JP4650333B2 - 内燃機関の吸気ポート - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の吸気ポートに関する。

吸気弁の軸線回りに形成された渦巻部と、渦巻部から接線状に延びる吸入空気流入通路部とにより構成され、吸入空気流入通路部が渦巻部の周壁面に接線状に接続される第１の側壁面と、吸気弁の弁軸に向けて渦巻部の周壁面まで延びる第２の側壁面とを有するヘリカル型吸気ポートにおいて、吸入空気流入通路部の上壁面が上述の第１の側壁面側に位置しかつ渦巻部の上壁面に滑らかに接続する第１の上壁面と、上述の第２の側壁面側に位置しかつ第１の上壁面よりも高さの低い第２の上壁面からなり、この第２の上壁面の高さ位置を境にして吸入空気流入通路部の底壁面に沿って流れる下層流と第１の上壁面に沿って流れる上層流とが発生し、この上層流によって燃焼室内にスワールが発生せしめられるヘリカル型吸気ポートが公知である（特許文献１を参照）。

このヘリカル型吸気ポートでは吸入空気量が多いときに渦巻部内での上層流の旋回作用が下層流によって弱められ、それにより機関高回転域において過剰なスワールが発生するのが阻止される。
実開平２−１４７８３０号公報

ところでこのヘリカル型吸気ポートでは従来のヘリカル型吸気ポートと同様に吸入空気を渦巻部内で旋回させることにより燃焼室内にスワールを発生させるようにしている。この場合、スワールを強めるためには渦巻部内での旋回作用を強めなければならない。しかしながら渦巻部内での旋回作用を強めると吸入抵抗が増大するために充填効率が低下し、その結果最大負荷運転時の出力が低下することになる。

このように渦巻部内における旋回作用を強めることによってスワールを強めるようにしている限り、強力なスワールと高い充填効率を同時に確保することは困難であり、強力なスワールと高い充填効率を同時に確保するには発想の転換が必要である。
本発明者はこれまで長い期間に亘って吸入空気の流れ方について研究し、終いに強力なスワールと高い充填効率を同時に確保することのできる吸気ポートを見い出したのである。

即ち、本発明によれば、吸気弁の軸線回りに形成された渦巻部と、渦巻部から接線状に延びる吸入空気流入通路部とにより構成され、渦巻部が吸気弁の軸線回りを延びる周壁面と、上壁面と、吸気弁により開閉される下端出口部とにより画定されており、吸入空気流入通路部が渦巻部の周壁面に接線状に接続される第１の側壁面と、吸気弁の弁軸に向けて渦巻部の周壁面まで延びる第２の側壁面と、上壁面と、底壁面とにより画定されている内燃機関の吸気ポートにおいて、渦巻部の下端出口部が燃焼室頂面の周縁部に配置されると共に、第１の側壁面が燃焼室の周縁部に対して接線状に延びるように吸入空気流入通路部が配置されており、吸気弁全開時に吸気弁と吸気弁の弁座間に形成される環状の吸気弁開口部のうちで、シリンダ軸線と吸気弁弁体の中心部とを含む平面に対し吸入空気流入通路部と反対側に形成される吸気弁開口部領域が存在しており、吸入空気流入通路部内に吸入空気流入通路部の下方を流れる下層流と吸入空気流入通路部の上方を流れる上層流が発生せしめられ、下層流は吸気弁開弁時に吸気弁開口部領域に向け流れた後に吸気弁開口部領域から燃焼室内に燃焼室の周辺方向に向け流入して燃焼室内にスワールを発生させ、上層流は吸気弁開弁時に渦巻部内で旋回した後に吸気弁開口部全体から分散して燃焼室内に流入し、吸気弁開弁時に下層流を吸気弁開口部領域に向かうよう整流させるために下層流の流れ方向に真直ぐに延びる整流壁を吸気弁のかさ部背面上に形成している。

下層流路内を流れる下層流によって強力なスワールが発生せしめられ、上層流路内を流れる上層流によって高い充填効率が確保される。

図１から図３を参照すると、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３は燃焼室を夫々示す。図１に示される実施例ではシリンダヘッド２内に一対の吸気ポート４，５が形成されており、また図１には示されていないがシリンダヘッド２内には一対の排気ポートが形成されている。本発明は一対の吸気ポート４，５のうちの図１において実線で示される片方の吸気ポート４に関するものであり、従って以下この吸気ポート４についてのみ説明する。

図１から図３を参照すると、吸気ポート４は吸気弁６の軸線回りに形成された渦巻部７と、この渦巻部７から接線状に延びる吸入空気流入通路部８とにより構成される。図１、図２および図３（Ｃ）に示されるように渦巻部７は吸気弁６の軸線回りを延びる周壁面９と、上壁面１０と、吸気弁６により開閉される下端出口部１１とにより画定されており、図１および図２に示されるように吸入空気流入通路部８は渦巻部７の周壁面９に接線状に接続される第１の側壁面１２と、吸気弁６の弁軸６ａに向けて渦巻部７の周壁面９まで延びる第２の側壁面１３と、上壁面１４と、底壁面１５とにより画定されている。

図１からわかるように渦巻部７の下端出口部１１は燃焼室３の頂面１６（図２）の周縁部に配置され、第１の側壁面１２が燃焼室３の周縁部に対して接線状に延びるように吸入空気流入通路部８が配置されている。即ち、図１に示されるように吸入空気流入通路部８の下流側は燃焼室３の周縁部に対して接線状に延びており、吸入空気流入通路部８の上流側はレイアウト上の理由から吸入空気流入通路部８の下流側に対して燃焼室３から離れる方向に若干折曲せしめられている。

図５は吸気ポート４を図解的に表した斜視図を示している。図１から図３および図５を参照すると吸入空気流入通路部８の上壁面１４は吸入空気流入通路部８の少くとも下流側において、第１の側壁面１２側に位置しかつ渦巻部７の上壁面１０に滑らかに接続する第１の上壁面１４ａと、第２の側壁面１３側に位置しかつ第１の上壁面１４ａよりも底壁面１５側に位置する第２の上壁面１４ｂとにより構成される。第１の上壁面１４ａに対して低い位置に第２の上壁面１４ｂが形成されている吸入空気流入通路部８部分の断面形状が図５においてハッチングで示されている。

図３（Ａ）〜（Ｃ）および図５からわかるように第１の上壁面１４ａは渦巻部７に向けて次第に横巾が狭ばまりつつ下降し、次いで上述した如く渦巻部７の上壁面１０に滑らかに接続される。この渦巻部７の上壁面１０は渦巻部７の周縁部に沿って徐々に下降しつつ渦巻部７の全周のほぼ３／４に亘って延びる。一方、第２の上壁面１４ｂの巾は吸入空気流入通路部８の下流側では底壁面１５の巾のほぼ１／３程度であって一定であり、吸入空気流入通路部８の上流側では上流に向かうに従って次第に狭くなる。

一方、図３（Ａ）〜（Ｃ）および図５に示されるように第１の上壁面１４ａおよび第２の上壁面１４ｂは吸入空気流入通路部８の横断面内においてはほぼ水平方向に延びており、これら第１の上壁面１４ａと第２の上壁面１４ｂとの間に位置する壁面１７は下向きの傾斜面からなる。この傾斜面１７の巾は渦巻部７に向けて次第に広くなる。一方、図２に示されるように第２の上壁面１４ｂも渦巻部７に向けて下降しており、この場合第２の上壁面１４ｂの傾斜角は第１の上壁面１４ａの傾斜角よりも大きい。

このように第１の上壁面１４ａと第２の上壁面１４ｂとを階段状に形成すると吸入空気流入通路部８内には図５においてハッチングＸで示される如く第１の側壁面１２の下方部、第２の側壁面１３、第２の上壁面１４ｂおよび底壁面１５によって画定された下層流路と、ハッチングＹで示される如く下層流路の上方であって下層流路と第１の上壁面１４ａ間に位置する上層流路とが形成される。即ち、吸入空気流入通路部８内には下層流路Ｘ内を流れる下層流と上層流路Ｙ内を流れる上層流との２つの流れが発生する。図６（Ａ）に図５の下層流路Ｘに関連する部分のみを取出した場合を示し、図６（Ｂ）に図５の上層流路Ｙに関連する部分のみを取出した場合を示す。

図４は図１の拡大図を示す。図２および図３（Ｃ）に示されるように吸気弁６が開弁すると吸気弁６と吸気弁６の弁座１８間には環状の吸気弁開口部１９が形成される。この場合、吸気弁６全開時に吸気弁６と吸気弁６の弁座１８間に形成される環状の吸気弁開口部１９のうちで、図４においてシリンダ軸線Ｏと吸気弁６の弁体の中心部とを含む平面Ｋに対し吸入空気流入通路部８と反対側に形成される吸気弁開口部領域が存在する。

この吸気弁開口部領域が図４、図５および図６（Ａ）においてＺで示されている。
この吸気弁開口部領域Ｚは図４において平面Ｋと燃焼室３周縁部側の吸気弁開口部１９との交差部から渦巻部７内における吸入空気流の旋回方向にほぼ９０度の範囲Ｍである。本発明では図５および図６（Ａ）からわかるように第１の側壁面１２の下方部、第２の側壁面１３、第２の上壁面１４ｂおよび底壁面１５は下層流路Ｘが吸気弁開口部領域Ｚに向けてまっすぐに延びるように構成されている。

このように下層流路Ｘが吸気弁開口部領域Ｚに向けてまっすぐに延びるように第２の上壁面１４ｂは図２に示される如く平面Ｋに対し第２の上壁面１４ｂと反対側に位置する吸気弁開口部１９の上端縁に向けて延びている。このように下層流路Ｘを形成すると下層流路Ｘ内を流れる下層流は吸気弁６の開弁時に下層流路Ｘ内をまっすぐに進んで吸気弁開口部領域Ｚに進む。

さて、本発明では吸気弁６の開弁時に下層流を吸気弁開口部領域Ｚに向かうよう整流させるために下層流の流れ方向に真直ぐに延びる整流壁を吸気弁６のかさ部背面６ｂ上に形成するようにしている。例えば図１から図３に示される実施例では吸気弁６のかさ部背面６ｂ上に凹溝２０が形成されており、この凹溝２０の壁面が上述の整流壁を形成している。

即ち、もう少し具体的に言うと、この凹溝２０はシリンダ軸線Ｏと反対側のかさ部背面６ｂ上において平面Ｋ（図４）よりも吸入空気流入通路部８側から平面Ｋよりも吸気弁開口部領域Ｚ側まで延びており、この凹溝２０は吸気弁６の軸線方向に延びる垂直壁２１とこの垂直壁２１から直角方向に延びる底壁２２とを有していて、これら垂直壁２１および底壁２２が上述の整流壁を形成している。

更にこの実施例ではこの垂直壁２１は吸気弁６の弁軸６ａの外周面に沿って延びており、底壁２２は吸入空気流入通路部８から吸気弁開口部領域Ｚに向けて次第に下降するよう傾斜している。

これら垂直壁２１および底壁２２のような整流壁を吸気弁６のかさ部背面上に形成すると下層流路Ｘ内を流れる下層流は、吸気弁６の開弁時に下層流路Ｘ内をまっすぐに進んだ後、この整流壁によって吸気弁開口部領域Ｚに向かうよう整流される。その結果、下層流路Ｘ内を流れる下層流全体が吸気弁開口部領域Ｚに向けて流れる。次いでこの下層流は図４において矢印Ｓで示すように吸気弁開口部領域Ｚから燃焼室３内に燃焼室３の周辺方向に向けて流入し、それによって燃焼室３内にはシリンダ軸線Ｏ回りの強力なスワールが発生せしめられる。

一方、上層流路Ｙ内を流れる上層流は吸気弁６の開弁時に上層流路Ｙ内を進んだ後、渦巻部７内で旋回し、図４において矢印Ｔで示されるように吸気弁開口部１９の全体から分散して燃焼室３内に流入する。このように吸入空気が吸気弁開口部１９の全体から流入させることによって吸入空気量を増大させることができる。即ち、上層流を旋回させないで燃焼室３内に流入させようとすると大部分の上層流は吸入空気流入通路部８とは反対側の吸気弁開口部のみから燃焼室３内に流入することになる。このことは実質的に吸気弁開口部の流路面積が小さくなっていることと同じであり、従って吸入空気量の増大は期待できない。

これに対して上層流に渦巻部７内で旋回流を与えると上層流は上述したように吸気弁開口部１９の全体から分散して燃焼室３内に流入する。このことは吸気弁開口部１９の流路面積が大きくなったことと同じであり、従って吸入空気量が増大するために充填効率が向上することになる。このように本発明において渦巻部７内で旋回流を生じさせるのは充填効率の向上のためであり、従来のようにスワールの発生のためではない。

一方、吸入空気を渦巻部７内で旋回させつつ燃焼室３内に流入させると旋回している吸入空気流全体がそのままスワール流に移行していくかのように思える。しかしながらスワールの発生に寄与するのは旋回する吸入空気流のうちの燃焼室３の周辺方向に向かう一部の吸入空気流であり、従って吸入空気を旋回しつつ燃焼室３内に流入させても実際には吸入空気の一部しかスワールの発生に寄与しない。即ち、強力なスワールを発生させるためには本発明におけるように下層流全体が吸気弁開口部領域Ｚに向かうように下層流を整流壁により整流させて燃焼室３の周辺方向に向かう強力な吸入空気流を発生させることが最も効果的である。

なお本発明では凹溝２０を常に図１に示す位置に維持しておかなければならず、そのために吸気弁６に対して軸線回りの回転止めが施こされている。図１に示される実施例では図３（Ｃ）に示されるように吸気弁６の弁軸６ａの摺動孔２３内に軸線方向に延びるスリット２４が形成されており、弁軸６ａ内に圧入された回止めピン２５がスリット２４内に遊嵌せしめられている。

図７および図８に別の実施例を示す。
この実施例では吸気弁６のかさ部背面６ｂ上に突出部２６が形成されており、この突出部２６の壁面が前述した整流壁を形成している。もう少し具体的に言うと、この実施例では突出壁２６が吸気弁６のかさ部背面６ｂ上から吸気弁６の軸線方向に延びる薄肉垂直平板からなり、更にこの突出壁２６は吸気弁６の軸線に関して吸気弁開口部領域Ｚ側のかさ部背面６ｂ上に形成されている。

この実施例でも下層流路Ｘ内を流れる下層流は、吸気弁６の開弁時に下層流路Ｘ内をまっすぐに進んだ後、この突出壁２６によって吸気弁開口部領域Ｚに向かうよう整流される。その結果、下層流路Ｘ内を流れる下層流全体が吸気弁開口部領域Ｚから燃焼室３内に燃焼室３の周辺方向に向けて流入し、斯くして燃焼室３内にはシリンダ軸線Ｏ回りの強力なスワールが発生せしめられる。

このように本発明では吸気ポート４内から燃焼室３内に燃焼室３の周辺方向に向けてまっすぐに流入する下層流によって燃焼室３内に強力なスワールが発生せしめられ、渦巻部７内で旋回した後に燃焼室３内に流入する上層流によって吸入空気量が増大せしめられる。斯くして高い充填効率を図りつつ強力なスワールを発生させることができる。

吸気ポートの平面図である。 図１のII−II線に沿ってみた吸気ポートの断面図である。 図１に示される吸気ポートの断面図であって、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は夫々図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿ってみた断面図である。 図１の拡大図である。 図解的に表した吸気ポートの斜視図である。 下層流路Ｘおよび上層流路Ｙを示す図である。 別の実施例を示す吸気ポートの平面図である。 図７に示される吸気弁の斜視図である。

符号の説明

３ 燃焼室
４，５ 吸気ポート
６ 吸気弁
７ 渦巻部
８ 吸入空気流入通路部
９ 周壁面
１０ 上壁面
１１ 下端出口部
１２ 第１の側壁面
１３ 第２の側壁面
１４ａ 第１の上壁面
１４ｂ 第２の上壁面
１５ 底壁面
１８ 弁座
１９ 吸気弁開口部
２０ 凹溝
２１ 垂直壁
２２ 底壁
２６ 突出壁
Ｘ 上層流路
Ｙ 下層流路
Ｚ 吸気弁開口部領域

Claims (13)

1. 吸気弁の軸線回りに形成された渦巻部と、該渦巻部から接線状に延びる吸入空気流入通路部とにより構成され、該渦巻部が吸気弁の軸線回りを延びる周壁面と、上壁面と、吸気弁により開閉される下端出口部とにより画定されており、該吸入空気流入通路部が渦巻部の周壁面に接線状に接続される第１の側壁面と、吸気弁の弁軸に向けて渦巻部の周壁面まで延びる第２の側壁面と、上壁面と、底壁面とにより画定されている内燃機関の吸気ポートにおいて、上記渦巻部の下端出口部が燃焼室頂面の周縁部に配置されると共に、上記第１の側壁面が燃焼室の周縁部に対して接線状に延びるように吸入空気流入通路部が配置されており、吸気弁全開時に吸気弁と吸気弁の弁座間に形成される環状の吸気弁開口部のうちで、シリンダ軸線と吸気弁弁体の中心部とを含む平面に対し吸入空気流入通路部と反対側に形成される吸気弁開口部領域が存在しており、上記吸入空気流入通路部内に吸入空気流入通路部の下方を流れる下層流と吸入空気流入通路部の上方を流れる上層流が発生せしめられ、該下層流は吸気弁開弁時に上記吸気弁開口部領域に向け流れた後に吸気弁開口部領域から燃焼室内に燃焼室の周辺方向に向け流入して燃焼室内にスワールを発生させ、上記上層流は吸気弁開弁時渦巻部内で旋回した後に吸気弁開口部全体から分散して燃焼室内に流入し、吸気弁開弁時に該下層流を上記吸気弁開口部領域に向かうよう整流させるために該下層流の流れ方向に真直ぐに延びる整流壁を吸気弁のかさ部背面上に形成した内燃機関の吸気ポート。
2. 吸気弁のかさ部背面上に凹溝が形成されており、該凹溝の壁面が上記整流壁を形成している請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。
3. 上記凹溝がシリンダ軸線と反対側の上記かさ部背面上において上記平面よりも吸入空気流入通路部側から上記平面よりも吸気弁開口部領域側まで延びている請求項２に記載の内燃機関の吸気ポート。
4. 上記凹溝が吸気弁の軸線方向に延びる垂直壁と該垂直壁から直角方向に延びる底壁とを有し、これら垂直壁および底壁が上記整流壁を形成している請求項２に記載の内燃機関の吸気ポート。
5. 上記垂直壁が吸気弁の弁軸の外周面に沿って延びている請求項４に記載の内燃機関の吸気ポート。
6. 上記底壁が吸入空気流入通路部から吸気弁開口部領域に向けて次第に下降するよう傾斜している請求項４に記載の内燃機関の吸気ポート。
7. 吸気弁のかさ部背面上に突出部が形成されており、該突出部の壁面が上記整流壁を形成している請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。
8. 上記突出壁が吸気弁のかさ部背面上から吸気弁の軸線方向に延びる薄肉垂直平板からなる請求項７に記載の内燃機関の吸気ポート。
9. 上記突出壁が吸気弁の軸線に関して吸気弁開口部領域側のかさ部背面上に形成されている請求項７に記載の内燃機関の吸気ポート。
10. 吸気弁に対して軸線回りの回転止めが施こされている請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。
11. 上記吸入空気流入通路部の上壁面を吸入空気流入通路部の少くとも下流側において、上記第１の側壁面側に位置しかつ渦巻部の上壁面に滑らかに接続する第１の上壁面と、上記第２の側壁面側に位置しかつ該第１の上壁面よりも上記底壁面側に位置する第２の上壁面とにより構成し、上記下層流が流れる下層流路が上記第１の側壁面の下方部、上記第２の側壁面、上記第２の上壁面および上記底壁面によって画定され、上記上層流が流れる上層流路が、下層流路の上方であって下層流路と上記第１の上壁面間に形成され、上記第１の側壁面の下方部、上記第２の側壁面、上記第２の上壁面および上記底壁面を該下層流路が上記吸気弁開口部領域に向けてまっすぐに延びるように構成した請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。
12. 上記吸気弁開口部領域は上記平面と燃焼室周縁部側の吸気弁開口部との交差部から渦巻部内における吸入空気流の旋回方向にほぼ９０度の範囲である請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。
13. 上記第２の上壁面は上記平面に対し該第２の上壁面と反対側に位置する吸気弁開口部の上端縁に向けて延びている請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート。

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