JP6804938B2 - 多気筒内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、車両用等の多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するものであり、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、全体的に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、例えば特許文献１に開示されているように、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、排気集合空間の個所の冷却を図っている。なお、冷却水ジャケットは、排気ポート及び排気集合空間を挟んで上下に分かれており、前後両端部や中途部において連通している。また、気筒列の上方部には主冷却水通路を設けて、吸気エリアには、吸気側冷却水通路を設けている。

特開２０１２−５７４６８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発生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、熱ひずみを防止・抑制できるシリンダヘッド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。このシリンダヘッドは、
各気筒に開口した排気ポートの群が形成されている排気側エリアに、前記各排気ポートから排出された排気ガスを１つ又は複数の集合出口穴に集める排気集合通路と、前記排気ポート及び排気集合通路の上側に位置した排気側上部冷却水ジャケットと、前記排気ポート及び排気集合通路の下側に位置した排気側下部冷却水ジャケットとが形成されており、かつ、気筒列の上のエリアに、クランク軸線方向に延びるセンター冷却水ジャケットが形成されている、という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、前記センター冷却水ジャケットに、気筒列の両端に位置した排気ポートを除いた中間部排気ポートを個別に又はグループとして側方から下方に回り込んで下方から抱き込むように囲うバイパス通路が形成されており、前記バイパス通路を含むセンター冷却水ジャケットは、前記排気側下部冷却水ジャケットとは隔壁部によって完全に分離している。
なお、中間部排気ポートは、請求項で特定しているように両端の間に位置している排気ポートという意味であり、中央部を意味するものではない。例えば、４気筒内燃機関の場合は、第２気筒と第３気筒とに対応した排気ポートは中間部排気ポートになる。

本願発明では、まず、シリンダヘッドの冷却水ジャケットがセンター冷却水ジャケットと排気側上部冷却水ジャケットと排気側下部冷却水ジャケットとに分離していることにより、各冷却水ジャケットを冷却水が方向性を持って流れるため、冷却水を各ジャケットにまんべんなく行き渡らせて、シリンダヘッドの冷却むらの防止に貢献できる。

さて、本願発明が対象にしている排気マニホールド内蔵式のシリンダヘッドでは、排気ポートの周囲の箇所と排気集合通路の周囲の箇所とが排気ガスに晒されて高温になるが、排気集合通路の箇所は上下から冷却されることで全体の温度を均一化できるが、排気ポートの周囲の箇所は、上下両側を冷却しても、隣り合った排気ポートの間の部位では熱が籠もるため、排気側上部冷却水ジャケットと排気側下部冷却水ジャケットのみによっては、籠もった熱を十分に吸収することが難しい。

これに対して本願発明では、中間気筒の箇所の排気ポートがバイパス通路で囲われているため、隣り合った排気ポートの間に位置した肉部からバイパス通路の冷却水に的確に熱交換することができる。その結果、中間気筒の箇所で異常昇温することを防止して、大きな熱ひずみが発生することを防止できる。従って、熱ひずみに起因した反り変形やシリンダブロックとの間の滑りなどを防止又は著しく抑制して、高いシール性を確保できると共に、メカロスも低減できる。

さて、排気ポートの箇所の冷却手段として、シリンダヘッドの下面のうち排気ポートの下の部分に、下向きに開口した溝状の冷却水通路を形成することもあるが、この場合は、冷却水通路が下向きに開口していることに起因して、シリンダヘッドの剛性が低下し、熱変形も起こりやすいという問題がある。

これに対して本願発明では、センター冷却水ジャケットにバイパス通路を設けて、このバイパス通路を通る冷却水に対して熱交換するもので、シリンダヘッドの肉部にトンネル状のバイパス通路を形成するものであるため、シリンダヘッドが昇温しても応力集中は非常に起こりにくくて、シリンダヘッドの剛性低下は生じない。従って、シリンダヘッドの剛性を低下させることなく、シリンダヘッドの熱ひずみを防止できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は冷却水ジャケットの平面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの平面図である。 （Ａ）は冷却水ジャケットを排気側面方向から見た側面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの側面図である。 （Ａ）は冷却水ジャケットをクランク軸線方向から見た背面図、（Ｂ）はシリンダヘッドの背面図である。 冷却水ジャケットの斜視図である。 冷却水ジャケットのおおまかな平面図である。 （Ａ）は冷却水ジャケットの平面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットの底面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図側面図である。 冷却水ジャケットの分離平面図である。 センター冷却水ジャケットの斜視図である。 シリンダヘッドの底面図である。 （Ａ）は図９のＡ−Ａ視断面図、（Ｂ）は図９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、クランク軸線方向を前後方向として定義しており、図１に方向を明示している。図では表示していないが、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いる。本実施形態は、３気筒内燃機関のシリンダヘッド１に適用している。

図１（Ｂ）及び図１０（Ａ）から理解できるように、シリンダヘッド１の上面には上向きに開口した空所が形成されており、このため、周囲には上向きの周壁２を設けている。周壁２で囲われた内部には、３つの点火プラグ保持穴３が長手方向（クランク軸心４の方向）に並んでいる。

また、シリンダヘッド１の空所には、カム軸が保持される軸受け部を構成する仕切りリブ５が幅方向に延びており、仕切りリブ５を挟んだ両側に、バルブ軸が嵌まる弁保持穴６が２対ずつ形成されている。

シリンダヘッド１は、吸気ポート７が開口した吸気側面８を有している。図１０に示すように、吸気側面８は、下に行くに従って外側に向かうように傾斜している。また、同じく図１０に示すように、シリンダヘッド１には、クランク軸線方向に並んだ３つの燃焼室９が形成されている。燃焼室９は下広がりの台錘状に形成されており、当然ながら、シリンダブロックの気筒（図１（Ａ）参照）と同径・同心になっている。燃焼室９の中心部には、点火プラグ取り付け穴１０が開口している。

シリンダヘッド１には、１つの燃焼室に対応して２つの排気ポート１１（図１０（Ａ）参照）が形成されており、各排気ポートは、図７，８に示す１つの排気集合通路１２に集合している。図２及び図７に示すように、排気集合通路１２は１つの集合出口穴１３を有しており、集合出口穴１３は排気側面１４に開口している。集合出口穴１３は、シリンダヘッド１の長手方向に長い小判形の長穴になっている。

(2).冷却水ジャケット
図１〜３の対比や図６，７から理解できるように、シリンダヘッド１の内部には、冷却水が通る冷却水ジャケット１５，１６，１７を形成している。センター冷却水ジャケット１５は、燃焼室９（気筒）の列の上側のエリアに形成されており、排気側上部冷却水ジャケット１６と排気側下部冷却水ジャケット１７は、排気ポート１１を有する排気エリアに形成されている。

なお、図１〜３の平行斜線とドット表示は、冷却水ジャケット１５の外形を明示するためのものである。実線の平行斜線で示している冷却水ジャケットはセンター冷却水ジャケット１５、点線の平行斜線で示している冷却水ジャケットは排気側上部冷却水ジャケット１６、ドットで示している冷却水ジャケットは排気側下部冷却水ジャケット１７である。なお、図９では、センター冷却水ジャケット１５の輪郭は大まかに表示している。

図１，４，６から容易に理解できるように、排気側上部冷却水ジャケット１６と排気側下部冷却水ジャケット１７とは排気側面１４の側に位置している。センター冷却水ジャケット１５は、気筒列の上方に形成されている。従って、センター冷却水ジャケット１５は、気筒列中心線を挟んで左右両側に広がっている。

例えば図１（Ａ）において、センター冷却水ジャケット１５は、気筒（燃焼室）と同心状の外側部分１５ａを有しており、外側部分１５ａでシリンダヘッド１の吸気側肉部１８が囲われている。吸気側肉部１８は 吸気弁の支持部になっている。

排気側上部冷却水ジャケット１６及び排気側下部冷却水ジャケット１７とセンター冷却水ジャケット１５との間は、冷却水ジャケット群の肉部である隔壁部１９になっており、排気弁の支持部は、この隔壁部１９に形成されている。吸気側肉部１８も補強機能を有するが、隔壁部１９と吸気側肉部１８とがクランク軸心４を挟んでほぼ対称位置にあるため、隔壁部１９と吸気側肉部１８との補強機能がバランスして、熱によるひずみの抑制に一層貢献している。

図１０（Ａ）に明示するように、排気側上部冷却水ジャケット１６は排気集合通路１２を上から覆って、排気側下部冷却水ジャケット１７は、排気側上部冷却水ジャケット１６を下から覆っている。排気側上部冷却水ジャケット１６と排気側下部冷却水ジャケット１７とは、前後両端部において連通している。また、両ジャケット１６，１７は、排気側面１４から離れた奥部においても複数個所で連通している。従って、排気集合通路１２の後ろの部分や排気ポートの周囲の部分も、的確に冷却される。図１において、排気側上部冷却水ジャケット１６の内部に島状の排気側肉部２０が３つ存在しているが、これは、ヘッドボルト挿通穴を形成するための肉部である。

図４，５に示すように、排気側上部冷却水ジャケット１６と排気側下部冷却水ジャケット１７との前部の合流部と、センター冷却水ジャケット１５の前端部とには、シリンダブロックに向いた冷却水入り口２１，２２が繋がっている。排気側ジャケット１６，１７の冷却水入り口２１は１つであり、センター冷却水ジャケット１５の冷却水入り口２２は左右２つ設けている。図１では、冷却水入り口２１，２２は、黒丸で大まかな位置だけを示している。

図示していないが、シリンダブロックには、気筒の列を囲うブロックジャケットが形成されており、排気側ジャケット１６，１７の冷却水入り口２１に連通する排気側送水口と、センター冷却水ジャケット１５の冷却水入り口２２に連通する燃焼室側送水口とが、シリンダブロックの前端寄り部位に形成されている。

シリンダブロックのジャケットにはウォータポンプから冷却水が圧送されるが、排気側ジャケット１６，１７の冷却水入り口２１には、シリンダブロックのジャケットを経由していない低温の冷却水が送られる。従って、排気側エリアは、比較的少ない量の冷却水であっても的確に冷却される。他方、センター冷却水ジャケット１５の冷却水入口２２には、シリンダブロックのジャケットを経由した冷却水が流入する。シリンダヘッド１のうちセンター部は、排気側エリアに比べて温度は高くないため、昇温した冷却水がセンター冷却水ジャケット１５に流入しても、冷却水の水温が過剰に昇温することはない。

排気集合通路１２は、平面視で横向き凸状に湾曲しており、これに合わせて、排気側上部冷却水ジャケット１６及び排気側下部冷却水ジャケット１７は、排気側肉部２０を挟んだ部位が外向き突の弓形に反っている。

なお、図２（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、ジャケット１５〜１７には、多数の下向き穴２５が繋がっているが、これは、中子型によってジャケット１５，１６，１７を形成するにおいて、中子型を支持するために設けたダミーの足の名残である。下向き穴２５はガスケットで塞がれるので、存在しないのと同じ状態になっている。

図１（Ａ）から容易に理解できるように、センター冷却水ジャケット１５の後端部と排気側上部冷却水ジャケット１６の後端部は、ジョイント部２６を介して連通している。従って、排気側ジャケット１６，１７を冷却した冷却水は、センター冷却水ジャケット１５の終端部に流入する。そして、センター冷却水ジャケット１５の終端には、図１や図２において網かけ表示で示す制御部２７が一体に繋がっている。

(3).バイパス通路
図１（Ａ）や図６（Ａ）（Ｂ），図７に示すように、センター冷却水ジャケット１５と排気側上部冷却水ジャケット１６との間には、各気筒に対応した２つずつの排気ポート肉部２８がある。排気ポート肉部２８は隔壁部１９に形成されており、この排気ポート肉部２８に、図１０（Ａ）のように排気ポート１１が形成されている。内燃機関は２バルブ方式なので、排気ポート１１は２本一対になっており、各排気ポートは排気集合通路１２に連通している。

そして、図６（Ｂ）や図７（Ａ）に示すように、センター冷却水ジャケット１５の前後中間部に、２番目の気筒（燃焼室９）に対応した２本の排気ポート１１が形成される排気ポート肉部２８を、その側方から下方に回り込んで抱き込むようにして囲うバイパス通路２９を形成している。このバイパス通路２９を流れる冷却水に熱交換されることにより、中間気筒（第２気筒）に対応した排気ポート肉部２８の箇所に熱が籠もることを防止して、中間気筒に対応した排気ポート肉部２８からしっかりと放熱できる。これにより、熱ひずみを防止して、シール性の向上やメカロス低減に貢献できる。

バイパス通路２９は平面視で弓なりに反っているが、平面視で前後中間部に、外向き凹状の凹み（隘路部）３０が形成されており、この凹所３０の箇所を通って、上端をセンター冷却水ジャケット１５に連通させた傾斜姿勢の補助送水穴（ドリルパス）３１（図１０（Ｂ）参照）が形成されている。補助送水穴３１の下端は、シリンダブロックに形成した冷却水ジャケットと連通している。

従って、シリンダブロックの冷却水ジャケットから、昇温の程度が低い冷却水をセンター冷却水ジャケット１５に送って、シリンダヘッド１の冷却をアシストすることができる。また、補助送水穴３１も冷却水ジャケットとして機能するため、排気ポート肉部２８のうち、セットを成す２本の排気ポート１１の間の部分を冷却することができる。図９に示すように、補助送水穴３１は、前後端部の気筒（燃焼室）に対応した箇所にも設けているが、中間部の気筒の箇所のみに設けてもよい。

図９に示すように、シリンダヘッド１には、動弁室に溜まったオイルをオイルパンに向けて流下させるオイル落とし穴３２が空いており、その前後方向の一端部が、中間気筒の前後中間部に位置している。そこで、補助送水穴３１は、オイル落とし穴３２と干渉しないように気筒軸心側にずらしており、その結果、バイパス通路２９に凹み３０を形成している。従って、オイル落とし穴３２が存在しない場合は、バイパス通路２９に凹み３０を形成する必要はない。なお、凹み３０によってバイパス通路２９に隘路ができていても、冷却機能には問題はない。この点は実験で確認している。

図１０に示すように、バイパス通路２９には、シリンダヘッド１の下面に開口した下向き穴３３が連結しているが、この下向き穴３３は、鋳造時に中子を支持するために形成したダミー足の名残である。下向き穴はガスケットで塞がれているので、特段の問題はない。なお、この下向き穴３３を利用して、シリンダブロックの冷却水ジャケットから冷却水をバイパス通路に送水することも可能である（この場合は、下向き穴３３は、バイパス通路２９のうち前後中間部に設けるのが好ましい。）。

以上の実施形態は３気筒内燃機関に適用した場合であったが、本願発明は、４気筒以上の内燃機関にも適用できる。４気筒以上の内燃機関の場合は、端部気筒を除いた各中間気筒のそれぞれの箇所にバイパス通路を形成してもよいし、複数の中間気筒の排気ポート１１の群を１つのバイパス通路２９で囲うことも可能である。

或いは、中間排気ポートの群の全体を囲うメインバイパス通路を形成して、隣り合った気筒間に位置した部位に、センター冷却水ジャケット１５とメインバイパス通路とに連通したサブバイパス通路を形成するといったことも可能である。例えば４気筒内燃機関の場合を例にとると、１番目と２番目の気筒に対応した排気ポートを第１集合出口穴に纏めて、３番目と４番目の気筒に対応した排気ポートを第２集合出口穴に纏めるというように、複数の集合出口穴を設けることも可能である。

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
９ 燃焼室
１１ 排気ポート
１２ 排気集合通路
１３ 集合出口穴
１４ 排気側面
１５ センター冷却水ジャケット
１６ 排気側上部冷却水ジャケット
１７ 排気側下部冷却水ジャケット
１９ 隔壁部
２８ 排気ポート肉部
２９ バイパス通路
３１ 補助送水穴

Claims (1)

1. ３気筒以上の多気筒内燃機関のシリンダヘッドであって、
   各気筒に開口した排気ポートの群が形成されている排気側エリアに、前記各排気ポートから排出された排気ガスを１つ又は複数の集合出口穴に集める排気集合通路と、前記排気ポート及び排気集合通路の上側に位置した排気側上部冷却水ジャケットと、前記排気ポート及び排気集合通路の下側に位置した排気側下部冷却水ジャケットとが形成されており、 かつ、気筒列の上のエリアに、クランク軸線方向に延びるセンター冷却水ジャケットが形成されている構成であって、
   前記センター冷却水ジャケットに、気筒列の両端に位置した排気ポートを除いた中間部排気ポートを個別に又はグループとして側方から下方に回り込んで下方から抱き込むように囲うバイパス通路が形成されており、前記バイパス通路を含むセンター冷却水ジャケットは、前記排気側下部冷却水ジャケットとは隔壁部によって完全に分離している、
   多気筒内燃機関のシリンダヘッド。

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