JP6252258B2 - 内燃機関の吸気ポート構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気ポート構造に関し、特に、断熱構造を備えた内燃機関の吸気ポート構造に関するものである。

従来から内燃機関に吸入される空気の温度上昇を抑制するため、吸気ポートに断熱構造を設けることが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１には、シリンダヘッドの吸気ポートを構成する孔に挿入されると共に吸気マニホールドに接続されて、環状の空気層を形成するスリーブ部材を備える吸気ポート構造が開示されている。スリーブ部材は、筒状であり、吸気マニホールドから少なくとも吸気ポートの分岐部分まで延設されている。スリーブ部材は、シリンダヘッドよりも小さい熱伝導率の材質によって形成されている。

特開２００８−１４４７４０号公報

ところで、上記従来例では、スリーブ部材の一端をシリンダヘッドに設けた段付き面に当接させ、その他端を吸気マニホールドのフランジに当接させて配置されている。このため、シリンダヘッドからの熱による変形やスリーブ部材自体の寸法のバラツキに起因して、上記当接部分に隙間が発生する場合がある。このような場合には、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが当該隙間を経由して環状の空気層に入り込み、スリーブ部材による断熱効果を低下させる虞があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、空気層による断熱効果の確保に好適な内燃機関の吸気ポート構造を提供することを目的とする。

本発明は、吸気マニホールドに対する連結端面から所定の深さで形成したスリーブ挿入孔と、当該スリーブ挿入孔の内底面に設けた開口と燃焼室に開口する吸気弁口とを接続する吸気通路と、を備えたシリンダヘッドと、シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い材質により形成され、スリーブ挿入孔に環状空間を空けて挿入される筒状のスリーブ部と、当該スリーブ部の一方の端部に設けられてシリンダヘッドの吸気マニホールドに対する連結端面に当接させて固定されるフランジ部と、から構成され、内部に吸気マニホールド内の吸気通路とシリンダヘッドの吸気通路とを接続する吸気通路を備えるスリーブ部材と、から構成された内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する吸気ポート構造である。そして、スリーブ部材は、吸気下流側ほど幅寸法が大きくなる一方、スリーブ挿入孔の寸法は一定であり、スリーブ挿入孔とスリーブ部材との間に介在する幅方向の隙間は吸気マニホールド側ほど大きくなっており、スリーブ部材のフランジ部とシリンダヘッドの吸気マニホールドへの連結端面との間に、空気の流通を遮断する遮断手段を設けたことを特徴とする。

したがって、本発明では、スリーブ挿入孔とスリーブ部材のスリーブ部との間の環状空間は、スリーブ部材のフランジ部とシリンダヘッドの吸気マニホールドへの連結端面との間に設けた遮断部材により、空気の流通が遮断されている。このため、環状空間への吸気の出入りを抑制でき、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが環状空間に入り込み、スリーブ部材による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

本発明の一実施形態を示す吸気ポート構造を示す概略構成図である。 同じく吸気ポート構造の要部を示す拡大断面図である。 スリーブ部材の平面図である。 スリーブ部材の側面より見た断面図である。 本発明の第２実施形態の吸気ポート構造におけるスリーブ部材の平面図である。 本発明の第２実施形態の吸気ポート構造におけるスリーブ部材の側面より見た断面図である。 シール材の変形例を示す説明図である。

以下、本発明の内燃機関の吸気ポート構造を実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の吸気ポート構造を示す図である。図１において、シリンダヘッド１１は、吸気マニホールド１５を通してエンジンの各気筒への吸気を行うための吸気通路１２と、図示しない排気マニホールドを通してエンジンの各気筒からの排気を行うための排気通路１３とを有している。このシリンダヘッド１１は、図示していないエンジンのシリンダブロックの上部に締結固定されている。なお、詳細は図示していないが、本実施形態におけるエンジンは、自動車に搭載される多気筒内燃機関で、公知のものと同様に、その各気筒にはピストンで仕切られた燃焼室が形成され、吸気弁と排気弁が所定のタイミングで開弁するよう装備されるとともに、燃焼室内に露出するよう点火プラグが配置されている。また、吸気マニホールド１５により形成される吸気通路１２の上流側にはスロットルバルブが設けられ、この吸気通路１２から各気筒の燃焼室までの間に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）が設けられている。なお、燃料は例えばガソリンであるが、エタノールやガス燃料であってもよい。

シリンダヘッド１１の吸気通路１２は、吸気マニホールド１５のフランジ部１５ａが連結されるシリンダヘッド１１の連結端面１１ａに開口するとともに後述するように二叉に分岐して燃焼室側の２つの吸気弁口１１ｂに連通する通路となっている。そして、シリンダヘッド１１の連結端面１１ａから一定の距離Ｌの範囲内となる吸気通路１２の上流側及び中間の部分は、以下に説明する吸気ポート構造となっている。

シリンダヘッド１１には、連結端面１１ａから一定深さ（距離Ｌ）の範囲において、吸気マニホールド１５の吸気通路１２ａより大径となり、後述するように、部分的に吸気通路１２ｂ，１２ｃを形成するスリーブ部材１４を収容する、スリーブ挿入孔１１ｃが形成されている。スリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄには、燃焼室側の２つの吸気弁口１１ｂに夫々連通する２つの吸気通路１２ｄが開口している。即ち、吸気通路１２は、吸気マニホールド１５の吸気通路１２ａと、スリーブ部材１４の吸気通路１２ｂ，１２ｃと、シリンダヘッド１１の吸気通路１２ｄとで形成されている。以下では、吸気通路を総称する場合には「吸気通路１２」とし、個別の吸気通路を示す場合には「吸気通路１２ａ〜１２ｄ」とする。なお、図示例では、これら２つの吸気通路１２ｄの開口部は、その周縁がテーパにより面取りしているが、面取りすることなく２つの吸気通路１２ｄを開口させるものであってもよい。

スリーブ挿入孔１１ｃには、シリンダヘッド１１よりも熱伝導率の低い材質、例えば樹脂によって形成されたスリーブ部材１４が挿入される。スリーブ部材１４は、距離Ｌと同一の長さを有する筒状のスリーブ部２１と、スリーブ部２１の一方の端部に設けられたフランジ部２２とから構成されている。スリーブ部材１４は、そのスリーブ部２１がシリンダヘッド１１の連結端面１１ａからスリーブ挿入孔１１ｃ内に挿入され、そのフランジ部２２がシリンダヘッド１１の連結端面１１ａと吸気マニホールド１５のフランジ部１５ａとに挟まれて固定されている（図２参照）。吸気マニホールド１５のフランジ部１５ａの、スリーブ部材１４のフランジ部２２に対する合せ面には、図２に拡大して示すように、環状溝が形成され、当該環状溝にはガス漏れ防止のガスケット１５ｂが挿入されている。

図３は、図１中の矢印Ａで示す方向から見たスリーブ部材１４の平面図であり、図４は、図３の矢印Ｂで示す方向から見たスリーブ部材１４の断面図である。スリーブ部２１は、吸気マニホールド１５側では１つの筒状部材であるが、エッジ部分２３を境として２つの筒状部材となるように形成されている。このため、スリーブ部２１は、図３に示すように、シリンダヘッド１１の吸気通路１２ｄに近づくにつれて幅寸法が大きくなっている。スリーブ部材１４には、吸気マニホールド１５の吸気通路１２ａと連通する１つのポート（吸気通路１２ｂ）が設けられ、このポートはエッジ部分２３を境として２つのポート（吸気通路１２ｃ）に分岐され、夫々のポートはシリンダヘッド１１の２つの吸気通路１２ｄと接続されている。即ち、これらのポートは、吸気マニホールド１５の吸気通路１２ａをシリンダヘッド１１の２つの吸気通路１２ｄへ連通させる吸気通路１２ｂ，１２ｃを構成している。

スリーブ部２１は、前述したように、シリンダヘッド１１の吸気通路１２ｄに近づくにつれて幅寸法が大きくなっている。一方、スリーブ挿入孔１１ｃの幅寸法はほぼ一定であるため、スリーブ挿入孔１１ｃとスリーブ部材１４との間に介在する幅方向の隙間は、吸気マニホールド１５側で大きく、シリンダヘッド１１の吸気通路１２ｄ側で小さくなる。

また、スリーブ部２１の外周には、その長手方向中央領域において、他の部分に比べて厚みを相対的に厚くして半径方向に***させた環状の突出部２４を備える。環状の突出部２４は、その外周面をスリーブ挿入孔１１ｃの内周面に嵌合させることにより、スリーブ部２１をスリーブ挿入孔１１ｃ内で振動させることなく支持するようにしている。また、環状の突出部２４は、半径方向に***させた構成であるため、スリーブ挿入孔１１ｃとスリーブ部２１との間に、環状空間２５を形成する。これらの環状空間２５は吸気通路１２の周囲に突出部２４の高さに対応する厚さで形成された空気層を構成している。空気層は、運転中高温となるシリンダヘッド１１からスリーブ部材１４への伝熱量を抑えて、吸入効率を高めるのに寄与し得る。

また、フランジ部２２におけるシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの合せ面には環状溝が形成され、当該環状溝にはガスケット２６が挿入されている。即ち、フランジ部２２とシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの間のガスケット２６により、スリーブ部２１の外周を取り囲む環状空間２５の一端は密閉状態としている。また、シリンダヘッド１１からの熱による変形やスリーブ部材１４自体の寸法のバラツキに起因して、上記合せ面間に隙間が発生しても、ガスケット２６により密閉状態を維持することができる。このため、スリーブ部２１の環状空間２５の他端が吸気通路１２ｃ，１２ｄ内と連通していても、当該連通する部分を介して環状空間２５への吸気の出入りを抑制することができる。

以上の構成の内燃機関の吸気ポート構造によれば、吸気通路１２ｂ，１２ｃを構成するスリーブ部２１とシリンダヘッド１１（スリーブ挿入孔１１ｃ）とは、突出部２４による部分的な接触のみであるため、スリーブ部２１の外周を取り囲む環状空間（空気層）２５が極めて断熱効果の高い断熱層として機能する。また、スリーブ部材１４それ自体もシリンダヘッド１１よりも熱伝導率の低い材質からなるので、スリーブ部２１の外周面から内周面側への熱の伝導は抑制されている。したがって、本実施形態の吸気ポート構造によれば、シリンダヘッド１１から吸気通路１２ｂ，１２ｃ内への伝熱を効果的に抑制することができ、吸気温の上昇を抑えることができる。

しかも、本実施形態の吸気ポート構造によれば、スリーブ部２１の外周を取り囲む環状空間２５の一端は、フランジ部２２とシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの間のガスケット２６により密閉状態としている。即ち、環状空間２５の一端がガスケット２６により密閉されているため、スリーブ部２１の環状空間２５の他端が吸気通路１２内と連通していても、当該連通する部分を介しての吸気の出入りを抑制できる。このため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが当該連通する部分を経由して環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

さらに、本実施形態の吸気ポート構造によれば、断熱材からなるフランジ部２２をシリンダヘッド１１の連結端面１１ａと吸気マニホールド１５とにより挟み込むことで、スリーブ部材１４を確実にシリンダヘッド１１に固定しつつ、シリンダヘッド１１から吸気マニホールド１５への熱の伝導も抑制することができる。

また、本実施形態の吸気ポート構造によれば、スリーブ部２１の外周の環状空間２５は密閉空間ではなく、スリーブ部２１の先端とスリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄとの間の隙間によって吸気通路１２に連通している。このため、環状空間２５内の温度が変化して空気が膨張／収縮した場合であっても、環状空間２５の容積は一定に保たれる。つまり、環状空間２５内の空気の膨張／収縮によってシリンダヘッド１１やスリーブ部材１４に破損や変形が生じることは防止されている。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する吸気ポート構造は、吸気マニホールド１５に対する連結端面１１ａから所定の深さＬで形成したスリーブ挿入孔１１ｃと、当該スリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄに設けた開口と燃焼室に開口する吸気弁口１１ｂとを接続する吸気通路１２ｄと、を備えたシリンダヘッド１１と、シリンダヘッド１１よりも熱伝導率の低い材質により形成され、スリーブ挿入孔１１ｃに環状空間２５を空けて挿入される筒状のスリーブ部２１と、当該スリーブ部２１の一方の端部に設けられてシリンダヘッド１１の吸気マニホールド１５に対する連結端面１１ａに当接させて固定されるフランジ部２２と、から構成され、内部に吸気マニホールド１５内の吸気通路１２ａとシリンダヘッド１１の吸気通路１２ｄとを接続する吸気通路１２ｂ，１２ｃを備えるスリーブ部材１４と、から構成される。そして、スリーブ部材１４のスリーブ部２１とスリーブ挿入孔１１ｃとの間及びスリーブ部材１４のフランジ部２２とシリンダヘッド１１の吸気マニホールド１５への連結端面１１ａとの間の少なくとも一方に、空気の流通を遮断する遮断部材としてのガスケット２６を設けたことを特徴とする。即ち、スリーブ挿入孔１１ｃとスリーブ部材１４のスリーブ部２１との間の環状空間２５は、スリーブ部材１４のフランジ部２２とシリンダヘッド１１の吸気マニホールド１５への連結端面１１ａとの間に設けた遮断部材としてのガスケット２６により、空気の流通が遮断されている。このため、環状空間２５への吸気の出入りを抑制でき、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

（イ）本実施形態では、遮断部材として、スリーブ部材１４のフランジ部２２とシリンダヘッド１１の吸気マニホールド１５への連結端面１１ａとの間に配置されたガスケット２６で形成している。即ち、環状空間２５の一端がガスケット２６により密閉されているため、スリーブ部２１の環状空間２５の他端が吸気通路１２内と連通していても、当該連通する部分を介しての吸気の出入りを抑制できる。このため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが当該連通する部分を経由して環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

（第２実施形態）
図５及び図６は、本発明を適用した吸気ポート構造の第２実施形態を示し、図５はスリーブ部材の平面図であり、図６は図５の矢印Ｂで示す方向から見たスリーブ部材の断面図である。本実施形態においては、スリーブ部材１４のスリーブ部２１とスリーブ挿入孔１１ｃの内底面側との間に吸気の流通を阻止する遮断部材を設ける構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図５，６において、本実施形態の吸気ポート構造では、スリーブ部材１４におけるスリーブ部２１のフランジ部２２から遠い先端部の外周に、軟質な弾性体からなる環状のシール材２７を嵌め込むようにしている。環状のシール材２７としては、例えば、耐熱ゴム等により形成する。そして、シール材２７のスリーブ部２１に嵌め込む内周面に耐熱性の接着剤を塗布して、スリーブ部材１４の先端部に嵌め込み、接着によりスリーブ部材１４に固定するようにする。

なお、シール材２７はスリーブ部２１の先端外周に固定できればよく、他の固定方法により取付けてもよい。また、図７に示すように、スリーブ部材１４の先端に半径方向からフランジ部２２に向かって斜めに延びる延長部２７ａを一体的に設け、この延長部２７ａをスリーブ部２１とは材質が異なる軟質材料で形成するようにしてもよい。

このスリーブ部材１４をスリーブ挿入孔１１ｃに挿入して固定すると、シール材２７はスリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄに隣接する内壁面に弾接して、スリーブ部２１外周の環状空間２５と吸気通路１２との連通を遮断する。即ち、環状空間２５と吸気通路１２との連通をシール材２７により遮断するため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

また、環状空間２５と吸気通路１２との連通がシール材２７により遮断するため、第１実施形態におけるフランジ部２２とシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの間に配置されているガスケット２６を省略することができる。この場合には、環状空間２５内の温度が変化して空気が膨張／収縮した場合であっても、フランジ部２２とシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの間の隙間を介して外気と連通させることができ、環状空間２５の容積は一定に保たれる。つまり、環状空間２５内の空気の膨張／収縮によってシリンダヘッド１１やスリーブ部材１４に破損や変形が生じることを防止できる。

また、本実施形態では、シール材２７をスリーブ部２１の先端側に設けるものであるため、スリーブ部２１は先端側でシール材２７により、また基端側でフランジ部２２により、夫々支持される、所謂両端支持構造となる。このため、スリーブ部材１４の振動を抑制することができ、強度の確保と振動騒音の発生をより一層抑制することができる。

なお、遮断部材として、スリーブ部材１４のスリーブ部２１とスリーブ挿入孔１１ｃとの間に挿入されたシール材２７で形成しているものについて説明した。しかし、遮断部材として、シール材２７と、フランジ部２２とシリンダヘッド１１の連結端面１１ａとの間に配置されているガスケット２６とを併用するようにしてもよい。この場合には、環状空間２５はシール材２７とガスケット２６との両端で密閉されることとなるため、環状空間２５は吸気通路１２及び外気と完全に遮断された密閉空間となる。このため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスや外気の環状空間への入り込みを確実に防止でき、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることをより一層抑制することができる。この場合には、環状空間２５内の温度が変化して空気が膨張／収縮することに伴ってスリーブ部２１が変形や破損しないように、スリーブ部２１の機械的な強度を高めることは必要である。

また、上記実施形態では、シール材２７をスリーブ部２１の先端側に設けるものについて説明したが、シール材２７をスリーブ部２１の中央領域の外周に設けるものであってもよい。しかしながら、シール材２７をスリーブ部２１の中央領域に設ける場合には、スリーブ部２１が筒状部品であるため、その外径形状精度にバラツキを生じやすく、そこに取付けられるシール材２７の形状精度も低下するため、シール材２７による遮断機能が低下する虞がある。これに対して、シール材２７をスリーブ部２１の先端側に設ける場合には、スリーブ部２１の先端側は、２つの筒状部材を合体させた形状となっている。このため、その外径形状精度にバラツキを生じ難く、そこに取付けられるシール材２７の形状精度も向上でき、シール材２７による遮断機能を向上させることができる。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（ウ）遮断部材として、スリーブ部材１４のスリーブ部２１とスリーブ挿入孔１１ｃとの間に挿入されたシール材２７で形成している。このため、シール材２７はスリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄに隣接する内壁面に弾接して、スリーブ部２１外周の環状空間２５と吸気通路１２との吸気の出入りを抑制できる。即ち、環状空間２５と吸気通路１２との連通をシール材２７により抑制するため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。

（エ）シール材２７は、フランジ部２２から離れたスリーブ部２１の先端側に配置されている。このため、シール材２７はスリーブ挿入孔１１ｃの内底面１１ｄに隣接する内壁面に弾接して、スリーブ部２１外周の環状空間２５と吸気通路１２との連通を遮断する。即ち、環状空間２５と吸気通路１２との連通をシール材２７により遮断するため、燃焼室からの燃焼吹き返しガスが環状空間２５に入り込み、スリーブ部材１４による断熱効果を低下させることを抑制することができる。また、スリーブ部２１は先端側でシール材２７により、また基端側でフランジ部２２により、夫々支持される、所謂両端支持構造となる。このため、スリーブ部材１４の振動を抑制することができ、強度の確保と振動騒音の発生をより一層抑制することができる。

１１ シリンダヘッド
１１ａ 連結端面
１１ｂ 吸気弁口
１１ｃ スリーブ挿入孔
１１ｄ 内底面
１２，１２ａ，１２ｂ．１２ｃ，１２ｄ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ スリーブ部材
１５ 吸気マニホールド
２１ スリーブ部
２２ フランジ部
２５ 環状空間
２６ ガスケット（遮断部材、遮断手段）
２７ シール材（遮断部材、遮断手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室に吸入空気を導入する吸気ポート構造であって、
   吸気マニホールドに対する連結端面から所定の深さで形成したスリーブ挿入孔と、当該スリーブ挿入孔の内底面に設けた開口と燃焼室に開口する吸気弁口とを接続する吸気通路と、を備えたシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い材質により形成され、前記スリーブ挿入孔に環状空間を空けて挿入される筒状のスリーブ部と、当該スリーブ部の一方の端部に設けられて前記シリンダヘッドの吸気マニホールドに対する連結端面に当接させて固定されるフランジ部と、から構成され、内部に前記吸気マニホールド内の吸気通路と前記シリンダヘッドの吸気通路とを接続する吸気通路を備えるスリーブ部材と、から構成され、
   前記スリーブ部材は、吸気下流側ほど幅寸法が大きくなる一方、前記スリーブ挿入孔の寸法は一定であり、前記スリーブ挿入孔と前記スリーブ部材との間に介在する幅方向の隙間は前記吸気マニホールド側ほど大きくなっており、
   前記スリーブ部材のフランジ部と前記シリンダヘッドの吸気マニホールドへの連結端面との間に、空気の流通を遮断する遮断手段を設けたことを特徴とする内燃機関の吸気ポート構造。
2. 前記遮断手段は、前記スリーブ部材のフランジ部と前記シリンダヘッドの吸気マニホールドへの連結端面との間に配置されたガスケットであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
3. 前記スリーブ部材のスリーブ部と前記スリーブ挿入孔との間に空気の流通を遮断するシール材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の吸気ポート構造。
4. 前記シール材は、前記フランジ部から離れたスリーブ部の先端側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸気ポート構造。

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