JP2009180109A - 排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の排気マニホールドによって熱交換された冷却水を高温となった状態のまま取り出すことができる排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造を提供すること。
【解決手段】冷却水ジャケット２１，２２は、排気集合部を冷却するための水出口通路２１ａ，２２ａを有し、水出口通路２１ａ，２２ａの出口２１１，２２１は、気筒１３の配列方向Ｒにおける両端の気筒１３の間に形成されている。水出口通路２１ａは排気集合部の上方に設けられている。また、水出口通路２２ａは排気集合部の下方に設けられている。冷却水ジャケット２１，２２へ冷却水を供給するための冷却水通路２３，２４は、複数の気筒１３の配列方向Ｒに対して直交してシリンダヘッド１１を横断するように形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造に関する。

排気マニホールドが一体化されているシリンダヘッドの冷却構造は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の冷却構造では、シリンダヘッドにおける冷却水ジャケット内を流れる冷却水は、排気ポートを冷却することで受熱し高温となる。高温となった冷却水は、カーヒータ等の給熱対象へ供給される。

また、冷却水入口から冷却水出口の方向に対して横切る方向に仕切りが設けられており、冷却水ジャケット内に冷却水を滞留させにくい構造としている。
特開２００５−１８８３５１号公報

冷却水の温度は、排気ポートの周辺を冷却した直後が最も高い。
しかしながら、特許文献１に開示の内燃機関の冷却構造においては、専ら排気枝路を冷却しているが、排気マニホールド周辺の冷却水ジャケットと冷却水出口が離間しているため、冷却水出口に到達した冷却水の温度は、排気マニホールドで熱交換した直後の温度よりも低くなっている。したがって、カーヒータ等への給熱対象に、冷却水が受熱した高熱のまま供給されないという課題がある。

さらに、冷却水入口から冷却水出口の方向に対して横切る方向に設けた仕切りを設定可能な程度に中子の剛性を確保しなければならない。
本発明の目的は、中子の剛性を不必要に確保することなく、熱交換された高温の冷却水を、高温となった状態のまま取り出すことができる排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関の複数の気筒から排出される排気ガス用の複数の排気ポートを備えたシリンダヘッドと、前記複数の排気ポートに連なる排気集合部を有する排気マニホールドとが一体形成されており、前記シリンダヘッドには冷却水ジャケットが設けられている排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造であって、前記冷却水ジャケットは、前記排気集合部を冷却するための水出口通路を有し、前記水出口通路の出口は、前記複数の気筒の配列方向における両端の気筒の間にあることを要旨とする。

この発明によれば、排気集合部を冷却することで冷却水が受熱し、冷却水の一層の高温化を図ることができる。ここにおける「両端の気筒の間にある」とは、前記配列方向と直交する方向に見て、水出口通路の出口の一部が両端の気筒のいずれか一方における前記配列方向の幅範囲と交差する場合を含む。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記水出口通路は、前記排気集合部の上方又は下方にあることを要旨とする。
排気集合部の上方又は下方は、水出口通路の配置場所として好適である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記冷却水ジャケットへ冷却水を供給するための冷却水通路が、前記シリンダヘッドにおける気筒の配列方向に対して垂直方向に横断することを要旨とする。

この発明によれば、冷却水がシリンダヘッドにおける気筒の配列方向に対して垂直方向に横断する方向へ冷却水ジャケット内を流れるため、縦断に対して流路が短く、結果的に冷却水の圧力損失が少なく、冷却水ジャケット内の冷却水を効率良く給熱対象へ供給することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記冷却水は、冷却水ポンプによって供給され、前記冷却水ジャケット内を流れる前記冷却水は、前記冷却水ポンプと前記冷却水ジャケットとを繋ぐ冷却水専用通路を介して、前記冷却水ポンプから直接供給されることを要旨とする。

この発明によれば、冷却水ポンプから冷却水専用通路を介して直接冷却水ジャケットへ冷却水を供給することができるので、圧力の高い冷却水を冷却水ジャケットへ供給することができ、冷却水ジャケット内の冷却水をさらに効率良く給熱対象へ供給することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記冷却水ジャケットは、前記排気マニホールドを上下で挟み込むように上下に分けて前記シリンダヘッドに形成されていることを要旨とする。

この発明によれば、冷却水ジャケットが上下に分かれているため、シリンダヘッドを鋳造する際に、下段の冷却水ジャケットの中子、排気ポートの中子、上段の冷却水ジャケットの中子、の順に組み付けることができる。換言すれば、排気ポートの中子及び排気マニホールドの中子を冷却水ジャケットの中子に貫通させて組み付ける必要がない。よって、中子組み付けの効率が良い。

この発明によれば、熱交換された高温の冷却水を、高温となった状態のまま取り出すことができる。

以下、本発明を１気筒当たりそれぞれ２本の吸気バルブ及び排気バルブが設けられた４気筒の内燃機関における、排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造に具体化した第１実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本実施形態の直列４気筒エンジン１０（以下、単に内燃機関１０と記載する）のシリンダヘッド１１における吸気路及び排気路を示す図である。図２は、シリンダブロックＢの上面に結合されたシリンダヘッド１１を示す。

図１（ａ）に示すように、シリンダヘッド１１には複数（本実施形態では８個）の吸気ポート１２がそれぞれ間隔を隔てて配列するように形成されている。各吸気ポート１２の一端は、各吸気ポート１２へ空気を送り込むための図示しない吸気マニホールドに連通されている。各吸気ポート１２の他端は、シリンダブロックＢ内に直列に配列された複数の気筒１３（本実施形態では４気筒）内に収容されたピストン１４（図２に示す）によって各気筒１３内に区画形成される各燃焼室１５（図２に示す）へと連通されている。各吸気ポート１２と各燃焼室１５とは、吸気バルブ孔１６ａを介して連通されているとともに、吸気バルブ孔１６ａは吸気バルブ１６（図２に示す）によって開閉される。

シリンダヘッド１１には、複数の気筒１３から排出される排気ガス用の複数（本実施形態では８個）の排気ポート１７の一端に連なる排気集合部１９ａを有する排気マニホールド１９が設けられている。排気マニホールド１９は、複数の排気バルブ孔１８ａに連通する複数の排気ポート１７と、一対の排気ポート１７を１本にした複数の排気枝路１９ｂと、各排気枝路１９ｂに連なる排気集合部１９ａとからなるとともに、シリンダヘッド１１内に一体的に形成されている。排気集合部１９ａはシリンダヘッド１１の側面１１ａに排気ガス出口１９１を有し、排気ガス出口１９１は図示しない外部排気管に接続されている。排気集合部１９ａは、図３に示すように、側面視するとシリンダヘッド１１の側面１１ａの中央部に設けられている。

図２に示すように、各排気ポート１７の他端は、各燃焼室１５と連通している。各排気ポート１７と各燃焼室１５とは、排気バルブ孔１８ａを介して連通されている。排気バルブ孔１８ａは、排気バルブ１８によって開閉される。シリンダヘッド１１には、点火プラグ２０が各燃焼室１５に向かって取付けられている。吸気ポート１２を経由して燃焼室１５へ供給された燃料と空気との混合気は、点火プラグ２０の電気火花によって着火され燃焼する。燃焼室１５内の既燃焼ガスは、排気バルブ孔１８ａから排気マニホールド１９を介して前記外部排気管へ流出する。

シリンダヘッド１１内には、排気マニホールド１９を上下で挟み込むように上下に分けて設けられた上部冷却水ジャケット２１及び下部冷却水ジャケット２２が形成されている。

シリンダヘッド１１を鋳造する場合には、まず、下部冷却水ジャケット２２の中子がシリンダヘッド１１の母型に固定されるとともに、下部冷却水ジャケット２２の中子の上方には、排気ポート１７の中子及び排気マニホールド１９の中子が積層される。さらに、排気ポート１７の中子及び排気マニホールド１９の中子の上方には、上部冷却水ジャケット２１の中子が積層されることで、上部冷却水ジャケット２１、下部冷却水ジャケット２２及び排気マニホールド１９がシリンダヘッド１１内に形成される。

シリンダヘッド１１内には、複数の気筒１３の配列方向［図１（ａ），（ｂ）に矢印Ｒで示す方向］に対して直交してシリンダヘッド１１を横断する冷却水通路２３，２４、冷却水通路２３，２４に連なる分配通路２６、及び分配通路２６に連なる冷却水入口通路１２ａが形成されている。冷却水入口通路１２ａは、シリンダヘッド１１の側面１１ｂに形成されている。上部冷却水ジャケット２１は、冷却水通路２３及び分配通路２６を介して冷却水入口通路１２ａに連通されており、下部冷却水ジャケット２２は、冷却水通路２４及び分配通路２６を介して冷却水入口通路１２ａに連通されている。

図１（ａ），図３，図４に示すように、冷却水通路２３は、５本ずつ設けられているとともに、分配通路２６から冷却水ジャケット２１に向かってそれぞれ直線状に形成されている。図１（ｂ），図３，図４に示すように、冷却水通路２４は、５本ずつ設けられているとともに、分配通路２６から冷却水ジャケット２２に向かってそれぞれ直線状に形成されている。

図１（ａ）に示すように上部冷却水ジャケット２１には、排気集合部１９ａを冷却するための水出口通路２１ａが設けられている。水出口通路２１ａの出口２１１は、シリンダヘッド１１の側面１１ａに開口されている。冷却水通路２３は、複数の気筒１３の配列方向Ｒに対して直交する方向に形成されている。水出口通路２１ａの出口２１１は、気筒１３の配列方向Ｒにおける両端の気筒１３［図１（ａ）における左端の気筒１３と右端の気筒１３］の間、かつ、排気集合部１９ａの上方に設けられている。水出口通路２１ａの出口２１１は、図２に示すように、シリンダヘッド１１の外部に設けられた冷却水導出管１１１を介して給熱対象としてのカーヒータ２７へ接続されている。

図１（ｂ）に示すように、下部冷却水ジャケット２２には、排気集合部１９ａを冷却するための水出口通路２２ａが設けられている。水出口通路２２ａの出口２２１は、シリンダヘッド１１の側面１１ａに開口されている。冷却水通路２４は、複数の気筒１３の配列方向Ｒに対して直交する方向に形成されている。水出口通路２２ａの出口２２１は、気筒１３の配列方向Ｒにおける両端の気筒１３［図１（ｂ）における左端の気筒１３と右端の気筒１３］の間、かつ、排気集合部１９ａの下方に設けられている。水出口通路２２ａの出口２２１は、図２に示すように、シリンダヘッド１１の外部に設けられた冷却水導出管１１２を介して給熱対象としてのカーヒータ２７へ接続されている。

図２に示すように、冷却水入口通路１２ａは、シリンダヘッド１１の外部に設けられた冷却水導入管１１３を介して冷却水ポンプ２５に接続されている。冷却水導入管１１３、冷却水入口通路１２ａ，分配通路２６及び冷却水通路２３，２４は、冷却水ポンプ２５と冷却水ジャケット２１，２２とを直接繋ぐための冷却水専用通路を構成している。

次に、冷却水の流れについて図５を用いて説明する。図５は、冷却水ジャケット２１，２２を経由する冷却水の流れを示す。
冷却水は、冷却水ポンプ２５内から冷却水導入管１１３を介して冷却水入口通路１２ａへ直接供給される。冷却水入口通路１２ａへ供給された冷却水は、矢印Ａで示すように、分配通路２６を介して冷却水通路２３，２４へ流入する。さらには、冷却水は、矢印Ｂで示すように、複数の気筒１３の配列方向Ｒに対して直交する冷却水通路２３，２４内を流れるとともに、冷却水ジャケット２１，２２内に流れ込む。冷却水ジャケット２１，２２内へ流れ込んだ冷却水は、排気ポート１７を冷却することによって受熱し、高温になる。高温となった冷却水は、矢印Ｃで示すように、水出口通路２１ａ，２２ａへ流れ込むとともに、排気集合部１９ａを冷却することによってさらに受熱し、さらに高温な状態となる。そして、冷却水は、高温となった状態のまま水出口通路２１ａ，２２ａの出口２１１，２２１から吐出されるとともに、冷却水導出管１１１，１１２を介してカーヒータ２７へ供給される。

第１実施形態では以下のような効果を得ることができる。
（１）冷却水ジャケット２１，２２は、排気集合部１９ａを冷却するための水出口通路２１ａ，２２ａを有し、水出口通路２１ａ，２２ａの出口２１１，２２１は、気筒１３の配列方向Ｒにおける両端の気筒１３の間に形成した。よって、排気集合部１９ａを冷却することで冷却水が受熱し、高温となった冷却水を高温となった状態のまま取り出すことができる。

（２）水出口通路２１ａを排気集合部１９ａの上方に設けるとともに、水出口通路２２ａを排気集合部１９ａの下方に設ける構成は、排気マニホールド１９との交差を回避しつつ排気集合部１９ａを効率良く冷却する上で、水出口通路２１ａ，２２ａの配置場所として好適である。

（３）冷却水ジャケット２１，２２へ冷却水を供給するための冷却水通路２３，２４は、複数の気筒１３の配列方向Ｒに対して直交してシリンダヘッド１１を横断するように形成した。よって、冷却水がシリンダヘッド１１を横断する方向へ冷却水ジャケット２１，２２に向かって流れるため、冷却水の圧力損失が少なく、冷却水ジャケット２１，２２内の冷却水を効率良くカーヒータ２７へ供給することができる。また、冷却水をシリンダヘッド１１に対して横断する方向へ冷却水ジャケット２１，２２に向かって流すため、冷却水の滞留部分が発生しない。したがって、特許文献１のように、冷却水入口から冷却水出口の方向に対して横切る方向に、滞留を抑制するための仕切りを設ける必要がない。すなわち、中子にこの仕切りを設けるための剛性を不必要に確保する必要がなくなる。

（４）冷却水ジャケット２１，２２内を流れる冷却水は、冷却水ポンプ２５と冷却水ジャケット２１，２２とを繋ぐ冷却水専用通路を介して、冷却水ポンプ２５から直接供給されるようにした。よって、圧力の高い冷却水を冷却水ジャケット２１，２２へ供給することができ、冷却水ジャケット２１，２２内の冷却水をさらに効率良くカーヒータ２７へ供給することができる。

（５）冷却水ジャケット２１，２２は、排気マニホールド１９を上下で挟み込むように上下に分けてシリンダヘッド１１に形成されている。よって、冷却水ジャケット２１，２２が上下に分かれているため、シリンダヘッド１１を鋳造する際に、排気ポート１７の中子及び排気マニホールド１９の中子を冷却水ジャケット２１，２２の中子に貫通させて組み付ける必要がない。すなわち、中子組み付けの効率が良い。

次に、本発明の第２実施形態について、図６を用いて説明する。なお、図６において、第１実施形態の図１〜図５に付した符号と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示し、その重複する説明を省略する。

シリンダヘッド１１内には、排気マニホールド１９を上下で挟み込むように上下一体に設けられた冷却水ジャケット３０が形成されている。冷却水ジャケット３０は、上部冷却水ジャケット２１と下部冷却水ジャケット２２と、両冷却水ジャケット２１，２２を上下方向に連通する連道部３０１とによって形成されている。この場合、第１実施形態で形成された冷却水通路２３，２４をそれぞれ別通路として形成する必要はなく、冷却水通路３１を１本形成すればよい。

第２実施形態では、第１実施形態の（１）〜（４）に対応する効果を得ることができる。
なお、本発明では以下のような実施形態も可能である。

○排気集合部１９ａを冷却するように排気集合部１９ａの上方に上部冷却水ジャケット２１の水出口通路２１ａを設け、下部冷却水ジャケット２２の水出口通路は、排気集合部１９ａの冷却効果は期待できないがカーヒータ等の給熱対象に近い場所等へ配置してもよい。

○下部冷却水ジャケット２２の水出口通路２２ａを排気集合部１９ａの下方のみに設け、上部冷却水ジャケット２１の水出口通路は排気集合部１９ａの冷却効果は期待できないがカーヒータ等の給熱対象に近い場所等へ配置してもよい。

○排気ポート１７及び排気集合部１９ａを冷却することによって受熱して高温になった冷却水ジャケット２１，２２内の冷却水を、カーヒータ２７に限らず、他の給熱対象へ供給してもよい。

○冷却水ポンプ２５から吐出される冷却水をシリンダブロックＢに設けられた冷却水ジャケットを経由してから冷却水ジャケット２１，２２へ供給してもよい。
○冷却水ジャケット２１，２２に通じる冷却水通路２３，２４が、複数の気筒１３の配列方向Ｒに平行な方向へシリンダヘッド１１を縦断して冷却水ジャケット２１，２２に連通するようにしてもよい。

○水出口通路２１ａ，２２ａの出口２１１，２２１を図７，図８に示す位置に配置してもよい。図７，図８に示す出口２１１，２２１は、配列方向Ｒと直交する方向（横断方向）に見て、配列方向Ｒの端にある気筒１３における配列方向Ｒの幅範囲Ｈと交差している。

○本発明は、直列４気筒の内燃機関に限らず、他の気筒数及びシリンダ配列やバルブ数が異なる内燃機関に適用してもよい。

（ａ）は第１実施形態のシリンダヘッドにおける上部冷却水ジャケットを示す平断面図、（ｂ）は第１実施形態のシリンダヘッドにおける下部冷却水ジャケットを示す平断面図。 図１（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図。 シリンダヘッドの側面図。 図２におけるＹ−Ｙ線断面図。 冷却水の流れを示す模式図。 第２実施形態の冷却水ジャケットを示す断面図。 別の実施形態を示す模式図。 別の実施形態を示す模式図。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…シリンダヘッド、１１３…冷却水専用通路を構成する冷却水導入管、１２ａ…冷却水専用通路を構成する冷却水通路口、１３…気筒、１７…排気ポート、１９…排気マニホールド、１９ａ…排気集合部、２１，２２，３０…冷却水ジャケット、２１ａ，２２ａ…水出口通路、２１１，２２１…出口、２３，２４，３１…冷却水通路、２５…冷却水ポンプ、２６…冷却水専用通路を構成する分配通路。

Claims (5)

1. 内燃機関の複数の気筒から排出される排気ガス用の複数の排気ポートを備えたシリンダヘッドと、前記複数の排気ポートに連なる排気集合部を有する排気マニホールドとが一体形成されており、前記シリンダヘッドには冷却水ジャケットが設けられている排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造であって、
   前記冷却水ジャケットは、前記排気集合部を冷却するための水出口通路を有し、前記水出口通路の出口は、前記複数の気筒の配列方向における両端の気筒の間にあることを特徴とする排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造。
2. 前記水出口通路は、前記排気集合部の上方又は下方にある請求項１に記載の排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造。
3. 前記冷却水ジャケットへ冷却水を供給するための冷却水通路が、前記シリンダヘッドにおける気筒の配列方向に対して垂直方向に横断する請求項１又は請求項２に記載の排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造。
4. 前記冷却水は、冷却水ポンプによって供給され、前記冷却水ジャケット内を流れる前記冷却水は、前記冷却水ポンプと前記冷却水ジャケットとを繋ぐ冷却水専用通路を介して、前記冷却水ポンプから直接供給される請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造。
5. 前記冷却水ジャケットは、前記排気マニホールドを上下で挟み込むように上下に分けて前記シリンダヘッドに形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の排気マニホールド一体型シリンダヘッドの冷却構造。

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