JP7040643B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本開示は、多気筒エンジンのシリンダヘッドに関し、特に、シリンダヘッドの内部に設けられる冷却水通路（ウォータジャケット）の構造に関する。

従来、多気筒エンジンのシリンダヘッドには、各気筒に対応する複数の排気ポートが形成されていた。シリンダヘッドには、各排気ポートに接続される複数の排気通路を備えた排気マニホールドが接続され、排気マニホールド内で排気通路を合流させていた。

また、シリンダヘッド内に、各気筒に対応する複数の排気ポートを集合させる排気集合部を形成することで、シリンダヘッドに単一の排気管が接続されるように構成される多気筒エンジンが開発されている。

このようなシリンダヘッドは、内部を通過する排気の影響により高温となる。このため、シリンダヘッドには、冷却水を流通させる冷却水通路（ウォータジャケット）が形成されている。特に、上記のように内部に排気集合部が形成されたシリンダヘッドは、排気が内部で集合するため、高温になりやすい。このため、排気集合部を備えるシリンダヘッドでは、冷却水通路（ウォータジャケット）による冷却性能の向上が図られている。

例えば、複数の排気導管を合流することによって形成される集合排気導管を一体的に設けたシリンダヘッドにおいて、排気導管の下方に配置される下側冷却液ジャケットと、排気導管の上方に配置される上側冷却液ジャケットと、これら下側冷却液ジャケットと上側冷却液ジャケットとを連通し冷却液の通路として機能する連通部とを備えるようにしたものがある（例えば、日本国特開２００８－３０９１５８号公報を参照）。

日本国特開２００８－３０９１５８号公報の構成によれば、従来のシリンダヘッドに比べると冷却性能を向上することはできる。
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成でもシリンダヘッドの冷却性能は必ずしも十分とは言えず、さらなる向上が望まれている。

近年では、シリンダヘッドが、冷却水通路（冷却液通路）として、排気ポートの上方に設けられる上部通路と、この上部通路とは独立して排気ポートの下方に設けられる下部通路と、を備える構造も提案されている。このような構造のシリンダヘッドでは、上部通路と下部通路とに、別々に冷却水を供給することができるため、上部通路と下部通路とが一体的に形成された従来のシリンダヘッドに比べて冷却性能を高めることができる。

また、このように上部通路と下部通路とを独立させた構造であっても、シリンダヘッドの冷却性能はまだ十分ではなく、さらなる向上が望まれている。

例えば、隣接する排気ポート間に排気干渉を抑制するための仕切壁がシリンダヘッドに設けられている場合、この仕切壁は、複数の排気ポートを流れる排気の影響を受けるため、温度が高くなりやすい。このため、上部通路と下部通路とを独立させた場合でも、仕切壁を十分に冷却できない虞がある。

本開示は、排気干渉を抑制することができると共に、冷却水通路に冷却水を流通させることによる冷却性能のさらなる向上を図ったシリンダヘッドを提供する。

本発明の一つの態様によれば、シリンダヘッドは、複数の気筒にそれぞれ接続される複数の排気ポートと、複数の前記排気ポートが集合するように構成される排気集合部と、を含む集合排気ポートと、前記複数のポートのうち互いに隣接する排気ポートの間を仕切るように構成される仕切壁と、複数の前記気筒のそれぞれが並んで配置される列方向に冷却水を流すように構成される冷却水通路と、を備える。前記冷却水通路は、前記集合排気ポートの上方に設けられる上部通路と、前記上部通路とは対向して前記集合排気ポートの下方に設けられる下部通路と、を含む。前記上部通路及び前記下部通路のうち一方の通路が、前記仕切壁内に設けられて他方の通路に向かって延びる第１の壁内通路部を有する。

本発明の他の態様によれば、前記下部通路が、前記第１の壁内通路部を有する。前記仕切壁は、前記第１の壁内通路部を介して前記下部通路と前記上部通路とを連通するように構成される連通孔を有する。

本発明の他の態様によれば、前記連通孔が、前記第１の壁内通路部の最上部に設けられている。

本発明の他の態様によれば、前記上部通路は、第２の壁内通路部を有し、前記第１の壁内通路部と前記第２の壁内通路部が互いに前記連通孔を介して接続されている。

本発明の他の態様によれば、複数の前記気筒は、一列に配置された第１の気筒、第２の気筒、第３の気筒、及び第４の気筒を含む。前記第１の壁内通路部は、第２の気筒に接続される前記排気ポートと、第３の気筒に接続される前記排気ポートとの間を仕切るように構成された前記仕切壁内に設けられている。

本発明の態様によれば、仕切壁によって排気干渉が抑制されることができると共に、冷却水通路に冷却水を流通させることによる冷却性能の向上が図られることができる。

具体的には、独立して設けられる上部通路及び下部通路の少なくとも一方が壁内通路部を備えているため、冷却水通路（壁内通路部）を流れる冷却水によって仕切壁が効率的に冷却されることができる。

したがって、排気熱による仕切壁の温度上昇が抑制されることができる。加えて、下部通路の壁内通路部と上部通路とを連通する空気抜き用の連通孔が仕切壁に設けられているため、下部通路の壁内通路部での気泡溜りが抑制され、仕切壁がより効率的に冷却されることができる。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの上面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの側面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの断面図である。 本発明の一実施形態に係るウォータジャケットを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るアッパジャケットを説明する図である。 本発明の一実施形態に係るロアジャケットを説明する図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドのＢ－Ｂ′線断面図である。 本発明の一実施形態に係る壁内通路部付近の拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの断面図である。

以下、本発明の一実施形態が図面を参照して詳細に説明される。

図１Ａは、シリンダヘッドの上面（シリンダブロックへの取付け面とは反対側の面）を示す図であり、図１Ｂは、シリンダヘッドのフロント側の側面を示す図である。図２は、シリンダヘッドのＡ－Ａ′線断面図である。また図３は、ウォータジャケットの形状を、砂中子の形状として示した斜視図である。図４は、ウォータジャケットの形状を示す上面図であり、図５は、ウォータジャケットの形状を示す底面図である。また図６Ａ及び図６Ｂ及び図７は、壁内通路部を説明する図であり、図６Ａは、シリンダヘッドのＢ－Ｂ′線断面図、図６Ｂは壁内通路部付近の拡大断面図である。また図７は、シリンダヘッドのＣ－Ｃ′線に相当する断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示す本実施形態に係るシリンダヘッド１０は、フロント側（車両前方側）から直列（一列）に配置された４つの気筒（シリンダ）を有する空冷式の直列４気筒エンジンを構成する。シリンダヘッド１０の下面１０ａには、第１～第４の気筒１１が形成されたシリンダブロック（図示なし）が取付けられる。

一方、シリンダヘッド１０の上面１０ｂには動弁室１２が形成されている。図示は省略するが、この動弁室１２内には吸気弁や排気弁を駆動する動弁機構が収容され、シリンダヘッド１０の上面には、この動弁室１２を覆うリンダカバーが取付けられる。

本開示は、このような水冷式の多気筒エンジンを構成するシリンダヘッド１０の内部構造、特に、シリンダヘッド１０が備えるウォータジャケット（冷却水通路）の構造に特徴がある。以下では、シリンダヘッド１０の内部構造が詳細に説明される。

図１Ａ及び図１Ｂ及び図２に示すように、シリンダヘッド１０には、各気筒１１に対応する２つの吸気バルブ孔１３（１３ａ，１３ｂ）と、２つの排気バルブ孔１４（１４ａ，１４ｂ）とが設けられている。つまりシリンダヘッド１０には、合計８つの吸気バルブ孔１３及び排気バルブ孔１４が設けられている。

またシリンダヘッド１０には、各気筒１１に対応する４つの吸気ポート１５が設けられている。各吸気ポート１５の一端側は、各気筒１１に対応する２つの吸気バルブ孔１３に接続されている。これらの吸気ポート１５は、互いに集合することなく独立して設けられ、シリンダヘッド１０の一方の側面１０ｃにそれぞれ開口している。つまりシリンダヘッド１０の側面１０ｃには、各気筒１１にそれぞれに繋がる４つの吸気口１６が形成されている（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。

またシリンダヘッド１０には、各気筒１１に接続される集合排気ポート１７が設けられている。集合排気ポート１７は、各気筒１１に接続される４つの排気ポート１８（１８ａ～１８ｄ）と、これらの排気ポート１８（１８ａ～１８ｄ）が集合する排気集合部１９と、を含むように構成されている。

各排気ポート１８の一端側は、各気筒１１に対応する２つの排気バルブ孔１４ａ，１４ｂに接続され、各排気ポート１８の他端側は、排気集合部１９で集合している。この排気集合部１９は、気筒１１の列設方向（シリンダヘッド１０の前後方向、気筒１１が並んで配置される方向）の中央部に位置し、シリンダヘッド１０の吸気口１６が開口する側面１０ｃとは反対側の側面１０ｄに開口している。つまりシリンダヘッド１０の側面１０ｄには、排気集合部１９にて集合された排気が流出する１つの排気口２０が、気筒の列設方向（シリンダヘッド１０の前後方向）の中央部に形成されている。

また各排気ポート１８は、仕切壁２１（２１ａ～２１ｃ）によって隣接する排気ポート１８の間で仕切られている。これらの仕切壁２１は排気集合部１９に向かって所定の長さで設けられている。これらの仕切壁２１の長さは、適宜決定されればよい。また、少なくとも隣接する排気ポート１８間での排気干渉が抑制されうるように、これらの仕切壁２１の長さが設定されていることが好ましい。

例えば、シリンダヘッド１０の中央部に位置する（列設方向において４つの気筒のうち、内側に位置する）第２の気筒１１ｂに対応する排気ポート１８ｂと、第３の気筒１１ｃに対応する排気ポート１８ｃとの間を仕切る仕切壁２１ｂは、排気口２０の付近まで延設されていることが好ましい。これにより、仕切壁２１ｂによって、隣接する排気ポート１８ｂと排気ポート１８ｃとの間での排気干渉を抑制できると共に、第１の気筒１１ａに対応する排気ポート１８ａと第４の気筒１１ｄに対応する排気ポート１８ｄとの間での排気干渉を抑制することもできる。

また、このような構造のシリンダヘッド１０には、気筒１１の列設方向に冷却水を流通させるウォータジャケット（冷却水通路）３０が一体的に形成されている。本実施形態では、ウォータジャケット３０に、シリンダヘッド１０のフロント側からリア側に向かって冷却水を流通させることで、排気熱による各気筒（燃焼室）１１付近や集合排気ポート１７付近の温度上昇を抑制している。

本実施形態に係るウォータジャケット３０は、図３に示すように、集合排気ポート１７の上方に設けられるアッパジャケット（上部通路）３１と、集合排気ポート１７の下方に設けられるロアジャケット（下部通路）３２と、を備えている。

アッパジャケット３１は、図３及び図４に示すように、各気筒１１の上方に設けられる気筒通路部３３と、集合排気ポート１７の上方に集合排気ポート１７の上部を覆うように設けられるポート通路部３４と、を有する。すなわちアッパジャケット３１には、冷却水の主な流れとして、気筒通路部３３及びポート通路部３４を流れる２つの流れが形成される。

なおこれら気筒通路部３３とポート通路部３４とは、第１の気筒１１ａに対応する排気バルブ孔１４ａの外側及び第４の気筒１１ｄに対応する排気バルブ孔１４ｂの外側と、隣接する排気バルブ孔１４の間でそれぞれ連通している。

一方、ロアジャケット３２は、図３及び図５に示すように、各気筒１１に対応する部分には設けられておらず、集合排気ポート１７の下方に、集合排気ポート１７の下部を覆うように設けられるポート通路部３５によって構成されている。

ここで、アッパジャケット３１とロアジャケット３２とは独立して対向するように設けられている。すなわちアッパジャケット３１及びロアジャケット３２には、別々の経路から冷却水が供給されるように形成されている。

アッパジャケット３１は、シリンダヘッド１０のフロント側に、冷却水が供給される１つのアッパ入口通路部３６を有し、シリンダヘッド１０のリア側にアッパ出口通路部３７を有する。すなわちアッパジャケット３１内には、アッパ入口通路部３６から冷却水が供給され、供給された冷却水は、気筒通路部３３及びポート通路部３４を通過した後に、アッパ出口通路部３７から外部に排出されるようになっている。なおアッパ出口通路部３７は必ずしも一つでなくてもよく、複数設けられていてもよい。

一方、ロアジャケット３２は、シリンダヘッド１０のフロント側に、アッパ入口通路部３６とは独立するロア入口通路部３８を有しており、ロアジャケット３２内には、このロア入口通路部３８から冷却水が供給されるようになっている。またロアジャケット３２は、シリンダヘッド１０のリア側（冷却水の流れ方向の下流側）で、アッパジャケット３１に接続されている。すなわちロアジャケット３２内に供給された冷却水は、ポート通路部３５を通過した後に、アッパジャケット３１のアッパ出口通路部３７を介して外部に排出されるようになっている。

具体的には、ロアジャケット３２は、ポート通路部３５の下流側の端部近傍から気筒１１の列設方向に沿って延在するサブ通路部３９を備えている。一方、アッパジャケット３１は、アッパ出口通路部３７から分岐してサブ通路部３９に向かって延設される分岐通路部４０を有している。そして、ロアジャケット３２のサブ通路部３９は、この分岐通路部４０に接続されている。本実施形態では、サブ通路部３９は、ポート通路部３５との接続部分の直径よりも大径の大径部３９ａを有しており、この大径部３９ａにおいてアッパジャケット３１の分岐通路部４０に接続されている。

つまり本実施形態に係るシリンダヘッド１０においては、ロアジャケット３２内に供給された冷却水は、ポート通路部３５及びサブ通路部３９を通過した後、アッパジャケット３１の分岐通路部４０を介してアッパ出口通路部３７から外部に排出されるようになっている。

なお、ロアジャケット３２が備えるサブ通路部３９は、シリンダヘッド１０を鋳造する際に、ポート通路部３５を形成するための中子を支持する幅木によって形成される空間である。このため、サブ通路部３９の先端部（下流側端部）は開口しているが、このサブ通路部３９の開口は、図示しない封止部材（エキスパンションプラグ）によって封止されている。

このようにロアジャケット３２を構成するポート通路部３５が、ポート通路部３５の下流側の端部近傍から延在するサブ通路部３９を介してアッパジャケット３１の分岐通路部４０に連通されていることで、ロアジャケット３２内のポート通路部３５の冷却水の流れを阻害することなく、ロアジャケット３２内に冷却水を良好に流通させることができる。

またサブ通路部３９が、アッパジャケット３１の気筒通路部３３及びポート通路部３４よりも下流側の分岐通路部４０に接続されているため、アッパジャケット３１の気筒通路部３３及びポート通路部３４の流れが阻害されることもなく、アッパジャケット３１内にも冷却水を良好に流通させることができる。

つまり、アッパジャケット３１とロアジャケット３２のそれぞれに冷却水を良好に流通させることができるため、シリンダヘッド１０の冷却性能を向上することができる。

さらにアッパジャケット３１とロアジャケット３２とは独立して設けられているため、アッパジャケット３１とロアジャケット３２とを接続するには、シリンダヘッド１０を鋳造後に加工する必要がある。すなわち鋳造時には、サブ通路部３９と分岐通路部４０とは分離されているため、その後にシリンダヘッド１０を加工して、サブ通路部３９と分岐通路部４０とを連通させる必要がある。

本実施形態では、ロアジャケット３２のサブ通路部３９が、中子を支持する幅木によって形成された空間であり、その先端部は開口した状態であるため、サブ通路部３９と分岐通路部４０とを連通させるための加工を比較的容易に行うことができる。

ところで、ウォータジャケット３０を構成するアッパジャケット３１及びロアジャケット３２の少なくとも一方のジャケットは、仕切壁２１内に設けられて他方のジャケットに向かって延びる壁内通路部を備えている。本実施形態では、以下に説明するようにアッパジャケット３１及びロアジャケット３２のそれぞれが壁内通路部を備えている。

図６Ａ及び図６Ｂ及び図７に示すように、まずロアジャケット３２のポート通路部３５は、排気ポート１８ｂと、排気ポート１８ｃとの間を仕切る仕切壁２１ｂ内に、アッパジャケット３１に向かって延設される壁内通路部４２を有している。ポート通路部３５は、主に、集合排気ポート１７の下方に、気筒の列設方向に沿って延在しているが、仕切壁２１ｂ内にはアッパジャケット３１に向かって（上方に向かって）延設された壁内通路部４２を有している。この壁内通路部４２は、隣接する２つの排気ポート１８ｂ，１８ｃのそれぞれの内面に沿って、仕切壁２１ｂの高さ方向の中央付近まで延設されている。

一方、アッパジャケット３１のポート通路部３４も、主に、集合排気ポート１７の上方に、気筒の列設方向に沿って延在しているが、仕切壁２１ｂ内にはロアジャケット３２側に向かって（下方に向かって）延設された壁内通路部４３を有している。この壁内通路部４３も、仕切壁２１ｂの高さ方向の中央付近まで延設されている。

仕切壁２１ｂは、複数の排気ポート１８を通過する排気の熱の影響を受けるため温度が上昇し易いが、仕切壁２１ｂ内にこれら壁内通路部４２，４３が設けられていることで、排気熱による仕切壁２１ｂの温度上昇を効果的に抑制することができる。

つまり本実施形態に係るシリンダヘッド１０の構造によれば、仕切壁２１によって排気干渉を抑制することができると共に、ウォータジャケット３０に冷却水を流通させることによるシリンダヘッド１０の冷却性能を向上することができる。

さらに、この仕切壁２１ｂには、ロアジャケット３２の壁内通路部４２とアッパジャケット３１とを連通する連通孔４４が形成されている。本実施形態では、ロアジャケット３２の壁内通路部４２とアッパジャケット３１の壁内通路部４３との境界部分に、両者を連通する連通孔４４が形成されている。すなわちロアジャケット３２の壁内通路部４２の最上部は、連通孔４４を介してアッパジャケット３１の壁内通路部４３に連通している。

ロアジャケット３２の壁内通路部４２は、アッパジャケット３１側（上方）に延設されているため、冷却水に気泡が含まれている場合、その気泡が壁内通路部４２内に停滞し易い。しかしながら、連通孔４４が設けられていることで、気泡が連通孔４４を介してアッパジャケット３１の壁内通路部４３側に排出される。

また、この連通孔４４は、空気抜き用の孔であり、ロアジャケット３２の壁内通路部４２内に滞留する空気が抜ける程度に比較的小さい直径で形成されている。このため、気泡は連通孔４４を通過するが、壁内通路部４２に流通する冷却水が連通孔４４を通過する量は極めて少ない。つまり連通孔４４が形成されていても、アッパジャケット３１とロアジャケット３２とは独立した状態が維持されており、アッパジャケット３１及びロアジャケット３２には、上述したように別々の経路で冷却水が流通する。

したがって、上記連通孔４４が形成されていることで、壁内通路部４２を含むロアジャケット３２及び壁内通路部４３を含むアッパジャケット３１のそれぞれに、冷却水を良好に流通させることができ、仕切壁２１ｂを含むシリンダヘッド１０の各部位をより適切に冷却することができる。

なお、連通孔４４は壁内通路部４２の何れの位置に設けられていてもよいが最上部に設けられていることが好ましい。これにより、壁内通路部４２内の気泡をより確実にアッパジャケット３１側に排出させることができる。また本実施形態では、仕切壁２１ｂに壁内通路部４２，４３を設けた例を説明したが、これらの壁内通路部４２，４３は、他の仕切壁２１ａ、２１ｃに設けることもできる。

上述されるように、本発明の一実施形態が説明された、本開示は、上述の実施形態に限定されない。本開示は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、ロアジャケットのサブ通路部が、アッパジャケットの分岐流路部に接続された構成を例示したが、サブ通路部は、アッパジャケットの何れの部分に接続されていてもよい。

また上述の実施形態では、アッパジャケット及びロアジャケットのそれぞれが、仕切壁に壁内通路部を有する例を説明したが、ロアジャケットのみが壁内通路部を有するようにしてもよいし、アッパジャケットのみが壁内通路部を有するようにしてもよい。またロアジャケットが壁内通路部を有する場合には、ロアジャケットの壁内通路部とアッパジャケットとを連通する連通孔が設けられていることが好ましい。

また上述の実施形態では、多気筒エンジンとして直列４気筒のエンジンを例示して本開示が説明されたが、本開示に係るシリンダヘッドは、直列４気筒のエンジン以外の多気筒エンジンにも適用可能である。

本出願は、２０１８年１２月１９日出願の日本特許出願特願２０１８-２３７７２４に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０ シリンダヘッド
１１ 気筒（シリンダ）
１１ａ～１１ｄ 第１～第４の気筒
１２ 動弁室
１３（１３ａ，１３ｂ） 吸気バルブ孔
１４（１４ａ，１４ｂ） 排気バルブ孔
１５ 吸気ポート
１６ 吸気口
１７ 集合排気ポート
１８（１８ａ～１８ｄ） 排気ポート
１９ 排気集合部
２０ 排気口
２１（２１ａ～２１ｃ） 仕切壁
３０ ウォータジャケット
３１ アッパジャケット
３２ ロアジャケット
３３ 気筒通路部
３４，３５ ポート通路部
３６ アッパ入口通路部
３７ アッパ出口通路部
３８ ロア入口通路部
３９ サブ通路部
３９ａ 大径部
４０ 分岐通路部
４２，４３ 壁内通路部
４４ 連通孔

Claims (5)

1. 複数の気筒にそれぞれ接続される複数の排気ポートと、複数の前記排気ポートが集合するように構成される排気集合部と、を含む集合排気ポートと、
   前記複数のポートのうち互いに隣接する排気ポートの間を仕切るように構成される仕切壁と、
   複数の前記気筒のそれぞれが並んで配置される列方向に冷却水を流すように構成される冷却水通路と、を備え、
   前記冷却水通路は、
   前記集合排気ポートの上方に設けられる上部通路と、
   前記上部通路とは対向して前記集合排気ポートの下方に前記集合排気ポートの下部を覆うように設けられる下部通路と、を含み、
   前記上部通路及び前記下部通路のうち一方の通路が、前記仕切壁内に設けられて他方の通路に向かって延びる第１の壁内通路部を有する、シリンダヘッド。
2. 前記一方の通路は、前記下部通路であり、
   前記下部通路が、前記第１の壁内通路部を有し、
   前記仕切壁内は、前記第１の壁内通路部を介して前記下部通路と前記上部通路とを連通するように構成される連通孔を有する、請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記連通孔が、前記第１の壁内通路部の最上部に設けられている、請求項２に記載のシリンダヘッド。
4. 前記上部通路は、前記仕切壁内に設けられ前記下部通路に向かって延びる第２の壁内通路部を有し、前記第１の壁内通路部と前記第２の壁内通路部が互いに前記連通孔を介して接続されている、請求項２又は３に記載のシリンダヘッド。
5. 複数の前記気筒は、一列に配置された第１の気筒、第２の気筒、第３の気筒、及び第４の気筒を含み、
   前記第１の壁内通路部は、第２の気筒に接続される前記排気ポートと、第３の気筒に接続される前記排気ポートとの間を仕切るように構成された前記仕切壁内に設けられている、請求項１から４の何れか一項に記載のシリンダヘッド。

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