内燃機関のポート
【課題】燃焼室の外部から内部へ向かうガスの流動および燃焼室の内部から外部へ向かうガスの流動の双方を考慮し、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流を燃焼室の内部において適切に形成させるとともに、同旋回流を適切に維持させることができる内燃機関のポートを提供する。
【解決手段】ポート３１は、燃焼室２５の内部と燃焼室の外部とを連通させるための通路部３１ａと、通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２を該バルブの軸線に沿って移動させるための軸受部３１ｂと、を備える。通路部３１ａの端部であって通路部と燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、軸受部３１ｂにおけるバルブの軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、通路部３１ａおよび軸受部３１ｂが構成される。
【解決手段】ポート３１は、燃焼室２５の内部と燃焼室の外部とを連通させるための通路部３１ａと、通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２を該バルブの軸線に沿って移動させるための軸受部３１ｂと、を備える。通路部３１ａの端部であって通路部と燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、軸受部３１ｂにおけるバルブの軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、通路部３１ａおよび軸受部３１ｂが構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のポートに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室は、一般に、燃焼する前のガス（空気、混合気など）が燃焼室の内部に導入されるように吸気ポートによって燃焼室の外部と連通されるとともに、燃焼した後のガス（排ガス）が燃焼室の外部に放出されるように排気ポートによって燃焼室の外部と連通されている。これらガスの導入および放出の態様は、周知のように、内燃機関の特性に種々の影響を与え得る。なかでも、吸気ポートにつき、従来から、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流（タンブルおよびスワールなど）を燃焼室の内部において形成させることによって内燃機関の特性の向上を図る（例えば、燃焼室の内部のガスを効率良く燃焼させ得る）吸気ポート、が提案されている。
【０００３】
例えば、従来の吸気ポート（以下、「従来ポート」とも称呼される。）の一つは、燃焼室の内部と燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備える。従来ポートの通路部は、通路部をガスが円滑に通過し得るように、滑らかな面によって構成されている。この従来ポートが内燃機関の吸気ポートに適用されるとき、従来ポートの通路部の端部を閉鎖または開放するための吸気バルブが、同端部に設けられる。そして、通路部の端部が開放されているとき、通路部を通過したガスが燃焼室の内部へ導入されるとともに、同ガスによる旋回流（タンブル）が燃焼室の内部において形成され得るようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３９９０号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、ポートを通過したガスが燃焼室の内部に導入されるとき、ガスの流れは、一般に、バルブ（例えば、バルブの端部に設けられるバルブヘッド）に接触するとともに、流れ方向がそれぞれ異なる複数の流れに分流される。これら分流されたガスの流れには、燃焼室の内部において旋回流を形成する向きの流れ（以下、「順方向の流れ」とも称呼される。）と、同旋回流の形成を妨げる向きの流れ（以下、「逆方向の流れ」とも称呼される。）と、が含まれる場合がある。
【０００６】
この逆方向の流れがポートの特性に与える影響は、順方向の流れの流量に対して逆方向の流れの流量が十分に小さい場合、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流を形成させるという観点において無視できる程度に小さいと考えられる。これに対し、順方向の流れの流量に対して逆方向の流れの流量が相当程度に大きい場合、意図されたポートの特性が得られず、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成されない場合があると考えられる。
【０００７】
さらに、燃焼室の内部に導入されたガスは、周知のように、同ガスが燃焼に供される前に圧縮される。ガスが圧縮される工程（圧縮行程）においては、ポートは、一般に、バルブよって閉鎖される。ところが、内燃機関の運転状態に応じて（例えば、ガスの圧縮に起因して熱効率が低下すること（いわゆるポンピングロスの一態様）を出来る限り軽減する目的にて、内燃機関の負荷が小さい場合などに）、圧縮工程の初期においてポートが開放される場合がある。
【０００８】
圧縮工程においてポートが開放されると、燃焼室の内部に形成された旋回流の一部がポートを通過して燃焼室の外部に放出される場合があると考えられる。この旋回流の放出がポートの特性に与える影響は、放出されるガスの流量が十分に小さい場合、燃焼室の内部に形成された旋回流を圧縮行程において維持させるという観点において無視できる程度に小さいと考えられる。これに対し、放出されるガスの放出が相当程度に大きい場合、意図されたポートの特性が十分に得られず、圧縮行程において旋回流が適切に維持されない場合があると考えられる。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、燃焼室の外部から内部へ向かうガスの流動および燃焼室の内部から外部へ向かうガスの流動の双方を考慮し、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流を燃焼室の内部において適切に形成させるとともに、同旋回流を適切に維持させることができる内燃機関のポートを提供することにある。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明による内燃機関のポートは、通路部と、軸受部と、を備える。
【００１１】
上記通路部は、内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるように構成される。例えば、通路部は、内燃機関の吸気通路（例えば、インテークマニホールド）と燃焼室との間、または、内燃機関の排気通路（例えば、エキゾーストマニホールド）と燃焼室との間、に設けられ得る。さらに、例えば、通路部は、吸気通路または排気通路の一部として、吸気通路の端部であって吸気通路と燃焼室とが接続される端部、または、排気通路の端部であって排気通路と燃焼室とが接続される端部、に設けられ得る。すなわち、通路部は、吸気通路または排気通路の一部であってもよく、それらとは異なる部分であってもよい。
【００１２】
別の言い方をすると、通路部は、燃焼室の外部から燃焼室の内部へ導入されるガス（例えば、空気、および、空気と燃料との混合気など）、または、燃焼室の内部から燃焼室の外部へ放出されるガス（例えば、排ガス）、が通過する流路の一部を構成し得る。より具体的に述べると、通路部は、それらガスが通過する流路そのもの（空間・空洞）であってもよく、その流路（空間・空洞）を画成する部材であってもよい。
【００１３】
通路部の形状は、特に制限されない。例えば、通路部として、円柱の形状の少なくとも一部を有する形状、角柱の形状の少なくとも一部を有する形状、および、円錐台の形状の少なくとも一部を有する形状などが採用され得る。なお、「通路部が円柱の形状の少なくとも一部を有する」とは、ガスが通過する流路のうちの通路部と称呼される部分そのもの（空間・空洞）が円柱の形状の少なくとも一部を有すること、または、ガスが通過する流路のうちの通路部と称呼される部分（空間・空洞）が円柱の形状の少なくとも一部であるようにその部分を画成する部材が構成されていること、を表し得る。通路部が他の形状を有する場合も同様である。
【００１４】
上記軸受部は、前記通路部を閉鎖または開放するバルブを該バルブの軸線に沿って移動させ得るように構成される。軸受部の形状および軸受部が設けられる位置などは、特に制限されない。なお、周知のように、バルブと、通路部の一部分（例えば、いわゆるバルブシート部。後述される「バルブ接触部分」に相当。）と、が接触または隔離されることにより、通路部が閉鎖または開放され得る。
【００１５】
本発明のポートにおいて、通路部および軸受部は、「前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部が含まれる仮想的な面と、前記軸受部における前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度」が９０度よりも小さい角度であるように、構成されている。
【００１６】
上述したように、通路部は、ガスの流路そのものであってもよく、その流路を画成する部材であってもよい。よって、本発明において、「燃焼室側端部」とは、流路の端部における流路の切断面そのもの（例えば、流路が円柱の形状である場合、その切断面である円板または楕円板など）、または、その切断面を画成する閉じた線（例えば、流路が円柱の形状である場合、切断面である円板または楕円板の外周線である円または楕円など）、を表し得る。
【００１７】
さらに、「燃焼室側端部」は、上述したバルブ接触部分と同一の部分であってもよく、バルブ接触部分と異なる部分であってもよい。すなわち、通路部が閉鎖されるとき、燃焼室側端部とバルブとが接触してもよく（つまり、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが同一。）、燃焼室側端部とは異なる部分とバルブとが接触してもよい（つまり、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが異なる。）。例えば、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが「異なる」部分である場合、ポートを通過して燃焼室の内部に導入されるガスは、まずバルブ接触部分を通過し、その後に燃焼室側端部を通過することになる。
【００１８】
本発明において、「燃焼室側端部が含まれる仮想的な面」とは、ある面であって該面の一部が上記「流路の切断面」であるように構成される面、または、ある面であって該面の面内に上記「流路の切断面を画成する閉じた線」が存在するように構成される面、を表す。この「仮想的な面」は、平面であってもよく、曲面であってもよい。
【００１９】
本発明において、「バルブの軸線に相当する仮想的な直線」とは、軸受部にバルブが設けられた場合における同バルブの軸線に一致するように構成される直線、を表す。
【００２０】
本発明において、「仮想的な面と仮想的な直線とによって定義される角度（ポート角度）」とは、仮想的な面が「平面」である場合、仮想的な面と仮想的な直線との交点においてその面と直線とがそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。一方、仮想的な面が「曲面」である場合、ポート角度とは、仮想的な面と仮想的な直線との交点において、同交点おける仮想的な面の接平面と、仮想的な直線と、がそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。以下、この角度は、単に「仮想的な面と仮想的な直線とがなす角度」とも称呼される。
【００２１】
なお、上記説明から理解されるように、「バルブ」との文言は単に軸受部の構成を説明するために採用されているに過ぎず、バルブは本発明のポートを構成するために必須の部材ではない。
【００２２】
発明者による種々の実験および考察などによれば、上記ポート角度と、ポートが内燃機関に適用されるときに燃焼室の内部において形成または維持される旋回流（タンブル）と、の間には特定の相関関係があることが確認された。
【００２３】
具体的に述べると、ポートが内燃機関に適用される場合、一般に、ポートは、燃焼室（例えば、略円錐の形状の上面、帯状の側面、および、ピストンの上面に相当する底面、によって画成される領域）の上面に設けられる。すなわち、燃焼室の内部とポートの通路部とが、燃焼室の上面において、通路部の燃焼室側端部を介して接続される。さらに、この場合、一般に、特定の形状を有するバルブが燃焼室側端部の近傍に設けられる。このバルブは、ポートの軸受部に支持される。
【００２４】
上記ポートをガスが通過するとき、バルブに接触して分流されたガスの流れの一部（以下、便宜上、「第１の流れ」とも称呼される。）は、ポートから最も遠い燃焼室の側面、燃焼室の底面、および、ポートに最も近い燃焼室の側面、にこの順に沿うように流れ得る（例えば、図６における実線の矢印を参照。）。これにより、燃焼室の軸線に垂直な軸回りに回転する旋回流（すなわち、タンブル）が形成され得る。よって、この第１の流れは、上述した「順方向の流れ」に相当する。
【００２５】
この第１の流れ（順方向の流れ）は、通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートから最も遠い燃焼室の側面に近い領域（以下、「第１の領域」とも称呼される。）を通過し、燃焼室の内部に導入されると考えられる。
【００２６】
これに対し、バルブに接触して分流されたガスの流れの他の一部（以下、便宜上、「第２の流れ」とも称呼される。）は、ポートに最も近い燃焼室の側面、および、燃焼室の底面にこの順に沿うように流れ得る（例えば、図６における破線の矢印を参照。）。すなわち、第２の流れは、上記第１の流れとは逆の方向に流れる。そのため、上記旋回流が形成されることが妨げられ得る。よって、この第２の流れは、上述した「逆方向の流れ」に相当する。
【００２７】
この第２の流れ（逆方向の流れ）は、通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートに最も近い燃焼室の側面に近い領域（以下、「第２の領域」とも称呼される。）を通過し、燃焼室の内部に導入されると考えられる。
【００２８】
ところで、上述したように、ポート角度の大きさは、燃焼室側端部（に関連する仮想的な面）とバルブ（に関連する仮想的な直線）との位置関係に基づいて定まる。逆に言えば、ポート角度の大きさが変化すると、燃焼室側端部とバルブとの位置関係が変化するとともに、上述した第１の領域および第２の領域の大きさも変化すると考えられる（例えば、図４を参照。）。
【００２９】
例えば、第１の領域について、ポート角度が小さいほど、一般に、第１の流れが接触するバルブの一部（例えば、バルブヘッドのうちのポートから最も遠い燃焼室の側面に近い部分）と、燃焼室側端部と、の距離が大きいことになると考えられる。よって、ポート角度が小さい場合（例えば、角度α）における第１の領域は、ポート角度が大きい場合（例えば、角度αよりも大きい角度β）における第１の領域よりも大きいと考えられる。
【００３０】
逆に、第２の領域について、ポート角度が小さいほど、一般に、第２の流れが接触するバルブの一部（例えば、バルブヘッドのうちのポートに最も近い燃焼室の側面に近い部分）と、燃焼室側端部と、の距離が小さいことになると考えられる。よって、ポート角度が小さい場合（角度α）における第２の領域は、ポート角度が大きい場合（角度β）における第２の領域よりも小さいと考えられる。
【００３１】
したがって、ポート角度が小さいほど、第１の領域を通過するガスの流量（すなわち、順方向の流れの流量）に対する第２の領域を通過するガスの流量（すなわち、逆方向の流れの流量）が小さいことになると考えられる（例えば、図６および図８を参照。）。
【００３２】
さらに、圧縮行程においてポートが開放されている場合、一般に、燃焼室の内部に形成された旋回流の流れ（本流）の近傍に同旋回流が流れ込み易い領域（例えば、流れ方向に面する開口部）が存在すると、同旋回流の流れの一部（傍流）がその領域に流入することにより、旋回流の流れ（本流）の流量が小さくなる場合があると考えられる。例えば、旋回流が上述した順方向の流れの流れ方向に沿って回転している場合、旋回流の一部は、旋回流の方向に面するように開口している第２の領域（上記逆方向の流れが通過した領域）に流れ込み易いと考えられる（例えば、図７を参照。）。
【００３３】
したがって、第２の領域が小さいほど（すなわち、ポート角度が小さいほど）、圧縮行程において燃焼室の外部に放出されるガスの流量が小さいことになると考えられる（例えば、図９を参照。）。
【００３４】
なお、燃焼室の内部にガスが導入されているとき（吸気行程）においても、旋回流の一部が第２の領域を通過して燃焼室の外部に放出される（すなわち、逆流する）場合もあると考えられる。しかし、上記説明から理解されるように、第２の領域が小さいほど（ポート角度が小さいほど）、吸気行程において第２の領域を逆流するガスの流量も小さいことにもなると考えられる。
【００３５】
このように、ポート角度と旋回流との間には、ポート角度が小さいほど、旋回流がより適切に形成され得るとともに同旋回流がより適切に維持され得る、との相関関係があることが確認された。ここで、発明者による更なる考察および実験などによれば、ポート角度が９０度よりも小さい角度であれば、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成されるとともに、圧縮行程においてポートが開放される場合であっても同旋回流が適切に維持されることが確認された。そこで、本発明のポートにおいて、ポート角度として９０度よりも小さい角度が採用されている。
【００３６】
一方、ポート角度が小さいほど、一般に、第１の流れは、ポートから最も遠い燃焼室の側面から離れた位置に向かって（例えば、燃焼室の底面に直接に向かうように）流れ得ると考えられる。そのような位置に向かって第１の流れが流れると、燃焼室の内部において第１の流れが適切に旋回しない可能性がある。このとき、上述した旋回流が適切に形成され難いと考えられる。したがって、ポート角度が過度に小さい角度であると、上述した旋回流が適切に形成されない可能性があると考えられる。そこで、例えば、ポート角度が６０度以上の角度であるように、通路部および軸受部が構成され得ることが望ましい。すなわち、ポート角度は、６０度以上で且つ９０度よりも小さい角度であることが望ましい。
【００３７】
さらに、上記同様の観点では、ポート角度は、６５度以上の角度であることがより望ましく、７０度以上の角度であることがさらに望ましい。また、上記同様の観点では、ポート角度は、８５度よりも小さい角度であることがより望ましく、８０度よりも小さい角度であることがさらに望ましい。
【００３８】
このように、本発明のポートにおいては、燃焼室の外部から内部へ向かうガスの流動（導入）および燃焼室の内部から外部へ向かうガスの流動（放出）の双方が考慮され、ポート角度が定められている。これにより、本発明のポートは、内燃機関に適用されたとき、燃焼室の内部において旋回流を適切に形成および維持させることができる。
【００３９】
上述したように、本発明のポートは、ポート角度が９０度よりも小さい所定の角度であるように構成される。ポート角度をこのような角度に設定するための具体的なポートの構成は、特に制限されない。
【００４０】
例えば、本発明のポートの一の態様において、
前記通路部の一部分であって該一部分と前記バルブとが接触されることによって前記通路部を閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、は異なる部分であるように構成され得る。
【００４１】
本態様において、「バルブ接触部分」は、同バルブ接触部分とバルブとが接触することによって通路部を閉鎖せしめるとの目的にて通路部に設けられる部分（例えば、いわゆるバルブシート部分）であり、必ずしもバルブ接触部分の全てとバルブとが接触する必要はない。換言すると、上記目的にて通路部に設けられる部分の全てが、本態様のバルブ接触部分に相当する。
【００４２】
さらに、「バルブ接触部分と、燃焼室側端部と、が異なる部分である」とは、バルブ接触部分の全てが燃焼室側端部と異なること、または、バルブ接触部分の少なくとも一部が燃焼室側端部と異なること、を表す。
【００４３】
以上に説明したように、本発明のポートは、内燃機関に適用されたとき、燃焼室の内部において旋回流を適切に形成および維持することができる。
【００４４】
ところで、本発明のポートが適用された内燃機関を上記ポート角度とは別の観点から述べると、例えば、同内燃機関は、
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備えたポートと、
前記通路部を閉鎖または開放するバルブであって、該バルブの軸線に沿って移動し、該バルブの端部に設けられたバルブヘッドと前記通路部の一部分であるバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部を閉鎖するとともに、前記バルブヘッドと前記バルブ接触部分とが隔離することによって前記通路部を開放するバルブと、
を備えるとともに、
前記通路部が開放されているとき、前記バルブヘッドの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面に最も近い端部である第１の端部と、前記ポートの前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部と、の距離（以下、「第１の距離」とも称呼される。）が、前記バルブヘッドの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面に最も近い端部である第２の端部と、前記燃焼室側端部と、の距離（以下、「第２の距離」とも称呼される。）よりも長いように、前記ポートおよび前記バルブが構成され得る。
【００４５】
上述したように、本発明の「ポート」においては、ポート角度が第１の領域（通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートから最も遠い燃焼室の側面に近い領域）および第２の領域（通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートに最も近い燃焼室の側面に近い領域）の大きさに影響を与えることに起因し、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成および維持されるようになっている。
【００４６】
これら第１の領域および第２の領域の大きさは、燃焼室側端部とバルブとの間の距離に関連すると考えられる。より具体的に述べると、第１の領域は上記内燃機関における「第１の距離」に関連し、第２の領域は同内燃機関における「第２の距離」に関連すると考えられる。すなわち、一般に、上記「第１の距離」が長くなるにつれて第１の領域は大きくなり、上記「第２の距離」が長くなるにつれて第２の領域は大きくなると考えられる。
【００４７】
したがって、上述したように構成された内燃機関においては、第１の距離が第２の距離よりも長いので、順方向の流れの流量（第１の領域を通過するガスの流量）に対する逆方向の流れの流量（第２の領域を通過するガスの流量）が小さいことになると考えられる。これにより、上記本発明のポートにて説明した理由と同様の理由により、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成され得るとともに、圧縮行程においてポートが開放される場合であっても形成された旋回流が適切に維持され得る。
【００４８】
上記内燃機関の一の具体例として、例えば、
前記燃焼室側端部が含まれる仮想的な面である第１の面と、前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブが構成され得る。
【００４９】
なお、このポート角度のより望ましい値は、本発明のポートについて上述された各々の値と同様である。
【００５０】
上述したように、本発明の内燃機関は、第１の距離が第２の距離よりも大きいように構成される。第１の距離および第２の距離をこのような大きさに設定するための具体的な内燃機関の構成は、特に制限されない。
【００５１】
例えば、上記内燃機関において、
前記通路部のバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、は異なる部分であるように構成され得る。
【００５２】
さらに、例えば、上記内燃機関において、
前記バルブヘッドの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部が閉鎖されるとともに、前記バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面である第２の面と前記仮想的な直線とが直交する、ように構成され得る。
【００５３】
本例において、「バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面」とは、ある面であって該面の面内に上記「バルブヘッドの周辺部分」が存在するように構成される面、を表す。この「仮想的な面」は、平面であってもよく、曲面であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係るポートが適用される内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るポートの断面の概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係るポートが吸気ポートを閉鎖または開放する様子を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係るポートの構成の概略を示す拡大図である。
【図５】参考例としてのポートの構成の概略を示す拡大図である。
【図６】参考例としてのポートを通過したガスの流動の一例を示す概略図である。
【図７】参考例としてのポートを備えた内燃機関の圧縮行程におけるガスの流動の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係るポートを通過したガスの流動に一例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施形態に係るポートを備えた内燃機関の圧縮行程におけるガスの流動の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明による内燃機関のポートの実施形態が、図面を参照しながら説明される。
【００５６】
＜装置の概要＞
図１は、本発明の実施形態に係るポート（吸気ポートおよび排気ポート）が内燃機関１０に適用されたシステムの概略構成を示している。内燃機関１０は、４サイクル火花点火式多気筒（４気筒）機関である。図１は、複数の気筒のうちの一の気筒の断面のみを示している。なお、他の気筒も、この一の気筒と同様の構成を備えている。以下、「内燃機関１０」は、単に「機関１０」とも称呼される。
【００５７】
この機関１０は、シリンダブロック部２０、シリンダブロック部２０の上部に固定されるシリンダヘッド部３０、シリンダブロック部２０に空気と燃料とが混合されたガス（混合気）を導入するための吸気系統４０、シリンダブロック部２０から排出されるガス（排ガス）を機関１０の外部に放出するための排気系統５０、アクセルペダル６１、各種のセンサ７１〜７７、および、電子制御装置８０、を備えている。
【００５８】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、および、クランクシャフト２４、を有している。ピストン２２はシリンダ２１内を往復するように移動し、ピストン２２の移動がコンロッド２３を介してクランクシャフト２４に伝達され、これにより同クランクシャフト２４が回転する。さらに、シリンダヘッド部３０の下面、シリンダ２１の内周面およびピストン２２の上面により、燃焼室２５が画成されている。換言すると、シリンダヘッド部３０の下面は燃焼室２５の「上面」に、シリンダ２１の内周面は燃焼室２５の「側面」に、ピストン２２の上面は燃焼室２５の「下面」に、それぞれ相当する。
【００５９】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気バルブ３２、吸気バルブ３２を駆動するインテークカムシャフト３３、燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ３４、燃焼室２５に連通した排気ポート３５、排気ポート３５を開閉する排気バルブ３６、排気バルブ３６を駆動するエキゾーストカムシャフト３７、点火プラグ３８、および、点火プラグ３８に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３９、を有している。
【００６０】
以下、実施形態に係るポートが、図２〜図４を参照しながらより具体的に説明される。図２は、燃焼室２５、吸気ポート３１および排気ポート３５を含む領域が燃焼室２５の軸線に平行な平面によって切断されたときの同燃焼室２５、同吸気ポート３１および同排気ポート３５の断面の概略を示す図である。なお、理解が容易になるように、本実施形態のポートの構成を説明するために必ずしも必要ではない部材（例えば、点火プラグ３８など）は、図２に示されていない。
【００６１】
まず、吸気ポート３１の構成が説明される。
吸気ポート３１は、燃焼室２５の上面（シリンダヘッド部３０の下面）に設けられている。より具体的に述べると、吸気ポート３１は、燃焼室２５の上面の中心と、その上面の外周と、の間の所定の位置に設けられている。そのため、吸気ポート３１と吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面２５ａとの距離は、吸気ポート３１と吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面２５ｂとの距離よりも大きいことになる。以下、便宜上、吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面２５ａは「排気側側面２５ａ」とも称呼され、吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面２５ｂは「吸気側側面２５ｂ」とも称呼される。
【００６２】
吸気ポート３１は、混合気を通過せしめる通路部３１ａと、吸気バルブ３２を支持する軸受部３１ｂと、を有する。
【００６３】
通路部３１ａは、燃焼室２５の内部と同燃焼室２５の外部とを連通させるようになっている。具体的に述べると、通路部３１ａと燃焼室２５の内部とが通路部３１ａの一の端部（以下、「燃焼室側端部３１ｃ」とも称呼される。）において接続されるとともに、通路部３１ａと後述するインテークマニホールド４１とが通路部３１ａの他の端部（図示省略。）において接続されている。これにより、混合気は、通路部３１ａを通過して燃焼室２５に導入されることになる（図中の矢印ＩＮを参照。）。
【００６４】
なお、通路部３１ａは、図２に示されるように、インテークマニホールド４１と接続される部分Ａと、いわゆるスロート部分Ｂと、吸気バルブ３２と接触される部分Ｃ（後述されるバルブシート部３１ｄに相当。）と、燃焼室２５の内部と接続される部分Ｄと、を有する。
【００６５】
吸気ポート３１は、上述した通路部３１ａを有することにより、燃焼室２５の外部から燃焼室２５の内部へ導入される混合気が通過する流路の一部を構成している。すなわち、吸気ポート３１とは、燃焼室２５と後述するインテークマニホールド４１との間において混合気が通過する流路そのもの、または、その流路を画成する部材、を表す。
【００６６】
軸受部３１ｂは、吸気バルブ３２がその軸線（バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉ。詳細は後述される。）に沿って移動し得るように、吸気バルブ３２を支持するようになっている。
【００６７】
吸気バルブ３２は、円柱の形状のバルブステム３２ａと、バルブステム３２ａの燃焼室２５の内部に面する側の端部に設けられる略円盤の形状のバルブヘッド３２ｂと、を有するポペットバルブである。
【００６８】
バルブステム３２ａは、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉに沿ってバルブステム３２ａ（および、バルブヘッド３２ｂ。すなわち、吸気バルブ３２の全体）が移動し得るように、上記軸受部３１ｂに支持されている。
【００６９】
なお、周知のように、吸気バルブ３２（バルブステム３２ａおよびバルブヘッド３２ｂ）は、インテークカムシャフト３３の回転に応じ、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉに沿って所定の位置間を往復するように移動する。そして、吸気バルブ３２がこのように移動することにより、吸気ポート３１がバルブヘッド３２ｂによって閉鎖または開放される。以下、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉは、単に「吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉ」とも称呼される。
【００７０】
具体的に述べると、図３は、吸気ポート３１が吸気バルブ３２によって閉鎖または開放される様子を示す模式図である。吸気バルブ３２は、図中の両矢印に示されるように、軸線３２ａｘｉに沿って往復運動するように移動する。そして、図中の実線にて表される位置に吸気バルブ３２が移動すると、吸気バルブ３２のバルブヘッド３２ｂの周辺部分と、通路部３１ａの一部分（バルブシート部３１ｄ）と、が接触することによって吸気ポート３１が閉鎖される。一方、図中の破線にて表される位置に吸気バルブ３２が移動すると、吸気バルブ３２のバルブヘッド３２ｂの周辺部分と、通路部３１ａの一部分と、が隔離されることによって吸気ポート３１が開放される。なお、当然ながら、図中の実線にて示される位置と破線にて示される位置との間に吸気バルブ３２が位置するときにも、吸気ポート３１は開放されている。
【００７１】
バルブシート部３１ｄは、複数の（本例においては、４つの）環状の面を有している。この環状の面は、同環状の面とバルブヘッド３２ｂの周辺部分とが接触したときに通路部３１ａが遮断されるように（すなわち、通路部３１ａをガスが通過不能となるように）構成されている。
【００７２】
吸気バルブ３２は、バルブヘッド３２ｂの周辺部分が含まれる仮想的な面（図示省略。）と、吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉと、が直交するように構成されている。簡便に述べると、バルブステム３２ａとバルブヘッド３２ｂとが直交している。さらに、図３に示されるように、バルブヘッド３２ｂの周辺部分が接触する通路部３１ａの一部分（バルブシート部３１ｄの一部分）と、燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である。
【００７３】
吸気ポート３１の構成についてさらに詳細に述べると、図４は、吸気ポート３１および吸気バルブ３２の位置関係の概略を示す拡大図である。吸気ポート３１は、燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉに相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度θ（以下、「ポート角度θ」とも称呼される。）が９０度よりも小さい角度であるように、構成されている。なお、ポート角度θの下限値として、例えば、バルブヘッド３２ｂと吸気側側面２５ｂとが接触しない角度であって最も小さい角度が採用され得る。例えば、ポート角度θの下限値として、６０度、より望ましくは、６５度、さらに望ましくは、７０度である。また、ポート角度θは、８５度よりも小さい角度であることが望ましく、８０度よりも小さい角度であることがさらに望ましい。
【００７４】
本実施形態において、便宜上、仮想的な面ＶＰは平面であると仮定される。このとき、ポート角度θは、その面ＶＰと直線ＶＬとがそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。なお、仮想的な面ＶＰが曲面である場合、ポート角度θは、その面ＶＰと直線ＶＬとの交点において、同交点おける面ＶＰの接平面と、直線ＶＬと、がそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。
【００７５】
このとき、バルブヘッド３２ｂは、排気側側面２５ａ（吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面）に最も近い端部３２ｂ１（以下、「第１の端部３２ｂ１」とも称呼される。）と、吸気側側面２５ｂ（吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面）に最も近い端部３２ｂ２（以下、「第２の端部３２ｂ２」とも称呼される。）と、を有する。
【００７６】
図４に示されるように、吸気ポート３１において、第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの距離Ｄ１は、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの距離Ｄ２よりも「大きい」。なお、距離Ｄ１は、第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの間の最短距離であって、第１の端部３２ｂ１と上記仮想的な面ＶＰとの間の最短距離にも相当する。また、距離Ｄ２は、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の最短距離であって、第２の端部３２ｂ２と上記仮想的な面ＶＰとの間の最短距離にも相当する。
【００７７】
以下、吸気ポート３１に関して、混合気が通過する流路そのものの外周面およびその流路を画成する部材の内周面は、「吸気ポート３１の周面」とも総称される。同様に、通路部３１ｃに関して、以下、混合気が通過する流路そのものの外周面およびその流路を画成する部材の内周面は、「通路部３１ｃの周面」とも総称される。
以上が、吸気ポート３１の構成についての説明である。
【００７８】
一方、排気ポート３５の構成は、吸気ポート３１の構成と同様である。すなわち、再び図２を参照すると、排気ポート３５は通路部３５ａおよび軸受部３５ｂを有しており、この軸受部３５ｂに排気バルブ３６のバルブステム３６ａが支持される。そして、排気バルブ３６がバルブステム３６ａの軸線に沿って往復運動するように移動すると、バルブヘッド３６ｂによって排気ポート３５が閉鎖または開放される。排ガスが排気ポート３５を通過して燃焼室２５から放出されるとき、排ガスは、通路部３５ａを通過する（図２における矢印ＥＸを参照。）。
以上が、本実施形態のポート（吸気ポート３１および排気ポート３５）についての説明である。
【００７９】
再び図１を参照すると、吸気系統４０は、上述した吸気ポート３１を介してそれぞれの気筒に連通されたインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１の上流側の集合部に接続された吸気管４２、吸気管４２の端部に設けられたエアクリーナ４３、吸気管４２の開口面積（開口断面積）を変更することができるスロットル弁（吸気絞り弁）４４、および、指示信号に応じてスロットル弁４４を回転駆動するスロットル弁アクチュエータ４４ａ、を有している。吸気ポート３１、インテークマニホールド４１および吸気管４２により、吸気通路が構成されている。
【００８０】
排気系統５０は、上述した排気ポート３５を介してそれぞれの気筒に連通されたエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１の下流側の集合部に接続された排気管５２、および、排気管５２に設けられた排ガス浄化用触媒５３、を有している。排気ポート３５、エキゾーストマニホールド５１および排気管５２により、排気通路が構成されている。
【００８１】
機関１０の外部には、機関１０に加速要求および要求トルクなどを入力するためのアクセルペダル６１が設けられている。アクセルペダル６１は、機関１０の操作者によって操作される。
【００８２】
機関１０は、各種のセンサとして、吸入空気量センサ７１、スロットル弁開度センサ７２、クランクポジションセンサ７３、水温センサ７４、空燃比センサ７５，７６、および、アクセル開度センサ７７、を備えている。
【００８３】
これらセンサのうち、クランクポジションセンサ７３は、クランクシャフト２４の近傍に設けられている。クランクポジションセンサ７３は、クランクシャフト２４が１０°回転する毎に幅の狭いパルスを有する信号を出力するとともに、クランクシャフト２４が３６０°回転する毎に幅の広いパルスを有する信号を出力するように構成されている。これら信号に基づき、クランクシャフト２４の単位時間あたりの回転数（以下、単に「機関回転速度ＮＥ」とも称呼される。）が取得される。
【００８４】
さらに、機関１０は、電子制御装置８０を備えている。
電子制御装置８０は、ＣＰＵ８１、ＣＰＵ８１が実行するプログラム、テーブル（マップ）および定数などをあらかじめ記憶したＲＯＭ８２、ＣＰＵ８１が必要に応じて一時的にデータを格納するＲＡＭ８３、電源が投入された状態でデータを格納すると共に格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ８４、ならびに、ＡＤコンバータを含むインターフェース８５を有する。ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、ＲＡＭ８４およびインターフェース８５は、互いにバスで接続されている。
【００８５】
インターフェース８５は、上記各センサと接続され、ＣＰＵ８１にそれらセンサから出力される信号を伝えるように構成されている。さらに、インターフェース８５は、インジェクタ３４、イグナイタ３９およびスロットル弁アクチュエータ４４ａなどと接続され、ＣＰＵ８１の指示に応じてそれらに指示信号を送るように構成されている。
以上が、本発明の実施形態に係るポートが機関１０に適用されたシステムの概略構成である。
【００８６】
＜燃焼室の内部におけるガスの流動＞
以下、吸気ポート３１が採用された機関１０の燃焼室２５の内部における混合気の流動が、説明される。
【００８７】
ここで、実施形態に係る吸気ポート３１における上記流動が説明される前に、「参考例」としての吸気ポートが採用された機関の内部における混合気の流動が説明される。図５は、「参考例」としての吸気ポート１０１および吸気バルブ１０２の構成を示す概略図である。
【００８８】
まず、吸気行程における混合気の流動が説明される。
参考例の吸気ポート１０１は、燃焼室側端部１０１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、吸気バルブ１０２の軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、がなす角度（ポート角度γ）が「９０度」である点においてのみ、本発明の実施形態に係る吸気ポート３１（図４を参照。ポート角度θは６０度以上で且つ９０度よりも小さい角度。）と相違している。すなわち、参考例における吸気バルブ１０２は、本発明の実施形態に係る吸気バルブ３２と同様の形状を有しており、同吸気バルブ３２と同様にその軸線に沿った方向に往復運動するように移動し得るように構成されている。
【００８９】
参考例において、バルブヘッド１０２ｂは、上記同様、排気側側面２５ａ（図示省略。）に最も近い端部１０２ｂ１（以下、「第１の端部１０２ｂ１」とも称呼される。）と、吸気側側面２５ｂに最も近い端部１０２ｂ２（以下、「第２の端部１０２ｂ２」とも称呼される。）と、を有する。図５に示されるように、第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１は、第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２と「同一」である。
【００９０】
図６は、この参考例としての吸気ポート１０１が適用された機関１０において、吸気バルブ１０２が開いており且つ排気バルブ１０４が閉じているとき（すなわち、吸気行程における）、参考例の吸気ポート１０１を通過した混合気の燃焼室２５の内部における流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、参考例のポートを通過したガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図６において表示されていない。
【００９１】
図中の実線の矢印および破線の矢印に示されるように、混合気の流れは、吸気バルブ１０２に接触するとともに、流れ方向がそれぞれ異なる複数の流れに分流される。具体的に述べると、燃焼室２５に導入される混合気のうちの「排気側側面２５ａに向かって流れる混合気ＩＮｆｏｒ」は、図中の実線に示されるように、吸気ポート１０１の周面のうちの排気側側面２５ａに近い周面１０１ａｕｓ（以下、「上側の周面１０１ａｕｓ」とも称呼される。）に沿うように流れるとともに、吸気バルブ１０２の第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ１を通過し、燃焼室２５に導入される。
【００９２】
そして、燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｆｏｒは、排気ポート１０３を閉鎖する排気バルブ１０４、排気側側面２５ａ、ピストン２２、および、吸気側側面２５ｂにこの順に沿うように流れる。その結果、混合気ＩＮｆｏｒは、燃焼室２５の内部において、燃焼室２５の軸線に垂直な軸周りに回転する旋回流（タンブル）を形成する。よって、混合気ＩＮｆｏｒの流れは、燃焼室２５の内部に旋回流を形成する観点における「順方向の流れ」に相当する。
【００９３】
一方、燃焼室２５に導入される混合気のうちの「吸気側側面２５ｂに向かって流れる混合気ＩＮｂａｃ」は、図中の破線に示されるように、吸気ポート１０１の周面のうちの吸気側側面２５ｂに近い周面１０１ａｌｓ（以下、「下側の周面１０１ａｌｓ」とも称呼される。）に沿うように流れるとともに、吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２、および、第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３を通過し、燃焼室２５に導入される。
【００９４】
燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｂａｃは、吸気側側面２５ｂおよびピストン２２にこの順に沿うように流れる。その結果、混合気ＩＮｂａｃは、上記混合気ＩＮｆｏｒの流れ（順方向の流れ）とは逆の方向に流れる。その結果、混合気ＩＮｂａｃにより、上述した混合気ＩＮｆｏｒによって旋回流が形成されることが妨げられ得ると考えられる。よって、混合気ＩＮｂａｃの流れは、燃焼室２５の内部に旋回流を形成する観点における「逆方向の流れ」に相当する。
【００９５】
ところで、一般に、機関１０の機関回転速度ＮＥに対する燃焼室２５の内部における旋回流（タンブル）の角速度ωの比（ω／ＮＥ）は、「タンブル比」と称呼される。本説明から理解されるように、機関回転速度ＮＥの単位値に対するタンブルの角速度ωが大きいほど（簡便に述べると、燃焼室２５の内部に強いタンブルが形成されるほど）、タンブル比の値は大きいことになる。なお、タンブル比の算出方法として、例えば、機関１０と同様の構成を備える実験用の機関を用いてあらかじめ行われる測定の結果に基づいてタンブル比を算出する方法、および、燃焼室２５の内部の混合気の流動を推定するシミュレーションの結果に基づいてタンブル比を算出する方法などが採用され得る。
【００９６】
上述したように、参考例としての吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、混合気ＩＮｆｏｒの流れが混合気ＩＮｂａｃの流れによって妨げられ得る。図５を参照しながら説明したように、参考例の吸気ポート１０１においては、吸気バルブ１０２の第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１と、吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２と、は「同一」である。
【００９７】
ここで、距離Ｄ１は「第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ１」を通過する混合気の流量に影響を与え、距離Ｄ２は「第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２」を通過する混合気の流量に影響を与えると考えられる。さらに、距離Ｄ２は、「第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３」を通過する混合気の流量にも影響を与えると考えられる。すなわち、これら距離が大きいほど、対応する領域を通過する混合気の流量は大きいことになると考えられる。
【００９８】
そのため、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、混合気ＩＮｆｏｒの流れの流量（順方向の流れの流量）に対する混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）が相当程度に大きい可能性があり、旋回流が燃焼室２５の内部において適切に形成されない場合があると考えられる。そして、この場合、意図されたポートの特性（例えば、意図された大きさのタンブル比）が得られない可能性があると考えられる。
以上が、吸気行程における混合気の流動についての説明である。
【００９９】
次いで、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放される場合における混合気の流動が説明される。図７は、この場合におけるガスの流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、圧縮行程におけるガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図７において表示されていない。
【０１００】
図中の実線に示されるように、上記吸気行程において燃焼室２５の内部に形成された旋回流は、圧縮行程においても維持され得る。ところが、旋回流の流れ（主流）の近傍に旋回流が流れ込み易い領域が存在すると、旋回流の一部（傍流）がその領域に流れ込んで燃焼室２５の外部に放出される場合がある。例えば、図中の破線に示されるように、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放されていると、旋回流の一部ＩＮｅｘは、「吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３」および「第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２」を通過し、燃焼室２５の外部へ（例えば、通路部１０１ａへ）放出される場合がある。
【０１０１】
上述したように、参考例としての吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放されている場合、旋回流の一部ＩＮｅｘが燃焼室２５の外部に放出され得る。そのため、この旋回流の一部ＩＮｅｘの流量が相当程度に大きいと、旋回流が燃焼室２５の内部において適切に維持されない場合があると考えられる。そして、この場合、意図されたポートの特性（例えば、上記同様、意図された大きさのタンブル比）が得られない可能性があると考えられる。
以上が、圧縮行程における混合気の流動についての説明である。
【０１０２】
これに対し、以下、本発明の実施形態の吸気ポート３１が採用された機関の内部における混合気の流動が説明される。
【０１０３】
まず、吸気行程における混合気の流動が説明される。
図８は、本発明の実施形態に係る吸気ポート３１が適用された機関１０において、吸気バルブ３２が開いており且つ排気バルブ３６が閉じているとき（吸気行程において）、吸気ポート３１を通過した混合気の燃焼室２５の内部における流動の一例を示す概略図である。なお、上記同様、本実施形態のポートを通過したガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図８において表示されていない。
【０１０４】
「順方向の流れ」である混合気ＩＮｆｏｒの流れは、図中の実線に示されるように、吸気ポート３１の上側の周面３２ａｕｓに沿うように流れるとともに、吸気バルブ３２の第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ１を通過し、燃焼室２５の内部に導入される。そして、燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｆｏｒは、排気バルブ３６、排気側側面２５ａ、ピストン２２、および、吸気側側面２５ｂにこの順に沿うように流れ、旋回流（タンブル）を形成する。
【０１０５】
一方、「逆方向の流れ」である混合気ＩＮｂａｃの流れは、図中の破線に示されるように、吸気ポート３１の下側の周面３２ａｌｓに沿うように流れるとともに、吸気ポート３１の第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２、および、第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３を通過し、燃焼室２５の内部に流入し得るとも考えられる。
【０１０６】
しかし、図４を参照しながら説明したように、本実施形態の吸気ポート３１においては、吸気バルブ３２の第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１は、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２よりも「大きい」。そのため、距離Ｄ１に関連する領域ＡＲ１は、距離Ｄ２に関連する領域ＡＲ２よりも大きいことになると考えられる。さらに、領域ＡＲ３の大きさは、上記参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。よって、混合気ＩＮｆｏｒの流れの流量（順方向の流れの流量）に対する混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）は、上述した参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同流量に比べて小さいと考えられる。
【０１０７】
そして、混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）が旋回流を形成させるという観点において無視できる程度に小さい場合、意図されたポートの特性が十分に得られると考えられる。
以上が、吸気行程における混合気の流動についての説明である。
【０１０８】
次いで、圧縮行程において吸気ポート３１が開放される場合における混合気の流動が説明される。図９は、この場合におけるガスの流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、圧縮行程におけるガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図９において表示されていない。
【０１０９】
図中の実線に示されるように、上記吸気行程において燃焼室２５の内部に形成された旋回流は、圧縮行程においても維持され得る。一方、旋回流の一部（傍流）ＩＮｅｘは、図中の破線に示されるように、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３、および、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２を通過し、燃焼室２５の外部へ放出される場合があるとも考えられる。
【０１１０】
しかし、上述したように、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３は、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。さらに、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２も、参考例における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。そのため、旋回流の一部ＩＮｅｘの流量は、上述した参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同流量に比べて小さいと考えられる。
【０１１１】
そして、旋回流の一部ＩＮｅｘの流量が旋回流を維持するという観点において無視できる程度に小さい場合、意図されたポートの特性が十分に得られると考えられる。
以上が、圧縮行程における混合気の流動についての説明である。
【０１１２】
これにより、例えば、本発明の実施形態に係るポートが採用された機関１０は、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０よりも、タンブル比を増大せしめ得る。タンブル比が増大された場合、混合気が燃焼する際の火炎伝播がより円滑に進行され、混合気がより効率良く燃焼され得る。その結果、例えば、燃費が向上され得ると考えられる。
【０１１３】
なお、本発明の実施形態に係るポートにおいては、燃焼室２５に導入される混合気の状態（例えば、順方向の流れＩＮｆｏｒと逆方向の流れＩＮｂａｃとの関係）が調整されることによってタンブル比が増大され得るので、タンブル比を増大させるために混合気の流速が高められる（例えば、ポートの口径が小さくされる）必要がない。そのため、混合気の流速が高められることによる混合気の温度の上昇、および、その混合気の温度の上昇に起因するノッキングの増大、が抑制され得る。また、ポートの口径が小さくされることによる混合気の流量の低下、および、混合気の流量の低下に起因する機関１０の出力の低下、も抑制され得る。
【０１１４】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るポートは、燃焼室２５の外部から内部へ向かう混合気の流動（図８を参照。）および燃焼室２５の内部から外部へ向かうガスの流動（図９を参照。）の双方を考慮し、燃焼室２５の内部に導入された混合気による旋回流（タンブル）を燃焼室２５の内部において適切に形成させるとともに（吸気行程）、同旋回流を適切に維持させることができる（圧縮行程）。
以上が、本発明の実施形態に係るポートについての説明である。
【０１１５】
＜実施形態の総括＞
以上、説明したように、本発明の実施形態に係るポート３１は、
燃焼室２５の内部と前記燃焼室２５の外部とを連通させるための通路部３１ａと、前記通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２を該バルブの軸線３２ａｘｉに沿って移動させるための軸受部３１ｂと、を備える。
【０１１６】
このポート３１においては、前記通路部３１ａの端部であって前記通路部３１ａと前記燃焼室２５の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、前記軸受部３１ｂにおける前記バルブの軸線３２ａｘｉに相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、前記通路部３１ａおよび前記軸受部３１ｂが構成される。
【０１１７】
さらに、このポート３１においては、前記通路部３１ａの一部分であって該一部分と前記バルブ３２とが接触されることによって前記通路部３１ａを閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分３１ｄと、前記燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である。
【０１１８】
ポート３１が適用された機関１０をポート角度θとは別の観点から述べると、
機関１０は、燃焼室２５の内部と前記燃焼室２５の外部とを連通させるための通路部３１ａを備えたポートと、前記通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２であって、該バルブの軸線３２ａｘｉに沿って移動し、該バルブ３２の端部に設けられたバルブヘッド３２ｂと前記通路部３１ａの一部分であるバルブ接触部分３１ｄとが接触することによって前記通路部３１ａを閉鎖するとともに、前記バルブヘッド３２ｂと前記バルブ接触部分３１ｄとが隔離することによって前記通路部３１ａを開放するバルブ３２と、を備える。
【０１１９】
この機関１０において、前記通路部３１ａが開放されているとき、前記バルブヘッド３２ｂの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面２５ａに最も近い端部である第１の端部３２ｂ１と、前記ポートの前記通路部３１ａの端部であって前記通路部３１ａと前記燃焼室２５の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃと、の距離Ｄ１が、前記バルブヘッド３２ｂの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面２５ｂに最も近い端部である第２の端部３２ｂ２と、前記燃焼室側端部３１ｃと、の距離Ｄ２よりも大きいように、前記ポート３１および前記バルブ３２が構成される。
【０１２０】
さらに、この機関１０において、前記燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰである第１の面と、前記バルブ３２の軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブ３２が構成される。
【０１２１】
なお、機関１０において、前記通路部３１ａのバルブ接触部分３１ｄと、前記燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である
【０１２２】
さらに、この機関１０において、前記バルブヘッド３２ｂの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分３１ｄとが接触することによって前記通路部３１ａが閉鎖されるとともに、前記バルブヘッド３２ｂの周辺部分が含まれる仮想的な面ＶＰである第２の面と前記仮想的な直線ＶＬとが直交する。
【０１２３】
＜その他の態様＞
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
【０１２４】
例えば、上記実施形態に係るポートは、火花点火式機関１０に適用されている。しかし、本発明のポートは、火花点火式機関以外の機関（例えば、ディーゼル機関）にも適用され得る。
【０１２５】
さらに、上記実施形態に係るポートにおいては、バルブステムとバルブヘッドとが直交するバルブが採用されている。しかし、本発明のポートに採用されるバルブは、必ずしもバルブステムとバルブヘッドが直交するバルブでなくてもよい。例えば、上記説明から理解されるように、上述した「ポート角度θの大きさと、ガスが通過する領域ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３の大きさと、の関係」を満たすバルブであれば、本発明のポートとして採用され得る。
【０１２６】
さらに、上記実施形態においては、本発明のポートが吸気ポート３１に適用されている。しかし、本発明のポートは、排気ポートにも適用され得る。
【０１２７】
さらに、上記実施形態においては、通路部３１ａは、円柱の形状を有している。しかし、通路部３１ａは、角柱の形状、または、楕円柱の形状などを有し得る。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３１…吸気ポート、３１ａ…通路部、３１ｂ…軸受部、３２…吸気バルブ、３５…排気ポート、３６…排気バルブ、ガスが通過し得る領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のポートに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室は、一般に、燃焼する前のガス（空気、混合気など）が燃焼室の内部に導入されるように吸気ポートによって燃焼室の外部と連通されるとともに、燃焼した後のガス（排ガス）が燃焼室の外部に放出されるように排気ポートによって燃焼室の外部と連通されている。これらガスの導入および放出の態様は、周知のように、内燃機関の特性に種々の影響を与え得る。なかでも、吸気ポートにつき、従来から、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流（タンブルおよびスワールなど）を燃焼室の内部において形成させることによって内燃機関の特性の向上を図る（例えば、燃焼室の内部のガスを効率良く燃焼させ得る）吸気ポート、が提案されている。
【０００３】
例えば、従来の吸気ポート（以下、「従来ポート」とも称呼される。）の一つは、燃焼室の内部と燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備える。従来ポートの通路部は、通路部をガスが円滑に通過し得るように、滑らかな面によって構成されている。この従来ポートが内燃機関の吸気ポートに適用されるとき、従来ポートの通路部の端部を閉鎖または開放するための吸気バルブが、同端部に設けられる。そして、通路部の端部が開放されているとき、通路部を通過したガスが燃焼室の内部へ導入されるとともに、同ガスによる旋回流（タンブル）が燃焼室の内部において形成され得るようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３９９０号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、ポートを通過したガスが燃焼室の内部に導入されるとき、ガスの流れは、一般に、バルブ（例えば、バルブの端部に設けられるバルブヘッド）に接触するとともに、流れ方向がそれぞれ異なる複数の流れに分流される。これら分流されたガスの流れには、燃焼室の内部において旋回流を形成する向きの流れ（以下、「順方向の流れ」とも称呼される。）と、同旋回流の形成を妨げる向きの流れ（以下、「逆方向の流れ」とも称呼される。）と、が含まれる場合がある。
【０００６】
この逆方向の流れがポートの特性に与える影響は、順方向の流れの流量に対して逆方向の流れの流量が十分に小さい場合、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流を形成させるという観点において無視できる程度に小さいと考えられる。これに対し、順方向の流れの流量に対して逆方向の流れの流量が相当程度に大きい場合、意図されたポートの特性が得られず、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成されない場合があると考えられる。
【０００７】
さらに、燃焼室の内部に導入されたガスは、周知のように、同ガスが燃焼に供される前に圧縮される。ガスが圧縮される工程（圧縮行程）においては、ポートは、一般に、バルブよって閉鎖される。ところが、内燃機関の運転状態に応じて（例えば、ガスの圧縮に起因して熱効率が低下すること（いわゆるポンピングロスの一態様）を出来る限り軽減する目的にて、内燃機関の負荷が小さい場合などに）、圧縮工程の初期においてポートが開放される場合がある。
【０００８】
圧縮工程においてポートが開放されると、燃焼室の内部に形成された旋回流の一部がポートを通過して燃焼室の外部に放出される場合があると考えられる。この旋回流の放出がポートの特性に与える影響は、放出されるガスの流量が十分に小さい場合、燃焼室の内部に形成された旋回流を圧縮行程において維持させるという観点において無視できる程度に小さいと考えられる。これに対し、放出されるガスの放出が相当程度に大きい場合、意図されたポートの特性が十分に得られず、圧縮行程において旋回流が適切に維持されない場合があると考えられる。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、燃焼室の外部から内部へ向かうガスの流動および燃焼室の内部から外部へ向かうガスの流動の双方を考慮し、燃焼室の内部に導入されたガスによる旋回流を燃焼室の内部において適切に形成させるとともに、同旋回流を適切に維持させることができる内燃機関のポートを提供することにある。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明による内燃機関のポートは、通路部と、軸受部と、を備える。
【００１１】
上記通路部は、内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるように構成される。例えば、通路部は、内燃機関の吸気通路（例えば、インテークマニホールド）と燃焼室との間、または、内燃機関の排気通路（例えば、エキゾーストマニホールド）と燃焼室との間、に設けられ得る。さらに、例えば、通路部は、吸気通路または排気通路の一部として、吸気通路の端部であって吸気通路と燃焼室とが接続される端部、または、排気通路の端部であって排気通路と燃焼室とが接続される端部、に設けられ得る。すなわち、通路部は、吸気通路または排気通路の一部であってもよく、それらとは異なる部分であってもよい。
【００１２】
別の言い方をすると、通路部は、燃焼室の外部から燃焼室の内部へ導入されるガス（例えば、空気、および、空気と燃料との混合気など）、または、燃焼室の内部から燃焼室の外部へ放出されるガス（例えば、排ガス）、が通過する流路の一部を構成し得る。より具体的に述べると、通路部は、それらガスが通過する流路そのもの（空間・空洞）であってもよく、その流路（空間・空洞）を画成する部材であってもよい。
【００１３】
通路部の形状は、特に制限されない。例えば、通路部として、円柱の形状の少なくとも一部を有する形状、角柱の形状の少なくとも一部を有する形状、および、円錐台の形状の少なくとも一部を有する形状などが採用され得る。なお、「通路部が円柱の形状の少なくとも一部を有する」とは、ガスが通過する流路のうちの通路部と称呼される部分そのもの（空間・空洞）が円柱の形状の少なくとも一部を有すること、または、ガスが通過する流路のうちの通路部と称呼される部分（空間・空洞）が円柱の形状の少なくとも一部であるようにその部分を画成する部材が構成されていること、を表し得る。通路部が他の形状を有する場合も同様である。
【００１４】
上記軸受部は、前記通路部を閉鎖または開放するバルブを該バルブの軸線に沿って移動させ得るように構成される。軸受部の形状および軸受部が設けられる位置などは、特に制限されない。なお、周知のように、バルブと、通路部の一部分（例えば、いわゆるバルブシート部。後述される「バルブ接触部分」に相当。）と、が接触または隔離されることにより、通路部が閉鎖または開放され得る。
【００１５】
本発明のポートにおいて、通路部および軸受部は、「前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部が含まれる仮想的な面と、前記軸受部における前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度」が９０度よりも小さい角度であるように、構成されている。
【００１６】
上述したように、通路部は、ガスの流路そのものであってもよく、その流路を画成する部材であってもよい。よって、本発明において、「燃焼室側端部」とは、流路の端部における流路の切断面そのもの（例えば、流路が円柱の形状である場合、その切断面である円板または楕円板など）、または、その切断面を画成する閉じた線（例えば、流路が円柱の形状である場合、切断面である円板または楕円板の外周線である円または楕円など）、を表し得る。
【００１７】
さらに、「燃焼室側端部」は、上述したバルブ接触部分と同一の部分であってもよく、バルブ接触部分と異なる部分であってもよい。すなわち、通路部が閉鎖されるとき、燃焼室側端部とバルブとが接触してもよく（つまり、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが同一。）、燃焼室側端部とは異なる部分とバルブとが接触してもよい（つまり、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが異なる。）。例えば、燃焼室側端部とバルブ接触部分とが「異なる」部分である場合、ポートを通過して燃焼室の内部に導入されるガスは、まずバルブ接触部分を通過し、その後に燃焼室側端部を通過することになる。
【００１８】
本発明において、「燃焼室側端部が含まれる仮想的な面」とは、ある面であって該面の一部が上記「流路の切断面」であるように構成される面、または、ある面であって該面の面内に上記「流路の切断面を画成する閉じた線」が存在するように構成される面、を表す。この「仮想的な面」は、平面であってもよく、曲面であってもよい。
【００１９】
本発明において、「バルブの軸線に相当する仮想的な直線」とは、軸受部にバルブが設けられた場合における同バルブの軸線に一致するように構成される直線、を表す。
【００２０】
本発明において、「仮想的な面と仮想的な直線とによって定義される角度（ポート角度）」とは、仮想的な面が「平面」である場合、仮想的な面と仮想的な直線との交点においてその面と直線とがそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。一方、仮想的な面が「曲面」である場合、ポート角度とは、仮想的な面と仮想的な直線との交点において、同交点おける仮想的な面の接平面と、仮想的な直線と、がそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。以下、この角度は、単に「仮想的な面と仮想的な直線とがなす角度」とも称呼される。
【００２１】
なお、上記説明から理解されるように、「バルブ」との文言は単に軸受部の構成を説明するために採用されているに過ぎず、バルブは本発明のポートを構成するために必須の部材ではない。
【００２２】
発明者による種々の実験および考察などによれば、上記ポート角度と、ポートが内燃機関に適用されるときに燃焼室の内部において形成または維持される旋回流（タンブル）と、の間には特定の相関関係があることが確認された。
【００２３】
具体的に述べると、ポートが内燃機関に適用される場合、一般に、ポートは、燃焼室（例えば、略円錐の形状の上面、帯状の側面、および、ピストンの上面に相当する底面、によって画成される領域）の上面に設けられる。すなわち、燃焼室の内部とポートの通路部とが、燃焼室の上面において、通路部の燃焼室側端部を介して接続される。さらに、この場合、一般に、特定の形状を有するバルブが燃焼室側端部の近傍に設けられる。このバルブは、ポートの軸受部に支持される。
【００２４】
上記ポートをガスが通過するとき、バルブに接触して分流されたガスの流れの一部（以下、便宜上、「第１の流れ」とも称呼される。）は、ポートから最も遠い燃焼室の側面、燃焼室の底面、および、ポートに最も近い燃焼室の側面、にこの順に沿うように流れ得る（例えば、図６における実線の矢印を参照。）。これにより、燃焼室の軸線に垂直な軸回りに回転する旋回流（すなわち、タンブル）が形成され得る。よって、この第１の流れは、上述した「順方向の流れ」に相当する。
【００２５】
この第１の流れ（順方向の流れ）は、通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートから最も遠い燃焼室の側面に近い領域（以下、「第１の領域」とも称呼される。）を通過し、燃焼室の内部に導入されると考えられる。
【００２６】
これに対し、バルブに接触して分流されたガスの流れの他の一部（以下、便宜上、「第２の流れ」とも称呼される。）は、ポートに最も近い燃焼室の側面、および、燃焼室の底面にこの順に沿うように流れ得る（例えば、図６における破線の矢印を参照。）。すなわち、第２の流れは、上記第１の流れとは逆の方向に流れる。そのため、上記旋回流が形成されることが妨げられ得る。よって、この第２の流れは、上述した「逆方向の流れ」に相当する。
【００２７】
この第２の流れ（逆方向の流れ）は、通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートに最も近い燃焼室の側面に近い領域（以下、「第２の領域」とも称呼される。）を通過し、燃焼室の内部に導入されると考えられる。
【００２８】
ところで、上述したように、ポート角度の大きさは、燃焼室側端部（に関連する仮想的な面）とバルブ（に関連する仮想的な直線）との位置関係に基づいて定まる。逆に言えば、ポート角度の大きさが変化すると、燃焼室側端部とバルブとの位置関係が変化するとともに、上述した第１の領域および第２の領域の大きさも変化すると考えられる（例えば、図４を参照。）。
【００２９】
例えば、第１の領域について、ポート角度が小さいほど、一般に、第１の流れが接触するバルブの一部（例えば、バルブヘッドのうちのポートから最も遠い燃焼室の側面に近い部分）と、燃焼室側端部と、の距離が大きいことになると考えられる。よって、ポート角度が小さい場合（例えば、角度α）における第１の領域は、ポート角度が大きい場合（例えば、角度αよりも大きい角度β）における第１の領域よりも大きいと考えられる。
【００３０】
逆に、第２の領域について、ポート角度が小さいほど、一般に、第２の流れが接触するバルブの一部（例えば、バルブヘッドのうちのポートに最も近い燃焼室の側面に近い部分）と、燃焼室側端部と、の距離が小さいことになると考えられる。よって、ポート角度が小さい場合（角度α）における第２の領域は、ポート角度が大きい場合（角度β）における第２の領域よりも小さいと考えられる。
【００３１】
したがって、ポート角度が小さいほど、第１の領域を通過するガスの流量（すなわち、順方向の流れの流量）に対する第２の領域を通過するガスの流量（すなわち、逆方向の流れの流量）が小さいことになると考えられる（例えば、図６および図８を参照。）。
【００３２】
さらに、圧縮行程においてポートが開放されている場合、一般に、燃焼室の内部に形成された旋回流の流れ（本流）の近傍に同旋回流が流れ込み易い領域（例えば、流れ方向に面する開口部）が存在すると、同旋回流の流れの一部（傍流）がその領域に流入することにより、旋回流の流れ（本流）の流量が小さくなる場合があると考えられる。例えば、旋回流が上述した順方向の流れの流れ方向に沿って回転している場合、旋回流の一部は、旋回流の方向に面するように開口している第２の領域（上記逆方向の流れが通過した領域）に流れ込み易いと考えられる（例えば、図７を参照。）。
【００３３】
したがって、第２の領域が小さいほど（すなわち、ポート角度が小さいほど）、圧縮行程において燃焼室の外部に放出されるガスの流量が小さいことになると考えられる（例えば、図９を参照。）。
【００３４】
なお、燃焼室の内部にガスが導入されているとき（吸気行程）においても、旋回流の一部が第２の領域を通過して燃焼室の外部に放出される（すなわち、逆流する）場合もあると考えられる。しかし、上記説明から理解されるように、第２の領域が小さいほど（ポート角度が小さいほど）、吸気行程において第２の領域を逆流するガスの流量も小さいことにもなると考えられる。
【００３５】
このように、ポート角度と旋回流との間には、ポート角度が小さいほど、旋回流がより適切に形成され得るとともに同旋回流がより適切に維持され得る、との相関関係があることが確認された。ここで、発明者による更なる考察および実験などによれば、ポート角度が９０度よりも小さい角度であれば、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成されるとともに、圧縮行程においてポートが開放される場合であっても同旋回流が適切に維持されることが確認された。そこで、本発明のポートにおいて、ポート角度として９０度よりも小さい角度が採用されている。
【００３６】
一方、ポート角度が小さいほど、一般に、第１の流れは、ポートから最も遠い燃焼室の側面から離れた位置に向かって（例えば、燃焼室の底面に直接に向かうように）流れ得ると考えられる。そのような位置に向かって第１の流れが流れると、燃焼室の内部において第１の流れが適切に旋回しない可能性がある。このとき、上述した旋回流が適切に形成され難いと考えられる。したがって、ポート角度が過度に小さい角度であると、上述した旋回流が適切に形成されない可能性があると考えられる。そこで、例えば、ポート角度が６０度以上の角度であるように、通路部および軸受部が構成され得ることが望ましい。すなわち、ポート角度は、６０度以上で且つ９０度よりも小さい角度であることが望ましい。
【００３７】
さらに、上記同様の観点では、ポート角度は、６５度以上の角度であることがより望ましく、７０度以上の角度であることがさらに望ましい。また、上記同様の観点では、ポート角度は、８５度よりも小さい角度であることがより望ましく、８０度よりも小さい角度であることがさらに望ましい。
【００３８】
このように、本発明のポートにおいては、燃焼室の外部から内部へ向かうガスの流動（導入）および燃焼室の内部から外部へ向かうガスの流動（放出）の双方が考慮され、ポート角度が定められている。これにより、本発明のポートは、内燃機関に適用されたとき、燃焼室の内部において旋回流を適切に形成および維持させることができる。
【００３９】
上述したように、本発明のポートは、ポート角度が９０度よりも小さい所定の角度であるように構成される。ポート角度をこのような角度に設定するための具体的なポートの構成は、特に制限されない。
【００４０】
例えば、本発明のポートの一の態様において、
前記通路部の一部分であって該一部分と前記バルブとが接触されることによって前記通路部を閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、は異なる部分であるように構成され得る。
【００４１】
本態様において、「バルブ接触部分」は、同バルブ接触部分とバルブとが接触することによって通路部を閉鎖せしめるとの目的にて通路部に設けられる部分（例えば、いわゆるバルブシート部分）であり、必ずしもバルブ接触部分の全てとバルブとが接触する必要はない。換言すると、上記目的にて通路部に設けられる部分の全てが、本態様のバルブ接触部分に相当する。
【００４２】
さらに、「バルブ接触部分と、燃焼室側端部と、が異なる部分である」とは、バルブ接触部分の全てが燃焼室側端部と異なること、または、バルブ接触部分の少なくとも一部が燃焼室側端部と異なること、を表す。
【００４３】
以上に説明したように、本発明のポートは、内燃機関に適用されたとき、燃焼室の内部において旋回流を適切に形成および維持することができる。
【００４４】
ところで、本発明のポートが適用された内燃機関を上記ポート角度とは別の観点から述べると、例えば、同内燃機関は、
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備えたポートと、
前記通路部を閉鎖または開放するバルブであって、該バルブの軸線に沿って移動し、該バルブの端部に設けられたバルブヘッドと前記通路部の一部分であるバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部を閉鎖するとともに、前記バルブヘッドと前記バルブ接触部分とが隔離することによって前記通路部を開放するバルブと、
を備えるとともに、
前記通路部が開放されているとき、前記バルブヘッドの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面に最も近い端部である第１の端部と、前記ポートの前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部と、の距離（以下、「第１の距離」とも称呼される。）が、前記バルブヘッドの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面に最も近い端部である第２の端部と、前記燃焼室側端部と、の距離（以下、「第２の距離」とも称呼される。）よりも長いように、前記ポートおよび前記バルブが構成され得る。
【００４５】
上述したように、本発明の「ポート」においては、ポート角度が第１の領域（通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートから最も遠い燃焼室の側面に近い領域）および第２の領域（通路部の燃焼室側端部とバルブとの間の領域であってポートに最も近い燃焼室の側面に近い領域）の大きさに影響を与えることに起因し、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成および維持されるようになっている。
【００４６】
これら第１の領域および第２の領域の大きさは、燃焼室側端部とバルブとの間の距離に関連すると考えられる。より具体的に述べると、第１の領域は上記内燃機関における「第１の距離」に関連し、第２の領域は同内燃機関における「第２の距離」に関連すると考えられる。すなわち、一般に、上記「第１の距離」が長くなるにつれて第１の領域は大きくなり、上記「第２の距離」が長くなるにつれて第２の領域は大きくなると考えられる。
【００４７】
したがって、上述したように構成された内燃機関においては、第１の距離が第２の距離よりも長いので、順方向の流れの流量（第１の領域を通過するガスの流量）に対する逆方向の流れの流量（第２の領域を通過するガスの流量）が小さいことになると考えられる。これにより、上記本発明のポートにて説明した理由と同様の理由により、燃焼室の内部において旋回流が適切に形成され得るとともに、圧縮行程においてポートが開放される場合であっても形成された旋回流が適切に維持され得る。
【００４８】
上記内燃機関の一の具体例として、例えば、
前記燃焼室側端部が含まれる仮想的な面である第１の面と、前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブが構成され得る。
【００４９】
なお、このポート角度のより望ましい値は、本発明のポートについて上述された各々の値と同様である。
【００５０】
上述したように、本発明の内燃機関は、第１の距離が第２の距離よりも大きいように構成される。第１の距離および第２の距離をこのような大きさに設定するための具体的な内燃機関の構成は、特に制限されない。
【００５１】
例えば、上記内燃機関において、
前記通路部のバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、は異なる部分であるように構成され得る。
【００５２】
さらに、例えば、上記内燃機関において、
前記バルブヘッドの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部が閉鎖されるとともに、前記バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面である第２の面と前記仮想的な直線とが直交する、ように構成され得る。
【００５３】
本例において、「バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面」とは、ある面であって該面の面内に上記「バルブヘッドの周辺部分」が存在するように構成される面、を表す。この「仮想的な面」は、平面であってもよく、曲面であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係るポートが適用される内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るポートの断面の概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係るポートが吸気ポートを閉鎖または開放する様子を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係るポートの構成の概略を示す拡大図である。
【図５】参考例としてのポートの構成の概略を示す拡大図である。
【図６】参考例としてのポートを通過したガスの流動の一例を示す概略図である。
【図７】参考例としてのポートを備えた内燃機関の圧縮行程におけるガスの流動の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係るポートを通過したガスの流動に一例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施形態に係るポートを備えた内燃機関の圧縮行程におけるガスの流動の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明による内燃機関のポートの実施形態が、図面を参照しながら説明される。
【００５６】
＜装置の概要＞
図１は、本発明の実施形態に係るポート（吸気ポートおよび排気ポート）が内燃機関１０に適用されたシステムの概略構成を示している。内燃機関１０は、４サイクル火花点火式多気筒（４気筒）機関である。図１は、複数の気筒のうちの一の気筒の断面のみを示している。なお、他の気筒も、この一の気筒と同様の構成を備えている。以下、「内燃機関１０」は、単に「機関１０」とも称呼される。
【００５７】
この機関１０は、シリンダブロック部２０、シリンダブロック部２０の上部に固定されるシリンダヘッド部３０、シリンダブロック部２０に空気と燃料とが混合されたガス（混合気）を導入するための吸気系統４０、シリンダブロック部２０から排出されるガス（排ガス）を機関１０の外部に放出するための排気系統５０、アクセルペダル６１、各種のセンサ７１〜７７、および、電子制御装置８０、を備えている。
【００５８】
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３、および、クランクシャフト２４、を有している。ピストン２２はシリンダ２１内を往復するように移動し、ピストン２２の移動がコンロッド２３を介してクランクシャフト２４に伝達され、これにより同クランクシャフト２４が回転する。さらに、シリンダヘッド部３０の下面、シリンダ２１の内周面およびピストン２２の上面により、燃焼室２５が画成されている。換言すると、シリンダヘッド部３０の下面は燃焼室２５の「上面」に、シリンダ２１の内周面は燃焼室２５の「側面」に、ピストン２２の上面は燃焼室２５の「下面」に、それぞれ相当する。
【００５９】
シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気バルブ３２、吸気バルブ３２を駆動するインテークカムシャフト３３、燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ３４、燃焼室２５に連通した排気ポート３５、排気ポート３５を開閉する排気バルブ３６、排気バルブ３６を駆動するエキゾーストカムシャフト３７、点火プラグ３８、および、点火プラグ３８に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３９、を有している。
【００６０】
以下、実施形態に係るポートが、図２〜図４を参照しながらより具体的に説明される。図２は、燃焼室２５、吸気ポート３１および排気ポート３５を含む領域が燃焼室２５の軸線に平行な平面によって切断されたときの同燃焼室２５、同吸気ポート３１および同排気ポート３５の断面の概略を示す図である。なお、理解が容易になるように、本実施形態のポートの構成を説明するために必ずしも必要ではない部材（例えば、点火プラグ３８など）は、図２に示されていない。
【００６１】
まず、吸気ポート３１の構成が説明される。
吸気ポート３１は、燃焼室２５の上面（シリンダヘッド部３０の下面）に設けられている。より具体的に述べると、吸気ポート３１は、燃焼室２５の上面の中心と、その上面の外周と、の間の所定の位置に設けられている。そのため、吸気ポート３１と吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面２５ａとの距離は、吸気ポート３１と吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面２５ｂとの距離よりも大きいことになる。以下、便宜上、吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面２５ａは「排気側側面２５ａ」とも称呼され、吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面２５ｂは「吸気側側面２５ｂ」とも称呼される。
【００６２】
吸気ポート３１は、混合気を通過せしめる通路部３１ａと、吸気バルブ３２を支持する軸受部３１ｂと、を有する。
【００６３】
通路部３１ａは、燃焼室２５の内部と同燃焼室２５の外部とを連通させるようになっている。具体的に述べると、通路部３１ａと燃焼室２５の内部とが通路部３１ａの一の端部（以下、「燃焼室側端部３１ｃ」とも称呼される。）において接続されるとともに、通路部３１ａと後述するインテークマニホールド４１とが通路部３１ａの他の端部（図示省略。）において接続されている。これにより、混合気は、通路部３１ａを通過して燃焼室２５に導入されることになる（図中の矢印ＩＮを参照。）。
【００６４】
なお、通路部３１ａは、図２に示されるように、インテークマニホールド４１と接続される部分Ａと、いわゆるスロート部分Ｂと、吸気バルブ３２と接触される部分Ｃ（後述されるバルブシート部３１ｄに相当。）と、燃焼室２５の内部と接続される部分Ｄと、を有する。
【００６５】
吸気ポート３１は、上述した通路部３１ａを有することにより、燃焼室２５の外部から燃焼室２５の内部へ導入される混合気が通過する流路の一部を構成している。すなわち、吸気ポート３１とは、燃焼室２５と後述するインテークマニホールド４１との間において混合気が通過する流路そのもの、または、その流路を画成する部材、を表す。
【００６６】
軸受部３１ｂは、吸気バルブ３２がその軸線（バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉ。詳細は後述される。）に沿って移動し得るように、吸気バルブ３２を支持するようになっている。
【００６７】
吸気バルブ３２は、円柱の形状のバルブステム３２ａと、バルブステム３２ａの燃焼室２５の内部に面する側の端部に設けられる略円盤の形状のバルブヘッド３２ｂと、を有するポペットバルブである。
【００６８】
バルブステム３２ａは、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉに沿ってバルブステム３２ａ（および、バルブヘッド３２ｂ。すなわち、吸気バルブ３２の全体）が移動し得るように、上記軸受部３１ｂに支持されている。
【００６９】
なお、周知のように、吸気バルブ３２（バルブステム３２ａおよびバルブヘッド３２ｂ）は、インテークカムシャフト３３の回転に応じ、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉに沿って所定の位置間を往復するように移動する。そして、吸気バルブ３２がこのように移動することにより、吸気ポート３１がバルブヘッド３２ｂによって閉鎖または開放される。以下、バルブステム３２ａの軸線３２ａｘｉは、単に「吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉ」とも称呼される。
【００７０】
具体的に述べると、図３は、吸気ポート３１が吸気バルブ３２によって閉鎖または開放される様子を示す模式図である。吸気バルブ３２は、図中の両矢印に示されるように、軸線３２ａｘｉに沿って往復運動するように移動する。そして、図中の実線にて表される位置に吸気バルブ３２が移動すると、吸気バルブ３２のバルブヘッド３２ｂの周辺部分と、通路部３１ａの一部分（バルブシート部３１ｄ）と、が接触することによって吸気ポート３１が閉鎖される。一方、図中の破線にて表される位置に吸気バルブ３２が移動すると、吸気バルブ３２のバルブヘッド３２ｂの周辺部分と、通路部３１ａの一部分と、が隔離されることによって吸気ポート３１が開放される。なお、当然ながら、図中の実線にて示される位置と破線にて示される位置との間に吸気バルブ３２が位置するときにも、吸気ポート３１は開放されている。
【００７１】
バルブシート部３１ｄは、複数の（本例においては、４つの）環状の面を有している。この環状の面は、同環状の面とバルブヘッド３２ｂの周辺部分とが接触したときに通路部３１ａが遮断されるように（すなわち、通路部３１ａをガスが通過不能となるように）構成されている。
【００７２】
吸気バルブ３２は、バルブヘッド３２ｂの周辺部分が含まれる仮想的な面（図示省略。）と、吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉと、が直交するように構成されている。簡便に述べると、バルブステム３２ａとバルブヘッド３２ｂとが直交している。さらに、図３に示されるように、バルブヘッド３２ｂの周辺部分が接触する通路部３１ａの一部分（バルブシート部３１ｄの一部分）と、燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である。
【００７３】
吸気ポート３１の構成についてさらに詳細に述べると、図４は、吸気ポート３１および吸気バルブ３２の位置関係の概略を示す拡大図である。吸気ポート３１は、燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、吸気バルブ３２の軸線３２ａｘｉに相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度θ（以下、「ポート角度θ」とも称呼される。）が９０度よりも小さい角度であるように、構成されている。なお、ポート角度θの下限値として、例えば、バルブヘッド３２ｂと吸気側側面２５ｂとが接触しない角度であって最も小さい角度が採用され得る。例えば、ポート角度θの下限値として、６０度、より望ましくは、６５度、さらに望ましくは、７０度である。また、ポート角度θは、８５度よりも小さい角度であることが望ましく、８０度よりも小さい角度であることがさらに望ましい。
【００７４】
本実施形態において、便宜上、仮想的な面ＶＰは平面であると仮定される。このとき、ポート角度θは、その面ＶＰと直線ＶＬとがそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。なお、仮想的な面ＶＰが曲面である場合、ポート角度θは、その面ＶＰと直線ＶＬとの交点において、同交点おける面ＶＰの接平面と、直線ＶＬと、がそれらの間に形成する角度のうちの最も小さい角度を表す。
【００７５】
このとき、バルブヘッド３２ｂは、排気側側面２５ａ（吸気ポート３１から最も遠い燃焼室２５の側面）に最も近い端部３２ｂ１（以下、「第１の端部３２ｂ１」とも称呼される。）と、吸気側側面２５ｂ（吸気ポート３１に最も近い燃焼室２５の側面）に最も近い端部３２ｂ２（以下、「第２の端部３２ｂ２」とも称呼される。）と、を有する。
【００７６】
図４に示されるように、吸気ポート３１において、第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの距離Ｄ１は、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの距離Ｄ２よりも「大きい」。なお、距離Ｄ１は、第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの間の最短距離であって、第１の端部３２ｂ１と上記仮想的な面ＶＰとの間の最短距離にも相当する。また、距離Ｄ２は、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の最短距離であって、第２の端部３２ｂ２と上記仮想的な面ＶＰとの間の最短距離にも相当する。
【００７７】
以下、吸気ポート３１に関して、混合気が通過する流路そのものの外周面およびその流路を画成する部材の内周面は、「吸気ポート３１の周面」とも総称される。同様に、通路部３１ｃに関して、以下、混合気が通過する流路そのものの外周面およびその流路を画成する部材の内周面は、「通路部３１ｃの周面」とも総称される。
以上が、吸気ポート３１の構成についての説明である。
【００７８】
一方、排気ポート３５の構成は、吸気ポート３１の構成と同様である。すなわち、再び図２を参照すると、排気ポート３５は通路部３５ａおよび軸受部３５ｂを有しており、この軸受部３５ｂに排気バルブ３６のバルブステム３６ａが支持される。そして、排気バルブ３６がバルブステム３６ａの軸線に沿って往復運動するように移動すると、バルブヘッド３６ｂによって排気ポート３５が閉鎖または開放される。排ガスが排気ポート３５を通過して燃焼室２５から放出されるとき、排ガスは、通路部３５ａを通過する（図２における矢印ＥＸを参照。）。
以上が、本実施形態のポート（吸気ポート３１および排気ポート３５）についての説明である。
【００７９】
再び図１を参照すると、吸気系統４０は、上述した吸気ポート３１を介してそれぞれの気筒に連通されたインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１の上流側の集合部に接続された吸気管４２、吸気管４２の端部に設けられたエアクリーナ４３、吸気管４２の開口面積（開口断面積）を変更することができるスロットル弁（吸気絞り弁）４４、および、指示信号に応じてスロットル弁４４を回転駆動するスロットル弁アクチュエータ４４ａ、を有している。吸気ポート３１、インテークマニホールド４１および吸気管４２により、吸気通路が構成されている。
【００８０】
排気系統５０は、上述した排気ポート３５を介してそれぞれの気筒に連通されたエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１の下流側の集合部に接続された排気管５２、および、排気管５２に設けられた排ガス浄化用触媒５３、を有している。排気ポート３５、エキゾーストマニホールド５１および排気管５２により、排気通路が構成されている。
【００８１】
機関１０の外部には、機関１０に加速要求および要求トルクなどを入力するためのアクセルペダル６１が設けられている。アクセルペダル６１は、機関１０の操作者によって操作される。
【００８２】
機関１０は、各種のセンサとして、吸入空気量センサ７１、スロットル弁開度センサ７２、クランクポジションセンサ７３、水温センサ７４、空燃比センサ７５，７６、および、アクセル開度センサ７７、を備えている。
【００８３】
これらセンサのうち、クランクポジションセンサ７３は、クランクシャフト２４の近傍に設けられている。クランクポジションセンサ７３は、クランクシャフト２４が１０°回転する毎に幅の狭いパルスを有する信号を出力するとともに、クランクシャフト２４が３６０°回転する毎に幅の広いパルスを有する信号を出力するように構成されている。これら信号に基づき、クランクシャフト２４の単位時間あたりの回転数（以下、単に「機関回転速度ＮＥ」とも称呼される。）が取得される。
【００８４】
さらに、機関１０は、電子制御装置８０を備えている。
電子制御装置８０は、ＣＰＵ８１、ＣＰＵ８１が実行するプログラム、テーブル（マップ）および定数などをあらかじめ記憶したＲＯＭ８２、ＣＰＵ８１が必要に応じて一時的にデータを格納するＲＡＭ８３、電源が投入された状態でデータを格納すると共に格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ８４、ならびに、ＡＤコンバータを含むインターフェース８５を有する。ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、ＲＡＭ８４およびインターフェース８５は、互いにバスで接続されている。
【００８５】
インターフェース８５は、上記各センサと接続され、ＣＰＵ８１にそれらセンサから出力される信号を伝えるように構成されている。さらに、インターフェース８５は、インジェクタ３４、イグナイタ３９およびスロットル弁アクチュエータ４４ａなどと接続され、ＣＰＵ８１の指示に応じてそれらに指示信号を送るように構成されている。
以上が、本発明の実施形態に係るポートが機関１０に適用されたシステムの概略構成である。
【００８６】
＜燃焼室の内部におけるガスの流動＞
以下、吸気ポート３１が採用された機関１０の燃焼室２５の内部における混合気の流動が、説明される。
【００８７】
ここで、実施形態に係る吸気ポート３１における上記流動が説明される前に、「参考例」としての吸気ポートが採用された機関の内部における混合気の流動が説明される。図５は、「参考例」としての吸気ポート１０１および吸気バルブ１０２の構成を示す概略図である。
【００８８】
まず、吸気行程における混合気の流動が説明される。
参考例の吸気ポート１０１は、燃焼室側端部１０１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、吸気バルブ１０２の軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、がなす角度（ポート角度γ）が「９０度」である点においてのみ、本発明の実施形態に係る吸気ポート３１（図４を参照。ポート角度θは６０度以上で且つ９０度よりも小さい角度。）と相違している。すなわち、参考例における吸気バルブ１０２は、本発明の実施形態に係る吸気バルブ３２と同様の形状を有しており、同吸気バルブ３２と同様にその軸線に沿った方向に往復運動するように移動し得るように構成されている。
【００８９】
参考例において、バルブヘッド１０２ｂは、上記同様、排気側側面２５ａ（図示省略。）に最も近い端部１０２ｂ１（以下、「第１の端部１０２ｂ１」とも称呼される。）と、吸気側側面２５ｂに最も近い端部１０２ｂ２（以下、「第２の端部１０２ｂ２」とも称呼される。）と、を有する。図５に示されるように、第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１は、第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２と「同一」である。
【００９０】
図６は、この参考例としての吸気ポート１０１が適用された機関１０において、吸気バルブ１０２が開いており且つ排気バルブ１０４が閉じているとき（すなわち、吸気行程における）、参考例の吸気ポート１０１を通過した混合気の燃焼室２５の内部における流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、参考例のポートを通過したガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図６において表示されていない。
【００９１】
図中の実線の矢印および破線の矢印に示されるように、混合気の流れは、吸気バルブ１０２に接触するとともに、流れ方向がそれぞれ異なる複数の流れに分流される。具体的に述べると、燃焼室２５に導入される混合気のうちの「排気側側面２５ａに向かって流れる混合気ＩＮｆｏｒ」は、図中の実線に示されるように、吸気ポート１０１の周面のうちの排気側側面２５ａに近い周面１０１ａｕｓ（以下、「上側の周面１０１ａｕｓ」とも称呼される。）に沿うように流れるとともに、吸気バルブ１０２の第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ１を通過し、燃焼室２５に導入される。
【００９２】
そして、燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｆｏｒは、排気ポート１０３を閉鎖する排気バルブ１０４、排気側側面２５ａ、ピストン２２、および、吸気側側面２５ｂにこの順に沿うように流れる。その結果、混合気ＩＮｆｏｒは、燃焼室２５の内部において、燃焼室２５の軸線に垂直な軸周りに回転する旋回流（タンブル）を形成する。よって、混合気ＩＮｆｏｒの流れは、燃焼室２５の内部に旋回流を形成する観点における「順方向の流れ」に相当する。
【００９３】
一方、燃焼室２５に導入される混合気のうちの「吸気側側面２５ｂに向かって流れる混合気ＩＮｂａｃ」は、図中の破線に示されるように、吸気ポート１０１の周面のうちの吸気側側面２５ｂに近い周面１０１ａｌｓ（以下、「下側の周面１０１ａｌｓ」とも称呼される。）に沿うように流れるとともに、吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２、および、第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３を通過し、燃焼室２５に導入される。
【００９４】
燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｂａｃは、吸気側側面２５ｂおよびピストン２２にこの順に沿うように流れる。その結果、混合気ＩＮｂａｃは、上記混合気ＩＮｆｏｒの流れ（順方向の流れ）とは逆の方向に流れる。その結果、混合気ＩＮｂａｃにより、上述した混合気ＩＮｆｏｒによって旋回流が形成されることが妨げられ得ると考えられる。よって、混合気ＩＮｂａｃの流れは、燃焼室２５の内部に旋回流を形成する観点における「逆方向の流れ」に相当する。
【００９５】
ところで、一般に、機関１０の機関回転速度ＮＥに対する燃焼室２５の内部における旋回流（タンブル）の角速度ωの比（ω／ＮＥ）は、「タンブル比」と称呼される。本説明から理解されるように、機関回転速度ＮＥの単位値に対するタンブルの角速度ωが大きいほど（簡便に述べると、燃焼室２５の内部に強いタンブルが形成されるほど）、タンブル比の値は大きいことになる。なお、タンブル比の算出方法として、例えば、機関１０と同様の構成を備える実験用の機関を用いてあらかじめ行われる測定の結果に基づいてタンブル比を算出する方法、および、燃焼室２５の内部の混合気の流動を推定するシミュレーションの結果に基づいてタンブル比を算出する方法などが採用され得る。
【００９６】
上述したように、参考例としての吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、混合気ＩＮｆｏｒの流れが混合気ＩＮｂａｃの流れによって妨げられ得る。図５を参照しながら説明したように、参考例の吸気ポート１０１においては、吸気バルブ１０２の第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１と、吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２と、は「同一」である。
【００９７】
ここで、距離Ｄ１は「第１の端部１０２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ１」を通過する混合気の流量に影響を与え、距離Ｄ２は「第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２」を通過する混合気の流量に影響を与えると考えられる。さらに、距離Ｄ２は、「第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３」を通過する混合気の流量にも影響を与えると考えられる。すなわち、これら距離が大きいほど、対応する領域を通過する混合気の流量は大きいことになると考えられる。
【００９８】
そのため、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、混合気ＩＮｆｏｒの流れの流量（順方向の流れの流量）に対する混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）が相当程度に大きい可能性があり、旋回流が燃焼室２５の内部において適切に形成されない場合があると考えられる。そして、この場合、意図されたポートの特性（例えば、意図された大きさのタンブル比）が得られない可能性があると考えられる。
以上が、吸気行程における混合気の流動についての説明である。
【００９９】
次いで、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放される場合における混合気の流動が説明される。図７は、この場合におけるガスの流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、圧縮行程におけるガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図７において表示されていない。
【０１００】
図中の実線に示されるように、上記吸気行程において燃焼室２５の内部に形成された旋回流は、圧縮行程においても維持され得る。ところが、旋回流の流れ（主流）の近傍に旋回流が流れ込み易い領域が存在すると、旋回流の一部（傍流）がその領域に流れ込んで燃焼室２５の外部に放出される場合がある。例えば、図中の破線に示されるように、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放されていると、旋回流の一部ＩＮｅｘは、「吸気バルブ１０２の第２の端部１０２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３」および「第２の端部１０２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの間の領域ＡＲ２」を通過し、燃焼室２５の外部へ（例えば、通路部１０１ａへ）放出される場合がある。
【０１０１】
上述したように、参考例としての吸気ポート１０１が採用された機関１０においては、圧縮行程において吸気ポート１０１が開放されている場合、旋回流の一部ＩＮｅｘが燃焼室２５の外部に放出され得る。そのため、この旋回流の一部ＩＮｅｘの流量が相当程度に大きいと、旋回流が燃焼室２５の内部において適切に維持されない場合があると考えられる。そして、この場合、意図されたポートの特性（例えば、上記同様、意図された大きさのタンブル比）が得られない可能性があると考えられる。
以上が、圧縮行程における混合気の流動についての説明である。
【０１０２】
これに対し、以下、本発明の実施形態の吸気ポート３１が採用された機関の内部における混合気の流動が説明される。
【０１０３】
まず、吸気行程における混合気の流動が説明される。
図８は、本発明の実施形態に係る吸気ポート３１が適用された機関１０において、吸気バルブ３２が開いており且つ排気バルブ３６が閉じているとき（吸気行程において）、吸気ポート３１を通過した混合気の燃焼室２５の内部における流動の一例を示す概略図である。なお、上記同様、本実施形態のポートを通過したガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図８において表示されていない。
【０１０４】
「順方向の流れ」である混合気ＩＮｆｏｒの流れは、図中の実線に示されるように、吸気ポート３１の上側の周面３２ａｕｓに沿うように流れるとともに、吸気バルブ３２の第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ１を通過し、燃焼室２５の内部に導入される。そして、燃焼室２５に導入された混合気ＩＮｆｏｒは、排気バルブ３６、排気側側面２５ａ、ピストン２２、および、吸気側側面２５ｂにこの順に沿うように流れ、旋回流（タンブル）を形成する。
【０１０５】
一方、「逆方向の流れ」である混合気ＩＮｂａｃの流れは、図中の破線に示されるように、吸気ポート３１の下側の周面３２ａｌｓに沿うように流れるとともに、吸気ポート３１の第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２、および、第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３を通過し、燃焼室２５の内部に流入し得るとも考えられる。
【０１０６】
しかし、図４を参照しながら説明したように、本実施形態の吸気ポート３１においては、吸気バルブ３２の第１の端部３２ｂ１と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ１は、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部１０１ｃとの距離Ｄ２よりも「大きい」。そのため、距離Ｄ１に関連する領域ＡＲ１は、距離Ｄ２に関連する領域ＡＲ２よりも大きいことになると考えられる。さらに、領域ＡＲ３の大きさは、上記参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。よって、混合気ＩＮｆｏｒの流れの流量（順方向の流れの流量）に対する混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）は、上述した参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同流量に比べて小さいと考えられる。
【０１０７】
そして、混合気ＩＮｂａｃの流れの流量（逆方向の流れの流量）が旋回流を形成させるという観点において無視できる程度に小さい場合、意図されたポートの特性が十分に得られると考えられる。
以上が、吸気行程における混合気の流動についての説明である。
【０１０８】
次いで、圧縮行程において吸気ポート３１が開放される場合における混合気の流動が説明される。図９は、この場合におけるガスの流動の一例を示す概略図である。なお、図２と同様、圧縮行程におけるガスの流動を説明するために必ずしも必要ではない部材は、図９において表示されていない。
【０１０９】
図中の実線に示されるように、上記吸気行程において燃焼室２５の内部に形成された旋回流は、圧縮行程においても維持され得る。一方、旋回流の一部（傍流）ＩＮｅｘは、図中の破線に示されるように、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３、および、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２を通過し、燃焼室２５の外部へ放出される場合があるとも考えられる。
【０１１０】
しかし、上述したように、吸気バルブ３２の第２の端部３２ｂ２と吸気側側面２５ｂとの間の領域ＡＲ３は、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。さらに、第２の端部３２ｂ２と燃焼室側端部３１ｃとの間の領域ＡＲ２も、参考例における同領域の大きさ（図６を参照。）よりも小さいことになると考えられる。そのため、旋回流の一部ＩＮｅｘの流量は、上述した参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０における同流量に比べて小さいと考えられる。
【０１１１】
そして、旋回流の一部ＩＮｅｘの流量が旋回流を維持するという観点において無視できる程度に小さい場合、意図されたポートの特性が十分に得られると考えられる。
以上が、圧縮行程における混合気の流動についての説明である。
【０１１２】
これにより、例えば、本発明の実施形態に係るポートが採用された機関１０は、参考例の吸気ポート１０１が採用された機関１０よりも、タンブル比を増大せしめ得る。タンブル比が増大された場合、混合気が燃焼する際の火炎伝播がより円滑に進行され、混合気がより効率良く燃焼され得る。その結果、例えば、燃費が向上され得ると考えられる。
【０１１３】
なお、本発明の実施形態に係るポートにおいては、燃焼室２５に導入される混合気の状態（例えば、順方向の流れＩＮｆｏｒと逆方向の流れＩＮｂａｃとの関係）が調整されることによってタンブル比が増大され得るので、タンブル比を増大させるために混合気の流速が高められる（例えば、ポートの口径が小さくされる）必要がない。そのため、混合気の流速が高められることによる混合気の温度の上昇、および、その混合気の温度の上昇に起因するノッキングの増大、が抑制され得る。また、ポートの口径が小さくされることによる混合気の流量の低下、および、混合気の流量の低下に起因する機関１０の出力の低下、も抑制され得る。
【０１１４】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るポートは、燃焼室２５の外部から内部へ向かう混合気の流動（図８を参照。）および燃焼室２５の内部から外部へ向かうガスの流動（図９を参照。）の双方を考慮し、燃焼室２５の内部に導入された混合気による旋回流（タンブル）を燃焼室２５の内部において適切に形成させるとともに（吸気行程）、同旋回流を適切に維持させることができる（圧縮行程）。
以上が、本発明の実施形態に係るポートについての説明である。
【０１１５】
＜実施形態の総括＞
以上、説明したように、本発明の実施形態に係るポート３１は、
燃焼室２５の内部と前記燃焼室２５の外部とを連通させるための通路部３１ａと、前記通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２を該バルブの軸線３２ａｘｉに沿って移動させるための軸受部３１ｂと、を備える。
【０１１６】
このポート３１においては、前記通路部３１ａの端部であって前記通路部３１ａと前記燃焼室２５の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰと、前記軸受部３１ｂにおける前記バルブの軸線３２ａｘｉに相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、前記通路部３１ａおよび前記軸受部３１ｂが構成される。
【０１１７】
さらに、このポート３１においては、前記通路部３１ａの一部分であって該一部分と前記バルブ３２とが接触されることによって前記通路部３１ａを閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分３１ｄと、前記燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である。
【０１１８】
ポート３１が適用された機関１０をポート角度θとは別の観点から述べると、
機関１０は、燃焼室２５の内部と前記燃焼室２５の外部とを連通させるための通路部３１ａを備えたポートと、前記通路部３１ａを閉鎖または開放するバルブ３２であって、該バルブの軸線３２ａｘｉに沿って移動し、該バルブ３２の端部に設けられたバルブヘッド３２ｂと前記通路部３１ａの一部分であるバルブ接触部分３１ｄとが接触することによって前記通路部３１ａを閉鎖するとともに、前記バルブヘッド３２ｂと前記バルブ接触部分３１ｄとが隔離することによって前記通路部３１ａを開放するバルブ３２と、を備える。
【０１１９】
この機関１０において、前記通路部３１ａが開放されているとき、前記バルブヘッド３２ｂの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面２５ａに最も近い端部である第１の端部３２ｂ１と、前記ポートの前記通路部３１ａの端部であって前記通路部３１ａと前記燃焼室２５の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部３１ｃと、の距離Ｄ１が、前記バルブヘッド３２ｂの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面２５ｂに最も近い端部である第２の端部３２ｂ２と、前記燃焼室側端部３１ｃと、の距離Ｄ２よりも大きいように、前記ポート３１および前記バルブ３２が構成される。
【０１２０】
さらに、この機関１０において、前記燃焼室側端部３１ｃが含まれる仮想的な面ＶＰである第１の面と、前記バルブ３２の軸線に相当する仮想的な直線ＶＬと、によって定義される角度であるポート角度θが９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブ３２が構成される。
【０１２１】
なお、機関１０において、前記通路部３１ａのバルブ接触部分３１ｄと、前記燃焼室側端部３１ｃと、は異なる部分である
【０１２２】
さらに、この機関１０において、前記バルブヘッド３２ｂの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分３１ｄとが接触することによって前記通路部３１ａが閉鎖されるとともに、前記バルブヘッド３２ｂの周辺部分が含まれる仮想的な面ＶＰである第２の面と前記仮想的な直線ＶＬとが直交する。
【０１２３】
＜その他の態様＞
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
【０１２４】
例えば、上記実施形態に係るポートは、火花点火式機関１０に適用されている。しかし、本発明のポートは、火花点火式機関以外の機関（例えば、ディーゼル機関）にも適用され得る。
【０１２５】
さらに、上記実施形態に係るポートにおいては、バルブステムとバルブヘッドとが直交するバルブが採用されている。しかし、本発明のポートに採用されるバルブは、必ずしもバルブステムとバルブヘッドが直交するバルブでなくてもよい。例えば、上記説明から理解されるように、上述した「ポート角度θの大きさと、ガスが通過する領域ＡＲ１，ＡＲ２およびＡＲ３の大きさと、の関係」を満たすバルブであれば、本発明のポートとして採用され得る。
【０１２６】
さらに、上記実施形態においては、本発明のポートが吸気ポート３１に適用されている。しかし、本発明のポートは、排気ポートにも適用され得る。
【０１２７】
さらに、上記実施形態においては、通路部３１ａは、円柱の形状を有している。しかし、通路部３１ａは、角柱の形状、または、楕円柱の形状などを有し得る。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…内燃機関、２５…燃焼室、３１…吸気ポート、３１ａ…通路部、３１ｂ…軸受部、３２…吸気バルブ、３５…排気ポート、３６…排気バルブ、ガスが通過し得る領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部と、前記通路部を閉鎖または開放するバルブを該バルブの軸線に沿って移動させるための軸受部と、を備えた内燃機関のポートであって、前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部が含まれる仮想的な面と、前記軸受部における前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記通路部および前記軸受部が構成される、内燃機関のポート。
【請求項２】
請求項１に記載のポートにおいて、
前記通路部の一部分であって該一部分と前記バルブとが接触されることによって前記通路部を閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、が異なる部分である、内燃機関のポート。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備えたポートと、
前記通路部を閉鎖または開放するバルブであって、該バルブの軸線に沿って移動し、該バルブの端部に設けられたバルブヘッドと前記通路部の一部分であるバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部を閉鎖するとともに、前記バルブヘッドと前記バルブ接触部分とが隔離することによって前記通路部を開放するバルブと、
を備えた内燃機関において、
前記通路部が開放されているとき、前記バルブヘッドの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面に最も近い端部である第１の端部と、前記ポートの前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部と、の距離が、前記バルブヘッドの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面に最も近い端部である第２の端部と、前記燃焼室側端部と、の距離よりも大きいように、前記ポートおよび前記バルブが構成される、内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関において、
前記燃焼室側端部が含まれる仮想的な面である第１の面と、前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブが構成される、内燃機関。
【請求項５】
請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記通路部のバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、が異なる部分である、内燃機関。
【請求項６】
請求項３〜請求項５に記載の内燃機関において、
前記バルブヘッドの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部が閉鎖されるとともに、前記バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面である第２の面と前記仮想的な直線とが直交する、内燃機関。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部と、前記通路部を閉鎖または開放するバルブを該バルブの軸線に沿って移動させるための軸受部と、を備えた内燃機関のポートであって、前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部が含まれる仮想的な面と、前記軸受部における前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記通路部および前記軸受部が構成される、内燃機関のポート。
【請求項２】
請求項１に記載のポートにおいて、
前記通路部の一部分であって該一部分と前記バルブとが接触されることによって前記通路部を閉鎖するための一部分であるバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、が異なる部分である、内燃機関のポート。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室の内部と前記燃焼室の外部とを連通させるための通路部を備えたポートと、
前記通路部を閉鎖または開放するバルブであって、該バルブの軸線に沿って移動し、該バルブの端部に設けられたバルブヘッドと前記通路部の一部分であるバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部を閉鎖するとともに、前記バルブヘッドと前記バルブ接触部分とが隔離することによって前記通路部を開放するバルブと、
を備えた内燃機関において、
前記通路部が開放されているとき、前記バルブヘッドの一の端部であって前記ポートから最も遠い前記燃焼室の側面に最も近い端部である第１の端部と、前記ポートの前記通路部の端部であって前記通路部と前記燃焼室の内部とを接続させるための端部である燃焼室側端部と、の距離が、前記バルブヘッドの他の端部であって前記ポートに最も近い燃焼室の側面に最も近い端部である第２の端部と、前記燃焼室側端部と、の距離よりも大きいように、前記ポートおよび前記バルブが構成される、内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関において、
前記燃焼室側端部が含まれる仮想的な面である第１の面と、前記バルブの軸線に相当する仮想的な直線と、によって定義される角度であるポート角度が９０度よりも小さい角度であるように、前記ポートおよび前記バルブが構成される、内燃機関。
【請求項５】
請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記通路部のバルブ接触部分と、前記燃焼室側端部と、が異なる部分である、内燃機関。
【請求項６】
請求項３〜請求項５に記載の内燃機関において、
前記バルブヘッドの周辺部分と前記通路部のバルブ接触部分とが接触することによって前記通路部が閉鎖されるとともに、前記バルブヘッドの周辺部分が含まれる仮想的な面である第２の面と前記仮想的な直線とが直交する、内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７２７０（Ｐ２０１３−７２７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８４４１（Ｐ２０１１−１３８４４１）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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