JP4707641B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関し、より詳しくは、内燃機関の吸気行程で、吸気弁の外面に沿うよう吸気通路からシリンダ孔内に向かって吸入空気が流動するとき、この吸入空気と上記吸気弁の外面との境界部に渦を生じさせて吸入空気の流動を円滑にさせるようにする内燃機関の吸気装置に関するものである。

内燃機関には、従来、下記特許文献１に示されるのもがある。この公報のものによれば、内燃機関は、クランク軸を支持するクランクケースから突出するシリンダと、このシリンダの突出端に取り付けられてシリンダ孔を閉じるシリンダヘッドと、上記シリンダ孔に対し軸方向に摺動可能となるよう嵌入されるピストンと、このピストンと上記クランク軸とを連動連結させる連設棒とを備えている。

上記内燃機関の吸気装置として、シリンダヘッドの一側部には、その外部を上記シリンダ孔内に連通させる吸気通路が形成されている。また、上記シリンダヘッドの他側部には、上記シリンダ孔内を外部に連通させる排気通路が形成されている。上記シリンダ孔内に向かって開口する上記吸気通路の下流端開口を開閉可能とするポペット型吸気弁が設けられている。また、上記シリンダ孔内に向かって開口する上記排気通路の上流端開口を開閉可能とするポペット型排気弁が設けられている。

上記吸気弁の傘部は、この傘部の外周面に形成された弁面（バルブフェース）が上記吸気通路の下流端開口の開口縁に形成される円環形状の弁座（バルブシート）に対し離接して、上記下流端開口を開閉可能とさせる。

上記内燃機関の駆動による吸気、排気行程で、上記吸、排気弁のそれぞれの開閉弁動作により、上記吸気通路を通りシリンダ孔内に外部の空気が吸入空気として吸入され燃焼に供される。一方、この燃焼により生じた燃焼ガスは、排気として上記排気通路を通り外部に排出されるようになっている。
特開平８−２４７０１６号公報

ところで、上記吸気弁の外面は、通常、全体的に滑らかに機械加工されている。このため、内燃機関の吸気行程で、上記吸気弁が開弁動作し、上記吸気通路を通りシリンダ孔内に吸入空気が吸入されるとき、この吸入空気は、傘部における吸気通路側の外面からの剥離が抑制されて、この傘部の外面に沿うように大きく屈曲しながら流動しがちとなる。

しかし、上記のように大きく屈曲する流動は、吸気通路からシリンダ孔内への吸入空気の円滑な流動を阻害するものであり、これは、内燃機関における充填効率の向上を阻害する原因となって、エンジン性能上好ましくない。

本発明は、上記のような事情に注目してなされたもので、本発明の目的は、内燃機関の吸気行程で、吸気通路からシリンダ孔内に向かい吸入空気が円滑に流動するようにして、内燃機関の充填効率を向上させるようにすることである。

請求項１の発明は、シリンダ孔３内に向かって開口する吸気通路８の下流端開口１０の開口縁に形成される円環形状の弁座２１に対し、傘部１７の弁面１９が離接して上記下流端開口１０を開閉可能とするポぺット型吸気弁１１を備え、この吸気弁１１が、上記傘部１７と同じ軸心１６上に位置して、上記下流端開口１０を貫通するよう上記傘部１７から一体的に突出する弁棒１８を備えた内燃機関の吸気装置において、
上記傘部１７における上記弁面１９よりも上記吸気通路８側の外面２５に凹部２６を形成し、上記吸気弁１１の側面視（図１）における上記凹部２６の断面で見て、この凹部２６の最底部を通り上記軸心１６と平行な仮想線３１を設定したとき、上記凹部２６の内面のうち、この凹部２６の最底部よりも上記弁面１９側の内面３２と上記仮想線３１との交角θ１を鋭角にすると共に、上記凹部２６の最底部よりも上記弁棒１８側の他の内面３３と上記仮想線３１との交角θ２を鋭角にし、かつ、上記他の内面３３を上記凹部２６の最底部から上記弁棒１８側に向かって直線的に延ばした後、上記弁棒１８の外面に円弧凹面を介し連接させたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に加えて、上記凹部２６を、上記傘部１７の弁面１９近傍に沿って上記吸気弁１１の周方向に延びる溝形状としたものである。

なお、この項において、上記各用語に付記した符号は、本発明の技術的範囲を後述の「実施例」の項や図面の内容に限定解釈するものではない。

本発明による効果は、次の如くである。

請求項１の発明は、シリンダ孔内に向かって開口する吸気通路の下流端開口の開口縁に形成される円環形状の弁座に対し、傘部の弁面が離接して上記下流端開口を開閉可能とするポペット型吸気弁を備えた内燃機関の吸気装置において、
上記傘部における上記弁面よりも上記吸気通路側の外面に凹部を形成している。

このため、上記シリンダ孔内に向かって吸入空気が流動するとき、上記吸入空気と上記傘部の外面との境界部には、この外面に形成された凹部により渦が生じる。そして、この渦により、上記吸入空気は、上記傘部の外面から離されて上記シリンダ孔内に向かわされることから、このシリンダ孔内に向かい、上記吸入空気は、より直線的に流動させられる。

よって、従来の技術のように吸入空気が傘部の外面からの剥離が抑制されて、この傘部の外面に沿うよう大きく屈曲しながら流動する、ということに比べ、上記吸入空気の流動は円滑になされる。この結果、内燃機関の充填効率が向上して、エンジン性能の向上が達成される。

請求項２の発明は、凹部を、上記傘部の弁面近傍に上記吸気弁の周方向に沿って延びる溝形状としている。

このため、上記弁面の近傍における傘部の外面の外縁部に、より確実に渦が生じる。よって、シリンダ孔内に向かって流動する吸入空気は上記渦により上記傘部の外面と弁面とから離されて、小さい流体抵抗で流動させられる。つまり、吸入空気の流動はより円滑になされる。この結果、内燃機関の充填効率がより向上して、エンジン性能の向上がより確実に達成される。

本発明の内燃機関の吸気装置に関し、内燃機関の吸気行程で、吸気通路からシリンダ孔内に向かい吸入空気が円滑に流動するようにして、内燃機関の充填効率を向上させるようにするようにする、という目的を実現するため、本発明を実施するための最良の形態は、次の如くである。

即ち、内燃機関の吸気装置は、ポペット型吸気弁を備える。また、、この吸気弁は、上記傘部と同じ軸心上に位置して、上記下流端開口を貫通するよう上記傘部から一体的に突出する弁棒を備える。シリンダ孔内に向かって開口する吸気通路の下流端開口の開口縁に形成される円環形状の弁座に対し、上記吸気弁の傘部の弁面が離接して上記下流端開口を開閉可能とする。上記傘部における上記弁面よりも上記吸気通路側の外面に凹部が形成されている。また、上記吸気弁の側面視における上記凹部の断面で見て、この凹部の最底部を通り上記軸心と平行な仮想線を設定したとき、上記凹部の内面のうち、この凹部の最底部よりも上記弁面側の内面と上記仮想線との交角が鋭角にされると共に、上記凹部の最底部よりも上記弁棒側の他の内面と上記仮想線との交角が鋭角にされている。また、上記他の内面は、上記凹部の最底部から上記弁棒側に向かって直線的に延びた後、上記弁棒の外面に円弧凹面を介し連接させられている。

本発明をより詳細に説明するために、その実施例を添付の図に従って説明する。

図１，２において、符号１は４サイクルの内燃機関である。この内燃機関１は、不図示のクランクケースから上方に向けて突出するシリンダ２と、このシリンダ２の突出端に取り付けられて上記シリンダ２のシリンダ孔３の上端を閉じるシリンダヘッド４と、上記シリンダ孔３の軸心５と同軸上に位置してこのシリンダ孔３に対し軸方向に摺動可能となるよう嵌入される不図示のピストンと、吸気装置６と、排気装置７とを備えている。

上記内燃機関１の上記吸気装置６として、シリンダヘッド４の一側部には、その外部を上記シリンダ孔３内に連通させる吸気通路８が形成されている。また、上記内燃機関１の上記排気装置７として、シリンダヘッド４の他側部には、上記シリンダ孔３内を外部に連通させる排気通路９が形成されている。上記シリンダ孔３内に向かって開口する上記吸気通路８の下流端開口１０を開閉可能とするポペット型吸気弁１１が設けられ、この吸気弁１１は上記シリンダヘッド４に支持されている。また、上記シリンダ孔３内に向かって開口する上記排気通路９の上流端開口１２を開閉可能とするポペット型排気弁１３が設けられ、この排気弁１３は上記シリンダヘッド４に支持されている。

上記吸気通路８の下流端開口１０の軸心１５上に、上記吸気弁１１の軸心１６が位置している。上記吸気弁１１は、その軸心１６上に位置して、上記吸気通路８の下流端開口１０を上記シリンダ孔３側から開閉可能とする円盤形状の傘部１７と、上記軸心１６上に位置して、上記下流端開口１０を貫通するよう上記傘部１７から一体的に突出する弁棒１８とを備えている。上記傘部１７の外周面には、上記吸気弁１１の軸心１６を中心とする円環形状の弁面（バルブフェース）１９が形成されている。

一方、上記吸気通路８の下流端開口１０の開口縁には円環形状の弁座（バルブシート）２１が形成されている。そして、上記吸気弁１１の軸方向移動による開閉弁動作により、この吸気弁１１の傘部１７の弁面１９が上記弁座２１に対し離反（図１，２中実線）、当接（図１中二点鎖線）して、上記下流端開口１０が開閉可能とされている。

上記内燃機関１の駆動による吸気、排気行程で、上記吸、排気弁１１，１３のそれぞれの開閉弁動作により、上記吸気通路８を通りシリンダ孔３内に外部の空気が吸入空気２３として吸入され燃焼に供される一方、この燃焼により生じた燃焼ガスは、排気２４として上記排気通路９を通り外部に排出されるようになっている。

上記構成において、傘部１７における上記弁面１９よりも上記吸気通路８側の外面２５に凹部２６が形成されている。

ここで、上記吸気弁１１の外面は、通常、全体的に滑らかに機械加工されている。このため、内燃機関１の吸気行程で、上記吸気弁１１が開弁動作して、その弁面１９と弁座２１との間の弁隙間２８を通り上記吸気通路８からシリンダ孔３内に吸入空気２３が吸入されるとき、この吸入空気２３は、傘部１７における吸気通路８側の外面２５からの剥離が抑制されて、この傘部１７の外面２５に沿うように大きく屈曲しながら流動しがちとなる。しかし、このような流動は、吸気通路８からシリンダ孔３内への吸入空気２３の円滑な流動を阻害するものである。

そこで、前記したように、傘部１７における上記弁面１９よりも上記吸気通路８側の外面２５に凹部２６を形成したのであり、このため、上記シリンダ孔３内に向かって吸入空気２３が上記弁隙間２８を流動するとき、上記吸入空気２３と上記傘部１７の外面２５との境界部（境界層を含む）には、この外面２５に形成された凹部２６により渦２９が生じる。そして、この渦２９により、上記吸入空気２３は、上記傘部１７の外面２５から離されて上記シリンダ孔３内に向かわされることから、このシリンダ孔３内に向かい、上記吸入空気２３は、より直線的に流動させられる。

よって、従来の技術のように吸入空気が傘部の外面からの剥離が制御されて、この傘部の外面に沿って大きく屈曲しながら流動する、ということに比べ、上記吸入空気２３の流動は円滑になされる。この結果、内燃機関１の充填効率が向上して、エンジン性能の向上が達成される。

また、上記凹部２６は、上記傘部１７の弁面１９近傍に沿って上記吸気弁１１の周方向に延びる溝形状とされ、かつ、上記吸気弁１１の軸心１６を中心とする連続的な円環形状となるよう形成されている。なお、上記凹部２６は不連続な円環形状であってもよい。

このため、上記弁面１９の近傍における傘部１７の外面２５の外縁部の周方向各部に、それぞれより確実に渦２９が生じる。よって、隙間寸法が小さい上記弁隙間２８をシリンダ孔３内に向かって早い流速で吸入空気２３が流動するとき、この吸入空気２３は上記渦２９により上記傘部１７の外面２５と弁面１９とから離されて、小さい流体抵抗で流動させられる。つまり、吸入空気２３の流動はより円滑になされる。この結果、内燃機関１の充填効率がより向上して、エンジン性能の向上がより確実に達成される。

本実施例では、上記吸気弁１１の側面視（図１）における上記凹部２６の断面で見て、この凹部２６の最底部を通り上記吸気弁１１の軸心１６と平行な仮想線３１を設定したとき、上記凹部２６の内面のうち、この凹部２６の最底部よりも上記弁面１９側の内面３２と上記仮想線３１との交角θ１は、上記凹部２６の最底部よりも上記弁棒１８側の他の内面３３と上記仮想線３１との交角θ２よりも小さくされている。

このため、上記吸入空気２３がシリンダ孔３内に向かって上記弁隙間２８を流動する際、上記吸気弁１１の軸心１６側の他の内面３３に沿って流動してきた吸入空気２３の一部は、上記した交角θ１の小さい弁面１９側の内面３２に対し、より勢いよく衝突しがちとなって上記凹部２６の周りに渦２９がより確実に生じる。

よって、上記渦２９により、吸入空気２３は傘部１７の外面２５からより確実に離されて、シリンダ孔３内に向けてより直線的に流動させられる。つまり、吸入空気２３の流動は更に円滑になされる。この結果、内燃機関１の充填効率が更に向上して、エンジン性能の向上が更に確実に達成される。

図３は、バルブリフトＬの値を種々設定し、従来の吸気弁と、本願の吸気弁１１とを用いて、それぞれの吸入空気２３の量を測定した一例としての実験結果のグラフ図である。

具体的には、従来の一般的な形状をした吸気弁（従来標準）と、本願の吸気弁１１とを用い、バルブリフトＬの上記設定値毎に、吸入空気２３の流量（ｇ／ｓｅｃ）を流体解析（ＣＦＤ）やピトー管などを用いて測定した実験結果である。なお、この吸入空気２３の量は、内燃機関１の充填効率にほぼ比例するものである。

上記図３によれば、上記バルブリフトＬのＡの範囲で、従来標準による吸入空気の量に対し、本願による吸入空気２３の量がほぼ２％増加することがわかる。つまり、充填効率の向上が期待できる。

なお、以上は図示の例によるが、バルブ傘角が大きい吸気弁１１の場合には、上記凹部２６において、交角θ１≒交角θ２としてもよく、もしくはθ１＞θ２としてもよい。また、上記凹部２６は断面Ｕ字形状の溝としてもよい。また、凹部２６を半球形状などとして、所望径寸法で、軸心１６回りの周方向に多数列設してもよく、半径の小さい多数の凹部２６をランダムに形成してもよい。

図２の部分拡大図である。 内燃機関の部分側面断面図である。 実験結果を示すグラフ図である。

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ シリンダ孔
４ シリンダヘッド
５ 軸心
６ 吸気装置
８ 吸気通路
１０ 下流端開口
１１ 吸気弁
１５ 軸心
１６ 軸心
１７ 傘部
１８ 弁棒
１９ 弁面
２１ 弁座
２３ 吸入空気
２５ 外面
２６ 凹部
２８ 弁隙間
２９ 渦
３１ 仮想線
３２ 内面
３３ 他の内面
Ｌ バルブリフト
θ１ 交角
θ２ 交角

Claims (2)

1. シリンダ孔内に向かって開口する吸気通路の下流端開口の開口縁に形成される円環形状の弁座に対し、傘部の弁面が離接して上記下流端開口を開閉可能とするポペット型吸気弁を備え、この吸気弁が、上記傘部と同じ軸心上に位置して、上記下流端開口を貫通するよう上記傘部から一体的に突出する弁棒を備えた内燃機関の吸気装置において、
   上記傘部における上記弁面よりも上記吸気通路側の外面に凹部を形成し、上記吸気弁の側面視における上記凹部の断面で見て、この凹部の最底部を通り上記軸心と平行な仮想線を設定したとき、上記凹部の内面のうち、この凹部の最底部よりも上記弁面側の内面と上記仮想線との交角を鋭角にすると共に、上記凹部の最底部よりも上記弁棒側の他の内面と上記仮想線との交角を鋭角にし、かつ、上記他の内面を上記凹部の最底部から上記弁棒側に向かって直線的に延ばした後、上記弁棒の外面に円弧凹面を介し連接させたことを特徴とする内燃機関の吸気装置。
2. 上記凹部を、上記傘部の弁面近傍に沿って上記吸気弁の周方向に延びる溝形状としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。

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