(57)【要約】【課題】燃焼室での混合気の良好な燃焼を実現することができる内燃機関の設計方法を提供する。【解決手段】シリンダヘッド１１の窪み１５の壁面１５１のうち、吸気バルブ１９及び排気バルブよりも外側に位置する部位を外側壁面１５２とした場合、クランク軸の延伸方向に沿うとともに気筒１４の中心軸を含む断面において外側壁面１５２における取付面１１１との接続部位１５３と取付面１１１とのなす角である壁面傾斜角ξは９０°以上となっている。点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度以上にするときには壁面傾斜角ξを基準傾斜角以下の角度に設定する一方、点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度未満とするときには壁面傾斜角ξを基準傾斜角よりも大きい角度に設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内の燃焼室に吸気ポートから吸入空気を導入することにより、同燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関を設計するための内燃機関の設計方法であって、
前記吸気ポートは、前記燃焼室に接続されているとともに所定の曲率で曲がっている下流通路と、同下流通路の上流端に接続されているとともに所定の延伸方向に延びている上流通路と、を備えており、
前記燃焼室は、前記気筒の内部空間と、シリンダヘッドのうち前記内部空間と連通する窪みと、で構成されており、
前記シリンダヘッドのうち、ガスケットを挟んでシリンダブロックに取り付けられている面を取付面とし、前記窪みの壁面のうち、吸気バルブ及び排気バルブよりも外側に位置する部位を外側壁面とした場合、前記内燃機関のクランク軸の延伸方向に沿うとともに前記気筒の中心軸を含む断面において同外側壁面における前記取付面との接続部位と同取付面とのなす角である壁面傾斜角は９０°以上となっており、
前記壁面傾斜角が大きくなるにつれて次第に小さくなるとともに、同壁面傾斜角が基準傾斜角と等しいときには１となる係数を規定係数とした場合、
吸気行程時におけるタンブル流の強度に前記規定係数を乗じた積が点火時期におけるタンブル流の強度となるという前提のもと、
点火時期におけるタンブル流の強度の目標値である点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度以上にするときには前記壁面傾斜角を前記基準傾斜角以下の角度に設定する一方、前記点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度未満とするときには前記壁面傾斜角を前記基準傾斜角よりも大きい角度に設定する
内燃機関の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気ポートから燃焼室に吸入空気を導入することで同燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関を設計するための内燃機関の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、吸気ポートから燃焼室に吸入空気を導入することにより、同燃焼室内にタンブル流を発生させることのできる内燃機関の一例が記載されている。このような内燃機関にあっては、吸気ポートの形状を工夫することで吸気行程時におけるタンブル流を強くすることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９４５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸気行程時におけるタンブル流の強度をそのときの目標値（以下、「吸気行程時目標値」ともいう。）と等しくし、その後の点火時期におけるタンブル流の強度をそのときの目標値（以下、「点火時期目標値」ともいう。）と等しくすることで、タンブル流を適切に制御すれば、混合気を良好に燃焼させることができる。しかしながら、吸気行程時におけるタンブル流の強度が吸気行程時目標値と等しくなるように吸気ポートの形状を設計した場合、その後の点火時期におけるタンブル流の強度が点火時期目標値と等しくなるとは限らない。このように点火時期におけるタンブル流の強度が点火時期目標値からずれている場合、吸気行程時におけるタンブル流の強度が吸気行程時目標値と等しかったとしても混合気を良好に燃焼させることができないおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、燃焼室での混合気の良好な燃焼を実現することができる内燃機関の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための内燃機関の設計方法は、気筒内の燃焼室に吸気ポートから吸入空気を導入することにより、同燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関を設計するための設計方法である。同設計方法を基に製造される内燃機関において、吸気ポートは、燃焼室に接続されているとともに所定の曲率で曲がっている下流通路と、同下流通路の上流端に接続されているとともに所定の延伸方向に延びている上流通路と、を備えている。また、燃焼室は、気筒の内部空間と、シリンダヘッドのうち同内部空間と連通する窪みと、で構成されている。また、シリンダヘッドのうち、ガスケットを挟んでシリンダブロックに取り付けられている面を取付面とし、窪みの壁面のうち、吸気バルブ及び排気バルブよりも外側に位置する部位を外側壁面とした場合、内燃機関のクランク軸の延伸方向に沿うとともに気筒の中心軸を含む断面において同外側壁面における上記取付面との接続部位と同取付面とのなす角である壁面傾斜角は９０°以上となっている。そして、上記内燃機関の設計方法では、壁面傾斜角が大きくなるにつれて次第に小さくなるとともに、同壁面傾斜角が基準傾斜角と等しいときには１となる係数を規定係数とした場合、吸気行程時におけるタンブル流の強度に規定係数を乗じた積が点火時期におけるタンブル流の強度となるという前提のもと、点火時期におけるタンブル流の強度の目標値である点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度以上にするときには壁面傾斜角を基準傾斜角以下の角度に設定する一方、点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度未満とするときには壁面傾斜角を基準傾斜角よりも大きい角度に設定する。
【０００７】
内燃機関の吸気ポートが、所定の延伸方向に延びている上流通路と、同上流通路の下流端に接続されるとともに所定の曲率半径で曲がっている下流通路とを有している構成である場合、吸気行程時に燃焼室内で発生するタンブル流の強度は、気筒の中心軸に対する上流通路の傾斜角及び下流通路の曲率半径に応じた強度となる。
【０００８】
また、このように燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関において、本件発明者は、以下に示すような知見を得た。
・壁面傾斜角を大きくして燃焼室の容積を狭くするほど、点火時期におけるタンブル流の強度が小さくなること。
・壁面傾斜角がある角度と等しいときには、点火時期におけるタンブル流の強度を吸気行程時におけるタンブル流の強度と同等とすることができ、壁面傾斜角がある角度よりも大きいときには、点火時期におけるタンブル流の強度を吸気行程時におけるタンブル流の強度よりも小さくすることができ、壁面傾斜角がある角度よりも小さいときには、点火時期におけるタンブル流の強度を吸気行程時におけるタンブル流の強度よりも大きくすることができること。
【０００９】
そこで、本件発明者は、壁面傾斜角が９０°以上となる範囲内において、壁面傾斜角が大きくなるにつれて次第に小さくなるとともに、同壁面傾斜角が基準傾斜角と等しいときには１と等しくなる係数を規定係数とした場合、吸気行程時におけるタンブル流の強度に同規定係数を乗じた積が点火時期におけるタンブル流の強度となるという前提のもとで、壁面傾斜角を設定するようにした。すなわち、点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度と同等とするときには、壁面傾斜角が基準傾斜角と等しくされる。また、点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度よりも小さくするときには、壁面傾斜角が基準傾斜角よりも大きくされる。点火時期目標値を吸気行程時におけるタンブル流の強度よりも大きくするときには、壁面傾斜角が基準傾斜角よりも小さくされる。このように吸気行程時におけるタンブル流の強度と点火時期目標値との大小関係を基に壁面傾斜角を設定することで、吸気行程時におけるタンブル流の強度の目標値と点火時期目標値との大小関係にとらわれることなく、吸気ポートの上流通路における気筒の中心軸に対する傾斜角と、吸気ポートの下流通路の曲率半径とを設定することができる。
【００１０】
このようにして設定した各値に基づいて内燃機関を製造した場合、同内燃機関では、吸気行程時におけるタンブル流の強度をそのときの目標値と同等としつつも、その後の点火時期におけるタンブル流の強度を点火時期目標値と同等とすることができる。したがって、燃焼室での混合気の良好な燃焼を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の内燃機関の設計方法によって設計された内燃機関の一部を模式的に示す断面図。
【図２】同内燃機関の、クランク軸の延伸方向に沿うとともに気筒の中心軸を含む断面の形状を示す図。
【図３】ポート傾斜角及び曲率半径正規化値と、吸気行程時におけるタンブル流の強度との関係を示すグラフ。
【図４】壁面傾斜角と規定係数との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、内燃機関の設計方法を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１には、本実施形態の内燃機関の設計方法によって設計され、製造された内燃機関１０が図示されている。図１に示すように、内燃機関１０では、シリンダヘッド１１がガスケット１２を介してシリンダブロック１３に取り付けられている。なお、本明細書では、シリンダヘッド１１のうち、ガスケット１２を介してシリンダブロック１３に取り付けられている面（図中下面）のことを「取付面１１１」ともいう。
【００１３】
シリンダブロック１３には、図１において紙面と直交する方向に並ぶ複数（図１では１つのみ図示）の気筒１４が設けられている。また、シリンダヘッド１１には、気筒１４の数と同数の窪み１５が設けられており、各窪み１５は、対応する気筒１４の内部空間１４１とそれぞれ連通している。そして、互いに連通する気筒１４の内部空間１４１と窪み１５とによって燃焼室１６が構成されている。
【００１４】
図１に示すように、シリンダヘッド１１には、燃焼室１６に接続されている吸気ポート１７及び排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７の燃焼室１６に対する開閉は吸気バルブ１９によって行われ、排気ポート１８の燃焼室１６に対する開閉は排気バルブ２０によって行われる。
【００１５】
吸気ポート１７は、燃焼室１６に接続されているとともに所定の曲率半径で曲がっている下流通路１７１と、下流通路１７１の上流端に接続されているとともに所定の延伸方向に延びている上流通路１７２とを有している。なお、本明細書では、気筒１４の中心線に対する上流通路１７２の延伸方向の傾斜角を「ポート傾斜角θ」といい、下流通路１７１の曲率半径を「ポート曲率半径Ｒ」というものとする。
【００１６】
吸気行程時には、吸気バルブ１９が開弁され、吸気ポート１７を介して吸入空気が燃焼室１６に導入される。すると、燃焼室１６内では、吸気ポート１７を介して吸入空気が導入されることにより、図１に矢印で示すようなタンブル流が発生する。吸気行程の次の行程である圧縮行程では、ピストン２１が上死点に向けて移動することにより、吸入空気と燃料とを含む混合気が圧縮され、図２に示す点火プラグ２２による点火によって混合気が燃焼される。そして、このような混合気の燃焼によって生じた力が、図１において紙面と直交する方向に延伸するクランク軸にピストン２１を介して伝達される。その後の排気行程では、排気バルブ２０が開弁され、燃焼室１６で生じた排気が排気ポート１８に排出される。
【００１７】
図２には、クランク軸の延伸方向に沿うとともに気筒１４の中心軸を含む内燃機関１０の断面、すなわち図１における２−２矢視断面が図示されている。図２に示すように、シリンダヘッド１１の窪み１５の壁面１５１のうち、吸気バルブ１９及び排気バルブ２０よりも外側に位置する部位を外側壁面１５２とした場合、外側壁面１５２の図中下端部位が、シリンダヘッド１１の取付面１１１に接続されている接続部位１５３となる。そして、図２に示す断面において、外側壁面１５２の接続部位１５３と取付面１１１とのなす角を壁面傾斜角ξとした場合、壁面傾斜角ξは９０°以上となっている。
【００１８】
次に、本実施形態の内燃機関の設計方法について説明する。
本実施形態の内燃機関の設計方法は、吸気ポート１７を設計する第１のステップと、燃焼室１６を設計する第２のステップとを有する。第１のステップでは、吸気行程時におけるタンブル流の強度が吸気行程時目標値と等しくなるようにポート曲率半径Ｒ及びポート傾斜角θが設定される。第２のステップでは、吸気行程時におけるタンブル流の強度が吸気行程時目標値と等しいという仮定の下、点火時期におけるタンブル流の強度が点火時期目標値と等しくなるように壁面傾斜角ξが設定される。
【００１９】
まず、第１のステップについて説明する。
本件発明者は、各種の実験やシミュレーションを行った結果、以下に示す知見を得た。
・上流通路１７２のポート傾斜角θがある値に達するまではポート傾斜角θが大きくなるにつれて吸気行程時におけるタンブル流の強度が大きくなるものの、ポート傾斜角θがある値を超えた以降ではポート傾斜角θが大きくなるにつれて吸気行程時におけるタンブル流の強度が小さくなること。
・下流通路１７１のポート曲率半径Ｒが大きいほど、吸気行程時におけるタンブル流の強度が大きくなること。
・吸気行程時におけるタンブル流の強度を、ポート傾斜角θが吸気行程時におけるタンブル流の強度に寄与する成分と、ポート曲率半径Ｒが吸気行程時におけるタンブル流の強度に寄与する成分とに分解して示せること。
【００２０】
そして、以下に示す関係式（式１）、（式２）及び（式３）は、上記のような知見を数式化したものである。すなわち、関係式（１）において、「Ｆ（θ）」はポート傾斜角θが吸気行程時におけるタンブル流の強度に寄与する成分であり、「Ｘａ」、「Ｘｂ」及び「Ｘｃ」は上流通路１７２の断面形状や上流通路１７２の壁面の摩擦係数などから求まる定数である。また、関係式（式２）において、「Ｆ（Ｒ）」はポート曲率半径Ｒが吸気行程時におけるタンブル流の強度に寄与する成分であり、「Ｄ」は吸気バルブ１９の傘部の直径である。また、関係式（式２）において、「Ｙａ」及び「Ｙｂ」は、吸気バルブ１９用のバルブシートの構造や加工方法に依存する定数であり、下流通路１７１の壁面とバルブシートとの間の段差が大きいほど大きくなる。
【００２１】
Ｆ（θ）＝Ｘａ・θ２＋Ｘｂ・θ＋Ｘｃ  ・・・（式１）
Ｆ（Ｒ）＝Ｙａ・Ｌｎ（Ｒ／Ｄ）＋Ｙｂ  ・・・（式２）
Ｆｔ＿ｉｎ＝Ｆ（θ）×Ｆ（Ｒ）  ・・・（式３）
また、ポート曲率半径Ｒを吸気バルブ１９の傘部の直径Ｄで除した値は、ポート曲率半径Ｒを正規化した値（以下、「曲率半径正規化値」ともいう。）である。この場合、曲率半径正規化値（＝Ｒ／Ｄ）を１から大きくするにつれて、吸気行程時におけるタンブル流の強度が次第に大きくなる。これは、ポート曲率半径Ｒが大きいほど、上流通路１７２から下流通路１７１に吸入空気が流入したときにおける流速の低下が抑制されるためである。しかし、曲率半径正規化値がある程度の大きさに達すると、それ以降では曲率半径正規化値をさらに大きくしても、吸気行程時におけるタンブル流の強度が大きくなりにくい。
【００２２】
そして、本件発明者は、曲率半径正規化値を大きくしても吸気行程時におけるタンブル流の強度が大きくなりにくくなったときの曲率半径正規化値、すなわち曲率半径正規化値の最大値を、以下に示す関係式（式４）で表すことができることを発見した。なお、関係式（式１）において、「ＲＤＭａｘ」は曲率半径正規化値の最大値である。また、「Ｚａ」及び「Ｚｂ」は、吸気ポート１７内での吸入空気の流速の低下度合いが大きいほど大きい値に設定される定数である。この関係式（式４）で表されているように、曲率半径正規化値の最大値ＲＤＭａｘは、ポート傾斜角θが小さいほど大きくなる。
【００２３】
ＲＤＭａｘ＝（Ｚａ／θ）＋Ｚｂ  ・・・（式４）
したがって、曲率半径正規化値、すなわちポート曲率半径Ｒを変えることにより、吸気行程時におけるタンブル流の強度を変更させることができる範囲は、以下の関係式（式５）で表すことができる。
【００２４】
１≦Ｒ／Ｄ≦（Ｚａ／θ）＋Ｚｂ  ・・・（式５）
そして、第１のステップでは、上記各関係式（式１），（式２），（式３）及び（式５）を用い、ポート傾斜角θ及びポート曲率半径Ｒが設定される。具体的には、関係式（式３）における「Ｆｔ＿ｉｎ」に吸気行程時目標値を代入した上で、ポート傾斜角θ及びポート曲率半径Ｒが設定される。
【００２５】
ちなみに、図３には、ポート傾斜角θ及び曲率半径正規化値（Ｒ／Ｄ）と吸気行程時におけるタンブル流の強度との関係を表すグラフが図示されている。図３において、破線ＤＬは、曲率半径正規化値の最大値ＲＤＭａｘを示した線である。また、図３において、実線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５は、上記関係式（式３）を表している。すなわち、実線ＳＬ１は、吸気行程時目標値を第１の値に設定したときの関係式（式３）を表している。また、実線ＳＬ２は、吸気行程時目標値を第１の値よりも大きい第２の値に設定したときの関係式（式３）を表しており、実線ＳＬ３は、吸気行程時目標値を第２の値よりも大きい第３の値に設定したときの関係式（式３）を表している。また、実線ＳＬ４は、吸気行程時目標値を第３の値よりも大きい第４の値に設定したときの関係式（式３）を表しており、実線ＳＬ５は、吸気行程時目標値を第４の値よりも大きい第５の値に設定したときの関係式（式３）を表している。
【００２６】
次に、第２のステップについて説明する。
本件発明者は、壁面傾斜角ξに応じて点火時期におけるタンブル流の強度が変わるという知見を得た。具体的には、壁面傾斜角ξがある角度よりも大きい場合、壁面傾斜角ξが大きいほど燃焼室１６の容積が狭くなることにより、ピストン２１が上死点に近づくほどタンブル流の強度を維持しにくくなる。すなわち、壁面傾斜角ξが大きいほど、点火時期におけるタンブル流の強度が小さくなる。また、壁面傾斜角ξがある角度と等しいときには、ピストン２１が上死点に向けて移動している場合にタンブル流の強度が保持される。また、壁面傾斜角ξがある角度よりも小さいときには、ピストン２１が上死点に向けて移動している場合にタンブル流の強度が僅かに大きくなる。
【００２７】
そこで、本件発明者は、このような知見を基に以下に示す関係式（式６）を作成した。関係式（式６）において、「Ｆｔ＿ｃｍｂ」は、点火時期におけるタンブル流の強度であり、Ｆ（ξ）は、壁面傾斜角ξに応じた規定係数であり、「Ｆｔ＿ｉｎ」は、吸気行程時におけるタンブル流の強度である。
【００２８】
Ｆｔ＿ｃｍｂ＝Ｆ（ξ）×Ｆｔ＿ｉｎ  ・・・（式６）
なお、規定係数Ｆ（ξ）は、図４に示すような特性を有している。すなわち、図４に示すように、点火時期におけるタンブル流の強度が吸気行程時におけるタンブル流の強度と同等となる場合の壁面傾斜角ξを基準傾斜角ξＴＨとした場合、規定係数Ｆ（ξ）は、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨと等しいときには１となる。また、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨ未満の角度であるときには、規定係数Ｆ（ξ）が１よりも大きくなる。そして、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨ未満の角度である場合、規定係数Ｆ（ξ）は壁面傾斜角ξが小さいほど大きくなる。一方、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨよりも大きいときには、規定係数Ｆ（ξ）が１よりも小さくなる。そして、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨよりも大きい角度である場合、規定係数Ｆ（ξ）は壁面傾斜角ξが大きいほど小さくなる。
【００２９】
そのため、点火時期目標値を吸気行程時目標値と同等とする場合には、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨと等しくされる。また、点火時期目標値を吸気行程時目標値よりも大きくする場合には、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨよりも小さい角度とされる。また、点火時期目標値を吸気行程時目標値よりも小さくする場合には、壁面傾斜角ξが基準傾斜角ξＴＨよりも大きくされる。
【００３０】
次に、本実施形態の内燃機関の設計方法によって設定された各値を基に製造された内燃機関１０の作用を効果とともに説明する。
吸気ポート１７におけるポート曲率半径Ｒ及びポート傾斜角θは、上記第１のステップにて設定された値である。そのため、吸気行程時には、このような吸気ポート１７から吸入空気が導入されることで、吸気行程時目標値と同等の強度のタンブル流が燃焼室１６内に発生する。そして、壁面傾斜角ξは点火時期目標値と吸気行程時目標値とのずれに応じた値に設定されているため、その後の点火時期では、タンブル流の強度が点火時期目標値と同等となる。そのため、吸気行程時におけるタンブル流の強度を吸気行程時目標値と同等としつつも、その後の点火時期におけるタンブル流の強度を点火時期目標値と同等とすることができる。したがって、燃焼室１６での混合気の良好な燃焼を実現することができる。
【００３１】
このように、本実施形態の内燃機関の設計方法によれば、燃焼室１６での混合気の良好な燃焼を実現することができる内燃機関を設計することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０…内燃機関、１１…シリンダヘッド、１１１…取付面、１２…ガスケット、１３…シリンダブロック、１４…気筒、１５…窪み、１５１…壁面、１５２…外側壁面、１５３…接続部位、１４１…内部空間、１６…燃焼室、１７…吸気ポート、１７１…下流通路、１７２…上流通路、１９…吸気バルブ、２０…排気バルブ。
【図１】
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【図２】
2018003713.tif 000004
【図３】
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【図４】
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