JP6930220B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関のシリンダヘッドに関する。

燃焼室から延びる排気ポートをシリンダヘッド内で集合させた多気筒エンジンのシリンダヘッド構造が知られている（特許文献１参照）。このシリンダヘッド構造は、燃焼室から延びる一対の排気ポートを、気筒軸と直交する平面上で１つの排気ポートに集合させた後、全ての気筒に連通する排気ポートを集合部に集合させている。

特開２００１−１１５８９３号公報

このような内燃機関のシリンダヘッド構造にあっては、燃焼室に連通する一対の分岐ポートを平面的に並べて１つの排気ポートに集合させ、各気筒に対応する排気ポートを平面的に並べて集合部に集合させている。このため、燃焼室から最下流の集合部に至る排気ポートの断面の変化が大きくなり、断面の変化に伴って排気ポートを流れる排気ガスの通気抵抗が大きくなる。

さらに、気筒軸方向から排気ポートを見た場合に、気筒毎に設けられた排気ポートの幅が、排気ポートの高さと比べて大きくなるため、集合部の上流側で隣接する排気ポートを集合する排気ポート集合部（以下、集合ポートという）の幅が大きくなる。

これにより、各気筒の排気ポートから集合ポートに流れる排気ガスが早期に合流して各気筒の排気ガスが干渉し易くなり、通気抵抗がより一層大きくなって排気ガスを円滑に排出することができないおそれがある。

上記問題を解決するには、シリンダヘッドの側面に開口する排気ポートの出口である集合部を気筒の配列方向と直交する方向において離れた位置に配置して各排気ポートの集合位置を下流側に移動させることが必要となる。これにより、シリンダヘッドが大型化し、かつ、重量が増大してしまう。

本発明は、上記のような事情に着目してなされたものであり、シリンダヘッドの小型軽量化を図りながら、シリンダヘッドの内部に形成される排気通路の通気抵抗を低減することができる内燃機関のシリンダヘッドを提供することを目的とするものである。

本発明は、一列に並んで配列された複数の気筒を有する内燃機関のシリンダブロックの上部に設けられ、前記複数の気筒から排気ガスを排出する排気通路が形成されたシリンダヘッドであって、前記排気通路が、前記気筒毎に連通される第１の排気通路および第２の排気通路と、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路の下流側に設けられ、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とをそれぞれの前記気筒毎に集合させる第１の集合通路と、前記第１の集合通路の下流側に設けられ、前記第１の集合通路を集合させる第２の集合通路と、前記第２の集合通路に連なり、排気ガスを前記シリンダヘッドから外部に排出する排気ガス出口とを含んで構成されており、前記第１の排気通路および前記第２の排気通路は、それぞれの排気通路の断面が２つの円形断面から前記気筒の軸線方向に長い１つの縦長断面となるように、前記第１の集合通路の上流部において前記気筒の軸線方向に重なり、前記気筒の軸線方向から見た場合に、前記第１の集合通路の横幅が、前記第１の排気通路の下流部の横幅または前記第２の排気通路の下流部の横幅と同一に形成され、前記第１の集合通路の上流部から前記第２の集合通路に連通する前記第１の集合通路の下流部に到る区間が前記気筒の軸線方向に長い縦長断面に形成されていることを特徴とする。

このように上記の本発明によれば、シリンダヘッドの小型軽量化を図りながら、シリンダヘッドの内部に形成される排気通路の通気抵抗を低減することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの左側面図である。 図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの内部に形成された排気通路と、シリンダの内部に形成された気筒およびピストンとを示すシリンダヘッドの破断図である。 図３は、図２のIII−III方向矢視断面図である。 図４は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの排気通路の斜視図である。 図５は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの第２の集合通路とその周辺の拡大断面図である。 図６は、図５のＶI−ＶI方向矢視断面図である。 図７は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの第１の気筒用の排気通路の平面図である。 図８は、図７のＶIII−ＶIII方向矢視断面図である。 図９は、図７のIＸ−IＸ方向矢視断面図である。 図１０は、図７のＸ−Ｘ方向矢視断面図である。 図１１は、図７のＸI−ＸI方向矢視断面図である。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドは、一列に並んで配列された複数の気筒を有する内燃機関のシリンダブロックの上部に設けられ、複数の気筒から排気ガスを排出する排気通路が形成されたシリンダヘッドであって、排気通路が、気筒毎に連通される第１の排気通路および第２の排気通路と、第１の排気通路と第２の排気通路の下流側に設けられ、第１の排気通路と第２の排気通路とをそれぞれの気筒毎に集合させる第１の集合通路と、第１の集合通路の下流側に設けられ、第１の集合通路を集合させる第２の集合通路と、第２の集合通路に連なり、排気ガスをシリンダベッドから外部に排出する排気ガス出口とを含んで構成されており、第１の排気通路および第２の排気通路は、それぞれの排気通路の断面が２つの円形断面から１つの縦長断面となるように、第１の集合通路の上流部において気筒の軸線方向に重なっており、第２の集合通路に連通する第１の集合通路の下流部は、縦長断面に形成されている。
これにより、シリンダヘッドの小型軽量化を図りながら、シリンダヘッドの内部に形成される排気通路の通気抵抗を低減することができる。

以下、本発明の実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドについて、図面を用いて説明する。
図１から図１１は、本発明の一実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドを示す図である。図１から図１１において、上下前後左右方向は、エンジンの気筒列に沿う方向で後述する第１の気筒側を前、第３の気筒側を後とした場合に、エンジンの気筒列と直交する幅方向が左右方向、エンジンの高さ方向が上下方向である。

まず、構成を説明する。
図１において、エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に設けられたシリンダヘッド３とを備えている。

図２において、シリンダブロック２には複数の第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃが設けられており、第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃは、一列に並んで配列されている。本実施例のエンジン１は、３気筒エンジンである。

本実施例の第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃは、本発明の気筒を構成する。本実施例のエンジン１の気筒数は、３気筒に限定されるものではない。

第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃにはそれぞれピストン４が収納されており、ピストン４は、第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃに対して上下方向に往復運動する。

ピストン４は、図示しないコネクティングロッドを介して図示しないクランク軸に連結されており、ピストン４の往復運動は、コネクティングロッドを介してクランク軸の回転運動に変換される。ピストン４の頂部、第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃのそれぞれの内壁およびシリンダヘッド３の底部の間には燃焼室５が形成されている。

図３において、シリンダヘッド３には複数の吸気通路６が形成されている。吸気通路６は、第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の２Ｃ毎に一対ずつ設けられた吸気ポート７を有し、一対の吸気ポート７は、それぞれ第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃに連通している。

吸気通路６は、図示しない吸気マニホールドを介して図示しない吸気管の吸気通路に連通している。吸気管は、吸気マニホールドに吸入通気を導入し、吸気マニホールドに導入された吸入空気は、吸気ポート７を通して各気筒２Ａから２Ｃに導入される。各気筒２Ａから２Ｃには吸入空気と共に燃料が導入され、吸入空気と燃料とが混合された混合気は、燃焼室５で燃焼される。

シリンダヘッド３には排気通路８が形成されている。図３、図４において、排気通路８は、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂを備えている。それぞれ一対の第１の排気通路９Ａおよび第２の排気通路９Ｂと、第１の排気通路１０Ａおよび第２の排気通路１０Ｂと、第１の排気通路１１Ａおよび第２の排気通路１１Ｂとは、第１の気筒２Ａ、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃにそれぞれ連通されている。

排気通路８は、第１の集合通路１２、１３、１４および第２の集合通路１５を有する。第１の集合通路１２は、第１の排気通路９Ａと第２の排気通路９Ｂとの下流側に設けられており、第１の排気通路９Ａと第２の排気通路９Ｂとを集合させている。なお、上流、下流とは、排気ガスの流れる方向に対して上流、下流を表わす。

第１の集合通路１３は、第１の排気通路１０Ａと第２の排気通路１０Ｂとの下流側に設けられており、第１の排気通路１０Ａと第２の排気通路１０Ｂとを集合させている。第１の集合通路１４は、第１の排気通路１１Ａと第２の排気通路１１Ｂとの下流側に設けられており、第１の排気通路１１Ａと第２の排気通路１１Ｂとを集合させている。

このように第１の集合通路１２から１４は、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａと第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｃとを第１の気筒２Ａから第３の気筒２Ｃ毎に集合させている。

図３において、第１の集合通路１２から１４は、それぞれ隔壁１６、１７を介して隣接しており、隔壁１６、１７は、各気筒２Ａ、２Ｂ、２Ｃ側から第２の集合通路１５の近くまで延びている。

図５において、第２の集合通路１５は、第１の集合通路１２から１４の下流側に設けられており、全ての気筒２Ａから２Ｃに対応する第１の集合通路１２から１４を集合させている。第２の集合通路１５の下流には排気ガス出口１５Ａが設けられており、排気ガス出口１５Ａは、シリンダヘッド３の左側面に開口している。

図１において、シリンダヘッド３の左側面には排気ガス出口１５Ａの外周を囲むフランジ部３Ｆが形成されており、フランジ部３Ｆには複数のねじ孔３ｆが形成されている。フランジ部３Ｆには図示しない排気管のフランジ部が接合されており、排気管のフランジ部とフランジ部３Ｆが接合された状態において、ねじ孔３ｆに図示しないねじが装着されることで、排気管がシリンダヘッド３に連結される。

排気ガス出口１５Ａは、排気管の排気通路に連通しており、燃焼室５で燃焼された排気ガスは、第１の気筒２Ａから第１の排気通路９Ａおよび第２の排気通路９Ｂを通して第１の集合通路１２に集合される。

燃焼室５で燃焼された排気ガスは、第２の気筒２Ｂから第１の排気通路１０Ａおよび第２の排気通路１０Ｂを通して第１の集合通路１３に集合される。燃焼室５で燃焼された排気ガスは、第３の気筒２Ｃから第１の排気通路１１Ａおよび第２の排気通路１１Ｂを通して第１の集合通路１４に集合される。

第１の集合通路１２から１４に集合された排気ガスは、第１の集合通路１２から１４から第２の集合通路１５に集合された後、排気ガス出口１５Ａから排気管に排出されることで、シリンダヘッド３から排出される。

第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂは、それぞれの排気通路の断面が２つの円形断面から１つの長円の縦長断面となるように、第１の集合通路１２、１３、１４の上流部において気筒の軸線方向Ｏに重ねられている。気筒の軸線方向Ｏは、各気筒２Ａから２Ｃの軸線方向Ｏである。

図６において、第１の集合通路１４の上流部において第１の排気通路１１Ａと第２の排気通路１１Ｂとが第３の気筒２Ｃの軸線方向に重ねられている状態を示す。本実施例のシリンダヘッド３において、気筒の軸線方向Ｏ（図２参照）は、エンジン１の上下方向（鉛直方向）と同方向である。

図７から図１０において、第１の排気通路９Ａと第２の排気通路９Ｂの上流側から第１の集合通路１２までの断面を示す。図８に示すように、第１の排気通路９Ａと第２の排気通路９Ｂとは、その上流側において２つの円形断面に形成されており、上流から下流に向かうに従って、図９に示すように、２つの円形断面が徐々に重なる。

第１の排気通路９Ａと第２の排気通路９Ｂとは、さらに下流に向かうと、図１０に示すように、第１の集合通路１２の上流部において１つの縦長断面となるように第１の気筒２Ａの軸線方向Ｏに重なる。

第２の集合通路１５に連通する第１の集合通路１２から１４の下流部は、縦長断面に形成されている。例えば、図１１に示すように、第２の集合通路１５に連通する第１の集合通路１２の下流側は上下方向に長円の縦長断面に形成されている。図示は、省略するが、第２の集合通路１５に連通する第１の集合通路１３、１４の下流側も同様に縦長断面に形成されている。なお、長円は、上下方向に長い長円である。

図１０、図１１において、第１の気筒２Ａの軸線方向Ｏから見た場合に、第１の集合通路１２の横幅Ｗ１は、第２の排気通路９Ｂの下流部の横幅Ｗ２と同一の幅に形成されている。
図示は、省略するが、第２の気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃの軸線方向Ｏから見た場合に、第１の集合通路１３、１４の横幅Ｗ１も、第２の排気通路１０Ｂ、１１Ｂの下流部の横幅Ｗ２と同一の幅に形成されている。

気筒の軸線方向Ｏから見た場合に、第１の集合通路１２の横幅Ｗ１を、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａの横幅Ｗ２と同一の幅に形成してもよい。さらに、第１の集合通路１２の横幅Ｗ１を、第１の排気通路９Ａおよび第２の排気通路９Ｂと共通の横幅Ｗ２、第１の排気通路１０Ａおよび第２の排気通路１０Ｂと共通の横幅Ｗ２、第１の排気通路１１Ａおよび第２の排気通路１１Ｂと共通の横幅Ｗ２と同一に形成してもよい。

図３において、気筒の配列方向Ｌにおいてシリンダヘッド３の中央部に設けられた第２の気筒２Ｂ（以下、この気筒を中央気筒２Ｂという）に連通される第２の排気通路１０Ｂは、中央気筒２Ｂから気筒の配列方向Ｌと直交する方向に延びている。気筒の配列方向Ｌは、気筒２Ａから２Ｃが並んだ方向であり、エンジン１の前後方向と同方向である。

第１の排気通路１０Ａは、中央気筒２Ｂから第２の排気通路１０Ｂ側に湾曲されて第２の排気通路１０Ｂに集合されており、排気ガス出口１５Ａは、中央気筒２Ｂの中心軸（中央気筒２Ｂの軸線方向Ｏと同一の軸）に対して第２の排気通路１０Ｂ側に偏った位置に設けられている。

なお、第１の排気通路１０Ａと排気通路１０Ｂの配列を逆にしてもよい。すなわち、第１の排気通路１０Ａを気筒の配列方向Ｌと直交する方向に延ばし、第２の排気通路１０Ｂを、中央気筒２Ｂから第１の排気通路１０Ａ側に湾曲させて第１の排気通路１０Ａに集合させてもよい。

このように本実施例のシリンダヘッド３によれば、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂが、それぞれの排気通路の断面が２つの円形断面から１つの縦長断面となるように、第１の集合通路１２、１３、１４の上流部において気筒の軸線方向Ｏに重なっている。

これにより、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂが第１の集合通路１２、１３、１４によって集合される前と集合された後において排気通路８の断面積が大幅に変化することを防止できる。このため、排気通路８の通気抵抗を低減できる。

また、第２の集合通路１５に連通する第１の集合通路１２、１３、１４の下流部が、縦長断面に形成されているので、第１の集合通路１２、１３、１４の下流部を縦長断面で第２の集合通路１５に連通させることができる。

これにより、互いに隣接する第１の集合通路１２、１３、１４の間に形成される隔壁１６、１７を第２の集合通路１５の近くまで延ばすことができる。このため、第１の気筒２Ａ、中央気筒２Ｂおよび第３の気筒２Ｃから第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂに排出される排気ガスを干渉させずに第２の集合通路１５に導くことができる。このため、排気通路８の通気抵抗をより効果的に低減できる。

さらに、第１の集合通路１２、１３、１４を縦長断面に形成することにより、気筒の軸線方向Ｏと水平に交差する方向に第１の集合通路１２、１３、１４を自由に曲げることができる。

これにより、第１の集合通路１２、１３、１４を、気筒の軸線方向Ｏと水平に交差する方向に曲げて第２の集合通路１５に連通させ、夫々の下流端を気筒の軸線方向Ｏと水平に交差する方向において気筒２Ａ、２Ｂ、２Ｃ側に近づけることができ、排気ガス出口１５Ａを気筒２Ａ、２Ｂ、２Ｃ側に近づけることができる。この結果、シリンダヘッド３の車幅方向（車両の左右方向）の寸法を短くでき、シリンダヘッド３の小型軽量化を図ることができる。

また、本実施例のシリンダヘッド３によれば、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂの下流部が気筒の軸線方向に重なった１つの縦長断面と、第１の集合通路１２、１３、１４の縦長断面とが、上下方向に長い長円に形成されている。

これにより、第１の集合通路１２、１３、１４の断面を円形とする場合に比べて、第１の集合通路１２、１３、１４を第２の集合通路１５に集合させるときに、第１の集合通路１２、１３、１４の横方向（配列方向）の間隔をさらに短くでき、シリンダヘッド３の小型軽量化をより効果的に図ることができる。

また、本実施例のシリンダヘッド３によれば、気筒の軸線方向Ｏから見た場合に、第１の集合通路１２、１３、１４の横幅Ｗ１が、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａの下流部の横幅または第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂの下流部の横幅Ｗ２と同一の幅に形成されている。

これにより、第１の排気通路９Ａ、１０Ａ、１１Ａおよび第２の排気通路９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂが第１の集合通路１２、１３、１４によって集合される前と集合された後において断面積が大幅に変化することをより効果的に防止でき、排気通路８の通気抵抗をより効果的に低減できる。

また、本実施例のシリンダヘッド３によれば、気筒の配列方向Ｌにおいてシリンダヘッド３の中央部に設けられた中央気筒２Ｂに連通される第２の排気通路９Ｂが、中央気筒２Ｂから気筒の配列方向Ｌと直交する方向に延びている。

これに加えて、第１の排気通路９Ａが、中央気筒２Ｂから第２の排気通路９Ｂ側に湾曲されて第２の排気通路９Ｂに集合されており、排気ガス出口１５Ａが、中央気筒２Ｂの中心軸Ｏ（軸線方向Ｏと同一）に対して第２の排気通路９Ｂ側に偏った位置に設けられている。

これにより、第１の排気通路１０Ａと第２の排気通路１０Ｂとを中央気筒２Ｂの近くで集合させることができ、その分だけ排気ガス出口１５Ａを中央気筒２Ｂ側に近づけることができる。この結果、シリンダヘッド３の小型軽量化をより効果的に図ることができる。

本発明の本実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...エンジン、２Ａ...第１の気筒（気筒）、２Ｂ...第２の気筒（気筒、中央気筒）、２Ｃ...第３の気筒、３...シリンダヘッド、８...排気通路、９Ａ，１０Ａ，１１Ａ...第１の排気通路、９Ｂ，１０Ｂ，１１Ｂ...第２の排気通路、１２，１３，１４...第１の集合通路、１５...第２の集合通路、１５Ａ...排気ガス出口

Claims (3)

1. 一列に並んで配列された複数の気筒を有する内燃機関のシリンダブロックの上部に設けられ、前記複数の気筒から排気ガスを排出する排気通路が形成されたシリンダヘッドであって、
   前記排気通路が、
   前記気筒毎に連通される第１の排気通路および第２の排気通路と、
   前記第１の排気通路と前記第２の排気通路の下流側に設けられ、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とをそれぞれの前記気筒毎に集合させる第１の集合通路と、
   前記第１の集合通路の下流側に設けられ、前記第１の集合通路を集合させる第２の集合通路と、前記第２の集合通路に連なり、排気ガスを前記シリンダヘッドから外部に排出する排気ガス出口とを含んで構成されており、
   前記第１の排気通路および前記第２の排気通路は、それぞれの排気通路の断面が２つの円形断面から前記気筒の軸線方向に長い１つの縦長断面となるように、前記第１の集合通路の上流部において前記気筒の軸線方向に重なり、
   前記気筒の軸線方向から見た場合に、前記第１の集合通路の横幅が、前記第１の排気通路の下流部の横幅または前記第２の排気通路の下流部の横幅と同一に形成され、
   前記第１の集合通路の上流部から前記第２の集合通路に連通する前記第１の集合通路の下流部に到る区間が前記気筒の軸線方向に長い縦長断面に形成されていることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 前記第１の排気通路および前記第２の排気通路の下流部が前記気筒の軸線方向に重なった１つの縦長断面と、前記第１の集合通路の縦長断面とは、上下方向に長い長円であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記気筒の配列方向において前記シリンダヘッドの中央部に設けられた気筒を中央気筒とした場合に、前記中央気筒に連通される前記第１の排気通路および前記第２の排気通路のうちの一方の排気通路は、前記中央気筒から前記気筒の配列方向と直交する方向に延び、他方の排気通路は、前記中央気筒から前記一方の排気通路側に湾曲されて前記一方の排気通路に集合されており、
   前記排気ガス出口は、前記中央気筒の中心軸に対して前記一方の排気通路側に偏った位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダヘッド。

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