JP6900932B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。

従来から、吸気弁によって開閉される吸気開口の周りにマスク部を設けることが提案されている（例えば、特許文献１、２）。斯かるマスク部は、排気開口側とは反対側（以下、「反排気開口側」ともいう）において吸気開口の外縁に沿って燃焼室内に向かって延びるように形成された壁面を備える。

斯かるマスク部の壁面は、吸気弁がリフトされたときに、吸気ポートから燃焼室内に吸入される吸気ガスの流路抵抗として機能し、吸気開口の反排気開口側に位置する領域を通って吸気ガスが燃焼室内に流入するのを禁止又は抑制する。これにより、燃焼室内に逆タンブル流が発生するのが抑制され、燃焼室内には強い正タンブル流を生成することができるようになる。

特開２０１１−１３２８３３号公報 特開昭６３−１１３１１７号公報

ところで、従来から、内燃機関の一部の運転領域では複数の気筒のうち一部の気筒において混合気の燃焼を休止される気筒休止制御を行う内燃機関が知られている。斯かる内燃機関においては、気筒休止制御中に休止せしめられる休止気筒では、主に機関負荷が或る程度高いときに混合気の燃焼が行われると共に、機関負荷が低いときには混合気の燃焼が行われない。一方、気筒休止制御中でも稼働せしめられる稼働気筒では、機関負荷が低いときから混合気の燃焼が行われる。

また、一般に、燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが小さくなると、燃料が空気と混ざりにくくなるため混合気の燃焼期間が長くなる。燃焼期間が長くなると、燃焼室内で生じる燃焼の等容度が低下し、よって燃費の悪化や出力の低下を招く。

上述したように、休止気筒と稼働気筒とでは主に混合気の燃焼が行われる運転状態が異なる。したがって、燃費悪化や出力低下の抑制との観点からは、休止気筒では機関負荷が或る程度高いときに吸気ガスの乱れが大きくなるようにすることが必要であり、逆に、稼働気筒では機関負荷が或る程度低いときにも吸気ガスの乱れが大きくなるようにすることが必要である。しかしながら、上述した特許文献１、２に記載の内燃機関では、斯かる点は考慮されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、気筒休止制御が行われる内燃機関において気筒休止制御の実行中も実行していないときにも燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れを大きくすることにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

［１］複数の気筒を備えると共に、これら気筒は出力が必要とされる全運転領域において混合気の燃焼が行われる第１気筒群と、出力が必要とされる運転領域のうち一部の運転領域では混合気の燃焼が行われない第２気筒群とに分けられる、内燃機関において、各気筒の燃焼室に面すると共に吸気弁によって開閉される吸気開口と、各気筒の燃焼室に面すると共に排気弁によって開閉される排気開口と、前記排気開口側とは反対側において前記吸気開口の外縁に沿って前記燃焼室内に向かって延びる壁面を有するマスク部と、を備え、前記マスク部は、前記マスク部の壁面の前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが、前記第２気筒群の各気筒よりも前記第１気筒群の各気筒の方が小さくなるように構成される、内燃機関。

［２］前記第１気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ未満になるように構成され、前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ以上になるように構成され、
Ｃｌ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．８ …（１）
上記式（１）において、ＮＥｍは出力点における回転速度（ｒｐｍ）、Ｐｍは出力点における吸気管圧（ｋＰａ）、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｆ＝０．６５３１９１４、ｎ＝−０．０６２１０２３である、上記［１］に記載の内燃機関。

［３］前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（２）で算出されるＣｈ以下になるように構成される、上記［２］に記載の内燃機関。
Ｃｈ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．８ …（２）

［４］前記第１気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが１．８ｍｍ未満になるように構成され、前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが１．８ｍｍ以上になるように構成される、上記［１］に記載の内燃機関。

［５］前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが３．４ｍｍ以下になるように構成される、上記［２］に記載の内燃機関。

［６］前記吸気開口、前記排気開口及び前記マスク部が形成されたシリンダヘッドを更に備え、最も前記吸気弁のリフト方向側の前記壁面の縁部は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックとの当接面上に位置する、上記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の内燃機関。

［７］前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向の各位置において、前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが周方向において一定になるように形成される、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の内燃機関。

本発明によれば、気筒休止制御が行われる内燃機関において気筒休止制御の実行中も実行していないときにも燃焼室内に生じる吸気ガスの乱れが大きくされる。

図１は、内燃機関の概略的な構成図である。 図２は、一つの実施形態に係る内燃機関を概略的に示す部分断面図である。 図３は、一つの燃焼室の上面を概略的に示す底面図である。 図４は、図２の吸気開口近傍を拡大して示した拡大断面図である。 図５は、気筒休止制御が行われる運転領域を示す図である。 図６は、各燃焼室内に生じる乱れの強さ及び吸気弁のリフト量のクランク角推移である。 図７は、２７０°ＢＴＤＣ付近における燃焼室内に生じる吸気ガスの流れを概略的に示した図である。 図８は、壁面のクリアランスと、燃焼室内に生じる乱れの強さとの関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関全体の説明＞
まず、図１〜図４を参照して、一つの実施形態に係る内燃機関１の構成について説明する。図１は、一つの実施形態に係る内燃機関１の概略的な構成図であり、図２は一つの実施形態に係る内燃機関１を概略的に示す部分断面図である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、吸気系６０、排気系７０及び制御装置４０を備える。

図２に示したように、機関本体１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、ピストン１３、コンロッド１４を備える。

シリンダブロック１１は、並んで配置された複数の気筒１５を備える。特に、本実施形態の内燃機関１は、４つの気筒１５＃１〜１５＃４を備える。シリンダヘッド１２は、当接面Ａにおいてシリンダブロック１１に当接するように配置され、シリンダブロック１１に形成された気筒１５の一方の端部を塞ぐように配置される。なお、本実施形態では、内燃機関１は、直列４気筒の内燃機関だが、複数の気筒を備えていれば、直列６気筒、Ｖ型６気筒等、様々な形式の内燃機関であってよい。

ピストン１３は、シリンダブロック１１内に形成された気筒１５内を往復運動するように配置される。ピストン１３は、ピストンピンを介してコンロッド１４に連結される。コンロッド１４は、クランクピンを介してクランクシャフト（図示せず）に連結され、ピストン１３の往復運動をクランクシャフトの回転運度に変換するように作用する。また、シリンダブロック１１の気筒１５の壁面とシリンダヘッド１２とピストン１３とによって、混合気が燃焼する燃焼室１６が形成される。

図３は、一つの燃焼室１６の上面を概略的に示す底面図である。したがって、図３は、シリンダヘッド１２の底面であって、一つの気筒１５を塞ぐように位置する部分を概略的に示している。図４は、図２の吸気開口近傍を拡大して示した拡大断面図である。

図２に示したように、シリンダヘッド１２には、吸気ポート２１及び排気ポート２２が形成される。図２及び図３に示したように、吸気ポート２１は、燃焼室１６に面すると共にシリンダヘッド１２に形成された吸気開口２３を介して燃焼室１６に連通する。同様に、排気ポート２２は、燃焼室１６に面すると共にシリンダヘッド１２に形成された排気開口２４を介して燃焼室１６に連通する。

図３に示したように、本実施形態では、各燃焼室１６毎に、二つの吸気開口２３及び二つの排気開口２４が設けられる。二つの吸気開口２３は、複数の気筒１５が並んで配置される方向（以下、「気筒整列方向」ともいう）と同一方向に並んで配置される。同様に、二つの排気開口２４は、気筒整列方向と同一方向に並んで配置される。各気筒の中心を通って気筒整列方向に延びる中央平面Ｐに対して一方側に二つの吸気開口２３が配置され、他方側に二つの排気開口２４が配置される。

なお、本明細書では、気筒整列方向と垂直な方向であって中央平面Ｐから吸気開口２３へ向かう方向、すなわち排気開口２４から吸気開口２３に向かう方向を「反排気開口側」又は「反排気開口方向」と称し、気筒整列方向と垂直な方向であって中央平面Ｐから排気開口２４へ向かう方向、すなわち吸気開口２３から排気開口２４に向かう方向を「排気開口側」又は「排気開口方向」と称する。

また、図３に示したように、各吸気開口２３の縁部周りにはその全周に亘って、後述する吸気弁３１が閉弁時に当接する吸気シート部２５が設けられる。同様に、排気開口２４の縁部周りにはその全周に亘って、後述する排気弁３６が閉弁時に当接する排気シート部２６が設けられる。吸気シート部２５は、図４に示したように、シリンダヘッド１２とは別体のバルブシートとして形成されてもよいし、シリンダヘッド１２に直接形成されたシートであってもよい。

図２に示したように、シリンダヘッド１２は、燃焼室１６の上面が吸気側傾斜面２７と排気側傾斜面２８との二つの傾斜面を有するように形成される。吸気側傾斜面２７は、吸気開口側の縁部から中央平面Ｐに向かって当接平面Ａからの高さ（気筒１５の軸線方向における当接平面Ａからの長さ）が高なっていくように形成される。排気側傾斜面２８は、排気開口側の縁部から中央平面Ｐに向かって当接平面Ａからの高さが高くなっていくように形成される。したがって、燃焼室１６の上面は中央平面Ｐにおいて最も高くなるように傾斜する。なお、燃焼室１６の上面は、吸気開口側から中央へ向かって高さが高くなるような傾斜面と、排気開口側から中央へ向かって高さが高くなるような傾斜面とを備えていれば、必ずしも中央平面Ｐにおいて最も高くなるように形成されていなくてもよい。

また、シリンダヘッド１２には、吸気開口２３を開閉する吸気弁３１と、排気開口２４を開閉する排気弁３６と、燃焼室１６内の混合気を点火する点火プラグ４１とが設けられる。また、シリンダヘッド１２には、吸気ポート２１内に燃料を噴射する燃料噴射弁４２が設けられる。

吸気弁３１は、バルブステム３２と、バルブステム３２の一方の端部に固定された弁体３３とを備える。吸気弁３１は、バルブステム３２が延在する方向、すなわち吸気弁３１の軸線方向に摺動可能にシリンダヘッド１２内に配置される。吸気弁３１は、吸気動弁機構（図示せず）によってその軸線方向にリフトされる。吸気動弁機構は、吸気弁３１の作用角、位相角及び最大リフト量の少なくとも一つを変更可能な可変動弁機構であってもよいし、これらを変更不能な動弁機構であってもよい。

同様に、排気弁３６は、バルブステム３７と、バルブステム３７の一方の端部に固定された弁体３８とを備える。排気弁３６は、バルブステム３７が延在する方向、すなわち排気弁３６の軸線方向に摺動可能にシリンダヘッド１２内に配置される。排気弁３６は、排気動弁機構（図示せず）によってその軸線方向にリフトされる。排気動弁機構は、排気弁３６の作用角、位相角及び最大リフト量の少なくとも一つを変更可能な可変動弁機構であってもよいし、これらを変更不能な動弁機構であってもよい。

点火プラグ４１は、燃焼室１６のほぼ中央において、燃焼室１６の上面に位置するようにシリンダヘッド１２に取り付けられる。

なお、本実施形態では吸気ポート２１内に燃料を噴射する燃料噴射弁４２が設けられているが、この燃料噴射弁４２の代わりに或いはこの燃料噴射弁４２に加えて、燃焼室１６内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁をシリンダヘッド１２に設けてもよい。この場合、燃料噴射弁は、その噴孔が点火プラグ４１に近接して位置するか又は二つの吸気開口２３の間であって吸気開口２３よりも反排気開口側に位置するように配置される。

また、本実施形態では燃焼室１６に曝されるように点火プラグ４１が設けられているが、点火プラグ４１は設けられなくてもよい。この場合、燃焼室１６にて混合気が自着火するように、燃焼室１６内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁からの燃料噴射が制御される。

吸気系６０は、吸気枝管６１、吸気管６２、エアクリーナ６３、排気ターボチャージャ８０のコンプレッサ８０ｃ、インタークーラ６５、及びスロットル弁６６を備える。各気筒１５の吸気ポート２１はそれぞれ対応する吸気枝管６１を介して吸気管６２に連通しており、吸気管６２はエアクリーナ６３に連通している。吸気管６２には、吸気管６２内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ８０のコンプレッサ８０ｃと、コンプレッサ８０ｃによって圧縮された空気を冷却するインタークーラ６５とが設けられている。スロットル弁６６は、スロットル弁駆動アクチュエータによって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。なお、吸気ポート２１、吸気枝管６１及び吸気管６２は、燃焼室１６に吸気ガスを供給する吸気通路を形成する。

排気系７０は、排気マニホルド７１、排気管７２、排気ターボチャージャ８０のタービン８０ｔ、及び排気後処理装置７３を備える。各気筒１５の排気ポート２２は、排気マニホルド７１に連通しており、排気マニホルド７１は排気管７２に連通している。排気管７２には、排気ターボチャージャ８０のタービン８０ｔが設けられている。タービン８０ｔは、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる。タービン８０ｔが回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ８０ｃが回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。また、排気管７２にはタービン８０ｔの排気流れ方向下流側において排気後処理装置７３が設けられている。排気後処理装置７３は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。なお、排気ポート２２、排気マニホルド７１、及び排気管７２は、燃焼室１６から排気ガスを排出する排気通路を形成する。

制御装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）９０と各種センサとを備える。ＥＣＵ９０は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バスを介して相互に接続されたメモリ、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポート及び出力ポートを備える。センサは、例えば、吸気管６２内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ９１、アクセルペダル９２の出力に応じて出力電流が変化して機関負荷を検出する負荷センサ９３、内燃機関１の回転速度を検出するクランク角センサ９４等を含む。ＥＣＵ９０の入力ポートはこれらセンサに接続される。

一方、ＥＣＵ９０の出力ポートは、点火プラグ４１、燃料噴射弁４２、スロットル弁駆動アクチュエータ等のアクチュエータに接続される。ＥＣＵ９０からの駆動信号により、これらアクチュエータが制御される。

＜気筒休止制御＞
内燃機関１の制御装置は、出力が必要とされる運転領域のうち一部の運転領域において、燃焼室１６内での混合気の燃焼を行わないようにする気筒休止制御を行う。以下では、この気筒休止制御について説明する。

気筒休止制御の実行中には、内燃機関１の一部の気筒１５において燃焼室１６内での混合気の燃焼が行われず、残りの気筒１５において燃焼室１６内での混合気の燃焼が行われる。例えば、気筒休止制御の実行中には、１番気筒１５＃１及び４番気筒１５＃４のみにおいて混合気の燃焼が行われ、２番気筒１５＃２及び３番気筒１５＃３においては混合気の燃焼が行われない。

以下では、気筒休止制御中には混合気の燃焼が行われない気筒群を「休止気筒群」と称し、気筒休止制御中であっても混合気の燃焼が行われる気筒群を「稼働気筒群」と称する。したがって、上述した例では、２番気筒１５＃２及び３番気筒１５＃３が休止気筒群の気筒であり、１番気筒１５＃１及び４番気筒１５＃４が稼働気筒群の気筒である。

気筒休止制御中の休止気筒群の気筒１５では、気筒休止制御の実行中に吸気弁３１及び排気弁３６が閉弁されたまま維持される。このため、休止気筒群の気筒１５には新たな混合気が供給されず、その結果、混合気の燃焼が行われない。休止気筒群の気筒１５では、燃焼室内のガスが繰り返し断熱圧縮及び断熱膨張される。

図５は、気筒休止制御が行われる運転領域を示す図である。機関回転速度及び機関負荷から定まる機関運転状態が領域ＣＳ内にあるときには、気筒休止制御が行われる。一方、機関運転状態が領域ＣＳ内にないときには気筒休止制御は行われず、全ての気筒において混合気の燃焼が行われる。本実施形態では、クランク角センサ９４によって検出された機関回転速度と負荷センサ９３によって検出された機関負荷とに基づいて、気筒休止制御の実行及び中止が制御される。

なお、気筒休止制御は、内燃機関１の出力が必要とされる運転領域内の一部の領域ＣＳにおいて行われる。したがって、内燃機関１を搭載した車両の減速中のように内燃機関１の出力が不用な運転領域においては行われなくてもよい。斯かる運転領域では、例えば、全ての気筒において燃料噴射弁４２からの燃料の供給が停止される燃料カット制御が行われる。

＜マスク部の構成＞
図２〜図４に示したように、本実施形態のシリンダヘッド１２は、吸気開口２３の反排気開口側に設けられたマスク部５０を備える。マスク部５０は、燃焼室１６の上面から燃焼室１６内へ向かって突出するように形成される。マスク部５０は、シリンダヘッド１２と一体的に形成されてもよいし、別体として形成されてもよい。

マスク部５０は、吸気開口２３の外縁に沿って、且つ吸気開口２３周りの吸気シート部２５の外縁に沿って延びる壁面５１を有する。特に、壁面５１は、吸気開口２３の気筒整列方向に延びる中央平面Ｄよりも反排気開口側の領域（図２にＸで示した領域）内に全面的に又は部分的に延びるように形成される。すなわち、壁面５１は、反排気開口側において吸気開口２３の外縁に沿って燃焼室１６内に向かって延びる。壁面５１は、図２にＸで示した領域のうち半分以上の領域に亘って延びるように形成されるのが好ましい。

また、壁面５１は、吸気開口２３の外縁近傍から燃焼室１６内に向かって延びる。本実施形態では、壁面５１は、吸気弁３１のリフト方向においてシリンダヘッド１２の当接面Ａまで延びる。したがって、吸気弁３１のリフト方向における壁面５１の縁部（以下、「リフト方向側縁部」ともいう）５２は、シリンダヘッド１２の当接面Ａ上に位置する。このように壁面５１が当接面Ａまで延びることはマスク部５０が燃焼室１６内へ向かって当接面Ａまで突出することを意味する。このようにマスク部５０が当接面Ａまで突出することにより、シリンダヘッドの当接面Ａからマスク部５０が突出することは無く、よってシリンダブロック１１へのシリンダヘッド１２の組み付けを容易に行うことができる。

なお、壁面５１は、吸気弁３１のリフト方向において必ずしもシリンダヘッド１２の当接面Ａまで延びる必要はない。したがって、壁面５１は、吸気弁３１のリフト方向（軸線方向）における高さが、少なくとも部分的に、シリンダヘッド１２の当接面Ａに到達する高さよりも低くなるように形成されてもよい。この場合、壁面５１は、例えば、吸気開口２３の最も反排気開口側に位置する領域では当接面Ａまで延び、吸気開口２３の気筒整列方向側に位置する領域においては当接面Ａまでは延びないように形成される。また、シリンダブロック１１へのシリンダヘッド１２の組み付けは難しくなるが、壁面５１は当接面Ａを超えて燃焼室１６内へ向かって延びるように形成されてもよい。

加えて、本実施形態では、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁３１の縁部の通過面からのクリアランス（以下、単に「壁面のクリアランス」ともいう）ＣＲが一定になるように形成される。したがって、マスク部５０の壁面５１は、吸気弁３１の縁部の通過面と平行に延びるように形成される。なお、吸気弁３１の縁部の通過面は、吸気弁３１がリフトされることによって吸気弁３１の弁体３３が吸気弁３１の軸線方向に移動する際に、弁体３３の縁部の軌跡からなる面を意味する。

本実施形態では、壁面５１のクリアランスＣＲは、休止気筒群の気筒１５と、稼働気筒群の気筒１５との間で異なる値とされる。具体的には、壁面５１のクリアランスＣＲは、休止気筒群の気筒１５よりも稼働気筒群の気筒１５の方が小さい。

具体的には、本実施形態では、稼働気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが下記式（１）で算出されるＣｌ未満になるように構成され、休止気筒群の気筒１５では壁面５１のクリアランスＣＲが下記式（１）で算出されるＣｌ以上であって、下記式（２）によって算出されるＣｈ以下になるように構成される。
Ｃｌ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．８ …（１）
Ｃｈ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．８ …（２）
ここで、上記式（１）及び（２）において、ＮＥｍは出力点における回転速度（ｒｐｍ）、Ｐｍは出力点における吸気ポート２１又は吸気枝管６１内の圧力（吸気管圧）（ｋＰａ）、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｆ＝０．６５３１９１４、ｎ＝−０．０６２１０２３である。

そして、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが下記式（３）で算出されるＣｌ２以上であって、下記式（４）によって算出されるＣｈ２以下になるように構成されるのが好ましい。更に、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが下記式（５）で算出されるＣｌ３以上であって、下記式（６）によって算出されるＣｈ３以下になるように構成されるのが好ましい。
Ｃｌ２＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．４ …（３）
Ｃｈ２＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．４ …（４）
Ｃｌ３＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．２ …（５）
Ｃｈ３＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．２ …（６）

或いは、本実施形態では、稼働気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ未満になるように構成され、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ以上であって３．４ｍｍ以下になるように構成される。そして、稼働気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが１．４ｍｍ以下になるように構成されることが好ましく、１．０ｍｍ以下になるように構成されることが更に好ましい。一方、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲが２．２ｍｍ以上であって３．０ｍｍ以下になるように構成されることが好ましく、２．４ｍｍ以上であって２．８ｍｍ以下になるように構成されることが更に好ましい。

一方、クリアランスＣＲは、吸気弁３１のリフト方向の各位置において、吸気開口２３の周方向において一定になるように形成される。したがって、壁面５１は、吸気弁３１のリフト方向の各位置において、吸気弁３１の軸線を中心とした円弧状に形成される。

＜作用・効果＞
次に、図６〜図８を参照して、本実施形態における作用・効果を説明する。図６は、各燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比及び吸気弁３１のリフト量のクランク角推移である。図６の横軸は、圧縮上死点からの進角側の角度を示している。したがって、図６の０°ＢＴＤＣはピストン１３が圧縮上死点にある状態を、１８０°ＢＴＤＣはピストン１３が吸気下死点にある状態をそれぞれ示している。特に、図６は、内燃機関の出力が最大となる運転状態（出力点）におけるタンブル比のクランク角推移を示している。

また、図中の実線はシリンダヘッド１２にマスク部を設けなかった場合における推移を示している。一方、図中の破線及び一点鎖線は、壁面５１のクリアランスＣＲが高さ方向全体に亘って１．０ｍｍ及び１．８ｍｍである（したがって、段差が設けられていない）場合における推移をそれぞれ示している。また、図６は、マスク部の壁面５１の高さがＨである場合の推移を示している。

３６０°ＢＴＤＣから吸気行程が開始されると、図６に示したように、吸気弁３１のリフト量が増大していき、これに伴って燃焼室１６内には吸気ガスが流入する。吸気行程の開始時には燃焼室１６内に流入する吸気ガスの流量がそれほど多くないため、燃焼室１６内にはタンブル流は発生せず、よってタンブル比は低いままである。その後、吸気弁３１のリフト量が増大すると共にピストン１３の降下速度が上昇するとそれに伴って燃焼室１６内に流入する吸気ガスの流量も増大し、燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比も大きくなる。そして、２７０°ＢＴＤＣにおいて、ピストン１３の降下速度が最大になり、これに伴って燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比も最大となる。

図６からわかるように、２７０°ＢＴＤＣ付近において、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル比は、マスク部が設けられていない場合及びクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル比に比べて小さい。以下、図７を参照して、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられた場合のタンブル流のタンブル比が小さい理由について説明する。

図７は、２７０°ＢＴＤＣ付近における燃焼室１６内に生じる吸気ガスの流れを概略的に示した図である。図７（Ａ）はマスク部が設けられていない場合、図７（Ｂ）はクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合、図７（Ｃ）はクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合をそれぞれ示している。

図７（Ａ）に示したようにマスク部が設けられていない場合や図７（Ｂ）に示したようにクリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁３１のリフト量が大きいときには、吸気開口２３の反排気開口側の領域においても吸気ガスに対する抵抗がそれほど大きくない。したがって、これらの場合、吸気ガスは、吸気開口２３の排気開口側の領域に加えて、反排気開口側の領域を通って燃焼室１６内に流入することになる。すなわち、吸気ガスが吸気開口２３を通って燃焼室１６に流入する際の実質的な流路面積は広い。この結果、燃焼室１６内に流入する吸気ガスの全体的な流速は比較的速く、よって燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比も大きくなる。

一方、図７（Ｃ）に示したようにクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気開口２３の反排気開口側の領域において吸気ガスに対する抵抗が大きい。したがって、この場合、吸気ガスはそのほとんどが吸気開口２３の排気開口側の領域を通って流入し、反排気開口側の領域を通って流入する吸気ガスは少ない。すなわち、吸気ガスが吸気開口２３を通って燃焼室１６に流入する際の実質的な流路面積は図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示した場合に比べて狭い。加えて、吸気開口２３の実質的な流路面積が狭くて吸気ガスのほとんどが吸気開口２３の排気開口側の領域Ｚを通って流入することから、この領域Ｚを通ろうとする吸気ガスの流量が増大し、結果的にこの領域Ｚにおいてチョークが生じる。したがって、この場合、燃焼室１６内に流入する吸気ガスの全体的な流速は図７（Ａ）や図７（Ｂ）に示した場合に比べて遅く、よって燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比も小さい。

一方、図６からわかるように、吸気弁３１のリフト量が低下していきマスク部の壁面５１の高さＨ付近に到達してからは、マスク部が設けられていない場合には乱れ強さが急激に低下する。これは、吸気開口２３の反排気開口側の領域から流入する吸気ガスがタンブル流の旋回方向とは逆方向（以下、「逆タンブル方向」ともいう）に流入することで、タンブル流の流れを阻害するためである。

一方、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁３１のリフト量が高さＨ以下に低下すると、吸気開口２３の反排気開口側の領域から吸気ガスの流入を抑制することができる。したがって、クリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁３１のリフト量が高さＨ以下に低下したときに、逆タンブル方向の吸気ガスの流入を抑制することができ、よって図６に示したようにタンブル比の低下を抑制することができる。クリアランスが１．８ｍｍのマスク部が設けられている場合には、吸気弁３１のリフト量が高さＨ以下に低下したときのタンブル比の低下の程度が、マスク部が設けられていない場合とクリアランスが１．０ｍｍのマスク部が設けられている場合との間の程度となる。

図８は、壁面５１のクリアランスＣＲと、燃焼室１６内に生じる乱れの強さとの関係を示す図である。図８（Ａ）は、内燃機関の出力が最大となる運転状態における関係を示しており、一方、図８（Ｂ）は、内燃機関１の最も頻度の高い運転状態における関係を示している。

なお、図８に示したクリアランスＣＲと乱れ強さとの関係は、下記諸元の内燃機関１における関係である。すなわち、この内燃機関１は、ストローク／ボア比が１．１４〜１．１７、吸気弁３１と気筒１５の軸線との角度αが１８°、排気弁３６と気筒１５の軸線との角度βが２３°であり（図２参照）、吸気ポートＴＴＲ（タンブル比）が２．６〜２．８である。吸気ポートＴＴＲは、吸気ポート２１の形状に応じて変化する変数である。具体的には、吸気弁３１のリフト量ＬをＬ／Ｄ＝０．３（Ｄは吸気弁３１のバルブ径）に設定し且つ燃焼室１６内を−３０ｋＰａにて吸気ガスを吸入したときに燃焼室１６内に生じるタンブル流のタンブル比を意味する。

また、この内燃機関１における出力点での機関回転速度は５６００ｒｐｍであり、出力点での吸気ポート２１又は吸気枝管６１内の圧力（吸気管圧又は過給圧）が２００ｋＰａである。したがって、図８（Ａ）は、機関回転速度が５６００ｒｐｍ、過給圧が２００ｋＰａであるときの関係を示している。

また、図８（Ａ）において、白抜き菱形印は、吸気弁３１の作用角が１９０°であって、吸気弁３１の閉弁時期が吸気下死点よりも２０°進角側（−２０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。また、白抜き四角印は、吸気弁３１の作用角が１９０°であって、吸気弁３１の閉弁時期が吸気下死点（０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。黒塗り菱形印は、吸気弁３１の作用角が２００°であって、吸気弁３１の閉弁時期が吸気下死点よりも２０°進角側（−２０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。また、黒塗り四角印は、吸気弁３１の作用角が２００°であって、吸気弁３１の閉弁時期が吸気下死点（０°ＡＢＤＣ）である場合を示している。

ここで、内燃機関１の休止気筒群の気筒１５では、機関負荷等が低い場合には混合気の燃焼が停止せしめられる。したがって、内燃機関１の休止気筒群の気筒１５では、機関負荷が或る程度高くて、出力点に近い運転状態でなければ、混合気の燃焼は行われない。逆に言うと、休止気筒群の気筒１５では、稼働気筒群の気筒１５と比べて、出力点に近い運転状態においてのみ混合気の燃焼が行われるといえる。したがって、内燃機関１の休止気筒群の気筒１５では、出力点における燃焼室１６内に生じる乱れの強さが大きくなるように壁面５１のクリアランスＣＲを設定する必要がある。

図８（Ａ）からわかるように、出力点における燃焼室１６内に生じる乱れの強さは、吸気弁３１の作用角や閉弁時期にかかわらず、壁面５１のクリアランスＣＲが２．６ｍｍ程度のときに最大となる。したがって、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関では、壁面５１のクリアランスＣＲが２．６ｍｍ程度のときに乱れ強さが最大になるといえる。

また、図８（Ａ）からわかるように、出力点における燃焼室１６内に生じる乱れの強さは、吸気弁３１の作用角や閉弁時期にかかわらず、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ〜３．４ｍｍの範囲内において、比較的大きい値であることがわかる。したがって、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関１では、壁面５１のクリアランスＣＲが１．８ｍｍ〜３．４ｍｍに設定されることが好ましく、２．２ｍｍ〜３．０ｍｍに設定されることがより好ましく、２．４ｍｍ〜２．８ｍｍに設定されることが更に好ましい。

見方を変えると、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関１では、壁面５１のクリアランスＣＲは、出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍ（すなわち、２．６ｍｍ）から−０．８ｍｍ以上に設定されることが好ましく、−０．４ｍｍ以上に設定されることがより好ましく、−０．２ｍｍ以上に設定されることが更に好ましい。同様に、出力点での機関回転数が５６００ｒｐｍであって過給圧が２００ｋＰａとなる上記諸元の内燃機関１では、壁面５１のクリアランスＣＲは、出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍ（すなわち、２．６ｍｍ）から＋０．８ｍｍ以下に設定されることが好ましく、＋０．４ｍｍ以下に設定されることがより好ましく、＋０．２ｍｍ以下に設定されることが更に好ましい。

ところで、出力点において圧縮上死点近傍において燃焼室１６内に生じる乱れ強さｕ’は、応答曲面法を用いた解析により、下記式（７）で近似することができる。
ｕ’＝ａ・ＮＥ＋ｂ・ＩＶＡ＋ｃ・ＬＦ＋ｄ・ε＋ｅ・ＩＶＣ＋ｆ・ＣＲ＋ｇ・ＮＥ・ＩＶＡ＋ｈ・ＮＥ・ＣＲ＋ｉ・Ｐｍ・ＴＴＲ＋ｊ・Ｐｍ・ＣＲ＋ｋ・ＩＶＡ・ＩＶＣ＋ｌ・ε²＋ｍ・ＩＶＣ²＋ｎ・ＣＲ² …（７）
ここで、ＮＥは機関回転速度（ｒｐｍ）、ＩＶＡは吸気弁３１の作用角（°）、ＬＦは吸気弁３１の最大リフト量（ｍｍ）、εは圧縮比、ＩＶＣは吸気弁の閉弁時期（°ＡＢＤＣ）、ＣＲは吸気弁３１の縁部の通過面からの壁面５１のクリアランス（ｍｍ）、ＴＴＲは吸気ポートＴＴＲ（タンブル比）、Ｐｍは吸気通路内の圧力（ｋＰａ）をそれぞれ表している。また、ａ〜ｎは定数であり、特に、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｎ＝−０．０６２１０２３である。

ここで、式（７）を変形すると、燃焼室１６内に生じる乱れ強さｕ’は下記式（８）のように表すことができる。

式（８）において、ｎは負の定数であることから、燃焼室１６内に生じる乱れ強さｕ’はクリアランスＣＲに対して上に凸の２次関数として表されることがわかる。そして、式（８）より、燃焼室１６内に生じる乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲｍは下記式（９）で表される。

上記式（９）より、機関回転速度ＮＥが高くなるほど出力点における乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲｍは大きくなることがわかる。同様に、式（９）より、出力点における吸気通路内の圧力Ｐｍが高くなるほど出力点における乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲｍは小さくなることがわかる。

本実施形態では、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲは、このようにして算出される出力点での乱れ強さが最大となる壁面５１のクリアランスＣＲｍに対して、上述したように±８ｍｍ以内、好ましくは±０．４ｍｍ以内、更に好ましくは±０．２ｍｍ以内に設定される（式（１）〜（６）を参照）。これにより、休止気筒群の気筒１５では、出力点において燃焼室１６内に生じる乱れの強さを大きいものにすることができる。

ここで、市販車に用いられる過給機を備える多くの内燃機関では、機関回転速度が５５００〜６２００ｒｐｍの範囲内であって吸気管内の圧力が２００〜２４０ｋＰａの範囲内にあるときに内燃機関の出力が最大となる。斯かる機関回転速度の範囲及び吸気管内圧力の範囲内では、乱れ強さｕ’が最大となるクリアランスＣＲは上記式（９）によって算出すると、約１．８ｍｍ〜約３．４ｍｍである。したがって、斯かる観点からも、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲは１．８ｍｍ以上であって、３．４ｍｍ以下であることが好ましい。上述したように、本実施形態では、休止気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲは１．８ｍｍ以上であって３．４ｍｍ以下とされることから、内燃機関の出力が最大となる運転状態において乱れ強さを大きいものとすることができる。

一方、内燃機関１の稼働気筒群の気筒１５では、機関負荷等が低い場合にも混合気の燃焼が行われる。特に、一般的には内燃機関１は機関負荷が比較的低い状態で運転される頻度が高いことから、内燃機関１の稼働気筒群の気筒１５では低い機関負荷で運転される頻度が高い。したがって、内燃機関１の稼働気筒群の気筒１５では、機関負荷の低い運転状態、例えば内燃機関１の最も頻度の高い運転状態において、燃焼室１６内に生じる乱れの強さが大きくなるように壁面５１のクリアランスＣＲを設定する必要がある。

図８（Ｂ）に示したように、内燃機関１の最も頻度の高い運転状態では、壁面５１のクリアランスＣＲが１ｍｍを超えて大きくなるほど、燃焼室１６内に生じる乱れの強さが小さくなる。したがって、内燃機関１の稼働気筒群の気筒１５では、壁面５１のクリアランスＣＲは小さいことが好ましい。

本実施形態では、内燃機関１の稼働気筒群の気筒１５において、壁面５１のクリアランスＣＲが上記式（１）で算出されるＣｌ未満になるように構成される。或いは、本実施形態では、稼働気筒群の気筒１５において、壁面５１のクリアランスＣＲは、１．８ｍｍ未満、好ましくは１．４ｍｍ以下、更に好ましくは１．０ｍｍ以下になるように構成される。したがって、稼働気筒では、内燃機関１の最も頻度の高い運転状態において燃焼室１６内に生じる乱れの強さを大きいものとすることができる。

１ 内燃機関
１０ 機関本体
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
２３ 吸気開口
２４ 排気開口
３１ 吸気弁
３６ 排気弁
４１ 点火プラグ
４２ 燃料噴射弁
５０ マスク部
５１ 壁面

Claims (7)

1. 複数の気筒を備えると共に、これら気筒は出力が必要とされる全運転領域において混合気の燃焼が行われる第１気筒群と、出力が必要とされる運転領域のうち一部の運転領域では混合気の燃焼が行われない第２気筒群とに分けられる、内燃機関において、
   各気筒の燃焼室に面すると共に吸気弁によって開閉される吸気開口と、
   各気筒の燃焼室に面すると共に排気弁によって開閉される排気開口と、
   前記排気開口側とは反対側において前記吸気開口の外縁に沿って前記燃焼室内に向かって延びる壁面を有するマスク部と、を備え、
   前記マスク部は、前記マスク部の壁面の前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが、前記第２気筒群の各気筒よりも前記第１気筒群の各気筒の方が小さくなるように構成される、内燃機関。
2. 前記第１気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ未満になるように構成され、前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（１）で算出されるＣｌ以上になるように構成され、
   Ｃｌ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ−０．８ …（１）
   上記式（１）において、ＮＥｍは出力点における回転速度（ｒｐｍ）、Ｐｍは出力点における吸気管圧（ｋＰａ）、ｈ＝０．００００７８８、ｊ＝−０．００３５８５、ｆ＝０．６５３１９１４、ｎ＝−０．０６２１０２３である、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが下記式（２）で算出されるＣｈ以下になるように構成される、
   Ｃｈ＝−（ｈ・ＮＥｍ＋ｊ・Ｐｍ＋ｆ）／２ｎ＋０．８ …（２）
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記第１気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが１．８ｍｍ未満になるように構成され、前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが１．８ｍｍ以上になるように構成される、請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記第２気筒群の各気筒のマスク部は前記クリアランスが３．４ｍｍ以下になるように構成される、請求項２に記載の内燃機関。
6. 前記吸気開口、前記排気開口及び前記マスク部が形成されたシリンダヘッドを更に備え、
   最も前記吸気弁のリフト方向側の前記壁面の縁部は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックとの当接面上に位置する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
7. 前記壁面は、前記吸気弁のリフト方向の各位置において、前記吸気弁の縁部の通過面からのクリアランスが周方向において一定になるように形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。

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