(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン用のシリンダーヘッド（１０）であって、
デッキ表面（８９A）と、
第１および第２の楔状部分（６６、６９）を有する燃焼室（６５）と、
前記楔状部分（６６）を貫く第１の弁ポート（６８）と、
前記第１の弁ポート（６８）に設けられ、前記デッキ表面（８９A）に対して第１の角度（αA）に位置づけされる第１の弁シート（７１）と、
前記第２の楔状部分（６９）を貫く第２の弁ポート（７０）と、
前記第２の弁ポート（６９）に設けられ、前記デッキ表面（８９A）に対して第２の角度（αB）に位置づけされる第２の弁シート（７６）と、
から成り、
前記第２の角度（αB）が前記第１の角度（αA）より小さく、
当該シリンダーヘッドが、さらに、前記第１の楔状の部分（６６）の弁ポート（６８）を通して燃焼室（６５）からの排気流を送る排気路（８５）を含み、
前記排気路（８５）が、排気流を制限するために制限手段を、前記第１の弁ポート（６８）を貫く前記弁シート（７１）の下流直後の隣接した位置に含み、
前記排気路にある前記制限手段が前記第２の弁ポート（７０）に近接する前記排気路（８５）側にある弦状の表面（９１）を含む、
ところのシリンダーヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、
前記排気路（８５）上で作用する前記制限手段がさらに、前記燃焼室（６５）の側壁（９０）を含み、
前記側壁（９０）が前記第１の弁ポート（６８）に近接し、かつ前記弦状の表面（９１）と直径方向反対側に位置する、
ところのシリンダーヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、
前記第１の弁ポート（６８）が排気弁ポートであり、前記第２の弁ポート（７０）が吸気弁ポートであり、
前記シリンダーヘッド（１０）が縦軸線（９３）を有し、
前記排気ポート（６８）の複数が前記縦軸線（９３）と整合し、
前記吸気ポート（７０）の複数が互いに整合するが、前記排気ポート（６８）に対して横方向にオフセットしている、
ところのシリンダーヘッド。
【請求項４】
請求項１に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、さらに、
燃料／空気流を燃焼室（６５）の前記第２の楔状部分（６９）を貫く弁ポート（７０）を通して送る吸気路（８３）と、
燃料の液滴を有し、これを運ぶ燃料／空気流の速度を増加させるための、前記吸気路（８３）に組み込まれる速度増加手段（９９）と、
該速度増加手段（９９）の下流にある隆起手段（９６）と、
液滴を微細化するために、燃料／空気流内の燃料の液滴の少なくとも一部が衝突するように、前記隆起手段（９６）から出現し、燃料／空気流と整合する反応面（１００）と、
を有するところのシリンダーヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、さらに、
前記反応面（１００）の下流で、前記隆起手段（９６）から出現するナイフ状の縁（９８）を有し、
前記ナイフ状の縁が、燃料／空気流と相互作用し、噴霧化するシェアリング作用を誘導する、ところのシリンダーヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、さらに、
前記隆起手段（９６）の下流に位置し、前記ナイフ状の縁（９８）に隣接するポケット（１０１）を有し、
前記ポケット（１００）が、前記隆起手段（９６）との相互作用により噴霧化された燃料を燃料／空気流に混合するために乱流を誘導する、ところのシリンダーヘッド。
【請求項７】
請求項６に記載のシリンダーヘッド（１０）であって、さらに、
燃焼室（６５）からの排気流を前記第１の楔状部分（６６）の弁ポート（６８）を通して送る排気路（８５）を有し、
前記排気路（８５）が、前記第１の弁ポート（６８）を貫く前記弁シート（７１）に隣接し、かつ下流の位置に、前記遷移面取り手段（１１０）を含む、ところのシリンダーヘッド。
【請求項８】
内燃エンジン用のシリンダーヘッド組立体（１０）であって、
デッキ表面（８９A）を有するエンジンヘッド（９２）と、
それぞれが第１および第２の楔状部分（６６および６９）を有する複数の燃焼室（６５）と、
前記第１の楔状部分（６６）の排気ポート（６８）を通して前記第１の楔状部分と連通する排気路（８５）と、
前記排気ポート（６８）を取り囲む弁シート（７１）と、
前記第１の楔状部分と関連する排気弁手段（７３）と、
前記楔状部分（６９）の吸気ポート（７０）を通して前記第２の楔状部分（６９）と連通する吸気路（８３）と、
前記吸気ポート（７０）を取り囲む弁シート（７６）と、
前記第２の楔状部分（６９）と関連する吸気弁手段（７８）と、
前記排気弁手段（７３）および吸気弁手段（７８）を作動するための、前記エンジンヘッド（１０）に作動的に配置されるプッシュ（３５、３６）並びにロッカーアーム（４５）と、
から成り、
各排気弁手段（７３）が、前記燃焼室（６５）と前記排気路（８５）との間の流れを制御するための、前記第１の楔状部分（６６）の前記排気弁シート（７１）と共働して相互作用する弁ヘッド（７４）を有し、
前記各排気弁手段（７３）がまた、前記デッキ表面（８９A）に対して第１の所定の角度（αF）に位置する縦軸線（８６）上に、前記エンジンヘッド（１０）に滑動可能に取り付けられる弁軸部分（７５）を有し、
各排吸気弁手段（７８）が、前記燃焼室（６５）と前記吸気路（８３）との間の流れを制御するための、前記第２の楔状部分（６９）の前記吸気弁シート（７６）と共働して相互作用する弁ヘッド（７９）を有し、
前記各排気弁手段（７８）がまた、前記デッキ表面（８９A）に対して第２の所定の角度（αE）に位置する軸線（８８）上に、前記エンジンヘッド（１０）に滑動可能に取り付けられる弁軸部分（８０）を有し、
前記第２の所定の角度（αE）が前記第１の所定の角度（αF）より小さく、
前記排気弁手段（７３）の前記弁軸（７５）が互いに共通面にあり、前記吸気弁手段（７８）の前記弁軸（８０）がまた、互いに共通面にあるが、前記排気弁軸（７５）が前記吸気弁軸（８０）に関して共通面にない、
ところのシリンダーヘッド組立体。
【請求項９】
請求項８に記載のシリンダーヘッド組立体（１０）であって、
前記吸気路（８３）が、
燃料の液滴を有し、これを運ぶ燃料／空気流の速度を増加させるための、前記吸気路（８３）にある速度加速手段（９９）と、
前記燃料／空気流の速度を増加させるために、前記速度増加手段（９９）の下流にある隆起壁手段（９６）と、
を含み、
前記隆起壁手段（９６）が、
燃料／空気流内の燃料の液滴と相互作用し、シェアリング作用を誘導するために、燃料／空気流の中心と実質的に整合する、
ところのシリンダーヘッド組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載のシリンダーヘッド組立体（１０）であって、
前記排気路（８５）が、前記排気シート（７１）に隣接するが、前記排気弁手段（７３）の下流の位置に形成される遷移面取り手段（１１０）を含む、ところのシリンダーヘッド組立体。
【請求項１１】
内燃エンジン用のシリンダーヘッド組立体（１０）であって、
デッキ表面（８９A）を有するエンジンヘッド（９２）と、
複数の燃焼室（６５）と、
前記各燃焼室（６５）と連通する少なくとも一つの吸気ポート（７０）と、
前記各吸気ポート（７０）を通して燃料／空気流を送る吸気路（８３）と、
燃料の液滴を有し、これを運ぶ燃料／空気流の速度を増加させるための、前記吸気路（８３）に組み込まれる速度増加手段（９９）と、
該速度増加手段（９９）の下流にある隆起手段（９６）と、
液滴を微細化するために、燃料／空気流内の燃料の液滴の少なくとも一部が衝突するように、前記隆起手段（９６）から出現し、燃料／空気流と整合する反応面（１００）と、
から成るシリンダーヘッド組立体。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシリンダーヘッド組立体であって、さらに、
前記反応面（１００）の下流で、前記隆起手段（９６）から出現するナイフ状の縁（９８）を有し、
前記ナイフ状の縁が、燃料／空気流と相互作用し、噴霧化するシェアリング作用を誘導する、ところのシリンダーヘッド組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃エンジンに関し、特に、このようなエンジンの高性能特性を確実にするシリンダヘッド組立体に関する。特に、本発明は、改良された燃料／空気質量流量、燃焼室に流入するときに燃料の気化状態を維持することを促進する新規の吸気流路と協調的に相互作用するために、燃焼室内に弁の独特の配置と独特の弁の角方位とを有し、対応して改良した燃料の経済性及びパワー送出を有する、シリンダヘッド形状に関する。
【０００２】
【従来技術及び発明の解決しようとする課題】
エンジン製造会社に支援された高性能エンジンが、相手先商標製造会社（O.E.M.）のエンジンから入手可能なものよりも高性能のものを単に所望する個人並びにオートレース愛好者たちにより要求される。しかし、一般に、高性能エンジンは、自動車エンジン、自動車構成要素、及び潤滑剤製造会社の大手製造会社と直接的に関連のないレースチーム又は個々の自動車所有者の手には入らない。そのため、低予算のレースチームや個人は、好適に低コストで標準的に製造されたエンジンを改造することのできる標準的に製造されたエンジンを使用する。
【０００３】
エンジン製造会社は、一般的なルールとして、高性能レースエンジンを大量生産しない。製造される高性能エンジンは特注であり、したがって比較的高価である。その結果、オートレース愛好者は一般に、専門店又は製造会社から適当なコストで入手可能な構成要素で製造エンジンを改造する。最も一般的に改造されるエンジン構成要素は、ヘッド、弁トレイン構成要素（例えば、カムシャフト）、ピストン及びスルーロッドであり、これら構成要素は、小さい専門製造会社から容易に入手可能である。しかし、シリンダヘッド及びその構成要素は性能を改良させるのに最も一般的な製品である。
【０００４】
高性能シリンダヘッド設計では一般に、燃料／空気質量流量；燃料／空気混合気；及び圧縮を容易又は増加させるように働く特別な形状の室が組み入れられる。このため、ヘッド室には、半球状又は楔状の形状が使用され、ピストンヘッドに関してある角度で燃焼室の内外に線形的に移動する弁動作のために十分な室を設けてきた。弁開閉の程度及び迅速性と同様に弁の大きさは、シリンダ内に取り込まれる空気量に一定の影響を与える。燃焼中にシリンダ内で利用するためにシリンダ内に吸入される燃料／空気混合気の量は、エンジンの最大動作速度及びパワー促進において顕著な影響を与えるので、弁開閉特性は慎重になされる。
【０００５】
１つの特別に成功した高性能ヘッドの改良は、１９８７年８月１８日にスミスら（Smith et al）によって発行された米国特許第４６８６９４８号によって知られる。本発明の譲受人により所有される米国特許第４６８６９４８号は、平坦な急冷表面を有する楔形状燃焼室を有するエンジンヘッドを説明する。これに説明される楔形状の燃焼室は、改良した燃費及び高いブレーク馬力となる。
【０００６】
米国特許第４６８６９４８号に説明されたヘッドの吸気路は、噴霧化した燃料の流量を改良し吸気弁の周りで連続的にその流れを方向付ける吸気弁付近で速度増加制限手段を有する。この構造的配列の結果は、流入する空気の量を有害的にもたらすことなく、流入する燃料の装入量の速度を増加させる。この特許及び他のものは、主に燃燃焼室の楔形状の改良に向けられてきた。
【０００７】
本発明の譲受人に所有され、スミスら（Smith et al）によって１９９０年４月２４日に発行された米国特許第４９１９０９２号は、改良した吸気路と共に吸気弁付近に位置した金属質量ビルドアップ（buildup）を使用し、燃料／空気チャージ量を螺旋状の流れパターンで室内に吸い込むことを開示する。米国特許第４９１９０９２号で説明された吸気路は、排気弁から遠隔の位置において吸気弁を通じて濃い燃料／空気混合気を吸い込むのに有用である一方で、排気弁近傍に位置した吸気ポートの部分を通じて薄い燃料／空気混合気を導入する。この配列は、当然に、掃気（つまり、弁オーバーラップの間（つまり吸気及び排気弁が共に同時に開放される時間周期の間）吸気と排気弁との間を直接的に通過する燃料）を制限することを意図としている。
【０００８】
完全に噴霧化されず室に送り込まれたときに圧縮行程前に一般に掃気される燃料の液的を燃料／空気混合気がいくらか含んでいて、利用できるエネルギーに制限を与えていることは周知である。他の従来技術の教示は、本発明の譲受人により所有され１９９１年１２月３１日にスミスら（Smith et al）によて発行された米国特許第５０７６２２４号で見られる。その米国特許第５０７６２２４号は、吸気弁の吸気路上流に、吸気弁の加熱壁又は床に向けて燃料の重い液滴を方向付ける弦状の丸いボスを有するところの高性能ヘッドを開示する。燃料液滴は、加熱壁に衝突すると噴霧化されるであろう。米国特許第５０７６２２４号の構造の動作は、吸気マニフォルドの壁を通じた熱伝導に従い、所望の熱伝達を補助するために、経路を通じて排気ガスが循環し得るような経路が設けられる。
【０００９】
上述した特定的な特許を含む従来技術は全て、共面的な関係で配列された吸気及び排気弁を有する。付加的に、弁ヘッドの中心は、弁が閉じるときのピストンの往復運動軸に沿った縦方向の平面に整列される。弁は、縦方向の平面に関して共通の角度、一般に２３゜の角度で配列される。この弁の角度は、燃焼室に入出する間に燃料／空気混合気の方向付けの補助をする付加物質（added material）を許容するのに必要な空間を与える。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、改造及び改良した一般の楔形状の燃焼室を有する改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、燃焼室に流入する燃料の噴霧化を確実の行う改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１２】
本発明のその他の目的は、所望のときに軸出力を十分に増加することのできる改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１３】
本発明のその他の目的は、掃気の損失を減少させた、上記のような改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１４】
本発明のその他の目的は、非共面軸での往復運動のために配列した吸気弁及び排気弁を使用する、上記のような改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１５】
本発明のその他の目的は、ピストンヘッドに対して最も効率的且つ有効的な燃焼生成力を最大にする場所及び角方位においてスパークプラグを位置決めできる、上記のような改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１６】
本発明のその他の目的は、オーバーラップ間の排気ポートへの燃料／空気混合気の掃気を減少させることによって燃焼室の霧化し燃料の改良した保持をもたらす、上記のような改良したシリンダヘッドを提供することである。
【００１７】
本発明のその他の目的は、上述の目的に従って、上記のような改良したシリンダヘッドを提供することであり、改良したシリンダヘッドは、在来のヘッドと直接的に交換可能であり、改良したシリンダヘッドを受け取るエンジンの性能を改良することができる。
【００１８】
本発明のこれら及び他の目的、及び在来及び従来のものにわたるその利点は、以下に説明によって明らかであり、後述及び特許請求の範囲の手段によって達成される。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
吸気燃料／空気チャージ量の減少した掃気を提供するために、排気弁と異なる角度で吸気弁を配列することを見いだした。これは、独特の形状を、ヘッドに形成されるほぼ楔形状の燃焼室に採用することによって達成される。本発明を実施したシリンダヘッドにおいて、吸気弁は、ピストンの往復運動軸線と一致する平面に関して約１３度の角度でその弁軸が配列されるが、排気弁は、Ｏ．Ｅ．Ｍ．ヘッドと共通する同一の基準平面に関して約２３度の角度となる。この角方位配置は、ヘッド及びエンジンブロックにおいてピストン及びデッキ又は取付表面の上面に関して弁ヘッドの角度を平坦にする。ピストンのヘッド表面に関する吸気弁の角度配置は、所望の圧縮比の維持を許容し、エンジンの動作中に弁のクリアランスを保ち、燃焼室内への燃料／空気質量の所望の流量を達成する。
【００２０】
シリンダヘッドのほぼ楔形状の燃焼室の改良した形状によって達成される弁の上述の角度配置は、プッシュロッドの角度を改良する。これは、新規のカムシャフトを必要としない改良したシリンダヘッドにおいて付加的であり期待していなかった経済的な有益性を提供する。
【００２１】
ヘッド組立体はオーバーヘッド弁、吸気マニフォルドが中心に接続されるところの種々のプッシュロッド、及びシリンダヘッドの片側からなる。Ｖ−８型エンジンにおいて、吸気マニフォルドは“Ｖ”字の中心へ向かうヘッドに接続され、便利上、この接続がヘッドの“前方”であるように示される。排気マニフォルドはヘッドの外側又は後方と接続する。
【００２２】
シリンダの各々の弁シートはまた、その通常のインラインの配列からオフセットされる。オフセット配列は、シリンダヘッドにおいて吸気弁と隣接した壁又は楔状の凹所又は燃焼室との間でクリアランスを最大にするだけでなく、排気ポート近傍の楔壁のシュラウド（shroading）効果を最大にする。ヘッド内の排気路は、例えば吸気及び排気ポートが最も近接しているところの場所や排気弁シートの下流近傍の弦状領域の形状のようなところに流量制限手段が設けられる。再位置決めされた弁及び排気流量制限手段は、吸気ポートと排気ポートとの間で交差する流れの掃気を最小にするが、弁の十分な再位置決めにおいて、交差する流れが、流量制限手段を使用することなく最小にされる。吸気弁の変化した角度配列は、吸気弁とピストンヘッドとの間のクリアランスを最小にする。
【００２３】
弁軸と同じでない各度によって達成された一つの有益性は、一層の燃料／空気チャージ量が圧縮のためのシリンダ内に残されるということである。つまり、弁オーバーラップ中に起こる掃気が最小にされる。この燃料チャージ量の維持は、当然に圧縮に利用されるチャージ量を増加させる燃料／空気質量の増加した流量と等しくされることではない。しかし、燃料／空気質量の増加した流量が、排気システム内に掃気される燃料／空気混合気の量を増加させる。掃気は、排気マニフォルドにおいて熱生成を増加させ、冷却を増加させる必要がある。よって、本発明は、排気加熱を増加せずに、シリンダ内に残る燃料／空気装入量を改良する。この結果は、エンジン効率を増加させ、燃費を改良させる。
【００２４】
維持を向上させ、掃気を減少させる本発明の他の構造的態様がある。独特の形状でほぼ楔形状の燃焼室は、排気ポートがほぼ楔形状の燃焼室の一方の壁の付近に位置されることを許容し、排気ポート側が覆われる（シュラウド）。この排気ポート側の覆い、またはシェラウドは、排気ポートへの排気ガスの周辺流量を高める。上記のような制限は、所望されるか又は要求されると、シュラウドの直径方向反対側で排気ポートに付加され、よって、排気ポートのこの側が吸気ポートに最も近い。この流量制限はまた、使用されると、排気流れの速度を増加させ、排気ポートへの周囲の流量を高め、先んずる半径方向の流量を最小にする。半径方向の流量を最小にすることは、吸気ポートから直接的に排気ポートへのいかなる掃気流量をも減少させ、燃焼室へ流入する燃料／空気チャージ量の最大量の制限に寄与する。
【００２５】
吸気及び排気弁を再位置決めすることは、エンジンの吸気ストローク中にシリンダに流入する燃料／空気質量を増加させる吸気ポートを覆わない（シュラウドしない）。弁の再位置決めはまた、スパークプラグの改良した配置を許容する。本発明の独特の燃焼室及び弁の位置決めで、スパークプラグはヘッドに配置され、縦方向の軸線がピストンが上死点（top-dead-center）前の３０度の角度にあるときにリストピン及びピストンの縦方向の平面に沿ってピストンヘッドを横切る。燃料／空気混合気がスパークプラグによって点火されると、この角度がフレーム伝達中にピストンヘッドにわたって実質的な一様な圧力付加を与えることがわかった。
【００２６】
上述の従来技術の改良と同様に、燃料／空気チャージ量で伴出された液体燃料のいくらかの液滴が常に存在する。燃料液滴は、吸気路内の最小圧力を画成する点の軌跡に沿って流れるように現れる。燃料／空気流での液体燃料の量を減少させるために、圧縮チャンバ内に流入する前に直ちに燃料の噴霧化に寄与するという他の特徴が、吸気燃料路内のヘッドに組み入れられる。特に、スロート（throat）又はチョーク（chork）の特質の流量制限手段が吸気路に位置する。燃料／空気混合気は、周知のように、流れる燃料／空気質量の中心での圧力を減少させるチョークを通過するときに速度を増加する。したがって、質量内の燃料液滴は流れの中心で流れる。
【００２７】
チョークの下流で、燃料／空気流は、吸気ポートの直前で鋭く角度的な方向変化を受ける。ナイフ状縁の隆起物が、燃料／空気質量にかかる方向の角度的変化を丁度越えて、その流れの中心と整合するように位置する。液滴の高い慣性のため、噴霧化した燃料と比較すると、液体小滴は、大きい角度への方向変化に抗し、隆起物に衝突する。この衝突自体が、燃料／空気混合気内に懸濁した燃料の液滴を遮断する。最小隆起物の組み入れで燃料の経済性が増加されるが、最大にされた隆起物でパワー出力が燃料の経済性と共に顕著に増加される。
【００２８】
微細化された燃料の液滴は次いで隆起物のナイフ状縁を横切って燃料の液滴を一層にシェアリングし、噴霧化する。微細及びシェアリングされた液滴は次いで、ナイフ状縁を横切って流れる燃料／空気質量のパターンによって創られる乱流ポケット又は渦に捕らえられる。乱流の流れパターンはさらに燃料を噴霧化させ、液体状の燃料の最小量が燃焼室に達する。この独特の構成の結果、燃料／空気混合気が最も効果的な燃焼の良好な条件であるだけでなく燃料の液滴が存在するときに燃料が掃気され得る。
【００２９】
従来技術と異なって、本発明は、マニフォルド又はヘッドに加熱路を要しない。このような加熱が噴霧化を促進させるが、本発明は、このような作用を要しない。実際に、燃焼室に流入する燃料／空気チャージ量の温度を増加させることは、燃焼によって利用できるエネルギーを減少させる。従って、低温で燃料／空気混合気を導入することが燃焼中の温度を大きく変化させ、したがって大量のエネルギーを与えてピストンを駆動する。よって、本発明で達成される改良した燃料の霧化は、燃料／空気混合気から一層のエネルギーを提供し、エンジンの暖気運転後のみよりもむしろエンジンの開始運転で直ちに利用でき、改良した排出特性になる。
【００３０】
本発明は吸気弁の角度の変化を含むが、改良したシリンダヘッドは、改造することなしに、ジェネラル・モータース・コーポレイションやフォード・モーター・カンパニーのような大手自動車製造会社によって製造されてきた新旧の標準的なエンジンブロックに合う。シリンダヘッドを存在させるための改良したシリンダヘッドの交換が、古いヘッド自体及び弁を除いて、標準の部品のいかなるものをも配列させることなく達成される。
【００３１】
本発明に最も近い当業者に明示するために、本発明を実施するために意図された最も良好な携帯を示す高性能ヘッドの好適及び変形的な実施例が、本明細書の一部分をなす添付図面を参照することによって説明される。例示する高性能ヘッドは、本発明が実施され得るあらゆる変形形状及び変更物を示してはいないが、詳細に説明される。ここで説明され示される実施例は図示的であり、当業者にとって、本発明の精神及び範囲内に種々の方法で変更され、本発明が本明細書の説明ではなく特許請求の範囲によって画成されるは明白である。
【００３２】
【実施例】
本発明の思想を実施した高性能の一代表例が図５から図１３において符号１０により一般的に示されている。改良されたヘッド１０と従来技術に従った典型的な高性能のヘッドとの間の構造的な違いについて理解を容易にするために、従来技術の体表的なシリンダーヘッド２０の略示図が図１乃至図４に示されている。
【００３３】
典型的な従来技術のヘッドの説明
従来技術のヘッド２０において、吸気弁２３（図３）の弁軸２１および排気弁２５（図４）の弁軸２４はシリンダーヘッド２０（図１および図２にはほとんど明らかであるが）に沿って整合した共通平面内に配置されている。図３および図４によく示されているように、弁軸２１および２４の縦方向の中心線が共に、符号２６により示された共通する第１の平面に整合して位置する。弁２３および２５が共に閉位置にあるとき、符号２８により表される共通する第２の平面が、各ピストン３０が往復運動する縦軸線を通過し、各ピストン３０とそれぞれのスローロッド３３とを連結するリストピンの縦軸線に沿っている。第２の平面は吸気弁２３のヘッド２７の表面で、かつ排気弁２５上の表面２９で第１の平面を横切る。よく知られているように、スローロッド３３はヘッド２０を含むエンジン（図示せず）のクランク軸３４に連結されている。
【００３４】
弁２３および２５が各カムローブ３８および３９により駆動する各プッシュロッド３５および３６により力が加えられ、開く。そのローブは適当な弁軸２１および２４に対してロッカーアーム４５を蝶動（pivot)するためにカムシャフト４０に設けられている。弁軸２１および２４はヘッド２０のブシング４１内で往復運動するように滑動可能に配置され、各弁２３および２５は個々の圧縮弁スプリング４３により図示のように閉位置へと押し付けられる。在来のキーパー組立体４４により各弁スプリング４３が各弁軸２１および２４に着脱自在に取り付けられ、固定スプリングシート４７と弁軸２１および２４に支承されたキーパー組立体４４との間にスプリング４３が位置し、偏倚作用を行う。弁キーパー組立体４４は周知のもので、エンジンの設計者にはこのような装置が組立られるときにさまざまな形をとるものとして知られている。
【００３５】
各ロッカーアーム４５は取り付けボス５４内に取り付けられたスタッド４６によりヘッド２０上に枢着されている。よく知られているように、各ロッカーアーム４５はプッシュロッド３５または３６により係合した、実質的に半球状のシート４９を有する。各ロッカーアーム４５はまた、関連して動作する弁軸２１または２４の上端と接触する丸くなった起動面５０を有する。ナット５１がスタッド４６上にロッカーアーム４５を留め付け、従来から知られているように、ブシング４８と共同し、弁のがたを制御する。ロッカーアームを支持スタッドに調節可能に取り付けるための機構が長期間使用されるが、ここでその構成、動作のさらなる説明は必要ないであろう。
【００３６】
プッシュロッド（組立体）３５および３６はそれぞれ、スタッド４６から支持され、かつ第２のナット５７により適所に取り付けられた複数の分岐ブラケット５３により安定化されている。
【００３７】
従来技術のシリンダーヘッド２０は複数の楔形の燃焼室５５（シリンダー５６当たり一つの室）を有する。各楔形燃焼室が一つの吸気弁２３および一つの排気弁２５を収納する。各燃焼室５５にはまた、スパークプラグ５８が設けられている。図示の通り、楔形燃焼室５５は、スパークが選択的に発生するプラグ５８の間隙５９に露出する。吸気弁２３が回転カムシャフト４０上のロブ３８により選択的に開放されるときに、吸気路６０から楔型燃焼室５５を通ってシリンダー５６に導入される燃料／空気チャージ量をスパークが点火する。
【００３８】
燃料／空気チャージ量がスパークプラグ５８により点火されると、ピストン３０はシリンダー５６内で膨張するガスにより下死点へと駆動される。ピストン３０のこの動きはエンジンの動作サイクル内の駆動（爆発）ストロークを構成する。駆動ストロークの間、よく知られているように、エンジンはエンジンカムシャフト３４にトルクを伝える。実質的に、下死点、または僅か前で、排気弁２５が、ピストン３０がエンジンサイクルの排気ストロークの間に上死点へと移動するときに、燃焼済みガスを排気路６１を通してシリンダー５６から追い出すことを可能にするためにカムロブ３９により開く。
【００３９】
一般的に、排気ストロークに沿って上死点で、吸気弁２３および排気弁２５は両方とも非常に僅かな重なる期間（オーバーラップ）の間開く。このような両方の弁の開放により、確実に、燃焼済みガスが最大量追い出され、吸気ストロークの間にシリンダー５６内に次の燃料／空気チャージ量を可能な限り早く導入することを促進する。吸気弁２３は全吸気ストロークの間に開く。ピストン３０が吸気ストロークの端部で下死点を通過したとき、吸気弁２３は、弁スプリング４３の作用、および適切な吸気ノブ３８の方向により閉じる。次に、吸気ストロークの間にシリンダー５６内に導入される燃料／空気チャージ量は、ピストン３０が圧縮ストロークの間に上死点へと移動するときに圧縮される。ピストンが上死点に達する前に、スパークプラグ５８は新鮮な燃料／空気チャージ量の点火を開始するために“点火”する。スパークプラグ５８が点火する正確な時間は、吸気路６０内での燃料／空気混合気の圧力レベルおよびエンジンスピードのような多くの要因により決定される。エンジンを設計する当業者はこれら手順を完全に精通しているであろう。
【００４０】
改良されたシリンダーヘッド
図５、６、７、８、９および１０は本発明に従って構成されたエンジンヘッド組立体１０を示している。エンジンヘッド組立体２０の多くの要素は改良されたシリンダーヘッド１０に利用される。このような要素はロッカーアーム４５、プッシュロッド３５および３６、並びにスパークプラグ５８のように同じ名称で含まれる。同様に用いられ、図５乃至図１４に現れる要素は図１乃至図４において使用された同じ符号により指定される。したがって、このような要素の構成および機能の説明は以下の説明の間繰り返す必要はないであろう。
【００４１】
ヘッド１０は、排気ポート６８を有する排気楔状部分６６および吸気ポート７０を有する吸気楔状部分６９により作られている。楔状部分６６および６９は以下で説明する重要な理由で、従来技術がそうであったように共通面とはなっていない。排気楔状部分６６（図１１）は、弁ヘッド７４および軸部分７５を有する排気弁７３と共働するために、排気ポート６８を取り囲む排気弁シート７１を有する。吸気楔状部分６９（図９）も同様に、弁ヘッド７９および軸部分８０を有する吸気弁７８と共働するために、吸気ポート７０を取り囲む吸気弁シート７６を有する。従来技術のシリンダーヘッド２０に使用された排気および吸気弁２５および２３を、改良されたヘッド１０のそれぞれの弁７３および７８で置き換えることは絶対に必要というわけではない。しかし、多く高性能エンジンにおいて、改良された冷却および縮小慣性のために特別な弁を使用することが望ましい。
【００４２】
それぞれの弁シート７１および７６の異なる直径と整合するために異なる直径をそれぞれ有する排気および吸気弁７３および７８のヘッド７４および７９は、切頭円錐形である。排気弁シート７１は、排気弁ヘッド７４の切頭円錐リム８１と共働して、燃焼室６５をシリンダーヘッド１０の排気路８５から密封する。吸気弁シート７６も同様に、吸気弁ヘッド７９の切頭円錐リム８４と共働して、燃焼室６５をシリンダーヘッド１０の吸気路８３から密封する。図示のように、向かい合う切頭円錐形のそれぞれのベースは、弁７３および７８が選択的に開放されるときに、弁ヘッド７４および７９のそれぞれをそれぞれの楔状部分６６および６９内に移動させるために、燃焼室６５に近似した形状の側面にある。
【００４３】
図８乃至図１１によく示されているように、排気弁７３の縦方向、または往復運動軸８６は第２の面２８（ピストン３０が往復運動する沿った面）に角度αA（これは約２３度のオーダーが好適である）で交差し、吸気弁７８の縦方向、または往復運動軸８８は第２の面２８（ピストン３０の往復運動方向に沿った面）に角度αB（これは約１３度のオーダーが好適である）で交差する。このように、弁軸７５および８０の間の角度の不一致は角度αC（これは約１０度のオーダーが好適である）で指定される。この角度の違いを実施するために、ほぼ楔形の室６５の吸気楔状部分６９はヘッド１０上のデッキまたは取り付け面８９Aに関して浅い角度をつけて形成されている。これにより、吸気弁７８は排気弁７３に対して傾斜することができる。従って、シリンダーヘッド１０上のデッキ８９Bに対して吸気弁７８の弁ヘッド７９の向きを有効に平らにすることにより、ピストン３０が上死点に近づくとき吸気弁７８が開いたままでいても、弁ヘッド７９とピストン３０との間の十分なクリアランスが確保される。
【００４４】
弁軸７５と８０との間の不一致角度（角度差）αCにより、スタッド４６Aがスタッド４６Bよりも異なるように取り付けられることが要求される。好適には、スタッド４６A（これに、吸気弁７８を起動するためにロッカー４５Aが取り付けられる。）は、角度αB（弁軸８０が、ピストン３０の往復運動の軸線を含む基準面２８に対して傾斜する角度）とαE（プッシュロッド３５が同じ基準面に対して傾斜する角度）との間の角度配置にして配置される。同様に、スタッド４６B（これに、排気弁７３を起動するためにロッカー４５Bが取り付けられる。）は、角度αA（排気弁７３の弁軸７５が、基準面２８に対して傾斜する角度）とαF（プッシュロッド３６が同じ基準面に対して傾斜する角度）との間の角度配置で配置される。このようにして、スタッド４６Aおよび４６Bとの角度配置に於ける差（図では角度αGで示す）により、ロッカー４５Aの起動面５０が弁軸８０と有効に係合し、ロッカー４５Bの起動面５０が弁軸７５と有効に係合することが確実になる。プッシュロッド３５と３６の方向の角度の違いは図面では角度αDにより示されている。角度αDは約３度のオーダーである。
【００４５】
ここで、好適に、図７に示すように、スタッド４６Ａは、基準面２８に対して約３度（３°）の角度で配置され、スタッドBは、基準面２８に対して約１２度（１２°）の角度で配置される。
【００４６】
以上のように、プッシュロッド３５は、排気弁７８の縦方向軸８８と非常に平行に近い角度で配置されている。したがって、より有効な弁トレイン（列）が設けられる。プッシュ３５と吸気弁軸８０との間の角度差は、従前のシリンダーヘッド（組立体）における約１８度の角度差と比較して約１１度である。
【００４７】
上述したように、特定の構成部材、要素、または形状が一カ所以上のところにも採用し得る。このタイプの構造部材、要素、または形状を参照して、種々の符号による指定を使用し得る。ただし、種々の構成部材、要素または形状の一つを個別に特定するとき、構造部材、要素または形状の一般的な特定に対して採用される符号に添字を用いて参照する。したがって、符号４５で一般的に特定されるロッカーは少なくとも二つのグループとなるが、明細書および図面では、それぞれのグループのロッカーは４５A（吸気ロッカー）と４５B（排気ロッカー）として特定されている。明細書を通じて同じ添字が従前通りに使用される。
【００４８】
本発明の説明を続けるとき、弁ヘッド７４および７９が弁軸７５および８０の軸線８６および８８に垂直に向けられていることは明らかなことであろう。したがって、前で説明した基準面（第２の面）に対する弁軸７５および８０の角度の傾斜は、弁７３および７８のヘッド７４および７９のそれぞれと、シリンダーヘッドがエンジンブロック９２の向かい合うデッキ表面８９Bに係合する平坦なデッキ８９A間の等しい角度配列により表される。
【００４９】
弁シート７１および７６はヘッド１０に機械削りにより形成されてもよく、またはそれらは従来より知られているように、インサートを設けてもよい。
【００５０】
シート７１および７６がデッキ表面８９Aに対して配置されている角度は、それぞれの軸部分７５および８０の縦方向の軸線８６および８８が第２の面に対する相対角度に等しい。すなわち、排気弁７３のヘッド７４の、デッキ表面８９Aに対する相対角度はαAに等しく、吸気弁７８のヘッド７９のデッキ８９Aに対する角度はαBに等しい。
【００５１】
図６によく示されているように、排気ポート６８は排気楔状部分６６の側壁９０に近く移され、その位置は、実質的に吸気ポート７０が排気ポート６８に最も接近した点の直径方向反対側のところである。流量制限（手段）９１が側壁９０の直径方向反対側で、排気ポート６８に実質的に隣接した排気路８５に一体的に鋳造され得る。この制限９１はまた、吸気ポート７０と排気ポート６８との間の交差掃気（cross flow scavenging)の量を減ずる。制限９１は図６によく示されているように、排気ポート６８から下流に弦状の表面のように形成されている。しかし、図７によく示されているように、燃焼室の壁の起伏により各スパークプラグ５８が僅かに覆われることから、制限９１に必要性はない。
【００５２】
さらに覆うために排気ポート６８の位置を変えること、排気ポート６８に制限９１を加えることは、排気ポート６８に入る排気ガスの速度の増加を行わせる所望の流量制御をもたらし、図６の矢印ＡおよびＢにより示されているように、期待以上に周回流をガス流にもたらす。吸気および排気７０および６８の間の直接の掃気流は、それぞれ最小化され、燃料／空気チャージ保有量が改善される。
【００５３】
図６によく示されているように、排気楔状部分６６に対する吸気楔状部分６９の傾斜配置はまた、吸気ポート７０が排気ポート６８のみならずシリンダーヘッド１０の中心線９３からも横方向に間隔をあけて再配置することを可能にする。吸気７０を再配置することや平らにすることは、吸気弁７８のヘッド７９がピストン３０の上面９４とで適切なクリアランスを維持する一方で、燃焼室６５への吸気流を改善し、所望の圧力比を保持することを可能にする。
【００５４】
図１３および図６において、（水平方向および垂直方向に）相対的に傾斜した楔状部分６６および６９がまた、燃料／空気混合気をより有効に点火し、駆動ストロークの間にピストン３０の上面９４に対しより一様な負荷を与える位置にスパークプラグ５８を再配置することを可能にすることが示されている。スパークプラグ５８の中心線９５は弁７３と７８との間にある室６５の部分に、より直接的に一致している。より重要な点として、スパークプラグ５８の中心線９５は、ピストン３０の上面９４を横切るように配置され、そこで上面９４は基準面である第２の平面２８を横切る。実際上、角度αHが、上記交差がスパークプラグ５８とピストン３０との間の最も有効な関係とされる上死点の下で、３０度で起こるように選択された。
【００５５】
燃料／空気混合気のより良い噴霧化を行うために、吸気路８３には流入する燃料／空気混合物の流れる領域に伸長する隆起物９６が設けられている。図９、図１３および図１６によく示されているように、隆起物９６の後端はナイフ状の縁９８の形をしている。図１６には吸気路８３の鋳造物が描かれている。言い換えると、吸気路８３の反対側からでは隆起物９６が凹所のように見える。吸気路８３は、隆起物９６の上流に、断面が減少する領域、またはチョーク９９を有する。燃料／空気混合気に含まれる燃料の液滴は、特に燃料／空気流がチョーク９９に入ったとき、流れの中心へと移動する。チョーク９９の下流ですぐに、吸気路８３は、燃焼室６５の吸気楔状部分６９に入る前に、その方向を急激に（ほぼ９０度）変化させられる。液滴は、蒸発した燃料／空気混合気よりも大きな質量をもつことから、蒸気よりも容易に方向を変えることができない。したがって、燃料液滴はナイフ状縁９８の上流の隆起物９６上の反応表面１００に対して衝突する。隆起物９６上の反応表面１００への激しい衝突は液滴を微細にし、微細となった液滴がナイフ状の縁９８を横切るように移動したとき、シェアリング(shearing)作用は微細な液滴を蒸発させる。ポケット１０１がナイフ状の縁９８の下流の直後に設けられ、これにより、燃料／空気の流れに乱流、または渦流が生じる。乱流は燃焼室６５に入ることのできる燃料／空気混合気内の噴霧化した燃料の液滴をいっそう乱す。
【００５６】
燃料／空気混合気が液体燃料を燃焼室にほとんどもたらさないので、燃料／空気混合物の掃気はほとんどない。傾斜した楔状部分６６および６９を組み合わせた利点は、改良されたシリンダーヘッド１０を組み入れるエンジンに対し非常に燃費があがることである。
【００５７】
図６に描かれたナイフ状の縁９８の周辺領域は約３５度のわたって拡がり、その周辺領域は、燃費を非常に改善し、適度のパワーの上昇をもたらすのに必要な程度の燃料の液滴の微細化を開始するのに十分な広さである。しかし、全四分円（図７では約９０度）にわたってナイフ状の縁９８Aを伸長させると、修正された吸気路８３Aを有するシリンダーヘッド１０Aを使用することにより達成される出力は非常に増加する。
【００５８】
一カ所以上のところで使用される特定の構造部材、要素、形状の使用を区別する必要があるときは、前述したように添字が使用される。そのとき、シリンダーヘッド１０Aの変形したものにおいて、その要素が、違いを有さない前に説明した実施例と同じときに、添字なく同じ符号で特定される。しかし、前述のように、構造部材、要素または形状が正確に同じではないが似ているときに、共通した符号を使用するが、しかし、近似した部材、要素または形状を同定するために、特に指定するときは、その構造部材、要素または配置を一般的に特定するために使用された符号とともに、添字を使用する。したがって、前記した二つの実施例のナイフ状の縁は近似するが異なるものである。このように、シリンダーヘッド１０に関して、前述した実施例はナイフ状の縁について同定される。言い換えると、変形したシリンダーヘッド１０Aは近似するが異なるナイフ状の縁を採用し、そのナイフ状の縁は明細書および図面には９８Aの符号で指定されている。
【００５９】
添字についての慣例が明細書を通じて採用されている。
【００６０】
図７および図１７において、したがって、燃料の液滴がナイフ状の９８Aの下流直後の隆起物９６A上の反応表面１００Aに衝突することが見て取れる。液滴の、隆起物９６Aの反応表面１００Aへの激しい衝突は液滴を微細にし、微細になった液滴がナイフ状の縁９８Aを横切るように移動するとき、シェアリング作用により微細化された液滴が蒸発する。ポケット１０１Aがナイフ状の縁９８Aの下流直後に設けられ、燃料／空気流に乱流、または渦流が生じる。乱流は、燃焼室６５Aに入った燃料／空気混合気内の噴霧化した燃料の液滴をさらに激しく乱す。
【００６１】
ナイフ状の縁９８およびナイフ状の縁９８Aが横断線８-８または８Ａ-８Ａの横に伸長するように位置することが分かるであろう。特に、ナイフ状の９８および９８Aはそれぞれ、吸気ポート７０および７０Aの“ウェット”側に設けられている。たとえば、ゼネラルモータズ社のエンジンにおける吸気ポートのウェット側が典型的に排気ポートから最もはなれた吸気ポート側にあり、フォード社のエンジンの吸気ポートのウェット側が典型的に排気ポートに隣接して位置することが知られている。突起物９６または９６Aおよび反応表面１００および１００A並びにナイフ状の縁９８および９８Aは吸気ポートのウェット側と一致するように適正に位置している。
【００６２】
起伏１０６および１０８により行われる覆いが吸気ポート７０Aを通る燃料／空気流を僅かに減少させるが、しかしその減少が、隆起物９６Aの形状、および燃料蒸気が懸濁状態にあるように、ここで関連した構造物により達成される燃料の制御により以上に保証され、これによりスパークプラグ５８上またはその周りでの燃料の凝縮が妨げられることが分かるであろう。
【００６３】
特に重要なことは、この巧妙な変化により改良されたシリンダーヘッド１０Aを使用することで得られるブレーク馬力に著しい増加がみられることである。
【００６４】
ヘッド１０Aのデッキ表面８９Aと燃焼室６５Aとの間に遷移面取り１１０が加えられていることに注目すべきである。面取り１１０はスパークプラグ５８を燃焼室６５Aに装着される排気ポート６８A側に沿って伸長している。
【００６５】
最後に、Ｚバー１０２が、それぞれのプッシュロッド３５および３６の安定化を改良するために使用され得ることも分かるであろう。プッシュロッドを外端で可能な限り接近して案内することにより最大に安定化する。このように安定化Ｚバー１０２のそれぞれは、取り付けボス５４上に位置しスタッド４６の一つを収納し、ナット５７によりその位置に留め付けられるベース１０３を有する。オフセットスペーサウェブ１０４がベース１０４から実質的に直角に伸長し、スペーサ１０４から実質的に直角に外側へと伸長し、プッシュロッド３５または３６を抱き込んでいる。プッシュロッドの角度配置に僅かな違いがあり、スタッド４６（これから安定化バー１０２が取り付けられている）の角度配置が同じではないが、係合アーム１０５の分岐により各プッシュロッドに対して特別な安定バー１０２を必要とせずに、この僅かな不一致が容易に許容できる。
【００６６】
本発明の一好適実施例および一変形実施例が開示されているが、当業者であればその範囲内で種々の変化をなしうると理解すべきである。したがって、本発明の範囲は詳説したものに限定されず、特許請求の範囲で種々の変化、変形をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の、代表的で、高性能の内燃エンジンのシリンダーヘッドの正面図である。
【図２】図１の線２−２に実質的にそった、ヘッドを有する燃焼室の一部を描く、従来技術のシリンダーヘッドの、縮小底面図である。
【図３】図２の線３−３に実質的にそった、従来技術のヘッド構成において使用される吸気室の代表的な構成、全体を示すためのリフタロッド組立体およびピストンを描く、縮小断面図である。
【図４】図２の線４−４に実質的にそった、従来技術のヘッド構成において使用される排気室の代表的な構成、全体を示すためのリフタロッド組立体およびピストンを描く、縮小断面図である。
【図５】図１に似ているが、本発明の思想を実施した高性能ヘッドを描く正面図である。
【図６】図５の線６−６に実質的にそった、改良された高性能のシリンダーヘッドを含む燃焼室の一部を描く、縮小底面図である。
【図７】図６に示された改良された高性能のシリンダーヘッドの変形例を描く、図６と似た図である。
【図８】ヘッド自身を省略し、弁軸の角度関係、反対側で、エンジンブロック上の機械削りされたデッキ面に係合するヘッドの機械削りされたデッキ面に対する吸気および排気弁の垂直方向オフセット、並びに描かれた二つの弁により機能するピストンの中心線に対する弁の横方向オフセットを描く、図５に似た略示図である。
【図９】図６の線９−９に実質的にそった、本発明の思想を実施した改良された高性能ヘッドにおいて使用される吸気室および吸気ポートの構成、全体を示すためのリフタロッド組立体およびピストンを描く、縮小断面図である。
【図１０】図７の線８−８に実質的にそった図９と同様の図である。
【図１１】図６の線１１−１１に実質的にそった、本発明の思想を実施した改良された高性能ヘッドにおいて使用される排気室および排気ポートの構成、全体を示すためのリフタロッド組立体およびピストンを描く、縮小断面図である。
【図１２】図７の線１２−１２に実質的にそった図１１と同様の図である。
【図１３】上死点の下３０゜にあるピストンを描く図１１と同様の図である。
【図１４】図７、図１０および図１２に示された変形例を描く図１３と同様の図である。
【図１５】図１乃至図４に描かれた代表的な従来技術のヘッドにおいて使用される典型的な吸気路の鋳造物の斜視図である。
【図１６】図５乃至図１３に描かれた、改良されたヘッドの吸気路の鋳造物の斜視図である。
【図１７】図７、図１０、図１２および図１４に描かれた、シリンダーヘッドに組み込まれた、改良された吸気路を表す、図１６と同様の図である。
【符号の説明】
１０  シリンダーヘッドて、
２８  第２の面
３５、３６  プッシュロッド
４５  ロッカーアーム
６５  燃焼室
６６  排気楔状部分
６８  排気ポート
６９  吸気楔状部分
７０  吸気ポート
７１  排気弁シート
７３  排気弁
７４  ヘッド
７５  軸部分
７６  吸気弁シート
７８  吸気弁
７９  ヘッド
８０  軸部分
８９A  デッキの表面
αA    排気弁の傾斜
αB    吸気弁の傾斜
αC    弁の傾斜の角度差
αD    プッシュロッドの傾斜の角度差
αE    吸気プッシュロッドの傾斜
αF    排気プッシュロッドの傾斜
αG    スタッド（ロッカー）の傾斜の角度差
αH  デッキ表面に対するスパークプラグの傾斜
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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