JP4712844B2 - Combustion chamber structure of internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、バルブリフト可変機構を備えた内燃機関での中高負荷時における吸気効率の向上等を実現した内燃機関の燃焼室構造に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of an internal combustion engine that realizes an improvement in intake efficiency at medium and high loads in an internal combustion engine having a variable valve lift mechanism.
4サイクルのガソリンエンジンやディーゼルエンジン(以下、単にエンジンと記す)においては、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の開弁特性可変機構を搭載したものが多くなっている。開弁特性可変機構としては、運転状況に応じて低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年では過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現すべく、吸気バルブのリフト量を連続的に可変制御するバルブリフト可変機構が出現している(特許文献1参照)。この種のバルブリフト可変機構を備えたエンジンでは、低リフト時における燃焼効率を向上させるべく、所定の周長を有するシュラウドを吸気ポートの外縁に沿って設けることがある(特許文献2,3参照)。
Many 4-cycle gasoline engines and diesel engines (hereinafter simply referred to as “engines”) are equipped with various valve opening characteristics variable mechanisms to improve output and fuel consumption and reduce harmful exhaust gas components. ing. As a valve opening characteristic variable mechanism, there is a mechanism that switches between a low speed type cam and a high speed type cam according to the operating condition, but in recent years, in order to realize further improvement of transient characteristics and reduction of throttle, etc. A variable valve lift mechanism that continuously and variably controls the lift amount of the valve has appeared (see Patent Document 1). In an engine equipped with this type of variable valve lift mechanism, a shroud having a predetermined circumference may be provided along the outer edge of the intake port in order to improve combustion efficiency during low lift (see
特許文献2のシュラウドは、シリンダヘッドの燃焼室壁から突設されており、シュラウド面が吸気ポートの軸線に沿うかたちで円筒状に形成されるとともに、燃焼室側の端面が吸気バルブの軸線に直交する平坦面となっている。吸気バルブの低リフト時において、吸気ポートから燃焼室に流入した吸入空気は、シュラウド面に遮られることによってスワール流を生成する。また、特許文献3のシュラウドは、特許文献2と略同様であるが、その端面が燃焼室側に向けて傾斜している。
バルブリフト可変機構とシュラウドとを備えたエンジンでは、負荷の小さい低リフト時において、シュラウドによって吸入空気を遮ることによって強いスワール流を生じさせ、着火性の向上による燃焼効率の向上を図る一方、加速時等の比較的負荷の大きい中高リフト時において、シュラウドによる吸気損失を抑えてより高い吸気効率を実現するという相反する性能が要求される。 In an engine equipped with a variable valve lift mechanism and a shroud, when the load is low and the lift is low, the intake air is blocked by the shroud to generate a strong swirl flow, improving the ignition efficiency while improving the combustion efficiency. At the time of medium and high lifts with a relatively heavy load such as time, a contradictory performance is required to achieve higher intake efficiency by suppressing intake loss due to the shroud.
図8に示すように、特許文献2では、吸気バルブ11の中リフト時において、吸気ポート6から流入した吸入空気は、シュラウド41のシュラウド面51を通過した後に燃焼室5に流入する。この際、シュラウド41の燃焼室5側の端面61が平坦面となっているため、吸気バルブ11とシュラウド41とによって画成される吸気流路53の面積(すなわち、吸気バルブ11の傘部11aとの距離L)が急増し、渦流等に起因する圧損が生じる。また、シュラウド面51と端面61とが90°の角度をなしているため、該部に直角のエッジ54が形成されてしまう。このような比較的鋭いエッジ54は、燃焼ガスから受けた熱が放出され難いため(熱引きが悪いため)、ノッキングを引き起こすヒートスポットとなる、シリンダヘッドの局部的な熱変形を招く、エンジンが長期間にわたって運転されると熱疲労によるクラック等を起こす等のことが懸念される。また、図9に示すように、特許文献3では、シュラウド41の燃焼室5側の端面61が傾斜面となっているため、エッジ54の角度が比較的大きくなってヒートスポットに関する問題は生じ難くなる。しかしながら、流路面積の増加率は依然として大きいため、吸気効率の低下が依然として懸念される。
As shown in FIG. 8, in
本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、バルブリフト可変機構を備えた内燃機関での中高負荷時における吸気効率の向上等を実現した内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a combustion chamber structure of an internal combustion engine that realizes an improvement in intake efficiency at medium and high loads in an internal combustion engine equipped with a variable valve lift mechanism. To do.
第1の発明に係る内燃機関の燃焼室構造は、シリンダヘッド(2)に形成された燃焼室壁(2a)と、シリンダブロック(1)に穿設されたシリンダボア(1a)と、ピストン(4)の頂部とによって燃焼室(5)が画成される内燃機関(E)において、前記燃焼室壁(2a)には、吸気バルブ(11)の傘部(11a)によって開閉される吸気ポート(6a)が開口し、スワール流の形成に供されるシュラウド(41)が前記吸気ポート(6a)の開口縁部の外周に沿って所定の周長をもって突設され、前記吸気バルブ(11)が所定のリフト量であるときに前記傘部(11a)の外縁に対峙する凹曲面(52)が前記シュラウド(41)のシュラウド面(51)に連続して形成され、前記燃焼室壁(2a)における前記シリンダボア(1a)との接続部は、少なくともその一部が前記凹曲面(52)に連続し、前記シュラウド面(51)と前記凹曲面(52)とが鈍角をなしていることを特徴とする。
The combustion chamber structure of the internal combustion engine according to the first invention comprises a combustion chamber wall (2a) formed in the cylinder head (2) , a cylinder bore (1a) drilled in the cylinder block (1) , and a piston (4 top and the combustion chamber of) the (internal combustion engine 5) is defined (E), wherein the combustion chamber wall (2a), the intake port is opened and closed by the valve head of the intake valve (11) (11a) ( 6a) is opened, is projected at a predetermined peripheral length along the outer periphery of the opening edge portion of the intake port shroud (41) is to be subjected to the formation of the swirl flow (6a), the intake valve (11) is A concave curved surface (52) facing the outer edge of the umbrella portion (11a) when the lift amount is a predetermined amount is formed continuously on the shroud surface (51) of the shroud (41) , and the combustion chamber wall (2a) Cylinder bore (1 ) And the connecting portion are at least partially continuous with the concave surface (52), said shroud surface (51) and said concave surface (52) and is characterized in that an obtuse angle.
本発明によれば、吸気バルブの傘部と凹曲面との間に吸気流路が画成されるため、流路面積の急激な変化が抑制されて吸気流速の低下が生じ難くなる。また、吸気ポートから流入した吸入空気が燃焼室内で滑らかに流れるため、吸気効率の一層の向上が得られる。 According to the present invention, since the intake flow path is defined between the umbrella portion of the intake valve and the concave curved surface, an abrupt change in the flow path area is suppressed and the intake flow velocity is less likely to decrease. Further, since the intake air flowing from the intake port flows smoothly in the combustion chamber, the intake efficiency can be further improved .
以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼室構造の一実施形態を詳細に説明する。
図1は実施形態に係るエンジンの要部を示す縦断面図であり、図2は吸気側動弁装置の高リフト時の作動状態を示す図であり、図3は吸気側動弁装置の低リフト時の作動状態を示す図である。また、図4は実施形態に係るシリンダヘッドの要部を示す下面図であり、図5は図4中のV−V拡大断面図であり、図6は図4中のVI−VI拡大断面図であり、図7は図4中のVII−V拡大断面図である。
Hereinafter, an embodiment of a combustion chamber structure according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a main part of an engine according to the embodiment, FIG. 2 is a view showing an operating state during a high lift of the intake side valve operating device, and FIG. It is a figure which shows the operation state at the time of a lift. 4 is a bottom view showing a main part of the cylinder head according to the embodiment, FIG. 5 is a VV enlarged sectional view in FIG. 4, and FIG. 6 is a VI-VI enlarged sectional view in FIG. FIG. 7 is an enlarged sectional view taken along line VII-V in FIG.
≪実施形態の構成≫
<全体構成>
図1に示すエンジン(内燃機関)Eは、自動車に搭載されるDOHC4バルブ型の4サイクル直列4気筒ガソリンエンジンであり、シリンダボア1aにピストン4が摺動自在に内嵌したシリンダブロック1と、シリンダボア1aおよびピストン4の頂部とともにペントルーフ型の燃焼室5を画成する燃焼室壁2aを有したシリンダヘッド2とを備えている。ピストン4は、どちらも図示しないコネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されており、シリンダボア1a内でレシプロ運動することによってクランクシャフトに回転力を与える。
<< Configuration of Embodiment >>
<Overall configuration>
An engine (internal combustion engine) E shown in FIG. 1 is a DOHC 4-valve type 4-cycle in-line four-cylinder gasoline engine mounted on an automobile. A
シリンダヘッド2は、燃焼室5に開口する吸気ポート6および排気ポート7を各気筒2つずつ備えるとともに、これら吸排気ポート6,7を開閉する吸気バルブ11と排気バルブ12とを摺動自在に保持している。図1中に符号10で示す部材は吸排気バルブ11,12をそれぞれ閉弁方向に付勢するバルブスプリングであり、符号13,14で示す部材は吸排気ポート6,7の開口端に圧入されたバルブシートである。
The
シリンダヘッド2の上面にはカムホルダ17が締結されており、このカムホルダ17に吸気カムシャフト15と排気カムシャフト16とが回転自在に保持されている。両カムシャフト15,16は、図示しないクランクスプロケットやカムチェーン、カムスプロケットを介して、クランクシャフトの1/2の回転速度をもって回転駆動される。吸気カムシャフト15と吸気バルブ11との間には、吸気ロッカアーム21とサブカム22とが介装されている。また、排気カムシャフト16と排気バルブ12との間には、排気ロッカアーム23が介装されている。
A
次に、図2,図3を参照して、吸気側動弁装置の動作について説明する。
例えばエンジンEが高速回転領域または高負荷領域で運転されるとき、ホルダ25が図2に示す最大リフト位置を占める。このとき、制御カム26aは、その回転範囲においてカム山の高さが最大となる位置でローラ27に当接する。そして、回転する吸気カム15aにより駆動されて時計方向に回転するサブカム22は、駆動カム部28の駆動面28aにより吸気ロッカアーム21を時計方向に回転させて、吸気バルブ11は、吸気カム15aがそのカム山の頂点でローラ24に当接するとき、伝達機構Tにより変更され得る最大リフト量の変更範囲において、最大値となる最大リフト量で開弁する。
Next, the operation of the intake side valve operating apparatus will be described with reference to FIGS.
For example, when the engine E is operated in a high speed rotation region or a high load region, the
そして、エンジンEがより低速の回転領域またはより小さい負荷領域に移行するとき、図3に示すように、制御軸26が電動モータ(図示せず)により駆動されて反時計方向に回転するにつれて、制御用付勢部材29により付勢されているホルダ25は、ローラ27が制御カム26aのカム山の高さがより低い部分に当接することにより、ホルダ中心線Lhを中心に時計方向に回転する。ホルダ25のこの回転により、揺動中心線Lrが時計方向に回転し、同時に、軸端部30aに当接する付勢部材31によりローラ27が揺動中心線Lsを中心に反時計方向に回転して、ローラ32は、駆動カム部33において駆動面33a側から非駆動面33b側に移動した位置で接触する。このため、駆動面33aにより吸気ロッカアーム21が駆動されたとき、吸気バルブ11の最大リフト量は連続的に小さくなる。
When the engine E shifts to a lower speed rotation region or a smaller load region, as shown in FIG. 3, as the
<シリンダヘッドの燃焼室壁形状>
図4に示すように、シリンダヘッド2の燃焼室壁2aには、両吸気ポート6a,6bの外縁に沿うかたちで、シュラウド(図4中には、黒塗りで示す)41,42が形成されている。シュラウド41,42は、燃焼室壁2aの中心Pを基準にして、吸気ポート6a,6bの開口部の外周に沿って反時計周り側に形成されている。そのため、低リフト時において、吸気ポート6a,6bから燃焼室5に流入した吸入空気は、シュラウド41,42に遮られることにより、図4中に矢印で示すような時計回りのスワール流を生成する。なお、本実施形態の場合、シュラウド41,42の周長は、吸気ポート6a,6bの外周長に対して略1/4に(すなわち、略90°の角度範囲で)設定されているが、0°〜180°の任意の角度範囲で設定することができる。
<Cylinder head combustion chamber wall shape>
As shown in FIG. 4, shrouds (shown in black in FIG. 4) 41 and 42 are formed on the
図4,図5に示すように、シュラウド41は、バルブシート13の直下に位置する円環状のシュラウド面51を有しており、シュラウド面51の下端には、シュラウド面51に連続する凹曲面(図4中には、スマッジングで示す)52が形成されている。吸気バルブ11が最小リフト状態(図5中に二点差線で示す)となるときには、吸気バルブ11の傘部11aがシュラウド面51に対峙するが、この際における傘部11aとシュラウド面51との距離(すなわち、吸気通路の断面積)は小さく、シュラウド41が形成された側から吸入される空気はごく僅かである。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
一方、中リフト状態(図5に実線で示す状態)においては、凹曲面52と傘部11aとが対峙しながら、リフト量が大きくなるに従って、その距離L(すなわち、吸気流路53の断面積)が漸増する寸法形状となっており、更に高リフト状態となれば、傘部11aは凹曲面52に対峙する位置よりもシリンダボア1a(図6参照)側に位置することとなる。また、シュラウド面51と凹曲面52とは鈍角をなしているため、該部には鈍角のエッジ54が形成される。そして、図5に示す部位では、凹曲面52の下端と燃焼室壁2aとは、なだらかな曲面55を介して連続している。なお、凹曲面52は、図5中に二点差線で示すように、先端側の外周が凸球面状となった円盤状の切削工具(フライスカッタ等)56によって形成されている。
On the other hand, in the intermediate lift state (the state indicated by the solid line in FIG. 5), the distance L (that is, the cross-sectional area of the intake flow channel 53) increases as the lift amount increases while the concave
図4,図6に示すように、凹曲面52の一部はシリンダブロック1のシリンダボア1a側に延設されており、該部において、燃焼室壁2aとシリンダボア1aとの接続部が凹曲面52によって連続している。また、図4,図7に示すように、シュラウド41が形成されない部位にも、凹曲面52が加工されており、吸入空気の流路を増大させることで吸気効率を確保している。これら凹曲面52は、いずれも上述した切削工具56によって同時に加工することができる。
As shown in FIGS. 4 and 6, a part of the concave
凹曲面52をシリンダヘッド2側に形成するにあたっては、シュラウド41,42の高さを設定した後に、吸入空気が流入するスペースが確保されるように、燃焼室壁2aを切削工具56によって切削する。凹曲面52は、両吸気ポート6の開口部間(もしくは、燃焼室5の中心近傍)に形成される場合には燃焼室5の天井に繋がるように形成されるが、シリンダボア1a側に延設される場合には、曲面状に切削される部分がシリンダヘッド2の下面に到達して、そのままシリンダボア1aに繋がることとなる。
In forming the concave
一方、凹曲面52をシリンダボア1a側に形成するにあたっては、図5に示すように、シュラウド41,42に繋がるバルブシート13の下端部をシリンダボア1a側に延長した直線Ltを引き、この直線Ltが接線をなすように凹曲面52を形成するようにしてもよい。これにより、急激な増大を避けながら十分な流路面積を確保することができ、中高バルブリフト時において、吸入空気をシリンダボア1a内に滑らかに流入させることが可能となる。
On the other hand, in forming the concave
≪実施形態の作用≫
本実施形態のエンジンEでは、その低負荷低回転領域において、図3に示すように、制御軸26を反時計方向に回転させて低リフト状態とすることにより、吸入空気量を減少させる。すると、吸気ポート6a,6bからの吸入空気は、シュラウド41,42のシュラウド面51に遮られることにより、図4中に矢印で示すようにスワール流を生成する。
<< Operation of Embodiment >>
In the engine E of the present embodiment, as shown in FIG. 3, in the low load and low rotation region, the
吸入空気は、図5,図6に示すように、吸気バルブ11の傘部11aとシュラウド面51の下端に連続する凹曲面52との間に形成された吸気流路53を通過することになる。この際、本実施形態では、傘部11aと凹曲面52との距離L(すなわち、吸気流路53のの断面積)が急増しないため、従来装置で問題となっていた渦流等に起因する吸気効率の低下が効果的に抑制される。また、シュラウド面51と凹曲面52との連続部位のエッジ54が鈍角であることから、燃焼ガスから受けた熱が放熱されやすく、エンジンEが長期間にわたって運転されても熱疲労によるクラック等が起こり難くなる。また、図6に示す部位においては、燃焼室壁2aとシリンダボア1aとの接続部が凹曲面52によって連続しているため、吸入空気が円滑に燃焼室5に流入するようになる。更に、燃焼室壁2aの凹曲面52を単一の切削工具56によって同時に加工することができるため、切削工具の交換が不要となって加工工数や加工時間の低減が実現される。
As shown in FIGS. 5 and 6, the intake air passes through an
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や一部変形例に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を直列4気筒DOHCガソリンエンジンに適用したものであるが、V型エンジンやディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、シュラウドの全体形状や凹曲面の形状等についても、本実施形態での例示に限られるものではなく、設計や製造上の都合等によって適宜変更可能である。 Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention can be widely modified without being limited to the above-described embodiment and some modified examples. For example, although the above embodiment is an application of the present invention to an in-line four-cylinder DOHC gasoline engine, it is naturally applicable to a V-type engine, a diesel engine, or the like. Further, the overall shape of the shroud, the shape of the concave curved surface, and the like are not limited to those illustrated in the present embodiment, and can be appropriately changed depending on design, manufacturing convenience, and the like.
1 シリンダブロック
1a シリンダボア
2 シリンダヘッド
2a 燃焼室壁
4 ピストン
5 燃焼室
6 吸気ポート
11 吸気バルブ
11a 傘部
41 シュラウド
51 シュラウド面
52 凹曲面
53 吸気流路
54 エッジ
56 切削工具
E エンジン
T 伝達機構
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃焼室壁(2a)には、吸気バルブ(11)の傘部(11a)によって開閉される吸気ポート(6a)が開口し、
スワール流の形成に供されるシュラウド(41)が前記吸気ポート(6a)の開口縁部の外周に沿って所定の周長をもって突設され、
前記吸気バルブ(11)が所定のリフト量であるときに前記傘部(11a)の外縁に対峙する凹曲面(52)が前記シュラウド(41)のシュラウド面(51)に連続して形成され、
前記燃焼室壁(2a)における前記シリンダボア(1a)との接続部は、少なくともその一部が前記凹曲面(52)に連続し、
前記シュラウド面(51)と前記凹曲面(52)とが鈍角をなしていることを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。 A combustion chamber (5) is defined by the combustion chamber wall (2a) formed in the cylinder head (2), the cylinder bore (1a) drilled in the cylinder block (1), and the top of the piston (4). In the internal combustion engine (E)
The combustion chamber wall (2a) has an intake port (6a) opened and closed by an umbrella portion (11a) of the intake valve (11).
A shroud (41) provided for forming a swirl flow is provided with a predetermined circumference along the outer periphery of the opening edge of the intake port (6a),
A concave curved surface (52) facing the outer edge of the umbrella portion (11a) when the intake valve (11) has a predetermined lift amount is formed continuously on the shroud surface (51) of the shroud (41),
The connecting portion of the combustion chamber wall (2a) with the cylinder bore (1a) is at least partially continuous with the concave curved surface (52),
A combustion chamber structure of an internal combustion engine, wherein the shroud surface (51) and the concave curved surface (52) form an obtuse angle.
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