JP2009191682A - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高いスワール比と流量係数とを両立し得る内燃機関の吸気ポート構造を提供する。
【解決手段】どちらも上流端がインマニ接続面１１に開口し、下流端がシリンダ１の上端に形成された燃焼室２２に開口するプライマリおよびセカンダリ吸気ポート２，３からなるエンジンＥの吸気ポート構造において、プライマリ吸気ポート２を、シリンダ１の軸心１Ａを中心として燃焼室側開口２ｂの中心２ｂＡを通る仮想円Ｃに対し、その軸線２Ａが略接するタンジェンシャルポートとし、セカンダリ吸気ポート３を、吸気制御弁によってその吸気流量を制御するとともに、燃焼室側開口３ｂの近傍が螺旋形状に形成されたヘリカルポートとし、両吸気ポート２，３における燃焼室側開口２ｂ，３ｂの中心２ｂＡ，３ｂＡとインマニ側開口２ａ，３ａの中心３ａＡ，３ａＡとを結ぶ直線２Ｌ，３Ｌを、シリンダ１の上端面１ａに対してそれぞれ４５°以上傾斜させる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の吸気ポート構造に係り、特に、燃焼室にプライマリおよびセカンダリの２つの吸気ポートが開口し、スワール比を変更することができる内燃機関の吸気ポートにおいて、スワール比と吸気流量とを増大させる技術に関する。

一般に、内燃機関の出力および燃費を向上させるためには、シリンダ内に流入する空気量を増大させて高い流量係数を確保するとともに、燃料と空気とを良く混合させて燃焼速度を高める必要がある。特に、直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、混合気形成の期間がガソリンエンジンに比べて非常に短く、良好な燃焼を得るためには混合気の形成を十分に行わなければならない。そして、短時間で燃焼を完了させるためには、燃料の噴射による混合だけでなく、混合を促進させる適度なスワール比（シリンダ軸心廻りの空気の回転数と機関回転数との比）が求められる。

そのため、ディーゼルエンジンでは、２つの吸気ポートの一方、すなわちセカンダリ吸気ポートに対して吸気流量を制御する吸気制御弁を設け、エンジンの駆動状態に応じてスワールを制御する方式が一般的に採用されている。このディーゼルエンジンは、例えば、常用回転域では吸気制御弁で絞ってセカンダリ吸気ポートからの流量を低めてスワールを発生させ、高回転域では両吸気ポートともに流量を最大にして高い吸入効率が得られるように制御される。

また、２つの吸気ポートからなる内燃機関の吸気ポート構造において、シリンダ内のスワール上流側に位置する吸気ポートを、スワールを発生すべくその燃焼室側の開口近傍が螺旋形状に形成されたヘリカルポートとし、スワール下流側に位置する吸気ポートを、その軸線がシリンダ軸心を中心とする仮想円に略接するタンジェンシャルポートとしたものが知られている。そして、タンジェンシャルポートの燃焼室側の開口近傍を湾曲させると共に、湾曲部内側をシャープエッジとすることにより、スワールの回転方向と逆向きでシリンダ内に流入する空気量を少なくした吸気ポート構造が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１９５０４４号公報

ところで、スワール比が高いほどシリンダ内に強力なスワールが生成され、燃料と空気とがよく混合するが、スワール比が高くなり過ぎると、かえって空気の流れに抵抗を生む結果となり、流入する空気量が減少して燃焼効率が下がってしまう。特に、特許文献１に記載の吸気ポート構造では、タンジェンシャルポートの出口付近において吸気通路が絞られてしまうため、スワール比を高めることができたとしても、流量係数の低下を招き、出力特性までもが低下する虞がある。また、シリンダ上部への動弁系の配置により、その軸線をシリンダの軸線に対して大きく傾けたサイドフィード型の吸気ポートの場合、燃焼室側の開口近傍における湾曲部によって吸気抵抗が大きくなってしまう。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、高いスワール比と高い流量係数との両立をなし得る内燃機関の吸気ポート構造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、どちらも上流端が吸気管との接続面に開口し、下流端がシリンダの一端側に形成された燃焼室に開口するプライマリおよびセカンダリ吸気ポートからなる内燃機関の吸気ポート構造において、前記プライマリ吸気ポートを、前記シリンダの軸心を中心として燃焼室側開口の中心を通る仮想円に対し、その軸線が略接するタンジェンシャルポートとし、前記セカンダリ吸気ポートを、吸気制御弁によってその吸気流量が制御されるとともに、前記燃焼室側開口の近傍が螺旋形状に形成されて前記プライマリ吸気ポートと同方向のスワールを発生させるヘリカルポートとし、前記両吸気ポートにおける前記燃焼室側開口の中心と前記吸気管側開口の中心とを結ぶ直線が、前記シリンダの燃焼室側の端面に対してそれぞれ４５°以上傾斜するように構成する。

また、上記内燃機関の吸気ポート構造において、前記吸気管側から前記プライマリ吸気ポートを視た際における前記燃焼室側開口の可視部の面積が、該燃焼室側開口の面積の５０％以上となるようにすると良い。

本発明の内燃機関の吸気ポート構造によれば、両吸気ポートの吸気角度が４５°以上となり、シリンダ内への流入空気の入射角（４５°）との差を小さくできるため、吸気抵抗を少なくして高い流量係数を確保することができる。また、ヘリカルポートはスワールばらつきが大きいが、ヘリカルポートにタンジェンシャルポートを組み合わせることにより、安定した高いスワールを実現できる。更に、吸気制御弁によって吸気流量が制御されるセカンダリ吸気ポートを、プライマリ吸気ポートと同方向のスワールを発生させるヘリカルポートとしたため、吸気制御弁を絞った状態ではタンジェンシャルポートによって高いスワール比が確保され、内燃機関の駆動状態に応じて吸気制御弁を開いていっても、スワール比は開弁度に応じて線形的に減衰する。そのため、逆方向スワールを発生させるポートの組み合わせと比較して、スワール比の可変幅を維持しながら吸気制御弁開閉に伴う制御性を高めることができる。

また、吸気管側からプライマリ吸気ポートを見た際における燃焼室側開口の可視部の面積を、燃焼室側開口の面積の５０％以上とすることにより、プライマリ吸気ポートの吸気抵抗を少なくして高い流量係数を確保することができる。

以下、本発明をＳＯＨＣ型ディーゼルエンジンに適用した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は実施形態に係る吸気ポート構造の透視斜視図である。なお、図面が煩雑となることを避けるため、吸気ポートを画成するシリンダヘッドについては、吸気管との接続面のみを図中に表している。

≪実施形態の構成≫
図１に示すように、実施形態の直接噴射式ＳＯＨＣ型ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと記す）Ｅは、１つのシリンダ１に対して２つの吸気ポート２，３と２つの排気ポート４，５とを備えるとともに、これら各ポートに対し、各一対の吸気バルブ６，７と排気バルブ８，９とを備えている。各ポート２〜５は、シリンダ１の上部に配置されたシリンダヘッド１０によって形成されている。吸気ポート２，３は、その上流端が図示しないインテークマニホールドが接続する接続面（以下、単にインマニ接続面と記す）１１に開口してインマニ側開口２ａ，３ａをそれぞれ形成し、その下流端がシリンダ１の上端面１ａに開口して燃焼室側開口２ｂ，３ｂをそれぞれ形成している。一方、排気ポート４，５の上流端もシリンダ１の上端面１ａに開口している。

インテークマニホールドは、エアクリーナを介して流入する空気を各シリンダ１における各吸気ポート２，３に分配する集合管である。２つの吸気ポート２，３のうち、一方の吸気ポート３に接続する吸気管内には流量制御弁が設けられており、この吸気ポート３はエンジンＥの駆動状態に応じてその吸気流量を制御される。ここで、吸気制御弁によってその吸気流量を制御される吸気ポート３をセカンダリ吸気ポートと呼称し、他方の吸気ポート２をプライマリ吸気ポートと呼称するものとする。

また、エンジンＥは、上下に摺動するピストン２１をシリンダ１内に備えており、ピストンが上死点に達したときに、ピストン２１の上面２１ａに形成されが凹みとシリンダヘッド１０により画成されたシリンダ１の上端面１ａとによって浅皿型の燃焼室２２が構成される。シリンダ１の上部には図示しない燃料噴射弁が設置されており、ピストンにより圧縮されて高温となった燃焼室２２内の圧縮空気に対して燃料噴射弁から霧状の燃料が噴射される。

両吸気バルブ６，７は、シリンダ配列方向に略沿って並ぶようにシリンダ１の上方に配置され、両排気バルブ８，９もシリンダ配列方向に略沿って並ぶようにシリンダ１の上方に配置されている。これら両吸気バルブ６，７および両排気バルブ８，９はすべて、バルブステムの軸線がシリンダ１の上端面１ａに略垂直な直立バルブとされており、図示しないバルブスプリングによって上方へ弾発付勢されている。そして、燃焼室側開口２ｂ，３ｂは、そのバルブシートに吸気バルブ６，７のバルブフェースが当接することによって閉塞される。

更に、排気バルブ８，９側の上方にはカムシャフト３０が配置されており、このカムシャフト３０により、一対の吸気ロッカアーム３１を介して吸気バルブ６，７が駆動され、両吸気ロッカアーム３１の内側に配置された一対の排気スイングアーム３２を介して排気バルブ８，９が駆動される。吸気ロッカアーム３１は、吸気ロッカシャフト３５によって揺動自在に支持されており、カムシャフト３０の側面に転接するカムローラ３３を揺動させることにより、そのステムエンドに当接する油圧タペット３４を介して吸気バルブ６，７を下方へ摺動させる。また、排気スイングアーム３２は、シリンダヘッド１０にその基端が揺動自在に支持されており、カムシャフト３０の下面に転接するカムローラ３６を揺動させることにより、排気バルブ８，９を下方へ摺動させる。

次に、図２〜図６を参照して実施形態に係る吸気ポート２，３の構造について詳しく説明する。図２はシリンダ１の概略平面において吸気の流れを示す説明図である。図２に示するように、プライマリ吸気ポート２とセカンダリ吸気ポート３とは略平行に配置されており、両吸気ポート２，３の下流端がシリンダ１の上端面１ａに燃焼室側開口２ｂ，３ｂをそれぞれ形成している。なお、図示は省略するが、この上端面１ａにはこれらの他、上記した排気ポート４，５の上流端となる開口および燃料噴射弁の取付開口が形成されている（図６参照）。

プライマリ吸気ポート２は、シリンダ平面視において、その軸線２Ａがシリンダ１の軸心１Ａを中心として燃焼室側開口２ｂの中心２ｂＡを通る仮想円Ｃに対して略接する方向に延在している。一方、セカンダリ吸気ポート３は、燃焼室側開口３ｂの近傍手前において軸線３Ａに対してプライマリ吸気ポート２と反対側の断面積が徐々に小さくなり、燃焼室側開口３ｂの近傍において螺旋形状に形成されている。ここで、シリンダ１の軸心１Ａを中心として燃焼室側開口の中心を通る仮想円Ｃに対し、その軸線が略接するポートをタンジェンシャルポートと呼称し、燃焼室側開口の近傍が螺旋形状に形成されたポートをヘリカルポートと呼称するものとする。

図３はプライマリ吸気ポート２の側面図であり、図４はセカンダリ吸気ポート３の側面図である。エンジンＥはＳＯＨＣエンジンであり、上記したように、カムシャフト３０等の動弁系が排気バルブ８，９側の上方に配置されているため、シリンダ１の吸気バルブ６，７側上方は、吸気ポート形状を比較的自由に設計できるようになっている。図３に示すように、プライマリ吸気ポート２は略全長において下流端へ向けて僅かに縮径する略直管形状を呈しており、インマニ側開口２ａの中心２ａＡと燃焼室側開口２ｂの中心２ｂＡとを結ぶ直線２Ｌがシリンダ１の上端面１ａに対してなす角度θ２は、略４５°とされている。また、図４に示すように、セカンダリ吸気ポート３は、燃焼室側開口３ｂ近傍の螺旋形状部を除いてその大部分において略直管形状を呈しており、インマニ側開口３ａの中心３ａＡと燃焼室側開口３ｂの中心３ｂＡとを結ぶ直線３Ｌがシリンダ１の上端面１ａに対してなす角度θ３も、略４５°とされている。

図５は図１中のIV矢視図であり、インマニ接続面１１側から吸気ポート２，３を視た図である。上記したように、プライマリ吸気ポート２では、その略全長が略直管形状を呈しているため、インマニ接続面１１側からプライマリ吸気ポート２を視ると、インマニ側開口２ａ内に燃焼室側開口２ｂの一部（以下、可視部と呼称する）２ａＳが視認される。また、インマニ接続面１１側からセカンダリ吸気ポート３を視ても、インマニ側開口３ａ内に燃焼室側開口３ｂの一部（以下同様に、可視部と呼称する）３ａＳが視認される。

図６はシリンダヘッド１０の概略底面図である。インマニ接続面１１側からプライマリおよびセカンダリ吸気ポート２，３を視た際の可視部２ａＳ，３ａＳは、図中の２点鎖線で示す範囲となる。プライマリ吸気ポート２においては、可視部２ａＳは燃焼室側開口２ｂの面積の５０％以上を占めている。一方、セカンダリ吸気ポート３においては、燃焼室側開口３ｂ近傍の絞り形状と螺旋形状との影響により、可視部３ａＳの面積は燃焼室側開口３ｂの面積の５０％以下となっている。

≪実施形態の作用効果≫
以下、本実施形態の作用を説明する。図２に示すように、プライマリ吸気ポート２からシリンダ１内に流入する空気は、燃焼室側開口２ｂの下方に摺動した図示しない吸気バルブ６のバルブヘッドによって進行方向を変化させ、その一部はプライマリ吸気ポート２内の進行方向と逆方向に進むが、その大半はその慣性力によってプライマリ吸気ポート２内の進行方向と同一方向に進み、シリンダ１の内壁に沿って時計回りのスワールＳを発生させる。タンジェンシャルポート形式のプライマリ吸気ポート２から流入する空気は、シリンダ１の軸心１Ａから離れた位置にスワールＳと同一方向の空気流れを発生させるため、強力なスワールＳを発生することができる。

一方、セカンダリ吸気ポート３からシリンダ１内に流入する空気は、ポート内においてはスワールＳを打ち消す方向に進んでいるが、燃焼室側開口３ｂの手前でプライマリ吸気ポート２側へ絞られるとともに、螺旋形状に沿って時計回りの旋回流とされ、図示しない吸気バルブ７のバルブヘッドによって燃焼室側開口３ｂの周方向へ広がる。ヘリカルポート形式のセカンダリ吸気ポート３から流入する空気は、シリンダ１の軸心１Ａから離れた位置に中心を持つ小径の比較的弱いスワールＳを発生させる。

したがって、両吸気ポート２，３の吸気比重を同一にすると、シリンダ１内のスワール比は、プライマリ吸気ポート２によるスワール比とセカンダリ吸気ポート３によるスワール比との中間値となる。そして吸気制御弁がヘリカルポート側に設けられていることにより、吸気制御弁を絞ってセカンダリ吸気ポート３の吸気比重を０にすると、シリンダ１内のスワール比は、最大値であるプライマリ吸気ポート２によるスワール比と同一になる。

図７は吸気制御弁の開度とスワール比との関係を示すグラフである。なお、グラフ中の実線は本実施形態に係る両吸気ポート２，３のスワールが同方向の吸気ポート構造を示し、破線は、タンジェンシャルポート形式のプライマリ吸気ポートとヘリカルポート形式のセカンダリ吸気ポートとのスワール回転方向が逆向きにされた吸気ポート構造を示している。図示するように、吸気制御弁を絞ってセカンダリ吸気ポート３の吸気量を減少させると（プライマリ吸気ポート２の吸気比重を高めると）、吸気制御弁開度に応じてスワール比が線形的に増大する。すなわち、シリンダ１への吸気量が最大限に必要ではない場合、吸気量制御弁を閉弁気味にすることによってセカンダリ吸気ポート３の吸気量は減少するが、プライマリ吸気ポート２（タンジェンシャルポート）による吸気比重が高まることにより、吸気制御弁全開時に比べて高いスワール比が確保される。そして、両吸気ポート２，３によるスワールＳの回転方向が同一であるため、逆方向スワールの吸気ポート構造に比べ、広いスワール比の可変幅を維持しつつ、吸気制御弁開閉に伴う制御性を高めることができる。他方、大量の吸気を必要とする場合であっても、吸気量制御弁を全開にすることにより、高い流量係数が確保される。

そして、図３、図４に示すように、両吸気ポート２，３におけるインマニ側開口２ａ，３ａの中心２ａＡ，３ａＡと燃焼室側開口２ｂ，３ｂの中心２ｂＡ３ｂＡとを結ぶ直線２Ｌ，３Ｌが、シリンダ１の上端面１ａに対してそれぞれ略４５°傾斜していることにより、吸気工程においてシリンダ１内での空気の進行角度と吸気ポート２，３内での空気の進行角度との差が小さくなり、吸気ポート２，３の吸気抵抗による流量係数の悪化が防止される。

また、両吸気ポート２，３が略直管形状を呈しており、特にプライマリ吸気ポート２においては、インマニ接続面１１側から視た際における燃焼室側開口２ｂの可視部２ａＳの面積が、燃焼室側開口２ｂの面積の５０％以上とされていることにより、吸気抵抗が可能な限り小さくされている。このように、本実施形態のエンジンＥの吸気ポート構造によれば、高いスワール比と流量係数とを両立することが可能である。

このように、形状ばらつきに対する影響が少なく強いスワールを安定して発生させられるタンジェンシャルポートをプライマリーポートとし、バルブ配置等に影響を受けにくいヘリカルポートをセカンダリポートとしたため、吸気効率の良いトップフィードポートの採用と吸気ポート直上の動弁系をコンパクトにしたＳＯＨＣとの組み合わせが可能となり、コンパクトで高性能なディーゼルエンジンを実現できた。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では本発明の吸気ポート構造をディーゼルエンジンに適用しているが、ガソリンエンジンにも適用できることは云うまでもない。この場合、燃焼室の形状を、半球型やくさび型、浴槽型等、様々な形態にすることができる。また、ディーゼルエンジンに適用した場合であっても、浅皿型に限定されるものではない。更に、上記実施形態では、吸気ポートの傾斜角度を略４５°としているが、傾斜角度が４５°以上のいわゆるトップフィードタイプのものであれば、如何なる角度としてもよい。更にこれら変更の他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

吸気ポート構造の透視斜視図 シリンダの概略平面において吸気の流れを示す説明図 プライマリ吸気ポートの側面図 セカンダリ吸気ポートの側面図 図１中のIV矢視図であってインマニ接続面側から吸気ポートを視た図 シリンダヘッドの概略底面図 吸気制御弁の開度とスワール比の関係を示すグラフ

符号の説明

１ シリンダ
１Ａ 軸心
１ａ 上端面
２ プライマリ吸気ポート
３ セカンダリ吸気ポート
２Ａ，３Ａ 軸線
２Ｌ，３Ｌ 直線
２ａ，３ａ インマニ側開口
２ａＡ，３ａＡ 中心
２ａＳ，３ａＡ 可視部
２ｂ，３ｂ 燃焼室側開口
２ｂＡ，３ｂＡ 中心
１０ シリンダヘッド
１１ インマニ接続面
２２ 燃焼室
Ｃ 仮想円
Ｅ エンジン
Ｓ スワール
θ２，θ３ 角度

Claims (2)

1. どちらも上流端が吸気管との接続面に開口し、下流端がシリンダの一端側に形成された燃焼室に開口するプライマリおよびセカンダリ吸気ポートからなる内燃機関の吸気ポート構造であって、
   前記プライマリ吸気ポートは、前記シリンダの軸心を中心として燃焼室側開口の中心を通る仮想円に対し、その軸線が略接するタンジェンシャルポートであり、
   前記セカンダリ吸気ポートは、吸気制御弁によってその吸気流量を制御されるとともに、前記燃焼室側開口の近傍が螺旋形状に形成され、前記プライマリ吸気ポートと同方向のスワールを発生させるヘリカルポートであり、
   前記両吸気ポートにおける前記燃焼室側開口の中心と前記吸気管側開口の中心とを結ぶ直線が、前記シリンダの燃焼室側の端面に対してそれぞれ４５°以上傾斜したことを特徴とする内燃機関の吸気ポート構造。
2. 前記吸気管との接続面側から前記プライマリ吸気ポートを視た際における前記燃焼室側開口の可視部の面積が、該燃焼室側開口の面積の５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート構造。

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