(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド（１８）内の燃焼室（１９）の上部に、燃焼室（１９）からシリンダヘッド（１８）に伝達される燃焼熱を冷却する冷却水通路（５３ａ，５４ａ，５５ａ）を備えた内燃機関において、
冷却水通路（５３ａ，５４ａ，５５ａ）は燃焼室（１９）を覆うように多層に形成され、冷却水通路（５３ａ，５４ａ，５５ａ）内の冷却水は、燃焼室（１９）からの燃焼熱の放射方向に対向するように、燃焼室（１９）に遠い側の層から近い側の層に向けて流れることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
冷却水通路（５３ａ，５４ａ，５５ａ）を通過して温度上昇した冷却水を他の補機（１２）の熱源として使用することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダヘッド内の燃焼室の上部に、燃焼室からシリンダヘッドに伝達される燃焼熱を冷却する冷却水通路を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダヘッドに燃焼室の上部を覆うように冷却水通路を形成し、熱負荷が大きい部分の冷却水通路に大量の冷却水を流通させるとともに、熱負荷が小さい部分の冷却水通路に少量の冷却水を流通させてシリンダヘッドを必要最小限に冷却することで、排気ガスの温度をできるだけ高温に維持して内燃機関の暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図るものが、特開２００１−２０７９０８号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の廃熱を高温の蒸気として最大限に回収するには、排気ガスの温度を高温に維持して排気通路に設けた蒸発器の性能を充分に発揮させるだけでは不充分であり、燃焼室からシリンダヘッドに伝達されて空気中に放散する熱を回収する必要がある。そのためには、燃焼室からシリンダヘッドに伝達される熱を、シリンダヘッドの燃焼室まわりに形成した冷却水通路を流れる水に効果的に回収させ、冷却水の温度をできるだけ高める必要がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、内燃機関の燃焼室からシリンダヘッドに伝達される熱を最大限に回収することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、シリンダヘッド内の燃焼室の上部に、燃焼室からシリンダヘッドに伝達される燃焼熱を冷却する冷却水通路を備えた内燃機関において、冷却水通路は燃焼室を覆うように多層に形成され、冷却水通路内の冷却水は、燃焼室からの燃焼熱の放射方向に対向するように、燃焼室に遠い側の層から近い側の層に向けて流れることを特徴とする内燃機関が提案される。
【０００６】
上記構成によれば、冷却水通路が燃焼室を覆うように多層に形成されているので、冷却水通路の全長を充分に長く確保してシリンダヘッドの燃焼室まわりを効果的に冷却することができる。しかも冷却水は燃焼室に遠い側の層から近い側の層に向けて流れるので、つまり冷却水は燃焼室からの燃焼熱の放射方向に対して逆方向に流れるので、シリンダヘッドと冷却水との温度差を冷却水通路の全域に亘って充分に確保し、冷却水によるシリンダヘッドの冷却効果を一層高めることができる。このように、内燃機関の最も高温になる燃焼室の周辺を効果的に冷却することで冷却水の温度を高めて廃熱回収効率を高めることができる。
【０００７】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、冷却水通路を通過して温度上昇した冷却水を他の補機の熱源として使用することを特徴とする内燃機関が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、冷却水通路を通過して温度上昇した冷却水を他の補機の熱源として使用するので、内燃機関の廃熱を無駄に捨てることなく有効に利用することができ、また冷却水の温度降下によりラジエータの小型化または廃止も可能になる。
【０００９】
尚、実施例の膨張機１２は本発明の補機に対応する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図６は本発明の一実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２は内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図、図３は図２の３部拡大図（図４の３−３線断面図）、図４は図３の４−４線断面図、図５は図４の５−５線断面図、図６は冷却ブロックにおける冷却水の流れ方向を示す模式図である。
【００１２】
図１には本発明が適用されるランキンサイクル装置の全体構成が示される。
【００１３】
内燃機関Ｅの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置は、内燃機関Ｅが排出する排気ガスで水を加熱して高温・高圧蒸気を発生させる第１の蒸発器１１と、第１の蒸発器１１で発生した高温・高圧蒸気により作動して機械エネルギーを発生する膨張機１２と、膨張機１２で仕事を終えた降温・降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１３と、凝縮器１３を出た水を貯留するリザーブタンク１４と、リザーブタンク１４に貯留した水を加圧する低圧ポンプ１５と、低圧ポンプ１５で加圧した水を更に加圧する高圧ポンプ１６とを備える。高圧ポンプ１６を出た水の大部分は内燃機関Ｅの排気ポート１７の下流に設けた第１の蒸発器１１に供給され、そこで高温・高圧蒸気になって膨張機１２に供給され、また前記高圧ポンプ１６を出た水の一部は排気ポート１７の外周部に設けた第２の蒸発器を通過して加熱された後、第１の蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。また低圧ポンプ１５を出た水は内燃機関Ｅのシリンダヘッド１８に供給され、そこで燃焼室１９からシリンダヘッド１８に伝達される熱と熱交換して加熱される。この加熱された水は膨張機１２において第１の蒸発器１１から供給される高温・高圧蒸気に温度や圧力を適宜適合させて合流することで蒸気となり、膨張機１２の出力向上に寄与する。
【００１４】
次に、低圧ポンプ１５から供給された水によるシリンダヘッド１８の冷却について説明する。
【００１５】
図２〜図５に示すように、内燃機関Ｅのシリンダブロック２１にはシリンダヘッド１８およびヘッドカバー２２が結合されており、シリンダブロック２１に収納したシリンダスリーブ２３に摺動自在に嵌合するピストン２４の上面とシリンダヘッド１８の下面との間に燃焼室１９が形成される。シリンダヘッド１８には燃焼室１９に連なる２個の吸気ポート２５および１個の排気ポート１７が形成されており、吸気ポート２５の下流端の吸気バルブ孔２７は吸気バルブ２８で開閉され、排気ポート１７の上流端の排気バルブ孔２９は排気バルブ３０で開閉される。吸気ポート２５はシリンダヘッド１８に直接形成されるが、排気ポート１７はシリンダヘッド１８と別部材で構成されてシリンダヘッド１８に嵌め込まれる。
【００１６】
シリンダヘッド１８には、単一のカムシャフト３１と、吸気ロッカーアームシャフト３２と、排気ロッカーアームシャフト３３とが支持される。吸気ロッカーアームシャフト３２に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム３４は、その一端がカムシャフト３１に設けた吸気カム３５に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド１８に設けたバルブガイド３６に摺動自在に支持されてバルブスプリング３７で上方に付勢された吸気バルブ２８のステムエンドに当接する。また排気ロッカーアームシャフト３３に揺動自在に支持された排気ロッカーアーム３８は、その一端がカムシャフト３１に設けた排気カム３９に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド１８に設けたバルブガイド４０に摺動自在に支持されてバルブスプリング４１で上方に付勢された排気バルブ３０のステムエンドに当接する。
【００１７】
シリンダヘッド１８に設けた２個のガイド筒４２の内部に、下端が燃焼室１９に臨むスパークプラグ４３が設けられる。またシリンダヘッド１８の排気ポート１７の外側はラッパ状に拡径しており、そこに第１の蒸発器１１の一部が嵌合して固定される。
【００１８】
燃焼室１９の天井壁を構成する冷却ブロック５１は、全体として燃焼室１９の壁面に略相似の積層体をなしており、シリンダヘッド１８の下面に嵌合するように固定される。冷却ブロック５１は４個の部材を上下方向に積層してなり、最も外側のケーシング５２と、その下側の上層ブロック５３と、その下側の中層ブロック５４と、その下側の下層ブロック５５とから構成されるもので、下層ブロック５５の下面に燃焼室１９の天井壁と吸気バルブ孔２７と吸気バルブ孔２９とが形成される。
【００１９】
上層ブロック５３、中層ブロック５４および下層ブロック５５の上面および側面には迷路状の溝が形成されており、上層ブロック５３の溝はケーシング５２の内面との間に迷路状の冷却水通路５３ａを構成し、中層ブロック５４の溝は上層ブロック５３の下面およびケーシング５２の内面との間に冷却水通路５４ａを構成し、下層ブロック５５の溝は中層ブロック５４の下面およびケーシング５２の内面との間に冷却水通路５５ａを構成する。シリンダヘッド１８には冷却水供給通路５６および冷却水排出通路５７が形成されており、冷却水供給通路５６は高温になるスパークプラグ４３のガイド筒４２の周囲を通って上層ブロック５３の冷却水通路５３ａに連通し、冷却水排出通路５７は下層ブロック５５の冷却水通路５５ａに連通する。
【００２０】
図６に模式的に示すように、冷却ブロック５１の上層ブロック５３の冷却水通路５３ａと、中層ブロック５４の冷却水通路５４ａと、下層ブロック５５の冷却水通路５５ａとは全体として直列に接続されており、低圧ポンプ１５からの低温の水が冷却水供給通路５６を介して上層ブロック５３の冷却水通路５３ａの上流端に供給されるとともに、下層ブロック５５の冷却水通路５５ａの下流端からの高温の水が冷却水排出通路５７を介して膨張機１２に供給される。即ち、低圧ポンプ１５からの低温の水は、燃焼室１９から最も遠いために比較的に温度が低い上層ブロック５３の冷却水通路５３ａを通過した後に、燃焼室１９からの距離が中程度であるために温度が中程度の中層ブロック５４の冷却水通路５４ａを通過し、最後に燃焼室１９に最も近いために比較的に温度が高い下層ブロック５５の冷却水通路５５ａを通過することになる。
【００２１】
このように、上層ブロック５３、中層ブロック５４および下層ブロック５５を３層に重ねて全長の長い迷路状の冷却水通路５３ａ，５４ａ，５５ａを構成したので、高温になる燃焼室１９まわりのシリンダヘッド１８との間で充分に熱交換を行って冷却効果を高めることができる。しかも燃焼室１９から遠くなるほど温度が低下するシリンダヘッド１８の温度勾配と逆方向に冷却水を流すことで、つまり燃焼室１９に遠い位置から近い位置に向けて冷却水を流すことで、シリンダヘッド１８と冷却水との間の温度差を冷却水通路５３ａ，５４ａ，５５ａの全域で充分に確保して熱交換効率を最大限に高め、シリンダヘッド１８を効果的に冷却しながら冷却水を効果的に加熱することができ、これにより膨張機１２の出力向上に最大限に寄与することができる。また冷却ブロック５１内を流れる冷却水でシリンダヘッド１８を充分に冷却することができるので、通常のウオータジャケットおよびラジエータに冷却水を循環させる冷却系の負荷を軽減し、ラジエータを小型化することができる。
【００２２】
図２および図５から明らかなように、シリンダヘッド１８と別体の排気ポート１７は、肉厚の部材で構成した内側の排気ポート本体５８と、その外側を覆う薄肉のカバー５９とから構成されており、排気ポート本体５８の表面に形成した迷路状の溝とカバー５９との間に冷却水通路５８ａが形成される。冷却水通路５８ａは冷却水入口６０および冷却水出口６１を備えており、高圧ポンプ１６を出た水の一部は冷却水入口６０から排気ポート１７の冷却水通路５８ａに流入し、最も熱負荷が大きい排気ポート１７を冷却した後に、冷却水出口６１から第１の蒸発器１１の中間部に供給される。
【００２３】
このように、排気ポート１７を通過する排気ガスの廃熱を有効に回収した冷却水を第１の蒸発器１１の中間部に供給することにより、第１の蒸発器１１の性能を一層高めて膨張機１２の出力を最大限に発揮させることができる。
【００２４】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００２５】
例えば、実施例では冷却ブロック５１を上層ブロック５３、中層ブロック５４および下層ブロック５５の３層に構成しているが、２層あるいは４層以上に構成することができる。
【００２６】
また実施例では加熱した冷却水をランキンサイクル装置の膨張機１２に供給しているが、熱電素子等の他の補機の熱源として利用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、冷却水通路が燃焼室を覆うように多層に形成されているので、冷却水通路の全長を充分に長く確保してシリンダヘッドの燃焼室まわりを効果的に冷却することができる。しかも冷却水は燃焼室に遠い側の層から近い側の層に向けて流れるので、つまり冷却水は燃焼室からの燃焼熱の放射方向に対して逆方向に流れるので、シリンダヘッドと冷却水との温度差を冷却水通路の全域に亘って充分に確保し、冷却水によるシリンダヘッドの冷却効果を一層高めることができる。このように、内燃機関の最も高温になる燃焼室の周辺を効果的に冷却することで冷却水の温度を高めて廃熱回収効率を高めることができる。
【００２８】
また請求項２に記載された発明によれば、冷却水通路を通過して温度上昇した冷却水を他の補機の熱源として使用するので、内燃機関の廃熱を無駄に捨てることなく有効に利用することができ、また冷却水の温度降下によりラジエータの小型化または廃止も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図
【図３】図２の３部拡大図（図４の３−３線断面図）
【図４】図３の４−４線断面図
【図５】図４の５−５線断面図
【図６】冷却ブロックにおける冷却水の流れ方向を示す模式図
【符号の説明】
１２        膨張機（補機）
１８        シリンダヘッド
１９        燃焼室
５３ａ      冷却水通路
５４ａ      冷却水通路
５５ａ      冷却水通路
【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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