(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド（２０）内に設けられて燃焼室（２４）に連なる独立排気ポート（１６Ａ）を該シリンダヘッド（２０）と別部材で構成した内燃機関において、
前記独立排気ポート（１６Ａ）はポート部材（５１，５３）とその外側を覆うカバー部材（５２，５４）とで構成され、前記ポート部材（５１，５３）の外面に形成した溝と前記カバー部材（５２，５４）の内面との間に水通路（Ｗ２）が形成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
少なくとも独立排気ポート（１６Ａ）の冷却要求の高い部位を通る水通路（Ｗ２）に低温の水を供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
少なくとも独立排気ポート（１６Ａ）が他部材に接触する部位を通る水通路（Ｗ２）に低温の水を供給することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
少なくとも独立排気ポート（１６Ａ）に設けた排気バルブ（３０）が接触する部位を通る水通路（Ｗ２）に低温の水を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
少なくとも排気バルブ（３０）のバルブシート（２９）の近傍を通る水通路（Ｗ２）に低温の水を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
少なくとも排気バルブ（３０）のバルブガイド（４０）の近傍を通る水通路（Ｗ２）に低温の水を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
水通路（Ｗ２）を通過して温度上昇した水を他の補機（１２）の熱源として使用することを特徴とする、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダヘッド内に設けられて燃焼室に連なる独立排気ポートを該シリンダヘッドと別部材で構成した内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室に連なる排気ポートをパイプ状の部材で構成し、この排気ポートをシリンダヘッドの内部に断熱層を介して支持することにより、排気ガスの熱が排気ポートからシリンダヘッドに伝達し難くし、排気ガスの温度をできるだけ高温に維持して内燃機関の暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図るものが、特開２００１−１３２４４４号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の廃熱を高温の蒸気として最大限に回収するには、排気ガスの温度を高温に維持して排気通路に設けた蒸発器の性能を有効に発揮させるだけでは不充分であり、排気ポートからシリンダヘッドに伝達されて空気中に放散する熱を回収する必要がある。そのためには、排気ポートからシリンダヘッドに伝達される熱を、排気ポートまわりに形成した水通路を流れる水に効果的に吸収させ、水の温度をできるだけ高める必要がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、内燃機関の独立排気ポートからシリンダヘッドに伝達される熱を最大限に回収することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、シリンダヘッド内に設けられて燃焼室に連なる独立排気ポートを該シリンダヘッドと別部材で構成した内燃機関において、前記独立排気ポートはポート部材とその外側を覆うカバー部材とで構成され、前記ポート部材の外面に形成した溝と前記カバー部材の内面との間に水通路が形成されることを特徴とする内燃機関が提案される。
【０００６】
上記構成によれば、シリンダヘッドと別部材で構成した独立排気ポートがポート部材とその外側を覆うカバー部材とを備えており、ポート部材の外面に形成した溝とカバー部材の内面との間に水通路が形成されるので、燃焼室から排出される高温の排気ガスにより温度上昇する独立排気ポートを効果的に冷却するとともに、水通路を流れる水によって排気ガスの熱を効果的に回収することができる。
【０００７】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、少なくとも独立排気ポートの冷却要求の高い部位を通る水通路に低温の水を供給することを特徴とする内燃機関が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、独立排気ポートの冷却要求の高い部位を低温の水で冷却するので、独立排気ポートの高温部分を効果的に冷却して排気ガスの廃熱回収効果を高めることができるだけでなく、冷却要求の高い部位の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、所望の機能を保持することができる。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、少なくとも独立排気ポートが他部材に接触する部位を通る水通路に低温の水を供給することを特徴とする内燃機関が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、独立排気ポートが他部材に接触する部位を低温の水で冷却するので、前記他部材を介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、他部材の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、所望の機能を保持することができる。
【００１１】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、少なくとも独立排気ポートに設けた排気バルブが接触する部位を通る水通路に低温の水を供給することを特徴とする内燃機関が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、排気バルブが接触する部位を低温の水で冷却するので、排気バルブを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、排気バルブの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持することができる。
【００１３】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、少なくとも排気バルブのバルブシートの近傍を通る水通路に低温の水を供給することを特徴とする内燃機関が提案される。
【００１４】
上記構成によれば、バルブシートの近傍を低温の水で冷却するので、バルブシートを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、バルブシートの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持することができる。
【００１５】
また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、少なくとも排気バルブのバルブガイドの近傍を通る水通路に低温の水を供給することを特徴とする内燃機関が提案される。
【００１６】
上記構成によれば、バルブガイドの近傍を低温の水で冷却するので、バルブガイドを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、バルブガイドの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持することができる。
【００１７】
また請求項７に記載された発明によれば、請求項１〜請求項６の何れか１項請求項１の構成に加えて、水通路を通過して温度上昇した水を他の補機の熱源として使用することを特徴とする内燃機関が提案される。
【００１８】
上記構成によれば、水通路を通過して温度上昇した水を他の補機の熱源として使用するので、内燃機関の廃熱を無駄に捨てることなく有効に利用することができる。
【００１９】
尚、実施例の膨張機１２は本発明の補機に対応し、実施例の第１、第２ポート部材５１，５３は本発明のポート部材に対応し、実施例の第１、第２カバー部材５２，５４は本発明のカバー部材に対応する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。  図１〜図１１は本発明の一実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２は内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図、図３は図２の３部拡大図、図４は図２の４−４線矢視図、図５は図４の５−５線断面図、図６は図４の６−６線断面図、図７は独立排気ポートの一部破断斜視図、図８は図７の８方向矢視図、図９は図８の９方向矢視図、図１０は図８の１０方向矢視図、図１１は集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図である。
【００２１】
図１には本発明が適用されるランキンサイクル装置の全体構成が示される。
【００２２】
内燃機関Ｅの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置は、内燃機関Ｅが排出する排気ガスで水を加熱して高温・高圧蒸気を発生させる主蒸発器１１と、主蒸発器１１で発生した高温・高圧蒸気により作動して機械エネルギーを発生する膨張機１２と、膨張機１２で仕事を終えた降温・降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１３と、凝縮器１３を出た水を貯留するリザーブタンク１４と、リザーブタンク１４に貯留した水を加圧する加圧する供給ポンプ１５とを備える。供給ポンプ１５を出た水の大部分は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、そこで高温・高圧蒸気になって膨張機１２に供給され、また前記供給ポンプ１５を出た水の一部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して加熱された後、主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００２３】
主蒸発器１１は、主として排気ポート１６を出た排気ガスとの間で熱交換を行って蒸気を発生させるものであるが、副蒸発器１７は、排気ポート１６を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うだけでなく、高温の排気ガスに接触する排気ポート１６自体との間で熱交換を行い、蒸気を発生させると同時に排気ポート１６の冷却を行うようになっている。
【００２４】
図２に示すように、直列四気筒の内燃機関Ｅのシリンダブロック１９にはシリンダヘッド２０およびヘッドカバー２１が結合されており、シリンダブロック１９に収納した４個のシリンダスリーブ２２に摺動自在に嵌合する４個のピストン２３の上面とシリンダヘッド２０の下面との間に４個の燃焼室２４が形成される。シリンダヘッド２０には各々の燃焼室２４に連なる吸気ポート２６および排気ポート１６が形成されており、吸気ポート２６の下流端の吸気バルブシート２７は吸気バルブ２８の傘部２８ａで開閉され、排気ポート１６の上流端の排気バルブシート２９は排気バルブ３０の傘部３０ａで開閉される。吸気ポート２６はシリンダヘッド２０に直接形成されるが、排気ポート１６は４個の独立排気ポート１６Ａと１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成され、それぞれシリンダヘッド２０と別部材で構成されてシリンダヘッド２０に嵌め込まれる。
【００２５】
シリンダヘッド２０には、単一のカムシャフト３１と、吸気ロッカーアームシャフト３２と、排気ロッカーアームシャフト３３とが支持される。吸気ロッカーアームシャフト３２に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム３４は、その一端がカムシャフト３１に設けた吸気カム３５に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた吸気バルブガイド３６に摺動自在に支持されてバルブスプリング３７で上方に付勢された吸気バルブ２８のステム２８ｂに当接する。また排気ロッカーアームシャフト３３に揺動自在に支持された排気ロッカーアーム３８は、その一端がカムシャフト３１に設けた排気カム３９に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた排気バルブガイド４０に摺動自在に支持されてバルブスプリング４１で上方に付勢された排気バルブ３０のステム３０ｂの上端に当接する。
【００２６】
排気ポート１６は排気ガスの流れ方向の上流側に位置する４個の独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成されており、集合排気ポート１６Ｂの内部に主蒸発器１１の上流側端部が嵌合する。そして副蒸発器１７は独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる集合排気ポート１６Ｂとに跨がって設けられる。
【００２７】
先ず、図３および図７に基づいて独立排気ポート１６Ａの構造を詳細に説明する。
【００２８】
独立排気ポート１６Ａは、第１ポート部材５１と、第１カバー部材５２と、第２ポート部材５３と、第２カバー部材５４とから構成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２は燃焼室２４に連なる独立排気ポート１６Ａの上流部分５５を構成するもので、内側の第１ポート部材５１を外側の第１カバー部材５２で覆った構造を有しており、第１ポート部材５１の外面に形成した溝と第１カバー部材５２の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２の下面は、シリンダヘッド２０に形成された排気バルブシート２９の上面にシール部材５６を介して当接する。また第１ポート部材５１の上壁には排気バルブ３０のステム３０ｂが貫通する開口５１ａが形成されるとともに、第１カバー部材５２の上壁に形成した開口５２ａには排気バルブガイド４０の下端がシール部材５７を介して嵌合する。
【００２９】
第２ポート部材５３および第２カバー部材５４は主蒸発器１１に連なる独立排気ポート１６Ａの下流部分５８を構成するもので、内側の第２ポート部材５３を外側の第２カバー部材５４で覆った構造を有しており、第２ポート部材５３の外面に形成した溝と第２カバー部材５４の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第２カバー部材５４の端部は第１カバー部材５２の側面に形成した開口５２ｂに嵌合しており、これにより第１ポート部材５１および第２ポート部材５３が滑らかに接続されて湾曲した排気ガスの通路が区画される。第２ポート部材５３および第２カバー部材５４により区画された水通路Ｗ２は、その下側に水入口５９を備えるとともに、その上側に水出口６０を備える。
【００３０】
次に、図８〜図１０を参照して独立排気ポート１６Ａの水通路Ｗ２の形状を説明する。  水通路Ｗ２は独立排気ポート１６Ａの対称面Ｐ１に関して左右対称に構成されており、水入口５９の直後において対称面Ｐ１を挟むように２系統に分岐した水通路Ｗ２は、水出口６０の直前において再び合流する。更に詳しく説明すると、水通路Ｗ２は水入口５９から下流部分５８の下面に沿って直線状に延び（ａ部参照）、そこから上流部分５５に移行して排気バルブ３０の傘部３０ａの周囲の半周するように円弧状に延び（ｂ部参照、）、そこから排気バルブ３０のステム３０ｂに沿って排気バルブガイド４０の下端近傍まで直線状の上方に延び（ｃ部参照）、そこからジグザグに屈曲しながら排気バルブ３０の傘部３０ａに向かって延び（ｄ部参照）、そこから再度下流部分５８に移行してジグザグに屈曲しながら水出口６０に向かって延びている（ｅ部参照）。
【００３１】
続いて、図２〜図６に基づいて集合排気ポート１６Ｂの構造を詳細に説明する。
【００３２】
集合排気ポート１６Ｂは長方形の枠状に形成されたフランジ６１を備えており主蒸発器１１のフランジ１１ａを貫通する複数本のボルト６２…をシリンダヘッド２０に締結することで主蒸発器１１および集合排気ポート１６Ｂがシリンダヘッド２０に共締めされる（図２参照）。集合排気ポート１６Ｂのフランジ６１に板材をプレス加工した第３ポート部材６３の下流端が溶接されており、その上流端に形成した４個の開口６３ａ…が４個の独立排気ポート１６Ａの出口に連通する。板材をプレス加工した第４ポート部材６４の下流端が第３ポート部材６３の内面に溶接されており、その上流端は第３ポート部材６３の４個の開口６３ａ…に重ね合わされて溶接される。従って、４個の独立排気ポート１６Ａから出た排気ガスは集合排気ポート１６Ｂにおいて合流し、主蒸発器１１に均等に導かれる。
【００３３】
集合排気ポート１６Ｂの第３ポート部材６３および第４ポート部材６４に囲まれた空間に、パイプ材よりなる水通路Ｗ１，Ｗ１が配置される。水通路Ｗ１，Ｗ１は対称面Ｐ２に関して対称の構造を有しているため、図４〜図６および図１１には対称面Ｐ２の片側の水通路Ｗ１が示される。水通路Ｗ１は対称面Ｐ２に近い側の独立排気ポート１６Ａ（１）を通る第１の系統と、対称面Ｐ２から遠い側の独立排気ポート１６Ａ（２）を通る第２の系統とを有している。
【００３４】
即ち、フランジ６１の端部に設けられた水入口６５から始まる水通路Ｗ１は、第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｆ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延びる（ｇ部参照）。ｇ部には継ぎ手６６が設けられており、この継ぎ手６６に独立排気ポート１６Ａ（１）の水入口５９が接続される。独立排気ポート１６Ａ（１）の水出口６０が接続される継ぎ手６７から延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｈ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｉ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｊ部参照）、そこから下方に９０°方向を変えて水出口６８に連通する。水出口６８は図示せぬ水通路を介して主蒸発器１１の中間部に連通する。
【００３５】
一方、継ぎ手６６を通過して延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｋ部参照）、そこから第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｍ部参照）、そこから９０°方向を変えて直線状に延び（ｎ部参照）、そこから更に９０°方向を変えて第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｏ部参照）、そこに設けられた継ぎ手６９を介して独立排気ポート１６Ａ（２）の水入口５９に接続される。独立排気ポート１６Ａ（２）の水出口６０が接続される継ぎ手７０は水通路Ｗ１のｊ部に合流する。
【００３６】
次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００３７】
図１において、ランキンサイクル装置の供給ポンプ１５を出た水の大部分は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、また供給ポンプ１５を出た水の一部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００３８】
図１１において、供給ポンプ１５から副蒸発器１７に供給された水は、集合排気ポート１６Ｂの水入口６５から水通路Ｗ１に流入して第１の系統と第２の系統とに分流する。図１１（Ａ）に示す第１の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、継ぎ手６６、独立排気ポート１６Ａ（１）の水通路Ｗ２、継ぎ手６７、水通路Ｗ１のｈ部、ｉ部およびｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。一方、図１１（Ｂ）に示す第２の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、ｋ部、ｍ部、ｎ部、ｏ部、継ぎ手６９、独立排気ポート１６Ａ（２）の水通路Ｗ２および水通路Ｗ１のｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。第１の系統は水通路Ｗ１の前半部分を短く後半部分を長く設定し、また第２の系統は水通路Ｗ１の前半部分を長く後半部分を短く設定しているので、両系統において水通路Ｗ１の全長を均一化して水の供給量を略等しくし、廃熱回収量が独立排気ポート１６Ａ…毎に不均衡になるのを防止して熱交換効率を高めることができる。
【００３９】
図７〜図１０に示すように、２個の独立排気ポート１６Ａ（１），１６Ａ（２）に設けられた水通路Ｗ２の構造は同一であり、水入口５９から供給された水は対称面Ｐ１を挟むように分流し、ａ部、ｂ部、ｃ部、ｄ部およびｅ部を経て合流した後、水出口６０から排出される。
【００４０】
このように、副蒸発器１７は排気ガスが通過することで高温になる排気ポート１６の周囲を水通路Ｗ１，Ｗ２で囲んで構成されるので、排気ポート１６からシリンダヘッド２０を経て放散される排気ガスの熱を高温・高圧蒸気として効果的に回収することができる。特に、その水通路Ｗ１，Ｗ２に供給される水は供給ポンプ１５を出たままの低温の水であるため、排気ポート１６の周囲を効果的に冷却するとともに、高温・高圧蒸気を発生させて内燃機関Ｅの廃熱回収効果を高めることができる。また排気ガスの熱は排気バルブ３０を介して外部に逃げ易いが、内燃機関Ｅの要冷却部、つまり排気バルブ３０の傘部３０ａが接触する排気バルブシート２９および排気バルブ３０のステム３０ｂが接触する排気バルブガイド４０の近傍を低温の水で重点的に冷却することで、排気バルブ３０を介しての熱逃げを抑制して廃熱回収効果を一層高めることができ、また排気バルブ３０、排気バルブシート２９、排気バルブガイド４０等の熱膨張を抑制し、それらの寸法位置精度を維持して機能を保持することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４２】
例えば、実施例では加熱した水をランキンサイクル装置の膨張機１２に供給しているが、熱電素子等の他の補機の熱源として利用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、シリンダヘッドと別部材で構成した独立排気ポートがポート部材とその外側を覆うカバー部材とを備えており、ポート部材の外面に形成した溝とカバー部材の内面との間に水通路が形成されるので、燃焼室から排出される高温の排気ガスにより温度上昇する独立排気ポートを効果的に冷却するとともに、水通路を流れる水によって排気ガスの熱を効果的に回収することができる。
【００４４】
また請求項２に記載された発明によれば、独立排気ポートの冷却要求の高い部位を低温の水で冷却するので、独立排気ポートの高温部分を効果的に冷却して排気ガスの廃熱回収効果を高めることができるだけでなく、冷却要求の高い部位の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、所望の機能を保持することができる。
【００４５】
また請求項３に記載された発明によれば、独立排気ポートが他部材に接触する部位を低温の水で冷却するので、前記他部材を介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、他部材の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、所望の機能を保持することができる。
【００４６】
また請求項４に記載された発明によれば、排気バルブが接触する部位を低温の水で冷却するので、排気バルブを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、排気バルブの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、シール性や耐久性を保持することができる。
【００４７】
また請求項５に記載された発明によれば、バルブシートの近傍を低温の水で冷却するので、バルブシートを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、バルブシートの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、シール性や耐久性を保持することができる。
【００４８】
また請求項６に記載された発明によれば、バルブガイドの近傍を低温の水で冷却するので、バルブガイドを介しての熱逃げを抑制して排気ガスの廃熱回収効果を更に高めることができるだけでなく、バルブガイドの熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、排気バルブとの摺動性や耐久性を保持することができる。
【００４９】
また請求項７に記載された発明によれば、水通路を通過して温度上昇した水を他の補機の熱源として使用するので、内燃機関の廃熱を無駄に捨てることなく有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】  内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図
【図３】  図２の３部拡大図
【図４】  図２の４−４線矢視図
【図５】  図４の５−５線断面図
【図６】  図４の６−６線断面図
【図７】  独立排気ポートの一部破断斜視図
【図８】  図７の８方向矢視図
【図９】  図８の９方向矢視図
【図１０】  図８の１０方向矢視図
【図１１】  集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図
【符号の説明】
１２        膨張機（補機）
１６Ａ      独立排気ポート
２０        シリンダヘッド
２４        燃焼室
２９        排気バルブシート
３０        排気バルブ
４０        バルブガイド
５１        第１ポート部材（ポート部材）
５２        第１カバー部材（カバー部材）
５３        第２ポート部材（ポート部材）
５４        第２カバー部材（カバー部材）
Ｗ２        水通路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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