JP2014145280A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッド内に形成される排気集合部を形成すべくシリンダブロックとの接合面から膨出する壁の変形を抑制してシリンダヘッドとその排気下流側部材とのシール性を維持できる内燃機関のシリンダヘッドを提供する。
【解決手段】排気集合部１７が内部に形成された内燃機関（１）のシリンダヘッド４において、排気集合部１７の排気出口１８が、シリンダヘッド４の一側面において突出する排気出口管状部４２により画定され、シリンダヘッド４の排気出口管状部４２およびその近傍が、シリンダブロック３に対してオーバーハングする膨出部４１をなし、当該膨出部４１の下面に、シリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブ４７を形成する
【選択図】図５

Description

本発明は、その内部に排気集合部が形成された内燃機関のシリンダヘッドに関する。

多気筒エンジンにおいては、シリンダヘッドの内部に複数の吸気ポートおよび排気ポートを形成し、シリンダヘッドの吸気側側面および排気側側面に対し、吸気を分配する吸気マニホールドおよび排気を合流させる排気マニホールドをそれぞれ接合する形態が一般的である。近年では、シリンダヘッドの内部に排気を合流させる排気集合部をも形成し、シリンダヘッドの排気側側面に単一の排気管を接合する形態のものも知られている。

排気集合部がシリンダヘッド内に形成された多気筒エンジンは、排気マニホールドを別体で設ける必要がないため、エンジン全体を小型化できるほか、排ガスの放熱量を抑制でき、暖機時に排ガス浄化装置の温度を早期に高めて触媒を活性化することができる。また、燃焼室から排気集合部の出口までの距離を短くできるため、排ガスを利用する過給機（ターボチャージャ）を設ける場合に過給機の応答性を向上させることもできる。その一方、過度な温度上昇による触媒の熱劣化および内燃機関本体や排気管への熱害を防止するために排ガスを適正に冷却する必要もある。

シリンダヘッド内に形成された排気集合部の周辺を効果的に冷却する構造としては、例えば、排気集合部を上方および下方から覆うようにシリンダヘッド内にウォータージャケットを形成した発明が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−３０９１５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、排気集合部を形成する壁、より詳細にはウォータージャケットを画定し且つシリンダヘッドの外郭をなす肉壁が、シリンダブロックとの接合面から膨出しており、排気集合部の直下流に過給機や排ガス浄化装置触媒が設けられると過給機や排ガス浄化装置が高温になることも相俟って、熱負荷が高くなり過ぎて膨出部分の壁が変形し、シリンダヘッドとその下流側部材とのシール性が低下する。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題に鑑みて案出されたものであり、シリンダヘッド内に形成される排気集合部を形成する壁がシリンダブロックとの接合面から膨出していても、この膨出する壁の変形を抑制してシリンダヘッドとその排気下流側部材とのシール性を維持することができる内燃機関のシリンダヘッドを提供することをその主な目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、複数のシリンダボア（２）を一列に形成するシリンダブロック（３）の上面に配置され、前記シリンダボア内を摺動するピストン（５）の頂面との間に燃焼室（６）を形成し、ヘッド内ウォータージャケット（５０）を備えた内燃機関（１）のシリンダヘッド（４）であって、前記シリンダヘッド内には、上流端が前記燃焼室に開口する複数の排気ポート（１６）と、前記複数の排気ポートを合流させ、前記シリンダヘッドの一側面（４ｄ）における長手方向の中間位置に排気出口（１８）を開口させる排気集合部（１７）とが形成され、前記排気集合部の前記排気出口が、前記シリンダヘッドの一側面において突出する排気出口管状部（４２）により画定され、前記シリンダヘッドの排気出口管状部およびその近傍が、前記シリンダブロックに対してオーバーハングする膨出部（４１）をなし、当該膨出部の下面に、前記シリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブ（４７）が形成されている構成とする。

この構成によれば、排気集合部を形成する壁がシリンダブロックに対してオーバーハングする膨出部をなしていても、この膨出部の変形を抑制することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記排気出口管状部の先端には、前記排気集合部の下流側に設けられる過給機（１９）を直接または接続管を介して締結するための締結ボス（４３）が形成され、前記リブが、前記シリンダブロックとの接合面（４ａ）の周縁から前記締結ボスに至るように形成されている構成とすることができる。

このように排気集合部の下流側に過給機が設けられると、高温になった過給機の熱が膨出部に伝達することに加え、過給機の荷重が膨出部に加わることにより、膨出部が変形しやすくなるが、この構成によれば、リブと同様に機能する締結ボスを利用して膨出部全体についてその変形を抑制することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記排気出口管状部の下面には、互いに離間する２つの締結ボス（４３）が膨出するように形成され、前記リブが、各締結ボスから前記シリンダブロックとの接合面に向けて開くハ字形をなすように少なくとも２本形成されている構成とすることができる。

膨出部には過給機の荷重による鉛直方向の力に加えてエンジンの振動や走行時の振動による横方向の力も加わるが、この構成によれば、シリンダ列に対して近接離反する方向だけでなく横方向についても膨出部の変形を抑制することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記排気出口管状部の下面には、互いに離間する２つの締結ボス（４３）が膨出するように形成され、前記リブが、各締結ボスから前記シリンダブロックとの接合面に向けて交差するように少なくとも２本形成されている構成とすることができる。

この構成によれば、シリンダ列に対して近接離反する方向だけでなく横方向についても膨出部の変形を抑制することができる。

このように本発明によれば、シリンダヘッド内に形成される排気集合部を形成する壁がシリンダブロックとの接合面から膨出していても、この膨出する壁の変形を抑制できる内燃機関のシリンダヘッドを提供することができる。

第１実施形態に係るエンジンの正面図 図１中のII−II線に沿って示す内燃機関の断面図 図２中の要部拡大図 図１に示すシリンダヘッドの斜視図 図１に示すシリンダヘッドの正面図 図１に示すシリンダヘッドの底面図 図５中のVII−VII断面におけるエンジンの拡大断面図 図５中のVIII−VIII断面におけるエンジンの拡大断面図 第１実施形態に係る中子の斜視図 図９に示す第１および第２ウォータージャケット中子を下方から見た分解斜視図 図９に示す中子の正面図 図１に示すエンジンにおける冷却水流れの説明図 図９に示す下側排気ウォータージャケットの冷却水流れの説明図 図９に示す上側排気ウォータージャケットの冷却水流れの説明図 図１２に示すヘッド内ウォータージャケットおよび比較例の各部の圧力損失を示すグラフ 図１２に示すヘッド内ウォータージャケットおよび比較例の流量を示すグラフ 変形例に係るシリンダヘッドの底面図 第２実施形態に係るシリンダヘッドの底面図 第２実施形態に係る冷却水流れの説明図 比較例に係る内燃機関の正面図 図２０中のXXI−XXI線に沿って示す比較例に係る内燃機関の断面図 図２０に示す比較例に係るシリンダヘッドの中子の正面図

以下、図面を参照して、本発明を自動車用内燃機関（以下、単にエンジン１と記す。）に適用した実施の形態について詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１および図２に示すように、エンジン１は、ＤＯＨＣ４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンであり、４つのシリンダボア２を一列に形成するシリンダブロック３と、シリンダボア２に直交するシリンダブロック３の上面に接合された箱形のシリンダヘッド４とを備えている。シリンダブロック３およびシリンダヘッド４は、アルミニウム合金によりダイキャスト成形されている。

ここでは、シリンダボア２の軸線（以下、シリンダ軸線という。）を鉛直に配置した姿勢でエンジン１を示し、横置きされたエンジン１の排気側を前側として説明するが、エンジン１の搭載姿勢はこれに限られるものではない。以下では、便宜上この姿勢を基準にして図２中に矢印で示す上下前後方向に従って説明し、例えば、シリンダヘッド４におけるシリンダブロック３側を下側、その反対側を上側などと称して説明することがある。なお、図１中に矢印で示す左右方向は、エンジン１が搭載される自動車の進行方向を基準にしている。

各シリンダボア２にはピストン５が摺動可能に収容されており、シリンダヘッド４のシリンダブロック３との接合面４ａを含む底面（下半部の下向き面）とピストン５の頂面との間に燃焼室６が形成されている。なお、本実施形態では、シリンダヘッド４とシリンダブロック３との合わせ面は水平に延在しており、図示は省略するが、シリンダブロック３とシリンダヘッド４との間には合わせ面に適合する形状のガスケットが介装される。

シリンダブロック３の下面には上方から降下するオイルを受ける図示しないオイルパンが接合され、シリンダブロック３とオイルパンとによって図示しないクランクシャフトを収容するクランク室７が画定される。一方、シリンダヘッド４の上端面には図示しないシリンダヘッドカバーが接合され、シリンダヘッド４とシリンダヘッドカバーとによって動弁機構８を収容する動弁室９が画定される。つまり、シリンダヘッド４の底壁の上面は、動弁室９の底面９ａをなしている。

シリンダヘッド４には、各気筒につき２本の吸気バルブ１０および２本の排気バルブ１１が摺動自在に保持されている。動弁室９には、吸気カムシャフト（図示省略）、吸気ロッカアーム１２、排気カムシャフト１３および排気ロッカアーム１４などが設けられる。これらから構成される動弁機構８を介して、吸気バルブ１０および排気バルブ１１がクランクシャフトによって開閉駆動される。

シリンダヘッド４の内部には、気筒ごとに、吸気バルブ１０によって開閉される２つの吸気ポート１５、および排気バルブ１１によって開閉される２つの排気ポート１６が形成されている。各吸気ポート１５は、シリンダヘッド４の後面である吸気側側面４ｃに上流端を開口させ、燃焼室６に下流端を開口させている。一方、各排気ポート１６は、燃焼室６に上流端を開口させる一方、シリンダヘッド４内で合流している。すなわち、複数の排気ポート１６を合流させる排気集合部１７（図６参照）がシリンダヘッド４内に形成されている。排気集合部１７は、図４および図５に示すように、シリンダヘッド４の前面である排気側側面４ｄにおける長手方向の中間位置に、下流端である１つの排気出口１８を開口させている。

図１および図２に示すように、シリンダヘッド４の排気側側面４ｄには、排気出口１８の下流側に設けられる過給機１９（ターボチャージャ）がボルト２０によって直接取り付けられている。過給機１９は、左右方向に水平に延在するロータシャフト２１を収容するセンタハウジング２２により互いに連結されたタービン２３およびコンプレッサ２４を備えている。

タービン２３は、ロータシャフト２１の右端に設けられた図示しないタービンロータを収容するタービンハウジング２５と、タービンハウジング２５の後面から後方に延出し、先端に排気導入口を画定する入口側フランジ２６ａが設けられた排気導入管２６と、タービンハウジング２５の右側面に形成されて排気導出口２７ａを画定する出口側フランジ２７とを有している。

コンプレッサ２４は、ロータシャフト２１の左端に設けられた図示しないコンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジング２８と、コンプレッサハウジング２８の左側面に形成されて吸気導入口を画定する入口側フランジ２９と、コンプレッサハウジング２８の下面から下方に延出し、先端に吸気導出口を画定する出口側フランジ３０ａが設けられた吸気排出管３０とを有している。

タービン２３は、シリンダヘッド４におけるシリンダ列方向の中間位置（本実施形態では、４つのシリンダボア２の中央）に配置されている。一方、コンプレッサ２４は、シリンダヘッド４における左側の位置に配置されている。タービン２３の排気導出口２７ａの中心は、ロータシャフト２１よりも上方に位置しており、ロータシャフト２１の軸線は、シリンダヘッド４のシリンダブロック３との合わせ面と略同じ高さに位置している。したがって、タービン２３の排気導出口２７ａの中心は、シリンダヘッド４の接合面４ａよりも上方に位置している。これにより、エンジン１の前方には、タービン２３の排気導出口２７ａよりも下方に大きなスペースが確保されている。

このスペースには、タービン２３の下流側に設けられる排気浄化装置３１が配置される。排気浄化装置３１は、排気流路に沿う軸線が下方に向かって左側に傾斜するように設けられた三元触媒３２（キャタライザ）と、三元触媒３２の右方に傾斜する上面から右方に傾斜しながら上方に延出した後に湾曲して左方に向かって略水平に延在し、先端に排気導入口を画定する入口側フランジ３３ａが設けられた排気導入管３３と、三元触媒３２の下面から下方に延出する排気導出管３４とを有している。排気浄化装置３１は、入口側フランジ３３ａがタービン２３の出口側フランジ２７に締結されることで、上記した姿勢でシリンダブロック３の前方に配置される。

図１に示すように、シリンダブロック３の前面（シリンダヘッド４の排気側側面４ｄ側の面）における右上寄りの位置には、シリンダブロック３内に形成されたブロック内ウォータージャケット７０（図２）の冷却水流入口７０ａが形成されている。

図６に示すように、排気集合部１７は、各燃焼室６に開口する２本の排気ポート１６をそれぞれ合流させる４つの第１集合部１７ａと、右側２つの第１集合部１７ａおよび左側２つの第１集合部１７ａをそれぞれ合流させる２つの上流側第２集合部１７ｂと、２つの上流側第２集合部１７ｂを合流させ、出口側が概ね一定断面を有する下流側第２集合部１７ｃとから構成されており、平面視において、燃焼室６から離れるにつれて先細の外形輪郭を有している。そして、下流側第２集合部１７ｃの下流端が排気出口１８となっている。このように排気集合部１７が燃焼室６から離れるにつれて先細の外形輪郭を有することにより、１つの燃焼室６から排出された排気が他の燃焼室６に通じる排気ポート１６側に流入することが抑制され、排気抵抗が低減している。

第１集合部１７ａの大部分は、底面視（図４）においてシリンダヘッド４の接合面４ａに対応する位置に形成されている。上流側第２集合部１７ｂおよび下流側第２集合部１７ｃは、シリンダヘッド４の接合面４ａよりも前方の位置に形成されている。つまり、シリンダヘッド４の前壁は、シリンダブロック３に対して前方にオーバーハングしている。

シリンダヘッド４の前壁のうち、第１集合部１７ａおよび上流側第２集合部１７ｂを画定する部分は、左右方向の端部から中央に向かうにしたがって前方への突出量が大きくなる楕円弧形状を呈している。一方、シリンダヘッド４の前壁のうち、下流側第２集合部１７ｃを画定する部分は、上流側第２集合部１７ｂを画定する部分に対して（排気側側面４ｄにおいて）前方に突出する管状を呈している。以下、シリンダブロック３に対してオーバーハングする、第１集合部１７ａ、上流側第２集合部１７ｂおよび下流側第２集合部１７ｃを画定する部分を膨出部４１と称し、膨出部４１のうちの下流側第２集合部１７ｃを画定する部分を排気出口管状部４２と称するものとする。

シリンダヘッド４の接合面４ａには、シリンダヘッド４をシリンダブロック３に締結する際に用いる図示しないボルトを挿通させるボルト挿通孔４ｅが、互いに隣接する燃焼室６の間および最も外側に配置された燃焼室６の外側近傍の前後に合計１０箇所で開口している。また、シリンダヘッド４の接合面４ａには、詳細を後述するヘッド内ウォータージャケット５０（図２）の冷却水流入口５０ａが、４つのシリンダボア２（燃焼室６）を取り囲むようにそれらの全周にわたって概ね均等間隔に（周長に対する冷却水流入口５０ａの面積割合が概ね均等に）複数形成されている。

図３〜図５に示すように、排気出口管状部４２は、燃焼室６から離れるにつれて上向きに傾斜しており、その先端面が過給機１９を接続するための取付面４２ａをなしている。この取付面４２ａは、シリンダ軸線に比べて（前方を向く鉛直面に比べて）上方に傾斜している。

排気出口管状部４２がこのように構成されたことにより、図２に示すように、燃焼室６から過給機１９までの距離を長くすることなく、つまり排気出口管状部４２を長くしてシリンダヘッド４を大型化することなく、排気出口１８に接続される過給機１９やその下流側に設けられる排気浄化装置３１をシリンダヘッド４およびシリンダブロック３から離間させることができる。そのため、過給機１９および排気浄化装置３１が高温になったときに、滞留する熱気によりシリンダヘッド４が高温になることが防止される。

つまり、図２０および図２１の比較例に示すように、排気出口管状部４２をシリンダ軸線方向に直角に前方に延出させると、過給機１９をシリンダヘッド４やシリンダブロック３から離間させるためには排気出口管状部４２を長くしなければならず、このようにすると、シリンダヘッド４が大型化するとともに、燃焼室６から過給機１９までの排気通路の距離が長くなって過給機１９の応答性能が低下してしまう。

これに対し、図２に示す本発明のように、排気出口管状部４２を上向きに傾斜させると、シリンダヘッド４を大型化することなく過給機１９をシリンダヘッド４から離間させることが可能になる。また、排気出口管状部４２を上向きに傾斜させることにより、図２１の比較例に比べ、過給機１９をより高い位置に配置することができるため、過給機１９の下流側に設けられる排気浄化装置３１（図１）の容量を大きくすることができる。

すなわち、図１および図２に示すように、タービン２３の排気導出口２７ａに接続される排気浄化装置３１は、排気導入管３３で排気通路を下方に湾曲させた後に三元触媒３２を傾斜配置することで三元触媒３２の容量を確保している。一方、図２０および図２１に示す比較例のように過給機１９を配置すると、タービン２３の排気導出口２７ａが低い位置になるため、同じスペースで同一容量の三元触媒３２を配置するためには、三元触媒３２の傾斜角度を大きくしなければならず、補機のレイアウト自由度が低下するうえ、排気導入管３３の湾曲角度が大きくなって排気の流れが阻害される。言い換えれば、補機のレイアウト自由度を確保し且つ排気の流れを良くするためには三元触媒３２の容量を小さくせざるを得ないが、排気出口管状部４２を上向きに傾斜させることにより、排気導入管３３の湾曲角度を小さくして排気流を触媒に均等に流すことが可能となり、排気浄化性能を向上させて触媒の局部劣化を抑制することが可能となるうえ、排気浄化装置３１の容量を大きくすることが可能になる。

図３〜図５に戻り、排気出口管状部４２の先端には、過給機１９を締結するための締結ボス４３が排気出口１８を取り囲むように形成されている。締結ボス４３は、排気出口１８よりも上方で排気出口１８から左右にオフセットした位置に２つ、および排気出口１８よりも下方で排気出口１８から左右にオフセットした位置に２つの合計４つ形成されている。

図２および図３に示すように、シリンダヘッド４の内部には、シリンダヘッド４を冷却するためのヘッド内ウォータージャケット５０が形成されている。ヘッド内ウォータージャケット５０は、排気集合部１７の下方に設けられた排気下側ウォータージャケット５３や、排気集合部１７の上方に設けられた排気上側ウォータージャケット５４などを含んでいる。

次に、過給機１９の取付構造について詳細に説明する。図２および図３に示すように、上側の２つの締結ボス４３は、動弁室９と排気上側ウォータージャケット５４とを区画する壁４６に一体に形成されている。ただし、この壁４６は軽量化やコンパクト化のために締結ボス４３よりも薄く形成されており、上側の締結ボス４３は排気上側ウォータージャケット５４および動弁室９に膨出している。

このように上側の締結ボス４３が動弁室９と前記排気上側ウォータージャケット５４との間、特に排気上側ウォータージャケット５４に膨出するように形成されることにより、上側の締結ボス４３が冷却水によって効果的に冷却されるため、排気出口１８周辺の熱害によるシール性の低下が防止される。また、上側の締結ボス４３が動弁室９に膨出するように形成されていることにより、過給機１９を高い位置に配置しつつ、シリンダヘッド４を大型化することなく、上側の締結ボス４３と動弁機構８との干渉を抑制することが可能になっている。

一方、下側の２つの締結ボス４３は、図６および図７にも示すように、排気出口管状部４２の下壁４２ｂの先端に形成されている。ただし、この下壁４２ｂも軽量化やコンパクト化のために締結ボス４３よりも薄く形成されており、下側の締結ボス４３は排気出口管状部４２の下面から膨出している。締結ボス４３は、過給機１９の取付面４２ａに対して垂直な方向に延在している。したがって、底面視（図６）においては、下側の締結ボス４３は、前後方向に延在しており、その後端が排気出口管状部４２の下壁４２ｂにおける前後方向の中間部に位置している。つまり、締結ボス４３は、膨出部４１の先端側のみに延在しており、膨出部４１のうちのシリンダブロック３に対してオーバーハングする膨出部４１の基端側（上流側第２集合部１７ｂを画定する部分）には延在していない。

ところで、膨出部４１の下面には、図６に示すように、シリンダヘッド４のシリンダブロック３との接合面４ａの周縁からそれぞれ締結ボス４３に至るように２本のリブ４７が形成されている。これらのリブ４７は、シリンダ列に対して近接離反する方向である前後方向に延在しており、締結ボス４３からシリンダブロック３との接合面４ａに向けて開くハ字形をなしている。

上記したようにシリンダブロック３およびシリンダヘッド４の前方には過給機１９および排気浄化装置３１が設置されており、エンジン１の始動後にはこられが高温になる。そのため、シリンダブロック３に対してオーバーハングするシリンダヘッド４の膨出部４１は、過給機１９および排気浄化装置３１から熱伝導、放射および対流によって熱が伝達しやすく、特に下面が高温になりやすい。そして膨出部４１の下面が高温になると、剛性低下に伴う変形によってシリンダヘッド４と過給機１９とのシール性が低下するが、本実施形態では膨出部４１の下面にシリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブ４７が形成されることにより、膨出部４１の変形が抑制されるようになっている。

また、過給機１９および排気浄化装置３１がシリンダヘッド４の膨出部４１に取り付けられているため、これらの荷重が膨出部４１に加わることにより、高温時に膨出部４１が変形しやすいが、このリブ４７がシリンダブロック３によって支持されるシリンダヘッド４の接合面４ａの周縁から下側の締結ボス４３に至るように形成されていることにより、締結ボス４３を利用した梁として機能するリブ４７が膨出部４１の剛性を効果的に高めるため、膨出部４１全体について変形が効果的に抑制されている。

さらに、膨出部４１の下面において排気出口管状部４２の左右端に形成された下側の締結ボス４３から延びる２本のリブ４７は、シリンダブロック３との接合面４ａに向けて開くハ字形をなしているため、シリンダ列に対して近接離反する方向だけでなく左右方向についても膨出部４１の変形を抑制している。

なお、変形例として、図１７に示すようにリブ４７を構成してもよい。この変形例では、互いに離間する下側の２つの締結ボス４３から延びる２本のリブ４７が、シリンダブロック３との接合面４ａに向けて交差するように形成され、２つの締結ボス４３よりも左右方向に広がった位置でシリンダブロック３との接合面４ａに接続している。リブ４７がこのように構成されることによっても、シリンダ列に対して近接離反する方向だけでなく、左右方向についても膨出部４１の変形が抑制される。

次に、排気通路およびヘッド内ウォータージャケット５０の中子６０を示す図９〜図１１を主に用いてヘッド内ウォータージャケット５０について説明する。なお、中子６０を示すこれらの図には、説明の便宜のため、空間である排気通路やウォータージャケットの符号および実体のある中子６０の符号を混在させて付している。

図９〜図１１に示すように、ヘッド内ウォータージャケット５０は、燃焼室６（図２）を上方から覆う主ウォータージャケット５１と、排気集合部１７（図６）の周囲を覆う排気側ウォータージャケット５２とを有している。また、排気側ウォータージャケット５２は、排気集合部１７を下方から覆う排気下側ウォータージャケット５３と、排気集合部１７を上方から覆う排気上側ウォータージャケット５４とを有している。

排気ポート１６（図６）および排気集合部１７は、シリンダヘッド４を鋳造する際に鋳型内に設置される排気管中子６１によって形成される。主ウォータージャケット５１および排気下側ウォータージャケット５３は、同じく第１ウォータージャケット中子６２によって形成される。つまり、主ウォータージャケット５１および排気下側ウォータージャケット５３は、互いに連通しており、且つ互いに隣接する燃焼室６間に形成された３つのボルト挿通孔４ｅ（図６）を避ける部分を除いて略全域にわたって互いに連通している。言い換えれば、排気下側ウォータージャケット５３は、燃焼室６のそれぞれに対応する位置で主ウォータージャケット５１と連通している。排気上側ウォータージャケット５４は、同じく第２ウォータージャケット中子６３によって形成される。これらの中子６０は、砂を薬品で固めた砂中子であり、幅木６４が鋳型に保持されることによって所定の位置に配置され、シリンダヘッド４の鋳造後に破砕・除去される。

幅木６４は、排気出口１８に対して右方のみにオフセットした位置に、しかも排気出口１８のすぐ脇ではなく排気出口１８から比較的離れた位置に３つ設けられている。図６を併せて参照しながら説明すると、最も右側に設けられる幅木６４は、最も右側の第１集合部１７ａの上流端（２本の排気ポート１６が合流する排気ポート１６の下流端）に前後方向について対応する位置から右方に向かって延びている。他の２本の幅木６４は、最も右側の燃焼室６に接続する２本の排気ポート１６を合流させる第１集合部１７ａと左右方向において重なる（前後方向から見て重なる）位置から前方に向かって延びている。

各幅木６４は、円形断面の棒状を呈しており、第１ウォータージャケット中子６２および第２ウォータージャケット中子６３にそれぞれ一体形成された幅木ロア６４ａおよび幅木アッパ６４ｂを重ね合わせて構成されている。幅木ロア６４ａは、排気下側ウォータージャケット５３の前端縁で立ち上がる延出通路５３ｄの上端に接続している。一方、幅木アッパ６４ｂは、排気上側ウォータージャケット５４の前縁５４ｆに接続している。ダイキャスト成形したシリンダヘッド４の壁には幅木６４が貫通孔４ｆ（図８参照）となって現れるが、排気下側ウォータージャケット５３と排気上側ウォータージャケット５４との連通が保たれるようにこの貫通孔はプラグ４４（図１参照）により塞がれる。

つまり、排気下側ウォータージャケット５３と排気上側ウォータージャケット５４とは、幅木６４により形成された空間からなる上下間連通路５５によって互いに連通しており、この上下間連通路５５が、排気下側ウォータージャケット５３の冷却水出口かつ排気上側ウォータージャケット５４の冷却水入口となっている。なお、ヘッド内ウォータージャケット５０の冷却水流出口５０ｂとなる排気上側ウォータージャケット５４の冷却水出口は、左端に形成されている。

このように、排気側ウォータージャケット５２成形用の幅木６４の跡を利用して上下間連通路５５を形成することにより、シリンダヘッド４の成形後に切削加工やそれに伴う壁の密閉作業などを行う必要がなく、作業工数の低減が図られている。

図１０および図１１に示すように、第１ウォータージャケット中子６２の下面には、ブロック内ウォータージャケット７０（図２）から流出した冷却水のヘッド内ウォータージャケット５０への冷却水流入口５０ａとなるブロック−ヘッド間連通路５６が、主ウォータージャケット５１を形成する部分から下方へ向けて突出している。

したがって、エンジン１における冷却水の概略的な流れは図１２に示すようになる。すなわち、冷却水流入口７０ａからブロック内ウォータージャケット７０に流入した冷却水は、シリンダボア２の周囲を流通した後、ブロック−ヘッド間連通路５６を通ってヘッド内ウォータージャケット５０の主ウォータージャケット５１に流入し、シリンダ列と直交する方向に燃焼室６を横断するように主ウォータージャケット５１内を流通して排気下側ウォータージャケット５３に流入する。その後、冷却水は、右側寄りに形成された上下間連通路５５を通って排気上側ウォータージャケット５４に流入し、排気上側ウォータージャケット５４内を右側から左側に向かって一方向に流れて冷却水流出口５０ｂからシリンダヘッド４外に流出する。

図９〜図１１に戻り、主ウォータージャケット５１は、燃焼室６の形状に沿って上方に膨出しながらシリンダ列方向に延在し、かつ吸気ポート１５（図２）や排気ポート１６（図２）、点火プラグ挿入孔などを迂回するように成形されている。主ウォータージャケット５１の下面には、ヘッド内ウォータージャケット５０の冷却水流入口５０ａをなすブロック−ヘッド間連通路５６が接続している。

排気下側ウォータージャケット５３は、平板状を呈して排気集合部１７を下方から覆う板状部分５３ｃに加え、板状部分５３ｃにおけるシリンダヘッド４の排気側側面４ｄ（前面）に沿って延びる排気側端縁において、排気上側ウォータージャケット５４に向けて上方へ延出するように形成された延出通路５３ｄを有している。この延出通路５３ｄは、図２およびその部分拡大図を示す図３に示すように、排気集合部１７を前方（シリンダヘッド４の排気側側面４ｄ側）から覆っている。

従来は、中子６０の数を少なくするために、図２２の比較例に示すように、主ウォータージャケット５１を含め、互いに連通する排気下側ウォータージャケット５３と排気上側ウォータージャケット５４とを１つの共通ウォータージャケット中子６５で形成していた。そのため、排気下側ウォータージャケット５３と排気上側ウォータージャケット５４とで排気管中子６１を上下から覆うように形成するためには、共通ウォータージャケット中子６５の排気出口１８側を全面的に開放させておき、そこから排気管中子６１を挿入する必要があるため、排気集合部１７を前方から覆うことはできなかった。

これに対し、本実施形態では、図９〜図１１に示すように、ヘッド内ウォータージャケット５０を形成するための中子を、排気下側ウォータージャケット５３を形成する第１ウォータージャケット中子６２と、排気上側ウォータージャケット５４を形成する第２ウォータージャケット中子６３との２つに分割しており、これにより、排気下側ウォータージャケット５３または排気上側ウォータージャケット５４に延出通路５３ｄを形成して排気集合部１７を前方から覆うことが可能になっている。

このように排気上側ウォータージャケット５４に向けて延出する延出通路５３ｄが排気下側ウォータージャケット５３の排気側端縁（前端縁）に形成されることにより、図２に示すように、過給機１９やその下流に設けられる排気浄化装置３１（図１）からの熱を受け易いシリンダヘッド４の排気側側面４ｄが冷却されるため、排気出口管状部４２が高温になることが防止される。

再び図９〜図１１に戻り、排気下側ウォータージャケット５３はさらに、板状部分５３ｃの排気側端縁（前端縁）における排気出口１８に対応する位置、すなわち左右方向の中間位置（本実施形態では中央）において、排気出口１８に向けて前方に延出するように形成された舌状部５３ｅを有している。舌状部５３ｅは、図７に示すように、排気出口管状部４２の下壁４２ｂ内に至っており、下流側第２集合部１７ｃの概ね一定断面を呈する出口側部分を下方から覆っている。なお、図３との比較を容易にするため、図７には、延出通路５３ｄを想像線で示している。

上記したように排気出口管状部４２を含む膨出部４１がシリンダブロック３に対してオーバーハングしていることにより、過給機１９および排気浄化装置３１が高温になったときに、排気出口管状部４２の下壁４２ｂも高温になりやすいが、このように排気出口管状部４２の下壁４２ｂ内に至る舌状部５３ｅが排気下側ウォータージャケット５３に形成されることにより、排気出口管状部４２の下壁４２ｂが冷却され、排気出口管状部４２の変形が防止される。

図９〜図１１に示すように、排気上側ウォータージャケット５４は、概ね平板状を呈している。排気上側ウォータージャケット５４の前縁５４ｆ（シリンダヘッド４の排気側の端縁）は、上下間連通路５５が形成された右側（上流側）においては、上流側第２集合部１７ｂ（図６参照）の楕円弧状の外形輪郭に沿った形状を呈し、上下間連通路５５が形成される位置においては楕円弧状の端縁から上下間連通路５５に沿ってさらに前方に突出している。一方、下流側となる左側においては、排気上側ウォータージャケット５４の前縁５４ｆは、最も前方に突出する排気出口１８に対応するシリンダ列方向の中央からシリンダ列方向に一直線に延びている。

つまり、排気上側ウォータージャケット５４の前縁５４ｆは、平面視において、その全長にわたって上流側第２集合部１７ｂ（図６）の外形輪郭よりも前方に突出しているが、シリンダ列方向の中央部から左方（下流側）に向かうにつれて前方への突出量が大きくなっている。言い換えれば、排気上側ウォータージャケット５４には、排気出口１８に対応する部位の直下流側に、平面視において排気集合部１７の外形輪郭から大きく突出する部分５４ｃが設けられている。

したがって、排気上側ウォータージャケット５４では、上流側（右側）からシリンダ列方向の中央部までは通路断面が次第に拡大し、シリンダ列方向の中央から下流側では、最も拡大した排気出口１８に対応する部位の通路断面（幅）と略同一の平面視矩形となっている。つまり、概ね平板状を呈する排気上側ウォータージャケット５４の通路断面積は、排気出口１８に対応する部位から冷却水流出口５０ｂにかけてほぼ一定となっている。なお、排気集合部１７の外形輪郭から大きく突出する部分５４ｃを画定するシリンダヘッド４の壁４５（図４および図５）は、上述した膨出部４１よりもさらに前方に膨出してシリンダ列方向に延在しているが、シリンダヘッド４の大型化は最小限に留められている。

このように構成されたヘッド内ウォータージャケット５０における冷却水の流れについて、図１３および図１４を参照しながら以下に詳細に説明する。

まず１３（Ａ）に示すように、主ウォータージャケット５１および排気下側ウォータージャケット５３では、ヘッド内ウォータージャケット５０の冷却水流入口５０ａが主ウォータージャケット５１に形成され、排気下側ウォータージャケット５３の冷却水出口をなす上下間連通路５５が、排気下側ウォータージャケット５３の前縁５３ｆの右側に形成されているため、冷却水は、図１３（Ａ）に白抜き矢印で示すように、主ウォータージャケット５１および排気下側ウォータージャケット５３を斜めに横断するように流れる。

一方、比較例を示す１３（Ｂ）のように、排気下側ウォータージャケット５３の冷却水出口をなす上下間連通路５５が、排気下側ウォータージャケット５３の前縁５３ｆにおいて、シリンダ列方向の中央に位置する排気出口１８を挟むように排気出口１８の近傍に形成されていると、左側２つのシリンダボア２に対応する冷却水流入口５０ａから流入した冷却水は、左側の上下間連通路５５に向かって流れ、右側２つのシリンダボア２に対応する冷却水流入口５０ａから流入した冷却水は、右側の上下間連通路５５に向かって流れる。そのため、シリンダ列方向の中央にある排気出口１８の周辺の高温になりやすい部分では冷却水が淀み、冷却効果が低かった。このような冷却効果の低い部分では、ボイリングが発生しやすいため、腐食が発生する虞もあった。

これに対し、本発明を示す図１３（Ａ）では、特に、最も左端のシリンダボア２に対応する冷却水流入口５０ａから流入した冷却水が、燃焼室６を横断して排気下側ウォータージャケット５３に流入した後、排気下側ウォータージャケット５３の前縁５３ｆに沿って流れるため、シリンダ列方向の中央にある排気出口１８の周辺で冷却水が淀むことがなく、高温になりやすいこの部分を効果的に冷却することができる。そのため、ボイリングの発生による腐食の虞もない。

また、上下間連通路５５が排気出口１８に対して右方の比較的離れた位置にオフセットして設けられることによっても、上下間連通路５５と排気出口１８に対応する部位との間で冷却水が淀むことが抑制され、排気出口１８の周辺が効果的に冷却される。

次に、排気上側ウォータージャケット５４における冷却水の流れについて図１４を参照して説明する。上記したように、冷却水は排気上側ウォータージャケット５４を、上下間連通路５５のある右側から冷却水流出口５０ｂのある左側に向かって流れる。そして、図１４（Ａ）に矢印で示すように、概ね板状をなす排気上側ウォータージャケット５４の幅は、排気出口１８が設けられるシリンダ列方向中央よりも右側の上流側では、上下間連通路５５から流入する冷却水の流量に応じて下流に向けて徐々に大きくなり、排気出口１８に対応する部位から下流側では一定になっている。そのため、冷却水の流速は、図中に矢印で示すように排気上側ウォータージャケット５４の全領域において概ね一定になる。

一方、比較例を示す図１４（Ｂ）のように、排気上側ウォータージャケット５４の幅が排気集合部１７の外形輪郭に沿って排気出口１８に対応する部位から下流側で徐々に小さくなっていると、通路が絞られる前縁５４ｆ側の冷却水の流速が遅くなる。したがって、高温になりやすい排気出口１８の周辺の冷却効果が低かった。

これに対して本実施形態では、図１４（Ａ）に示すように、ボルト挿通孔４ｅ（図６）などを避けるような形状とされた後側部分は別として、平板状とされた排気上側ウォータージャケット５４の前側部分では、冷却水が淀むことなく均一の速度で流れる。したがって、高温になりやすい排気上側ウォータージャケット５４の前縁５４ｆにおける排気出口１８の周辺を効果的に冷却することができる。

次に、上下間連通路５５について詳細に説明する。図９に示すように、上下間連通路５５は、排気上側ウォータージャケット５４の楕円弧状の前縁５４ｆにおいて前方に突出している。図８、図１０および図１１に示すように、排気下側ウォータージャケット５３においても同様に、上下間連通路５５は排気集合部１７の外形輪郭に沿って楕円弧状に形成された排気下側ウォータージャケット５３の延出通路５３ｄに対して排気側側面４ｄ側に膨出している。なお、上下間連通路５５は、シリンダ軸線方向における延出通路５３ｄの高さよりも小さな高さをもって延出通路５３ｄから膨出している。

このように、上下間連通路５５が延出通路５３ｄから排気側側面４ｄ側に膨出するように形成されたことにより、排気下側ウォータージャケット５３と上下間連通路５５との接続部で冷却水通路の断面積が急激に小さくならずに済むため、ヘッド内ウォータージャケット５０の圧力損失を低減することができる。また、延出通路５３ｄを利用して上下間連通路５５が形成されるため、上下間連通路５５の通路長を短くできるうえ、延出通路５３ｄの冷却水流量を確保してシリンダヘッド４の排気側側面４ｄを確実に冷却できる。

図１５は、本発明に係るヘッド内ウォータージャケット５０と、上下間連通路５５を延出通路５３ｄから膨出させない比較例とにおける、排気下側ウォータージャケット５３、上下間連通路５５、排気上側ウォータージャケット５４および冷却水流出口５０ｂの各部の圧力損失を比較して示している。図からわかるように、本発明のヘッド内ウォータージャケット５０では、排気下側ウォータージャケット５３および排気上側ウォータージャケット５４での圧力損失が比較例よりも大きくなるものの、上下間連通路５５での圧力損失が比較例よりも非常に小さくなっており、ウォータージャケット全体として圧力損失が小さくなる。

図１６は、本発明に係るヘッド内ウォータージャケット５０と、図１５に示した、上下間連通路５５を延出通路５３ｄから膨出させない比較例とについて、冷却水の流量と必要なポンプの吐出圧との相関を示している。図中、実線が本発明に係るヘッド内ウォータージャケット５０を示し、破線が比較例を示している。また、一点鎖線はポンプの出力特性を示している。なお、ポンプの回転速度は７８００回転毎分（ｒｐｍ）で一定にしている。図１６からわかるように、比較例では１２０Ｌ／ｍｉｎ程度だった冷却水流量が、本発明では１７０Ｌ／ｍｉｎ程度に増大している。

このように、ヘッド内ウォータージャケット５０全体の圧力損失を低減させることにより、ヘッド内ウォータージャケット５０を流通する冷却水の流量を増大させることができ、シリンダヘッド４の冷却効率を高めることができる。

≪第２実施形態≫
次に、図１８および図１９を参照して第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と共通する部材や部位などには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、図１８に示すように、ヘッド内ウォータージャケット５０の冷却水流入口５０ａが、燃焼室６の吸気側、すなわち主ウォータージャケット５１の吸気側により多く形成されている。つまり、冷却水流入口５０ａが、主ウォータージャケット５１の吸気側に偏って形成されている。なお、吸気側に偏って形成されているとは、吸気側に形成された冷却水流入口５０ａの面積が排気側に形成された冷却水流入口５０ａの面積よりも大きいことを企図するものである。これらの冷却水流入口５０ａは、シリンダ列方向に概ね均等間隔に配置されている。

冷却水流入口５０ａをこのように形成することにより、図１９に示すように、ブロック内ウォータージャケット７０の前側（排気側）に形成された冷却水流入口７０ａからブロック内ウォータージャケット７０に流入した冷却水の略全量（排気側にも冷却水流入口７０ａが形成されているため、全量ではない）が、シリンダボア２の周囲を流通して排気側に回った後、ブロック−ヘッド間連通路５６を通ってヘッド内ウォータージャケット５０の主ウォータージャケット５１に流入し、シリンダ列と直交する方向に燃焼室６を横断しながら燃焼室６を冷却して排気下側ウォータージャケット５３に流入する。その後の冷却水の流れは第１実施形態と同様である。

このように、複数のブロック−ヘッド間連通路５６が、主ウォータージャケット５１の吸気側に偏って形成されることにより、ヘッド内ウォータージャケット５０に流入する冷却水の多くが、排気下側ウォータージャケット５３に向けて主ウォータージャケット５１を横断するように流れるため、燃焼室６の周囲（シリンダブロック３の燃焼室６の周囲およびシリンダヘッド４の燃焼室６の上方部位）をより効果的に冷却することができる。なお、このような形態にする場合には、圧力損失を低減するために、第１実施形態よりも各冷却水流入口７０ａの面積を大きくするとよい。

また、ブロック内ウォータージャケット７０の冷却水流入口７０ａが排気側に形成され、ブロック−ヘッド間連通路５６が主ウォータージャケット５１の吸気側に偏って形成されることにより、冷却水流入口７０ａからブロック内ウォータージャケット７０に流入した冷却水の多くが、ブロック−ヘッド間連通路５６に向かってシリンダボア２の周囲を流通するため、シリンダボア２の周囲が効果的に冷却される。なお、ブロック−ヘッド間連通路５６が吸気側に偏って形成されていても、ブロック−ヘッド間連通路５６がシリンダ列方向に複数形成されているため、冷却水は主ウォータージャケット５１においてすべての燃焼室６を均等に冷却するように流れる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明を自動車用の４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンに適用しているが、他の用途に用いる異なる形式の内燃機関に適用してもよい。また上記実施形態では、排気出口１８が１つだけ形成されているが、互いに近接する２つの気筒ごとに２つの排気出口１８が形成されていてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るエンジン１の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択してもよい。

１ エンジン
２ シリンダボア
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
４ａ 接合面
４ｄ 排気側側面
５ ピストン
６ 燃焼室
１６ 排気ポート
１７ 排気集合部
１８ 排気出口
１９ 過給機
４１ 膨出部
４２ 排気出口管状部
４３ 締結ボス
４７ リブ
５０ ヘッド内ウォータージャケット

Claims (4)

1. 複数のシリンダボアを一列に形成するシリンダブロックの上面に配置され、前記シリンダボア内を摺動するピストンの頂面との間に燃焼室を形成し、ヘッド内ウォータージャケットを備えた内燃機関のシリンダヘッドであって、
   前記シリンダヘッド内には、上流端が前記燃焼室に開口する複数の排気ポートと、前記複数の排気ポートを合流させ、前記シリンダヘッドの一側面における長手方向の中間位置に排気出口を開口させる集合部とが形成され、
   前記集合部の前記排気出口が、前記シリンダヘッドの一側面において突出する排気出口管状部により画定され、
   前記シリンダヘッドの排気出口管状部およびその近傍が、前記シリンダブロックに対してオーバーハングする膨出部をなし、当該膨出部の下面に、前記シリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブが形成されていることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 前記排気出口管状部の先端には、前記排気集合部の下流側に設けられる過給機を直接または接続管を介して締結するための締結ボスが形成され、
   前記リブが、前記シリンダブロックとの接合面の周縁から前記締結ボスに至るように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記排気出口管状部の下面には、互いに離間する２つの締結ボスが膨出するように形成され、
   前記リブが、各締結ボスから前記シリンダブロックとの接合面に向けて開くハ字形をなすように少なくとも２本形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
4. 前記排気出口管状部の下面には、互いに離間する２つの締結ボスが膨出するように形成され、
   前記リブが、各締結ボスから前記シリンダブロックとの接合面に向けて交差するように少なくとも２本形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。

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