JP2019035381A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】締結部のシール性を低下させることなく、排気集合部の材質を変更せずに耐熱性を向上させることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】排ガスを外部に排出する排気管(9)と、燃料を燃焼する燃焼室から排出される排ガスを排気管に排出する排気排出部(37)と、排気管の排気排出部に接続する排気上流側の端部に排気排出部の下流側の端部の内周縁(39a)との間に空隙(54a)を有して設けられる遮熱部(54)とを備えて構成されてなる。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関に係り、特に排気通路の耐熱性を向上させる技術に関する。

例えば複数の気筒を有する多気筒エンジンでは、吸気によって供給される酸素にガソリンを混合させ、各気筒の燃焼室内で燃焼させ、駆動力を得ると共に発生する高温の排ガスを、鉄製のエキゾーストマニホールドを介することで各気筒に接続する排気通路部から一本の排気集合部に集合させ、エキゾーストマニホールドの下流側に接続される排気管に排出することが広く行われている。

また、現在では、エキゾーストマニホールドに代わり、エンジンの燃焼室を構成するアルミ製のシリンダヘッドの排気側に排気通路部や排気集合部を設け、シリンダヘッドの排気集合部に外周縁を螺合することで排気管を締結してシリンダヘッドから排気管に直接排ガスを排出する技術が開発されている（特許文献１）。

特開２００４−０５２５４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される技術では、鉄製のエキゾーストマニホールドと比較して耐熱性の低いアルミ製のシリンダヘッドに排気集合部が常に高温の排ガスに晒されることになり、特にシリンダヘッドと排気管とが螺合される部分が熱変形するという問題がある。
また、螺合部分の熱変形を避けるため、螺合部分を排気集合部から遠ざけることが考えられるが、周辺部品との位置関係やシリンダヘッドと排気管との締結部のシール性の低下が課題となるため、好ましいことではない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、締結部のシール性を低下させることなく、排気集合部の材質を変更せずに耐熱性を向上させることができる内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の内燃機関は、排ガスを外部に排出する排気管と、燃料を燃焼する燃焼室から排出される排ガスを前記排気管に排出する排気排出部と、前記排気管の前記排気排出部に接続する排気上流側の端部に前記排気排出部の下流側の端部の内周縁との間に空隙を有して設けられる遮熱部と、を備えて構成されてなることを特徴とする。

これにより、排気管の排気排出部との接続部分に排気排出部の下流側の端部の内周縁と空隙を有するように遮熱部を設けるようにすることで、排気排出部の下流側の端部の内周縁が空隙を有して遮熱部に覆われることになり、排気排出部の下流側の端部の内周縁が高温な排ガスに晒されることを防止することが可能とされる。
その他の態様として、前記燃焼室を複数有し、前記排気排出部は、各々排気上流側が前記燃焼室に対応してそれぞれ接続する複数の排気通路部と、排気下流側で前記複数の排気通路部を束ねて排ガスを集合させる排気集合部と、で構成されてなるのが好ましい。

これにより、排気排出部が複数の燃焼室それぞれに接続する複数の排気通路部と排気下流側に該複数の排気通路部を束ねて排ガスを集合させる排気集合部とで構成されることで、複数の燃焼室から排出される排ガスを、排気通路部及び排気集合部によって集合させて排出することが可能とされ、排気集合部が遮熱部に覆われることで該排気集合部が高温な排ガスに晒されることを防止することが可能とされる。

その他の態様として、前記燃焼室内で燃料を燃焼して膨張する力を利用して往復運動するピストンの上死点側に位置するシリンダヘッドを有し、前記排気排出部は、前記シリンダヘッドに設けられてなるのが好ましい。
これにより、排気排出部をシリンダヘッドに設け、排気排出部の下流側の端部の内周縁を空隙を有して遮熱部で覆うことで、シリンダヘッドと排気管とが螺合される部分の熱変形が防止される。

その他の態様として、前記排気管の排気上流側の端部の外周縁に、前記排気排出部の排気下流側の外周縁と締結可能な締結部が設けられており、前記遮熱部は、前記排気管と前記締結部とに挟まれるようにして溶着されてなるのが好ましい。
これにより、排気排出部の外周縁と締結可能な締結部を排気管の排気上流側の端部の外周縁に設け、遮熱部を排気管と締結部とで挟んで溶接して構成することで、排気管を排気排出部の排気下流側の外周縁から着脱するとき、遮熱部を排気管ごと容易に着脱することが可能とされる。

その他の態様として、前記遮熱部は、排気上流側に向かうにつれて外周方向に広がる形状の拡開部を排気上流側の端部に有しているのが好ましい。
これにより、拡開部を設けることによって排気上流側の排気排出部の内周縁と拡開部との間の空隙を大きくすることで、断熱効果を高めることが可能とされる。

本発明の内燃機関によれば、排気管の排気排出部との接続部分に排気排出部の下流側の端部の内周縁と空隙を有するように遮熱部を設けるようにすることで、排気排出部の下流側の端部の内周縁が空隙を有して遮熱部に覆われることになり、排気排出部の下流側の端部の内周縁が高温な排ガスに晒されることを防止することができる。
これにより、排気管と排気排出部との締結部のシール性を低下させることなく、排気集合部の材質を変更せずに耐熱性を向上させることができる。

エンジンの斜視図である。 図１中のI-I断面の断面図である。 図１中のII-II断面の断面図である。 図１中のIII-III断面の断面図である。 別実施例に係る図１中のIII-III断面の断面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１を参照すると、エンジン（内燃機関）１の斜視図が示されている。
エンジン１は、シリンダブロックユニット５、シリンダブロックユニット５の重力方向で視て上部、即ち後述するピストン２２の上死点側に設けられたシリンダヘッドユニット７、鉄製の排気管９によって構成された、所謂直列４気筒エンジンである。

図２を参照すると、図１中のI-I断面の断面図が示されている。
シリンダブロックユニット５は、シリンダ２０、ピストン２２、クランクシャフト２４、コンロッド２６によって構成されており、シリンダ２０の内壁２０ａに沿ってピストン２２が重力方向で視て上下方向に摺動すると、コンロッド２６を介してクランクシャフト２４を回転軸２４ａ回りで回転することができる。また、シリンダブロックユニット５は、クランクシャフト２４が外力を受けて回転するとき、コンロッド２６を介してピストン２２を往復運動させることができる。即ち、シリンダブロックユニット５は、ピストン２２の重力方向で視て上下方向の運動とクランクシャフト２４の回転方向の運動とを互いに連動して変換することが可能となっている。

シリンダヘッドユニット７は、シリンダヘッド８、吸気通路部３０、吸気バルブ３２、スパークプラグ３４、排気バルブ３６、排気排出部３７を構成する排気通路部３８及び排気集合部３９、吸気カム４０、排気カム４２、燃焼室４４によって構成されている。
シリンダヘッド８は、吸気通路部３０、排気通路部３８及び排気集合部３９を含む排気排出部３７、燃焼室４４が設けられたアルミ製の鋳物部材である。

シリンダヘッドユニット７の作動状態としては、吸気、燃焼、排気がある。まず、吸気管１６から吸気通路部３０に吸気された空気と、図示しないインジェクタから供給される例えばガソリン（燃料）とを混合することで生成するガソリン混合気体を吸気カム４０が吸気バルブ３２を押し下げるときに燃焼室４４に取り込む（吸気）。次に、ピストン２２が下方（下死点）から上方（上死点）に摺動するとき、吸気バルブ３２及び排気バルブ３６を閉止することで、吸気したガソリン混合気体を圧縮し、スパークプラグ３４によって着火することで燃焼する（燃焼）。このときピストン２２は、燃焼によって膨張する燃焼後のガソリン混合気体（排ガス）によって押し下げられて、上死点から下死点に摺動する。そして、燃焼によって上死点から下死点に摺動したピストン２２が、再び上死点に向かって上昇するとき、排気カム４２が排気バルブ３６を押し下げることで排ガスを排気排出部３７に排出し、後述する排気管９に排出する（排気）。

図３を参照すると、図１中のII-II断面の断面図が示されており、シリンダヘッドユニット７に設けられた４つ（複数）の燃焼室４４及び排気管９に接続する排気排出部３７が示されている。
排気排出部３７は４つの排気通路部３８と排気集合部３９とで構成され、各吸気通路部３０から燃焼室４４に吸気された空気は、燃焼室４４で燃焼された後、各排気通路部３８を通過して排気集合部３９に集中し、排気管９に排出される。

図４を参照すると、図１中のIII-III断面の断面図が示されており、排気排出部３７の排気集合部３９と排気管９との接合部分の詳細が示されている。
排気集合部３９の開口部（内周縁）３９ａ近傍の合わせ面（外周縁）３９ｂには、スタッドボルト５０が螺合されている。排気管９の排気上流側の端部には、排気集合部３９の合わせ面３９ｂに対応する面を有する鉄製の締結部５２が遮熱部５４を挟むようにして溶着されており、それぞれのスタッドボルト５０に対応する位置に開孔５２ａが設けられている。詳しくは、遮熱部５４は、排気集合部３９の開口部３９ａの内周縁より小さい径の外周縁の円筒状の部材であり、一端が排気管９の排気上流側の端部と遮熱部５４とに挟まれるようにして溶着され、他端が排気上流側に開口部３９ａの合わせ面３９ｂから突出部３９ｃまでの距離より短くなるように延びて設けられている。

これら構成により、排気管９は、遮熱部５４を排気集合部３９の開口部３９ａの内周縁に空隙５４ａを有するように遊嵌させながら、締結部５２に設けられた開孔５２ａにスタッドボルト５０を挿入させて排気集合部３９のスタッドボルト５０が設けられる合わせ面３９ｂに締結部５２を合わせ、スタッドボルト５０の排気集合部３９とは反対側の端部からナット５６によって締結部５２を螺合することで排気集合部３９に取付けられている。

これにより、高温の排ガスが排気上流から排気集合部３９に流入するとき、遮熱部５４と開口部３９ａとの間に空隙を有しているため、排ガスの有する熱が開口部３９ａに伝達することを抑制することができる。
図５を参照すると、本実施形態における別実施例に係る図１中のIII-III断面の断面図が示されている。

別実施例では、本実施形態において排気集合部３９に設けられていた突出部３９ｃがなく、遮熱部１５４の排気上流側の端部に突出部３９ｃの内周縁形状と同様な内周縁形状の拡開部１５４ｂが設けられている。
即ち、遮熱部１５４の拡開部１５４ｂが設けられることで、突出部３９ｃと同様に拡開することで空隙１５４ａが大きくなり、断熱効果が高くなる。また、拡開部１５４ｂ周辺は、通過する排ガスの流速が早いことによって熱伝達率が高いので、突出部３９ｃに代わって設けられることで耐熱性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関では、排ガスを外部に排出する排気管９と、燃料を燃焼する燃焼室４４から排出される排ガスを排気管９に排出する排気排出部３７と、排気管９の排気排出部３７に接続する排気上流側の端部に排気排出部３７の下流側の端部の開口部３９ａと空隙５４ａを有して設けられる遮熱部５４とを備えて構成している。

従って、排気管９の排気排出部３７との接続部分に排気排出部３７の下流側の端部の内周縁と空隙を有するようにして遮熱部５４を設けたので、排気排出部３７の下流側の端部の開口部３９ａが空隙５４ａを有して遮熱部５４に覆われることになり、排気排出部３７の下流側の端部の開口部３９ａが高温な排ガスに晒されることを防止することができる。
そして、燃焼室４４は４つ設けられており、排気排出部３７は、排気上流側に各燃焼室４４にそれぞれ接続する複数の排気通路部３８と、排気下流側に該複数の排気通路部３８を束ねて排ガスを集合させる排気集合部３９とで構成されている。

従って、排気排出部３７が複数の燃焼室４４それぞれに接続する複数の排気通路部３８と排気下流側に該複数の排気通路部３８を束ねて排ガスを集合させる排気集合部３９とで構成したので、複数の燃焼室４４から排出される排ガスを、排気通路部３８及び排気集合部３９によって集合させて排出することができる。
更に、エンジン１に設けられたピストンの上死点側に位置するシリンダヘッド８を有し、燃焼室４４及び排気排出部３７は、シリンダヘッド８に設けられているので、排気排出部３７を別体で設けずに直接排気管９をシリンダヘッド８に取付けることができる。特に、シリンダヘッド８が鉄と比較して耐熱性の低いアルミ製の場合、遮熱部５４を設けることでスタッドボルト５０が螺合されている開口部３９ａが各排気通路部３８から絶えず排出される高温の排ガスに晒されることで開口部３９ａに伝達する熱を抑制し、開口部３９ａ周辺の熱変形を良好に防止することができる。

そして、排気管９の排気上流側の端部の外周縁に、排気排出部３７の排気下流側の合わせ面３９ｂと締結可能な締結部５２が設けられており、遮熱部５４は、排気管９と締結部５２とに挟まれるようにして溶着されている。
従って、排気排出部３７の合わせ面３９ｂと締結可能な締結部５２を排気管９の排気上流側の端部の外周縁に設け、遮熱部５４を排気管９と締結部５２とで挟んで溶接して構成したので、排気管９を排気排出部３７の排気下流側の外周縁から着脱するとき、遮熱部５４を排気管９ごと容易に着脱することができる。

そして、遮熱部５４は、排気上流側に向かうにつれて外周方向に広がる形状の拡開部１５４ｂを排気上流側の端部（他端）に有している。
従って、拡開部１５４ｂを設けることによって排気上流側の排気集合部３９の開口部３９ａと拡開部１５４ｂとの間の空隙１５４ａを大きくしたので、断熱効果を高めることができる。

以上で本発明に係る内燃機関の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、アルミ製のシリンダヘッド８及び鉄製の排気管９を用いて説明したが、別の材質であってもよい。
また、本実施形態では、排気集合部３９の開口部３９ａと遮熱部５４、１５４との間に空隙５４ａ、１５４ａを有するようにしたが、該空隙５４ａ、１５４ａに断熱材として例えばセラミックファイバを介在させるようにしてもよい。

また、本実施形態では、締結部５２、遮熱部５４、１５４、排気管９を溶着するようにしたが、それぞれに対応する雄ネジや雌ネジを設けて螺合するようにしてもよく、それぞれを圧入するようにしてもよい。
また、本実施形態では、遮熱部５４は、他端が排気上流側に開口部３９ａの合わせ面３９ｂから突出部３９ｃまでの距離より短くなるように延びて設けられるようにし、遮熱部５４の他端が突出部３９ｃに接触しないように、或いは遮熱部１５４の拡開部１５４ｂが開口部３９ａに接触しないようにしたが、遮熱部５４の他端が突出部３９ｃに接触するようにしてもよく、また拡開部１５４ｂが開口部３９ａに接触するようにしてもよく、空隙５４ａ、１５４ａを有するようにすればよい。

１ エンジン（内燃機関）
８ シリンダヘッド
９ 排気管
２２ ピストン
３７ 排気排出部
３８ 排気通路部
３９ 排気集合部
３９ａ 開口部（内周縁）
３９ｂ 合わせ面（外周縁）
４４ 燃焼室
５０ スタッドボルト
５２ 締結部
５４、１５４ 遮熱部
５４ａ、１５４ａ 空隙
１５４ｂ 拡開部

Claims (5)

1. 排ガスを外部に排出する排気管と、
   燃料を燃焼する燃焼室から排出される排ガスを前記排気管に排出する排気排出部と、
   前記排気管の前記排気排出部に接続する排気上流側の端部に前記排気排出部の下流側の端部の内周縁との間に空隙を有して設けられる遮熱部と、を備えて構成されてなる内燃機関。
2. 前記燃焼室を複数有し、
   前記排気排出部は、
   各々排気上流側が前記燃焼室に対応してそれぞれ接続する複数の排気通路部と、
   排気下流側で前記複数の排気通路部を束ねて排ガスを集合させる排気集合部と、で構成されてなる、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室内で燃料を燃焼して膨張する力を利用して往復運動するピストンの上死点側に位置するシリンダヘッドを有し、
   前記排気排出部は、前記シリンダヘッドに設けられてなる、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記排気管の排気上流側の端部の外周縁に、前記排気排出部の排気下流側の外周縁と締結可能な締結部が設けられており、
   前記遮熱部は、前記排気管と前記締結部とに挟まれるようにして溶着されてなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記遮熱部は、排気上流側に向かうにつれて外周方向に広がる形状の拡開部を排気上流側の端部に有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。

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