JP2007040211A - シリンダヘッドの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのシリンダヘッドにおいて、過熱箇所を無くし、冷却水による冷却が効果的に発揮できるシリンダヘッドの冷却構造の提供。
【解決手段】内燃機関のシリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面が部分円弧（Ｒ１）を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、以って、シリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の厚みを減じたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドの特に吸排気孔近傍の冷却構造に関する。

輸送効率の向上を狙いとして、自動車のエンジン出力が増加傾向にある中、エンジンを高負荷で運転維持させる上で、シリンダヘッドの冷却を如何にして効果的に行うかが課題となっている。

シリンダヘッドには、吸排気ポートがシリンダの燃焼室に隣り合って形成されており、特に排気ポートはエンジン稼動中には常時高熱に晒されている。
一方、吸気ポートはシリンダに新気を吸入しており、その新気は充填効率（吸込んだ新気の単位体積当りの酸素の割合は充填効率に比例する）を考慮すると吸気ポート周辺は温めたくない。
ところが、吸気ポートは排気ポートに隣接しており、シリンダ内に供給する新気（吸気）を排気ポート近傍の熱によって高めてしまっている。そこで、シリンダヘッドにはエンジン冷却水が流れる水路（ウォータギャラリー）を有するウォータジャケットが形成されており、ウォータジャケットの前記水路（ウォータギャラリー）を流れる冷却水で特に排気ポート近傍を重点的に冷却している。

図９は１シリンダ当り４バルブのシリンダヘッド１１０を裏返しして、図示しないシリンダの燃焼室側から吸気ポート１０１，排気ポートが１０２を見た図である。また、図１０は図９のＸ−Ｘ断面矢視図で、図１０の下方が燃焼室側を表している。

図１０において、排気ポート１０２と排気ポート１０２との間の領域には冷却水用の水路（ウォータギャラリー）１０５が形成されている。ここで、該水路１０５の内壁面からポートの中心線に向う方向における厚みＴ１，Ｔ２と、水路Ｃの内壁からシリンダヘッド１１０の端面１１０ｅまでの厚みＴ３と、を比較すると、明らかにＴ３がＴ１、Ｔ２に対して厚く形成されている。

この厚みの比が大きい場合は、部分的に熱溜まり（過熱箇所）が出来、弁の開閉運動上好ましくない。或いは、熱応力が発生して強度上好ましくない。

そのような不具合を是正するために、図１１及び図１２に示す様に、シリンダヘッド１１０のポート１０２，１０２間の領域を先端が球状の加工工具（例えばドリル１０３やエンドミル）で切削することで当該領域の厚みを減ずることが行われている。
図１２は、先端が球状のドリル１０３をドリルの軸を移動することなく厚み方向（矢印Ｙ方向）送り、切削している状態を示している。
図１１は、図１２の方法で切削の完了した状態を立体的に示した斜視図である。
図１１において、符号１２２及び１１２はポート間の領域に形成された加工痕を示している。

このような方法で、シリンダヘッド１１０の不均一な厚みを均一な厚みに近づけようとした場合、切削した部分でポートとの境界部に突起Ｅが形成されてしまう。係る突起Ｅは依然として過熱箇所となり、且つ鋭利に尖っているため、応力が集中してしまい、強度上悪影響を及ぼすこととなる。

冷却効果を高めるための方法として、上述のポート間の減肉加工（切削加工）による肉厚の均一化の他に、過熱箇所に、より冷えた冷却水を流す方法がある。

図１３〜図１５は、そうした過熱箇所に、より冷えた冷却水を流す方法を示した図である。
即ち、過熱箇所Ｈの近傍に、図１５で示す様な一方の管端が閉塞し、管壁の一部が開口Ｎｏした冷水排出管Ｎをシリンダヘッド１１０の水路（ウォータギャラリー）１０５側で、当該開口部Ｎｏが過熱箇所Ｈの近傍で、且つ開口向きが当該箇所Ｈに向く位置になるように設置してある。

ウォータギャラリー１０５を流過する冷却水は、シリンダによっては、既に、他のシリンダの排気ポートで温められた冷却水が流れる場合もあり、シリンダによっては十分な冷却効果が得られない場合もある。そこで、前記冷水排出管Ｎを、図示しない冷水管を介して、図示しないラジエータからの冷水の往路側に接続し、未だ他のシリンダのポートで熱交換が行われていない冷たいままの冷却水を直接過熱箇所Ｈの近傍に流して、冷却効果を高める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、この冷却水排出管Ｎは、管端が閉塞させられ、且つ開口部Ｎｏでは流れが直角に変えさせられるため、過熱箇所Ｈには直接届き難い。
従って、折角の冷たい冷却水も、本来のウォータギャラリー１０５を流過する既に温まった冷却水と交じり合い、当該過熱箇所Ｈに届く前に温度が上昇してしまい冷却効果が半減してしまう、という問題を抱えていた。
特開２０００−１０４５４７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、エンジンのシリンダヘッドにおいて、過熱箇所を無くし、冷却水による冷却が効果的に発揮できるシリンダヘッドの冷却構造の提供を目的としている。

本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、内燃機関のシリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面が部分円弧（Ｒ１）を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、以って、シリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の厚みを減じたことを特徴としている（請求項１）。

前記切削面（１２及び／又は２２）において、切削後の切削前とシリンダヘッド（１１０）の端面（１１０ｅ）とで形成される稜線部（Ｆ）に面取り或いはアールを形成しているのが好ましい（請求項２）。

また、本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）に冷却水を噴射する湾曲したガイド管（６）を設け、該ガイド管（６）には、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水が流過する配管より分岐した配管が連通している（請求項３）。

前記ガイド管（６）の端部（６２ｂ）の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）よりもシリンダヘッドの冷却用水路（５）における冷却水の流れる方向（Ｗ）の下流側の水路床（５ｂ）に至る様に構成されている（請求項４）。

或いは、本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、内燃機関のシリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面（１２，２２）が部分円弧（Ｒ１）を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、以って、シリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の厚みを減じており、且つシリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）に冷却水を噴射する湾曲したガイド管（６）を設け、該ガイド管（６）には、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水が流過する配管より分岐した配管が連通していることを特徴としている（請求項５）。

そして、前記切削面（１２及び／又は２２）において、切削後の切削前とシリンダヘッド（１１０）の端面（１１０ｅ）とで形成される稜線部（Ｆ）に面取り或いはアールを形成しているのが好ましい（請求項６）。

また、前記ガイド管（６）の端部（６２ｂ）の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）よりもシリンダヘッドの冷却用水路（５）における冷却水の流れる方向（Ｗ）の下流側の水路床（５ｂ）に至る様に構成されているのが好ましい（請求項７）。

或いは、前記切削面（１２及び／又は２２）において、切削後の切削前とシリンダヘッド（１１０）の端面（１１０ｅ）とで形成される稜線部（Ｆ）に面取り或いはアールを形成し、前記ガイド管（６）の端部（６２ｂ）の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）よりもシリンダヘッドの冷却用水路（５）における冷却水の流れる方向（Ｗ）の下流側の水路床（５ｂ）に至る様に構成されているのが好ましい（請求項８）。

係る構成を具備した本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、内燃機関のシリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面（１２，２２）が部分円弧（Ｒ１）を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、シリンダヘッド（１０）の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の厚みを減じることによってシリンダヘッド（１０）における肉厚の均一化を測り、熱の分散が図られ、冷却水による冷却効果が向上する。

前記切削面（１２，２２）において、切削前の吸排気ポート（１，２）何れかのポート間の領域と切削後の切削面との稜線部に面取り或いはアール（Ｒ２、Ｒ３）を形成することにより、切削加工後である突起部は無くなり、したがって応力集中箇所も無くなる。

また、本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）に冷却水を噴射する湾曲したガイド管（６）を設け、該ガイド管（６）に、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水を噴射させ集中的に過熱箇所（Ｔ）を冷却するため、温度分布の均一化が図られ、冷却効果が向上する。

前記ガイド管（６）の端部の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド（１０）中の過熱箇所（Ｔ）よりもシリンダヘッド（１０）の冷却用水路（５）における冷却水の流れる方向の下流側の水路床（５ｂ）に至る様に構成されているので、実際には、冷却水路（５）の冷却水に一端衝突し、その衝突して本来の冷却水路側の冷却水と混じった最も冷たい冷却水が当該過熱箇所（Ｔ）に直接衝突することとなり、高い冷却効果が得られる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

先ず、図１〜図５を参照して第１実施形態を説明する。

図１は、第１実施形態に係り１シリンダ当り４バルブのシリンダヘッド１０を裏返しして、図示しないシリンダの燃焼室側から吸気ポート１，排気ポート２を見た図である。また、図２は、図１のＸ−Ｘ断面矢視図（図１とは上下が逆）に対応し、冷却向上のための減肉（切削）加工を行う直前であり、加工工具を加工スタート位置に用意した状態を示した図である。図３は、図１のＸ−Ｘ断面矢視図（加工の完了した状態）を示した図である。

図１において、シリンダヘッド１０の燃焼室側の端面における２箇所の排気ポート２，２の間の領域には、減肉加工（切削）痕２２がある。又、シリンダヘッド１０の燃焼室側の端面における排気ポート２と吸気ポート１の間の領域（２箇所）には、減肉加工（切削）痕１２がある。

図４は、図１のＹ−Ｙ断面矢視の部分拡大図であり、図５は、図３（図１のＸ−Ｘ断面図）のＡ部拡大図（図３とは上下逆に描いている）である。

図２及び図４に示す様に加工工具３は、例えば、円筒状の先端コーナー部がＲ処理（面取り）されたエンドミルである。
図１において、加工工具（例えばエンドミル）の加工方向（送り）はＢ矢印方向、即ち、二つの排気ポート２，２の中心間を結ぶ仮想線Ｌに沿って往復或いは一方向となる。

尚、先端のコーナー部がＲ処理された加工工具（例えばエンドミル）で切削したままであると、シリンダヘッド１０の端面における加工痕は、尖った状態（図４において、Ｒ処理でＲ２が形成される以前の状態）で残り、その尖った状態の箇所は熱溜まりとなり易いので、例えば、エンドミルで加工後に、当該の尖った箇所を、例えば、小型のグラインダー４によってそのエンドミルで切削されたＲ１とは反対側に凸のＲ処理（Ｒ２）を施すことによって、係る熱溜まり箇所を除去することが出来る。

図５に示す断面（図３の拡大図であって図１のＸ−Ｘ断面）においても排気ポート２と切削痕２２で成す相貫線（切削痕と排気ポート内周面との境界線で尖った箇所、実際２は、図５ではＲ処理されＲ３が形成されているため、尖った箇所は図示されていない）が形成されるため、上述のように例えば小型グラインダーでＲ処理（Ｒ３）を施すことが望ましい。尚、図５は係るＲ処理（Ｒ３）の施された状態を示している。

次に、本発明の第２実施形態について、図６〜図８を参照して説明する。

図６は、シリンダヘッド１０の上方から冷却水路（ウォーターギャラリー）５を透視して見た図であり、図７は図６のＺ−Ｚ断面矢視図であり、図８は冷却水噴射ノズル６の詳細断面図である。

図６及び図７において、点Ｔは、シリンダヘッド１０における１箇所の図示しないシリンダの排気ポート２の周辺における過熱箇所Ｔを示している。又、点線白抜きの矢印Ｗは冷却水路５における冷却水の流れを示している。
図７において、第２実施形態は、この過熱箇所Ｔから冷却水の流れＷの上流側の所定の距離Ｌ１の水路床５ｂにウォータギャラリー５の冷水の流れＷとは別の冷たい冷却水を冷却水噴射ノズル６によって衝突させようをするものである。
図７において符号Ｌ０は、冷却水噴射ノズル６の設置された中心点から冷却水路床５ｂにおける前記冷却水の衝突する地点までの水平方向距離を示す。

図８に基づいて、冷却水噴射ノズル６の詳細を説明する。

冷却水噴射ノズル６は、ソケット６１とノズル６２ｂを含む曲がり管６２で構成されている。ソケット６１は、大径部６１ａと小径部６１ｂとからなる段付チューブである。曲がり管６２は、拡径部６２ａと曲がり部６２ｃとノズル部６２ｂとで構成されている。そして、曲がり管の拡径部６２ａの外周が、ソケット６１の小径部６１ｂの内周に嵌合するように形成されている。
尚、図示はしないが、ソケット６１の大径部６１ａは、図示しない管路によって、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水が流過する配管に連通するように構成されている。

ここで、ノズル６２ｂの中心の延長線の水路床５ｂとの交点Ｎからソケット６１の大径部６１ａの中心線までの水平距離をＬ０（前述の「冷却水噴射ノズル６の設置された中心点から前記冷却水の衝突する地点までの水平方向距離」と同じ）とすれば、Ｌ０を予め設定しておき、曲がり管６２の曲げ中心点Ｏの水路床５ｂからの高さＨ、曲げＲ（符号ｒ）、曲がり管６２の素材の外径ｄを決めれば、ノズル中心の延長線の水路床５ｂに対する傾き角αは計算によって容易に求めることが出来る。

上述したような構成の第２実施形態の冷却水噴射ノズル６を設けることにより、従来、シリンダによっては、ウォータギャラリーを流過する冷却水は既に昇温されてしまっており、冷却効果が十分ではなかったものが、ウォータギャラリーを流過するのではなく、別の管路によって、ラジエータで冷却された冷却水をそのまま冷却水噴射ノズル６によってシリンダヘッドの最も厚い箇所に直接噴射することが出来るので、冷却効果は大幅に向上する。

ここで、冷却水噴射ノズル６から噴射される冷却水は、直接過熱箇所Ｔに衝突させるのでなく、本来のウォータギャラリーの冷却水の流れＷにおける過熱箇所Ｔの上流側に衝突させるため、水路床５ｂに到達する前に、実際にはウォータギャラリー５の冷却水（流れＷ）に一端衝突し、その衝突して本来のギャラリーがエアの冷却水と混じった最も冷たい冷却水が当該過熱箇所Ｔに直接衝突することとなり、効率の良い冷却効果が得られる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドの減肉（切削）加工を説明する斜視図。 図１のＸ−Ｘ断面矢視図に対応し、冷却向上のための減肉加工を行う直前であり、加工工具を加工スタート位置に用意した状態を示した図。 図１のＸ−Ｘ断面矢視図。 図１のＹ−Ｙ断面矢視の部分拡大図 図３（図１のＸ−Ｘ断面図）のＡ部拡大図。 第２実施形態を説明するシリンダヘッドの部分透視図。 図６のＺ−Ｚ断面図。 第２実施形態に係る冷却水噴射ノズルの詳細断面図。 従来技術におけるシリンダヘッドを燃焼室側から見た斜視図。 図９のＸ−Ｘ断面矢視図。 従来技術において、冷却向上のための減肉（切削）加工を施した状態を示した斜視図。 図１１のＸ−Ｘ断面図。 従来技術において、シリンダヘッドの過熱箇所に冷却水を流す冷却水ノズルを説明するシリンダヘッドの部分透視図。 図１３のＺ−Ｚ断面矢視図。 従来技術において、シリンダヘッドの過熱箇所に冷却水を流す冷却水ノズルの斜視図。

符号の説明

１・・・吸気ポート
２・・・排気ポート
３・・・加工工具
４・・・グラインダー
５・・・冷却水路（ウォータギャラリー）
６・・・冷却水噴射ノズル
１０・・・シリンダヘッド
１２、２２・・・加工痕
６１・・・ソケット
６２・・・曲がり管

Claims (8)

1. 内燃機関のシリンダヘッドの吸排気ポート何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面が部分円弧を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、以って、シリンダヘッドの吸排気ポート何れかのポート間の厚みを減じたことを特徴とするシリンダヘッドの冷却構造。
2. 前記切削面において、切削後の切削前とシリンダヘッドの端面とで形成される稜線部に面取り或いはアールを形成している請求項1のシリンダヘッドの冷却構造。
3. シリンダヘッド中の過熱箇所に冷却水を噴射する湾曲したガイド管を設け、該ガイド管には、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水が流過する配管より分岐した配管が連通していることを特徴とするシリンダヘッドの冷却構造。
4. 前記ガイド管の端部の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド中の過熱箇所よりもシリンダヘッドの冷却用水路における冷却水の流れる方向の下流側の水路床に至る様に構成されている請求項３のシリンダヘッドの冷却構造。
5. 内燃機関のシリンダヘッドの吸排気ポート何れかのポート間の領域の燃焼室側を切削方向が隣り合うポート間を結ぶ方向で且つ切削後の切削面が部分円弧を含む様に燃焼室側に対して凹状に湾曲形成し、以って、シリンダヘッドの吸排気ポート何れかのポート間の厚みを減じており、且つシリンダヘッド中の過熱箇所に冷却水を噴射する湾曲したガイド管を設け、該ガイド管には、冷却水系のラジエータからの冷却された冷却水が流過する配管より分岐した配管が連通していることを特徴とするシリンダヘッドの冷却構造。
6. 前記切削面において、切削後の切削前とシリンダヘッドの端面とで形成される稜線部に面取り或いはアールを形成している請求項５のシリンダヘッドの冷却構造。
7. 前記ガイド管の端部の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド中の過熱箇所よりもシリンダヘッドの冷却用水路における冷却水の流れる方向の下流側の水路床に至る様に構成されている請求項５及び請求６の何れかのシリンダヘッドの冷却構造。
8. 前記切削面において、切削後の切削前とシリンダヘッドの端面とで形成される稜線部に面取り或いはアールを形成し、前記ガイド管の端部の長手方向軸線の仮想延長線は、シリンダヘッド中の過熱箇所よりもシリンダヘッドの冷却用水路における冷却水の流れる方向の下流側の水路床に至る様に構成されていることを特徴とする請求項５のシリンダヘッドの冷却構造。

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