JP7136820B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本発明はエンジンのシリンダヘッドに関する。

水冷式エンジンのシリンダヘッドには、内部に冷却水の通路（ウォータジャケット）が形成されており、冷却水を循環することで高温部位を冷却している。高温部位としては、例えば、排気ポート周辺や点火プラグ周辺が挙げられる。特許文献１には、重点的に冷却する部位において、冷却水の通路の流路断面積を小さくすることで流速を速め、冷却性能を向上する技術が提案されている。

特開２０１９－１５２３８号公報

しかし、シリンダヘッドの内部に、その材料自体によって狭い通路を形成することは容易ではない。シリンダヘッドは一般に鋳造により製造されるが、狭い通路を砂型（中子）で形成しようとすると、砂型の強度上の問題が生じる。

本発明の目的は、砂型の断面積を大きくとることで砂型の強度を確保しつつ、点火プラグ周辺の流路断面積を小さくすることで冷却性能を向上することにある。

本発明によれば、
点火プラグの取付孔（１２）と、
冷却水通路（１４）と、
を備えたシリンダヘッド（１）において、
前記冷却水通路（１４）から前記シリンダヘッド（１）の表面に延び、該表面に開口した連通孔（１１）と、
前記連通孔（１１）を閉塞するキャップ部材（２０）と、を備え、
前記冷却水通路（１４）は、前記取付孔（１２）の周囲を通るプラグ冷却通路部（１４ａ）を含み、
前記連通孔（１１）は、前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に連通し、
前記キャップ部材（２０）は、
前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に突出する軸部（２２）を有し、
前記プラグ冷却通路部（１４ａ）は、前記取付孔（１２）の側の第一の内壁面（１ａ）と、反対側の第二の内壁面（１ｃ）とを有し、
前記軸部の側面（２４ａ）と、前記第一の内壁面（１ａ）との間に冷却水の絞り通路（１４ｂ）が形成され、
前記軸部（２２）は、前記連通孔（１１）から前記プラグ冷却通路部（１４ａ）の底壁面（１ｄ）まで延設され、
前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）は、円錐形状の凸形状を有し、前記底壁面（１ｄ）は、前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）を跨るように沿う円錐形状の凹部を有しており、
前記凹部は、
前記第二の内壁面（１ｃ）の側では前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）と全体的に対向し、
前記第一の内壁面（１ａ）の側では前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）の先側の部分と対向する一方、前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）の根元側の部分とは対向せず、該根元側の部分は前記絞り通路（１４ｂ）に露出している、
ことを特徴とするシリンダヘッドが提供される。

本発明によれば、砂型の断面積を大きくとることで砂型の強度を確保しつつ、点火プラグ周辺の流路断面積を小さくすることで冷却性能を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッド。 図１のシリンダヘッドの平面図。 図２のキャップ部材中心を通るＡ－Ａ線断面図。 冷却水通路等を示す図１のシリンダヘッドの透視図。 図３の軸部を通り、シリンダ軸線に直交するＢ－Ｂ線断面図。 冷却水通路の概略図。 図３の部分拡大図。 （Ａ）～（Ｃ）は連通孔の加工工程を示す断面図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜シリンダヘッドの概要＞
図１は本発明の一実施形態に係るシリンダヘッド１の外観図である。図２は点火プラグ１０１及びキャップ部材２０を取り付けたシリンダヘッド１の平面図（気筒軸方向に見た図）である。図３は図２のＡ－Ａ線断面図である。

本実施形態のシリンダヘッド１は、水冷単気筒４サイクルエンジンを構成し、ＳＯＨＣ式の動弁機構が設けられるシリンダヘッドである。しかし、本発明は他気筒エンジンや他の形式の動弁機構を備えるシリンダヘッドにも適用可能である。

シリンダヘッド１は、その下面に燃焼室２を備える。燃焼室２には吸気バルブ用のバルブシート３と、排気バルブ用のバルブシート４とがそれぞれ２つ形成されている。シリンダヘッド１には、また、吸気バルブのバルブステムが通過するガイド孔７と排気バルブのバルブステムが通過するガイド孔８とが２つ形成されている。シリンダヘッド１の一側部には、カムスプロケットが配置される空洞部５が形成されており、他側部には点火プラグ１０１が取り付けられる取付孔１２が形成されている。シリンダヘッド１の上部には、カムシャフトを支持する支持孔６や、吸気側、排気側の各ロッカシャフトを支持する支持孔９が形成されている。

シリンダヘッド１には、その表面に開口した連通孔１１が形成されている。連通孔１１はシリンダヘッド１の上面中央部に形成されており、シリンダヘッド１の平面視で、２つのガイド孔７と、２つのガイド孔８との間に位置している。連通孔１１はキャップ部材２０で閉塞される。

＜冷却水通路の構造＞
図３～図６を参照して、シリンダヘッド１の冷却水通路の構造について説明する。図４は冷却水通路１４、キャップ部材２０及び点火プラグ１０１を太線で表示し、シリンダヘッド１の輪郭を細線で示した透過図である。図５は図３のＢ－Ｂ線断面図であり、破線矢印は冷却水の流れ方向を示している。図６は冷却水通路１４の概略図（平面視）である。

冷却水通路１４は、シリンダヘッド１の内部に形成されており、主に図６に示すように、シリンダブロック側から、排気バルブの側において冷却水が供給され、２方向に分岐した後、吸気バルブの側において合流して、取付部１３に取り付けられる配管部材から排出される。

冷却水通路１４は、点火プラグ１０１の取付孔１２の周囲を通るプラグ冷却通路部１４ａを含む。プラグ冷却通路部１４ａを冷却水が流れることで、点火プラグ１０１に対する冷却性能を向上する。シリンダヘッド１の内部には、空洞部５の側から取付孔１２の側へ延びるリブ１ｂが形成されており、平面視でプラグ冷却通路部１４ａはリブ１ｂを囲むようにＵ字型に形成されている。リブ１ｂを形成してその周囲にプラグ冷却通路部１４ａを形成したことで、点火プラグ１０１の近傍を冷却水が流れ易くなり、点火プラグ１０１に対する冷却性能を向上できる。連通孔１１は、冷却水通路１４からシリンダヘッド１の表面に延び、該表面に開口した孔であり、特に、プラグ冷却通路部１４ａに連通している。

キャップ部材２０は、連通孔１１を閉塞して連通孔１１から冷却水が漏れることを防止するだけでなく、プラグ冷却通路部１４ａを部分的に塞いでその流路断面積を小さくする部材である。図３～図６に加えて図７を参照する。図７は図３のキャップ部材２０の周辺の拡大図であるが、キャップ部材２０は断面図ではない。

キャップ部材２０は、頭部２１と軸部２２とを有する。本実施形態の場合、頭部２１、軸部２２はいずれも断面円形の円柱体であるが、断面角形の角柱体等、他の断面形状を有する部材であってもよい。頭部２１には、六角レンチなどの工具を差し込んで、連通孔１１に対するキャプ部材２０の閉塞作業（取付作業）に有利な凹部２０ａが形成されている。

本実施形態の連通孔１１はねじ孔である。キャップ部材２０の軸部２２は、頭部２１側のねじ部２３と、ねじ部２３から延びる通路形成部２４とを有する。キャップ部材２０は、ねじ部２３が連通孔１１と螺合することで連通孔１１に取り付けられ、頭部２１と、連通孔１１の周囲の座面１１ａとが密接することで、冷却水の漏出を防止する。頭部２１と座面１１ａとの間にはシール部材が介在してもよい。

なお、軸部２２はその全体がねじ部であってもよい。しかし、軸部２２が通路の形成に特化した通路形成部２４を有することで、意図する通路構造を得られやすい。また、連通孔１１に対するキャップ部材２０の固定構造は、ねじ構造に限られず、圧入、接着等、他の固定構造であってもよい。

軸部２２は取付孔１２の近傍に位置しており、通路形成部２４は、プラグ冷却通路部１４ａに突出するように進入している。通路形成部２４の存在によってプラグ冷却通路部１４ａの通路幅がＷ０からＷ１へ狭くなる。通路幅は、内壁面１ａと内壁面１ｃとの間の距離である。内壁面１ａは取付孔１２の側の面（取付孔１２を形成する壁部側面）であり、内壁面１ｂは反対側の面（リブ１ｂの側面１ｃ）である。通路形成部２４の側面（周面）のうち、内壁面１ａと対向する側面２３ａと内壁面１ａとの間に冷却水の絞り通路１４ｂが形成される。通路形成部２４が存在することで、プラグ冷却通路部１４ａは、通路形成部２４が無い場合に比べてその流路断面積が大幅に削減された絞り通路１４ｂとなる。これにより、絞り通路１４ｂは、冷却水の流速を速める絞り部として機能し、点火プラグ１０１に対する冷却性能を更に向上できる。

通路形成部２４は、プラグ冷却通路部１４ａの底壁面１ｄまで延設されており、通路形成部２４と底壁面１ｄとの間に冷却水が逃げずに、絞り通路１４ｂを通り冷却水が多くなるように構成されている。通路形成部２４は底壁面１ｄに当接してもよいが、そうすると、頭部２１と、座面１１ａとが密接度合い確保の為に高精度な寸法管理が必要となり、コストアップに繋がる。このため、本実施形態では、通路形成部２４と底壁面１ｄとの間に微小隙間Ｇ１を形成している。微小隙間Ｇ１は、例えば、０．５ｍｍ～２ｍｍの範囲内の隙間である。通路形成部２４の先端部２４ｃと、底壁面１ｄとは、互いに沿う形状を有している。これにより微小隙間Ｇ１を均一かつ小さくすることができる。先端部２４ｃは円錐形状を有しており、底壁面１ｄも円錐の凹部形状を有している。先端部２４ｃ、底壁面１ｄは平坦面であってもよい。

通路形成部２４の側面（周面）のうち、内壁面１ｃと対向する側面２４ｂと、内壁面１ｃとの間にも微小隙間Ｇ２を形成している。側面２４ｂと内壁面１ｃとは互いに当接してもよいが、そうするとキャップ部材２０を連通孔１１に装着する際、通路形成部２４をプラグ冷却通路部１４ａに挿入しづらくなる場合がある。そこで本実施形態では、微小隙間Ｇ２を形成している。微小隙間Ｇ２は、例えば、０．５ｍｍ～２ｍｍの範囲内の隙間である。側面２４ｂと内壁面１ｃとは、互いに沿う形状を有しており、本実施形態の場合、円弧面である。これにより微小隙間Ｇ２を均一かつ小さくすることができる。

＜連通孔の加工＞
連通孔１１の加工例について図８（Ａ）～図８（Ｃ）を参照して説明する。図８（Ａ）～図８（Ｃ）は連通孔１１の加工の各段階を示すその周辺の断面図であり、図３や図７と同じ切断面の断面図である。

図８（Ａ）は、シリンダヘッド１の鋳造後の段階を示している。連通孔１１は、中子砂型の砂抜き孔１１Ａを利用して形成される。図８（Ｂ）は砂抜き孔１１Ａを機械加工してキリ孔１１Ｂを形成した段階を示す。機械加工に用いるドリルにより、底壁面１ｄも形成する。機械加工により、内壁面１ｃと底壁面１ｄの精度を向上でき、図７に示したい隙間Ｇ１、Ｇ２をより狭くすることができる。図８（Ｃ）は、キリ孔１１Ｂにねじ切り加工を施し、ねじ部１１ｂを形成した段階を示す。これにより連通孔１１が形成される。

連通孔１１が形成された段階で、プラグ冷却通路部１４ａの通路幅は、鋳造段階と概ね同じである（幅Ｗ０）。鋳造段階では、プラグ冷却通路部１４ａの幅が比較的広いため、中子の強度がプラグ冷却通路部１４ａで大きく低下することはない。そして、図８（Ｃ）の連通孔１１にキャップ部材２０を装着することで、図７に示す狭い絞り通路１４ｂを形成できる。図８（Ｂ）のうち、縦断面積Ｓ１及びＳ２が概ね、中子砂型の縦断面積に相当し、このうち、縦断面積Ｓ１がキャップ部材２０で塞がれ、縦断面積Ｓ２が絞り通路１４ｂとして残る。鋳造により最初から絞り通路１４ｂを形成するよりも砂型の製作が容易になる。つまり、砂型の断面積を大きくとることで砂型の強度を確保しつつ、点火プラグ１０１周辺の流路断面積を小さくすることで冷却性能を向上することができる。

＜実施形態のまとめ＞
上記実施形態は、以下のシリンダヘッドを少なくとも開示する。

１．上記実施形態のシリンダヘッド(1)は、
点火プラグの取付孔（１２）と、
冷却水通路（１４）と、
を備えたシリンダヘッド（１）において、
前記冷却水通路（１４）から前記シリンダヘッド（１）の表面に延び、該表面に開口した連通孔（１１）と、
前記連通孔（１１）を閉塞するキャップ部材（２０）と、を備え、
前記冷却水通路（１４）は、前記取付孔（１２）の周囲を通るプラグ冷却通路部（１４ａ）を含み、
前記連通孔（１１）は、前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に連通し、
前記キャップ部材（２０）は、
前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に突出する軸部（２２）を有し、
前記プラグ冷却通路部（１４ａ）は、前記取付孔（１２）の側の第一の内壁面（１ａ）と、反対側の第二の内壁面（１ｃ）とを有し、
前記軸部の側面（２４ａ）と、前記第一の内壁面（１ａ）との間に冷却水の絞り通路（１４ｂ）が形成される。
この実施形態によれば、砂型の断面積を大きくとることで砂型の強度を確保しつつ、点火プラグ周辺の流路断面積を小さくすることで冷却性能を向上することができる。

２．上記実施形態では、
前記軸部(22)は、前記連通孔から前記プラグ冷却通路部の底壁面(1d)まで延設されている。
この実施形態によれば、前記軸部と前記底壁面との隙間を小さくして、流路断面積をより小さくすることができる。

３．上記実施形態では、
前記底壁面（１ｄ）は、前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）に沿う形状の部分を有している。
この実施形態によれば、前記軸部と前記底壁面との隙間がより小さくなり、流路断面積をより小さくすることができる。

４．上記実施形態では、
前記底壁面（１ｄ）の前記部分は、機械加工により形成された面である。
この実施形態によれば、前記底壁面の前記部分の形状精度を向上し、前記底壁面と前記軸部の先端との隙間を最小限に抑えることができる。この結果、流路断面積をより小さくすることができる。

５．上記実施形態では、
前記第二の内壁面（１ｃ）は、前記軸部（２２）の側面（２４ｂ）に沿う形状の部分を有している。
この実施形態によれば、前記軸部と前記第二の内壁面との隙間がより小さくなり、流路断面積をより小さくすることができる。

６．上記実施形態では、
前記第二の内壁面（１ｃ）の前記部分は、機械加工により形成された面である。
この実施形態によれば、前記第二の内壁面の前記部分の形状精度を向上し、前記第二の壁面と前記軸部の側面との隙間を最小限に抑えることができる。

７．上記実施形態では、
前記キャップ部材は、前記シリンダヘッドの外部に露出した頭部（２１）を有し、前記軸部は前記頭部から延設されており、
前記連通孔（１１）は、ねじ孔であり、
前記軸部は、
前記ねじ孔（１１）と螺合する前記頭部側のねじ部（２３）と、
前記ねじ部（２３）から延び、前記プラグ冷却通路部に突出する通路形成部（２４）と、を有する。
この実施形態によれば、ねじ構造によって前記キャップ部材を比較的簡易に前記連通孔に固定することができる。

以上、発明の実施形態について説明したが、発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では図３に示す断面図において、点火プラグ１０１の軸心と、キャップ部材２０の軸心が同一平面に存在するが、両者の配置はこれに限られない。例えば、点火プラグ１０１側からの側面視において、点火プラグ１０１とキャップ部材２０とが部分的に重なっている構成であってもよい。

１ シリンダヘッド、１１ 連通孔、１２ 取付孔、１４ａ プラグ冷却通路部、１４ｂ 絞り通路、２０ キャップ部材、１０１ 点火プラグ

Claims (5)

1. 点火プラグの取付孔（１２）と、
   冷却水通路（１４）と、
   を備えたシリンダヘッド（１）において、
   前記冷却水通路（１４）から前記シリンダヘッド（１）の表面に延び、該表面に開口した連通孔（１１）と、
   前記連通孔（１１）を閉塞するキャップ部材（２０）と、を備え、
   前記冷却水通路（１４）は、前記取付孔（１２）の周囲を通るプラグ冷却通路部（１４ａ）を含み、
   前記連通孔（１１）は、前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に連通し、
   前記キャップ部材（２０）は、
   前記プラグ冷却通路部（１４ａ）に突出する軸部（２２）を有し、
   前記プラグ冷却通路部（１４ａ）は、前記取付孔（１２）の側の第一の内壁面（１ａ）と、反対側の第二の内壁面（１ｃ）とを有し、
   前記軸部の側面（２４ａ）と、前記第一の内壁面（１ａ）との間に冷却水の絞り通路（１４ｂ）が形成され、
   前記軸部（２２）は、前記連通孔（１１）から前記プラグ冷却通路部（１４ａ）の底壁面（１ｄ）まで延設され、
   前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）は、円錐形状の凸形状を有し、前記底壁面（１ｄ）は、前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）を跨るように沿う円錐形状の凹部を有しており、
   前記凹部は、
   前記第二の内壁面（１ｃ）の側では前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）と全体的に対向し、
   前記第一の内壁面（１ａ）の側では前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）の先側の部分と対向する一方、前記軸部（２２）の先端（２４ｃ）の根元側の部分とは対向せず、該根元側の部分は前記絞り通路（１４ｂ）に露出している、
   ことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 請求項１に記載のシリンダヘッド（１）であって、
   前記底壁面（１ｄ）の前記凹部は、機械加工により形成された面である、
   ことを特徴とするシリンダヘッド。
3. 請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッド（１）であって、
   前記第二の内壁面（１ｃ）は、前記軸部（２２）の側面（２４ｂ）に沿う形状の部分を有している、
   ことを特徴とするシリンダヘッド。
4. 請求項３に記載のシリンダヘッドであって、
   前記第二の内壁面（１ｃ）の前記部分は、機械加工により形成された面である、
   ことを特徴とするシリンダヘッド。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のシリンダヘッドであって、
   前記キャップ部材は、前記シリンダヘッドの外部に露出した頭部（２１）を有し、前記軸部は前記頭部から延設されており、
   前記連通孔（１１）は、ねじ孔であり、
   前記軸部は、
   前記ねじ孔（１１）と螺合する前記頭部側のねじ部（２３）と、
   前記ねじ部（２３）から延び、前記プラグ冷却通路部に突出する通路形成部（２４）と、を有し、
   前記先端（２４ｃ）は、前記通路形成部（２４）の先端である、
   ことを特徴とするシリンダヘッド。

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