JP4022006B2

JP4022006B2 - 内燃機関の吸気ポート形状

Info

Publication number: JP4022006B2
Application number: JP30211098A
Authority: JP
Inventors: 章広西村; 洪志表
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: KR20010072592A; BR9911109A; KR100555051B1; JP2000064843A; CN1305566A; EP1087115A1; CN1124403C; US6431140B1; WO1999064733A1; EP1087115A4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、内燃機関の吸気ポート形状に関し、特に、ダイレクトポートによってスワールを発生させる内燃機関の吸気ポート形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種内燃機関において、吸気ポート内あるいは吸気ポート出口で吸気の方向を制御することにより、スワール流の強さを向上させる技術は各種開発されており、シュラウド弁方式、マスクドプレート方式又は段付きポート方式等がある。
【０００３】
シュラウド弁方式は、吸気弁に方向制御用のシュラウドを形成した構造であり、マスクドプレート方式は、特開昭６３−１３１８２４号のようにバルブシートとシート取付用環状段面の間に、内方張出面を有する環状のマスクドプレートを挟着した構造であり、段付きポート方式は、特開平８−１８９３６６号のように吸気ポートの内周壁に内方張出状の傾斜壁を形成した構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
シュラウド弁方式では、シュラウドの位置を保持するため、吸気弁に回止め機構を施すことが必要であり、構造が複雑になると共にコスト高になり、しかも回止めしていることと熱変形により吸気弁に偏磨耗が生じ、耐久性が期待できない。また、シュラウドによって流通断面積が実質的に減少するため、流量係数も悪化する。
【０００５】
マスクドプレート方式では、吸気ポートの流通断面が急激に減少することになり、流量係数が悪化する。また、板状部材なので耐久性にも問題が残る。
【０００６】
特開平８−１８９３６６号の段付きポート方式は、シート取付用段面に三日月形の張出部を形成しており、このような流動抑制形状では、最大の逆スワール流である弁軸衝突流を効果的に抑制しようとすると、張出部の円弧形内周縁の突出量が大きく成り過ぎることにより、吸気の流通断面積が大幅に減少し、流量係数が悪化する。
【０００７】
【発明の目的】
本願発明の目的は、弁軸に衝突して逆スワール方向に流れようとする一部の吸気流を抑制し、かつ、流量係数の悪化を抑えながら、強いスワールを発生させることを目的としている。また、偏磨耗の防止及び耐久性の維持向上も本願発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１記載の発明は、シリンダヘッド（１）の側面に吸気ポート（２）の入口端を開口し、燃焼室（１０）に向けて吸気ポート（２）の出口端部を開口し、該出口端部にバルブシート支持用の環状段面（１４）を形成し、該環状段面（１４）にバルブシート（４）の端面を当接支持している内燃機関の吸気ポート形状において、前記環状段面（１４）の内周縁形状は、バルブシート（４）の内周縁（４ａ）の形状を基準円周とすると共に、弁軸（１１）側に向いて突出する張出部（１５）を有しており、該張出部（１５）は、環状段面（１４）の吸気ポート入口端側である吸気上流側に形成し、かつ、最も弁軸側へと突出する頂部（１５ａ）から吸気ポート（２）の周方向の両側へと緩かな傾斜で広がると共に裾端が基準円周につながる山形とし、張出部（１５）のバルブシート側とは反対側には、吸気ポート（２）内を吸気上流側に行くに従い突出高さが低くなって吸気ポート（２）の内周壁面に滑らかにつながる尾根状の背壁（１６）を形成し、該背壁（１６）の断面形状も前記張出部（１５）に対応した緩やかな傾斜で広がる山形となっている。
【０００９】
本願請求項２記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート形状において、バルブシートには、アール面が軸心方向の両側に形成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（請求項１に係る第１の実施の形態）
図１乃至図４は本願請求項１記載の発明を適用した実施の形態であり、シリンダヘッド１の縦断面部分図を示す図１において、ダイレクトタイプの吸気ポート２は、入口端がシリンダヘッド１の側面に開口して図示しない吸気マニホールドに接続し、吸気弁８の弁軸１１及び弁傘１２部分を経て、燃焼室１０に連通している。吸気ポート２の出口端部には、バルブシート４を取付けるために環状段面１４及びこれに連続する拡径孔１３が形成されており、バルブシート４は上記拡径孔１３に嵌着されると共に環状段面１４に当接支持されている。
【００１１】
環状段面１４の内周縁１４ａの形状は、バルブシート４の内径Ｄと同径の基準円周を基準としており、径方向の上流側（図１の右側）に弁軸１１側へと突出する張出部１５を有している。張出部１５の吸気流方向の上流側（図１の右上側）には、上流側に行くに従い吸気ポート内周壁面２ｂからの突出量が減少して滑らかに吸気ポート内周壁面２ｂにつながる尾根状の背壁１６が形成されている。
【００１２】
図２は図１のII-II断面拡大図であり、張出部１５は、最も弁軸側へと突出する頂部１５ａと、該頂部１５ａから周方向の両側へと緩やかな傾斜で広がる緩斜部１５ｂとから広い裾野を有する山形状に形成されている。両裾端１５ｃは基準円周上の段面内周縁１４ａに対し、特にアール等を取ることなくつながっている。
【００１３】
張出部１５の寸法は、幅Ｗが弁軸直径ｄの１〜２倍程度、頂部１５ａの突出量（高さ）Ｈがバルブシート内径（基準円直径）Ｄの１０〜３０％程度が適当である。上記範囲は、山形状張出部において、吸気ポートの流通断面積の減少を抑え、流量係数の悪化を効果的に防止するのに最も適した範囲である。ちなみに図示の実施の形態では、幅Ｗが弁軸直径ｄの略２倍、頂部１５ａの突出量（高さ）Ｈがバルブシート内径Ｄの略１６％となっている。
【００１４】
図４は図１のIV-IV断面拡大図であり、背壁１６の断面形状も前記張出部１５に対応した緩やかな傾斜の山形となっていることを明確にしている。
【００１５】
図３は、図１のIII-III断面拡大図であり、バルブシート４の形状を明確にしている。
【００１６】
図１において、吸気マニホールドから吸気ポート２内に供給される吸気の主流は、たとえば矢印Ｆ1で示すように径方向の下流側の吸気ポート内周壁面２ｃに沿って流れ、燃焼室１０内へと供給され、スワール流となる。吸気ポート２内の上流側（内周壁面２ｂ側）では、従来なら仮想線の矢印ｆ3で示すように弁軸１１に衝突して逆スワール方向に流れる吸気は、吸気ポート２の途中から張出部１５へと至る尾根状の背壁１６により整流されると共に矢印Ｆ2で示すように弁軸１１の径方向両側に振り分けられ、前記主流Ｆ1と同様な順スワール方向の流れとなり、燃焼室１０に供給される。しかも、最も弁軸側へと突出している頂部１５ａにより弁軸１１の径方向上流側のスペースＳを狭くして、逆スワール方向への吸気流を制限するので、スワールを一層強化することができる。
【００１７】
図５は請求項２記載の発明を適用した実施の形態であって、バルブシートとして、アール（Ｒ）付きのバルブシート２４を嵌着した構造である。張出部１５の形状は図２形状のものを適用できる。その他の構造は図１と同様であり、同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。アール付きバルブシート２４自体は周知のものであり、円錐状に形成されたシート面２３の軸心方向両側（上下側）にそれぞれアール面２０，２１を形成してある。
【００１８】
このようにアール付きのバルブシート２４を用いることにより、シート面２３の下端と下側のアール面２１との境においての吸気流の剥離を減少させるが、この効果は、張り出しのない部分で顕著であり、相対的に逆スワール方向の流れが減少する。これによりスワールをさらに強化させることができる。
【００１９】
（参考例１）
図６は参考例１であり、前記図２と同じ部分の断面図（図１のII-II断面相当図）である。該図６において、径方向の吸気ポート入口側（図６の右側）端部に形成される張出部１５は、頂部１５ａが平らに形成され、両側に末広がりの傾斜部１５ｄを有する台形状に形成されている。基準円周Ｃに対する頂部１５ａの突出量Ｈがバルブシート内径Ｄの１０〜３０％程度であり、幅Ｗは弁軸直径ｄの１〜４倍程度である。張出部１５の吸気流方向の上流側には、前記図１で説明した場合と同様に吸気ポート上流側にゆくに従い吸気ポート内周壁面２ｂからの突出量が減少して滑らかに吸気ポート内周壁面２ｂにつながる背壁１６が形成されている。上記張出部１５及び背壁１６以外の構造は図１〜図４記載の実施の形態と同様であり、同じ部品には同じ符号を付し、重複説明は省略する。
【００２０】
（参考例２）
図７は参考例２であり、前記図２と同じ部分の断面図（図１のII-II断面相当図）である。該図７において、径方向の吸気ポート入口側端部に形成される張出部１５は、基礎円周Ｃに対して弦状に形成されると共に両端が基礎円周につながっている。
【００２１】
張出部１５の寸法は、基準円周Ｃに対する頂部１５ａの突出量Ｈがバルブシート内径Ｄの１０〜３０％程度であり、幅Ｗは弁軸直径ｄの１〜４倍程度である。張出部１５の吸気流方向の上流側には、前記図１で説明した場合と同様に吸気ポート上流側にゆくに従い吸気ポート内周壁面２ｂからの突出量が減少して滑らかに吸気ポート内周壁面２ｂにつながる背壁１６が形成されている。上記張出部１５及び背壁１６以外の構造は図１〜図４記載の実施の形態と同様であり、同じ部品には同じ符号を付し、重複説明は省略する。
【００２２】
（第１の実施の形態と、参考例１及び２並びに従来技術との特性比較）
図８は、縦軸の下部がスワール強さＰ、上部が流量係数φ、横軸が不連続部（張出部１５）の断面積Ｓであり、上部の直線Ａ1〜Ａ3及びＡ0は、第１の実施の形態、参考例１、２及び従来の三日月形状の張出部についての流量係数φと不連続部断面積Ｓとの関係、下部の直線Ｂ1〜Ｂ3及びＢ0は第１の実施の形態、参考例１，２及び従来の三日月形状の張出部についてのスワール強さＰと不連続部断面積Ｓとの関係を示している。
【００２３】
すなわち、直線Ａ1及びＢ1は張出部１５を図２のように山形に形成した場合（第１の実施の形態）の特性、直線Ａ2及びＢ2は張出部１５を図６のように台形状に形成した場合（参考例１）の特性、直線Ａ3及びＢ3は張出部１５を図７のように弦状に形成した場合（参考例２）の特性、一点鎖線で示す直線Ａ0及びＢ0は張出部１５を従来例（特開平８−１８９３６６号）の三日月形状に形成した場合の特性を示している。
【００２４】
直線Ａ1〜Ａ3及びＡ0で示されているように、流量係数φと不連続部断面積Ｓは、基本的には不連続部断面積Ｓが増加すると流量係数φが低下する関係にあるが、張出部形状、特に弁軸近傍の広さの割合の相違によって、流量係数φの低下率（傾き）が相違しており、従来の三日月形状（直線Ａ0)の場合が最も低下率が大きく、山形状の第１の実施の形態（直線Ａ1）の場合が最も低下率が小さく、台形状及び弦状の参考例１及び２（直線Ａ2及びＡ3）の場合は、上記第１の実施の形態の場合よりは低下率は大きいが、従来の三日月形状の場合よりは低下率は小さくなっている。
【００２５】
したがって、一定の流量係数φａでの各不連続部断面積Ｓ1〜Ｓ3及びＳ0を比較すると、本願第１の実施の形態及び参考例１，２（直線Ａ1〜Ａ3）における断面積Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3はいずれも従来技術の断面積Ｓ0よりも大きくすることができ、かつ、Ｓ1＞Ｓ2＞Ｓ3となっている。すなわち、一定の流量係数φａを維持しながらも、山形状張出部は最も断面積を大きくすることができ、次に、台形状の張出部、その次に弦状の張出部の順となっており、従来技術では張出部の断面積を最も小さくせざるを得ないのである。見方を変えて、張出部の断面積を仮にＳ1に揃えるとすると、従来の三日月形状（直線Ａ0）は最も流量係数が低くなり、参考例２、参考例１及び第１の実施の形態の順で流量係数が高くなっている。
【００２６】
直線Ｂ1〜Ｂ3及びＢ0で示されているように、スワール強さＰと不連続部断面積Ｓとは、基本的には不連続部断面積Ｓが大きくなると、スワール強さＰが大きくなる関係にあるが、これも、張出部形状、特に弁軸近傍の広さの割合の相違によって、スワール強さＰの増加率（傾き）が相違しており、従来の三日月形状（直線Ｂ0)の場合が最も増加率が小さく、山形状の第１の実施の形態（直線Ｂ1）の場合が最も増加率が大きく、台形状及び弦状の参考例１，２（直線Ｂ2及びＢ3）の場合は、上記第１の実施の形態の場合よりは増加率は小さいが、従来の三日月形状の場合よりは増加率は大きくなっている。
【００２７】
したがって、張出部の断面積Ｓを仮にＳ1に揃えた場合には、従来の三日月形状（直線Ｂ0）が最もスワール強さＰが小さく、参考例２、参考例１及び第１の実施の形態（Ｂ3,Ｂ2,Ｂ1)の順でスワール強さＰが大きくなっている。
【００２８】
次に、流量係数φとスワール強さＰとの関係を、不連続部断面積Ｓを介して比較する。流量係数φを一定値（φａ）に維持した場合には、第１の実施の形態及び参考例１，２では、各破線の矢印により直線Ａ1〜Ａ3及びＢ1〜Ｂ3を経て導かれるように、スワール強さはそれぞれをＰ1,Ｐ2,Ｐ3となり、一方、従来の三日月形状では破線の矢印により直線Ａ0及びＢ0を経て導かれるようにスワール強さＰ0となっており、図から明らかなようにＰ1＞Ｐ2＞Ｐ3＞Ｐ0の関係が成り立っている。
【００２９】
すなわち、第１の実施の形態によると、流量係数を低下させることなく、大きな不連続部断面積を確保し、従来技術及び参考例１，２のスワール強さよりも大きいスワール強さを生じさせることができるのである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本願発明によると、
（１）従来なら弁軸あるいは弁傘部に衝突して逆スワール流となる吸気流部分を、吸気ポート２内の途中からバルブシート取付用環状段面１４の張出部１５に至るまでに、背壁１６により整流すると共に弁軸両側に振り分けて弁軸への衝突を解消し、かつ、最も弁軸側へと突出している頂部１５ａにより弁軸１１の径方向の上流側のスペースを狭くして、逆スワール方向への吸気流を制限するので、スワールを強化することができる。
【００３１】
（２）従来のシュラウド弁方式のように吸気弁を回止めする必要がないので、熱変形等により吸気弁に偏磨耗が生じるのを防ぐことができ、耐久性を維持できる。また、吸気弁の組み間違いや軸心回りのずれ等の心配がない。
【００３２】
（３）環状段面１４の上流側に、張出部１５に続く背壁１６を形成することにより、流通断面形状を変更しているので、従来のシュラウド弁方式やマスクドプレート方式に比べて、吸気ポート内の上流側から吸気を整流することになり、圧力損失が少ない。
【００３３】
（４）さらに、請求項１記載の発明では、張出部１５は弁軸側へ突出する頂部１５aから緩やかな傾斜で広がる山形とすることにより、弁軸１１近傍の遮蔽面積の割合を大きくしているので、上記のように弁軸１１に衝突して逆スワール方向に流れようとする吸気流を効果的に抑制しながらも、流通断面積の減少量を少なくし、流量係数の低下を防止することができる。
【００３４】
請求項２記載の発明のように、バルブシートとしてアール付きバルブシート２４を設けていると、シート面２３の下端と下側のアール面２１との境においての吸気流の剥離を減少させるが、この効果は、張り出しのない部分で顕著であり、相対的に逆スワール方向の流れが減少する。これによりスワールをさらに強化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願請求項１記載の発明を適用した内燃機関のシリンダヘッドの縦断面部分図である。
【図２】図１のII-II断面図である。
【図３】図１のIII-III断面図である。
【図４】図１のIV-IV断面図である。
【図５】本願請求項２記載の発明を適用した内燃機関のシリンダヘッドの縦断面部分図である。
【図６】参考例１の断面図である。
【図７】参考例２の断面図である。
【図８】図１乃至４の第１の実施の形態と、参考例１，２及び従来技術との特性を比較した特性線図である。
【符号の説明】
１シリンダヘッド
２吸気ポート
４バルブシート
８吸気弁
１０燃焼室
１１弁軸
１４環状段面
１５張出部
１５ａ頂部
１５ｂ傾斜部
１５ｅ先端山形部
１６背壁
２４アール付きバルブシート

Claims

シリンダヘッド（１）の側面に吸気ポート（２）の入口端を開口し、燃焼室（１０）に向けて吸気ポート（２）の出口端部を開口し、該出口端部にバルブシート支持用の環状段面（１４）を形成し、該環状段面（１４）にバルブシート（４）の端面を当接支持している内燃機関の吸気ポート形状において、
前記環状段面（１４）の内周縁形状は、バルブシート（４）の内周縁（４ａ）の形状を基準円周とすると共に、弁軸（１１）側に向いて突出する張出部（１５）を有しており、
該張出部（１５）は、環状段面（１４）の吸気ポート入口端側である吸気上流側に形成し、かつ、最も弁軸側へと突出する頂部（１５ａ）から吸気ポート（２）の周方向の両側へと緩かな傾斜で広がると共に裾端が基準円周につながる山形とし、
張出部（１５）のバルブシート側とは反対側には、吸気ポート（２）内を吸気上流側に行くに従い突出高さが低くなって吸気ポート（２）の内周壁面に滑らかにつながる尾根状の背壁（１６）を形成し、
該背壁（１６）の断面形状も前記張出部（１５）に対応した緩やかな傾斜で広がる山形となっていることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。
請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート形状において、バルブシートには、アール面が軸心方向の両側に形成されていることを特徴とする内燃機関の吸気ポート形状。