JP2018131999A

JP2018131999A - エンジン用シリンダヘッド

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Publication number: JP2018131999A
Application number: JP2017027007A
Authority: JP
Inventors: 小島　光高; Mitsutaka Kojima; 光高小島; 広司石井; Koji Ishii; 村田　真一; Shinichi Murata; 真一村田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2018-08-23

Abstract

【課題】スムーズな排気特性を確保しつつ、更なるコンパクト化を図った排気マニホールドを内蔵したエンジン用シリンダヘッドを提供する。
【解決手段】エンジンの気筒６に接続される排気ポート１０を内蔵したエンジン用シリンダヘッドにおいて、排気ポート１０を下流側の排気管と接続するフランジ部１５と、エンジン内部を冷却する冷却水が流れる水室１１と、水室１１と接続され、フランジ部１５のフランジ面１５ａに臨む延長水路１９と、を備えたことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドを構成する。
【選択図】図９

Description

この発明は、排気マニホールドを内蔵したエンジン用シリンダヘッドに関する。

エンジンのシリンダヘッドとして、例えば、特許文献１に示すように、エンジンの各気筒にそれぞれ接続された複数の排気ポートをこのシリンダヘッドに内蔵した、排気マニホールド一体型のものが開発されている。この排気ポートの近傍には、上下に分割された冷却液ジャケット（上側および下側冷却液ジャケット）が配置されており、この冷却液ジャケットを流れる冷却液によって、排気ポートを流れる排気ガスを冷却している。

特に、排気ガスが集合して温度が上昇しやすい集合部の近傍に、上側および下側冷却液ジャケットを連通する連通部を形成し、上側および下側冷却液ジャケット内で生成される長手方向（シリンダヘッドの長手軸の方向）の冷却液の流れを横切る方向に流れる二つの冷却液の流れを形成することによって、冷却の均一性を高めている（引用文献１の段落００６４、図１など参照）

特開２００８−３０９１５８号公報

特許文献１に係る冷却液ジャケットは、排気ポートの冷却を主目的としており、この排気ポートの先端側、すなわち、排気ポートとその下流側の排気管を接続するフランジ部の冷却は不十分であった。このフランジ部の冷却が不十分であると、高温の排気ガスによって、フランジ部とこのフランジ部に排気管を固定するボルトとの間で熱膨張差が生じ、ボルトの締付け力が低下する虞がある。

そこで、この発明は、排気マニホールドを内蔵したシリンダヘッドのフランジ部を効率良く冷却して、このフランジ部に設けられたボルトの締付け力を維持することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、エンジンの気筒に接続される排気ポートを内蔵したエンジン用シリンダヘッドにおいて、前記排気ポートを下流側の排気管と接続するフランジ部と、エンジン内部を冷却する冷却水が流れる水室と、前記水室と接続され、前記フランジ部のフランジ面に臨む延長水路と、を備えたことを特徴とするエンジン用シリンダヘッドを構成した。

前記構成においては、前記水室が、前記排気ポートの上側に設けられる上部水室と、下側に設けられる下部水室とを有し、前記延長水路が、前記上部水室および前記下部水室に対して、水平方向から接続されている構成とするのが好ましい。

水室が上部水室と下部水室を有する構成においては、前記上部水室と前記下部水室が、前記フランジ部に臨むように上下に接近して配置された構成とするのが好ましい。

前記各構成においては、前記フランジ部の左右両端部に、前記排気管を固定するボルトを設けるボルト穴が形成されており、このボルト穴に沿って、前記延長水路が形成されている構成とするのが好ましい。

前記各構成においては、前記延長水路の先端部に、排気系装置と連結された冷却通路が接続された構成とすることができる。

この発明によると、フランジ部のフランジ面に臨む延長水路を流れる冷却水によって、このフランジ部を効率的に冷却することができる。このため、高温の排気ガスによってフランジ部とこのフランジ部に排気管を固定するボルトとの間で熱膨張差が生じるのを防止して、フランジ部に設けられたボルトの締付け力を維持することができる。

エンジン用シリンダヘッドおよびシリンダブロックの一例を示す分解斜視図図１に示すエンジンの内部構造の一例を示す断面図この発明に係るエンジン用シリンダヘッドの一実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図図３に示すエンジン用シリンダヘッドの製造に用いられる排気ポート用中子および水室用中子の正面図図４中のＶ−Ｖ線に沿う断面図図４に示す排気ポート用中子および水室用中子の斜視図図６に示す排気ポート用中子および水室用中子の分解斜視図図３（ａ）または（ｂ）中の（ａ）はＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ線に沿う断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ線に沿う断面図図３に示すエンジン用シリンダヘッドの要部を示す平面図図３（ｂ）中のＸ−Ｘ線に沿う断面図

この発明に係るエンジン用シリンダヘッド（以下において、「シリンダヘッド」と略称する。）は、図１および図２に例示するエンジンに適用される。図１に示すように、このエンジンは、４本の気筒６（第一気筒６ａ、第二気筒６ｂ、第三気筒６ｃ、第四気筒６ｄ）が直列に配置された直列４気筒エンジンであって、シリンダヘッド１とシリンダブロック２を備えている。このシリンダヘッド１は、排気ポート１０を内蔵した排気マニホールド一体型のシリンダヘッド１である。このシリンダヘッド１をシリンダブロック２に連結することによってエンジンが構成される。以下においては、エンジンのシリンダヘッド１側を上側、シリンダブロック２側を下側と称する。

図２に示すように、このエンジンの内部には、冷却水が流れる水室１１（ウォータジャケット）が形成されており、この水室１１に冷却水を流すことによってエンジンを冷却している。シリンダ３の内部には、ピストン４が上下動自在に設けられている。ピストン４上部の燃焼室には、空気を送り込む吸気ポート５、および、排気ガスを排出する排気ポート１０がそれぞれ接続されている。

本図では、吸排気バルブ、点火装置などのエンジン付属部品の記載は省略している。なお、ここで示したエンジンの形態は説明のための例示に過ぎず、以下において説明する、この発明に係るシリンダヘッド１は、エンジンの気筒数などについて、何ら限定を受けることなく適用される。

この発明に係るシリンダヘッド１の一実施形態を図３から図１０を用いて説明する。図３に示すシリンダヘッド１は、鋳造法によって製造される。その鋳造は、シリンダヘッド１の型枠（図示せず）内に図４から図７に示す中子（排気ポート用中子１２、水室用中子１３）を配置し、この型枠内に溶湯を注湯することによってなされる。冷却後にこれらの中子１２、１３を除去することによって、排気ポート１０および水室１１が内蔵されたシリンダヘッド１が完成する。

排気ポート用中子１２は、後述する第一ポート１０ａを形成するための第一ポート用中子１２ａ、合流ポート１４（第二ポート１０ｂ、第三ポート１０ｃ）を形成するための合流ポート用中子１２ｂ、および、第四ポート１０ｄを形成するための第四ポート用中子１２ｃから構成される。また、水室用中子１３は、後述する上部水室１１ａを形成するための上部中子１３ａ、および、下部水室１１ｂを形成するための下部中子１３ｂから構成される。

排気ポート１０は、第一ポート１０ａ、第二ポート１０ｂ、第三ポート１０ｃ、および、第四ポート１０ｄの４ポートから構成されている。第一ポート１０ａは第一気筒６ａ、第二ポート１０ｂは第二気筒６ｂ、第三ポート１０ｃは第三気筒６ｃ、および、第四ポート１０ｄは第四気筒６ｄにそれぞれ接続されている。

各排気ポート１０は、直列配置された複数の気筒６の配列方向中央付近（第二気筒６ｂと第三気筒６ｃの中間付近）に集合している。第二ポート１０ｂと第三ポート１０ｃは、途中で合流して合流ポート１４を構成する一方で、第一ポート１０ａと第四ポート１０ｄは、他の排気ポート１０と合流することなく、それぞれ単独のまま集合している。

第一ポート１０ａ、合流ポート１４（第二ポート１０ｂ、第三ポート１０ｃ）、および、第四ポート１０ｄは、シリンダヘッド１のフランジ部１５のフランジ面１５ａに開口している。このフランジ部１５において、各排気ポート１０は、下流側の排気管（図示せず）と接続される。このフランジ部１５には、複数のボルト孔１６（図１０参照）が形成されており、このボルト孔１６には、排気管を固定するためのボルト１７が設けられている。

水室１１は、排気ポート１０の上側に配置される上部水室１１ａと、下側に配置される下部水室１１ｂとから構成されている。上部水室１１ａと下部水室１１ｂは、ともにフランジ部１５に臨むように配置され、そのフランジ部１５側の端部で、互いに上下に接近している（図５の左端部参照）。水室１１内には、ウォータポンプ（図示せず）によって冷却水が循環される。これにより、この水室１１に近接して設けられた各排気ポート１０内を流れる排気ガスが冷却される。

下部中子１３ｂのフランジ部１５の位置に相当する左右両端部には、シリンダヘッド１の鋳造の際にその型枠内で下部中子１３ｂを所定の位置に保持する巾木部１３ｂ_１が形成されている。この巾木部１３ｂ_１は、フランジ部１５に設けられこのフランジ部１５に排気管を固定するボルト１７に沿うように、フランジ面１５ａ側に向かって水平方向に突出している（図６など参照）。

図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、上部水室１１ａと下部水室１１ｂとの間の隔壁（巾木部１３ｂ_１、排気ポート１０間、気筒６間、排気弁間、水室１１端部）には、ドリルＤを用いて貫通孔が形成される。この貫通孔は、上部水室と下部水室を接続する接続水路となる。図３中に破線で示したのが、その接続水路（フランジ水路１８ａ、排気ポート間水路１８ｂ、気筒間水路１８ｃ、排気弁間水路１８ｄ、水室端部水路１８ｅ）の位置に対応する。このように、接続水路を形成して、上部水室１１ａと下部水室１１ｂを接続することにより、上部水室１１ａと下部水室１１ｂとの間の冷却水の循環を高めて、冷却効率を一層向上することができる。

特に、巾木部１３ｂ_１において、フランジ面１５ａに対して垂直にドリル加工を施すことにより、図９および図１０に示すように、上部水室１１ａおよび下部水室１１ｂと接続されフランジ部１５のフランジ面１５ａに臨む延長水路１９が形成される。上記のように、上部水室１１ａと下部水室１１ｂをフランジ部１５に臨むように上下に接近させて配置することにより、上部水室１１ａと下部水室１１ｂの離間幅よりも若干太い程度の比較的小径のドリルＤで、上部水室１１ａと下部水室１１ｂを簡便に連通することができる。

図１０に示すように、この延長水路１９は、ボルト孔１６（ボルト１７）に沿うように形成されている。このため、フランジ部１５とともに、ボルト１７の根元のボス部２０（ボルト１７下部の肉厚部）を効率良く冷却することができる。ボス部２０を冷却することにより、このボス部２０にねじ込まれたボルト１７も冷却される。フランジ部１５とボルト１７の両方が均等に冷却されることによって、高温の排気ガスによってフランジ部１５とボルト１７との間で熱膨張差が生じるのを防止して、フランジ部１５に設けられたボルト１７の締付け力を維持することができる。

なお、図３（ｂ）などに示したボルト１７の数や位置は例示に過ぎず、フランジ部１５の形状や、フランジ面１５ａに開口する排気ポート１０の数や位置に対応して適宜変更される。例えば、本実施形態のように、シリンダブロック２を上部水室１１ａと下部水室１１ｂとからなる水室１１で冷却する構成とした場合、燃焼室に近い下部水室１１ｂの方が上部水室１１ａよりも冷却水温度が上昇しやすく、ボルト１７の緩みが生じやすい。

そこで、フランジ部１５の上部側よりも下部側のボルト１７の数を多くすることにより、このフランジ部１５に固定される排気管に緩みが生じるのを防止することができる。この場合、全てのボルト１７の中で、特に温度上昇が生じやすいボルト１７の近傍に延長水路１９を形成するのが好ましい。この延長水路１９の数や位置は、ボルト１７の数や位置に対応して適宜変更することができる。

ドリルＤによって形成された穿孔の開口には、水室１１内の冷却水が漏れないように、水栓２１を嵌め込むなどの封止処理が行なわれる（図１０参照）。なお、図８（ｂ）〜（ｄ）に示した貫通孔の位置は例示であって、上部水室１１ａおよび下部水室１１ｂの形状、各排気ポート１０の配置、排気ポート１０内を流れる排気ガスの温度などを考慮して、適宜決定することができる。

上記のように、中子１３（この実施形態では下部中子１３ｂ）の巾木部１３ｂ_１を延長水路１９に対応する位置（中子１３の外縁部）に形成すると、この巾木部１３ｂ_１を気筒６間（中子１３の中央部）に形成した場合と比較して、溶湯の注湯時に、中子１３が左右にローリングして位置ずれが生じるのを防止することができ、シリンダブロック１の寸法精度を高めることができる。また、延長水路１９をフランジ部１５の左右両端部に設けると、フランジ部１５の熱をその左右から均等に奪うことができ、熱応力によってフランジ部１５に歪みが生じるのを防止する効果もある。

上記の実施形態はあくまでも一例であって、排気マニホールドを内蔵したシリンダヘッド１のフランジ部１５を効率良く冷却して、このフランジ部１５に設けられたボルト１７の締付け力を維持する、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、その構成要素に適宜変更を加えることができる。

例えば、上記の実施形態においては、延長水路１９が、上部水室１１ａおよび下部水室１１ｂの両方に接続された構成としたが、上部水室１１ａまたは下部水室１１ｂのいずれか一方に接続された構成とすることもできる。また、上記の実施形態においては、第二ポート１０ｂと第三ポート１０ｃが合流して合流ポート１４を構成する態様としたが、排気干渉などの問題を生じない限りにおいて、他の排気ポート１０同士を合流したり、いずれの排気ポート１０も合流しない構成としたりすることもできる。

また、下部中子１３ｂに巾木部１３ｂ_１を形成する代わりに、上部中子１３ａに巾木部１３ｂ_１を形成する、または、上部中子１３ａおよび下部中子１３ｂの両方に巾木部１３ｂ_１を形成して、この巾木部１３ｂ_１を狙ってドリル加工によって上部水室１１ａおよび下部水室１１ｂを連通させても良い。あるいは、中子１３に巾木部１３ｂ_１を形成せずに、フランジ部１５のフランジ面１５ａの前面側から、上部水室１１ａと下部水室１１ｂの中間部を狙って、水平にドリル加工を行うことにより、上部水室１１ａおよび下部水室１１ｂを連通させても良い。

上記の実施形態においては、延長水路１９の開口端部に水栓２１を設ける構成としたが、水栓２１の代わりに、延長水路１９の先端部にホースニップル（図示せず）などの冷却通路を接続して、例えば、ターボチャージャなどの排気系装置の冷却水系統（図示せず）を接続した構成とすることもできる。このようにすれば、複数の装置の冷却水系統を集約することができ、冷却水系統全体としてコンパクト化を図ることができる。

また、上記実施形態においては、各排気ポート１０（合流ポート１４）を気筒６の並びに沿って水平方向に配列する構成としたが、一部の排気ポート１０の上側に他の排気ポート１０が積み重なるように配列した構成とすることもできる。

１シリンダヘッド
２シリンダブロック
３シリンダ
４ピストン
５吸気ポート
６気筒
１０排気ポート
１１水室
１１ａ上部水室
１１ｂ下部水室
１２排気ポート用中子
１３水室用中子
１３ｂ_１巾木部
１４合流ポート
１５フランジ部
１５ａフランジ面
１６ボルト孔
１７ボルト
１８ａ〜１８ｅ接続水路
１９延長水路
２０ボス部
２１水栓
Ｄドリル

Claims

エンジンの気筒に接続される排気ポートを内蔵したエンジン用シリンダヘッドにおいて、
前記排気ポートを下流側の排気管と接続するフランジ部と、
エンジン内部を冷却する冷却水が流れる水室と、
前記水室と接続され、前記フランジ部のフランジ面に臨む延長水路と、
を備えたことを特徴とする
エンジン用シリンダヘッド。
前記水室が、前記排気ポートの上側に設けられる上部水室と、下側に設けられる下部水室とを有し、前記延長水路が、前記上部水室および前記下部水室に対して、水平方向から接続されていることを特徴とする
請求項１に記載のエンジン用シリンダヘッド。
前記上部水室と前記下部水室が、前記フランジ部に臨むように上下に接近して配置されていることを特徴とする
請求項２に記載のエンジン用シリンダヘッド。
前記フランジ部の左右両端部に、前記排気管を固定するボルトを設けるボルト穴が形成されており、このボルト穴に沿って、前記延長水路が形成されていることを特徴とする
請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダヘッド。
前記延長水路の先端部に、排気系装置と連結された冷却通路が接続された
請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダヘッド。