JP3807207B2

JP3807207B2 - 多弁吸気式エンジン

Info

Publication number: JP3807207B2
Application number: JP2000263246A
Authority: JP
Inventors: 弘之市川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: DE60032323D1; EP1111224A3; JP2001241331A; EP1111224B1; EP1752644A1; US20010006056A1; CN1301916A; EP1111224A2; DE60032323T2; US6526940B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１気筒当たりに少なくとも二つの吸気ポートを有する多弁吸気式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの分野では、吸気ポートを複数化して各吸気ポートの形状、寸法、配置等を改良することにより吸気効率、最大吸気量、スワール特性等を向上することが行われている。
【０００３】
本出願人も以前、図９、図１０に示すような多弁吸気式エンジンを提案した（特開平６−２８８２３９号公報参照）。この多弁吸気式エンジンは、二つの吸気ポート５１，５２を並設し、一方の吸気ポート５１をヘリカルポートとしてシリンダ５３内に螺旋流を吹き出すと共に、他方の吸気ポート５２の出口直前の位置に凹部５４を設け、この凹部５４によりポート内の吸気を反転させて吹き出し、これらの相乗効果でシリンダ内スワールＳを生成、増長するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、他方の吸気ポート５２において以下のような問題がある。即ち、前記凹部５４に吸気流が衝突するので吸気の流速が落ち、吸気効率が悪化する。また、吸気弁５５のバルブリフトが実線のように小さいときには、吸気弁５５の弁傘部５６でポート出口が遮られる格好となるため、その弁傘部５６に案内されて吸気がｆ₁の如く狙ったルートに沿って流れる。しかし、吸気弁５５のバルブリフトが仮想線のように大きくなると、弁傘部５６による遮蔽ができなくなってしまうため、吸気がｆ₂の如く最短ルートで真っ直ぐ抜け出てしまい、逆にスワールＳを打ち消す結果となっていた。この傾向は吸気流速が高く、吸気の慣性が強い高回転域で顕著となる。
【０００５】
この対策として、特開平１０−３７７５１号公報には、このような逆スワール方向の吸気吹き出しが発生するようなときに意図的に吸気弁のバルブリフトを小さくする技術が開示されているが、これだと吸気ポート出口の本来有する性能を活かしきってないことになり、実質的には出口面積を下げ、最大吸気量の減少を招く等好ましくない。
【０００６】
このように、従来の吸気ポートは、必ずしもあらゆる状況下で強いスワールを得られるものではなかった。また吸気量を犠牲にすることなくスワールの増強を図ることが難しかった。本発明はこのような状況を改善すべく創案されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多弁吸気式エンジンは、シリンダ内スワールの上流側と下流側とにそれぞれ出口を有する第一吸気ポートと第二吸気ポートとを設け、上記第一吸気ポートの出口直前部を、上記第二吸気ポートの出口と、この出口の第二吸気ポート軸線方向上流側に位置するシリンダ内壁との間の領域に指向させた多弁吸気式エンジンであって、上記第一吸気ポートの出口及び上記第二吸気ポートの出口を、クランク軸中心と平行に配置すると共に、シリンダヘッド側壁に設けられる上記第一吸気ポートの入口及び上記第二吸気ポートの入口を、シリンダボアのクランク軸中心と垂直な方向への投影面内に収まるように配置したものである。
【０００８】
上記第一吸気ポートの出口直前部を、その位置からシリンダ内に向かう第一吸気ポート軸線方向に対し９０°以上１５０°以下の角度をなすよう方向付けて、上記領域に指向させるのが好ましい。
【０００９】
上記第一吸気ポートが、上記出口直前部の上流側に連なる中間部と、この中間部の上流側に連なる入口部とを有し、上記中間部が上記入口部に対し、上記第二吸気ポートから遠ざかる方向にＵ字状に突出されるのが好ましい。
【００１０】
上記Ｕ字の頂点がシリンダ中心に近付くよう、上記Ｕ字が上記第一吸気ポート軸線方向と垂直な方向に対し傾斜されるのが好ましい。
【００１１】
上記中間部の上記入口部に対する最大オフセット長が、上記第一吸気ポートの入口幅をＷとして０．５Ｗ以上０．７５Ｗ以下とされるのが好ましい。
【００１２】
上記第一吸気ポートの内面が全長に亘り滑面に形成されるのが好ましい。
【００１３】
上記第一吸気ポートの出口直前部の断面形状が偏平とされるのが好ましい。
【００１４】
上記第二吸気ポートがストレートタンジェンシャルポートとされ、且つその出口付近において、上記第二吸気ポートが上記第一吸気ポートの反対側に通路を有するよう絞られるのが好ましい。
【００１５】
上記第二吸気ポートはヘリカルポートであってもよい。
【００１６】
上記第一吸気ポートの出口を、その入口上端を通り上記中間部のインコーナー壁に接する直線の下方に形成するのが好ましい。
【００１７】
上記第一吸気ポートの入口の高さ位置は、上記第二吸気ポートの入口の高さ位置より低くされるか、或いは等しくされてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に従って説明する。
【００２０】
図１乃至図６は本実施形態の多弁吸気式エンジン、特にその形状のみを示している。吸気ポートとしては１気筒当たりに二つの吸気ポート、即ち第一吸気ポート１と第二吸気ポート２とが設けられる。これら吸気ポートは管体の如く描かれている。実際には、シリンダヘッドの鋳造時にシリンダヘッド内に同時形成されるものである。シリンダ３も同様にその形状のみが示される。図示しないが、このエンジンは４バルブエンジンであり、排気ポート及び排気弁も１気筒当たりに二つ設けられる。
【００２１】
図１において、Ｏｃがシリンダ中心、Ｃがクランク軸中心、Ｃ₁が第一吸気ポート１の中心線、Ｃ₂が第二吸気ポート２の中心線、Ｃｐが吸気ポート軸線、Ｓがシリンダ内スワールをそれぞれ示す。ここで「吸気ポート軸線」とは、図１の如き平面視において吸気ポートの入口中心と出口中心とを単に結んだ直線である。ここでは両吸気ポートとも吸気ポート軸線がクランク軸中心Ｃ方向に垂直なので、シリンダ中心Ｏｃを通過する一本の直線で吸気ポート軸線Ｃｐを代表して示してある。白抜き矢印は吸気の流れを示す。
【００２２】
このエンジンは、クランク軸中心Ｃ方向に複数のシリンダ３（一つのみ図示）を列設した直噴ディーゼルエンジンである。第一吸気ポート１と第二吸気ポート２もそのクランク軸中心Ｃ方向に離間して並設される。それらポートの入口４，５はシリンダヘッド側壁６に開口し、四角形状を呈している。それらポートの出口７，８はシリンダ上壁９に開口し、円形状を呈している。出口７，８は図１０に示したような傘弁タイプの吸気弁で開閉され、ほぼシリンダ中心Ｏｃの方向に沿って下方に向いている。吸気弁のバルブステム１０のみを仮想的に示す。シリンダ３内において、第一吸気ポート１の出口７はスワールＳ方向上流側に、第二吸気ポート２の出口８はスワールＳ方向下流側に、それぞれ位置される。第一吸気ポート１全体が第二吸気ポート２全体よりスワールＳ方向上流側に位置される。両出口７，８はクランク軸中心Ｃから等距離の位置にある。
【００２３】
第二吸気ポート２はいわゆるストレートタンジェンシャルポートである。即ち、図１に示すように、平面視において入口５から出口８にかけて吸気ポート軸線Ｃｐ方向に直線的に延出し、スワール接線方向に吸気を吹き出すようになっている。ただし、出口８付近においては、第二吸気ポート２が第一吸気ポート１の反対側に通路を有するよう絞られる。つまり第一吸気ポート１側に位置する第二吸気ポート２の内壁１１が、一定区間、ポート内に向けて徐々に膨出されるようになっており、この結果ポート中心線Ｃ₂が次第にシリンダ半径方向外側にずらされる。これによって吸気は、よりシリンダ内壁１２側に向かうよう偏向される。
【００２４】
基本的には第二吸気ポート２から出た吸気がスワールＳの接線方向に流れ、スワールＳを増強させるように働くものの、上記のような出口８付近での偏向により、吸気はよりシリンダ半径方向外側に向かって噴出され、スワール増強に貢献するようになる。なお、出口８の直前部が出口８に対しシリンダ半径方向外側に寄せられることから、その直前部と円形の出口８とを滑らかに繋ぐため、平面視略三日月状の傘部１３が設けられる。
【００２５】
図５に特に示されるように、出口８は入口５より低い高さ位置に位置され、第二吸気ポート２は入口５から出口８に向かうにつれ徐々に立ち下げられる。このとき第二吸気ポート２の傾斜角はできるだけ寝かせられ、タンブル流を作らず、スワールを増長するようになっている。第二吸気ポート２のポート位置とポート面積との関係は図７に示す通りであり、入口５から次第にポート面積を縮小され、傘部１３でポート面積が急激に拡大される。この様相は通常の吸気ポートと同様である。つまり、下流側に至るにつれ徐々に空気密度を増やし、ポート内での剥離や乱れを防止し、出口で一気に噴出する。第二吸気ポート２の内面は全長に亘って突起のない滑面とされる。
【００２６】
次に、第一吸気ポート１は、入口４と、平面視ストレート形状の入口部１４と、入口部１４の下流側に連なり、入口部１４に対し、第二吸気ポート２から遠ざかる方向にＵ字状に突出される中間部１５と、中間部１５の下流側に連なる出口直前部１６と、出口７と、出口直前部１６及び出口７を滑らかに繋ぐ傘部１７とで構成される。入口部１４は平面視において吸気ポート軸線Ｃｐ方向に延出する。中間部１５は、入口部１４から次第に第二吸気ポート２から遠ざかり、再び第二吸気ポート２に近付くようなＵ字状とされる。そのＵ字は、Ｕ字の頂点がクランク軸中心Ｃないしシリンダ中心Ｏｃに近付くよう、第一吸気ポート軸線Ｃｐ方向と垂直な方向に対し傾斜されている。その傾斜角をαで示す。入口部１４に対し中間部１５は第二吸気ポート２から遠ざかる方向にオフセットされるようになっており、その最大オフセット長Ｌは、入口幅をＷとして０．５Ｗ以上０．７５Ｗ以下とされる。
【００２７】
このように中間部１５を湾曲させた結果、出口直前部１６は、第二吸気ポートの出口８と、出口８の第二吸気ポート軸線方向上流側に位置するシリンダ内壁１２ａとの間の領域Ａ、即ち図１のハッチング領域Ａに指向される。そして出口直前部１６は、その出口直前部１６の位置からシリンダ３内に向かう第一吸気ポート軸線方向に対し所定角度θをもって方向付けられる。出口直前部１６は、その位置におけるポート中心線Ｃ₁に垂直な断面形状が、出口８の径方向に長い偏平（ここでは楕円）とされる。その断面形状を図中ハッチングで示してある。
【００２８】
図３に特に示されるように、入口４に対し出口７はより低い高さ位置に位置される。第一吸気ポート１はこれら入口４と出口７とを繋いでいるが、入口部１４は入口４から少しずつ上方に向けられ、これに続く中間部１５で下方に落とし込まれる。中間部１５は、入口側から出口側に向かうにつれ下方に湾曲される。なお第一吸気ポート１の入口４は第二吸気ポート２の入口５より低い高さ位置に位置される。
【００２９】
特に、出口７は入口４から視認不可能となっている。例えば高さ方向についていえば、出口７は、入口４上端を通り中間部１５のインコーナー壁１８に接する直線Ｂの下方に形成される。こうした結果、吸気が入口４から出口７に一気に抜け出るようなことがなくなり、中間部１５により必ず向きを変えられる。
【００３０】
第一吸気ポート１のポート位置とポート面積との関係も図７に示す通りであり、入口４から出口直前部１６の終端まで徐々にポート面積を縮小され、傘部１７でポート面積が出口７の面積まで急激に拡大される。これにより下流側に至るにつれ徐々に空気密度を増やし、出口７で一気に噴出することができる。第一吸気ポート１の内面も突起のない滑面である。
【００３１】
図４に示すように、正面視において、中間部１５後半及び出口直前部１６はできるだけ水平に近付くよう傾斜され、スワール成分をできるだけ多く得られるようにしてある。
【００３２】
次に作用を説明する。
【００３３】
入口部１４を通過した吸気は中間部１５に沿ってＵ字状に曲げられ、出口直前部１６の向きで出口７から吹き出される。出口７は下向きだが、その長さが無視し得る程に小さいので、吸気は出口直前部１６の向きで吹き出されることになる。この結果吸気は狭い領域Ａに向けて集中的に噴出される。領域Ａは、ちょうど第二吸気ポート２の死角に当たる部分であり、その領域では第一吸気ポート１の吸気が第二吸気ポート２の吸気と干渉することはない。そして第一吸気ポート１の吸気はシリンダ内壁１２ａに衝突して、シリンダ３内の最外周の位置からスワールＳを加速する。こうした結果、両ポートからの吸気を打ち消し合うことなくスワールＳを確実に増強することができる。
【００３４】
特に、かかる第一吸気ポート１は、吸気の全量を予め出口直前部１６の向きに変えておいて、その向きで全量を噴出するというものである。前述のようにポート面積が徐々に縮小され空気密度が徐々に高められ、ポート内面にいかなる突起もないので、吸気は途中で乱れたり剥離を起こしたりすることなく、全量ポート形状に沿って向きを変えられる。このためポート有効面積の低下はなく、十分な最大吸気量を得ることができる。しかもこの全量を領域Ａに向けて噴出するため、吸気エネルギを最大限利用してスワールの増強を図れる。
【００３５】
このような作用効果からして、かかる第一吸気ポート１は周知のヘリカルポートともタンジェンシャルポートとも一線を画す、いわば第三のポートといえる。
【００３６】
出口７が入口４から視認不可能なので、たとえバルブリフトが大きいときでも、或いは吸気流速が高いときでも、第一吸気ポート１の軸線Ｃｐ方向に吸気が抜け出てしまうことが防止され、スワールＳを弱めることが防止される。
【００３７】
出口直前部１６を上述のような偏平の断面形状としたため、吸気を縦長でなく横長の状態で噴出でき、スワール増強効果をさらに高められる。
【００３８】
しかも、上述の如き第二吸気ポート２、即ちシリンダ３内最外周位置に向けて吸気を噴出し、その位置でスワールＳを加速する第二吸気ポート２との組合せにより、スワールは全体としてさらに強化される。もっとも、このような第二吸気ポート２は単独でも従来のストレートタンジェンシャルポートに比べスワール増強効果が大きいため、単独で用いてもよい。
【００３９】
かかる第一吸気ポート１を実際に製作して試験してみたところ、図８に示すように、従来の吸気ポートに比べ良好な結果が得られた。即ち、従来はどのようなポート形状であっても平均スワール比とポート有効面積との関係は実線に示す一定の関係にあった。しかし、上述の第一吸気ポート１によれば、平均スワール比、ポート有効面積ともに従来より大きな値が得られた。これは、同一流量でも高い平均スワール比が得られ、同一平均スワール比でも大きなポート有効面積、即ち高い吸気効率と最大吸気量とが得られることを意味する。これにより吸気量とスワールとを高レベルで両立させるという、第一吸気ポート１の高い有効性が確認された。
【００４０】
ところで、第一吸気ポート１からの吸気は領域Ａに向けて噴出するのが最良であるが、場合によってはレイアウト等の関係から必ずしもその方向に向けられない場合がある。このときは第二吸気ポート２の出口８に向けて噴出してもよい。こうすると吸気の干渉がありスワール増強効果は若干落ちるものの、第一吸気ポート１の最大吸気量は十分得られる。また干渉後の第一吸気ポート１からの吸気はシリンダ内壁１２ａに衝突し、そのシリンダ内壁１２ａに沿って流れるため、スワールＳを加速することはできる。もっとも，本実施形態では第二吸気ポート２の出口８から吸気がクランク軸中心Ｃ側に向かって斜め下に噴出されるため、吸気の干渉は少ないものと考えられる。この点も踏まえ、角度θは９０°以上１５０°以下とするのが望ましい。
【００４１】
一方、近年では小型エンジンの需要が増加し、例えば１気筒当たり５００ｃｃ（２０００ｍｌ／４気筒）を割り込むような小型直噴ディーゼルエンジンが開発されている。このような小型エンジンではシリンダボア径が小さくなるため、吸気ポートのレイアウトスペースが十分採れないが、本実施形態の吸気ポート構造は非常にコンパクトであるため、そのような小型エンジンにも容易に採用可能である。
【００４２】
また、最近では吸気側に可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）を採用している例も見受けられるが、この場合カムシャフトとクランク軸方向とを平行に配置し、そのカムシャフト方向に吸気弁を並べる必要がある。本実施形態の吸気ポート出口７，８はクランク軸中心Ｃ方向に沿って並べられており、そのような配置を可能とするため、容易にＶＶＴの採用が可能である。
【００４３】
次に、他の実施形態について説明する。
【００４４】
図１１乃至図１５に示されるように、この実施形態では第一吸気ポート１の入口４が第二吸気ポート２の入口５と等しい高さ位置に位置されている。なお平面図は図１と共通である。前記実施形態に対し、第一吸気ポート１の入口４の高さ位置がより高い位置に変更され、この結果図１２に示されるように入口部１４が下流側に向かうにつれ緩やかに立ち下がるような形状に変更され、中間部１５の曲率が減少される。他の点は前記実施形態同様であり、図中同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
この実施形態も前記実施形態と同様の作用効果を発揮する。この実施形態の第一吸気ポート１を実際に製作して試験してみたところ、図１６に示すように、前記実施形態よりむしろ良好な結果が得られた。そしてこの試験から、特に角度θと最大オフセット長Ｌとの値が重要であることが確認された。
【００４６】
図１７に示す実施形態は第二吸気ポート２をヘリカルポートとしたものである。この第二吸気ポート２においては、出口８の手前の通路が第一吸気ポート１の反対側に通路を有するよう絞られ、かつその部分がヘリカル状ないし螺旋状に形成されている。そしてスワールＳ方向と同方向の旋回成分を有した螺旋流を吹き出すようになっている。第一吸気ポート１の反対側に位置する内壁２０は吸気ポート軸線Ｃｐ方向にストレートに延出し、出口８に接するようになっていて、シリンダ外に食み出さぬようになっている。かかるヘリカルポートを用いても、第一吸気ポート１によるスワール増強作用と相俟って前記実施形態と同様の作用効果をもたらす。またこの場合でも、第一吸気ポート１の入口４と第二吸気ポート２の入口５との高さ位置は異ならせても、等しくしてもよい。もっとも、ヘリカルポートの形状や第二吸気ポート自体の形式も前記のものに特に限定されない。
【００４７】
なお、本発明はさらなる他の実施の形態も可能である。例えばエンジンをガソリンエンジン等とすることもできるし、１気筒当たりのバルブ数を変更することも可能である（例えば３バルブ等）。
【００４８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、あらゆる状況下でも強いスワールを発生させられ、吸気量とスワールとを高レベルで両立させることができるという優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る多弁吸気式エンジンの平面図である。
【図２】同斜視図である。
【図３】同左側面図である。
【図４】同正面図である。
【図５】同右側面図である。
【図６】同背面図である。
【図７】吸気ポートのポート位置とポート面積との関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態と従来との比較を示し、平均スワール比とポート有効面積との関係を示すグラフである。
【図９】従来の多弁吸気式エンジンを示した平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る多弁吸気式エンジンの斜視図である。
【図１２】同左側面図である。
【図１３】同正面図である。
【図１４】同右側面図である。
【図１５】同背面図である。
【図１６】他の実施形態と前記実施形態及び従来との比較を示し、平均スワール比とポート有効面積との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明のさらなる他の実施形態に係る多弁吸気式エンジンの平面図である。
【符号の説明】
１第一吸気ポート
２第二吸気ポート
３シリンダ
７，８出口
１２，１２ａシリンダ内壁
１４入口部
１５中間部
１６出口直前部
Ａ領域
Ｃｐ吸気ポート軸線
Ｌ最大オフセット長
Ｏｃシリンダ中心
Ｓスワール
Ｗ入口幅
α 傾斜角
θ 角度

Claims

シリンダ内スワールの上流側と下流側とにそれぞれ出口を有する第一吸気ポートと第二吸気ポートとを少なくとも設け、上記第一吸気ポートの出口直前部を、上記第二吸気ポートの出口と、該出口の第二吸気ポート軸線方向上流側に位置するシリンダ内壁との間の領域に指向させた多弁吸気式エンジンであって、上記第一吸気ポートの出口及び上記第二吸気ポートの出口を、クランク軸中心と平行に配置すると共に、シリンダヘッド側壁に設けられる上記第一吸気ポートの入口及び上記第二吸気ポートの入口を、シリンダボアのクランク軸中心と垂直な方向への投影面内に収まるように配置したことを特徴とする多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートの出口直前部を、その位置からシリンダ内に向かう第一吸気ポート軸線方向に対し９０°以上１５０°以下の角度をなすよう方向付けて、上記領域に指向させた請求項１記載の多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートが、上記出口直前部の上流側に連なる中間部と、該中間部の上流側に連なる入口部とを有し、上記中間部が上記入口部に対し、上記第二吸気ポートから遠ざかる方向にＵ字状に突出される請求項１又は２記載の多弁吸気式エンジン。
上記Ｕ字の頂点がシリンダ中心に近付くよう、上記Ｕ字が上記第一吸気ポート軸線方向と垂直な方向に対し傾斜される請求項３記載の多弁吸気式エンジン。
上記中間部の上記入口部に対する最大オフセット長が、上記第一吸気ポートの入口幅をＷとして０．５Ｗ以上０．７５Ｗ以下とされる請求項３又は４記載の多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートの内面が全長に亘り滑面に形成される請求項１乃至５いずれかに記載の多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートの出口直前部の断面形状が偏平とされる請求項１乃至６いずれかに記載の多弁吸気式エンジン。
上記第二吸気ポートがストレートタンジェンシャルポートとされ、且つその出口付近において、上記第二吸気ポートが上記第一吸気ポートの反対側に通路を有するよう絞られる請求項１乃至７いずれかに記載の多弁吸気式エンジン。
上記第二吸気ポートがヘリカルポートである請求項１乃至７いずれかに記載の多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートの出口を、その入口上端を通り上記中間部のインコーナー壁に接する直線の下方に形成した請求項３記載の多弁吸気式エンジン。
上記第一吸気ポートの入口の高さ位置が、上記第二吸気ポートの入口の高さ位置より低くされるか、或いは等しくされる請求項１乃至１０いずれかに記載の多弁吸気式エンジン。