(57)【要約】【課題】排気バルブの重量増を抑制しつつ、燃焼室内におけるガスの流動を良化する。【解決手段】エンジンの燃焼室３に接続される吸気ポート５及び排気ポート７と、排気ポート７の燃焼室３に臨む領域に設けられる環状のシートリング７ａと、シートリング７ａに接離する傘部８ａと傘部８ａから排気ポート７側へ伸びるバルブステム８ｂとを備え排気ポート７を開閉弁する排気バルブ８と、傘部８ａに設けられ排気バルブ８の閉弁状態でシートリング７ａの燃焼室３側の端部のシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に位置する膨出部２０と、傘部８ａの裏面に設けられ排気バルブ８の閉弁状態でシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側へ抉れた裏面側凹部１０と、を備えるエンジンの排気バルブ構造とした。【選択図】図１
2020041486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、
前記排気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングと、
前記シートリングに接離する傘部と前記傘部から前記排気ポート側へ伸びるバルブステムとを備え前記排気ポートを開閉弁する排気バルブと、
前記傘部に設けられ前記排気バルブの閉弁状態で前記シートリングの前記燃焼室側の端部のシートリング端面よりも前記燃焼室側に位置する膨出部と、
前記傘部の裏面に設けられ前記排気バルブの閉弁状態で前記シートリング端面よりも燃焼室側へ抉れた裏面側凹部と、
を備えるエンジンの排気バルブ構造。
【請求項２】
前記膨出部の表面は、前記傘部の周縁部側から前記傘部の頂部側へ向かって直線状に傾斜する部分を備え、
前記直線状に傾斜する部分の傾斜方向は、前記吸気ポートから導入されるガスの前記排気ポート直下での流れ方向に沿っている請求項１に記載のエンジンの排気バルブ構造。
【請求項３】
前記膨出部の表面は、前記傘部の頂部に近づくにつれて前記バルブステムの軸心に直交する軸直交面に対する傾斜の勾配が大きくなる請求項１又は２に記載のエンジンの排気バルブ構造。
【請求項４】
前記膨出部の表面は、前記傘部の周縁部側に直線状に傾斜する傾斜下部と、前記傘部の頂部側に直線状に傾斜し前記軸直交面に対する傾斜の勾配が前記傾斜下部よりも大きい傾斜上部を備える請求項３に記載のエンジンの排気バルブ構造。
【請求項５】
前記傘部は、前記裏面側凹部の内面と前記膨出部の表面とが互いに同心の球面状を成すドーム形状である請求項１に記載のエンジンの排気バルブ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼室内におけるガスの流動を良化するエンジンの排気バルブ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンの燃焼室内に、シリンダボアの軸心方向に沿って流れる縦方向の旋回流であるタンブル流（縦渦）や、シリンダボアの内周面の周方向に沿って流れる横方向の旋回流であるスワール流（横渦）を発生させる種々の技術が知られている。また、近年は、特にガソリンエンジンにおいて、タンブル流による燃焼室内のガスの流動強化を採用する事例が増えている。
【０００３】
燃焼室内における縦方向のガスの流れを強化させる技術としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。この技術では、一般に吸気ポートから燃焼室内に入ったガスが、排気バルブ付近で下向きになることを利用して、排気バルブの傘部の形状を燃焼室側に出っ張らせることで、この下向きのガスの流れを円滑にし、燃焼室内における３次元的なガスの流れの強化を図っている。なお、排気バルブの傘部の形状を燃焼室側に膨出させた構成は、特許文献１以外にも、例えば、特許文献２にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０７１０６号公報（請求項３、明細書段落０００８等参照）
【特許文献２】特開平９−５３４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、排気バルブの傘部の形状を燃焼室側に膨出した形状とすると、バルブの重量が増加するという問題がある。この点、特許文献２では、排気バルブの傘部の裏面側に、排気を排気ポート側へ円滑に誘導する溝（スクリューインペラ）を設けている。しかし、仮に、傘部の裏面に溝を設けたとしても、その溝の形成による部材の体積減は僅かであり、燃焼室側に膨出部を設けたことによる重量増に見合う軽量化を行うには不充分である。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、排気バルブの重量増を抑制しつつ、燃焼室内におけるガスの流動を良化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に接続される吸気ポート及び排気ポートと、前記排気ポートの前記燃焼室に臨む領域に設けられる環状のシートリングと、前記シートリングに接離する傘部と前記傘部から前記排気ポート側へ伸びるバルブステムとを備え前記排気ポートを開閉弁する排気バルブと、前記傘部に設けられ前記排気バルブの閉弁状態で前記シートリングの前記燃焼室側の端部のシートリング端面よりも前記燃焼室側に位置する膨出部と、前記傘部の裏面に設けられ前記排気バルブの閉弁状態で前記シートリング端面よりも燃焼室側へ抉れた裏面側凹部と、を備えるエンジンの排気バルブ構造とした。
【０００８】
ここで、前記膨出部の表面は、前記傘部の周縁部側から前記傘部の頂部側へ向かって直線状に傾斜する部分を備え、前記直線状に傾斜する部分の傾斜方向は、前記吸気ポートから導入されるガスの前記排気ポート直下での流れ方向に沿っている構成を採用することができる。
【０００９】
また、前記膨出部の表面は、前記傘部の頂部に近づくにつれて前記バルブステムの軸心に直交する軸直交面に対する傾斜の勾配が大きくなる構成を採用することができる。
【００１０】
このとき、前記膨出部の表面は、前記傘部の周縁部側に直線状に傾斜する傾斜下部と、前記傘部の頂部側に直線状に傾斜し前記軸直交面に対する傾斜の勾配が前記傾斜下部よりも大きい傾斜上部を備える構成を採用することができる。
【００１１】
また、前記傘部は、前記裏面側凹部の内面と前記膨出部の表面とが互いに同心の球面状を成すドーム形状である構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、排気バルブの傘部に、閉弁状態でシートリング端面よりも燃焼室側に位置する膨出部を備えたので、燃焼室内のガスの流動を良化することができる。また、傘部の裏面に、閉弁状態でシートリング端面よりも燃焼室側へ抉れた裏面側凹部を備えたので、排気バルブの重量増を抑制することができる。さらに、傘部の裏面に裏面側凹部を備えたことにより、排気ポートへ向かうガスが傘部裏面の抉れた部分にも纏わり付くように流れるので、燃焼室からのガスの排出が円滑となり、その結果、燃焼室内のガスの流動の良化にも寄与し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第一の実施形態を示すエンジンの縦断面図である。
【図２】図１の排気バルブが開弁した状態を示す縦断面図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【図４】第二の実施形態を示すエンジンの縦断面図である。
【図５】図４の排気バルブが閉弁した状態を示す要部拡大図である。
【図６】第三の実施形態を示すエンジンの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１〜図３は、この発明の第一の実施形態を示している。
【００１５】
この実施形態のエンジンは、自動車用の４サイクルガソリンエンジンである。エンジンのシリンダ１内にはピストン２が収容されている。シリンダ１の内周面、及び、ピストン２の上面等により燃焼室３が形成されている。また、このエンジンは、燃焼室３内に吸気を送り込むために燃焼室３に接続された吸気ポート５、燃焼室３からの排気を送り出すために燃焼室３に接続された排気ポート７、燃焼室３や吸気ポート５内に燃料を噴射する燃料噴射装置、燃焼室３内に臨む点火装置９等を備えている。
【００１６】
図面では、この発明に直接関係する部材、手段を中心に示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは単気筒であってもよいし、複数のシリンダを備えた多気筒であってもよい。
【００１７】
吸気ポート５の燃焼室３への開口部である吸気弁孔は、吸気バルブ６によって開閉弁される。また、排気ポート７の燃焼室３への開口部である排気弁孔は、排気バルブ８によって開閉弁される。このとき、吸気バルブ６及び排気バルブ８は、それぞれ吸気ポート５、排気ポート７の燃焼室３に臨む領域に設けられる環状のシートリング（バルブシート）５ａ、７ａに接離する。シートリング５ａ、７ａは、吸気ポート５や排気ポート７の燃焼室３側の開口部に圧入固定されている。
【００１８】
吸気バルブ６は、シートリング５ａのバルブ当接部５ｂを弁座として、その弁座に接離する傘部６ａと、傘部６ａから吸気ポート５側へ伸びるバルブステム６ｂとを備える。傘部６ａの裏面（傘裏）の周縁部（フェース）が、バルブ当接部５ｂに接触及び離反することによって、吸気ポート５の吸気弁孔を開閉弁する。
【００１９】
排気バルブ８は、シートリング７ａのバルブ当接部７ｂを弁座として、その弁座に接離する傘部８ａと、傘部８ａから排気ポート７側へ伸びるバルブステム８ｂとを備える。傘部８ａの裏面の周縁部が、バルブ当接部７ｂに接触及び離反することによって、排気ポート７の排気弁孔を開閉弁する。
【００２０】
吸気バルブ６及び排気バルブ８のバルブステム６ｂ、８ｂは、吸気ポート５、排気ポート７の内面に開口する軸挿通部から、シリンダヘッド４内のカムシャフト側へ引き出されている。カムシャフトの回転によって、吸気バルブ６及び排気バルブ８が、所定のタイミングでバルブステム６ｂ、８ｂの軸方向に沿って進退する。ここで、図１は、吸気バルブ６の開弁状態且つ排気バルブ８の閉弁状態を示し、図２は、吸気バルブ６の閉弁状態且つ排気バルブ８の開弁状態を示している。
【００２１】
吸気ポート５や排気ポート７の内面は、シートリング５ａ、７ａ付近から上方へ向かうにつれて、シリンダ１の軸線から遠ざかる方向へやや屈曲しながら伸びている。そして、バルブステム６ｂ、８ｂを支持する軸挿通部付近から先は、斜め上方へ向かって直線状に伸びている。
【００２２】
排気バルブ８に関し、傘部８ａは、その排気バルブ８の閉弁状態で、シートリング７ａの燃焼室３側の端部のシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に位置する膨出部２０を備えている。また、傘部８ａの裏面には、排気バルブ８の閉弁状態でシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側へ凹状に抉（えぐ）れた裏面側凹部１０を備えている。
【００２３】
図３中の寸法Ｌ１（Ｌ１＞０）は、シートリング端面７ｃから、裏面側凹部１０の最も深い位置である裏面側底部１２までの距離である。寸法Ｌ２（Ｌ２＞０）は、バルブ当接部７ｂに対して傘部８ａが当接する範囲の最も排気ポート７側の位置から、裏面側底部１２までの距離である。寸法Ｌ３（Ｌ３＞０）は、膨出部２０の頂部２４から、裏面側底部１２までの距離である。寸法Ｌ４（Ｌ４＞０）は、シートリング端面７ｃから、膨出部２０の頂部２４までの距離である。これらの寸法の符号は、後述の図５、図６においても、対応する位置に同様の符号を採用している。
【００２４】
このように、排気バルブ８に膨出部２０を備えたことから、傘部８ａの表面がシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に出っ張ることとなり、この出っ張った膨出部２０が、燃焼室３内におけるガス、すなわち、混合気のタンブル流形成に寄与する。膨出部２０の表面が、シートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に位置していると、吸気ポート５から導入されるガスがこの膨出部２０の表面に当たって、ピストン２側に向かって下向きに向きを変えやすいからである。タンブル流の形成は、燃焼室３内の筒内流動を強化することによってガスの流動の良化につながり、急速燃焼を実現するための手段の一つとなり得る。
【００２５】
また、排気バルブ８に裏面側凹部１０を備えたことから、傘部８ａの体積が減少するので、燃焼室３側に膨出部２０を設けたことによる重量増分の一部を、又は全部を相殺する軽量化を行うことができる。なお、裏面側凹部１０の形成によって軽量化される重量は、閉弁状態でシートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に位置する部分の膨出部２０に相当する重量よりも、相対的に小さい場合も考えられる。しかし、このような場合であっても、裏面側凹部１０を備えたことによる部材の軽量化の効果は期待できる。
【００２６】
さらに、傘部８ａの裏面が、シートリング端面７ｃよりも燃焼室３側に抉れた形状にすると、燃焼室３から排気ポート７へ向かう排気が、図２に矢印Ｃで示すように、抉れた部分に纏わり付くように流れる。これは、流体力学に関するアンドレードの定理にも合致し、流体の温度と粘度の関係における気体側の性質を活用している。一般に、気体に関しては、高温になるほど粘度が増す傾向があり、液体に関しては、高温になるほど粘度が低下する傾向がある。このため、燃焼室３内のガスが高温になるほどそのガスの粘度が増して、裏面側凹部１０の内面へのガスの纏わり付きが顕著になる。このため、ガスが高温になるほど、裏面側凹部１０の内面からステム外周部１３へ向かってガスの排出が円滑となり、その結果、燃焼室３内のガスの流動の良化にも寄与し得る。
【００２７】
このとき、高温のガスの纏わり付きの作用により、排気バルブ８の部材の温度が上昇しやすい。このため、纏わり付きが発生しない従来の排気バルブ８と比較して、多くの熱量を回収することができる。仮に、排気バルブ８が、部材の内部に空隙を有する中空構造であれば、部材の温度上昇がさらに顕著になるので、熱量の回収効率も上昇する。
【００２８】
この実施形態では、裏面側凹部１０の内面は、図３に示すように、バルブステム８ｂの外周であるステム外周部１３に近づくにつれて、燃焼室３側へ傾斜するすり鉢状の円すい面からなる裏面側傾斜部１１となっている。また、裏面側傾斜部１１とステム外周部１３との間は、円弧状に滑らかに接続された裏面側底部１２となっている。このように、裏面側凹部１０の内面が滑らかであるため、裏面側凹部１０の内面へのガスの纏わり付きが、さらに顕著である。
【００２９】
また、この実施形態では、膨出部２０の表面は、図３に示すように、傘部８ａの周縁部８ｃ側から傘部８ａの頂部２４側へ向かって、直線状に傾斜する部分を備えている。この直線状に傾斜する部分の傾斜方向は、吸気ポート５から導入されるガスの排気ポート７直下での流れ方向に沿っている。すなわち、図１における矢印Ａは、吸気ポート５から導入されるガスの流れ方向である。図１における矢印Ｂは、燃焼室３内におけるタンブル流の流れ方向である。図３に示す例では、膨出部２０の周縁部８ｃ側の矢印Ｄの方向は、図１の矢印Ａと平行であるか、あるいは、平行に近いものとなっている。このため、吸気ポート５から導入されるガスの流れを阻害しにくい。さらに、膨出部２０の表面の周縁部８ｃ側における傾斜方向（矢印Ｄの方向）が、吸気ポート５の軸挿通部よりも先の直線状の部分のポート方向に合致していれば、さらに好ましい。
【００３０】
また、膨出部２０の表面は、膨出部２０の頂部２４に近づくにつれてバルブステム８ｂの軸心８ｄに直交する軸直交面に対する傾斜の勾配が大きくなるように設定されている。このため、その勾配の変化によってガスの流れの向きが変わるので、ガスを下向きに誘導しやすい。
【００３１】
特に、この実施形態では、図３に示すように、膨出部２０の表面は、傘部８ａの周縁部８ｃ側に直線状に傾斜する傾斜下部２１を、傘部８ａの頂部２４側に直線状に傾斜し、且つ、軸直交面に対する傾斜の勾配が傾斜下部２１よりも大きい傾斜上部２２を備える構成となっている。傾斜下部２１と傾斜上部２２とは、勾配変更点２３において接続されている。このため、吸気ポート５から導入されるガスは、膨出部２０の表面に沿って、矢印Ｄから矢印Ｄ’へと、円滑に向きを変えることができる。
【００３２】
ここで、勾配変更点２３は、傾斜面２１、２２同士が折れ点で接続された形態でもよいが、傾斜面２１、２２同士を円弧状の面で滑らかに接続する形態であってもよい。
【００３３】
また、膨出部２０の頂部２４は、軸直交面と平行な面方向を有するフラット面となっているが、この頂部２４の形状を、燃焼室３側に突出する凸状の球面、凸状の円すい面等で構成することも可能である。
【００３４】
吸気バルブ６に関しては、吸気バルブ６の傘部６ａの表面は、従来と同様にフラットな形状となっている。吸気バルブ６の閉弁状態において、傘部６ａの表面は、バルブシート５の燃焼室３側の端部であるシートリング端面と面一である。
【００３５】
この発明の第二の実施形態を、図４及び図５に示す。
【００３６】
この第二の実施形態において、傘部８ａは、裏面側凹部１０の内面（裏面側傾斜部１４）と膨出部２０の表面（傾斜部２５）とが、互いに同心の球面状を成すドーム形状で構成されている。すなわち、この球面状の部分で、傘部８ａは肉厚一定となる。傘部８ａをドーム形状とすることで、周縁部８ｃの或る位置から頂部２４を超えて反対側の周縁部８ｃに至る、軸心８ｄを含む任意の断面において、いわゆるアーチ効果が期待できる。これにより、燃焼室３側からの圧力や衝撃に耐え得る強固な傘部８ａを構成することができる。
【００３７】
特に、シリンダ１を複数備える多気筒エンジンでは、或るシリンダ１の排気圧力波を、他のシリンダ１内で大きく受ける可能性がある。このため、このようなドーム形状の傘部８ａの採用は、多気筒エンジンにおいて特に効果的である。
【００３８】
さらに、このドーム形状の傘部８ａを、薄肉形状とすることも可能である。傘部８ａが薄肉形状であれば、いわゆる膜応力の原理を活用して、薄い肉厚の部材でありながら高い強度の傘部８ａの確保が可能である。また、薄肉形状の傘部８ａの周縁部８ｃは肉厚が薄いので、バルブシート７ａへ付着したカーボン等の異物に対する噛切性がよく、排気バルブ８の開閉弁に伴って付着物を自然に除去し得る効果が期待できる。
【００３９】
このようなドーム形状、さらには薄肉形状の傘部８ａの構成は、排気バルブ８が、膨出部２０と裏面側凹部１０とを合わせて備えることで、初めて実現可能である。
【００４０】
この発明の第三の実施形態を、図６に示す。
【００４１】
この第三の実施形態において、膨出部２０の表面は、膨出部２０の頂部２４に近づくにつれて、バルブステム８ｂの軸心８ｄに直交する軸直交面に対する傾斜の勾配が大きくなるように設定されている。この点は、第一の実施形態と同様である。
【００４２】
ただし、膨出部２０の表面（傾斜部２６）は、第一の実施形態のような直線状の勾配である傾斜部２１、２２や勾配変更点２３を有しておらず、頂部２４に近づくにつれて勾配が大きくなる円弧状の面で構成されている。勾配は、頂部２４に近づくにつれて大きくなるように連続的に変化している。
【００４３】
裏面側凹部１０の内面（裏面側傾斜部１１）も同様に、ステム外周部１３に近づくにつれて勾配が大きくなる円弧状の面で構成されている。裏面側傾斜部１１とステム外周部１３との間は、第一の実施形態、第二の実施形態と同じく、円弧状に滑らかに接続された裏面側底部１２となっている。
【００４４】
上記の各実施形態において、吸気バルブ６及び排気バルブ８は通常は鍛造により製造されるが、強度が確保されるのであれば、鍛造以外の製造方法によるものであってもよい。また、例えば、複数の部材を別々に成型して、それらを一体化する手法も考えられる。特に、ドーム形状、薄肉形状の傘部８ａを有する排気バルブ８を採用する場合は、ドーム形状、薄肉形状に成型された傘部８ａに、軸状のバルブステム８ｂを接続して一体化する手法を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４５】
３  燃焼室
５  吸気ポート
６  吸気バルブ
７  排気ポート
７ａ  シートリング
７ｃ  シートリング端面
８  排気バルブ
８ａ  傘部
８ｂ  バルブステム
８ｃ  周縁部
８ｄ  軸心
１０  裏面側凹部
２０  膨出部
２１  傾斜下部
２２  傾斜上部
２３  勾配変更点
２４  頂部
２５、２６  傾斜部
【図１】
2020041486.tif 000003
【図２】
2020041486.tif 000004
【図３】
2020041486.tif 000005
【図４】
2020041486.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020041486.tif 000008