(57)【要約】【課題】エンジンのシリンダヘッドにおいて、冷却水通路を容易に形成できるようにし、かつ、各部の温度管理を適切に行うことができるようにする。【解決手段】  シリンダヘッド１に第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０を鋳包んで冷却水通路を形成する。これにより、従来のウォータジャケット中子が不要となり、シリンダヘッド１の製造工程の簡素化及び砂中子の破損による鋳造不具合を低減することができる。また、シリンダヘッド１の冷却部位毎にその温度条件に応じて、第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０の形状、径、配管経路及び冷却水の流量を適宜設定することにより、適切な冷却を行なってエンジンの性能を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの内部に複数のパイプ部材を鋳包んで冷却水通路を形成し、前記複数のパイプ部材によって冷却部位毎に冷却を行なうことを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項２】
弁手段によって前記複数のパイプ部材に供給する冷却水の経路を切換えることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項３】
流量制御手段によって前記複数のパイプ部材に供給する冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に冷却水通路を有するエンジンのシリンダヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、自動車等に搭載される水冷式エンジンのシリンダヘッドには、冷却水通路が設けられており、この冷却水通路に、シリンダブロックのウォータジャケットから冷却水を供給して循環させることにより、燃焼室壁を冷却するようにしている。冷却水通路は、一般的にはシリンダヘッドの鋳造時にウォータジャケット中子によって形成されるが、例えば特許文献１に示すように、シリンダヘッドの鋳造時にパイプ状部材を鋳包み、そのパイプ状部材をウォータジャケットに連通させることによって冷却水通路の一部を構成するようにしたものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６２−５７７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリンダヘッドには、燃焼室、吸排気ポート、点火プラグ、吸排気バルブ等が設けられているため、冷却水通路は、非常に複雑な形状となっている。このため、シリンダヘッドを鋳造した後、機械加工によって冷却水通路を形成することは、非常に困難である。そこで、一般的には、冷却水通路は、シリンダヘッドを鋳造する際、崩壊性の砂中子を用いて形成し、鋳造後、中子を崩壊させて取除くようにしている。このため、砂中子を造型する工程及び鋳造後、砂を除去する工程が必要となり、シリンダヘッドの鋳造工程が煩雑なものとなっている。また、近年、エンジンの性能向上のめ、気筒あたり複数の吸排気ポートが設けられる場合が多く、冷却水通路の形状は、より複雑化してきている。このため、中子は、形状が複雑化して破損し易くなっており、鋳造圧力によって中子が破損するという鋳造不具合を発生する虞がある。
【０００５】
一方、エンジンの性能向上のため、シリンダヘッドの各部は、より精密な温度管理が要求されている
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、冷却水通路を容易に形成することができ、かつ、各部の温度管理を適切に行うことができるシリンダヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、シリンダヘッドの内部に複数のパイプ部材を鋳包んで冷却水通路を形成し、前記複数のパイプ部材によって冷却部位毎に冷却を行なうことを特徴とするシリンダヘッド。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のシリンダヘッドによれば、パイプ部材によって中子を用いることなく容易に冷却水通路を形成することができ、また、複数のパイプ部材によって冷却部位毎に冷却を行なうことにより、冷却部位毎の温度管理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドの内部に鋳包まれたパイプ部材の配置を示す要部の透視図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るシリンダヘッドの内部に鋳包まれたパイプ部材の配置を示す要部の透視図である。
【図３】図２に示すシリンダヘッドの側面側から見た要部を拡大して示す透視図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るシリンダヘッドの内部に鋳包まれたパイプ部材の配置を示す要部の透視図である。
【図５】図４に示すシリンダヘッドにおいて、低負荷時の冷却水の流れを示す図である。
【図６】図４に示すシリンダヘッドにおいて、高負荷時の冷却水の流れを示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るシリンダヘッドの内部に鋳包まれたパイプ部材の配置を示す要部の透視図である。
【図８】図４に示すシリンダヘッドの開閉弁の制御を示すフローチャートである。
【図９】図７に示すシリンダヘッドの開閉弁及び流量制御弁の制御を示すフローチャートである。
【図１０】図４に示すシリンダヘッドの各部の温度分布を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るエンジンのシリンダヘッド１を上方、すなわち、燃焼室の反対側から見た要部の透視図である。図１を参照して、当該エンジンは、水冷式の多気筒エンジンであって、シリンダヘッド１には、シリンダブロック（図示せず）のシリンダボアに対向して燃焼室が形成され、各燃焼室には、吸気ポート２及び排気ポート３が連通しており、また、点火プラグを取付けるための点火プラグ穴４が設けられている。本実施形態では、シリンダブロック（Ｖ型エンジンの片バンクを含む）に直列に配置された４つのシリンダボアに対応して、シリンダヘッド１には、４つの燃焼室が形成され、それぞれの燃焼室に吸排気ポート２、３及び点火プラグ穴４が設けられている。なお、４つの燃焼室について、それぞれに連通する４つの吸気ポート２に、Ｎｏ．１からＮｏ．４の符号を付してある。
【００１１】
吸気ポート２及び排気ポート３は、互いに対向するようにクロスフロー配置とされている。そして、吸気ポート２は、先端側が二股に分岐して２つのポート２Ａ、２Ｂが燃焼室に連通し、それぞれのポート２Ａ、２Ｂには、吸気バルブのバルブガイドが圧入されるバルブガイド取付穴５Ａ、５Ｂが形成されている。さらに、吸気ポート２の分岐部の上流部には、燃料噴射弁を取付けるためのボス部６が形成されている。また、排気ポート４も先端側が二股に分岐して２つのポート３Ａ、３Ｂが燃焼室に連通し、それぞれのポート３Ａ、３Ｂに排気バルブのバルブガイドを圧入するためのバルブガイド取付穴７Ａ、７Ｂが形成されている。そして、燃焼室の中央部、すなわち、二股に分岐した吸気ポート２及び排気ポート３の４つのポート２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ間の中央部に点火プラグ穴４が配置されている。
【００１２】
シリンダヘッド１は、アルミニウム合金鋳物であり、燃焼室の上部付近に、冷却水通路として、第１パイプ部材８、第２パイプ部材９及び第３パイプ部材１０の３つのパイプ状部材が鋳包まれている。第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０（パイプ部材）は、所定の形状に成形されたパイプ状部材を鋳造型のキャビティ内の所定位置にセットし、キャビティ内に溶湯を充填することにより、シリンダヘッド１の内部に鋳包まれて一体化される。
【００１３】
第１パイプ部材８は、シリンダヘッド１の冷却水流路の上流側となるＮｏ．１燃焼室側の端部の中央部から点火プラグ穴４の近傍を通り、吸気ポート２の２つのポート２Ａ、２Ｂ間に挿入され、さらに、ポート２Ｂの下側を通り、隣接するＮｏ．２燃焼室のポート２Ａの下側へ延びている。そして、そのポート２Ａ、２Ｂ間に挿入され、Ｎｏ．２燃焼室の中央部の点火プラグ穴４の近傍を通り、隣接するＮｏ．３燃焼室の中央へ向かって延びている。さらに、これと同様の経路でＮｏ．３燃焼室からＮｏ．４燃焼室を通って、シリンダヘッド１の冷却水流路の下流側の端部へ延びている。
【００１４】
第２パイプ部材９は、上述の第１パイプ部材８に対して、点火プラグ穴４を挟んで、ほぼ対称に配置されている。すなわち、Ｎｏ．１燃焼室側の端部の中央部から、点火プラグ穴４の近傍を通り、排気ポート３の２つのポート３Ａ、３Ｂ間に挿入され、ポート３Ｂの下側を通って隣接するＮｏ．２燃焼室のポート３Ａの下側へ延びている。そして、そのポート３Ａ、３Ｂ間に挿入され、Ｎｏ．２燃焼室の中央部の点火プラグ穴４の近傍を通り、隣接するＮｏ．３燃焼室中央へ向かって延びる。さらに、これと同様の経路でＮｏ．３燃焼室からＮｏ．４燃焼室を通って、シリンダヘッド１の冷却水流路の下流側の端部へ延びている。
【００１５】
また、第３パイプ部材１０は、上述の第２パイプ部材９に対して、排気ポート３のポート３Ａ、３Ｂを挟んで、ほぼ対称に配置されている。すなわち、Ｎｏ．１燃焼室側の端部の排気ポート３のポート３Ａの下側から、そのポート３Ａ、３Ｂ間に挿入され、プラグ穴４の近傍を通り、隣接するＮｏ．２燃焼室中央へ向かって延びている。そして、その点火プラグ穴４の近傍を通り、排気ポート３のポート３Ａ、３Ｂ間に挿入され、ポート３Ｂの下側を通って、隣接するＮｏ．３燃焼室の排気ポート３のポート３Ａの下側へ延びている。さらに、これと同様の経路でＮｏ．３燃焼室からＮｏ．４燃焼室を通って、シリンダヘッド１の冷却水流路の下流側の端部へ延びている。このとき、第２パイプ部材９と第３パイプ部材１０とは、排気ポート３のポート３Ａ、３Ｂ間で交差している。
【００１６】
そして、第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０の上流側は、シリンダブロックのウォータジャケット等を介してウォータポンプ等の冷却水供給源の吐出側に接続され、また、下流側は、ヒータユニット、ラジエータ等を介して冷却水供給源の吸込み側に接続される。
【００１７】
このように、シリンダヘッド１に第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０を鋳包んで、これらによって冷却水通路を形成するので、従来のウォータジャケット中子が不要となり、シリンダヘッドの製造工程の簡素化及び砂中子の破損による鋳造不具合を低減することができる。
【００１８】
また、シリンダヘッド１の冷却部位毎にその温度条件に応じて、第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０の形状、径、配管経路及び冷却水の流量を適宜設定することにより、適切な冷却を行なってエンジンの性能を向上させることができる。図１に示す例では、燃焼室の比較的低温となる吸気ポート２側を単一の第１パイプ部材８によって冷却し、高温となる排気ポート３側を２つの第２及び第３パイプ部材９、１０によって冷却している。
【００１９】
次に、本発明の第２実施形態について、図２及び図３を参照して説明する。なお、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【００２０】
図２に示すように、本実施形態に係るシリンダヘッド１Ａでは、第１パイプ部材８は、図２中に破線矢印で示すように、上流側がＮｏ．１及びＮｏ．２燃焼室の吸気ポート２のポート２Ａ、２Ｂの下側を通っており、また、第２パイプ部材９は、図２中に実線矢印で示すように、下流側がＮｏ．３及びＮｏ．４燃焼室の吸気ポート２のポート２Ａ、２Ｂの下側を通って延びている。
【００２１】
これにより、第１パイプ部材８は、その上流側がＮｏ．１及びＮｏ．２燃焼室の吸気ポート２側を通り、下流側がＮｏ．３及び４燃焼室の排気側を通るように配索されているので、第１パイプ部材８を流れる冷却水は、より高温のＮｏ．３及びＮｏ．４燃焼室を主に冷却することになる。一方、第２パイプ９は、その上流側がＮｏ．１及びＮｏ．２燃焼室の排気ポート３側をとおり、下流側がＮｏ．３及びＮｏ．４燃焼室の吸気ポート２側を通るように配索されているので、第２パイプ部材８を流れる冷却水は、より高温のＮｏ．１及びＮｏ．２燃焼室を主に冷却することになる。これにより、第１パイプ部材８と第２パイプ部材９とによってＮｏ．１及びＮｏ．２燃焼室とＮｏ．３及びＮｏ．４燃焼室とをそれぞれ冷却して、その温度を調整することが可能になるので、気筒間の燃焼室の温度差を調整してエンジン性能を向上させることができる。
【００２２】
このとき、図３に示すように、第１、第２及び第３パイプ部材８、９、１０のそれぞれの直径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を適当に設定して、冷却水の流量を調整することにより、気筒間の燃焼室の温度を均一に調整することができる。
【００２３】
次に本発明の第３実施形態について、図４乃至図６、図８及び図１０を参照して説明する。なお、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態に係るシリンダヘッド１Ｂでは、４つの吸気ポート２のポート２Ａ、２Ｂの下側に略直線状の吸気側パイプ部材１１が設けられ、また、４つの排気ポート３のポート３Ａ、３Ｂの下側に略直線状の排気側パイプ部材１２が設けられている。そして、各燃焼室毎（各気筒毎）に、吸気側パイプ部材１１と排気側パイプ部材１２とが二股に分岐した中間パイプ部材１３によって接続されている。中間パイプ部材１３は、集合した基端側が排気ポート３のポート３Ａ、３Ｂ間を通って排気側パイプ部材１２に接続し、先端側が点火プラグ穴４の手前で二股に分岐して吸気ポート２の２つのポート２Ａ、２Ｂの両側部近傍を通って吸気側パイプ部材１１に接続している。
【００２５】
排気側パイプ部材１２の上流側は、冷却水供給源の吐出側に接続され、下流側の端部は閉じている。また、吸気側パイプ部材１１の上流側は、開閉弁１４を介して冷却水供給源の吐出側に接続され、下流側は、冷却水供給源の吸込み側に接続されている。
【００２６】
これにより、開閉弁１４を閉じると、図６に示すように、冷却水供給源から供給される冷却水は、排気側パイプ部材１２から各気筒の中間パイプ部材１３を通って吸気側パイプ部材１１へ流れ、吸気側パイプ部材１１から冷却水供給源の吸込み側へ循環する。このとき、冷却水は、排気側パイプ部材１２、中間パイプ部材１３及び吸気側パイプ部材１１を流れ、燃焼室壁全体を冷却することになり、冷却能力が最大となる。
【００２７】
また、開閉弁１４を開くと、図５に示すように、冷却水供給源から供給される冷却水は、排気側パイプ部材１２及び中間パイプ部材１３をバイパスして、吸気側パイプ部材１１から冷却水供給源の吸込み側へ循環する。このとき、排気側パイプ部材１２及び中間パイプ部材１３では、冷却水が滞留した状態となる。そして、冷却水は、主に燃焼室壁の吸気ポート２側の一部のみを冷却することになり、冷却能力が低下する。このように、開閉弁１４を開閉して、冷却水の流路を切換えることにより、冷却能力を調整することができる。
【００２８】
そして、エンジンコントローラによってエンジン負荷に応じて開閉弁１４の開閉を制御し、暖機運転時及びエンジン負荷が小さいとき（部分負荷）、開閉弁１４を開いて冷却能力を低下させて燃焼室壁温度を上昇させ、また、エンジン負荷が大きいとき（全負荷）、開閉弁１４を閉じて冷却能力を高め、燃焼室壁温度を低下させることにより、暖機の促進及び燃焼室壁温度の最適化を行なってエンジン性能を高めることができる。
【００２９】
次に、図８を参照して、エンジンコントローラによる開閉弁１４の制御フローについて説明する。図８を参照して、ステップＳ１でエンジンを始動し、ステップＳ２で、開閉弁１４を開き、ステップＳ３で、各種センサ、スイッチ等の出力及び状態に基づき、アクセルペダルの踏込み量、スロットル開度、冷却水温度等の燃焼室壁温度の変化に対応するパラメータを監視する。そして、ステップＳ４で、このパラメータに基づき、燃焼室壁温度を判断し、燃焼室壁温度が目標温度未満の場合、ステップＳ２に戻って開閉弁１４を開き、目標温度以上の場合、開閉弁１４を閉じてステップＳ５で開閉弁１４を閉じてステップＳ３に戻る。
【００３０】
これにより、エンジン負荷に応じて開閉弁１４を開閉し、燃焼室壁温度を調整して最適化することができ、エンジン性能を高めることができる。本実施形態を適用したエンジンの燃焼室壁の温度分布を図１０に示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ全負荷時及び部分負荷時の燃焼室壁各部の温度分布を示す。図１０を参照すると、本実施形態のもの（実線）は、従来のもの（破線）に対して、全負荷時（Ａ）においては、燃焼室壁各部の温度がいずれも低く抑えられており、また、部分負荷時（Ｂ）においては、燃焼室壁各部の温度がいずれも適度に高められていることが分かる。
【００３１】
次に、本発明の第４実施形態について図７及び図９を参照して説明する。なお、上記実施形態３に対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【００３２】
図７に示すように、本実施形態に係るシリンダヘッド１Ｃでは、冷却水供給源から吸気側パイプ部材１１及び排気側パイプ部材１２に冷却水を供給する管路に流量制御弁１５が設けられている。そして、エンジンコントローラにより、エンジンの負荷状態の応じて流量制御弁１５による冷却水の制御流量を調整し、暖機運転時及びエンジン負荷が小さいとき（部分負荷）、流量を絞って冷却能力を低下させて燃焼室壁温度を上昇させ、また、エンジン負荷が大きいとき（全負荷）、流量を増大させて冷却能力を高め、燃焼室壁温度を低下させることにより、暖機の促進及び燃焼室壁温度の最適化を行なってエンジン性能を高めることができる。
【００３３】
次に、図９を参照して、エンジンコントローラによる開閉弁１４及び流量制御弁１５のの制御フローについて説明する。図９を参照して、ステップＳ１でエンジンを始動し、ステップＳ２で流量制御弁１５の流量を絞り、ステップＳ３で開閉弁１４を開き、ステップＳ４で冷却水温度をチェックする。冷却水温度が目標温度未満の場合、ステップＳ２に戻り、目標温度以上の場合、ステップＳ５に進む。
【００３４】
ステップＳ５で各種センサ、スイッチ等の出力及び状態に基づき、アクセルペダルの踏込み量、スロットル開度、冷却水温度等の燃焼室壁温度の変化に対応するパラメータを監視する。そして、ステップＳ６で、このパラメータに基づき、燃焼室壁温度を判断し、燃焼室壁温度が目標温度未満の場合、ステップＳ６−１で開閉弁１４を開いて、ステップＳ５に戻り、目標温度以上の場合、ステップＳ７で流量制御弁１５の制御流量によって燃焼室壁温度を目標温度に調整し、ステップＳ８で、燃焼室壁温度及び流量制御弁１５の制御流量をチェックする。そして、流量制御弁１５の制御流量が最大流量に達するまでは、流量制御弁１５の流量によって燃焼室壁温度を調整し、流量制御弁１５の制御流量が最大流量に達した後は、ステップＳ９で開閉弁１４を閉じてステップＳ５に戻る。
【００３５】
これにより、開閉弁１４の開閉及び流量制御弁１５の流量制御によって、暖機を促進し、また、燃焼室壁温度を最適化して、エンジン性能を高めることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  シリンダヘッド、８  第１パイプ部材（パイプ部材）、９  第２パイプ部材（パイプ部材）、１０  第３パイプ部材（パイプ部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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