JP2006046139A

JP2006046139A - シリンダヘッド

Info

Publication number: JP2006046139A
Application number: JP2004226684A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Akiyama; 忠史秋山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】シリンダヘッドにおいて、燃焼室の高いシール性能を確保してエンジンの高性能化を可能とすると共に冷却性能の向上を図る。
【解決手段】シリンダヘッド１３の吸気側ウォータジャケット１６と燃焼室側ウォータジャケット１７とを第１仕切壁６１により仕切ると共に、排気側ウォータジャケット１８と燃焼室側ウォータジャケット１７とを第２仕切壁６２により仕切り、各仕切壁６１，６２を、ガスケット４１のシールラインＳ上に位置させると共に、連結壁６４を介して締結ボルト４２のボルトボス部６３に連結する。
【選択図】図１

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、エンジン冷却水を導入してエンジンを冷却するウォータジャケットが設けられたシリンダヘッドに関するものである。

一般的な水冷式エンジンでは、シリンダヘッドやシリンダブロックなどに冷却水通路としてウォータジャケットを設け、冷却水を各ウォータジャケットに循環することで、エンジン全体を均一に冷却するようにしている。そして、シリンダヘッドでは、吸気ポート周辺部と燃焼室の上方部と排気ポートの周辺部にそれぞれつながるウォータジャケットが設けられており、エンジンの始動と共に作動するウォータポンプにより冷却水をシリンダヘッドの各部位に流している。ところが、この場合、冷却水をシリンダヘッドの吸気ポート周辺部、燃焼室の上方部、排気ポートの周辺部に効率良く循環させるためにはエアの混入を防止する必要があり、各部位でのウォータジャケットの高さを均一に設定しなければならず、ウォータジャケットが大型化してしまう。そのため、エンジンの始動直後には、冷却水を早期に昇温することができず、エンジンの暖機に時間がかかってしまう。

また、シリンダヘッドでは、エンジンの運転状況により最適な冷却温度が異なり、例えば、エンジン始動時には、噴射燃料の霧化促進のために吸気ポートの近傍をあまり冷却したくなく、エンジン始動後には、触媒活性化のために排気ポートの近傍をあまり冷却したくない。しかし、上述したように、シリンダヘッドのウォータジャケットは、吸気ポート周辺部と燃焼室の上方部と排気ポートの周辺部とが一体となった大容量のものとなっているため、各部位を最適な温度に制御することができず、燃費や排ガス特性の悪化を招いている。

このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された「シリンダヘッド」は、ウォータジャケットを吸気ポート側ウォータジャケットとプラグ周りウォータジャケットと排気ポート側ウォータジャケットとより構成し、エンジンの運転状態に応じて異なる温度の冷却水を各ウォータジャケットに流すとともに、各ウォータジャケットへの冷却水量を制御するものである。

特開２００１−１６４９８６号公報

上述した特許文献１では、ウォータジャケットを複数に分割して低容量化を図ると共に、エンジンの運転状態に応じて各ウォータジャケットへの冷却水の温度や供給量を制御しており、エンジン暖機時間を短縮することができると共に、各部位を最適な温度に制御することができ、燃費や排ガス特性の悪化を抑制することができる。

近年、エンジンの高性能化により高筒内圧化が進んでおり、燃焼室のシール性の確保が重要なものとなっており、シリンダヘッドとシリンダブロックとをガスケットを介して強固に締結する必要がある。ところが、上述した従来のシリンダヘッドにあっては、ウォータジャケットを分割構造としており、各ウォータジャケットでの水流れを阻害せずに、シリンダヘッドとシリンダブロックとの締結部における燃焼室周りのシールライン上にリブ等を設けて所定の面圧（締結力）を確保することは困難である。

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、燃焼室の高いシール性能を確保してエンジンの高性能化を可能とすると共に冷却性能の向上を図った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、本発明のシリンダヘッドは、吸気ポートの周囲に設けられた吸気側ウォータジャケットと、燃焼室の上方に設けられた燃焼室側ウォータジャケットと、排気ポートの周囲に設けられた排気側ウォータジャケットとを有するシリンダヘッドにおいて、前記吸気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットとを仕切る第１仕切壁と、前記排気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットとを仕切る第２仕切壁とを、シリンダブロックと締結することで燃焼室を区画するガスケットのシールライン上に位置させると共に、前記第１仕切壁及び前記第２仕切壁を前記シリンダブロックと締結するためのボルトボス部に連結したことを特徴とするものである。

また、本発明のシリンダヘッドでは、前記吸気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットと前記排気側ウォータジャケットはそれぞれ独立して設けられ、前記各ウォータジャケットへのエンジン冷却水の供給量を調整可能としたことを特徴としている。

本発明のシリンダヘッドによれば、吸気側ウォータジャケットと燃焼室側ウォータジャケットを第１仕切壁により仕切ると共に、排気側ウォータジャケットと燃焼室側ウォータジャケットを第２仕切壁により仕切り、各仕切壁を、シリンダブロックと締結することで燃焼室を区画するガスケットのシールライン上に位置させると共に、シリンダブロックと締結するためのボルトボス部に連結したので、シリンダヘッドとシリンダブロックとを締結する締結力は、ボルトボス部から各仕切壁からガスケットのシールラインに伝わることとなり、燃焼室の周囲を確実にシールして高いシール性能を確保することで、エンジンの高性能化を可能とすることができると共に、各仕切壁により複数のウォータジャケットが設けられているため、冷却性能を向上することができる。

以下に、本発明にかかる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、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係るシリンダヘッドの水平断面図、図２は、図１のII−II断面図、図３は、ガスケットの平面図、図４は、本実施例のシリンダヘッドが適用されたエンジンにおける冷却装置を表す概略図である。

本実施例のシリンダヘッドが適用されたエンジン冷却装置において、図４に示すように、エンジン１１は水冷式直列４気筒エンジンであって、シリンダブロック１２の上部にシリンダヘッド１３が締結されて構成され、シリンダブロック１２には４つの気筒（シリンダボア）１４が直列に形成されている。シリンダブロック１２には、各気筒１４の周囲に位置してウォータジャケット１５が形成される一方、シリンダヘッド１３には、後述する吸気側ウォータジャケット１６と燃焼室側ウォータジャケット１７と排気側ウォータジャケット１８が形成されている。そして、シリンダブロック１２のウォータジャケット１５の出口側には冷却水通路１９の基端部が連結され、この冷却水通路の先端部は分岐通路２０，２１，２２を介してシリンダヘッド１３の吸気側ウォータジャケット１６、燃焼室側ウォータジャケット１７、排気側ウォータジャケット１８の入り口側に連結されており、各分岐通路２０，２１，２２には流量制御弁２３，２４，２５が装着されている。

シリンダブロック１２のウォータジャケット１５の入り口側にはウォータポンプ２６が装着されると共に、このウォータポンプ２６の吸入側にはサーモスタット弁２７が装着されている。従って、このウォータポンプ２６により冷却水をシリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１５，１６，１７，１８に循環することができる。

シリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８の出口側には、第１冷却水循環通路２８の基端部が連結されており、この第１冷却水循環通路２８の先端部はラジエータ２９に連結され、このラジエータ２９は第２冷却水循環通路３０を介してサーモスタット弁２７に連結されている。また、各ウォータジャケット１６，１７，１８の出口側には、バイパス通路３１の基端部が連結されており、このバイパス通路３１の先端部はサーモスタット弁２７に連結されている。更に、排気側ウォータジャケット１８の出口側には、第１ヒータ通路３２の基端部が連結されており、この第１ヒータ通路３２の先端部はヒータ３３に連結され、このヒータ３３は第２ヒータ通路３４を介してサーモスタット弁２７に連結されている。

このサーモスタット弁２７は、冷却水の温度に応じて開閉するものである。従って、エンジン１１の始動直後など冷却水の温度が所定温度以下のときには、バイパス通路３１と連通し、エンジン１１の始動から所定時間経過後など冷却水の温度が所定温度より高いときには、第２冷却水循環通路３０と連通するように構成されている。

また、エンジン１１には、高温の冷却水を貯留する蓄熱システム３５が設けられており、この蓄熱システム３５は電動ポンプ３６を有する連結通路３７を介して分岐通路２０に連結されており、この連結部には三方弁３８が装着されている。従って、蓄熱システムの貯留タンクにはエンジン１１の作動中に高温となった冷却水が貯留されており、エンジン１１の始動時に、電動ポンプ３６が駆動して高温の冷却水が連結通路３７から三方弁３８を通って分岐通路２０に導入され、更に吸気側ウォータジャケット１６に供給されてエンジン１１の吸気側を早期に暖機することができる。

上述したエンジン冷却装置が適用されたエンジン１１にて、図１及び図２に示すように、シリンダブロック１２の上部にガスケット４１を介してシリンダヘッド１３が組み付けられ、複数の締結ボルト４２により締結されている。シリンダブロック１２に形成された４つのシリンダ１４にピストン４３が摺動自在に嵌合しており、コネクティングロッド４４を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。

燃焼室４５は、シリンダ１４とシリンダヘッド１３の下面とピストン４３の頂面により構成されており、この燃焼室４５の上部、つまり、シリンダヘッド１３の下面に吸気ポート４６及び排気ポート４７が対向して形成されており、この吸気ポート４６及び排気ポート４７に対して吸気弁４８及び排気弁４９がそれぞれ位置している。この吸気弁４８及び排気弁４９は、シリンダヘッド１３に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５０，５１により吸気ポート４６及び排気ポート４７を閉止する方向に付勢支持されている。また、吸気弁４８及び排気弁４９は、上端部にローラロッカアーム５２，５３の一端部が連結され、このローラロッカアーム５２，５３の他端部はラッシュアジャスタ５４，５５に連結されており、吸気カム５６及び排気カム５７によりローラロッカアーム５２，５３を介して吸気弁４８及び排気弁４９を駆動することができる。

従って、エンジン１１に同期して吸気カム５６及び排気カム５７がローラロッカアーム５２，５３を作動させ、各吸気弁４８及び排気弁４９が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート４６及び排気ポート４７を開閉し、吸気ポート４６と燃焼室４５、燃焼室４５と排気ポート４７とをそれぞれ連通することができる。

シリンダヘッド１３には、吸気ポート４６に燃料を噴射する燃料噴射弁５８が装着される一方、燃焼室４５の天井部中央、つまり、各吸気ポート４６と各排気ポート４７の間のシリンダヘッド１３の下面には、点火プラグ５９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、燃料噴射弁５８の燃料噴射タイミングや点火プラグ５９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。

また、上述したように、シリンダヘッド１３には、吸気ポート４６の周囲に設けられた吸気側ウォータジャケット１６と、燃焼室４５の上方に設けられた燃焼室側ウォータジャケット１７と、排気ポート４７の周囲に設けられた排気側ウォータジャケット１８とを有している。即ち、シリンダヘッド１３にて、各気筒１４（燃焼室４５）の吸気側には円弧状をなす第１仕切壁６１がそれぞれ形成される一方、排気側には円弧状をなす第２仕切壁６２がそれぞれ形成されている。また、各気筒１４（燃焼室４５）の外側であって、隣接する各仕切壁６１，６２の間には締結ボルト４２が貫通するボルトボス部６３が形成されており、各仕切壁６１，６２とボルトボス部６３とが連結壁６４により連結されている。

従って、シリンダヘッド１３内の空間部が連続する第１仕切壁６１、第２仕切壁６２、ボルトボス部６３、連結壁６４により吸気側ウォータジャケット１６と燃焼室側ウォータジャケット１７と排気側ウォータジャケット１８とが独立して設けられている。そして、第１仕切壁６１及び第２仕切壁６２は、シリンダヘッド１３がガスケット４１を介してシリンダブロック１２と締結することで燃焼室４５を区画するシールラインＳ上に位置している。

即ち、ガスケット４１は、図３に示すように、所定厚さを有する平板形状をなし、エンジン１１の各気筒１４に対応して４つ開口６５が形成されると共に、各締結ボルト４２が貫通するボルト孔６６が形成されている。そして、各開口６５の周囲には若干厚いシール部６７が形成されており、この各シール部６７がシリンダブロック１２とシリンダヘッド１３により挟持されて両者に密着することで、この部分のシール性が確保される。従って、このガスケット４１の各シール部６７に対応してシリンダヘッド１３に第１仕切壁６１及び第２仕切壁６２が形成されており、ここにシールラインＳが位置するようになっており、締結ボルト４２の締結力（軸力）がボルトボス部６３、連結壁６４、各仕切壁６１，６２を伝ってシールラインＳに作用することとなり、ガスケット４１によるシール性能を向上することができる。

ここで、本実施例のエンジン１１の冷却装置の制御について説明する。図４に示すように、エンジン１１の始動時には、電動ポンプ３６が駆動して蓄熱システム３５の高温の冷却水が連結通路３７から三方弁３８により分岐通路２０を通ってシリンダヘッド１３の吸気側ウォータジャケット１６のみに供給され、エンジン１１の吸気側を暖機する。このとき、各流量制御弁２３，２４，２５は閉止しており、低温の冷却水がシリンダヘッド１３に導入されることはなく、蓄熱システム３５からの高温の冷却水が小容量の吸気側ウォータジャケット１６に流れるため、効率的にエンジン１１を暖気することができ、吸気ポート４６に噴射される燃料噴霧の霧化を促進することができる。

そして、エンジン１１が始動されると、電動ポンプ３６が停止して三方弁３８により連結通路３７を閉止する一方、ウォータポンプ２６が作動して各流量制御弁２３，２４，２５が微小開度で開放している。この場合、冷却水の温度が所定温度以下であるため、サーモスタット弁２７はバイパス通路３１と連通することとなり、エンジン冷却水がシリンダブロック１２のウォータジャケット１５から冷却水通路１９及び分岐通路２０，２１，２２を通ってシリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８に供給され、バイパス通路３１により循環される。従って、低温の冷却水を微速でシリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８に流すことで、エンジン１１の暖機を促進することができる。

その後、エンジン１１が暖気されると、冷却水の温度が所定温度より高くなり、サーモスタット弁２７は第２冷却水循環通路３０と連通することとなり、エンジン冷却水がシリンダブロック１２のウォータジャケット１５から冷却水通路１９及び分岐通路２０，２１，２２を通ってシリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８に供給され、ラジエータ２９及びヒータ３３に循環される。この場合、エンジン１１の低負荷時には、水温センサが検出した冷却水の温度に基づいて各流量制御弁２３，２４，２５の開度を制御することで、シリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８に流れる冷却水の温度を均一になるように温度制御し、エンジン１１を最適温度に冷却することができる。一方、エンジン１１の高負荷時には、各流量制御弁２３，２４，２５の開度を最大に開放することで、シリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８に大量の冷却水を流して冷却効率を上げてエンジン１１を確実に冷却することができる。

このように本実施例のシリンダヘッドにあっては、シリンダヘッド１３の吸気側ウォータジャケット１６と燃焼室側ウォータジャケット１７とを第１仕切壁６１により仕切ると共に、排気側ウォータジャケット１８と燃焼室側ウォータジャケット１７とを第２仕切壁６２により仕切り、各仕切壁６１，６２を、ガスケット４１のシールラインＳ上に位置させると共に、連結壁６４を介して締結ボルト４２のボルトボス部６３に連結している。

従って、締結ボルト４２の締結力は、ボルトボス部６３から連結壁６２を介して各仕切壁６１，６２に作用し、この仕切壁６１，６２からガスケット４１のシール部６７に作用してシールラインＳが確保されることとなり、燃焼室４５の周囲を確実にシールして高いシール性能を確保することで、エンジン１１の高性能化を可能とすることができると共に、冷却性能を向上することができる。

また、各仕切壁６１，６２により吸気側ウォータジャケット１６と燃焼室側ウォータジャケット１７と排気側ウォータジャケット１８とに仕切り、エンジン１１の運転状態に応じて各ウォータジャケット１６，１７，１８への冷却水の流量を制御している。従って、エンジン１１の暖機を促進することができると共に、冷却性能を向上することができる。

なお、上述した実施例では、シリンダヘッド１３の各ウォータジャケット１６，１７，１８への供給量を制御するために分岐通路２０，２１，２２にそれぞれ流量制御弁２３，２４，２５を設けたが、この構造に限定されるものではなく、流量制御弁２３，２４，２５に代えてウォータポンプをそれぞれ設けて各ウォータポンプの吐出量を制御するようにしても良い。

また、シリンダヘッド１３内に３つのウォータジャケット１６，１７，１８を設けてその流量を独立制御するようにしたが、単に３つのウォータジャケット１６，１７，１８を設けてその仕切壁をシールライン上に位置させると共にボルトボス部に連結するだけでもよく、この場合であっても、燃焼室の高いシール性能を確保することができると共に、冷却性能を向上することができる。

以上のように、本発明に係るシリンダヘッドは、吸気側ウォータジャケットと燃焼室側ウォータジャケットと排気側ウォータジャケットとを仕切る各仕切壁を、ガスケットのシールライン上に位置させると共に、締結ボルトのボルトボス部に連結したものであり、いずれの内燃機関のシリンダヘッドに適用して有用である。

図１は、本発明の一実施例に係るシリンダヘッドの水平断面図である。図１のII−II断面図である。ガスケットの平面図である。本実施例のシリンダヘッドが適用されたエンジンにおける冷却装置を表す概略図である。

符号の説明

１１エンジン
１２シリンダブロック
１３シリンダヘッド
１４気筒（シリンダボア）
１５ウォータジャケット
１６吸気側ウォータジャケット
１７燃焼室側ウォータジャケット
１８排気側ウォータジャケット
２３，２４，２５流量制御弁
２６ウォータポンプ
２７サーモスタット弁
４１ガスケット
４２締結ボルト
４５燃焼室
４６吸気ポート
４７排気ポート
６１第１仕切壁
６２第２仕切壁
６３ボルトボス部
６４連結壁
６７シール部
Ｓシールライン

Claims

吸気ポートの周囲に設けられた吸気側ウォータジャケットと、燃焼室の上方に設けられた燃焼室側ウォータジャケットと、排気ポートの周囲に設けられた排気側ウォータジャケットとを有するシリンダヘッドにおいて、前記吸気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットとを仕切る第１仕切壁と、前記排気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットとを仕切る第２仕切壁とを、シリンダブロックと締結することで燃焼室を区画するガスケットのシールライン上に位置させると共に、前記第１仕切壁及び前記第２仕切壁を前記シリンダブロックと締結するためのボルトボス部に連結したことを特徴とするシリンダヘッド。
請求項１記載のシリンダヘッドにおいて、前記吸気側ウォータジャケットと前記燃焼室側ウォータジャケットと前記排気側ウォータジャケットはそれぞれ独立して設けられ、前記各ウォータジャケットへのエンジン冷却水の供給量を調整可能としたことを特徴とするシリンダヘッド。