JP5967640B2

JP5967640B2 - 多気筒内燃機関のシリンダヘッド

Info

Publication number: JP5967640B2
Application number: JP2012017946A
Authority: JP
Inventors: 前田　直紀; 直紀前田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013155690A

Description

本願発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。

シリンダヘッドには吸気ポートと排気ポートとが開口しており、排気ガスは排気ポートを通って排気通路に排出される。そして、多気筒内燃機関の場合、一般に、各気筒に対応した排気ポートはそれぞれシリンダヘッドの側面に開口しており、シリンダヘッドに排気マニホールドを接続することにより、各排気ポートを１本の排気通路に集合させているが、例えば本願出願人の出願に係る特許文献１のように、シリンダヘッドに、各排気ポートが連通したポート集合空間を形成し、ポート集合空間の排気出口穴に１本の排気通路を接続することも提案されている。

特開２０１１−１５７８２７号公報

さて、排気通路には一般に触媒式の排気ガス浄化装置を介挿しているが、触媒は排気ガスがある程度以上の高温でないと機能を効率良く発揮しないという性質がある。従って、燃焼室から排出された排気ガスは、できるだけ熱を奪われずに高温の状態で排気ガス浄化装置に到達するのが好ましい。

本願発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、触媒式排気ガス浄化装置に至る排気ガスの温度低下をできるだけ抑制できるシリンダヘッドを提供せんとするものである。

本願発明者は排気ポートや排気通路での排気ガスの挙動を観察し、排気ガスから排気通路への熱交換の割合を減少させることを研究して、本願発明を完成させるに至った。
すなわち本願発明は、クランク軸線方向に並んだ複数の排気ポートが集まるポート集合空間と、前記ポート集合空間に流入した排気ガスを排出する１つの排気出口穴とが、それぞれクランク軸線方向に長手となるように形成されており、前記排気出口穴に、触媒式排気ガス浄化装置を有する排気通路が接続される構成であって、
前記ポート集合空間のうち前記排気出口穴に近い出口端部の上面のみ又は下面のみ若しくは上下両面のみに、当該ポート集合空間の出口端部の上下間隔をいったん狭めてから再び拡大させる突条が、前記ポート集合空間の長手方向に沿って形成されている、という点を特徴にしている。

さて、排気ポートに接続される排気通路の始端部は曲がっていたり窄まっていたりしており、このため、排気ポートから排出された排気ガスは排気通路の始端部の壁面に衝突する傾向を呈している。そして、従来は、排気ガスが排気通路の始端部に強く衝突することが多いため、排気ガスの熱が排気通路に多く奪われていたと言える。

これに対して本願発明では、ポート集合空間の出口端部が拡大部になっていることにより、排気ポートから排出された排気ガスは流速が低下するため、排気ガスが排気通路の始端部の内面に強く衝突することが防止又は著しく抑制され、その結果、排気ガスを、その温度低下を抑制した状態で触媒式の排気ガス浄化装置に導くことができて、排気ガス浄化装置の機能確保に貢献できる。また、排気通路の温度上昇を抑制できるため、排気通路の耐久性アップにも貢献し得る。

さて、シリンダヘッドは一般にアルミ等の金属を材料にした鋳造品であることが多く、そこで、排気通路との密着性を確保するため、排気ポートが開口している面（排気側面）をフライス加工で切削して平坦面と成していることが多いが、例えば排気ポートが単なるテーパ状であると、切削深さが変化すると排気出口穴の幅寸法が変化することになり、このため、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じることがある。そして、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じると、排気ガスの流れが阻害されたり、段差部が異常な高温になったりする弊害が発生するおそれがある。

これに対して本願発明では、排気出口穴の拡大部の内周面を開口端面と直角のストレート状に形成しておくことにより、シリンダヘッドの切削量に関係なく開口の幅寸法を一定に保持できるため、排気ポートの開口端面と排気通路の始端面との間に段差が生じることを防止して、排気ガスの円滑な流れを確保できると共に異常高温化も防止できる。

本願発明は、特許文献１のようにポート集合空間を一体に設けたタイプのシリンダヘッドに適用される。そして、シリンダヘッドは燃焼ガスの熱で排気通路より高温になっていることが多いため、排気ガスがシリンダヘッドの排気ポートに触れて温度低下する割合は外付けマニホールド式に比べて低くなっており、本願発明を適用すると、できるだけ高温に維持された排気ガスを、温度低下を抑制した状態で排気通路に導いて排気ガス浄化装置に到達させ得るのであり、このため、触媒式排気ガス浄化装置の機能確保をより的確に実現できるのである。

実施形態に係るシリンダヘッドの平断面図である。図１のII-II 視正面図である。（Ａ）は図２のIIIA-IIIA 視分離断面図、（Ｂ）〜（Ｄ）は比較例を示す図である。図１の IV-IV視断面図である。図１の V-V視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、図１に示すように、シリンダヘッド１の下面には、３つの燃焼室２がクランク軸線方向に直列に並んだ状態で形成されていると共に、シリンダブロックＳ１には、３つのシリンダボアＳ２がクランク軸線方向に直列に並んで形成されている。シリンダボアＳ２には、ピストンＰが摺動自在に嵌まっている。

各燃焼室２には、２つずつの第１〜第３の吸気ポート３，４，５が開口していると共に、２つずつの第１〜第３の排気ポート６，７，８が開口している。排気ポート６，７，８はポート集合空間９に集合しており、ポート集合空間９に連通した排気出口穴９ａに、排気通路（排気管）１０が接続されている。排気通路１０の中途部には、触媒式の排気ガス浄化装置（図示せず）を介挿している。

敢えて述べるまでもないが、吸気ポート３，４，５及び排気ポート６，７，８は、燃焼室２の並び方向に延びる気筒列中心線１１を挟んだ両側に配置されており、吸気ポート３，４，５の群と各排気ポート６，７，８の群とは、気筒列中心線１１（或いはクランク軸線方向）に沿って並んでいる。吸気ポート３，４，５の終端１２は吸気バルブ１３で開閉され、排気ポート６，７，８の始端１４は排気バルブ１５で開閉される。シリンダヘッド１のうち各燃焼室２の中央に位置した部位には、点火プラグ１６を取り付けている。

図１に示すように、排気ポート６，７，８のうち中央に位置した第２排気ポート７は、シリンダボアの軸線方向から見た平面視において直線状に近い姿勢でポート集合空間９に連続しており、他方、第１及び第３排気ポート６，８は、平面視において湾曲した姿勢でポート集合空間９に連続している。図２に示すように、ポート集合空間９は、排気ポート６，７，８の並び方向（クランク軸線方向）に細長い形状になっている。
図１に示すように、排気出口穴９ａは、ポート集合空間９の長手中間部に位置している。また、図２から理解できるように、排気出口穴９ａも排気ポート６，７，８の並び方向（クランク軸線方向）に長い形状になっている。また、シリンダヘッド１のうち、排気出口穴９ａを囲う開口端面１８はある程度の幅寸法を有する平坦面になっており、開口端面１８の外側に、排気通路１０を固定するためのボス部１９を設け、ボス部１９にタップ穴を形成している。開口端面１８とボス部１９の端面とは同一面になっている。

図２に一点鎖線で示すように、排気通路１０の始端部には、シリンダヘッド１の排気出口穴９ａと同じ形状の内径を有する拡大部１０ａが形成されており、排気通路１０の拡大部１０ａは、徐々に窄まって略円形に収束している。拡大部１０ａは、シリンダヘッド１の開口端面１８に重なるフランジ１０ｂを形成しており、フランジ１０ｂに、シリンダヘッド１のボス部１９に重なる締結部１０ｃを一体に突設し、締結部１０ｂがボルト２０でボス部１９に固定されている。また、排気通路１０は、シリンダヘッド１から下向きに延びている。従って、図４，５に示すように、排気通路１０の始端部は下向きに湾曲している。

そして、ポート集合空間９のうち排気出口穴９ａの近くの部位の上面と下面とに、ポート集合空間９の中心方向に突出した緩い山形で土手状の突条２１を設けることにより、突条２１よりも外側の出口寄り部分（排気出口穴９ａの内周部）を拡大部２２と成している。従って、ポート集合空間９の出口端部の上下間隔は、いったん狭まってから、拡大部２２において再び広がっている。
突条２１及び拡大部２２は、ポート集合空間９及び排気出口穴９ａの長手方向に沿って長く延びている。また、突条２１は、２つの第２排気ポート７の延長部に形成しており、２つの第２排気ポート７の延長部の間の部分には形成していないが、一連に延びる形態にすることも可能である。また、突条２１と拡大部２２はポート集合空間９の上面と下面とに形成しているが、上下面のうちのいずれか一方に形成することも可能である。

例えば図４から理解できるように、本実施形態では、排気ポート６，７，８は、僅かながら断面積を拡大させつつポート集合空間９に向かっており、ポート集合空間９では、突条２１の箇所でいったん断面積を絞ってから、拡大部２２で断面積が急激に拡大するようになっている。

本実施形態は３気筒の４サイクル内燃機関であるため、各気筒では、クランク軸の回転角度で２４０°ずつ位相がずれた状態で燃料が爆発する。従って、排気ガスも３つの排気ポート６，７，８から同時に排出されることはなくて、２４０°間隔で順番に排出される。

そして、例えば第２排気ポート７を例にとると、排気ガスは平面視でほぼ直進する状態でポート集合空間９から排気通路１０に流入するため、何等の対策を講じないと、図１から理解できるように、排気ガスは排気通路１０における拡大部１０ａの内側面に衝突し、このため排気ガスの熱が排気通路１０の拡大部１０ａに奪われて、排気ガスの温度低下が激しくなる。

また、図４に示すように、排気通路１０が下向きにカーブしていることにより、第２排気ポート７から流出した排気ガスは、排気通路１０の始端部の上内面１０ｃ′に衝突する傾向を呈しており、このため、何等の対策を講じないと、排気ガスは、排気通路１０の始端部の上内面１０ｃ′に衝突することによっても、急激に温度が低下してしまう。

これに対して本実施形態では、第２排気ポート７から排出された排気ガスは、ポート集合空間９を通過するにおいて、突条２１の箇所で横向きに広げられる作用を受け、次いで、拡大部２２に移行すると流速が急激に低下する。

つまり、排気ガスは突条２１によって拡散作用を受けて、その状態で拡大部２２，１０ａに移行することで流速が急激に低下するため、排気ガスが排気通路１０における拡大部１０ａの内側面に激しく衝突したり、排気ガスが排気通路１０の始端部の上内面１０ｃ′に激しく衝突したりすることを防止又は著しく抑制できる。このため、排気ガスから排気通路１０への熱交換を著しく抑制できるのであり、その結果、排気ガスをできるだけ高温に保ったままで、触媒式の排気ガス浄化装置（図示せず）に到達させることができる。

また、突条２１の存在により、排気ガスは排気通路１０の中心部に寄るようなガイド作用を受けており、これによっても、排気ガスが排気通路１０の上内面１０ｃ′に激しく衝突することが抑制されている。つまり、突条２１は、排気ガスを排気通路１０の拡大部１０ａの長手方向に拡散させる整流作用と、上下中間部に集める整流作用とを備えている。

第１排気ポート６及び第３排気ポート８から排出される排気ガスもポート集合空間９を通って排気通路１０に流入するため、突条２１による拡散作用と拡大部２２による流速低下作用とを受けることになり、従って、第１排気ポート６及び第３排気ポート８から排出される排気ガスの温度低下も抑制される。

さて、シリンダヘッド１はアルミ等の軽合金を材料にした鋳造品であり、鋳造したままで排気通路１０を固定すると排気ガスの漏洩が生じたり、排気通路１０の取り付け精度が悪化したりするおそれがある。そこで、フライス加工により、開口端面１８とボス部１９とを高い精度の平坦面に加工しているが、仮に、図３（Ｂ）のようにポート集合空間９の内面がテーパ状になっていると、切削量Ｅの違いにより、任意に設定した基準位置から開口端までの距離ｅが変化する。

すると、排気通路１０を固定したときに、（Ｃ）のように排気通路１０の始端が排気出口穴９ａの外側に位置したり、或いは、（Ｄ）のように排気通路１０の始端が排気出口穴９ａの内側に位置したりと、排気出口穴９ａと排気通路１０との間に段差が生じるおそれがある。すると、排気ガスの円滑な流れが阻害されたり、排気出口穴９ａと排気通路１０との接合部が異常加熱されたりするおそれがある。

これに対して本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、拡大部２２の内周面（排気出口穴９ａの内周面）のうち開口端面１８に近い部分を、開口端面１８と直角なストレート部２２ａと成しておくことにより、切削量Ｅに関係なく軸心から開口縁までの距離を一定に保持することができる。このため、排気出口穴９ａと排気通路１０とは、切削量Ｅに関係なく、内周面が同一面を成すように接続することができる。これにより、排気ガスのスムースな流れが阻害されたり部分的な異常加熱が発生したりすることを防止できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、適用対象は３気筒用のシリンダヘッドには限らず、他の気筒数の多気筒内燃機関のシリンダヘッドに広く適用できる。

本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダヘッドに実際に適用できる。従って、産業上、利用できる。

１シリンダヘッド
２燃焼室
３，４，５吸気ポート
６，７，８排気ポート
９ポート集合空間
９ａ排気出口穴
１０排気通路
１０ａ排気通路の始端部を構成する拡大部
１３排気バルブ
１８開口端面
１９ボス部
２１突条
２２ポート集合空間の出口端部の拡大部

Claims

クランク軸線方向に並んだ複数の排気ポートが集まるポート集合空間と、前記ポート集合空間に流入した排気ガスを排出する１つの排気出口穴とが、それぞれクランク軸線方向に長手となるように形成されており、前記排気出口穴に、触媒式排気ガス浄化装置を有する排気通路が接続される構成であって、
前記ポート集合空間のうち前記排気出口穴に近い出口端部の上面のみ又は下面のみ若しくは上下両面のみに、当該ポート集合空間の出口端部の上下間隔をいったん狭めてから再び拡大させる突条が、前記ポート集合空間の長手方向に沿って形成されている、
多気筒内燃機関のシリンダヘッド。