JP6958430B2

JP6958430B2 - Internal combustion engine

Info

Publication number: JP6958430B2
Application number: JP2018035301A
Authority: JP
Inventors: 阿部　和佳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP2019148259A

Description

本発明は内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine.

車両に搭載される内燃機関では、燃費改善などのため、燃焼室内にタンブル流を発生させる。吸気バルブ用のバルブシートの位置を調整することで、強いタンブル流を発生させる内燃機関が開発されている（特許文献１）。 In an internal combustion engine mounted on a vehicle, a tumble flow is generated in a combustion chamber in order to improve fuel efficiency. An internal combustion engine that generates a strong tumble flow by adjusting the position of a valve seat for an intake valve has been developed (Patent Document 1).

特開２０１２−１８０８１１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-180811

しかし排気バルブが開く排気工程において燃焼室内の排気が排出されることで、タンブル流が弱くなる。このため、吸気行程においてタンブル流が再び形成されるまでに時間がかかり、タンブル流が弱くなってしまう。そこで、強いタンブル流を発生させることが可能な内燃機関を提供することを目的とする。 However, in the exhaust process in which the exhaust valve opens, the exhaust in the combustion chamber is discharged, so that the tumble flow becomes weak. Therefore, it takes time for the tumble flow to be formed again in the intake stroke, and the tumble flow becomes weak. Therefore, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine capable of generating a strong tumble flow.

上記目的は、シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに接続され、吸気バルブにより開閉される吸気ポートと、前記シリンダヘッドに接続され、排気バルブにより開閉される排気ポートと、を具備し、前記シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドが取り付けられるシリンダブロックとは燃焼室を形成し、前記燃焼室の上面のうち前記排気ポート側の面、および前記吸気ポート側の面は、それぞれ前記シリンダブロックのシリンダボアの延伸方向に対して傾斜し、前記吸気ポートは、前記吸気バルブが接触する部分から上流側にかけて直線形状である第１直線部を有し、前記排気ポートは、前記排気バルブが接触する部分から下流側にかけて直線形状である第２直線部を有し、前記第１直線部は、前記燃焼室の上面のうち前記排気ポート側の面と平行であり、前記第２直線部は、前記燃焼室の上面のうち前記吸気ポート側の面と平行であり、前記第１直線部と前記上面のうち前記排気ポート側の面とは同一直線上に位置し、前記第２直線部と前記上面のうち前記吸気ポート側の面とは同一直線上に位置する内燃機関によって達成できる。
The object includes a cylinder head, an intake port connected to the cylinder head and opened and closed by an intake valve, and an exhaust port connected to the cylinder head and opened and closed by an exhaust valve. A combustion chamber is formed with the cylinder block to which the cylinder head is attached, and the surface of the upper surface of the combustion chamber on the exhaust port side and the surface on the intake port side are respectively in the extending direction of the cylinder bore of the cylinder block. The intake port is inclined with respect to the first straight portion having a linear shape from the portion in contact with the intake valve to the upstream side, and the exhaust port is straight from the portion in contact with the exhaust valve to the downstream side. It has a second straight portion having a shape, the first straight portion is parallel to the surface of the upper surface of the combustion chamber on the exhaust port side, and the second straight portion is of the upper surface of the combustion chamber. It is parallel to the surface on the intake port side, the surface on the exhaust port side of the first straight portion and the upper surface is located on the same straight line, and the intake port side of the second straight portion and the upper surface. This can be achieved by an internal combustion engine located on the same straight line as the surface of.

強いタンブル流を発生させることが可能な内燃機関を提供できる。 An internal combustion engine capable of generating a strong tumble flow can be provided.

図１は内燃機関を例示する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an internal combustion engine. 図２（ａ）および図２（ｂ）は内燃機関を例示する断面図である。2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views illustrating an internal combustion engine. 図３は内燃機関を例示する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an internal combustion engine. 図４（ａ）および図４（ｂ）は第１変形例に係る内燃機関を例示する断面図である。4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views illustrating the internal combustion engine according to the first modification. 図５（ａ）および図５（ｂ）は第２変形例に係る内燃機関を例示する断面図である。5 (a) and 5 (b) are cross-sectional views illustrating an internal combustion engine according to a second modification. 図６は第３変形例に係る内燃機関を例示する断面図であり、FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the internal combustion engine according to the third modification.

（実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関１００について説明する。図１から図３は内燃機関１００を例示する断面図である。Ｚ軸方向は上下方向であり、シリンダボアの延伸方向である。Ｙ軸方向は吸気ポート１２と排気ポート１４とが並ぶ方向であり、＋Ｙ側がＥｘ側、−Ｙ側がＩｎ側である。Ｘ軸方向は、不図示のクランクシャフトの延伸方向であり、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に直交する。図１では吸気バルブ１６および排気バルブ１８の図示は省略している。 (Embodiment)
Hereinafter, the internal combustion engine 100 of the present embodiment will be described with reference to the drawings. 1 to 3 are cross-sectional views illustrating the internal combustion engine 100. The Z-axis direction is the vertical direction, which is the extending direction of the cylinder bore. The Y-axis direction is the direction in which the intake port 12 and the exhaust port 14 are lined up, with the + Y side being the Ex side and the −Y side being the In side. The X-axis direction is the extension direction of the crankshaft (not shown), and is orthogonal to the Y-axis direction and the Z-axis direction. In FIG. 1, the intake valve 16 and the exhaust valve 18 are not shown.

内燃機関１００は、例えば自動車などに搭載されるガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンなどであり、４バルブエンジンである。内燃機関１００は、シリンダヘッド１０およびシリンダブロック１１を備える。シリンダヘッド１０はシリンダブロック１１の上側に取り付けられ、シリンダヘッド１０、シリンダブロック１１およびピストン１５により燃焼室２０が形成される。燃焼室２０内においてピストン１５が上下に往復運動する。吸気ポート１２は吸気バルブ１６の移動により開閉する。排気ポート１４は排気バルブ１８の移動により開閉する。 The internal combustion engine 100 is, for example, a gasoline engine or a diesel engine mounted on an automobile or the like, and is a 4-valve engine. The internal combustion engine 100 includes a cylinder head 10 and a cylinder block 11. The cylinder head 10 is attached to the upper side of the cylinder block 11, and the combustion chamber 20 is formed by the cylinder head 10, the cylinder block 11 and the piston 15. The piston 15 reciprocates up and down in the combustion chamber 20. The intake port 12 opens and closes by moving the intake valve 16. The exhaust port 14 opens and closes by moving the exhaust valve 18.

図１に示すように、吸気ポート１２は燃焼室２０に開口した開口部１２ａを有する。吸気ポート１２の内壁のうち開口部１２ａを囲む部分は吸気バルブ１６が着座するシート部となる。吸気ポート１２は、開口部１２ａから上流側にかけて直線形状の直線部１２ｂ（第１直線部）を有する。排気ポート１４は燃焼室２０に開口した開口部１４ａを有する。排気ポート１４の内壁のうち開口部１４ａを囲む部分は排気バルブ１８が着座するシート部となる。排気ポート１４は、開口部１４ａから下流側にかけて直線形状の直線部１４ｂ（第２直線部）を有する。 As shown in FIG. 1, the intake port 12 has an opening 12a that opens into the combustion chamber 20. The portion of the inner wall of the intake port 12 that surrounds the opening 12a is a seat portion on which the intake valve 16 is seated. The intake port 12 has a linear portion 12b (first straight portion) having a linear shape from the opening 12a to the upstream side. The exhaust port 14 has an opening 14a that opens into the combustion chamber 20. The portion of the inner wall of the exhaust port 14 that surrounds the opening 14a is the seat portion on which the exhaust valve 18 is seated. The exhaust port 14 has a linear portion 14b (second straight portion) having a linear shape from the opening 14a to the downstream side.

シリンダヘッド１０はベントルーフ型であり、燃焼室２０の上面は傾斜している。具体的には上面のうち吸気ポート１２側の上面２２は図１中で右下がりに傾斜している。排気ポート１４側の上面２４は図１中で左下がりに傾斜している。吸気ポート１２の直線部１２ｂと上面２４とは略平行であり、排気ポート１４の直線部１４ｂと上面２２とは略平行である。略平行とは、例えば完全に平行であること、および角度の違いがわずかにあってもよいことを意味する。上面２４と直線部１２ｂとは、略同一な直線上に位置する。上面２４から延伸する仮想的な直線Ｌ１が直線部１２ｂに重なってもよいし、直線部１２ｂからわずかに外れてもよい。同様に、上面２２と直線部１４ｂとは略同一な直線上に位置する。 The cylinder head 10 is a bent roof type, and the upper surface of the combustion chamber 20 is inclined. Specifically, the upper surface 22 on the intake port 12 side of the upper surface is inclined downward to the right in FIG. The upper surface 24 on the exhaust port 14 side is inclined downward to the left in FIG. The straight portion 12b of the intake port 12 and the upper surface 24 are substantially parallel, and the straight portion 14b of the exhaust port 14 and the upper surface 22 are substantially parallel. Approximately parallel means, for example, that they are perfectly parallel and that there may be slight differences in angle. The upper surface 24 and the straight line portion 12b are located on substantially the same straight line. The virtual straight line L1 extending from the upper surface 24 may overlap the straight line portion 12b, or may be slightly deviated from the straight line portion 12b. Similarly, the upper surface 22 and the straight line portion 14b are located on substantially the same straight line.

図２（ａ）は排気バルブ１８が開弁した排気工程を図示している。燃焼後の排気は燃焼室２０から排気ポート１４に排出される。このとき、排気は排気ポート１４の開口部１４ａのうち吸気ポート１２側に流れやすいが、燃焼室２０の内壁側（＋Ｙ側）に流れにくい。したがって矢印で示すように、燃焼室２０の吸気ポート１２付近から、吸気バルブ１６と排気バルブ１８との間を通り、排気ポート１４に流れるような、排気の流れＦ１が発生する。 FIG. 2A illustrates an exhaust process in which the exhaust valve 18 is opened. The exhaust gas after combustion is discharged from the combustion chamber 20 to the exhaust port 14. At this time, the exhaust easily flows to the intake port 12 side of the opening 14a of the exhaust port 14, but does not easily flow to the inner wall side (+ Y side) of the combustion chamber 20. Therefore, as shown by an arrow, an exhaust flow F1 is generated from the vicinity of the intake port 12 of the combustion chamber 20 so as to pass between the intake valve 16 and the exhaust valve 18 and flow to the exhaust port 14.

図２（ｂ）は吸気バルブ１６および排気バルブ１８がともに閉弁した状態を図示している。図２（ａ）の流れＦ１が発生している状態において排気バルブ１８が閉じることで、ガスは慣性力により吸気バルブ１６および排気バルブ１８の下面に沿うように流れる。これにより図２（ｂ）中に矢印で示すタンブル流Ｆ２が発生する。 FIG. 2B illustrates a state in which both the intake valve 16 and the exhaust valve 18 are closed. When the exhaust valve 18 is closed while the flow F1 in FIG. 2A is being generated, the gas flows along the lower surfaces of the intake valve 16 and the exhaust valve 18 due to the inertial force. As a result, the tumble flow F2 indicated by the arrow in FIG. 2B is generated.

図３は吸気バルブ１６が開弁した吸気工程を図示している。図２（ｂ）のタンブル流Ｆ２が発生している状態で吸気バルブ１６が開くと、吸気はタンブル流に合流する。これにより、さらに強いタンブル流Ｆ３が形成される。 FIG. 3 illustrates an intake process in which the intake valve 16 is opened. When the intake valve 16 is opened while the tumble flow F2 of FIG. 2B is generated, the intake air joins the tumble flow. As a result, a stronger tumble flow F3 is formed.

本実施形態によれば、吸気ポート１２は直線部１２ｂを有し、排気ポート１４は直線部１４ｂを有する。直線部１２ｂは燃焼室２０の上面２４と略平行であり、直線部１４ｂは燃焼室２０の上面２２と略平行である。このため、図２（ａ）に示す排気工程では吸気ポート１２付近から排気ポート１４へと回り込むような流れＦ１が形成され、排気バルブ１８が閉弁すると図２（ｂ）に示すタンブル流Ｆ２が発生する。図３に示す吸気工程では、すでに生じているタンブル流に吸気が加わり、強いタンブル流Ｆ３が速やかに形成される。タンブル流が強くなることで、燃焼が速くなり、燃焼効率が向上する。このため燃費の改善および出力の向上が可能である。 According to the present embodiment, the intake port 12 has a straight portion 12b, and the exhaust port 14 has a straight portion 14b. The straight portion 12b is substantially parallel to the upper surface 24 of the combustion chamber 20, and the straight portion 14b is substantially parallel to the upper surface 22 of the combustion chamber 20. Therefore, in the exhaust process shown in FIG. 2 (a), a flow F1 is formed so as to wrap around from the vicinity of the intake port 12 to the exhaust port 14, and when the exhaust valve 18 is closed, the tumble flow F2 shown in FIG. 2 (b) is generated. appear. In the intake step shown in FIG. 3, intake is added to the already generated tumble flow, and a strong tumble flow F3 is quickly formed. By increasing the tumble flow, combustion becomes faster and combustion efficiency improves. Therefore, it is possible to improve fuel efficiency and output.

燃焼室２０の上面２４と吸気ポート１２の直線部１２ｂとは略同一直線上に位置する。図３に示すように、吸気が吸気ポート１２から燃焼室２０へと直線的に流入することで、強いタンブル流Ｆ３が形成される。また上面２２と排気ポート１４の直線部１４ｂとが略同一直線上に位置する。これにより、図２（ａ）に示すように、排気が上面２２に沿って排気ポート１４のＩｎ側に流れやすくなり、タンブル流が形成される。 The upper surface 24 of the combustion chamber 20 and the straight line portion 12b of the intake port 12 are located on substantially the same straight line. As shown in FIG. 3, a strong tumble flow F3 is formed by the intake air flowing linearly from the intake port 12 into the combustion chamber 20. Further, the upper surface 22 and the straight line portion 14b of the exhaust port 14 are located on substantially the same straight line. As a result, as shown in FIG. 2A, the exhaust easily flows to the In side of the exhaust port 14 along the upper surface 22, and a tumble flow is formed.

レーザクラッドバルブシートを用いることで、直線形状を有する吸気ポート１２および排気ポート１４を形成することができる。直線部１２ｂおよび１４ｂ、上面２２および２４の寸法および傾斜角度は任意に定めることができる。吸気ポート１２および排気ポート１４の全体が直線形状でなくてもよく、それぞれの燃焼室２０に接続される部分に直線部１２ｂおよび１４ｂが設けられていればよい。 By using the laser clad valve seat, the intake port 12 and the exhaust port 14 having a linear shape can be formed. The dimensions and inclination angles of the straight portions 12b and 14b and the upper surfaces 22 and 24 can be arbitrarily determined. The entire intake port 12 and the exhaust port 14 do not have to have a linear shape, and linear portions 12b and 14b may be provided at portions connected to the respective combustion chambers 20.

（第１変形例）
図４（ａ）および図４（ｂ）は第１変形例に係る内燃機関２００を例示する断面図である。上記の構成と同じ構成については説明を省略する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、排気ポート１４にバルブ３０が設けられている。バルブ３０は片持ちバルブであり、バルブ３０の開度は例えば不図示のＥＣＵ（Electronic Control Unit）などにより制御される。 (First modification)
4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views illustrating the internal combustion engine 200 according to the first modification. The description of the same configuration as the above configuration will be omitted. As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), a valve 30 is provided in the exhaust port 14. The valve 30 is a cantilever valve, and the opening degree of the valve 30 is controlled by, for example, an ECU (Electronic Control Unit) (not shown).

図４（ａ）のように排気バルブ１８のリフト量が小さい場合、バルブ３０の開度は小さくなる。これにより排気ポート１４の一部の断面積が小さくなり、排気の流速が高まる。排気が燃焼室２０から排気ポート１４へと吸い出され、燃焼室２０内に強い流れが発生する。一方、図４（ｂ）のように排気バルブ１８のリフト量が大きい場合、排気の流れを阻害しないように、バルブ３０の開度は大きくなる。第１変形例によれば、リフト量が小さい場合でも大きい場合でも、強いタンブル流が形成される。 When the lift amount of the exhaust valve 18 is small as shown in FIG. 4A, the opening degree of the valve 30 is small. As a result, the cross-sectional area of a part of the exhaust port 14 is reduced, and the flow velocity of the exhaust is increased. Exhaust gas is sucked out from the combustion chamber 20 to the exhaust port 14, and a strong flow is generated in the combustion chamber 20. On the other hand, when the lift amount of the exhaust valve 18 is large as shown in FIG. 4B, the opening degree of the valve 30 is large so as not to obstruct the flow of exhaust gas. According to the first modification, a strong tumble flow is formed regardless of whether the lift amount is small or large.

（第２変形例）
図５（ａ）および図５（ｂ）は第２変形例に係る内燃機関３００を例示する断面図である。上記の構成と同じ構成については説明を省略する。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、排気ポート１４にバルブ３２が設けられている。バルブ３２はバタフライバルブであり、バルブ３２の開度は例えば不図示のＥＣＵなどにより制御される。 (Second modification)
5 (a) and 5 (b) are cross-sectional views illustrating the internal combustion engine 300 according to the second modification. The description of the same configuration as the above configuration will be omitted. As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), a valve 32 is provided in the exhaust port 14. The valve 32 is a butterfly valve, and the opening degree of the valve 32 is controlled by, for example, an ECU (not shown).

図５（ａ）のように排気バルブ１８のリフト量が小さい場合、バルブ３２の開度は小さくなる。これにより排気が燃焼室２０から排気ポート１４へと吸い出され、燃焼室２０内に強い流れが発生する。一方、図５（ｂ）のように排気バルブ１８のリフト量が大きい場合、排気の流れを阻害しないように、バルブ３２の開度は大きくなる。第２変形例によれば、リフト量が小さい場合でも大きい場合でも、強いタンブル流が形成される。 When the lift amount of the exhaust valve 18 is small as shown in FIG. 5A, the opening degree of the valve 32 is small. As a result, the exhaust gas is sucked out from the combustion chamber 20 to the exhaust port 14, and a strong flow is generated in the combustion chamber 20. On the other hand, when the lift amount of the exhaust valve 18 is large as shown in FIG. 5B, the opening degree of the valve 32 is large so as not to obstruct the flow of exhaust gas. According to the second modification, a strong tumble flow is formed regardless of whether the lift amount is small or large.

（第３変形例）
図６は第３変形例に係る内燃機関４００を例示する断面図であり、吸気バルブ１６は省略している。図６に示すように、排気ポート１４の開口部１４ａのＥｘ側（＋Ｙ側）の部分１４ｃは、排気バルブ１８の傘部１８ａのＥｘ側の表面と同様の形状を有する。部分１４ｃと直線部１４ｂとのなす角θは鋭角である。第３変形例によれば、排気はＥｘ側（＋Ｙ側）からは排気ポート１４に入りにくく、Ｉｎ側（−Ｙ側）からは入りやすい。このため強いタンブル流が形成される。特に排気バルブ１８が低リフトの場合、排気の大部分がＩｎ側に流れるためタンブル流が効果的に形成される。なお、実施形態、第１〜第３変形例は組み合わせてもよい。 (Third modification example)
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the internal combustion engine 400 according to the third modification, and the intake valve 16 is omitted. As shown in FIG. 6, the Ex-side (+ Y-side) portion 14c of the opening 14a of the exhaust port 14 has the same shape as the Ex-side surface of the umbrella portion 18a of the exhaust valve 18. The angle θ formed by the portion 14c and the straight portion 14b is an acute angle. According to the third modification, the exhaust gas does not easily enter the exhaust port 14 from the Ex side (+ Y side) and easily enters the exhaust port 14 from the In side (−Y side). Therefore, a strong tumble flow is formed. In particular, when the exhaust valve 18 has a low lift, most of the exhaust gas flows to the In side, so that a tumble flow is effectively formed. The first to third modifications of the embodiment may be combined.

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１０シリンダヘッド
１１シリンダブロック
１２吸気ポート
１２ａ、１４ａ開口部
１２ｂ、１４ｂ直線部
１４排気ポート
１４ｃ部分
１５ピストン
１６吸気バルブ
１８排気バルブ
１８ａ傘部
２０燃焼室
２２、２４上面
１００、２００、３００、４００内燃機関 10 Cylinder head 11 Cylinder block 12 Intake port 12a, 14a Opening 12b, 14b Straight part 14 Exhaust port 14c part 15 Piston 16 Intake valve 18 Exhaust valve 18a Umbrella part 20 Combustion chamber 22, 24 Top surface 100, 200, 300, 400 Internal combustion institution

Claims

Cylinder head and
An intake port connected to the cylinder head and opened and closed by an intake valve,
It is provided with an exhaust port connected to the cylinder head and opened and closed by an exhaust valve.
The cylinder head and the cylinder block to which the cylinder head is attached form a combustion chamber.
Of the upper surface of the combustion chamber, the surface on the exhaust port side and the surface on the intake port side are inclined with respect to the extending direction of the cylinder bore of the cylinder block, respectively.
The intake port has a first straight portion having a linear shape from a portion in contact with the intake valve to the upstream side.
The exhaust port has a second straight portion having a linear shape from a portion in contact with the exhaust valve to the downstream side.
The first straight line portion is parallel to the surface of the upper surface of the combustion chamber on the exhaust port side.
The second straight line portion is parallel to the surface of the upper surface of the combustion chamber on the intake port side.
The first straight line portion and the surface of the upper surface on the exhaust port side are located on the same straight line.
An internal combustion engine located on the same straight line between the second straight line portion and the surface of the upper surface on the intake port side.