JP6501687B2 - エンジンの排気接合部構造 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンにおけるシリンダヘッドの排気側と排気マニホルドとの接続部の構造など、エンジンの排気接合部構造に関するものである。

この種のエンジンの排気接合部構造、即ち、シリンダヘッドに設けられた排気ポートと、シリンダヘッドに取付けられている排気通路とを備え、排気通路と排気ポートとで排気経路が形成されているエンジンの排気接合部構造としては、特許文献１や特許文献２において開示されるものが知られている。この場合、特許文献２（図１，３参照）に記載されるように、シリンダヘッドと排気マニホルドとの間には、通常、ガスケットが介装されている。

ところで、ディーゼルエンジンにおいては、無負荷（又は軽負荷）運転を行うと、（１）燃焼温度が低い、（２）燃料の噴射率が低く噴霧が粗くなる、（３）ピストンとシリンダとのクリアランスが大きいことから、シリンダ内に未燃焼燃料、エンジンオイルが発生し、排気と一緒にシリンダ外に排出される、といった慢性的な問題がある。

エンジンが普通に運転され続けることによる温度上昇に伴い、燃焼温度や燃料噴射率は高くなり、また、未燃焼燃料やエンジンオイルは燃焼されて燃焼ガスとなることから、通常、前述した（１）〜（３）の問題は、一般的な運転状態においては解消されている。

しかしながら、長時間アイドリング状態が続くとか、冬季に軽負荷運転が続くなど、長時間に亘って無負荷（又は軽負荷）運転が行われると、未燃焼ガスなどが、マフラーや排気マニホルドといった排気系内に滞留してしまうことがある。

この場合、シリンダヘッドの排気ポートや排気マニホルドに滞留している未燃焼燃料やエンジンオイルなどによる液状未燃焼物が、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部（接続部）から漏れ出すことがあった。この排気接合部にはガスケットが設けられていることも多いが、この場合では経時によりガスケットがへたるので、前記漏れは起こりうるものであった。

特開２０１５−１６１２２５号公報 特開２００４−１５６５４７号公報

本発明の目的は、主に排気系のさらなる構造見直しにより、無負荷（又は軽負荷）運転が長時間行われても、シリンダヘッドと排気マニホルドとの接合部から、液状未燃焼物が漏れ出すことが回避又は軽減されるように、改善されたエンジンの排気接合部構造を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、シリンダヘッド２に設けられている排気ポート１３と、前記シリンダヘッド２に取付けられている排気通路９とを備え、前記排気通路９と前記排気ポート１３とで排気経路Ｈが形成されているエンジンの排気接合部構造において、
前記シリンダヘッド２における前記排気ポート１３の出口壁１６と、前記排気通路９の入口壁１７とが、これら両者１６，１７の間に配置されるガスケット１８を挟んで連結されており、
前記排気ポート１３は、前記出口壁１６に開口するポート出口１３ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられているとともに、前記排気通路９は、前記入口壁１７に開口する通路入口９ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられ、
前記排気ポート１３における前記ポート出口１３ａから所定長さ燃焼室側へ寄った箇所の底部に、前記排気ポート１３の断面形状を円形状から上下に長い長円形に変化させることにより、出口壁側が低くなる段差１９が設けられていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のエンジンの排気接合部構造において、
前記排気ポート１３の傾斜角度α、及び前記排気通路９の傾斜角度βがそれぞれ２〜７度に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のエンジンの排気接合部構造において、
前記排気ポート１３における前記２〜７度の傾斜角度αの長さ範囲Ｌ１が前記ポート出口１３ａから３０〜７０ｍｍに、かつ、前記排気通路９における前記２〜７度の傾斜角度βの長さ範囲Ｌ２が前記通路入口９ａから３０〜７０ｍｍに、それぞれ設定されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、シリンダヘッドと排気通路との接合部が最も高さ位置が高くなる状態に、排気ポート及び排気通路に傾斜が付けられているので、未燃焼燃料やエンジンオイルなどによる液状未燃焼物が燃焼室から排出されても、重力により、排気ポートにおいては燃焼室側に移動し、排気通路では排気出口側に移動するから、接合部に滞留しないようになる。従って、接合部には液状未燃焼物が存在しない、又は存在しても僅かであるから、接合部から液状未燃焼物が漏れ出すことを軽減又は回避することが可能になる。
その結果、主に排気系のさらなる構造見直しにより、無負荷（又は軽負荷）運転が長時間行われても、排気マニホルドなど排気通路とシリンダヘッドとの接合部から、液状未燃焼物が漏れ出すことが回避又は軽減されるように、改善されたエンジンの排気接合部構造を提供することができる。

請求項１の発明によれば、排気ポートにおけるポート出口から所定長さ燃焼室側へ寄った箇所の底部に、排気ポートの断面形状を円形状から上下に長い長円形に変化させて出口壁側が低くなる段差が設けられているので、排気ポート内を燃焼室側に移動する液状未燃焼物は、その段差にて捕捉されるようになって、燃焼室側にダイレクトに戻ってしまう不都合を避けることができ、好都合である。

請求項２の発明のように、排気ポートの傾斜角度及び排気通路の傾斜角度を２〜７度に設定すれば、重力によって液状未燃焼物が接合部から遠ざかる方向に穏やかに移動できるようにしながら、７度を超えた急な傾斜角度により接合部において排気経路が急な角度で折れ曲がることもなく、好都合である。

請求項３の発明のように、排気ポート及び排気通路における傾斜角度が付いた部分の長さを、それぞれ接合部から３０〜７０ｍｍの長さに設定すれば、排気ポート及び排気通路を設計する際の制約条件（制限箇所）を極力短くして、設計の自由度をなるべく損なわないようにしながら、液状未燃焼物の接合部からの漏れ出し防止効果を発揮させることができる、という利点がある。

ディーゼルエンジンの右側面図 図１に示すディーゼルエンジンの平面図 排気系の接合部構造を示す要部の断面図 （ａ）は排気ポートの段差を示す正面図（図３の矢視Ｚ）、（ｂ）は排気ポートの別構造を示す要部の断面図

以下に、本発明によるエンジンの排気接合部構造の実施の形態を、立形直列３気筒ディーゼルエンジンの場合について、図面を参照しながら説明する。

このエンジンは、図１、図２に示されるように、シリンダブロック１の上部にシリンダヘッド２が組み付けられ、シリンダヘッド２の上部にヘッドカバー３が組み付けられ、シリンダブロック１の下部にオイルパン４が組み付けられ、シリンダブロック１の前部にギヤケース５が組み付けられている。シリンダブロック１の後部にはフライホイールハウジング６が組み付けられ、フライホイールハウジング６内には、クランク軸７に組み付けられたフライホイール(図示省略)が収容されている。

このエンジンは、図２に示すように、シリンダヘッド２の左側には吸気マニホルド８が組み付けられ、シリンダヘッド２の右側には、概略形状を仮想線にて示す排気マニホルド（排気通路の一例）９が組み付けられている。なお、図示は省略するが、排気マニホルド９の上部に過給機を設け、その過給機からパイプを介して吸気マニホルド８の吸気入口部に過給がなされる状態に構成しても良い。次に、排気経路の構造（エンジンの排気接合部構造）について説明する。

〔実施形態１〕
図３に示されるように、シリンダブロック１の上部であるシリンダ１Ａに収容されているピストン１０と、シリンダヘッド２との間に燃焼室１１が形成されている。燃焼室１１には、吸気バルブ（図示省略）が配置される吸気ポート（図示省略）と、排気バルブ１２が配置される排気ポート１３とが臨んでいる。排気ポート１３、及び前述の排気マニホルド９内の内部排路９Ａなどにより、エンジンの排気経路Ｈが構成されている。

シリンダヘッド２の排気ポート１３は、環状の金属材料でなるバルブシート１４よりなる排気入口１５を有している。この排気入口１５は、排気バルブ１２の下端に形成されている排気弁体１２Ａにより閉じられたり（図３の状態）、排気バルブ１２の下降移動によって開かれたりする。ピストン１０が上昇移動する排気工程においては、排気弁体１２Ａが図３に示される閉じ位置から少し下がり、排気入口１５が開いて排気ガスなどが排気ポート１３に流れて行く。

図３に示されるように、シリンダヘッド２における排気ポート１３の出口壁１６と、内部排路９Ａの始端となる排気マニホルド９の入口壁１７とが、これら両者１６，１７の間に配置されるガスケット１８を挟んだ状態で、ボルト（図示省略）などにより連結されている。ガスケット１８は、厚さの薄い円環状の一般的なものである。排気ポート１３は、出口壁１６に開口するポート出口１３ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられており、かつ、内部排路９Ａにも、入口壁１７に開口する通路入口９ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられている。

排気ポート１３の傾斜は、燃焼室１１側が低くなる（出口壁１６側が高くなる）状態に下がりとなるポート傾斜角度αとされており、ポート傾斜角度αは２〜７度の範囲で付けられ、好ましくは３度に設定されている。排気通路９の傾斜は、入口壁１７側が高くなる状態に下がりとなるエキマニ傾斜角度βとされており、エキマニ傾斜角度βは２〜７度の範囲で付けられ、好ましくは３度に設定されている。なお、図３において、Ａは水平線である。また、内部排路９Ａは、排気マニホルド９の途中で横方向に曲がって延びる構成とされている。

そして、排気ポート１３における３度（２〜７度）のポート傾斜角度αの長さ範囲Ｌ１は、ポート出口１３ａから燃焼室１１側へ３０〜７０ｍｍに、好ましくは５０ｍｍに設定されている。内部排路９Ａにおける３度（２〜７度）のエキマニ傾斜角度βの長さ範囲Ｌ２は、通路入口９ａから排気流れの下流側に向けて３０〜７０ｍｍに、好ましくは５０ｍｍに設定されている。加えて、シリンダヘッド２は、排気ポート１３におけるポート出口１３ａから所定長さ燃焼室１１側へ寄った箇所の底部に、出口壁１６側が低くなる段差（「窪み又は穴部或いは出口壁側が低くなる段差」の一例）１９が設けられている。

段差１９は、例えば、図３の矢視Ｚを表した図４（ａ）に示すように、排気ポート１３の断面形状として円形状の箇所から上下に長い長円形（角丸形状）に変化させることにより構成されている。段差１９の上下長さｄは排気ポート１３の径寸法や断面積にもよるが、３〜７ｍｍ、好ましくは５ｍｍに設定されている。なお、排気ポート１３の断面形状は、この段差１９の箇所から出口壁１６側に向かうに連れて、長円形から円形へと変化させても良い。図３に示される構造では、排気ポート１３におけるポート出口１３ａから燃焼室１１側へ５０ｍｍ寄った箇所に段差１９が構成されている。

このような排気経路Ｈを有するディーゼルエンジンにおいては、図３に示すように、長時間に亘って無負荷（又は軽負荷）運転が行われることに起因して、未燃焼燃料やエンジンオイルなどの液状未燃焼物ｒが燃焼室１１から排出されると、排気ポート１３内の液状未燃焼物ｒは、ポート傾斜角度αによる重力により燃焼室１１側に向けて移動し、段差１９の部位に溜る。そして、内部排路９Ａの液状未燃焼物ｒは、エキマニ傾斜角度βによる重力により排気出口（通路入口９ａと反対側であって、図示省略）方向（図３の紙面右方向）に移動して行く。
従って、液状未燃焼物ｒがガスケット１８のある接合部に溜まらないようになるので、接合部から液状未燃焼物ｒが漏れ出るおそれが解消又は大きく軽減されるようになる。

なお、排気経路Ｈに存在する液状未燃焼物ｒは、エンジンが定常運転されるなど、通常の運転状態になれば、燃焼ガスとなってマフラー外に出されるようになる。このように、エンジンが温度の高い通常運転になると、排気経路Ｈ外に排出されるので、排気ポート１３や内部排路９Ａなどの排気経路Ｈに滞留することは生じないようになる。

以上説明したように、本発明によるエンジンの排気接合部構造においては、シリンダヘッド２における排気ポート１３の出口壁１６と、排気通路９の入口壁１７とが、これら両者１６，１７の間に配置されるガスケット１８を挟んで連結されており、排気ポート１３は、出口壁１６に開口するポート出口１３ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられているとともに、排気通路９は、入口壁１７に開口する通路入口９ａが最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられている。
排気ポート１３の傾斜角度α、及び排気通路９の傾斜角度βがそれぞれ２〜７度に、好ましくは各々３度に設定されている。ポート傾斜角度αの長さ範囲Ｌ１は、ポート出口１３ａから３０〜７０ｍｍ、好ましくは５０ｍｍに、かつ、エキマニ傾斜角度βの長さ範囲Ｌ２は、通路入口９ａから３０〜７０ｍｍ、好ましくは５０ｍｍに、それぞれ設定されている。また、排気ポート１３におけるポート出口１３ａから所定長さ燃焼室１１側へ寄った箇所の底部に、排気ポート１３の断面形状を円形状から上下に長い長円形に変化させることにより、出口壁側が低くなる段差１９が設けられている。

前記構成により、次の１）〜３）に示す作用効果も得られる。
１）シリンダヘッド２内の液状未燃焼物ｒは、シリンダ１Ａ内に戻り易くなる。
２）排気ポート１３のポート出口１３ａ部の付近液状未燃焼物ｒが段差１９に滞留し、排気マニホルド９との接合部まで到達し難くなる。また、段差１９の壁面により、液状未燃焼物ｒが排気に晒され難くなり、接合部に押し出されることが生じ難くなる。
３）排気マニホルド９の通路入口９ａ付近の液状未燃焼物ｒが接合部に戻り難くなる。
上記作用効果１）〜３）により、液状未燃焼物ｒが接合部から漏れ出ることは生じないようになる。

〔別実施形態〕
例えば、図４（ｂ）に示されるように、角度が漸次変化する曲線状の経路を有する排気ポート１３であって、ポート傾斜角度αのうち最も小さい角度となるポート出口１３ａで２〜３度に設定される、という構成のシリンダヘッド２を有するエンジンの接合部構造でも良い。
また、参考実施形態としては、図４（ｂ）に示されるように、排気ポート１３の経路途中の底部において、周方向へ帯状に広がる穴部（「窪み又は穴部或いは出口壁側が低くなる段差」の一例）１９を設ける構成でも良い。

２ シリンダヘッド
９ 排気通路
９ａ 通路入口
１３ 排気ポート
１３ａ ポート出口
１６ 出口壁
１７ 入口壁
１８ ガスケット
１９ 段差
Ｈ 排気経路
Ｌ１ ポート傾斜角度の長さ範囲（傾斜角度αの長さ範囲）
Ｌ２ エキマニ傾斜角度の長さ範囲（度傾斜角度βの長さ範囲）
α ポート傾斜角度（排気ポートの傾斜角度）
β エキマニ傾斜角度（排気通路の傾斜角度）

Claims (3)

1. シリンダヘッドに設けられている排気ポートと、前記シリンダヘッドに取付けられている排気通路とを備え、前記排気通路と前記排気ポートとで排気経路が形成されているエンジンの排気接合部構造であって、
   前記シリンダヘッドにおける前記排気ポートの出口壁と、前記排気通路の入口壁とが、これら両者の間に配置されるガスケットを挟んで連結されており、
   前記排気ポートは、前記出口壁に開口するポート出口が最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられているとともに、前記排気通路は、前記入口壁に開口する通路入口が最も高さ位置が高くなる状態に傾斜が付けられ、
   前記排気ポートにおける前記ポート出口から所定長さ燃焼室側へ寄った箇所の底部に、前記排気ポートの断面形状を円形状から上下に長い長円形に変化させることにより、出口壁側が低くなる段差が設けられているエンジンの排気接合部構造。
2. 前記排気ポートの傾斜角度、及び前記排気通路の傾斜角度がそれぞれ２〜７度に設定されている請求項１に記載のエンジンの排気接合部構造。
3. 前記排気ポートにおける前記２〜７度の傾斜角度の長さ範囲が前記ポート出口から３０〜７０ｍｍに、かつ、前記排気通路における前記２〜７度の傾斜角度の長さ範囲が前記通路入口から３０〜７０ｍｍに、それぞれ設定されている請求項２に記載のエンジンの排気接合部構造。

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