JP4850736B2 - エンジンの吸気ポート構造 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ内に供給される空気流動にスワール流を生成させるエンジンの吸気ポート構造に関する。

例えばディーゼルエンジンの吸気系においては、シリンダ内に供給する空気にスワール流を生成して燃焼の改善が行われている。シリンダ内にスワール流を生成する手段としては、吸気ポートをヘリカル等の螺旋状に形成し、この螺旋状の吸気ポート内で旋回流を生成し、シリンダに供給される空気にスワール流を生成させる技術が知られている。

図９に示すように、シリンダ１１内にスワール流を生成する吸気ポート（以下、「スワールポート」と称する）１２は、直線状に延出する直線部１２ａと、燃焼室の上部に開口すると共にバルブシートの内径で形成される円筒状のバルブスロート部１２ｂと、このバルブスロート部１２ｂ及び直線部１２ａを連通する螺旋状の渦巻部１２ｃとを備えている。

ところで、このような構造のスワールポート１１で生成された旋回流がシリンダに流出するに際し、全ての空気流動がスワール流となるわけではなく、スワール流を弱める方向に作用する空気流動も存在する。

このようなスワール流を弱める方向に作用する空気流動を抑制して、スワール流の強化を図る技術として、例えば特許文献１（実開平２−６９０２６号公報）、或いは特許文献２（特開平７−２７９７５０号公報）では、吸気ポートに突出部を設け、この突出部によりスワール流を強化する技術が開示されている。

すなわち、特許文献１に開示されている技術では、突出部をバルブステムの周囲に、スワールポートの上壁面から下壁面に向かって垂下させ、この突出部により、スワールポート上部にバイパスポートを形成する。そして、スワールポートからの空気流動に対してバイパスポートからの空気流動をほぼ直角に衝突させることで、スワール流を弱めることなく、空気流動をシリンダ方向へ指向させるようにしている。

一方、特許文献２に開示されている技術では、吸気ポートの、インジェクタのノズルが臨まされている部位とバルブステムとの間に、吸気ポートを流れる吸気流の速度分布に変化を与える突出部を形成し、この突出部により吸気ポートの上部に流速の速い部分を形成し、このような流速分布を有する空気流動をシリンダ内に流入させることで、スワール流を強化するようにしている。
実開平２−６９０２６号公報 特開平７−２７９７５０号公報

上述した各文献に開示されている技術では、吸気ポート内の空気が流動している部位に突出部を形成しているため、流路抵抗が増加し、空気流量係数が低下してしまう問題がある。

ところで、シリンダ内に流出する空気流動に強力なスワール流を発生させるためには、図９に示す渦巻部１２ｃにおいて空気流動Ｓを湾曲させ、バルブスロート部１２ｂからシリンダ内に流出させる際には、この空気流動Ｓを拡散させることなく旋回状態を維持させておく必要がある。

しかし、上述した各文献においても、渦巻部１２ｃにおいては、そこに露呈されているバルブステム１３周辺の曲率が大きく、且つ空気流動の流速が次第に速くなるため空気流動Ｓの一部は、このバルブステム１３の曲面に沿って曲がりきれず、点Ｐ付近の上層部で剥離現象が発生する。

その結果、バルブステム１３周辺の上部に循環流動Ｓｂが発生し、この循環流動Ｓｂが発達して降下すると、渦巻部１２ｃをまわりきらずにシリンダ１１内へ拡散する空気流動Ｓａが発生し、この拡散空気流動Ｓａにより正常な旋回流の空気流動Ｓを攪拌してしまい、シリンダ内に流出する空気流動のスワール流に乱れが生じてしまう問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、バルブスロート部の上方における循環流動の発生を抑制して、シリンダ内に流出する空気流動に乱れを生じさせることなく強力なスワール流を生成せることができ、燃焼改善による出力及び燃費の向上が実現するばかりでなく、排気エミッションの悪化を防止することのできるエンジンの吸気ポート構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、シリンダの上方に開口するバルブスロート部と該バルブスロート部の上部に下流側を臨ませる渦巻部と該渦巻部の上流側に下流側を連通する直線部とを備え、該バルブスロート部の中央に、前記渦巻部の下流側を貫通する吸気バルブのバルブステムが挿通されているエンジンの吸気ポート構造において、前記直線部は平面視で該直線部の軸線が前記バルブステムの軸線と交差しない状態で前記渦巻部の上流側に連通され、前記バルブスロート部の上方に臨まされている前記渦巻部の下流側であって、且つ前記バルブステムを挟んで前記直線部の軸線と反対側の位置に突出部が設けられ、前記突出部が上記バルブスロート部の上方に臨まされている前記渦巻部の上面に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、バルブスロート部の上方に突出部を設けたので、この突出部により循環流動の発生が抑制され、シリンダ内に乱れを生じさせることなく強力なスワール流を生成させることができ、燃焼改善による出力及び燃費の向上が実現するばかりでなく、排気エミッションの悪化を防止することができる。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は吸気ポートの斜視図、図２は吸気ポートの平面図、図３は図２のIII-III断面図である。

図３の符号１はエンジンのシリンダブロックであり、このシリンダブロック１の上部にシリンダヘッド２が固設されている。又、シリンダブロック１にシリンダ１ａが形成され、更に、シリンダヘッド２に、吸気ポートであるスワールポート３とタンジェンシャルポート（図示せず）とが並んで形成されていると共に、一対の排気ポート（図示せず）が形成されており、各ポートがシリンダ１ａの上方に開口されている。

図１、図２に示すように、スワールポート３は、その上流側に直線状に延出する直線部３ａを有し、下流側にシリンダ１ａの上方に開口すると共にバルブシート４（図３参照）を一体に有する円筒状のバルブスロート部３ｂを有し、更にこのバルブスロート部３ｂと直線部３ａとを連通する渦巻部３ｃを有している。直線部３ａは、上流側から下流側にかけて断面積が次第に減少させる形状に形成されて渦巻部３ｃに連通されている。渦巻部３ｃは、上流から下流にかけて断面積が次第に狭まれたヘリカル状に形成されており、その終端がバルブスロート部３ｂの上部外周に臨まされている。バルブスロート部３ｂは、シリンダ１ａと平行な方向へ延出され、上部に渦巻部３ｃの終端が周回されている。

更に、バルブスロート部３ｂの中央に吸気バルブ５のバルブステム５ａが挿通されている。吸気バルブ５は、バルブステム５ａの下端にバルブヘッド５ｂを有し、上端に吸気カム（図示せず）に摺接するバルブタペット（図示せず）が設けられている。バルブヘッド５ｂは、バルブシート４に当接離間して開閉動作される。

渦巻部３ｃは、直線部３ａから流入した空気が吸気バルブ５のバルブステム５ａを周回するように流動させて旋回流を生起させながらバルブスロート部３ｂの方向へ導く。そして、この旋回流をバルブスロート部３ｂへ導き、このバルブスロート部３ｂを経て、バルブシート４とバルブヘッド５ｂとの間からシリンダ１ａ側に流出させ、シリンダ１ａ内にスワール流を生成させる。

又、バルブスロート部３ｂの上面に突出部６が形成されている。この突出部６は、バルブステム５ａの上部周辺に生成されて発達しようとする循環流動Ｓｂ（図９参照）を阻止するために設けられているものであり、従って、この突出部６は、循環流動Ｓｂの発達を阻止できる位置に形成されている。発達しようとする循環流動Ｓｂを阻止するために設定する位置は種々考えられるが、本実施形態では、突出部６が、発達しようとする循環流動Ｓｂの中心に形成されている。この循環流動Ｓｂの中心は、本実施の形態では、バルブステム５ａの軸芯を通り、スワールポート３の直線部３ａの延出方向に延びる軸線αと平行な基準線βを基準として、空気流動Ｓの旋回方向と逆向きで開き角θが、約４５〜９０[°]の位置にある。この位置に、バルブステム５ａの直径と同程度の外径を有し、突出方向を軸とする回転体の一例である円錐台形状の突出部６を形成する。又、循環流動Ｓｂはバルブステム５ａ周辺の上層部に発生するため、突出部６の突出高さＨｔは、バルブスロート部３ｂ及びこのバルブスロート部３ｂに連通する渦巻部３ｃの最も低い位置の高さＨｓに対して、その約２５〜４０[％]程度であれば充分である。

又、この突出部６が形成されている部位は、空気流動Ｓが旋回しながらシリンダ１ａ内に流出する領域であるため、突出部６は空気流動Ｓの上方にあり、従って、この空気流動Ｓに乱れを生じさせることはない。

次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。スワールポート３の直線部３ａから流入した空気は、渦巻部３ｃに沿ってヘリカル状に旋回されながら、バルブスロート部３ｂへ至り、このバルブスロート部３ｂの壁面に沿って降下し、ほぼ１回転した後、シリンダ１ａ内に流出される。そして、このシリンダ１ａ内に流出した空気流動Ｓにより、シリンダ１ａ内にスワール流が生成される。

ところで、空気流動Ｓが渦巻部３ｃを通過するに際し、バルブステム５ａの周辺の曲率が大きくなり、且つ流速が次第に速くなるため、バルブステム５ａの上部付近で剥離が発生し、その剥離により、バルブステム５ａ付近の上層部に、図２に一点鎖線で示すような循環流動Ｓｂが発生し、拡散空気流動Ｓａが発生しようとする。しかし、この循環流動Ｓｂが発生しようとする部位に突出部６が形成されているため循環流動Ｓｂの発生が阻止される。

又、突出部６は循環流動Ｓｂの発達を阻止する位置にのみ形成されているだけであるため、シリンダ１ａ内に流出する拡散空気流動Ｓａに乱れを生じさせることもなく、従って、空気流量係数が低下することもない。その結果、拡散空気流動Ｓａの発達が阻止され、シリンダ１ａ内に流出する空気流動Ｓに乱れが生じることがなく、空気流量係数の低下も無いため、それらの相乗によりシリンダ１ａ内に乱れを生じさせることなく強力なスワール流を生成させることができる。尚、突出部６は円錐台形に限らず、円柱形、円錐形等、他の回転体であっても良い。

［第２実施形態］
図４に本発明の第２実施形態による吸気ポートの斜視図を示す。本実施形態は上述した第１実施形態の変形例である。尚、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態に示す突出部６は円錐台形であったが、本実施形態に示す突出部６は、その一側に、バルブスロート部３ｂの上方に形成されている渦巻部３ｃの内周との間を連結するリブ６ａが形成されている点が相違している。

このリブ６ａは、突出部６の高さと同じか、それよりも低く形成されており、従って、シリンダ１ａ（図３参照）内へ流出する空気流動Ｓに乱れを生じさせることはない。又、リブ６ａにより、渦巻部３ｃの上部を巻いて渦巻部３ｃの上流側へ戻ろうとする空気流動が阻止されるため、相対的にシリンダ１ａ内に流出する空気流動Ｓが増加し、より強力なスワール流を生成させることができる。

［第３実施形態］
図５、図６に本発明の第３実施形態による吸気ポートの斜視図、及び平面図を示す。尚、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態による突出部７は、その軸芯が第１実施形態による突出部６とほぼ同じ位置として外径を大きくしたものである。又、この突出部７の外形の、バルブステム５ａと干渉する部位には切欠き部７ａが形成されており、バルブステム５ａとの干渉が回避されている。

本実施形態では、突出部７の外径を大きくしたので、循環流動Ｓｂの発生をより広範囲で阻止することができる。又、突出部７にてバルブステム５ａの一部が包含されるため、このバルブステム５ａと突出部７との間から渦巻部３ｃの上流側へ戻ろうとする空気流動も阻止することができ、より強力なスワール流を生成させることができる。

［第４実施形態］
図７、図８に本発明の第４実施形態による吸気ポートの斜視図、及び平面図を示す。尚、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態による突出部８は、前述した図９に示す循環流動Ｓｂにほぼ沿う、図８の平面視において略曲玉状に形成されていると共に、この突出部８が循環流動Ｓｂの発生領域内に配設されている。突出部８の平面視における略曲玉状の形状は、図９に示す従来のスワールポート１１においてバルブステム１３の周辺に発生していた循環流動Ｓｂの形状に対応した構成となっている。つまり、従来循環流動が生じていた位置に突出部８が形成されている。更に、この突出部８の底部８ａは、その上部は第１実施形態による突出部６とほぼ同様に略円錐台形状に形成され、その下部は空気流動Ｓの流れに沿って上流側から下流方向へ傾斜する船底形状に形成されている。又、第２実施形態に示す突出部６と異なり、本実施形態の突出部８とスワールポート３の渦巻部３ｃの内周との間には空隙が形成されている。

このような構成では、突出部８を循環流動Ｓｂにほぼ沿う形状に形成すると共に、この突出部８を循環流動Ｓｂの発生領域内に配設したので、この部位での循環流動Ｓｂの発生を確実に阻止することができる。又、突出部８の底部８ａを空気流動Ｓに沿う船底形状に形成し、突出部８とスワールポート３の渦巻部３ｃの内周との間に空隙を形成したので、空気流動Ｓがスムーズとなり、シリンダ１ａ内でより強力なスワール流を生成させることができる。

尚、本発明は上述した各実施形態に限るものではなく、例えば第１、第２実施形態の突出部６は、循環流動Ｓｂの中心に限らず、剥離の開始される位置（図９の点Ｐ）、或いは循環流動Ｓｂの発生する部位の下流端付近（渦巻部３ｃの上流側へ戻る側の循環流動Ｓｂの後端付近）であっても良い。更に、一対の吸気ポートの双方をスワールポート３としても良く、或いは吸気ポートが１つのスワールポート３のみで構成されていても良い。

又、突出部６，７，８の形成位置、及び形状は、循環流動Ｓｂが発生せず、しかも空気流動Ｓを阻害しいな位置であれば、上述した各形成位置、及び形状に限定されるものではない。

本発明によるエンジンの吸気ポート構造は、ディーゼルエンジンはもとより、ガソリンエンジンにも適用することができる。

第１実施形態による吸気ポートの斜視図 同、吸気ポートの平面図 同、図２のIII-III断面図 第２実施形態による吸気ポートの斜視図 第３実施形態による吸気ポートの斜視図 同、吸気ポートの平面図 第４実施形態による吸気ポートの斜視図 同、吸気ポートの平面図 従来の吸気ポートの平面図

符号の説明

１ａ…シリンダ、
３…スワールポート、
３ａ…直線部、
３ｂ…バルブスロート部、
３ｃ…渦巻部、
５…吸気バルブ、
５ａ…バルブステム、
５ｂ…バルブヘッド、
６，７，８…突出部、
６ａ…リブ、
７ａ…切欠き部、
α…軸線、
β…基準線、
θ…開き角、
Ｈｓ…高さ、
Ｈｔ…突出高さ、
Ｓ…空気流動

Claims (6)

1. シリンダの上方に開口するバルブスロート部と該バルブスロート部の上部に下流側を臨ませる渦巻部と該渦巻部の上流側に下流側を連通する直線部とを備え、該バルブスロート部の中央に、前記渦巻部の下流側を貫通する吸気バルブのバルブステムが挿通されているエンジンの吸気ポート構造において、
   前記直線部は平面視で該直線部の軸線が前記バルブステムの軸線と交差しない状態で前記渦巻部の上流側に連通され、前記バルブスロート部の上方に臨まされている前記渦巻部の下流側であって、且つ前記バルブステムを挟んで前記直線部の軸線と反対側の位置に突出部が設けられ、
   前記突出部が上記バルブスロート部の上方に臨まされている前記渦巻部の上面に設けられている
   ことを特徴とするエンジンの吸気ポート構造。
2. 前記突出部は突出方向を軸とする回転体で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気ポート構造。
3. 前記突出部の一側に前記渦巻部の内周との間を連結するリブが形成されている
   ことを特徴とする請求項１或いは２に記載のエンジンの吸気ポート構造。
4. 前記突出部の前記バルブステムとの干渉部位に切欠き部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの吸気ポート構造。
5. 前記突出部は、バルブステムの軸芯を通り前記直線部の軸線と平行な基準線を基準として前記直線部の軸線とは反対方向へ略４５〜９０°の開き角の位置に設けられていると共に、該突出部の外径が前記バルブステムの直径と略同一であり、該突出部の突出高さが前記バルブスロート部の底面から前記渦巻部の最も低い上面までの高さの約２５〜４０％である
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンの吸気ポート構造。
6. 前記突出部が、前記バルブステムの上部周辺に生成されて発達しようとする循環流動に沿う略曲玉状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気ポート構造。

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