(57)【要約】【課題】吸気ポート内壁面に付着した燃料の気化を促進して燃焼に使用し、未燃燃料の排出量を低減する。【解決手段】吸気ポート５に燃料噴射弁４を設けたエンジン１の吸気ポート構造において、前記燃料噴射弁４取り付け位置から燃焼室６入口の間の吸気ポート５内壁面に、吸気流れの下流に行くほど徐々に小さくなる多数の凹部７を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートに燃料噴射弁を設けたエンジンの吸気ポート構造において、
前記燃料噴射弁取り付け位置から燃焼室入口の間の吸気ポート内壁面に、吸気流れの下流に行くほど徐々に小さくなる多数の凹部を設けたことを特徴とする吸気ポートの内壁面形状。
【請求項２】
前記凹部は略半球形状である請求項１に記載の吸気ポートの壁面形状。
【請求項３】
前記凹部は略四角推形状である請求項１に記載の吸気ポートの壁面形状。
【請求項４】
前記凹部を前記吸気ポートの内壁面全周に渡って設ける請求項２又は３に記載の吸気ポートの壁面形状。
【請求項５】
前記凹部を前記吸気ポートの内壁面の下側略半周に渡って設ける請求項２又は３に記載の吸気ポートの壁面形状。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気ポート内壁面の形状を改良した吸気ポート構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気規制強化に対応するために、未燃燃料の排出量を低減することも重要な要素である。未燃燃料の生成メカニズムについては、全てが把握されているわけではないが、以下のように、吸気ポート内や燃焼室壁面への燃料付着量が影響すると考えられている。
【０００３】
燃料噴射弁を吸気ポートに備えるエンジンの場合、一般的に燃料は吸気弁傘部めがけて噴射されるが、吸気ポート形状等の要因により、燃料噴霧の一部は吸気ポート壁面に衝突してしまう。従来の吸気ポート壁面の表面形状は滑らかに加工されているので、壁面に衝突した燃料噴霧は液化して分散し難くなり、壁流となって燃焼室内へ流れ込むことになる。このように吸気と十分に混合されない壁流の状態で燃焼室に供給されるために燃焼しにくく、未燃のまま排気行程において大気中に排出されてしまう。
【０００４】
そこで、吸気管の内壁面（吸気ポートを含む）に多数の略半球形状の凹部を密に形成することによって吸気管内壁面での境界層の発達を抑制し、内壁面近傍での吸気の流速を高めて吸気と燃料の混合を促進し、壁流を抑制するようにした技術が特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０９−１０５３６０号公報
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、境界層の発達を抑制する為の凹部は同じ大きさで、かつ互いに密に並べられているので、この凹部に付着した燃料同士が繋がり易く、また、繋がることにより分散し難くなり、壁流の状態になり易く、このため燃焼成分を必ずしも大幅に低減することはできない、といった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明では、吸気ポート内壁面に付着した燃料の気化を促進させて燃焼室に流入する壁流を大幅に低減させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の吸気ポートの内壁面形状は、吸気通路内に燃料噴射弁を設けたエンジンの吸気ポートにおいて、前記燃料噴射弁取り付け位置から燃焼室入口の間の内壁面に、吸気流れの下流に行くほど徐々に小さくなる複数の凹部を設ける。
【０００９】
【作用・効果】
本発明によれば、吸気ポートの内壁面に上流から下流に向けて徐々に小さくなる多数の凹部を設けたことにより、上流の内壁面付近では吸気流れの剥離が抑制されて吸気流速が上昇し、かつ上流の大きな凹部から流れ出た燃料は下流側の小さな凹部に溜まった燃料を押し出し易いため、内壁面に付着している燃料が上流から下流に向けて流れやすくなり、また、吸気バルブ付近では前記凹部が小さいために吸気流れが剥離して乱流が発生し、これにより液化した燃料の気化が促進されるので、吸気ポート内壁面に付着した燃料を効率よく気化させることが可能となり、未燃燃料の排出量を低減することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本実施形態を適用したエンジンの吸気ポート付近の概略図である。
【００１２】
１はエンジンの主としてシリンダヘッドの部分を示し、２は吸気マニホールド、５は吸気マニホールド２に接続する吸気ポート、６は燃焼室である。吸気マニホールド２の上面には燃料噴射弁４が吸気ポート５内に向け、主として吸気バルブ３の傘部裏に向けて燃料を噴射するよう配置される。
【００１３】
吸気ポート５の燃焼室６への開口部には、吸気バルブ３が開閉可能に配置され、その近傍には燃焼室６内の混合気に点火するための点火プラグ８が配置される。点火プラグ８に対して吸気ポート５と対向する位置に排気ポート１１が開口し、開口部には排気バルブ１０が開閉可能に配置される。
【００１４】
上記の構成において、ピストン９が吸気上死点付近にあるときに排気バルブ１０は閉、吸気バルブ３が開となり、吸気ポート５から空気と燃料とからなる混合気を導入し、下死点付近で吸気バルブ３が閉じる（吸気行程）。その後、吸気バルブ３、排気バルブ１０はともに閉じたままピストン９が上昇して筒内の混合気を圧縮し（圧縮行程）、ピストン９が圧縮上死点付近に到達したときに点火プラグ８によって火花点火を行い、混合気を爆発的に燃焼させ、その爆発力によってピストン９を下降させる（爆発行程）。そしてピストン９が下死点付近に到達したときに排気バルブ１０を開き、下死点通過後再び上昇するピストン９によって爆発後の排気を排気ポート１１へと押し出す（排気行程）。エンジン１は運転中、上記４行程を繰り返す。
【００１５】
ここで、吸気ポート５の構造について図２、図３を参照して説明する。
【００１６】
図２（ａ）〜（ｃ）は図１の吸気ポート５のＸ−Ｘ断面、Ｙ−Ｙ断面、Ｚ−Ｚ断面を示している。吸気マニホールド２に近い上流側のポートＸ−Ｘ断面は図２（ａ）に示すように略楕円形であり、中流側のポートＹ−Ｙ断面で図２（ｂ）のように２つの通路に分岐して、吸気バルブ３に近い下流側のポートＺ−Ｚ断面では、分岐した各通路は図２（ｃ）に示すような略円形となっている。なお、吸気ポート５が２つに分岐したのは気筒あたりの吸気バルブ３を２つ設けたからであり、吸気バルブ３が１つの場合は吸気ポート５は分岐せず１本であり、また、吸気バルブ３が３つの場合は３つに分岐することになる。
【００１７】
また、燃料噴射弁４取り付け位置より下流側の吸気ポート５内壁面には多数の略半球形状の凹部７が設けられており、その凹部７の大きさは、上流側から下流側に向けて徐々に小さくなっている。
【００１８】
図３（ａ）に吸気ポート５の内壁面の一部を示す。図中左側がポート上流側、右側が下流側である。図３（ｂ）は図３（ａ）の断面図である。
【００１９】
凹部７の直径をｄ、深さをｈとし、吸気ポート５の周方向に並ぶ凹部７の列を、吸気マニホールド２に近い方から順に７−１、７−２、７−３・・・とする。各列において隣り合う凹部７との間隔をＤ１（中心間距離はＤ＋ｄ）、隣り合う列の間隔をＤ２とする。隣り合う列は、例えば７−１列と７−２列との間では、７−１列の凹部７の中心間距離Ｄ＋ｄの中点から列間隔Ｄ２だけ吸気バルブ３側に７−２列の凹部７の中心を設ける。７−３列以降についても同様に配列して、図３（ａ）のように凹部７が互い違いに配列されるようにする。
【００２０】
図４は凹部７の直径ｄ、深さｈ、間隔Ｄ１、列の間隔Ｄ２の大きさについて示したものである。吸気マニホールド２に近い最上流部分では、直径ｄは吸気ポート５の直径の約８〜１０％程度、深さｈは吸気ポート５の直径の約２．５〜３％程度、隣り合う凹部７の間隔Ｄ１および隣り合う列の間隔Ｄ２は共に吸気ポート５の直径の約８〜１０％程度とし、吸気バルブ３付近の最下流では、直径ｄは約０．８〜１．０ｍｍ程度、深さｈは約０．２５〜０．３ｍｍ程度、隣り合う凹部７の間隔Ｄ１および隣り合う列の間隔Ｄ２は約０．８〜１．０ｍｍ程度として、中間部分は上流側から下流側に向けて凹部７が徐々に小さくなるように滑らかに変化させる。
【００２１】
ここで、前記吸気ポート５の成型方法について図８（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
【００２２】
吸気ポート５は、シリンダヘッド１を鋳造成型する際に、図８（ａ）に示すような、凹部７と同形状の外周形状を有する凸部を表面に設けた中子３０を用いて成型する。中子３０は、図８（ｂ）のように中子３０の外周を略四等分したポート曲面用中子３０ａ〜３０ｄと、前記ポート曲面用中子３０ａ〜３０ｄを支持するための支持中子３１、３２とで構成されており、これら中子は鋳造時には図８（ａ）の３０のように一体化されており、鋳込み終了後に分割して抜き取られる。
【００２３】
上記のように吸気ポート５の内壁面に多数の凹部７を設けることで、吸気ポート５壁面近傍での吸気流れの剥離が抑制されるので、吸気流速が上昇する。
【００２４】
吸気バルブ３の傘部裏に向けて燃料噴射弁４から噴射される燃料の一部は吸気ポート５の内壁面に付着して液化し、多数の凹部７にて燃料溜まりを形成する。
【００２５】
この燃料溜まりは吸気流れによって押し出されて順次下流側の小さな凹部７に流れ込む。このとき上流側の凹部７は下流側の凹部７に比べて大きいので、下流側の凹部７に溜まっていた燃料溜まりは吸気流れ及び上流側の凹部７から流れ込んだ燃料によって押し出されて、更に下流の凹部７へと流れ込む。この動きは最も下流まで同様に繰り返される。
【００２６】
また、吸気ポート５の吸気バルブ３付近の下流側では凹部７は小さくなっているため、吸気ポート５壁面近傍では境界層が発達し、吸気の乱れが激しくなっている。これにより燃料と吸気との撹拌が促進され、吸気バルブ３付近の凹部７から押し出された燃料の気化も促進される。
【００２７】
本実施形態では吸気ポート５の内壁面に上流側から下流側に向けて徐々に小さくなるように凹部７を設けたので、液化して上流側の大きい凹部７に溜まっていた燃料が下流側の小さい凹部７に流れ込むと下流側の凹部７に溜まっていた燃料は押し出されて、さらに下流側の凹部７へと流れ込むという過程を繰り返すことになり、吸気ポート５の内壁面に付着した燃料が燃焼室に向かって流れ易くなる。さらに、凹部７を設けたことによって吸気ポート５の内壁面近傍の境界層の発達が抑制されて吸気流れが高速化するので、凹部７に溜まった燃料は高速化した吸気流れによって押し出され易くなっている。
【００２８】
また、吸気バルブ３付近は凹部７が小さいので境界層が発達して吸気乱れが発生し易い。この吸気乱れにより、上流側から流れてきた燃料の気化が促進されるので、吸気ポート５内壁面に付着した燃料の壁流成分が大幅に減り、未燃燃料の排出成分の低減を図れる。
【００２９】
なお、吸気ポート５が吸気バルブ３付近で２つの通路に分岐するのではなく、吸気マニホールド２５との接合面から吸気バルブ３まで完全に独立した通路となっている、いわゆる独立ポートである場合にも、各ポートに凹部７を設けることにより、同様の効果を得ることができる。
【００３０】
また、燃料噴射弁４の取り付けは、図２に示したようにシリンダヘッド１に直接取り付ける他にも、吸気マニホールド２５のいずれかの位置に取り付けてもよい。
【００３１】
第２実施形態について図５、図６を用いて説明する。
【００３２】
本実施形態は、エンジン１の構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、吸気ポート５の内壁面の形状のみが異なる。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の吸気ポート５の図２（ａ）〜（ｃ）に相当する部分の断面図である。
【００３４】
本実施形態では、ポート内壁面に形成される第１実施形態の略半球状の凹部７に替えて四角錐形状の凹部２０を設ける。凹部２０では四角錐の頂点が上流側を向くように配置され、また、凹部２０を設ける範囲は、第１実施形態が凹部７を吸気ポート５内壁面全周に渡って設けていたのに対して、本実施形態では下側半周だけに設ける。
【００３５】
凹部２０の大きさは、第１実施形態と同様に、吸気ポート５の上流側から下流側に向けて徐々に小さくなっていき、その変化は滑らかになるようにする。
【００３６】
図６（ａ）（ｂ）は図３（ａ）（ｂ）に相当する吸気ポート５内壁面の一部を表す図である。凹部２０の吸気ポート５の周方向の対角線（短辺）の長さをＬ１、吸気流れ方向の対角線（長辺）の長さをＬ２、深さをｈとし、周方向に並ぶ凹部２０の列をそれぞれ２０−１、２０−２、２０−３・・・とし、それぞれの列において隣り合う凹部２０の間隔をＤ１、隣り合う列との間隔をＤ２とする。
【００３７】
図７は凹部２０の対角線長さＬ１、Ｌ２、深さｈ、間隔Ｄ１、列の間隔Ｄ２の大きさについて示したものである。吸気マニホールド２に近い部分では、長辺の長さＬ１、短辺の長さＬ２は吸気ポート５の直径の約８〜１０％程度（ただし、Ｌ１：Ｌ２が略３：４となるように設定）、深さｈは吸気ポート５の直径の約２．５〜３％程度、隣り合う凹部２０の間隔Ｄ１は吸気ポート５の直径の約８〜１０％程度とし、吸気バルブ３付近では、対角線長さＬ１、Ｌ２は約０．８〜１．０ｍｍ程度、深さｈは約０．２５〜０．３ｍｍ程度、隣り合う凹部２０の間隔Ｄ１は約０．８〜１．０ｍｍ程度、隣り合う列の間隔Ｄ２は隣り合う凹部２０との間隔Ｄ１の略３／４倍、つまりＤ１：Ｄ２＝４：３となるように設定して、中間部分は上流側から下流側に向けて凹部２０が徐々に小さくなるように滑らかに変化させる。
【００３８】
上記のように略半球形状の凹部７の替わりに四角推形状の凹部２０を設けた場合にも、第１実施形態と同様に、上流側の吸気ポート５内壁面では境界層の発達が抑制されて吸気流れの流速が高まり、また、壁面に付着して液化した燃料は上流側から下流側に向けて凹部２０の燃料溜まりを押し出しながら移動し、凹部２０が小さい吸気バルブ３付近で発達した乱流によって、気化された状態で燃焼室６に供給されて燃焼する。
【００３９】
なお、凹部２０を吸気ポート５内壁面の上側半周には設けていないが、燃料噴射弁４が吸気ポート５の上部から下部に向けて燃料を噴射するよう配置されているため、ほとんどの場合、燃料噴霧が衝突するのは吸気ポート５内壁面の下側ということになるので、下側半周のみであってもほぼ同様の効果が得られる。
【００４０】
以上により、本実施形態では、四角推形状の凹部２０を吸気ポート５内壁面の下側半周に設けることにより、第１実施形態と同様に、吸気ポート５内壁面に付着して液化した燃料を効率よく気化させて燃焼に使用することが可能となるので、未燃燃料の排出量を低減することが可能となる。
【００４１】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のエンジンの概略図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図１の吸気ポートのＸ−Ｘ断面、Ｙ−Ｙ断面、Ｚ−Ｚ断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は第１実施形態の吸気ポート内壁面に設けた凹部を表す図である。
【図４】第１実施形態の凹部の寸法を示す表図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態の吸気ポートの、図１のＸ−Ｘ断面、Ｙ−Ｙ断面、Ｚ−Ｚ断面に相当する部分の断面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は第２実施形態の吸気ポート内壁面に設けた凹部を表す図である。
【図７】第２実施形態の凹部の寸法を示す表図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は凹部成型に用いる中子を表す図である。
【符号の説明】
１  エンジン（シリンダヘッド）
２  吸気マニホールド
３  吸気バルブ
４  燃料噴射弁
５  吸気ポート
６  燃焼室
７  凹部
８  点火プラグ
９  ピストン
１０  排気バルブ
１１  排気ポート
２０  凹部
３０  中子
３０ａ〜ｄ  ポート曲面用中子
３１、３２  支持用中子
【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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