(57)【要約】【課題】強いタンブル流を生成できる内燃機関を提供する。【解決手段】吸気ポート４の中心線は、シリンダボア１のうち上部でかつ排気ポート５の下方部に向かっている。従って、タンブル流の生成に貢献できる。吸気カーテン面積Ｓを吸気ポート４の最小断面積Ｅで除した数値であるカーテン比は、吸気バルブ６が最大リフトしたときに２を越えている（３以上であるのが好ましい）。吸気行程において吸気バルブ６が最大リフトに至る前に、既にカーテン比は２を越えているため、吸気は、吸気バルブ６の傘部６ｂに邪魔されることなく、シリンダボア１のうち排気ポート５の下方の部位に向けて持続的に噴出する。従って、強いタンブル流を生成できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートと排気ポートとがシリンダボア軸心を挟んだ反対側に形成されているシリンダヘッドと、前記吸気ポートの出口を開閉する吸気バルブとを有しており、前記吸気ポートの開口方向を前記シリンダボアの内周面のうち排気ポートの下方部に向けることにより、前記吸気ポートから噴出した吸気が前記シリンダボアにガイドされてタンブル流が生成される構成であって、
前記吸気バルブの外周長さをＬ、前記吸気バルブのリフト量をＨ、Ｌ×Ｈである吸気カーテン面積をＳ、前記吸気ポートの最小断面積をＥ、Ｓ／Ｅをカーテン比とした場合、リフト量が最大のときの最大カーテン比は２以上であると共に、吸気行程においてカーテン比が２以上に増大する領域が存在している、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は内燃機関に関するものであり、タンブル流の強化技術を特徴としている。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式の内燃機関において、シリンダボアに吸入した吸気にタンブル流を付与すると、燃料と空気との混合性が高まって出力向上や排気ガスの成分悪化防止に貢献できる。そこで、強いタンブル流を生成するために、多くの提案が成されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、吸気ポートに、吸気の流れを上下に区分する隔壁を設けて、隔壁の上方を流れる吸気をできるだけ上向きに流れるように方向付けることにより、特に低速回転域でのタンブル流の強化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１５０３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タンブル流の強化のためには、吸気の流れを拡散させずに、できるだけ方向性（指向性）を持った状態でシリンダボアに向かわせることが重要であるが、特許文献１の構成では、吸気ポートの出口部において吸気の一部に方向性を持たせるだけであるため、タンブル流の強化策としては必ずしも十分でないと解される。
【０００６】
他方、吸気ポートの出口部の面積と吸気バルブのリフト量とについては、吸気バルブの外周長さとリフト量との積であるカーテン面積の概念が知られており、カーテン面積を吸気ポートの出口部の面積で除した値であるカーテン比の概念も知られている。しかし、カーテン比は吸気の流入特性に大きく影響するにもかかわらず、従来は、タンブル流の生成との関係で研究は成されておらず、主として、吸気量の確保の点から考察されていたと云える。
【０００７】
本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、カーテン比の概念を有効利用して、タンブル流を強化できる構成を実現しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明の内燃機関は、
「吸気ポートと排気ポートとがシリンダボア軸心を挟んだ反対側に形成されているシリンダヘッドと、前記吸気ポートの出口を開閉する吸気バルブとを有しており、前記吸気ポートの開口方向を前記シリンダボアの内周面のうち排気ポートの下方部に向けることにより、前記吸気ポートから噴出した吸気が前記シリンダボアにガイドされてタンブル流が生成される」
という基本構成になっている。
【０００９】
そして、上記基本構成において、
「前記吸気ポートの出口の外周長さをＬ、前記吸気バルブのリフト量をＨ、Ｌ×Ｈである吸気カーテン面積をＳ、前記吸気ポートの最小断面積をＥと、Ｓ／Ｅをカーテン比とした場合、リフト量が最大のときの最大カーテン比は２以上であると共に、吸気行程においてカーテン比が２以上に増大する領域が存在している」
という特徴が付加されている。
【００１０】
カーテン比を高くするには、吸気ポートの最小断面積をできるだけ小さくすることと、吸気バルブの最大リフト量をできるだけ大きくすることとの２つの方法があるが、いずれも限度があるため、現実的には、カーテン比を４より大きい値にすることは難しいと云える。従って、最大カーテン比は、３〜４程度が好適と推測される。
【００１１】
タンブル流を持続的に生成するには、吸気行程においてカーテン比が２以上に増大する領域ができるだけ広いのが好ましい。例えば、吸気バルブが最大リフト量に至るまでの時間のうちの２／３までの時間でカーテン比が２を越えると好適である。また、吸気バルブの最大リフト量には限度があるため、カーテン比にも限度があるが、おおよそ、カーテン比が３以内であれば、必要な吸気量を確保しつつ、吸気バルブはピストンとの干渉を回避したリフトを行うことができて、実用上の問題はないとえる。
【発明の効果】
【００１２】
さて、カーテン比の大きさとタンブル比とは、正の相関関係にあると云える。すなわち、カーテン比が大きくなると、吸気が吸気バルブの傘部に邪魔される度合いが低下するため、吸気の直進性・指向性が高まって、タンブル流の生成機能が向上すると云える。
【００１３】
他方、吸気バルブのリフト量には限界があるため、カーテン比を大きくするためには吸気ポートの最小断面積を小さくせざるを得ないが、吸気ポートの最小断面積を小さくすると吸気量が低下するため、従来は、吸気量の確保を優先してカーテン比への注意は払われておらず、特許文献１に見られるように、吸気ポートの形状の改良などでタンブル比の向上を図っていたと云える。
【００１４】
つまり、従来は、吸気ポートの出口面積はできるだけ大きいのが良いという認識の下で、吸気をシリンダボアに押し込みつつタンブル流の生成を図っていたと解されるが、強いタンブル比の向上効果が十分でなかったと解される。
【００１５】
そして、吸気量の確保は必要であるが、吸気量は吸気行程の全体において確保できたら足りるものであり、必ずしも、吸気行程の初期から吸気をシリンダボアに押し込む必要はないと解される。むしろ、吸気行程において吸気を小出し状態でシリンダボアに送り込んで強いタンブル流を生成させると、燃料と空気との混合性（或いは、混合気とＥＧＲガスとの混合性）も向上すると解される。
【００１６】
本願発明はこのような知見と解析とに基づいて成されたものであり、最大カーテン比が２以上であって、かつ、吸気バルブが最大リフト量に至る前にカーテン比は２を越えているため、吸気行程のできるだけ速い段階で、吸気を、吸気バルブの傘部に邪魔されることなく強い指向性（方向性）を持たせてシリンダボアに噴出させることができるのであり、これにより、タンブル流を強化できる（すなわち、タンブル比を向上できる。）。
【００１７】
そして、吸気バルブの最大リフト量は、ピストンとの干渉の問題やカムのプロフィールの制約等によって限度が存在するため、カーテン比を高めるには吸気ポートの最小断面積を小さくする必要があるが、既述のとおり、吸気量は吸気行程の全体で確保したらよいため、吸気ポートの最小断面積を小さくしても、必要な出力を確保できる。
【００１８】
むしろ、吸気行程の広い範囲に亙って指向性の強い吸気流がシリンダボア内に持続的に流入することにより、タンブル流の強化が促進されると云える。つまり、カーテン比が小さいと、吸気行程の初期において吸気が強引に押し込まれて吸気がシリンダボア内で拡散する傾向が強くなるが、本願発明では、方向性を持った吸気流がシリンダボアに持続的に流入するため、ピストンが下死点に至って吸気行程が終了するまで、タンブル流を生成させることができると云える。
【００１９】
既述のとおり、吸気バルブが最大リフト量に至る時間の２／３までの時間でカーテン比が２に達していると、吸気流を維持してタンブル流の生成に好適であると共に、吸気量の確保の面でも好適であった。カーテン比が２を超える領域がクランク角で３０〜９０度の範囲に存在する場合も、同様であった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）は実施形態の縦断正面図、（Ｂ）は要部の部分拡大図である。
【図２】（Ａ）は吸気行程の縦断正面図、（Ｂ）は要部の部分拡大図である。
【図３】吸気行程終了時点の縦断正面図である。
【図４】効果等を示す図であり、（Ａ）は測定位置を示すための平面的な模式図、（Ｂ）は吸気ポート出口面積と吸気バルブリフト量との関係（カーテン比）を示すグラフ、（Ｃ）はリフト量とタンブル比との関係を示すグラフである。
【図５】吸気バルブのリフト量とクランク角との関係であるリフトカーブを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。
【００２２】
(1).基本構造
内燃機関の基本構造は従来と同様であり、複数のシリンダボア１がクランク軸線方向に並べて形成されたシリンダブロック２と、その上面に固定されたシリンダヘッド３とを備えており、シリンダヘッド３には、クランク軸線方向に並んだ一対ずつの吸気ポート４と排気ポート５とが、シリンダボア軸心を挟んだ両側に形成されている。
【００２３】
吸気ポート４の出口４ａは吸気バルブ６で開閉され、排気ポート５の入口５ａは排気バルブ７で開閉される。敢えて述べるまでもないが、吸気バルブ６及び排気バルブ７は、バルブステム６ａ，７ａと傘部６ｂ，７ｂとを備えており、図示しないばねによって閉じ方向に付勢されていると共に、図示しないカムによって押し下げられる。
【００２４】
シリンダヘッド３には、各シリンダボア１と同心の状態で山型（ペントルーフ型）の燃焼室８が形成されており、吸気バルブ６及び排気バルブ７は、燃焼室８の傾斜面と直交した状態で配置されている。また、吸気ポート４の出口４ａには吸気バルブシート９が圧入されて、排気ポート５の入口５ａには排気バルブシート１０が圧入されている。
【００２５】
シリンダヘッド３のうち各燃焼室８の中心部には、点火プラグ１１が装着されている。他方、シリンダボア１には、ピストン１２が摺動自在に嵌挿されている。図示していないが、吸気ポート４のうち入口側の部位には、図示しない燃料噴射インジェクタの先端が臨んでいる。
【００２６】
吸気ポート４は直線状の姿勢になっており、その中心線１３は、シリンダボア１のうち上部でかつ排気バルブ７の下方部に至っている。従って、吸気は、シリンダボア１のうち排気バルブ７の下方部に向けて噴出する。これにより、図３に示すように、吸気行程においてタンブル流１４が生成される。
【００２７】
そして、本実施形態では、吸気ポート４は、入口から出口に向けて断面積が徐々に縮小しているが、吸気バルブ６のステム６ａを逃がす凹所１５が存在することから、吸気ポート４は、凹所１５にかかる箇所において最小断面積Ｅになっている。
【００２８】
(2).タンブル流強化手段
本実施形態において、吸気バルブ６の外径をＤ、吸気バルブ６のリフト量をＨ、Ｌ×Ｈである吸気カーテン面積をＳ、吸気ポート４の最小断面積を既述のとおりＥ、Ｓ／Ｅをカーテン比とした場合、リフト量Ｈが最大のときの最大カーテン比は２以上に設定されており、従って、吸気行程においてカーテン比が２以上に増大する領域が存在している。
【００２９】
具体例として、吸気バルブ６の外径Ｄを１４ｍｍ、吸気バルブ６の外周長さＬを約４４ｍｍ、吸気ポート４の最小断面積Ｅを９８ｍｍ2 、吸気バルブ６の内径を約１０．２ｍｍ、吸気バルブ６の最大リフト量を８ｍｍに設定している。従って、図４（Ｂ）に示すように、最大カーテン比は約３．６になっている。
【００３０】
吸気バルブ６は、図５に示すリフトカーブを描いて開くが、最大リフト量のときにカーテン比が約３．６であるので、吸気行程のうち吸気バルブ６のリフト量が４ｍｍを少し超えた段階で、カーテン比は約２に至っている。
【００３１】
さて、吸気の流れのうちどの程度がタンブル流１４の生成に貢献しているかを、吸気バルブ６のリフト量との関係で解析してみた。前提として、図４に示すように、吸気バルブ６の内周（或いは吸気ポート出口４ａの内周）を３０度ずつプロットして１２個の測定点Ｐ１〜Ｐ１２を設定した。Ｐ１は、隣り合った吸気バルブシート９と最も近接した部位であり、時計回り方向にＰ２，Ｐ３・・・と続いている。
【００３２】
従って、吸気の流れ方向から見ると、Ｐ３〜Ｐ５はバルブステム６ａを挟んで手前に位置し、Ｐ９〜Ｐ１１はバルブステム６ａを挟んで前方に位置し、Ｐ１２〜Ｐ２，Ｐ６〜Ｐ８は、流れの側方に位置している。このことから、Ｐ３〜Ｐ５の箇所を流れる吸気はタンブル流を阻害する流れになる一方、Ｐ９〜Ｐ１１を流れる吸気はタンブル流の生成に大きく貢献し、Ｐ１２〜Ｐ２，Ｐ６〜Ｐ８の部分を流れる吸気は、タンブル流の生成には中立的（貢献も阻害もしない）と云える。
【００３３】
そして、各ポイントの流れが吸気バルブ６のリフト量との関係でタンブル流の生成にどのように関連しているかを示したのが図４（Ｃ）のグラフである。この図４（Ｃ）において、各ポイントでの吸気量の総和は１００になっているが、リフト量の増大に連れて、タンブル流の生成に大きく貢献するＰ９〜Ｐ１１の流量が増大して、他の部位の流量は低下していることが判る。このことから、本実施形態においてタンブル流が持続的に生成されていることを把握できる。
【００３４】
そして、注目すべきは、まず、Ｐ９〜Ｐ１１の流量の増大曲線が、リフト量が３ｍｍ程度に至るまでは急傾斜であるのに、リフト量が３ｍｍを越えると傾斜が緩くなっていて、リフト量に対する流量増大の関係に閾値が存在することである。
【００３５】
また、カーテン比の最大値は約３．６であるので、リフト量が４ｍｍのときにカーテン比は略２（約１．９）になっていると云えるが、これを逆に見ると、リフト量が４ｍｍのときにカーテン比が約２程度になるように設定しておくと、タンブル流の持続的生成が実現して、強いタンブル流を生成できると云える。
【００３６】
上記のとおり、閾値はリフト量が３ｍｍのときに現れているが、解析の誤差を考慮すると、吸気バルブ６の最大リフト量が８ｍｍの場合、リフト量が３〜４ｍｍのときにカーテン比が１．８〜２．０程度になるように、吸気ポートの最小断面積Ｅと吸気バルブ６の外径Ｄとを設定しておいたらよいと云える。
【００３７】
更に、吸気バルブ６が最大リフト量に至る時間とカーテン比との関係を見ると、実施形態では、最大カーテン比は約３．６であるため、リフト量が時間との関係で直線的に増加すると過程すると、リフト量が約４．５ｍｍのときにカーテン比が約２に至るが、持続的なタンブル流生成効果の点からは、最大リフト量に至る時間の２／３程度の時間でカーテン比が１．８〜２に至るように設定しておいたらよいと推測される。
【００３８】
また、カーテン比とクランク角との関係を見ると、吸気バルブ６の開弁角度は約１８０度であるが、カーテン比が約２を超えた領域が３０〜９０度存在しているのが好ましい。
【００３９】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々に具体化できる。吸気量の確保の点からは、吸気バルブの小径化には限度があると云えるので、吸気バルブのリフト量の増大を図るのが得策であるかもしれない。また、吸気バルブのステムはできるだけ小径にするのが好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本願発明は、内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  シリンダボア
２  シリンダブロック
３  シリンダヘッド
４  吸気ポート
４ａ  吸気ポートの出口
５  排気ポート
６  吸気バルブ
８  燃焼室
９  吸気バルブシート
Ｅ  吸気ポートの最小断面積
Ｈ  吸気バルブのリフト量
Ｓ  吸気カーテン面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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