は、吸気バルブ１２ａの外周縁と所定の隙間が空くように形成されている。すなわち、マスク１４の壁面は、湾曲して形成されている。具体的には、吸気バルブ１２ａの外周縁のうち左右方向で排気ポート１０ａとは反対側の部分に対向した後端部１４ａと吸気バルブ１２ａとの隙間が最も小さく、その後端部１４ａから排気ポート１０ａ側に向けて、吸気バルブ１２ａとの隙間が次第に大きくなるように構成されている。

この後端部１４ａと吸気バルブ１２ａとの隙間は、各部材の公差や組み付け誤差などによって吸気バルブ１２ａと後端部１４ａとが最も接近したとしても接触しない寸法の範囲で最も小さくなるように定められている。また、マスク１４の周方向における各前端部１４ｂ，１４ｃは、その接線が、左右方向で対向する排気ポート１０ａを向く位置まで形成されていて、それらの前端部１４ｂ，１４ｃと吸気バルブ１２ａとの隙間は、マスク１４による効果を発揮できる限界の隙間に定められている。なお、前端部１４ｂ，１４ｃに連なる壁面と吸気バルブ１２ａとの隙間は、前端部１４ｂ，１４ｃと吸気バルブ１２ａとの隙間よりも大きくなるように構成されている。

上述したように構成されたシリンダヘッド４を使用した吸気の流れを数値流体力学（Computational Fluid Dynamics：ＣＦＤ）解析した結果を図４に示してある。図４に示すように吸気ポート８ａ，８ｂを流動した吸気は、マスク１４が形成された領域以外の部分から燃焼室５内に流入している。これは、吸気バルブ１２ａ，１２ｂとマスク１４との隙間が小さいことによる流動抵抗や流れの乱れによって、マスク１４が形成された領域から燃焼室５内に吸気が流入することが抑制されたためと考えられる。また、マスク１４の各前端部１４ｂ，１４ｃ近傍から燃焼室５内に流入する吸気流は、燃焼室５内に流入すると同時に排気ポート１０ａ，１０ｂ側に湾曲した流れとなっていて、隣り合う吸気ポート８ｂ（８ａ）から燃焼室５内に流入した吸気流との干渉が抑制されている。これは、上述したように吸気バルブ１２ａ，１２ｂとマスク１４との隙間が、排気ポート１０ａ，１０ｂ側に向けて次第に大きくなるように構成されているためと考えられる。

上述したように形成されたマスク１４を設けることによる効果を検証するために、上述したようにマスク１４を形成した実施例（破線）、図５に示すように吸気バルブ１２ａとシリンダヘッド４の壁面との隙間を、上記のマスク１４の前端部１４ｂ，１４ｃの隙間以上に空けた比較例１（一点鎖線）、および図６に示すように吸気バルブ１２ａとマスク１４との隙間を、上記の吸気バルブ１２ａとマスク１４の後端部１４ａとの隙間と同一の隙間で均一に形成した比較例２（実線）でのボア２内の平均乱れ（タンブル比）を比較した。その結果を図７に示してあり、縦軸には、ボア２内の平均乱れを採り、横軸には、ピストン３が下死点に到達する時点のクランクアングルを基準として、ピストン３が下死点に到達する以前のクランクアングルを正の値として採ってある。なお、この検証では、ピストン３が下死点に到達する以前に吸気バルブ１２ａを閉弁する場合を考慮して、その吸気バルブ１２ａを閉弁するタイミング（クランクアングル）毎に、タンブル比を測定した。

図７に示すように比較例１に対して比較例２では、タンブル比が大きい。これは、吸気バルブ１２ａ，１２ｂとマスク１４の後端部１４ａ（ＩＮ側）との隙間を減少させたことによって、後端部１４ａ側から燃焼室５内に吸気が流入することによる逆タンブル流（タンブル流に対向する吸気流）の発生を抑制できたためと考えられる。

また、図７に示すように比較例２に対して実施例では、タンブル比が大きい。これは、吸気バルブ１２ａ（１２ｂ）とマスク１４のうちの隣り合う吸気ポート８ｂ（８ａ）側の前端部１４ｂ（ＥＸ側）との隙間を、後端部１４ａ側から次第に拡大したことによって、隣り合う吸気ポート８ｂから燃焼室５に流入した吸気の流れが干渉することを抑制できたため、言い換えると、吸気ポート８ａ，８ｂから燃焼室５に流入する吸気の流れを、排気ポート１０ａ，１０ｂ側に向けることができたためと考えられる。

上述したように形成したマスク１４を設けることによって、後端部１４ａ側から燃焼室５に吸気が流入することによる逆タンブル流の発生を抑制することができる。その結果、逆タンブル流によってタンブル流が弱められることを抑制することができるため、燃焼室５での燃焼を迅速に行うことができる。また、吸気バルブ１２ａ，１２ｂとマスク１４との隙間を排気ポート１０ａ，１０ｂが次第に大きくなるように形成し、またマスク１４の前端部１４ｂの接線方向が排気ポート１０ａ，１０ｂ側に向くように形成することによって、マスク１４の前端部１４ｂから燃焼室５に流入する吸気流を排気ポート１０ａ，１０ｂ側に向けることができる。すなわち、隣り合う吸気ポート８ａ，８ｂから燃焼室５内に流入した吸気流同士が干渉することを抑制できる。その結果、タンブル流を強化することができる。

４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
６ 天井壁面
８ａ，８ｂ 吸気ポート
１０ａ，１０ｂ 排気ポート
１２ａ，１２ｂ 吸気バルブ
１３ａ，１３ｂ 排気バルブ
１４ マスク
１４ａ 後端部
１４ｂ 前端部

Claims (3)

1. シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッドの内部に燃焼室が形成され、前記燃焼室の内面となっている天井壁面に複数の吸気ポートと複数の排気ポートとが形成され、前記吸気ポートを前記燃焼室側で開閉する複数の吸気バルブを備えた内燃機関の燃焼室構造において、
   前記複数の吸気ポートが並んで形成され、前記複数の排気ポートが前記複数の吸気ポートと平行に並んで形成され、
   前記シリンダヘッドの内壁面には、前記複数の吸気バルブとの隙間を狭める湾曲したマスク部を有し、
   前記マスク部は、前記吸気バルブの外周縁のうちの前記排気ポートとは反対側の部分と対向した後端部から接線方向が前記排気ポートに向いた前端部まで形成され、かつ前記後端部から前記前端部に向けて前記吸気バルブとの隙間が次第に大きくなるように形成されている
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
   前記前端部と前記吸気バルブとの隙間は、前記吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気流を低減することができる限界値に定められている
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
   前記前端部は、前記吸気ポートのうち、隣り合う前記吸気ポート側の内周側前端部と、前記燃焼室の外周側の外側前端部とを含む
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。

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