JP4254464B2 - タンブル流形成用の吸気ポートを備えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ内にタンブル流を形成するために好適な吸気ポートを備えた内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼の改善を目的として種々の構造の吸気ポートが提案されている。例えば、シリンダ内にシリンダ軸線を中心とした旋回運動を生じさせるため、吸気弁の着座部形状を非対称にしてシリンダ内に流入する空気を偏心的に加速させる吸気ポートが知られている（特許文献１参照）。また、吸気バルブシートの内周スロート面を非対称な傾斜をもつ構成とすることでスワール生成を図り、吸気抵抗を低減させる吸気ポートが知られている（特許文献２参照）。
特開昭６０−１５６９１５号公報 実開昭５９−６７５０３号公報

内燃機関の燃焼の改善策の一つとして、シリンダの軸線方向に沿って旋回する吸気のタンブル流をシリンダ内に形成することが知られている。そのタンブル流は、吸気ポートによって吸気を方向付けてシリンダ内へ導くことにより形成される。このようなタンブル流形成用の吸気ポートでは、一部の吸気が吸気バルブに沿って流れの方向を変えてシリンダ内の反対側の領域に流入する。この吸気流はタンブル流と対向する方向に流れてタンブル流を弱めることがある。

ところで、吸気ポートの壁面と吸気ポートに連なるバルブシートのスロート部との境界は、全周がエッジ状（全周エッジ）又は全周がアール状（全周アール）に形成されている。全周エッジの場合、吸気ポートの壁面に沿って導入される吸気の流れがエッジによって剥離される。これにより、タンブル流と対向する方向に流れる一部の吸気流（対向吸気流）の流れを乱れさせてシリンダ内に強いタンブル流を形成することができるが、剥離による吸気流速の低下により吸入空気量が減少する。そのため、燃焼に必要な吸入空気量が確保できないおそれがある。一方、全周アールの場合、吸気の流れが剥離しないので吸入空気量を増加させることができるが、対向吸気流の流れも剥離しないので、タンブル流が弱められてしまう。上述した従来の吸気ポートはスワール流の強化を目的としており、吸入空気量を確保しつつ強いタンブル流を形成する場合の上記の問題については何ら考慮されていない。

そこで、本発明は、燃焼に必要な吸入空気量を確保しつつシリンダ内に強いタンブル流を形成することが可能な吸気ポートを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の第一の内燃機関は、一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが並べて設けられ、各吸気ポートは前記シリンダ内にタンブル流が形成されるように吸気を方向付けて前記シリンダへ導くよう構成された内燃機関であって、前記吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつ前記タンブル流を形成する吸気が導入される側に対して反対側の壁面のみと前記吸気ポートに連なるバルブシートのスロート部との境界にエッジが形成され、前記吸気ポートの壁面と前記スロート部との境界のうち前記エッジが形成された境界以外は滑らかなアールに形成されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の第一の内燃機関によれば、吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつタンブル流を形成する吸気が導入される側に対して反対側の壁面（反対内側壁面）に沿って導入される吸気の流れがエッジによって剥離されるので、タンブル流と対向する方向に流れる吸気流の流速を抑えることができる。従って、シリンダ内に強いタンブル流を形成することができる。また、吸気ポートの壁面とスロート部との境界のうちエッジ以外の境界は、滑らかなアールに形成されているので、反対内側壁面以外の壁面に沿って導入される吸気の流れは剥離されない。そのため、この範囲の壁面に沿ってシリンダ内に流入する吸気流により燃焼に必要な吸入空気量を確保することができる。

本発明の第二の他の内燃機関は、一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが並べて設けられ、各吸気ポートは前記シリンダ内に正タンブル流が形成されるように吸気を方向付けて前記シリンダ内に導くよう構成された内燃機関であって、前記吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつ前記シリンダの外周に位置する側の壁面のみと前記吸気ポートに連なるバルブシートのスロート部との境界にはエッジが形成され、前記吸気ポートの壁面と前記スロート部との境界のうち前記エッジが形成された境界以外は滑らかなアールに形成されていることにより、上述した課題を解決する（請求項２）。

本発明の第二の内燃機関によれば、吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつシリンダの外周に位置する側の壁面（外周内側壁面）に沿って導かれる吸気の流れをエッジにより剥離させることができる。そのため、外周内側壁面に沿って流入する吸気によりシリンダ内に形成される流れが正タンブル流へ与える影響を抑えることができる。従って、シリンダ内に強い正タンブル流を形成することができる。また、外周内側壁面以外の壁面に沿って導入される吸気は壁面から剥離されることなくシリンダ内へ流入するので、燃焼に必要な吸入空気量を確保することができる。

本発明によれば、エッジによってタンブル流と対向する流れを抑制してシリンダ内に強いタンブル流を形成することができるので、燃料と空気とを良好に混合させ、内燃機関の燃焼を改善することができる。また、エッジ以外の境界に形成されたアールによって燃焼に必要な吸入空気量を確保することができるので、内燃機関の出力を向上させることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関１の要部を示し、図２及ぶ図３は内燃機関１に接続された吸気ポート２の輪郭を示している。なお、図２は内燃機関１の一つのシリンダ３に対応付けられた二つの吸気ポート２を図１の右側から見たときの輪郭を示し、図３（ａ）は図１の上側の吸気ポート２を矢印Ａ方向から見たときの輪郭を示し、図３（ｂ）は図１の上側の吸気ポート２を矢印Ｂ方向から見たときの輪郭を示している。但し、本発明において内燃機関１に対するシリンダ３の個数及びその配置は任意である。

図１の内燃機関１には、シリンダ３の中心線ＣＣに対する一方の側（図１の右側）３ａに二つの吸気ポート２、２が、他方の側（図１の左側）３ｂに二つの排気ポート４、４がそれぞれ並べて設けられている。図３に示したように、吸気ポート２はシリンダ３の側方からシリンダ３の中心線ＣＣに向かってほぼ一定の角度を維持しつつ延びている。そのため、吸気ポート２に沿って流れる吸気は、シリンダ３の他方の側３ｂへ方向付けられて導かれる。各吸気ポート２にはバルブ案内部５が設けられている。また、各吸気ポート２の終端にはバルブシート６が設けられている。

図２及び図３から明らかなように、吸気ポート２と吸気ポート２に連なるバルブシート６のスロート部６ａとの境界のうち各吸気ポート２の並び方向内側でかつタンブル流Ｔを形成する吸気が導入される側に対して反対側（シリンダ３の外周側）の壁面（外周内側壁面）２ａとスロート部６ａとの境界には、エッジ７が形成されている。一方、吸気ポート２とスロート部６ａとの境界のうちエッジ７が形成された境界以外は、滑らかなアール８に形成されている。なお、図１の下側の吸気ポート２の境界には、図１の上側の吸気ポート２に対して上下対称にエッジ７及びアール８が形成されている。

エッジ７が形成される範囲は、吸気ポート２の傾きによって設定される。例えば、吸気ポート２が図３の傾きよりもさらに上方からシリンダ３に向けて設けられている場合、エッジ７が形成される範囲が狭く設定される。一方、吸気ポート２が図３の傾きよりも横方向からシリンダ３に向けて設けられている場合は、エッジ７を形成する範囲が広く設定される。

以上の構成によれば、エッジ７によって外周内側壁面２ａに沿ってシリンダ３内に導入される吸気を剥離させ、図１の矢印Ｆ、Ｇ方向へ流入する空気の流速を弱めることができる。一方、図１の矢印Ｃ、Ｄ、Ｅ方向へ流入する空気は、アール８により吸気ポート２の壁面から剥離されないので、流速を維持したままシリンダ３内へ導入される。なお、図１の下側の吸気ポート２から流入する空気の流速は、図１の上側の吸気ポート２に対して上下対称になる。

図４（ａ）は、図１の上側の吸気ポート２出口における吸気の流速分布を示している。比較例として、図４（ｂ）に吸気ポート２の壁面とスロート部６ａとの境界を全周に亘ってエッジ（全周エッジ）にした場合の吸気の流速分布を示し、図４（ｃ）に境界を全周に亘ってアール（全周アール）にした場合の吸気の流速分布を示す。図４（ａ）から明らかなように、エッジ７により吸気ポート２の並び方向内側（矢印Ｆ、Ｇ方向）への吸気の流れを弱くすることができる。また、吸気ポート２の並び方向外側（矢印Ｅ方向）へ流入する吸気は剥離されずにシリンダ３内へ導入されるので、全周エッジの場合（図４（ｂ））と比較して、吸気流量を増加させることができる。

図５（ａ）は図１のV-V線におけるシリンダ３の縦断面を示し、図５中の矢印はシリンダ３内における混合気の流れの一例を示している。また、比較例として図５（ｂ）に全周アールの場合のシリンダ３内における混合気の流れの一例を示す。なお、図５（ａ）、（ｂ）中の矢印Ｈは、それぞれ吸気ポート２の並び方向内側へ流出する吸気の流量を示している。図５（ａ）から明らかなように、図１の吸気ポート２ではエッジ７により図１の矢印Ｆ、Ｇ方向へ流出する吸気の流量が抑えられる（図５（ａ）中の矢印Ｈが小さい）ので、シリンダ３内にほぼ円状の強いタンブル流Ｔを形成することができる。一方、図５（ｂ）では、図５（ａ）の場合と比較して図１の矢印Ｆ、Ｇ方向への吸気の流量が多い（図４（ｃ）参照）ので、渦が下方へ押され、楕円状のタンブル流Ｔが形成される。

図６は、吸入空気量とタンブル流の強さ（タンブル比）との関係を示している。なお、タンブル比とは、タンブル流Ｔの回転速度と内燃機関１の回転速度との比である。全周エッジの吸気ポートの場合、強いタンブル流を形成できるが吸入空気量が減少するため図６において右下の傾向を示す。一方、全周アールの吸気ポートの場合、吸入空気量は増加するがタンブル流が弱められてしまうので図６において左上の傾向を示す。そのため、これらの吸気ポートは、図６中の線Ｌの関係を示す。本発明の吸気ポート２では、外周内側壁面２ａと吸気ポート６ａとの境界のみをエッジ７に形成し、他の境界はアール８に形成するので、強いタンブル流Ｔを形成しつつ内燃機関１の燃焼に必要な吸入空気量を確保することができる。従って、吸入空気量とタンブル流の強さとの関係を、図６において右上の点Ｉの方向へ変化させることができる。

本発明におけるエッジ７及びアール８は、例えば図７に示したような機械加工により製作される。吸気ポート２を備えたシリンダヘッド１１は鋳造品に機械加工をして製作される。シリンダヘッド１１の鋳造時、吸気ポート２の壁面とスロート部６ａとの境界には全周に亘ってアール８が形成されている。シリンダヘッド１１の鋳造後、吸気ポート２の終端側からスロートカッター１２によって、アールに加工されたシリンダヘッドの一部１１ａを切削する。この切削により、エッジ７が形成される。一方、エッジ７を加工する範囲以外はスロートカッター１２により切削しないので、鋳造時のアールをそのまま残すことにより、アール８を形成することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、本実施形態ではシリンダ内に正タンブル流を形成しているが、本発明はシリンダ内に逆タンブル流を形成する吸気ポートを備えた内燃機関にも適用可能である。一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが並べて設けられる内燃機関であれば、吸気ポートは独立しているものに限定されない。例えば、一つの吸気ポートが途中で分岐して二つの吸気ポートになる、いわゆるサイアミーズ式の吸気ポートを備えた内燃機関にも本発明を適用することができる。排気ポートの数は、二つに限定されない。例えば、排気ポートが一つの内燃機関にも本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の要部を示す図。 図１の吸気ポートを図１の右側から見たときの輪郭を示す図。 図１の上側の吸気ポートを図１の上側及び下側から見たときの輪郭を示す図。 図１の上側の吸気ポート出口における吸気の流速分布を示す図。 図１のシリンダ内における混合気の流れの一例を示す図。 吸入空気量とタンブル流の強さとの関係を示す図。 吸気ポートの壁面とスロート部との境界の加工時の状態を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気ポート
２ａ 各吸気ポートの並び方向内側でかつタンブル流を形成する吸気が導入される側に対して反対側の壁面
３ シリンダ
６ バルブシート
６ａ スロート部
７ エッジ
８ アール
Ｔ タンブル流

Claims (2)

1. 一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが並べて設けられ、各吸気ポートは前記シリンダ内にタンブル流が形成されるように吸気を方向付けて前記シリンダへ導くよう構成された内燃機関であって、
   前記吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつ前記タンブル流を形成する吸気が導入される側に対して反対側の壁面のみと前記吸気ポートに連なるバルブシートのスロート部との境界にエッジが形成され、前記吸気ポートの壁面と前記スロート部との境界のうち前記エッジが形成された境界以外は滑らかなアールに形成されていることを特徴とする内燃機関。
2. 一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが並べて設けられ、各吸気ポートは前記シリンダ内に正タンブル流が形成されるように吸気を方向付けて前記シリンダ内に導くよう構成された内燃機関であって、
   前記吸気ポートの壁面のうち各吸気ポートの並び方向内側でかつ前記シリンダの外周に位置する側の壁面のみと前記吸気ポートに連なるバルブシートのスロート部との境界にはエッジが形成され、前記吸気ポートの壁面と前記スロート部との境界のうち前記エッジが形成された境界以外は滑らかなアールに形成されていることを特徴とする内燃機関。

Images