JP4692459B2

JP4692459B2 - 内燃機関の吸気ポート形状

Info

Publication number: JP4692459B2
Application number: JP2006270841A
Authority: JP
Inventors: 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: CN101523018A; JP2008088900A

Description

本発明は、内燃機関の吸気ポート形状に関し、特に吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状に関する。

従来、燃焼室に流入する吸気の流動態様を改善すべく、種々の吸気ポート形状が提案されている。例えば特許文献１では、２つの吸気ポート間の距離が燃焼室に近づくにつれて次第に小さくなるように、下向きに向かって互いに内向きに傾斜させた吸気ポートを有する筒内噴射式内燃機関の構造が提案されている。この筒内噴射式内燃機関の構造によれば、２つのタンブル流が合流して点火栓付近に強い乱流が形成されるとともに点火栓付近の空燃比がリッチになることから、より確実にリーンバーンを実現できる。また特許文献２では、インナーピボットとの間隔を確保すべくカムシャフトの軸線方向に湾曲させた直立ポートを有する内燃機関のシリンダヘッドが提案されている。この内燃機関のシリンダヘッドによれば、インナーピボット型のスイングアームと直立ポートとを併せて採用するといった、直立ポートを形成するにあたってスペース上の制約が大きい場合でも吸気効率の悪化等を極力抑えることができる。

特開平１０−１６９４５３号公報特開平０９−２３６０４３号公報

ところで、筒内に強度の高い旋回気流を生成する場合、係る要求に応じた最適な形状を実現できるように吸気ポートを設計する必要がある。ところが、一般には旋回気流は、吸気弁のバルブリフト量が主として中高領域にある場合に強化されるようになっている。図７は一般的な吸気ポート１０Ｘ及び１０Ｙを燃焼室５４、吸気弁５５及び排気弁５６とともに模式的に示す図である。なお、図７は、シリンダヘッドを上面から見た場合の吸気ポート１０Ｘ及び１０Ｙの投影図（水平投影図）となっており、吸気ポート１０の流線と吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面Ｓに投影した点を始点Ｐ１とし、吸気ポートの流線と吸気弁５５の中心軸線との交点を水平面Ｓに投影した点を終点Ｐ２と定義する。また始点Ｐ１を含むとともに水平面Ｓ上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線を直線Ｌ１とし、終点Ｐ２を含むとともに水平面Ｓ上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線を直線Ｌ２とする。

図７（ａ）では、始点Ｐ１と終点Ｐ２を結ぶ直線と、水平面Ｓに投影した吸気ポートの流線（以下、単に吸気ポートの投影流線とも称す）Ｆとが略同一であり、且つ始点Ｐ１から終点Ｐ２に向かって２つの吸気ポート１０Ｘａ及び１０Ｘｂ間の距離が次第に離れるような形状を備える吸気ポート１０Ｘを例示している。また図７（ｂ）では、吸気ポートの投影流線Ｆが、直線Ｌ１よりも燃焼室５４中心側（以下、単に内側とも称す）にない（以下、単に外側にあるとも称す）場合の吸気ポート１０Ｙを例示している。これらの吸気ポート１０Ｘ及び１０Ｙでは、吸気が吸気ポート１０の下流側開口部全域から燃焼室５４に万遍なく流入しようとするため、バルブリフト量が小中領域にある場合には旋回気流が好適に強化されない。

すなわち吸気弁のバルブリフト量小中領域に着目すると、一般には吸気の主流が好ましい指向性を特段有していないことから吸気弁のバルブステム部などが大きな障害となって、必ずしもバルブリフト量小中領域で旋回気流が好適に強化されていなかった。このため、ＨＣやＣＯなどのエミッションの低減及び燃費の悪化の抑制に必要な混合気のミキシング性や、冷間時やリーン燃焼時の燃焼改善に必要な火炎の伝播性や、ノッキングの抑制に必要な燃焼速度に改善の余地が残されていた。そして従来、バルブリフト量小中領域においても好適に旋回気流の強化を図ることができる吸気ポートの設計指針は特に存在していなかった。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する２つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記始点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記終点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする。

ここで設計上、始点及び終点が上記のように位置する場合には、吸気ポートを流通する吸気は一般には例えば図７（ａ）に示したように全体的に外側に向かって燃焼室に流入しやすくなってしまうところ、上記のように吸気ポートを湾曲させた本発明によれば、気流制御弁などによって偏流された吸気の主流が燃焼室に流入する際に吸気弁のバルブステム部よりも内側を流通するように指向させることができる。これにより吸気の主流がバルブステム部と干渉することを回避できるようにした本発明によれば、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能である。

また本発明は、内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する２つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線上に含まれるように位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする。また設計上、始点及び終点が上記のように位置する場合には、吸気ポートを流通する吸気は一般には全体的に燃焼室に真っ直ぐ流入するようになりやすいところ、上記のように吸気ポートを湾曲させた本発明によれば、吸気の主流を前述のように指向させることができ、以って吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることができる。

本発明によれば、吸気弁のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を提供可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の吸気ポート形状（以下、単に吸気ポート形状と称す）を備える吸気ポート１０Ａを内燃機関５０Ａの要部とともに模式的に示す図である。内燃機関５０Ａは筒内直接燃料噴射式のガソリンエンジンである。但し、これに限られず、本発明を適用可能な内燃機関であれば、筒内直接燃料噴射式のガソリンエンジンの代わりにその他の内燃機関を適用してもよい。また、内燃機関５０Ａは直列４気筒の気筒配列構造を有しているが、これに限られず適宜の気筒配列及び気筒数であってよい。また、本実施例では内燃機関５０Ａに関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。

内燃機関５０Ａは、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２Ａ、ピストン５３等を有して構成されている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。ピストン５３の頂面には、タンブル流Ｔを案内するためのキャビティ５３ａが形成されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２Ａが固定されている。燃焼室５４は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２Ａ及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２Ａには、燃焼室５４に吸気を導くための吸気ポート１０Ａのほか、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート２０ａ及び２０ｂが形成されている。またシリンダヘッド５２Ａには、吸気ポート１０Ａの流路を開閉するための吸気弁５５と、排気ポートの流路を開閉するための排気弁５６とが夫々配設されている。そのほかシリンダヘッド５２Ａには図示しない点火プラグや燃料噴射弁なども配設されている。

吸気は気流制御弁（図示省略）で偏流されて吸気ポート１０Ａから燃焼室５４に流入し、燃焼室５４で強度の高いタンブル流Ｔに生成される。なお、本実施例では吸気ポート１０Ａの入口側開口部はシリンダヘッド５２Ａの側面に形成されているが、吸気ポート１０Ａはシリンダヘッド５２Ａの上面に入口側開口部が形成された直立ポートであってもよい。また、燃焼室５４で生成される旋回気流はタンブル流Ｔに限られず、例えば図１に示すタンブル流Ｔとは逆の方向に旋回する逆タンブル流や、タンブル流Ｔとスワール流とを合成したような斜めタンブル流などであってもよい。

図２は、立体的に示した吸気ポート１０Ａの模式図である。なお、図２に示すようにシリンダ５１ａの延伸方向と平行になる方向を鉛直方向とし、これに直交する方向を水平方向とする。吸気ポート１０Ａをシリンダヘッド５２Ａの上面から見た場合、吸気ポート１０Ａは図２に示す水平面Ｓに投影される。またクランク軸線に直交する鉛直面Ｇは、水平面Ｓ上で内側と外側を区分する。図２では、始点Ｐ１を含む鉛直面Ｇ１と終点Ｐ２を含む鉛直面Ｇ２とを夫々示している。なお本実施例では、鉛直面Ｇ２に吸気弁５５の中心軸線も含まれるようになっている。図２から、始点Ｐ１は鉛直面Ｇ２よりも内側に位置していることがわかる。また水平面Ｓに投影された吸気ポート１０Ａの投影流線Ｆは、鉛直面Ｇ１よりも内側に湾曲していることがわかる。なお、水平面Ｓと鉛直面Ｇ１とが交差してできる直線が直線Ｌ１となり、水平面Ｓと鉛直面Ｇ２とが交差してできる直線が直線Ｌ２となる。

図３は、水平投影視した吸気ポート１０Ａを模式的に示す図である。なお、図３では吸気ポート１０Ａとともに燃焼室５４及び吸排気弁５５、５６を示している。図３に示すように始点Ｐ１は、直線Ｌ２よりも内側に位置している。また吸気ポート１０Ａの投影流線Ｆは、直線Ｌ１よりも内側に湾曲している。これにより、気流制御弁で偏流された主流は、主として湾曲部位の前半で吸気弁５５のバルブステム部と吸気ポート１０Ａの内側壁面との間から燃焼室５４に流入するように指向される。すなわち始点Ｐ１及び終点Ｐ２の位置が設計上、図３に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ａによれば主流に上記のような指向性を持たせることができる。なお、湾曲部位は吸気ポート１０Ａの傾斜角度等の諸元に応じて適宜の位置、長さ及び湾曲度合いで設計されてよい。

図４は本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ａと一般的な吸気ポート１０Ｘについて、バルブリフト量とタンブル強度との関係を対比して示す図である。なお、吸気ポート１０Ｘの形状は図７（ａ）に示したものとなっている。吸気ポート１０Ａでは主流を吸気ポート１０Ａの内側に集めることにより、バルブリフト量小中領域で吸気弁５５の傘形状に沿う流れが形成され、吸気が最もスムースに燃焼室５４に流入するようになる。これにより、吸気ポート１０Ｘと比較して特にバルブリフト量小中領域でタンブル強度を高めることができる。以上により、吸気弁５５のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート１０Ａにより実現できる。

本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ｂは、始点Ｐ１が終点Ｐ２を含むとともに水平面Ｓ上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線Ｌ３上に含まれるように位置しており、且つ水平面Ｓに投影される吸気ポート１０Ｂの投影流線Ｆが、直線Ｌ３よりも内側に湾曲している点が、実施例１に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ａと異なっている。図５は、水平投影視した吸気ポート１０Ｂを模式的に図である。なお、図５では吸気ポート１０Ｂとともに燃焼室５４及び吸排気弁５５、５６も示している。図５に示すように吸気ポート１０Ｂでは、始点Ｐ１が直線Ｌ３上に位置していることがわかる。また吸気ポート１０Ｂの投影流線Ｆは、この直線Ｌ３よりも内側に湾曲していることがわかる。

これにより主流は、主として湾曲部位を通過する手前で吸気弁５５のバルブステム部と吸気ポート１０Ｂの内側壁面との間から燃焼室５４に流入するように指向される。すなわち始点Ｐ１及び終点Ｐ２の位置が設計上、図５に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ｂによれば、主流に上記のような指向性を持たせることができる。以上により、吸気弁５５のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート１０Ｂによって実現できる。

本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ｃは、始点Ｐ１が、直線Ｌ２よりも内側に位置せず（すなわち外側に位置し）、且つ水平面Ｓに投影される吸気ポート１０の投影流線Ｆが、直線Ｌ２よりも内側に湾曲している点が、実施例１に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ａと異なっている。図６は、水平投影視した吸気ポート１０Ｃを模式的に示す図である。なお、図６では吸気ポート１０Ｃとともに燃焼室５４及び吸排気弁５５、５６も示している。図６に示すように始点Ｐ１は、直線Ｌ２よりも外側に位置していることがわかる。また吸気ポート１０Ｃの投影流線Ｆは、この直線Ｌ２よりも内側に湾曲していることがわかる。

これにより主流は、主として湾曲部位を通過する手前で吸気弁５５のバルブステム部と吸気ポート１０Ｃの内側壁面との間から燃焼室５４に流入するように指向される。すなわち始点Ｐ１及び終点Ｐ２の位置が設計上、図６に示すような位置関係にあっても、このように湾曲させた吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ｃによれば主流に上記のような指向性を持たせることができる。なお、始点Ｐ１が直線Ｌ２よりも外側に位置している場合には、例えば投影流線Ｆが視点Ｐ１と終点Ｐ２を結ぶ直線と略同一になるように吸気ポートを形成することで吸気を全体的に内側に向けて燃焼室５４に流入させることも可能である。しかしながら、本実施例に係る吸気ポート形状を備える吸気ポート１０Ｃによれば、さらに主流の指向性を高めることができる。また、例えば設計上、始点Ｐ１の位置が直線Ｌ２に比較的近くなる場合などには吸気ポート１０Ｃは特に効果的なものとなる。以上により、吸気弁５５のバルブリフト量が小中領域にある場合にも、燃焼室内に生成する旋回気流の強化を図ることが可能な内燃機関の吸気ポート形状を吸気ポート１０Ｃにより実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例では吸気ポート１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｃは独立ポートとなっているが、これに限られず、吸気通路が下流側で分岐するとともに上流側で１つに合流するサイアミーズポートであってもよい。

吸気ポート１０Ａを内燃機関５０Ａの要部とともに模式的に示す図である。立体的に示した吸気ポート１０Ａの模式図である。水平投影視した吸気ポート１０Ａを模式的に示す図である。吸気ポート１０Ａと一般的な吸気ポート１０Ｘについて、バルブリフト量とタンブル強度との関係を対比して示す図である。水平投影視した吸気ポート１０Ｂを模式的に図である。水平投影視した吸気ポート１０Ｃを模式的に示す図である。一般的な吸気ポート１０Ｘ及び１０Ｙを燃焼室５４、吸気弁５５及び排気弁５６とともに模式的に示す図である。

符号の説明

１０吸気ポート
５０内燃機関
５１シリンダブロック
５２シリンダヘッド
５３ピストン
５４燃焼室
５５吸気弁
５６排気弁

Claims

内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する２つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、
各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記始点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記終点を含むとともに水平面上で前記クランク軸線と直交する方向に延伸する前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。
内燃機関の燃焼室に連通し、前記燃焼室内にタンブル流を生成する２つの吸気ポートが形成されたシリンダヘッドを上面から見て、各々の前記吸気ポートの流線と、該吸気ポートの入口側開口面との交点を水平面に投影した点を始点とし、各々の前記吸気ポートの流線と吸気弁の中心軸線との交点を水平面に投影した点を終点とした場合に、
各々の前記吸気ポートは、前記始点が、前記終点を含むとともに水平面上でクランク軸線と直交する方向に延伸する直線上に含まれるように位置しており、且つ水平面に投影した各々の前記吸気ポートの流線が、前記直線よりも燃焼室中心側に湾曲した後に前記直線よりも燃焼室外側に位置することなく前記終点に到達していることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。