JP2017066978A - エンジンの排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】主に排気系のさらなる構造見直しにより、無負荷（又は軽負荷）運転が長時間行われても、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部から、液状未燃焼物が漏れ出すことが回避又は軽減されるように、改善されたエンジンの排気構造を提供する。【解決手段】燃焼室１１に開口する排気入口１５と排気マニホルド９との接合部Ｓに開口する排気出口１９とを備える管路状の排気ポート１３がシリンダヘッド２に形成されており、排気入口１５の開閉を司る排気弁１２がシリンダヘッド２に設けられているエンジンの排気構造において、シリンダヘッド２における排気ポート１３は、これを形成する排気内周面１３Ａに、排気ポート１３を流れる排気によりスワールが生じるように、螺旋状内周部２０を有している。排気ポート１３の排気入口１５の近傍箇所に、円環状の窪み２１が形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンや火花点火エンジンなどにおけるシリンダヘッドの構造、詳しくは、シリンダヘッドに形成されている排気ポートを工夫したエンジンの排気構造に関するものである。

この種のエンジンの排気構造、即ち、燃焼室に開口する排気入口と排気通路との接合部に開口する排気出口とを備える管路状の排気ポートがシリンダヘッドに形成されており、排気入口の開閉を司る排気弁がシリンダヘッドに設けられているエンジンの排気構造としては、特許文献１や特許文献２において開示されるものが知られている。この場合、特許文献２（図１，３参照）に記載されるように、シリンダヘッドと排気マニホルドとの間には、通常、ガスケットが介装されている。

ところで、ディーゼルエンジンにおいては、無負荷（又は軽負荷）運転を行うと、（１）燃焼温度が低い、（２）燃料の噴射率が低く噴霧が粗くなる、（３）ピストンとシリンダとのクリアランスが大きいことから、シリンダ内に未燃焼燃料、エンジンオイルが発生し、排気と一緒にシリンダ外に排出される、といった慢性的な問題がある。

エンジンが普通に運転され続けることによる温度上昇に伴い、燃焼温度や燃料噴射率は高くなり、また、未燃焼燃料やエンジンオイルは燃焼されて燃焼ガスとなることから、通常、前述した（１）〜（３）の問題は、一般的な運転状態においては解消されている。

しかしながら、長時間アイドリング状態が続くとか、冬季に軽負荷運転が続くなど、長時間に亘って無負荷（又は軽負荷）運転が行われると、未燃焼ガスなどが、マフラーや排気マニホルドといった排気系内に滞留してしまうことがある。

この場合、シリンダヘッドの排気ポートや排気マニホルドに滞留している未燃焼燃料やエンジンオイルなどによる液状未燃焼物が、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部（接続部）から漏れ出すことがあった。この排気接合部にはガスケットが設けられているが、経時によりガスケットがへたることもあり、前記漏れは起こりうるものであった。

特開２０１５−１６１２２５号公報 特開２００４−１５６５４７号公報

本発明の目的は、主に排気系のさらなる構造見直しにより、無負荷（又は軽負荷）運転が長時間行われても、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部から、液状未燃焼物が漏れ出すことが回避又は軽減されるように、改善されたエンジンの排気構造を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、燃焼室１１に開口する排気入口１５と排気通路９との接合部Ｓに開口する排気出口１９とを備える管路状の排気ポート１３がシリンダヘッド２に形成されており、前記排気入口１５の開閉を司る排気弁１２が前記シリンダヘッド２に設けられているエンジンの排気構造において、
前記シリンダヘッド２における前記排気ポート１３は、当該排気ポート１３を形成する排気内周面１３Ａに螺旋状内周部２０を有していることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のエンジンの排気構造において、
前記螺旋状内周部２０は、少なくとも前記排気ポート１３の始端部又は前部に設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のエンジンの排気構造において、
前記シリンダヘッド２は、前記排気ポート１３における前記排気入口１５から所定長さ排気出口１９側へ寄った箇所に、前記排気内周面１３Ａに対する窪み又は穴部或いは排気出口側の径を大きくすることでなる段差２１が設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のエンジンの排気構造において、
前記窪み又は穴部或いは段差２１は、前記排気ポート１３における前記排気入口１５の近傍箇所に設けられていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、排気ポートには、これを形成する排気内周面に螺旋状内周部を有しているので、燃焼室から排気ポートに押し出された排気は、螺旋状内周部によりスワールを起こしながら排気ポートを流れていくようになる。排気ポート内を流れる排気には遠心力も作用するようになるので、未燃焼ガスなどの液状未燃焼物も排気ポートにおける排気内周面に押しやられながら流れるようになる。

螺旋状内周部によって生じるスワールにより、排気ポート内を流れる排気には遠心力も作用するようになるので、その遠心力も加わった強力な推進力により、排気及び液状未燃焼物は勢い良く流れて排出されるようになり、接合部に溜まることが軽減又は解消されるようになる。

また、遠心力により、未燃焼ガスなどの液状未燃焼物は排気ポートにおける排気内周面に押しやられながら流れる（渦流）ようになり、液状未燃焼物を排気内周面に伝わせて回収することが可能となる面もある。

その結果、主に排気系のさらなる構造見直しにより、無負荷（又は軽負荷）運転が長時間行われても、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部から、液状未燃焼物が漏れ出すことが回避又は軽減されるように、改善されたエンジンの排気構造を提供することができる。

請求項２の発明によれば、螺旋状内周部を、少なくとも排気ポートの始端部又は前部に設けてあるので、スワールを排気ポートの始端部又は前部から効率よく発生させることができる利点がある。

請求項３の発明によれば、排気ポートにおける排気入口から所定長さ排気出口側へ寄った箇所に、窪みや穴部、或いは排気出口側の径を大きくすることでなる段差が設けられているので、スワールによる遠心力により、液状未燃焼物を窪み、穴部、又は段差に回収して溜めておくことができる利点がある。
なお、溜まった液状未燃焼物は、その後に重負荷運転や定格運転されるなどして排気温度が高くなれば燃焼ガスとなり、排気経路の末端から外に出されるようになる。

請求項４の発明によれば、窪み、穴部、段差が、排気ポートにおける排気入口の近傍箇所、即ち、燃焼室に近い位置に設けられているから、排気入口から遠い箇所に設けられている場合に比べて、排気温度が上昇した場合の処理がされ易くなる効果がある。また、排気ポートが先端上がりとなる形状の場合には、排気ポートの内周面を伝って液状未燃焼物が窪み、穴部、段差へ回収され易くなる利点もある。

ディーゼルエンジンの右側面図 図１に示すディーゼルエンジンの平面図 シリンダヘッド部位の排気構造を示す要部の断面図（実施形態１） 排気ポートにおける排気の流れ状況のイメージを示す斜視図 別構造の排気ポートを有する排気系を示す要部の断面図

以下に、本発明によるエンジンの排気構造の実施の形態を、立形直列３気筒ディーゼルエンジンの場合について、図面を参照しながら説明する。

このエンジンは、図１、図２に示されるように、シリンダブロック１の上部にシリンダヘッド２が組み付けられ、シリンダヘッド２の上部にヘッドカバー３が組み付けられ、シリンダブロック１の下部にオイルパン４が組み付けられ、シリンダブロック１の前部にギヤケース５が組み付けられている。シリンダブロック１の後部にはフライホイールハウジング６が組み付けられ、フライホイールハウジング６内には、クランク軸７に組み付けられたフライホイール(図示省略)が収容されている。

このエンジンは、図２に示すように、シリンダヘッド２の左側には吸気マニホルド８が組み付けられ、シリンダヘッド２の右側には、概略形状を仮想線にて示す排気マニホルド（排気通路の一例）９が組み付けられている。なお、図示は省略するが、排気マニホルド９の上部に過給機を設け、その過給機からパイプを介して吸気マニホルド８の吸気入口部に過給がなされる状態に構成しても良い。次に、排気経路の構造（エンジンの排気構造）について説明する。

〔実施形態１〕
図３に示されるように、シリンダブロック１の上部であるシリンダ１Ａに収容されているピストン１０と、シリンダヘッド２との間に燃焼室１１が形成されている。燃焼室１１には、吸気バルブ（図示省略）が配置される吸気ポート（図示省略）と、排気弁１２が配置される排気ポート１３とが臨んでいる。排気ポート１３、及び前述の排気マニホルド９内の内部排路９Ａなどにより、エンジンの排気経路Ｈが構成されている。

シリンダヘッド２の排気ポート１３は、環状の金属材料でなるバルブシート１４よりなる排気入口１５を有している。この排気入口１５は、排気弁１２の下端に形成されている排気弁体１２Ａにより閉じられたり（図３の状態）、排気弁１２の下降移動によって開かれたりする。ピストン１０が上昇移動する排気工程においては、排気弁体１２Ａが図３に示される閉じ位置から少し下がり、排気入口１５が開いて排気ガスなどが排気ポート１３に流れて行く。

図３に示されるように、シリンダヘッド２における排気ポート１３の出口壁１６と、内部排路９Ａの始端となる排気マニホルド９の入口壁１７とが、これら両者１６，１７の間に配置されるガスケット１８を挟んだ状態で、ボルト（図示省略）などにより連結されて接合部Ｓが構成されている。ガスケット１８は、厚さの薄い円環状の一般的なものである。排気ポート１３は、出口壁１６に開口する状態の排気出口１９を有し、内部排路９Ａは、入口壁１７に開口する状態の通路入口９ａを有している。

図３に示すように、シリンダヘッド２における排気ポート１３は、この排気ポート１３を形成する排気内周面１３Ａに、排気ポート１３を流れる排気によりスワールが生じるように、螺旋状内周部２０を有している。螺旋状内周部２０は、排気ポート１３の長手方向（軸心方向）に対して傾いた滑らかに突出する凸条２０により構成されており、排気ポート１３の全長のうち、少なくとも排気ポート１３の始端部又は前部に設けられている。なお、図３に描いてある仮想線は、凸条２０を持たない通常の排気ポート１３の外郭ライン２３の例である。

螺旋状内周部２０は、具体的には、排気ポート１３における排気弁１２の弁棒１２Ｂをスライド可能に外嵌する弁軸受２２の配置箇所から、排気ポート１３の長手方向の中央部に亘って凸条２０が形成されている。
凸条２０は、その長手方向が、管路状の排気ポート１３の軸心Ｐに対して傾斜した螺旋状（ヘリカル状）に延びるものである。排気入口１５から押し出された排気は、凸条２０によるガイド作用により、排気ポート１３内を横渦状に流れ（スワール）ながら排気出口１９に向かうように制御される。

つまり、図４に示す排気ポート１３のイメージ図のように、排気弁１２が下がることで燃焼室１１から排気入口１５に押し出された排気（排気ガス）ｈは、排気ポート１３の前部（又は始端部）に形成された螺旋状の凸条２０（イメージ）により、排気ポート１３内をスワールとなって渦状に排気出口１９に流れて行くようになる。

また、図３、図４に示されるように、シリンダヘッド２は、排気ポート１３における排気入口１５から所定長さ排気出口１９側へ寄った箇所に、排気内周面１３Ａに対する窪み（又は穴部或いは排気出口側の径を大きくすることでなる段差）２１が設けられている。窪み２１は、排気ポート１３における排気入口１５の近傍箇所において、円環状に横へ膨出する周溝として構成されている。

〔実施形態２〕
シリンダヘッド２は、図５に示すように、凸条２０が排気内周面１３Ａの大部分（又はほぼ全域）に形成された排気ポート１３を有する構成のものでも良い。図４に示すイメージ図は、軸心Ｐに対する比較的緩い傾斜角度を持つ凸条２０を有する実施形態１による排気ポート１３（図３を参照）の形状よりも、軸心Ｐに対する比較的急な傾斜角度を持つ凸条２０を有する実施形態２による排気ポート１３の形状の方が近い。
また、排気入口１５近くの排気ポート１３には、径方向に膨らんだ長円形の穴部２１が複数個所に設けられている。

〔実施形態１，２による作用効果など〕
図３に示す実施形態１によるエンジンの排気構造、及び、図５に示す実施形態２によるエンジンの排気構造によれば、次に述べるとおりの作用効果を得ることができる。

凸条２０によって生じるスワールにより、排気ポート１３内を流れる排気ｈには遠心力も作用するようになるので、その遠心力も加わった強力な推進力により、排気ｈ及び液状未燃焼物ｒは勢い良く排出されるようになり、接合部に溜まることが軽減又は解消されるようになる。
また、遠心力により、未燃焼ガスなどの液状未燃焼物ｒは排気ポート１３における排気内周面１３Ａに押しやられながら流れる（渦流）ようになり、液状未燃焼物ｒを排気内周面１３Ａに伝わせて回収することが可能となる面もある。排気ポートに窪み２１や穴部２１を設けておけば、遠心力により液状未燃焼物ｒを窪み２１や穴部２１に押しやって溜まらせるようにすることが可能になる（図４も参照）。
窪み２１や穴部２１に溜まっている液状未燃焼物ｒは、その後にエンジンが通常運転状態になるなど、排気温度が高くなると燃焼ガスとなり、マフラー（図示省略）などの排気経路Ｈの末端から外に出されるようになる。

このように、液状未燃焼物ｒが生成されるというディーゼルエンジン特有の問題が生じても、排気経路Ｈに排出された液状未燃焼物ｒは、排気ポート１３において効率良く捕捉されるようになって、外部への排出を抑制又は防止できるので、無負荷や軽負荷での長時間運転も可能となるエンジンの排気構造を提供することができる。
窪みや穴部、或いは段差２１を、排気の流れを阻害しないように、外径外側に膨出する状態で排気ポート１３に設けてあるので、排気の流れを滞らせることなく、捕捉された液状未燃焼物ｒを溜めておくことが可能である。

排気ポート１３を流れるスワール排気は、排気内周面１３Ａに追いやられるようになるので、液状未燃焼物ｒが排気内周面１３Ａを伝って窪みや穴部２１に捕捉される回収効果を期待することができる。特に、排気ポート１３が、その排気出口１９に向かって明確に高くなる実施形態２による排気構造では、重力も手伝って前記回収効果が促進される利点がある。
排気入口１５近くに凸条２０を設ける実施形態１の排気構造では、少ない凸条２０でありながら、効率良くスワールを生起させ得る利点がある。

なお、いずれの実施形態による排気構造においても、スワール比が０．５〜１．５の低スワール比となるように、排気内周面１３Ａのヘリカル形状（螺旋形状）を設定するのが好ましい。スワール比をあまり高くすると、明確な圧損が生じてしまい、背圧が高くなる不都合があるからである。

〔別実施形態〕
窪み又は穴部或いは排気出口側の径が太くなる段差２１は、実施形態１，２では排気入口１５に近い箇所に設けてあるが、排気ポート１３における排気出口１９に近い箇所に設ける構成でも良い。
また、窪み、穴部、段差２１は、その４〜６箇を排気ポート１３の周方向に分散配置させる構成でも良い。

２ シリンダヘッド
９ 排気通路
１１ 燃焼室
１２ 排気弁
１３ 排気ポート
１３Ａ 排気内周面
１５ 排気入口
１９ 排気出口
２０ 螺旋状内周部
２１ 窪み又は穴部或いは排気出口側の径を大きくすることでなる段差
Ｓ 接合部

Claims (4)

1. 燃焼室に開口する排気入口と排気通路との接合部に開口する排気出口とを備える管路状の排気ポートがシリンダヘッドに形成されており、前記排気入口の開閉を司る排気弁が前記シリンダヘッドに設けられているエンジンの排気構造であって、
   前記シリンダヘッドにおける前記排気ポートは、当該排気ポートを形成する排気内周面に螺旋状内周部を有しているエンジンの排気構造。
2. 前記螺旋状内周部は、少なくとも前記排気ポートの始端部又は前部に設けられている請求項１に記載のエンジンの排気構造。
3. 前記シリンダヘッドは、前記排気ポートにおける前記排気入口から所定長さ排気出口側へ寄った箇所に、前記排気内周面に対する窪み又は穴部或いは排気出口側の径を大きくすることでなる段差が設けられている請求項１又は２に記載のエンジンの排気構造。
4. 前記窪み又は穴部或いは段差は、前記排気ポートにおける前記排気入口の近傍箇所に設けられている請求項３に記載のエンジンの排気構造。

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