JP5981830B2

JP5981830B2 - シリンダヘッドのウォータージャケット構造

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Publication number: JP5981830B2
Application number: JP2012232258A
Authority: JP
Inventors: 藤井　健史; 健史藤井; 誠崇井川; 松持　祐司; 祐司松持
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP2014084739A

Description

本発明は、シリンダヘッドのウォータージャケット構造に関し、特に、複数の排気ポートを集合させる排気集合部を一体形成したシリンダヘッドのウォータージャケット構造に関する。

従来、燃費向上及びＣＯ_２削減の要請からエンジン等の内燃機関の小型化が望まれているが、このような内燃機関は小型化によるトルク不足を解消するために過給機を備えていることが多い。一方、内燃機関の小型化・軽量化を図るために、複数の燃焼室から伸びる複数の排気ポートを集合させる排気集合部をシリンダヘッド内に一体に形成した内燃機関が開発されている。排気集合部は高温になり易く、特に、排気集合部の直ぐ下流側に過給機を配置した場合には、過給機の熱害防止のために排気集合部を十分に冷却することが重要になる。そのため、このようなシリンダヘッドでは、燃焼室を冷却する燃焼室用ウォータージャケットの他に、排気ポート及び排気集合部を冷却する排気用ウォータージャケットが設けられている。

例えば、特許文献１〜３には、排気集合部の上側と下側にそれぞれ排気用ウォータージャケットを設け、排気集合部の出口開口部が設けられたシリンダヘッドの側面と当該排気集合部との間に、上側と下側の排気用ウォータージャケットを連通する連通部を設けたシリンダヘッドのウォータージャケット構造が開示されている。

独国特許出願公開２００８−０５９８３２号明細書特開２００８−３０９１５８号公報特開２０１０−２０９７４９号公報

しかし、特許文献１〜３に記載のシリンダヘッドのウォータージャケット構造では、排気集合部における排気の流速が考慮されておらず、冷却効率の向上の余地があった。

本発明は、これらの問題に鑑みて成されたものであり、排気集合部の冷却効率の向上を図ることが可能なシリンダヘッドのウォータージャケット構造を提供することを課題とする。

本発明に係るシリンダヘッドのウォータージャケット構造は、シリンダヘッドの底面に形成された複数の燃焼室頂部と、前記複数の燃焼室頂部のそれぞれに連通する複数の吸気ポート及び複数の排気ポートと、前記シリンダヘッドの内部で前記複数の排気ポートを集合させる排気集合部と、前記シリンダヘッドにおいてシリンダ列方向を挟んで形成されている前記複数の吸気ポート側の側面及び前記複数の排気ポート側の側面のうち、前記複数の排気ポート側の側面に形成されており、前記排気集合部と連通する排気出口と、前記排気集合部を冷却する排気用ウォータージャケットと、を備え、前記排気用ウォータージャケットは、前記排気集合部に対してシリンダ軸線方向の上側に配置されて前記排気集合部を覆う上側排気用ウォータージャケットと、前記排気集合部に対してシリンダ軸線方向の下側に配置されて前記排気集合部を覆う下側排気用ウォータージャケットと、を有し、前記排気出口は、前記複数の排気ポート側の側面において、シリンダ列方向における中心から偏倚した位置に開口しており、前記排気集合部は、シリンダ軸線方向及び前記シリンダ列方向の両方に直交する方向において、前記排気出口に近づくにつれて拡径しているとともに、前記シリンダ軸線方向には略同一径であり、前記排気出口は、前記シリンダ軸線方向には前記排気集合部と略同一径となる扁平形状を呈し、前記上側排気用ウォータージャケット及び前記下側排気用ウォータージャケットは、前記シリンダ軸線方向及び前記シリンダ列方向の両方に直交する方向において、前記排気出口に近づくにつれて拡径しており、前記上側排気用ウォータジャケットは、前記複数の排気ポートとは反対側となる端部における前記排気出口以外の部位に対向するように、下側に向かって突出する第１突出部を有しており、前記下側排気用ウォータジャケットは、前記複数の排気ポートとは反対側となる端部における前記排気出口以外の部位に対向するように、上側に向かって突出する第２突出部を有していることを特徴とする。

このような構成によれば、排気集合部の排気出口がシリンダ列方向における中心から偏倚した位置に開口しており、排気集合部の第２集合部が排気出口に近づくにつれて拡径しているので、排気出口から遠い部分において排気の流速を大きくして冷却効率を向上するとともに、排気出口に近い部分において排気の流量を大きくしつつ流速を小さくし、さらには各ウォータージャケットとの接触面積を大きくして冷却効率を向上することができる。また、製造時に砂中子をシリンダヘッド内部から洗浄する際においても、排気出口に近い部分における流路の断面積を排気出口から遠い部分よりも大きくしているので、残留物をより効率的に除去することができる。
また、このような構成によれば、第２集合部を扁平な形状とすることによって、各ウォータージャケット内部を流れる冷却液の容量の増加を抑えつつ冷却効率を向上することができるとともに、コンパクトなシリンダヘッドを提供することができる。
また、このような構成によれば、上側排気用ウォータージャケットと下側排気用ウォータージャケットとを互いに独立した流路としながら、排気集合部の下流側側部を突出部で被覆して排気集合管全体をウォータージャケットで覆うことができるので、排気集合部の冷却効率を向上させることができる。

本発明によれば、排気集合部の冷却効率の向上を図ることが可能なシリンダヘッドのウォータージャケット構造を提供することができる。

本実施形態に係るシリンダヘッドのウォータージャケット構造を有する内燃機関の断面図である。シリンダヘッドの斜視図である。シリンダヘッドの内部の排気集合部及びヘッド側ウォータージャケットを透視して描いた斜視図である。ヘッド側ウォータージャケットと排気集合部とを上下に分解して示した斜視図である。吸気用ウォータージャケット、燃焼室用ウォータージャケット及び上側排気用ウォータージャケットの底面図である。下側排気用ウォータージャケットの底面図である。ヘッド側ウォータージャケットと排気集合部を前方からみた正面図である。ブロック側ウォータージャケットから吸気用ウォータージャケットへの冷却液の流れを説明するための分解斜視図である。ブロック側ウォータージャケットから下側排気用ウォータージャケットへの冷却液の流れを説明するための分解斜視図である。ガスケットにヘッド側ウォータージャケットとブロック側ウォータージャケットとを重ねて描いた底面図である。吸気用ウォータージャケット、燃焼室用ウォータージャケット及び上側排気用ウォータージャケットの冷却液の流れを説明するための底面図である。下側排気用ウォータージャケットの冷却液の流れを説明するための底面図である。（ａ）は排気集合部の底面図、（ｂ）は排気集合部の正面図である。

本発明の実施形態について、図１乃至図１２を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。また、方向を説明する場合は、各図に示すように、内燃機関Ｅが車両に設置された状態における前後左右上下に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係るシリンダヘッドのウォータージャケット構造を有する内燃機関の断面図である。
図１に示すように、本発明が適用された内燃機関Ｅは、４つのシリンダ１ａ（図１では１つのみ図示）が直列に配列されて一体に設けられたシリンダブロック１と、シリンダブロック１の上側端部に結合されるシリンダヘッド２と、シリンダブロック１とシリンダヘッド２の間に設置されるガスケット３と、シリンダヘッド２の上側端部に結合されるヘッドカバー（図示省略）とから構成される機関本体を備える。

内燃機関Ｅは、４つのシリンダ１ａと、各シリンダ１ａに往復運動可能に嵌合するピストン４と、各ピストン４にコンロッド５を介して連結されるクランク軸６とを備える多気筒内燃機関であり、搭載対象としての車両に、クランク軸６の回転中心線が左右方向に指向する横置き配置で搭載される。また、内燃機関Ｅは、吸気側を車両後方に向けて配置されるとともに排気側を車両前方に向けて配置されている。
シリンダ１ａ毎に、該シリンダ１ａのシリンダ軸線Ｌｃに平行な方向であるシリンダ軸線方向でピストン４とシリンダヘッド２との間には、シリンダ１ａとピストン４とシリンダヘッド２とにより燃焼室７が形成される。
なお、本実施形態では、シリンダ軸線Ｌｃと鉛直軸方向（すなわち上下方向）とが一致するように内燃機関Ｅが設置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばシリンダ軸線Ｌｃが鉛直軸方向に対して傾斜するように内燃機関Ｅを設置してもよい。

シリンダブロック１は、前記したシリンダ１ａやクランクケース（図示省略）の他、シリンダ１ａを冷却する冷却液の流路となるブロック側ウォータージャケット１０を有している。ブロック側ウォータージャケット１０は、４つのシリンダ１ａの全体を連続的に囲う凹溝状の空間であり、シリンダブロック１の上面に開口している（図８、図９参照）。ブロック側ウォータージャケット１０の一端側には、図示しないラジエータで冷却された冷却液が供給されている。また、ブロック側ウォータージャケット１０は、ガスケット３の貫通孔３２，３５等を介して、後記する吸気用ウォータージャケット５０及び下側排気用ウォータージャケット９０に連通しており、両者に冷却液を供給している。ブロック側ウォータージャケット１０及びガスケット３については後に詳しく説明する。

図２は、シリンダヘッドの斜視図である。図３は、シリンダヘッドの内部の排気集合部及びヘッド側ウォータージャケットを透視して描いた斜視図である。なお、図３では、シリンダヘッド２の外形を仮想線（二点鎖線）で描いている。

シリンダヘッド２は、中子（例えば、砂中子）を用いた鋳造成形で製造される金属製部材である。シリンダヘッド２は、図１乃至図３（主に図１）に示すように、燃焼室７の頂部を構成する４つの燃焼室頂部２１（図１では１つのみ図示）と、各燃焼室７にエアを導入する吸気ポート２２と、各燃焼室７から燃焼ガスを排出する排気ポート２３と、シリンダヘッド２の内部において複数の排気ポート２３を集合させる排気集合部２４と、これらを冷却するためのヘッド側ウォータージャケット４０と、を主に有している。また、シリンダヘッド２は、その上部に動弁機構の一部（図示省略）を収容する動弁室２５を有している。

燃焼室頂部２１は、シリンダヘッド２の底面２ａに設けられた略円錐形状の凹部である。吸気ポート２２は、各燃焼室頂部２１とシリンダヘッド２の後面２ｂとを連通している。排気ポート２３は、各燃焼室頂部２１と排気集合部２４とを連通している。吸気ポート２２及び排気ポート２３は、１つの燃焼室頂部２１に対して２つずつ設けられている。なお、吸気ポート２２及び排気ポート２３には、図示しない吸気バルブ及び排気バルブが設置されている。

図２に示すように、排気集合部２４は、シリンダヘッド２の前面２ｃの左右方向の中心から偏倚した位置に開口する排気出口である１つの開口部２４ａを有している。排気集合部２４は、シリンダヘッド２の内部であってシリンダブロック１よりも前方に張り出した部位に設けられている（図１参照）。動弁室２５は、シリンダヘッド２の上面２ｄに形成された凹状の空間である。動弁室２５には、図示しないカムシャフトやロッカアームやバルブ等の動弁機構の一部が収容される。また、シリンダヘッド２の左側面２ｅには、後記するヘッド側ウォータージャケット４０の冷却液の出口となる出口開口部６３，８３，９３が形成されている。シリンダヘッド２の左側面２ｅには、出口開口部６３，８３，９３から排出される冷却液をヒータやラジエータに分配するウォーターアウトレット（図示省略）が取り付けられる。

なお、シリンダヘッド２の前面２ｃには、鋳造成形時にキャビティ内に設置される中子と型枠に支持される巾木とを連結する連結部によって形成される２つの支持孔２ｆが存在するが、この支持孔２ｆは後付けのキャップ等で閉塞される。

図１及び図３に示すように、ヘッド側ウォータージャケット４０は、冷却液の流路となる空間であり、吸気ポート２２を冷却するための吸気用ウォータージャケット５０と、燃焼室頂部２１を冷却するための燃焼室用ウォータージャケット６０と、排気ポート２３及び排気集合部２４を冷却するための排気用ウォータージャケット７０と、を備えている。

図１に示すように、吸気用ウォータージャケット５０は、吸気ポート２２の下方に設けられている。燃焼室用ウォータージャケット６０は、燃焼室頂部２１の直上であって吸気ポート２２と排気ポート２３の間に設けられている。排気用ウォータージャケット７０は、排気ポート２３及び排気集合部２４の上側に配置された上側排気用ウォータージャケット８０と、排気ポート２３及び排気集合部２４の下側に配置された下側排気用ウォータージャケット９０と、を有している。

吸気用ウォータージャケット５０は、ブロック側ウォータージャケット１０に連通すると共に、燃焼室用ウォータージャケット６０に連通している（図１の破線を参照）。燃焼室用ウォータージャケット６０は、ブロック側ウォータージャケット１０に連通すると共に、上側排気用ウォータージャケット８０に連通している。下側排気用ウォータージャケット９０は、ブロック側ウォータージャケット１０に連通している。そして、下側排気用ウォータージャケット９０は、吸気用ウォータージャケット５０、燃焼室用ウォータージャケット６０及び上側排気用ウォータージャケット８０に連通していない。すなわち、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とは、シリンダヘッド２の内部において互いに独立した流路を形成している。

次に、排気集合部２４及びヘッド側ウォータージャケット４０（すなわち、吸気用ウォータージャケット５０、燃焼室用ウォータージャケット６０、上側排気用ウォータージャケット８０及び下側排気用ウォータージャケット９０）の詳細な構造について、図４乃至図７を参照して説明する。

図４は、ヘッド側ウォータージャケットと排気集合部とを上下に分解して示した斜視図である。図５は、吸気用ウォータージャケット、燃焼室用ウォータージャケット及び上側排気用ウォータージャケットの底面図である。図６は、下側排気用ウォータージャケットの底面図である。図７は、ヘッド側ウォータージャケットと排気集合部を前方からみた正面図である。
ここで、図４乃至図７では、説明の便宜のため、空間である排気集合部２４及びヘッド側ウォータージャケット４０を実体があるもの（すなわちこれらに対応する中子）のように描いている。

図４に示すように、排気集合部２４は、各燃焼室７に連通する２本の排気ポート２３を１本に集合させる第１集合部２４ｂと、４本の第１集合部２４ｂを集合させる第２集合部２４ｃと、を有している。開口部２４ａは、シリンダヘッド２の左右方向の中心から偏倚した位置に設けられている。４本の第１集合部２４ｂのうち、右側及び左側の第１集合部２４ｂは、両者の中間の２つの第１集合部２４ｂよりも長い。この右側及び左側の第１集合部２４ｂの前側の側面が、後記する上側排気用ウォータージャケット８０の突出部８１及び下側排気用ウォータージャケット９０の突出部９１（図１，図４乃至図６参照）による冷却対象となる排気集合部２４の下流側側部２４ｄを構成している。下流側側部２４ｄは、平面視で、左右両端の排気ポート２３から開口部２４ａに近づくほど前側に位置するように傾斜している。かかる排気集合部２４については、後に詳細に説明する。

図４、図５（主に図５）に示すように、吸気用ウォータージャケット５０は、吸気ポート２２（図１参照）を冷却する部位であり、各吸気ポート２２の下側を左右方向に横断するように蛇行しながら延設されている。吸気用ウォータージャケット５０は、各吸気ポート２２の下方に、シリンダヘッド２の底面２ａ（図２参照）に開口する８つの吸気側流入部５１を有している。また、吸気用ウォータージャケット５０は、隣り合うシリンダ１ａ同士の間（以下、「シリンダ軸間」という場合がある。）及び左右のシリンダ１ａの外側に対応する位置に、燃焼室用ウォータージャケット６０と連通する連通部５２を有している。３つのシリンダ軸間の連通部５２の下方には、シリンダヘッド２の底面２ａに開口する軸間流入部５３がそれぞれ設けられている。

燃焼室用ウォータージャケット６０は、燃焼室頂部２１（図１参照）を冷却する部位であり、各燃焼室頂部２１の上方を左右方向に横断するように延設されている。燃焼室用ウォータージャケット６０は、吸気用ウォータージャケット５０よりも前後方向に幅広に形成されており、図示しない点火プラグの周囲を囲っている。燃焼室用ウォータージャケット６０は、右側の端部に、シリンダヘッド２の底面２ａに開口する２つの燃焼室側流入部６１を有している（図７参照）。また、燃焼室用ウォータージャケット６０は、排気ポート２３（図１参照）同士の間に対応する位置に、上側排気用ウォータージャケット８０と連通する連通部６２を有している。さらに、燃焼室用ウォータージャケット６０は、左側の端部に、シリンダヘッド２の左側面２ｅに開口して冷却液の出口となる出口開口部６３を有している（図２参照）。出口開口部６３は、燃焼室用ウォータージャケット６０よりも前後方向に幅広に形成されており、前側に延設されている。

図４、図５、図７（主に図５）に示すように、上側排気用ウォータージャケット８０は、各排気ポート２３及び排気集合部２４の上側を被覆するように設けられている。上側排気用ウォータージャケット８０は、吸気用ウォータージャケット５０及び燃焼室用ウォータージャケット６０に比較して、前後方向の幅寸法が広く、かつ、上下方向の厚さ寸法が薄く形成されている（図１参照）。上側排気用ウォータージャケット８０は、前側の端部から下向きに突出する突出部８１を有している（図１参照）。突出部８１は、排気集合部２４の下流側側部２４ｄに対向するように配置されている。なお、上側排気用ウォータージャケット８０の前側の端部のうち排気集合部２４の開口部２４ａに対応する部分８２には突出部８１が設けられていない。上側排気用ウォータージャケット８０は、左側の端部に、シリンダヘッド２の左側面２ｅに開口して冷却液の出口となる出口開口部８３を有している（図２参照）。

ちなみに、図５を参照して説明すると、吸気用ウォータージャケット５０と燃焼室用ウォータージャケット６０の間の部位５５には、吸気ポート２２が設置される。また、燃焼室用ウォータージャケット６０のうちシリンダ１ａの中心位置に対応する部位６５には、点火プラグ（図示省略）が設置される。また、燃焼室用ウォータージャケット６０と上側排気用ウォータージャケット８０の間の部位６７には、排気弁（図示省略）が設置される。

図４、図６、図７（主に図６）に示すように、下側排気用ウォータージャケット９０は、各排気ポート２３及び排気集合部２４の下側を被覆するように設けられている。下側排気用ウォータージャケット９０は、上側排気用ウォータージャケット８０と厚さ寸法が同程度となるように扁平に形成されている（図１参照）。下側排気用ウォータージャケット９０は、前側の端部から上向きに突出する突出部９１を有している（図１参照）。突出部９１は、排気集合部２４の下流側側部２４ｄに対向するように配置されている。なお、下側排気用ウォータージャケット９０の前側の端部のうち排気集合部２４の開口部２４ａに対応する部分９２には突出部９１が設けられていない。下側排気用ウォータージャケット９０は、左側の端部に、シリンダヘッド２の左側面２ｅに開口して冷却液の出口となる出口開口部９３を有している（図２参照）。下側排気用ウォータージャケット９０は、後側の端部であって各排気ポート２３の下方に対応する位置に、シリンダヘッド２の底面２ａに開口する８つの排気側流入部９４を有している。このように、排気ポート２３の直下に排気側流入部９４が設けられているので、排気ポート２３を効率よく冷却することができる。なお、出口開口部９３から最も遠い側（すなわち上流側）の２つの排気側流入部９４の間には、追加流入部９５が設けられている。

なお、排気集合部２４及びヘッド側ウォータージャケット４０は、図４に示すような形状の砂型である第２ウォータージャケット用中子２００、排気用中子３００及び第１ウォータージャケット用中子１００を、シリンダヘッド２の鋳造用金型（図示省略）のキャビティに下からこの順序で設置することによって形成される。つまり、３つの中子を下から順に積み重ねるように配置するだけで中子の設置が完了するので、中子の設置作業の煩雑化が抑制される。

図８は、ブロック側ウォータージャケットから吸気用ウォータージャケットへの冷却液の流れを説明するための分解斜視図である。図９は、ブロック側ウォータージャケットから下側排気用ウォータージャケットへの冷却液の流れを説明するための分解斜視図である。図１０は、ガスケットの底面図にヘッド側ウォータージャケットとブロック側ウォータージャケットとを重ねて描いた底面図である。
なお、図８、図９では、説明の便宜のため、ヘッド側ウォータージャケット４０のうち、流入部以外の部分を仮想線（二点鎖線）で描いている。また、図１０では、ガスケット３にドットのハッチングを付すと共にブロック側ウォータージャケット１０の開口部を仮想線（太破線）で描き込んでいる。

図８、図９、図１０に示すように、ブロック側ウォータージャケット１０は、４つのシリンダ１ａの周囲を全体的に囲むように形成されている。ブロック側ウォータージャケット１０は、最も右側のシリンダ１ａの前側に、他の部位よりも幅広となる冷却液の導入部１１を有している。導入部１１には、仕切部材１１ａが挿入されており、冷却液の流れる方向を規制している。本実施形態では、導入部１１の仕切部材１１ａよりも左側に冷却液配管Ｐが接続されている。また、ブロック側ウォータージャケット１０は、シリンダ１ａ同士の間（シリンダ軸間）に対応する部位にくびれ部１２を有している。また、シリンダ軸間には、前側と後側のくびれ部１２同士を連通する凹溝状の軸間スリット１３が形成されている。

図８、図９、図１０（主に図１０）に示すように、ガスケット３は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２の結合部をシールする金属製の板状部材である。ガスケット３は、シリンダブロック１の４つのシリンダ１ａに対応する４つのシリンダ開口部３１を有している。また、ガスケット３は、吸気用ウォータージャケット５０の吸気側流入部５１及び軸間流入部５３に対応する位置に形成された吸気側貫通孔３２及び軸間貫通孔３３と、燃焼室用ウォータージャケット６０の燃焼室側流入部６１に対応する位置に形成された燃焼室側貫通孔３４と、下側排気用ウォータージャケット９０の排気側流入部９４及び追加流入部９５に対応する位置に形成された排気側貫通孔３５及び追加貫通孔３６と、を有している。これらの吸気側貫通孔３２、軸間貫通孔３３、燃焼室側貫通孔３４、排気側貫通孔３５及び追加貫通孔３６は、すべてブロック側ウォータージャケット１０の開口部に対応する位置に形成されている。吸気側貫通孔３２及び排気側貫通孔３５は、一部に例外はあるが、右側に位置する孔の方（出口開口部６３，８３，９３から遠い孔の方）が概ね大径に形成されている。特に、燃焼室側貫通孔３４は、他の貫通孔３２，３３，３５，３６よりも大きな径に形成されている。これにより、後記する縦流れが形成され易くなる。

次に、ブロック側ウォータージャケット１０及びヘッド側ウォータージャケット４０における冷却液の流れについて、図８乃至図１２を参照して説明する。
図１１は、吸気用ウォータージャケット、燃焼室用ウォータージャケット及び上側排気用ウォータージャケットの冷却液の流れを説明するための底面図である。図１２は、下側排気用ウォータージャケットの冷却液の流れを説明するための底面図である。

図８、図９に示すように、冷却液配管Ｐから導入部１１に流入した冷却液（矢印Ｙ１）は、ブロック側ウォータージャケット１０に沿ってシリンダ１ａの前側を左方向に流れ（矢印Ｙ２）、左端部でＵターンしたのち（矢印Ｙ３）、ブロック側ウォータージャケット１０に沿ってシリンダ１ａの後側を右方向に流れ（矢印Ｙ４）、右端部に到達する（矢印Ｙ５）。また、冷却液は、軸間スリット１３を通って、前側のくびれ部１２から後側のくびれ部１２に向かって流れる（矢印Ｙ６）。

図９に示すように、ブロック側ウォータージャケット１０に沿ってシリンダ１ａの前側を左方向に流れる冷却液（矢印Ｙ２）の一部は、ガスケット３に形成された排気側貫通孔３５及び追加貫通孔３６を通って、排気側流入部９４及び追加流入部９５から下側排気用ウォータージャケット９０の内部に流入する（矢印Ｙ７）。すなわち、本実施形態における冷却液の流れは、吸気用ウォータージャケット５０に先行して下側排気用ウォータージャケット９０に冷却液が流入するいわゆる排気先行型の流れになっている。これにより、排気ポート２３及び排気集合部２４を効率的に冷却することができる。

また、図８に示すように、ブロック側ウォータージャケット１０に沿ってシリンダ１ａの後側を右方向に流れる冷却液（矢印Ｙ４）の一部は、ガスケット３に形成された吸気側貫通孔３２を通って、吸気側流入部５１から吸気用ウォータージャケット５０の内部に流入する（矢印Ｙ８ａ）。また、軸間スリット１３を通る冷却液（矢印Ｙ６）は、後側のくびれ部１２に合流したところで、ガスケット３に形成された軸間貫通孔３３を通って、軸間流入部５３から吸気用ウォータージャケット５０の内部に流入する（矢印Ｙ８ｂ）。また、ブロック側ウォータージャケット１０の右端部に到達した冷却液（矢印Ｙ５）は、ガスケット３に形成された燃焼室側貫通孔３４を通って、燃焼室側流入部６１から燃焼室用ウォータージャケット６０の右端部に流入する（矢印Ｙ９）。

図１１に示すように、燃焼室側流入部６１から燃焼室用ウォータージャケット６０の右端部に流入した冷却液は、左端部の出口開口部６３に向かって右から左に流れる（矢印Ｙ１０）。この流れ（矢印Ｙ１０）が、燃焼室用ウォータージャケット６０においてシリンダ１ａ（すなわち燃焼室頂部２１）の配列方向Ｌｂ（図８、図９参照）に沿う流れ（いわゆる縦流れ）を形成する。また、吸気側流入部５１及び軸間流入部５３から吸気用ウォータージャケット５０の内部に流入した冷却液は、連通部５２を通って燃焼室用ウォータージャケット６０に流入し（矢印Ｙ１１）、前記した縦流れに合流する。燃焼室用ウォータージャケット６０の内部を右から左へ流れた冷却液（矢印Ｙ１０）は、出口開口部６３からシリンダヘッド２の外部へ流出する。

燃焼室用ウォータージャケット６０を流れる冷却液の一部は、連通部６２を通って上側排気用ウォータージャケット８０に流入する。各連通部６２から流入した流れ（矢印Ｙ１２）は、上側排気用ウォータージャケット８０の前端側で合流し、シリンダ１ａ（すなわち燃焼室頂部２１）の配列方向Ｌｂ（図８、図９参照）に沿う流れ（いわゆる縦流れ）を形成する（矢印Ｙ１３）。なお、上側排気用ウォータージャケット８０の右前部８０ａは、出口開口部８３に近づくほど前側に位置するように傾斜しているので、右側の連通部６２から前方に向かって流入した冷却液は、上側排気用ウォータージャケット８０の右前部８０ａに案内されて出口開口部８３へ向かうように流れ易くなっている。上側排気用ウォータージャケット８０の内部を右から左へ流れた冷却液は、出口開口部８３からシリンダヘッド２の外部へ流出する。

図１２に示すように、排気側流入部９４から下側排気用ウォータージャケット９０に流入した冷却液（矢印Ｙ１４）は、前方に向かって流れて下側排気用ウォータージャケット９０の前端側で合流し、シリンダ１ａ（すなわち燃焼室頂部２１）の配列方向Ｌｂ（図８、図９参照）に沿う流れ（いわゆる縦流れ）を形成する（矢印Ｙ１５）。なお、下側排気用ウォータージャケット９０の右前部９０ａは、出口開口部９３に近づくほど前側に位置するように傾斜しているので、右側の排気側流入部９４及び追加流入部９５から前方に向かって流入した冷却液は、下側排気用ウォータージャケット９０の右前部９０ａに案内されて出口開口部９３へ向かうように流れ易くなっている。下側排気用ウォータージャケット９０の内部を右から左へ流れた冷却液（矢印Ｙ１５）は、出口開口部９３からシリンダヘッド２の外部へ流出する。

ここで、排気集合部２４について詳細に説明する。図１３に示すように、排気集合部２４は、各燃焼室７に連通する２本の排気ポート２３を１本に集合させる第１集合部２４ｂと、４本の第１集合部２４ｂを集合させる第２集合部２４ｃと、を有している。４本の第１集合部２４ｂは、シリンダ軸線方向（上下方向、図１３の紙面に直交する方向）とシリンダ列方向（左右方向）とに直交する前後方向に延設されている。第２集合部２４ｃは、シリンダ列方向に延設されている。第１集合部２４ｂの下流側端部（前端部）は、第２集合部２４ｃの上流側端部（後端部）に排気流通可能に接続されている。開口部２４ａは、第２集合部２４ｃの下流側端部（前端部）に排気流通可能に形成されており、シリンダヘッド２の左右方向の中心から偏倚した位置、本実施形態では、正面視で、左から１番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３と左から２番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３との間に設けられている。

かかる構造の排気集合部２４において、右から１番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３からの排気（矢印Ｙ２１，Ｙ２２）は、右から１番目の第１集合部２４ｂにおいて合流し、第２集合部２４ｃの右端部に流れ込み、左やや下方向への流れを形成する（矢印Ｙ３１）。また、右から２番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３からの排気（矢印Ｙ２３，Ｙ２４）は、右から２番目の第１集合部２４ｂにおいて合流し、第２集合部２４ｃの左右中心よりも右側に流れ込んで矢印Ｙ３１の流れと合流し、左やや下方向への流れを形成する（矢印Ｙ３２）。また、右から３番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３からの排気（矢印Ｙ２５，Ｙ２６）は、右から３番目の第１集合部２４ｂにおいて合流し、第２集合部２４ｃの左右中心よりも左側に流れ込んで矢印Ｙ３２の流れと合流し、左やや下方向への流れを形成する（矢印Ｙ３３）。また、右から４番目のシリンダに対応する２本の排気ポート２３からの排気（矢印Ｙ２７，Ｙ２８）は、右から４番目の第１集合部２４ｂにおいて合流し、第２集合部２４ｃの左端部に流れ込み、下やや左方向の流れを形成する（矢印Ｙ３４）。そして、矢印Ｙ３３の流れと矢印Ｙ３４の流れが開口部２４ａの上流側で合流し、開口部２４ａから外部へ排出される（矢印Ｙ４１）。

ここで、第２集合部２４ｃのうち、特に右の３本の第１集合部２４ｂからの排気が流れる部分は、開口部２４ａに近づくにつれて拡径している。すなわち、第２集合部２４ｃにおける右の３本の第１集合部２４ｂからの排気が流れる部分は、下流に向かうにつれて排気の流路面積が増大するように構成されている。

本実施形態では、第２集合部２４ｃにおける右の３本の第１集合部２４ｂからの排気が流れる部分は、シリンダ軸線方向（紙面に直交する方向）とシリンダ列方向（左右方向）とに直交する方向で拡径している。すなわち、右から１番目の第１集合部２４ｂと右から２番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の幅（略前後方向であって、流路方向に直交する方向の幅）Ｗ_１、右から２番目の第１集合部２４ｂと右から３番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の幅Ｗ_２、右から３番目の第１集合部２４ｂと右から４番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の幅Ｗ_３には、以下の関係が成立する。
Ｗ_３＞Ｗ_２＞Ｗ_１

また、本実施形態では、第２集合部２４ｃは、シリンダ軸線方向には略同一径である。すなわち、右から１番目の第１集合部２４ｂと右から２番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の厚み（上下方向の高さ）Ｈ_１、右から２番目の第１集合部２４ｂと右から３番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の厚みＨ_２、右から３番目の第１集合部２４ｂと右から４番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路の厚みＨ_３には、以下の関係が成立する。
Ｈ_１≒Ｈ_２≒Ｈ_３

また、本実施形態では、第２集合部２４ｃにおける右の３本の第１集合部２４ｂからの排気が流れる部分は、当該第２集合部２４ｃの燃焼室頂部側縁部がシリンダ列（すなわち、燃焼室頂部２１の列）に平行に形成されている。すなわち、右から１番目の第１集合部２４ｂと右から２番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路における燃焼室頂部側縁部と、右から２番目の第１集合部２４ｂと右から３番目の第１集合部２４ｂとの間の排気流路における燃焼室頂部側縁部とは、シリンダ列に平行であって左右に延びる仮想線Ｌ上に位置している。

以上のように、本実施形態に係るシリンダヘッドのウォータージャケット構造によれば、排気集合部２４の排気出口である開口部２４ａがシリンダ列方向における中心から偏倚した位置に開口しており、排気集合部２４の第２集合部２４ｃにおける右の３本の第１集合部２４ｂからの排気が流れる部分が開口部２４ａに近づくにつれて拡径しているので、開口部２４ａから遠い部分において排気の流速を大きくして冷却効率を向上するとともに、開口部２４ａに近い部分において排気の流量を大きくしつつ流速を小さくし、さらにはウォータージャケット８０，９０との接触面積を大きくして冷却効率を向上することができる。また、製造時に砂中子をシリンダヘッド２内部から洗浄する際においても、開口部２４ａに近い部分における流路の断面積を開口部２４ａから遠い部分よりも大きくしているので、残留物をより効率的に除去することができる。

また、第２集合部２４ｃを扁平な形状とすることによって、ウォータージャケット８０，９０内部を流れる冷却液の容量の増加を抑えつつ冷却効率を向上することができるとともに、コンパクトなシリンダヘッド２を提供することができる。

また、排気集合部２４の第２集合部２４ｃの燃焼室頂部側縁部がシリンダ列に平行に形成されているので、燃焼室頂部側縁部が開口部２４ａに向かうにつれて燃焼室頂部２１から離間する従来の構造と比較して、シリンダヘッド２の排気側側面への大型化を抑制しつつ、冷却効率を向上することができる。

また、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とは、シリンダヘッド２の内部において互いに独立した流路を形成しているので、冷却液の流れを互いに分離して流速の低下や冷却液の滞留箇所（淀み部）の発生を抑制することができる。そして、流速の低下や冷却液の滞留箇所（淀み部）の発生を極力少なくすることができるので、排気用ウォータージャケット７０の内部を流れる冷却液の流速を上昇させて少ない冷却液量で効率的に排気集合部２４を冷却することが可能となる。また、少ない冷却液量で効率的に排気集合部２４を冷却することができるので、排気用ウォータージャケット７０の容量を小さくすることができ、ひいてはシリンダヘッド２の小型化やウォーターポンプの小型化を図ることができる。

また、上側排気用ウォータージャケット８０及び下側排気用ウォータージャケット９０は、互いに他方側に向かって突出して排気集合部２４の下流側側部２４ｄに対向するように配置された突出部８１，９１を有するので、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とを互いに独立した流路としながら、排気集合部２４の下流側側部２４ｄを突出部８１，９１で被覆することができるので、排気集合部２４の全体をウォータージャケットで覆い冷却効率を向上させることができる。

また、吸気用ウォータージャケット５０は燃焼室用ウォータージャケット６０に連通し、燃焼室用ウォータージャケット６０は、上側排気用ウォータージャケット８０に連通しているので、シリンダヘッド２の鋳造時に用いる複数の中子のうち、吸気用ウォータージャケット５０、燃焼室用ウォータージャケット６０及び上側排気用ウォータージャケット８０に対応する中子（すなわち、図４に示す第１ウォータージャケット用中子１００）を一体に形成することができる。また、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とが互いに分離しているので、特許文献１のように連通路を形成するための中子を別途用意する必要がない。これにより、中子の増加が抑制され、製造工程（中子の設置作業や中子の位置決め等）の煩雑化を抑制することができる。

また、燃焼室用ウォータージャケット６０に連通している上側排気用ウォータージャケット８０は、燃焼室頂部２１の配列方向Ｌｂに冷却液が流れるように形成されているので、流路面積が大きくても流速調整が容易になる。そのため、少ない冷却液量でも流速を速めて冷却効率を向上させることが容易になる。また、ブロック側ウォータージャケット１０から冷却液が直接流入する下側排気用ウォータージャケット９０も、燃焼室頂部２１の配列方向Ｌｂに冷却液が流れるように形成されているので、上記と同様の効果を奏する。

以上、本実施形態に係るシリンダヘッドのウォータージャケット構造について、図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施形態では、燃焼室用ウォータージャケット６０を、上側排気用ウォータージャケット８０に連通するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とが互いに独立した流路に成りさえすれば、燃焼室用ウォータージャケット６０を、下側排気用ウォータージャケット９０に連通するように構成してもよい。ちなみに、燃焼室用ウォータージャケット６０を、上側排気用ウォータージャケット８０に連通するように構成した方が、連通部６２の上下方向の幅寸法を大きくすることができるので、図４に示す第１ウォータージャケット用中子１００の剛性を大きくすることができる。

また、本実施形態では、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０の両方に、突出部８１，９１を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、上側排気用ウォータージャケット８０及び下側排気用ウォータージャケット９０のいずれか一方のみに突出部を設けるようにしてもよい。このような構成でも、上側排気用ウォータージャケット８０と下側排気用ウォータージャケット９０とを分離しながら、排気集合部２４の下流側側部２４ｄを冷却することができる。

また、本発明は直列４気筒形式の内燃機関Ｅを例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２気筒、３気筒等の他の気筒数の内燃機関Ｅにも適用可能であり、また、Ｖ型形式の内燃機関Ｅ等にも適用可能である。また、本発明は、自動車の内燃機関Ｅに限定されるものではなく、船舶や汎用機械などの他の内燃機関Ｅにも適用可能であることはいうまでもない。

１シリンダブロック
１ａシリンダ
２シリンダヘッド
２１燃焼室頂部
２２吸気ポート
２３排気ポート
２４排気集合部
２４ｄ下流側側部
３ガスケット
１０ブロック側ウォータージャケット
４０ヘッド側ウォータージャケット
５０吸気用ウォータージャケット
６０燃焼室用ウォータージャケット
７０排気用ウォータージャケット
８０上側排気用ウォータージャケット
８１突出部
９０下側排気用ウォータージャケット
９１突出部
Ｅ内燃機関
Ｌｃシリンダ軸線

Claims

シリンダヘッドの底面に形成された複数の燃焼室頂部と、
前記複数の燃焼室頂部のそれぞれに連通する複数の吸気ポート及び複数の排気ポートと、
前記シリンダヘッドの内部で前記複数の排気ポートを集合させる排気集合部と、
前記シリンダヘッドにおいてシリンダ列方向を挟んで形成されている前記複数の吸気ポート側の側面及び前記複数の排気ポート側の側面のうち、前記複数の排気ポート側の側面に形成されており、前記排気集合部と連通する排気出口と、
前記排気集合部を冷却する排気用ウォータージャケットと、を備え、
前記排気用ウォータージャケットは、前記排気集合部に対してシリンダ軸線方向の上側に配置されて前記排気集合部を覆う上側排気用ウォータージャケットと、前記排気集合部に対してシリンダ軸線方向の下側に配置されて前記排気集合部を覆う下側排気用ウォータージャケットと、を有し、
前記排気出口は、前記複数の排気ポート側の側面において、シリンダ列方向における中心から偏倚した位置に開口しており、
前記排気集合部は、シリンダ軸線方向及び前記シリンダ列方向の両方に直交する方向において、前記排気出口に近づくにつれて拡径しているとともに、前記シリンダ軸線方向には略同一径であり、
前記排気出口は、前記シリンダ軸線方向には前記排気集合部と略同一径となる扁平形状を呈し、
前記上側排気用ウォータージャケット及び前記下側排気用ウォータージャケットは、前記シリンダ軸線方向及び前記シリンダ列方向の両方に直交する方向において、前記排気出口に近づくにつれて拡径しており、
前記上側排気用ウォータジャケットは、前記複数の排気ポートとは反対側となる端部における前記排気出口以外の部位に対向するように、下側に向かって突出する第１突出部を有しており、
前記下側排気用ウォータジャケットは、前記複数の排気ポートとは反対側となる端部における前記排気出口以外の部位に対向するように、上側に向かって突出する第２突出部を有している
ことを特徴とするシリンダヘッドのウォータージャケット構造。