JP4803059B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、シリンダブロックの上部に締結されることで燃焼室を構成すると共に、この燃焼室に対して吸気通路及び排気通路が設けられた内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。
一般的に、内燃機関において、シリンダヘッドはシリンダブロックの上部に組み付けられ、複数の締結ボルトにより締結されており、直線状をなして複数の燃焼室が配列されている。そして、この各燃焼室に対して吸気ポート及び排気ポートが対向してそれぞれ形成され、この各吸気ポートに吸気通路が連通される一方、各排気ポートに排気通路が連通されており、吸気弁及び排気弁により開閉自在となっている。また、各吸気通路または各燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが装着されると共に、燃焼室の混合気に着火する点火プラグが装着されている。そして、各吸気通路に吸気マニホールドを介して吸気管が連結される一方、各排気通路に排気マニホールドを介して排気管が連結されている。
従って、吸気弁の開放時に、空気が吸気通路から吸気ポートを通って燃焼室に吸入されると共に、インジェクタから燃料が吸気通路または燃焼室に噴射され、燃焼室にて、空気と燃料との混合気がピストンの上昇により圧縮され、この高圧の混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排気ガスが排気ポートを通して排気通路に排出される。
ところで、このような内燃機関において、シリンダヘッドに対して別体の排気マニホールドを固定せずに、シリンダヘッド内に一体に排気集合部を設けることで、小型化を図ったものがある。この排気集合部が一体に形成された従来のシリンダヘッドは、複数の燃焼室に対して排気ポートが連通し、この各排気ポートが集合して側面に開口し、この集合部に排気管が連結され、この排気管にターボ過給機が装着されて構成されている。
なお、上述した従来の内燃機関のシリンダヘッドとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。
特開平０１−１８２５６０号公報
ところで、内燃機関の排気系には、ターボ過給機と共に排気浄化触媒が装着されている。そして、内燃機関の冷間始動時には、点火時期を遅角し、高温の排気ガスを排気管を通して浄化触媒に導入することで、この排気浄化触媒を暖機して早期活性化を図っている。上述した従来の内燃機関のシリンダヘッドでは、内部に形成された排気通路を集合部で集合してから排気管を連結しているため、排気通路の断面積を減少して排気ガス温度の低下を抑制することで排気浄化触媒の暖機を促進することができる。ところが、排気系にターボ過給機が装着されている内燃機関では、冷間始動時であっても、排気ガスがターボ過給機のタービンを通過するため、ここで排気ガスの熱が奪われて低下し、触媒暖機性能が低下してしまうという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、触媒暖機性能を向上させると共に装置のコンパクト化を図った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。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、前記バイパス通路として、一端部が前記排気通路の集合部に連通して他端部がシリンダヘッド側面に開口するバイパス孔が形成され、前記バイパス孔の他端部は、前記排気通路の集合部が開口する側方に開口して形成され、前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能な弁本体と、アクチュエータと、該アクチュエータと前記弁本体とを連結するリンクとがユニットとして構成され、この制御弁ユニットがシリンダヘッド側面に設けられることを特徴とするものである。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、前記過給機のタービンハウジングは、一端部が外部に開口する排気案内部と、該排気案内部の他端部が連通するスクロール部とを有し、前記排気案内部が前記排気通路の集合部内に配置されることを特徴とするものである。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、前記過給機のタービンハウジングに冷却通路が設けられ、該冷却通路は、シリンダヘッド内部に設けられたウォータジャケットに連通されると共に、前記冷却通路は、前記タービンハウジングの外周部に設けられ、上端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水導入口が形成され、下端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水排出口が形成されることを特徴とするものである。
本発明の内燃機関のシリンダヘッドによれば、複数の燃焼室に対して排気ポートを介して排気通路の一端部を連通し、他端部に集合部を設け、この集合部に過給機及び排気浄化触媒を連結し、排気通路から過給機を迂回して排気浄化触媒に連通するバイパス通路を設けると共に、このバイパス通路を開閉可能な制御弁を設けて構成し、シリンダヘッド内部にバイパス通路の一部を設け、バイパス通路として、一端部が排気通路の集合部に連通して他端部がシリンダヘッド側面に開口するバイパス孔を形成し、バイパス孔の他端部を排気通路の集合部が開口する側方に開口して形成し、制御弁として、バイパス孔の他端部を開閉可能な弁本体と、アクチュエータと、アクチュエータと弁本体とを連結するリンクとをユニットとして構成し、この制御弁ユニットをシリンダヘッド側面に設けるので、燃焼室から排気浄化触媒までの通路表面積を減少することで、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上させることができると共に、排気ガスを排出する配管を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
以下に、本発明に係る内燃機関のシリンダヘッドの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図２は、実施例１の内燃機関を表す縦断面図、図３は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図、図４は、実施例１の内燃機関におけるウエストゲート弁を表す断面図である。
実施例１の内燃機関は、直列４気筒エンジンであり、図１及び図２に示すように、シリンダヘッド１１はその下部にシリンダブロック１２が組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。シリンダブロック１２には複数（本実施例では、４つ）のシリンダボア１３が直線状に並んで形成され、各シリンダボア１３にピストン１４がその軸方向に沿って移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１５を介してこのクランクシャフトに連結されている。
シリンダヘッド１１には、各シリンダボア１３に対応してその上方に位置して燃焼室１６がそれぞれ形成されている。この燃焼室１６は、シリンダボア１３の内壁面と、シリンダヘッド１１の下面と、ピストン１４の頂面により囲繞されており、天井部（シリンダヘッド１１の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この各燃焼室１６の上方、つまり、シリンダヘッド１１の下面にそれぞれ吸気ポート１７と、排気ポート１８が対向して開口している。
また、シリンダヘッド１１には、一端部が各吸気ポート１７に連通し、他端部が一側面に開口する４つの吸気通路１９が形成されている。また、シリンダヘッド１１には、一端部が各排気ポート１８に連通し、他端部が集合して他側面に開口する１つの排気通路２０が形成されている。この排気通路２０は、各排気ポート１８に連通する４つの排気通路部２１と、この排気通路部２１の端部が集合する集合部２２を有しており、各排気通路部２１が排気ポート１８を通して燃焼室１６に連通し、集合部２２がシリンダヘッド１１の他側面に開口している。
そして、この各吸気ポート１７及び排気ポート１８に対して吸気弁２３及び排気弁２４がそれぞれ位置している。この吸気弁２３及び排気弁２４は、シリンダヘッド１１に固定された各ステムガイド２５，２６により軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、各バルブスプリング２７，２８により吸気ポート１７及び排気ポート１８を閉止する方向に付勢支持されている。また、吸気弁２３及び排気弁２４は、上端部にローラロッカアーム２９，３０の一端部が連結され、このローラロッカアーム２９，３０の他端部はシリンダヘッド１１に固定されたラッシュアジャスタ３１，３２に連結されており、吸気カムシャフト３３の吸気カム３４及び排気カムシャフト３５の排気カム３６が各ローラロッカアーム２９，３０に接触している。
従って、内燃機関に同期して吸気カムシャフト３３及び排気カムシャフト３５が回転すると、吸気カム３４及び排気カム３６がローラロッカアーム２９，３０を作動させ、各吸気弁２３及び排気弁２４が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１７及び排気ポート１８を開閉し、吸気通路１９と燃焼室１６、燃焼室１６と排気通路２０の排気通路部２１とをそれぞれ連通することができる。
また、燃焼室１６の側部、つまり、各吸気通路１９側のシリンダヘッド１１の下面には、この燃焼室１６に直接燃料を噴射するインジェクタ３７が装着されている。また、燃焼室１６の天井部中央、つまり、各吸気通路１９と排気通路部２１との間のシリンダヘッド１１の下面には、点火プラグ３８が装着されている。そして、車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）が搭載されており、このＥＣＵは、インジェクタ３７の燃料噴射タイミングや点火プラグ３８による点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度（アクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
そして、シリンダヘッド１１の一側面に、各吸気通路１９に連通する吸気マニホールド３９が固定され、この吸気マニホールド３９にサージタンク４０が連結されている。吸気管４１は、上流側の空気取入口にエアクリーナ４２が取付けられており、下流側端部がサージタンク４０に連結されており、エアクリーナ４２の下流側に位置してスロットル弁４３を有する電子スロットル装置４４が設けられている。
一方、シリンダヘッド１１の他側面に、排気通路２０の集合部２２に連通するターボ過給機４５が固定され、このターボ過給機４５に排気管４６が連結され、この排気管４６に排気浄化触媒（三元触媒）４７が装着されている。このターボ過給機４５は、吸気管４１側に設けられたコンプレッサ４８と排気管４６側に設けられたタービン４９とが連結軸５０により一体に連結されて構成されている。そして、このターボ過給機４５におけるコンプレッサ４８の下流側であって、電子スロットル装置４４（スロットル弁４３）の上流側の吸気管４１には、このコンプレッサ４８により圧縮されて温度上昇した吸入空気を冷却するインタークーラ５１が設けられている。
ここで、本実施例のエンジンにおける排気系について詳細に説明する。本実施例のエンジンでは、図１、図３及び図４に示すように、シリンダヘッド１１に形成された排気通路２０からターボ過給機４５を迂回して排気浄化触媒４７に連通するバイパス通路５２が設けられると共に、このバイパス通路５２を開閉可能なウエストゲート機能を有する排気制御弁５３が設けられており、シリンダヘッド１１の内部にこのバイパス通路５２の一部が設けられている。
即ち、上述したように、シリンダヘッド１１には、一端部が燃焼室１６に連通する吸気通路１９が形成され、この吸気通路１９の他端部はシリンダヘッド１１の一側面に開口している。また、シリンダヘッド１１には、一端部が燃焼室１６に連通する排気通路２０が形成されており、この排気通路２０の他端部は集合部２２としてシリンダヘッド１１の他側面に開口している。そして、シリンダヘッド１１には、吸気通路１９の上下に位置してウォータジャケット５４ａ，５４ｂが形成される一方、排気通路２０の上下に位置してウォータジャケット５５ａ，５５ｂが形成されている。各ウォータジャケット５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ内にはエンジン冷却水が充填されており、図示しないウォータポンプにより循環可能となっている。
ターボ過給機４５は、コンプレッサ４８とタービン４９とが連結軸５０により一体に連結されてなり、コンプレッサ４８はコンプレッサハウジング５６に収容され、タービン４９はタービンハウジング５７に収容され、連結軸５０は連結軸ハウジング５８に収容され、各ハウジング５６，５７，５８が一体に連結されている。そして、タービンハウジング５７は、内側にスクロール部５９を形成する内部ハウジング５７ａと、この内部ハウジング５７ａを被覆し、内側に冷却通路６０を形成する外部ハウジング５７ｂとから構成されている。この場合、内部ハウジング５７ａは鋳造により製造され、外部ハウジング５７ｂは板金により製造され、両ハウジング５７ａ，５７ｂが一体に固着されている。
そして、タービンハウジング５７は、スクロール部５９の排気導入部５９ａが排気通路２０の集合部２２に連通するようにシリンダヘッド１１の側面に密着し、フランジ部５７ｃが複数の締結ボルト６１によりシリンダヘッド１１に固定されている。また、タービンハウジング５７は、上端部に冷却水導入口６０ａが形成され、下端部に冷却水排出口６０ｂが形成されており、シリンダヘッド１１に固定された状態で、冷却水導入口６０ａがウォータジャケット５５ａと連通し、冷却水排出口６０ｂがウォータジャケット５５ｂと連通している。
また、上述したバイパス通路５２は、シリンダヘッド１１の内部に形成されたバイパス孔６２と、シリンダヘッド１１と排気管４６を連結するバイパス管６３とから構成され、このバイパス管６３に排気制御弁５３が連結されている。即ち、バイパス孔６２は、シリンダヘッド１１内に一体に形成され、平面視がＬ字形状をなし、一端部が排気通路２０における集合部２２の側部に連通し、他端部がシリンダヘッド１１の側面に開口している。この場合、バイパス孔６２の他端部は、排気通路２０の集合部２２が開口する側方に開口している。つまり、シリンダヘッド１１の側面にて、バイパス孔６２の開口と、排気通路２０における集合部２２の開口が水平方向に並んで形成されている。
そして、排気制御弁５３において、ケース６４は円筒箱型形状をなし、一端部がシリンダヘッド１１の側面に密着し、他端部がバイパス管６３の一端部に密着し、それぞれ図示しない締結ボルトにより固定されている。アーム６５は、基端部がケース６４に支持軸６６をもって回転自在に支持されており、バイパス孔６２の他端部（開口）を開閉可能な弁本体６７が取付けられている。この弁本体６７は、バイパス孔６２の開口を閉止できるように、このバイパス孔６２の開口周辺のシリンダヘッド１１の側面に装着されたバルブシート（シール部材）６８に密着可能となっている。また、シリンダヘッド１１には、アクチュエータ６９が装着されており、駆動ロッド６９ａの先端部とアーム６５の基端部がリンク７０により連結されている。なお、バイパス管６３の他端部は、排気管４６におけるターボ過給機４５と排気浄化触媒４７の間に連結されている。
このように排気制御弁５３は、ケース６４、アーム６５、支持軸６６、弁本体６７、アクチュエータ６９、リンク７０がユニットとして構成されており、この排気制御弁ユニットがシリンダヘッド１１の側面に設けられることとなる。従って、アクチュエータ６９を駆動して駆動ロッド６９ａを軸方向に移動すると、リンク７０を介してアーム６５を支持軸６６を支点に回動し、弁本体６７によりバイパス孔６２、つまり、バイパス通路５２を開閉することができる。この場合、排気制御弁５３は、バイパス通路５２を開閉することで、ターボ過給機４５による過給圧をコントロールすることができ、吸気側の過給圧が所定の圧力に達すると、それ以上コンプレッサ４８が加圧しないように、排気ガスを放出してタービン４９の回転を抑制するものである。また、この排気制御弁５３は、後述するが、エンジンの冷間始動時に、排気ガスをタービン４９を迂回して排気浄化触媒４７に直接流入させることで、この排気浄化触媒４７を暖機して早期活性化を図るものである。
ここで、上述したシリンダヘッド１１が組み付けられた内燃機関の作動について説明する。図１乃至図４に示すように、エアクリーナ４２を通して吸気管４１に導入された空気は、ターボ過給機４５のコンプレッサ４８により圧縮される。そして、圧縮された過給吸気は、スロットル弁４３に調量されてからサージタンク４０に流れ、吸気マニホールド３９を介してシリンダヘッド１１の各吸気通路１９を通って各吸気ポート１７に至り、吸気弁２３の開放時に、吸気ポート１７の空気が燃焼室１６に吸入される。そして、この吸気行程時またはピストン１４が上昇して吸入空気を圧縮する圧縮行程時に、インジェクタ３７が燃焼室１６に対して所定量の燃料を噴射する。すると、燃焼室１６にて、高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気に対して点火プラグ３８が着火して爆発することで、ピストン１４が押し下げられて駆動力を出力する。
その後、排気弁２４の開放時に、各燃焼室１６の排気ガスが排気ポート１８を通って排気通路２０に流れ、集合部２２で集合されてシリンダヘッド１１から排出される。シリンダヘッド１１から排出された排気ガスは、ターボ過給機４５のタービン４９を駆動し、このタービン４９と連結軸５０により連結されたコンプレッサ４８を駆動することで、吸気管４１に導入された空気を圧縮することができる。そして、タービン４９を駆動した排気ガスは、排気管４６を通って排気浄化触媒４７に流入し、ここで、排気ガス中の有害物質が浄化処理されてから大気に放出される。
ところで、エンジンの冷間始動時には、排気浄化触媒４７が低温状態にあって、排気ガスの活性化温度まで達していないため、点火時期を大幅に遅角して点火プラグ３８により点火することで、燃料の燃焼エネルギがエンジンを駆動させるために消費されるのを減じ、高温の排気ガスにより排気浄化触媒４７を急速暖機させるようにしている。そのため、このとき、ＥＣＵは、排気制御弁５３のアクチュエータ６９を駆動することで、弁本体６７によりバイパス孔６２（バイパス通路５２）を開放する。すると、燃焼室１６から排気ポート１８を通して排気通路２０に排出された高温の排気ガスは、集合部２２からバイパス通路５２を通って排気管４６に流れ、ターボ過給機４５を迂回して排気浄化触媒４７へ直接流入する。そのため、この高温の排気ガスにより排気浄化触媒４７を効率的に暖機して活性化させることができる。
また、ターボ過給機４５では、シリンダヘッド１１のウォータジャケット５５ａを流れるエンジン冷却水が、タービンハウジング５７の冷却水導入口６０ａから冷却通路６０に導入され、スクロール部５９の外側を流れ、冷却水排出口６０ｂからウォータジャケット５５ｂに排出される。そのため、高温の排気ガスにより加熱されるタービン４９やタービンハウジング５７が適正に冷却される。
このように実施例１の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室１６に対して排気ポート１８を介して排気通路２０の一端部を連通し、この排気通路２０の他端部に集合部２２を設け、この集合部２２にターボ過給機４５、排気管４６、排気浄化触媒４７を連結する一方、排気通路２０からターボ過給機４５を迂回して排気管４６から排気浄化触媒４７に連通するバイパス通路５２を設けると共に、このバイパス通路５２を開閉可能な排気制御弁５３を設けて構成し、シリンダヘッド１１の内部にバイパス通路５２の一部を設けている。
従って、エンジンの冷間始動時に、排気制御弁５３によりバイパス通路５２を開放することで、燃焼室１６から排気ポート１８を通して排気通路２０に排出された高温の排気ガス２６が、集合部２２からバイパス通路５２を通って排気管４６に流れ、ターボ過給機４５を迂回して排気浄化触媒４７へ直接流入することとなる。そのため、燃焼室１６から排気浄化触媒４７までの通路表面積が減少し、ターボ過給機４５により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒４７を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
また、この場合、シリンダヘッド１１の内部にバイパス通路５２の一部としてのバイパス孔６２を形成している。従って、高温状態にあるシリンダヘッド１１内にバイパス孔６２を形成することで、排気ガス温度の低下を抑制して媒暖機性能を向上することができると共に、外部に露出する配管（バイパス管６３）を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
また、本実施例では、バイパス通路５２として、シリンダヘッド１１の内部にバイパス孔６２を形成し、このバイパス孔６２の一端部を排気通路２０の集合部２２に連通し、他端部をシリンダヘッド１１の側面に開口している。従って、排気通路２０から排気浄化触媒４７までの距離を短くし、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上することができると共に、排気ガスを集合部２２から抜き取るため、各気筒間の背圧のばらつきがなくなり、燃焼を改善することができる。
そして、このバイパス孔６２は、他端部が排気通路２０の集合部２２が開口する側方に開口して形成しており、ターボ過給機４５のタービンハウジング５７や排気管４６、排気浄化触媒４７などを容易に装着することができ、装置の簡素化を図ることができる。
また、本実施例では、排気制御弁５３をバイパス孔６２の他端部の開港を開閉可能に設けている。そして、この場合、排気制御弁５３を、ケース６４、アーム６５、支持軸６６、弁本体６７、アクチュエータ６９、リンク７０がユニットとなるように構成され、この排気制御弁ユニットをシリンダヘッド１１の側面に設けている。従って、排気管４６よりも低温状態に維持されるシリンダヘッド１１側に排気制御弁５３を設けることで、熱による損傷を防止して信頼性を向上することができると共に、耐熱材料を減少して低コスト化を図ることができる。
また、本実施例では、ターボ過給機４５のタービンハウジング５７にスクロール部５９を設け、このタービンハウジング５７をシリンダヘッド１１の側面に固定することで、スクロール部５９と排気通路２０の集合部２２を連通するようにしている。従って、ターボ過給機４５をコンパクトな構造にすることができ、装置の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
更に、本実施例では、ターボ過給機４５のタービンハウジング５７に冷却通路６０を設け、この冷却通路６０をシリンダヘッド１１の内部に設けられたウォータジャケット５５ａ，５５ｂに連通している。従って、シリンダヘッド１１のウォータジャケット５５ａを流れるエンジン冷却水をタービンハウジング５７の冷却通路６０に導入して冷却することができ、高温の排気ガスにより加熱されるタービン４９やタービンハウジング５７が適正に冷却し、材料の低コスト化を可能とすることができる。
この場合、冷却通路６０をタービンハウジング５７の外周部に設け、上端部にウォータジャケット５５ａに連通する冷却水導入口６０ａを形成し、下端部にウォータジャケット５５ｂに連通する冷却水排出口６０ｂを形成している。従って、シリンダヘッド１１のウォータジャケット５５ａを流れるエンジン冷却水が、タービンハウジング５７の冷却水導入口６０ａから冷却通路６０に導入され、スクロール部５９の外側を流れ、冷却水排出口６０ｂからウォータジャケット５５ｂに排出されることとなり、高温の排気ガスにより加熱されるタービン４９やタービンハウジング５７を効率的に冷却することができる。
そして、このタービンハウジング５７を、スクロール部５９を形成する内部ハウジング５７ａと、この内部ハウジング５７ａを被覆して冷却通路６０を形成する外部ハウジング５７ｂとから構成し、内部ハウジング５７ａを鋳造により製造し、外部ハウジング５７ｂを板金により製造し、両ハウジング５７ａ，５７ｂが一体に固着している。従って、内部ハウジング５７ａにより耐熱性及び強度を確保でき、外部ハウジング５７ｂにより軽量化及び低コスト化を可能とすることができる。
図５は、本発明の実施例２に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図６は、実施例２の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例２の内燃機関において、図５及び図６に示すように、シリンダヘッド７１は、その下部にシリンダブロック１２が組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。このシリンダヘッド７１には、複数の燃焼室１６が形成され、吸気ポート１７と排気ポート１８が対向して開口しており、この吸気ポート１７を介して吸気通路１９が連通すると共に、排気ポート１８を介して排気通路２０が連通しており、排気通路２０は、４つの排気通路部２１と１つの集合部２２を有し、集合部２２がシリンダヘッド７１の他側面に開口している。
シリンダヘッド７１の側面に、排気通路２０の集合部２２に連通するターボ過給機４５が固定され、このターボ過給機４５に排気管４６が連結され、この排気管４６に排気浄化触媒４７が装着されている。そして、シリンダヘッド７１に形成された排気通路２０からターボ過給機４５を迂回して排気浄化触媒４７に連通するバイパス通路７２が設けられると共に、このバイパス通路７２を開閉可能なウエストゲート機能を有する排気制御弁７３が設けられており、シリンダヘッド７１の内部にこのバイパス通路７２の一部が設けられている。
このバイパス通路７２は、シリンダヘッド１１の内部に形成されたバイパス孔７４と、シリンダヘッド７１と排気管４６を連結するバイパス管７５とから構成され、シリンダヘッド７１側に排気制御弁７３が連結されている。即ち、バイパス孔７４は、シリンダヘッド７１内に傾斜して一体に形成され、上端部が排気通路２０における集合部２２の下部に連通し、下端部がシリンダヘッド７１の側面に開口している。この場合、バイパス孔７４の下端部は、排気通路２０の集合部２２が開口する下方に開口している。つまり、シリンダヘッド７１の側面にて、バイパス孔７４の開口と、排気通路２０における集合部２２の開口が鉛直方向に並んで形成されている。
そして、シリンダヘッド７１のバイパス孔７４の開口に排気制御弁７３が装着されると共に、バイパス管７５が連結されている。なお、このバイパス管７５の他端部は、図示しないが、排気管４６におけるターボ過給機４５と排気浄化触媒４７の間に連結されている。
なお、本実施例のエンジンの作動については、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。
このように実施例２の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室１６に対して排気ポート１８を介して排気通路２０の一端部を連通し、この排気通路２０の他端部に集合部２２を設け、この集合部２２にターボ過給機４５、排気管４６、排気浄化触媒４７を連結する一方、排気通路２０からターボ過給機４５を迂回して排気管４６から排気浄化触媒４７に連通するバイパス通路７２を設けると共に、このバイパス通路７２を開閉可能な排気制御弁７３を設けて構成し、シリンダヘッド７１の内部にバイパス通路７２の一部としてのバイパス孔７４を形成している。
従って、エンジンの冷間始動時に、排気制御弁７３によりバイパス通路７２を開放することで、燃焼室１６から排気ポート１８を通して排気通路２０に排出された高温の排気ガスが、集合部２２からバイパス通路７２を通って排気管４６に流れ、ターボ過給機４５を迂回して排気浄化触媒４７へ直接流入することとなる。そのため、燃焼室１６から排気浄化触媒４７までの通路表面積が減少し、ターボ過給機４５により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒４７を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
また、この場合、シリンダヘッド７１の内部にバイパス通路７２の一部としてのバイパス孔７４を形成している。従って、高温状態にあるシリンダヘッド１１内にバイパス孔７４を形成することで、排気ガス温度の低下を抑制して媒暖機性能を向上することができると共に、外部に露出する配管（バイパス管７５）を簡素することで、装置のコンパクト化を図ることができる。
また、バイパス通路７２として、シリンダヘッド７１の内部にバイパス孔７４を形成し、このバイパス孔７４の一端部を排気通路２０の集合部２２に連通し、他端部をシリンダヘッド１１の側面に開口している。従って、排気通路２０から排気浄化触媒４７までの距離を短くし、排気ガス温度の低下を抑制して触媒暖機性能を向上することができると共に、排気ガスを集合部２２から抜き取るため、各気筒間の背圧のばらつきがなくなり、燃焼を改善することができる。
図７は、本発明の実施例３に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図、図８は、実施例３の内燃機関のシリンダヘッドを表す要部縦断面図（図７のVIII−VIII断面図）である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例３の内燃機関において、図７及び図８に示すように、シリンダヘッド８１には、複数の燃焼室８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄが形成され、吸気ポート８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄと排気ポート８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄが対向して開口しており、この吸気ポート８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄを介して４つの吸気通路８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，８５ｄが連通すると共に、排気ポート８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄを介して１つの排気通路８６が連通しており、この排気通路８６は、４つの排気通路部８７ａ，８７ｂ，８７ｃ，８７ｄと２つの集合部８８ａ，８８ｂを有し、各集合部８８ａ，８８ｂがシリンダヘッド８１の他側面に開口する連結孔８９に連通している。
そして、シリンダヘッド８１の一側面に、各吸気通路８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，８５ｄに連通する吸気マニホールド９０が固定され、この吸気マニホールド９０にサージタンク９１が連結されている。吸気管９２は、上流側の空気取入口にエアクリーナ９３が取付けられており、下流側端部がサージタンク９１に連結されており、エアクリーナ９３の下流側に位置してスロットル弁９４を有する電子スロットル装置９５が設けられている。一方、シリンダヘッド８１の他側面における連結孔８９に排気通路８６の集合部８８ａ，８８ｂに連通するターボ過給機９６が固定され、このターボ過給機９６に排気管９７が連結され、この排気管９７に排気浄化触媒９８が装着されている。そして、図示しないが、シリンダヘッド８１に形成された排気通路８６からターボ過給機９６を迂回して排気浄化触媒９８に連通するバイパス通路と排気制御弁が設けられている。
また、ターボ過給機９６は、ツインエントリー式のターボ過給機であって、コンプレッサ１０１とタービン１０２とが連結軸１０３により一体に連結されてなり、コンプレッサ１０１はコンプレッサハウジング１０４に収容され、タービン１０２はタービンハウジング１０５に収容され、連結軸１０３は連結軸ハウジング１０６に収容され、各ハウジング１０４，１０５，１０６が一体に連結されている。そして、タービンハウジング１０５は、内側に図示しない２つのスクロール部が形成されている。
また、ターボ過給機９６のタービンハウジング１０５は、シリンダヘッド８１の連結孔８９に嵌合可能な連結部１０７が連結されている。この連結部１０７は、内筒１０８及び外筒１０９により構成され、２つの排気案内部１１０，１１１が形成されている。この排気案内部１１０，１１１は、一端部がタービンハウジング１０５内の各スクロール部に連通する一方、排気案内部１１０の他端部に開口１１０ａが形成され、排気案内部１１１の他端部が変速してその左右側部に開口１１１ａが形成されている。また、シリンダヘッド８１の連結孔８９には、その入口部に雌ねじ部８９ａが形成され、連結部１０７には、その基端部側にこの雌ねじ部８９ａに螺合可能な雄ねじ部１０７ａが形成されると共に、雄ねじ部１０７ａにロックナット１１２が螺合している。
そのため、タービンハウジング１０５の連結部１０７をシリンダヘッド８１の連結孔８９に嵌合し、雄ねじ部１０７ａを雌ねじ部８９ａに螺合させた後、ロックナット１１２を締結することで、タービンハウジング１０５がシリンダヘッド８１に固定される。そして、この状態では、タービンハウジング１０５の排気案内部１１０，１１１がシリンダヘッド７１の排気通路８６における集合部８８ａ，８８ｂ内に配置されることとなる。そして、燃焼室８２ｂ，８２ｃが排気通路部８７ｂ，８７ｃ、集合部８８ａを介して排気案内部１１０に連通し、燃焼室８２ａ，８２ｄが排気通路部８７ａ，８７ｄ、集合部８８ｂを介して排気案内部１１１に連通する。
従って、各燃焼室８２ｂ，８２ｃの排気ガスが排気通路部８７ｂ，８７ｃ及び集合部８８ａを通って排気案内部１１０に導入され、この排気案内部１１０を通ってターボ過給機９６における一方のスクロール部に流入し、また、各燃焼室８２ａ，８２ｄの排気ガスが排気通路部８７ａ，８７ｄ及び集合部８８ｂを通って排気案内部１１１に導入され、この排気案内部１１１を通ってターボ過給機９６における他方のスクロール部に流入する。そのため、各スクロール部に流入した排気ガスにより、タービン１０２を駆動し、このタービン１０２と連結軸１０３により連結されたコンプレッサ１０１を駆動することで、吸気管９２に導入された空気を圧縮することができる。そして、タービン１０２を駆動した排気ガスは、排気管９７を通って排気浄化触媒９８に流入し、ここで、排気ガス中の有害物質が浄化処理されてから大気に放出される。
なお、本実施例のエンジンの作動については、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。
このように実施例３の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、複数の燃焼室８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄに対して排気ポート８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄを介して排気通路８６の一端部を連通し、この排気通路８６の他端部に集合部８８ａ，８８ｂを設け、この集合部８８ａ，８８ｂにターボ過給機９６、排気管９７、排気浄化触媒９８を連結し、タービンハウジング１０５の連結部１０７に一端部が外部に開口する排気案内部１１０，１１１を設け、この排気案内部１１０，１１１を排気通路８６の集合部８８ａ，８８ｂ内に配置している。
従って、タービンハウジング１０５の連結部１０７をシリンダヘッド８１の連結孔８９に嵌合して固定することで、タービンハウジング１０５をシリンダヘッド８１に装着することができ、ターボ過給機９６の組付性を向上することができる。また、排気案内部１１０，１１１がシリンダヘッド８１内に配置されることで、ターボ過給機９６自体をコンパクトとして小型化することができ、燃焼室８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄから排気浄化触媒９８までの通路表面積が減少し、ターボ過給機９６により高温の排気ガスの熱が奪われずに排気ガス温度の低下が抑制され、排気ガスにより排気浄化触媒９８を効率的に暖機して活性化させることができ、触媒暖機性能を向上することができる。
なお、上述した各実施例では、内燃機関を直列４気筒エンジンとして説明したが、この形式に限定されるものではない。また、上述した各実施例では、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の内燃機関として説明したが、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式内燃機関に適用しても前述と同様の作用効果を奏することができる。
以上のように、本発明に係る内燃機関のシリンダヘッドは、内部に過給機を迂回するバイパス通路の一部を設けることで、触媒暖機性能を向上させると共に装置のコンパクト化を図るものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
本発明の実施例１に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例１の内燃機関を表す縦断面図である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。 実施例１の内燃機関におけるウエストゲート弁を表す断面図である。 本発明の実施例２に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例２の内燃機関のシリンダヘッドを表す縦断面図である。 本発明の実施例３に係る内燃機関のシリンダヘッドを表す概略図である。 実施例３の内燃機関のシリンダヘッドを表す要部縦断面図（図７のVIII−VIII断面図）である。
符号の説明
１１，７１，８１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１４ ピストン
１６，８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ 燃焼室
１７，８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ 吸気ポート
１８，８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄ 排気ポート
１９，８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，８５ｄ 吸気通路
２０，８６ 排気通路
２１，８７ａ，８７ｂ，８７ｃ，８７ｄ 排気通路部
２２，８８ａ，８８ｂ 集合部
３７ インジェクタ
３８ 点火プラグ
４１，９２ 吸気管
４５，９６ ターボ過給機（過給機）
４６，９７ 排気管
４７，９８ 排気浄化触媒
４９，１０２ タービン
５２，７２ バイパス通路
５３，７３ 排気制御弁（制御弁）
５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ ウォータジャケット
５７，１０４ タービンハウジング
５９ スクロール部
６０ 冷却通路
６２，７４ バイパス孔
６３，７５ バイパス管
１０７ 連結部
１１０，１１１ 排気案内部

Claims (3)

  1. 複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
    内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、前記バイパス通路として、一端部が前記排気通路の集合部に連通して他端部がシリンダヘッド側面に開口するバイパス孔が形成され、前記バイパス孔の他端部は、前記排気通路の集合部が開口する側方に開口して形成され、
    前記制御弁は、前記バイパス孔の他端部を開閉可能な弁本体と、アクチュエータと、該アクチュエータと前記弁本体とを連結するリンクとがユニットとして構成され、この制御弁ユニットがシリンダヘッド側面に設けられることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  2. 複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、
    前記過給機のタービンハウジングは、一端部が外部に開口する排気案内部と、該排気案内部の他端部が連通するスクロール部とを有し、前記排気案内部が前記排気通路の集合部内に配置されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
  3. 複数の燃焼室と、該各燃焼室に吸気ポートを介してそれぞれ連通する複数の吸気通路と、一端部が前記各燃焼室に排気ポートを介してそれぞれ連通すると共に他端部が集合する集合部を有する排気通路とを有し、前記排気通路の集合部に過給機及び排気浄化触媒が連結され、前記排気通路から前記過給機を迂回して前記排気浄化触媒に連通するバイパス通路が設けられると共に、該バイパス通路を開閉可能な制御弁が設けられる内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内部に前記バイパス通路の一部が設けられ、
    前記過給機のタービンハウジングに冷却通路が設けられ、該冷却通路は、シリンダヘッド内部に設けられたウォータジャケットに連通されると共に、
    前記冷却通路は、前記タービンハウジングの外周部に設けられ、上端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水導入口が形成され、下端部に前記ウォータジャケットに連通する冷却水排出口が形成されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
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