JP2017115738A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホールド部たる排気集合空間を内部に形成して、排気側面には１つの排気穴を開口させているだけのシリンダヘッドにおいて、排気集合空間の個所の冷却性を向上させる。【解決手段】シリンダヘッド１の内部の冷却水ジャケット１５は、各気筒１１の上部個所のエリアよりも排気側面の側に寄った部位を冷却する排気側ジャケット部１６と、各気筒１１の上部個所を含むエリアを中心に冷却する燃焼室側ジャケット部１７とに分かれている。両ジャケット部１６，１７はそれぞれクランク軸心４の方向に長い形態であって、冷却水が長手一端部から長手他端部に向けて独立して流れるように、それぞれ冷却水入り口２１，２２を設けている。排気側ジャケット部１６を流れた冷却水は、ジョイント部３０から燃焼室側ジャケット部１７に合流する。冷却水が排気側ジャケット部１６をまんべんなく流れるため、排気集合空間の個所を的確に冷却できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、車両用等の内燃機関のシリンダヘッドに関するものであり、冷却構造（冷却水ジャケットの構造）に特徴を有している。

内燃機関の排気構造として、排気集合空間をシリンダヘッドの内部に形成して、シリンダヘッドの排気側面には１つの排気穴が空いているだけのタイプが存在している。このタイプは、全体的にコンパクト化できる利点や熱を有効利用できる利点などがあるが、排気マニホールドを固定するタイプに比べて、シリンダヘッドが過酷な熱環境に晒されるという問題がある。

この点について、例えば特許文献１に開示されているように、冷却水ジャケットを排気集合空間の側に突出した状態に形成して、排気集合空間の個所の冷却を図っている。なお、排気集合空間はクランク軸線方向（気筒列方向）に長く延びているため、冷却水ジャケットは、排気集合空間を挟んで上下に分かれており、上下に分かれた部分は、長手一端部と長手他端部とにおいて連通していると共に、長手方向の中途部においても連通している。

特開２０１２−５７４６８号公報

特許文献１のように、冷却水ジャケットを排気集合空間の個所に突出させると、冷却水が冷却水ジャケットにまんべんなく均等に流れたら、排気集合空間の個所も効果的に冷却できる。しかし、本願発明者たちが解析・研究したところ、冷却水はウォータポンプで圧送されているために、冷却水ジャケットの一端部から他端部に向けて直進しようする傾向を呈して、排気集合空間の個所の冷却が不完全になることが判明した。すなわち、最も加熱される部分の冷却が不十分であった。

本願発明はこのような知見と研究の成果としてなされたものであり、排気集合空間を内蔵したシリンダヘッドにおいて、より改良された冷却構造を提供せんとするものである。また、本願は、シリンダヘッドに関して改良された構成を開示しているが、これらも、独立した発明足りうる特有の作用効果を有している。従って、これら改良された構成を提示することも、課題となり得るものである。

本願発明はシリンダヘッドに関するものであり、シリンダヘッドは、その内部に、複数の気筒に対応した複数の排気ポートと、前記各排気ポートが連通した排気集合空間と、冷却水ジャケットとが形成されており、前記排気集合部は、前記シリンダヘッドの排気側面から１つの排気穴として開口している、という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、前記冷却水ジャケットは、概ね各気筒の上部個所のエリアよりも排気側面側に寄った部位を冷却する排気側ジャケット部と、各気筒の上部個所を含むエリアを中心に冷却する燃焼室側ジャケット部とに分かれていて、前記燃焼室側ジャケット部は、気筒の軸心方向から見てクランク軸心を挟んだ両側に広がっており、かつ、前記両ジャケット部はそれぞれクランク軸心方向に長い形態であって、冷却水が長手一端部から長手他端部に向けて独立して流れるように、それぞれ冷却水入り口を設けている。

各ジャケット部の冷却入り口は長手一端部のみに設けてもよいが、一端部と他端部との間に複数の冷却水入り口を設けることも可能である。また、排気側ジャケット部と燃焼室側ジャケット部とのうち片方又は両方に関して、基本的な構成としては、冷却水入り口は長手一端部に設けつつ、長手他端部等に補助的な冷却水入り口を設けることも可能である。

２つのジャケット部を流れた冷却水は、１つの流れとして集合させてから、ラジェータやウォータポンプへの送りを司る制御部に流すのが好ましいが、燃焼室側ジャケット部と排気側ジャケット部の流れとを別々に制御部に導くことも可能である。すなわち、燃焼室側ジャケット部を流れた冷却水と排気側ジャケット部を流れた冷却水とを、制御部において合流させることも可能である。

更に、排気側ジャケット部による冷却を阻害しない範囲で、排気側ジャケット部と燃焼室側ジャケット部とを、その一端部は他端部との間の１か所又は複数個所で連通させることも可能である。

また、シリンダヘッドの冷却水ジャケットには、シリンダブロックの冷却水ジャケット（ブロックジャケット）を経由した冷却水が流入することが多いが、排気集合空間は特に高温になるため、排気集合空間の個所の冷却性を高めるという点では、排気側ジャケット部には、シリンダブロックの冷却水ジャケットを経由せずに、ウォータポンプから排出された冷却水をダイレクトに取り込むのが好ましい。

本願発明では、シリンダヘッドの冷却水ジャケットは、排気側ジャケット部と燃焼室側ジャケット部とに分離していて、それぞれに冷却が別々に流入するため、排気側ジャケット部に流入した冷却水が直進性を持って一端部から他端部に向けて流れても、冷却水を、排気側ジャケット部の全体にまんべんなく流すことができる。つまり、排気側ジャケット部は、冷却水が方向性（直進性）を持って流れつつも、全体の内面に冷却水とまんべんなく接触するのであり、これにより、排気集合空間の個所や排気ポートの個所を的確に冷却することができる。

その結果、シリンダヘッドに排気集合空間を内蔵したことの利点であるコンパクト化や熱効率の向上等の利点を、シリンダヘッドの過剰な加熱を招来することなく享受できる。

また、排気側ジャケット部と燃焼室側ジャケット部とがシリンダヘッドの幅方向に分離していることにより、両ジャケット部の間には、クランク軸線方向に長い隔壁が存在しており、この隔壁がシリンダヘッドの撓みを抑制する補強部として機能するため、シリンダヘッドの強度を向上できると共に、熱ひずみも抑制できる。

その結果、カム軸の回転のスムース性などの各可動部材の動きのスムース性を向上して、メカロスを抑制でき、延いては燃費の向上に貢献できる。また、熱ひずみによってシリンダブロックとの接合面やフロントカバーとの接合面に滑りが生じることも防止又は著しく抑制できるため、長期の使用によって接合面からオイルがにじみ出るといった問題も防止できる。

実施形態を示す図で、冷却水ジャケットの平面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの平面図である。 （Ａ）は冷却水ジャケットを排気側面方向から見た側面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの側面図である。 （Ａ）は冷却水ジャケットをクランク軸線方向から見た背面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの背面図である。 冷却水ジャケットの斜視図である。 冷却水ジャケットの平面図である。 シンリダブロックの部分平面図である。 シリンダヘッドを図５の VII-VII視線で切った断面図である。 シリンダヘッドを図５の VIII-VIII視線で切った断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて発明する。本実施形態では、クランク軸線方向を前後方向として定義しており、図１に方向を明示している。図では表示していないが、タイミングチェーンを覆うフロントカバーを設けている側を前としている。

図１（Ｂ）及び図８から理解できるように、シリンダヘッド１に上面には上向きに開口した空所が形成されており、このため、周囲には上向きの周壁２を設けている。周壁２で囲われた内部には、３つの点火プラグ保持穴３が長手方向（クランク軸心４の方向）に並んでいる。

また、シリンダヘッド１の空所には、カム軸が保持される軸受け部を構成する仕切りリブ５が幅方向に延びており、仕切りリブ５を挟んだ両側に、バルブ軸が嵌まる弁保持穴６が２対ずつ形成されている。

シリンダヘッド１は、吸気ポート７が開口した吸気側面８を有している。吸気側面８は、下に行くに従って外側に向かうように傾斜している。また、図７に示すように、シリンダヘッド１には、クランク軸線方向に並んだ３つの燃焼室９が形成されている。燃焼室９は下広がりの台錘状に形成されており、当然ながら、シリンダブロック１０の気筒１１と同径・同心になっている。

シリンダヘッド１には、１つの燃焼室に対応して２つの排気ポート（図示せず）が形成されており、各排気ポートは、図７，８に示す１つの排気集合空間１２に集合している。図２及び図７に示すように、排気集合空間１２は１つの排気穴１３を有しており、排気穴１３は排気側面１４に開口している。排気穴１３は、シリンダヘッド１の長手方向に長い小判形の長穴になっている。

図１〜３の対比から理解できるように、シリンダヘッド１の内部には、冷却水が通る冷却水ジャケット１５を形成している。なお、図１〜３の平行斜線は、冷却水ジャケット１５の外形を明示するためのものであり、断面の表示ではない。また、図１５では、上下方向（気筒軸線方向）に重なった冷却水ジャケットはそのまま表示している。

図１，４から容易に理解できるように、冷却水ジャケット１５は、排気側面１３の側に位置した排気側ジャケット部１６と、各燃焼室９（或いは気筒１１）の上方部個所を含むエリアを中心に冷却する燃焼室側ジャケット部１７とに分かれている。燃焼室側ジャケット部１７は、気筒１１の軸心方向から見て、クランク軸心４を挟んだ両側に広がっている。また、図１（Ａ）において、燃焼室側ジャケット部１７は、燃焼室と同心状の外側部分１７ａを有しており、外側部分１７ａでシリンダヘッド１の吸気側肉部１８が囲われているが、吸気側肉部１８は吸気弁の支持部になっている。

排気側ジャケット部１６と燃焼室側ジャケット部１７との間は、冷却水ジャケット１５の肉部である隔壁部１９になっており、排気弁の支持部は、この隔壁部１９に形成されている。隔壁部１９は前後方向に長く延びているため、シリンダヘッド１の強度は高くなっている。また、熱膨張によって左右方向に反ったり上下方向に反ったりすることも抑制されている。また、吸気側肉部１８も補強機能を有するが、隔壁部１９と吸気側肉部１８とがクランク軸心４を挟んで概ね対象位置にあるため、隔壁部１９と吸気側肉部１８との補強機能がバランスして、熱によるひずみの抑制に一層貢献している。

排気側ジャケット部１６は、排気集合空間１２を上から覆う上部ジャケット１６ａと、排気集合空間１２を下から覆う上部ジャケット１６ｂとを有しており、上下のジャケット１６ａ，１６ｂは、前後両端部において連通している。また、排気側面１４から離れた奥部においても、複数個所で連通している。従って、排気集合空間１２の後ろの部分や排気ポートの周囲の部分も、的確に冷却される。

図１において、排気側ジャケット部１６の内部に島状の排気側肉部２０が３つ存在しているが、これは、ヘッドボルト挿通穴を形成するための肉部である。

図４及び図５に示すように、排気側ジャケット部１６の前端部と燃焼室側ジャケット部１７の前端部とには、シリンダブロック１０に向いた冷却水入り口２１，２２が繋がっている。排気側ジャケット部１６の冷却水入り口２１は１つであり、燃焼室側ジャケット部１７の冷却水入り口２２は左右２つ設けている。図１では、冷却水入り口２１，２２は、黒丸で大まかな位置だけを示している。

図６に示すように、シリンダブロック１０には、気筒１１を囲うブロックジャケット２３が形成されており、排気側ジャケット部１６の冷却水入り口２１と連通する排気側送水口２４と、燃焼室側ジャケット部１７の冷却水入り口２２に連通する燃焼室側送水口２５とは、シリンダブロック１０の前端寄り部位に設けている。

シリンダブロック１０のブロックジャケット２３には、シリンダブロック１０の長手側面に設けた送水穴２６を介してウォータポンプから冷却水が送水されるが、排気側送水口２４は、ブロックジャケット２３の外側において送水穴２６と連通している。従って、排気側ジャケット部１６には、シリンダブロック１０を冷却していない低温の冷却水が流入する。このため、排気集合空間１２の個所や排気ポートの個所は、比較的少ない量の冷却水であっても的確に冷却される。

他方、排気側送水口２４はブロックジャケット２３と連通しており、シリンダブロック１０の冷却によってある程度に昇温した冷却水が流入する。シリンダヘッド１のうち燃焼室側ジャケット部１７の個所は、排気集合空間１２や排気ポートの個所に比べて温度は高くないため、昇温した冷却水が燃焼室側ジャケット部１７に流入しても、冷却水の水温が過剰に昇温することはない。

排気側ジャケット部１６に流入する冷却水の量と、燃焼室側ジャケット部１７に流入する冷却水の量との割合は、同じ程度でもよいが、両ジャケット部１６，１７の体積（容積）のバランスの点から、燃焼室側ジャケット部１７への流入割合が大きくなるのが好ましいと云える。そして、燃焼室側ジャケット部１７への流量が多くても、排気側ジャケット部１６において冷却水の昇温の程度が大きいため、燃焼室側ジャケット部１７及び排気側ジャケット部１６の終端では、冷却水の温度を同じ程度に昇温させることができる。

排気集合空間１２は、平面視で横向き凸状に湾曲しており、これに合わせて、排気側ジャケット部１６のうち排気側肉部２０を挟んで外側の部分が弓形に沿っている。そして、図５に明示するように、排気側ジャケット部１６の冷却水入り口２１は、弓形の通路の端部に位置しているため、冷却水は、弓形の通路に方向性を持って（直進性をもって）流入する。このため、シリンダヘッド１のうち最も高温になる部分を的確に冷却できる。この点、本実施形態の大きな利点の一つである。

なお、シリンダブロック１０とシリンダヘッド１との間にガスケット２７２介在しているが、送水口２４，２５の個所では、ガスケット２７には穴が空いている。また、図２（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、排気側ジャケット部１６及び燃焼室側ジャケット部１７には、多数の下向きの空間２８，２９が繋がっているが、これは、中子型によって排気側ジャケット部１６，燃焼室側ジャケット部１７を形成するにおいて、中子型を支持するためのダミーの足を設けたことに起因するものである。下向きの空間２８，２９はガスケット２７で塞がれているので、存在しないのと同じ状態になっている。

シリンダブロック１２の送水穴２６に圧送された冷却水が、ブロックジャケット２３を周回せずに燃焼室側送水口２５にリークすると、シリンダブロック１０の連脚が疎かになると共に、燃焼室側ジャケット部１７による冷却が過剰になるおそれがある。そこで、図６に符号２３ａで示すように、ブロックジャケット２３の一端部に、冷却水のリークを防止するストッパー板を設けている。ストッパー板２３ａは、ブロックジャケット２３に嵌め込まれる環状のスペーサ（図示せず）に形成している。従って、部材の増加はないし、位置ずれの心配もない。

図１（Ａ）から容易に理解できるように、燃焼室側ジャケット部１７の後端部と排気側ジャケット部１６の後端部は、ジョイント部３０を介して連通している。従って、排気側ジャケット部１６を冷却した冷却水は、燃焼室側ジャケット部１７の終端部に流入する。そして、燃焼室側ジャケット部１７の終端には、図１や図２において網かけ表示で示す制御部３１が一体に繋がっている。

制御部３１は、ラジェータ及びヒータからの戻りとウォータポンプへの送りの中継室たる第１室３２と、ラジェータ及びヒータへの送りの中継室たる第２室３３とを有している。完成品としてのシリンダヘッド１では第１室３２と第２室とは連通しているが、鋳造した状態では、両者の間には若干の寸法の隙間３４が空いている（図５も参照）。従って、鋳造した状態では、シリンダヘッド１には、第１室３２と第２室３３とを隔てる壁が存在している。

そこで、図１（Ａ）に、網かけ表示して符号３５で示すように、隙間３４の個所にできた壁に、製造後のドリル加工によって連通穴３５を形成している。ドリルは矢印３６で示す方向から、ウォータポンプに送水するための出口穴を通って、壁に進入する。従って、ドリル加工は壁のみを切削するものであり、ドリル加工でできた穴をプラグで詰めるような後処理の必要はない。

さて、本実施形態のように冷却水ジャケット１５を排気側ジャケット部１６と燃焼室側ジャケット部１７とに分離すると、排気側ジャケット部１６と燃焼室側ジャケット部１７とは別々の中子型で形成する必要があり、これに伴って、制御部３１の第１室３２を形成するための中子型は排気側ジャケット部１６を形成する中子型に一体に設けて、第２室３３を形成するための中子型は燃焼室側ジャケット部１７を形成するための中子型に一体に設ける必要がある。

そして、第１室３２を形成するための中子型と第２室３３を形成するための中子型を左右に密着させておくと、第１室３２と第２室３３とが連通した状態に鋳造されるが、左右の中子型に重ねた状態で鋳造すると、中子型のずれにより、完全な空洞にならずにバリ状の壁ができるおそれがある。そこで、第１室３２を形成するための中子型と第２室３３を形成するための中子型を左右に分離しておくことによって製造誤差を無くしつつ、ドリルの後加工によって連通穴３５を形成しているのである。

排気側ジャケット部１６を通って冷却水は、ジョイント部３０から燃焼室側ジャケット部１７に流れるが、ジョイント部３０の個所で流路が狭くなっているため、ジョイント部３０に流入する流れの周囲に淀みが発生して、冷却水の滞留が発生するおそれがある。そして、滞留が発生するとシリンダヘッド１の冷却性が低下する。

そこで、本実施形態では、図５に符号３７で示すように、シリンダブロック１０のブロックジャケット１２と連通した補助送水穴３７を設けて、温度が低い冷却水を混ぜることで降温させると共に、下方からの冷却水で排気側ジャケット部１６の冷却を攪乱させることにより、冷却の淀みを無くして、冷却水がジョイント部３０に向かうように誘導している。なお、図５では、ブロックジャケット１２は中心線を表示している。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、排気側ジャケット部及び燃焼室側ジャケット部とも、必要に応じて具体化できる。排気側ジャケット部に複数の冷却水入り口を設けたり、燃焼室側ジャケット部の冷却水入り口を１か所のみにしたりすることも可能である。排気側ジャケット部は上部と下部とに分かれるが、これら上部と下部とに、それぞれ別々の冷却水入り口から通水させることも可能である。

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
４ クランク軸心
７ 吸気ポート
８ 吸気側面
１０ シリンダブロック
１１ 気筒
１２ 排気集合空間
１３ 排気穴
１４ 排気側面
１５ 冷却水ジャケット
１６ 排気側ジャケット部
１７ 燃焼室側ジャケット部
１９ 両冷却水ジャケット部の間の隔壁
２１ 排気側ジャケット部の冷却水入り口
２２ 燃焼室側ジャケット部の冷却水入り口
２３ ブロックジャケット
２４ 排気側送水口
２５ 燃焼室側送水口
３０ ジョイント部
３１ 制御部
３２ 第１室
３３ 第２室
３５ 連通穴
３７ 補助送水穴

Claims (1)

1. シリンダヘッドであって、
   その内部に、複数の気筒に対応した複数の排気ポートと、前記各排気ポートが連通した排気集合空間と、冷却水ジャケットとが形成されており、前記排気集合部は、前記シリンダヘッドの排気側面から１つの排気穴として開口している構成において、
   前記冷却水ジャケットは、概ね各気筒の上部個所のエリアよりも排気側面側に寄った部位を冷却する排気側ジャケット部と、各気筒の上部個所を含むエリアを中心に冷却する燃焼室側ジャケット部とに分かれていて、前記燃焼室側ジャケット部は、気筒の軸心方向から見てクランク軸心を挟んだ両側に広がっており、
   かつ、前記両ジャケット部はそれぞれクランク軸心方向に長い形態であって、冷却水が長手一端部から長手他端部に向けて独立して流れるように、それぞれ冷却水入り口を設けている、
   内燃機関のシリンダヘッド。

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