JP2018031321A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダボアと同心のインジェクタ挿入穴が形成されている直噴方式内燃機関用シリンダヘッドにおいて、シリンダブロックへの締結に際してのロアデッキの変形をもたらすことなく、放熱性を高めて熱ひずみを防止する。【解決手段】シリンダヘッド２にはヘッドジャケット１５が形成されており、ヘッドジャケット１５でロアデッキ１６が区画されている。ロアデッキ１６のうちガスケット３を介してシリンダブロック１に重なる第１部分１６ａは強度確保に必要な厚さを有しており、シリンダボア４と重なっている第２部分１６ｂは、第１部分１６ａよりも薄肉化して放熱性を高めている。インジェクタ挿入穴１２の近傍部から集中的に放熱されるため、ロアデッキ１６に熱ひずみが発生することを防止又は著しく抑制できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、直噴方式内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。

直噴式ガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは、インジェクタによって燃料を燃焼室に噴射しており、インジェクタは、シリンダヘッドに形成されたインジェクタ挿入穴に装着している。インジェクタの配置位置と姿勢は様々であるが、シリンダボアと同心に配置されることもあるし、特許文献１のように、シリンダボアの軸心から外して傾斜姿勢に配置される場合もある。

特許文献１にも開示されているが、シリンダヘッドの内部には冷却水が通るウォータジャケットを形成しており、ウォータジャケットの下方に位置したロアデッキが、ガスケットを介してシリンダブロックの上面に重なっている。特許文献１では、ロアデッキは全体にわたって等しい厚さになっている。

吸気ポートから混合気がシリンダボアに供給される方式の火花点火式内燃機関では、シリンダヘッドにも燃焼室が形成されていることが普通であり、従って、例えば特許文献２に開示されているように、シリンダヘッドの下面のうちシリンダボアに対向した部位は上向きに凹んだ凹所になっているが、直噴方式の内燃機関では、特許文献１にも図示されているように、圧縮比を高めるためにシリンダヘッドの下面（ロアデッキの下面）は全体に亙って平坦面になっている一方、ピストンの頂面には大きな凹所が形成されており、ピストンの凹所内で燃料と新気とを混合させている。

実開昭５９−１７９２２３号のマイクロフィルム 実開昭６１−０１７１６２号のマイクロフィルム

内燃機関では、直噴方式にしても混合気方式にしてもシリンダヘッドのロアデッキは高温の燃焼ガスに晒されるため、ウォータジャケットに流れる冷却水によってしっかりと冷却する必要がある。特に、インジェクタ挿入穴や点火プラグ挿入穴を挟んで排気側の部分は吸気側の部分に対して高温になるため、しっかりと冷却して熱ひずみを防止する必要がある。

また、直噴方式では、上記したようにピストンの頂面に設けた凹所で新気と燃料とを混合させていることから、爆発行程の初期段階において、燃焼ガスの熱と圧力がロアデッキのうちインジェクタ挿入穴を中心にした狭い範囲に集中的に作用するため、インジェクタ挿入穴の近傍部から排気ポートにかけての排気側の範囲で特に高温になっており、従って、この部分をしっかりと冷却する必要性が高い。

この点については、ロアデッキの厚さをできるだけ薄くして放熱性を高めたらよいと云えるが、ロアデッキを薄肉にし過ぎると、シリンダヘッドをシリンダブロックにヘッドボルトで締結したときにガスケットによってロアデッキが押されて、ロアデッキが曲がり変形してしまい、燃焼ガスの漏洩のような別の問題が発生するおそれがある。すなわち、ロアデッキは、放熱性と強度（剛性）とが相反している。

特に、直噴方式エンジンの場合は、ロアデッキの下面が平坦になっていて曲がり変形を吸収し難いため、ガスケットの箇所で曲がり変形することによる弊害（シール性低下）が顕れやすいと云える。

本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、強度低下をもたらすことなく放熱性を高めた直噴式内燃機関用シリンダヘッドを提供せんとするものである。

本願発明は、ガスケットを介してシリンダブロックの上面に重なるロアデッキの下面が平坦面に形成されたシリンダヘッドに関するものであり、このシリンダヘッドは、
「前記シリンダブロックに形成されたシリンダボアの中央部に対応した部位には、前記シリンダボアと略同心にインジェクタ挿入穴が形成されて、クランク軸線方向から見て前記インジェクタ挿入穴を挟んだ左右両側には、吸気穴と排気穴とが振り分けた状態に形成されて、これらインジェクタ挿入穴と吸気穴と排気穴とは前記ロアデッキの下面に開口しており、
更に、冷却水が流れるウォータジャケットを形成しており、前記ウォータジャケットによって前記ロアデッキが区画されている」、という基本構成になっている。

そして、前記ウォータジャケットは、平面視で前記シリンダボアの外側の全周に広がっている第１部分と、平面視において少なくとも排気穴の側においてシリンダボアと重なっている第２部分とを有しており、このため、前記ロアデッキも、前記ガスケットと重なった第１部分と、前記シリンダボアに露出した第２部分とを有しており、
前記ロアデッキにおける第２部分のうちその略全体、又は、少なくとも前記インジェクタ挿入穴の近傍部から排気穴の側の部分は、前記ロアデッキの第１部分よりも薄肉に形成されている。

既に述べたように、ロアデッキのうち排気ポートが開口している排気側エリアは、排気ガスの熱を受けて吸気側エリアよりも高温になる傾向を呈している。従って、ロアデッキの第２部分のうち、インジェクタ挿入穴を挟んで排気側の部分を薄肉化しておくと、高温になる部分を集中的に冷却しつつ、第２部分の全体を薄肉化した場合に比べて強度を大幅に向上できる利点がある。

さて、吸気穴（吸気ポート）は、ロアデッキに一体に繋がった吸気側柱部に形成されて、排気穴（排気ポート）は、ロアデッキに一体に繋がった排気側柱部に形成されており、更に、インジェクタ挿入穴は、ロアデッキの中央部に繋がった中心柱部に形成されており、これらの柱部を介してロアデッキは中間デッキやアッパデッキと繋がっている。

そして、中央柱部と吸気側柱部とを分離して、ロアデッキのインジェクタ挿入穴の周囲の箇所を薄肉に形成することも可能であるが、インジェクタ挿入穴の周囲の箇所も排気側が高温になるので、中央柱部と吸気側柱部とを一体化して、インジェクタ挿入穴の周囲のうち排気側の部位だけを薄肉化すると、熱収縮をできるだけ均等化できると共に、シリンダヘッドの構造を簡素化できる利点がある。

ロアデッキにおいてシリンダボアに露出した第２部分は、インジェクタ挿入穴を挟んで排気穴の側が特に燃焼ガスの熱を強く受けるが、本願発明では、最も熱を受ける部分は薄肉になっていて放熱性が良好になっているため、シリンダヘッドに熱ひずみが発生することやノッキングが発生することを著しく抑制して、内燃機関の品質を向上できる。また、冷却水への熱交換が促進されるため、暖機運転時間の短縮も図ることができ、延いては燃費の改善に貢献できる。

更に、第２部分が薄肉であることにより、熱収縮を第２部分の変形によって吸収することが可能となり、その結果、特定部位に応力が集中することを防止して、耐久性を向上できる。他方、ロアデッキのうち、ガスケットを介してシリンダボアに重なっている第２部分は薄肉化されていないため、強度低下を防止して高いシール性を確保できる。

要部をクランク軸線と直交した方向から見た側断面図であり、図２のＩ−Ｉ視断面図である。 図１のII-II 視平断面図である。

(1).基本構成
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の内燃機関は車両用であり、内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを備えており、両者の間には板金製等のガスケット３が介在している。シリンダブロック１には、複数のシリンダボア４がクランク軸線方向に並んで形成されており、各シリンダボア４には、ピストン５が摺動自在に嵌まっている。

ピストン５の頂面には、燃料と新気とを混合させる凹所６が形成されている。図１に符号７で示すのはコンロッド、符号８で示すのはピストンピンであり、図１はクランク軸線と直交した方向から見ているので、ピストンピン８は左右横長の姿勢に表示されている。

シリンダブロック１はアルミの鋳造品であり、シリンダボア４の内周は鋼製等のシリンダライナー９で構成されている。もとより、シリンダライナー９は必ずしも必要はない。シリンダボア４に鋳鉄品を採用することも有り得る。シリンダブロック１には、シリンダボア４の群を囲うウォータジャケット１０が形成されている。シリンダヘッド２のウォータジャケットとの混同を防止するために、以下では、シリンダボア４のウォータジャケット１０をブロックジャケットと呼ぶこととする。

シリンダヘッド２はアルミの鋳造品であり、クランク軸線と平行な２つの長手側面のうち一方の長手側面は吸気側面になって、他方の長手側面は排気側面になっている。シリンダヘッド２のうち各シリンダボア４と重なった部位には、燃料を噴射するインジェクタ１１が上から装着されるインジェクタ挿入穴１２が形成されている。インジェクタ１１は、先端部が細くなるように段違いの異径に形成されており、先端には燃料噴射ノズル１１ａを設けている。

本実施形態の内燃機関は、吸気弁と排気弁と２本ずつ備えたＤＯＨＣタイプであり、そこで、シリンダヘッド２には、新気が流れると共に吸気弁が配置される２つの吸気穴（吸気ポート）１３と、排気ガスが流れると共に排気弁が配置される２つの排気穴（排気ポート）１４とが、平面視でクランク軸線を挟んだ両側に振り分けた状態で形成されている。当然ながら、吸気穴１３と排気穴１４とはシリンダヘッド２の下面に開口している。

なお、２つの排気穴１４は、１つに集合して排気側面に開口している場合と、シリンダヘッド２に設けた集合通路に連通して、シリンダヘッド２の排気側面には１つの排気出口だけが開口している場合とがある。他方、２つの吸気穴１３は、１つに集合している場合と、互いに独立したままである場合とがある。

(2).冷却構造
シリンダヘッド２には、広い範囲で広がるウォータジャケット１５が形成されている。以下では、シリンダヘッド２のウォータジャケット１５をヘッドジャケットと呼ぶこととする。ヘッドジャケット１５は、上記のとおりシリンダヘッド２の広い範囲に広がっており、ヘッドジャケット１５の存在により、シリンダヘッド２はロアデッキ１６と中間デッキ１７とに区分されており、ロアデッキ１６が、ガスケット３を介してシリンダブロック１に重なっている。ロアデッキ１６の下面は全体が平坦になっている。

中間デッキ１７の上には、上部空間１８を介してアッパデッキ（図示せず）が形成されており、アッパデッキにカム軸等の動弁装置が配置されている。なお、ヘッドジャケット１５を挟んでロアデッキ１６とアッパデッキとが上下に区分されている場合もあるし、ヘッドジャケット１５が２段式になっている場合もある。

ヘッドジャケット１５の周囲は壁で囲われている。また、２つの吸気穴１３は１つの吸気側柱部１９に形成されて、インジェクタ挿入穴１２は中心柱部２０に形成されており、吸気側柱部１９と中心柱部２０とは一体に繋がっている。他方、２つの排気穴１４は、それぞれ別々の排気側柱部２１に形成されている。排気ガスの熱は排気側柱部２１に伝達されるが、２つの排気側柱部２１が分離していて冷却水との接触面積が大きくなっているため、排気側柱部２１から冷却水への熱交換が促進される。

吸気側柱部１９と中心柱部２０と排気側柱部２１とは、平面視でシリンダボア４の内部に配置されており、ヘッドジャケット１５は、平面視でシリンダボア４の外側の全体に広がっている。そして、ロアデッキ１６のうち、シリンダボア４の内周よりも外側に位置してガスケット３に重なる部分を第１部分１６ａと呼んで、平面視でシリンダボア４の内部に位置した部分を第２部分１６ｂと呼ぶことができるが、第２部分１６ｂは第１部分１６ａよりも厚さが薄くなっている。

図２では、第２部分１６ｂの範囲を多数のドットで表示している。図の例では、第２部分１６ｂは第１部分１６ａの半分程度の厚さになっているが、第２部分１６ｂは、強度を確保できる範囲でできるだけ薄いのが好ましい。

第１部分１６ａの内周は、シリンダブロック１の内周に対応して略真円形になっている。そこで、吸気側柱部１９の外周面のうちインジェクタ挿入穴１２と反対側の部分は、シリンダボア４の内径と略同じ程度の曲率半径の円弧形状になっている。中心柱部２０が吸気側柱部１９と一体になっているため、第２部分１６ｂは、概ねインジェクタ挿入穴１２を挟んで排気穴１４の側（排気側）に形成されている。なお、火花点火式の直噴エンジンの場合は、別途、点火プラグを設けることになる。

図２において符号２２で示すのは、シリンダヘッド２をシリンダブロック１に固定するためのヘッドボルトである。図２では、内燃機関の一端部を表示しており、シリンダヘッド２におけるロアデッキ１６の第１部分１６ａに、ブロックジャケット１０から冷却水を導入する冷却水通路２３が形成されている。冷却水通路２３は、気筒列の一端部の外側とその近くとに位置している。冷却水通路２３は網かけで表示しており、全部で４つ形成されている。これらは長穴に形成されてシリンダボア４を囲うように配置されているが、数や位置、大きさは任意に設定できる。

なお、ロアデッキ１６の第１部分１６ａには、シリンダボア４を囲うようにしてダミー穴２４が形成されている。ダミー穴２４は、シリンダヘッド２を鋳造するにおいて、ヘッドジャケット１５を成形するための中子型を安定良く支持するためのものであり、ガスケット３で塞がれている。

(3).まとめ
以上の説明から理解できるように、ロアデッキ１６の第１部分１６ａは、シリンダボア４の周囲の全周に亙って広がっており、かつ、適度の肉厚を有するため、ヘッドボルト２２を締め込んでシリンダブロック１に締結しても、ロアデッキ１６が変形するようなことはない。従って、シリンダブロック１とシリンダヘッド２との間のシール性は確保されており、燃焼ガスの漏洩のような問題は生じない。

他方、第２部分１６ｂは排気側に位置していて燃焼ガス及び排気ガスの熱を強く受けるが、第２部分１６ｂは第１部分１６ａよりも薄肉になっているため、放熱性は高くなっている。従って、第２部分１６ｂが部分的に異常昇温することを防止して、ロアデッキ１６に熱ひずみが発生することを防止又は著しく抑制できる。このため、シリンダヘッド２全体としてもいびつに変形することはなくて、排気弁などの可動部材の動きの滑らかさを確保でき、延いては燃費の改善にも貢献できる。

ロアデッキ１６から冷却水への熱交換を促進できるため、暖機運転の短縮にも貢献できる。この面からも、燃費の向上に貢献できる。また、ヒータ使用時に、ヒータの効きがよくなる利点もある。

第２部分１６ｂには燃焼ガスの圧力が下方から作用するが、第２部分１６ｂには各柱部１９，２０，２１が一体に繋がっているため、第２部分１６ｂが燃焼圧で変形するようなことはない。従って、第２部分１６ｂを薄肉化したことよってロアデッキ１６の強度が低下するようなことはない。実施形態のように吸気側柱部１９と中心柱部２０とを一体に形成すると、鋳型がシンプルになるため鋳造の品質向上に貢献できると共に、シリンダヘッド２の強度アップにも貢献できる。

本願発明は、実際に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 シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ガスケット
４ シリンダボア
５ ピストン
６ 凹所
９ シリンダライナー
１０ ブロックジャケット（シリンダブロックのウォータジャケット）
１１ インジェクタ
１２ インジェクタ挿入穴
１３ 吸気穴
１４ 排気穴
１５ ヘッドジャケット（シリンダヘッドのウォータジャケット）
１６ ロアデッキ
１６ａ ロアデッキの第１部分
１６ｂ ロアデッキの第２部分（薄肉部）
１９ 吸気側柱部
２０ 中心柱部
２１ 排気側柱部
２２ 冷却水通路

Claims (1)

1. ガスケットを介してシリンダブロックの上面に重なるロアデッキの下面が平坦面に形成されたシリンダヘッドであり、
   前記シリンダブロックに形成されたシリンダボアの中央部に対応した部位には、前記シリンダボアと略同心にインジェクタ挿入穴が形成されて、クランク軸線方向から見て前記インジェクタ挿入穴を挟んだ左右両側には、吸気穴と排気穴とが振り分けた状態に形成されて、これらインジェクタ挿入穴と吸気穴と排気穴とは前記ロアデッキの下面に開口しており、
   更に、冷却水が流れるウォータジャケットを形成しており、前記ウォータジャケットによって前記ロアデッキが区画されている構成において、
   前記ウォータジャケットは、平面視で前記シリンダボアの外側の全周に広がっている第１部分と、平面視において少なくとも排気穴の側においてシリンダボアと重なっている第２部分とを有しており、このため、前記ロアデッキも、前記ガスケットと重なった第１部分と、前記シリンダボアに露出した第２部分とを有しており、
   前記ロアデッキにおける第２部分のうちその略全体、又は、少なくとも前記インジェクタ挿入穴の近傍部から排気穴の側の部分は、前記ロアデッキの第１部分よりも薄肉に形成されている、
   シリンダヘッド。

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