JPH076394B2

JPH076394B2 - シリンダ吸気ポ−ト付き内燃機関

Info

Publication number: JPH076394B2
Application number: JP61216074A
Authority: JP
Inventors: ファーロングシー．グレゴリー
Original assignee: ゼネラルモ−タ−ズコ−ポレ−シヨン
Priority date: 1985-09-16
Filing date: 1986-09-16
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: US4606308A; DE3674696D1; CA1275211C; EP0216477B1; JPS6263134A; EP0216477A3; EP0216477A2

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は内燃機関、一層詳しくは、内燃機関のためのシ
リンダ吸気ポートに関する。特に、本発明は対応した燃
焼室に流れる吸入新気に渦を生じさせるような形態にシ
リンダヘツドに形成した吸気ポートおよび渦流と効果的
に結びついた高い流量を得るためのポート形状に関す
る。ここで用いる「吸入新気（Intake Charge）」とい
うのは、機関のシリンダ内でのピストンの吸気行程でそ
のシリンダに吸引される燃料・空気混合物を意味する。

背景燃焼室すなわちシリンダに供給される吸入新気に回転す
なわち渦を生じさせるのに多くの形態のシリンダ吸気ポ
ート、すなわち、シリンダヘツド吸気ポートが設計さ
れ、利用されている。しかしながら、一般には、かなり
の新気渦流を発生させるようになつている吸気ポートす
なわち吸気通路の形態では、ピストンの吸気行程で各シ
リンダに流れる新気の量が減り、いわゆる「体積減少効
率」と呼ばれる結果となる。これは標準の温度、圧力で
計算したときに新気量の低減を意味する。

火花点火式内燃機関、たとえば、ガソリンエンジンにお
いて新気渦流の量を高めるべく近年になつてエンジン設
計者の間に関心が高まつてきたのが渦発生用吸気ポート
の新設であり、これについて多くの提案がなされてき
た。これらの提案には固定式吸気ポートと可変吸気ポー
トの両方が含まれており、可変吸気ポートには１つまた
はそれ以上の可動構成要素が組み込まれ、低負荷時に高
度の渦流を与え、高負荷時（最大の新気量が望まれる）
には渦流の程度を減らし、充填体積効率を改善する。し
かしながら、高い充填体積効率を与えながらかなりの程
度の渦を発生させ得る単純な固定式吸気ポートの需要も
まだある。

発明の概要本発明は高程度のシリンダ充填体積効率と組合わせたシ
リンダ新気渦流を与えるべく内燃機関で使用できる固定
式シリンダ吸気ポートを提供する。この改良された吸気
ポート構造は吸気ポートの片側に向つて吸入新気の流れ
を絞る突出羽根、側壁その他の装置を使用せず、その代
りに、吸気ポートの上壁面に沿つて異なつた下向きの傾
斜角度を持ち、種々の程度の接線角度で吸気ポートの棚
部分の下の渦流のくぼみ内に流れを向け、それによつて
くぼみ部分内に渦を発生させ、さらに、スロートを通し
て対応したシリンダの燃焼室に流れを向ける斜面を備え
る。好ましくは、弁軸線に対して直角の平面におけるポ
ート形状は、緩い角度の斜面の下で弁軸線の外側におい
て渦流くぼみ内に比較的まつすぐな流量を与え、かつ、
急な角度の斜面の下で弁軸線の内側において渦流くぼみ
内によりオフセツトした流路を与えるようになつてい
る。この構造は、また、ポートに層流を生じさせる前縁
フエアリングあるいは案内翼の有無にかかわらず垂れ下
がつた弁案内も包含し、湾曲した吸気通路形状にも比較
的まつすぐな上流吸気通路形状にも応用できる。

本発明のこれらおよび他の特徴、利点は添付図面に関連
した好ましい実施例についての以下の説明からより一層
充分に理解されよう。

詳細な説明さて図面を詳しく参照して、符号10は本発明に従つて構
成した内燃機関を全体的に示している。内燃機関10は、
普通のように、複数のシリンダ12（１つだけ示す）を有
するシリンダブロツク11を包含する。シリンダのそれぞ
れには１つずつピストン14が設置してあり、連接棒15が
それぞれのピストンをシリンダブロツク内に支持された
クランク軸（図示せず）に連結している。

シリンダブロツクの上端壁18上にはシリンダヘツド16が
装着してあつてシリンダの隣接端19を閉ざしている。こ
のシリンダヘツドは端壁20、第1,第２の側壁22、23およ
び頂底壁24、26を包含し、底壁26はシリンダブロツクの
上端壁18上に載つている。

各シリンダ位置において、各シリンダのピストン14の頂
に対向した端19のところでシリンダヘツドの底壁26に燃
焼室くぼみ27が形成してある。くぼみ27を含めてピスト
ン、シリンダおよびシリンダヘツドは可変容積作動燃焼
室28を構成している。くぼみ27の燃焼室には点火栓開口
30、排気ポート31および本発明に従つて形成した吸気ポ
ート32が接続している。

点火栓開口30は、従来同様に、燃焼室くぼみ内に位置す
る放電ギヤツプを有する点火栓（図示せず）を受ける。
排気ポート31は円形の排気弁座34およびスロート35（燃
焼室に開口している）から湾曲した流路に沿つてシリン
ダヘツドの第２の側壁23を貫く排気口36まで延び、排気
マニホルド（図示せず）に接続する。

吸気ポート32は円形の吸気弁座38およびそれに隣接した
スロート部39から後に説明する流路に沿つてシリンダヘ
ツドの第１の側壁22を貫く吸気口40まで延び、吸気マニ
ホルド（図示せず）に接続する。第２図および第３図に
のみ示すポペツト型吸排気弁41、42がそれぞれ吸排気口
32、31に設けてある。排気弁42は円形のヘツド43を有
し、このヘツド43は弁座34に着座することができ、シリ
ンダヘツドの頂壁24内に装着した弁案内46内に支持され
た弁ステム44によつて支持されている。ばね47および普
通の弁作動機構（図示せず）が設けてあつて機関のクラ
ンク軸回転に合わせた関係で排気弁を作動させる。

吸気弁41も同様にヘツド48を包含し、このヘツド48は弁
座38に着座して吸気ポート32を通る流れは制御すること
ができる。弁ステム49が吸気弁のヘツドから往復動軸線
50に沿つて延びており、適当な案内ボス52、54内でシリ
ンダヘツド頂壁24に装着した弁案内51内に往復動自在に
支持されている。排気弁と同様に、吸気弁41は機関クラ
ンク軸の回転に合わせて適当な弁作動装置（図示せず）
によつて作動させられる。弁41、42は普通の要領で吸排
気ポートの開閉を行なうように作動する。

本発明によれば、吸気ポート32の形は、それぞれのシリ
ンダへの最大吸入新気量を不当に絞ることなくこの吸入
新気に渦を発生させるようなものとなつている。第１図
から第４図までに示したシリンダヘツドにある吸気ポー
トの形状を適切に視覚化すべく、第５図から第７図に所
望形状に吸気ポートを成形するのに使用できる中子の形
状を示してある。ポート32の構造の特徴を列挙するに際
して、中子の対応した特徴にも同一の符号を付してこれ
らの特徴の関係を明確にしている。したがつて、中子を
示す第５図から第７図で使用した参照符号が実際にはこ
の中子によつて形成された吸気ポートの対応した特徴を
示していることは了解されたい。

吸気口40から延びるポート32は通路を囲む表面を包含
し、この表面は説明の便宜のために上壁55、下壁56およ
び左右の側壁58、59を含む４つの壁面に分けてある。吸
気口40の形状はほぼ円形であり、種々の頂壁、底壁およ
び側壁はおおまかな円弧面によつて相互につながつてお
り、かつ、単純な曲率や複雑な曲率で形成されていて吸
気口40から内方に滑らかに延在している。したがつて、
つながつている壁面間の分離線または分割線が明確に定
義されているわけではなく、説明の目的のためだけで異
なつた符号が用いられていることは了解されたい。ま
た、ポートの入口部分における壁面の特定の形状が発明
の特徴に影響を与えるほど重要なものではないというこ
とも了解されたい。ただし、燃焼室に向つて送られる吸
入新気の流路は滑らかであることが望ましい。

吸気口40から弁ステム49に近づくにつれて、吸気口上壁
55は下向きに延びる弁案内ボス54によつて中断されてい
る。この弁案内ボス54は上流フエアリング（時に案内羽
根60と呼ぶ）を有し、これは上壁55の中心に沿つて上向
きに延びて弁案内および弁ステムの両側を上壁に沿つて
流れる流れを滑らかに分割する。弁羽根60は上流縁61を
包含し、この上流縁61は２つの面61a、61bによつて弁案
内ボス54につながつている。これらの面は案内ボスの両
側で流れの方向とほぼ平行に位置し、案内ボスの側面に
対して接線方向につながつている。

垂れ下がつた弁案内ボスやその前縁に取り付けた案内羽
根の有無も、図面に示し、好ましい実施例では利用して
いるが、本発明の概念にとつて絶対必要というわけでは
ない。

案内ボスおよびそれに組合わせた案内羽根60の両側で上
壁に沿つて、吸気ポートは下向きに傾斜した内外の斜面
部分62、63を備えている。外側斜面部分62をこう呼ぶの
は、それが対応したシリンダの壁面の隣接部分に沿つて
下方へかつそれと接線関係（上または下から見て）で延
びているからである。内側斜面部分63は弁案内ボスおよ
び案内羽根の反対側に沿つて延び、ほぼ燃焼室の中央部
に向つて傾斜している。

本発明の本質的な特徴はこれら２つの斜面部分の角度が
かなり異なるということである。内側斜面部分63は、シ
リンダヘツドの底壁26と平行な平面から測つて、外側斜
面部分62よりもかなり急な角度（10゜またはそれ以上）
となつている。これらの斜面部分62、63は、その下端の
ところで、棚部分64につながつており、この棚部分64は
弁案内および対応した弁軸線のほぼ両側の位置において
斜面部分の端から滑らかに延びている。棚部分はシリン
ダヘツドの底壁26とほぼ平行な方向において斜面端を越
えて延び、吸気ポートのスロート部39から隔たり、それ
をほぼ対向した状態の位置を占める。棚部分の下で吸気
弁41の軸線まわりのポート端のところに開放くぼみ形の
渦室66が設けてある。この渦室66は弁軸線をほぼ中心と
しており、弁軸線まわりに円筒形を作るように左右の側
壁が収束し、ポートの末端67のところでつながることに
よつて構成されている。渦室の下部は内方に傾斜してい
てスロート部39につながる。

図示実施例におけるシリンダ軸線に関しての弁軸線の軽
い傾斜により、第１図でわかるようにポートの形状が弁
軸線からややオフセンタとなつており、シリンダの中心
ではなくて外側縁に向つてさらに延びていることに注目
されたい。しかしながら、第５図から第７図は弁案内ボ
スの両側の流れ面積が互いにほぼ等しいように示してい
る。

斜面部分62、63の異なつた角度の傾斜は緩い傾斜の外側
斜面部分62の長さを延ばし、急な傾斜の内側斜面部分63
の長さを縮めることになる。したがつて、これらの斜面
は第１図、第６図、第７図の斜線70で示すように弁軸線
の両側の互い違いになつた位置において棚部分64と交差
する。この斜線70は弁案内ボスの両側における斜面と棚
の交差部を大まかに示している。

この構造の結果、外側斜面部分62によつて案内される吸
入新気流は弁ステムの外側でポートの渦室66から比較的
離れてこの渦室66に幾分接線方向へ導かれ、ポートの頂
から見て反時計方向（第１図のように底から見て時計方
向）に渦を生じさせる。角度の急な内側斜面部分63によ
つて案内される流れが弁ステムの内側で吸気ポートスロ
ート39に向つてより下向きの方向で流される。したがつ
て、内側斜面部分63の急な傾斜はポートの内側において
流量をやや減らすばかりでなく（方向転換が大きいた
め）、この流れをより一層下向きに方向付け、渦に対す
る影響を少なくする。したがつて、斜面部分の総合効果
は、反時計方向の渦流を生じさせると共に、吸気弁ステ
ムおよび弁案内ボスの両側において大きくて比較的抵抗
のない流路を与え、スロツトルが大きく開けられたとき
あるいは全負荷状態のときに比較的絞られていない吸入
新気を与えるということにある。

好ましくは、吸気弁軸線または第１、６図に示すシリン
ダ軸線に対して直角な平面から見て、ポートの形状は、
角度の緩い斜面部分62の下方において、弁案内または案
内翼のすぐ上流の部分から弁案内または弁軸線の外側ま
でポート内に比較的まつすぐな流れを与えるようのもの
とする。急な角度の斜面部分63の下で弁案内または弁軸
線の内側までの流れは、代りに、流れ方向において軽い
変化すなわちオフセツトを必要とする。これは斜面角度
差の効果を補い、弁軸線の外側に比べて弁軸線の内側に
沿つて軽い程度で流れをさらに遅くし、ポートの渦発生
能力をさらに高める。

図に示した吸気ポート形態の特別の例においては、ポー
ト吸気口40はスロート39上方の高さが弁ヘツド48の直径
の約２倍となつている。中央通路は約30〜45゜の角度で
下向きに傾斜している。斜面部分62、63はシリンダヘツ
ド下壁26の平面に対して30〜60゜のかなり急な角度で位
置する。内側斜面部分63の角度は約10゜またはそれ以上
に外側斜面部分62の角度を超えていると好ましい。

渦室において、その直径はポート・スロートの直径より
も幾分大きくなつており、スロート39または弁座38から
棚64までの高さは弁ヘツド48の直径の同じである。弁案
内の両側の流れ領域は弁案内ボスおよび案内羽根によつ
てほぼ均等に分割される。また、棚面積はシリンダヘツ
ド底壁26と平行な水平平面において渦室面積の約40〜50
％に等しい。

本発明によるポートを渦なし開放型ポートや普通の螺旋
渦型ポートと比べたフローボツクステストでは、本発明
のものは流れ範囲のかなりの部分において従来のものよ
りも優れた渦、流れ特性を示した。この結果を得るのに
重要と考えられる特徴の中には、ポート・スロート上方
の、平らな棚部分で部分的に覆われた拡大渦室部分と、
異なつた角度の傾斜を有するつながつた斜面部分とがあ
り、これらの特徴は弁ステムの両側を通る新気の部分の
流量を変え、この流れを異なつた角度に方向付けし、渦
室部分66にかなり大きな渦を発生させ、それをスロート
39を通して燃焼室に移動させる。

こうして、本発明においては、弁ステム49の両側におい
て上壁55に異なつた角度の斜面部分62、63が入口ガス流
を下方に向け、急な角度の斜面部分63においてポートの
内側の流れを遅くし、角度の緩い斜面部分62のところで
シリンダ壁に対してより大きく接線方向となる速い流れ
を与える。これは入口ガス流に渦を生じさせる。弁ステ
ムを超えた平らな棚部分64および渦室66はポートを絞り
のないガス流に開き続け、フルスロツトルの流れ効率を
高くする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による吸気ポートを有する内燃機関のシ
リンダヘツドの、第２図の１−１線で示す平面から見た
断片底面図である。第２図はシリンダヘツド吸気ポートを通る内燃機関の横
断面図であり、第１図の２−２線で示す平面から低い方
の斜面を示す図である。第３図はシリンダヘツド吸気ポートを通る内燃機関の横
断面図であり、第１図の３−３線で示す平面から高い方
の斜面を示す図である。第４図は第１図の４−４線で示す平面から見た、第１図
のシリンダヘツドを通る横断面図である。第５図は第６図の５−５線で示す平面から見た、本発明
による吸気ポートを形成するための中子の側面図であ
る。第６図は第５図の中子の頂面図である。第７図は第５図の中子の斜視図である。図面において、10……内燃機関、11……シリンダブロツ
ク、12……シリンダ、14……ピストン、15……連接棒、
16……シリンダヘツド、27……燃焼室くぼみ、28……燃
焼室、30……点火栓、31……排気ポート、32……吸気ポ
ート、34……弁座、35……スロート、36……排気口、38
……弁座、39……スロート部、40……吸気口、41……吸
気弁、42……排気弁、43……ヘツド、47……ばね、48…
…ヘツド、51……弁案内、52、54……弁案内ボス、60…
…案内羽根、62、63……斜面部分、64……棚部分、66…
…渦室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端（19）を閉鎖された、軸線を有するシ
リンダ（12）と、閉鎖された端（19）を貫いてシリンダ
（12）と連絡する吸気通路（32）と、ポペット吸気弁
（41）とを包含し、この吸気弁がステム（49）とヘッド
（48）とを包含し、さらに、弁軸線（50）を有し、この
弁軸線（50）に沿って往復動できるように吸気通路（3
2）内に配置してあって、吸気通路（32）のシリンダ（1
2）との連絡を制御するようになっている内燃機関（1
0）において、前記吸気通路（32）が、シリンダ（12）
内に開口し、吸気弁（41）によって閉ざされるようにな
っているほぼ円形の横断面のスロート（39）と、このス
ロート（39）から隔たっており、弁軸線（50）からオフ
セットしている入口部（40）と、この入口部（40）から
弁軸線（50）の両側に向かってかつそのまわりに延び、
スロート（39）に開いているときには弁ヘッド（48）の
下まで延びる流体流路とを包含し、この流体流路が第
１、第２の斜面部分（62,63）を包含する頂壁（55）と
スロート（39）から隔たってそこに対向して位置する棚
部分（64）とによって構成されており、前記斜面部分
（62,63）が下方に傾斜していて弁軸線（50）に対して
ほぼ反対側で棚部分（64）につながり、また、斜面部分
（62,63）が棚部分（64）に対して急角度で位置してお
り、斜面部分の１つ（63）が他方の斜面部分（62）より
もかなり急な角度を有し、より急な角度の斜面部分（6
3）を通る流体の流れを、他方の斜面部分（62）を通る
緩い下向きの角度の高い速度の流体の流れよりも遅くす
ると共に、より下向きに方向付け、それによって、緩い
傾斜の斜面部分（62）の下方から棚部分（64）の領域に
渦発生用流体流を優先的に流入させることを特徴とする
火花点火式の内燃機関。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の内燃機関にお
いて、前記流体流路が弁軸線（50）を囲みかつ流路内に
部分的に突出している弁案内ボス（54）を包含し、前記
棚部分（64）がスロート（39）に対してほぼ隔たって対
向した状態で弁案内ボス（54）の端付近から延びてお
り、前記斜面部分（62,63）が弁案内ボス（54）付近で
棚部分（64）につながることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の内燃機関にお
いて、前記吸気通路が、傾斜の急な斜面部分（63）の下
方で弁軸線（50）の側部に沿った流れが傾斜の緩い斜面
部分（62）の下方で弁軸線（50）の反対側に沿った流れ
の場合よりも弁案内ボス（54）のすぐ上流における吸気
通路（32）内の流れと大きな角度をなし、この大きな角
度が弁軸線（50）に対して直角の平面において測ったも
のであり、その結果、弁軸線（50）の前記反対側から棚
領域へ優先的に流体を流すような形態となっていること
を特徴とする内燃機関。
【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の内燃機関にお
いて、前記弁案内ボス（54）が弁案内ボス（54）の両側
部に対して接線方向で、上流側の縁（61）において交差
する２つの面（61a,61b）を有する案内羽根（60）を包
含し、これら面の内の一方の面（61b）が弁軸線（50）
の前記反対側に沿った流体の流れと組み合わされ、この
流れに対してほぼ平行に位置しており、この一方の面
（61b）が案内羽根（60）のすぐ上流で吸気通路（32）
内の流体の流れとほぼ整合しており、他方の面（61a）
が前記流体の流れに対してかなりの角度で位置している
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項５】軸線を有するシリンダ（12）と、シリンダ
（12）の一端（19）を閉ざしているシリンダヘッド（1
6）と、このシリンダヘッド（16）を貫いており、閉鎖
端（19）を通してシリンダ（12）と連絡している吸気通
路（32）と、シリンダ軸線の片側にオフセットしてお
り、吸気通路（32）のシリンダ（12）との連絡を制御す
るように吸気通路（32）内に往復動自在に配置された、
中心軸線（50）を有するポペット吸気弁（41）とを包含
する内燃機関において、前記吸気通路が前記弁軸線（5
0）を中心とし、シリンダ（12）内にその片側付近で開
口している、ほぼ円形の横断面のスロート（39）を包含
し、前記吸気弁（41）が前記スロート（39）を開閉する
ように作動し、さらに、前記吸気通路が、スロート（3
9）から隔たり、弁軸線（50）からオフセットしている
入口部分（40）と、この入口部分（40）から弁軸線（5
0）の両側をまわってスロート（39）まで延びる流体流
路とを包含し、弁軸線（50）まわりのこの流路がシリン
ダ軸線に隣接した内側流路とシリンダ（12）の前記側部
に隣接した外側流路とに分けられており、前記流体流路
が弁軸線（50）を囲み、内外の流路間で流路内に部分的
に突入している弁案内ボス（54）と、第１、第２の斜面
部分（62,63）および棚部分（64）を包含する頂壁（5
5）とによって構成されており、前記棚部分（64）が弁
案内ボス（54）の端付近からスロート（39）に対してほ
ぼ隔たって対向した状態で延び、前記斜面部分（62,6
3）が弁案内ボス（54）付近で棚部分（64）につなが
り、前記斜面部分（62,63）が弁案内ボス（54）に対し
てほぼ反対側で、棚部分（64）に対して下向きに急な角
度で傾斜しており、斜面部分の一方（63）が内側流路の
壁面を構成しておりかつ他方の斜面部分（62）よりもか
なり急な角度を有し、緩い角度の斜面部分（62）によっ
て部分的に構成される外側流路内の緩い下向きの角度
で、より高い速度の流体流に対して前記内側流路内の流
れを遅くすると共により急に下向きに方向付けし、それ
によって、緩い傾斜の斜面部分（62）の下方から棚部分
（64）の領域内に渦発生用流体流を優先的に流入させる
ことを特徴とする火花点火式の内燃機関。
【請求項６】特許請求の範囲第５項記載の内燃機関にお
いて、前記吸気通路（32）が前記外側流路内の流れを前
記シリンダ側部とほぼ接線方向とするような形態となっ
ており、前記内側流路の流れ方向が前記外側流路内の流
れ方向の場合よりも弁案内ボス（54）のすぐ上流におけ
る吸気通路（32）内の流体の流れ方向とかなり大きな角
度をなし、この大きな角度はシリンダ軸線に対して直角
な平面において測定し、前記外側流路から棚領域に優先
的にさらに流体を流すようにしたことを特徴とする内燃
機関。
【請求項７】特許請求の範囲第６項記載の内燃機関にお
いて、前記棚部分（64）がシリンダ軸線に対してほぼ直
角の平面に位置することを特徴とする内燃機関。
【請求項８】特許請求の範囲第７項記載の内燃機関にお
いて、前記弁案内ボス（54）がその両側部に対して接線
方向で、上流側の縁（61）において交差する２つの面
（61a,61b）を有する案内羽根（60）を包含し、これら
面の内一方の面（61b）が前記外側流路の一部を構成し
ておりかつ案内羽根のすぐ上流で吸気通路（32）内の流
れ方向とほぼ整合しており、他方の面（61a）が前記上
流側の流体の流れに対してかなりの角度で位置している
ことを特徴とする内燃機関。