JP4683024B2

JP4683024B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4683024B2
Application number: JP2007224937A
Authority: JP
Inventors: 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009057877A

Description

本発明は内燃機関に関し、特に筒内に生成される旋回気流を強めるための内燃機関に関する。

従来、タンブル流やスワール流といった旋回気流が筒内に生成される内燃機関が知られている。係る内燃機関では一般に旋回気流を強めることで、混合気のミキシング性の向上や火炎の伝播性の向上や希薄燃焼領域の拡大などを図ることができる。この点、筒内に強い旋回気流を生成するにあたっては、筒内に流入する吸気の流入態様が重要な要素の一つとなっているところ、吸気の流入態様を改善するための技術として本発明と関連性があると考えられる技術が、例えば特許文献１から５までで提案されている。

実開平２−１４４０５号公報特開２０００−１８０１１号公報特開２００２−４８２１号公報特開２００６−３４２７４６号公報特開２００６−１６１６３２号公報

ところで、筒内に生成される旋回気流の強度が不十分な場合には、混合気のミキシング性が不十分になる結果、未燃ＨＣやＣＯの増大を招き、高い燃費性能を実現することが困難になる。また旋回気流の強度が不十分な場合には、火炎の伝播性が低くなることから、始動時の冷間燃焼やリーン燃焼を好適に実現することが困難になる。また燃焼速度が遅くなることから、高負荷時にノッキングも発生し易くなる。この点、筒内に生成される旋回気流を強めるためには、従来から吸気ポート形状の最適化などが行われてきているが、より高い要求性能を満たすためにはその上に更なる旋回気流の強化を図る必要がある。また旋回気流を好適に強化するにあたっては、吸気弁のバルブリフト量を考慮する必要もあり、さらに低コストで強化できることが望ましい。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、筒内に生成される旋回気流を好適に強化できる内燃機関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、本発明は筒内に旋回気流が生成される内燃機関であって、吸気下流側に対応する部分よりも吸気上流側に対応する部分のほうが、高さが低く設定されているバルブシートを吸気弁用に備えることにより、吸気ポートの喉元の高さが、均一な高さのバルブシートを吸気弁用に備える内燃機関の吸気ポートの喉元の高さよりも低くなっており、前記吸気下流側に対応する部分よりも前記吸気上流側に対応する部分のほうが高さが低く設定されている前記バルブシートは、前記吸気弁の軸中心と下面との交点を含み、且つクランク軸線に略直交する平面による該バルブシートの断面で、前記吸気上流側に対応する部分の高さが最も低く設定されていることを特徴とする。ここで、吸気ポートから筒内に流入する吸気のうち、吸気上流側の吸気通路壁面に沿って筒内に流入する吸気は、筒内に生成される旋回気流と流れの方向が一致せず、旋回気流を減衰させてしまうことから、その分旋回気流の強度が低下してしまうことになる。この点、このようにして筒内に流入する吸気を吸気上流側の吸気通路壁面から剥離させることができれば、この吸気通路壁面に沿って筒内に流入する吸気を減少させることができ、以って旋回気流を強めることができる。

そして吸気通路壁面から吸気を剥離させるにあたっては、燃焼室に向かって開口された吸気ポートの喉元の高さを低くすることが効果的であるところ、吸気ポート喉元の高さは構造上、バルブシートの高さによって一定の制限を受ける。これに対して本発明によれば、吸気上流側の吸気ポート喉元の高さをより低く設定できることから、これにより旋回気流を強めることができる。また本発明によれば、高さが低く設定されていない均一な高さのバルブシートを備えた場合と比較して、更なる旋回気流の強化を図ることができる点で、筒内に生成される旋回気流を好適に強化できる。

またバルブシートの高さを設定するにあたっては、全体的に高さをより低く均一に設定することも考えられるが、この場合には強度を確保するとともにバルブシートの高さを十分低く設定することが困難であることから、バルブシートの高さを優先的に低く設定した結果、耐久性の問題が生じる虞がある。これに対して本発明によれば、全体的に高さを低く設定しないことで強度を確保しつつ、バルブシートの高さをより低く設定でき、これにより更なる旋回気流の強化を図ることができる点で、筒内に生成される旋回気流を好適に強化できる。

なお、強度を確保するためには、例えばバルブシートを備える代わりに吸気ポート喉元にレーザ処理を施す手法も存在するが、これに対して本発明によればコスト的に有利に実現でき、またリードタイム等の点で合理的な製造を行える点でも好適である。また吸気の流入態様を変更するにあたって、本発明によれば前述の特許文献１から３までで提案されている技術のようにバルブシートに対して特別の追加工を必要としないことから、その分低コストで吸気の流入態様を変更できる点においても、筒内に生成される旋回気流を好適に強化できる。

また本発明において前記吸気下流側に対応する部分よりも前記吸気上流側に対応する部分のほうが高さが低く設定されている前記バルブシートは、前記吸気弁の軸中心と下面との交点を含み、且つクランク軸線に略直交する平面による該バルブシートの断面で、前記吸気上流側に対応する部分の高さが最も低く設定されていることから、吸気弁中高リフト時に筒内に生成される旋回気流（特にタンブル流）を好適に強化できる。

本発明によれば、筒内に生成される旋回気流を好適に強化できる内燃機関を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係る内燃機関５０Ａの要部を模式的に示す図である。具体的には図１では、図１（ａ）で内燃機関５０Ａの要部を一気筒につき鉛直断面視で模式的に示すとともに、図１（ｂ）で内燃機関５０Ａの要部を一気筒につき水平投影視で模式的に示している。内燃機関５０Ａは筒内燃料直接噴射式のガソリンエンジンである。但しこれに限られず、内燃機関５０Ａは例えば所謂リーンバーンエンジンなどであってもよい。すなわち、内燃機関５０Ａは本発明を効果的に実施できる内燃機関であれば特に限定されない。

内燃機関５０Ａはシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２Ａ及びピストン５３などを有して構成されている。シリンダブロック５１には略円筒状のシリンダ５１ａが形成されており、シリンダ５１ａ内にはピストン５３が収容されている。ピストン５３は図示しないコネクティングロッドと連結されており、さらにコネクティングロッドは図示しないクランクシャフトと連結されている。ピストン５３がシリンダ５１ａ内で往復運動すると、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。例えば内燃機関５０Ａを備えた車両では、この回転運動に変換された動力を利用して車両を駆動する。

シリンダブロック５１にはシリンダヘッド５２Ａが固定されている。燃焼室５４はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２Ａ及びピストン５３によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド５２Ａには吸気を燃焼室５４内（以下、筒内とも称す）に導入するための吸気ポート１０ａＡ及び１０ｂＡ（以下、総称するときには単に吸気ポート１０Ａと称し、他の構成についても同様とる）と、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート２０とが夫々形成されており、さらに吸気ポート１０Ａを開閉するための吸気弁５５と、排気ポート２０を開閉するための排気弁５６とが夫々配設されている。内燃機関５０Ａでは吸気弁５５が開弁すると筒内に吸気が流入し、タンブル流Ｔ（請求項記載の旋回気流に相当）が生成される。点火プラグ５７は上方から燃焼室５４に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２Ａに配設されている。燃料噴射弁（図示省略）は筒内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２Ａに配設されている。

シリンダヘッド５２Ａにはリング状のバルブシート５８Ａ、５９が配設されている。バルブシート５８Ａは燃焼室５４に向かって開口した吸気ポート１０Ａの開口端部に、バルブシート５９は燃焼室５４に向かって開口した排気ポート２０の開口端部に夫々配設されている。図２は内燃機関５０Ａのうち、バルブシート５８Ａ周辺部を拡大して模式的に示す図である。なお、図２において、図２（ｂ）は図２（ａ）に対応させてバルブシート５８Ａの形状を示すための図となっている。

バルブシート５８Ａは、吸気上流側と吸気下流側とで（吸排気方向で）高さに差分を有する形状となっており、吸気下流側に対応する部分よりも吸気上流側に対応する部分のほうが、下端部からの高さが低く設定されている。この点、吸気下流側に対応する部分はタンブル流Ｔに生成されるように筒内に流入する吸気に対応する部分となっており、吸気上流側に対応する部分はタンブル流Ｔを減衰させるように筒内に流入する吸気に対応する部分となっている。またバルブシート５８Ａは吸気弁５５の軸中心と下面との交点Ｑを含み、且つクランク軸線に略直交する第１の平面Ｓ１によるバルブシート５８Ａの断面で、吸気上流側に対応する部分である点Ｐ１の高さが最も低く設定されている。

なお、バルブシート５８Ａの上端部は図２（ｂ）に示すように高さが次第に変化するよう下端部を含む面に対して斜め直線状に面で切除された形状になっている。但し、これに限られずバルブシート５８Ａの上端部には適宜の形状が適用されてよい。またバルブシート５８Ａの内面は従来通りバルブ軸との同軸加工で形成できるとともに、吸気の流入態様を変更するにあたってこの内面に対する特別の追加工は不要であるため、これによりコストの上昇も回避できる。

図３はバルブシート５８Ａ周辺部を吸気の流れとともに模式的に示す図である。なお、図３では図３（ａ）でバルブシート５８Ａ周辺部の拡大図を示すとともに、図３（ｂ）で比較のためにバルブシート５８Ａの代わりに高さが低く設定されていない均一な高さのバルブシート５８Ｘを備えた場合の拡大図を示している。また図３（ｃ）は図３（ａ）に示す吸気の流速分布を、図３（ｄ）は図３（ｂ）に示す吸気の流速分布を夫々水平投影視で見た場合の模式図となっている。まずバルブシート５８Ｘを備えた場合には強度確保の関係上、図３（ｂ）に示す吸気ポート１０ａＸのように、喉元の高さが高くなる（Ａ部参照）。この場合には吸気の剥離が発生し難いため、吸気上流側の吸気通路壁面に沿って筒内に流入しようとする吸気が多く存在する。そしてこの吸気はタンブル流Ｔを減衰させるように筒内に流入することから、タンブル強度が低下する。

一方、バルブシート５８Ａを備えた場合には、高さが低く設定されていることから図３（ａ）のＡ部に示す吸気ポート１０ａＡのように、喉元の高さを低くすることができる（Ａ部参照）。この場合には吸気の剥離が発生し易くなるため、吸気上流側の吸気通路壁面に沿って筒内に流入しようとする吸気を減少させることができる。これによりタンブル流Ｔの減衰を抑制できることから、タンブル流Ｔを強化できる。また剥離した吸気は吸気下流側に向かって流通することから、これによってもタンブル流Ｔを強化できる（図３（ｃ）及び（ｄ）参照）。

図４は内燃機関５０Ａにおけるタンブル強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。図４に示すように、バルブシート５８Ａの場合にはバルブシート５８Ｘの場合よりも、特に吸気弁５５中高リフト領域でタンブル強度が向上していることがわかる。これは、点Ｐ１で高さが最も低く設定されたバルブシート５８Ａを備えた内燃機関５０Ａによれば、特に多量の吸気が筒内に流入する吸気弁５５中高リフト領域でタンブル強度を好適に高めることができることを示している。以上により、筒内に生成されるタンブル流Ｔを好適に強化できる内燃機関５０Ａを実現できる。

図５は本実施例に係る内燃機関５０Ｂを水平投影視で模式的に示す図である。内燃機関５０Ｂは、バルブシート５８Ａの代わりにバルブシート５８Ｂ（５８ａＢ及び５８ｂＢ）を備えている点と、これに伴いシリンダヘッド５２Ａの代わりに吸気ポート１０Ｂが形成されたシリンダヘッド５２Ｂを備えている点以外、内燃機関５０Ａと実質的に同一のものとなっている。バルブシート５８Ｂは、第１の平面Ｓ１と所定の角度θａ及びθｂをなす第２の平面Ｓ２による断面で、吸気上流側に対応する部分である点Ｐ２の高さが最も低く設定されている。また２つの吸気弁５５に対応する所定の角度θａ、θｂ夫々は第１の平面Ｓ１各々から互いに逆方向に向かって設定されており、さらに所定の角度θａ、θｂ夫々は第１の平面Ｓ１各々の内側に向かって大きくなるように設定されている。吸気ポート１０Ｂの喉元の高さはバルブシート５８Ｂの高さに応じて、バルブシート５８Ｘを備えた場合よりも低く設定されている。

なお、所定の角度θａ、θｂ夫々は図６に示すように第１の平面Ｓ１各々の外側に向かって設定されてもよい。この点、第１の平面Ｓ１各々の内側に設定される場合を正とし、外側に設定される場合を負とした場合に、所定の角度θａ、θｂは次の数１に示す範囲で設定されることが好ましい。
（数１）
０＜θ≦９０°（θはθａ及びθｂ）
一方、吸気ポート１０Ｂの形状との相性やバルブリフト量などを具体的に考慮すると、所定の角度θａ、θｂを負に設定することでもタンブル強度を向上し得る。この点、所定の角度θａ、θｂは次の数２に示す範囲で設定され得る。
（数２）
−９０°≦θ≦９０°（θはθａ及びθｂ）
またタンブル流Ｔを強化するにあたっては、θａとθｂとは同じ大きさであることが好ましい。このため本実施例ではθａとθｂとは数１に示す式の範囲内で同じ大きさに設定されている。

図７は内燃機関５０Ｂにおけるタンブル強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。なお、図７では比較のためにバルブシート５８Ｘを備えた場合についても同時に示している。バルブシート５８Ｂを備えた内燃機関５０Ｂによれば、吸気の主流を燃焼室５４中央に集めることができる。これにより、吸気弁５５小中リフト領域で吸気弁５５の傘形状に沿ったスムースな吸気の流れを形成することができる。このため内燃機関５０Ｂによれば、特に吸気弁５５小中リフト領域でタンブル強度を好適に向上させることができる。この点、吸気弁５５小中リフト領域でタンブル強度を向上させるにあたっては、内燃機関５０Ｂがバルブリフト量を可変にする可変動弁機構を備えた内燃機関であることが好ましい。以上により、筒内に生成されるタンブル流Ｔを好適に強化できる内燃機関５０Ｂを実現できる。

図８は本実施例に係る内燃機関５０Ｃの要部を模式的に示す図である。図８では図８（ａ）で内燃機関５０Ｃの要部を一気筒につき鉛直断面視で模式的に示すとともに、図８（ｂ）で内燃機関５０Ｃの要部を一気筒につき水平投影視で模式的に示している。内燃機関５０Ｃは、バルブシート５８Ａの代わりにバルブシート５８Ｃ（５８ａＣ及び５８ｂＣ）を備えている点と、これに伴いシリンダヘッド５２Ａの代わりに吸気ポート１０Ｃが形成されたシリンダヘッド５２Ｃを備えている点以外、内燃機関５０Ａと実質的に同一のものとなっている。

バルブシート５８Ｃａは、第１の平面Ｓ１と所定の角度θａをなす第２の平面Ｓ２による断面で、吸気上流側に対応する部分である点Ｐ３の高さが最も低く設定されている。同様にバルブシート５８Ｃｂは、第１の平面Ｓ１と所定の角度θｂをなす第２の平面Ｓ２による断面で、吸気上流側に対応する部分である点Ｐ４の高さが最も低く設定されている。また２つの吸気弁５５に対応する所定の角度θａ、θｂ夫々は第１の平面Ｓ１各々から互いに同方向に向かって設定されており、さらに所定の角度θａ、θｂはともに第１の平面Ｓ１各々から図示の方向に向かって設定される場合を正として、数１に示す式の範囲内で設定されている。なお、所定の角度θａ、θｂはともに数２に示す式の範囲内で設定することができる。

図９は内燃機関５０Ｃのうち、バルブシート５８Ｃａ周辺部を拡大して模式的に示す図である。図９では、バルブシート５８Ｃａ周辺部を図８（ａ）に示すＡ−Ａ断面で示している。バルブシート５８Ｃａは点Ｐ３で高さが最も低い高さＨａに設定されており、バルブシート５８Ｃｂも同様に点Ｐ４で高さが最も低い高さＨｂに設定されている。また、バルブシート５８Ｃａの上端部は図９（ｂ）に示すように高さが次第に変化するよう下端部を含む面に対して斜め直線状に面で切除された形状になっており、バルブシート５８Ｃｂの上端部も同様の形状に形成されている。なお、バルブシート５８Ｃの上端部の形状はこれに限られない。またバルブシート５８Ｃの内面は従来通りバルブ軸との同軸加工で形成できるとともに、スワール成分を付与するにあたってこの内面に対して特別の追加工は不要であるため、これによりコストの上昇も回避できる。吸気ポート１０Ｃの喉元の高さはバルブシート５８Ｃの高さに応じて、バルブシート５８Ｘを備えた場合よりも低く設定されている。

図１０はバルブシート５８Ｃａ周辺部を吸気の流れとともに模式的に示す図である。図１０では、バルブシート５８Ｃａ周辺部を図８（ａ）に示すＡ−Ａ断面で示している。この内燃機関５０Ｃでは点Ｐ３（及びＰ４）で吸気が剥離し易くなる。これにより吸気は点Ｐ３（及びＰ４）に向かって流通しようとする指向性を有することになる。このため内燃機関５０Ｃでは吸気がスワール成分を付与するように筒内に流入し、この結果、筒内にスワール成分を有する斜めタンブル流ＴＳが生成されることから、混合気のミキシング性を向上させることができる。なお、このときの吸気の流れを水平投影視で見た場合の模式図を図１１（ａ）に、このときの吸気の流速分布を水平投影視で見た場合の模式図を図１１（ｂ）に夫々示す。

一方、所定の角度θａ、θｂはともに数１に示す式の範囲内で設定されている。すなわち、バルブシート５８Ｃは吸気下流側に対応する部分よりも吸気上流側に対応する部分のほうが、高さが低く設定されている。これにより斜めタンブル流ＴＳを減衰させるように筒内に流入する吸気を減少させることができることから、斜めタンブル流ＴＳも強化できる。また剥離した吸気が吸気下流側に向かって流通することから、これによっても斜めタンブル流ＴＳを強化できる（図１１（ｂ）参照）。図１２は内燃機関５０Ｃにおけるスワール強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。バルブシート５８Ｃを備えた内燃機関５０Ｃによればスワール成分を付与することができるので、この結果、バルブシート５８Ｘを備えた場合と比較してスワール強度が向上していることがわかる。

なお、斜めタンブル流ＴＳにつき、タンブル強度とスワール強度との積（式：タンブル強度×スワール強度）で与えられる評価値は内燃機関の仕様に応じて最適値が異なり、この最適値を実現できる所定の角度θａ、θｂは必ずしも互いに同値になるとは限らないことから、所定の角度θａ、θｂは互いに異なる値となってもよい。また同様にＨａ、Ｈｂも互いに異なる値となってもよい。以上により、筒内に生成される斜めタンブル流ＴＳを好適に強化できる内燃機関５０Ｃを実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例１においては吸気ポート１０Ａ毎のバルブシート５８Ａ夫々が互いに同一のものとなっているが、これに限定されるものではない。

内燃機関５０Ａの要部を模式的に示す図である。内燃機関５０Ａのうち、バルブシート５８Ａ周辺部を拡大して模式的に示す図である。バルブシート５８Ａ周辺部を吸気の流れとともに模式的に示す図である。内燃機関５０Ａにおけるタンブル強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。内燃機関５０Ｂを水平投影視で模式的に示す図である。内燃機関５０Ｂの変形例を水平投影視で模式的に示す図である。内燃機関５０Ｂにおけるタンブル強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。内燃機関５０Ｃの要部を模式的に示す図である。内燃機関５０Ｃのうち、バルブシート５８Ｃａ周辺部を拡大して模式的に示す図である。バルブシート５８Ｃａ周辺部を吸気の流れとともに模式的に示す図である。内燃機関５０Ｃにおける吸気の流れを水平投影視で模式的に示す図である。内燃機関５０Ｃにおけるスワール強度と吸気弁５５のバルブリフト量の関係を示す図である。

符号の説明

１０吸気ポート
５０内燃機関
５５吸気弁
５８バルブシート（吸気弁５５用）

Claims

筒内に旋回気流が生成される内燃機関であって、
吸気下流側に対応する部分よりも吸気上流側に対応する部分のほうが、高さが低く設定されているバルブシートを吸気弁用に備えることにより、吸気ポートの喉元の高さが、均一な高さのバルブシートを吸気弁用に備える内燃機関の吸気ポートの喉元の高さよりも低くなっており、
前記吸気下流側に対応する部分よりも前記吸気上流側に対応する部分のほうが高さが低く設定されている前記バルブシートは、前記吸気弁の軸中心と下面との交点を含み、且つクランク軸線に略直交する平面による該バルブシートの断面で、前記吸気上流側に対応する部分の高さが最も低く設定されていることを特徴とする内燃機関。