(57)【要約】【課題】簡易な構成でシリンダ内にタンブル流等の所望の気流を生成可能な内燃機関の吸気構造を提供する。【解決手段】燃焼室３に通じる吸気ポート５の吸気開口部５１と、吸気開口部５１を開閉する吸気バルブ５０と、吸気開口部５１に配置され、吸気バルブ５０の閉状態のときに吸気バルブ５０のバルブフェース５０ｆと接触するバルブシート５２と、を備える。吸気開口部５１は、バルブシート５２の外周側に形成され、吸気ポート５から燃焼室３内へ流入する空気の流路を形成する切欠き部５３を備える。切欠き部５３は、吸気バルブ５０の外周縁との間に広い間隔を有する流入容易部５３ｅと、吸気バルブ５０の外周縁との間に流入容易部５３ｅよりも狭い間隔を有する流入抑制部５３ｄと、を備える。【選択図】図１
2017096210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に通じる吸気ポートの吸気開口部と、
前記吸気開口部を開閉する吸気バルブと、
前記吸気開口部に配置され、前記吸気バルブの閉状態のときに前記吸気バルブのバルブフェースと接触するバルブシートと、を備える内燃機関の吸気構造であって、
前記吸気開口部は、前記バルブシートの外周側に形成され、前記吸気ポートから前記燃焼室内へ流入する空気の流路を形成する切欠き部を備え、
前記切欠き部は、
前記吸気バルブの外周縁との間に広い間隔を有する流入容易部と、
前記吸気バルブの外周縁との間に前記流入容易部よりも狭い間隔を有する流入抑制部と、を備える内燃機関の吸気構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内にタンブル流等の所望の気流を生成可能な内燃機関の吸気構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダ内の吸気や排気の流れは、燃焼に大きな影響を及ぼす。特に吸気の際は、燃料と空気の混合を促進して燃焼効率を向上させるために、シリンダ内にタンブル流（縦渦）やスワール流（横渦）等の渦状の空気の流れを発生させることがある。このような渦流は、例えば特許文献１に開示された内燃機関の動弁機構を用いて発生させることができる。
【０００３】
特許文献１に開示された内燃機関の動弁機構は、内燃機関に支持された回転自在なアームと、アームに連結された弁体（吸気バルブ）と、アームを回転駆動することで吸気バルブを開閉させる駆動機構と、を備える。特許文献１では、吸気バルブの開閉動作を回転運動により行うことで、タンブル流やスワール流を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３３９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された技術は、通常のバルブ構造に対して、吸気バルブに回転運動を付与するアーム及びアームの駆動機構が必要であり、アームと吸気バルブとの配置形態や、アームの回転駆動に伴う吸気バルブの開閉動作時の傾斜角度の制御が複雑であり、コスト高も招く。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、簡易な構成でシリンダ内にタンブル流等の所望の気流を生成可能な内燃機関の吸気構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る内燃機関の吸気構造は、燃焼室に通じる吸気ポートの吸気開口部と、前記吸気開口部を開閉する吸気バルブと、前記吸気開口部に配置され、前記吸気バルブの閉状態のときに前記吸気バルブのバルブフェースと接触するバルブシートと、を備える。前記吸気開口部は、前記バルブシートの外周側に形成され、前記吸気ポートから前記燃焼室内へ流入する空気の流路を形成する切欠き部を備える。前記切欠き部は、前記吸気バルブの外周縁との間に広い間隔を有する流入容易部と、前記吸気バルブの外周縁との間に前記流入容易部よりも狭い間隔を有する流入抑制部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記の内燃機関の吸気構造は、吸気ポートの吸気開口部に流入容易部及び流入抑制部を有する切欠き部を設けることで、吸気開口部の周方向で吸気ポートから燃焼室内へ流入する空気の流速及び流量に差を生じさせることができる。具体的には、吸気バルブの外周縁との間に広い間隔を有する流入容易部からは空気が流入し易く、吸気バルブの外周縁との間に流入容易部よりも狭い間隔を有する流入抑制部からは空気が流入し難いため、流入抑制部よりも流入容易部から空気を速くかつ多く流入できる。この空気の流速や流量の差に応じて、流入容易部から流入する空気の流動でシリンダ内にタンブル流を主とする気流を発生させることができる。上記の内燃機関の吸気構造は、吸気ポートの吸気開口部に流入容易部及び流入抑制部を有する切欠き部を設けているため、通常のバルブ構造を利用でき、簡便であり、吸気バルブの機能の信頼性の低下を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の吸気構造を備える内燃機関の断面図である。
【図２】比較形態に係る内燃機関の吸気構造を備える内燃機関の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の内燃機関の吸気構造の実施形態を以下に図面を参照しつつ説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。
【００１１】
≪実施形態１≫
・全体構成
実施形態１の内燃機関の吸気構造１００は、自動車に搭載される内燃機関の構成要素に利用される。内燃機関は、代表的には、オイルパン、シリンダブロック、シリンダヘッド、シリンダヘッドカバーが下から順に組み付けられた積層構造体を主体とする（いずれも図示せず）。シリンダブロックは、図１に示すようにシリンダ１を有し、シリンダ１内で往復動するピストン２等の主運動系を収納する。シリンダヘッドは、空気を導入する吸気ポート５と、吸気ポート５から導入した空気と燃料とを含む混合気を燃焼する燃焼室３と、燃焼室３で生じた排気ガスを排気する排気ポート７と、を有し、各ポート５，７と燃焼室３との境界に配置されて、各ポート５，７の開口部を開閉する吸気バルブ５０及び排気バルブ７０等の動弁系を収納する。内燃機関は、吸気ポート５から導入された空気と、インジェクタ（図示せず）から噴射された燃料とを用いて、吸気、圧縮、燃焼、排気の４サイクル運転等を行う。燃料は、インジェクタから燃焼室３に直接噴射したり、吸気ポート５に噴射したりする。燃料をガソリンとする場合、内燃機関は、燃焼室３内に点火プラグ９を備える。
【００１２】
実施形態１の内燃機関の吸気構造１００は、図１に示すように、燃焼室３に通じる吸気ポート５の吸気開口部５１と、吸気開口部５１を開閉する吸気バルブ５０と、吸気バルブ５０の閉状態のときに吸気バルブ５０のバルブフェース５０ｆと接触するバルブシート５２と、を備える。吸気開口部５１は、バルブシート５２の外周側に形成される切欠き部５３を備える。切欠き部５３は、吸気バルブ５０の開状態のときに、吸気バルブ５０との間に吸気ポート５から燃焼室３内へ流入する空気の流路を形成する。本実施形態１の内燃機関の吸気構造１００の主たる特徴とするところは、吸気開口部５１に形成された切欠き部５３が、吸気バルブ５０の外周縁との間に広い間隔を有する流入容易部５３ｅと、吸気バルブ５０の外周縁との間に流入容易部５３ｅよりも狭い間隔を有する流入抑制部５３ｄと、を備えることにある。以下、まず吸気バルブ５０及び吸気開口部５１について説明し、その後に吸気バルブ５０を開状態とするときの空気の流れについて説明する。なお、以下の説明では、シリンダ１の軸方向と直交する方向で吸気ポート５と排気ポート７とが左右に配置される向きから見ていることを前提とし、燃焼室３の中心側を内側、燃焼室３の外周側を外側とする。
【００１３】
・吸気バルブ
吸気バルブ５０は、カム等の駆動動作を伝達するバルブステム５０ｓと、バルブステム５０ｓに支持されて、吸気ポート５の吸気開口部５１を開閉する傘部と、を備える。傘部のうち燃焼室３と反対側に位置するバルブフェース５０ｆの一部は、吸気バルブ５０の閉状態のとき、後述するバルブシート５２に接触し、燃焼室３の気密を保つ。吸気バルブ５０の開状態には、バルブステム５０ｓが燃焼室３側に動くことでバルブフェース５０ｆとバルブシート５２との間に隙間が形成され、この隙間を通って吸気ポート５から燃焼室３内へ空気が流入する。
【００１４】
本例では、吸気バルブ５０は、傘部の全周に亘って外方に突出する鍔部５０ｃを備える。鍔部５０ｃは、所定の厚みを有し、端面が平坦である。この鍔部５０ｃについては、後述する空気の流れの説明の際に詳述する。
【００１５】
・吸気開口部
吸気ポート５の吸気開口部５１には、吸気バルブ５０の閉状態のときに吸気バルブ５０のバルブフェース５０ｆと接触するバルブシート５２が配置されている。バルブシート５２は、通常、シリンダヘッドに設けられた嵌合穴に圧入して配置されている。
【００１６】
吸気開口部５１は、バルブシート５２の外周側に、吸気ポート５から燃焼室３内へ流入する空気の流路を形成する切欠き部５３を備える。切欠き部５３は、吸気開口部５１の全周に亘って形成されている。切欠き部５３は、吸気ポート５から燃焼室３内へ空気が流入し易い流入容易部５３ｅと、吸気ポート５から燃焼室３内へ空気が流入し難い流入抑制部５３ｄと、を備える。
【００１７】
流入容易部５３ｅは、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面との間に広い間隔Ｗ（図１の上図参照）を有する。本例では、流入容易部５３ｅは、バルブシート５２の配置側から燃焼室３側に向かうに従って上記間隔Ｗが大きくなるように傾斜している。流入容易部５３ｅは、バルブシート５２の配置側から燃焼室３側に向かって一定の間隔Ｗを有していてもよい。
【００１８】
流入抑制部５３ｄは、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面との間に、流入容易部５３ｅの間隔Ｗよりも狭い間隔を有する。流入抑制部５３ｄの間隔は、図１の上図に示すように、吸気バルブ５０の開閉動作に影響を及ぼさない限り、極力小さな値を選択できる。流入抑制部５３ｄの間隔が流入容易部５３ｅの間隔よりも狭いことで、吸気バルブ５０の開き始めでは、流入抑制部５３ｄよりも流入容易部５３ｅから流入する空気の流速を速くできると共に、その空気量を多くできる。本例では、流入抑制部５３ｄは、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面に沿うように、バルブシート５２の配置側から燃焼室３側に向かって一定の間隔を有する。流入抑制部５３ｄは、流入容易部５３ｅと同様に、バルブシート５２の配置側から燃焼室３側に向かうに従って間隔が大きくなるように傾斜していてもよい。流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄが共に傾斜している場合、両者５３ｅ，５３ｄの傾斜角に相違があり、流入抑制部５３ｄよりも流入容易部５３ｅの方が、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面からより離れる傾斜角となる。
【００１９】
流入容易部５３ｅ及び流入抑制部５３ｄを含む切欠き部５３は、吸気バルブ５０の開閉方向に沿った長さ（図１の下図に示すＬ１（切欠き部５３における最大長さ））が、吸気バルブ５０のバルブリフト量（図１の下図に示すＬ２）よりも小さい。つまり、吸気バルブ５０の全開状態では、図１の下図に示すように、吸気開口部５１の全周に亘って吸気ポート５から燃焼室３内へ空気が流入することになる。
【００２０】
本例では、流入抑制部５３ｄにおける吸気バルブ５０の開閉方向に沿った長さが、流入容易部５３ｅにおけるその長さよりも長い。そうすることで、吸気バルブ５０が開き始めてから全開するまでの途中で、流入抑制部５３ｄよりも流入容易部５３ｅからより早く多くの空気を流入することができる。流入容易部５３ｅ及び流入抑制部５３ｄにおける吸気バルブ５０の開閉方向に沿った長さは、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの形状や厚みに対応して適宜選択すればよい。
【００２１】
流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄとは、吸気開口部５１の周方向における対向する位置に形成されていることが好ましい。特に、流入容易部５３ｅは、燃焼室３の内側（図１の右側）に形成され、流入抑制部５３ｄは、燃焼室３の外側（図１の左側）に形成されることが好ましい。そうすることで、シリンダ１内にタンブル流を発生させ易く、より効果的な燃焼を行うことができる。流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄの配置箇所や吸気開口部５１の周方向に沿った配置長さは、燃焼室３の形状や、吸気バルブ５０及び排気バルブ７０の個数や配置によって、適宜選択できる。例えば、吸気バルブ５０及び排気バルブ７０が二つずつ計４つ配置される場合、燃焼室３（シリンダ１）の軸方向と直交する方向で隣り合う吸気バルブ５０（吸気ポート５）と排気バルブ７０（排気ポート７）とが左右に配置される向きから見たときの燃焼室３の中心側を内側、燃焼室３の外周側を外側とすることができる。その他に、対向する吸気バルブ５０（吸気ポート５）と排気バルブ７０（排気ポート７）とが左右に配置される向きから見たときの燃焼室３の中心側を内側、燃焼室３の外周側を外側とすることもできる。
【００２２】
流入抑制部５３ｄは、燃焼室３の外側に、吸気開口部５１の周長の１／４〜１／２程度に設けることが挙げられる。一方、流入容易部５３ｅは、燃焼室３の内側に、吸気開口部５１の周長の１／２〜３／４程度に設けることが挙げられる。流入抑制部５３ｄを吸気開口部５１の周長の１／４程度以上とすることで、流入容易部５３ｅから流入する空気量と流入抑制部５３ｄから流入する空気量との差を大きくできるため、流入容易部５３ｅから流入する空気の流れに沿ってシリンダ１内にタンブル流を発生させ易い。一方、流入抑制部５３ｄの配置範囲が流入容易部５３ｅの配置範囲よりも大きくなると、シリンダ１内に流入する全空気量が少なくなる。そのため、流入抑制部５３ｄを吸気開口部５１の周長の１／２程度以下とすることで、シリンダ１内に流入する空気量を確保することができる。本例では、流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄとは、吸気開口部５１の周長の１／２ずつとなるように設けている。
【００２３】
吸気開口部５１は、燃焼室３側の端面に稜線が形成されないことが好ましい。本例では、流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄとで吸気バルブ５０の開閉方向に沿った長さが異なる。そのため、流入容易部５３ｅから流入抑制部５３ｄに向かうに従って上記長さが徐々に長くなるような部分を有する。
【００２４】
・吸気バルブを開状態とするときの空気の流れ
吸気バルブ５０を開状態としたときの吸気ポート５から燃焼室３内へ流入する空気の流れを、図１，２を参照して説明する。図１は、吸気開口部５１に流入容易部５３ｅ及び流入抑制部５３ｄを有する切欠き部５３を備える場合（本実施形態１）における空気の流れを示す。流入容易部５３ｅは燃焼室３の内側に配置され、流入抑制部５３ｄは燃焼室３の外側に配置される。一方、図２は、吸気開口部５１に空気が流入し易い流路を形成する切欠き部５３を吸気開口部５１の全周に亘って均一に備える場合（比較形態）における空気の流れを示す。
【００２５】
本実施形態１の場合、吸気バルブ５０が燃焼室３側に動くと、まず図１の上図に示すように、吸気バルブ５０のバルブフェース５０ｆとバルブシート５２との間に隙間が形成される。このとき、燃焼室３の内側では、吸気開口部５１に流入容易部５３ｅが形成されているため、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面と吸気開口部５１との間に間隔Ｗを有する。一方、燃焼室３の外側では、吸気開口部５１に流入抑制部５３ｄが形成されているため、吸気バルブ５０の鍔部５０ｃの端面と吸気開口部５１との間に実質的に間隔を有さない。よって、吸気ポート５からの空気は、燃焼室３の内側から燃焼室３内に流入することになる。流入抑制部５３ｄは、吸気バルブ５０の開閉方向に沿ってある程度の長さを有するため、吸気バルブ５０が開き始めてから全開するまでの途中では、燃焼室３の外側から燃焼室３内に空気が流入し難い。そのため、吸気バルブ５０が全開するまでに、流入容易部５３ｅから流入した空気の流動によって、シリンダ１の内側にタンブル流を発生させることができる。そして、吸気バルブ５０が全開状態となると、図１の下図に示すように、吸気開口部５１の全周に亘って吸気開口部５１と吸気バルブ５０の鍔部５０ｃ（傘部）との間に隙間が形成されるため、吸気開口部５１の全周に亘って吸気ポート５から燃焼室３内へ空気が流入することになる。このとき、シリンダ１の内側には吸気開口部５１の内側から流入する空気によってすでにタンブル流が生成されているため、吸気開口部５１の外側から流入する空気は、そのタンブル流の流れに沿った流動となる。
【００２６】
一方、比較形態の場合、吸気バルブ５０が燃焼室３側に動くと、図２に示すように、吸気開口部５１の全周に亘って吸気ポート５から燃焼室３内へ均一的に空気が流入する。よって、吸気バルブ５０の開き始めからシリンダ１内にスムーズに空気が流れる。しかし、吸気開口部５１の全周に亘って実質的に均一に空気が流入するため、吸気開口部５１の内側から流入した空気と、吸気開口部５１の外側から流入した空気と、がシリンダ１の内部で干渉し合うことになる。そのため、シリンダ１内の空気の流動が低下し、燃費や出力の向上に繋げられない。
【００２７】
本実施形態１（図１を参照）及び比較形態（図２を参照）におけるシリンダ１内の空気の流動性について、コンピュータシミュレーションにて調べた。その結果、本実施形態１では、比較形態よりも空気の流動性の向上が確認できた。
【００２８】
・効果
本実施形態１の内燃機関の吸気構造１００は、吸気開口部５１に流入容易部５３ｅ及び流入抑制部５３ｄを有する切欠き部５３を設けることで、吸気開口部５１の周方向で吸気ポート５から燃焼室３内へ流入する空気の流速及び流量に差を生じさせることができ、この差に応じてシリンダ１内に容易にタンブル流を発生させることができる。切欠き部５３の形状や傾斜角、吸気開口部５１の周方向における流入容易部５３ｅと流入抑制部５３ｄの形成方向や範囲等を調整することで、シリンダ１内にスワール流を発生させることもできる。上記の内燃機関の吸気構造１００は、吸気開口部５１に流入容易部５３ｅ及び流入抑制部５３ｄを有する切欠き部５３を設けているため、通常のバルブ構造を利用できる。本例では鍔部５０ｃを有する吸気バルブ５０を用いたが、鍔部のないものや公知の吸気バルブを利用できる。
【００２９】
特に、流入容易部５３ｅを燃焼室３の内側、流入抑制部５３ｄを燃焼室３の外側で、それぞれ吸気開口部５１の周方向における対向する位置に形成することで、シリンダ１の内側にタンブル流を発生させることができ、より効果的な燃焼を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の内燃機関の吸気構造は、シリンダ内にタンブル流やスワール流を発生させるのに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１００  内燃機関の吸気構造
１  シリンダ
２  ピストン
３  燃焼室
５  吸気ポート
５０  吸気バルブ    ５０ｆ  バルブフェース    ５０ｓ  バルブステム
５０ｃ  鍔部
５１  吸気開口部    ５２  バルブシート
５３  切欠き部    ５３e  流入容易部    ５３ｄ  流入抑制部
７  排気ポート    ７０  排気バルブ
９  点火プラグ
【図１】
2017096210.tif 000003
【図２】
2017096210.tif 000004