JP2022139765A - モノブロック式多気筒内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドに排気集合通路が形成されている内燃機関において、排気ガスの排出性を向上させる。【解決手段】シリンダヘッド２とシリンダブロックとが一体に鋳造されており、従って、ヘッドボルトは不要である。そこで、エンドシリンダボア４ａ，４ｃに対応した排気ポート８ａ，８ｂ，８ｅ，８ｆを、長手中心線Ｏに対して傾斜しつつ延長線が排気出口１０に向かうような直線状に形成している。従って、排気ポート８ａ～８ｆが傾斜していても、排気ガスは排気出口１０に向けて直進する。これにより、排気ガスの排出を確実化して圧損を低減できると共に、熱歪みも抑制できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、シリンダヘッドとシリンダブロックとを一体化したモノブロック式多気筒内燃機関に関するものである。

内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドとを備えており、排気ガスは排気ポートから排出されるが、多気筒内燃機関において、構造の簡単化や熱の有効利用などのために、シリンダヘッドの内部に排気集合通路を形成して、各排気ポートから排出された排気ガスを１つの排気出口から排出することが行われている（例えば特許文献１）。

特開２０１８－１５９３４４号公報

現状において実用化されている内燃機関では、シリンダブロックとシリンダヘッドとは別部材として製造されており、そこで、シリンダヘッドは、ヘッドボルトの群によってシリンダブロックに固定されている。

この場合、ヘッドボルトは、シリンダボアの群を囲うように配置されており、クランク軸線方向から見て前後両側に位置したものを除いて中間部のヘッドボルトは、ボア間部の箇所に配置されている。このため、シリンダヘッドには、ヘッドボルトを通すための肉部が必要である。

そこで、シリンダヘッドには、隣り合ったシリンダボアの間に対応した隔壁にヘッドボルト挿通穴を形成しているが、ヘッドボルト挿通穴の位置は決まっていることから、これを形成した隔壁はかなり長い長さで排気集合通路に突出しており、その結果、排気集合通路の内側面は排気ポートの群から離れた方向に膨れるように湾曲した形状に形成せざるを得ず、すると、特に端部に位置した排気ポートから排出された排気ガスが排気出口に向かわずに、排気出口の箇所を素通りして排気集合通路の反対側に流れる逆流現象（或いは滞留現象）が発生しやすくなって、排気ガスの排出が不完全になりやすいという問題があった。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

シリンダブロックとシリンダヘッドとが別部材である場合はヘッドボルトは必須の要素であり、従って、ヘッドボルトの配置位置によって排気集合通路の形態が規制を受けることは仕方ないが、本願発明者たちは、既存の概念に捕らわれることなく、ヘッドボルトを使用しないという着想によって本願発明を完成させるに至った。

本願発明は、請求項１，２の構成を含んでおり、このうち請求項１の発明は、
「シリンダブロックとシリンダヘッドとがモノブロック化されており、
前記シリンダブロックに、複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されている一方、
前記シリンダヘッドには、前記複数のシリンダボアに対応した吸気ポートの群及び排気ポートの群と、前記複数の排気ポートが集まる排気集合通路と、前記排気集合通路から排気ガスを排出する排気出口とが形成されている」
という基本構成において、
「前記各排気ポートは、排気ガスが前記排気出口に向けて直進するようにシリンダボア軸心方向から見て略直線状の姿勢に形成されている」
という構成になっている。

他方、請求項２の発明は、
「シリンダブロックとシリンダヘッドとがモノブロック化されており、
前記シリンダブロックに、クランク軸線方向を向いて前後両端に位置したエンドシリンダボアとこれに隣接した中間シリンダボアとを含む３つ以上のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されている一方、
前記シリンダヘッドには、前記各シリンダボアに対応した吸気ポートの群及び一対ずつの排気ポートの群と、前記複数の排気ポートが集まる排気集合通路と、前記排気集合通路から排気ガスを排出する排気出口とが形成されている」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記各排気ポートは、排気ガスが前記排気出口に向けて直進するようにシリンダボア軸心方向から見て略直線状の姿勢に形成されており、
かつ、前記エンドシリンダボアに対応した２つの排気ポートのうち前記中間シリンダボアに近い排気ポートと、前記中間シリンダボアに対応した２つの排気ポートのうち前記エンドシリンダボアに近い排気ポートとは、当該両排気ポートから排出された排気ガスが共通の通路を通って前記排気出口に向かうように略同じ位置で前記排気集合通路に開口している」
という構成が付加されている。

本願発明の内燃機関はモノブロック式であるので、ヘッドボルトは不要である。従って、ヘッドボルトの規制を受けることなく排気ポートや排気集合通路を設計できるが、請求項１，２のいずれの発明でも、各排気ポートから排出された排気ガスは排気出口に向けて直進するため、排気ガスの滞留現象が発生することはなくて、排気ガスを適切に排出できる。

これにより、排気を確実化して出力を安定化できると共に、ポンピングロスを低減して燃費の向上に貢献できる。また、排気ガスが滞留することによる局部的な異常昇温を防止して、熱ひずみも抑制できる。

排気ポートは１つのシリンダボアに対応して２つ配置していることが多いが、請求項２の発明では、例えば、エンドシリンダボアに対応した排気ポートに排気ガスが残っても、滞留した排気ガスは、隣り合った中間シリンダボアに対応した排気ポートから排出された排気ガスと一緒に吸い出される。中間シリンダボアに対応した排気ポートに排気ガスが滞留した場合も同様であり、エンドシリンダボアに対応した排気ポートから排出された排気ガスと一緒に吸い出される。

従って、請求項２の構成を採用すると、排気ガスが排気ポートや排気集合通路に滞留しやすい運転領域であっても、排気ガスの排出を確実化できる利点がある。

実施形態の模式的な平面視図である。 図１のII-II 視方向から見た模式的な側面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は車両用（自動車用）の３気筒内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後と左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線方向と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置される側を前、変速機が配置される側を後ろとしている。念のため、図に方向を明示している。平面視は、シリンダボアの軸心方向から見た状態である。

(1).概要
内燃機関は、機関本体を構成するシリンダブロック１とシリンダヘッド２を有しており、両者は鋳造によって一体に形成されている。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の前面には、タイミングチェーン（図示せず）を覆うフロントカバー３が固定されている。図示は省略するが、シリンダヘッド２には、動弁機構を覆うヘッドカバーが固定されている（ヘッドカバーは、フロントカバー３の上面にも重なっている。）。

シリンダブロック１には、３つのシリンダボア４ａ～４ｃが前後方向に並んで形成されている。他方、シリンダヘッド２には、図１に示すように、シリンダボア４ａ～４ｃと同心の截頭円錐状の凹所（燃焼室）５ａ～５ｃが形成されており、各凹所５ａ～５ｃの中央部には、点火プラグを装着するプラグホール６が開口している。

そして、図１に示すように、各凹所５ａ～５ｃに、一対ずつの吸気ポート７と排気ポート８ａ～８ｆとが、シリンダヘッド２の長手中心線Ｏを挟んだ左右両側から開口している。一対の吸気ポート７は、それぞれシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口しているが、１つの入口から２つに分岐した構造もあり得る。図示は省略しているが、各吸気ポート７は、上流から下流に向けて低くなるように傾斜している。

シリンダブロック１には３つのシリンダボア４ａ～４ｃが形成されているが、個別に特定する必要がある場合は、前から順に番号を付して、第１シリンダボア４ａ，第２シリンダボア４ｂ，第３シリンダボア４ｃのように呼ぶこととする。本実施形態の内燃機関は３気筒なので、請求項との関係では、第１シリンダボア４ａと第３シリンダボア４ｃとがエンドシリンダボアに該当し、第２シリンダボア４ｂが中間シリンダボアに該当する。

他方、排気ポート８ａ～８ｆは、各シリンダボア４に対応して一対ずつ存在しているが、個別に特定する必要がある場合は、前から順に番号を付して、第１排気ポート８ａ、第２排気ポート８ｂのように呼ぶこととする。従って、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂとは第１シリンダボア４ａとセットになり、第３排気ポート８ｃと第４排気ポート８ｄとは第２シリンダボア４ｂとセットになり、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとは第３シリンダボア４ｃとセットになっている。

シリンダヘッド２には、各排気ポート８ａ～８ｆが連通する排気集合通路９が形成されて、排気集合通路９は、シリンダヘッド２の排気側面２ｂに形成した１つの排気出口１０に開口している。そこで、隣り合った排気ポート８ａ～８ｆの間には、排気集合通路９に向けて突出した半島状の隔壁１１ａ～１１ｅが存在している。排気出口１０は、前後方向に長い小判形に形成されている。

隔壁１１ａ～１１ｅについて正確に述べると、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂとは第１隔壁１１ａで仕切られ、第２排気ポート８ｂと第３排気ポート８ｃとは第２隔壁１１ｂで仕切られ、第３排気ポート８ｃと第４排気ポート８ｄとは第３隔壁１１ｃで仕切られ、第４排気ポート８ｄと第５排気ポート８ｅとは第４隔壁１１ｄで仕切られ、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとは第５隔壁１１ｅで仕切られている。

第１隔壁１１ａと第２隔壁１１ｂの突出寸法は同じ程度になっている。また、第４隔壁１１ｄと第５隔壁１１ｅとの突出寸法も同じ程度になっている。従って、第２排気ポート８ｂと第３排気ポート８ｃ、及び、第４排気ポート８ｄと第５排気ポート８ｅとは、それぞれ同じ長手中心線Ｏから同じ程度離れた位置において排気集合通路９に向けて開口している。

従って、第２排気ポート８ｂから排出された排気ガスと第３排気ポート８ｃから排出された排気ガスとは共通の通路を通って排気出口１０に向かい、第４排気ポート８ｄから排出された排気ガスと第５排気ポート８ｅから排出された排気ガスとは、共通の通路を通って排気出口１０に向かうことになる。

そこで、排気集合通路９について見ると、排気集合通路９は、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂとから排出された排気ガスが集まって流れる第１集合部９ａと、第２排気ポート８ｂと第３排気ポート８ｃとの延長線上に位置した第２集合部９ｂと、第４排気ポート８ｄと第５排気ポート８ｅとの延長線上に位置した第３集合部９ｃと、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとから排出された排気ガスが集まって流れる第４集合部９ｄと、これらの集合部９ａ～９ｅが集まる第５集合部９ｅとから成っており、第５集合部９ｅと排気出口１０とが一体化している。従って、第２集合部９ｂと第３集合部９ｃとが、請求項に記載した共通の部分に該当する。

(3).排気構造の詳細
排気出口１０は平面視で第２シリンダボア４ｂの真横に位置している。このため、排気集合通路９は前後対称の形態になっていて、平面視では全体として台形状になっている。図２から理解できるように、排気ポート８ａ～８ｆ及び排気集合通路９は、排気出口１０に向けて高さが高くなるように緩く傾斜している。

そして、本実施形態の内燃機関はモノブロック方式であってヘッドボルトが不要であることから、シリンダヘッド２のうちボア間部１２の横方向も排気通路として使用可能であり、そこで、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂ、及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆは、排気出口１０に向かって略直線状に延びる姿勢になっている。

換言すると、これら第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂ、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとは、平面視において、長手中心線Ｏ及びこれらに直交した線に対して傾斜して、その延長線は排気出口１０に向いている。従って、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂから噴出した排気ガス、及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとから噴出した排気ガスは、排気出口１０に向けて直進する。

第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂ，及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆについては、その始端部１３は左右方向に向いている。従って、厳密には、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂ、及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとは平面視でく字形になっているが、始端部１３の範囲は僅かであり、排気ガスは、平面視で長手中心線Ｏに対して傾斜した部分に沿って流れて排気出口１０に向けて直進する。従って、全体として直線状の形態になっていると見なして差し支えない。

なお、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂ、及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆの始端部１３が左右方向に向いているのは、主として、第１排気ポート８ａと第２排気ポート８ｂとの間、及び、第５排気ポート８ｅと第６排気ポート８ｆとの間にある程度の間隔が必要だからである。

第３排気ポート８ｃと第４排気ポート８ｄとは、長手中心線Ｏと直交した方向に向けて長いほぼ直線状の姿勢であり、延長線は排気出口１０に向いている。従って、第３排気ポート８ｃと第４排気ポート８ｄから噴出した排気ガスは、排気出口１０に向けて直進する。第３隔壁１１ｃは他の隔壁１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅよりも大きく突出しており、第３隔壁１１ｃの先端部にはオイル落とし穴１４が形成されている。なお、図１に示す符号１５はバルブシステムである。

第１排気ポート８ａと第６排気ポート８ｆとが排気出口１０に向けて直線状の姿勢になっていることから、排気集合通路９のうち排気ポート８ａ～８ｆの群の外側に位置した内側面１６は、長手中心線Ｏに対して傾斜した直線状のプロフィールになっている。従って、特許文献１のような膨らみは無くて、第１シリンダボア４ａ及び第３シリンダボア４ｃから排出された排気ガスは、排気出口１０に向けて直進する。

(3).冷却水ジャケット
図１及び図２では、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の外観は一点鎖線で表示しており、かつ、冷却水ジャケット１７，１８と排気ポート８ａ～８ｆ、排気集合通路９、吸気ポート７とを重ねて表示している。シリンダブロック１の冷却水ジャケット１７は、シリンダボア４の群を囲うようにループ状に形成されている。

他方、シリンダヘッド２の冷却水ジャケット１８は、例えば、排気側に位置して排気集合通路９の下方に位置した排気側下部ジャケットと、排気側に位置して排気集合通路９の上方に位置した排気側上部ジャケットと、吸気側に位置して吸気ポート７の下方に位置した吸気側下部ジャケットと、吸気ポート７の上方に位置した吸気側上部ジャケットと、吸気側の上下ジャケットと排気側の上下ジャケットとに連通したセンタージャケットとで構成することができる。

すなわち、上部ジャケットと下部ジャケットとで構成してセンタージャケットを共通化できるが、上部ジャケットと下部ジャケットとを互いに分離して別々に送水することも可能である。

本実施形態では、シリンダヘッド２の冷却水ジャケット１８は、前部に入口１９を設けて後端部に出口２０を設けている。出口２０は配水ユニットに接続されており、配水ユニットからラジエータ等の各部位に送られるようになっている。

シリンダブロック１の冷却水ジャケット１７とシリンダヘッド２の冷却水ジャケット１８との関係を見ると、本実施形態では、機関温度が所定温度以下のときにはシリンダヘッド２の冷却水ジャケット１８のみに冷却水を送る２系統冷却方式を採用している。機関温度（冷却水の温度）が予め定めた所定値に昇温すると、シリンダブロック１の冷却水ジャケット１７にも通水されて、シリンダブロック１の冷却水ジャケット１７を巡った冷却水は、連通穴を経由してシリンダヘッド２の冷却水ジャケット１８に流れ込む。

なお、モノブロックでは冷却性が高いので、シリンダブロック１の冷却水ジャケット１７は僅かの高さであってもよい。

(4).まとめ
以上の説明のとおり、本実施形態では、各排気ポート８ａ～８ｆと略直線状に形成されてその延長線上に排気出口１０が位置しており、従って、排気ガスは排気出口１０に向けて直進する。これにより、排気集合通路９を設けた構造でありながら、排気ガスが排気集合通路９に滞留することを防止して、出力の安定化効果や圧損の低減による燃費の向上効果、或いは、局部的昇温防止による熱ひずみ発生防止などの効果を得ることができる。

また、排気集合通路９の内側面１６を外側に膨らませる必要はないため、排気集合通路９のコンパクト化によってシリンダヘッド２の重量低減も可能であり、この面でも燃費の向上に貢献できる（排気出口１０をできるだけ長手中心線Ｏに寄せ得ることによっても、シリンダヘッド２の軽量化が可能になる。）。

実施形態の内燃機関は３気筒であり、爆発行程は第１シリンダボア４ａ、第２シリンダボア４ｂ、第３シリンダボア４ｃの順で行われる。そして、第２排気ポート８ｂと第３排気ポート８ｃとは第２集合部９ｂに連通しているため、慣性排気が作用しないような領域で、第１排気ポート８ａ及び第２排気ポート８ｂに若干の排気ガスが残ることがあっても、第２シリンダボア４ｂの排気行程のときに、第１排気ポート８ａ及び第２排気ポート８ｂに滞留していた排気ガスを、第２シリンダボア４ｂの排気行程のときに、第３排気ポート８ｃから排出された排気ガスによって吸い出すことができる。

逆に、第３排気ポート８ｃに残っていた排気ガスを、第１シリンダボア４ａが排気行程のときに、吸い出すこともできる。第４排気ポート８ｄと第５，６排気ポート８ｅ，８ｆの関係も同様であり、第４排気ポート８ｄに残っていた排気ガスを第５排気ポート８ｅから噴出する排気ガスによって吸い出したり、第５，６排気ポート８ｅ，８ｆに残っていた排気ガスを第４排気ポート８ｄから噴出する排気ガスによって吸い出したりすることができる。これにより、排気ガスの滞留を的確に防止して、排気を確実化できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、本願発明は４気筒以上の内燃機関にも具体化できる。直列６気筒の内燃機関の場合は、第１～第３のシリンダボアと第４～第６のシリンダボアとをそれぞれ１セットにして、各セットごとに排気集合通路と排気出口とを形成することも可能である。

本願発明は、モノブロック式の多気筒内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
４ａ～４ｃ シリンダボア
５ａ～５ｃ 凹所（燃焼室）
７ 吸気ポート
８ａ～８ｆ 排気ポート
９ 排気集合通路
９ａ 排気集合通路の第１集合部
９ｂ 排気集合通路の第２集合部（共通の通路）
９ｃ 排気集合通路の第３集合部（共通の通路）
９ｄ 排気集合通路の第４集合部
１０ 排気出口
１１ａ～１１ｅ 隔壁
１６ 排気集合通路の内側面

Claims (2)

1. シリンダブロックとシリンダヘッドとがモノブロック化されており、
   前記シリンダブロックに、複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されている一方、
   前記シリンダヘッドには、前記複数のシリンダボアに対応した吸気ポートの群及び排気ポートの群と、前記複数の排気ポートが集まる排気集合通路と、前記排気集合通路から排気ガスを排出する排気出口とが形成されている構成であって、
   前記各排気ポートは、排気ガスが前記排気出口に向けて直進するようにシリンダボア軸心方向から見て略直線状の姿勢に形成されている、
   モノブロック式多気筒内燃機関。
2. シリンダブロックとシリンダヘッドとがモノブロック化されており、
   前記シリンダブロックに、クランク軸線方向を向いて前後両端に位置したエンドシリンダボアとこれに隣接した中間シリンダボアとを含む３つ以上のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されている一方、
   前記シリンダヘッドには、前記各シリンダボアに対応した吸気ポートの群及び一対ずつの排気ポートの群と、前記複数の排気ポートが集まる排気集合通路と、前記排気集合通路から排気ガスを排出する排気出口とが形成されている構成であって、
   前記各排気ポートは、排気ガスが前記排気出口に向けて直進するようにシリンダボア軸心方向から見て略直線状の姿勢に形成されており、
   かつ、前記エンドシリンダボアに対応した２つの排気ポートのうち前記中間シリンダボアに近い排気ポートと、前記中間シリンダボアに対応した２つの排気ポートのうち前記エンドシリンダボアに近い排気ポートとは、当該両排気ポートから排出された排気ガスが共通の通路を通って前記排気出口に向かうように略同じ位置で前記排気集合通路に開口している、
   モノブロック式多気筒内燃機関。

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