JP6823373B2

JP6823373B2 - エンジン

Info

Publication number: JP6823373B2
Application number: JP2016033084A
Authority: JP
Inventors: 真亮加藤
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: JP2017150379A

Description

本発明は、吸気ポートを仕切る隔壁が設けられたエンジンに関する。

従来、燃焼室内でタンブル（縦渦）流を発生させるため、吸気ポートを２つの流路（第１流路、第２流路）に仕切る隔壁が設けられたエンジンが開発されている（例えば、特許文献１）。

このエンジンでは、負荷が低く吸気流量が少ないとき、隔壁で仕切られた第１流路の開度をＴＧＶ（Tumble Generation Valve）によって絞ることで、第２流路から燃焼室内に流入する吸気の流速を高め、燃焼室内において強いタンブル流を生成することができる。

特許第３６９４９６３号公報

しかしながら、エンジンの回転数、負荷が低く吸気流量が少ない場合には、吸気ポートから燃焼室に導かれる吸気の運動量が小さく、吸気が吸気バルブに衝突するなどして、所望のタンブル流が形成されないおそれがある。

このような場合には、燃焼室内で形成されるタンブル流が弱くなってしまい、燃料を含む混合気の燃焼速度が低下し、希釈、希薄限界が低下することで燃費が悪化、または燃焼安定性が悪化してしまうことになるといった問題があった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、燃費や燃焼安定性を向上することが可能なエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、吸気ポートが隔壁によってピストンの往復方向に第１流路と第２流路に区分けされ、該第２流路よりも該往復方向において燃焼室から離隔した該第１流路の開度がバルブによって可変されるエンジンであって、前記隔壁は、前記吸気ポートの上流側から下流側に向かって直線的に延在するストレート部と、前記ストレート部の下流側に位置し、該ストレート部に対して前記第１流路側に屈曲した屈曲部と、を備え、前記屈曲部は、前記第２流路を流れる吸気を前記第１流路側に引き付ける剥離渦を形成させる。

また、前記吸気ポートは、燃焼室に臨む開口が複数設けられ、前記屈曲部は、前記開口の形状に合わせて湾曲されているとよい。

また、前記吸気ポートは、燃焼室に臨む開口が複数設けられ、前記屈曲部は、前記ストレート部の下流側の端部において、前記開口が並ぶ方向の両端に形成されているとよい。

本発明によれば、燃費や燃焼安定性を向上することが可能となる。

エンジンの構成を説明する図である。隔壁の形状を説明するための図である。第２流路を流れる吸気の様子を説明する図である。隔壁と、屈曲部を有していない隔壁とによる吸気の流れの違いを説明する図である。吸気流速が相対的に遅い場合における、隔壁と、屈曲部を有していない隔壁とによる、燃焼室内での平均流速および乱れ強さを計測したグラフを示す図である。第２の実施形態の隔壁を説明する図である。第３の実施形態の隔壁を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<第１の実施形態>
図１は、エンジン１の構成を説明する図である。なお、以下では、シリンダボア５およびピストン６の軸方向を上下方向とし、ピストン６が下死点から上死点へ向かう方向を上方向、ピストン６が上死点から下死点へ向かう方向を下方向として説明する。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２と一体形成されたクランクケース３と、シリンダブロック２の上部に固定されたシリンダヘッド４とが設けられている。

シリンダブロック２には、シリンダボア５が形成されており、シリンダボア５には、ピストン６が摺動自在にコンロッド１０に支持されている。そして、エンジン１では、シリンダヘッド４と、シリンダボア５と、ピストン６の上面とによって囲まれた空間が燃焼室７として形成されている。

また、エンジン１では、クランクケース３内に形成されたクランク室８内に、クランクシャフト９が回転自在に支持されている。コンロッド１０は、クランクシャフト９に回転自在に支持されている。これにより、ピストン６は、コンロッド１０を介してクランクシャフト９に連結される。

シリンダヘッド４には、吸気ポート１１および排気ポート１２が燃焼室７に連通するように設けられている。なお、吸気ポート１１は、上流から下流に向かう途中で、２つに流路が分かれ、燃焼室７に臨む開口が２つ形成されている。また、排気ポート１２は、燃焼室７に臨む開口が２つ形成され、上流から下流に向かう途中で、流路が１つに統合されている。

吸気ポート１１と燃焼室７との間には、吸気バルブ１３の先端が位置し、排気ポート１２と燃焼室７との間には、排気バルブ１４の先端が位置している。そして、シリンダヘッド４およびヘッドカバー（不図示）に囲まれたカム室内に、カム１５ａが固定された吸気カムシャフト１５、および、カム１６ａが固定された排気カムシャフト１６が設けられている。吸気カムシャフト１５および排気カムシャフト１６は、タイミングベルトを介してクランクシャフト９に連結されており、クランクシャフト９の回転に伴って回転する。

吸気カムシャフト１５は、カム１５ａが吸気バルブ１３の他端に当接されており、回転することで吸気バルブ１３を上下方向に移動させる。これにより、吸気バルブ１３は、吸気ポート１１と燃焼室７との間を開閉する。排気カムシャフト１６は、カム１６ａが排気バルブ１４の他端に当接されており、回転することで排気バルブ１４を上下方向に移動させる。これにより、排気バルブ１４は、排気ポート１２と燃焼室７との間を開閉する。

シリンダヘッド４には、先端が燃焼室７内に位置するように不図示の点火プラグが設けられている。そして、吸気ポート１１を介して燃焼室７に流入した空気と燃料との混合気が、所定のタイミングで点火プラグに点火されて燃焼される。かかる燃焼により、ピストン６が往復運動を行い、その往復運動が、コンロッド１０を通じてクランクシャフト９の回転運動に変換される。

また、エンジン１では、シリンダヘッド４の外壁面のうち、吸気ポート１１の開口部分に吸気配管１９が取り付けられている。吸気配管１９の内部には、吸気が導かれる吸気流路２０が形成されており、吸気流路２０と吸気ポート１１が連通している。

吸気ポート１１の内部には、隔壁２１が配設されている。隔壁２１は、吸気ポート１１の内部から吸気流路２０の内部まで延在している。隔壁２１は、吸気流路２０の下流側（燃焼室７側）および吸気ポート１１の上流側を、吸気の流れ方向に沿って、図１における上下方向に区分けして、第１流路２２と第２流路２３を形成する。すなわち、吸気流路２０および吸気ポート１１のそれぞれ一部が、隔壁２１によって第１流路２２と第２流路２３とに仕切られる。

ＴＧＶ（Tumble Generation Valve：バルブ）２４は、吸気流路２０のうち、隔壁２１より上流側に配設され、第２流路２３よりも燃焼室７から離隔した第１流路２２の開度を可変する。

図１に示すように、ＴＧＶ２４の開度が最小となり、ＴＧＶ２４によって第１流路２２がほとんど閉じられると、吸気流路２０に導かれた吸気は、第２流路２３を通過して燃焼室７に向かう。

エンジンの負荷が小さく吸気流量が少ない場合、第１流路２２の開度を絞り、吸気のほとんどを第２流路２３側に通過させる。こうして、エンジン１では、流速を高めた吸気を燃焼室７に流入させることで、燃焼室７内において図中矢印線で示すタンブル流を生成させ、燃料の急速燃焼を実現し、希釈・希薄燃焼限界、燃焼安定性を向上させる。それにより燃費改善を可能とする。

図２は、隔壁２１の形状を説明するための図である。図２に示すように、吸気ポート１１は、吸気流路２０に連通された入口部１１ａが燃焼室７側に向かって湾曲しているとともに、燃焼室７に連通された出口部１１ｂが燃焼室７側に向かって湾曲している。そして、吸気ポート１１は、入口部１１ａおよび出口部１１ｂの間のストレート部１１ｃが、直線的に延在している。

隔壁２１は、吸気ポート１１の入口部１１ａの形状に沿って湾曲した湾曲部２１ａ、吸気ポート１１のストレート部１１ｃに沿って（吸気ポート１１の上流側から下流側に向かって）直線的に延在したストレート部２１ｂ、および、ストレート部２１ｂの下流側に位置し、第１流路２２側に屈曲した屈曲部２１ｃが一体形成されている。

屈曲部２１ｃは、ストレート部２１ｂの下流端と、吸気ポート１１における燃焼室７に臨む開口１１ｄの上端１１ｅとを結ぶ直線Ｌ１に沿って延在しており、その長さは５ｍｍ〜１０ｍｍとなっている。なお、屈曲部２１ｃは、ストレート部２１ｂが延在する直線Ｌ２と、直線Ｌ１とにより形成される角度θを基準として、±１０°以内に延在しているとよい。

上記したように、エンジン１では、エンジンの負荷が低く、吸気流量が少ない場合、ＴＧＶ２４によって第１流路２２を閉鎖し、第２流路２３のみに吸気を通過させる。このとき、隔壁２１は、湾曲部２１ａおよびストレート部２１ｂによって吸気の流速（吸気流速）を増速させ、屈曲部２１ｃによって吸気の向き、つまり、流れ方向を調整する。

図３は、第２流路２３を流れる吸気の様子を説明する図である。なお、図３において、吸気の流れ方向を矢印線で示す。図３に示すように、第２流路２３を通過する吸気のうち、隔壁２１のストレート部２１ｂの近傍を通過する吸気は、屈曲部２１ｃまで到達すると、空気の粘性によるコアンダ効果で、屈曲部２１ｃ側に流れ方向が変更される。

吸気の流速が高い場合、ストレート部２１ｂと屈曲部２１ｃとの境目である剥離点３０よりも下流側に剥離領域（図３中、ハッチングで示す）が形成される。この剥離領域において吸気は、屈曲部２１ｃ側に引き付けられる剥離渦を形成する。

そして、エンジンの回転数、負荷が低く吸気流速が相対的に遅い場合には、剥離しない、もしくは、剥離領域よりも下流側において吸気が屈曲部２１ｃに再付着して屈曲部２１ｃに沿って流れることにより、吸気が吸気バルブ１３の上端側から燃焼室７へ導かれることになる。したがって、吸気流速が相対的に遅い場合には、屈曲部２１ｃの影響を受けて、吸気が第１流路２２側（吸気バルブ１３の上端側）により多く引き付けられることで、吸気バルブ１３の上端側から、より効率よく吸気が燃焼室７内に導かれることになる。

一方で、エンジンの回転数、負荷が高く吸気流速が相対的に速い場合には、剥離点３０で隔壁２１から剥離した吸気は、屈曲部２１ｃに再付着することなく、そのまま吸気バルブ１３の上端側から燃焼室７へ導かれることになる。

図４は、隔壁２１と、屈曲部を有していない隔壁Ｗとによる吸気の流れの違いを説明する図である。図４（ａ）は、吸気流速が相対的に速い場合の隔壁２１による吸気の流れを示し、図４（ｂ）は、吸気流速が相対的に速い場合の隔壁Ｗによる吸気の流れを示し、図４（ｃ）は、吸気流速が相対的に遅い場合の隔壁２１による吸気の流れを示し、図４（ｄ）は、吸気流速が相対的に遅い場合の隔壁Ｗによる吸気の流れを示す。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、エンジンの負荷が高く吸気流速が相対的に速い場合には、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１であっても、屈曲部を有していない隔壁Ｗであっても、吸気バルブ１３に衝突した吸気が、吸気バルブ１３の裏面に沿って流れることで、吸気バルブ１３の上端側から燃焼室７内に導かれることになる。

一方、エンジンの負荷が低く吸気流速が相対的に遅い場合には、図４（ｃ）に示すように、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１では、上記したように、剥離領域よりも下流側において吸気が屈曲部２１ｃに再付着して屈曲部２１ｃに沿って流れることにより、吸気バルブ１３の上端側から燃焼室７へ導かれることになる。これにより、吸気流速が遅い場合であっても、燃焼室７で形成されるタンブル流が強くなり、燃料を含む混合気の燃焼速度を増加させ、総じて燃費や燃焼安定性を向上させることができる。

しかしながら、図４（ｄ）に示すように、屈曲部を有していない隔壁Ｗでは、隔壁Ｗに沿って流れる吸気が、そのまま吸気バルブ１３に衝突することになる。このとき、吸気流速が遅いため、吸気バルブ１３に衝突した吸気の一部が、吸気バルブ１３の下端側から燃焼室７内に導かれることになる。吸気バルブ１３の下端側から燃焼室７内に導かれる吸気量が増加すると、燃焼室７で形成されるタンブル流が弱くなり、燃料を含む混合気の燃焼速度が低下し、総じて燃費や燃焼安定性が悪化してしまうことになる。

図５は、吸気流速が相対的に遅い場合における、隔壁２１と、屈曲部を有していない隔壁Ｗとによる、燃焼室７内での平均流速および乱れ強さを計測したグラフを示す図である。図５（ａ）は、横軸にクランク角をとり、縦軸に平均流速をとったグラフであり、図５（ｂ）は、横軸にクランク角をとり、縦軸に乱れ強さをとったグラフである。図５では、クランク角が３６０°のとき、ピストン６が上死点に位置しており、クランク角が３４０°〜３６０°の範囲にあるときに点火プラグが点火される。

図５（ａ）に示すように、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１を用いた場合には、クランク角が３００°〜４５０°の範囲において、屈曲部を有していない隔壁Ｗを用いた場合と比べて、燃焼室７内での平均流速が高くなっていることがわかる。つまり、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１を用いた場合には、屈曲部を有していない隔壁Ｗを用いた場合と比べて、強いタンブル流を形成させた。

また、図５（ｂ）に示すように、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１を用いた場合には、クランク角が３１５°〜３６５°の範囲において、屈曲部を有していない隔壁Ｗを用いた場合と比べて、燃焼室７内での乱れ強さが大きくなっていることがわかる。

このように、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１を用いたエンジン１では、少なくとも点火プラグが点火されるタイミングにおいて、平均流速が高く、乱れ強さも大きいので、吸気流速が相対的に遅い場合であっても、屈曲部を有していない隔壁Ｗを用いたエンジンと比べて、燃料を含む混合気の燃焼速度を増加させることが可能であることが明確となった。

以上より、エンジン１では、屈曲部２１ｃを有する隔壁２１により、吸気流速が相対的に遅い場合であっても、強いタンブル流を形成させることができ、燃料を含む混合気の燃焼速度を増加させ、総じて燃費や燃焼安定性を向上させることができる。

<第２の実施形態>
図６は、第２の実施形態の隔壁１００を説明する図である。図６（ａ）は、シリンダヘッド４内に配設された隔壁１００を示す図であり、図６（ｂ）は、燃焼室７側から見た隔壁１００を示す図である。なお、第２の実施形態においては、第１の実施形態の隔壁２１に代えて隔壁１００が設けられており、それ以外の構成は第１の実施形態と同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。

図６（ａ）に示すように、第２の実施形態の隔壁１００は、湾曲部２１ａ、ストレート部２１ｂおよび屈曲部１００ｃが一体形成されている。屈曲部１００ｃは、第１の実施形態の屈曲部２１ｃと同様に、ストレート部２１ｂの下流端と吸気ポート１１の燃焼室７に臨む開口１１ｄの上端と１１ｅを結ぶ直線Ｌ１に沿って延在しており、その長さは５ｍｍ〜１０ｍｍとなっている。

また、屈曲部１００ｃは、図６（ｂ）に示すように、吸気ポート１１における燃焼室７に臨む開口１１ｄの上端側の形状に沿って、中央部分が上側に膨らんで凸状に形成された凸状部１００ｄが２つ形成されている。したがって、屈曲部１００ｃは、吸気ポート１１の燃焼室７に臨む開口１１ｄの上端に向かって全体的に延在しているとともに、２つの開口１１ｄの上端側の形状に合わせて湾曲している。

隔壁１００では、吸気バルブ１３と開口１１ｄとの隙間の形状に合わせて吸気を燃焼室７へ向けて通過させることができるので、エンジンの負荷が低く吸気流速が相対的に遅い場合に、隔壁２１と比べて、吸気バルブ１３の上端側から燃焼室７内により多くの吸気を導くことができる。

<第３の実施形態>
図７は、第３の実施形態の隔壁２００を説明する図である。図７（ａ）は、燃焼室７側から見た隔壁２００を示す図であり、図７（ｂ）は、隔壁２００を用いた場合の燃焼室７に導かれる吸気の流れを示す図であり、図７（ｃ）は、屈曲部を有していない隔壁Ｗを用いた場合の燃焼室７に導かれる吸気の流れを示す図である。なお、第３の実施形態においては、第１の実施形態の隔壁２１に代えて隔壁２００が設けられており、それ以外の構成は第１の実施形態と同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。

図７（ａ）に示すように、第３の実施形態の隔壁２００は、湾曲部２１ａ、ストレート部２１ｂ、屈曲部２００ｃが一体形成されている。屈曲部２００ｃは、ストレート部２１ｂにおける下流側の端部において、吸気の流れ方向に対して直交した開口１１ｄが並ぶ方向の両端が直線Ｌ１（図２参照）に沿って延在している。

隔壁２００を用いたエンジン１では、図７（ｂ）に示すように、隔壁２００の下流側の端部において、第２流路２３における中央部分の断面積が、屈曲部２００ｃが設けられた両端側の断面積よりも小さくなるため、中央部分の吸気流速が両端側の吸気流速よりも高くなる。

これにより、吸気ポート１１から燃焼室７に導かれた吸気が、開口１１ｄが並ぶ方向において同等の大きさとなる。これにより、燃焼室７で形成されるタンブル流を強くして（タンブル流の質を向上して）、燃料の燃焼速度を増加させ、総じて燃費や燃焼安定性を向上させることができる。

一方、隔壁Ｗを用いたエンジンでは、図７（ｃ）に示すように、隔壁Ｗの下流側の端部において、中央部分の吸気流速が両端側の吸気流速よりも低くなる。このような場合、吸気ポート１１から燃焼室７に導かれた吸気が、開口１１ｄが並ぶ方向において両端側が中央側よりも速くなる。これにより、燃焼室７で形成されるタンブルの質が悪化し、圧縮上死点でのタンブル残存性が悪化する。それにより燃料を含む混合気の燃焼速度は低下し、総じて燃費や燃焼安定性を悪化させることになる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、屈曲部２１ｃ、１００ｃ、２００ｃが直線Ｌ１に沿って延在するようにしたが、ストレート部２１ｂが延在する直線Ｌ１に対して少なくとも第１流路２２側に屈曲していればよい。

本発明は、吸気ポートを仕切る隔壁が設けられたエンジンに利用できる。

１エンジン
４シリンダヘッド
７燃焼室
１１吸気ポート
１３吸気バルブ
２１、１００、２００隔壁
２１ｂストレート部
２１ｃ、１００ｃ、２００ｃ屈曲部
２２第１流路
２３第２流路

Claims

吸気ポートが隔壁によってピストンの往復方向に第１流路と第２流路に区分けされ、該第２流路よりも該往復方向において燃焼室から離隔した該第１流路の開度がバルブによって可変されるエンジンであって、
前記隔壁は、
前記吸気ポートの上流側から下流側に向かって直線的に延在するストレート部と、
前記ストレート部の下流側に位置し、該ストレート部に対して前記第１流路側に屈曲した屈曲部と、
を備え、
前記屈曲部は、
前記第２流路を流れる吸気を前記第１流路側に引き付ける剥離渦を形成させることを特徴とするエンジン。
前記吸気ポートは、燃焼室に臨む開口が複数設けられ、
前記屈曲部は、
前記開口の形状に合わせて湾曲されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
前記吸気ポートは、燃焼室に臨む開口が複数設けられ、
前記屈曲部は、
前記ストレート部の下流側の端部において、前記開口が並ぶ方向の両端に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。