JP2014043772A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン１の排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を冷却してエンジン１の吸気側４へ導入させるためのＥＧＲ通路１２が一体に設けられているシリンダヘッド３において、ＥＧＲ通路１２内のＥＧＲガスの冷却効率を可及的に向上可能とする。
【解決手段】ＥＧＲ通路１２は、シリンダヘッド３内に設けられるウォータジャケット３ｄの近傍に設置されている。ＥＧＲ通路１２内において導入口１２ａ側から排出口１２ｂ側までの中間領域１２ｃには、シリンダヘッド３の区画用壁部１２ｄによって複数に区画された流通空間２１〜２３が互いに隣り合うように設けられており、導入口１２ａの中心と排出口１２ｂの中心とがオフセットされている。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷却液を利用してＥＧＲガスを冷却可能とする構造を備えたシリンダヘッドに関する。

従来、エンジン等の内燃機関では、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置が用いられている。ＥＧＲ装着は、ＥＧＲガスをシリンダヘッドの吸気側に導入させる関係より、ＥＧＲガスをシリンダヘッドの吸気側に戻す前にＥＧＲクーラで冷却するようにしている。

このＥＧＲクーラは、一般に、シリンダヘッドの外側に設置されるが、例えば特許文献１では、ＥＧＲクーラを用いずに、ＥＧＲガスを排気管からＥＧＲ取り出し管、シリンダヘッド内に設けているヘッド内通路、ＥＧＲバルブならびに第２ヘッド内通路を経て吸気マニホールドに導入させるようにしている。

前記第２ヘッド内通路は、シリンダヘッドの燃焼室配列方向（シリンダヘッドの長手方向）の一端側においてウォータジャケットの近傍に前記燃焼室配列方向と直交する方向（シリンダヘッドの短手方向）に沿って設けられている。

例えば特許文献２には、シリンダヘッドのウォータジャケット内にＥＧＲ通路部材を挿通するように設置する構成が開示されている。

前記ＥＧＲ通路部材は、シリンダヘッドの短手方向に沿って設置されるようになっている。このＥＧＲ通路部材は、複数の中空管を隣り合うように組み合わせた構成であり、例えばプレス成形可能な金属材料（例えば鉄系金属）で形成されている。各中空管の一方開口はＥＧＲガスの入口とされ、また、各中空管の他方開口はＥＧＲガスの出口とされている。そして、各中空管にＥＧＲガスが流通させられると、このＥＧＲガスがウォータジャケット内の冷却液と熱交換されて冷却されるようになっている。

例えば特許文献３には、シリンダヘッドのウォータジャケット内にＥＧＲ通路部を一体に成形した構成が開示されている。

前記ＥＧＲ通路部は、シリンダヘッドの短手方向に沿って設置されるようになっている。このＥＧＲ通路部は、複数の中空空間からなるＥＧＲ通路を櫛歯状に隣り合って連通するように設けた構成であり、例えばシリンダヘッドの鋳造時に同時に形成されるので、ＥＧＲ通路部はシリンダヘッドと同材料（アルミニウム合金）で形成されている。各中空空間の一方開口はＥＧＲガスの入口とされ、また、各中空空間の他方開口はＥＧＲガスの出口とされている。そして、各中空空間にＥＧＲガスが流通させられると、このＥＧＲガスがウォータジャケット内の冷却液と熱交換されて冷却されるようになっている。

特開２００４−２７８３４２号公報（図４、図７、段落００３４−００３７参照） 特開２０１１−２５２４４１号公報（図１−図５、段落００３０−００３２参照） 特開２０１１−１１１９３８号公報（図１−図４、段落００３７−００４０参照）

上記特許文献１では、シリンダヘッドに断面円形の単一の貫通孔からなる第２ヘッド内通路を設けているだけであるから、冷却性能が不十分である。

上記特許文献２，３は、シリンダヘッドに複数のＥＧＲ通路を設けているから、前記特許文献１に比べると、十分な冷却性能を発揮する。

しかしながら、上記特許文献２の場合、ＥＧＲ通路部材をシリンダヘッドと別体にしているので、組み付けの手間がかかるなど、製造コストが嵩む。上記特許文献３の場合、ＥＧＲ通路がシリンダヘッドと一体であるから、前記特許文献２のような組み付けの手間がかからない。

さらに、上記特許文献２の場合、前記ＥＧＲ通路を作るＥＧＲ通路部材がプレス成形可能な金属材料（例えば鉄系金属）であるために、特許文献３のようにＥＧＲ通路の仕切り部分をアルミニウム合金にしている場合に比べると、重量が重くなるとともに、ＥＧＲガスと冷却液との間の熱交換作用が劣ることが懸念される。

前記したように特許文献２よりも優れた特許文献３であっても、ＥＧＲ通路の断面形状が櫛歯状になっているために、そのＥＧＲ通路に連通されるＥＧＲガス導入用のパイプの端部形状およびＥＧＲガス排出用通路の端部形状が断面円形になっている場合には、ＥＧＲ通路へのＥＧＲガス導入時にＥＧＲガスが、櫛歯状のＥＧＲ通路の各櫛歯状の仕切り部分の端面に衝突する割合が多くなると考えられ、そのために、ＥＧＲ通路内に導入されるＥＧＲガスの流通速度が遅くなることが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、エンジンの排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を冷却してエンジン吸気側へ導入させるためのＥＧＲ通路が一体に設けられているシリンダヘッドにおいて、前記ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの冷却効率を可及的に向上可能とすることを目的としている。

本発明は、エンジンの排気ガスの一部を冷却してエンジン吸気側へ導入させるためのＥＧＲ通路が一体に設けられているシリンダヘッドであって、前記ＥＧＲ通路は、前記シリンダヘッド内に設けられるウォータジャケットの近傍に設置されており、このＥＧＲ通路内において前記排気ガスの導入口側および排出口側を除く中間領域には、前記シリンダヘッドの区画用壁部によって複数に区画された流通空間が互いに隣り合うように設けられており、前記導入口の中心と前記排出口の中心とがオフセットされている、ことを特徴としている。

この構成では、ＥＧＲ通路内に複数の流通空間が区画して設けられているから、当該各流通空間を区画する壁部がシリンダヘッドと同一材料となり、しかも、当該壁部の表面積が、ＥＧＲ通路内を単一空間とする場合に比べて大きくなる。これにより、ＥＧＲ通路を流通させられる排気ガス（ＥＧＲガス）の熱交換効率が、ＥＧＲ通路内を単一空間とする場合に比べて向上するようになるので、ＥＧＲガスの冷却性能が向上する。

しかも、ＥＧＲ通路内に複数の流通空間を区画して設けることによって当該ＥＧＲ通路の中間領域が幅広になるものの、前記ＥＧＲ通路における導入口側と排出口側とをオフセットして配置しているから、前記ＥＧＲガスが導入口側から流入したときに、当該ＥＧＲガスが前記幅広な中間領域内を偏って流れることなく、ほぼ全域に分散されて流れるようになる。

好ましくは、前記導入口側は、前記排出口側よりも前記ウォータジャケットに近い位置に配置することができる。

この場合、ＥＧＲ通路の導入口側をシリンダヘッドのウォータジャケットに近づけているから、導入口に導入される高温のＥＧＲガスが速やかに冷却されることになるなど、熱交換効率が向上する。

好ましくは、前記中間領域は、前記導入口側および排出口側よりも幅広に設定することができ、また、前記導入口および前記排出口から前記中間領域への連接部分は、前記導入口側および排出口側から前記中間領域へ向けて漸次幅広になるように設定することができる。

この構成では、前記導入口側から流入する排気ガスが前記中間領域内から前記排出口側へ向けて分散しやすくなる。

好ましくは、前記ＥＧＲ通路内の区画用壁部には、当該区画用壁部を隔てて隣り合う流通空間を互いに連通するための連通路を設けることができる。

この構成では、複数の流通空間を流通するＥＧＲガスの一部が前記連通路を通って隣り合う流通空間へ流入するようになる。これにより、前記流入した一部のＥＧＲガスが流入した後で前記隣り合う流通空間を構成する壁部に衝突または触れるようになるが、それによって当該ＥＧＲガスの熱が前記壁部に移動しやすくなるので、さらに熱交換効率が向上する。

好ましくは、前記流通空間は、前記排気ガスの流通方向と直交する方向に長い長孔形状とすることができる。

この構成では、ＥＧＲ通路内における各流通空間の断面積を大きく保ちながら当該各流通空間の内面全域の表面積を大きくすることが可能になる。これにより、ＥＧＲガスの圧力損失（流通抵抗）を低くしたまま、熱交換効率を高めることが可能になる。

また、仮に、前記ＥＧＲ通路および複数の流通空間をシリンダヘッドの鋳造時に砂中子を用いて同時に形成する場合には、鋳造型への溶融金属が比較的スムースに流入するようになるので、前記ＥＧＲ通路および複数の流通空間の形状品質が良好となる。

本発明に係るシリンダヘッドは、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの冷却効率を可及的に向上することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドを備えるエンジンの概略構成を示す正面図である。 図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。 図２の（３）−（３）線断面の矢視図である。 図２のＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの流通形態を説明するために用いる拡大図である。 本発明の他実施形態に係るシリンダヘッドのＥＧＲ通路を示す図であり、図４に対応する図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るシリンダヘッドを備えるエンジンの概略構成を示す正面図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に本発明の一実施形態を示している。図中、１はエンジンの全体を示している。

このエンジン１は、直列多気筒型（この実施形態では４気筒型）エンジンである。このエンジン１のシリンダブロック２には、シリンダボア２ａが設けられており、このシリンダブロック２に搭載されるシリンダヘッド３には、シリンダボア２ａに対応して燃焼室の一部を構成する凹部３ａが設けられている。このシリンダヘッド３の吸気ポート３ｂには吸気管４が連通するように取り付けられており、また、シリンダヘッド３の排気ポート３ｃには、排気管５が連通するように取り付けられている。排気管５には、触媒コンバータ６が設けられている。

なお、シリンダヘッド３の内部には、図２に示すように、ウォータジャケット３ｄが設けられている。このウォータジャケット３ｄは、シリンダヘッド３の前端側（燃焼室配列方向１００の一端側）から後端側（燃焼室配列方向１００の他端側）の所定位置に設けられている。このウォータジャケット３ｄ内の冷却液は図示していない冷却ポンプにより流動される。

このエンジン１には、排気再循環装置（符号省略）が設けられている。この排気再循環装置は、排気管５に排出された排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気管４に導入させて吸入空気と混合させることにより、エンジン１の燃焼室内の燃焼温度を低下させて、窒素酸化物の低減化を図る。

具体的に、排気再循環装置は、取り出しパイプ１１、ＥＧＲ通路１２、導入パイプ１３、ＥＧＲバルブ１４などを備えている。

取り出しパイプ１１は、排気管５において触媒コンバータ６の下流側から排気ガスの一部を取り出してシリンダヘッド３内のＥＧＲ通路１２に導入させるものである。

ＥＧＲ通路１２は、シリンダヘッド３の内部に一体に設けられており、取り出しパイプ１１から導入されるＥＧＲガスを導入パイプ１３およびＥＧＲバルブ１４を経て吸気管４に導入させるものであり、前記ＥＧＲガスをシリンダヘッド３のウォータジャケット３ｄ内を流通する冷却液によって冷却できるようになっている。

導入パイプ１３は、シリンダヘッド３のＥＧＲ通路１２から排出されるＥＧＲガスを吸気管４に導入させるものである。

ＥＧＲバルブ１４は、ＥＧＲ通路１２と導入パイプ１３との連通連結部分に設置されており、ＥＧＲ通路１２から導入パイプ１３および吸気管４へのＥＧＲガスの排出量を制御するものである。

次に、図１から図４を参照して、ＥＧＲ通路１２を詳細に説明する。

図１および図２に示すように、ＥＧＲ通路１２は、シリンダヘッド３内において燃焼室配列方向１００の一端側（あるいは長手方向一端側、具体的にはシリンダヘッド３の前端側）に燃焼室配列方向１００と直交する方向（あるいは短手方向）に沿って当該方向の両端に向けてそれぞれ開放するように設けられている。

このＥＧＲ通路１２は、その排気ガス流通方向２００がシリンダヘッド３とシリンダブロック２との結合面にほぼ平行となる形態で設置されている。このことに加えて、図１に示すように、エンジン１が所定角度傾いた状態で車両に搭載される関係より、ＥＧＲ通路１２が導入口１２ａ側から排出口１２ｂ側へ向けて水平方向に対して斜め上向きに傾いた状態になる。

ＥＧＲ通路１２は、図２に示すように、シリンダヘッド３内に設けられるウォータジャケット３ｄの近傍に設置されている。

ＥＧＲ通路１２において導入口１２ａ側および排出口１２ｂ側までの中間領域１２ｃの燃焼室配列方向１００の寸法は、導入口１２ａ側および排出口１２ｂ側よりも大きく設定されている。

そして、図２および図４に示すように、導入口１２ａ側は、排出口１２ｂ側よりもウォータジャケット３ｄに近い位置にオフセットして配置されている。

導入口１２ａおよび排出口１２ｂから中間領域１２ｃへの連接部分の燃焼室配列方向１００の寸法は、導入口１２ａ側および排出口１２ｂ側から中間領域１２ｃへ向けて漸次大きく設定されている。

ＥＧＲ通路１２の中間領域１２ｃ内には、複数の区画用壁部１２ｄが設けられており、この区画用壁部１２ｄによって前記中間領域１２ｃ内に前記燃焼室配列方向１００に互いに隣り合うように複数に区画された複数の流通空間２１，２２，２３が設けられている。

この流通空間２１〜２３は、前記排気ガス流通方向２００と直交する方向（シリンダボア２ａの中心軸線に沿う方向）３００に長くされた長孔形状とされている。この流通空間２１〜２３の断面形状は、例えば図３に示すように、縦長長方形の長孔形状になっているが、その形状は、特に限定されず、例えば小判形状などとすることも可能である。

このように、ＥＧＲ通路１２内に複数の流通空間２１〜２３を区画して設けている場合には、当該ＥＧＲ通路１２の中間領域１２ｃが幅広になるものの、導入口１２ａ側と排出口１２ｂ側とをオフセットして配置しているから、ＥＧＲガスが導入口１２ａ側から流入したときに、図４に示すように、ＥＧＲガスが各流通空間２１〜２３にそれぞれ分散されて流れるようになって、ＥＧＲガスが前記幅広な中間領域１２ｃ内を偏って流れずに済むようになる。

また、図３に示すように、導入口１２ａは、ＥＧＲ通路１２の複数の流通空間２１，２２，２３においてウォータジャケット３ｄ寄りの流通空間２１に重なるように配置されており、排出口１２ｂは、ウォータジャケット３ｄから最も離れている流通空間２３に重なるように配置されている。これにより、導入口１２ａから導入されるＥＧＲガスが、ＥＧＲ通路の外周壁や区画用壁部１２ｄの端面に衝突する割合が少なくなるので、ＥＧＲ通路１２内に導入されるＥＧＲガスの流通速度が遅くなることが抑制または防止されるようになる。

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、シリンダヘッド３をＥＧＲガスの冷却を可能とする構造にしているから、シリンダヘッド３と別体のＥＧＲガスクーラをシリンダヘッド３に外付け設置する必要が無くなるか、あるいは外付けするＥＧＲガスクーラを小型化、簡素化することが可能になるなど、設備コストを低減することが可能になる。

しかも、この実施形態では、ＥＧＲ通路１２内に複数の流通空間２１〜２３を区画して設けているから、当該各流通空間２１〜２３を区画する壁部１２ｄがシリンダヘッド３と同一材料となり、しかも、当該区画用壁部１２ｄの表面積が、ＥＧＲ通路１２内を単一空間とする場合に比べて大きくなる。これにより、ＥＧＲ通路１２を流通させられる排気ガス（ＥＧＲガス）の熱交換効率が、ＥＧＲ通路１２内を単一空間とする場合に比べて向上するようになるので、ＥＧＲガスの冷却性能が向上する。

また、ＥＧＲ通路１２内に複数の流通空間２１〜２３を区画して設けることによって当該ＥＧＲ通路１２の中間領域１２ｃが幅広になるものの、導入口１２ａ側と排出口１２ｂ側とをオフセットしているから、ＥＧＲガスが導入口１２ａ側から流入したときに、当該ＥＧＲガスが前記幅広な中間領域１２ｃ内を偏って流れることなく、ほぼ全域に分散されて流れるようになる。しかも、ＥＧＲ通路１２の導入口１２ａ側をシリンダヘッド３のウォータジャケット３ｄに近づけているから、導入口１２ａに導入される高温のＥＧＲガスが速やかに冷却されることになるなど、熱交換効率が向上する。

さらに、この実施形態では、ＥＧＲ通路１２内における複数の流通空間２１〜２３の断面形状を例えば図３に示すような長孔形状にしているから、各流通空間２１〜２３の断面積を大きく保ちながらＥＧＲ通路１２の内面全域の表面積を大きくすることが可能になる。これにより、ＥＧＲガスの圧力損失（流通抵抗）を低くしたまま、熱交換効率を高めることが可能になる。

ところで、ＥＧＲ通路１２および複数の流通空間２１〜２３は、シリンダヘッド３の鋳造時に同時に砂中子を用いることにより形成することができる。そのため、ＥＧＲ通路１２および複数の流通空間２１〜２３を別加工で形成する場合に比べて製造工程数を少なくできて、シリンダヘッド３の製造コストの低減に貢献できるようになる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、直列４気筒型のエンジン１に用いるシリンダヘッド３を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気筒数やエンジン型式などは任意である。

（２）上記実施形態において、例えば図５に示すように、ＥＧＲ通路１２に設置される複数の区画用壁部１２ｄに、当該区画用壁部１２ｄを隔てて隣り合う流通空間２１〜２３を互いに連通するための連通路２４を設けるようにしてもよい。

この場合、複数の流通空間２１〜２３を流通するＥＧＲガスの一部が連通路２４を通って隣り合う流通空間２１〜２３へ流入するようになる。これにより、前記流入した一部のＥＧＲガスが流入後の流通空間２１〜２３を構成する壁部（１２ｄおよび、中間領域１２ｃの外周壁部の内面）に衝突または触れるようになるが、それによって当該ＥＧＲガスの熱が前記壁部（１２ｄおよび、中間領域１２ｃの外周壁部の内面）に移動しやすくなるので、さらに熱交換効率が向上するようになる。

（３）上記実施形態では、ＥＧＲ通路１２についてその排気ガス流通方向をシリンダヘッド３においてシリンダブロック２との結合面とほぼ平行とする形態で設置した例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図６に示すように、ＥＧＲ通路１２は、前記結合面から導入口１２ａまでの高さよりも前記結合面から排出口１２ｂまでの高さを高く設定する形態で設置することが可能である。

（４）上記実施形態では、ＥＧＲ通路１２内に設ける流通空間２１〜２３の数を３つにした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図示していないが、２つあるいは４つ以上とすることが可能である。

本発明は、エンジンの排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を冷却してエンジン吸気側へ導入させるためのＥＧＲ通路が一体に設けられているシリンダヘッドに好適に利用することが可能である。

１ エンジン
３ シリンダヘッド
３ａ シリンダヘッドの凹部（燃焼室の一部）
３ｃ シリンダヘッドの排気ポート
３ｄ シリンダヘッドのウォータジャケット
４ 吸気管
５ 排気管
１１ 取り出しパイプ
１２ ＥＧＲ通路
１２ａ ＥＧＲ通路の導入口
１２ｂ ＥＧＲ通路の排出口
１２ｃ ＥＧＲ通路の中間領域
１２ｄ 区画用壁部
１３ 導入パイプ
１４ ＥＧＲバルブ
２１〜２３ 流通空間

Claims (5)

1. エンジンの排気ガスの一部を冷却してエンジン吸気側へ導入させるためのＥＧＲ通路が一体に設けられているシリンダヘッドであって、
   前記ＥＧＲ通路は、前記シリンダヘッド内に設けられるウォータジャケットの近傍に設置されており、
   このＥＧＲ通路内において前記排気ガスの導入口側および排出口側を除く中間領域には、前記シリンダヘッドの区画用壁部によって複数に区画された流通空間が互いに隣り合うように設けられており、
   前記導入口の中心と前記排出口の中心とがオフセットされている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 請求項１に記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記導入口側は、前記排出口側よりも前記ウォータジャケットに近い位置に配置されている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
3. 請求項１または２に記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記中間領域は、前記導入口側および排出口側よりも幅広に設定され、
   前記導入口および前記排出口から前記中間領域への連接部分は、前記導入口側および排出口側から前記中間領域へ向けて漸次幅広になるように設定されている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記ＥＧＲ通路内の区画用壁部には、当該区画用壁部を隔てて隣り合う流通空間を互いに連通するための連通路が設けられている、ことを特徴とするシリンダヘッド。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載のシリンダヘッドにおいて、
   前記流通空間は、前記排気ガスの流通方向と直交する方向に長い長孔形状とされている、ことを特徴とするシリンダヘッド。

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