JP2004204796A - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ポートライナ４０を用いて、吸気ポート１６の断熱性・放熱性を有効に高める。
【解決手段】シリンダヘッド１０には、吸気側壁２０に開口するポート開口２２と燃焼室１２とを結ぶ吸気ポート１６が形成される。この吸気ポート１６にポートライナ４０を配設する。このポートライナ４０を、吸気ポート１６の中でポート開口２２寄りの一部分にのみ配設し、かつ、シリンダヘッド１０に比して熱伝導率の低い材料により形成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気ポート構造、特にポートライナを用いた吸気ポート構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関のシリンダヘッドから吸気ポート内を流れる吸気への伝熱量を低減し、吸入効率の向上を図るために、吸気ポートに断熱部材としてのポートライナを配設する技術が知られている。例えば特許文献１では、ポートライナの一端をシリンダヘッドに鋳込み、吸気ポート（又は排気ポート）の全長にわたってポートライナを配設した構造が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１０６４１５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１のように、吸気ポートの全長にわたってポートライナが配設されていると、燃焼室から吸気ポートへ吹き返される残留ガスの熱が放熱され難くなり、これに起因して吸気温度が上昇し、逆に吸気密度の低下等を招くおそれがあり、更なる改良が望まれる。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、吸気ポート内の吸気を適切に断熱・放熱して、吸気密度の向上を図ることができる新規な内燃機関の吸気ポート構造を提供することを主たる目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
シリンダヘッドには、このシリンダヘッドの吸気側壁に開口するポート開口と燃焼室とを結ぶ吸気ポートが形成される。この吸気ポートにポートライナを配設する。このポートライナは、吸気ポートの中でポート開口寄りの範囲に配設され、かつ、シリンダヘッドに比して熱伝導率の低い材料により形成される。吸気ポートの中で燃焼室寄りの部分では、シリンダヘッドが直接的に吸気ポートの壁面を画成している。
【０００７】
【発明の効果】
吸気ポートの中でポート開口寄りの部分では、ポートライナによりシリンダヘッドから吸気ポート内の吸気への伝熱量を抑制し、この断熱効果により吸気密度の向上及び出力向上を図ることができる。吸気ポートの中で燃焼室寄りの部分には、ポートライナが配設されていないので、燃焼室から吸気ポートへ吹き返される残留ガスの熱をシリンダヘッド側へ良好に放熱することができ、この放熱効果により吸気密度の向上及び出力向上を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【０００９】
図１〜５は、本発明の第１実施例に係る内燃機関の吸気ポート構造を示している。図１に示すように、内燃機関は、ヘッドガスケット２を挟んでボルトにより共締め固定されるシリンダブロック１とシリンダヘッド１０とにより大略構成される。シリンダブロック１には、ピストン３が昇降可能に嵌合する複数のシリンダ４が形成されている。
【００１０】
シリンダヘッド１０には、その下面側に各シリンダ４へ臨んだペントルーフ型の燃焼室１２が凹設されているとともに、冷却水が通流する空間としてのウォータジャケット１４が形成され、かつ、吸気通路の一部をなす吸気ポート１６及び排気通路の一部をなす排気ポート１８が穿設されている。このシリンダヘッド１０は、アルミ合金（あるいは鋳鉄）のような硬質な金属材料により一体的に鋳造され、この鋳造時に上記の燃焼室１２，ウォータジャケット１４，吸気ポート１６及び排気ポート１８等も成形される。
【００１１】
吸気ポート１６は、シリンダヘッド１０の吸気側壁２０（図１の右側の側壁）に開口するポート開口２２と燃焼室１２とを結んでいる。図２に示すように、吸気ポート１６は、各シリンダ４毎に、吸気ポート開口２２から延びる一本の集合通路１６ａと、この集合通路１６ａから分岐して燃焼室１２へ延びる２本の分岐通路１６ｂと、により構成される。この吸気ポート１６と同様、排気ポート１８は、燃焼室１２から排気側壁に開口する排気側のポート開口へ延びており、各シリンダ４毎に、燃焼室１２から延びる２本の分岐通路と、これら分岐通路が集合・合流して排気側のポート開口へ延びる一本の集合通路と、により構成される。
【００１２】
シリンダヘッド１０には、各シリンダ４毎に、吸気ポート１６の２つの分岐通路１６ｂをそれぞれ開閉する２本の吸気弁２４と、排気ポート１８の２つの分岐通路をそれぞれ開閉する２本の排気弁２６と、燃焼室１２の中央へ臨んだ点火プラグ２８と、が取り付けられている。
【００１３】
吸気側壁２０には、吸気ポート開口２２を覆うようにインテークマニホールド３０が取り付けられている。図５にも示すように、インテークマニホールド３０は、吸気ポート１６に接続する合計４つの吸気ブランチ３２と、これら４つの吸気ブランチ３２の一端に一体的に接続し、かつ、固定手段としての取付ボルト３７（図３）によりガスケット３８を挟んで吸気側壁２０へ固定される板状の取付フランジ３４と、を有し、例えば樹脂（あるいは金属等）により一体的に成形される。取付フランジ３４には、吸気ブランチ３２へ連なる４つの孔が形成されているとともに、上記の取付ボルト３７が貫通するボルト孔３６が複数箇所に穿設されている。
【００１４】
そして、各吸気ポート１６には中空形状のポートライナ４０が配設されている。以下、この実施例の特徴的な構造及びその作用効果について列記する。
【００１５】
（１）ポートライナ４０は、シリンダヘッド１０に比して熱伝導率の低い材料、例えば樹脂，スチール，セラミック等の材料により形成され、ここでは特に、軽量かつ安価な樹脂材料により一体的に成形されている。ポートライナ４０は、吸気ポート１６の通路長手方向の全長にわたって配設されてはおらず、この吸気ポート１６の中で吸気側壁２０寄りの通路長手方向の範囲に配設されている。つまり、吸気ポート１６の中で、燃焼室１２寄りの部分にはポートライナ４０が存在しておらず、シリンダヘッド１０の一部である吸気ポート１６の内周面が直接的に吸気通路を画成している。つまり、吸気ポート１６の中で燃焼室寄りの部分では、シリンダヘッド１０が直接的に吸気ポート１６の壁面を画成している。
【００１６】
従って、吸気ポート１６の中でも吸気側壁寄りの部分では、熱伝導率の低いポートライナ４０により高温なシリンダヘッド１０から吸気ポート１６内を通流する吸気及びインテークマニホールド３０側への伝熱量が低減され、この断熱効果により、吸気密度の向上及びこれに伴う出力向上を図ることができる。加えて、吸気ポート１６の中でも燃焼室寄りの部分では、ポートライナ４０が配設されておらず、シリンダヘッド１０自体に穿設された吸気ポート１６の内周面により吸気通路が画成されているため、燃焼室１２から吸気ポート１６へ吹き返される残留ガスの熱が、ポートライナ４０により断熱されることなくシリンダヘッド１０側（特に、後述するウォータジャケット１４側）へ効果的に放熱される。従って、この残留ガスによる吸気温度の上昇を効果的に抑制することができる。つまり、吸気ポート１６の中で吸気側壁２０寄りの一部分にのみポートライナ４０を配設することによって、シリンダヘッド側から吸気ポート内部への断熱効果と、吸気ポート内部からシリンダヘッド側への放熱効果と、の双方の効果をバランス良く得ることができる。
【００１７】
（２）ポートライナ４０は、吸気側壁２０に開口するポート開口２２より吸気ポート１６へ挿入することにより、この吸気ポート１６に嵌合・配設され、かつ、インテークマニホールド３０を吸気側壁２０へ固定することにより、これらインテークマニホールド３０とシリンダヘッド１０とによって固定的に狭持される。このように、インテークマニホールド３０をシリンダヘッド１０へ固定することによって、ポートライナ４０をシリンダヘッド１０に対して固定することができ、ポートライナ４０を固定するボルト等の固定手段を敢えて必要としないため、構成の簡素化・低コスト化・及び組立作業の容易化等の効果が得られる。
【００１８】
（３）ポートライナ４０は、形状的には、吸気ポート１６の集合通路１６ａに応じた偏平な筒状をなすライナ部４２と、このライナ部４２の一端より径方向外方へ一体的に張り出したフランジ部４４と、により構成される。ポートライナ４０を挟んでインテークマニホールド３０をシリンダヘッド１０へ組み付つけた状態で、ライナ部４２の内周面及びフランジ部４４の端面が、吸気ポート１６の内周面及び吸気側壁２０の壁面と段差なく連なるように、シリンダヘッド１０側には、ポートライナ４０が嵌合する嵌合部４６が凹設されている。この嵌合部４６は、ライナ部４２が嵌合するライナ嵌合部４８と、フランジ部４４が嵌合するフランジ嵌合部５０と、により構成されている。ライナ嵌合部４８は、ライナ部４２の厚さに相当する分、吸気ポート１６の吸気側壁２０寄りの部分を拡径・大径化するように形成されている。フランジ嵌合部５０は、フランジ部４４の厚さに相当する分、吸気側壁２０のポート開口２２の周縁部を窪ませるように形成されている。
【００１９】
このように、ポートライナ４０がライナ部４２とフランジ部４４とからなる簡素な形状であるため、シリンダヘッド１０に嵌合部４６を加工又は鋳造時に成形することにより、既存のシリンダヘッドにもポートライナ４０を容易に適用することができる。また、フランジ部４４がフランジ嵌合部５０とインテークマニホールド３０の取付フランジ３４との間で通路長手方向に実質的に隙間なく狭持されることにより、後述するようにポートライナ４０の先端側に隙間Ｘを確保しつつ、ポートライナ４０を通路長手方向に確実に保持することができる。
【００２０】
（４）図３に示すように、ポートライナ４０を挟んでインテークマニホールド３０をシリンダヘッド１０へ固定した状態で、ポートライナ４０の燃焼室側（挿入側）の端面４０ａと、この端面４０ａに対向する吸気ポート１６のライナ嵌合部４８の段差面４８ａとの間には、異部材であるシリンダヘッド１０とポートライナ４０との熱膨張率の差を考慮して、所定の隙間Ｘが確保されている。従って、仮に上記の熱膨張率の差に起因してポートライナ４０が相対的に膨張変形しても、この膨張変形分を隙間Ｘで吸収することができ、この膨張変形に起因するシール性の低下等を防止・回避することができる。
【００２１】
（５）ポートライナ４０の内周面の表面粗さを、シリンダヘッド１０の吸気ポート１６内周面の表面粗さに比して小さくしている。つまり、ポートライナ４０は、シリンダヘッド１０に比して表面粗さが小さくなるように、その材質が選択され、あるいは表面加工処理が施されている。これにより、通気抵抗の低減化を図り、吸入効率を向上することができる。なお、吸気ポート１６の表面粗さは、例えば鋳造時に用いるポート形成用の砂中子の表面粗さ等により制限される。
【００２２】
（６）吸気ポート１６に挿入されるポートライナ４０の通路長さ（挿入長さ）Ｌは、断熱性及び放熱性・加工性及び組付作業性・燃料噴霧の干渉回避等を考慮して、以下のように設定される。
【００２３】
第１に、上述した燃焼室１２から吸気ポート１６へ吹き返される残留ガスの熱をより効果的に放熱するように、ウォータジャケット１４が吸気ポート１６の燃焼室寄りの部分の近傍・周囲に配設されており、この燃焼室寄りの部分の周囲をポートライナ４０が完全に覆うことのないように、その長さＬが設定されている。典型的には図１にも示すように、ポートライナ４０がウォータジャケット１４に達することのないように、その長さＬが制限されている。つまり、吸気ポート１６には、ポートライナ４０が存在しておらず、かつ、ウォータジャケット１４の近傍に位置する燃焼室寄りの区間（概ね図２の分岐通路１６ｂの位置に相当）と、ポートライナ４０により覆われ、かつ、ウォータジャケット１４が周囲に存在しない区間と、が設けられる。
【００２４】
但し、図９に示すように、仮にポートライナ４０の一部６０がウォータジャケット１４の近傍に差し掛かっており、ポートライナ４０の周囲にウォータジャケット１４の一部が存在していても、ポートライナ４０がなく、ウォータジャケット１４の近傍に位置する、吸気ポート１６の燃焼室寄りの部分６２が残されていれば、上述した所期の放熱性・断熱性を得ることができる。
【００２５】
第２に、加工性・組付作業性を考慮して、ポートライナ４０のライナ部４２が、ほぼ均一な通路断面形状の直線状（つまり、真っ直ぐな偏平筒状）に形成されている。詳しくは、図２に示すように、吸気ポート１６は、吸気側壁２０に直交して延びる吸気側壁２０寄りの直線状の直線部（１６ａ）と、この直線部から湾曲しつつ燃焼室１２へ延びる湾曲部（１６ｂ）と、により構成される。直線部は概ね上記の集合通路１６ａに相当し、湾曲部は概ね上記の分岐通路１６ｂに相当している。この吸気ポート１６の吸気側壁寄りの直線部にポートライナ４０が嵌合する。このように直線状をなすポートライナ４０の長さＬをできるだけ長くして、通気抵抗の低減化等を図るために、図２に示すように、吸気ポート１６が湾曲し始める位置５２の直前、言い換えると集合通路１６ａから複数の分岐通路１６ｂへ分岐する分岐位置５４の直前に、ポートライナ４０の挿入側の先端が位置するように、その長さＬが設定されている。
【００２６】
第３に、燃料噴射弁５６からの燃料噴霧５８は、一般的に、噴射位置を起点として円錐状・中空円錐状等の徐々に拡散する末広がり型の形状をなしている。この燃料噴霧５８が比較的温度の低いポートライナ４０の内周面に直接的に当たってしまうと、燃料の気化促進が阻害され、排気性能の低下を招くおそれがある。そこで、図１及び図２に示すように、燃料噴射弁５６がポートライナ４０よりも吸気上流側のインテークマニホールド３０に取り付けられ、この吸気上流側よりそれぞれの吸気弁２４側へ向けて二方向に燃料噴霧５８が噴射される構成の場合、この燃料噴霧５８がポートライナ４０に直接的に干渉することなく、このポートライナ４０の内部を通過するように、その長さＬが設定されている。つまり、ポートライナ４０の吸気上流側より燃料が噴射される構成の場合、燃料噴霧５８がポートライナ４０に直接的に当たることのないように、ポートライナ４０の長さＬが制限されている。
【００２７】
一方、図６に示す第２実施例のように、燃料噴射弁５６Ａがシリンダヘッド１０に直接的に取り付けられ、ポートライナ４０よりも吸気下流側（燃焼室側）の吸気ポート１６内へ燃料を噴射する構造の場合、燃料噴霧５８Ａがポートライナ４０に干渉するおそれがないので、燃料噴霧との干渉を考慮することなくポートライナ４０の長さＬを設定することができ、設計の自由度が高くなる。同様に、燃焼室内へ直接的に燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関へ適用する場合についても、燃料噴霧との干渉を考慮することなくポートライナの長さを設定することができる。
【００２８】
図７（ａ）は、上記の第１実施例に係るポートライナ４０及び嵌合部４６の形状を示し、（ｂ），（ｃ）は、これらの形状が異なる他の実施例を示している。（ａ）の第１実施例では、上述したように、ポートライナ４０がライナ部４２とフランジ部４４とにより構成され、かつ、吸気ポート１６毎に別体として形成されている。シリンダヘッド１０に形成される嵌合部４６は、ライナ部４２が嵌合するライナ嵌合部４８とフランジ部４４が嵌合するフランジ嵌合部５０とにより構成される。
【００２９】
図７（ｂ）の第３実施例では、ポートライナ４０Ａの拡大フランジ部４４Ａが、図５（ａ）に示すようなインテークマニホールド３０の取付フランジ３４に応じた形状・寸法に設定されており、複数のライナ部４２にまたがって形成されている。つまり、ポートライナ４０Ａは、複数のライナ部４２と一つの拡大フランジ部４４Ａとを樹脂等により一体的に成形した単一の部品となっている。シリンダヘッド１０に形成される嵌合部４６Ａは、吸気ポート１６の吸気側壁２０寄りの部分を拡径したライナ嵌合部４８のみの形状となっており、吸気側壁２０のポート開口２２周縁部にはフランジ嵌合部が形成されていない。拡大フランジ部４４Ａには、取付フランジ３４のボルト孔３６（図５）に対応するボルト孔が形成されており、双方のボルト孔を貫通する取付ボルト３７（図３参照）によって、インテークマニホールド３０とポートライナ４０Ａとが吸気側壁２０へ共締め固定される。取付フランジ３４と拡大フランジ部４４Ａとの間には第１ガスケット３８が介装され、フランジ部４４と吸気側壁２０との間には第２ガスケット３８Ａが介装される。
【００３０】
この第３実施例と第１実施例とを比較すると、第３実施例は、吸気側壁２０にフランジ嵌合部を形成しなくて済む点と、複数のライナ部４２が拡大フランジ部４４Ａにより一体化されており、部品点数が少なくて済む点で有利である。但し、第３実施例では、吸気通路の気密性を確保するために拡大フランジ部４４Ａの両側にそれぞれガスケット３８，３８Ａを配置する必要がある。
【００３１】
図７（ｃ）の第４実施例は第１実施例を更に簡素化したものである。すなわち、ポートライナ４０Ｂが、ライナ部４２のみのシンプルな偏平筒状をなしており、第１実施例のフランジ部が省略されている。これに伴い、吸気側壁２０側のフランジ嵌合部も形成されておらず、シリンダヘッド１０に形成される嵌合部４６Ｂもライナ嵌合部４８のみの簡素な形状となっている。この第４実施例では、第１実施例に比し、フランジ部やフランジ嵌合部が省略されるため、ポートライナ４０の保持性は低下するものの、加工・製造が容易となる。
【００３２】
図８は、ポートライナ４０Ｃをインテークマニホールド３０Ｃに一体的に形成した第５実施例を示している。具体的には、図７（ｃ）の第４実施例のシンプルな形状のポートライナを、インテークマニホールド３０Ｃに一体的に形成した態様となっている。このポートライナ４０Ｃは、吸気ブランチ３２から連続するように取付フランジ３４を横切って延びている。インテークマニホールド３０Ｃは、吸気ブランチ３２，取付フランジ３４及びポートライナ４０Ｃに相当するポート挿入部を含めて、シリンダヘッド１０に比して熱伝導率の低い樹脂（又は金属）により一体的に形成されている。シリンダヘッド１０には、上記の第４実施例と同様、ポートライナ４０Ｃ（ライナ部４２）が嵌合するライナ嵌合部４８のみが吸気ポート１６の一部を大径化するように形成されている。このようにポートライナ４０Ｃをインテークマニホールド３０Ｃに一体的に形成することにより、更なる部品点数の削減・組付作業性の向上等を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の吸気ポート構造を示す断面図。
【図２】上記吸気ポート構造を簡略的に示す平面対応図。
【図３】ポートライナ近傍の拡大断面図。
【図４】ポートライナの断面図（ａ）及び正面図（ｂ）。
【図５】インテークマニホールドの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）。
【図６】本発明の第２実施例に係る内燃機関の吸気ポート構造を示す断面図。
【図７】第１実施例（ａ），第３実施例（ｂ）及び第４実施例（ｃ）に係る吸気ポート構造の要部を拡大して示す断面図。
【図８】第４実施例に係る内燃機関の吸気ポート構造を示す断面図。
【図９】ポートライナの一部がウォータジャケットに差し掛かっている態様を示す断面図。
【符号の説明】
１０…シリンダヘッド
１２…燃焼室
１４…ウォータジャケット
１６…吸気ポート
２０…吸気側壁
２２…ポート開口
３０…インテークマニホールド
４０…ポートライナ
５６…燃料噴射弁

Claims (10)

1. シリンダヘッドに形成され、このシリンダヘッドの吸気側壁に開口するポート開口と燃焼室とを結ぶ吸気ポートと、
   この吸気ポートに配設されるポートライナと、を有し、
   このポートライナは、吸気ポートの中でポート開口寄りの一部分の範囲に配設され、かつ、シリンダヘッドに比して熱伝導率の低い材料により形成され、
   吸気ポートの中で燃焼室寄りの部分では、シリンダヘッドが直接的に吸気ポートの壁面を画成している内燃機関の吸気ポート構造。
2. 上記ポートライナの燃焼室側の端面と、この端面に対向するシリンダヘッドの段差面との間に所定の間隙を設ける請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
3. 上記ポートライナの表面粗さが、吸気ポートの表面粗さよりも小さい請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
4. 上記シリンダヘッドにウォータジャケットが形成され、
   このウォータジャケットが、少なくとも吸気ポートの中で上記ポートライナが配設されていない燃焼室寄りの部分の近傍に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。
5. 上記ポートライナよりも吸気上流側の吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、
   この燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧がポートライナの内周面に直接的に当たらないように設定されている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。
6. 上記ポートライナよりも燃焼室寄りの吸気ポート又は燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射弁を有する請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。
7. 上記ポートライナが、直線状に形成されたライナ部を有し、
   上記吸気ポートに、上記ライナ部が嵌合するライナ嵌合部が形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。
8. 上記ポート開口を覆うように吸気側壁へ取り付けられるインテークマニホールドと、
   このインテークマニホールドを吸気側壁へ固定する固定手段と、を有し、
   上記ポートライナは、上記ポート開口より挿入され、上記インテークマニホールドとシリンダヘッドとにより狭持される請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。
9. 上記ポートライナが、略筒状のライナ部と、このライナ部の一端より径方向外方へ張り出したフランジ部と、により構成され、
   上記シリンダヘッドにポートライナが嵌合する嵌合部が形成され、
   この嵌合部は、上記ポートライナのポート開口寄りの部分を大径化するように形成され、上記ライナ部が嵌合するライナ嵌合部と、上記吸気側壁のポート開口の周縁部を窪ませるように形成され、上記フランジ部が嵌合するフランジ嵌合部と、により構成されている請求項８に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
10. 上記ポート開口を覆うように吸気側壁へ取り付けられるインテークマニホールドと、
    このインテークマニホールドを吸気側壁へ固定する固定手段と、を有し、
    上記ポートライナは、上記インテークマニホールドに一体的に形成されている請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の吸気ポート構造。

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