JP7319104B2 - Cylinder head of multi-cylinder internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。 The present invention relates to a cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine.
多気筒内燃機関は、複数の気筒がクランク軸線方向に並べて形成されているシリンダブロックと、その上面にヘッドボルトで固定されたシリンダヘッドと、シリンダヘッドの上面に固定されたヘッドカバーと、シリンダブロック及びシリンダヘッドの前面に重ね固定されたフロントカバー(チェーンケース)とを備えている。 A multi-cylinder internal combustion engine comprises a cylinder block in which a plurality of cylinders are arranged in the direction of the crankshaft axis, a cylinder head fixed on the upper surface thereof with head bolts, a head cover fixed on the upper surface of the cylinder head, the cylinder block and and a front cover (chain case) that is overlapped and fixed to the front surface of the cylinder head.
そして、運転に際してシリンダヘッドが最も多くの熱を受けるため、シリンダヘッドが最も多く熱膨張する傾向があり、このため、シリンダヘッドとシリンダブロックとの熱膨張量の違いに起因した不具合が生じている。 Since the cylinder head receives the most heat during operation, the cylinder head tends to thermally expand the most, resulting in problems caused by the difference in the amount of thermal expansion between the cylinder head and the cylinder block. .
例えば、シリンダヘッドがクランク軸線方向にシリンダブロックよりも多く熱膨張することによってフロントカバーに曲げ力が作用するという不具合があり、この点について特許文献1には、シリンダヘッドとフロントカバーとの合わせ面に液状ガスケットを介在させることにより、シリンダブロックとシリンダヘッドとの熱膨張差を吸収することが開示されている。 For example, there is a problem that a bending force acts on the front cover because the cylinder head thermally expands more than the cylinder block in the direction of the crank axis. It is disclosed that the difference in thermal expansion between the cylinder block and the cylinder head is absorbed by interposing a liquid gasket between the cylinder block and the cylinder head.
上記のとおり、シリンダヘッドはシリンダブロックよりも多く熱膨張するが、シリンダヘッドは上部よりも下部が多く受熱するため、クランク軸線及び気筒軸線と直交した方向から見て、シリンダヘッドが熱膨張によって上側に反る現象が発生しやすい。また、排気側と吸気側とについて見ると、排気側において多く熱膨張するという現象があり、従って、シリンダヘッドは、排気側の前後コーナー部がシリンダブロックから最も高く離反するように反り変形する傾向を呈する。 As described above, the cylinder head thermally expands more than the cylinder block, but the lower portion of the cylinder head receives more heat than the upper portion. It is easy for the phenomenon to warp. Also, when looking at the exhaust side and the intake side, there is a phenomenon that the exhaust side undergoes a large amount of thermal expansion. Therefore, the cylinder head tends to warp and deform so that the front and rear corners on the exhaust side are the highest away from the cylinder block. present.
そこで、シリンダブロックとシリンダヘッドとの合わせ面にも、金属製ガスケットに加えて液状ガスケットを設け、シリンダヘッドが反り変形してもシール性を確保できるように配慮されているが、暖機運転時に高速走行や登坂走行のような高負荷運転がされると、シリンダヘッドのうちシリンダブロックに近い下部が急激に加熱されることにより、シリンダヘッドの反り現象が顕著に現れて、液状ガスケットを介在させてもシール性を確保できない事態が生じることがあった。 Therefore, in addition to metal gaskets, liquid gaskets are also provided on the mating surfaces of the cylinder block and cylinder head to ensure a good seal even if the cylinder head warps and deforms. When high-load driving such as high-speed driving or climbing a hill is performed, the lower part of the cylinder head near the cylinder block is rapidly heated, causing the cylinder head to warp significantly. However, there have been cases where the sealing performance cannot be ensured.
本願発明は、このような現状を改善することを課題とするものである。 An object of the present invention is to improve such a situation.
本願発明は、
「複数の気筒に対応した複数の排気ポートと、前記排気ポートを上から覆う排気側上部冷却水ジャケットと、シリンダブロックの上面に固定するためのヘッドボルトの群とを備えており、
排気側面に、前記排気ポートと連通した1つ又は複数の排気出口が開口して、前記排気出口は排気通路に接続されている多気筒内燃機関のシリンダヘッドであって、
前記排気ポートよりも上側の部位が排気ガスの熱によってクランク軸線方向に熱膨張することを促進する加熱通路が、前記排気ポートの中途部から前記排気側上部冷却水ジャケットの上方を通って前記排気側面に開口するように形成されており、前記加熱通路の終端と前記排気通路とが切り替えバルブを備えたバイパス通路によって接続されている」
という構成になっている。
The claimed invention is
" Equipped with multiple exhaust ports corresponding to multiple cylinders, an exhaust side upper cooling water jacket covering the exhaust ports from above, and a group of head bolts for fixing to the upper surface of the cylinder block,
A cylinder head of a multi -cylinder internal combustion engine, wherein one or more exhaust outlets communicating with the exhaust ports are opened on an exhaust side surface, and the exhaust outlets are connected to an exhaust passage,
A heating passage, which promotes thermal expansion of a portion above the exhaust port in the direction of the crankshaft axis by the heat of the exhaust gas, extends from the middle portion of the exhaust port to above the exhaust-side upper cooling water jacket. The end of the heating passage and the exhaust passage are connected by a bypass passage provided with a switching valve.”
It is configured.
本願発明において、シリンダブロックの上面とは、シリンダブロックのうちクランク軸と反対側に位置した面という意味であり、縦型の内燃機関の場合は鉛直方向の上を向いた面になっているが、大きくスラントしている内燃機関の場合は、必ずしも鉛直方向の上にはなっていない場合もある。排気ポートよりも上側の部位も同様である。 In the present invention, the upper surface of the cylinder block means the surface of the cylinder block located on the opposite side of the crankshaft. , in the case of an internal combustion engine with a large slant, it may not always be vertically upward. The same applies to the portion above the exhaust port.
本願発明において、加熱される部位(被加熱部)は1か所でもよいし、クランク軸線方向に離れた複数箇所であってもよい。更に、被加熱部がクランク軸線方向に長く延びる形態になっていてもよい。 In the present invention, the portion to be heated (heated portion) may be one, or may be a plurality of portions separated in the axial direction of the crankshaft. Furthermore, the heated portion may extend in the axial direction of the crankshaft.
更に、シリンダヘッドの反り現象は暖機運転時の高負荷運転状態に顕著に現れており、シリンダヘッドが全体的に温まると反り現象は低下するため、本願発明では、暖機運転時の高負荷運転状態でのみ排気ガスが流れるように、バルブによって排気ガスの流れを切り替えることも可能である。 Furthermore, the warping phenomenon of the cylinder head appears conspicuously in a high-load operation state during warm-up operation, and the warpage phenomenon decreases when the cylinder head is warmed up as a whole. It is also possible to switch the exhaust gas flow by means of a valve so that the exhaust gas flows only in the operating state.
本願発明では、シリンダヘッドのうち排気ポートよりも上側の部位の被加熱部が加熱通路を通る排気ガスによって加熱されることにより、シリンダヘッドの下部と上部との熱膨張の違いを抑制できる。従って、シリンダヘッドが反り変形することを防止又は大幅に抑制できる。その結果、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に過剰な隙間が発生して、排気ガスが漏洩したりオイルが滲み出たりする不具合を防止できる。 In the present invention, the heated portion of the cylinder head above the exhaust port is heated by the exhaust gas passing through the heating passage , thereby suppressing the difference in thermal expansion between the lower portion and the upper portion of the cylinder head. Therefore, it is possible to prevent or greatly suppress the warp deformation of the cylinder head. As a result, it is possible to prevent problems such as leakage of exhaust gas or seepage of oil due to excessive gaps between the cylinder head and the cylinder block.
また、熱源として排気ガスを使用するものであるため、例えば電熱ヒータによって加熱する場合のような燃費低下の問題が発生することはない。むしろ、シリンダヘッドの被加熱部が動弁室に近い部位に位置することにより、加熱手段によってオイルの昇温が促進されるため、メカロスの低減を通じて燃費の向上に貢献できる。また、本願発明では、高温の排気ガスを利用して加熱するため、シリンダヘッド上部の加熱の応答性にも優れており、従って、反り変形抑制効果を確実化できる。 In addition, since exhaust gas is used as a heat source, there is no problem of reduced fuel consumption, which occurs in the case of heating with an electric heater, for example. Rather, since the heated portion of the cylinder head is positioned near the valve gear chamber, the temperature of the oil is accelerated by the heating means, which contributes to the improvement of fuel efficiency through the reduction of mechanical loss. Further, in the present invention, since the high-temperature exhaust gas is used for heating, the responsiveness of the heating of the upper part of the cylinder head is also excellent, so that the warp deformation suppressing effect can be ensured.
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、タイミングチェーンが配置されている側を前、変速機が配置されている側を後ろとしている。念のため,図1に方向を明示している。 Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. In the following, the terms front-rear and left-right are used to specify the direction, but the front-rear direction is the direction of the crankshaft, with the side on which the timing chain is arranged as the front, and the side where the transmission is arranged as the rear. . Just to make sure, the directions are clearly shown in FIG.
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。上下方向は気筒軸線方向であって必ずしも鉛直方向と一致しない。但し、本実施形態の内燃機関は、排気側が前傾するように若干の角度だけスラントしているものの基本的には縦型であり、従って、上下方向は鉛直方向とみなして差し支えない。 The left-right direction is a direction perpendicular to the crank axis and the cylinder axis. The vertical direction is the direction of the cylinder axis and does not necessarily coincide with the vertical direction. However, although the internal combustion engine of this embodiment is slanted at a slight angle so that the exhaust side is tilted forward, it is basically of a vertical type.
(1).実施形態の基本構造
本実施形態は自動車用の3気筒内燃機関に適用している。従って、内燃機関は、図1のとおり、3つの気筒2が形成されたシリンダブロック1と、シリンダブロック1の上面に固定されたシリンダヘッド3と、シリンダブロック1及びシリンダヘッド3の前面に跨がった状態で重ね配置されたフロントカバー4と、シリンダヘッド3及びフロントカバー4の上面に重ね固定されたヘッドカバー5とを備えている。
(1).Basic structure of the embodiment
This embodiment is applied to a three-cylinder internal combustion engine for automobiles. Therefore, as shown in FIG. 1, the internal combustion engine comprises a
シリンダヘッド3の下面には、各気筒2に対応して屋根形の燃焼室6が形成されており、各燃焼室6に、吸気側面に開口した吸気ポート(図示せず)の群と、排気側面7に向けて開口した一対ずつの排気ポート8(図2参照)の群とが開口している。排気ポート8は、シリンダヘッド3の内部に形成された排気集合通路9に連通しており、シリンダヘッド3の排気側面7には、排気集合通路9と連通した1つの排気出口10が開口している。
A roof-
排気出口10は、シリンダヘッド3の排気側面7に形成した取り付け座11に開口しており、取り付け座11に、排気通路を構成するエルボ形の排気継手管12がフランジ接合によって固定されている。排気継手管12には触媒ケース(図示せず)が接続されている。
The
取り付け座11に排気ターボ過給機を固定することも可能である。排気ターボ過給機を固定する場合は、触媒ケースは排気ターボ過給機の出口に接続されるが、排気ターボ過給機の出口は後ろ向きに開口するため、仮に排気出口10が排気側面7の前後中間部に位置していると、触媒ケースがシリンダブロック1の後ろにはみ出てしまう。
It is also possible to fix an exhaust turbocharger to the
そこで、本実施形態では、排気出口10を前側にずらして配置することにより、排気ターボ過給機を取り付けた場合であっても、触媒ケースがシリンダブロック1の後ろにはみ出ないように配慮している。
Therefore, in this embodiment, the
図2に示すように、シリンダヘッド3の内部には、冷却手段として、排気ポート8及び排気集合通路9を上下から挟むように配置された2層式の排気側冷却水ジャケット13,14と、吸気ポートの群の上下(又は他方)に位置した吸気側冷却水ジャケット15とが形成されている。図2において、符号16で示すのはセンター冷却水ジャケット、符号17で示すのはカム軸の軸受部、符号18で示すのは排気バルブ配置通路である。
As shown in FIG. 2, inside the
(2).加熱手段
本実施形態では、加熱手段として、排気出口10の近傍部において1つの排気ポート8から上方に向かう加熱通路19を形成している。加熱通路19は、排気ポート8の中途から上に延びて排気側上部冷却水ジャケット13の上に至り、シリンダヘッド3の長手側壁20よりも僅かに下方の部位において排気側面7に開口している。従って、シリンダヘッド3は、その前後中途部が、排気ポート8及び排気側上部冷却水ジャケット13よりも上の部位において加熱される。
(2). Heating Means In this embodiment, a
加熱通路19の出口と排気継手管12とはパイバスパイプ21によって接続されており、パイバスパイプ21に、電磁式等の切り替えバルブ22を設けている。切り替えバルブ22は、ECU(エンジン・コントロール・ユニット)によって制御される。排気継手管12は触媒ケースの上流側に位置しているので、加熱通路19を通過した排気ガスは、排気通路のうち触媒ケースよりも上流側の部位に戻される。実施形態の加熱通路19は鋳造によって形成しているが、ドリル加工によって形成することも可能である。
The outlet of the
さて、シリンダヘッド3は下部が排気ガスによって強く加熱されるため、上部と下部との温度差に起因した熱膨張量の違いにより、図1に一点鎖線で誇張して示すように、排気側において下面が上に向けて反り変形する現象が発生する。特に、暖機運転時において登坂走行のような高負荷運転がされると、シリンダヘッド3の上部と下部との温度差が大きくなって反り変形が顕著に現れるため、反り変形に伴う隙間が大きくなって、液状ガスケットであっても追従できずにシール不良状態になることがある。
Now, since the lower part of the
そこで、本実施形態では、暖機運転時に、切り替えバルブ22を開くことによって排気ガスの一部を加熱通路19に流し、これにより、排気ポート8よりも上の部分を加熱する。すると、シリンダヘッド3のうち排気ポート8よりも上の部分の熱膨張量が増大することにより、シリンダヘッド3の上部と下部とのクランク軸線方向の熱膨張量の違いを少なくして、反り変形の程度を小さくできる。これにより、シリンダヘッド3とシリンダブロック1との間の隙間を、液状ガスケットによってシールできる範囲に保持して高いシール性を確保できる。
Therefore, in this embodiment, during warm-up operation, the switching
本実施形態では、加熱通路19は1箇所のみに設けているが、各気筒に対応した3箇所に設けるなど、クランク軸線方向に離れた複数箇所に設けることも可能であり、このように複数箇所に設けると、シリンダヘッド3の上部と下部との熱膨張量の違いを更に低減できる。複数箇所に加熱通路19を形成する場合、パイバスパイプ21を1本に纏めて排気継手管12に接続して、1本に纏めた部位に切り替えバルブ22を設けたらよい。
In this embodiment, the
更に、他の態様として、加熱通路19をクランク軸線方向に長く延びる状態に形成することも可能であり、この場合は、上部と下部との熱膨張の違いを更に縮小できるため、反り変形の抑制効果は更に向上する。また、加熱通路19は、上下に高さを変えて複数箇所に設けることも可能である。
Furthermore, as another mode, it is possible to form the
切り替えバルブ22は、負荷センサに連動させて、冷却水温度が設定値よりも低い暖機運転時でかつ予め設定された値よりも大きい負荷が掛かったときに開くように設定してもよいし、運転と同時に開くように設定してもよい。
The switching
(3).参考例
図3(A)に示す第1参考例では、加熱手段として、内部に熱交換媒体が封入されたヒートパイプ23を使用している。すなわち、ヒートパイプ23は、内部において熱交換媒体が一端部23aと他端部23bとの間を循環できるようになっており、一端部23aはホルダー24を介して排気継手管12に接続されて、他端部23bはシリンダヘッド3の上部(例えば長手側壁20)に接続されている。
(3) .Reference example
In the first reference example shown in FIG. 3A, a
そして、機関の運転によって排気継手管12は高温になるのに対して、シリンダヘッド3の上部は昇温しないため、熱交換媒体が排気継手管12から受熱してシリンダヘッド3に向けて移動し、他端部23bにおいてシリンダヘッド3に放熱して一端部23aに戻るという循環を繰り返すことにより、シリンダヘッド3の上部が加熱されて、シリンダヘッド3の上部とは下部との熱膨張量の差を小さくできる。
Since the temperature of the upper part of the
参考例のように、排気継手管12とヒートパイプ23との接続手段として筒状のホルダー24を使用すると、排気継手管12からヒートパイプ23への伝熱量を多くできて好適である。また、図3(A)に一点鎖線で示すように、ヒートパイプ23の一端部23aを排気継手管12の内部に突出させることによっても、排気継手管12からヒートパイプ23への伝熱量を多くできる。
As in the reference example , if a
ヒートパイプ23は、その一端部23aと他端部23bとの温度差が小さくなると媒体の循環速度は低下して、温度差が無くなると媒体の循環は停止する。従って、切り替えバルブ22を設けなくても、シリンダヘッド3の加熱を自動的に停止又は抑制できる。
When the temperature difference between the one
図3(B)に示すのは第1参考例の変形例である第2参考例であり、この例では、排気継手管12に接続された1本のヒートパイプ23を3本に分岐させて、各分岐部をシリンダヘッド3の3か所に接続している。シリンダヘッド3の複数箇所をヒートパイプ23で加熱する場合、分岐方式でなく、個別にヒートパイプ23を使用してもよい。
FIG. 3B shows a second reference example which is a modification of the first reference example . In this example, one
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。例えば、本願発明は、排気側面に各気筒に対応して排気出口を開口させて、排気ガスを排気マニホールドに集合させているタイプにも適用できる。この場合は、バイパスパイプは、排気マニホールドに接続してもよいし触媒ケースの上部に接続してもよい。
排気側面に排気ターボ過給機を接続している場合は、バイパスパイプやヒートパイプは、排気ターボ過給機を構成するタービンハウジングに接続してもよい、
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be embodied in various other ways. For example, the present invention can also be applied to a type in which an exhaust outlet is opened corresponding to each cylinder on the side of the exhaust, and the exhaust gas is collected in the exhaust manifold. In this case, the bypass pipe may be connected to the exhaust manifold or to the upper portion of the catalyst case.
If the exhaust turbocharger is connected to the exhaust side, the bypass pipe or heat pipe may be connected to the turbine housing that constitutes the exhaust turbocharger.
本願発明は、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。 The present invention can be embodied in a cylinder head. Therefore, it can be used industrially.
1 シリンダブロック
2 気筒(シリンダボア)
3 シリンダヘッド
7 排気側面
8 排気ポート
9 排気集合通路
10 排気出口
12 排気継手管
19 加熱手段を構成する加熱通路
21 加熱手段を構成するバイパスパイプ
22 切り替えバルブ
1
3
Claims (1)
排気側面に、前記排気ポートと連通した1つ又は複数の排気出口が開口して、前記排気出口は排気通路に接続されている多気筒内燃機関のシリンダヘッドであって、
前記排気ポートよりも上側の部位が排気ガスの熱によってクランク軸線方向に熱膨張することを促進する加熱通路が、前記排気ポートの中途部から前記排気側上部冷却水ジャケットの上方を通って前記排気側面に開口するように形成されており、前記加熱通路の終端と前記排気通路とが切り替えバルブを備えたバイパス通路によって接続されている、
多気筒内燃機関のシリンダヘッド。 Equipped with a plurality of exhaust ports corresponding to a plurality of cylinders, an exhaust side upper cooling water jacket covering the exhaust ports from above, and a group of head bolts for fixing to the upper surface of the cylinder block,
A cylinder head of a multi -cylinder internal combustion engine, wherein one or more exhaust outlets communicating with the exhaust ports are opened on an exhaust side surface, and the exhaust outlets are connected to an exhaust passage,
A heating passage, which promotes thermal expansion of a portion above the exhaust port in the direction of the crankshaft axis by the heat of the exhaust gas, extends from the middle portion of the exhaust port to above the exhaust-side upper cooling water jacket. The exhaust passage is connected to the end of the heating passage by a bypass passage having a switching valve.
Cylinder head of a multi-cylinder internal combustion engine.
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