JP3201790B2 - エンジンの吸気装置及び吸気供給方法 - Google Patents

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及
び吸気供給方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エミッション性能あるいは燃費性
能の向上を図るために、それほど高出力が要求されない
運転領域、例えば低負荷領域等では、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。しかしながら、かかるリーンバーンエンジ
ンでは、混合気をリーンにしたときに、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。

【０００３】そこで、シリンダボア外周を指向して燃焼
室に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ポートのみから燃
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６１
−２１８７２６号公報、特公平２−２０８２８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、吸気充填効率が高め
られ、エンジン出力が高められる。なお、上記の特公平
２−２０８２８号公報に開示されたエンジンでは、吸気
ポートの横断面を左右非対称な形状(いわゆる異形形状)
とした上で、燃料噴射弁を吸気ポート軸線からオフセッ
トした位置に配置し、燃料の気化率を高めてさらに排気
ガス中のＨＣ(炭化水素)を低減するようにしている。

【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従来のエン
ジンにおいては、Ｐポートのみから燃焼室にエアが供給
されるときには、燃焼室内に安定したスワールが生成さ
れ、燃焼性が高められるものの、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
は、Ｐ,Ｓ両ポートから燃焼室内に流入するエア同士が
複雑に干渉し合い、エアの流れが不安定となって混合気
の燃焼性が悪くなるといった問題がある。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ときに、Ｐ,Ｓ両ポー
トから燃焼室内に流入するエアの不具合な相互干渉を防
止することができ、混合気の燃焼性を高めることができ
るエンジンの吸気装置ないし吸気供給方法を提供するこ
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、燃焼室内にシリンダ円周方向の渦流
を生成させるスワール生成用の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該ポート開閉
弁が開かれたときには燃焼室内に吸気を流入させるＳポ
ートとが設けられたエンジンの吸気装置において、上記
Ｓポートが、燃焼室内にシリンダ軸線方向の渦流を生成
させるタンブル生成用ポートに設定されているととも
に、シリンダ軸線方向からみて、シリンダヘッド下面部
とピストン上面部の少なくとも一方において、隣り合う
Ｐポート開口部と排気ポート開口部との間の燃焼室周部
と、隣り合うＳポート開口部と排気ポート開口部との間
の燃焼室周部とに、夫々燃焼室の一部をなしシリンダ軸
線方向に延びる縦壁部が設けられ、上記Ｐポート側縦壁
部の内周がシリンダ内周面に沿うような略円弧状に形成
され、上記Ｓポート側縦壁部の内周がＳポート軸線とほ
ぼ平行となるような略直線状に形成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、隣り合うＰ,Ｓポートと対向す
る位置に夫々隣り合う第１,第２排気ポートが設けられ
ており、かつ該Ｐポート開口部と該第１排気ポート開口
部とが隣り合って設けられており、シリンダ軸線方向か
らみて、シリンダヘッド下面部とピストン上面部の少な
くとも一方において、第１排気ポート開口部と第２排気
ポート開口部との間の燃焼室周部に燃焼室の一部をなし
シリンダ軸線方向に延びる縦壁部が設けられ、該縦壁部
の内周が、両排気ポート開口部間ではシリンダ中心部側
に突出する一方、第１排気ポート開口部付近では該開口
部の周縁に沿うように形成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１または第２の発明にか
かるエンジンの吸気装置において、Ｐ,Ｓ両ポートの上
流部に夫々略直線状に伸長するストレート部が形成さ
れ、該ストレート部では、Ｐ,Ｓ両ポートが、シリンダ
軸線方向からみて、これらのポート軸線がともにスワー
ル流れ方向に傾斜するようにして形成されており、かつ
Ｐポートが、その下流端近傍の部分では上記傾斜が強め
られてシリンダボア外周部を指向するように形成されて
いることを特徴とするエンジンの吸気装置を提供する。

【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、Ｐポートが、吸気流
れ方向下流側ほどＰポート横断面形状の重心がシリンダ
外周側に偏るようにして形成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。

【０００９】第５の発明は、第３または第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、その噴射口がシリンダ
中心部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、燃焼室内にシリンダ円周方
向の渦流を生成させるスワール生成用の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該ポ
ート開閉弁が開かれたときには燃焼室内に吸気を流入さ
せるＳポートと、夫々隣り合うＰ,Ｓポートと対向する
位置に配置される第１,第２排気ポートとが設けられた
エンジンの吸気装置において、上記Ｓポートが、燃焼室
内にシリンダ軸線方向の渦流を生成させるタンブル生成
用ポートに設定されているとともに、シリンダ軸線方向
からみて、シリンダヘッド下面部とピストン上面部の少
なくとも一方において、隣り合う第１排気ポート開口部
と第２排気ポート開口部との間の燃焼室周部に燃焼室の
一部をなしシリンダ軸線方向に延びる縦壁部が設けら
れ、該縦壁部の内周が、両排気ポート開口部間ではシリ
ンダ中心部側に突出する一方、第１排気ポート開口部付
近では該開口部の周縁に沿うように形成されていること
を特徴とするエンジンの吸気装置を提供する。

【００１１】第７の発明は、第６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、シ
リンダヘッド下面部とピストン上面部の少なくとも一方
において、隣り合うＰポート開口部と第１排気ポート開
口部との間の燃焼室周部と、隣り合うＳポート開口部と
第２排気ポート開口部との間の燃焼室周部とに、夫々燃
焼室の一部をなしシリンダ軸線方向に延びる縦壁部が設
けられ、上記Ｐポート側縦壁部の内周がシリンダ内周面
に沿うような略円弧状に形成され、上記Ｓポート側縦壁
部の内周がＳポート軸線とほぼ平行となるような略直線
状に形成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。

【００１２】第８の発明は、燃焼室内にシリンダ円周方
向の渦流を生成させるスワール生成用の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該ポ
ート開閉弁が開かれたときには燃焼室内に吸気を流入さ
せるＳポートとが設けられたエンジンの吸気装置におい
て、上記Ｓポートが、燃焼室内にシリンダ軸方向の渦流
を生成させるタンブル生成用ポートに設定されていると
ともに、Ｐポートが、吸気流れ方向下流側ほどＰポート
横断面形状の重心がシリンダ外周側に偏るようにして形
成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。

【００１３】第９の発明は、第８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、その噴射口がシリンダ中心部付近
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。

【００１４】第１０の発明は、燃焼室内にスワールを生
成させるＰポートと、燃焼室内にタンブルを生成させる
Ｓポートとを設け、吸入空気量が少ない領域では燃焼室
内にスワールを生成させる一方、吸入空気量が多い領域
では燃焼室内にタンブルを生成させ、中間領域では燃焼
室内にスワールとタンブルとを共存させつつ吸入空気量
の増加に伴って徐々にタンブルの割合を増加させるよう
にしたことを特徴とするエンジンの吸気供給方法を提供
する。

【００１５】

【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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】

【発明の作用・効果】第１の発明によれば、開閉弁開時
には、Ｐポートから燃焼室内に流入するエアが、Ｐポー
ト側縦壁部によって円周方向に案内ないし整流され、こ
れによってスワールの生成が促進される。また、Ｓポー
トから燃焼室内に流入するエアが、Ｓポート側縦壁部に
よって上下方向に案内ないし整流され、これによってタ
ンブルの生成が促進される。ここで、スワールは燃焼室
の周縁部に形成され、タンブルはスワールの内側に形成
され、両者は互いにそれほど干渉し合わず燃焼室内で共
存する。したがって、スワールによって混合気の燃焼性
を高めつつ、タンブルによって耐ノッキング性を高める
ことができる。

【００３８】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。そして、圧縮上死点
付近では、Ｐポート側のスワールに加えて、Ｓポート側
にＰポート側とは逆まわりのスワールが生成されるが、
ここでＰポート側のスワールと、Ｓポート側の逆スワー
ルとは、夫々隣り合う第１,第２排気ポート間の縦壁部
によって流れを規制され、シリンダ中心付近すなわち点
火プラグ付近で合流する。この両スワールの合流によっ
て、点火プラグまわりには強い乱れ(乱流)が生じ、この
乱流によって火炎の伝播速度が高められる。このため、
混合気の着火性・燃焼性が高められる。

【００３９】第３の発明によれば、基本的には第１また
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。

【００４０】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、
Ｐポートの横断面形状の重心がシリンダ外周側に偏って
いるので、Ｐポートから燃焼室内に流入するエアもシリ
ンダ外周側に偏り、これによって混合気の円周方向の流
れが強められ、スワールの生成が促進される。

【００４１】第５の発明によれば、基本的には第３また
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。

【００４２】第６の発明によれば、圧縮上死点付近で
は、Ｐポート側のスワールに加えて、Ｓポート側に逆ま
わりのスワールが生成され、両スワールは、隣り合う第
１,第２排気ポート間の縦壁部によって流れを規制さ
れ、シリンダ中心付近すなわち点火プラグ付近で合流す
る。この両スワールの合流によって、点火プラグまわり
には強い乱れ(乱流)が生じ、この乱流によって火炎の伝
播速度が高められる。このため、混合気の着火性・燃焼
性が高められる。

【００４３】第７の発明によれば、基本的には第６の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、開閉弁開時
には、Ｐポートから燃焼室内に流入するエアが、Ｐポー
ト側縦壁部によって円周方向に案内ないし整流され、こ
れによってスワールの生成が促進される。また、Ｓポー
トから燃焼室内に流入するエアが、Ｓポート側縦壁部に
よって上下方向に案内ないし整流され、これによってタ
ンブルの生成が促進される。ここで、スワールは燃焼室
の周縁部に形成され、タンブルはスワールの内側に形成
され、両者は互いにそれほど干渉し合わず燃焼室内で共
存する。したがって、スワールによって混合気の燃焼性
を高めつつ、タンブルによって耐ノッキング性を高める
ことができる。

【００４４】第８の発明によれば、Ｐポートの横断面形
状の重心がシリンダ外周側に偏っているので、Ｐポート
から燃焼室内に流入するエアもシリンダ外周側に偏り、
これによって円周方向の流れが強められ、スワールの生
成が促進される。

【００４５】第９の発明によれば、基本的には第８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。

【００４６】第１０の発明によれば、燃焼室内にスワー
ルとタンブルとが共存する混合気流れが形成され、エン
ジン負荷の増加に伴ってタンブル成分が多くなる。した
がってエンジン負荷に応じてスワールとタンブルとが形
成され、着火性・燃焼性が高められるとともに、ノッキ
ングの発生が防止される。

【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 ３１…スワールアシストマスク ３２…タンブルアシストマスク ３３…スワールブレイクマスク ３４…タンブルスワール強制マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 31/00 ３３１ Ｆ０２Ｂ 31/00 ３３１Ｅ Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｒ (72)発明者 中角 忠孝 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (72)発明者 斉藤 史彦 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 実開 昭63−82032（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 31/02 F02B 17/00 F02B 23/08 F02B 31/00 331 F02M 69/04

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内にシリンダ円周方向の渦流を生
   成させるスワール生成用の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該ポート開閉弁が
   開かれたときには燃焼室内に吸気を流入させるＳポート
   とが設けられたエンジンの吸気装置において、 上記Ｓポートが、燃焼室内にシリンダ軸線方向の渦流を
   生成させるタンブル生成用ポートに設定されているとと
   もに、シリンダ軸線方向からみて、シリンダヘッド下面
   部とピストン上面部の少なくとも一方において、隣り合
   うＰポート開口部と排気ポート開口部との間の燃焼室周
   部と、隣り合うＳポート開口部と排気ポート開口部との
   間の燃焼室周部とに、夫々燃焼室の一部をなしシリンダ
   軸線方向に延びる縦壁部が設けられ、上記Ｐポート側縦
   壁部の内周がシリンダ内周面に沿うような略円弧状に形
   成され、上記Ｓポート側縦壁部の内周がＳポート軸線と
   ほぼ平行となるような略直線状に形成されていることを
   特徴とするエンジンの吸気装置。
2. 【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、 隣り合うＰ,Ｓポートと対向する位置に夫々隣り合う第
   １,第２排気ポートが設けられており、かつ該Ｐポート
   開口部と該第１排気ポート開口部とが隣り合って設けら
   れており、シリンダ軸線方向からみて、シリンダヘッド
   下面部とピストン上面部の少なくとも一方において、第
   １排気ポート開口部と第２排気ポート開口部との間の燃
   焼室周部に燃焼室の一部をなしシリンダ軸線方向に延び
   る縦壁部が設けられ、該縦壁部の内周が、両排気ポート
   開口部間ではシリンダ中心部側に突出する一方、第１排
   気ポート開口部付近では該開口部の周縁に沿うように形
   成されていることを特徴とするエンジンの吸気装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載されたエ
   ンジンの吸気装置において、 Ｐ,Ｓ両ポートの上流部に夫々略直線状に伸長するスト
   レート部が形成され、該ストレート部では、Ｐ,Ｓ両ポ
   ートが、シリンダ軸線方向からみて、これらのポート軸
   線がともにスワール流れ方向に傾斜するようにして形成
   されており、かつＰポートが、その下流端近傍の部分で
   は上記傾斜が強められてシリンダボア外周部を指向する
   ように形成されていることを特徴とするエンジンの吸気
   装置。
4. 【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、 Ｐポートが、吸気流れ方向下流側ほどＰポート横断面形
   状の重心がシリンダ外周側に偏るようにして形成されて
   いることを特徴とするエンジンの吸気装置。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項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、そ
   の噴射口がシリンダ中心部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。
6. 【請求項６】 燃焼室内にシリンダ円周方向の渦流を生
   成させるスワール生成用の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該ポート開閉弁が
   開かれたときには燃焼室内に吸気を流入させるＳポート
   と、夫々隣り合うＰ,Ｓポートと対向する位置に配置さ
   れる第１,第２排気ポートとが設けられたエンジンの吸
   気装置において、 上記Ｓポートが、燃焼室内にシリンダ軸線方向の渦流を
   生成させるタンブル生成用ポートに設定されているとと
   もに、シリンダ軸線方向からみて、シリンダヘッド下面
   部とピストン上面部の少なくとも一方において、隣り合
   う第１排気ポート開口部と第２排気ポート開口部との間
   の燃焼室周部に燃焼室の一部をなしシリンダ軸線方向に
   延びる縦壁部が設けられ、該縦壁部の内周が、両排気ポ
   ート開口部間ではシリンダ中心部側に突出する一方、第
   １排気ポート開口部付近では該開口部の周縁に沿うよう
   に形成されていることを特徴とするエンジンの吸気装
   置。
7. 【請求項７】 請求項６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、シリンダヘッド下面部とピ
   ストン上面部の少なくとも一方において、隣り合うＰポ
   ート開口部と第１排気ポート開口部との間の燃焼室周部
   と、隣り合うＳポート開口部と第２排気ポート開口部と
   の間の燃焼室周部とに、夫々燃焼室の一部をなしシリン
   ダ軸線方向に延びる縦壁部が設けられ、上記Ｐポート側
   縦壁部の内周がシリンダ内周面に沿うような略円弧状に
   形成され、上記Ｓポート側縦壁部の内周がＳポート軸線
   とほぼ平行となるような略直線状に形成されていること
   を特徴とするエンジンの吸気装置。
8. 【請求項８】 燃焼室内にシリンダ円周方向の渦流を生
   成させるスワール生成用の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該ポート開閉弁が
   開かれたときには燃焼室内に吸気を流入させるＳポート
   とが設けられたエンジンの吸気装置において、 上記Ｓポートが、燃焼室内にシリンダ軸方向の渦流を生
   成させるタンブル生成用ポートに設定されているととも
   に、Ｐポートが、吸気流れ方向下流側ほどＰポート横断
   面形状の重心がシリンダ外周側に偏るようにして形成さ
   れていることを特徴とするエンジンの吸気装置。
9. 【請求項９】 請求項８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、そ
   の噴射口がシリンダ中心部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。
10. 【請求項１０】 燃焼室内にスワールを生成させるＰポ
    ートと、燃焼室内にタンブルを生成させるＳポートとを
    設け、吸入空気量が少ない領域では燃焼室内にスワール
    を生成させる一方、吸入空気量が多い領域では燃焼室内
    にタンブルを生成させ、中間領域では燃焼室内にスワー
    ルとタンブルとを共存させつつ吸入空気量の増加に伴っ
    て徐々にタンブルの割合を増加させるようにしたことを
    特徴とするエンジンの吸気供給方法。