JP6597107B2 - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の吸気ポート構造に関し、より詳細にはポート噴射式の内燃機関の吸気ポート構造に関する。

近年、燃費向上の観点から熱効率を高めた高圧縮比の内燃機関が求められている。高圧縮比の内燃機関は、低圧縮比の機関に比べて圧縮後の混合気の温度が高くなるため、ノッキングが発生し易くなり、点火時期をリタード（遅角）する必要がある。しかしながら、点火時期をリタード（遅角）すると、燃費の向上効果が低減してしまう。このため、吸気温度ひいては混合気温度の上昇を抑制することが必要となる。

一方、内燃機関の燃焼室に吸入される空気に燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の燃料噴射弁は、吸気バルブを収容するシリンダヘッドに形成される吸気ポートの上部に取り付けられている。また、吸気ポートの入口には樹脂製のインテークマニホールドの吸気通路が取り付けられている。

吸気は、インテークマニホールドと吸気ポートを介して燃焼室に吸引されるが、この特許文献１に記載の内燃機関では、インテークマニホールド及びシリンダヘッドは燃焼室から伝わる熱によって加熱されている。このため、吸気は、インテークマニホールドやシリンダヘッドの吸気ポートの壁面から受熱することで温度上昇することが避けられない。

そこで、インテークマニホールドを、断熱性を有する樹脂材料で構成し、インテークマニホールドの樹脂製の挿入部を吸気ポートに挿入した吸気管の取付構造が提案されている（特許文献２参照）。この構造では、樹脂製の挿入部を吸気ポートに挿入し、吸気ポートの壁面のうちシリンダヘッドの壁面で構成される部分の面積を減らして、吸気の温度上昇の抑制を図っている。

特開２００４−４４４５９号公報 特開２００７−２８５１７１号公報

しかしながら、樹脂製の挿入部は肉厚が比較的に薄いので、断熱効果が小さい。このため、吸気がシリンダヘッドの吸気ポートの壁面から受熱して温度上昇することが避けられない。したがって、点火時期をリタード（遅角）すると、燃費の向上効果が低減してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、吸気温度の上昇を効果的に抑制可能な内燃機関の吸気ポート構造を提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態に係わる内燃機関の吸気ポート構造は、内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポートの内部に挿入されて該吸気ポートの内壁面を形成する断熱部材を備える内燃機関の吸気ポート構造であって、前記断熱部材は、筒状に形成されるとともに、前記シリンダヘッドに挿入され、前記断熱部材の肉厚は、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚く形成されているように構成される。

上記内燃機関の吸気ポート構造によれば、断熱部材の肉厚は、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚く形成されているので、内燃機関の燃焼室に近い側の断熱部材による断熱効果が燃焼室から離れる側よりも大きくなっている。このため、燃焼室に近い側での熱の伝達が効果的に抑制されて、燃焼室からシリンダヘッドを介して吸気に伝わる熱を効果的に遮断することができる。よって、吸気温度の上昇を効果的に抑制可能な内燃機関の吸気ポート構造を実現できる。また、断熱部材は、筒状に形成されるとともに、シリンダヘッドにシリンダヘッド側面から挿入可能に外周断面形状が吸気流れ方向に沿って同一断面形状、又は先が細くなる断面形状に形成することで、断熱部材を容易にシリンダヘッドに装着することが可能になる。

また、幾つかの実施形態では、前記吸気ポートの吸気流れ方向に沿った断面形状は、前記断熱部材の下流側端部と前記吸気ポートの内周面との間に段差が形成されているように構成される。

この場合、吸気ポートを流れる吸気が吸気ポートを逆流した場合、逆流する吸気は段差に衝突して吸気ポートの上流側への逆流を規制する。このため、吸気ポートから燃焼室内へ流入する吸気の流れを安定化することができ、吸気が滞留して吸気ポートの壁面から受熱して温度上昇が大きくなる事態を未然に防止することができる。

また、幾つかの実施形態では、前記断熱部材の吸気流れ方向下流側の肉厚は、吸気流れ方向上流側の肉厚よりも厚いとともに、全周方向の肉厚が均等な厚さを有しているように構成される。

この場合、熱が断熱部材に伝わる際、熱は断熱部材の周方向において同一の断熱効果によって熱の伝達が抑制される。このため、肉厚の薄い部分から吸気に多くの熱が伝達されて温度が上昇する場合と比較して、吸気の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、前記断熱部材の吸気流れ方向に沿った断面形状は、該断熱部材の前記燃焼室に遠い側の肉厚は一定に形成され、前記断熱部材の前記燃焼室に近い側の肉厚は前記上部の肉厚よりも厚く形成されている。

この場合、燃焼室から発生した熱は、シリンダヘッドに伝達されながら放熱されるので、
燃焼室から離れるに従って熱の伝達量は少なくなる。このため、燃焼室に近い位置に設置される断熱部材の断熱効果を高くし、燃焼室から遠い位置に設置される断熱部材の断熱効果を低くすることができる。従って、断熱部材に遠い側の肉厚を一定に形成し、断熱部材に近い側の肉厚を遠い側の肉厚よりも厚く形成することで、熱の断熱を効果的に行うことができるとともに、断熱部材を小型化することができる。

また、幾つかの実施形態では、前記シリンダヘッドに燃料を吸気ポート内に噴射する吸気ポート噴射インジェクタが設けられ、前記断熱部材は、前記吸気ポート噴射インジェクタが配設される側の部分に切欠きが設けられているように構成される。

この場合、断熱部材の吸気ポート噴射インジェクタが配設される側の部分に切欠きを設けることで、断熱部材をシリンダヘッドに挿入する際に断熱部材が吸気ポート噴射インジェクタに接触することなく、断熱部材をシリンダヘッドに挿入することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、吸気温度の上昇を効果的に抑制可能な内燃機関の吸気ポート構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸気ポート構造を示した断面図である。 同図（ａ）は断熱部材の正面視断面図であり、同図（ｂ）は断熱部材の左側面図であり、同図（ｃ）は断熱部材の右側面図である。 他の実施形態における断熱部材を示し、同図（ａ）は断熱部材の正面視断面図であり、同図（ｂ）は断熱部材の左側面図であり、同図（ｃ）は断熱部材の右側面図である。 他の実施形態に係る内燃機関の吸気ポート構造を示した断面図である。 他の実施形態に係る断熱部材を示し、同図（ａ）は断熱部材の正面視断面図であり、同図（ｂ）は断熱部材の左側面図であり、同図（ｃ）は断熱部材の右側面図であり、同図（ｄ）は断熱部材の斜視図である。

以下、添付図面に従って本実施形態に係る内燃機関の吸気ポート構造について、図１〜図５を参照しながら説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、内燃機関の全体構成について説明する。内燃機関（以下、「エンジン１」という）は、図１に示すように、シリンダ１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上部に設けられたシリンダヘッド３０と、シリンダ１１に配設されたピストン５０とを含んで構成されている。

シリンダヘッド３０の両側には、吸気管３１（吸気マニホールド）と図示しない排気管（エキゾーストマニホールド）が連結されている。

燃焼室２０は、シリンダ１１の内周面とシリンダヘッド３０の下面とピストン５０の頂面とによって構成され、シリンダヘッド３０には燃焼室２０の上部に位置するように点火プラグ３３が設けられている。

ピストン５０はコネクティングロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。ピストン５０の上部の外周面には圧力リング５１及びオイルリング５３が装着されている。

シリンダヘッド３０には、燃焼室２０に吸気を供給する吸気ポート３５と、燃焼室２０内の排気を排出する排気ポート４０とが設けられている。吸気ポート３５には、吸気管３１の吸気通路３１ａが連通し、排気ポート４０には、図示しない排気管の排気通路が接続されている。

また、吸気ポート３５には吸気バルブ３６が設けられ、排気ポート４０に排気バルブ４１が設けられ、これら吸気バルブ３６、排気バルブ４１はバルブスプリング３７，４３により閉止方向に付勢されている。吸気バルブ３６、排気バルブ４１は不図示の吸排気カムにより駆動され、吸気ポート３５、排気ポート４０を開閉する。

本実施形態に係るエンジン１は、吸気の流通時に燃料を吸入して混合気を形成するキャブレター式エンジンまたは、燃焼室内に燃料を直接噴射して供給する直噴エンジンの吸気管部を示した図である。キャブレター式エンジンは、図示しないキャブレターで生成された混合気（吸気と燃料）を吸気管３１の吸気通路３１ａ及び吸気ポート３５を介して燃焼室２０に供給する。また、直噴エンジンは図示しない直噴インジェクタを用いて燃焼室２０に直接燃料を供給することで、燃焼室内で混合気を形成する。

そして、クランクシャフトが回転することにより、吸気カム、排気カムを介して吸気バルブ３６、排気バルブ４１を開閉して、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が実行される。

吸気ポート３５は、その壁面の一部が、シリンダヘッド３０に挿着された断熱部材６０で構成されている。断熱部材６０は、合成樹脂材料で筒状（本実施形態では楕円筒状）に形成されるとともに、シリンダヘッド３０にシリンダヘッド側面から挿入可能に外周断面形状が吸気流れ方向に沿って同一断面形状（楕円筒形状）に形成されている。また、断熱部材６０の肉厚は、吸気流れ方向の上流側から下流側へ向かって厚さが暫時厚くなるように形成されている。断熱部材６０の吸気流れ方向の両端面は平行に形成されている。なお、断熱部材６０は、シリンダヘッド３０にシリンダヘッド側面から挿入可能に、吸気流れ方向の上流側から下流側へ向かって先が細くなる断面形状に形成されてもよい。

また、断熱部材６０の吸気流れ方向に沿った断面形状は、断熱部材６０の上部６０ａの肉厚Ｗａが一定に形成され、断熱部材６０の下部６０ｂの肉厚Ｗｂが前述したように上部６０ａの肉厚Ｗａよりも厚く形成されている。

断熱部材６０は、吸気ポート３５に形成された挿入孔部３５ａに挿着され、挿入孔部３５ａは、断熱部材６０の外形と相似する楕円状に形成されている。挿入孔部３５ａ内に断熱部材６０が挿入された状態において、吸気ポート３５の吸気流れ方向に沿った断面形状は、断熱部材６０の下流側端部と吸気ポート３５の内周面との間に段差３５ｂが形成されている。

このように構成されたエンジン１の吸気ポート構造によれば、断熱部材６０の下部６０ｂの肉厚Ｗｂは、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚く形成されている。このため、エンジン１の燃焼室２０に近い側の断熱部材６０の断熱効果は燃焼室２０から離れる側よりも大きい。このため、燃焼室２０に近い側の熱伝達を効果的に抑制することができ、燃焼室２０からシリンダヘッド３０を介して吸気に伝わる熱を効果的に遮断することができる。

また、吸気ポート３５を流れる吸気が吸気ポート３５を逆流した場合、逆流する吸気は段差３５ｂに衝突して吸気ポート３５の上流側への逆流を規制する。このため、吸気ポート３５から燃焼室２０内へ流入する吸気の流れを安定化することができ、吸気が吸気ポート３５に滞留して吸気ポート３５の壁面から受熱して温度上昇が大きくなる事態を未然に防止することができる。

ここで、燃焼室２０から発生した熱は、シリンダヘッド３０に伝達されながら放熱されるので、燃焼室２０から離れるに従って熱の伝達量は少なくなる。このため、燃焼室２０に近い位置に設置される断熱部材６０の断熱効果を高くし、燃焼室２０から遠い位置に設置される断熱部材６０の断熱効果を低くすることができる。従って、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、断熱部材６０の上部６０ａ（燃焼室２０に遠い側）の肉厚Ｗａを一定に形成し、断熱部材６０の下部６０ｂ（燃焼室２０に近い側）の肉厚Ｗｂを上部６０ａの肉厚Ｗａよりも厚く形成することで、熱の断熱を効果的に行うことができるとともに、断熱部材６０を小型化することができる。

なお、断熱部材６０は、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、断熱部材６０の吸気流れ方向下流側の肉厚は、吸気流れ方向上流側の肉厚よりも厚いとともに、全周方向の肉厚Ｗｃが均等な厚さを有しているように構成されてもよい。この場合、熱が断熱部材６０に伝わる際、熱は断熱部材６０の周方向においては同一の断熱効果によって熱伝達が抑制される。このため、全周方向の肉厚が均等でないものでは、肉厚の薄い部分から多くの熱が放熱されて吸気の温度を上昇させるが、全周方向の肉厚が均等なものでは吸気側への放熱量を全体的に抑えることができるので、吸気の温度上昇をより抑制することができる。

ところで、燃料を吸気ポート３５に供給する方式として、図４に示すように、吸気ポート３５に設けたインジェクタ６５から吸気ポート３５に燃料を噴射するポート噴射式を採用してもよい。インジェクタ６５は、ポンプから供給された燃料を噴射するものであり、吸気ポート３５内に噴口６５ａ１を向けた燃料噴射ノズル６５ａと、燃料噴射ノズル６５ａに設けられアクチュエータにより噴口６５ａ１を開閉する不図示のニードル弁とを含んで構成されている。燃料噴射ノズル６５ａは、シリンダヘッド３０の上部に設けられた孔部３０ａに挿入されて燃料噴射ノズル６５ａの先端部が吸気ポート３５内に延びるように配設されている。

断熱部材６０は、燃料噴射ノズル６５ａの先端部と接触しないように、燃料噴射ノズル６５ａが配設される側の部分に切欠き６１が設けられている。この切欠き６１は、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、断熱部材６０の吸気流れ方向の下流側上部を削除するように形成されている。この切欠き６１によって、断熱部材６０が燃料噴射ノズル６５ａに接触することなく、インジェクタ６５から噴射される燃料を吸気ポート３５の開口端３５ｃに向かって噴射可能である。

このように、断熱部材６０に切欠き６１を設けることで、断熱部材６０をシリンダヘッド３０に挿入する際に、断熱部材６０がインジェクタ６５に接触することなく、断熱部材６０をシリンダヘッド３０に挿入することができる。

次に、エンジン１（内燃機関）の吸気ポート製造方法について、図１を参照しながら説明する。先ず、断熱部材６０となる中実又は中空の円柱若しくは細長状の円錐に形成された棒状部材６２を所定の長さに、棒状部材中心軸線Ｓに対して側面視形状において所定の角度を持った切断面ｆで平行に切断する切断工程を行う。本実施形態では、外形形状が楕円状に形成されて中空の棒状部材６２を用意し、この棒状部材６２に対して切断加工する。

そして、切断工程によって切断された棒状部材６２を棒状部材中心軸線Ｓに沿って円柱又は円錐状に切削して吸気ポート通路６３を形成する吸気ポート通路切削工程を行う。この場合、吸気ポート通路６３の形成時には、先端側に進むに従って径が小さくなる先細ドリルを５軸加工機（左右、前後、上下の３軸に加えて回転軸を２軸追加した装置）に装着して、先細ドリルの位置や棒状部材６２の位置を制御しながら吸気ポート通路６３を形成する。

先細ドリルは、先端側に進むに従って径が小さくなる刃部と、刃部の基端側から刃部の中心軸線と同軸上に延びる軸部とを有してなる。刃部には、先細ドリルの中心軸線方向に延びて切り屑を排出するための溝部が設けられている。吸気ポート通路６３は、断熱部材６０の肉厚が、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚く形成される。

そして、吸気ポート通路切削工程によって吸気ポート通路６３が形成された断熱部材６０を、吸気ポート３５内に挿入して吸気ポート３５に形成された挿入孔部３５ａの奥側に形成された段差３５ｂに突き当てて位置決めする位置決め工程を行う。そして、位置決めされた断熱部材６０を吸気管３１（吸気マニホールド）で押え込んで断熱部材６０を吸気ポート３５に固定する固定工程を行う。

なお、吸気ポート３５にインジェクタ６５が設けられた場合におけるエンジン１の吸気ポート製造方法は、吸気ポート通路削除工程と位置決め工程との間に、吸気ポート通路６３が形成された断熱部材６０のうちインジェクタ６５が配置される側の壁面に切欠き６１を形成する切欠き工程を設ける。

ここで、エンジン１の吸気ポート製造方法の吸気ポート通路切削工程では、切断工程で切断された棒状部材６２（例えば、樹脂材料の棒状部材）を棒状部材中心軸線に沿って円柱又は円錐状に切削して吸気ポート通路６３を形成するが、切断工程で切断される切断面ｆに対して所定角度を有して円柱又は円錐状に切削するだけで、断熱部材６０の肉厚が、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚くなるように形成することができる。このため、断熱部材６０を型から成型する場合と比較して、製造コストを安価にすることができるとともに、断熱部材６０の製造を容易にすることができる。

また、棒状部材６２を所定の長さに切断する際に、棒状部材中心軸線に対して側面視において所定の角度を持った切断面ｆで平行に切断した場合、この切断面ｆを基準面としこの基準面に対して所定角度を有して円柱又は円錐状に切削するだけで、断熱部材６０の肉厚が、吸気流れ方向の下流側が上流側よりも厚くなるように形成することができる。このため、断熱部材６０をより容易に製造することができる。

吸気ポート通路削除工程と位置決め工程との間に、切欠き工程を設けた場合では、吸気ポート３５にインジェクタ６５が設けられたエンジン１に対して、断熱部材６０をシリンダヘッド３０に挿入する際に、断熱部材６０をインジェクタ６５に接触させることなく吸気ポート３５に容易に挿入することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

１ エンジン（内燃機関）
１０ シリンダブロック
１１ シリンダ
２０ 燃焼室
３０ シリンダヘッド
３０ａ 孔部
３１ 吸気管（吸気マニホールド）
３１ａ 吸気通路
３３ 点かプラグ
３５ 吸気ポート
３５ａ 挿入孔部
３５ｂ 段差
３５ｃ 開口部
３６ 吸気バルブ
３７、４３ バルブスプリング
４０ 排気ポート
４１ 排気バルブ
５０ ピストン
５１ 圧力リング
５３ オイルリング
６０ 断熱部材
６０ａ 上部
６０ｂ 下部
６１ 切欠き
６２ 棒状部材
６３ 吸気ポート通路
６５ インジェクタ（吸気ポート噴射インジェクタ）
６５ａ 燃料噴射ノズル
６５ｂ 噴口

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポートの内部に挿入されて該吸気ポートの内壁面を形成する断熱部材を備える内燃機関の吸気ポート構造であって、
   前記断熱部材は、筒状に形成されるとともに、前記シリンダヘッドに挿入され、
   前記断熱部材の吸気流れ方向下流側の肉厚は、吸気流れ方向上流側の肉厚よりも厚いとともに、全周方向の肉厚が均等な厚さを有している
   ことを特徴とする内燃機関の吸気ポート構造。
2. 前記吸気ポートの吸気流れ方向に沿った断面形状は、前記断熱部材の下流側端部と前記吸気ポートの内周面との間に段差が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
3. 前記シリンダヘッドに燃料を吸気ポート内に噴射する吸気ポート噴射インジェクタが設けられ、
   前記断熱部材は、前記吸気ポート噴射インジェクタが配設される側の部分に切欠きが設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気ポート構造。

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