JP2010275915A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホールドが一体に形成されたシリンダヘッドにおける焼室室周りと排気マニホールド周りの冷却性能の両立を図る。
【解決手段】燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の内の一方の内壁面に微細な空孔を有する凹凸表面構造１０を加工し、他方の内壁面を鋳肌面とする。そして、内壁面が凹凸表面構造１０となっている一方のジャケット部では、凹凸表面構造１０の空孔で気泡発生を促進させることで核沸騰を助長して主として核沸騰での熱伝達による冷却を行い、内壁面が鋳肌面となっている他方のジャケット部では、強制対流熱伝達による冷却を行う。これによって、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて少ない冷却水流量で、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能を両立させることができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

特許文献１には、自動車用内燃機関のシリンダヘッドに排気マニホールドが一体に形成し、シリンダヘッド内に設けたウォータジャケットに流れる冷却水により、排気マニホールドを冷却するようにした構成が開示されている。

特開２００５−１８８３５２号公報

しかしながら、この特許文献１においては、冷却水がウォータジャケット内を内燃機関の気筒列方向に流れるため、通水抵抗が相対的い小さい排気マニホールド側に冷却水が流れてしまい、熱負荷の高い燃焼室周り（特に排気弁間や点火プラグ周辺）と、排気マニホールド周りと、の冷却性能の両立が困難になってしまう虞がある。

そこで、本発明は、排気マニホールドが一体に形成されたシリンダヘッドを有し、シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットが、燃焼室側ジャケット部と、排気マニホールド側ジャケット部とを有する内燃機関の冷却装置において、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内の一方の内壁面に微細な空孔を有する凹凸表面構造を加工し、前記燃焼室側ジャケット部の内壁面と、前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面とを互いに異なる表面性状とすることによって、内壁面が前記凹凸表面構造となっている一方では、核沸騰での熱伝達による冷却を行い、内壁面が前記凹凸表面構造となっていない他方では、強制対流熱伝達による冷却を行うことを特徴としている。

本発明によれば、燃焼室側ジャケット部と排気マニホールド側ジャケット部の内の一方で、熱負荷が高いときに核沸騰（サブクール沸騰）が行われ、冷却水の気化潜熱を利用した冷却が行われるため、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて少ない冷却水流量で、シリンダヘッドにおける排気マニホールド及び燃焼室の冷却性能を両立させることができる。

本発明に係る内燃機関の冷却装置が適用されたシリンダヘッドの斜視図。 本発明に係る内燃機関の冷却装置が適用されたシリンダヘッドの正面図。 シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットを吸気側からみた状態を模式的に示した説明図。 シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットを排気側からみた状態を模式的に示した説明図。 シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットを上方からみた状態を模式的に示した説明図。 シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットを下方からみた状態を模式的に示した説明図。 ウォータジャケットの内壁面を拡大した平面図（ａ）及び断面図（ｂ） 本発明の第１実施形態に係る説明図であって、図２のＡ−Ａ線に沿った位置に相当する断面図。 本発明の第１実施形態に係る説明図であって、図２のＢ−Ｂ線に沿った位置に相当する断面図。 本発明の第２実施形態に係る説明図であって、図２のＢ−Ｂ線に沿った位置に相当する断面図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図であって、図１１のＣ−Ｃ線に沿った位置に相当する断面図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図であって、図２のＢ−Ｂ線に沿った位置に相当する断面図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図。 本発明のその他の実施形態を示す説明図。 図１６のＤ−Ｄ線に沿った断面図。 図１６のＥ−Ｅ線に沿った断面図。 図１７のＦ−Ｆ線に沿った断面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明に係る内燃機関の冷却装置が適用されたシリンダヘッド１を示している。このシリンダヘッド１は、車両用の直列３気筒内燃機関もしくはＶ型６気筒内燃機関の片バンクとして使用されるものであり、内部に排気通路を有する排気マニホールド２が一体に形成されている。シリンダヘッド１は、鋳造されたものであって、図示せぬシリンダブロックに取り付けられ、ピストン（図示せず）との間に各気筒の燃焼室４を形成するものである。尚、図１、図２おける３は、各気筒の排気ポートが合流した排気マニホールド２の集合部の下流側端部である排気マニホールド２の下流側開口部である。

シリンダヘッド１の内部には、図３〜図６に示すように、冷却水を通流させるウォータジャケット５が形成されている。冷却水は、例えばエチレングリコールの水溶液等からなっている。

ウォータジャケット５は、長手方向つまり気筒列方向に沿って冷却水が通流するように形成されており、その前端部つまり気筒列方向一端部の比較的下方位置に冷却水入口６が設けられ、後端部つまり気筒列方向他端部の比較的上方位置に冷却水出口７が設けられている。冷却水出口７は、後述する燃焼室側ジャケット部８及び排気マニホールド側ジャケット部９の双方に設けられている。

このウォータジャケット５は、各気筒の燃焼室４の周囲に形成され、気筒列方向に沿って連続する燃焼室側ジャケット部８と、内部に排気通路を有する略管状の排気マニホールド２の周囲に形成され、気筒列方向に沿って連続する排気マニホールド側ジャケット部９と、を有している。燃焼室側ジャケット部８及び排気マニホールド側ジャケット部９は、気筒列方向に沿って細長い形状を呈し、複数箇所で互いに連通している。また、燃焼室側ジャケット部８の冷却水の流れ方向に沿った流路断面積変化は、排気マニホールド側ジャケット部９の冷却水の流れ方向に沿った流路断面積変化よりも大きくなっている。

そして、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の内の一方の内壁面を微細な空孔を有する凹凸表面構造１０（後述）に加工し、燃焼室側ジャケット部８の内壁面と、排気マニホールド側ジャケット部９の内壁面とを互いに異なる表面性状とすることによって、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の内、内壁面が凹凸表面構造１０となっている側では、凹凸表面構造１０の空孔で気泡発生を促進させることで核沸騰（サブクール沸騰）を助長して主として核沸騰での熱伝達による冷却を行い、内壁面が凹凸表面構造１０となっていない側では、強制対流熱伝達による冷却を行っている。核沸騰での熱伝達は、強制対流熱伝達よりも大きな熱移動能力を有するものである。つまり、強制対流熱伝達による冷却に比べ、核沸騰での熱伝達による冷却の方が、少ない冷却水で、同等の冷却効果を得られることになる。

ウォータジャケット５における凹凸表面構造１０は、プレス加工やフライス加工等による機械加工で形成してもよいが、その他の一例としては、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ウォータジャケット５の内壁面５ａ表面に多数の微細な柱状の空孔としての凹部１１を備える酸化物被膜１２が設けられている。これは、アルミニウム合金からなるシリンダヘッド１の母材自体の陽極酸化膜処理によって形成される。凹部１１の大きさとしては、その平均直径が、ナノメータないしミクロンメータのオーダとなる。この酸化物皮膜１２による凹凸表面構造１０の加工は、例えば、表面の研磨工程、陽極酸化工程およびエッチング工程を有し、外部から直接に機械加工することが困難なウォータジャケット５の内部に容易に凹凸表面構造１０を形成することができる。なお、凹部１１の平均直径や平均深さは、アルミニウム基材の成分組成の選定、電解液の成分組成の選定、陽極酸化条件などを制御することによって、調整可能である。

本実施形態における凹凸表面構造１０は、表面粗さの指標として、算術表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に規定）では、５０×１０^-9ｍ＜Ｒａ＜１０×１０^-6ｍ、凹凸の平均間隔Ｒｓｍ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に規定）では、５０×１０^-9ｍ＜Ｒａ＜５００×１０^-6ｍ、となるように形成されている。このような表面粗さの凹凸表面構造１０とすることで、凹凸表面構造１０の凹部１１での気泡発生が促進して核沸騰（サブクール沸騰）を助長させることが可能となる。

そして、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９のうち、凹凸表面構造１０が内周面に加工されている側に対して、冷却水の通流が規制されるように、ウォータジャケット５内には、絞り部１３が形成されている。絞り部１３は、その前後に比べて冷却水の通路断面積が小さくなるよう形成されている。

本発明の第１実施形態においては、図８、図９に示すように、燃焼室側側ジャケット部８の内壁面が全て上述した凹凸表面構造１０となり、排気マニホールド側ジャケット部９の内壁面が全て鋳造された状態のままとなる鋳肌面となっている。図８、図９において破線で囲まれた部分が、燃焼室側ジャケット部８である。

また、ウォータジャケット５の冷却水入口６は、排気マニホールド側ジャケット部９側に形成され、燃焼室側ジャケット部８には、排気マニホールド側ジャケット部８内の冷却水が分岐して流入するよう構成されている。ウォータジャケット５の冷却水出口７は、排気マニホールド側ジャケット部９の後端部側及び、燃焼室側ジャケット部８の後端部側に、それぞれ形成されている。

そして、この第１実施形態においては、燃焼室側ジャケット部８への冷却水の流入を規制するべく、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９とが連通する部分に絞り部１３が形成されている。

このような第１実施形態においては、シリンダヘッド１に形成されたウォータジャケット５の内、燃焼室側ジャケット部８では熱負荷が高いときに核沸騰（サブクール沸騰）が行われ、冷却水の気化潜熱を利用した冷却が行われるため、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の双方を強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて、燃焼室側ジャケット部８で冷却のために必要とされる冷却水流量を少なくすることができ、少ない冷却水流量で、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能を両立させることができる。

また、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の双方を強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて、燃焼室側ジャケット部８の冷却水流量が低下し、ウォータジャケット５全体として必要とする冷却水流量が少なくなるので、冷却水ポンプ（図示せず）の駆動力を低減することができる。特に、排気マニホールド側ジャケット部９に比べて、冷却水の通水抵抗の大きい燃焼室側ジャケット部８で冷却水流量を少なくできるので、冷却水ポンプの駆動力を一層低減することができる。

そして、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能を両立させるには、燃焼室４もしくは排気マニホールド２のどちらかが過冷却になりやすいが、それを抑制することができる。尚、核沸騰を利用した冷却のため、ウォータジャケット５内にフィンなどを設ける場合と異なり、通水抵抗への跳ね返りなく、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能の両立を実現できる。

また、燃焼室側ジャケット部８は、凹凸表面構造１０の空孔で発生させた気泡を利用した冷却を行うので、気筒列方向に沿って冷却性能が変化することが抑制され、ノッキングの気筒バラツキを低減することができる。排気マニホールド側ジャケット部９は、冷却水の流路の断面積変化が少なく通水抵抗が小さいため、強制対流熱伝達による冷却を行う。

そして、シリンダヘッド１には、シリンダブロック側から冷却水が供給されるが、シリンダヘッド１に設けられた冷却水入口６が、排気マニホールド側ジャケット部９側に形成されているので、排気マニホールド側ジャケット部９への冷却水流量を増加させ、燃焼室側ジャケット部８への冷却水流量を減少させる上で有利な構造となっている。

尚、燃焼室側ジャケット部８においても冷却水の流れは生じているので、燃焼室側ジャケット部８で発生した気泡は燃焼室側ジャケット部８内に滞留することなく、燃焼室側側ジャケット部８の下流側に押し流される。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１０は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態においては、排気マニホールド側ジャケット部９の内壁面が全て上述した凹凸表面構造１０となり、燃焼室側ジャケット部８の内壁面が全て鋳造された状態のままとなる鋳肌面となっている。図１０において破線で囲まれた部分が、排気マニホールド側ジャケット部９である。

また、ウォータジャケット５の冷却水入口６は、燃焼室側ジャケット部８側に形成され、排気マニホールド側ジャケット部９には、燃焼室側ジャケット部８内の冷却水が分岐して流入するよう構成されている。

そして、この第２実施形態においては、排気マニホール側ジャケット部９への冷却水の流入を規制するべく、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９とが連通する部分に絞り部１３が形成されている。

このような第２実施形態においては、シリンダヘッド１に形成されたウォータジャケット５の内、排気マニホールド側ジャケット部９では熱負荷が高いときに核沸騰（サブクール沸騰）が行われ、冷却水の気化潜熱を利用した冷却が行われるため、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の双方を強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて、排気マニホールド側ジャケット部９で冷却のために必要とされる冷却水流量を少なくすることができ、少ない冷却水流量で、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能を両立させることができる。

また、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９の双方を強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて、排気マニホールド側ジャケット部９の冷却水流量が低下し、ウォータジャケット５全体として必要とする冷却水流量が少なくなるので、冷却水ポンプ（図示せず）の駆動力を低減することができる。

そして、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合、排気マニホールド２及び燃焼室４の冷却性能を両立させるには、燃焼室４もしくは排気マニホールド２のどちらかが過冷却になりやすいが、それを抑制することができる。

また、絞り部１３によって、燃焼室側ジャケット部８から排気マニホールド側ジャケット部９への冷却水の流入が規制されるため、排気マニホールド側ジャケット部９を流れる冷却水の流量が低減され、冷機時における排気ガスの冷却水への放熱を抑えられるので、排気系に設けられた排気浄化用触媒の活性化を促進することができる。

そして、シリンダヘッド１には、シリンダブロック側から冷却水が供給されるが、シリンダヘッド１に設けられた冷却水入口６が、燃焼室側ジャケット部８側に形成されているので、燃焼室側ジャケット部８への冷却水流量を増加させ、排気マニホールド側ジャケット部９への冷却水流量を減少させる上で有利な構造となっている。

尚、排気マニホールド側ジャケット部９においても冷却水の流れは生じているので、排気マニホールド側ジャケット部９で発生した気泡は排気マニホールド側ジャケット部９内に滞留することなく、排気マニホールド側ジャケット部９の下流側に押し流される。

ここで、上述した排気マニホール側ジャケット部９は、より具体的には、図１１に示すように、車両上下方向の上側に位置する排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１と、車両上下方向の下側に位置する排気マニホールド側ジャケット部ロア２２と、を有している。つまり、内部に排気通路を有する略管状の排気マニホールド２は、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１と排気マニホールド側ジャケット部ロア２２とによって車両上下方向から挟み込まれている。また、上述した排気マニホールド２は、より具体的には、図１１に示すように、燃焼室の近傍で湾曲するよう形成されており、この湾曲の外側部分の流速がこの湾曲に内側部分の流速に比べて速くなっている。

そこで、上述した第２実施形態のように排気マニホールド側ジャケット部９の全ての内壁面に凹凸表面構造１０を加工するのではなく、前記湾曲の近傍で、前記湾曲により排気マニホールド２内の排気の流速が相対的に速くなった部分側の内壁面、すなわち排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１の排気マニホールド２側の内壁面にのみ凹凸表面構造１０を加工することも可能である。

排気マニホールド２内の排気の流速が相対的に速くなった部分では、排気ガスとシリンダヘッド壁面との熱伝達率が高く、熱負荷も高くなるため、この部分にのみ上述の凹凸表面構造１０を加工を施して熱伝達率を高くすることで、シリンダヘッド１の排気マニホールド周囲部分の過熱を効果的に抑制することができる。また、排気マニホールド側ジャケット部９内で発生する気泡数を、排気マニホールド側ジャケット部９の全ての内壁面に凹凸表面構造１０を加工した場合に比べて低減することができ、排気マニホールド側ジャケット部９内の気泡除去が容易となる。

さらに、上述した第２実施形態のように排気マニホールド側ジャケット部９の全ての内壁面に凹凸表面構造１０を加工するのではなく、図１２に示すように、排気マニホールド９側の内壁面、すなわち排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１及び排気マニホールド側ジャケット部ロア２２の排気マニホールド２側の内壁面にのみ凹凸表面構造１０を加工することも可能である。この場合にも、シリンダヘッド１の排気マニホールド周囲部分の過冷却を抑制することができる。また排気マニホールド側ジャケット部９内で発生する気泡数を、排気マニホールド側ジャケット部９の全ての内壁面に凹凸表面構造１０を加工した場合に比べて低減することができ、排気マニホールド側ジャケット部９内の気泡除去が容易となる。

そして、図１３に示すように、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１への冷却水の流入を規制するべく、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１に、車両上下方向における下方（図１２における下方）から上方（図１２における上方）に向かって突出するように形成された突出片２５、２５により前述の絞り部１３を形成し、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１の排気マニホールド９側の内壁面に凹凸表面構造１０を加工するようにすれば、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１内で発生し、浮力で車両上下方向の上方に持ち上がった気泡は、効率よく下流側に押し流することができ、排気マニホールド側ジャケット部アッパー２１内の気泡を効率よく除去することができる。

また、図１４に示すように、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９とが連通する部分に、エンジン負荷に応じて開閉制御される連通バルブ２６を設けることも可能である。図１４に示すように、冷却水入口６が燃焼室側ジャケット部８側に形成され、排気マニホールド側ジャケット部９に凹凸表面構造１０が加工されている第２実施形態に前述の連通バルブ２６を設ける場合、燃焼室の冷却要求が低い時に連通バルブ２６を開弁するよう制御すれば、燃焼室４の熱伝達率を低減させて冷却水放熱量を低減することができる。また、図示はしないが、冷却水入口６が排気マニホールド側ジャケット部９側に形成され、燃焼室側ジャケット部に凹凸表面構造１０が加工されている第１実施形態において前述の連通バルブ２６を設ける場合には、排気マニホールド２の冷却要求が低い時に連通バルブ２６を開弁するよう制御すれば、排気マニホールド２の熱伝達率を低減させて冷却水放熱量を低減することができる。

また、シリンダヘッド１は、図１５に示すように、２つ以上の部材を接合することによって形成すれば、ウォータジャケット５の内壁面５ａへの加工が容易となり、ウォータジャケット５の内壁面５ａを凹凸表面構造１０に容易に加工することが可能となる。このとき、シリンダヘッド１の分割面が燃焼室側ジャケット部８もしくは排気マニホールド側ジャケット部９にあれば、燃焼室側ジャケット部８もしくは排気マニホールド側ジャケット部９の内壁面の加工が一層容易となる。

図１５においては、シリンダヘッド１が３つの切断面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３によって分割された４つの部材からなっており、切断面Ｐ１は燃焼室側ジャケット部８及び排気マニホールド側ジャケット部９を分割するよう設定され、切断面Ｐ２は燃焼室側ジャケット部８を分割するよう設定され、切断面Ｐ３は排気マニホールド側ジャケット部９を分割するよう設定されている。各切断面は従来必要であった中子を不要にし、切断面Ｐ１は、カムキャリア下の空間を形成する中子を、切断面Ｐ２は、吸排気通路上方のウォータジャケット５を形成する中子を、切断面Ｐ３は、吸排気通路を形成する中子を、それぞれ不要にする。

また、シリンダヘッド１が複数の部材によって構成され、少なくともその分割面の一つによって燃焼室側ジャケット部８が分割されている場合には、図１６〜図１９に示すように、燃焼室側ジャケット部８内に燃焼室側ジャケット部８の流路断面積変化を小さくするためのスペーサ２７を挿入することも可能である。スペーサ２７は、圧力損失が少ないように流路断面が円形に近づくように形成されている。燃焼室側ジャケット部８内は、図１７〜図１９からも明らかなように、気筒間で流路断面積が大きくなっているので、この部分にスペーサ２７を挿入し、気筒列方向に沿って燃焼室側ジャケット部８の流路断面積変化を小さくすることで、燃焼室側ジャケット部８内の圧力損失が低減され、燃焼室側ジャケット部８における冷却水の流速の低下が抑制されるので、燃焼室側ジャケット部８内における気泡の滞留を低減することができる。

尚、上述した各実施形態において、絞り部１３は、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９とが連通する部分に形成されているが、絞り部１３の位置は、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９とが連通する部分に限定されるものではない。例えば、燃焼室側ジャケット部８に凹凸表面構造１０を加工した場合には、燃焼室側ジャケット部８に形成された冷却水出口７付近に絞り部１３を形成するようにしてもよい。すなわち、上述した各実施形態においては、燃焼室側ジャケット部８と排気マニホールド側ジャケット部９のうち、冷却水の流入が規制される側の上流側に絞り部１３が形成されているが、冷却水の流入が規制される側の下流側に絞り部１３を形成することも可能である。

また、凹凸表面構造１０を燃焼室側ジャケット部８もしくは排気マニホールド側ジャケット部９の一方に加工するにあたり、冷却水の流れ方向で、下流側に位置するほど、凹凸表面構造１０の空孔にて気泡が発生しやすくなるように形成すれば、相対的に高熱負荷部となる部位ほど、高熱伝達面となるように形成されるので、過冷却を抑制できる。すなわち、核沸騰での熱伝達による冷却を行う場合の過冷却を抑制することができる。この場合、下流側に行くほど表面粗さを小さくする。

上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） シリンダヘッドに排気マニホールドが一体に形成されていると共に、当該シリンダヘッド内にウォータジャケットが形成された内燃機関の冷却装置であって、前記ウォータジャケットが、燃焼室の周囲に形成された燃焼室側ジャケット部と、排気マニホールドの周囲に形成された排気マニホールド側ジャケット部とを備えた内燃機関の冷却装置において、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内の一方の内壁面に微細な空孔を有する凹凸表面構造を加工し、前記燃焼室側ジャケット部の内壁面と、前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面とを互いに異なる表面性状とすることによって、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内、内壁面が前記凹凸表面構造となっている一方では、前記凹凸表面構造の空孔で気泡発生を促進させることで核沸騰を助長して主として核沸騰での熱伝達による冷却を行い、内壁面が前記凹凸表面構造となっていない他方では、強制対流熱伝達による冷却を行う。これによって、燃焼室側ジャケット部と排気マニホールド側ジャケット部の内の一方で、熱負荷が高いときに核沸騰（サブクール沸騰）が行われ、冷却水の気化潜熱を利用した冷却が行われるため、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合に比べて少ない冷却水流量で、シリンダヘッドにおける排気マニホールド及び燃焼室の冷却性能を両立させることができる。また、強制対流熱伝達のみを利用して冷却する場合、排気マニホールド及び燃焼室の冷却性能を両立させるには、燃焼室もしくは排気マニホールドどちらかが過冷却になりやすいが、それを抑制することができる。尚、核沸騰（サブクール沸騰）を利用した冷却のため、ウォータジャケット内にフィンなどを設ける場合と異なり、通水抵抗への跳ね返りなく、排気マニホールド及び燃焼室の冷却性能の両立を実現できる。

（２） 前記（１）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記シリンダヘッドは、具体的には、鋳造されたものであって、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内の他方の内壁面は、加工していない鋳肌面である。

（３） 前記（１）または（２）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記燃焼室側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、前記ウォータジャケットには、前記燃焼室側ジャケット部と、前記燃焼室側ジャケット部以外の部分とが連通する部分に、前記燃焼室側ジャケット部への冷却水の流入を規制する絞り部が形成されている。排気マニホールド側ジャケット部に比べて、冷却水の通水抵抗の大きい燃焼室側ジャケット部で冷却水の流れを少なくするのでポンプ駆動力を低減できる。また、燃焼室側ジャケット部は、凹凸表面構造の空孔で発生させた気泡を利用した冷却を行うので、気筒列方向に沿って冷却性能が変化することが抑制され、ノッキングの気筒バラツキを低減することができる。排気マニホールド側ジャケット部は、冷却水の流路の断面積変化が少なく通水抵抗が小さいため、強制対流熱伝達による冷却を行う。

（４） 前記（１）〜（３）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記燃焼室側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、前記ウォータジャケットには、前記燃焼室側ジャケット部と、前記燃焼室側ジャケット部以外の部分とが連通する部分の少なくとも一箇所に、前記排気マニホールドの冷却要求が低い時に開弁するよう制御される連通バルブが配置されている。これによって、排気マニホールドの冷却要求が低い時は連通バルブを開き、排気マニホールドの熱伝達率を低減させて冷却水放熱量を低減することができる。

（５） 前記（３）または（４）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記シリンダヘッドに設けられた冷却水入口は、前記排気マニホールド側ジャケット部側に形成され、前記燃焼室側ジャケット部には、前記排気マニホールド側ジャケット部内の冷却水が分岐して流入する。シリンダヘッドには、シリンダブロック側から冷却水が供給されるが、シリンダヘッドに設けられた冷却水入口が、排気マニホールド側ジャケット部側に形成されているので、排気マニホールド側ジャケット部への冷却水流量を増加させ、燃焼室側ジャケット部への冷却水流量を減少させる上で有利な構造となる。

（６） 前記（１）または（２）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、前記ウォータジャケットには、前記排気マニホールド側ジャケット部と、前記排気マニホールド側ジャケット部以外の部分とが連通する部分に、前記排気マニホールド側ジャケット部への冷却水の流入を規制する絞り部が形成されている。これによって、排気マニホールド側ジャケット部の冷却水の流量を低減し、冷機時における排気ガスの冷却水への放熱を抑えられるので、排気系に設けられた排気浄化用触媒の活性化を促進することができる。

（７） 前記（１）、（２）または（６）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、前記ウォータジャケットには、前記排気マニホールド側ジャケット部と、前記排気マニホールド側ジャケット部以外の部分とが連通する部分の少なくとも一箇所に、前記燃焼室の冷却要求が低い時に開弁するよう制御される連通バルブが配置されている。これによって、燃焼室の冷却要求が低い時は連通バルブを開き、燃焼室の熱伝達率を低減させて冷却水放熱量を低減することができる。

（８） 前記（６）または（７）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記シリンダヘッドに設けられた冷却水入口は、前記燃焼室側ジャケット部側に形成され、前記排気マニホールド側ジャケット部には、前記燃焼室側ジャケット部内の冷却水が分岐して流入する。シリンダヘッドには、シリンダブロック側から冷却水が供給されるが、シリンダヘッドに設けられた冷却水入口が、燃焼室側ジャケット部側に形成されているので、燃焼室側ジャケット部への冷却水流量を増加させ、排気マニホールド側ジャケット部への冷却水流量を減少させる上で有利な構造となる。

（９） 前記（６）〜（８）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記排気マニホールドは、前記燃焼室の近傍で湾曲するよう形成され、この湾曲の外側部分の流速がこの湾曲に内側部分の流速に比べて速くなっていると共に、前記排気マニホールド側ジャケット部は、前記湾曲の近傍で、前記湾曲により前記排気マニホールド内の排気の流速が相対的に速くなった部分側が前記凹凸表面構造に加工されている。排気マニホールド内の排気の流速が相対的に速くなった部分では、排気ガスとシリンダヘッド壁面との熱伝達率が高く、熱負荷も高くなるが、排気マニホールド側ジャケット部は、排気マニホールド内の排気の流速が相対的に速くなった部分側を凹凸表面構造に加工して熱伝達率を高くしているので、シリンダヘッドの排気マニホールド周囲部分の過熱を抑制することができる。また、排気マニホールド側ジャケット部内で発生する気泡数が低減されるので、排気マニホールド側ジャケット部内の気泡除去が容易となる。

（１０） 前記（６）〜（８）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記内燃機関は、車両に搭載され、前記排気マニホールド側ジャケット部は、車両上下方向の上側に位置する排気マニホールド側ジャケット部アッパーと、車両上下方向の下側に位置する排気マニホールド側ジャケット部ロアと、を有し、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーと前記排気マニホールド側ジャケット部ロアとによって前記排気マニホールドを挟み込むように形成されたものであって、前記絞り部は、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーへの冷却水の流入を規制するべく、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーに、車両上下方向における下方から上方に向かって突出するよう形成された突出片であり、前記排気マニホールド側ジャケット部は、排気マニホールド側ジャケット部アッパーが前記凹凸表面構造に加工されている。これによって、排気マニホールド側ジャケット部アッパー内で発生し、浮力で車両上下方向の上方に持ち上がった気泡は、効率よく下流側に押し流することができ、排気マニホールド側ジャケット部アッパー内の気泡を効率よく除去することができる。

（１１） 前記（６）〜（８）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記排気マニホールド側ジャケット部は、排気マニホールド側の内壁面のみが前記凹凸表面構造に加工されている。これによって、シリンダヘッドの排気マニホールド周囲部分の過冷却を抑制することができる。また、排気マニホールド側ジャケット部内で発生する気泡数が低減されるので、排気マニホールド側ジャケット部内の気泡除去が容易となる。

（１２） 前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記凹凸表面構造は、冷却水の流れ方向で、下流側に位置するほど、当該凹凸表面構造の空孔にて気泡が発生しやすくなるように形成されている。これによって、相対的に高熱負荷部となる部位ほど、高熱伝達面となるように形成されているので、過冷却を抑制できる。すなわち、核沸騰での熱伝達による冷却を行う場合の過冷却を抑制することができる。

（１３） 前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置において、前記シリンダヘッドは、２つ以上の部材を接合することで形成されている。これによって、ウォータジャケットの内壁面への加工が容易となり、ウォータジャケットの内壁面を凹凸表面構造に容易に加工することが可能となる。

（１４） 前記（１３）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記シリンダヘッドの分割面が、前記燃焼室側ジャケット部もしくは前記排気マニホールド側ジャケット部にある。これによって、燃焼室側ジャケット部もしくは排気マニホールド側ジャケット部の内壁面の加工が容易となる。

（１５） 前記（１３）または（１４）に記載の内燃機関の冷却装置において、前記燃焼室側ジャケット部には、当該燃焼室側ジャケット部の流路断面積変化を小さくするためのスペーサが挿入されている。これによって、燃焼室側ジャケット部内の圧力損失が低減され、燃焼室側ジャケット部における冷却水の流速の低下が抑制されるので、燃焼室側ジャケット部内における気泡の滞留を低減することができる。

１…シリンダヘッド
５…ウォータジャケット
８…燃焼室側ジャケット部
９…排気マニホールド側ジャケット部
１０…凹凸表面構造

Claims (15)

1. シリンダヘッドに排気マニホールドが一体に形成されていると共に、当該シリンダヘッド内にウォータジャケットが形成された内燃機関の冷却装置であって、
   前記ウォータジャケットが、燃焼室の周囲に形成された燃焼室側ジャケット部と、排気マニホールドの周囲に形成された排気マニホールド側ジャケット部とを備えた内燃機関の冷却装置において、
   前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内の一方の内壁面に微細な空孔を有する凹凸表面構造を加工し、前記燃焼室側ジャケット部の内壁面と、前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面とを互いに異なる表面性状とすることによって、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内、内壁面が前記凹凸表面構造となっている一方では、前記凹凸表面構造の空孔で気泡発生を促進させることで核沸騰を助長して主として核沸騰での熱伝達による冷却を行い、内壁面が前記凹凸表面構造となっていない他方では、強制対流熱伝達による冷却を行うことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記シリンダヘッドは、鋳造されたものであって、前記燃焼室側ジャケット部と前記排気マニホールド側ジャケット部の内の他方の内壁面は、加工していない鋳肌面であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記燃焼室側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、
   前記ウォータジャケットには、前記燃焼室側ジャケット部と、前記燃焼室側ジャケット部以外の部分とが連通する部分に、前記燃焼室側ジャケット部への冷却水の流入を規制する絞り部が形成されていることを特徴とする請求項１また２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記燃焼室側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、
   前記ウォータジャケットには、前記燃焼室側ジャケット部と、前記燃焼室側ジャケット部以外の部分とが連通する部分の少なくとも一箇所に、前記排気マニホールドの冷却要求が低い時に開弁するよう制御される連通バルブが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
5. 前記シリンダヘッドに設けられた冷却水入口は、前記排気マニホールド側ジャケット部側に形成され、前記燃焼室側ジャケット部には、前記排気マニホールド側ジャケット部内の冷却水が分岐して流入することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の冷却装置。
6. 前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、
   前記ウォータジャケットには、前記排気マニホールド側ジャケット部と、前記排気マニホールド側ジャケット部以外の部分とが連通する部分に、前記排気マニホールド側ジャケット部への冷却水の流入を規制する絞り部が形成されていることを特徴とする請求項１また２に記載の内燃機関の冷却装置。
7. 前記排気マニホールド側ジャケット部の内壁面に前記凹凸表面構造が加工され、
   前記ウォータジャケットには、前記排気マニホールド側ジャケット部と、前記排気マニホールド側ジャケット部以外の部分とが連通する部分の少なくとも一箇所に、前記燃焼室の冷却要求が低い時に開弁するよう制御される連通バルブが配置されていることを特徴とする請求項１、２または６のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
8. 前記シリンダヘッドに設けられた冷却水入口は、前記燃焼室側ジャケット部側に形成され、前記排気マニホールド側ジャケット部には、前記燃焼室側ジャケット部内の冷却水が分岐して流入することを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関の冷却装置。
9. 前記排気マニホールドは、前記燃焼室の近傍で湾曲するよう形成され、この湾曲の外側部分の流速がこの湾曲に内側部分の流速に比べて速くなっていると共に、前記排気マニホールド側ジャケット部は、前記湾曲の近傍で、前記湾曲により前記排気マニホールド内の排気の流速が相対的に速くなった部分側が前記凹凸表面構造に加工されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
10. 前記内燃機関は、車両に搭載され、
    前記排気マニホールド側ジャケット部は、車両上下方向の上側に位置する排気マニホールド側ジャケット部アッパーと、車両上下方向の下側に位置する排気マニホールド側ジャケット部ロアと、を有し、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーと前記排気マニホールド側ジャケット部ロアとによって前記排気マニホールドを挟み込むように形成されたものであって、
    前記絞り部は、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーへの冷却水の流入を規制するべく、前記排気マニホールド側ジャケット部アッパーに、車両上下方向における下方から上方に向かって突出するよう形成された突出片であり、
    前記排気マニホールド側ジャケット部は、排気マニホールド側ジャケット部アッパーが前記凹凸表面構造に加工されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
11. 前記排気マニホールド側ジャケット部は、排気マニホールド側の内壁面のみが前記凹凸表面構造に加工されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
12. 前記凹凸表面構造は、冷却水の流れ方向で、下流側に位置するほど、当該凹凸表面構造の空孔にて気泡が発生しやすくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
13. 前記シリンダヘッドは、２つ以上の部材を接合することで形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
14. 前記シリンダヘッドの分割面が、前記燃焼室側ジャケット部もしくは前記排気マニホールド側ジャケット部にあることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の冷却装置。
15. 前記燃焼室側ジャケット部には、当該燃焼室側ジャケット部の流路断面積変化を小さくするためのスペーサが挿入されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の内燃機関の冷却装置。

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