JP2010209749A

JP2010209749A - 内燃機関のシリンダヘッド

Info

Publication number: JP2010209749A
Application number: JP2009055268A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakajima; 中島　　茂; Hideo Takahashi; 秀夫高橋; Kazuhiro Kogo; 和弘向後
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】排気集合部を一体形成した内燃機関のシリンダヘッドにおいて、複数の気筒間の温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポートの近傍壁などの冷却機能を十分に確保する。
【解決手段】内燃機関のシリンダヘッドは、燃焼室２０を冷却するための第１のウォータジャケット５０と、第１のウォータジャケットと独立して設けられ排気ポート４０を集合させた排気集合部を冷却するための第２のウォータジャケット６０と、を有している。第２のウォータジャケットは、上部通路６３と、下部通路６４と、連通路６５とを含んでいる。そして、第１のウォータジャケットにおける少なくとも点火プラグ部５３を冷却する通路５４は、冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂを、複数の燃焼室が並んだ方向（Ｙ軸）に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部を挟んで互いに反対側に配置して、冷却水を流下させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。

エンジンなどの内燃機関の小型化を図るために、複数の燃焼室のそれぞれから伸びた複数の排気ポートを集合させた排気集合部を一体形成したシリンダヘッドがある（特許文献１を参照）。この種のシリンダヘッドにあっては、燃焼室を冷却するためのウォータジャケットの他、排気集合部を冷却するためのウォータジャケットを形成している。後者のウォータジャケットは、排気ポートの近傍壁、エキゾーストマニホールドを取り付けるためのメネジ部、シリンダブロックとのシール面を冷却するように、エンジン冷却水が流通する通路を設けている。特許文献１に示されるシリンダヘッドでは、排気ポートの上下に、冷却水通路を設けている。

特開２００２−７０６４２

特許文献１に示されるシリンダヘッドの冷却水通路は、冷却水の主な流れが、複数の燃焼室が並んだ方向つまりクランク軸に沿う方向の流れとなっている。複数の気筒間の温度バラツキを低減し、性能向上を図るためには、冷却水の主な流れが、クランク軸に対して交差する方向、すなわち吸気側から排気側に向かう流れ、あるいはその逆に排気側から吸気側に向かう流れであることが好ましい。

しかしながら、特許文献１に示されるシリンダヘッドにおいて、冷却水の主な流れをクランク軸に対して交差する方向にすると、排気集合部を冷却するための通路に冷却水が十分循環せずに、上記の排気ポートの近傍壁、メネジ部、シール面などを冷却する機能を十分に果たすことができないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、排気集合部を一体形成した内燃機関のシリンダヘッドであって、複数の気筒間の温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポートの近傍壁などの冷却機能を十分に確保し得る、内燃機関のシリンダヘッドを提供することにある。

本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、複数の燃焼室のそれぞれから伸びた複数の排気ポートを集合させた排気集合部を一体形成したシリンダヘッドであって、前記燃焼室を冷却するための第１のウォータジャケットと、前記第１のウォータジャケットと独立して設けられ、前記排気集合部を冷却するための第２のウォータジャケットと、を有している。前記第２のウォータジャケットは、前記排気集合部の上部を冷却する上部通路と、前記排気集合部の下部を冷却する下部通路と、前記上部通路と前記下部通路とを連通する連通路とを含んでいる。そして、前記第１のウォータジャケットにおける少なくとも点火プラグ部を冷却する通路は、冷却水の流入口および流出口を、前記複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向で前記点火プラグ部を挟んで互いに反対側に配置して、前記複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向に冷却水を流下させている。

本発明によれば、第１のウォータジャケットにおける少なくとも点火プラグ部を冷却する通路においては複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向に冷却水を流下させているので、複数の気筒間の温度バラツキを抑制することができる。さらに、第２のウォータジャケットは、第１のウォータジャケットと独立して設けられており、上部通路と、下部通路と、連通路とを含んでいるので、排気ポートの近傍壁などを冷却することができる。もって、複数の気筒間の温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポートの近傍壁などの冷却機能を十分に確保し得る、内燃機関のシリンダヘッドを提供できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドを示す縦断面図である。図２（Ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線に沿う要部断面図、図２（Ｂ）は、図１の２Ｂ−２Ｂ線に沿う要部断面図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）の３Ａ−３Ａ線に沿う要部断面図、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿う要部断面図である。シリンダヘッドを鋳造によって製造する際に用いる、排気ポート用中子、および第１のウォータジャケット用中子を示す斜視図である。図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、シリンダヘッドを鋳造によって製造する際に用いる、第２のウォータジャケット用中子の例を示す斜視図である。図６（Ａ）は、シリンダヘッドにおける第１と第２のウォータジャケットと、シリンダブロックにおけるウォータジャケットとの接続部分を示す断面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に破線によって囲んで示す６Ｂ部を示す拡大断面図である。図７（Ａ）は、シリンダヘッドにおける第１と第２のウォータジャケットと、他のシリンダブロックにおけるウォータジャケットとの接続部分を示す断面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示される他のシリンダブロックの要部を示す斜視図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。図２に示したＸ−Ｙ軸は、複数の燃焼室が並んだ方向つまりクランク軸に沿う方向（Ｙ軸）と、複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）とを示している。

図１を参照して、実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッド１０は、複数の燃焼室２０と、それぞれの燃焼室２０に伸びる吸気ポート３０と、それぞれの燃焼室２０から伸びる排気ポート４０とを備え、複数の排気ポート４０を集合させた排気集合部４１を一体形成してある。シリンダヘッド１０は、燃焼室２０を冷却するための第１のウォータジャケット５０と、第１のウォータジャケット５０と独立して設けられ、排気集合部４１を冷却するための第２のウォータジャケット６０と、を有している。

図２および図３（Ａ）（Ｂ）をも参照して、第１のウォータジャケット５０は、点火プラグ部５３を冷却する通路５４と、燃焼室２０を吸気側にて冷却する通路５５と、燃焼室２０を排気側にて冷却する通路５６とを含んでいる。第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１（図１を参照）は、通路５６に連通し、冷却水出口５２（図１を参照）は、通路５５に連通している。冷却水入口５１および冷却水出口５２は、複数の燃焼室２０が並んだ方向（Ｙ軸）を中心にして互いに反対側に配置している。

第１のウォータジャケット５０において冷却水の主たる流れは、点火プラグ部５３を冷却する通路５４における冷却水の流れである。通路５４における冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂは、図２に破線によって示されている。流入口５４ａは通路５６に連通し、流出口５４ｂは通路５５に連通している。第１のウォータジャケット５０における少なくとも点火プラグ部５３を冷却する通路５４は、冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂを複数の燃焼室２０が並んだ方向（Ｙ軸）を中心にして互いに反対側に配置している。換言すれば、冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂは、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部５３を挟んで互いに反対側に配置してある。したがって、通路５４においては、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）に沿って冷却水が流下する。より具体的には、各燃焼室２０において吸気ポート３０と排気ポート４０とがＸ軸方向に並んでおり、その並び方向に通路５４内の冷却水が流れる。

第１のウォータジャケット５０は複雑な流路形状を有しているので、通路５４内におけるすべて冷却水が、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して幾何的に完全に直交する方向（Ｘ軸）に沿って流下するものではない。本発明において、「複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向に冷却水を流下させる」とは、通路５４における冷却水の主な流れが、排気側から吸気側に、または吸気側から排気側に向かう流れであって、複数の気筒間の温度バラツキを抑制し得るように冷却水を流下させること、と理解されなければならない。例えば、通路５４内の冷却水の流れは、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して８０度くらいの角度で交差していても良い。

第２のウォータジャケット６０は、排気集合部４１の上部を冷却する上部通路６３と、排気集合部４１の下部を冷却する下部通路６４と、上部通路６３と下部通路６４とを連通する連通路６５とを含んでいる。第２のウォータジャケット６０は、複数の燃焼室２０が並んだ方向（Ｙ軸）の端部に位置する燃焼室２０よりもさらに外方位置（シリンダヘッド１０の前側または後側など）において、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）に伸びている。具体的には、複数の上部通路６３が集合した集合路６６は、通路５４の外側で、通路５４を迂回するように伸びている。第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１（図１を参照）は、下部通路６４に連通し、冷却水出口６２（図２を参照）は、集合路６６に連通している。

図１および図３（Ａ）（Ｂ）における符号７１および７２は、シリンダブロック２００（図６を参照）に締結するときの吸気側シール面および排気側シール面を示している。また、図３（Ｂ）における符号７３は、エキゾーストマニホールドを取り付けるためのメネジ部を示している。

図４および図５を参照して、シリンダヘッド１０は鋳造によって製造するが、第２のウォータジャケット６０は、第１のウォータジャケット５０を形成するための中子１１０と別個独立した少なくとも１つの中子１２３（１２１、１２２）によって形成している。中子１００、１１０、１２３（１２１、１２２）をセットするときの自由度を向上させるためである。

排気ポート用中子１００、および第１のウォータジャケット用中子１１０を組み合わせて鋳造型（図示せず）内にセットする。図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を参照して、第２のウォータジャケット用中子１２１、１２２、１２３は、冷却の要件や中子型の生産性を考慮して適宜の形状を採用して、第２のウォータジャケット６０における上部通路６３、下部通路６４、および連通路６５、集合路６６の形状を設定することができる。符号１２４、１２５、１２６、１２７、１２８を付した部分が、それぞれ、冷却水入口５１、下部通路６４、連通路６５、上部通路６３、集合路６６となる部分を形成する。図５（Ａ）（Ｂ）のように複数個の中子１２１、１２２に分割するか、図５（Ｃ）のように１個の中子１２３とするかは、例えば、第１のウォータジャケット用中子１１０、排気ポート用中子１００、第２のウォータジャケット用中子１２１、１２２、１２３を組み合わせるときの作業性や、集合路６６を形成するために必要なレイアウト上の成立性などから、適宜選択できる。鋳造型にセットしたときの中子の倒れ防止のためには、必要に応じてケレンを使用することができる。

図６（Ａ）（Ｂ）を参照して、シリンダヘッド１０およびシリンダブロック２００は、ヘッドガスケット２１０を介して締結している。ヘッドガスケット２１０には、第１のオリフィス２１１と、第２のオリフィス２１２とを設けてある。シリンダブロック２００におけるウォータジャケット２０１は、第１のオリフィス２１１を介して第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連通し、第２のオリフィス２１２を介して第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連通する。シリンダヘッド１０における燃焼室２０および排気集合部４１を好適に冷却するためには、第１のウォータジャケット５０を流れる流量と、第２のウォータジャケット６０を流れる流量との分布を最適化することが必要である。

そこで、第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連なる流路断面積と、第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連なる流路断面積との比率によって、第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率を定めている。具体的には、第１のオリフィス２１１の開口面積と、第２のオリフィス２１２の開口面積とを変えることによって、第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連なる流路断面積と、第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連なる流路断面積との比率を定めている。これによって、第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率が定まり、流量分布を最適化して、燃焼室２０および排気集合部４１を好適に冷却することができる。また、ヘッドガスケット２１０における第１と第２のオリフィス２１１、２１２を利用することによって、流量分布の最適化を簡単に行うことができる。

次に、冷却水の流れを説明する。

シリンダブロック２００のウォータジャケットを流れる冷却水は、第１と第２のオリフィス２１１、２１２の開口面積に応じた比率で、第１と第２のウォータジャケット５０、６０に流下する。

第１のウォータジャケット５０においては、冷却水は、冷却水入口５１から流入し、通路５６→点火プラグ部５３を冷却する通路５４→通路５５と流れ、冷却水出口５２から流出する。通路５４における流入口５４ａおよび流出口５４ｂは、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部５３を挟んで互いに反対側に配置している。このため、通路５４における冷却水の主な流れが、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）となる。複数の気筒の周囲には、冷却水がほぼ同じ条件（温度や流量など）にて流れる。したがって、複数の気筒間の温度バラツキを抑制することができ、内燃機関の性能の向上に寄与することができる。

第２のウォータジャケット６０においては、冷却水は、冷却水入口６１から流入し、下部通路６４→連通路６５→上部通路６３と流れ、さらに、第１のウォータジャケット５０の通路５４を迂回するように集合路６６を流れ、冷却水出口６２から流出する。第２のウォータジャケット６０は、第１のウォータジャケット５０と独立して設けられているので、第２のウォータジャケット６０に冷却水を流すための好適な条件、例えば、冷却水入口６１と冷却水出口６２とにおける冷却水の圧力差などを、第１のウォータジャケット５０に冷却水を流すための好適な条件とは別個独立に設定することができる。第１と第２のウォータジャケット５０、６０のそれぞれの冷却水流量を独立して調整できることから、大きな冷却量が必要な第１のウォータジャケット５０の冷却水量を確保することができる。そして、第２のウォータジャケット６０は上部通路６３と下部通路６４と連通路６５とを含んでいるので、排気ポート４０の近傍壁、メネジ部７３、排気側シール面７２を十分に冷却することができる。メネジ部７３、排気側シール面７２を十分に冷却できるので、ボルト締結による応力が低下せず、シリンダブロック２００との締結状態を安定して維持できる。第２のウォータジャケット６０の集合路６６は、気筒の間に分布していないことから、排気集合部４１を冷却した後の冷却水の温度によって、複数の気筒間の温度バラツキが大きくなることがない。

よって、複数の気筒ごとの温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポート４０の近傍壁などの冷却機能を十分に確保し得る、内燃機関のシリンダヘッド１０を得ることができる。しかも、排気集合部４１を冷却した後の冷却水が気筒の間を流れないので、複数の気筒間の温度バラツキを一層抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関のシリンダヘッド１０によれば、排気集合部４１を一体形成したシリンダヘッド１０であって、燃焼室２０を冷却するための第１のウォータジャケット５０の通路のうち、少なくとも点火プラグ部５３を冷却する通路５４における冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂを、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部５３を挟んで互いに反対側に配置して、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）に冷却水を流下させているので、複数の気筒間の温度バラツキを抑制することができる。さらに、排気集合部４１を冷却するための第２のウォータジャケット６０は、第１のウォータジャケット５０と独立して設けられており、上部通路６３と、下部通路６４と、連通路６５とを含んでいるので、排気ポート４０の近傍壁などを冷却することができる。もって、複数の気筒間の温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポート４０の近傍壁などの冷却機能を十分に確保することができる。

第２のウォータジャケット６０は、複数の燃焼室２０が並んだ方向の端部に位置する燃焼室２０よりもさらに外方位置において、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向に伸びているので、集合路６６が気筒の間に分布せず、排気集合部４１を冷却した後の冷却水が気筒の間を流れないので、複数の気筒間の温度バラツキを一層抑制することができる。

第２のウォータジャケット６０は、第１のウォータジャケット５０を形成するための中子１１０と別個独立した少なくとも１つの中子１２３（１２１、１２２）によって形成しているので、中子１００、１１０、１２３（１２１、１２２）をセットするときの自由度を向上させることができる。

第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連なる流路断面積と、第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連なる流路断面積との比率によって、第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率を定めているので、流量分布を最適化して、燃焼室２０および排気集合部４１を好適に冷却することができる。

実施形態にあっては、排気ポート４０の近傍壁のほか、エキゾーストマニホールドを取り付けるためのメネジ部７３や、排気側シール面７２を十分に冷却することができるので、シリンダブロック２００との締結状態を安定して維持できる。

また、ヘッドガスケット２１０における第１と第２のオリフィス２１１、２１２を利用することによって、第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率を定めているので、流量分布の最適化を簡単に行うことができる。

図示した実施形態にあっては、第１のウォータジャケット５０の通路５４における冷却水の主な流れが排気側から吸気側に向かう形態であるが、本発明はこの場合に限定されるものではない。図示例とは逆に、通路５４における冷却水の主な流れが吸気側から排気側に向けて流れる形態でもよい。この場合であっても、複数の気筒間の温度バラツキを抑制する冷却水の流れを実現しつつ、排気ポート４０の近傍壁などの冷却機能を十分に確保することができる。

また、通路５４における冷却水の流入口５４ａおよび流出口５４ｂが複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部５３を挟んで互いに反対側に配置していればよく、各通路のレイアウト上から、第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１および冷却水出口５２が、複数の燃焼室２０が並んだ方向に対して交差する方向（Ｘ軸）で点火プラグ部５３を挟んで互いに反対側に位置していなくてもよい。

（変形例）
第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率を定めるために、第１のオリフィス２１１の開口面積と、第２のオリフィス２１２の開口面積とを変える実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率を定め得る限りにおいて、適宜の手段によって、第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連なる流路断面積と、第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連なる流路断面積との比率を変えることができる。

例えば、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、シリンダブロック２２０におけるウォータジャケット２２１に仕切り壁２２２を設け、仕切られたそれぞれのウォータジャケット２２１の開口面積を変えることによって、第１のウォータジャケット５０の冷却水入口５１に連なる流路断面積と、第２のウォータジャケット６０の冷却水入口６１に連なる流路断面積との比率を定めてもよい。この場合においても、第１のウォータジャケット５０を流れる冷却水量と第２のウォータジャケット６０を流れる冷却水量との比率が定まり、流量分布を最適化して、燃焼室２０および排気集合部４１を好適に冷却することができる。ヘッドガスケット２１０における第１と第２のオリフィス２１１、２１２の開口面積をさらに変えても良い。

１０シリンダヘッド、
２０燃焼室、
３０吸気ポート、
４０排気ポート、
４１排気集合部、
５０第１のウォータジャケット、
５１冷却水入口、
５２冷却水出口、
５３点火プラグ部、
５４点火プラグ部を冷却する通路、
５４ａ点火プラグ部を冷却する通路における冷却水の流入口、
５４ｂ点火プラグ部を冷却する通路における冷却水の流出口、
５５燃焼室を吸気側にて冷却する通路、
５６燃焼室を排気側にて冷却する通路、
６０第２のウォータジャケット、
６１冷却水入口、
６２冷却水出口、
６３上部通路、
６４下部通路、
６５連通路、
６６集合路、
７１吸気側シール面、
７２排気側シール面、
７３メネジ部、
１００排気ポート用中子、
１１０第１のウォータジャケット用中子、
１２１、１２２、１２３第２のウォータジャケット用中子、
２００シリンダブロック、
２０１ウォータジャケット、
２１０ヘッドガスケット、
２１１第１のオリフィス、
２１２第２のオリフィス、
２２０シリンダブロック、
２２１ウォータジャケット、
２２２仕切り壁、
Ｙ軸複数の燃焼室が並んだ方向、
Ｘ軸複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向。

Claims

複数の燃焼室のそれぞれから伸びた複数の排気ポートを集合させた排気集合部を一体形成した内燃機関のシリンダヘッドであって、
前記燃焼室を冷却するための第１のウォータジャケットと、
前記第１のウォータジャケットと独立して設けられ、前記排気集合部を冷却するための第２のウォータジャケットと、を有し、
前記第２のウォータジャケットは、前記排気集合部の上部を冷却する上部通路と、前記排気集合部の下部を冷却する下部通路と、前記上部通路と前記下部通路とを連通する連通路とを含み、
前記第１のウォータジャケットにおける少なくとも点火プラグ部を冷却する通路は、冷却水の流入口および流出口を、前記複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向で前記点火プラグ部を挟んで互いに反対側に配置して、前記複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向に冷却水を流下させる、内燃機関のシリンダヘッド。
前記第２のウォータジャケットは、前記複数の燃焼室が並んだ方向の端部に位置する燃焼室よりもさらに外方位置において、前記複数の燃焼室が並んだ方向に対して交差する方向に伸びている、請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
前記第２のウォータジャケットは、前記第１のウォータジャケットを形成するための中子と別個独立した少なくとも１つの中子によって形成している、請求項１または請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
前記第１のウォータジャケットの冷却水入口に連なる流路断面積と、前記第２のウォータジャケットの冷却水入口に連なる流路断面積との比率によって、前記第１のウォータジャケットを流れる冷却水量と前記第２のウォータジャケットを流れる冷却水量との比率を定めている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のシリンダヘッド。