JP5692053B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒毎に排気ポートを備えるシリンダヘッドに関する。

多気筒型の内燃機関（エンジン）に用いるシリンダヘッドには、各気筒から排出される排気ガスを排気通路に導くための排気ポートが設けられている。

近年の多気筒型エンジンは、一つの気筒から二つまたはそれ以上の排気バルブで排気を行うように構成されている。そのため、シリンダヘッドの排気ポートは、その排気流れ方向の上流端から下流に向かう途中までの領域（上流部）が複数に分かれていて、前記途中から下流端までの領域（下流部）が一つに集合されている。

ところで、例えば特許文献１には、吸気ポートおよび排気ポートの各内周面においてバルブステムより上流側に、それぞれリブを設けるということが記載されている。また、このリブの突出量が排気ポートの直径の半分程度とされているということや、このリブがバルブステムを吸気や排気の抵抗にならないようにして、吸気や排気を滑らかに流すようにするということが記載されている（要約書、段落００１５参照）。

また、例えば特許文献２には、排気ポートの内周面の上部と下部とに複数のフィン形状部を設けるということが記載されている（段落００３３、００４０参照）。なお、前記フィン形状部は、排気ガスの熱を回収するために設けられている（段落００３４、００４０参照）。

特開平４−３３０３５２号公報 特開平１０−３１７９９５号公報

上記特許文献１に係る従来例のリブは、吸気や排気を滑らかに流すためのものであって、意図的に排気ガスの熱を回収しようとするような技術思想は伺えない。

上記特許文献２に係る従来例では、内燃機関の高回転時において排気ガスの熱を期待するほどに効率良く回収することができないと考えられる。というのは、特許文献２に示すフィン形状部は、多数の小さいフィンを周方向に櫛歯状に並べて形成している構成であるために、前記周方向に隣り合うフィンそれぞれの周方向対向空間が極く狭くなっている。しかも、前記周方向に隣り合うフィンそれぞれの突出端の位置が周方向に揃っている。このような構成では、内燃機関の高回転時のように排気ガスの流速が速いと、前記周方向に隣り合うフィンそれぞれの周方向対向空間に排気ガスが入りにくくなってしまい、結果的に、排気ガスが前記各フィンの突出端には触れるものの当該各フィンの両側面に対して触れにくくなってしまうと考えられる。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関の気筒毎に排気ポートを備えるシリンダヘッドにおいて、内燃機関の高回転時に排気ガスの熱を効率良く回収可能とすることを目的としている。

本発明は、内燃機関の気筒毎に排気ポートを備えるシリンダヘッドであって、前記排気ポートの上流部は、前記気筒から当該気筒の中心軸線に対して傾斜する方向に延在するように前記気筒毎に複数設けられる排気ガス流路であり、前記排気ポートの下流部は、前記複数の上流部が排気流れ方向の下流側で集合する排気ガス流路であり、前記排気ポートの内周面において前記気筒の中心軸線方向の上死点側の領域に、径方向内向きに突出する突条部が排気流れ方向の上流側から下流側に延在するように設けられており、前記突条部は、前記上流部から前記下流部までの領域に、前記上流部と同数設けられており、この突条部の上流側領域は、上流端から下流側に向けて突出量が徐々に多くされることにより、当該突条部の上流側領域の稜線が前記排気ポートの内側開口の中心軸線に対して傾斜されており、この傾斜角が鈍角に設定されている、ことを特徴としている。

ここでは、前記突条部の上流側領域についてその下流側を後退させる形態で傾斜させることによって当該突条部の上流側領域の稜線の傾斜角度を可及的緩やかにさせるように工夫している。

これにより、特に内燃機関の高回転時において、排気ポートに高速で流入する排気ガスが前記突条部の上流側領域に衝突したときに、当該排気ガスが分散しにくくなるので、当該排気ガスの流速が遅くなりにくくなる。

言い換えると、排気ポートの上流側から下流側に至るまで、排気ガスが速い流速のまま維持されてスムースに流れるようになるので、例えば前記突条部の上流側領域における突出量をほぼ一定にして傾斜させていない場合に比べると、排気ガスの熱を前記突条部に効率良く移動（伝達）させることが可能になる。

したがって、特に内燃機関の高回転時において、排気ポート内での排気ガスの熱回収が効率良く行われるようになり、その結果、排気ガスの冷却性能が向上するようになる。

また、上記構成では、前記上流側領域を傾斜させている突条部を、前記排気ポートの複数の上流部と同数設けるようにしている。

これにより、排気ポートの内周面全体の表面積（排気ガスの熱を回収するための表面積）を可及的に大きくすることが可能になる。そのため、例えば前記複数の突条部の上流側領域における突出量をほぼ一定にしていて傾斜させていない場合に比べると、特に内燃機関の高回転時において排気ポートの複数の上流部に高速で流入する排気ガスの熱を前記複数の突条部に効率良く移動（伝達）させることが可能になる。その結果、排気ガスの冷却性能をさらに向上させることが可能になる。

好ましくは、前記複数の突条部において前記下流部に存在する領域の幅が、前記上流部に存在する領域の幅よりも大きく設定されることにより、当該隣り合う突条部同士の下流側領域での離隔寸法が前記幅を大きく設定しない場合に比べて小さく設定される、構成とすることができる。

ここでは、要するに、前記複数の突条部において前記下流部に存在する領域（下流側領域と言う）の幅を前記上流部に存在する領域（上流側領域と言う）の幅よりも大きく設定することにより、前記複数の突条部の下流側領域の表面積を可及的に大きくしている。さらに、前記隣り合う複数の突条部同士の下流側領域での離隔寸法を可及的に小さく設定することによるベンチュリ効果でもって、当該離隔部分を流れる排気ガスの流速を維持あるいは可及的に速くさせるようにしている。

これらのことの相乗作用によって、特に内燃機関の高回転時において前記排気ポートに流入する排気ガスの熱を前記複数の突条部にさらに効率良く移動（伝達）させることが可能になる。その結果、排気ガスの冷却性能をさらに向上させることが可能になる。

好ましくは、前記下流部の内周面において前記気筒の中心軸線方向の上死点側の領域でかつ前記複数の突条部に挟まれる位置に、径方向内向きに突出する追加突条部が排気流れ方向に延在するように設けられる、構成とすることができる。

ここでは、要するに、前記突条部の数を増やしているから、排気ポートの内周面全体の表面積（排気ガスの熱を回収するための表面積）が可及的に大きくなる。これにより、特に内燃機関の高回転時において前記排気ポートに流入する排気ガスの熱を前記複数の突条部にさらに効率良く移動（伝達）させることが可能になる。その結果、排気ガスの冷却性能をさらに向上させることが可能になる。

本発明に係るシリンダヘッドは、特に内燃機関の高回転時において排気ガスの熱を効率良く回収することが可能になり、排気ガスの冷却性能の向上に貢献できるようになる。

本発明に係るシリンダヘッドの一実施形態において排気ポートを主体に記載した平面の模式図である。 図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。 図１の（３）−（３）線断面の矢視図である。 図２の一部を拡大して示す図である。 本発明に係るシリンダヘッドの他実施形態において排気ポートを主体に記載した平面の模式図である。 図５の（６）−（６）線断面の矢視図である。 図５の（７）−（７）線断面の矢視図である。 図６の一部を拡大して示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に、本発明の一実施形態を示している。図中、１は内燃機関（エンジン）のシリンダヘッドの全体を示している。この実施形態に例示するシリンダヘッドを用いる内燃機関については、一つの気筒２に、図示していないが、二つの吸気バルブと二つの排気バルブとを用いるタイプとされている。なお、図２には一つの吸気バルブ２１と一つの排気バルブ２２とが記載されている。

シリンダヘッド１の下面において図示していないシリンダブロックの気筒２に対応する位置には、気筒２とピストン３と協力して燃焼室４を作るための凹部１ａが設けられている。この凹部１ａには、吸気ポート５と排気ポート６とが連通連結されている。

図１に示すように、排気ポート６は、複数（この実施形態では二つ）の上流部６ａ，６ｂと、１つの下流部６ｃとを備えている。上流部６ａ，６ｂは、気筒２から当該気筒２の中心軸線Ｙに対して傾斜する方向に延在するように気筒２毎に複数設けられる排気ガス流路である。下流部６ｃは、複数の上流部６ａ，６ｂが集合する排気ガス流路である。前記集合起点（または分岐起点）に符号６ｄを付している。

排気ポート６の第１上流部６ａおよび第２上流部６ｂの各上流端は、内燃機関の燃焼室４に連通連結されている。一方、排気ポート６の一つの下流部６ｃの下流端は、シリンダヘッド１の背面１ｂに開口されている。

一般に、排気ポート６の下流部６ｃの下流端には、図示していないが、排気管などの排気通路が取り付けられ、この排気通路には排気ガス浄化用の触媒が設置されている。この排気管と触媒とを含んで排気系と言う。

図２に示すように、第１上流部６ａ（第２上流部６ｂ）の中心軸線Ｘ１（Ｘ２）は、気筒２の中心軸線Ｙに対して傾斜されており、下流部６ｃの中心軸線Ｚは、第１上流部６ａ（第２上流部６ｂ）の中心軸線Ｘ１（Ｘ２）に対して傾斜されている。

なお、第１上流部６ａ（第２上流部６ｂ）の中心軸線Ｘ１（Ｘ２）は、排気ポート６の上流開口の中心と集合起点６ｄの中心とを結ぶ直線とされる。下流部６ｃの中心軸線Ｚは、集合起点６ｄの中心と下流開口の中心とを結ぶ直線とされる。

そして、気筒２の中心軸線Ｙに対する下流部６ｃの中心軸線Ｚの傾斜角度βは、気筒２の中心軸線Ｙに対する第１上流部６ａ（第２上流部６ｂ）の中心軸線Ｘ１（Ｘ２）の傾斜角度αより小さく設定されている。

このような排気ポート６を備えるシリンダヘッド１では、排気ポート６の内周面に第１、第２上流部６ａ，６ｂと同数の第１、第２突条部７，８が設けられている。

これら第１、第２突条部７，８は、第１、第２上流部６ａ，６ｂから下流部６ｃまでの内周面において排気ガスが案内されやすい領域に設けられている。詳しくは、第１、第２突条部７，８は、第１、第２上流部６ａ，６ｂの内周面において気筒２の中心軸線Ｙ方向の上死点側の領域に、径方向内向きに（気筒２の中心軸線Ｙ方向の下死点側に向けて）突出するように設けられている。

第１、第２突条部７，８は、ほぼ同じ突出形状および突出寸法に設定されており、第１、第２上流部６ａ，６ｂにおいて上流端よりも集合起点６ｄ寄りの位置（例えばバルブガイド１１の設置位置）から下流部６ｃの下流端にまで連続して延びるように設けられている。

詳しくは、第１、第２突条部７，８は、第１、第２上流部６ａ，６ｂにおいてはそれらの中心軸線Ｘ１，Ｘ２（または排気流れ方向）に沿って設けられており、さらに下流部６ｃにおいては互いにほぼ平行になるように設けられている。

そして、この実施形態では、特に内燃機関の高回転時において排気ガスから排気ポート６への移動熱量を可及的に増加させることにより排気ガスの冷却性能を高めるように工夫している。

具体的に、第１、第２突条部７，８の上流側領域（燃焼室４寄りの領域）における突出量は、上流端から下流側へ向けて徐々に多くなるように設定されている。

これにより、第１、第２突条部７，８の上流側領域の稜線は、排気ポート６の内側（燃焼室４側）開口の中心軸線１００に対して傾斜するようになっている。なお、排気ポート６の内側開口の中心軸線１００は、一般に、排気側のバルブガイド１１の中心軸線と一致しているので、「バルブガイド１１の中心軸線」と言い換えてもよい。

第１、第２突条部７，８の上流側領域の稜線の傾斜角θは、例えば鈍角に設定されている。ちなみに、前記傾斜角θを鋭角に設定すると、燃焼室４から第１、第２突条部７，８の上流側領域の稜線までの距離が短くなるので、燃焼室４から第１、第２上流部６ａ，６ｂに流入する排気ガスが第１、第２突条部７，８の上流側領域に衝突すると分散しやすくなって、当該排気ガスの流速が低下しやすくなると考えられるので、好ましくない。

このように構成すると、特に内燃機関の高回転時において排気ポート６の第１、第２上流部６ａ，６ｂに高速で流入する排気ガスが第１、第２突条部７，８の上流側領域に衝突したときに分散しにくくなるので、当該衝突位置から下流側に流れる排気ガスの流速が遅くならずに済むようになる。

言い換えると、排気ポート６の第１、第２上流部６ａ，６ｂから下流部６ｃの最下流に至るまで排気ガスが速い流速のまま維持されてスムースに流れるようになるので、排気ガスの熱を第１、第２突条部７，８の全領域に効率良く移動（伝達）させることが可能になる。

その理由を説明する。一般に、排気ガスから突条部（第１、第２突条部７，８）に伝わる移動熱量（Ｑ）は、前記突条部の熱伝達率（α）と、前記突条部の表面積（Ｓ）と、前記突条部と排気ガスとの間の温度差（ΔＴ）との積により求められる（Ｑ＝α×Ｓ×ΔＴ）。ここでは、排気ポート６全体での移動熱量として説明せずに前記突条部のみの移動熱量（Ｑ）として説明している。

そもそも、前記熱伝達率（α）は、排気ガスの流速に比例する。

一般に、内燃機関の低回転時では、内燃機関の燃焼室４から排気ポート６の第１、第２上流部６ａ，６ｂに流入する排気ガスの流速が遅いので、排気ポート６の上流側から下流側までの全域で排気ガスの流速がほぼ一定になる。これにより、前記低回転時の熱伝達率（α）は、第１、第２突条部７，８の上流側から下流側までの全域にわたってほぼ一定の大きさになる。

一方、内燃機関の高回転時では、内燃機関の燃焼室４から排気ポート６の第１、第２上流部６ａ，６ｂに流入する排気ガスの流速が速い。ここで、仮に、第１、第２突条部７，８の上流側領域における突出量をほぼ一定にして傾斜させていない場合だと、排気ポート６に高速で流入する排気ガスが、第１、第２突条部７，８の上流側領域に衝突することによって分散してしまい、排気ガスの流速が遅くなってしまうと考えられる。したがって、このような場合には、排気ガスから第１、第２突条部７，８への熱の移動（伝達）が少なくなってしまうと考えられる。

このことからすると、この実施形態のように特に内燃機関の高回転時において排気ポート６を流入する排気ガスの流速が遅くならないように工夫している場合には、特に内燃機関の高回転時において第１、第２突条部７，８の熱伝達率（α）が小さくならずに済むと言えるのである。

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、第１、第２突条部７，８の上流側領域についてその下流側を後退させる形態で傾斜させることによって第１、第２突条部７，８の上流側領域の稜線の傾斜角度θを可及的緩やかにさせるように工夫している。

これにより、特に内燃機関の高回転時において排気ポート６に高速で流入する排気ガスが第１、第２突条部７，８の上流側領域に衝突したときに分散しにくくなる。

そのため、排気ポート６の第１、第２上流部６ａ，６ｂから下流部６ｃの最下流に至るまで排気ガスが速い流速のまま維持されてスムースに流れるようになるので、例えば第１、第２突条部７，８の上流側領域における突出量をほぼ一定にして傾斜させていない場合に比べると、特に内燃機関の高回転時において排気ガスの熱を第１、第２突条部７，８の全領域に効率良く移動（伝達）させることが可能になる。

したがって、特に内燃機関の高回転時において排気ポート６の内周面全体での排気ガスの熱回収が効率良く行われるようになり、その結果、排気ガスの冷却性能が向上するようになる。これに伴い、特に内燃機関の高回転時において、触媒（図示省略）の過剰昇温を抑制または防止することが可能になるので、前記触媒の機能低下ならびに耐久性低下を長期にわたって抑制できるようになる。

しかも、この実施形態では、第１、第２突条部７，８において下流部６ｃに存在する領域（下流側領域と言う）の幅を上流部６ａ，６ｂに存在する領域（上流側領域と言う）の幅よりも大きく設定することにより、第１、第２突条部７，８の下流側領域の表面積を可及的に大きくしている。なお、第１、第２突条部７，８の下流側領域の幅は下流側に向けて徐々に大きくなっている。さらに、隣り合う第１、第２突条部７，８同士の下流側領域での離隔寸法を可及的に小さく設定することによるベンチュリ効果でもって、当該離隔部分を流れる排気ガスの流速を維持あるいは可及的に速くさせるようにしている。

これらのことの相乗作用によって、特に内燃機関の高回転時において排気ポート６に流入する排気ガスの熱を第１、第２突条部７，８さらに効率良く移動（伝達）させることが可能になる。その結果、排気ガスの冷却性能をさらに向上させることが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、多気筒型内燃機関に用いるシリンダヘッド１を例に挙げているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば単気筒型内燃機関に用いるシリンダヘッドにも適用することが可能である。その場合でも、排気ポート６については上記実施形態と同様の構成とされる。

（２）上記実施形態では、第１、第２突条部７，８において下流部６ｃに存在する領域（下流側領域と言う）の幅を上流部６ａ，６ｂに存在する領域（上流側領域と言う）の幅よりも大きく設定するとともに、隣り合う第１、第２突条部７，８同士の下流側領域での離隔寸法を可及的に小さく設定するようにした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。

つまり、例えば第１、第２突条部７，８の下流側領域の幅をそれ以外の領域の幅と同じに設定することが可能である。また、隣り合う第１、第２突条部７，８同士の下流側領域での離隔寸法を上記実施形態よりも大きく設定することが可能である。

（３）上記実施形態では、排気ポート６に第１、第２突条部７，８を設けた例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば図５から図８に示すように、排気ポート６の下流部６ｃの内周面に、３つ目の突条部９を設けることが可能である。この３つ目の突条部９を第３突条部と言う事にする。

第３突条部９は、下流部６ｃの内周面において気筒２の中心軸線Ｙ方向の上死点側の領域でかつ周方向の中央つまり第１、第２突条部７，８で挟まれる位置に、径方向内向きに（気筒２の中心軸線Ｙ方向の下死点側に向けて）突出するように設けられている。

この第３突条部９は、下流部６ｃの中心軸線Ｚ（または排気流れ方向）に沿ってほぼ直線状に延在されていて、第１、第２突条部７，８より短くなっている。

この場合、上記実施形態よりも突条部の数を増やしているから、排気ポート６の内周面全体の表面積（排気ガスの熱を回収するための表面積）が可及的に大きくなる。これにより、特に内燃機関の高回転時において排気ポート６に流入する排気ガスの熱を前記複数の突条部７〜９にさらに効率良く移動（伝達）させることが可能になるので、排気ガスの冷却性能が上記実施形態に比べてさらに向上する結果となる。

なお、この実施形態では、第３突条部９の上流側領域（排気ポート６の集合起点６ｄ寄りの領域）における突出量を上流端から下流側へ向けて徐々に多くなるように設定することにより、第３突条部９の上流側領域の稜線を、排気ガスの流れ方向に対して傾斜させるようにしている。言い換えると、第３突条部９の上流側領域の稜線は、当該上流側領域において突出量が最大となる位置と集合起点６ｄの径方向中央位置とを通る直線２００に対して傾斜されている。

この第３突条部９の上流側領域の稜線の傾斜角θ１は、例えば鋭角に設定することができる。ちなみに、前記傾斜角θ１を鈍角に設定すると、第１、第２上流部６ａ，６ｂから下流部６ｃに排気ガスが流入する際に、当該排気ガスが第３突条部９の上流側領域に衝突すると分散しやすくなると考えられる。

さらに、図示していないが、第３突条部９の上流端と下流部６ｃの内周面との連接部分を、滑らかに連接させるように曲面形状（Ｒ形状）にすることができる。

本発明は、内燃機関の気筒毎に排気ポートを備えるシリンダヘッドに好適に利用することが可能である。

１ シリンダヘッド
２ 気筒
４ 燃焼室
６ 排気ポート
６ａ 排気ポートの第１上流部
６ｂ 排気ポートの第２上流部
６ｃ 排気ポートの下流部
６ｄ 集合起点（または分岐起点）
７ 第１突条部
８ 第２突条部
９ 第３突条部

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒毎に排気ポートを備えるシリンダヘッドであって、
   前記排気ポートの上流部は、前記気筒から当該気筒の中心軸線に対して傾斜する方向に延在するように前記気筒毎に複数設けられる排気ガス流路であり、
   前記排気ポートの下流部は、前記複数の上流部が排気流れ方向の下流側で集合する排気ガス流路であり、
   前記排気ポートの内周面において前記気筒の中心軸線方向の上死点側の領域に、径方向内向きに突出する突条部が排気流れ方向の上流側から下流側に延在するように設けられており、
   前記突条部は、前記上流部から前記下流部までの領域に、前記上流部と同数設けられており、
   この突条部の上流側領域は、上流端から下流側に向けて突出量が徐々に多くされることにより、当該突条部の上流側領域の稜線が前記排気ポートの内側開口の中心軸線に対して傾斜されており、
   この傾斜角が鈍角に設定されている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 請求項１に記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記複数の突条部において前記下流部に存在する領域の幅が、前記上流部に存在する領域の幅よりも大きく設定されることにより、当該隣り合う突条部同士の下流側領域での離隔寸法が前記幅を大きく設定しない場合に比べて小さく設定される、ことを特徴とするシリンダヘッド。
3. 請求項１または２に記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記下流部の内周面において前記気筒の中心軸線方向の上死点側の領域でかつ前記複数の突条部に挟まれる位置に、径方向内向きに突出する追加突条部が排気流れ方向に延在するように設けられる、ことを特徴とするシリンダヘッド。

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