JP4887963B2 - Intake device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関の吸気装置に関する。 The present invention relates to an intake device for an internal combustion engine.
燃焼室の周縁部に対して接線状に延びる第1の吸気ポートと第1の吸気ポートに並列配置された第2の吸気ポートとを具備し、これら第1の吸気ポートおよび第2の吸気ポートが燃焼室に向けて次第に下降するように傾斜していると共に、第1の吸気ポートの傾斜角に比べて第2の吸気ポートの傾斜角が大きくされている内燃機関が公知である(特許文献1を参照)。この内燃機関では第1の吸気ポートから燃焼室の周辺部に接線状に流入する吸入空気流によって燃焼室内にスワールが発生せしめられる。 A first intake port extending tangentially to the peripheral edge of the combustion chamber and a second intake port arranged in parallel with the first intake port, the first intake port and the second intake port An internal combustion engine in which the engine is inclined so as to gradually descend toward the combustion chamber and the inclination angle of the second intake port is larger than the inclination angle of the first intake port is known (Patent Document). 1). In this internal combustion engine, a swirl is generated in the combustion chamber by the intake air flow that flows tangentially from the first intake port to the periphery of the combustion chamber.
一方、吸気弁の軸線回りに形成された渦巻部と、渦巻部から接線状に延びる吸入空気流入通路部とにより構成され、吸入空気流入通路部が渦巻部の周壁面に接線状に接続される第1の側壁面と、吸気弁の弁軸に向けて渦巻部の周壁面まで延びる第2の側壁面とを有するヘリカル型吸気ポートにおいて、吸入空気流入通路部の上壁面が上述の第1の側壁面側に位置しかつ渦巻部の上壁面に滑らかに接続する第1の上壁面と、上述の第2の側壁面側に位置しかつ第1の上壁面よりも高さの低い第2の上壁面からなり、この第2の上壁面の高さ位置を境にして吸入空気流入通路部の底壁面に沿って流れる下層流と第1の上壁面に沿って流れる上層流とが発生し、この上層流によって燃焼室内にスワールが発生せしめられるヘリカル型吸気ポートが公知である(特許文献2を参照)。 On the other hand, it is constituted by a spiral portion formed around the axis of the intake valve and an intake air inflow passage portion extending tangentially from the spiral portion, and the intake air inflow passage portion is tangentially connected to the peripheral wall surface of the spiral portion. In a helical intake port having a first side wall surface and a second side wall surface extending to the peripheral wall surface of the spiral portion toward the valve shaft of the intake valve, the upper wall surface of the intake air inflow passage portion is the above-described first wall surface. A first upper wall surface located on the side wall surface side and smoothly connected to the upper wall surface of the spiral portion; and a second upper wall surface located on the second side wall surface side and lower in height than the first upper wall surface. A lower flow that flows along the bottom wall surface of the intake air inflow passage section and an upper flow that flows along the first upper wall surface are generated from the upper wall surface, with the height position of the second upper wall surface as a boundary, A helical intake port that allows swirl to be generated in the combustion chamber by this upper layer flow is public. It (see Patent Document 2).
このヘリカル型吸気ポートでは吸入空気量が多いときに渦巻部内での上層流の旋回作用が下層流によって弱められ、それにより機関高回転域において過剰なスワールが発生するのが阻止される。
ところで特許文献1に記載された内燃機関におけるように全吸入空気を吸気ポートから燃焼室の周辺部に接線状に流入させると燃焼室内に強力なスワールを発生させることができる。しかしながらこの場合、吸気ポート内を流れる全吸入空気は流れ方向前方に位置する吸気弁の開口部のみから燃焼室内に流入することになる。このことは実質的に吸気弁開口部の流路面積が小さくなっていることと同じであり、従って吸入空気量が制限されるために高い充填効率は得られず、その結果最大負荷運転時の出力が低下することになる。
By the way, if all the intake air is made to flow tangentially from the intake port to the periphery of the combustion chamber as in the internal combustion engine described in
一方、特許文献2に記載されているヘリカル型吸気ポートでは従来のヘリカル型吸気ポートと同様に吸入空気を渦巻部内で旋回させることにより燃焼室内にスワールを発生させるようにしている。この場合、スワールを強めるためには渦巻部内での旋回作用を強めなければならない。しかしながら渦巻部内での旋回作用を強めると吸入抵抗が増大するために充填効率が低下し、その結果この場合も最大負荷運転時の出力が低下することになる。
On the other hand, in the helical intake port described in
即ち、特許文献1に記載されているように吸気ポートから流出する全吸入空気を燃焼室の周辺部に接線状に流入させることにより強力なスワールを得るようにしている限り、また特許文献2におけるように渦巻部内における旋回作用を強めることによってスワールを強めるようにしている限り、強力なスワールと高い充填効率を同時に確保することは困難であり、強力なスワールと高い充填効率を同時に確保するには発想の転換が必要である。
本発明者はこれまで長い期間に亘って吸入空気の流れ方について研究し、終いに強力なスワールと高い充填効率を同時に確保することのできる吸気装置を見い出したのである。
That is, as described in
The present inventor has studied the flow of intake air over a long period of time, and finally found an intake device that can simultaneously ensure a strong swirl and high filling efficiency.
即ち、本発明によれば、第1の吸気ポートおよび第2の吸気ポートを具備しており、第1の吸気ポートが吸気弁の軸線回りに形成された渦巻部と、渦巻部から接線状に延びる吸入空気流入通路部とにより構成されており、渦巻部が吸気弁の軸線回りを延びる周壁面と、上壁面と、吸気弁により開閉される下端出口部とにより画定されており、吸入空気流入通路部が渦巻部の周壁面に接線状に接続される第1の側壁面と、吸気弁の弁軸に向けて渦巻部の周壁面まで延びる第2の側壁面と、上壁面と、底壁面とにより画定されている内燃機関において、渦巻部の下端出口部が燃焼室頂面の周縁部に配置されると共に、第1の側壁面が燃焼室の周縁部に対して接線状に延びるように吸入空気流入通路部が配置されており、吸気弁全開時に吸気弁と吸気弁の弁座間に形成される環状の吸気弁開口部のうちで、シリンダ軸線と吸気弁弁体の中心部とを含む平面に対し吸入空気流入通路部と反対側に形成される吸気弁開口部領域が存在しており、吸気弁開口部領域は上記の平面と燃焼室周縁部側の吸気弁開口部との交差部から渦巻部内における吸入空気流の旋回方向にほぼ90度の範囲であり、吸入空気流入通路部の上壁面を吸入空気流入通路部の少くとも下流側において、第1の側壁面側に位置しかつ渦巻部の上壁面に滑らかに接続する第1の上壁面と、第2の側壁面側に位置しかつ第1の上壁面よりも底壁面側に位置する第2の上壁面とにより構成し、第2の上壁面は上述の平面に対し第2の上壁面と反対側に位置する吸気弁開口部の上端縁に向けて延びており、下層流が流れる下層流路が第1の側壁面の下方部、第2の側壁面、第2の上壁面および底壁面によって画定され、上層流が流れる上層流路が、下層流路の上方であって下層流路と第1の上壁面間に形成され、第1の側壁面の下方部、第2の側壁面、第2の上壁面および底壁面を下層流路が吸気弁開口部領域に向けてまっすぐに延びるように構成し、吸入空気流入通路部内に吸入空気流入通路部の下方を流れる下層流と吸入空気流入通路部の上方を流れる上層流が発生せしめられ、下層流は吸気弁開弁時に吸気弁開口部領域に向け流れた後に吸気弁開口部領域から燃焼室内に燃焼室の周辺方向に向け流入して燃焼室内にスワールを発生させ、上層流は吸気弁開弁時渦巻部内で旋回した後に吸気弁開口部全体から分散して燃焼室内に流入し、第1の吸気ポートおよび第2の吸気ポートが燃焼室に向けて次第に下降するように傾斜していると共に、第1の吸気ポートの傾斜角に比べて第2の吸気ポートの傾斜角が大きくされている。 That is, according to the present invention, the first intake port and the second intake port are provided, and the first intake port is formed around the axis of the intake valve, and the spiral portion is tangentially formed from the spiral portion. The intake air inflow passage portion extends, and the spiral portion is defined by a peripheral wall surface extending around the axis of the intake valve, an upper wall surface, and a lower end outlet portion opened and closed by the intake valve. A first side wall surface in which the passage portion is tangentially connected to the peripheral wall surface of the spiral portion, a second side wall surface extending to the peripheral wall surface of the spiral portion toward the valve shaft of the intake valve, an upper wall surface, and a bottom wall surface The lower end outlet of the spiral is disposed at the peripheral edge of the combustion chamber top surface, and the first side wall surface extends tangentially to the peripheral edge of the combustion chamber. An intake air inflow passage is arranged, and when the intake valve is fully open, Among the annular intake valve openings formed between the valve seats of the valve, the intake valve opening formed on the opposite side of the intake air inflow passage with respect to the plane including the cylinder axis and the central portion of the intake valve valve body A region exists, the intake valve opening region is a range of approximately 90 degrees in the swirling direction of the intake air flow in the spiral portion from the intersection of the plane and the intake valve opening on the peripheral side of the combustion chamber, A first upper wall surface that is located on the first side wall surface side and is smoothly connected to the upper wall surface of the spiral portion at least downstream of the intake air inflow passage portion; The second upper wall surface is located on the side wall surface side and located on the bottom wall surface side with respect to the first upper wall surface, and the second upper wall surface is opposite to the second upper wall surface with respect to the above-described plane. extends toward the upper edge of the intake valve opening located in the lower layer flow passage through which the lower layer flow The upper layer flow path defined by the lower portion of the first side wall surface, the second side wall surface, the second upper wall surface, and the bottom wall surface and through which the upper layer flow flows is located above the lower layer flow path and the first lower flow path and the first flow path. It is formed between the upper wall surfaces, and the lower part of the first side wall surface, the second side wall surface, the second upper wall surface and the bottom wall surface are configured so that the lower layer flow path extends straight toward the intake valve opening region. The lower flow that flows below the intake air inflow passage and the upper flow that flows above the intake air inflow passage are generated in the intake air inflow passage, and the lower flow flows toward the intake valve opening area when the intake valve is opened. After flowing, the air flows into the combustion chamber from the intake valve opening region toward the periphery of the combustion chamber to generate a swirl in the combustion chamber, and the upper layer flow swirls in the spiral when the intake valve is opened and then from the entire intake valve opening. Dispersed and flows into the combustion chamber, and the first intake port and the second intake port The air port is inclined so as to gradually descend toward the combustion chamber, and the inclination angle of the second intake port is made larger than the inclination angle of the first intake port.
第1の吸気ポートの下層流路内を流れる下層流によってスワールが発生せしめられ、上層流路内を流れる上層流によって高い充填効率が確保される。一方、第2の吸気ポートから流入する吸入空気流は発生したスワールを減速させることなく充填効率を向上させる。その結果、強力なスワールと高い充填効率を同時に確保することができる。 A swirl is generated by the lower layer flow flowing in the lower flow path of the first intake port, and high filling efficiency is ensured by the upper flow flowing in the upper flow path. On the other hand, the intake air flow flowing in from the second intake port improves the charging efficiency without decelerating the generated swirl. As a result, a strong swirl and high filling efficiency can be secured at the same time.
図1および図2を参照すると、1はシリンダブロック、2はシリンダヘッド、3は燃焼室を夫々示す。シリンダヘッド2内には互いに並列配置された第1の吸気ポート4および第2の吸気ポート5が形成されており、また図1および図2には示されていないがシリンダヘッド2内には一対の排気ポートが形成されている。図2からわかるように第1の吸気ポート4および第2の吸気ポート5は燃焼室3に向けて次第に下降するように傾斜しており、更に第1の吸気ポート4の傾斜角に比べて第2の吸気ポート5の傾斜角が大きくされている。
1 and 2,
まず初めに図1、図3および図5を参照しつつ第1の吸気ポート4について説明する。図1、図3および図4を参照すると、第1の吸気ポート4は吸気弁6の軸線回りに形成された渦巻部7と、この渦巻部7から接線状に延びる吸入空気流入通路部8とにより構成される。図1、図3および図4(C)に示されるように渦巻部7は吸気弁6の軸線回りを延びる周壁面9と、上壁面10と、吸気弁6により開閉される下端出口部11とにより画定されており、図1および図3に示されるように吸入空気流入通路部8は渦巻部7の周壁面9に接線状に接続される第1の側壁面12と、吸気弁6の弁軸6aに向けて渦巻部7の周壁面9まで延びる第2の側壁面13と、上壁面14と、底壁面15とにより画定されている。
First, the
図1からわかるように渦巻部7の下端出口部11は燃焼室3の頂面16(図3)の周縁部に配置され、第1の側壁面12が燃焼室3の周縁部に対して接線状に延びるように吸入空気流入通路部8が配置されている。即ち、図1に示されるように吸入空気流入通路部8の下流側は燃焼室3の周縁部に対して接線状に延びており、吸入空気流入通路部8の上流側はレイアウト上の理由から吸入空気流入通路部8の下流側に対して燃焼室3から離れる方向に若干折曲せしめられている。
As can be seen from FIG. 1, the lower
図5は第1の吸気ポート4および第2の吸気ポート5を図解的に表した斜視図を示している。図1および図3から図5を参照すると吸入空気流入通路部8の上壁面14は吸入空気流入通路部8の少くとも下流側において、第1の側壁面12側に位置しかつ渦巻部7の上壁面10に滑らかに接続する第1の上壁面14aと、第2の側壁面13側に位置しかつ第1の上壁面14aよりも底壁面15側に位置する第2の上壁面14bとにより構成される。第1の上壁面14aに対して低い位置に第2の上壁面14bが形成されている吸入空気流入通路部8部分の断面形状が図5においてハッチングで示されている。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing the
図4(A)〜(C)および図5からわかるように第1の上壁面14aは渦巻部7に向けて次第に横巾が狹ばまりつつ下降し、次いで上述した如く渦巻部7の上壁面10に滑らかに接続される。この渦巻部7の上壁面10は渦巻部7の周縁部に沿って徐々に下降しつつ渦巻部7の全周のほぼ3/4に亘って延びる。一方、第2の上壁面14bの巾は吸入空気流入通路部8の下流側では底壁面15の巾のほぼ1/3程度であって一定であり、吸入空気流入通路部8の上流側では上流に向かうに従って次第に狹くなる。
As can be seen from FIGS. 4A to 4C and FIG. 5, the first
一方、図4(A)〜(C)および図5に示されるように第1の上壁面14aおよび第2の上壁面14bは吸入空気流入通路部8の横断面内においてはほぼ水平方向に延びており、これら第1の上壁面14aと第2の上壁面14bとの間に位置する壁面17は下向きの傾斜面からなる。この傾斜面17の巾は渦巻部7に向けて次第に広くなる。一方、図3に示されるように第2の上壁面14bも渦巻部7に向けて下降しており、この場合第2の上壁面14bの傾斜角は第1の上壁面14aの傾斜角よりも大きい。
On the other hand, as shown in FIGS. 4A to 4C and FIG. 5, the first
このように第1の上壁面14aと第2の上壁面14bとを階段状に形成すると吸入空気流入通路部8内には図5においてハッチングXで示される如く第1の側壁面12の下方部、第2の側壁面13、第2の上壁面14bおよび底壁面15によって画定された下層流路と、ハッチングYで示される如く下層流路の上方であって下層流路と第1の上壁面14a間に位置する上層流路とが形成される。即ち、吸入空気流入通路部8内には下層流路X内を流れる下層流と上層流路Y内を流れる上層流との2つの流れが発生する。図6(A)に図5の下層流路Xに関連する部分のみを取出した場合を示し、図6(B)に図5の上層流路Yに関連する部分のみを取出した場合を示す。
When the first
図8は図1の拡大図を示す。図3および図4(C)に示されるように吸気弁6が開弁すると吸気弁6と吸気弁6の弁座18間には環状の吸気弁開口部19が形成される。この場合、吸気弁6全開時に吸気弁6と吸気弁6の弁座18間に形成される環状の吸気弁開口部19のうちで、図8においてシリンダ軸線Oと吸気弁6の弁体の中心部とを含む平面Kに対し吸入空気流入通路部8と反対側に形成される吸気弁開口部領域が存在する。
FIG. 8 shows an enlarged view of FIG. When the
この吸気弁開口部領域が図5、図6(A)および図8においてZで示されている。
この吸気弁開口部領域Zは図8において平面Kと燃焼室3周縁部側の吸気弁開口部19との交差部から渦巻部7内における吸入空気流の旋回方向にほぼ90度の範囲Mである。本発明では図5および図6(A)からわかるように第1の側壁面12の下方部、第2の側壁面13、第2の上壁面14bおよび底壁面15は下層流路Xが吸気弁開口部領域Zに向けてまっすぐに延びるように構成されている。
This intake valve opening region is indicated by Z in FIG. 5, FIG. 6 (A) and FIG.
This intake valve opening region Z is in a range M of approximately 90 degrees in the swirling direction of the intake air flow in the
このように下層流路Xが吸気弁開口部領域Zに向けてまっすぐに延びるように第2の上壁面14bは図3に示される如く平面Kに対し第2の上壁面14bと反対側に位置する吸気弁開口部19の上端縁に向けて延びている。このように下層流路Xを形成すると下層流路X内を流れる下層流は吸気弁6の開弁時に、下層流路X内をまっすぐに進んだ後、図8において矢印Sで示すように吸気弁開口部領域Zから燃焼室3内に燃焼室3の周辺方向に向けて流入し、それによって燃焼室3内にはシリンダ軸線O回りの強力なスワールが発生せしめられる。
Thus, the second
一方、上層流路Y内を流れる上層流は吸気弁6の開弁時に上層流路Y内を進んだ後、渦巻部7内で旋回し、図8において矢印Tで示されるように吸気弁開口部19の全体から分散して燃焼室3内に流入する。このように吸入空気を吸気弁開口部19の全体から流入させることによって吸入空気量を増大させることができる。即ち、上層流を旋回させないで燃焼室3内に流入させようとすると大部分の上層流は吸入空気流入通路部8とは反対側の吸気弁開口部のみから燃焼室3内に流入することになる。このことは実質的に吸気弁開口部の流路面積が小さくなっていることと同じであり、従って吸入空気量の増大は期待できない。
On the other hand, the upper layer flow flowing in the upper layer flow path Y advances in the upper layer flow path Y when the
これに対して上層流に渦巻部7内で旋回流を与えると上層流は上述したように吸気弁開口部19の全体から分散して燃焼室3内に流入する。このことは吸気弁開口部19の流路面積が大きくなったことと同じであり、従って吸入空気量が増大するために充填効率が向上することになる。このように本発明において渦巻部7内で旋回流を生じさせるのは充填効率の向上のためであり、従来のようにスワールの発生のためではない。
On the other hand, when a swirl flow is given to the upper layer flow in the
一方、吸入空気を渦巻部7内で旋回させつつ燃焼室3内に流入させると旋回している吸入空気流全体がそのままスワール流に移行していくかのように思える。しかしながらスワールの発生に寄与するのは旋回する吸入空気流のうちの燃焼室3の周辺方向に向かう一部の吸入空気流であり、従って吸入空気を旋回しつつ燃焼室3内に流入させても実際には吸入空気の一部しかスワールの発生に寄与しない。即ち、スワールを発生させるためには本発明におけるように燃焼室3の周辺方向に向かう強力な吸入空気流を発生させることが最も効果的である。
On the other hand, when the intake air is swirled in the
このように本発明では第1の吸気ポート4内から燃焼室3内に燃焼室3の周辺方向に向けてまっすぐに流入する下層流によって燃焼室3内に強力なスワールが発生せしめられ、渦巻部7内で旋回した後に燃焼室3内に流入する上層流において吸入空気量が増大せしめられ、それにより高い充填効率を図りつつ強力なスワールを発生しうるようにしている。
Thus, in the present invention, a strong swirl is generated in the
次に図1および図7を参照しつつ第2の吸気ポート5について説明する。図1に示されるように第2の吸気ポート5は吸気弁20の軸線回りに形成された渦巻部21と、渦巻部21から接線状に延びる吸入空気流入通路部22とを具備するヘリカル型吸気ポートからなる。図7に示されるように渦巻部21の出口部に当る燃焼室3の頂面16上には吸気弁20の弁体20aよりもわずかばかり大きな径を有する凹溝23が形成されており、この凹溝23内に吸気弁20の弁体20aが配置されている。
Next, the
このように吸気弁20の弁体20aを凹溝23内に配置すると吸気弁20の弁体20a周りから燃焼室3内に流出する吸入空気流は凹溝23の周壁面23aによってシリンダ軸線方向に案内される。即ち、凹溝23の周壁面23aは吸気弁20の弁体20a周りから流出する吸入空気流をシリンダ軸線方向に指向させるためのマスク壁を形成している。
When the
前述したように第1の吸気ポート4および第2の吸気ポート5は燃焼室3に向けて次第に下降するように傾斜しており、第1の吸気ポート4の傾斜角に比べて第2の吸気ポート5の傾斜角が大きくされている。即ち、図2において第1の吸気ポート4の吸入空気流路部8の中心軸線をL1とし、第2の吸気ポート5の吸入空気流路部22の中心軸線をL2とし、シリンダ軸線に垂直な基準面をS0とすると、第1の吸気ポート4の吸入空気流路部8の中心軸線L1と基準面S0とのなす角θ1に比べて第2の吸気ポート5の吸入空気流路部22の中心軸線L2と基準面S0とのなす角θ2は大きくされている。
As described above, the
また、図1に示されるように第1の吸気ポート4に対し設けられている吸気弁6と第2の吸気ポート5に対し設けられている吸気弁20は燃焼室3の一側に配置されており、これら第1の吸気ポート4および第2の吸気ポート5は対応する吸気弁6,20から同一方向に延びている。更に図1からわかるように第1の吸気ポート4の渦巻部7と第2の吸気ポート5の渦巻部21は吸入空気流がこれら渦巻部7,21内で同一方向に旋回するように形成されている。
Further, as shown in FIG. 1, the
図2に示されるように第2の吸気ポート5の傾斜角θ2が大きく形成されているので第2の吸気ポート5からは吸入空気が下方に向けて燃焼室3内に流入する。従って第2の吸気ポート5内から燃焼室3内に流入する吸入空気流は、第1の吸気ポート4から流入する吸入空気流によって生成されたスワール流を減速させることがなく、斯くして充填効率を高めつつ強力なスワール流を確保することができる。
As shown in FIG. 2, since the inclination angle θ 2 of the
更に本発明による実施例では第2の吸気ポート5から燃焼室3内に流入する吸入空気流に対してマスク壁23aが設けられているのでこの吸入空気流は更に確実にシリンダ軸線方向に案内される。従って、第2の吸気ポート5から流入する吸入空気流とスワール流との干渉を更に回避することができる。
Furthermore, in the embodiment according to the present invention, since the
また、本発明による実施例では第2の吸気ポート5から燃焼室3内に流入する吸入空気は図7および図8において矢印Vで示すように第1の吸気ポート4から流入する吸入空気流の旋回方向Tと同一方向に旋回しつつ燃焼室3の下方に向かい、次いで第1の吸気ポート4からの吸入空気流により生成されたスワール流の下方において同一方向に旋回する。このように第1の吸気ポート4からの吸入空気流によって燃焼室3内の上方領域にスワール流が生成され、第2の吸気ポート5からの吸入空気流によって燃焼室3内の下方領域にもスワール流が生成されるので強力なスワールが得られることになる。
Further, in the embodiment according to the present invention, the intake air flowing into the
3 燃焼室
4 第1の吸気ポート
5 第2の吸気ポート
6,20 吸気弁
7,21 渦巻部
8,22 吸入空気流入通路部
9 周壁面
10 上壁面
11 下端出口部
12 第1の側壁面
13 第2の側壁面
14a 第1の上壁面
14b 第2の上壁面
15 底壁面
18 弁座
19 吸気弁開口部
X 上層流路
Y 下層流路
Z 吸気弁開口部領域
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