JP2014084828A - シリンダヘッドの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホールドが内部に形成されたシリンダヘッドにおいて、排気マニホールドの高温となる部位を効果的に冷却することが可能なシリンダヘッドの冷却構造を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド２０の冷却構造では、複数の分岐部２１１及び各分岐部２１１が集合する集合部２１２を有する排気マニホールド２１と、排気マニホールド２１を覆う上部ウォータジャケット２２及び下部ウォータジャケットと、各ウォータジャケットを連通する複数の連通路と、上部ウォータジャケット２２と外部とを連通する冷却水出口２７とがシリンダヘッド２０の内部に形成される。そして、複数の連通路は、冷却水の流動方向において集合部２１２よりも上流側に位置し且つ集合部２１２に最も近接する第１の連通路２８と、各ウォータジャケットの下流側端部に位置し、その流路断面積が第１の連通路２８の流路断面積よりも小さい第２の連通路２５とを含んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気マニホールドを内部に形成したシリンダヘッドの冷却構造に関する。

近年、排気マニホールドを内部に形成したシリンダヘッドが実用化されている。特許文献１に記載のシリンダヘッドでは、排気マニホールドの上下に同排気マニホールドを覆う上部ウォータジャケット及び下部ウォータジャケットを設け、各ウォータジャケットを流れる冷却水によって排気マニホールドを冷却するようにしている。

特開２０１０‐２７５９１５号公報

ところで、排気マニホールドの温度は均一ではないため、こうした排気マニホールドをウォータジャケットによって一様に冷却すると、低温となる部位に冷却水が過度に供給されるため、高温となる部位では冷却が不十分となるおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気マニホールドが内部に形成されたシリンダヘッドにおいて、排気マニホールドの高温となる部位を効果的に冷却することが可能なシリンダヘッドの冷却構造を提供することにある。

上記課題を解決するためのシリンダヘッドの冷却構造では、各気筒の燃焼室にそれぞれ接続される複数の分岐部及びそれら分岐部が集合する集合部を有する排気マニホールドと、排気マニホールドの上下に位置し少なくとも集合部を含んで排気マニホールドをそれぞれ覆う上部ウォータジャケット及び下部ウォータジャケットと、下部ウォータジャケットの冷却水を上部ウォータジャケットに供給する複数の連通路と、上部ウォータジャケットと外部とを連通する冷却水出口とがシリンダヘッドの内部に形成され、各ウォータジャケットの冷却水が各気筒の配列方向に流動して冷却水出口から外部に導出される。そして、複数の連通路は、冷却水の流動方向において集合部よりも上流側に位置し且つ集合部に最も近接する第１の連通路と、各ウォータジャケットの下流側端部に位置する第２の連通路とを含み、その第２の連通路の流路断面積が第１の連通路の流路断面積よりも小さく設定されている。

排気マニホールドの集合部には、いずれかの分岐部から常に排気が流れ込むため、その排気の熱によって高温になりやすい。また通常、排気マニホールドはその下流側部分が上流側部分よりも下方に位置するように湾曲しているため、燃焼室から排気マニホールドに流れ込んだ排気は、その内壁のうち上方の部分に接触しやすい。したがって、排気マニホールドはその上部が下部と比較して高温になりやすい。すなわち、排気マニホールドにおいては集合部、特にその上部が高温になりやすい。

この点、上述した構成によれば、排気マニホールドのうちで特に高温になりやすい集合部の上部を効果的に冷却することができる。すなわち、上記構成では、下部ウォータジャケットに流入した冷却水は気筒配列方向に流動し、その一部が下部ウォータジャケットの下流側端部に設けられた第２の連通路に流入する。そして、冷却水はこの第２の連通路を通じて上部ウォータジャケットに流入し、同上部ウォータジャケットに設けられた冷却水出口から外部に導出される。ここで、この第２の連通路の流路断面積を第１の連通路の流路断面積よりも小さく設定している。そのため、そうでない場合と比較して、より多くの冷却水が第１の連通路を通じて下部ウォータジャケットから上部ウォータジャケットに供給されるようになる。その結果、上部ウォータジャケットにおいて集合部の上部を覆う部分の冷却水の流量を増大させることができ、集合部の上部を効果的に冷却することができるようになる。

また、上述したように排気マニホールドはその上部が下部と比較して高温になりやすい。このため、上部ウォータジャケットは下部ウォータジャケットよりも排気マニホールドを覆う面積が大きく設定されていることが好ましい。こうした構成によれば、高温となりやすい排気マニホールドの上部を効果的に冷却することができる一方、排気マニホールドの下部が過度に冷却されることを抑制することができる。

また、上記シリンダヘッドの冷却構造においては、第１の連通路及び第２の連通路に加えて、冷却水の流動方向において集合部よりも下流側に位置し且つ第１の連通路とによって集合部を挟む第３の連通路を設けることが好ましい。

こうした構成によれば、第１の連通路及び第３の連通路を通じて集合部の両側部を覆う部分に冷却水が供給されるようになるため、集合部の上部のみならず、その側部についても効果的に冷却することができるようになる。

また、上記第２の連通路は、上部ウォータジャケットに開口する下流側開口部の流路方向が冷却水出口側に指向していることが好ましい。
こうした構成によれば、第２の連通路から上部ウォータジャケットに流入した冷却水が冷却水出口に向けて流れるようになるため、上部ウォータジャケットの内部に冷却水出口側に向かう冷却水の流れを生じさせ、より多くの冷却水を冷却水出口から外部に導出することができる。その結果、各ウォータジャケットを流れる冷却水の量を増大させることができ、排気マニホールドを効果的に冷却することができるようになる。

シリンダヘッドの冷却構造の一実施形態の概略構成を示す断面図。 同実施形態の下部ウォータジャケットの構造を示す断面図。 同実施形態の上部ウォータジャケットの構造を示す断面図。 図３の４―４線における断面図。 図３の５―５線における断面図。 図３の６―６線における断面図。

以下、シリンダヘッドの冷却構造を具体化した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関のシリンダブロック１０には、その上方にシリンダヘッド２０が設けられている。シリンダヘッド２０には、燃焼室３０に連通する排気マニホールド２１が形成されている。排気マニホールド２１は、燃焼室３０側の排気上流側部分よりも、排気下流側部分が下方に位置するように湾曲した形状を有している。シリンダヘッド２０において、排気マニホールド２１の上方には上部ウォータジャケット２２が設けられ、排気マニホールド２１の下方には下部ウォータジャケット２３が設けられている。下部ウォータジャケット２３には、シリンダブロック１０に形成された冷却水通路１１が連通している。

次に、図２〜図６を参照して、上部ウォータジャケット２２及び下部ウォータジャケット２３の構成について説明する。
図２に示すように、排気マニホールド２１は、燃焼室３０に接続される複数の分岐部２１１とそれら分岐部２１１が集合する集合部２１２とを有している。下部ウォータジャケット２３は、排気マニホールド２１の集合部２１２を下方から覆うように形成され、気筒の配列方向（図の左右方向）に延びている。なお、下部ウォータジャケット２３が排気マニホールド２１を覆う面積は、同排気マニホールド２１の下方部分における表面積の４０％以下となるように設定されている。

また、下部ウォータジャケット２３には、気筒の配列方向の一端部にシリンダブロック１０から冷却水が供給される第１の流入部２４が形成されており、他端部に上部ウォータジャケット２２と連通する第２の連通路２５が設けられている。したがって、第１の流入部２４から下部ウォータジャケット２３に流入した冷却水は、気筒の配列方向へ流動し、第２の連通路２５を通じて上部ウォータジャケット２２に供給される。

次に、図３を参照して、上部ウォータジャケット２２について説明する。
図３に示すように、上部ウォータジャケット２２は、気筒の配列方向（同図の左右方向）に延び、排気マニホールド２１の集合部２１２を含む略全体を上方から覆うように形成されている。なお、上部ウォータジャケット２２が排気マニホールド２１を覆う面積は、同排気マニホールド２１の上方部分における表面積の７０％以上となるように設定されている。したがって、上部ウォータジャケット２２は、下部ウォータジャケット２３よりも排気マニホールド２１を覆う面積が大きく設定されている。

また、上部ウォータジャケット２２には、気筒の配列方向の一端部にシリンダブロック１０の冷却水通路１１から冷却水が供給される第２の流入部２６が形成されており、他端部に下部ウォータジャケット２３から冷却水を供給する第２の連通路２５が接続されている。また、他端部には更に、上部ウォータジャケット２２と外部とを連通する冷却水出口２７が設けられている。そのため、第２の流入部２６及び第２の連通路２５から上部ウォータジャケット２２に供給された冷却水は、冷却水出口２７に向かって流動し、同冷却水出口２７から外部に設けられたラジエータ等へ導出される。

このように、各ウォータジャケット２２，２３において、第１の流入部２４又は第２の流入部２６が設けられた一端部が冷却水の流動方向における上流側端部となり、第２の連通路２５が設けられた他端部が同方向における下流側端部となる。

なお、図４に示すように、上部ウォータジャケット２２の第２の流入部２６は、下部ウォータジャケット２３の第１の流入部２４と連通しており、第１の流入部２４は、シリンダブロック１０の冷却水通路１１と連通している。そのため、冷却水通路１１内の冷却水は、各流入部２４，２６を通じて各ウォータジャケット２２，２３へ供給される。

一方、図２及び３に示すように、各ウォータジャケット２２，２３には、下部ウォータジャケット２３の冷却水を上部ウォータジャケット２２に供給する連通路として、第２の連通路２５の他に、第１の連通路２８と第３の連通路２９とが設けられている。第１の連通路２８は、冷却水の流動方向において集合部２１２よりも上流側であって、集合部２１２に最も近接した位置に設けられている。また、第３の連通路２９は、冷却水の流動方向において集合部２１２よりも下流側であって、集合部２１２までの距離が第１の連通路２８とほぼ等しい位置に設けられている。

図５は、図３の５−５線における断面図である。
図５に示すように、第１の連通路２８は、集合部２１２よりも上流側の部分で各ウォータジャケット２２，２３を連通し、第３の連通路２９は、集合部２１２よりも下流側の部分で各ウォータジャケット２２，２３を連通している。すなわち、第１の連通路２８と第３の連通路２９とによって集合部２１２が挟まれている。したがって、上部ウォータジャケット２２、第１の連通路２８、及び第３連通路は、集合部２１２の上部と両側部とを囲むように設けられている。

次に、図６を参照して、第２の連通路２５について説明する。なお、図６は、図３の６−６線における断面図である。
図６に示すように、第２の連通路２５は、下部ウォータジャケット２３に開口する上流側開口部２５１と、上部ウォータジャケット２２に開口する下流側開口部２５２とを有している。そして、上流側開口部２５１よりも下流側開口部２５２が冷却水出口２７側に位置するように鉛直方向（図の上下方向）に対してその全体が傾いた形状となっている。すなわち、下流側開口部２５２の冷却水の流路方向が、冷却水出口２７側に指向している。また、第２の連通路２５は、その流路断面積Ｓ２が第１の連通路２８の流路断面積Ｓ１よりも小さく設定されている。

次に、こうした構成を備えるシリンダヘッド２０の冷却構造の作用について説明する。
排気マニホールド２１の集合部２１２には、いずれかの分岐部２１１から常に排気が流れ込むため、その排気の熱によって高温になりやすい。また、排気マニホールド２１はその下流側部分が上流側部分よりも下方に位置するように湾曲しているため、燃焼室３０から排気マニホールド２１に流れ込んだ排気は、その内壁のうち上方の部分に接触しやすい。したがって、排気マニホールド２１はその上部が下部と比較して高温になりやすい。すなわち、排気マニホールド２１においては集合部２１２、特にその上部が高温になりやすい。

図２の矢印で示すように、本実施形態では、シリンダブロック１０から第１の流入部２４を通じて下部ウォータジャケット２３に供給された冷却水は、第２の連通路２５に向けて流動する途中で、その一部が第１の連通路２８及び第３の連通路２９から上部ウォータジャケット２２に供給される。ここで、第２の連通路２５の流路断面積Ｓ２が第１の連通路２８の流路断面積Ｓ１よりも小さく設定されているため、そうでない場合と比較して、より多くの冷却水が第１の連通路２８を通じて上部ウォータジャケット２２に供給されることとなる。そのため、上部ウォータジャケット２２において集合部２１２の上部を覆う部分の冷却水の流量が増大する。

また、上述したように排気マニホールド２１はその上部が下部と比較して高温になりやすい。この点、本実施形態では、上部ウォータジャケット２２は、下部ウォータジャケット２３よりも排気マニホールド２１を覆う面積が大きい。そのため、排気マニホールド２１の上部に流れる冷却水の量が下部ウォータジャケット２３に比して増大する。

また、排気マニホールド２１の集合部２１２を第１の連通路２８及び第３の連通路２９によって挟む構成としているため、第１の連通路２８及び第３の連通路２９を通じて集合部２１２の両側部を覆う部分に冷却水が供給される。

そして、第２の連通路２５を、上部ウォータジャケット２２に開口する下流側開口部２５２の流路方向が冷却水出口２７側に指向しているため、第２の連通路２５から上部ウォータジャケット２２に流入した冷却水が冷却水出口２７に向けて流動する。これにより、上部ウォータジャケット２２の内部に冷却水出口２７側に向かう冷却水の流れが生じ、より多くの冷却水が冷却水出口２７から外部に導出される。そのため、各ウォータジャケット２２，２３を流れる冷却水の量が増大する。

以上説明した一実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、上部ウォータジャケット２２において集合部２１２の上部を覆う部分の冷却水の流量を増大させることができ、集合部２１２の上部を効果的に冷却することができるようになる。

（２）本実施形態では、高温となりやすい排気マニホールド２１の上部を効果的に冷却することができる一方、排気マニホールド２１の下部が過度に冷却されることを抑制することができる。

（３）本実施形態では、第１の連通路２８及び第３の連通路２９を通じて集合部２１２の両側部を覆う部分に冷却水が供給されるようになるため、集合部２１２の上部のみならず、その側部についても効果的に冷却することができるようになる。

（４）本実施形態では、各ウォータジャケット２２，２３を流れる冷却水の量を増大させることができ、排気マニホールド２１を効果的に冷却することができるようになる。
なお、上記一実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・上記実施形態では、下部ウォータジャケット２３が排気マニホールド２１を覆う面積を、同排気マニホールド２１の下方部分における表面積の４０％以下となるように設定した。また、上部ウォータジャケット２２が排気マニホールド２１を覆う面積を、同排気マニホールド２１の上方部分における表面積の７０％以上となるように設定した。しかしながら、これらの設定条件は、排気マニホールド２１の過熱度合い等、種々の条件に応じて適宜変更してもよい。

・上記各実施形態では、第３の連通路２９を、冷却水の流動方向において集合部２１２よりも下流側であって、集合部２１２までの距離が第１の連通路２８とほぼ等しい位置に設けるようにしたが、集合部２１２の側部を冷却することができるのであれば、集合部２１２までの距離を適宜変更してもよい。

・上記各実施形態では、第２の連通路２５の上流側開口部２５１と比べて下流側開口部２５２ほど冷却水出口２７側に位置するように、第２の連通路２５を鉛直方向に対して全体を傾けて設けたが、下流側開口部２５２のみを傾けたり、下流側開口部２５２の内部に別部材を取り付けたりして流路方向を冷却水出口２７側に指向させるようにしてもよい。要は、上部ウォータジャケット２２に開口する下流側開口部２５２の流路方向が冷却水出口２７側に指向されるようにすればよい。

・上記各実施形態において、第１の連通路２８、第３の連通路２９、及び第２の流入部２６のうち少なくとも１つにおいて、上部ウォータジャケット２２に開口する部分の流路方向を冷却水出口２７側に指向させるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、第２の連通路２５において上部ウォータジャケット２２に開口する下流側開口部２５２の流路方向を冷却水出口２７側に指向するようにしたが、こうした構成を省略してもよい。こうした構成であっても、上述した（１）〜（３）に記載の効果を奏することはできる。

・上記各実施形態において、第３の連通路２９を省略してもよい。こうした構成であっても、上述した（１），（２），（４）に記載の効果を奏することはできる。
・上記各実施形態において、排気マニホールド２１の上部の温度が下部の温度と比較してそれほど高くならないのであれば、排気マニホールド２１を覆う面積を上部ウォータジャケット２２と下部ウォータジャケット２３とでほぼ等しくなるようにしてもよい。こうした構成であっても、上述した（１），（３），（４）に記載の効果を奏することはできる。

１０…シリンダブロック、１１…冷却水通路、２０…シリンダヘッド、２１…排気マニホールド、２２…上部ウォータジャケット、２３…下部ウォータジャケット、２４…第１の流入部、２５…第２の連通路、２６…第２の流入部、２７…冷却水出口、２８…第１の連通路、２９…第３の連通路、３０…燃焼室、２１１…分岐部、２１２…集合部、２５１…上流側開口部、２５２…下流側開口部。

Claims (4)

1. 各気筒の燃焼室にそれぞれ接続される複数の分岐部及びそれら分岐部が集合する集合部を有する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの上下に位置し少なくとも前記集合部を含んで前記排気マニホールドをそれぞれ覆う上部ウォータジャケット及び下部ウォータジャケットと、前記下部ウォータジャケットの冷却水を前記上部ウォータジャケットに供給する複数の連通路と、前記上部ウォータジャケットと外部とを連通する冷却水出口とがシリンダヘッドの内部に形成され、前記各ウォータジャケットの冷却水を前記各気筒の配列方向にそれぞれ流動させて前記冷却水出口から外部に導出するシリンダヘッドの冷却構造であって、
   前記複数の連通路は、冷却水の流動方向において前記集合部よりも上流側に位置し且つ前記集合部に最も近接する第１の連通路と、前記各ウォータジャケットの下流側端部に位置する第２の連通路とを含み、
   前記第２の連通路の流路断面積が前記第１の連通路の流路断面積よりも小さく設定されてなる
   シリンダヘッドの冷却構造。
2. 前記上部ウォータジャケットは前記下部ウォータジャケットよりも前記排気マニホールドを覆う面積が大きく設定されてなる
   請求項１に記載のシリンダヘッドの冷却構造。
3. 前記複数の連通路は、冷却水の流動方向において前記集合部よりも下流側に位置し且つ前記第１の連通路とによって前記集合部を挟む第３の連通路を含む
   請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの冷却構造。
4. 前記第２の連通路は、前記上部ウォータジャケットに開口する下流側開口部の流路方向が前記冷却水出口側に指向する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの冷却構造。