JP7354795B2 - シリンダヘッドの冷却水通路構造 - Google Patents

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Description

本発明は、シリンダヘッドの冷却水通路構造に関する。
従来、シリンダヘッド内に冷却水を流通させる構造として、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造は、燃焼室頂部を冷却する燃焼室用ウォータジャケットと、排気集合部に対して上側に配置された上側排気用ウォータジャケットと、排気集合部に対して下側に配置された下側排気用ウォータジャケットと、冷却液の出口となる出口開口部から排出される冷却液を他の部品へ供給するウォータアウトレットと、を備えている。
また、特許文献1に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造において、シリンダヘッドは、燃焼室用ウォータジャケットに連通する出口開口部と、上側排気用ウォータジャケットに連通する出口開口部と、下側排気用ウォータジャケットに連通する出口開口部と、を有している。これにより、特許文献1に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造は、燃焼室用ウォータジャケット、上側排気用ウォータジャケットおよび下側排気用ウォータジャケットを通過した冷却液をウォータアウトレット内でバランスよく合流させることができ、冷却液の流速が低下することを抑制できる。
特開2014-84741号公報
ここで、シリンダヘッドの冷却水出口から排出される冷却水は、役割等の異なる複数の熱交換器に供給される。例えば、冷却水は、冷却水を冷却するためのラジエータだけでなく、冷却水の熱により車室を暖房するためのヒータコアにも供給される。このため、熱交換器には、その熱交換器に適した温度の冷却水が供給されることが望まれている。
しかしながら、特許文献1に記載の従来の技術は、各熱交換器に対して適温の冷却水を供給することが考慮されておらず、複数の熱交換器に対してその熱交換器に適した温度の冷却水を供給することができなかった。
本発明は、上記のような事情に着目してなされたものであり、シリンダヘッドの冷却水出口から排出される冷却水を複数の熱交換器に供給するシリンダヘッドの冷却水通路構造において、各熱交換器に適した温度の冷却水を供給することができるシリンダヘッドの冷却水通路構造を提供することを目的とするものである。
本発明は、複数の燃焼室を有するシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドの端部に連結され、前記シリンダヘッドから排出された冷却水が導入されるケース部材と、前記ケース部材から冷却水が供給される複数の熱交換器と、を有するシリンダヘッドの冷却水通路構造であって、前記シリンダヘッドが、前記シリンダヘッドの内部に配置され、複数の前記燃焼室から排出される排気ガスを集合させて前記シリンダヘッドの外部に導く集合排気ポートと、複数の前記燃焼室を冷却する冷却水が流れる燃焼室冷却水通路と、前記集合排気ポートの下部を冷却する冷却水が流れる排気下側冷却水通路と、前記集合排気ポートの上部を冷却する冷却水が流れる排気上側冷却水通路と、前記シリンダヘッドの端部に配置され、冷却水を前記シリンダヘッドから前記ケース部材に排出する冷却水出口と、を有し、前記熱交換器は、冷却水よりも温度の高い流体と熱交換を行う第1熱交換器と、冷却水よりも温度の低い流体と熱交換を行う第2熱交換器とからなり、前記冷却水出口は、前記燃焼室冷却水通路および前記排気下側冷却水通路と連通する第1冷却水出口と、前記排気上側冷却水通路と連通する第2冷却水出口とに分割され、前記第1冷却水出口は、前記シリンダヘッドの上下方向で前記第2冷却水出口の下方に配置され、前記ケース部材は、前記第1冷却水出口および前記第2冷却水出口と連通する連通空間と、前記連通空間から前記第1熱交換器に冷却水を送る第1冷却水取出口と、前記連通空間から前記第2熱交換器に冷却水を送る第2冷却水取出口と、を有し、前記第1冷却水取出口が、前記ケース部材の下部に配置され、前記第2冷却水取出口が、前記ケース部材の上部に配置され、前記第1冷却水取出口は上下方向で前記第1冷却水出口と重なるように配置され、前記第2冷却水取出口は上下方向で前記第2冷却水出口と重なるように配置されていることを特徴とする。
このように上記の本発明によれば、シリンダヘッドの冷却水出口から排出される冷却水を複数の熱交換器に供給するシリンダヘッドの冷却水通路構造において、各熱交換器に適した温度の冷却水を供給することができる。
図1は、本発明の一実施例に係る冷却水通路構造を備える車両用エンジンのシリンダヘッドの平面図である。 図2は、本発明の一実施例に係る冷却水通路構造を備える車両用エンジンのシリンダヘッドの正面図である。 図3は、本発明の一実施例に係る冷却水通路構造を備える車両用エンジンのシリンダヘッドの左側面図である。 図4は、本発明の一実施例に係る冷却水通路構造を備える車両用エンジンのシリンダヘッドの冷却水出口の左側面図である。 図5は、図2に示すシリンダヘッドのV-V方向の矢視断面図である。 図6は、図1に示すシリンダヘッドのVI-VI方向の矢視断面図である。 図7は、図5に示すシリンダヘッドのVII-VII方向の矢視断面図である。 図8は、図5に示すシリンダヘッドのVIII-VIII方向の矢視断面図である。 図9は、図5に示すシリンダヘッドのIX-IX方向の矢視断面図である。 図10は、本発明の一実施例に係る冷却水通路構造を備える車両用エンジンのシリンダヘッドの冷却水通路および集合排気ポートの正面図である。
本発明の一実施の形態に係るシリンダヘッドの冷却水通路構造は、複数の燃焼室を有するシリンダヘッドと、シリンダヘッドの端部に連結され、シリンダヘッドから排出された冷却水が導入されるケース部材と、ケース部材から冷却水が供給される複数の熱交換器と、を有するシリンダヘッドの冷却水通路構造であって、シリンダヘッドが、シリンダヘッドの内部に配置され、複数の燃焼室から排出される排気ガスを集合させてシリンダヘッドの外部に導く集合排気ポートと、複数の燃焼室を冷却する冷却水が流れる燃焼室冷却水通路と、集合排気ポートの下部を冷却する冷却水が流れる排気下側冷却水通路と、集合排気ポートの上部を冷却する冷却水が流れる排気上側冷却水通路と、シリンダヘッドの端部に配置され、冷却水をシリンダヘッドからケース部材に排出する冷却水出口と、を有し、熱交換器は、冷却水よりも温度の高い流体と熱交換を行う第1熱交換器と、冷却水よりも温度の低い流体と熱交換を行う第2熱交換器とからなり、冷却水出口は、燃焼室冷却水通路および排気下側冷却水通路と連通する第1冷却水出口と、排気上側冷却水通路と連通する第2冷却水出口とに分割され、第1冷却水出口から第1熱交換器へ冷却水が供給され、第2冷却水出口から第2熱交換器へ冷却水が供給されることを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係るシリンダヘッドの冷却水通路構造は、シリンダヘッドの冷却水出口から排出される冷却水を複数の熱交換器に供給するシリンダヘッドの冷却水通路構造において、各熱交換器に適した温度の冷却水を供給することができる。
以下、本発明の一実施例に係るシリンダヘッドの冷却水通路構造について、図面を用いて説明する。図1から図10は、本発明の一実施例に係るシリンダヘッドの冷却水通路構造を備える車両用エンジンを示す図である。図1から図10において、上下前後左右方向は、車両に設置された状態の車両用エンジンの上下前後左右方向とし、前後方向に対して直交する方向が左右方向、車両用エンジンの高さ方向が上下方向である。
まず、構成を説明する。図1において、車両用エンジン10は、シリンダヘッド20を備えている。シリンダヘッド20の後面には吸気ポート26が設けられており、吸気ポート26は、空気を取入れて燃焼室27(図5、図9参照)に供給する。各燃焼室27の吸気ポート26は、シリンダヘッド20の内部で2つに分岐しており、1つの燃焼室27に2つの吸気ポート26が開口している(図9参照)。シリンダヘッド20の内部には動弁室23が設けられており、この動弁室23には図示しない吸気バルブを摺動自在に支持する吸気バルブガイド孔24と、図示しない排気バルブを摺動自在に支持する排気バルブガイド孔25が設けられている。
また、シリンダヘッド20の内部にはヘッド締付ボルト孔21が設けられている。シリンダヘッド20は、ヘッド締付ボルト孔21に図示しないボルトを締結することにより図示しないシリンダブロックに連結される。シリンダヘッド20の内部には点火プラグ孔22が設けられており、この点火プラグ孔22には空気と燃料との混合気を点火する図示しない点火プラグが装着される。
図2において、シリンダヘッド20の前面には排気出口30が設けられており、排気出口30からは排気ガスが排出される。排気出口30の周囲には排気出口フランジ29が設けられている。排気出口フランジ29にはボルト孔29Aが設けられており、排気出口フランジ29には、ボルト孔29Aに図示しないボルトが締結されることにより図示しない排気浄化装置またはターボ過給機が連結される。
図5、図6において、シリンダヘッド20には複数の燃焼室27が設けられている。本実施例では、シリンダヘッド20には、3つの燃焼室27が左右方向に一列に並んで設けられている。車両用エンジン10は、吸気ポート26から取入れた空気と燃料とからなる混合気を図示しない点火プラグによって点火して燃焼させ、燃焼後の排気ガスを排気出口30から排出する。
図5、図8において、シリンダヘッド20の内部には、排気ガスの通路である集合排気ポート28が設けられている。燃焼室27には、図9に示すように2つの排気ポート31が開口している。集合排気ポート28は、複数の燃焼室27の排気ポート31と1つの排気出口30とに連通しており、複数の燃焼室27から排気ポート31を介して排出される排気ガスを集合させて1つの排気出口30からシリンダヘッド20の外部に導いている。このように、集合排気ポート28は排気マニホールドの機能を有している。
図3において、シリンダヘッド20の左端部には冷却水出口ケース50が連結されており、この冷却水出口ケース50には、シリンダヘッド20から排出された冷却水が導入される。冷却水出口ケース50は本発明におけるケース部材を構成している。
車両用エンジン10は、冷却水と流体との熱交換を行う熱交換器として、EGRクーラ11、オイルクーラ12、ラジエータ13およびヒータコア14を備えている。冷却水出口ケース50に導入された冷却水は、EGRクーラ11、オイルクーラ12、ラジエータ13およびヒータコア14に供給される。車両用エンジン10の冷却水は、これらの複数の熱交換との間を循環することにより車両用エンジン10の温度を適温に保っている。
ここで、EGRクーラ11は、冷却水よりも温度の高い流体である排気ガスと熱交換を行うことにより排気ガスを冷却する熱交換器である。オイルクーラ12は、冷却水よりも温度の高い流体である変速機用のオイルと熱交換を行うことによりオイルを冷却する熱交換器である。変速機は例えばCVT(Continuously Variable Transmission)であり、オイルは例えばCVTフルードである。
EGRクーラ11およびオイルクーラ12は、本発明における第1熱交換器を構成している。なお、第1熱交換器としてEGRクーラ11またはオイルクーラ12の一方を車両用エンジン10が備えるようにしてもよい。
ラジエータ13は、冷却水よりも温度の低い流体である空気(外気)と熱交換を行うことで冷却水を冷却する熱交換器である。ヒータコア14は、冷却水よりも温度の低い流体である空調用の空気(外気または車室内の空気)と熱交換を行う熱交換器である。このヒータコア14は、熱交換によって冷却水の冷却および空調用の空気の加熱を行う。
ラジエータ13およびヒータコア14は、本発明における第2熱交換器を構成している。なお、第2熱交換器としてラジエータ13またはヒータコア14の一方を車両用エンジン10が備えるようにしてもよい。ここで、冷却水、排気ガス、オイルまたは空気等の流体の温度は、車両用エンジン10の暖機後の定常状態における温度である。
図5、図8において、シリンダヘッド20の内部には、複数の燃焼室27を冷却する冷却水が流れる燃焼室冷却水通路41が設けられている。燃焼室冷却水通路41は、燃焼室27の上方の近傍に設けられており、シリンダブロックから供給される冷却水によってシリンダヘッド20の燃焼室27の周辺の部位を冷却する。
図5、図6、図9、図10において、シリンダヘッド20の内部には、集合排気ポート28の下部を冷却する冷却水が流れる排気下側冷却水通路42が設けられている。排気下側冷却水通路42は、集合排気ポート28の下方の近傍に設けられており、シリンダヘッド20の集合排気ポート28の下部を冷却水によって冷却する。
図5、図6、図7、図10において、シリンダヘッド20の内部には、集合排気ポート28の上部を冷却する冷却水が流れる排気上側冷却水通路43が設けられている。排気上側冷却水通路43は、集合排気ポート28の上方の近傍に設けられており、シリンダヘッド20の集合排気ポート28の上部を冷却水によって冷却する。
図10に示すように、燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42には、シリンダヘッド20の下方の図示しないシリンダブロックから複数の連絡通路42Aを介して冷却水が供給される。複数の連絡通路42Aから燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42に供給された冷却水は、排気下側冷却水通路42内を、第1冷却水出口44の配置されている左方に向かって流れる。
一方、排気上側冷却水通路43には、シリンダヘッド20の下方の図示しないシリンダブロックから1つの連絡通路43Aを介して冷却が供給される。連絡通路43Aはシリンダヘッド20の右端部の近傍に配置されている。連絡通路43Aから排気上側冷却水通路43に供給された冷却水は、排気上側冷却水通路43内を第2冷却水出口45の配置されている左方に向かって流れる。
本実施例では、第2冷却水出口45から排出される冷却水と比べ、第1冷却水出口44から排出される冷却水は、シリンダヘッド20や集合排気ポート28よりも温度の低いシリンダブロック内を流れる冷却水を含むため、温度上昇が小さくなる。
したがって、排気上側冷却水通路43を通過して第2冷却水出口45から排出される冷却水は、燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42を通過して第1冷却水出口44から排出される冷却水より高温となっている。
図3、図4において、シリンダヘッド20の左側面には、第1冷却水出口44および第2冷却水出口45が設けられている。このように、シリンダヘッド20の冷却水出口は、第1冷却水出口44と第2冷却水出口45とに分割されている。第1冷却水出口44および第2冷却水出口45は、本発明における冷却水出口を構成する。
第1冷却水出口44は、シリンダヘッド20の上下方向で第2冷却水出口45の下方に配置されている。なお、図3では、第1冷却水出口44および第2冷却水出口45は、冷却水出口ケース50の背後に位置しており、仮想線(破線)で表わされている。
第1冷却水出口44は、燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42と連通している。シリンダヘッド20の内部の燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42を通過した冷却水は、第1冷却水出口44から冷却水出口ケース50に導入される。第2冷却水出口45は、排気上側冷却水通路43と連通している。シリンダヘッド20の内部の排気上側冷却水通路43を通過した冷却水は、第2冷却水出口45から冷却水出口ケース50に導入される。
図6において、冷却水出口ケース50は連通空間51を有しており、連通空間51は、第1冷却水出口44および第2冷却水出口45と連通している。第1冷却水出口44から排出された冷却水は、連通空間51の下部に導入される。第2冷却水出口45から排出された冷却水は、連通空間51の上部に導入される。
図3において、冷却水出口ケース50は、連通空間51に開口する第1冷却水取出口52、53および第2冷却水取出口54、55を有している。第1冷却水取出口52、53は冷却水出口ケース50の下部に配置されており、連通空間51の下部からEGRクーラ11およびオイルクーラ12に冷却水を送っている。第2冷却水取出口54、55は冷却水出口ケース50の上部に配置されており、連通空間51の上部からラジエータ13、ヒータコア14に冷却水を送っている。
このように、冷却水出口ケース50の連通空間51の下部には第1冷却水出口44から冷却水が排出される。そして、連通空間51の下部には第1冷却水取出口52、53が配置されている。このため、第1冷却水出口44からEGRクーラ11およびオイルクーラ12へ冷却水が供給される。
また、冷却水出口ケース50の連通空間51の上部には第2冷却水出口45から冷却水が排出される。そして、連通空間51の上部には第2冷却水取出口54、55が配置されている。このため、第2冷却水出口45からラジエータ13およびヒータコア14へ冷却水が供給される。
本実施例では、第1冷却水取出口52には管状のユニオン52Aが連結されており、連通空間51の下部の冷却水は、第1冷却水取出口52およびユニオン52Aを通ってEGRクーラ11に供給される。第1冷却水取出口53には管状のユニオン53Aが連結されており、連通空間51の下部の冷却水は、第1冷却水取出口53およびユニオン53Aを通ってオイルクーラ12に供給される。なお、冷却水出口ケース50に対してEGRクーラ11とオイルクーラ12とを直列接続となるように配管してもよい。その場合、2つの第1冷却水取出口52、53を1つの冷却水取出口に統合でき、2つのユニオン52A、53を1つのユニオンに統合できる。
また、第2冷却水取出口54には管状のユニオン54Aが連結されており、連通空間51の上部の冷却水は、第2冷却水取出口54およびユニオン54Aを通ってラジエータ13に供給される。第2冷却水取出口55には管状のユニオン55Aが連結されており、連通空間51の上部の冷却水は、第2冷却水取出口55およびユニオン55Aを通ってヒータコア14に供給される。
以上説明したように、本実施例では、車両用エンジン10は、熱交換器として、冷却水よりも温度の高い流体と熱交換を行うEGRクーラ11およびオイルクーラ12と、冷却水よりも温度の低い流体と熱交換を行うラジエータ13およびヒータコア14とを備えている。
また、シリンダヘッド20の冷却水出口は、燃焼室冷却水通路41および排気下側冷却水通路42と連通する第1冷却水出口44と、排気上側冷却水通路43と連通する第2冷却水出口45とに分割されている。
このため、シリンダブロックおよびシリンダヘッド20内の各冷却水通路における冷却水の経路が異なることに起因して、第1冷却水出口44から排出される冷却水は、第2冷却水出口45から排出される冷却水より低温である。
そして、第1冷却水出口44からEGRクーラ11およびオイルクーラ12へ冷却水が供給され、第2冷却水出口45からラジエータ13およびヒータコア14へ冷却水が供給される。
したがって、第1冷却水出口44から排出される相対的に温度の低い冷却水が、この冷却水よりも温度の高い流体と熱交換を行うEGRクーラ11およびオイルクーラ12へ供給されるので、EGRクーラ11における排気ガスの冷却性能およびオイルクーラ12におけるオイルの冷却性能を向上させることができる。
また、第2冷却水出口45から排出される相対的に温度の高い冷却水が、この冷却水よりも温度の低い流体と熱交換を行うラジエータ13およびヒータコア14へ供給されるので、ラジエータ13における冷却水の放熱性能を向上させることができ、ヒータコア14における冷却水の放熱性能と空調用の空気の加熱性能(暖房性能)を向上させることができる。また、暖房性能を向上させることができるため、電力により作動するPTCヒータ等を不要にでき、または作動機会を減少させることができるので、燃費を向上させることができる。
よって、シリンダヘッド20の冷却水出口から排出される冷却水を複数の熱交換器に供給するシリンダヘッド20の冷却水通路構造において、各熱交換器に適した温度の冷却水を供給することができる。
本実施例では、第1冷却水出口44は、シリンダヘッド20の上下方向で第2冷却水出口45の下方に配置されている。また、冷却水出口ケース50は、第1冷却水出口44および第2冷却水出口45と連通する連通空間51を有している。
このため、低温で密度の高い冷却水が冷却水出口ケース50の内部の連通空間51の下部に導入され、高温で密度の低い冷却水が冷却水出口ケース50の内部の連通空間51の上部に導入される。したがって、連通空間51において、上部の高温の冷却水と下部の低温の冷却水とが分離した状態が保たれ、温度の異なる冷却水が互いに混ざり合うことを抑制できる。また、冷却水が互いに混ざり合うことを防止するために、連通空間51に冷却水の流れを仕切る仕切部材等を設けることを不要にできる。
また、連通空間51からEGRクーラ11およびオイルクーラ12に冷却水を送る第1冷却水取出口52、53が冷却水出口ケース50の下部に配置され、連通空間51からラジエータ13およびヒータコア14に冷却水を送る第2冷却水取出口54、55が冷却水出口ケース50の上部に配置されている。
これにより、シリンダヘッド20内の相対的に低温の冷却水をEGRクーラ11およびオイルクーラ12に供給でき、相対的に高温の冷却水をラジエータ13およびヒータコア14に供給できる。
本実施例では、相対的に低温の冷却水を供給する第1熱交換器がEGRクーラ11またはオイルクーラ12からなり、相対的に高温の冷却水を供給する第2熱交換器がラジエータ13またはヒータコア14からなる。
これにより、EGRクーラ11、オイルクーラ12、ラジエータ13およびヒータコア14の熱交換の効率および性能を向上させることができるので、EGRクーラ11、オイルクーラ12、ラジエータ13およびヒータコア14を小型化および軽量化することができる。
本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
10...車両用エンジン、11...EGRクーラ(熱交換器、第1熱交換器)、12...オイルクーラ(熱交換器、第1熱交換器)、13...ラジエータ(熱交換器、第2熱交換器)、14...ヒータコア(熱交換器、第2熱交換器)、20...シリンダヘッド、27...燃焼室、28...集合排気ポート、41...燃焼室冷却水通路、42...排気下側冷却水通路、43...排気上側冷却水通路、44...第1冷却水出口(冷却水出口)、45...第2冷却水出口(冷却水出口)、50...冷却水出口ケース(ケース部材)、51...連通空間、52,53...第1冷却水取出口、54,55...第2冷却水取出口

Claims (2)

  1. 複数の燃焼室を有するシリンダヘッドと、
    前記シリンダヘッドの端部に連結され、前記シリンダヘッドから排出された冷却水が導入されるケース部材と、
    前記ケース部材から冷却水が供給される複数の熱交換器と、を有するシリンダヘッドの冷却水通路構造であって、
    前記シリンダヘッドが、
    前記シリンダヘッドの内部に配置され、複数の前記燃焼室から排出される排気ガスを集合させて前記シリンダヘッドの外部に導く集合排気ポートと、
    複数の前記燃焼室を冷却する冷却水が流れる燃焼室冷却水通路と、
    前記集合排気ポートの下部を冷却する冷却水が流れる排気下側冷却水通路と、
    前記集合排気ポートの上部を冷却する冷却水が流れる排気上側冷却水通路と、
    前記シリンダヘッドの端部に配置され、冷却水を前記シリンダヘッドから前記ケース部材に排出する冷却水出口と、を有し、
    前記熱交換器は、冷却水よりも温度の高い流体と熱交換を行う第1熱交換器と、冷却水よりも温度の低い流体と熱交換を行う第2熱交換器とからなり、
    前記冷却水出口は、前記燃焼室冷却水通路および前記排気下側冷却水通路と連通する第1冷却水出口と、前記排気上側冷却水通路と連通する第2冷却水出口とに分割され、
    前記第1冷却水出口は、前記シリンダヘッドの上下方向で前記第2冷却水出口の下方に配置され、
    前記ケース部材は、
    前記第1冷却水出口および前記第2冷却水出口と連通する連通空間と、
    前記連通空間から前記第1熱交換器に冷却水を送る第1冷却水取出口と、
    前記連通空間から前記第2熱交換器に冷却水を送る第2冷却水取出口と、を有し、
    前記第1冷却水取出口が、前記ケース部材の下部に配置され、
    前記第2冷却水取出口が、前記ケース部材の上部に配置され、
    前記第1冷却水取出口は上下方向で前記第1冷却水出口と重なるように配置され、
    前記第2冷却水取出口は上下方向で前記第2冷却水出口と重なるように配置されていることを特徴とするシリンダヘッドの冷却水通路構造。
  2. 前記第1熱交換器は、EGRクーラまたはオイルクーラからなり、
    前記第2熱交換器は、ラジエータまたはヒータコアからなることを特徴とする請求項1に記載のシリンダヘッドの冷却水通路構造。
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