JP6402997B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、一気筒当たり二つの吸気弁を有する内燃機関に関する。

一気筒当たり二つの吸気弁を有する内燃機関が広く知られている。かかる内燃機関は、シリンダライナを囲繞するシリンダブロックと、シリンダブロックに接合され、シリンダライナの内部を往復運動するピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダヘッドと、を備えている。シリンダヘッドは、燃焼室に開口し、二つの吸気弁でそれぞれ開閉される二つの吸気口と、燃焼室ごとに設けられ、吸入された空気を二つの吸気口に分配する吸気ポートと、を含んでいる。吸気ポートは、上流側に設けられる上流側ポートと、下流側に設けられ、入口が上流側ポートから分岐し、出口が吸気口に連通する下流側ポート（分岐ポート）と、を有している（例えば、特許文献１参照）。

かかる吸気ポートの上流側に一つのインジェクタ（燃料噴射装置）を設置する場合には、燃料噴射の制約上、吸気ポートが平面視Ｙ字状に形成され、下流側ポートの軸線が、下流側ポートの入口中心と出口中心とを通る平面視直線上に配置される。そして、燃焼室に吸入される空気は、下流側ポートを通り燃焼室内壁に向かって流れる。これにより、空気は燃焼室内壁に沿って吸入されるが、空気は減少され、燃焼室に吸入される空気の流量は低下する。
特に、燃焼室に生成される縦渦（タンブル流）の強化を目的に、吸気口と排気口との間に側壁が設けられた場合には、空気の流れは当該側壁により阻害され、燃焼室に吸入される空気の流量の低下は顕著である。

特開２００７−３０９１２１号公報

しかしながら、下流側ポートごとにインジェクタ（燃料噴射装置）を設置する場合には、燃料噴射の制約により、吸気ポートを平面視Ｙ字状に形成する必要はない。
上記実情を鑑みて、本願発明は、燃焼室に吸入される空気の流量が十分に確保される内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、一気筒当たり二つの吸気弁を有する内燃機関であって、シリンダライナを囲繞するシリンダブロックと、該シリンダブロックに接合され、前記シリンダライナの内部を軸線方向に往復運動するピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダヘッドと、を備え、前記シリンダヘッドは、前記燃焼室ごとに開口し、二つの吸気弁でそれぞれ開閉される二つの吸気口と、前記燃焼室ごとに設けられ、前記二つの吸気口のそれぞれに連通する吸気ポートと、を含み、前記吸気ポートは、上流側に設けられる一つの上流側ポートと、下流側に設けられ、入口が前記一つの上流側ポートから分岐し、出口がそれぞれ前記二つの吸気口に連通する二つの下流側ポートと、を有し、前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方は、軸線が前記下流側ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりも前記シリンダヘッドの平面視において吸気弁配列方向外側に湾曲する。

本発明によれば、二つの下流側ポートのうち少なくとも一方の下流側ポートは、軸線が下流側ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりもシリンダヘッドの平面視において吸気弁配列方向外側に湾曲するので、二つの下流側ポートのうち少なくとも一方の下流側ポートから吸入される空気の流線がシリンダの軸線を通る吸排気方向に沿う面に向かう。これにより、燃焼室内壁に沿って流れる空気が減少し、燃焼室内壁で生じる抵抗が小さくなるので、燃焼室に吸入される空気の流量が十分に確保される。

本発明の一態様では、前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方は、前記下流側ポートの軸線と直交する前記出口の断面形状が円形であり、前記下流側ポートの軸線と直交する流路断面積が前記下流側ポートの軸線と直交する前記出口の断面積以上である。
このようにすれば、二つの下流側ポートのうち少なくとも一方の下流側ポートは、下流側ポートの軸線と直交する出口の断面形状が円形であり、下流側ポートの軸線と直交する流路断面積が下流側ポートの軸線と直交する出口の断面積以上であるので、二つの下流側ポートのうち少なくとも一方の下流側ポートから吸入される空気はスムースに吸入される。

本発明の一態様では、前記吸気ポートは、前記一つの上流側ポートと前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方とが前記シリンダヘッドの側面視において同一の直線上に配置される。
このようにすれば、内燃機関は、燃焼室内における縦渦の生成が強化され、効率的な燃焼が可能になる。

本発明の一態様では、前記シリンダライナの軸線を通る吸排気方向に沿う面を対称面に前記二つの下流側ポートのうちの一方と他方とが対称である。
このようにすれば、一方の下流側ポートから吸入される空気の流量と他方の下流側ポートから吸入される空気の流量とを均一にすることができる。

本発明の一態様では、前記二つの下流側ポートは、前記二つの下流側ポートの軸線をそれぞれ前記シリンダライナに向けて延長した場合に前記シリンダライナの内壁面又は内側で交差する。
このようにすれば、一方の下流側ポートから吸入される空気と他方の下流側ポートから吸入される空気とがシリンダの内壁面又は内側で干渉し、吸入された空気の全てがシリンダの内壁面に衝突するのを抑制する。これにより、空気が排気側となるシリンダの内壁面から受熱する受熱量を減少させることができ、内燃機関のノッキングを抑制できる。

本発明の一態様では、前記二つの下流側ポートは、前記シリンダヘッドの平面視において前記シリンダライナの外径よりも幅狭な領域に形成される。
このようにすれば、シリンダのピッチ（ボア間ピッチ）を広げる必要がないので、シリンダヘッドの大型化を防止できる。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼室内壁に沿って流れる空気が減少し、燃焼室内壁で生じる抵抗が小さくなるので、燃焼室内における縦渦の生成が強化され、燃焼室に吸入される空気の流量が十分に確保される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略を示す縦断面図である。 図１に示した吸気ポートを示す側面模式図である。 図１に示した吸気ポートを示す平面模式図である。 図１に示した吸気ポートから吸入される空気とインジェクタから噴射される燃料の流れを示す側面模式図である。 図１に示した吸気ポートから吸入される空気とインジェクタから噴射される燃料の流れを示す平面模式図である。 リフト量とタンブル比との関係を示す図である。 リフト量と燃焼室に吸入される空気の流量との関係を示す図である。 タンブル比と流量係数との関係を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る内燃機関に好適な実施形態を詳細に説明する。尚、この実施形態によりこの発明が限定されるものではなく、本実施形態で説明する構成の全てが本発明の解決手段として必須とされるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１の概略を示す縦断面図である。また、図２は、図１に示した吸気ポートを示す側面模式図であり、図３は、図１に示した吸気ポートを示す平面模式図である。
本発明の実施形態に係る内燃機関（エンジン）１は、乗用車等の小型車両に搭載されるもので、複数の気筒（シリンダライナ）を有している。また、かかる内燃機関１は、一気筒当たり二つの吸気弁１１，１２と二つの排気弁１３，１４とを有している。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に接合されるシリンダヘッド３とを備えて構成される。
シリンダブロック２は、単数又は複数のシリンダライナ２１を囲繞するものであり、車両前後方向に複数のシリンダライナ２１が設けられ、これらの下方域に共通する一つのクランクシャフト（図示せず）が回転可能に支持されている。シリンダライナ２１は円筒形に形成され、シリンダライナ２１の内部には軸線方向に往復運動するピストン２３が収容されている。ピストン２３は頭部が閉塞された円筒形状に形成され、その胴部には径方向に貫通するピン穴２３１が設けられている。また、ピストン２３の胴部には、コネクティングロッド２４の一端（スモールエンド）が収容され、ピン穴２３１を挿通するピストンピン２５により、コネクティングロッド２４の一端がピストン２３に連結されている。

クランクシャフトは、コネクティングロッド２４とともに、ピストン２３の往復運動（下降運動）を回転運動に変換するもので、クランクシャフトの回転中心を通る軸線に対して平行にクランクピン２２１を有している。そして、クランクピン２２１には、コネクティングロッド２４の他端（ラージエンド）が連結されている。これにより、ピストン２３の往復運動はクランクシャフトの回転運動に変換される。

シリンダヘッド３は、シリンダライナ２１の内部を軸線方向に往復運動するピストン２３との間に燃焼室５を形成するものであり、シリンダブロック２に囲繞されたシリンダライナ２１に対応する領域ごとに二つの吸気口３１，３２と二つの排気口３３，３４とが設けられている。シリンダライナ２１に対応する領域ごとに設けられた二つの吸気口３１，３２は、二つの吸気弁１１，１２で開閉される。吸気口３１，３２は、シリンダライナ２１の配列方向に沿って一列に整列し、シリンダライナ２１ごとに形成される燃焼室５に開口する。同様に、シリンダライナ２１に対応する領域ごとに設けられた二つの排気口３３，３４は、二つの排気弁１３，１４で開閉される。排気口３３，３４は、シリンダライナ２１の配列方向に沿って一列に整列し、シリンダライナ２１ごとに形成される燃焼室５に開口する。

図２及び図３に示すように、吸気口３１，３１には、それぞれバルブシート３５，３６が設けられている。バルブシート３５，３６は、吸気弁１１，１２と密着して燃焼室５の気密を保持するとともに吸気弁１１，１２が受けた熱をシリンダヘッド３に逃がすためのものであり、本実施形態では円環状に形成されたバルブシート３５，３６がシリンダヘッド３に圧入されている。

また、図１に示すように、シリンダヘッド３は、シリンダブロック２に囲繞されたシリンダライナ２１に対応する領域ごとに吸気ポート３７と排気ポート３８とが設けられている。吸気ポート３７は、シリンダヘッド３の平面視、シリンダライナ２１の配列方向において、シリンダライナ２１の外径よりも幅狭な領域に形成され、燃焼室５に開口する二つの吸気口３１、３２に連通している。同様に、排気ポート３８は、シリンダヘッド３の平面視、シリンダライナ２１の配列方向においてシリンダライナ２１の外径よりも幅狭な領域に形成され、燃焼室５に開口する二つの排気口３３，３４に連通している。

図２及び図３に示すように、吸気ポート３７は、シリンダライナ２１の配列方向と直交する方向（以下、「吸排気方向」という）に沿って設けられている。
吸気ポート３７は、上流側ポート３７１と下流側ポート３７３とを有している。上流側ポート３７１は二つの吸気口３１，３２に対して一つ設けられる流路であり、吸気ポートの上流側に設けられている。下流側ポート３７２，３７３は一つの吸気口３１，３２に一つ設けられる流路であり、上流側ポート３７１の下流側に上流側ポート３７１から分岐して設けられている。したがって、下流側ポート３７３の入口３７４，３７５が上流側ポート３７１から二つに分岐して設けられ、下流側ポート３７２，３７３の出口３７６，３７７が吸気口３１，３２に設けられたバルブシート３５，３６の入口近傍に設けられる。

図２に示すように、本実施形態に係る吸気ポート３７は、上流側ポート３７１と下流側ポート３７２，３７３とがシリンダブロック２とシリンダヘッド３の境界面Ｋに対して狭角をなすシリンダヘッド３の側面視において一つの直線Ｌ上に設けられ、図３に示すように、シリンダライナ２１の軸線を通る吸排気方向に沿う面Ｍを対称面にして面対称に設けられている。

また、本実施形態に係る吸気ポート３７は、下流側ポート３７２、３７３の軸線Ｎ，Ｏが下流側ポート３７２の入口中心と出口中心とを結ぶ直線Ｐ，Ｑよりもシリンダヘッド３の平面視において吸気弁配列方向外側に湾曲して設けられている。そして、下流側ポート３７２，３７３の出口３７６，３７７の断面形状が円形であり、下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏと直交する流路断面積が下流側ポート３７２，３７３の入口３７４，３７５と出口３７６，３７７との間で出口３７６，３７７の断面積以上である。そして、二つの下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏをそれぞれシリンダライナ２１に向けて延長した延長線Ｒ，Ｓはシリンダライナ２１の内壁面２１１又は内側で交差する。

図１に示すように、シリンダヘッド３は、吸気口３１，３２ごとにインジェクタ４１，４２を備えている。インジェクタ４１，４２は、燃料供給装置（図示せず）から供給された燃料をＥＣＵ６からの指令により燃焼室５に向けて噴射するものであり、本実施形態に係るインジェクタ４１，４２は、側面視において下流側ポート３７２，３７３の上流となる位置で、平面視において下流側ポート３７２，７７３の軸線Ｎ，Ｏよりも吸気弁配列方向外側で軸線Ｔ，Ｕが吸排気方向に沿う面Ｍと平行に設置されている（図５参照）。

図４は、図１に示した吸気ポート３７から吸入される空気とインジェクタ４１，４２から噴射される燃料の流れ（流線）を示す側面模式図であり、図５は、図１に示した吸気ポート３７から吸入される空気とインジェクタ４１，４２から噴射される燃料の流れ（流線）を示す平面模式図である。
図４及び図５に示すように、上述した本実施形態に係る内燃機関１は、吸気行程において、吸気弁１１，１２が開放され、吸気ポート３７から燃焼室５に空気が吸入されるととともに、インジェクタ４１，４２から吸気口３１，３２に向けて燃料が噴射される。

吸気ポート３７に吸入された空気は、上流側ポート３７１から二つの下流側ポート３７２，３７３に向かって流れ、上流側ポート３７１から二つの下流側ポート３７２，３７３に向かって流れる際に二つに分配される。そして分配された空気はそれぞれ下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏに沿って流れる。一方、インジェクタ４１，４２から吸気口３１，３２に向けて噴射された燃料は下流側ポート３７２，３７３に流れる空気に混合される。そして、燃料が混合された空気は、吸気口３１，３２から燃焼室５に吸入される。

吸気口３１，３２から燃焼室５に吸入された空気は、下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏをシリンダライナ２１に向けて延長した延長線Ｒ，Ｓに沿って流れ、燃焼室５の内部に縦渦（タンブル流）を生成する（図４参照）。尚、一方の吸気口３１から吸入された空気と他方の吸気口３２から吸入された空気とは、シリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１に到達する前に衝突し、シリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１に衝突するのを抑制する。これにより、吸気口３１，３２から燃焼室５に吸入された空気がシリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１から受熱する受熱量が抑制される。

上述した本実施形態に係る内燃機関１は、下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏが下流側ポート３７２，３７３の入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりもシリンダヘッド３の平面視において吸気弁配列方向外側に湾曲するので、下流側ポート３７２，３７３から吸入される空気の流線がシリンダライナ２１の軸線を通る吸排気方向に沿う面Ｍに向かって流れる。これにより、燃焼室５の内壁面に沿って流れる空気が減少し、燃焼室５の内壁面で生じる抵抗が小さくなるので、燃焼室５に吸入される空気の流量が十分に確保される。

また、内燃機関１は、上流側ポート３７１と下流側ポート３７２，３７３とがシリンダブロック２とシリンダヘッド３の境界面Ｋに対して狭角をなす側面視一つの直線Ｌ上に設けられるので、燃焼室５内における縦渦の生成が強化され、効率的な燃焼が可能となる。

また、上流側ポート３７１と下流側ポート３７２とがシリンダライナ２１の軸線を通る吸排気方向に沿う面Ｍを対称面にして対称に設けられることにより、一方の下流側ポート３７２から吸入される空気の流量と他方の下流側ポート３７３から吸入される空気の流量とを均一にすることができる。

また、内燃機関１は、下流側ポート３７２，３７３の出口３７６，３７７の断面形状が円形であり、下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏと直交する流路断面積が下流側ポート３７２，３７３の入口３７４，３７５と出口３７６，３７７との間で出口３７６，３７７の断面積以上であるので、下流側ポート３７２，３７３から吸入される空気はスムースに吸入される。

また、内燃機関１は、二つの下流側ポート３７２，３７３の軸線Ｎ，Ｏをそれぞれシリンダライナ２１に向けて延長した延長線Ｒ，Ｓがシリンダライナ２１の内壁面２１１又は内側で交差するので、一方の吸気口３１から吸入された空気と他方の吸気口３２から吸入された空気とは、シリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１に到達する前に衝突し、シリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１に衝突するのを抑制する。これにより、吸気口３１，３２から燃焼室５に吸入された空気がシリンダライナ２１の排気側となる内壁面２１１から受熱する受熱量が抑制されるので、内燃機関１のノッキングを抑制できる。

また、吸気ポート３７と排気ポート３８がシリンダヘッド３の平面視、シリンダライナ２１の配列方向においてシリンダライナ２１の外径よりも幅狭な領域に形成されるので、シリンダライナ２１のピッチ（ボア間ピッチ）を広げる必要がないので、シリンダヘッド３の大型化を防止することができる。

図６は、吸気弁１１，１２のリフト量とタンブル比との関係を示す図であり、図７は、吸気弁１１，１２のリフト量と燃焼室５に吸入される空気の流量との関係を示す図である。ここでは、背景技術の欄で説明した吸気ポートが平面視Ｙ字状に形成され、下流側ポートの軸線が、下流側ポートの入口中心と出口中心とを通る平面投影視直線上に配置された内燃機関を比較対象とする。

図６に示すように、吸気弁１１，１２のリフト量とタンブル比との関係において、リフト量が小さい場合には、本実施形態に係る内燃機関１のタンブル比と比較対象とする内燃機関のタンブル比とは略同一であり、本実施形態に係る内燃機関１の優位性は認められない。しかしながら、リフト量が大きくなると本実施形態に係る内燃機関１のタンブル比は比較対象とする内燃機関のタンブル比を上まわり、本実施形態に係る内燃機関１の優位性が認められる。

また、図７に示すように、吸気弁１１，１２のリフト量と燃焼室５に吸入される空気の流量との関係において、リフト量が小さい場合には、本実施形態に係る内燃機関１の流量と比較対象とする内燃機関の流量とは略同一であり、本実施形態に係る内燃機関１の優位性は認められない。しかしながら、リフト量が大きくなると本実施形態に係る内燃機関１の流量は比較対象とする内燃機関の流量を上まわり、本実施形態に係る内燃機関１の優位性が認められる。

図８は、タンブル比と流量係数との関係を示す図である。
図８に示すように、一般に、タンブル比と流量係数とはトレードオフの関係にありタンブル比を小さくすると流量係数が小さくする関係にある。しかしながら、本実施形態に係る内燃機関１は、タンブル比が大きくしても流量係数を高く維持することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る内燃機関１は、流量係数を高く維持し、タンブル比を大きくすることができるので、燃焼室５に吸入される空気の流量が十分に確保される。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼室に流入される空気の流量が十分に確保されるので、内燃機関全般に有効に利用可能である。

１ 内燃機関
１１，１２ 吸気弁
１３，１４ 排気弁
２ シリンダブロック
２１ シリンダライナ
２１１ 内壁面
２２１ クランクピン
２３ ピストン
２３１ ピン穴
２４ コネクティングロッド
２５ ピストンピン
３ シリンダヘッド
３１，３２ 吸気口
３３，３４ 排気口
３５，３６ バルブシート
３７ 吸気ポート
３７１ 上流側ポート
３７２，３７３ 下流側ポート
３７４，３７５ 入口
３７６，３７７ 出口
３８ 排気ポート
４１，４２ インジェクタ
５ 燃焼室

Claims (5)

1. 一気筒当たり二つの吸気弁を有する内燃機関であって、
   シリンダライナを囲繞するシリンダブロックと、
   該シリンダブロックに接合され、前記シリンダライナの内部を軸線方向に往復運動するピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダヘッドと、
   を備え、
   前記シリンダヘッドは、
   前記燃焼室ごとに開口し、二つの吸気弁でそれぞれ開閉される二つの吸気口と、
   前記燃焼室ごとに設けられ、前記二つの吸気口のそれぞれに連通する吸気ポートと、を含み、
   前記吸気ポートは、上流側に設けられる一つの上流側ポートと、下流側に設けられ、入口が前記一つの上流側ポートから分岐し、出口がそれぞれ前記二つの吸気口に連通する二つの下流側ポートと、を有し、
   前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方は、軸線が前記下流側ポートの入口中心と出口中心とを結ぶ直線よりも前記シリンダヘッドの平面視において吸気弁配列方向外側に湾曲し、かつ
   前記一つの上流側ポートと前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方とが前記シリンダヘッドの側面視において同一の直線上に配置されることを特徴とする内燃機関。
2. 前記二つの下流側ポートのうち少なくとも一方は、前記下流側ポートの軸線と直交する前記出口の断面形状が円形であり、前記下流側ポートの軸線と直交する流路断面積が前記下流側ポートの軸線と直交する前記出口の断面積以上であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記シリンダライナの軸線を通る吸排気方向に沿う面を対称面に前記二つの下流側ポートのうち一方と他方とが対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記二つの下流側ポートは、前記二つの下流側ポートの軸線をそれぞれ前記シリンダライナに向けて延長した場合に前記シリンダライナの内壁面又は内側で交差することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記二つの下流側ポートは、前記シリンダヘッドの平面視において前記シリンダライナの外径よりも幅狭な領域に形成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関。

Images