JP5590807B2 - シリンダヘッドの洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドの洗浄方法に関し、特に、シリンダヘッドに形成されるウォータージャケット等の洗浄技術に関する。

水冷エンジン（以下、単に「エンジン」と記す。）のシリンダヘッドには、冷却液を流通させるためにウォータージャケットが形成されている。エンジン実働時に、このウォータージャケット内に冷却液を流通させることによってエンジンを良好に冷却している。
また、ウォータージャケットは、エンジンを冷却するという機能的役割に基づいて、弁の近傍等、エンジンで特に冷却を要する部位を通過する冷却液の流速が大きくなるように設計されており、係る部位は狭小部として形成されることが知られている。

シリンダヘッドは、一般的に鋳造成形により成形されており、鋳造時に中子等を用いることによって、その内部に中空のウォータージャケットを形成している。鋳造工程を経た後には、シリンダヘッドにボルト孔を設ける孔開け加工、シリンダヘッドの取付面の切削加工、などの機械加工が実施される。
このような鋳造工程、機械加工工程等を経て、シリンダヘッドを組み付ける前には、シリンダヘッドの外面、及びウォータージャケット内を洗浄する洗浄工程が実施される。このとき、内部に残留する金属片・切粉等の異物を十分に除去し、他の部位に流入・混入しないようにする必要がある。

例えば、特許文献１には、シリンダヘッドに設けられ、ウォータージャケット内外を連通する複数の孔部のうち何れか一つを洗浄液導出口に臨ませ、他の孔部を圧縮気体導出口に臨ませ、これら洗浄液導出口と圧縮気体導出口からそれぞれ洗浄液と圧縮気体をウォータージャケット内に供給して、ウォータージャケット内の異物を残余の孔から外部へ導出する洗浄方法が開示されている。
これによれば、ウォータージャケット内に洗浄液と圧縮空気との乱流が生じることにより、内部に残留する異物を効率的に外部へ排出できる。
しかしながら、特許文献１に開示される洗浄方法では、エンジン実働時のウォータージャケット内の流れ方向を考慮していないため、複雑な形状、流路を有するシリンダヘッドのウォータージャケットの狭小部に詰まる異物を除去しきれない場合、エンジン実働時にウォータージャケット内の冷却液の流れに沿って係る異物が流出し、下流側で不具合を引き起こす可能性がある。

特開昭６１−１５３１８７号公報

本発明は、エンジン実働時にシリンダヘッドのウォータージャケット内に残留する異物の流出を防止することが可能なシリンダヘッドの洗浄方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載のシリンダヘッドの洗浄方法は、エンジンに備えられ、かつ、狭小部が形成されるウォータージャケットを内部に有するシリンダヘッドを洗浄するシリンダヘッドの洗浄方法であって、前記シリンダヘッドに設けられ前記ウォータージャケットに連通する冷却液の流入経路となる流入口、または冷却液の流出経路となる流出口のうち一つを選択して、当該選択された前記流出口または流入口の一つから前記ウォータージャケット内に洗浄液を注入し、前記選択された前記流出口または流入口と異なる、前記流出口または流入口から前記洗浄液を排出することによって、ウォータージャケットを洗浄する洗浄工程を備え、前記洗浄工程は、前記ウォータージャケット内におけるエンジン実働時の冷却液の流れ方向と同一方向に前記洗浄液を流通させる第一洗浄工程と、前記第一洗浄工程における洗浄液の流れ方向と逆方向に向けて、前記ウォータージャケット内に洗浄液を流通させる第二洗浄工程とを備え、前記第一洗浄工程と第二洗浄工程とを順に複数回繰り返し行った後に、前記第一洗浄工程を最終工程として行い、前記第一洗浄工程および第二洗浄工程において前記ウォータージャケット内に流通される洗浄液を循環させる。

請求項２に記載のように、シリンダヘッドの洗浄方法において、前記洗浄液の流量は、前記エンジン実働時の冷却液の流量より大きく設定されることが好ましい。

請求項３に記載のように、後工程に移行するにつれて、前記洗浄液の流量を増加させることが好ましい。

請求項４に記載のように、前記洗浄工程にて選択された前記流出口または流入口と異なる孔であって、前記シリンダヘッドの要冷却部位に対応するウォータージャケットの部位の近傍に配置される連通孔を選択し、当該選択された連通孔から、前記ウォータージャケット内に洗浄液を、前記洗浄工程にて注入される洗浄液に対して追加注入することが好ましい。

本発明によれば、エンジン実働時にシリンダヘッドのウォータージャケット内に残留する異物の流出を防止できる。

シリンダヘッドを示す模式図である。 ウォータージャケットを示す模式図である。 ウォータージャケットの洗浄工程における洗浄液供給の態様を示す模式図である。 ウォータージャケットの洗浄工程を示すフローである。 ウォータージャケットの洗浄工程を示す模式図である。

以下では、図１〜図２を参照して、本発明に係るウォータージャケットの実施の一形態であるウォータージャケット１について説明する。ウォータージャケット１は、直列４気筒の水冷エンジン（以下、単に「エンジン」と記す。）に備えられるシリンダヘッド２内に形成される空間であり、その内部にウォーターポンプから供給される冷却液を流通させることによってエンジンを冷却する冷却構造である。また、シリンダヘッド２の各所定位置には、吸排気バルブ、点火プラグ等の装置が配置される。

図１に示すように、ウォータージャケット１には、冷却液の流入経路となる流入口３、及び冷却液の流出経路となる流出口４が、両側端部に設けられており、エンジン実働時には、ウォーターポンプ→流入口３→流出口４の一方向に向けた冷却液の流れが形成される。また、シリンダヘッド２におけるウォータージャケット１内外を連通する孔部として、流入口３、流出口４のほかに、複数の連通孔５などが適宜箇所に設けられている。

ウォータージャケット１内の流路構造（例えば、流入口３及び流出口４の配置により決定される流れの方向性等の流路特性を有する構造）は、シリンダヘッド２内に配置される各装置を最適に冷却すべく設計されている。
例えば、図２に示すように、ウォータージャケット１において、シリンダヘッド２内の要冷却部位（例えば、吸排気バルブ等、エンジン実働時に高温となりやすい部位）の近傍は、流路断面積の小さい狭小部６・６・・・として形成されている。なお、図２においては、説明の便宜上、狭小部６の表示を２箇所としているが、実際には、ウォータージャケット１におけるシリンダヘッド２内の要冷却部位近傍の略全ての部位は、狭小部６として形成されている。
このように、シリンダヘッド２内で高い冷却性能が求められている要冷却部位に対応するウォータージャケット１の部分を、狭小部６として形成することによって、係る狭小部６を通過する際の冷却液の流速を大きくし、冷却性能を向上するように設計している。

ところで、シリンダヘッド２は、鋳造により成形される鋳造品であり、鋳造工程後に、切削・孔開け等の機械加工が行われて製品となる。
シリンダヘッド２をエンジンに組み付けるに際して、その製品としての品質を保証するために、シリンダヘッド製造工程中にシリンダヘッド２の表面に付着する、又はウォータージャケット１内に残留する異物を除去する必要がある。
このため、シリンダヘッド２を水没させて、異物を除去する水没工程、ウォータージャケット１内に洗浄液を流通させて、その内部の異物を除去する洗浄工程Ｓ１等が実施される。特に、洗浄工程Ｓ１は、機械加工工程にて発生し、ウォータージャケット１に残留する切粉等の異物をウォータージャケット１から排出するために、所定の洗浄液を用いてウォータージャケット１を洗浄する工程である。

図３に示すように、ウォータージャケット１を洗浄する洗浄工程Ｓ１では、流入口３側から洗浄液を注入する第一ノズル１１と、流出口４側から洗浄液を注入する第二ノズル１２とを用いて行われる。第一ノズル１１と第二ノズル１２とは、それぞれ独立して洗浄液供給等の作動が可能である。
第一ノズル１１、第二ノズル１２は、それぞれ流入口３、流出口４に封止接続可能であり、注入する洗浄液の流量を調整可能に構成されている。例えば、第一ノズル１１及び第二ノズル１２の吐出部は、それぞれ流入口３及び流出口４の径に応じた形状に形成されるとともに、それらの吐出部周囲には液漏れ防止用の封止部材が配設されている。また、第一ノズル１１及び第二ノズル１２は図示せぬポンプ・バルブ等の供給手段と接続され、バルブの開閉、ポンプの出力調整等によってその流量を自在に調整可能に構成されている。

図３に示すように、第一ノズル１１又は第二ノズル１２を用いた洗浄の際、ウォータージャケット１の流入口３及び流出口４以外の連通孔５・５・・・等の孔部はプラグ、マスキング等により別途埋栓・封止されている。ただし、後述する補助ノズル１５が接続されている連通孔５は、補助ノズル１５により封止されている。
第一ノズル１１を用いて洗浄するときは、流入口３から注入された洗浄液は流出口４から排出され、流入口３→流出口４の洗浄液の流れが形成される。第二ノズル１２を用いて洗浄するときは、流出口４から注入された洗浄液は流入口３から排出され、流出口４→流入口３の洗浄液の流れが形成される。
また、第一ノズル１１及び第二ノズル１２により注入される洗浄液の流量は、エンジン実働時の冷却液の流量よりも大きくなるように設定されている。この「エンジン実働時の冷却液の流量」とは、エンジン実働時に要求されている冷却性能を担保する流量であり、冷却液を供給するウォーターポンプ（不図示）の吐出量に依存するものである。

また、図３に示すように、ウォータージャケット１の狭小部６・６・・・の近傍に配置される連通孔５からウォータージャケット１内に洗浄液を注入する補助ノズル１５が設けられる。
補助ノズル１５は、連通孔５に封止接続可能であり、注入する洗浄液の流量は調整可能に構成されている。補助ノズル１５からの洗浄液の注入は、第一洗浄工程Ｓ１０及び／又は第二洗浄工程Ｓ２０における洗浄液の注入が行われる際に、同時に行われる。
このように、補助ノズル１５から注入される洗浄液は、第一ノズル１１又は第二ノズル１２から注入される洗浄液の流れに対して部分的に流量を追加するものである。この補助ノズル１５からの流量の追加により、部分的な流速の増加（特に狭小部６に対する流速の増加）が見込める。

以下では、図４〜図５を参照して、ウォータージャケット１を洗浄する洗浄工程Ｓ１について説明する。
図４に示すように、洗浄工程Ｓ１は、ウォータージャケット１の流入口３から流出口４に向けて洗浄液を流通させる第一洗浄工程Ｓ１０と、ウォータージャケット１の流出口４から流入口３に向けて洗浄液を流通させる第二洗浄工程Ｓ２０とを含み、第一洗浄工程Ｓ１０と第二洗浄工程Ｓ２０とを１つの洗浄サイクルＳ３０としている。
図４に示すように、洗浄工程Ｓ１では、この洗浄サイクルＳ３０を複数回（本実施形態では３回）繰り返して行うとともに、第一洗浄工程Ｓ１０を最終工程としている。
なお、本実施形態では、洗浄サイクルＳ３０を３回繰り返しているが、この繰り返し回数は、複数であれば良く、所望の洗浄効果、洗浄結果等を参考に適宜設定可能である。

図５（ａ）に示すように、第一洗浄工程Ｓ１０では、第一ノズル１１を流入口３に封止接続して、洗浄液を注入し、第二ノズル１２は流出口４から離される。このとき、第一ノズル１１から注入される洗浄液の流量は、エンジン実働時の冷却液の流量よりも大きく設定されている。また、上述のようにウォータージャケット１において流出口４以外の孔部（連通孔５・５・・・等）は適宜閉塞されているため、洗浄液は、流入口３→流出口４に向けて流れ、流出口４から排出される。
つまり、第一洗浄工程Ｓ１０における洗浄液の流れ方向は、エンジン実働時のウォータージャケット１における冷却液の流れ方向と同一方向である。

図５（ｂ）に示すように、第二洗浄工程Ｓ２０では、第二ノズル１２を流出口４に封止接続して、洗浄液を注入し、第一ノズル１１は流入口３から離される。このとき、第二ノズル１２から注入される洗浄液の流量は、エンジン実働時の冷却液の流量よりも大きく設定されている。また、上述のようにウォータージャケット１において流入口３以外の孔部（連通孔５・５・・・等）は適宜閉塞されているため、洗浄液は、流出口４→流入口３に向けて流れ、流入口３から排出される。
つまり、第二洗浄工程Ｓ２０における洗浄液の流れ方向は、エンジン実働時のウォータージャケット１における冷却液の流れ方向と逆方向である。

以上のように、洗浄工程Ｓ１は、洗浄液の流れ方向が、エンジン実働時のウォータージャケット１内の冷却液の流れ方向に対して同一方向となる第一洗浄工程Ｓ１０と、同じく流れ方向に対して逆方向となる第二洗浄工程Ｓ２０とを含む双方向から洗浄液を流通させる洗浄サイクルである。
これによれば、ウォータージャケット１内の任意箇所に詰まっている切粉、金属片等の異物に対して双方向からの力を付与することができるので、当該異物を効果的に除去できる。特に、異物が詰まり易くなっているウォータージャケット１の狭小部６に対して、双方向から大きな洗浄液の流れを付与できるため、異物の詰まり方向に関わらず詰まりを解消し、ウォータージャケット１外に排出できる。
また、洗浄工程Ｓ１では、流路特性が最適に設計されたウォータージャケット１の流路構造をそのまま利用して洗浄液を流通させている。このため、ウォータージャケット１内の洗浄に必要最低限の流速を全範囲に発生させることができるとともに、狭小部６等の異物が詰まり易い部位に対する特別な流速コントロールが不要であり、良好なエネルギー効率を実現できる。
また、洗浄工程Ｓ１では、ウォータージャケット１の流入口３及び流出口４以外の孔部を埋栓・封止することにより、洗浄液の排出口を流入口３と流出口４との二つに限定しているため、洗浄液が外部に漏れて無駄になることがなく、洗浄液を効率良く使用することができる。

さらに、洗浄工程Ｓ１では、エンジン実働時のウォータージャケット１内の冷却液の流れ方向と同一方向に洗浄液を流す第一洗浄工程Ｓ１０を最終工程としている。
これによれば、狭小部６等に詰まっている異物を除去しきれない場合にも、エンジン実働時の冷却液の流れ方向と同一方向から洗浄液を流して力を加えることによって、前記異物を冷却液の流れ方向に沿って狭小部６等に強固に詰め込むことができる。従って、エンジン実働時にウォータージャケット１内に流れる冷却液に異物が混入する可能性が低くなり、ウォータージャケット１からの異物の流出を抑制できる。ひいては、エンジンに対する高品質保証を実現できる。

また、第一洗浄工程Ｓ１０及び第二洗浄工程Ｓ２０における洗浄液の流量は、エンジン実働時の冷却液の流量より大きく設定されている。
これによれば、狭小部６等に詰まっている異物を除去しきれない場合にも、係る異物に洗浄時に付与された洗浄液の流れよりもエンジン実働時に付与される冷却液の流れの方が弱いため、エンジン実働時の冷却液の流れで異物が動く可能性が低くなり、異物の流出を抑制できる。ひいては、エンジンに対する高品質保証を実現できる。
なお、異物除去の観点、及び異物移動防止の観点から、上記洗浄液の流量は、冷却液の流量と比較して十分に大きくなることが好ましく、特に洗浄効果、エネルギー効率等を考慮して冷却液の流量の数倍程度となるようにすることが好ましい。

洗浄工程Ｓ１において、第一ノズル１１と第二ノズル１２とによる洗浄液の注入に加えて、補助ノズル１５から洗浄液を追加することによって、狭小部６に対する流速を部分的に増加させている。
これによれば、洗浄工程Ｓ１における要洗浄部位である狭小部６に対する洗浄液の流量を容易にコントロールできるので、係る狭小部６における流速を所望量だけ大きくすることができる。従って、洗浄液注入に係るエネルギー効率を良好にできるとともに、狭小部６に詰まっている異物を確実に除去できる。

洗浄工程Ｓ１において、第一洗浄工程Ｓ１０と第二洗浄工程Ｓ２０とを含む洗浄サイクルＳ３０を複数回繰り返している。これによれば、狭小部６等に詰まっている異物をより確実に除去・排出できる。
このとき、第一洗浄工程Ｓ１０及び第二洗浄工程Ｓ２０（洗浄サイクルＳ３０）を繰り返すに際して、後工程になるにつれて洗浄液の流速を徐々に大きくしても良い。
つまり、洗浄サイクルＳ３０を繰り返す際に、流量を大きくして繰り返すことによって、洗浄能力を徐々に大きくし、異物除去の確実性を向上できる。
また、最終工程となる第一洗浄工程Ｓ１０では、最大の流量となるので、狭小部６等に詰まっている異物を除去しきれない場合にも、エンジン実働時の冷却液の流れ方向と同一方向から洗浄液を流してより大きな力を加えることができるので、冷却液の流れ方向に沿ってより強固に詰め込むことができる。

第一ノズル１１と第二ノズル１２とを連動して移動する構成とし、第一洗浄工程Ｓ１０と第二洗浄工程Ｓ２０との移行時に、ウォータージャケット１内の洗浄液が全て排出される前に第一ノズル１１と第二ノズル１２との付け替えが完了しても良い。例えば、第一ノズル１１による所定量（又は所定時間）の洗浄液の注入が完了すると、第一ノズル１１を流入口３から離間させるが、このとき、第一ノズル１１の離間とともに第二ノズル１２を連動的に流出口４に接続させる構成としても良い。なお、第二ノズル１２を流出口４から離間させるときも同様である。
これによれば、一つの工程において全ての洗浄液を排出・交換せず、第一ノズル１１と第二ノズル１２との付け替えの際に残留する洗浄液を再利用できるため、洗浄液の使用効率を向上できる。

また、第一ノズル１１と第二ノズル１２とをそれぞれ流入口３と流出口４とに封止接続したまま、洗浄工程Ｓ１を行っても良い。
つまり、第一ノズル１１及び第二ノズル１２に洗浄液を供給するポンプを共通化し、それぞれのノズル１１・１２への供給経路中にバルブを設け、ウォータージャケット１内に所定量の洗浄液を溜めた状態で、前記バルブを切換えることによって、第一洗浄工程Ｓ１０にて第一ノズル１１側から洗浄液を流通させて、流入口３→流出口４の流れを形成する、又は第二洗浄工程Ｓ２０にて第二ノズル１２側から洗浄液を流通させて、流出口４→流入口４の流れを形成する構成としても良い。
これによれば、洗浄液を外部に排出しないため、洗浄液の使用効率を向上できる。

一般的に、詰まっていたものが取れて、再び他の箇所に詰まる可能性は低いことが分かっている。これは、詰まる箇所に対する角度、速度等の制御不能因子が働いているため、詰まること自体が偶然的な要素が強いものであるという理由による。
つまり、狭小部６等に詰まっていた異物が再度他の部位に詰まる可能性は低いため、異物の再詰まりを考慮する必要なく、かつ、異物除去を目的として、上記の形態のように、洗浄液を滞留させる、又は循環させることにより、洗浄液を効率的に使用できる。

なお、洗浄工程Ｓ１による洗浄対象は、ウォータージャケット１に限らず、流路構造に方向性があるもの、特に流路断面積が小さい方向に向かうように設計されているものであれば良く、係る方向性に従って複数方向から洗浄するワークに対して特に有効である。
つまり、洗浄工程Ｓ１は、ワークに設けられる複数の孔から一つを選択して、当該選択された孔から洗浄液を注入するものであって、少なくとも設計上の考慮がなされている流れ方向に向けて流す工程を含むものであれば適用可能である。

また、ウォータージャケット１等のワークに存在する既存の流路構造に加えて、洗浄用の連通孔を新たに設け、係る洗浄用孔を用いても良い。
つまり、ワークの既存の流路構造を用いて洗浄した場合に、洗浄効率、エネルギー効率等が悪くなるときは、これらの効率を考慮して新たに洗浄用の連通孔を設けて洗浄時のみに使用し、実働時に（ワーク組み付け後に）閉塞する構成としても良い。例えば、流路構造が曲線的に形成されているウォータージャケットに適用する場合は、流路が略直線状となるような箇所に洗浄用孔を形成して直線的な洗浄液の流路を実現し、当該流路の断面において略均一な流速分布を実現するようにする等である。

１ ウォータージャケット
２ シリンダヘッド
３ 流入口（孔）
４ 流出口（孔）
５ 連通孔（孔）
６ 狭小部（要冷却部位）
１１ 第一ノズル
１２ 第二ノズル
１５ 補助ノズル

Claims (4)

1. エンジンに備えられ、かつ、狭小部が形成されるウォータージャケットを内部に有するシリンダヘッドを洗浄するシリンダヘッドの洗浄方法であって、
   前記シリンダヘッドに設けられ前記ウォータージャケットに連通する冷却液の流入経路となる流入口、または冷却液の流出経路となる流出口のうち一つを選択して、当該選択された前記流出口または流入口の一つから前記ウォータージャケット内に洗浄液を注入し、前記選択された前記流出口または流入口と異なる、前記流出口または流入口から前記洗浄液を排出することによって、ウォータージャケットを洗浄する洗浄工程を備え、
   前記洗浄工程は、
   前記ウォータージャケット内におけるエンジン実働時の冷却液の流れ方向と同一方向に前記洗浄液を流通させる第一洗浄工程と、
   前記第一洗浄工程における洗浄液の流れ方向と逆方向に向けて、前記ウォータージャケット内に洗浄液を流通させる第二洗浄工程とを備え、
   前記第一洗浄工程と第二洗浄工程とを順に複数回繰り返し行った後に、前記第一洗浄工程を最終工程として行い、
   前記第一洗浄工程および第二洗浄工程において前記ウォータージャケット内に流通される洗浄液を循環させる、
   シリンダヘッドの洗浄方法。
2. 前記洗浄液の流量は、前記エンジン実働時の冷却液の流量より大きく設定される請求項１に記載のシリンダヘッドの洗浄方法。
3. 後工程に移行するにつれて、前記洗浄液の流量を増加させる請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッドの洗浄方法。
4. 前記洗浄工程にて選択された前記流出口または流入口と異なる孔であって、前記シリンダヘッドの要冷却部位に対応するウォータージャケットの部位の近傍に配置される連通孔を選択し、
   当該選択された連通孔から、前記ウォータージャケット内に洗浄液を、前記洗浄工程にて注入される洗浄液に対して追加注入する請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のシリンダヘッドの洗浄方法。

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