JP7058683B2 - 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、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。

［１］上記目的を達成するため、本発明は、
内燃機関の複数のシリンダを備えるシリンダブロックの上にボルトで締結される内燃機関のシリンダヘッドであって、
シリンダヘッドの内部に形成される複数の排気ポートと、前記排気ポートを合流させる排気集合部と、
前記ボルト廻りと、排気ポートと、排気集合部と、を覆い、且つシリンダ列方向の一側端に冷却液出口を備えるウォータジャケットと、
ウォータジャケットの内部に、隣接するシリンダの延長線上の間に配置され、前記ボルトが挿通されるボルト孔と、隣接するシリンダの間とを繋ぐ仮想線上に位置させて設けられ、隣接する排気ポートの間に位置するウォータジャケットの部分を区画する第１支柱と、
を備え、
前記第１支柱は、前記ボルト孔と間隔を存して設けられており、前記第１支柱と前記ボルト孔との間には、前記ウォータジャケットの一部が配置されており、
前記ボルトは、前記シリンダと前記排気集合部との間に位置させて設けられたボルト孔に挿通されるものであり、
前記第１支柱は、前記排気集合部と前記ボルト孔との間に位置させて設けられ、
前記第１支柱の一端は、前記排気集合部に向かって次第に幅が狭まる先細り形状であり、前記第1支柱の他端は、前記ボルト孔から間隔を存して前記ボルト孔に沿うように円弧形状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、排気集合部の冷却性能を向上させることができる。

また、本発明においては、前記第１支柱の一端は、前記排気集合部に向かって次第に幅が狭まる先細り形状であり、他端は、前記ボルトが挿通されるボルト孔から間隔を存して前記ボルト孔に沿うように円弧形状に形成されている。

本発明によれば、排気集合部への積極的な指向による高温部の冷却性能を向上させることができる。

［２］また、本発明においては、前記第１支柱は前記シリンダヘッドの外壁を凹ませた凹部によって形成されることが好ましい。

本発明によれば、外壁を凹ませた凹部によって第１支柱を形成することにより、シリンダヘッドの第１支柱が形成された部分を厚肉にすることなく他の外壁と同様の肉厚によって第１支柱の外壁部分も形成することができ、排気集合部を形成する外壁を補強するとともに、肉厚の変化に伴う局所的な応力集中が発生することを抑制することができる。

［３］また、本発明においては、前記シリンダヘッドの側面に単一の排気出口を形成し、前記第１支柱と前記排気出口との間に第２支柱を設けることが好ましい。

本発明によれば、第１支柱と第２支柱とにより更に応力集中を抑制させることができる。

発明の実施形態の内燃機関のシリンダヘッドを下方から示す説明図。 本実施形態のシリンダヘッドの断面を示す説明図。 本実施形態のウォータジャケットを流れる冷却液の温度分布をシリンダヘッドの上方から示す説明図。 本実施形態のウォータジャケットを流れる冷却液の温度分布をシリンダヘッドの下方から示す説明図。

図を参照して、発明の実施形態の内燃機関のシリンダヘッドを説明する。

本実施形態の内燃機関のシリンダヘッド１は、複数のシリンダ（図示しない）を備えるシリンダブロック（図示しない）の上にボルトで締結されるものである。内燃機関は４つのシリンダを備える。列設された複数のシリンダの配列方向をシリンダ列方向という。シリンダは、上端がシリンダブロックの上端面に開口し、下端がシリンダブロック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。シリンダブロックのシリンダの側部には、各シリンダの側周部を一体に囲むようにブロック内冷却液通路（図示しない）が形成されている。ブロック内冷却液通路は、各シリンダ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の上端はシリンダブロックの上端面に開口している。ブロック内冷却液通路は、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させる。

図１を参照して、シリンダヘッド１のシリンダブロックとの接合面における各シリンダに対向する部分には、曲面状の窪みである燃焼室凹部２が形成されている。各燃焼室凹部２は、各シリンダのピストン（図示しない）よりも上方の部分と共に燃焼室を画定する。つまり、シリンダヘッド１が燃焼室の上縁を画定している。

シリンダヘッド１には、吸気ポートの燃焼室凹部２との各接続部を開閉する吸気バルブ２ａ及び排気集合ポート３の燃焼室凹部２との各接続部を開閉する排気バルブ２ｂが、それぞれ摺動自在に設けられている。シリンダヘッド１には、動弁室（図示しない）が画定され、動弁室には、吸気バルブ２ａ及び排気バルブ２ｂを開弁駆動する動弁機構（図示しない）が収容されている。

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

排気出口４ａは、シリンダヘッド１の排気側側面における長手方向の中間位置に形成され、排気出口４ａの近傍が、シリンダブロックに対して側方に膨出して排気集合部４を形成する膨出部をなし、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接合面をなす。

シリンダヘッド１は、シリンダヘッド１の内部に形成される複数の排気ポート３と、排気ポート３を合流させる排気集合部４と、ウォータジャケット５と、を備えている。ウォータジャケット５の内部には、燃焼室内や排気集合ポート３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２、吸気ポート２ａ及び排気集合ポート３の周辺にヘッド内冷却液通路が形成されている。ヘッド内冷却液通路も、冷却水やオイル、冷媒などの冷却液を流通させる。図３及び図４では、シリンダヘッド１を透視して空間部分であるヘッド内冷却液通路を実体的に示している。

ウォータジャケット５は、シリンダ列方向（長手方向）に延在し、シリンダブロックに締結するためのボルトが挿通されるボルト孔６の廻りと、排気ポート３と、排気集合部４と、を覆うように構成されており、且つシリンダ列方向の一側端に冷却液出口５ａを備えている。

ウォータジャケット５は、ブロック内冷却液通路から上方へと延びて、ヘッド内冷却液通路に連通する冷却液入口５ｂが複数形成され、ブロック内冷却液通路から冷却液を流入させる。

ウォータジャケット５の内部には、互いに隣接する２つのシリンダ２のそれぞれの延長線上の間に配置されるボルト孔６と、排気集合部４の中央の間とを繋ぐ仮想線上に位置させて設けられ、隣接する排気ポート３ａの間に位置するウォータジャケット５の部分を区画する第１支柱７と、を備える。

第１支柱７の一端は、排気集合部４に向かって次第に幅が狭まる先細り形状であり、第１支柱７の他端は、ボルトが挿通されるボルト孔６から間隔を存してボルト孔６の外縁に沿うように円弧形状に形成されている。第１支柱７は、換言すればハート形状となる。

このように第１支柱７を形成すれば、冷却液入口５ｂから流入した冷却液を排気集合部４へ指向でき、排気集合部４から冷却液出口５ａに向けて冷却液が流れることから、第１支柱７により排気集合部４への積極的な指向による高温部の冷却性能を向上させて、排気集合部４の冷却性能を向上させることができる。

図２を参照して、第１支柱７は、シリンダヘッド１の外壁を凹ませた第１凹部７ａによって形成されている。このように、シリンダヘッド１の外壁を凹ませた第１凹部７ａによって第１支柱７を形成することにより、シリンダヘッド１の第１支柱７が形成された部分を厚肉にすることなく他の外壁と同様の肉厚によって第１支柱７の外壁部分も形成することができ、肉厚の変化に伴う局所的な応力集中が発生することを抑制することができる。

また、第１支柱７と排気出口４ａとの間には、冷却液が流れるように間隔を存して断面が楕円形状の第２支柱８が設けられている。このように構成することにより、第１支柱７と第２支柱８とにより更に応力集中を抑制させることができる。

第２支柱８は、シリンダヘッド１の外壁を凹ませた第２凹部８ａによって形成されている。このように、シリンダヘッド１の外壁を凹ませた第２凹部８ａによって第２支柱７を形成することにより、シリンダヘッド１の第２支柱８が形成された部分を厚肉にすることなく他の外壁と同様の肉厚によって第１支柱７の外壁部分も形成することができ、排気集合部４を形成する外壁を補強するとともに、肉厚の変化に伴う局所的な応力集中が発生することを抑制することができる。

図３は、ウォータジャケットを流れる冷却液の温度分布を濃淡によりシリンヘッド１の上方から示したものである。図４は、ウォータジャケットを流れる冷却液の温度分布シリンダヘッド１の下方から示したものである。図３及び図４の矢印は冷却液の流れを示している。

本実施形態の内燃機関のシリンダヘッド１によれば、シリンダヘッド１内に形成された排気集合部４を形成する壁が内燃機関の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１とその下流側に位置する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することができる。

１ シリンダヘッド
２ 燃焼室凹部
２ａ 吸気バルブ
２ｂ 排気バルブ
３ 排気集合ポート
３ａ 排気ポート
４ 排気集合部
４ａ 排気出口
５ ウォータジャケット
５ａ 冷却液出口
５ｂ 冷却液入口
６ ボルト孔
７ 第１支柱
７ａ 第１凹部
８ 第２支柱
８ａ 第２凹部

Claims (3)

1. 内燃機関の複数のシリンダを備えるシリンダブロックの上にボルトで締結される内燃機関のシリンダヘッドであって、
   シリンダヘッドの内部に形成される複数の排気ポートと、前記排気ポートを合流させる排気集合部と、
   前記ボルト廻りと、排気ポートと、排気集合部と、を覆い、且つシリンダ列方向の一側端に冷却液出口を備えるウォータジャケットと、
   ウォータジャケットの内部に、隣接するシリンダの延長線上の間に配置され、前記ボルトが挿通されるボルト孔と、隣接するシリンダの間とを繋ぐ仮想線上に位置させて設けられ、隣接する排気ポートの間に位置するウォータジャケットの部分を区画する第１支柱と、
   を備え、
   前記第１支柱は、前記ボルト孔と間隔を存して設けられており、前記第１支柱と前記ボルト孔との間には、前記ウォータジャケットの一部が配置されており、
   前記ボルトは、前記シリンダと前記排気集合部との間に位置させて設けられたボルト孔に挿通されるものであり、
   前記第１支柱は、前記排気集合部と前記ボルト孔との間に位置させて設けられ、
   前記第１支柱の一端は、前記排気集合部に向かって次第に幅が狭まる先細り形状であり、前記第1支柱の他端は、前記ボルト孔から間隔を存して前記ボルト孔に沿うように円弧形状に形成されていることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッドであって、
   前記第１支柱は前記シリンダヘッドの外壁を凹ませた凹部によって形成されることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
3. 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であって、
   前記シリンダヘッドの側面に単一の排気出口を形成し、
   前記第１支柱と前記排気出口との間に第２支柱を設けたことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。

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