JP2013002310A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】フィンによる冷却性能向上に加え、排気ポート内隔壁自体の熱伝導効率を向上させることで、冷却性能の更なる向上を図った排気ポートを有するシリンダヘッドを提供する。
【解決手段】排気ガス流路３ｂが隔壁６を介して隣接した排気ポート３を有するシリンダヘッド１０であって、前記排気ポート３内部の排気ガス流路３ｂ上流側に、排気ガスを冷却するとともに整流するためのフィン１１を設け、当該フィン１１により整流された排気ガスが前記隔壁６と衝突する部分の隔壁厚さを、その部分以外の隔壁厚さよりも厚くした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。特に、シリンダヘッドが有する排気ポートの冷却構造に関する。

従来、内燃機関のシリンダヘッドが有する排気ポート内にフィン等の突起物を設け、排気ガスとの接触表面積を増すことで、排気ガスからウォータージャケット内の冷却水への熱移動を促進して排気ガスの冷却性能を向上させる技術が知られている（特許文献１、２参照）。

特許文献１には、排気ポートの内壁の周方向に沿って、所定の角度ごとに複数形成されたフィンが記載されている。このように形成されたフィンによって排気ガスの熱を受ける受熱面積は、排気ポート内壁の表面積にフィンの表面積を加えた大きさとなる。したがって、排気ガスが排気ポート内を流れる際に、当該フィンによって、排気ガスからシリンダヘッド内に配置されたウォータージャケット内の冷却水への熱伝達が促進され、より多くの熱量が冷却水に回収される。

特許文献２には、排気通路の内壁全体に複数個形成された突起が記載されている。このように形成された突起は、上記特許文献１に記載されたフィンと同様の機能を有し、排気ポート内部にフィンや突起をつけて排気ポート内壁の表面積を増すことで排気ガスからシリンダヘッドへの熱交換を活発化させるものである。

特開２００６−１２５３０８号公報 特公平１−３５１６４号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に記載された技術では、高温の排気ガスが排気ポート内部を通過した際にフィンや突起の部分的な過熱が避けられない。具体的には、フィンや突起へのガス当たりが、シリンダヘッド（排気ポート）形状により決まっており、それにより排気ポート内部の温度分布が決定されるため、フィンや突起の部分的な過熱により、排気ガス冷却性の悪化等が予想される。そのため、フィン等を含めた排気ポート形状を見直すことで、フィンや突起以外の部分においても、排気ガスの熱を効率的に受熱して、排気ポート内部の温度分布をできる限り均一化し、フィンや突起の部分的な過熱を抑えたい。

また、排気ガスが排気ポート内を流れる際に排気ポート内壁面への熱伝導によって排気ガスの冷却が行われるが、排気ガスと排気ポート内の隔壁との間の熱伝導については十分に考慮されておらず、さらに熱伝導を向上させるために検討する余地がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フィンによる冷却性能向上に加え、排気ポート内隔壁自体の熱伝導効率を向上させることで、冷却性能の更なる向上を図った排気ポートを有するシリンダヘッドを提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
排気ガス流路が隔壁を介して隣接した排気ポートを有するシリンダヘッドであって、
前記排気ポート内部の排気ガス流路上流側に、排気ガスを冷却するとともに整流するためのフィンを設け、当該フィンにより整流された排気ガスが前記隔壁と衝突する部分の隔壁厚さを、その部分以外の隔壁厚さよりも厚くしたものである。

請求項２においては、
前記フィンは、当該フィンの下流側端部を前記排気ガスが前記隔壁と衝突する部分に向けて設けたものである。

本発明によれば、フィンによる排気ガス冷却性能の向上に加え、排気ポート内の隔壁自体の熱伝導効率を向上させることにより、排気ガス冷却性能の更なる向上が図れる。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドが有する排気ポートを示す上面模式図。 同じくシリンダヘッドが有する排気ポートを示す図であり、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
先ず、本発明の一実施形態に係るシリンダヘッド１０の構成について、図１、図２を用いて説明する。なお、以下の説明では、図２中に示す矢印Ｘの方向を上方と規定して、説明を行うものとする。

シリンダヘッド１０は、シリンダブロック（図示せず）の上部に載置固定され、当該シリンダブロックに形成されるシリンダ（図示せず）に対して吸排気経路を形成するとともに、当該吸排気経路の開閉状態を切り換えるための吸気バルブ（図示せず）及び後述する排気バルブ１を支持するための金属部材（本実施形態では、アルミ製）である。シリンダヘッド１０の内部には、図２に示すように、燃焼室２と、排気ポート３と、吸気ポート（図示せず）と、排気ポート３の内壁面３ｃから所定距離離間して排気ポート３の上下に配置される冷却水通路であるウォータージャケット４、５と、が主に形成されている。また、シリンダブロックには、シリンダブロック内に設けられたピストン（図示せず）を備える。また、燃焼室２は、シリンダブロック、シリンダヘッド１０及びピストンにより形成される。
なお、本実施形態では、排気ポート３を形成する壁面を内壁面３ｃと呼ぶものと規定する。

排気ポート３は、燃焼室２で発生した排気ガス（図２中の点線矢印）を燃焼室２からエキゾーストマニホールド（排気マニホールド）７ヘ排気するための流路であり、シリンダヘッド１０の底部に形成される燃焼室２と、シリンダヘッド１０の一端に接続されるエキゾーストマニホールド７とを連通する空間部としてシリンダヘッド１０内部に形成される部位である。

排気ポート３は、図２に示すように、燃焼室２から斜め上方に延出されるとともに、その中途部が屈曲し、当該中途部から緩やかな傾きで斜め上方に延出される。

排気ポート３は、その上面視（図１参照）において、２つの排気ポート入口部３ａ・３ａを有し、当該各排気ポート入口部３ａ・３ａから排気ガス流路３ｂ・３ｂがそれぞれ延出されて、後述する隔壁６を介して排気ガス流路３ｂ・３ｂが隣接して配置され、排気ポート３出口側に向けて略平行に延出されている。こうして、燃焼室２で発生した排気ガスは燃焼室２から排気ポート３一端の各排気ポート入口部３ａ・３ａより各排気ガス流路３ｂ・３ｂに導入されると排気ポート３上方へと流れていき、排気ポート３内では、当該導入された排気ガスの流れが図２に示すように略直角に曲がるように方向を変えて排気ポート３出口側へと誘導される。

隔壁６は、排気ポート３の幅方向略中央において、排気ポート３の股部Ｂ（図１参照）から排気ポート３出口側までに形成される排気ガス流路３ｂ・３ｂを隔てる壁部である。また、隔壁６は、排気ガスと接することで排気ガスの熱を集熱する機能を有する。隔壁６には、排気ポート３の幅方向外側に向かって突出する凸状の隔壁肉厚部６ａが形成されている。すなわち、隔壁肉厚部６ａは、当該隔壁肉厚部６ａの隔壁厚さ（排気ポート３の幅方向の隔壁厚さ）が、隔壁肉厚部６ａ以外の隔壁６ｂの隔壁厚さよりも厚くなるように形成されている。また、隔壁肉厚部６ａは、後述するフィン１１により整流された排気ガスが衝突する部分となる。
なお、隔壁６の形成方法としては、特に限定するものではないが、本実施形態に係る隔壁６は、シリンダヘッド１０の鋳造の際にシリンダヘッド１０本体と一体的に形成されるものである。したがって、本実施形態では、隔壁６はシリンダヘッド１０本体と同様にアルミ製である。

また、排気ポート３内には、該排気ポート３の開閉状態を切り換えるための排気バルブ１が配設され、また、シリンダヘッド１０における排気バルブ１の支持部となる部位においては、バルブステム座１２が形成されている。

バルブステム座１２は、排気バルブ１を往復変位可能に支持するためのバルブステムガイド８を嵌挿して保持するための支持孔９を、所定の角度で機械加工することを可能にするために形成される平面状の部位である。
このため、バルブステム座１２は、排気ポート３内において、排気ポート３の内壁面３ｃの接線方向に対して傾斜した平面部として形成されており、排気ポート３における排気ガスの経路に対して突設して形成された部位となっている。

また、燃焼室２において発生した排気ガスは、図２に示すように排気バルブ１を「開」状態とすることによって、排気ポート３を通じて、該排気ポート３に接続されるエキゾーストマニホールド７に向けて排気される。

排気ガスは高温であり、シリンダヘッド１０の下流に接続して配置されるエキゾーストマニホールド７や触媒等の過熱を避けるため、排気ガスが排気ポート３内を通過する際に当該排気ガスの冷却を行うことが必要である。このため、排気ポート３の内壁面３ｃの裏側にあたる部位等にウォータージャケット４、５が形成されている（図２参照）。ウォータージャケット４、５は、シリンダヘッド１０の幅方向（図２の紙面垂直方向）に沿って延設されている。

また、ウォータージャケット４、５には、ラジエータ（図示せず）等により適宜冷却された冷却水が冷却水ポンプ（図示せず）等により導入され、当該冷却水がウォータージャケット４、５内を循環する。そして、排気ポート３内を通過する排気ガスと、ウォータージャケット４、５内を循環する冷却水とを排気ポート３内壁面３ｃを介して熱交換させることによって、ウォータージャケット４、５が、排気ガスやシリンダヘッド１０自体の温度を低下させる構成としている。

排気ポート３の各排気ガス流路３ｂ・３ｂには、当該各排気ガス流路３ｂ・３ｂの各内壁面３ｃ・３ｃの各バルブステム座１２・１２下流側近傍において、排気ガスを冷却・整流するためのフィン１１・１１が各排気ガス流路３ｂ・３ｂの内壁面３ｃ・３ｃから下方に突出するように形成されている。

フィン１１は、前記排気ポート３内部の各排気ガス流路３ｂ・３ｂ上流側に設けられる排気ガスを冷却するとともに整流するための手段である。具体的には、フィン１１は、排気ポート３内を流れる排気ガスとの接触面積の拡大を図ることで冷却を促す手段であり、当該接触面積の拡大を図ることで、排気ポート３内を流れる排気ガスからウォータージャケット４、５内を循環する冷却水への熱伝達を活発化するためのものである。また、フィン１１は、排気ガスを整流して所定の方向や位置に流すための手段である。

フィン１１は、図１に示すように、上面視湾曲状の羽根状部材であり、当該フィン１１の上下方向の一端（本実施形態においては、上端）が排気ポート３内壁面３ｃと一体的に形成されるとともに、フィン１１の上下方向の他端であるフィン１１の先端部１１ａを下方に突出するように形成されている。また、フィン１１は、フィン１１の長手方向一端（上流側端部）がバルブステム座１２下流側近傍の幅方向やや外側に位置し、フィン１１の長手方向の中途部が排気ポート３幅方向外側の内壁面３ｃに近接し、フィン１１の長手方向他端（下流側端部）を隔壁６の隔壁肉厚部６ａに向けて、近接するように延設するとともに、排気ポート３の内壁面３ｃにおいてより高温の排気ガスが流れる部位である半径方向外側にあたる内壁面３ｃの上部から突設させる構成としており、当該部分を流通する高温の排気ガスに対して、当該フィン１１により効果的に熱交換ができる構成としている。

こうして、フィン１１は、排気ポート３の各排気ガス流路３ｂ・３ｂにおける各内壁面３ｃ・３ｃに上面視湾曲状に延設されているため、燃焼室２から排出された排気ガスは、フィン１１の湾曲形状に沿って流れていき、隔壁６の隔壁肉厚部６ａに排気ガスが衝突するように誘導することができる。つまり、フィン１１は、当該フィン１１の整流効果により、隔壁６の隔壁肉厚部６ａに排気ガスを衝突させることができる。
なお、本実施形態においては、フィン１１は排気ポート３と一体的に形成しているが、特に限定するものではなく、フィン１１を別体として排気ポート３の内壁面３ｃに取り付ける構成とすることも可能である。

このように構成されたシリンダヘッド１０の排気ポート３に、高温の排気ガスが流れる場合、排気ガスは、各排気ガス流路３ｂ・３ｂを構成する内壁面３ｃ、当該内壁面３ｃの一部となる隔壁６表面、及びフィン１１の表面、に接しながら、各排気ガス流路３ｂ・３ｂを通過してエキゾーストマニホールド７に流れる。図２に示すように、フィン１１は、排気ポート３の内壁面３ｃ上部から下方に突出した排気ガスを冷却するためのフィンとして機能し、排気ポート３の内壁面３ｃ上部と一体的に形成されたフィン１１の基端側（図２においてはフィン１１の上端側）ではフィン１１の排気ガスからの受熱が排気ポート３の外側方向（図２に示すウォータージャケット４側）へと放熱される。また、フィン１１は、排気ポート３の内壁面３ｃ上部から下方に突出した排気ガスを整流するためのフィンとして機能し、排気ガスをフィン１１の湾曲形状に沿って誘導して、隔壁６の隔壁肉厚部６ａに衝突させる。この際、排気ガスが衝突する部分である隔壁肉厚部６ａにおいては、隔壁６における隔壁肉厚部６ａ以外の部分である隔壁６ｂよりも肉厚に形成したことで、隔壁６ｂより熱伝導効率が向上しているため効率的な排気ガスの冷却がなされる。したがって、排気ポート３を有するシリンダヘッド１０は、フィン１１による排気ガス冷却性能の向上に加え、排気ポート３内の隔壁６自体の熱伝導効率を向上させることにより、排気ガス冷却性能の更なる向上が図れる。

本実施形態のシリンダヘッド１０は、排気冷却用のフィン１１に整流効果を持たせ、排気ポート３の幅方向略中央部に設けた排気ガスからの熱を集める集熱板となる隔壁６に積極的に排気ガスを衝突させる構造を有するものである。さらに、本実施形態のシリンダヘッド１０は、当該排気ガスが衝突する部分の隔壁肉厚を増しておくことで隔壁６の過熱を防止し、その結果排気ガス冷却性能を向上可能な排気ポート構造を有するものである。

すなわち、本実施形態のシリンダヘッド１０は、排気ガスを排気ポート３内に設けたフィン１１に沿って流し、隔壁６に衝突させて、この隔壁６への衝突により、排気ガスの流れを乱すことで、排気ガスからシリンダヘッドへの熱伝達を活発化させるものである。さらに、本実施形態のシリンダヘッド１０は、隔壁６における排気ガスが衝突する部分（隔壁６表面の排気ガスの衝突位置）のみ肉厚を増して隔壁肉厚部６ａが形成され、排気ガスの熱をウォータージャケット４、５の冷却水に伝導し易い構造、すなわち隔壁の熱伝導を向上した構造としている。このような構造にしたことで、シリンダヘッド１０（隔壁６）の過熱を防止することができる。その結果、排気ポート３内壁面３ｃの温度を低下することができ、排気ガス冷却性能を向上することができる。

３ 排気ポート
３ｂ 排気ガス流路
６ 隔壁
１０ シリンダヘッド
１１ フィン

Claims (2)

1. 排気ガス流路が隔壁を介して隣接した排気ポートを有するシリンダヘッドであって、
   前記排気ポート内部の排気ガス流路上流側に、排気ガスを冷却するとともに整流するためのフィンを設け、当該フィンにより整流された排気ガスが前記隔壁と衝突する部分の隔壁厚さを、その部分以外の隔壁厚さよりも厚くしたことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 前記フィンは、当該フィンの下流側端部を前記排気ガスが前記隔壁と衝突する部分に向けて設けたことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。

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