JP2013155690A - Cylinder head of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。 The present invention relates to a cylinder head of an internal combustion engine.
シリンダヘッドには吸気ポートと排気ポートとが開口しており、排気ガスは排気ポートを通って排気通路に排出される。そして、多気筒内燃機関の場合、一般に、各気筒に対応した排気ポートはそれぞれシリンダヘッドの側面に開口しており、シリンダヘッドに排気マニホールドを接続することにより、各排気ポートを1本の排気通路に集合させているが、例えば本願出願人の出願に係る特許文献1のように、シリンダヘッドに各排気ポートが連通した集合排気ポート部を形成し、集合排気ポート部の出口に1本の排気通路を接続することも提案されている。
An intake port and an exhaust port are opened in the cylinder head, and exhaust gas is discharged to the exhaust passage through the exhaust port. In the case of a multi-cylinder internal combustion engine, generally, exhaust ports corresponding to the respective cylinders are opened on the side surfaces of the cylinder head, and each exhaust port is connected to one exhaust passage by connecting an exhaust manifold to the cylinder head. However, as in
さて、排気通路には一般に触媒式の排気ガス浄化装置を介挿しているが、触媒は排気ガスがある程度以上の高温でないと機能を効率良く発揮しないという性質がある。従って、燃焼室から排出された排気ガスは、できるだけ熱を奪われずに高温の状態で排気ガス浄化装置に到達するのが好ましい。 In general, a catalyst type exhaust gas purification device is interposed in the exhaust passage. However, the catalyst has a property that the function is not exhibited efficiently unless the exhaust gas is at a high temperature of a certain level or more. Therefore, it is preferable that the exhaust gas discharged from the combustion chamber reaches the exhaust gas purification device in a high temperature state without taking heat as much as possible.
本願発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、排気通路を通る排気ガスの温度低下をできるだけ抑制できるシリンダヘッドを提供せんとするものである。 The present invention has been made on the basis of such knowledge, and an object of the present invention is to provide a cylinder head that can suppress the temperature drop of exhaust gas passing through the exhaust passage as much as possible.
本願発明者は排気ポートや排気通路での排気ガスの挙動を観察し、排気ガスから排気通路への熱交換の割合を減少させることを研究して、本願発明を完成させるに至った。すなわち本願発明は、中途部に触媒式排気ガス浄化装置を介挿した排気通路が接続される排気ポートを有するシリンダヘッドにおいて、前記排気ポートのうち出口側の端部を、当該出口側の端部の内側よりも開口面積が拡大した拡大部と成していることを特徴とする。 The inventor of the present application has observed the behavior of the exhaust gas in the exhaust port and the exhaust passage, studied to reduce the rate of heat exchange from the exhaust gas to the exhaust passage, and completed the present invention. That is, the present invention relates to a cylinder head having an exhaust port to which an exhaust passage having a catalytic exhaust gas purification device interposed is connected in the middle, wherein an end on the outlet side of the exhaust port is defined as an end on the outlet side. It is characterized by forming an enlarged portion having an opening area larger than that of the inside.
さて、排気ポートに接続される排気通路の始端部は曲がっていたり窄まっていたりしており、このため、排気ポートから排出された排気ガスは排気通路の始端部の壁面に衝突する傾向を呈している。そして、従来は、排気ガスが排気通路の始端部に強く衝突することが多いため、排気ガスの熱が排気通路に多く奪われていたと言える。 Now, the starting end of the exhaust passage connected to the exhaust port is bent or constricted, so that the exhaust gas discharged from the exhaust port tends to collide with the wall surface of the starting end of the exhaust passage. ing. Conventionally, the exhaust gas often collides strongly with the start end of the exhaust passage, so that it can be said that a large amount of heat of the exhaust gas has been taken away by the exhaust passage.
これに対して本願発明では、排気ポートの出口端部に拡大部を設けたことにより、排気ポートから排出された排気ガスは流速が低下するため、排気ガスが排気通路の始端部の内面に強く衝突することが防止又は著しく抑制され、その結果、排気ガスを、その温度低下を抑制した状態で触媒式の排気ガス浄化装置に導くことができて、排気ガス浄化装置の機能確保に貢献できる。また、排気通路の温度上昇を抑制できるため、排気通路の耐久性アップにも貢献し得る。 On the other hand, in the present invention, by providing the enlarged portion at the outlet end portion of the exhaust port, the exhaust gas discharged from the exhaust port has a lower flow velocity, so the exhaust gas is strongly against the inner surface of the start end portion of the exhaust passage. The collision is prevented or remarkably suppressed, and as a result, the exhaust gas can be guided to the catalytic exhaust gas purification device in a state in which the temperature decrease is suppressed, thereby contributing to ensuring the function of the exhaust gas purification device. Moreover, since the temperature rise of the exhaust passage can be suppressed, it can contribute to the improvement of the durability of the exhaust passage.
さて、シリンダヘッドは一般にアルミ等の金属を材料にした鋳造品であることが多く、そこで、排気通路との密着性を確保するため、排気ポートが開口している面をフライス加工で切削して平坦面と成していることが多いが、例えば排気ポートが単なるテーパ状であると、切削深さが変化すると開口の幅寸法が変化することになり、このため、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じることがある。そして、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じると、排気ガスの流れが阻害されたり、段差部が異常な高温になったりする弊害が発生するおそれがある。 The cylinder head is generally a cast product made of a metal such as aluminum. Therefore, in order to secure adhesion to the exhaust passage, the surface where the exhaust port is opened is cut by milling. In many cases, it is a flat surface. For example, if the exhaust port has a simple taper shape, the width of the opening changes as the cutting depth changes. There may be a step between the starting end face of the passage. If a step is generated between the opening end face of the exhaust port and the start end face of the exhaust passage, there is a possibility that the flow of the exhaust gas is hindered or the stepped portion becomes abnormally high in temperature.
これに対して本願発明では、拡大部の内周面を開口端面と直角のストレート状に形成しておくことにより、シリンダヘッドの切削量に関係なく開口の幅寸法を一定に保持できるため、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じることを防止して、排気ガスの円滑な流れを確保できると共に異常高温化も防止できる。 On the other hand, in the present invention, since the inner peripheral surface of the enlarged portion is formed in a straight shape perpendicular to the opening end surface, the width of the opening can be kept constant regardless of the cutting amount of the cylinder head. By preventing a step between the opening end face of the port and the start end face of the exhaust passage, a smooth flow of the exhaust gas can be secured and an abnormally high temperature can be prevented.
本願発明は、外付け式の排気マニホールドが接続されたシリンダヘッドにも適用できるが、特許文献1のように集合排気ポート部を一体に設けたタイプのシリンダヘッドに適用すると、より好適である。つまり、シリンダヘッドは燃焼ガスの熱で排気通路より高温になっていることが多いため、排気ガスがシリンダヘッドの排気ポートに触れて温度低下する割合は外付けマニホールド式に比べて低くなっており、本願発明を適用すると、できるだけ高温に維持された排気ガスを、温度低下を抑制した状態で排気通路に導いて排気ガス浄化装置に到達させ得るのであり、このため、触媒式排気ガス浄化装置の機能確保をより的確に実現できるのである。
The present invention can be applied to a cylinder head to which an external exhaust manifold is connected. However, it is more preferable that the invention is applied to a cylinder head in which a collective exhaust port portion is integrally provided as in
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関は3気筒であり、そこで、図1に示すように、シリンダヘッド1の下面には3つの燃焼室2が直列に並んだ状態で形成されていると共に、シリンダブロックS1には3つのシリンダボアS2が直列に並んで形成されている。シリンダボアS2にはピストンPが摺動自在に嵌まっている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The internal combustion engine of the present embodiment has three cylinders. Therefore, as shown in FIG. 1, three
各燃焼室2には、2つずつの第1〜第3の吸気ポート3,4,5が開口していると共に、2つずつの第1〜第3の個別排気ポート6,7,8が開口している。個別排気ポート6,7,8は集合排気ポート部9に集合しており、集合排気ポート部9に排気通路(排気管)10が接続されている。排気通路10の中途部には触媒式の排気ガス浄化装置(図示せず)を介挿している。
In each
敢えて述べるまでもないが、吸気ポート3,4,5及び個別排気ポート6,7,8は、燃焼室2の並び方向に延びる気筒列中心線11を挟んだ両側に配置されており、吸気ポート3,4,5の群と各個別排気ポート6,7,8の群とは気筒列中心線11に沿って並んでいる。吸気ポート3,4,5の終端12は吸気バルブ13で開閉され、個別排気ポート6,7,8の始端14は排気バルブ15で開閉される。シリンダヘッド1のうち各燃焼室2の中央に位置した部位には、点火プラグ16を取り付けている。
Needless to say, the intake ports 3, 4, 5 and the
図1に示すように、個別排気ポート6,7,8のうち中央に位置した第2個別排気ポート7は、シリンダボアの軸線方向から見た平面視において直線状に近い姿勢で集合排気ポート部9に連続しており、他方、第1及び第3個別排気ポート6,8は、平面視において湾曲した姿勢で集合排気ポート部9に連続している。図2に示すように、集合排気ポート部9は個別排気ポート6,7,8の並び方向に細長い形状になっている。また、集合排気ポート部9の開口端面18はある程度の幅寸法を有する平坦面になっており、開口端面18の外側に、排気通路10を固定するためのボス部19を設け、ボス部19にタップ穴を形成している。集合排気ポート部9の開口端面18とボス部19の端面とは同一面になっている。
As shown in FIG. 1, the second
図2に一点鎖線で示すように、排気通路10の始端部には、集合排気ポート部9の終端9aと同じ形状の内径を有する拡大部10aが形成されており、拡大部10aは徐々に窄まって略円形に収束している。拡大部10aは集合排気ポート部9の開口端面18に重なるフランジ10bを形成しており、フランジ10bに、シリンダヘッド1のボス部19に重なる締結部10cを一体に突設し、締結部10bがボルト20でボス部19に固定されている。また、排気通路10はシリンダヘッド1から下向きに延びている。従って、図4,5に示すように、排気通路10の始端部は下向きに湾曲している。
As shown by a one-dot chain line in FIG. 2, an enlarged
そして、集合排気ポート部9の上面と下面とに、集合排気ポート部9の中心方向に突出した緩い山形で土手状の突条21を設けることにより、突条21よりも外側の出口寄り部分を拡大部22と成している。突条21及び拡大部22は集合排気ポート部9の周方向に沿って長く延びている。また、突条21は、2つの第2個別排気ポート7の延長部に形成しており、2つの第2個別排気ポート7の延長部の間の部分には形成していないが、一連に延びる形態にすることも可能である。また、突条21と拡大部22は集合排気ポート部9の上面と下面とに形成しているが、上下面のうちのいずれか一方に形成したり、全周にわたって延びるループ状に形成したりすることも可能である。
Then, by providing the upper and lower surfaces of the collective
例えば図4から理解できるように、本実施形態では、個別排気ポート6,7,8は僅かながら断面積を拡大させつつ集合排気ポート部9に向かっており、集合排気ポート部9では、突条21の箇所でいったん断面積を絞ってから、拡大部22で断面積が急激に格段するようになっている。もとより、各個別排気ポート6,7,8及び集合排気ポート部9を略ストレート状に形成して、集合排気ポート部9の終端部のみを断面積が急激に拡大する構成にすることも可能である。
For example, as can be understood from FIG. 4, in the present embodiment, the
本実施形態は3気筒の4サイクル内燃機関であるため、各気筒では、クランク軸の回転角度で240°ずつ位相がずれた状態で燃料が爆発する。従って、排気ガスも3つの個別排気ポート6,7,8から同時に排出されることはなくて、240°間隔で順番に排出される。
Since the present embodiment is a three-cylinder four-cycle internal combustion engine, in each cylinder, the fuel explodes in a state where the phase is shifted by 240 ° with respect to the rotation angle of the crankshaft. Accordingly, the exhaust gas is not simultaneously discharged from the three
そして、例えば第2個別排気ポート7を例にとると、排気ガスは平面視でほぼ直進する状態で集合排気ポート部9から排気通路10に流入するため、何等の対策を講じないと、図1から理解できるように、排気ガスは排気通路10における拡大部10aの内側面に衝突し、このため排気ガスの熱が排気通路10の拡大部10aに奪われて、排気ガスの温度低下が激しくなる。
For example, taking the second
また、図4に示すうに、排気通路10が下向きにカーブしていることにより、第2個別排気ポート7から流出した排気ガスは排気通路10の始端部の上内面10c′に衝突する傾向を呈しており、このため、何等の対策を講じないと、排気ガスは、排気通路10の始端部の上内面10c′に衝突することによっても、急激に温度が低下してしまう。
Further, as shown in FIG. 4, the
これに対して本実施形態では、第2個別排気ポート7から排出された排気ガスは、集合排気ポート部9を通過するにおいて、突条21の箇所で横向きに広げられる作用を受け、次いで、拡大部22に移行すると流速が急激に低下する。
On the other hand, in the present embodiment, the exhaust gas discharged from the second
つまり、排気ガスは排気通路10の拡大部10aに広がるような拡散作用を受けて、その状態で拡大部10aに移行することで流速が急激に低下するため、排気ガスが排気通路10における拡大部10aの内側面に激しく衝突したり、排気ガスが排気通路10の始端部の上内面10c′に激しく衝突したりすることを防止又は著しく抑制できる。このため、排気ガスから排気通路10への熱交換を著しく抑制できるのであり、その結果、排気ガスをできるだけ高温に保ったまま触媒式の排気ガス浄化装置(図示せず)に到達させることができる。
That is, the exhaust gas is subjected to a diffusing action that spreads in the
突条21の存在により、排気ガスは排気通路10の中心部に寄るようなガイド作用を受けており、これによっても、排気ガスが排気通路10の上内面10c′に激しく衝突することが抑制されている。つまり、突条21は、排気ガスを排気通路10の拡大部10aの長手方向に拡散させる整流作用と、上下中間部に集める整流作用とを備えている。
Due to the presence of the
第1個別排気ポート6及び第3個別排気ポート8から排出される排気ガスも集合排気ポート部9を通って排気通路10に移行するため、突条21による拡散作用と拡大部22による流速低下作用とを受けることになり、従って、第1個別排気ポート6及び第3個別排気ポート8から排出される排気ガスの温度低下も抑制される。
Since the exhaust gas discharged from the first individual exhaust port 6 and the third
さて、シリンダヘッド1はアルミ等の軽合金を材料にした鋳造品であり、鋳造したままで排気通路10を固定すると排気ガスの漏洩が生じたり、排気通路10の取り付け精度が悪化したりするおそれがある。そこで、フライス加工により、開口端面18とボス部19とを高い精度の平坦面に加工しているが、仮に、図3(B)のように集合排気ポート部9の内面がテーパ状になっていると、切削量Eの違いにより、任意に設定した基準位置から開口端までの距離eが変化する。
Now, the
すると、排気通路10を固定したときに、(C)のように排気通路10の始端が集合排気ポート部9の終端の外側に位置したり、(D)のように排気通路10の始端が集合排気ポート部9の終端の内側に位置したりと、集合排気ポート部9の終端と排気通路10の始端との間に段差が生じるおそれがある。すると、排気ガスの円滑な流れが阻害されたり、集合排気ポート部9と排気通路10との接合部が異常加熱されたりするおそれがある。
Then, when the
これに対して本実施形態では、図2(A)に示すように、拡大部22の内周面のうち開口端面18に近い部分を、開口端面18と直角なストレート部22aと成しておくことにより、切削量Eに関係なく軸心から開口縁までの距離を一定に保持することができる。このため、集合排気ポート部9と排気通路10とは、切削量Eに関係なく、内面が同一面を成すように接続することができる。これにより、排気ガスのスムースな流れが阻害されたり部分的な異常加熱が発生したりすることを防止できる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 2A, a portion close to the opening
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、適用対象は3気筒用のシリンダヘッドには限らず、1気筒又は多気筒の内燃機関に広く適用できる。また、シリンダヘッドには必ずしも集合排気ポート部を設けている必要はないのであり、シリンダヘッドの側面に個別排気ポートを開口させた排気マニホールド外付け方式のシリンダヘッドにも適用できる(この場合は、各個別排気ポートの終端部に拡大部を形成したらよい。)。 The present invention can be embodied in various ways other than the above-described embodiment. For example, the application target is not limited to a cylinder head for three cylinders, and can be widely applied to a single-cylinder or multi-cylinder internal combustion engine. The cylinder head is not necessarily provided with a collective exhaust port portion, and can be applied to an exhaust manifold externally attached cylinder head in which an individual exhaust port is opened on the side surface of the cylinder head (in this case, An enlarged portion may be formed at the end of each individual exhaust port.)
本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダヘッドに実際に適用できる。従って、産業上、利用できる。 The present invention is actually applicable to a cylinder head of an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine. Therefore, it can be used industrially.
1 シリンダヘッド
2 燃焼室
3,4,5 吸気ポート
6,7,8 個別排気ポート
9 集合排気ポート部
10 排気通路
10a 排気通路の始端部を構成する拡大部
13 排気バルブ
18 開口端面
19 ボス部
21 突条
22 集合排気ポート部の拡大部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
内燃機関のシリンダヘッド。 It has an exhaust port to which an exhaust passage through which a catalytic exhaust gas purification device is inserted is connected in the middle, and the end on the outlet side of the exhaust port is opened more than the inside of the end on the outlet side It consists of an enlarged part with an enlarged area,
Cylinder head of internal combustion engine.
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