JP3551572B2

JP3551572B2 - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP3551572B2
Application number: JP24320395A
Authority: JP
Inventors: 皇臣丸山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: JPH0988616A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機関に供給される混合気の空燃比をリーン化しても安定した燃焼を得る方法として、燃焼室に適度なスワールないしタンブルの旋回流を生起することが有効である。
【０００３】
スワールないしタンブルを生起する装置として、例えば実開昭５９−１９４５３３号公報に開示されたものは、燃焼室に吸入される吸気を運転条件に応じて絞る吸気流制御バルブを備え、吸気通路壁面に吸気流制御バルブの閉時に吸気を通すガイド溝を形成したものがある。
【０００４】
低速時等の運転条件で、吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分がガイド溝を通って導かれることにより、燃焼室に流入する吸気流速を高めて、燃焼室にスワールないしタンブルの旋回流を生起するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の吸気装置は、ガイド溝がその全域にわたって吸気通路壁面に凹状に窪む構造のため、ガイド溝の深さがシリンダヘッドに設けられるウォータジャケットによって制約され、吸気流を案内するのに十分な深さを確保できない可能性がある。
【０００６】
ガイド溝の深さが不足すると、燃焼室に生起されるスワールないしタンブルの勢力が低下するため、安定した燃焼性が得られるリーン限界空燃比が低下して、燃費の悪化を招く。
【０００７】
本発明は上記の問題点に着目し、内燃機関の吸気装置において、吸気流制御バルブによる吸気流の制御性を改善することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の吸気装置は、吸気通路を運転条件に応じて絞る吸気流制御バルブと、吸気流制御バルブの閉時に吸気を通すガイド溝と、を備える内燃機関の吸気装置において、前記ガイド溝の少なくとも一部を、吸気通路壁面に対して凹状に窪む部位と、吸気通路壁面から隆起するリブによって画成される部位とから構成する。
【０００９】
請求項２に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項１に記載の発明において、吸気流制御バルブにリブに係合して吸気をガイド溝に導く切欠きを形成する。
【００１０】
請求項３に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項１または２に記載の発明において、
前記ガイド溝をシリンダ軸と平行な平面状に延びる一対の側壁部と各側壁部を結ぶ底壁部とから画成する。
【００１１】
請求項４に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項３に記載の発明において、
前記底壁部を側壁部に直交する平面状に形成する。
【００１２】
請求項５に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、
前記燃焼室に接続する２つの吸気ポートをＶ字形に分岐して形成し、
２つのガイド溝を各吸気ポートに形成する。
【００１３】
請求項６に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項５に記載の発明において、
前記各吸気ポートを開閉する２本の吸気弁を備え、
前記２つのガイド溝をその中心の延長線が各吸気弁の中心線よりもシリンダの中心側に位置するように直線状に形成する。
【００１４】
請求項７に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項１から６のいずれか一つに記載の発明において、
前記ガイド溝の下方に機関冷却水を循環させるウォータジャケットを形成する。請求項８に記載の内燃機関の吸気装置は、請求項１から７のいずれか一つに記載の発明において、
前記リブの先端断面形を円弧状に湾曲させる。
【００１５】
【作用】
請求項１に記載の内燃機関の吸気装置において、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分がガイド溝を通ることにより、燃焼室に流入する吸気流速を高めて、燃焼室にスワールないしタンブルの旋回流を生起する。
【００１６】
ガイド溝はリブを介してその溝深さを十分に確保するため、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室に強い旋回流を生起する。
【００１７】
この結果、燃料噴霧と空気の混合を促進して、良好な燃焼性が得られ、空燃比を希薄化するリーンバーン領域を拡大することができる。
【００１８】
さらにガイド溝の少なくとも一部を吸気通路壁面に対して凹状に窪む部位と吸気通路壁面から隆起するリブによって画成される部位とから構成することにより、ガイド溝の溝深さを十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室に強い旋回流を生起することができる。
【００１９】
請求項２に記載の内燃機関の吸気装置において、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分が吸気流制御バルブの切欠きを介してガイド溝を通って燃焼室の所定位置へと導かれ、燃焼室に旋回流を生起する。
【００２０】
請求項３に記載の内燃機関の吸気装置において、ガイド溝をシリンダ軸と平行な平面状に延びる一対の側壁部と各側壁部を結ぶ底壁部とから画成することにより、ガイド溝の断面積を十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室に強い旋回流を生起することができる。
【００２１】
請求項４に記載の内燃機関の吸気装置において、底壁部を側壁部に直交する平面状に形成することにより、ガイド溝の深さを抑えつつ、ガイド溝の断面積を十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室に強い旋回流を生起することができる。
【００２２】
請求項５に記載の内燃機関の吸気装置において、２つのガイド溝をＶ字形に分岐した２つの吸気ポートに配設したため、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分が各吸気ポートにおいてガイド溝を通ることにより、燃焼室に流入する吸気流速を高めて、燃焼室に強い旋回流を生起する。
【００２３】
請求項６に記載の内燃機関の吸気装置において、２つのガイド溝をその中心の延長線が各吸気弁の中心線よりもシリンダの中心側に位置するように直線状に形成することにより、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分がガイド溝を通って燃焼室の中央部へと直線的に導かれ、燃焼室に縦方向に旋回する強い旋回流を生起する。
【００２４】
請求項７に記載の内燃機関の吸気装置において、ガイド溝はリブを介してその溝深さを十分に確保するため、ガイド溝の下方に形成されたウォータジャケットの形状に対する制約を少なくし、シリンダヘッドの冷却性を確保することと、ガイド溝を介して燃焼室に強い旋回流を生起することを両立することができる。
【００２５】
請求項８に記載の内燃機関の吸気装置において、リブの先端断面形を円弧状に湾曲させることにより、ガイド溝からリブを乗り越えて燃焼室へと流れる吸気流がリブの先端部から剥離することが抑えられ、リブ周辺における吸気の流れを円滑にし、吸気充填効率の向上がはかれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１において、１は機関の燃焼室、４はピストン、２は吸気通路、６は吸気弁、３はインジェクタである。
【００２８】
機関は吸気弁６が開かれるのに伴って吸気通路２から燃焼室１に吸気（混合気）を吸入し、この吸気をピストン４で圧縮して、点火プラグ５で着火燃焼させ、図示しない排気弁が開かれるのに伴って排気が排気通路に排出され、これらの各行程が連続して繰り返されるようになっている。
【００２９】
シリンダヘッド１０には、燃焼室１に接続する２本の吸気ポート１１が形成される。図２にも示すように、吸気通路２は、１つの気筒の燃焼室１に開口する２本の吸気ポート１１にＶ字形に分岐する。各吸気ポート１１の燃焼室１に対する開口部が各吸気弁６によって機関回転に同期して開閉される。
【００３０】
シリンダヘッド１０にはインテークマニホールド２０が連結される。インテークマニホールド２０に吸気ポート１１に接続する吸気通路２が画成されるとともに、吸気通路２に臨むインジェクタ３が取付けられ、インジェクタ３から各吸気ポート１１に燃料を噴射するようになっている。
【００３１】
吸気通路２のインジェクタ３より上流側に位置して吸気流制御バルブ８が設けられる。
【００３２】
図３にも示すように、バタフライ式の吸気流制御バルブ８は、吸気通路２と同形をした板状の弁体１５と、弁体１５を回動可能に支持する弁軸１６とからなり、弁軸１６の一端に図示しないアクチュエータが連結される。吸気流制御バルブ８は、吸気通路２の通路中心線と略平行な全開位置から、吸気通路２の通路中心線に対して略直交する全閉位置にわたって回転駆動される。図示しない制御装置は機関の運転状態に応じて予め設定されたマップの内容にしたがって所定の低速低負荷域で吸気流制御バルブ８を閉じるようになっている。
【００３３】
吸気通路壁面９の下部に２本のガイド溝２３が吸気流れ方向に沿って直線状に形成される。吸気流制御バルブ８の閉時に吸気の大部分が各ガイド溝２３を通って燃焼室１へと直線的に導かれることにより、図１に矢印で示すように、燃焼室１に縦方向に旋回する吸気流（タンブル）を生起する。
【００３４】
各ガイド溝２３はインテークマニホールド２０とシリンダヘッド１０の各吸気ポート１１にわたって直線的に延びる。シリンダヘッド１０には各吸気ポート１１を仕切る隔壁１９を有し、各ガイド溝２３は隔壁１９を挟むようにして互いに平行に延びる。
【００３５】
各ガイド溝２３はその中心の延長線が各吸気弁６の中心線よりもシリンダの中心側に位置するように形成される。
【００３６】
図３にも示すように、各ガイド溝２３の断面形は略矩形をしている。各ガイド溝２３は、垂直方向に延びる一対の側壁部３１と、各側壁部３１を結ぶ底壁面３２とによって画成される。
【００３７】
ところでこの実施形態では、図５にも示すように、ガイド溝２３は燃焼室１の近傍まで水平方向に延び、シリンダヘッド１０においてガイド溝２３の下方にはウォータジャケット１８が設けられる。このため、従来のようにガイド溝がその全域にわたって吸気通路壁面に凹状に窪む構造では、ガイド溝の深さがウォータジャケットによって制約され、吸気流を案内するのに十分な深さを確保できない。
【００３８】
これ対処して本発明は、図４にも示すように、シリンダヘッド１０に形成されるガイド溝２３は、吸気通路壁面９に対して凹状に窪む部位と、吸気通路壁面９から隆起するリブ３３によって画成される部位とから構成する。
【００３９】
この実施形態では、ガイド溝２３の片側にリブ３３を形成しているが、ガイド溝２３の両側に一対のリブを形成してもよい。
【００４０】
シリンダヘッド１０の吸気通路壁面９の最低部に対する各ガイド溝２３の深さは、上流側から下流側にかけて次第に浅くなる。これにより、各ガイド溝２３とシリンダヘッド１０のウォータジャケット１８が干渉することを回避している。
【００４１】
シリンダヘッド１０の吸気通路壁面９の最低部に対する各リブ３３の突出高さは、上流側から下流側にかけて次第に高くなる。これにより、各ガイド溝２３の深さを燃焼室１の近傍まで略一定にしている。
【００４２】
リブ３３は、ガイド溝２３の側壁部３１に段差なく連続し、吸気通路壁面９から薄板状に突出する。
【００４３】
リブ３３の先端部３４は円弧状に湾曲して形成される。
【００４４】
各ガイド溝２３の下流端２５は、その溝深さが各吸気ポート１１が下方に湾曲する部位で上流側から下流側にかけて次第に浅くなり、吸気通路壁面９の燃焼室１に対する開口部近傍に段差なく連続している。これにより、各ガイド溝２３に流入する吸気の流れを円滑にし、吸気充填効率の向上がはかれる。
【００４５】
各ガイド溝２３の下流端部２５は、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室１の天井壁部１７に各吸気弁６の内側を介して対峙し、吸気が各ガイド溝２３を通って燃焼室１の天井壁部１７へと直線的に導かれることにより、図１に矢印で示すように燃焼室１の中央部で縦方向に旋回するようになっている。
【００４６】
各ガイド溝２３の上流端部２４は、上流側から下流側にかけて次第に浅くなり、インテークマニホールド２０の吸気通路壁面９に段差なくスロープ状に連続している。これにより、各ガイド溝２３に流入する吸気の流れを円滑にし、吸気充填効率の向上がはかれる。
【００４７】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４８】
低速時等の運転条件で、吸気流制御バルブ５が閉弁すると、吸気の大部分が各ガイド溝２３を通って燃焼室１の中央部へと直線的に導かれ、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室１の天井壁部１７に当たって燃焼室１に縦方向に旋回する旋回流を生起する。
【００４９】
各ガイド溝２３は各リブ３３を介してその溝深さを上流端部２４から下流端部２５にかけて一定に形成したため、吸気流が各リブ３３を乗り越えたて各ガイド溝２３の外側へ流出することを抑制し、燃焼室１の中央部へと向かう勢力を維持し、燃焼室１に強い旋回流を生起する。この結果、燃料噴霧と空気の混合を促進して、良好な燃焼性が得られ、空燃比を希薄化するリーンバーン領域を拡大することができる。
【００５０】
リブ３３の先端部３４は円弧状に湾曲しているため、各ガイド溝２３から各リブ３３を乗り越えて燃焼室１へと流れる吸気流がリブ３３の先端部３４から剥離することが抑えられ、リブ３３周辺における吸気の流れを円滑にし、吸気充填効率の向上がはかれる。
【００５１】
吸気流制御バルブ５が開弁した状態において、吸気通路壁面９から薄板状に隆起する各リブ３３は、吸気通路１の断面積を削減することが抑えられ、高速時の吸気充填効率を損なうことを回避できる。
【００５２】
図８の表はガイド溝２３の傾斜角度とリブ３３の有無に応じてタンブル比を測定した実験結果を示すものである。なお、各データは、吸気流制御バルブ５の閉弁時の開口面積（ガイド溝２３の断面積と吸気流制御バルブ５の外周隙間の和）は、燃焼室入口部の最小開口面積（図示しない２つの吸気弁シートの最小開口面積の和）の約２５％に設定し、ガイド溝２３の溝幅が溝深さの略２倍となるように断面形状を形成したものである。
【００５３】
図７に示すように、ガイド溝２３の傾斜角度を７°とした場合、リブ３３を設けなくても、ガイド溝２３の深さを略一定に確保することが可能となり、タンブル比は最も大きくなる。
【００５４】
図６に示すように、ガイド溝２３の傾斜角度を３°とした場合、リブ３３を設けないと、ガイド溝２３の深さを略一定に確保することができないため、リブ３３を設けることにより、タンブル比は２１％大きくなる。
【００５５】
図５に示すように、ガイド溝２３の傾斜角度を０°とした場合、リブ３３を比較的広い範囲で設けないと、ガイド溝２３の深さを略一定に確保することができないため、リブ３３を設けることにより、タンブル比は８７％と比較的大きくなる。
【００５６】
次に、図９に示す実施形態について説明する。なお、図１等との対応部分には同一符号を付す。
【００５７】
シリンダヘッド１０およびインテークマニホールド２０に形成されるガイド溝２３は、吸気通路壁面９に対して凹状に窪む部位を持たず、吸気通路壁面９から隆起するリブ３３のみによって画成される。
【００５８】
図１０にも示すように、バタフライ式の吸気流制御バルブ８は、吸気通路２と同形をした板状の弁体１５と、弁体１５を回動可能に支持する弁軸１６とからなる。長円形をした弁体１５には各リブ３３および各ガイド溝２３に係合する２つの切欠き２７が形成される。
【００５９】
所定の運転条件で吸気流制御バルブ８が閉弁すると、吸気の大部分が吸気流制御バルブ８の各切欠き２７を介して各ガイド溝を通って燃焼室１の中央部へと導かれ、燃焼室１に旋回流を生起する。
【００６０】
この実施形態では、ガイド溝２３の両側にリブ３３を形成し、シリンダヘッド１０の吸気通路壁面９はガイド溝２３によって削られることがなく、ガイド溝２３とシリンダヘッド１０のウォータジャケットが干渉することを回避している。
【００６１】
この結果、各ガイド溝２３の溝深さを十分に確保し、吸気流がリブ３３を乗り越えてガイド溝２３の外側へ流出することを抑制し、燃焼室１の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室１に強い旋回流を生起することができる。
【００６２】
次に、図１１に示す実施形態について説明する。なお、図１等との対応部分には同一符号を付す。
【００６３】
シリンダヘッド１０およびインテークマニホールド２０に形成されるガイド溝２３は、吸気通路壁面９に対して凹状に窪む部位と、吸気通路壁面９から隆起するリブ３３によって画成される部位とから構成する。
【００６４】
図１２にも示すように、バタフライ式の吸気流制御バルブ８は、吸気通路２と同形をした板状の弁体１５と、弁体１５を回動可能に支持する弁軸１６とからなる。長円形をした弁体１５には各リブ３３および各ガイド溝２３に係合する２つの切欠き２７が形成される。
【００６５】
所定の運転条件で吸気流制御バルブ８が閉弁すると、吸気の大部分が吸気流制御バルブ８の各切欠き２７を介して各ガイド溝を通って燃焼室１の中央部へと導かれ、燃焼室１に旋回流を生起する。
【００６６】
この実施形態でも、ガイド溝２３の両側にリブ３３を形成し、シリンダヘッド１０の吸気通路壁面９はガイド溝２３によって削られることを抑え、ガイド溝２３とシリンダヘッド１０のウォータジャケットが干渉することを回避している。
この結果、各ガイド溝２３の溝深さを十分に確保し、吸気流がリブ３３を乗り越えてガイド溝２３の外側へ流出することを抑制し、燃焼室１の所定位置へと向かう勢力を維持し、燃焼室１に強い旋回流を生起することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の内燃機関の吸気装置は、ガイド溝はリブを介してその溝深さを十分に確保するため、燃焼室に強い旋回流を生起して、燃料噴霧と空気の混合を促進し、良好な燃焼性が得られ、空燃比を希薄化するリーンバーン領域を拡大することができる。また、ガイド溝の少なくとも一部を吸気通路壁面に対して凹状に窪む部位と吸気通路壁面から隆起するリブによって画成される部位とから構成することにより、ガイド溝の溝深さを十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、良好な燃焼性が得られる。
【００６８】
請求項２に記載の内燃機関の吸気装置は、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分が吸気流制御バルブの切欠きを介してガイド溝を通って燃焼室の所定位置へと導かれ、燃焼室に旋回流を生起する。
【００６９】
請求項３に記載の内燃機関の吸気装置は、ガイド溝をシリンダ軸と平行な平面状に延びる一対の側壁部と各側壁部を結ぶ底壁部とから画成することにより、ガイド溝の断面積を十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、良好な燃焼性が得られる。
【００７０】
請求項４に記載の内燃機関の吸気装置は、底壁部を側壁部に直交する平面状に形成することにより、ガイド溝の深さを抑えつつ、ガイド溝の断面積を十分に確保し、吸気流がリブを乗り越えてガイド溝の外側へ流出することを抑制し、燃焼室の所定位置へと向かう勢力を維持し、良好な燃焼性が得られる。
【００７１】
請求項５に記載の内燃機関の吸気装置は、２つのガイド溝をＶ字形に分岐した２つの吸気ポートに形成したため、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分が各吸気ポートにおいてガイド溝を通ることにより、燃焼室に強い旋回流を生起し、良好な燃焼性が得られる。
【００７２】
請求項６に記載の内燃機関の吸気装置は、２つのガイド溝をその中心の延長線が各吸気弁の中心線よりもシリンダの中心側に位置するように直線状に形成することにより、所定の運転条件で吸気流制御バルブが閉弁すると、吸気の大部分がガイド溝を通って燃焼室の中央部へと直線的に導かれ、燃焼室に縦方向に旋回する強い旋回流を生起し、良好な燃焼性が得られる。
【００７３】
請求項７に記載の内燃機関の吸気装置は、ガイド溝はリブを介してその溝深さを十分に確保するため、ガイド溝の下方に形成されたウォータジャケットの形状に対する制約を少なくし、シリンダヘッドの冷却性を確保することと、ガイド溝を介して燃焼室に強い旋回流を生起することを両立することができる。
【００７４】
請求項８に記載の内燃機関の吸気装置は、リブの先端断面形を円弧状に湾曲させることにより、ガイド溝からリブを乗り越えて燃焼室へと流れる吸気流がリブの先端部から剥離することが抑えられ、リブ周辺における吸気の流れを円滑にし、吸気充填効率の向上がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す機関の断面図。
【図２】同じく吸気系の概略平面図。
【図３】同じく吸気流制御バルブ等の正面図。
【図４】同じく図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図５】同じく吸気系の概略断面図。
【図６】他の実施形態を示す吸気系の概略断面図。
【図７】比較例を示す吸気系の概略断面図。
【図８】リブの有無とガイド溝の傾斜角度に対するタンブル比の関係を示す図表。
【図９】他の実施の形態を示す吸気系の概略断面図。
【図１０】同じく吸気流制御バルブ等の概略正面図。
【図１１】さらに他の実施の形態を示す吸気系の概略断面図。
【図１２】同じく吸気流制御バルブ等の概略正面図。
【符号の説明】
１燃焼室
２吸気通路
３インジェクタ
６吸気弁
８吸気流制御バルブ
９吸気通路壁面
１０シリンダヘッド
２０インテークマニホールド
２３ガイド溝
２７切欠き
３３リブ

Claims

吸気通路を運転条件に応じて絞る吸気流制御バルブと、
吸気流制御バルブの閉時に吸気を通すガイド溝と、
を備える内燃機関の吸気装置において、
前記ガイド溝の少なくとも一部を、吸気通路壁面に対して凹状に窪む部位と、吸気通路壁面から隆起するリブによって画成される部位とから構成する、
ことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
吸気流制御バルブにリブに係合してガイド溝に吸気を導く切欠きを形成した
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
前記ガイド溝をシリンダ軸と平行な平面状に延びる一対の側壁部と各側壁部を結ぶ底壁部とから画成したことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置。
前記底壁部を側壁部に直交する平面状に形成したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気装置。
前記燃焼室に接続する２つの吸気ポートをＶ字形に分岐して形成し、
２つのガイド溝を各吸気ポートに形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関の吸気装置。
前記各吸気ポートを開閉する２本の吸気弁を備え、
前記２つのガイド溝をその中心の延長線が各吸気弁の中心線よりもシリンダの中心側に位置するように直線状に形成したことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸気装置。
前記ガイド溝の下方に機関冷却水を循環させるウォータジャケットを形成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関の吸気装置。
前記リブの先端断面形を円弧状に湾曲させたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の内燃機関の吸気装置。