JP4207812B2

JP4207812B2 - シリンダヘッド

Info

Publication number: JP4207812B2
Application number: JP2004071212A
Authority: JP
Inventors: 高行濱本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005256773A

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関し、特に吸気バルブシートの形状に関する。

従来の一般的な内燃機関のシリンダヘッドは、排気弁や吸気弁の弁座として設けられるバルブシートを燃焼室壁面と略面一となるようにシリンダヘッドに打ち込んだ構造であるが、機関運転中に発生する燃焼室デポジットが排気バルブのバルブシート部に流れ込んで排気バルブとバルブシートの間に噛み込み、圧縮漏れを起こし、始動性の悪化や排気性能の悪化を引き起こす等の問題があった。

特許文献１には、上記問題を解決するために、排気バルブ周りの燃焼室面または排気バルブシートにデポジット流れ込み防止の突起部を設ける、または排気バルブシートを燃焼室面から少量突出させる構造が記載されている。
特開平１０−２５２５５４号

しかしながら、排気バルブシート周りに突起を設けると、排気デポジット流れ込み量の抑制には効果があるものの、排気ガスが燃焼室から排気ポートへ排出されるときの抵抗、いわゆる排気抵抗が増大してしまい、出力性能が低下するという問題がある。また、未気化燃料がシリンダ壁に付着する、いわゆるシリンダ壁流による排気性能の悪化を防止することはできない。

そこで、本発明では、エンジンの出力性能への跳ね返りを抑制しつつ、燃焼安定性、排気性能等を向上させることを目的とする。

本発明のシリンダヘッドは、吸気ポート開口部の周囲の全部または一部に燃焼室側に凸な突出部を設け、さらに前記突出部の燃焼室側の端面の外周部付近に、前記突出部のシリンダボア壁に最も近い部分を中心として、前記突出部の所定範囲にわたって小突起部を設ける。

本発明によれば、吸入空気量を低減させることなく、燃焼室から吸気ポートへの残留ガスの吹き返しの抑制や、シリンダ内に形成されるタンブル流の強化や、シリンダ壁面の壁流量の抑制が可能となるので、エンジンの出力性能、燃焼安定性、排気性能等の向上を図ることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は内燃機関のシリンダヘッドの第１の例を示す図である。８はシリンダヘッド、１１は吸気マニホールド（図示せず）とシリンダヘッド８の下面に設けられた燃焼室１３とを連通する吸気ポート、１２は排気マニホールド（図示せず）と燃焼室８の下面に設けられた燃焼室１３とを連通する排気ポート、１４は上面がシリンダヘッド８の下面に接するシリンダブロック、１０はシリンダブロック１４に設けたシリンダ内に摺動可能に設けられたピストン、１はピストン１０の上下動に応動して吸気ポートを開閉する吸気バルブ、２も同様にピストン１０の上下動に応動して排気ポート１２を開閉する排気バルブ、３は吸気バルブ１が吸気ポート１１を閉じるときに着座する吸気バルブシート、４は排気バルブ２が排気ポート１２を閉じるときに着座する排気バルブシート、９は吸気ポート１１から導入される混合気に点火するための点火プラグである。

上記のように構成される内燃機関では、ピストン１０が下降時に吸気バルブ１のみが開き、吸気ポート１１からシリンダ内に混合気が導入される（吸気行程）。続いて吸気バルブ１および排気バルブ２を閉じた状態でピストン１０が上昇し、シリンダ内の混合気を圧縮し（圧縮行程）、ピストン１０が略最高点に達したときに点火プラグ９により点火して混合気を爆発させる（爆発行程）。この爆発によりピストン１０は下降し、連結されたクランクシャフト（図示せず）を介して爆発を回転力に変換する。ピストン１０が最下点に達し、再び上昇を開始したら排気バルブ２のみを開き、シリンダ内の排気ガスを排気ポート１２へ排出する（排気行程）。以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。

図２は燃焼室１３の天井部１５をシリンダヘッド８の下面側から見た図である。点火プラグ９が天井部１５の略中央に設けられ、点火プラグ９よりも吸気ポート１１側に吸気バルブ１が２個、排気ポート１２側に排気バルブ２が２個設けられる。

次に吸気バルブ１と吸気バルブシート３について図３を参照して説明する。図３は天井部１５の吸気ポート１１の開口部付近を吸気バルブ１の軸心で切断した断面図である。

吸気バルブシート３は略円形の環状部材であって、吸気ポート１１の燃焼室１３側の開口部に設けられた段差部分に嵌め込まれており、吸気バルブ１着座時には内周側の側面３ａに吸気バルブ１の傘部１ａの一部が密着することにより吸気ポート１１と燃焼室１３の間のシールを行う。

吸気バルブシート３の内周面３ａは、吸気ポート１１を流れてきた吸気を燃焼室１３へスムーズに流すために、少なくとも２段以上の加工によって燃焼室１３側に行くほど内径が大きくなっている。

また、吸気バルブシート３は、前記段差部分に嵌めこんだ状態で、下面３ｂが周辺の燃焼室１３の壁面８ａより燃焼室１３側に突出している。

次に、吸気バルブシート３を燃焼室１３の内壁より突出させることによる効果について図４〜６を用いて説明する。

図４は吸気バルブシート３の突出量と吸入する混合気量（以下、吸入空気量という）の関係を表すグラフであり、図中の曲線Ｘは吸気バルブ１が３ｍｍリフト時の吸入空気量、曲線Ｙは１０ｍｍリフト時の吸入空気量を表す。

突出量がゼロの場合をベースとして、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍと突出量を大きくしても、３ｍｍリフト時、１０ｍｍリフト時ともに吸入空気量は殆ど変化せず、突出量２ｍｍの場合に３ｍｍリフト時で若干低下する傾向が見られる程度である。つまり、吸気バルブシート３の突出量を１ｍｍ以下に設定すれば吸入空気量は突出量ゼロの場合と殆ど変わらず、エンジン出力に影響は無いことがわかる。

図５は吸気バルブシート３の突出量と吹き返し空気量の関係を表すグラフであり、図中の曲線Ｘは吸気バルブ１が３ｍｍリフト時、曲線Ｙは１０ｍｍリフト時を表す。吹き返しとは、吸気バルブ１が開いたときに燃焼室１３内に残留している排ガスが吸気ポート１１に逆流することである。

図４と同様に、突出量がゼロの場合をベースとすると、３ｍｍリフト時では突出量０．５ｍｍのときに吹き返し空気量が約７％低減され、突出量２ｍｍになると約１０％以上低減されている。１０ｍｍリフト時でも突出量１ｍｍ、２ｍｍで約３パーセント低減している。

上記のように、特に低リフト時の吹き返し空気量が低減されていることがわかる。吹き返しは一般に低リフト時に多いことから、吸気バルブシート３を燃焼室１３に突出させることが吹き返し空気量の低減に効果的であることがわかる。吹き返し空気量が低減されると、吸気行程において燃焼室１３内の空気中の新たに流入する空気量の密度が高くなるので、エンジン出力が向上する。

図６は吸気バルブシート３の突出量とタンブル比の関係を表すグラフである。タンブル比とは、燃焼に影響を及ぼすガス流動の指標であり、タンブルの回転速度とエンジン回転速度との比で表す。

なお、図６のタンブル比は最大リフト時のものである。

タンブル比は、突出量ゼロ〜０．５ｍｍでは増大して突出量０．５ｍｍで最大値となり、突出量０．５〜１ｍｍでは低下し、１ｍｍ以上ではほぼ一定値となっている。

グラフより、突出量が略０．８５ｍｍ以下であれば、突出量ゼロの場合に比べて効果的なタンブルを形成することが可能、つまり燃焼安定度が向上することがわかる。

上記のように、各効果を得るために適した突出量は異なり、吸入空気量を低減させないための突出量は略１ｍｍ、吹き返し量を低減するための突出量は略０．５ｍｍ以上、タンブル流を効率的に発生させるための突出量は略０．８５ｍｍ以下である。そこで、突出量は０．５〜１ｍｍの範囲とする。

また、上記構成では吸気バルブシート３が周囲の燃焼室１３の壁面から突出しているので、吸気ポート１１内で気化されなかった燃料が吸気ポート１１の内壁に付着して吸気バルブシート３まで流れてきても、吸気によって燃焼室１３の中心方向に吹き飛ばされて混合気に拡散しやすい。つまり、従来のように未気化燃料が吸気バルブシート３の燃焼室１３側の先端部からシリンダ内壁へ伝わり、シリンダ内壁の壁流となることを防止できるので、ＨＣ排出量を低減することが可能である。

なお、上記構成は、従来からシリンダヘッド８とは別部材で別途作成していた吸気バルブシート３の形状を従来の形状から変更するのみであるので、上記構成を実施するための新たな工程や加工は必要ない。

以上により第１の例では、吸気バルブシート３を吸気ポート１１開口部周辺の壁面から突出させる形状とし、その突出量を０．５〜１ｍｍ以下としたので、下記のような効果を得ることができる。

燃焼室１３から吸気ポート１１への吹き返し空気量が低減され、エンジン出力を向上させることが可能となる。

シリンダ内のタンブル流が強化されて、燃焼安定性が向上する。

気化されない燃料がシリンダ壁面に付着しにくくなり、壁流が低減され、ＨＣ排出量を低減することができる。

吸入空気量は突出量がゼロの場合と同等であるので、エンジン出力への跳ね返りはない。

バルブシート３の厚さ方向の寸法を変更するのみで実現可能であり、バルブシート３は従来から別体で成型しているので、新たな工程や加工を追加する必要が無い。

なお、吸気バルブシート３が別体成型される場合について説明を行ったが、吸気バルブ着座部分がシリンダヘッド８と一体に成型される場合であっても、着座部付近を上記と同様の形状とすることで、同様の効果を得ることができる。

第２の例について図７を参照して説明する。

図７は、図３と同様に吸気バルブシート３付近の断面図である。

第２の例は、シリンダヘッド８に嵌合した状態で燃焼室壁面８ａと略面一になる下面３ｂに、全周にわたって突起部３ｃが配設されている。なお、突起部３は吸気バルブ着座部より遠い部分、すなわち吸気バルブシート３の外周に近い部分に設けることが望ましい。

突起部３ｃの突出量は第１の例と同様に０．５〜１ｍｍの範囲とする。

上記のような形状にすることで、第１の例と同様に、吸入空気量を低下させることなく、タンブル流の強化、シリンダ内壁の壁流の抑制、が可能である。

以上により第２の例では、吸気バルブシート３の下面に、燃焼室１３側に０．５〜１ｍｍ突出する突出部３ｃを設けることにより、以下の効果を得ることができる。

吸入空気量は突出量がゼロの場合と同等であるので、上記の効果のエンジン出力への跳ね返りはない。

なお、上記の第１、第２の例では、吸気ポート１１内に燃料を噴射するものとして説明を行ったが、筒内に直接燃料を噴射する、いわゆる筒内直噴式のエンジンであっても適用可能である。

本発明の実施形態について図８、図９を参照して説明する。

図８はシリンダヘッド８の燃焼室付近の断面図である。図９は図２と同様に燃焼室１３の天井部１５をシリンダヘッド８の下面側から見た図である。

本実施形態の吸気バルブシート３は、第１の例と同様に付近の燃焼室壁面１５から突出するように設けられた底面３ｂの外周側の部分に突出部３ｃを設ける。ただし、下面３ｂの全周ではなく、シリンダボア壁１６に近い部分にのみ設ける。

より詳細には、図９に示すように、吸気バルブシート３の下面３ｂのシリンダボア壁１６に最も近い部分を中心として、全周の略１／４にわたって設ける。

上記のように突起部３ｃを設けると、特に吸気バルブ１が低リフト時に吸気バルブ１と吸気バルブシート３との隙間を通過した吸気は突起部３ｃに衝突することになり、突起部３ｃを設けていない部分に比べて吸気抵抗が大きくなる。

ここで、吸気の流れについて図８を参照して説明する。

図８において、吸気ポート１１を流れてきた吸気Ｑは、吸気バルブ１と吸気バルブシート３の隙間から燃焼室１３に流入する。このとき、吸気バルブの上側の流れをＱ１、下側の流れをＱ２とすると、Ｑ２の流路はＱ１の流路に比べて突起部３ｃがある分だけ抵抗が大きくなるので、Ｑ１の方がＱ２よりも流量が多くなる。

上記のように、吸気の多くが吸気バルブ１の上側（燃焼室１３の中心側）から流入するので、燃焼室１３内でタンブルを形成しやすくなる。従来は低リフト時には吸気流量が少なくタンブル流の形成が困難であったが、本実施形態ではリフト量が小さいほどＱ１とＱ２の流量の比（Ｑ１／Ｑ２）が大きくなるので、タンブルを形成しやすくなる。

また、シリンダ内壁の壁流は主に吸気バルブシート３のシリンダ壁１６に近い部分からシリンダ壁１６に流れるので、本実施形態のようにシリンダ壁１６に近い部分を含むように突起部３ｃを設けてあれば、シリンダ壁流の発生を抑制できる。

以上により本実施形態では、燃焼室側に突出した吸気バルブシート３の下面３ｂのシリンダボア壁１６に最も近い部分を中心として、全周の略１／４にわたって突起部３ｃ設けるので、第２の例と同様の効果に加えて、さらに、燃焼室１３に流入する吸気の流れが吸気バルブ１の上側（燃焼室１３の中心側）に偏り、タンブル流を形成しやすくなる。

なお、上記において突起部３ｃを設ける範囲を全周の略１／４としたが、これに限られるわけではなく、例えば、燃焼室形状等によっては、これより広い範囲または狭い範囲であってもタンブル流を強化し、かつシリンダ壁流の発生を抑制することができる場合もあり、この場合には上記の効果を得るために必要な範囲に設ければよい。

また、上記各例及び実施形態では吸気２弁排気２弁式のエンジンについて説明を行ったが、吸気弁および排気弁の数はこれに限られるものではなく、例えば吸気２弁排気１弁式や吸気３弁排気２弁式等にも適用可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに適用可能である。

第１の例のシリンダヘッドを表す図である。第１の例の燃焼室を下面側から見た図である。第１の例のバルブシート周辺の拡大図である。第１の例のバルブシート突出量と吸入空気量との関係を表す図である。第１の例のバルブシート突出量と吹き返し空気量との関係を表す図である。第１の例のバルブシート突出量とタンブル比との関係を表す図である。第２の例のバルブシート周辺の拡大図である。本発明の実施形態のシリンダヘッドを表す図である。本発明の実施形態の燃焼室を下面側から見た図である。

符号の説明

１吸気バルブ
２排気バルブ
３吸気バルブシート
４排気バルブシート
８シリンダヘッド
９点火プラグ
１０ピストン
１１吸気ポート
１２排気ポート
１３燃焼室
１４シリンダブロック

Claims

内燃機関のシリンダヘッドであって、
吸気ポート開口部の周囲の全部または一部に燃焼室側に凸な突出部を設け、
さらに前記突出部の燃焼室側の端面の外周部付近に、前記突出部のシリンダボア壁に最も近い部分を中心として、前記突出部の所定範囲にわたって小突起部を設けたことを特徴とするシリンダヘッド。
前記所定範囲は、前記突出部の全周の略１／４である請求項１に記載のシリンダヘッド。
前記突出部は、前記吸気ポート開口部から所定の距離を置いた部分に、前記吸気ポートを囲むように設けた請求項１に記載のシリンダヘッド。
前記突出部は、吸気バルブシートが周囲の燃焼室面から突出することにより形成される請求項１〜３のいずれか一つに記載のシリンダヘッド。