JP5975112B2 - 多気筒内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関する。
特許文献１に示されるように、一列に配置された複数の気筒毎に排気ポートが設けられ、それら複数の気筒の排気ポートが下流で集合する多気筒内燃機関のシリンダヘッドが知られている。また、特許文献２に示されるように、各気筒毎に複数の排気ポートを設け、各気筒に対応する複数の排気ポートを下流で集合させることも知られている。そして、特許文献２のように、各気筒毎に複数の排気ポートが設けられるシリンダヘッドでは、各気筒に対応する複数の排気ポートがその下流で集合して集合排気ポートを形成するとともに、上記複数の気筒にそれぞれ対応する複数の集合排気ポート同士が更に下流で集合する。
特開２００７−２８５１６８公報 特開２００９−６８３９９公報
ところで、上記シリンダヘッドでは、各気筒の排気ポートを通過する排気の流速を速めて同排気の温度を低下させることが望まれており、そうしたことを実現するために排気ポートの断面積を小さくすることが考えられる。ただし、各気筒に対応する複数の排気ポートが下流で集合する部分（以下、気筒別集合部という）、及び、複数の気筒にそれぞれ対応する気筒別集合部から延びる集合排気ポート同士が更に下流で集合する部分（以下、気筒間集合部）では、排気ポートの断面積が拡大することは避けられない。このため、排気ポートの断面積は、同排気ポートの下流に向かう際、気筒別集合部で拡大した後に一旦縮小し、更に気筒間集合部でもう一度拡大してから縮小する。しかし、排気ポートを流れる排気が気筒別集合部及び気筒間集合部を順に通過する際、それら集合部毎に排気ポートの断面積が拡大したり縮小したりすると、それに合わせて排気の流速も速くなったり遅くなったりして変動する。このように排気の流速が変動して何度も速くなったり遅くなったりする場合、排気経路全体に対する排気の流速の遅くなる区間の割合が増えるため、排気の流速を速めることによる排気の温度低下を効果的に行うことが困難になる。
本発明の目的は、排気ポートを流れる排気の流速を速めることによる同排気の温度低下を効果的に行うことができる多気筒内燃機関のシリンダヘッドを提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する多気筒内燃機関のシリンダヘッドは、一列に配置された複数の気筒における各気筒に対応する複数の排気ポートがその下流側の集合部で互いに集合するとともに、前記複数の気筒のうち少なくとも二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が前記同集合部で集合するように構成される。この場合、排気ポートの断面積は、同排気ポートの下流に向かう際、上記集合部で一度拡大してから縮小するのみとなる。その結果、排気ポートを流れる排気における、同排気ポートの断面積の拡大・縮小による流速の変化が一度だけで済み、その流速の変動が少なくて済む。このため、排気ポートを流れる排気の流速が速くなったり遅くなったりして何度も変動することに起因して排気経路全体に対する排気の流速の遅くなる区間の割合が増えることが抑制され、それによって排気の流速が速くなりにくくなることを回避できる。従って、上述したように排気ポートを流れる排気の流速が速くなりにくくなる分だけ排気の温度低下を効果的に行うことができなくなることを抑制でき、その排気の温度低下を効果的に行うことができる。
なお、上記多気筒内燃機関は、例えば一列に配置された四つの気筒を有する内燃機関、すなわち直列四気筒の内燃機関である。この場合、上記四つの気筒が並ぶ方向における中央の二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が上記集合部で集合する構造とすることが考えられる。
また、上記四つの気筒が並ぶ方向における中央の二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が集合する上記集合部を第１の集合部とする。更に、上記四つの気筒が並ぶ方向における両端の二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が、それらの下流であって前記第１の集合部に対し各気筒の軸線方向にずれて位置する第２の集合部で集合する構造とすることが考えられる。この場合、上記中央の二つの気筒の燃焼室から上記第１の集合部までの距離が、上記両端の二つの気筒の燃焼室から上記第２の集合部までの距離よりも短くされる。
多気筒内燃機関のシリンダヘットにおける排気ポートの構造を概略的に示す平面図。 同排気ポートの構造を概略的に示す正面図。 同排気ポートの構造の比較例を概略的に示す平面図。 排気ポートにおける燃焼室からの距離に応じた同排気ポートの断面積の変化を示すグラフ。
以下、多気筒内燃機関のシリンダヘッドの一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、多気筒内燃機関、詳しくは直列四気筒の内燃機関におけるシリンダヘッド１の排気ポート周りを概略的に示している。このシリンダヘッド１では、一列に配置された四つの気筒＃１〜＃４にそれぞれ複数（この例では一つの気筒につき二つ）の排気ポート３ａ，３ｂが設けられている。それら排気ポート３ａ，３ｂはそれぞれ、対応する気筒の燃焼室２に接続されている。
シリンダヘッド１においては、第１気筒＃１の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが排気の流れ方向の下流で集合して集合排気ポート４を形成するとともに、第４気筒＃４の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが排気の流れ方向の下流で集合して集合排気ポート５を形成している。更に、第１気筒＃１における集合排気ポート４と第４気筒＃４における集合排気ポート５とは更に下流（位置Ｐ２）で集合している。なお、位置Ｐ２は、第１〜第４気筒＃１〜＃４の並ぶ方向における気筒＃１〜＃４の中央、すなわち第２気筒＃２と第３気筒＃３との間に対応する部分に設定されている。
一方、シリンダヘッド１では、第２気筒＃２の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが下流（位置Ｐ１）で集合するとともに、第３気筒＃３の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが下流（位置Ｐ１）で集合している。従って、気筒＃２，＃３における排気ポート同士、すなわち第２気筒＃２における排気ポート３ａ，３ｂと第３気筒＃３の排気ポート３ａ，３ｂとも上記位置Ｐ１で集合している。なお、位置Ｐ１は、第１〜第４気筒＃１〜＃４の並ぶ方向においての気筒＃１〜＃４の中央、すなわち第２気筒＃２と第３気筒＃３との間に対応する部分に設定されている。
図２に示すように、上記位置Ｐ１は上記位置Ｐ２に対し上方にずれている。ちなみに、図２の上下方向は、第１〜第４気筒＃１〜＃４の軸線方向（図示しないピストンの移動方向）となる。そして、第２及び第３気筒＃２，＃３の排気ポート３ａ，３ｂにおける位置Ｐ１に対応する部分は、第１〜第４気筒＃１〜＃４のうちそれらの並ぶ方向における中央の二つの気筒＃２，＃３に設けられた排気ポート３ａ，３ｂ同士が集合する集合部（以下、第１の集合部という）となる。また、第１及び第４気筒＃１，＃４の集合排気ポート４，５における位置Ｐ２に対応する部分は、第１〜第４気筒＃１〜＃４のうちそれらの並ぶ方向における両端の気筒＃１，＃４に設けられた集合排気ポート４，５同士が集合する集合部（以下、第２の集合部という）となる。
なお、この第２の集合部は、上記第１の集合部に対し、第１〜第４気筒＃１〜＃４の軸線方向にずれて位置する。また、上記第２及び第３気筒＃２，＃３の各燃焼室２から上記第１の集合部までの距離は、上記第１及び第４気筒＃１，＃４の各燃焼室２から上記第２の集合部までの距離よりも短くなる。言い換えれば、上記第２及び第３気筒＃２，＃３に設けられた各排気ポート３ａ，３ｂにおける燃焼室２から上記第１の集合部までの長さは、上記第１及び第４気筒＃１，＃４に設けられた各排気ポート３ａ，３ｂ（集合排気ポート４，５を含む）における燃焼室２から上記第２の集合部までの長さよりも短くなる。
次に、多気筒内燃機関のシリンダヘッド１の作用について説明する。
図３に示すように、仮に、第２気筒＃２の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが集合する部分（以下、気筒別集合部という）、及び、第３気筒＃３の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが集合する部分（気筒別集合部）が、図１の第１の集合部に相当する部分（以下、気筒間集合部という）よりも上流にあるとする。すなわち、気筒間集合部の位置を位置ＰＢ（図１の位置Ｐ１に相当）とすると、各気筒＃２，＃３の気筒別集合部の位置が上記位置ＰＢよりも上流の位置となる。なお、図３においては、第２気筒＃２の気筒別集合部の位置を位置ＰＡとしている。こうした図３に示す排気ポートの構造を採用した場合、気筒＃２，＃３毎の排気ポート３ａ，３ｂの断面積（排気ポート３ａの断面積と排気ポート３ｂの断面積との合計値）が、上述した気筒別集合部と気筒間集合部とでそれぞれ拡大することは避けられない。
図４は、第２気筒＃２の燃焼室２からの距離の変化に応じた第２気筒＃２における排気ポート３ａ，３ｂの断面積（両者の断面積の合計値）の変化を示している。同図において、破線は図３の排気ポートの構造を採用した場合の上記断面積の変化を示し、実線は本実施形態の排気ポートの構造（図１）を採用した場合の上記断面積の変化を示している。また、図中の距離ＸＡは第２気筒＃２の燃焼室２から位置ＰＡ（気筒別集合部）までの距離を表しており、距離ＸＢは第２気筒＃２の燃焼室２から位置ＰＢ（気筒間集合部）もしくは位置Ｐ１（第１の集合部）までの距離を表している。
同図の破線から分かるように、図３の排気ポートの構造を採用した場合、第２気筒＃２における排気ポート３ａ，３ｂの断面積（合計値）は、距離ＸＡの位置で拡大した後に一旦縮小し、更に距離ＸＢの位置でもう一度拡大してから縮小する。この排気ポート３ａ，３ｂの断面積が拡大したり縮小したりすると、そこを流れる排気の流速も速くなったり遅くなったりして変動する。このように排気の流速が変動して何度も速くなったり遅くなったりする場合、排気経路全体に対する排気の流速の遅くなる区間の割合増えるため、その排気の流速を速めることによる同排気の温度低下を効果的に行うことが困難になる。
こうした問題に対処するため、本実施形態のシリンダヘッド１では、図１に示すように、第２気筒＃２の排気ポート３ａ，３ｂ及び第３気筒＃３の排気ポート３ａ，３ｂ同士が位置Ｐ１で集合している。この場合、気筒＃２，＃３毎の排気ポート３ａ，３ｂの断面積（合計値）は、同排気ポート３ａ，３ｂの下流に向かう際、上記位置Ｐ１で一度拡大してから縮小するのみとなる。このため、図４に実線で示すように、第２気筒＃２における排気ポート３ａ，３ｂの断面積（合計値）は、距離ＸＡの位置では拡大せずに距離ＸＢの位置で一度拡大した後に縮小する。
このように、図１の排気ポートの構造では、第２及び第３気筒＃２，＃３の排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気における、同排気ポート３ａ，３ｂの断面積の拡大・縮小による流速の変化が一度だけで済み、その流速の変動が少なくて済む。このため、上記排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気の流速が速くなったり遅くなったりして何度も変動することに起因して排気経路全体に対する排気の流速の遅くなる区間の割合が増えることが抑制され、それによって排気の流速が速くなりにくくなることを回避できる。従って、図３の排気ポートの構造を採用した場合に生じる問題、すなわち排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気の流速が速くなりにくくなる分だけ排気の温度低下を効果的に行うことができなくなる、といったことを抑制できる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）シリンダヘッド１における第２気筒＃２の排気ポート３ａ，３ｂ及び第３気筒＃３の排気ポート３ａ，３ｂ同士が位置Ｐ１で集合している。このため、気筒＃２，＃３の排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気における、同排気ポート３ａ，３ｂの断面積の拡大・縮小による流速の変化が一度だけで済み、その流速の変動が少なくて済む。このため、上記排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気の流速が速くなったり遅くなったりして何度も変動することに起因して排気経路全体に対する排気の流速の遅くなる区間の割合増えることが抑制され、それによって排気の流速が速くなりにくくなることを回避できる。従って、排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気の流速が速くなりにくくなる分だけ排気の温度低下を効果的に行うことができなくなることを抑制でき、その排気の温度低下を効果的に行うことができる。
（２）図３の排気ポートの構造を採用した場合でも、気筒＃２，＃３の排気ポート３ａ，３ｂの断面積を全体的に小さくすれば、上記排気ポート３ａ，３ｂを流れる排気の流速を速めて同排気の温度低下を促進することができるようにはなる。ただし、上述したように排気ポート３ａ，３ｂの断面積を小さくすることにより、同排気ポート３ａ，３ｂでの圧損が増えて多気筒内燃機関（燃焼室２）の掃気が悪化することは避けられず、それに伴って多気筒内燃機関の性能が低下するという問題が生じる。しかし、図１の排気ポートの構造を採用すれば、こうした多気筒内燃機関における性能低下という問題が発生することはない。
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・第２及び第３気筒＃２，＃３に設けられた排気ポート３ａ，３ｂ同士が集合する位置Ｐ１と第１及び第４気筒＃１，＃４に設けられた集合排気ポート４，５同士が集合する位置Ｐ２との位置関係を逆にしてもよい。
・第１気筒＃１の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが下流側の位置Ｐ２で集合するとともに、第４気筒＃４の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとが上記位置Ｐ２で集合するようにしてもよい。この場合、第１気筒＃１における排気ポート３ａと排気ポート３ｂとの集合部分と、第４気筒＃４の排気ポート３ａと排気ポート３ｂとの集合部分とが一致した状態となる。
・第１〜第４気筒＃１〜＃４の排気ポート３ａ，３ｂ全てが同一の位置にて集合する構造であってもよい。すなわち、四つの気筒＃１〜＃４それぞれから二つずつ延びる合計八つの排気ポート３ａ，３ｂ全てが同一の位置にて集合する構造であってもよい。
・各気筒における排気ポートの数を三つ以上などに適宜変更してもよい。
・多気筒内燃機関は、直列型に限らず、バンク毎に各バンクの複数の気筒の排気ポートが集合するＶ型であってもよい。
・多気筒内燃機関の気筒数を適宜変更してもよい。
１…シリンダヘッド、２…燃焼室、３ａ…排気ポート、３ｂ…排気ポート、４…集合排気ポート、５…集合排気ポート。

Claims (1)

  1. 一列に配置された四つの気筒における各気筒に対し複数の排気ポートが設けられる多気筒内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
    前記四つの気筒が並ぶ方向における中央の二つの各気筒に対応する複数の排気ポートがその下流側の第１の集合部で互いに集合するとともに、前記四つの気筒が並ぶ方向における中央の二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が前記第１の集合部で集合しており、
    前記四つの気筒が並ぶ方向における両端の二つの気筒にそれぞれ対応する排気ポート同士が、それらの下流であって前記第１の集合部に対し各気筒の軸線方向にずれて位置する第２の集合部で集合しており、
    前記中央の二つの気筒の燃焼室から前記第１の集合部までの距離は、前記両端の二つの気筒の燃焼室から前記第２の集合部までの距離よりも短い
    多気筒内燃機関のシリンダヘッド。
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