JP5684699B2 - 互いに重なり離れて配置されたマニホールド部に合流する排気管の一体化された排気マニホールド及びサブグループを有する内燃機関用シリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、以下のタイプの内燃エンジン用のシリンダヘッドに関する。ここで内燃エンジンは、
− 上面、下面、２つの端面、及び２つの側面を有する本体を備え、
− 本体は、一つの鋳造片においてエンジン排気マニホールドを一体化し、
− 排気マニホールドは、排気ガス用の複数の導管によって形成され、この複数の導管は、ヘッド本体に設けられ、及び、重なり互いに離れて配置されてヘッドの側面で終端するマニホールド部に合流する排気管の別々のサブグループを形成し、
− ヘッド本体に排気マニホールドを形成する導管の略下方及び上方に設けられる下部冷却ジャケット及び上部冷却ジャケット、並びに、重なり互いに離れて配置される上述のマニホールド部の間に置かれる中間冷却ジャケットを有し、
− この中間ジャケットは、排気マニホールドの出口領域の２つの側部にて、側面に隣接して配列される２つの相互接続管を通して下部及び上部ジャケットと連通される、タイプのものである。

上述したようなタイプのシリンダヘッドは、例えば、ＵＳ２０１０／００８３９２０ Ａ１（ＥＰ ２ １７２ ６３５ Ａ１に同じ）の中で説明されている。しかしながら、一体化された排気マニホールド及び重ねられた排気マニホールド部分を有するシリンダヘッドは、徐々に知られている（ＤＥ−Ａ−２５ ０８ ９５２）。このタイプのシリンダヘッドは、また、ＪＰ２００６−０８３７５６、ＪＰ２００７−２８５１６８、及びＵＳ２００９／０２４１５２６ Ａ１にも説明されている。

シリンダヘッドにおける排気マニホールドの一体化は、別々の排気マニホールドを有する従来のエンジンでは、高い運転温度に耐える貴重な鋼で製造しなければならないことを考えると、製造の簡素化及び製造コストの低減を可能にする。一方、一体化されたマニホールドを有するシリンダヘッドでは、ヘッド及びマニホールドを構成する材料は、一般的にアルミニウムであり、高温の排気ガスから導き出される問題は、上述の冷却ジャケットによって、マニホールド及びヘッドを冷却するための液体を設けることで解決される。互いに重なり離れて配置されたマニホールド部と一体化された排気マニホールドの提供は、導管の、改善されより均一な冷却、及び導管間の気体力学的相互作用の回避に関して有利にする。

ＵＳ２０１０／００８３９２０ Ａ１

ＵＳ２０１０／００８３９２０ Ａ１から知られている上述の解決策では、シリンダヘッドは、エンジンブロックの冷却循環路から来る流体を上述の下部冷却ジャケット及び上述の上部冷却ジャケットの両方に直接流すために、互いに関して平行に設けられた導管を有する。中間冷却ジャケットは、排気側で、ヘッドの中央部のみで延在し、ガス排出口領域の２つの側部に配列された２つの相互接続管によって上部ジャケットと連通する。上述した従来技術の解決策の欠点は、下部及び上部の冷却ジャケットでは、ヘッドの一端から他端まで冷却液体が実質的に長手方向の流れによってそれぞれ流れるという点であり、これは、エンジン・シリンダに関連したヘッドの全ての部分を理想的で均一に冷却することを保証できない。さらに、従来技術の解決策は、上述の排気用マニホールド部のため別個の出口を提供する。

本発明の目的は、上述した問題点が解決されるところの、特に、ヘッド各部の最適で均一な冷却が保証され、特に、様々なエンジン・シリンダに関連した排気マニホールドの様々な部分の冷却が保証される、当該明細書の冒頭に記したタイプのシリンダヘッドを提供することである。

本発明のさらなる目的は、エンジン・シリンダに関連する排気管がさらされる過熱、及び異なる排気管間での過熱の不均一さを最大限に低減することである。

上記目的を達成するため、本発明は、当該明細書の冒頭に記したタイプのシリンダヘッドであって、以下の点で特徴付けられるシリンダヘッドを提供することを目的とする。即ち、
− 共通の出口に合流する排気マニホールドの導管は、ヘッドの側面で終端し、
− 下部冷却ジャケットは、様々なエンジン・シリンダに関する複数の別個の横チャンバ内へ長手方向に分割され、ヘッドの排気側に沿って延在する、下部ジャケットの長手方向の連続部分で終端し、
− 中間冷却ジャケットは、ヘッドの長手方向の全ての延在部分の上方に延在し、下部ジャケットの上述のチャンバと連通する導管と、ヘッドからの冷却液の出口用の、ヘッドの一端に出口とを有し、
− 上部冷却ジャケットは、排気マニホールドの上部の上方でヘッドの中央部に第１部分を有し、第１部分から、メイン出口に隣接して補助出口を形成する、ヘッドの端まで長手方向に延在する第２部分を有する。

上述した特徴によって、本発明によるヘッドは、冷却液がヘッドの一端から他端まで上述の下部冷却ジャケットを長手方向に横切らないことを保証するが、しかし、少なくとも部分的に、ヘッドの長手方向を横断する方向で異なるエンジン・シリンダに関連する様々なチャンバに平行に冷却液を流させ、それによって、とりわけ、様々なエンジン・シリンダに関連する、シリンダヘッドの様々な部分間、特に排気マニホールドにおいてかなりの冷却均一性とともに冷却液の正しい並進速度を確保する。上部冷却ジャケットは、エンジンブロックから直接に冷却液を受け入れず、上述の相互接続管を通して、下部ジャケット及び中間ジャケットからとともに、下部ジャケットのチャンバからのみ冷却液を受け入れる。さらに、中間ジャケットは、ヘッドの中央の部分に制限されず、ヘッドの全長に渡り延在し、ヘッドからの冷却液のメイン出口を形成する。

本発明によるシリンダヘッドの斜視図である。 図１に示すシリンダヘッドの側面図である。 図１、２に示すシリンダヘッドの平面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ部における断面図である。 図３に示すＶ−Ｖ部における断面図である。 図２に示すＶＩ−ＶＩ部における断面図である。 図２に示すＶＩＩ−ＶＩＩ部における断面図である。 図４に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ部における断面図である。 図４に示すＩＸ−ＩＸ部における断面図である。 図４に示すＸ−Ｘ部における断面図である。 本発明によるシリンダヘッド本体における排気管及び３つの冷却ジャケットを形成するために使用する中子砂の拡大斜視図である。 ３つの冷却ジャケットを形成するために用いられる中子砂の拡大斜視図である。 排気管を形成するために使用される２つのコアの、組み立てられた状態における斜視図である。 下部冷却ジャケット用に使用されるコアを特に示す斜視図である。 中間冷却ジャケット用に使用されるコアを特に示す斜視図である。 上部冷却ジャケット用に使用されるコアを特に示す斜視図である。 図１４、図１５及び図１６のコアの組み立てられた状態における斜視図である。

本発明の特徴及び利点は、制限するものではない実施例として提供される添付図に関する以下の説明から明らかになる。
図示する実施例は、４つの直列シリンダーを有するターボチャージャー付き内燃機関エンジンのシリンダヘッドの場合に関する。しかしながら、本発明は、いずれのシリンダ数のエンジン、ターボ過給機ユニットが設けられている場合の、設けられていない場合の、いずれのタイプのエンジンにも適用可能であることは明らかである。

図１から図１０を参照して、上面３を有する一つのアルミニウム本体２、下面４（図２を参照）、第１端面５、及び第２端面６を有する本発明によるシリンダヘッドがその全体を符号１で示されている。

エンジン・シリンダに関連する燃焼室を形成するキャビティ７（図４及び５を参照）は、シリンダヘッドの下面４において形成されている。図示する実施例は、各エンジン・シリンダにつき２つの吸気弁及び２つの排気弁を設けたエンジンの場合を示す。よって、各エンジン・シリンダに関して、２つの吸気管８と２つの排気管９（図５及び図６を参照）が、シリンダヘッド１の本体２において鋳造によって形成される。吸気管８は、ヘッドの長手方向の側面１０で終端する（図３、図５、図６を参照）。図５及び図１０は、また、上部にてヘッドの上面３で終端し、下部にてそれぞれの吸気管８及び排気管９で終端して、吸気弁及び排気弁のステムを受け入れガイドする貫通穴８ａ，９ａを示している。１つ以上のカムシャフト、並びに、吸気及び排気弁の動作用のそれぞれのタペットを収容するキャビティ１１（図１及び図３）は、従来の技術によるヘッドの上面に設けられている。

図５、図６及び図７において明らかに判るように、エンジン排気マニホールドもシリンダヘッド１において単一の鋳造片にて提供される。排気マニホールドを形成する導管の全体構成は、添付図の図１３において明らかであり、それらを得るために用いられる砂型鋳造のコアの構成に対応する。かかる図において、シリンダヘッドにて得られたキャビティに対応する中子砂の部分は、同じ参照符号で示される。

図１３において判るように、すべての排気管９は、ターボチャージャー・ユニット（不図示）を取り付けるための平坦面１４にてスクリューの係合用の軸受孔１５にて、シリンダヘッド（図１）の長手方向の側面１３で終端する共通の出口１２に合流する。図１３において、排気マニホールドを形成する排気管９は、それぞれ参照符号１６、１７で示された、排気管の２つの別々のサブグループを形成する。サブグループ１６は、一連に整列した４つのシリンダーの中心にある２つのエンジン・シリンダにつながる排気管９によって構成され、サブグループ１７は、一連のシリンダーの両端にある２つのシリンダーにつながる排気管９によって構成されている。第１サブグループ１６の排気管９は、端のシリンダーの各々の排気管９が合流するサブグループ１７の２つの導管１７ａ部分とともに、出口１２にて順にまとめられるマニホールド１６ａの一部に相互に合流する。導管１７ａは、シリンダヘッドに関して、その一方が他方に向かって、共通の出口１２内で部分１６ａによってそれらが合流するマニホールドの中央部分まで、略長手方向に延在する。

図１にてわかるように、図示する実施例の場合では、排気マニホールドが統合されるシリンダヘッドの部分は、長手方向の側面１３から突出する部分１３ａを形成する。

特に図４及び図５を参照して、ヘッド及び特にヘッドに設けられた排気マニホールドを冷却するために、下部冷却ジャケット１８、上部冷却ジャケット１９、及び中間冷却ジャケット２０もまた、シリンダヘッド１の本体において鋳造することによって形成される。下部冷却ジャケット１８及び上部冷却ジャケット１９は、中央の共通出口１２のまわりに、また、排気マニホールドを形成する導管の略上方及び下方に延在する。中間ジャケット２０は、排気管１６、１７のサブグループの各中央部、これらは重なりかつ互いに離れて配置される、の間で延在し、一部分及び他部分からヘッドの反対側端まで延在する。３つのジャケット１８、１９、２０の構成は、図１１から図１７に図示される、対応の中子砂の構成を見ることで明らかである。図１１から図１７では、中子砂の各部分は、それらに対応する、ヘッド１のキャビティを示すのと同じ参照符号を用いて示されている。

図において、参照符号２１は、種々のエンジン・シリンダに関連する点火プラグを取り付けるためのシリンダヘッドに設けられる導管を示し、参照符号２２は、種々のシリンダーに関連するインジェクターを取り付けることを可能にするためにヘッドに設けられる更なる導管を示している。

図８及び図９は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ部、及びＩＸ−ＩＸ部における断面図であり、下部冷却ジャケット１８を示す。図６は、図２のＶＩ−ＶＩ部に対応する水平面におけるヘッドの断面図であり、中間冷却ジャケット２０を示す。図１０は、図４のＸ−Ｘ部による断面図であり、上部冷却ジャケット１９を示す。

図１４も図８及び図９も参照して、下部冷却ジャケット１８が、シリンダヘッドを有する単一の鋳造片に設けられる横仕切板１８１によって、４つのエンジン・シリンダに関連する４つの横チャンバ１８０へ長手方向において分割されるということが明らかにわかる。シリンダヘッドの全長にわたり分配され、かつ燃焼室７の吸気側及び排気側にそれぞれ隣接するヘッドの下面から始まって設けられる導管１８２によって、下部冷却ジャケット１８の横チャンバ１８０は、エンジンブロックに設けられる循環路から冷却液を受け入れるように設計される。図１４は、エンジンブロックに設けられた循環路から来る、図４及び図１４にて矢印１８３で示される冷却液の、下部冷却ジャケット１８の別個の横チャンバ１８０における、到着を可能にする上述の連通管のいくつかを得るために使用される中子砂の付属物１８２を示す。

チャンバ１８０は、ヘッドの排気側に沿って延在し、上記下部ジャケット１８の長手方向の連続的な部分１８５で終端する（図１４も参照）。

上述した配置により、エンジンブロックから来る冷却液は、ヘッドの長手方向に直角の方向に従い、下部冷却ジャケット１８を通り４つの横チャンバ１８０を、平行に、強制的に通過させられる。したがって、横チャンバ１８０を通過する冷却液は、排気管のサブグループ１７の下を通過してサブグループ１７の壁を冷やしながらシリンダヘッドの排気側に達する。

冷却液は、燃焼室に隣接して配置される導管１８４（図１４）、及び、排気ガス用の中央出口１２の２つの側部にてシリンダヘッドの面１３上で終端する２つの円筒状のキャビティ１９２を塞ぐ閉エレメント１９１によって形成された１対の導管１９０（図４）の両方によって、下部冷却ジャケット１８から上部冷却ジャケット１９まで通過する（図１、４、６、１４、１５を参照）。図１及び図２において、閉エレメント１９１は省略されており、よって、下部冷却ジャケット１８と中間冷却ジャケット２０とを分離する隔壁１８９（図４）の端を示すことができている。図４にて明らかにわかるように、閉エレメント１９１は、連通管１９０を形成するように、隔壁１８９の先端から離れて配置されている。

図４において明らかにわかるように、導管１９０の各々は、中間ジャケット２０と下部ジャケット１８を連通するだけでなく、上部ジャケット１９と両方のジャケット１８，２０をまた連通する場所を形成する。したがって、それぞれの導管１９０は、３つのジャケット間の相互接続のための導管である。

図１１及び図１２において、参照符号１８は、本発明によるシリンダヘッドの下部冷却ジャケット１８を形成するよう設計された中子砂を、全体として示しており、参照符号１９及び２０は、上部冷却ジャケット１９及び中間冷却ジャケット２０を形成するよう設計された中子砂を示している。上述の管状の付属物１９２によって形成された円筒状のキャビティは、それら３つの砂型鋳造のコアの付属物１９２ａ間の協働の結果として得られる。

このような配置により、発明によるシリンダヘッドでは、下部冷却ジャケット１８から来る冷却液は、下部ジャケット１８の別々のチャンバ１８０とそれぞれ連通する上述の導管１９０及び導管１８４を通って上部冷却ジャケット１９に到達する。この冷却液は、図１４の矢印（Ｆ）の方向において下部ジャケット１８から出て、導管１９０を通って上部ジャケット１９にも直接に、また中間ジャケット２０にも入る。

図１５を参照して、中間ジャケット２０は、ヘッドの全てにわたり長手方向に延在し、ヘッドの端にて、下部ジャケット１８及び中間ジャケット２０を通過した冷却液がヘッドから通って出るところのメイン出口２０１で終端する。

図１６を参照して、上部冷却ジャケット１９は、排気マニホールドの上部１６の上方でヘッドの中央にて第１部分１９６を有し、また、第１部分１９６から、メイン出口２０１に隣接して補助循環路１９８を形成するところのヘッドの端まで長手方向に延在する第２部分１９７を有する。第１部分１９６は、ガスの出口領域を、上部で、囲むブリッジ部を含んでいる。第２部分１９７は、ジャケット１９の上部の部分に蓄積する気泡の放出を可能にするのに有用な経路を形成する。

上述の説明から明らかなように、発明によるシリンダヘッドは、そこに統合された排気マニホールドを有し、また、重なり互いに離れて配置されるマニホールド部に合流する排気管の別々のサブグループ１６、１７を備える。さらに、ヘッドの全長手寸法にわたり分配された複数の開口を通してエンジンブロックから冷却液を受け入れる下部冷却ジャケットは、冷却液がヘッドの長手方向に交差して平行に通過する複数の別々の横チャンバ１８０へ冷却液を供給するように設けられる。よって冷却液は、下部冷却ジャケットから上部及び中間冷却ジャケットまで通過する。中間冷却ジャケットでは、冷却液がシリンダヘッドの端で出口２０１、１９８にて冷却液の出口まで横に及び長手方向の両方に通過される。

発明によるシリンダヘッドは、上述の特徴によって、重なり間隔をあけられた排気管のサブグループによって形成された排気マニホールドの利点を、複数の冷却ジャケットの特定の構成及び配置から引き出したより効率的な冷却に関する利点と組み合わせることを可能にする。同時に、発明によるシリンダヘッドは、上述したように構成された砂型鋳造のコアの提供によって、比較的簡単な方法で及び比較的低コストで得ることができる。

言うまでもなく、発明の原理をそこなうことなく、構造詳細及び実施態様は、本発明の保護の範囲から逸脱せずに、純粋に実施例の目的で記述され説明されたものに対して広く変更可能である。

Claims (1)

1. 内燃機関用のシリンダヘッド（１）であって、
   − 上面（３）、下面（４）、２つの端面（５、６）、及び２つの側面（１０、１３）を有する本体（２）を有し、
   − 上記本体は、一つの鋳造片においてエンジン排気マニホールド（１６、１７）を一体化し、
   − 上記排気マニホールド（１６、１７）は、ヘッド（１）の本体（２）に設けられた排気ガス用の複数の導管（９）によって形成され、重なり互いに離れて配置されヘッドの横面（１３，１４）に終端するマニホールド部（１６ａ、１７ａ）に合流する排気管の別々のサブグループ（１６と１７）を形成し、
   − ヘッド（１）の本体（２）内で、排気マニホールド（１６、１７）を形成する導管（９）のほぼ下方及び上方に設けられる下部冷却ジャケット（１８）及び上部冷却ジャケット（１９）と、重なり互いに離れて配置される上記排気マニホールド（１６、１７）の間に配置される中間冷却ジャケット（２０）とを有し、
   − 上記中間冷却ジャケット（２０）は、排気マニホールドの出口領域の２つの側部にて、上記側面（１３、１４）に隣接して配列される２つの相互接続管を通して下部及び上部のジャケット（１８、１９）と連通される、内燃機関用のシリンダヘッド（１）において、
   − 上記排気マニホールドの導管（９）は、ヘッド（１）の上記側面（１３、１４）で終端する共通の出口（１２）へ合流し、
   − 下部冷却ジャケット（１８）は、個々のエンジン・シリンダに関連した複数の分離した横チャンバ（１８０）に長手方向において分割され、この横チャンバは、ヘッドの排気側に沿って延在する部分（１８５）で上記下部冷却ジャケットの長手方向において連続して延在する部分（１８５）で終端し、
   − 中間冷却ジャケット（２０）は、ヘッドの長手方向の全伸長にわたり延在し、ヘッド（１）から冷却液が出ることに関して、下部冷却ジャケット（１８）の上記チャンバと連通する導管（１８４）と、ヘッド（１）の一端（６）に出口（２０１）とを有し、
   − 上部冷却ジャケット（１９）は、排気マニホールドの上部（１６）の上方でヘッドの中央に第１部分（１９６）を有し、この第１部分（１９６）から、上記出口（２０１）に隣接して補助循環路（１９８）を形成する、ヘッド（１）の上記一端（６）まで長手方向に延在する第２部分（１９７）を有する、
   ことを特徴とする内燃機関用のシリンダヘッド。

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