JP4290147B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼空間に開口する吸気ポートが設けられたシリンダヘッドを備える内燃機関に関し、より詳細には該吸気ポートの構造に関する。

内燃機関において、燃焼室を含んで構成される燃焼空間における燃焼性を向上させるために、吸気ポートにおける吸気流を制御する技術がある。例えば特許文献１に開示された内燃機関の吸気ポートは、通路上流部と該通路上流部から下方へ湾曲する湾曲部を含んで燃焼室へ連通する通路下流部とからなる。そして、吸気ポートの外周側壁面には、部分的に曲率中心方向に突出する突出部が形成され、該突出部は、通路上流部から吸気バルブガイドの下流側に渡って形成される。また、特許文献２に開示された内燃機関では、湾曲状に形成された吸気ポートの断面形状を偏平にするように、吸気ポートの内面のうちの湾曲の内側における内底面が上げ底面に形成される。
特開２００４−１４３９５４号公報 特許第２５５４７５５号公報

ところで、前記従来技術は、いずれも、燃焼室内に強いタンブル流を発生させる観点から、湾曲する吸気ポートの外側に沿う領域、すなわち吸気ポートにおける一領域での吸気の流動を強化するものであり、吸気ポートの壁面には、１つの突出部が設けられている。しかしながら、燃焼性を高めるためには、タンブル流やスワールなどの旋回流以外にも、燃焼空間内に吸入された吸気の速度差による乱れを発生させることも有効である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、吸気ポートにおいて低流速領域および第１，第２高流速領域での吸気の速度差を増大させることにより、燃焼性の向上を図ることを目的とする。そして、請求項２記載の発明は、さらに、弁ガイドによる吸気抵抗の増加を防止することを目的とし、請求項３記載の発明は、さらに、分岐ポートを有する吸気ポートにおいて各分岐ポートでの吸気の速度差を増大させることを目的とする。

請求項１記載の発明は、ピストンが往復動可能に嵌合するシリンダとの協働により燃焼空間を形成すると共に前記燃焼空間に開口する吸気口を有する吸気ポートが設けられたシリンダヘッドと、前記吸気口を開閉する吸気弁とを備える内燃機関において、前記吸気ポートは、第１，第２突出部が前記吸気ポートの壁面に吸気流に沿って延びて設けられた吸気流制御ポート部を有し、前記吸気流制御ポート部での通路断面には、前記第１突出部と前記第２突出部との最小間隔が形成される領域を中心に形成される低流速領域と、前記低流速領域および前記第１，第２突出部を挟んで両側に前記低流速領域に比べて吸気の最大流速が大きい第１，第２高流速領域とが形成され、吸気は、前記低流速領域および前記第１，第２高流速領域での流速の大小関係を有する流速分布で前記吸気口に達する内燃機関である。

これによれば、第１，第２突出部が設けられることにより低流速領域が形成され、最小間隔の設定に応じて低流速領域の流速を低下させて、その分、第１，第２高流速領域での流速を高めることができるので、第１，第２高流速領域と低流速領域との間での吸気の速度差を大きくできる。しかも、最小間隔で互いに対向する第１，第２突出部により、突出部が１つである場合に比べて、低流速領域の吸気を第１，第２高流速領域に的確に分流させることができるので、この点でも速度差の増大に寄与する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、前記第１突出部には、前記吸気弁の弁ステムが挿通される弁ガイドが配置され、前記弁ガイドは前記第１突出部よりも前記吸気ポート内に突出しないものである。

これによれば、弁ガイドが吸気ポート内に突出しないので、弁ガイドによる吸気抵抗の増加が防止される。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、前記吸気ポートは、隔壁により分離されてそれぞれが前記吸気口にて前記燃焼空間に開口する複数の分岐ポートを有し、前記各分岐ポートは前記吸気流制御ポート部を有し、前記吸気流制御ポート部を上流部分、中流部分および下流部分にほぼ三等分したとき、前記隔壁の上流縁は前記中流部分または前記上流部分に位置するものである。

これによれば、吸気流制御ポート部の通路長が長くなるので、各分岐ポートにおいて第１，第２高流速領域での吸気流が充分に整流されて、速度分布が良好に維持される。

請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、第１，第２高流速領域と低流速領域との間での吸気の速度差を増大できるので、燃焼空間内に吸入された吸気の速度差も大きくすることができて、燃焼性が向上する。

請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、弁ガイドによる吸気抵抗の増加が防止されるので、第１，第２突出部が設けられるにも拘わらず、所要の吸気流量の確保が容易になる。

請求項３記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、複数の分岐ポートを有する吸気ポートにおいて、各分岐ポートでの速度分布が良好に維持されるので、燃焼空間内に吸入された吸気の速度差も大きくなり、燃焼性が一層向上する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用された内燃機関Ｅは、水冷式単気筒４ストローク内燃機関であり、クランク軸（図示されず）が車幅方向を指向する横置き配置で自動二輪車に搭載される。内燃機関Ｅは、該クランク軸を回転可能に支持するクランクケースに結合されるシリンダ１と、シリンダ１の上端に結合されるシリンダヘッド２と、シリンダヘッド２の上端に結合されるヘッドカバー３とを備える。
なお、この明細書において、上下方向はシリンダ軸線Ｌに平行な方向である。

シリンダ１のシリンダボア１ａには、ピストン４が往復動可能に嵌合し、シリンダヘッド２には、シリンダ軸線方向でシリンダボア１ａに対向する凹部により形成される燃焼室５と、燃焼室５に開口する１対の吸気口31ｂ，32ｂ（図２も参照）を有する吸気ポート10および燃焼室５に開口する１対の排気口11ｂを有する排気ポート11とが設けられる。燃焼室５は、ピストン４とシリンダヘッド２との間のシリンダボア１ａの部分１a1と共に、シリンダ１とシリンダヘッド２との協働により形成される燃焼空間６を構成する。

シリンダヘッド２には、燃焼室５に対応して１対の吸気口31ｂ，32ｂおよび１対の排気口11ｂをそれぞれ開閉するいずれもポペット弁からなる１対の吸気弁12および１対の排気弁13が設けられる。シリンダヘッド２に設けられるバネ受け部14に保持される弁バネ15により閉弁方向に付勢される各吸気弁12および各排気弁13は、その弁ステム12ａ，13ａがシリンダヘッド２に圧入された円筒状の弁ガイド16，17にそれぞれ摺動可能に挿通されて支持されることにより、シリンダヘッド２に往復動可能に支持される。

各吸気弁12および各排気弁13は、シリンダヘッド２とヘッドカバー３との協働により形成される動弁室20内に配置される頭上カム軸型の動弁装置21により、前記クランク軸の回転に同期して所定のタイミングで開閉される。動弁装置21は、シリンダヘッド２に回転可能に支持されると共に吸気カム22ａおよび排気カム22ｂが設けられた１つのカム軸22と、１対の吸気カム22ａにより駆動されて吸気弁12の軸線方向に往復運動する１対の弁リフタ23と、１対の吸気カム22ａの間に配置される１つの排気カム22ｂにより駆動されてロッカアーム軸25を中心に揺動運動するロッカアーム24とを備える。

カム軸22は、タイミングチェーンを備える伝動機構を介して伝達される前記クランク軸の動力によりその１／２の回転速度で回転駆動される。そして、各吸気弁12は各弁リフタ23を介して各吸気カム22ａにより開弁駆動され、各排気弁13は、二股に分岐して１対の排気弁13にそれぞれ当接する１対の分岐アーム部24ａを有するロッカアーム24を介して排気カム22ｂにより開弁駆動される。

吸気ポート10の入口10ａが設けられたシリンダヘッド２の吸気側接続部２ａに接続される吸気装置からは、混合気形成装置としての燃料噴射弁により供給された燃料と吸入空気との混合気が、吸気ポート10を通って各吸気弁12の開弁時に燃焼室５に流入し、シリンダヘッド２に設けられた収納筒７内に配置される点火栓（図示されず）により点火されて燃焼する。そして、燃焼空間６の燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン４がコンロッドを介して前記クランク軸を回転駆動する。また、燃焼ガスは、排気ガスとして排気弁13の開弁時に排気ポート11に流出し、排気ポート11の出口が設けられたシリンダヘッド２の排気側接続部に接続される排気管を備える排気装置を通じて外部に排出される。

図２を併せて参照して、吸気ポート10を中心に説明する。
吸気ポート10は、吸気ポート10の上流ポート部を構成して入口10ａを有する共通ポート30と、共通ポート30の下流側で隔壁８により分離されて吸気口にて燃焼室５に開口する複数の分岐ポート、この実施形態では２つの分岐ポート31，32とから構成される。吸気ポート10の下流ポート部を構成する各分岐ポート31，32は、シリンダヘッド２に設けられるバルブシート18により規定される吸気口31ｂ，32ｂを有すると共に、吸気流方向に沿う所定範囲に渡って、吸気流方向でシリンダ１側または燃焼室６側に向かって湾曲方向Ｃに湾曲する湾曲ポート部を有する。

さらに、図３を併せて参照すると、吸気ポート10は、１対の第１，第２突出部41，42が吸気ポート10の壁面40に吸気流に沿って延びて設けられた吸気流制御ポート部33を有する。吸気ポート10の周方向に離れて設けられる第１，第２突出部41，42は、それぞれ、壁面40において、第１壁面としての外側壁面40ａおよび第２壁面としての内側壁面40ｂに滑らかに突出して設けられる。各突出部41，42は、分岐ポート31，32毎に、共通ポート30と各分岐ポート31，32とに跨って設けられ、隔壁８の上流縁８ａよりも上流の位置から下流に向かって、吸気流に沿って延びる。
なお、明細書または特許請求の範囲において、内側および外側とは、湾曲方向での内側および外側を意味し、通路断面とは、吸気流の主流に直交する平面での吸気ポート10の断面である。

第１突出部41の下流端部41ａには、弁ガイド16が挿入される挿入孔９が設けられ、第１突出部41は、挿入孔９および弁ガイド16よりも下流で、挿入孔９の付近まで吸気流方向で延びている。そして、図１に示されるように、第１突出部41に配置される弁ガイド16の下端部は、第１突出部41の表面とほぼ同じ位置にあり、第１突出部41から吸気ポート10内に突出しない。
なお、この明細書において、「ほぼ」とは、「ほぼ」との修飾語がない場合を含むと共に、「ほぼ」との修飾語がない場合のときと比べて、作用効果に関して有意の差異がない範囲を意味する。

また、第２突出部42は、バルブシート18よりも上流で、バルブシート18の近傍まで吸気流方向に延びて、バルブシート18の内周面の延長面よりも吸気ポート10内に突出しないようにバルブシート18の内周面に滑らかに連なる。

吸気流方向での所定範囲に渡って延びる吸気流制御ポート部33は、通路断面において第１，第２突出部41，42が設けられている部分により構成され、この実施形態では、共通ポート30および各分岐ポート31，32が、共通ポート30に跨る吸気流制御ポート部33を有する。また、吸気流制御ポート部33を上流部分、中流部分および下流部分にほぼ三等分したとき、隔壁８の上流縁８ａは前記中流部分に位置する。なお、上流縁８ａは、前記上流部分に位置してもよい。

図３を参照すると、吸気流制御ポート部33での少なくとも一部の通路断面である特定通路断面（以下、「特定通路断面」という。）においては、低流速領域34と、低流速領域34に比べて吸気の最大流速が大きい第１，第２高流速領域35，36とが形成される。この実施形態において、特定通路断面は、各分岐ポート31，32における通路断面である。

図３によく示されるように、特定通路断面において、第１，第２突出部41，42は、後述する第２方向に平行な１つの直線に対してほぼ線対称である。また、特定通路断面において、第１，第２突出部41，42の頂部の形状は、この実施形態ではほぼ直線であるが、曲線であってもよい。

そして、低流速領域34は、第１突出部41と第２突出部42との最小間隔ｄが形成される領域を中心に形成され、第１方向（以下、「第１方向」という。）で低流速領域34および第１突出部41と第２突出部42を挟んでそれらの両側に第１，第２高流速領域35，36が形成される。ここで、第１方向は、最小間隔ｄを規定する第１突出部41の第１地点Ｐ１および第２突出部42の第２地点Ｐ２を結ぶ直線Ａに直交する方向である。この実施形態では、両分岐ポート31，32での最小間隔ｄはほぼ等しい値に設定されているが、異なる値に設定されてもよい。

特定通路断面において、直線Ａに直交する第１突出部41の第１接線Ｂ１に対して第１突出部41側に第１方向で第１突出部41を挟んで両側に第１，第２通路37ａ，37ｂが形成され、直線Ａに直交する第２突出部42の第２接線Ｂ２に対して第２突出部42側に第１方向で第２突出部42を挟んで両側に第３，第４通路38ａ，38ｂが形成され、両接線Ｂ１，Ｂ２の間に中央通路39が形成される。それゆえ、この通路断面はＨ形状を呈する。

そして、第１高流速領域35には、直線Ａに平行な第２方向（以下、「第２方向」という。）で互いに対向する第１，第３通路37ａ，38ａおよび第２方向での両通路37ａ，38ａの間の中央通路39の第１高流速部分39ａが含まれ、第２高流速領域36には、第２方向で互いに対向する第２，第４通路37ｂ，38ｂおよび第２方向での両通路37ｂ，38ｂの間の中央通路39の第２高流速部分39ｂが含まれる。また、低流速領域34には、第１方向で第１，第２高流速部分39ａ，39ｂの間の中央通路39の低流速部分39ｃが含まれる。

この実施形態において、各分岐ポート31，32において、第１方向での低流速領域34の幅は、第１方向での弁ガイド16の幅にほぼ等しく、また、第１方向での第１，第２高流速領域35，36の幅にほぼ等しく、さらに両高流速領域35，36での流速はほぼ等しい。

最小間隔ｄは、吸気流方向で徐々に小さくなり、弁ガイド16の上流付近で最小値となった後、吸気流方向で徐々に大きくなる。このため、吸気流制御ポート部33において、吸気が最小間隔ｄが最小値となる特定通路断面に向かって流れるにつれて、第１，第２突出部41，42による吸気抵抗の増加により、低流速領域34の吸気が第１，第２高流速領域35，36に分流して、両高流速領域35，36での吸気の増速に資する。

また、図３に示されるように、特定通路断面に直交する方向で見たとき、各吸気弁12の弁ステム12ａは第２方向に平行にほぼ延びており、かつ弁ステム12ａは吸気ポート10内において低流速領域34と重なる位置を占める（図３参照）。

そして、この吸気流制御ポート部33を通過した吸気は、吸気流制御ポート部33での低流速領域34および第１，第２高流速領域35，36での流速の大小関係を有する速度分布で吸気口31ｂ，32ｂに達し、さらに燃焼室５（図１参照）に流入する。

また、第１突出部41に対してシリンダ１寄りに位置する第２突出部42には、第３，第４通路38ａ，38ｂとシリンダ軸線方向で重なる位置を占めるように、または前記クランク軸の回転中心線方向から見て第３，第４通路38ａ，38ｂと重なる位置を占めるように、シリンダヘッド２に形成される冷却水通路50が入り込んで設けられる。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
吸気ポート10は、第１，第２突出部41，42が設けられた吸気流制御ポート部33を有し、吸気流制御ポート部33での特定通路断面には、低流速領域34と、低流速領域34に比べて吸気の最大流速が大きい第１，第２高流速領域35，36とが第１方向で低流速領域34および第１突出部41と第２突出部42を挟んで両側に形成され、吸気は低流速領域34および第１，第２高流速領域35，36での流速の大小関係を有する流速分布で吸気口31ｂ，32ｂに達する。これにより、第１，第２突出部41，42が設けられることにより低流速領域34が形成され、最小間隔ｄの設定に応じて低流速領域34の流速を低下させて、その分、第１，第２高流速領域35，36での流速を高めることができるので、第１，第２高流速領域35，36と低流速領域34との間での吸気の速度差を大きくできる。しかも、最小間隔ｄで互いに対向する第１，第２突出部41，42により、突出部が１つである場合に比べて、低流速領域34の吸気を第１，第２高流速領域35，36に的確に分流させることができるので、この点でも速度差の増大に寄与する。この結果、第１，第２高流速領域35，36と低流速領域34との間での吸気の速度差を増大できるので、燃焼空間６内に吸入された吸気の速度差も大きくすることができて、燃焼性が向上する。

より具体的には、図４（Ａ）を参照すると、第１，第２突出部41，42が設けられていない吸気ポート（比較吸気ポート）に対して通路容積を４％減少させたこの実施形態での吸気ポート（本発明吸気ポート）が設けられた内燃機関Ｅにおいては、第１，第２突出部41，42が設けられたことで通路面積が減少するにも拘わらず、第１，第２高流速領域35，36での吸気の流速が高められることにより、部分的に比較吸気ポートに比べて大きな吸気流量が確保される。しかも、燃焼空間６における吸気の速度差の増加による燃焼性の向上により、図４（Ｂ）に示されるように、回転速度域を低速回転域および高速回転域に二分したとき、高速回転域において機関出力が増加する。

第１突出部41には、吸気弁12の弁ステム12ａが挿通される弁ガイド16が配置され、弁ガイド16は第１突出部41よりも突出しないことにより、弁ガイド16による吸気抵抗の増加が防止されるので、第１，第２突出部41，42が設けられるにも拘わらず、所要の吸気流量の確保が容易になる。

吸気ポート10の各分岐ポート31，32は吸気流制御ポート部33を有し、隔壁８の上流縁８ａは気流制御ポート部33の前記中流部分または前記上流部分に位置することにより、吸気流制御ポート部33の通路長が長くなることから、各分岐ポート31，32において第１，第２高流速領域35，36での吸気流が充分に整流されて、速度分布が良好に維持されるので、燃焼空間６内に吸入された吸気の速度差も大きくなり、燃焼性が一層向上する。

第１方向での低流速領域34の幅は、第１方向での第１，第２高流速領域35，36の幅にほぼ等しいことにより、低流速領域34の適度な量の吸気を第１，第２高流速領域35，36に分流させることにより、第１，第２高流速領域35，36での吸気の流速を高めることができるうえ、第１，第２高流速領域35，36の比較的大きな通路面積を確保できるので、吸気抵抗の増加が抑制されて、所要の吸気流量の確保が容易になる。

特定通路断面に直交する方向で見たとき、各吸気弁12の弁ステム12ａは第２方向に平行にほぼ延びており、かつ弁ステム12ａは吸気ポート10内において低流速領域34と重なる位置を占めることにより、吸気ポート10内で弁ステム12ａに当たる吸気の流速が小さいため、弁ステム12ａによる吸気流量および流速の低下は小さなものとなるので、所要の吸気流量の確保が容易になると共に、吸気口31ｂ，32ｂおよび燃焼空間６内での吸気の速度差の増大に寄与する。そして、第１方向での低流速領域34の幅は、第１方向での弁ガイド16の幅にほぼ等しいことにより、吸気流量および吸気の速度差に対する弁ガイド16の影響を小さく抑えることができる。

第２突出部42には、第１，第２高流速領域35，36とシリンダ軸線方向で重なる位置を占めるように、シリンダヘッド２に形成される冷却水通路50が入り込んで設けられることにより、吸気ポート10内の吸気と冷却水との間での伝熱面積が増加することから、冷却水により吸気が効果的に冷却されるので、充填効率が向上して、機関出力が増加する。

以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
１つの燃焼室に対する吸気ポートは、共通ポートを有することなく、隔壁により分けられると共にそれぞれが吸気口を有する１対の独立ポートのみにより構成されてもよく、また１つの吸気口を有する１つの吸気ポートであってもよい。
前記第１壁面は、シリンダ軸線Ｌ寄りの壁面であり、前記第２壁面は、前記第１壁面に対してシリンダ軸線Ｌから遠い壁面であってもよく、また、湾曲方向およびシリンダ軸線Ｌとは関連を持たない壁面であってもよい。第２方向は吸気弁の弁ステムにほぼ平行な方向でなくてもよい。
特定通路断面において、第１，第２突出部41，42は、第１方向にオフセットしていてもよい。また、複数の分岐ポートにおいて、低流速領域、第１，第２高流速領域の特定通路断面における形状は異なっていてもよい。
第１方向での第１，第２高流速領域の幅が互いに異なっていてもよく、これにより、一方の高流速領域での流速を他方の高流速領域での流速に比べて大きくすることができ、他方の高流速領域を吸気流量を確保するための領域とすることができる。

本発明が適用された内燃機関の、クランク軸の回転中心線に直交する平面での要部断面図である。 図１の吸気ポートを可視化した図であり、（Ａ）は、上方から見た図であり、（Ｂ）は下から見た図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線での要部断面図である。 本発明が適用された内燃機関である本発明吸気ポートが設けられた内燃機関と、比較吸気ポートが設けられた内燃機関と対比を示すグラフであり、（Ａ）は、吸気弁のリフト量と吸気流量との関係を示し、（Ｂ）は、機関回転速度と機関出力との関係を示す。

符号の説明

１…シリンダ、２…シリンダヘッド、６…燃焼空間、10…吸気ポート、12…吸気弁、31，32…分岐ポート、33…吸気流制御ポート部、34…低流速領域、35，36…高流速領域、41，42…突出部。

Claims (3)

1. ピストンが往復動可能に嵌合するシリンダとの協働により燃焼空間を形成すると共に前記燃焼空間に開口する吸気口を有する吸気ポートが設けられたシリンダヘッドと、前記吸気口を開閉する吸気弁とを備える内燃機関において、
   前記吸気ポートは、第１，第２突出部が前記吸気ポートの壁面に吸気流に沿って延びて設けられた吸気流制御ポート部を有し、前記吸気流制御ポート部での通路断面には、前記第１突出部と前記第２突出部との最小間隔が形成される領域を中心に形成される低流速領域と、前記低流速領域および前記第１，第２突出部を挟んで両側に前記低流速領域に比べて吸気の最大流速が大きい第１，第２高流速領域とが形成され、吸気は、前記低流速領域および前記第１，第２高流速領域での流速の大小関係を有する流速分布で前記吸気口に達することを特徴とする内燃機関。
2. 前記第１突出部には、前記吸気弁の弁ステムが挿通される弁ガイドが配置され、前記弁ガイドは前記第１突出部よりも前記吸気ポート内に突出しないことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記吸気ポートは、隔壁により分離されてそれぞれが前記吸気口にて前記燃焼空間に開口する複数の分岐ポートを有し、前記各分岐ポートは前記吸気流制御ポート部を有し、前記吸気流制御ポート部を上流部分、中流部分および下流部分にほぼ三等分したとき、前記隔壁の上流縁は前記中流部分または前記上流部分に位置することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
   
   
   

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