JP5989048B2 - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明は、内部に排気集合部が形成された内燃機関のシリンダヘッドに関する。

多気筒エンジンにおいては、シリンダヘッドの内部に複数の吸気ポート及び排気ポートを形成し、シリンダヘッドの吸気側側面及び排気側側面に対し、吸気を分配する吸気マニホールド及び排気を合流させる排気マニホールドをそれぞれ接合する形態が一般的である。近年では、排気を合流させる排気集合部をシリンダヘッドの内部に形成し、シリンダヘッドの排気側側面に単一の排気出口を形成して単一の排気管をシリンダヘッドに接合する形態のものもある。

排気集合部がシリンダヘッド内に形成された多気筒エンジンは、排気マニホールドを別体で設ける必要がないため、エンジン全体を小型化できる他、排ガスの放熱量を抑制でき、暖機時に排ガス浄化装置の温度を早期に高めて触媒を活性化することができる。また、燃焼室から排気集合部の出口までの距離を短くできるため、排ガスを利用する過給機（ターボチャージャ）を設ける場合に過給機の応答性を向上させることもできる。

その一方で、排気集合部が内部に形成されたシリンダヘッドでは、排気出口及びその近傍の排気集合部を画定する部分がシリンダブロック（シリンダブロックとの接合面）に対して側方に膨出する形状となることが多いため、過度な温度上昇によるシリンダヘッド本体や排気管への熱害を防止するためにこの膨出部分を冷却する必要がある。シリンダヘッド内に形成された排気集合部の周辺を効果的に冷却する構造として、シリンダヘッド内のウォータージャケット（冷却液通路）を、排気集合部を上面側及び下面側から覆うように膨出部分に延出させた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２０５０４２号公報

しかしながら、このように排気集合部が内部に形成されたシリンダヘッドでは、排気出口の直下流に過給機や排ガス浄化装置触媒が設けられると過給機や排ガス浄化装置が高温になることも相俟って、熱負荷が高くなった時に膨出部分の壁が変形する。特に、ウォータージャケットを画定する壁のうち、内側に位置する内壁は排気集合部を画定しており、熱源である排気に直接晒されるため、外側に位置して外気に触れる外壁よりも高温になりやすい。このように内壁と外壁とに温度差が生じると、内壁が外壁よりも大きく膨出方向に熱膨張し、これらの壁には排気出口側の端部に応力が集中する。また、このような熱膨張は、図９の断面図に示すように、排気出口が形成された接合面の平坦性を損ねるような変形や、外壁を内壁に近付けるように撓ませる変形を生じさせるため、シリンダヘッドとその下流側排気通路部材とのシール性が低下するうえ、ウォータージャケットの断面積が縮小して冷却性能が低下する虞がある。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題に鑑み、シリンダヘッド内に形成された排気集合部を形成する壁がシリンダブロックに対して側方に膨出する形状となっていても、この膨出部の熱膨張による応力集中を緩和すると共に、熱膨張による変形を抑制して、シリンダヘッドとその下流側排気通路部材とのシール性及び排気集合部周辺の冷却性能を維持できる内燃機関のシリンダヘッドを提供することを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明は、複数のシリンダ（１）が一列に形成されたシリンダブロック（２）の上部に締結され、前記シリンダ内を摺動するピストンの頂面との間に燃焼室（６）を形成し、ヘッド内冷却液通路（３０）を備えた内燃機関（Ｅ）のシリンダヘッド（３）であって、当該シリンダヘッド内には、上流端が前記燃焼室に開口する複数の排気ポート（８ａ）と、前記複数の排気ポートを合流させ、当該シリンダヘッドの一側面における長手方向の中間位置に排気出口（８ｃ）を開口させる排気集合部（８ｂ）とが形成され、前記排気出口を画定する部分（１８）及びその近傍が、前記シリンダブロックに対して側方に膨出して前記排気集合部を形成する膨出部（１９）をなし、前記ヘッド内ウォータージャケットが、前記排気集合部を挟むように前記膨出部に形成された一対の排気側冷却液通路（３２、３３）を含み、前記膨出部が、前記排気側冷却液通路を画定する一対の外壁（４１、４２）及び一対の内壁（４３、４４）を有し、シリンダ列方向に直交しかつ前記排気出口を通る断面において、前記一対の外壁の少なくとも一方の内面（４１ｉ、４２ｉ）が、前記排気出口側の端部に形成され、前記排気側冷却液通路側に曲率中心を置いて第１の曲率半径（Ｒ１、Ｒ３）をもって湾曲する第１の湾曲領域（６１、７１）と、前記第１の湾曲領域よりも前記燃焼室側に形成され、前記排気側冷却液通路側に曲率中心を置いて前記第１の曲率半径よりも大きな第２の曲率半径（Ｒ２、Ｒ４）をもって湾曲する第２の湾曲領域（６２、７２）とを含み、前記第２の湾曲領域が、少なくとも前記排気出口側から前記燃焼室側に向けて前記排気側冷却液通路の高さを漸増させる第１部分（６６、７６）を含む構成とする。

この構成によれば、外壁の内面が第２の湾曲領域を含むことにより、内壁が排気によって加熱されて外壁よりも高温となり、外壁よりも大きく膨出方向に熱膨張した際に、応力が外壁に分散し、外壁と内壁との接続部への応力集中が緩和される。また、第２の湾曲領域が、排気側冷却液通路の高さを漸増させる第１部分を含むことにより、外壁が内壁に近付くように変形した際に直線形状に近付くことで外壁の膨出方向の寸法が大きくなり、排気出口が形成された接合面の平坦性を損ねるような変形が抑制される。そのため、シリンダヘッドとその下流側排気通路部材とのシール性を確保できる。また、第２の湾曲領域が排気側冷却液通路の高さを漸増させる第１部分を含むように形成されているため、外壁が内壁に近付くように変形した際にも排気側冷却液通路の高さを確保して排気集合部周辺の冷却性能を維持できる。

また、上記の発明において、前記一対の外壁の少なくとも一方（４２）の内面（４２ｉ）が、前記第１の湾曲領域（７１）と前記第２の湾曲領域（７２）との間に形成され、前記排気側冷却液通路側に曲率中心を置いて前記第１の曲率半径（Ｒ３）よりも大きく前記第２の曲率半径（Ｒ４）よりも小さな第３の曲率半径（Ｒ５）をもって湾曲する第３湾曲領域（７３）を更に含み、前記第３湾曲領域が前記第１の湾曲領域及び前記第２の湾曲領域と滑らかに接続している構成とするとよい。

この構成によれば、第１の湾曲領域と第２の湾曲領域との間にこれらの中間的な曲率半径を有する第３湾曲領域が形成されたことにより、熱膨張時における曲率の変化点への応力集中が抑制され、応力をより確実に分散できる。

また、上記の発明において、前記第２の湾曲領域（６２、７２）が、前記第１部分（６６、７６）から前記燃焼室（６）側に連続し、前記排気出口（８ｃ）側から前記燃焼室側に向けて前記排気側冷却液通路（３２、３３）の高さを漸減させる第２部分（６７、７７）を更に含む構成とすることができる。

この構成によれば、第２の曲率半径を有する第２の湾曲領域を膨出方向に長く形成できるため、発生する応力を外壁に一層分散することができる。また、外壁が内壁に近付くように変形した際の外壁の膨出方向寸法がより大きくなるため、排気出口が形成された接合面の平坦性を損ねるような変形が一層抑制される。

また、上記の発明において、前記外壁（４２）の前記第２の湾曲領域（７２）に対応する部分の大半が一定の厚さ（ｔ１）を有する構成とするとよい。

この構成によれば、応力の集中を抑制しつつ無駄な肉をなくすことができ、シリンダヘッドを軽量化できる。

また、上記の発明において、前記一対の外壁の少なくとも一方（４２）の内面（４２ｉ）が、前記第２の湾曲領域（７２）よりも前記燃焼室（６）側に形成され、前記第２の湾曲領域に連続する直線状の直線領域（７４）を更に含み、前記外壁が、前記直線領域の少なくとも前記第２の湾曲領域側の部分において一定の厚さを有する平板状部分（４２ａ）を有し、当該平板状部分の前記外壁の前記直線領域に対応する部分の厚さ（ｔ２）が前記第２の湾曲領域に対応する部分の平均厚さ（ｔ１ａｖｅ）よりも厚い構成とするとよい。

この構成によれば、第２の湾曲領域に連続して平板状部分が存在すると、この部分に応力が集中しやすくなるが、平板状部分の厚さが第２の湾曲領域に対応する部分の平均厚さよりも厚いことにより、応力集中しやすい部分の剛性を高めて変形を抑制することができる。

また、上記の発明において、当該シリンダヘッド（３）が前記内燃機関（Ｅ）における鉛直方向の上側に配置され、前記一対の外壁が上側に配置された上外壁（４１）及び下側に配置された下外壁（４２）をなし、前記上外壁には、動弁室（１１）を画定する側壁（３Ｓ）が一体形成され、少なくとも前記下外壁の内面（４２ｉ）が前記第１の湾曲領域（７１）と前記第２の湾曲領域（７２）とを含む構成とするとよい。

この構成によれば、上側の外壁は、側壁が一体形成されるために比較的剛性が高く、シリンダヘッドに接合される下流側排気通路部材の荷重が発生するモーメントが引張力となって作用するため、熱膨張時に発生する応力が小さいが、側壁が一体形成されず、かつ下流側排気通路部材の荷重が圧縮力となって作用する下側の外壁に第１の湾曲領域と第２の湾曲領域とが形成されたことにより、大きな圧縮応力が発生しやすい下側の外壁で発生する応力を効果的に分散することができる。

このように本発明によれば、シリンダブロックに対して側方に膨出する膨出部の熱膨張による応力集中を緩和すると共に、熱膨張による変形を抑制して、シリンダヘッドとその下流側排気通路部材とのシール性及び排気集合部周辺の冷却性能を維持できる内燃機関のシリンダヘッドを提供することができる。

実施形態に係るエンジンの要部のシリンダ列方向に直交する方向の断面図 シリンダヘッドを下方から見た斜視図 図１中のIII−III線に沿って示すシリンダヘッドの断面図 シリンダヘッドの冷却液通路を抜き出して斜め上方から見た斜視図 シリンダヘッドの冷却液通路を抜き出して斜め下方から見た斜視図 図１中のVI部拡大図 図６に示すシリンダヘッドの要部の説明図 従来技術に係るエンジンの要部断面図 従来技術に係るエンジンの熱膨張による変形を示す概念図

以下、図面を参照して、本発明を自動車用内燃機関（以下、単にエンジンＥと記す。）に適用した実施形態について詳細に説明する。以下では、エンジンＥが自動車に搭載された状態を基準として図１に示す上下の方向に従って説明する。

図１及び図２に示すように、エンジンＥは、ＳＯＨＣ４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンである。図１に示すように、エンジンＥは、ピストンが収容される４つのシリンダ１が一列に形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に締結された箱形のシリンダヘッド３と、シリンダヘッド３の上部に締結されたヘッドカバー４とを備えており、シリンダヘッド３を鉛直方向の上側に配置した姿勢で自動車に搭載されている。シリンダブロック２及びシリンダヘッド３は、アルミニウム合金で鋳造される。

シリンダ１は、それぞれ略上下方向に延在し、互いに平行にシリンダブロック２に形成されている。以下、列設された複数のシリンダ１の配列方向をシリンダ列方向という。各シリンダ１は、上端がシリンダブロック２の上端面２ａに開口し、下端がシリンダブロック２の下部に形成されたクランク室（図示しない）に開口している。シリンダブロック２のシリンダ１の側部には、各シリンダ１の側周部を一体に囲むようにブロック内冷却液通路５（ブロック内ウォータージャケット）が形成されている。ブロック内冷却液通路５は、各シリンダ１の側周部に沿うように湾曲しており、ブロック内冷却液通路５の上端はシリンダブロック２の上端面２ａに開口している。ブロック内冷却液通路５は、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させるべく、シリンダブロック２の成型時に砂型などによって空洞として形成される。

シリンダヘッド３のシリンダブロック２との接合面（以下、対ブロック接合面３ａと称する）における各シリンダ１に対向する部分には、曲面状の窪みである燃焼室凹部３ｂが形成されている。各燃焼室凹部３ｂは、各シリンダ１のピストンよりも上方の部分と共に燃焼室６を画定する。つまり、シリンダヘッド３が燃焼室６の上縁を画定している。

シリンダヘッド３の内部には、上流端がシリンダヘッド３のシリンダ列方向に沿う一側面（図１の左側の側面）に開口する一方、二股に分岐した下流端が各燃焼室凹部３ｂの壁面に開口する４つの吸気ポート７と、上流端が各燃焼室凹部３ｂの壁面に２つずつ開口する一方、下流端がシリンダヘッド３のシリンダ列方向に沿う他側面（図１の右側の側面）に開口する１つの排気集合ポート８とが形成されている。すなわち、排気集合ポート８は、各燃焼室凹部３ｂに開口する複数（８本）の排気ポート８ａと、全ての排気ポート８ａを集合させる排気集合部８ｂとをシリンダヘッド３の内部に有しており、排気集合部８ｂがシリンダヘッド３の他側面に単一の排気出口８ｃを形成している。燃焼室凹部３ｂを基準として吸気ポート７が設けられた側を吸気側、排気集合ポート８が設けられた側を排気側とする。

シリンダヘッド３には、吸気ポート７の燃焼室６との各接続部を開閉する吸気バルブ９及び排気集合ポート８の燃焼室６との各接続部を開閉する排気バルブ１０が、それぞれ摺動自在に設けられている。シリンダヘッド３とヘッドカバー４との間には、両者によって動弁室１１が画定され、動弁室１１には、吸気バルブ９及び排気バルブ１０を開弁駆動する動弁機構１２が収容されている。動弁機構１２は、シリンダヘッド３に回転可能に取り付けられるカムシャフト１３、カムシャフト１３の上方に配置されるロッカシャフト１４、ロッカシャフト１４により揺動可能に支持される吸気ロッカアーム１５及び排気ロッカアーム１６等により構成される。カムシャフト１３には、シリンダ１毎に一対の吸気バルブ９及び排気バルブ１０を駆動する４つの動弁カム１３ａが形成されている。

図２に示すように、排気出口８ｃは、シリンダヘッド３の排気側側面３ｃにおける長手方向の中間位置に形成されている。また、燃焼室凹部３ｂの壁面における４つの吸気ポート７及び排気集合ポート８の中央には、点火プラグ（図示しない）を挿入するための点火プラグ挿入孔１７がシリンダヘッド３の上面に貫通するように形成されている。

図１及び図２に示すように、排気集合部８ｂは、シリンダヘッド３の対ブロック接合面３ａよりも排気側に形成されている。より具体的には、排気出口８ｃがシリンダヘッド３の排気側側面３ｃにおいて突出する管状の排気出口管状部１８により画定され、シリンダヘッド３の排気出口管状部１８及びその近傍が、シリンダブロック２に対して側方に膨出して排気集合部８ｂを形成する膨出部１９をなしている。

排気出口管状部１８の先端面は、図示しない過給機（ターボチャージャ）のタービンや排気浄化装置などの下流側排気通路部材２０の接合面１８ａをなす。そして、排気出口管状部１８の先端には、下流側排気通路部材２０をボルトで締結するための締結ボス２１が排気出口８ｃを囲むように複数（図示例では４つ）形成されている。一方、膨出部１９の下面には、対ブロック接合面３ａの周縁からそれぞれ締結ボス２１に至るように２本のリブ２２が形成されている。これらのリブ２２は、シリンダ列に対して近接離反する方向である前後方向に延在しており、締結ボス２１から対ブロック接合面３ａに向けて開くハ字形をなしている。

前述したようにシリンダブロック２及びシリンダヘッド３の前方には過給機や排気浄化装置などの下流側排気通路部材２０が配置され、エンジンＥの始動後にはこれらが高温になる。そのため、シリンダブロック２に対して側方に膨出するシリンダヘッド３の膨出部１９は、過給機や排気浄化装置から熱伝導、放射及び対流によって熱が伝達しやすく、特に下面が高温になりやすい。そして膨出部１９の下面が高温になると、熱膨張に伴う変形によってシリンダヘッド３と下流側排気通路部材２０とのシール性が低下しがちであるが、本実施形態では膨出部１９の下面にシリンダ列に対して近接離反する方向に延在するリブ２２が形成されることにより、膨出部１９の変形が抑制されるようになっている。

図１及び図３〜図５に示すように、シリンダヘッド３の内部には、燃焼室６内や排気集合ポート８内の燃焼ガスからの熱伝搬による温度上昇を抑制するために、燃焼室凹部３ｂ、吸気ポート７及び排気集合ポート８の周辺にヘッド内冷却液通路３０（３１〜３９、ヘッド内ウォータージャケット）が形成されている。ヘッド内冷却液通路３０も、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させるべく、シリンダヘッド３の成型時に砂型などによって空洞として形成されるが、図４及び図５では、シリンダヘッド３を透視して空間部分であるヘッド内冷却液通路３０を実体的に示している。

ヘッド内冷却液通路３０は、主冷却液通路３１、上排気側冷却液通路３２、下排気側冷却液通路３３、排気側連結通路３４、吸気側冷却液通路３５、及び吸気側連結通路３６等を主要素として有している。主冷却液通路３１は、複数の燃焼室凹部３ｂの上方近傍を通過するようにシリンダヘッド３のシリンダ列方向（長手方向）に延在している。上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３は、排気集合部８ｂを上下から挟むように配置され、それぞれシリンダヘッド３の長手方向に延在している。排気側連結通路３４は、主冷却液通路３１と上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３とを連通する。吸気側冷却液通路３５は、吸気ポート７の下方に配置され、シリンダヘッド３の長手方向に延在している。吸気側連結通路３６は、主冷却液通路３１と吸気側冷却液通路３５とを連通する。

図２中の破線は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とが締結された際に、ブロック内冷却液通路５の上端が接する部分を示している。ブロック内冷却液通路５では、白抜き矢印に示すように冷却液が流通する。シリンダ列方向の一端でブロック内冷却液通路５の上端が対ブロック接合面３ａに接する部分には、対ブロック接合面３ａからシリンダヘッド３内を上方へと延びてヘッド内冷却液通路３０に連通する冷却液流入通路３７が２つ形成されている。２つの冷却液流入通路３７は、ヘッド内冷却液通路３０のシリンダ列方向の一端側に配置された排気側連結通路３４及び吸気側連結通路３６にそれぞれ連通しており、ブロック内冷却液通路５から冷却液を流入させる。

また、ブロック内冷却液通路５の上端が対ブロック接合面３ａに接する破線部分のうち、冷却液流入通路３７よりもシリンダ列方向の他端側には、対ブロック接合面３ａからシリンダヘッド３内を上方へ延びてヘッド内冷却液通路３０に連通するバイパス通路３８が適所に形成されている。バイパス通路３８は、ヘッド内冷却液通路３０の排気側連結通路３４、下排気側冷却液通路３３、吸気側連結通路３６又は吸気側冷却液通路３５に連通している。各バイパス通路３８は、冷却液流入通路３７よりも流路断面積が小さく形成されている。

図４及び図５に示すように、上排気側冷却液通路３２におけるシリンダ列方向の他端（冷却液流入通路３７が設けられた側と異なる端部）には、冷却液をヘッド内冷却液通路３０から排出するための冷却液流出通路３９が形成されている。冷却液流出通路３９の外端は、配管やホース等を介してラジエータ（図示しない）へと連通されている。主冷却液通路３１、上排気側冷却液通路３２、下排気側冷却液通路３３及び吸気側冷却液通路３５では、図３に黒色矢印で示すように冷却液がシリンダ列方向に流通する。

図６に示すように、上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３は、膨出部１９を形成する肉壁の内部にそれぞれ形成されている。つまり、シリンダ列方向に直交しかつ排気出口８ｃを通る図６に示す断面において、膨出部１９は、上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３の外側（排気集合ポート８を基準とする外側）の輪郭を画定する上下一対の上外壁４１及び下外壁４２、並びに上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３の内側の輪郭を画定する上下一対の上内壁４３及び下内壁４４を有している。空洞を形成するように互いに離間して配置された上外壁４１と上内壁４３との間に上排気側冷却液通路３２が形成され、空洞を形成するように互いに離間して配置された下外壁４２と下内壁４４との間に下排気側冷却液通路３３が形成される。なお、図１に示すように、上外壁４１には、動弁室１１を画定するシリンダヘッド３の側壁３Ｓが一体形成されている。

図６の断面において排気集合ポート８は概ね直線状に形成されている。すなわち、同断面において、上内壁４３及び下内壁４４の排気集合ポート８を画定する内面４３ｉ、４４ｉが、概ね平行な平面状とされている。一方、図６及び図７に示すように、上内壁４３及び下内壁４４の上排気側冷却液通路３２及び下排気側冷却液通路３３を画定する外面４３ｏ、４４ｏは、燃焼室６側（図中の左方）から排気出口８ｃに向けて（図中の右方に向けて）それぞれの内面４３ｉ、４４ｉと平行に排気出口８ｃの手前まで延在する直線状の直線領域５１、５２と、排気出口８ｃ近傍にて直線領域５１、５２に連続して、排気側冷却液通路３２、３３側（すなわち、排気集合ポート８を基準として外方）に曲率中心を置いて湾曲する湾曲領域５３、５４とを有している。つまり、上内壁４３及び下内壁４４は、湾曲領域５３、５４に至る手前の直線領域５１、５２において概ね一定の厚さとされている。

一方、上外壁４１の上排気側冷却液通路３２を画定する内面４１ｉは、上内壁４３の外面４３ｏの湾曲領域５３に連続して排気出口８ｃ側の端部に形成され、上排気側冷却液通路３２側（すなわち、排気集合ポート８を基準として内方）に曲率中心を置いて第１曲率半径Ｒ１をもって湾曲する第１湾曲領域６１と、第１湾曲領域６１に連続して第１湾曲領域６１の燃焼室６側に形成され、上排気側冷却液通路３２側に曲率中心を置いて第１曲率半径Ｒ１よりも大きな第２曲率半径Ｒ２をもって湾曲する第２湾曲領域６２とを含んでいる。第１湾曲領域６１と第２湾曲領域６２とは、滑らかに接続している。ここで、「滑らかに」とは、本明細書においては屈曲せずに接線の傾きを連続させた状態を意味する。本実施形態では、第１曲率半径Ｒ１は３ｍｍとされ、第２曲率半径Ｒ２は１１０ｍｍとされている。

第２湾曲領域６２は、排気出口８ｃ側から燃焼室６側に向けて上排気側冷却液通路３２の高さを漸増させる第１部分６６と、第１部分６６から燃焼室６側に連続し、排気出口８ｃ側から燃焼室６側に向けて上排気側冷却液通路３２の高さを漸減させる第２部分６７とを含んでいる。第２湾曲領域６２の燃焼室６側の端部は、上排気側冷却液通路３２と相反する側に曲率中心を置いて湾曲する湾曲接続部６４を介して、更に燃焼室６側に連続する直線領域６５と滑らかに接続している。

他方、下外壁４２の下排気側冷却液通路３３を画定する内面４２ｉは、下内壁４４の外面４４ｏの湾曲領域５４に連続して排気出口８ｃ側の端部に形成され、下排気側冷却液通路３３側に曲率中心を置いて第３曲率半径Ｒ３をもって湾曲する第３湾曲領域７１と、第３湾曲領域７１よりも燃焼室６側に形成され、下排気側冷却液通路３３側に曲率中心を置いて第３曲率半径Ｒ３よりも大きな第４曲率半径Ｒ４をもって湾曲する第４湾曲領域７２とを含む他、第３湾曲領域７１と第４湾曲領域７２との間に形成され、下排気側冷却液通路３３側に曲率中心を置いて第３曲率半径Ｒ３よりも大きく第４曲率半径Ｒ４よりも小さな第５曲率半径Ｒ５をもって湾曲する第５湾曲領域７３を含んでいる。第３湾曲領域７１と第５湾曲領域７３、及び第５湾曲領域７３と第４湾曲領域７２とは、それぞれ滑らかに接続している。本実施形態では、第３曲率半径Ｒ３は３ｍｍとされ、第４曲率半径Ｒ４は１１０ｍｍとされ、第５曲率半径Ｒ５は１５ｍｍとされている。

第４湾曲領域７２は、排気出口８ｃ側から燃焼室６側に向けて下排気側冷却液通路３３の高さを漸増させる第１部分７６と、第１部分７６から燃焼室６側に連続し、排気出口８ｃ側から燃焼室６側に向けて下排気側冷却液通路３３の高さを漸減させる第２部分７７とを含んでいる。第４湾曲領域７２の燃焼室６側の端部には直線状の直線領域７４が滑らかに接続しており、直線領域７４の燃焼室６側の端部には、下排気側冷却液通路３３と相反する側に曲率中心を置いて湾曲する第６湾曲領域７５に滑らかに接続している。

下外壁４２の外面４２ｏは、内面４２ｉの第４湾曲領域７２に対応する部分において、下外壁４２の厚さが概ね一定となるように形成された湾曲領域８２と、湾曲領域８２に連続して湾曲領域８２の燃焼室６側に内面４２ｉの直線領域７４と平行にかつ直線領域７４よりも短く形成された直線状の直線領域８４とを有している。つまり、下外壁４２における外面４２ｏの直線領域８４に対応する部分は、厚さが一定の平板状部分４２ａを構成している。直線領域８４の燃焼室６側の端部は、下排気側冷却液通路３３と相反する側に曲率中心を置いて湾曲する外面湾曲部８５と滑らかに接続しており、この外面湾曲部８５は対ブロック接合面３ａと屈曲する状態で接続する。

下外壁４２の第４湾曲領域７２に対応する部分は、燃焼室６側の端部で若干厚みを漸増させており、この部分を除く全長（第４湾曲領域７２に対応する部分の図６の左右方向における全長の大半）にわたって一定の厚さｔ１（図７）となっている。そして、下外壁４２の平板状部分４２ａの厚さｔ２は、第４湾曲領域７２に対応する部分の漸増した側の端部と同じ厚さで一定となっている。つまり、下外壁４２の平板状部分４２ａの厚さｔ２は、第４湾曲領域７２に対応する部分の平均厚さｔ１ａｖｅよりも厚くなっている。

以上のように構成されたエンジンＥのシリンダヘッド３によれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、図８に示すように、上外壁１４１の内面１４１ｉ及び下外壁１４２の内面１４２ｉが平面的に形成された従来のシリンダヘッド１０３では、内壁１４３、１４４が排気によって加熱されて外壁１４１、１４２よりも高温となり、外壁１４１、１４２よりも大きく膨出方向に熱膨張すると、外壁１４１、１４２及び内壁１４３、１４４が図９に示すように変形する。なお、図９は、理解を容易にするために変形量を実際のものよりも極端に大きくして描いた図である。

つまり、膨出部１９の上側では、上内壁１４３の膨張が上外壁１４１によって抑制されるため、上内壁１４３の内部には圧縮応力が発生し、潰れる（縮む）ように歪みが生じる。一方、上内壁１４３と上外壁１４１との排気出口８ｃ側の接続部では、上内壁１４３側に圧縮応力が、上外壁１４１に引張応力がそれぞれ発生し、上外壁１４１にも引張応力が発生する。ただし図示例では、上外壁１４１が上内壁１４３に比べて数倍厚く形成されているため、上外壁１４１の歪みは下側ほど大きく、上側ほど小さくなっており、排気出口８ｃが形成された接合面１８ａの歪みは比較的小さい。

一方、膨出部１９の下側においても、下内壁１４４の膨張が下外壁１４２によって抑制され、下内壁１４４に圧縮応力が発生し、下外壁１４２に引張応力が発生するが、図示例では上記実施形態と同様に下外壁１４２が下外壁１４２と同等の厚さに形成されているため、排気出口８ｃが形成された接合面１８ａの歪みの影響により下内壁１４４及び下外壁１４２に曲げ力が加わる。この例では、下内壁１４４の排気出口８ｃ側の端部に応力が集中し、下内壁１４４自体は下方（下外壁１４２側）に撓むように変形している。一方、下外壁１４２は、排気出口８ｃが形成された接合面１８ａの歪みの影響を受けて上方（下内壁１４４側）に撓むように変形する。

これに対し、本実施形態では、図６及び図７に示すように、外壁４１、４２の内面４１ｉ、４２ｉが第２湾曲領域６２及び第４湾曲領域７２を含んでいることにより、内壁４３、４４が排気によって加熱されて外壁４１、４２よりも高温となり、外壁４１、４２よりも大きく膨出方向に熱膨張した際に、応力が外壁４１、４２に分散し、外壁４１、４２と内壁４３、４４との接続部への応力集中が緩和される。

また、図６及び図７に示すように、第２湾曲領域６２及び第４湾曲領域７２が排気側冷却液通路３２、３３の高さを漸増させる第１部分６６、７６を含むことにより、内壁４３、４４が外壁４１、４２よりも大きく膨出方向に熱膨張した際に、外壁４１、４２が内壁４３、４４に近付くように変形して直線形状に近付くことで外壁４１、４２の膨出方向の寸法が大きくなり、排気出口８ｃが形成された接合面１８ａの平坦性を損ねるような変形が抑制される。そのため、シリンダヘッド３と下流側排気通路部材２０とのシール性が確保される。また、第２湾曲領域６２及び第４湾曲領域７２が排気側冷却液通路３２、３３の高さを漸増させる第１部分６６、７６を含むように形成されているため、外壁４１、４２が内壁４３、４４に近付くように変形した際にも排気側冷却液通路３２、３３の高さが確保され、排気集合部８ｂ周辺の冷却性能が維持される。

更に、本実施形態では、第２湾曲領域６２及び第４湾曲領域７２が、第１部分６６、７６から燃焼室６側に連続して排気側冷却液通路３２、３３の高さを漸減させる第２部分６７、７７を含んでいる。これにより、第２曲率半径Ｒ２及び第４曲率半径Ｒ４を有する第２湾曲領域６２及び第４湾曲領域７２が膨出方向に長く形成され、応力が外壁４１、４２に一層分散する。また、外壁４１、４２が内壁４３、４４に近付くように変形した際の外壁４１、４２の膨出方向寸法がより大きくなるため、排気出口８ｃが形成された接合面１８ａの平坦性を損ねるような変形が一層抑制される。

下外壁４２では、第３湾曲領域７１と第４湾曲領域７２との間にこれらの中間的な曲率半径を有する第５湾曲領域７３が形成されている。そのため、熱膨張時における曲率の変化点への応力集中が抑制され、応力がより確実に分散される。

本実施形態では、下外壁４２の第４湾曲領域７２に対応する部分の大半が一定の厚さｔ１を有している。そのため、応力の集中を抑制しつつ無駄な肉をなくすことができ、シリンダヘッド３が軽量化される。

一方、下外壁４２において第４湾曲領域７２に連続して平板状部分４２ａが存在すると、直線領域７４部分に応力が集中しやすくなるが、本実施形態では直線領域７４の厚さｔ２が第４湾曲領域７２に対応する部分の平均厚さｔ１ａｖｅよりも厚くされていることにより、応力集中しやすい部分の剛性が高まり、変形が抑制される。

また本実施形態では、上外壁４１は、シリンダヘッド３の側壁３Ｓが一体形成されるために比較的剛性が高く、シリンダヘッド３に接合される下流側排気通路部材２０の荷重が発生するモーメントが引張力となって作用するため、熱膨張時に発生する応力が小さいが、側壁３Ｓが一体形成されず、かつ下流側排気通路部材２０の荷重が圧縮力となって作用する下外壁４２に第３湾曲領域７１及び第４湾曲領域７２や、第５湾曲領域７３が形成されたことにより、大きな圧縮応力が発生しやすい下外壁４２で効果的に応力が分散される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明を自動車用の４バルブ式の直列４気筒ガソリンエンジンに適用しているが、他の用途に用いる異なる形式の内燃機関に適用してもよい。また上記実施形態では、排気出口８ｃが１つだけ形成されているが、互いに近接する２つの気筒毎に２つの排気出口８ｃが形成され、複数の排気集合部８ｂがシリンダヘッド３内に形成されてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るシリンダヘッド３の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択してもよい。

１ シリンダ
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
３Ｓ 側壁
６ 燃焼室
８ 排気集合ポート
８ａ 排気ポート
８ｂ 排気集合部
８ｃ 排気出口
１１ 動弁室
１８ 排気出口管状部（排気出口を画定する部分）
１９ 膨出部
３０ ヘッド内冷却液通路
３２ 上排気側冷却液通路
３３ 下排気側冷却液通路
４１ 上外壁
４１ｉ 内面
４２ 下外壁
４２ａ 平板状部分
４２ｉ 内面
４３ 上内壁
４４ 下内壁
６１ 第１湾曲領域（第１の湾曲領域）
６２ 第２湾曲領域（第２の湾曲領域）
６６ 第１部分
６７ 第２部分
７１ 第３湾曲領域（第１の湾曲領域）
７２ 第４湾曲領域（第２の湾曲領域）
７３ 第５湾曲領域（第３の湾曲領域）
７６ 第１部分
７７ 第２部分
Ｅ エンジン
Ｒ１ 第１曲率半径（第１の曲率半径）
Ｒ２ 第２曲率半径（第２の曲率半径）
Ｒ３ 第３曲率半径（第１の曲率半径）
Ｒ４ 第４曲率半径（第２の曲率半径）
Ｒ５ 第５曲率半径（第３の曲率半径）
ｔ１ａｖｅ 下外壁４２の第４湾曲領域７２に対応する部分の平均厚さ
ｔ２ 平板状部分４２ａの厚さ

Claims (5)

1. 複数のシリンダが一列に形成されたシリンダブロックの上部に締結され、前記シリンダ内を摺動するピストンの頂面との間に燃焼室を形成し、ヘッド内冷却液通路を備えた内燃機関のシリンダヘッドであって、
   当該シリンダヘッド内には、上流端が前記燃焼室に開口する複数の排気ポートと、複数の前記排気ポートを合流させ、当該シリンダヘッドの一側面における長手方向の中間位置に排気出口を開口させる排気集合部とが形成され、
   前記排気出口を画定する部分及びその近傍が、前記シリンダブロックに対して側方に膨出して前記排気集合部を形成する膨出部をなし、
   前記ヘッド内冷却液通路が、前記排気集合部を挟むように前記膨出部に形成された一対の排気側冷却液通路を含み、
   前記膨出部が、前記排気側冷却液通路を画定する一対の外壁及び一対の内壁を有し、
   シリンダ列方向に直交しかつ前記排気出口を通る断面において、一対の前記外壁の少なくとも一方の内面が、前記排気出口の側の端部に形成され、前記排気側冷却液通路の側に曲率中心を置いて第１の曲率半径をもって湾曲する第１の湾曲領域と、前記第１の湾曲領域よりも前記燃焼室の側に形成され、前記排気側冷却液通路の側に曲率中心を置いて前記第１の曲率半径よりも大きな第２の曲率半径をもって湾曲する第２の湾曲領域とを含み、
   前記第２の湾曲領域が、少なくとも前記排気出口の側から前記燃焼室の側に向けて前記排気側冷却液通路の高さを漸増させる第１部分を含み、
   一対の前記外壁の少なくとも前記一方の前記第２の湾曲領域に対応する部分の大半が一定の厚さを有することを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 一対の前記外壁の少なくとも前記一方の内面が、前記第２の湾曲領域よりも前記燃焼室の側に形成され、前記第２の湾曲領域に連続する直線状の直線領域を更に含み、
   一対の前記外壁の少なくとも前記一方が、前記直線領域の少なくとも前記第２の湾曲領域の側の部分において一定の厚さを有する平板状部分を有し、当該平板状部分の厚さが前記第２の湾曲領域に対応する部分の平均厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
3. 一対の前記外壁の少なくとも前記一方の内面が、前記第１の湾曲領域と前記第２の湾曲領域との間に形成され、前記排気側冷却液通路の側に曲率中心を置いて前記第１の曲率半径よりも大きく前記第２の曲率半径よりも小さな第３の曲率半径をもって湾曲する第３湾曲領域を更に含み、
   前記第３湾曲領域が前記第１の湾曲領域及び前記第２の湾曲領域と互いの接線の傾きを連続させるように接続していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
4. 前記第２の湾曲領域が、前記第１部分から前記燃焼室の側に連続し、前記排気出口の側から前記燃焼室の側に向けて前記排気側冷却液通路の高さを漸減させる第２部分を更に含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
5. 当該シリンダヘッドが前記内燃機関における鉛直方向の上側に配置され、
   一対の前記外壁が上側に配置された上外壁及び下側に配置された下外壁をなし、
   前記上外壁には、動弁室を画定する側壁が一体形成され、
   少なくとも前記下外壁の内面が前記第１の湾曲領域と前記第２の湾曲領域とを含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関のシリンダヘッド。

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