JP7393988B2 - 多気筒内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、３気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するものであり、より詳しくは、各排気ポートの排気ガスを１つの排出口部に集約して排出するタイプのシリンダヘッドに関するものである。

多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関して、外付けの排気マニホールドを無くして、集合通路を内部に一体化して、１つの排出口を排気側面に開口させることが行われている（例えば特許文献１）。このタイプはいわば排気マニホールド内蔵型と云えるもので、シリンダヘッドの排気側面に、ターボ過給機が取り付けられたり触媒ケースが取り付けられたりしている。

特開２０１１－１５７８２７号公報

この排気マニホールド内蔵型のシリンダヘッドを採用すると、上記のとおり外付けの排気マニホールドが不要になるため機関全体をコンパクト化できるが、例えば３気筒内燃機関の場合、排出口が排気側面の前後中間部に配置されていると、１番目の排気ポートと３番目の排気ポートとの交叉角度が鈍角になるため、排気ガスの直進性により、１番目の排気ポートの排気ガスが３番目の排気ポートに流入したり、逆に、３番目の排気ポートの排気ガスが１番目の排気ポートに流入したりしやすいという問題がある。

４気筒内燃機関でも同様であり、２番目と３番目の排気ポートの排気ガスはスムースに排出口に向かうが、１番目の排気ポートから排出された排気ガスが４番目の排気ポートに流入したり、逆に、４番目の排気ポートから排出された排気ガスが１番目の排気ポートに流入しやすいという問題がある。

このように、端部の排気ポート同士で排気ガスが流入する現象があり、これを阻止するためには、排出口の位置をできるだけシリンダボアから遠ざけて、端部の排気ポート同士が成す交叉角度を小さくしたらよいと云えるが、この対応ではシリンダヘッドが大型化してしまい、排気マニホールド内蔵型としたことの意味が低下してしまうことになる。

本願発明はかかる現状に鑑みなされたものであり、排気マニホールド内蔵型のシリンダヘッドにおいて、コンパクト化は維持しつつ、各排気ポートからの排気ガスの排出を確実化しようとするものである。

本願発明は、シリンダボアがクランク軸線方向に３つ並んでいる３気筒内燃機関のシリンダヘッドに係るもので、このシリンダヘッドは、
「クランク軸線方向を前後方向として前後両側に位置した２つの端部排気ポートと、前記２つの端部排気ポートの間に位置した１つの中間排気ポートと、から成る各排気ポートを有し、前記各排気ポートの出口は、排気側面に形成された１つの排出口部に、互いに連通しないように隔壁で仕切られた状態で集約して開口している」
という構成において、
「前記各排気ポートの出口はそれぞれ前後方向に長い形態であり、前記２つの端部排気ポートの出口は前後方向に並んで配置されて、前記中間排気ポートの出口は、前記２つの端部排気ポートの出口の下方でかつ前記２つの端部排気ポートの出口と上下方向に重なる状態に配置されており、
かつ、前記中間排気ポートの出口は、前後幅は前記２つの端部排気ポートの出口の前後幅よりも大きくて、上下幅は前記２つの端部排気ポートの出口の上下幅よりも小さくなっている」
という特徴を有している。

本願発明は、請求項２，３の構成も含んでいる。このうち請求項２の発明は、請求項１において、
「更に、前記各排気ポートの群の上に形成された上段冷却水ジャケットと、前記各排気ポートの群の下に形成された下段冷却水ジャケットとを有して、前記上下の冷却水ジャケットは、前記中間排気ポートの箇所において低くなるように曲がっており、
かつ、前記下段冷却水ジャケットのうち前記中間排気ポートの下方の箇所は、クランク軸線方向から見て前記２つの端部排気ポートの下方の部位よりも広幅で上下幅が小さく形成された部位を有している」
という構成になっている。
他方、請求項３の発明は、請求項１又は２において、
「前記各排気ポートの３つの出口は、全体として前後方向に長い小判形を成すようにコーナー部に丸みを持たせている」
という構成になっている。
端部排気ポートは長さが長いので、本願発明のように、端部排気ポートの出口を上に位置させるのが好ましい。すなわち、出口が上に位置していると、排気ポートの上下方向の曲がりはあまりなくて排気ガスの流れがスムースであるため、長さが長い端部排気ポートの出口を上に配置することにより、各排気ポートの排気ガスの排出のスムースさを均一化できる。

本願発明では、各端部排気ポートの出口は１つの排出口部に集約されつつ、排気ガスの入り込みが懸念される２つの端部排気ポートの出口は隔壁によって仕切られているため、２つの端部排気ポート同士で排気ガスが入り込むことはない。従って、各排気ポートに排出された排気ガスがシリンダヘッドの内部で滞留する現象を解消して、各排気ポートから排気ガスをスムースに排出することを確実化できる。

そして、端部排気ポートの出口と中間排気ポートの出口とが上下に分かれているため、排出口部がクランク軸線方向に長くなり過ぎることを防止して、ターボ過給機や触媒ケース等の排気系部材との適合性を確保できる。
端部排気ポートの出口を中間排気ポートの出口の上に配置したことの利点は上記したとおりである。
さて、中間排気ポートには下向き部が形成されるが、下向き部の下方にはシリンダヘッドの肉部の余裕が少ないため、本願請求項２では、中間排気ポートにおける下向き部の下方では、排気側下段冷却水ジャケットは、上下幅を小さくしつつ左右幅を長くすることにより、断面積の過剰な変化を防止している。
排気ターボ過給機の排気ガス流入口も触媒ケースの１つの排気ガス流入口も、前後長手の小判形に形成されていることが一般的であるので、請求項３の形態を採用すると、一般的な排気ターボ過給機及び触媒ケースへの適合性に優れている。

実施形態に係るシリンダヘッドの側面図である。 図１のII-II 視断面図である。 （Ａ）は図２のＡ－Ａ視断面図、（Ｂ）は図２のＢ－Ｂ視断面図である。 変形例を示す図である。

次に、本願発明を自動車用内燃機関のシリンダヘッドに適用した実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線方向及びシリンダボア軸線方向と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置される側を前、ミッションケースが配置される側を後ろとしている。図１，２に方向を明示している。

本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、シリンダヘッド１には、ペントルーフ型（図３参照）の第１～第３の凹所２～４が、クランク軸線方向に並んで形成されている。そして、第１凹所２には第１排気ポート５の始端が開口し、第２凹所３には第２排気ポート６の始端が開口し、第３凹所４には第３排気ポート７の始端が開口している。本実施形態では、請求項との関係では、第１排気ポート５と第３排気ポート７とが端部排気ポートに該当し、第２排気ポート６が中間排気ポートに該当する。

各排気ポート５，６，７は、その他端部は２つに分岐しており、一対の始端部はそれぞれ排気バルブ８で開閉されている。他方、各排気ポート５，６，７の出口５ａ，６ａ，７ａは、シリンダヘッド１の排気側面１ａのうち前後略中間部の排出口部９に纏まって開口している。図２に示すように、排出口部９は排気側面１ａの他の部位から少し突出したランド状になっており、排気ターボ過給機におけるタービンハウジングが固定されるか、又は、触媒ケースの排気ガス流入口（継手管）が接続される。すなわち、排出口部９には、排気系部材がボルトで固定される。

図１に示すように、排出口部９は大まかには前後長手の長方形になっており、その対角部に、排気ターボ過給機又は触媒ケースを締結するためのタップ穴１０が空いている。なお、図２において符号１１で示すのは点火プラグを配置するイグニッションホール、符号１２で示すのはヘッドボルト挿通穴、符号１３で示すのはセンター冷却水ジャケットである。

排出口部９は第２凹所３の真横に位置しているため、第１凹所２と第３凹所４とは排出口部９から遠くなっており、従って、第１排気ポート５及び第３排気ポート７は長さが長くなっている。このため、第１排気ポート５及び第３排気ポート５は、シリンダボアの軸線方向から見た図２において、排出口部９の中央部を通る左右長手軸線Ｏに対して前後対称の状態で傾斜している。

また、第１排気ポート５及び第３排気ポート７は、クランク軸線方向から見た図３（Ｂ）の状態では、排出口部９に向けて高くなるように緩く湾曲している。そして、第１排気ポート５の出口５ａと第３排気ポート７の出口７ａとは、同じ高さで排出口部９に配置されていると共に、鉛直状の姿勢の第１隔壁１４によって前後に分かれている。従って、第１隔壁１４が請求項に記載した隔壁になる。

他方、第２排気ポート６は、シリンダボアの軸線方向から見た図２においては、排出口部９の中央部を通る左右長手軸線Ｏを通る姿勢になっている一方、クランク軸線方向から見た図３（Ａ）の状態では、始端からいったん高くなるように曲がりつつ、左右の中途部で低くなるように曲がっており、これにより、第２排気ポート６の出口６ａを第１及び第３の排気ポート５，７の出口５ａ，７ａよりも低い高さに設定している。

第１及び第３の排気ポート５，７の出口５ａ，７ａと第２排気ポート６の出口６ａとは、図１において前後方向に広がる第２隔壁１５によって仕切られている。従って、第１隔壁１４と第２隔壁１５とは、互いに繋がっていて全体として逆Ｔ形の形態を成している。

各出口５ａ，６ａ，７ａの開口面積は略同じになっており、かつ、排出口部９は、全体として前後長手の形態になるように１つに纏まっている。そこで、各出口５ａ，６ａ，７ａを前後長手の略長方形としつつ、第１及び第３の排気ポート５，７の出口５ａ，７ａの前後幅よりも、第２排気ポート６の出口６ａの前後幅を大きく設定している。第２排気ポート６の出口６ａの上下幅は、第１及び第３の排気ポート５，７の出口５ａ，７ａの上下幅よりも小さくなっている。

図４の変形例に示すように、３つの出口５ａ，６ａ，７ａのコーナー部に丸みを持たせることにより、３つの出口５ａ，６ａ，７ａの群が全体として小判形の形態を成すように形成することも可能である。排気ターボ過給機の排気ガス流入口も触媒ケースの１つの排気ガス流入口も、前後長手の小判形に形成されていることが一般的であるので、図４の形態を採用すると、一般的な排気ターボ過給機及び触媒ケースへの適合性に優れている。

図３に示すように、シリンダヘッドには、排気ポート５，６，７の群の上に位置した排気側上段冷却水ジャケット１６と、排気ポート５，６，７の群の下に位置した排気側下段冷却水ジャケット１７とが形成されている。これら上下の排気側冷却水ジャケット１６，１７は、第２排気ポート６が途中から下向きに曲がっていることに対応して、第２排気ポート６の箇所で下向きに曲がっている。

この場合、第２排気ポート６のうち下向き部の下方にはシリンダヘッド１の肉部の余裕が少ないため、第２排気ポート６における下向き部の下方では、排気側下段冷却水ジャケット１７は、第１及び第２排気ポート５，６の下方の部位に比べて上下幅を小さくしつつ左右長さを長くすることにより、断面積の過剰な変化を防止している。

以上の説明のとおり、本実施形態では、３本の排気ポート５，６，７の出口５ａ，６ａ，７ａは互いに独立した状態で１つの排出口部９に開口しているため、排出口部９の突出寸法を必要最小限度に抑えつつ、第１排気ポート５と第３排気ポート７との間での排気ガスの入り込みを防止して、排気ガスの円滑な排出を確実化できる。

本願発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
１ａ 排気側面
２，３，４ 凹所
５ 第１排気ポート（端部排気ポート）
５ａ，６ａ，７ａ 出口
６ 第２排気ポート（中間排気ポート）
７ 第３排気ポート（端部排気ポート）
８ 排気バルブ
９ 排出口部
１４，１５ 隔壁
１６，１７ 冷却水ジャケット

Claims (3)

1. クランク軸線方向を前後方向として前後両側に位置した２つの端部排気ポートと、前記２つの端部排気ポートの間に位置した１つの中間排気ポートと、から成る各排気ポートを有し、前記各排気ポートの出口は、排気側面に形成された１つの排出口部に、互いに連通しないように隔壁で仕切られた状態で集約して開口しているシリンダヘッドであって、
   前記各排気ポートの出口はそれぞれ前後方向に長い形態であり、前記２つの端部排気ポートの出口は前後方向に並んで配置されて、前記中間排気ポートの出口は、前記２つの端部排気ポートの出口の下方でかつ前記２つの端部排気ポートの出口と上下方向に重なる状態に配置されており、
   かつ、前記中間排気ポートの出口は、前後幅は前記２つの端部排気ポートの出口の前後幅よりも大きくて、上下幅は前記２つの端部排気ポートの出口の上下幅よりも小さくなっている、
   多気筒内燃機関のシリンダヘッド。
2. 更に、前記各排気ポートの群の上に形成された上段冷却水ジャケットと、前記各排気ポートの群の下に形成された下段冷却水ジャケットとを有して、前記上下の冷却水ジャケットは、前記中間排気ポートの箇所において低くなるように曲がっており、
   かつ、前記下段冷却水ジャケットのうち前記中間排気ポートの下方の箇所は、クランク軸線方向から見て前記２つの端部排気ポートの下方の部位よりも広幅で上下幅が小さく形成された部位を有している、
   請求項１に記載した多気筒内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記各排気ポートの３つの出口は、全体として前後方向に長い小判形を成すようにコーナー部に丸みを持たせている、
   請求項１又は２に記載した多気筒内燃機関のシリンダヘッド。

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