JP5595079B2 - シリンダヘッドのウォータジャケット構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などのエンジンにおけるシリンダヘッドのウォータジャケット構造、詳しくは、複数気筒からの排気マニホールドを一体に形成したシリンダヘッドのウォータジャケット構造に関する。

このような排気マニホールド一体型のシリンダヘッドは、下記の特許文献１〜４などで知られ、シリンダヘッドに形成されるウォータジャケットによる、排気マニホールドの冷却が図れる。そのために、シリンダヘッドと一体な排気マニホールドのまわりに、冷却水を通すウォータジャケットが形成される。

特許文献１、２は、シリンダヘッド内の気筒列上と、排気マニホールドの上および下とにウォータジャケットを設け、これら上下のウォータジャケットを繋ぐウォータジャケットを点火プラグと排気マニホールドとの間で気筒列方向に通じるように設けたウォータジャケット構造を開示している。また、排気マニホールドの、個別な排気バルブ口から１つの排気口に向け延びる排気ポート間の壁部内に、シリンダヘッド締結用ボルトを貫通させるボルト貫通穴と、このボルト貫通穴の排気口側に隣接して動弁室からオイルパンにオイルを戻すオイル戻し通路とを形成している。

特許文献３は、まわりにウォータジャケットが形成されている排気マニホールドにおいて、気筒配列方向の中心部に位置する気筒の２個の排気ポートの隔壁を、他の気筒の２個の排気ポート間の隔壁より拡大し、この拡大した隔壁にウォータジャケットとオイル通路とを形成し、隣接する２個の排気ポート間の壁部分にシリンダヘッド締結用ボルトがねじ込まれる雌ネジ部を形成するウォータジャケット構造を開示し、特許文献２に記載の技術に比し、前記合流角を減少して出力性能を向上し、オイル通路と雌ネジ部の距離を大きくしてウォータジャケット形成用中子の強度を確保し、生産性を向上できるとしている。

特許文献４は、シリンダヘッド内の、シリンダ配列方向上部を含む排気マニホールドおよび吸気マニホールド接続口の上と、排気マニホールドの下と、吸気マニホールド接続口の下とにウォータジャケットを形成した構造を開示している。特許文献４は、特にシリンダブロックとの接合面の、排気ポート集合部下方に位置する部分に、凹部を設け、シリンダブロックとの接合状態で前記凹部がオイルまたは水を流通させる空間を形成し、シリンダヘッドの製造性の悪化を招くことなく、排気ポート集合部および排気ポート出口部を効果的に冷却できるようにしている。

特開２０００−１６１１３１号公報 特開２０００−１６１１２９号公報 特開２００７−１６２５９１号公報 特開２００８−２６７１８４号公報

ところで、従来のシリンダヘッドに一体に形成される排気マニホールドは、各シリンダに対応する個別な排気バルブ口から立ち上がった後、シリンダ配列方向に向く一側に開口する１つの排気口に向け延びて合流し、前記排気口に通じている（特許文献１の図１、図２を参照）。このために、各排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部が、点火プラグ縦通部、排気弁縦通部と共に、それらよりも大径となって中央側の気筒配列域に位置していて、この中央側で流れ抵抗が高く、流れ抵抗の低い排気口側、つまり、前記立ち上がり部から排気口へ延びている排気ポート側に多くが流れてしまい、前記立ち上がり部間を通る冷却水量が少なくなる。この結果、排気ポート側のウォータジャケットと中央側のウォータジャケットとで温度差ができ、中央側の冷却が不足する。このことは、排気ポートの特に高温になる前記立ち上がり部がある下側のウォータジャケットの中央側で著しい。

また、特許文献１、２に見られるように、ボルト縦通部の外側、つまり排気口があるシリンダヘッドの一側壁の側にオイル戻し通路を設けると、シリンダヘッドが排気口側に大型化する。また、オイル戻し通路は排気ポートのウォータジャケット側から遠くなり冷却されにくいので、高負荷運転時に熱くなり過ぎてオイルが劣化しやすい。これを、特許文献３に記載のもののように排気ポート間の壁部にウォータジャケットと共にオイル戻し通路を設けて対応しようとすると、これもシリンダヘッド大型化につながる。

本発明は、このような問題に鑑み、排気マニホールド一体型のシリンダヘッドにおける冷却水の中央側と排気ポート側の温度差を低減し、高温となる中央側を十分に冷却できるシリンダヘッドのウォータジャケット構造を提供することを主たる課題とし、さらには、シリンダヘッドを大型化することなくオイルの劣化を低減できるオイル戻し通路を設けることをも課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のシリンダヘッドのウォータジャケット構造は、複数気筒の排気ポートがシリンダヘッド内での合流箇所で合流した後、気筒配列方向に平行な一側に排気口が開口した排気マニホールド一体型のシリンダヘッドのウォータジャケット構造において、気筒配列方向の一端に冷却水入口を備え、気筒配列方向の他端側に冷却水出口を備え、冷却水入口と冷却水出口との間のウォータジャケットを形成している排気口側の側壁内面に、冷却水を気筒配列域である中央側に向ける膨出部を有し、この膨出部は、少なくとも排気ポートの下側に設けられ、合流箇所を含んで中央側に延びたことを特徴とする。

このような構成では、冷却水が、シリンダヘッド一端のメイン冷却水入口から下流のウォータジャケットに流れ込んで、シリンダヘッド他端の冷却水出口へと流れ出る。また、気筒配列域である中央側は、点火プラグ縦通部、排気バルブ縦通部、排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部が集中するので流れ抵抗が高く、そのため流れ抵抗の低い排気ポート側に多く流れようとするが、排気口側の側壁内面の膨出部によって冷却水の流れを中央側に向けることができる。また、中央側での流れ抵抗は、各排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部のある排気ポート下側で特に高く、排気ポート側により多く流れようとするが、前記膨出部が排気ポートの少なくとも下側にあることによって中央側に積極的に向けることができる。

上記において、さらに、ウォータジャケットは、排気ポートの上側ウォータジャケットと下側ウォータジャケットを備え、上側ウォータジャケットは排気口上部まで設けられている。

上記において、さらに、膨出部は、気筒配列方向に複数設けるものとすることができる。

このような構成では、上記に加え、さらに、複数の気筒位置に対応して、冷却水に流れ抵抗を与える点火プラグ縦通部、排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部が集中し、かつこの集中域が気筒配列方向に隣接していることから、熱的負荷が大きくなる複数の流れ抵抗部間に冷却水を排気ポート側から通せるようになる。

上記において、さらに、少なくとも排気ポート下側の膨出部が、排気ポートの合流箇所よりも中央側に延び、かつ、オイル戻し通路が前記膨出部を貫通しているものとすることができる。

このような構成では、上記に加え、さらに、少なくとも排気ポート下の膨出部が排気ポートの合流部よりも中央側に延びている分だけ、熱的負荷の高い中央側に向かい、各流れ抵抗部間を通る冷却水の流れを強められるし、オイル戻し通路が、前記中央側へ延びた膨出部に貫通していることで、膨出部に衝突する冷却水によってオイル戻し通路の冷却が図れる。

上記において、さらに、ウォータジャケットは、排気ポートの上側ウォータジャケットと下側ウォータジャケットとを備え、上側ウォータジャケットの排気口側側壁内面のうちオイル戻し通路の両側に膨出部を設けたものとすることができる。

このような構成では、上記に加え、さらに、オイル戻し通路の熱的負荷の高い排気ポート上側部分で、オイル戻し通路周囲の冷却水の通路を狭めて流速を高めることと、膨出部により冷却水の流れをオイル戻し通路に衝突させることとで、冷却効果を高められる。

本発明のシリンダヘッドのウォータジャケット構造によれば、ウォータジャケット内の気筒配列域である中央側が、熱的負荷が高いにもかかわらず、点火プラグ縦通部、排気バルブ縦通部、排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部の集中によって流れ抵抗が高いために、冷却水が流れ抵抗の低い排気ポート側に多く流れようとするのを、排気口側の側壁内面の膨出部によって中央側に向けるので、側壁内面に沿って流れる受熱量の少ない冷却水を熱的負荷の高い中央側の冷却に生かして十分に冷却し、冷却水温度の均一化を達成できる。

また、中央側での流れ抵抗は、各排気ポートの排気バルブ口からの立ち上がり部のある排気ポート下側で特に高いことには、前記膨出部が排気ポートの少なくとも下側で、冷却水を中央側に向けることで対応することができる。

本発明の実施の形態に係る３気筒エンジンでの、シリンダブロックのウォータジャケット構造における、代表的な排気ポートの上と下とでの排気口側の側面に中央側に向く膨出部を持った１つの例を平面視して示す模式図。 同構造を、シリンダヘッドの排気マニホールドの排気口の軸線と、点火プラグ縦通部の軸線とを含む面で断面した断面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線より見た横断面図。 図２のＩＶ−ＩＶ線より見た横断面図。 図２のＶ−Ｖ線より見た横断面図。 図２のＶＩ−ＶＩ線より見た横断面図。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線より見た横断面図。 図２の中央側で対向し合うボルト縦通部の軸線を通る面で断面した（図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線から見た）断面図。 図２のシリンダヘッドの、ウォータジャケット構造の代表的な部分の関係を外部から透視的に見て示す概略斜視図である。

本実施の形態に係るシリンダヘッドの、ウォータジャケット構造の１つの具体例について、図１〜図９を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。

本実施の形態の、シリンダヘッドのウォータジャケット構造は、図１（ａ）に平面視して示すように複数気筒Ｓの排気ポートＥＰがシリンダヘッド１内で合流した後、気筒Ｓの配列方向に平行な一側１ａに排気口２が開口した排気マニホールド一体型のシリンダヘッド１のウォータジャケット構造であって、気筒Ｓの配列方向の一端１ｂにメイン冷却水入口３を備え、気筒Ｓの配列方向の他端側に冷却水出口４を備え、メイン冷却水入口３と冷却水出口４との間の、図１（ａ）〜（ｃ）、図２、図３〜図９に示すウォータジャケット５を形成している排気口２側の側壁図１（ｂ）（ｃ）、図４、図９に示す内面５ａに、冷却水６を気筒Ｓの配列域である中央側に向ける膨出部７を有する。この膨出部７は、図１（ｂ）、図５に示す排気ポートＥＰ上の膨出部７と、図１（ｃ）、図２、図４に示す排気ポート下の膨出部７とを設けた例を示しているが、本発明の基本的な特徴上は、少なくとも排気ポートＥＰの下側に設ける。

これにより、冷却水６が図１（ｂ）（ｃ）に矢印で示すように、シリンダヘッド一端１ｂのメイン冷却水入口３から下流のウォータジャケット５に流れ込んで、シリンダヘッド他端１ｃの冷却水出口４へと流れ出る。また、気筒Ｓの配列域である中央側は、点火プラグ縦通部１１、排気バルブ縦通部１２、排気ポートＥＰの排気バルブ口８からの立ち上がり部９の集中によって流れ抵抗が高く、流れ抵抗の低い排気ポートＥＰ側に多く流れようとするのを、排気口２側の側壁内面５ａの膨出部７によって、図１（ｃ）に矢印で示すように中央側に向けることができる。

ここで、メイン冷却水入口３は図１（ｂ）（ｃ）、図６、図７に示すように、シリンダヘッド１のシリンダブロック２２との接合面をなし、ウォータジャケット５の底部をなすデッキ３５に形成されている。また、メイン冷却水入口３以外にサブ冷却水入口３ａがあってもよい。具体的には、図７に示すように、サブ冷却水入口３ａは、メイン冷却水入口２箇所を除く１８箇所にある。これらメイン冷却水入口３およびサブ冷却水入口３ａへは、シリンダブロックから冷却水６が供給される。シリンダヘッド１とシリンダブロック２２との間に介在するガスケットに設けた孔の径により、サブ冷却水入口から供給される冷却水の量が制限される。この結果、８０％くらいの量の冷却水６がメイン冷却水入口３から供給される。なお、前記制限のために、前記ガスケットにより完全に塞がれているサブ冷却水入口がある。

また、中央側での流れ抵抗は、各排気ポートＥＰの排気バルブ口８からの立ち上がり部９のある排気ポートＥＰの下側で特に高く、排気ポートＥＰ側により多く流れようとする冷却水６を、前記膨出部７が、図１（ｃ）、図２、図９に示すように排気ポートＥＰの少なくとも下側にあることによって中央側に強制的に向けることができる。

この結果、本実施の形態の、シリンダヘッドのウォータジャケット構造によれば、ウォータジャケット５内の気筒配列域である中央側が、熱的負荷が高いにもかかわらず、点火プラグ縦通部１１、排気バルブ縦通部１２、排気ポートＥＰの排気バルブ口８からの立ち上がり部９の集中によって流れ抵抗が高いために、冷却水６が流れ抵抗の低い排気ポートＥＰ側に多く流れようとするのを、排気口２側の側壁内面５ａの膨出部７によって中央側に向けるので、側壁内面に沿って流れる受熱量の少ない冷却水６を中央側の冷却に生かして十分に冷却し、冷却水温度の均一化を達成できる。

また、中央側での流れ抵抗は、各排気ポートＥＰの排気バルブ口８からの立ち上がり部９のある排気ポートＥＰ下側で特に高い。しかし、前記膨出部７が排気ポートＥＰの少なくとも下側で、冷却水６を中央側に向けるので冷却水を集中させることができ、そこでの冷却と冷却水６の温度の均一化とが十分に図れる。

このような、膨出部７による冷却水６の中央側に向けた流れ作りによる、冷却水６の温度の均一化と中央側での十分な冷却の作用は、図１（ａ）に示す、排気ポートＥＰの上側の膨出部７にても同様に発揮される。しかし、排気ポートＥＰの上側では、これらの立ち上がり部９が無いので、中央側への膨出度を下側の膨出度よりも抑えて中央側に向ける冷却水量を下側よりも低減することで、過冷却や、これによる冷却水６の温度の上下での不均一の原因とならないようにできる。

また、膨出部７の先端は、特に、図１（ｃ）、図４の中央位置のものが示しているように、隣接する２つの排気ポートＥＰ、ＥＰの間に対応しているものとしている。これにより、膨出部７が上流からの冷却水６の流れを中央側に向けるのに、膨出部７の先端が対応している隣接した２つの排気ポートＥＰ、ＥＰの間に向く流れを作るので、それらの間、熱的負荷の高い排気バルブ口８間、および排気バルブ縦通部１２間を冷却することができる。

特に、排気ポートＥＰ下では、排気バルブ口８からの立ち上がり部９の間、隣接する排気ポートＥＰの狭い立ち上がり部９の間にも、冷却水６を通して排気バルブ口８まわりを含め冷却することができる。従って、膨出部７は、排気ポートＥＰの隣接組に対応して設けて有効であり、膨出部７の数は、隣接組数以下とすることができる。また、隣接した２つの排気ポートＥＰ、ＥＰは、１つの気筒Ｓの、２つの排気バルブ口８、８からのものと、隣接する気筒Ｓの１つずつの排気バルブ口８、８からのものとを含み、１つの気筒Ｓに２つの排気バルブ口８がある場合と、１つの気筒Ｓに１つの排気バルブ口８がある場合とに対応できる。

特に、下側ウォータジャケット５２の中央に設けた膨出部７のように、先端に立ち上がり部８、８間などの狭い流れ抵抗部間に向く細い突起７ａ（図１（ｃ）、図４）を設ければ、膨張部７とそれら流れ抵抗部間との冷却流路を特に狭めるようなことなく、冷却水６が流れ抵抗部間により近づき、冷却水６を狭い流れ抵抗部間にも流量を落すことなく確実に通過させられる。しかも、そこでの流速を上げて冷却効率を高められる。

このような隣接する排気バルブ口８、８の間に対応して設ける膨出部７は、少なくとも気筒Ｓの配列方向の中央に対応して設ける、つまり１つ設けるものとすることができる。このようにすると、気筒Ｓの配列数が偶数か奇数かの別なく、気筒Ｓの配列方向の中央で熱的負荷がいわば累積的に高くなる部分に冷却水６を排気ポートＥＰ側から通して冷却することができる。

また、図示する例のように、膨出部７は、気筒Ｓの配列方向に複数設けることができる。これにより、複数の気筒Ｓの配列位置に対応して、冷却水６に流れ抵抗を与える点火プラグ縦通部１１、排気ポートＥＰの排気バルブ口８からの立ち上がり部９が集中し、かつこの集中域が気筒Ｓの配列方向に隣接していることから、熱的負荷が大きくなる複数の流れ抵抗部間に冷却水６を排気ポートＥＰ側から、図１（ｂ）（ｃ）に矢印で示すように通すことができる。

従って、流れ抵抗が高くかつ熱的負荷の高い中央側を過不足なく冷却でき、冷却水６の温度のさらなる均一化が確保される。この場合、各膨出部７の先端は、上流での流路や膨出部７などにより案内される冷却水６の流れ方向との関係から、冷却水６を向けたい隣接する流れ抵抗部間に対して偏って設けることもある。図示例では、気筒Ｓの配列方向の中央に位置するもの以外は、下流側に偏った位置としている。

下側ウォータジャケット５２に膨出部７を冷却水６の流れ方向に複数設けると、熱的負担は、気筒Ｓの配列方向中央で最も高く一端１ｂ、他端１ｃ側に低くなっていく傾向になる。そこで、中央の膨出部７を最も膨出させ、一端１ｂ、他端１ｃ側の膨出部７の膨出度を小さくし、また、小さくしていくことで、上流、下流間での冷却水６の温度分布を均一化することができる。両側の気筒Ｓの排気バルブ口８間には、入り口３から排気ポートジャケットへと流れる冷却水６および排気ポートジャケットから出口４へ向けて流れる冷却水６があるが、中央気筒Ｓの排気バルブ口８間を流れる冷却水６は少ないため、中央気筒Ｓに対向する膨出部７を大きくしている。

また、少なくとも排気ポートＥＰ下側の膨出部７が、図１（ｃ）に示す気筒Ｓの配列方向中央位置のものを例に示しているように、排気ポートＥＰの合流箇所Ｐよりも中央側に延び、かつ、図２、図８に示すシリンダヘッド１の動弁室２１からシリンダブロック２２を通じて図示しないオイルパンにオイルを戻すオイル戻し通路２３が前記中央位置の膨出部７を図２、図４に示すように貫通するようにしている。

これにより、少なくとも排気ポートＥＰ下の膨出部７が排気ポートＥＰの合流部Ｐよりも中央側に延びている分だけ、熱的負荷の高い中央側に向かい、各流れ抵抗部間を通る冷却水６の流れを高められるし、排気ポートＥＰの合流部Ｐの壁部に設けたオイル戻し通路２３が、前記中央側へ延びた膨出部７を貫通していることで、膨出部７に衝突する冷却水６によるオイル戻し通路２３の冷却が図れる。

また、ウォータジャケット５は、図１（ｂ）（ｃ）、図２に示すように、排気ポートＥＰの上側ウォータジャケット５１と下側ウォータジャケット５２とを備えるが、上側ウォータジャケット５１は、図１（ｂ）、図５に示すようにその一側１ａに２つの膨出部７を設けている。つまり、オイル戻し通路２３の両側に膨出部７を設けている。これにより、排気バルブ口８から立ち上がり部９を経て排気ポートＥＰの天井面に沿って高温の排気が流れることで熱的負荷が特に高くなる排気ポートＥＰ上側部分で、オイル戻し通路２３周囲の冷却水６の通路を狭めて流速を高めることと、膨出部７により冷却水６の流れをオイル戻し通路２３に衝突させることとで、オイル戻し通路の冷却効果を高められる。

さらに、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、ウォータジャケット５内には、ボルト縦通部２４をなすボルトボスが位置し、また部分的に臨んでいるが、排気ポートＥＰ配置域では、ボルト縦通部２４をなすボルトボスを前記オイル戻し通路２３が位置しない、排気ポートＥＰの合流点Ｐの内側壁部に配置し、排気ポートＥＰの支持に共用している。これによって、ボルト縦通部２４とオイル戻し通路２３とが排気口２の軸線方向に並ぶのを回避し、シリンダヘッド１が大型化するのを防止できる。また、これらボルト縦通部２４をなすボルトボスの中央側ウォータジャケット５３への露出部両側を図１（ａ）〜（ｃ）に示すように平面部５ｂとしてあり、この平面部５ｂにて冷却水６の流れを案内して整流するので、平面部５ｂの対応域では冷却水６を案内する専用のリブを省略することができる。

さらに、各気筒Ｓの吸気バルブ口３１から延びる吸気マニホールド接続口３２が他側１ｄ側の周壁に設けられ、この周壁の図１（ｃ）、図２、図４、５、６に示す内面５ｃがウォータジャケット５の他側１ｄ側の内面を形成しており、この周壁内面５ｃの上部から図１（ｂ）、図９に示すような前記上側ウォータジャケット５１の膨出部７１が膨出している。また、ウォータジャケット５は吸気マニホールド接続口３２まわりにも及んでいるが、吸気マニホールド接続口３２まわりとの接触面積は小さく過冷却を防止しつつ、ウォータジャケット５全域での冷却水６の温度の均一化を図っている。

また、冷却水出口４は、他側１ｄ側に偏って設け、排気マニホールド側の広域各部の流れを抵抗部間に分流し、各流れ抵抗部まわりを通るような流れを作るようにしてあり、排気マニホールド側各部での上記した冷却効果を高めている。また、図３、図５に示すような縦向きのリブ３３を天井壁３４から垂下するように設けて、中央側ジャケット５３の天井壁に沿って冷却水６が流れ去ってしまわないように、冷却水６を下側へ向けるようにしてある。なお、中央側ウォータジャケット５３は図２、図４〜図６、図８に示す吸気バルブ口３１側のウォータジャケット５４にもつながっている。

本発明は、シリンダヘッドのウォータジャケットにおいて、流れ抵抗部の影響なしに、熱的負荷の高さに応じた十分な冷却と冷却水の温度の均一化を図るのに実用できる。

１ シリンダヘッド
２ 排気口
３ メイン冷却水入口
４ 冷却水出口
５ ウォータジャケット
５ａ 排気口２側の側壁内面
６ 冷却水
７ 膨出部
８ 排気バルブ口
９ 排気バルブ口からの立ち上がり部
１１ 点火プラグ縦通部
１２ 排気バルブ縦通部
２３ オイル戻し通路
２４ ボルト縦通部（ボルトボス）
３２ 吸気マニホールド接続口
５１ 排気ポートＥＰの上側ウォータジャケット
５２ 排気ポートＥＰの下側ウォータジャケット
５３ ボルトボス中央側ウォータジャケット
７１ ウォータジャケット５１の膨出部

Claims (5)

1. 複数気筒の排気ポートがシリンダヘッド内での合流箇所で合流した後、気筒配列方向に平行な一側に排気口が開口した排気マニホールド一体型のシリンダヘッドのウォータジャケット構造において、
   気筒配列方向の一端側に冷却水入口を備え、
   気筒配列方向の他端側に冷却水出口を備え、
   冷却水入口と冷却水出口との間のウォータジャケットを形成している排気口側の側壁内面に、冷却水を気筒配列域である中央側に向ける膨出部を有し、
   この膨出部は、少なくとも排気ポートの下側に設けられ、合流箇所を含んで中央側に延びたことを特徴とするシリンダヘッドのウォータジャケット構造。
2. ウォータジャケットは、排気ポートの上側ウォータジャケットと下側ウォータジャケットを備え、上側ウォータジャケットは排気口上部まで設けられている請求項１に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造。
3. オイル戻し通路が前記膨出部を貫通している請求項１、２のいずれか１項に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造。
4. ボルト縦通部が、前記オイル戻し通路が位置しない、排気ポートの合流箇所の内側壁部に配置されている請求項３に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造。
5. ウォータジャケットは、排気ポートの上側ウォータジャケットと下側ウォータジャケットとを備え、上側ウォータジャケットの排気口側側壁内面のうちオイル戻し通路の両側に膨出部を設けた請求項３に記載のシリンダヘッドのウォータジャケット構造。

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