(57)【要約】【課題】シリンダヘッド下面の上方に冷却水が流通する冷却水通路を有するシリンダヘッドにつき、このシリンダヘッドに作用する熱応力を緩和するのに有効な技術を提供する。【解決手段】エンジンのシリンダヘッド２０は、燃焼室１０ａに連通する吸気ポート２１，２２および排気ポート２３，２４と、燃焼室１０ａに面するシリンダヘッド下面２０ａと、このシリンダヘッド下面２０ａの上方において冷却水が流通するウォータジャケット２５とを有し、第１領域Ａ１であって吸気ポート２１，２２とウォータジャケット２５との間には、ＥＧＲ経路３の一部を構成する排気ガス通路３０が設けられている。これにより、第１領域Ａ１の上壁部２０ｃは、排気ガス通路３０を流通する排気ガスの影響によって暖められ、上壁部２０ｃが下壁部２０ｂの熱膨張を妨げるのが回避される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室に連通する吸気ポートおよび排気ポートと、前記燃焼室に面するシリンダヘッド下面と、このシリンダヘッド下面の上方において冷却水が流通する冷却水通路とを有するエンジンのシリンダヘッドであって、
前記吸気ポートを挟んで前記排気ポートと反対側の領域であって前記冷却水通路の上方には、前記エンジンから排出された排気ガスが流通する排気ガス通路が設けられていることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンのシリンダヘッドであって、
更に、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間の領域において、冷却水が流通する冷却水通路の上方に、前記エンジンから排出された排気ガスが流通する排気ガス通路が設けられていることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド。
【請求項３】
エンジンの燃焼室に面するシリンダヘッド下面と、このシリンダヘッド下面の上方において冷却水が流通する冷却水通路とを有するエンジンのシリンダヘッドであって、
前記冷却水通路の上方には、熱を発生させる発熱手段が設けられていることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載のエンジンのシリンダヘッドであって、
前記発熱手段は、ニクロム線ないしグロープラグを用いて構成されていることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダヘッドに係り、詳しくは、燃焼室からの熱によってシリンダヘッドに作用する熱応力を緩和するのに有効なシリンダヘッドの構成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのシリンダヘッドは、エンジンの運転中にシリンダヘッド下面が燃焼室からの熱を受け過熱状態が形成される。このような過熱状態が形成されると、熱膨張によってシリンダヘッドに局部的な熱応力が作用する。そこで、熱応力が高まる箇所に例えばスリットを設けることで、熱応力が局部的に集中するのを回避する構成のシリンダヘッドが提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。また、リンダヘッド下面の上方に冷却水通路を設け、この冷却水通路を流通する冷却水によってシリンダヘッド下面側を冷却する構成のシリンダヘッドが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭６０−１５２０４３号公報（第２図）
【特許文献２】
特開２００２−２６６６９６号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように冷却水によってシリンダヘッド下面側を冷却する構成では、冷却水通路を挟んでシリンダヘッド下面側とシリンダヘッド上面側との間の温度勾配が大きくなり、かえってシリンダヘッドに作用する熱応力を上げてしまうことになる。すなわち、冷却水による冷却によってシリンダヘッド上面側の熱膨張が抑えられ、このシリンダヘッド上面側がシリンダヘッド下面側の熱膨張を妨げることで熱応力が上昇する。このような熱応力の上昇により、とりわけ吸気ポートと排気ポートとの間の領域、いわゆる弁間部分に特に熱応力が集中することとなる。
そこで、本発明者は、このような問題を解決するべく、冷却水によるシリンダヘッドの冷却構造が熱応力分布に与える影響について鋭意検討した。その検討の結果、本発明者は、冷却水通路の上方を暖めることによって熱応力分布が滑らかになり、シリンダヘッド上面側がシリンダヘッド下面側の熱膨張を妨げなくなり、結果としてシリンダヘッドに作用する熱応力の上昇を抑えることができることを見出すことに成功した。
本発明では、シリンダヘッド下面の上方に冷却水が流通する冷却水通路を有するシリンダヘッドにつき、このシリンダヘッドに作用する熱応力を緩和するのに有効な技術を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のエンジンのシリンダヘッドは、請求項１〜４に記載のように構成される。これら各請求項に係る発明は、例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジンのシリンダヘッドの構成技術に適用され得る。
【０００６】
請求項１に記載したシリンダヘッドには、吸気ポート、排気ポート、冷却水通路等が設けられている。吸気ポートは、燃焼室に連通しており、インテークマニホールドによって分流した吸気ガスを燃焼室へ導入する。排気ポートは、燃焼室に連通しており、燃焼室から排出された排気ガスをエグゾーストマニホールドへ導出する。シリンダヘッド下面は、エンジンの燃焼室に面する構成であり、燃焼室からの熱によって過熱状態となる。冷却水通路は、過熱状態となったシリンダヘッド下面側を冷却水によって冷却するためのものであり、シリンダヘッド下面の上方に配置されている。例えば、エンジンのラジエータ内で冷やされた冷却水がこの冷却水通路に通水される。
本発明では、エンジンから排出された排気ガスが流通する排気ガス通路がシリンダヘッド内に設けられている。この排気ガス通路は、吸気ポートを挟んで排気ポートと反対側の領域であって、しかも冷却水通路の上方に配置されている。シリンダヘッド下面の上方に冷却水通路を備える構成では、冷却水通路を挟んでシリンダヘッド下面側（冷却水通路の下方）とシリンダヘッド上面側（冷却水通路の上方）との間の温度勾配が大きくなり、かえって熱応力を上げてしまうことになる。すなわち、シリンダヘッド上面側の熱膨張が抑えられ、このシリンダヘッド上面側がシリンダヘッド下面側の熱膨張を妨げることで熱応力が上昇することとなる。そこで、本発明者が鋭意検討した結果、吸気ポートを挟んで排気ポートと反対側の領域であって冷却水通路の上方、すなわち吸気ポートを流通する低温の吸気ガスによって冷却され易い領域に排気ガス通路を配置することで、熱応力の緩和に有効であることを見出した。この構成では、排気ガス通路を流通する排気ガスの加熱作用によってシリンダヘッド上面の熱膨張を促進し、シリンダヘッド上面側がシリンダヘッド下面側の熱膨張を妨げないようにすることができる。これにより、シリンダヘッドに作用する熱応力を緩和することができる。とりわけ、吸気ポートと排気ポートとの間の領域である弁間部分における熱応力を効果的に緩和することが可能となる。なお、本発明の排気ガス通路は、ディーゼルエンジンに好適に設けられるＥＧＲ経路の一部によって構成されるのが好ましい。この場合、シリンダヘッドの排気ガス通路を通過した排気ガスの戻し先は吸気系となる。これにより、ＥＧＲ経路を利用して排気ガス通路を構成することができ合理的である。このＥＧＲ経路を利用せずに、シリンダヘッドの排気ガス通路を通過した排気ガスの戻し先を排気系に接続する構成を用いることもできる。
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、排気ガス通路を流通する排気ガスの加熱作用によってシリンダヘッド上面の熱膨張を促進することで、シリンダヘッドに作用する熱応力を緩和することが可能となる。とりわけ、吸気ポートと排気ポートとの間の領域である弁間部分における熱応力を効果的に緩和するのに有効である。
【０００７】
また、請求項２に記載のシリンダヘッドは、請求項１に記載の構成において、更に吸気ポートと排気ポートとの間の領域において、冷却水通路の上方に排気ガス通路を備えている。すなわち、本発明では、吸気ポートを挟んで排気ポートと反対側の領域と、吸気ポートと排気ポートとの間の領域の２つの領域に排気ガス通路が設けられている。これら両排気ガス通路は、各々独立して設けられてもよいし、互いに直列的ないし並列的に接続されて設けられてもよい。このような構成によれば、シリンダヘッドに作用する熱応力の緩和を更に良好に行うことが可能となる。
【０００８】
また、請求項３に記載のシリンダヘッドは、シリンダヘッド下面の上方に冷却水通路を備えている。この冷却水通路は、燃焼室からの熱によって過熱状態となったシリンダヘッド下面側を冷却水によって冷却するためのものであり、例えば、エンジンのラジエータ内で冷やされた冷却水が通水される。
本発明では、冷却水通路の上方に発熱手段が設けられている。この発熱手段は、冷却水通路の上方に熱応力の緩和に有効な所定量の熱を付与することが可能な構成を有し、この発熱手段としては、例えばニクロム線を用いた構成や、ディーゼルエンジンの予熱装置において使用されるグロープラグを用いた構成などがある。また、その他の発熱手段として、例えば、ウォータジャケットの上方に発熱室を設け、この発熱室において燃料を燃焼させたり薬剤を化合、分解させることで熱を発生させる構成を用いることもできる。このような構成によれば、発熱手段から付与される熱によってシリンダヘッド上面の熱膨張を促進することで、シリンダヘッドに作用する熱応力を緩和することが可能となる。とりわけ、吸気ポートと排気ポートとの間の領域である弁間部分における熱応力を効果的に緩和するのに有効である。
【０００９】
ここで、請求項３に記載の発熱手段は、請求項４に記載のようにニクロム線ないしグロープラグを用いて構成されるのが好ましい。ニクロム線ないしグロープラグから付与される熱によってシリンダヘッド上面の熱膨張が促進され、シリンダヘッドに作用する熱応力が緩和されることとなる。このような構成によれば、簡単な構造の発熱手段を実現することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態を図１〜図４を用いて説明する。なお、本実施の形態は本発明を内燃機関の１つであるディーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用したものである。ここで、図１は本実施の形態のエンジン１０まわりの構成を模式的に示す図である。図２は図１中のシリンダヘッド２０の部分断面図である。図３はシリンダヘッド２０のシリンダヘッド下面２０ａを燃焼室１０ａ側からみた様子を模式的に示す図である。図４はシリンダヘッド２０の構成を模式的に示す図である。なお、図２および図４中における矢印ＵＰはエンジン上方を示すものとする。
【００１１】
図１に示すように、エンジン１０（ディーゼルエンジン）には、吸気ガスが流通する吸気経路１と排気ガスが流通する排気経路２との間に、ＥＧＲ（イグゾースト・ガス・リサイキュレーション）経路３が設けられている。このＥＧＲ経路３は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系へ再循環させるものである。このＥＧＲ経路３には、シリンダヘッド２０、ＥＧＲクーラー４、ＥＧＲバルブ５等が配置されている。ＥＧＲクーラー４は、ＥＧＲ経路３を流れる高温のＥＧＲガスの冷却を行う。ＥＧＲバルブ５は、ＥＧＲ経路３を流れるＥＧＲガスの流量を調整する。
また、エンジン１０には、冷却水が循環する冷却水循環経路６が設けられている。この冷却水循環経路６には、エンジン１０のクランクシャフト（図示省略）に連結されて作動する冷却水ポンプ７、ラジエータ８、ＥＧＲクーラー４、シリンダヘッド２０等が配置されている。冷却水ポンプ７が作動することによりラジエータ８内で冷やされた冷却水が冷却水循環経路６を循環し、各機器において冷却を行う。
【００１２】
図２および図３に示すように、シリンダヘッド２０は、エンジン１０の燃焼室１０ａの上方（エンジン１０の上部）に配置され、この燃焼室１０ａに面するシリンダヘッド下面２０ａを有する。このシリンダヘッド２０には、吸気ポート（インテークポート）２１，２２、排気ポート（エグゾーストポート）２３，２４、冷却水循環経路６に接続されたウォータジャケット２５，２６，２７、ＥＧＲ経路３の一部を構成する排気ガス通路３０等が設けられている。
【００１３】
吸気ポート２１，２２は、インテークマニホールド（図示省略）によって分流した吸気ガスを各燃焼室１０ａへ導入する。排気ポート２３，２４は、各燃焼室１０ａから排出された排気ガスをエグゾーストマニホールド（図示省略）へ導出する。ウォータジャケット２５，２６，２７は、ラジエータ８から供給された冷却水を通水することでシリンダヘッド２０の過熱し易い箇所の冷却を行うための通路である。ウォータジャケット２５は、吸気ポート２１，２２を挟んで排気ポート２３，２４と反対側の第１領域（図２および図３中の右側の領域）Ａ１に設けられ、主にこの第１領域Ａ１の冷却に用いられる。ウォータジャケット２６は、吸気ポート２１，２２と排気ポート２３，２４との間の第２領域（図２および図３中の中央の領域）Ａ２に設けられ、主にこの第２領域Ａ２の冷却に用いられる。ウォータジャケット２７は、排気ポート２３，２４を挟んで吸気ポート２１，２２と反対側の第３領域（図２および図３中の左側の領域）Ａ３に設けられ、主にこの第３領域Ａ３の冷却に用いられる。これらウォータジャケット２５，２６，２７が、本発明における冷却水通路に対応している。
【００１４】
排気ガス通路３０は、本発明における排気ガス通路に対応するものであり、第１領域Ａ１においてウォータジャケット２５に沿って設けられている。この排気ガス通路３０はＥＧＲ経路３の一部を構成するため、排気経路２の排気ガスはこの排気ガス通路３０内を吸気経路１へ向けて流れるようになっている。この排気ガス通路３０は、図２中の左右方向に関してはウォータジャケット２５とほぼ同様の位置に配置され、図２中の上下方向に関してはウォータジャケット２５の上方であって、しかも吸気ポート２１，２２の下方において配置されている。これにより、第１領域Ａ１では、燃焼室１０ａとウォータジャケット２５との間に下壁部２０ｂが形成され、ウォータジャケット２５と排気ガス通路３０との間に上壁部２０ｃが形成される。このような構成の排気ガス通路３０に高温の排気ガスを流すことで、上壁部２０ｃ周辺を積極的に暖めることが可能となる。本発明者は、排気ガス通路３０の設置位置がシリンダヘッド２０における熱応力分布に与える影響について鋭意検討した結果、この排気ガス通路３０を上記のように配置することで、所望の熱応力分布が得られることを見出した。
【００１５】
ここで、排気ガス通路３０を設けることによって得られる作用効果を、図４を用いて説明する。
まず、排気ガス通路３０を設けないような構成では、ウォータジャケット２５を挟んでシリンダヘッド下面２０ａ側の下壁部２０ｂと、シリンダヘッド上面側の上壁部２０ｃとの間の温度勾配が大きくなり、冷却水による冷却によってかえって熱応力を上げてしまうことになる。すなわち、冷却水による冷却によって上壁部２０ｃの熱膨張が抑えられ、この上壁部２０ｃが下壁部２０ｂの熱膨張を妨げることで熱応力が上昇する。このような熱応力の上昇により、吸気ポート２１と排気ポート２３の間の弁間部分（図３中の弁間部２０ｄ）や、吸気ポート２２と排気ポート２４の間の弁間部分（図３中の弁間部２０ｅ）等に特に熱応力が集中することとなる。なお、排気ガス通路３０に流す排気ガスの流量は、シリンダヘッド２０における熱応力分布等に応じて適宜設定することができる。
【００１６】
これに対し、本実施の形態のような構成の排気ガス通路３０を設けることにより、第１領域Ａ１の上壁部２０ｃが排気ガス通路３０を流通する排気ガスの影響によって暖められ（加熱され）、図４中の矢印で示すように上壁部２０ｃの熱膨張を促進することができる。従って、第１領域Ａ１において上壁部２０ｃが下壁部２０ｂの熱膨張を妨げるのを回避することができ、シリンダヘッド２０に作用する熱応力を緩和することができる。結果として、吸気ポート２１と排気ポート２３の間の弁間部分（図３中の弁間部２０ｄ）や、吸気ポート２２と排気ポート２４の間の弁間部分（図３中の弁間部２０ｅ）に熱応力が集中するのを回避することが可能となる。とりわけ、第２領域Ａ２や第３領域Ａ３に比して、吸気ポート２１，２２を流通する低温の吸気ガスによって冷却され易い第１領域Ａ１に排気ガス通路３０を配置した本実施の形態は、熱応力の緩和に特に有効である。
【００１７】
以上のように、本実施の形態によれば、ウォータジャケット２５と吸気ポート２１，２２との間においてウォータジャケット２５に沿って排気ガス通路３０を配置することで、排気ガスによって上壁部２０ｃを暖め（加熱し）、上壁部２０ｃの熱膨張を促進し、シリンダヘッド２０に作用する熱応力を緩和することができる。特に、弁間部２０ｄや弁間部２０ｅにおける熱応力を緩和するのに有効である。
【００１８】
なお、本発明は上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００１９】
（Ａ）上記実施の形態のシリンダヘッド２０にかえて、例えば図５に示すような構成のシリンダヘッド１２０を用いることもできる。ここで、図５は別の実施の形態のシリンダヘッド１２０の構成を示す部分断面図である。なお、図５において、図２に示す要素と同一の要素には同一の符号を付している。
図５に示すシリンダヘッド１２０では、第１領域Ａ１の排気ガス通路３０に加え、更に第２領域Ａ２に排気ガス通路３１を備えている。この排気ガス通路３１は、ウォータジャケット２６の上方に配置され、また排気ガス通路３０と同様にＥＧＲ経路３に接続されている。これら排気ガス通路３０および排気ガス通路３１が本発明における排気ガス通路に対応する。これにより、領域Ａ１，Ａ２の上壁部２０ｃが排気ガスの影響によって加熱され、上壁部２０ｃの熱膨張を促進することができる。従って、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２において上壁部２０ｃが下壁部２０ｂの熱膨張を妨げるのを回避することができ、シリンダヘッド２０に作用する熱応力の緩和を更に良好に行うことができる。
【００２０】
（Ｂ）また、上記実施の形態では、シリンダヘッド２０の上壁部２０ｃを暖める手段として排気ガスを用いる場合について記載したが、例えば図６や図７に示すような別の手段を用いることもできる。ここで、図６は別の実施の形態のシリンダヘッド２２０の構成を模式的に示す図であり、図７は別の実施の形態のシリンダヘッド３２０の構成を模式的に示す図である。なお、これらの図において図４に示す要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００２１】
図６に示す実施の形態では、排気ガス通路３０を有するシリンダヘッド２０にかえて、例えばウォータジャケット２５の上方の上壁部２０ｃにニクロム線１３０が設置されたシリンダヘッド２２０を用いる。このニクロム線１３０は、通電により発熱する構成になっている。このニクロム線１３０が本発明における発熱手段を構成する。
【００２２】
また、図７に示す実施の形態では、排気ガス通路３０を有するシリンダヘッド２０にかえて、例えばウォータジャケット２５の上方の上壁部２０ｃにグロープラグ１３２が設置されたシリンダヘッド３２０を用いる。このグロープラグ１３２としては、ディーゼル−エンジンの予熱装置において使用される既知の構成のもの、いわゆるコイル型（直列接続型）やシーズ型（並列接続型）のものを用いる。このグロープラグ１３２は、通電により発熱するヒートコイル（図示）を内蔵している。このグロープラグ１３２が本発明における発熱手段を構成する。
【００２３】
図６や図７に示す構成によれば、排気ガス通路３０を流れる排気ガスと同様に、上壁部２０ｃの熱膨張を促進するべく上壁部２０ｃを暖める（加熱する）ことが可能となる。従って、排気ガス通路３０を用いる場合と同様の作用効果を奏する。また、ニクロム線１３０やグロープラグ１３２を用いることで、簡単な構成によって発熱手段を構成することが可能となる。
【００２４】
なお、ニクロム線１３０やグロープラグ１３２の設置数、設置箇所等は必要に応じて適宜変更可能である。また、ニクロム線１３０やグロープラグ１３２の設置箇所は、ウォータジャケット２５の上方に限定されるものではない。例えば、ウォータジャケット２６の上方のみに設置したり、あるいはウォータジャケット２５およびウォータジャケット２６の上方に設置することができる。また、ニクロム線１３０やグロープラグ１３２以外の他の発熱手段、例えば、ウォータジャケット２５，２６の上方に発熱室を設け、この発熱室において燃料を燃焼させたり薬剤を化合、分解させることで熱を発生させる構成を用いることもできる。また、ニクロム線１３０とグロープラグ１３２を組み合わせた構成や、排気ガス通路３０にこれらニクロム線１３０やグロープラグ１３２を加えた構成を用いることもできる。
【００２５】
（Ｃ）また、上記実施の形態では、ＥＧＲ経路３の一部を構成する排気ガス通路３０により排気経路２から吸気経路１へ戻る排気ガスの熱を用いて上壁部２０ｃを暖める場合について記載したが、排気ガス通路３０を通過した排気ガスの戻し先を排気経路２とする構成を用いることもできる。
【００２６】
（Ｄ）また、上記実施の形態では、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの構成技術について記載したが、ガソリンエンジンのシリンダヘッドの構成技術に本発明を適用することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリンダヘッド下面の上方に冷却水が流通する冷却水通路を有するシリンダヘッドにつき、このシリンダヘッドに作用する熱応力を緩和することができることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のエンジン１０まわりの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１中のシリンダヘッド２０の部分断面図である。
【図３】シリンダヘッド２０のシリンダヘッド下面２０ａを燃焼室１０ａ側からみた様子を模式的に示す図である。
【図４】シリンダヘッド２０の構成を模式的に示す図である。
【図５】別の実施の形態のシリンダヘッド１２０の構成を示す部分断面図である。
【図６】別の実施の形態のシリンダヘッド２２０の構成を模式的に示す図である。
【図７】別の実施の形態のシリンダヘッド３２０の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１０ａ…燃焼室
２０，１２０，２２０，３２０…シリンダヘッド
２０ａ…シリンダヘッド下面
２０ｂ…下壁部
２０ｃ…上壁部
２０ｄ，２０ｅ…弁間部
２１，２２…吸気ポート
２３，２４…排気ポート
２５，２６，２７…ウォータジャケット
３０…排気ガス通路
１３０…ニクロム線
１３２…グロープラグ
【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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