JP7103895B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。

内燃機関には、排気ガスを排出する排気ポートが各気筒に対応して形成されているが、近年、コンパクト化や熱効率向上等のために、シリンダヘッドの内部に排気集合部を形成して、排気側面には１つの排気出口穴が開口しただけの形態にすることが普及している。

シリンダヘッドの内部に排気集合部を形成すると、当該排気集合部が受ける熱量が高くなるため、冷却性も高くする必要がある。そこで、排気側のウォータジャケットを排気集合部（排気通路）の上と下とに形成している。

他方、シリンダヘッドには動弁機構やＶＶＴ装置などが配置されており、これらで使用したオイルは、シリンダヘッドの底部に集められてオイル落とし通路からオイルパンに戻されているが、オイルも昇温するため、オイルはできるだけ冷却するのが好ましい。

そこで、特許文献１には、オイル落とし通路及びヘッドボルト挿通穴が形成された共通ボス部をウォータジャケットの近くに位置させることにより、オイルの冷却促進を図ることが開示されている。

特開２０１５－１２１１１６号公報

特許文献１では、オイル落とし通路及びヘッドボルト挿通穴が空いている共通ボス部の一部が冷却水に晒されため、オイルの冷却性に貢献できるが、冷却水は、オイル落とし通路とヘッドボルト挿通穴とが形成されているボス部の一部にしか接触しないため、オイルの冷却性向上の面ではまだ改良の余地があった。

また、オイル落とし通路とヘッドボルト挿通穴とが形成されている共通ボス部は冷却水によって不均一に冷却されるため、熱ひずみが発生しやすくなるおそれもある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「複数の気筒から排出された排気ガスを１つの排気出口穴に集める排気通路と、冷却水がクランク軸線方向に流れる排気側ウォータジャケットと、動弁装置その他の機構部で使用されたオイルを下方に流下させるオイル落とし通路と、ヘッドボルトが挿通されるヘッドボルト挿通穴の群とが形成されており、
前記オイル落とし通路と１つのヘッドボルト挿通穴とが、前記排気側ウォータジャケットの内部に配置されて全周が冷却水に晒される柱状ボス体を有する共通ボス部に形成されている」
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、
「前記排気側ウォータジャケットは、前記排気通路の上に配置された排気側上ウォータジャケットと、前記排気側上ウォータジャケットの下に配置された排気側下ウォータジャケットとを有していて、排気側上ウォータジャケットと排気側下ウォータジャケットとは、前記排気通路よりも下流側の部位において板状部によって区分されており、
前記柱状ボス体は前記板状部の上下両側に位置するように形成されており、かつ、前記板状部のうち前記柱状ボス体よりも下流側の部位に、前記排気側上ウォータジャケットの冷却水出口部と排気側下ウォータジャケットの冷却水出口部とを連通させる切欠き穴を形成している」
という構成になっている。

本願発明によると、オイル落とし通路が形成されている共通ボス部は、全周が冷却水に晒された柱状ボス体を有するため、オイル及び共通ボス部の冷却性能を大きく向上できる。そして、柱状ボス体は全体が均等に冷却されるため、シリンダヘッドの熱ひずみを防止又は抑制できる。その結果、動弁装置などの機器の滑らかな作動を確保することができると共に、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に浮きが発生することを防止して、エンジンのシール性向上にも貢献できる。

排気側ウォータジャケットを、排気側上ウォータジャケットと排気側下ウォータジャケットとの複合構造に形成すると、排気通路が上下から冷却されるため、高い冷却性能を確保できる。そして、このように排気側上ウォータジャケットと排気側下ウォータジャケットとを形成した場合、両者の下流端部に冷却水出口部を設けて、両冷却水出口部を連通させる必要があるが、冷却水出口部が排気通路に近過ぎると、冷却水出口部の容積が大きくなり過ぎて流れの乱れなどが発生して、冷却水のスムースな流れが阻害されるそれがある。

この点、本願発明のように、排気側下ウォータジャケットと排気側上ウォータジャケットとの下流側端部を板状部で仕切ると、上下の排気側上ウォータジャケットから排出された冷却水が排気通路の下流直下部で過剰に混ざりあうことを防止して、上下の排気側ウォータジャケットにおいて、冷却水に、冷却水出口部に向かう流れの方向性を付与できる。その結果，冷却水の流れをスムース化できる。

しかも、上下の冷却水出口部は切欠き穴によって連通しているため、上下のウォータジャケットにおいて流量にバラツキがあっても、上下のウォータジャケットを流れてきた冷却水は出口部において互いに混ざり合う。従って、上下の冷却水出口部において流量が相違することによって圧損が大きくなったり、一方の冷却水出口部に空気が混入してキャビテーションが発生するような不具合は生じない。この面でも、冷却水の流れをスムース化できる。更に、板状部は補強リブの役割を果たすため、シリンダヘッドの剛性向上にも貢献できる。

また、本願発明では、オイル落とし通路を、排気側上ウォータジャケットの箇所において全周に冷却水が接触する柱状ボス部に形成しているため、オイルがオイル落とし通路に入るとすぐに冷却されてコーキング（焦げつき）の発生を防止できる。更に、共通ボス部は、板状部の下方の排気側下ウォータジャケットにおいても冷却水に晒されるため、共通ボス部が熱膨張することを抑制して、締結強度の向上やシール性向上に貢献できる。

更に、本願発明では、板状部は、排気通路を囲う部分で受けた熱をウォータジャケットに伝熱する放熱フィンの役割を果たすため、暖機後の運転時には、排気通路の内部が過剰に昇温することを抑制できる。従って、排気ガスの過剰昇温を抑制できると共に、シリンダヘッドの熱ひずみも抑制できる。更に、板状部からの冷却水に放熱されることにより、排気通路から共通ボス部への伝熱量を抑制できるため、オイル落とし通路を流れるオイルの冷却性能を向上できる。この点、上記したコーキング発生防止の効果を助長できる。更に、板状部の下方においても柱状ボス体を配置しているため、冷却性能を更に向上できて好適である。

他方、暖機運転時時や寒冷環境下での運転では、排気通路の熱が板状部を介してオイル落とし通路に伝達されるため、オイルを早期昇温させてメカロスの低減に貢献できる。また、柱状ボス体は板状部を補強する役割を果たすため、排気側ウォータジャケットの容積をできるだけ大きくしつつ、シリンダヘッドに高い剛性を保持させることができる。

また、自動車用内燃機関のシリンダヘッドは、一般にアルミを材料にした鋳造品が採用されているが、板状部を設けると、鋳型のうち板状部の部分は空所になっているため、鋳造に際して湯の流れをスムース化して、不良品発生率を低減させることができる。

実施形態のシリンダヘッドを排気側面の側から見た斜視図である。 シリンダヘッドの底面図である。 図１及び図７のIII-III 平断面図である。 図１の IV-IV視平断面図（排気通路を表示した平断面図）である。 図１の V-V視平断面図（排気側上ウォータジャケットを表示した平断面図）である。 排気側上ウォータジャケットである中子の分離平面図である。 シリンダヘッドの排気側面を部分的に切除した破断斜視図である。 シリンダヘッドの排気側面を部分的に切除した破断斜視図である。 シリンダヘッドの上面部を部分的に切除した斜視図である。

(1).概要
次に、本願発明を自動車用内燃機関のシリンダヘッドに適用した実施形態を、図面に基づいて説明する。まず、概要を説明する。図１から理解できるように、本実施形態のシリンダヘッドは３気筒内燃機関のものであり、周壁１，１ａで囲われた内部に、クランク軸線方向に沿って３つの中心筒２が形成されている。

本実施形態では、方向を特定するため前後・左右の文言をするが、前後方向はクランク軸線方向（カム軸の軸線方向）であり、左右方向は、クランク軸線及び気筒軸線と直交した方向である。前と後ろは、一般的な呼び方に基づき、タイミングチェーンが配置されている側を前、ミッションケースが配置されている側を後ろとしている。念のため、図１，２に方向を明示している。

図１に示すように、シリンダヘッドの内部には、既述のとおり、イグニッション装置が挿入される中心筒２がクランク軸線方向に３つ並んでおり、かつ、内部は、中心筒２に繋がった仕切り壁３によって前後に仕切られている。各仕切り壁３と前壁１ａとには、カム軸の下半部が嵌まる半円状の軸受け部４を形成している。

シリンダヘッドの後部には、冷却水分配部５を設けており、冷却水分配部５には、ラジエータ送りポート６やラジエータ戻りポート７などのポートが開口している。また、シリンダヘッドの排気側面８のうち前側に寄った部位に、左右横長の小判形に形成された１つの排気出口穴９が開口している。排気出口穴９は、周壁１から突出したランド部１０に形成されている。

本実施形態では、排気出口穴９に排気ターボ過給機（図示せず）が接続されるようになっており、そこで、既述のとおり、排気出口穴９は前側に寄せて配置されている。すなわち、排気ターボ過給機の出口穴が後ろ向きに開口しており、この出口穴に触媒ケースが接続されるが、触媒ケースが機関本体の後ろにはみ出ることを防止するため、排気出口穴９を前側に寄せている。

図２に示すように、シリンダヘッドの下面には、３つの燃焼室１１が形成されており、燃焼室１１には、各気筒に対応して２つずつの吸気ポート１２と排気ポート１３とが開口している。また、シリンダヘッドの下面のうち前部には、シリンダブロックのウォータジャケットを経由した冷却水が流入する３つの流入穴１４が、周方向に並んで開口している。

図２に示すように、シリンダヘッドのうち気筒列を挟んだ左右両側に、シリンダヘッドをシリンダブロックに固定するためのヘッドボルト挿通穴１５が空いている。ヘッドボルト挿通穴１５は、燃焼室１１の群を囲うように全部で８箇所形成されている。

また、シリンダヘッドのうち排気側面８の側でかつ後ろ側には、端部のヘッドボルト挿通穴１５に近づけた状態でオイル落とし通路１６が上下に貫通している。オイル落とし通路１６は、後端に位置した１つのヘッドボルト挿通穴１５よりも少し前側で、かつ、少し排気側面８の側に配置している。従って、オイル落とし通路１６と１つのヘッドボルト挿通穴１５とは、いわば、１つの気筒の外周方向に並ぶように形成されている。

シリンダヘッドの下面には、燃焼室１１を囲うように多数のダミー穴１７が開口しているが、これらは、シリンダヘッドを鋳造するにおいて、後述する排気側下ウォータジャケットを形成するための中子を砂型内に保持するための足の名残であり、シリンダブロックのウォータジャケットとダミー穴１７とは、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に介在させたガスケットによって分断されている。

図２に示すように、各燃焼室１１の中心部には、点火プラグを取り付ける中心穴１８が開口している。また、シリンダヘッドの下面のうち吸気側面１９の側でかつ前側には、冷却水をシリンダブロックの内部に戻す前後長手の冷却水還流穴２０が空いている。

(2).排気通路とその関連部位
次に、シリンダヘッドの内部構造を説明する。まず、排気部を説明する。図４に示すように、１つの気筒に対応して２つずつの排気ポート１３が形成されており、一対の排気ポート１３は１つの枝集合部１３ａに集合し、更に、３つの枝集合部１３ａが１つの排気出口穴９に集合している。従って、排気ポート１３や枝集合部１３ａの群などにより、排気通路（排気空洞部）２２が形成されている。

そして、平断面視で見た排気通路２２の輪郭は、気筒列中心線２３に向いた側では櫛歯状になっていて、排気側面８の側に位置した外側では、気筒列中心線２３から徐々に遠ざかりながら排気出口穴９に向かう緩い曲面２２ａ，２２ｂになっている。逆に述べると、排気通路２２の内面のうち排気側面８の側に位置した外側部分は、排気出口穴９から遠ざかるに従って気筒列中心線２３に近づく緩い曲面２２ａ，２２ｂになっている。

そして、排気出口穴９が前側に寄っているため、排気出口穴９よりも上流側の外側曲面２２ａは排気出口穴９に向けて急激に傾斜している一方、排気出口穴９よりも下流側の外側曲面２２ｂは、排気出口穴９に向けて緩く傾斜している。従って、排気通路２２は、排気出口穴９を挟んで前後非対称の形状になっている。

シリンダヘッドの内部のうち排気通路２２の高さ位置には、気筒列中心線２３に沿って延びる吸気側ジャケット２４が形成されている。吸気側ジャケット２４の上流端は流入穴１４と連通しており、吸気側ジャケット２４を通過した冷却水は、冷却水配部５に形成した上冷却水出口部２５ａに流れ込む。既述のラジエータ送りポート６は、上冷却水出口部２５ａと連通している。

図３，４等に示すように、オイル落とし通路１６とその近傍に位置した１つのヘッドボルト挿通穴１５とは、共通ボス部２７に形成されている（詳細は後述する。）。

冷却水配部５のうち吸気側面１９に寄った部位に、冷却水還流空所２９が形成されており、冷却水還流空所２９には、ラジエータ戻りポート７が形成されている。

(3).排気側下ウォータジャケットとその関連部位
図３に示すように、シリンダヘッドの排気通路２２の下方部のうち、気筒列中心線２３を挟んで排気側面８の側には排気側下ウォータジャケット３０が形成されている。吸気側ジャケット２４の上流端部は２つの流入穴１４と連通しており、排気側下ウォータジャケット３０の上流端部（始端部）は、１つの流入穴１４と連通している。

図３に示すように、排気側下ウォータジャケット３０のうち前後両端の間の部位は、前後方向に長い隔壁３１によって左右に分離している。隔壁３１は強度を確保するためのものであり、中間部の２つのヘッドボルト挿通穴１５は隔壁３１に形成されている。

図４に示すように、排気通路２２の手前側には、排気側フロントジャケット２６が形成されている。排気側フロントジャケット２６は排気側下ウォータジャケット３０と連通しており、排気側フロント通路２６の後端が下却水出口部２５ｂと連通している（従って、排気側フロント通路２６は、排気側下ウォータジャケット３０の一部と云える。）。

図３に示すように、排気側下ウォータジャケット３０と同じ高さ位置のうち吸気側面１９の側には、冷却水をシリンダブロックに戻す前後長手の冷却水還流通路３２が形成されている。冷却水還流通路３２は、図４に示す冷却水還流空所２９と連通しており、冷却水還流空所２９から冷却水還流通路３２に流入した冷却水は、冷却水還流穴２０を経由してシリンダブロック内部に戻ってウォータポンプに吸引される。

(4).排気側上ウォータジャケットとその関連部位
排気通路２２の上方には、図５に示すように、排気側上ウォータジャケット３４が形成されている。排気側上ウォータジャケット３４と吸気側ジャケット２４とは、隔壁３５によって左右に区分されている。図４に示すように、吸気側ジャケット２４の前端部には、２つの流入穴１４が連通している。なお、図５は、図１に明示するように、背面視で吸気側に向けて低くなるように傾斜した平面で切断している。このため、図５には吸気ポート１２が現れている。

図５、７に示すように、排気側下ウォータジャケット３０の前端部と排気側上ウォータジャケット３４の前端部とは、フロント連通口４３を介して連通している。従って、１つの流入穴１４から排気側下ウォータジャケット３０に流入した冷却水の一部は、フロント連通口４３を通って排気側上ウォータジャケット３４に流入する。フロント連通口４３は、中子の製造上の制約によってシリンダヘッドの前面に開口しているが、この開口はプラグ４４によって塞がれている。

図７，８から容易に理解できるように、排気側上ウォータジャケット３４のうち排気通路２２よりも下流側の部位と、排気側下ウォータジャケット３０のうち排気通路２２よりも下流側の部位とは、板状部３７によって上下に区分されており、板状部３７で区分された上下の空間が、ラジエータ送りポート６と連通した上下の冷却水出口部２５ａ，２５ｂになっている。換言すると、排気側上ウォータジャケット３４の上冷却水出口部２５ａと、排気側下ウォータジャケット３０の下冷却水出口部２５ｂとが板状部３７によって仕切られており、両者はラジエータ送りポート６と連通している。

そして、共通ボス部２７は、板状部３７と直交する状態で形成されているが、共通ボス部２７は、板状部３７の上下両側において、その全周が排気側上下ウォータジャケット３４，３０に露出した柱状ボス体２７ａとなっている。

従って柱状ボス体２７ａは、上下ウォータジャケット３４，３０で、その全周が冷却水に晒されている。柱状ボス体２７ａと隔壁３５との間、及び、柱状ボス体２７ａと外壁３６との間には僅かの隙間しか空いていない。このため、冷却水は柱状ボス体２７ａの左右両側の隙間を速い流速で通過する。従って、柱状ボス体２７ａの冷却性に優れている。

図７に示すように、排気側下ウォータジャケット３０の後部の底面は、その前の部分に比べて少し高くなっている。そして、図３は、図７に示す切断線のとおり、高くなっている部分で切断しているため、図３では、共通ボス部２７は排気側下ウォータジャケット３０のみに露出した状態に表示されているが、実際には、共通ボス部２７は、排気側下ウォータジャケット３０の箇所でも柱状ボス体２７ａになっている。図３では、排気側下ウォータジャケット３０に露出した柱状ボス体２７ａを点線で表示している。

図８や図９等に示すように、板状部３７の端部に、ラジエータ送りポート６に連通した切欠き穴３８を形成することにより、上下の冷却水出口部２５ａ，２５ｂを連通させている。従って、上下の冷却水出口部２５ａ，２５ｂに至って冷却水は、互いに混ざり合ってからラジエータ送りポート６に流入する。切欠き穴３８は角穴（四角穴）に形成しているが、円形や楕円形などであってもよい。

実施形態では、オイル落とし通路１６及び１つのヘッドボルト挿入穴１５は、排気側の上下ウォータジャケット３４，３０の箇所に設けた柱状ボス体２７ａに形成されているため、オイルがオイル落とし通路１６に入るとすぐに冷却されてコーキングの発生を防止できる。また、柱状ボス体２７ａは、板状部３７の上下両側で冷却水に晒されるため、柱状ボス体２７ａが熱膨張することを抑制して、締結強度や高いシール性を確保できる。

また、既に述べたが、板状部３７によって冷却水の流れに方向性を付与しつつ、上下の冷却水出口部２５ａ，２５ｂの冷却水を切欠き穴３８によって混合させることにより、上下の冷却水出口部２５ａ，２５ｂでの冷却水の流れの偏りを無くして、冷却水をラジエータ送りポート６にスムースに送ることできる。板状部３７が放熱フィンの役割や鋳造時の湯の流れを向上させる役割を有することも、既に述べたとおりである。

更に、熱ひずみの点を補足すると、図５に示すように、排気通路２２を貫通するヘッドボルト挿通穴１５のうちボア間部の外に位置したヘッドボルト挿通穴１５は、全周を排気側上ウォータジャケット３４に露出させた中間ボス部４１に形成されているが、受熱量が大きくてオイル落とし通路１６の近くに位置したヘッドボルト挿通穴１５も、全周を排気側の上下ウォータジャケット３４，３０に露出させた共通ボス部２７に形成されているため、各ボス部２７，４１の熱膨張を均一化して、シリンダヘッドの熱ひずみを抑制できるのである。

図５に示すように、吸気側ジャケット２４を挟んで排気側上ウォータジャケット３４と反対側（すなわち吸気側面１９の側）には、既述の冷却水還流通路３２が前後方向に長く形成されている。冷却水還流通路３２は、冷却水還流穴２０と連通している。

本実施形態を適用した内燃機関では、ウォータポンプはシリンダブロックに設けており、冷却水は、シリンダブロックを冷却してから流入穴１４を経由してシリンダヘッドのジャケット２４，３０，３４に流入し、次いで、ラジエータを経由して（又は経由することなく）、冷却水還流空所２９、冷却水還流通路３２、冷却水還流穴２０の順で流れてシリンダブロックに設けた戻り通路に流入し、ウォータポンプに吸引される。

図５に示すように、シリンダヘッドのうち冷却水還流空所２９と吸気側ジャケット２４とを区分する隔壁３９には貫通穴４０が空いている。この貫通穴４０は、シリンダヘッド内での冷却水の圧力が所定圧より高くなったときに冷却水を冷却水還流空所２９に逃がすためのものであり、逆止弁（図示せず）によって開閉される。

なお、ラジエータ戻りポート７はサーモ弁によって開閉される。ラジエータ戻りポート７が閉じている状態では、冷却水は貫通穴４０から冷却水還流空所２９に流入して、冷却水還流通路３２を経由してウォータポンプに吸引される。

図６では、ウォータジャケット２４，３０，３４のみを表示している。この図では、吸気側ジャケット２４と排気側下ウォータジャケット３０とを一体に表示して、排気側上ウォータジャケット３４は分離して表示しているが、これは、シリンダヘッドを鋳造するに当たって、排気側上ウォータジャケット３４が、吸気側ジャケット２４及び排気側下ウォータジャケット３０とは別の中子で形成されることを意味している。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えは、吸気側ジャケットや排気側上ウォータジャケット、排気側下ウォータジャケットの形状は適宜変更できる。実施形態では、共通ボス部の柱状ボス体を排気側の上下ウォータジャケットに配置したが、いずれか一方のみに配置す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。

６ ラジェータ送りポート
７ ラジェータ戻りポート
８ 排気側面
９ 排気出口穴
１５ ヘッドボルト挿通穴
１６ オイル落とし通路
１９ 吸気側面
２２ 排気通路
２３ 気筒列中心線
２５ａ 上冷却水出口部
２５ｂ 下冷却水出口部
２７ 共通ボス部
２７ａ 柱状ボス体
３０ 排気側下ウォータジャケット
３４ 排気側上ウォータジャケット
３７ 板状部
３８ 切欠き穴

Claims (1)

1. 複数の気筒から排出された排気ガスを１つの排気出口穴に集める排気通路と、冷却水がクランク軸線方向に流れる排気側ウォータジャケットと、動弁装置その他の機構部で使用されたオイルを下方に流下させるオイル落とし通路と、ヘッドボルトが挿通されるヘッドボルト挿通穴の群とが形成されており、
   前記オイル落とし通路と１つのヘッドボルト挿通穴とが、前記排気側ウォータジャケットの内部に配置されて全周が冷却水に晒される柱状ボス体を有する共通ボス部に形成されている構成であって、
   前記排気側ウォータジャケットは、前記排気通路の上に配置された排気側上ウォータジャケットと、前記排気側上ウォータジャケットの下に配置された排気側下ウォータジャケットとを有していて、排気側上ウォータジャケットと排気側下ウォータジャケットとは、前記排気通路よりも下流側の部位において板状部によって区分されており、
   前記柱状ボス体は前記板状部の上下両側に位置するように形成されており、かつ、前記板状部のうち前記柱状ボス体よりも下流側の部位に、前記排気側上ウォータジャケットの冷却水出口部と排気側下ウォータジャケットの冷却水出口部とを連通させる切欠き穴を形成している、
   内燃機関のシリンダヘッド。

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