JP6163548B2 - シリンダヘッドを冷却するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳細には、燃料をそのような機関の燃焼室に直接噴射するためのスプレーガイド式直接噴射（ＳＧＤＩ）システムに関する。詳細には、本発明は、前記内燃機関（ＩＣＥ）のシリンダヘッド組立体内の冷却剤の流れに関する。

内燃機関用のスプレーガイド式直接噴射システムは、放出物を低減することおよび燃料効率を改善することの二重の利点を有する希薄成層燃焼をもたらす。ＳＧＤＩシステムは、噴射器に近接近して装着されたスパークプラグを備えた中央に装着された直接噴射器を有することを特徴とする。

この近接近性を達成するために、噴射器およびスパークプラグは、しばしば一緒にパッケージ化され、弁の中間にあるようにシリンダヘッドの上部に配置される。この配置はまた、シリンダヘッド組立体のコンパクトな設計も可能にする。このパッケージ化の結果、スパークプラグおよび噴射器は、機関内のシリンダの列に平行である長手方向平面または機関内のシリンダの列に直交する横断方向平面を画定するように位置合わせされる。

ＳＧＤＩ技術は、主流自動車への実用的な適用のために放出物を低減することに向けられる一方で、高性能の自動車を提供することも必要である。その結果、ＳＧＤＩ技術を組み込む機関に関しては、そのような機関は、通常、よりコンパクトであり、それによって機関内の冷却剤の流れに影響を与える。放出物制御を達成することに直面したとき、これは、高性能自動車に必要とされるようなより高い動力出力を必要とする機関よりは重要ではない。したがって、ＳＧＤＩ技術を主流自動車に適用する場合、冷却剤の良好でない状態のための熱蓄積に対処する必要性が重大な障害となる。

現在、相当な動力出力を生成する主流自動車は、コンパクトな設計によっては制限されず、したがって、熱蓄積に対処するための機関周りの冷却剤の流れは、それほど問題ではない。動力出力に対応するように機関のサイズを増大させることにより、シリンダヘッド周りの冷却剤室のサイズの増大を含んで、より大きい冷却剤の流れが可能にされる。さらに、サイズが増大するため、冷却剤の流れ通路をもたらす上での効率性の欠如は、内在的なものである。

よりコンパクトな設計は、効率的な流れ特性の欠如を強調するだけでなく、十分な冷却剤の流れをもたらす上でさらに限定され、それによって機関の寿命における性能に影響を与える熱蓄積の局所的な増大を招き得る。

第１の態様では、本発明は、内部のシリンダヘッド用のウォータージャケットであって、前記ウォータージャケット内の冷却剤の流れのためのウォータージャケットと、シリンダヘッドに装着された排気弁を受け入れるためのくぼみの近位の冷却剤の流れを可能にするように配置された冷却剤導管であって、冷却剤室と流体連通する、冷却剤導管とを備え、前記冷却剤導管が、複合曲線として成形される、ウォータージャケットを提供する。

それにしたがって、第１の態様では、本発明は、排気弁ブリッジの周りの流れ通路に複合曲線を与えようとするものである。複合曲線の配置は、流れ通路内の不連続性を除去し、より良好な熱伝達特性のために弁と冷却剤流れの間の材料厚さを最小限に抑えるように排気弁ブリッジ周りの流れ通路を成形することができるという２つの特徴的な利点を有する。

不連続性については、通常、従来技術による流れ通路は、導管を穿設し、所望の冷却剤流量を可能にするのに十分なサイズの孔を確保することを含む。大きい孔導管に関して、不連続性は、ＳＧＤＩ技術に使用されるようなものなどのコンパクトな機関の場合より重要ではない。したがって、複合曲線によってもたらされた連続的な流れ通路の使用は、そうでなければ熱伝達効果に悪影響を与える水力損失を低減する。

さらに、冷却剤導管を穿設する際、通路は、本来線形でなければならず、そのためにシリンダヘッドに鋳造される対応する排気弁ブリッジくぼみの形状を辿ることができない。したがって、線形導管の一部分は最適な厚さになり得るが、他の部分は最適より小さい材料厚さを有し、そのために冷却剤導管は、(i)連続的な流れ通路、(ii)材料厚さを最適化する能力、および(iii)導管の孔を最適化する能力を可能にするということになる。

複合曲線は二重半径曲線でよく、それによって単一半径曲線と比較して通路を平坦化する。

さらに、複合曲線は、有限半径を有する、いくつかのそのような曲線を中に施すことができる。線形流れ通路の使用に伴うさらなる懸念は、線形通路間および線形と曲線状の通路の間の不連続性の導入である。詳細には線形部分を接線方向であるように形成しない限り、線形部分と曲線部分の間の接触面は、不連続な縁をもたらし、その結果冷却剤の流れにおいて水力損失を導入する。２つの線形通路間の接触面は、不可避的に不連続な表面を招くことになる。

あるいは、複合曲線は、排気弁ブリッジの形状を模倣するように冷却剤通路を調整するために二重背向曲線でよい。さらに、複合曲線は、ベジェスプラインなどのスプラインでよく、それによって連続曲線を冷却剤通路の所望の形状に最適に適合させる。これは、冷却剤通路に沿った点の所望の配置を合致させ、その一方で水力損失を最小限に抑え、不連続性を回避する利点を有する。これは、場合によっては機関内のサイズおよび形状制限によるウォータージャケットの必要な形状に対して冷却剤通路を最適化する効果を有することができる。

さらに別の実施形態では、複合曲線は、範囲内に第１の半径を有する２つの弓状の曲線でよい：
θ／１１＜Ｒ_１＜θ／１３
５Ｒ_１＜Ｒ_２＜９Ｒ_１
式中、θは、シリンダ孔直径であり、
Ｒ１は、入口半径（１４２、図５Ｂ）であり、
Ｒ２は、出口半径（１４３、図５Ｂ）である。

第２の態様では、本発明は、内燃機関のシリンダヘッド用のウォータージャケットであって、スパークプラグおよび燃料噴射器を受け入れるように配置された開口の対であって、分離部材によって分離される、開口の対と、前記開口の周りの冷却剤の流れを可能にするように配置された冷却剤室とを備え、前記分離部材が、前記開口間の冷却剤の流れを可能にするように冷却剤室と流体連通する冷却剤チャネルを含む、ウォータージャケットを提供する。

それにしたがって、冷却剤チャネルの分離部材内への導入は、シリンダヘッドの一部分内の冷却剤という利点だけでなく、冷却剤室周りのより良好な全体的な冷却剤の循環ももたらす。

１つの実施形態では、冷却剤チャネルを中に有する分離部材は、シリンダヘッドの組立体の一部になり得る分離可能な部分でよい。これは、冷却剤チャネルの製造を容易にするという利点を有する。あるいは、鋳造がより困難になるほど、これは、より良好な熱制御のために冷却剤チャネルを正確に置くことを可能にする。

本発明の可能な配置を示す添付の図に関して本発明をさらに説明することが好適であろう。本発明の他の配置が可能であり、その結果、添付の図の特異性は、本発明の先行する説明の一般論に代わるものとして理解されるものではない。

従来技術によるウォータージャケットの図である。 従来技術によるウォータージャケットの図である。 本発明の１つの実施形態によるウォータージャケットの等角図である。 本発明の１つの実施形態によるウォータージャケットの等角図である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットの断面図である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットの断面図である。 従来技術によるウォータージャケットのＣＦＤ画像である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットのＣＦＤ画像である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットの図である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットの図である。 従来技術によるウォータージャケットの詳細図である。 別の実施形態によるウォータージャケットの詳細図である。 従来技術によるウォータージャケットのＣＦＤ画像である。 本発明の別の実施形態によるウォータージャケットのＣＦＤ画像である。

図１Ａおよび１Ｂは、従来技術によるウォータージャケット５を示し、ここでは、くぼみ１０は、スパークプラグおよび燃料噴射器（図示せず）のための開口１５、２０へのアクセスをもたらすものである。

この構成では、これは、内燃機関用のＳＧＤＩ（スプレーガイド式直接噴射）システムを組み込むシリンダヘッド用のウォータージャケットに適することができる。この場合、燃料噴射器およびスパークプラグは、直接燃料噴射に対するより巧みな手法を提供するためにほぼ縦方向の位置に配置され得る。その結果、図１Ａのウォータージャケットは、ＳＧＤＩシステムとの一貫性を有するシリンダヘッドのコンパクトな配置を提供する。

図１Ｂに示すウォータージャケットは、冷却剤を入口２５から受け入れて冷却剤室内で循環させることによってさまざまな構成要素を冷却するための、開口１５、２０を取り囲む冷却剤室３０を示す。ＳＧＤＩタイプのシステムは、放出物を制御する主な目的に適するコンパクトな配置を含む。シリンダヘッド内の熱蓄積は、主要な目的とは考えられない。しかし、ＳＧＤＩ技術を主流自動車に導入するために、これらはまた、結果としてより高い発熱を招くより高い動力出力を有する機関を収容しなければならない。

発熱に関与する領域に対する具体的な懸念は、開口１５、２０間に配置された要素１７である。コンパクトな設計のために、この領域は、ＳＧＤＩ技術がより高い動力出力に向けられる場合に発熱源になり得る。

図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、および３Ｂは、本発明のさまざまな実施形態によるウォータージャケットである。ここでは、スパークプラグおよび燃料噴射器用の開口の中間にある領域内の熱蓄積が、対処されている。特に、図２Ａおよび２Ｂでは、分離部材として働く選択的な多重要素４０を提供している。この実施形態では、取り外し可能な分離部材４０は、冷却剤室の対向するゾーン間に流体連通をもたらすように部材４０に鋳造するまたは穿設することによるチャネルを含む。したがって、分離部材４０のこの結合機能は、スパークプラグと噴射器開口部５０、５５の間に流れをもたらして冷却剤機能を高める。

図３Ａおよび３Ｂは、異なる実施形態を示し、ここでは分離部材６５は、所定位置に鋳造されたまたは穿設された冷却剤チャネル６０を有する場所打ち部材である。ここでは、その効果は、冷却剤がそこを通って開口５０、５５間を流れることができるチャネルを提供し、そのためにウォータージャケット３６全体に適用可能な冷却剤室の冷却剤機能を高めることによって同じである。

図４Ａおよび４Ｂは、分離部材を通る冷却剤チャネルを提供することによって得られる利点を実証する計算流体力学（ＣＦＤ）画像である。

ＣＦＤ分析は、シリンダブロックおよびシリンダヘッドの両方の機関内の（ウォータージャケットとも称される）冷却剤チャネル上の冷却剤の流量を算出する。高流量の要求事項は、機関の最も熱い部分が存在する燃焼室領域近くではより厳しいものである。これは、特に排気弁ブリッジの領域上に良好な冷却設計を必要とする。シリンダヘッドに沿った通常の冷却剤流量は、０．５から１．５ｍ／ｓの間の範囲であるが、臨界的に高温の領域に関しては、２ｍ／ｓを上回る流量が望ましい。そうではあるが、流量は、選択された鋳造法に応じてアルミニウムにおいて４から５ｍ／ｓの間の流量で起こる金属浸食により、速すぎることはできない。

図４Ａは、冷却剤室８５内の冷却剤のための入口点７５を示す。入口８０を直接取り囲むのは、相当な冷却効果をもたらす冷却剤の高流量ゾーンである。冷却剤室周りの明るくされた領域は、効率的な冷却剤機能を示しているが、入口７５の反対側では暗くされたゾーン９０が存在し、このゾーンは、入口側から冷却剤室の出口側までの十分な冷却剤の流れの欠如による熱の蓄積を示す。

図４Ｂは、冷却剤チャネル１００を有する分離部材を提供する効果を示す。入口点の反対側の開口の近位の領域は、良好な冷却剤の流れを示し、したがってより効果的にウォータージャケット９５を冷却することを示すことが見られる。より暗い部分ゾーン１０は依然として存在するが、これは、それほど顕著なものではなく、したがってウォータージャケットの性能にあまり影響を与えない。

図５Ａから５Ｃは、本発明の別の実施形態によるウォータージャケット１１５のさまざまな図を示す。

図５Ａは、冷却剤がウォータージャケット１１５の冷却剤室に入るための入口１２０を示す。冷却剤室１４５に入る前、冷却剤は導管１３０を通り抜け、この導管は、シリンダヘッド（図示せず）の排気弁ブリッジ上方に配置される。従来技術の高性能な機関ウォータージャケットに関しては、この導管は通常、導管の１つまたは複数の線形セクションを残して穿設される。図５Ｂに見られるように、点線１３５は、導管のさまざまなセクションにおける不連続性１３３の線形部分および点を示す、従来技術の導管の通常の部分を示す。

論じられたように、従来技術のＳＧＤＩシステムの場合、効率的な冷却剤流れの必要性は、低い放出物制御の主要目的を満たすことほど重要ではない。さらに、従来の高性能自動車の場合、機関はより大きくなり、そのために、冷却剤の流量は大きいが結果として効率が良くない、より大きい冷却剤システムを収容する傾向がある。

スパークプラグおよび噴射器の近接性に対応するためにシリンダヘッドのコンパクトな構造を必要とするＳＧＤＩシステムに関しては、冷却剤室およびその結果となる導管はずっと小さく、したがって非効率な流れ特性を被る。高性能な車に適合されるＳＧＤＩシステムに関しては、この非効率な流れ特性は、シリンダヘッド内の過剰な熱蓄積を不可避的に招く。本発明は、二重背向曲線または複数孤の曲線によってより良好な流れを提供しようとするものである。そのような複合曲線構成は、いくつかの利点を有し、これらは：
(i)冷却剤導管内の不連続性を解消することと、
(ii)ウォータージャケット内の材料厚さを最適化し、それによって冷却剤導管と熱源の間の排気弁ブリッジなどの材料厚さを低減することと、
(iii)冷却剤の流量を増大させるように冷却剤導管のサイズを最適化することとを含む。

これを達成するために、冷却剤導管１３０は、冷却剤の流れを冷却剤室１４５内に案内するように成形された通路１４０を含む。この実施形態では、その形状は、入口点１２５の近位の二重半径曲線Ｒ１ １４２および出口点１４５の近位のＲ２ １４３から形成される。二重半径曲線は、次いで、入口、中間、および出口接線１２７、１３２、１３３を通るその他の部分の冷却剤導管になるように成形される。

そのような配置は、以下の関係の半径を有することができる：
θ／１１＜Ｒ_１＜θ／１３
５Ｒ_１＜Ｒ_２＜９Ｒ_１
式中、θは、シリンダ孔直径であり、
Ｒｌは、入口半径であり、
Ｒ２は、出口半径である。

図６Ａおよび６Ｂは、ウォータージャケットの鋳造部の外部図を示しており、ここでは冷却剤導管は、本発明による複合曲線配置を用いて最適化されている。

図７Ａおよび７Ｂは、そのような手法の利点を実証する。これらの図は、従来技術によるＣＦＤ画像（図７Ａ）および本発明による冷却剤導管内の複合曲線の配置を用いた（図７Ｂ）ＣＦＤ画像を示す。

図７Ａおよび７Ｂに示す画像は、冷却剤の投入された流量を表し、より暗い部分はより速い流量、より明るい部分はより遅い流量を示している。冷却剤のためのウォータージャケット１８０、１９５内への入口点では、その速度は明確に非常に早く、より暗い部分を示している。しかし、従来技術の冷却剤導管１８５を通る部分および冷却剤室１９０内へのその入口は、かなりより明るいものであり、流量の劇的な低減を示している。それに反して、流量は、冷却導管２００を通って冷却剤室２０５に入るまで維持され、これは、冷却剤導管全域にわたる一貫した暗いパターンによって実証される。

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダヘッド用のウォータージャケットであって、
   前記ウォータージャケット内で冷却剤の流れを可能にするように配置された冷却剤室と、
   前記シリンダヘッドに装着された排気弁を受け入れるためのくぼみの近位の冷却剤の流れを可能にするように位置決めされた冷却剤導管であって、前記冷却剤室と流体連通する、冷却剤導管とを備え、
   前記冷却剤導管が、複合曲線として成形され、
   前記複合曲線が、θ／１１＜Ｒ１＜θ／１３および５Ｒ１＜Ｒ２＜９Ｒ１の関係を有する二重半径曲線であり、式中、θはシリンダ孔直径であり、Ｒ１は入口半径であり、Ｒ２は前記冷却剤導管の出口半径である、ウォータージャケット。
2. 前記複合曲線内の各々の曲線が、有限半径を有する、請求項１に記載のウォータージャケット。
3. 前記複合曲線が、前記曲線の一部分が、前記排気弁のくぼみの形状に対応するように成形される、請求項１または２に記載のウォータージャケット。

Images