JP2023037974A - ４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】４つの気筒を備えたエンジンのシリンダヘッドにおいて、排気マニホールドをコンパクト化しつつ排気ガスの圧損低減と熱容量低減できる構造を開示する。【解決手段】シリンダヘッド２には、第１～第４の排気ポート７～１０が形成されている。第２排気ポート８と第３排気ポート９とは、シリンダヘッド２の内部で集合して集合部は排気側面１２の第１排気口１３に開口している。第１排気ポート７と第４排気ポート１０とは、第２排気口１４及び第３排気口１５に個別に開口している。排気マニホールド２４は、枝管２５～２７は３本でかつ前後寸法を小さくできるためコンパクト化できる。内部集合と排気マニホールドとの併用であるため、シリンダヘッドの大型化防止と排気マニホールド２４のコンパクト化とを実現しつつ、排気ガスをスムースに排出できる。【選択図】図２

Description

本発明は、第１～第４の４つの気筒が直列に並んでいるエンジンを構成するシリンダヘッドに関するものである。

エンジンにおいて排気ガスの排出は重要な要素であり、排出構造について様々な提案が成されている。例えば特許文献１には、３気筒エンジンにおいて、各気筒の排気ポートをシリンダヘッドの内部で１つに集合させて、排気側面には１つの排気口を形成した構造が開示されている。

他方、特許文献２には、直列４気筒エンジンにおいて、第１気筒の排気ポートと第４気筒の排気ポートとをシリンダヘッドの内部で１つに集合させる一方、第２気筒の排気ポートと第３気筒の排気ポートとをシリンダヘッドの内部で１つに集合させて、第１気筒と第４気筒との排気ポートが集合した排気口と、第２気筒と第３気筒との排気ポートが集合した排気口とを、上下に高さを変えて排気側面に開口させた構造が開示されている。

特許文献２は、２つのタービンを備えたツインスクロールタイプの排気ターボ過給機が固定されるシリンダヘッドを対象にしており、行程が１８０°ずつ相違する気筒の排気ポートを集合させてそれぞれ異なるスクロール室に導くことによって過給機の排気干渉を防止することを基本的な課題としつつ、排気通路が異なることによる排気温度の違いに起因して過給機に熱害が及ぶことを防止するために、２つの排気口の面積を異ならせている。

特開２０１１－１５７８２７号公報 特開２０１３－２１７２８８号公報

特許文献１は排気マニホールドをシリンダヘッドに内蔵した構造になっており、構造を簡素化できる利点や、排気ガスの熱を有効利用して排気ターボ過給機の効率向上や触媒の早期活性化に貢献できる等の利点があるが、４気筒以上のエンジンに適用すると、集合通路の角度と排気側面とが成す角度が小さくなるため、排気ガスの逆流現象が発生しやすくなる問題があり、従って、直列４気筒（及びそれ以上の気筒数）のエンジンには適用し難いという問題がある。

特許文献２は、ツインスクロールタイプの排気ターボ過給機が接続されるシリンダヘッドを対象にしているため、汎用性が著しく低くなるのみならず、シリンダヘッドの構造が複雑化してコストが嵩むおそれがある問題や、第１気筒の排気ポート及び第２気筒の排気ポートと排気側面とが成す角度はかなり小さくなるため、排気ガスを逆流させることなく確実に排出できるか否か疑問が残る。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッドに関し、シリンダヘッド及び排気マニホールドのコンパクト化を図りつつ、排気ガスのスムースな排出等を実現できる技術を開示せんとするものである。

本願発明は、一端から他端に向けて第１～第４の４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッドに関し、このシリンダヘッドは、
「排気マニホールドが接合される排気側面に、第２気筒の第２排気ポートと第３気筒の第３排気ポートとが集合した１つの第１排気口と、第１気筒の第１排気ポートが開口した第２排気口と、第４気筒の第４排気ポートが開口した第３排気口とが形成されており、
前記排気側面と対向した方向から見て、前記第１排気口は第２気筒と第３気筒の軸心の間に位置し、前記第２排気口は第１気筒の軸心よりも第１排気口の側に偏位し、前記第２排気口は第４気筒の軸心よりも前記第１排気口の側に偏位している」
という構成になっている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として請求項２の発明は、
「前記第１排気ポートの内面のうち第２排気ポートに向いた面でかつ前記第２排気口に連続した下流端部に、気筒軸線方向から見て第２排気ポートに向かって膨れた第１内向き曲面が形成されて、前記第４排気ポートの内面のうち前記第３排気ポートに向いた面でかつ前記第２排気口に連続した下流端部に、気筒軸線方向から見て前記第３排気ポートに向かって膨れた第２内向き曲面が形成されており、
前記第１及び第２の内向き曲面は、曲面のまま前記排気側面に至るか、又は、直線部を介して前記排気側面に至っており、
気筒軸線方向から見て、前記排気側面と直交した基準線と前記第１排気ポートの中心線とが成す夾角をθ１、前記直線部と基準線とが成す夾角をθ２、前記内向き曲面がそのまま前記排気側面に至っている場合には当該内向き曲面の排気口端の接線と前記基準線とが成す夾角をθ３としたとき、θ２及びθ３がθ１よりも小さい角度になっている」
という構成を採用した。

さて、４つの気筒の排気ポートを１つに集合させると、既述のとおり、排気側面に対する第１排気ポートと第４排気ポートとの傾斜角度が小さくなって排気ガスの逆流現象が発生しやすくなり、さりとて、排気ガスの逆流が生じないように排気側面に対する第１排気ポートと第４排気ポートとの傾斜角度を大きくすると、シリンダヘッドは著しく大型化して排気通路を集合させた意味がなくなってしまう。

これに対して本願発明では、第２排気ポートと第３排気ポートとが内部集合しているだけであるため、シリンダヘッドの大型化は全く又は殆ど生じない。一方、排気マニホールドは枝管が３本になるためコンパクト化できるが、第１排気口と第３排気口とは第１排気口の側に偏位しているため、３本の枝管の間隔を狭めて排気マニホールドのコンパクト化を更に促進できる。

更に、排気マニホールドにおいて３本の枝管は１つの出口管に集合しており、出口管が触媒ケースや排気ターボ過給機に接続されることになるが、第１排気口及び第３排気口が第１排気口との側に偏位していることにより、シリンダヘッドの内部の第１排気ポート及び第２排気ポートは排気マニホールドの出口管に向かうように傾斜するため、４つの排気ポートそれぞれ排気側面に開口させてこれに排気マニホールドを接続した場合に比べて、排気ポートと排気マニホールドとの全体で構成される排気通路の長さを短くできると共に、排気ガスの直進性も格段に向上できる。

その結果、熱容量を低減して触媒の早期活性化やターボ過給機の効率向上に貢献できると共に、圧損を抑制して熱効率の向上と燃費低減に貢献できる。

さて、排気マニホールドは鋳造品を使用することも可能ではあるが、ステンレス板等の
板金加工品を使用すると軽量化できて好適である。この場合、排気マニホールドを排気側面に締結する方法としては、排気マニホールドを構成する各枝管の上流端部をフランジに接合して、フランジをボルト（及びナット）で排気側面に締結することになる。その場合、枝管をフランジに接合する方法としては、枝管の上流端部を筒状に形成してこれをフランジに設けた穴に密嵌し、その状態で両者を溶接することになる。

従って、各枝管の上流端部はその軸心が排気側面と直交した姿勢になるため、第１排気ポート及び第４排気ポートを単純な直線状の姿勢にしていると、排気ガスが排気マニホールドの枝管に衝突して圧損低下のマイナス要因になると共に、排気ガスが集中的に当たることにより熱害が発生しやすくなるおそれがある。

これに対して請求項２の構成を採用すると、第１排気ポート及び第２排気ポートの内向き下流端部が内向き曲面になっているため、排気ポートが排気マニホールドの枝管に向かうようにガイドされるが、θ１とθ２とθ３とを請求項２の関係に設定すると、内向き曲面に向けて噴出した排気ガスを排気マニホールドの枝管に方向変換させる機能が向上して、圧損低減効果を確実化できると共に、熱の集中による弊害も防止できる。

実施形態を気筒軸線方向から見た平断面図である。 図１の部分的な拡大図である。 （Ａ）は図１のIIIA-IIIA 視側面図、（Ｂ）は各排気ポートの圧損を従来例と対比したグラフである。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用の４気筒エンジンに適用している。以下では、方向を特定するため前後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、タイミングチェーンが配置されている側を前、ミッションが固定されている側を後ろとしている。

(1).シリンダヘッドの構造
図３（Ａ）に示すように、エンジンはシリンダブロック１とその頂面に固定されたシリンダヘッド２とを有しており、図１，２に示すように、シリンダブロック１には、前（一端）から後ろ（他端）に向けて、第１～第４の気筒（シリンダボア）３～６が形成されている。

従って、シリンダヘッド２には、第１気筒３に対応した第１排気ポート７と、第２気筒４に対応した第２排気ポート８と、第３気筒５に対応した第３排気ポート９と、第４気筒６に対応した第４排気ポート１０が形成されている。エンジンはＤＯＨＣ形式であるため、各排気ポート７～１０は、排気バルブ１１で開閉される円形の２つの始端部７ａ～１０ａを有しており、２つの始端部７ａ～１０ａが１つに集合している。集合した部分は、上流から下流に向けて断面積が小さくなっている。

第２排気ポート８と第３排気ポート９とは１つに集合して集合部は排気側面１２の第１排気口１３に開口し、第１排気ポート７は独立して排気側面１２の第２排気口１４に開口し、第４排気ポート１０も独立して排気側面１２の第３排気口１５に開口している。そして、第１排気口１３は排気側面１２の前後中間部に位置しているが、第２排気口１４は、第１気筒３の軸心よりも第１排気口１３に近づくように偏位し、第３排気口１５は、第４気筒６の軸心よりも第１排気口１３に近づくように偏位している。

このため、気筒軸線から見た各排気ポート７～１０の中心線Ｏ１～Ｏ４は、排気側面１
２と直交した基準線Ｏ５と交叉するように（基準線Ｏ５に向けて倒れるように）傾斜している。なお、第１，４排気ポート７，１０の中心線Ｏ１，Ｏ４は、排気口１４，１５の前後中間点と、２つの排気バルブ１１の間の中間点とを結んだ線として定義している。他方、第２，３排気ポート８，９の中心線Ｏ２，Ｏ３は、第１排気口１３を４等分した前後中間点と、２つの排気バルブ１１の間の中間点とを結んだ線として定義している。

図３（Ａ）に示すように、各排気口１３，１４，１５はそれぞれ小判形に形成されているが、第１排気口１３は、前後長さＬ１は第２及び第３排気口１４，１５の前後長さＬ２の１倍より大きくて２倍よりも小さく、上下幅（高さ）Ｈ１は第２及び第３排気口１４，１５の上下幅Ｈ２よりも小さい寸法になっている。従って、第１排気口１３の開口面積は、第２及び第３排気口１４，１５の開口面積の総和よりも小さくなっている。

第２気筒４の爆発行程と第３気筒５の爆発行程とは３６０°ずれているので、基本的には、第１排気口１３からは１つの気筒から排出された排気ガスが排出されるが、高速回転域では爆発の間隔が小さいため、第２排気ポート８及び第３排気ポート９から殆ど同時に排気ガスが排出される傾向を呈する。従って、単位面積当たりの排気ガスの流量を比較すると、第１排気口１３の流量が第２，３排気口１４，１５の流量よりも多くなる傾向を呈することが有り得る。

しかるに、第２，３排気ポート８，９の長さが第１，４排気ポート９，１０よりも短く、かつ、排気側面１２と直交した基準線Ｏ１に対する第２，３排気ポート８，９の傾斜角度が第１，４排気ポート７，１０の傾斜角度θ１よりも小さくて、排気ガスの排出がスムースに行われるため、高速回転域でも、第１排気口１３がボトルネックになって排気ガスの排出が阻害されるような事態は生じない。

なお、図１，２において符号１１ａで示すのは排気バルブのステム、符号１６で示すのはヘッドボルト挿通穴であり、図３（Ａ）において符号１７で示すのは、ＥＧＲ通路である。ＥＧＲ通路１７には、ＥＧＲパイプ（図示せず）がフランジ接合によって接続される。このため、ＥＧＲ通路１７が形成された受け座１８に、ＥＧＲパイプに設けたフランジを締結するためのタップ穴１９が形成されている。

また、図１，２に示すように、排気ポート７～１０の群を挟んだ下方には、排気側下部ウォータジャケット２０が形成されている。図示していないが、第１排気ポート７と第２排気ポート８とを区画する仕切り壁２１、及び第３排気ポート９と第４排気ポート１０とを区画する仕切り壁２２には、オイル落とし通路を形成している。

(2).排気マニホールドとこれに関連した構造
シリンダヘッド２の排気側面１２には、排気マニホールド２４がボルト及びナット（いずれも図示せず）で固定されている。排気マニホールド２４は、第１排気口１３に接続される第１枝管２５と、第２排気口１４に接続される第２枝管２６と、第３排気口１５に接続される第３枝管２７と、これらが集合した１つの出口管２８とを有しており、出口管２８に触媒ケース２９の上端（アッパコーン部）が接続されている。アッパコーンには、センサ取り付け穴が開口している。

なお、排気マニホールド２４の出口管２８と触媒ケース２９のアッパコーン部とを一体化することも可能である。更に、排気マニホールド２４の出口管２８に排気ターボ過給機を接続することも可能である。敢えて述べるまでもないが、触媒ケース２９の下端（終端）には排気管が接続されており、ＥＧＲ装置を設ける場合は、既述したＥＧＲパイプの上流端は触媒ケース２９のロアコーン部に接続される。

既述のとおり、排気側面１２の第１排気口１３は排気側面１２の前後中間部に形成されて、その前後に第２排気口１４と第３排気口１５とが対称配置されており、従って、排気マニホールド２４の枝管２５～２７も排気口１３，１４，１５と同じレイアウトになっているが、排気マニホールド２４の出口管２８は、平面視で概ね第３気筒５の横方向に位置しており、排気側面１２の前後中間部よりも後ろに偏位している。従って、第１枝管２５と第２枝管２６とが１つの空洞部３０に集合している状態になっている。

いずれにしても、第２排気口１４と第３排気口１５とが第１排気口１３に寄っているため、排気マニホールド２４の前後長さは、４本枝管方式に比べて格段に小さくなる。これにより、排気マニホールド２４を大幅にコンパクト化できる。また、排気マニホールド２４の内部での排気ガスの流路の長さが短くなるため、４本枝管方式の排気マニホールド２４に比べて、排気マニホールド２４に奪われる排気ガスの熱量を大幅に低減できる（熱容量を低減できる。）。

従って、触媒の早期活性化に貢献できる。また、排気ターボ過給機を備えている場合は、排気ターボ過給機の効率を向上できる。排気マニホールド２４からの放熱面積を小さくできるため、遮熱対策も容易になる。例えば、排気マニホールド２４を覆うインシュレータを小型化できると共に、ハーネス類の取り回しの自由性も向上できる。

既述のとおり、触媒ケース２９が後ろ側に偏位して配置されている（オフセットされている）ことにより、排気マニホールド２４において、第１枝管２５と第２枝管２６が１つの空洞部３０に集合しているが、第１排気口１３から排出された排気ガスと、第２排気口１４から排出された排気ガスとは、その直進性が残っていることにより、空洞部３０から斜め後ろに向かう傾向を呈しつつ下向きに方向変換して、排気マニホールド２４の出口管２８に流入する。

従って、排気ガスの多くに、触媒ケース２９のアッパコーン部においても斜め後ろに向かう方向性が残っていると云えるが、本実施形態では、排気マニホールド２４の出口管２８を触媒ケース２９の軸心よりも少し前側に寄せると共に、触媒ケース２９の軸心３１を、下に行くに従って後ろにずれるように傾斜しつつ、下に行くに従ってシリンダブロック１から離れるように傾斜させている。これにより、触媒ケース２９のアッパコーン部に排気ガスを万弁なく噴出させて、触媒を均等に使用できる。この点、本実施形態の特有の利点である。この点は、３気筒エンジンの３本枝管方式排気マニホールド及び触媒ケース２９にも適用できる。

排気マニホールド２４を構成する第１枝管２５は、短いがその全体がほぼストレート形状になって空洞部３０に向いている。他方、第２枝管２６と第３枝管２７とは、空洞部３０から前後に離れているため、上流端部２６ａ，２７ａだけが基準線Ｏ５と平行なストレート部になって、それよりも下流側の部位は出口管２８に向かって曲がっている（湾曲している。）。

各枝管２５～２７の上流端部２５ａ～２７ａを金属板製のフランジ３２に密嵌・溶接し、フランジ３２をスタッドボルト及びナット（いずれも図示せず）で排気側面１２に固定している（ガスケットを介在させている。）。図３（Ａ）では、スタッドボルトがねじ込まれるタップ穴１２ａの群が形成されている。

そして、第２，３排気ポート８，９の中心線Ｏ２，Ｏ３は空洞部３０と交叉しているので、第２，３排気ポート８，９からの排気ガスのスムース性は問題ないが、第１排気ポート７と第４排気ポート１０とを見ると、排気マニホールド２４の第２枝管２６及び第３枝管２７に基準線Ｏ５と平行なストレート状の上流端部２６ａ，２７ａが存在するため、第
１排気ポート７と第４排気ポート１０とが単に下流に向けて前後幅を小さくしただけの構成に過ぎない場合は、第２枝管２６では、上流端部２６ａのうち第１枝管２５に寄った内側部に排気ガスが強く衝突し、第３枝管２７では、上流端部２７ａのうち第１枝管２５に寄った内側部に排気ガスが強く衝突して、熱害が発生しやすくなると共に、圧損の低減効果が抑制されるおそれが懸念される。

この点について本実施形態では、第１排気ポート７の内面のうち第２排気ポート８に向いた面でかつ前記第２排気口１４に連続した内向き下流端部に、気筒軸線方向から見て第２排気ポート８に向かって膨れた第１内向き曲面３３を形成して、第４排気ポート１０の内面のうち第３排気ポート９に向いた面でかつ第３排気口１５に連続した下流端部に、気筒軸線方向から見て第３排気ポート９に向かって膨れた第２内向き曲面３４を形成している。

このように、第１，第４排気ポート７，１０に内向き曲面３３，３４を形成すると、内向き曲面３３，３４の反らし機能により、排気ガスは基準線Ｏ５に向かうようにガイドされる。従って、排気ガスが枝管２６，２７の上流端部２６ａ，２７ａに激しく衝突することを防止して、熱害を抑制できると共に圧損の低減効果も向上できる。

さて、本実施形態において、内向き曲面３３，３４は排気口１４，１５まで至っている。他方、気筒軸線方向から見て、内向き曲面３３，３４には無数の接線を観念できる。そして、無数の接線のうち排気口１４，１５と接する箇所の接線を便宜的にエンド接線と称して符号３５を付しているが、エンド接線３５と基準線Ｏ５とが成す角度θ２が、基準線Ｏ５と排気ポート７，１０の中心線が成す角度θ１よりも小さい角度に設定されている。

このように構成することにより、排気ガスを排気ポート７，１０から排気マニホールド２４の枝管２６，２７にスムースに案内する機能を格段に向上させて、圧損低減効果をより一層確実化できる。

つまり、第１，４排気ポート７，１０において、排気ガスは、第２，３排気ポート８，９の側に押される傾向を呈しつつ排気マニホールド２４の枝管２６，２７に向かうため、内向き曲面３３，３４に沿って流れる排気ガスは、内向き曲面３３，３４において変化していく接線の方向に向かうように方向付けられていき、内向き曲面３３，３４から離れて排気マニホールド２４の枝管２６，２７に移行する段階では、エンド接線３５の方向に向かうが、エンド接線３５は排気ポート７，１０の中心線Ｏ１，Ｏ４よりも基準線Ｏ５に近い方向を向いているため、排気ガスを枝管２６，２７の上流端部２６ａ，２７ａにスムースに案内できる。これにより、圧損低減効果を更に確実化できる。

図示した例では、内向き曲面３３，３４を排気口１４，１５まで至らせているが、内向き曲面３３，３４のうち排気口１４，１５に連なる部位を直線状に形成することは可能であり、この場合、直線部と基準線Ｏ５とが成す角度をθ３とした場合、θ３をθ１よりも小さくすることにより、上記の同じ効果が発揮される。

図３（Ｂ）において、個別の排気ポートごとに排気口を設けて排気マニホールドは４本の枝管を有して前後中間部に出口管を設けた従来例との圧損を対比している。各排気ポートについて、左に従来例を右に本願実施形態を表示しているが、この図のように、平均で３９％の圧損低減効果を得ることができた。

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、排気マニホールドは、出口管を排気側面の前後中央部の横に配置して前後対称状に形成してもよい。また、本願発明は、直列に並んだ４つの気筒群がクランク軸を挟んだ両側
に配置されたＶ８エンジンにも適用できる。

本願発明は、多気筒エンジンのシリンダヘッドに具体化できる。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
３～６ 気筒
７～１０ 排気ポート
１１ 排気バルブ
１２ 排気側面
１３ 第１排気口
１４ 第２排気口
１５ 第３排気口
２４ 排気マニホールド
２５ 第１枝管
２６ 第２枝管
２６ａ 上流端部
２７ 第３枝管
２７ａ 上流端部
２８ 出口管
２９ 触媒ケース
３２ フランジ
３３，３４ 内向き曲面
３５ エンド接線
Ｏ１～Ｏ４ 排気ポートの中心線
Ｏ５ 基準線

Claims (2)

1. 一端から他端に向けて第１～第４の４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッドであって、
   排気マニホールドが接合される排気側面に、第２気筒の第２排気ポートと第３気筒の第３排気ポートとが集合した１つの第１排気口と、第１気筒の第１排気ポートが開口した第２排気口と、第４気筒の第４排気ポートが開口した第３排気口とが形成されており、
   前記排気側面と対向した方向から見て、前記第１排気口は第２気筒と第３気筒の軸心の間に位置し、前記第２排気口は第１気筒の軸心よりも第１排気口の側に偏位し、前記第２排気口は第４気筒の軸心よりも前記第１排気口の側に偏位している、
   ４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッド。
2. 前記第１排気ポートの内面のうち第２排気ポートに向いた面でかつ前記第２排気口に連続した下流端部に、気筒軸線方向から見て第２排気ポートに向かって膨れた第１内向き曲面が形成されて、前記第４排気ポートの内面のうち前記第３排気ポートに向いた面でかつ前記第２排気口に連続した下流端部に、気筒軸線方向から見て前記第３排気ポートに向かって膨れた第２内向き曲面が形成されており、
   前記第１及び第２の内向き曲面は、曲面のまま前記排気側面に至るか、又は、直線部を介して前記排気側面に至っており、
   気筒軸線方向から見て、前記排気側面と直交した基準線と前記第１排気ポートの中心線とが成す夾角をθ１、前記直線部と基準線とが成す夾角をθ２、前記内向き曲面がそのまま前記排気側面に至っている場合には当該内向き曲面の排気口端の接線と前記基準線とが成す夾角をθ３としたとき、θ２及びθ３がθ１よりも小さい角度になっている、
   請求項１に記載した４つの気筒が直列に並んでいるエンジンのシリンダヘッド。

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