JP2005535819A - ピストンエンジン用冷却シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

直列に配置されたシリンダを有する水冷ピストンエンジンの、炎板（１．１）と油板（１．２）とによって規定されるウォータージャケットを有するシリンダヘッドであって、シリンダが、吸気ダクト（２）を備えた少なくとも１つの吸気弁と２つの排気弁とをそれぞれ有し、排気弁の排気口が排気ダクト（３）に通じ、燃料インジェクタまたは点火プラグ用の受容部（４）が吸気弁と排気弁との間に配置されているものにおいて、ウォータージャケット内で冷却水を案内するために各シリンダの少なくとも排気側領域に通路配置が設けられており、この通路配置によって、冷却水が排気ダクト（３）の片側で外側から内方に受容部（４）へと向かう供給部内で、また排気ダクト（３）の反対側で内側から外側に向かう還流部内で案内され、溢流通路（８）が設けられていることを特徴としている。

Description

高性能ピストンエンジン、特に、直接噴射式高性能ガソリンエンジンまたは高性能ディーゼルエンジンにおいては、シリンダヘッド内の排気側が強い熱負荷を受ける。

本発明の課題は、特に排気領域の冷却向上がもたらされるシリンダヘッドを提供することである。

この課題は、直列に配置されたシリンダを有する水冷ピストンエンジンの、炎板と油板とによって規定されるウォータージャケットを有するシリンダヘッドであって、シリンダが吸気ダクトを備えた少なくとも１つの吸気弁と２つの排気弁とをそれぞれ有し、排気弁の排気口が排気ダクトに通じ、燃料インジェクタまたは点火プラグ用の受容部が吸気弁と排気弁との間に配置されているものにおいて、本発明によれば、ウォータージャケット内で冷却水を案内するために各シリンダの少なくとも排気側領域に通路配置が設けられており、この通路配置によって冷却水が排気ダクトの片側で外側から内方に受容部へと向かう供給部内で、また排気ダクトの反対側で内側から外側に向かう還流部内で案内される溢流通路が設けられており、この溢流通路が、流れ方向に見て通路配置の還流側を後続通路配置の供給側と結合することによって解決される。これにより、排気通路の各Ｕ字形周囲流がもたらされる。というのも、冷却水が、まず、排気通路の片側で外側から受容部の方向に案内され、次に、排気通路の反対側で再び外方に排出されるからである。これにより、両方の排気弁の間の領域を確実に冷却することができる。受容部の領域で冷却水が垂直方向に流れ、この領域も集中的に冷却される。それと共に、各排気領域内での流れは、エンジンの主軸線を横切って生じ、したがって、クロスフローコンセプトに一致する。特に、冷却水流が、それぞれ排気ダクトの下方で内方に流れ、排気ダクトの上方で外方に流れることは、望ましい。

本発明の特別望ましい構成においては、さらに、冷却水を案内するために、それぞれ隣接シリンダ間でウォータージャケット内に隔壁が設けられている。

本発明の特別望ましい構成においては、さらに、油板と炎板とによって規定されるウォータージャケットが中間板によって上側ウォータージャケット部分と下側ウォータージャケット部分とに仕切られている。これにより、一方でシリンダヘッドの鋳造技術上の簡素化が得られ、他方で単数もしくは複数の吸気ダクト用にも排気ダクト用にも比較的薄い肉厚を予定する可能性が得られ、全体として、部材「シリンダヘッド」が一層高い造形強度と一層高い剛性を獲得し、全体として、この鋳造品は、一層薄肉に仕上げることができる。

その際、本発明の構成においては、さらに、一方のウォータージャケット部分、主に、下側ウォータージャケット部分が供給側で溢流通路と結合されており、相応に他方のウォータージャケット部分が排出側で隣接シリンダのウォータージャケット部分、主に、下側ウォータージャケット部分に至る溢流通路と結合されている。

下側および上側ウォータージャケット部分内での流れ案内は、本発明によれば、下側ウォータージャケット部分を上側ウォータージャケット部分と結合する少なくとも１つの通流穴を中間板が有することによって行われる。

本発明の有利な１つの構成においては、通流穴は、それぞれ吸気ダクトの領域に配置しておくことができる。特に、２つの吸気弁を有するピストンエンジンでは、通流穴が両方の吸気ダクト間で中間板に配置されていることが望ましい。

別の有利な１つの構成においては、それぞれウォータージャケット部分に隣接して相対峙する隔壁に、下側ウォータージャケット部分を上側ウォータージャケット部分と結合するそれぞれ１つの通流穴が配置されている。その際、通流穴が、それぞれ相対峙する隔壁に縦中心軸線の領域に配置されていることが特別望ましい。この水案内態様の場合には、吸気ダクト領域では、周囲を冷却水が直接流れることはない。しかしながら、スワール形成とスイープ力とによってこの領域内には死水域が生じず、吸気ダクトにとって不可欠な冷却が達成される。しかしながら、この配置の特別な利点は、製造のため貫流穴を開けておくコアが同時に上側ウォータージャケット部分用のコアの支えとして利用できることにある。

本発明の他の望ましい構成においては、通路配置の供給側部分が、排気口間に延設される１つの主通路と、各排気口の周りで横方向に案内されるそれぞれ１つの横方向通路とを有し、この横方向通路が、受容部によって規定される方向転換領域に通じている。主通路および横方向通路の相応する寸法設計によって、大量の流れが両方の排気口間を流れ、こうしてこの危険な領域で十分な排熱に成功することを達成することができる。

さらに、隔壁が少なくとも１つの溢流通路を有し、この溢流通路によって、隣接シリンダの通路配置が結合されていることが望ましい。

本発明の構成においては、さらに、吸気ダクトは、排気口から離れた方のその側が流れ通路によって取り囲まれている。ここでも、この構成においては、それぞれ吸気ダクトを取り囲む隣接シリンダの流れ通路が、それぞれ隔壁のそれぞれ１つの貫流穴を介して互いに結合されていることが望ましい。

排気側通路配置の結合用および吸気側流れ通路の結合用の隔壁の貫流穴を相応に寸法設計することによって、排気側の一層大きな熱負荷に相応して、排気側でも一層大きな容積流を通路配置内に通すことができる。

本発明のその他の特徴および諸構成は、以下の明細書と添付の図面とから読み取ることができる。

図１、図２、図３には、４気筒エンジン用のシリンダヘッドが、その炎板１．１、その油板１．２および中間板１．３と共に略断面図で示してある。簡略化のため、断面輪郭は太い実線で、可視輪郭は細い実線で示してある。各シリンダ用にそれぞれ２つの吸気弁が設けられており、吸気弁はそれらの吸気ダクト２で表してある。さらに、それぞれ２つの排気弁がシリンダごとに設けられており、排気弁は、それらの共通する排気ダクト３によって示唆されている。それぞれ吸気ダクト２と排気ダクト３との間には、燃料インジェクタ用に、また、点火プラグ用にも、受容部４が配置されている。

それぞれ２つの隣接するシリンダの間には、それぞれ１つの横方向に延びる隔壁５が配置されており、この隔壁によって、各シリンダの吸気領域／排気領域が相互に隔絶されている。

シリンダヘッドの各シリンダ領域内で、すなわち、それぞれ２つの隔壁５の間で、炎板１．１と油板１．２とによって規定されるウォータージャケットが、中間板１．３によって下側ウォータージャケット部分Ｗ１と上側ウォータージャケット部分Ｗ２とに仕切られており、ウォータージャケット部分は、冷却水を案内するための通路配置を形成している。貫流穴が設けられており、冷却水は、下側ウォータージャケット部分Ｗ１から上側ウォータージャケット部分Ｗ２内に流れるようになっている。

冷却水は、シリンダヘッドの吸込み側Ｅから排出側Ａへと案内される。ウォータージャケット内部での通路配置による冷却水の案内は、流れ矢印６で示してある。冷却水流は、外側から排気ダクト３の下方で、両方の隔壁５と中間板１．３とによって分割された下側ウォータージャケット部分Ｗ１内に流れ経路６．１を介して流入し、次に、排気弁３の下方で排気弁の両方の分離された排気口間を受容部４の方向に流れ、受容部の周囲を流れ、吸気ダクト２に至るまで流れる。中間板１．３の貫流穴７．１は、方向転換領域を形成し、上方に上側ウォータージャケット部分Ｗ２内への方向転換を引き起こす。平面図から図２の矢印Ｐの先端を認めることができる。

流れ方向に見て上側にある還流側流れ経路６．２は、実質的にシリンダヘッドの長辺面領域に配置される溢流通路８を介して、供給側流れ経路６．１として、図４の側面図が示すように、次のシリンダヘッド領域の下側ウォータージャケット部分Ｗ１に流入する。連続するシリンダ領域は、この態様で結合されている。

この冷却水案内に基づいて、各シリンダで炎板１．１と油板１．２と隔壁５と中間板１．３とによって仕切られた各ウォータージャケットの領域内にＵ字形冷却水流が生じ、この冷却水流は、シリンダ列の縦軸線Ｌを横切って外方から内方に、そして再び外方に案内されて戻り、次に、上側ウォータージャケット部分Ｗ２の各還流側と後続の下側ウォータージャケット部分Ｗ１の供給側との結合を通じて、溢流通路８を経てシリンダヘッドのほぼ螺旋状通流が全体として得られ、この通流は、それぞれ１つの長いクロスフロー区間を有する。

図５、図６、図７には、図１〜図４を基に述べたシリンダヘッドの変更態様が示してあり、上述の説明を参照するように指示することができる。同じ部材には、同じ符号が付してある。

図１〜図４にかかる実施の形態との違いは、実質的に、下側ウォータージャケット部分Ｗ１から上側ウォータージャケット部分Ｗ２への冷却水流の方向転換が２つの貫流穴７．２を介して行われ、貫流穴が、中間板１．３の隔壁５に直接隣接した領域にそれぞれ設けられていることにある。望ましくは、これらの貫流穴７．２は、ほぼピストンエンジンの縦中心軸線Ｌの領域に配置されており、貫流穴は、鋳型を作製するときに上側ウォータージャケット部分Ｗ２用のコアを支えるのに利用することができる。それと共に、このコアは、油板１．２用の鋳型を相応に製作するときの浮上に備えて固定することができる。

供給側流れ経路６．１は、図１〜図４の実施の形態におけるのと同様に、ここでも受容部４に到流し、受容部４、したがって受容部４内に配置される噴射ノズルは、確実に冷却される。

受容部４の直接的到流の結果、図５に示すように、冷却水は、部分流として両方の吸気ダクト２間の領域に達し、吸気ダクトの周囲を受容部４とは反対側の裏側で流れ、吸気ダクトは、炎板１．１と直接結合されたその領域でもなお十分に冷却される。

図７は、還流側流れ経路６．２の推移を概略的に示す。

この実施の形態においても、一方のシリンダの上側ウォータージャケット部分Ｗ２は、後続シリンダの下側ウォータージャケット部分Ｗ１と溢流通路８とによってそれぞれ互いに結合されており、そのことが図４に示してある。

図８には、本発明の他の実施の形態として、４気筒エンジン用のシリンダヘッドがその炎板１．１と共に斜視図で示してある。シリンダヘッドの油板は、図示明確化の理由から省かれており、中間板は設けられていない。

各シリンダ用にそれぞれ２つの吸気弁が設けられており、吸気弁は、それらの共通する吸気ダクト２で表してある。さらに、それぞれ２つの排気弁がシリンダごとに設けられており、排気弁は、それらの共通する排気ダクト３で示唆されている。吸気ダクト２と排気ダクト３との間には、燃料インジェクタ用に、また、点火プラグ用にも、受容部４がそれぞれ配置されている。

それぞれ２つの隣接するシリンダの間には、それぞれ１つの横方向に延設される隔壁５が配置されており、この隔壁によって各シリンダの吸気領域／排気領域は相互に隔絶されている。隔壁５は、ここでは「透けて見える」ように図示されている。隔壁５には、それぞれここに詳しくは図示しない貫流穴が設けられており、これらの貫流穴を通して、冷却水は、それぞれ一方のシリンダ領域から他方のシリンダ領域へと案内される。

シリンダヘッドの各シリンダ領域内には、すなわち、それぞれ２つの隔壁５の間には、一方で排気ダクト３の領域用、他方で吸気ダクト２の領域用に冷却水を案内するための通路配置もしくは流れ通路がそれぞれ設けられており、これらは、例えば流し込み成形されている。

排気側領域用に、通路配置は、冷却水がシリンダヘッドの吸込み側Ｅから排出側Ａへと案内されるように案内されている。

ガス排気側での通路配置による冷却水の案内は、流れ経路６で示してある。冷却水流は、外側から排気ダクト３の下方で、両方の隔壁５によって分割された領域内に流入し、次に、排気ダクト３の下方で排気弁の両方の分離された排気口間を受容部４の方向に流れる。排気弁の両方の排気口と受容部４との間の空間が方向転換領域７を形成し、この方向転換領域内で、冷却水は、下から上へと排気ダクト３の上側に案内され、通路配置を介して再び外側の方向へと流れる。

流れ方向に見て上側にある領域の還流側流れ経路６．２は、隔壁５の溢流通路８を介して後続シリンダ領域の供給側６．１と結合されている。この冷却水案内に基づいて各排気ダクト３の領域にＵ字形冷却水案内が生じ、この冷却水案内は、外側から内側へと、そして再び外方に案内されて戻り、次に、上側にあるシリンダ領域の各還流側と後続の下側にあるシリンダ領域の供給側との結合を通じてシリンダヘッドの外側でほぼ螺旋状の通流が全体として生じ、この通流は、それぞれ１つの長いクロスフロー区間を有する。

吸気ダクト２を冷却するために、シリンダヘッド内に相応する流れ通路が設けられており、これらの流れ通路が、線９．１，９．２に相応して流れ経路を形成する。ここでも、隔壁５に相応する貫流穴が設けられており、全体としてシリンダヘッドの吸気側領域で縦通流が生じ、吸気ダクト２は、受容部４に近い方の側でも受容部から遠い方の側でも周囲に流す。

流れ通路と隔壁５の貫流穴との相応する寸法設計によって各冷却水容積流の調整を引き起こすことができ、全体として、一方で吸気側、他方で排気側の熱負荷が小さいことを考慮して、吸気ダクト２および排気ダクト３の脇に相応して異なる容積流を案内することもでき、こうして全体として十分に一様なシリンダヘッド冷却が引き起こされる。

図９には、ガス排気弁が縦方向を横切って図１１のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図を示してある。図９、図１０、図１１から明らかとなるように、ガス排気弁１０の排気口３．１，３．２がそれぞれ共通する排気ダクト３にまとめられている。これにより得られる可能性として、冷却水は、両方の排気口３．１，３．２の間を受容部４の前で方向転換空間７に流入でき、方向転換空間７から排気ダクト３の上方で、図１を基に示したように再び外方に流出できる。そのことが、流れ矢印１１によって図９、図１０、図１１に表してある。

図１１の断面図から明らかとなるように、通路配置は、排気口３．１，３．２の領域内に、それぞれ横方向流れ通路１２，１３を有し、排気口３．１，３．２の周囲の分岐流は、方向転換空間７に流入できる。

図１１においては、隔壁５と付属する溢流通路１４も認めることができ、この溢流通路によって、還流側流れ経路６．２は、先行するシリンダ領域の排気ダクト３の上方で図示シリンダ領域の下側の供給側流れ経路６．１と結合されている。

図１１および図１２からさらに認めることができるように、図８に示した流れ経路９．１，９．２用の隔壁５は、相応する貫流穴９．３，９．４を有し、貫流穴は、流れ誘導要素１４によって相互に分離されている。貫流穴９．３には、誘導要素１５．１が少なくとも出口側に割り当てられている。これにより、吸気ダクト２は、流れ経路９．１用の内側にある流れ通路１５も流れ経路９．２用の外側にある流れ通路１６も備えていることになり、吸気ダクト２は、それぞれ両側で受容部４と同様に周囲に流す。流れ推移は、それぞれ流れ矢印でわかるようにしてある。

図１２、図１３、図１４による断面図は、さまざまな切断平面における流れ案内を示しており、図１３および図１４には、排気ダクト３の領域のみ図示されている。

中間板によって上側と下側のウォータージャケット部分に仕切られたシリンダヘッドを図２のＩ−Ｉ線に沿った下側ウォータージャケット部分の断面図で示す。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったシリンダヘッドの垂直断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った上側ウォータージャケット部分の水平断面図である。 図１の矢印Ｂ方向に見たシリンダヘッド側面図である。 図１によるシリンダヘッドの変更実施の形態を図６のＶ−Ｖ線に沿った下側ウォータージャケット部分水平断面図で示す。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った垂直断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った上側ウォータージャケット部分水平断面図である。 冷却水案内を説明するためのシリンダヘッドの他の実施の形態の概略図である。 図１１のＩＸ−ＩＸ線に沿った排気弁のエンジン縦軸線を横切る垂直断面図である。 図１１のＸ−Ｘ線に沿った受容部のエンジン縦軸線を横切る垂直断面図である。 図９のＸＩ−ＸＩ線に沿った水平断面図である。 図９のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った水平断面図である。 図９のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った水平断面図である。 図９のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った水平断面図である。

符号の説明

１．１ 炎板
１．２ 油板
１．３ 中間板
２ 吸気ダクト
３ 排気ダクト（排気弁）
３．１，３．２ 排気口
４ 受容部
５ 隔壁
６ 流れ経路
６．１ 供給側流れ経路
６．２ 還流側流れ経路
７ 方向転換空間
７．１，７．２ 貫流穴（方向転換領域）
８ 溢流通路
９．１，９．２ 流れ経路
９．３，９．４ 貫流穴
１０ ガス排気弁
１１ 流れ矢印
１２，１３ 横方向流れ通路
１４ 溢流通路（流れ誘導要素）
１５．１ 誘導要素（流れ通路）
１６ 流れ通路
Ｗ１ 下側ウォータージャケット部分
Ｗ２ 上側ウォータージャケット部分
Ｅ シリンダヘッドの吸込み側
Ａ シリンダヘッドの排出側
Ｐ 矢印
Ｌ ピストンエンジンの縦中心軸線（縦軸線）

Claims (15)

1. 直列に配置されたシリンダを有する水冷ピストンエンジンの、炎板（１．１）と油板（１．２）とによって規定されるウォータージャケットを有するシリンダヘッドであって、シリンダが吸気ダクト（２）を備えた少なくとも１つの吸気弁と２つの排気弁とをそれぞれ有し、排気弁の排気口が排気ダクト（３）に通じ、燃料インジェクタまたは点火プラグ用の受容部（４）が吸気弁と排気弁との間に配置されているものにおいて、ウォータージャケット内で冷却水を案内するために各シリンダの少なくとも排気側領域に通路配置が設けられており、この通路配置によって冷却水が排気ダクト（３）の片側で外側から内方に受容部（４）へと向かう供給部内で、また、排気ダクト（３）の反対側で内側から外側に向かう還流部内で案内され、溢流通路（８）が設けられており、この溢流通路が流れ方向に見て通路配置の還流側流れ経路（６．２）に後続シリンダヘッド領域の通路配置の供給側流れ経路（６．１）として結合することを特徴とするシリンダヘッド。
2. 排気弁の排気口と受容部（４）との間の空間が流れ用方向転換領域（７）を形成することを特徴とする請求項１記載のシリンダヘッド。
3. 通路配置の供給側部分がそれぞれ排気ダクト（３）の下方に延設され、通路配置の還流側部分がそれぞれ排気ダクト（３）の上方に延設されていることを特徴とする請求項１または２記載のシリンダヘッド。
4. 冷却水を案内するためにそれぞれ隣接シリンダに割り当てられた中間領域間に隔壁（５）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のシリンダヘッド。
5. 炎板（１．１）と油板（１．２）とによって規定されるウォータージャケットが中間板（１．３）によって下側ウォータージャケット部分（Ｗ１）と上側ウォータージャケット部分（Ｗ２）とに仕切られていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリンダヘッド。
6. 一方のウォータージャケット部分、主に下側ウォータージャケット部分（Ｗ１）が供給側で溢流通路（８）と結合されており、相応に他方のウォータージャケット部分（Ｗ２）が排出側で隣接シリンダ領域のウォータージャケット部分（Ｗ１）に至る溢流通路（８）と結合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のシリンダヘッド。
7. 中間板（１．３）が、下側ウォータージャケット部分を上側ウォータージャケット部分と結合する少なくとも１つの通流穴（７．１）を方向転換領域（７）として有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のシリンダヘッド。
8. 通流穴（７）がそれぞれ吸気ダクト（２）の領域に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のシリンダヘッド。
9. それぞれ相対峙する隔壁（５）に、下側ウォータージャケット部分（Ｗ１）を上側ウォータージャケット部分（Ｗ２）と結合する少なくともそれぞれ１つの通流穴（７．２）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のシリンダヘッド。
10. 通流穴（７．２）がそれぞれ相対峙する隔壁（５）に縦中心軸線（Ｌ）の領域に配置されていることを特徴とする請求項９記載のシリンダヘッド。
11. 通路配置の供給側部分が、排気弁の排気口（３．１，３．２）間に延設される１つの主通路と、各排気口（３．１，３．２）の周りで横方向に案内されるそれぞれ１つの横方向通路（１２、１３）とを有し、この横方向通路が方向転換領域（７）に通じていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のシリンダヘッド。
12. 吸気ダクト（２）が、少なくとも排気口（３．１，３．２）から離れた方の側で流れ通路（１５，１６）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のシリンダヘッド。
13. 隔壁（５）が少なくとも１つの溢流通路（８）を有し、この溢流通路によって隣接シリンダの通路配置が結合されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のシリンダヘッド。
14. それぞれ吸気ダクト（２）を取り囲む隣接シリンダの流れ通路（１５，１６）がそれぞれ隔壁（５）の貫流穴（９．３，９．４）を介して互いに結合されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のシリンダヘッド。
15. 吸気ダクト（２）に割り当てられた流れ通路（１５，１６）用の貫流穴（９．３，９．４）が隔壁（５）に、冷却水を隣接流れ通路（１５，１６）内に方向転換させるための少なくとも１つの誘導要素（１４，１５．１）によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のシリンダヘッド。

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