(57)【要約】【課題】空気断熱層の有無を用いた従来装置とは異なる別の方法によりエンジン冷間始動時の断熱性を実現する。【解決手段】燃焼室（３）を穿設すると共に、燃焼室（３）からの排気を逃す排気ポート（５）を側壁（２ａ）に開口し、かつ排気ポートの燃焼室に近い部分を冷却するための冷却通路（９）を設けてあるシリンダヘッド（２）と、シリンダヘッドの側壁（２ａ）に開口する排気ポート（５）に接続される排気マニフォールド（１５）とを有するエンジンの排気装置において、シリンダヘッドの側壁（２ａ）に開口する排気ポート（５）に、シリンダヘッド（２）の材質よりも熱伝導率の低い材質からなるポートライナ（１１）を圧入固定する構造とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を穿設すると共に、燃焼室からの排気を逃す排気ポートを側壁に開口し、かつ排気ポートの燃焼室に近い部分を冷却するための冷却通路を設けてあるシリンダヘッドと、
シリンダヘッドの側壁に開口する排気ポートに接続される排気マニフォールドと
を有するエンジンの排気装置において、
シリンダヘッドの側壁に開口する排気ポートに、シリンダヘッドの材質よりも熱伝導率の低い材質からなるポートライナを圧入固定する構造とした
ことを特徴とするエンジンの排気装置。
【請求項２】
排気ポートの軸方向のほぼ中央位置の周囲に冷却通路を設けると共に、シリンダヘッドの側壁に排気ポートの軸が直交するように排気ポートを開口し、この排気ポートに挿入するポートライナを筒状に形成することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
【請求項３】
排気ポートの燃焼室に近い部分の冷却性が確保されるようにポートライナの軸方向長さを選択することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気装置。
【請求項４】
ポートライナの軸方向長さは冷却通路の半分程度までポートライナがかかるように選択することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気装置。
【請求項５】
ポートライナの燃焼室側の端面に熱膨張によりポートライナの軸方向に動きうる隙間を設けることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気装置。
【請求項６】
ポートライナをシリンダヘッドに固定するのに排気マニフォールドと一体で締結する構造とすることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気装置。
【請求項７】
ポートライナと排気マニフォールドとの当接部に熱伝導率の高い材質のガスケットを介装すると共に、このガスケットがシリンダヘッドと直接的に当接する部位を作ることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの排気装置。
【請求項８】
ポートライナを排気マニフォールドと一体の構造とすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
【請求項９】
ポートライナの内周面に断熱コーティングを施すことを特徴とする請求項１または８に記載のエンジンの排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの排気装置、特に排気ポートの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ポートに筒状のポートライナを嵌合したものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１８５４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気通路にはエンジンから排出される有害成分を除去する排気後処理装置としての触媒（例えば三元触媒）が設けられる。この触媒は温度上昇して活性化しないと働かないので、エンジンの冷間始動時には早期に活性化してやる必要があり、その一方で、排気が高温となるエンジン高負荷時には当該触媒や排気系部品の過熱を防ぐ必要もある。
【０００５】
このため、上記の従来装置では、筒状のライナ本体の軸方向の両端部に薄肉状の支持部を連接させたものを排気ポートに嵌合させると共に、ライナ本体の外周面と排気ポート内周面との間に昇温に伴い実質的に消失可能な微小空間を生成し、エンジン冷間始動時にはこの空気断熱層として機能する微小空間によりライナからシリンダヘッドへの熱伝達を防いで排気の温度低下を抑制し、これによって排気による触媒の早期活性化を図り、また、エンジン高負荷時には微小空間を消失させることによって排気ポートからシリンダヘッドへの熱伝達を増し、これによって触媒や排気系部品が過熱されることを防ぐようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような構成のポートライナでは、ポートライナ自体の寸法精度が大変厳しく、現実問題としてうまく微小空間を最適化することは難しい。すなわち、シリンダヘッドの材質をアルミニウム、ライナの材質をスチールとし、排気ポートの平均直径を５０ｍｍ、エンジン冷間始動時とエンジン高負荷時の温度差を５００℃とし、この５００℃の温度差で微小空間が消失するとして微小空間が実際にどのくらいになるかを計算してみると、約０．２ｍｍ程度にしかならない。このような微細なレベルの隙間を部品の寸法バラツキを含めて製作するのは困難である。このため、微小空間が広すぎたり狭すぎたりすると、エンジン冷間始動時の断熱性とエンジン高負荷時のポート冷却性を両立させることが不可能となる。
【０００７】
そこで本発明は空気断熱層の有無を用いた従来装置とは異なる別の方法によりエンジン冷間始動時の断熱性や、これとエンジン高負荷時のポート冷却性との両立を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダヘッドに、燃焼室を穿設すると共に、燃焼室からの排気を逃す排気ポートを側壁に開口し、かつ排気ポートの燃焼室に近い部分を冷却するための冷却通路を設けており、このシリンダヘッドの側壁に開口する排気ポートに排気マニフォールドを接続しているエンジンの排気装置において、シリンダヘッドの側壁に開口する排気ポートに、シリンダヘッドの材質よりも熱伝導率の低い材質からなるポートライナを圧入固定する構造としている。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、シリンダヘッドの側壁に開口する排気ポートに、シリンダヘッドの材質よりも熱伝導率の低い材質からなるポートライナを圧入固定する構造としたので、シリンダヘッドに対するポートライナの材質の熱伝導率が低ければ低いほど断熱効果が上がり、触媒に達する排気温度が上がり、触媒を早期に活性化できる。
【００１０】
また、ポートライナは単に圧入固定する構造でしかないので、従来装置のようにポートライナの製作に厳しい寸法精度を要求することなく断熱効果が実現されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１実施形態で、シリンダヘッド２の要部断面図を示す。また、図２は図１の要部拡大図である。
【００１３】
図１、図２において、シリンダヘッド２の下面にはペントルーフ形状の燃焼室３が穿設され、この燃焼室３に対して吸気ポート４と排気ポート５が開口して形成される。
【００１４】
ここで、排気ポート５の形状は、基本的にはエンジンのサイズ（幅、高さ）、排気マニフォールド１５とのつなぎ形状、動弁仕様（バルブ径、はさみ角、直動かまたはハイドロリックラッシュアジャスタを介しての駆動かの別）等によって決まっている。図示のものは、バルブガイド６の上部にハイドロリックラッシュアジャスタを収納する部位７が穿設されている。
【００１５】
ここでは簡単のため１シリンダ当たりに１つの吸気ポートと１つの排気ポートが形成されている場合で説明するが、吸気ポート、排気ポートが複数ある場合でもかまわない。
【００１６】
排気ポート５の燃焼室３に特に近い部分はエンジン高負荷時に熱負荷が高くなるので、これに対応して冷却性を十分に確保する必要がある。このため、排気ポート５の燃焼室３に特に近い部分を積極的に冷却するため排気ポート５の軸方向のほぼ中央位置の周囲に水を冷媒とする冷却通路９が設けられている。
【００１７】
排気ポート５は燃焼室３より図で右斜め上方へと立ち上がった後に水平となってシリンダヘッド２の右側壁２ａに開口されるが、この排気ポート５に図で右方より円筒状のポートライナ１１を圧入固定するため、所定の長さを有するポート部５ａが、燃焼室３側に位置する残りのポート部５ｂよりも所定値（ポートライナ１１の肉厚分）だけ内径が大きくなるように形成されている。
【００１８】
ポートライナ１１は、エンジン冷間始動時に排気熱のシリンダヘッド２への伝達を抑制することにより、排気熱をシリンダヘッド２へと逃すことなく排気通路の下流に位置する三元触媒などの触媒（図示しない）へと伝えるためのもので、シリンダヘッド２の材質よりも熱伝導率の低い材質で形成される。具体的には、シリンダヘッド２の材質がアルミニウムであれば、ポートライナ１１の材質にはスチールやセラミックが選択される。ポートライナ１１の材質をスチールにしたとき、熱伝導率はアルミニウムの約半分である。
【００１９】
ポートライナ１１による断熱機能は、主にポートライナ１１の長さＬに依存し、ポートライナ長さＬを長くするほど断熱効果が高まる（断熱効果はポートライナ長さＬに比例する）。言い換えると、この断熱機能は排気ポート５の燃焼室３に特に近い部分の冷却を受け持つ冷却通路９の機能と反する構成である。この場合、排気ポート５の燃焼室３に特に近い部分の冷却性はポートライナ１１を設けた状態でも確保する必要があるので、冷却を受け持つ冷却通路９の機能を阻害しないように、ポートライナ長さＬを慎重に選択しなければならない。このため図示の例では、冷却通路９の半分程度までポートライナ１１がかかるようにしている。
【００２０】
また、ポートライナ１１の左端と２つのポート部５ａ、５ｂの段付き部５ｃとの間には、図２に拡大して示すように、ポート軸方向に所定の隙間Ｘを設けている。これは、シリンダヘッド２とポートライナ１１の材質違いに伴う熱膨張差を吸収するためのものである。従ってこの隙間Ｘは、シリンダヘッド２とポートライナ１１の材質の違いに伴う熱膨張差を考慮して最適に設定してやればよい。
【００２１】
シリンダヘッド右側壁２ａには、図で右側より排気マニフォールド１５（分岐部と集合部からなる）が取り付けられる。この場合、シリンダヘッド右側壁２ａ、ポート部５ａ、ポートライナ１１、排気マニフォールド分岐部１６とが次のように構成されている。
【００２２】
（１）シリンダヘッド右側壁２ａを形成する面（シリンダヘッド右側壁面）は図で鉛直方向の平面である。
【００２３】
（２）ポートライナ１１の軸はシリンダヘッド右側壁面に直交する。
【００２４】
（３）排気マニフォールド分岐部１６の左端近くの部位も円筒状に形成してあり、この円筒状部位の軸もシリンダヘッド右側壁面に直交する。
【００２５】
（４）ポートライナ１１の右端面及び排気マニフォールド分岐部１６の左端面とシリンダヘッド右側壁面とは同一平面にある。より詳しくは、ポートライナ１１の右端面はシリンダヘッド右側壁面より若干右側に飛び出している。
【００２６】
（５）ポートライナ１１にはつばのように半径方向外側に突出するフランジ部１１ａを右端に形成してあり、これに対応してシリンダヘッド右側壁２ａ近くのポート部５ａの内径を、燃焼室側のポート部５ｂよりも大きくしている。
【００２７】
（６）ポートライナ１１のフランジ部１１ａに合わせて排気マニフォールド分岐部１６の左端にもフランジ部１６ａを形成する。
【００２８】
そして、各気筒で図示のようにポートライナ１１の右端と排気マニフォールド分岐部１６の左端とを当接して配置した後で、図示しないボルトを締め込んで排気マニフォールド１５をシリンダヘッド２に取付ることにより、ポートライナ１１も併せてシリンダヘッド２に固定する。ポートライナ１１にはボルト孔などなく、フランジ部１１ａ、１６ａどうしの摩擦力によりポートライナ１１がポートライナ１１の軸方向についてシリンダヘッド２へと固定されるのであり、これは、ポートライナ１１と排気マニフォールド１５とをシリンダヘッド２に対して一体締結構造としたものである。
【００２９】
また、ポートライナのフランジ部１１ａの外径よりも排気マニフォールド分岐部左端のフランジ部１６ａの外径を大きくすると共に、ポートライナ１１と排気マニフォールド分岐部１６との当接部に熱伝導率の高いガスケット（たとえばスチール材のガスケット）１７を介装し、この場合に、ガスケット１７の外径は排気マニフォールド分岐部左端のフランジ部１６ａの外径と同程度の寸法とする。
【００３０】
これによってガスケット１７にシリンダヘッド２と直接的に当接する部分が生じる。これは、排気マニフォールド１５が高い耐熱性を有していない材質である場合を考慮したものである。すなわち、排気マニフォールドが耐熱性のあまり高くない材質で構成される場合に、本発明のように断熱性のあるポートライナ１１を設けると、エンジン高負荷時にポートライナ１１がない場合より排気マニフォールド１５がそのぶん高温となってしまうので、この高温となった排気マニフォールド１５よりガスケット１７を介してシリンダヘッド２へと熱を逃すのである。
【００３１】
なお、ポートライナ１１とシリンダヘッド２の間の熱伝導率の関係は、ポートライナ１１のほうがシリンダヘッド２より低くなればよいという相対的なものであるのに対して、ガスケット１７について「熱伝導率が高い」というのは、絶対的なものであり、エンジン高負荷時にどのくらいの熱を排気マニフォールド１５よりシリンダヘッド２へと逃したいかによりガスケット１７の熱伝導率をどのくらいにしたらよいかが決まる。ただし、ガスケット１７の熱伝達率をポートライナ１１の熱伝達率よりも高く設定することが好ましく、またガスケット１７の熱伝達率をシリンダヘッド２の熱伝達率よりも高く設定することが好ましい。
【００３２】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００３３】
本実施形態によれば、ポートライナ１１まで流れてきた排気の熱は、ポートライナ１１による断熱効果によりシリンダヘッド２への熱の伝達が抑制され（図１の細い矢印参照）、下流へと流される。すなわち、ポートライナ１１の断熱効果の分だけ排気温度が高くなり、エンジン冷間始動時の触媒昇温性を改善することができ、排気エミッションの改善に大幅に寄与することができる。
【００３４】
この場合、シリンダヘッド２に対するポートライナ１１の材質の熱伝導率が低ければ低いほど断熱効果が上がる。実験に用いたエンジンでは、ポートライナ１１の材質をスチールとしたとき、ポートライナ１１を設けないエンジンに対して触媒入口での排気温度が数十℃と大きく向上した。
【００３５】
また、本実施形態のポートライナ１１は単に圧入固定する構造でしかないので、ポートライナ１１の製作に厳しい寸法精度を要求することなく断熱効果が実現されている。
【００３６】
また、排気ポート５の軸方向のほぼ中央位置の周囲に冷却通路９を設けると共に、シリンダヘッド右側壁２ａに軸が直交するようにポート部５ａを開口し、このポート部５ａに挿入するポートライナ１１を円筒状に形成しているので（請求項２に記載の発明）、ポートライナ１１の構造が従来装置より単純化し、これにより低コストを実現できる。
【００３７】
また、ポートライナ１１の軸方向長さＬを長くするほどエンジン冷間始動時における断熱効果が増すものの冷却を受け持つ冷却通路９の役割まで阻害したのではエンジン高負荷時に触媒や排気マニフォールド（排気系部品）が過熱化するのであるが、本実施形態（請求項３に記載の発明）では排気ポート５の燃焼室３に近い部分の冷却性が確保されるようにポートライナ１１の軸方向長さＬを選択している。すなわち、図１に示したように、排気ポート５燃焼室３に近い部分をむしろポートライナ１１で覆わず、また、排気ポート５内を流れる排気の熱が直接ポートライナ１１を介さずに冷却通路９に拡散できるようにポートライナ１１の軸方向長さＬを選択することで、エンジン高負荷時に燃焼室３より排気ポート５に流入した排気の熱の大部分は、放射状に拡散し（図示の太い矢印参照）、その熱の伝達経路の途中にある冷却通路９を流れる冷媒との熱交換により逃されるのであり、これにより、エンジン冷間始動時の断熱性とエンジン高負荷時のポート冷却性とを両立させることができる。
【００３８】
また、ポートライナ１１の材質をシリンダヘッド２の材質と異ならせることで熱膨張差が生じる。ポート部５ａとポート部５ｂとの間に形成される段付き５ｃと、ポートライナ１１の左端面（燃焼室側の端面）との間に隙間がなければ、特にポートライナ１１を鋳込み構造とする場合にこの熱膨張差に起因してポートライナ１１がシリンダヘッド２の右外へと飛び出し、ポートライナ１１とシリンダヘッド２の間に隙間を生じるなどして排気が外部へと洩れる可能性も出てくるのであるが、本実施形態（請求項５に記載の発明）ではポートライナ１１を圧入構造とすると共に、ポートライナ１１の燃焼室側端面が自由に動きうる隙間Ｘを設けているので、ポートライナ１１とシリンダヘッド２の材質の違いに起因する熱膨張による寸法差を吸収できる。
【００３９】
また、本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、ポートライナ１１を排気マニフォールド１５と一体でシリンダヘッド２に対して締結する構造としたので、ポートライナ１１にボルト孔を加工するなど特別なポーライナ構造とすることが不要となり、ポートライナ１１の位置決めが容易で、かつ低コストのポートライナが得られる。
【００４０】
また、本実施形態（請求項７に記載の発明）では、ポートライナ１１と排気マニフォールド１５との当接部に熱伝導率の高い材質のガスケット１７（たとえばスチール材）を介装すると共に、このガスケット１７がシリンダヘッド２と直接的に当接する部位を作っているので、排気温度が高くなるエンジン高負荷時に、高温となる排気マニフォールド１５の熱を、この熱伝導率の高いガスケット１７を介してシリンダヘッド２へと逃すことが可能であり、排気マニフォールド１５の熱負荷を低減することができている。
【００４１】
図３は第２実施形態で、図１に対応する。なお、図１と同一部分には同一符号を付けてその説明を省略する。
【００４２】
この実施形態ではポートライナを排気マニフォールド分岐部１６と一体化したものである。すなわち、排気マニフォールド分岐部１６より左方に所定長さを有する円筒状のポートライナ部２１（ポート挿入部）が延長して形成され、排気マニフォールド分岐部１６とポートライナ部２１との境界の周囲にスチール材で構成されるフランジ部２２が設けられている。
【００４３】
ここで、ポートライナ部２１の所定長さは、第１実施形態と同様、冷却を受け持つ冷却通路９の機能を阻害しないように慎重に選択され、具体的には冷却通路９の半分程度までかかるように設定される。
【００４４】
第２実施形態ではポートライナ部２１は排気マニフォールド１５と同一の材質となってしまうが、排気マニフォールド１５の材質は、通常、スチールやステンレスであり、排気マニフォールド１５の材質がスチールであれば第１実施形態と同じにポートライナ部で断熱効果が得られる。また、排気マニフォールド１５の材質がステンレスであっても、シリンダヘッド２の材質であるアルミニウムよりも熱伝導率が大幅に低いため、ポートライナ部２１による断熱効果を第１実施形態と同程度に得ることができる。
【００４５】
このように、第２実施形態（請求項８に記載の発明）では、ポートライナを排気マニフォールド分岐部１５と一体化することで、第１実施形態の効果に加えて、より簡易的な構造でポートライナを実現できる。
【００４６】
実施形態では、ポートライナをシリンダヘッドの材質より熱伝導率の低い材質とする場合で説明したが、さらに断熱性を高めるには、ポートライナ１１やポートライナ部２１の内周面に断熱コーティング（セラミックコーティング）を施すことが考えられる（請求項９に記載の発明）。これによってエンジン冷間始動時の断熱性が向上して触媒に達する排気温度を更に高めることができる。
【００４７】
実施形態ではシリンダヘッドの材質がアルミニウムである場合で説明した、これに限られるものでない。例えば、シリンダヘッドの材質がスチールである場合には、これより熱伝導率の悪いセラミック等をポートライナの材質として選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のシリンダヘッドの要部断面構成図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】第２実施形態のシリンダヘッドの要部断面構成図。
【符号の説明】
２  シリンダヘッド
２ａ  シリンダヘッド右側壁
３  燃焼室
５  排気ポート
５ａ  ポート部
９  冷却通路
１１  ポートライナ
１１ａ  フランジ
１５  排気マニフォールド
１６  排気マニフォールド分岐部
１６ａ  フランジ
１７  ガスケット
２１  ポートライナ部
２２  フランジ部
【図１】
2004156547.tif 000003
【図２】
2004156547.tif 000004
【図３】
2004156547.tif 000005