JP4285149B2

JP4285149B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4285149B2
Application number: JP2003295501A
Authority: JP
Inventors: 和佳阿部; 健二上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP2005061368A

Description

本発明は、吸気ポートを備える内燃機関に関する。

内燃機関における燃料の燃焼を良好にするためには、燃焼室における燃料と吸気の混合促進および適切な燃焼室内への吸気量の確保が必要となる。燃焼室において燃料と吸気の混合を促進させるために、燃焼室内に旋回流を形成する手段が知られており、その旋回流の一つに燃焼室内の縦向きの旋回流（以下、「タンブル流」という）が挙げられる。タンブル流の強さが強くなる程、燃焼室内において燃料と吸気がより撹拌され、その結果燃料と吸気との混合が促進される。

ここで、燃焼室内に形成されるタンブル流の強さは、吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気の状態によって決定される。タンブル流を強めるために吸気ポートを経て燃焼室内に流入する吸気の流速を上昇させるべく、吸気ポートの断面積を絞る（縮小する）技術が知られているが、この場合、吸気の流量が減少し、内燃機関の最大出力の低下や、吸気量不足による燃焼の不安定が生じる虞がある。そこで、吸気流量の減少を抑制するために、吸気ポート断面形状を非対称として、吸気ポートにおける吸気の流れの中心を吸気弁の中心に対して偏心することで、特定の方向での燃焼室への吸気の流速を上昇させ、以てタンブル流の強さの維持と吸気流量の低減回避を図る技術が公開されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、吸気ポートから燃焼室に流入する吸気の流動抵抗を低減するために、吸気ポートの中心と吸気弁の中心との交点を吸気弁のバルブシートの着座面近傍又は該着座面の下流側に位置するようにする技術が公開されている（例えば、特許文献２参照。）。これにより、吸気ポートを可及的に直線上に形成することで流動抵抗を低減させ、以てタンブル流の強さの維持と吸気流量の低減回避を図る。
実開平４−１３７２２４号公報特開平８−２７７７４６号公報特開平７−１５０９４５号公報

ここで、タンブル流の強さは、吸気ポートから燃焼室に流入する吸気の流速に大きく影響されるが、吸気ポートの断面積を絞ることで吸気の流速を上昇させると吸気の流速は上昇するものの、吸気の流量が低下し、内燃機関の機関出力や燃焼の安定性が損なわれる虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、燃焼室におけるタンブル流の強さを高く維持するとともに、吸気ポートにおける吸気の流量の増加を図る吸気ポートを備える内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、吸気ポートのポート半径および吸気ポートが燃焼室に連結する部位（以下、「燃焼室開口部」という）の近傍における吸気の流れの
向きに着目した。吸気の流量は吸気ポートの半径によって変動し、また特定の部位から燃焼室に流入する吸気の状態によって燃焼室に形成されるタンブル流の強度が変動するからである。

そこで、本発明は、吸気ポートを備える内燃機関であって、前記吸気ポートは、該吸気ポートにおける、前記内燃機関の気筒の中心側の領域である気筒中心側吸気ポート領域と、該吸気ポートにおけるその他の領域である気筒外周側吸気ポート領域から構成される。そして、前記気筒外周側吸気ポート領域は、前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍において、前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が、該吸気ポートの上流側から該燃焼室開口部の直上流の部位に進むに従い増加する吸気ポート拡幅部と、前記吸気ポート拡幅部の下流側であって前記燃焼室開口部に至るまでの間、前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が減少することで吸気の一部の流れを該吸気ポートの中心方向に導く吸気調整部と、を有する。

主に、吸気が吸気ポートの燃焼室開口部から燃焼室内に流入する方向として、気筒の中心側に向かう方向（以下、「正回転方向」という）と該中心から遠ざかる方向（以下、「逆回転方向」という）が挙げられ、それぞれの方向から燃焼室に流入した吸気が燃焼室内にタンブル流を形成する。ここで、気筒の中心とは、気筒の長手方向における中心をいう。また、気筒の中心側に向かう方向とは、気筒の内側に向かう方向をいい、気筒の中心から遠ざかる方向とは、気筒の内壁面側に向かう方向をいう。

従って、正回転方向に吸気が流れ込むと、該吸気は気筒の中心を経て排気ポートが設けられている側へ流れ燃焼室内の比較的広い空間を通って、正回転方向のタンブル流（以下、「正タンブル流」という）が形成される。一方で、逆回転方向に吸気が流れ込むと、該吸気は気筒の内壁側へ流れ燃焼室内の比較的狭い空間を通って、逆回転方向のタンブル流（以下、「逆タンブル流」という）が形成される。よって、タンブル流による燃料の吸気の混合を促進するためには、正回転方向のタンブル流の形成が好ましい。また、逆タンブル流が強くなるほど、正タンブル流の強さを相殺する結果となるため、タンブル流による効率的な燃料の吸気の混合が困難となる。

ここで、内燃機関に備えられた吸気ポートを、気筒の中心側の気筒中心側吸気ポート領域とその反対側の気筒外周側吸気ポート領域とに分別したとき、吸気弁と吸気ポートの配置の関係上、気筒外周側吸気ポート領域を経て燃焼室内に流入する吸気は、燃焼室内において逆タンブル流を形成する蓋然性が高く、気筒中心側吸気ポート領域を経て燃焼室内に流入する吸気は、燃焼室内において正タンブル流を形成する蓋然性が高い。そこで、上述の内燃機関においては、気筒外周側吸気ポート領域において、吸気ポート拡幅部と吸気調整部を設ける。

吸気ポート拡幅部においては、上流側から吸気ポートの燃焼室開口部の直上流の部位に至るまで、気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が徐々に増加するため、吸気ポートの横断面積が次第に増加する。その結果、吸気ポートにおける流動抵抗が低減され、吸気の流量を増加することが可能となる。更に、吸気調整部においては、吸気ポート拡幅部において増加した気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が減少することで、気筒外周側吸気ポート領域を流れる吸気の直進が妨げられ、吸気ポートの中心方向に変更されることになる。その結果、気筒外周側吸気ポート領域を流れる吸気の少なくとも一部が、気筒中心側吸気ポート領域を流れる吸気と合流し、燃焼室内へ正回転方向に流入する蓋然性が高くなる。

これにより、燃焼室における燃料と吸気の混合を促進するタンブル流である正タンブル流の強さを高く維持するとともに、吸気ポートにおける吸気の流量の増加を図ることが可
能となる。

また、前記気筒中心側吸気ポート領域が、前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍の部位において、該気筒中心側吸気ポート領域側のポート半径が、該吸気ポートの上流側から前記燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一定である吸気導入部を有するのが好ましい。

このような吸気導入部によって、気筒中心側吸気ポート領域を流れる吸気は、そのポート形状に沿って燃焼室内への流入が容易となるため、正タンブル流の形成が促進される。また、気筒中心側吸気ポート領域を流れる吸気の流れる方向が吸気ポートの中心方向に向くのを抑制することになるため、先述した気筒外周側吸気ポート領域の吸気調整部によって吸気ポートの中心方向に導かれた吸気の一部との衝突を可及的に回避することとなり、以て燃焼室内における正タンブル流の形成がより促進される。

また、先述までの内燃機関において、吸気ポートから燃焼室内へ吸気が流入する際における、吸気の流動抵抗となるものとして、吸気弁が挙げられる。そこで、前記気筒外周側吸気ポート領域の前記吸気調整部における前記吸気ポートの外郭の接線方向が、前記吸気ポートに備えられた吸気弁の弁体の母線方向と概ね同一とする。

ここで、前記吸気ポートの外郭の接線方向とは、換言すると前記吸気調整部に沿って流れが調整される吸気の向きをいう。また、吸気弁の弁体の母線方向とは、該弁体の中心軸を含む該弁体の横断面における、該弁体の笠状部分の接線方向をいう。このようにすることで、前記気筒外周側吸気ポートの調整部によって吸気ポート中心方向に導かれた吸気の流れの方向と、吸気弁の母線方向とが概ね同一となることで、吸気に対する吸気弁による抵抗を可及的に低減することが可能となる。尚、ここで、吸気調整部における前記気筒外周側吸気ポートの外郭の接線方向と前記吸気ポートに備えられた吸気弁の弁体の母線方向とが概ね同一となるとは、お互いの方向が全く同一である状態を含み、吸気弁による吸気に対する流動抵抗の低減が見いだせる範囲での同一性をいう。

ここで、燃焼室開口部において吸気弁が設けられているため、吸気ポートの中央部を流れる吸気に対しては、吸気弁による抵抗が大きい。従って、吸気ポートの中央部において、前記吸気調整部によって気筒外周側吸気ポート領域を流れる吸気を吸気ポートの中心方向に導いても、導かれた吸気は吸気弁に遮られて、効率的に正タンブル流の形成に寄与するのが困難である。却って、吸気調整部によってポート半径が減少することにより吸気に対する流動抵抗が上昇し、吸気流量が減少する虞が生じる。

そこで、上述した内燃機関の吸気ポートの形状を、前記吸気ポート拡幅部を含む前記吸気ポートの一部において、該吸気ポートの横断面形状は四角形状もしくは略四角形状とし、前記吸気調整部を含む前記吸気ポートの一部において、該吸気ポートの横断面形状は円形状もしくは略円形状とする。

このようにすることで、吸気が吸気ポート拡幅部から吸気調整部へ進む場合、吸気ポート拡幅部を含む吸気ポートの一部の横断面の端部においては、吸気ポートの横断面形状が四角形状（略四角形状を含む）から円形状（略円形状）となることで幾何学的に重複する領域が比較的大きく減少し、以て吸気ポートの横断面積が大きく減少し、吸気の流れが大きく遮られる。一方で、吸気ポート拡幅部を含む吸気ポートの一部の横断面の気筒外周側の中央部においては、吸気ポートの横断面形状が四角形状（略四角形状を含む）から円形状（略円形状）となっても幾何学的に重複する領域は大きく変動しないため、吸気ポートの横断面積の変動は少なく、吸気の流れは大きく遮られることはない。

その結果、吸気ポートの横断面の中央部においては、気筒外周側吸気ポート領域の吸気調整部による吸気の吸気ポート中心方向への導入は緩和されるとともに、吸気の流動抵抗が低減されるため、吸気量が確保される。一方で、吸気ポートの横断面の端部においては、気筒外周側吸気ポート領域の吸気調整部による吸気の吸気ポート中心方向への導入が行われ、燃焼室内での正タンブル流の形成が効率的に行われる。

ここで、一の気筒に２以上の吸気ポートが備えられている内燃機関において、吸気ポートの吸気流量の確保と燃焼室内の正タンブル流の形成を両立するために、以下に示すような吸気ポートが提案される。即ち、第一の吸気ポートと第二の吸気ポートを備える内燃機関であって、前記第一の吸気ポートと前記第二の吸気ポートは、それぞれの該吸気ポートにおける、前記内燃機関の気筒の中心側の領域である気筒中心側吸気ポート領域と、それぞれの該吸気ポートにおけるその他の領域である気筒外周側吸気ポート領域から、それぞれ構成される。

そして、前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域は、前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの燃焼室開口部の近傍において、該第一の吸気ポートおよび該第二の吸気ポートのポート間側の、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの吸気ポートの上流側からそれぞれの燃焼室開口部の直上流の部位に進むに従い増加するポート間側吸気ポート拡幅部と、それぞれの前記ポート間側吸気ポート拡幅部の下流側であってそれぞれの前記燃焼室開口部に至るまでの間、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域のポート半径が減少することで吸気の流れをそれぞれの吸気ポートの中心方向に導くポート間吸気調整部と、前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの燃焼室開口部の近傍において、前記ポート間側とは反対側の、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの該吸気ポートの上流側からそれぞれの該燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一定である気筒外周側吸気導入部と、を有する。

即ち、複数の吸気ポートを備える内燃機関において、その複数の吸気ポートのうち第一の吸気ポートと第二の吸気ポートの気筒外周側の領域において、ポート間側の吸気ポートの横断面形状と、ポート間側とは反対側の、即ち気筒の内壁面側の吸気ポートの横断面形状とを違えるものである。吸気ポートの気筒外周側の領域であって且つ気筒の内壁面側の領域から燃焼室内へ吸気が流入すると、その流入した吸気は気筒の内壁面と接触する蓋然性が高いため、吸気の流速が低下し、正タンブル流を効率的に形成することが困難となる。一方で、吸気ポートの気筒外周側の領域であって且つ気筒のポート間側の領域から燃焼室内へ吸気が流入すると、気筒の内壁面との接触は生じにくいため、吸気の流速の低下は小さい。

そこで、気筒外周側吸気導入部を設けることで、吸気ポートの気筒外周側の領域であって且つ気筒の内壁面側の領域から燃焼室内へ流入する吸気の流量を可及的に大きくする。更に、ポート間側吸気ポート拡幅部とポート間側吸気調整部を設けることで、先述した吸気ポート拡幅部と吸気調整部と同様に、吸気ポートの気筒外周側の領域であって且つ気筒のポート間側の領域から燃焼室内へ流入する吸気を効率的に燃焼室内での正タンブル流の形成に寄与させる。これらによって、燃焼室における燃料と吸気の混合を促進するタンブル流である正タンブル流の強さを高く維持するとともに、吸気ポートにおける吸気の流量の増加を図ることが可能となる。

また上述の内燃機関においては、前記第一の吸気ポートと前記第二の吸気ポートのそれぞれの前記気筒中心側吸気ポート領域は、それぞれの前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍の部位において、それぞれの該気筒中心側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの該吸気ポートの上流側からそれぞれの前記燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一
定である気筒中心側吸気導入部を有する。

このような気筒中心側吸気導入部によって、第一の吸気ポートおよび第二の吸気ポートにおいて気筒中心側吸気ポート領域を流れる吸気は、そのポート形状に沿って燃焼室内への流入が容易となるため、正タンブル流の形成が促進される。また、各吸気ポートにおいて気筒中心側吸気ポート領域を流れる吸気の流れる方向が吸気ポートの中心方向に向くのを抑制することになるため、先述した気筒外周側吸気ポート領域のポート間吸気調整部によって各吸気ポートの中心方向に導かれた吸気の一部との衝突を可及的に回避することとなり、以て燃焼室内における正タンブル流の形成がより促進される。

尚、内燃機関において２本の吸気ポート備えられている場合、それぞれを前記第一の吸気ポート、前記第二の吸気ポートとすればよい。また、内燃機関において３以上の吸気ポートが備えられている場合、その吸気ポートの中で両端側、即ち気筒の内壁面側に設けられている吸気ポートを、それぞれ前記第一の吸気ポート、前記第二の吸気ポートとすればよい。この場合、第一の吸気ポートと第二の吸気ポートとの間に位置するその他の吸気ポートについては、燃焼室へ導入される吸気量を可及的に確保するために、吸気ポートの横断面積が一定、もしくは下流側に進むに従い横断面積が徐々に大きくなるようにするのが好ましい。

吸気ポートを備える内燃機関において、燃焼室におけるタンブル流の強さを高く維持するとともに、吸気ポートにおける吸気の流量の増加を図ることが可能となる。

ここで、本発明に係る内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明が適用される内燃機関１の吸気ポート近傍の概略構成を示す図（断面図）であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の領域Ａ１近傍を拡大した概略図（断面図）である。内燃機関１は気筒２を有し、気筒２の中心を線Ｌ１で表す。内燃機関１においては、図１（ａ）に対して線Ｌ１の右側に吸気ポート４が、燃焼室開口部７を介して、気筒２の燃焼室３に連結されている。尚、図１においては、内燃機関１に本来あるべき（図１（ａ）に対して線Ｌ１の左側に）排気ポートの記載は省略している。そして、燃焼室開口部７を経た燃焼室３への吸気の流入は、吸気弁５の開閉動作によって行われる。即ち、吸気弁５の閉弁時には、吸気弁５の弁体６が燃焼室開口部７近傍のシート部に接触し、吸気の燃焼室への流入を遮る。そして、吸気弁５が開弁すると、吸気ポート４を通って吸気が燃焼室３内へ流入する。このときの吸気の流れを図１（ａ）中の、白抜き矢印Ｄ１およびＤ２で表す。

白抜き矢印Ｄ１は、吸気ポート４から気筒２の中心側に流入する吸気の流れを示し、この吸気の流れにより燃焼室３内に正タンブル流が形成される。また、白抜き矢印Ｄ２は、吸気ポート４から燃焼室３の外周方向、即ち気筒２の内壁面方向に流入する吸気の流れを示し、この吸気の流れにより燃焼室３内に逆タンブル流が形成される。

ここで、燃焼室３内におけるタンブル流の形成について、図１（ｂ）に基づいて説明する。吸気ポート４は、気筒２の中心線Ｌ１側の領域である気筒中心側吸気ポート領域４ａと、その反対側の領域であって気筒２の外周側の領域である気筒外周側吸気ポート領域４ｂとから構成される。本実施例においては、各領域は、吸気ポート４の長手方向の中心線Ｌ２を含む面を境にしているが、各領域の構成はこの態様に限られものではない。ここで、気筒中心側吸気ポート領域４ａにおいて、中心線Ｌ２と気筒中心側吸気ポート領域４ａ
における吸気ポート内壁との距離である吸気ポート４のポート半径をＲａと表す。また、気筒外周側吸気ポート領域４ｂにおいて、中心線Ｌ２と気筒外周側吸気ポート領域４ｂにおける吸気ポート内壁との距離である吸気ポート４のポート半径をＲｂと表す。

ここで、燃焼室開口部７の近傍の気筒中心側吸気ポート領域４ａにおいて、ポート半径Ｒａは一定の値である吸気導入部１０が形成されている。また、燃焼室開口部７の近傍の気筒外周側吸気ポート領域４ｂの、上流側の吸気ポート拡幅部８においては、ポート半径Ｒｂは下流側に進むに従い増加し、燃焼室開口部７の直上流の部位で最大値となる。一方で、該部位から下流側の吸気調整部９においては、ポート半径Ｒｂは燃焼室開口部７に至るまで減少する。このとき、ポート半径Ｒｂが減少することで形成される吸気調整部９の外郭の接線方向は、吸気弁５の弁体６の母線方向と概ね同一である。従って、燃焼室開口部７の近傍の吸気ポート４の横断面積は、燃焼室開口部７の直上流の部位において最大となり、その後横断面積は徐々に小さくなる。

このように構成される吸気ポート４においては、吸気ポート４の横断面積が下流側に進むことにより大きくなるため、吸気４に対する流動抵抗が低下し、以て吸気の流量を増加させることが可能となる。

また、気筒中心側吸気ポート領域４ａを流れる吸気は、概ねその吸気ポート４の内壁面に沿って図中矢印ｄ１の方向に流れ、燃焼室３内に流入する。一方で、気筒外周側吸気ポート領域４ｂを流れる吸気は、吸気調整部９によってその流れを吸気ポート４の中心線Ｌ２の方向に導かれる。そのため、該吸気の一部は図中矢印ｄ２の方向に流れ、残りの吸気は図中矢印ｄ３の方向に流れ、それぞれ燃焼室３内に流入する。更に、吸気調整部９の外郭の接線方向は、吸気弁５の弁体６の母線方向と概ね同一であるため、矢印ｄ２の方向に流れる吸気の流れに対する吸気弁５の弁体６による抵抗を可及的に抑制することが可能となる。そして、矢印ｄ１と矢印ｄ２の方向に流れた吸気は合流して、図１（ａ）中の白抜き矢印Ｄ１の流れの吸気を形成し、以て正タンブル流が燃焼室３内に形成される。矢印ｄ３の方向に流れた吸気は、図１（ａ）中の白抜き矢印Ｄ２の流れの吸気を形成し、以て逆タンブル流が燃焼室３内に形成される。

尚、図２は、内燃機関１に備えられる吸気ポート４の外観を概略的に表す図である。図２においては、吸気ポート４が並列に２本設けられており、その下流側において、吸気ポート拡幅部８と吸気調整部９が形成されている。図２においては、一の吸気ポートについてのみ、参照番号を付している。

ここで、図３に、従来の内燃機関における吸気ポートを示す。図１（ａ）、（ｂ）に示す内燃機関の吸気ポートと相異する点は、吸気ポート４のポート半径Ｒｃが一定の値であって、図１（ｂ）に示す吸気ポート拡幅部８および吸気調整部９が設けられていない点である。即ち、吸気ポート４の気筒外周側領域においては、ポート半径Ｒｃが一定のまま連結部位１１を経て滑らかに燃焼室開口部７に連結している。従って、吸気ポート４を流れる吸気は、吸気弁５の開弁により図中白抜き矢印Ｄ１およびＤ２の方向に流れ、燃焼室３内に流入するが、図１に示す吸気調整部９が設けられていないため、図１に示す本実施の形態に係る内燃機関の吸気ポートに比べて、白抜き矢印Ｄ２方向に流れる吸気の流量は増加する一方で、白抜き矢印Ｄ１方向に流れる吸気の流量は低下することになる。

即ち、本実施の形態に係る内燃機関の吸気ポートにおいては、燃焼室３内に正タンブル流を形成する図１の白抜き矢印Ｄ１方向の吸気の量は、図３中の白抜き矢印Ｄ１方向の吸気の量をより増加されることになり、燃焼室３内により強い正タンブル流を形成することが可能となる。

また、従来の内燃機関の吸気ポートにおいて、その一部分においてポート半径を小さくして吸気ポートの横断面積を小さくすることで、くびれ状とすることで、吸気の流速を上昇させ、燃焼室３内により強いタンブル流を形成する場合がある。しかし、このような場合においては、吸気ポート４における吸気に対する抵抗が増加するため、燃焼室３内へ流入する吸気流量が減少する。

図４に、燃焼室内に形成される正タンブル流の強さと吸気流量との関係について、従来の内燃機関と本実施の形態に係る内燃機関の場合とを比較して示す。図４の横軸は、燃焼室内に形成される正タンブル流の強さ、例えばタンブル比を表し、縦軸は燃焼室内に流入する吸気の流量を表す。図中、線Ｌ３で表されるのは従来の内燃機関の吸気ポートにおける燃焼室内に形成される正タンブル流の強さに対する吸気流量の推移である。即ち、先述したように、吸気ポートのポート半径を一定とすることで吸気流量を増加することは可能であるが、燃焼室内での正タンブル流の強さが低下する。一方で、吸気ポートのポート半径を一部分において小さくして吸気の流速を高めることで、燃焼室内での正タンブル流の強さを上昇させることは可能であるが、吸気流量が低下する。換言すると、正タンブル流の強さと吸気流量との関係は、相反する関係にある。

一方で、本実施の形態に係る内燃機関においては、内燃機関１の吸気ポート４における燃焼室３内に形成される正タンブル流の強さと吸気流量との関係は、領域Ａ２で表される。即ち、図１（ａ）、（ｂ）における吸気ポート拡幅部８によって、吸気ポート４内の吸気に対する抵抗を低減させて吸気流量を増加させるとともに、吸気調整部９によって吸気の流れの方向を調整することで、燃焼室３内に形成される正タンブル流の強さを増加させることが可能となり、従来の内燃機関に対して、より効率的な吸気の導入が可能となる。

ここで、気筒外周側吸気ポート領域４ｂにおける吸気ポート４のポート半径を、吸気ポート拡幅部８および吸気調整部９において変更させる場合において、吸気ポート４の断面形状を図５に示すようにしてもよい。図５（ａ）は、吸気ポート４の部分的な横断面の外郭を抜粋して表した図であり、吸気ポート４はこれらの断面形状が連続的に変化することで形成される。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した吸気ポートの外郭を、横断面の中心が重ねなるように表した図である。

図５（ａ）において、矢印Ａ３およびＡ４で表される領域は、それぞれ吸気ポート拡幅部８および吸気調整部９に対応する領域である。そして、Ｓ１およびＳ２は、領域Ａ３およびＡ４における吸気ポート４の横断面の外郭である。従って、吸気ポート拡幅部８を含む吸気ポート４の横断面は略四角形状であって、吸気調整部９を含む吸気ポート４の横断面は略円形状、例えば楕円形状である。尚、図５（ａ）および（ｂ）において、図面の上方向が気筒２の中心方向に当たる。従って、各図における上方向の吸気ポート４の領域が、先述した気筒中心側吸気ポート領域４ａに、下方向の吸気ポート４の領域が、先述した気筒外周側吸気ポート領域４ｂに相当する。

ここで、図５（ｂ）に示すように、このように構成される吸気ポート４では、吸気ポート４の横断面における部位に応じて、吸気調整部９によって吸気が吸気ポート４の中心線方向に導かれる程度が異なる。即ち、図５（ｂ）に示す吸気ポート４の横断面の中央部分においては、略四角形状のＳ１と略円形状のＳ２との幾何学的に重複する面積が大きく、吸気を吸気ポート４の中心方向への導く程度が小さい。逆に、図５（ｂ）に示す吸気ポートの横断面の左右端部においては、略四角形状のＳ１と略円形状のＳ２との幾何学的に重複する面積が小さくなり、吸気を吸気ポート４の中心方向への導く程度が大きくなる。

この結果、吸気弁５の弁体６による吸気に対する抵抗が大きくなる、吸気ポート４の中央部においては、吸気の流れを吸気ポート４の中心方向へ導く程度を緩和する代わりに、
可及的に吸気流量を増量して燃焼室３内へ流入する吸気量を増量する。一方で、吸気弁５の弁体６による吸気に対する抵抗が比較的低い、吸気ポート４の左右端部においては、吸気流量は中央部に比較して減量されるが、吸気の流れる方向が吸気ポート４の中心方向に導かれる程度が大きくなるため、燃焼室３内により強い正タンブル流が形成される。この結果、吸気弁５の弁体６による燃焼室への吸気の導入に対する影響を緩和することが可能となる。

次に、先述したように、気筒中心側吸気ポート領域４ａを流れる吸気の流量を増量することで、燃焼室３内により強い正タンブル流を形成することが可能となるが、図６に示すように内燃機関１に２本の吸気ポートが設けられている場合、気筒中心側吸気ポート領域４ａを流れる吸気であっても、気筒２の内壁面に近いか否かによって形成される正タンブル流の強さへの寄与の程度が異なる。ここで、図６は気筒２の頂部を表す図であり、図１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付する。

図６において、気筒外周側吸気ポート領域４ｂであって且つ気筒２の内壁面側の領域で表される領域Ａ５から燃焼室３へ流入する吸気の流れを黒塗り矢印で、気筒外周側吸気ポート領域４ｂであって且つ２本の吸気ポート４のポート間側の領域で表される領域Ａ６から燃焼室３へ流入する吸気の流れを白抜き矢印で表す。ここで、黒塗り矢印で表される流れの吸気は、気筒２の内壁面と短時間で接触するため、吸気の流速が低下し、正タンブル流の強さに寄与する程度が低下する。一方で、白抜き矢印で表される流れの吸気は、気筒２の中心方向に流れ込むため、気筒２の内壁面と接触するまで比較的内外時間を要し、吸気の流速が低下しにくいため、正タンブル流の強さに寄与する程度が高い。

よって、黒塗り矢印で表される方向においては、燃焼室３内に流入する吸気量を確保すべく、白抜き矢印で表される方向においては、より強い正タンブル流を形成すべく、吸気ポートの形状を決定することで、より効率的な正タンブル流の形成と吸気量の確保の両立を図ることが可能となる。

そこで、図７に基づいて、吸気ポートの形状について説明する。図７（ａ）は、２本の吸気ポート１２および吸気ポート１３の概略的な外観図およびこれらの吸気ポートの部位別の横断面形状を表す図である。図７（ａ）に示される横断面形状に対応する吸気ポートの部位は、吸気ポート１１と吸気ポート１２が分岐する近傍の部位（図中、線Ｌ６で表示）、各吸気ポートの途中の部位（図中、線Ｌ７で表示）および各吸気ポートの燃焼室開口部の直前の部位である。ここで、各部位の各吸気ポートの横断面において、図７（ａ）の上方向が、先述した気筒中心側の方向に、図７（ａ）の下方向が、先述した気筒外周側の方向に相当する。

ここで、図７（ｂ）は、線Ｌ７で示される部位における吸気ポート１２の横断面形状Ｓ３と、線Ｌ８で示される部位における吸気ポート１２の横断面形状Ｓ４とを、それぞれの形状の中心が重なるように表した図である。

図７（ａ）および（ｂ）に示すように、吸気ポート１２および１３において、気筒中心側の吸気ポート領域ではポート半径はほぼ一定である。即ち、先述した図１における吸気導入部１０を形成する。

また、気筒外周側の吸気ポート領域であって且つ吸気ポート１２および１３のポート間側の領域である領域Ａ７では、線Ｌ６で表される部位から線Ｌ７で表される部位に進むに従い、ポート半径は大きくなる。そして、さらに下流側の線Ｌ８で表される部位に進むとポート半径は小さくなる。即ち、線Ｌ６で表される部位から線Ｌ７で表される部位までは
、先述した図１における吸気ポート拡幅部８を形成し、線Ｌ７で表される部位から線Ｌ８で表される部位までは、先述した図１における吸気調整部９を形成している。

一方で、気筒外周側の吸気ポート領域であって且つ気筒２の内壁面側の領域である領域Ａ８では、線Ｌ６で表される部位から線Ｌ８で表される部位において、ポート半径はほぼ一定、もしくは領域Ａ７と比べてポート半径の変動量は少ない。

このように形成される吸気ポート１２および１３を備える内燃機関においては、気筒中心側の吸気ポート領域を流れる吸気と同様に、領域Ａ７を流れる吸気は、線Ｌ７で表される部位から線Ｌ８で表される部位の間に形成される先述の吸気調整部に相当する部位によって、燃焼室内の正タンブル流の形成により大きく寄与する。一方で、領域Ａ８を流れる吸気は、該領域のポート径の変動が比較的小さいため、燃焼室内の正タンブル流の形成への寄与は比較的小さいものの、より多くの吸気流量を確保することが可能となる。これにより、気筒の内壁面による吸気の流速の低下を加味したうえで、燃焼室におけるタンブル流の強さがより高く維持されるとともに、吸気ポートにおける吸気の流量の増加の両立が図られる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の吸気ポート近傍の概略構成を示す図（断面図）であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の領域Ａ１近傍を拡大した概略図（断面図）である。本発明の実施の形態に係る内燃機関に備えられる吸気ポートの外観を概略的に表す図である。従来の内燃機関における吸気ポートの概略構成を示す図（断面図）である。燃焼室内に形成される正タンブル流の強さと吸気流量との関係について、従来の内燃機関と本発明の実施の形態に係る内燃機関の場合とを比較して示すグラフである。図５（ａ）は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の備える吸気ポートの部分的な横断面の外郭を表す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した吸気ポートの外郭を、横断面の中心が重ねなるように表した図である。本発明の実施の形態に係る内燃機関の気筒の頂部を表す図である。図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の備える２本の吸気ポートの概略的な外観図およびこれらの吸気ポートの部位別の横断面形状を表す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）中の線Ｌ７で示される部位における吸気ポートの横断面形状を重ねて表示した図である。

符号の説明

１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃焼室
４・・・・吸気ポート
４ａ・・・・気筒中心側吸気ポート領域
４ｂ・・・・気筒外周側吸気ポート領域
５・・・・吸気弁
６・・・・弁体
７・・・・燃焼室開口部
８・・・・吸気ポート拡幅部
９・・・・吸気調整部

Claims

吸気ポートを備える内燃機関であって、
前記吸気ポートは、該吸気ポートにおける、前記内燃機関の気筒の中心側の領域である気筒中心側吸気ポート領域と、該吸気ポートにおけるその他の領域である気筒外周側吸気ポート領域から構成され、
前記気筒外周側吸気ポート領域は、
前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍において、前記気筒外周側吸気ポート領域側の横断面積が、該吸気ポートの上流側から該燃焼室開口部の直上流の部位に進むに従い増加する吸気ポート拡幅部と、
前記吸気ポート拡幅部の下流側であって前記燃焼室開口部に至るまでの間、前記気筒外周側吸気ポート領域側の横断面積が減少することで吸気の一部の流れを該吸気ポートの中心方向に導く吸気調整部と、を有し、
前記吸気ポート拡幅部の横断面形状は四角形状もしくは略四角形状であって、
前記吸気調整部の横断面形状は円形状もしくは略円形状であることを特徴とする内燃機関。
前記気筒中心側吸気ポート領域は、前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍の部位において、該気筒中心側吸気ポート領域側の横断面積が、該吸気ポートの上流側から前記燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一定である吸気導入部を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記気筒外周側吸気ポート領域の前記吸気調整部における前記吸気ポートの外郭の接線方向が、該吸気ポートに備えられた吸気弁の弁体の母線方向と概ね同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
第一の吸気ポートと第二の吸気ポートを備える内燃機関であって、
前記第一の吸気ポートと前記第二の吸気ポートは、それぞれの該吸気ポートにおける、前記内燃機関の気筒の中心側の領域である気筒中心側吸気ポート領域と、それぞれの該吸気ポートにおけるその他の領域である気筒外周側吸気ポート領域から、それぞれ構成され、
前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの前記気筒外周側吸気ポ
ート領域は、
前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの燃焼室開口部の近傍において、該第一の吸気ポートおよび該第二の吸気ポートのポート間側の、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの吸気ポートの上流側からそれぞれの燃焼室開口部の直上流の部位に進むに従い増加するポート間側吸気ポート拡幅部と、
それぞれの前記ポート間側吸気ポート拡幅部の下流側であってそれぞれの前記燃焼室開口部に至るまでの間、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域のポート半径が減少することで吸気の流れをそれぞれの吸気ポートの中心方向に導くポート間吸気調整部と、
前記第一の吸気ポートおよび前記第二の吸気ポートのそれぞれの燃焼室開口部の近傍において、前記ポート間側とは反対側の、それぞれの前記気筒外周側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの該吸気ポートの上流側からそれぞれの該燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一定である気筒外周側吸気導入部と、を有することを特徴とする内燃機関。
前記第一の吸気ポートと前記第二の吸気ポートのそれぞれの前記気筒中心側吸気ポート領域は、それぞれの前記吸気ポートの燃焼室開口部の近傍の部位において、それぞれの該気筒中心側吸気ポート領域側のポート半径が、それぞれの該吸気ポートの上流側からそれぞれの前記燃焼室開口部に進むに従い増加し、または一定である気筒中心側吸気導入部を有することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。