JP2020070726A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートの断面積と強度とを維持しつつ、吸気ポート間に冷却水を流すための流路を確保する。【解決手段】本発明に係るシリンダヘッドでは、一対の吸気ポート１１，１２の互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の肉厚は、互いに背向する側のポート壁１１２，１２２の肉厚よりも相対的に薄くされている。そして、一対の吸気ポート１１，１２の互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の間に、冷却水を流すための吸気ポート間流路２０が形成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関し、詳しくは、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートを備えるシリンダヘッドに関する。

水冷式の内燃機関では、シリンダヘッドに冷却水の流路が形成されている。冷却水の流路を吸気ポートの近傍に形成し、吸気ポートの壁面を冷却することにより、ノッキングの発生を抑制するとともに、吸気温度の低減による充填効率の向上を図ることができる。また、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートがシリンダヘッドに設けられている場合には、吸気ポート間にも冷却水を流すことで、冷却効果をより高めることができる。

特許文献１には、吸気ポート間に流す冷却水の流量を確保するためのシリンダヘッドの構成が開示されている。この文献に開示されたシリンダヘッドでは、吸気ポートの開口部の間隔が広くされるとともに、吸気ポートの開口径は一般的な４弁式内燃機関のものよりも相対的に小さく設定されている。ただし、吸気ポートの開口径を小さくすると吸気量は減少し、効率や出力の低下を招くおそれがある。このため、この文献に開示されたシリンダヘッドでは、効率や出力の低下を防ぐため、吸気ポートはいずれも吸気抵抗の少ないタンジェンシャルポートとして形成されている。また、実際の吸気通路断面積が大きくなるように吸気弁のリフト量が大きくされている。

特開２０００−３２９００１号公報

上記文献に開示されたシリンダヘッドの構成は、全ての内燃機関に適用できるものではない。一般的には、吸気量を増やすためには吸気ポートの開口径は大きいほうがよい。しかし、吸気ポートの開口径を大きくすると吸気ポートの間隔は狭くなり、吸気ポート間に流す冷却水の流量を確保することが難しくなる。単に冷却水の流量を確保するだけであれば、ポート壁の肉厚を薄くして冷却水流路のスペースを確保すればよいが、燃焼室からの爆発応力や熱応力等に耐えるだけの強度の確保が難しくなる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートの開口径と強度とを維持しつつ、吸気ポート間に冷却水を流すための流路を確保することのできるシリンダヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係るシリンダヘッドでは、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートは、互いに対向する側のポート壁の肉厚を薄く、互いに背向する側のポート壁の肉厚を厚く形成されている。そして、一対の吸気ポートの互いに対向する側のポート壁の間に、冷却水を流すための吸気ポート間流路が形成されている。このように構成されたシリンダヘッドによれば、互いに対向する側のポート壁の肉厚を相対的に薄くすることで、吸気ポートの開口径を維持しつつ吸気ポート間流路の断面積を大きく取ることができる。また、互いに背向する側のポート壁の肉厚を相対的に厚くすることで、吸気ポートの強度を維持することができる。

１つの吸気路がシリンダヘッドの中で二股に分岐して一対の吸気ポートとなっていてもよい。この場合、一対の吸気ポートに分岐する吸気路の股と燃焼室との隙間に冷却水を流したい。本発明に係るシリンダヘッドによれば、吸気ポートがこのように構成される場合であっても、吸気経路の股と燃焼室との隙間に断面積を大きく取った吸気ポート間流路を形成することができる。

一対の吸気ポートのポート壁の肉厚は、互いに対向する側のポート壁から互いに背向する側のポート壁へ向けて徐々に厚くなるようにしてもよい。これによれば応力集中を防ぐことができる。

燃焼室に連通するインジェクタ挿入孔が一対の吸気ポートとシリンダブロック合わせ面との間に位置する場合、インジェクタ挿入孔の一対の吸気ポートに対向する側の孔壁の肉厚は、一対の吸気ポートに背向する側の孔壁の肉厚よりも薄くしてもよい。そして、一対の吸気ポートとインジェクタ挿入孔との間に、吸気ポート間流路に冷却水を導入するための連絡流路が形成されてもよい。これによれば、吸気ポート間流路に冷却水を流すための流路を確保することができる。

以上述べた通り、本発明に係るシリンダヘッドによれば、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートの開口径と強度とを維持しつつ、吸気ポート間に冷却水を流すための流路を確保することができる。

本発明の実施の形態１のシリンダヘッドのウォータジャケットを透視して描いた平面図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドのウォータジャケットの吸気ポート付近の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドのウォータジャケットの吸気ポート間流路の構成と冷却水の流れを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドのウォータジャケットの吸気ポート間流路の構成を示す底面図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドの吸気ポートの形状について説明する模式図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドに対する比較例を示す模式図である。 本発明の実施の形態１のシリンダヘッドの効果について説明する図である。 圧縮端ガス温度の低減代と熱効率の向上代との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２のシリンダヘッドのインジェクタ挿入孔の形状について説明する模式図である。 本発明の実施の形態２に対する比較例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２のシリンダヘッドのインジェクタ挿入孔の形状の変形例について説明する模式図である。

図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、特に明示する場合を除き、構成部品の構造や配置、処理の順序などを下記のものに限定する意図はない。本発明は以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。

図１は、実施の形態１のシリンダヘッドのウォータジャケットを透視して描いた平面図である。本実施の形態のシリンダヘッド２が適用される内燃機関は、火花点火式の水冷式直列４気筒内燃機関であり、過給機を備えない自然吸気型内燃機関でもあり、吸気ポートの下方に配置された直噴インジェクタから燃焼室内に直接燃料を噴射するサイド噴射式の直噴内燃機関でもある。ただし、本発明に係るシリンダヘッドが適用される内燃機関は、共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートを有する水冷式の内燃機関であること以外は、その仕様に限定はない。

シリンダヘッド２には、４気筒分の４つの燃焼室４が長手方向に直列に等間隔で並んで形成されている。シリンダヘッド２には、燃焼室４に開口する一対の吸気ポート１１，１２と、燃焼室４に開口する一対の排気ポート１３，１４とが燃焼室４ごとに設けられている。図中に点線で描いた楕円は、吸気ポート１１，１２の開口部の凡その位置と、排気ポート１３，１４の開口部の凡その位置とを示している。なお、本明細書では、シリンダヘッド２の幅方向においてクランク軸から見て吸気ポート１１，１２が位置する側（図中でＩＮと表記している側）を吸気側と称し、クランク軸から見て排気ポート１３，１４が位置する側（図中でＥＸと表記している側）を排気側と称する。

シリンダヘッド２には、シリンダヘッド２を上下に貫通して燃焼室４の中央に開口する点火プラグ挿入孔１５が燃焼室４ごとに設けられている。図中に点線で描いた点火プラグ挿入孔１５の円は、インジェクタ挿入孔１６の開口部の凡その位置を示している。また、吸気ポート１１，１２とシリンダヘッド２の図示しないシリンダブロックに対する合わせ面（シリンダブロック合わせ面）との間には、吸気ポート１１，１２の下方を通って燃焼室４の吸気側に開口するインジェクタ挿入孔１６が燃焼室４ごとに設けられている。図中に点線で描いたインジェクタ挿入孔１６の楕円は、シリンダヘッド２の外側に形成されたインジェクタ挿入孔１６の入口の位置を示している。

シリンダヘッド２は、冷却水が流れるウォータジャケット６を備える。ウォータジャケット６は、シリンダヘッド２の鋳込みの際、中子を用いてシリンダヘッド２の内部に形成される。この中子の形状は図１に示すウォータジャケット６の形状と同一である。ウォータジャケット６を中子によって形作る際にできた砂抜き穴の一部が、ウォータジャケット６内に冷却水を供給するための冷却水入口２５，２６として利用される。冷却水入口２５，２６は、燃焼室４ごとに各吸気ポート１１，１２の開口部の外側に設けられている。

ウォータジャケット６は、燃焼室４の頂部とその周辺を冷却する燃焼室側ウォータジャケット６ａと、排気ポート１３，１４の周辺を冷却する排気側ウォータジャケット６ｂとから構成される。吸気ポート１１，１２の冷却は燃焼室側ウォータジャケット６ａにより行われる。

燃焼室側ウォータジャケット６ａは、冷却水入口２５，２６から吸気ポート１１，１２の脇を通って排気側ウォータジャケット６ｂの方へ冷却水を流すための、吸気側から排気側にのびる複数の冷却水流路２０，２１，２２，２３を備える。冷却水流路２０，２１，２２，２３には、隣り合う燃焼室４，４間を通る燃焼室間流路２１と、シリンダヘッド２の端部と外側の燃焼室４との間を通る端部流路２２，２３と、共通の燃焼室４に連通する一対の吸気ポート１１，１２の間を通る吸気ポート間流路２０とが含まれる。ただし、吸気ポート間流路２０は、吸気ポート１１，１２とインジェクタ挿入孔１６との間に形成された連絡流路２７，２８によって冷却水入口２５，２６と接続されている。図中の冷却水入口２５，２６からのびる矢印線は、冷却水入口２５，２６から燃焼室側ウォータジャケット６ａ内に導入された冷却水の流れを示している。冷却水は、各吸気ポート１１，１２の外側と並行して吸気ポート１１，１２間も流れ、点火プラグ挿入孔１５の周り、すなわち、燃焼室４の中央部を通って排気側ウォータジャケット６ｂへ流れていく。

次に、ウォータジャケット６（特に、燃焼室側ウォータジャケット６ａ）の詳細について説明する。図２は、ウォータジャケット６の吸気ポート１１，１２付近の構成を示す斜視図である。図２には、吸気ポート１１，１２のポート壁の内壁面が描かれている。図２における吸気ポート１１，１２とウォータジャケット６との隙間は、吸気ポート１１，１２のポート壁に相当し、その隙間の幅はポート壁の肉厚を示している。また、本実施の形態では、１つの吸気路１０がシリンダヘッドの中で二股に分岐して一対の吸気ポート１１，１２となっている。吸気ポート間流路２０は、一対の吸気ポート１１，１２に分岐した吸気路１０の股の間を通るように形成されている。

図３は、ウォータジャケット６の吸気ポート間流路２０の構成と冷却水の流れを示す斜視図である。また、図４は、ウォータジャケット６の吸気ポート間流路２０の構成を示す底面図である。これらの図に示すように、吸気ポート間流路２０は複数の壁面６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７で構成されている。また、連絡流路２７，２８も複数の壁面６２，６３，６７，６８で構成されている。壁面６１は、吸気路１０が一対の吸気ポート１１，１２に分岐する股の位置及び形状によって位置及び形状が決まる壁面である。壁面６２，６３は、吸気ポート１１，１２のポート壁の外壁面に対応する壁面である。壁面６４，６５は、吸気弁のスロート部に沿って形成された壁面である。壁面６６は、燃焼室４のペントルーフに沿って形成された壁面である。壁面６７は、燃焼室４の直噴インジェクタからの燃料噴霧との干渉を避けるためのカット部分に沿って形成された壁面である。壁面６８は、インジェクタ挿入孔１６の孔壁の外壁面に対応する壁面である。

吸気ポート間流路２０を流れる冷却水は、燃焼室４や吸気ポート１１，１２周りの壁面温度を低下させ、圧縮端ガス温度の上昇を抑制することに寄与する。冷却水の流量は吸気ポート間流路２０の流路断面積に依存するので、流路断面積をできる限り大きくとることで、圧縮端ガス温度の上昇を抑制する効果をより大きくすることができる。しかし、吸気ポート間流路２０を構成する各壁面６１−６７の形状や位置には制約があり、容易には流路断面積を拡大することはできない。例えば、吸気ポート間流路２０の高さを決定付けている壁面６１の位置は吸気路１０の股の位置によって決まるが、吸気路１０の股の部分には図示しないポート噴射インジェクタが取り付けられる。このため、ポート噴射インジェクタと吸気ポート１１，１２との位置関係による制約から、壁面６１の位置を変えて吸気ポート間流路２０の高さを高くすることは難しい。

本実施の形態では、吸気ポート間流路２０を構成する壁面６１−６７のうち、吸気ポート１１，１２のポート壁の外壁面に対応する壁面６２，６３間の距離を拡大することによって、吸気ポート間流路２０の流路断面積を拡大している。詳しくは、以下に説明するように、吸気ポート１１，１２のポート壁の肉厚を薄くすることによって、壁面６２，６３間の距離を拡大させている。

図５は、本実施の形態のシリンダヘッド２に形成された吸気ポート１１，１２の形状について説明する模式図である。図６は、それに対する比較例を示す模式図である。ただし、これらの図では、吸気ポート１１，１２の断面の内側と外側ともに模式的に円形で表しているが、これは本実施の形態の特徴について分かりやすくするための表現であって、実際にはより複雑な形状を有している。

図６に示す比較例では、吸気ポート１１，１２のポート壁１１０，１２０は、吸気ポート１１，１２の周方向に一様な厚さで形成されている。この場合、吸気ポート１１，１２間の隙間がなくなり、吸気ポート間流路２０の幅を広くとることができない。これに対して、図５に示す本実施の形態では、吸気ポート１１，１２のポート壁１１０，１２０は、吸気ポート１１，１２の周方向に肉厚が変化している。具体的には、吸気ポート１１，１２は、互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の肉厚を相対的に薄く、互いに背向する側のポート壁１１２，１２２の肉厚を相対的に厚く形成されている。互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の外壁面の少なくとも一部が、吸気ポート間流路２０を構成する壁面６２，６３に対応している。

単に吸気ポート間流路２０の幅を広くとるだけであれば、吸気ポート１１，１２の径を小さくするか、或いは、ポート壁１１０，１２０の肉厚を薄くすればよい。しかし、前者の方法では、吸気量の減少によって効率や出力の低下を招いてしまう。また、後者の方法では、吸気ポート１１，１２の強度の低下を招き、燃焼室４からの爆発応力や熱応力等に耐えることが難しくなる。

このような問題に関し、本実施の形態では、上記のとおり、互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の肉厚は薄くされる一方で、互いに背向する側のポート壁１１２，１２２の肉厚は厚くされている。つまり、ポート壁１１０，１２０の全体の肉厚を薄くするのではなく、吸気ポート間流路２０の幅と関係する部位の肉厚を薄くし、且つ、一部を薄くした分他の部位の肉厚を厚くすることが行われている。また、本実施の形態では、互いに対向する側のポート壁１１１，１２１から互いに背向する側のポート壁１１２，１２２へ向けて、ポート壁１１０，１２０の肉厚は徐々に厚くすることも行われている。ポート壁１１０，１２０の肉厚に段差をつけることなく周方向に肉厚を徐変させることで、応力集中を防ぐことができる。

互いに対向する側のポート壁１１１，１２１の肉厚を薄くすることには、吸気ポート１１，１２の開口径を維持しつつ吸気ポート間流路２０の断面積を大きく取ることができるという効果がある。一方、互いに背向する側のポート壁１１２，１２２の肉厚を厚くすることには、吸気ポート１１，１２の強度を維持することができるという効果がある。つまり、本実施の形態によれば、吸気ポート１１，１２の開口径と強度とを維持しつつ、吸気ポート１１，１２間に冷却水を流すための流路を確保することできる。

ここで、図７は、本実施の形態の効果について説明する図である。本実施の形態によれば、吸気ポート間流路２０の流路断面積を比較例よりも大きくとることができるので、吸気ポート１１，１２間に流れる冷却水の流量を確保することができ、ひいては、上段のグラフに示すように、燃焼室４や吸気ポート１１，１２の壁面温度を比較例よりも低く抑えることができる。その結果、下段のグラフに示すように、本実施の形態によれば、比較例に対して圧縮端ガス温度を低減することができる。図８は、圧縮端ガス温度の低減代と熱効率の向上代との関係を示す図である。本実施の形態によれば、圧縮端ガス温度の低減によって熱効率を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。

実施の形態１で説明したように、吸気ポート間流路２０は、吸気ポート１１，１２とインジェクタ挿入孔１６との間に形成された連絡流路２７，２８によって冷却水入口２５，２６と接続されている。このため、吸気ポート間流路２０を流れる冷却水の流量は、連絡流路２７，２８における冷却水の流れやすさに依存する。

図３及び図４を用いて説明したように、連絡流路２７，２８は複数の壁面６２，６３，６７，６８で構成されている。このうち、壁面６２，６３については、対応する吸気ポート１１，１２のポート壁１１１，１２１の肉厚を薄くすることによって、壁面６２，６３間の距離を拡大されている。本実施の形態では、さらに、インジェクタ挿入孔１６の孔壁の外壁面に対応する壁面６８の高さを低くすることによって、連絡流路２７，２８の流路断面積の拡大を図っている。

図９は、本実施の形態のシリンダヘッド２に形成されたインジェクタ挿入孔１６の形状について説明する模式図である。図１０は、それに対する比較例を示す模式図である。図１０に示す比較例では、インジェクタ挿入孔１６の孔壁１６０は、インジェクタ挿入孔１６の周方向に一様な厚さで形成されている。これに対して、図９に示す本実施の形態では、インジェクタ挿入孔１６の孔壁１６０の厚さは、インジェクタ挿入孔１６の周方向において一様ではない。具体的には、インジェクタ挿入孔１６の吸気ポート１１，１２に対向する側の孔壁１６１は、その外側の一部を平坦にカットされることによって、吸気ポート１１，１２に背向する側の孔壁１６２よりも肉厚を薄くされている。図９と図１０の比較からも分かるように、吸気ポート１１，１２に対向する側の孔壁１６１を薄くすることで、連絡流路２７，２８を構成する壁面６８の高さは低くなり、連絡流路２７，２８の流路断面積は拡大する。

図１１は、本実施の形態のシリンダヘッド２に形成されたインジェクタ挿入孔１６の形状の変形例について説明する模式図である。この図では、インジェクタ挿入孔１６の吸気ポート１１，１２に対向する側の孔壁１６１は、吸気ポート１１と吸気ポート１２のそれぞれに向けて斜めにカットされることで、吸気ポート１１，１２に背向する側の孔壁１６２よりも肉厚を薄くされている。また、図示は省略するが、吸気ポート１１，１２に背向する側の孔壁１６２から、吸気ポート１１，１２に対向する側の孔壁１６１へ向けて、孔壁１６０の肉厚を徐々に薄くしてもよい。

２ シリンダヘッド
４ 燃焼室
６ ウォータジャケット
１０ 吸気路
１１，１２ 吸気ポート
１１０，１２０ ポート壁
１１１，１２１ 対向する側のポート壁
１１２，１２２ 背向する側のポート壁
２０ 吸気ポート間流路
２５，２６ 冷却水入口
２７，２８ 連絡流路
１６ インジェクタ挿入孔
１６０ 孔壁
１６１ 対向する側の孔壁
１６２ 背向する側の孔壁

Claims (4)

1. 共通の燃焼室に連通する一対の吸気ポートを備えるシリンダヘッドにおいて、
   前記一対の吸気ポートは、互いに対向する側のポート壁の肉厚を相対的に薄く、互いに背向する側のポート壁の肉厚を相対的に厚く形成され、
   前記一対の吸気ポートの互いに対向する側のポート壁の間に、冷却水を流すための吸気ポート間流路が形成されている
   ことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 前記一対の吸気ポートは、１つの吸気路が前記シリンダヘッドの中で二股に分岐してなり、
   前記吸気ポート間流路は、前記一対の吸気ポートに分岐する前記吸気路の股と前記燃焼室との隙間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記一対の吸気ポートのポート壁の肉厚は、互いに対向する側のポート壁から互いに背向する側のポート壁へ向けて徐々に厚くなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシリンダヘッド。
4. 前記シリンダヘッドは、前記一対の吸気ポートとシリンダブロック合わせ面との間に位置し、前記燃焼室に連通するインジェクタ挿入孔を備え、
   前記インジェクタ挿入孔の前記一対の吸気ポートに対向する側の孔壁の肉厚は、前記一対の吸気ポートに背向する側の孔壁の肉厚よりも薄く、
   前記一対の吸気ポートと前記インジェクタ挿入孔との間に、前記吸気ポート間流路に冷却水を導入するための連絡流路が形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のシリンダヘッド。

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