JP7048657B2 - ウォータジャケット - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドを冷却するウォータジャケットに関する。

従来、シリンダヘッドのウォータジャケットの底壁に中央に向かって延びるフィンを備えるものとして、ウォータジャケット部を画定するシリンダヘッド下面側の壁部に、シリンダ中心側に湾曲しつつシリンダヘッドの一方側から他方側に延出するフィンが膨出形成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のものによれば、フィンによって放熱効果を高めることができるとともに、フィンによって、冷却液を中央に寄せることができるため、冷却液が端で淀むことを防止することができる。

特公平７－１０３８２８号公報

従来のシリンダヘッドのウォータジャケットは、シリンダヘッドを冷却する為に滞留の無い均一な流れになるように設定されており、その役割のひとつとしてノッキングを抑制することで燃焼効率を向上させる役割を持っている。

その一方で、近年のウォータジャケットの形状は複雑化しており、部分的に冷却液の滞留が発生し冷却を阻害する場合もある。

その対策として、流路内の壁面にフィンのような突起形状を付与することで、冷却液の流れを制御し滞留を防止すること、接触面積の拡大による冷却性能の向上が図られているが、最適な突起形状を付与しなければ圧力損失の増大によりウォータポンプ効率の悪化が発生する。また、必要以上の突起高さはウォータジャケット中子の成型性やシリンダヘッドの鋳造性を悪化させる原因となり生産性が低下する。

本発明は、以上の点に鑑みて、効率的な冷却を行うことでノッキングを抑制するとともに、ウォータポンプの損失悪化を防ぐことが可能なウォータジャケットを提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明のウォータジャケットは、
シリンダヘッドの燃焼室を形成する燃焼室壁と、
前記燃焼室に連なる吸気ポートを形成する吸気ポート壁と、
前記燃焼室に連なる排気ポートを形成する排気ポート壁と、
燃焼室壁と吸気ポート壁と排気ポート壁とに面し、冷却液がシリンダ列方向に流れる冷却液路と、
前記冷却液路内で吸気ポート壁と排気ポート壁との間を流れる冷却液の流れる方向と直交する方向に延びる複数の突条部と、
前記シリンダ列方向の他端に形成された冷却液を排出するための冷却液流出通路と、
を備え、
前記突条部は、燃焼室壁と吸気ポート壁及び排気ポート壁の少なくとも一方との境界部よりも燃焼室壁側に形成されており、
前記突条部は、突出方向先端に水平部を備え、複数の前記突条部の間には、突出方向基端側に向かって凹んだ滞留部を備え、
前記突条部は吸気ポート壁と排気ポート壁と間の燃焼室壁に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、突条部により熱伝達効率を向上させ、冷却性能を向上させることができる。また、壁面に形成される突条部により壁面剛性が向上し、薄肉化により熱伝達効率をさらに向上させることができる。

また、本発明においては、前記突条部は、突出方向先端に水平部を備え、複数の前記突条部の間には、突出方向基端側に向かって凹んだ滞留部を備えている。

本発明によれば、突条部を形成することによる圧力損失の増加を水平部で抑制することができ、且つ冷却液が突条部に衝突することによる熱伝達効率を向上させることができる。

また、本発明においては、前記突条部は吸気ポート壁と排気ポート壁と間の燃焼室壁に形成されている。

本発明によれば、突条部によって燃焼室廻りの剛性を向上させることができ、且つ、燃焼室壁を薄肉にして熱伝達効率の向上を図ることができる。

［２］また、本発明においては、
前記シリンダヘッドは、シリンダブロックの上に組付けられるものであり、シリンダヘッドのシリンダブロックとの合わせ面と吸気ポート壁底面との境界部、及び前記合わせ面と排気ポート壁底面との境界部を備え、
前記突条部は、前記合わせ面と排気ポート壁底面との境界部に少なくとも形成されていることが好ましい。

本発明によれば、燃焼室直下流の排気ガスを冷却でき、排気ガスの冷却を効果的に行うことができる。また、シリンダヘッドのバルブシート廻りの冷却を効果的に行うことができる。

［３］また、本発明においては、
複数の排気ポートと、排気ポートを合流させる排気集合部と、を有するシリンダヘッドを備えた多気筒の内燃機関に用いられるものであり、
前記排気集合部を覆う集合部冷却液路を備え、
前記集合部冷却液路を流れる冷却液は、前記冷却液路を流れる冷却液よりも流速が高くなるように、前記集合部冷却液路の断面積は小さく、表面積を大きく形成されていることが好ましい。

本発明によれば、冷却液の主流を高温となる排気集合部として排気熱を確実に冷却することができる。また、燃焼室は、突条部による熱伝達効率の向上により確実に冷却することができる。すなわち、定められた冷却液の流速で燃焼室、及び排気集合部を適切に冷却することができる。

発明の実施形態に係る内燃機関の要部のシリンダ列方向に直交する方向の断面図。 シリンダヘッドを下方から見た斜視図。 図１中のIII－III線に沿って示すシリンダヘッドの断面図。 シリンダヘッドの冷却液通路を抜き出して斜め上方から見た斜視図。 シリンダヘッドの冷却液通路を抜き出して斜め下方から見た斜視図。 主冷却液通路の第１突条部を示す説明図。 排気側冷却液路の第２突条部を示す説明図。

以下、図面を参照して、本発明を自動車用内燃機関（以下、単にエンジンＥと記す。）に適用した実施形態について詳細に説明する。以下では、エンジンＥが自動車に搭載された状態を基準として図１に示す上下の方向に従って説明する。

図１及び図２に示すように、エンジンＥは、ＳＯＨＣ４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンである。図１に示すように、エンジンＥは、ピストンが収容される４つのシリンダ１が一列に形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に締結された箱形のシリンダヘッド３と、シリンダヘッド３の上部に締結されたヘッドカバー４とを備えており、シリンダヘッド３を鉛直方向の上側に配置した姿勢で自動車に搭載されている。シリンダブロック２及びシリンダヘッド３は、アルミニウム合金で鋳造される。

シリンダ１は、それぞれ略上下方向に延在し、互いに平行にシリンダブロック２に形成されている。以下、列設された複数のシリンダ１の配列方向をシリンダ列方向という。各シリンダ１は、上端がシリンダブロック２の上端面２ａに開口し、下端がシリンダブロック２の下部に形成されたクランク室（図示しない）に開口している。シリンダブロック２のシリンダ１の側部には、各シリンダ１の側周部を一体に囲むようにブロック内冷却液通路５（ブロック内ウォータジャケット）が形成されている。ブロック内冷却液通路５は、各シリンダ１の側周部に沿うように湾曲しており、ブロック内冷却液通路５の上端はシリンダブロック２の上端面２ａに開口している。ブロック内冷却液通路５は、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させるべく、シリンダブロック２の成型時に砂型などによって空洞として形成される。

シリンダヘッド３のシリンダブロック２との接合面（以下、対ブロック接合面３ａと称する）における各シリンダ１に対向する部分には、曲面状の窪みである燃焼室凹部３ｂが形成されている。各燃焼室凹部３ｂは、各シリンダ１のピストンよりも上方の部分と共に燃焼室６を画定する。つまり、シリンダヘッド３が燃焼室６の上縁を画定している。

シリンダヘッド３の内部には、上流端がシリンダヘッド３のシリンダ列方向に沿う一側面（図１の左側の側面）に開口する一方、二股に分岐した下流端が各燃焼室凹部３ｂの壁面に開口する４つの吸気ポート７と、上流端が各燃焼室凹部３ｂの壁面に２つずつ開口する一方、下流端がシリンダヘッド３のシリンダ列方向に沿う他側面（図１の右側の側面）に開口する１つの排気集合ポート８とが形成されている。

すなわち、排気集合ポート８は、各燃焼室凹部３ｂに開口する複数（８本）の排気ポート８ａと、全ての排気ポート８ａを集合させる排気集合部８ｂとをシリンダヘッド３の内部に有しており、排気集合部８ｂがシリンダヘッド３の他側面に単一の排気出口８ｃを形成している。燃焼室凹部３ｂを基準として吸気ポート７が設けられた側を吸気側、排気集合ポート８が設けられた側を排気側とする。

シリンダヘッド３には、吸気ポート７の燃焼室６との各接続部を開閉する吸気バルブ９及び排気集合ポート８の燃焼室６との各接続部を開閉する排気バルブ１０が、それぞれ摺動自在に設けられている。シリンダヘッド３とヘッドカバー４との間には、両者によって動弁室１１が画定され、動弁室１１には、吸気バルブ９及び排気バルブ１０を開弁駆動する動弁機構１２が収容されている。動弁機構１２は、シリンダヘッド３に回転可能に取り付けられるカムシャフト１３、カムシャフト１３の上方に配置されるロッカシャフト１４、ロッカシャフト１４により揺動可能に支持される吸気ロッカアーム１５及び排気ロッカアーム１６等により構成される。カムシャフト１３には、シリンダ１毎に一対の吸気バルブ９及び排気バルブ１０を駆動する４つの動弁カム１３ａが形成されている。

図２に示すように、排気出口８ｃは、シリンダヘッド３の排気側側面３ｃにおける長手方向の中間位置に形成されている。また、燃焼室凹部３ｂの壁面における４つの吸気ポート７及び排気集合ポート８の中央には、点火プラグ（図示しない）を挿入するための点火プラグ挿入孔１７がシリンダヘッド３の上面に貫通するように形成されている。

図１及び図２に示すように、排気集合部８ｂは、シリンダヘッド３の対ブロック接合面３ａよりも排気側に形成されている。より具体的には、排気出口８ｃがシリンダヘッド３の排気側側面３ｃにおいて突出する管状の排気出口管状部１８により画定され、シリンダヘッド３の排気出口管状部１８及びその近傍が、シリンダブロック２に対して側方に膨出して排気集合部８ｂを形成する膨出部１９をなしている。

排気出口管状部１８の先端面は、図示しない過給機（ターボチャージャ）のタービンや排気浄化装置などの下流側排気通路部材２０の接合面１８ａをなす。そして、排気出口管状部１８の先端には、下流側排気通路部材２０をボルトで締結するための締結ボス２１が排気出口８ｃを囲むように複数（図示例では４つ）形成されている。一方、膨出部１９の下面には、対ブロック接合面３ａの周縁からそれぞれ締結ボス２１に至るように２本のリブ２２が形成されている。これらのリブ２２は、シリンダ列に対して近接離反する方向である前後方向に延在しており、締結ボス２１から対ブロック接合面３ａに向けて開くハ字形をなしている。

前述したようにシリンダブロック２及びシリンダヘッド３の前方には過給機や排気浄化装置などの下流側排気通路部材２０が配置され、エンジンＥの始動後にはこれらが高温になる。そのため、シリンダブロック２に対して側方に膨出するシリンダヘッド３の膨出部１９は、過給機や排気浄化装置から熱伝導、放射及び対流によって熱が伝達しやすく、特に下面が高温になりやすい。そして膨出部１９の下面が高温になると、熱膨張に伴う変形によってシリンダヘッド３と下流側排気通路部材２０とのシール性が低下しがちであるが、本実施形態では膨出部１９の下面にシリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブ２２が形成されることにより、膨出部１９の変形が抑制されるようになっている。

図１及び図３～図５に示すように、シリンダヘッド３の内部には、燃焼室６内や排気集合ポート８内の燃焼ガスからの熱伝搬による温度上昇を抑制するために、燃焼室凹部３ｂ、吸気ポート７及び排気集合ポート８の周辺にヘッド内冷却液通路３０（３１～３９、ヘッド内ウォータジャケット）が形成されている。ヘッド内冷却液通路３０も、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させるべく、シリンダヘッド３の成型時に砂型などによって空洞として形成されるが、図４及び図５では、シリンダヘッド３を透視して空間部分であるヘッド内冷却液通路３０を実体的に示している。

ヘッド内冷却液通路３０は、主冷却液通路３１、上排気側冷却液通路３２、下排気側冷却液通路３３、排気側連結通路３４、吸気側冷却液通路３５、及び吸気側連結通路３６等を主要素として有している。主冷却液通路３１は、複数の燃焼室凹部３ｂの上方近傍を通過するようにシリンダヘッド３のシリンダ列方向（長手方向）に延在している。上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３は、排気集合部８ｂを上下から挟むように配置され、それぞれシリンダヘッド３の長手方向に延在している。排気側連結通路３４は、主冷却液通路３１と上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３とを連通する。吸気側冷却液通路３５は、吸気ポート７の下方に配置され、シリンダヘッド３の長手方向に延在している。吸気側連結通路３６は、主冷却液通路３１と吸気側冷却液通路３５とを連通する。

図２中の破線は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とが締結された際に、ブロック内冷却液通路５の上端が接する部分を示している。ブロック内冷却液通路５では、白抜き矢印に示すように冷却液が流通する。シリンダ列方向の一端でブロック内冷却液通路５の上端が対ブロック接合面３ａに接する部分には、対ブロック接合面３ａからシリンダヘッド３内を上方へと延びてヘッド内冷却液通路３０に連通する冷却液流入通路３７が２つ形成されている。２つの冷却液流入通路３７は、ヘッド内冷却液通路３０のシリンダ列方向の一端側に配置された排気側連結通路３４及び吸気側連結通路３６にそれぞれ連通しており、ブロック内冷却液通路５から冷却液を流入させる。

また、ブロック内冷却液通路５の上端が対ブロック接合面３ａに接する破線部分のうち、冷却液流入通路３７よりもシリンダ列方向の他端側には、対ブロック接合面３ａからシリンダヘッド３内を上方へ延びてヘッド内冷却液通路３０に連通するバイパス通路３８が適所に形成されている。バイパス通路３８は、ヘッド内冷却液通路３０の排気側連結通路３４、下排気側冷却液通路３３、吸気側連結通路３６又は吸気側冷却液通路３５に連通している。各バイパス通路３８は、冷却液流入通路３７よりも流路断面積が小さく形成されている。

図４及び図５に示すように、上排気側冷却液通路３２におけるシリンダ列方向の他端（冷却液流入通路３７が設けられた側と異なる端部）には、冷却液をヘッド内冷却液通路３０から排出するための冷却液流出通路３９が形成されている。冷却液流出通路３９の外端は、配管やホース等を介してラジエータ（図示しない）へと連通されている。主冷却液通路３１、上排気側冷却液通路３２、下排気側冷却液通路３３及び吸気側冷却液通路３５では、図３に黒色矢印で示すように冷却液がシリンダ列方向に流通する。

図６に示すように、燃焼室６を画定する燃焼室壁と吸気ポート７を画定する吸気ポート壁と排気ポート８ａを画定する排気ポート壁とに面し、且つ冷却液が流れる主冷却液通路３１には、吸気ポート壁と排気ポート壁と間の燃焼室壁に位置させて、主冷却液通路３１内で吸気ポート壁と排気ポート壁との間を流れる冷却液の流れる方向と直交する方向に延びる複数の第１突条部１０１が設けられている。

図７に示すように、隣り合う排気側連結通路３４の間及び／又は隣り合う吸気側連結通路３６の間には、複数の第２突条部１０３が設けられている。

第１突条部１０１及び第２突条部１０３には、突出方向先端に水平部１０１ａ、１０３ａが設けられている。また、隣接する第１突条部１０１同士と隣接する第２突条部１０３同士の夫々の間には、突出方向基端側に向かって凹んだ滞留部１０１ｂ、１０３ｂが設けられている。

本実施形態においては、第１突条部１０１及び第２突条部１０３を、突出する高さ０．２５ｍｍ、幅０．５ｍｍ～２．０ｍｍ、間隔２．５ｍｍ～７．５ｍｍに設定した。なお、本発明の突条部は、この数値に限定されるものではなく、エンジンＥの種類や仕様、ウォータジャケットの形状などに応じて適宜設定することが好ましい。

また、本実施形態のウォータジャケットとしてのヘッド内冷却液通路３０においては、排気集合部を覆う集合部冷却液路としての上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３を備えている。

集合部冷却液路としての上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３を流れる冷却液は、冷却液路としての主冷却液通路３１を流れる冷却液の流速よりも高く（速く）なるように、上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３の断面積は小さく、表面積を大きく形成されている。

本実施形態のウォータジャケットとしてのヘッド内冷却液通路３０によれば、第１突条部１０１及び第２突条部１０３により熱伝達効率を向上させ、冷却性能を向上させることができる。また、ヘッド内冷却液通路３０の壁面に形成される第１突条部１０１及び第２突条部１０３により壁面剛性が向上し、ヘッド内冷却液通路３０を画定する壁の薄肉化による熱伝達効率も向上させることができる。

また、本実施形態によれば、第１突条部１０１及び第２突条部１０３を形成することにより圧力損失の増加を突出方向先端の水平部１０１ａ、１０３ａで抑制することができ、且つウォータジャケットとしてのヘッド内冷却液通路３０内を流れる冷却液が第１突条部１０１及び第２突条部１０３の側面に衝突することによって熱伝達効率を向上させることができる。

また、ヘッド内冷却液通路３０内を流れる冷却液は、第１突条部１０１及び第２突条部１０３を乗り越えた後、滞留部１０１ｂ、１０３ｂに流れる。

また、本実施形態においては、第１突条部１０１は吸気ポート７を画定する吸気ポート壁と排気ポート８ａを画定する排気ポート壁と間の燃焼室６を画定する燃焼室壁に形成されている。この第１突条部１０１によって燃焼室６廻りの燃焼室壁の剛性を向上させることができ、且つ、燃焼室壁を薄肉にして熱伝達効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上に組付けられるものであり、シリンダヘッド３は、シリンダブロック２との合わせ面と吸気ポート壁底面との境界部、及びシリンダブロック２との合わせ面と排気ポート壁底面との境界部を備えている。

図７に示すように、第２突条部１０３は、シリンダブロック２との合わせ面と吸気ポート壁底面との境界部、及びシリンダブロック２との合わせ面と排気ポート壁底面との境界部に形成されている。これにより、本実施形態によれば、燃焼室６に臨む排気ポート８の直下の排気ガスを冷却して、排気ガスの冷却を効果的に行うことができる。また、燃焼室８に臨むバルブシート廻りの冷却を効果的に行うことができる。なお、本発明の第２突条部は、少なくともシリンダブロック２との合わせ面と排気ポート壁底面との境界部に形成されていればよく、必ずしも、シリンダブロック２との合わせ面と吸気ポート壁底面との境界部に第２突条部を設けなくともよい。

また、本実施形態のウォータジャケットとしてのヘッド内冷却液通路３０は、複数の排気ポート８ａと、排気ポート８ａを合流させる排気集合部８ｂと、を有するシリンダヘッド３を備えた多気筒の内燃機関としてのエンジンＥに用いられるものである。

ヘッド内冷却液通路３０は、排気集合部８ｂを覆う集合部冷却液路としての上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３を備えている。

集合部冷却液路としての上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３を流れる冷却液は、冷却液路としての主冷却液通路３１を流れる冷却液の流速よりも高く（速く）なるように、上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３の断面積は小さく、表面積を大きく形成されている。

本実施形態によれば、冷却液の主流を高温となる排気集合部８ｂとして排気熱を確実に冷却することができる。また、燃焼室６は、第１突条部１０１及び第２突条部１０３による熱伝達効率の向上により少ない流量でも確実に冷却することができる。すなわち、定められた冷却液の流量で燃焼室６、及び排気集合部８ｂを適切に冷却することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明を自動車用の４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンに適用しているが、他の用途に用いる異なる形式の内燃機関に適用してもよい。また上記実施形態では、排気出口８ｃが１つだけ形成されているが、互いに近接する２つの気筒毎に２つの排気出口８ｃが形成され、複数の排気集合部８ｂがシリンダヘッド３内に形成されてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るシリンダヘッド３の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択してもよい。

１ シリンダ
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
３Ｓ 側壁
６ 燃焼室
７ 吸気ポート
８ 排気集合ポート
８ａ 排気ポート
８ｂ 排気集合部
８ｃ 排気出口
１１ 動弁室
１８ 排気出口管状部（排気出口を画定する部分）
１９ 膨出部
３０ ヘッド内冷却液通路
３２ 上排気側冷却液通路
３３ 下排気側冷却液通路
１０１ 第１突条部
１０１ａ 水平部
１０１ｂ 滞留部
１０３ 第２突条部
１０３ａ 水平部
１０３ｂ 滞留部
Ｅ エンジン

Claims (3)

1. シリンダヘッドの燃焼室を形成する燃焼室壁と、
   前記燃焼室に連なる吸気ポートを形成する吸気ポート壁と、
   前記燃焼室に連なる排気ポートを形成する排気ポート壁と、
   燃焼室壁と吸気ポート壁と排気ポート壁とに面し、冷却液がシリンダ列方向に流れる冷却液路と、
   前記冷却液路内で吸気ポート壁と排気ポート壁との間を流れる冷却液の流れる方向と直交する方向に延びる複数の突条部と、
   前記シリンダ列方向の他端に形成された冷却液を排出するための冷却液流出通路と、
   を備え、
   前記突条部は、燃焼室壁と吸気ポート壁及び排気ポート壁の少なくとも一方との境界部よりも燃焼室壁側に形成されており、
   前記突条部は、突出方向先端に水平部を備え、複数の前記突条部の間には、突出方向基端側に向かって凹んだ滞留部を備え、
   前記突条部は吸気ポート壁と排気ポート壁と間の燃焼室壁に形成されていることを特徴とするウォータジャケット。
2. 請求項１に記載のウォータジャケットにおいて、
   前記シリンダヘッドは、シリンダブロックの上に組付けられるものであり、シリンダヘッドのシリンダブロックとの合わせ面と吸気ポート壁底面との境界部、及び前記合わせ面と排気ポート壁底面との境界部を備え、
   前記突条部は、前記合わせ面と排気ポート壁底面との境界部に少なくとも形成されていることを特徴とするウォータジャケット。
3. 請求項２に記載のウォータジャケットにおいて、
   複数の排気ポートと、排気ポートを合流させる排気集合部と、を有するシリンダヘッドを備えた多気筒の内燃機関に用いられるものであり、
   前記排気集合部を覆う集合部冷却液路を備え、
   前記集合部冷却液路を流れる冷却液は、前記冷却液路を流れる冷却液よりも流速が高くなるように、前記集合部冷却液路の断面積は小さく、表面積を大きく形成されていることを特徴とするウォータジャケット。

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