JP6134700B2 - 内燃エンジン用シリンダヘッド構成 - Google Patents

Description

本発明は内燃エンジンに関し、詳しくはエンジンのシリンダヘッドの構成及びその燃焼室に関連するコンポーネントの構成に関する。

最近の内燃エンジンにおいてシリンダヘッドは複数の吸気及び排気経路を有する。当該経路は、シリンダヘッドとその下方にある各シリンダ空間との間に画定される当該燃焼室又は各燃焼室と連通する。ポペット型吸気及び排気バルブは、シリンダヘッド内に往復可能に支持される。当該バルブは、当該経路が燃焼室内に開口するシートと協働するヘッドを有する。当該バルブは、必要なタイミング関係で各経路を開閉するべく制御される。

バルブ並びにその制御を受ける吸気及び排気経路に加え、他の複数の装置も当該燃焼室又は各燃焼室と通信するべくシリンダヘッドによって支承される必要がある。ここで、これらの装置は一般的な用語「作動要素」を用いて言及される。これらの一つの具体的な言及が必ずしも、その代わりに当該他の要素の一つを代用することを妨げるものではない。例えば、スパーク点火エンジンの場合には少なくとも一つのスパークプラグが、圧縮点火エンジンの場合には燃料噴射器が存在し、スパーク点火エンジンには、噴射機及びスパークプラグ双方が各燃焼室に設けられることを要件として、各燃焼室に直接燃料が噴射されるものも存在する。例えばセンサのような他の作動要素も、燃焼室と通信する必要がある。

わかることだが、「上方」、「下方」等のような用語が、言及される各部品の配置を文字通り言及するというよりもむしろエンジン設計の慣例に従って、ここで使用される。例えば、エンジンは、例えば車両内に搭載される場合に水平方向に配置されたシリンダを有し得るが、それでもなお上方カムを有するとして言及されることが受け入れられる。ただし、搭載されたエンジンを見ると当該カムは水平シリンダの上に物理的に配置されているわけではない。

パワー出力、燃料経済、及び排気放出物の点で現在望まれている特徴を達成するべく、今日の多くのエンジン、特に自動車用途のエンジンは、一シリンダにつき単数を超える吸気及び排気バルブを組み入れたシリンダヘッド、最も一般的には一シリンダにつき２つの吸気バルブ及び２つの排気バルブを備えるいわゆる「４バルブ」配列を利用する。４バルブ配列は、シリンダのボアに関連する吸気及び排気ガス双方の流れに対し、少ないバルブの場合よりも大きなバルブ面積を与えることができる。最も一般的な配列は２つの吸気バルブを有する。これらは、シリンダボアの中心線に対して傾斜した平面に存在する往復軸を備えて配置される。当該バルブは、エンジンのクランクシャフトに対して平行であり得かつ通常はそうである第１方向において、互いから離間される。当該バルブの往復軸は互いに対して平行であるか又は互いに対して傾斜する。複数の排気バルブの往復軸は、シリンダボアに対して反対方向に傾斜するもう一つの平面内に存在する。当該平面は、吸気バルブの平面と交差する。当該複数の排気バルブは、吸気バルブのように離間されて互いに対して平行であり又は傾斜する。当該排気バルブ自体は、第１方向を横切ることがあり得かつ通常はそうである方向において吸気バルブから離間される。燃焼室は、浅い片流れ屋根構成である。これは、必要な圧縮比を達成するのに望ましい。

このようなエンジンのスパーク点火において、スパークプラグは典型的に、当該バルブのヘッド間の中心又はほぼ中心に配置され、燃料経済、排気放出物、及びパワー特性にとって代替的な配列で見出されるものよりも好ましい燃焼過程を与える。このようなエンジンの圧縮点火において、燃料噴射器は、燃焼室内に均一な燃料分布を与えるべく位置決めされ、同様の効果を達成する。このような室内に延びる噴射器及びスパークプラグ双方を備えるエンジンの場合、当該効果を達成するべく双方とも中心に取り付けられることが望ましいが、このような位置決めにとって利用可能な空間は、特にバルブヘッドのサイズが最大限にされている場合に著しく限定される。

仏国特許出願公開第２８１２０３０（Ａ１）号明細書 特開２００５−２２０７６８号公報 国際公開第２００６／０１７０５１（Ａ２）号パンフレット 欧州特許出願公開第１７７７４０３（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１９７２０４９０（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第１７０７７８３（Ａ１）号明細書 特開２００５−２５６７９１号公報

複数のバルブと、さらに各燃焼室と通信する２つ以上の作動要素とを有するシリンダヘッド設計の上述の問題に対処することが、広く本発明の目的である。

本発明の第１側面によれば、内燃エンジン用シリンダヘッドが与えられる。これは、
エンジンにおいて当該シリンダヘッドとその下方にある一シリンダ空間又は各シリンダ空間を画定する少なくとも一つの燃焼室部分と、
当該燃焼室部分又は各燃焼室部分と関連づけられた少なくとも２つのポペット型吸気バルブであって、各吸気経路部分を通る流れを制御するべく当該燃焼室部分にあるシートと協働するヘッドを有し、第１方向において互いから離間される往復軸を備えて当該シリンダヘッドに往復可能に支持される吸気バルブと、
少なくとも２つのポペット型排気バルブであって、各排気経路部分を通る流れを制御するべく当該燃焼室部分にあるシートと協働するヘッドを有し、当該第１方向においてやはり互いから離間される往復軸を備えて当該シリンダヘッドに往復可能に支持される排気バルブと、
作動要素のための少なくとも２つの受容構造体であって、当該バルブのヘッドによって制約される中心領域にある当該燃焼室部分内に開口する受容構造体と
を含み、
当該受容構造体は、当該燃焼室部分から離れて延びるにつれて一般に当該第１方向に発散するように互いに対して傾斜する。

好ましくは、排気バルブは、第１方向を横切る第２方向において吸気バルブから離間される。受容構造体は第２方向において互いから離間される。

好ましくは、受容構造体は、クランクシャフトに対してエンジンを横切って互いから離間される。

好ましくは、受容構造体は、燃焼室部分に近接する各端が互いに隣接する。

吸気バルブの往復軸は互いに対して実質的に平行でありかつ第１平面内に存在する。

排気バルブの往復軸は互いに対して実質的に平行でありかつ第２平面内に存在する。

第１及び第２平面は互いに対して傾斜し、単数又は複数のシリンダ空間内で一般に交差する。

第１及び第２平面間の交差軸は、シリンダヘッドが使用されるエンジンのクランクシャフトの回転軸に対して実質的に平行である。

作動要素はスパークプラグ及び噴射器を含む。

本発明において、当該要素は当該バルブ間の中心セクションに配置され、噴射器及びスパークプラグを吸気及び排気バルブそれぞれに最も密接して取り付けることができる。これらは互いに密に近接して配置され、バルブサイズの最小化効果が得られる。噴射器及びスパークプラグが並んで取り付けられる既存のシリンダヘッド設計とは逆に、噴射器及びスパークプラグの狭い方の端のみが互いに並べられる。これにより、他の設計におけるよりも、その先端を密に一緒とすることができる。噴射器及びスパークプラグは、互いに対して対向する角度で配置される。その結果、スパークプラグ及び噴射器本体の広い方の上領域が分離される。

本発明はまた、本発明の第１側面に係るシリンダヘッドを有する内燃エンジンも与える。

噴射器が、その配置角度を補償する態様で燃料を分布させるべく適合されるので、シリンダ中心軸に対して燃料の実質的に対称的な分布が得られる。したがって、噴射器は、当該噴射器の角度を補償するべく設けられる非対称性噴霧パターンを有する。これにより、噴射器が直立したのと同じ効果が得られる一方、これがもたらすパッケージングの制約が回避される。

添付図面の補助により、本発明の一実施例が、例示のみを目的として以下に記載される。

本発明に係るシリンダヘッドの一部の動作コンポーネントを排気側から示す。 本発明の動作コンポーネントを、シリンダヘッドに沿って見た図である。左側が吸気側、右側が排気側である。 本発明の動作コンポーネントの、シリンダヘッドの直上からの図である。 非対称性噴霧パターンを有する噴射器の側方からの図である。 図４における図を９０度回転させて示す。 噴射器の非対称性噴霧パターンの下方からの図である。

まず図面の図１から３を参照すると、これらは、往復内燃エンジンのシリンダヘッドにおける本発明に関連する主要コンポーネントを示している。シリンダヘッドは詳細に示されていないが、例示される部品は、一般に１０として示される燃焼室部分に関連する。燃焼室部分は、シリンダ空間１４に対向する燃焼室の屋根部分１２を画定する。シリンダ空間１４内では、ピストン（図示せず）が往復可能である。シリンダの中心線（及びピストンの往復軸）が１６として示される。シリンダヘッドの平坦な下表面又はデッキ１８が、シリンダブロックの対向上表面に載置される。シリンダブロックにはシリンダ空間１４が設けられる。

シリンダヘッド１０は、以下に記載される本発明に係る所定コンポーネントの特定的な配置を除いて完全に従来型である。これは、マルチシリンダエンジンのシリンダヘッドである。この場合、シリンダヘッドには、１０のような所定数の燃焼室部分が設けられ、各部分はそれ自体の関連コンポーネントを有する。

例示されるシリンダヘッドの燃焼室部分１０は、２つの吸気バルブ２０及び２つの排気バルブ２２を有する。これらはポペットバルブである。各吸気バルブは、ヘッド２０ａ及びバルブステム２０ｂを含む。各排気バルブもバルブヘッド及びバルブステムを含む。各バルブのステムは、シリンダヘッド内の適切なバルブガイドに支持される。その結果、バルブは、各バルブステムの中心長手軸である軸に沿って往復可能となる。バルブヘッドは、シリンダヘッドの燃焼室部分にある各シートと係合可能である。その結果、バルブは、シリンダヘッドに設けられた各吸気経路及び排気経路を通るガスの流れを制御することができる。図２は、閉位置にある吸気バルブ２０及び排気バルブ２２それぞれを示す。これらは、シリンダヘッドにおいて吸気経路２４及び排気経路２６を閉止する。例示される経路２４、２６の態様は略図のみである。

バルブ２０、２２はそれぞれ、図示されるように、２８として示される各バルブの閉止スプリング組付体によって閉位置へばね付勢される。このようなバルブスプリング組付体はそれぞれが、２つの反対方向に巻かれたらせん圧縮スプリングを含む。当該スプリングは、各バルブステムの自由端に隣接して支承されるバルブキャップと、シリンダヘッド上で支持表面に係合する当接プレートとの間で圧縮される。当該組付体は当業者にとって周知であるから、ここではこれ以上記載しない。

必要な場合にバルブを閉位置から変位させるべく、任意の適切なバルブ作動機構が設けられる。例示されるように、二重の上方カムシャフト配列が採用される。これは、吸気バルブ２０作動用の吸気カムシャフト３２と、排気バルブ２２作動用の排気カムシャフト３４とを含む。カムシャフトは、任意の適切な駆動機構によってエンジンに対するタイミング関係で駆動される。任意の適切なカム追従機構又は単数若しくは複数のコンポーネントが、カムシャフト上のカム構造体（３２ａ、３４ａ）間に介在される。その結果、バルブは、カム構造体の構成に従って開とされ及び閉が許容される。エンジンの回転とカム構造体の回転との間のタイミング関係を変化させるための措置が、知られている態様で行われる。

内燃エンジンのバルブが、例示されたカムシャフト及びリターンスプリングの配列以外の手段によって制御され得ることが知られている。例えば、金属スプリングの代わりに空気圧バルブリターン装置が利用される。バルブを動電学的に動作させることも提案されている。本発明に係るエンジンは、このような方法の１つを代替的に利用することができる。

例示される吸気バルブ２０の往復軸は、シリンダ軸１６に対して傾斜する平面内で互いから離間されて存在する。同様に排気バルブ２２の往復軸は、シリンダ軸１６に対して反対方向に傾斜する第２平面内に存在する。エンジンがマルチシリンダエンジンの場合、吸気バルブの往復軸すべてが共通平面内に存在する。同様に排気バルブの往復軸すべてはさらなる共通平面内に存在する。当該平面は、シリンダ空間、又は一般に単数若しくは複数の燃焼室の下にある空間において、いくつかの点で交差する。このような平面は、エンジンのクランクシャフトの回転軸に対して平行な一直線で交差する。吸気バルブの往復軸は互いに対して平行であり又は傾斜する。排気バルブの往復軸も互いに対して平行であり又は傾斜する。

図面の図３を考慮すれば、上述のバルブ配列によって、当該ヘッドが、シリンダヘッドの燃焼室部分にあるシートがシリンダ軸１６の領域において互いに極めて密に近接するようなサイズであることは明らかである。したがって、作動要素すなわちスパークプラグ３８及び燃料噴射器４０を収容するのに利用可能な空間は、極めて限られる。スパークプラグ３８及び燃料噴射器４０は、燃焼室部分１０下方の燃焼室内に開口するシリンダヘッドの各受容構造体に受容される。このような受容構造体は、例示において詳細に示されない。典型的には、スパークプラグ用受容構造体が、燃焼室内に続くねじ切りされたボアである一方、燃料噴射器用受容構造体は同様であるか又はクランプ配列によって保持される噴射器である。ただし、このような作動要素を所定位置に保持する任意の適切な方法を利用することができる。したがって、本発明によれば、スパークプラグ及び燃料噴射器のための受容構造体、ひいてはスパークプラグ及び噴射器自体が、燃焼室から離れて延びるにつれて互いから発散するように互いに対して傾斜される。このような発散は一般に、排気バルブが互いから離間されかつ吸気バルブが互いから離間される方向にある。受容構造体自体は、燃焼室を横切って吸気バルブが互いから離間されかつ排気バルブが互いから離間される方向を横切る方向に互いに隣接して存在する。例示のとおり、スパークプラグ３８が燃焼室の「排気」側に存在する一方、燃料噴射器は燃焼室の「吸気」側に存在する。ただし、必要に応じて他の配列も利用できる。受容構造体が燃焼室から離れて延びるにつれて発散することが言及される場合、受容される作動要素の遠位端が発散するような所定の方向が意図される。これは、受容構造体が燃焼室内に開口しかつ密に隣接する場合に、受容構造体が当該室から離れて延びるにつれて互いに密に近接し得る可能性を妨げるものではない。

図１は、受容構造体及びこれに支承される作動要素の当該発散の程度を示す。スパークプラグ及び燃料噴射器が、側方から見て互いに対して鋭角に傾斜される一方、燃料噴射器の中心軸は角度Ａだけシリンダヘッドデッキ１８の平面に対して傾斜され、かつ、スパークプラグは角度Ｂだけシリンダヘッドデッキに対して傾斜される。この図面からわかることだが、シリンダ空間に近接する噴射器及びスパークプラグの先端は互いに隣接する。

上述の配列により、スパークプラグ及び燃料噴射器双方を、シリンダ軸１６の近くに位置決めすることができる。これにより、燃焼過程についての上述の有益な効果及びその有利な結果が達成される。エンジン（マルチシリンダエンジンの場合）の長さ方向に傾斜され、かつ、当該エンジンを（クランクシャフトに対して）横切る方向に離間されることにより、スパークプラグ及び噴射器の燃焼室から離れた端は、互いから並びに吸気バルブ及び排気バルブ用バルブ作動機構コンポーネントから十分に離間される。これは、エンジンのシリンダヘッド領域のためのパッケージングに有利である。同様に、これらが燃焼室の屋根に整合する点において離間することにより、大きなバルブヘッドにとって利用可能な空間及び燃焼室内に開口する経路が最大限にされる。これにより、エンジン内へ及びエンジンからのガスの流れを最大化することができるので、エンジン効率及び性能を最適化することができる。

所定の状況においては、燃料の分布がシリンダ軸１６まわりに実質的に対称的な態様で燃料噴射器がシリンダ空間内に燃料を噴射することが望ましい場合がある。これを目的として、燃料噴射器４０は、当該噴射器の軸に対して非対称な噴霧パターンを有し得る。これは、図面の図４から６を参照して例示される。これらの図は、燃料噴射器４０の６つの出口アパチャから出現する燃料粒子の円錐を示す。噴射される燃料の円錐パターンが、噴射器に対して並びにシリンダ軸１６の配向及び位置に対して図４及び６から明確にわかる。わかることだが、燃料の噴射は、噴射器４０の傾斜にもかかわらず軸１６に対して実質的に対称的である。

本明細書及び特許請求の範囲において使用される場合、用語「含む」及びそのバリエーションは、特定される特徴、ステップ、又は整数が含まれることが意図される。当該用語は、他の特徴、ステップ、又はコンポーネントを除外するものと解釈してはならない。

上述の記載又は以下の特許請求の範囲若しくは添付図面に、その特定の形態で又は開示された機能を実行する手段若しくは開示された結果を得る方法若しくは過程の点で、開示された特徴は、適宜、別個に又は当該特徴の任意の組み合わせで本発明を多様な態様で利用することができる。

Claims (12)

1. 少なくとも一つの燃焼室部分を含む内燃エンジンのシリンダヘッドであって、
   前記内燃エンジンはシリンダ中心軸に沿って延びるシリンダ空間を含み、
   前記燃焼室部分又は各燃焼室部分は、
   前記シリンダヘッドに支持されて、前記シリンダ中心軸を横切る第１方向において互いから離間された往復軸を備える少なくとも２つの吸気バルブと、
   前記第１方向においてやはり互いから離間された往復軸を備える少なくとも２つの排気バルブと、
   作動要素のための少なくとも２つの受容構造体と
   を含み、
   前記受容構造体は、前記吸気バルブ及び排気バルブのヘッドによって制約される中心領域において前記燃焼室部分内に開口し、
   前記受容構造体は、前記燃焼室部分から離れて延びるにつれて前記第１方向に発散するように互いに対して傾斜し及び前記シリンダ中心軸を横切りかつ前記第１方向を横切る第２方向において互いから離間することにより、前記受容構造体の前記燃焼室部分から離れた端が、互いから並びに前記吸気バルブ及び排気バルブのバルブ作動機構コンポーネントから離間し、
   前記受容構造体の２つのうち、一方が前記第１方向に広がる第１平面において傾斜し、他方が前記第１平面に平行な第２平面において傾斜し、
   前記バルブ作動機構コンポーネントは、バルブスプリング組付体及びカムシャフトの少なくとも一つを含むシリンダヘッド。
2. 前記受容構造体は、前記燃焼室部分に近接する各端が互いに隣接する、請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記受容構造体はそれぞれが、前記シリンダヘッドのデッキ表面に対して傾斜される、請求項１又は２に記載のシリンダヘッド。
4. 前記吸気バルブの往復軸は、前記シリンダ中心軸に対して傾斜する第３平面内に存在する、請求項１から３のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
5. 前記吸気バルブの往復軸は互いに対して実質的に平行である、請求項４に記載のシリンダヘッド。
6. 前記排気バルブの往復軸は、前記シリンダ中心軸に対して前記第３平面の反対方向に傾斜する第４平面内に存在する、請求項４に記載のシリンダヘッド。
7. 前記排気バルブの往復軸は互いに対して実質的に平行である、請求項６に記載のシリンダヘッド。
8. 前記第３平面及び第４平面は前記シリンダ空間において交差する、請求項６に記載のシリンダヘッド。
9. 前記第３平面及び第４平面は、前記内燃エンジンのクランクシャフトの回転軸に対して平行な一直線で交差する、請求項８に記載のシリンダヘッド。
10. 前記作動要素はスパークプラグ及び燃料噴射器を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
11. 前記燃料噴射器は、前記シリンダ中心軸に対して燃料の実質的に対称的、かつ、前記燃料噴射器に対して非対称的な分布が得られるように燃料を分布させるべく適合される、請求項１０に記載のシリンダヘッド。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のシリンダヘッドを含む内燃エンジン。

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