JP5754981B2 - シリンダヘッドのウォータージャケット構造 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドの冷却を行うウォータージャケットの構造に関する。

内燃機関では、燃焼室で燃料を燃焼した後の高温の排気ガスを排気管から排出する。燃焼室の出口の部分は、高温の排気ガスが通過するため、加熱される。従って、燃焼室の出口にあたるシリンダヘッド内は、ウォータージャケットを配置して冷却される。

特許文献１には、冷却水が燃焼室周りを通る第１ウォータージャケットと、排気マニホールド周りを通る第２ウォータージャケットを独立分離することで、排気マニホールド周りを冷却する冷却水の水量および流速を確保する発明が開示されている。この発明は、燃焼室周りと排気ポート周りのウォータージャケットが連通していると、それぞれの冷却水が行き来するので、冷却水量や流速を十分に確保できないという課題に基づいている。

特許文献２は排気ポートを冷却する際に、排気ポートの上側と下側に関して、主として上側の冷却効率を高めるため、上部排気側ウォータージャケットの容積を下部排気側ウォータージャケットの容積より大きくした内燃機関が開示されている。

特開２００７−２７８０６５号公報 特開２００９−０４７０２４号公報

シリンダヘッドでは、燃焼室から排出された直後の排気ガスが通過するポートを収納しているので、適切な冷却が行われなければ、内燃機関自体の温度によるダメージが生じるだけでなく、輻射熱によって周囲の部材まで熱劣化を生じさせてしまう。特に、排気ガスは燃焼室の上側から排気されるので、排気ポートの上面は高温に曝される。従って、特許文献１のように排気側の冷却能を上げることも、特許文献２のように上部排気側ウォータージャケットの冷却能を上げようとするのも妥当な技術方向であると考えられる。

しかし、燃焼室周りと排気ポート周りを分離して、それぞれにウォータージャケットを配置するのは、内燃機関の小型化には向かない。同様に、排気ポートの上側を冷却するために上部排気側ウォータージャケットの容量を大きくするのも、小型化には不向きである。排気ポートは、シリンダヘッドの底部から中央にかけて形成される燃焼室から上方に向かって引き出され、シリンダヘッドの側面に向かって向きを変えながら引き出されるので、排気ポートの上側のウォータージャケットの容積を大きくするのは、必然的にシリンダヘッドの大きさが大きくなるからである。

本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたもので、シリンダヘッドの容量を増やさずに、排気ポート側の冷却を高める。

より具体的に本発明のシリンダヘッドのウォータージャケット構造は、
複数気筒の排気ポートがシリンダヘッド内で合流し、気筒配列方向に平行な一側に排気口を開口させた、排気マニホールドと一体型のシリンダヘッドのウォータージャケット構造であって、
前記気筒配列方向の前記シリンダヘッドの一端側に形成された冷却水入口と、
前記気筒配列方向の前記シリンダヘッドの他端側に形成された冷却水出口と、
前記冷却水入口及び前記冷却水出口に連通して、前記複数気筒の点火プラグ穴の周囲を流れる第１の流路と、
前記冷却水入口及び前記冷却水出口に連通して、前記複数の排気ポートの周囲を流れる第２の流路と、
前記排気ポート上部の前記第２の流路の、前記気筒の出口側から前記排気口側へ向かう方向の断面に、前記流路が狭くなり、前記第１の流路と前記第２の流路が連通する狭窄部が形成されたことを特徴とする。

本発明のウォータージャケット構造は、排気ポート上流の流路中に狭窄部を設けて、排気ポート上流側に流れた冷却水が、燃焼室側に戻りにくくした。したがって、シリンダヘッド内に流れ込んだ冷却水で排気ポート側に流れた冷却水は、特に排気ポートの上流で流速が早くなり、冷却効果が上がる。

また、狭窄部では、ウォータージャケットと排気ポートの距離がわずかに離れるので、シリンダヘッドを作製するために、各中子を組合わせる際、ウォータージャケットの中子と排気ポートの中子の干渉を回避することもできる。

本発明のシリンダヘッドの外観を示す図である。 本発明のウォータージャケットの中子と排気系の中子を示す図である。 本発明のウォータージャケットの横断面図を示す図である。 本発明のウォータージャケットの縦断面図を示す図である。

以下に図面を用いて本発明のウォータージャケット構造について説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨から外れない範囲内で、下記の実施形態を変更しても、本発明の技術的範囲に含まれるのは言うまでもない。また、本明細書中では、ウォータージャケット構造１と、ウォータージャケット１６を混在して使用するが、同意である。

図１は本発明のウォータージャケット構造１を搭載したシリンダヘッド２の外観図である。図では３つの点火プラグの挿入口１０ａ、１０ｂ、１０ｃがある場合を示したが、気筒数は特に限定されるものではない。なお、説明の便宜上、挿入口１０ａを第１気筒、挿入口１０ｂを第２気筒、挿入口１０ｃを第３気筒の点火プラグとする。図１は、排気ポート１７ａ〜１７ｆが集合した排気マニホールド１７ｍの出口１７ｇ側（図２参照）から見た斜視図である。

なお、シリンダヘッド２の排気マニホールド１７ｍの出口側のシリンダヘッド面１２の表面の形状は凹凸を有するが、省略して平面と描いている。冷却水は、矢印９の下方からシリンダヘッド２に注入され、排水口１３から排水され循環する。なお、符号９は後述する冷却水注入口の符号として使う（冷却水注入口９）。なお、Ａ−ＡおよびＢ−Ｂは、図３および図４の断面図の断面を示す線である。

図２は、図１のシリンダヘッド２のウォータージャケットの中子１６および排気系の中子１７を示す。本発明のウォータージャケット構造１は、シリンダヘッド２の中に、排気ポート１７ａ〜１７ｆと排気マニホールド１７ｍがまとめて形成された排気系一体型のシリンダヘッドに好適に利用できる。排気ポート１７ａ〜１７ｆと排気マニホールド１７ｍをまとめて排気系１７と呼ぶ。従って、シリンダヘッド２内の排気系１７およびウォータージャケット１６は、シリンダヘッド２内に設けられた空間であるので、実際の形状は中子の状態でしか見ることはできない。そこで、以後ウォータージャケットとウォータージャケットの中子も、排気系と排気系の中子も、同じ符号（それぞれ１６、１７）で表す。

本実施の形態では、３気筒の場合を示しているので、排気系１７は、各気筒毎に２本ずつの排気ポート１７ａ乃至１７ｆが配設され、計６本の排気ポートがシリンダヘッド２内で集合し、排気マニホールド１７ｍを形成し、１つの排気口１７ｇから排気ガスを排出する。排気ポート１７ａ、１７ｂは第１気筒、排気ポート１７ｃ、１７ｄは第２気筒、排気ポート１７ｅ、１７ｆは第３気筒の排気ポートである。

ウォータージャケット１６は、燃焼室３５（図４参照）および排気系１７を冷却するために、シリンダヘッド２内の壁の隙間をできるだけ埋めるように形成されている。従って、複雑な形状をしている。

ここで簡単にシリンダヘッド２の形成方法を説明する。中子は、微細な無機物（例えば砂）に樹脂を混ぜたもので、所望の空間形状に形成されている。排気系の中子１７とウォータージャケットの中子１６は、それぞれ別々に形成され、図２に示すように、ウォータージャケットの中子１６の中に排気系の中子１７が挿入され、固定される。そして、この状態で金型中に固定され、鋳造が行われる。その後、中子だけを破壊して除去することで、中子の部分が空間として残るシリンダヘッド２が完成する。すなわち、図２は、シリンダヘッド２の隙間空間だけを集めて形として示したものである。

本発明のウォータージャケット１６は、少なくともいずれかの排気ポート１７ａ〜１７ｆの直上部分に狭い狭窄部１８を有することを特徴とする。狭窄部１８は、後述するように燃焼室３５周囲を冷却する経路と、排気ポート１７ａ〜１７ｆ周囲を冷却する経路の行き来が生じる箇所に設けるのがよい。図２では、符号１８で示した部分が狭窄部である。図２では、第２気筒の排気ポート１７ｃと１７ｄの直上箇所に狭窄部１８が設けられた状態を示している。

図３は、図１および図２に示すＡ−Ａの断面図である。この断面は、排気ポート１７ａ〜１７ｆの上側での断面である。冷却水は冷却水注入口９から注入される。符号２２ａ乃至２２ｆは、吸気バルブ用の穴であり、符号２４ａ乃至２４ｆは排気バルブ用の穴である。また、符号２０はオイル落とし穴である。

冷却水注入口９から注入された冷却水は、燃焼室３５周りとなる点火プラグ穴１０の周囲を流れる第１の流路３０と、排気系１７の周囲を流れる第２の流路３１に分けられる。ここで狭窄部は符号１８の部分である。すなわち、符号１８の部分では、第２の流路３１から第１の流路３０に向かう冷却水（３３ａ、３３ｂ）は、流路の断面積が狭く、流れにくい。従って、第２の流路３１は、第１の流路３０と独立して流れるため、冷却水の流速が低下することがなく、冷却を効果的に行うことができる。なお、このような狭窄部１８は、第１もしくは第３の気筒の排気バルブ用穴の部分（１８ａ、１８ｂ）にも形成することができる。

図４は、図１及び図２のＢ−Ｂの断面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の一部拡大図である。排気ポート１７ｄは、燃焼室３５の上端の排気弁口３６から上方に立ち上がり、排気マニホールド１７ｍの方に方向を変える。従って、ポートルーフ１７ｒの部分が最も温度が上がる。そこで、ウォータージャケット１６には、第２の流路３１が形成されるように形状を決める。ここで、ポートルーフ１７ｒの部分を冷却しようとしてこの部分のウォータージャケットの容積を大きくする。例えば、図４の二点差線３７のごとくである。なお、排気弁口３６は、気筒の出口である。

このようにすると、第２の流路３１の容積は上昇するが、第１の流路３０への冷却水の流れも容易になる。すると、第２の流路３１内で、冷却水注水口９から遠い気筒の周辺（第２、第３気筒）では、排気ポート１７ｃ〜１７ｆ周辺の流速が低下し、冷却水の滞留が生じてしまう。これは冷却不足の原因となる。

一方、排気ポート１７a〜１７ｆのポートルーフ１７ｒの直上のウォータージャケット１６に狭窄部１８を設けると、第２の流路３１から第１の流路３０に冷却水が流れにくくなり、第２の流路３１の流速が上昇するので排気ポート１７ａ〜１７ｆの直上が効果的に冷却できる。

本発明では、狭窄部１８は、第１の流路３０から第２の流路３１への空間を全く閉じることはしない。ウォータージャケット１６の構造は複雑で、内面は多くの凹凸を有しているので、第１の流路３０と第２の流路３１の間を完全に閉じてしまうと、逆に冷却水の滞留箇所が発生してしまうからである。

また、狭窄部１８は、第２の流路３１から見て、排気弁口３６に近い位置に設ける。第２の流路３１の幅３１ｗを大きく確保するためである。また、狭窄部１８の高さ１８ｈは、第２の流路３１の高さ３１ｈの半分より低くする。第１の流路３０に冷却水が流れにくくするためである。なお、狭窄部１８の高さ１８ｈも、第２の流路３１の高さ３１ｈも、排気ポート１７ａ〜１７ｆ直上の高さとする。排気ポートのポートルーフ１７ｒの温度がポートフロア１７ｓの温度より高くなるからである。つまり、狭窄部１８は、気筒の出口側（排気弁口３６）から排気口（排気マニホールド１７ｍ）の出口１７ｇ側へ向かう断面中であって、気筒の出口側に設けられる。

また、狭窄部１８は、いずれかの気筒の排気ポートに少なくとも１箇所以上配置されていればよい。第１の流路３０と第２の流路３１は、シリンダヘッドの大きさと、排気弁、油落とし穴、点火プラグの配置によって、決まるからである。

なお、図４を参照して、本発明のウォータージャケット構造１では、排気ポート１７ａ〜１７ｆの少なくとも１箇所以上に狭窄部１８を設けているので、狭窄部１８の排気ポート１７ａ〜１７ｆとウォータージャケット１６の距離は離れる。これは、ウォータージャケットの中子１６の中に、排気系の中子１７を入れる際に互いが干渉しにくくなっており、シリンダヘッド２の製造の点からも不良品が生じにくいという効果も奏する。

より具体的には、図４で、二点差線３７のように、狭窄部１８を設けなければ、排気ポートの中子１７ｄが挿入される際にウォータージャケットの中子１６と干渉してしまい、いずれかの中子が損傷してしまうおそれがある。本発明のウォータージャケット構造１であれば、このような不具合を回避することができる。以上のように本発明のウォータージャケット構造１は、排気系１７が一体的に形成されたシリンダヘッド２において、効果的に排気系１７を冷却することができる。

本発明は内燃機関のウォータージャケット構造、特に排気系を一体型としたシリンダジャケットに好適に利用することができるので、内燃機関の小型化に有用である。

１ ウォータージャケット構造
２ シリンダヘッド
９ 冷却水注入口
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 点火プラグ用穴
１２ 排気マニホールドの出口側のシリンダヘッド面
１３ 排水口
１６ ウォータージャケット（の中子）
１７ 排気系（の中子）
１７ａ〜１７ｆ 排気ポート
１７ｍ 排気マニホールド
１７ｇ 排気マニホールドの排気口
１７ｒ ポートルーフ
１７ｓ ポートフロア
１８ 狭窄部
１８ａ 第１気筒での狭窄部
１８ｂ 第３気筒での狭窄部
１８ｈ 狭窄部の高さ
２２ａ〜２２ｆ 吸気バルブ用の穴
２４ａ〜２４ｆ 排気バルブ用の穴

３０ 第１の流路
３１ 第２の流路
３１ｗ 第２流路の幅
３１ｈ 第２の流路の高さ
３３ａ、３３ｂ 第２の流路から第１の流路への流れ
３５ 燃焼室
３６ 排気弁口

Claims (1)

1. 複数気筒の排気ポートがシリンダヘッド内で合流し、気筒配列方向に平行な一側に排気口を開口させた、排気マニホールドと一体型のシリンダヘッドのウォータージャケット構造であって、
   前記気筒配列方向の前記シリンダヘッドの一端側に形成された冷却水入口と、
   前記気筒配列方向の前記シリンダヘッドの他端側に形成された冷却水出口と、
   前記冷却水入口及び前記冷却水出口に連通して、前記複数気筒の点火プラグ穴の周囲を流れる第１の流路と、
   前記冷却水入口及び前記冷却水出口に連通して、前記複数の排気ポートの周囲を流れる第２の流路と、
   前記排気ポート上部の前記第２の流路の、前記気筒の出口側から前記排気口側へ向かう方向の断面に、前記流路が狭くなり、前記第１の流路と前記第２の流路が連通する狭窄部が形成されたウォータージャケット構造。