JP2009062836A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のシリンダヘッドにおいて、内燃機関における冷却効率の向上を図る。
【解決手段】複数の燃焼室１６にそれぞれ連通する複数の吸気ポート１７と複数の排気ポート１８を設け、吸気ポート１７の周囲に吸気側ウォータジャケット４７を設ける一方、排気ポート１８の周囲に排気側ウォータジャケット４５，４６を設け、排気側ウォータジャケット４５，４６を上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と吸気側ウォータジャケット４７を水平連通路５５に連通し、水平連通路５５における排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも通路断面積の小さい冷却促進部６１ａを設ける。
【選択図】 図７

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ポート及び排気ポートが設けられる内燃機関のシリンダヘッドに関し、特に、燃焼室及び排気ポートの周囲に冷却媒体を流して冷却する冷却構造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、各吸気ポート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、各吸気ポートに吸気マニホールドを介して吸気管が連結される一方、各排気ポート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ポートまたは燃焼室に噴射され、この燃焼室にて、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出される。

このような内燃機関では、シリンダヘッドやシリンダブロックなどにウォータジャケットを設け、このウォータジャケットとラジエータとを冷却水循環通路を介して連結している。そして、ウォータポンプにより冷却水をウォータジャケットとラジエータとの間で循環することで、エンジン全体を均一に冷却する一方、エンジンを冷却して温度上昇した冷却水をラジエータで冷却している。この場合、エンジンの冷却構造は、冷却水がシリンダヘッドやシリンダブロックのウォータジャケット内をシリンダの配列方向に沿って流れる縦流れ構造となっている。

ところが、冷却水をシリンダの配列方向に沿って流す縦流れ構造では、冷却水により各気筒を順次冷却していくことから、下流側に配置された気筒ほど冷却水の温度が高くなり、気筒間で冷却効率が変わり、気筒の温度にばらつきが生じてしまう。また、冷却水をシリンダの配列方向に沿って流す場合、冷却水の通路面積が狭くなり、大量の冷却水を流すことができず、高出力エンジンによる高負荷運転では、十分な冷却効率を達成することが困難である。

そこで、冷却水をシリンダの配列方向に沿って流す縦流れ構造に代えて、冷却水をシリンダの配列方向と直行する方向に沿って流す横流れ構造が、例えば、下記特許文献１に提案されている。この特許文献１に記載された内燃機関の本体構造は、シリンダヘッドのウォータジャケットに、このウォータジャケットを仕切る壁をシリンダボア間にボア壁と一体に連続して形成し、仕切られたウォータジャケットに気筒ごとに冷却水入口を排気ポート側に設け、冷却水出口を吸気ポート側に設けたものである。

実開平０５−０１９５４２号公報

ところで、冷却水をシリンダの配列方向と直行する方向に沿って流す横流れ構造では、シリンダヘッド内での冷却水の経路が短く、且つ、圧力損失が低いものとなっている。そのため、シリンダヘッド内での冷却水の流速が低くなり、エンジンの高回転・高負荷運転時には、十分な冷却性能を確保することが困難となるおそれがある。この場合、ウォータポンプを大型化して冷却水の供給量を増加することが考えられるが、装置の大型化やコストの増大を招いてしまうと共に、冷間始動時における触媒暖機を阻害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、内燃機関における冷却効率の向上を図る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、該複数の燃焼室にそれぞれ連通する複数の吸気ポートと、前記複数の燃焼室にそれぞれ連通する複数の排気ポートと、前記吸気ポートの周囲に設けられる吸気側ウォータジャケットと、前記排気ポートの周囲に設けられる排気側ウォータジャケットと、前記吸気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とを連通する連通路と、冷却媒体を前記排気側ウォータジャケット側から前記連通路を通して前記吸気側ウォータジャケット側に流動させるウォータポンプとを備えた内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記連通路における前記排気ポートから点火プラグ取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和または前記燃焼室側の表面積が大きくなる冷却促進部が設けられることを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、少なくとも前記排気側ウォータジャケットの一部を前記各燃焼室に対応する複数の空間部に区画する隔壁が設けられることを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記排気ポートは、２つの排気分岐ポート部を有し、該排気分岐ポート部と前記吸気ポートとの間に前記点火プラグ取付部が設けられ、前記連通路は、前記排気側ウォータジャケットの冷却媒体を前記２つの排気分岐ポート部の間を通して前記点火プラグ取付部の両側から前記吸気側ウォータジャケット側に流動可能であり、前記冷却促進部は、前記２つの排気分岐ポート部の間に設けられることを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記冷却促進部は、前記連通路の通路面積が縮小する絞り部を有することを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記絞り部は、前記燃焼室から離間する側における前記連通路の通路面積を縮小することを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記冷却促進部は、前記連通路における前記燃焼室側の通路面積が拡大する拡径部を有することを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記冷却促進部は、前記連通路の内壁面に設けられる凹部または凸部を有することを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記連通路は、前記点火プラグのシール面より先端部側に向くように湾曲して設けられることを特徴としている。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドでは、前記排気側ウォータジャケットは、前記排気ポートの上方に設けられる上部排気側ウォータジャケットと、前記排気ポートの下方に設けられる下部排気側ウォータジャケットとを有し、前記上部排気側ウォータジャケットと前記下部排気側ウォータジャケットは、前記燃焼室側に設けられる連通路により連通されることを特徴としている。

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複数の吸気ポート及び排気ポートを設け、吸気ポートの周囲に吸気側ウォータジャケットを設ける一方排気ポートの周囲に排気側ウォータジャケットを設け、吸気側ウォータジャケットと排気側ウォータジャケットを連通路により連通し、冷却媒体を排気側ウォータジャケット側から連通路を通して吸気側ウォータジャケット側に流動させるウォータポンプを設けて構成し、連通路における排気ポートから点火プラグ取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和または燃焼室側の表面積が大きくなる冷却促進部を設けている。従って、冷却媒体が排気側ウォータジャケットから連通路を通して吸気側ウォータジャケットに流動するとき、冷却促進部により排気ポート、燃焼室、点火プラグが効率良く冷却されることとなり、内燃機関における冷却効率を向上することができる。

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が適用されたエンジンの概略構成図、図２は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気ポートでの縦断面図、図３は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの点火プラグでの縦断面図、図４は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気側ウォータジャケットを表す水平断面（図２のIV−IV断面）、図５は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気側ウォータジャケットを表す縦断面（図２のＶ−Ｖ断面）、図６は、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドにおける冷却水の流れを表す概略図、図７は、図６のVII−VII断面図、図８は、図７のVIII−VIII断面図、図９は、実施例１の内燃機関におけるエンジン冷却水の流れを表す概略図である。

実施例１の内燃機関としてのエンジンにおいて、図９に示すように、シリンダブロック１１の上部にシリンダヘッド１２が締結されることでエンジン本体１０１が構成され、内部に後述するウォータジャケットが形成されている。そして、シリンダブロック１１のウォータインレット１０２及びウォータアウトレット１０３とラジエータ１０４との間には、冷却水供給通路１０５及び冷却水排出通路１０６が設けられており、ウォータインレット１０２にサーモスタット弁１０７及び電動式ウォータポンプ１０８が装着されている。また、シリンダブロック１１には、冷却水通路１０９を介してスロットルボディ１１０、ヒータコア１１１、ＡＴＦウォーマ１１２、ターボ過給機１１３などが連結され、これらは冷却水通路１１４を介してウォータアウトレット１０３に連結されている。

従って、電動式ウォータポンプ１０８が駆動すると、冷却水（冷却媒体）がエンジン本体１０１のシリンダブロック１１からシリンダヘッド１２に流れてこれらを冷却した後、スロットルボディ１１０やターボ過給機１１３に流れてこれらを冷却する一方、ＡＴＦウォーマ１１２に流れてＡＴＦを暖機すると共に、ヒータコア１１１に流れて暖房に使用され、ウォータアウトレット１０３に戻される。

上述したエンジン本体１０１は、直列４気筒エンジンであり、図１乃至図５に示すように、シリンダブロック１１の上部にシリンダヘッド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１１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１１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１２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１２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１２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１２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。

４つの吸気ポート１７は、シリンダヘッド１２の側面に開口する４つの吸気ポート部１７ａと、この各吸気ポート部１７ａを２つに分岐すると共に各燃焼室１６に連通するそれぞれ２つの吸気分岐ポート部１７ｂとを有している。一方、排気ポート１８は、各燃焼室１６に連通して２つの分岐する排気分岐ポート部１８ａと、この２つの排気分岐ポート部１８ａを燃焼室１６ごとに合流させる４つの排気ポート部１８ｂと、この各排気ポート部１８ｂを１つに集合させる排気集合ポート部１８ｃとを有している。

そして、この吸気ポート１７における各吸気分岐ポート部１７ｂ及び排気ポート１８における各排気分岐ポート部１８ａに対して、吸気弁１９及び排気弁２０がそれぞれ位置している。この吸気弁１９及び排気弁２０は、シリンダヘッド１２に固定された各ステムガイド２１，２２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２３，２４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、シリンダヘッド１２には、その上部に吸気カムシャフト２５及び排気カムシャフト２６が回転自在に支持されており、この吸気カムシャフト２５及び排気カムシャフト２６に固定された吸気カム２７及び排気カム２８がリフター２９，３０を介して吸気弁１９及び排気弁２０の上端部に接触している。そして、シリンダヘッド１２の上部には、吸気カムシャフト２５及び排気カムシャフト２６を被覆するようにシリンダヘッドカバー３１が固定されている。

従って、内燃機関に同期して吸気カムシャフト２５及び排気カムシャフト２６が回転すると、吸気カム２７及び排気カム２８がリフター２９，３０を介して吸気弁１９及び排気弁２０を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、吸気ポート１７と燃焼室１６、燃焼室１６と排気ポート１８とをそれぞれ連通することができる。

また、シリンダヘッド１２の側部には、この各吸気ポート１７に対応して、この吸気ポート１７に燃料を噴射するインジェクタ３２がそれぞれ装着されている。また、シリンダヘッド１２の中央部には、各燃焼室１６の天井部の中央に位置して点火プラグ３３がそれぞれ装着されている。そして、車両には、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）が搭載されており、このＥＣＵは、インジェクタ３２の燃料噴射タイミングや点火プラグ３３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。

シリンダヘッド１２の一側面には、各吸気ポート１７の各吸気ポート部１７ａに連通する吸気マニホールド３４が固定され、この吸気マニホールド３４にサージタンク３５が連結されている。吸気管３６は、上流側の空気取入口にエアクリーナ３７が取付けられており、下流側端部がサージタンク３５に連結されており、エアクリーナ３７とサージタンク３５との間に位置してスロットル弁を有する電子スロットル装置３８が設けられている。

一方、シリンダヘッド１２の他側面には、排気ポート１８の排気集合ポート部１８ｃに連通する排気管３９が連結されており、この排気管３９に排気浄化触媒（三元触媒）４０が装着されている。

ここで、本実施例のエンジンにおける冷却系について詳細に説明する。本実施例のエンジンでは、上述したように、シリンダヘッド１２に、４つの燃焼室１６にそれぞれ連通する２つの排気分岐ポート部１８ａと、この２つの排気分岐ポート部１８ａを合流させる４つの排気ポート部１８ｂと、この各排気ポート部１８ｂを１つに集合する排気集合ポート部１８ｃとからなる排気ポート１８が一体に形成されており、別体の排気マニホールドが不要な構造となっている。

そして、シリンダブロック１１には、排気側ウォータジャケット４１が形成されると共に、吸気側ウォータジャケット４２が形成されている。この排気側ウォータジャケット４１は、直線状に配列された各シリンダボア１３の排気ポート１８側に形成され、各シリンダボア１３の配列方向の一方の下部に冷却水供給部４３が設けられている。一方、吸気側ウォータジャケット４２は、直線状に配列された各シリンダボア１３の吸気ポート１７側に形成され、各シリンダボア１３の配列方向の他方の下部に冷却水排出部４４が設けられている。

また、シリンダヘッド１２には、排気ポート１８の上方に位置して上部排気側ウォータジャケット４５が設けられると共に、排気ポート１８の下方に位置して下部排気側ウォータジャケット４６が設けられている。一方、シリンダヘッド１２には、吸気ポート１７の周囲に位置して吸気側ウォータジャケット４７が設けられている。

上部排気側ウォータジャケット４５及び下部排気側ウォータジャケット４６は、直線状に配列された各燃焼室１６の排気ポート１８側に配置され、各排気ポート１８の上方及び下方に位置する空間部として設けられている。そして、上部排気側ウォータジャケット４５及び下部排気側ウォータジャケット４６の各空間部は、各燃焼室１６の間に設けられて上下に延設される支持柱４８及び隔壁４９により４つの空間部として区画されている。また、上部排気側ウォータジャケット４５及び下部排気側ウォータジャケット４６は、支持柱４８及び隔壁４９により４つに区画された各空間部が、燃焼室１６と離間する側の端部に設けられた挿通路５０，５１により各燃焼室１６の配設方向に沿って連通している。この場合、挿通路５０，５１は、各排気ポート部１８ｂ及び排気集合ポート部１８ｃの上下に対応して設けられている。一方、この下部排気側ウォータジャケット４６は、下部が支持柱４８及び隔壁４９により区画された空間部ごとに、排気側ウォータジャケット４１の上部と連通し、シリンダブロック１１の排気側ウォータジャケット４１からシリンダヘッド１２の下部排気側ウォータジャケット４６へ冷却水を供給する供給部となっている。

一方、吸気側ウォータジャケット４７は、直線状に配列された各燃焼室１６の吸気ポート１７側であって、各吸気ポート１７の周囲に空間部として設けられている。そして、この吸気側ウォータジャケット４７は、下部が吸気側ウォータジャケット４２の上部と連通し、シリンダヘッド１２の吸気側ウォータジャケット４７からシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２へ冷却水を排出する排出部となっている。

そして、下部排気側ウォータジャケット４６は、各燃焼室１６に対応して設けられた４つの上下連通路５４を介して上部排気側ウォータジャケット４５に連通すると共に、各燃焼室１６に対応して設けられた４つの水平連通路５５を介して吸気側ウォータジャケット４７に連通している。この場合、上下連通路５４は、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から２つの排気分岐ポート部１８ａの周囲及び点火プラグ３３の取付部の周囲を通って上部排気側ウォータジャケット４５に流れる通路であり、水平連通路５５は、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から２つの排気分岐ポート部１８ａの間、点火プラグ３３の取付部の周囲、２つの吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れる通路である。

また、各燃焼室１６に対応した各水平連通路５５には、排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和が大きくなる冷却促進部６１が設けられている。冷却促進部６１は、図６乃至図８に示すように、下部排気側ウォータジャケット４６から吸気側ウォータジャケット４７に至る水平連通路５５に、冷却水の流動方向に沿って所定の長さにわたり、この水平連通路５５の通路面積を縮小する絞り部として設けられている。即ち、水平連通路５５は、縦長で矩形の通路断面形状をなし、冷却促進部６１は、燃焼室１６から離間する側（図８にて上側）に傾斜部６１ａを形成することで、通路面積が縮小するように通路断面形状を変更する一方、燃焼室１６側（図８にて下側）の底面部６１ｂの通路断面形状は変更しない。

そのため、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、水平連通路５５の冷却促進部６１でその流速が増加することとなる。

また、この水平連通路５５は、下部排気側ウォータジャケット４６から吸気側ウォータジャケット４７における点火プラグ３３の取付部にかけて上方に向かって傾斜すると共に、下方に向かって湾曲した形状となっている。即ち、点火プラグ３３は、プラグ本体３３ａの先端部にねじ部３３ｂが一体に設けられ、このねじ部３３ｂの先端部に中心電極３３ｃと接地電極３３ｄが露出しており、プラグ本体３３ａの外周部とシリンダヘッド１２の取付段部との間にシール部材３３ｅが介装されている。そして、本実施例では、水平連通路５５は、点火プラグ３３のシール部材３３ｅのシール面より先端部側に向くように湾曲している。つまり、水平連通路５５は湾曲形状をなし、曲率半径Ｒを有する外側円弧に対する接線Ｌの延長する先端が点火プラグ３３のシール部材３３ｅのシール面より燃焼室１６側に位置している。

そのため、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、高温となる点火プラグ３３のねじ部３３ｂを効率的に冷却することとなる。

このように構成された本実施例のエンジン本体１０１では、冷却水がシリンダブロック１１の冷却水供給部４３から排気側ウォータジャケット４１に供給されると、排気側ウォータジャケット４１内の冷却水は、気筒ごとにシリンダヘッド１２の下部排気側ウォータジャケット４６内に流動する。そして、下部排気側ウォータジャケット４６内に流動した冷却水は、点火プラグ３３とは反対側に流動し、挿通路５１を通って合流し、吸気側ウォータジャケット４７を通ってシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２に流れる。また、下部排気側ウォータジャケット４６内に流動した冷却水は、点火プラグ３３側に流動し、各上下連通路５４を通って反転するように上昇して上部排気側ウォータジャケット４５に流動し、挿通路５０を通って合流し、吸気側ウォータジャケット４７を通ってシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２に流れる。

更に、下部排気側ウォータジャケット４６内に流動した冷却水は、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５５を流動し、各排気分岐ポート部１８ａと点火プラグ３３と各吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流動し、この吸気側ウォータジャケット４７からシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２に流れる。そして、吸気側ウォータジャケット４７からシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２に流れた冷却水は、冷却水排出部４４から外部に排出される。

即ち、シリンダヘッド１２の各ウォータジャケット４５，４６，４７では、排気側の下方から供給された冷却水が、排気ポート１８の上方に流れると共に、吸気ポート１７側に流れることとなり、本実施例のエンジン冷却構造では、冷却水が気筒（燃焼室１６）の配列方向に直行する方向、つまり、エンジン本体１０１の横方向（排気側−吸気側）に流れる、所謂、冷却水横流れ構造となっている。

このとき、図６に詳細に示すように、下部排気側ウォータジャケット４６内の冷却水は、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５５を流動し、２つの排気分岐ポート部１８ａの間を通り、点火プラグ３３の両側を流れ、２つの吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流動する。即ち、隔壁４９により区画された一つの空間部の冷却水は、他の空間部に逃げることなく、排気側から吸気側へ直接流れることとなる。

また、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水が、水平連通路５５を流れるとき、通路断面積の小さい冷却促進部６１を通過することで、冷却水の流速が増加する。また、水平連通路５５が点火プラグ３３のシール部材３３ｅのシール面より先端部側を向いていることで、点火プラグ３３のプラグ本体３３ａを効率的に冷却する。従って、シリンダヘッド１２にて特に高温となりやすい排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３のねじ部３３ｂまでの領域を効果的に冷却することができる。

また、下部排気側ウォータジャケット４６内の冷却水が、複数の隔壁４９に誘導されながら流動し、挿通路５１により合流する一方、下部排気側ウォータジャケット４６内の冷却水が、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５４を流動し、２つの排気分岐ポート部１８ａの間を通った後、上下連通路５４を通って上昇して上部排気側ウォータジャケット４５に流動し、挿通路５０により合流する。そして、下部排気側ウォータジャケット４６で合流した冷却水と、上部排気側ウォータジャケット４５で合流した冷却水は、吸気側ウォータジャケット４７に流動する。即ち、隔壁４９により区画された一つの空間部の冷却水は、他の空間部に逃げることなく、点火プラグ３３側から排気側へ流れることとなる。

従って、電動式ウォータポンプ１０８を駆動し、冷却水をシリンダブロック１１の冷却水供給部４３から排気側ウォータジャケット４１に供給し、気筒ごとにシリンダヘッド１２の下部排気側ウォータジャケット４６内に流動すると、冷却水は、この下部排気側ウォータジャケット４６、上部排気側ウォータジャケット４５、吸気側ウォータジャケット４７内を気筒の配列方向に直行する横方向に流れることとなる。そのため、電動式ウォータポンプ１０８を駆動制御し、エンジンの運転状態に応じて冷却水の循環水量を増減しても、この冷却水は、気筒ごとに燃焼室１６、吸気ポート１７、排気ポート１８などを効率良く冷却することができる。

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にそれぞれ連通する複数の吸気ポート１７と複数の排気ポート１８を設け、吸気ポート１７の周囲に吸気側ウォータジャケット４７を設ける一方、排気ポート１８の周囲に排気側ウォータジャケット４５，４６を設け、排気側ウォータジャケット４５，４６を上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と吸気側ウォータジャケット４７を水平連通路５５に連通し、水平連通路５５における排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも通路断面積の小さい冷却促進部６１を設けている。

従って、冷却水が下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通して吸気側ウォータジャケット４７に流動するとき、水平連通路５５の冷却促進部６１により冷却水の流速が高められるため、高温となりやすい排気分岐ポート部１８ａや点火プラグ３３が効率良く冷却されることとなり、エンジンにおける冷却効率を向上することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、冷却促進部６１を、水平連通路５５の通路面積が縮小する絞り部とし、燃焼室１６から離間する側に傾斜部６１ａを形成することで、通路面積が縮小するように通路断面形状を変更し、燃焼室１６側の底面部６１ｂの通路断面形状を変更していない。従って、冷却促進部６１を通路面積が縮小する絞り部とすることで、冷却水の流速を上げて冷却効率を向上することができると共に、燃焼室１６側の通路断面形状を変更せずに燃焼室１６から離間する側の通路断面形状を変更することで、燃焼室１６に対する冷却効率を低下させることなく、全体としての冷却効率を向上することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、水平連通路５５を、点火プラグ３３のシール面より先端部側に向くように湾曲して設けている。従って、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、高温となる点火プラグ３３のねじ部３３ｂを効率的に冷却することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、排気側ウォータジャケット４５，４６を隔壁４９により各燃焼室１６に対応する複数の空間部に区画している。従って、隔壁４９により排気側ウォータジャケット４５，４６が気筒に対応した複数の空間部に区画されることで、冷却水の横流れが可能となり、冷却水の流速を低下させて大量の冷却水を循環させることが可能となり、エンジンの冷却効率を向上することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、水平連通路５５により、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水を２つの排気分岐ポート部１８ａの間を通して点火プラグ３３の取付部の両側から吸気側ウォータジャケット４７側に流動可能としている。従って、冷却水により各燃焼室１６に対応する排気ポート１８と点火プラグ３３を個別に、且つ、均一に冷却することができ、安定したエンジン出力を確保することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、排気ポート１８を、複数の燃焼室１６にそれぞれ連通する２つの排気分岐ポート部１８ａと、２つの排気分岐ポート部１８ａを合流させる複数の燃焼室１６に対応する複数の排気ポート部１８ｂと、複数の排気ポート部１８ｂを集合させる排気集合ポート部１８ｃとから構成し、挿通部５０，５１を排気ポート部１８ｂ及び排気集合ポート部１８ｃに対応してその上方及び下方に設けている。従って、排気マニホールドを不要として小型化を図ることができ、また、暖機時には、排気ガスの放熱量を抑制して排気浄化触媒４０を早期に活性化することができる一方、暖機後には、排気ガスを効率的に冷却して排気浄化触媒４０の温度上昇による熱劣化を防止することができ、触媒の燃料冷却を不要として燃費を向上することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、排気ポート１８の上方に設けられる上部排気側ウォータジャケット４５と、排気ポート１８の下方に設けられる下部排気側ウォータジャケット４６を燃焼室１６側に設けられる上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と下部排気側ウォータジャケット４６に隔壁４９を設けている。従って、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、気筒に対応して区画された空間部ごとに上下連通路５４を通して上部排気側ウォータジャケット４５に流動することとなり、全てのウォータジャケット４５，４６，４７で冷却水の横流れが可能となり、エンジンの冷却効率を向上することができる。

また、実施例１の内燃機関のシリンダヘッドでは、シリンダブロック１１の排気側ウォータジャケット４１から下部排気側ウォータジャケット４６に冷却水を供給可能であると共に、上部排気側ウォータジャケット４５及び吸気側ウォータジャケット４７の冷却水をシリンダブロック１１の吸気側ウォータジャケット４２に冷却水を排出可能としている。従って、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２との間で、冷却水を効率良く循環させることができる。

図１０は、本発明の実施例２に係る内燃機関のシリンダヘッドにおける水平連通部を表す縦断面図である。なお、本実施例の内燃機関のシリンダヘッドにおける全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１乃至図５を用いて説明すると共に、この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の内燃機関としてのエンジンにおいて、図１乃至図５及び図１０に示すように、シリンダヘッド１２の各燃焼室１６に対応した各水平連通路５５には、排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも燃焼室１６側の表面積が大きくなる冷却促進部７１が設けられている。冷却促進部７１は、下部排気側ウォータジャケット４６から吸気側ウォータジャケット４７に至る水平連通路５５に、冷却水の流動方向に沿って所定の長さにわたり、水平連通路５５における燃焼室１６側の通路面積が拡大する拡径部として設けられている。即ち、水平連通路５５は、縦長で矩形の通路断面形状をなし、冷却促進部７１は、燃焼室１６から離間する側（図１０にて上側）に傾斜部７１ａを形成する一方、燃焼室１６側（図１０にて下側）の底面部７１ｂの幅を大きくすることで、通路面積が若干大きくなるように通路断面形状を変更している。

そのため、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、水平連通路５５の冷却促進部７１にて、冷却水により燃焼室１６が良好に冷却されることとなる。

このように構成された本実施例のエンジン本体１０１にて、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、この下部排気側ウォータジャケット４６内を流動すると共に、点火プラグ３３側に流動し、上下連通路５４を通って上部排気側ウォータジャケット４５に流動する。また、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５５を流動し、各排気分岐ポート部１８ａと点火プラグ３３と各吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流動する。このとき、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を流れる冷却水は、燃焼室１６を冷却するための表面積が大きくなる冷却促進部７１を通過することで、燃焼室１６を効率的に冷却する。従って、シリンダヘッド１２にて高温となりやすい燃焼室１６を効果的に冷却することができる。

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、排気側ウォータジャケット４５，４６を上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と吸気側ウォータジャケット４７を水平連通路５５に連通し、水平連通路５５にその上流側よりも燃焼室１６側の表面積が大きくなる冷却促進部７１を設けている。

従って、冷却水が下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通して吸気側ウォータジャケット４７に流動するとき、水平連通路５５の冷却促進部７１により、高温となりやすい燃焼室１６が効率良く冷却されることとなり、エンジンにおける冷却効率を向上することができる。

図１１は、本発明の実施例３に係る内燃機関のシリンダヘッドにおける水平連通部を表す縦断面図である。なお、本実施例の内燃機関のシリンダヘッドにおける全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１乃至図５を用いて説明すると共に、この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の内燃機関としてのエンジンにおいて、図１乃至図５及び図１１に示すように、シリンダヘッド１２の各燃焼室１６に対応した各水平連通路５５には、排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和が大きくなる冷却促進部８１が設けられている。冷却促進部８１は、下部排気側ウォータジャケット４６から吸気側ウォータジャケット４７に至る水平連通路５５における内壁面に、冷却水の流動方向に沿って所定の長さにわたり、通路側に突出する凸部として設けられている。即ち、冷却促進部８１は、水平連通路５５の下面から冷却水の流動方向に沿って滑らかに傾斜する傾斜部８１ａと、この傾斜部８１ａの先端側に形成された段部８１ｂとから構成され、水平連通路５５に対して所定の幅を有している。

そのため、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、水平連通路５５の冷却促進部８１にて、乱流エネルギが発生することで、内壁面付近の境界層が破壊され、冷却水と水平連通路５５の内壁面との間の熱伝達係数が向上し、この冷却水により排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａ、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部が良好に冷却されることとなる。

このように構成された本実施例のエンジン本体１０１にて、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、この下部排気側ウォータジャケット４６内を流動すると共に、点火プラグ３３側に流動し、上下連通路５４を通って上部排気側ウォータジャケット４５に流動する。また、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５５を流動し、各排気分岐ポート部１８ａと点火プラグ３３と各吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流動する。このとき、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を流れる冷却水は、この水平連通路５５側に突出する冷却促進部８１を通過することで、乱流エネルギが発生して内壁面付近の境界層が破壊され、冷却水と水平連通路５５の内壁面との間の熱伝達係数が向上し、この冷却水により排気ポート１８の近傍を効率的に冷却する。従って、シリンダヘッド１２にて高温となりやすい排気ポート１８、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部を効果的に冷却することができる。

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、排気側ウォータジャケット４５，４６を上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と吸気側ウォータジャケット４７を水平連通路５５に連通し、水平連通路５５の下面部に内側に突出する冷却促進部８１を設けている。

従って、冷却水が下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通して吸気側ウォータジャケット４７に流動するとき、水平連通路５５の冷却促進部８１により、冷却水が乱流となって攪拌されることで、この冷却水により高温となりやすい排気ポート１８、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部が効率良く冷却されることとなり、エンジンにおける冷却効率を向上することができる。

図１２は、本発明の実施例４に係る内燃機関のシリンダヘッドにおける水平連通部を表す縦断面図である。なお、本実施例の内燃機関のシリンダヘッドにおける全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１乃至図５を用いて説明すると共に、この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４の内燃機関としてのエンジンにおいて、図１乃至図５及び図１２に示すように、シリンダヘッド１２の各燃焼室１６に対応した各水平連通路５５には、排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａから点火プラグ３３の取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和が大きくなる冷却促進部８２が設けられている。冷却促進部８２は、下部排気側ウォータジャケット４６から吸気側ウォータジャケット４７に至る水平連通路５５における内壁面に、冷却水の流動方向に沿って所定の長さにわたり、通路側に突出する凸部として設けられている。即ち、冷却促進部８２は、水平連通路５５の上面から冷却水の流動方向とは逆方向に沿って滑らかに傾斜する傾斜部８２ａと、この傾斜部８２ａの先端側に形成された段部８２ｂとから構成され、水平連通路５５に対して所定の幅を有している。

そのため、冷却水が、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通って吸気側ウォータジャケット４７に流れるとき、水平連通路５５の冷却促進部８２にて、乱流エネルギが発生することで、内壁面付近の境界層が破壊され、冷却水と水平連通路５５の内壁面との間の熱伝達係数が向上し、この冷却水により排気ポート１８の排気分岐ポート部１８ａ、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部が良好に冷却されることとなる。

このように構成された本実施例のエンジン本体１０１にて、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、この下部排気側ウォータジャケット４６内を流動すると共に、点火プラグ３３側に流動し、上下連通路５４を通って上部排気側ウォータジャケット４５に流動する。また、下部排気側ウォータジャケット４６の冷却水は、複数の隔壁４９に誘導されながら水平連通路５５を流動し、各排気分岐ポート部１８ａと点火プラグ３３と各吸気分岐ポート部１７ｂの周囲を通って吸気側ウォータジャケット４７に流動する。このとき、下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を流れる冷却水は、この水平連通路５５側に突出する冷却促進部８２を通過することで、乱流エネルギが発生して内壁面付近の境界層が破壊され、冷却水と水平連通路５５の内壁面との間の熱伝達係数が向上し、この冷却水により排気ポート１８の近傍を効率的に冷却する。従って、シリンダヘッド１２にて高温となりやすい排気ポート１８、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部を効果的に冷却することができる。

このように実施例４の内燃機関のシリンダヘッドにあっては、排気側ウォータジャケット４５，４６を上下連通路５４により連通すると共に、上部排気側ウォータジャケット４５と吸気側ウォータジャケット４７を水平連通路５５に連通し、水平連通路５５の上面部に内側に突出する冷却促進部８２を設けている。

従って、冷却水が下部排気側ウォータジャケット４６から水平連通路５５を通して吸気側ウォータジャケット４７に流動するとき、水平連通路５５の冷却促進部８２により、冷却水が乱流となって攪拌されることで、この冷却水により高温となりやすい排気ポート１８、燃焼室１６、点火プラグ３３の取付部が効率良く冷却されることとなり、エンジンにおける冷却効率を向上することができる。

なお、上述した実施例３、４にて、冷却促進部８１，８２を水平連通路５５の内壁面から突出する凸部として構成したが、凹部としても良く、この場合であっても同様の作用効果を奏することができる。また、この冷却促進部８１，８２を形成する位置は、水平連通路５５の上面または下面に限らず、側面であってもよく、数も１つに限らず凹部と凸部を複数形成してもよい。

また、上述した実施例では、上部排気側ウォータジャケット４５と下部排気側ウォータジャケット４６の両方に支持柱４８及び隔壁４９を設けたが、いずれか一方に設ければよいものである。また、排気側ウォータジャケットを上部排気側ウォータジャケット４５と下部排気側ウォータジャケット４６の一方だけとしてもよい。

また、この支持柱４８及び隔壁４９を上部排気側ウォータジャケット４５と下部排気側ウォータジャケット４６における挿通路５０，５１を除く全域に設けたが、その一部に設ければよいものである。即ち、上部排気側ウォータジャケット４５及び下部排気側ウォータジャケット４６において、支持柱４８及び隔壁４９を設けることで、単一の燃焼室１６における排気分岐ポート１８ａの間を流れる冷却水の流動抵抗に対して、隣り合う燃焼室１６に対応する空間部の間を流れる冷却水の流動抵抗が大きくなるように設定すればよい。

また、本実施例の内燃機関にて、一つの気筒あたり吸気弁１９及び排気弁２０をそれぞれ２つ設けたが、１つずつであったり、３つ以上であってもよい。

そして、上述した実施例では、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、上述した実施例では、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式内燃機関として説明したが、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の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、排気側ウォータジャケットと吸気側ウォータジャケットを連通する水平連通路に冷却促進部を設けることで、内燃機関における冷却効率を向上するものであり、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が適用されたエンジンの概略構成図である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気ポートでの縦断面図である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの点火プラグでの縦断面図である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気側ウォータジャケットを表す水平断面図（図２のIV−IV断面）である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドが適用されたエンジンの排気側ウォータジャケットを表す縦断面図（図２のＶ−Ｖ断面）である。 実施例１の内燃機関のシリンダヘッドにおける冷却水の流れを表す概略図である。 図６のVII−VII断面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 本実施例の内燃機関におけるエンジン冷却水の流れを表す概略図である。 本発明の実施例２に係る内燃機関のシリンダヘッドにおける水平連通部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における水平連通部を表す縦断面図である。 本発明の実施例４に係る内燃機関のシリンダヘッドにおける水平連通部を表す縦断面図である。

符号の説明

１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
３２ インジェクタ
３３ 点火プラグ
４１ 排気側ウォータジャケット
４２ 吸気側ウォータジャケット
４３ 冷却水供給部
４４ 冷却水排出部
４５ 上部排気側ウォータジャケット
４６ 下部排気側ウォータジャケット
４７ 吸気側ウォータジャケット
４９ 隔壁
５０，５１ 挿通路
５４ 上下連通路
５５ 水平連通路
６１，７１，８１，８２ 冷却促進部

Claims (9)

1. 複数の燃焼室と、該複数の燃焼室にそれぞれ連通する複数の吸気ポートと、前記複数の燃焼室にそれぞれ連通する複数の排気ポートと、前記吸気ポートの周囲に設けられる吸気側ウォータジャケットと、前記排気ポートの周囲に設けられる排気側ウォータジャケットと、前記吸気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とを連通する連通路と、冷却媒体を前記排気側ウォータジャケット側から前記連通路を通して前記吸気側ウォータジャケット側に流動させるウォータポンプとを備えた内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記連通路における前記排気ポートから点火プラグ取付部に至る領域に、その上流側よりも熱伝達係数の総和または前記燃焼室側の表面積が大きくなる冷却促進部が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. 少なくとも前記排気側ウォータジャケットの一部を前記各燃焼室に対応する複数の空間部に区画する隔壁が設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記排気ポートは、２つの排気分岐ポート部を有し、該排気分岐ポート部と前記吸気ポートとの間に前記点火プラグ取付部が設けられ、前記連通路は、前記排気側ウォータジャケットの冷却媒体を前記２つの排気分岐ポート部の間を通して前記点火プラグ取付部の両側から前記吸気側ウォータジャケット側に流動可能であり、前記冷却促進部は、前記２つの排気分岐ポート部の間に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
4. 前記冷却促進部は、前記連通路の通路面積が縮小する絞り部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
5. 前記絞り部は、前記燃焼室から離間する側における前記連通路の通路面積を縮小することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
6. 前記冷却促進部は、前記連通路における前記燃焼室側の通路面積が拡大する拡径部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
7. 前記冷却促進部は、前記連通路の内壁面に設けられる凹部または凸部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
8. 前記連通路は、前記点火プラグのシール面より先端部側に向くように湾曲して設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
9. 前記排気側ウォータジャケットは、前記排気ポートの上方に設けられる上部排気側ウォータジャケットと、前記排気ポートの下方に設けられる下部排気側ウォータジャケットとを有し、前記上部排気側ウォータジャケットと前記下部排気側ウォータジャケットは、前記燃焼室側に設けられる連通路により連通されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。

Images