JP2015117631A - シリンダヘッド構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】多気筒エンジンのシリンダヘッド構造に関し、シリンダヘッドの排気側の側壁の放熱性を高める。
【解決手段】複数のシリンダに接続される複数の排気ポートが集合する排気集合部と、排気集合部に設けられるシリンダヘッド出口24と、シリンダヘッド出口24の周囲に形成され、排気管との締結面26aを有するフランジ部26と、シリンダヘッド出口24の複数のシリンダの列設方向の両側に位置する部位において、フランジ部26の厚みを他部よりも薄く形成してなる除肉部26cと、シリンダヘッド1の排気側側壁20に膨出形成され、除肉部26cから列設方向に向かって延設されたリブ27と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、シリンダヘッドの内部で複数の排気ポートが集合する多気筒エンジンのシリンダヘッド構造に関し、特に排気側側壁の放熱構造に関する。
近年、シリンダヘッドの内部に、複数の燃焼室からの排気を集合させる排気集合部を形成し、シリンダヘッドの排気側側壁に単一の排気管を接続した多気筒エンジンが開発されている。このように排気集合部がシリンダヘッド内に形成されている場合、排気マニホールドをシリンダヘッドの側壁に接続する従来の構造と比較して、エンジン全体を小型化することができるほか、排気の放熱量が抑制されるので触媒を早期に活性化させることができるなどの利点がある。
このようなシリンダヘッドには、燃焼室での温度上昇に加え、高温の排気が集合する排気集合部での温度上昇をも抑制するために、燃焼室と排気集合部とを共に冷却するためのウォータジャケットが形成される。例えば特許文献1に記載のシリンダヘッド構造には、シリンダ列に沿うように形成された燃焼室を冷却するためのウォータジャケットに加え、排気集合部の上面及び下面をそれぞれ覆うウォータジャケットが設けられている。さらに、上下のウォータジャケットは、排気ポートと干渉しない部分において相互に連通されている。これにより、高温になりやすいシリンダヘッドの排気側を効率的に冷却できるとされている。
特許第3569636号公報
しかしながら、上記の特許文献1のシリンダヘッド構造は、排気集合部がウォータジャケットを介さずにシリンダヘッドの排気側の側壁に直接臨んでいるため、排気側の側壁は冷却されにくい。特に、上下のウォータジャケットに挟まれた領域は、ウォータジャケットから離れているため十分に水冷されにくく、高温になりやすい。なお、排気集合部の外側にウォータジャケットを形成することで、排気側の側壁を水冷することも考えられる。しかしこの場合、シリンダヘッドが大型化し、その構造も複雑になるため、コストを削減することが困難となる。
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、多気筒エンジンのシリンダヘッド構造に関し、シリンダヘッドの排気側の側壁の放熱性を高めることである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
(1)ここで開示するシリンダヘッド構造は、複数のシリンダに接続される複数の排気ポートが集合する排気集合部と、前記排気集合部に設けられるシリンダヘッド出口とを備える。また、前記シリンダヘッド出口の周囲に形成され、排気管との締結面を有するフランジ部と、前記シリンダヘッド出口の前記複数のシリンダの列設方向の両側に位置する部位において、前記フランジ部の厚みを他部よりも薄く形成してなる除肉部とを備える。さらに、シリンダヘッドの排気側側壁に膨出形成され、前記除肉部から前記列設方向に向かって延設されたリブを備える。
(2)前記フランジ部は、前記排気集合部の下流端と前記排気管とを固定する締結具が取り付けられる複数のボス部を有していることが好ましい。この場合、前記除肉部は、前記ボス部から離れるほど前記フランジ部の厚みが薄くなるように、前記複数のボス部の間を接続する湾曲面として形成されることが好ましい。
(3)前記除肉部は、前記複数のボス部間の中心において最も薄く形成されることが好ましい。
(4)前記排気側側壁において前記リブと連続して膨出形成されたフィン部を備えることが好ましい。
(5)前記シリンダヘッドに形成され、前記排気集合部を上下に挟み合う位置でそれぞれ前記列設方向に冷却水を流通させるウォータジャケットを備えることが好ましい。この場合、前記リブは、前記除肉部における前記シリンダヘッド出口の中心から前記列設方向に沿って延設され、前記ウォータジャケットに挟まれて位置することが好ましい。前記シリンダヘッド出口の中心から前記列設方向に沿う位置は、前記排気集合部の上下に設けられる前記ウォータジャケットから最も遠い位置となり、この位置に前記リブを設けることが好ましい。
開示のシリンダヘッド構造によれば、フランジ部の一部を薄肉にすることで、シリンダヘッドと排気管との締結面に熱がたまりにくい除肉部を設けることができ、フランジ部の温度上昇を抑制することができる。これに加えて、除肉部からリブを延設することで、フランジ部の放熱を促進させることができ、シリンダヘッドの排気側側壁の放熱性を高めることができる。これにより、エンジンやシリンダヘッドの冷却性能を向上させることができる。また、排気集合部の外側にウォータジャケットを形成しなくとも排気側側壁の放熱性が高められるため、シリンダヘッドをコンパクトにすることができ、製品コストを抑制することができる。さらに、リブを設けることで、シリンダヘッドを製造するときの湯流れを向上させることができるため、製造コストも抑制することができる。
一実施形態にかかるシリンダヘッド構造の排気側側壁の拡大斜視図である。 一実施形態にかかるシリンダヘッド構造の吸気ポート及び集合排気ポート部分の横断面図である。 図2のB−B矢視断面図である。 図2のA方向矢視図である。 第一変形例に係るシリンダヘッド構造の排気側側壁の正面図(図4に対応する図)である。 第二変形例に係るシリンダヘッド構造の排気側側壁の正面図(図4に対応する図)である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
[1.構造]
[1−1.全体構造]
本実施形態にかかるシリンダヘッド構造について、図1〜図4を用いて説明する。ここでは、直列4気筒エンジンに適用されたシリンダヘッド構造について説明する。なお、以下の説明では、シリンダヘッド1に対して図示しないシリンダブロックが結合される側を下方とし、その逆側、すなわちシリンダヘッド1に対して図示しないヘッドカバーが結合される側を上方として説明する。
つまり、シリンダヘッド1はシリンダブロックの上面に結合され、シリンダヘッド1の上面にはヘッドカバーが結合される。なお、図3に示すように、シリンダヘッド1の上面は凹設され、動弁室7が形成される。ヘッドカバーは、この動弁室7を覆うように上方に結合される。動弁室7には、図示しない吸気カム及び排気カムを備えたカムシャフト等が設けられる。
図2に示すように、シリンダブロックに形成される四つのシリンダ2(図2中に二点鎖線で示す)は直列に配置され、これらシリンダ2には図示しないピストンが摺動自在に内装される。以下、四つのシリンダ2が並設された方向(列設方向)をシリンダ列方向Lという。すなわち、シリンダヘッド1の長手方向がシリンダ列方向Lと一致する。なお、ここでは、図2のように上面視で排気側を上側、吸気側を下側としたときに、シリンダヘッド1の左側をフロント側、右側をリア側と呼ぶ。
図2及び図3に示すように、シリンダヘッド1の下面には、シリンダ列方向Lに沿ってピストンの頂面に対向する位置に四つのペントルーフ型の燃焼室3が形成される。燃焼室3の三角屋根状の一方(吸気側)の斜面には二つの吸気バルブ孔11が形成され、他方(排気側)の斜面には二つの排気バルブ孔21が形成される。シリンダヘッド1には、二つの吸気バルブ孔11から吸気側側壁10へ向かって湾曲形成された吸気ポート12と、各排気バルブ孔21から排気側側壁20へ向かって湾曲形成された排気ポート23aとが設けられる。
吸気ポート12は、一つのシリンダ2に対して一つずつ設けられ、上面視でY字状に形成されており、相互に集合することなく独立して吸気側側壁10に開口している。つまり、シリンダヘッド1には四つの吸気ポート12が形成され、吸気側側壁10には四つの開口(シリンダヘッド入口)が設けられる。
一方、排気ポート23aは、一つの排気バルブ孔21に対して一つずつ設けられており、八つの排気ポート23aは、シリンダヘッド1の内部で一本のポートに集合される。この集合部分を排気集合部23bと呼ぶ。複数の排気ポート23aの列設方向(すなわち、排気側側壁20のシリンダ列方向L)の中央には、排気集合部23bで集合された排気が流出する一つの開口(以下、シリンダヘッド出口24という)が設けられる。八つの排気ポート23aと排気集合部23bとは、シリンダヘッド1の内部に形成された中空部であり、これらによって集合排気ポート23が形成される。
シリンダヘッド1の内部には、排気熱による燃焼室3や集合排気ポート23の過熱を抑制するために、冷却水を流通させるウォータジャケット30が形成される。ウォータジャケット30は、吸気ポート12及び排気ポート23aの周辺や、排気集合部23bの上方及び下方に設けられ、シリンダヘッド1のフロント側からリア側に向かってシリンダ列方向Lに冷却水を流通させる。
ここでは、ウォータジャケット30は、四つの燃焼室3の上方近傍を通過するようにシリンダ列方向Lに延在するメインウォータジャケット31と、排気集合部23bを上下で挟み合う位置でそれぞれシリンダ列方向Lに延在するアッパウォータジャケット32及びロアウォータジャケット33とを有する。アッパウォータジャケット32及びロアウォータジャケット33は、メインウォータジャケット31と連通している。図2の断面図におけるメインウォータジャケット31は、アッパウォータジャケット32とロアウォータジャケット33とを連通する部分である。つまり、図2に示す断面よりも上方にアッパウォータジャケット32が設けられ、図2に示す断面よりも下方にロアウォータジャケット33が設けられる。
アッパウォータジャケット32及びロアウォータジャケット33は、図3に示すように、排気側側壁20の後述する張出部25で集合排気ポート23の下流端(シリンダヘッド出口24)近傍の上側及び下側にそれぞれ設けられる。これにより、高温の排気が集合する排気集合部23bや、シリンダヘッド出口24の上側及び下側が水冷される。
シリンダヘッド1には、図2に示すように、各シリンダ2の中央にボス部4bが形成され、このボス部4bには図示しない点火プラグを挿入して燃焼室3に臨ませるための点火プラグ挿入孔4hが形成される。また、シリンダヘッド1には、シリンダヘッド1をシリンダブロックに結合するための複数の締結ボルト(図示略)が挿通される複数の締結ボルト孔5が、吸気側及び排気側の隣接するシリンダ2の間と両端のシリンダ2の外側とにそれぞれ形成される。また、シリンダヘッド1の排気側にはブリージング孔6が形成される。
さらに、シリンダヘッド1の最もリア側に位置する排気ポート23aのシリンダ列方向Lの外側には、シリンダヘッド1を上下方向(シリンダ列方向Lに直交する方向)に貫通するオイル孔8が形成される。動弁室7の底部に設けられるオイルジャケットに溜まったオイルは、オイル孔8や図示しないフロント側のオイル孔からオイルパンへ落下する。
[1−2.排気側側壁の構造]
排気側側壁20は、図1〜図3に示すように、集合排気ポート23の排気集合部23bに臨む部分において、中央が外側に向かって曲面状に凸に形成されたアーチ状の張出部25を有する。張出部25は、上面部25a及び下面部25bがそれぞれ平面状の弓形に形成され、側面部25cが曲面状に形成される。張出部25の側面部25cのシリンダ列方向Lの中央には、シリンダヘッド出口24の周囲に形成されたフランジ部26が設けられる。フランジ部26は、張出部25の側面部25cよりも外方へ突設され、図示しない排気管が接続される。
図1及び図4に示すように、フランジ部26は、シリンダヘッド出口24の上下左右を囲む平面状の締結面26aを有し、締結面26aの四隅には複数のボス部26bが設けられる。ボス部26bには、集合排気ポート23の下流端と排気管とを固定する締結具を挿通するための4つの締結孔26hが締結面26aに直交する方向に穿設されている。なお、集合排気ポート23の下流端と排気管との間には、例えば締結面26aの形状に合った図示しないガスケットが挟まれる。
上側の二つのボス部26bは、張出部25の上面部25aよりも上方に膨出形成され、下側の二つのボス部26bは、このボス部26bの下面が張出部25の下面部25bと略一致するように形成される。また、上側の二つの締結孔26hは、シリンダヘッド1の内部のアッパウォータジャケット32よりも上方に設けられ、下側の二つの締結孔26hは、シリンダヘッド1の内部のロアウォータジャケット33と同じ高さに設けられる。
フランジ部26は、シリンダヘッド出口24のシリンダ列方向Lの両側に位置する部位において、フランジ部26の厚みが他部よりも薄く形成された除肉部26cを有する。ここでいうフランジ部26の厚みとは、シリンダ列方向や上下方向において、シリンダヘッド出口24の外周縁から締結面26aの外縁までの最短長さ(すなわち、図4に示すようにフランジ部26の締結面26aを正面から見たときの幅や高さ)を意味する。
除肉部26cは、アッパウォータジャケット32及びロアウォータジャケット33に挟まれた領域に形成され、シリンダヘッド出口24の左右両側に設けられる。除肉部26cは、フランジ部26の厚みが他部(例えば、シリンダヘッド出口24の上側や下側)よりも厚みが薄くなるように外周面が除肉された部分である。
除肉部26cは、上下のボス部26bから離れるほど(すなわち上下のボス部26b間の中心にいくほど)フランジ部26の厚みが薄くなるように、上下のボス部26bの間を接続する湾曲面として形成される。すなわち、除肉部26cは、図4に示すようにフランジ部26の締結面26aを正面から見たときに、フランジ部26の左右の外周面がシリンダヘッド出口24側に向かって曲面状に凹設されている。除肉部26cは、上下のボス部26b間の中心において、その厚みが最も薄く形成される。図4中に寸法線Aで示す部分が除肉部26cの厚みが最も薄い部分であり、以下この部分を最薄部Aという。
シリンダヘッド1の排気側側壁20のうちウォータジャケット32,33に挟まれた領域は、ウォータジャケット32,33によって水冷されにくくヒートスポットになり得るため、空冷により冷却される。以下、この領域を空冷領域という。本シリンダヘッド1は、この空冷領域におけるフランジ部26に除肉部26cが設けられるため、フランジ部26に排気熱が滞ることが防止される。つまり、除肉部26cを設けることで、空冷領域がヒートスポットとならないようにしている。
また、上下のボス部26b間の中心は、締結具による締結力が最も弱い部分であり、熱変形が起こりやすく、排気漏れが発生するおそれのある部分である。そのため、この部分を除肉部26cの最薄部Aとすることで、熱がたまることが抑制され、熱変形が抑制される。これにより、締結面26aの変形も抑制されて、排気の漏れも防止される。
排気側側壁20の張出部25の側面部25cには、フランジ部26の二つの除肉部26cからそれぞれシリンダ列方向Lに向かって延びるリブ27が膨出形成される。二つのリブ27は、何れも空冷領域に設けられ、シリンダヘッド出口24の中心Pからシリンダ列方向Lに沿って延設される。リブ27のシリンダヘッド出口24側の一端は、フランジ部26の除肉部26cの最薄部Aよりもやや下方に繋がっている。リブ27のシリンダ列方向Lの長さや上下方向長さは、シリンダヘッド1を製造するときの湯流れ(溶湯の流動性)を考慮して適宜設定される。
リブ27は排気側側壁20に膨出形成されるため、空気に接触する面積が増大し、放熱性が向上する。さらに、リブ27は放熱が促進される除肉部26cに繋がって形成されるため、排気側側壁20の放熱性がより高められる。なお、上下のウォータジャケット32,33は、排気集合部23bを上下に挟んで設けられるため、シリンダヘッド出口24の中心からシリンダ列方向Lに沿って設けられるリブ27は、アッパウォータジャケット32及びロアウォータジャケット33から最も遠くに位置する。この位置は、上下のウォータジャケット32,33からの冷却効果が得られにくい部分であるが、ここにリブ27を形成することで、空冷による放熱性が高められる。
[2.効果]
(1)一般に、排気集合部23bを有する集合排気ポート23を内蔵したシリンダヘッド1と排気管との締結面26aには、排気熱がたまりやすく、エンジンやシリンダヘッド1の冷却性能が低下しやすいという課題がある。
これに対して、本実施形態に係るシリンダヘッド構造では、フランジ部26の一部(シリンダ列方向Lに位置する部位)を薄肉に形成した除肉部26cを設けることで、フランジ部26に熱がたまることを抑制することができる。これにより、シリンダヘッド1と排気管との締結面26aの変形を抑制することができ、締結力を保つことができる。
これに加えて、除肉部26cからリブ27を延設することで、フランジ部26の熱をリブ27に放熱させることができ、シリンダヘッド1の排気側側壁20の放熱性を高めることができる。これにより、エンジンやシリンダヘッド1の冷却性能を向上させることができる。また、排気集合部23bの外側にウォータジャケットを形成しなくとも排気側側壁20の放熱性が高められるため、シリンダヘッド1をコンパクトにすることができ、製品コストを抑制することができる。さらに、リブ27を設けることで、シリンダヘッド1を製造するときの湯流れを向上させることができるため、製造コストも抑制することができる。
(2)上記のシリンダヘッド構造では、除肉部26cが、ボス部26bから離れるほどフランジ部26の厚みが薄くなるように、複数のボス部26bの間を接続する湾曲面として形成されるため、ボス部26bにおけるフランジ部26の厚みを大きくすることで十分な締結面積を確保しつつ、除肉部26cにおけるフランジ部26の厚みを小さくすることで放熱性を向上させることができる。
(3)上記のシリンダヘッド構造では、除肉部26cが複数のボス部26b間の中心において最も薄く形成される。これにより、締結具による締結力が最も弱くなるボス部26b間の中心に熱がたまることを抑制することができ、熱変形を抑制することができる。そのため、締結面26aの変形も抑制することができ、締結面26aと排気管との接合面からの排気の漏れを防止することができる。
(4)上記のシリンダヘッド構造では、シリンダヘッド出口24の中心からシリンダ列方向Lに沿って、すなわち、上下のウォータジャケット32,33までの距離が最も遠い位置にリブ27が形成される。これにより、ウォータジャケット32,33による水冷効果が最も得られにくい(冷えにくい)部位の放熱性を高めることができ、シリンダヘッド1全体の熱分布を均質化することができる。
[3.その他]
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、図5に示すように、排気側側壁20において、リブ27と連続して膨出形成された複数のフィン部28が設けられていてもよい。図5には、リブ27の延在方向(すなわちシリンダ列方向L)に直交する方向に上下に延びるフィン部28が、フランジ部26の左右に三つずつ設けられているものを例示している。なお、フィン部28は、空冷領域に形成される。
このような構成により、放熱面を増大させることができ、排気側側壁20の放熱性をさらに向上させることができる。さらに、製造時の湯流れをより向上させることができる。また、排気側側壁20の剛性を高めることもできる。なお、フィン部28の個数や大きさ、形状等は図示したものに限られず、放熱性や湯流れを考慮して適宜設定可能である。例えば、フィン部28をリブ27に対して斜めに設けてもよいし、リブ27と同等の太さに形成されていてもよい。
また、フランジ部26の形状は上記したものに限られない。例えば図6に示すように、フランジ部26の左右の外周面がシリンダヘッド出口24から外側に向かって曲面状に凸設された除肉部26cが設けられていてもよい。すなわち、除肉部26cは、他部よりも薄く形成されていればよく、フランジ部26の左右の外周面が凹状に湾曲形成されたものに限られない。また、除肉部26cは、最薄部Aを有していなくてもよく、上下のボス部26b間の中心近傍において厚みが略一定に形成されていてもよい。フランジ部26を図6のような形状にすることで、ガスケットを挟む面積を十分に確保することができ、排気漏れを防止することができる。
また、上記実施形態では、フランジ部26がシリンダ列方向Lの中央に配置されているものを例示したが、フランジ部26の位置はこれに限られず、左右何れかにシフトしたものであってもよい。また、フランジ部26のボス部26bが締結面26aの四隅に設けられていなくてもよい。また、ボス部26bとシリンダヘッド1の内部のウォータジャケット32,33との位置関係も上記したものに限られない。
また、本シリンダヘッド構造は、直列4気筒エンジン以外の多気筒エンジン(例えば直列3気筒エンジンやV型6気筒エンジンなど)にも適用可能である。また、一つのシリンダ2に吸気バルブ孔11及び排気バルブ孔21が一つずつ設けられたエンジンであってもよいし、燃焼室3の形状やウォータジャケット30の形状も上記したものに限られない。
1 シリンダヘッド
2 シリンダ
3 燃焼室
10 吸気側側壁
11 吸気バルブ孔
12 吸気ポート
20 排気側側壁
21 排気バルブ孔
23 集合排気ポート
23a 排気ポート
23b 排気集合部
24 シリンダヘッド出口
25 張出部
25a 上面部
25b 下面部
25c 側面部
26 フランジ部
26a 締結面
26b ボス部
26c 除肉部
26h ボルト孔
27 リブ
28 フィン部
30 ウォータジャケット
31 メインウォータジャケット
32 アッパウォータジャケット
33 ロアウォータジャケット

Claims (5)

  1. 複数のシリンダに接続される複数の排気ポートが集合する排気集合部と、
    前記排気集合部に設けられるシリンダヘッド出口と、
    前記シリンダヘッド出口の周囲に形成され、排気管との締結面を有するフランジ部と、
    前記シリンダヘッド出口の前記複数のシリンダの列設方向の両側に位置する部位において、前記フランジ部の厚みを他部よりも薄く形成してなる除肉部と、
    シリンダヘッドの排気側側壁に膨出形成され、前記除肉部から前記列設方向に向かって延設されたリブと、を備えた
    ことを特徴とする、シリンダヘッド構造。
  2. 前記フランジ部が、前記排気集合部の下流端と前記排気管とを固定する締結具が取り付けられる複数のボス部を有し、
    前記除肉部が、前記ボス部から離れるほど前記フランジ部の厚みが薄くなるように、前記複数のボス部の間を接続する湾曲面として形成される
    ことを特徴とする、請求項1記載のシリンダヘッド構造。
  3. 前記除肉部が、前記複数のボス部間の中心において最も薄く形成される
    ことを特徴とする、請求項2記載のシリンダヘッド構造。
  4. 前記排気側側壁において前記リブと連続して膨出形成されたフィン部を備える
    ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載のシリンダヘッド構造。
  5. 前記シリンダヘッドに形成され、前記排気集合部を上下に挟み合う位置でそれぞれ前記列設方向に冷却水を流通させるウォータジャケットを備え、
    前記リブが、前記除肉部における前記シリンダヘッド出口の中心から前記列設方向に沿って延設され、前記ウォータジャケットに挟まれて位置する
    ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載のシリンダヘッド構造。
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