JP3687989B2

JP3687989B2 - 内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造

Info

Publication number: JP3687989B2
Application number: JP02236794A
Authority: JP
Inventors: 博也藤田; 健司渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: JPH07229446A

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における冷却水通路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においては、燃焼効率を高め燃費を良好とするため、圧縮比を大きくしたり、また、吸気効率を高めることにより実圧縮比を増大させる等の手段を講じている。
しかし、圧縮比の増大により、燃焼室温度が上昇し、バルブシート部等におけるヒートスポットの生成に伴うプレイグニション、あるいはエンドガスゾーンにおけるノッキング等が生じるおそれがある。
このような現象を抑制するためには、シリンダヘッドの燃焼室壁面の冷却能力を向上させることが必要となる。
【０００３】
シリンダヘッドの燃焼室壁面の冷却能力を向上させる先行技術の一例として、特公平３−３６１４７号公報が知られている。この技術では、特にノッキングを起こしやすい吸気ポート側のスキッシュエリアが形成された燃焼室壁面について、冷却水通路を一様な通路断面積として、冷却水の淀みを生ずることがないようにして冷却能力を向上させている。冷却水通路の下面は、水平面でありシリンダヘッドの下面に対して平行になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮比の増大等により燃焼室温度は今まで以上に高くなる傾向にあり、前記特公平３−３６１４７号公報のようにスキッシュエリア近傍の燃焼室壁面の冷却水流れを改善するだけでは、エンドガスゾーンおよびヒートスポットとなるおそれのある部位の燃焼室壁面を十分に冷却することができず、ノッキングおよびプレイグニッションの抑制を図るには限度があった。
一方、冷却水通路の断面積を拡大してエンドガスゾーンおよびヒートスポットとなるおそれのある部位の燃焼室壁面に近接させ、冷却能力を向上させることも考えられるが、単に断面積を拡大するだけでは、シリンダヘッド下面側の剛性低下を招き、燃焼圧力によるヘッドガスケットの吹き抜け、冷却水の水漏れ等が生じるおそれがある。すなわち、冷却水通路の拡大により、シリンダブロックと接するシリンダヘッド下面側のヘッド断面積が小さくなり、剛性が低下し、シリンダヘッドとシリンダブロックとの接合部の接合強度が低下することによる。
【０００５】
本発明は、シリンダヘッド下面側の剛性低下を招くことなく、エンドガスゾーンあるいはヒートスポットとなるおそれのある部位の燃焼室壁面を十分に冷却できるシリンダヘッドの冷却水通路構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造は、つぎの通りである。
シリンダブロックにヘッドボルトにより固定され吸排気通路と冷却水通路とを有する内燃機関のシリンダヘッドに形成された冷却水通路の構造であって、
シリンダヘッドの吸排気通路の下方に設けられる冷却水通路の下面を、燃焼室側下がりに傾斜する傾斜面に形成し、
前記燃焼室側下がりに傾斜された冷却水通路の下面に、吸排気通路の長手方向に延び、前記冷却水通路の下面から上方に隆起する、補強リブを設け、
該補強リブを、
前記冷却水通路の長手方向には、吸気通路間・排気通路間の中央部に、冷却水通路の長手方向に部分的に設けるとともに、
前記冷却水通路の幅方向には、冷却水通路の幅方向全域にではなく冷却水通路の幅方向に部分的に、かつ冷却水通路の下面の傾斜によって冷却水通路下方のシリンダヘッド壁厚が薄くなる部分側に、設けた、
ことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造。
【０００７】
【作用】
本発明に係る内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造においては、冷却水通路の下面を燃焼室側下がりに傾斜させているので、冷却水通路の燃焼室壁面側を、エンドガスゾーンあるいはヒートスポットが生成されるおそれのある部位、例えば吸気通路側の吸気バルブ近傍あるいは排気通路側のバルブシート近傍に近接させることが可能となる。従って、燃焼室壁面におけるエンドガスゾーンあるいはヒートスポットとなるおそれのある部位の冷却能力が向上し、ノッキングあるいはプレイグニッションの抑制を図ることができる。
また、冷却水路の下面が燃焼室側下がりに傾斜することにより、シリンダヘッドの下面から冷却水通路の下面の最上部までの高さを従来よりも大とすることができる。そのため、シリンダヘッドの下面側の断面二次モーメントは、従来構造よりも大きくなり、シリンダヘッド下面側の剛性を高めることが可能となる。
また、補強リブを設けたので、補強リブがシリンダヘッド下面側の傾斜により薄肉となった部位の補強として作用し、シリンダヘッド下面側の剛性を維持できる。
【０００８】
【実施例】
図１ないし図６は本発明の第１実施例を示しており、図７および図８は本発明の第２実施例を示している。はじめに、各実施例にわたって共通な構成、作用を第１実施例の図１ないし図６を参照して説明する。ただし、共通構成部分には各実施例にわたって同一符号を使用している。
【０００９】
第１実施例
図１ないし図３において、２はアルミニウム合金からなる多気筒内燃機関のシリンダヘッドを示している。内燃機関の燃焼室４の上部側の燃焼室壁面４ａは、シリンダヘッド２により構成されている。シリンダヘッド２には、燃焼室４内に吸気を供給する吸気通路６と、燃焼室４内の燃焼ガスを排出する排気通路８が形成されている。燃焼室４内には、吸気通路６の下流端に位置する２つの吸気ポート６ａと、排気通路８の上流端に位置する２つの排気ポート８ａが臨まされている。
【００１０】
シリンダヘッド２の燃焼室４の直上には、点火プラグ（図示略）が取付けられる点火プラグホール１０が形成されている。各吸気ポート６ａには、バルブシート１２が取付けられている。各排気ポート８ａには、バルブシート１４が取付けられている。シリンダヘッド２には、各吸気ポート６ａおよび排気ポート８ａに配置される吸、排気バルブ（図示略）のバルブステムを保持するバルブステムガイド１６が取付けられている。シリンダヘッド２の燃焼室４の左右外側には、ヘッドボルト穴２８ａ、２８ｂが形成されている。シリンダヘッド２は、ヘッドボルト穴２８ａ、２８ｂに挿通されるヘッドボルト（図示略）によりシリンダブロック１に締結されている。
【００１１】
シリンダヘッド２の吸気通路６の下方には、冷却水通路としてのウォータジャケット２０が設けられている。同様に、シリンダヘッド２の排気通路８の下方には、冷却水通路としてのウォータジャケット２２が設けられている。ウォータジャケット２０とウォータジャケット２２は、シリンダヘッド２内で連通している。図５に示すように、冷却水はウォータポンプ（図示略）からシリンダブロック１を介してシリンダヘッド２に流れる。従来のシリンダヘッドにおいては、従来技術の項で説明したように、ウォータジャケットの下面は、シリンダヘッドの下面と平行になっていたが、本実施例ではつぎのように構成されている。
【００１２】
吸気通路６の下方に位置するウォータジャケット２０は、燃焼室４よりも多少上方に位置している。ウォータジャケット２０の下面２０ａは、ヘッドボルト（図示略）が挿入されるヘッドボルト穴２８ａ側から燃焼室４側に向けて傾斜する傾斜面に形成されている。傾斜面は各吸気バルブが配置される吸気ポート６ａの周囲のみに形成され、主にウォータジャケット２０の長手方向（気筒列方向）に形成されている。下面２０ａの傾斜面以外の部分は、水平面に形成されている。傾斜面は、燃焼室４内の吸気バルブの中心に向って傾斜している。
【００１３】
ウォータジャケット２０の２点鎖線で示す下面２０ｂは、従来のウォータジャケットの形状を示している。ウォータジャケット２０の下面２０ａを傾斜面とすることにより、ウォータジャケット２０の燃焼室４側は２点鎖線で示す従来構造の下面２０ｂよりも燃焼室壁面４ａに近づいている。シリンダヘッド２の下面３には、ウォータジャケット２０に接続される円弧状の水孔２１が形成されている。水孔２１は、シリンダブロック１側のウォータジャケットと連通している。
【００１４】
排気通路８の下方に位置するウォータジャケット２２は、燃焼室４よりも多少上方に位置している。ウォータジャケット２２の下面２２ａは、ヘッドボルト（図示略）が挿入されるヘッドボルト穴２８ｂ側から燃焼室４側に向けて傾斜する傾斜面に形成されている。傾斜面は各排気バルブが配置される排気ポート８ａの周囲のみに形成され、主にウォータジャケット２２の長手方向（気筒列方向）に形成されている。下面２２ａの傾斜面以外の部分は、水平面に形成されている。傾斜面は、燃焼室４内の排気バルブの中心に向って傾斜している。
【００１５】
ウォータジャケット２２の２点鎖線で示す下面２２ｂは、従来のウォータジャケットの形状を示している。ウォータジャケット２２の下面２２ａを傾斜面とすることにより、ウォータジャケット２２の燃焼室４側は２点鎖線で示す従来構造の下面２２ｂよりも燃焼室壁面４ａに近づいている。シリンダヘッド２の下面３には、ウォータジャケット２２に接続される円弧状の水孔２３が形成されている。水孔２３は、シリンダブロック１側のウォータジャケットと連通している。
【００１６】
ウォータジャケット２０の下面２０ａは燃焼室４に向って下り斜面となっている。これにより、ウォータジャケット２０の直下の肉厚は、ヘッドボルト穴２８ａ側が厚肉となり、燃焼室４側が薄肉となっている。同様に、ウォータジャケット２２の下面２２ａも燃焼室４に向って下り斜面となっている。これにより、ウォータジャケット２２の直下の肉厚は、ヘッドボルト穴２８ｂ側が厚肉となり、燃焼室４側が薄肉となっている。
なお、ウォータジャケット２０、２０の上面側の形状は、流路抵抗を増大させずかつ剛性を低下させないものであれば任意でよく、下面２０ａ、２２ａに対して平行であってもよいし、水平面等とする構成でもよい。
【００１７】
つぎに、各実施例にわたって共通な作用を、図１ないし図６を参照して説明する。
吸気通路６を介して燃焼室４に導入された混合気は、燃焼室４内で燃焼した後、排気通路８を介して排出される。エンジン運転時には、燃焼室壁面４ａの温度は燃焼ガスからの受熱によって著しく高温となる。吸気通路６の下方に位置するウォータジャケット２０の下面２０ａおよび排気通路８の下方に位置するウォータジャケット２２の下面２２ａは、それぞれ傾斜面に形成されているので、その分、ウォータジャケット２０、２２の燃焼室４側は、シリンダヘッド２の下面３に近づくことになる。
【００１８】
その結果、各ウォータジャケット２０、２２の燃焼室４側は、２点鎖線で示した従来構造よりも燃焼室壁面４ａに接近することになり、燃焼室壁面４ａの冷却効果が高められる。また、ウォータジャケット２０、２２の下面２０ａ、２２ａを傾斜面とすることで、ウォータジャケット２０、２２の流路断面積は、燃焼室４を中心とした内側は拡大し、外側は減少する。これにより、各ウォータジャケット２０、２２においては、内側（燃焼室側）を流れる冷却水の流量が２点鎖線で示す従来構造に比べて格段に多くなり、燃焼室壁４ａの冷却効果がさらに高められる。また、ウォータジャケット２０、２０の前記内側の流路断面が拡大することから、流路断面全体の縮小も可能となる。この場合は、冷却水の流速の増加により冷却性能の向上が図れる。
【００１９】
ウォータジャケット２０の燃焼室壁面４ａ側は、エンドガスゾーンである吸気ポート６ａ近傍に近接することになるので、エンドガスゾーンの冷却能力が向上し、ノッキングの発生が抑制される。ウォータジャケット２２の燃焼室壁面４ａ側は、ヒートスポットが生成されるおそれのある排気ポート８ａのバルブシート１４近傍に近接することになるので、バルブシート１４周辺の冷却能力が向上し、プレイグニッションの抑制が可能となる。
【００２０】
したがって、高圧縮比化による燃費性能の改善、点火進角を進めることによるエンジン出力性能の向上等が図れる。また、双方のバルブシート１２、１４の冷却性も向上するので、バルブシート１２、１４の耐久性を高めることができる。さらに、燃焼室壁面４ａの冷却性が高められることから、燃焼室４内の排気ガスの温度を上昇させることもでき、空燃比を大きくでき、燃費の改善が図れる。
【００２１】
ウォータジャケット２０、２２の流路断面積が従来構造と同じである場合は、ウォータジャケット２０、２２の下面２０ａ、２２ａを傾斜させることにより、シリンダヘッド２のウォータジャケット２０、２２の直下に位置する部位３ａの高さが従来構造よりも高くなり、その分、シリンダヘッド２の下面３側の断面二次モーメントを大にすることができる。これを、図４を用いて説明する。図４の（イ）は本発明のシリンダヘッド２の下面側構造を示しており、（ロ）は上述したように２点鎖線で示した下面２０ｂが形成されるウォータジャケットを有する従来のシリンダヘッドの下面側構造を示している。
【００２２】
ここで、図４の（イ）、（ロ）におけるウォータジャケット２０の直下（斜線部）の断面積Ｓ、幅Ｗを同じとし、シリンダヘッド２の下面３からウォータジャケット２０の下面２０ａ、２０ｂの最上部までの高さをｈ₁、ｈ₂とする。本発明のように、ウォータジャケット２０の下面２０ａを傾斜面とした場合は、図４の（ハ）に示すように、高さｈ₁は高さｈ₂よりも大となる。これにより、シリンダヘッド２の下面３に沿う水平軸Ｘまわりの断面二次モーメントは本発明のほうが従来よりも大きくなる。つまり、ウォータジャケット２０の長手方向（気筒列方向）のヘッドボルト間の断面二次モーメントが大となるので、シリンダヘッド２の下面３側の気筒列方向の曲げ剛性を高めることができる。
【００２３】
各ウォータジャケット２０、２２の下面２０ａ、２２ａの傾斜面は、形成することが可能であるならば各吸気ポート６ａおよび各排気ポート８ａのほぼ全周にわたって設ける構成としてもよい。この場合には、ウォータジャケット２０、２２の長手方向（気筒列方向）のヘッドボルト間の断面二次モーメントが大きくなるのみならず、ウォータジャケット２０、２２の長手方向に直交する方向のヘッドボルト間の断面二次モーメントも大とすることができる。
【００２４】
シリンダヘッド２のウォータジャケット２０、２２の直下に位置する剛性が高められた部位３ａは、図３および図６に示すように、シリンダヘッド２をシリンダブロックに締結するためのヘッドボルト穴２８ａ、２８ｂの中心線Ｙ上に位置させているので、燃焼圧によるシリンダヘッド２の下面３側のたわみを小に抑えるのに非常に有効である。
【００２５】
本実施例では、吸気通路６側のウォータジャケット２０と排気通路８側のウォータジャケット２２の双方の下面２０ａ、２２ａを傾斜面とする構成としたが、吸気通路６側のウォータジャケット２０の下面２０ａのみを傾斜面とする構成であってもよいし、排気通路８側のウォータジャケット２２の下面２２ａのみを傾斜面とする構成としてもよい。
【００２６】
第２実施例
図７ないし図９は、本発明の第２実施例を示している。第１実施例の説明では、第２実施例との共通な構成および作用を説明したので、ここでは第２実施例に特有な構成、作用のみを説明する。
【００２７】
図７に示すように、シリンダヘッド２のウォータジャケット２０内には、吸排気通路６、７の長手方向に延びる補強リブ３０が位置している。補強リブ３０は、点火プラグホール１０の中心を通り、かつ一方の吸気ポート６ａと他方の吸気ポート６ａの間を通る中心線Ｚの延長線上に位置している。同様に、シリンダヘッド２のウォータジャケット２２内には、吸排気通路６、７の長手方向に延びる補強リブ３２が位置している。補強リブ３２は、点火プラグホール１０の中心を通り、かつ一方の排気ポート８ａと他方の排気ポート８ａの間を通る中心線Ｚの延長線上に位置している。
【００２８】
図８および図９は、ウォータジャケット２０内に形成された補強リブ３０を示している。補強リブ３０は、ウォータジャケット２０の下面２０ａから上方に向って数ミリ隆起している。補強リブ３２も同様にウォータジャケット２２の下面２２ａから上方に向って数ミリ隆起している。補強リブ３０、３２は、ウォータジャケット２０、２２の流路断面積を減少させるものであるため、下面２０ａ、２２ａの傾斜角度をさらに大きくした場合のシリンダヘッド下面３側の薄肉となる部位の補強として、補助的に用いられる。
【００２９】
つぎに、第２実施例の特有の作用について説明する。
ターボチャージャ等を備えた過給機付エンジンでは、燃焼圧力が通常のエンジンよりも高くなる。本実施例のように、各ウォータジャケット２０、２２内に補強リブ３０、３２を設けることにより、シリンダヘッド２の下面３側の剛性を大に維持することができる。したがって、過給により燃焼圧力が上昇しても、シリンダヘッド２の下面３側のたわみを小に抑えることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果が得られる。
（１）シリンダヘッドの吸気通路と排気通路の下方に設けられる冷却水通路の下面を、燃焼室に向って下方に傾斜する傾斜面に形成したので、シリンダヘッドの下面側の剛性を低下させることなく、燃焼室壁面の冷却性を高めることができる。したがって、燃焼室壁面のエンドガスゾーンやヒートスポットを生じさせる部位を十分に冷却することが可能となり、ノッキングあるいはプレイグニッションの発生を抑制することができる。
（２）別部材を用いた冷却水通路を新たに設ける必要がないので、中空パイプ等を用いた冷却水通路構造に比べて構造が簡素化でき、シリンダヘッドのコストを低減することができる。
（３）補強リブを設けたので、補強リブがシリンダヘッド下面側の傾斜により薄肉となった部位の補強として作用し、シリンダヘッド下面側の剛性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造を示す断面図であって図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図２】図１のシリンダヘッドにおける冷却水通路構造を示す断面図であって図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図３】図１のシリンダヘッドの部分底面図である。
【図４】図１のシリンダヘッドの下面側の剛性と従来のシリンダヘッドの下面側の剛性とを比較した模式図である。
【図５】図１のシリンダヘッドに供給される冷却水の流れを示す模式図である。
【図６】図１のシリンダヘッドの下面側の高剛性部とヘッドボルト穴との位置関係を示す底面図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造を示す部分底面図である。
【図８】図７における補強リブの拡大断面図である。
【図９】図８のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
２シリンダヘッド
４燃焼室
６吸気通路
８排気通路
２０冷却水通路（ウォータジャケット）
２０ａ冷却水通路の下面
２２冷却水通路（ウォータジャケット）
２２ａ冷却水通路の下面
３０補強リブ
３２補強リブ

Claims

シリンダブロックにヘッドボルトにより固定され吸排気通路と冷却水通路とを有する内燃機関のシリンダヘッドに形成された冷却水通路の構造であって、
シリンダヘッドの吸排気通路の下方に設けられる冷却水通路の下面を、燃焼室側下がりに傾斜する傾斜面に形成し、
前記燃焼室側下がりに傾斜された冷却水通路の下面に、吸排気通路の長手方向に延び、前記冷却水通路の下面から上方に隆起する、補強リブを設け、
該補強リブを、
前記冷却水通路の長手方向には、吸気通路間・排気通路間の中央部に、冷却水通路の長手方向に部分的に設けるとともに、
前記冷却水通路の幅方向には、冷却水通路の幅方向全域にではなく冷却水通路の幅方向に部分的に、かつ冷却水通路の下面の傾斜によって冷却水通路下方のシリンダヘッド壁厚が薄くなる部分側に、設けた、
ことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッドの冷却水通路構造。