JP6281585B2 - 内燃機関の吸排気構造 - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、吸気行程中に排気ガスの一部を排気ポートを通じて気筒に引き戻す排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）、いわゆる内部ＥＧＲが行われる内燃機関の吸排気構造に関する。

特許文献１には、排気行程と吸気行程とで排気バルブを２度開くことにより内部ＥＧＲを行うエンジンが開示されている。このような内部ＥＧＲが行われるエンジンを含め一般的なエンジンでは、吸気ポートの気筒内に臨む吸気口と、排気ポートの気筒内に臨む排気口とが、気筒を区画する天井面においてシリンダライナ壁面寄りの位置に開口されており、クランクシャフトの軸方向に見て気筒の中心線を挟んだ配置とされている。

また、特許文献２には、気筒からの既燃ガスのスムーズな排出を可能とするために、排気ポートの上流部を平行な２面を有する略四角断面形状とする一方、気筒から続くスロート部を円形断面形状とし、排気ポートの上流部とスロート部とを滑らかな面により連続させた排気ポートの構造が開示されている。

特開２０１３−１３３７６５号公報 特開２０１１−２４７２７０号公報

特許文献１に開示されたような内部ＥＧＲを行って既燃ガスを気筒に引き戻すと、引き戻された既燃ガスの多くは、気筒に導入されて直ぐに排気口に近接するシリンダライナ壁面に沿って流れる。このため、既燃ガスの熱がそのシリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に多く奪われることになり、それによる冷却損失の影響で既燃ガスの温度が低下し、所望の燃焼室温度よりも低温となってエンジンの熱効率の低下を招いてしまう。このような熱効率の低下は、特許文献２に開示されたような滑らかな内壁面を有する排気ポートの構造を採用した場合に、内部ＥＧＲにより排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量が増加する傾向にあるため、より顕著となる。

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑えて、内燃機関の熱効率を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、ここに開示された技術では、内部ＥＧＲによって既燃ガスが気筒に引き戻されたときに、排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量を減らすように吸排気構造を工夫した。

具体的には、ここに開示された技術は、往復動可能なピストンが嵌入された気筒と、前記気筒内に空気を吸入する吸気ポートと、前記気筒内から既燃ガスを排出する排気ポートと、を備える内燃機関の吸排気構造を対象とする。前記排気ポートの前記気筒内に臨む排気口は、前記気筒を区画する天井面において当該気筒のシリンダライナ壁面側に偏った位置に開口されている。この内燃機関の吸排気構造では、吸気行程中に、前記排気ポートを通じて既燃ガスの一部を前記気筒に引き戻す内部ＥＧＲが行われる。

内部ＥＧＲが行われているときに排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量が多いと、上述の通りシリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に奪われる既燃ガスの熱が多くなるのに加え、タンブル流が気筒に生じやすくなる。タンブル流が気筒に生じた場合には、シリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの流量が増加し、それに伴いシリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に奪われる既燃ガスの熱が多くなるため、内部ＥＧＲを行っているときの冷却損失が大きくなる。

そこで、この吸排気構造の第１の態様では、前記排気ポートの内壁面のうち前記排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側の部分に、前記内部ＥＧＲによって前記気筒内に引き戻される既燃ガスの循環流を当該排気ポートの内壁面から剥離させ、前記排気口の通過位置で当該シリンダライナ壁面から遠ざかる方向に流れる剥離流を生成する剥離流生成部が設けられている。

この第１の態様によると、内部ＥＧＲによる既燃ガスの循環流を剥離流生成部によって排気ポートの内壁面から剥離させ、排気口の通過位置でシリンダライナ壁面から遠ざかる方向に流れる剥離流を生成するようにしたので、気筒に引き戻される既燃ガスが剥離流の流れる方向に多く流れて、排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量を減らすことができる。さらに、排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量が減ることにより、タンブル流の生成を抑制することができる。それらによって、シリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に奪われる既燃ガスの熱を少なくし、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑制することができる。

第１の態様において、前記剥離流生成部は、前記排気ポートの内壁面により形成された、当該排気ポート内に向けて角張ったエッジ部であることが好ましい。

剥離流生成部をエンジンブロックとは別部材で構成する場合には、その別部材が高温の排気流に晒されることによって破損するおそれがある。また、そのような別部材を排気ポート内に剥離生成部として満足に機能するように設置することは困難である。これに対し、上記の構成によると、剥離流生成部を排気ポートの内壁面の形状によって構成するようにしたので、剥離流生成部が高温の排気流に晒されても破損するおそれがないし、排気ポート形成用の鋳型（中子）で排気ポートと併せて剥離流生成部の形状を作ることができ、剥離流生成部を排気ポート内に容易に造り込むことができる。

第１の態様において、前記排気ポートの内壁面のうち前記排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側とは反対側の部分は、当該排気ポートのスロート部よりも上流側の部分から前記排気口に亘って滑らかに連続する面に形成されていることが好ましい。

この構成によると、排気ポートの内壁面を剥離流生成部に対応する部分を含め滑らかに連続する面に形成するようにしたので、排気ポートでの通気抵抗を低減し、排気ポートを通して気筒から既燃ガスをスムーズに排出することができる。これにより、ポンプ損失を低減することができ、燃費の向上に有利となる。

また、上記吸排気構造の第２の態様では、前記天井面における前記排気口の周縁部のうち当該排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側の部分に、前記排気再循環によって前記気筒内に引き戻される既燃ガスの循環流を前記天井面から剥離させ、当該シリンダライナ壁面から内方に離れた位置へ流れる剥離流を生成する剥離流生成部が設けられている。

この第２の態様によると、内部ＥＧＲによる既燃ガスの循環流を剥離生成部によって気筒の天井面から剥離し、シリンダライナ壁面から気筒の内方に離れた位置へ流れる剥離流を生成するようにしたので、気筒に引き戻される既燃ガスが剥離流の流れる方向に多く流れて、排気ポートからシリンダライナ壁面に沿って流れる既燃ガスの量を減らすことができる。それによって、シリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に奪われる既燃ガスの熱を少なくし、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑制することができる。

第２の態様において、前記剥離流生成部は、前記天井面により形成された、前記気筒内に向けて角張った段差部であることが好ましい。

この構成によると、剥離流生成部を天井面の形状によって構成するようにしたので、剥離流生成部が高温の排気流に晒されても破損するおそれがないし、天井面形成用の鋳型で天井面と併せて剥離流生成部の形状を作ることができ、剥離流生成部を天井面に容易に造り込むことができる。

第１及び第２の態様では、前記吸気ポートの前記気筒内に臨む吸気口は、前記気筒を区画する天井面において、前記気筒の中心線を挟んだ前記排気口の反対側で当該気筒のシリンダライナ壁面側に偏った位置に開口されていてもよい。この場合、前記吸気ポートの内壁面は、当該吸気ポートのスロート部よりも上流側の部分から前記吸気口に亘って滑らかに連続する面に形成されていることが好ましい。

この構成によると、吸気ポートの内壁面をスロート部よりも上流側からスロート部にかけての曲げ部分を含め滑らかに連続する面に形成するようにしたので、吸気ポートを通して気筒に空気をスムーズに吸入することができる。これにより、吸気ポートを通じた気筒内への空気（新気）の吸入量を増やして、内部ＥＧＲを行っていない通常運転時の新気の充填効率を高めることができる。

また、第１及び第２の態様において、前記気筒の中心線に対する、前記排気ポートのスロート部における前記排気口の中心を通る中心線の傾斜角度は、０度よりも大きく且つ２５度以下であることが好ましい。

この構成によると、排気ポートのうちスロート部から排気口にかけての部分を気筒の周方向に対して略直立した形状に設けるようにしたので、内部ＥＧＲによって気筒に引き戻された既燃ガスの循環流のうちシリンダライナ壁面に沿う周方向の流れを弱くし、スワール流の発生を抑制することができる。それよって、シリンダライナ壁面を介してエンジンの冷却水に奪われる既燃ガスの熱をさらに少なくし、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失をよりいっそう抑制することができる。

上記内燃機関の吸排気構造によれば、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑えて、内燃機関の熱効率を向上させることができる。

実施形態１に係るエンジンの概略構成を示す断面図である。 図１のII−II線におけるエンジンの断面図である。 実施形態１に係るエンジンの気筒の上部を下方から見た概略図である。 図１のIVで囲んだ部分の拡大図である。 図１のVで囲んだ部分の拡大図である。 エンジンの作動領域と最適なガス割合との関係を表したマップである。 吸気バルブ及び排気バルブの開閉パターンを示す図である。 実施形態１に係るエンジンで内部ＥＧＲが行われているときの新気及び既燃ガスの流れを示す概念図である。 参考例に係るエンジンで内部ＥＧＲが行われているときの新気及び既燃ガスの流れを示す概念図である。 実施形態２に係るエンジンの要部構成を示す断面図である。 実施形態２に係るエンジンの気筒の上部を下方から見た概略図である。 図１１のXII−XII線におけるシリンダヘッドの断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《実施形態１》
図１に、この実施形態１の吸排気構造が適用されたエンジン１（内燃機関の一例）の概略構成を示す。図２に、図１のII−II線におけるエンジン１の断面図を示す。図３に、このエンジン１が有する気筒７の上部を下方から見た概略図を示す。図４に、図１のIVで囲んだ部分の拡大図を示す。図５に、図１のVで囲んだ部分の拡大図を示す。

エンジン１は、自動車に搭載される直列４気筒エンジンであって、内部ＥＧＲを利用した圧縮自着火燃焼（ＣＩ燃焼）と火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）とが行われるように設計されている。

このエンジン１は、図１に示すように、シリンダブロック３と、このシリンダブロック３の上に組み付けられたシリンダヘッド５と、を備える。シリンダブロック３には、４つの気筒７（図１では１つのみ示す）が設けられている。これら４つの気筒７は、図１の紙面に垂直な方向であるクランクシャフト（不図示）が延びる方向に、互いに隣接して一列に配置されている。

シリンダブロック３及びシリンダヘッド５の内部には、冷却水が流れるウォータジャケット８が形成されている。シリンダブロック３のウォータジャケット８は、各気筒７の外周を取り巻いている。他方、シリンダヘッド５のウォータジャケット８は、図２に示すように、各気筒７の上部に配置される。これらウォータジャケット８は、内部を流れる冷却水によって燃焼によるエンジン１の過熱を抑制する。

各気筒７内には、図１に示すように、コネクティングロッド９を介してクランクシャフトに連結されたピストン１１が嵌入されている。このピストン１１は、気筒７内で往復動可能（昇降運動可能）とされている。ピストン１１の頂面１３と、シリンダヘッド５の下面に設けられた天井面１５と、シリンダライナ壁面１７とは、混合気を燃焼させる燃焼室１９を区画形成する。

ピストン１１の頂面１３には、下方に凹陥したキャビティ２１が設けられている。ピストンは、このキャビティ２１の周囲に平らな頂面２３を有する。キャビティ２１は、気筒７の中心線Ｘ周りの全周に亘って形成されている。このキャビティ２１は、その底部から開口に向かって内径が次第に広くなる形状とされている。

キャビティ２１は、ピストン１１の頂面１３の中央に、略円錐状の凸部２４を構成している。凸部２４は、キャビティ２１の底部から気筒７の中心線Ｘに沿って上向きに、つまりシリンダヘッド５の天井面１５に向けて延びている。凸部２４の上端は、ピストン１１の平らな頂面２３とほぼ同じ高さとされている。

シリンダヘッド５には、図１及び図２に示すように、気筒７毎に、２つの吸気ポート２５が形成されている。各吸気ポート２５は、気筒７内に空気を吸入する円形状のポートであって、燃焼室１９に連通している。２つの吸気ポート２５の燃焼室１９に臨む吸気口２７は、エンジン１のクランクシャフトの軸方向に並んで、シリンダヘッド５の天井面１５においてシリンダライナ壁面１７側に偏った位置に開口されている。

これら２つの吸気ポート２５は、シリンダヘッド５の外部に臨む吸気口２７を別々に有する独立ポートとされている。これら各吸気ポート２５には、図１及び図３に示すように、吸気口２７を開閉する吸気バルブ２９がそれぞれ設けられている。吸気バルブ２９は、図示を省略する吸気動弁機構によって駆動され、所定のタイミングで吸気口２７を開閉する。

シリンダヘッド５にはまた、気筒７毎に、２つの排気ポート３１が形成されている。これら各排気ポート３１は、気筒７内から既燃ガスを排出する円形状のポートであって、燃焼室１９に連通している。２つの排気ポート３１の燃焼室１９に臨む排気口３３は、シリンダヘッド５の天井面１５において、気筒７の中心線Ｘを挟んだ吸気口２７の反対側でシリンダライナ壁面１７側に偏った位置に開口されている。

これら２つの排気ポート３１は、エンジン１を上下方向に見たときに、シリンダヘッド５の外部に臨む排気口３５を共通とするＶ形状又はＹ形状の集合ポートとされている。これら各排気ポート３１には、排気口３３を開閉する排気バルブ３７がそれぞれ設けられている。排気バルブ３７は、図示を省略する排気動弁機構によって駆動され、所定のタイミングで排気口３３を開閉する。

排気動弁機構には、排気バルブ３７のリフトタイミングを調節する装置（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）やリフト量を調節する装置（ＶＶＬ：Variable Valve Lift）が備えられている。それによって、エンジン１は、排気行程に限らず吸気行程においても、排気バルブ３７を開閉動作させることが可能となっている。

シリンダヘッド５の天井面１５は、吸 気側から気筒７の中心線Ｘに向かって上り勾配とされた傾斜面３９と、排気側から気筒７の中心線Ｘに向かって上り勾配とされた傾斜面４１とを含む、いわゆるペントルーフ形状とされている。シリンダヘッド５の天井面１５はまた、吸気側の傾斜面３９の外側、及び排気側の傾斜面４１の外側のそれぞれに、ピストン１１の平らな頂面２３と向かい合う平坦面４３を含む。

シリンダヘッド５にはさらに、気筒７毎に、図２に示すインジェクタ４５が取り付けられている。インジェクタ４５は、シリンダヘッド５の天井面１５における、吸気側の傾斜面３９と排気側の傾斜面４１とが交わる箇所、具体的には気筒７の中心線Ｘ上に配置されている。このインジェクタ４５は、エンジン制御部からの作動信号に従って、所定のタイミングで燃焼室１９に向けて燃料（例えばガソリン）を直接噴射する。

シリンダヘッド５にはまた、気筒７毎に、第１及び第２の点火プラグ４７，４９が取り付けられている。第１の点火プラグ４７は、気筒７の中心線Ｘを挟んだ吸気側で２つの吸気口２７の間に配置されている。第２の点火プラグ４９は、気筒７の中心線Ｘを挟んだ排気側で２つの排気口３３の間に配置されている。これら２つの点火プラグ４７，４９は、ＳＩ燃焼を行うときに、エンジン制御部からの作動信号に従って、所定のタイミングで、例えば同時に、混合気に着火する。

図６に、エンジン１の作動領域と最適なガス割合との関係を表したマップの一例を示す。このエンジン１では、図６に示すように、その作動状態が、エンジン負荷に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とで切り替えられる。具体的には、ＣＩ燃焼は相対的に低負荷領域で行われ、ＳＩ燃焼は相対的に高負荷領域で行われるように設定されている。内部ＥＧＲは、ＣＩ燃焼時に行われる。

そして、内部ＥＲＧが行われているときに、吸気ポート２５，２７を通して気筒７に導入される空気（新気）と排気ポート２９，３１を通して気筒７に引き戻される既燃ガスとを合わせた、気筒７に充填されるガスの全量のうち既燃ガスの量の割合は、概ね、エンジン負荷が小さいほど高くなっている。

そのため、ＣＩ燃焼が行われる低負荷領域のなかでも比較的エンジン負荷が低い領域では、既燃ガスの量が新気の量よりも多く、既燃ガスの流れが燃焼室１９で支配的となる。その一方で、ＣＩ燃焼が行われる低負荷領域のなかでも比較的エンジン負荷が高い領域では、新気の量が既燃ガスの量よりも多く、新気の流れが燃焼室１９で支配的となる。

図７に、吸気バルブ２９及び排気バルブ３７の開閉パターンの一例を示す。図７において、実線は排気バルブ３７の開閉パターンを示しており、破線は吸気バルブ２９の開閉パターンを示している。排気行程では、図７に示すように、２つの排気バルブ３７が共に、開閉タイミング及び開閉量を同期させて開閉される。また、吸気行程でも、２つの排気バルブ３７が共に、開閉タイミング及び開閉量を同期させて開閉される。すなわち、２つの排気バルブ３７は、排気行程及び吸気行程の各々で１度ずつ、１回の燃焼サイクルで２度開閉される。

吸気行程では、内部ＥＧＲにより必要な既燃ガスの量を安定して気筒７に導入することが求められるため、排気バルブ３７は、吸気行程の初期段階で開閉される。特に、排気行程での開閉動作に連続して、つまり間隔を設けることなく吸気行程での開閉動作を行うことが好ましい。そうすることで、時間的余裕をもって内部ＥＧＲによる既燃ガスの導入を行えるので、必要な既燃ガスを安定して導入することができる。

吸気バルブ２９の開き動作は、排気バルブ３７の開き動作に遅れて開始される。そのことにより、新気よりも先に既燃ガスが気筒７に導入されるので、既燃ガスの割合が高い状態で、ガス割合のばらつきを効果的に抑制することができる。特に、排気バルブ３７の開き動作中に吸気バルブ２９の開き動作を設定することが好ましい。このようにすれば、円滑に新気を気筒７に導入でき、ガス割合のばらつきをよりいっそう効果的に抑制できる。

また、内部ＥＧＲによって導入される既燃ガスの量は、ピストン１１の降下速度が速いほど増加するが、そのようなピストン１１の降下速度が速い期間は、通常、吸気行程の初期段階、つまり吸気行程開始時の上死点とそこからクランクアングルが９０度となる点（ＴＤＣ後９０ＣＡ）までの間にあるため、内部ＥＧＲによって気筒７内に既燃ガスを効率良く導入することができる。

内部ＥＧＲを行っているときにスワール流が燃焼室１９で発生すると、シリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスの流量が増加するため、排気ポート３５を通じて気筒７に引き戻された既燃ガスの熱がシリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に奪われ易くなる。このことから、内部ＥＧＲを行っているときのスワール流の発生は抑制することが好ましい。

スワ−ル流は、既燃ガスの量が新気の量よりも多いと、排気ポート３１のスロート部３１ａから排気口３３にかけての部分が気筒７の中心線Ｘに対して傾斜しているほど発生し易い傾向にあり、新気の量が既燃ガスの量よりも多いと、吸気ポート２５のスロート部２５ａから吸気口２７にかけての部分が気筒７の中心線Ｘに対して傾斜しているほど発生し易い傾向にある。

そこで、このエンジン１では、図１に示すように、排気ポート３１のスロート部３１ａから排気口３３にかけての部分と、吸気ポート２５のスロート部２５ａから吸気口２７にかけての部分とが、気筒７の中心線Ｘに対して僅かに傾斜した形状、つまりは気筒７の周方向に対して略直立した形状に形成されている。

具体的には、気筒７の中心線Ｘに対する、吸気ポート２５のスロート部２５ａにおける吸気口２７の中心を通る中心線Ｃｉの傾斜角度αｉと、排気ポート３１のスロート部３１ａにおける排気口３３の中心を通る中心線Ｃｅの傾斜角度αｅとは、それぞれ０度よりも大きく２５度以下に設定されている。本実施形態では、吸気ポート２５２５の傾斜角度αｉと排気ポート３１の傾斜角度αｅとは、同じ角度とされている。

このような吸気ポート２５と排気ポート３１の形状によれば、内部ＥＧＲによって気筒７に引き戻された既燃ガスの循環流のうちシリンダライナ壁面１７に沿う周方向の流れが弱くなる。それによって、内部ＥＧＲが行われているときに、スワ−ル流が発生するのを効果的に抑制できる。

また、内部ＥＧＲによって既燃ガスが気筒７に引き戻される際に排気ポート３１からシリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスの量が多いと、気筒７内に導入されて直ぐに既燃ガスの熱がシリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に多く奪われることになる。しかも、既燃ガスの流れに気筒７の中心線Ｘに直交する方向に延びる軸回り方向の指向性が高くなるため、燃焼室１９の内部でタンブル流が発生しやすい傾向がある。

内部ＥＧＲを行っているときにタンブル流が燃焼室１９で発生すると、シリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスの流量が増加し、それに伴いシリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に奪われる既燃ガスの熱が多くなるため、冷却損失が大きくなり、その影響でエンジン１の熱効率の低下を招いてしまう。このことから、内部ＥＧＲを行っているときのタンブル流の発生は抑制することが好ましい。

そこで、このエンジン１では、図４に示すように、排気ポート３１の内壁面のうち排気口３５に近接するシリンダライナ壁面１７側の部分に、剥離流生成部として、当該排気ポート３１の内方に向けて角張ったエッジ部５１が設けられている。エッジ部５１は、排気ポート３１のスロート部３１ａの排気下流側の端部で、排気ポート３１の周方向において排気口３３とシリンダライナ壁面１７との距離が比較的近い範囲、例えば排気ポート３１の中心角１２０度程度の範囲に、排気ポート３１の内壁面によって形成されている。

このエッジ部５１での排気ポート３１の内壁面の角度βは、１４０度以下とされており、例えば８０度〜１４０度程度に設定されている。このようなエッジ部５１を備えるエンジン１の吸排気構造によれば、内部ＥＧＲが行われているときに、排気ポート３１からシリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスを減らし、且つ燃焼室１９でのタンブル流の発生を抑制できる。

すなわち、内部ＥＧＲが行われると、既燃ガスの循環流は、排気ポート３１を通じて気筒７内に引き戻される過程で、エッジ部５１によって排気ポート３１の内壁面から剥離される。それにより、既燃ガスの循環流のなかに、排気口３３の通過位置でシリンダライナ壁面１７から遠ざかる方向に流れる剥離流が生成される。そうすると、気筒７に引き戻される既燃ガスが剥離流の流れる方向に多く流れて、排気ポート３１からシリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスの量が減り、それに伴いタンブル流の生成が抑制される。

排気ポート３１の内壁面のうち排気口３３に近接するシリンダライナ壁面１７側とは反対側の部分は、当該排気ポート３１のスロート部３１ａよりも上流側の部分からスロート部３１ａにかけての曲げ部分、つまりエッジ部５１に対応する部分を含め排気口３３に至るまで滑らかに連続する面に形成されている。

そのことで、排気ポート３１を通じて気筒７から既燃ガスがスムーズに排出されるようになっている。こうした構成によれば、エンジン１でのポンプ損失が低減されるので、燃費の向上に有利となる。

また、吸気ポート２５の内壁面は、当該吸気ポート２５のスロート部２５ａよりも上流側の部分からスロート部２５ａにかけての曲げ部分を含め吸気口２７に至るまでの全体に亘って滑らかに連続する面に形成されている。すなわち、吸気ポート２５の内壁面のうち排気ポート３１のエッジ部５１に相当する箇所は、図５に示すように、角が立っていない湾曲面によって構成されている。

そのことで、吸気ポート２５を通して気筒７に新気がスムーズに吸入されるようになっている。こうした構成によれば、吸気ポート２５を通じた気筒７内への空気（新気）の吸入量を増えるので、内部ＥＧＲを行っていない通常運転時の新気の充填効率を高めることができる。

図８に、このエンジン１で内部ＥＧＲが行われているときの新気及び既燃ガスの流れの概念図を示す。図９に、参考例に係るエンジン１で内部ＥＧＲが行われているときの新気及び既燃ガスの流れの概念図を示す。

排気ポート３１にエッジ部５１が設けられていない、すなわち排気ポート３１の内壁面が吸気ポート２５と同様に全体に亘って滑らかに連続した面に形成されている場合には、図９に示すように、内部ＥＧＲによって気筒７に引き戻された既燃ガスの多くは、気筒７に導入されて直ぐに排気口３３に近接するシリンダライナ壁面１７に沿って流れる。このため、既燃ガスの熱がそのシリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に多く奪われることになり、それによる冷却損失の影響でエンジン１の熱効率の低下を招いてしまう。

これに対し、この実施形態１に係るエンジン１の吸排気構造によると、図８に示すように、内部ＥＧＲによる既燃ガスの循環流をエッジ部５１によって排気ポート３１の内壁面から剥離させ、排気口３３の通過位置でシリンダライナ壁面１７から遠ざかる方向に流れる剥離流を生成するようにしたので、上述の通り、内部ＥＧＲが行われているときに排気ポート３１からシリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスを減らし、且つタンブル流の生成を抑制できる。それにより、シリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に奪われる既燃ガスの熱を少なくすることができる。その結果、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑制して、エンジン１の熱効率を向上させることができる。

《実施形態２》
この実施形態２に係るエンジン１は、剥離流生成部の構成が上記実施形態１と異なる。なお、この実施形態２では、剥離流生成部の構成が上記実施形態１と異なる他はエンジン１について上記実施形態１と同様に構成されているので、構成の異なる剥離流生成部についてのみ説明し、同一の構成箇所は図１〜図９に基づく上記実施形態１の説明に譲ることにして、その詳細な説明を省略する。

図１０に、この実施形態２に係るエンジン１の要部構成を示す。図１１に、このエンジン１が有する気筒７の上部を下方から見た概略図を示す。また、図１２に、図１１のXII−XII線におけるシリンダヘッド５の断面図を示す。なお、図１１では、吸気バルブ２９及び排気バルブ３７の図示は省略している。

本実施形態のエンジン１では、図１０〜図１２に示すように、シリンダヘッド５の天井面１５における各排気ポート３１の排気口３３の周縁部のうち当該排気口３３に近接するシリンダライナ壁面１７側の部分に、剥離流生成部として、気筒７の内方に向けて角張った段差部５３が設けられている。この段差部５３は、排気バルブ３７が排気口３３を閉じた状態で当該排気バルブ３７と干渉しない位置に、天井面１５によって形成されている。

２つの排気ポート３７の各内壁面は、吸気ポート２５と同じく、当該排気ポート３７のスロート部２５ａよりも上流側の部分からスロート部３１aにかけての部分を含め排気口３３に至るまで全体に亘って滑らかに連続する面に形成されている。すなわち、排気ポート３１の内壁面のうち上記実施形態１のエッジ部５１が設けられた部分に相当する箇所は、図１０に示すように、角が立っていない湾曲面によって構成されている。

このような段差部５３を備えるエンジン１の吸排気構造では、内部ＥＧＲが行われているときに、気筒７内に引き戻される既燃ガスの循環流が、図１０に矢印で示すように段差部５３によってシリンダヘッド５の天井面１５から剥離される。それにより、既燃ガスの循環流のなかに、シリンダライナ壁面１７から気筒７の内方に離れた位置へ流れる剥離流が生成される。そうすると、気筒７に引き戻される既燃ガスが剥離流の流れる方向に多く流れて、排気ポート３１からシリンダライナ壁面１７に沿って流れる既燃ガスの量が減る。

したがって、この実施形態２に係るエンジン１の吸排気構造によっても、内部ＥＧＲが行われているときに、シリンダライナ壁面１７を介してウォータジャケット８内の冷却水に奪われる既燃ガスの熱を少なくすることができ、その結果、内部ＥＧＲが行われているときの冷却損失を抑制して、エンジン１の熱効率を向上させることができる。

以上のように、ここに開示する技術の例示として、好ましい実施形態について説明した。しかし、ここに開示する技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須でない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることを以て、直ちにそれらの必須でない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

例えば、上記実施形態１，２について、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態１では、剥離流生成部が排気ポート３１の内壁面により形成されたエッジ部５１である形態を、上記実施形態２では、剥離流生成部が天井面１５により形成された段差部５３である形態を例に挙げて説明したとしたが、本発明はこれに限らない。上記実施形態１，２の剥離流生成部は、シリンダヘッド５とは別部材により構成されていてもよい。

また、上記実施形態１では、２つの排気バルブ３７が排気行程及び吸気行程の各々で１度ずつ開閉される２度開き動作を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らない。内部ＥＧＲを行うにあたっては、吸気行程中に排気バルブ３７が開いていればよいので、排気行程から吸気行程にかけて排気バルブ３７を開き続けた状態としてもよい。

以上説明したように、ここに開示した技術は、内部ＥＧＲが行われる内燃機関の吸排気構造について有用である。

１…エンジン（内燃機関）、３…シリンダブロック、５…シリンダヘッド、７…気筒、
９…コネクティングロッド、１１…ピストン、１３…頂面、１５…天井面、
１７…シリンダライナ壁面、１９…燃焼室、２１…キャビティ、２３…平らな頂面、
２４…凸部、２５…吸気ポート、２５ａ…スロート部、２７…吸気口、
２９…吸気バルブ、３１…排気ポート、３１ａ…スロート部、３３，３５…排気口、
３７…排気バルブ、３９，４１…傾斜面、４３…平坦面、４５…インジェクタ、
４７…第１の点火プラグ、４９…第２の点火プラグ、５１…エッジ部（剥離流生成部）、
５３…段差部（剥離流生成部）

Claims (7)

1. 往復動可能なピストンが嵌入された気筒と、
   前記気筒内に空気を吸入する吸気ポートと、
   前記気筒内から既燃ガスを排出する排気ポートと、を備え、
   前記排気ポートの前記気筒内に臨む排気口が、前記気筒を区画する天井面において当該気筒のシリンダライナ壁面側に偏った位置に開口され、
   吸気行程中に、前記排気ポートを通じて既燃ガスの一部を前記気筒に引き戻す排気再循環が行われる内燃機関の吸排気構造であって、
   前記排気ポートの内壁面のうち前記排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側の部分には、前記排気再循環によって前記気筒内に引き戻される既燃ガスの循環流を当該排気ポートの内壁面から剥離させ、前記排気口の通過位置で当該シリンダライナ壁面から遠ざかる方向に流れる剥離流を生成する剥離流生成部が設けられている
   ことを特徴とする吸排気構造。
2. 請求項１に記載された吸排気構造において、
   前記剥離流生成部は、前記排気ポートの内壁面により形成された、当該排気ポート内に向けて角張ったエッジ部である
   ことを特徴とする吸排気構造。
3. 請求項１に記載された吸排気構造において、
   前記排気ポートの内壁面のうち前記排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側とは反対側の部分は、当該排気ポートのスロート部よりも上流側の部分から前記排気口に亘って滑らかに連続する面に形成されている
   ことを特徴とする吸排気構造。
4. 往復動可能なピストンが嵌入された気筒と、
   前記気筒内に空気を吸入する吸気ポートと、
   前記気筒内から既燃ガスを排出する排気ポートと、を備え、
   前記排気ポートの前記気筒内に臨む排気口が、前記気筒を区画する天井面において当該気筒のシリンダライナ壁面側に偏った位置に開口され、
   吸気行程中に、前記排気ポートを通じて既燃ガスの一部を前記気筒に引き戻す排気再循環が行われる内燃機関の吸排気構造であって、
   前記天井面における前記排気口の周縁部のうち当該排気口に近接する前記シリンダライナ壁面側の部分には、前記排気再循環によって前記気筒内に引き戻される既燃ガスの循環流を前記天井面から剥離させ、当該シリンダライナ壁面から前記気筒の内方に離れた位置へ流れる剥離流を生成する剥離流生成部が設けられている
   ことを特徴とする吸排気構造。
5. 請求項４に記載された吸排気構造において、
   前記剥離流生成部は、前記天井面により形成された、前記気筒内に向けて角張った段差部である
   ことを特徴とする吸排気構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載された吸排気構造において、
   前記吸気ポートの前記気筒内に臨む吸気口は、前記気筒の中心線を挟んだ前記排気口の反対側で、前記気筒を区画する天井面において当該気筒のシリンダライナ壁面側に偏った位置に開口され、
   前記吸気ポートの内壁面は、当該吸気ポートのスロート部よりも上流側の部分から前記吸気口に亘って滑らかに連続する面に形成されている
   ことを特徴とする吸排気構造。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載された吸排気構造において、
   前記気筒の中心線に対する、前記排気ポートのスロート部における前記排気口の中心を通る中心線の傾斜角度は、０度よりも大きく且つ２５度以下である
   ことを特徴とする吸排気構造。

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