JP6920150B2

JP6920150B2 - エンジン

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Publication number: JP6920150B2
Application number: JP2017181535A
Authority: JP
Inventors: 進児若本
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: JP2019056333A

Description

本発明は、燃焼室を備えるエンジンに関する。

エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室に吸入空気を案内する吸気ポートが形成されている。この吸気ポートの流路形状は、吸入空気量の増減に影響を与えるだけでなく、シリンダ内におけるタンブル流等の流動形成に影響を与える要因である。このため、吸入空気量を増加させる観点や、吸入空気の流動を強くする観点から、様々な吸気ポートの流路形状が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−９０８４９号公報

しかしながら、吸気ポートの流路形状を設計する際に、吸入空気の流量増加と吸入空気の流動強化とを両立させることは困難である。つまり、吸入空気量を増加させるように吸気ポートを形成することは、吸入空気の流動を弱めてしまう要因であり、吸入空気の流動を強めるように吸気ポートを形成することは、吸入空気量を低下させてしまう要因であった。

本発明の目的は、吸入空気の流量を増加させつつ、吸入空気の流動を強くすることにある。

本発明のエンジンは、燃焼室を備えるエンジンであって、前記燃焼室に連通する吸気ポートが形成されるシリンダヘッド、を有し、前記吸気ポートは、扁平形状の流路断面を備える上流側の第１流路部と、扁平形状の流路断面を備える下流側の第２流路部と、を備え、前記第１流路部は、下流側に進むにつれて第１方向に捩られる形状であり、前記第２流路部は、下流側に進むにつれて前記第１方向とは逆向きの第２方向に捩られる形状である。

本発明によれば、第１流路部は下流側に進むにつれて第１方向に捩られる形状であり、第２流路部は下流側に進むにつれて第１方向とは逆向きの第２方向に捩られる形状である。これにより、吸入空気の流量を増加させつつ、吸入空気の流動を強くすることができる。

本発明の一実施の形態であるエンジンを示す概略図である。（ａ）〜（ｃ）は、シリンダヘッドに形成される吸気ポートの一例を示す図である。吸気ポートを拡大して示す側面図である。（ａ）〜（ｄ）は、吸気ポートが備える流路断面の一例を示す断面図である。吸気ポートと燃焼室との位置関係を簡単に示した図である。（ａ）〜（ｃ）は、吸入空気の流れを簡単に示した図である。吸気ポートにおける吸入空気の流れを簡単に示した図である。燃焼室に流入する吸入空気の流れを簡単に示した図である。吸気ポートの流量係数と吸入空気の流動強さとの関係を示すイメージ図である。

［エンジン構造］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるエンジン１０を示す概略図である。図１に示すように、エンジン１０は、一方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１１と、他方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１２と、一対のシリンダブロック１１，１２に支持されるクランク軸１３と、を有している。各シリンダブロック１１，１２に形成されるシリンダボア１４にはピストン１５が収容されており、このピストン１５にはコネクティングロッド１６を介してクランク軸１３が連結されている。

各シリンダブロック１１，１２には、動弁機構２０を備えたシリンダヘッド２１，２２が組み付けられている。また、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する吸気ポート２４が形成されており、この吸気ポート２４を開閉する吸気バルブ２５が組み付けられている。さらに、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する排気ポート２６が形成されており、この排気ポート２６を開閉する排気バルブ２７が組み付けられている。なお、吸気ポート２４には、図示しない吸気マニホールドが接続されており、排気ポート２６には、図示しない排気マニホールドが接続されている。

［吸気ポート構造］
図２（ａ）〜（ｃ）は、シリンダヘッド２１，２２に形成される吸気ポート２４の一例を示す図である。図２（ｂ）は図１の矢印Ｂ方向から吸気ポート２４を示す正面図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）の矢印Ａ方向から吸気ポート２４を示す平面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）の矢印Ｃ方向から吸気ポート２４を示す側面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、吸気ポート２４は、図示しない吸気マニホールドが接続される共通ポート部３０と、共通ポート部３０から分岐して燃焼室２３に連通する第１ポート部３１と、共通ポート部３０から分岐して燃焼室２３に連通する第２ポート部３２と、を有している。また、第１および第２ポート部３１，３２の双方には、上流側の流路を構成する第１流路部４１と、下流側の流路を構成する第２流路部４２と、が設けられている。図示しない吸気マニホールドから共通ポート部３０に流入した吸入空気は、第１および第２ポート部３１，３２の第１流路部４１から第２流路部４２を経て燃焼室２３に供給される。

図３は吸気ポート２４を拡大して示す側面図である。また、図４（ａ）〜（ｄ）は、吸気ポート２４が備える流路断面の一例を示す断面図である。図４（ａ）には図３のＡ−Ａ線に沿う流路断面が示され、図４（ｂ）には図３のＢ−Ｂ線に沿う流路断面が示され、図４（ｃ）には図３のＣ−Ｃ線に沿う流路断面が示され、図４（ｄ）には図３のＤ−Ｄ線に沿う流路断面が示されている。また、図４（ａ）〜（ｄ）には、吸気ポート２４の中心線Ｃ１に垂直な流路断面が示されている。なお、図４（ｂ）には第１流路部４１の入口近傍が示され、図４（ｃ）には第１流路部４１と第２流路部４２との境界近傍が示され、図４（ｄ）には第２流路部４２の出口近傍が示されている。

図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、扁平形状の流路断面を備える第１流路部４１は、下流側に進むにつれて矢印Ｘ１方向（第１方向）に捩られる形状を有している。また、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、扁平形状の流路断面を備える第２流路部４２は、下流側に進むにつれて矢印Ｘ１方向とは逆向きの矢印Ｘ２方向（第２方向）に捩られる形状を有している。すなわち、吸気ポート２４の第１および第２ポート部３１，３２は、第１流路部４１において矢印Ｘ１方向に捩られた後に、第２流路部４２において逆向きの矢印Ｘ２方向に捩られる流路構造を有している。

図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、扁平形状の流路断面を備える第１および第２流路部４１，４２において、外側流路内壁４３ｏと流路断面の長軸Ｌ１とが交差する点を外側仮想点Ｐｏとして規定する。同様に、扁平形状の流路断面を備える第１および第２流路部４１，４２において、内側流路内壁４３ｉと流路断面の長軸Ｌ１とが交差する点を内側仮想点Ｐｉとして規定する。前述したように、第１流路部４１を矢印Ｘ１方向（第１方向）に捩って流路断面を回転させると、外側仮想点Ｐｏは燃焼室２３から離れる方向に変位する一方、内側仮想点Ｐｉは燃焼室２３に近づく方向に変位する。また、第２流路部４２を逆向きの矢印Ｘ２方向（第２方向）に捩って流路断面を回転させると、外側仮想点Ｐｏは燃焼室２３に近づく方向に変位する一方、内側仮想点Ｐｉは燃焼室２３から離れる方向に変位する。なお、図４においては、第１および第２ポート部３１，３２の下側に燃焼室２３が位置している。

図４に示した例では、第１流路部４１を矢印Ｘ１方向に捩る際の回転中心として、第１流路部４１の形状中心つまり吸気ポート２４の中心線Ｃ１が採用されており、第２流路部４２を矢印Ｘ２方向に捩る際の回転中心として、第２流路部４２の形状中心つまり吸気ポート２４の中心線Ｃ１が採用されている。しかしながら、第１流路部４１や第２流路部４２の回転中心としては、吸気ポート２４の中心線Ｃ１に限られることはない。例えば、第１流路部４１を矢印Ｘ１方向に捩る際の回転中心として、第１流路部４１の流路内に存在する任意の中心を採用しても良い。また、第２流路部４２を矢印Ｘ２方向に捩る際の回転中心として、第２流路部４２の流路内に存在する任意の中心を採用しても良い。なお、図４（ｂ）〜（ｄ）に示した一点鎖線Ｌ２は、扁平形状の流路断面の短軸を示している。

ここで、図５は吸気ポート２４と燃焼室２３との位置関係を簡単に示した図である。なお、図５において、排気ポート２６は省略して図示されている。図５に示すように、二股に分岐する第１ポート部３１と第２ポート部３２とは、シリンダボア１４の中心線Ｃ２を含む面Ｓを対称面とする面対称である。そして、吸気ポート２４の第１ポート部３１は、対称面Ｓの一方面側において燃焼室２３に連通し、吸気ポート２４の第２ポート部３２は、対称面Ｓの他方面側において燃焼室２３に連通する。つまり、第１および第２流路部４１，４２において、前述した外側流路内壁４３ｏとは、燃焼室２３の外周部２３ｏに近い側（燃焼室外周部側）の流路内壁である。また、第１および第２流路部４１，４２において、前述した内側流路内壁４３ｉとは、燃焼室２３の中央部２３ｃに近い側（燃焼室中央部側）の流路内壁である。

［吸入空気の流れ］
前述したように、吸気ポート２４の第１および第２ポート部３１，３２は、第１流路部４１において矢印Ｘ１方向に捩られた後に、第２流路部４２において逆向きの矢印Ｘ２方向に捩られる流路構造を有している。このように、吸気ポート２４の流路を構成することにより、吸入空気の流量を増加させつつ、吸入空気の流動を強くすることができる。つまり、吸気ポート２４の流量係数を増加させつつ、燃焼室２３に流入する吸入空気の乱れ強さを増加させることができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は吸入空気の流れＦｉ，Ｆｏを簡単に示した図である。図６（ａ）〜（ｃ）には、内側流路内壁４３ｉの近傍を通過する空気流れが破線の矢印Ｆｉで示されており、外側流路内壁４３ｏの近傍を通過する空気流れが破線の矢印Ｆｏで示されている。また、図７は吸気ポート２４における吸入空気の流れＦｉ，Ｆｏを簡単に示した図であり、図８は燃焼室２３に流入する吸入空気の流れＦｉ，Ｆｏを簡単に示した図である。なお、図８において、排気ポート２６は省略して図示されている。

図６（ａ）および（ｂ）に矢印Ｆｏで示すように、共通ポート部３０における外側流路内壁４３ｏの近傍に流れ込んだ吸入空気は、外側流路内壁４３ｏに沿って各ポート部３１，３２の第１および第２流路部４１，４２を流れる。また、矢印Ｆｉで示すように、共通ポート部３０の中央およびその近傍に流れ込んだ吸入空気は、内側流路内壁４３ｉに沿って各ポート部３１，３２の第１および第２流路部４１，４２を流れる。

ここで、前述したように、吸気ポート２４の第１および第２ポート部３１，３２は、第１流路部４１において矢印Ｘ１方向に捩られた後に、第２流路部４２において逆向きの矢印Ｘ２方向に捩られる流路構造を有している。すなわち、図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順に示すように、第１および第２流路部４１，４２の外側仮想点Ｐｏは、矢印Ｘ１方向に捩られることで上方（図４における上方）に変位した後に、矢印Ｘ２方向に捩られることで下方（図４における下方）に変位する。また、第１および第２流路部４１，４２の内側仮想点Ｐｉは、矢印Ｘ１方向に捩られることで下方（図４における下方）に変位した後に、矢印Ｘ２方向に捩られることで上方（図４における上方）に変位する。

すなわち、図６（ｃ）および図７に示すように、吸気ポート２４の側面から見た場合において、第１および第２流路部４１，４２の外側流路内壁４３ｏの近傍を通過する空気流れＦｏは、中心線Ｃ１から上方に離れて戻るように変位する外側仮想点Ｐｏにガイドされることになる。つまり、第１および第２流路部４１，４２の流路断面は扁平形状であるため、第１および第２流路部４１，４２を捩って流路断面を回転させることにより、外側仮想点Ｐｏに沿うように吸入空気の流れＦｏの向きを変えることが可能である。このように、外側流路内壁４３ｏの近傍を流れる空気流れＦｏを制御することにより、図８に示すように、シリンダボア１４の底に向かうように吸入空気を流すことができる。これにより、燃焼室２３に吸入空気が流れ込み易くなるため、吸入空気の流量を増加させることが可能になる。

また、図６（ｃ）および図７に示すように、吸気ポート２４の側面から見た場合において、第１および第２流路部４１，４２の内側流路内壁４３ｉの近傍を通過する空気流れＦｉは、中心線Ｃ１から下方に離れて戻るように変位する内側仮想点Ｐｉにガイドされることになる。つまり、第１および第２流路部４１，４２の流路断面は扁平形状であるため、第１および第２流路部４１，４２を捩って流路断面を回転させることにより、内側仮想点Ｐｉに沿うように吸入空気の流れＦｉの向きを変えることが可能である。このように、内側流路内壁４３ｉの近傍を流れる空気流れＦｉを制御することにより、図８に示すように、シリンダボア１４の内壁に向かうように吸入空気を流すことができる。これにより、燃焼室２３における吸入空気の流動を強めることができるため、混合気の燃焼効率を高めることができる。

ここで、図９は吸気ポート２４の流量係数と吸入空気の流動強さとの関係を示すイメージ図である。図９に符号α１で示すように、吸入空気の流動強さを大きくして燃焼効率を高めた場合には、吸気ポート２４の流量係数が小さくなって吸入空気量が減少することになる。また、符号α２で示すように、吸気ポート２４の流量係数を大きくして吸入空気量を増加させた場合には、吸入空気の流動強さが小さくなって燃焼効率が低下することになる。これに対し、第１および第２流路部４１，４２を捩って流路断面を回転させ、外側流路内壁４３ｏの近傍を流れる空気流れＦｏや、内側流路内壁４３ｉの近傍を流れる空気流れＦｉを制御することにより、符号βで示すように、吸入空気の流動強さを大きくして燃焼効率を高めつつ、吸気ポート２４の流量係数を大きくして吸入空気量を増加させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、水平対向エンジン１０に本発明を適用しているが、これに限られることはなく、直列エンジンやＶ型エンジン等に本発明を適用しても良い。また、第１流路部４１や第２流路部４２の流路断面としては、楕円形、長円形、角を丸めた長方形、およびオーバル形などに限られることはなく、扁平形状であれば如何なる形状であっても良い。また、図示する例では、第１および第２ポート部３１，３２の双方を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に捩っているが、これに限られることはなく、第１ポート部３１または第２ポート部３２の一方を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に捩っても良い。また、図示する例では、２つに分岐する第１ポート部３１および第２ポート部３２によって吸気ポート２４を構成しているが、これに限られることはなく、３つ以上に分岐するポート部によって吸気ポート２４を構成しても良い。

１０エンジン
２１，２２シリンダヘッド
２３燃焼室
２４吸気ポート
３１第１ポート部
３２第２ポート部
４１第１流路部
４２第２流路部
４３ｏ外側流路内壁（燃焼室外周部側の流路内壁）
４３ｉ内側流路内壁（燃焼室中央部側の流路内壁）
Ｌ１長軸
Ｐｏ外側仮想点
Ｐｉ内側仮想点
Ｃ１中心線（回転中心，形状中心）

Claims

燃焼室を備えるエンジンであって、
前記燃焼室に連通する吸気ポートが形成されるシリンダヘッド、を有し、
前記吸気ポートは、扁平形状の流路断面を備える上流側の第１流路部と、扁平形状の流路断面を備える下流側の第２流路部と、を備え、
前記第１流路部は、下流側に進むにつれて第１方向に捩られる形状であり、
前記第２流路部は、下流側に進むにつれて前記第１方向とは逆向きの第２方向に捩られる形状である、
エンジン。
請求項１に記載のエンジンにおいて、
前記第１流路部および前記第２流路部に、燃焼室外周部側の流路内壁と流路断面の長軸とが交差する点を外側仮想点として規定し、
前記第１流路部を前記第１方向に捩って流路断面を回すことにより、前記外側仮想点は前記燃焼室から離れる方向に変位する一方、
前記第２流路部を前記第２方向に捩って流路断面を回すことにより、前記外側仮想点は前記燃焼室に近づく方向に変位する、
エンジン。
請求項２に記載のエンジンにおいて、
前記第１流路部および前記第２流路部に、燃焼室中央部側の流路内壁と流路断面の長軸とが交差する点を内側仮想点として規定し、
前記第１流路部を前記第１方向に捩って流路断面を回すことにより、前記内側仮想点は前記燃焼室に近づく方向に変位する一方、
前記第２流路部を前記第２方向に捩って流路断面を回すことにより、前記内側仮想点は前記燃焼室から離れる方向に変位する、
エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
前記第１流路部を前記第１方向に捩る際の回転中心は、前記第１流路部の流路内に存在し、
前記第２流路部を前記第２方向に捩る際の回転中心は、前記第２流路部の流路内に存在する、
エンジン。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
前記第１流路部を前記第１方向に捩る際の回転中心は、前記第１流路部の形状中心であり、
前記第２流路部を前記第２方向に捩る際の回転中心は、前記第２流路部の形状中心である、
エンジン。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンにおいて、
前記吸気ポートは、分岐して前記燃焼室に連通する第１ポート部と第２ポート部とを備え、
前記第１ポート部と前記第２ポート部との双方に、前記第１流路部および前記第２流路部が設けられる、
エンジン。