JP2853005B2 - 内燃機関およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関（以下、単に
エンジンともいう）とその製造方法とに関するもので、
とくに、排気浄化手段としての排気ポートへの二次空気
の導入通路およびその形成方法を中心とするものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車や自動二輪車用の内燃機関では、
排気を浄化する目的で排気ポート内に空気（二次空気）
を導入する方式がよく採用される。一酸化炭素（ＣＯ）
や炭化水素（ＨＣ）など、排気中に含まれる未燃焼成分
を、その二次空気により酸化（二次燃焼）させて浄化を
はかるのである。

【０００３】図３は、そのような排気浄化手段を備えた
内燃機関についてシリンダヘッドの付近を示す断面図
で、特公昭６３−２００５号公報に記載されたものであ
る。シリンダ５０と一体に組み付けられたシリンダヘッ
ド５１のうちに排気弁５７と吸気弁５８とが配置され、
またそれらを開閉すべく、カムシャフト５５ａを含む動
弁機構５５が構成されている。吸気弁５８で開閉される
開口には、気化器（図示せず）やエアクリーナ（同）と
接続された吸気ポート５４がつながり、排気弁５７で開
閉される開口には、排気管（図示せず）やマフラー
（同）と接続された排気ポート５３がつながっている。
そしてこの排気ポート５３に対し、排気浄化のための二
次空気の導入通路６０が接続されている。導入通路６０
としては、シリンダヘッド５１のうちに形成された導入
孔６２のほか管６３・６５やリード弁６４、さらには空
気制御弁（図示せず）やエアクリーナ（同。上記のと兼
用も可能）など、外部までの種々の構成部分が含まれ
る。排気弁５７の開閉（すなわち排気の通過・停止）に
ともなって排気ポート５３内の圧力は正・負に脈動する
が、その脈動圧の作用と、排気ポート５３に向かう一方
向にのみ気体を通すリード弁６４の作用とにより、導入
孔６２などを含む導入通路６０を経て二次空気が開口６
０ａより排気ポート５３内に導入される。

【０００４】なお、図３に転記したこの内燃機関は、上
記の公報によれば、シリンダ（気筒）ごとに二つずつ排
気弁５７と排気ポート５３とを有しており、それに合わ
せて二次空気の導入孔６２や管６３がシリンダあたり二
本ずつ形成されている。ただし、リード弁６４や管６５
・空気制御弁などの数がそれぞれ一つずつで足りるよう
に、三口型（入側が一口で出側が二口の形式）の特殊な
リード弁６４が使用されている。図示の例のほか、１シ
リンダあたりに排気ポートがやはり二つ（もしくはそれ
以上）ある場合に、導入孔の形成等にともなう工数やコ
ストを削減するなどの目的で、排気ポートの一方のみに
二次空気の導入通路が形成される例もある。同じシリン
ダとつながる複数の排気ポートは排気弁（もしくは燃焼
室）からあまり離れないうちに合流するのが普通なの
で、一方の排気ポートに導入された空気でも、通常はす
ぐに他方へも流入して排気浄化の作用を果たすからであ
る。

【０００５】また図４に、二次空気導入方式の排気浄化
手段を備える別の内燃機関についてシリンダヘッド７１
の排気ポート７３付近のみを示す。排気ポート７３は、
シリンダの中心線ｃに近い箇所から屈曲しながらその中
心線ｃとほぼ直角の方向へ延び、その上部に排気弁およ
びその動弁機構のための取付け穴７５が設けられてい
る。そしてその取付け穴７５よりもややシリンダの中心
線ｃ寄りの位置に、二次空気の導入通路となる導入孔８
２が形成されている。この導入孔８２は、排気ポート７
３の屈曲部分の外側、つまりシリンダの上方（内燃機関
における上死点の向き）に開口８０ａをもち、中心線ｃ
とほぼ平行に延びてリード弁（図示せず）等につながる
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上に紹介した従来の
内燃機関には、二次空気の導入通路に関連してそれぞれ
つぎのような不都合が存在する。

【０００７】イ) 図３の内燃機関の場合は、１シリンダ
あたり排気ポート５３が二つあることにともなって二次
空気の導入通路６０も二組あるが、導入孔６２や管６３
を二つずつ形成するため、その分だけ製作に手間がかか
り工数・コストが高くなっている。導入孔６２の形成は
一般的にはキリ穴加工によるが、冷却水の通路や排気弁
５７の位置関係等によっては真っすぐな穴が通らず、シ
リンダヘッド５１のうちの適当な箇所に当該導入孔６２
を形成するのが困難な場合もある。また導入孔６２が二
本だと、空気制御弁やエアクリーナまでの通路をすべて
二本にするか、図３の例のような特殊なリード弁６４を
用いるなどして通路を一本に合わせるかする必要がある
が、いずれの場合にも相当のコストがかかる。

【０００８】ロ) 一方、シリンダごとに二つ以上ある排
気ポートのうち前述のように一部のみに対して二次空気
の導入通路を形成するやり方は、図３の場合よりも製作
面では有利だが機能的には不利なことが多い。すなわ
ち、内燃機関が大型であるときなど各ポートが排気弁か
らかなり離れた位置で合流する場合に、排気の浄化効率
が十分でなくなる。各ポートが短い距離のうちに合流す
るなら、一部のポートに導入した二次空気がすべてのポ
ートの高温度の排気と混合されて効率よく二次燃焼が起
こるが、そうでなければ、混合時点での排気の温度が低
下して二次燃焼が起こりにくくなるからである。

【０００９】ハ) 排気ポートのそれぞれに二次空気の導
入通路を形成する場合であっても、上記ロ)と同様の理由
により排気ポートでの導入孔の開口位置は排気弁に近い
ほど好ましいが、図３の内燃機関ではそれ（排気弁５７
・開口６０ａ間の距離）がやや遠く、したがって排気の
浄化効率について最適ではない。その点からは、むしろ
図４に示した例のように排気ポート７３の最上流部分に
導入孔８２の開口８０ａがある方が、二次燃焼が起きや
すく排気の浄化効率が高い。

【００１０】ニ) しかし図４の例では、その導入孔８２
の開口８０ａが排気の流れを乱して抵抗になり、排気が
スムーズでなくなるという不都合がある。排気ポート７
３の屈曲した外側（膨らみ側）の部分に開口８０ａがあ
いているので、排気ポート７３に沿って曲がりながら流
れる排気が遠心力の作用でその開口８０ａに強く当たる
からである。

【００１１】本発明は、１シリンダにつき排気ポートが
二つ以上ある内燃機関について、以上の不都合を解消せ
んとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の内燃機関は、１シリンダ（１気筒）あたり複数の排気
ポート（排気弁の直後の部分）を有するとともに、排気
ポートへの二次空気の導入通路を有する内燃機関であっ
て、同じシリンダにつながる複数の排気ポート間を接続
する連通孔と、その連通孔の一部と外部とを接続すべく
形成した導入孔とを含めて上記二次空気の導入通路を構
成し、かつ、シリンダヘッドのうち上記二次空気の導入
通路と点火プラグの取付口との間に、両者（すなわち二
次空気の導入通路と点火プラグの取付口）の間を通って
いて両者に接近する一本の冷却水通路を形成したもので
ある。

【００１３】この内燃機関については、請求項２に記載
したように、上記の連通孔を同じシリンダにつながるす
べての排気ポートに接続し、かつ、上記の導入孔を１シ
リンダあたり一本のみ形成するとよい。また請求項３の
ように、各排気ポートに対して、カムシャフトの軸心と
平行な方向に上記連通孔を開口させるのが好ましい。な
お請求項４のように、上記の連通孔は、排気ポートなど
とともにシリンダヘッドのうちに鋳造成形にて形成する
とよい。

【００１４】一方、本発明の請求項５の製造方法は、以
上のような内燃機関を製造する方法であって、上記の連
通孔を砂型中子を用いる鋳造成形によって形成したの
ち、その連通孔の一部とつながるようにキリ穴加工（ド
リルによる穴の加工）をすることにより上記の導入孔を
形成するものである。

【００１５】

【作用】本発明の請求項１の内燃機関は、第一に、排気
ポートへの二次空気の導入通路の構成を容易にする。１
シリンダあたり二つの排気ポートがある場合を例にとっ
て説明すれば、両方の排気ポートが連通孔にて接続さ
れ、その連通孔の一部が導入孔を介して外部に通じるの
で、導入孔やそれ以降の管・リード弁等を含む導入通路
を一本のみとしても、両排気ポートへ二次空気が導入さ
れて効果的な排気浄化がなされるからである。この場
合、導入孔やそれに続く管の必要数が図３（前記公報）
の例の半分になることに加え、リード弁としても二口型
の最も簡単な形式のものが最小個数あればよい。排気ポ
ート間に形成する連通孔は導入孔に比べてかなり短いも
ので足りるため、導入通路の構成のために必要な工数お
よびコストが、以上によって相当に減少することにな
る。

【００１６】請求項１の内燃機関ではまた、二次空気の
導入通路としての開口を、排気ポートのうちの任意の位
置に設けることができる。連通孔は排気ポート間をつな
ぐだけで足りるため、図４の例に倣い排気ポートの上方
（上死点の向き。以下同様）に開口させることもでき、
またそれ以外の方向、たとえば下方（下死点の向き。以
下同様）や側方（上方・下方とは直角な方向）に開口さ
せることもできるからである。そして導入孔も、このよ
うな連通孔のどこか一部につながるものであればよいた
め、その位置を比較的自由に決定できる。こうした点よ
り、本発明の内燃機関では排気ポートへの二次空気の導
入位置について、排気弁に近い位置（浄化効率上このま
しい）や排気の遠心力の方向と異なる位置（排気がスム
ーズでこのましい）など、最適な箇所を選定することが
可能である。

【００１７】なお、この請求項１の内燃機関について
は、必ずしもすべての排気ポート間を接続する連通孔を
設けるものではない。たとえば排気ポートが四つあり、
隣接する二つの排気ポートは排気弁から短距離のうちに
合流するが他の隣接する二つは冷却水通路などとの関係
で合流までが遠いような場合、前者の二つについては一
方のみに導入孔を直接（つまり連通孔なしで）開口さ
せ、後者の二つに限って上記のとおり連通孔と導入孔と
を形成するのもよい。このように請求項１の内燃機関で
は、導入通路の形成容易性やコスト、あるいは排気の浄
化効率等の点で最も有利な態様を選択して、二次空気の
導入通路を設けることができる。

【００１８】請求項２の内燃機関は、すべての排気ポー
トに対して一連に連通孔を形成し、かつ導入孔を一本の
み形成したものなので、上記したうちの典型的な作用を
発揮する。すなわち、１シリンダごとには排気ポートの
数にかかわらず導入孔が一本のみなので、導入孔を形成
しやすく、またそれ以降の管やリード弁を含む導入通路
の全体的な構成が極めて簡単である。すべての排気ポー
トが二次空気の導入通路とつながっており、しかも上述
のように同通路の開口は各ポートの最適な位置に設け得
るので、排気の浄化効率・排気流れの円滑性の面でも望
ましい。

【００１９】請求項３の内燃機関ではとくに、排気ポー
ト内を排気が円滑に流れ、したがって機関出力の面で好
ましい。排気の流れが円滑であるのは、排気ポートに対
する導入孔の開口がカムシャフトの軸心と平行な方向に
設けられているからである。カムシャフトの軸心の方向
は排気ポートの上方ではなく、いわば側方に相当し、上
下面内で屈曲する排気ポートの膨らみ側（排気に作用す
る遠心力の方向）とは異なるのが一般的なので、その方
向にある開口によって排気が強く乱されることはないの
である。

【００２０】内燃機関のうち通常いわゆるシリンダヘッ
ドの部分に設けられる上記の連通孔は、シリンダヘッド
が鋳造されたのちにドリルによるキリ穴加工で形成する
ことも不可能ではないが、請求項４のように鋳造成形に
よって形成するのがよい。連通孔は一つのシリンダにつ
いての複数の排気ポート間をつなぐものであればよい
が、シリンダヘッドの鋳造後にこれをキリ穴加工する場
合には、他の部分（シリンダヘッドの外壁や冷却水通路
など）にもドリルの侵入しろとしての穴が通じることに
なり、加工後に適宜フタをしなければならない（フタが
できない場合もあり得る）からである。請求項４の内燃
機関の場合には、連通孔とつながる不必要な穴があくこ
とがないので、のちにフタをする必要もない。また、鋳
造によれば連通孔を屈曲させることも容易なので、排気
ポート内に設ける開口を好適な位置に定めることができ
る。なお、連通孔につながる導入孔は、連通孔等と同時
に鋳造成形してもよいが、外部と接続されやすいシリン
ダヘッドの外壁や上下端面からキリ穴加工することも可
能である。

【００２１】本発明の請求項５に記載した内燃機関の製
造方法では、鋳造成形することにより連通孔を形成する
ので、上記のように、フタなどが必要になる余計な穴が
あかないうえ、その開口を排気ポート内の望ましい位置
に設けることが容易である。また、その鋳造成形のため
に砂型中子を用いるのでコスト的にも有利である。な
お、そのようにして形成した連通孔につながる導入孔は
キリ穴加工によって形成するが、上述のとおり導入孔の
数は少なくて足りることから、この加工に要するコスト
も低い。

【００２２】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。この例は、
いわゆる４バルブ形式（１気筒あたりの排気弁・吸気弁
が二つずつある形式）の自動二輪車用高性能４サイクル
エンジンに関するものであるが、図１(ａ)・(ｂ)・(ｃ)
には、そのうちのシリンダヘッド１について１気筒相当
分の要部のみを示している。すなわち、図１(ａ)は一つ
のシリンダ（気筒）につながる二つの排気ポート３Ａ・
３Ｂとそれらへの二次空気の導入通路１０とを示す概念
図、同(ｂ)はシリンダヘッド１の縦断面図（同(ａ)にお
けるｂ−ｂ断面図）、そして同(ｃ)は、排気ポート３Ａ
・３Ｂ等の横断面図（同(ｂ)におけるｃ−ｃ断面図）で
ある。

【００２３】図１(ｂ)に示すようにこのエンジンのシリ
ンダヘッド１には、燃焼室２と排気ポート３・点火プラ
グ取付口４・動弁機構配置部５、ならびに冷却水通路６
などが一体に形成されている。図の右方にあたる部分に
は吸気ポートなどもあるが、図示は省略している（図３
参照）。排気ポート３のうち、燃焼室２への開口部であ
って排気弁（図示せず）が当たるバルブシート３ａの部
分とそのすぐ下流の部分とは、図１(ａ)のように排気ポ
ート３Ａ・３Ｂの二つに分かれており、１００ミリ程度
下流ではじめて合流し、排気ポート３となっている。

【００２４】以上のようなエンジンにおいて、排気浄化
のための二次空気の導入通路１０をつぎのとおり設けて
いる。すなわち、シリンダヘッド１における二つの排気
ポート３Ａ・３Ｂに対して、図１(ａ)のように両者間を
接続する連通孔１１を設けるとともに、その中央付近か
ら外部へかけて二次空気導入用の導入孔１２を一本のみ
形成する。導入孔１２の一端は図１(ｂ)のようにシリン
ダヘッド１の上端面にあるが、エンジンの組立後には、
この導入孔１２を図示以外のリード弁や他の管など（図
３参照。ただし本例では導入孔１２が一本なので単純な
一系統のみで足りる）を介して外部に接続し、全体とし
て導入通路１０を構成するのである。図３の例と同様
に、排気ポート３Ａ・３Ｂにおける排気圧力の脈動にと
もない、上記リード弁の作用で導入通路１０から各排気
ポート３Ａ・３Ｂ内へ外気が流入する。

【００２５】シリンダヘッド１はアルミ合金からなる鋳
造品であるが、上記の導入通路１０のうち連通孔１１
は、このシリンダヘッド１の鋳造成形の際に同時に形成
した。つまり、排気ポート３（３Ａ・３Ｂ）や冷却水通
路６などを成形するのと同様に砂型中子（図示せず）を
使用して連通孔１１を形づくる。こうして中子を使用し
て鋳造により連通孔１１を形成すると、ドリルによって
穴をあけるのと違って余計な延長部分が形成されず、図
１(ａ)・(ｃ)のとおり任意の必要な部分のみにコンパク
トな穴を設けることができる。連通孔１１についてはこ
の点に加え、排気ポート３Ａ・３Ｂ間のみを接続すれば
よく、直接シリンダヘッド１の外側へ延びる穴とする必
要はないことから、各排気ポート３Ａ・３Ｂにおける連
通孔１１の（つまり導入通路１０の）開口１０ａは、浄
化効率や排気の流れの面で好適な位置を選んで形成する
ことができた。つまり、図１(ａ)・(ｂ)のように燃焼室
２（バルブシート３ａ）に極めて近く、かつ各排気ポー
ト３Ａ・３Ｂの側方の位置に開口１０ａを設けた。開口
１０ａが燃焼室に近いと、放熱する前の高温の排気内に
二次空気が導入されて二次燃焼が促進され、排気が効率
的に浄化される。また「側方」とは、排気ポート３Ａ・
３Ｂの長手方向でも上下方向すなわちシリンダの中心線
ｃの方向でもなく、カムシャフト（図３における符号５
５ａ参照）の軸心と平行な方向をいい、図示のように排
気ポート３Ａ・３Ｂが屈曲する膨らみ側には相当しない
ため、ここに設けた開口１０ａは、遠心力を受ける排気
の流れを乱す作用が小さい。

【００２６】そして上記連通孔１１につながる導入孔１
２は、シリンダヘッド１を鋳造成形したのち、その上端
面からドリル（図示せず）を進めるキリ穴加工によって
形成した。真っすぐな導入孔１２を一本のみ設ければよ
く、太さ（直径で約６ミリ）や長さ（約百ミリ）が極端
に大きくはないため、鋳造よりもキリ穴加工の方が簡便
だからである。

【００２７】シリンダヘッド１において二次空気の導入
通路１０を以上のように形成したので、このエンジンで
は、リード弁（図示せず）などを含めた二次空気導入の
ための構成が簡単になりそのコストが低いうえ、排気の
浄化効率が高い、排気抵抗が少なくて出力効率が高い
−といった利点がもたらされる。

【００２８】つづく図２には、１シリンダあたり三つの
排気ポートがある内燃機関の例を示す。この図２は、シ
リンダヘッドの要部、すなわち同じシリンダに通じる排
気ポート２３Ａ・２３Ｂ・２３Ｃとそれらに対する排気
浄化用二次空気の導入通路３０とを、図１(ｃ)と同様の
角度から見た概念図である。

【００２９】この例でも、すべての排気ポート２３Ａ・
２３Ｂ・２３Ｃに対する導入通路３０をできるだけ簡単
に構成すべく、まず各排気ポート２３Ａ・２３Ｂ・２３
Ｃ間を連通孔３１で接続したうえ、その連通孔３１の一
部に接続して、外部へ通じる導入孔３２を一本だけ形成
している。前記（図１）の実施例と同じく、連通孔３１
については、キリ穴加工によると一部を塞ぐ必要性がと
もなうことから、砂型中子を用いる鋳造によって形成し
た。砂型中子によれば、図示のように屈曲し、かつ分岐
部分を有する連通孔３１であっても容易に形成できる。
連通孔３１をこのように任意に形成し得ることと、その
連通孔３１のどこに導入孔３２を接続してもよいことな
どから、導入通路３０をシリンダヘッド内のどの部分に
通すか、またその開口３０ａを排気ポート２３Ａ・２３
Ｂ・２３Ｃ内のどの位置に設けるか−などについて、
比較的自由な設計・製作が可能である。

【００３０】以上の点から、この内燃機関においても、
リード弁などを含む二次空気の導入通路３０の全体を簡
単にしてそのコストを低くできるほか、排気の浄化効率
・排気抵抗等に関しても好適な構成が採用できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の請求項１の内燃機関にはつぎの
ような効果がある。すなわち、排気ポートの数に比べて
導入孔の数が少なくなるので、排気浄化のための二次空
気の導入通路が、リード弁や他の必要な管を含めた全体
構成として簡単化され、製作期間の短縮やコストダウン
も可能になる。また、排気ポートにおける二次空気導入
通路の開口を、浄化効率上このましい排気弁に近い位置
や、排気の流れがスムーズになる側方位置などに任意に
選定して設けることができる。

【００３２】請求項２の内燃機関では、シリンダあたり
の導入孔が最小本数でありながらも各排気ポートに二次
空気が導入されるので、導入通路の全体的構成が簡単で
あるとともに排気の浄化効率等もすぐれている。

【００３３】請求項３の内燃機関ではとくに、導入孔の
開口が排気を乱しにくい位置にあって排気ポート内を排
気が円滑に流れるため、機関出力の向上に有利である。

【００３４】請求項４の内燃機関は、容易にしかも任意
な経路で連通孔を形成できる。したがって、排気ポート
内の好適な位置にその開口を設けて排気の浄化効率や出
力性能を高めることも容易である。

【００３５】請求項５に記載した内燃機関の製造方法に
よると、連通孔および導入孔の形成が容易で低コストな
うえ、排気ポート内の開口位置も任意に定めて排気の浄
化や出力向上を実現しやすいという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である内燃機関について、シ
リンダヘッドにおける１気筒相当分の要部を示す。すな
わち、図１(ａ)は１気筒分の二つの排気ポートとそれら
への二次空気の導入通路を示す概念図、同(ｂ)はシリン
ダヘッドの縦断面図（同(ａ)におけるｂ−ｂ断面図）、
同(ｃ)は排気ポート等の横断面図（同(ｂ)におけるｃ−
ｃ断面図）である。

【図２】本発明の別の実施例を示す図で、シリンダヘッ
ドのうち１気筒分のシリンダに通じる三つの排気ポート
とそれらに対する二次空気の導入通路とを、図１(ｃ)と
同様の角度から見た概念図である。

【図３】二次空気導入方式の排気浄化手段を備えた従来
の内燃機関について、シリンダヘッドの付近を示す断面
図である。

【図４】排気浄化手段を備える従来の別の内燃機関につ
いて、シリンダヘッドの排気ポート付近を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ３（３Ａ・３Ｂ）・２３Ａ・２３Ｂ・２３Ｃ 排気ポー
ト １０・３０ 導入通路 １０ａ・３０ａ 開口 １１・３１ 連通孔 １２・３２ 導入孔

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/34 F02F 1/42

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １シリンダあたり複数の排気ポートを有
   するとともに、排気ポートへの二次空気の導入通路を有
   する内燃機関であって、 同じシリンダにつながる複数の排気ポート間を接続する
   連通孔と、その連通孔の一部と外部とを接続すべく形成
   された導入孔とを、上記二次空気の導入通路のうちに含
   み、 シリンダヘッドのうち上記二次空気の導入通路と点火プ
   ラグの取付口との間に、両者の間を通っていて両者に接
   近する一本の冷却水通路を有することを特徴とする内燃
   機関。
2. 【請求項２】 上記の連通孔が同じシリンダにつながる
   すべての排気ポートに接続され、かつ、上記の導入孔が
   １シリンダあたり一本のみ形成された請求項１に記載の
   内燃機関。
3. 【請求項３】 各排気ポートに対し、カムシャフトの軸
   心と平行な方向に上記連通孔が開口した請求項１または
   ２に記載の内燃機関。
4. 【請求項４】 上記の連通孔がシリンダヘッドのうちに
   鋳造成形によって形成された請求項１〜３のいずれかに
   記載の内燃機関。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機
   関を製造する方法であって、 上記の連通孔を砂型中子を用いる鋳造成形によって形成
   したのち、その連通孔の一部とつながるようにキリ穴加
   工することによって上記の導入孔を形成することを特徴
   とする内燃機関の製造方法。