JP6604249B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、より特定的には、排気ポート内の排気ガスを燃焼室内に戻す内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を備えた内燃機関に関するものである。

従来、内部ＥＧＲを備えた内燃機関は、たとえば、特開２００８−２９１６８９号公報（特許文献１）、および、実開平１−１３１８２７号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２００８−２９１６８９号公報 実開平１−１３１８２７号公報

特許文献１には、内部ＥＧＲが行なわれる際に、排気ポートからシリンダ内に流入するＥＧＲガスの量の割合が高負荷ほど多くなるように動弁装置を制御する内燃機関の制御装置が開示されている。

特許文献２には、排気ポート近傍のシリンダ上壁面、あるいは排気弁に、シリンダ内に吸入される排気ガスがシリンダ内周壁に沿った円周方向を指向するように排気流れを偏向させる部材を設けることが開示されている。

排気ポートは、シリンダ内の排気ガスをスムーズに流出させることが主な機能であり、その機能に適するように形状を設計する必要がある。しかしながら、特許文献２に示される従来の排気ポート構造では、排気偏向部材によって筒内に戻される排気ガスに指向性を持たせることはできるものの、その排気偏向部材が排気バルブのリフト量が小さい時のシリンダから排気ポート入口部にかけての排気ガスの流通経路を狭めてしまうため、排気工程でシリンダ内の排気ガスをスムーズに排気ポートへと流出させることができなくなってしまうという問題があった。

そこでこの発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、排気ポートの流量係数の低下を抑えつつ、且つ内部ＥＧＲを実施する際にシリンダ内に筒内流動を効果的に生成することが可能な排気ポートを有する内燃機関を提供することを目的とする。

この発明に従った内燃機関は、シリンダと、シリンダに接続される排気ポートと、排気ポートがシリンダに接続される部分に設けられる、バルブヘッドとバルブヘッドに接続されるバルブステムとを有する排気バルブと、バルブヘッドに当接してバルブヘッドと排気ポートとの間の気密性を保つバルブシートと、排気ポートに設けられてバルブステムを案内するステムガイドとを備え、吸気工程において排気バルブを少量リフトさせて排気ポート内の排気ガスをシリンダへ逆流させる内部ＥＧＲが可能な内燃機関であって、排気ポートは、ステムガイドが取り付けられたステムガイド取付部からバルブシートが取付けられたバルブシート取付部までの間の領域において、排気ポート内の通路面積を排気ポートの入口部よりも小さくする通路面積縮小部を備え、排気バルブの中心軸とシリンダの中心軸とを通る仮想断面において、排気ポートの通路面積縮小部が設けられた部分では、排気ポートの中心からシリンダの中心軸側の排気ポートの壁面までの距離が排気ポートの中心からシリンダの中心軸と反対側の排気ポートの壁面までの距離よりも短くなるように設定されている。

このように構成された内燃機関では、排気ポートの中心軸からシリンダ中心軸側の壁面までの距離が短いため、排気ポートからシリンダへ排気ガスを逆流させるときに、シリンダ中心側へ排気ガスが流れることが抑制される。その結果、排気ポートから逆流する排気ガスはシリンダ内周壁に沿って流れることとなり、シリンダ内にスワール（筒内流動）を形成することができる。さらに、シリンダの排気ポート入口近傍や排気バルブの裏面などに、排気バルブ低リフト時の排気経路を狭めるような特別の装置を取り付けていないため、排気ポートの流量係数の低下が抑制される。

好ましくは、内燃機関の平面視において排気ポートの中心軸は直線状に延びる。
好ましくは、通路面積縮小部は、排気ポートの壁面の一部が排気ポートの中心に向かって突出する突出部によって形成されている。

この発明に従えば、排気ポートの流量係数の低下を抑えつつ、且つ内部ＥＧＲを実施する際に筒内流動を効果的に生成することが可能な排気ポートを有する内燃機関を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る、内燃機関の排気ポートおよび排気バルブの断面図である。 図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った排気ポートの断面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。 図３中のＶ−Ｖ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。 図３中のＶＩ−ＶＩ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。 クランクシャフトの位相とバルブリフト量との関係を示すグラフである。 クランクシャフトの位相と筒内圧との関係を示すグラフである。 排気工程初期の排気バルブ１５が少量リフトした状態において、シリンダから排気ポートへと流れる排気ガスの流れの多い領域を示す、内燃機関の排気ポートおよびシリンダの断面図である。 図９中の矢印Ｘで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。 吸気工程中において排気バルブが少量リフトした状態の、内燃機関の排気ポートおよびシリンダの断面図である。 図１１中の矢印ＸＩＩで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。 変形例に従った内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る排気ポートを備えた内燃機関について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る、内燃機関の排気ポートおよび排気バルブの断面図である。図１で示すように、内燃機関１は、筒状の排気ポート２０と、排気ポート２０の開口端に設けられた排気バルブ１５とを備える。

排気ポート２０は、シリンダ内の排気ガスを排出するための排気経路である。排気ポート２０の内側を排気が通過する。排気ポート２０の中心軸２０ｃは、排気ポート２０内の排気ガスの流れ方向に沿って延びる。

排気ポートの一端のバルブシート取付部１１ａにバルブシート１１が設けられている。バルブシート１１は、排気バルブ１５のヘッド部と当接する。バルブシート１１は、排気バルブ１５が排気ポート２０の開口端を密閉するように排気ポート２０と排気バルブ１５との間に介在する。

排気バルブ１５は、バルブステム１２を有する。バルブステム１２は直線状に延びており、一方端にバルブヘッドが設けられ、他方端は排気カム５０で押圧される。排気バルブ１５は、バルブステム１２が延びる方向に往復運動をする。

バルブステムガイド３０は筒状であり、排気ポート２０を貫通するように設けられている。バルブステムガイド３０は、ステムガイド取付部３０ａに取り付けられる。バルブステムガイド３０の内周空間にバルブステム１２が嵌合している。バルブステムガイド３０とバルブステム１２との間に隙間が設けられており、バルブステム１２が往復運動をすることが許容されている。

バルブスプリング４０は、排気バルブ１５を閉じる方向へ付勢するための部材である。バルブスプリング４０の一端がシリンダヘッド６０に当接しており、他端がバルブステム１２に係合している。

排気カム５０は、排気バルブ１５を駆動させるための部材である。排気カム５０は、バルブステム１２の端部を押圧する。バルブステム１２は、バルブスプリング４０により排気カム５０に近づく方向に押圧されている。排気カム５０が回転して排気カム５０の長径部がバルブステム１２を押圧すると図１で示すように排気バルブ１５が開いた状態となる。

排気ポート２０には、排気ポート２０の中心に近づく方向に壁面を突出させた通路面積縮小部としての縮径部２１が形成されている。縮径部２１が設けられることで、縮径部２１が設けられた側における排気ガスの流量が低下する。

排気ポート２０の中心軸２０ｃは、縮径部２１が存在しないと仮定して、排気ポート２０の各部分における断面を排気ポート２０の入口部と同じ円形状とみなしたときに、その円の中心を通る線が中心軸２０ｃとなる。

図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。図２で示すように、円筒形状のシリンダ１００の中心軸１００ｃがボア中心軸となる。シリンダ１００内をピストンが往復する。1つの内燃機関１に複数のシリンダ１００が設けられる。

シリンダ１００で燃料が燃焼した後に発生する排気ガスは、排気ポート２０，５２０から排出される。図２では、二本の排気ポート２０，５２０が平行に配置される例を示しているが、一本の排気ポート２０のみが設けられていてもよい。

排気ポート２０，５２０は、内燃機関の平面視において、その中心軸２０ｃ，５２０ｃがほぼ直線状に延びるように配置されている。排気バルブの中心軸の位置を示す排気バルブ中心１０ｃと、シリンダ１００の中心軸１００ｃとを結ぶ線上に縮径部２１が設けられる。また、排気バルブの中心軸の位置を示す排気バルブ中心５１０ｃと、シリンダ１００の中心軸１００ｃとを結ぶ線上に縮径部５２１が設けられる。

図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った排気ポートの断面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。図３および図４で示すように、バルブステムガイド３０からバルブシート１１の間では、縮径部２１が設けられており、縮径部２１は、排気ポート２０の内周面から中心軸２０ｃへ向かって突出する形状を有する。図４で示す断面では、バルブステム１２の中心と排気ポート２０の中心軸２０ｃとがほぼ一致している。

排気バルブ１５のバルブステム１２の中心軸とシリンダの中心軸１００ｃとを結ぶ直線１００ｄ上に縮径部２１が位置している。図面上では、縮径部２１の先端２１ａ上を直線１００ｄが通過しているが、縮径部２１の形状によっては、必ずしも先端２１ａ上を直線１００ｄが通過する必要はない。

直線１００ｄは、排気ポート２０の縮径部２１が設けられた壁面を通過し、かつ、縮径部２１と反対側の排気ポート２０の壁面の点２０ａを通過する。排気ポート２０の中心軸２０ｃから縮径部２１までの距離ａは、排気ポート２０の中心軸２０ｃから点２０ａまでの距離ｂよりも小さい。

図５は、図３中のＶ−Ｖ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。図５で示すように、図４よりも排気ガスの流れの下流側の断面では、縮径部２１の大きさが図４と比較して大きくなっている。

図６は、図３中のＶＩ−ＶＩ線に沿った排気ポートの中心軸に垂直な排気ポートの断面図である。図６で示すように、図５よりも排気ガスの流れの下流側の断面では、縮径部２１の大きさが図５と比較して小さくなっている。

この図では、縮径部２１は、排気ポート２０の内周側へ断面山型に突出した形状とされているが、縮径部２１は、排気ポート２０の内周側に平坦部分を有する形状（図１３の形状）とされていてもよい。縮径部２１が排気ポート２０の内周側へ突出している形状であればより好ましい。

図７は、クランクシャフトの位相とバルブリフト量との関係を示すグラフである。図７で示すように、クランクシャフトの位相に応じてバルブリフト量が変化する。ＢＤＣ（bottom dead center）およびＴＤＣ（top dead center）の間でバルブリフト量は変化する。曲線５０１は排気バルブのバルブリフト量を示す。曲線５０２は吸気バルブのバルブリフト量を示す。曲線５０３は、内部ＥＧＲ用の排気バルブのバルフリフト量を示す。

この図に示すように排気バルブは吸気バルブが閉じている状態のみならず、吸気バルブが開いている状態でも曲線５０３で示すように排気バルブが開く。そのため排気ガスがシリンダ内に導入される。これが内部ＥＧＲである。

図８は、クランクシャフトの位相と筒内圧との関係を示すグラフである。図８で示すように、ＴＤＣからＢＤＣまでの間は吸気バルブおよび排気バルブともに開いているため、筒内圧は低い。ＢＤＣ後、排気バルブおよび吸気バルブの両方が閉じて圧縮工程に入ると筒内圧が上昇する。

図９は、排気工程初期の排気バルブ１５が少量リフトした状態において、シリンダから排気ポートへと流れる排気ガスの流れを示す、内燃機関の排気ポートおよびシリンダの断面図である。図１０は、図９中の矢印Ｘで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。図９で示すように排気工程では、矢印１０５で示すように、シリンダ外周側での排気流量が多くなる。

図７のバルブリフト量、および図８の筒内圧で示されるように、排気工程初期において排気バルブが開き始めた瞬間（排気バルブ１５のリフト量が小さい領域）では、シリンダ１００の筒内圧が高いため、排気バルブ１５のリフト量が小さいにもかかわらず、シリンダ１００から排気ポート２０へ流出する排気ガスの流量は大きくなる。この領域では、排気ポート２０内における排気ガスの流れは、排気ポート２０の下面に沿った流れが主流となる。このため、シリンダ１００の外周側から排気ポート２０へと流出する排気ガスの流れは、図９の矢印１０５で示すように、シリンダ１００の外周側から排気ポート２０へと流出する流れが支配的となる。その結果、図９で示す領域２９が、シリンダ１００から排気ポート２０へ流出する排気ガスのうち、その流量が最も大きくなる領域となる。

図９に示す領域２９は、排気工程初期においてシリンダ１００から排気ポート２０へ流出する排気ガスのうち、流量が最も多くなる領域を示す。排気ガスの流量が多い領域２９は、排気ポート２０の下側でシリンダ１００の外側に対応する領域である。本発明では、排気工程初期に排気ポート２０へと流れる排気ガスの流量が多くなる領域２９に従来技術（実開平１−１３１８２７号公報）に開示されるような排気ガスの流れを阻害する構成を設けていないため、排気バルブ小リフト時の流量係数の低下を招くことなく効率的な排気を行なうことができる。

図１１は、吸気工程中において排気バルブが少量リフトした状態の、内燃機関の排気ポートおよびシリンダの断面図である。図１２は、図１１中の矢印ＸＩＩで示す方向から見た内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。図１１および図１２は図７の曲線５０３において吸気工程中に排気バルブ１５が少量リフトした状態を示している。

内部ＥＧＲを行なうために、吸気工程中に排気バルブ１５を少量リフトさせると、排気ポート２０中の排気ガスがシリンダ１００内に導入される。この時、排気ポート２０には縮径部２１が存在するため、縮径部２１が設けられた側からシリンダ１００へ流出する排気ガスは少なくなり、矢印１０６で示すように、シリンダ１００の壁面に沿った流れが支配的となる。

すなわち、内燃機関１は、シリンダ１００と、シリンダ１００に接続される排気ポート２０と、排気ポート２０がシリンダ１００に接続される部分に設けられる、バルブヘッド１０とバルブヘッド１０に接続されるバルブステム１２とを有する排気バルブ１５と、バルブヘッド１０に当接してバルブヘッド１０と排気ポート２０との間の気密性を保つバルブシート１１と、排気ポート２０に設けられてバルブステム１２を案内するバルブステムガイド３０とを備え、排気ガスをＥＧＲガスとして排気ポート２０からシリンダ１００へ逆流させて内部ＥＧＲを行い、排気ポート２０は、バルブステムガイド３０が取り付けられたステムガイド取付部３０ａからバルブシート１１が取付けられたバルブシート取付部１１ａまでの間の領域において、排気ポート２０内の通路面積を排気ポート２０の入口部よりも小さくする通路面積縮小部としての縮径部２１を備え、排気バルブ１５の中心軸とシリンダの中心軸１００ｃとを通る仮想断面において、排気ポート２０の縮径部２１が設けられた部分では、排気ポート２０の中心軸２０ｃからシリンダの中心軸１００ｃ側の排気ポート２１の壁面までの距離ａが排気ポート２１の中心軸２０ｃからシリンダの中心軸１００ｃと反対側の排気ポート２０の壁面までの距離ｂよりも短くなるように設定されている。

吸気工程中において排気バルブ１５を少量リフトして排気ポート２０からシリンダ１００へ排気ポート２０内の排気ガスの一部を流入させる工程では、排気バルブ１５のリフト量が小さいためバルブ近傍に形成される流路の流路面積は狭い。従って、排気ポート２０内部から少量リフトする排気バルブ１５近傍では流路面積が急変することとなる。このため、排気ポート２０の下面から排気バルブ１５へ流れる排気ガスは、その流れ方向を保ったままシリンダ１００内へ流入する。この時、排気ポート２０の排気ガス出口付近には、シリンダ中心軸側に縮径部２１が存在するため、排気ポート２０からシリンダ１００へ流出する排気ガスはシリンダ１００の壁に沿って流れることとなる。これにより、ＥＧＲガスに強いスワールを生成することができる。

以上のことから、バルブ中心とシリンダ中心を含む仮想面と交差する排気ポートのシリンダ中心側部分の通路面積を縮小させることにより、低バルブリフト時における排気ポートの流量係数の低下を招くことなく、内部ＥＧＲを実施する際に筒内流動（スワール）を効果的に生成することが可能となる。

さらに、縮径部２１は、排気ポート２０の内部に向かって突出するように設けられているため、縮径部２１において流路を効果的に減少させることができる。その結果、内部ＥＧＲ工程において確実にスワールを発生させることができる。

また、図２で示すように、排気ポート２０，５２０が直線形状であるため、特許文献１で示すようなタンジェンシャルポートで排気ポートを構成した内燃機関と比較して、流量係数を大きくすることが可能である。

さらに、図２で示す構造において、内部ＥＧＲ工程で排気ポート２０，５２０の両方で排気バルブを開くと、矢印Ｒ１で示す方向のスワールと矢印Ｒ２で示す方向のスワールが発生し、２つのスワールが衝突する。これを避けるためには、排気ポート２０，５２０のうち一方の排気バルブを開き、他方の排気バルブを閉じる。これによりスワールの衝突を防止することができる。

図１３は、変形例に従った内燃機関の排気ポートおよびシリンダの平面図である。図１３で示すように、縮径部２１は、平坦な形状とされていてもよい。この場合、縮径部２１が平坦形状（平面形状）であるため、縮径部２１を製造しやすくなる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、車両に搭載される内燃機関の分野において用いることができる。

１ 内燃機関、１０ バルブヘッド、１０ｃ，５１０ｃ 排気バルブ中心、１１ バルブシート、１１ａ バルブシート取付部、１２ バルブステム、１５ 排気バルブ、２０，５２０ 排気ポート、２０ａ 点、２０ｃ，１００ｃ，５２０ｃ 中心軸、２１，５２１ 縮径部、２１ａ 先端、２９ 領域、３０ バルブステムガイド、３０ａ ステムガイド取付部、４０ バルブスプリング、５０ 排気カム、６０ シリンダヘッド、１００ シリンダ、１００ｄ 直線。

Claims (3)

1. シリンダと、
   前記シリンダに接続される筒状の排気ポートと、
   前記排気ポートが前記シリンダに接続される部分に設けられる、バルブヘッドと前記バルブヘッドに接続されるバルブステムとを有する排気バルブと、
   前記バルブヘッドに当接して前記バルブヘッドと前記排気ポートとの間の気密性を保つバルブシートと、
   前記排気ポートに設けられて前記バルブステムを案内するステムガイドとを備え、
   吸気工程において前記排気バルブを少量リフトさせて前記排気ポート内の排気ガスを前記シリンダへ逆流させる内部ＥＧＲが可能な内燃機関であって、
   前記排気ポートは、前記ステムガイドが取り付けられたステムガイド取付部から前記バルブシートが取付けられたバルブシート取付部までの間の領域において、前記排気ポート内の通路面積を前記排気ポートの入口部よりも小さくする通路面積縮小部を備え、
   前記排気バルブの中心軸と前記シリンダの中心軸とを通る仮想断面において、前記排気ポートの前記通路面積縮小部が設けられた部分では、前記排気ポートの中心から前記シリンダの中心軸側の前記排気ポートの壁面までの距離が前記排気ポートの中心から前記シリンダの中心軸と反対側の前記排気ポートの壁面までの距離よりも短くなるように設定されている、内燃機関。
2. 前記内燃機関の平面視において前記排気ポートの中心軸は直線状に延びる、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記通路面積縮小部は、前記排気ポートの壁面の一部が前記排気ポートの中心に向かって突出する突出部によって形成されている、請求項１または請求項２に記載の内燃機関。

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