(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気マニホールドとの接続部と燃焼室とを連通する吸気ポートと、
シリンダヘッドの母材よりも熱伝導率が低くかつ比熱が小さい樹脂材料で形成された筒状部材であって、前記吸気ポート内で前記吸気マニホールドとの接続部から前記燃焼室の方向に延びて吸気ポートとして機能する吸気インサートポートと、
を備える内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
所定の運転条件での運転中の、前記吸気インサートポートの前記燃焼室側端部の平均温度と、前記吸気インサートポートの前記燃焼室側端部位置における前記シリンダヘッドの母材の平均温度とが等しくなるように、前記吸気インサートポートの前記燃焼室側端部位置を設定した内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
前記所定の運転条件は、ノッキングが発生する運転条件である内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
前記所定の運転条件は、前記吸気インサートポートの前記燃焼室側端部の温度が最も高くなる運転条件である内燃機関のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の運転中に、シリンダヘッドは燃焼室や排気マニホールドからの熱伝播により温度上昇し、これに伴ってシリンダヘッドに設けられた吸気ポートの壁面温度も上昇する。そして、吸気ポートの壁面温度が上昇することによって、内部を流れる吸入空気の温度が上昇すると、ノッキングが発生し易くなる。【０００３】
そこで、吸気ポートに断熱機能を有する吸気インサートポートを挿入して吸気ポートの壁面と吸入空気との接触を防止し、吸入空気の温度上昇を抑制することがＪＰ２００８−１４４７４０Ａに記載されている。
【発明の概要】
【０００４】
吸気ポート壁面から吸入空気への熱の伝達を防止するという観点からは、吸気ポート壁面と吸入空気との接触面積ができるだけ少なくなるように、つまり、吸気マニホールド側端部から燃焼室の近くまで吸気インサートポートを挿入することが望ましいように思われる。しかし、吸気インサートポートの先端が燃焼室から吹き返す既燃ガスにより加熱されると、吸気インサートポートは熱伝導率が低いため熱が先端に溜まり、また、冷却水で冷却されているシリンダヘッドとの熱交換もできない。これに対し、吸気インサートポートを挿入しない場合は、既燃ガスから受けた熱はシリンダヘッド全体へと逃げることができ、シリンダヘッドは冷却水により冷却されるため、吸気ポート壁面の温度上昇は抑制される。すなわち、吸気インサートポートを燃焼室の近くまで挿入すると、吸気インサートポートの先端温度がシリンダヘッドの母材温度より高くなり、吸入空気の温度上昇を抑制する効果が得られなくなるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、吸入空気の温度上昇を抑制する効果が得られる吸気ポートを備え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。
【０００６】
本発明のある態様によれば、吸気マニホールドとの接続部と燃焼室とを連通する吸気ポートと、シリンダヘッドの母材よりも熱伝導率が低くかつ比熱が小さい材料で形成された筒状部材であって、吸気ポート内で吸気マニホールドとの接続部から燃焼室方向に延びて吸気ポートとして機能する吸気インサートポートと、を備える内燃機関のシリンダヘッドが提供される。
【０００７】
このシリンダヘッドは、所定の運転条件での運転時に、吸気インサートポートの燃焼室側端部の温度と、吸気インサートポートの燃焼室側端部位置におけるシリンダヘッドの母材温度とが等しい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッド１の断面図である。
【図２】図２は、吸気ポート内での燃焼室側の開口部からの距離と吸気ポート壁面温度との関係を示す図である。
【図３】図３は、吸気インサートポート挿入によりポート内平均温度が低下する効果を示す図である。
【図４】図４は、吸気インサートポート挿入により充填効率が向上する効果を示す図である。
【図５】図５は、吸気インサートポート挿入によるトルク向上効果を示す図である。
【図６】図６は、吸気インサートポート挿入による出力向上効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッド１の断面図である。本実施形態では、シリンダヘッド１の母材をアルミニウム合金とするが、これに限られるわけではなく、他の合金等であっても構わない。
【００１１】
シリンダヘッド１の図中下側の面（以下、単に「下面」という）には、凹状の燃焼室９が設けられている。シリンダヘッド１の内部には、一端が燃焼室９に開口し、他端がシリンダヘッド１の側面（以下、シリンダヘッド側面ともいう）に開口する吸気ポート３及び排気ポート４が形成されている。吸気ポート３が開口するシリンダヘッド側面には、吸気ポート３と連通する吸気マニホールド２が接続されている。なお、排気ポート４が開口するシリンダヘッド側面には、排気ポート４と連通する排気マニホールドが接続されるが、図１では省略している。
【００１２】
一方、吸気ポート３及び排気ポート４の燃焼室９への開口部には、それぞれ吸気バルブ５、排気バルブ６が配置されている。
【００１３】
また、シリンダヘッド１の内部には、シリンダヘッド１を冷却するための冷却液通路８が形成されている。
【００１４】
吸気ポート３には、シリンダヘッド１の母材よりも熱伝導率が低くかつ比熱が小さい材料で形成された筒状の吸気インサートポート７が挿入されており、吸入空気は吸気インサートポート７の内周側を通過する。つまり、吸気インサートポート７は吸気ポート３に挿入された状態で、吸気ポート３として機能する。なお、吸気インサートポート７が挿入される範囲については後述する。
【００１５】
吸気インサートポート７の材料としては、樹脂又はセラミック等を用いることができるが、本実施形態では樹脂を用いる。なお、図１では省略しているが、吸気インサートポート７の外周と吸気ポート３の壁面との間には空気層が設けられている。
【００１６】
次に、吸気インサートポート７を挿入する目的、挿入する範囲について説明する。
【００１７】
機関運転中は、燃焼室９から熱が伝播することによってシリンダヘッド１の温度は上昇する。この温度上昇は冷却液通路８を流れる冷却液との熱交換によって抑制されるものの、シリンダヘッド１は吸入空気温度より高温になる。このため、吸入空気は吸気ポート３の壁面から熱を受けとって温度上昇し、充填効率の低下やノック特性の悪化を招くこととなる。そこで、吸気ポート３の壁面から吸入空気への熱の伝達を抑制するために、吸気インサートポート７を吸気ポート３に挿入する。
【００１８】
ところで、吸気ポート３の壁面から吸入空気への熱の伝達を抑制するという観点からは、吸気ポート３のできるだけ広い範囲が吸気インサートポート７で覆われることが望ましいようにも思われる。しかし、吸気インサートポート７で吸気ポート３の全域を覆うと、例えばバルブオーバーラップ期間を有するバルブタイミングで運転した場合に、吸気バルブ５の開弁時に燃焼室９から吹き返す既燃ガスによって、吸気インサートポート７が加熱される。吸気インサートポート７は熱伝導率が低いので、加熱された部分から他の部分へ熱が拡散しにくく、また、シリンダヘッド１との熱交換もできない。このため、燃焼室９の近くで既燃ガスに加熱された部分に熱が溜まり易く、既燃ガスが吹き返す度に温度上昇してしまう。吸気インサートポート７が温度上昇すれば、その内側を通過する吸入空気の温度も上昇してしまう。すなわち、吸気インサートポート７を燃焼室９の近くまで挿入すると、既燃ガスの吹き返しにより吸気インサートポート７の燃焼室９に近い部分がシリンダヘッド１の母材温度より高くなって、かえって吸入空気の温度上昇を招くおそれがある。
【００１９】
一方、吸気インサートポート７を挿入しない場合には、シリンダヘッド１の母材は熱の伝導性に優れるアルミニウム合金なので、既燃ガスにより吸気ポート３の一部が加熱されても、その熱はシリンダヘッド１の他の部位に拡散する。そして、シリンダヘッド１は燃焼室９からの熱により温度上昇しているが、冷却液により冷却されているので、既燃ガスによる加熱が繰り返し行われても、吸気ポート３の壁面温度の上限値は抑制される。
【００２０】
すなわち、吸気インサートポート７の挿入による吸入空気の温度上昇抑制効果が得られるのは、吸気インサートポート７の温度がシリンダヘッド１の母材温度より高くならない場合である。そこで、以下に説明するように、吸気インサートポート７を挿入する範囲を設定する。
【００２１】
図２は、吸気インサートポート７を挿入する場合と挿入しない場合の、燃焼室９側の開口部からの距離と、吸入空気に接触する壁面温度（以下、単に壁面温度ともいう）との関係を示す図であり、縦軸が壁面温度、横軸が燃焼室側開口部からの距離を示している。
【００２２】
なお、燃焼室側開口部からの距離は、吸気ポート３の軸線Ｃに沿う距離である。また、吸気インサートポート７を挿入する（吸気インサートポート有りともいう）場合の壁面温度とは、吸気インサートポート７の内周面の温度であり、挿入しない（吸気インサートポート無しともいう）場合の壁面温度とは、吸気ポート３を構成する部分の母材の温度である。
【００２３】
吸気インサートポート７無しの場合は、燃焼室側開口部が最も高温で、燃焼室側開口部からの距離が長くなるほど徐々に壁面温度は低くなる。
【００２４】
一方、吸気インサートポート７有りの場合も、燃焼室９に近くなるほど壁面温度は高くなっている。ただし、吸気マニホールド２側の開口部では吸気インサートポート７無しの場合に比べて低温だが、燃焼室９に近づくに連れて吸気インサートポート７無しの場合の壁面温度に近づき、燃焼室側開口部からの距離がＬ１より短くなると、吸気インサートポート７無しの場合よりも高温になる。燃焼室側開口部からの距離がＬ１より近い部分で吸気インサートポート７無しの場合より高温になるのは、上述した既燃ガスの吹き返しによる加熱によるものである。
【００２５】
そこで、吸気インサートポート７有りの場合と無しの場合の壁面温度が等しくなる距離Ｌ１の位置が、燃焼室９側の端部（以下、先端部ともいう）となるように、吸気インサートポート７を挿入する。つまり、距離Ｌ１から吸気マニホールド側開口部までの範囲を吸気インサートポート７で覆う。
【００２６】
これにより、距離Ｌ１未満の範囲については、吸気インサートポート７を挿入することでかえって吸入空気の温度が上昇してしまう事態を回避でき、距離Ｌ１以上の範囲については、吸気インサートポート７による吸入空気温度の上昇抑制効果が得られる。すなわち、吸気インサートポート７有りの場合は、燃焼室９に流入する吸入空気の温度が、吸気インサートポート７無しの場合に比べて低くなる。その結果、充填効率の向上やノック余裕度の向上等の効果が得られる。
【００２７】
ところで、既燃ガスの吹き返し量は、機関負荷、回転速度及びバルブタイミングといった運転条件に応じて変動し、吹き返し量に応じて吸気ポート３及び吸気インサートポート７の壁面温度も変化するので、距離Ｌ１も運転条件に応じて変動する。
【００２８】
そこで本実施形態では、吸気インサートポート７無しではノッキングが発生する運転条件における距離Ｌ１を、燃焼室側開口部から吸気インサートポート７の先端部までの距離とし、吸気インサートポート７を挿入することによってノッキング発生を回避する。
【００２９】
なお、吸気インサートポート７を挿入することによる吸入空気の温度上昇抑制効果、つまりノック余裕度の向上代は、吸気ポート３の流路断面積、長さ、形状、その他内燃機関の仕様により異なるので、「ノッキングが発生する運転条件」は適合により定める。
【００３０】
上記のように吸気インサートポート７の先端部の位置を設定した場合の効果について説明する。
【００３１】
図３は、吸気インサートポート７有りの場合及び吸気インサートポート７無しの場合についての、内燃機関の回転速度と吸気ポート３のポート内平均温度との関係を示す図である。縦軸がポート内平均温度、横軸が内燃機関の回転速度である。ポート内平均温度を用いるのは、燃焼室９に流入した吸入空気温度を測定することなく、吸気インサートポート７を挿入することによる吸入空気の温度上昇抑制効果を評価できるからである。
【００３２】
図３に示すように、吸気インサートポート７有りの場合は、吸気インサートポート７無しの場合に比べて、全回転速度領域でポート内平均温度が低くなっている。
【００３３】
図４は、吸気インサートポート７有りの場合及び吸気インサートポート７無しの場合についての、内燃機関の回転速度と充填効率との関係を示す図である。縦軸が充填効率、横軸が内燃機関の回転速度である。
【００３４】
吸気インサートポート７有りの場合は、吸気インサートポート７無しの場合に比べて、ほぼ全回転速領域で充填効率が向上している。具体的には、全回転速度領域で平均すると１．５％向上している。これは、吸気インサートポート７を挿入することで、吸入空気温度が全回転速度領域にわたって低下したためである。
【００３５】
また、充填効率が向上することで、機関出力も向上する。図５は内燃機関のトルク（クランクシャフトの軸トルク）と回転速度との関係を、図６は内燃機関の出力と回転速度との関係を、示す図である。いずれも、横軸は回転速度であり、縦軸はそれぞれトルク、出力である。
【００３６】
吸気インサートポート７を挿入することで、トルクが全回転速度領域で平均すると１．２％程度向上し、最高出力が１．１％程度向上している。
【００３７】
また、ポート内平均温度が低下することでノック余裕度が向上するので、点火時期を進角したり、圧縮比を高めたりすることもできる。これにより、トルクや出力をより向上させることができる。
【００３８】
以上のように本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００３９】
吸気インサートポート７は、シリンダヘッド１の母材より熱伝導率が低く、かつ比熱が小さい。そして、吸気インサートポート７無しではノッキングが発生する運転条件での運転時に、吸気インサートポート７の先端部の温度と、吸気インサートポート７の先端部位置における吸気ポート３の壁面温度、つまりシリンダヘッド１の母材温度とが等しい。これにより、燃焼室９から既燃ガスが吹き返す場合でも、吸気インサートポート７の温度がシリンダヘッド１の母材温度より高くなることを防止できるので、燃焼室９に流入する吸入空気の温度上昇が抑制され、充填効率やノック余裕度が向上する。
【００４０】
また、吸気ポート３の壁面と吸気インサートポート７との間に空気層を設けることで、吸気ポート３の壁面から吸気インサートポート７へ熱が伝わりにくくなり、吸気インサートポート７を挿入することによる吸入空気の温度上昇抑制効果がさらに向上する。ところで、熱伝導率を母材より低くしても、熱伝導率がゼロになるわけではなく、高温の排気に曝されることで時間の経過とともに温度が上昇してしまう。このため、吸気インサートポート７の熱容量が大きくなるほど、一度上がってしまった温度を下げる為の放熱量が大きくなり、吸気ポート３の温度を上げてしまう時間の方が長くなってしまう可能性がある。しかし本実施形態の吸気インサートポート７は、母材よりも熱伝導率が低いだけでなく、温度上昇してもすぐに放熱されるよう比熱を小さくしているので、上記のようにかえって吸気ポート３の温度を上げてしまうことを防止できる。
【００４１】
（第２実施形態）
本実施形態は、基本的なシリンダヘッド１の構成は第１実施形態と同様であるが、吸気インサートポート７の先端部の位置決め方法が第１実施形態とは異なる。
【００４２】
本実施形態では、吸気インサートポート７無しの状態で、吸気ポート３の壁面温度が最も高くなる運転条件で運転する場合の上記距離Ｌ１を、燃焼室側端部から吸気インサートポート７の先端部までの距離とする。
【００４３】
なお、吸気ポート３の壁面温度が最も高くなる運転条件とは、既燃ガスの吹き返し量が最大となる運転条件である。具体的には、低回転速度・低負荷領域であって、かつ、バルブオーバーラップ期間が変更可能範囲内で最大となるバルブタイミングである場合である。
【００４４】
吸気インサートポート７の先端部の燃焼室側端部からの距離を、吸気ポート３の壁面温度が最も高くなる運転条件における上記距離Ｌ１とすることにより、吸入空気温度の最高値を抑制することができる。その結果、第１実施形態と同様に充填効率の向上やノック余裕度の向上といった効果が得られる。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００４６】
本願は２０１３年６月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１２３６０５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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