(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが摺動自在に嵌め込まれたシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアへの吸気を制御する吸気弁とを有しており、前記吸気弁は、前記シリンダボアに露出した受圧面を有する笠状弁体の背面に弁軸を設けた形態であり、前記吸気弁が弁軸の軸方向に前進動するとシリンダボアに吸気される一方、前記ピストンの頂面にはタンブル流形成用凹所が、吸気ポートから噴出した空気の流れ方向に沿って延びるように形成されている構成であって、
前記吸気弁は、前記弁軸の軸心が前記笠状弁体における受圧面の仮想垂線に対して傾斜している形態であるか、又は、前記弁軸の軸心が前記笠状弁体における受圧面の中心に対してずれた形態であり、前記吸気弁は、前進動ストロークの初期に、前記笠状弁体の一部が前記ピストンのタンブル流形成用凹所に入った状態で一方方向に回転するように設定されている、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、吸気弁に特徴を有するレシプロ式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンがシリンダボアを摺動するレシプロ式内燃機関では、一般に、吸気ポートは弁軸の先端に笠状弁体を設けた吸気弁で開閉される。他方、シリンダボアに供給された燃料を完全燃焼させるには、シリンダボアの軸心回りに旋回するスワール流や、シリンダボアの軸心と直交した線（例えばクランク軸と平行な線）の回りに旋回するタンブル流を形成するのが効果的である。そこで、ピストンの頂面に、タンブル流を形成するための凹所を設けることが行われている。
【０００３】
一方、特許文献１には、吸気弁の弁軸を笠状弁体に対して傾斜させて、吸気弁を回転させながら前進させることでスワール流の強化を図ることが記載されている。この特許文献１では、１つの燃焼室に２つの吸気弁を設ける場合、シリンダボアの軸線方向から見て２つの吸気弁の弁軸が略直交した姿勢になると共に、シリンダボアの軸心に対しては２本の弁軸とも傾斜した姿勢にして配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９４１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、吸気弁を回転させることでスワール流やタンブル流を強化することができると言えるが、吸気弁の開閉動（進退動）はピストンの往復動及びクランク軸の回転と連動しており、４サイクル機関の場合、ピストンがストロークの半分ほど移行したあたりで吸気弁は後退動に転じ、ピストンが下死点から圧縮行程に移行する段階では吸気弁は閉じている。
【０００６】
そして、例えばタンブル流を形成する場合、吸気行程のなるべく初期において混合気に方向性を付与してから、ピストンの下降動に併せて流れの強さを強化していくのが好ましいと言えるが、特許文献１では、吸気弁は前進し切るまで正転し続けて後退する過程では逆転し続けているため、混合気のガイド機能に強い流れを付与する機能が弱いと解される。
【０００７】
すなわち、特許文献１では、吸気弁の回転によって混合気の流れ抵抗を低減できるとはいいつつも、流れ抵抗を低減する機能が弱いと推測されるのであり、更に、ピストンが吸気行程の後半部に移行している間に吸気弁は逆転しつつ後退し始めるため、吸気弁の笠状弁体がタンブル流に対する抵抗として作用することになり、この面でも、混合気に流れを付与する機能が低いと言える。
【０００８】
また、混合気に強いタンブル流を付与すると燃料の拡散・均一化を促進できて好ましいが、特許文献１はスワール流の形成に主眼をおいていると解され、タンブル流の形成については考慮されていないと推測される。また、吸気弁は一般にカムシャフトで開閉駆動されているが、特許文献１のように１組の吸気弁をその弁軸がシリンダボアの軸方向から交叉する姿勢にすると、１本のカム軸で２つの吸気弁を開閉することはできないと共に、排気バルブを駆動するカム軸の配置にも支障をきたすことになり、このため、特許文献１の内燃機関は動弁機構が極めて複雑な構造にならざるを得ないと言える。
【０００９】
さて、既述のように、ピストンの頂面にはタンブル流を形成するための凹所を設けることが行われており、この場合、強いタンブル流を形成するという観点からは、ピストンの頂面にはタンブル流形成用凹所の他には凹みや溝類は存在しないのが好ましい（ピストンの頂面の形状が複雑化すると、タンブル流に対する流れ抵抗が発生する。）。
【００１０】
また、ピストンの頂面の形状が複雑化すると、それだけピストンの頂面の表面積が大きくなるため、冷却損失が増える問題もある。更に、面積（容積）が小さい溝（リセス）があると、溝に溜まった混合気が自己着火してノッキングの原因になるおそれや、ピストンの頂面にエッジ部ができて、これがヒートポイントになって混合気の早期着火を招来したり、熱損傷が発生しやすくなったりするおそれもある。
【００１１】
他方、吸気行程ではその初期にできるだけ迅速に吸気するのが好ましく、従って、吸気弁は迅速に前進させるのが好ましいが、ピストンは上死点から下降する際の当初の速度（吸気行程での初期速度）は遅いため、ピストンの頂面に吸気弁の衝突を防止するための逃がし溝を形成することが行われており、このため、上記のような問題が発生するおそれがあった。
【００１２】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明は、ピストンが摺動自在に嵌め込まれたシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアへの吸気を制御する吸気弁とを有しており、前記吸気弁は、前記シリンダボアに露出した受圧面を有する笠状弁体の背面に弁軸を設けた形態であり、前記吸気弁が弁軸の軸方向に前進動するとシリンダボアに吸気される一方、前記ピストンの頂面にはタンブル流形成用凹所が、吸気ポートから噴出した空気の流れ方向に沿って延びるように形成されている、という前提の構成を有する。
【００１９】
そして、上記の前提の構成において、前記吸気弁は、前記弁軸の軸心が前記笠状弁体における受圧面の仮想垂線に対して傾斜している形態であるか、又は、前記弁軸の軸心が前記笠状弁体における受圧面の中心に対してずれた形態であり、前記吸気弁は、前進動ストロークの初期に、前記笠状弁体の一部が前記ピストンのタンブル流形成用凹所に入った状態で一方方向に回転するように設定されている。
【発明の効果】
【００２６】
本願発明では、ピストンの頂面には吸気弁の衝突を回避するための逃がし溝を形成する必要がなくなるか、逃がし溝の深さを浅くできる。これにより、ａ）タンブル流の形成の機能を向上させて燃費向上に貢献できる、ｂ）逃がし溝に燃料が溜まって自己着火してノッキングが発生することを防止又は抑制できる、ｃ）表面積を小さくできるため冷却損失を低減し、延いては燃費向上に貢献できる、ｄ）ストロークや上死点位置を変えることなく圧縮比を高くして燃費を改善できる、といった効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態を示す図で、（Ａ）はクランク軸の軸線方向から見た要部の縦断正面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ視断面図である。
【図２】（Ａ）はピストンの平面図、（Ｂ）はピストンの正面図である。
【図３】吸気弁が前進し始めて回転し終えた状態の図である。
【図４】吸気弁が前進動し切った（開き切った）状態の図である。
【図５】作用を示す模式図で、（Ａ）はクランク軸の軸線方向から見た図、（ＢＹ）は（Ａ）のＢ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＹ方向から見た図、（ＢＸ）は（Ａ）のＢ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＸ方向（及び（ＢＹ）の略Ｘ方向）から見た図、（ＣＹ）は（Ａ）のＣ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＹ方向から見た図、（ＣＸ）は（Ａ）のＣ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＸ方向（及び（ＣＹ）の略Ｘ方向）から見た図、（ＤＹ）は（Ａ）のＤ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＹ方向から見た図、（ＤＸ）は（Ａ）のＤ位置にある吸気ポート及び吸気弁を（Ａ）のＸ方向（及び（ＤＹ）の略Ｘ方向）から見た図である。
【図６】第１実施形態の制御パターンを示す図である。
【図７】第２実施形態及び第３実施形態を示す図である。
【図８】第４実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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４サイクル内燃機関に適用している。まず、図１〜５に示す第１実施形態から説明する。
【００２９】
(1).第１実施形態の構造
内燃機関は、シリンダボア２が形成されたシリンダブロック１とこれに重ね固定されたシリンダヘッド３を有しており、これらシリンダブロック１とシリンダヘッド３とで機関本体が構成されている。シリンダボア２にはピストン４が摺動自在に嵌まっており、ピストン４は、コンロッド５を介してクランク軸（図示せず）と相対動自在に連結されている。
【００３０】
シリンダヘッド３には、シリンダボア２に対応した台錘状の燃焼凹所６が形成されており、燃焼凹所６の傾斜面に、吸気弁７が開閉される吸気ポート８と、排気弁９で開閉される排気ポート１０とが開口している。敢えて述べるまでもないが、吸気ポート８には吸気通路１１が連通しており、排気ポート１０には排気通路１２が連通している。図では表示していないが、火花着火方式の場合は燃焼凹所６の中央部に点火プラグが露出し、直噴方式の場合は、点火プラグに加えて噴射ノズルが燃焼凹所６の中央部あるいは吸気弁の間もしくは下側から露出する。吸気弁７及び排気弁９は、それぞれ閉じ状態では弁座７′，９′で支持されている。
【００３１】
図６に示すように、吸気弁７及び吸気ポート８と排気弁９及び排気ポート１０とはクランク軸の軸心１３を挟んだ両側に２つずつ形成されおり、従って、２つの吸気弁７及び吸気ポート８と２つの排気弁７及び吸気ポート８とは、それぞれクランク軸の軸心１３と同じ方向に並んでいる。なお、厳密には、シリンダボア２の軸心１４とクランク軸の軸心１３とは一致していないが、図では、便宜的に、クランク軸の軸心１３はシリンダボア２の軸心１４を通るように描いている。
【００３２】
吸気弁７は弁軸１６とその先端に一体に設けた円形の笠状弁体１７とを有している。笠状弁体１７は、シリンダヘッド３における凹所６の傾斜面に位置しているため、その受圧面１８は、シリンダボア２に向けて倒れるように、シリンダボア２の軸線１４及びシリンダブロック１の上面に対して傾斜している。他方、弁軸１６はシリンダボア２と略平行な姿勢になっている。
【００３３】
従って、弁軸１６は、笠状弁体１７における受圧面１８から降ろした垂線１９に対して若干の角度θだけ傾斜している。排気弁９の弁軸は、笠状弁体１７における受圧面の垂線と同心になっている。笠状弁体１７と弁軸１６とが傾斜していることにより、クランク軸の軸線方向から見て、笠状弁体１７は、その半分は弁軸１６に対して鈍角になっており、残り半分は鋭角になっている。便宜的に、笠状弁体１７のうち、弁軸１６に対して鈍角になっている部位のうち弁軸１６から遠い端部を鈍角端部１７ａと呼び、鋭角になっている部分のうち弁軸１６から遠い端部を鋭角端部１７ｂと呼ぶこととする。
【００３４】
吸気弁７における弁軸１６の基端にはばね受け２１を設けており、ばね受け２１とシリンダヘッド３との間に弁ばね２２を配置している。ばね受け２１にはキャップ２３が被さっており、キャップ２３がカム軸２４に設けたカム２５で押されることで、吸気弁７は前進する（開く）。キャップ２３は、シリンダヘッド３に設けたガイド穴２６でスライド自在に保持されている。
【００３５】
吸気弁７は、シリンダヘッド３に回転不能に装着したガイドブッシュ２８により、回転しつつ前進するように保持されている。ガイドブッシュ２８は、その一端（下端）は吸気通路１１に露出して、他端（上端）はキャップ２３の方に露出しており、他端（上端）にはばね受け部２９を形成している。
【００３６】
また、図１（Ｃ）に示すように、ガイドブッシュ２８は２つ割りされた２つのパーツ３０，３１から成っており、両パーツ３０，３１のうち主として片方のパーツ３０に、弁軸１６に設けたガイド突起３２が嵌まる螺旋状ガイド溝３３と、螺旋状ガイド溝３３の終端に連続して弁軸１６の前進方向に向いて延びるストレート状ガイド溝３４とを形成している。螺旋状ガイド溝３３は、弁軸１６の軸線方向から見て略１８０度の範囲で広がっており、ストレート状ガイド溝３４は弁軸１６と平行に延びている。
【００３７】
また、螺旋状ガイド溝３３の軸方向の長さは、吸気弁７の移動ストロークＬ０のうち半分よりやや少ない程度の寸法Ｌ１になっており、従って、ストレート状ガイド溝３４の長さＬ２は螺旋状ガイド溝３３の軸方向の長さＬ１よりやや長くなっている。もとより、両者Ｌ１，Ｌ２の長さの比は必要に応じて定めることができ、１：１に設定したり、Ｌ１＞Ｌ２に設定することも可能である。
【００３８】
ピストン４の頂面には、図２に実線の平行斜線で示すように、クランク軸の軸心１３と直交した方向に長いタンブル流形成用凹所３５を形成している。タンブル流形成用凹所３５は緩く湾曲した断面形状であるが、吸気弁７から最も遠い部分のやや手前に最深部があって、最深部から手前に向けて徐々に浅くなり、最深部から後ろの部分は急激に浅くなるように設定している。また、ピストン４の頂面の外周部の大部分に、スキッシュ流を形成するため、面取り状の傾斜面３６を形成している。
【００３９】
(2).作用・回転態様
図３に示すように、吸気弁７が前進すると（開き始めると）、前進動の全ストロークのうちの半分よりも短いエリアで吸気弁７は回転し、これにより、笠状弁体１７は吸気弁におけるタンブル流形成用凹所３５の傾斜に沿うような姿勢になって、そのままの姿勢で前進する。このため、空気の流れは非常にスムースになり、拡散することなく強い流れとなってシリンダボア２に流入する。これにより、図４に矢印で示すように強いタンブル流３７が形成される。
【００４０】
なお、タンブル流３７は、空気の流入姿勢により、図４に実線の矢印で示すように下から上に向いて流れたり、図４に点線矢印で示すように、上から下に向いて流れたりするが、いずれにしても、本実施形態では強力なタンブル流３７を形成することができる。
【００４１】
さて、通常の吸気弁７は排気弁９と同じ態様であり、弁軸１６は受圧面１８の中心から降ろした垂線１９と同心になっており、弁軸１６の軸心方向に進退動する。そして、吸気弁７の前進速度がピストン４の後退速度より速いため、従来は、図２に一点鎖線で示すように、ピストン４の頂面に、吸気弁７の笠状弁体１７が衝突しないように逃がし溝３８を形成していた。その結果、既述したように、冷却損失や熱損傷等のおそれの問題があった。
【００４２】
これに対して本実施形態での吸気弁７は、受圧面１８に対して弁軸１６が傾斜していると共に回転しながら前進するため、図３に示すように、笠状弁体１７の鈍角端部１７ａは相対的にピストン４から逃げるような動きをする。従って、図３に示すように、吸気弁７は前進しつつもその鈍角端部１７ａをタンブル流形成用凹所３５の内部に逃がすことができ、これにより、ピストン４の頂面に逃がし溝３８を形成する必要がなくなる。その結果、逃がし溝３８に起因した諸々の問題を回避することができる。
【００４３】
また、吸気弁７が１８０度回転することにより、笠状弁体１７の受圧面１８はタンブル流形成用凹所３５に沿うような姿勢になるため、笠状弁体１７がタンブル流３７に対する抵抗になることは殆どない。このため、従来にない強力なタンブル流を得ることができる。
【００４４】
以上が吸気弁７の基本的な作用であるが、本実施形態では、２つの吸気弁７の回転方向を工夫することで異なった効果を得ることができる。この点を次に説明する。
【００４５】
まず、図５に基づいて吸気弁７の整流作用（流れ方向ガイド作用）を説明する。（Ａ）は吸気弁７とその周辺部をクランク軸の軸線方向から見た図であり、吸気弁７は上昇し切った状態（Ｂの状態）と、半分だけ回転した状態（Ｃの状態）と、回転し切った状態（Ｄの状態）とを表示している。
【００４６】
図５のうち、（ＢＹ）（ＣＹ）（ＤＹ）は、吸気ポート８及び弁座７′の中心から降ろした垂線１９の方向（Ｙ方向）から（Ａ）の各笠状弁体１７を見た図であり、（ＢＸ）（ＣＸ）（ＤＸ）は、笠状弁体１７を、シリンダボアの軸心１４と直交すると共にクランク軸を横切る方向（横方向）から見た図である。
【００４７】
これら一連の図から理解できるように、垂線１９と弁軸１８とが傾斜しており、それら垂線１９と弁軸１８の軸心との間隔Ｅは下方に行くに従って大きくなるため、Ｙ方向から見て、吸気弁７の前進動によって笠状弁体１７は手前に後退して行く。従って、Ｙ方向から見て、笠状弁体１７の上方の空間Ｓが徐々に広がっていく。このため、吸気弁７の前進に伴って空気の流れ抵抗は減少していき、空気はあまり拡散することなく直進性を持ってシリンダボア２に噴出していく。
【００４８】
また、吸気弁７は前進しながら回転するため、Ｘ方向（シリンダボア２を横切る方向）から見て、徐々に傾斜していって９０°回転すると傾斜角度は最大になり、回転角度が９０°を超えると傾斜角度を戻していき、回転し切ると水平姿勢に戻る。Ｘ方向から見て、９０°回転した状態では笠状弁体１７は直線の姿勢になるが、それ以外では横長楕円の形態になっている（弁軸１８がシリンダボア２の軸心１４に対して傾斜しているためである。）。
【００４９】
このように、吸気弁７の前進に連動して、笠状弁体１７は、前進動（下降動）しつつ、クランク軸の軸線方向から見ると、傾斜姿勢を逆にするように姿勢が変化していき、Ｘ方向から見ると、鈍角端部１７ａと鋭角端部１７ｂとの位置が入れ代わるように姿勢を変化させていき、９０°回転した状態で傾斜が最も大きくなり、かつ、Ｙ方向から見ると、鋭角端部１７ｂが手前に位置して鈍角端部１７ａが奥側に位置するように傾斜しており、その傾斜は、１８０°回転した状態で最も大きくなる。
【００５０】
このため、Ｙ方向に流れ方向で吸気ポート８から噴出した空気は、白抜き矢印Ｔで示すように、吸気弁７が反時計回り方向に回転すると、反時計回り方向に反らされるように方向変換される（ガイドされる。）。吸気弁７が時計回りに方向に回転すると、空気は反時計回り方向に反らされるように方向変換される。
【００５１】
本願発明では、上記のような吸気弁７の回転方向と空気の流れ方向との関係を利用して、吸気弁７に様々な機能を発揮させることができる。その例を図６で模式的に表示している。
【００５２】
図６（Ａ）に示す例では、吸気弁７は、鈍角端部１７ａが互いに接近してから離反に転じるように、両吸気弁７が互いに逆方向に回転するように設定している。この例では、２つの吸気ポート８から噴出した空気は、両吸気ポート８の間の部位に近寄るように方向変換されるため、両吸気ポート８から噴出した空気は即座に合流してシリンダボア２に強く噴出する傾向を呈している。従って、強力なタンブル流が形成される。
【００５３】
図６（Ｂ）の例では、鋭角端部１７ｂが互いに接近してから離反に転じるように、２つの吸気弁７を逆方向に回転させている。そして、この例では、両吸気ポート８から噴出された空気は、シリンダボア２の軸心と反対側に反らされるようにガイドされる。従って、空気はシリンダボア２の内周面を舐めるようにして流れており、このため、シリンダボア２の内面に霧化燃料が付着しても、これを吹き飛ばしたり気化させたりすることができる。また、２つの流れは結局は合流してから上昇に転じるため、かなり強いタンブル流が形成される。
【００５４】
図６（Ｃ）に示す例では、２つの吸気弁７はいずれも同じ反時計回り方向に回転している。従って、左右の笠状弁体１７は、鈍角端部１７ａ及び鋭角端部１７ｂの間隔を同じにした状態で回転する。そして、この例では、空気は笠状弁体１７の右側に向けて多く流れるため、右側の吸気ポート８から放出された空気が、シリンダボア２の内面に沿ってシリンダボア２の軸心回りに流れる傾向を呈しており、その結果、全体として反時計回り方向の強いスワール流が形成される。
【００５５】
また、空気の流れはシリンダボア２の軸心回りに旋回しつつピストン４の方向に向かうため、結果としてタンブル流も形成される。つまり、斜め方向のタンブル流か又は斜め方向のスワール流と呼ぶことができる強い斜め旋回流が形成される。
【００５６】
(3).他の実施形態・その他
図７（Ａ）に示す第２実施形態では、１つのシリンダボア２に対して１つの吸気弁７のみを設けたタイプに適用している（排気弁９は２個設けている。）。この実施形態では、吸気弁７を時計回りに回転させると、空気は反時計回り方向に反らされながら斜め下向きに流れる。従って、スワール流とタンブル流とが合成された斜め方向の強い旋回流が生成される。
【００５７】
図７（Ｂ）に示す第３実施形態は、吸気弁７をその前後動に連動して回転させるガイド手段の別例であり，この実施形態では、吸気弁７の弁軸１６にリードが大きい多条ねじ山３９を形成して、ガイドブッシュ２８には多条ねじ溝４０を形成している。この例では、吸気弁７の回転はよりスムースになる。弁軸１６とガイドブッシュ２８と両方にねじ溝を形成して、両ねじ溝の間に多数のボールを配置したボールねじタイプを採用することも可能である。なお、ガイドブッシュ２８を使用せずに、弁軸１６をシリンダヘッド３にねじ込むことも可能である。敢えて述べるまでもないが、多条ねじ山３９及び多条ねじ溝３４０には、ストレート山とストレート溝が連続している。
【００５８】
図８に示す第４実施形態では、弁軸１６は受圧面１８から降ろした垂線と平行になっているが、弁軸１６を、受圧面１８の中心からシリンダボア２の中心線１４の側にずらしている。具体的な構造は省略しているが、この例でも、吸気弁７は、前進開始後のある程度の範囲は回転し、回転し切ってから更に前進する。
【００５９】
この実施形態では、吸気弁７が前進すると、笠状弁体１７は、弁軸１６から遠い部分である離反端部１７ｃがシリンダボア２の軸心１４の側に寄るように回転して、笠状弁体１７のうち離反端部１７ｃを含む一部が吸気ポートの外側にずれる。これにより、空気は強い流れになってシリンダボア２に流入する。その結果、強いタンブル流を生成することができる。
【００６０】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、１つのシリンダボアに対応して複数（２つ）の吸気弁を有するタイプの場合、１つの吸気弁だけを回転式にすることも可能である。また、笠状弁体は真円形である必要はなく、楕円形や卵形も採用できる。吸気弁の回転駆動は、モータ等のアクチェータで行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本願発明はガソリン機関等の内燃機関に適用できる。従って、産業上、利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１  機関本体を構成するシリンダブロック
２  シリンダボア
３  機関本体を構成するシリンダヘッド
４  ピストン
７  吸気弁
８  吸気ポート
１１  吸気通路
１６  弁軸
１７  笠状弁体
１７ａ  鈍角端部
１７ｂ  鋭角端部
１８  受圧面
１９  受圧面の垂線
２８  ガイドブッシュ
３２  ガイド突起
３３  螺旋状ガイド溝
３４  ストレート状ガイド溝
３５  タンブル流形成用凹所
３７  タンブル流
【図１】
0006000594.tif 000002
【図２】
0006000594.tif 000003
【図３】
0006000594.tif 000004
【図４】
0006000594.tif 000005
【図５】
0006000594.tif 000006
【図６】
0006000594.tif 000007
【図７】
0006000594.tif 000008
【図８】
0006000594.tif 000009