JP4422110B2

JP4422110B2 - 携帯型４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP4422110B2
Application number: JP2006012876A
Authority: JP
Inventors: 正樹杉山
Original assignee: 株式会社マキタ沼津
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP2007192177A

Description

本発明は、例えば刈払機等の携帯型作業機の動力に用いられる携帯型４サイクルエンジンに関する。

従来、エンジン出力を向上させ、または有害な排気ガスの排出低減を図るために、エンジンの燃焼室の形状を理想的に形成するための研究が行われており、燃焼室形状の一例としてウェッジ型やバスタブ型の燃焼室形状が知られている（例えば、特公昭６０−５７７４号公報）。より最適な燃焼室形状を得るために、車両用その他の大型４サイクルエンジンにおいては、エンジンのシリンダと燃焼室が形成されるシリンダヘッドとを分離して設計する手法が知られている。

一方、刈払機等の携帯型作業機の動力として用いられる携帯型４サイクルエンジンでは、エンジンの小型化及び軽量化が最も優先されるため、従来、シリンダとシリンダヘッドが一体型に形成された４サイクルエンジンが用いられていた（例えば、特許第３１５９２９６号公報）。

特公昭６０−５７７４号公報特許第３１５９２９６号公報

しかしながら、シリンダとシリンダヘッドが分離された構造のエンジンでは、シリンダとシリンダヘッドとを堅固かつ緊密に締着しないとこれらの結合面から燃焼ガスが漏出して出力低下の原因となるという問題がある。また、燃焼室が形成されたシリンダヘッドに生じる急激な温度勾配によりシリンダヘッドの熱膨張に起因して結合面から燃焼ガスが漏出してしまう場合もあった。このためシリンダとシリンダヘッドが分離された構造のエンジンでは、シリンダヘッドの冷却性の改善及び剛性の改善が設計上の重要な課題となっている。

例えば携帯型作業機の一つである刈払機の場合、作業時に７０００ｒｐｍを超え１００００ｒｐｍ程度の回転数で使用される場合もあり、シリンダ及びシリンダヘッドに高周波の衝撃が加えられるとともに、シリンダヘッドに収容される動弁系部材がシリンダヘッドに直接衝撃を与えるので、シリンダヘッドの変形、破損を防止しシリンダとの結合面の密閉性を維持するために、特にシリンダヘッドの剛性を高める必要がある。シリンダヘッドの剛性を高めるためにシリンダヘッドを肉厚化したり、シリンダとのボルト締付けボスの高さを増したりすると、エンジンの大型化及び重量増加を招来するという課題があった。

前述した理由により、携帯型作業機にはシリンダとシリンダヘッドが分離されて構成された携帯型４サイクルエンジンは搭載されておらず、従来のシリンダとシリンダヘッドが一体型に構成された４サイクルエンジンではエンジン出力のこれ以上の向上に限界があり、このような携帯型４サイクルエンジンを搭載する携帯型作業機は、エンジンの低出力に起因する作業性上の課題が残されている。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、小型、軽量、高出力が要求される刈払機等の携帯型作業機に適用する携帯型４サイクルエンジンにおいて、小型、軽量、高出力、かつ高耐久性を有するシリンダヘッドを備えた携帯型４サイクルエンジンを提供することを目的とする。

このような課題を解決するために請求項１に記載の発明は、シリンダ上部のシリンダヘッドに対してクランク軸方向に冷却風が流通する方式の携帯型４サイクルエンジンであって、前記クランク軸に取付けられ、前記冷却風を前記シリンダヘッドに導風するファンと、前記クランク軸方向と直交する方向に対向して形成された吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートと連通して形成された燃焼室と、前記吸気ポート及び前記排気ポートの上部に形成された動弁系収容室と、前記動弁系収容室と前記吸気ポート及び前記排気ポートを接続し、それぞれに吸気バルブ及び排気バルブが挿通される一対のバルブガイドボスと、前記シリンダヘッドから上方に突出し前記クランク軸方向に延伸する複数の縦フィンと、を備え、前記吸気ポート、前記排気ポート、前記燃焼室、前記動弁系収容室、前記一対のバルブガイドボス及び複数の前記縦フィンが、前記シリンダヘッドに一体成型され、前記シリンダヘッドにおいて、前記吸気ポート、前記排気ポート、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の底部により前記冷却風が流通する開口が形成され、前記動弁系収容室の前記冷却風の風下側にプッシュロッドガイドが形成され、前記動弁系収容室の底部は、前記冷却風の風上側から前記プッシュロッドガイド側にかけて下方に傾斜して形成されると共に、前記開口は、前記冷却風の風上側より風下側の断面積が小となる形状に形成され、前記縦フィンは前記動弁系収容室と結合されると共に、前記吸気ポート及び前記排気ポートから風上側にそれぞれ延伸して形成されてなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記縦フィンは、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の風上側と連結されてなることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、前記クランク軸に取付けられ、前記冷却風を前記シリンダヘッドに導風するファンと、前記クランク軸方向と直交する方向に対向して形成された吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートと連通して形成された燃焼室と、前記吸気ポート及び前記排気ポートの上部に形成された動弁系収容室と、前記動弁系収容室と前記吸気ポート及び前記排気ポートを接続し、それぞれに吸気バルブ及び排気バルブが挿通される一対のバルブガイドボスと、前記シリンダヘッドから上方に突出し前記クランク軸方向に延伸する複数の縦フィンと、を備え、前記吸気ポート、前記排気ポート、前記燃焼室、前記動弁系収容室、前記一対のバルブガイドボス及び複数の前記縦フィンが、前記シリンダヘッドに一体成型され、前記シリンダヘッドにおいて、前記吸気ポート、前記排気ポート、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の底部により前記冷却風が流通する開口が形成され、前記動弁系収容室の前記冷却風の風下側にプッシュロッドガイドが形成され、前記動弁系収容室の底部は、前記冷却風の風上側から前記プッシュロッドガイド側にかけて下方に傾斜して形成されると共に、前記開口は、前記冷却風の風上側より風下側の断面積が小となる形状に形成され、前記縦フィンは前記動弁系収容室と結合されると共に、前記吸気ポート及び前記排気ポートから風上側にそれぞれ延伸して形成しているので、シリンダヘッドの剛性を高めることができ、シリンダヘッドの薄肉化及び軽量化を図ることができる。また、バルブガイドボスの周囲にこの開口と縦フィンの配置によって冷却風が効果的に流通する流通路が形成され、より効率的にバルブガイドボスを冷却することができ、バルブガイドボスの温度上昇が抑制されて上述したバルブガイドボスの温度上昇に起因する不具合を防止することができる。
即ち、冷却風の風上側において冷却風を縦フィンによって開口へ導き、大量の冷却風を開口に流通させるので、この開口を流通する冷却風は開口の断面積が小となる風下側で流速を増して、より一層、バルブガイドボス周辺の冷却効果を向上させることができる。また、動弁系収容室も開口の一部になっているので、動弁系収容室も冷却され、動弁系収容室に収容される吸気バルブや排気バルブ等の潤滑不良等の不具合も防止することができる。
このように、複数の縦フィンにより燃焼室及び排気ポートで発生する熱が低温の動弁系収容室に伝導されるとともに、縦フィン自体が冷却風によって冷却されるので、冷却性能の高いシリンダヘッドを備えた小型、軽量、高出力の携帯型４サイクルエンジンを提供することができる。更には、動弁系収容室内で液化した潤滑オイルが動弁系収容室内の底部を流下してプッシュロッドガイドに回収され、必要以上に動弁系収容室内に潤滑オイルが滞留することを防止することができる。一方、動弁系収容室外周部の底部は冷却風を開口へ導く導風構造の一部を形成するので、動弁系収容室周辺の冷却効果を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、上記請求項１に記載の発明の効果に加えて、前記縦フィンは、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の風上側と連結してので、動弁系収容室の剛性を高めることができる。

以下、本発明に係る携帯型４サイクルエンジンの好適な一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本発明の一実施形態に係る携帯型４サイクルエンジンの一使用例を説明するための図、図２は本発明の一実施形態に係る携帯型４サイクルエンジンの外観を示す斜視図、図３は本発明の一実施形態に係る携帯型４サイクルエンジンの上面図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図、図５は図４のＧ−Ｇ線断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る携帯型４サイクルエンジン２はエンジンカバー３に被覆され、例えば刈払機等の携帯型作業機１の駆動部に取付けられて動力源として使用される。携帯して作業を行うものであるため、動力源としての４サイクルエンジン２には小型、軽量で高出力のものが望まれている。

図２は本実施形態に係る携帯型４サイクルエンジン２の外観を示す斜視図であり、図３は図２の上面図である。図２及び図３において、４サイクルエンジン２の側面には、キャブレター１６とマフラー１８が取付けられている。クランク軸５を回転自在に支承するクランクケース４の上部には、例えばアルミニウム合金をダイカスト成型して一体的に形成されたシリンダ８が配置されている。シリンダ８の上部には、シリンダ８と同様にアルミニウム合金等をダイカスト成型して作製したシリンダヘッド１０が載置され、このシリンダヘッド１０に形成された４箇所のボルト座１０ｃにボルト１３を挿通してシリンダ８とシリンダヘッド１０が堅固に締着されている。

図示しない燃料タンクから供給されるガソリン等の燃料は、キャブレター１６で霧化され、吸気ポート１０ｅを通じて後述する燃焼室１５（図５参照）に送られる。吸気行程で吸気バルブ２０（図５参照）が開弁して燃焼室１５に気化した燃料が送られ、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の４つの行程を繰り返す。排気行程では排気バルブ１２（図５参照）が開弁し、燃焼室１５から排気ガスが排気ポート１０ｆを通じてマフラー１８に送られ、外部に排出される。

シリンダヘッド１０の上部には、吸気ポート１０ｅと排気ポート１０ｆが対向して一体的に形成されている。吸気ポート１０ｅの一端は、シリンダヘッド１０の略中央部でシリンダヘッド１０の下面に形成された後述する燃焼室１５（図５参照）に連通しており、他端はヒートインシュレータを介してキャブレター１６に接続されている。排気ポート１０ｆも一端が燃焼室１５に連通しており、他端はマフラー１８に接続されている。

吸気ポート１０ｅ及び排気ポート１０ｆの上部には、後述する吸気バルブ２０、排気バルブ１２、プッシュロッド１１その他の動弁系部材を収容する動弁系収容室１０ｇが、一対のバルブガイドボス１０ｆ２を介してそれぞれ吸気ポート１０ｅ及び排気ポート１０ｆに接続して一体的に形成されている。動弁系収容室１０ｇの上部はロッカーカバー９で閉塞されている。

図２中符号１０ｇ２は、吸気ポート１０ｅ、排気ポート１０ｆ、バルブガイドボス１０ｆ２及び動弁系収容室１０ｇによって形成された開口を示し、この開口１０ｇ２はクランク軸５に取付けられたファン６からの冷却風の流通路となっている。図３中矢線１９は冷却風の流れを示し、開口１０ｇ２は、風上側から風下側へ行くに従ってその断面積が小さくなるような形状に形成されているので、開口１０ｇ２の風上側の広い間口から送入した冷却風は風下側でその流速を増し、シリンダヘッド１０の冷却効果が向上する。

シリンダヘッド１０の上部には多数の縦フィン１０ｄ１、１０ｄ２、１０ｄ３、１０ｄ４が一体的に形成されている。これらの縦フィン１０ｄ１、１０ｄ２、１０ｄ３、１０ｄ４は、冷却風を効率よく導風してシリンダヘッド１０の冷却効果を向上させる機能を果たすとともに、シリンダヘッド１０及びこのシリンダヘッド１０に一体的に形成されている吸気ポート１０ｅ、排気ポート１０ｆ、バルブガイドボス１０ｆ２、動弁系収容室１０ｇの剛性を高める機能を果たしている。

本実施形態においては、開口１０ｇ２近傍の風上側に点火プラグ１４が配置されており、点火プラグ１４を挟むように縦フィン１０ｄ２と１０ｄ３が形成されている。縦フィン１０ｄ３は、バルブガイドボス１０ｆ２及び動弁系収容室１０ｇと結合され、バルブガイドボス１０ｆ２との結合部分は、バルブガイドボス１０ｆ２の中心部から離間したバルブガイドボス１０ｆ２のクランク軸方向と直交する方向の外側端部で結合されている。このように構成することにより、風上側から流れる冷却風は点火プラグ１４で分流するが、縦フィン１０ｄ２、１０ｄ３によって分散することなくバルブガイドボス１０ｆ２の外周を効率的に冷却し、開口１０ｇ２で合流して吸気ポート１０ｅ及び排気ポート１０ｆの外周を冷却する。

開口１０ｇ２は風上側で広く冷却風を取り込み、開口の風下側は先細りとなっているので合流した冷却風は流速を増し、バルブガイドボス１０ｆ２周辺の冷却効率が高まる。特に排気ポート１０ｆにおけるバルブガイド１２ｂ（図４参照）付近は、燃焼室１５（図４参照）から直接排気ガスが通過するので温度が高まり易い。このため、高温となるバルブガイド１２ｂ付近を効率よく冷却することで、シリンダヘッド１０全体をバランスよく冷却することが可能となる。

図３中符号１０ｈは、シリンダ８の中心軸線８ａ（図４参照）と交わる位置に描いたクランク軸５方向と直交する方向の仮想線を示し、符号１０ｅ１及び１０ｆ１は、それぞれ吸気ポート１０ｅ及び排気ポート１０ｆの中心軸線の位置を示す仮想線である。本実施形態では、吸気ポート１０ｅ及び排気ポート１０ｆの中心軸線をシリンダ８の中心軸線の位置よりも風下側に設定している。これにより、シリンダヘッド１０上の風上側の面積を広く確保することができ、この広く確保された風上側に多数の縦フィン１０ｄ１、１０ｄ２、１０ｄ３、１０ｄ４を配置することができる。本実施形態では、動弁系収容室１０ｇのクランク軸５方向と直交する方向の両端部に縦フィン１０ｄ１、１０ｄ２を結合している。これにより、動弁系収容室１０ｇの剛性を高めることができる。本実施形態によれば、冷却性能に優れ、剛性を高めつつ、小型、軽量化されたシリンダヘッド１０が構成される。

図４は図３のＡ−Ａ線断面の要部を示す要部断面図であり、排気バルブ１２及びプッシュロッド１１が位置している部位の断面を示している。図５は図４のＧ−Ｇ線断面の要部を示す要部断面図であり、吸気バルブ２０及び排気バルブ１２が位置している部位の断面を示している。

図４及び図５において、排気ポート１０ｆと動弁系収容室１０ｇを接続するように一体的に形成されたバルブガイドボス１０ｆ２には円筒状のバルブガイド１２ｂが保持されている。排気バルブ１２は、そのバルブステム１２ａが摺動可能にバルブガイド１２ｂに支持されており、クランク軸５の回転と連動してプッシュロッド１１によって駆動され開閉動作を行う。なお、図４及び図５において、符号１７はシリンダ８の内部を上下方向に往復動作するピストンを示す。

エンジン駆動系の潤滑は、例えば特開平１０−２８８０１９号公報等に開示されているように、図示しないオイルタンクからクランクケース４内部のクランク室内の圧力変化を利用してオイルがクランク室内に送られ、クランク室内でオイルは霧化する。霧化したオイルはプッシュロッドガイド１０ｇ３へ送られ、動弁系収容室１０ｇ内部の吸気バルブ２０及び排気バルブ１２を潤滑した後オイルタンクへ戻されて循環し、各部位の動作を円滑にする。

本実施形態では、動弁系収容室１０ｇの底部１０ｇ１は、点火プラグ１４が配置されている風上側から風下側に向けて下方に傾斜した形状に形成されている。また動弁系収容室１０ｇの風下側には、プッシュロッド１１を収容する収容孔を備えたプッシュロッドガイド１０ｇ３が下方に連通して一体的に形成されている。このように構成することにより、動弁系収容室１０ｇ内で液化した潤滑オイルが動弁系収容室１０ｇ内の底部１０ｇ１を流下してプッシュロッドガイド１０ｇ３に回収され、必要以上に動弁系収容室１０ｇ内に潤滑オイルが滞留することを防止することができる。図示はしないが、動弁系収容室１０ｇはブリーザ機構を備え、ブローバイガスを吸気系に戻すように構成されている。動弁系収容室１０ｇ内に必要以上に液化オイルが滞留すると、外部にオイルを排出し必要以上のオイルを消費してエンジン駆動系の潤滑不良を引き起こす場合があるが、本実施形態に係る構成により、必要以上のオイル消費を抑制することができる。

一方、動弁系収容室１０ｇ外周部の底部１０ｇ１は冷却風を開口１０ｇ２へ導く導風構造の一部を形成するので、動弁系収容室１０ｇ周辺の冷却効果を向上させることができる。上述したように本実施形態においては、高温となる排気バルブ１２付近が効率的に冷却されるので、バルブガイドボス１０ｆ２やバルブガイド１２ｂの温度上昇によりバルブガイドボス１０ｆ２とバルブガイド１２ｂの固着力が低下したり、バルブガイド１２ｂの変形によるバルブステム１２ａの摺動不良を惹起したりという不具合を防止することができる。

本実施形態では、高出力を得るために燃焼室１５形状をウェッジ型に形成している。このような燃焼室形状はシリンダ８とシリンダヘッド１０を分離する構造とすることで、理想的な形状を実現することができる。更に点火プラグ１４を燃焼室１５の深い側に配置することによって、高圧縮比が可能となるなど、より理想的な燃焼室形状を設計可能となりエンジン出力を向上させることができる。

本実施形態において、吸気ポート１０ｅ、排気ポート１０ｆ及び幾つかの縦フィン１０ｄ１等を、シリンダ８とシリンダヘッド１０との理想的な締着状態が得られるボルト座１０ｃの近傍に配置している。この構造により、シリンダヘッド１０におけるボルト座１０ｃ近傍の剛性が高まり、結合面の変形を効果的に抑え、シリンダ８とシリンダヘッド１０との結合面１０ｂの面圧を高く確保できる携帯型４サイクルエンジン２を提供することができる。

以上説明したように本発明によれば、従来に比べて大型化、重量化をすることなく、より高出力の携帯型４サイクルエンジン２を得ることができる。なお、本実施形態ではシリンダ８とシリンダヘッド１０が分離可能な構造について説明したが、本発明は、シリンダ８とシリンダヘッド１０が一体型の構造に適用しても十分に効果を得られるものである。

本発明に係る携帯型４サイクルエンジンは、刈払機に限らず、例えばチェーンソー、ハンドヘルドブロア、背負い式ブロワ等の携帯型作業機に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る一使用例を示す図である。本発明の一実施形態に係る携帯型４サイクルエンジンの外観を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る携帯型４サイクルエンジンの上面図である。図３のＡ−Ａ線断面図である。図４のＧ−Ｇ線断面図である。

符号の説明

１…携帯型作業機
２…携帯型４サイクルエンジン
３…エンジンカバー
４…クランクケース
５…クランク軸
６…ファン
８…シリンダ
８ａ…シリンダ中心軸線
９…ロッカーカバー
１０…シリンダヘッド
１０ｂ…結合面
１０ｃ…ボルト座
１０ｄ１、１０ｄ２、１０ｄ３、１０ｄ４…縦フィン
１０ｅ…吸気ポート
１０ｅ１…吸気ポート中心軸線
１０ｆ…排気ポート
１０ｆ１…排気ポート中心軸線
１０ｆ２…バルブガイドボス
１０ｇ…動弁系収容室
１０ｇ１…底部
１０ｇ２…開口
１０ｇ３…プッシュロッドガイド
１０ｈ…シリンダ中心軸線と直交する仮想線
１１…プッシュロッド
１２…排気バルブ
１２ａ…バルブステム
１２ｂ…バルブガイド
１３…ボルト
１４…点火プラグ
１５…燃焼室
１６…キャブレター
１７…ピストン
１８…マフラー
１９…冷却風の流れ
２０…吸気バルブ

Claims

シリンダ上部のシリンダヘッドに対してクランク軸方向に冷却風が流通する方式の携帯型４サイクルエンジンであって、
前記クランク軸に取付けられ、前記冷却風を前記シリンダヘッドに導風するファンと、
前記クランク軸方向と直交する方向に対向して形成された吸気ポート及び排気ポートと、
前記吸気ポート及び前記排気ポートと連通して形成された燃焼室と、
前記吸気ポート及び前記排気ポートの上部に形成された動弁系収容室と、
前記動弁系収容室と前記吸気ポート及び前記排気ポートを接続し、それぞれに吸気バルブ及び排気バルブが挿通される一対のバルブガイドボスと、
前記シリンダヘッドから上方に突出し前記クランク軸方向に延伸する複数の縦フィンと、を備え、
前記吸気ポート、前記排気ポート、前記燃焼室、前記動弁系収容室、前記一対のバルブガイドボス及び複数の前記縦フィンが、前記シリンダヘッドに一体成型され、
前記シリンダヘッドにおいて、前記吸気ポート、前記排気ポート、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の底部により前記冷却風が流通する開口が形成され、
前記動弁系収容室の前記冷却風の風下側にプッシュロッドガイドが形成され、
前記動弁系収容室の底部は、前記冷却風の風上側から前記プッシュロッドガイド側にかけて下方に傾斜して形成されると共に、前記開口は、前記冷却風の風上側より風下側の断面積が小となる形状に形成され、
前記縦フィンは前記動弁系収容室と結合されると共に、前記吸気ポート及び前記排気ポートから風上側にそれぞれ延伸して形成されてなることを特徴とする携帯型４サイクルエンジン。
前記縦フィンは、前記バルブガイドボス及び前記動弁系収容室の風上側と連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の携帯型４サイクルエンジン。