JP7474206B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関するもので、特に、対ノッキング性に優れた冷却構造に特徴を有している。

ガソリンエンジンのような内燃機関において、点火プラグによる着火前に燃料に着火してしまうノッキングが予てより問題になっている。ノッキング対策としては様々な手段が提案されかつ実機に採用されているが、吸気の温度をできるだけ低く抑えることが有益である。

吸気の温度を抑制する方法として、吸気ポートを断熱材で囲うことが行われているが、これは構造が複雑化してコストが嵩むという問題がある。他方、吸気ポートを冷却水で冷却することは従来から行われているが、特許文献１には、一対の吸気ポートの間に吸気ポート間流路を形成することが開示されており、このように吸気ポート間流路を形成すると、吸気ポートの冷却効果を増大して吸気温度の抑制に貢献できると解される。

特開２０２０－４１４８７号公報

特許文献１では、吸気ポートの対を挟んだ両側にシリンダ間流路が形成されて、シリンダ間流路の先端にシリンダブロックのウォータジャケットから冷却水が送られるようになっているが、シリンダ間流路の先端から吸気ポート間流路に向けて細い分岐路が形成されており、冷却水は、細い分岐路から吸気ポート間流路に送られている。

他方、一対の吸気ポートに対応して各気筒ごとに一対の吸気バルブが配置されているが、吸気バルブやこれが当たるバルブシートは燃焼室の熱に晒されるため特に高温になる傾向があり、特に、シリンダヘッドは２つの吸気バルブシートの間の部位において高温になる傾向を呈する。

従って、吸気の温度を効率良く抑制するには、一対の吸気ポート間の部位で且つできるだけ燃焼室に近い部位（バルブシートに近い部位）を冷却することが有益であるが、特許文献１では、シリンダ間流路の先端から吸気ポート間流路に向う分岐路は細いため、吸気ポート間流路に十分な量の冷却水を送れずに、吸気の冷却が不十分になることが懸念される。

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、
「吸気側面とシリンダボアとに連通した一対ずつの吸気ポートが、クランク軸線方向から見て前後に並ぶように形成されて、
前記各吸気ポートの対の下方には、前記シリンダボアの群の上方に広がる部分を有する下部冷却水ジャケットに連通した吸気ポート下方部冷却水ジャケットが個別に形成されている一方、前記吸気ポートの群の上方には上部冷却水ジャケットが形成されており、
前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットと前記上部冷却水ジャケットがポート間流路によって連通し、前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットとセンター側下部冷却水ジャケットには共通した冷却水導入口から通水される」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットは前記一対の吸気ポートを下方から覆うように形成されて、前記各吸気ポート下方部冷却水ジャケットの前後中間部から前記ポート間流路が分岐しており、
かつ、前記各吸気ポート下方部冷却水ジャケットと前記センター側下部冷却水ジャケットに前記共通の冷却水導入口が連通しており、前記冷却水導入口と前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットとを繋ぐ第１連通部の面積が、前記冷却水導入口と前記センター側下部冷却水ジャケットとを繋ぐ第２連通部の面積よりも大きくなっている」
という構成が付加されている。

本願発明において、ポート間流路は、吸気側下部冷却水ジャケットから隆起しつつ上部冷却水ジャケットに向かうように形成するのが好ましい。また、吸気ポートには燃料噴射用のインジェクタが配置されるが、本願発明において、吸気側下部冷却水ジャケットはインジェクタの先端よりも下流側（すなわち燃料の噴霧エリア）に配置するのが好ましい。

本願発明では、冷却水導入口から吸気ポート下方部冷却水ジャケットに向かう第１連通部の開口面積が、冷却水導入口からセンター側下部冷却水ジャケットに向かう開口面積よりも大きくなっているため、冷却水は吸気側下部冷却水ジャケットに向けて強く流れる傾向を呈して、吸気ポート間流路にも強い水流を流すことができる。また、吸気ポート下方部冷却水ジャケットは一対の吸気ポートを下方から囲っているため、吸気ポートの冷却面積を大きくできる。

このように、吸気ポート下方部冷却水ジャケット及びポート間流路に強い水流を形成できることと、吸気ポートの冷却面積を大きくできることが相まって、吸気ポートのうち特に燃焼室に近い部位を的確に冷却できる。これにより、吸気温度の低減機能を向上させてノッキング抑制効果を向上できる。

上記のように、ポート間流路が吸気ポート下方部冷却水ジャケットから隆起する（立ち上がる）ように形成すると、吸気側下部冷却水ジャケットとポート間流路との接続面積が大きくなるため、ポート間流路への送水機能を向上できて特に好適である。

実施形態を吸気ポートの箇所で切断した縦断正面図である。 図１のII-II 視概略断面図で、下部冷却水ジャケットの平面図である。 図１のIII-III 視概略断面図で、上部冷却水ジャケットの平面図である。 （Ａ）は送水通路と吸気ポート下方部冷却水ジャケットの連通状態を示す図、（Ｂ）は送水通路と吸気側上部冷却水ジャケットの連通状態を示す図である。 図１の V-V視断面図である。 要部の斜視図である。 シリンダブロックの平面図である。

(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。本実施形態では、方向を特定するため前後の文言を使用しているが、請求項で定義しているように、前後方向はクランク軸線方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置される側を前、変速機が配置される側を後ろとしている。平面視は、シリンダボアの軸心方向から見た状態である。

本実施形態は、自動車用ガソリンエンジンに適用しており、エンジンは、シリンダブロック１と、その上面にガスケットを介して固定されたシリンダヘッド２とを備えている。シリンダヘッド２の上面には、ヘッドカバー３が固定されている。エンジンは、例えば３気筒又は４気筒であり、シリンダブロック１には、３つ又は４つのシリンダボア４がクランク軸線方向に並んで形成されている。

シリンダヘッド２には、シリンダボア４に対応した下向き開口の燃焼室（凹所）５と、燃焼室５と吸気側面２ａとに開口した吸気ポート６の群と、燃焼室５と排気側面（図示せず）とに開口した排気ポート７の群とが形成されている。吸気ポート６は１つの燃焼室５に対応して前後２つずつ形成されており、各吸気ポート６は、それぞれ吸気バルブ８によって開閉される。吸気ポート６は、下流側に向けて低くなるように（シリンダブロック１に近づくように）、シリンダボア軸心に対して傾斜している。

排気ポート７も１つのシリンダボア４（燃焼室５）に対応して前後２つずつ形成されており、各排気ポート７は、それぞれ排気バルブ９によって開閉される。吸気バルブ８及び排気バルブ９は、ばね１０で上向きに付勢されている。シリンダヘッド２には、バルブ８，９を受けるバルブシート１０，１１を嵌着している。

吸気バルブ８と排気バルブ９とは、クランク軸線方向から見て、上に向けて互いの間隔が離れるようにシリンダボア軸心に対して傾斜している。シリンダヘッド２のうち各吸気ポート６の上の部位には、それぞれインジェクタ１２が取付けられている。シリンダヘッド２の吸気側面２ａには、吸気ポート６と連通する枝管を有する吸気マニホールド１３が固定されている。

(2).冷却構造
シリンダヘッド２には、冷却水が流れる冷却水ジャケットを設けている。冷却水ジャケットは、図２に全体を示す上部冷却水ジャケット１５と、図３に全体を示す下部冷却水ジャケット１４との２段構造になっており、下部冷却水ジャケット１４は、各吸気ポート６の対の下方の箇所ごとに形成された吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａ（図１参照）と、排気ポート７の群の下方に位置した排気側下部冷却水ジャケット１４ｂと、概ねシリンダボア４の群の上方部を中心に広がるセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃとを備えており、これらは一連に繋がっている。

他方、上部冷却水ジャケット１５も、吸気側上部冷却水ジャケット１５ａと、排気側上部冷却水ジャケット１５ｂと、センター側上部冷却水ジャケット１５ｃとを有しているが、吸気側上部冷却水ジャケット１５ａの面積は僅かであり、上部冷却水ジャケット１５の大半は、センター側上部冷却水ジャケット１５ｃと排気側上部冷却水ジャケット１５ｂとで構成されている。

図１に示すように、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃとセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃとは互いに連通しており、冷却水は、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃからセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃに流入するようになっている。

詳細は後述するが、冷却水は、シリンダブロック１の吸気側から主としてセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃに流入し、図３に矢印の群で示すように、排気側下部冷却水ジャケット１４ｂに向けて概ね横流れしつつ、排気側下部冷却水ジャケット１４ｂの後端に設けた出口１７に向かって縦流れてしていく。

他方、上部冷却水ジャケット１５では、冷却水は、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃからセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃに噴き上がって、吸気側と排気側とに分かれて横流れしつつ、排気側上部冷却水ジャケット１５ｂの後端部に設けた出口１７に向かって縦流れしていく。従って、上下の冷却水ジャケット１４，１５の出口１７は共通化されている。なお、出口１７は配水部と連通しており、冷却水は、温度に応じて配水部からラジエータやウォータポンプなどに送られる。

図２，３において、符号１８は点火プラグが挿入されるプラグホールを、符号１９はバルブステムが挿通されるバルブ保持穴を、符号２０はヘッドボルト挿通穴を示している。これらは、冷却水ジャケット１４，１５を上下に貫通する柱状の肉部に形成されており、冷却水は肉部の間等を縫って出口１７に向かう。

なお、下部冷却水ジャケット１４と上部冷却水ジャケット１５とを連通させずに、下部冷却水ジャケット１４と上部冷却水ジャケット１５とに独立して送水する構造も採用可能である。この場合も、下部冷却水ジャケット１４の出口と上部冷却水ジャケット１５の出口とは一体化される。

吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａは、各吸気ポート６の対の箇所ごとに形成されており、平面視でシリンダボア４及び燃焼室５と同心の円弧状に形成されている。また、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａは、図５に示すように、一対の吸気ポート６を下方から囲うように下向きに膨れた（上向きに凹んだ）断面形状になっている。図１のとおり、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａは、吸気ポート６のうち吸気側面２ａよりもバルブシート１０に近い下流側に寄せて形成されている。従って、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａは、インジェクタ１２よりも下流側に配置されている。

下部冷却水ジャケット１５を構成する各吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａとセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃとには、シリンダブロックに形成された送水通路２１から冷却水が送られる。図７に示すように、送水通路２１は、シリンダブロック１に形成されたウォータジャケット２２の外側に位置してクランク軸線方向に長い形態になっており、シリンダブロック１の上面に開口してガスケットで塞がれることによって通路になっている。なお、図３において、送水通路２１は形状を明確化するため点線のハッチングで表示している。

そして、シリンダヘッド２（及びガスケット）に、請求項に記載した冷却水導入口の例として、シリンダブロック１の送水通路２１と各吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａ及びセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃに連通した通水口２３を形成して、各通水口２３から、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａの前後端部と、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃの吸気側端部１４ｄとに送水している。

なお、符号１４ｄで示した部位は、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃの一部に含めずに、吸気ポート側方冷却水ジャケットと呼ぶこともできる。すなわち、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａと吸気ポート側方部冷却水ジャケット１４ｄとにより、吸気側下部冷却水ジャケットが構成されているということもできる。いずれにしても、請求項の構成に含まれる。

従って、図４，５に示すように、通水口２３と吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａの前後端部とに繋がった第１連通部２４と、通水口２３とセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃの吸気側端部１４ｄとが繋がった第２連通部２５とがあるが、第１連通部２４は第２連通部２５よりも大きい断面積になっている。従って、送水通路２１から送られた冷却水は、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃよりも吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａに向けて強く圧送される傾向を呈している。

更に、図１～５に示すように、一対の吸気ポート６の間に位置したポート間部２６にポート間流路２７が形成されており、ポート間流路２７の下端は吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａに連通して、ポート間流路２７の上端はセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃに連通している。図１のとおり、ポート間流路２７は、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａからセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃに向けて斜め上向きに向かう傾斜姿勢になっている。

センター側上部冷却水ジャケット１５ｃは、基本的にはシリンダボア４の群の上方に位置している一方、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａもシリンダボア４に近い側に位置しており、このため、ポート間流路２７の上端はシリンダボア４の上方に位置している。従って、ポート間流路２７は、吸気ポート６の間の部位のうちバルブシート１０に近接した部位に形成されている。このため、ポート間部２７のうち燃焼室に近い部位やバルブシート１０が冷却水によって的確に冷却される。

図６に明示するように、ポート間流路２７は、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａから上向きに立ち上がってセンター側上部冷却水ジャケット１５ｃに向かっている。従って、ポート間流路２７は、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａから立ち上がった隆起２７ａを有している。

(3).まとめ
以上の説明とおり、ポート間部２６にポート間流路２７が形成されていることにより、ポート間部２６やバルブシート１０が冷却されるが、既述のとおり、通水口２３と吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａとを繋ぐ第１連通部２４が、通水口２３とセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃとを繋ぐ第２連通部２５よりも大きい面積になっていることにより、冷却水は吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａに対して前後両側から強く圧送されるため、ポート間流路２７の断面積が小さくても、ポート間流路２７に強い水流が発生して、ポート間部２６やバルブシート１０を的確に冷却できる。

従って、吸気の温度低減機能を向上させて、ノッキング抑制効果を向上できる。なお、通水口２３と吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａとを繋ぐ第１連通２４は、通水口２３とセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃとを繋ぐ第２連通部２５よりも大きい面積になっているため、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａの水圧は高くなっているが、ポート間流路２７は１つの吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａの箇所に１本だけあって細長いため、ポート間流路２７を通過する水量よりもセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃに向かう水量の方が圧倒的に多い。従って、センター側下部冷却水ジャケット１４ｃから排気側下部冷却水ジャケット１４ｂに十分な量の冷却水を送水できる。

実施形態のように、ポート間流路２７に吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａと連通した隆起部２７ａを形成すると、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａからポート間流路２７への冷却水の送りを確実化して、ポート間部２６等の冷却性能を更に向上できる。

また、冷機運転時に、インジェクタ１２から噴出した霧化燃料が吸気ポート６の下面に付着するポートウェット現象が生じることがあるが、本実施形態のようにポート間流路２７をインジェクタ１２よりも下流側に配置すると、冷機運転時に冷却水によって吸気ポート６の下面を加温できるため、霧化燃料が付着しても、蒸発を促進してポートウェット現象を抑制できる利点がある。

さて、シリンダヘッドの鋳造に際して、ウォータジャケットになる空洞の部分は砂の中子によって形成されるが、本実施形態では、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａはある程度の断面積があり、かつ、ポート間流路２７によってセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃと繋がっているため、中子の強度と安定性を向上して歩留りを向上できる（特許文献１では、中子が折れやすくて歩留りが低いと解される。）。また、吸気ポート下方部冷却水ジャケット１４ａの前後両端部とセンター側下部冷却水ジャケット１４ｃとも繋がっているが、この点でも、中子の強度を確保できて有利である。

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、上下冷却水ジャケットの具体的な形状や下部冷却水ジャケットに対する通水態様は、必要に応じて様々に変更できる。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
４ シリンダボア
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
１０ バルブシート
１２ インジェクタ
１４ 下部冷却水ジャケット
１４ａ 吸気ポート下方部冷却水ジャケット
１４ｂ 排気側下部冷却水ジャケット
１４ｃ センター側下部冷却水ジャケット
１５ 上部冷却水ジャケット
１５ａ 吸気側上部冷却水ジャケット
１５ｂ 排気側上部冷却水ジャケット
１５ｃ センター側上部冷却水ジャケット
２１ シリンダブロックの送水通路
２３ 冷却水導入口の一例の通水口
２４ 通水口と吸気ポート下方部冷却水ジャケットを繋ぐ第１連通部
２５ 通水口とセンター側下部冷却水ジャケットを繋ぐ第２連通部
２６ ポート間部
２７ ポート間流路

Claims (1)

1. 吸気側面とシリンダボアとに連通した一対ずつの吸気ポートが、クランク軸線方向から見て前後に並ぶように形成されて、
   前記各吸気ポートの対の下方には、前記シリンダボアの群の上方に広がる部分を有する下部冷却水ジャケットに連通した吸気ポート下方部冷却水ジャケットが個別に形成されている一方、前記吸気ポートの群の上方には上部冷却水ジャケットが形成されており、
   前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットと前記上部冷却水ジャケットがポート間流路によって連通し、前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットとセンター側下部冷却水ジャケットには共通した冷却水導入口から通水される構成であって、
   前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットは前記一対の吸気ポートを下方から覆うように形成されて、前記各吸気ポート下方部冷却水ジャケットの前後中間部から前記ポート間流路が分岐しており、
   かつ、前記各吸気ポート下方部冷却水ジャケットと前記センター側下部冷却水ジャケットに前記共通の冷却水導入口が連通しており、前記冷却水導入口と前記吸気ポート下方部冷却水ジャケットとを繋ぐ第１連通部の面積が、前記冷却水導入口と前記センター側下部冷却水ジャケットとを繋ぐ第２連通部の面積よりも大きくなっている、
   内燃機関のシリンダヘッド。
   

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