JP4692459B2 - Intake port shape of internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の吸気ポート形状に関し、特に吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状に関する。 The present invention relates to an intake port shape of an internal combustion engine, and more particularly to an intake port shape of an internal combustion engine capable of enhancing a swirling airflow generated in a combustion chamber even when the valve lift amount of the intake valve is in a small and medium region. About.
従来、燃焼室に流入する吸気の流動態様を改善すべく、種々の吸気ポート形状が提案されている。例えば特許文献1では、2つの吸気ポート間の距離が燃焼室に近づくにつれて次第に小さくなるように、下向きに向かって互いに内向きに傾斜させた吸気ポートを有する筒内噴射式内燃機関の構造が提案されている。この筒内噴射式内燃機関の構造によれば、2つのタンブル流が合流して点火栓付近に強い乱流が形成されるとともに点火栓付近の空燃比がリッチになることから、より確実にリーンバーンを実現できる。また特許文献2では、インナーピボットとの間隔を確保すべくカムシャフトの軸線方向に湾曲させた直立ポートを有する内燃機関のシリンダヘッドが提案されている。この内燃機関のシリンダヘッドによれば、インナーピボット型のスイングアームと直立ポートとを併せて採用するといった、直立ポートを形成するにあたってスペース上の制約が大きい場合でも吸気効率の悪化等を極力抑えることができる。
Conventionally, various intake port shapes have been proposed to improve the flow of intake air flowing into the combustion chamber. For example,
ところで、筒内に強度の高い旋回気流を生成する場合、係る要求に応じた最適な形状を実現できるように吸気ポートを設計する必要がある。ところが、一般には旋回気流は、吸気弁のバルブリフト量が主として中高領域にある場合に強化されるようになっている。図7は一般的な吸気ポート10X及び10Yを燃焼室54、吸気弁55及び排気弁56とともに模式的に示す図である。なお、図7は、シリンダヘッドを上面から見た場合の吸気ポート10X及び10Yの投影図(水平投影図)となっており、吸気ポート10の流線と吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面Sに投影した点を始点P1とし、吸気ポートの流線と吸気弁55の中心軸線との交点を水平面Sに投影した点を終点P2と定義する。また始点P1を含むとともに水平面S上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線を直線L1とし、終点P2を含むとともに水平面S上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線を直線L2とする。
By the way, when generating a strong swirl airflow in the cylinder, it is necessary to design the intake port so as to realize an optimum shape according to such a request. However, in general, the swirling airflow is strengthened when the valve lift amount of the intake valve is mainly in the middle-high range. FIG. 7 is a diagram schematically showing
図7(a)では、始点P1と終点P2を結ぶ直線と、水平面Sに投影した吸気ポートの流線(以下、単に吸気ポートの投影流線とも称す)Fとが略同一であり、且つ始点P1から終点P2に向かって2つの吸気ポート10Xa及び10Xb間の距離が次第に離れるような形状を備える吸気ポート10Xを例示している。また図7(b)では、吸気ポートの投影流線Fが、直線L1よりも燃焼室54中心側(以下、単に内側とも称す)にない(以下、単に外側にあるとも称す)場合の吸気ポート10Yを例示している。これらの吸気ポート10X及び10Yでは、吸気が吸気ポート10の下流側開口部全域から燃焼室54に万遍なく流入しようとするため、バルブリフト量が小中領域にある場合には旋回気流が好適に強化されない。
In FIG. 7A, the straight line connecting the start point P1 and the end point P2 and the streamline F of the intake port projected on the horizontal plane S (hereinafter also simply referred to as the projected streamline of the intake port) F are substantially the same, and The
すなわち吸気弁のバルブリフト量小中領域に着目すると、一般には吸気の主流が好ましい指向性を特段有していないことから吸気弁のバルブステム部などが大きな障害となって、必ずしもバルブリフト量小中領域で旋回気流が好適に強化されていなかった。このため、HCやCOなどのエミッションの低減及び燃費の悪化の抑制に必要な混合気のミキシング性や、冷間時やリーン燃焼時の燃焼改善に必要な火炎の伝播性や、ノッキングの抑制に必要な燃焼速度に改善の余地が残されていた。そして従来、バルブリフト量小中領域においても好適に旋回気流の強化を図ることができる吸気ポートの設計指針は特に存在していなかった。 In other words, focusing on the small and medium range of the valve lift amount of the intake valve, the main valve of the intake generally does not have a favorable directivity, so the valve stem portion of the intake valve is a major obstacle, and the valve lift amount is not always small. The swirling airflow was not suitably strengthened in the middle region. For this reason, it can be used to reduce the emissions of HC and CO and to suppress the deterioration of fuel consumption, to the mixing characteristics of the air-fuel mixture, to the flame propagation necessary to improve the combustion during cold and lean combustion, and to suppress knocking. There was room for improvement in the required burning rate. Conventionally, there has not been a design guideline for an intake port that can suitably enhance the swirling airflow even in a small and medium valve lift range.
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an internal combustion engine capable of enhancing the swirling airflow generated in the combustion chamber even when the valve lift amount of the intake valve is in the small and middle region. The purpose is to provide an intake port shape.
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する2つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記始点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記終点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention, when viewed in communication with the combustion chamber of an internal combustion engine, the
ここで設計上、始点及び終点が上記のように位置する場合には、吸気ポートを流通する吸気は一般には例えば図7(a)に示したように全体的に外側に向かって燃焼室に流入しやすくなってしまうところ、上記のように吸気ポートを湾曲させた本発明によれば、気流制御弁などによって偏流された吸気の主流が燃焼室に流入する際に吸気弁のバルブステム部よりも内側を流通するように指向させることができる。これにより吸気の主流がバルブステム部と干渉することを回避できるようにした本発明によれば、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能である。 Here, when the starting point and the ending point are positioned as described above, the intake air flowing through the intake port generally flows into the combustion chamber generally outward as shown in FIG. 7A, for example. However, according to the present invention in which the intake port is curved as described above, when the main flow of intake air drifted by the airflow control valve or the like flows into the combustion chamber, it is more than the valve stem portion of the intake valve. It can be oriented to circulate inside. Thus, according to the present invention in which the main flow of the intake air can be prevented from interfering with the valve stem portion, the swirl airflow generated in the combustion chamber can be enhanced even when the valve lift amount of the intake valve is in the small and medium regions. Can be achieved.
また本発明は、内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する2つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線上に含まれるように位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする。また設計上、始点及び終点が上記のように位置する場合には、吸気ポートを流通する吸気は一般には全体的に燃焼室に真っ直ぐ流入するようになりやすいところ、上記のように吸気ポートを湾曲させた本発明によれば、吸気の主流を前述のように指向させることができ、以って吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることができる。 The present invention is in communication with the combustion chamber of an internal combustion engine, said watching two cylinder heads that intake port is formed for generating a tumble flow in the combustion chamber from the top, and stream line of each said intake port, said When the point of projection of the intersection with the inlet side opening surface of the intake port on the horizontal plane is the starting point, and when the point of projection of the intersection of the streamline of each intake port and the central axis of the intake valve is the horizontal plane, each said intake port, the starting point is, each said intake port is located so as to be contained on a straight line extending in a direction perpendicular to the crank axis on a horizontal plane, which and projected on a horizontal plane and with including the end point The stream line is curved toward the center of the combustion chamber with respect to the straight line and then reaches the end point without being positioned outside the combustion chamber with respect to the straight line . In addition, when the start point and the end point are positioned as described above, the intake air flowing through the intake port generally tends to flow straight into the combustion chamber as a whole, but the intake port is curved as described above. According to the present invention, the main flow of the intake air can be directed as described above, so that the swirl airflow generated in the combustion chamber can be strengthened even when the valve lift amount of the intake valve is in the small and medium regions. Can be achieved.
本発明によれば、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を提供可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even when the valve lift amount of an intake valve exists in a small / medium area | region, it can provide the intake port shape of the internal combustion engine which can aim at reinforcement | strengthening of the swirl | vortex airflow produced | generated in a combustion chamber.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施例に係る内燃機関の吸気ポート形状(以下、単に吸気ポート形状と称す)を備える吸気ポート10Aを内燃機関50Aの要部とともに模式的に示す図である。内燃機関50Aは筒内直接燃料噴射式のガソリンエンジンである。但し、これに限られず、本発明を適用可能な内燃機関であれば、筒内直接燃料噴射式のガソリンエンジンの代わりにその他の内燃機関を適用してもよい。また、内燃機関50Aは直列4気筒の気筒配列構造を有しているが、これに限られず適宜の気筒配列及び気筒数であってよい。また、本実施例では内燃機関50Aに関し、各気筒の代表としてシリンダ51aについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。
FIG. 1 is a view schematically showing an
内燃機関50Aは、シリンダブロック51、シリンダヘッド52A、ピストン53等を有して構成されている。シリンダブロック51には、略円筒状のシリンダ51aが形成されている。シリンダ51a内には、ピストン53が収容されている。ピストン53の頂面には、タンブル流Tを案内するためのキャビティ53aが形成されている。シリンダブロック51の上面にはシリンダヘッド52Aが固定されている。燃焼室54は、シリンダブロック51、シリンダヘッド52A及びシリンダ53に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド52Aには、燃焼室54に吸気を導くための吸気ポート10Aのほか、燃焼したガスを燃焼室54から排気するための排気ポート20a及び20bが形成されている。またシリンダヘッド52Aには、吸気ポート10Aの流路を開閉するための吸気弁55と、排気ポートの流路を開閉するための排気弁56とが夫々配設されている。そのほかシリンダヘッド52Aには図示しない点火プラグや燃料噴射弁なども配設されている。
The
吸気は気流制御弁(図示省略)で偏流されて吸気ポート10Aから燃焼室54に流入し、燃焼室54で強度の高いタンブル流Tに生成される。なお、本実施例では吸気ポート10Aの入口側開口部はシリンダヘッド52Aの側面に形成されているが、吸気ポート10Aはシリンダヘッド52Aの上面に入口側開口部が形成された直立ポートであってもよい。また、燃焼室54で生成される旋回気流はタンブル流Tに限られず、例えば図1に示すタンブル流Tとは逆の方向に旋回する逆タンブル流や、タンブル流Tとスワール流とを合成したような斜めタンブル流などであってもよい。
The intake air is deviated by an airflow control valve (not shown) and flows into the
図2は、立体的に示した吸気ポート10Aの模式図である。なお、図2に示すようにシリンダ51aの延伸方向と平行になる方向を鉛直方向とし、これに直交する方向を水平方向とする。吸気ポート10Aをシリンダヘッド52Aの上面から見た場合、吸気ポート10Aは図2に示す水平面Sに投影される。またクランク軸線に直交する鉛直面Gは、水平面S上で内側と外側を区分する。図2では、始点P1を含む鉛直面G1と終点P2を含む鉛直面G2とを夫々示している。なお本実施例では、鉛直面G2に吸気弁55の中心軸線も含まれるようになっている。図2から、始点P1は鉛直面G2よりも内側に位置していることがわかる。また水平面Sに投影された吸気ポート10Aの投影流線Fは、鉛直面G1よりも内側に湾曲していることがわかる。なお、水平面Sと鉛直面G1とが交差してできる直線が直線L1となり、水平面Sと鉛直面G2とが交差してできる直線が直線L2となる。
FIG. 2 is a schematic diagram of the
図3は、水平投影視した吸気ポート10Aを模式的に示す図である。なお、図3では吸気ポート10Aとともに燃焼室54及び吸排気弁55、56を示している。図3に示すように始点P1は、直線L2よりも内側に位置している。また吸気ポート10Aの投影流線Fは、直線L1よりも内側に湾曲している。これにより、気流制御弁で偏流された主流は、主として湾曲部位の前半で吸気弁55のバルブステム部と吸気ポート10Aの内側壁面との間から燃焼室54に流入するように指向される。すなわち始点P1及び終点P2の位置が設計上、図3に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート10Aによれば主流に上記のような指向性を持たせることができる。なお、湾曲部位は吸気ポート10Aの傾斜角度等の諸元に応じて適宜の位置、長さ及び湾曲度合いで設計されてよい。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the
図4は本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Aと一般的な吸気ポート10Xについて、バルブリフト量とタンブル強度との関係を対比して示す図である。なお、吸気ポート10Xの形状は図7(a)に示したものとなっている。吸気ポート10Aでは主流を吸気ポート10Aの内側に集めることにより、バルブリフト量小中領域で吸気弁55の傘形状に沿う流れが形成され、吸気が最もスムースに燃焼室54に流入するようになる。これにより、吸気ポート10Xと比較して特にバルブリフト量小中領域でタンブル強度を高めることができる。以上により、吸気弁55のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート10Aにより実現できる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the valve lift amount and the tumble strength for the
本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Bは、始点P1が終点P2を含むとともに水平面S上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線L3上に含まれるように位置しており、且つ水平面Sに投影される吸気ポート10Bの投影流線Fが、直線L3よりも内側に湾曲している点が、実施例1に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Aと異なっている。図5は、水平投影視した吸気ポート10Bを模式的に図である。なお、図5では吸気ポート10Bとともに燃焼室54及び吸排気弁55、56も示している。図5に示すように吸気ポート10Bでは、始点P1が直線L3上に位置していることがわかる。また吸気ポート10Bの投影流線Fは、この直線L3よりも内側に湾曲していることがわかる。
The intake port 10B having the intake port shape according to the present embodiment is located so that the start point P1 includes the end point P2 and is included on the straight line L3 extending in the direction perpendicular to the crank axis on the horizontal plane S, and The projected streamline F of the intake port 10B projected onto the horizontal plane S is different from the
これにより主流は、主として湾曲部位を通過する手前で吸気弁55のバルブステム部と吸気ポート10Bの内側壁面との間から燃焼室54に流入するように指向される。すなわち始点P1及び終点P2の位置が設計上、図5に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート10Bによれば、主流に上記のような指向性を持たせることができる。以上により、吸気弁55のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート10Bによって実現できる。
Thus, the main flow is directed to flow into the
本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Cは、始点P1が、直線L2よりも内側に位置せず(すなわち外側に位置し)、且つ水平面Sに投影される吸気ポート10の投影流線Fが、直線L2よりも内側に湾曲している点が、実施例1に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Aと異なっている。図6は、水平投影視した吸気ポート10Cを模式的に示す図である。なお、図6では吸気ポート10Cとともに燃焼室54及び吸排気弁55、56も示している。図6に示すように始点P1は、直線L2よりも外側に位置していることがわかる。また吸気ポート10Cの投影流線Fは、この直線L2よりも内側に湾曲していることがわかる。
In the intake port 10C having the intake port shape according to the present embodiment, the start point P1 is not located on the inner side (that is, located outside) the straight line L2, and the projected streamline of the intake port 10 projected onto the horizontal plane S The point that F is curved inward from the straight line L2 is different from the
これにより主流は、主として湾曲部位を通過する手前で吸気弁55のバルブステム部と吸気ポート10Cの内側壁面との間から燃焼室54に流入するように指向される。すなわち始点P1及び終点P2の位置が設計上、図6に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート10Cによれば主流に上記のような指向性を持たせることができる。なお、始点P1が直線L2よりも外側に位置している場合には、例えば投影流線Fが視点P1と終点P2を結ぶ直線と略同一になるように吸気ポートを形成することで吸気を全体的に内側に向けて燃焼室54に流入させることも可能である。しかしながら、本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート10Cによれば、さらに主流の指向性を高めることができる。また、例えば設計上、始点P1の位置が直線L2に比較的近くなる場合などには吸気ポート10Cは特に効果的なものとなる。以上により、吸気弁55のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート10Cにより実現できる。
As a result, the main flow is directed to flow into the
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例では吸気ポート10A、10B及び10Cは独立ポートとなっているが、これに限られず、吸気通路が下流側で分岐するとともに上流側で1つに合流するサイアミーズポートであってもよい。
The embodiment described above is a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, although the
10 吸気ポート
50 内燃機関
51 シリンダブロック
52 シリンダヘッド
53 ピストン
54 燃焼室
55 吸気弁
56 排気弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Intake port 50
Claims (2)
各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記始点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記終点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。 When viewed from above, a cylinder head that communicates with a combustion chamber of an internal combustion engine and has two intake ports that generate a tumble flow in the combustion chamber, the streamlines of each of the intake ports and the inlet side of the intake port When the point of projection of the intersection with the opening surface on the horizontal plane is the starting point, and the point of projection of the intersection of the streamline of each intake port and the central axis of the intake valve on the horizontal plane is the end point,
Each of the intake ports has the start point that is located on the combustion chamber center side with respect to a straight line that includes the end point and extends in a direction perpendicular to the crank axis on the horizontal plane, and that is projected on the horizontal plane. A direction in which the streamline of the port includes the start point and includes the end point after being curved toward the center of the combustion chamber from a straight line extending in a direction orthogonal to the crank axis on the horizontal plane and orthogonal to the crank axis on the horizontal plane An intake port shape of an internal combustion engine, wherein the end point is reached without being positioned outside the combustion chamber with respect to the straight line extending in a straight line.
各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線上に含まれるように位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。 When viewed from above, a cylinder head that communicates with a combustion chamber of an internal combustion engine and has two intake ports that generate a tumble flow in the combustion chamber, the streamlines of each of the intake ports and the inlet side of the intake port When the point of projection of the intersection with the opening surface on the horizontal plane is the starting point, and the point of projection of the intersection of the streamline of each intake port and the central axis of the intake valve on the horizontal plane is the end point,
Each of the intake ports is located such that the start point is included on a straight line including the end point and extending in a direction perpendicular to the crank axis on the horizontal plane and projected onto the horizontal plane The shape of the intake port of the internal combustion engine is characterized in that the streamline is curved toward the center of the combustion chamber from the straight line and then reaches the end point without being positioned outside the combustion chamber from the straight line.
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