(57)【要約】【課題】シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路を有するエンジンのシリンダヘッドにおいて、吸気ポートと排気ポートとの間の領域、いわゆるＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和する上で有効な技術を提供する。【解決手段】シリンダヘッド３０は、シリンダブロック２０との合わせ部を通る水孔３７，３８を有する。この水孔３７，３８は、シリンダヘッド３０に形成される冷却水通路３５，３６と、シリンダブロック２０に形成される冷却水通路２１とを連通する。シリンダヘッド下面３０ａに、水孔３７，３８を取り囲むように略リング状の遮熱プレート４０を設け、この遮熱プレート４０により、水孔３７，３８を流通する冷却水と、水孔３７，３８の周辺領域との間での熱伝達を遮断または抑制する構成とした。【選択図】  図２
2004197677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路を有するエンジンのシリンダヘッドであって、
シリンダヘッド下面であって前記冷却水水路の周辺領域に、該周辺領域と前記冷却水水路を流通する冷却水との間での熱伝達を遮断または抑制する遮熱壁を設け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】
請求項１に記載のエンジンのシリンダヘッドであって、前記遮熱壁は、前記冷却水水路の周囲を取り囲むように配置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。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンのシリンダヘッドであって、前記冷却水水路は、前記遮熱壁によって形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】
この発明は、例えばディーゼルエンジンに用いられるシリンダヘッドに関し、詳しくは、燃焼室からの熱によってシリンダヘッド下面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造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダヘッド下面は、エンジンの運転中、常に燃焼室からの熱を受ける部位であり、熱負荷が厳しく、その熱応力が問題となるが、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（以下、ＩＮ−ＥＸ弁間部という。）に関する熱応力が問題になる。ところで、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力は、シリンダヘッド下面のうち、高温となるＩＮ−ＥＸ弁間部と、吸気ポートまたは排気ポートを挟んでＩＮ−ＥＸ弁間部の反対側の低温となる外側領域との熱膨張差により、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱膨張が拘束されることで発生すると考えられる。このことから、例えば、ＩＮ−ＥＸ弁間部に熱伝導率の高い銅ブロックを鋳込み、その銅ブロックに冷却水通路を設けて、ＩＮ−ＥＸ弁間部の温度を低減し、ＩＮ−ＥＸ弁間部と外側領域との熱膨張差を極力小さくすることによって、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和するようにした技術が提案されている。このようなＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力の緩和技術は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６３−８００４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ディーゼルエンジンは、高出力化の傾向にあり、それに伴いＩＮ−ＥＸ弁間部の熱負荷が益々増大することになる。これに対応するために、ＩＮ−ＥＸ弁間部を冷却するために設定される冷却水通路は、最大限確保されてきており、今後、冷却水通路をさらに拡大して、ＩＮ−ＥＸ弁間部の温度低減を図るには、技術的に限界がある。よって、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和するには、新たな解決手法が必要である。
【０００５】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路を有するエンジンのシリンダヘッドにおいて、吸気ポートと排気ポートとの間の領域、いわゆるＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和する上で有効な技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明に係るエンジンのシリンダヘッドは、特許請求の範囲の請求項１〜３に記載の通りに構成される。なお、これら各請求項に係る発明は、シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路を有するエンジンのシリンダヘッドにおいて、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和する上で有効な技術であり、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。
【０００７】
一般に、シリンダヘッドには、吸気ポートまたは排気ポートを挟んでＩＮ−ＥＸ弁間部の反対側の領域には、シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路が形成されている。上記の冷却水水路の周辺を外側領域としたとき、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力は、シリンダヘッド下面のうち、高温となるＩＮ−ＥＸ弁間部と、低温となる外側領域との熱膨張差により、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱膨張が拘束されることで発生する。したがって、熱応力を緩和するには、ＩＮ−ＥＸ弁間部と外側領域との温度差を小さくし、熱膨張差を小さくすることが有効である。
【０００８】
そこで、請求項１に記載のエンジンのシリンダヘッドでは、シリンダヘッド下面であって冷却水水路の周辺領域に、該周辺領域と冷却水水路を流通する冷却水との間での熱伝達を遮断または抑制する遮熱壁を設けている。すなわち、請求項１の発明では、冷却水水路の周辺領域を外側領域としたとき、その外側領域と冷却水水路を流通する冷却水との間での熱伝達を遮熱壁によって遮断または抑制することにより、外側領域の温度を現状よりも高く維持できるようにしたものである。このことにより、シリンダヘッド下面におけるＩＮ−ＥＸ弁間部と外側領域との間の温度差が小さくなり、それに伴いＩＮ−ＥＸ弁間部と外側領域との間の熱膨張差を小さくできる。その結果、ＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和することが可能となり、耐久性を向上することができる。なお、遮熱壁としては、例えばセラミックが好適に用いられる。
【０００９】
請求項２に記載のエンジンのシリンダヘッドでは、遮熱壁は、冷却水水路の周囲を取り囲むように配置される構成としている。この場合において、請求項３に記載したように、冷却水水路は、遮熱壁によって形成されていることが好ましい。上記のように、冷却水水路の周りを遮熱壁で取り囲む構成によれば、冷却水水路が設定される外側領域の温度低減を効果的に抑えることができ、また、冷却水水路を遮熱壁で形成する構成によれば、冷却水による温度低減をより直接的に抑えることができるため、熱伝達の遮断あるいは抑制効果がより向上する。
【００１０】
なお、１つの燃焼室に関して吸気ポート側と排気ポート側にそれぞれ冷却水水路が複数個ずつ備えられている構成の場合、遮熱壁で冷却水水路の周りを取り囲む構成としては、１つの冷却水水路ごとに遮熱壁で取り囲む構成、あるいは吸気ポート側の複数の冷却水水路を１つのグループとし、また排気ポート側の複数の冷却水水路を１つのグループとし、それらグループをそれぞれ遮熱壁で取り囲む構成、さらには全ての冷却水水路を１つの遮熱壁で取り囲む構成が可能である。また、シリンダヘッド下面への遮熱壁の組付けは、シリンダヘッドの鋳造時に当該部位に鋳込むことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。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はシリンダヘッド下面を示す平面図であり、図２は図１のII−II線に基づく断面図である。また、図３はシリンダヘッド下面の温度分布を示す模式図である。
【００１２】
図２に示すように、エンジン１０は、例えばアルミニューム合金製のシリンダブロック２０およびシリンダヘッド３０を有する。シリンダヘッド３０は、シリンダブロック２０の上部に配置され、エンジン１０の燃焼室１０ａに面し、あるいはシリンダブロック２０の上面にガスケット（図示省略）を介して当接されるシリンダヘッド下面３０ａを有する。このシリンダヘッド３０には、図１あるいは図２に示すように、吸気ポート３１、排気ポート３２、噴射孔３３、冷却水通路（ウオータージャケット）３４、３５，３６等が設けられている。なお、シリンダヘッド３０とシリンダブロック２０とは、図示省略の複数のボルトによって締結されるが、図１にはシリンダヘッド３０に形成されるボルトの通し孔が符号３９によって示されている。
【００１３】
吸気ポート３１は、燃焼室１０ａごとに、各２個設けられ、インテークマニホールド（図示省略）から分流した吸気ガスを燃焼室１０ａに導入する。排気ポート３２は、燃焼室１０ａごとに、各２個設けられ、燃焼室１０ａから排出される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。噴射孔３３は、各燃焼室１０ａに１個設けられ、この噴射孔３３を通して燃料が燃料噴射ノズル（図示省略）によって燃焼室１０ａ内に噴射される。
【００１４】
冷却水通路３４、３５，３６は、ラジエータ（図示省略）から供給された冷却水を流通することでシリンダヘッド３０を冷却するための通路である。図２に示すように、１つの冷却水通路３４は、吸気ポート３１と排気ポート３２間の領域に燃焼室１０ａの並び方向（図１における紙面の上下方向）に沿って設けられ、吸気ポート３１と排気ポート３２間の領域の冷却に用いられる。また、他の１つの冷却水通路３５は、吸気ポート３１の外側の領域に燃焼室１０ａの並び方向に沿って設けられ、吸気ポート３１の外側領域の冷却に用いられる。さらに他の冷却水通路３６は、排気ポート３２の外側の領域に燃焼室１０ａの並び方向に沿って設けられ、排気ポート３２の外側領域の冷却に用いられる。
【００１５】
また、シリンダヘッド３０には、吸気ポート３１を挟んで排気ポート３２の反対側の領域に、シリンダヘッド下面３０ａを通る（貫通する）水孔３７が設けられている。この水孔３７は吸気ポート３１ごとに設けられており、吸気ポート側の冷却水通路３５に連通している。また、排気ポート３２を挟んで吸気ポート３１の反対側の領域に、シリンダヘッド下面３０ａを通る（貫通する）水孔３８が設けられている。この水孔３８は排気ポート３２ごとに設けられており、排気ポート側の冷却水通路３６に連通している。そして、上記の水孔３７，３８は、シリンダブロック２０に形成された冷却水通路（ウオータージャケット）２１に連通されている。すなわち、上記の水孔３７，３８は、シリンダブロック２０側の冷却水通路２１とシリンダヘッド３０側の冷却水通路３５，３６とを連絡する水路であり、本発明でいう冷却水水路に対応する。
【００１６】
上記のようなシリンダヘッド３０の構造において、シリンダヘッド下面３０ａにおける水孔３７，３８の周辺領域には、遮熱壁としての略リング状に形成された遮熱プレート４０が設けられている。この遮熱プレート４０は、該遮熱プレート４０を取り囲む周辺領域と、水孔３７，３８を流通する冷却水との間での熱伝達を遮断または抑制するために設定されている。遮熱プレート４０としては、シリンダヘッド３０の材料である、例えばアルミニューム合金よりも熱伝導率の低い材料、例えばセラミックが用いられる。本実施の形態においては、遮熱プレート４０は、水孔３７，３８の周囲を取り囲んでおり、それ自体が水孔３７，３８を形成している。遮熱プレート４０はその下面がシリンダヘッド下面３０ａと面一となるようにシリンダヘッド３０内に埋め込まれている。なお、遮熱プレート４０のシリンダヘッド３０に対する取り付けは、シリンダヘッド３０の鋳造時に当該部位に鋳込むことで実現される。
【００１７】
通常、燃焼室１０ａの熱を受けるシリンダヘッド下面３０ａの温度分布は、図３に示す通りである。図示のように、シリンダヘッド下面３０ａのうち、燃焼室１０ａに面する箇所の、特に吸気ポート３１と排気ポート３２との間の領域、吸気ポート３１相互間の領域、排気ポート３２相互間の領域、すなわち、噴射孔３３の周りの斜線Ａで示す領域が最も高い。そして、外側の領域に向かって順次低くなり、斜線Ｂで示すシリンダブロック２０との合わせ部に相当する領域が最も低くなっている。そして、シリンダヘッド下面３０ａは、燃焼室１０ａの熱を受けることで図３にＰ矢印で示すエンジン１０の長手方向（燃焼室１０ａの並び方向）に熱膨張する。
ここで、吸気ポート３１と排気ポート３２の間に位置する弁間部をＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂとし、水孔３７，３８の周りの領域を外側領域３０ｃとすると、シリンダヘッド下面３０ａのうち、ＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂの熱膨張が大きく、外側領域３０ｃの熱膨張は小さい。このような、高温領域となるＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂと、低温領域となる外側領域３０ｃとの熱膨張差により、ＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂの熱膨張が拘束されることで該ＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂ熱応力が発生することになる。
【００１８】
しかるに、本実施の形態によれば、水孔３７，３８の周りに遮熱プレート４０を設けてあるため、外側領域３０ｃの温度分布が低温となる原因の１つである、水孔３７，３８を流通する冷却水と外側領域３０ｃとの間での熱伝達を遮熱プレート４０によって遮断または抑制することができる。これにより、冷却水による外側領域３０ｃの温度低減が抑えられ、外側領域３０ｃを遮熱プレート４０がない構造よりも高い温度分布に維持することが可能となる。その結果、ＩＮ−ＥＸ弁間部３０ｂの熱応力を緩和して耐久性を向上することができる。
【００１９】
しかも、本実施の形態では、遮熱プレート４０が直接に水孔３７，３８を形成する構造であるから、該水孔３７，３８を流れる冷却水と外側領域３０ｃとの間での熱伝達の遮断あるいは抑制をより効率的に実現することができる。
【００２０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することが可能である。
上述した実施の形態では、遮熱プレート４０で水孔３７，３８を形成したが、例えば図４に示すように、略リング状の遮熱プレート４０を水孔３７，３８に対して所定の間隔を隔てる形態で設けてもよい。このような構成によっても水孔３７，３８を流通する冷却水による遮熱プレート４０の外側領域３０ｃの温度低減を抑えることができる。
また、図５に示すように、吸気ポート３１側の２つの水孔３７を１つのグループとし、それを１つの遮熱プレート４１によって取り囲む構成、また排気ポート３２側の２つの水孔３８を１つのグループとし、それを１つの遮熱プレート４１によって取り囲む構成としてもよい。このような構成によれば、シリンダヘッド３０に遮熱プレート４１を鋳込む際、部品点数が少なくなり、鋳型内へのセッテイングが容易になる。
【００２１】
さらには、図６に示すように、図５に示した例の変更例として、水孔３７，３８の半周を遮熱プレート４２によって取り囲むような構成に変更してもよい。また、図示はしないが、吸気ポート３１側の水孔３７および排気ポート３２側の水孔３８を１つの遮熱プレートで取り囲む構成に変更してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、シリンダブロックとの合わせ部を通る冷却水水路を有するエンジンのシリンダヘッドにおいて、吸気ポートと排気ポートとの間の領域、いわゆるＩＮ−ＥＸ弁間部の熱応力を緩和する上で有効な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るシリンダヘッド下面を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線に基づく断面図である。
【図３】シリンダヘッド下面の温度分布を示す模式図である。
【図４】他の実施形態のシリンダヘッド下面を示す平面図である。
【図５】他の実施形態のシリンダヘッド下面を示す平面図である。
【図６】他の実施形態のシリンダヘッド下面を示す平面図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１０ａ…燃焼室
２０…シリンダブロック
３０…シリンダヘッド
３０ａ…シリンダヘッド下面
３０ｂ…ＩＮ−ＥＸ弁間部
３０ｃ…外側領域
３７，３８…水孔（冷却水水路）
４０…遮熱プレート（遮熱壁）
【図１】
2004197677.tif 000003
【図２】
2004197677.tif 000004
【図３】
2004197677.tif 000005
【図４】
2004197677.tif 000006
【図５】
2004197677.tif 000007
【図６】
2004197677.tif 000008