JP7182364B2

JP7182364B2 - エンジン

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Publication number: JP7182364B2
Application number: JP2018024977A
Authority: JP
Inventors: 直人瀬戸
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2038-02-15
Also published as: JP2019138283A

Description

本発明は、シリンダヘッドを備えるエンジンに関する。

エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室に吸入空気を案内する吸気ポートが形成され、燃焼室から排出ガスを案内する排気ポートが形成される。また、燃焼室や排気ポートの近傍には、冷却液の流路であるウォータジャケットが形成される（特許文献１参照）。このウォータジャケットに冷却液を流すことにより、燃焼室や排気ポートを適切な温度範囲に冷却することができる。

特開２００７－１６２５１９号公報

ところで、エンジン始動直後においては、冷却損失を低減して燃費性能を高める観点から、燃焼室の温度を早期に上昇させることが求められている。しかしながら、エンジン始動後に燃焼室を所定温度まで上昇させるためには、冷却系を循環する冷却液全体の温度上昇を待つ必要があるため、エンジンの燃焼室を早期に暖めることは困難であった。

本発明の目的は、エンジンの燃焼室を早期に暖めることにある。

本発明のエンジンは、シリンダヘッドを備えるエンジンであって、前記シリンダヘッドに形成され、燃焼室の近傍に冷却液を案内する燃焼室冷却部と、前記燃焼室冷却部の一部に重ねて前記シリンダヘッドに形成され、排気ポートの近傍に冷却液を案内する排気系冷却部と、前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とが重なる前記シリンダヘッドの部位に形成される切削穴からなり、前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とを互いに連通させる連通流路部と、を有し、前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とは、シリンダボアの軸線方向において互いに重ねられており、前記排気系冷却部に導入された冷却液は、前記排気系冷却部から前記連通流路部を介して前記燃焼室冷却部に供給される。

本発明によれば、排気系冷却部に導入された冷却液は、排気系冷却部から連通流路部を介して燃焼室冷却部に供給される。これにより、エンジンの燃焼室を早期に暖めることができる。

本発明の一実施の形態であるエンジンを示す概略図である。エンジンの冷却系の一部を示す概略図である。図２の矢印Ａ方向から燃焼室、排気ポートおよびウォータジャケットの位置を示した図である。シリンダヘッドを鋳造する際に用いられる中子を示す分解斜視図である。鋳造型に対する中子の組み付け状態を示す斜視図である。（ａ）～（ｃ）は、ウォータジャケットの一例を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、ウォータジャケットの一例を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、シリンダヘッドの製造工程を示した部分断面図である。（ａ）および（ｂ）は、シリンダヘッドの製造工程を示した部分断面図である。内部流路を流れる冷却液の経路を示す図である。冷却系を示す回路図である。排気ポートおよびウォータジャケットの位置を示す図である。（ａ）～（ｃ）は、シリンダヘッドの製造工程を簡単に示した部分断面図である。（ａ）～（ｃ）は、シリンダヘッドの製造工程を簡単に示した部分断面図である。（ａ）は椀型プラグを示す正面図であり、（ｂ）は椀型プラグを示す底面図である。

［エンジン］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるエンジン１０を示す概略図である。図１に示すように、エンジン１０は、一方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１１と、他方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック１２と、一対のシリンダブロック１１，１２に支持されるクランク軸１３と、を有している。各シリンダブロック１１，１２に形成されるシリンダボア１４にはピストン１５が収容されており、このピストン１５にはコネクティングロッド１６を介してクランク軸１３が連結されている。

各シリンダブロック１１，１２には、動弁機構２０を備えたシリンダヘッド２１，２２が組み付けられている。また、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する吸気ポート２４が形成されており、この吸気ポート２４を開閉する吸気バルブ２５が組み付けられている。さらに、各シリンダヘッド２１，２２には、燃焼室２３に連通する排気ポート２６が形成されており、この排気ポート２６を開閉する排気バルブ２７が組み付けられている。なお、吸気ポート２４には、図示しない吸気マニホールドが接続されており、排気ポート２６には、図示しない排気マニホールドが接続されている。

［冷却系］
以下の説明では、一方のシリンダヘッド２１の冷却構造について説明するが、他方のシリンダヘッド２２についても同様の冷却構造を有することから、その説明を省略する。

図２はエンジン１０の冷却系３０の一部を示す概略図である。図２に示すように、エンジン１０の冷却系３０には、吸入流路３１、吐出流路３２および戻し流路３３からなる循環流路３４が設けられている。この循環流路３４には、冷却液を圧送するウォータポンプ（冷却液ポンプ）３５が設けられており、熱交換器であるラジエータ３６が設けられている。また、循環流路３４には、シリンダブロック１１に形成されるウォータジャケット４０が設けられており、シリンダヘッド２１に形成されるウォータジャケット４１，４２が設けられている。ウォータジャケット４０には内部流路４０ａが設けられており、ウォータジャケット４１，４２には内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂが設けられている。

ウォータポンプ３５の吐出ポート３５ｏから吐出された冷却液は、吐出流路３２を介してウォータジャケット４０～４２に供給され、シリンダブロック１１やシリンダヘッド２１を冷却する。そして、ウォータジャケット４０～４２を通過して暖められた冷却液は、戻し流路３３からラジエータ３６を通過して冷却された後に、吸入流路３１からウォータポンプ３５の吸入ポート３５ｉに吸い込まれる。このように、循環流路３４に対して冷却液を流すことにより、シリンダブロック１１やシリンダヘッド２１を適切な温度範囲に冷却することができる。

また、ラジエータ３６とウォータポンプ３５とを接続する吸入流路３１には、冷却液の温度によって開閉されるサーモスタット３７が設けられている。さらに、ラジエータ３６およびサーモスタット３７を迂回するように、戻し流路３３と吸入流路３１とはバイパス流路３８を介して接続されている。冷却液の温度が低い場合には、サーモスタット３７が閉じられて冷却液はバイパス流路３８に案内される。一方、冷却液の温度が高い場合には、サーモスタット３７が開かれて冷却液はラジエータ３６に案内される。なお、ラジエータ３６を迂回するバイパス流路３８に、開閉バルブや流量制御バルブ等を設置しても良い。

［ウォータジャケット］
鋳造品のシリンダヘッド２１に形成されるウォータジャケット４１，４２について説明する。図３は図２の矢印Ａ方向から燃焼室２３、排気ポート２６およびウォータジャケット４１，４２の位置を示した図である。図４はシリンダヘッド２１を鋳造する際に用いられる中子５１ａ，５２ａ，５２ｂを示す分解斜視図であり、図５は鋳造型に対する中子５１ａ，５２ａ，５２ｂの組み付け状態を示す斜視図である。また、図６および図７はウォータジャケット４１，４２の一例を示す図である。図６（ａ）はウォータジャケット４１，４２の平面図であり、図６（ｂ）はウォータジャケット４１，４２の左側面図であり、図６（ｃ）はウォータジャケット４１，４２の底面図である。また、図７（ａ）はウォータジャケット４１，４２の右側面図であり、図７（ｂ）はウォータジャケット４１，４２の背面図である。

図２および図３に示すように、燃焼室用のウォータジャケット（燃焼室冷却部）４１は、燃焼室２３の近傍に形成される内部流路４１ａを備えている。また、排気ポート用のウォータジャケット（排気系冷却部）４２は、排気ポート２６の近傍に形成される内部流路４２ａ，４２ｂを備えている。図３に示すように、シリンダヘッド２１に形成される排気ポート２６は、燃焼室２３に接続される複数のブランチ部６０と、これらのブランチ部６０が集合するコレクタ部６１と、を有している。そして、排気ポート用のウォータジャケット４２は、ブランチ部６０からコレクタ部６１にかけて排気ポート２６を覆うように形成されている。このように、排気ポート用のウォータジャケット４２は、ブランチ部６０とコレクタ部６１とを接続する接続部６２、つまり排出ガスが集中して温度上昇を招き易い接続部６２を覆っている。また、排気ポート用のウォータジャケット４２は、燃焼室用のウォータジャケット４１の縁部に重なっている。

鋳造品であるシリンダヘッド２１に対し、燃焼室用や排気ポート用のウォータジャケット４１，４２を形成するため、鋳造型には複数の中子５１ａ，５２ａ，５２ｂが組み付けられる。図４および図５に示すように、燃焼室用のウォータジャケット４１を形成するため、１つの中子５１ａが用いられている。また、排気ポート用のウォータジャケット４２を形成するため、２つの中子５２ａ，５２ｂが用いられている。さらに、排気ポート用のウォータジャケット４２を形成する中子５２ａ，５２ｂは、燃焼室用のウォータジャケット４１を形成する中子５１ａの縁部を挟んで設置されている。また、中子５１ａ，５２ａ，５２ｂには複数の巾木５３が形成されており、これらの巾木５３を図示しない鋳造型の凹部に組み付けることにより、鋳造型内の所定位置に中子５１ａ，５２ａ，５２ｂが組み付けられる。なお、鋳造型に組み込まれる中子５１ａ，５２ａ，５２ｂは、例えばレジンを配合した砂を用いて造型される。

続いて、中子５１ａ，５２ａ，５２ｂによって形成される内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂについて説明する。図６および図７に示すように、ウォータジャケット４１，４２が備える内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂの開口部４３、つまり中子５１ａ，５２ａ，５２ｂの巾木５３に相当する部位には、開口部４３を密閉する椀型プラグ４４が組み付けられる。これにより、後述する入力ポートや出力ポートを除いて内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂを密閉することができ、ウォータジャケット４１，４２を適切に機能させることができる。また、内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂの開口部４３に対して椀型プラグ４４を組み付ける際には、開口部４３およびその近傍を切削してから椀型プラグ４４が圧入される。このように、開口部４３およびその近傍を切削することにより、内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂが互いに接近する部位においては、内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂを互いに連通させることができる。図示する例では、符号αで示した部位において内部流路４２ａ，４２ｂが互いに連通しており、符号βで示した部位において内部流路４１ａ，４２ａが互いに連通している。

図７（ｂ）に示すように、ウォータジャケット４１には、内部流路４１ａに連通する入力ポート８０および出力ポート８２が形成されている。後述するように、ウォータジャケット４１の入力ポート８０には吐出流路３２が接続されており、ウォータジャケット４１の出力ポート８２には戻し流路３３が接続されている。また、ウォータジャケット４２には、内部流路４２ｂに連通する入力ポート８３が形成されている。後述するように、ウォータジャケット４２の入力ポート８３には吐出流路３２が接続されている。

［製造工程］
シリンダヘッド２１の製造工程について説明する。図８および図９はシリンダヘッド２１の製造工程を示した部分断面図である。図８および図９には図６（ａ）のＡ－Ａ線に沿う部分断面図が示されている。以下の説明では、内部流路４１ａ，４２ａの連通箇所について説明するが、内部流路４２ａ，４２ｂの連通箇所についても同様の工程によって製造されることから、その説明を省略する。

図８（ａ）に示すように、シリンダヘッド２１の鋳造型７０に対し、内部流路４１ａ，４２ａを形成するための中子５１ａ，５２ａが組み付けられ、図８（ｂ）に示すように、鋳造型７０にアルミニウム合金等の溶湯Ｍが注ぎ込まれる。その後、図９（ａ）に示すように、鋳造型７０を外した後に中子５１ａ，５２ａが除去され、破線Ｘで示すように、開口部４３およびその近傍がリーマ等によって切削される。これにより、図９（ｂ）に示すように、内部流路４１ａ，４２ａを隔てていた隔壁７１が除去されて連通流路部７２になり、内部流路４１ａと内部流路４２ａとは連通流路部７２を介して互いに連通する。

［冷却液経路］
図１０は内部流路４１ａ，４２ａ，４２ｂを流れる冷却液の経路を示す図である。図１０に矢印ＦＬ１で示すように、入力ポート８０から内部流路４１ａに流入した冷却液は、内部流路４１ａを通過しながら燃焼室２３を冷却した後に出力ポート８２から流れ出る。また、図１０に矢印ＦＬ２で示すように、入力ポート８３から内部流路４２ｂに流入した冷却液は、矢印αで示す連通箇所から内部流路４２ａに流入する。そして、内部流路４２ａ，４２ｂを通過しながら排気ポート２６を冷却した冷却液は、矢印βで示す連通箇所つまり連通流路部７２から内部流路４１ａに流入し、内部流路４１ａを通過して出力ポート８２から流れ出る。このように、燃焼室用のウォータジャケット４１には、２つの経路ＦＬ１，ＦＬ２に沿って冷却液が流れている。

図１１は冷却系３０を示す回路図である。なお、図１１において、図２に示す部品や部位と同様の部品や部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、燃料室用のウォータジャケット４１は、吐出流路３２を介してウォータポンプ３５に接続される入力ポート（第１入力ポート）８０と、連通流路部７２に接続される入力ポート（第２入力ポート）８１と、戻し流路３３を介してラジエータ３６に接続される出力ポート（第１出力ポート）８２と、を有している。また、排気ポート用のウォータジャケット４２は、吐出流路３２を介してウォータポンプ３５に接続される入力ポート（第３入力ポート）８３と、連通流路部７２に接続される出力ポート（第２出力ポート）８４と、を有している。この回路構造により、燃焼室用のウォータジャケット４１には、ウォータポンプ３５から入力ポート８０を介して冷却液が導入され、かつウォータポンプ３５から排気ポート用のウォータジャケット４２および入力ポート８３を介して冷却液が導入される。

このように、排気ポート用のウォータジャケット４２を通過した冷却液を、燃焼室用のウォータジャケット４１に導入したので、エンジン始動後において燃焼室２３を早期に暖めることができる。つまり、排気ポート用のウォータジャケット４２は、燃焼室用のウォータジャケット４１よりも温度が上がり易いことから、排気ポート用のウォータジャケット４２によって暖められた冷却液が、燃焼室用のウォータジャケット４１に供給されている。これにより、暖かな冷却液によって燃焼室２３を素早く暖めることができるため、エンジン１０を暖機運転する際の冷却損失を低減することができ、エンジン１０の燃費性能を向上させることができる。

［ウォータジャケットの内部流路構造］
続いて、排気ポート用のウォータジャケット４２が備える内部流路４２ａの構造について説明する。図１２は排気ポート２６およびウォータジャケット４２の位置を示す図である。また、図１３および図１４はシリンダヘッド２１の製造工程を簡単に示した部分断面図である。図１３および図１４には図１２のＡ－Ａ線に沿う部分断面図が示されている。なお、図１３および図１４においては、前述した中子５１ａ，５２ｂを省略して図示している。

図１３（ａ）に示すように、シリンダヘッド２１の鋳造型７０に対し、内部流路４２ａを形成するための中子５２ａが組み付けられるとともに、排気ポート２６を形成するための中子９０が組み付けられている。続いて、図１３（ｂ）に示すように、鋳造型７０にアルミニウム合金等の溶湯Ｍが注ぎ込まれ、図１３（ｃ）に示すように、鋳造型７０を外した後に中子５２ａ，９０が除去される。その後、図１４（ａ）に示すように、内部流路４２ａの開口部４３およびその近傍がリーマ等の切削工具９１によって切削され、内部流路４２ａを区画するシリンダヘッド２１の流路壁部９２には貫通穴９３が形成される。つまり、図１４（ｂ）に示すように、シリンダヘッド２１には、ウォータジャケット４２に開口する貫通穴９３を備えた流路壁部９２が形成される。そして、図１４（ｂ）および（ｃ）に示すように、流路壁部９２の貫通穴９３には、前述した椀型プラグ４４の１つとして椀型プラグ９４が圧入等によって取り付けられる。

ここで、図１５（ａ）は椀型プラグ９４を示す正面図であり、図１５（ｂ）は椀型プラグ９４を示す底面図である。図１５（ａ）および（ｂ）に示すように、椀型プラグ９４は、略円柱形状のプラグ本体９４ａと、このプラグ本体９４ａに設けられる整流板９４ｂと、を有している。この椀型プラグ９４を流路壁部９２の貫通穴９３に取り付けることにより、ウォータジャケット４２の内部流路４２ａに整流板９４ｂを挿入することができる。これにより、整流板９４ｂによって冷却液の流れを整流するとともに、内部流路４２ａの流路断面積を縮小することができるため、冷却液の流速を上げて冷却性能を高めることができる。

すなわち、鋳造品であるシリンダヘッド２１において、内部流路４２ａに対して整流板を形成したり、内部流路４２ａの流路断面積を縮小したりするためには、内部流路４２ａ用の中子５２ａを複雑に造型することが必要である。しかしながら、複雑な中子５２ａを用いてシリンダヘッド２１を製造することは、シリンダヘッド２１の生産性を低下させる要因であった。そこで、図示するシリンダヘッド２１においては、内部流路４２ａの開口部４３を閉塞する椀型プラグ９４に対し、内部流路４２ａに挿入される整流板９４ｂを設けている。これにより、内部流路４２ａつまり中子５２ａを複雑に形成することなく、内部流路４２ａ内に整流板９４ｂを組み込むことがきるため、シリンダヘッド２１の生産性を確保しつつ、ウォータジャケット４２を複雑に形成することができる。

前述の説明では、椀型プラグ９４の先端に凸部として整流板９４ｂを設けているが、椀型プラグ９４の凸部としては、平板状の整流板９４ｂに限られることはなく、例えば湾曲する整流板や円柱状の突起部であっても良い。また、流路壁部９２の貫通穴９３を閉塞するプラグ部材として、丸みを帯びた椀型プラグ９４を用いているが、これに限られることはなく、他の形状のプラグ部材であっても良い。さらに、貫通穴９３に対して椀型プラグ９４を圧入しているが、これに限られることはなく、貫通穴９３およびプラグ本体９４ａにネジ部を形成し、貫通穴９３に対して椀型プラグ９４をねじ込んでも良い。

また、図１２に示すように、整流板９４ｂを備えた椀型プラグ９４は、排気ポート２６の接続部６２の近傍に対向する位置に取り付けられている。前述したように、排気ポート２６の接続部６２とは、ブランチ部６０とコレクタ部６１とを接続する部位であり、排出ガスが集中して高温になり易い部位である。このように、高温になり易い接続部６２の近傍に整流板９４ｂを取り付けることにより、内部流路４２ａにおける接続部６２の冷却部位において冷却液の流速を高めることができ、排気ポート２６の接続部６２を積極的に冷却することができる。

図１２に示した例では、整流板９４ｂを備えた椀型プラグ９４を、排気ポート２６の接続部６２の近傍に対向する位置に取り付けているが、これに限られることはない。例えば、図１２に二点鎖線Ｐで示すように、整流板９４ｂを備えた椀型プラグ９４を、排気ポート２６の接続部６２に対向する位置に取り付けても良い。また、図１２に示すように、図示するウォータジャケット４２においては、排気ポート２６の他の接続部６２を積極的に冷却するため、中子５２ａに対してスリットを形成することにより、鋳造された整流壁９５を接続部６２の近傍に形成している。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、水平対向エンジン１０に本発明を適用しているが、これに限られることはなく、直列エンジンやＶ型エンジン等に本発明を適用しても良い。また、図示する例では、１つの排気ポート２６に対して４本のブランチ部６０を設けているが、これに限られることはなく、１つの排気ポートに対して２本や３本のブランチ部を設けても良く、１つの排気ポートに対して５本以上のブランチ部を設けても良い。

１０エンジン
２１，２２シリンダヘッド
２３燃焼室
２６排気ポート
３５ウォータポンプ（冷却液ポンプ）
３６ラジエータ
４１ウォータジャケット（燃焼室冷却部）
４２ウォータジャケット（排気系冷却部）
６０ブランチ部
６１コレクタ部
７２連通流路部
８０入力ポート（第１入力ポート）
８１入力ポート（第２入力ポート）
８２出力ポート（第１出力ポート）
８３入力ポート（第３入力ポート）
８４出力ポート（第２出力ポート）

Claims

シリンダヘッドを備えるエンジンであって、
前記シリンダヘッドに形成され、燃焼室の近傍に冷却液を案内する燃焼室冷却部と、
前記燃焼室冷却部の一部に重ねて前記シリンダヘッドに形成され、排気ポートの近傍に冷却液を案内する排気系冷却部と、
前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とが重なる前記シリンダヘッドの部位に形成される切削穴からなり、前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とを互いに連通させる連通流路部と、
を有し、
前記燃焼室冷却部と前記排気系冷却部とは、シリンダボアの軸線方向において互いに重ねられており、
前記排気系冷却部に導入された冷却液は、前記排気系冷却部から前記連通流路部を介して前記燃焼室冷却部に供給される、
エンジン。
請求項１に記載のエンジンにおいて、
前記燃焼室冷却部は、冷却液ポンプに接続される第１入力ポートと、前記連通流路部に接続される第２入力ポートと、ラジエータに接続される第１出力ポートと、を備え、
前記排気系冷却部は、前記冷却液ポンプに接続される第３入力ポートと、前記連通流路部に接続される第２出力ポートと、を備え、
前記燃焼室冷却部には、前記冷却液ポンプから前記第１入力ポートを介して冷却液が導入され、かつ前記冷却液ポンプから前記排気系冷却部および前記第２入力ポートを介して冷却液が導入される、
エンジン。
請求項１または２に記載のエンジンにおいて、
前記排気ポートは、前記燃焼室に接続される複数のブランチ部と、前記複数のブランチ部が集合するコレクタ部と、を備える、
エンジン。