JP2011157847A - 多気筒エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの熱エネルギーの損失を抑制しつつ、シリンダヘッドとの接合面付近の形状を簡素化する。
【解決手段】複数の気筒２を有するシリンダブロック３と、それぞれが１つの気筒２に接続された複数の排気ポート２４を有するシリンダヘッド４と、複数の排気ポート２４から排出される排ガスを集合させるマニホールド側排気集合室２２ｃを有する排気マニホールド６とを備える多気筒エンジン１において、排気マニホールド６を、シリンダヘッド接合面６ａに単一のマニホールド側開口６ｂを有するように構成し、複数の排気ポート２４から排出される排ガスを、マニホールド側開口６ｂを介してマニホールド側排気集合室２２ｃに流入させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、多気筒エンジンに係り、排気通路構造を簡素化しつつ排気温による熱害を防止する技術に関する。

多気筒エンジンでは、１つの気筒に接続する複数の排気ポートがシリンダヘッドに形成され、これら複数の排気ポートから排出された排ガスを排気集合室で集合させて１本の排気通路へと導く排気マニホールドがシリンダヘッドの側面に締結されることがある。そして、排気マニホールドの下流側には、排ガス浄化触媒が設けられることが多い。さらに、ターボチャージャを搭載する多気筒エンジンの場合、排気マニホールドで集合させた排気をターボチャージャのタービンに導く必要があり、排気マニホールドの下流側にターボチャージャが配置されることがある。このように、排気マニホールドの下流側には重量の大きな装置などが直接取り付けられるため、排気マニホールドの素材には強度の高い鉄系の材料が用いられることが多く、排気マニホールドの重量が大きくなる。

一方、従来の多気筒エンジンにおける排気マニホールドは、各気筒から排気を取り出した後に、極力短い距離で排気を集合させており、シリンダヘッドとの接合面付近の形状が複雑となりがちである。その結果、製造上の制約や重量の増大を招いている。このような問題を解決し得る発明として、シリンダヘッドの側部に、シリンダブロックの側面よりも外側に張り出す張出部を一体に形成し、この張出部の内部に各気筒からの排ガスを集合させる集合室を形成した多気筒エンジンが知られている（特許文献１参照）。

また、複数の気筒へ吸気を分配する吸気マニホールドを、シリンダヘッドの側面に沿わせた細長形状のケース構造とし、このシリンダヘッドの側面と対向する吸気マニホールドの側面を前面開口とした多気筒エンジンにおいて、シリンダヘッドの側面に取付縁を設け、この取付縁に吸気マニホールドの開口縁を取り付け、シリンダヘッドの側面のうち、取付縁で囲まれた部分を取付縁よりもシリンダヘッド内側に後退させた発明が知られている（特許文献２参照）。

特許第４２６２３４３号公報 特許第３８７８８２４号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、ターボチャージャ排気集合室をシリンダヘッド内部に構成するため、排気マニホールドをシリンダヘッドと同じ素材で構成することとなり、シリンダヘッドにアルミニウムを用いる場合、耐熱性が低いために排気通路の表面温度を低くする必要が生じる。その結果、排ガスの持つ熱エネルギーが排気通路表面を通じて拡散し、熱エネルギーの損失が大きくなる。また、排ガスの温度が低くなると、排気浄化触媒の昇温特性の悪化やターボチャージャの過給特性の悪化を引き起こす。さらに、排気通路の表面温度を低くするために排気通路の大部分をウォータージャケットで覆う必要があるため、エンジンの大型化、重量化、および必要冷却水量の増大なども引き起こす。

一方、特許文献２の発明では、吸気マニホールドのシリンダヘッドとの接合面付近の形状を簡素化することはできるが、この形状を排気マニホールドに適用した場合、排気熱によってエンジン各部に熱害が生じる虞がある。

本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、排ガスの熱エネルギーの損失を抑制しつつ、シリンダヘッドとの接合面付近の形状を簡素化することを主な目的とし、さらに、排気熱によりエンジン各部に生じる熱害を防止し得る多気筒エンジンの排気通路構造を提供することにある。

このような課題を解決するために、第１の発明に係る多気筒エンジン（１）は、複数の気筒（２）を有するシリンダブロック（３）と、シリンダブロック（３）に締結され、それぞれが１つの気筒（２）に接続された複数の排気ポート（２４）を有するシリンダヘッド（４）と、シリンダヘッド（４）に締結され、複数の排気ポート（２４）から排出される排ガスを集合させるマニホールド側排気集合室（２２ｃ）を有する排気マニホールド（６）とを備え、排気マニホールド（６）は、シリンダヘッド（４）との接合面（シリンダヘッド接合面６ａ）に単一のマニホールド側開口（６ｂ）を有し、複数の排気ポート（２４）から排出される排ガスがマニホールド側開口（６ｂ）を介してマニホールド側排気集合室（２２ｃ）に流入することを特徴とする。

この発明によれば、排気マニホールドのシリンダヘッドとの接合面には、マニホールド側開口を１つ形成すればよいため、当該接合面付近の形状を簡素化して、製造上の制約や重量の増大を抑制できる。また、排気マニホールドに形成されるマニホールド側開口が、マニホールド側排気集合室に適合する大きさに設定されるため、つまり排気マニホールド下流端の排気通路断面積よりも大きく形成されるため、排気マニホールドの下流側にターボチャージャなどの重量物が取り付けられても、これに耐え得る十分な支持剛性を排気マニホールドに付与することができる。さらに、排気マニホールドにはマニホールド側排気集合室が形成されるが、シリンダヘッドと同一の素材で排気マニホールドを構成する必要がないため、排気マニホールド側の排気通路の表面温度を低くする必要がなく、熱エネルギーの損失を小さくすることができる。

また、第２の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジン（１）において、シリンダヘッド（４）は、排気マニホールド（６）との接合面（排気マニホールド接合面４ａ）に形成された単一のシリンダヘッド側開口（４ｂ）と、複数の排気ポート（２４）から排出される排ガスを集合させるシリンダヘッド側排気集合室（２２ｂ）とを有し、マニホールド側排気集合室（２２ｃ）とシリンダヘッド側排気集合室（２２ｂ）とによって１つの排気集合室（２２ａ）が構成されることを特徴とする。

この発明によれば、シリンダヘッドにもシリンダヘッド側排気集合室が形成されるため、排気集合室の大きさを確保しつつ、マニホールド側排気集合室を小さくすることができる。そのため、排気マニホールドのシリンダヘッドからの張り出し寸法が小さくなり、多気筒エンジンを小型化できるとともに、排気マニホールドのシリンダヘッド４との接合部に発生するモーメントを小さくすることができる。したがって、強度面での余裕による接合部の軽量化や、締結用ボルトの本数の削減などを図ることができる。

また、第３の発明は、第２の発明に係る多気筒エンジン（１）において、シリンダヘッド（４）におけるシリンダブロック（３）と反対側の面に接合され、動弁機構（１０）を支持するカムホルダ（７）をさらに備え、シリンダヘッド（４）には、カムホルダ（７）を締結するための締結部（４２）がシリンダヘッド側排気集合室（２２ｂ）の近傍に設けられるとともに、締結部（４２）とシリンダヘッド側排気集合室（２２ｂ）との間に冷却水通路（３１）が形成されたことを特徴とする。

シリンダヘッドには、剛性の確保などのために、カムホルダを締結するための締結部がシリンダヘッド側排気集合室の近傍に設けられることがある。このような場合、排ガスの熱がシリンダヘッド側排気集合室の表面を通じて締結部に伝達し、締結部に熱害が生じる虞があるが、この発明によれば、締結部と排気集合室との間に冷却水通路が形成されたことにより、締結部の熱害を抑制することができる。

また、第４の発明は、第２または第３の発明に係る多気筒エンジン（１）において、排気マニホールド（６）およびシリンダブロック（３）の少なくとも一方が、他方との締結に供され、且つ排気集合室（２２ａ）に突出するボス（４ｆ，６ｆ）を有し、該ボス（４ｆ，６ｆ）が排気マニホールド（６）とシリンダブロック（３）との接合面近傍の一部を除く部分においては排気集合室に突出（２２ａ）しないように構成されたことを特徴とする。

シリンダヘッドや排気マニホールドの大きさの制限により、両者を締結するためのボスが排気集合室に突出することがあり、このような場合、排気集合室の断面積が小さくなって排ガスの流通を阻害することになるが、この発明によれば、ボスが両者の接合面近傍でのみ排気集合室に突出にするので、排気集合室の断面縮小および排ガスの流通の阻害を抑制することができる。

このように、本発明によれば、排ガスの熱エネルギーの損失を抑制しつつ、シリンダヘッドとの接合面付近の形状を簡素化し、さらに、排気熱によりエンジン各部に生じる熱害を防止し得る多気筒エンジンの排気通路構造を提供することができる。

実施形態に係る多気筒エンジンの分解斜視図である。 シリンダヘッドを上方から見た図ある。 図２中のIII−III線に沿って示す多気筒エンジンの要部断面図である。 シリンダヘッドを排気側の側方から見た図である。 排気マニホールドの斜視図である。 実施形態に係る多気筒エンジンの要部を上方から見た図ある。 図３中のVII−VII断面図ある。 図２中のVIII−VIII線に沿って示す多気筒エンジンの要部断面図である。 実施形態に係る多気筒エンジンによる作用効果の説明図である。

以下、添付の図面に示された一実施形態を参照して本発明に係る多気筒エンジン１について詳細に説明する。なお、説明にあたり、多気筒エンジン１の気筒軸２Ｘが鉛直に配置された状態を基準にして上下方向を定めるものとする。

図１に示すように、多気筒エンジン１は直列４気筒のディーゼルエンジンであり、４つの気筒２を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に締結されるシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４における気筒配列方向に沿う側面に締結される吸気マニホールド５と、シリンダヘッド４における吸気マニホールド５と反対側の側面に締結される排気マニホールド６と、シリンダヘッド４の上面に締結され、動弁機構１０（図３参照）を支持するカムホルダ７と、シリンダヘッド４の上面に締結され、動弁機構１０を覆うシリンダヘッドカバー８とを備えている。

図２，図３に示すように、シリンダヘッド４には、各気筒２に対して２本の吸気バルブ１３および排気バルブ１４が摺動可能に設けられている。また、シリンダヘッド４における気筒配列方向に沿う吸気側の側面（以下、吸気マニホールド接合面４ｉと記す。）は僅かに上方に向いて傾斜しており、気筒２あたり２つ、合計８つの吸気ポート２３が吸気マニホールド接合面４ｉに開口している。なお、シリンダヘッド４は金型鋳造によりアルミニウム或いはアルミニウム合金を用いて形成される。

図３に示すように、動弁機構１０は、カムホルダ７に回転可能に支持され、クランクシャフト２０（図１参照）に連結された吸気側カムシャフト１１および排気側カムシャフト１２と、吸気側カムシャフト１１および排気側カムシャフト１２によってそれぞれ揺動駆動され、吸気バルブ１３および排気バルブ１４を摺動させて吸気通路２１および排気通路２２を開閉する吸気側ロッカアーム１５および排気側ロッカアーム１６とを備えている。なお、吸気バルブ１３および排気バルブ１４は、各バルブステム１３ａ，１４ａが気筒軸２Ｘと平行となるように配置されている。

各気筒２には、燃焼室１７を構成するリエントラント型のキャビティが凹設されたピストン１８が摺動自在に嵌合しており、ピストン１８の往復運動によって、図示外のコネクティングロッドを介してクランクシャフト２０が回転駆動される。

シリンダヘッド４には、吸気マニホールド５側に形成され、吸気通路２１を構成する吸気ポート２３、および排気マニホールド６側に形成され、排気通路２２を構成する排気ポート２４が形成されている。これら吸気ポート２３および排気ポート２４の燃焼室１７との接続部には、吸気バルブ１３および排気バルブ１４がそれぞれ着座するバルブシート１９が設けられている。

シリンダヘッド４における排気ポート２４側の上部には、排気ポート２４や排気バルブ１４を避けてシリンダ列方向に延在する排気側第１冷却水通路３１が形成されている。排気側第１冷却水通路３１におけるシリンダ列方向の一端には、冷却水導入通路が接続されており、ウォーターポンプによって送給される冷却水が冷却水配管を通って排気側第１冷却水通路３１に流入する。

また、シリンダヘッド４における排気ポート２４側の下部には、排気側第１冷却水通路３１と同様に排気ポート２４や排気バルブ１４を避けてシリンダ列方向に延在する排気側第２冷却水通路３２が形成されており、排気側第１冷却水通路３１と連通する連通路３４（図７参照）を介して排気側第１冷却水通路３１を流通する冷却水が排気側第２冷却水通路３２に流入する。

さらに、シリンダヘッド４における吸気ポート２３側の下部には、吸気ポート２３や吸気バルブ１３、図示しないグロープラグなどを避けて気筒配列方向に延在する吸気側冷却水通路３３が形成されており、排気側第２冷却水通路３２と連通する図示しない連通路を介して排気側第２冷却水通路３２を流通する冷却水が吸気側冷却水通路３３に流入する。

図３，図４に示すように、シリンダヘッド４における互いに隣接する２つの気筒２間に対応する位置には、各気筒２に接続された排気ポート２４を隔てる気筒間隔壁部４ｇが形成されている。気筒間隔壁部４ｇは、単一平面として形成されたシリンダヘッド４における排気マニホールド６との接合面（以下、排気マニホールド接合面４ａと記す。）よりも後退した位置まで延在している。そのため、シリンダヘッド４の排気マニホールド接合面４ａの内側には、各気筒２に接続する合計８つの排気ポート２４が開口し、排気ポート２４から排出される排ガスを集合させる集合室（以下、シリンダヘッド側排気集合室２２ｂと記す。）が形成される。つまり、シリンダヘッド側排気集合室２２ｂが、排気マニホールド接合面４ａに臨んで形成されることで、すべての排気ポート２４の出口を囲むように周状の細長形状に形成された単一の開口（以下、シリンダヘッド側開口４ｂと記す。）が形成される。なお、各気筒２には２つの排気ポート２４が接続されており、これら２つの排気ポート２４を隔てるポート間隔壁部４ｈは、気筒間隔壁部４ｇよりもさらに後退した位置まで延在している。

図４に示すように、排気マニホールド接合面４ａの上下部分を構成する各直線状部分には、排気マニホールド６を締結するためのボルト孔４ｅおよびボルト孔４ｅを取り囲むボス４ｆが適所に設けられており、下側に設けられたボス４ｆの一部がシリンダヘッド側開口４ｂに突出する態様となっている。

図５，６に示すように、排気マニホールド６は、気筒配列方向へシリンダヘッド４に沿って延びる略直方体状のケース構造を有する排気集合部６ｃと、管状部６ｄとを有する。排気集合部６ｃは、気筒配列方向の一方に向かってシリンダヘッド４からの張り出し寸法Ｌが徐々に大きくなるテーパー形状を呈しており、排気ポート２４から排出される排ガスを集合させる集合室（以下、マニホールド側排気集合室２２ｃと記す。）をその内部に形成する。管状部６ｄは、排気集合部６ｃにおける張り出し寸法Ｌが最も大きくなる側の端部に接合されており、略同一断面を有する１本の排気通路２２をその内部に形成する。

管状部６ｄの下流端には、排気通路部材を接続するためのフランジ６ｇが設けられている。一方、排気マニホールド６におけるシリンダヘッド４との接合面（以下、シリンダヘッド接合面６ａと記す。）には、８つの吸気ポート２３の排出口を包絡するように周状の細長形状に形成された単一の開口（以下、マニホールド側開口６ｂと記す。）が形成されている。シリンダヘッド接合面６ａは、シリンダヘッド４の排気マニホールド接合面４ａと適合する形状を呈し、シリンダヘッド４への締結用ボルトを挿通するためのボルト挿通孔６ｅおよびボルト挿通孔６ｅを取り囲むボス６ｆが適所に設けられており、排気マニホールド接合面４ａと同様に、下側に設けられたボス６ｆの一部がシリンダヘッド側開口４ｂに突出する態様となっている。また、排気マニホールド６の最下流、すなわちシリンダヘッド４からの張り出し寸法Ｌが最も大きな位置に配置されたボルト挿通孔６ｅおよびボス６ｆは、他の３つのボルト挿通孔６ｅおよびボス６ｆよりも軸線方向に長く形成されている。

図３に示すように、シリンダヘッド側排気集合室２２ｂとマニホールド側排気集合室２２ｃにより、各排気ポート２４から排出される排ガスを集合させる排気集合室２２ａが構成される。なお、シリンダヘッド４に形成されたボス４ｆおよび排気マニホールド６に形成されたボス６ｆが、排気集合室２２ａ側に突出するが、これらボス４ｆ，６ｆの突出部が、接合面積を確保するためにシリンダヘッド４と排気マニホールド６との接合面付近のみに形成されているため、排気集合室２２ａの断面積の縮小および排ガスの流通の阻害が抑制されている。

図７に示すように、シリンダヘッド４における気筒２間の排気側部分には、シリンダヘッド４をシリンダブロック３に締結するためのボルト挿通孔４１や、カムホルダ７取付用のボルト孔４２が形成されているため、これらを形成し得るように配置された壁部４３が排気マニホールド６側に突出しており、排気側第１冷却水通路３１は、この壁部４３によって幅寸法（気筒配列方向に直交する向きの水平寸法）が他の部分よりも小さくなっている。

そのため、図８に示すように、排気側第１冷却水通路３１は、気筒２間においてその上下寸法が他の部分（図３参照）よりも大きくされ、すなわち他の部分よりも下方に延出するように形成されている。より詳細には、排気側第１冷却水通路３１は、カムホルダ７取付用のボルト孔４２よりも外側（排気マニホールド接合面４ａ側）であってシリンダヘッド側排気集合室２２ｂの上方に位置する上側部分３１ａの他、上側部分３１ａと接続し、カムホルダ７取付用のボルト孔４２よりも下側であってシリンダヘッド側排気集合室２２ｂの内側（燃焼室１７あるいは排気バルブ１４側）側方に位置する下側部分３１ｂを有している。

このように構成された多気筒エンジン１によれば、排気マニホールド６のシリンダヘッド接合面６ａには、マニホールド側開口６ｂを１つ形成すればよいため、シリンダヘッド接合面６ａ付近の形状を簡素化して、製造上の制約や重量の増大を抑制できる。また、排気マニホールド６に形成されるマニホールド側開口６ｂが、マニホールド側排気集合室２２ｃに適合する大きさに設定されるため、つまり排気マニホールド６の下流端に位置する管状部６ｄの断面積よりも大きく形成されるため、排気マニホールド６の下流側にターボチャージャなどの重量物が取り付けられても、これに耐え得る十分な支持剛性を排気マニホールド６に付与することができる。さらに、排気マニホールド６にはマニホールド側排気集合室２２ｃが形成されるが、シリンダヘッド４と同一の素材で排気マニホールド６を構成する必要がないため、鉄などのアルミニウムよりも耐熱性の高い素材を用いることができ、排気マニホールド６側の排気通路２２の表面温度を低くする必要がない。そのため、熱エネルギーの損失を防止することができる。

また、シリンダヘッド４にもシリンダヘッド側排気集合室２２ｂが形成されるため、図９に示すように、排気集合室２２ａの大きさを確保しつつ、マニホールド側排気集合室２２ｃを小さくすることができる。したがって、排気マニホールド６のシリンダヘッド４からの張り出し寸法Ｌが小さくなり、多気筒エンジン１を小型化することができるとともに、排気マニホールド６のシリンダヘッド４との接合部に発生するモーメントＭが小さくなり、排気マニホールド６による支持荷重を大きくすることができる。なお、壁部４３（図３参照）が排気マニホールド接合面４ａまで延在している場合には、このような効果は小さくなるが、従来例に比べれば一定以上の効果が奏される。

さらに、カムホルダ７を締結するためのボルト孔４２が、剛性の確保などのためにシリンダヘッド４におけるシリンダヘッド側排気集合室２２ｂの近傍に設けられていても、ボルト孔４２とシリンダヘッド側排気集合室２２ｂとの間に排気側第１冷却水通路３１が形成され、排ガスの熱がシリンダヘッド側排気集合室２２ｂの表面を通じてボルト孔４２に伝達することが阻止されるため、ボルト孔４２およびこれに締結されたボルトの熱害を抑制することができる。

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、上記実施形態では、本発明に係る多気筒エンジンを直列４気筒直接噴射式ディーゼルエンジンに適用しているが、Ｖ型や水平対向型エンジン、４気筒以外の多気筒エンジン、ガソリンエンジンやアルコール燃料エンジン等、異なる種類の車両用多気筒エンジン、或いは船外機用の多気筒エンジンに適用することもできる。また、上記実施形態では、シリンダヘッド４の壁部４３が排気マニホールド接合面４ａよりも後退した位置まで延在しているが、排気マニホールド接合面４ａまで延在してもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

１ 多気筒エンジン
２ 気筒
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
４ａ 排気マニホールド接合面
４ｂ シリンダヘッド側開口
４ｆ ボス
６ 排気マニホールド
６ａ シリンダヘッド接合面
６ｂ マニホールド側開口
６ｆ ボス
７ カムホルダ
１０ 動弁機構
２２ａ 排気集合室
２２ｂ シリンダヘッド側排気集合室
２２ｃ マニホールド側排気集合室
２４ 排気ポート
３１ 排気側第１冷却水通路
４２ ボルト孔（締結部）

Claims (4)

1. 複数の気筒を有するシリンダブロックと、
   前記シリンダブロックに締結され、それぞれが１つの気筒に接続された複数の排気ポートを有するシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドに締結され、前記複数の排気ポートから排出される排ガスを集合させるマニホールド側排気集合室を有する排気マニホールドと
   を備え、
   前記排気マニホールドは、前記シリンダヘッドとの接合面に単一のマニホールド側開口を有し、
   前記複数の排気ポートから排出される排ガスが前記マニホールド側開口を介して前記マニホールド側排気集合室に流入することを特徴とする多気筒エンジン。
2. 前記シリンダヘッドは、前記排気マニホールドとの接合面に形成された単一のシリンダヘッド側開口と、前記複数の排気ポートから排出される排ガスを集合させるシリンダヘッド側排気集合室とを有し、
   前記マニホールド側排気集合室と前記シリンダヘッド側排気集合室とによって１つの排気集合室が構成されることを特徴とする、請求項１に記載の多気筒エンジン。
3. 前記シリンダヘッドにおける前記シリンダブロックと反対側の面に接合され、動弁機構を支持するカムホルダをさらに備え、
   前記シリンダヘッドには、前記カムホルダを締結するための締結部が前記シリンダヘッド側排気集合室の近傍に設けられるとともに、該締結部と前記シリンダヘッド側排気集合室との間に冷却水通路が形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の多気筒エンジン。
4. 前記排気マニホールドおよび前記シリンダブロックの少なくとも一方が、他方との締結に供され、且つ前記排気集合室に突出するボスを有し、該ボスが前記排気マニホールドと前記シリンダブロックとの接合面近傍の一部を除く部分においては前記排気集合室に突出しないように構成されたことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の多気筒エンジン。

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