JP6238663B2 - シリンダヘッドの構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を構成するシリンダヘッドの構造に関するものである。

一般に水冷式の内燃機関において、当該内燃機関を構成するシリンダブロック及びシリンダヘッドにはそれらを冷却するための冷却水を流通させる水ジャケットが形成される（例えば、特許文献１参照）。そしてシリンダヘッド内に冷却水を循環させるための冷却水通路は燃焼室の天井部の周囲に設けられることで燃焼室を速やかに冷却し得る。シリンダヘッドには、上記の燃焼室の天井部及び冷却水通路の他、この冷却水通路を下面側に連通させるための連通部、点火プラグを取り付けるためのプラグホール、吸気ポート、排気ポート、ブローバイガス通路、場合によっては排気マニホルド等といった構成要素も一体に形成される。

ところでシリンダヘッドは通常、低圧鋳造により成形された成形物に対し、上記した構成要素を精密に形成すべく削り加工や研磨が施されることにより製造される。

シリンダヘッドの形状は上記各構成要素の配置によって箇所毎にその肉厚にばらつきが生じる。そして、低圧鋳造工程において、液状の金属である溶湯を補給する経路の近辺に肉薄に成形する箇所があると、溶湯が円滑に型内に流れ込まないことがある。そのため、成形物において前記肉薄に成形する箇所に鋳巣がより多く発生してしまう。結果、成形品に対し削り加工や研磨を施す工程で鋳巣が表面に露出してしまい、当該成形品からシリンダヘッドが製造できない場合が発生し、製造効率の低下を来すといった不具合を招来する。また肉薄に成形された箇所は他の箇所に比べて剛性が低いため、削り加工や研磨を施す工程による加工精度が十分に上がらないといった不都合もある。

特開昭６０−２３７１４４号公報

本発明は、上述したような不具合に着目したものであり、製造効率及び加工精度を有効に向上させ得るシリンダヘッドの構造を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係るシリンダヘッドの構造は、複数の気筒の燃焼室の天井部を構成するシリンダヘッド本体において、それら天井部から一方側の側面部までが比較的肉薄な肉薄部であり、それら天井部から他方側の側面部までが比較的肉厚な肉厚部であるシリンダヘッドの構造であって、前記複数の天井部を取り巻く冷却水通路と、前記肉薄部に形成され、前記冷却水通路を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉薄側連通部と、前記肉厚部に形成され、前記冷却水通路を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉厚側連通部とを具備し、前記肉薄側連通部の開口面積を前記肉厚側連通部の開口面積よりも小さくしていることを特徴とする。

このようなものであれば、肉薄側連通部の開口面積を肉厚側連通部より小さくすることでシリンダヘッドの製造工程における低圧鋳造の際溶湯が流れるスペースが確保され、鋳巣の発生を抑制することができる。その結果、製造効率及び加工精度を有効に向上させ得る構造を有したシリンダヘッドを提供することができる。

前記シリンダヘッド本体における、前記複数の天井部が並ぶ方向に沿って並立する正面側及び背面側の端部と、当該端部に最も近い燃焼室の天井部との間の領域にそれぞれ形成され、前記冷却水通路をシリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する正面側連通部及び背面側連通部を具備したものである場合、溶湯の流れをより円滑なものとするためには、前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち一方の開口面積を他方の開口面積よりも大きくしており、前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち一方に最も近い燃焼室の天井部の両側方に位置する前記肉薄側連通部及び前記肉厚側連通部について、前者の開口面積を後者の開口面積よりも小さくしていることが望ましい。

特に、前記シリンダヘッド本体における、前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち一方が所在する端部に近い肉薄部に形成された潤滑油通路を具備したものである場合において、製造効率並びに加工精度をより向上させつつ、冷却水の流れをスムーズなものとして冷却効率を向上させるためには、前記潤滑油通路と当該潤滑油通路に最も近い燃焼室の天井部との間には前記肉薄側連通部が形成されていないようにすることが好ましい。

本発明によれば、製造効率及び加工精度を有効に向上させ得るシリンダヘッドを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る構造体を背面側から見た模式的な図。 同実施形態に係るシリンダヘッドの底面図。 図２においてガスケットを介して露出する開口を示す図。 図３に係るＡ−Ａ線端面を上下逆に示した図。 図３に係るＢ−Ｂ線端面を上下逆に示した図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における構造体である車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、例えばポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、三つの気筒１ａ、１ｂ、１ｃを具備する。それら気筒１ａ、１ｂ、１ｃは正面側たるフロント側から背面側たるリヤ側へ向けて順に直列配置されている。この内燃機関は前記気筒１ａ、１ｂ、１ｃを内部に構成すべく、下側からシリンダブロック２、ガスケット３、そしてシリンダヘッド４の順に重層された状態で強固に固定されている。そして内燃機関は各気筒１ａ、１ｂ、１ｃの燃焼による過度の温度上昇を回避すべく、シリンダブロック２、ガスケット３及びシリンダヘッド４に亘って流路たる水ジャケット５を形成している。またガスケット３は、本実施形態では例えば外形が略等しい複数枚のガスケットメンバを重層させてなるものである。このガスケット３は図４及び図５に示すように、フロント側端部において冷却水を通過させるための対をなす開口３０を少なくとも有している。また当該ガスケット３において、前記開口３０以外の箇所において冷却水をシリンダヘッド側に供給するための別異の開口を設けているが、斯かる構成についての説明は省略する。なお図４及び図５において説明の便宜上、図３に係るＡ−Ａ線端面及びＢ−Ｂ線端面を上下逆に図示し、内燃機関の天地方向と図面の天地方向とを一致させている。

水ジャケット５は、図１に模式的に示すように、外部から図示しないウォータポンプにより圧送された冷却水を圧入口５ａから導入し、この冷却水を内燃機関内に隈無く循環させる。この水ジャケット５は、シリンダブロック２内において冷却水を平面的に循環させるブロック側流路５１と、このブロック側流路５１に対し平面視重複する位置におけるシリンダヘッド４内に設けられ、当該シリンダヘッド４内で冷却水を循環させる冷却水通路たるヘッド側流路５３と、これらブロック側流路５１の下流側端部及びヘッド側流路５３の上流側端部とを連通する連通流路５２とを有している。なお同図においては冷却水を排出する排出口や各流路から分岐する詳細な流路については、図示及び詳細な説明を省略する。

ブロック側流路５１は、第一気筒１ａと第二気筒１ｂとの間の排気側に設けられた図示しないウォータポンプにより圧入口５ａから圧入された冷却水を排気側から第三気筒１ｃで折り返し、吸気側を通って再び第一気筒１ａの近傍にまで循環させることで、シリンダブロック２を冷却するものである。

連通流路５２は、ブロック側流路５１からの殆どの冷却水を略鉛直方向に上昇させてヘッド側流路５３へ供給すべく連通するものである。

ヘッド側流路５３は、連通流路５２に連続し、シリンダヘッド４における第一気筒１ａから第三気筒１ｃの吸気側沿って延びる吸気側流路５４と、この吸気側流路５４に概略平行するように第一気筒１ａから第三気筒１ｃの排気側に沿って延びる排気側流路５５とを有している。

図２は、シリンダヘッド４を構成するシリンダヘッド本体の底面を示している。このシリンダヘッド４は、低圧鋳造により成形品を一体成形し、しかる後に成形品に対し適宜削り加工及び研磨が施されてなる。また図３は、シリンダヘッド４において図示しないガスケット３に塞がれる開口部分を破線で示したものである。

シリンダヘッド４は、シリンダヘッド本体内部に冷却水通路たる前記ヘッド側流路５３を有するとともに、このヘッド側流路５３に囲まれた状態で正面側であるフロント側から背面側であるリヤ側へ向けて並立する３つの燃焼室の天井部４１と、前記ヘッド側流路５３を下面側すなわちガスケット３及びシリンダブロック２側に連通させるべく開口するものであり前記天井部４１から両側面に至るまでの箇所にそれぞれ設けられた連通部４２とを備えている。そして本実施形態に係るシリンダヘッド４では、第一気筒１ａ近傍の吸気側に位置付けられた潤滑油通路であるメインギャラリ４３と、排気側において排気マニホルド４４を一体成形している。つまり排気マニホルド４４が一体に成形されることによってこのシリンダヘッド４は、天井部４１よりも排気側つまり他方側の側面部までが比較的肉厚な肉厚部４ｂとしているとともに、天井部４１から一方側吸気側の側面部までを肉厚部４ｂよりも比較的肉薄な肉薄部４ａとしている。

しかして本実施形態に係るシリンダヘッド４は、前記連通部４２が、前記肉薄部４ａに形成され、前記ヘッド側流路５３を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉薄側連通部たる吸気側連通部４２ａと、前記肉厚部４ｂに形成され、前記ヘッド側流路５３を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉厚側連通部たる排気側連通部４２ｂとを具備し、吸気側連通部４２ａの開口面積を排気側連通部４２ｂの開口面積よりも小さくすることを特徴とするものである。

以下、シリンダヘッド４の各部の構成について説明する。

天井部４１は、第一気筒１ａ、第二気筒１ｂ及び第三気筒１ｃの上部を構成するものであり、中央に図示しないプラグを取り付けるプラグホール４５、吸気側に２つの吸気ポート４６、及び排気側に２つの排気ポート４７が穿設されて図示しない吸気バルブ及び排気バルブが取り付けられるとともに、周縁には混合気の流れを促すためのスキッシュ４８が形成されている。吸気ポート４６が形成される開口面積は、排気ポート４７が形成される開口面積よりも大きく設定されている。メインギャラリ４３は、第一気筒１ａよりも若干フロント側且つ吸気側において潤滑油をシリンダブロック２側から上昇させるためのものである。具体的にはこのメインギャラリ４３には図示しないヘッドボルトが取り付けられ、このヘッドボルトとメインギャラリ４３との間に形成されるクリアランスを利用し、シリンダブロック２側から天井部４１の熱により潤滑油を熱すべく通過させる構成をなす。

連通部４２は、吸気側流路５４に接続する吸気側連通部４２ａと、排気側流路５５に接続する排気側流路５５に接続する排気側連通部４２ｂを有している。吸気側連通部４２ａは、第一気筒１ａを構成する天井部４１とフロント側端部との間に最も大きい開口面積を有する正面側連通部である吸気側大連通部４２ａ１と、各天井部４１の近傍に配置され吸気側大連通部４２ａ１よりも小さい開口面積を有する吸気側小連通部４２ａ２及び最もリヤ側に形成された背面側連通部たる背面吸気側連通部４２ａ３とを有している。排気側連通部４２ｂは、第一気筒１ａを構成する天井部４１とフロント側端部との間に最も大きい開口面積を有する排気側大連通部４２ｂ１と、各天井部４１の近傍に配置され排気側大連通部４２ｂ１よりも小さい開口面積を有する排気側小連通部４２ｂ２及びもっともリヤ側に形成された背面側連通部たる背面排気側連通部４２ｂ３とを有している。

ここで本実施形態に係るシリンダヘッド４は、低圧鋳造による製造工程において底面側の四箇所に設けられた溶湯供給領域Ｘから液状の金属である溶湯が型内に導入されることにより成形品が鋳造される。溶湯供給領域Ｘは、具体的には第一気筒１ａの吸気側に位置付けられた第一吸気側領域Ｘ１と、第二気筒１ｂの吸気側に位置付けられた第二吸気側領域Ｘ２と、第一気筒１ａの排気側に位置付けられた第一排気側領域Ｘ３と、第二気筒１ｂの排気側に位置付けられた第二排気側領域Ｘ４とを有している。そして特に第一吸気側領域Ｘ１は、肉薄部４ａにおいて、第一気筒１ａの天井部４１を構成する吸気ポート４６及びスキッシュ４８や吸気側大連通部４２ａ１及びメインギャラリ４３を構成する開口が集中する箇所に該当している。

そこで本実施形態では、メインギャラリ４３とこのメインギャラリ４３に最も近い第一気筒１ａとの間の箇所に吸気側連通部４２ａが形成されていない非連通領域４Ｘを位置付けることにより、第一吸気側領域Ｘ１における溶湯のスムーズな流れを促すことで当該第一吸気側領域Ｘ１近傍における成形品の空洞たる鋳巣の発生を有効に抑制している。そして斯かる非連通領域４Ｘを設けた箇所以外の各連通部４２を、吸気側連通部４２ａと排気側連通部４２ｂとで略対照に形成することにより、前記吸気側連通部４２ａの開口面積を、前記端部近傍に位置する排気側連通部４２ｂの開口面積よりも小さくしている。そして特に吸気側大連通部４２ａ１及び正面側連通部である排気側大連通部４２ｂ１近傍に位置する第一気筒１ａを形成する天井部４１の周辺に設けられた吸気側連通部４２ａの開口面積を排気側連通部４２ｂの開口面積よりも小さくしている。

ここで本実施形態では、吸気側に非連通領域４Ｘを設けることによる吸気側大連通部４２ａ１及び排気側大連通部４２ｂ１近傍における冷却水が流れる態様の差異を、図４及び図５を比較しつつ説明する。なお同図では冷却水の流れを太矢印で示している。図４では連通流路５２から開口を通過して流れる冷却水は吸気側流路の底面側に沿ってスムーズに流れる。一方、図５では連通流路５２から開口３０を通過して流れる冷却水はガスケット３に底面側を塞がれた排気側小連通部４２ｂ２の箇所で一時的に滞留する。すなわち吸気側では非連通領域４Ｘを設けた第一気筒１ａ近傍における冷却水を速やかに通過させて第二気筒１ｂ、第三気筒１ｃを構成する天井部４１の冷却に資するようにしている。また図５に示すような冷却水の滞留は、図３に示すようなガスケット３に底面側を塞がれた各吸気側小連通部４２ａ２及び排気側小連通部４２ｂ２を設けた箇所において同様に起こることはいうまでもない。また図２及び図３に示すように非連通領域４Ｘ近傍には潤滑油が流れるメインギャラリ４３が設けられているが、滞留した冷却水による過度な冷却が回避されている。これにより天井部４１により熱せられて粘度が低下した潤滑油をシリンダブロック２側に供給することができる。

以上のような構成とすることにより、本実施形態に係るシリンダヘッド４は、肉薄側連通部たる吸気側連通部４２ａの開口面積を排気側連通部４２ｂの開口面積よりも小さくすることでシリンダヘッド４の製造工程における低圧鋳造の際溶湯が流れるスペースが有効に確保され、鋳巣の発生を抑制し得たものとなっている。斯かる構造により、成形品からシリンダヘッド４完成品へ加工する際の歩留まりも有効に担保されている。すなわち本実施形態に係るシリンダヘッド４は、製造効率及び加工精度を有効に向上させ得る構造を実現している。

また、正面側であるフロント側の端部から当該端部近傍に位置する天井部４１の間において冷却水を導入すべく第三気筒１ｃ側であるリヤ側に形成された背面吸気側連通部４２ａ３及び背面排気側連通部４２ｂ３よりも大きく形成された吸気側大連通部４２ａ１及び排気側大連通部４２ｂ１が形成された箇所において、製造時における溶湯の流れをより円滑なものとするため、フロント側の第一気筒１ａを構成する天井部４１の周辺に設けられた吸気側連通部４２ａの開口面積を、対応する排気側連通部４２ｂの開口面積よりも小さくしている。また斯かる構成を適用することで、低圧鋳造後の成形品に対し吸気ポート４６端部にバルブシート部を加工する等の削り加工の際に排気ポート４７よりも径が大きいことにより肉薄となり剛性が下がり精度が悪くなることも回避し、成形品からシリンダヘッド４を仕上げるまでに加工不良を来す可能性を有効に低減せしめている。

特に本実施形態では、潤滑油通路たるメインギャラリ４３とこのメインギャラリ４３に最も近い第一気筒１ａを構成する天井部４１との間には吸気側連通部４２ａを設けない非連通領域４Ｘを設定することにより、冷却水がリヤ側すなわち第二気筒１ｂ、第三気筒１ｃ側へと速やかに供給され、これら第二気筒１ｂ、第三気筒１ｃの冷却効率の向上に寄与している。また斯かる構成によりメインギャラリ４３を通過する潤滑油を冷却水により不要に冷却してしまうことを有効に回避することで潤滑油に天井部４１からの熱が伝わり易くしている。これにより潤滑油を早期に昇温できるようになり、潤滑油の粘度が高いときに起こる内燃機関のメカロスを低減することでさらなる低燃費化にも寄与している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみ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種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態ではフロント側の端部近傍において連通部の開口面積を大きくしたり潤滑油通路を形成する態様を開示したが、勿論、リヤ側の端部近傍において連通部の開口面積を大きくしたり潤滑油通路を設けたりしたものであってもよい。また冷却水通路の詳細な形状やシリンダブロックからシリンダヘッドへ冷却水を供給する流路の具体的な配置といった具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は内燃機関を構成するシリンダヘッドの構造として利用することができる。

４…シリンダヘッド
４１…燃焼室の天井部（天井部）
４２…連通部
４２ａ…肉薄側連通部（吸気側連通部）
４２ｂ…肉厚側連通部（排気側連通部）
４３…潤滑油通路（メインギャラリ）
５３…冷却水通路（ヘッド側流路）

Claims (3)

1. 複数の気筒の燃焼室の天井部を構成するシリンダヘッド本体において、それら天井部から一方側の側面部までが比較的肉薄な肉薄部であり、それら天井部から他方側の側面部までが比較的肉厚な肉厚部であるシリンダヘッドの構造であって、
   前記複数の天井部を取り巻く冷却水通路と、
   前記肉薄部に形成され、前記冷却水通路を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉薄側連通部と、
   前記肉厚部に形成され、前記冷却水通路を前記シリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する肉厚側連通部と、
   前記シリンダヘッド本体における、前記複数の天井部が並ぶ方向に沿って並立する正面側及び背面側の端部と、当該端部に最も近い燃焼室の天井部との間の領域にそれぞれ形成され、前記冷却水通路をシリンダヘッド本体の下面側に連通させるべく開口する正面側連通部及び背面側連通部と
   を具備し、
   前記肉薄側連通部の開口面積を前記肉厚側連通部の開口面積よりも小さくし、
   前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち一方の開口面積を他方の開口面積よりも大きくしており、
   前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち開口面積が大きい方に最も近い燃焼室の天井部の両側方に位置する前記肉薄側連通部及び前記肉厚側連通部について、その肉薄側連通部の開口面積をその肉厚側連通部の開口面積よりも小さくしているシリンダヘッドの構造。
2. 前記シリンダヘッド本体における、前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち開口面積が大きい方に最も近い燃焼室の天井部の近傍の肉薄部に形成された潤滑油通路を具備する請求項１記載のシリンダヘッドの構造。
3. 前記潤滑油通路は、前記正面側連通部と前記背面側連通部とのうち開口面積が大きい方に隣接し、
   前記潤滑油通路と当該潤滑油通路に最も近い燃焼室の天井部との間には前記肉薄側連通部が形成されていない請求項２記載のシリンダヘッドの構造。

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