JP2005155492A - 内燃機関のウォータージャケット構造及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却水を適切に循環させてシリンダヘッド（排気ポート近傍）の冷却を十分に行うためのウォータージャケットの構造及びこれを形成するための鋳造中子を用いてウォータージャケットを製造する方法を提供する。
【解決手段】 ウォータージャケット製造用中子１０のシリンダヘッド用中子２０は、各気筒の排気側かつリア側の部分２３をカットして形成する。これにより鋳造されたウォータージャケットには、冷却水遮断部（カット部分）２３としての壁が形成される。この壁が、シリンダヘッドの各気筒の排気リア側において、シリンダヘッドに導入された冷却水を、通路Ｈ１０を介して排気側から吸気側へ流れる横流れを形成させる。そして、排気ポート近傍（主に排気バルブシートからプラグタワー間のシリンダヘッド）の冷却を十分に行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関のウォータージャケット構造及びこれを製造するための製造方法に関する。

水冷式内燃機関のウォータージャケットを鋳造により形成する場合には、砂製の中子が用いられる。
特許文献１には、内燃機関のウォータージャケット構造において、鋳造中子が排気側ウォータージャケット成形部分と吸気側ウォータージャケット成形部分とを備え、両ウォータージャケット成形部分を、外周通路成形部分と中央通路成形部分とにより相互に接続させることが記載されている。排気側ウォータージャケット成形部分と吸気側ウォータージャケット成形部分とは、鋳造中子の強度を向上させるための補強ブリッジで相互に連結されている。

そして、補強ブリッジに対応して形成される短絡通路は、シリンダヘッドに螺入される閉塞プラグで閉塞している。この閉塞プラグにより、図４の矢印に示すように、冷却水をフロント側からリア側へ流す縦流れを実現している。
特開平５−８６９６７号公報

しかしながら、冷却水を縦流れにする場合、ポート側面方向から水が流れてくるため、特に高温となる排気ポート近傍（主に排気バルブシートからプラグタワー間のシリンダヘッド）の冷却が不十分になり、ノッキング発生の原因となるという問題があった。
また冷却水をシリンダヘッドの排気側の水穴（全気筒）から入れ、シリンダヘッドのリア側へ流す構造とした場合、冷却水は、通水抵抗の少ないリア側に流れてしまうため、排気ポート間及び排気ポートフロント側に適切に流れなくなり、十分な冷却効果を得ることができないという問題があった。

本発明は、このような問題に着目してなされたもので、冷却水を適切に循環させてシリンダヘッド（排気ポート近傍）の冷却を十分に行うためのウォータージャケットの構造及びこれを形成するための鋳造中子を用いてウォータージャケットを製造する方法を提供することを目的とする。

そのため本発明では、ウォータージャケットの構造において、各気筒の排気側かつリア側の位置でリア側に流れる冷却水を遮断する遮断部を形成し、この遮断部によりシリンダヘッドの排気側の冷却水を吸気側へ導入するようにした。
また本発明では、ウォータージャケットの製造に際し、鋳造によりシリンダヘッドに冷却水通路を形成するシリンダヘッド用中子を各気筒の排気側かつリア側の部分をカットして形成し、この中子を用いてウォータージャケットを形成することとした。

本発明によれば、排気側のウォータージャケットから流入した冷却水が、排気側から吸気側への横流れとなるため、燃焼室最高温度部となる排気ポート近傍における部位を十分に冷却できる。そして、各気筒に対応した位置から冷却水が供給されるため、冷却水の通水抵抗を低減させることができる。

ここで、従来のウォータージャケット構造（例えば特許文献１に記載のウォータージャケット構造）について図面を用いて説明する。
図４は、従来の内燃機関のウォータージャケット形成用中子１を示す斜視図である。
この中子１は砂製であり、シリンダヘッド用中子２と、シリンダブロック用中子３とから大別構成されている。これらの中子２，３は鋳造後に除去され、後に残った部分がウォータージャケットを形成することとなる。そして、このウォータージャケットに冷却水が流れる。

シリンダブロック用中子３は、シリンダブロック（図示せず）が形成された後にエンジン入口、すなわち吸気側かつフロント側（以下、「吸気フロント側」と称する）から冷却水を通過させるウォータージャケット（冷却水通路）を形成する。
エンジン入口（吸気フロント側）から冷却水が供給された場合における冷却水の通路は、図示の矢印の通り、吸気側においてフロント側からリア側へ流れる通路Ｂ１と、エンジン入口からシリンダブロックのフロント側を介して排気側へ流れる通路Ｂ２，Ｂ３と、リア側においてシリンダブロックからシリンダヘッドへ流れる通路Ｂ４と、吸気フロント側からシリンダヘッドへ流れる通路Ｂ５，Ｈ１と、シリンダヘッドのフロント側からリア側へ流れる通路Ｈ２とから大別される。なお、通路Ｂ４，Ｂ５における冷却水の流れは、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介在するガスケット（図示せず）に形成された水穴から冷却水が通過することにより行われる。

ここで図５に示す通り、シリンダブロック用中子３のエンジン入口部（吸気フロント側）において、中子３の冷却水分配部４が縦方向に短く形成されている。すなわち、この分配部４に切り欠き部４ａが形成されており、この部分が鋳造後にリブを形成して吸気側においてフロント側からリア側へ流れる通路Ｂ２を狭めるため、フロント側において吸気側から排気側へ冷却水の流れが制限される。

このため、シリンダブロックが形成された後に、排気側へ流れる冷却水の割合が低下する。この低下した分の冷却水は、シリンダブロックからシリンダヘッドへ流れる（通路Ｂ５、Ｈ１）。ここで、エンジン入口から供給された冷却水は、シリンダヘッド側（通路Ｂ５、Ｈ１）には約３割、シリンダブロック側（通路Ｂ１及びＢ２）には約７割の比率で分配される。シリンダヘッド側へ流入した冷却水は、フロント側からリア側へ流れる通路Ｈ２を介してシリンダヘッド出口へ流れる。

すなわち、従来のウォータージャケット構造においては、図示の通り、冷却水が吸気側及び排気側においてフロント側からリア側へ流れる縦流れとなる。
この場合、排気ポート近傍（主に排気バルブシートからプラグタワー間のシリンダヘッド）には、冷却水が十分に供給されないこととなる。排気ポート近傍では、燃焼した後の排気が排気通路から排出されることもあり温度が非常に高くなるため、ノッキングが発生する原因となってしまう。

このため本発明では、冷却水を、各気筒において排気側から吸気側へ流れる横流れにして、排気ポート近傍のシリンダヘッドの冷却を促進し、ノッキングを防止するようにした。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の内燃機関のウォータージャケット形成用中子１０を示す斜視図である。図２は、シリンダヘッド用中子１２の底面図（図１の矢印Ａから見た図）である。

この中子１０は砂製であり、シリンダヘッド用中子２０と、シリンダブロック用中子３０とから大別構成されている。これらの中子２０，３０により鋳造されたウォータージャケットに冷却水が流れる。
シリンダブロック用中子３０は、シリンダブロックが形成された後にエンジン入口（吸気フロント側）から冷却水を通過させるウォータージャケット（冷却水通路）を形成する。

エンジン入口（吸気フロント側）から冷却水が供給された場合における冷却水の通路は、図示の矢印の通り、吸気側においてフロント側からリア側へ流れる通路Ｂ１０と、エンジン入口からシリンダブロックのフロント側を介して排気側へ流れる通路Ｂ２０，Ｂ３０と、排気側においてシリンダブロックからシリンダヘッドに流れる通路Ｂ４０と、通路Ｂ４０を経た後に排気側から吸気側へ流れる通路Ｈ１０と、シリンダヘッドにおいてフロント側からリア側に流れる通路Ｈ２０とから大別される。なお、通路Ｂ４０における冷却水の流れは、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介在するガスケット（図示せず）の排気側に形成された水穴から冷却水が通過することにより行われる。

ここで図３に示す通り、シリンダブロック用中子３０のエンジン入口部において、中子３０の冷却水分配部４０が縦方向に長く形成されている。これにより、シリンダブロックが形成された後にフロント側の通路Ｂ２０が大きく形成されるため、エンジン入口から流入する冷却水が排気側へ大量に流れることとなる。
ここでエンジン入口から供給された冷却水は、吸気フロント側において、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に配置されたガスケットにより、シリンダブロックからシリンダヘッドへの供給（図４の通路Ｂ５）が遮断されている。このため、フロント側において排気側へ流れる冷却水の割合が増加する。すなわち、通路Ｂ２０を流れる冷却水の流れが従来のウォータージャケットに比して強くなる。

そして、排気側に流れた冷却水は、各気筒の排気側の位置においてシリンダブロックからシリンダヘッドへ流れる（通路Ｂ４０）。
次に、シリンダヘッド用中子２０について詳細に説明する。
シリンダヘッド用中子２０は、シリンダブロックの各気筒の排気側から供給された冷却水を通過させる通路Ｈ１０を形成するための排気側冷却水通路形成部２１が形成されている。この通路形成部２１は、図１に示す通り、各気筒の排気側かつリア側（以下、「排気リア側」と称する）がカットされている。これによりシリンダヘッドが鋳造された後に、このカットされた部分２３が冷却水通路遮断部としての壁を形成する。このため、遮断部２３において、シリンダヘッドの排気側の冷却水がリア側へ流れることはなく、通路Ｈ１０を介して排気側から吸気側へ流れる横流れとなる。

そして遮断部２３は、シリンダヘッドの排気側の冷却水を排気ポート近傍、特にシリンダヘッドの排気側の冷却水を点火プラグと排気バルブとの間を介して吸気側へ導入する。これにより、燃焼室最高温度部となる排気ポート近傍における部位を十分に冷却する。
またシリンダヘッド用中子２０の各気筒の排気側の底部にはそれぞれ底部支え２２を形成している。この底部支え２２は、各気筒の排気側中央位置に１つ形成されており、鋳造後にはシリンダヘッドの排気側からの冷却水導入口となる。底部支え２２は、中子２０による鋳造を行う際に、中子２０を安定して配置した状態にするためのものである。これによりシリンダヘッドの水穴がシリンダヘッドを取り付けるためのボルトの位置から離れるため、ガスケットシールに有効となる。

この底部支え２２に相当する部分は、従来のシリンダヘッド用中子２では図４に示すように、各気筒の排気側にそれぞれ２箇所に設けられた底部支え５ａ，５ｂに相当する。但し、図４においては、２つの底部支え５ａ，５ｂがそれぞれ繋がって形成されることで、シリンダヘッドの冷却水通路の一部を形成する。
一方、図１に示す通り、本発明においては、シリンダヘッド用中子２０の各気筒の排気リア側をカットしているため、シリンダブロックからシリンダヘッドへの通路Ｂ４０により流れてきた冷却水がリア側に流れずに、排気側から吸気側への横流れが促進される。これにより図４に示すような、排気側へ冷却水を流すためのリブ６を形成する必要が無くなり、ウォーターポンプによる大きな力が不要となる。これによりウォーターポンプの小型化が図れる。

また底部支え（導入口）２２は、図示の通り、フロント側若しくはリア側の方向に横長に（幅Ｗが大きく）形成されている。これにより、シリンダヘッド用中子２０の各気筒の排気リア側をカットした場合に、カットした部分の周辺の強度を増加させる。これは、図４（従来）の底部支え５のように２つ形成しておいた状態で中子２の各気筒の排気リア側をカットした場合、カットした部分の周辺の強度が著しく低下してしまう。このため、この中子２を用いてシリンダヘッドの鋳造を行う場合、中子２を配置した際の衝撃により排気リア側の部分が破損してしまい、所望の冷却水通路が形成できなくなってしまう。

一方、本発明のように、底部支え２２の幅Ｗを大きく形成すれば、中子２０の底部支え２２が片持ちとなり中子強度が低下することを防止でき、かつ冷却水を多く流すことができる。
なお、本願出願人の実験によれば、従来（図４）のウォータージャケット形成用中子１により鋳造されたシリンダヘッドと、本発明（図１）のウォータージャケット形成用中子１０により鋳造されたシリンダヘッドとに冷却水を流した場合において、本発明のシリンダヘッドの方が、点火プラグ周り壁温（点火プラグから排気バルブまでの所定位置の温度）が約１０％程度低下する結果が得られた。

これは従来のウォータージャケットでは冷却水をフロント側からリア側への縦流れにしていたが、本発明においては、冷却水をシリンダヘッドの排気側から吸気側への横流れにして、点火プラグ周辺部に大量の冷却水を直接供給するためである。
また、前述のウォータージャケットを製造する場合には、前述した形状のウォータージャケット形成用中子１０（シリンダヘッド用中子２０、シリンダブロック用中子３０）を形成して、これらを用いて鋳造を行い、ウォータージャケットを形成すればよい。

本実施形態によれば、冷却水をシリンダヘッドに流すための内燃機関のウォータージャケット構造において、各気筒の排気側かつリア側の位置でリア側に流れる冷却水を遮断する遮断部２３を形成し、この遮断部２３によりシリンダヘッドの排気側の冷却水を吸気側へ導入する。このため、排気側のウォータージャケットから流入した冷却水が、排気側から吸気側への横流れとなり、シリンダヘッドを十分に冷却できる。そして、各気筒に対応した位置から冷却水が供給されるため、冷却水の通水抵抗を低減させることができる。

また本実施形態によれば、遮断部２３は、シリンダヘッドの排気側の冷却水を点火プラグと排気バルブとの間を介して吸気側へ導入する。このため、燃焼室最高温度部となる排気ポート近傍における部位を十分に冷却することができる。
また本実施形態によれば、シリンダヘッドへの冷却水の導入口２２を、各気筒の排気側で遮断部２３よりフロント側の位置にそれぞれ形成した。このため、ガスケットシールに有効となる。

また本実施形態によれば、導入口２２の幅を、フロント側若しくはリア側の方向に横長に形成した。このため、シリンダヘッドの導入口２２から大量の冷却水を導入することができる。そして、これを形成するシリンダヘッド用中子２０の排気リア側がカットされても、片持ち付け根の断面積を確保し、中子２０の底部支え２２が十分な強度を有することができる。

また本実施形態によれば、吸気側かつフロント側からシリンダヘッドへの冷却水の流入が遮断される。この冷却水の遮断はガスケットにより行われる。このため、エンジンブロックにおける吸気側から排気側への冷却水通路（Ｂ２０）の流れを強くして本発明の横流れ（Ｈ１０による横流れ）を促進することができる。
また本実施形態によれば、シリンダブロックの吸気フロント側から流入する冷却水を吸気フロント側にて分配する冷却水分配部４０を形成し、この冷却水分配部４０を縦方向に大きく形成し、主として流入した冷却水を排気側に流れるようにした。このため、エンジンブロックにおける吸気側から排気側への冷却水通路（Ｂ２０）の流れを更に強くして本発明の横流れ（Ｈ１０による横流れ）を促進することができる。

また本実施形態によれば、冷却水をシリンダヘッドに流すための内燃機関のウォータージャケット製造に際し、鋳造によりシリンダヘッドに冷却水通路を形成するシリンダヘッド用中子２０を各気筒の排気側かつリア側の部分をカットして形成し、これを用いてウォータージャケットを形成する。このため、鋳造後に形成されるウォータージャケットは、排気リア側において遮断部２３としての壁が形成され、シリンダブロック側から導入された冷却水を排気側から吸気側へ導入する横流れとすることができる。

また本実施形態によれば、シリンダヘッド用中子２０の各気筒の排気側中央位置に中子支え２２を１つ形成し、これを用いてウォータージャケットを形成する。このため、シリンダヘッドの各気筒の排気側から冷却水を導入することができる。
また本実施形態によれば、中子支え２２の幅を、フロント側若しくはリア側の方向に横長に形成し、これを用いてウォータージャケットを形成する。このため、鋳造後に形成されるウォータージャケットの排気側の導入口２２が大きく形成され、シリンダブロック側からの冷却水を多く導入することができる。

本発明の内燃機関のウォータージャケット形成用中子を示す斜視図 シリンダヘッド用中子の底面図（図１の矢印Ａから見た図） シリンダブロック用中子の冷却水分配部を示す斜視図 従来の内燃機関のウォータージャケット形成用中子を示す斜視図 従来のシリンダブロック用中子の冷却水分配部を示す斜視図

符号の説明

１，１０ ウォータージャケット形成用中子
２，２０ シリンダヘッド用中子
３，３０ シリンダブロック用中子
４，４０ 冷却水分配部
２１ 排気側冷却水通路形成部
２２ 底部支え（冷却水導入口）
２３ カット部分（冷却水遮断部）

Claims (9)

1. 冷却水をシリンダヘッドに流すための内燃機関のウォータージャケット構造において、
   各気筒の排気側かつリア側の位置でリア側に流れる冷却水を遮断する遮断部を形成し、この遮断部によりシリンダヘッドの排気側の冷却水を吸気側へ導入することを特徴とする内燃機関のウォータージャケット構造。
2. 前記遮断部は、シリンダヘッドの排気側の冷却水を点火プラグと排気バルブとの間を介して吸気側へ導入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のウォータージャケット構造。
3. シリンダヘッドへの冷却水の導入口を、各気筒の排気側で前記遮断部よりフロント側の位置にそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関のウォータージャケット構造。
4. 導入口の幅を、フロント側若しくはリア側の方向に横長に形成したことを特徴とする請求項３記載の内燃機関のウォータージャケット構造。
5. 吸気側かつフロント側からシリンダヘッドへの冷却水の流入が遮断されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関のウォータージャケット構造。
6. シリンダブロックの吸気フロント側から流入する冷却水を吸気フロント側にて分配する冷却水分配部を形成し、この冷却水分配部を縦方向に大きく形成し、主として流入した冷却水を排気側に流れるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関のウォータージャケット構造。
7. 冷却水をシリンダヘッドに流すための内燃機関のウォータージャケット製造に際し、
   鋳造によりシリンダヘッドに冷却水通路を形成するシリンダヘッド用中子を各気筒の排気側かつリア側の部分をカットして形成し、これを用いてウォータージャケットを形成することを特徴とする内燃機関のウォータージャケット製造方法。
8. シリンダヘッド用中子の各気筒の排気側中央位置に中子支えを１つ形成し、これを用いてウォータージャケットを形成することを特徴とする請求項７記載の内燃機関のウォータージャケット製造方法。
9. 中子支えの幅を、フロント側若しくはリア側の方向に横長に形成し、これを用いてウォータージャケットを形成することを特徴とする請求項８記載の内燃機関のウォータージャケット製造方法。

Images