JP7339110B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、上下２段のジャケットを有する鋳造製のシリンダヘッドに関するものである。

自動車等の車両に設けられた内燃機関において、シリンダヘッドに上下２段のジャケットを形成することは従来から知られている。このようにシリンダヘッドに２段のジャケットを形成すると、鋳造用の鋳型は、ジャケットになる部分は砂の中子で形成されて、上下ジャケットの間の中間スラブに相当する部分と、上段ジャケットの上に位置した上スラブに相当する部分とは金属湯が流れる空間になるが、鋳造に際して、空間に流入した金属湯の圧力によって中子が浮いて変形したり破損したりする問題がある。

そこで特許文献１には、上下の中子をボスで連結することによって当該中子の変形や破損を防止すると共に、ボスを設けたことによってスラブに形成された上下の連通穴を１本のプラグで塞ぐことが開示されている。具体的には、特許文献１では、中間スラブの連通穴にボスの小径部が挿入されているが、寸法誤差を吸収するため、小径部の周囲に０．１～３ｍｍの隙間を設けている。

特開２０１０－２１６３３８号公報

さて、シリンダヘッドに上下２段のジャケットを形成しているのは、排気ポートに近い部分を集中的に冷却して効率よく冷却するためであり、従って、冷却水が下段ジャケットに多く流れるように設計するのが一般的である。この場合、下段ジャケットでの冷却水の流れを制御するリブ（整流リブ）があると好適であるが、特許文献１からはこのような配慮は見出し難い。

また、下段ジャケットに、その上面と下面とに連続した整流リブを設けると、下段ジャケットの下面を規定する下スラブと、下段ジャケットの上面を規定する中間スラブとが整流リブによって連結されるため、シリンダヘッドの剛性を向上できる利点もあるが、鋳型を使用して鋳造するにおいては、整流リブの箇所は空間になるため中子の強度が低下するおそれがある。

更に、上下２段のジャケットが形成されている場合、下段のジャケットに多くの冷却水を流すことは合理的であるが、冷却の均一性等の点から、下段ジャケットから上段ジャケットへの通水もある程度は確保できるのが好ましい。しかし、特許文献１では、中間スラブの連通穴もプラグで殆ど塞がれているため、きめ細かい冷却は期待し難いと云える。

本願発明は、このような現状を改善することを目的とするものである。

本発明は鋳造製のシリンダヘッドに係り、このシリンダヘッドは、
「複数のシリンダボアが形成されたシリンダブロックの頂面に固定される鋳造製シリンダヘッドであって、
平面視で重なるように配置された上段ジャケットと下段ジャケットとの２段のウォータジャケットと、前記上段ジャケットと下段ジャケットとを区画する中間スラブと、前記上段ジャケットの上面を規定する上スラブと、前記下段ジャケットの下面を規定する下スラブ、とを有し、
前記下段ジャケットのうちボア間部の略上方部に、吸気側から排気側に流れる冷却水の流れを制御する整流リブが、吸気側から排気側に向けて広がる略Ｖ字形の形態に形成されて、前記整流リブは前記中間スラブと下スラブとに一体に繋がっており、
かつ、前記中間スラブと上スラブとに、シリンダボア軸線方向から見て前記整流リブで囲われると共に前記ボア間部と重なるように位置した連通穴が同心に形成されており、
前記上スラブに設けた上連通穴は、当該上連通穴に上から挿通されたプラグによって塞がれている一方、前記中間スラブに空けられた下連通穴には、前記プラグに設けたボス部が挿入されており、前記ボス部と下連通穴との間に冷却水が通過し得る隙間を形成している」
という構成になっている。

本願発明は様々に展開することができるが、その例として請求項２では、
「前記下連通穴の一部は、シリンダボア軸線方向から見て前記整流リブと部分的に重なっていて、前記下連通穴のうち前記整流リブと重なっている箇所に段部を形成しており、前記プラグのボス部の端面と前記段部との間に隙間を形成することにより、前記整流リブと前記プラグのボス部との間の隙間が、前記ボス部の外周に沿った隙間と端面に沿った隙間とを有するＬ型に形成されている」
という構成を採用している。

本願発明では、下段ジャケットでの冷却水の流れを整流リブによって制御できるため、シリンダヘッドの冷却性を向上できる。また、下段ジャケットを挟んで上下に位置した中間スラブと下スラブとが整流リブによって連結されるため、シリンダヘッドの剛性の向上にも貢献できる。すなわち、整流リブを有効利用してシリンダヘッドの剛性を向上できる。

他方、中間スラブと下スラブとを繋ぐ整流リブを形成すると、製造用の鋳型では、整流リブを成型する部分では空間になるため、中子の強度が低下する要因になる。然るに、本願発明では、整流リブの近傍に連通穴を形成しているが、連通穴の箇所は鋳型では中子を繋ぐボスになるため、中子の変形や破損を防止できる。すなわち、整流リブを形成したことに起因して発生する中子の強度低下を、連通穴を形成することによって防止できる。

従って本願発明では、冷却性能及び剛性に優れたシリンダヘッドでありながら、寸法精度や生産性（歩留り）に優れた状態で提供できる。

また、本願発明では、下段ジャケットの冷却水を下連通穴から上段ジャケットに通水できるが、隙間の間隔を調節することにより、下段ジャケットから上段ジャケットへの通水量をきめ細かく設定することができる。従って、上段ジャケットの流量と下段ジャケットの流量とを適正な量に設定して、シリンダヘッドの冷却性能を向上させることができる。この場合、ボス部と下連通穴との間の隙間は単なるストレートに形成することも可能であるが、この場合は、隙間間隔の僅かの相違によって流量が大きく変化するおそれがあり、微調整が難しくなるおそれがある。
整流リブをＶ形に形成して、整流リブでボス部を囲うように構成すると、ボス部は、整流リブに向かう冷却水の流れ方向の後方に位置するため、冷却水がボス部に直接当たることはなくて、ボス部によって整流機能が損なわれることはない。また、冷却水が隙間を過剰に通過することもない。

これに対して請求項２のように隙間をＬ形に形成すると、冷却水は流れ抵抗の増大によって下段ジャケットから上段ジャケットに流れにくくなるため、隙間の寸法を大きくしつつ流量の変化を緩やかにすることができる。従って、流量の微調整を容易に行える。

シリンダヘッドをクランク軸線方向から見てボア間部の箇所において切断した縦断面図であり、図２のI-I 視断面図である。 下段ジャケットを示す図で、図１のII-II 視断面図である。 上段ジャケットを示す図で、図１のIII-III 視断面図である。 図１に対応した鋳型の断面図である。

(1).基本構造
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る側を前として、ミッションケースが配置される側を後ろとしている。左右方向は、クランク軸線及びシリンタボア軸線と直交した方向である。図２，３に、前後の方向を明示している。

図２，３のとおり、本実施形態は３つのシリンダボア１を有する３気筒エンジンに適用しており、図１のとおり、シリンダヘッド２は、シリンダブロック３にガスケット４を介してヘッドボルト５で固定される。シリンダヘッド２はアルミを材料にした鋳造品である。

エンジンは３気筒であるので、シリンダブロック３は２つのボア間部６を有している。そして、図１は、クランク軸と直交すると共にボア間部６を通る平面によって切断した断面図であり、この図１のとおり、シリンダヘッド２の内部には、平面視で相当部分が重なり合う下段ジャケット７と上段ジャケット８とが形成されている。

従って、シリンダヘッド２は、下段ジャケット７の下面を規定する下スラブ（下デッキ部）９と、上下ジャケット８，７を区画する中間スラブ１０と、上段ジャケット８の上面を規定する上スラブ（上デッキ部）１１とを備えている。

なお、図１について説明しておくと、符号１２はロッカーアームを示し、符号１３はロッカーアームを支えるばねを示し、符号１４はラッシュアジャスタ装着部を示し、符号１５はラッシュアジャスタ用のオイル通路を示し、符号１６は燃料噴射インジェクタを示し、符号１７はカム軸を示し、符号１８は排気集合通路を示している。従って、図１では、紙面の左側に吸気側面２ａが位置し、紙面の右側に排気側面２ｂが位置している。

図２，３について説明しておくと、符号２０はプラグ穴（イグニッションホール）、符号２１はバルブ挿通穴、符号２２はヘッドボルト挿通穴であり、これらは、柱状等や壁状等の肉部に形成されている。

冷却水は、図２，３に示すように、ジャケット７，８を前から後ろに向けて流れる。そこで、シリンダヘッド２のうち吸気側に寄った部位に、冷却水が下方から噴き上がる冷却水入り口２３の群を設け、冷却水入り口２３と下段ジャケット７の前端部とを通路で連通させている（なお、各冷却水入り口２３は、シリンダブロック３（或いはガスケット４）に形成した送水口と連通している。）。

他方、シリンダヘッド２の後部に、下段ジャケット７及び上段ジャケット８に連通した冷却水出口２４が形成されており、冷却水出口２４は、ラジエータやヒータコアなどへの分岐通路を備えた分配ユニット（図示せず）に接続されている。また、シリンダヘッド２の前部には、冷却水を冷却水入り口２３から上段ジャケット８に流す分配通路を形成することができる。

(2).整流リブ及び連通穴・鋳型
図２に示すように、下段ジャケット７のうち２つのボア間部６の上方に位置した部位に、吸気側から排気側に向けて広がった平面視Ｖ形の整流リブ２６が形成されている。
そして、下段ジャケット７では、例えばシリンダブロック３に形成されたウォータジャケットからガスケット４の連通穴４ａ（図１参照）を介して立ち上がった冷却水が吸気側から排気側に向かうにおいて、整流リブ２６によって方向付けされて均等に分流される。従って、冷気水を下段ジャケット７に均等に拡散させることができる。

更に、中間スラブ１０と上スラブ１１とに、整流リブ２６から少し排気側に位置した連通穴２７，２８が空けられており、上スラブ１１に空けられた上連通穴２８に、当該上連通穴２８を塞ぐプラグ２９が上からねじ込み又は圧入によって取り付けられている。プラグ２９には、中間スラブ１０に空けられた下連通穴２７に入り込むボス部２９ａが形成されている。

そして、プラグ２９のボス部２９ａと下連通穴２７との間には、冷却水が下から上に通過できる隙間３０が形成されている。従って、隙間３０の寸法を選択することによって下段ジャケット７から上段ジャケット８への通水量を調節できるが、隙間３０の調整はボス部２９ａの外径寸法を変更することによって行えるため、調整は容易である。

ボス部２９ａは、整流リブ２６に向かう冷却水の流れ方向の後方に位置している。従って、冷却水がボス部２９ａに直接当たることはなくて、ボス部２９ａによって整流機能が損なわれることはない。また、冷却水が隙間３０を過剰に通過することもない。これは、整流リブ２６をＶ形に形成して、整流リブ２６でボス部２９ａを囲うように構成していることの大きな利点である。

更に、図１に示すように、下連通穴２７の一部を整流リブ２６とオーバーラップさせて、整流リブ２６の箇所において下連通穴２７に段部を形成することにより、隙間３０のうち整流リブ２６に寄ったある程度の範囲を、ボス部２９ａの下端面に位置した部位と外周面に位置した部位とを有するＬ形に形成している。

このように隙間３０の一部をＬ形に形成すると、冷却水が流入するにおいて圧損が高くなって流入しにくくなるため、隙間３０の寸法を大きくしつつ、流量の変化を緩やかにすることができる。従って、流量の微調整（チューニング）を容易かつ正確に行える。

冷却水は直進性を持って流れようとするが、実施形態では下連通穴２７は整流リブ２６の影になっているため、冷却水が下連通穴２７の箇所を素通りするような傾向を呈して隙間３０に元々流入しにくくなっているため、隙間３０の寸法設定がラフであっても、流量の微調整を容易に行うことができる。

図２，３の対比から判るように、上段ジャケット８に比べて下段ジャケット７には肉部が多く存在している。これは、下段ジャケット７の箇所ではポートやインジェクタ等の関係で構造が複雑になりがちであることと、下スラブ９にかかる大きな爆発力を支持する必要があることとに起因している。

上記のとおり上段ジャケット８では肉部が少なくて、プラグ２９のボス部２９ａの周囲は広い空間になっている。このため、隙間３０を通過して立ち上がった冷却水は、四方に拡散しつつ後部に向けて流れていく。図３では、隙間３０から立ち上がった冷却水の流れのみを記載しているが、既述のとおり、前部からの流れも形成できる。

図４では、図１と同じ位置での鋳型３２の断面を表示している。製品の肉部は鋳型３２では中子等の砂型になって、製品の空所は鋳型では空間になる。従って、鋳型３２は、外枠３３と、上スラブ１１の上方の空間に対応した第１中子３４と、上段ジャケット８に対応した第２中子３５と、下段ジャケット７に対応した第３中子３６とを有している。第３中子３６は、安定化のために多数の足部３７を有している。足部３７はシリンダヘッド２では下向き開口穴３８（図１参照）になるが、通水機能が不要な穴はガスケット４によって塞がれている。

そして、シリンダヘッド２の上連通穴２８を形成するために、第１中子３４と第２中子３５との間に第１ボス３９を配置し、シリンダヘッド２の下連通穴２７を形成するために、第２中子３５と第３中子３６との間に第２ボス４０を配置している。第１ボス３９は第１中子３４と第２中子３５とのいずれかに形成しており、第２ボス４０は、第２中子３５と第３中子４６とのいずれかに形成している。

このように、３段の中子３４，３５，３６がボス３９，４０を介して一体に支持されているため、空間４１に流入した金属湯によって第２中子３５や第３中子３６が変形したり（浮いたり）破損したりすることはない。従って、シリンダヘッド２を高い精度で鋳造できる。従って、冷却水の分配性に優れると共に剛性が高いシリンダヘッド２を、高い寸法精度で歩留り良く製造できる。

下連通穴２７は、エンドミルにより、整流リブ２６と部分的にオーバーラップした状態に加工できる。従って、エンドミルの外径や切削深さを選択することにより、隙間３０の寸法を任意に設定し、隙間３０を流れる冷却水の量を微調整できる。

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。例えば、整流リブ２６の形態は冷却水の流れ態様等に応じて適宜変更できる。また、整流リブ２６や連通穴２７，２８は概ねボア間部６の上方に配置されていたらよいのであり、厳密な意味のボア間部６から前後方向や左右方向に多少ずれていてもよい。

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。

１ シリンダボア
２ シリンダヘッド
６ ボア間部
７ 下段ジャケット
８ 上段ジャケット
９ 下スラブ
１０ 中間スラブ
１１ 上スラブ
２３ 冷却水入り口
２４ 冷却水出口
２６ 整流リブ
２７ 下連通穴
２８ 上連通穴
２９ プラグ
２９ａ ボス部
３０ 通水用隙間
３２ 鋳型
３３ 外枠
３４ 第１中子
３５ 第２中子
３６ 第３中子
３９，４０ ボス
４１ シリンダヘッドの肉部に対応した空間

Claims (2)

1. 複数のシリンダボアが形成されたシリンダブロックの頂面に固定される鋳造製シリンダヘッドであって、
   平面視で重なるように配置された上段ジャケットと下段ジャケットとの２段のウォータジャケットと、前記上段ジャケットと下段ジャケットとを区画する中間スラブと、前記上段ジャケットの上面を規定する上スラブと、前記下段ジャケットの下面を規定する下スラブ、とを有し、
   前記下段ジャケットのうちボア間部の略上方部に、吸気側から排気側に流れる冷却水の流れを制御する整流リブが、吸気側から排気側に向けて広がる略Ｖ字形の形態に形成されて、前記整流リブは前記中間スラブと下スラブとに一体に繋がっており、
   かつ、前記中間スラブと上スラブとに、シリンダボア軸線方向から見て前記整流リブで囲われると共に前記ボア間部と重なるように位置した連通穴が同心に形成されており、
   前記上スラブに設けた上連通穴は、当該上連通穴に上から挿通されたプラグによって塞がれている一方、前記中間スラブに空けられた下連通穴には、前記プラグに設けたボス部が挿入されており、前記ボス部と下連通穴との間に冷却水が通過し得る隙間を形成している、
   シリンダヘッド。
2. 前記下連通穴の一部は、シリンダボア軸線方向から見て前記整流リブと部分的に重なっていて、前記下連通穴のうち前記整流リブと重なっている箇所に段部を形成しており、前記プラグのボス部の端面と前記段部との間に隙間を形成することにより、前記整流リブと前記プラグのボス部との間の隙間が、前記ボス部の外周に沿った隙間と端面に沿った隙間とを有するＬ型に形成されている、
   請求項１に記載したシリンダヘッド。

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