JP4730355B2 - 内燃機関のポート及びポート製造方法 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関のポート及びポート製造方法に関する。

内燃機関のシリンダヘッドに設けられる吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の端部領域は、スロートカッタによって吸気ポート又は排気ポートのスロート部を切削加工すると共に吸気ポート又は排気ポートの端部に嵌め込まれたバルブシートの内面をシートカッタによって切削加工することによって形成される。

具体的には、例えば、吸気ポートの燃焼室側の端部領域を形成するには、まずシートカッタを吸気弁の軸線と同軸に進めてバルブシートのシート面を切削加工する。その後、スロートカッタを吸気弁の軸線に対して吸気ポートの中心軸線側に所定角度だけ傾斜させた軸線に沿って進め、バルブシートのシート面及び吸気ポートのスロート部を加工する。このようにスロートカッタを吸気弁の軸線に対して傾斜させた軸線に沿って進めることにより、吸気ポート上面に沿った吸気ガスが直線的に流れるようになるため、燃焼室内に生じるタンブル流を強いものとすることができる（特許文献１）。

特開２００５−２０１０８９号公報 特許第３５７５３３７号 特開平５−１０６４５０号公報 特開２００４−１６２５６３号公報 特開２００３−２６２１５６号公報

ところで、上記特許文献１に記載の吸気ポートでは、吸気弁の軸線と同軸にシートカッタを進め、バルブシートのシート面をほぼ切頭円錐形状に切削加工するようにしている。このため、シートカッタによって形成されるシート面は、その中心が吸気弁の軸線上に位置する複数段の部分シート面から形成されることになる。

吸気ポートについてバルブシートのシート面をこのように形成した場合、吸気ポートの傾斜角度、ポート径、ポート高さ等に応じて燃焼室に流入する吸気ガスの流量又は燃焼室内の吸気ガスに生じるタンブル流の強さが変化する。しかしながら、斯かる吸気ポートでは、吸気ガスの流量が多くなるような形状にするとタンブル流が弱くなり、逆にタンブル流が強くなるような形状にするとタンブル流が強くなる傾向にある。すなわち、上記吸気ポートでは、吸気ガスの流量とタンブル流の強さを同時に改善することはできない。

また、排気ポートについてもバルブシートのシート面をこのように形成すると、燃焼室内の排気ガスを効率良く排気ポートを介して排出することができない。

そこで、本発明の目的は、タンブル流を強めつつ吸気ガスの流量を増大させることができる内燃機関の吸気ポートを提供すること、及び排気効率の高い排気ポートを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、端部にバルブシートが嵌め込まれた内燃機関のポートにおいて、バルブシートのシート面が燃焼室に向かって広がるように複数の段から形成されており、これら複数の段によって画成されるシート面の湾曲半径がバルブシートの周方向の位置によって異なり、上記シート面の各段を画成する部分シート面は所定の軸線回りに環状に形成されており、各部分シート面の軸線は他の部分シート面の軸線と平行に延びると共に該他の部分シート面の軸線からずれている。
第１の発明によれば、シート面の湾曲半径がバルブシートの周方向の位置によって異なるものとされる。このため、湾曲半径が大きいところでは吸気ガス又は排気ガスがシート面に沿って滑らかに流れ、また湾曲半径が小さいところでは吸気弁又は排気弁の弁体の外周とシート面の最も径方向（吸気弁又は排気弁の径方向）内側の部分との間の径方向の距離が短くなる。このため、吸気ポートでは、湾曲半径を大きくする位置及び小さくする位置を適切に選択することにより燃焼室内のタンブル流を強めたり、吸気ポートを通って流れる吸気ガスの流量を増大させたりすることができ、また排気ポートでは湾曲半径を大きくする位置及び小さくする位置を適切に選択することにより排気ポートを通って流れる排気ガスの流量を増大させることができる。
なお、シート面は複数の段によって画成されることから、滑らかに湾曲しているわけではない。従って、「湾曲半径」という用語は、複数の段から画成されたシート面を滑らかな湾曲面に置き換えた場合における湾曲半径を示している。

第２の発明では、第１の発明において、当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、上記バルブシートからの吸気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも小さい。

第３の発明では、第１の発明において、当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、上記バルブシートからの吸気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも大きい。

第４の発明では、第１の発明において、当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、吸気ポートは各気筒当たり二つ設けられ、各吸気ポートの最も湾曲半径の小さいシート面が他方の吸気ポートの燃焼室側端部に向かう方向と吸気ポートの延在方向との間の方向側に設けられる。

第５の発明では、第１の発明において、当該内燃機関のポートは排気ポートであり、上記バルブシートからの排気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも小さい。

第６の発明では、第１の発明において、当該内燃機関のポートは排気ポートであり、上記バルブシートからの排気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも大きい。

上記課題を解決するために、第７の発明では、複数のシートカッタにより順々にバルブシートの切削を行うことによりバルブシートの段加工を行う内燃機関のポート製造方法において、一つのシートカッタを吸気弁又は排気弁の軸線と同軸の加工軸線回りで回転させることによりバルブシートの一つの部分シート面を切頭円錐状に形成する工程と、各部分シート面の軸線が他の部分シート面の軸線と平行に延びると共に該他の部分シート面の軸線からずれるように、上記一つのシートカッタとは別のシートカッタを上記加工軸線と平行で且つ該加工軸線からずれている別の加工軸線回りで回転させることにより上記一つの部分シート面とは別の部分シート面を切頭円錐状に形成する工程とを具備する。

第８の発明では、第７の発明において、上記他のシートカッタの軸線をバルブシートからのポートの延在方向又はその反対方向にずらすようにした。

本発明によれば、タンブル流を強めつつ吸気ガスの流量を増大させることができる内燃機関の吸気ポートが提供されると共に排気効率の高い排気ポートが提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の全体図である。なお、図示した内燃機関は、ポート噴射タイプのガソリンエンジンであるが、本発明は、例えば、直噴タイプ（燃焼室に燃料を直接噴射するタイプ）のガソリンエンジンやディーゼルエンジンといったその他の内燃機関にも適用可能である。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに各燃焼室５内に配置してもよい。

サージタンク１２は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａの出口に連結され、コンプレッサ１５ａの入口は例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置される。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｂの入口に連結され、排気タービン１５ｂの出口は排気管２１を介して排気浄化触媒（三元触媒等）を内蔵した触媒コンバータ２２に連結される。

図２は本発明の第一実施形態のポートの断面側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したシート部の拡大図である。図２に示したように、吸気ポート８の一方の端部（以下、「燃焼室側端部」と称す）３１は燃焼室５に連通すると共に、他方の端部（以下、「枝管側端部」と称す）３２（図１参照）は吸気枝管１１に連通する。吸気ポート８は三つの部分に分けることができ、これら部分は燃焼室側端部３１から枝管側端部３２へ向かってシート部３３、スロート部３４、ポート本体部３５の順に配置される。

吸気ポート８のシート部３３には、すなわち吸気ポート８の燃焼室側端部３１近傍には、バルブシート４０が設けられる。バルブシート４０はシリンダヘッド３に設けられた凹部内に嵌め込まれ、バルブシート４０の内面（シート面）は吸気ポート８の一部を画成する。

吸気ポート８の燃焼室側端部３１近傍には、吸気弁７の弁体７ａが配置される。吸気弁７は吸気弁７の軸線ＩＶに沿って摺動可能であり、この吸気弁７の摺動に伴って燃焼室５と吸気ポート８内との間が開閉せしめられる。吸気弁７が閉弁されているとき、すなわち弁体７ａの外周に設けられた環状の当接面７ｂがバルブシート４０のシート面４１に当接し、これにより吸気ポート８と燃焼室５との間の連通が遮断される。一方、吸気弁４が開弁されているときには、吸気弁７の当接面７ｂはバルブシート４０のシート面４１に当接しておらず、よって吸気弁７の弁体７ａとバルブシート４０のシート面４１との間に通路が形成され、これにより吸気ポート８と燃焼室５とが連通せしめられる。

バルブシート４０のシート面４１は、後述するようにシートカッタによって研削することにより形成される面であり、図２に示したように複数段の部分シート面４１ａ〜４１ｄから形成される。図示した実施形態では４段の部分シート面から形成される。各部分シート面４１ａ〜４１ｄは吸気弁７の軸線ＩＶと平行な軸線を中心としたほぼ切頭円錐状である。各部分シート面４１ａ〜４１ｄはその軸線に対してそれぞれ異なる傾斜角度α１〜α４で傾斜している。

図２（ｂ）を参照して、部分シート面４１ａ〜４１ｄの傾斜角度について説明する。図２（ｂ）において一点鎖線Ｌは吸気弁７の軸線ＩＶと平行な直線を示している。燃焼室５から最も離れて配置された部分シート面を第一部分シート面４１ａとし、その傾斜角度をα１とすると、第一部分シート面４１ａの燃焼室５側に第一部分シート面４１ａに隣接して配置された第二部分シート面４１ｂの傾斜角度α２は第一部分シート面４１ａの傾斜角度α１よりも大きい。また、第二部分シート面４１ｂの燃焼室５側に第二部分シート面４１ｂに隣接して配置された第三部分シート面４１ｃの傾斜角度α３は第二部分シート面４１ｂの傾斜角度α２よりも大きく、第三部分シート面４１ｃの燃焼率５側に第三シート面４１ｃに隣接して配置された第四部分シート面４１ｄの傾斜角度α４は第三部分シート面４１ｃの傾斜角度α３よりも大きい（α１＜α２＜α３＜α４）。本実施形態では、例えば、第一部分シート面４１ａの傾斜角度α１が１５°、第二部分シート面４１ｂの傾斜角度α２が３０°、第三部分シート面４１ｃの傾斜角度α３が４５°、第四部分シート面４１ｄの傾斜角度α４が６０°とされる。

本発明の実施形態では、ほぼ切頭円錐状である部分シート面４１ａ〜４１ｄの中心となる軸線（以下、単に「部分シート面の軸線」と称す）は、全ての部分シート面４１ａ〜４１ｄについて同一ではなく、部分シート面毎に異なっている。

図示した実施形態では、吸気弁７が閉弁したときに吸気弁７の当接面７ｂと当接する第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３が吸気弁７の軸線ＩＶと同軸となっている。第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１、第二部分シート面４１ｂの軸線Ａ２及び第四部分シート面４１ｄの軸線Ａ４は、第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３と平行ではあるが、燃焼室側端部３１から吸気ポート８が延びる方向（以下、「吸気ポートの延在方向」と称す）Ｘ又はその反対方向Ｙにずれている。

特に、図２に示した実施形態では、第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１及び第二部分シート面４１ｂの軸線Ａ２は第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３に対して吸気ポートの延在方向Ｘにずれており、そのずれ幅は軸線Ａ２よりも軸線Ａ１の方が大きい。一方、第四部分シート面４１ｄの軸線Ａ４は第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３に対して吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙにずれている。従って、これら軸線Ａ１〜Ａ４は、互いに平行に且つ吸気ポートの延在方向Ｘからその反対方向Ｙに向かって軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の順に並ぶような関係となる。特に、本実施形態では、軸線Ａ１とＡ２との間隔、軸線Ａ２とＡ３との間隔、軸線Ａ３とＡ４との間隔は互いに等しいものとされる。

このように軸線Ａ１〜Ａ４が互いにずれるように部分シート面４１ａ〜４１ｄを形成することによって、各部分シート面４１ａ〜４１ｄの吸気弁軸線方向の幅がその部分シート面の円周方向の位置によって異なるものとなる。図示した実施形態では、吸気ポートの延在方向Ｘ側、すなわち吸気ポート８の内側における各部分シート面の上記幅は、吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ側、すなわち吸気ポート８の外側における各部分シート面の上記幅よりも小さい。

ここでシート面４１の周方向の特定の位置において全ての部分シート面４１ａ〜４１ｄによって画成される段付きの面を湾曲面と称すると、上述したようなシート面４１の構成により、この湾曲面の曲率半径はシート面４１の周方向の位置に応じて異なるものとなる。図２に示した実施形態では、シート面４１の湾曲面の曲率半径のうち、吸気ポートの延在方向Ｘ側のシート面４１（以下、「内側シート面４１Ｘ」と称す）の曲率半径Ｒ１が最も小さく、逆に吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ側のシート面４１（以下、「外側シート面４１Ｙ」と称す）の曲率半径Ｒ２が最も大きい。

次に、図３を参照して、シート面４１をこのように形成することによる効果について説明する。図３は図２（ａ）と同様な図である。まず、外側シート面４１Ｙの曲率半径Ｒ２が大きいため、吸気ポート８の上面に沿って流れてきた吸気ガスは、外側シート面４１Ｙ上を通って比較的直線的に燃焼室５内に進入することができるようになる（図３のＦ１）。このため、このような吸気ガスの流れＦ１に対する吸気抵抗が減少し、外側シート面４１Ｙ上を通って燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量が増大する。このようにして燃焼室５内に進入した吸気ガスは燃焼室５の上面に沿って流れ、その後燃焼室５の下方へと潜るように流れることになるため、吸気ガスの流れＦ１を増大させると燃焼室５内に生じるタンブル流が強くなる。従って、上記実施形態の吸気ポートによれば、外側シート面４１Ｙの曲率半径Ｒ２が大きくされるため、燃焼室５内に生じるタンブル流が強くなる。

また、シート面４１を上述したように形成することによって、吸気ポート８のシート部３３からスロート部３４への連通位置が吸気ポートの延在方向側にずれることになる。すなわち、全ての部分シート面４１ａ〜４１ｄを吸気弁７の軸線ＩＶと同軸にした場合には、シート部３３からスロート部３４への連結位置は吸気弁７の軸線ＩＶを中心とした位置となるのに対して、上記構成のシート面４１を有する場合には、斯かる連結位置は吸気弁７の軸線ＩＶからずれた第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１を中心とした位置となる。このことによっても、吸気ポート８の上面に沿って流れてきた吸気ガスは、外側シート面４１Ｙ上を通って比較的直線的に燃焼室５内に進入することができるようになり、その結果燃焼室５内に生じるタンブル流が強くなる。

従って、上述したようなシート面４１を有する吸気ポート８を用いることによって、タンブル流を強くすることができる。

また、本実施形態では、内側シート面４１Ｘの曲率半径Ｒ１が小さいため、吸気弁７の弁体７ａの外周と内側シート面４１ｂの最も径方向内側（吸気弁７の径方向）の部分との間の径方向の距離（図３中のＤ１）が短くなる。この距離が長いと吸気ポート８の下面に沿って流れてきた吸気ガスの多くが吸気弁７の弁体７ａの上面に衝突することになるため、燃焼室５内へ流入する吸気ガスの流量が減少してしまう。これに対して、本実施形態では、この距離Ｄ１が短くなるため、吸気ポート８の下面に沿って流れてきた吸気ガスのほとんどは吸気弁７の弁体７ａ上面に衝突することなく燃焼室５内へ流入する（図３中のＦ２）。このため、燃焼室５内へ流入する吸気ガスの流量が増大する。従って、上述したようなシート面４１を有する吸気ポート８を用いることによって、燃焼室５内への吸気ガスの流量を増大させることができる。

図４は、様々な吸気ポートにおけるタンブル比と流量係数との関係を示す図である。一般に、吸気弁の軸線に対する吸気ポートの延びる角度や吸気ポートのポート径等に応じてタンブル比と流量係数とは図４に従来のポートとして示した関係をとる。すなわち、流量係数を大きくしようとして吸気ポートの延びる角度を小さくしたり吸気ポートのポート径を大きくしたりすると、タンブル比が小さくなり、逆にタンブル比を大きくしようとすると流量係数が小さくなってしまう。

これに対して、上記実施形態の吸気ポートによれば、上述したように燃焼室５内に生じるタンブル流を強くしつつ燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量を増大させることができる。特に、本実施形態の吸気ポートではタンブル比と流量係数とは図４に第一実施形態のポートとして示した関係をとる。このように、本実施形態によれば、タンブル比及び流量係数を共に大きくすることができ、よって極めて効率の高い吸気ポートを実現することができる。

なお、上記実施形態では、シート面４１は４段の部分シート面４１ａ〜４１ｄから形成されているが、必ずしも部分シート面の段数は４段でなくてもよく、５段以上又は３段以下のいずれであってもよい。また、上記実施形態では、下から２段目に配置される第三部分シート面４１ｃを吸気弁７の当接面７ｂと当接する当たり面としているが、必ずしも下から２段目を当たり面とする必要はない。ただし、吸気弁７の当接面７ｂと当接する部分シート面はその軸線が吸気弁の軸線と同軸になるように形成される必要がある。

また、上記実施形態では、各部分シート面毎にその軸線をずらすこととしているが、シート面の湾曲面の曲率半径がシート面の周方向の位置に応じて異なるように、各部分シート面毎にその軸線の傾斜角度を変更するようにしてもよい。この場合にも、吸気弁７の当接面７ｂと当接する部分シート面はその軸線が吸気弁の軸線と同軸になるように形成される必要がある。

図５及び図６は、上記実施形態の吸気ポートの製造方法を示す図である。なお、以下では、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図６（ａ）、（ｂ）の順にスロートカッタ５０及びシートカッタ５１〜５４によって吸気ポート８のシート部３３等の切削加工が行われる場合を示しているが、必ずしもこの順序で切削加工を行う必要はなく、上記手順とは逆の手順で切削加工が行われてもよいし、これら以外の手順で切削加工が行われてもよい。

図５に示した実施形態では、まず、シリンダヘッド３の鋳造段階で吸気ポート８のポート本体部３５を形成すると共に、シリンダヘッド３の鋳造後に吸気ポート８の燃焼室側端部付近に設けられた凹部内にバルブシート４０を圧入する。

その後、図５（ａ）に示したように、スロートカッタ５０が吸気ポート８の燃焼室側端部付近に進入せしめられる。このときスロートカッタ５０はその軸線が上述した第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１上に位置する状態で移動せしめられる。これにより、バルブシート４０及び吸気ポート８の燃焼室側端部付近の側壁が切削され、スロート部３４が形成される。

次いで、図５（ｂ）に示したように、シートカッタ５１により吸気ポート８の燃焼室側端部付近が切削加工される。このときシートカッタ５１はその軸線が上述した第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１上に位置する状態で移動せしめられる。すなわち、シートカッタ５１は切削加工の際に軸線Ａ１回りで回転せしめられる。このシートカッタ５１は、軸線Ａ１に対して傾斜角度α１で傾斜した切削面を有している。このシートカッタ５１によりバルブシート４０及び吸気ポート８の燃焼室端部付近の側壁が切頭円錐形状に切削される。このように切削された切頭円錐形状の表面は第一部分シート面４１ａを構成する。

次いで、図５（ｃ）、図６（ａ）、図６（ｂ）に示したように、シートカッタ５２、５３、５４により順に吸気ポート８の燃焼室側端部付近が切削加工される。このときシートカッタ５２、５３、５４はそれぞれその軸線が上述した第二部分シート面４１ｂの軸線Ａ２、第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３、第四部分シート面４１ｄの軸線Ａ４上に位置する状態で移動せしめられる。すなわち、シートカッタ５２、５３、５４は切削加工の際にそれぞれ軸線Ａ２、Ａ３、Ａ４回りで回転せしめられる。シートカッタ５２は軸線Ａ２に対して傾斜角度α２で傾斜した切削面を有し、シートカッタ５３は軸線Ａ３に対して傾斜角度α３で傾斜した切削面を有し、シートカッタ５４は軸線Ａ４に対して傾斜角度α４で傾斜した切削面を有している。シートカッタ５２により切削された切頭円錐形状の表面は第二部分シート面４１ｂを構成し、シートカッタ５３により切削された切頭円錐形状の表面は第三部分シート面４１ｃを構成し、シートカッタ５４により切削された切頭円錐形状の表面は第四部分シート面４１ｄを構成する。

このように、シートカッタ５１〜５４の軸線をずらしつつ切削加工をすることにより、図２に示したような湾曲面の曲率半径がシート面４１の周方向の位置に応じて異なる吸気ポート８が形成される。

次に、図７を参照して本発明の第二実施形態のポートについて説明する。図７は本発明の第二実施形態の吸気ポート８’の断面側面図である。図７に示した吸気ポート８’の形状は基本的に図２に示した吸気ポート８の形状と同様である。しかしながら、図７に示した吸気ポート８’では吸気弁７の軸線ＩＶとポート本体部３５が延びる方向との角度が図２に示した吸気ポート８における角度よりも大きい。また、図７に示した吸気ポート８’におけるシート面４１’の構成は図２に示した吸気ポート８におけるシート面４１の構成とは異なっている。

図７に示した第二実施形態でも、図２に示した第一実施形態と同様に、バルブシート４０’のシート面４１’は、シートカッタによって研削することにより形成される面であり、複数段の部分シート面４１’ａ〜４１’ｄから形成される。図示した実施形態では、シート面４１’は４段の部分シート面から形成される。各部分シート面４１’ａ〜４１’ｄは吸気弁７の軸線ＩＶと平行な軸線を中心としたほぼ切頭円錐状である。各部分シート面４１’ａ〜４１’ｄは図２に示した第一実施形態と同様にその軸線に対してそれぞれ異なる傾斜角度α１〜α４で傾斜している。これら傾斜角度は第一実施形態と同様にα１＜α２＜α３＜α４の関係を有する。

そして、本実施形態では、部分シート面４１’ａ〜４１’ｄの軸線Ａ１〜Ａ４は、第一実施形態と同様に部分シート面４１’ａ〜４１’ｄ毎に異なっているが、その軸線のずれる方向が第一実施形態と異なっている。

図７に示した実施形態では、吸気弁７が閉弁したときに吸気弁７の当接面７ｂと当接する第三部分シート面４１’ｃの軸線Ａ３が吸気弁７の軸線ＩＶと同軸となっている。第一部分シート面４１’ａの軸線Ａ１、第二部分シート面４１’ｂの軸線Ａ２及び第四部分シート面４１’ｄの軸線Ａ４は、第三部分シート面４１’ｃの軸線Ａ３と平行ではあるが、吸気ポートの延在方向Ｘ又はその反対方向Ｙにずれている。

図７に示した実施形態では、第一部分シート面４１ａ’の軸線Ａ１及び第二部分シート面４１’ｂの軸線Ａ２は第三部分シート面４１’ｃの軸線Ａ３に対して吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙにずれており、そのずれ幅は軸線Ａ２よりも軸線Ａ１の方が大きい。一方、第四部分シート面４１’ｄの軸線Ａ４は第三部分シート面４１’ｃの軸線Ａ３に対して吸気ポートの延在方向Ｘにずれている。従って、これら軸線Ａ１〜Ａ４は、互いに平行に且つ吸気ポートの延在方向Ｘからその反対方向Ｙに向かって軸線Ａ４、Ａ３、Ａ２、Ａ１の順に並ぶような関係となる。特に、本実施形態では、軸線Ａ１とＡ２との間隔、軸線Ａ２とＡ３との間隔、軸線Ａ３とＡ４との間隔は互いに等しいものとされる。

このように軸線Ａ１〜Ａ４が互いにずれるように部分シート面４１’ａ〜４１’ｄを形成することによって、吸気ポートの延在方向Ｘ側、すなわち吸気ポート８’の内側における各部分シート面の吸気弁軸線方向の幅は、吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ側、すなわち吸気ポート８’の外側におけるその部分シート面の上記幅よりも大きい。換言すると、図７に示した実施形態では、シート面４１’の湾曲面の曲率半径のうち、吸気ポートの延在方向Ｘ側のシート面４１’（内側シート面４１’Ｘ）の曲率半径Ｒ３が最も大きく、逆に吸気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ側のシート面４１’（外側シート面４１’Ｙ）の曲率半径Ｒ４が最も小さい。

次に、図７に示したようにシート面４１’を構成する効果について説明する。内側シート面４１’Ｘの曲率半径Ｒ３が大きいため、吸気ポート８’の下面に沿って流れてきた吸気ガスは内側シート面４１’Ｘに沿って滑らかに流れるようになる。このため、吸気ポート８の下面に沿って流れてきた吸気ガスは燃焼室５内へ流入し易くなる。したがって、本実施形態によれば、内側シート面４１’Ｘの曲率半径Ｒ３が大きいため、燃焼室５内へ流入する吸気ガスの流量が極めて増大する。

一方、外側シート面４１’Ｙの曲率半径Ｒ４は小さいため、図２に示した第一実施形態の吸気ポート８に比べて、吸気ポート８の上面に沿って流れてきた吸気ガスは、外側シート面４１’Ｙに沿って流れにくくなる。このため、本実施形態の吸気ポート８’によれば、第一実施形態の吸気ポート８に比べて燃焼室５内に生じるタンブル流は弱くなる。

以上より、本実施形態の吸気ポート８’によれば、従来の吸気ポートと比較すると、流量係数は大きくなるが、タンブル比はあまり大きくならない。ここで、図４を参照して説明すると、全ての部分シート面の軸線が同一となっている従来の吸気ポートであって流量係数とタンブル比との関係がｍ１となっている吸気ポートがあるとすると、この吸気ポートのシート面を第一実施形態のような構成にすると流量係数とタンブル比との関係はｍ２となるのに対して、この吸気ポートのシート面を第二実施形態のような構成にすると流量係数とタンブル比との関係はｍ３となる。

次に、図８及び図９を参照して本発明の第三実施形態のポートについて説明する。図８及び図９は、燃焼室５の上面を示す概略底面図である。第三実施形態の吸気ポートの形状は基本的に図１に示した吸気ポート８の形状と同様である。しかしながら、図８及び図９に示した第三実施形態におけるシート面４１’’の構成は図２に示した吸気ポートにおけるシート面４１の構成とは異なっている。

本実施形態によれば、各気筒に対して二つの吸気ポート８’’が設けられており、燃焼室５には二つの吸気ポート８’’が連通することになる。

図２に示した第一実施形態の吸気ポート８では、上述したように、第一部分シート面４１ａの軸線Ａ１、第二部分シート面４１ｂの軸線Ａ２、第三部分シート面４１ｃの軸線Ａ３、第四部分シート面４１ｄの軸線Ａ４は互いに平行に且つ吸気ポートの延在方向Ｘからその反対方向Ｙに向かって軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の順に並ぶような関係となっている。

これに対して、第三実施形態の吸気ポート８’’では、各吸気ポートの燃焼室側端部３１から他方の吸気ポートの燃焼室側端部３１に向かう方向と吸気ポートの延在方向との間の方向（図９の角度β１及びβ２内の方向）から、その逆方向に向かって軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の順に並ぶような関係となっている。換言すると、図８に示した実施形態では、両吸気ポート８’’の燃焼室側端部の中心間を結んだ直線Ｍに対して角度γ（０°≦γ≦９０°。図８及び図９に示した例では４５°）で延びる直線Ｎとほぼ垂直に交わるように軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が配置されることになる。

このように軸線Ａ１〜Ａ４が互いにずれるように部分シート面４１ａ〜４１ｄを形成することによって、シート面４１’’の湾曲面の曲率半径はシート面４１の周方向の位置に応じて異なるものとなり、図８に示した実施形態では、シート面４１’’の湾曲面の曲率半径のうち、上記両吸気ポート８’’の燃焼室側端部の中心間を結んだ直線Ｍに対して角度γの方向側のシート面４１’’の曲率半径が最も小さく、その反対側のシート面４１’’の曲率半径が最も大きい。

次に、図９を参照して、シート面４１’’をこのように形成することによる効果について説明する。図９に示したように、曲率半径が最も大きいシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスは燃焼室５の上面及び燃焼室５の側壁に沿って燃焼室５の径方向外側領域まで流れる（図９中のＦ３）。一方、燃焼室５の中央寄りのシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスは燃焼室５の上面及び燃焼室５の中央を通って燃焼室５の径方向外側領域まで流れる（図９中のＦ４）。

ここで、このようにしてシート面４１’’の異なる部分に沿って流出した異なる吸気ガスの流れは、燃焼室５内の上面に沿った所定の領域で衝突することになる。そして、衝突した吸気ガスは、その衝突した位置において燃焼室５の下方（図９の紙面に対して垂直方向）に潜ることになる。このように吸気ガスが下方に潜る位置が、すなわち異なる吸気ガスの流れの衝突位置が燃焼室５の径方向外側であればあるほど、燃焼室５内に生じるタンブル流が強くなる。

ここで、本実施形態によれば、曲率半径が最も大きいシート面４１’’の部分に沿って流出する吸気ガスは、シート面４１’’の曲率半径が大きいため、シート面４１’’に沿って流れるときの吸気抵抗が小さく、よって燃焼室５内に流出したときの流速が速い。一方、燃焼室５の中央寄りのシート面４１’’の部分に沿って流出する吸気ガスは、曲率半径が最も大きいシート面４１’’の部分よりも曲率半径が小さいため、シート面４１’’に沿って流れるときの吸気抵抗は大きく、よって燃焼室５内に流出したときの流速が遅い。

このため、本実施形態によれば、図９に示したように、曲率半径が最も大きいシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスの流れＦ３と、燃焼室５の中央寄りのシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスの流れＦ４とは、燃焼室５の径方向において最も外側で衝突することになり、よって燃焼室５内に生じるタンブル流は極めて強いものとなる。

なお、上記説明では、各吸気ポートの燃焼室側端部３１から他方の吸気ポートの燃焼室側端部３１に向かう方向と吸気ポートの延在方向との間の方向に軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が並ぶとしている。ただし、最も好ましいのは、曲率半径が最も大きいシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスの流れＦ３と燃焼室５の中央寄りのシート面４１’’の部分に沿って流出した吸気ガスの流れＦ４とが燃焼室５の径方向において最も外側で衝突するように軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を並ばせてシート面４１’’を形成することである。

次に、図１０を参照して、本発明の第四実施形態のポートについて説明する。図１０は、本発明の第四実施形態の排気ポート１０の断面側面図である。図１に示したように、排気ポート１０の一方の端部（以下、「燃焼室側端部」と称す）６１は燃焼室５に連通すると共に、他方の端部（以下、「マニホルド側端部」と称す）６２は排気マニホルド２０に連通する。排気ポート１０は三つの部分に分けることができ、これら部分は燃焼室側端部６１からマニホルド側端部６２へ向かってシート部６３、スロート部６４、ポート本体部６５の順に配置される。

排気ポート１０のシート部６３には、バルブシート７０が設けられる。バルブシート７０はシリンダヘッド３に設けられた凹部内に嵌め込まれ、バルブシート７０の内面（シート面）は排気ポート１０の一部を画成する。排気ポート１０の燃焼室側端部６１近傍には、排気弁９の弁体９ａが配置される。排気弁９はその軸線ＥＶに沿って摺動可能であり、この排気弁９の摺動に伴って燃焼室５と排気ポート１０との間が開閉せしめられる。

バルブシート７０のシート面７１は、シートカッタによって研削することにより形成される面であり、図１０に示したように複数段の部分シート面７１ａ〜７１ｄから形成される。各部分シート面７１ａ〜７１ｄは、排気弁９の軸線ＥＶと平行な軸線を中心としたほぼ切頭円錐状である。各部分シート面７１ａ〜７１ｄは、図２に示したシート面４１と同様に、その軸線に対してそれぞれ異なる傾斜角度α１〜α４で傾斜している。

また、本実施形態においても、ほぼ切頭円錐状である部分シート面７１ａ〜７１ｄの中心となる軸線（部分シート面の軸線）は、全ての部分シート面７１ａ〜７１ｄについて同一ではなく、部分シート面毎に異なっている。

図示した実施形態では、排気弁９が閉弁したときに排気弁９の当接面９ｂと当接する第三部分シート面７１ｃの軸線Ａ３が排気弁９の軸線ＥＶと同軸となっている。第一部分シート面７１ａの軸線Ａ１、第二部分シート面７１ｂの軸線Ａ２及び第四部分シート面７１ｄの軸線Ａ４は、第三部分シート面７１ｃの軸線Ａ３と平行ではあるが、排気ポートの延在方向Ｘ’又はその反対方向Ｙ’にずれている。

図１０に示した実施形態では、第一部分シート面７１ａの軸線Ａ１及び第二部分シート面７１ｂの軸線Ａ２は第三部分シート面７１ｃの軸線Ａ３に対して排気ポートの延在方向Ｘ’にずれており、そのずれ幅は軸線Ａ２よりも軸線Ａ１の方が大きい。一方、第四部分シート面７１ｄの軸線Ａ４は第三部分シート面７１ｃの軸線Ａ３に対して排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’にずれている。従って、これら軸線Ａ１〜Ａ４は、互いに平行に且つ排気ポートの延在方向Ｘ’からその反対方向Ｙ’に向かって軸線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の順に並ぶような関係となる。特に、本実施形態では、軸線Ａ１とＡ２との間隔、軸線Ａ２とＡ３との間隔、軸線Ａ３とＡ４との間隔は互いに等しいものとされる。

このように部分シート面７１ａ〜７１ｄを形成することによって、排気ポートの延在方向Ｘ’側、すなわち排気ポート１０の内側における各部分シート面の吸気弁軸線方向の幅は、排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’側、すなわち排気ポート１０の外側における各部分シート面の上記幅よりも小さい。よって、図１０に示した実施形態では、シート面７１の湾曲面の曲率半径のうち、排気ポートの延在方向Ｘ’側のシート面７１（内側シート面７１Ｘ）の曲率半径Ｒ５が最も小さく、逆に排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’側のシート面７１（外側シート面７１Ｙ）の曲率半径Ｒ６が最も大きい。

このように構成された排気ポート１０では、外側シート面７１Ｙの曲率半径Ｒ６が大きいため、燃焼室５の上面に沿って流れてきた排気ガスは外側シート面７１Ｙに沿って滑らかに流れるようになる。このため、燃焼室５の上面に沿って流れてきた排気ガスに対する排気抵抗が小さいものとなり、燃焼室５内から排気ガスを排出するためにピストン４から燃焼室５内の排気ガスに加えるべき力が減少する。

次に、図１１を参照して、本発明の第五実施形態のポートについて説明する。図１１は、本発明の第五実施形態の排気ポート１０’の断面側面図である。図１１に示した排気ポート１０’の形状は基本的に図１０に示した排気ポート１０の形状と同様である。しかしながら、図１１に示した排気ポート１０’では排気弁９の軸線ＥＶとポート本体部６５が延びる方向との角度が図１０に示した排気ポート１０における角度よりも大きい。また、図１０に示した排気ポート１０’におけるシート面７１’の構成は、図１０に示した排気ポート１０におけるシート面７１の構成とは異なっている。

図１１に示した第五実施形態でも、図１０に示した第四実施形態と同様に、バルブシート７０’のシート面７１’は、シートカッタによって研削することにより形成される面であり、複数段の部分シート面７１’ａ〜７１’ｄから形成される。図示した実施形態では、シート面７１’は４段の部分シート面から形成される。各部分シート面７１ａ〜７１ｄは排気弁９の軸線ＥＶと平行な軸線を中心としたほぼ切頭円錐状である。各部分シート面７１’ａ〜７１’ｄは図１０に示した第四実施形態と同様にその軸線に対してそれぞれ異なる傾斜角度α１〜α４で傾斜している。これら傾斜角度はα１＜α２＜α３＜α４の関係を有する。

そして、本実施形態では、部分シート面７１’ａ〜７１’ｄの軸線は、第四実施形態と同様に部分シート面７１’ａ〜７１’ｄ毎に異なっているが、これら軸線のずれる方向が第四実施形態とは異なっている。

図１１に示した実施形態では、排気弁９が閉弁したときに排気弁９の当接面９ｂと当接する第三部分シート面７１’ｃの軸線Ａ３が排気弁９の軸線ＥＶと同軸となっている。第一部分シート面７１’ａの軸線Ａ１、第二部分シート面７１’ｂの軸線Ａ２及び第四部分シート面７１’ｄの軸線Ａ４は、第三部分シート面７１’ｃの軸線Ａ３と平行ではあるが、排気ポートの延在方向Ｘ’又はその反対方向Ｙ’にずれている。

図１１に示した実施形態では、第一部分シート面７１’ａの軸線Ａ１及び第二部分シート面７１’ｂの軸線Ａ２は第三部分シート面７１’ｃの軸線Ａ３に対して排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’にずれており、そのずれ幅は軸線Ａ２よりも軸線Ａ１の方が大きい。一方、第四部分シート面７１’ｄの軸線Ａ４は第三部分シート面７１’ｃの軸線Ａ３に対して排気ポートの延在方向Ｘ’にずれている。従って、これら軸線Ａ１〜Ａ４は、互いに平行に且つ排気ポートの延在方向Ｘ’からその反対方向Ｙ’に向かって軸線Ａ４、Ａ３、Ａ２、Ａ１の順に並ぶような関係となる。特に、本実施形態では、軸線Ａ１とＡ２との間隔、軸線Ａ２とＡ３との間隔、軸線Ａ３とＡ４との間隔は互いに等しいものとされる。

このように軸線Ａ１〜Ａ４が互いにずれるように部分シート面７１’ａ〜７１’ｄを形成することによって、排気ポートの延在方向Ｘ’側、すなわち排気ポート１０’の内側における各部分シート面の吸気弁軸線方向の幅は、排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’側、すなわち排気ポート１０’の外側におけるその部分シート面の上記幅よりも大きい。換言すると、図１１に示した実施形態では、シート面７１’の湾曲面の曲率半径のうち、排気ポートの延在方向Ｘ’側のシート面７１’（内側シート面７１’Ｘ）の曲率半径Ｒ７が最も大きく、逆に排気ポートの延在方向とは反対方向Ｙ’側のシート面７１’（外側シート面７１’Ｙ）の曲率半径Ｒ８が最も小さい。

次に、図１１に示したようにシート面７１’を構成する効果について説明する。図１１に示したように、排気ポート１０’では排気弁９の軸線ＥＶとポート本体部６５が延びる方向との角度が図１０に示した排気ポート１０における角度よりも大きい。このため、シート面を図１０に示したように形成すると、シート部及びスロート部において排気ポートの延在方向側の面が大きく湾曲することになる（シート部及びスロート部における湾曲面の曲率半径が小さいものとなる）。このため、排気ガスがこの湾曲面上を通って流れようとすると、この湾曲面上において排気ガスの流れの剥離が生じてしまう虞がある。このように剥離が生じると、排気ポートを通って流れる排気ガスに対する排気抵抗が大きなものとなってしまう。

これに対して、本実施形態の排気ポートによれば、内側シート面７１’Ｘの曲率半径Ｒ８が大きいため排気ガスの流れに剥離が生じてしまうことが抑制され、よって排気ポートを通って流れる排気ガスに対する排気抵抗が低減せしめられる。これにより、排気ガスが排気ポートを通って流れ易くなる。

本発明が適用される内燃機関の全体図である。 本発明の第一実施形態の吸気ポートの断面側面図である。 本発明の第一実施形態の吸気ポートによって得られる効果を説明するための図である。 タンブル比と流量係数との関係を示す図である。 本発明の第一実施形態の吸気ポートの製造方法の一部を示す図である。 本発明の第一実施形態の吸気ポートの製造方法の一部を示す図である。 本発明の第二実施形態の吸気ポートの断面側面図である。 燃焼室の上面を示す図である。 第三実施形態の吸気ポートによって得られる効果を説明するための図である。 本発明の第四実施形態の排気ポートの断面側面図である。 本発明の第五実施形態の排気ポートの断面側面図である。

符号の説明

５ 燃焼室
７ 吸気弁
８ 吸気ポート
９ 排気弁
１０ 排気ポート
４０、７０ バルブシート
４１、７１ シート面
４１Ｘ、７１Ｘ 内側シート面
４１Ｙ、７１Ｙ 外側シート面
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ 軸線

Claims (8)

1. 端部にバルブシートが嵌め込まれた内燃機関のポートにおいて、バルブシートのシート面が燃焼室に向かって広がるように複数の段から形成されており、これら複数の段によって画成されるシート面の湾曲半径がバルブシートの周方向の位置によって異なり、
   上記シート面の各段を画成する部分シート面は所定の軸線回りに切頭円錐状に形成されており、各部分シート面の軸線は他の部分シート面の軸線と平行に延びると共に該他の部分シート面の軸線からずれている、内燃機関のポート。
2. 当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、上記バルブシートからの吸気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも小さい、請求項１に記載の内燃機関のポート。
3. 当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、上記バルブシートからの吸気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関のポート。
4. 当該内燃機関のポートは吸気ポートであり、吸気ポートは各気筒当たり二つ設けられ、各吸気ポートの最も湾曲半径の小さいシート面が他方の吸気ポートの燃焼室側端部に向かう方向と吸気ポートの延在方向との間の方向側に設けられる、請求項１に記載の内燃機関のポート。
5. 当該内燃機関のポートは排気ポートであり、上記バルブシートからの排気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも小さい、請求項１に記載の内燃機関のポート。
6. 当該内燃機関のポートは排気ポートであり、上記バルブシートからの排気ポートの延在方向側におけるシート面の湾曲半径はその反対側におけるシート面の湾曲半径よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関のポート。
7. 複数のシートカッタにより順々にバルブシートの切削を行うことによりバルブシートの段加工を行う内燃機関のポート製造方法において、
   一つのシートカッタを吸気弁又は排気弁の軸線と同軸の加工軸線回りで回転させることによりバルブシートの一つの部分シート面を切頭円錐状に形成する工程と、
   各部分シート面の軸線が他の部分シート面の軸線と平行に延びると共に該他の部分シート面の軸線からずれるように、上記一つのシートカッタとは別のシートカッタを上記加工軸線と平行で且つ該加工軸線からずれている別の加工軸線回りで回転させることにより上記一つの部分シート面とは別の部分シート面を切頭円錐状に形成する工程とを具備する、内燃機関のポート製造方法。
8. 上記他のシートカッタの軸線をバルブシートからのポートの延在方向又はその反対方向にずらすようにした、請求項７に記載の内燃機関のポート製造方法。

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