JP2697517B2 - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents
内燃機関の吸気ポート構造Info
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Description
に用いて好適の、内燃機関の吸気ポート構造に関する。
ジンの燃焼室の吸気通路面積を大きくするため、1つの
燃焼室に2つに分かれて流入するサイヤミーズ型の吸気
ポートを設けた内燃機関が用いられるようになってきて
いる。このような内燃機関では、一般には、2つの吸気
ポート部分からそれぞれ混合気が燃焼室に流入するよう
になっている。
機関では、通常、2つの吸気ポート部分の燃焼室への開
口に、それぞれ吸気バルブが設けられており、吸気ポー
ト内には、この吸気バルブのステムが配設されている。
このため、吸気の流れの一部は、このバルブステムに当
たって、流れを乱されることがあり、吸気効率を考える
と、このバルブステムによる吸気流の乱れが、課題とな
る。
つつある、層状燃焼内燃機関においては、極めて大きな
課題となっている。ここで、この層状燃焼内燃機関につ
いて説明すると、この内燃機関は、吸気行程において、
例えば、図14,図15に示すような気筒内の縦向きの
旋回流、所謂タンブル流F(Fa,Fm)を発生させる
ことで、燃料の燃焼を効率よく行なおうとするものであ
る。
ル流Fa,Fmを発生させるようにした2吸気ポート式
内燃機関の1つの気筒の構造を示し、図において、符号
22はシリンダブロック、24はシリンダボア、26は
ピストン、28はシリンダヘッド、30は燃焼室であ
る。そして、34は燃焼室30の上壁部に形成されたペ
ントルーフであって、40′,42′は各気筒に2つず
つ設けられた吸気通路であり、各吸気通路40′,4
2′の吸気ポート44′には、それぞれ吸気弁58が設
置されている。
42′からの吸気流を、各吸気通路40′,42′の延
長軸線上のシリンダボア24の内壁面に沿って下方に案
内しうるような斜面をそなえ、吸気通路40′,42′
からの吸気流は、このペントルーフ34の案内にも助け
られて、それぞれ矢印Fa,Fmで示すようなタンブル
流方向に進む。
ポート44′の形状が重要であり、一般的には、図1
4,図15に示すように吸気ポート44′を直線状のス
トレートポートに形成したり、図18に示すように吸気
ポート44′を絞ったりすることで、流れを整流するよ
うに工夫している。なお、図14,図18において、符
号40F,42Fはストレートポートでない通常の吸気
ポートを示している。
面形状は一般には図16に示すような円形に形成される
が、図17に示すような楕円形や長円形に形成される他
に略方形に形成されることもある。また、この例では、
図15に示すように、一方の吸気通路42′のみにイン
ジェクタ12が設けられ、点火プラグ11は、このイン
ジェクタ12を装備した吸気通路42′の吸気弁58の
近傍に配設されている。このため、この点火プラグ11
の近傍には、インジェクタ12から噴射された燃料と吸
気された空気とによる混合気が吸気通路42′及び吸気
ポート44′を通じて燃焼室30に流入し、この混合気
のタンブル流Fmが形成される。また、吸気通路40′
の吸気ポート44′からは、空気のみが燃焼室30に流
入して、この空気のタンブル流Faが形成される。
タンブル流Fmと空気のタンブル流Faとの層状化した
タンブル流が形成される。このようにして発生するタン
ブル流は、火炎伝播速度や燃焼安定性の増大に効果があ
り、熱発生量Q,筒内圧P,熱発生率dQについての実
験データを示すと、例えば図13のようになり、「標
準」(タンブル流を特に発生させない一般的な場合)に
比べて「タンブル流」(タンブル流を発生させた場合)
の方が、熱発生量Q,筒内圧P,熱発生率dQのサイク
ル変動が小さく、燃焼安定性が良好であることがわか
る。
通する排気ポート、59は排気弁である。このような層
状燃焼内燃機関では、吸気流の層状化,タンブル流化に
有利なように、できるだけ吸気流を乱すことなく、燃焼
室に送り込みたいのである。本発明は、上述の課題に鑑
み創案されたもので、吸気ポート内からの吸気流が乱れ
ることなく滑らかに燃料室内へ流入できるようにした、
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。
の本発明の内燃機関の吸気ポート構造は、2つの吸気バ
ルブによってそれぞれ開閉される2つの燃焼室開口を有
する部分に二分された吸気ポートをそなえ、該吸気ポー
トからの吸気流がそれぞれ燃焼室内でタンブル流となる
ように構成された内燃機関において、該燃焼室頂部の中
央部分に配設された着火手段と、上記の各吸気ポート部
分内の吸気バルブのステムよりも上流側の該バルブステ
ムを含む流線に沿った位置に、吸気流を整流しながら流
れ方向に沿って二分するようにそれぞれ配設され、該吸
気ポート部分内を該着火手段側の中央側通路と該中央側
通路の両側の側方通路とに区分する整流部材と、該中央
側通路に燃料を噴射する燃料噴射手段とをそなえ、該吸
気ポートの該中央通路及び該側方通路が機関の全運転状
態に亘って通路断面積を不変に構成されていることを特
徴としている。
材が隔壁により構成されて、該隔壁の上記バルブステム
の近傍端部における厚さが、該バルブステムの径とほぼ
同等又は該径よりもやや大きくなるように設定してもよ
く、請求項3記載のように、上記整流部材が隔壁により
構成されて、該隔壁の上記バルブステムの近傍端部にお
ける厚さが、該バルブステムの径とほぼ同等又は該径よ
りもやや小さくなるように設定してもよい。
の厚さが、上流側端部にいく程薄くなっているように構
成してもよい。
ポート構造では、吸気ポートの各吸気バルブの開放する
と、これらの吸気バルブを設けられた2つの燃焼室開口
から燃焼室内に、吸気流が流入して、それぞれ燃焼室内
でタンブル流を形成する。このとき、各吸気ポート部分
内の吸気バルブのステムよりも上流側の該バルブステム
を含む流線に沿った位置に配設された整流部材によっ
て、上記吸気流が整流されながら流れ方向に沿って中央
側通路と側方通路とに二分されて、燃焼室内に流入す
る。したがって、燃焼室内では中央側通路からの吸気流
と側方通路からの吸気流とが層状に確実に分離してタン
ブル流を形成する。燃料噴射手段は、中央側通路に燃料
を噴射するので、中央側通路からの吸気流により燃焼室
内の中央部分に形成された層状タンブル流は、燃料を十
分に混合された燃料濃度の濃い混合気層となり、その側
方には燃料を殆ど混合されない燃料希薄な混合気層(又
は空気層)が形成される。そして、層状タンブル流のう
ち燃料濃度の濃い混合気層が、燃焼室頂部の中央部分に
付近に流入し、この部分に配設された着火手段により着
火が行なわれることで、燃料濃度の濃い混合気層に確実
に着火して、適正な層状燃焼が実現する。 特に、該吸気
ポートの該中央通路及び該側方通路が機関の全運転状態
に亘って通路断面積を不変に構成されているので、機関
の状態に係わらず、中央側通路からの吸気流と側方通路
からの吸気流とが常に確実に層状分離してタンブル流を
形成するようになり、適正な層状燃焼を常に確実に実現
しうる。
材が隔壁により構成されて、該隔壁の上記バルブステム
の近傍端部における厚さが、該バルブステムの径とほぼ
同等又は該径よりもやや大きくなるように設定される
と、該バルブステム近傍での吸気流の整流が促進され
る。また、請求項3記載のように、上記整流部材が隔壁
により構成されて、該隔壁の上記バルブステムの近傍端
部における厚さが、該バルブステムの径とほぼ同等又は
該径よりもやや小さくなるように設定されると、該バル
ブステム近傍での吸気流の整流が行なわれるとともに、
吸気ポート内の吸気流量が確保される。
の厚さが、上流側端部にいく程薄くなっているように構
成されると、上記バルブステム近傍での吸気流の整流が
促進される。
説明すると、図1〜図12は本発明の内燃機関の吸気ポ
ート構造の一実施例を示すもので、図1はその構成を示
す模式的斜視図、図2はその要部構成を示す模式的上面
図であって図1におけるA矢視図、図3はその構成を示
す模式的な部分断面図であって図2におけるC−C断面
図、図4はその構成を示す模式的な部分断面図であって
図3におけるB−B断面図、図5はその構成を示す模式
図、図6はその吸気ポート構造及び隔壁の変形例を示す
模式図〔(A)はシリンダ上方からシリンダ軸方向に見
た模式的な構成図、(B)はシリンダ側方から見た模式
的な構成図、(C)は(B)におけるD方向矢視図〕、
図7はその吸気ポート構造の隔壁の他の変形例を示す模
式図(図5と対応する図)、図8はその燃料噴射バリエ
ーションを示す模式図、図9〜図12はそれぞれその作
用及び効果を説明するためのグラフである。
には、シリンダブロック22に形成されたシリンダボア
24とピストン26とシリンダヘッド28とで囲撓され
て燃焼室30が形成されている。この内燃機関の各気筒
は吸気2弁,排気2弁の4弁式内燃機関として構成され
ており、この燃焼室30内には、吸気ポート46が導か
れている。そして、この吸気ポート46は、途中でポー
ト隔壁(吸気ポート分岐部)46Cによって2つの吸気
ポート部分46A,46Bに2分されたサイアミーズポ
ートとなっており、各吸気ポート46A,46B部分の
燃焼室開口には、それぞれ吸気弁58が設置されてい
る。また、排気ポート47もサイアミーズポートとなっ
ており、この燃焼室30内には、2つの排気ポート47
A,47B部分も導かれ、それぞれ図示しない排気弁が
設置されている。
各吸気ポート部分(以下、この吸気ポート部分について
も単に吸気ポートという)46A,46Bは、図示しな
い吸気通路(インテークマニホールド)に連通接続され
ている。また、図中1A,1Bは各吸気ポート46A,
46Bの軸心線(上下端及び左右端の中心線)を示して
いる。また、各排気ポート47A,47Bは下流側で合
流して、やはり図示しない共通の排気通路に連通接続さ
れている。
46C直前付近には、後述する燃料噴射手段としてのイ
ンジェクタ12が取り付けられ、このインジェクタ12
により、燃料が吸気ポート46A,46Bに噴射される
ようになっている。そして、この実施例では、各吸気ポ
ート46A,46Bは互いに略平行な直線状のストレー
トポートに形成されている。したがって、各吸気ポート
46A,46Bの軸心線1A,1Bは、図2,図5に示
すように、互いにほぼ平行な2直線になっている。この
ため、吸気ポート46A,46Bの分岐部46C付近よ
り下流側では、各吸気ポート46A,46Bは、互いに
ほぼ平行に形成されており、各吸気ポート46A,46
Bからの吸気は、図2に中に、流線45で示すように、
互いにほぼ平行な状態で燃焼室30に流入するようにな
っている。
にほぼ平行なものに限定されず、例えば図6の(A)に
示すようなものでもよい。なお、図6の(A)では、一
方の吸気ポート46Bについての曲がり具合を示してい
るが、他方の吸気ポート46Aについてもこれと線対称
に形成されている。つまり、吸気ポート46A,46B
が、その分岐部46Cから吸気弁58方向に向かって僅
かに広がっていくように形成されている。
にほぼ平行なまま斜めに燃焼室30に接続されていても
よい。つまり、図6の(A)に示すように、複数気筒が
列状に並んでいる場合の列方向の面9(なお、平面視状
態で2つの吸気弁58,58の中心を結ぶ線Lがこれに
平行である)に対して、両吸気ポート46A,46Bが
いずれも直交せずに燃焼室30に接続されているもので
ある。
からの吸気流による層状タンブル流の形成に支障がない
範囲であれば、吸気ポート46A,46Bの形状や配設
方向は厳しく限定されるものではない。そして、このよ
うなストレートポートの断面形状は、図4に示すよう
に、吸気ポート 46A,46Bのタンブル流側半部
(つまりタンブル流を形成する主成分流が流れる吸気ポ
ート46A,46Bの上側半部)46A−1,46B−
1が、他半部(つまりタンブル流を阻止するような成分
流が流れる吸気ポート46A,46Bの下側半部)46
A−2,46B−2よりも拡幅されており、吸気ポート
46A,46Bの吸気流心F1がタンブル流側(つまり
吸気ポート46A,46Bの上側半部46A−1,46
B−1)へ偏心されている。これにより、吸気ポート4
6A,46Bからの吸気流が燃焼室30内でタンブル流
を形成し易いようになっている。そして、この実施例で
は、吸気ポート46A,46Bは、図4に示すような略
逆三角形の断面を有するように形成されている。なお、
図4に示す符号21,21は、これらの吸気ポート46
A,46Bを2分するような整流部材としての隔壁であ
り、これについては後で詳述する。
示すように、ピストン26が上死点に達した時にシリン
ダヘッド28とピストン26との間に空間が確保される
ように凹所35が形成されている。また、この凹所35
に近接して、凹所35よりも***した***部39が設け
られており、この***部39には、凹所35からなだら
かに接続するように斜面37が形成されている。
に(排気ポートの燃焼室開口の下方に)に形成されてお
り、***部39は吸気弁58,58の下方に形成されて
いる。これにより、図1に示すように、吸気ポート46
A,46Bのタンブル流側半部46A−1,46B−1
から流入した吸気流Fa,Fmは、この凹所35から斜
面37を経て***部39に達っするような流れを形成し
て、タンブル流の形成を促進するようになっている。
30の上方の頂部の中心部分には、着火手段としての点
火プラグ11が配設されており、吸気ポート46A,4
6Bの間の基準面3上に位置している。なお、ここで基
準面3とは、両吸気ポート46A,46Bのほぼ中央に
位置する仮想面である。ところで、図1〜図5に示すよ
うに、吸気ポート46A,46B内にはそれぞれ吸気ポ
ート46A,46B内を左右方向に二分するような整流
部材としての隔壁21が設けられ、この隔壁21によっ
て、各吸気ポート46A,46B内では、それぞれ、吸
気流の基準面3側(点火プラグ側)の通路(即ち、中央
側通路)4とこの基準面3の外側(反点火プラグ側)の
通路(即ち、側方通路)5とに吸気の流れ方向に沿って
二分されている。つまり、各吸気ポート46A,46B
は、隔壁21によって、点火プラグ側通路(着火手段側
通路)4と反点火プラグ側通路(反着火手段側通路)5
とに分離されている。
テム部(バルブステム)57の上流側の、このバルブス
テム57に流れ込もうとする吸気流の流線45に沿って
形成されている。なお、ここでは、バルブステム57は
吸気流の流線45の中心線45A上に配設されているの
で、隔壁21は吸気流の流線45の中心線45A上に配
設されることになる。
ト46A,46Bの軸心線1A,1B上に沿っており、
ここでは、隔壁21は、この吸気ポート46A,46B
の軸心線1A,1Bに沿って、略垂直に、且つ、インジ
ェクタ12の配設位置近傍から下流側に亘って延設され
ている。また、吸気ポート46A,46Bが互いに略平
行であるので、これらの隔壁21,21も互いに略平行
に配設されている。
気ポート46A,46Bの上側壁面8から下側壁面7ま
でに亘って形成されており、吸気ポート46A,46B
の下流側では、吸気弁58の軸線2に沿って吸気弁58
の傘部56近傍まで延設されている。ただし、隔壁21
は吸気弁58の傘部56やバルブステム57には接触し
ないように、これらと適当なクリアランスを確保して形
成されており、吸気弁58の作動には何ら影響を及ぼさ
ないようになっている。
A,46B内の吸気流を点火プラグ側通路4と反点火プ
ラグ側通路5とに完全に分離するように、吸気ポート4
6(46A,46B)の上流端から延設されている。し
たがって、吸気ポート46A,46B内では、吸気流
が、隔壁21で点火プラグ側通路4と反点火プラグ側通
路5とに分岐して、整流されながら互いに分離した状態
を保ちつつ、バルブステム57によって流れを乱される
ことなく、燃焼室30内に流入するようになっている。
このような隔壁21により、吸気の流れは、燃焼室30
に滑らかに流入すると、図5に示すように、空気に燃料
の混合された混合気の層Fmと空気のみの層Fa,Fa
との3つの層(点火プラグ側通路4とその両側の反点火
プラグ側通路5との計3つの流れ)に分離した状態、つ
まり、層状化した状態でタンブル流に形成されるように
なっている。このように、本内燃機関は層状燃焼内燃機
関として構成されているのである。
クタ12からの噴射燃料を各吸気ポート46A,46B
内の点火プラグ側通路4に保持するようにして、反点火
プラグ側通路5へ流出しないようにできればよい。した
がって、隔壁21を必ずしも吸気ポート46A,46B
の上流端から設けなくてもよく、図1,2,5,6,7
に鎖線で示すように、吸気ポート46A,46Bの上流
側中間部から下流側に至るように設けてもよい。図1,
2に鎖線で示す例及び図6(B)に示す変形例は、いず
れも隔壁21の上流端をインジェクタ12の噴射口より
も下流側に設けた例であり、図5に鎖線で示す例及び図
7に示す変形例は、隔壁21の上流端をインジェクタ1
2の噴射口に対応する位置に設けた例である。
1の変形例では、吸気ポート46A,46Bが、その分
岐部46Cから吸気弁58方向に向かって僅かに広がっ
ているため、これに応じて、隔壁21も互いに平行では
なくなっている。しかし、この場合にも、隔壁21は、
バルブステム57の上流側の、このバルブステム57に
流れ込もうとする吸気流の流線45に沿って、ちょう
ど、吸気流の流線45の中心線45A上に配設されてい
る。したがって、吸気流が隔壁21に整流されながら互
いに点火プラグ側通路4と反点火プラグ側通路5とに分
離した状態を保ちつつ、バルブステム57によって流れ
を乱されることなく、層状化した状態でタンブル流の形
成が促進されるようになっている。
このバルブステム57自体が吸気流の抵抗となるのに対
して、隔壁21は、この抵抗を軽減する機能をもってい
る。そして、バルブステム57での抵抗を軽減するに
は、一般に、隔壁21の後端のバルブステム57の付近
を、バルブステム57の外径よりもやや大きな厚みにす
ることが考えられる。しかし、吸気ポート46A,46
B内では、隔壁21の断面積の分だけ吸気ポート46
A,46Bの断面積が減少するので、隔壁21の厚みに
応じて、吸気ポート46A,46Bの流量係数が低下し
てエンジン全開性能が低下することが考えられる。した
がって、流量係数を確保するためには、隔壁21の断面
積を極力小さくするのが望ましい。
7での抵抗を軽減と流量係数の低下抑制とを両立させる
べく、隔壁21の厚みをバルブステム57の外径とほぼ
同様の大きさ又はこの外径よりも小さめに設定してい
る。勿論、バルブステム57での抵抗軽減を重視するな
らば、隔壁21の厚みをバルブステム57の外径よりも
やや大きく設定してもよく、吸気ポート46A,46B
の流量係数を確保するためには、隔壁21の厚みをバル
ブステム57の外径よりもやや小さく設定してもよい。
A及び下流端21Bは、いずれも吸気流の整流効果が得
られるように、ほぼ円筒面状の凸状曲面に形成されてい
る。このように上流端21A及び下流端21Bを形成す
るのは、吸気流の整流による流体抵抗軽減効果をねらう
とともに、隔壁21の製造上の効率を考慮しているため
である。つまり、各端部21A,21Bを凸状曲面に形
成すると、例えば、吸気ポート46を鋳造する場合など
には、各端部21A,21Bに対応する鋳型(中子)の
抜けが良好になり、鋳造を容易で確実に行なえる。この
実施例では、このような製造の容易性をも考慮している
のである。
円筒面状に限るものでなく、これよりも鋭角的に突出し
た曲面状のものや、鋭角的に突出した楔状のものなどで
も吸気流の整流効果を十分に期待でき、本実施例以外の
種々のものが考えられる。また、下流端21Bも、単純
な平面状に近いものなど他の種々のものが考えられ、例
えば図6(A),(C)に示す変形例のように、バルブ
ステム57の表面とほぼ整合するような円筒面状の凹状
曲面に形成することも考えられ、この場合、この吸気流
の隔壁21の下流端21Bからバルブステム57への滑
らかな流れ込みがより促進される。
流端21Bとバルブステム57との距離が適切になるよ
うに、流体理論に基づいて設定することが望ましい。な
お、この実施例では、隔壁21の内壁と外壁とがほぼ平
行に設定されているが、図7に示すように、隔壁21の
厚みをバルブステム57の上流側に行くほど薄く形成し
上流端では極力薄く形成する。逆に、下流側のバルブス
テム57に近づくにしたがって、除々にバルブステム5
7の径と略同等の厚さになるように形成してもよい。こ
のようにすることでも、吸気流の流れは、バルブステム
57によって乱れることなく、円滑に燃焼室30に流入
することができる。
最大幅部分を、下流端21B近傍ではなく、下流端21
Bよりもやや上流部分に設けており、全体として流線型
に近い形状になっているが、隔壁21の最大幅部分を、
下流端21B近傍に形成することも考えられる。また、
この場合も、隔壁21の最大厚みを、バルブステム57
の外径とほぼ同様の大きさに設定するほか、バルブステ
ム57での抵抗軽減を重視して、隔壁21の厚みをバル
ブステム57の外径よりもやや大きく設定したり、吸気
ポート46A,46Bの流量係数を確保するため、隔壁
21の厚みをバルブステム57の外径よりもやや小さく
設定したりしてもよい。
ために、吸気ポート46A,46Bは、図2,図4の斜
線部13に示すように、略逆三角形の断面の上側半部4
6A−1,46B−1を、ほぼ隔壁21の断面積の分だ
け拡大されている。これにより、隔壁21の断面積によ
る吸気ポート46A,46Bの断面積の減少を相殺し
て、エンジン全開時の流量係数を確保している。
ンジェクタ12は、図1,図5に示すように、2つの吸
気ポート46A,46Bの分岐部46C付近の上部にお
いて、2つの吸気ポート46A,46B間の吸気流の基
準面(中心面)3に沿って配設されている。そして、吸
気ポート46A,46Bの下流の下面方向に向けて燃料
を噴射するようになっている。なお、図2,図3及び図
5中の符号6はインジェクタ噴射軸線であり、インジェ
クタ12の噴射方向を示すものである。
すように、インジェクタ12は、吸気ポート46A,4
6B間の上部側から吸気ポート46A,46Bの下流側
の斜め下方に向けて燃料を噴射するようになっている。
したがって、噴射された燃料は、各吸気ポート46A,
46Bの隔壁21,21に案内されながら、各吸気ポー
ト46A,46B内の点火プラグ側通路(即ち、中央側
通路)4を通じて燃焼室30内に円滑に吸気されるよう
になっており、点火プラグ側の両側の反点火プラグ側通
路5には、空気のみが流れるようになっている。
ョンとしては、両吸気ポート46A,46Bの分岐部4
6Cの形状に応じて図8の(a)〜(d)に示すような
タイプが考えられる。(a)はサイアミーズ型吸気ポー
ト46A,46Bの分岐部46Cに向けて燃料を噴射す
もので、分岐部46Cに燃料を積極的に衝突させた後、
拡散した燃料を吸気ポート46A,46B内の点火プラ
グ側通路4に流すようにしたものである。この吸気ポー
ト46A,46Bの分岐部46Cは、インジェクタ12
の噴射方向に対してほぼ直交するような面を有してお
り、この面に衝突した燃料を拡散させるようになってい
る。
インジェクタ12を用いるタイプのもので、各燃料噴射
孔から噴射された2つ燃料の流れは、それぞれ、各吸気
ポート46A,46Bの点火プラグ側通路4に直接流入
していくようになっている。この場合は、吸気ポート4
6A,46Bの分岐部46Cは曲面状に形成されて、吸
気流の吸入抵抗を低減している。
インジェクタ12を用いて、各隔壁21,21には燃料
が付着しないように、点火プラグ側通路4内に向けて直
接燃料を噴射するようにしたタイプものも考えられる。
この場合、燃料が吸気とともに滑らかに吸入されるよう
に、吸気ポート46A,46Bの分岐部46Cを鋭角的
に形成している。
料を積極的に各隔壁21,21までに亘って広角に向け
て噴射するタイプのものである。この場合は、吸気ポー
ト46A,46Bの分岐部46Cは、抵抗を減らすべ
く、上記(b)と同様に曲面状に丸められている。そし
て、この実施例では、上述の噴射バリエーションのいず
れかを用いている。
タ12の噴射バリエーションを示すものであって、イン
ジェクタ12の配設位置や噴射軸線6はいずれも同一で
ある。本発明の一実施例としての内燃機関の吸気ポート
構造は、上述のように構成されているので、吸気された
空気は、インジェクタ12で噴射された燃料と混合され
て各吸気ポート46A,46Bから燃焼室30内に流入
し、燃焼室30内で圧縮・膨張(爆発)された後、各排
気ポート47A,47Bから排気通路(図示省略)に排
出される。
は、タンブル流側半部46A−1,46B−1における
吸気流成分が、他半部46A−2,46B−2における
吸気流成分よりも大幅に多量になる。そして、吸気ポー
ト46A,46Bのタンブル流側半部46A−1,46
B−1から燃焼室30内に進入する吸気流成分はタンブ
ル流を形成する流れの成分であり、吸気ポート46A,
46Bの他半部46A−2,46B−2から燃焼室30
内に進入する吸気流成分はタンブル流を阻止する成分で
あるので、上述の流量の不均衡により、タンブル流の強
さが増加されるのである。特に、吸気ポート46A,4
6Bの全体の流路断面積が縮小されているので、吸気ポ
ート全体の吸気流の流量(流速)を一定にしながらタン
ブル流を強化できる。
6A,46Bでは、それぞれ隔壁21により、吸気流が
内側と外側とに二分される。インジェクタ12は、各吸
気ポート46A,46Bの隔壁21で仕切られた内側の
通路4に向けて燃料を噴射するので、燃料は、吸気ポー
ト46A,46Bの隔壁21で仕切られた中央側の通路
4にのみ送られ、この通路4では、燃料と空気とが混合
される。一方、外側の通路5には空気だけが送られ、図
1に示すように、燃焼室30の中央の点火プラグ11の
近傍には、燃料の濃い混合気の層Fmが形成され、その
両隣には、空気の層Faが形成される。
の内部に設けられた隔壁21が略平行に配設されている
ので、図5に示すように、各吸気ポート46A,46B
の中央側通路4から燃焼室30に流入してきた混合気の
層Fmと隔壁21で仕切られた外側の通路5から燃焼室
30に流入してきた空気の層Faとが燃焼室30内でも
分離状態を保って、層状化されるのである。
料の少ない混合気が送られるが、点火プラグ11近傍に
は着火に十分な量の燃料が送られる。このように、燃料
の混合された混合気が点火プラグ11の近くに流通する
ので、着火性を悪化させることなく理論空燃比よりも少
ない量の燃料の混合気でエンジンを運転することができ
るのである。
A,46B内の吸気バルブ58のバルブステム57に沿
った上流に、バルブステム57の外径とほぼ同様又はや
や小さい厚みをもった隔壁21が配設されているので、
バルブステム57の部分へ流入する吸気流が、バルブス
テム57により流れを乱されることのないように整流さ
れて燃焼室30内に滑らかに且つ所要の方向に流入す
る。
及び下流端21Bはいずれもほぼ円筒面状の凸状曲面に
形成されているので、隔壁21側への吸気流の流入や隔
壁21からバルブステム57への吸気流の流れがより滑
らかに行なわれて、整流効果が高められる。この結果、
燃焼室30内での吸気流の層状化が促進されるととも
に、層状化の促進によるタンブル流の強化も行なわれ
る。
隔壁21を設けて混合気の層状化を促進することによ
り、図9のグラフに示すように、より希薄な混合気で機
関を運転することができる。ここで、図9のグラフの横
軸は空燃比(A/F)であり、縦軸はNOx排出量及び
Pi変動率(Pi=図示平均有効圧)である。また、線
a及び線cは、吸気ポートに隔壁21を設けた機関の特
性を示し、線b及び線dは、隔壁21を有さない通常の
タンブル流の吸気ポートをそなえた機関の特性を示して
いる。また、線a,線bはNOx排出に関し、線c,線
dは図示平均有効圧に関している。
出量との関係を示したものであるが、この図が示すよう
に、隔壁21を設けた機関(線a参照)では、通常のタ
ンブル流を用いた機関(線b参照)よりもA/Fの値が
リーン(薄い)側でNOxの排出量がピークとなる。ま
た、このNOxの排出量のピーク値自体も低減すること
ができる。つまり、燃焼室30内のタンブル流の層状化
が促進されたことにより、従来の機関よりもNOxの排
出量がピーク値となるA/Fがリーン側に移動する。
率との関係を示したものである。ここで、Pi変動率と
は機関の燃焼安定性を判断する目安となるもので、この
Pi変動率が高過ぎると、機関の燃焼が安定せず、トル
ク変動を伴った不快な運転状態となる。なお図中の基準
線eは一般的に不快感のない状態で運転できる燃焼安定
限界のPi変動率である。
燃焼状態が得られるPi変動率の限界値に対して、隔壁
21を設けた機関(線c参照)では、通常のタンブル流
を用いた機関(線d参照)よりもさらにリーン側のA/
Fで機関を運転することが可能であり、また、この時の
NOxの排出量も大幅に低減することができる。つま
り、よりリーンなA/Fでも安定した燃焼状態を得るこ
とができ、燃焼限界のA/Fを向上させることができる
ことを示している。
あって、且つ、NOxをほとんど排出しない内燃機関を
実現することができる。また、図10,図11に示すよ
うに、吸気ポート46A,46Bの略逆三角形の断面の
上側半部46A−1,46B−1を十分に大きくするこ
とにより、エンジン全開時の流量係数を確保することが
できる。
ブル比及び平均流量係数との関係を示すものである。こ
こで線aはポート断面積と平均タンブル比との関係を示
し、線bはポート断面積と平均流量係数との関係を示し
ている。また、図9中□印は通常のタンブル流の吸気ポ
ートをそなえた機関の平均タンブル比を示すものであ
り、■印は吸気ポート46A,46B断面の上側半部4
6A−1,46B−1を十分に大きした吸気ポートをそ
なえた機関の平均タンブル比を示すものである。
トをそなえた機関の平均流量係数を示すものであり、●
は、吸気ポート46A,46B断面の上側半部46A−
1,46B−1を十分に大きした吸気ポートをそなえた
機関の平均流量係数を示すものである。そして、本発明
の吸気ポート46A,46Bでは、上側半部46A−
1,46B−1を十分に大きくして、ポート断面積を確
保しているので、図に示すように、平均タンブル比,平
均流量係数ともに向上させることができる。
係は図11に示すようなものとなる。また、この図11
において△印は従来のタンブル流を用いた機関,☆印は
隔壁21を設けてはいるがこの隔壁21により吸気ポー
ト46A,46B内の断面積が低下している機関,★印
は本構造をそなえた機関であって吸気ポート46A,4
6Bの断面の上側半部46A−1,46B−1を十分に
大きくしたものである。
ート46A,46Bに隔壁21を設けるだけでは、吸気
流の層状化を促進しても流量係数が低下してしまい、全
開性能の低下が考えられる。ここで、★印が示すよう
に、吸気ポート46A,46Bの断面の上側半部46A
−1,46B−1を十分に大きくすることにより、タン
ブル比及び流量係数を向上させることができる。こうし
て、隔壁21を設けることによる吸気ポート46A,4
6Bの断面積の減少を補うことができ、機関の全開性能
を確保することができるのである。
び出力とを示すものであって、図中、線a及び線cは本
構造をそなえた機関の特性を示すグラフ、線b及び線d
は従来の吸気ポート構造をそなえた機関の特性を示すグ
ラフである。まず、線a及び線bは機関の回転速度とト
ルクとの関係を示しているが、この2つの曲線にほとん
ど差はなく、本構造をそなえた機関が従来よりも希薄な
混合気で運転しても従来の機関と同等のトルクを実現し
ていることを示している。
出力との関係を示すものであるが、これらの線cと線d
とについても上述のトルク特性と同様に、ほとんど差は
なく、従来よりも希薄な混合気で運転しても従来の機関
と出力を得ることができることを示している。したがっ
て、図12に示すように、本構造をそなえた機関は吸気
ポート46A,46Bのタンブル比及び流量係数を大き
くすることにより、吸気ポート46A,46B内に隔壁
21,21を設けても、従来の機関と同等のトルク,出
力特性の内燃機関を実現することができる。
隔壁21,21を設けて、且つ、吸気ポート46A,4
6Bの略逆三角形の断面の上側半部46A−1,46B
−1を十分に大きくすることにより、トルク,出力とも
従来の内燃機関よりも低下させることなく、従来の内燃
機関よりも希薄な混合気で安定した燃焼状態を保つこと
ができ、NOxを低下することができる。また、同時に
燃費も向上させることができる。
ート46A,46Bが、その分岐部46Cから吸気弁5
8方向に向かって広がっていても、隔壁21が、バルブ
ステム57の上流側の、ちょうど、吸気流の流線45の
中心線45A上に配設されているので、吸気流が隔壁2
1に整流されながら互いに点火プラグ側通路4と反点火
プラグ側通路5とに分離した状態を保ちつつ、バルブス
テム57によって流れを乱されることなく燃焼室30内
に流入して、層状化した状態でタンブル流の形成が促進
される。
1の厚みをバルブステム57の上流側に行くほど薄く形
成することで、吸気流の整流がより促進され、バルブス
テム57によって流れを乱されることなく燃焼室30内
に流入して、層状化した状態でタンブル流の形成が一層
促進される。
てサイヤミーズ型であればよく、排気ポート47はサイ
ヤミーズ型でなくシングルポートタイプでもよい。つま
り、本構造は、吸気2弁,排気1弁の3弁式の内燃機関
にも、上述と同様にして適用することができる。
流の形成を考慮しない内燃機関にも適用でき、この場合
にも吸気効率を向上できる効果がある。
発明の内燃機関の吸気ポート構造によれば、2つの吸気
バルブによってそれぞれ開閉される2つの燃焼室開口を
有する部分に二分された吸気ポートをそなえ、該吸気ポ
ートからの吸気流がそれぞれ燃焼室内でタンブル流とな
るように構成された内燃機関において、該燃焼室頂部の
中央部分に配設された着火手段と、上記の各吸気ポート
部分内の吸気バルブのステムよりも上流側の該バルブス
テムを含む流線に沿った位置に、吸気流を整流しながら
流れ方向に沿って二分するようにそれぞれ配設され、該
吸気ポート内を該着火手段側の中央側通路と該中央側通
路の両側の側方通路とに区分する整流部材と、該中央側
通路に燃料を噴射する燃料噴射手段とをそなえるという
簡素な構成により、燃焼室内への吸気流の流入を円滑に
行なえるようになって吸気効率を向上でき、機関の高負
荷時の出力確保に有利であり、また、層状燃焼を行なう
際に、層状化の促進やタンブル流の強化に大きく寄与し
うる利点がある。したがって、燃料濃度の濃い混合気層
を着火手段の近傍に集め、その周囲に燃料濃度の極めて
薄い混合気層を形成することで、燃焼室全体では燃料希
薄な空燃比状態としながら、着火性及び安定した燃焼性
を確保した、適正な層状燃焼を行なうことができ、燃焼
を確実に行ないながら、燃料消費の節約を促進すること
ができるようになり、低負荷時の燃費向上に効果的であ
る。 特に、機関の全運転状態に亘って該中央通路及び該
側方通路の通路断面積が不変に構成されるので、機関の
状態に係わらず、中央側通路からの吸気流と側方通路か
らの吸気流とが常に確実に層状分離してタンブル流を形
成するようになり、適正な層状燃焼を常に確実に実現し
うるので、例えば、機関の低負荷時に層状燃焼を行なう
ことにより、燃料消費を抑制しながらの安定燃焼が可能
になる。
材が隔壁により構成されて、該隔壁の上記ステムの近傍
端部における厚さが、該バルブステムの径とほぼ同等又
は該径よりもやや大きくなるように設定すると、バルブ
ステム57での抵抗軽減が促進され、層状化の促進する
効果やタンブル流の強化する効果が大きい。また、請求
項3記載のように、上記整流部材が隔壁により構成され
て、該隔壁の上記ステムの近傍端部における厚さが、該
バルブステムの径とほぼ同等又は該径よりもやや小さく
なるように設定すると、流量係数が確保されて、機関の
最大出力を十分に確保しながら、層状化の促進やタンブ
ル流の強化に関してある程度の効果が得られる。
の厚さが、上流側端部にいく程薄くなっているように構
成することで、バルブステム57での抵抗軽減が促進さ
れ、層状化の促進する効果やタンブル流の強化する効果
が大きい。
ト構造の示す模式的な斜視図である。
ト構造の要部構成を示す模式的上面図であって図1にお
けるA矢視図である。
ト構造の構成を示す模式的な部分断面図であって図2に
おけるC−C断面図である。
ト構造の構成を示す模式的な部分断面図であって図3に
おけるB−B断面図である。
ト構造の構成を示す模式図である。
ト構造の構成を示す模式図であって吸気ポートの配設状
態を示す模式図であって、(A)はシリンダ上方からシ
リンダ軸方向に見た模式的な構成図、(B)はシリンダ
側方から見た模式的な構成図、(C)は(B)のD方向
矢視図である。
ト構造の隔壁の変形例を示す模式図であって、図5と対
応する図である。
ト構造における燃料噴射の仕方のバリエーションを示す
模式図である。
ト構造の作用を示すグラフである。
ート構造の作用を示すグラフである。
ート構造の作用を示すグラフである。
ート構造の作用を示すグラフである。
果を示すグラフである。
りと併せて示す模式的な縦断面図である。
りと併せて示す模式的な斜視図である。
れ方向に直行する面の模式的な断面図(図14のD−D
矢視断面図)である。
れ方向に直行する面の模式的な断面の他の例を示す断面
図(図14のD−D矢視断面に対応する図)である。
示す模式的な縦断面図である。
路 6 インジェクタ噴射軸線 7 吸気ポート下側壁面 8 吸気ポート上側壁面 9 複数気筒が列状に並んでいる場合の列方向の面 11 着火手段としての点火プラグ 12 燃料噴射手段としてのインジェクタ 13 吸気ポート斜線部 21 整流部材としての隔壁 21A 隔壁の上流端 21B 隔壁の下流端 2 2 シリンダブロック 24 シリンダボア 25 シリンダ 26 ピストン 28 シリンダヘッド 30 燃焼室 34 ペントルーフ 35 凹所 37 斜面 39 ***部 40′,42′ 吸気通路 46 吸気ポート 45 吸気流の流線 45A 吸気流の流線の中心 46A,46B 吸気ポート部分 46A−1,46B−1 吸気ポートの上側半部 46A−2,46B−2 吸気ポートの下側半部 46C ポート隔壁又は、ポート分岐部 47,47A,47B 排気ポート 56 バルブ傘部 57 ステム部(バルブステム) 58 吸気弁 59 排気弁 60 排気通路 Fa 空気のタンブル流 Fm 混合気のタンブル流 F1 吸気ポート内の流心 L 直線
Claims (4)
- 【請求項1】 2つの吸気バルブによってそれぞれ開閉
される2つの燃焼室開口を有する部分に二分された吸気
ポートをそなえ、該吸気ポートからの吸気流がそれぞれ
燃焼室内でタンブル流となるように構成された内燃機関
において、該燃焼室頂部の中央部分に配設された着火手段と、 上記の各吸気ポート部分内の吸気バルブのステムよりも
上流側の該バルブステムを含む流線に沿った位置に、吸
気流を整流しながら流れ方向に沿って二分するようにそ
れぞれ配設され、該吸気ポート部分内を該着火手段側の
中央側通路と該中央側通路の両側の側方通路とに区分す
る整流部材と、 該中央側通路に燃料を噴射する燃料噴射手段とをそな
え、 該吸気ポートの該中央通路及び該側方通路が機関の全運
転状態に亘って通路断面積を不変に構成され ていること
を特徴とする、内燃機関の吸気ポート構造。 - 【請求項2】 上記整流部材が隔壁により構成されて、
該隔壁の上記バルブステムの近傍端部における厚さが、
該バルブステムの径とほぼ同等又は該径よりもやや大き
く設定されていることを特徴とする、請求項1記載の内
燃機関の吸気ポート構造。 - 【請求項3】 上記整流部材が隔壁により構成されて、
該隔壁の上記バルブステムの近傍端部における厚さが、
該バルブステムの径とほぼ同等又は該径よりもやや小さ
く設定されていることを特徴とする、請求項1記載の内
燃機関の吸気ポート構造。 - 【請求項4】 上記隔壁の厚さが、上流側端部にいく程
薄くなっていることを特徴とする、請求項1記載の内燃
機関の吸気ポート構造。
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