(57)【要約】【課題】シリンダの中心線方向を上下方向とした場合に吸気ポートからシリンダ内に進入する気流が下向きとなることを抑制することによってタンブルを強化できる内燃機関のシリンダヘッドを提供する。【解決手段】シリンダヘッド４にはバルブシート１８を有する吸気ポート１０が形成されている。バルブシート１８は、吸気ポート１０の下流側に向かって内径φ０が徐々に縮小する縮径部２０と、縮径部２０と連続し内径φ１が一定の状態で吸気ポート１０の下流側に向かって延びるストレート部２１と、ストレート部２１と連続し吸気ポート１０の下流側に向かって内径φ２が徐々に拡大する拡径部２２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブシートを有する吸気ポートが形成された内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
前記バルブシートは、前記吸気ポートの下流側に向かって内径が徐々に縮小する縮径部と、前縮径部と連続し内径が一定の状態で前記吸気ポートの下流側に向かって延びるストレート部と、前記ストレート部と連続し前記吸気ポートの下流側に向かって内径が徐々に拡大する拡径部と、を備えることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項２】
前記ストレート部は、前記バルブシートの中心線方向の高さが前記バルブシートの中心線方向の全長であるシート高さに対して１０％以上３０％以下の範囲内に設定されている請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項３】
前記ストレート部は、前記ストレート部の内径が前記バルブシートとの境界における前記吸気ポートの内径であるスロート径に０．９を乗じた値よりも大きくなるように設定されている請求項１又は２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気ポートが形成された内燃機関のシリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブシートのシート面が燃焼室に向かって広がる複数の段として形成され、シート面の湾曲半径がバルブシートの周方向の位置に応じて異なるように形成された吸気ポートを有する内燃機関のシリンダヘッドが知られている（特許文献１）。また、バルブシートの内径を絞るベンチュリー形状のバルブシートを有する吸気ポートが形成されたシリンダヘッドが知られている（非特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜６が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−５７８３０号公報
【特許文献２】特開平９−１８４４２４号公報
【特許文献３】特開２００７−４６４５７号公報
【特許文献４】特開２００２−４８２１号公報
【特許文献５】特開２０１２−１８０８１１号公報
【特許文献６】特開平８−７４５８４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「新型マーチのすべて」（モーターファン別冊  ニューモデル速報  第４４２弾）、株式会社三栄書房、平成２２年９月４日、ｐ．４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の吸気ポートは、湾曲半径を大きくする位置と小さくする位置とを適宜選択することによってタンブルの強化及び吸気流量の増加を図る。しかし、バルブシートの内径が絞られていないためタンブルの強化が不十分になるおそれがある。一方、非特許文献１の吸気ポートはバルブシートの内径を絞ることによって吸気の流速を増加させてタンブルを強化する。しかしながら、非特許文献１の吸気ポートはバルブシートの内径が最も絞られる位置の直後から剥離が始まる。そのため、吸気ポートからシリンダ内に進入する気流の流速は増加するが、シリンダの径方向に対して傾斜が大きい気流、換言すればシリンダの中心線方向を上下方向とした場合にシリンダに対して下向きの気流となる。吸気ポートからシリンダ内に進入する気流が下向きとならずに天井部の排気側の壁面に近づいた気流となることがタンブルとして理想的である。
【０００６】
そこで、本発明は、シリンダの中心線方向を上下方向とした場合に吸気ポートからシリンダ内に進入する気流が下向きとなることを抑制することによってタンブルを強化できる内燃機関のシリンダヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、バルブシートを有する吸気ポートが形成された内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記バルブシートは、前記吸気ポートの下流側に向かって内径が徐々に縮小する縮径部と、前縮径部と連続し内径が一定の状態で前記吸気ポートの下流側に向かって延びるストレート部と、前記ストレート部と連続し前記吸気ポートの下流側に向かって内径が徐々に拡大する拡径部と、を備えるものである（請求項１）。
【０００８】
このシリンダヘッドによれば、吸気ポートに導かれた気流はバルブシートの縮径部によって絞られることにより流速が増加する。縮径部には内径が一定の状態で下流側に向かって延びるストレート部が連続しているので流速が増加した気流はストレート部によって剥離が抑制されつつ、このストレート部に連続する拡径部に沿って流れる。したがって、吸気ポートからシリンダに導かれた気流がシリンダの中心線方向を上下方向とした場合の下向きとなることを抑制でき、シリンダの天井部の排気側の壁面に近づいた気流となる。よって、理想的な状態でタンブルを強化できる。
【０００９】
本発明のシリンダヘッドの一態様において、前記ストレート部は、前記バルブシートの中心線方向の高さが前記バルブシートの中心線方向の全長であるシート高さに対して１０％以上３０％以下の範囲内に設定されてもよい（請求項２）。ストレート部のバルブシートの中心線方向の高さがシート高さの１０％未満であると、ストレート部による気流の剥離抑制効果が十分に得られずに縮径部を経た気流が剥離し易い。一方、ストレート部のバルブシートの中心線方向の高さがシート高さの３０％を超えると、拡径部のバルブシートの中心線方向の高さが不足する。拡径部のその高さが不足するほど拡径部での気流の剥離を防止しながら方向を変えることが難しくなる。したがって、ストレート部のバルブシートの中心線方向の高さはシート高さの１０％以上３０％未満の範囲内に設定することが望ましい。
【００１０】
本発明のシリンダヘッドの一態様において、前記ストレート部は、前記ストレート部の内径が前記バルブシートとの境界における前記吸気ポートの内径であるスロート径に０．９を乗じた値よりも大きくなるように設定されてもよい（請求項３）。ストレート部の内径が小さいほど気流が絞られるため流速が増加してタンブルを強化できるが、気流が絞られるほど流量が低下する。したがって、ストレート部の内径の縮小には限界がある。ストレート部の内径がスロート径に０．９を乗じた値よりも小さいと、流量の低下が顕著になることが分かっている。したがって、本形態のように、ストレート部の内径がスロート径に０．９を乗じた値よりも大きくなるように設定されているので流量低下を抑えつつタンブルを強化することができる。
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、縮径部には内径が一定の状態で下流側に向かって延びるストレート部が連続しているので、吸気ポートからシリンダに導かれた気流がシリンダの中心線方向を上下方向とした場合の下向きとなることを抑制でき、シリンダの天井部の排気側の壁面に近づいた気流となる。そのため、理想的な状態でタンブルを強化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一形態に係るシリンダヘッドが適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示した図。
【図２】図１のII部の部分拡大図。
【図３】比較例の要部の断面を模式的に示した図。
【図４】本形態の流れ場を計算したシミュレーション結果を示した図。
【図５】比較例の流れ場を計算したシミュレーション結果を示した図。
【図６】スロート径に対するストレート部の内径の縮小率と、タンブル比及び流量係数との関係を示した図。
【図７】第２の形態に係るシリンダヘッドが適用された内燃機関の要部の断面を拡大して模式的に示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の形態）
図１に示すように、内燃機関１はシリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２の開口部を塞ぐようにしてシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４とを有する。シリンダ２内にはピストン５がシリンダ２の中心線ＣＬ１方向に摺動可能な状態で挿入されている。シリンダヘッド４はシリンダ２の天井部７が吸気側の壁面７ａと排気側の壁面７ｂとに分かれるように三角形状に窪んでいる。これにより内燃機関１にはペントルーフ型の燃焼室６が形成される。燃焼室６の頂点には不図示の点火プラグが電極部を露出するようにして設けられている。
【００１４】
吸気側の壁面７ａには吸気ポート１０が開口し、排気側の壁面７ｂには排気ポート１１が開口する。吸気ポート１０には吸気バルブ１５が、排気ポート１１には排気バルブ１６がそれぞれ設けられている。吸気ポート１０の開口部には吸気バルブ１５が着座するバルブシート１８が設けられている。なお、排気ポート１１の開口部にも排気バルブ１６が着座する不図示のバルブシートが設けられている。また、図示を略したが、図１の紙面と直交する方向には、吸気ポート１０及び吸気バルブ１５が２つずつ並び、かつ排気ポート１１及び排気バルブ１６が２つずつ並んでいる。すなわち、内燃機関１は４バルブ型の内燃機関として構成されている。
【００１５】
吸気ポート１０に対応する中子とバルブシート１８とが組合わされた状態でシリンダヘッド４が鋳造される。これにより、バルブシート１８が鋳包みされた状態で吸気ポート１０がシリンダヘッド４に形成される。鋳包みされたバルブシート１８は、図２にも示したように、シート加工と呼ばれる周知の方法でその内周面が複数の段を呈するように切削されて仕上げられている。バルブシート１８は、吸気ポート１０の下流側に向かって内径φ０が徐々に縮小する縮径部２０と、縮径部２０と連続し内径φ１が一定の状態で下流側に延びるストレート部２１と、ストレート部２１と連続し吸気ポート１０の下流側に向かって内径φ２が徐々に拡大する拡径部２２とを有している。縮径部２０の上流端及び拡径部２２の下流端はそれぞれバルブシート１８の上流端及び下流端に相当する。
【００１６】
縮径部２０はシリンダヘッド４の鋳造前にバルブシート１８の上流端に対してＣ面取りを行うことよって形成されている。縮径部２０は内径φ０の最大径がスロート径φｔと一致するように形成され、かつ位置ずれなく吸気ポート１０の内壁と縮径部２０とが連続している。スロート径φｔはバルブシート１８との境界における吸気ポート１０の内径のことである。
【００１７】
ストレート部２１及び拡径部２２は、これらが大まかに形成され鋳包みされた状態のバルブシート１８に対して上述したシート加工を行うことによって仕上げられている。拡径部２２は内径が徐々に拡大し段状に形成された４つのシート面２２ａ〜２２ｄを有する。
【００１８】
本形態のシリンダヘッド４によれば、吸気ポート１０に含まれるバルブシート１８が上述した縮径部２０、ストレート部２１及び拡径部２２を備えている。このため、図１及び図２に示したように、吸気ポート１０に導かれた気流ｆａが縮径部２０で絞られることにより流速が増加する。内径φ１が一定の状態で下流側に向かって延びるストレート部２１が縮径部２０に連続しているので、流速が増加した気流ｆａは剥離が抑制されつつストレート部２１に連続する拡径部２２に沿って流れる。これにより、吸気ポート１０からシリンダ２に導かれた気流ｆａがシリンダ２の中心線ＣＬ１方向を上下方向とした場合の下向きとなることを抑制できシリンダ２の天井部７の排気側の壁面７ｂに近づいた気流となる。その結果、旋回径の大きなタンブルＴａを得ることができ、理想的な状態でタンブルを強化できる。
【００１９】
これに対して、図３に示した比較例のベンチュリー型のバルブシート１８′を有する吸気ポート１０′の場合、吸気ポート１０′に導かれた気流ｆｘは絞り部３０で流速が増加するが、絞り部３０によって最も絞られる位置の直後で剥離を生じる。そのため、図１に示したように、気流ｆｘがシリンダ２の中心線ＣＬ１方向を上下方向とした場合の下向きに流れる。その結果、比較例の吸気ポート１０′にて得られるタンブルＴｘは、本形態に係る吸気ポート１０によって得られるタンブルＴａに比較して旋回径が小さくなる。
【００２０】
本形態のこのような利点は、本形態と比較例とのそれぞれで行った流れ場のシミュレーション結果（図４及び図５）によって確認されている。各図の矢印は流速を意味し、矢印の向きは流れの方向を、矢印の長さは流速の大きさをそれぞれ示している。図４に示したように、本形態の吸気ポート１０はバルブシート１８の縮径部２０にて加速された気流ｆａがストレート部２１の存在によって剥離することが抑制されている。これによって、気流ｆａがシリンダの下向きに流れることが抑えられている。これに対して、図５に示したように、比較例の吸気ポート１０′はバルブシート１８′の絞り部３０によって気流が加速されるが、絞り部３０によって最も絞られる位置の直後で剥離している。そのため、気流ｆｘが本形態と比べてシリンダ２の下向きに流れている。その結果、上述したように比較例の場合はシリンダ内に形成されるタンブルの旋回径が本形態よりも小さくなる。
【００２１】
本形態の吸気ポート１０に設けられたバルブシート１８は、縮径部２０、ストレート部２１及び拡径部２２のそれぞれの大きさ等のパラメータについて好ましい数値範囲が存在することがシミュレーションにより確認された。図２に示したように、ストレート部２１のバルブシート１８の中心線ＣＬ２方向の高さｈ１がバルブシート１８の中心線ＣＬ２方向の全長であるシート高さＨの１０％未満であると、ストレート部２１による気流の剥離抑制効果が十分に得られずに縮径部２０を経た気流が剥離し易い結果となった。具体的には、Ｈ＝５．５ｍｍ、ｈ１＝０．１４ｍｍの場合、上記割合は０．１４／５．５×１００≒２．５５％である。この場合にはストレート部２１による気流の剥離抑制効果が十分に得られないことが確認できた。また、Ｈ＝６．８ｍｍ、ｈ１＝１．１ｍｍの場合、上記割合は１．１／６．８×１００≒１６．２％である。この場合にはストレート部２１による気流の剥離抑制効果が十分に得られた。
【００２２】
一方、ストレート部２１の高さｈ１がシート高さＨの３０％を超えると、拡径部２２のバルブシート１８の中心線方向の高さｈ２が不足する。拡径部２２の高さｈ２が不足するほど拡径部２２での気流の剥離を防止しながら方向を変えることが難しくなる。具体的には、Ｈ＝６．０ｍｍ、ｈ１＝２．０ｍｍの場合、上記割合は２．０／６．０×１００≒３３．３％である。この場合には拡径部２２の高さｈ２を十分に確保できず、拡径部２２で剥離が生じ拡径部２２で方向を適切に変えることが困難であった。また、Ｈ＝６．８ｍｍ、ｈ１＝１．１ｍｍの場合、上記割合は１．１／６．８×１００≒１６．２％である。この場合には、拡径部２２の高さｈ２を十分に確保できたため、拡径部２２での気流の剥離を防止しながら方向を変えることができた。
【００２３】
以上の検討の結果、ストレート部２１の高さｈ１はシート高さＨの１０％以上３０％未満の範囲内に設定することが望ましいといえる。
【００２４】
また、ストレート部２１の内径φ１とスロート径φｔとの関係についても好ましい数値範囲が存在する。図６から理解できるように、ストレート部の内径が小さいほど気流が絞られるため流速が増加してタンブルを強化できる。つまり、タンブルの強さを示すタンブル比ＴＴＲは、スロート径φｔに対するストレート部２１の内径φ１の縮小率の絶対値が大きくなるほど大きくなる。一方、ストレート部２１の内径φ１がスロート径φｔに０．９を乗じた値よりも小さいと、つまり上記縮小率の絶対値の大きさが１０よりも大きくなると、流量係数Ｃｆが低下するため流量の低下が顕著になる。以上の特性を考慮した場合、ストレート部２１の内径φ１は、スロート径φｔに０．９を乗じた値よりも大きくなるように設定されることが望ましい。
【００２５】
（第２の形態）
次に、図７を参照しながら本発明の第２の形態を説明する。第２の形態は第１の形態の内燃機関１の吸気ポート１０を図７の吸気ポート１１０に置き換えたものに相当する。吸気ポート１１０はバルブシート１８０を有している。バルブシート１８０は、吸気ポート１１０の下流側に向かって内径φ０が徐々に縮小する縮径部１２０と、縮径部１２０と連続し内径φ１が一定の状態で下流側に延びるストレート部１２１と、ストレート部１２１と連続し吸気ポート１１０の下流側に向かって内径φ２が徐々に拡大する拡径部１２２とを有している。
【００２６】
第１の形態と同様に、縮径部１２０はシリンダヘッド４の鋳造前にバルブシート１８０の上流端に対してＣ面取りを行うことよって形成されている。縮径部１２０は内径φ０の最大径が吸気ポート１１０のスロート径φｔと一致するように形成されている。また、ストレート部１２１及び拡径部１２２についても、第１の形態と同様に、これらが大まかに形成され鋳包みされた状態のバルブシート１８０に対して上述したシート加工を行うことによって仕上げられている。拡径部１２２は境界に角部が存在する２つのシート面１２２ａ、１２２ｂを有する。上流側のシート面１２２ａはバルブシート１８０の中心に向かって凸で、かつ内径が下流側に向かって徐々に拡大する滑らかな曲面で形成されている。下流側のシート面１２２ｂは第１の形態のシート面２２ｄ（図２参照）と同じである。なお、拡径部１２２の２つのシート面１２２ａ、１２２ｂを滑らかに接続し、かつシート面１２２を曲面とすることによって、拡径部１２２を単一の曲面で形成するように変更することも可能である。
【００２７】
第２の形態のシリンダヘッド４も第１の形態と同じ効果を奏する。すなわち、ストレート部１２１によって吸気ポート１１０に導かれた気流の剥離が抑制されるため、シリンダ２に導かれた気流が下向きになることを抑制できる。これにより、理想的な状態でタンブルを強化できる。ストレート部１２１の高さｈ１と、シート高さＨとの関係及びスロート径φｔとストレート部１２１の内径φ１との関係については、第１の形態と同じ数値範囲内に設定されることが好ましい。すなわち、ストレート部１２１の高さｈ１はシート高さＨの１０％以上３０％未満の範囲内に設定することが望ましく、ストレート部１２１の内径φ１はスロート径φｔに０．９を乗じた値よりも大きくなるように設定されることが望ましい。
【００２８】
本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記各形態では、バルブシートの縮径部は内径の最大径がスロート径と一致するように形成され、かつ吸気ポートの内壁と縮径部とが位置ずれなく連続しているが、スロート径が縮径部の内径の最大径よりも大きくてもよい。つまり、バルブシートと吸気ポートの内壁との境界にある程度の段差が生じても許容される。
【００２９】
上記各形態では、縮径部がＣ面取りにて形成されているが、Ｃ面取りの代わりにＲ面取りによって縮径部を形成することもできる。Ｒ面取りの場合にはバルブシートの中心に向かって凸の曲面又は凹の曲面のいずれでもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１  内燃機関
４  シリンダヘッド
１０、１１０  吸気ポート
１８、１８０  バルブシート
２０、１２０  縮径部
２１、１２１  ストレート部
２２、１２２  拡径部
【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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