JP2007187110A - 集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを備える多気筒内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを大型化することなく排気ガスに対する冷却効率を高める。
【解決手段】多気筒内燃機関のシリンダヘッド２に形成された集合型排気ポートＥは、各燃焼室11〜14からの排気ガスが流入する個別ポート51〜54と、各個別ポート51〜54からの排気ガスが集合する集合ポート60とにより構成される。各個別ポート51〜54は、排気弁６により開閉される排気口Ｅａを有する複数の分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34と、各分岐ポート21〜24，31〜34からの排気ガスが合流する合流ポート41〜44とにより構成される。合流ポート41〜44のポート径Ｄ１〜Ｄ４は分岐ポート21〜24，31〜34のポート径ｄ１〜ｄ４にほぼ等しく、合流ポート41〜44および集合ポート60は上方および下方から水ジャケットＷ１，Ｗ２により覆われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各シリンダに対応する燃焼室を有する燃焼空間からの排気ガスをシリンダヘッド内で集合する集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを備える多気筒内燃機関に関する。

多気筒内燃機関において、シリンダヘッドに取り付けられる排気マニホルドを設けることなく、各シリンダに対応する燃焼室からの排気ガスをシリンダヘッド内で集合する集合ポートを有する集合型排気ポートがシリンダヘッドに形成されたものは知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−７０５５１号公報

シリンダヘッド内に集合型排気ポートが形成された多気筒内燃機関では、燃焼室の室壁を冷却するための水ジャケットの容量を増加させることにより、集合型排気ポートを流通する排気ガスの温度を効率よく冷却することができるうえ、高価な排気マニホルドが不要になるので、内燃機関のコストが削減される利点がある。しかしながら、内燃機関の絶えざる高出力化により排気ガスの温度は高くなる傾向にあり、その温度を十分に低下させる必要性は依然として高い。そこで、排気ガスに対する冷却効率を高めるための一手段として、水ジャケットの容量を増加することが考えられるが、水ジャケットの容量増加はシリンダヘッドの大型化を招来する。一方で、冷却効率を高めたために機関出力が低下することは、極力回避したい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを大型化することなく排気ガスの冷却効率を高めることを目的とする。そして、請求項２，３記載の発明は、さらに、機関出力の増加を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、２以上の所定数のシリンダにそれぞれ対応する前記所定数の燃焼空間が配列方向に並んだ多気筒内燃機関であって、前記各燃焼空間からの排気ガスが流入する個別ポートと前記所定数の前記個別ポートからの排気ガスが集合する集合ポートとにより構成される集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを備える多気筒内燃機関において、前記各個別ポートは、前記燃焼空間に開口する排気口が排気弁により開閉される複数の分岐ポートと、前記複数の分岐ポートからの排気ガスが合流する上流端部を有する合流ポートとにより構成され、前記各個別ポートにおける前記合流ポートのポート径は前記分岐ポートのポート径にほぼ等しく、前記各合流ポートおよび前記集合ポートは上方および下方から水ジャケットにより覆われる多気筒内燃機関である。

これによれば、合流ポートのポート径が従来に比べて小さいので、各合流ポートおよび集合ポートを上方および下方から覆う水ジャケットの容量をシリンダヘッドの高さを変えることなく増加することが可能になり、しかも合流ポートの中心線と水ジャケットとの距離が短くなるため、合流ポートを流通している排気ガスはその中心部まで冷却される。さらに、合流ポートが細くなる分、配列方向で隣接する合流ポート間の仕切壁をより長く延ばすことができて、合流ポートのポート長を長くできるので、この点でも、合流ポートにおける排気ガスの冷却が促進される。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の多気筒内燃機関において、前記配列方向で隣接する前記合流ポートを仕切る仕切壁の下流端は、いずれも、シリンダ軸線方向から見て、前記集合ポートの出口近傍に位置すると共に前記配列方向にほぼ平行な一直線上に位置するものである。

これによれば、すべての仕切壁が集合ポートの出口近傍まで延びているので、合流ポートのポート長を可及的に長くできるため、合流ポートにおける排気ガスの冷却が促進され、しかも燃焼室から各個別ポートの下流端開口までの距離が長くなるので、排気干渉が低減される。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の多気筒内燃機関において、前記所定数の前記個別ポートは、前記配列方向での両端部にそれぞれ位置する第１および第２端部個別ポートと、前記配列方向で第１および第２端部個別ポート間に位置する中間個別ポートとから構成され、前記第１および前記第２端部個別ポートの前記合流ポートの中心線の延長線と前記集合ポートの前記出口との交差位置は、前記配列方向で、前記中間個別ポートの前記合流ポートの中心線の延長線と前記集合ポートの前記出口との交差位置よりも、それぞれ前記第１および前記第２端部個別ポート寄りであるものである。

これによれば、各端部個別ポートからの排気ガスが、集合ポートの出口にほぼ沿って集合ポートに流入する場合に比べて、出口から流出しやすくなり、中間個別ポートからの排気ガスも、各端部個別ポートからの排気ガスの流れの影響を受けにくくなって、出口から流出しやすくなる。

なお、この明細書および特許請求の範囲において、「ほぼ」との修飾語は、「ほぼ」との修飾語がない場合を含むと共に、この修飾語がない場合に比べて作用効果上で有意の差異がない範囲のずれを含むことを意味する。

請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、シリンダヘッドの高さを変えることなく各合流ポートおよび集合ポートを上方および下方から覆う水ジャケットの容量を増加することができること、および合流ポートにおける排気ガスの冷却効果を高めることができることにより、集合型排気ポートから流出する排気ガスに対する冷却効率が向上する。

請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、合流ポートにおける排気ガスの冷却効果を高めることができることにより、集合型排気ポートから流出する排気ガスに対する冷却効率が向上し、排気干渉が低減することにより、排気効率が向上し、機関出力が増加する。

請求項３記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、各個別ポートからの排気ガスが集合ポートの出口から流出しやすくなるので、排気効率が向上し、機関出力が増加する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１，図２を参照すると、本発明が適用された多気筒内燃機関は、２以上の所定数、この実施形態では４つのシリンダＣ（図２にはそのうちの１つが示されている。）を備える水冷式４気筒４ストローク内燃機関であり、クランク軸（図示されず）が車幅方向を指向する横置き配置で車両に搭載される。前記多気筒内燃機関（以下、「内燃機関」という。）は、配列方向（以下、「配列方向」という。）に一列に並んだ４つのシリンダＣが一体成形されると共に前記クランク軸を回転可能に支持するシリンダブロック１と、該シリンダブロック１の上端部に結合されるシリンダヘッド２と、シリンダヘッド２の上端に結合されるヘッドカバー（図示されず）とから構成される機関本体を備える。
なお、この明細書または特許請求の範囲において、上下方向は、シリンダＣのシリンダ軸線Ｌに平行な方向（以下、「シリンダ軸線方向」という。）であるとし、シリンダＣに対してシリンダヘッド２が位置する方向が上方であるとする。

各シリンダＣのシリンダボアＣａにはピストン３が摺動可能に嵌合する。シリンダヘッド２には、シリンダ軸線方向で各シリンダボアＣａに対向する凹部からなる燃焼室11〜14と、該燃焼室11〜14に開口する１対の吸気口４ａを有する吸気ポート４とが、シリンダＣ毎に形成され、さらに、各シリンダＣに対応する各燃焼室11〜14に開口する複数の、この実施形態では１対の排気口Ｅａを有する個別ポート51〜54および各個別ポート51〜54からの排気ガスが集合する集合ポート60により構成される集合型排気ポートＥが形成される。各燃焼室11〜14は、シリンダ軸線方向でピストン３とシリンダヘッド２との間のシリンダボア部分Ｃa1と共に、シリンダＣとシリンダヘッド２との協働により形成される燃焼空間を構成する。したがって、内燃機関において、所定数のシリンダＣにそれぞれ対応して、該所定数の前記燃焼空間または燃焼室11〜14が配列方向に一列に並んでいる。

シリンダヘッド２には、燃焼室11〜14毎に、１対の吸気口４ａおよび１対の排気口Ｅａをそれぞれ開閉する１対の吸気弁５および１対の排気弁６が設けられる。各吸気弁５および各排気弁６は、シリンダヘッド２に回転可能に支持されるカム軸７を備えると共にシリンダヘッド２と前記ヘッドカバーとで形成される動弁室内に配置される頭上カム軸型の動弁装置により、前記クランク軸の回転に同期して所定のタイミングで開閉駆動される。

各吸気ポート４の入口が開口するシリンダヘッド２の吸気側側壁２ｉに接続される吸気マニホルドを備える吸気装置においてスロットル弁により流量制御された吸入空気と燃料噴射弁から供給された燃料とにより形成された混合気は、各吸気ポート４を通って各吸気弁５の開弁時に燃焼室11〜14に吸入され、燃焼室11〜14内でシリンダヘッド２に設けられた収納筒内に配置されて取付孔８から燃焼室11〜14に臨む点火栓（図示されず）により点火されて燃焼する。そして、前記燃焼空間の燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン３がコンロッドを介して前記クランク軸を回転駆動する。

燃焼ガスは、排気ガスとして排気弁６の開弁時に排気口Ｅａから個別ポート51〜54に流入し、さらに集合ポート60の出口60ｅから流出することで集合型排気ポートＥから流出し、その後、シリンダヘッド２の排気側側壁２ｅに接続される排気浄化装置としての直下型の触媒コンバータ９などを備える排気装置を流通して内燃機関の外部に排出される。

図１を参照すると、各燃焼室11〜14（または各前記燃焼空間）からの排気ガスをシリンダヘッド２内で集合する集合型排気ポートＥの各個別ポート51〜54は、燃焼室11〜14に開口する排気口Ｅａを有する複数の、この実施形態では２つの分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34と、２つの分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34からの排気ガスを合流させて集合ポート60に導く合流ポート41〜44とにより構成される。

各合流ポート41〜44は、２つの分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34からの排気ガスが合流する上流端部41ａ〜44ａと、集合ポート60に開口する下流端開口41ｅ〜44ｅを有する下流端部41ｂ〜44ｂとを有する。各個別ポート51〜54において、下流端部41ｂ〜44ｂのポート径Ｄ１〜Ｄ４（この実施形態では、各合流ポート41〜44の最小ポート径でもある。）は、いずれかの分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34のポート径ｄ１〜ｄ４（例えば、排気口Ｅａのポート径）にほぼ等しく、すべての下流端部41ｂ〜44ｂのポート径Ｄ１〜Ｄ４はほぼ等しい。さらに、各合流ポート41〜44は、集合ポート60の出口60ｅを指向して排気ガスを集合ポート60内に流出させるべく一直線状に形成され、かつ合流ポート41〜44の全体は、シリンダヘッド２の排気側側壁において並んだ４つの燃焼室11，12，13，14の、配列方向での中央部を中心に配列方向に平行に開口する出口60ｅに向かって収束するように配置される。

各分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34と、上流端部41ａ〜44ａを除く合流ポート41〜44とは、それぞれの大部分でほぼ真円形のポート断面形状を有する。
ここで、ポート断面とは各ポート21〜24，31〜34，41〜44の中心線または排気ガスの主流の方向に直交する平面での断面であり、また下流端開口41ｅ〜44ｅは合流ポート41〜44のポート断面上の開口であり、各ポート21〜24，31〜34，41〜44の流路面積はポート断面での面積である。

図２を併せて参照すると、シリンダヘッド２には、配列方向で隣接する合流ポート41，42；42，43；43，44を仕切る仕切壁71，72，73が一体成形されて設けられ、各仕切壁71〜73の下流端71ａ〜73ａは、シリンダ軸線方向から見て（以下、「平面視」という。）、集合ポート60の出口60ｅ近傍に位置すると共に配列方向にほぼ平行な一直線Ｎ上にほぼ位置する。ここで、近傍とは、平面視で、出口60ｅからの下流端71ａ〜73ａまでの最大距離が、ポート径Ｄ１〜Ｄ４にほぼ等しいか、または該ポート径Ｄ１〜Ｄ４以下であることを意味する。

このため、各個別ポート51〜54の下流端開口41ｅ〜44ｅは、燃焼室11〜14と出口60ｅとの間で可及的に出口60ｅに近い位置にあるので、合流ポート41〜44のポート長を長くすることができるため、燃焼室11〜14間（したがって４つのシリンダＣ間）で点火順序が連続することにより、排気弁６の開弁期間である排気期間が重なる場合にも、排気干渉が効果的に低減される。

そして、配列方向に並んだ個別ポート51〜54は、配列方向での両端部にそれぞれ位置する第１，第２端部個別ポート51，54と、配列方向で両端部個別ポート51，54間に位置する第１，第２中間個別ポート52，53とから構成される。各個別ポート51，54の合流ポート41，44の中心線の延長線と集合ポート60の出口60ｅとの交差位置Ｐ１，Ｐ４について、交差位置Ｐ１は、配列方向で、複数の中間個別ポート52，53の合流ポート42，43の中心線の延長線と集合ポート60の出口60ｅとの交差位置Ｐ２，Ｐ３よりも個別ポート51寄りであり、交差位置Ｐ４は、配列方向で交差位置Ｐ２，Ｐ３よりも個別ポート54寄りである。

そして、各個別ポート51，54の合流ポート41，44では、上流端部41ａ，44ａよりも下流から下流端開口41ｅ，44ｅに至るポート部分のポート径は、ポート径Ｄ１，Ｄ４にほぼ等しく、個別ポート52，53では、上流端部42ａ，43ａから下流端部42ｂ，43ｂに向かって徐々にポートの流路面積、したがってそのポート径が小さくなる。このため、配列方向で隣接する個別ポート51と個別ポート52との間の仕切壁71および個別ポート54と個別ポート53との間の仕切壁73を、合流ポートのポート径がポート径Ｄ１〜Ｄ４よりも大きい従来技術に比べて、一層延ばすことができる。

集合型排気ポートＥの出口60ｅは、図３に示されるように、出口60ｅに直交する方向、または平面視で配列方向に直交する方向から見て、長円形状を呈し、上下方向での幅Ｄｅは、ポート径Ｄ１〜Ｄ４にほぼ等しい。

さらに、図１，図２を参照すると、各合流ポート41〜44および集合ポート60は、上方から上部水ジャケットＷ１により、また下方から下部水ジャケットＷ２により覆われる。内燃機関の冷却系統の一部を構成する各水ジャケットＷ１，Ｗ２には、図示されない水ポンプから圧送された冷却水が流通し、両水ジャケットＷ１，Ｗ２により集合型排気ポートＥを流通する排気ガスが冷却される。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
内燃機関のシリンダヘッド２に形成された集合型排気ポートＥの各個別ポート51〜54は、燃焼室11〜14に開口する排気口Ｅａが排気弁６により開閉される複数の分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34と、複数の分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34からの排気ガスが合流する上流端部41ａ〜44ａを有する合流ポート41〜44とにより構成され、各個別ポート51〜54における合流ポート41〜44のポート径Ｄ１〜Ｄ４は分岐ポート21，31；22，32；23，33；24，34のポート径ｄ１〜ｄ４にほぼ等しく、各合流ポート41〜44および集合ポート60は上方および下方から水ジャケットＷ１，Ｗ２により覆われる。これにより、合流ポート41〜44のポート径Ｄ１〜Ｄ４が従来に比べて小さいので、各合流ポート41〜44および集合ポート60を上方および下方から覆う水ジャケットＷ１，Ｗ２の容量をシリンダヘッド２の高さを変えることなく増加することが可能になり、しかも合流ポート41〜44の中心線と各水ジャケットＷ１，Ｗ２との距離が短くなるため、合流ポート41〜44を流通している排気ガスはその中心部まで冷却される。さらに、合流ポート41〜44が細くなる分、配列方向で隣接する合流ポート41，42；42，43；43，44間の仕切壁71，72，73をより長く延ばすことができて、合流ポート41〜44のポート長を長くできるので、この点でも、合流ポート41〜44における排気ガスの冷却が促進される。この結果、シリンダヘッド２の高さを変えることなく各水ジャケットＷ１，Ｗ２の容量を増加することができること、および合流ポート41〜44における排気ガスの冷却効果を高めることができることにより、集合型排気ポートＥから流出する排気ガスに対する冷却効率が向上する。

仕切壁71〜73の下流端71ａ〜73ａは、いずれも、平面視で、集合ポート60の出口60ｅ近傍に位置すると共に配列方向にほぼ平行な一直線Ｎ上に位置することにより、すべての仕切壁71〜73が集合ポート60の出口60ｅ近傍まで延びているので、合流ポート41〜44のポート長を可及的に長くできるため、合流ポート41〜44における排気ガスの冷却が促進され、しかも燃焼室11〜14から下流端開口41ｅ〜44ｅまでの距離が長くなるので、排気干渉が低減される。この結果、合流ポート41〜44における排気ガスの冷却効果を高めることができることにより、集合型排気ポートＥから流出する排気ガスに対する冷却効率が向上し、排気干渉が低減することにより、排気効率が向上し、機関出力が増加する。

両端部個別ポート51，54の合流ポート41，44の中心線の延長線と出口60ｅとの交差位置Ｐ１，Ｐ４は、配列方向で、中間個別ポート52，53の合流ポート42，43の中心線の延長線と出口60ｅとの交差位置Ｐ２，Ｐ３よりも、それぞれ個別ポート51，54寄りであることにより、各個別ポート51，54からの排気ガスが、出口60ｅにほぼ沿って（または、ほぼ平行に）集合ポート60に流入する場合に比べて、出口60ｅから流出しやすくなり、個別ポート52，53からの排気ガスも、各個別ポート51，54からの排気ガスの流れの影響を受けにくくなって、出口60ｅから流出しやすくなるので、排気効率が向上し、機関出力が増加する。

以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
前記実施形態では、分岐ポートおよび合流ポートがほぼ真円形のポート断面形状を有するものであったが、ほぼ真円形以外のポート断面形状を有する場合は、ポート径は、流路面積が等しい真円形に置き換えたときのポート径である。
各個別ポートは３以上の分岐ポートから構成されてもよい。
内燃機関は、各バンクが前記所定数のシリンダから構成されるＶ型内燃機関であってもよい。
内燃機関は、前記実施形態では車両に使用されるものであったが、鉛直方向を指向するクランク軸を備える船外機等の船舶推進装置に使用されるものであってもよい。

本発明が適用された多気筒内燃機関のシリンダヘッドの断面図であり、図２の概ねＩ−Ｉ線での断面図である。 図１の概ねＩＩ−ＩＩ線での断面図である。 図２のＩＩＩ矢視での集合型排気ポートの出口付近の図である。

符号の説明

１…シリンダブロック、２…シリンダヘッド、３…ピストン、４…吸気ポート、５…吸気弁、６…排気弁、７…カム軸、８…取付孔、９…触媒コンバータ、11〜14…燃焼室、21〜24，31〜34…分岐ポート、41〜44…合流ポート、51〜54…個別ポート、60…集合ポート、71〜73…仕切壁、
Ｃ…シリンダ、Ｌ…シリンダ軸線、Ｅ…集合型排気ポート、Ｄ１〜Ｄ４，ｄ１〜ｄ４…ポート径、Ｐ１〜Ｐ４…交差位置、Ｗ１，Ｗ２…水ジャケット。

Claims (3)

1. ２以上の所定数のシリンダにそれぞれ対応する前記所定数の燃焼空間が配列方向に並んだ多気筒内燃機関であって、前記各燃焼空間からの排気ガスが流入する個別ポートと前記所定数の前記個別ポートからの排気ガスが集合する集合ポートとにより構成される集合型排気ポートが形成されたシリンダヘッドを備える多気筒内燃機関において、
   前記各個別ポートは、前記燃焼空間に開口する排気口が排気弁により開閉される複数の分岐ポートと、前記複数の分岐ポートからの排気ガスが合流する上流端部を有する合流ポートとにより構成され、前記各個別ポートにおける前記合流ポートのポート径は前記分岐ポートのポート径にほぼ等しく、前記各合流ポートおよび前記集合ポートは上方および下方から水ジャケットにより覆われることを特徴とする多気筒内燃機関。
2. 前記配列方向で隣接する前記合流ポートを仕切る仕切壁の下流端は、いずれも、シリンダ軸線方向から見て、前記集合ポートの出口近傍に位置すると共に前記配列方向にほぼ平行な一直線上に位置することを特徴とする請求項１記載の多気筒内燃機関。
3. 前記所定数の前記個別ポートは、前記配列方向での両端部にそれぞれ位置する第１および第２端部個別ポートと、前記配列方向で第１および第２端部個別ポート間に位置する中間個別ポートとから構成され、前記第１および前記第２端部個別ポートの前記合流ポートの中心線の延長線と前記集合ポートの前記出口との交差位置は、前記配列方向で、前記中間個別ポートの前記合流ポートの中心線の延長線と前記集合ポートの前記出口との交差位置よりも、それぞれ前記第１および前記第２端部個別ポート寄りであることを特徴とする請求項１または２記載の多気筒内燃機関。
   
   

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