JP3557681B2

JP3557681B2 - 内燃機関のシリンダヘッド冷却装置

Info

Publication number: JP3557681B2
Application number: JP32846594A
Authority: JP
Inventors: 敏光松岡; 剛司桝田; 康志野田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JPH08177618A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は内燃機関のシリンダヘッド冷却性を改善した冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の内燃機関にあっては、熱効率の向上、高出力化、エンジン軽量化、小型化などの要請に伴い、燃焼室壁に対する熱負荷が益々高まってきている。このため、運転状態によっては、いわゆるメカニカルオクタン価の低下によるノッキングの発生や、排気弁の弁座の熱歪による圧縮漏れ、あるいは過大な熱応力によるシリンダヘッド側燃焼室の耐久性の低下などの問題が発生するおそれがある。
【０００３】
例えば特開昭６１−２６８８４９号公報にある従来のシリンダヘッド部の冷却構造について、図８、図９に示すが、シリンダヘッド７の内部には、燃焼室３を画成するための燃焼室壁４と、上方のアッパデッキ壁６との間に、冷却水が導かれる冷却水通路５が形成される。
【０００４】
シリンダヘッド７には各気筒に対して点火栓１１を配置するためのガイド穴壁１０Ａ、１０Ｂ…が上下に貫通して設けられる。このガイド穴壁１０Ａ，１０Ｂ…の周囲には、冷却水を上流から下流に向けて案内するように、板状のガイドフィン１３が取付けられる。
【０００５】
さらにシリンダヘッド７のアッパデッキ壁６と燃焼室壁４には、それぞれ各気筒について、前記点火栓１１を中心にほぼ対称位置に、各一対の吸気弁のガイド穴壁２０Ａ，２０Ｂ（２０Ｃ，２０Ｄ…）と、排気弁のガイド穴壁２１Ａ，２１Ｂ（２１Ｃ，２１Ｄ…）が貫通形成される（図９参照）。また、アッパデッキ壁６には各気筒間に位置して、シリンダヘッド鋳造時に用いる中子の鋳砂抜き穴９が設けられ、それぞれは穴栓８Ａ，８Ｂ…により閉塞される。
【０００６】
なお、図中１はピストン、２はシリンダブロック、１２はガスケット、２２は冷却水の流れに関して上流側の気筒、２３は下流側の気筒を示す。
【０００７】
図９によって冷却水の流れる状態を説明すると、シリンダブロック側からシリンダヘッド側へ上向きに送り込まれる冷却水は、そのままシリンダヘッド冷却水通路５の上方に向かい、多くはアッパデッキ壁６に沿って下流へと進む。
【０００８】
このため、アッパデッキ壁６に近い上層の流れは、燃焼室壁４に近い下層部分よりも流速が速く、その分だけ冷却効率も良い。
【０００９】
なお、冷却水通路５の断面積の小さい部分では流速が高まり、熱交換率も上昇し、冷却効率が高まる。アッパデッキ壁６に設けた鋳砂抜き穴９の穴栓８Ａ，８Ｂ…の下方の部分で流路断面が絞られることから、燃焼室壁４に近い下層の流れは、この部分においてのみ流速が高められる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、アッパデッキ壁６に比較して燃焼室壁４に近い部分での冷却効率が低いため、もともと温度が高く、高い冷却性能が要求される燃焼室壁４の冷却が不十分になりやすい。しかも、点火栓１１を中心にして吸気弁ガイド穴と排気弁ガイド穴とで囲まれた最も高温になりがちな領域については、とくに冷却水の流れが緩慢となり、冷却効率が低くなる。
【００１１】
点火栓１１のガイド穴１０Ａ，１０Ｂ…の周囲にはガイドフィン１３があり、冷却水の流れを案内しているものの、この周囲での流速は低く、いわば流れの淀みとなっているため、ガイドフィン１３による効果はほとんど期待できない。
【００１２】
これらの結果、燃焼室壁４の冷却が不十分になり、運転条件によっては上記したノッキングの問題や、常時高温に晒される排気弁の弁座の熱歪や燃焼室の耐久性の低下などを生じるおそれがある。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、燃焼室壁の冷却性能を大幅に改善することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで第１の発明は、シリンダヘッドのアッパデッキ壁との間に冷却水通路を形成し、この冷却水通路にシリンダブロック側からの冷却水を導入するようにした内燃機関のシリンダヘッド冷却装置において、各気筒の中央部分に位置する点火栓のガイド穴壁とこの周囲の吸気弁ガイド穴壁並びに排気弁ガイド穴壁とで囲まれた領域にわたって広がる扁平な箱状の水流制御部を、この水流制御部とこれに対向する燃焼室壁との間で冷却水の流路断面を絞るようにアッパデッキ壁に複数突設し、
前記シリンダブロック側からシリンダヘッド側へ冷却水を導入する連絡通路の開口部を、少なくともその一部分が前記水流制御部と対向するように配設した。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明における前記水流制御部が、隣接する気筒間において、一方の気筒の点火栓のガイド穴壁から他方気筒のガイド穴壁にわたって連続して形成される。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明における前記水流制御部が、冷却水の流れに対して点火栓のガイド穴壁の上流側にのみ位置して設けられる。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明における前記水流制御部が、冷却水の流れに対して点火栓のガイド穴壁の上流側と下流側に位置してそれぞれ設けられる。
【００１８】
第５の発明は、第１〜第４の発明における前記水流制御部が、冷却水の流れに対してその上流側に位置する点火栓ガイド穴壁、吸排気弁ガイド穴壁に対して所定の間隙をもつように形成される。
【００１９】
第６の発明は、第１〜第５の発明における前記水流制御部は、偏平な箱状に形成される。
【００２０】
【作用】
第１の発明では、シリンダヘッドの冷却水通路内に面してアッパデッキ壁から流路に向けて水流制御部が突出し、シリンダブロック側からアッパデッキ壁に向かう冷却水の流れを、アッパデッキ壁に到達させずに下方の燃焼室壁側へと偏向させ、また、水流制御部と、これに対峙する燃焼室壁との間で冷却水の流路が絞られ、この部部での冷却水の流速が高められる。
【００２１】
冷却水の流路へと突出する水流制御部は、アッパデッキ壁の多くの部分を占めるため、結局これに対峙する燃焼室壁の大部分の領域で、その近傍を流れる冷却水の流速が高まり、また、点火栓ガイド穴壁を中心とする吸気弁、排気弁穴壁で囲まれた部分での流れも淀みがなくなり、これらの結果、燃焼室壁の冷却が効率的、かつ均一的に行われるようになる。
【００２２】
したがって、メカニカルオクタン価の向上によるノッキングの回避、熱負荷の軽減に伴う燃焼室の耐久性の向上が図れる。
【００２３】
第２の発明では、隣合う気筒間での冷却水通路の多くの領域が水流制御部により占められるので、これに対峙する燃焼室壁に沿っての冷却水の流速が全体的に高まり、より一層、均一的な冷却が行える。
【００２４】
第３の発明では、点火栓のガイド穴壁の上流側に水流制御部を配設することにより、その下流側において燃焼室壁の近傍を流れる流速を速め、少ない面積の水流制御部で効果的に冷却効率を高められる。
【００２５】
第４の発明では、点火栓のガイド穴壁の上流側と下流側に水流制御部を設けたので、燃焼室壁に沿う冷却水の流速を全域的に高められ、燃焼室の全域で均一な冷却性能が確保される。
【００２６】
第５の発明では、水流制御部はその上流側の点火栓のガイド穴壁や吸排気弁ガイド穴壁と所定の間隙をもって形成されるので、アッパデッキ壁側の空気や蒸気の滞留を防ぎ、また弁間の流れを確保し、通水抵抗を減じることができる。
【００２７】
第６の発明では、水流制御部は偏平な箱型に形成されるので、アッパデッキ壁面に沿っての冷却水の流通抵抗の増加を抑制し、かつ流路の全域で均一的な流速を維持できる。
【００２８】
【実施例】
図１、図２は本発明の第１の実施例を示す。なお、図１は多気筒エンジンの２気筒分の冷却水通路の鋳造中子に相当するもので、図示するように、シリンダヘッド７のアッパデッキ壁６には、冷却水通路５に面して燃焼室壁４に向けて突出する水流制御部としての偏平な箱状の水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…が設けられる。
【００２９】
この実施例にあって水流制御壁３０Ｂは、隣合う気筒２２と２３の点火栓ガイド穴壁１０Ａと１０Ｂを結ぶようにして、吸気弁ガイド穴壁２０Ｂと２０Ｃ、並びに排気弁ガイド穴壁２１Ｂと２１Ｃによって取り囲まれた領域のほぼ全域を埋め尽くすように形成される。
【００３０】
また、この水流制御壁３０Ｂよりも上流の水流制御壁３０Ａは、第１の気筒２２の吸気弁ガイド穴壁２０Ａと排気弁ガイド穴壁２１Ａ及び点火栓のガイド穴壁１０Ａとで囲まれた領域に設けられ、同じようにして、下流側の水流制御壁３０Ｃは、第２の気筒２３の吸気弁ガイド穴壁２０Ｄ、排気弁ガイド穴壁２１Ｄ及び点火栓ガイド穴壁１０Ｂと、第３気筒の点火栓ガイド穴壁、吸排気弁ガイド穴壁等で囲まれた領域に設けられる。
【００３１】
また、水流制御壁３０Ｂ，３０Ｃ…は、点火栓ガイド穴壁１０Ａ、１０Ｂ…、さらには吸気弁ガイド穴壁２０Ｂ，２０Ｄ…、また排気弁ガイド穴壁２１Ｂ，２１Ｄ…の下流側との間は所定の間隙Ｌをもつように形成される。
【００３２】
シリンダブロック２を経由した冷却水をシリンダヘッド７の冷却水通路５へと導くために、シリンダブロック２にはピストン中心軸と平行に形成された連絡通路３２が、開口部の少なくとも一部分が水流制御部３０Ａと対向するように配設される。
【００３３】
以上のように構成され、次に図３の（Ａ）（Ｂ）を参照しながら作用を説明する。図３（Ａ）はアッパデッキ壁面の流速分布を示し、また（Ｂ）は同じく燃焼室壁面を示す。
【００３４】
シリンダブロック２からの冷却水は連絡通路３２を上昇し、シリンダヘッド７の冷却水通路５に流入し、この冷却水通路５を第１気筒２２から下流の気筒２３に向けて流れていく。
【００３５】
冷却水の流れはアッパデッキ壁６に向かう成分が、水流制御部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…によって下方に向きを修正され、燃焼室壁４に近い部分を多く流れるようになり、しかも燃焼室壁４からの熱を受け、上昇しようとする流れの成分も、水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…により再度下方に向けて流れの方向を修正される。
【００３６】
また、これら水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、対峙する燃焼室壁４との間の流路面積を狭めているため、シリンダブロック２からシリンダヘッド７に流れ込んだ冷却水の流れは、これら水流制御部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの部分において流速が速められる。しかもこれら水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、対峙する燃焼室壁４の多くの領域を占めるので、各気筒の燃焼室壁４の大部分の領域において流速が高められる。
【００３７】
これらの結果、冷却水通路５の冷却水の流れは、各気筒において点火栓１１を中心に吸排気弁によって囲まれた領域にも流れの淀みを生じることなく、とくに燃焼室壁４に近い部分については、ほぼ全域で流速が高まり、燃焼室壁４に関する熱交換が飛躍的に促進され、冷却効率が全域的に向上する。
【００３８】
このようにして冷却効率が改善されたため、燃焼室のメカニカルオクタン価の向上によるノッキングの回避や、熱負荷の軽減に伴う燃焼室の耐久性の向上が図れる。
【００３９】
なお、水流制御壁３０Ｂ，３０Ｃは、その上流側の点火栓ガイド穴壁１０Ａ，１０Ｂ等との間に所定の間隙をもつので、アッパデッキ壁側の空気や蒸気の滞留を防ぎ、また、弁間の冷却水の流通を妨げないようして、通水抵抗を減じることができる。
【００４０】
次に、図４、図５の第２の実施例を説明する。
【００４１】
この実施例では、水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…は、隣合う気筒間で連続せずに、分割されている。
【００４２】
つまり、各気筒２２，２３について、それぞれ一対の水流制御壁３０Ａと３０Ｂ、また３０Ｃと３０Ｄが、点火栓ガイド穴壁１０Ａ，１０Ｂを中心にして形成されている。なお、これら水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…は、それぞれ点火栓ガイド穴壁１０Ａ，１０Ｂ…とは所定の間隙をもって近接配置される。
【００４３】
このようにして水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…を分割形成すると、アッパデッキ壁６の付近の流れに対する抵抗がさらに強まり、相対的に燃焼室壁４に近い部分の流速が高められる。また、各水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…は、点火栓ガイド穴壁と所定の間隙を保っているため、各ガイド穴壁の冷却水に触れる表面積が確保され、点火栓についての冷却性能を良好に維持できる。
【００４４】
さらに図６、図７の第３の実施例は、点火栓ガイド穴壁１０Ａ，１０Ｂの上流側にのみ水流制御壁３０Ａ，３０Ｂ…を設けた例である。
【００４５】
このようにすると、各気筒の上流側において、冷却水の流れを下向きに偏向させると共に、水流制御壁３０Ａ，３０Ｂと対峙する燃焼室壁４との間での流速を速めることで、その下流領域を含めて燃焼室壁４の付近を通過する流速を全域的に高められる。したがってこの場合には、より少ない数の水流制御壁３０Ａ，３０Ｂにより、効果的に冷却効率を改善できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように第１の発明によれば、シリンダヘッドの冷却水通路内に面してアッパデッキ壁から流路に向けて水流制御部が突出し、シリンダブロック側からアッパデッキ壁に向かう冷却水の流れを、アッパデッキ壁に到達させずに下方の燃焼室壁側へと偏向させ、また水流制御部と、これに対峙する燃焼室壁との間で冷却水の流路を絞り、この部分を通過する冷却水の流速を高め、とくに水流制御部は、アッパデッキ壁の多くの部分を占めるため、これと対峙する燃焼室壁の大部分の領域で冷却水の流速が高まり、また、点火栓ガイド穴壁を中心とする吸気弁、排気弁穴壁で囲まれた部分での流れも淀みがなくなり、これらの結果、燃焼室壁の冷却が効率的、かつ均一的に行われるようになり、したがって、メカニカルオクタン価の向上によるノッキングの回避や、熱負荷の軽減に伴う燃焼室の耐久性の向上が図れる。
【００４７】
第２の発明によれば、隣合う気筒間での冷却水通路の多くの領域が水流制御部により占められるので、これに対峙する燃焼室壁に沿っての冷却水の流速が全体的に高まり、より一層、均一的な冷却が行える。
【００４８】
第３の発明によれば、点火栓のガイド穴壁の上流側に水流制御部を配設することで、その下流側において燃焼室壁の近傍を流れる流速を速め、少ない面積の水流制御部で効果的に冷却効率を高められる。
【００４９】
第４の発明によれば、点火栓のガイド穴壁の上流側と下流側に水流制御部を設けたので、燃焼室壁に沿う冷却水の流速を全域的に高められ、燃焼室の全域で均一な冷却性能が確保される。
【００５０】
第５の発明によれば、水流制御部はその上流側の点火栓のガイド穴壁、吸排気弁ガイド穴壁と所定の間隙をもって形成されるので、アッパデッキ壁側の空気や蒸気の滞留を防ぎ、また弁間の流れを確保し、通水抵抗を減じられる。
【００５１】
第６の発明によれば、水流制御部は偏平な箱型に形成されるので、アッパデッキ壁面に沿っての冷却水の流通抵抗の増加を抑制し、かつ流路の全域で均一的な流速を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視的説明図である。
【図２】同じくその断面図である。
【図３】同じく冷却水の流速分布を示す説明図で、（Ａ）はアッパデッキ側壁面、（Ｂ）は燃焼室側壁面を表す。
【図４】第２の実施例を示す斜視的説明図である。
【図５】同じくその断面図である。
【図６】第３の実施例を示す斜視的説明図である。
【図７】同じくその断面図である。
【図８】従来例の断面図である。
【図９】同じく冷却水の流速分布を示す説明図で、（Ａ）はアッパデッキ側壁面、（Ｂ）は燃焼室側壁面を表す。
【符号の説明】
２シリンダブロック
３燃焼室
４燃焼室壁
５冷却水通路
６アッパデッキ壁
１０Ａ点火栓ガイド穴壁
１０Ｂ点火栓ガイド穴壁
１１点火栓
２０Ａ吸気弁ガイド穴壁
２０Ｂ吸気弁ガイド穴壁
２１Ａ排気弁ガイド穴壁
２１Ｂ排気弁ガイド穴壁
３０Ａ水流制御壁
３０Ｂ水流制御壁
３０Ｃ水流制御壁

Claims

シリンダヘッドのアッパデッキ壁と燃焼室壁との間に冷却水通路を形成し、この冷却水通路にシリンダブロック側からの冷却水を導入するようにした内燃機関のシリンダヘッド冷却装置において、各気筒の中央部分に位置する点火栓のガイド穴壁とこの周囲の吸気弁ガイド穴壁並びに排気弁ガイド穴壁とで囲まれた領域にわたって広がる扁平な箱状の水流制御部を、この水流制御部とこれに対向する燃焼室壁との間で冷却水の流路断面を絞るようにアッパデッキ壁に複数突設し、
前記シリンダブロック側からシリンダヘッド側へ冷却水を導入する連絡通路の開口部を、少なくともその一部分が前記水流制御部と対向するよう配設したことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド冷却装置。
前記水流制御部が、隣接する気筒間において、一方の気筒の点火栓のガイド穴壁から他方気筒のガイド穴壁にわたって連続して形成される請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド冷却装置。
前記水流制御部が、冷却水の流れに対して点火栓のガイド穴壁の上流側にのみ位置して設けられる請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド冷却装置。
前記水流制御部が、冷却水の流れに対して点火栓のガイド穴壁の上流側と下流側に位置してそれぞれ設けられる請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
前記水流制御部が、冷却水の流れに対して上流側に位置する点火栓ガイド穴壁、吸、排気弁ガイド穴壁との間に所定の間隙をもつように形成される請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド冷却装置。
前記水流制御部は、扁平な箱状に形成される請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関のシリンダヘッド冷却装置。