JP7288303B2 - エンジンのシリンダヘッド構造 - Google Patents

Description

本発明は、各気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合させるエンジンのシリンダヘッド構造に関する。

自動車等の車両に搭載される多気筒エンジンにおいては、例えば、特許文献１（特開昭５２－０２２６２１号公報）に開示されているように、各気筒の燃焼室から延出される排気ポートをシリンダヘッド内で集合させるシリンダヘッド構造を採用するものが知られている。

特開昭５２－０２２６２１号公報

各気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合させる場合、排気順序が連続する気筒間では、排気順序が先の気筒の排気弁が閉じきらないうちに排気順序が後の気筒の排気弁が開き始める場合がある。このような場合、排気順序が後の気筒から先の気筒に排気ガスが逆流し、内部ＥＧＲ率が許容値を超えて燃焼が悪化する虞がある。

これに対して、特許文献１では、吸排気弁のバルブタイミングを調整することにより、排気ガスの逆流を防止するようにしている。しかしながら、排気ガスの逆流防止の観点から吸排気弁のバルブタイミングを調整することは、必ずしも運転状態に適合したタイミングとはならず、ドライバビリティの悪化を招く虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、各気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合させる際に、吸排気弁のバルブタイミングに影響されることなく、排気順序が連続する気筒間での排気ガスの逆流を防止することのできるエンジンのシリンダヘッド構造を提供することを目的としている。

本発明の一態様によるエンジンのシリンダヘッド構造は、互いに隣接して排気順序が連続する第１の気筒と第２の気筒とを備え、前記第１の気筒の排気ポートと、前記第１の気筒の後に排気する前記第２の気筒の排気ポートとをシリンダヘッド内で集合させることにより、前記第１の気筒と前記第２の気筒の前記シリンダヘッドからの排気出口となる吐出ポートを形成し、前記第１の気筒の排気弁が閉弁する前に前記第２の気筒の排気弁が開弁する運転領域を有するエンジンのシリンダヘッド構造であって、前記吐出ポートの中心位置を、前記第２の気筒に対向し、かつ、前記第２の気筒の気筒中心を通ってクランク軸と直交する軸線から前記第２の気筒の排気ポートの範囲内で離れた位置に設け、前記第１の気筒の排気ポートを前記クランク軸と直交する前記軸線に対して斜め方向に前記吐出ポートに向かって延出させると共に、前記第２の気筒の排気ポートを前記吐出ポートに向かって直線状に延出させて、前記第１の気筒の排気ポートと前記第２の気筒の排気ポートとを前記吐出ポートで集合させ、前記第２の気筒の排気ポートの通路面積を前記第１の気筒の排気ポートの通路面積より小さくし、かつ、前記第２の気筒の排気弁のカーテンエリア面積に対する前記第２の気筒の排気ポートの通路面積の比率を、前記第１の気筒の内部への排気ガスの流入を抑制して内部ＥＧＲへの影響を最小とする比率にするものである。

本発明によれば、各気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合させる際に、吸排気弁のバルブタイミングに影響されることなく、排気順序が連続する気筒間での排気ガスの逆流を防止することができる。

エンジンの概略図 燃焼室側から見たシリンダヘッドの吸排気通路を示す説明図 各気筒のバルブタイミングを示す説明図 排気ポートの面積比と内部ＥＧＲ率の変化を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において符号１はエンジンであり、本実施形態においては、水平対向型４気筒エンジンを示している。このエンジン１（水平対向型４気筒エンジン）は、シリンダブロック２の中央に配設されたクランク軸３を中心とする左右（ＬＨ，ＲＨ）のバンクを備えている。ＲＨバンクには＃１，＃３気筒が配設され、ＬＨバンクには＃２，＃４気筒が配設されている。

各バンクにはシリンダヘッド４が配設され、シリンダヘッド４のシリンダブロック２に対向する面には、クランク軸３の長手方向に沿って各気筒の燃焼室５が配設されている。また、シリンダヘッド４には、各気筒の燃焼室５に対応して、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と排気弁８によって開閉される排気ポート９が形成されている。

また、本実施の形態においては、各バンクのシリンダヘッド４の動弁系として、吸気カム軸２０のクランク軸３に対する回転位相（変位角）を連続的に変更する可変バルブタイミング機構３０in、排気カム軸２１のクランク軸３に対する回転位相を連続的に変更する可変バルブタイミング機構３０exが設けられている。可変バルブタイミング機構３０in,３０exは、周知の油圧式或いは電磁式の可変バルブタイミング機構（図示省略）であり、運転状態に応じて吸排気弁のバルブタイミングが最適に制御される。

両バンクに設けられているシリンダヘッド４は対称形状であるため、以下においては、シリンダヘッド４の構成をＲＨバンク側で代表して説明し、ＬＨバンク側の構成については、その説明を省略する。

図２に示すように、シリンダヘッド４のシリンダブロック２に対向する面には、クランク軸３の長手方向に沿って、＃１気筒の燃焼室５#1と＃３気筒の燃焼室５#3が配設されている。シリンダヘッド４には、＃１気筒の燃焼室５#1に対応して、吸気弁６#1ａ，６#1ｂによって開閉される吸気ポート７#1ａ，７#1ｂと、排気弁８#1ａ，８#1ｂによって開閉される排気ポート９#1ａ，９#1ｂが形成されると共に、＃３気筒の燃焼室５#3に対応して、吸気弁６#3ａ，６#3ｂによって開閉される吸気ポート７#3ａ，７#3ｂと、排気弁８#3ａ，８#3ｂによって開閉される排気ポート９#3ａ，９#3ｂが形成されている。

尚、＃１気筒の吸気弁６#1ａ，６#1ｂと＃３気筒の吸気弁６#3ａ，６#3ｂは、同一の形状で同一のシート径及びリフト量に設定されている。＃１気筒の排気弁８#1ａ，８#1ｂと＃３気筒の排気弁８#3ａ，８#3ｂも同様であり、同一の形状で同一のシート径及びリフト量に設定されている。

＃１気筒の燃焼室５#1に開口される吸気ポート７#1ａ，７#1ｂと、＃３気筒の燃焼室５#3に開口される吸気ポート７#3ａ，７#3ｂは、それぞれ燃焼室５#1，５#3の付近で合流され、シリンダヘッド４に連設される吸気マニホルド（図示略）に連通されている。吸気マニホルドはエアチャンバへ導かれ、このエアチャンバで気筒毎の吸気ポートが集合されて吸気通路に連通される。

また、＃１気筒の燃焼室５#1に開口される排気ポート９#1ａ，９#1ｂと、＃３気筒の燃焼室５#3に開口される排気ポート９#3ａ，９#3ｂは、シリンダヘッド４内において、シリンダヘッド４からの排気出口となる吐出ポート１０の出口付近で集合されている。吐出ポート１０は、シリンダヘッド４の下側面に形成されたフランジ部４ａに円形状に開口されている。フランジ部４ａには、各バンクの排気管（図示略）が接続され、ターボ過給機や触媒等を介してマフラに連通されている。

ここで、本実施の形態におけるエンジン１は、吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程において、図３に示すように、燃焼行程が＃１気筒→＃３気筒→＃２気筒→＃４気筒の順となるように設定されている。このため、ＲＨバンクの＃１，＃３気筒、ＬＨバンクの＃２，＃４気筒は、それぞれのバンクにおいて排気順序が連続することになる。ＲＨバンクにおいては、＃１気筒の排気順序が先で＃３気筒の排気順序が後になり、ＬＨバンクにおいては、＃２気筒の排気順序が先で＃４気筒の排気順序が後になる。

以下では、排気順序が先の気筒を第１の気筒として、この第１の気筒を、燃焼行程が先の「前爆気筒」と適宜記載する。また、排気順序が後の気筒を第２の気筒として、この第２の気筒を、燃焼行程が後の「後爆気筒」と適宜記載する。

また、エンジン１では、各気筒の排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが吸気上死点を挟んでオーバーラップし、且つ、排気順序が連続する気筒間において、前爆気筒のオーバーラップ期間Ｔol中に、後爆気筒の排気弁が開弁を開始する運転領域がある（例えば、低速・高負荷域等）。従って、排気順序が連続する気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合すると、後爆気筒から排出される排気ガスの圧力によって前爆気筒の内部に排気ガスが逆流し、内部ＥＧＲ量が増加して燃焼状態が悪化する虞がある。

具体的には、ＲＨバンクでは、＃１気筒の排気弁８#1ａ，８#1ｂが閉弁する前に、＃３気筒の排気弁８#3ａ，８#3ｂが開弁し、＃３気筒の燃焼室５#3から排出される排気ガスが＃１気筒の燃焼室５#1内に流入してしまい、内部ＥＧＲ率が許容値を超えて燃焼状態が悪化する虞がある。ＬＨバンクにおいても同様であり、＃２気筒の排気弁が閉弁する前に、＃４気筒の排気弁が開弁し、＃４気筒の燃焼室から排出される排気ガスが＃２気筒の燃焼室内に流入し、内部ＥＧＲ率が許容値を超える虞がある。

このため、シリンダヘッド４の下端面に開口される吐出ポート１０は、後爆気筒である＃３気筒に対向し、かつ、クランク軸３の軸方向と直交する位置に設けられ、この吐出ポート１０に向かって、後爆気筒である＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂが直線的に延出される。前爆気筒である＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂは、クランク軸と略直交する方向に対して斜め方向に吐出ポート１０に向かって延出される。

本実施の形態においては、吐出ポート１０は、＃３気筒の気筒中心を通り、クランク軸３の軸方向と直交する方向へ延出する中心軸線Ｌｏに対して、吐出ポート１０の中心位置が所定の範囲内となるように配置されている。例えば、＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂの間を許容範囲として、この許容範囲内に吐出ポート１０の中心位置Ｌportが配置される。

詳細には、＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂは、吐出ポート１０に向かって延出され、吐出ポート１０の集合部１０ａの手前で合流され、集合部１０ａにおいて＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂと集合される。＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂは、燃焼室５#3から排出される排気ガスを最短距離で吐出ポート１０に導くことが可能なように、直線状に延出されるストレート形状に形成されている。

一方、前爆気筒である＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂは、吐出ポート１０の集合部１０ａに向かって斜め方向に延出され、集合部１０ａの手前で合流された後、集合部１０ａで＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂと集合される。＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂの形状は、燃焼室５#1から排出される排気ガスの壁面に対する衝突を回避することが可能なように緩やかな傾斜形状に形成されている。

また、後爆気筒である＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂは、排気弁８#3ａ，８#3ｂのカーテンエリアの面積に比較して、合流後の通路面積を小さくして絞りを形成するようにしている。この排気ポート９#3ａ，９#3ｂに形成した絞りにより、後爆気筒である＃３気筒から排出される排気ガスの流速を速めて排気ガスが吐出ポート１０から迅速に抜けるようにしている。

本実施の形態においては、吐出ポート１０の集合部１０ａの手前で＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂを合流した後の通路面積を排気ポート面積Ｓp#3として、排気弁８#3ａ，８#3ｂの所定リフト時（例えば最大リフト時）の開口面積（合計値）をカーテンエリア面積Ｓvとした場合、以下の（１）式に示すように、排気ポート面積Ｓp#3は、カーテンエリア面積Ｓvを比率Ｋ（Ｋ＜１）で減少させた面積となるように設定されている。
Ｓp#3＝Ｋ×Ｓv …（１）

ここで、カーテンエリア面積Ｓvは、排気弁８#3ａ，８#3ｂのバルブシート内径をＤ、バルブリフト量をＬとしたとき、以下の（２）式で与えられるものとする（排気弁の数＝２）。
Ｓv＝Ｄ×Ｌ×π×２ …（２）

（１）式における比率Ｋは、カーテンエリア面積Ｓvに対する排気ポート面積Ｓp#3の面積比であり、実験やシミュレーションにより、後爆気筒から排出される排気ガスの前爆気筒への流入を抑制して内部ＥＧＲへの影響を最小とする最適値に決定される。図４は、排気ポートの面積比Ｋに対する内部ＥＧＲ率の変化（影響比率）Ｒegrをシミュレーションによって計算した結果を示している。図４における内部ＥＧＲへの影響比率Ｒegrは、後爆気筒からの後排気が無いものとした場合の内部ＥＧＲ率を基準（１００％）として、この基準の内部ＥＧＲ率に対する変化を示している。

図４に示すように、排気ポートの面積比Ｋを、Ｋ＝０．６６、Ｋ＝０．６、Ｋ＝０．３５とした場合、内部ＥＧＲへの影響比率Ｒegrは、Ｋ＝０．６で最も小さくなる。Ｋ＝０．３５として排気ポートの通路面積を絞り過ぎると、排気ガスの流速が低下し、逆に内部ＥＧＲ率が増大してしまう。従って、後爆気筒である#３気筒の排気ポート面積Ｓp#3を、カーテンエリア面積Ｓvの６０％程度に絞ることで、前爆気筒である＃１気筒の内部ＥＧＲへの影響を最小限に抑制することが可能となる。

尚、#３気筒の排気ポート面積Ｓp#3を、Ｋ＝０．３５の面積比のように大きく絞る場合には、吐出ポート１０の集合部１０ａ内に仕切壁を設ける等して、＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂと＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂとを区切ることにより、通路面積を分割するようにしても良い。

＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂの通路面積Ｓp#1は、排気弁８#1ａ，８#1ｂのカーテンエリア面積と同等以上の通路面積になるように設定されている。通常、各気筒の排気弁のカーテンエリア面積は同じであるため、後爆気筒である＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂの通路面積Ｓp#3は、前爆気筒である＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂの通路面積Ｓp#1よりも相対的に小さいことになる。

以上のシリンダヘッド構造を有するエンジン１では、両バンクの各気筒の燃焼室から排出される排気ガスは、シリンダヘッド４内で集合される排気ポートを介して排出される。ＲＨバンクで代表して説明すると、＃１気筒の燃焼室５#1から排出される排気ガスは、排気ポート９#1ａ，９#1ｂを通って吐出ポート１０に導かれる。

＃１気筒の排気ポート９#1ａ，９#1ｂは、排気ガスの壁面に対する衝突を回避することの可能な緩やかな傾斜で吐出ポート１０へ導かれている。このため、燃焼室５#1からの排気ガスが排気ポート９#1ａ，９#1ｂを通過する際に、乱流の発生を抑制して排気ガスをスムーズに導くことができ、吐出ポート１０から効率的に排出することができる。

次に、＃１気筒に対して連続して排気行程となり、＃１気筒に対して排気順序が後となる＃３気筒では、燃焼室５#3から排出される排気ガスは、排気ポート９#3ａ，９#3ｂを通って吐出ポート１０に導かれる。＃３気筒の排気ポート９#3ａ，９#3ｂは、＃１気筒に比較して通路長が短く、直線状のストレート形状に形成されているため、排気ガスの圧力低下を最小限に抑えて最短距離で吐出ポート１０に導くことが可能となっている。その結果、＃１気筒の排気弁８#1ａ，８#1ｂの閉弁が終了していない運転状態であっても、＃３気筒の燃焼室５#3から排出された排気ガスが＃１気筒の燃焼室５#1内へ流入することを抑制し、内部ＥＧＲ率の増加を防止することができる。

しかも、＃３気筒の排気ポート面積Ｓp#3は、排気弁８#3ａ，８#3ｂのカーテンエリア面積Ｓvに対して所定の比率Ｋ（例えば、Ｋ＝０．６）で絞られている。＃１気筒の排気弁８#1ａ，８#1ｂの閉弁が終了していない状態で＃３気筒の排気弁８#3ａ，８#3ｂが開弁したときには、＃３気筒の燃焼室５#3内の圧力が高く、排気ガスの圧力も高いため、＃３気筒の排気ポートの面積を絞ることにより排気ガスをより高速のガス流として吐出ポート１０に導くことができる。その結果、＃１気筒の燃焼室５#1内への排気ガスの流入をより効果的に抑制することができる。

このように本実施の形態においては、複数の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内で集合させる際に、排気順序が連続する２つの気筒に対して、排気順序が後の気筒に対向し、かつクランク軸と略直交する位置に、シリンダヘッドからの排気出口となる吐出ポートを設けている。そして、この吐出ポートに向かって、排気順序が後の気筒の排気ポートを直線状に延出すると共に、排気順序が先の気筒の排気ポートをクランク軸と直交する方向に対して斜め方向に延出している。また、排気順序が後の気筒の排気ポートの通路面積を、排気弁のカーテンエリア面積に対して所定の比率で小さくして通路面積を絞っている。

これにより、排気順序が後の気筒から排出された排気ガスを、吸排気弁のバルブタイミングに影響されることなく直接的に吐出ポートに導くことができ、排気順序が先の気筒の排気弁の閉弁が終了していない状態であっても、排気ガスの逆流を抑制して内部ＥＧＲ率の増加を防止し、燃焼悪化によるドライバビリティの悪化や排気エミッションの悪化を防止することができる。

尚、本発明は、上述した形態に限るものではなく、採用するエンジンは、水平対向型エンジンに限らず、Ｖ型エンジン、直列型エンジンの何れでも良い。また、気筒数も４気筒に限らず、２気筒であっても良い。

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ クランク軸
４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
６ 吸気弁
７ 吸気ポート
８ 排気弁
９ 排気ポート
１０ 吐出ポート
１０ａ 集合部
＃１，＃２ 前爆気筒（第１の気筒）
＃３，＃４ 後爆気筒（第２の気筒）

Claims (2)

1. 互いに隣接して排気順序が連続する第１の気筒と第２の気筒とを備え、前記第１の気筒の排気ポートと、前記第１の気筒の後に排気する前記第２の気筒の排気ポートとをシリンダヘッド内で集合させることにより、前記第１の気筒と前記第２の気筒の前記シリンダヘッドからの排気出口となる吐出ポートを形成し、前記第１の気筒の排気弁が閉弁する前に前記第２の気筒の排気弁が開弁する運転領域を有するエンジンのシリンダヘッド構造であって、
   前記吐出ポートの中心位置を、前記第２の気筒に対向し、かつ、前記第２の気筒の気筒中心を通ってクランク軸と直交する軸線から前記第２の気筒の排気ポートの範囲内で離れた位置に設け、
   前記第１の気筒の排気ポートを前記クランク軸と直交する前記軸線に対して斜め方向に前記吐出ポートに向かって延出させると共に、前記第２の気筒の排気ポートを前記吐出ポートに向かって直線状に延出させて、前記第１の気筒の排気ポートと前記第２の気筒の排気ポートとを前記吐出ポートで集合させ、
   前記第２の気筒の排気ポートの通路面積を前記第１の気筒の排気ポートの通路面積より小さくし、かつ、前記第２の気筒の排気弁のカーテンエリア面積に対する前記第２の気筒の排気ポートの通路面積の比率を、前記第１の気筒の内部への排気ガスの流入を抑制して内部ＥＧＲへの影響を最小とする比率にする
   ことを特徴とするエンジンのシリンダヘッド構造。
2. 前記エンジンは水平対向型４気筒エンジンであり、前記第１の気筒と前記第２の気筒は、各バンクにおいて互いに隣接する気筒であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンのシリンダヘッド構造。

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