JP2016008539A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドがシリンダブロックよりも大きく熱膨張することに起因して、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間及びシリンダヘッドとフロントカバーとの間に滑りが生じることを抑制する。
【解決手段】シリンダヘッド２のうち排気ポート６を設けている部分は、排気側ヘッドボルト１７の群でシリンダブロックに固定されている。シリンダヘッド２に、排気ポート６を挟んで上下に分かれた下側冷却水ジャケット１８と上側冷却水ジャケット１９とを設けて、両者を縦方向冷却水ジャケット２６，２７で連通させている。下側冷却水ジャケット１８は、排気側ヘッドボルト１７の群の前後外側及び左右外側に位置している。シリンダヘッド２のうち高温なる部分を的確に冷却できるため、シリンダブロック１とシリンダヘッド２との間の滑り、及び、シリンダヘッド２とフロントカバー１２との間の滑りを抑制できる。
【選択図】図４

Description

本願発明は、シリンダヘッドの冷却構造に特徴有する内燃機関に関するものである。

内燃機関において、シリンダヘッドはシリンダブロックにヘッドボルトで固定されており、ヘッドボルトは気筒列を挟んだ両側に配置されている。従って、ヘッドボルトは、気筒列（或いはクランク軸線）を挟んだ排気ポートの側に位置した排気側ヘッドボルトの群と、クランク軸線を挟んだ吸気ポートの側に位置した吸気側ヘッドボルトの群とに分かれている。

また、シリンダヘッドの内部には、排気ポートや吸気ポート、冷却水ジャケットが形成されているが、従来は、冷却水ジャケットは基本的に一層になっており、シリンダヘッドの冷却水ジャケットにシリンダブロックの冷却水ジャケットから冷却水が供給されている。そして、従来は、特許文献１に開示されているように、シリンダヘッドの冷却水ジャケットは、排気側ヘッドボルトの群と吸気側ヘッドボルトの群との間に形成されている。

特開平７−４２６１３号公報

さて、シリンダヘッドは排気ガスに晒されるため、機関の運転に際してシリンダブロックよりも先にシリンダヘッドが昇温する。このため、シリンダブロックとシリンダブロックとの合わせ面に、熱膨張量の違いに起因して滑りが発生する。機関を停止すると逆方向の滑りが発生して、シリンダブロック及びシリンダブロックが外気温まで降温すると元に戻る。

従って、機関の運転と停止とを繰り返すたびに滑りが発生するが、シリンダヘッドがシリンダブロックの外側に広がるように滑り移動するに際してオイルを共連れする現象があり、共連れされたオイルは収縮時には戻らないことから、内燃機関を長期にわたって使用していると、オイルがシリンダブロックとリンダヘッドとの合わせ面から外側に少しずつ押し出されて、やがて、シリンダブロックとリンダヘッドとの合わせ面の外側にオイルが筋のような状態で滲み出ることがあった。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の内燃機関は、複数の気筒をクランク軸線方向に並設したシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面にヘッドボルトで固定されたシリンダヘッドと、前記シリンダブロック及びシリンダヘッドにおけるクランク軸線方向に向いた一端面に跨がって配置固定されたフロントカバーとを有しており、
前記シリンダヘッドには、各気筒に対応した排気ポートと吸気ポートとがクランク軸線を挟んだ両側に振り分けて形成されており、各排気ポートは個別又は集合してシリンダヘッドの一側面に開口しており、更に、
前記ヘッドボルトは、クランク軸線を挟んだ排気ポートの側に位置した排気側ヘッドボルトの群と、クランク軸線を挟んだ吸気ポートの側に位置した吸気側ヘッドボルトの群と
に分かれている、いう基本構成になっている。

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、まず、前記シリンダヘッドに、
前記排気ポートの群より下側でかつ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置してクランク軸線方向に延びる下側冷却水ジャケットと、
前記排気ポートの群より上側でかつ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置してクランク軸線方向に延びる部分を有する上側冷却水ジャケットとを設けており、
前記下側冷却水ジャケットは、前記フロントカバーに近い端部に位置した第１出口とその反対側に位置した第２出口とを有していると共に、前記両出口の間に位置した部位には前記シリンダブロックから冷却水が供給される冷却水入口を設けている。

更に、前記上側冷却水ジャケットは、前記フロントカバーに近い一端部に設けた上入口と、フロントカバーから遠い他端部に設けた上出口とを有しており、前記上側冷却水ジャケットの上入口と下側冷却水ジャケットの第１出口とが、前記排気側ヘッドボルトの群よりも前記フロントカバーに近い側に位置した縦方向冷却水ジャケットによって連通している。

本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。この請求項２の発明は、請求項１において、前記下側冷却水ジャケットの冷却水入口と第１及び第２出口、前記縦方向冷却水ジャケット、及び、前記上側冷却水ジャケットの上入口と上出口は、それぞれ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置している。

排気ポートはシリンダヘッドのうち一側面から排出されるため、シリンダヘッドは、一側面の側が高温になる。従って、シリンダヘッド２は一側面の側が大きく熱膨張しようとするが、一側面２ａと排気側ヘッドボルトの群との間にはある程度の間隔が空いているため、排気側ヘッドボルトの外側の部分は自由に熱膨張できる状態になっている。

つまり、ヘッドボルトはシリンダヘッドとシリンダブロックとの相対位置を規制する役割を持っているため、排気側ヘッドボルトの群よりも内側（シリンダボアの側）は昇温しても、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に滑りが発生しにくい状態になっているが、排気側ヘッドボルトの外側の部分は排気側ヘッドボルトによる規制が解除されているため、昇温に比例して大きく熱膨張する。

このため、シリンダヘッド２のうち排気側ヘッドボルトの外側の部分は、クランク軸線方向及びこれと直交した方向に自由に膨張・収縮する傾向を呈していたのであるが、排気側ヘッドボルトの外側の部分は排気ガスに晒されて高温になるため熱膨張量が大きく、その結果、シリンダヘッドとシリンダブロックとの合わせ面の滑り現象が発生しやすくなっていたのである。

特に、多気筒内燃機関において各排気ポートをシリンダヘッドの内部で集合させているタイプでは、排気集合部は排気側ヘッドボルトの外側になるため、シリンダヘッドのうち一側面の側の部分は非常に高温になって、シリンダブロックとの間の滑り現象が顕著に表れていた。

しかるに、本願発明では、排気側ヘッドボルトの外側の部分は、下側冷却水ジャケットと上側冷却水ジャケットとの両方において冷却されており、しかも、下側冷却水ジャケットと上側冷却水ジャケットとは排気側ヘッドボルトの群よりもフロントカバーの側まで延びているため、シリンダヘッドのうち一側面の側の昇温を抑制して、その熱膨張量を軽減
できる。

その結果、シリンダヘッドとシリンダブロックとの合わせ面の滑り現象を抑制して、オイルの滲出現象を改善できる。特に、排気ポートの排気集合部をシリンダヘッドの内部に設けたタイプに適用すると、シリンダヘッドのうち最も高温になる一側面の側の部分が集中的に冷却されるため、特に効果が強く発揮されると云える。

また、シリンダブロックから下側冷却水ジャケット８に流入した冷却水は、第１出口に向かう流れと第２出口に向かう流れとに分かれており、第１出口に向かった流れは上側冷却水ジャケットを介してシリンダヘッドの外側に排出され、第２出口に向かった流れは、上側冷却水ジャケットに流入してからシリンダヘッドの外に排出されるか、又は、上側冷却水ジャケットを経由することなくシリンダヘッドの外に排出される。

いずれにしても、冷却水がシリンダヘッドのうち排気ポートを設けている部分を上下から冷却水するものであり、このため、シリンダヘッドのうち最も高温になる部分を的確に冷却できる。このような高い冷却性能により、熱膨張を抑制して滑り現象を低減できるのである。

他方、シリンダヘッドがシリンダブロックに対してクランク軸線に大きく熱膨張することで、シリンダヘッドとシリンダブロックとフロントカバーとの合せ面に隙間が発生しやすくなり、これに起因してオイルの滲出現象が発生することもある。

この点、本願発明では、下側冷却水ジャケットと上側冷却水ジャケットと縦方向冷却水ジャケットとは、排気側ヘッドボルトの群よりフロントカバーの側に位置しているため、シリンダヘッドのうち一側面の側の部分がクランク軸線方向及びこれと直交した方向に熱膨張することを大幅に抑制できるのであり、これにより、フロントカバーとシリンダヘッド及びシリンダブロックとの合わせ面からオイルが滲出することも抑制できる。

更に、シリンダヘッドは、排気側ヘッドボルトよりもフロントカバーに近い側において縦方向冷却水ジャケットで冷却されるため、シリンダヘッドのうちフロントカバーに近い端部がクランク軸線と直交した方向に熱膨張することも大幅に抑制できるのであり、これにより、シリンダヘッドとフロントカバーとの間の滑りも大きく抑制できる。

請求項２の構成を採用すると、冷却水が排気側ヘッドボルトの外側を集中的に流れるため、シリンダヘッドのうち排気側ヘッドボルトの外側の部分の冷却性をより一層向上できる。その結果、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間の滑りや、シリンダヘッドとフロントカバーとの間の滑りを、より的確に抑制できる。

実施形態の排気ポートの高さで切った要部平断面図である。 図１のII-II 視断面図である。 図１のIII-III 視断面図である。 上下の冷却水ジャケットのエリアを示す模式的な平断面図である。 図４の V-V視断面図である。

(1).実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態及び請求項にいて、「上・下」の文言を表示しているが、この上下方向は、気筒の軸心方向を基準にしている。また、クランク軸線の方向を前後方向と呼び、クランク軸線及び気筒軸線と直交
した方向を左右方向と呼んでいる。

本実施形態の内燃機関の基本構成は従来と同様であり、主要要素して、シリンダブロック１（図３参照）とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えている。なお、シリンダヘッド２の上面にはシリンダヘッドカバーが固定されているが、これは省略している。

本願発明の内燃機関は、シリンダブロック１に３つの気筒３をクランク軸線４の方向に並んで形成した３気筒であり、図２，３に一部だけを表示するが、シリンダブロック１には、気筒列を囲う冷却水ジャケット５が上向きに開口した状態に形成されている。

そこで、図１のとおり、シリンダヘッド２には、１つの気筒３ごとに２つの排気ポート６が対になって形成されている。各排気ポート６の対は、平面視で中央部の気筒３の横に位置した排気集合部７に集まっており、排気集合部７は、シリンダヘッド２の外周のうち、クランク軸線４と平行な一側面２ａに開口している。つまり、本実施形態では、各排気ポート６はシリンダヘッド２の内部において１つに集合している。

シリンダヘッド２の一側面２ａには、排気集合部６に連通した排気系継手部材８がボルト及びナット（図示せず）で固定されている。排気系継手部材８とシリンダヘッド２との間にはガスケットを介在させているが、図では省略している。排気系継手部材８は排気通路の一部を構成するものであり、例えば、排気系継手部材８に触媒ケース（図示せず）を接続することができる。

図１において符号９は排気弁を示し、符号９１０排気弁の弁軸を示す。図２，３ではピスストン１１を表示しているが、連接棒は省略している。また、シリンダヘッド２には、燃焼室に臨んだ点火プラグ１２を設けている。図での表示は省略しているが、シリンダヘッド２には、クランク軸線４を挟んで排気ポート６と反対側に吸気ポートが形成されており、吸気ポートはシリンダヘッド２の他側面に開口している。

クランク軸線４の方向から見て（すなわち正面視で）、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の手前側の一端面１ｂ，２ｂには、タイミングチェーン（図示せず）を覆うフロントカバー１５が重なっており、フロントカバー１５は、多数本のボルト１６でシリンダブロック１及びシリンダヘッド２に固定されている。

シリンダヘッド２は、気筒列を挟んで一側面２ａの側（左右外側）に位置した排気側ヘッドボルト１７の群と、気筒列を挟んで他側面の側に位置した吸気側ヘッドボル（図示せず）の群とでシリンダブロック１に固定されている。排気側ヘッドボルト１７は、隣り合った気筒３の間の部位と、両端に位置した気筒３の外端の位置とに配置されており、排気ガスの排気集合部７は、排気側ヘッドボルト１７の群とシリンダヘッド２の一側面２ａとの間に位置している。シリンダブロック１とシリンダヘッド２との間には、ガスケットが介在している。

シリンダヘッド２の内部には、排気ポート６及び排気集合部７よりも下方に位置した下側冷却水ジャケット１８と、排気ポート６及び排気集合部７よりも上方に位置した上側冷却水ジャケット１９とが形成されている。下側冷却水ジャケット１８は、排気側ヘッドボルト１７の群の左右外側に位置して気筒列の方向に長く延びており、その両端は排気側ヘッドボルト１７の群の前後外側に位置している。

下側冷却水ジャケット１８のうち、フロントカバー１２に近い端部には上向きの第１出口２０を設け、フロントカバー１２と反対側の端部には上向きの第２出口２１を設け、更
に、下側冷却水ジャケット１８のうち第１出口２０に近い側には、シリンダブロック１の冷却水ジャケット５に連通した冷却水入口２２が連通している。シリンダブロック１の冷却水ジャケット５は排気側ヘッドボルト１７の群の内側に位置しているため、冷却水入口２２は、下側冷却水ジャケット１８に設けた内向き張り出し部１８ａに連通させている。

上側冷却水ジャケット１９は、基本的には、シリンダヘッド２を広くカバーするように形成されているが、本願発明の特徴として、排気側ヘッドボルト１７よりもシリンダヘッド２の冷却水入口２２の側に寄った部分を有しており、かつ、上側冷却水ジャケット１９のうち排気側ヘッドボルト１７の外側に位置した部分は、排気側ヘッドボルト１７の群の前後外側まで延びるようにクランク軸線４の方向に長く延びている。

図４では、下側冷却水ジャケット１８のエリアと上側冷却水ジャケット１９のエリアとを方向が異なる平行斜線で示しており、互いの斜線がクロスして網掛け状態になっている箇所では、下側冷却水ジャケット１８と上側冷却水ジャケット１９とが平面視でオーバーラップしている。上側冷却水ジャケット１９には、排気側ヘッドボルト１７が通るボス部や排気弁軸１０が通るボス部など、多数のボス部がアイランド状に配置されるが、図４では詳細は省略して、上側冷却水ジャケット１９のおおまかな外延のみを表示している。

上側冷却水ジャケット１９には、フロントカバー１２に近い一端部に位置した下向きの第１上入口２３と、フロントカバー１２と反対側の他端部に位置した下向きの第２上入口と、フロントカバー１２と反対側においてシリンダヘッド２の外側に開口した上出口２４とを設けており、これら両上入口２３，２４と上出口２５とは、排気側ヘッドボルト１７の群よりも左右外側に位置していると共に、排気側ヘッドボルト１７の群を挟んで前後外側に位置している。

そして、下側冷却水ジャケット１８の第１出口２０と上側冷却水ジャケット１９の第１入口２３とは第１縦方向冷却水ジャケット２６で連通し、下側冷却水ジャケット１８の第２出口２１と上側冷却水ジャケット１９の第２入口２４とは第１縦方向冷却水ジャケット２７で連通している。本実施形態では、第１縦方向冷却水ジャケット２６が請求項に記載した縦方向冷却水ジャケットに相当し、上側冷却水ジャケット１９では、第１上入口２３が請求項に記載した上入口に相当する。

(2).まとめ
以上の構成において、シリンダブロック１の冷却水ジャケット５から下側冷却水ジャケット１８に流入した冷却水は、第１出口２０に向かう流れと第２出口２１に向かう流れとに分かれて、第１出口２０に向かった流れは第１縦方向冷却水ジャケット２６を経由して上側冷却水ジャケット１９に至り、冷却水入口２２を通過して上出口２５に至る。他方、第２出口２１に向かった流れは、第２縦方向冷却水ジャケット２７を経由して上側冷却水ジャケット１９の他端部に流入し、上出口２５から排出される。

そして、シリンダヘッド２のうち、排気側ヘッドボルト１７の群の外側の部位でかつ排気ポート６及び排気集合部７が形成されている部分はシリンダヘッド２のうち最も高温になるが、この部分が上側冷却水ジャケット１９と下側冷却水ジャケット１８とで上下から冷却されるため、昇温を抑制した高い冷却効果を発揮する。

しかも、排気集合部７及び上側冷却水ジャケット１９は排気側ヘッドボルト１７の群を挟んで前後両側にはみ出しているため、シリンダヘッド２のうち排気側ヘッドボルト１７の群の外側の部分が熱膨張すること（特にクランク軸線４の方向に熱膨張すること）を抑制して、シリンダブロック１とシリンダブロック１との間の滑り現象を大幅に抑制できる。また、シリンダヘッド２によってフロントカバー１２をクランク軸線５の軸線方向に突
き出す現象も抑制できるため、シリンダヘッド２とフロントカバー１２との間に隙間が空くことも抑制できる。

更に、シリンダヘッド２のうち排気側ヘッドボルト１７の群とフロントカバー１２との間の一端部は第１縦方向冷却水ジャケットによって冷却されるため、シリンダヘッド２の一端部が平面視でクランク軸線４と直交した左右方向に熱膨張することも大幅に抑制できる。このため、シリンダヘッド２とフロントカバー１２との間に左右方向の滑りが発生することも大幅に抑制できるのであり、これらが相まって、シリンダヘッド２とフロントカバー１２との間の合わせ面からオイルが滲出する現象も的確に抑制できる。

本実施形態では、排気集合部７の第２出口２１は、第２縦方向冷却水ジャケット２７を介して上側冷却水ジャケット１９に連通しているが、第２縦方向冷却水ジャケット２７を設けることなく、第２出口２１を直接シリンダヘッド２の外側に開口させてもよい（或いは、サーモ弁装置に連通させてもよい。）。

また、上側冷却水ジャケット１９を、排気側ヘッドボルト１７の群を挟んでシリンダヘッド２の冷却水入口２２の側に位置した部分とは、排気側ヘッドボルト１７の群より外側に位置した部分とに分けてもよい。この場合も、外側の部分と内側の部分とには、下側冷却水ジャケット１８から給水される。

実施形態のように、下側冷却水ジャケット１８の冷却水入口２２をフロントカバー１２の側に寄せて設けると、冷却水のうち多くの割合を上側冷却水ジャケット１９に向けて分流できるため、シリンダヘッド２をまんべんなく冷却できる利点がある。

上記の実施形態はシリンダヘッドの内部に排気集合部を形成しているが、本願発明は、各排気ポートの排気ガスを排気マニホールドで集合させるタイプにも適用できる。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
２ａ 一側面
２ｂ 一端面
３ 気筒（シンリダボア）
４ クランク軸線
６ 排気ポート
１３ フロントカバー
１７ 排気側ヘッドボルト
１８ 下側冷却水ジャケット
１９ 上側冷却水ジャケット
２０ 第１出口
２１ 第２出口
２２ 冷却水入口
２３ 第１上入口
２４ 第２上入口
２５ 上出口
２６ 第１縦方向冷却水ジャケット
２７ 第２縦方向冷却水ジャケット

Claims (2)

1. 複数の気筒をクランク軸線方向に並設したシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面にヘッドボルトで固定されたシリンダヘッドと、前記シリンダブロック及びシリンダヘッドにおけるクランク軸線方向に向いた一端面に跨がって配置固定されたフロントカバーとを有しており、
   前記シリンダヘッドには、各気筒に対応した排気ポートと吸気ポートとがクランク軸線を挟んだ両側に振り分けて形成されており、各排気ポートは個別又は集合してシリンダヘッドの一側面に開口しており、更に、
   前記ヘッドボルトは、クランク軸線を挟んだ排気ポートの側に位置した排気側ヘッドボルトの群と、クランク軸線を挟んだ吸気ポートの側に位置した吸気側ヘッドボルトの群とに分かれている構成であって、
   前記シリンダヘッドに、
   前記排気ポートの群より下側でかつ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置してクランク軸線方向に延びる下側冷却水ジャケットと、
   前記排気ポートの群より上側でかつ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置してクランク軸線方向に延びる部分を有する上側冷却水ジャケットとを設けており、
   前記下側冷却水ジャケットは、前記フロントカバーに近い端部に位置した第１出口とその反対側に位置した第２出口とを有していると共に、前記両出口の間に位置した部位には前記シリンダブロックから冷却水が供給される冷却水入口を設けている一方、
   前記上側冷却水ジャケットは、前記フロントカバーに近い一端部に設けた上入口と、フロントカバーから遠い他端部に設けた上出口とを有しており、前記上側冷却水ジャケットの上入口と下側冷却水ジャケットの第１出口とが、前記排気側ヘッドボルトの群よりも前記フロントカバーに近い側に位置した縦方向冷却水ジャケットによって連通している、
   内燃機関。
2. 前記下側冷却水ジャケットの冷却水入口と第１及び第２出口、前記縦方向冷却水ジャケット、及び、前記上側冷却水ジャケットの上入口と上出口は、それぞれ前記排気側ヘッドボルトの群よりもシリンダヘッドの一側面の側に位置している、
   請求項１に記載した内燃機関。

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