(57)【要約】【課題】スワール比と吸気ポートの流量係数との関係を改善しつつ、燃焼室に対する吸気ポートの開口部付近のシリンダヘッドの壁面に断熱膜を形成できるようにした内燃機関を提供する。【解決手段】スワール流の生成のために、共通の燃焼室１２に接続されるタンジェンシャルポート２２とヘリカルポート２４とを備える。タンジェンシャルポート２２の開口部３４周りの壁面は、第１バルブシート部３６に対して吸気の流れの下流側の部位に、第１のカッター部４２を含んでいる。ヘリカルポート２４の開口部３８周りの壁面は、第２バルブシート部４０に対して吸気の流れの下流側の部位に、第２のカッター部４４を含んでいる。第１のカッター部４２および第２のカッター部４４の表面には、断熱膜がそれぞれ形成されている。第１のカッター部４２の表面に形成された断熱膜の表面粗さは、第２のカッター部４４の表面に形成された断熱膜の表面粗さよりも小さい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の燃焼室に接続されるタンジェンシャルポートとヘリカルポートとを含む吸気ポートをシリンダヘッドに備え、前記燃焼室内にスワール流が生成される内燃機関であって、
前記燃焼室に対する前記タンジェンシャルポートの開口部周りの壁面は、当該タンジェンシャルポートを開閉する吸気バルブが閉弁時に接触する第１バルブシート部に対して吸気の流れの下流側の部位に、前記シリンダヘッドに形成された燃焼室壁面を気筒の軸線方向から見て前記第１バルブシート部を覆うように形成された第１の溝部を含み、
前記燃焼室に対する前記ヘリカルポートの開口部周りの壁面は、当該ヘリカルポートを開閉する吸気バルブが閉弁時に接触する第２バルブシート部に対して吸気の流れの下流側の部位に、前記シリンダヘッドに形成された前記燃焼室壁面を気筒の軸線方向から見て前記第２バルブシート部を覆うように形成された第２の溝部を含み、
前記第１の溝部および前記第２の溝部の表面には、断熱膜がそれぞれ形成されており、
前記第１の溝部の表面に形成された前記断熱膜の表面粗さは、前記第２の溝部の表面に形成された前記断熱膜の表面粗さよりも小さいことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に係り、特に、燃焼室内にスワール流を生成するために吸気ポートとしてタンジェンシャルポートとヘリカルポートとを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃焼室を構成する壁面の一部もしくは全部に遮熱膜（断熱膜）が形成された内燃機関が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０２４１４３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５０４４号公報
【特許文献３】特開２０００−３１０１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共通の燃焼室に接続されるタンジェンシャルポートとヘリカルポートとを含む吸気ポートを備え、燃焼室内にスワール流が生成される内燃機関が知られている。このような構成を有する内燃機関において、燃焼室に対する吸気ポートの開口部付近のシリンダヘッドの壁面に断熱膜が形成されていると、次のような問題がある。すなわち、断熱膜は、基本的に表面粗さが大きいため、筒内に流入する吸気の流れに影響を与え得る。その結果、吸気ポートの流量係数が低下したり、スワール比が低下したりする可能性がある。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スワール比と吸気ポートの流量係数との関係を改善しつつ、燃焼室に対する吸気ポートの開口部付近のシリンダヘッドの壁面に断熱膜を形成できるようにした内燃機関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】
【０００６】
本発明に係る内燃機関は、共通の燃焼室に接続されるタンジェンシャルポートとヘリカルポートとを含む吸気ポートをシリンダヘッドに備えている。前記内燃機関の前記燃焼室内には、スワール流が生成される。前記燃焼室に対する前記タンジェンシャルポートの開口部周りの壁面は、当該タンジェンシャルポートを開閉する吸気バルブが閉弁時に接触する第１バルブシート部に対して吸気の流れの下流側の部位に、前記シリンダヘッドに形成された燃焼室壁面を気筒の軸線方向から見て前記第１バルブシート部を覆うように形成された第１の溝部を含んでいる。前記燃焼室に対する前記ヘリカルポートの開口部周りの壁面は、当該ヘリカルポートを開閉する吸気バルブが閉弁時に接触する第２バルブシート部に対して吸気の流れの下流側の部位に、前記シリンダヘッドに形成された前記燃焼室壁面を気筒の軸線方向から見て前記第２バルブシート部を覆うように形成された第２の溝部を含んでいる。前記第１の溝部および前記第２の溝部の表面には、断熱膜がそれぞれ形成されている。前記第１の溝部の表面に形成された前記断熱膜の表面粗さは、前記第２の溝部の表面に形成された前記断熱膜の表面粗さよりも小さい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、タンジェンシャルポート側の第１の溝部の表面に形成された断熱膜の表面粗さを、ヘリカルポート側の第２の溝部の表面に形成された断熱膜の表面粗さよりも小さくしたことにより、スワール比と吸気ポートの流量係数との関係を改善しつつ、燃焼室に対する吸気ポートの開口部付近のシリンダヘッドの壁面に断熱膜を形成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１における内燃機関の全体構成を模式的に表した図である。
【図２】図１に示す吸気通路が備える吸気ポートの具体的な構成を説明するための斜視図である。
【図３】気筒の軸線方向において図２に示す燃焼室を下方側から見た図である。
【図４】燃焼室に対するタンジェンシャルポートおよびヘリカルポートのそれぞれの開口部周りの構成を表した断面図である。
【図５】タンジェンシャルポートとヘリカルポートとの間で断熱膜の表面粗さに差を設けたことによる効果について説明するための図である。
【図６】吸気ポートの流量係数とスワール比との関係（トレードオフライン）を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０の全体構成を模式的に表した図である。図１に示す内燃機関１０は、圧縮着火式エンジン（一例として、ディーゼルエンジン）である。内燃機関１０の各気筒の燃焼室１２には、吸気通路１４と排気通路１６とが連通している。
【００１０】
各気筒には、燃焼室１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１８が備えられている。燃料噴射弁１８等の内燃機関１０の運転を制御するためのアクチュエータは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に電気的に接続されており、ＥＣＵ２０からの指令に従って駆動される。
【００１１】
図２は、図１に示す吸気通路１４が備える吸気ポートの具体的な構成を説明するための斜視図である。吸気通路１４は、共通の燃焼室１２に接続される吸気ポートとして、図２に示すように、タンジェンシャルポート２２とヘリカルポート２４とを備えている。
【００１２】
タンジェンシャルポート２２は、シリンダ内周面２６に沿う方向で吸気が燃焼室１２内に流入するように吸気を案内可能に形成されている。このように形成されたタンジェンシャルポート２２によれば、当該タンジェンシャルポート２２から供給される吸気の流量が多くなるほど、燃焼室１２内に生成されるスワール流を強くすることができる。
【００１３】
一方、ヘリカルポート２４は、図２中に破線の矢印で示すように、ヘリカルポート２４から燃焼室１２内に流入する吸気に対して気筒の軸線方向の下方（ピストン側）に向かう流れを積極的に生成するために、螺旋状に形成されている。内燃機関１０におけるスワール流の生成は、主にタンジェンシャルポート２２が担っており、もう一方のヘリカルポート２４は、生成されたスワールの流れを阻害しないように上述の形状とされている。
【００１４】
次に、図３および図４を参照して、燃焼室１２に対するタンジェンシャルポート２２およびヘリカルポート２４のそれぞれの開口部周りの構成について説明する。
【００１５】
図３は、気筒の軸線方向において図２に示す燃焼室１２を下方側から見た図である。図４は、燃焼室１２に対するタンジェンシャルポート２２およびヘリカルポート２４のそれぞれの開口部周りの構成を表した断面図である。図３，４において、符号２８は吸気バルブであり、符号３０は排気バルブ３０であり、符号３２は点火プラグである。
【００１６】
図４（Ａ）は、タンジェンシャルポート２２を開閉する吸気バルブ２８の軸中心を通過するＡ−Ａ線（図３参照）でタンジェンシャルポート２２の開口部３４周りの構成を切断した断面を模式的に表している。開口部３４周りの壁面には、吸気バルブ２８の傘部２８ａが閉弁時に接触する第１バルブシート部３６が形成されている。一方、図４（Ｂ）は、ヘリカルポート２４を開閉する吸気バルブ２８の軸中心を通過するＢ−Ｂ線（図３参照）でヘリカルポート２４の開口部３８周りの構成を切断した断面を模式的に表している。開口部３８周りの壁面には、吸気バルブ２８の傘部２８ａが閉弁時に接触する第２バルブシート部４０が形成されている。
【００１７】
さらに、タンジェンシャルポート２２の開口部３４には、第１バルブシート部３６に対して吸気の流れ（タンジェンシャルポート２２から燃焼室１２内に流入する吸気の流れ）の下流側の部位に、溝形状の第１のカッター部４２が形成されている。一方、ヘリカルポート２４の開口部３８には、第２バルブシート部４０に対して吸気の流れ（ヘリカルポート２４から燃焼室１２内に流入する吸気の流れ）の下流側の部位に、溝形状の第２のカッター部４４が形成されている。
【００１８】
第１のカッター部４２および第２のカッター部４４は、加工具（バルブシートカッター）によって、第１バルブシート部３６および第２バルブシート部４０を形成する際に共に形成される部位である。第１のカッター部４２および第２のカッター部４４は、それぞれ、図３に示すように（すなわち、シリンダヘッドに形成された燃焼室壁面を気筒の軸線方向から見て）、第１バルブシート部３６および第２バルブシート部４０の全周を覆うように形成されている。付け加えると、第１のカッター部４２は、燃焼室１２内のスワール流の旋回方向に延びるように形成されている。
【００１９】
本実施形態の内燃機関１０では、冷却損失の低減による燃費向上のために、燃焼室１２を構成するシリンダヘッド４６の壁面に、断熱膜が形成されている。断熱膜の付与による燃費向上効果を高めるためには、断熱膜を付与する部位を増やすことが望ましい。そこで、本実施形態では、タンジェンシャルポート２２およびヘリカルポート２４の出口付近の第１のカッター部４２および第２のカッター部４４に対しても、断熱膜が形成されている。断熱膜の付与方法としては、例えば、シリンダヘッド４６の母材であるアルミニウム合金に対して陽極酸化処理を施すことによって陽極酸化皮膜（アルマイト皮膜）を形成する手法、あるいは、付与対象部位にジルコニアを溶射してジルコニア皮膜を形成する手法を用いることができる。
【００２０】
そのうえで、本実施形態の内燃機関１０は、第１のカッター部４２の表面に形成された断熱膜と、第２のカッター部４４の表面に形成された断熱膜との間で、表面粗さに差が設けられている点に特徴を有している。
【００２１】
より具体的には、第１のカッター部４２の表面に形成された断熱膜の表面粗さが、第２のカッター部４４の表面に形成された断熱膜の表面粗さよりも小さくなるという態様で、断熱膜が付与されている。このような表面粗さの相対差は、一例として、次のような手法で与えることができる。すなわち、表面粗さを相対的に小さくする側である第１のカッター部４２の断熱膜の形成に関しては、当該断熱膜を研磨する工程を追加し、もう一方の第２のカッター部４４の断熱膜に関しては研磨を実施しないようにする。
【００２２】
次に、図５を参照して、タンジェンシャルポート２２とヘリカルポート２４との間で断熱膜の表面粗さに差を設けたことによる効果について説明する。上述のように、タンジェンシャルポート２２側の第１のカッター部４２の断熱膜の表面粗さは相対的に小さくされている。第１のカッター部４２の表面粗さが大きいと、図５（Ａ）中に「粗さ大」と付して表した矢印のように、タンジェンシャルポート２２からの吸気の流れが、シリンダヘッド４６の壁面から剥離し易くなる。これに対し、第１のカッター部４２の表面粗さが小さいと（すなわち、表面が滑らかであると）、同図中に「粗さ小」と付して表した矢印のように、タンジェンシャルポート２２からの吸気の流れが、シリンダヘッド４６の壁面に沿って流れ易くなる。その結果、タンジェンシャルポート２２から燃焼室１２内に流入する吸気がシリンダ内周面２６の接線方向（図３参照）に向けて流れ易くなるので、強いスワール流を生成し易くすることができる。また、表面粗さが小さいことで、第１のカッター部４２とその付近を通過する空気との境界層に乱れが生じることを抑制し、タンジェンシャルポート２２の流量係数を高めることができる。
【００２３】
一方、ヘリカルポート２４側の第２のカッター部４４の断熱膜の表面粗さは相対的に大きくされている。第２のカッター部４４の表面粗さが小さいと、図５（Ｂ）中に「粗さ小」と付して表した矢印のように、ヘリカルポート２４からの吸気の流れが、シリンダヘッド４６の壁面に沿って流れ易くなる。これに対し、第２のカッター部４４の表面粗さが小さいと、同図中に「粗さ大」と付して表した矢印のように、ヘリカルポート２４からの吸気の流れが、シリンダヘッド４６の壁面に剥離し易くなる。その結果、ヘリカルポート２４から燃焼室１２内に流入する吸気の流れを、より十分に気筒の軸線方向の下方（ピストン側）に向かうものにすることができる。より具体的には、図５（Ａ）および図５（Ｂ）中の第１のカッター部４２および第２のカッター部４４の左側の形状を見て分かるように、第２のカッター部４４には、第１のカッター部４２と比べて急な傾斜が与えられている。このため、表面粗さが大きいと、吸気は、第２のカッター部４４の傾斜に沿わずに吸気バルブ２８の傘部２８ａ側に集中した態様で燃焼室１２内に流入するようになる。これにより、燃焼室１２内に生成されたスワールの流れを、ヘリカルポート２４からの吸気によって阻害されにくくすることができる。
【００２４】
図６は、吸気ポートの流量係数とスワール比との関係（トレードオフライン）を表した図である。なお、ここでいう吸気ポートの流量係数とは、タンジェンシャルポート２２とヘリカルポート２４とを包括的に捉えた場合の流量係数を示している。
【００２５】
図６に示すように、吸気ポートの流量係数とスワール比（スワール流の旋回強さ）との間には、トレードオフの関係がある。すなわち、流量係数を高めるとスワール比が小さくなり、逆に、スワール比を高めると流量係数が小さくなる。本実施形態の上述の構成を採用することにより、すなわち、第１のカッター部４２の断熱膜の表面粗さを第２のカッター部４４の断熱膜の表面粗さよりも小さくしたことにより、吸気ポート全体としての流量係数を高めつつ、スワール比を高められるようになる。その結果、図６中に一例として示すように、同一の流量係数の下でのスワール比を同図中の黒丸印から星印のように高めることが可能となる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態の構成によれば、流量係数とスワール比とのトレードオフの関係を改善しつつ、タンジェンシャルポート２２およびヘリカルポート２４の開口部３４、３８付近のシリンダヘッド４６の壁面に断熱膜を形成できるようになる。
【００２７】
ところで、上述した実施の形態１においては、第１のカッター部４２の断熱膜については研磨を実施し、第２のカッター部４４の断熱膜については研磨を実施しないという手法を採用して、第１のカッター部４２の表面に形成された断熱膜の表面粗さが、第２のカッター部４４の表面に形成された断熱膜の表面粗さよりも小さくなるようにしている。しかしながら、表面粗さの相対差の与え方は、上述の例に限らず、例えば、次のようなものであってもよい。すなわち、表面粗さを相対的に小さくしたい側の第２のカッター部４４の断熱膜には、表面粗さを大きくするためにショットブラスト処理を施すこととし、表面粗さを相対的に小さくしたい側の第１のカッター部４２の断熱膜に対してはそのような処理を施さないようにする。あるいは、断熱膜の付与手法をポート間で異ならせてもよい。具体的には、例えば、表面粗さを相対的に小さくしたい側の第１のカッター部４２の断熱膜はアルマイト皮膜とし、表面粗さを相対的に大きくしたい側の第２のカッター部４４の断熱膜はジルコニア溶射によるジルコニア皮膜としてもよい。
【００２８】
また、上述した実施の形態１においては、１つのタンジェンシャルポート２２と１つのヘリカルポート２４とが共通の燃焼室１２に接続される内燃機関１０を例に挙げた。しかしながら、本発明において共通の燃焼室に接続されるタンジェンシャルポートおよびヘリカルポートの何れか一方もしくは双方は複数であってもよい。また、本発明は、圧縮着火式の内燃機関１０に限らず、火花点火式の内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）に適用してもよい。
【００２９】
なお、上述した実施の形態１においては、第１のカッター部４２が本発明における「第１の溝部」に、第２のカッター部４４が本発明における「第２の溝部」に、それぞれ相当している。
【符号の説明】
【００３０】
１０  内燃機関
１２  燃焼室
１４  吸気通路
２２  タンジェンシャルポート
２４  ヘリカルポート
２６  シリンダ内周面
２８  吸気バルブ
２８ａ  吸気バルブの傘部
３４  タンジェンシャルポートの開口部
３６  第１バルブシート部
３８  ヘリカルポートの開口部
４０  第２バルブシート部
４２  第１のカッター部
４４  第２のカッター部
４６  シリンダヘッド
【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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