JP2017190674A - シリンダヘッドのウオータジャケット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 下部排気集合部および上部排気集合部を備えるシリンダヘッドの冷却効果を高めることが可能なシリンダヘッドのウオータジャケット構造を提供する。【解決手段】 シリンダヘッド１３の下部ウオータジャケット１５は、下部排気集合部冷却部１５ｂをバイパスして下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａの間に配置される下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを備えるので、そこを流れる冷却水で下部排気集合部１７ａの上面および上部排気集合部１８ａの下面を冷却することができる。しかも下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを流れる冷却水は、下部ウオータジャケット１５の冷却水だけであり、上部ウオータジャケット１６の冷却水は流れないので、下部・上部排気集合部冷却部１５ｃにおいて両ウオータジャケット１５，１６の冷却水が干渉してスムーズな流れが阻害されることがなくなり、下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａに挟まれた領域の冷却効果を一層高めることができる。【選択図】 図３

Description

本発明は、シリンダヘッドの内部に、上下方向に重なり合うように配置された下部排気集合部および上部排気集合部と、前記下部排気集合部の下方に配置された下部ウオータジャケットと、前記上部排気集合部の上方に配置された上部ウオータジャケットとが形成され、前記下部ウオータジャケットおよび前記上部ウオータジャケットの内部を冷却水が相互に独立にかつ同方向に流れるシリンダヘッドのウオータジャケット構造に関する。

水冷直列四気筒エンジンにおいて、♯１シリンダおよび♯４シリンダの排気ポートを集合させた下部排気集合部と、♯２シリンダおよび♯３シリンダの排気ポートを集合させた上部排気集合部とを上下方向に重なるように配置し、これらの排気ポートを上下方向から挟むように下部ウオータジャケットおよび上部ウオータジャケットを形成し、下部ウオータジャケットおよび上部ウオータジャケットを連通させる中間ウオータジャケットを下部排気集合部および上部排気集合部の間に配置することにより、中間ウオータジャケットを流れる冷却水で高温になりやすい下部排気集合部および上部排気集合部の近傍の冷却効果を高めるものが、下記特許文献１により公知である。

米国特許第８０６１１３１号明細書

しかしながら、上記従来のものは、中間ウオータジャケットの両端に位置する二つの連通部において下部ウオータジャケット、上部ウオータジャケットおよび中間ウオータジャケットが相互に連通しているため、二つの連通部において三つのウオータジャケットの冷却水が干渉してスムーズな流れが阻害されてしまい、中間ウオータジャケットを設けたことによる冷却効果が充分に発揮されない可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、下部排気集合部および上部排気集合部を備えるシリンダヘッドの冷却効果を高めることが可能なシリンダヘッドのウオータジャケット構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、シリンダヘッドの内部に、上下方向に重なり合うように配置された下部排気集合部および上部排気集合部と、前記下部排気集合部の下方に配置された下部ウオータジャケットと、前記上部排気集合部の上方に配置された上部ウオータジャケットとが形成され、前記下部ウオータジャケットおよび前記上部ウオータジャケットの内部を冷却水が相互に独立にかつ同方向に流れるシリンダヘッドのウオータジャケット構造であって、前記下部ウオータジャケットは前記下部排気集合部の下面に対向する下部排気集合部冷却部を備えるとともに、前記上部ウオータジャケットは前記上部排気集合部の上面に対向する上部排気集合部冷却部を備え、かつ前記下部ウオータジャケットおよび前記上部ウオータジャケットの何れか一方のウオータジャケットは、該一方のウオータジャケットの排気集合部冷却部をバイパスして前記下部排気集合部および前記上部排気集合部の間に配置される下部・上部排気集合部冷却部を備え、前記下部・上部排気集合部冷却部は前記下部排気集合部の上面および前記上部排気集合部の下面に対向することを特徴とするシリンダヘッドのウオータジャケット構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記一方のウオータジャケットは、該一方のウオータジャケットの排気集合部冷却部と前記下部・上部排気集合部冷却部との連結部に容積拡大部を備えることを特徴とするシリンダヘッドのウオータジャケット構造が提案される。

なお、実施の形態の下部ウオータジャケット１５は本発明の一方のウオータジャケットに対応し、実施の形態の下部排気集合部冷却部１５ｂは本発明の一方の排気集合部冷却部に対応し、実施の形態の第１容積拡大部１５ｅおよび第２容積拡大部１５ｇは本発明の容積拡大部に対応する。

請求項１の構成によれば、シリンダヘッドのウオータジャケット構造は、シリンダヘッドの内部に、上下方向に重なり合うように配置された下部排気集合部および上部排気集合部と、下部排気集合部の下方に配置された下部ウオータジャケットと、上部排気集合部の上方に配置された上部ウオータジャケットとが形成され、下部ウオータジャケットおよび上部ウオータジャケットの内部を冷却水が相互に独立にかつ同方向に流れる。下部ウオータジャケットは下部排気集合部の下面に対向する下部排気集合部冷却部を備え、上部ウオータジャケットは上部排気集合部の上面に対向する上部排気集合部冷却部を備えるので、下部ウオータジャケットを流れる冷却水で下部排気集合部の下面を冷却し、上部ウオータジャケットを流れる冷却水で上部排気集合部の上面を冷却することができる。

また下部ウオータジャケットおよび上部ウオータジャケットの何れか一方のウオータジャケットは、該一方のウオータジャケットの排気集合部冷却部をバイパスして下部排気集合部および上部排気集合部の間に配置される下部・上部排気集合部冷却部を備えるので、下部・上部排気集合部冷却部を流れる冷却水で下部排気集合部の上面および上部排気集合部の下面を冷却することで、高温になり易い下部排気集合部および上部排気集合部に挟まれた領域の冷却効果を高めることができる。しかも下部・上部排気集合部冷却部を流れる冷却水は、一方のウオータジャケットの冷却水だけであり、他方のウオータジャケットの冷却水は流れないので、下部・上部排気集合部冷却部において下部ウオータジャケットおよび上部ウオータジャケットの冷却水が干渉してスムーズな流れが阻害されることがなくなり、下部・上部排気集合部冷却部に冷却水をスムーズに流して下部排気集合部および上部排気集合部に挟まれた領域の冷却効果を一層高めることができる。

また請求項２の構成によれば、一方のウオータジャケットは、該一方のウオータジャケットの排気集合部冷却部と下部・上部排気集合部冷却部との連結部に容積拡大部を備えるので、一方のウオータジャケットから下部・上部排気集合部冷却部への冷却水の分流と、下部・上部排気集合部冷却部から一方のウオータジャケットへの冷却水の合流とがスムーズに行われることで、下部排気集合部および上部排気集合部の冷却効果が向上する。

ウオータジャケットの斜視図。 図１の２方向矢視図。 図１の３方向矢視図。 図３の４−４線断面図。 上部ウオータジャケットおよび下部ウオータジャケットの平面図。

以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、本明細書における上下方向とは、エンジンの搭載姿勢に関係なく、シリンダ軸線方向であってシリンダブロック側を下方とし、シリンダ軸線方向であってシリンダヘッド側を上方として定義される。

図３に示すように、水冷式の直列４気筒エンジンは、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の頂面にガスケット１２を挟んで底面を結合されるシリンダヘッド１３とを備える。シリンダブロック１１は、シリンダ列線に沿って直列に配置された４個のシリンダボアの周囲を取り囲むウオータジャケット１４を備え、このオータジャケット１４には図示せぬ冷却水ポンプから冷却水が供給される。

図１〜図５に示すように、シリンダヘッド１３の内部には、下部ウオータジャケット１５、上部ウオータジャケット１６、下部排気ポート１７および上部排気ポート１８が形成されており、下部排気ポート１７および上部排気ポート１８は下部ウオータジャケット１５および上部ウオータジャケット１６の間に挟まれるように配置される。なお、各図面におけるウオータジャケットおよび排気ポートの形状は、そのウオータジャケットおよび排気ポートを鋳造により形成するための中子の形状でもある。

エンジンのシリンダブロック１１は、クランクシャフトの駆動力をカムシャフトに伝達するタイミングチェーンが配置されるタイミングチェーン側からトランスミッション側に向かって♯１〜♯４シリンダを備える。シリンダヘッド１３は、上流端が♯２シリンダおよび♯３シリンダの燃焼室の排気孔に接続された下部排気ポート１７，１７を備えており、下部排気ポート１７，１７は下流端において一体に集合して下部排気集合部１７ａを構成する（図５（Ｂ）参照）。またシリンダヘッド１３は、上流端が♯１シリンダおよび♯４シリンダの燃焼室の排気孔に接続された上部排気ポート１８，１８を備えており、上部排気ポート１８，１８は下流端において一体に集合して上部排気集合部１８ａを構成する（図５（Ａ）参照）。下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａは上下方向に重なり合い、上方から見たときに♯２シリンダおよび♯３シリンダの中間位置においてシリンダヘッド１３の排気側側面に開口する。

♯１〜♯４シリンダの排気ポートを一つの排気集合部に集合させると、排気干渉により排ガスのスムーズな排出が妨げられて内燃機関の出力が低下する問題があるが、本実施の形態のごとく、排気タイミングが連続しない♯２シリンダおよび♯３シリンダの下部排気ポート１７，１７を一体に集合して下部排気集合部１７ａとし、排気タイミングが連続しない♯１シリンダおよび♯４シリンダの上部排気ポート１８，１８を一体に集合して上部排気集合部１８ａとすることで、排気干渉の発生を防止して内燃機関の出力向上を図ることができる。

下部ウオータジャケット１５は比較的に小型であって♯１〜♯４シリンダの排気側だけに配置されており、その吸気側の端部に沿って８個の下部ウオータジャケット冷却水入口１５ａ…（図２参照）が下向きに延びており、これらの下部ウオータジャケット冷却水入口１５ａ…は♯１〜♯４シリンダの外周を取り囲むシリンダブロック１１のウオータジャケット１４に連通する。また下部ウオータジャケット１５の排気側の端部には、下部排気集合部１７ａの下面に対向する下部排気集合部冷却部１５ｂと、下部排気集合部１７ａの上面に対向する下部・上部排気集合部冷却部１５ｃとが形成される。下部排気集合部１７ａの下面に向かって凹形状に湾曲する下部排気集合部冷却部１５ｂと、下部排気集合部１７ａの上面に向かって凹形状に湾曲する下部・上部排気集合部冷却部１５ｃとは、環状に連結されて下部排気集合部１７ａの外周を取り囲む。

下部ウオータジャケット１５の排気側の端部に沿ってタイミングチェーン側から下部排気集合部１７ａに向かって延びる第１冷却水通路１５ｄの下流側には、下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃに向かって流路断面積が次第に拡大する第１容積拡大部１５ｅが形成される。また下部ウオータジャケット１５の排気側の端部に沿って下部排気集合部１７ａからトランスミッション側に向かって延びる第２冷却水通路１５ｆの上流側には、下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃ側から流路断面積が次第に拡大する第２容積拡大部１５ｇが形成される。

下部ウオータジャケット１５は、その外側に向かって突出する３個の幅木部１９〜２１（図１参照）を備える。幅木部１９〜２１は、シリンダヘッド１３を鋳造する際に下部ウオータジャケット１５を鋳抜くための砂製の中子を金型の内部に保持するための突起であり、鋳造後に中子を排出すると幅木部１９〜２１は下部ウオータジャケット１５の一部を構成する開口部となる。トランスミッション側の端部に位置する幅木部１９の開口部は、下部ウオータジャケット冷却水出口１５ｈを構成する。

上部ウオータジャケット１６は下部ウオータジャケット１５よりも大型であって♯１〜♯４シリンダの吸気側から排気側に跨がるように配置されており、そのタイミングチェーン側、吸気側およびトランスミッション側の端部に沿って１１個の上部ウオータジャケット冷却水入口１６ａ…（図２参照）が下向きに延びており、これらの上部ウオータジャケット冷却水入口１６ａ…は♯１〜♯４シリンダの外周を取り囲むシリンダブロック１１のウオータジャケット１４に連通する。

また上部ウオータジャケット１６の排気側の端部に沿って、タイミングチェーン側からトランスミッション側に向かって第１冷却水通路１６ｂ、上部排気集合部冷却部１６ｃおよび第２冷却水通路１６ｄが直列に形成される。上部排気集合部冷却部１６ｃは、上部排気集合部１８ａの上面に向かって凹形状に湾曲する。下部ウオータジャケット１５の下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃは、第１冷却水通路１５ｄの下流端および第２冷却水通路１５ｆの上流端の間に吊り下げられるように連結されるため、下部・上部排気集合部冷却部１５ｃは上面は上部排気集合部１８ａの下面に向かって凹形状に湾曲している。その結果、上部排気集合部１８ａは、上部排気集合部冷却部１６ｃおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃによって上面および下面を取り囲まれる。

上部ウオータジャケット１６は、その外側に向かって突出する５個の幅木部２２〜２６（図１参照）を備える。トランスミッション側の端部に位置する幅木部２２の開口部は、上部ウオータジャケット冷却水出口１６ｅを構成する。タイミングチェーン側の端部に位置する幅木部２３の開口部と、トランスミッション側の端部に位置する幅木部２４の開口部とは、図示せぬプラグで閉塞される。

下部排気集合部１７ａのタイミングチェーン側に位置する下部ウオータジャケット１５の幅木部２０および上部ウオータジャケット１６の幅木部２５は上下に重なり合って開口部が図示せぬプラグで閉塞され、その内部に形成された第１エア抜き孔２７で下部ウオータジャケット１５および上部ウオータジャケット１６が連通する。また下部排気集合部１７ａのトランスミッション側に位置する下部ウオータジャケット１５の幅木部２１および上部ウオータジャケット１６の幅木部２６は上下に重なり合って開口部が図示せぬプラグで閉塞され、その内部に形成された第２エア抜き孔２８で下部ウオータジャケット１５および上部ウオータジャケット１６が連通する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

図示せぬ冷却水ポンプでシリンダブロック１１のウオータジャケット１４に供給された冷却水の一部は、そこから下部ウオータジャケット冷却水入口１５ａ…を介して下部ウオータジャケット１５に供給され、下部ウオータジャケット１５をタイミングチェーン側からトランスミッション側に流れる間に、♯１〜♯４シリンダの燃焼室における燃料の燃焼により温度上昇したシリンダヘッド１３を冷却し、下部ウオータジャケット冷却水出口１５ｈから排出される。

またシリンダブロック１１のウオータジャケット１４に供給された冷却水の残部は、そこから上部ウオータジャケット冷却水入口１６ａ…を介して上部ウオータジャケット１６に供給され、上部ウオータジャケット１６をタイミングチェーン側からトランスミッション側に流れる間にシリンダヘッド１３を冷却し、上部ウオータジャケット冷却水出口１６ｅから排出される。その間、下部ウオータジャケット１５を流れる冷却水と上部ウオータジャケット１６を流れる冷却水とは独立しており、相互に混ざり合うことはない。

下部ウオータジャケット１５を流れる冷却水に含まれる気泡は、上下に重なり合う下部ウオータジャケット１５の幅木部２０および上部ウオータジャケット１６の幅木部２５の内部に形成された第１エア抜き孔２７と、上下に重なり合う下部ウオータジャケット１５の幅木部２１および上部ウオータジャケット１６の幅木部２６の内部に形成された第２エア抜き孔２８とを介して上部ウオータジャケット１６に排出され、上部ウオータジャケット１６から冷却水と共にシリンダヘッド１３の外部に排出される。このとき、第１エア抜き孔２７および第２エア抜き孔２８は下部ウオータジャケット１５の最も高い位置に設けられているため、冷却水よりも軽い気泡を下部ウオータジャケット１５から上部ウオータジャケット１６に効率的に排出することができる。

シリンダヘッド１３のうち、♯１〜♯４シリンダの燃焼室から出た排ガスが通過する下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａの近傍は最も高温になり易く、特に下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａに挟まれた領域は最も高温になる。

下部ウオータジャケット１５の第１冷却水通路１５ｄをタイミングチェーン側からトランスミッション側に流れる冷却水は、第１容積拡大部１５ｅにおいて下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃに分流した後、第２容積拡大部１５ｇで第２冷却水通路１５ｆに合流するが、その際に下部排気集合部１７ａの下面がそれに対向する下部排気集合部冷却部１５ｂを流れる冷却水で冷却され、下部排気集合部１７ａの上面がそれに対向する下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを流れる冷却水で冷却されることで、高温になり易い下部排気集合部１７ａの周囲のシリンダヘッド１３が効率的に冷却される。また上部排気集合部１８ａの上面がそれに対向する上部排気集合部冷却部１６ｃを流れる冷却水で冷却され、上部排気集合部１８ａの下面がそれに対向する下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを流れる冷却水で冷却されることで、高温になり易い上部排気集合部１８ａの周囲のシリンダヘッド１３が効率的に冷却される。

このとき、下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａに間に配置された下部・上部排気集合部冷却部１５ｃは、下部ウオータジャケット１５の一部を構成していて上部ウオータジャケット１６とは分離しているため、下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを流れる冷却水と上部ウオータジャケット１６を流れる冷却水とが相互に干渉することが防止され、下部・上部排気集合部冷却部１５ｃにおける冷却水の流れがスムーズになって下部排気集合部１７ａおよび上部排気集合部１８ａの冷却効率が高められる。

また下部ウオータジャケット１５の第１冷却水通路１５ｄが下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃに分岐する部分には流路断面請が次第に拡大する第１容積拡大部１５ｅが形成され、かつ下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃが第２冷却水通路１５ｆに集合する部分には流路断面請が次第に減少する第２容積拡大部１５ｇが形成されるので、第１容積拡大部１５ｅおよび第２容積拡大部１５ｇにおける冷却水の滞りを防止して下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃにおける冷却水のスムーズな流れを可能にすることができる。

シリンダヘッド１３を金型で鋳造する際に、そのウオータジャケットは中子を用いて成形されるが、本実施の形態では下部ウオータジャケット１５および上部ウオータジャケット１６を流れる冷却水は基本的に混じり合うことなく相互に独立して流れるため、下部ウオータジャケット１５の中子および上部ウオータジャケット１６の中子も相互に交差することなく独立して構成することが可能となり、これにより中子の構造を簡素化して製造コストを削減することができる。

特に、下部ウオータジャケット１５の下部・上部排気集合部冷却部１５ｃは上部ウオータジャケット１６と連通しないので、下部・上部排気集合部冷却部１５ｃを成形する中子を独立して設けることなく、下部ウオータジャケット１５の中子と一体化することが可能となり、中子の数を減らして製造コストを削減することができる。

また下部ウオータジャケット１５の下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃが第１容積拡大部１５ｅおよび第２容積拡大部１５ｇに吊り下げられるような形状であるため（図３参照）、下部ウオータジャケット１５の中子における下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃに対応する部分の強度が高まり、中子を保管しておく間に下部排気集合部冷却部１５ｂおよび下部・上部排気集合部冷却部１５ｃに対応する部分が変形してしまう事態を回避することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態のエンジンは直列４気筒エンジンであるが、エンジンの気筒の数や配列は実施の形態に限定されるものではない。

１３ シリンダヘッド
１５ 下部ウオータジャケット（一方のウオータジャケット）
１５ｂ 下部排気集合部冷却部（一方の排気集合部冷却部）
１５ｃ 下部・上部排気集合部冷却部
１５ｅ 第１容積拡大部（容積拡大部）
１５ｇ 第２容積拡大部（容積拡大部）
１６ 上部ウオータジャケット
１６ｃ 上部排気集合部冷却部
１７ａ 下部排気集合部
１８ａ 上部排気集合部

Claims (2)

1. シリンダヘッド（１３）の内部に、上下方向に重なり合うように配置された下部排気集合部（１７ａ）および上部排気集合部（１８ａ）と、前記下部排気集合部（１７ａ）の下方に配置された下部ウオータジャケット（１５）と、前記上部排気集合部（１８ａ）の上方に配置された上部ウオータジャケット（１６）とが形成され、前記下部ウオータジャケット（１５）および前記上部ウオータジャケット（１６）の内部を冷却水が相互に独立にかつ同方向に流れるシリンダヘッドのウオータジャケット構造であって、
   前記下部ウオータジャケット（１５）は前記下部排気集合部（１７ａ）の下面に対向する下部排気集合部冷却部（１５ｂ）を備えるとともに、前記上部ウオータジャケット（１６）は前記上部排気集合部（１８ａ）の上面に対向する上部排気集合部冷却部（１６ｃ）を備え、かつ前記下部ウオータジャケット（１５）および前記上部ウオータジャケット（１６）の何れか一方のウオータジャケット（１５）は、該一方のウオータジャケット（１５）の排気集合部冷却部（１５ｂ）をバイパスして前記下部排気集合部（１７ａ）および前記上部排気集合部（１８ａ）の間に配置される下部・上部排気集合部冷却部（１５ｃ）を備え、前記下部・上部排気集合部冷却部（１５ｃ）は前記下部排気集合部（１７ａ）の上面および前記上部排気集合部（１８ａ）の下面に対向することを特徴とするシリンダヘッドのウオータジャケット構造。
2. 前記一方のウオータジャケット（１５）は、該一方のウオータジャケット（１５）の排気集合部冷却部（１５ｂ）と前記下部・上部排気集合部冷却部（１５ｃ）との連結部に容積拡大部（１５ｅ，１５ｇ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシリンダヘッドのウオータジャケット構造。
   

Images