JP2004340001A - エンジンのウォータジャケット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エンジンのウォータジャケット構造に関し、大幅な設備の変更やコスト増及び重量増をともなうことなく既存のエンジンのウォータジャケットの浅底化を図るようにする。
【解決手段】ウォータジャケット３の底部に低熱伝導率の材質５を充填する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンを冷却するために設けられたウォータジャケットの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６（ａ）は一般的なエンジンの模式的な横断面図であって、図示するようにシリンダブロック２には冷却水が通るウォータジャケット３が形成されている。このウォータジャケット３はシリンダライナ４に沿うように上下方向の全域に亘って形成されており、冷却水がこのウォータジャケット３を通る際にエンジン１から熱を奪うことでエンジン１の冷却（特にこの場合にはシリンダブロック２の冷却）が行なわれる。
【０００３】
ところで、シリンダ上方では燃焼室に近いためシリンダブロック２の温度も高温に達するがシリンダ下方では比較的燃焼室に遠く、このためシリンダ上方ほど高温状態とはならない。したがって、シリンダライナ４の下方までウォータジャケット３を形成したような従来のウォータジャケット構造では、シリンダ上方を適当な温度まで冷却しようとすると、シリンダの下方では過冷却となり、温度分布が不均一となる。この結果、シリンダライナ４に熱変形が生じ、耐久性や信頼性の低下を招くことになる。
【０００４】
一方、ウォータジャケット深さを浅底化することで、シリンダライナ４の上下方向の温度分布を略一定とすることができ、シリンダライナ４の熱変形を低減できることが知られている。また、この場合にはライナ下部の過冷却を抑制でき、これによりフリクションロスの低減を図ることができることも知られている。
なお、特許文献１には、ウォータジャケットを浅底化した技術が開示されている。具体的には、シリンダ壁面を高温に維持してフリクションの低減を図るために、ウォータジャケットの底面をピストンが下死点にあるときのピストンリング位置に略相当する位置に設定した技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１７１０３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般にシリンダブロック２のウォータジャケット３は鋳造により成型されており、既存のエンジン１のジャケット深さを単に浅底化する場合〔図６（ｂ）参照〕、鋳造型（上型及び主型）やジャケット中子の変更が必要となるほか、シリンダブロック２の構造変更にともない応力分布が変化するため、新たに耐久性や信頼性の確認を必要とし、多大なコストや工数を要するという課題がある。
【０００７】
また、比較的変更点の少ない手法として、鋳造の上型のみ、又はウォータジャケットの中子のみを変更してウォータジャケット３の浅底化を図ることも考えられるが、この場合、図６（ｃ）に示すように、ウォータジャケット３を浅底化した分だけ、シリンダブロック２に無駄な部分（駄肉という）２ａが増え、この駄肉２ａの分だけ重量が増大するという課題がある。
【０００８】
なお、上記特許文献１に開示された技術は、既存のエンジンのウォータジャケットを浅底化するようなものではなく、単にウォータジャケットの深さを従来よりも浅く設計したものに過ぎない。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、大幅な設備の変更や、コスト増及び重量増をともなうことなく既存のエンジンのウォータジャケットの浅底化を図るようにした、エンジンのウォータジャケット構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のエンジンのウォータジャケット構造は、ウォータジャケットの底部に低熱伝導率の材質を充填することにより、上記ウォータジャケットの浅底化が図られる。
なお、上記の低熱伝導率の材質としては樹脂又はゴムが好ましく、樹脂としてはポリアミド，ポリプロピレン及びポリウレタンのいずれかを適用するのが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造について説明すると、図１はその要部構成を示す模式的な断面図であって、１はエンジン、２はシリンダブロック、３は上記シリンダブロック２に形成されたウォータジャケットである。
【００１１】
ここで、図１に示すシリンダブロック２は、基本的には従来技術の欄でも説明したような既存のシリンダブロックと同様に構成されている。すなわち、このシリンダブロック２には、シリンダライナ４に沿って全域に亘ってウォータジャケット３が形成されており、上記ウォータジャケット３に冷却水が通ることによりエンジン１の冷却が行なわれるようになっている。
【００１２】
ところで、図示するように、このウォータジャケット３の底部には、充填材５が注入されている。そして、このような充填材５をウォータジャケット３の底部に注入することによりウォータジャケット３の浅底化が図られている。
そして、このような構成でウォータジャケット３の浅底化を図ることにより、エンジン生産のための既存設備をほとんど変更することなくウォータジャケット３を浅底化することができる。また、このような充填材５を用いてウォータジャケット３を浅底化することで、ウォータジャケット３の下方では冷却水が流れなくなり、シリンダライナ４の下部の過冷却を防止できる。
【００１３】
また、図２に示すように、ウォータジャケット３の下部にウォータポンプ（図示省略）等、外部と連通する穴（冷却水通路）６が存在する場合には、図３（ａ）に示すように、充填材５の注入時にこの冷却水通路６から成形型７を挿入してから充填材５が注入されるようになっている。これにより、図３（ｂ）に示すように、充填材５によって冷却水通路６が閉塞されるのを防止でき、冷却水通路６を確保できる。
【００１４】
ところで、充填材５としては、冷却水やシリンダブロック２よりも熱容量が小さく、熱伝導率が低く、且つ比重も小さいものが好ましく、具体的には、樹脂やゴムが好ましい。また、樹脂であれば、例えばポリアミド，ポリプロピレン及びポリウレタン等を用いるのが好ましい。
ここで、図４は上記の各樹脂の比重，単位体積当たり熱容量（以下、単に熱容量という）及び熱伝導率について、冷却水（クーラント）を１とした場合の比較結果を示すものである。なお、各樹脂材以外に、シリンダブロック２に適用される主な材質である鋳鉄及びアルミについても各特性値が併記されている。
【００１５】
充填材５としては、エンジン１の重量増を抑制するという観点からは比重は小さい方が好ましく、また、ライナ下部の過冷却を防止するという観点からは熱容量及び熱伝導率も小さい方が好ましい。これに対して、ポリアミド，ポリプロピレン及びポリウレタンの場合、比重が０．８８〜１．１７と、略冷却水並であり、樹脂材を注入しても重量増を招くことがない。一方、鋳鉄の比重は７．１４，アルミの比重は２．２７であり、金属を用いてウォオータジャケット３の底部をシリンダブロック２と一体的に浅底化した場合〔すなわち、図６（ｃ）を用いて説明した手法により浅底化した場合と同じ〕には重量が大幅に増加することになる。
【００１６】
また、各樹脂の熱容量も０．４７〜０．６１と冷却水の略半分の値であり、鋳鉄（１．０７）やアルミ（０．７３）よりも小さい。さらに、熱伝導率もも０．２０〜０．４２であり鋳鉄の５５、アルミの２２３に比べて大幅に小さい値であり、断熱効果が高い。
そこで、本実施形態では、充填材５として、上述のような樹脂材が適用されており、このような樹脂をウォータジャケット３の底部に注入することで、浅底化を図る際の重量増大を抑制するとともに、断熱性を高めているのである。
【００１７】
本発明の一実施形態に係るエンジンのウォータジャケット構造は上述のように構成されているので、例えば図５に示すような製造工程にしたがってシリンダブロック２の製造及びウォータジャケット３の浅底化が行なわれる。
まず、従来と同様に、シリンダブロック２を鋳造により形成し（ステップＳ１）、その後、荒加工を行なう（ステップＳ２）。そして、その後ステップＳ３〜Ｓ６の加工によりウォータジャケット３の浅底化を実行する。
【００１８】
すなわち、ステップＳ３において治具をセットする。ここで治具とは、ウォータジャケット３が例えば図１に示すようなオープンデッキタイプのものであれば、シリンダブロック２の上方から所定の深さまでウォータジャケット３内に入り込むような上型であり、また、ウォータジャケット３の下部にウォータポンプ（図示省略）等、外部と連通する冷却水通路６が存在する場合には、冷却水通路６を確保するための成形型７である。
【００１９】
次に、ウォータジャケット３に樹脂材５を注入し（ステップＳ４）、乾燥，加熱，冷却等、樹脂材５に応じた固化処理を行なう（ステップＳ５）。そして、固化処理が終了したら治具を取り外し（ステップＳ６）、仕上げ加工を行なう（ステップＳ７）。
この仕上げ加工は、シリンダブロック２の製造過程において従来より実施されているものであるが、本実施形態では、この仕上げ加工において、ウォータジャケット浅底化の仕上げ処理も同時に行なわれる。なお、ウォータジャケット浅底化の仕上げ処理とは、具体的には、樹脂のバリ取りなどである。そして、その後は、洗浄（ステップＳ８）及び検査（ステップＳ９）等を行ない、次工程（例えば部品の組み付け）に進む。
【００２０】
したがって、本発明によれば既存のエンジン生産設備をほとんど変更することなく、且つ安価にウォータジャケット３の浅底化を図ることができるという利点がある。また、ウォータジャケット３に充填材５を注入して浅底化を図ることにより、ウォータジャケット３の下方において冷却水の流れがなくなり、シリンダライナ４の下方向の過冷却を防止することができる。また、これによりシリンダライナ４の上下方向の温度分布を略一定とすることができ、シリンダライナ４の熱変形を低減することができる。
【００２１】
また、充填材５として、低熱容量，低熱伝導率，低比重の材料を適用することにより重量増の抑制を図ることができるとともに、放熱の抑制を図ることができる利点がある。
また、シリンダブロック２自体には何らの変更も加えないので、浅底化に伴う構造解析，強度解析等が不要となるほか、耐久性や信頼性を損なうこともない。
【００２２】
さらには、浅底化するための追加工程（ステップＳ３〜Ｓ６）については容易に外注化（アウトソーシング）が可能であり、この場合には今までのエンジン生産設備を全く変更する必要がないという利点がある。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えばウォータジャケット３の深さ寸法に対する充填材５の注入高さについては、エンジンの排気量等の諸元から得られるデータや、実験で得られたデータから適宜設定すればよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のエンジンのウォータジャケット構造によれば、ウォータジャケットの底部に低熱伝導率の材質が充填されているという構成により、エンジンのウォータジャケットを容易に且つ安価に浅底化することができる利点がある。また、ウォータジャケットの下方において冷却水の流れがなくなり、且つ放熱が抑制されるので、シリンダライナの下方の過冷却が防止でき、シリンダライナの上下方向の温度分布を略一定とすることができる。また、これによりシリンダライナの熱変形を低減することができる。
【００２４】
また、シリンダブロック自体には何らの変更も加えないので、浅底化に伴う構造解析，強度解析等が不要となるほか、耐久性や信頼を損なうこともない。また、ウォータジャケットを浅底化するため作業のみを外注化できるので、この場合には今までのエンジン生産設備を全く変更する必要がないという利点がある。
また、低熱伝導率の材質がポリアミド，ポリプロピレン及びポリウレタンのいずれかの樹脂又はゴムを用いることで、エンジンの重量増も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造の要部構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造が適用されるシリンダブロックの模式的な斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造の製造手法について説明するための模式図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造に適用される充填材の特性を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるエンジンのウォータジャケット構造の製造工程を説明するための図である。
【図６】従来の技術について説明するための図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダブロック
３ ウォータジャケット
４ シリンダライナ
５ 充填材（樹脂材）

Claims (2)

1. エンジンのシリンダブロックに形成され、冷却水が流通するウォータジャケットの構造であって、
   該ウォータジャケットの底部に低熱伝導率の材質を充填したことを特徴とする、エンジンのウォータジャケット構造。
2. 該低熱伝導率の材質が樹脂又はゴムであって、該樹脂はポリアミド，ポリプロピレン及びポリウレタンのいずれかである
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンのウォータジャケット構造。

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