JP2010144546A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気圧力を低下させることにより、体積効率の向上が可能な排気装置を提供する。
【解決手段】 燃焼室１０に連通する管状の排気ポート１２と、排気ポート１２と比較して大きい流路断面積を有するとともに排気ポート１２の下流端１２ｂに連結されたチャンバ１３とを備えた内燃機関１であって、排気ポート１２の流路長Ｌが、排気ポート１２の上流端１２ａにおける径Ｄの２倍より短いことを特徴とする。チャンバ１３は、シリンダヘッド４に形成されていることを特徴とする。チャンバ１３の燃焼室１０側の側壁１３ａにシリンダヘッド４をシリンダブロック２に締結するシリンダヘッドボルトが挿入されるボス部２３が形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は内燃機関の排気装置に関し、特に自動車用内燃機関の排気ポートおよびその下流の排気集合部の構造に関するものである。

複数の気筒を備える内燃機関において、各気筒から排出される排気は、各燃焼室に連通する排気ポートを通過し、排気ポートの下流端に連結された排気マニホールドにおいて集合されるのが一般的である。排気マニホールドには、排気脈動による排気干渉を抑制するのみならず、排気脈動による掃気効果や排気慣性を利用して排気効率を向上させるべく、排気ポート下流に連通する各気筒の数に応じた分岐管と、この分岐管の下流端に結合された排気集合部とを備え、分岐管を介して排気集合部を燃焼室から所定の距離を離して設けたものがある。

一方、排気ポートの直下に複数の排気ポートからの排気を集合する拡張室を設け、この拡張室における排気の拡張作用により排気圧力を低下させるとともに排気の脈動を減衰し、排気干渉を低減したものがある（例えば、特許文献１）。
特開平４−３５８７１８号公報

排気ポート及びその下流に排気マニホールドの排気集合部を設けてなる内燃機関においては、排気ポートの流路長と、その下流に設けられる排気集合部の構成および位置との影響を受けて排気ポート内の排気圧力が変化し、排気効率および体積効率が大きく変化することが本願出願人の研究により見出された。

本発明は、排気圧力を低下させることによって体積効率を向上させることができる排気装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の発明は、燃焼室（１０）に連通する管状の排気ポート（１２）と、前記排気ポートと比較して大きい流路断面積を有するとともに前記排気ポートの下流端（１２ｂ）に連結されたチャンバ（１３）とを備えた内燃機関（１）であって、前記排気ポートの流路長（Ｌ）が、前記排気ポートの上流端１２ａにおける径（Ｄ）の２倍より短いことを特徴とする。

この構成によれば、短い排気ポートの下流にチャンバが設けられたことにより、気筒より排出された排気は瞬時に排気ポートを通過し、チャンバ内で膨張して圧力が低下する。そのため、排気ポートの上流端付近の排気圧力が低下され、気筒からの排気の排出が促進される。すなわち、排気効率が向上される。また、チャンバでの排気圧力の低下により、排気脈動および排気干渉の発生が抑制されて、排気効率および体積効率が向上される。

第２の発明は第１の発明において、前記チャンバは、シリンダヘッド（４）に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、排気マニホールドを設ける必要がなくなるため、内燃機関のコンパクト化、部品点数および製造費用の削減、組付け工程の削減が図れる。

第３の発明は第２の発明において、前記チャンバの前記燃焼室側の側部（側壁１３ａ）に前記シリンダヘッドをシリンダブロックに締結するシリンダヘッドボルトが挿入されるボス部（２３）が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ボス部の一部をチャンバの側部と一体化させることができるため、ボス部を独立して設けた場合に比較して、重量の削減が可能となる。

以上の構成によって、排気ポートの上流端における排気圧力の低下と、排気脈動および排気干渉の抑制とが可能になり、排気効率の向上が図れる。排気効率の向上により、体積効率および出力が向上する。

以下、図面を参照して、本発明を自動車用内燃機関に適用した一実施形態を詳細に説明する。図１は実施形態に係る内燃機関１を一部破断して示す断面図であり、図２はシリンダヘッドを示す縦断面図であり、図３はシリンダヘッド４を示す横断面図である。以下の説明では、「上流」および「下流」の語は、内燃機関１を通過する気体の流れに対して用いる。また、内燃機関１のクランクシャフト９が延在する方向を長手方向とし、長手方向に直行する方向を幅方向として説明する。

内燃機関１は、直列３気筒の４サイクルガソリンエンジンであって、図１に示すように、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の下部に接合されたオイルパン３と、シリンダブロック２の上部に接合されたシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４の上部に接合されたヘッドカバー５とを備えている。

シリンダブロック２には、３つのシリンダボア６が列設されており、各シリンダボア６にはピストン７が摺動自在に収容されている。各ピストン７は、シリンダブロック２の下部のクランクケース２ａに軸支されたクランクシャフト９に、コネクティングロッド８を介して連結されている。

シリンダヘッド４には、各シリンダボア６に対応する３つの燃焼室１０と、各燃焼室１０に連通する２つの吸気ポート１１および２つの排気ポート１２と、各排気ポート１２の下流端１２ｂに連通するチャンバ１３とが形成されている。チャンバ１３の体積は各排気ポート１２の体積に比較して十分に大きく、かつチャンバ１３の流路断面積は排気ポート１２の流路面積と比較して大きい。燃焼室１０内には、吸気弁１４のバルブヘッド１４ａおよび排気弁１５のバルブヘッド１５ａが配置されている。燃焼室１０と吸気ポート１１との境界部分には、吸気弁１４のバルブヘッド１４ａが着座する環状のバルブシート１６が設けられている。同様に、燃焼室１０と排気ポート１２との境界部分には、排気弁１５のバルブヘッド１５ａが着座する環状のバルブシート１７が設けられている。

吸気弁１４および排気弁１５は、図示しないバルブスプリングによって、バルブヘッド１４ａ，１５ａがバルブシート１６，１７に着座する方向に付勢されて、吸気ポート１１および排気ポート１２を閉じ、クランクシャフト９の回転に伴って回転するカムシャフト（図示しない）により駆動されて、吸気ポート１１または排気ポート１２を開く。

吸気ポート１１の上流側は気筒毎に集合されて３つの通路を形成し、その上流端１１ａはシリンダヘッド４の側面へとそれぞれ開口している。各吸気ポート１１の上流端１１ａは、シリンダヘッド４の側面に接合された吸気マニホールド２１の分岐した下流端と連通している。吸気マニホールド２１の上流側には、いずれも図示しないエアクリーナおよびエアインレット等が設けられている。また、吸気マニホールド２１には燃料噴射装置２２が設けられている。吸気ポート１１の下流端１１ｂは燃焼室１０の上壁に開口している。吸気ポート１１の上部には孔１１ｃが穿設されており、孔１１ｃには円筒状のバルブガイド１８が嵌入されている。バルブガイド１８には、吸気弁１４のバルブステム１４ｂが挿入される。

図２に示すように、排気ポート１２は、燃焼室１０の上壁に開口する上流端１２ａから、シリンダヘッド４の幅方向であって燃焼室１０から遠ざかる方向に少し傾斜しつつ上方へと延びた後、湾曲して下流端１２ｂは概ね水平方向を向いている。排気ポート１２の下流端１２ｂは、チャンバ１３の燃焼室側の側壁１３ａに開口している。チャンバ１３はシリンダヘッド内に設けれ排気ポート１２の上部には孔１２ｃが穿設されており、孔１２ｃには円筒形状のバルブガイド１９が嵌入されている。バルブガイド１９には、排気弁１５のバルブステム１５ｂが挿入される。

排気ポート１２の上流端１２ａは円形に形成されている。排気ポート１２の流路長Ｌは、上流端１２ａにおける径（直径）Ｄの２倍より短くなるように形成されている。ここでの流路長Ｌは、上流端１２ａにおける管路の中心から、排気ポート１２の各横断面における中心を通過して下流端１２ｂにおける管路の中心に到る長さをいう。排気ポート１２の上流端１２ａとは燃焼室１０との境界部分、換言するとバルブシート１７の燃焼室１０側の端部をいうものとする。排気ポート１２の下流端１２ｂとは、チャンバ１３との境界部分をいう。上流端１２ａにおける径Ｄは、バルブシート１７を取り付けるために拡径された部分の径ではなく、バルブシート１７の下流端に接合する部分の径をいうものとする（図２参照）。なお、他の実施形態においては、上流端１２ａの形状を例えば楕円のような他の形状にしてもよい。楕円のような他の形状を適用した場合には、径Ｄは最も小さい部分、例えば楕円においては短径を径Ｄとする。

図３に示すように、チャンバ１３は、シリンダヘッド４の長手方向に延設され、燃焼室側と相反する側の側壁１３ｂがシリンダヘッド４の幅方向外方へと膨出している。チャンバ１３の燃焼室側の側壁１３ａには各排気ポート１２の下流端１２ｂが開口しており、燃焼室側と相反する側の側壁１３ｂの長手方向における中央部には排気口１３ｃが形成されている。図１に示すように、チャンバ１３の燃焼室側と相反する側の側壁１３ｂには、触媒コンバータ２０の上流端に形成されたフランジ部２０ａがボルトによって締結され、排気口１３ｃと触媒コンバータ２０とが連通されている。触媒コンバータ２０の下流には、図示しないマフラーが連結され排気が大気中に排出されるようになっている。

チャンバ１３の燃焼室側の側壁１３ａは、各燃焼室１０間に対応する部分が平面視においてチャンバ１３の内方へと窪んで形成され、この窪んだ部分に内燃機関１の上下方向に延設されたボス部２３が形成されている。ボス部２３には、シリンダヘッド４をシリンダブロック２に締結するためのシリンダヘッドボルト（図示しない）が挿通される。チャンバ１３の排気ポート１２の下流端１２ｂと連結する部分は、ボス部２３によって各燃料室１０に対応するように区画され、排気ポート連結部１３ｂを構成する。排気ポート連結部１３ｂは排気ポート１２に比較して流路断面積が大きく設定されており、排気ポート１２から排気ポート連結部１３ｂに進入した排気は膨張する。そのため、排気ポート連結部１３ｂはチャンバ１３の一部として機能する。排気ポート連結部１３ｂの長さおよび形状は、ボス部２３の位置および大きさに応じて定まる。排気ポート連結部１３ｂは、下流に進むにつれて、その流路断面積が大きくなるように形成してもよい。本実施形態では、ボス部２３はその大部分がチャンバ１３内に配置されており、排気ポート連結部１３ｂの長さは約４５ｍｍとなっている。なお、他の実施形態においては、ボス部２３の位置によって、排気ポート連結部１３ｂを短縮、または省略してもよい。

次に、本実施形態に係る内燃機関１の作用効果について説明する。本実施形態に係る内燃機関１の作用を、排気ポートの下流にチャンバを備えない比較対象としての内燃機関（以下、比較対象という）と比較して説明する。本実施形態に係る内燃機関１は排気ポート１２の流路長Ｌが４０．０ｍｍであり、かつ排気ポート１２の下流にチャンバ１３を備えている。一方、比較対象は、排気ポートの流路長が１００．０ｍｍであり、排気ポートの下流にチャンバを備えておらず、各排気ポートが互いに集合されて１つの管路をなす構造となっている。本実施形態に係る内燃機関１と比較対象とは、ともに各気筒の排気量が２２０ｃｃであり、３つの排気ポート連結部１３ｂの体積を含むチャンバ１３の体積が０．２Ｌであり、排気ポートの上流端の直径が２０．５ｍｍであり、排気ポート連結部１３ｂの流路長Ｌ２、すなわち排気ポート１２の下流端１２ｂからボス部２３の燃焼室１０と相反する側までの、平面視においてクランク軸に垂直となる方向の長さが４５ｍｍである。なお、他の条件は、実施形態に係る内燃機関１と比較対象との間で同様ある。

図４は、実施形態に係る内燃機関１の排気ポート１２内の排気圧力に対する作用を示す図であって、本実施形態に係る内燃機関１と、比較対象との排気ポート１２内における排気圧力の差を示している。測定は、内燃機関の回転数が３７５０ｒｐｍのときの、排気ポートの上流端から５．０ｍｍの位置における圧力を、０°〜７２０°の範囲のクランク角に対して行った。実施形態に係る内燃機関１および比較対象は、４サイクルエンジンであり、クランク角が０°付近のときに燃焼が開始され、爆発行程（約０°〜１８０°）、排気行程（約１８０°〜３６０°）、吸気行程（約３６０°〜５４０°）、圧縮行程（約５４０°〜７２０°）を行う。図４に示す、曲線１０３は排気弁１５のリフトを表し、曲線１０４は吸気弁１４のリフトを表している。

図４に示すように、実施形態に係る内燃機関１の排気圧力（曲線１０１）は、比較対象の排気圧力（曲線１０２）と比較して、クランク角の全範囲において１００〜２００ｋＰａ程度低下していることが確認される。この理由は、実施形態に係る内燃機関１の排気ポート１２が比較対象に比べて短く、かつ排気ポート１２の下流端１２ｂがチャンバ１３に連通しているためである。実施形態に係る内燃機関１では、気筒より排出された排気はチャンバ１３において即座に膨張するため、排気圧力が低下する。

ここで、実施形態に係る内燃機関１において、排気ポート１２の上流端１２ａの径Ｄに対する流路長Ｌの長さが、排気ポート１２内の排気圧力に与える影響について説明する。図５は、排気ポート１２の長さに対する排気ポート１２内の排気圧力の変化を示す図である。測定は、本実施形態に係る内燃機関１において、流路長Ｌを５０．０ｍｍ（曲線１０５）、４０．０ｍｍ（曲線１０６）、３０．０ｍｍ（曲線１０７）、２０．０ｍｍ（曲線１０８）、１０．０ｍｍ（曲線１０９）として実施した。測定時の内燃機関の回転数は３７５０ｒｐｍであり、測定位置は排気ポート１２の上流端１２ａから５．０ｍｍの位置である。他の条件は、上述した実施形態に係る内燃機関１と同一である。図５に示す、曲線１１０は排気弁１５のリフトを表し、曲線１１１は吸気弁１４のリフトを表している。

図５に示すように、排気ポート１２の流路長Ｌを５０．０ｍｍから４０．０ｍｍに短くすると、排気圧力が低下することが確認される。しかし、流路長Ｌを４０．０ｍｍから３０．０ｍｍ、２０．０ｍｍ、１０．０ｍｍへと更に短くしても、図５からわかるように概ね同一の値を示し、排気圧力の低下は確認されない。これは、流路長Ｌが４０．０ｍｍの場合には、気筒より排出された排気は即座にチャンバ１３において膨張されるようになり、排気ポート１２での排気圧力とチャンバ１３内の排気圧力とが同程度になることに起因する。そのため、排気ポート１２内での排気圧力はチャンバ１３の大きさや形状等によって制限されるようになり、排気ポート１２の流路長Ｌを変化させても排気ポート１２内での排気圧力は変化しなくなる。これに対し、流路長Ｌが５０．０ｍｍの場合には、流路長Ｌが比較的長いため排気は即座にチャンバ１３に到達することができず、排気ポート１２の影響を受けて膨張が制限されるため、排気圧力が高くなる。

図５より、排気圧力が排気ポート１２によって制限されるか、チャンバ１３によって制限されるかの臨界は、排気ポート１２の上流端１２ａの径Ｄが２０．５ｍｍの場合において、排気ポート１２の流路長Ｌが４０．０ｍｍと５０．０ｍｍとの間にあることがわかる。排気が即座にチャンバ１３に到達できるか否かは排気ポート１２での排気の流れやすさに影響され、排気ポート１２の径Ｄが大きく、流路長Ｌが短いほど排気は流れやすくなる。そのため、上流端１２ａの径Ｄが２０．５ｍｍで、流路長Ｌが４０．０ｍｍの排気ポート１２よりも排気が流れやすい形状とすると、排気ポート１２における排気圧力を最小とすることができる。よって、排気ポート１２の流路長Ｌを、上流端１２ａの径Ｄの２倍より小さくすることによって、排気ポート１２内の排気圧力を最小にすることができる。

図６は、実施形態に係る内燃機関１の吸気および排気の質量流量に対する作用を示す図である。測定時の内燃機関の回転数は３７５０ｒｐｍである。図６に示す質量流量は、値が正に大きいほど気筒への空気（吸気）の流入量が多いことを表し、値が負に大きいほど気筒からの空気（排気）の排出量が多いことを表している。図６の曲線１１２は実施形態に係る内燃機関１の質量流量、曲線１１３は比較対象の質量流量を表している。曲線１１４は排気弁１５のリフトを表し、曲線１１５は吸気弁１４のリフトを表している。

図６に示すように、実施形態に係る内燃機関１は比較対象と比較して、排気行程では排気の排出量が増加し、吸気行程では吸気の吸入量が増加していることが確認される。比較対象ではクランク角が約２００°のときに質量流量が正の値となり、排気の逆流が確認されるが、実施形態に係る内燃機関１では排気行程の全域にわたって質量流量は負の値を維持し、逆流が発生していないことが確認される。また、比較対象ではクランク角が約３６０°のときに質量流量が負の値となり、吸気の逆流（吹き返し）が確認されるが、実施形態に係る内燃機関１では質量流量は正の値となっており、逆流が発生していないことが確認される。

上述したように実施形態に係る内燃機関１は比較対象と比較して、排気ポート１２内における排気圧力が低下されるため、気筒からの排気の排出が促進され、排出量が増加する。また、排気圧力が十分に低いことから排気脈動の発生が抑制され、排気の気筒への逆流が防止されている。吸気行程においては、排気行程において気筒からの排気が比較対象よりも十分になされるため、筒内圧が低下して吸気の吸入が促進される。これに伴い、吸気の逆流も抑制されている。

ここで、排気ポート１２の上流端１２ａの径Ｄに対する流路長Ｌの大きさが、実施形態に係る内燃機関１の気筒の質量流量に与える影響について説明する。図７は、排気ポート１２の長さに対する質量流量の変化を示す図である。測定は、本実施形態に係る内燃機関１において、流路長Ｌを５０．０ｍｍ（曲線１１６）、４０．０ｍｍ（曲線１１７）、３０．０ｍｍ（曲線１１８）、２０．０ｍｍ（曲線１１９）、１０．０ｍｍ（曲線１２０）として実施した。測定時の内燃機関の回転数は３７５０ｒｐｍである。他の条件は、上述した実施形態に係る内燃機関１と同一である。図７に示す、曲線１２１は排気弁１５のリフトを表し、曲線１２２は吸気弁１４のリフトを表している。

排気ポート１２内の排気圧力と同様に、排気ポート１２の流路長Ｌを５０．０ｍｍから４０．０ｍｍに短くすると、排気行程および吸気行程において、排気量および吸気量が低増加することが確認されるが、流路長Ｌを４０．０ｍｍから３０．０ｍｍ、２０．０ｍｍ、１０．０ｍｍへと更に短くしても、図７からわかるように概ね同一の値を示し、排気量および吸気量の増加は確認されない。この理由は、上述した流路長Ｌと排気ポート１２の排気圧力との関係における理由と同様である。

排気ポート１２の流路長Ｌと質量流量との関係においても、変化の臨界は、排気ポート１２の上流端１２ａの径Ｄが２０．５ｍｍの場合において、排気ポート１２の流路長Ｌが４０ｍｍと５０ｍｍとの間にあることが確認される。よって、排気ポート１２の流路長Ｌを排気ポート１２の上流端１２ａの径Ｄの２倍の値より小さくすることによって、内燃機関１の気筒の質量流量を最適化することができる。

図８は、実施形態に係る内燃機関１の体積効率（η_ｖ）に対する作用を示す図である。図8の曲線１２３は実施形態に係る内燃機関１の体積効率、曲線１２４は比較対象の体積効率を表している。曲線１２５は排気弁１５のリフトを表し、曲線１２６は吸気弁１４のリフトを表している。

図８に示すように、実施形態に係る内燃機関１は、比較対象と比べて内燃機関の回転数の全範囲において、体積効率が向上していることがわかる。特に、回転数が約３０００回転以上の領域においては、体積効率は１０％程度向上していることが確認される。

図９は、実施形態に係る内燃機関１の筒内圧力に対する作用を示す図である。測定時の内燃機関の回転数は３７５０ｒｐｍである。図９の曲線１２７は実施形態に係る内燃機関１の筒内圧力、曲線１２８は比較対象の筒内圧力を表している。曲線１２９は排気弁１５のリフトを表し、曲線１３０は吸気弁１４のリフトを表している。

図９に示されているように、排気行程において、実施形態に係る内燃機関１の筒内圧力は比較対象の筒内圧力と比較して低下している。これは、上述したように、排気ポート１２内の排気圧力が低減され、気筒内からの排気の排出が促進されたことに起因する。

図１０は、実施形態に係る内燃機関１の筒内圧力に対する作用を示す図である。測定時の内燃機関の回転数は３７５０ｒｐｍである。図１０の曲線１３１は実施形態に係る内燃機関１の筒内温度、曲線１３２は比較対象の筒内温度を表している。曲線１３３は排気弁１５のリフトを表し、曲線１３４は吸気弁１４のリフトを表している。

図１０に示されているように、排気行程、吸気行程および圧縮行程において、実施形態に係る内燃機関１の筒内温度は比較対象の筒内温度と比較して低下している。これは、排気行程において高温である排気の排出が促進されたことに起因する。筒内温度が低下すると、ノッキングの発生が抑制され、圧縮比を大きくすることが可能となる。

以上のように、実施形態に係る内燃機関１は、排気ポート１２内の排気圧力を低下させることによって、排気効率および体積効率を向上させ、出力を向上させることができる。また、実施形態に係る内燃機関１は、各燃焼室に連通する排気ポート１２を短縮化することができるとともに、排気マニホールドを省略することができるため、内燃機関のコンパクト化が図れる。

実施形態に係る内燃機関１は、ボス部２３が、チャンバ１３の内方へと突出しているが、隣り合うボス部２３間の距離が十分に確保され、かつチャンバ１３の高さが十分に確保されているため、すなわち排気ポート連結部１３ｂが、排気ポート１２に比較して流路断面が十分大きいため、排気ポート連結部１３ｂはチャンバ１３の一部とみなすことができる。排気は排気ポート連結部１３ｂにおいて膨張し、排気ポート１２内の排気圧力が低下される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、気筒数や、排気ポートの形状、チャンバの形状等は適宜変更可能である。本実施形態では、チャンバをシリンダヘッドに一体的に形成したが、チャンバをシリンダヘッドと別体に形成してもよい。その他、内燃機関の構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係る内燃機関の要部を一部破断して示す断面図である。 シリンダヘッドを示す縦断面図である。 シリンダヘッドを示す横断面図である。 実施形態に係る内燃機関の排気ポート内の排気圧力に対する作用を示す図である。 排気ポートの長さに対する排気ポート内の排気圧力の変化を示す図である。 実施形態に係る内燃機関の吸気および排気の質量流量に対する作用を示す図である。 排気ポートの長さに対する吸気および排気の質量流量の変化を示す図である。 実施形態に係る内燃機関の体積効率に対する作用を示す図である。 実施形態に係る内燃機関の筒内圧力に対する作用を示す図である。 実施形態に係る内燃機関の筒内ガス温度に対する作用を示す図である。

符号の説明

１：内燃機関、２：シリンダブロック、４：シリンダヘッド、６：シリンダ、１０：燃焼室、１１：吸気ポート、１２：排気ポート、１２ａ：排気ポートの上流端、１３：チャンバ、１３ａ：チャンバの側壁、２３：ボス部、Ｄ：排気ポートの上流端の径、Ｌ：排気ポートの流路長

Claims (3)

1. 燃焼室に連通する管状の排気ポートと、前記排気ポートと比較して大きい流路断面積を有するとともに前記排気ポートの下流端に連結されるチャンバとを備えた内燃機関であって、
   前記排気ポートの流路長が、前記排気ポートの上流端における径の２倍より短いことを特徴とする内燃機関。
2. 前記チャンバは、シリンダヘッドに形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記チャンバの前記燃焼室側の側部に前記シリンダヘッドをシリンダブロックに締結するシリンダヘッドボルトが挿入されるボス部が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。

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