JP3194602B2

JP3194602B2 - エンジンの吸気装置

Info

Publication number: JP3194602B2
Application number: JP26607691A
Authority: JP
Inventors: 芳尚乃生; 史彦斉藤
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 2001-07-30
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH05106451A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸気装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンにおいては、吸入吸気
量の少ない低負荷領域(軽負荷領域を含む)で、混合気の
着火性ないし燃焼性が悪くなるといった問題がある。ま
た、近年、エミッション性能あるいは燃費性能を高める
ために、それほど高出力が要求されない運転領域、例え
ば低負荷領域で混合気をリーンにするようにした、いわ
ゆるリーンバーンエンジンが多用されているが、かかる
リーンバーンエンジンではますます着火性が悪くなって
しまうといった問題がある。

【０００３】そこで、シリンダボア中心に対して偏心し
て開口し常時エアを通す第１吸気ポート(以下、これを
Ｐポートという)と、中・高負荷領域で開かれるポート
開閉弁を備えた第２吸気ポート(以下、これをＳポート
という)とを設け、低負荷時にはＰポートからのみ燃焼
室にエアを供給する一方、中・高負荷時にはポート開閉
弁を開いて両ポートから燃焼室にエアを供給するように
したエンジンが提案されている(例えば、特開昭５９−
５４７３２号公報、特開昭６１−２１８７２６号公報、
実開昭６１−１７５５４１号公報、実開昭６１−８４１
３５号公報等参照)。このようにＰ,Ｓ両ポートが設けら
れたエンジンにおいては、Ｐポートのみが開かれる低負
荷時には、燃焼室内にシリンダ円周方向の渦流いわゆる
スワールが生成され、このスワールによって混合気の成
層化が図られ、点火プラグ回りに比較的リッチな混合気
が形成され、混合気の着火性・燃焼性が高められる。ま
た、ポート開閉弁が開かれる中・高負荷時には両ポート
を用いて燃焼室に十分な混合気が供給され、充填効率が
高められ、エンジン出力が高められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにスワールを生成するためのＰポートと、吸気充填効
率を確保するためのＳポートとが設けられたエンジンに
おいて、ポート開閉弁が開かれ両ポートから燃焼室にエ
アが供給される場合においても、着火性・燃焼性を高め
るためにスワールを生成する方が好ましい場合がある。
しかしながら、Ｐ,Ｓ両ポートを備えた従来のエンジン
では、Ｓポートから燃焼室内に流入するエアが、Ｐポー
トからのエアとはシリンダ円周方向逆向きの流れ、いわ
ゆる逆スワールを生じさせるので、ポート開閉弁開弁時
には、Ｐポートから流入するエアによって生成されたス
ワールが、Ｓポートから流入するエアによって打ち消さ
れてしまう。このため、ポート開閉弁開弁時にはスワー
ルを利用した着火性・燃焼性の向上を図ることができな
いといった問題がある。なお、上記の実開昭６１−１７
５５４１号公報に開示されたエンジンの吸気装置では、
Ｐ,Ｓ両ポートを下流部で同一方向に指向させて燃焼室
に開口させ、Ｓポートによる逆スワールを低減するよう
にはしているものの、ポート開閉弁開弁時に、燃焼室内
に有効にスワールを生成させるまでには至っていない。
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
ものであって、Ｐ,Ｓ両ポートを備えたエンジンの吸気
装置において、Ｐ,Ｓ両ポートが開かれている場合にお
いても、スワールを利用して着火性ないし燃焼性の向上
を図ることができるエンジンの吸気装置を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、第１の発明は、（ｉ）運転時に常時エアを通すＰポ
ートと、所定の高吸入空気量域で開かれるポート開閉弁
を備えたＳポートとが設けられ、シリンダ軸線方向から
みて、両ポートが、ともにその軸線がカムシャフト軸線
方向一方側に傾斜するようにして配置され、かつＳポー
トが、その軸線の延長線がシリンダボアの略中心部に配
置された点火プラグ付近を指向するようにして配置され
ているエンジンの吸気装置において、（ii）Ｐ,Ｓ両ポ
ートに、夫々下流端近傍のポート湾曲部より上流におい
て略直線状に伸長するストレート部が設けられ、（ii
i）シリンダ軸線方向からみて、カムシャフト軸線に直
交し且つＰポート軸線の下流端であるＰポートの開口部
中心を通ったＰポート側直線と、Ｐポートストレート部
のＰポート軸線とが挟む角度ｂが、カムシャフト軸線に
直交し且つＳポート軸線の下流端であるＳポートの開口
部中心を通ったＳポート側直線と、Ｓポートストレート
部のＳポート軸線とが挟む角度ｃに対して小さく設定さ
れ、（iv）Ｐ,Ｓ両ポートともに、シリンダ軸線方向か
らみて、夫々のポート開口部内に位置するポート下流端
部のポート軸線が、夫々の上記Ｐポート側直線と上記Ｓ
ポート側直線に対してカムシャフト軸線方向一方側に傾
斜するよう延びており、（ｖ）該ストレート部におい
て、シリンダ軸線方向からみて、両ポートの軸線間隔
が、吸気流れ方向下流側ほど小さく設定されていること
を特徴とするエンジンの吸気装置を提供する。

【０００６】第２の発明は、第１の発明にかかるエンジ
ンの吸気装置において、シリンダ軸線方向からみて、ス
トレート部におけるＰポートとＳポートの間隔が、吸気
流れ方向下流側では上流側より小さく設定されているこ
とを特徴とするエンジンの吸気装置を提供する。

【０００７】第３の発明は、第２の発明にかかるエンジ
ンの吸気装置において、シリンダ軸線方向からみて、Ｐ
ポートが、その下流端近傍のほぼシリンダボア内となる
部分で、カムシャフト軸線方向一方向側への傾斜を強め
られていることを特徴とするエンジンの吸気装置を提供
する。

【０００８】第４の発明は、第２または第３の発明にか
かるエンジンの吸気装置において、ポート開閉弁が、略
シリンダ軸線方向に伸長する回転軸まわりに回動可能に
形成され、かつＰポート側の周縁部が上流側に変位する
ように回動して開弁されるようになっていることを特徴
とするエンジンの吸気装置を提供する。

【０００９】第５の発明は、第４の発明にかかるエンジ
ンの吸気装置において、Ｐポートに燃料噴射弁が設けら
れ、該燃料噴射弁が、シリンダ軸線方向からみて、その
噴霧中心線がＰポートの軸線を斜めに横切ってシリンダ
ボアの略中心部に配置された点火プラグ付近を指向する
ようにして配置されていることを特徴とするエンジンの
吸気装置を提供する。

【００１０】第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれ
か１つにかかるエンジンの吸気装置において、Ｓポート
が、その軸線と、シリンダ軸線と直交する平面とがなす
角度が、該平面とＰポートの軸線とがなす角度に対して
大きくなるように形成されたタンブル生成ポートである
ことを特徴とするエンジンの吸気装置を提供する。

【００１１】

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
まず、エンジンとその吸気装置の概要を説明する。図２
〜図４に示すように、エンジンＥの各シリンダ１(気筒)
においては、基本的には、第１,第２吸気バルブ２,３が
開かれたときに、第１,第２吸気ポート４,５から燃焼室
６内に混合気が吸入され、この混合気がピストン７で圧
縮された後点火プラグ８によって着火・燃焼させられ、
第１,第２排気バルブ９,１０が開かれたときに燃焼ガス
が第１,第２排気ポート１１,１２から排出されるように
なっている。そして、第１吸気ポート４(以下、これを
Ｐポート４という)に臨んで燃料噴射弁１５が設けられ
ている。また、第２吸気ポート５(以下、これをＳポー
ト５という)には吸入空気量(エンジン負荷)に応じてこ
れを開閉するＳポート開閉弁１６(以下、これをＳ弁１
６という)が設けられている。なお、Ｐ,Ｓポート４,５
の燃焼室６への開口部４a,５aには夫々バルブシート２
１,２２が配設され、第１,第２排気ポート１１,１２の
燃焼室６への開口部１１a,１２aにも夫々バルブシート
２３,２４が配設されている。

【００１３】燃焼室６の天井面(シリンダヘッド下面部)
には、夫々第１,第２吸気バルブ２,３によって開閉され
るＰ,Ｓポート４,５と、夫々第１,第２排気バルブ９,１
０によって開閉される第１,第２排気ポート１１,１２と
が開口している。ここで、Ｐ,Ｓポート４,５の開口部４
a,５aは夫々シリンダ１の吸気側半部(図２〜図４では左
半部)に配置され、第１,第２排気ポート１１,１２の開
口部１１a,１２aは夫々シリンダ１の排気側半部(図２〜
図４では右半部)に配置されている。また、シリンダ１
の中心部より若干排気側となる位置に点火プラグ８が配
置されている。なお、後で説明するようにＰポート４は
燃焼室６内にスワールを生成するスワールポートであ
り、Ｓポート５は燃焼室６内にタンブルを生成するタン
ブルポートである。

【００１４】以下、吸気装置の具体的な構成及び作用を
説明する。図１(b)と図２とに示すように、カムシャフ
ト軸線Ｌ₀(図３参照)方向からみて、すなわち正面立面
図でみれば、Ｐポート４に、吸気流れ方向上流部におい
て略直線状に伸長するストレート部４bと、下流端近傍
において下方に湾曲する湾曲部４cとが設けられてい
る。同様に、Ｓポート５にも、ストレート部５bと湾曲
部５cとが設けられている。ここで、Ｐポートストレー
ト部４bは、その軸線Ｌ₁と、シリンダ軸線Ｌ₂に直交す
る平面Ａ₁(すなわちシリンダ横断面Ａ₁)とが挟む角度
(Ｐポート傾斜角)が所定値αとなるように配設されてい
る。また、Ｓポートストレート部５bは、その軸線Ｌ₃と
シリンダ横断面Ａ₁とが挟む角度(Ｓポート傾斜角)が所
定値α'となるように配設されている。

【００１５】第１吸気バルブ２は、弁軸部２aと傘部２b
とからなり、その弁軸部２aの軸線Ｌ₄とシリンダ軸線Ｌ
₂とが挟む角度(吸気側バルブ挟み角)が所定値θとな
り、かつ傘部２bの下面が燃焼室６の天井面(ペントルー
フ)と平行となるように配置されている。また傘部２b
は、その上面と下面とが挟む角度(バルブ傘角)が所定値
βとなるように形成されている。第１排気バルブ９は、
弁軸部９aと傘部９bとからなり、弁軸部９aの軸線Ｌ₅と
シリンダ軸線Ｌ₂とが挟む角度(排気側バルブ挟み角)が
所定値θ'となり、かつ傘部９bの下面が燃焼室６の天井
面(ペントルーフ)と平行になるように配置されている。
なお、以下では便宜上、Ｌ₁とＬ₄とが挟む角度γをポー
ト入射角γ、α'−αをポート角度差ωということがあ
る。

【００１６】図５と図６とに示すように、燃焼室６はペ
ントルーフ型に形成され、燃焼室６の天井面３７は、排
気側ではシリンダ横断面Ａ₁と角度θ"をなすように形成
されている。図５において天井面３７は等高線で示され
ている。ここで、第１排気バルブ９の傘部９bの下面も
シリンダ横断面Ａ₁と角度θ"をなす。したがって、θ'
とθ"とは等しくなる。なお、かかるペントルーフ型の
燃焼室６では、θ"が比較的小さくなる。また吸気側で
も天井面とシリンダ横断面Ａ₁とがなす角度が比較的小
さくなる。このため、吸気弁２,３と排気弁９,１０と
は、夫々弁軸部が立つように配置される。

【００１７】上記のα,θ,θ'(θ"),βは次の３つの不
等式をすべて満たす範囲内において、所定の好ましい値
に設定されている。 β＞θ………………………………………………………………式１ α＜θ'(＝θ")……………………………………………………式２ α≦θ………………………………………………………………式３ここで、β＞θとするのは、βがθ以下になると、Ｐポ
ート４から燃焼室６に流入するエアが傘部２bの上面に
衝突して流れ方向を変え、さらに燃焼室６の天井面に衝
突するなどして、エアの流れが乱され、燃焼室６内への
エアの流入速度が低下して、スワールの生成が妨げられ
るからである。しかしながら、βをあまり大きくするの
もまた好ましくない。βを大きくするとＰポート４と傘
部２bとの間の空間部すなわちエアの通路断面積が小さ
くなって通気抵抗が増加するからである。スワール比及
び通気抵抗のβに対する特性の一例を、夫々図１９(a),
(b)に示す。なお、上記スワール比は、次の式４によっ
て定義される数値である。ＲＳ＝ωc／ωe………………………………………………………式４ただし、ＲＳ;スワール比 ωc;吸気行程終期(ＢＤＣ)におけるスワール速度 ωe;クランク角速度このスワール比ＲＳは、単位クランク角当たりのスワー
ル速度である。したがって、例えばエンジン回転数が上
昇したときには、吸気充填量が増加するので絶対的なス
ワール強度は高まるものの、クランク角速度の増加によ
ってスワール比ＲＳは小さくなる。

【００１８】α＜θ'(＝θ")かつα≦θとするのは、α
をできるだけ小さくして、Ｐポート４から燃焼室６内に
流入するエアの水平方向の速度成分(シリンダ横断面Ａ₁
と平行な方向の成分)を増やし、スワールの生成を促進
させるためである。つまり、不等式１〜３を満たすこと
によって、Ｐポート４から燃焼室６に流入するエアがピ
ストン下降時に天井面と干渉し合わず、かつ水平方向の
速度成分が十分に確保され、燃焼室６内でのスワールの
生成が促進されることになる。

【００１９】他方、Ｓポート５においては、Ｓポート傾
斜角α'が比較的大きく設定され、Ｓ弁１６の開弁時に
おいて、Ｓポート５から燃焼室６内に流入するエアは、
比較的大きな下向きの速度成分をもつ。このため、Ｓポ
ート５から燃焼室６内に流入するエアによって、燃焼室
６内には縦渦いわゆるタンブルが生成されることにな
る。かかるタンブルは、ノッキングの発生を抑制する効
果がある。中・高負荷領域ではＳ弁１６が開かれるが、
かかる中・高負荷領域では一般的にはノッキングが発生
しやすくなる。しかしながら、本実施例ではタンブルに
よってノッキングの発生が有効に防止される。なお、タ
ンブルの強さは、次の式５で定義されるタンブル比ＲＴ
であらわされる。ＲＴ＝ωc'／ωe…………………………………………………………式５ただし、 ωc';吸気行程終期(ＢＤＣ)におけるタンブ
ル速度 ωe;クランク角速度このようにして、燃焼室６内には、基本的には図７中の
矢印Ｘ₁で示すようなスワールと、矢印Ｘ₂で示すような
タンブルとが生成される。

【００２０】図１(a)と図３と図４とに示すように、シ
リンダ軸線Ｌ₂(図２参照)方向から見て、すなわち平面
図でみれば、Ｐポートストレート部４bは、その軸線Ｌ₁
と、カムシャフト軸線Ｌ₀に直交する直線Ｌ₈とが挟む角
度が所定値bとなるように配設され、Ｓポートストレー
ト部５bは、その軸線Ｌ₃と、カムシャフト軸線Ｌ₀に直
交する直線Ｌ₉とが挟む角度が所定値cとなるように配設
されている。ここで、bとcとは、b＜cとなるように設定
されている。すなわち、Ｐ,Ｓポート４,５は、ともにカ
ムシャフト軸線Ｌ₀の一方側に傾斜して配置され、かつ
ストレート部４b,５bにおいては、Ｐポート軸線Ｌ₁とＳ
ポート軸線Ｌ₃との間隔が下流側ほど小さくなるように
して配置されている。また、Ｐ,Ｓポート４,５間の距離
ないしポート隔壁の厚みは、下流側の方が(例えばt₂)上
流側よりも(例えばt₁)より小さくなるように設定されて
いる。なお、Ｐ,Ｓポート４,５のポート間距離(隔壁厚
み)の変化状態は、図１６中に立体的に示されている。
このため、Ｐポート４の開口部４aがシリンダ１の外周
を指向する一方、Ｓポート５の開口部５aがシリンダ１
の比較的中心部付近を指向することになる。これによっ
て、基本的には、Ｐポート４によってスワールの生成が
促進される一方、Ｓポート５によってタンブルの生成が
促進される。なお、Ｓポート５側での逆スワールの生成
が抑制される。

【００２１】さらにＰポート４の開口部４a近傍部分の
湾曲部４cは、ポート径が所定値dに設定され、シリンダ
１の外周側に向かって曲率半径ρ、ベンド角ψで湾曲し
ている。このため、Ｐポート４が一層シリンダ外周方向
に向かって開口しており、このためＰポート４から燃焼
室６内に流入するエアが燃焼室６の内周面沿って流れ、
スワールの生成が促進される。しかしながら、かかる湾
曲部４cによって通気抵抗が増加することになる。ここ
で、湾曲部４cにおける損失係数ζすなわち通気抵抗
は、上記のdとρとψとによって決定されることにな
る。損失係数ζのdとψとρに対する特性を図１９(c)に
示す。図１９(c)からわかるように、ζはψの増加に伴
って増加する一方、ρの増加に伴って減少する。したが
って、ζを低減するといった観点からはできるだけψを
小さくし、ρを大きくするのが好ましい。しかしなが
ら、ψが小さいとＰポート４を十分にシリンダ外周方向
に向けることができないので、スワール生成作用が小さ
くなる。したがって、d,ρ,ψは、必要なスワール強度
が得られ、かつ通気抵抗が許容できるような所定の値に
設定すればよい。なお、ρ／dが２に近付くと、ζの低
減効果が飽和するので、ρ／dは１.５〜２.０程度とす
るのが好ましい。

【００２２】Ｐポート４の横断面(軸線と直交する断面)
形状は、上流部(ほぼストレート部４b)では円形である
が、図４からわかるように、湾曲部４c付近では、Ｓポ
ート側半部は円形(半円)であり、これと反対側(シリン
ダ外周側)の半部は矩形となっている。つまり、湾曲部
４c付近では、Ｐポート４の横断面ははいわゆる異形形
状をなしている。このため、横断面形状の重心すなわち
エアの流れの中心は、横断面が円形である場合に比べて
シリンダ外周側(Ｓポートと反対側)に偏る。なお、図４
において、横断面が円形である場合の軸線がＬ'₁で示さ
れている。したがって、Ｐポート４内のエアは、よりシ
リンダ外周側から燃焼室６内に流入することになり、燃
焼室６内でのスワールの生成が促進される。

【００２３】開口部５aにおけるＳポート軸線Ｌ₃と、Ｓ
ポート開口部５aの中心部と第１排気ポート開口部１１a
の中心部とを結ぶ直線Ｌ₁₂とが挟む角度(ポート設置角)
は所定値λに設定されている。このポート設置角λが小
さいとＳポート開口部５aがＰポート開口部４aとは逆の
シリンダ外周方向に向いてしまい、Ｐポート４と逆方向
のスワールいわゆる逆スワールを生成する。このため、
λは逆スワールが大きくならないような範囲内に設定さ
れる。なお、逆スワール比のλに対する特性を図２０
(a)に示す。

【００２４】Ｓ弁１６は、図４からもわかるように、シ
リンダ軸線Ｌ₂とほぼ平行な方向すなわちほぼ上下方向
に伸長する弁軸１６aまわりに回動することによってＳ
ポート５を開閉するようになっている。そして、Ｓ弁１
６は、Ｐポート側の周縁部を上流側に変位させるように
回動して開かれるようになっている。図１７に示すよう
に、Ｓ弁１６は、弁構造としては、Ｓポート軸線Ｌ₃位
置で全開され、Ｌ₃と直交する直線Ｌ₁₁に対して所定の
角度Ａ₁(例えば２０°)となる位置で全閉されるように
なっている。しかしながら、本実施例ではＳ弁１６は、
上記Ａ₁よりは所定値Ａ₂(例えば５〜８°)だけ開弁側の
位置よりは閉じられないようになっている。したがっ
て、Ｓポート５を閉じるべき低負荷領域等においても、
Ｓ弁１６が若干開かれるので、Ｓポート５から燃焼室６
に若干のエアが供給される。このエアによって、燃焼室
６内の残留ガスのＳポート５への吹き返しが抑制され、
筒内残留ガスの掃気、ポンピングロスの低減等が図られ
る。

【００２５】そして、Ｓ弁１６の開度変化に伴って、ス
ワール比ＲＳ及びタンブル比ＲＴが変化する。図２１
に、ＲＳ及びＲＴの、Ｓ弁開度に対する特性を示す。図
２１におけるＲＳ(曲線Ｈ₁)とＲＴ(曲線Ｈ₂)とは、夫々
燃焼室６内に生成されるスワールとタンブルとに基づく
ものである。なお、Ｓ弁１６がほぼ閉弁されているとき
でも、ピストン７の下降によってタンブルが生成され
る。図２１からわかるように、Ｓ弁１６の開度がＳ₂以
下であるような領域Ｐ₁においては、ピストン７の下降
によるタンブル成分よりもＰポート４からのスワール成
分の方が強く、この場合、燃焼室６内にはほぼ水平方向
の旋回流(スワール)が生成される。他方、Ｓ弁１６の開
度がＳ₂を超えるような領域Ｐ₂では、スワール成分が弱
くなる反面、ピストン７の下降とＳポート５からの流入
エアとによって生成されるタンブル成分が強くなり、こ
の場合燃焼室６内にほぼ垂直方向の旋回流(タンブル)が
生成される。

【００２６】図２１において、Ｓ弁開度の増加に対す
る、タンブル比ＲＴの減少率が急に小さくなる点Ｓ
₁と、スワール比ＲＳの減少率が急に小さくなる点Ｓ₃と
を比べれば、Ｓ₃＞Ｓ₁となっている。これによって、高
負荷領域(ないし高回転領域)までスワール成分が存在し
ていることがわかる。これは、前記のα,θ,θ',θ",
β,a,b,c,t₁,t₂,ψ等が好ましく設定されているので、
かかる高負荷領域まで、十分にスワールが生成されるか
らである。

【００２７】したがって、Ｓ弁全開域では強いタンブル
が生成され、耐ノック性の向上、冷損の低減等が図ら
れ、Ｓ弁閉弁域からＳ₃近傍まではスワール成分が残留
して混合気の成層化が図られ燃焼性が高められるので、
リーンバーンは可能となる。なお、このようにスワール
成分を増やすと、冷損が増えることになるが、タンブル
成分も十分にあるので、かかる冷損はそれほど大きくな
いと考えられる。要するに、Ｓ₃＞Ｓ₁であるということ
は、低負荷・低回転領域から高負荷・高回転領域にわた
って、例えば図１８に示すように、Ｓ弁開度に応じてエ
アの旋回状態をスワール状態からタンブル状態に徐々に
変化させることができるということを意味する。このた
め、中負荷時あるいは高負荷時においても、スワールに
よる成層化により、燃焼性が高められる。なお、Ｓ弁開
時におけるスワール強度は、Ｓポート軸線Ｌ₃と直線Ｌ₉
とが挟む角c及びポート角度差ωによっても変化する
が、Ｓ弁全開時におけるスワール比(全開スワール比)の
c及びωに対する特性を、夫々図２０(b),(c)に示す。

【００２８】図８と図９とに示すように、カムシャフト
軸線方向からみて、Ｐポート４の湾曲部４cの曲率Ｒ
は、ポート直径Ｄに対して比較的大きい値に設定されて
いる。具体的には、湾曲部４cのポート軸線の曲率終端
位置が、バルブシート２１の上流側端面よりも下流側に
設定され、これによって曲率Ｒが大きくなっている。な
お、従来の吸気ポートでは、通常、湾曲部のポート軸線
の曲率終端に続いて軸心がストレートな部分が形成さ
れ、このストレートな部分の終端にバルブシートが接続
されている。このため、従来の吸気ポートでは湾曲部の
曲率をそれほど大きく設定することができない。本実施
例では、Ｒ／Ｄは１.０に設定されているが、このＲ／
Ｄは図２２中のＱ₁で示す領域すなわち０.９以上１.２
以下の範囲内に設定するのが好ましい。けだし、一般に
エンジンの吸気装置においては、吸気弁のリフト量が２
／３以上のときの通気抵抗が問題となるが、図２２から
明らかなように、リフト量が２／３以上の場合には、Ｒ
／Ｄが０.９未満では通気抵抗が大きくなり、またＲ／
Ｄが１.２を超えると通気抵抗低減効果が飽和するから
である。なお、湾曲部４cのシリンダ軸線方向からみた
ポート軸線の曲率ρの終端は、湾曲部４cのカムシャフ
ト軸線方向からみたポート軸線の曲率Ｒの始端よりは下
流側に設定されている。このようにして、湾曲部４cに
おける通気抵抗が低減され、エアの燃焼室６への流入速
度が高められ、スワールの生成が促進されるとともに、
吸気充填効率が高められる。なお、Ｐポート４とＳポー
ト５とは、夫々、上流側開口部３８,３９で、吸気マニ
ホールド(図示せず)に接続される。そして、Ｐポート４
の開口部４aには略円柱形のバルブシート２１が配設さ
れている。このバルブシート２１には、これを厚み方向
に貫通する貫通孔２１aが設けられ、この貫通孔２１a内
をエアが通るようになっている。ここで、貫通孔２１a
は、Ｐポート開口部４aにおけるＰポート軸線Ｌ₁の接線
Ｌ₆に対して、上流側でＰポート軸線Ｌ₁に接近するよう
にして所定の角度aだけ傾斜する直線Ｌ₇方向に、カッタ
ー２６で研削加工することによって形成されている。こ
のときＰポート４も若干研削され、貫通孔２１aとＰポ
ート４とは滑らかにつながっている。そして、エッジ部
２７が形成されている。なお、tはオフセットである。
このように．貫通孔２１aが傾斜して形成されているの
で、Ｐポート４から燃焼室６内に流入するエアの水平速
度成分が増え、スワールの生成が一層促進される。ま
た、Ｐポート４の内壁とバルブシート貫通孔２１aの内
周面とが滑らかに接続されるので、通気抵抗が低減され
る。

【００２９】図１０に示すように、シリンダ軸線Ｌ₂方
向(図２参照)からみて、燃焼室６の内周部において、Ｐ
ポート開口部４aと第１排気ポート開口部１１aとの間に
はスワールアシストマスク３１が設けられ、Ｓポート開
口部５aと第２排気ポート開口部１２aとの間にはタンブ
ルアシストマスク３２が設けられ、第１排気ポート開口
部１１aと第２排気ポート開口部１２aとの間にはスワー
ルブレイクマスク３３が設けられ、Ｐポート開口部４a
とＳポート開口部５aとの間にはタンブルスワール強制
マスク３４が設けられている。ここで、スワールアシス
トマスク３１は、その内周面３１aがシリンダ１内周面
にほぼ沿うような略円弧状に形成され、Ｐポート４から
燃焼室６内に流入するエアによるスワールの生成を促進
するようになっている。タンブルアシストマスク３２
は、その内周面がＳポート５の軸線Ｌ₃とほぼ平行な略
直線状に形成され、Ｓポート５から燃焼室６内に流入す
るエアによるタンブルの生成を促進するようになってい
る。また、スワールブレイクマスク３３は、その内周面
３３aが、第１,第２排気ポート開口部１１a,１２a付近
では該開口部周縁に沿い、両開口部１１a,１２aの中間
部ではシリンダ中心側に膨出するように形成されてい
る。また、タンブルスワール強制マスク３４は、その内
周面３４aが、Ｐ,Ｓ両ポート開口部４a,５a近傍では開
口部周縁に沿い、両開口部４a,５aの中央部でシリンダ
中心側に略三角状に突出するように形成されている。

【００３０】ここで、Ｓ弁開時においては基本的には、
Ｐポート４によってスワールが生成され、Ｓポート５に
よってタンブルが生成される。しかしながら、スワール
とタンブルとが互いに干渉し合うと両者ともに弱められ
てしまうので、スワールとタンブルとの相互干渉を防止
するために、スワールブレイクマスク３３とタンブルス
ワール強制マスク３４とが設けられている。すなわち、
スワールブレイクマスク３３とタンブルスワール強制マ
スク３４とによって、スワール及びタンブルの流れ方向
を規制し、燃焼室６の周部にスワールを生成させるとと
もに、燃焼室６の中央部にスワールと干渉し合わないタ
ンブルを生成させ、両者を共存させ混合気の燃焼性を高
めるようにしている。また、とくに圧縮上死点付近で
は、燃焼室６のＰポート４側の部分に矢印Ｙ₁で示すよ
うなスワールが生成される一方、燃焼室６の高さが低く
なるのでＳポート５側の部分でもタンブルが消滅して矢
印Ｙ₂で示すような逆スワールが生成される。そして、
これらのスワールと逆スワールとは、夫々スワールブレ
イクマスク３３によって、点火プラグ８方向に向きを変
えられ、点火プラグ８まわりで合流する。このため、点
火プラグ８まわりに強い乱れ(乱流)が発生し、燃焼速度
が高められ、着火性・燃焼性が高められる。

【００３１】前記したとおり、エンジンＥにおいては、
Ｐポート４の軸線Ｌ₁とシリンダ横断面Ａ₁とがなす角α
(Ｐポート傾斜角α)が小さく設定される。したがって、
Ｐポート４の下側においては、十分なスペースがないの
でシリンダヘッドＨに独立したウオータジャケットを設
けるのはむずかしい。そこで、本実施例では、シリンダ
ヘッドＨのウォータジャケット３６とシリンダブロック
Ｂのウォータジャケット３７とをオープンデッキ方式で
結合させている。なお、図示していないがシリンダヘッ
ドＨとシリンダブロックＢとの間にはガスケットが介設
されている。このようにウオータジャケット３６,３７
をオープンデッキ式で結合しているので、シリンダヘッ
ドＨでのウォータジャケット３６の配置が容易となり、
また逆にＰポート傾斜角αを一層小さく設定することが
可能となる。

【００３２】図１２〜図１６に示すように、燃料噴射弁
１５は、平面図でみれば、Ｐポート４のストレート部４
bの、軸線Ｌ₁よりシリンダ外周側(Ｓポート５と反対側)
にオフセットした位置に配置され、その噴射口は、Ｐポ
ート軸線Ｌ₁を斜めに横切る直線Ｌ₁₀方向を指向してい
る。すなわち、点火プラグ８付近を指向している。そし
て、燃料噴射弁１５の噴霧角Ｊ₁は比較的小さく設定さ
れている(例えば１０°)。ここで、Ｐポート４の開口部
付近における燃料の通過範囲は、図１３中のＲ₁あるい
は図１５中のＲ₂のようになり、燃料はポート壁面に接
触しない。このため、燃料噴射弁１５から噴射された燃
料は、Ｐポート４の内周面に衝突することなく燃焼室６
内に到達し、燃料が点火プラグ８まわりに集まりやすく
なり、燃焼性が高められる。また、Ｐポート４の湾曲部
４cでの遠心力によっても燃料が若干シリンダ中心側に
向きを変えられるので、一層点火プラグ８まわりに燃料
が集中しやすくなる。なお、Ｐポート４の曲がり形状あ
るいは断面形状をわかりやすくするために、図１２〜図
１４ではＰポート４の同じ位置の部分に○付きの番号を
付している。また、図１５及び図１６では、Ｐ,Ｓポー
ト４,５の曲がり形状ないし横断面形状の変化を立体図
で示している。

【００３３】以上、本発明によれば、低負荷時には強い
スワールによって混合気が成層化され、混合気の着火性
・燃焼性の向上が図られる。中負荷時にはスワールとタ
ンブルの共存により燃焼性の向上と耐ノッキング性の向
上とが図られる。高負荷時には強いタンブルによって耐
ノッキング性が大幅に高められ、エンジン出力の向上が
図られる。

【００３４】

【発明の作用・効果】第１の発明によれば、Ｐポートが
シリンダ外周方向に開口するので、Ｐポートから燃焼室
に流入するエアによって燃焼室内にスワールが生成さ
れ、混合気が成層化され着火性・燃焼性が高められる。
そして、ｂ＜ｃとされ、下流側ほどＰ,Ｓ両ポートの軸
線間隔が小さくなるので、Ｓポートがシリンダ中心付近
に向かって開口することになり、これによってＳポート
による逆スワールの生成が抑制され、開閉弁開時におい
ても燃焼室内に有効なスワールが生成される。このた
め、広い運転領域でリーンバーンが可能となり、エミッ
ション性能と燃費性能とが高められる。また、通気抵抗
が低減される。また、ポート開口部内に位置するポート
下流端部のポート軸線が、夫々の上記Ｐポート側直線と
上記Ｓポート側直線に対してカムシャフト軸線方向一方
側に傾斜するよう延びているので、Ｓポートの軸線と、
Ｓポート開口部中心とＰポートと対向する排気ポートの
開口部中心とを結ぶ線とがなす角度が比較的大きく設定
され、Ｓポートの開口部がさらにシリンダ中心を指向す
ることになり、逆スワールの生成が一層有効に抑制され
る。

【００３５】第２の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、下流側では
ＳポートがＰポートに接近するので、Ｓポートが一層シ
リンダ中心に向くことになり、逆スワールの生成が抑制
され、スワールの生成が促進される。

【００３６】第３の発明によれば、基本的には第２の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、Ｐポートが
燃焼室への開口部付近で、シリンダ外周側に曲げられる
ことになるので、Ｐポートから燃焼室内に流入するエア
が燃焼室内周面に沿って流れ、スワールの生成が強化さ
れる。

【００３７】第４の発明によれば、基本的には第２また
は第３の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、
開閉弁が、Ｐポート側の周縁部を上流側に変位させ、こ
れと反対側の周縁部を下流側に変位させるように回動し
て開かれるが、この場合Ｓポートから燃焼室に流入する
エアがシリンダ中心方向に向きやすくなる。このため逆
スワールの生成が抑制され、かつ点火プラグまわりへの
エアの充填密度が高められ、燃焼性が高められる。

【００３８】第５の発明によれば、基本的には第４の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、燃料噴射弁
がシリンダ中心付近すなわち点火プラグ付近を指向して
いるので、点火プラグまわりにリッチな混合気が形成さ
れ、混合気の着火性・燃焼性が高められる。

【００３９】第６の発明によれば、基本的には第１〜第
５の発明のいずれか１つと同様の作用・効果が得られ
る。さらに、開閉弁が開かれる中・高負荷領域では、そ
の軸線とシリンダ軸線直交平面とがなす角度が、該平面
とＰポートの軸線とがなす角度より大きくいＳポートに
よってタンブルの生成が促進されるので、このタンブル
によってノッキングの発生が防止され、エンジン出力が
高められる。

【００４０】

【図面の簡単な説明】

【図１】 (a),(b)は、夫々本発明にかかる吸気装置を
備えたエンジンのシリンダまわりの平面説明図と一部断
面立面説明図とである。

【図２】エンジンのシリンダまわりの一部断面立面説
明図である。

【図３】エンジンのシリンダまわりの平面説明図であ
る。

【図４】エンジンのシリンダまわりの平面説明図であ
り、併せて吸気ポートの横断面形状をも示している。。

【図５】エンジンのシリンダまわりの平面説明図であ
り、併せて燃焼室の天井面をも示している。。

【図６】エンジンのシリンダまわりの一部断面立面説
明図である。

【図７】エンジンのシリンダまわりの立体説明図であ
る。

【図８】エンジンのポートの形状と配置とを示す図で
ある。

【図９】Ｐポートの開口部まわりの立面説明図であ
る。

【図１０】エンジンのシリンダまわりの一部断面平面
説明図であって、併せて各マスクの形状をも示してい
る。

【図１１】 (a),(b)は、夫々、エンジンのシリンダま
わりの立面断面説明図と平面断面説明図とである。

【図１２】エンジンのシリンダまわりの平面説明図で
ある。

【図１３】吸気ポート及び排気ポートの立面説明図で
ある。

【図１４】Ｐポートの立面説明図である。

【図１５】Ｐポート及びＳポートの曲がり状態と横断
面形状とを立体的に示す図である。

【図１６】Ｐポート及びＳポートの曲がり状態と横断
面形状とを立体的に示す図である。

【図１７】Ｓ弁の開閉状態を示す模式図である。

【図１８】スワールの生成状態を示す模式図である。

【図１９】 (a)はスワール比のバルブ傘角に対する特
性を示す図であり、(b)は通気抵抗のバルブ傘角に対す
る特性を示す図であり、(c)は損失係数のベンド角に対
する特性を示す図である。

【図２０】 (a)はスワール比のポート設置角に対する
特性を示す図であり、(b),(c)は夫々、全開スワール比
のc及びωに対する特性を示す図である。

【図２１】スワール比及びタンブル比のＳ弁開度に対
する特性を示す図である。

【図２２】エアの質量流量（通気抵抗）のＲ／Ｄに対
する特性を示す図である。

【符号の説明】

Ｅ…エンジン１…シリンダ２，３…第１，第２吸気バルブ４,５…Ｐ,Ｓポート４a,５a…開口部４b,５b…ストレート部４c,５c…湾曲部６…燃焼室８…点火プラグ９,１０…第１,第２排気バルブ１１,１２…第１,第２排気ポート１５…燃料噴射弁１６…Ｓ弁１６a…回転軸

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 31/02 F02B 23/08 F02M 69/00 360 F02M 69/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】運転時に常時エアを通すＰポートと、所
定の高吸入空気量域で開かれるポート開閉弁を備えたＳ
ポートとが設けられ、シリンダ軸線方向からみて、両ポ
ートが、ともにその軸線がカムシャフト軸線方向一方側
に傾斜するようにして配置され、かつＳポートが、その
軸線の延長線がシリンダボアの略中心部に配置された点
火プラグ付近を指向するようにして配置されているエン
ジンの吸気装置において、Ｐ,Ｓ両ポートに、夫々下流端近傍のポート湾曲部より
上流において略直線状に伸長するストレート部が設けら
れ、シリンダ軸線方向からみて、カムシャフト軸線に直交し
且つＰポート軸線の下流端であるＰポートの開口部中心
を通ったＰポート側直線と、Ｐポートストレート部のＰ
ポート軸線とが挟む角度ｂが、カムシャフト軸線に直交
し且つＳポート軸線の下流端であるＳポートの開口部中
心を通ったＳポート側直線と、Ｓポートストレート部の
Ｓポート軸線とが挟む角度ｃに対して小さく設定され、Ｐ,Ｓ両ポートともに、シリンダ軸線方向からみて、夫
々のポート開口部内に位置するポート下流端部のポート
軸線が、夫々の上記Ｐポート側直線と上記Ｓポート側直
線に対してカムシャフト軸線方向一方側に傾斜するよう
延びており、該ストレート部において、シリンダ軸線方向からみて、
両ポートの軸線間隔が、吸気流れ方向下流側ほど小さく
設定されていることを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項２】請求項１に記載されたエンジンの吸気装
置において、シリンダ軸線方向からみて、ストレート部におけるＰポ
ートとＳポートの間隔が、吸気流れ方向下流側では上流
側より小さく設定されていることを特徴とするエンジン
の吸気装置。
【請求項３】請求項２に記載されたエンジンの吸気装
置において、シリンダ軸線方向からみて、Ｐポートが、その下流端近
傍のほぼシリンダボア内となる部分で、カムシャフト軸
線方向一方向側への傾斜を強められていることを特徴と
するエンジンの吸気装置。
【請求項４】請求項２または請求項３に記載されたエ
ンジンの吸気装置において、ポート開閉弁が、略シリンダ軸線方向に伸長する回転軸
まわりに回動可能に形成され、かつＰポート側の周縁部
が上流側に変位するように回動して開弁されるようにな
っていることを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項５】請求項４に記載されたエンジンの吸気装
置において、Ｐポートに燃料噴射弁が設けられ、該燃料噴射弁が、シ
リンダ軸線方向からみて、その噴霧中心線がＰポートの
軸線を斜めに横切ってシリンダボアの略中心部に配置さ
れた点火プラグ付近を指向するようにして配置されてい
ることを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項６】請求項１〜請求項５のいずれか１つに記
載されたエンジンの吸気装置において、Ｓポートが、その軸線と、シリンダ軸線と直交する平面
とがなす角度が、該平面とＰポートの軸線とがなす角度
に対して大きくなるように形成されたタンブル生成ポー
トであることを特徴とするエンジンの吸気装置。