JP2019163739A - シリンダヘッドの冷却構造、冷却構造を有するシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドの下部の全体を効率良く冷却するとともに、シリンダヘッドの下部における冷却後の温度を均一にすることが可能なシリンダヘッドの冷却構造を提供する。【解決手段】シリンダヘッド１６は、下部冷却ジャケット９３、上部冷却ジャケット９４、弁座冷却水路８８、環状冷却ジャケット７１を有する。第１連通路９６は、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを弁座冷却水路８８を介して連通する。第２連通路９７は、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを直接連通する。第３連通路９８は、環状冷却ジャケット７１と上部冷却ジャケット９４とを連通する。【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに適用される冷却構造に関する。

船舶の主機関あるいは補機関として用いられるディーゼルエンジンなどの内燃機関には、シリンダヘッドが設けられている。一般に、シリンダヘッドには、燃料噴射装置や排気弁、吸気弁などが取り付けられている。シリンダヘッドの下面は、燃焼室の上側面を区画しているため、燃焼室に噴霧された燃料が着火燃焼すると、その燃焼による熱によってヘッド下面が高温になり、シリンダヘッドの下部が高い熱負荷を受ける。また、燃焼後の高温の排気ガスが燃焼室から排出される場合、排気弁座と排気弁との隙間に高圧高温の排気ガスが通ることよって、排気弁座が高い熱負荷を受ける。そのため、従来から、シリンダヘッドには、シリンダヘッドを冷却するための冷却構造が採用されている。

シリンダヘッドの冷却構造として、シリンダヘッド内に上下に分かれた上側冷却水ジャケット及び下側冷却水ジャケットを設け、これらを上下方向に延びる縦方向冷却水ジャケットで連通させた冷却構造が知られている（特許文献１参照）。また、シリンダヘッドの排気弁座や燃料噴射装置などの各部を冷却するための冷却路や下部冷却水ジャケットに、複数の導入口から個別に冷却水を供給する冷却構造が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１６−８５３９号公報 特開平０５−３３６４０号公報

しかしながら、上下に分離した冷却水ジャケット間を別の冷却水ジャケットによって連通する構成では、上側冷却水ジャケットと下側冷却水ジャケットとの間を通る冷却水の流量が、排気弁座や燃料噴射装置などの他の部材を冷却するための冷却路への流量に比べて多くなり、排気弁座や燃料噴射装置などの冷却が不十分となる。また、複数の導入口から、排気弁座や燃料噴射装置の冷却路や下部冷却水ジャケットに個別の経路で冷却水を供給する構成では、そもそも冷却対象となる各部（排気弁座や燃料噴射装置、シリンダヘッドの下部）の温度にばらつきがあり、各部に供給される冷却水の流量にもばらつきがあるため、各部の冷却が十分に行われるとしても、各部の冷却効果にばらつきが生じる結果となり、各部の温度にばらつきが生じる。特に、近年においては、内燃機関が小型化且つ高出力化する傾向にあり、これに伴い、正味平均有効圧力（Ｐｍｅ）や筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）も上昇し、燃焼時にシリンダヘッドの下部及びその部分に装着された各部材が受ける熱負荷が大きくなっている。そのため、シリンダヘッドの下部全体における温度分布の偏り（温度のばらつき）に起因してシリンダヘッドの下部が変形したり、排気弁座や燃料噴射装置が変形又は破損するおそれがある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダヘッドの下部の全体を効率良く冷却するとともに、シリンダヘッドの下部における冷却後の温度を均一にすることが可能なシリンダヘッドの冷却構造を提供することにある。

(1) 本発明は、内燃機関のシリンダヘッドの内部に冷却水を通して前記シリンダヘッドを冷却する冷却構造である。本発明のシリンダヘッドの冷却構造は、下部冷却ジャケットと、上部冷却ジャケットと、第１冷却水路と、第２冷却水路と、第１連通路と、第２連通路と、第３連通路と、を備える。
前記下部冷却ジャケットは、前記シリンダヘッドが備える燃料噴射装置、排気弁、及び吸気弁を囲むように形成され、外部から供給される前記冷却水を通す。前記上部冷却ジャケットは、前記下部冷却ジャケットよりも上側に設けられ、前記冷却水を通す。前記第１冷却水路は、前記排気弁が当接する弁座の外周部を囲むように形成されている。前記第２冷却水路は、前記燃料噴射装置の外周部を囲むように形成されている。前記第１連通路は、前記下部冷却ジャケットと前記第２冷却水路とを前記第１冷却水路を介して連通する。前記第２連通路は、前記下部冷却ジャケットと前記第２冷却水路とを直接連通する。前記第３連通路は、前記第２冷却水路と前記上部冷却ジャケットとを連通する。

前記第１冷却水路は、前記排気弁の当接を冷却するための冷却水を流す空間である。
前記第２冷却水路は、前記燃料噴射装置やそれを支持するためのホルダなどを冷却するための冷却水を流す空間である。前記第１連通路は、例えば、冷却水を前記下部冷却ジャケットから前記第１冷却水路を経て前記第２冷却水路に送るための水路である。
前記第２連通路は、例えば、冷却水を前記下部冷却ジャケットから前記第２冷却水路に送るための水路である。前記第３連通路は、例えば、冷却水を前記第２冷却水路から前記上部冷却ジャケットに送るための水路である。

このように本発明が構成されているため、下部冷却ジャケットに供給された冷却水は、シリンダヘッドの下部の全体を均一に冷却することができる。また、容積の大きい下部冷却ジャケットでは、冷却水を均一に維持できるため、そのような冷却水が下部冷却ジャケットから第１連通路及び第２連通路それぞれを通って第２冷却水路に流入することにより、第１連通路及び第２連通路を冷却水が流れる過程でも各部を冷却することができる。また、第２冷却水路に冷却水が集約することにより、冷却水が再び均一な温度にされるため、燃料噴射装置の全体の温度を偏りなく均一に冷却することができる。その結果、シリンダヘッドの下部の全体を効率良く冷却するとともに、シリンダヘッドの下部における冷却後の温度を均一にすることが可能となる。

(2) 前記シリンダヘッドは、前記燃料噴射装置と前記下部冷却ジャケットとの間に設けられ、前記燃料噴射装置を中心に周方向に配置された複数の前記排気弁及び複数の前記吸気弁を備えている。このような構成において、前記第１連通路は、前記複数の排気弁ごとに複数形成されている。また、前記第２連通路は、前記複数の排気弁及び前記複数の吸気弁それぞれの間を構成する複数の弁間部ごとに複数形成されている。

これにより、燃料噴射装置の中心から放射状に延びる複数の第１連通路及び複数の第２連通路を通って、冷却水が、中心に位置する第２冷却水路に流入する。これにより、シリンダヘッドの下部の全体をより均一に冷却することができる。

(3) 本発明の冷却構造は、前記シリンダヘッドの下面に形成された複数の冷却水口から前記下部冷却ジャケットに至る複数の冷却水供給路を更に備える。

このように本発明が構成されているため、下部冷却ジャケットにおいて冷却水がより均一な温度に調整される。

(4) 前記複数の冷却水供給路は、前記シリンダヘッドの下部の外周部において、複数の冷却水口から鉛直上方へ延出して前記下部冷却ジャケットに連通している。

このように、複数の冷却水供給路がシリンダヘッドの下部の外周部に形成されているため、冷却水供給路の通過時にその周辺部分だけを部分的に過度に冷却することはない。その結果、下部冷却ジャケットに流入した冷却水によってシリンダヘッドの下部の全体が効果的に均一に冷却される。

(5) なお、本発明においては、前記下部冷却ジャケットは、前記第１冷却水路よりも上側の位置に形成されていることが好ましい。

(6) また、本発明は、上述した冷却構造を有する内燃機関のシリンダヘッドとして捉えることができる。

本発明によれば、シリンダヘッドの下部の全体を効率良く冷却するとともに、シリンダヘッドの下部における冷却後の温度を均一にすることが可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１０の構成を示す縦断面図である。 図２は、図１の内燃機関１０のシリンダの構成を示す部分断面図である。 図３は、図１の内燃機関１０のシリンダヘッドの構成を示す断面図である。 図４は、シリンダヘッドの部分断面図であり、図３の要部ＩＶの断面構造を示す図である。 図５は、図３の切断線Ｖ−Ｖの断面構造を示す断面図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関１０は、船舶において発電用モータに回転力を供給する用途として、あるいは、船舶のプロペラ軸を回転させる用途として使用されるものであり、例えば、機関出力が数百ｋＷ〜数千ｋＷの４サイクルのディーゼルエンジンである。もちろん、本発明は、上述の用途の内燃機関１０に限られず、燃料の燃焼時の熱エネルギーをピストンの往復運動に変換して回転運動として出力する全ての内燃機関に適用可能である。

内燃機関１０は、例えば、複数のシリンダ１４が直列に配置されたものであり、主として、シリンダ１４と、シリンダ１４の上部に配置されたシリンダヘッド１６と、シリンダ１４に沿って往復運動可能に支持されたピストン１１と、出力軸に連結されたクランク軸１２と、各ピストン１１の往復運動をクランク軸１２の回転運動に変えるためのコネクティングロッド（連接棒）１３と、を備えて構成されている。これらの各構成要素は、内燃機関１０のエンジンフレーム（架構）２０に組み付けられている。

エンジンフレーム２０は、例えば、コンパクテッドバーミキュラ鋳鉄（ＦＣＶ材）で構成されている。エンジンフレーム２０は、上部側のシリンダブロック２１と、下部側のクランクケース２２とを有する。シリンダブロック２１とクランクケース２２は、それぞれ別部材として構成されていてもよく、あるいは、エンジンフレーム２０に一体に形成されていてもよい。シリンダブロック２１にシリンダ１４やピストン１１等が組み付けられており、クランクケース２２にクランク軸１２が回転可能に設けられている。

図２は、シリンダ１４の構成を示す部分断面図である。図２では、シリンダ１４及びシリンダヘッド１６を構成する各構成要素が実線で示されており、シリンダブロック２１やピストン１１等は二点鎖線で示されている。図２に示すように、シリンダ１４は、シリンダライナ３０と、プロテクトリング５０とを有する。

シリンダライナ３０は、シリンダ１４を構成する部材であり、且つ、シリンダヘッド１６、ピストン１１、プロテクトリング５０等とともに燃焼室１５を形成する部材である。シリンダライナ３０は、円筒形状の筒状部材であり、シリンダブロック２１に装着されている。シリンダライナ３０は、摺動性の高い金属で形成されており、例えば、高リン鋳鉄やねずみ鋳鉄などのＦＣ材で形成されている。また、シリンダライナ３０の内面には、ホーニング加工が施されている。シリンダライナ３０の内周面に摺動可能なようにピストン１１が設けられている。

シリンダブロック２１には、複数のシリンダ１４に応じた数の縦穴２３が形成されている。縦穴２３は、上面２１Ａから下方へ延出しており、概ね円筒形状に形成されている。縦穴２３の内周面には、部分的に水平方向に凹んだ凹部２４が形成されており、凹部２４は、縦穴２３に装着されたシリンダライナ３０の外周面との間で後述の冷却水路ＣＷ１の一部を構成している。

シリンダブロック２１の上面２１Ａは平坦面であり、縦穴２３の上側の開口が露出している。シリンダライナ３０は、円筒形状に形成されており、シリンダブロック２１の上面２１Ａの前記開口から内部に挿入されることにより、シリンダブロック２１に装着されている。本実施形態では、後述するように、シリンダライナ３０は、その上部露出部３５がシリンダブロック２１の上面２１Ａから上方へ突出した状態でシリンダブロック２１に装着されている。

シリンダライナ３０は、大別すると、下部筒部３３と、位置決め部３４と、上部露出部３５とに分かれている。下部筒部３３は、シリンダライナ３０において下方側を占める部分である。下部筒部３３の外径は、位置決め部３４及び上部露出部３５それぞれの外径よりも小さく形成されている。下部筒部３３の外周面には複数の環状のシール部材３７が設けられている。シール部材３７は、例えばＮＢＲで形成されたＯリングなどである。シール部材３７は、下部筒部３３の外周面に形成された複数の環状溝に装着されており、シリンダブロック２１にシリンダライナ３０が装着された状態（以下、ライナー装着状態という。）で縦穴２３の内周面に密着している。

また、縦穴２３の内周面において、シール部材３７よりも上側には、シリンダライナ３０の外周面との間で冷却水路ＣＷ１の一部を構成する凹部２４が形成されている。この凹部２４は、縦穴２３の内周面において周方向に亘って形成されている。シール部材３７は、冷却水路ＣＷ１の冷却水が、縦穴２３の内周面とシリンダライナ３０の外周面との間の隙間を通って下方へ進入することを防止する役割を担っている。

下部筒部３３の上側に位置決め部３４が配置されている。詳細には、位置決め部３４は、前記ライナー装着状態において、凹部２４よりも上側に設けられている。位置決め部３４は、下部筒部３３の外周面よりも径方向外側へ膨出している。言い換えると、位置決め部３４の外径は、シリンダライナ３０の下部筒部３３の外径よりも大きく形成されている。そのため、下部筒部３３と位置決め部３４との間には、シリンダライナ３０の外周面を周方向に亘って環状の段差３８が形成されている。環状の段差３８と下部筒部３３との間の隅部には、下部筒部３３の外径よりも小径の括れ部３９が形成されている。括れ部３９は、シリンダライナ３０の外周面を周方向に亘って形成されており、シリンダライナ３０の中心側へ向かって湾曲して湾曲面を有する。この括れ部３９に後述するボア冷却水路ＣＷ２の下部入口４０が形成されている。

縦穴２３の内周面の上端部には、位置決め部３４が嵌め入れられる環状の段差部２５が形成されている。段差部２５は、縦穴２３の内周面を周方向に亘って形成されている。段差部２５に位置決め部３４が嵌め入れられることによって、シリンダライナ３０がシリンダブロック２１の縦穴２３に対して位置決め可能に装着される。

位置決め部３４の上側に上部露出部３５が配置されている。上部露出部３５は、前記ライナー装着状態において、位置決め部３４からシリンダライナ３０の上端部に至る部分である。上部露出部３５は、位置決め部３４の外周面よりも径方向外側へ膨出している。言い換えると、上部露出部３５の外径は、シリンダライナ３０の位置決め部３４の外径よりも若干大きく形成されている。

シリンダライナ３０には、上下方向へ延びる複数のボア冷却水路ＣＷ２が形成されている。ボア冷却水路ＣＷ２は、括れ部３９に形成された下部入口４０から鉛直上方へ穿孔されて上部露出部３５の上端面３５Ａまで貫通する貫通孔である。例えば、ボア冷却水路ＣＷ２は、上端面３５Ａから鉛直下方へ向けてドリル加工によって穿孔されたキリ穴である。複数のボア冷却水路ＣＷ２は、シリンダライナ３０において、周方向に一定の間隔を隔てて均等に配置されている。冷却水路ＣＷ１から下部入口４０に流入した冷却水は、ボア冷却水路ＣＷ２を通って上方へ流れる。また、ボア冷却水路ＣＷ２を通って上方へ流れた冷却水は、シリンダヘッド１６に形成された後述の冷却水供給路９９に流入する。これにより、燃焼時に加熱された高温の燃焼ガスから熱が伝達して高温になったシリンダライナ３０やプロテクトリング５０の周辺部分を効率良く冷却することができる。

図２に示すように、プロテクトリング５０は、燃焼時にピストン１１の上部１１Ａの外周面に付着した硬質のカーボンを除去するため部材である。プロテクトリング５０は、円環状に形成されており、シリンダライナ３０の上部露出部３５の内周面に嵌め入れられている。

図２に示すように、シリンダヘッド１６は、シリンダライナ３０の上部露出部３５の上端面３５Ａに設置されている。シリンダヘッド１６は、図示しないスタッドボルトによって、シリンダブロック２１に固定されている。これにより、シリンダライナ３０の内周面、プロテクトリング５０の内周面、シリンダヘッド１６の下面１６Ａ（図３参照）、ピストン１１のトップ面で囲まれた閉塞空間としての燃焼室１５が形成される。

図３は、シリンダヘッド１６の構成を示す断面図である。図４は、シリンダヘッド１６の排気弁６３の周辺の部分断面図である。なお、図３は、シリンダヘッド１６、排気通路８３、及び吸気通路８４それぞれの中心線を含む切断面の断面図である。

以下、シリンダヘッド１６の構成とともに、内部に冷却水を通してシリンダヘッド１６を冷却する冷却構造について説明する。

図３に示すように、シリンダヘッド１６は、ヘッド本体６１と、燃料噴射装置６２と、排気弁６３と、吸気弁６４と、を備えている。

ヘッド本体６１は、ブロック状に形成されており、例えば、コンパクテッドバーミキュラ鋳鉄（ＦＣＶ材）で構成されている。ヘッド本体６１に、燃料噴射装置６２、排気弁６３、及び吸気弁６４が装着されている。

ヘッド本体６１の中心部に、上下に貫通する装着穴６５が形成されている。その装着穴６５に、上下に長い燃料噴射装置６２が挿入されている。燃料噴射装置６２の先端部には、燃料噴射装置６２に供給された燃料を噴霧するノズル６２Ａが設けられている。ノズル６２Ａは、その下端部がシリンダヘッド１６の下面１６Ａから燃焼室１５を臨む位置に配置されている。

図４に示すように、燃料噴射装置６２の下方部分は、装着穴６５に対して、ホルダ６６によって取り付けられている。ホルダ６６は、装着穴６５の内部において、燃料噴射装置６２を支持するための支持部材である。

ホルダ６６は、燃料噴射装置６２の下方部分が挿入可能な内孔を有しており、筒形状に形成されている。ホルダ６６は、装着穴６５内に嵌め入れられて固定されている。装着穴６５内において、燃料噴射装置６２の下方部分がホルダ６６の内孔に挿入されることによって、燃料噴射装置６２の下方部分の外周面がホルダ６６によって遊びなく保持される。

本実施形態では、ヘッド本体６１には、燃料噴射装置６２の下方部分の外周部を囲むように環状冷却ジャケット７１（本発明の第２冷却水路の一例）が形成されている。環状冷却ジャケット７１は、燃料噴射装置６２の下方部分の外周部を冷却するために形成されている。環状冷却ジャケット７１は、その内部に冷却水を通すための環状の空間であり、別の言い方をすると冷却水路である。環状冷却ジャケット７１は、装着穴６５の内周面に形成された周方向に連続する環状の凹溝７３（凹部）と、凹溝７３を塞ぐように装着穴６５に取り付けられたホルダ６６の外周面と、によって区画形成される。

図５は、図３における切断線Ｖ−Ｖの断面構造を示す断面図である。図５に示すように、ヘッド本体６１には、燃焼室１５で燃焼した排気ガスを案内する２本の排気通路８３と、燃焼室１５に供給する吸気ガスを案内する２本の吸気通路８４と、が形成されている。排気通路８３及び吸気通路８４は、ヘッド本体６１の燃焼室１５側から延出する孔である。排気通路８３及び吸気通路８４は、燃料噴射装置６２を中心として、その周方向に等角度間隔で形成されている。

各排気通路８３には排気弁６３が取り付けられており、各吸気通路８４には吸気弁６４が取り付けられている。つまり、本実施形態では、燃料噴射装置６２を中心に周方向に配置された２つ排気弁６３及び２つの吸気弁６４がシリンダヘッド１６に設けられている。本実施形態では、２つの排気弁６３は、燃料噴射装置６２と後述の下部冷却ジャケット９３との間に設けられている。

図４に示すように、排気通路８３の下端部には、弁座部材８６が装着されている。弁座部材８６は、筒形状に形成されており、排気通路８３の下端の開口から装着されている。弁座部材８６は、排気弁６３のバブルヘッドの外周部に形成された弁シート６３Ａが当接される弁座面８６Ａを有する。弁座面８６Ａは、弁座シートとも称されており、排気弁６３の閉時に排気弁６３の弁シート６３Ａが当接される部分である。

本実施形態では、ヘッド本体６１には、排気弁６３が当接される弁座部材８６の外周部を囲むように弁座冷却水路８８（本発明の第１冷却水路の一例）が形成されている。２つの排気弁６３に対応して、２つの弁座冷却水路８８がヘッド本体６１に形成されている。弁座冷却水路８８は、弁座部材８６の外周部を冷却するために形成されており、特に、弁座部材８６の弁座面８６Ａを効率良く冷却するために形成されている。弁座冷却水路８８は、その内部に冷却水を通すための環状の空間である。弁座冷却水路８８は、排気通路８３の下端部の内周面に形成された周方向に連続する環状の凹溝８９（凹部）と、弁座部材８６の外周面に形成された周方向に連続する凹溝９０（凹部）とによって構成されている。弁座部材８６が排気通路８３の下端部に装着された状態で、凹溝８９と凹溝９０とが互いに対向して配置されることによって、環状の弁座冷却水路８８が区画される。

燃焼室１５における燃焼後の排気ガスは高圧高温であるため、排気弁６３の開時に弁シート６３Ａと弁座面８６Ａとの間の隙間を排気ガスが通ることにより、排気ガスの影響を受けて、弁座面８６Ａが高温になる。このため、図４に示すように、弁座冷却水路８８は、断面視で、上下方向に長い形状に形成されている。そして、弁座冷却水路８８の下端は、弁座部材８６の弁座面８６Ａの直上の付近の位置まで達している。これにより、弁座冷却水路８８に冷却水が供給されると、弁座部材８６の弁座面８６Ａの付近が効率良く冷却される。

図３及び図４に示すように、ヘッド本体６１には、下部冷却ジャケット９３と、上部冷却ジャケット９４とが形成されている。

下部冷却ジャケット９３は、外部から供給される冷却水を通す空間であり、別の言い方をすると冷却水路である。下部冷却ジャケット９３は、シリンダヘッド１６の下部１７、つまり、ヘッド本体６１において燃焼室１５に臨む下面１６Ａ側の部分を冷却するために形成されている。図５に示すように、下部冷却ジャケット９３は、シリンダヘッド１６が備える燃料噴射装置６２、排気弁６３、及び吸気弁６４を囲むように、シリンダヘッド１６の下部１７の外周部に環状に形成されている。

本実施形態では、下部冷却ジャケット９３は、図３に示す断面図において、弁座冷却水路８８よりも上側の位置に形成されている。近年、内燃機関１０が小型化且つ高出力化する傾向にあり、これに伴い、正味平均有効圧力（Ｐｍｅ）や筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）も上昇し、燃焼時にシリンダヘッド１６の下部１７が受ける熱負荷が大きくなっている。このため、シリンダヘッド１６の下部１７における熱に対する耐性を向上させ、下部１７の強度を向上させるために、下部１７の肉厚、つまり、シリンダヘッド１６（ヘッド本体６１）の下面１６Ａと下部冷却ジャケット９３との肉厚の寸法が大きく設計される。その結果、下部冷却ジャケット９３は、従来位置よりも上側の位置に形成されるようになり、弁座冷却水路８８よりも上側の位置に形成されている。

上部冷却ジャケット９４は、下部冷却ジャケット９３よりも上側に設けられている。上部冷却ジャケット９４は、下部冷却ジャケット９３よりも上側の部分を冷却するためのものであり、冷却水を通す空間である。図３に示すように、上部冷却ジャケット９４は、下部冷却ジャケット９３の直上に配置されており、環状に形成されている。

本実施形態では、下部冷却ジャケット９３は、後述する第１連通路９６、第２連通路９７、第３連通路９８、冷却水供給路９９、冷却水排出路１００よりも十分に容積が大きい。そのため、下部冷却ジャケット９３では、冷却水の温度を全体として均一に保持することができる。

上述したように構成されたシリンダヘッド１６には、第１連通路９６、第２連通路９７、第３連通路９８、冷却水供給路９９、冷却水排出路１００が形成されている。シリンダヘッド１６において、環状冷却ジャケット７１、弁座冷却水路８８、下部冷却ジャケット９３、及び上部冷却ジャケット９４それぞれは、第１連通路９６、第２連通路９７、第３連通路９８によって互いに連通している。

冷却水供給路９９は、ボア冷却水路ＣＷ２を通ってシリンダヘッド１６へ向けて流れる冷却水を下部冷却ジャケット９３に供給するものである。シリンダヘッド１６の下面１６Ａには、複数のボア冷却水路ＣＷ２に対応する位置に、複数の導入口９９Ａ（本発明の冷却水口の一例）が形成されている。複数の導入口９９Ａは、装着穴６５の中心を周方向に所定角度間隔で均等に配置されている。冷却水供給路９９は、導入口９９Ａから下部冷却ジャケット９３に至っている。本実施形態では、冷却水供給路９９は、複数の導入口９９Ａそれぞれから上方に位置する下部冷却ジャケット９３へ向けて直線状に延びている。つまり、ヘッド本体６１には、鉛直上方に延びる複数本の冷却水供給路９９が形成されている。これら複数本の冷却水供給路９９は、シリンダヘッド１６の下部１７の外周部に形成されている。冷却水供給路９９は、例えば、下面１６Ａから鉛直上方へ向けてドリル加工によって穿孔されたキリ穴である。なお、下面１６Ａには、複数の導入口９９Ａを周方向に接続する周方向に連続した環状溝１０１が形成されている。したがって、個々のボア冷却水路ＣＷ２から供給された冷却水は、一旦、環状溝１０１において圧力が均一化された後に、各冷却水供給路９９を通って下部冷却ジャケット９３に流入する。

第１連通路９６は、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを、弁座冷却水路８８を介して連通するものである。２つの弁座冷却水路８８に対応して２本の第１連通路９６がヘッド本体６１に形成されている。言い換えると、第１連通路９６は、２つの排気弁ごとに形成されている。各第１連通路９６は、下部冷却ジャケット９３と弁座冷却水路８８との間を連通する第１傾斜路９６Ａと、弁座冷却水路８８と環状冷却ジャケット７１との間を連通する第２傾斜路９６Ｂと、を含む。

第１連通路９６は、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを最短経路で連通しており、図５に示すように、第１傾斜路９６Ａ及び第２傾斜路９６Ｂは、上面視で直線上に形成されている。具体的には、第１傾斜路９６Ａ及び第２傾斜路９６Ｂは、装着穴６５の中心と排気通路８３の中心とを結ぶ直線上に形成されている。本実施形態では、２本の第１連通路９６は、装着穴６５の中心の周りに９０度の角度間隔を隔てて形成されている。

図４に示すように、第１傾斜路９６Ａは、下部冷却ジャケット９３から弁座冷却水路８８へ向けて斜め下方へ直線状に延出している。この第１傾斜路９６Ａは、弁座部材８６や排気弁６３が取り外された状態で、下面１６Ａ側から、排気通路８３の内周面の凹溝８９に対して斜め上方へ向けてドリル加工することによって形成される。つまり、第１傾斜路９６Ａは、ドリル加工によって穿孔されたキリ穴である。

第２傾斜路９６Ｂは、弁座冷却水路８８から環状冷却ジャケット７１へ向けて斜め上方へ直線状に延出している。この第２傾斜路９６Ｂは、弁座部材８６や排気弁６３が取り外された状態で、下面１６Ａ側から、排気通路８３の内周面の凹溝８９に対して斜め上方へ向けてドリル加工することによって形成される。つまり、第２傾斜路９６Ｂは、ドリル加工によって穿孔されたキリ穴である。

ところで、従来のシリンダヘッドの冷却構造では、下部冷却ジャケット９３と弁座冷却水路８８との連通路は、ヘッド本体６１の側面からドリル加工によって水平に穿孔されたキリ穴で構成されていた。そのため、下部冷却ジャケット９３から弁座冷却水路８８に流水した冷却水は、弁座部材８６の外周面に垂直に当たるため、弁座冷却水路８８の下端部に冷却水を効率良く送り込むことができなかった。また、上述したように、下部１７の肉厚を大きくして強度アップを図るために下部冷却ジャケット９３の位置を上側に変更すると、弁座冷却水路８８も上側へ延出させる必要があり、弁座冷却水路８８の下端部への冷却水の送り込みが更に悪化し、当該部分の水の循環がより不十分となる。

これに対して、本実施形態では、第１傾斜路９６Ａは、弁座冷却水路８８へ向けて斜め下方に傾斜しているため、下部冷却ジャケット９３の冷却水が第１傾斜路９６Ａを通って弁座冷却水路８８に流入する際に、冷却水は斜め下方へ向けて送り込まれる。その結果、その冷却水が弁座冷却水路８８の下端部まで入り込み、弁座冷却水路８８の下端部の冷却水を十分に循環させることができる。また、第１傾斜路９６Ａを斜め下方へ傾斜させることにより、弁座冷却水路８８を上側へ延出させる必要がなくなり、より効果的に、冷却水を弁座冷却水路８８の下端部まで行き渡らせることができる。

また、第２傾斜路９６Ｂは、環状冷却ジャケット７１へ向けて斜め上方に傾斜しているため、環状冷却ジャケット７１に流入した冷却水は、環状冷却ジャケット７１を上方へ向けて流れる。

第２連通路９７は、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを直接連通している。本実施形態では、４つの第２連通路９７がヘッド本体６１に形成されている。各第２連通路９７は、ヘッド本体６１の側面からドリル加工によって水平に穿孔されたキリ穴であり、下部冷却ジャケット９３を貫通し、排気通路８３及び吸気通路８４それぞれに干渉することなく、環状冷却ジャケット７１に至っている。具体的には、図５に示すように、各第２連通路９７は、４つの弁間部１０３それぞれを通って、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを一直線に連通している。ここで、弁間部１０３は、ヘッド本体６１において、排気通路８３及び吸気通路８４それぞれの間の部分であり、換言すると、排気通路８３及び吸気通路８４それぞれに設けられた各弁（排気弁及び吸気弁）の間の部分である。なお、第２連通路９７を形成するためにヘッド本体６１の側面に開けられた穴１１０は、プラグなどによって閉塞される。

図３に示すように、第２連通路９７は、環状冷却ジャケット７１における第２傾斜路９６Ｂの出口と上下方向において概ね同じ位置を通るように形成されており、上下方向において環状冷却ジャケット７１の下部に接続している。

図５に示すように、４つの第２連通路９７は、装着穴６５の中心の周りに９０度の角度間隔を隔てて形成されている。また、第１連通路９６に隣接する第２連通路９７は、第１連通路９６に対して装着穴６５の中心の周りに４５度隔てた位置に形成されている。

図３に示すように、第３連通路９８は、環状冷却ジャケット７１と上部冷却ジャケット９４とを連通している。本実施形態では、４つの第３連通路９８がヘッド本体６１に形成されている。各第３連通路９８は、排気通路８３及び吸気通路８４それぞれに干渉することなく、環状冷却ジャケット７１と上部冷却ジャケット９４とを連通している。なお、第３連通路９８は、環状冷却ジャケット７１及び上部冷却ジャケット９４とともに、一体の冷却水通路としてヘッド本体６１の内部に形成されている。

冷却水排出路１００は、上部冷却ジャケット９４の上端部からシリンダヘッド１６の上面１６Ｂへ向けて鉛直上方へ延出する孔である。例えば、冷却水排出路１００は、上面１６Ｂから鉛直下方へ向けてドリル加工によって穿孔されたキリ穴である。

環状冷却ジャケット７１から第３連通路９８を通って上部冷却ジャケット９４に流入した冷却水は、冷却水排出路１００を通って外部に排出され、外部に設けられた不図示の枝管を経て冷却水集合管に集められ、その後、冷却水を冷却するための冷却器に送られ、冷却後の冷却水が再びポンプなどによって冷却水路ＣＷ１に供給される。

以上説明したように、本実施形態のシリンダヘッド１６には、燃料噴射装置６２、排気弁６３、及び吸気弁６４を囲むように形成された下部冷却ジャケット９３と、下部冷却ジャケット９３よりも上側に設けられた上部冷却ジャケット９４と、排気弁６３が当接する弁座面８６Ａの外周部を囲むように形成された弁座冷却水路８８と、燃料噴射装置６２の外周部を囲むように形成された環状冷却ジャケット７１と、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを弁座冷却水路８８を介して連通する第１連通路９６と、下部冷却ジャケット９３と環状冷却ジャケット７１とを直接連通する第２連通路９７と、環状冷却ジャケット７１と上部冷却ジャケット９４とを連通する第３連通路９８と、が設けられている。そのため、下部冷却ジャケット９３に供給された冷却水は、下部１７の全体を均一に冷却することができる。また、容積の大きい下部冷却ジャケット９３では、冷却水を均一に維持できるため、そのような冷却水が下部冷却ジャケット９３から第１連通路９６及び第２連通路９７それぞれを通って環状冷却ジャケット７１に流入することにより、第１連通路９６及び第２連通路９７を冷却水が流れる過程でも各部を冷却することができる。また、環状冷却ジャケット７１に冷却水が集約したことにより、冷却水が再び均一な温度にされるため、燃料噴射装置６２の全体の温度を偏りなく均一に冷却することができる。その結果、シリンダヘッド１６の下部１７の全体を効率良く冷却するとともに、シリンダヘッド１６の下部１７における冷却後の温度を均一にすることが可能となる。

また、シリンダヘッド１６は、燃料噴射装置６２を中心に周方向に配置された複数の排気弁６３及び複数の吸気弁６４を備えており、第１連通路９６は、複数の排気弁６３ごとに複数形成されている。また、第２連通路９７は、複数の排気弁６３及び複数の吸気弁６４それぞれの間を構成する複数の弁間部１０３ごとに複数形成されている。このため、燃料噴射装置６２の中心から放射状に延びる複数の第１連通路９６及び複数の第２連通路９７を通って冷却水が中心に位置する環状冷却ジャケット７１に流入する。これにより、シリンダヘッド１６の下部１７の全体をより均一に冷却することができる。

また、シリンダヘッド１６は、シリンダヘッド１６の下面１６Ａに形成された複数の導入口９９Ａから下部冷却ジャケット９３に至る複数の冷却水供給路９９を有するため、下部冷却ジャケット９３において冷却水がより均一な温度に調整される。

また、複数の冷却水供給路９９は、シリンダヘッド１６の下部１７の外周部において、複数の導入口９９Ａから鉛直上方へ延出して下部冷却ジャケット９３に連通している。このように、複数の冷却水供給路９９が下部１７の外周部に形成されているため、冷却水供給路９９の通過時にその周辺部分だけを部分的に過度に冷却することはない。その結果、下部冷却ジャケット９３に流入した冷却水によって下部１７の全体が効果的に均一に冷却される。

また、第１連通路９６が、下部冷却ジャケット９３と弁座冷却水路８８との間を連通する第１傾斜路９６Ａと、弁座冷却水路８８と環状冷却ジャケット７１との間を連通する第２傾斜路９６Ｂと、により構成されている。そのため、弁座冷却水路８８に流入した冷却水は、斜め下方へ向けて送り込まれて、弁座冷却水路８８の下端部まで入り込み、弁座冷却水路８８の下端部の冷却水を十分に循環させることができる。なお、第２傾斜路９６Ｂは、環状冷却ジャケット７１へ向けて斜め上方に傾斜しているため、冷却水は、その経路に沿って、弁座冷却水路８８の下端部から環状冷却ジャケット７１に送り出される。

１０ ：内燃機関
１６ ：シリンダヘッド
１６Ａ ：下面
１７ ：下部
３０ ：シリンダライナ
５０ ：プロテクトリング
６１ ：ヘッド本体
６２ ：燃料噴射装置
６３ ：排気弁
６４ ：吸気弁
７１ ：環状冷却ジャケット
８８ ：弁座冷却水路
９３ ：下部冷却ジャケット
９４ ：上部冷却ジャケット
９６ ：第１連通路
９６Ａ ：第１傾斜路
９６Ｂ ：第２傾斜路
９７ ：第２連通路
９８ ：第３連通路
９９ ：冷却水供給路
９９Ａ ：導入口
ＣＷ１ ：冷却水路
ＣＷ２ ：ボア冷却水路

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダヘッドの内部に冷却水を通して前記シリンダヘッドを冷却する冷却構造であって、
   前記シリンダヘッドが備える燃料噴射装置、排気弁、及び吸気弁を囲むように形成され、外部から供給される前記冷却水を通す下部冷却ジャケットと、
   前記下部冷却ジャケットよりも上側に設けられ、前記冷却水を通す上部冷却ジャケットと、
   前記排気弁が当接する弁座の外周部を囲むように形成された第１冷却水路と、
   前記燃料噴射装置の外周部を囲むように形成された第２冷却水路と、
   前記下部冷却ジャケットと前記第２冷却水路とを前記第１冷却水路を介して連通する第１連通路と、
   前記下部冷却ジャケットと前記第２冷却水路とを直接連通する第２連通路と、
   前記第２冷却水路と前記上部冷却ジャケットとを連通する第３連通路と、を備えるシリンダヘッドの冷却構造。
2. 前記シリンダヘッドは、前記燃料噴射装置と前記下部冷却ジャケットとの間に設けられ、前記燃料噴射装置を中心に周方向に配置された複数の前記排気弁及び複数の前記吸気弁を備え、
   前記第１連通路は、前記複数の排気弁ごとに複数形成されており、
   前記第２連通路は、前記複数の排気弁及び前記複数の吸気弁それぞれの間を構成する複数の弁間部ごとに複数形成されている、請求項１に記載のシリンダヘッドの冷却構造。
3. 前記シリンダヘッドの下面に形成された複数の冷却水口から前記下部冷却ジャケットに至る複数の冷却水供給路を更に備える請求項１又は２に記載のシリンダヘッドの冷却構造。
4. 前記複数の冷却水供給路は、前記シリンダヘッドの下部の外周部において、複数の冷却水口から鉛直上方へ延出して前記下部冷却ジャケットに連通している請求項３に記載のシリンダヘッドの冷却構造。
5. 前記下部冷却ジャケットは、前記第１冷却水路よりも上側の位置に形成されている請求項１から４のいずれかに記載のシリンダヘッドの冷却構造。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の冷却構造を有する内燃機関のシリンダヘッド。
   

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