JP2013253528A

JP2013253528A - シリンダヘッド

Info

Publication number: JP2013253528A
Application number: JP2012128917A
Authority: JP
Inventors: Kohei Kodama; 航平小玉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-19

Abstract

【課題】少なくとも２気筒分の排気ポート（２と５、３と４）が内部で合流されているシリンダヘッド１において、排気ガスの冷却を促進しながら圧力損失を可及的に軽減する。
【解決手段】少なくとも２気筒分の排気ポート（２と５、３と４）が、シリンダヘッド１の一側壁面寄りで合流されて当該一側壁面から外側へ開放されている。各排気ポート（２と５、３と４）における合流部１１，１２の近傍の断面積が他部位よりも小さくされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２気筒分の排気ポートが内部で合流されているシリンダヘッドに関する。

例えば特許文献１には、直列４気筒エンジンにおいて、両端に配置される２つの気筒にそれぞれ接続される排気ポートを内部で合流し、中間に配置される２つの気筒にそれぞれ接続される排気ポートを内部で合流し、それぞれの合流部をシリンダヘッドの一側壁面から外側に開放した構成が記載されている。

また、例えば特許文献２には、３つの気筒にそれぞれ接続される計６つの排気ポートをシリンダヘッド内で１つに合流して、当該合流部をシリンダヘッドの一側壁面から外側に開放した構成が記載されている。

特開２００７−２８５１６８号公報特開２０００−１６１１３２号公報

上記特許文献１，２に係る従来例では、各排気ポートの合流部寄りの断面積を小さくするという記載はない。

このような事情に鑑み、本発明は、少なくとも２気筒分の排気ポートが内部で合流されているシリンダヘッドにおいて、排気ガスの冷却を促進しながら圧力損失を可及的に軽減することを目的としている。

本発明に係るシリンダヘッドは、少なくとも２気筒分の排気ポートが、シリンダヘッドの一側壁面寄りで合流されて当該一側壁面から外側へ開放され、前記各排気ポートにおける前記合流部の近傍の断面積が他部位よりも小さくされている、ことを特徴としている。

この構成では、前記各排気ポートにおいて断面積が小さくされている領域のベンチュリ効果でもって当該領域を通過する排気ガスの流速が増大する。これにより、排気ガスからシリンダヘッドへの移動熱量が大きくなるので、排気ガスの冷却作用が向上するようになる。その結果、特にエンジン高負荷時において前記排気ポートの開放部に接続される排気管に通常設置される触媒コンバータの過剰昇温を抑制することが可能になる。

なお、前記したように排気ガスの流速が増大することによりシリンダヘッドへの移動熱量が大きくなる理由は公知であるが、次のとおりである。そもそも、前記移動熱量（Ｑ）は、シリンダヘッドの熱伝達率（α）と、シリンダヘッドの排気ポート内壁面の表面積（Ｓ）と、シリンダヘッドの排気ポート内壁面と排気ガスとの間の温度差（ΔＴ）との積により求められる（Ｑ＝α×Ｓ×ΔＴ）。前記熱伝達率（α）は、排気ガスの流速に比例するからである。

しかも、前記構成では、各排気ポートの一部領域のみの断面積を小さくしているだけであるから、仮に前記各排気ポートの全長領域の断面積を可及的に小さくするような場合に比べると圧力損失が軽減されるなど、エンジン出力性能の低下を抑制することが可能になる。

好ましくは、前記シリンダヘッドにおいて、前記各排気ポートの断面積は、前記合流部に近づくにつれて徐々に小さくされる、構成とすることができる。

この構成では、各排気ポートの一部領域の断面積を漸減しているから、その領域によるベンチュリ効果が高められる。

好ましくは、前記シリンダヘッドは、直列４気筒でかつ燃焼順序が１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒にされるエンジンに用いられるものとされ、前記１番気筒用の排気ポートと前記４番気筒用の排気ポートとが合流されて前記一側壁面から外側に開放され、前記２番気筒用の排気ポートと前記３番気筒用の排気ポートとが合流されて前記一側壁面から外側に開放され、前記両開放部にそれぞれ排気管が接続される、構成とすることができる。

ここでは、エンジンの気筒数および燃焼順序と、気筒毎の排気ポートの合流形態を特定することにより、実施形態を明らかにしている。

このように燃焼順序が特定された直列４気筒エンジンの場合には、燃焼順が連続していないので、各気筒内から排気ポートに排出される排気ガス同士の干渉を抑制することが可能になり、排気ポートから排気管へ排気ガスがスムースに排出されやすくなる。

本発明は、少なくとも２気筒分の排気ポートが内部で合流されているシリンダヘッドにおいて、排気ガスの冷却を促進しながら圧力損失を可及的に軽減することが可能になる。
することが可能になる。

本発明に係るシリンダヘッドの一実施形態の平面図で、内部を透視した状態で示している。図１のシリンダヘッドの側面図で、内部を透視した状態で示している。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２に、本発明の一実施形態を示している。図中、１は直列４気筒エンジンに用いるシリンダヘッドの全体を示している。

このシリンダヘッド１の下面には、４つの気筒の一部を構成する凹み１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄがシリンダヘッド１の長手方向に一直線上に並ぶように設けられている。以下では、長手方向一端側から順に、１番気筒用の凹み１ａ、２番気筒用の凹み１ｂ、３番気筒用の凹み１ｃ、４番気筒用の凹み１ｄと称する。

これらの凹み１ａ〜１ｄには、それぞれ排気ポート２，３，４，５が接続されている。各排気ポート２〜５において排気ガス流通方向の上流側は二股に分岐されていて、この２つの上流端が凹み１ａ〜１ｄに開放されるようになっている。これはつまり、１気筒当たり２つの排気弁が用いられることを意味している。

そして、シリンダヘッド１の長手方向一端側に配置された１番気筒用の排気ポート２の下流側と、シリンダヘッド１の長手方向他端側に配置された４番気筒用の排気ポート５の下流側とがシリンダヘッド１内でシリンダヘッド１の一側壁面寄りで合流されていて、この第１合流部１１がシリンダヘッド１の一側壁面から外側に開放されている。

また、シリンダヘッド１の長手方向中間に配置された２番気筒用の排気ポート３の下流側と、３番気筒用の排気ポート４の下流側とがシリンダヘッド１内でシリンダヘッド１の一側壁面寄りで合流されていて、この第２合流部１２がシリンダヘッド１の一側壁面から外側に開放されている。

つまり、本実施形態では、１番気筒用の排気ポート２と４番気筒用の排気ポート５とを２イン１に合流させるようにしているとともに、２番気筒用の排気ポート３と３番気筒用の排気ポート４とを２イン１に合流させるようにしている。

第１、第２合流部１１，１２は、図２に示しているように、上下方向にずれた状態でシリンダヘッド１の一側壁面から外側に開放されている。

これら第１、第２合流部１１，１２には、それぞれ対応して排気管１３（図１では上下に重なっているので、１本しか見えていない）が接続される。これら２本の排気管１３の下流側は２イン１に合流されていて、この合流部分に触媒コンバータ１４が接続されるようになっている。この触媒コンバータ１４は、詳細に図示していないが、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）が収容されている。

ところで、前記したシリンダヘッド１を用いる直列４気筒エンジンは、例えば１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒の順で燃焼が行われる。そして、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。したがって、１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒の順で排気行程が行われることにより各気筒から排気ガスが排出される。

ここで、仮に、順序的に排気行程が連続して行われる２つの気筒（例えば１番気筒と３番気筒、２番気筒と４番気筒）から延びる排気ポート同士を排気流れ方向下流側で合流させるようにしていると、順序的に先に排気行程が行われる気筒（例えば１番気筒、４番気筒）から排出された排気ガスの圧力波の影響で、順序的に後に排気行程が行われる気筒（例えば３番気筒、２番気筒）から排気ガスが排出されにくくなってしまう。

そこで、この実施形態では、排気行程が連続して行われない気筒、すなわち、１番気筒用の排気ポート２と４番気筒用の排気ポート５とを排気流れ方向下流側で合流させるようにしているとともに、２番気筒用の排気ポート３と３番気筒用の排気ポート４とを排気流れ方向下流側で合流させるようにしている。

このように、排気行程が連続して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、後で排気行程が行われる気筒から排気ガスが排出されにくくなってしまうことがある。また、触媒コンバータ１４の入口側で排気ガスの圧力波が反射されることに起因して排気管１３内に圧力脈動という現象が生じ、この圧力脈動の影響で各気筒から排気ガスが排出されにくくな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、各気筒用の凹み１ａ〜１ｄから排気ポート２〜５の合流部１１，１２までの距離や触媒コンバータ１４の入口までの距離に起因するので、当該距離を適宜に管理することが望ましい。この実施形態では、排気ポート２〜５をシリンダヘッド１の内部で合流させるように構成している関係より、各気筒用の凹み１ａ〜１ｄから排気ポート２〜５の合流部１１，１２までの距離や触媒コンバータ１４の入口までの距離を任意に管理することが可能になっている。

この実施形態のように、排気ポート２〜５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るようにしている場合には、各気筒用の凹み１ａ〜１ｄから触媒コンバータ１４の入口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内で確保することが可能になるので、２本の排気管１３においてシリンダヘッド１から触媒コンバータ１４の入口までの領域１３ａの距離（長さ）を短くすることができる。

ところで、特にエンジン高負荷時のように排気ガスの温度が高くなりやすい場合に触媒コンバータ１４が過剰に昇温しやすくなることを考慮し、仮に排気ポート２〜５の全域の断面積を小さくすることにより排気ガスの流速を速くさせると、排気ガスからシリンダヘッド１への移動熱量を大きくできるから、シリンダヘッド１から排出される排気ガスの温度を下げることが可能になる反面、前記排気ポートでの圧力損失が大きくなってエンジンの出力性能が低下することが懸念される。

そこで、この実施形態では、圧力損失を可及的に軽減しながら、排気ポート２〜５から排出される排気ガスの温度を可及的に低減できるようにしている。

具体的に、１番気筒用の排気ポート２および４番気筒用の排気ポート５において第１合流部１１の近傍の断面積を、当該第１合流部１１へ向けて徐々に小さくしているとともに、２番気筒用の排気ポート３および３番気筒用の排気ポート４において第２合流部１２の近傍の断面積を当該第２合流部１２へ向けて徐々に小さくしている。

このような絞り形状とするために、第１、第２合流部１１，１２の合流起点（Ｖ字形部分）を当該第１、第２合流部１１，１２の開放部（排出口）つまりシリンダヘッド１の一側壁面に近づけるように深く食い込ませるようにしている。

この絞り寸法や絞り形状領域の長さについては、エンジンの排気量、排気ポート２〜５の全長寸法、第１、第２合流部１１，１２の開放部から触媒コンバータ１４の入口までの距離などといった諸々の条件を考慮して適宜に設定される。

そして、前記したように、１番気筒用の排気ポート２および４番気筒用の排気ポート５において断面積が小さくされている領域２ａ，５ａのベンチュリ効果、ならびに２番気筒用の排気ポート３および３番気筒用の排気ポート４において断面積が小さくされている領域３ａ，４ａのベンチュリ効果でもって、当該領域２ａ，３ａ，４ａ，５ａを通過する排気ガスの流速が増大することになる。これにより、排気ガスからシリンダヘッド１へ移動する熱量が大きくなるので、排気ガスの冷却作用が可及的に向上するようになる。その結果、触媒コンバータ１４の過剰昇温を抑制することが可能になる。

なお、公知のように、各気筒から間欠的に排出される排気ガスによって発生する圧力脈動によって、触媒コンバータ１４の入口側で反射される圧力波が排気ポートの開放部へ戻ってくる影響により、シリンダヘッド１と触媒コンバータ１４の入口とを接続する排気管１３の温度が上昇しやすくなるが、前記しているように排気管１３に排出される排気ガスの温度が効率良く低下されるようになっているから、排気管１３および触媒コンバータ１４の過剰昇温を抑制することが可能になるのである。

しかも、前記したように、１番気筒用の排気ポート２および４番気筒用の排気ポート５における一部領域２ａ，５ａの断面積と、２番気筒用の排気ポート３および３番気筒用の排気ポート４における一部領域３ａ，４ａの断面積とをそれぞれ小さくしているだけであるから、仮に前記各排気ポート２〜５の全長領域の断面積を可及的に小さくするような場合に比べると、圧力損失を可及的に軽減することが可能になるのである。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態では、特にエンジンの高負荷時において触媒コンバータ１４に到達するまでに圧力損失を可及的に軽減可能にしながら、排気ガスを効率良く冷却可能にしている。これにより、触媒コンバータ１４の過剰昇温を抑制することが可能になるなど、触媒コンバータ１４の機能ならびに耐久性を長期にわたって高めることが可能になり、しかも、エンジン出力性能の低下を抑制することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、直列４気筒エンジンに用いるシリンダヘッド１を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気筒数やエンジン型式などは任意である。

（２）上記実施形態では、４つの排気ポート２〜５の上流端を二股に分岐した例（各気筒毎に２つの排気弁が設置されるタイプ）を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば二股に分岐させずに１本にしたものにも本発明を適用することが可能である。

（３）上記実施形態では、１番気筒用の排気ポート２および４番気筒用の排気ポート５において第１合流部１１の近傍の断面積を当該第１合流部１１へ向けて徐々に小さくするとともに、２番気筒用の排気ポート３および３番気筒用の排気ポート４において第２合流部１２の近傍の断面積を当該第２合流部１２へ向けて徐々に小さくする場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば１番気筒用の排気ポート２および４番気筒用の排気ポート５において第１合流部１１の近傍の断面積を当該第１合流部１１へ向けて徐々に小さくする場合のみ、あるいは２番気筒用の排気ポート３および３番気筒用の排気ポート４において第２合流部１２の近傍の断面積を当該第２合流部１２へ向けて徐々に小さくする場合のみとすることも可能である。

本発明は、少なくとも２気筒分の排気ポートが内部で合流されているシリンダヘッドに好適に利用することが可能である。

１シリンダヘッド
１ａ１番気筒用の凹み
１ｂ２番気筒用の凹み
１ｃ３番気筒用の凹み
１ｄ４番気筒用の凹み
２１番気筒用の排気ポート
３２番気筒用の排気ポート
４３番気筒用の排気ポート
５４番気筒用の排気ポート
１１第１合流部
１２第２合流部
１３排気管
１４触媒コンバータ

Claims

少なくとも２気筒分の排気ポートが、シリンダヘッドの一側壁面寄りで合流されて当該一側壁面から外側へ開放され、
前記各排気ポートにおける前記合流部の近傍の断面積が他部位よりも小さくされている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
請求項１に記載のシリンダヘッドにおいて、
前記各排気ポートの断面積は、前記合流部に近づくにつれて徐々に小さくされる、ことを特徴とするシリンダヘッド。
請求項１または２に記載のシリンダヘッドは、直列４気筒でかつ燃焼順序が１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒にされるエンジンに用いられるものとされ、
前記１番気筒用の排気ポートと前記４番気筒用の排気ポートとが合流されて前記一側壁面から外側に開放され、前記２番気筒用の排気ポートと前記３番気筒用の排気ポートとが合流されて前記一側壁面から外側に開放され、
前記両開放部にそれぞれ排気管が接続される、ことを特徴とするシリンダヘッド。