JP2010031689A5 - - Google Patents

Description

シリンダヘッドのウォータージャケット構造

本発明は、エンジンのシリンダヘッドに設けられるウォータージャケットの構造に関するものである。

従来から、エンジンのシリンダヘッドおよびシリンダブロックには、燃焼室での燃焼過程で生じる熱による温度上昇を抑制するためのウォータージャケットがそれぞれ設けられている。上記燃焼過程では大きな熱が生じるので、ウォータージャケットによる冷却効率を向上させる種々の試みがなされている。

例えば特許文献１には、ウォーターポンプから供給される冷却水がウォータージャケットの内部へ流入する入口の形状を、内部に向けて断面積が縮小するように形成したウォータージャケットの構造が開示されている。このウォータージャケット構造によれば、ウォータージャケットの入口で冷却水の渦流現象が排除され、シリンダヘッドとシリンダブロックで発生する圧力損失を減らすことができる、とされている。
特開２００４−１４４０６８号公報

しかしながら、シリンダヘッド内およびその周辺には、吸気マニホールド、排気マニホールド、吸気ポート、排気ポート、吸気バルブ、排気バルブなどの主要部品が設けられており、これらの主要部品の信頼性をさらに高めるためにシリンダヘッドの冷却効率のさらなる向上が望まれている。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却効率に優れたシリンダヘッドのウォータージャケット構造を提供することにある。

本発明は、複数の気筒が配列される多気筒エンジン用のシリンダヘッドに形成されるウォータージャケットの構造に関するものである。このウォータージャケット構造は、前記複数の気筒の配列方向に対して一方の側方側に設けられ、前記ウォータージャケット内に冷却水を供給する冷却水入口と、前記複数の気筒の上部に設けられ、前記冷却水入口から供給される前記冷却水が通過することにより前記シリンダヘッドを冷却する冷却水通路と、前記複数の気筒の配列方向に対して他方の側方側に前記配列方向に沿って延設され、前記冷却水通路を通過した冷却水が前記気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む複数の連通口を有する冷却水出口通路と、前記冷却水出口通路上に設けられた冷却水出口と、を備えている。前記冷却水出口通路の断面の開口面積は前記冷却水入口の断面の全開口面積よりも大きい。

この構成では、前記複数の気筒の配列方向に対して他方の側方側に前記配列方向に沿って延設され、前記冷却水通路を通った冷却水が気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む複数の連通口を有する冷却水出口通路を備えているので、前記冷却水入口から供給され、前記一方の側方側から他方の側方側へ向かって各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきを小さくすることができる。このように各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきを小さくすることによって、シリンダヘッドの冷却効率を向上させることができる。

また、前記冷却水出口通路の断面の開口面積が前記冷却水入口の断面の全開口面積よりも大きいので、冷却水出口通路は、上記した流量ばらつきを低減する役割に加え、各連通口から冷却水出口通路に流れ込む冷却水の通水抵抗を低減するバッファの役割をも果たす。これにより、各気筒上を流れる流量ばらつきをさらに低減できるとともにウォータージャケット内の通水抵抗も低減することができる。

前記冷却水出口通路上に設けられた前記冷却水出口以外の副冷却水出口をさらに備えていてもよい。この構成では、前記冷却水出口通路の断面の開口面積は、前記冷却水入口の断面の全開口面積から前記副冷却水出口の全開口面積を引いた値よりも大きくすればよい。これにより、ウォータージャケット内の通水抵抗を低減することができる。

前記複数の連通口は前記冷却水出口から遠いほど断面の開口面積が大きいのが好ましい。冷却水出口から複数の連通口までのそれぞれの距離には差ができるので、冷却水出口から遠い連通口を通じて冷却水出口通路に流れ込む冷却水は、冷却水出口に近い連通口を通じて冷却水出口通路に流れ込む冷却水よりも通水抵抗が大きくなる。したがって、この構成では、複数の連通口は冷却水出口から遠いほど開口面積が大きいので、各連通口を通じて冷却水出口通路に流れ込む冷却水間の通水抵抗のばらつきを小さくすることができる。これにより、各気筒上を流れる流量ばらつきをさらに小さくすることができる。また、後述するような冷却水出口が冷却水出口通路の一端側に設けられている場合には、冷却水出口から複数の連通口までのそれぞれの距離に大きな差ができるので、本構成が特に有効である。

前記冷却水出口は前記冷却水出口通路の一端側に設けられているのが好ましい。通常、シリンダヘッドの側部には吸気マニホールドなどの大きな部品が配置される。したがって、この構成では、冷却水出口が冷却水出口通路の一端側に設けられているので、吸気マニホールドなどの大きな部品をシリンダヘッドの側部（前記他方の側方側）に配置する場合であっても、その部品の配置場所を避けて冷却水出口を設けることができる。これにより、シリンダヘッドおよびその周辺部品の設計自由度が高まるとともに、シリンダヘッドおよびその周辺部品をコンパクトにまとめることができる。

前記冷却水入口は、前記気筒ごとにそれぞれ設けられた複数の入口に分割されているのが好ましい。この構成では、配列方向の一方の側方側に気筒ごとに入口が設けられているので、各入口から供給され、前記一方の側方側から他方の側方側へ向かって各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきをさらに小さくすることができる。

前記冷却水出口通路は前記シリンダヘッドの吸気ポート側に配置されているのが好ましい。この構成では、開口面積が大きく通水容量が大きい冷却水出口通路を吸気ポート側に配置しているので、シリンダヘッドの吸気ポート付近を冷却してこのポート内を通過する吸気を冷却することができるとともに、吸気ポートとは反対側（前記一方の側方側）に配置される排気ポートに近い位置に冷却水入口を配置することができる。これにより、排気熱によって温度が上昇しやすいシリンダヘッドの排気ポート付近の冷却効率を高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の気筒の配列方向に対して他方の側方側に配列方向に沿って延設され、冷却水通路を通った冷却水が気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む複数の連通口を有する冷却水出口通路を備えているので、一方の側方側から他方の側方側へ向かって各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきを小さくすることができる。このように各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきを小さくすることにより、シリンダヘッドにおける各気筒に対応する部位の冷却度合いがばらつくのを抑制できる。これにより、シリンダヘッドの冷却効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態にかかるシリンダヘッドのウォータージャケット構造について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかるウォータージャケット１１の構造を示す斜視図であり、図２はその平面図であり、図３はその側面図であり、図４は、図３に示すウォータージャケット１１のIV−IV線断面図である。図５は、実施形態１にかかるウォータージャケットを備えたシリンダヘッドおよびその周辺部品を示す側面図である。なお、ウォータージャケット１１は、シリンダヘッド２９内に設けられた冷却水が通る空間であり、図１〜３は、その空間を構成するシリンダヘッド２９の内壁面の形状をそれぞれ示している。

図１〜４に示すように、本実施形態１にかかるウォータージャケット１１は、図略の４つの気筒が配列された多気筒エンジン用のシリンダヘッド２９の内部に形成されている。このウォータージャケット１１の下方には、シリンダブロックに設けられる円筒状のウォータージャケット１２（図１中に二点鎖線で示す）が配置される。

図４に示すように、ウォータージャケット１１は、４つの気筒の配列方向Ｄ１に対して一方の側方Ｄ２側に設けられた冷却水入口１３と、各気筒の上部に設けられた冷却水通路１５と、配列方向Ｄ１に対して他方の側方Ｄ３側に配列方向Ｄ１に沿って延設された冷却水出口通路１９と、冷却水出口通路１９上に設けられた冷却水出口２３と、を備えている。

冷却水入口１３は、ウォータージャケット１１内に冷却水を供給する開口部である。この冷却水入口１３は、気筒ごとにそれぞれ設けられた複数の入口１３ａ〜入口１３ｄに分割されている。各入口１３ａ〜１３ｄは、それぞれ３つの開口部からなる。これらの入口１３ａ〜１３ｄは、シリンダブロックのウォータージャケット１２の冷却水出口（図示略）と連通している。

冷却水通路１５は、冷却水入口１３から供給される冷却水を通過させてこの冷却水とシリンダヘッド２９との間で熱交換してシリンダヘッド２９およびその周辺の部品を冷却するためのものである。各気筒の上部には図略の吸気バルブ、排気バルブ、点火プラグなどの部品が配置され、これらの部品の間を縫うようにして冷却水通路１５が４つの気筒の上部にそれぞれほぼ同形状に形成されている。

冷却水出口通路１９は、冷却水通路１５を通過した冷却水が気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む４つの連通口１７（１７ａ〜１７ｄ）を有している。本実施形態１における４つの連通口１７ａ〜１７ｄは、ほぼ同じ開口面積になるように設計されている。

冷却水出口通路１９の長さは、入口１３ａ〜１３ｄからそれぞれ供給される冷却水が側方Ｄ２側から側方Ｄ３側に向かう方向に流れて連通口１７ａ〜１７ｄを通じて冷却水出口通路１９に円滑に流れ込むことが可能なように、配列方向Ｄ１の一方側の端部の気筒の中心から他方側の端部の気筒の中心までの距離よりも長くするのが好ましい。

冷却水出口通路１９の断面の開口面積は、冷却水入口１３の断面の全開口面積よりも大きい。ここでいう断面とは通水方向に垂直な断面をいう。冷却水入口１３の全開口面積とは、冷却水が供給される全ての入口（本実施形態１の場合、入口１３ａ〜１３ｄの計１２個の入口）の開口面積を合計した値である。

冷却水出口通路１９の一端には、冷却水出口２３が設けられている。図５に示すように、冷却水出口通路１９および冷却水出口２３は、吸気マニホールド３１などが配置されるシリンダヘッド２９の吸気ポート側に形成されている。

なお、本実施形態１では、冷却水の出口として、冷却水出口通路１９の冷却水出口２３のみを設けているが、後述する実施形態３のように冷却水の出口が冷却水出口２３と副冷却水出口２７とからなる形態であってもよい。

次に、実施形態１にかかるウォータージャケット１１中の冷却水の流れについて説明する。図６は、実施形態１にかかるウォータージャケットにおける通水経路を説明するための概略図である。図６中に二点鎖線で示す４つの大きな円は、シリンダブロックの４つの気筒の位置を示している。これらの円内に二点鎖線で示す４つの小さな円のうち、上方の２つは排気バルブの位置を示し、下方の２つは吸気バルブの位置を示している。

まず、冷却水は、図略のウォーターポンプによってシリンダブロックに設けられたウォータージャケット１２に供給される。ついで、この冷却水は、シリンダブロックのウォータージャケット１２内を通過した後、シリンダブロックの上部に設けられる図略の冷却水出口から排出され、シリンダヘッド２９のウォータージャケット１１に設けられた冷却水入口１３（入口１３ａ〜１３ｄ）からウォータージャケット１１内に供給される。

入口１３ａ〜１３ｄを通じてウォータージャケット１１内に供給された冷却水は、図６に一点鎖線の矢印で示す冷却水通路１５を通って、側方Ｄ２側から側方Ｄ３側に向かって各気筒上を通過する。各気筒上を通過した冷却水は、気筒ごとに配分されて連通口１７ａ〜１７ｄに到達し、これらの連通口１７ａ〜１７ｄを通じて冷却水出口通路１９内に流れ込む。

冷却水出口通路１９に流れ込んだ冷却水は、図６の左から右に向かって流れ、冷却水出口２３を通じてシリンダヘッド２９から排出される。排出された冷却水は、図略のラジエータに供給され、このラジエータで放熱した後、再度ウォーターポンプによってシリンダブロックのウォータージャケット１２に供給される。

以上説明したように、実施形態１によれば、配列方向Ｄ１に対して他方の側方Ｄ２側に配列方向Ｄ１に沿って延設され、冷却水通路１５を通った冷却水が気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む複数の連通口１７ａ〜１７ｄを有する冷却水出口通路１９を備えているので、側方Ｄ２側から側方Ｄ３側へ向かって各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきを小さくすることができる。

また、冷却水出口通路１９は、上記した流量ばらつきを低減できることに加え、冷却水入口１３よりも大きな開口面積を備えているので、各連通口１７ａ〜１７ｄから冷却水出口通路１９に流れ込む冷却水の通水抵抗を低減するバッファの役割をも果たす。これにより、各気筒上を流れる流量ばらつきをさらに低減できるとともにウォータージャケット１１内の通水抵抗もさらに低減することができる。

また、冷却水出口２３が冷却水出口通路１９の一端側に設けられているので、吸気マニホールド３１などの大きな部品をシリンダヘッド２９の側部（側方Ｄ３側）に配置する場合であっても、その部品の配置場所を避けて冷却水出口２３を設けることができる。これにより、シリンダヘッド２９およびその周辺部品の設計自由度が高まるとともに、シリンダヘッド２９およびその周辺部品をコンパクトにまとめることができる。

また、配列方向Ｄ１の側方Ｄ２側に気筒ごとに入口１３ａ〜１３ｄが設けられているので、各入口１３ａ〜１３ｄから供給され、側方Ｄ２側から側方Ｄ３側へ向かって各気筒上を流れる冷却水の流量ばらつきをさらに小さくすることができる。このように各気筒の側方Ｄ２側にそれぞれ入口１３ａ〜１３ｄを設けることによって、冷却水の流れる方向を、配列方向Ｄ１ではなく、配列方向Ｄ１にほぼ垂直な方向（側方Ｄ２側から側方Ｄ３側へ向かう方向）にできる。冷却水を側方Ｄ２側から側方Ｄ３側へ向かう方向に流すことによって、冷却水を配列方向Ｄ１に流す場合と比較して、通水抵抗を低減できるとともに、配列方向Ｄ１においてシリンダヘッド２９に温度差が生じるのを抑制することができる。

さらに、開口面積が大きく通水容量が大きい冷却水出口通路１９を図略の吸気ポート側（側方Ｄ３側）に配置しているので、シリンダヘッド２９の吸気ポート付近を冷却してこのポート内を通過する吸気を冷却することができるとともに、吸気ポートとは反対側（側方Ｄ２側）に配置される図略の排気ポートに近い位置に冷却水入口１３を配置することができる。これにより、排気熱によって温度が上昇しやすいシリンダヘッド２９の排気ポート付近の冷却効率を高めることができる。

（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２にかかるウォータージャケット１１における通水経路を説明するための概略図である。なお、ここでは実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この実施形態２では、４つの連通口１７ａ〜１７ｄは、冷却水出口２３から遠いほど断面の開口面積が大きくなるように設計されている。したがって、本実施形態２によれば、各連通口１７ａ〜１７ｄを通じて冷却水出口通路１９に流れ込む冷却水間の通水抵抗のばらつきを小さくすることができる。これにより、各気筒上を流れる流量ばらつきをさらに小さくすることができる。

開口面積の大小関係を決める際には、例えば冷却水出口２３から連通口１７ａ〜１７ｄまでのそれぞれの距離に比例するように調整する方法、通水抵抗を実測して流量がほぼ均一になるように開口面積を調整する方法など、種々の方法が採用できる。

その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態１と同様である。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３にかかるウォータージャケットの構造を示す平面図であり、図９は、実施形態３にかかるウォータージャケットの構造を示す側面図であり、図１０は、実施形態３にかかるウォータージャケットにおける通水経路を説明するための概略図である。なお、ここでは実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この実施形態３では、冷却水の出口が、側方Ｄ３側の冷却水出口通路１９上に設けられた冷却水出口２３と、側方Ｄ２側に設けられた副冷却水出口２７とからなる。この副冷却水出口２７は、冷却水出口通路１９上に設けられた冷却水出口２３に対してシリンダヘッド２９のほぼ対角の位置に配置されている。

実施形態３のように冷却水の出口が複数設けられている場合には、冷却水出口通路１９の断面の開口面積は、冷却水入口の断面の全開口面積から副冷却水出口の全開口面積（本実施形態３の場合、副冷却水出口２７の開口面積）を引いた値よりも大きくすればよい。

ただし、このように冷却水の出口が複数設けられている場合であっても、冷却水出口通路１９の断面の開口面積が冷却水入口１３の断面の全開口面積よりも大きくなるようにするのがより好ましい。

以上のように本実施形態３によれば、冷却水の出口が冷却水出口通路１９上に設けられた冷却水出口２３だけでなく副冷却水出口２７をさらに備え、この副冷却水出口２７が冷却水出口２３に対してほぼ対角の位置に配置されているので、ウォータージャケット１１内の通水抵抗をさらに低減することができる。

その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態１と同様である。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、冷却水出口が冷却水出口通路上の一端側に設けられた形態を例に挙げて説明したが、冷却水出口は例えば冷却水出口通路上の配列方向Ｄ１の中央付近に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、冷却水入口が気筒ごとにそれぞれ設けられた複数の入口に分割されている形態を例に挙げて説明したが、冷却水入口は、必ずしも気筒ごとに設けられていなくてもよい。具体的には、冷却水入口は、例えば配列方向Ｄ１に対して一方の側方Ｄ２側に一つだけ設けられた形態、一方の側方Ｄ２側にランダムに複数設けられた形態など種々の形態が挙げられる。

上記実施形態３では、副冷却水出口が、冷却水出口通路上の冷却水出口に対してシリンダヘッドのほぼ対角の位置に設けられている場合を例に挙げて説明したが、副冷却水出口は、前記対角の位置ではなく配列方向中央付近などに設けてもよい。

本発明の実施形態１にかかるウォータージャケットの構造を示す斜視図である。 実施形態１にかかるウォータージャケットの構造を示す平面図である。 実施形態１にかかるウォータージャケットの構造を示す側面図である。 図３に示すウォータージャケットのIV−IV線断面図である。 実施形態１にかかるウォータージャケットを備えたシリンダヘッドおよびその周辺部品を示す側面図である。 実施形態１にかかるウォータージャケットにおける通水経路を説明するための概略図である。 本発明の実施形態２にかかるウォータージャケットにおける通水経路を説明するための概略図である。 本発明の実施形態３にかかるウォータージャケットの構造を示す平面図である。 実施形態３にかかるウォータージャケットの構造を示す側面図である。 実施形態３にかかるウォータージャケットにおける通水経路を説明するための概略図である。

１１ ウォータージャケット
１３ 冷却水入口
１５ 冷却水通路
１７ 連通口
１９ 冷却水出口通路
２３ 冷却水出口通路に設けられた冷却水出口
２７ 副冷却水出口
２９ シリンダヘッド

Claims (6)

1. 複数の気筒が配列される多気筒エンジン用のシリンダヘッドに形成されるウォータージャケットの構造であって、
   前記複数の気筒の配列方向に対して一方の側方側に設けられ、前記ウォータージャケット内に冷却水を供給する冷却水入口と、
   前記複数の気筒の上部に設けられ、前記冷却水入口から供給される前記冷却水が通過することにより前記シリンダヘッドを冷却する冷却水通路と、
   前記複数の気筒の配列方向に対して他方の側方側に前記配列方向に沿って延設され、前記冷却水通路を通過した冷却水が前記気筒ごとに分配されてそれぞれ流れ込む複数の連通口を有する冷却水出口通路と、
   前記冷却水出口通路上に設けられた冷却水出口と、を備え、
   前記冷却水出口通路の断面の開口面積は前記冷却水入口の断面の全開口面積よりも大きい、ウォータージャケット構造。
2. 前記冷却水出口通路上に設けられた前記冷却水出口以外の副冷却水出口をさらに備え、前記冷却水出口通路の断面の開口面積は、前記冷却水入口の断面の全開口面積から前記副冷却水出口の全開口面積を引いた値よりも大きい、請求項１に記載のウォータージャケット構造。
3. 前記複数の連通口は前記冷却水出口から遠いほど断面の開口面積が大きい、請求項１または２に記載のウォータージャケット構造。
4. 前記冷却水出口は前記冷却水出口通路の一端側に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のウォータージャケット構造。
5. 前記冷却水入口は、前記気筒ごとにそれぞれ設けられた複数の入口に分割されている、請求項１〜４のいずれかに記載のウォータージャケット構造。
6. 前記冷却水出口通路は前記シリンダヘッドの吸気ポート側に配置されている、請求項１に記載のウォータージャケット構造。