JP6248614B2 - シリンダヘッド構造 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドの内部に排気集合部が形成された直列４気筒エンジンのシリンダヘッド構造に関する。

近年、シリンダヘッドの内部に、複数の燃焼室からの排気を集合させる排気集合部（集合排気ポート）を形成し、シリンダヘッドの排気側側壁に単一の排気管を接続した多気筒エンジンが開発されている。このように集合排気ポートがシリンダヘッドに内蔵されている場合、排気マニホールドをシリンダヘッドの側壁に接続する従来の構造と比較して、エンジン全体を小型化することができるほか、排気の放熱量が抑制されるので触媒を早期に活性化させることができるなどの利点がある。

例えば特許文献１には、三つのシリンダが列設されたＶ型６気筒エンジンのシリンダヘッド構造が開示されている。このシリンダヘッド構造は、シリンダ列方向の両端の排気ポートが中央の排気ポートに向かって形成されており、これら三つの排気ポートが合流して一つの排気ポート（集合排気ポート）となってシリンダヘッドの排気側端面に開口している。さらに、中央の排気ポート内を分岐する分岐壁が排気ポートの合流部まで延設され、仕切り壁として機能している。このような構成により、排気の回り込みの防止を図っている。

特許第４６３５８７９号公報

ところで、上記のような集合排気ポートを内部に有するシリンダヘッドの場合、高温の排気がシリンダヘッド内で集合するため、従来のシリンダヘッドよりも高温になりやすい。そのため、集合排気ポートの周辺を効率よく冷却し得る冷却構造をシリンダヘッドに形成する必要があり、特に排気が集合する排気集合部や集合排気ポートの排気下流端（排気集合部の出口付近）の冷却性能の向上が期待される。

また、排気集合部において排気干渉が発生すると、スムーズに排気が排出されずに排気集合部周辺で排気が滞ることになり、排気集合部の温度がさらに上昇することになる。特に、上記の特許文献１のような三つのシリンダが列設されたエンジンよりも、四つのシリンダが直列に配置されたエンジン（直列４気筒エンジン）の方が排気干渉が発生しやすいことが知られており、これを効果的に抑制することが望まれる。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、直列４気筒エンジンのシリンダヘッド構造に関し、シリンダヘッドの排気集合部の冷却性の向上と排気干渉の防止とを両立させることである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示するシリンダヘッド構造は、直列に配置される四つの気筒のうちの内側の二つの燃焼室に繋がる二つの第一排気ポートと、前記四つの気筒のうちの外側の二つの燃焼室に繋がる二つの第二排気ポートと、前記二つの第一排気ポートと前記二つの第二排気ポートとを一つに集合する排気集合部とを備える。また、前記排気集合部を上下に挟み合う位置でそれぞれ直列方向に冷却水を流通させるウォータジャケットと、前記二つの第一排気ポート間に配置され、前記排気集合部の出口方向に延設された仕切壁と、を備える。さらに、前記仕切壁は、少なくとも前記二つの第二排気ポートの流路中心線をそれぞれ延長した交点まで延設され、前記ウォータジャケットは、前記仕切壁のうち少なくとも先端部の上下に配置され、前記排気集合部の上下において、前記二つの第一排気ポートを冷却する内側ルートと、前記二つの第二排気ポートを冷却する外側ルートとの二系統にそれぞれ流れが分割される。さらに、前記ウォータジャケットは、前記内側ルートと前記外側ルートとを連通する連通部を複数有し、前記連通部は、一側及び他側において前記第一排気ポートと前記第二排気ポートとの最初の合流点である股部の上下にそれぞれ設けられる。

（２）前記二つの第二排気ポートの最も外側に位置する内壁と前記仕切壁の先端部との距離が最短の位置における通路面積が、前記燃焼室に繋がる前記第一排気ポート及び前記第二排気ポートの通路面積と同一に形成されることが好ましい。
（３）一側に配置され、前記一側の前記第一排気ポートと前記一側の前記第二排気ポートとの間を隔離する第一の隔壁と、他側に配置され、前記他側の前記第一排気ポートと前記他側の前記第二排気ポートとの間を隔離する第二の隔壁と、を備えることが好ましい。この場合、前記ウォータジャケットは、前記仕切壁のうち少なくとも前記第一の隔壁及び前記第二の隔壁の各端部の頂点同士を繋いだ平面よりも先端側に配置されることが好ましい。

（４）前記二つの第一排気ポートと前記二つの第二排気ポートと前記排気集合部とを有する集合排気ポートは、前記仕切壁の前記直列方向に直交する平面を中心に面対称に形成されていることが好ましい。
（５）一つの前記気筒に対して二つの前記排気ポートが接続されることが好ましい。

開示のシリンダヘッド構造によれば、内側の第一排気ポート間に配置される仕切壁のうち少なくとも先端部は、上下に設けられるウォータジャケットによって上下から水冷される。仕切壁の先端部は、各気筒から排出された排気が全て当たる部分であるため、常に排気に晒されて昇温されやすい部位である。本シリンダヘッド構造では、この部位を上下から水冷することでこの部位の温度を下げて、高温になりやすい排気集合部や排気下流端近傍を冷却することができる。さらに、この部位の温度を下げることで、この部位に接触して流れる排気の温度をも下げることができる。

また、仕切壁は、少なくとも外側の第二排気ポートの流路中心線をそれぞれ延長した交点まで延設されるため、外側の各気筒に接続される第二排気ポートから排出された排気を仕切壁に当てて、排気集合部の下流端側（シリンダヘッドの出口方向）へ導くことができる。つまり、一側の気筒から排出された排気が他側の気筒に接続される排気ポートへ流れ込むことを防ぐことができ、排気干渉を防ぐことができる。これにより、排気集合部における排気の滞りが抑制され、スムーズに排気が排出されることで、排気集合部近傍の温度上昇を抑制することもできる。
このように、本シリンダヘッド構造によれば、シリンダヘッドの排気集合部の冷却性の向上と排気干渉の防止とを両立することができる。

一実施形態にかかるシリンダヘッド構造の吸気ポート及び集合排気ポート部分の横断面図（図３のＢ−Ｂ矢視断面図）である。 集合排気ポートの構造を説明するための模式図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 一実施形態にかかるシリンダヘッド構造の内部に中空部として形成される集合排気ポートの上面図である。 一実施形態にかかるシリンダヘッド構造の内部に中空部として形成される集合排気ポート及びウォータジャケットを重ねて示した上面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．構造］
［１−１．全体構造］
本実施形態にかかるシリンダヘッド構造について、図１〜図５を用いて説明する。ここでは、直列４気筒エンジンに適用されたシリンダヘッド構造について説明する。なお、以下の説明では、シリンダヘッド１に対して図示しないシリンダブロックが結合される側を下方とし、その逆側、すなわちシリンダヘッド１に対して図示しないヘッドカバーが結合される側を上方として説明する。

シリンダヘッド１の下面及びシリンダブロックの上面はともに平面状に形成され、これらの接合面に気密性を確保するためのガスケットが介装された状態で、シリンダヘッド１とシリンダブロックとが結合される。また、シリンダヘッド１の上面にはヘッドカバーが取り付けられ、シリンダブロックの下面にはクランクケース及びオイルパンが取り付けられる。なお、図３に示すように、シリンダヘッド１の上面は凹設され、動弁室７が形成される。ヘッドカバーは、この動弁室７を覆うように上方に結合される。動弁室７には、図示しない吸気カム及び排気カムを備えたカムシャフト等が設けられる。

図１に示すように、シリンダブロックに形成される四つのシリンダ２（気筒，図１中に二点鎖線で示す）は直列に配置され、これらシリンダ２には図示しないピストンが摺動自在に内装される。以下、四つのシリンダ２が直列に並設された方向（直列方向）をシリンダ列方向Ｌという。すなわち、シリンダヘッド１の長手方向がシリンダ列方向Ｌと一致する。なお、ここでは、図１のように上面視で排気側を上側、吸気側を下側としたときに、シリンダヘッド１の左側をフロント側、右側をリア側と呼ぶ。

エンジンのフロント側には、エンジンの補機類や動力伝達用の伝達部材（クランクプーリ，タイミングプーリ，スプロケット等）が設けられる。一方、エンジンのリア側にはドライブプレート，フライホイールが設けられ、パワートレーンの下流側の各種装置（例えば、変速機，回転電機等）に接続される。ここでは、四つのシリンダ２をフロント側から順に、第一気筒，第二気筒，第三気筒，第四気筒とする。第一気筒，第四気筒は、シリンダ２の外表面側（シリンダ列方向Ｌの端部）に位置することから「外側気筒」と呼ばれる。これに対し、第二気筒，第三気筒は、シリンダ２の内部側（外側気筒よりも内側）に位置することから「内側気筒」と呼ばれる。

シリンダヘッド１の下面には、シリンダ列方向Ｌに沿ってピストンの頂面に対向する位置に四つのペントルーフ型の燃焼室（図示略）が形成される。図１に示すように、燃焼室の三角屋根状の一方（吸気側）の斜面には二つの吸気バルブ孔１１が形成され、他方（排気側）の斜面には二つの排気バルブ孔２１が形成される。シリンダヘッド１には、二つの吸気バルブ孔１１から吸気側側壁１０へ向かって湾曲形成された吸気ポート１２と、各排気バルブ孔２１から排気側側壁２０へ向かって湾曲形成された排気ポート２３ａとが設けられる。

吸気ポート１２は、それぞれのシリンダ２に対して一つずつ設けられるとともに、それぞれのシリンダ２に形成された一対の吸気バルブ孔１１の双方に対して下流端が接続されるように、二股に分岐した形状とされる。エンジンの上面視における吸気ポート１２の透視形状は、図１に示すように、Ｙ字状となる。また、それぞれのシリンダ２に接続された吸気ポート１２は、シリンダヘッド１内で互いに集合することなく、独立して吸気側側壁１０に開口する。したがって、シリンダヘッド１に形成される吸気ポート１２の上流端の開口部は、図１に示すように、シリンダ２の数と同一数の四個となる。

一方、排気ポート２３ａは、一つの排気バルブ孔２１に対して一つずつ設けられており、八つの排気ポート２３ａは、シリンダヘッド１の内部で一体に集合する。この集合部分を排気集合部２３ｂと呼ぶ。複数の排気ポート２３ａの列設方向（すなわち、排気側側壁２０のシリンダ列方向Ｌ）の中央には、排気集合部２３ｂで集合された排気が流出する一つの開口（以下、シリンダヘッド出口２４という）が設けられる。八つの排気ポート２３ａと排気集合部２３ｂとは、シリンダヘッド１の内部に形成された中空部であり、これらによって集合排気ポート２３が形成される。

シリンダヘッド１の内部には、排気熱による燃焼室や集合排気ポート２３の過熱を抑制するために、冷却水を流通させるウォータジャケット３０が形成される。ウォータジャケット３０は、吸気ポート１２及び排気ポート２３ａの周辺や、集合排気ポート２３の上方及び下方に設けられ、シリンダヘッド１のフロント側からリア側に向かってシリンダ列方向Ｌに冷却水を流通させる。

ここでは、ウォータジャケット３０は、図１及び図３に示すように、四つの燃焼室の上方近傍を通過するようにシリンダ列方向Ｌに延在するメインウォータジャケット３１と、排気集合部２３ｂを上下で挟み合う位置でそれぞれシリンダ列方向Ｌに延在するアッパウォータジャケット３２及びロアウォータジャケット３３とを有する。アッパウォータジャケット３２及びロアウォータジャケット３３は、メインウォータジャケット３１と連通している。

図１及び図３に示すように、排気側側壁２０は、集合排気ポート２３の排気集合部２３ｂに臨む部分において、中央が外側に向かって曲面状に凸に形成されたアーチ状の張出部２５を有する。張出部２５は、上面部２５ａ及び下面部２５ｂがそれぞれ平面状の弓形に形成され、側面部２５ｃが曲面状に形成される。張出部２５の側面部２５ｃのシリンダ列方向Ｌの中央には、シリンダヘッド出口２４の周囲に形成されたフランジ部２６が設けられる。フランジ部２６は、張出部２５の側面部２５ｃよりも外方へ突設され、図示しない排気管が接続される。

シリンダヘッド１には、図１に示すように、各シリンダ２の中央にボス部４ｂが形成され、このボス部４ｂには図示しない点火プラグを挿入して燃焼室に臨ませるための点火プラグ挿入孔４ｈが形成される。また、シリンダヘッド１には、シリンダヘッド１をシリンダブロックに結合するための複数の締結ボルト（図示略）が挿通される複数の締結ボルト孔５が、吸気側及び排気側の隣接するシリンダ２の間と両端のシリンダ２の外側とにそれぞれ形成される。また、シリンダヘッド１の排気側には、ブリージング孔６が形成される。

さらに、シリンダヘッド１の最もリア側に位置する排気ポート２３ａのシリンダ列方向Ｌの外側には、シリンダヘッド１を上下方向（シリンダ列方向Ｌに直交する方向）に貫通するオイル孔８が形成される。動弁室７の底部に設けられるオイルジャケットに溜まったオイルは、オイル孔８や図示しないフロント側のオイル孔からオイルパンへ落下する。

［１−２．集合排気ポートとその周辺構造］
図１に示すように、集合排気ポート２３は、その上流端が個々の排気バルブ孔２１に対して接続されるように、八本に分岐した形状とされる。また、集合排気ポート２３の下流端は、分岐している個々の通路が一本に集約された形状とされる。図２に模式的に示すように、集合排気ポート２３の分岐形状は、上流側ほど分岐数が増加する樹枝形状（樹形図形状）である。

ここで、排気バルブ孔２１に対して接続された最も細い通路（集合排気ポート２３の最も上流に位置する枝管）のことを小通路２３Ａと呼ぶ。小通路２３Ａは排気ポート２３ａに対応する。一本の小通路２３Ａの断面積S₁は、一個の排気バルブ孔２１の開口面積に応じた大きさ（例えば、排気バルブ孔２１の開口面積と同程度）に設定される。また、同一のシリンダ２に接続された一対の小通路２３Ａは、排気バルブ孔２１に比較的近い位置で合流して中通路２３Ｂ（集合排気ポート２３の中間部に位置する枝管）を形成する。中通路２３Ｂの断面積S₂は、その中通路２３Ｂに合流している一対の小通路２３Ａの総断面積2S₁に応じた大きさ（例えば、総断面積2S₁と同程度の大きさ）に設定される。

また、互いに隣接する二つのシリンダ２に接続された中通路２３Ｂは、排気バルブ孔２１から比較的遠い位置で合流して大通路２３Ｃを形成する。図２に示す例では、第一気筒及び第二気筒に接続される中通路２３Ｂが合流して大通路２３Ｃを形成するとともに、第三気筒及び第四気筒に接続される中通路２３Ｂが合流して大通路２３Ｃを形成している。

大通路２３Ｃの断面積S₃は、排気の流通方向の下流側ほど小さく（狭く）なるように設定される。大通路２３Ｃの上流端では、その大通路２３Ｃに合流している一対の中通路２３Ｂの総断面積2S₂に応じた大きさ（例えば、総断面積2S₂と同程度の大きさ）に設定される。一方、大通路２３Ｃの下流端では、一つの中通路２３Ｂの断面積S₂に応じた大きさ（例えば、断面積S₂と同程度の大きさ）に設定される。

一対の中通路２３Ｂが合流する合流箇所の上流側において、一対の中通路２３Ｂによって挟まれた部分のことを股部１６と呼ぶ。股部１６は、例えば、一方の中通路２３Ｂまでの距離が所定距離以下となる部分（一方の中通路２３Ｂの周面を拡径方向に広げた円筒の内側部分）と、他方の中通路２３Ｂまでの距離が所定距離以下となる部分（他方の中通路２３Ｂの周面を拡径方向に広げた円筒の内側部分）との重合領域として定義できる。

図２に示す例では、第一気筒からの排気流と第二気筒からの排気流とによって挟まれる三角形状の部位が、股部１６に相当する。また、第三気筒からの排気流と第四気筒からの排気流とによって挟まれる三角形状の部位も、股部１６に相当する。なお、股部１６の具体的な立体形状は、シリンダヘッド１の内部における熱分布に応じて任意に設定することができる。

二本の大通路２３Ｃは、シリンダヘッド１の排気側側壁２０に近い位置で合流して、全てのシリンダ２からの排気が流通する集合通路２３Ｄを形成する。二本の大通路２３Ｃの合流部分は排気集合部２３ｂに対応する。集合通路２３Ｄの断面積S₄は、その下流側に接続される排気管や触媒装置，ターボチャージャ等の大きさに応じて設定される。ただし、二本の大通路２３Ｃの合流位置において、大通路２３Ｃの下流端（すなわち、集合通路２３Ｄの入り口部分）は、大通路２３Ｃの上流端よりも細く絞られた形状とされている。これにより、一対の小通路２３Ａの合流位置での排気流速と、集合通路２３Ｄの入り口部分での排気流速とがほぼ同一となる。したがって、集合通路２３Ｄ内で排気の流れが失速しにくくなり、排気効率が向上する。

上記の股部１６と同様に、二本の大通路２３Ｃによって挟まれる部分のことを第二股部１７と呼ぶ。第二股部１７は、例えば、一方の大通路２３Ｃまでの距離が所定距離以下となる部分と、他方の大通路２３Ｃまでの距離が所定距離以下となる部分との重合領域として定義できる。図２に示す例では、第一，第二気筒からの排気流と第三，第四気筒からの排気流とによって挟まれる三角形状の部位が、第二股部１７に相当する。第二股部１７の具体的な立体形状は、シリンダヘッド１の内部における熱分布に応じて任意に設定することができる。

なお、集合通路２３Ｄは、可能な限り短く形成されることが好ましい。すなわち、二本の大通路２３Ｃの合流位置は、可能な限り、排気流の出口（集合通路２３Ｄの下流端）から近い位置（集合通路２３Ｄの下流端面からの距離が所定距離以下となる範囲内）に設定されることが好ましい。

図１に示すように、集合排気ポート２３は、シリンダヘッド１と一体に形成され、仕切壁３Ｂのシリンダ列方向Ｌに直交する平面（すなわち、図１中の一点鎖線に沿って紙面に直交する平面）を中心に面対称に形成されている。ここで、内側気筒（第二気筒，第三気筒）の燃焼室に繋がる各排気ポート２３ａを何れも第一排気ポートと呼び、外側気筒（第一気筒，第四気筒）の燃焼室に繋がる各排気ポート２３ａを何れも第二排気ポートと呼ぶ。仕切壁３Ｂは、第一排気ポート間（すなわち、第二気筒及び第三気筒の燃焼室にそれぞれ繋がる排気ポート間）に配置され、排気集合部２３ｂの出口（集合排気ポート２３の排気下流端）であるシリンダヘッド出口２４側へ延設される。なお、上記の第二股部１７は、仕切壁３Ｂの一部（先端側の部位）に対応する。

一側（ここではフロント側）の第一排気ポートと第二排気ポートとの間は第一壁部３Ａ（第一の隔壁）で隔離され、他側（リア側）の第一排気ポートと第二排気ポートとの間は第二壁部３Ｃ（第二の隔壁）で隔離される。第一壁部３Ａ及び第二壁部３Ｃは、いずれもシリンダヘッド１と一体で形成され、先端部３ｄ，３ｆがそれぞれシリンダヘッド出口２４に向かうように内側に湾曲形成される。ここでは、第一壁部３Ａの先端部３ｄ及び第二壁部３Ｃの先端部３ｆが、それぞれ第一壁部３Ａ及び第二壁部３Ｃの中で最も排気下流側に位置する端部となっている。なお、上記の股部１６は、第一壁部３Ａ，第二壁部３Ｃの一部（先端側の部位）に対応する。

集合排気ポート２３とその周辺の構成について、さらに図４を用いて説明する。図４はシリンダヘッド１を上方から透視して、実際にはシリンダヘッド１に形成された中空部であるシリンダヘッド１内の集合排気ポート２３を示したものである。図４に示すように、集合排気ポート２３は、中央の仕切壁３Ｂが、第一壁部３Ａ及び第二壁部３Ｃの最も排気下流側に位置する端部３ｄ，３ｆの頂点同士を繋いだ平面（すなわち、図４中の二点鎖線Ｒに沿って紙面に直交する平面）よりもシリンダヘッド出口２４側へ延設されている。これにより、排気集合部２３ｂの上流部が二つに分割されている。なお、図４中に網掛けで示した部分は、仕切壁３Ｂのうち第一壁部３Ａ及び第二壁部３Ｃの最も排気下流側に位置する端部３ｄ，３ｆの頂点同士を繋いだ平面よりもシリンダヘッド出口２４側に突出した先端側の部位であり、以下この部位を突出部３ｐという。

仕切壁３Ｂは、少なくとも第二排気ポートの流路中心線（図４中に一点鎖線で示す）をそれぞれ延長した交点Ｑまで延設されている。排気ポート２３ａの流路中心線とは、例えば第一気筒では、第一気筒に接続された二つの排気ポート２３ａが統合されて一本になった部分から、隣接する内側のシリンダ２（すなわち第二気筒）に接続される排気ポート２３ａと合流する部分（合流部）までの排気流路の中心線を意味する。なお、上記の合流部の境界面とは、例えば一側では、第一壁部３Ａの先端部３ｄから第一気筒に繋がる排気ポート２３ａの最も外側に位置する内壁までの距離が最短の位置における断面とする。

これにより、第一気筒から排出された排気は、排気ポート２３ａを通過して仕切壁３Ｂの突出部３ｐに当たり、仕切壁３Ｂの側面に沿ってシリンダヘッド出口２４から排出される。同様に、第四気筒から排出された排気も、排気ポート２３ａを通過して仕切壁３Ｂの突出部３ｐに当たり、仕切壁３Ｂの側面に沿ってシリンダヘッド出口２４から排出される。つまり、仕切壁３Ｂに突出部３ｐを設けることで、排気が仕切壁３Ｂに当たって他気筒の排気ポート２３ａに流れ込まないようになっている。なお、第二気筒又は第三気筒から排出された排気は、各排気ポート２３ａを通過して仕切壁３Ｂに沿ってシリンダヘッド出口２４側へ流れて排出されるため、仕切壁３Ｂがガイドとして機能する。

このように、仕切壁３Ｂは高温の排気の影響を受けて昇温されやすく、特に突出部３ｐは全てのシリンダ２から排出された排気が当たるためより昇温されやすい。また、集合排気ポート２３における第一壁部３Ａ，第三壁部３Ｃの各先端部３ｄ，３ｆの近傍（上記の股部１６）は、それぞれ第一排気ポートから排出される排気と第二排気ポートから排出される排気とが共に通過する部分であるため、この部分も昇温されやすい。これらの昇温されやすい部分は、ウォータジャケット３０によって積極的に水冷される。なお、上記の股部１６は、フロント側，リア側の各々二つのシリンダ２に接続される排気ポート２３ａの最初の合流点にも対応する。

さらにここでは、集合排気ポート２３は、第二排気ポートの最も外側に位置する内壁と仕切壁３Ｂの先端部３ｅとの距離が最短の位置における通路面積Ｓｄ（上記の大通路２３Ｃの下流端の断面積S₃に対応）が、各シリンダ２の燃焼室に接続される二つの排気ポート２３ａの排気上流端の通路面積Ｓｕ（上記の一対の小通路２３Ａの総断面積2S₁に対応）と同一に形成される。

前者の通路面積Ｓｄは、集合排気ポート２３の排気集合部２３ｂにおける二つに分割された上流部と一つに集合された下流部との境界部の断面積に対応し、図４中の先端部３ｅと各点Ｐとを結んだ破線に沿って紙面に直交する各断面の面積（すなわち、片方の断面積）である。この通路面積Ｓｄは、排気集合部２３ｂのうち最も断面積の小さい（排気流路が最も狭い）部分の断面積である。後者の通路面積Ｓｕは、二つの排気バルブ孔２１の面積の和に対応する。

言い換えると、仕切壁３Ｂは、上記の二つの通路面積Ｓｄ，通路面積Ｓｕが同一になるように、先端部３ｅの位置が設定される。なおここでは、仕切壁３Ｂの先端部３ｅが、二つの第二排気ポートの流路中心線の交点Ｑと一致している。これにより、シリンダ２から排出される排気の流速の低下が抑制され、排気集合部２３ｂを通過する際の排気の圧力損失が防止される。

図５は、図４と同様に、シリンダヘッド１を上方から透視して、実際にはシリンダヘッド１に形成された中空部であるシリンダヘッド１内のウォータジャケット３０を集合排気ポート２３と重ねて示したものである。図５では、ウォータジャケット３０のうち、集合排気ポート２３よりも上方に位置するメインウォータジャケット３１及びアッパウォータジャケット３２の外形を破線で示し、冷却水が流通する空間をドットで表現している。

図３及び図５に示すように、アッパウォータジャケット３２は、シリンダヘッド１の張出部２５の内部に張出部２５の形状に沿って弓形に形成される。アッパウォータジャケット３２は、図５中に矢印で示すように、二つの第一排気ポートを主に冷却する内側ルートと、二つの第二排気ポートを主に冷却する外側ルートとの二系統に流れが分割されている。これら内側ルートと外側ルートとは、三つの連通部３２ａ，３２ｂ，３２ｃで連通される。

フロント側の連通部３２ａ及びリア側の連通部３２ｃは、集合排気ポート２３の二つの股部１６の上方に設けられ、これにより股部１６周辺が水冷される。また、中央の連通部３２ｂは、両側の連通部３２ａ，３２ｃよりも幅広に形成され、仕切壁３Ｂの突出部３ｐの上面を覆うように設けられる。つまり、仕切壁３Ｂの突出部３ｐの上面には、アッパウォータジャケット３２の外側ルートと中央の連通部３２ｂとが設けられる。

ロアウォータジャケット３３は、図５には図示していないが、アッパウォータジャケット３２と同様に、張出部２５の内部に張出部２５の形状に沿って弓形に形成される。そして、二つの第一排気ポートを主に冷却する内側ルートと、二つの第二排気ポートを主に冷却する外側ルートとの二系統に流れが分割されている。さらに、仕切壁３Ｂの突出部３ｐの基端側の下面を覆うように設けられる中央の連通部と、集合排気ポート２３の二つの股部１６の下方に設けられるフロント側の連通部及びリア側の連通部とを有する。つまり、仕切壁３Ｂの先端部３ｅを含む突出部３ｐの下面には、ロアウォータジャケット３３の外側ルートと中央の連通部とが設けられる。

したがって、図３に示すように、仕切壁３Ｂの突出部３ｐの上面及び下面には、ウォータジャケット３２，３３が設けられる。これにより、仕切壁３Ｂの先端部３ｅを含む突出部３ｐは上下から水冷される。

［２．効果］
上記のシリンダヘッド構造では、二つの第一排気ポートの間の仕切壁３Ｂのうち少なくとも先端部３ｅは、上面及び下面に設けられるウォータジャケット３２，３３により上下から水冷される。先端部３ｅは、全てのシリンダ２から排出される排気が当たり、常に排気に晒されるため、仕切壁３Ｂのなかでも特に昇温されやすい部位である。本シリンダヘッド構造では、この先端部３ｅを上下から水冷することでこの部位の温度を下げることができ、高温になりやすい排気集合部２３ｂやシリンダヘッド出口２４近傍を冷却することができる。さらに、先端部３ｅの温度を下げることで、先端部３ｅに接触して流れる排気の温度を下げることもできる。

また、仕切壁３Ｂは、少なくとも二つの第二排気ポートの流路中心線をそれぞれ延長した交点Ｑまで延設されるため、両端の第二排気ポートから排出された排気を仕切壁３Ｂに当てて、排気集合部２３ｂの排気下流端側（シリンダヘッド出口２４側）へ導くことができる。つまり、一側のシリンダ２から排出された排気が他側のシリンダ２に接続される排気ポート２３ａへ流れ込むことを防ぐことができ、排気干渉を防ぐことができる。これにより、排気集合部２３ｂにおける排気の滞りが抑制され、スムーズに排気が排出されることで、排気集合部２３ｂの温度上昇を抑制することもできる。
このように、本シリンダヘッド構造によれば、シリンダヘッド１の排気集合部２３ｂの冷却性の向上と排気干渉の防止とを両立することができる。

上記のシリンダヘッド構造では、集合排気ポート２３は、第二排気ポートの最も外側に位置する内壁と仕切壁３Ｂの先端部３ｅとの距離が最短の位置における通路面積Ｓｄ（上記の大通路２３Ｃの下流端の断面積S₃に対応）が、各シリンダ２に接続される二つの排気ポート２３ａの排気上流端の通路面積Ｓｕ（上記の一対の小通路２３Ａの総断面積2S₁に対応）と同一に形成される。これにより、各シリンダ２から排出された排気の流速の低下を抑制することができ、よりスムーズに排気を排出することができるとともに、排気集合部２３ｂを通過する排気の圧力損失を防ぐことができる。

また、上記のシリンダヘッド構造では、仕切壁３Ｂのうち少なくとも、第一壁部３Ａ及び第二壁部３Ｃの端部３ｄ，３ｆの頂点同士を繋いだ平面よりもシリンダヘッド出口２４側へ延設された突出部３ｐの上下にウォータジャケット３２，３３が配置される。突出部３ｐも、全てのシリンダ２から排出される排気が当たり、常に排気に晒されるため、仕切壁３Ｂのなかでも特に昇温されやすい部位である。本シリンダヘッド構造では、この突出部３ｐを上下から水冷することでこの部位の温度を下げることができ、高温になりやすい排気集合部２３ｂやシリンダヘッド出口２４近傍を冷却することができる。さらに、突出部３ｐの温度を下げることで、突出部３ｐに接触して流れる排気の温度を下げることもできる。

また、上記のシリンダヘッド構造では、アッパウォータジャケット３２及びロアウォータジャケット３３が、それぞれ内側ルートと外側ルートの二系統に流れが分割されている。これにより、流路断面積を小さく形成することができるため、ウォータジャケット３２，３３内を流れる冷却水の流速を上げることができ、冷却効率を高めることができる。

さらに、アッパウォータジャケット３２及びロアウォータジャケット３３は、内側ルートと外側ルートとを連通する連通部３２ａ，３２ｂ，３２ｃを有する。これらのうち、フロント側の連通部３２ａ及びリア側の連通部３２ｃは、集合排気ポート２３の二つの股部の上方及び下方にそれぞれ設けられるため、昇温されやすい股部を効率よく冷却することができる。

また、上記のシリンダヘッド構造では、集合排気ポート２３は、仕切壁３Ｂのシリンダ列方向Ｌに直交する平面を中心に面対称であるため、シリンダヘッド構造を簡素化することができ、製造コストを削減することができる。
また、集合排気ポート２３は、一つのシリンダ２に対して二つの排気ポート２３ａが接続されるため、一つの排気ポート２３ａの断面積を小さくすることができ、シリンダ２から排出された時点での排気の流速を高めることができる。

［３．その他］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上記実施形態では、仕切壁３Ｂの先端部３ｅが、両端の二つのシリンダ２に接続される排気ポート２３ａの流路中心線をそれぞれ延長した交点Ｑと一致して設けられているが、先端部３ｅの位置は交点Ｑと一致していなくてもよく、交点Ｑよりも排気下流側に延設されていてもよい。
また、上記実施形態では、通路面積Ｓｄと通路面積Ｓｕとが同一になるように仕切壁３Ｂの先端部３ｅの位置が設定されているが、これらの通路面積Ｓｄ，Ｓｕは同一でなくもよい。

また、ウォータジャケット３０の形状は一例であって、上記したものに限られない。例えば、アッパウォータジャケット３２及びロアウォータジャケット３３が、内側ルートと外側ルートとを連通する連通部を四箇所以上有していてもよいし、あるいは二系統に分割されていなくてもよい。少なくとも、仕切壁３Ｂの先端部３ｅの上下にウォータジャケットが配置されていればよい。

上記実施形態では、集合排気ポート２３が、仕切壁３Ｂのシリンダ列方向Ｌに直交する平面を中心に面対称に形成されているが、集合排気ポート２３の形状はこれに限られない。例えば、第一壁部３Ａの形状と第二壁部３Ｃの形状とが異なっていてもよいし、シリンダヘッド出口２４の位置が左右何れかにシフトしたような形状であってもよい。また、一つのシリンダ２に吸気バルブ孔１１及び排気バルブ孔２１が一つずつ設けられたエンジンであってもよいし、燃焼室の形状も上記したものに限られない。

１ シリンダヘッド
２ シリンダ
３Ａ 第一壁部（壁部）
３Ｂ 仕切壁
３ｐ 突出部（先端側の部位）
３Ｃ 第二壁部（壁部）
２１ 排気バルブ孔
２３ 集合排気ポート
２３ａ 排気ポート
２３ｂ 排気集合部
２４ シリンダヘッド出口
３０ ウォータジャケット
３１ メインウォータジャケット
３２ アッパウォータジャケット
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 連通部
３３ ロアウォータジャケット

Claims (5)

1. 直列に配置される四つの気筒のうちの内側の二つの燃焼室に繋がる二つの第一排気ポートと、
   前記四つの気筒のうちの外側の二つの燃焼室に繋がる二つの第二排気ポートと、
   前記二つの第一排気ポートと前記二つの第二排気ポートとを一つに集合する排気集合部と、
   前記排気集合部を上下に挟み合う位置でそれぞれ直列方向に冷却水を流通させるウォータジャケットと、
   前記二つの第一排気ポート間に配置され、前記排気集合部の出口方向に延設された仕切壁と、を備え、
   前記仕切壁は、少なくとも前記二つの第二排気ポートの流路中心線をそれぞれ延長した交点まで延設され、
   前記ウォータジャケットは、前記仕切壁のうち少なくとも先端部の上下に配置され、前記排気集合部の上下において、前記二つの第一排気ポートを冷却する内側ルートと、前記二つの第二排気ポートを冷却する外側ルートとの二系統にそれぞれ流れが分割されるとともに、
   前記ウォータジャケットは、前記内側ルートと前記外側ルートとを連通する連通部を複数有し、
   前記連通部は、一側及び他側において前記第一排気ポートと前記第二排気ポートとの最初の合流点である股部の上下にそれぞれ設けられる
   ことを特徴とする、シリンダヘッド構造。
2. 前記二つの第二排気ポートの最も外側に位置する内壁と前記仕切壁の先端部との距離が最短の位置における通路面積が、前記燃焼室に繋がる前記第一排気ポート及び前記第二排気ポートの通路面積と同一に形成される
   ことを特徴とする、請求項１記載のシリンダヘッド構造。
3. 一側に配置され、前記一側の前記第一排気ポートと前記一側の前記第二排気ポートとの間を隔離する第一の隔壁と、
   他側に配置され、前記他側の前記第一排気ポートと前記他側の前記第二排気ポートとの間を隔離する第二の隔壁と、を備え、
   前記ウォータジャケットは、前記仕切壁のうち少なくとも前記第一の隔壁及び前記第二の隔壁の各端部の頂点同士を繋いだ平面よりも先端側に配置される
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のシリンダヘッド構造。
4. 前記二つの第一排気ポートと前記二つの第二排気ポートと前記排気集合部とを有する集合排気ポートは、前記仕切壁の前記直列方向に直交する平面を中心に面対称に形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のシリンダヘッド構造。
5. 一つの前記気筒に対して二つの前記排気ポートが接続される
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のシリンダヘッド構造。

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