(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジンのシリンダヘッドに関し、エンジンの運転状態に応じた適切な冷却性能を獲得する。【解決手段】複数のシリンダ３を有するエンジンのシリンダヘッド１において、シリンダ３から排出される排気を排出する排気ポート６の周囲に冷却水通路を形成し、その内部の冷却水をシリンダ３の列設方向Ｌに沿って流通させる。また、排気ポート６の下流端で排気流路を一本に集合させて排気集合部６Ｃを設け、これをシリンダ３の列設方向Ｌについてエンジンの中心Ｃよりも冷却水通路の下流側にオフセットした位置に配置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシリンダを有するエンジンのシリンダヘッドであって、
前記シリンダから排出される排気を排出する排気ポートと、
前記排気ポートの周囲に形成され、その内部を冷却水が前記シリンダの列設方向に沿って流通するように設けられた冷却水通路と、
前記排気ポートの下流端で複数の排気流路が一本に集合し、前記列設方向について前記エンジンの中心よりも前記冷却水通路の下流側にオフセットした位置に配置された排気集合部と、
を備えたことを特徴とする、エンジンのシリンダヘッド。
【請求項２】
前記エンジンのリア側の気筒から前記排気集合部までの排気通路の長さは、前記エンジンのフロント側の気筒から前記排気集合部までの排気通路の長さよりも短い
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンのシリンダヘッド。
【請求項３】
前記冷却水通路が、前記シリンダヘッドの外表面側に位置するマニホールドに沿って配置された外側冷却水路と、前記外側冷却水路から分岐したのちに合流する形状を有し、前記外側冷却水路に沿って前記シリンダヘッドの内部側に配置された内側冷却水路とを有する
ことを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンのシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のシリンダを有するエンジンのシリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの燃焼室と繋がる複数の排気ポートがシリンダヘッド内で合流するように、シリンダヘッドと排気マニホールドとを一体に形成したものが開発されている。このようなシリンダヘッドは、マニホールドが別設されたものと比較して、排気熱を受けて高温になりやすい。そこで、排気ポートの周囲にエンジン冷却水を流通させることによって、冷却性を向上させることが提唱されている。具体的には、排気ポートの周面をウォータージャケットで囲んだ形状にすることや、エンジン冷却水の流れが蛇行するようにウォータージャケットの形状を形成することが提案されている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第4262343号公報
【特許文献２】特許第4098712号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のマニホールド内蔵型のシリンダヘッドでは、ウォータージャケットに求められる冷却性能がエンジンの運転状態によって変化するため、冷却性能の設定が難しいという課題がある。
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、エンジンの運転状態に応じた適切な冷却性能を獲得できるようにしたシリンダヘッドを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）ここで開示するエンジンのシリンダヘッドは、複数のシリンダを有するエンジンのシリンダヘッドであって、前記シリンダから排出される排気を排出する排気ポートと、前記排気ポートの周囲に形成され、その内部を冷却水が前記シリンダの列設方向に沿って流通するように設けられた冷却水通路とを備える。また、前記排気ポートの下流端で複数の排気流路が一本に集合し、前記列設方向について前記エンジンの中心よりも前記冷却水通路の下流側にオフセットした位置に配置された排気集合部を備える。
【０００６】
（２）前記エンジンのリア側の気筒から前記排気集合部までの排気通路の長さは、前記エンジンのフロント側の気筒から前記排気集合部までの排気通路の長さよりも短いことが好ましい。
なお、前記冷却水が、前記エンジンのフロント側からリア側に向かって前記冷却水通路内を流通することが好ましい。この場合、前記排気集合部が、前記エンジンの中心よりも前記リア側に配置されることが好ましい。
【０００７】
（３）前記冷却水通路が、前記シリンダヘッドの外表面側に位置するマニホールドに沿って配置された外側冷却水路と、前記外側冷却水路から分岐したのちに合流する形状を有し、前記外側冷却水路に沿って前記シリンダヘッドの内部側に配置された内側冷却水路とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
エンジンの運転状態に応じた適切な冷却性能を獲得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るエンジンのシリンダヘッドを例示する斜視図である。
【図２】エンジンの模式的な縦断面図である。
【図３】シリンダヘッド内の排気ポート形状を示す水平断面図である。
【図４】（Ａ）は上側ウォータージャケットの水平断面図、（Ｂ）は下側ウォータージャケットの水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、車両に適用されたエンジンのシリンダヘッドについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００１１】
［１．エンジン構成］
本実施形態のシリンダヘッド１は、水冷式多気筒のエンジン１０のシリンダブロック２に取り付けられる。エンジン１０の内部には、複数のシリンダボア３が列をなして配置される。図１に示す例は、三つのシリンダ３が直列に配置された三気筒（フロント側から順に、＃１，＃２，＃３）のエンジン１０である。以下、シリンダ３の列設方向を符号Ｌで表す。
【００１２】
シリンダ３の周囲には、その筒面３Ｂに沿って曲面状に掘り込まれたウォータージャケット４（冷却水通路）が形成される。ウォータージャケット４は、シリンダブロック２の内部だけでなく、シリンダヘッド１の内部にも連続して形成され、エンジン１０の全体を冷却する。ウォータージャケット４の上方はシリンダブロック２の上面で開放され、シリンダヘッド１側に形成されるウォータージャケット４，４Ａ，４Ｂに連通する。これにより、排気ポート６の外周部分もエンジン冷却水によって冷却される。
【００１３】
図２に示すように、シリンダヘッド１の下面にはその天井面３Ａ（燃焼室の天井面）となる凹みが形成され、各燃焼室に排気ポート６が接続される。排気ポート６は、排気系のマニホールド（多分岐管）として機能する多分岐型の排気流路である。本実施形態では、排気ポート６の下流側にターボチャージャー３５や触媒装置３６が接続される（図１参照）。エンジン１０の始動後における排気温度を早期に昇温させることで、これらの装置３５，３６の作動効率が向上する。
【００１４】
［２．排気ポート］
図３に示すように、排気ポート６の上流端は六本に分岐した形状とされ、個々の排気バルブ孔１２に対して接続される。一方、排気ポート６の下流端は、個々の通路がシリンダヘッド１の内部で一本に集約した形状とされる。排気バルブ孔１２に対して接続された最も細い通路（排気ポート６の最も上流に位置する枝管）のことを小通路６Ａと呼ぶ。一本の小通路６Ａの断面積S1は、一個の排気バルブ孔１２の開口面積以上の大きさに設定される。また、同一のシリンダ３に接続された一対の小通路６Ａは、排気バルブ孔１２に比較的近い位置で合流し、中通路６Ｂ（排気ポート６の中間部に位置する枝管）を形成する。
【００１５】
中通路６Ｂの断面積S2は、排気抵抗が上昇しないように二本の小通路６Ａの断面積2S1以上とされる。さらにその下流側には、複数の中通路６Ｂを一本に集合させた排気集合部６Ｃが設けられる。中通路６Ｂを合流させる順序は任意であり、例えば＃１気筒に接続された中通路６Ｂと＃２気筒に接続された中通路６Ｂとを集合させたのちに（その合流箇所よりも下流側に）＃３気筒に接続された中通路６Ｂを合流させる。
【００１６】
排気集合部６Ｃの上流側において、各々の中通路６Ｂによって挟まれた部分には股部１６が形成される。図３では、＃１気筒からの排気流と＃２気筒からの排気流とで挟まれる三角形状の部位が股部１６Ａであり、＃２気筒からの排気流と＃３気筒からの排気流とで挟まれる部位が股部１６Ｂである。これらの股部１６Ａ（＃１と＃２の間），１６Ｂ（＃２と＃３の間）は、シリンダヘッド１の外側に向かって略同等に張り出している。上面視で股部１６Ａ，１６Ｂの先端を結ぶ直線は、シリンダ列方向Ｌとほぼ平行である。また、図３中に破線で示すように、股部１６Ａの＃２気筒の側壁面の延長面上に排気集合部６Ｃの出口（排気口１８）のフロント側壁のＲ部（曲面部）が設けられる。これにより、＃２気筒から排気集合部６Ｃへの排気の流れがスムーズとなり、流路抵抗が減少する。
【００１７】
ここで、＃２気筒の中心を通って水平に延びる仮想線のうち、シリンダ列方向Ｌに対して垂直な線のことを「エンジン１０の中心線Ｃ」と呼ぶ。図３に示すように、排気集合部６Ｃは中心線Ｃに対してエンジン１０のリア側にオフセットした位置に配置される。中心線Ｃを基準とした排気集合部６Ｃのオフセット方向は、エンジン冷却水の下流側に向かう方向である。つまり、排気集合部６Ｃは、エンジン１０の冷態始動時におけるエンジン冷却水の温度が高温である方向に偏って設けられる。排気集合部６Ｃの下流端となる単一の開口部（以下、排気口１８という）も同様に、中心線Ｃからリア側にオフセットした位置に設けられる。
【００１８】
各＃１〜＃３気筒から排気集合部６Ｃまでの排気通路の長さは、エンジン１０のフロント側が最も長く、リア側ほど短い寸法とされる。例えば図３中に示すように、＃１気筒から排気集合部６Ｃの出口（排気口１８）までの通路長さＬ１，＃２気筒から排気集合部６Ｃの出口までの通路長さＬ２，＃３気筒から排気集合部６Ｃの出口までの通路長さＬ３の大小関係は、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３とされる。つまり、排気通路の長さはエンジン冷却水が高温となる部分で短くなるように形成される。
【００１９】
［３．ウォータージャケット］
図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリンダヘッド１には、上面視で内側および外側の二系統の冷却水通路が設けられるとともに、排気ポート６の上側および下側に層をなして設けられる。図４（Ｂ）中の符号２５はウォーターポンプ側から冷却水を送給される冷却水入口に相当し、符号２６は冷却水出口に相当する。また、図中の細破線はシリンダヘッド１の張出部１４および排気ポート６の輪郭に対応し、二点鎖線はシリンダ３の天井面３Ａの輪郭に対応する。
【００２０】
上側ウォータージャケット４Ａには、外側冷却水路２３Ａおよび内側冷却水路２４Ａが設けられる。これらの冷却水路２３Ａ，２４Ａは、ともにシリンダブロック２内に形成されるウォータージャケット４と連通する。外側冷却水路２３Ａおよび内側冷却水路２４Ａの全体形状は、排気ポート６の上面に沿って、張出部１４の上面１４Ａに対してほぼ平行に配置された半円盤状とされる。
【００２１】
外側冷却水路２３Ａは、＃１気筒および＃３気筒の排気通路に沿って、その上面側に配置される。外側冷却水路２３Ａの配置形状は、エンジン１０の上面視で半円弧状とされる。エンジン冷却水の流通方向は、図４（Ａ）中に黒矢印で示すように、エンジン１０のフロント側（＃１気筒側）が上流であり、リア側（＃３気筒側）が下流である。
【００２２】
内側冷却水路２４Ａは、外側冷却水路２３Ａよりも内側に配置された冷却水路であり、おもに＃２気筒からの排気を流通させる排気ポート６に沿ってその上面側に配置される。内側冷却水路２４Ａの配置形状は、エンジン１０の上面視で外側冷却水路２３Ａよりも小さい半円弧状とされ、下流側が外側冷却水路２３Ａと共通の流路となっている。図４（Ａ）に示すように、内側冷却水路２４Ａは、＃１気筒付近で外側冷却水路２３Ａから分岐したのちに、＃３気筒に接続された中通路６Ｂの上方で外側冷却水路２３Ａに合流する。エンジン冷却水の流通方向は、＃２気筒側が上流であり、＃３気筒側が下流である。
【００２３】
外側冷却水路２３Ａと内側冷却水路２４Ａとの間には、エンジン冷却水が流通しない島部２９Ａと、両者を接続する接続冷却水路２８Ａとが設けられる。接続冷却水路２８Ａは、排気ポート６の枝管が合流する股部１６に対し、上下方向に隣接する位置に配置される。
【００２４】
下側ウォータージャケット４Ｂにも、外側冷却水路２３Ｂおよび内側冷却水路２４Ｂが設けられる。外側冷却水路２３Ｂは、張出部１４の外表面側に位置する冷却水路であり、＃１気筒および＃３気筒の排気通路に沿って、その下面側に配置される。外側冷却水路２３Ｂの配置形状は、外側冷却水路２３Ａと同様に、エンジン１０の上面視で半円弧状とされる。これにより、対をなす外側冷却水路２３Ａ，２３Ｂによって排気ポート６が上下から挟まれた配置となる。エンジン冷却水の流通方向は、エンジン１０のフロント側（＃１気筒側）が上流であり、リア側（＃３気筒側）が下流である。
【００２５】
外側冷却水路２３Ｂよりも内側には、＃２気筒からの排気を流通させる排気ポート６に沿って内側冷却水路２４Ｂが配置される。内側冷却水路２４Ｂの配置形状は、内側冷却水路２４Ａと同様に、エンジン１０の上面視で外側冷却水路２３Ａよりも小さい半円弧状とされ、下流側が外側冷却水路２３Ｂと共通の流路とされる。これにより、排気ポート６は、対をなす内側冷却水路２４Ａ，２４Ｂによって上下から挟まれた状態となる。エンジン冷却水の流通方向は、＃２気筒側が上流であり、＃３気筒側が下流である。
【００２６】
外側冷却水路２３Ｂと内側冷却水路２４Ｂとの間には、エンジン冷却水が流通しない島部２９Ｂと、両者を接続する接続冷却水路２８Ｂが設けられる。接続冷却水路２８Ｂは、排気ポート６の枝管が合流する股部１６と上下方向に隣接して配置される。
冷却水がエンジン１０に流入する入口部分には、エンジン冷却水の温度に応じて図示しないラジエターと繋がる通路を開閉するサーモスタットが設けられる。エンジン１０が冷態状態で始動した際は、エンジン冷却水がラジエターを経由せずエンジン１０の冷却水入口２５に戻される。一方  温態状態ではサーモスタットが開弁し、エンジン冷却水はラジエターを通過し冷却された状態でエンジン１０の冷却水入口２５に戻される。
【００２７】
［４．作用，効果］
（１）エンジン１０の暖機中は、図示しないサーモスタットが閉弁し、エンジン冷却水はラジエターを通過しない。そのため、シリンダヘッド１内を流通するエンジン冷却水の温度は、エンジン１０のシリンダ３および排気ポート６で発生する熱の影響を受けて昇温しながら循環する。シリンダヘッド１内におけるエンジン冷却水の冷却水温度は、シリンダ３および排気ポート６で発生する熱を吸収した後に最も高くなり、冷却水入口２５に戻され、再びシリンダ３と排気ポート６の熱を吸収し冷却水出口２６へと送給される。エンジン１０の冷態始動時には、シリンダヘッド１内におけるエンジン冷却水の温度は冷却水出口２６側で上昇し、エンジン１０が始動してからの時間経過に伴って、等温度線が下流側から上流側に向かって移動する。
【００２８】
このようなエンジン冷却水の温度特性を踏まえて、上記のシリンダヘッド１では、シリンダ列方向Ｌについての排気集合部６Ｃの位置が、中心線Ｃよりもエンジン冷却水の下流側にオフセットした位置に設定される。これにより、シリンダヘッド１の内部で冷却水温度が比較的高い位置で排気を集合させることができ、エンジン１０から排気ポート６を通過して排気される排気熱がシリンダヘッド１に奪われることなく排出される。したがって、エンジン１０の暖機中における排気集合部６Ｃの排気温度低下を抑制することができ、エンジン１０の運転状態に応じた適切な冷却性能を獲得することができる。
【００２９】
またこれにより、例えばエンジン１０の暖機中において、排気集合部６Ｃよりも排気下流側に配置される触媒装置３６を迅速に活性化することができ、触媒装置３６の排気浄化性能を向上させることができる。あるいは、排気通路上のターボチャージャー３５に流入する排気ガスの体積の減少を抑制することができ、ターボチャージャー３５による過給効率を向上させることができる。
【００３０】
（２）上記のシリンダヘッド１では、＃１〜＃３気筒から排気集合部６Ｃまでの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３がＬ１＞Ｌ２＞Ｌ３となるように、排気ポート６が形成されている。つまり、排気と冷却水との間で熱交換がなされる部分の距離（換言すれば、熱が授受される部分の面積）は＃１気筒側が大きく、＃３気筒側が小さい。一方、ウォータージャケット４内の冷却水は、＃１気筒側から＃３気筒側へと流通するため、冷態始動時の冷却水温度は＃１気筒側がやや低温となり、＃３気筒側がやや高温となる。冷却水温度が高温となる側に排気集合部６Ｃをオフセット配置することで、冷態始動時における冷却水の昇温を促進することができ、エンジン１０の暖機時間を短縮することができる。
【００３１】
（３）上記のシリンダヘッド１では、排気ポート６および排気集合部６Ｃに沿って、ウォータージャケット４が面状に配置される。また、排気ポート６，排気集合部６Ｃは、図４に示すように、上下のウォータージャケット４Ａ、４Ｂに挟まれた状態となる。これにより、排気と冷却水との間で熱交換がなされる部分の面積を増大させることができ、冷態始動時における冷却水の暖め効果や温態時の冷却効果を高めることができる。
【００３２】
（４）上記のシリンダヘッド１では、図３に示すように、中通路６Ｂの流路面積が二本の小通路６Ａの断面積2S1以上とされ、股部１６Ａの＃２側壁面の延長面上に排気集合部６Ｃの出口（排気口１８）のフロント側壁のＲ部が設けられる。このような構造により、各気筒から排出される排気を整流しながら、ウォータージャケット４と排気集合部６Ｃとが重なる面積を最大化することができる。したがって、冷態始動時に冷却水温度を効率よく上昇させつつ、温態時にはエンジン１０を適切に冷却することができる。
【００３３】
（５）上記の外側冷却水路２３Ａ，２３Ｂは、＃１気筒，＃３気筒に接続された排気通路に沿って、エンジン１０の上面視で半円弧状に配置される。一方、内側冷却水路２４Ａ，２４Ｂは、＃２気筒に接続された排気通路に沿って、外側冷却水路２３Ａ，２３Ｂの内側で半円弧状に配置される。このような冷却水路のレイアウトにより、排気ポート６全体の冷却効率を高めつつ、ウォータージャケット４の省スペース化を図ることができる。また、内外二系統の冷却水路を設けることで、トータルの流路断面積を確保しつつ、各々の流路断面積を小さくすることができ、冷却水の流速を高めることができる。これにより、シリンダヘッド１に内蔵された排気ポート６周辺の冷却効率を向上させることができる。
【００３４】
また、それぞれの冷却水路２３，２４におけるエンジン冷却水の流速は、それぞれの流路断面積や形状に応じて定まる。このことから、張出部１４からの放熱性を考慮して、二系統のそれぞれの冷却流路２３，２４における流速，流量を個別に設定することが可能となり、シリンダヘッド１の冷却効率を向上させることができる。
また、シリンダヘッド１の外表面側と内部側とでは、シリンダヘッド１の外部への放熱性が相違するため、ウォータージャケット４に求められる冷却能力も若干相違する。一方、上記のシリンダヘッド１では、シリンダヘッド１の外表面側と内部側とのそれぞれに対して、ウォータージャケット４が分離して設けられる。これにより、各々の冷却水路に適した冷却能力を与えることができ、エンジン１０の冷却性およびその制御性を向上させることができる。
【００３５】
なお、上記のシリンダヘッド１は、直列三気筒エンジン以外の多気筒エンジン（例えば直列四気筒エンジンやＶ型六気筒エンジンなど）にも適用可能である。また、一つのシリンダ３に吸気バルブ孔および排気バルブ孔１２が一つずつ設けられたエンジンであってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
２  シリンダブロック
４  ウォータージャケット（冷却水通路）
６  排気ポート
６Ｃ  排気集合部
Ｃ  中心線
【図１】
2015178807.tif 000003
【図２】
2015178807.tif 000004
【図３】
2015178807.tif 000005
【図４】
2015178807.tif 000006