JP2007285168A - 内燃機関のシリンダヘッド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】各気筒から排出される排気ガス同士の干渉を抑制する。
【解決手段】少なくとも３つの気筒♯１〜♯４と、各気筒にそれぞれ接続された排気ポート６〜９，１８〜２１を備えた内燃機関において、各気筒から排出された排気ガスが別の気筒から排出される排気ガスに干渉しない組合せ♯１，♯４および♯２，♯３でもって各排気ポートがシリンダヘッド１内で合流してそれぞれ対応する１つの合流排気ポート１０，１１，２２，２３となり、各合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面にそれぞれ開口している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッド構造に関する。

特許文献１に、３つの気筒を備え、これら気筒からそれぞれ延びる合計６つの排気ポートをシリンダヘッド内で１つの排気ポートに集合させた内燃機関が記載されている。

特開２０００−１６１１３２号公報 特開平１０−１９６３１９号公報

特許文献１に記載された内燃機関では、各気筒から延びる全ての排気ポートをシリンダヘッド内で１つの排気ポートに集合させているので、各気筒から排出される排気ガスが互いに干渉が起こりやすく、干渉が起こると、各気筒からの排気ガスの排出性が悪化してしまう。

そこで、本発明の目的は、各気筒から延びる排気ポートをシリンダヘッド内で集合させた内燃機関において、各気筒から排出される排気ガス同士の干渉を抑制することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、少なくとも３つの気筒と、各気筒にそれぞれ接続された排気ポートを備えた内燃機関において、各気筒から排出された排気ガスが別の気筒から排出される排気ガスに干渉しない組合せでもって各排気ポートがシリンダヘッド内で合流してそれぞれ対応する１つの合流排気ポートとなり、各合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面にそれぞれ開口している。

上記課題を解決するために、２番目の発明では、４つの気筒と、各気筒にそれぞれ接続された排気ポートを備えた内燃機関において、排気行程が行われる順に各気筒を第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒と称したときに、第１気筒に接続された排気ポートと第４気筒に接続された排気ポートとが合流して１つの合流排気ポートとなって該合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面に開口していると共に、第２気筒に接続された排気ポートと第３気筒に接続された排気ポートとが合流して１つの合流排気ポートとなって該合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面に開口している。

３番目の発明では、１または２番目の発明において、気筒が略一直線上に並ぶように配置されており、これら気筒が並んでいる方向に沿ったシリンダヘッドの長手中央平面に関して半数の気筒の中心軸線が一方の側へと傾いており且つ残りの半数の気筒の中心軸線が他方の側へと傾いている。

４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、合流排気ポート同士および合流排気ポートに合流する排気ポートの組同士が上下にずれた位置関係でもって形成されている。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、各合流排気ポートがそれぞれ対応する排気管を介して排気浄化触媒を収容した触媒コンバータに接続されている。

本発明によれば、各気筒から排出される排気ガス同士の干渉が抑制される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用された４サイクル内燃機関を示している。本実施形態の内燃機関は、４つの気筒♯１〜♯４を有する。これら４つの気筒は、一直線上に並ぶように配置されている。以下の説明では、各気筒を端から順に、それぞれ、第１気筒♯１、第２気筒♯２、第３気筒♯３、第４気筒♯４と称す。また、以下で説明する実施形態は、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で燃焼が行われる内燃機関を前提としたものである。もちろん、各気筒では、クランク角度１８０°毎に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が行われる。なお、図１において、１は、シリンダヘッドを示し、図２において、１Ａは、シリンダブロックを示している。

各気筒には、吸気ポート２〜５がそれぞれ接続されている。さらに、各気筒からは、排気ポート６〜９がそれぞれ延びている。４つの気筒のうち、最も外側に配置された第１気筒♯１から延びる排気ポート６と最も外側に配置された第４気筒♯４から延びる排気ポート９とは、下流においてシリンダヘッド１内で合流して１つの排気ポート（以下「合流排気ポート」という）１０になっている。一方、４つの気筒のうち、中間に配置された第２気筒♯２から延びる排気ポート７と中間に配置された第３気筒♯３から延びる排気ポート８とは、下流においてシリンダヘッド１内で合流して１つの排気ポート（以下「合流排気ポート」という）１１になっている。

これら合流排気ポート１０，１１は、図２に示したように、上下方向および横方向にずれた形でシリンダヘッド１の側壁面に開口している。そして、これら合流排気ポート１０，１１には、それぞれ対応して、排気管１２，１３が接続される。また、これら排気管１２，１３は、排気ガス中の成分を浄化する触媒（例えば、三元触媒やＮＯｘ触媒）を収容した触媒コンバータ１４の入口部１５に接続されている。また、触媒コンバータ１４の出口部１６にも、排気管１７が接続されている。

ところで、上述したように、本実施形態の内燃機関では、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で燃焼が行われる。したがって、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で排気行程が行われて各気筒から排気ガスが排出される。ここで、順序的に排気行程が連続して行われる気筒（例えば、第１気筒と第３気筒）から延びる排気ポート同士が下流側で合流していると、順序的に先に排気行程が行われる気筒から排出された排気ガスの排出圧力の影響で、順序的に後に排気行程が行われる気筒から排気ガスが排出されづらくなってしまう。そこで、本実施形態では、順序的に排気行程が連続して行われない気筒、すなわち、第１気筒から延びる排気ポートと第４気筒から延びる排気ポートとを合流させていると共に、第２気筒から延びる排気ポートと第３気筒から延びる排気ポートとを合流させているのである。

ところで、このように順序的に排気行程が行われない気筒から延びる排気ポート同士を合流させたとしても、これら気筒から排気ポートの合流地点までの距離によっては、やはり、順序的に後に排気行程が行われる気筒から排気ガスが排出されづらくなってしまうことがある。また、排気ポートの合流地点や触媒コンバータ１４の入口部１５のような箇所における圧力波の反射に起因して排気ポートや排気管内に脈動という現象が生じ、この脈動の影響で気筒から排気ガスが排出されづらくなってしまうことがあることが知られている。

こうした排気ガスの排出性に関する問題は、結局のところ、各気筒から排気ポートの合流地点までの距離や触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離に起因するものであるので、こうした問題が生じないようにするためには、各気筒から排気ポートの合流地点までの距離や触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離を、こうした問題が生じない距離とする必要がある。

ここで、本実施形態では、排気ポートをシリンダヘッド内で合流させるようにしていることから、各気筒から排気ポートの合流地点までの距離や触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離の選択自由度が高い。したがって、本実施形態によれば、各気筒から排気ガスが排出されづらいような状況を確実に回避することができる。なお、上述した排気ガスの排出性に関する問題が生じるか否かは、機関回転数にも影響されるので、各気筒から排気ポートの合流地点までの距離や触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離を決めるときには、例えば、上述した問題が生じやすい機関回転数の範囲においてこうした問題が生じない距離を採用したり、統計的に最も長い時間を占める機関回転数の範囲においてこうした問題が生じない距離を採用したりすると好ましい。

また、本実施形態では、排気ポートをシリンダヘッド１内で比較的長い距離に亘って延在させているので、各気筒から触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離を或る程度長くとらなければならない場合であっても、その距離の殆どをシリンダヘッド１内でまかなうことができ、結果的に、シリンダヘッド１から触媒コンバータ１４の入口部１５までの距離、すなわち、排気管１２，１３の長さが短くてすむ。このため、排気管１２，１３が外気に直接晒される表面積が小さくなることから、そこを通る排気ガスから外気に放出される熱の量が少ない。また、本実施形態では、排気ポート６〜９をシリンダヘッド１内で合流させて２つの合流排気ポート１０，１１としているので、シリンダヘッド１と触媒コンバータ１４の入口部１５とを接続するための排気管は、２本でよい（排気ポートをシリンダヘッド内で合流させていないと、シリンダヘッドと触媒コンバータの入口部とを接続するための排気管は、少なくとも、４本必要である）。このため、シリンダヘッド１と触媒コンバータ１４の入口部１５とを接続する排気管の数が少ないことから、そこを通る排気ガスから外気に放出される熱の量が少ない。したがって、本実施形態によれば、例えば、内燃機関の始動後、触媒コンバータ１４内に配置された触媒が早期に且つ十分に暖気されることになる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、図３〜図５に示されている。第２実施形態の内燃機関も４サイクル内燃機関であり、４つの気筒♯１〜♯４を有する。そして、これら４つの気筒は、概ね、一方向に並ぶように配置されているが、これら気筒が並んでいる方向に沿った内燃機関の本体（すなわち、図示したシリンダヘッド１）の長手中央軸線とクランクシャフトの回転軸線とを含む平面（すなわち、シリンダヘッド１の長手中央平面）Ｐに対し、第１気筒♯１の中心軸線Ａ１と第４気筒♯４の中心軸線Ａ１とが同じ側へ所定の角度αをもって傾いているようにこれら気筒♯１、♯４が配置され、第２気筒♯２の中心軸線Ａ２と第３気筒♯３の中心軸線Ａ２とが反対側の同じ側へ上記所定の角度αをもって傾いているようにこれら気筒♯２、♯３が配置されている。なお、第２実施形態も、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で燃焼が行われる内燃機関を前提としており、各気筒では、クランク角度１８０°毎に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が行われる。

各気筒からは、排気ポート１８〜２１がそれぞれ延びている。４つの気筒のうち、最も外側に配置された第１気筒♯１から延びる排気ポート１８と最も外側に配置された第４気筒♯４から延びる排気ポート２１とは、下流においてシリンダヘッド１内で合流して１つの排気ポート（以下「合流排気ポート」という）２２になっている。一方、４つの気筒のうち、中間に配置された第２気筒♯２から延びる排気ポート１９と中間に配置された第３気筒♯３から延びる排気ポート２０とは、下流においてシリンダヘッド１内で合流して１つの排気ポート（以下「合流排気ポート」という）２３になっている。

これら合流排気ポート２２，２３は、図５に示したように、上下に並んでずれた位置関係でシリンダヘッド１の側壁面に開口している。そして、図３および図４に示されているように、上側に位置する合流排気ポート２２に合流する排気ポート１８，２１が下側に位置する合流排気ポート２３に合流する排気ポート１９，２０の上側に位置するように、これら排気ポート１８〜２１がシリンダヘッド１内に延在している。

ところで、シリンダヘッド１は、ヘッドボルト２４によってシリンダブロック１Ａに取り付けられている。そして、これらヘッドボルト２４は、１つの気筒に対して４つのヘッドボルト２４が該気筒の周りに略等間隔を開けるようにして気筒と排気ポートとの間に配置されており、且つ、第１気筒♯１および第４気筒♯４の中央軸線Ａ１と第２気筒♯２および第３気筒♯３の中央軸線Ａ２とが上述した平面Ｐに関して互いに反対側へ角度αでもって傾くようにしてこれら気筒♯１〜♯４が配置されている。これによれば、シリンダヘッド１およびシリンダブロック１Ａを平面で見たとき、ヘッドボルト２４がシリンダヘッド１全体にバランス良く配置されていることから、シリンダヘッド１がシリンダブロック１Ａにバランス良く取り付けられてシリンダヘッド１とシリンダブロック１Ａとの間に高いシール性が確保されつつも、上述したように排気ポート１８〜２１を形成するのにヘッドボルト２４が邪魔になることがない。すなわち、４つの気筒♯１〜♯４の中央軸線が同一平面上にあるように各気筒が一直線上に並んで配置されている場合に、シリンダヘッドをシリンダブロックにバランス良く取り付けてシリンダヘッドとシリンダブロックとの間に高いシール性を確保するためにシリンダヘッド全体にヘッドボルトを配置してしまうと、上述したように排気ポートを形成しようとしたときにヘッドボルトが邪魔となってしまうが、本実施形態によれば、ヘッドボルトが邪魔になることがない。

もちろん、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、順序的に排気行程が連続して行われない気筒、すなわち、第１気筒から延びる排気ポートと第４気筒から延びる排気ポートとを合流させていると共に、第２気筒から延びる排気ポートと第３気筒から延びる排気ポートとを合流させているので、各気筒から排気ガスが良好に排出される。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、排気ポートをシリンダヘッド内で合流させるようにしていることから、各気筒から排気ポートの合流地点までの距離の選択自由度が高く、さらに、合流排気ポート２２，２３が排気管を介して触媒コンバータの入口部に接続されている場合には、各気筒から触媒コンバータの入口部までの距離の選択自由度が高いので、各気筒から排気ガスが排出されづらいような状況を確実に回避することができる。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、排気ポート１８〜２１をシリンダヘッド１内で合流させて２つの合流排気ポート２２，２３としているので、シリンダヘッド１が排気管を介して触媒コンバータの入口部に接続されている場合には、排気ガスから外気に放出される熱の量が少ない。したがって、本実施形態によっても、例えば、内燃機関の始動後、触媒コンバータ内に配置された触媒が早期に且つ十分に暖気されることになる。

また、上述したように、本実施形態では、一方の合流排気ポート２２およびそれに合流する排気ポート１８，２１と他方の合流排気ポート２３およびそれに合流する排気ポート１９，２０とが互いに上下にずれた位置関係で配置されていることから、シリンダヘッド１を鋳造によって形成するときにこれら排気ポート１８〜２３を形成するための中子の形成も容易であるし、鋳造中の中子の保持や出し入れも容易である。

また、一方の合流排気ポート２２およびそれに合流する排気ポート１８，２１と他方の合流排気ポート２３およびそれに合流する排気ポート１９，２０とが互いに上下の関係で配置されていることから、シリンダヘッド１の横方向の幅が短くなる。

なお、各気筒に配置される排気弁（すなわち、各気筒に接続される排気ポート）は、図示されているように、１つであることが好ましいが、２つでもよい。

本発明が適用された４サイクル内燃機関の第１の実施形態を示している。 図１に示した内燃機関の排気ポート側の側面から見た図である。 本発明が適用された４サイクル内燃機関の第２の実施形態を示している。 図３に示した内燃機関を横から見た図である。 図３に示した内燃機関の排気ポート側の側面から見た図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
１Ａ シリンダブロック
♯１〜♯４ 気筒
６〜９，１８〜２１ 排気ポート
１０，１１，２２，２３ 合流排気ポート
１２，１３ 排気管
１４ 触媒コンバータ
２４ ヘッドボルト
Ａ１，Ａ２ 気筒の中心軸線
Ｐ シリンダヘッドの長手中央平面

Claims (5)

1. 少なくとも３つの気筒と、各気筒にそれぞれ接続された排気ポートを備えた内燃機関において、各気筒から排出された排気ガスが別の気筒から排出される排気ガスに干渉しない組合せでもって各排気ポートがシリンダヘッド内で合流してそれぞれ対応する１つの合流排気ポートとなり、各合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面にそれぞれ開口していることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
2. ４つの気筒と、各気筒にそれぞれ接続された排気ポートを備えた内燃機関において、排気行程が行われる順に各気筒を第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒と称したときに、第１気筒に接続された排気ポートと第４気筒に接続された排気ポートとが合流して１つの合流排気ポートとなって該合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面に開口すると共に、第２気筒に接続された排気ポートと第３気筒に接続された排気ポートとが合流して１つの合流排気ポートとなって該合流排気ポートがシリンダヘッドの側壁面に開口していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
3. 気筒が略一直線上に並ぶように配置されており、これら気筒が並んでいる方向に沿ったシリンダヘッドの長手中央平面に関して半数の気筒の中心軸線が一方の側へと傾いており且つ残りの半数の気筒の中心軸線が他方の側へと傾いていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
4. 合流排気ポート同士および合流排気ポートに合流する排気ポートの組同士が上下にずれた位置関係でもって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
5. 各合流排気ポートがそれぞれ対応する排気管を介して排気浄化触媒を収容した触媒コンバータに接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。

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