JP6966898B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は内燃機関のシリンダヘッドに関するものであり、特に、タンブル流の生成機能に特徴を有している。

内燃機関では、空気と燃料との混合性を高めるためにタンブル流を積極的に生成させており、そのための手段が多々提案されている。その例として特許文献１には、吸気ポートのうち下流側の端部に、半径が増大する吸気ポート拡幅部と、これに連続して半径を減少させた吸気調整部とを形成して、吸気調整部によって吸気を吸気ポートの中心線側に寄せることが開示されている。

特許文献１は、吸気ポート拡幅部によって吸気量を増大させつつ、吸気調整部によって吸気の流れに強い方向性を持たせようというものであり、タンブル流の強さを高い状態に維持しつつ、吸気量を増大させることができるとの説明が成されている。

特開２００５−６１３６８号公報

さて、タンブル流は、吸気をシリンダボアの壁面に当てることによって下向きに方向を変換し、次いでピストンの頂面に沿って流れるように方向変換させることによって旋回流となすものであり、強いタンブル流を形成するためには、吸気ポートから噴出した吸気を拡散させずに強い方向性を持たせてシリンダボアに噴出させることが重要であるといえる。

しかるに、特許文献１は、吸気ポートの下流端部に面積を絞った吸気調整部を形成することで吸気に方向性を持たせようとしているが、吸気調整部は全周にわたって内径が急激に縮小しているため、吸気ポートの内面に沿って流れた吸気が吸気調整部に当たって大きく拡散して乱流化するおそれがあり、これが吸気の流れの方向性付与にマイナスの影響を与えることが懸念される。

また、吸気調整部によって内径が絞られると、抵抗の増大によって吸気が流れにくくなるため、強力なタンブル流を生成できるか否か疑問無しと云えず、更に、吸気の流れ抵抗によってスロットルバルブの開閉に対する吸気量の応答性が悪くなり、車両においてはドライバビリティが損なわれることも懸念される。特に、機関の回転数が高くなるほど吸気の流れ抵抗が大きくなるため、高速回転域において特に機関回転の応答性が悪化することが懸念される。

本願発明は、上記のような現状を改善すべく成されたものであり、吸気に強い方向性を付与して強いタンブル流を得ることを課題とするものである。

本願発明は、吸気の流れ方向から見て上流側の始端を吸気側面に開口させて下流側の終端をシリンダボアに開口させた吸気ポートを備えているシリンダヘッドに関するものであり、
「動弁室の側を上としてシリンダブロックの側を下とした状態で、前記吸気ポートは、基本的に前記シリンダボアに向けて斜め下向きに傾斜しており、かつ、前記吸気ポートの終端に、リング状の吸気用バルブシートが、その軸心を前記吸気ポートの中心線に対して交差させた姿勢で嵌着している」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記吸気ポートの傾斜した下面のうち終端寄り部位は、前記吸気ポートの中心線との間隔が下流に向けて広がるように傾斜角度を大きくすると共に前記吸気用バルブシートの軸心に対して傾斜した逃がし面に形成されて、前記逃がし面の延長線のうち上流側に向かった延長線は前記吸気ポートの始端を通過し、前記逃がし面の延長線のうち下流に向かった線は前記シリンダボアに入り込んでおり、
かつ、前記吸気ポートの下面のうち前記逃がし面に連続して始端側に位置した部分に、クランク軸線方向から見て下向きに緩く凹んで全体として曲面形状を成した下部ガイド凹所を形成しており、前記下部ガイド凹所は、最も深い部分を前記逃がし面に近い側にずらしている」
という特徴を有している。

本願発明では、まず、吸気ポートの下面に沿って流れてきた吸気が、下部ガイド凹所によって上向きに向かうように案内される（方向変換作用を受ける。）。この方向変換作用により、吸気ポートを流れてきた吸気は、できるだけ高い位置においてシリンダボアに向かうように方向付けられる。これにより、強く大きなタンブル流の生成に貢献できる。

そして、下部ガイド凹所よりも終端側の部位が吸気ポートの基本中心線と平行であると、吸気の通路面積が狭くなって流れ抵抗が増大するおそれがあるが（特に、吸気ポートの終端寄り部位の上面を吸気ポートの基本中心線に対して相対的に下向き傾斜させていると、吸気ポートの終端部が窄まり傾向を呈するため、流れ抵抗が増大して必要な吸気量を確保できないおそれがある。）、本願発明では、下部ガイド凹所に続く部分が吸気ポートの基本中心線に対して相対的に下向き傾斜した逃がし面になっているため、断面積の減少を防止して、吸気量を確保することができる。

これにより、スロットルバルブの開度に応じた吸気量を確保して機関制御の応答性を向上させつつ、強いタンブル流を形成して燃費の向上等に貢献することができる。

本願発明者が解析したところ、本願発明の構造は、従来に比べてタンブル流の強さを１８％向上させつつ、吸気量の低下はみられなかった。従って、本願発明の効果は実証されているといえる。

実施形態をクランク軸線方向から見た縦断正面図（クランク軸線と直交すると共に１つの吸気側バルブシートの中心を通る平面で切断した断面図）である。 開弁状態での要部拡大縦断正面図である。 作用を示す要部拡大縦断正面図である。 タンブル流の生成状態を示す縦断正面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本願では、方向を特定するため、上下と前後、左右の文言を使用するが、上下は、請求項で定義しているように、動弁室の側が上でシリンダブロックの側が下であり（従って、上下方向はシリンダボア方向と同じである。）、縦型エンジンの場合は、上下は鉛直方向と同じになる。スラント型エンジンやＶ型エンジンの場合は、シリンダボアの傾斜角度が大きくなると、上下方向は必ずしも鉛直方向とはいえなくなる。前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。

内燃機関の基本構造は従来と同様であり、機関本体の主要要素としてシリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、両者の間にはガスケット３が挟まれている。シリンダブロック１には、ピストン４が摺動自在に配置されてシリンダボア５が、クランク軸線方向に沿って複数形成されている。

一方、シリンダヘッド２には、各シリンダボア５に対応して略円錐状の凹所（燃焼室）６が形成されていると共に、前後２本ずつの吸気ポート７と排気ポート８とが左右に分かれて形成されている。敢えて説明するまでもないが、吸気ポート７は、吸気の流れ方向に向かって上流側に位置した始端７ａがシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口して、吸気の流れ方向に向かって下流側に位置した終端７ｂが凹所６及びシリンダボア５に向けて開口している。排気ポート８は、凹所と排気側面とに開口している。凹所６の中央部には、点火プラグ（図示せず）の下端が露出している。

本実施形態では、２本の吸気ポート７はそれぞれ独立しており、従って、吸気マニホールド９にも、各気筒の箇所ごとに２本の吸気枝管１０が形成されているが、２本の吸気ポート７の始端７ａを１つに纏めて、途中で二股状に前記した構造もある。

各吸気ポート７の上面部のうち始端７ａに寄った部位には、インジェクタ用凹所１１が上向きに抉られた状態に形成されており、このインジェクタ用凹所１１に、燃料噴射インジェクタ１２のノズル１２ａを傾斜姿勢で配置している。本実施形態では、燃料噴射インジェクタ１２を吸気マニホールド９に取付けているが、シリンダヘッド２に取り付けることも可能である。

吸気ポート７の終端７ｂは吸気バルブ１３で開閉されて、排気ポート８の始端は排気バルブ１４で開閉される。従って、吸気ポート７の終端７ｂには、吸気用バルブシート１５が下方から装着されており、排気ポート８の始端には、排気用バルブシート１６が下方から装着されている。各バルブ１３，１４の弁軸１３ａ，１４ａは、ブッシュ１７を介して摺動自在に保持されている。吸気用バルブシート１５の軸心は吸気バルブ１３と同心であるので、吸気用バルブシート１５の軸心は、吸気ポート７の基本中心線１９に対して交差している（鉛直側に起きている。）。

(2).吸気ポートの上面部を中心にした詳細
吸気ポート７の上面のうち、終端７ｂに近い側に、吸気バルブ１３の弁軸１３ａを挟んだ左右両側に広がった上傾斜案内面１８が形成されている。図１に示すように、吸気ポート７のうち終端部を除いた部分の基本中心線１９は、クランク軸線方向から見て、概ね、シリンダヘッド２の下面に対して、４５度よりも小さい緩い角度θ１で斜め下向きに傾斜しているが、上傾斜案内面１８は、吸気ポート７の基本中心線１９に対して若干の角度θ２だけ下向きに傾斜している（なお、弁軸１３ａは、上傾斜案内面１８に貫通している。）。従って、クランク軸線方向から見た状態で、吸気ポート７の終端部は僅かながら先窄まりになっている。

上傾斜案内面１８が吸気ポート７の基本中心線１９に対して相対的に下向き傾斜しているため、吸気用バルブシート１５の中心を通る平面で切った縦断正面視において、上傾斜案内面１８がシリンダヘッド２の下面に対して成す傾斜角度θ３は、吸気ポート７の基本中心線１９の傾斜角度θ１よりも少し大きくなっている。このように傾斜角度θ１、θ３が相違するのは、吸気ポート７の終端７ｂがシリンダボア軸心２０を挟んだ片側に位置していて、吸気ポート７の終端部をシリンダボアに向けて方向変換させなければならないことに起因している。

なお、吸気ポート７の基本中心線１９の傾斜角度θ１を大きくすると、θ１＝θ３にすることができるが、この場合は、吸気マニホールド９の取付け位置が高くなるため、シリンダヘッド２の高さが高くなる等の問題が生じてくる。従って、θ１はできるだけ小さくしつつ、強いタンブル流を形成することが設計上の課題であるといえる。

吸気用バルブシート１５は、外周面と上端面とを有するリング構造であり、吸気ポート７の終端７ｂに形成した拡径部２１に嵌め込んでいる。従って、拡径部２１は、吸気用バルブシート１５の上端面が重なる段差面２１ａを有している。また、吸気用バルブシート１５の内周のうち上側にはストレート面１５ａが形成されて、その下端に下広がりの第１傾斜面１５ｂが連続し、更に、第１傾斜面１５ｂには、第１傾斜面１５ｂよりも広がり角度が大きい第２傾斜面１５ｃが連続している。

従って、吸気用バルブシート１５の内面には、第１及び第２の傾斜面１５ｂ，１５ｃから成るテーパ面が形成されている。また、ストレート面１５ａと第１傾斜面１５ｂとの連接部である第１角部１５ｄと、第１傾斜面１５ｂと第２傾斜面１５ｃとの連接部である第２角部１５ｅが形成されている。

吸気バルブ１３の傘部の外周は下広がりのテーパ面１３ｂになっているが、テーパ面１３ｂは、閉弁状態で、第２傾斜面１５ｃに重なるか、又は、第２角部１５ｅに線接触状態に重なっている。或いは、第２傾斜面１５ｃに続く第３傾斜面を形成して、第２傾斜面１５ｃと第３傾斜面との連接部である第３角部に、吸気バルブ１３のテーパ面１３ｂを線接触状態で当てることも可能である。更に、吸気用バルブシート１５のテーパ面及び吸気バルブ１３のテーパ面１３ｂのうちいずれか一方又は両方をラッパ状の曲面に形成して、両者を線接触状態で当てることも可能である。

そして、図２に明示するように、クランク軸線と交差すると共に吸気バルブ１３及び吸気用バルブシート１５の軸心を通る平面で切断した縦断正面視において、吸気用バルブシート１５のうち上傾斜案内面１８の側に位置した部分の全体が、上傾斜案内面１８の上面のプロフィールを規定する直線の延長線２２を挟んで吸気ポート７と反対側の上側（点火プラグの側）に位置している。従って、拡径部２１の段差面２１ａは、上部において吸気用バルブシート１５の内側にはみ出している。

(4).上傾斜案内面の作用
図３では、従来の上傾斜案内面２３を点線で表示している。すなわち、この従来構造では、上傾斜案内面２３は上向きに凹んだ曲面になっており、その終端は、吸気用バルブシート１５の上角部の箇所に位置している。従って、この場合は、拡径部２１の段差面２１ａの上部の幅は吸気バルブ１３の上端面の幅と同じになっている。

そして、従来構造では、吸気ポート７の上面に沿って流れてきた吸気は、点線の矢印２４で示すように、上傾斜案内面２３に案内されて下向きに方向を変えてから吸気用バルブシート１５の内周面に当たることになり、このため、シリンダボア５に向かう吸気の流れが全体として下向きに方向変換させられる傾向を呈すると共に、吸気用バルブシート１５に衝突したときに乱流化するおそれがあるといった問題があり、結果として、タンブル流Ｔを強くすることに限度があった。

これに対して本実施形態では、上傾斜案内面１８が直線形状であることと、吸気が吸気用バルブシート１５に衝突しないこととが相まって、吸気を下向きに方向変換させることなく、できるだけシリンダボア５の上部に向かうように方向性を付与した状態のままで、勢いを殺さずにシリンダボア５にスムースに噴出させることができる。その結果、図４に示すように、シリンダボア５とピストン４との案内作用を利用して強いタンブル流Ｔを形成できる。

(5).吸気ポートの下面の構造
本実施形態において、吸気ポート７の下面２５の基本形態は、クランク軸線方向から見て、吸気ポート７の基本中心線１９と平行なほぼ直線のプロフィールになっているが、本実施形態の特徴として、まず、終端寄りの部位のうち概ね上傾斜案内面１８の始端部と対向した部位に下部ガイド凹所２６を形成している。

次に、下部ガイド凹所２６よりも下流側の部位を、吸気ポート７の下面２５の基本形態を成す直線に対して斜め下向きに傾斜させて逃がし面２７と成しており、逃がし面２７の終端は、吸気用バルブシート１５のうち上端面と内周面との連接部である上内周縁１５ｆに位置している。

従って、吸気用バルブシート１５の上内周縁１５ｆを起点とする逃がし面２７が、吸気ポート７の基本部の下面２５に対して斜め上向き姿勢に形成されて、吸気ポート７の下面に、逃がし面２７の始端に連続した下部ガイド凹所２６が形成されていることになる。下部ガイド凹所２６の長さＬは３０〜４０ｍｍ程度、最大深さは１ｍｍ程度である。吸気ポート７の下面２５（及び吸気ポート７の基本中心線１９）に対する逃がし面２７の相対的な傾斜角度θ４は、５〜１０度程度に設定している（好適には６〜８度である。）。
θ４が５〜１０度程度に設定されているため、図１に示すように、逃がし面２７の上流側の延長線２７ａは吸気ポート７の始端（入口）７ａを通過し、図１，２に示すように、逃がし面２７の下流側の延長線２７ｂはシリンイダボア５に入り込んでいる。

図２に明示するように、下部ガイド凹所２６は、クランク軸線方向から見た断面視において、全体として曲面形状ではあるものの、最も深い部位２６ａを終端側（逃がし面２７に近い側）に寄せている。従って、吸気ポート７の下面に沿って流れてきた吸気は、図３に矢印２８で示すように、下部ガイド凹所２６によって上向きに方向変換するような作用を受ける。つまり、吸気ポート７を流れてきた吸気は、下部ガイド凹所２６によって上向きに押し上げられる作用を受ける。

下部ガイド凹所２６は、上傾斜案内面１８よりも上流側に位置しているため、吸気は、下部ガイド凹所２６によって上向きに押されるような作用を受けて、吸気ポート７の上面に沿って流れる傾向を呈するが、上傾斜案内面１８が直線状でかつ吸気用バルブシート１５で方向変換することはないため、吸気は、上傾斜案内面１８によるガイド作用をフルに享受して、シリンダボア５に向かう強い流れが維持される。その結果、強いタンブル流Ｔが形成される。

従って、本実施形態では、上傾斜案内面１８と下部ガイド凹所２６とは、協働して強いタンブル流Ｔの生成に貢献している。また、下部ガイド凹所２６の深さは１ｍｍ程度であるため、機関が高速回転して吸気の流速が速くても、吸気の流れを大きく乱すようなことはなく、強いタンブル流Ｔを形成できる。また、特許文献１とは異なって、圧損が生じることもない。

逃がし面２７は、吸気ポート７の終端部の断面積を大きくして、吸気の流れ抵抗を抑制する働きをしている。すなわち、吸気ポート７は逃がし面２７の箇所において最も断面積が小さくなっているが、吸気ポート７の上面に直線状の上傾斜案内面１８を形成したことによる断面積減少を、吸気ポート７の下面に逃がし面２７を形成することによって補っている。なお、逃がし面２７は、吸気ポート７の軸心方向から見ると下向きに凹んだ凹所になっており、シリンダヘッド２の下面側からエンドミルを当てることにより、切削加工することができる（勿論、鋳込みによって形成してもよい。）。

上傾斜案内面１８の大部分の下方は凹所６及びシリンダボア５に開放されているので、逃がし面２７の断面積が少なくても、吸気の流れ抵抗の増大になることはない。つまり、上傾斜案内面１８を直線形状にしたことによる吸気ポート７の断面積の低減は、上傾斜案内面１８の始端部の僅かの部分において問題になるのであり、この僅かの断面積の減少を下部の逃がし面２７によって補っているのである。

結局、本実施形態では、上傾斜案内面１８と下部ガイド凹所２６と逃がし面２７との三者が有機的に結合して、強いタンブル流Ｔの形成に貢献している。但し、逃がし面２７や下部ガイド凹所２６を形成することは、上傾斜案内面１８を図３に点線で示すように形成した場合にも効果がある。

本願発明は、シリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
４ ピストン
５ シリンダボア
６ 凹所（燃焼室）
７ 吸気ポート
７ａ 吸気ポートの始端
７ｂ 吸気ポートの終端
９ 吸気マニホールド
１３ 吸気バルブ
１５ 吸気用バルブシート
１５ｆ 上内周縁
１８ 上傾斜案内面
１９ 吸気ポートの基本中心線
２１ 拡径部
２５ 吸気ポートの下面
２６ 下部ガイド凹所
２７ 逃がし面
Ｔ タンブル流

Claims (1)

1. 吸気の流れ方向から見て上流側の始端を吸気側面に開口させて下流側の終端をシリンダボアに開口させた吸気ポートを備えているシリンダヘッドであって、
   動弁室の側を上としてシリンダブロックの側を下とした状態で、前記吸気ポートは、基本的に前記シリンダボアに向けて斜め下向きに傾斜しており、かつ、前記吸気ポートの終端に、リング状の吸気用バルブシートが、その軸心を前記吸気ポートの中心線に対して交差させた姿勢で嵌着している構成であり、
   前記吸気ポートの傾斜した下面のうち終端寄り部位は、前記吸気ポートの中心線との間隔が下流に向けて広がるように傾斜角度を大きくすると共に前記吸気用バルブシートの軸心に対して傾斜した逃がし面に形成されて、前記逃がし面の延長線のうち上流側に向かった延長線は前記吸気ポートの始端を通過し、前記逃がし面の延長線のうち下流に向かった線は前記シリンダボアに入り込んでおり、
   かつ、前記吸気ポートの下面のうち前記逃がし面に連続して始端側に位置した部分に、クランク軸線方向から見て下向きに緩く凹んで全体として曲面形状を成した下部ガイド凹所を形成しており、前記下部ガイド凹所は、最も深い部分を前記逃がし面に近い側にずらしている、
   内燃機関のシリンダヘッド。

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