JP2008190503A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関のシリンダヘッドにおいて、触媒暖機性能を向上させると共に装置のコンパクト化を図る。
【解決手段】複数の燃焼室16に対して排気ポート18を介して排気通路20の一端部を連通し、この排気通路20の他端部に集合部22を設け、この集合部22にターボ過給機45、排気管46、排気浄化触媒47を連結する一方、排気通路20からターボ過給機45を迂回して排気管46から排気浄化触媒47に連通するバイパス通路52を設けると共に、このバイパス通路52を開閉可能な排気制御弁53を設けて構成し、シリンダヘッド11の内部にバイパス通路52の一部となるバイパス孔62を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、シリンダブロックの上部に締結されることで燃焼室を構成すると共に、この燃焼室に対して吸気通路及び排気通路が設けられた内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。
一般的に、内燃機関において、シリンダヘッドはシリンダブロックの上部に組み付けられ、複数の締結ボルトにより締結されており、直線状をなして複数の燃焼室が配列されている。そして、この各燃焼室に対して吸気ポート及び排気ポートが対向してそれぞれ形成され、この各吸気ポートに吸気通路が連通される一方、各排気ポートに排気通路が連通されており、吸気弁及び排気弁により開閉自在となっている。また、各吸気通路または各燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが装着されると共に、燃焼室の混合気に着火する点火プラグが装着されている。そして、各吸気通路に吸気マニホールドを介して吸気管が連結される一方、各排気通路に排気マニホールドを介して排気管が連結されている。
従って、吸気弁の開放時に、空気が吸気通路から吸気ポートを通って燃焼室に吸入されると共に、インジェクタから燃料が吸気通路または燃焼室に噴射され、燃焼室にて、空気と燃料との混合気がピストンの上昇により圧縮され、この高圧の混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排気ガスが排気ポートを通して排気通路に排出される。
ところで、このような内燃機関において、シリンダヘッドに対して別体の排気マニホールドを固定せずに、シリンダヘッド内に一体に排気集合部を設けることで、小型化を図ったものがある。この排気集合部が一体に形成された従来のシリンダヘッドは、複数の燃焼室に対して排気ポートが連通し、この各排気ポートが集合して側面に開口し、この集合部に排気管が連結され、この排気管にターボ過給機が装着されて構成されている。
なお、上述した従来の内燃機関のシリンダヘッドとしては、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。
特開平01−182560号公報
ところで、内燃機関の排気系には、ターボ過給機と共に排気浄化触媒が装着されている。そして、内燃機関の冷間始動時には、点火時期を遅角し、高温の排気ガスを排気管を通して浄化触媒に導入することで、この排気浄化触媒を暖機して早期活性化を図っている。上述した従来の内燃機関のシリンダヘッドでは、内部に形成された排気通路を集合部で集合してから排気管を連結しているため、排気通路の断面積を減少して排気ガス温度の低下を抑制することで排気浄化触媒の暖機を促進することができる。ところが、排気系にターボ過給機が装着されている内燃機関では、冷間始動時であっても、排気ガスがターボ過給機のタービンを通過するため、ここで排気ガスの熱が奪われて低下し、触媒暖機性能が低下してしまうという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、触媒暖機性能を向上させると共に装置のコンパクト化を図った内燃機関のシリンダヘッドを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられることを特徴とするものである。
また、本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記バイパス通路として、一端部が前記排気通路の集合部に連通して他端部がシリンダヘッド側面に開口するバイパス孔が形成されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記バイパス孔の他端部は、前記排気通路の集合部が開口する側方に開口して形成されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能に設けられることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能な弁本体と、アクチュエータと、該アクチュエータと前記弁本体とを連結するリンクとがユニットとして構成され、この制御弁ユニットがシリンダヘッド側面に設けられることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記過給機のタービンハウジングは、スクロール部を有し、シリンダヘッド側面に固定されることで該スクロール部が前記排気通路の集合部に連通されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記過給機のタービンハウジングは、一端部が外部に開口する排気案内部と、該排気案内部の他端部が連通するスクロール部とを有し、前記排気案内部が前記排気通路の集合部内に配置されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記過給機のタービンハウジングに冷却通路が設けられ、該冷却通路は、シリンダヘッド内部に設けられたウォータジャケットに連通されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記冷却通路は、前記タービンハウジングの外周部に設けられ、上端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水導入口が形成され、下端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水排出口が形成されることを特徴としている。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドによれば、複数の燃焼室に対して排気ポートを介して排気通路の一端部を連通し、他端部に集合部を設け、この集合部に過給機及び排気浄化触媒を連結し、排気通路から過給機を迂回して排気浄化触媒に連通するバイパス通路を設けると共に、このバイパス通路を開閉可能な制御弁を設けて構成し、シリンダヘッド内部にバイパス通路の一部を設けるので、燃焼室から排気浄化触媒までの通路表面積を減少することで、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上させることができると共に、排気ガスを排出する配管を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
以下に、本発明に係る内燃機関のシリンダヘッドの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の実施例1に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図2は、実施例1の内燃機関を表す縦断面図、図3は、実施例1の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図、図4は、実施例1の内燃機関におけるウエストゲート弁を表す断面図である。
実施例1の内燃機関は、直列4気筒エンジンであり、図1及び図2に示すように、シリンダヘッド11はその下部にシリンダブロック12が組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。シリンダブロック12には複数(本実施例では、4つ)のシリンダボア13が直線状に並んで形成され、各シリンダボア13にピストン14がその軸方向に沿って移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック12の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン14はコネクティングロッド15を介してこのクランクシャフトに連結されている。
シリンダヘッド11には、各シリンダボア13に対応してその上方に位置して燃焼室16がそれぞれ形成されている。この燃焼室16は、シリンダボア13の内壁面と、シリンダヘッド11の下面と、ピストン14の頂面により囲繞されており、天井部(シリンダヘッド11の下面)の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この各燃焼室16の上方、つまり、シリンダヘッド11の下面にそれぞれ吸気ポート17と、排気ポート18が対向して開口している。
また、シリンダヘッド11には、一端部が各吸気ポート17に連通し、他端部が一側面に開口する4つの吸気通路19が形成されている。また、シリンダヘッド11には、一端部が各排気ポート18に連通し、他端部が集合して他側面に開口する1つの排気通路20が形成されている。この排気通路20は、各排気ポート18に連通する4つの排気通路部21と、この排気通路部21の端部が集合する集合部22を有しており、各排気通路部21が排気ポート18を通して燃焼室16に連通し、集合部22がシリンダヘッド11の他側面に開口している。
そして、この各吸気ポート17及び排気ポート18に対して吸気弁23及び排気弁24がそれぞれ位置している。この吸気弁23及び排気弁24は、シリンダヘッド11に固定された各ステムガイド25,26により軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、各バルブスプリング27,28により吸気ポート17及び排気ポート18を閉止する方向に付勢支持されている。また、吸気弁23及び排気弁24は、上端部にローラロッカアーム29,30の一端部が連結され、このローラロッカアーム29,30の他端部はシリンダヘッド11に固定されたラッシュアジャスタ31,32に連結されており、吸気カムシャフト33の吸気カム34及び排気カムシャフト35の排気カム36が各ローラロッカアーム29,30に接触している。
従って、内燃機関に同期して吸気カムシャフト33及び排気カムシャフト35が回転すると、吸気カム34及び排気カム36がローラロッカアーム29,30を作動させ、各吸気弁23及び排気弁24が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート17及び排気ポート18を開閉し、吸気通路19と燃焼室16、燃焼室16と排気通路20の排気通路部21とをそれぞれ連通することができる。
また、燃焼室16の側部、つまり、各吸気通路19側のシリンダヘッド11の下面には、この燃焼室16に直接燃料を噴射するインジェクタ37が装着されている。また、燃焼室16の天井部中央、つまり、各吸気通路19と排気通路部21との間のシリンダヘッド11の下面には、点火プラグ38が装着されている。そして、車両には、電子制御ユニット(ECU)が搭載されており、このECUは、インジェクタ37の燃料噴射タイミングや点火プラグ38による点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度(アクセル開度)、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
そして、シリンダヘッド11の一側面に、各吸気通路19に連通する吸気マニホールド39が固定され、この吸気マニホールド39にサージタンク40が連結されている。吸気管41は、上流側の空気取入口にエアクリーナ42が取付けられており、下流側端部がサージタンク40に連結されており、エアクリーナ42の下流側に位置してスロットル弁43を有する電子スロットル装置44が設けられている。
一方、シリンダヘッド11の他側面に、排気通路20の集合部22に連通するターボ過給機45が固定され、このターボ過給機45に排気管46が連結され、この排気管46に排気浄化触媒(三元触媒)47が装着されている。このターボ過給機45は、吸気管41側に設けられたコンプレッサ48と排気管46側に設けられたタービン49とが連結軸50により一体に連結されて構成されている。そして、このターボ過給機45におけるコンプレッサ48の下流側であって、電子スロットル装置44(スロットル弁43)の上流側の吸気管41には、このコンプレッサ48により圧縮されて温度上昇した吸入空気を冷却するインタークーラ51が設けられている。
ここで、本実施例のエンジンにおける排気系について詳細に説明する。本実施例のエンジンでは、図1、図3及び図4に示すように、シリンダヘッド11に形成された排気通路20からターボ過給機45を迂回して排気浄化触媒47に連通するバイパス通路52が設けられると共に、このバイパス通路52を開閉可能なウエストゲート機能を有する排気制御弁53が設けられており、シリンダヘッド11の内部にこのバイパス通路52の一部が設けられている。
即ち、上述したように、シリンダヘッド11には、一端部が燃焼室16に連通する吸気通路19が形成され、この吸気通路19の他端部はシリンダヘッド11の一側面に開口している。また、シリンダヘッド11には、一端部が燃焼室16に連通する排気通路20が形成されており、この排気通路20の他端部は集合部22としてシリンダヘッド11の他側面に開口している。そして、シリンダヘッド11には、吸気通路19の上下に位置してウォータジャケット54a,54bが形成される一方、排気通路20の上下に位置してウォータジャケット55a,55bが形成されている。各ウォータジャケット54a,54b,55a,55b内にはエンジン冷却水が充填されており、図示しないウォータポンプにより循環可能となっている。
ターボ過給機45は、コンプレッサ48とタービン49とが連結軸50により一体に連結されてなり、コンプレッサ48はコンプレッサハウジング56に収容され、タービン49はタービンハウジング57に収容され、連結軸50は連結軸ハウジング58に収容され、各ハウジング56,57,58が一体に連結されている。そして、タービンハウジング57は、内側にスクロール部59を形成する内部ハウジング57aと、この内部ハウジング57aを被覆し、内側に冷却通路60を形成する外部ハウジング57bとから構成されている。この場合、内部ハウジング57aは鋳造により製造され、外部ハウジング57bは板金により製造され、両ハウジング57a,57bが一体に固着されている。
そして、タービンハウジング57は、スクロール部59の排気導入部59aが排気通路20の集合部22に連通するようにシリンダヘッド11の側面に密着し、フランジ部57cが複数の締結ボルト61によりシリンダヘッド11に固定されている。また、タービンハウジング57は、上端部に冷却水導入口60aが形成され、下端部に冷却水排出口60bが形成されており、シリンダヘッド11に固定された状態で、冷却水導入口60aがウォータジャケット55aと連通し、冷却水排出口60bがウォータジャケット55bと連通している。
また、上述したバイパス通路52は、シリンダヘッド11の内部に形成されたバイパス孔62と、シリンダヘッド11と排気管46を連結するバイパス管63とから構成され、このバイパス管63に排気制御弁53が連結されている。即ち、バイパス孔62は、シリンダヘッド11内に一体に形成され、平面視がL字形状をなし、一端部が排気通路20における集合部22の側部に連通し、他端部がシリンダヘッド11の側面に開口している。この場合、バイパス孔62の他端部は、排気通路20の集合部22が開口する側方に開口している。つまり、シリンダヘッド11の側面にて、バイパス孔62の開口と、排気通路20における集合部22の開口が水平方向に並んで形成されている。
そして、排気制御弁53において、ケース64は円筒箱型形状をなし、一端部がシリンダヘッド11の側面に密着し、他端部がバイパス管63の一端部に密着し、それぞれ図示しない締結ボルトにより固定されている。アーム65は、基端部がケース64に支持軸66をもって回転自在に支持されており、バイパス孔62の他端部(開口)を開閉可能な弁本体67が取付けられている。この弁本体67は、バイパス孔62の開口を閉止できるように、このバイパス孔62の開口周辺のシリンダヘッド11の側面に装着されたバルブシート(シール部材)68に密着可能となっている。また、シリンダヘッド11には、アクチュエータ69が装着されており、駆動ロッド69aの先端部とアーム65の基端部がリンク70により連結されている。なお、バイパス管63の他端部は、排気管46におけるターボ過給機45と排気浄化触媒47の間に連結されている。
このように排気制御弁53は、ケース64、アーム65、支持軸66、弁本体67、アクチュエータ69、リンク70がユニットとして構成されており、この排気制御弁ユニットがシリンダヘッド11の側面に設けられることとなる。従って、アクチュエータ69を駆動して駆動ロッド69aを軸方向に移動すると、リンク70を介してアーム65を支持軸66を支点に回動し、弁本体67によりバイパス孔62、つまり、バイパス通路52を開閉することができる。この場合、排気制御弁53は、バイパス通路52を開閉することで、ターボ過給機45による過給圧をコントロールすることができ、吸気側の過給圧が所定の圧力に達すると、それ以上コンプレッサ48が加圧しないように、排気ガスを放出してタービン49の回転を抑制するものである。また、この排気制御弁53は、後述するが、エンジンの冷間始動時に、排気ガスをタービン49を迂回して排気浄化触媒47に直接流入させることで、この排気浄化触媒47を暖機して早期活性化を図るものである。
ここで、上述したシリンダヘッド11が組み付けられた内燃機関の作動について説明する。図1乃至図4に示すように、エアクリーナ42を通して吸気管41に導入された空気は、ターボ過給機45のコンプレッサ48により圧縮される。そして、圧縮された過給吸気は、スロットル弁43に調量されてからサージタンク40に流れ、吸気マニホールド39を介してシリンダヘッド11の各吸気通路19を通って各吸気ポート17に至り、吸気弁23の開放時に、吸気ポート17の空気が燃焼室16に吸入される。そして、この吸気行程時またはピストン14が上昇して吸入空気を圧縮する圧縮行程時に、インジェクタ37が燃焼室16に対して所定量の燃料を噴射する。すると、燃焼室16にて、高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気に対して点火プラグ38が着火して爆発することで、ピストン14が押し下げられて駆動力を出力する。
その後、排気弁24の開放時に、各燃焼室16の排気ガスが排気ポート18を通って排気通路20に流れ、集合部22で集合されてシリンダヘッド11から排出される。シリンダヘッド11から排出された排気ガスは、ターボ過給機45のタービン49を駆動し、このタービン49と連結軸50により連結されたコンプレッサ48を駆動することで、吸気管41に導入された空気を圧縮することができる。そして、タービン49を駆動した排気ガスは、排気管46を通って排気浄化触媒47に流入し、ここで、排気ガス中の有害物質が浄化処理されてから大気に放出される。
ところで、エンジンの冷間始動時には、排気浄化触媒47が低温状態にあって、排気ガスの活性化温度まで達していないため、点火時期を大幅に遅角して点火プラグ38により点火することで、燃料の燃焼エネルギがエンジンを駆動させるために消費されるのを減じ、高温の排気ガスにより排気浄化触媒47を急速暖機させるようにしている。そのため、このとき、ECUは、排気制御弁53のアクチュエータ69を駆動することで、弁本体67によりバイパス孔62(バイパス通路52)を開放する。すると、燃焼室16から排気ポート18を通して排気通路20に排出された高温の排気ガスは、集合部22からバイパス通路52を通って排気管46に流れ、ターボ過給機45を迂回して排気浄化触媒47へ直接流入する。そのため、この高温の排気ガスにより排気浄化触媒47を効率的に暖機して活性化させることができる。
また、ターボ過給機45では、シリンダヘッド11のウォータジャケット55aを流れるエンジン冷却水が、タービンハウジング57の冷却水導入口60aから冷却通路60に導入され、スクロール部59の外側を流れ、冷却水排出口60bからウォータジャケット55bに排出される。そのため、高温の排気ガスにより加熱されるタービン49やタービンハウジング57が適正に冷却される。
このように実施例1の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室16に対して排気ポート18を介して排気通路20の一端部を連通し、この排気通路20の他端部に集合部22を設け、この集合部22にターボ過給機45、排気管46、排気浄化触媒47を連結する一方、排気通路20からターボ過給機45を迂回して排気管46から排気浄化触媒47に連通するバイパス通路52を設けると共に、このバイパス通路52を開閉可能な排気制御弁53を設けて構成し、シリンダヘッド11の内部にバイパス通路52の一部を設けている。
従って、エンジンの冷間始動時に、排気制御弁53によりバイパス通路52を開放することで、燃焼室16から排気ポート18を通して排気通路20に排出された高温の排気ガス26が、集合部22からバイパス通路52を通って排気管46に流れ、ターボ過給機45を迂回して排気浄化触媒47へ直接流入することとなる。そのため、燃焼室16から排気浄化触媒47までの通路表面積が減少し、ターボ過給機45により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒47を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
また、この場合、シリンダヘッド11の内部にバイパス通路52の一部としてのバイパス孔62を形成している。従って、高温状態にあるシリンダヘッド11内にバイパス孔62を形成することで、排気ガス温度の低下を抑制して媒暖機性能を向上することができると共に、外部に露出する配管(バイパス管63)を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
また、本実施例では、バイパス通路52として、シリンダヘッド11の内部にバイパス孔62を形成し、このバイパス孔62の一端部を排気通路20の集合部22に連通し、他端部をシリンダヘッド11の側面に開口している。従って、排気通路20から排気浄化触媒47までの距離を短くし、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上することができると共に、排気ガスを集合部22から抜き取るため、各気筒間の背圧のばらつきがなくなり、燃焼を改善することができる。
そして、このバイパス孔62は、他端部が排気通路20の集合部22が開口する側方に開口して形成しており、ターボ過給機45のタービンハウジング57や排気管46、排気浄化触媒47などを容易に装着することができ、装置の簡素化を図ることができる。
また、本実施例では、排気制御弁53をバイパス孔62の他端部の開港を開閉可能に設けている。そして、この場合、排気制御弁53を、ケース64、アーム65、支持軸66、弁本体67、アクチュエータ69、リンク70がユニットとなるように構成され、この排気制御弁ユニットをシリンダヘッド11の側面に設けている。従って、排気管46よりも低温状態に維持されるシリンダヘッド11側に排気制御弁53を設けることで、熱による損傷を防止して信頼性を向上することができると共に、耐熱材料を減少して低コスト化を図ることができる。
また、本実施例では、ターボ過給機45のタービンハウジング57にスクロール部59を設け、このタービンハウジング57をシリンダヘッド11の側面に固定することで、スクロール部59と排気通路20の集合部22を連通するようにしている。従って、ターボ過給機45をコンパクトな構造にすることができ、装置の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
更に、本実施例では、ターボ過給機45のタービンハウジング57に冷却通路60を設け、この冷却通路60をシリンダヘッド11の内部に設けられたウォータジャケット55a,55bに連通している。従って、シリンダヘッド11のウォータジャケット55aを流れるエンジン冷却水をタービンハウジング57の冷却通路60に導入して冷却することができ、高温の排気ガスにより加熱されるタービン49やタービンハウジング57が適正に冷却し、材料の低コスト化を可能とすることができる。
この場合、冷却通路60をタービンハウジング57の外周部に設け、上端部にウォータジャケット55aに連通する冷却水導入口60aを形成し、下端部にウォータジャケット55bに連通する冷却水排出口60bを形成している。従って、シリンダヘッド11のウォータジャケット55aを流れるエンジン冷却水が、タービンハウジング57の冷却水導入口60aから冷却通路60に導入され、スクロール部59の外側を流れ、冷却水排出口60bからウォータジャケット55bに排出されることとなり、高温の排気ガスにより加熱されるタービン49やタービンハウジング57を効率的に冷却することができる。
そして、このタービンハウジング57を、スクロール部59を形成する内部ハウジング57aと、この内部ハウジング57aを被覆して冷却通路60を形成する外部ハウジング57bとから構成し、内部ハウジング57aを鋳造により製造し、外部ハウジング57bを板金により製造し、両ハウジング57a,57bが一体に固着している。従って、内部ハウジング57aにより耐熱性及び強度を確保でき、外部ハウジング57bにより軽量化及び低コスト化を可能とすることができる。
図5は、本発明の実施例2に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図6は、実施例2の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例2の内燃機関において、図5及び図6に示すように、シリンダヘッド71は、その下部にシリンダブロック12が組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。このシリンダヘッド71には、複数の燃焼室16が形成され、吸気ポート17と排気ポート18が対向して開口しており、この吸気ポート17を介して吸気通路19が連通すると共に、排気ポート18を介して排気通路20が連通しており、排気通路20は、4つの排気通路部21と1つの集合部22を有し、集合部22がシリンダヘッド71の他側面に開口している。
シリンダヘッド71の側面に、排気通路20の集合部22に連通するターボ過給機45が固定され、このターボ過給機45に排気管46が連結され、この排気管46に排気浄化触媒47が装着されている。そして、シリンダヘッド71に形成された排気通路20からターボ過給機45を迂回して排気浄化触媒47に連通するバイパス通路72が設けられると共に、このバイパス通路72を開閉可能なウエストゲート機能を有する排気制御弁73が設けられており、シリンダヘッド71の内部にこのバイパス通路72の一部が設けられている。
このバイパス通路72は、シリンダヘッド11の内部に形成されたバイパス孔74と、シリンダヘッド71と排気管46を連結するバイパス管75とから構成され、シリンダヘッド71側に排気制御弁73が連結されている。即ち、バイパス孔74は、シリンダヘッド71内に傾斜して一体に形成され、上端部が排気通路20における集合部22の下部に連通し、下端部がシリンダヘッド71の側面に開口している。この場合、バイパス孔74の下端部は、排気通路20の集合部22が開口する下方に開口している。つまり、シリンダヘッド71の側面にて、バイパス孔74の開口と、排気通路20における集合部22の開口が鉛直方向に並んで形成されている。
そして、シリンダヘッド71のバイパス孔74の開口に排気制御弁73が装着されると共に、バイパス管75が連結されている。なお、このバイパス管75の他端部は、図示しないが、排気管46におけるターボ過給機45と排気浄化触媒47の間に連結されている。
なお、本実施例のエンジンの作動については、上述した実施例1とほぼ同様であるため、説明は省略する。
このように実施例2の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室16に対して排気ポート18を介して排気通路20の一端部を連通し、この排気通路20の他端部に集合部22を設け、この集合部22にターボ過給機45、排気管46、排気浄化触媒47を連結する一方、排気通路20からターボ過給機45を迂回して排気管46から排気浄化触媒47に連通するバイパス通路72を設けると共に、このバイパス通路72を開閉可能な排気制御弁73を設けて構成し、シリンダヘッド71の内部にバイパス通路72の一部としてのバイパス孔74を形成している。
従って、エンジンの冷間始動時に、排気制御弁73によりバイパス通路72を開放することで、燃焼室16から排気ポート18を通して排気通路20に排出された高温の排気ガスが、集合部22からバイパス通路72を通って排気管46に流れ、ターボ過給機45を迂回して排気浄化触媒47へ直接流入することとなる。そのため、燃焼室16から排気浄化触媒47までの通路表面積が減少し、ターボ過給機45により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒47を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
また、この場合、シリンダヘッド71の内部にバイパス通路72の一部としてのバイパス孔74を形成している。従って、高温状態にあるシリンダヘッド11内にバイパス孔74を形成することで、排気ガス温度の低下を抑制して媒暖機性能を向上することができると共に、外部に露出する配管(バイパス管75)を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
また、バイパス通路72として、シリンダヘッド71の内部にバイパス孔74を形成し、このバイパス孔74の一端部を排気通路20の集合部22に連通し、他端部をシリンダヘッド11の側面に開口している。従って、排気通路20から排気浄化触媒47までの距離を短くし、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上することができると共に、排気ガスを集合部22から抜き取るため、各気筒間の背圧のばらつきがなくなり、燃焼を改善することができる。
図7は、本発明の実施例3に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図8は、実施例3の内燃機関のシリンダヘッドを表す要部縦断面図(図7のVIII−VIII断面図)である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例3の内燃機関において、図7及び図8に示すように、シリンダヘッド81には、複数の燃焼室82a,82b,82c,82dが形成され、吸気ポート83a,83b,83c,83dと排気ポート84a,84b,84c,84dが対向して開口しており、この吸気ポート83a,83b,83c,83dを介して4つの吸気通路85a,85b,85c,85dが連通すると共に、排気ポート84a,84b,84c,84dを介して1つの排気通路86が連通しており、この排気通路86は、4つの排気通路部87a,87b,87c,87dと2つの集合部88a,88bを有し、各集合部88a,88bがシリンダヘッド81の他側面に開口する連結孔89に連通している。
そして、シリンダヘッド81の一側面に、各吸気通路85a,85b,85c,85dに連通する吸気マニホールド90が固定され、この吸気マニホールド90にサージタンク91が連結されている。吸気管92は、上流側の空気取入口にエアクリーナ93が取付けられており、下流側端部がサージタンク91に連結されており、エアクリーナ93の下流側に位置してスロットル弁94を有する電子スロットル装置95が設けられている。一方、シリンダヘッド81の他側面における連結孔89に排気通路86の集合部88a,88bに連通するターボ過給機96が固定され、このターボ過給機96に排気管97が連結され、この排気管97に排気浄化触媒98が装着されている。そして、図示しないが、シリンダヘッド81に形成された排気通路86からターボ過給機96を迂回して排気浄化触媒98に連通するバイパス通路と排気制御弁が設けられている。
また、ターボ過給機96は、ツインエントリー式のターボ過給機であって、コンプレッサ101とタービン102とが連結軸103により一体に連結されてなり、コンプレッサ101はコンプレッサハウジング104に収容され、タービン102はタービンハウジング105に収容され、連結軸103は連結軸ハウジング106に収容され、各ハウジング104,105,106が一体に連結されている。そして、タービンハウジング105は、内側に図示しない2つのスクロール部が形成されている。
また、ターボ過給機96のタービンハウジング105は、シリンダヘッド81の連結孔89に嵌合可能な連結部107が連結されている。この連結部107は、内筒108及び外筒109により構成され、2つの排気案内部110,111が形成されている。この排気案内部110,111は、一端部がタービンハウジング105内の各スクロール部に連通する一方、排気案内部110の他端部に開口110aが形成され、排気案内部111の他端部が変速してその左右側部に開口111aが形成されている。また、シリンダヘッド81の連結孔89には、その入口部に雌ねじ部89aが形成され、連結部107には、その基端部側にこの雌ねじ部89aに螺合可能な雄ねじ部107aが形成されると共に、雄ねじ部107aにロックナット112が螺合している。
そのため、タービンハウジング105の連結部107をシリンダヘッド81の連結孔89に嵌合し、雄ねじ部107aを雌ねじ部89aに螺合させた後、ロックナット112を締結することで、タービンハウジング105がシリンダヘッド81に固定される。そして、この状態では、タービンハウジング105の排気案内部110,111がシリンダヘッド71の排気通路86における集合部88a,88b内に配置されることとなる。そして、燃焼室82b,82cが排気通路部87b,87c、集合部88aを介して排気案内部110に連通し、燃焼室82a,82dが排気通路部87a,87d、集合部88bを介して排気案内部111に連通する。
従って、各燃焼室82b,82cの排気ガスが排気通路部87b,87c及び集合部88aを通って排気案内部110に導入され、この排気案内部110を通ってターボ過給機96における一方のスクロール部に流入し、また、各燃焼室82a,82dの排気ガスが排気通路部87a,87d及び集合部88bを通って排気案内部111に導入され、この排気案内部111を通ってターボ過給機96における他方のスクロール部に流入する。そのため、各スクロール部に流入した排気ガスにより、タービン102を駆動し、このタービン102と連結軸103により連結されたコンプレッサ101を駆動することで、吸気管92に導入された空気を圧縮することができる。そして、タービン102を駆動した排気ガスは、排気管97を通って排気浄化触媒98に流入し、ここで、排気ガス中の有害物質が浄化処理されてから大気に放出される。
なお、本実施例のエンジンの作動については、上述した実施例1とほぼ同様であるため、説明は省略する。
このように実施例3の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室82a,82b,82c,82dに対して排気ポート84a,84b,84c,84dを介して排気通路86の一端部を連通し、この排気通路86の他端部に集合部88a,88bを設け、この集合部88a,88bにターボ過給機96、排気管97、排気浄化触媒98を連結し、タービンハウジング105の連結部107に一端部が外部に開口する排気案内部110,111を設け、この排気案内部110,111を排気通路86の集合部88a,88b内に配置している。
従って、タービンハウジング105の連結部107をシリンダヘッド81の連結孔89に嵌合して固定することで、タービンハウジング105をシリンダヘッド81に装着することができ、ターボ過給機96の組付性を向上することができる。また、排気案内部110,111がシリンダヘッド81内に配置されることで、ターボ過給機96自体をコンパクトとして小型化することができ、燃焼室82a,82b,82c,82dから排気浄化触媒98までの通路表面積が減少し、ターボ過給機96により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒98を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
なお、上述した各実施例では、内燃機関を直列4気筒エンジンとして説明したが、この形式に限定されるものではない。また、上述した各実施例では、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の内燃機関として説明したが、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式内燃機関に適用しても前述と同様の作用効果を奏することができる。
以上のように、本発明に係る内燃機関のシリンダヘッドは、内部に過給機を迂回するバイパス通路の一部を設けることで、触媒暖機性能を向上させると共に装置のコンパクト化を図るものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
本発明の実施例1に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例1の内燃機関を表す縦断面図である。 実施例1の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。 実施例1の内燃機関におけるウエストゲート弁を表す断面図である。 本発明の実施例2に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例2の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。 本発明の実施例3に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例3の内燃機関のシリンダヘッドを表す要部縦断面図(図7のVIII−VIII断面図)である。
符号の説明
11,71,81 シリンダヘッド
12 シリンダブロック
14 ピストン
16,82a,82b,82c,82d 燃焼室
17,83a,83b,83c,83d 吸気ポート
18,84a,84b,84c,84d 排気ポート
19,85a,85b,85c,85d 吸気通路
20,86 排気通路
21,87a,87b,87c,87d 排気通路部
22,88a,88b 集合部
37 インジェクタ
38 点火プラグ
41,92 吸気管
45,96 ターボ過給機(過給機)
46,97 排気管
47,98 排気浄化触媒
49,102 タービン
52,72 バイパス通路
53,73 排気制御弁(制御弁)
54a,54b,55a,55b ウォータジャケット
57,104 タービンハウジング
59 スクロール部
60 冷却通路
62,74 バイパス孔
63,75 バイパス管
107 連結部
110,111 排気案内部

Claims (9)

  1. 複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  2. 請求項1に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記バイパス通路として、一端部が前記排気通路の集合部に連通して他端部がシリンダヘッド側面に開口するバイパス孔が形成されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  3. 請求項2に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記バイパス孔の他端部は、前記排気通路の集合部が開口する側方に開口して形成されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  4. 請求項2または3に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能に設けられることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  5. 請求項3または4に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能な弁本体と、アクチュエータと、該アクチュエータと前記弁本体とを連結するリンクとがユニットとして構成され、この制御弁ユニットがシリンダヘッド側面に設けられることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  6. 請求項1から5のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記過給機のタービンハウジングは、スクロール部を有し、シリンダヘッド側面に固定されることで該スクロール部が前記排気通路の集合部に連通されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  7. 請求項1から5のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記過給機のタービンハウジングは、一端部が外部に開口する排気案内部と、該排気案内部の他端部が連通するスクロール部とを有し、前記排気案内部が前記排気通路の集合部内に配置されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  8. 請求項1から7のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記過給機のタービンハウジングに冷却通路が設けられ、該冷却通路は、シリンダヘッド内部に設けられたウォータジャケットに連通されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  9. 請求項8に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記冷却通路は、前記タービンハウジングの外周部に設けられ、上端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水導入口が形成され、下端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水排出口が形成されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
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