WO2011145163A1 - Ｅｇｒガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Ｅｇｒガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法 Download PDF

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Definitions

  • strength part is formed in a cylindrical shape. Therefore, when the pressure accompanying the shrinkage when the molten metal solidifies is applied to the outer peripheral surface of the high strength portion, the pressure can be evenly received by the side wall portion formed in the cylindrical shape. Will not be deformed. As a result, it is possible to prevent a gap from being formed between the portion where the high-strength portion is cast and the cylinder head, and to ensure the sealing performance of the portion where the high-strength portion is cast within the water jacket.
  • the cooling portion is configured by a hollow tube having a flat shape.
  • the cooling performance of the EGR gas cooling structure can be improved by configuring the hollow tube with a thinner wall than the high-strength portion.
  • the gas passage is arranged in the water jacket, it is not necessary to separately install an EGR gas cooler outside the cylinder head, and the EGR gas cooling structure can be easily configured.
  • the gas piping from the engine to the separately installed EGR gas cooler is not required, it is possible to cool the EGR gas with a small space and at a low cost.
  • the cooling portion of the gas passage is constituted by a hollow tube having a flat shape.
  • the inner diameter of the cooling part in the short side direction can be reduced, the ratio of the turbulent flow region in the flow field of EGR gas flowing in the cooling part can be increased, and the surface area of the cooling part relative to the passage cross-sectional area can be increased. It is possible to improve the cooling efficiency by increasing the heat exchange rate of the EGR gas.
  • the cooling portion of the gas passage is configured by a hollow tube separate from the high-strength portion, and the high-strength portion of the gas passage includes a side wall portion formed in a cylindrical shape and a side wall portion. It is composed of a bottom part that closes one end of a cylindrical shape, and the bottom part is formed with an insertion port into which the cooling part can be inserted, and the end part of the cooling part is inserted into the insertion part of the bottom part, A connecting step for connecting the cooling portion and the high strength portion, a core forming step for forming a core by surrounding the cooling portion with core sand, and the high strength portion is held by a casting mold. A gripping step and a casting step of pouring the molten metal into the casting mold. This makes it easier to manufacture the gas passage and improves the productivity of the cylinder head having the EGR gas cooling structure as compared with the case where the gas passage is configured by integrally forming the cooling portion and the high-strength portion. It becomes possible.
  • the flow direction of the exhaust gas that circulates in the cooling portion and the flow direction of the cooling water that circulates in the cylinder head water jacket intersect the cooling portion of the gas passage, and the short side of the flat shape Is arranged in a posture opposite to the flow direction of the cooling water. Accordingly, the cooling water can be efficiently brought into contact with the outer peripheral surface of the cooling unit without hindering the circulation of the cooling water flowing through the water jacket, and the cooling efficiency of the EGR gas can be improved.
  • the cooling portion of the gas passage includes a plurality of flat hollow tubes, and the plurality of hollow tubes are stacked in the short side direction of the flat shape. Thereby, it is possible to increase the surface area of the cooling portion that contacts the cooling water in the water jacket in a space-saving manner, and to further improve the cooling efficiency.
  • the cooling part of the gas passage is constituted by a hollow tube having a flat shape or a hollow pipe having a thickness thinner than that of the high-strength part, thereby improving the cooling performance of the EGR gas cooling structure. be able to.
  • the EGR gas cooling structure can be easily configured, and the EGR gas can be cooled in a space-saving manner at a low cost.
  • a hollow water jacket 15 is formed inside the cylinder head 11 to cool the exhaust port 13 and the like.
  • the water jacket 15 is formed from an end of the cylinder head 11 on the front side (one side in the cylinder arrangement direction; left side in FIG. 1) to an end on the rear side (the other side in the cylinder arrangement direction; right side in FIG. 1). Yes.
  • the EGR gas cooling pipe 31 is in contact with the cooling water flowing through the water jacket 15, and a cooling unit 32 that serves as a part for cooling the EGR gas flowing through the inside, High strength portions 33 and 33 are provided at both ends and are cast into the cylinder head 11. That is, the high-strength portions 33 and 33 are located on both sides of the cooling portion 32.
  • the cooling unit 32 is configured by a flat hollow tube, the inner diameter in the short side direction of the cooling unit 32 is reduced, and the turbulent flow region in the flow field of EGR gas flowing in the cooling unit 32
  • the surface area of the cooling section 32 with respect to the passage cross-sectional area can be increased, and the heat exchange rate of the EGR gas can be increased to improve the cooling efficiency.
  • the cooling part 32 is comprised with the thin hollow tube, it is possible to further improve the cooling efficiency of EGR gas.
  • a plurality of cooling parts 32 constituted by flat hollow pipes are laminated in the short side direction of the flat shape, so that the cooling water in the water jacket 15 and The surface area of the cooling unit 32 that comes into contact can be increased in a space-saving manner, and the cooling efficiency can be further improved.
  • the high-strength portion 33 closes the side wall portion 33a formed in a cylindrical shape and one end of the side wall portion 33a in a cylindrical shape (that is, one end in the axial direction of the side wall portion 33a). It is comprised with the bottom part 33b. In the bottom 33b, there are formed insertion ports 33c, 33c,... Into which the end of the cooling part 32 can be inserted. And as shown in FIG. 8, each cooling part 32 and the high intensity
  • the insertion part 33c * 33c ... formation part of the bottom part 33b and the cooling part 32 inserted in the insertion opening 33c * 33c ... are fixed, for example, by brazing.
  • the high-strength portion 33 is formed by integrally forming the side wall portion 33a and the bottom portion 33b, or may be formed by joining the side wall portion 33a and the bottom portion 33b formed separately to each other by brazing or the like. it can.
  • the high strength portion 33 is configured to have a higher strength than the cooling portion 32.
  • the high-strength portion 33 is configured so that the strength against compressive force applied to the outer peripheral surface is higher than that of the cooling portion 32.
  • the high strength of the high strength portion 33 is realized, for example, by forming the side wall portion 33a of the high strength portion 33 in a cylindrical shape while the cooling portion 32 is formed in a flat shape. Further, by forming the high-strength portion 33 with a member thicker than the cooling portion 32, it is possible to achieve high strength. Furthermore, it is also possible to realize high strength of the high strength portion 33 by forming a reinforcing portion such as a rib on the inner peripheral portion of the high strength portion 33.
  • aluminum, stainless steel, etc. are used, for example.
  • the high-strength portion 33 is formed as a high-strength cylindrical member, and the cooling portion 32 is formed of a flat thin hollow tube having a lower strength than the high-strength portion 33.
  • the high-strength portion 33 and the cooling portion 32 are configured as members having different characteristics, the cooling portion 32 and the high-strength portion 33 are formed separately, and the cooling portion 32 is inserted into the insertion port 33c of the high-strength portion 33. Since the EGR gas cooling pipe 31 is configured by being inserted into 33c, the EGR gas cooling pipe 31 can be easily configured, and the productivity of the EGR gas cooling structure is improved. Is possible.
  • Cooling pipe support portions 11a and 11a for supporting the high strength portions 33 and 33 of the EGR gas cooling pipe 31 are provided on both side walls of the cylinder head 11 facing each other in a direction orthogonal to the flow direction of the cooling water in the water jacket 15, respectively. Is formed. That is, the EGR gas cooling pipe 31 is attached to the cylinder head 11 by supporting the high-strength parts 33 and 33 disposed at both ends thereof by the cooling pipe support parts 11a and 11a. In this case, the high strength portions 33 and 33 of the EGR gas cooling pipe 31 are supported by the cooling pipe support portions 11a and 11a by being encased in the cylinder head 11 to be cast.
  • the EGR gas cooling pipe 31 is fixed to the cylinder head 11 by casting the high-strength portions 33 and 33 with the cylinder head 11, a bolt or the like for fixing the EGR gas cooling pipe 31 is used.
  • a bolt or the like for fixing the EGR gas cooling pipe 31 is used.
  • a gripping step of gripping the high strength portion 33 of the EGR gas cooling pipe 31 with the casting mold of the cylinder head 11 is performed (S03).
  • the core formed in the core forming step is installed in the casting mold.
  • an annular gripping portion 1a protruding inward is formed on the inner peripheral surface of the casting mold 1 of the cylinder head 11, and a high height is formed on the inner peripheral surface of the gripping portion 1a.
  • the high strength portion 33 is gripped by the casting mold 1.
  • the outer end of the high-strength portion 33 is cast into the cylinder head 11 in a state where the outer end of the high-strength portion 33 is pulled inward from the outer surface of the cylinder head 11 by a dimension d (see FIG. 3).
  • the high strength portions 33 and 33 arranged at both ends of the EGR gas cooling pipe 31 do not interfere with the exhaust side connecting pipe 22 and the intake side connecting pipe 23 connected to the cylinder head 11, and the high strength parts 33 and 33 do not interfere with each other. Since it is possible to prevent the portions 33 and 33 from being loaded, the reliability of the sealed state between the cylinder head 11 and the high-strength portions 33 and 33 can be improved.
  • the cooling portion 32 is configured by a flat hollow tube, thereby improving the cooling efficiency of the EGR gas flowing through the cooling portion 32.
  • the cooling performance increases as the flatness of the flat shape increases.
  • FIG. 11 shows the relationship between the dimension h of the short side in the cross section of the cooling part 32 formed in a flat shape and the outlet temperature of the cooling part 32 of EGR gas, that is, the temperature of EGR gas after cooling with cooling water. Is shown.
  • the outlet temperature of the EGR gas decreases as the dimension h of the short side of the cooling unit 32 decreases, and the cooling performance improves as the flatness of the cooling unit 32 increases. This is because the flow rate and heat transfer coefficient of the EGR gas flowing through the cooling part 32 improve as the dimension h becomes smaller (the flat cooling part 32 becomes thinner).

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Abstract

　従来、冷却性能が高く、かつ容易に構成することができるＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドを製造することが困難であった。　そこで、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドを、排気ポートから排出された排気ガスの一部を吸気ポート側へ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドウォータージャケット内に配置して、前記ガス通路内を流通する排気ガスの冷却を行う、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドであって、前記ガス通路は、前記シリンダヘッドウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部と、前記冷却部の側部に位置し、前記冷却部よりも高い強度を有する高強度部とを備えた中空管にて構成され、前記ガス通路の高強度部が、前記シリンダヘッドに鋳包まれているものとした。

Description

ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法
　本発明は、ＥＧＲガスの冷却通路がウォータージャケット内に配置された、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法に関する。
　従来、エンジン等の内燃機関において、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減化や燃費向上を達成するために、排気再循環装置（ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置）が用いられている。
　有害成分である窒素酸化物は、エンジン燃焼室の燃焼温度が高くなることによって、空気中の窒素が酸化して発生する。排気再循環装置は、不活性な（酸素量の少ない）気体となった排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を、シリンダヘッドの排気側から吸気側に再び環流して吸入空気と混合させ、燃焼室内の燃焼温度を低下させることにより、発生する窒素酸化物の低減を図るものである。
　このような排気再循環装置において、ＥＧＲガスをシリンダヘッドの排気側から吸気側へ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドのウォータージャケット内に配設することにより、ＥＧＲガスを効率的に冷却する技術が公知となっている (例えば、特許文献１参照)。特許文献１においては、前記ガス通路の成形を、ステンレス管などの管体を鋳包むことにより行ってもよいことが開示されている。
実開平６－７６６４４号公報
　ＥＧＲガスのガス通路をシリンダヘッドのウォータージャケット内に配設する場合、薄肉の中空管をシリンダヘッドに鋳包むことが、ＥＧＲガスの冷却性能やガス通路の生産性の観点から好ましいが、例えば全体的に薄肉に形成される中空管をシリンダヘッドに鋳包むと、中空管の外周面に作用する鋳造圧（溶湯の重力および溶湯の収縮に伴う圧力）に耐え切れずにガス通路が潰れてしまうこととなる。
　従って、冷却性能が高く、かつ容易に構成することができるＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドを製造することが困難であった。
　そこで、本発明においては、冷却性能が高く、かつ容易に構成することができるＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法を提供するものである。
　上記課題を解決するＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドおよびその製造方法は、以下の特徴を有する。
　即ち、本発明のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドは、排気ポートから排出された排気ガスの一部を吸気ポート側へ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドウォータージャケット内に配置して、前記ガス通路内を流通する排気ガスの冷却を行う、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドであって、前記ガス通路は、前記シリンダヘッドウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部と、前記冷却部の側部に位置し、前記冷却部よりも高い強度を有する高強度部とを備えた中空管にて構成され、前記ガス通路の高強度部が、前記シリンダヘッドに鋳包まれている。
　これにより、ＥＧＲガスを冷却する部分である冷却部には鋳造圧が直接作用することがなく、鋳造圧による変形が生じにくくなるため、冷却部を扁平形状を有する中空管にて構成したり、高強度部よりも薄肉の中空管にて構成したりして、ＥＧＲガス冷却構造の冷却性能を向上することができる。
　また、ガス通路をウォータージャケット内に配置する構成となるので、シリンダヘッドの外部にＥＧＲガスクーラーを別途設置する必要がなく、ＥＧＲガスの冷却構造を容易に構成することができる。また、エンジンからの別途設置したＥＧＲガスクーラーへのガス配管が不要になるので、省スペースかつ低コストでＥＧＲガスの冷却を行うことが可能となる。
　また、前記ガス通路の冷却部が、扁平形状を有する中空管にて構成される。
　これにより、冷却部の短辺方向の内径を小さくして、冷却部内を流れるＥＧＲガスの流れ場における乱流域の割合を増加させるとともに、冷却部の通路断面積に対する表面積を増大させることができることができ、ＥＧＲガスの熱交換率を高めて冷却効率を向上することが可能となる。
　また、前記ガス通路の冷却部は、前記高強度部とは別体の中空管にて構成され、前記ガス通路の高強度部は、筒形状に形成される側壁部と、前記側壁部における筒形状の一端を閉塞する底部とで構成され、前記底部には、前記冷却部が挿入可能な挿入口が形成され、前記冷却部の端部を前記底部の挿入口に挿入することで、前記冷却部と高強度部とが接続される。
　これにより、ＥＧＲガス冷却管を容易に構成することができ、ＥＧＲガスの冷却構造の生産性を向上することが可能となっている。
　また、前記高強度部の側壁部が、円筒形状に形成される。
　従って、溶湯が凝固する際の収縮に伴う圧力が、前記高強度部の外周面にかかった場合、その圧力を円筒形状に形成された側壁部にて均等に受けることができるため、高強度部が変形することがない。
　これにより、高強度部の鋳包まれた部分とシリンダヘッドとの間に隙間ができることを防止でき、ウォータージャケット内における高強度部が鋳包まれた部分のシール性を確保することができる。
　また、前記ガス通路の冷却部は、前記冷却部内を流通する排気ガスの流れ方向と、前記シリンダヘッドウォータージャケット内を流通する冷却水の流れ方向とが交差するとともに、前記扁平形状の短辺側の面が前記冷却水の流れ方向と対向する姿勢に配置される。
　これにより、ウォータージャケット内を流通する冷却水の流通を妨げることなく、冷却部の外周面に冷却水を効率良く接触させることができ、ＥＧＲガスの冷却効率を向上することができる。
　また、前記ガス通路においては、前記冷却部が複数備えられ、前記複数の冷却部は、前記扁平形状の短辺方向に積層配置される。
　これにより、ウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部の表面積を、省スペースで増大させることができ、冷却効率のさらなる向上を図ることが可能となる。
　また、前記高強度部における側壁部の外周面には、円周方向に沿った凹溝または突起部が形成される。
　これにより、シリンダブロックの鋳包み部分が凹溝に係止して、シリンダブロックに鋳包まれた高強度部がシリンダブロックから抜け出すことを防止できるとともに、シリンダブロックと高強度部との間のシール性を確保することができる。
　また、ＥＧＲガス流れ方向の下流側に位置する高強度部における側壁部の内周面には、ＥＧＲガスの流れ方向の上流側から下流側へいくにつれて拡径するスロープが形成される。
　これにより、冷却部内に生じた凝縮水が側壁部内に滞留して、ガス通路に腐食などの劣化・破損が生じることを防止することができる。
　また、本発明のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法は、排気ポートから排出された排気ガスの一部を吸気ポートへ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドウォータージャケット内に配置して、前記ガス通路内を流通する排気ガスの冷却を行う、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法であって、前記ガス通路を、前記シリンダヘッドウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部と、前記冷却部の側部に位置し、前記冷却部よりも高い強度を有する高強度部とを備えた中空管にて構成し、前記ガス通路の高強度部を前記シリンダヘッドに鋳包むことにより、前記冷却部をシリンダヘッドウォータージャケット内に配置する。
　これにより、ＥＧＲガスを冷却する部分である冷却部には鋳造圧が直接作用することがなく、鋳造圧による変形が生じにくくなるため、冷却部を扁平形状を有する中空管にて構成したり、高強度部よりも薄肉の中空管にて構成したりして、ＥＧＲガス冷却構造の冷却性能を向上することができる。
　また、ガス通路をウォータージャケット内に配置する構成となるので、シリンダヘッドの外部にＥＧＲガスクーラーを別途設置する必要がなく、ＥＧＲガスの冷却構造を容易に構成することができる。また、エンジンからの別途設置したＥＧＲガスクーラーへのガス配管が不要になるので、省スペースかつ低コストでＥＧＲガスの冷却を行うことが可能となる。
　また、前記ガス通路の冷却部を、扁平形状を有する中空管にて構成する。
　これにより、冷却部の短辺方向の内径を小さくして、冷却部内を流れるＥＧＲガスの流れ場における乱流域の割合を増加させるとともに、冷却部の通路断面積に対する表面積を増大させることができることができ、ＥＧＲガスの熱交換率を高めて冷却効率を向上することが可能となる。
　また、前記ガス通路の冷却部は、前記高強度部とは別体の中空管にて構成され、前記ガス通路の高強度部は、筒形状に形成される側壁部と、前記側壁部における筒形状の一端を閉塞する底部とで構成され、前記底部には、前記冷却部が挿入可能な挿入口が形成されており、前記冷却部の端部を前記底部の挿入口に挿入して、前記冷却部と高強度部とを接続する接続工程と、前記冷却部の周囲を中子砂にて包囲して中子を形成する中子形成工程と、前記高強度部を鋳造型により把持する把持工程と、前記鋳造型に溶湯を流し込む鋳造工程とを備える。
　これにより、冷却部と高強度部とを一体的に成形してガス通路を構成した場合に比べて、前記ガス通路の製造が容易となり、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの生産性を向上することが可能となる。
　また、前記各工程が、接続工程→包囲工程→把持工程→鋳造工程の順に行われる場合には、高強度部を鋳造型に嵌合した後に冷却部と高強度部とを接続した場合などに比べて、冷却部と高強度部との接続を容易に行うことができ、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの生産性を、より向上することが可能となる。
　また、前記高強度部の側壁部を円筒形状に形成し、前記側壁部を鋳造型により把持した状態で、前記高強度部を鋳包む。
　これにより、高強度部の鋳包まれた部分とシリンダヘッドとの間に隙間ができることを防止でき、ウォータージャケット内における高強度部が鋳包まれた部分のシール性を確保することができる。
　また、前記ガス通路の冷却部を、前記冷却部内を流通する排気ガスの流れ方向と、前記シリンダヘッドウォータージャケット内を流通する冷却水の流れ方向とが交差するとともに、前記扁平形状の短辺側の面が前記冷却水の流れ方向と対向する姿勢に配置する。
　これにより、ウォータージャケット内を流通する冷却水の流通を妨げることなく、冷却部の外周面に冷却水を効率良く接触させることができ、ＥＧＲガスの冷却効率を向上することができる。
　また、前記ガス通路の冷却部は、扁平形状を有する中空管を複数備え、前記複数の中空管を、前記扁平形状の短辺方向に積層配置する。
　これにより、ウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部の表面積を、省スペースで増大させることができ、冷却効率のさらなる向上を図ることが可能となる。
　本発明は、以下の効果を奏する。
　つまり、ガス通路の冷却部を、扁平形状を有する中空管にて構成したり、高強度部よりも薄肉の中空管にて構成したりして、ＥＧＲガス冷却構造の冷却性能を向上することができる。また、ＥＧＲガスの冷却構造を容易に構成することができ、省スペースかつ低コストでＥＧＲガスの冷却を行うことが可能となる。
シリンダヘッドを示す平面断面図である。 シリンダヘッドを示す側面図である。 シリンダヘッドにおけるＥＧＲガス冷却構造を示す平面断面図である。 シリンダヘッドにおけるＥＧＲガス冷却構造を示す側面図である。 シリンダヘッドにおけるＥＧＲガス冷却構造を示す斜視図である。 ＥＧＲガス冷却管の高強度部を示す側面図である。 ＥＧＲガス冷却管の高強度部を示す正面断面図である。 ＥＧＲガス冷却管の高強度部、および高強度部に接続される冷却部を示す斜視図である。 ＥＧＲガス冷却管をシリンダヘッドに鋳包む際のフローを示す図である。 シリンダヘッドの鋳造型におけるＥＧＲガス冷却管の高強度部を鋳包む部分を示す平面断面図である。 冷却部の短辺の寸法とＥＧＲガスの出口温度との関係を示す図である。 ＥＧＲガス冷却管の高強度部を構成する側壁部の外周面に凹溝を形成した例を示す平面断面図である。 ＥＧＲガス冷却管のＥＧＲガス出口側に配置される高強度部における側壁部の内周面にスロープを形成した例を示す平面断面図である。
　１１　　シリンダヘッド
　１１ａ　冷却管支持部
　１２　　吸気ポート
　１３　　排気ポート
　１５　　ウォータージャケット
　３１　　ＥＧＲガス冷却管
　３２　　冷却部
　３２ａ　冷却部の長辺側の面
　３２ｂ　冷却部の短辺側の面
　３３　　高強度部
　３３ａ　側壁部
　３３ｂ　底部
　３３ｃ　挿入口
　３３ｄ　凹溝
　３３ｅ　スロープ
　次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
　図１～図５には、本発明にかかるＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドであるシリンダヘッド１１を示している。シリンダヘッド１１は、例えば複数の気筒（本実施形態では４気筒）を有するエンジンに備えられるものであり、気筒毎に吸気ポート１２・１２および排気ポート１３・１３を有している。
　また、シリンダヘッド１１の内部には、排気ポート１３等を冷却するために、中空状のウォータージャケット１５が形成されている。
　ウォータージャケット１５は、シリンダヘッド１１のフロント側（気筒配列方向の一側；図１における左側）の端部からリア側（気筒配列方向の他側；図１における右側）の端部にかけて形成されている。
　ウォータージャケット１５の内部には冷却水が満たされており、シリンダヘッド１１の外部において図示しない冷却ポンプやラジエータと接続されている。そして、冷却ポンプを駆動させることによって、ウォータージャケット１５の内部を冷却水が流通し、シリンダヘッド１１の内部を冷却するように構成されている。
　本実施形態においては、冷却水はシリンダヘッド１１のフロント側端部からウォータージャケット１５の内部に流入し、ウォータージャケット１５内をフロント側からリア側へ向かって流れた後、シリンダヘッド１１のリア側端部の冷却水出口１５ａから排出されるように構成されている。
　シリンダヘッド１１を備えるエンジンは、排気ポート１３から排出された排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を、シリンダヘッド１１の排気側から吸気側に再び環流して吸入空気と混合させる排気再循環装置を有している。
　前記排気再循環装置は、前記ＥＧＲガスを吸気ポート１２側へ案内するためのガス通路を有しており、前記ガス通路は、シリンダヘッド１１内に配置され、ウォータージャケット１５内の冷却水によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガス冷却管３１と、ＥＧＲガス冷却管３１の一端部（図３における上端部）と排気ガスが流通する排気管との間に介装され、ＥＧＲガスをＥＧＲガス冷却管３１へ導く排気側連結管２２（図３参照）と、ＥＧＲガス冷却管３１の他端部（図３における下端部）と吸気ポート１２に連通する吸気マニホールドとの間に介装され、ＥＧＲガス冷却管３１にて冷却されたＥＧＲガスを吸気ポート１２側へ導く吸気側連結管２３とを備えている。
　なお、例えば吸気側連結管２３の途中部には、排気管側から吸気ポート１２側へ還流するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブが設けられている。
　このように構成される排気再循環装置においては、エンジンの駆動中に前記ＥＧＲバルブが開かれると、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）が排気管から排気側連結管２２に流入し、さらにＥＧＲガス冷却管３１へと導かれる。ＥＧＲガス冷却管３１に導かれたＥＧＲガスは、ＥＧＲガス冷却管３１内を流通する際に、ウォータージャケット１５内を流れる冷却水によって冷却される。冷却されたＥＧＲガスは、その後吸気側連結管２３を通じて吸気マニホールドへ還流されることとなる。
　前記エンジンにおいては、上記の如く排気再循環装置を駆動させることにより、不活性な（酸素量の少ない）気体となったＥＧＲガスを排気管から吸気マニホールドへ再び環流して吸入空気と混合させている。これにより、シリンダヘッド１１における燃焼室内部の燃焼温度を低下させて、窒素酸化物の低減化を図っている。
　次に、ウォータージャケット１５内に配置されるＥＧＲガス冷却管３１について詳しく説明する。
　ＥＧＲガス冷却管３１は、ウォータージャケット１５内における、冷却水の流れ方向における下流側部分、詳しくは最も下流側に位置する気筒の吸気ポート１２・１２および排気ポート１３・１３と冷却水出口１５ａとの間に配置されている。
　図３～図５に示すように、ＥＧＲガス冷却管３１は、ウォータージャケット１５内を流れる冷却水と接触し、内部を流通するＥＧＲガスを冷却する部分となる冷却部３２と、冷却部３２の両端に配置され、シリンダヘッド１１に鋳包まれている高強度部３３・３３とを備えている。つまり、高強度部３３・３３は、冷却部３２の両側部に位置している。
　冷却部３２は扁平形状を有する薄肉の中空管にて構成されている。ＥＧＲガス冷却管３１においては、冷却部３２は複数備えられており、複数の冷却部３２は前記扁平形状の短辺方向に積層配置されている。
　つまり、冷却部３２は、その断面形状が、積層方向を短辺とするとともに積層方向と直交する方向を長辺とする矩形状または長円形状に形成されており、複数の冷却部３２は、長辺側の面３２ａが互いに対向するように積層されている。
　このように、冷却部３２を扁平形状の中空管にて構成しているので、冷却部３２の短辺方向の内径を小さくして、冷却部３２内を流れるＥＧＲガスの流れ場における乱流域の割合を増加させるとともに、冷却部３２の通路断面積に対する表面積を増大させることができることができ、ＥＧＲガスの熱交換率を高めて冷却効率を向上することが可能となっている。また、冷却部３２は薄肉の中空管にて構成されているので、ＥＧＲガスの冷却効率をさらに向上することが可能である。
　また、ＥＧＲガス冷却管３１においては、扁平形状の中空管にて構成される複数の冷却部３２を前記扁平形状の短辺方向に積層配置しているので、ウォータージャケット１５内の冷却水と接触する冷却部３２の表面積を、省スペースで増大させることができ、冷却効率のさらなる向上を図ることが可能となっている。
　また、ＥＧＲガス冷却管３１は、冷却部３２内を流通するＥＧＲガスの流れ方向と、ウォータージャケット１５内を流通する冷却水の流れ方向とが交差する姿勢に配置されている。本実施形態においては、冷却部３２内を流通するＥＧＲガスの流れ方向と、ウォータージャケット１５内を流通する冷却水の流れ方向とが直交している。
　さらに、ＥＧＲガス冷却管３１は、各冷却部３２の短辺側の面３２ｂが、ウォータージャケット１５内を流通する冷却水の流れ方向と対向する姿勢に配置されている。つまり、各冷却部３２は、長辺側の面３２ａが、ウォータージャケット１５内を流通する冷却水の流れ方向と平行となる姿勢に配置されている。
　ＥＧＲガス冷却管３１をこのように配置することにより、ウォータージャケット１５内を流通する冷却水の流通を妨げることなく、冷却部３２の外周面に冷却水を効率良く接触させることができ、ＥＧＲガスの冷却効率を向上することができる。
　図６、図７に示すように、高強度部３３は、円筒形状に形成される側壁部３３ａと、側壁部３３ａの筒形状の一端（つまり側壁部３３ａの軸心方向の一端）を閉塞する底部３３ｂとで構成されている。底部３３ｂには、冷却部３２の端部形状に応じた形状に形成され、冷却部３２の端部が挿入可能な挿入口３３ｃ・３３ｃ・・・が形成されている。
　そして、図８に示すように、底部３３ｂの挿入口３３ｃ・３３ｃ・・・に、それぞれ冷却部３２の端部を挿入することで、各冷却部３２と高強度部３３とが接続されている。
　底部３３ｂの挿入口３３ｃ・３３ｃ・・・形成部分と、挿入口３３ｃ・３３ｃ・・・に挿入された冷却部３２とは、例えばろう付けすることにより、その接続状態が固定される。
　なお、高強度部３３は、側壁部３３ａと底部３３ｂとを一体的に成形して構成するほか、別体に成形した側壁部３３ａと底部３３ｂとをろう付けなどにより接合して構成することもできる。
　高強度部３３は、冷却部３２よりも高強度に構成されている。特に、高強度部３３は、外周面にかかる圧縮力に対する耐強度が、冷却部３２よりも高く構成されている。この高強度部３３の高強度は、例えば、冷却部３２が扁平形状に形成されているのに対し、高強度部３３の側壁部３３ａを円筒形状に形成することにより実現されている。
　また、高強度部３３を冷却部３２よりも厚肉の部材にて形成することにより、高強度を実現することも可能である。さらに、高強度部３３の内周部にリブなどの補強部を形成することにより、高強度部３３の高強度を実現することも可能である。
　なお、冷却部３２および高強度部３３の構成材料としては、例えばアルミニウムやステンレスなどか用いられる。
　前述のように、高強度部３３は高強度の円筒形状部材に形成され、冷却部３２は、高強度部３３よりも強度が低い扁平形状の薄肉中空管にて形成されるといったように、高強度部３３と冷却部３２とは異なる特性を有する部材として構成されているが、冷却部３２と高強度部３３とは別体に形成され、冷却部３２を高強度部３３の挿入口３３ｃ・３３ｃ・・・に挿入することでＥＧＲガス冷却管３１を構成するようにしているので、ＥＧＲガス冷却管３１を容易に構成することができ、ＥＧＲガスの冷却構造の生産性を向上することが可能となっている。
　ウォータージャケット１５内の冷却水の流れ方向と直交する方向に対向するシリンダヘッド１１の両側壁には、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３・３３を支持する冷却管支持部１１ａ・１１ａがそれぞれ形成されている。
　つまり、ＥＧＲガス冷却管３１は、その両端部に配置される高強度部３３・３３が、冷却管支持部１１ａ・１１ａに支持されることにより、シリンダヘッド１１に取り付けられている。この場合、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３・３３は、鋳造されるシリンダヘッド１１に鋳包まれることにより、冷却管支持部１１ａ・１１ａにて支持されている。
　このように、高強度部３３・３３をシリンダヘッド１１にて鋳包むことで、ＥＧＲガス冷却管３１をシリンダヘッド１１に固定しているので、ＥＧＲガス冷却管３１を固定するためのボルトなどの固定具が不要であり、ＥＧＲガスの冷却構造を構成する部品点数を減少するとともに、前記固定具の組付作業が不要となって、低コストでＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドを製造することが可能となる。
　また、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３・３３をシリンダブロック１１に鋳包む場合、高強度部３３・３３には、外周側から鋳造圧（溶湯の重力および溶湯の収縮に伴う圧力）がかかるが、高強度部３３は側壁部３３ａを円筒形状に形成するなどして、外周側からかかる圧力に対して高強度に構成されているため、前記鋳造圧によっても変形することがない。
　具体的には、溶湯が凝固する際の収縮に伴う圧力が、高強度部３３の外周面にかかった場合、その圧力を円筒形状に形成された側壁部３３ａにて均等に受けることができるため、高強度部３３が変形することがない。
　これにより、高強度部３３の鋳包まれた部分とシリンダヘッド１１との間に隙間ができることを防止でき、ウォータージャケット１５内における高強度部３３が鋳包まれた部分のシール性を確保することができる。
　一方、ＥＧＲガス冷却管３１の冷却部３２は、ウォータージャケット１５が形成される部分に配置されていて、シリンダヘッド１１に鋳包まれることはなく、シリンダブロック１１の鋳造時に鋳造圧がかかることもないため、高強度部３３よりも低い強度に構成することができる。
　つまり、ＥＧＲガス冷却管３１は、高強度部３３・３３がシリンダヘッド１１に鋳包まれることによりシリンダヘッド１１に支持されており、ＥＧＲガスを冷却する部分である冷却部３２には鋳造圧が直接作用することがなく、鋳造圧による変形が生じにくいため、冷却部３２を扁平形状を有する中空管にて構成したり、高強度部３３よりも薄肉の中空管にて構成したりして、冷却性能を向上することができる。
　次に、ＥＧＲガス冷却管３１をシリンダヘッド１１に鋳包む際のフローについて説明する。
　図９に示すように、ＥＧＲガス冷却管３１を鋳包む際には、まず、冷却部３２の端部を、高強度部３３の底部３３ｂに形成される挿入口３３ｃに挿入して、冷却部３２と高強度部３３とを接続する接続工程を実施する（Ｓ０１）。この場合、高強度部３３は冷却部３２の両端部に接続され、ＥＧＲガス冷却管３１が構成される。
　接続工程にてＥＧＲガス冷却管３１が構成されると、ＥＧＲガス冷却管３１における冷却部３２の周囲を中子砂にて包囲して中子を形成する中子形成工程が実施される（Ｓ０２）。
　この場合、高強度部３３の冷却部３２に近い内側部分が、冷却部３２とともに中子に覆われるように構成することも可能である。但し、高強度部３３の外側部分は、シリンダヘッド１１に鋳包まれる部分、および後述の把持工程において鋳造型１に把持される部分となるため、中子は当該部分が露出するように形成される。
　次に、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３をシリンダヘッド１１の鋳造型により把持する把持工程が実施される（Ｓ０３）。高強度部３３を鋳造型により把持することで、中子形成工程にて形成された中子が鋳造型に設置される。
　図１０に示すように、例えば、シリンダヘッド１１の鋳造型１の内周面には、内側方向へ突出する円環形状の把持部１ａが形成されており、把持部１ａの内周面に高強度部３３の外周面を嵌合することにより、鋳造型１による高強度部３３の把持が行われる。
　さらに、中子を鋳造型に設置した後に、前記鋳造型１に溶湯を流し込んで鋳造工程が実施され、シリンダヘッド１１が鋳造される（Ｓ０４）。これにより、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３がシリンダヘッド１１に鋳包まれる。
　鋳造型１の把持部１ａにより高強度部３３を把持する際には、高強度部３の外側端と、鋳造型１における把持部１ａに囲まれた部分の内面１ｂとの間には所定寸法ｄの隙間を設けた状態で把持するようにしている。また、鋳造型１の把持部１ａにより高強度部３３を把持する際には、把持部１ａと高強度部３３との間はシールされており、鋳造型１に流し込んだ溶湯が前記所定寸法ｄの隙間部分に入り込まないようになっている。
　このように構成することで、高強度部３３の外側端がシリンダヘッド１１の外面から寸法ｄだけ内側に引けた状態でシリンダヘッド１１に鋳包まれることとなる（図３参照）。
　これにより、ＥＧＲガス冷却管３１の両端部に配置される高強度部３３・３３が、シリンダヘッド１１に接続される排気側連結管２２および吸気側連結管２３と干渉することがなく、高強度部３３・３３に負荷がかかることを防止できるため、シリンダヘッド１１と高強度部３３・３３とのシール状態の信頼性を向上することができる。
　このように、前記各工程を、接続工程（Ｓ０１）→中子形成工程（Ｓ０２）→把持工程（Ｓ０３）→鋳造工程（Ｓ０４）の順に実施することで、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３がシリンダヘッド１１に鋳包まれる。
　そして、高強度部３３をシリンダヘッド１１に鋳包んで、ＥＧＲガス冷却管３１をウォータージャケット１５内に配置することで、ＥＧＲガス冷却構造をウォータージャケット１５内に有するシリンダヘッド１１が製造されることとなる。
　ＥＧＲガス冷却管３１をウォータージャケット１５内に配置する構成では、シリンダヘッド１１の外部にＥＧＲガスクーラーを別途設置する必要がなく、ＥＧＲガスの冷却構造を容易に構成することができる。また、エンジンからの別途設置したＥＧＲガスクーラーへのガス配管が不要になるので、省スペースかつ低コストでＥＧＲガスの冷却を行うことが可能となる。
　また、シリンダヘッド１１のウォータージャケット１５内に配置されるＥＧＲガス冷却管３１は、互いに別体に形成される冷却部３２と高強度部３３とを接続することにより構成されるものであるため、冷却部３２と高強度部３３とを一体的に成形してＥＧＲガス冷却管３１を構成した場合に比べて、ＥＧＲガス冷却管３１の製造が容易となり、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド１１の生産性を向上することが可能となっている。
　さらに、高強度部３３をシリンダヘッド１１に鋳包む際には、高強度部３３を鋳造型１の把持部１ａに嵌合して、ＥＧＲガス冷却管３１を鋳造型１により把持する前に、冷却部３２と高強度部３３とを接続するようにしているので、高強度部３３を鋳造型１の把持部１ａに嵌合した後に冷却部３２と高強度部３３とを接続した場合などに比べて、冷却部３２と高強度部３３との接続を容易に行うことができ、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド１１の生産性を、より向上することが可能となっている。
　前述のように、冷却部３２を扁平形状の中空管にて構成することにより、冷却部３２を流通するＥＧＲガスの冷却効率を高めているが、前記扁平形状の扁平度合いが高いほど冷却性能の向上を図ることができる。
　つまり、図１１には、扁平形状に形成される冷却部３２の断面における短辺の寸法ｈと、ＥＧＲガスの冷却部３２の出口温度、すなわち冷却水による冷却後のＥＧＲガスの温度との関係を示している。
　図１１によれば、冷却部３２の短辺の寸法ｈが小さくなるにつれてＥＧＲガスの出口温度が低くなっており、冷却部３２の扁平度合いが高くなるほど冷却性が向上していることがわかる。これは、前記寸法ｈが小さく（扁平形状の冷却部３２が薄く）なるほど冷却部３２を流通するＥＧＲガスの流速および熱伝達率が向上するためである。
　また、図１２に示すように、ＥＧＲガス冷却管３１の高強度部３３を構成する側壁部３３ａにおけるシリンダブロック１１に鋳包まれている部分（シリンダブロック１１の冷却管支持部１１ａに支持されている部分）の外周面には、円周方向に沿って凹溝３３ｄを形成することができる。
　このように、側壁部３３ａの外周面に凹溝３３ｄを形成することで、シリンダブロック１１の鋳包み部分が凹溝に係止して、シリンダブロック１１に鋳包まれた高強度部３３がシリンダブロック１１から抜け出すことを防止できるとともに、シリンダブロック１１と高強度部３３との間のシール性を確保することができる。
　なお、側壁部３３ａの外周面に、円周方向に沿った突起部を形成することでも、同様の効果を奏することができる。
　また、図１３に示すように、ＥＧＲガス冷却管３１のＥＧＲガス出口側（ＥＧＲガス流れ方向の下流側）に配置される高強度部３３における側壁部３３ａの内周面には、ＥＧＲガスの流れ方向の上流側から下流側へいくにつれて拡径するスロープ（勾配）３３ｅを形成することができる。
　ＥＧＲガスが冷却部３２で冷却されると冷却部３２内に凝縮水が生じ、生じた凝縮水がＥＧＲガスの流れにより出口側の側壁部３３ａ内に流出するが、前述のように側壁部３３ａの内周面にスロープ３３ｅを形成することで、側壁部３３ａ内の凝縮水が外部に排出され易くなる。
　これにより、前記凝縮水が側壁部３３ａ内に滞留して、ＥＧＲガス冷却管３１に腐食などの劣化・破損が生じることを防止することができる。
　本発明は、排気再循環装置を備えたエンジンのシリンダヘッドにおいて、ＥＧＲガス冷却構造を構成するために用いることができる。

 

Claims (15)

  1. 　排気ポートから排出された排気ガスの一部を吸気ポート側へ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドウォータージャケット内に配置して、前記ガス通路内を流通する排気ガスの冷却を行う、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドであって、
    　前記ガス通路は、前記シリンダヘッドウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部と、前記冷却部の側部に位置し、前記冷却部よりも高い強度を有する高強度部とを備えた中空管にて構成され、
    　前記ガス通路の高強度部が、前記シリンダヘッドに鋳包まれている、
    　ことを特徴とするＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  2. 　前記ガス通路の冷却部が、扁平形状を有する中空管にて構成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  3. 　前記ガス通路の冷却部は、前記高強度部とは別体の中空管にて構成され、
    　前記ガス通路の高強度部は、筒形状に形成される側壁部と、前記側壁部における筒形状の一端を閉塞する底部とで構成され、
    　前記底部には、前記冷却部が挿入可能な挿入口が形成され、
    　前記冷却部の端部を前記底部の挿入口に挿入することで、前記冷却部と高強度部とが接続される、
    　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  4. 　前記高強度部の側壁部が、円筒形状に形成される、
    　ことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  5. 　前記ガス通路の冷却部は、
    　前記冷却部内を流通する排気ガスの流れ方向と、前記シリンダヘッドウォータージャケット内を流通する冷却水の流れ方向とが交差するとともに、前記扁平形状の短辺側の面が前記冷却水の流れ方向と対向する姿勢に配置される、
    　ことを特徴とする請求項２～請求項４の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  6. 　前記ガス通路においては、前記冷却部が複数備えられ、
    　前記複数の冷却部は、前記扁平形状の短辺方向に積層配置される、
    　ことを特徴とする請求項２～請求項５の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  7. 　前記高強度部における側壁部の外周面には、円周方向に沿った凹溝または突起部が形成される、ことを特徴とする請求項３～請求項６の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  8. 　ＥＧＲガス流れ方向の下流側に位置する高強度部における側壁部の内周面には、ＥＧＲガスの流れ方向の上流側から下流側へいくにつれて拡径するスロープが形成される、ことを特徴とする請求項３～請求項７の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッド。
  9. 　排気ポートから排出された排気ガスの一部を吸気ポートへ案内するためのガス通路を、シリンダヘッドウォータージャケット内に配置して、前記ガス通路内を流通する排気ガスの冷却を行う、ＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法であって、
    　前記ガス通路を、前記シリンダヘッドウォータージャケット内の冷却水と接触する冷却部と、前記冷却部の側部に位置し、前記冷却部よりも高い強度を有する高強度部とを備えた中空管にて構成し、
    　前記ガス通路の高強度部を前記シリンダヘッドに鋳包むことにより、前記冷却部をシリンダヘッドウォータージャケット内に配置する、
    　ことを特徴とするＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  10. 　前記ガス通路の冷却部を、扁平形状を有する中空管にて構成する、
    　ことを特徴とする請求項９に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  11. 　前記ガス通路の冷却部は、前記高強度部とは別体の中空管にて構成され、
    　前記ガス通路の高強度部は、筒形状に形成される側壁部と、前記側壁部における筒形状の一端を閉塞する底部とで構成され、
    　前記底部には、前記冷却部が挿入可能な挿入口が形成されており、
    　前記冷却部の端部を前記底部の挿入口に挿入して、前記冷却部と高強度部とを接続する接続工程と、
    　前記冷却部の周囲を中子砂にて包囲して中子を形成する中子形成工程と、
    　前記高強度部を鋳造型により把持する把持工程と、
    　前記鋳造型に溶湯を流し込む鋳造工程とを備える、
    　ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  12. 　前記各工程は、接続工程→包囲工程→把持工程→鋳造工程の順に行われる、
    　ことを特徴とする請求項１１に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  13. 　前記高強度部の側壁部を円筒形状に形成し、
    　前記側壁部を鋳造型により把持した状態で、前記高強度部を鋳包む、
    　ことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  14. 　前記ガス通路の冷却部を、
    　前記冷却部内を流通する排気ガスの流れ方向と、前記シリンダヘッドウォータージャケット内を流通する冷却水の流れ方向とが交差するとともに、前記扁平形状の短辺側の面が前記冷却水の流れ方向と対向する姿勢に配置する、
    　ことを特徴とする請求項１０～請求項１３の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
  15. 　前記ガス通路の冷却部は、扁平形状を有する中空管を複数備え、
    　前記複数の中空管を、前記扁平形状の短辺方向に積層配置する、
    　ことを特徴とする請求項１０～請求項１４の何れか一項に記載のＥＧＲガス冷却構造を有するシリンダヘッドの製造方法。
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