JP2015124763A - エンジンのシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】排気再循環通路を内部に設けられるエンジンのシリンダヘッドであって、シリンダヘッド内の冷却水を用いて効率よくＥＧＲガスを冷却するとともに、シリンダヘッドの上壁に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して熱劣化を防止できるシリンダヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】排気再循環装置を有するエンジンのシリンダヘッド１であって、エンジンのカムを収容するカム室２２と、排気再循環装置の再循環ガスが通るヘッド内ＥＧＲ通路２３と、該ヘッド内ＥＧＲ通路２３とカム室２２の間に設けられる分岐通路（冷却水通路）１９と、を備えることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンのシリンダヘッドに関し、特にシリンダヘッド内に排気再循環通路が形成されたシリンダヘッドに関する。

従来から、排ガス（排気）の一部を吸気側に還流させて、混合気が燃焼する時の温度を低下してＮＯｘの生成量を抑える排気再循環装置（ＥＧＲ）が知られており、このようなＥＧＲを行うエンジンにおいては、排気管から吸気管へと排ガスを戻すＥＧＲ通路をエンジンのシリンダヘッド内を貫通して形成したものが知られている。

例えば、特許文献１（特開２０１３−１７４１７１号公報）には、図７で示すように、シリンダヘッド内部に設けられるＥＧＲ通路（ヘッド内ＥＧＲ通路）０１は、排気側側壁から直線状に延びる排気側部分０２と、排気側部分の内端から屈折して吸気側側壁に直線状に延びる吸気側部分０３とを有し、排気側部分が、排気側部分と吸気側部分との境界に形成された屈折部０４から排気側側壁へと進むにつれてシリンダの軸線方向における上方へと進むように傾斜し、シリンダヘッド０５に形成された冷却水通路０６は、吸気側部分の下方に、吸気側部分に沿うように配置される一方、排気側部分から離間して配置される構成が示される。

特開２０１３−１７４１７１号公報

しかし、前記特許文献１のヘッド内ＥＧＲ通路０１は、シリンダヘッド０５内で、シリンダ軸線方向において冷却水通路０６の上方に位置して配設されている。このため、シリンダヘッド０５の上壁に近い位置に配設される位置関係になるため、シリンダヘッド０５の上壁の上方に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して、排ガスの熱による熱劣化を与える問題を有する。

また、特許文献１のシリンダヘッド０５に形成された冷却水通路０６は、排気側側壁から吸気側側壁へと延びて形成されるヘッド内ＥＧＲ通路０１に対して吸気側部分の下方に、吸気側部分に沿うように配置されるだけであるため、冷却水通路０６によるＥＧＲガスの冷却効果を十分に期待できないものである。

そこで、本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、排気再循環通路を内部に設けられるエンジンのシリンダヘッドであって、シリンダヘッド内の冷却水を用いて効率よくＥＧＲガスを冷却するとともに、シリンダヘッドの上壁に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して熱劣化を防止できるシリンダヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するために、排気再循環装置を有するエンジンのシリンダヘッドであって、前記エンジンのカムを収容するカム室と、前記排気再循環装置の再循環ガスが通る排気再循環通路と、前記排気再循環通路と前記カム室の間に設けられる冷却水通路と、を備えることを特徴とする。

かかる発明によれば、シリンダヘッドに設けられる排気再循環通路を、シリンダヘッドの底壁と冷却水通路との間に配置するので、シリンダヘッドの上壁に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して、上壁と排気再循環通路の間に冷却水が流れるため、排気再循環通路に流れる排気の熱によるオイル熱劣化を与える問題を解消できる。

また、本発明の一実施形態においては、前記冷却水通路は、前記シリンダヘッドの冷却箇所を冷却した後に冷却水を排出する第１の冷却水排出口と、前記第１の冷却水排出口から分岐する分岐通路と、前記分岐通路を通過した前記冷却水を排出する第２の冷却水排出口と、を有し、前記分岐通路は、前記排気再循環通路に沿って配置され、前記分岐通路の冷却水は、前記第１の冷却水排出口から第２の冷却水排出口の方向へ流れ、前記排気再循環通路の前記再循環ガスは、前記冷却水の流れる方向と反対方向に流れることを特徴とする。

このようすることで、排気再循環通路の排気を、分岐通路を流れる冷却水を用いて効率的に冷却できる。

また、本発明の一実施形態においては、前記エンジンは前記冷却水を冷却する熱交換器と、前記熱交換器へ通じる通路と、前記熱交換器をバイパスするバイパス通路と、前記通路の前記熱交換器の下流に設けられ、前記冷却水の温度に応じて前記熱交換器から流れる前記冷却水の流量を調整する流量調整手段と、を備え、前記第１の冷却水排出口は前記通路へ接続可能であり、前記第２の冷却水排出口は前記バイパス通路に接続可能であり、前記流量調整手段は前記通路が前記第１の冷却水排出口に接続される際に、前記第１の冷却水排出口より下流に設けられることを特徴とする。

これにより、例えばエンジンの冷態時には、第１の冷却水排出口から冷却水を排出されず、分岐通路を介して第２の冷却水排出口から冷却水が排出され、熱交換器を通過せずに再びシリンダヘッドへ戻る。したがって、排気再循環通路を流れる排気の熱が分岐通路を流れる冷却水に効率的に伝導され、伝達された熱をもった冷却水が熱交換器で冷却されることなくシリンダヘッドに戻ることで、エンジンの暖機を促進できる。さらに冷態時においても排気循環ガスを冷却できる。

また、本発明の一実施形態においては、前記エンジンは前記シリンダヘッドを通過した冷却水を用いてヒータを温めるヒータ装置と備え、前記バイパス通路には前記ヒータ装置が接続されることを特徴とする。

これにより、排気再循環通路を流れる排気の熱から分岐通路を流れる冷却水に熱が効率的に伝導し、該冷却水がヒータ装置に流れることでヒータ性能が向上する。

また、本発明の一実施形態においては、前記分岐通路の前記排気循環通路に対応する部分の断面は、前記分岐通路が前記排気循環通路の断面に沿って湾曲した凹形状であることを特徴とする。

このように、分岐通路が前記排気循環通路の管部材を、断面に沿って湾曲した凹形状の断面形状を有するため、分岐通路と前記排気循環通路との接触面積が増大するため、熱伝達効率を高めることができる。

本発明によれば、排気再循環通路を内部に設けられるエンジンのシリンダヘッドにおいて、シリンダヘッド内の冷却水を用いて効率よくＥＧＲガスを冷却するとともに、シリンダヘッドの上壁に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して熱劣化を防止できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンのＥＧＲ装置を適用したシリンダヘッドの全体構成図である。 ヘッド内ＥＧＲ通路を示す概略斜視図であり、シリンダヘッド下方からの斜視図である。 ヘッド内ＥＧＲ通路を示す概略斜視図であり、シリンダヘッド上方からの斜視図である。 図３のＺ方向視の説明図である。 図１のＹ−Ｙ線断面図である。 冷却水通路の変形例を示す断面説明図である。 従来技術の説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、エンジンのシリンダヘッド１の冷却水経路を示す概略説明図である。
シリンダヘッド１はシリンダブロック３の上部に配置されており、気筒（シリンダ）５の周囲に設置されたシリンダヘッドボルト８によって締結されている。実施形態においては、各気筒に２つの吸気ポート４と２つの排気ポート６とを備えた直列４気筒のエンジンの例を示している（図１、６参照）。

図１に示すように、シリンダヘッド１に形成されている冷却水通路は、４つのシリンダ５の配列方向の片側（排気側）に、シリンダ５ごとに一対の冷却水入口７、７と、反対側（吸気側）に冷却水出口９とが設けられている。冷却水入口７は、シリンダヘッド１内の冷却水通路にシリンダブロック３から冷却水を導入するための入口である。

また、シリンダヘッド１内の冷却水通路は、横流れ冷却水通路１１と、縦流れ冷却水通路１３からなり、この横流れ冷却水通路１１は、冷却水入口７から冷却水出口９に至ってシリンダ５を横切るように流れて、シリンダ５の上部に配設された吸気弁、排気弁、燃料噴射ノズル（ガソリンエンジン車では、点火プラグ）等の部品およびこれら部品の周辺を冷却するように形成されている。

また、シリンダ５の上部には吸気弁、排気弁を駆動する図示しないカムシャフトがシリンダヘッド１の全長にわたって配置され、このカムシャフトを受ける軸受けおよびカムシャフト本体を収容するカム室２２（図４参照）が設けられる。カムシャフトはカムの軸受け（カムジャーナル）からオイルが供給されカムシャフトの回転部やバルブ駆動部を潤滑する。このオイルはシリンダヘッドのカム室下面（シリンダヘッド１の上壁の上方）２６に溜まり（図４参照）、シリンダヘッド１の上壁の上方からシリンダブロックへ向けた図示しないオイル落とし穴を通過してエンジン下部の図示しないオイルパンに戻る。

縦流れ冷却水通路１３は、気筒列の方向に伸びて設けられ、シリンダヘッド１の略全長域に渡って設置されており、また、前記横流れ冷却水通路１１を通過した冷却水が、それぞれの冷却水出口９から、縦流れ冷却水通路１３に流入して合流するようになっている。

縦流れ冷却水通路１３の下流端部には、冷却水排出口（第１の冷却水排出口）１５が設けられており、縦流れ冷却水通路１３に合流した各シリンダからの冷却水が該冷却水排出口１５から外部に排出される。

また、縦流れ冷却水通路１３は、図２、３に示すように、シリンダヘッド１の底壁に沿って配設されように扁平の断面形状を有し、４気筒の全ての吸気ポート１７のシリンダ５の軸線方向の下方に位置してシリンダヘッド１の長手方向に沿って配置される。さらに、吸気ポート１７側のシリンダヘッド１の側壁に沿っても配置されている。

縦流れ冷却水通路１３を吸気ポート１７の下方であって、シリンダヘッド１の底壁に沿って配置するため、吸気ポート１７を流れる吸気に対して、吸気温度の安定化を行うことができる。例えば、吸気温度が低下している場合には、シリンダブロックおよびシリンダヘッドを冷却後の冷却水によって暖気でき吸気温度の安定化に寄与できる。

また、縦流れ冷却水通路１３がシリンダヘッド１の底壁に沿って近い位置に配置されるため、シリンダヘッド１とシリンダブロック３との間に挟み込まれるガスケットに対して、吸気側に対して加熱作用が生じ、吸気側と排気側との熱バランスの均一化が可能になる。すなわち、吸気側のガスケットに対して加熱作用が生じるため、排気側のガスケットとの熱バランスの均一化が期待できる。

また、縦流れ冷却水通路１３は、図３に示すように、４気筒の全ての吸気ポート１７の下方側に配置される本体部１３ａと、該本体部１３ａの端部から上方に傾斜して立ち上がる傾斜部１３ｂと、傾斜の頂上に形成され頂上部１３ｃとを備えている。これら、傾斜部１３ｂと頂上部１３ｃから***部１８を形成している。このように***部１８は、縦流れ冷却水通路１３の下流端域に形成されている。

この頂上部１３ｃには、前記冷却水排出口１５が設けられ、冷却水排出口１５には縦流れ冷却水通路１３の縦流れ方向と同一方向に突出した円筒形状の接続口が形成されている。また、この冷却水排出口１５は、エンジンを車両に搭載した際に最高位置に位置されるように、頂上部１３ｃに形成されている。エンジンは車両に傾斜して搭載可能になっている（図４参照）。

さらに、頂上部１３ｃにおいて、縦流れ冷却水通路１３から分岐して分岐通路（冷却水通路）１９が形成されている。この分岐通路１９は、図３、４に示すように、シリンダヘッド１の吸気側から排気側へ向かって延伸して形成され、斜めに下方向に傾斜した分岐傾斜通路部１９ａを有して構成される。この分岐傾斜通路部１９ａの下端部には、分岐排出口（第２の冷却水排出口）２１が設けられ、前記冷却水排出口１５と同様に、縦流れ冷却水通路１３の縦流れ方向と同一方向に突出した円筒形状の接続口が形成されている。

横流れ冷却水通路１１および縦流れ冷却水通路１３で発生する空気（気泡）は、冷却水とともに冷却水排出口１５に向かって流れるが、該冷却水排出口１５は、***形状の頂上部１３ｃに形成されてエンジンの搭載時に最高位置に位置されるため、外部へと効率よく、且つ滞留させることなく排出させることができる。

また、各気筒における横流れ冷却水通路１１の間をそれぞれ連結して空気抜き通路２５が設けられている。この空気抜き通路２５は、略同一の中心線Ｌ（流れの方向も兼ねて示す）を有して形成され、気泡が通過できる程度の径を有し、縦流れ冷却水通路１３より細い細管に形成されている。さらに、分岐傾斜通路部１９ａの中間部分に連通するようになっている（図３の矢印Ａに流れの概略を示す）。
なお、空気抜き通路２５の中心線Ｌは、分岐傾斜通路部１９ａとの連結部分に向かって上昇するように形成されていると、空気排出には好ましい。

＜ＥＧＲ通路＞
また、分岐通路１９のシリンダ５の軸線方向の下方側には、分岐通路１９に沿って並設してシリンダヘッド内形成されるヘッド内ＥＧＲ通路（排気再循環通路）２３が形成されている。

このヘッド内ＥＧＲ通路（排気再循環通路）２３は、分岐通路１９の下方側に配置されるので、シリンダヘッド１の底壁に近い位置に配設されることによって、シリンダヘッド１の上壁の上方に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して、排ガスの熱による熱劣化を与える問題を解消できる。
また、分岐通路１９に沿って並設配置、しかも接して配置されるので、分岐通路１９を流れる冷却水と、ヘッド内ＥＧＲ通路（排気再循環通路）２３を流れる排ガスとの熱交換を効果的に行うことができ、冷却効果を向上できる。

さらに、ヘッド内ＥＧＲ通路２３は、分岐通路１９の全域に渡って分岐通路１９の下側に配設されており、且つ、ヘッド内ＥＧＲ通路２３を流れるＥＧＲガスと分岐通路１９を流れる冷却水の流れとが互いに対向するように反対方向に流れるため、熱交換の効率が高められる。

このように、分岐通路１９が冷却水排出口１５の部分において分岐してから、シリンダヘッド１の幅方向に延在して形成され、ヘッド内ＥＧＲ通路２３はその分岐通路１９の全域に渡って並設され、さらに、対向流れにすることによって、ヘッド内ＥＧＲ通路２３の排ガスを、分岐通路１９を流れ冷却水によって冷却効果を高めることができる。

また、図５に示すように、分岐通路１９の断面形状は、分岐通路１９がヘッド内ＥＧＲ通路２３の管部材を、上方より囲むように湾曲した凹形状部２４に形成されている。これによって、分岐通路１９とヘッド内ＥＧＲ通路２３とが単に上下に接触して配置されるよりも接触面積を増大できるため、冷却効果をさらに高めることができる。

＜冷却水経路＞
次に、冷却水経路の概要について図１を参照して説明する。
シリンダヘッド１の冷却水排出口１５は、排出通路２７を介してラジエータ２９に接続し、ラジエータ２９の出口は冷却水温度を調節するサーモスタット３１に接続し、サーモスタット３１の出口は冷却水を循環するウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）３３に接続し、ウォータポンプ３３の出口はシリンダブロック３に接続し、シリンダブロック３の出口は、冷却水入口７を介してシリンダヘッド１に接続している。これによって、冷却水が循環するように冷却水経路が構成されている。

また、分岐排出口２１には、ラジエータ２９をバイパスしてラジエータ２９の出口側に接続するバイパス通路３５が接続される。該バイパス通路３５には、車室内の暖房用のヒータ３７が接続され、ヒータ３７の出口はサーモスタット（流量調整手段）３１に接続されている。
このサーモスタット３１は、バイパス通路３５を通過する冷却水温度に応じて、ラジエータから流入する冷却水の量を調整してシリンダヘッド１を含むエンジンへ流入する冷却水の温度を調整する。
すなわち、例えば、エンジンが冷態状態から始動したときなど、冷却水温度が低い状態ではバイパス通路３５を流れる冷却水温度が低く、サーモスタット３１が開弁しない状態あるいは開度が低い状態となる。このような状態では、バイパス通路３５を通る冷却水のみがシリンダヘッド１に供給され、ラジエータ（熱交換器）２９を通過する冷却水はサーモスタットより下流へ流れない状態もしくは流れる量が少ない状態になる。

以上の冷却水経路における、冷却水の流れについて説明する。
まず、冷却水は、図示のウォータポンプ３３によって、シリンダブロック３の冷却水通路（ウォータジャケット）に送られ、シリンダブロック３の上部に設けられた冷却水出口から排出され、シリンダヘッド１の底壁に形成された冷却水入口７からシリンダヘッド１内に供給される。

シリンダヘッド１内の冷却水通路に供給された冷却水は、図６に示すように、排気弁間を冷却するよう流れて吸気側に至るように、各気筒の燃焼室の上方を横切るように流れて吸気側の冷却水出口９から、縦流れ冷却水通路１３に流れ込む。

縦流れ冷却水通路１３に流れ込んだ、各気筒の横流れ冷却水は合流して、冷却水排出口１５に向かって流れて、冷却水排出口１５から排出されて、ラジエータ２９に供給される。
一方、冷却水排出口１５の近傍で冷却水の一部が分流して分岐通路１９に流れ、分岐通路１９に流れた冷却水は、分岐排出口２１から排出されて、ヒータ３７に供給される。

さらに、ラジエータ２９、ヒータ３７にそれぞれ供給される冷却水は、ラジエータ２９の下流側に設けられたサーモスタット３１によって、ラジエータ２９を通過させる流れの流量を、ラジエータ２９を通過させずにヒータ３７を通過したバイパス通路の流れる冷却水の温度によって調整する。

例えば、バイパス通路３５を流れる冷却水の温度が、サーモスタット３１の設定温度以下の冷態状態のときには、サーモスタット３１は、ラジエータ２９からの流れを遮蔽することで、バイパス通路３５を流れる冷却水をエンジンの熱で温めてエンジンの暖機を促進させる。

また、バイパス通路３５を流れる冷却水の温度が、サーモスタット３１の設定温度を超えて全開となる所定の温度まで（例えば８０度）の状態のときには、サーモスタット３１は、ラジエータ２９を流れる冷却水がシリンダブロック３及びシリンダヘッド１へ供給されるように、バイパス通路を流れる冷却水の温度の上昇に合わせて徐々に開弁して、ラジエータ２９を流れる冷却水がサーモスタット３１の下流に流れる流量を多くする。
バイパス通路を流れる冷却水の温度が、所定の温度を超えると、サーモスタット３１は全開となり、サーモスタット３１の下流へラジエータ２９を流れる冷却水が最大流量となるようにする。

上述のとおり、ヘッド内ＥＧＲ通路２３が分岐通路１９に沿って配置されているため、エンジンが冷態状態で始動され、サーモスタット３１が開弁されない状態ではラジエータ２９へ流れる冷却水の流量が無くなるあるいは少なくなり、分岐排出口２１へ向けて冷却水が流れる。
本実施例のように、ヘッド内ＥＧＲ通路２３と分岐通路１９の間で効率的の熱伝達が行われるように配置すれば、ヘッド内ＥＧＲ通路２３の排気熱により分岐通路１９の冷却水が暖められて、ウォータポンプ３３を介してエンジンおよびシリンダヘッド１へ戻ってくることとなる。暖かい冷却水がエンジンに供給されると、エンジンのクランクやピストンなどに発生する冷態時のフリクション（オイルの熱に対する粘度特性や、金属の熱に対する収縮特性が原因とされる）が低下し、本実施例の構造を採用しないエンジンに対してエンジンの暖機を促進することができる。

一方、冷却水が温まるということは、ＥＧＲガスの温度が低下するということである。本実施例の発明によれば、分岐通路１９には冷態状態から積極的に冷却水が流れるため、エンジンの冷態状態から温態状態まで全域にわたって、ＥＧＲガスが分岐通路１９の冷却水により効率的に冷却されることとなる。これにより、高温のＥＧＲガスが吸気に供給されることによる充填効率の低下を防ぐことができる。

また、本実施例の構造では分岐排出口２１からヒータ３７へも温まった冷却水が供給される。これにより、本実施例の構造を採用しないエンジンに対してヒータ３７にある図示しないヒータコアの昇温時間が短くなり、暖房性能を向上させることができる。

さらに、ラジエータ２９の通過をバイパスさせるバイパス通路３５への冷却水の流れを、シリンダヘッド１内において冷却水排出口１５の部分から分岐して形成することで、シリンダヘッド１の外部での配管作業やレイアウトの煩雑さが解消される。
また、冷却水排出口１５および分岐排出口２１は、それぞれシリンダヘッド１の長手方向の端面に同一方向に向かって突出しているため、外部との接続の配管作業が容易化される。

本発明によれば、排気再循環通路を内部に設けられるエンジンのシリンダヘッドにおいて、シリンダヘッド内の冷却水を用いて効率よくＥＧＲガスを冷却するとともに、シリンダヘッドの上壁に溜るまたは流れる潤滑オイルに対して熱劣化を防止できるので、エンジンのシリンダヘッド構造への利用に適している。

１ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
７ 冷却水入口
９ 冷却水出口
１１ 横流れ冷却水通路
１３、５１ 縦流れ冷却水通路
１５ 冷却水排出口（第１の冷却水排出口）
１９ 分岐通路（冷却水通路）
２１ 分岐排出口（第２の冷却水排出口）
２２ カム室
２３ ヘッド内ＥＧＲ通路（排気再循環通路）
２４ 凹形状部
２６ カム室下面
２９ ラジエータ（熱交換器）
３１ サーモスタット（流量調整手段）
３５ バイパス通路（冷却水バイパス通路）

Claims (5)

1. 排気再循環装置を有するエンジンのシリンダヘッドであって、
   前記エンジンのカムを収容するカム室と、
   前記排気再循環装置の再循環ガスが通る排気再循環通路と、
   前記排気再循環通路と前記カム室の間に設けられる冷却水通路と、
   を備えることを特徴とするシリンダヘッド。
2. 前記冷却水通路は、前記シリンダヘッドの冷却箇所を冷却した後に冷却水を排出する第１の冷却水排出口と、
   前記第１の冷却水排出口から分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路を通過した前記冷却水を排出する第２の冷却水排出口と、
   を有し、
   前記分岐通路は、前記排気再循環通路に沿って配置され、
   前記分岐通路の冷却水は、前記第１の冷却水排出口から第２の冷却水排出口の方向へ流れ、
   前記排気再循環通路の前記再循環ガスは、前記冷却水の流れる方向と反対方向に流れることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記エンジンは前記冷却水を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器へ通じる通路と、
   前記熱交換器をバイパスするバイパス通路と、
   前記通路の前記熱交換器の下流に設けられ、前記冷却水の温度に応じて前記熱交換器から流れる前記冷却水の流量を調整する流量調整手段と、を備え、
   前記第１の冷却水排出口は前記通路へ接続可能であり、
   前記第２の冷却水排出口は前記バイパス通路に接続可能であり、
   前記流量調整手段は前記通路が前記第１の冷却水排出口に接続される際に、前記第１の冷却水排出口より下流に設けられることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド。
4. 前記エンジンは前記シリンダヘッドを通過した冷却水を用いてヒータを温めるヒータ装置と備え、
   前記バイパス通路には前記ヒータ装置が接続されることを特徴とする請求項３に記載のシリンダヘッド。
5. 前記分岐通路の前記排気循環通路に対応する部分の断面は、前記分岐通路が前記排気循環通路の断面に沿って湾曲した凹形状であることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載のシリンダヘッド。

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