JP7221731B2 - 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、タンブル流の強化を目的とする吸気ポートの改良技術を対象にしている。

内燃機関において、燃料と空気との混合性を高めて燃焼性を高めるための手段として、シリンダボアにタンブル流を生成させることが有益である。そこで、強いタンブル流を生成させる手段が、従来から多々提案されている。

その例として特許文献１には、直線状に延びる吸気ポートにおいて、一対の吸気ポートを、その中心線が下流に行くに従って広がるように非平行の姿勢に形成すると共に、両吸気ポートの下流側の端部を平面視で先広がりに形成することが開示されている。

そして、特許文献１では、シリンダボアの上部に向かう吸気ポートの流速を大きくできるため、タンブル流を強化できると説明されている。

特開２０１６－１６９６６８号公報

さて、タンブル流の強化のためには、特許文献１にも記載されているように、吸気の流速を大きくすることが有益であり、この場合、シリンダボアの上部に向かう吸気のみでなく、シリンダボアに流入する吸気の流速自体を大きくするのが有利であると解される。そして、吸気ポートの出口部の断面積を絞ると、シリンダボア内での吸気の流速を大きくすることができるが、断面積を過剰に絞り過ぎると、吸気の流入量が低下するおそれがある。従って、吸気の流入性能を確保しつつ、流速をできるだけ大きくする工夫が必要である。

他方、吸気の流れは、シリンダボアの内面に沿って下降してからピストンの頂面によって方向変換してタンブル流になるが、一対の吸気ポートから流出した吸気を互いに寄せて一体化した流れにすると、強いタンブル流を生成できると解される。

しかし、特許文献１では、一対の吸気ポートは、中心線の間隔が下流に向けて広がるように配置されているため、吸気がシリンダボアの内部で拡散する傾向を呈して、必ずしもタンブル流の強化につながらないのではないかと推測される。また、吸気ポートの下流部が先広がりになっていると、吸気の速度は低下すると解されるため、タンブル流の強化とは相反するのではないかと思料される。

シリンダボアは円形であるため、一対の吸気ポートからシリンダボアの内周面に向いて放出された吸気ポートは、シリンダボアの内面のガイド作用によって互いに近づくようにガイドされると云えるが、軽自動車用内燃機関や小型自動車用内燃機関のように排気量が小さい内燃機関では、特許文献１の構成であると、吸気ポートから噴出した吸気はすぐにシリンダボアの内面に到達するため、シリンダボアが円形であることによる収束効果よりも、シリンダボアの内面に衝突することによる拡散効果の方が大きくて、タンブル流の強化につながりにくいと推測される。

本願発明は、このような知見を基に成されたものであり、吸気量の低下を招来することなく強いタンブル流を生成できる吸気ポートの形態を実現せんとするものである。

本願発明は内燃機関のシリンダヘッドに関し、このシリンダヘッドは、
「各シリンダボアに対応して一対の吸気ポートが、シリンダボア軸線方向から見た平面視においてクランク軸線と直交した方向に略平行に延びるように形成されており、前記吸気ポートの出口は、それぞれ吸気バルブによって開閉される」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記平面視において、前記一対の吸気ポートは、当該一対の吸気ポートを隔てる隔壁に接した内側面と前記隔壁から遠い側に位置した外側面との間の中心線が前記一対の吸気バルブの軸心間の間に位置するようにオフセットされており、
かつ、両吸気ポートは、当該吸気ポートの入口を有して平面視で内外側面が直線状になっているストレート部と、前記吸気ポートの出口を含む下流側に位置して平面視で内外側面の間隔が下流に向けて狭まった先窄まり部とを有し、前記先窄まり部は、平面視で外側面を傾斜又は湾曲させることによって先窄まりに形成している」
という特徴を有している。

本願発明では、吸気ポートの中心線が吸気バルブの軸心に対して内側にオフセットされているため、吸気バルブの抵抗（特にステムの抵抗）を抑制して、必要な吸気量を確保することができる。また、一対の吸気ポートの間隔は一対の吸気バルブの間隔よりも小さくなっていることにより、一対の吸気ポートから放出された吸気は、吸気バルブのステムの抵抗によって流れを乱されることなく高い直進性を維持できるため、シリンダボア内で互いに一体化（合流）しやすくなっている。

しかも、一対の吸気ポートの外側面のうち出口寄り部位が、平面視で互いに近づくように傾斜又は湾曲していることにより、吸気ポートの断面積が出口に向けて絞られているため、シリンダボアに流入する吸気の流速を大きくできると共に、両吸気ポートから放出された吸気は、シリンダボアの内面のうち最も遠い部位に向かうように方向付けられる（流れが整流される。）。

このように、一対の吸気ポートから放出された吸気は互いの間隔を狭めつつ、シリンダボアの内面のうち最も遠い部分に向かうように方向付けられると共に、流速も大きくなっているため、一対の吸気ポートから放出された吸気を一体化して（合流させて）、シリンダボアの内面によって下向きに向かう強い流れを生成できる。これにより、排気量が小さい内燃機関であっても、強いタンブル流を生成させることができる。その結果、燃料と吸気との混合性を向上させて、熱効率の向上や排気ガスの成分悪化防止に貢献できる。

実施形態に係る内燃機関の閉弁状態での縦断正面図であり、図２のI-I 視断面図である。 吸気ポートと吸気バルブとシリンダボアとの位置関係を示す図で、図１のII-II 視概略図である。 吸気行程での縦断正面図である。 吸気の流れを説明するための平面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

(1).基本構造
以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、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。なお、図２，４では、断面表示は省略している。

内燃機関は、機関本体として、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とを有している。シリンダブロック１には、複数のシリンダボア３が前後方向に並んで形成されており、各シリンダボア３にピストン４が摺動自在に嵌まっている。

シリンダヘッド２には、シリンダボア３に向けて開口した山形（断面台形のテーパ状）の燃焼室（凹所）５が形成されており、燃焼室５に、クランク軸線方向から見て左右に分かれた状態で、前後一対ずつの吸気ポート６と排気ポート７とが開口している。

すなわち、燃焼室５には、前後一対の吸気ポート６の出口（下流端）６ａが開口していると共に、前後一対の排気ポート７の入口７ａが開口しており、シリンダヘッド２には、吸気ポート６の出口６ａを開閉する前後一対の吸気バルブ８と、排気ポート７の入口を開閉する前後一対の排気バルブ９とが、それぞれバルブガイド（ブッシュ）１０，１１を介して装着されている。バルブ８，９は、それぞれステム８ａ，９ａと傘部８ｂ，９ｂとを有しており、ステム８ａ，９ａがバルブガイド１０，１１に摺動自在に嵌まっている。

一対の吸気ポート６はその全長に亙って互いに独立しており、入口（上流端）６ｂはシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口している。従って、一対の吸気ポート６を隔てる隔壁１２は、両吸気ポート６の全長にわたって延びている。但し、一対の吸気ポート６は、１つの集合入口部から分岐した形態とすることも可能である。

各吸気ポート６のうち入口部の上面には、燃料噴射インジェクタ１３の先端部を格納する凹部１４が形成されている。図示は省略しているが、シリンダヘッド２の吸気側面２ａには吸気マニホールドが固定されており、燃料噴射インジェクタ１３は吸気マニホールドに取付けられている（シリンダヘッド２に取り付けることも可能である。）。

前後一対の排気ポート７は、１つに集合してその集合部（図示せず）がシリンダヘッド２の排気側面に開口した構造と、各排気ポート７が１つの内蔵式集合通路に連通した構造とのいずれも採用できる。前者の構造では、シリンダヘッド２の排気側面にはシリンダボア３の数に対応した排気口が開口し、後者の構造では、シリンダヘッド２の排気側面には１つの排気口が開口することになる。

シリンダヘッド２には、各燃焼室５の中央部に貫通したプラグ配置穴１５が空いており、プラグ配置穴１５に点火プラグ１６を装着している。

(2).吸気ポートの詳細
吸気ポート６は、基本的には円形又は横長楕円形（又は横長小判形）の断面形状であり、図１に示すように、その入口６ｂから出口６ａに向けて高さが徐々に小さくなっている。すなわち、吸気ポート６は、縦断正面視では先窄まりになっている。

他方、図２に示すように、両吸気ポート６は、シリンダボア軸線方向から見た平面視では、隔壁１２と接した内側面１８は、出口６ａの部分を除いて直線部になっている一方、隔壁１２と反対側の外側面１９は、出口６ａに近い部分を除いた１／３～３／４程度の範囲は内側面１８と平行な直線部１９ａになって、出口６ａの側の１／３～１～１／４程度の部分は、下流側に行くに従って隔壁１２の中心線２０に近づく（互いの間隔が狭まる）湾曲部１９ｂになっている。

従って、吸気ポート６は、平面視では、入口６ｂから始まって半分以上の範囲を占めるストレート部２１と、出口側に位置した先窄まり部２２とで構成されている。湾曲部１９ｂに代えて、直線状の傾斜部とすることも可能である。なお、隔壁１２の中心線２０は、平面視でシリンダボア３の軸心を通っている。従って、隔壁１２の中心線２０は、シリンダボア３を前後に２分する横長中心線と呼ぶことも可能である。

更に、両吸気ポート６は、その中心線２３が２つの吸気バルブ８の軸心２４で挟まれたエリアに位置するように、吸気バルブ８の軸心２４よりも若干の寸法Ｅだけ隔壁１２の中心線２０の側に寄せられている（オフセットさせられている。）。従って、吸気ポート６の出口６ａも、吸気バルブ８の軸心２４よりも隔壁１２の中心線２０の側に寄るようにオフセットされており、かつ、吸気ポート６の出口６ａの平面積は、吸気バルブ８の傘部８ｂの平面積（或いはバルブシート２５の開口面積）よりも小さくなっている。

一般に、内燃機関では、吸気ポート６の中心線２３が吸気ポート６の軸心２４を通るように設定されているが、本実施形態では、一対の吸気ポート６が互いに寄るようにオフセットされている。このため、吸気バルブ８が開いた吸気行程において、吸気は、シリンダボア３のうち最も遠い部分３ａに向かい易くなっている。

しかも、両吸気ポート６における外側面１９のうち出口寄り部位が隔壁１２の中心線２３に寄る湾曲部１９ｂになっているため、そのガイド作用により、吸気は、図４に矢印２６で示すように、シリンダボア３のうち最も遠い部分３ａに収束するように方向性が付与される。また、吸気ポート６は、縦断正面視及び平面視で先窄まりになっているため、シリンダボア３に流入する吸気の流速は大きくなっている。

このように、本実施形態では、吸気ポート６の中心線２３が内側にオフセットされていることと、吸気ポート６の外側面１９のうち出口側部位が湾曲部１９ｂになっていることと、吸気の流速がシリンダボア３内部で大きくなっていることとの相乗作用により、図３に示すように、吸気がシリンダボア３の内面に沿って下向きに流れてからピストン４の頂面で方向変換してタンブル流２７が生成されるにおいて、タンブル流２７を強いものとすることができる。

また、吸気ポート６の中心線２３が吸気バルブ８の軸心２４から内側にずれているため（前後吸気ポート６の間隔が前後吸気バルブ８の間隔よりも小さくなっているため）、吸気バルブ８が吸気の流れに対する抵抗になることを抑制して、必要な吸気量を確保することができる。

なお、吸気ポート６の中心線２３が吸気バルブ８の軸心を通る従来タイプでは、図４に点線の矢印２８で示すように、吸気はシリンダボア３の内面に衝突して前後方向に分散する傾向を呈するため、シリンダボア３の内部で吸気の強い流れを形成し難く、このため、タンブル流を強化し難いと云える。特許文献１では、一対の吸気ポート６は平面視で離反する方向に向いているため、特に、吸気が分散する傾向が強いと推測される。

これに対して、本実施形態では、上記したように、吸気ポート６のオフセット態様と外側面１９の形態との相乗効果により、シリンダボア３の内部で吸気の強い流れを形成して、タンブル流を強化できると云える。特に、軽自動車用内燃機関や小型自動車用内燃機関のようにシリンダボア３の内径が小さい場合は、吸気ポート６から放出された吸気がすぐにシリンダボア３の内面に到達するため、吸気の流れに強い方向性を持たせることができて、タンブル流の強化も確実化できると云える。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、実施形態では、吸気ポート６は縦断正面視で先窄まりに形成したが、縦断正面視でストレート状に形成することも可能である。また、本願発明は、ポート噴射方式だけでなく直噴タイプ（筒内噴射タイプ）の内燃機関にも適用できる。

本願発明は、内燃機関の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
３ シリンダボア
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
６ａ 吸気ポートの出口（下流端）
６ｂ 吸気ポートの入口（上流端）
７ 排気ポート
８ 吸気バルブ
１２ 隔壁
１８ 吸気ポートの内側面
１９ 吸気ポートの外側面
１９ａ 直線部
１９ｂ 湾曲部
２０ 隔壁の中心線
２３ 吸気ポートの中心線
２４ 吸気ポートの軸心

Claims (1)

1. 各シリンダボアに対応して一対の吸気ポートが、シリンダボア軸線方向から見た平面視においてクランク軸線と直交した方向に略平行に延びるように形成されており、前記吸気ポートの出口は、それぞれ吸気バルブによって開閉される構成であって、
   前記平面視において、前記一対の吸気ポートは、当該一対の吸気ポートを隔てる隔壁に接した内側面と前記隔壁から遠い側に位置した外側面との間の中心線が前記一対の吸気バルブの軸心間の間に位置するようにオフセットされており、
   かつ、両吸気ポートは、当該吸気ポートの入口を有して平面視で内外側面が直線状になっているストレート部と、前記吸気ポートの出口を含む下流側に位置して平面視で内外側面の間隔が下流に向けて狭まった先窄まり部とを有し、前記先窄まり部は、平面視で外側面を傾斜又は湾曲させることによって先窄まりに形成している、
   内燃機関のシリンダヘッド。

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