JP2005188351A - 排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造の冷却能力を高めかつ小型化する。
【解決手段】内部に排気マニホールド２を形成したシリンダヘッド１に、その排気集合部２ｃ及びその回りを冷却する排気冷却用ウォータジャケット６を設ける。ウォータジャケット６の中央部における排気集合部を形成する部分により幅が狭くなっている部分と上流端及び下流端との各間に仕切り１０を設けて、それらにより冷却水が蛇行するようになる流路をウォータジャケットとして形成する。冷却水入口６ａと冷却水出口との距離が同じ場合には実質的に冷却面積が増大したことになり、さらにウォータジャケット内で冷却水の滞留するような広い部分を無くし得るため、ウォータジャケットの容量を増大することなく冷却効率を高めることができる。また、仕切りをシリンダヘッドの一部により形成することにより、簡単な構造で冷却水流路を蛇行させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造に関するものである。

従来、自動車用エンジンのシリンダヘッドに排気マニホールドを形成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。このような構造にしたエンジンにあっては、シリンダヘッド内に設けたウォータジャケットに流れる冷却水により、排気マニホールドを冷却することができる。また、排気マニホールドを囲む矩形箱状のマニホールドジャケットを排気マニホールドと一体成型で設けたものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特公昭６１−１４５９８号公報（第２頁、第２図） 実願平３−６８７７６号公報（第５−６頁、図１）

上記したように排気マニホールドの回りに冷却水を流して排気マニホールド及びその集合部を冷却することにより、排気マニホールドを好適に冷却することができるが、高出力化により排気温度がより一層高くなる場合には、冷却能力をより一層高める必要がある。そのためには冷却する面積を大きくすることが考えられるが、ウォータジャケットが大型化してエンジンも大型化してしまうというという問題がある。

このような課題を解決して、シリンダヘッドに一体に設けた排気マニホールドの冷却能力を高めると共に小型化し得る排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造を実現するために本発明に於いては、シリンダヘッド（１）の内部に、複数の排気枝路（２ｂ）及び当該各排気枝路（２ｂ）を集合させた排気集合部（２ｃ）を有する排気マニホールド（２）と、少なくとも前記排気集合部（２ｃ）を冷却する排気冷却用ウォータジャケット（６）とが一体に形成された排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造であって、前記排気冷却用ウォータジャケット（６）が、その内部を流れる冷却水が蛇行するように形成されているものとした。

特に、前記排気冷却用ウォータジャケット（６）内に、その冷却水入口（６ａ）から冷却水出口（９）に至る直線的流路に対して横切る向きに延在するように前記シリンダヘッド（１）の一部により形成した仕切り（１０）が設けられていると良い。また、前記排気冷却用ウォータジャケット（６）における前記シリンダヘッド（１）の外面側の少なくとも一部が開口し、前記開口（７）が蓋部材（８）により閉塞されていると良い。

このように本発明によれば、シリンダヘッド内部に設けられた排気マニホールドにおいて高温の排気ガスが集まる排気集合部を冷却する排気冷却用ウォータジャケットをシリンダヘッド内部に設けると共に、そのウォータジャケットを冷却水の流れが蛇行するように形成したことから、冷却水入口と冷却水出口との距離が同じ場合には実質的に冷却面積が増大したことになり、さらにウォータジャケット内で冷却水の滞留するような広い部分を無くすことができるため、ウォータジャケットの容量を増大することなく冷却効率を高めることができる。また、冷却水の流路を蛇行させる仕切りをシリンダヘッドの一部により形成することにより、簡単な構造で冷却水流路を蛇行させることができる。

また、ウォータジャケットにおけるシリンダヘッドの外面側の一部が開口していることにより、その開口からウォータジャケット内にアクセス可能になることから、シリンダヘッド内の主ウォータジャケット（シリンダ室や燃焼室回りの冷却用）との連通路を設けて冷却水の入口及び出口とする加工を容易に行うことができる。また、空気抜き孔の加工も同様に容易に行うことができるなど、シリンダヘッドの燃焼室回りに設けられた主ウォータジャケットと排気冷却用ウォータジャケットとの間の配管などが不要になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用された直列４気筒エンジンのシリンダヘッドにおける吸・排気路を示す図である。本エンジンにあっては、１気筒当たりそれぞれ２本の吸気弁及び排気弁が設けられた４バルブエンジンである。なお、直列４気筒や４バルブエンジンに限定されるものではなく、他の気筒数及びシリンダ配列やバルブ数は異なるものであっても良い。

図に示されるように、シリンダヘッド１の内部には排気マニホールド２が形成されている。この排気マニホールド２は、気筒の一対の排気バルブポートに連通する一対の排気分岐路２ａと、一対の排気分岐路２ａを１本にした排気枝路２ｂと、気筒と同数の各排気枝路２ｂを１つに集めた排気集合部２ｃとからなり、それらが図に示されるようにシリンダヘッド１内部に形成されている。なお、排気集合部２ｃが図２に併せて示されるようにシリンダヘッド１の側面に開口しており、その開口に外部排気管３が接続される。なお、排気マニホールド２は、図では平面化して描かれているが、実際には立体的に形成されている。

排気マニホールド２内を排気ガスが流れるため、排気マニホールド２を冷却する必要がある。その冷却は、シリンダヘッド１内に設けられているウォータジャケットの一部を排気マニホールド２の回りにも設けることにより行うことができる。

本図示例のエンジンにおけるウォータジャケットは、図３に示されるような形状になっている。図３で示されている形状は、シリンダヘッド１及びシリンダブロック（図示せず）にそれぞれ形成された各ウォータジャケット４・５の外形を概略示すものである。シリンダブロック側のウォータジャケット５は、各気筒をそれぞれ外囲するように波状かつ全体として長円の環状をなしている。なお、ウォータジャケット５への冷却水入口５ａが気筒列の方向一端に設けられ、冷却水出口５ｂが対応する気筒を挟んで対向位置に設けられている。

また、ウォータジャケット５における冷却水入口５ａと冷却水出口５ｂとの間にはセパレータ（シリンダブロックの一部をウォータジャケット５内へ隔壁として突出させて形成）５ｃが設けられており、冷却水入口５ａと冷却水出口５ｂとの間の短い方に流れる冷却水の流量が少量になるように制限されている。これにより、冷却水入口５ａから流入した冷却水のほとんどが図の矢印Ａに示されるように全気筒を巡るように流れる。なお、冷却水の一部は図の矢印Ｂに示されるように、セパレータ５ｃにより遮断されていない部分から冷却水出口側へ流れ得る。

シリンダブロック側ウォータジャケット５とシリンダヘッド側ウォータジャケット４とは、シリンダブロック及びシリンダヘッド１との間に挟持されるガスケット（図示せず）に設けられた冷却水通路を介して連通している。冷却水通路１１ａ・１１ｂは、図４に示されるように冷却水入口５ａ及び冷却水出口５ｂが設けられている気筒列一端側に多く配設されている。また、気筒列一端側に設けられた冷却水通路１１ａの開口面積は他の冷却水通路１１ｂよりも広くされている。これら冷却水通路１１ａ・１１ｂを介して、シリンダブロック側ウォータジャケット５内の冷却水の一部がシリンダヘッド側ウォータジャケット４に流れるようになっている（矢印Ｃ）。ウォータジャケット４に流れ込んだ冷却水は、燃焼室回りを冷却し、気筒列方向において冷却水通路１１ａを設けられた側とは相反する側に設けられた複数の冷却水出口４ｂから流出される。

本図示例にあっては、図１に示されるように排気集合部２ｃを中心とする排気マニホールド２を冷却するための排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６が設けられている。この排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６は、シリンダヘッド１に凹設された部分と、蓋部材７とにより画定されて形成されている。シリンダヘッド１を鋳造する場合に排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６を併せて形成することができ、例えば排気マニホールド２の中子をセットするのと同時にウォータジャケット６の中子をセットし、または排気マニホールド２の中子をセットした後にウォータジャケット６の中子をセットすることができる。したがって、シリンダヘッド１の製造を排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６の無い場合と略同等に行うことができるため、ウォータジャケット６をシリンダヘッド１に設けることによる生産性の低下が生じることがない。

なお、シリンダヘッド１の側壁面には、図２に示されるように排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６の中子の挿抜孔として左右一対の開口７が設けられている。これらの開口７には蓋部材８が取り付けられる。また、ウォータジャケット６の長手方向一端側（図１の右側）にシリンダヘッド側ウォータジャケット４と連通する冷却水入口６ａが設けられ、他端側（図１の左側）には蓋部材８に取り付けたホースプラグ９により冷却水出口が設けられており、上記一端側から他端側に向けて冷却水が流れるようになっている。

そして、排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６には、排気集合部２ｃと左右両開口７との各中間部には、シリンダヘッド１に一体に形成したリブ状の仕切り１０がそれぞれ設けられている。また、ウォータジャケット６の長手方向中央部分が排気集合部２ｃを外部に開通させるために細くなっている。そして、各仕切り１０は、ウォータジャケット６における冷却水入口６ａから冷却水出口（９）に至る直線的な流路を横切る向きに延在し、かつウォータジャケット６における排気集合部２ｃの形成部分により細くされている側とは相反する側を細くするようにウォータジャケット６の幅方向一端から他端側に向けて延出している。これにより、ウォータジャケット６の流路が蛇行するように形成されている。

したがって、排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６の長手方向一端側から他端側に向けて流れる冷却水の流れは、図５の矢印に示されるように左右の仕切り１０と排気集合部２ｃの形成部分とにより蛇行する流れとなる。このように冷却水流路が蛇行していることにより、排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６において、冷却水の流路長が長くなり、排気マニホールド２に対する接触面積が大きくなり、排気マニホールド２に対する冷却性が向上する。

一方、仕切り１０を設けない場合には図６に示されるようになるウォータジャケット１６において、その冷却水の流れは、図の矢印に示されるように冷却水入口６ａから冷却水出口（９）に向けて直線的に流れ、一部が両端部の幅広部分を還流する。そのため、ウォータジャケット１６の幅広部分において一部（特に角部）に冷却水が滞留する部分が生じ、冷却性が悪化する。

それに対して、本願発明に基づく上記仕切り１０を設けた構造によれば、ウォータジャケット６の幅広部分に対して蛇行して流れるようになるため、ウォータジャケット６内の流れを均一化することができる。そして、上記角部に冷却水が滞留してしまうことがないなど、排気集合部２ｃ回りの冷却性がより一層向上する。

また、排気マニホールド冷却用ウォータジャケット６における冷却水入口６ａ及び冷却水出口（９）の各上側にはエア抜き孔６ｂが設けられている。なお、エア抜き孔６ｂは冷却水入口６ａ及び冷却水出口（９）よりも小径に形成されており、ウォータジャケット６における主な冷却水の流れが冷却水入口６ａ及び冷却水出口（９）間になるようにされている。これにより、シリンダヘッド側ウォータジャケット４内の流れも下側の冷却水入口６ａが主体となり、燃焼室の冷却に対して有利となる。

なお、上記図示例では冷却水出口を蓋部材８に取り付けたホースプラグ９としたが、冷却水入口６ａと同様にシリンダヘッド側ウォータジャケット４と連通させるようにしても良い。それにより、余計な外部配管部材や配管作業を必要としなくなり、製造コストを低廉化し得る。また、冷却水入口６ａ及びエア抜き孔６ｂ、さらに上記シリンダヘッド側ウォータジャケット４と連通させる冷却水出口の加工にあっては、それらを各開口７に対応する位置に設けることができ、各孔に対する砂抜きを容易に行うことができると共に孔加工後に蓋部材８を取り付けるという簡単な作業で実施可能である。

また、図５に示されるように、外部排気管（排気部品）３をシリンダヘッド１に取り付けるボルト（図示せず）をねじ込むボルト孔を設けたボス１２と排気集合部２ｃとの間を冷却水が流れる連通路１３が設けられていることにより、ボルトの熱による軸力低下を好適に防ぐことができる。

なお、本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。

本発明にかかる排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造は、排気集合部に対する冷却性が高く、シリンダヘッド内部に排気マニホールドの集合部を設けたエンジンの冷却構造等として有用である。

本発明が適用された直列４気筒エンジンのシリンダヘッドにおける吸・排気路を示す図である。 図１の矢印II−II線に沿って見た端面図である。 シリンダヘッド及びシリンダブロックの各ウォータジャケットを概略示す斜視図である。 シリンダブロック側ウォータジャケットを示す平面図である。 排気マニホールド冷却用ウォータジャケットの冷却水の流れを示す図である。 仕切りを設けない場合の図４に対応する図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 排気マニホールド、２ｂ 排気枝路、２ｃ 排気集合部
６ 排気冷却用ウォータジャケット、６ａ 冷却水入口
７ 開口
８ 蓋部材
９ 冷却水出口
１０ 仕切り

Claims (3)

1. シリンダヘッドの内部に、複数の排気枝路及び当該各排気枝路を集合させた排気集合部を有する排気マニホールドと、少なくとも前記排気集合部を冷却する排気冷却用ウォータジャケットとが一体に形成された排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造であって、
   前記排気冷却用ウォータジャケットが、その内部を流れる冷却水が蛇行するように形成されていることを特徴とする排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造。
2. 前記排気冷却用ウォータジャケット内に、その冷却水入口から冷却水出口に至る直線的流路に対して横切る向きに延在するように前記シリンダヘッドの一部により形成した仕切りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造。
3. 前記排気冷却用ウォータジャケットにおける前記シリンダヘッドの外面側の少なくとも一部が開口し、前記開口が蓋部材により閉塞されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造。

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