JP5323641B2 - 内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに好適な内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造に係り、シリンダヘッドを効率的に冷却する技術に関する。

ディーゼルエンジンでは、高い圧縮比を実現するための燃焼室形状などに起因して吸排気バルブがほぼ直立状態で配置されるため、燃焼室の中央部近傍に臨むように燃料噴射弁が配置される直接噴射式の場合、シリンダヘッドの燃料噴射弁周りに部材が密集し、冷却水通路スペースに大きな制約が生じる。一方、直接噴射式ディーゼルエンジンではその燃焼形態のために、シリンダヘッドの受熱条件が燃焼室近傍ほど厳しくなる。したがって、シリンダヘッドの内部に冷却水通路を形成して燃焼室近傍を積極的に冷却する必要がある。

そして、このような部材配置とされたエンジンにおいて、燃焼噴射弁の周辺で高い冷却性能を得るために、シリンダヘッドの側面から吸気弁および排気弁の各弁座間を通って燃料噴射弁に指向する冷却水導通路を形成し、この冷却水導通路の基端側をシリンダブロック側の冷却水通路に連通させるとともに、その先端側をシリンダヘッド側の冷却水通路に連通させることで、シリンダブロック側から供給される低温の冷却水を燃焼噴射弁の周辺に直接的に導いた発明が提案されている（特許文献１参照）。

また、多気筒ガソリンエンジンにおけるシリンダヘッドの冷却水通路構造において、燃焼室周辺および排気ポート等の最も受熱条件の厳しい部位を効率良く冷却するために、気筒ごとに冷却水を気筒配列方向と直角方向（横方向）へ流す第１冷却水通路と、絞り通路を介して第１冷却水通路と接続され、絞り通路から流入する冷却水を排気ポートに沿ってカムシャフト側（上方）へ導く第２冷却水通路とでウォータージャケットを構成した発明が提案されている（特許文献２参照）。

特開２０００−１３０１６２号公報 特開２００８−１９０４９７号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、シリンダブロック側の冷却水通路からシリンダヘッド側の冷却水通路へ冷却水を流通させる複数の冷却水接続通路に加えて更に冷却水導通路を形成しているため、冷却水導通路を流れる冷却水量が少なく、燃焼室近傍の冷却効果が低い。また、特許文献１の発明は、気筒ごとに吸気バルブおよび排気バルブを各１つ備えた２バルブ式のエンジンに適用しているが、４バルブ式のエンジンに適用した場合、冷却水導通路が細くなって圧力損失が大きくなってしまうため、冷却効果が低下する。

一方、特許文献２の発明では、第１冷却水通路を燃焼室の周辺に配置することができるが、点火プラブがあるために（直接噴射式ディーゼルエンジンでは、燃料噴射弁があるために）第１冷却水通路を燃焼室の中央部に配置することはできず、受熱条件の最も厳しい燃焼室近傍で効果的な冷却が行われない。また、絞り通路は、シリンダヘッドにおける横方向への流速を高める機能を果たすが、燃焼室近傍を積極的に冷却するものではない。さらに、絞り通路からの噴流が第２冷却水通路内で排気ポートに沿って流れるため、噴流による熱伝達が有効利用されず、冷却効果が低い。

本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、燃焼室近傍を効率的に冷却することのできる内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造を提供することにある。

このような課題を解決するために、第１の発明は、２本の排気バルブ（８）および２本の吸気バルブ（７）が設けられた気筒（シリンダ４）を備える内燃機関（Ｅ）のシリンダヘッド内冷却水通路構造であって、シリンダヘッド（３）の内部に形成された第１冷却水通路（２１）と、シリンダヘッド（３）の内部における第１冷却水通路（２１）よりも燃焼室（１１）に近い位置に形成された第２冷却水通路（排気側第２冷却水通路３２）と、冷却水を第１冷却水通路（２１）側から第２冷却水通路（３２）側へ流通させるべく、第１冷却水通路（２１）と第２冷却水通路（３２）とを連通させ連通路（４１）とを有し、第２冷却水通路（３２）は、２本の排気バルブ（８）間に形成される第１バルブ間通路部（３２ａ）と、互いに隣接する吸気バルブ（７）および排気バルブ（８）間にそれぞれ形成される２本の第２バルブ間通路（３２ｂ）とを有し、当該第１バルブ間通路部（３２ａ）と当該２本の第２バルブ間通路（３２ｂ）とがＹ字状の三叉分岐部を形成し、連通路（４１）は、第１冷却水通路（２１）および第２冷却水通路（３２）よりも細く、その軸線（４１Ｘ）が燃焼室（１１）を指向するように形成され、第２冷却水通路（３２）は、連通路（４１）から噴出した冷却水の噴流に対向する衝突面（３２ｗ）を前記三叉分岐部に有することを特徴とする。

この発明によれば、第１冷却水通路を流れる冷却水は、連通路を通過することで燃焼室へ向く噴流となって第２冷却水通路へ流入する。そして、第２冷却水通路が燃焼室に近い位置に形成され、三叉分岐部に噴流に対向する衝突面を有するため、受熱が大きい燃焼室近傍が衝突噴流冷却の原理によって高い熱伝達率をもって効率的に冷却される。

また、第２の発明は、第１の発明に係る内燃機関（Ｅ）のシリンダヘッド内冷却水通路構造において、連通路の軸線（４１Ｘ）が燃焼室（１１）の中央部付近を指向することを特徴とする。

この発明によれば、受熱が大きな燃焼室の中央部近傍を冷却することで、シリンダヘッド全体としての冷却効果を高めることができる。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る内燃機関（Ｅ）のシリンダヘッド内冷却水通路構造において、内燃機関（Ｅ）が複数の気筒（シリンダ４）を備えるとともに、連通路（４１）が気筒（４）ごとに複数形成され、第１冷却水通路（２１）の上流側に連通する少なくとも１つの連通路（４１ａ）が、第１冷却水通路（２１）の下流側に連通する少なくとも１つの連通路（４１ｂ、４１ｃまたは４１ｄ）よりも細いことを特徴とする。

連通路における水圧および冷却水流量は、流路抵抗によって第１冷却水通路の下流側ほど小さくなる。そこで、この発明によれば、第１冷却水通路の上流側に位置する連通路を第１冷却水通路の下流側に位置する連通路よりも細くすることで、各連通路における冷却水流量を同等にして各気筒の燃焼室近傍を同等に冷却することができる。

このように、本発明によれば、燃焼室近傍を効率的に冷却することのできる内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造を提供することができる。

実施形態に係る内燃機関の燃焼室中央を通る要部断面図である。 図１中のII−II断面図ある。 図２中のIII−III断面図ある。 図１中のIV−IV断面図ある。 図１中のＶ−Ｖ断面図ある。 実施形態に係る内燃機関の冷却水構造の模式図である。 変形実施例に係る内燃機関の燃焼室中央を通る要部断面図である。

以下、添付の図面に示された一実施形態を参照して本発明に係るシリンダヘッド内冷却水通路構造について詳細に説明する。本実施形態では、本発明が直列４気筒のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンＥと記す）に適用されており、図１は、エンジンＥの燃焼室１１の中央を通る要部断面を示している。また、説明にあたり、エンジンＥがシリンダ軸４Ｘを鉛直にして配置された状態を基準にして上下の方向を定めるものとする。

図１に示すように、エンジンＥは、シリンダブロック１と、シリンダブロック１の上部にガスケット２を介して締結されたシリンダヘッド３と、シリンダブロック１の内部に形成されたシリンダ４に摺動自在に嵌合するピストン５とを備えており、ピストン５の往復運動によって、ピストン５に連結されたコネクティングロッド６を介して図示外のクランクシャフトが回転駆動される。シリンダヘッド３には、各シリンダ４に対して２本の吸気バルブ７および２本の排気バルブ８が設けられており、これら吸排気バルブ７，８は、シリンダヘッド３の上方に設けられてクランクシャフトに連結された図示外のカムシャフトおよびロッカアームを介して開閉駆動される。ピストン５の頂面５ａの中央部には、シリンダ軸４Ｘを中心にしたリエントラント型のキャビティ５ｂが凹設されて燃焼室１１を構成しており、燃焼室１１の上面を画成するシリンダヘッド３のシリンダ軸４Ｘ上には、噴射口が燃焼室１１の中央に臨むように燃料噴射弁９が取り付けられている。また、シリンダヘッド３には、冷間始動時の燃料の自己着火を補助する補助熱源として、グロープラグ１０がその先端側の発熱部１０ａを燃焼室１１に突出させる態様で燃料噴射弁９に対して斜めに取り付けられている。

図示は省略するが、エンジンＥの燃料タンク内には低圧ポンプが設けられており、低圧ポンプから圧送された燃料が高圧ポンプに供給され、さらに、高圧ポンプから圧送された燃料がコモンレールに供給される。コモンレールで蓄圧された高圧の燃料は燃料噴射弁９に供給され、エンジンＥＣＵによって燃料噴射弁９が開弁駆動されることにより、所定量の高圧の燃料噴霧が所定のタイミングで燃焼室１１に噴射される。

図３に示すように、シリンダヘッド３には、図示外の吸気マニホルドが接続する吸気ポート１２、および図示外の排気マニホルドが接続する排気ポート１３が形成され、これら吸気ポート１２および排気ポート１３の燃焼室１１との接続部には、吸気バルブ７および排気バルブ８がそれぞれ着座するバルブシート１４，１５が設けられている。吸気バルブ７および排気バルブ８は、各バルブステム７ａ，８ａがシリンダ軸４Ｘと平行となるように配置されており、閉弁状態においてバルブヘッド７ｂ，８ｂの下端面がシリンダヘッド３の下面３ａと同一の位置となる。一方、ピストン５は、圧縮上死点でその頂面５ａがシリンダブロック１の上面とほぼ同一の位置となる。したがって、燃焼室１１を囲むように環状に形成されたピストン５の頂面５ａは、バルブリセスが形成されずに平坦面となっている。そして、圧縮上死点において、ピストン５の頂面５ａとシリンダヘッド３の下面３ａとの間に略ガスケット２の厚さに相当するスキッシュ１６が形成される。

図１、図３および図４に示すように、シリンダヘッド３における排気ポート１３側の上部から中央部にわたる部分には、排気ポート１３や排気バルブ８を避けてシリンダ列方向に延在する第１冷却水通路２１が形成されている。第１冷却水通路２１におけるシリンダ列方向の一端には、図５および図６に示すように、第２冷却水導入通路５２が接続されており、ウォーターポンプ５０から冷却水配管を通って送給される冷却水が、シリンダブロック１に形成された第１冷却水導入通路５１および第２冷却水導入通路５２を介して第１冷却水通路２１に流入する。なお、図６は、シリンダブロック１およびシリンダヘッド３の内部に形成された冷却水通路を抜き出したうえで分解して示した模式図であり、ハッチングを施した部分は、冷却水通路の断面であることを示している。

また、図１、図３および図５に示すように、シリンダヘッド３における排気ポート１３側の下部から中央部にわたる部分には、同様に排気ポート１３や排気バルブ８を避けてシリンダ列方向に延在する排気側第２冷却水通路３２が形成され、シリンダヘッド３における吸気ポート１２側の下部から中央部にわたる部分には、吸気ポート１２や吸気バルブ７、グロープラグ１０を避けてシリンダ列方向に延在する吸気側第２冷却水通路３３が形成されている。図２および図６に示すように、排気側第２冷却水通路３２および吸気側第２冷却水通路３３は、シリンダ４間に形成された中央第２冷却水通路３４を介して連通している。そして、これら排気側第２冷却水通路３２、吸気側第２冷却水通路３３および中央第２冷却水通路３４によって第２冷却水通路３１が構成される。

図５に示すように、排気側第２冷却水通路３２は、各シリンダ４の２本の排気バルブ８間に形成された第１バルブ間通路部３２ａと、隣接する吸気バルブ７および排気バルブ８間にそれぞれ形成された２本の第２バルブ間通路部３２ｂとを有しており、これら３本のバルブ間通路部３２ａ，３２ｂがＹ字状の三叉分岐部を形成している。そして、２本の第２バルブ間通路部３２ｂは、燃料噴射弁９の排気ポート１３側を取り囲むように湾曲している。

図１に示すように、第１冷却水通路２１と排気側第２冷却水通路３２とは、シリンダ４ごとに形成された計４つの連通路４１を介して互いに連通している。各連通路４１は、シリンダヘッド３の上面３ｂに開口して第１冷却水通路２１に至る加工用孔１８に仮想線で示すドリル１９を挿入し、ドリル１９を燃焼室１１の中央部近傍に指向させて回転駆動して第１冷却水通路２１および排気側第２冷却水通路３２間の肉壁を貫通することによって穿設される。これにより、連通路４１は、その軸線４１Ｘが燃焼室１１の中央部近傍を指向するように形成される。また、連通路４１の断面は第１冷却水通路２１および排気側第２冷却水通路３２の各断面積（水流方向に直交する断面積）よりも小さくなっている。即ち、連通路４１は第１冷却水通路２１および排気側第２冷却水通路３２よりも細く形成される。なお、加工用孔１８は、連通路４１を穿設した後、栓２０で閉塞される。

そして、連通路４１が燃料噴射弁９に沿って湾曲する第２バルブ間通路部３２ｂの接続部（湾曲中央部）に対応する位置に形成されることにより、排気側第２冷却水通路３２における三叉分岐部には、連通路４１から噴出した冷却水の噴流に対向し、冷却水が略垂直に衝突する衝突面３２ｗが形成される。

また、図４に示すように、連通路４１は、第２冷却水導入通路５２が接続する第１冷却水通路２１の上流側から順に４つ（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ）形成されており、上流側ほどその断面積が小さくなっている。つまり、各連通路４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの断面積をそれぞれＡａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄとすると、下式（１）の関係が成り立つ。
Ａａ＜Ａｂ＜Ａｃ＜Ａｄ ・・・（１）
ここで、連通路４１はドリル加工されるため、ドリル径を変えることで各連通路４１ａ〜４１ｄの径を容易に異なる大きさに形成することができる。

一方、シリンダブロック１の内部には、図１や図６に示すように、４つのシリンダ４を取り囲むようにシリンダ壁冷却水通路５３が形成されている。そして、第２冷却水通路３１とシリンダ壁冷却水通路５３とは、図３、図５および図６に示すように、各シリンダ４の周囲に形成された複数の接続路５４を介して互いに連通している。接続路５４は、シリンダヘッド３の下面３ａに開口して第２冷却水通路３１に至る空洞部とガスケット２に形成された貫通孔とによって構成される。そして、シリンダ壁冷却水通路５３は、図示しないサーモスタットを経てラジエータやウォーターポンプ５０へと連通する。

このように構成された冷却水通路構造によれば、図６に示すように、ウォーターポンプ５０によって送給された冷却水は、シリンダブロック１およびシリンダヘッド３の内部に形成された第１冷却水導入通路５１および第２冷却水導入通路５２を通って第１冷却水通路２１の一端（上流側）に供給され、第１冷却水通路２１を他端側（下流側）へ流通するとともに、連通路４１を通って排気側第２冷却水通路３２へ流入する。この際、各連通路４１ａ〜４１ｄが第１冷却水通路２１および排気側第２冷却水通路３２よりも細く形成されているため、連通路４１を通る冷却水は、噴流となって排気側第２冷却水通路３２へ流入する。さらに、第１冷却水通路２１を下流側へ流通する際の流路抵抗により、連通路４１における水圧は上流側（４１ａ側）ほど高いが、連通路４１の断面積が上流側（４１ａ側）ほど小さくなっているため、各連通路４１ａ〜４１ｄにおける冷却水量が同等となり、各シリンダ４を均等に冷却することができる。

連通路４１を通過することで噴流となった冷却水は、図１および図５を併せて参照すると、連通路４１の軸線４１Ｘに沿って排気側第２冷却水通路３２に噴射され、当該軸線４１Ｘに略直交する三叉分岐部の衝突面３２ｗに略垂直に衝突して流れを乱し、第１バルブ間通路部３２ａおよび２つの第２バルブ間通路部３２ｂへと流通する。これにより、シリンダヘッド３において受熱が大きい燃焼室１１近傍部位の全体が衝突噴流冷却の原理によって高い熱伝達率をもって効率的に冷却されるとともに、高温度の排気ガスの熱が伝達する排気ポート１３の周辺部位も、乱流となって高速で流通する冷却水によって効率的に冷却される。

バルブ間通路部３２ａ，３２ｂを通過した冷却水の一部は、排気側第２冷却水通路３２に開口する接続路５４を通ってシリンダ壁冷却水通路５３へと流入し、他の一部は、中央第２冷却水通路３４を通って吸気側第２冷却水通路３３へ流入してシリンダヘッド３の吸気側部分を冷却した後、吸気側第２冷却水通路３３に開口する接続路５４を通ってシリンダ壁冷却水通路５３へと流入する。そして、冷却水は、シリンダブロック１を冷却した後、サーモスタットに連通する冷却水配管へ排出される。

＜変形実施例＞
次に、上記実施形態の変形実施例について図７を参照しながら説明する。なお、上記実施形態と同一の部材および同一の機能を有する部位には同一の符号を付し、上記実施形態と異なる点のみを説明する。図示するように、本変形実施例においては、第１冷却水通路２１と排気側第２冷却水通路３２とを連通する連通路４１が、その軸線４１Ｘをシリンダ軸線４Ｘと略平行にして、且つ燃焼室１１の側端部付近を指向して形成されている。なお、本実施例では、連通路４１はドリル加工ではなく、中子によって鋳造時に第１冷却水通路２１や第２冷却水通路３１と同時に形成される。そして、シリンダヘッド３の排気側第２冷却水通路３２を画成する下壁部分が、連通路４１から噴出した冷却水の噴流に対向し、冷却水が略垂直に衝突する衝突面３２ｗとなっている。

このように構成された冷却水通路構造によれば、第１冷却水通路２１を流通する冷却水は、連通路４１を流通する際にその軸線４１Ｘに沿う噴流となって排気側第２冷却水通路３２へ流入し、衝突面３２ｗに略垂直に衝突してその流れを乱す。そして、燃焼室１１を画成するシリンダヘッド３の下壁部分に衝突面３２ｗが配置されるため、シリンダヘッド３において受熱が大きい燃焼室１１近傍部位が衝突噴流冷却の原理によって高い熱伝達率をもって効率的に冷却される。また、連通路４１が排気側に形成されているため、シリンダヘッド３において排気ガスの熱を受けやすい排気ポート１３側の燃焼室１１近傍部位が噴流によって冷却され、シリンダヘッド３が効率的に冷却される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明に係るシリンダヘッド内冷却水通路構造を直列４気筒直接噴射式ディーゼルエンジンに適用しているが、Ｖ型や水平対向型エンジン、４気筒以外の多気筒エンジンや単気筒エンジン、予燃焼室式或いは渦室式ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンやアルコール燃料エンジン等、異なる種類の内燃機関に適用することができる。また、上記実施形態では、第１冷却水通路２１をシリンダヘッド３の排気ポート１３側に配置し、連通路４１によって第１冷却水通路２１を排気側第２冷却水通路３２に連通させているが、第１冷却水通路２１を吸気ポート１２側にも形成し、第１冷却水通路２１を吸気側第２冷却水通路３３に連通させるように連通路４１を形成してもよい。また、上記実施形態では、４つの連通路４１ａ〜４１ｄについて、第１冷却水通路２１の上流側ほど小断面としているが、例えば、上流側の１つまたは２つの連通路（４１ａまたは、４１ａおよび４１ｂ）のみを下流側の連通路（４１ｃ或いは４１ｄ）よりも小断面とする形態等、異なる態様で連通路４１の断面積を異ならせてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

３ シリンダヘッド
４ シリンダ（気筒）
１１ 燃焼室
２１ 第１冷却水通路
３１ 第２冷却水通路
３２ 排気側第２冷却水通路
３２ｗ 衝突面
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ 連通路
４１Ｘ 軸線
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. ２本の排気バルブおよび２本の吸気バルブが設けられた気筒を備える内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造であって、
   シリンダヘッドの内部に形成された第１冷却水通路と、
   シリンダヘッドの内部における前記第１冷却水通路よりも燃焼室に近い位置に形成された第２冷却水通路と、
   冷却水を前記第１冷却水通路側から前記第２冷却水通路側へ流通させるべく、前記第１冷却水通路と前記第２冷却水通路とを連通させる連通路とを有し、
   前記第２冷却水通路は、前記２本の排気バルブ間に形成される第１バルブ間通路部と、互いに隣接する吸気バルブおよび排気バルブ間にそれぞれ形成される２本の第２バルブ間通路とを有し、当該第１バルブ間通路部と当該２本の第２バルブ間通路とがＹ字状の三叉分岐部を形成し、
   前記連通路は、前記第１冷却水通路および前記第２冷却水通路よりも細く、その軸線が前記燃焼室を指向するように形成され、
   前記第２冷却水通路は、前記連通路から噴出した冷却水の噴流に対向する衝突面を前記三叉分岐部に有することを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造。
2. 前記連通路の軸線が前記燃焼室の中央部付近を指向することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造。
3. 前記内燃機関が複数の気筒を備えるとともに、前記連通路が気筒ごとに複数形成され、
   前記第１冷却水通路の上流側に連通する少なくとも１つの連通路が、前記第１冷却水通路の下流側に連通する少なくとも１つの連通路よりも細いことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造。
4. 前記第１冷却水通路の気筒列方向の一端に冷却水導入通路が接続し、
   前記複数の連通路は、前記第１冷却水通路の上流側ほど断面積が小さくなるように形成され、
   前記第２冷却水通路には、前記複数の気筒を取り囲むようにシリンダブロックに形成されたシリンダ壁冷却水通路へ冷却水を流出させる接続路が、前記複数のシリンダの周囲に複数形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関のシリンダヘッド内冷却水通路構造。

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