JP6561480B2

JP6561480B2 - エンジンの吸気ポート構造

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Publication number: JP6561480B2
Application number: JP2015015376A
Authority: JP
Inventors: 遼森岡; 智吉川; 義幸干場
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: CN107208569B; JP2016138534A; CN107208569A; WO2016121482A1

Description

この発明は、燃焼室内で良好な燃焼を可能とするエンジンの吸気ポート構造に関する。

従来から、エンジンの燃焼室内に、シリンダボアの軸心方向に沿って流れる旋回流であるタンブル流（縦渦）や、シリンダボアの内周面の周方向に沿って流れる旋回流であるスワール流（横渦）を発生させる種々の技術が知られている。

タンブル流を発生させる技術としては、例えば、吸気ポート内に設けた吸気流制御弁によって、その吸気ポート内の遮蔽度合いを変化させて、タンブル流を生成させるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、吸気ポート内に設けたノズルから、バルブスロート部の壁面に沿って下向きに空気を噴出することにより、タンブル流を生成させるものもある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、タンブル流を強化するために、吸気ポートの内径を縮小するとともに、その吸気ポートにおけるシリンダボアの軸心から遠い側の内面にエッジ部を設ける技術がある。エッジ部を設けることにより流路断面積が小さくなり、流速の増大を図ることで、タンブル流が強化できるとされている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−３２５６０号公報特開２０１３−１２２１８８号公報特開２００７−４６４５７号公報（第３頁明細書段落００１０、第８頁第６図参照）

上記のように、燃料室内に吸気のタンブル流を生成する場合、良好な燃焼を確保するために、そのタンブル流をさらに強化したいという要請がある。しかし、タンブル流を強化するために、種々の弁装置やノズルを追加することは、装置の複雑化やコストの増大につながるので限界がある。

また、特許文献３の技術によれば、吸気ポート内のエッジ部周辺において吸気通路が屈曲するので、流量係数が低下し、逆にタンブル流が弱まってしまう事態も想定される。

そこで、この発明の課題は、構造を複雑にすることなく、燃料室内のタンブル流を強化することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に接続される吸気ポートと、前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記燃焼室側からの前記シートリングの軸心方向に沿う平面視において、シリンダボアの軸心から遠い後端側に前記シートリングの内面と面一な内面一致部を備え、他のいずれかの部分に前記シートリングの内面よりも内側に突出する張り出し部を備え、前記張り出し部のある箇所の流路の断面積を前記シートリングの流路の断面積よりも小さくしたエンジンの吸気ポート構造を採用した。

ここで、前記張り出し部は、前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面のうち前記後端側とシリンダボアの軸心に近い前端側との間を結ぶ側方部のいずれかの側又は両側に設けられる構成を採用することができる。

さらに、前記内面一致部は、前記シートリングの内面の上流側に連続する吸気ポートの内面のうち前記前端側に設けられる構成を採用することができる。

あるいは、前記前端側に張り出し部を備え、前記側方部の張り出し部における前記シートリングの内面からの内側への最大突出長さは、前記前端側の張り出し部における前記シートリングの内面からの内側への最大突出長さよりも大きく設定した構成を採用することができる。

これらの各構成において、前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記前端側と前記後端側とを結ぶ前後方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも大きく設定される構成を採用することができる。

これらの各構成において、前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記後端側と前記前端側のそれぞれに前記シートリングの軸心回りの円弧状部を備え、前記後端側の円弧状部の半径を前記前端側の円弧状部の半径よりも大きく設定した構成を採用することができる。

この発明は、シートリングの内面の上流側に連続する吸気ポートの内面に、燃焼室側からのシートリングの軸心方向に沿う平面視において、シリンダボアの軸心から遠い後端側にシートリングの内面と面一な内面一致部を備え、他のいずれかの部分にシートリングの内面よりも内側に突出する張り出し部を備えたので、吸気の流量を維持又は増加させつつ、タンブル比、すなわち、ピストンが一往復する間のタンブル流の回転数を向上させることができる。このため、構造を複雑にすることなく、燃料室内のタンブル流を強化することができる。

この発明の実施形態を示し、（ａ）は吸気ポートの要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の変形例である。この発明の効果を示すグラフ図である。（ａ）（ｂ）は他の実施形態を示す要部拡大図である。（ａ）（ｂ）は吸気ポートの加工方法を示す説明図、（ｃ）はその完成時を示す説明図である。エンジンの内部を模式的に示す縦断面図、（ｂ）（ｃ）は吸気ポートの詳細図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、この実施形態のエンジンの吸気ポート付近を示す要部拡大図である。図１（ｂ）はその変形例である。

エンジンの燃焼室３の配置と吸気ポート５の形状を図５に示す。この実施形態のエンジンは自動車用のディーゼルエンジンである。エンジンのシリンダ１内にはピストン２が収容されている。シリンダ１の内周面、及び、ピストン２の上面等により燃焼室３が形成されている。各シリンダの燃焼室３内に吸気を送り込む吸気通路５、燃焼室３から引き出された排気ポート７、燃焼室３内へ燃料を噴射する燃料噴射装置９等を備えている。

これらの図面では、この発明に直接関係する部材、手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。

この実施形態では、図５（ｃ）に示すように、吸気ポート５は、燃焼室３の手前で２つの通路に分岐している。また、図示していないが、排気ポート７も、燃焼室３の手前で２つの通路に分岐している。

各吸気ポート５の燃焼室３への開口部である吸気弁孔５ａは、吸気バルブ６によって開閉される。また、各排気ポート７の燃焼室３への開口部である排気弁孔７ａは、排気バルブ８によって開閉される。このとき、吸気バルブ６及び排気バルブ８は、それぞれ吸気ポート５、排気ポート７の燃焼室３に臨む領域に設けられる環状のシートリング２０に接離する。

これらの吸気バルブ６及び排気バルブ８は、シリンダヘッド４側に設けたカムシャフトの回転によって、所定のタイミングで吸気弁孔５ａ、排気弁孔７ａを開閉する。吸気バルブ６及び排気バルブ８の軸部は、吸気ポート５、排気ポート７の内面に開口する軸挿通部５ｂから、シリンダヘッド４内のカムシャフト側へ引き出されている。吸気ポート５の軸挿通部５ｂは、図５（ｂ）に示すように、吸気ポート５における吸気弁孔５ａの上流側に位置する屈曲部５ｃ、又は、その屈曲部５ｃのすぐ上流側に開口している。

図１（ａ）に示すように、シートリング２０の内面の上流側に連続する吸気ポート５の内面のうち、吸気バルブ６の軸部を支持する軸挿通部５ｂより下流側であってシートリング２０の直上に位置する部分（以下、シートリング上流部３０と称する。）は、燃焼室３側からの下面視、すなわち、燃焼室３側からのシートリング２０の軸心方向に沿う平面視において、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端側に、シートリング２０の内面と面一な内面一致部３２を備える。この実施形態では、図１（ａ）の後端部３１ｄが内面一致部３２に相当する。

また、シートリング上流部３０のうち他の部分、すなわち、前記平面視において、シリンダボアの軸心ｘに近い前端側と、その前端側と後端側とを結ぶ両側の側方部に、シートリング２０の内面よりも内側に突出する張り出し部３１を備える。この実施形態では、図１（ａ）の前端部３１ｃと側方部３１ａ、３１ｂが、張り出し部３１に相当する。そして、シートリング上流部３０全体の断面形状は、前端側と後端側とを結ぶ前後方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも大きく設定された、いわゆるオーバル形状となっている。

また、後端部３１ｄと前端部３１ｃのそれぞれに、シートリング２０の軸心回りの円弧状部を備える。側方部３１ａ、３１ｂは、後端部３１ｄと前端部３１ｃとを結ぶ直線状の内面である。側方部３１ａ、３１ｂを緩やかな円弧状としてもよい。

この張り出し部３１によって、シートリング上流部３０の流路の断面積は、シートリング２０の流路の断面積よりも小さくなる。これにより、吸気の燃焼室３内への流速を高めることができる。

ここで、シートリング上流部３０のうち、シリンダボアの軸心ｘから遠い後端部３１ｄには張り出し部３１を設けていない。張り出し部３１は、その後端部３１ｄを除く箇所に設けられる。これにより、シリンダ１の内周面に近い側での吸気の流量を確保しつつ、他の部分、すなわち、張り出し部３１を設けた側において流路を狭くして吸気の流速を高めることができる。このような、後端部３１ｄでの流量確保と、それ以外の側での流速向上により、タンブル比を向上できることが実験により確認できた。

ここで、シートリング上流部３０、すなわち、シートリング２０の内面の上流側に連続する吸気ポート５の内面とは、鋳物等の金属で構成される吸気ポート５の内面のうち、シートリング２０の直上に位置する部分を意味する。また、張り出し部３１とは、吸気ポート５内の流路の断面積を縮小するために設けられるものである。
このため、吸気バルブ６の軸部を支持する軸挿通部５ｂは、吸気ポート５の内面に突出する部分を有していても、それは張り出し部３１に該当しない。また、屈曲部５ｃの内面が、前記平面視において、シートリング２０の内面から内側に見えていても、その屈曲部５ｃの内面は流路の断面積を縮小するためのものではないので、張り出し部３１には該当しない。シートリング上流部３０は、シートリング２０の直上にあり、通常は、吸気ポート５の流路の断面積が、燃焼室３に向かって徐々に拡がる部分でもある。

図１（ｂ）に変形例を示す。図１（ｂ）において、シートリング上流部３０のうち、後端部３１ｄに内面一致部３２を、前端部３１ｃと側方部３１ａ、３１ｂに張り出し部３１を備える点は、前述の例と同様である。

また、後端部３１ｄと前端部３１ｃのそれぞれに、シートリング２０の軸心回りの円弧状部を備える点も同様である。側方部３１ａ、３１ｂは、後端部３１ｄと前端部３１ｃとを結ぶ直線状の内面である点も同様である。

この例では、後端部３１ｄの円弧状部の半径ｒｄを、前端部３１ｃの円弧状部の半径ｒｃよりも大きく設定している。このように、後端部３１ｄ側の半径を相対的に大きくすることが後端側での流量確保に効果的であり、また、前端部３１ｃ側の半径を相対的に小さくすることが前端側での流速確保に効果的である。

このように、前端部３１ｃに張り出し部３１を備える場合において、側方部３１ａ、３１ｂの張り出し部３１におけるシートリング２０の内面からの内側への最大突出長さａ、ｂは、前端部３１ｃの張り出し部３１におけるシートリング２０の内面からの内側への最大突出長さｃよりも大きく設定することが望ましい。流速向上のための流路断面積の縮小量は、前端部３１ｃよりも側方部３１ａ、３１ｂで大きく確保することが可能である。

図２に、この発明のタンブル比向上の効果を示す。従来のエンジンでは、流量とタンブル比とはトレードオフの関係にあり、流量を増大させるとタンブル比が減少してしまうという問題があった。しかし、この発明によれば、流量を増加させながらタンブル比を増加させることができるので、従来の流量とタンブル比とのトレードオフの関係を改善できる。

他の実施形態を、図３（ａ）に示す。この態様では、前記平面視において、後端部３１ｄ側に内面一致部３２を備える。また、前端部３１ｃと両側の側方部３１ａ、３１ｂに張り出し部３１を備える。ただし、側方部３１ａ、３１ｂの張り出し部３１は直線状のものではなく、シートリング２０の軸心ｏよりも前端寄りの部分にのみ、前端部３１ｃの円弧状の張り出し部３１に連続する同じく円弧状の張り出し部３１を設けている。側方部３１ａ、３１ｂの円弧状の張り出し部３１と、前端部３１ｃの円弧状の張り出し部３１とは、同心で同一の半径ｒｃからなる連続する円としているが、これらを互いに半径の異なる円弧としてもよい。また、張り出し部３１の半径ｒｃを、後端部３１ｄ側の円弧状の内面の半径ｒｄよりも小さくして、張り出し部３１の面積を増大させてもよい。

さらに他の実施形態を、図３（ｂ）に示す。この態様では、内面一致部３２は、後端部３１ｄと前端部３１ｃに設けられる。張り出し部３１は、両側の側方部３１ａ、３１ｂに設けられる。この実施形態も、シートリング上流部３０の断面形状は、前端側と後端側とを結ぶ前後方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも大きく設定された、いわゆるオーバル形状である。

これらの各態様では、両方の側方部３１ａ、３１ｂに張り出し部３１を設けたが、いずれか一方の側方部にのみ張り出し部３１を設け、他方の側方部は内面一致部３２としてもよい。

つぎに、これらの各態様の吸気ポート構造とするための製造方法（加工方法）について説明する。

シートリング上流部３０を含む吸気ポート５は、鋳造によりシリンダヘッド４とともに製作される。シートリング上流部３０の断面形状は、張り出し部３１と内面一致部３２とが介在することにより真円ではないので、鋳造時の鋳物の型をこのような形状とするか、あるいは、鋳造後の部材を三次元マシニングセンタ等で切削加工する。

つぎに、吸気弁孔５ａのうち、吸気バルブ６が当接する部分の加工を行う。加工前のシートリング２０は、吸気ポート５の燃焼室３へ臨む部分に予め圧入されて、その吸気ポート５に固定されているものとする。

まず、第１の工程では、吸気弁孔５ａの奥部内面に、燃焼室３側に向かって徐々に拡がるスロート部２２を加工する。図４（ａ）に示すように、スロートカッタＡを吸気バルブ６の中心線に一致する軸心に沿って吸気ポート５内へ所定量進入させる。スロートカッタＡを軸心周りに回転させることにより、シートリング２０の内面及びシートリング上流部３０の削り加工を行う。スロートカッタＡの加工により、シートリング２０の内面からシートリング上流部３０の内面に亘って連続する、円錐面又は球面等からなるスロート部２２を形成する。したがって、このとき、張り出し部３１や内面一致部３２の一部も削り加工される。

つぎに、第２の工程では、スロートカッタＡを取り外した後、吸気バルブ６が当接する部分、すなわち、バルブ当接部２１を加工する。図４（ｂ）に示すように、シートカッタＢを吸気バルブ６の中心線に一致する軸心に沿ってシートリング２０内へ所定量進入させる。シートカッタＢを軸心周りに回転させることにより、シートリング２０の内面の削り加工を行う。シートカッタＢの加工により、シートリング２０の内面に、円錐面又は球面等からなるバルブ当接部２１を形成する。

図４（ｃ）に示すように、スロート部２２とバルブ当接部２１とは滑らかに連続しており、したがって、張り出し部３１や内面一致部３２からシートリング２０の内面に亘って、滑らかな内面が形成される。

なお、スロート部２２がバルブ当接部２１よりも先に加工される場合もあるし、バルブ当接部２１がスロート部２２よりも先に加工される場合もある。

これらの実施形態では、自動車用のディーゼルエンジンを例に、この発明の構成を説明したが、自動車用の４サイクルガソリンエンジン、その他各種用途、各種使用のエンジンにおいても、この発明を適用できる。

１シリンダ
２ピストン
３燃焼室
４シリンダヘッド
５吸気ポート
６吸気バルブ
７排気ポート
８排気バルブ
９燃料噴射装置
２０シートリング
２１バルブ当接部
２２スロート部
３０シートリング上流部
３１張り出し部
３２内面一致部

Claims

エンジンの燃焼室に接続される吸気ポートと、
前記吸気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングとを備え、
前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記燃焼室側からの前記シートリングの軸心方向に沿う平面視において、シリンダボアの軸心から遠い後端側に前記シートリングの内面と面一な内面一致部を備え、他のいずれかの部分に前記シートリングの内面よりも内側に突出する張り出し部を備え、前記張り出し部のある箇所の流路の断面積を前記シートリングの流路の断面積よりも小さくし、
前記張り出し部は、前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面のうち前記後端側とシリンダボアの軸心に近い前端側との間を結ぶ側方部のいずれか一方の側又は両側ならびに前記前端側に設けられ、前記側方部の張り出し部における前記シートリングの内面からの内側への最大突出長さは、前記前端側の張り出し部における前記シートリングの内面からの内側への最大突出長さよりも大きく設定される
エンジンの吸気ポート構造。
前記内面一致部は、前記シートリングの内面の上流側に連続する吸気ポートの内面のうち前記前端側に設けられる
請求項１に記載のエンジンの吸気ポート構造。
前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記前端側と前記後端側とを結ぶ前後方向への最大径が、それに直交する幅方向への最大径よりも大きく設定される
請求項１又は２に記載のエンジンの吸気ポート構造。
前記シートリングの内面の上流側に連続する前記吸気ポートの内面は、前記後端側と前記前端側のそれぞれに前記シートリングの軸心回りの円弧状部を備え、
前記後端側の円弧状部の半径を前記前端側の円弧状部の半径よりも大きく設定した
請求項１から３の何れか１項に記載のエンジンの吸気ポート構造。