JP6803264B2 - 多気筒内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、３つ以上のシリンダボアを有する多気筒内燃機関に関するもので、シリンダヘッドの冷却構造に特徴を有している。

内燃機関の排気構造として、排気集合空間をシリンダヘッドの内部に形成して、シリンダヘッドの排気側面には１つ又は複数の集合出口穴が空いているだけのタイプが存在している。このタイプは、シリンダヘッドをコンパクト化できる利点や熱を有効利用できる利点などがあるが、排気マニホールドを外付けするタイプに比べて、シリンダヘッドが過酷な熱環境に晒されるという問題がある。

この点については、例えば特許文献１，２では、冷却水ジャケットを排気集合空間の側に突出した状態に形成して、集合排気通路の個所の冷却を図っている。なお、冷却水ジャケットは、排気ポート及び集合排気通路を挟んで上下に分かれており、上下のジャケットは、前後両端部や中途部において連通している。また、吸気エリアには、吸気側ヘッドジャケットを設けている。

特開２０１２−５７４６８号公報 特開２００２−７０４６２号公報

さて、シリンダヘッドの熱害として特に問題になるのは、加熱・冷却が不均一になることによる熱ひずみであり、熱ひずみにより、シリンダヘッドが反り変形したり、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間で滑り現象が発生したりすることになり、その結果、シール性が低下して冷却水の漏洩や燃焼ガスの漏洩などの問題が発生したり、カム軸の回転抵抗が増大してメカロスが増大したりする問題がある。

そして、熱ひずみの防止・抑制のためには、強く加熱される部分を強く冷却する必要があり、３気筒以上のシリンダヘッドについて見ると、両端の端部気筒の間の中間気筒の箇所（或いは、中間燃焼室の箇所）では熱が籠もって強く加熱されて高温になることから、両端の気筒の箇所に比べて強く冷却する（放熱させる）必要がある。

しかるに、特許文献１のような従来構造では、端部気筒の箇所と中間気筒の箇所との間の昇温の違いには注意は払われておらず、このため、熱ひずみの防止・抑制が十分でなかったといえる。

本願発明は、このような知見・分析を基に成されたものであり、シリンダヘッドの熱ひずみを大幅に抑制できる内燃機関を提供せんとするものである。

本願発明は、３気筒以上の多気筒内燃機関のシリンダヘッドを対象にしている。従って、本願発明の内燃機関は、３つ以上のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面にガスケットを介して固定されたシリンダヘッドとを備えている。

そして、シリンダブロックには、冷却水が流れるブロックジャケットが、前記シリンダボアの群を囲うように形成されている一方、
前記シリンダヘッドには、前記各シリンダボアに対応した排気ポートの群と、各排気ボートに連通した集合排気通路とが形成されており、前記シリンダヘッドのうち吸気ポートの下方の部位には、冷却水が流れる吸気側ヘッドジャケットが、平面視で前記シリンダボアの群を吸気側から囲うように形成されて、前記シリンダヘッドのうち前記排気ポートの下方の部位には、冷却水が流れる排気側下部メインヘッドジャケットが、主として前記集合排気通路の下方に位置して平面視で前記シリンダボアの群を排気側から囲うように形成されており、
更に、前記シリンダヘッドにおける前記排気ポートの下方の部位のうち、平面視において両端に位置したシリンダボアの間に位置した中間ボア部と前記排気側下部メインヘッドジャケットとの間の部位に、前記吸気側ヘッドジャケットにボア間連通路を介して繋がった排気側中間部ヘッドジャケットが形成されている。

更に、前記シリンダヘッドの排気側中間部ヘッドジャケットは、平面視で前記ブロックジャケットの排気側流路と重なるように形成されており、前記シリンダヘッド及びガスケットに、前記ブロックジャケットの排気側流路から冷却水を排気側中間部ヘッドジャケットにのみ取り込むリーク通路が形成されており、
かつ、前記排気側中間部ヘッドジャケットは、前記中間ボア部を挟んだ２つのボア部の箇所から前記吸気側ヘッドジャケットと反対側に突出した張り出し壁部によって囲われることにより、前記排気側下部メインヘッドジャケットの高さ位置において、前記排気側下部メインヘッドジャケットから分離して前記ボア間連通路及び前記リーク通路のみに繋がっている。

本願発明では、シリンダヘッドにおける排気ポートの下方の冷却水ジャケットは、主として集合排気通路の下方に位置した排気側下部メインヘッドジャケットと、中間ボア部の箇所に位置した排気側中間部ヘッドジャケットとで構成されているが、第１の特徴として、最も高温になる中間ボア部の箇所は、排気側下部メインヘッドジャケットと排気側中間部ヘッドジャケットとによって、集中的に冷却される。これにより、中間ボア部の箇所の冷却性能を向上できる。

そして、本願発明の第２の特徴は、冷却水がブロックジャケットから排気側中間部ヘッドジャケットにダイレクトに流入する点であり、さほど昇温していない冷却水が排気側中間部ヘッドジャケットに流入することにより、シリンダヘッドのうち最も高温になる部分を的確に冷却できる。すなわち、中間ボア部の箇所の冷却性向上効果を大幅に助長できる。これにより、シリンダヘッドの熱ひずみを著しく抑制できる。

また、排気側中間部ヘッドジャケットで加温された冷却水が吸気側ヘッドジャケットに流入することにより、吸気側ヘッドジャケットの冷却水が昇温するため、吸気側と排気側との温度差を縮小して、シリンダヘッドの熱ひずみの抑制に一層貢献できる。

また、吸気側ヘッドジャケットでは、冷却水はその全体が一方方向に流れるため、冷却水を吸気側ヘッドジャケットから排気側中間部ヘッドジャケットに分流させた場合に比べて、冷却水の流れをスムース化して流れ抵抗（圧損）を抑制できる。その結果、ウォータポンプの負担を軽減でき、延いては、燃費の向上に貢献できる。
また、排気側中間部ヘッドジャケットは張り出し壁部で囲われているが、張り出し壁部は排気側下部メインヘッドジャケットに張り出しているため、排気側下部メインヘッドジャケットに流入した冷却水が張り出し壁部に衝突して、最も温度が高い中間ボア部の箇所を、排気ポートの下方において集中的に冷却できる。この点も本願発明の利点の一つである。

第１実施形態に係るシリンダブロックの平面図である。 シリンダヘッドの平面図である。 （Ａ）はシリンダヘッドをクランク軸線と直交した方向から見た側面図、（Ｂ）は図２のIIIB-IIIB 視断面図である。 図３（Ｂ）の IV-IV視断面図である。 （Ａ）は整流手段の別例である第２実施形態の平断面図、（Ｂ）は第３実施形態の平断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ視断面図である。 第４実施形態を示す図で、（Ａ）はブロックジャケットの箇所の部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて発明する。本実施形態では、方向を特定するため、前後・左右の文言を使用するが、クランク軸線方向を前後方向として、クランク軸線と直交した水平方向を左右方向としている。前後方向については、タイミングチェーンを覆うフロントカバーを設けている側を前としており、念のため、図１，３，４に前後の方向を明示している。

本実施形態は３気筒内燃機関に適用しており、従って、図１のとおり、シリンダブロック１には、３つのシリンダボア２がクランク軸線３の方向に並んで形成されている。また、シリンダブロック１には、シリンダボア２の列を囲うループ状のブロックジャケット４が形成されている。３つのシリンダボア２を個別に取り上げる場合は、添字ａ，ｂ，ｃを付して、手前から順に、第１シリンダボア２ａ、第２シリンダボア２ｂ、第３シリンダボア２ｃと称する。本実施形態は３気筒なので、第２シリンダボア２ｂが中間シリンダボアになっている。

ブロックジャケット４のうち排気側の側面でかつ前側の部位に、ブロックジャケット４に冷却水を送る送水口５が開口している。送水口５には、ウォータポンプ（図示せず）の吐出口が、直接に又は通路を介して間接的に接続されている。

シリンダブロック１の上面にはガスケット６が重ね配置されており、ガスケット６のうち前側の部位に、第１〜第３の連通穴７，８，９が空いている。これら連通穴７〜９のうち、送水口５に最も近い第１連通穴７は、後述する排気側下部メインヘッドジャケット１７に連通しており、第２連通穴８及び第３連通穴９は、後述する吸気側ヘッドジャケット２０に連通している。なお、図１において示す符号１０は、ヘッドボルト挿通穴（シリンダブロック１においてはタップ穴）である。

(2).シリンダヘッド
シリンダブロック１の上面には、既述のガスケット６を介してシリンダヘッド１１が固定されている。図２に示すように、シリンダヘッド１１には、３つの点火プラグ保持穴１２がクランク軸線３の方向に並んで形成されており、点火プラグ保持穴１２を挟んだ両側に、バルブ軸が嵌まる弁保持穴１３が２対ずつ形成されている。

図３（Ｂ）に示すように、シリンダヘッド１１には、各シリンダボア２に対応した箇所ごとに、吸気ポート１４と排気ポート１５とが前後２対ずつ形成されている。図３（Ｂ）に部分的に示すように、排気ポート１５は集合排気通路１６に連通しており、図３（Ａ）に示すように、集合排気通路１６の前後中間部に排気出口穴１６ａが連通している。

シリンダヘッド１１のうち排気ポート１５の下方の部位には、まず、主として集合排気通路１６の下方に位置した排気側下部メインヘッドジャケット１７が、前後方向（ボア列方向に）に長く形成されている。図４に示すように、排気側下部メインヘッドジャケット１７は、平面視において、３つのシリンダボア２の群に跨がって延びており、前後の端に位置したシリンダボア２ａ，２ｃについては、排気側下部メインヘッドジャケット１７のみで排気側から囲われている。

他方、第２シリンダボア（中間シリンダボア）２ｂの箇所では、排気ポート１５の群の下方に、第２シリンダボア２ｂと排気側下部メインヘッドジャケット１７との間に位置した排気側中間部ヘッドジャケット１８が形成されており、排気側中間部ヘッドジャケット１８は、前後のボア間連通路１９を介して吸気側ヘッドジャケット２０と連通している。

吸気側ヘッドジャケット２０は、３つのシリンダボア２ａ，２ｂ，２ｃの群に沿って長く延びており、前端には、平面視で第１シリンダボア２ａを手前から囲うような形態の前側囲い部２０ａが連続して、後端には、平面視で第３シリンダボア２ｃを後ろから囲う形態の後ろ側囲い部２０ｂが連続している。吸気側ヘッドジャケット２０の前側囲い部２０ａには、ガスケット６に形成した第２及び第３連通穴８，９に連通する第２及び第３の入口通路２１，２２が繋がっている。

排気側下部メインヘッドジャケット１７の前端部（始端部）には、ガスケット６に形成された第１連通穴７に連通した第１入口通路２３が繋がっている。吸気側ヘッドジャケット２０の後端（終端）と排気側下部メインヘッドジャケット１７の後端とは、１つの集合出口２４に連通しており、集合出口２４は、サーモ弁などを備えた制御部に接続されている。

図４に示すように、排気側中間部ヘッドジャケット１８は、ブロックジャケット４における排気側流路の一部と完全に重なる左右幅に形成されており、シリンダヘッド１１及びガスケット６に、排気側中間部ヘッドジャケット１８とブロックジャケット４の排気側流路とを連通させる前後２つのリーク通路２５が形成されている。

図３（Ｂ）に示すように、シリンダヘッド１１のうち排気ポート１５の群の上方には、排気側下部メインヘッドジャケット１７と似た形態の排気側上部ヘッドジャケット２６が形成されている。また、シリンダヘッド１１のうち、平面視でクランク軸線３に沿って延びる部位には、センターヘッドジャケット２７が形成されている。センターヘッドジャケット２７には、第２及び第３連通穴８，９から送水されている。排気側上部ヘッドジャケット２６の後端と、センターヘッドジャケット２７の後端も、図４に示す集合出口３に繋がっている。

(3).まとめ
以上の構成において、シリンダヘッド１１は、第２シリンダボア２ｂに対応した中間ボア部の排気側エリアにおいて最も高温になるが、このエリアは、排気側下部メインヘッドジャケット１７を流れる冷却水と、排気側中間部ヘッドジャケット１８とを流れる冷却水とによって的確に冷却される。

そして、排気側下部メインヘッドジャケット１７では、冷却水はその一端から他端に向けてスムースに流れるため、冷却水の淀みはなくて、高い冷却性能を発揮する。特に、本実施形態では、排気側下部メインヘッドジャケット１７は、第１シリンダボア２ａに対応した部分と第３シリンダボア２ｃに対応した部分とを直接に囲っていることから、中間ボア部に対応した部分には出島状の張り出し壁部２８が存在するが、排気側下部メインヘッドジャケット１７に流入した冷却水が張り出し壁部２８に衝突するため、最も温度が高い中間ボア部の箇所を、排気ポート１５の下方において集中的に冷却できる。この点、本実施形態の利点の一つである。張り出し壁部２８は平断面視で台形になっているが、円弧状であってもよい。

次に、排気側中間部ヘッドジャケット１８にはブロックジャケット４から温度が低い冷却水が流入するため、シリンダヘッド１１のうち中間ボア部に対応した部位を、しっかりと冷却できる。つまり、張り出し壁部２８は内外からダブル冷却されるため、中間ボア部の箇所をしっかりと冷却して、部分的に異常昇温することを防止できる。これにより、シリンダヘッドの熱ひずみを大幅に抑制できる。

実施形態のように、リーク通路２５を前後２か所に設けると、冷却水が前後のボア間連通路１９に均等に流れるため、第２シリンダボア２ｂの箇所（中間ボア部の箇所）の冷却の均一化を促進できて有益である。

吸気側ヘッドジャケット２０とボア間連通路１９との集合部には、冷却水の流れを制御する整流ガイド部２９が形成されている。整流ガイド部２９は、吸気側ヘッドジャケット２０を流れる冷却水がボア間連通路１９に流入することを防止する第１ガイド面３０と、ボア間連通路１９を流れた冷却水が吸気側ヘッドジャケット２０の下流側に向かうように方向付ける第２ガイド面３１とを有しており、おおまかには三角形に近い形態（或いは三味線のバチのような形態）になっている。このような整流ガイド部２９を設けることにより、冷却水に一方方向の流れを付与して、スムースな流れを確保できる。

冷却水を吸気側ヘッドジャケット２０からボア間連通路１９に誘い込んで、排気側中間部ヘッドジャケット１８に流す場合は、冷却水が吸気側ヘッドジャケット２０とボア間連通路１９との集合部で分流するため、衝突によってエネルギの損失が発生し、また、ボア間連通路１９→排気側中間部ヘッドジャケット１８→ボア間連通路１９とぐるりと回ることになるため流れ抵抗が大きいが、本実施形態では、冷却水は排気側中間部ヘッドジャケット１８からボア間連通路１９に流れるため、流路が短いことと方向変換が少ないこととにより、流れ抵抗を低減して圧損を低減できる。これらが相まって、冷却水の流れのスムース性を高めて、ウォータポンプの負荷を軽減し、延いては燃費の向上にも貢献できる。

(4).他の実施形態
図５（Ａ）に示す第２実施形態では、整流ガイド部２９の別例を示している。この実施形態では、整流ガイド部２９はし字状に緩く曲がっており、吸気側ヘッドジャケット２０の流れ方向に長い姿勢になっている。そして、整流ガイド部２９の上流端２９ａの側の隙間３２の間隔を小さく、整流ガイド部２９の下流端２９ｂの側の隙間３３の間隔を大きくすることにより、吸気側ヘッドジャケット２０からボア間連通路１９への冷却水の流入を阻止しつつ、ボア間連通路１９からの冷却水の逃がしをスムースにしている。

図５（Ｂ）（Ｃ）に示す第３実施形態では、リーク通路２５は、排気側中間部ヘッドジャケット１８の前後中間部に１か所だけ形成されている。そして、（Ｂ）に示すように、排気側中間部ヘッドジャケット１８の中間部を、前後一対の排気ポート１５の間で上向きに突出した山形部１８ａに形成することにより、冷却水が排気側中間部ヘッドジャケット１８の前後に均等に分流するように配慮している。また、この実施形態では、排気ポート１５と排気側中間部ヘッドジャケット１８との間の肉厚が均等化するため、熱ひずみの抑制効果も助長しているといえる。

図６に示す第４実施形態では、ブロックジャケット４に配置した樹脂製のスペーサ３４に、冷却水をリーク通路２５に向けてガイドする上向きの案内部３５を一体に設けている。従って、この実施形態では、リーク通路２５への冷却水の流入を確実化して、シリンダヘッド１１の冷却性能向上効果を更に助長できる。

本願発明は、上記の各実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、４気筒内燃機関の場合は２つの中間ボア部があるが、このように複数の中間ボア部がある場合、各中間ボア部に対応して排気側中間部ヘッドジャケットを個別に形成して、排気側中間部ヘッドジャケットにリーク通路を連通させてもよいし、複数の中間ボア部の箇所で排気側中間部ヘッドジャケットが一連に延びるように形成して、これに１つ又は複数のリーク通路を連通させてもよい。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダボア
２ｂ 中間シリンダボア
３ クランク軸線
４ ブロックジャケット
６ ガスケット
１１ シリンダヘッド
１５ 排気ポート
１６ 集合排気通路
１６ａ 排気出口穴
１７ 排気側下部メインヘッドジャケット
１８ 排気側中間部ヘッドジャケット
１９ ボア間連通路
２０ 吸気側ヘッドジャケット
２５ リーク通路
２８ 張り出し壁部
２９ 整流ガイド部

Claims (1)

1. ３つ以上のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面にガスケットを介して固定されたシリンダヘッドとを備えており、
   シリンダブロックには、冷却水が流れるブロックジャケットが、前記シリンダボアの群を囲うように形成されている一方、
   前記シリンダヘッドには、前記各シリンダボアに対応した排気ポートの群と、各排気ボートに連通した集合排気通路とが形成されており、前記シリンダヘッドのうち吸気ポートの下方の部位には、冷却水が流れる吸気側ヘッドジャケットが、平面視で前記シリンダボアの群を吸気側から囲うように形成されて、前記シリンダヘッドのうち前記排気ポートの下方の部位には、冷却水が流れる排気側下部メインヘッドジャケットが、主として前記集合排気通路の下方に位置して平面視で前記シリンダボアの群を排気側から囲うように形成されており、
   更に、前記シリンダヘッドにおける前記排気ポートの下方の部位のうち、平面視において両端に位置したシリンダボアの間に位置した中間ボア部と前記排気側下部メインヘッドジャケットとの間の部位に、前記吸気側ヘッドジャケットにボア間連通路を介して繋がった排気側中間部ヘッドジャケットが形成されている構成であって、
   前記シリンダヘッドの排気側中間部ヘッドジャケットは、平面視で前記ブロックジャケットの排気側流路と重なるように形成されており、前記シリンダヘッド及びガスケットに、前記ブロックジャケットの排気側流路から冷却水を排気側中間部ヘッドジャケットにのみ取り込むリーク通路が形成されており、
   かつ、前記排気側中間部ヘッドジャケットは、前記中間ボア部を挟んだ２つのボア部の箇所から前記吸気側ヘッドジャケットと反対側に突出した張り出し壁部によって囲われることにより、前記排気側下部メインヘッドジャケットの高さ位置において、前記排気側下部メインヘッドジャケットから分離して前記ボア間連通路及び前記リーク通路のみに繋がっている、
   多気筒内燃機関。
   

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