JP2017166447A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】排気集合通路を内蔵したシリンダヘッドにおいて、排気出口部の前後端部が異常昇温することを防止する。【解決手段】シリンダヘッド１の排気側面１ｂに、排気出口部１９の前後壁部１９ｃ，１９ｄと繋がったリブ４１，４２が形成されている。リブ４１，４２は、前後壁部１９ｃ，１９ｄの上下全体に繋がった基部４１ａ，４２ａと、基部４１ａ，４２ａの上端部から前後方向に延びる張り出し部４１ｂ，４２ｂとを有しており、張り出し部４１ｂ，４２ｂの後ろには上冷却水ジャケットが位置している。リブ４１，４２が放熱通路として機能することにより、前後壁部１９ｃ，１９ｄから冷却水ジャケットの冷却水に的確に熱交換される。従って、排気出口部１９の前後壁部１９ｃ，１９ｄの異常昇温を防止できる。【選択図】図３

Description

本願発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するもので、より正確には、各気筒から排出された排気ガスを１つに纏める排気集合通路が内蔵されているタイプのシリンダヘッドを対象にしている。

多気筒内燃機関のシリンダヘッドには、シリンダブロックの各気筒に対応した複数の燃焼凹所が形成されており、排気ガスは、各燃焼凹所に開口した排気ポートから排気側面に設けた排気穴に排出されている。一般に、排気ポートは１つの燃焼凹所に２つ形成されており、２つの排気枝通路が１つに集合している。

そして、排気ガスの排出手段として、シリンダヘッドの排気側面に各燃焼凹所に対応した排気穴を形成して、各排気穴の排気ガスを排気マニホールドによって１つに集合させているタイプと、例えば特許文献１のように、シリンダヘッドの内部に、各排気枝通路に連通した排気集合通路を形成して、排気集合通路に集めた排気ガスを１つの排気穴から排出するタイプとがある。

後者の排気集合通路内蔵タイプでは、排気マニホールドが不要であるため機関全体としてはコンパクト化できるが、シリンダヘッドは、排気集合通路を設ける分だけ排気側面の側が膨らんでおり、排気穴は、排気側面に突設した排気出口部に形成されている。特許文献１では、排気出口部は、平面視で台形状に形成されている。

また、排気集合通路内蔵タイプのシリンダヘッドは、熱が籠もりやすいため冷却性を高める工夫が必要である。そこで、上記特許文献１では、排気集合通路を挟んだ上下両側に、排気集合通路の全体を覆うような広い面積の冷却水ジャケットを形成している。

特開２０１２−５７４６８号公報

さて、排気穴の内周は排気ガスの流れに常に晒されているため、排気出口部は的確に冷却する必要がある。そこで更に見ると、排気出口部は、特許文献１に図示されているように、一般に横長の小判形になっており、このうち、上部と下部とはその奥に冷却水ジャケットが位置しているため冷却性は高いが、クランク軸線方向から見て前後両端部（排気側面と直交した側面視では左右両端部）は、上下の冷却水ジャケットの間に位置しているため冷却性が悪くなっており、このため、前後端部が異常昇温するおそれがある。

そして、排気出口部の前後端部が異常昇温すると、例えば、熱膨張が不均一になって排気系部材との接合個所に隙間が生じ、このため排気ガスが漏洩する可能性がある。また、近年の自動車用シリンダヘッドはアルミ鋳物が主流になっているが、アルミ鋳物は鋳鉄品に比べて許容温度が低いため、排気出口部の前後両端部が異常昇温して損傷する可能性も否定できない。従って、排気出口部の前後両端部の冷却性を高める必要がある。

この点については、排気集合通路の全周を冷却水ジャケットで囲ったらよいと云えるが、これは、製造上の問題が新たに生じる。すなわち、冷却水ジャケットに相当する部位は中子型で形成されるが、中子型や砂型が複雑化すると、それら中子型や砂型のコストが嵩むのみならず、生産性が悪化したり歩留りが悪化したりする問題が発生する。

本願発明はこのような現状と知見を基礎にして成されたものであり、簡易な構造で排気出口部の前後両端部を的確に冷却せんとするものである。

本願発明に係るシリンダヘッドは、
「シリンダボア軸線方向から見てクランク軸線を挟んだ一方の側は吸気側面になって他方の側は排気側面になっており、内部には、各シリンダボアに対応した複数の排気枝通路が、前記排気側面に向かうように形成されている一方、
前記排気側面には、排気系部材を重ね固定する排気出口部が突出した状態に形成されていて、前記排気出口部に設けた１つの排気穴と前記各排気枝通路とが排気集合通路を介して連通しており、
かつ、前記各排気枝通路の群を挟んだ上下両側に冷却水ジャケットが形成されている」、
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、前記排気側面のうちクランク軸線方向から見て前記排気出口部を挟んだ前後両側に、前記排気出口部における前後端部の上下中間部に繋がったリブを、前記排気側面と直交した方向から見て前記冷却水ジャケットと重なる部位に向かうように形成している。

金属の伝熱量は体積に比例するものであり、体積が大きいと伝熱量は多くなる。そして、本願発明では、排気出口部の前後両端部には、その上下中間部に連続したリブが形成されていて、このリブが冷却水ジャケットに向かっているため、排気出口部の前後両端部が排気ガスによって受けた熱は、リブを介して冷却水ジャケットに放熱される。

従って、排気出口部の前後両端部を適切に冷却して（放熱させて）、損傷等の原因になる異常昇温を防止できる。また、冷却水への熱交換が良好になるため、コールドスタート時の暖機運転時間の短縮にも貢献できる。更に、リブは補強効果も持つため、シリンダヘッドの強度アップにも貢献できる。そして、リブの追加は単に砂型の形状を変えることで対応できるため、鋳造に際して特段の問題は生じない。

リブは様々な形態を採用できるが、熱は上に上がる性質があるため、上部の冷却水ジャケットに対応した部分を前後方向（クランク軸線方向）に長く形成すると、高い冷却効果（放熱効果）を得ることができる。リブの上下に前後長手の張り出し部を設ける場合、上部の張り出し部を下部の張り出し部よりも長い長さに設定すると、材料の使用量（或いは重量増大）を抑制しつつ、必要な冷却性を確保できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は部分的な平面図、（Ｂ）は側面図である。 底面図である。 部分的な斜視図である。 （Ａ）は背面図、（Ｂ）は図１，図２の IVB-IVB視断面図である。 （Ａ）は図１，図２の VA-VA視断面図、（Ｂ）は図１，図２の VB-VB視断面図である。 図１，図２のVI-VI 視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、方向を特定するため「前後」「左右」の文言をするが、クランク軸線方向を前後方向として定義している。側面視は、クランク軸線とシリンダボア軸線との両方に直交した方向から見た状態である。念のため、図１，３に方向を明示している。

図３では前と後ろを表示しているが、タイミングチェーンが配置される側を前としている。上下方向は、シリンダボアの軸線方向である。従って、スラント型内燃機関の場合は、上下方向と鉛直方向とは相違する。

(1).概要
まず、概要を説明する。図１（Ａ）や図２から理解できるように、本実施形態の内燃機関は３気筒ガソリン機関であり、シリンダヘッド１の底面には、３つの燃焼用凹所２がクランク軸線３の方向に並んでいる。燃焼用凹所２は台錘状の形態であり、当然ながら、シリンダブロック４に形成したシリンダボア５と同心になっている（図４（Ａ），図５参照）。

シリンダヘッド１のうち各燃焼用凹所２の中心の個所には、点火プラグ挿入穴６が空いている。また、シリンダヘッド１の上面に凹所７が形成されており、従って、周囲は上向きの壁８で構成されている。壁８の上面に、ヘッドカバー（図示せず）が重ね固定される。

図２，５に示すように、各燃焼用凹所２には、２つずつの吸気ポート９と排気ポート１０とが、クランク軸線３を挟んだ両側に振り分けた状態で開口しており、各吸気ポート９には吸気枝通路１１が連通して、各排気ポート１０には排気枝通路１２が連通している。すなわち、吸気枝通路１１の出口と排気枝通路１２の入り口とが燃焼用凹所２に開口している。

吸気ポート９は吸気弁１３で開閉されて、排気枝通路１２は排気弁１４で開閉される。図１（Ａ）には、排気弁軸装着穴１５が見えている。排気弁１４は排気弁用カム軸（図示せず）で駆動されるが、図１（Ａ）、図５，６のとおり、シリンダヘッド１には、排気弁用カム軸の軸受け部１６を形成している。図６では、排気弁用カム軸の軸受け部１７も表示している。

図２，４（Ａ）に示すように、クランク軸線３の方向から見て一方の長手側面は吸気側面１ａになっており、この吸気側面１ａに、吸気マニホールド固定部１８を形成している。また、クランク軸線３の方向から見て他方の長手側面は排気側面１ｂになっており、この排気側面１ｂに排気出口部１９を形成している。図３から明瞭に把握できるように、排気出口部１９は前後長手の小判形でランド状に突出しており、中央部には前後長手の排気穴２０が空いている。従って、排気出口部１９は、前後長手の上下壁部１９ａ，１９ｂと、上下長手の前後壁部１９ｃ，１９ｄとを有している。

そして、各排気枝通路１２は、図４（Ｂ），図５，図６に示すような前後長手の排気集合通路２１に連通しており、排気集合通路２１は排気穴２０に連通している。従って、各排気枝通路１２に流入した排気ガスは、排気集合通路２１を介して排気枝通路１２から排出される。

図５に示すように、シリンダヘッド１には、排気枝通路１２の群を挟んで上に位置した上冷却水ジャケット２２と、排気枝通路１２の群を挟んで下に位置した下冷却水ジャケット２３とが形成されている。図５及び図６から理解できるように、上下冷却水ジャケット２２，２３は、平面視（或いは底面視）で部分的に排気集合通路２１と重なっている。従って、排気集合通路２１を通る排気ガスも、上下の冷却水ジャケット２２，２３を通る冷却水によって冷却水されている。

図４（Ｂ）に示すように、上下の冷却水ジャケット２２，２３は、排気出口部１９の前後中間部に形成した中間連通ジャケット２４で繋がっている。また、図１（Ｂ）に点線で模式的に示すように、上下の冷却水ジャケット２２，２３は、排気枝通路１２の群の前後外側に位置したフロント連通ジャケット２５とリア連通ジャケット２６にも連通している。

なお、図４（Ａ）や図５において、下冷却水ジャケット２３や中間連通ジャケット２４は、シリンダヘッド１の下面に開口した状態に描いているが、この下向き開口部は、鋳造に使用する中子型の足を設けたために生じたものであり、機能的には必要ないものである。下冷却水ジャケット２３や中間連通ジャケット２４の下向き開口部２３ａ，２４ａ（図２も参照）は、シリンダヘッド１とシリンダブロック４との間に介在させたガスケット２７で塞がれている。

リア連通ジャケット２６によって合流して上下冷却水ジャケット２２，２３の冷却水は、シリンダヘッド１の後端部に設けた冷却水制御部２８に集まる。冷却水制御部２８には、サーモスタット弁などが取り付けられる。図４（Ａ）に符号２９で示すのは、サーモスタット弁の取り付け穴である。また、図１（Ｂ）に符号３０で示すのは、ＥＧＲ通路である。また、図１（Ａ）や図２に示す符号３１は、ヘッドボルト挿通穴である。

(2).排気出口部とその周辺部
排気出口部１９は、大まかに小判形の筒状の形態であり、その先端面はフライス加工によって切削加工されていて、これに、排気系部材がガスケット３２を介して接続される。排気系部材は、例えば、排気ターボ過給機や触媒ケースであり、これらはスタッドボルト及びナット（いずれも図示せず）でシリンダヘッド１に固定されている。そこで、排気出口部１９の外周の外側に、ボルトがねじ込まれる第１，第２の上ボス３３，３４と、第１，第２の下ボス３５，３６を突設している。

各ボス３３〜３６の先端面は、排気出口部１９の先端面と同一高さにフライス加工されているが、手前に位置した第１上ボス３３は、排気出口部１９と近接しつつも先端面は連続してはおらず、第１上ボス３３の先端面と排気出口部１９の先端面との間には、若干の深さの第１段落ち部３７が形成されている。また、後ろ側に位置した第２上ボス３４は、排気出口部１９からは後ろにかなり離れており、第２上ボス３４の先端面と排気出口部１９の先端面とは、若干の深さの第２段落ち部３８を介して分離している。従って、ガスケット３２と両段落ち部３７，３８との間には空間が空いている。

他方、手前に位置した第１下ボス３３は排気出口部１９と一体化している。従って、第１下ボス３５の先端面と排気出口部１９の先端面とは同一面を成している。後ろに位置した第２下ボス３６は、第２上ボス３４よりも排気出口部１９から後ろに離れているが、両者はブリッジ部３９を介して一体に繋がっており、排気出口部１９の先端面とブリッジ部３９の先端面と第２下ボス３６の先端面とは、同一面を成して一体に連続している。

そして、図１（Ｂ）や図３に示すように、排気出口部１９の前後両側に、当該排気出口部１９と一体に連続した前リブ４１と後ろリブ４２とが形成されている。なお、図１（Ｂ）では部分的に平行斜線を付しているが、この平行斜線線は部材の範囲を明瞭にするための表示であり、断面の表示ではない。

前リブ４１は、排気出口部１９の前壁部１９ｃの略上下全体に繋がった基部４１ａと、基部４１ａの上端部から手前に向けて延びる前向き張り出し部４１ｂとを有しており、基部４１ａの下端は第１下ボス３５と一体に繋がっている。前向き張り出し部４１ｂは、側面視で上冷却水ジャケット２２と重なるように形成されており、第１下ボス３５は、側面視で下冷却水ジャケット２３と近接している。従って、第１下ボス３５も前リブ４１の一部と見ることが可能である。なお、第１段落ち部３７は、前リブ４１の基部４１ａに形成されている。

後ろリブ４２は、排気出口部１９における後ろ壁部１９ｄの略上下全体に繋がった基部４２ａと、基部４２ａの上端部から後ろ向きに延びる後ろ向き張り出し部４２ｂとを有しており、基部４２ａは上第１ボス３４とブリッジ部３９及び下第２ボス３６とも繋がっている。

そして、後ろリブ４２の後ろ向き張り出し部４２ｂは、側面視で上冷却水ジャケット２２と重なるように形成されており、第２下ボス３６は、側面視で下冷却水ジャケット２３と近接している。従って、第２下ボス３６及びブリッジ部３９も、後ろリブ４２の一部と見ることが可能である。なお、第２段落ち部３８は、後ろリブ４２の基部４２ａに形成されている。

図３のとおり、前リブ４１の前向き張り出し部４１ｂは、手前に行くに従って突出高さが低くなるように傾斜している。他方、後ろリブ４２は、その全体が略同じ高さになっており、後ろリブ４２における後ろ向き張り出し部４２ｂの後端には、上下長手の壁４３が一体に繋がっている。

(3).まとめ
排気出口部１９の上壁部１９ａと下壁部１９ｂとは、それぞれ側面視で前後長手の冷却水ジャケット２２，２３とほぼ重なっているため、上壁部１９ａと下壁部１９ｂから冷却水への放熱は良好である。特に、本実施形態では、冷却水ジャケット２２，２３は、上下壁部１９ａ，１９ｂの前後中間部において中間連通ジャケット２４で繋がっているため、上下壁部１９ａ，１９ｂの冷却性は一層高くなっている。

更に述べると、熱は上に逃げる性質があるため、上壁部１９ａは下壁部１９ｂよりも昇温する傾向があるが、本実施形態では、例えば図４（Ｂ）に示すように、側面視において、上壁部１９ａの真後ろに上冷却水ジャケット２２が位置しているため、上壁部１９ａの放熱性は非常に高くなっている。このため、上壁部１９ａの異常昇温を防止できると共に、上下壁部１９ａ，１９ｂの熱膨張をできるだけ均等化できる。

他方、前後壁部１９ｃ，１９ｄは、排気ガスが勢い良く当たるため下壁部１９ｂよりも昇温しやすいと云えるが、前後壁部１９ｃ，１９ｄは上下冷却水ジャケット２２，２３の間に位置しているため、放熱性は高くない。このため、何も対策を講じないと、特に、前後壁部１９ｃ，１９ｄの上下中間部が最も昇温し、その結果、上下壁部１９ａ，１９ｂとの熱膨張の違いによって排気ガスが漏洩したり、甚だしい場合は損傷したりする可能性がある。

これに対して本実施形態では、前後壁部１９ｃ，１９ｄには、前後のリブ４１，４２が一体に繋がっていて、前後のリブ４１，４２を介して上下冷却水ジャケット２２，２３に放熱されるため、熱の籠もりを抑制して異常昇温を防止できる。

更に詳しく述べると、まず、前後のリブ４１，４２は基部４１ａ，４２ａを有することにより、前後壁部１９ｃ，１９ｄから基部４１ａ，４２ａへの伝熱が行われるため、前後壁部１９ｃ，１９ｄが受ける熱量は同じであっても、昇温は抑制される。つまり、前後リブ４１，４２の基部４１ａ，４２ａの存在により、前後壁部１９ｃ，１９ｄが厚くなったのと同じ効果が生じて、受熱許容量が増大する。

そして、前後壁部１９ｃ，１９ｄには、側面視で冷却水ジャケット２２，２３の手前（又は手前近く）に位置した張り出し部４１ｂ，４２ｂ，下ボス３５，３６，ブリッジ部３９と繋がっているため、基部４１ａ，４２ａが受けた熱は、張り出し部４１ｂ，４１ｃ，下ボス３５，３６，ブリッジ部３９を経由して冷却水ジャケット２２，２３の冷却水に逃げていく。つまり、伝熱量は断面積に比例するため、本実施形態では、ある程度の体積を有するリブ４１，４２が、特に前後壁部１９ｃ，１９ｄの上下中間部から熱を冷却水ジャケット２２，２３に逃がす放熱通路として機能しているのである。

本実施形態では、前後の張り出し部４１ｂ，４２ｂは、側面視で上冷却水ジャケット２２と重なり合っているため、上冷却水ジャケット２２への放熱性が特に高くなっているが、既に述べたように、熱は上に逃げる性質があるので、本実施形態は、高温になる上下中間部からの放熱を促進して熱膨張をできるだけ均等化できるため、熱害対策として合理的であると云える。本実施形態では、締結用のボス（特に下ボス３５，３６）も放熱用リブとして機能するため、重量増大を抑制しつつ排気出口部１９の冷却性を向上できる利点がある。

リブ４１，４２の形状は、必要に応じて適宜変更できる。例えば、下部に、手前に向けて延びる下張り出し部を設けて、これを側面視で下冷却水ジャケットと重なるように配置することも可能である。実施形態は３気筒の内燃機関に適用したが、２気筒又は４気筒以上の多気筒内燃機関にも適用できることはいうまでもない。

実施形態では、基部４１ａ，４２ａが前後壁部１９ｃ，１９ｄの全体にわたって繋がっているが、例えば、基部４１ａ，４２ａが、前後壁部１９ｃ，１９ｄの上下中間部を始点として、上下方向に行くに従って前後厚さが厚くなるように設定することも可能である。従って、この場合は、基部４１ａ，４２ａは、側面視で三日月を半割りしたような形状になる。

本願発明は、実際に内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
１ａ 吸気側面
１ｂ 排気側面
３ クランク軸線
４ シリンダブロック
５ シリンダボア
１０ 排気ポート
１２ 排気枝通路
１９ 排気出口部
１９ａ，１９ｂ 上下壁部
１９ｃ，１９ｄ 前後壁部
２０ 排気穴
２１ 排気集合通路
２２ 上冷却水ジャケット
２３ 下冷却水ジャケット
３３〜３６ ボス
４１，４２ 前リブ
４１ａ，４２ａ 基部
４１ｂ，４２ｂ 張り出し部

Claims (1)

1. シリンダボア軸線方向から見てクランク軸線を挟んだ一方の側は吸気側面になって他方の側は排気側面になっており、内部には、各シリンダボアに対応した複数の排気枝通路が、前記排気側面に向かうように形成されている一方、
   前記排気側面には、排気系部材を重ね固定する排気出口部が突出した状態に形成されていて、前記排気出口部に設けた１つの排気穴と前記各排気枝通路とが排気集合通路を介して連通しており、
   かつ、前記各排気枝通路の群を挟んだ上下両側に冷却水ジャケットが形成されている構成であって、
   前記排気側面のうちクランク軸線方向から見て前記排気出口部を挟んだ前後両側に、前記排気出口部における前後端部の上下中間部に繋がったリブを、前記排気側面と直交した方向から見て前記冷却水ジャケットと重なる部位に向かうように形成している、
   シリンダヘッド。

Images