JP2005188315A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水冷式エンジンの冷却装置において、自然対流の原理を用いることにより従来技術に対して格段のシステム構造の簡素化、低コスト化を実現する。
【解決手段】 上方に向けて冷却水を流通させ得る上昇通路５を一部通路としてエンジンのエンジンヘッドに設けたウォータジャケット３とラジエータ４とを結ぶ冷却水通路５，６を備える。冷却水を循環させる状態を作り出すために、前記上昇通路の途中にサーモスタット１０を設ける。このサーモスタットは、エンジン上端部よりも上方位置であって、ラジエータの最上端部よりも下方位置に配設され、熱膨張体の収縮時には上昇通路を閉じるように、熱膨張体の膨張時には上昇通路によりラジエータ側に冷却水を流通、循環させるように構成される。このサーモスタットのフランジ部または弁体の少なくとも一箇所に、冷却水を自然対流によって流通させる自然対流用の小孔２０を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば自動二輪車や小型船舶等に用いられる小型の内燃機関（以下、エンジンという）の冷却装置に関し、特にエンジンのエンジンヘッドをラジエータを介して循環供給される冷却水を用いて冷却する水冷式エンジンの冷却装置に関する。

自動二輪車等に用いられるエンジンの冷却装置として従来一般には、ポンプやラジエータ等の冷却水回路部品を必要としない空冷式のものが殆どであった。しかし、近年の排ガス規制や燃費改善等の要請に応えるために、エンジンの温度制御をある程度厳密に行う必要性が生じている。そして、上記の空冷式では、エンジンの温度制御が難しく周囲環境に即した成り行き任せの温度制御になることから、最近では、温度制御のしやすい水冷式の冷却装置が採用されるようになっている。

このような水冷式エンジンの冷却装置としては、エンジンのエンジンヘッド（シリンダの上方部）とラジエータ（熱交換器）との間に高低差を設けるとともに、これら間を連結する冷却水回路用の冷却水通路（冷却水パイプ）内での冷却水の流れを、冷却水温度によって生じさせる、いわゆる自然対流の原理を利用した冷却装置（例えば、特許文献１参照）や、エンジンのエンジンヘッドとラジエータとの間の冷却水通路途中にポンプを設け、該ポンプにより冷却水を強制循環させる構造の冷却装置（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開昭５８−８８４１８号公報 特開２００２−２１５６２号公報

しかし、上記の特許文献１のように自然対流の原理を単純に利用しただけの冷却装置では、冷却水温度が低温状態にあるエンジン始動時において、暖機性能の面で問題となる等の不具合があった。また、空冷式の場合と同様に、暖機時や定常運転時においても、冬場等のように外気温が低い場合には、暖められた冷却水が直ぐに冷やされてしまうため、対流が発生してしまい、エンジンヘッドを高温状態に保てないという問題もあった。

また、上記の特許文献２のような強制循環方式を利用した冷却装置では、冷却水回路の途中にバイパス通路とサーモスタットとを設けることにより、上記の暖機性能をある程度確保することが可能となるが、冷却水をポンプを用いて強制循環させていることから、装置全体の部品点数が多くなり、構造が複雑となるばかりでなく、ポンプ駆動に伴う馬力損失も生じるといった問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水冷式エンジンの冷却装置において、自然対流の原理を用いることにより従来技術に対して格段のシステム構造の簡素化、低コスト化を実現することができる内燃機関（エンジン）の冷却装置を得ることを目的とする。

このような目的に応えるために本発明（請求項１記載の発明）に係るエンジンの冷却装置は、上方に向けて冷却水を流通させ得る上昇通路を一部通路としてエンジンのエンジンヘッドに設けたウォータジャケットとラジエータとを結ぶ冷却水通路と、前記上昇通路の途中に設けられるサーモスタットを具備してなり、前記サーモスタットは、前記上昇通路の途中を構成するように上下に延びる通路孔を有するハウジングと、前記通路孔内で移動可能に配置されるとともにハウジング内部に形成される水室に下端を臨ませる感温ケースと、冷却水の温度変化に伴う膨張、収縮に応じて前記感温ケースをスライド作動させることを可能として該感温ケースに内蔵される熱膨張体とを備え、前記熱膨張体の収縮時には前記上昇通路を閉じるように、前記熱膨張体の膨張時には前記上昇通路によりラジエータ側に冷却水を流通、循環させるように構成されていることを特徴とすることを特徴とする。

本発明（請求項２記載の発明）に係るエンジンの冷却装置は、請求項１記載のエンジンの冷却装置において、前記サーモスタットは、前記エンジンの上端部よりも上方位置であって、ラジエータの最上端部よりも下方位置に配設されていることを特徴とする。

本発明（請求項３記載の発明）に係るエンジンの冷却装置は、請求項１または請求項２記載のエンジンの冷却装置において、前記サーモスタットは、そのフランジ部または弁体の少なくとも一箇所に、冷却水を自然対流によって流通させる自然対流用の小孔を設けたことを特徴とする。

本発明（請求項４記載の発明）に係るエンジンの冷却装置は、請求項１、請求項２または請求項３記載のエンジンの冷却装置において、該冷却水通路において前記ラジエータを迂回してウォータジャケットの出口部と入口部とを結ぶバイパス通路を、前記サーモスタットとエンジンヘッドのウォータジャケットの入口部とを結ぶように設けたことを特徴とする。

本発明によれば、エンジンのエンジンヘッドにおけるウォータジャケットとラジエータとの間の冷却水通路やバイパス通路において、冷却水を、サーモスタットによる通路切換えに伴って自然対流現象を利用して流通させることが可能であり、エンジンヘッドの所要の冷却効果を発揮させることができる。

以上説明したように本発明（請求項１記載の発明）に係るエンジンの冷却装置によれば、強制循環方式を利用した冷却システムとは異なり、ポンプを廃止することで、冷却装置全体の構成部品点数を削減し、レイアウト設計の手間やポンプ駆動による馬力損失等を生じることなく、また装置の簡略化により、従来の空冷冷却式のシステムに対しても大幅な設計変更を伴うことなく構成することが可能で、容易に冷却性能を向上させ、また温度制御性も向上させることができる。また、単純に自然対流方式では、暖機時の昇温特性や走行時温度が外気温に依存されるが、サーモスタットを設置することにより、前記問題を回避でき、暖機性能を向上させ、任意の温度で主たる対流を生じさせることが可能となる。

本発明（請求項２記載の発明）によれば、サーモスタットを所定箇所に設置することにより、対流が効率よく循環する。

また、設置箇所としては、エンジンヘッド近傍に設置することにより、エンジンの実態温度に近い温度を感温することができる。
さらに、ラジエータのアッパタンクを冷却システムの最上位に位置付けることにより、冷却水の対流を確実に発生させることができる。これは、該ラジエータのアッパタンクが最上位にないと、高温の冷却水が放熱部を通らずに冷えず、対流が発生しないからである。

本発明（請求項３記載の発明）によれば、暖機運転時の冷却水の流量不足からサーモエレメントへの伝熱が不足しサーモスタット弁の開閉が緩慢になることによって、エンジンの出口部と入口部との間で温度差の大きいハンチングが生じるという問題を防止することができる。特に、このような構成を採ることにより、自然対流用の孔がないときに比べてサーモエレメントの感温に有利な流れを生じさせ、確実な感温を得て、サーモスタットの開閉に伴うハンチング現象を抑えることができる。

これを詳述すると、サーモスタットを通路に設置しサーモスタットで冷却水通路を完全に塞いでしまうと、冷却水の自然対流が少なくなるから、感温性能が悪化し開弁が遅くなる。また、開弁初期に進入してくる低温の冷却水をエレメントが感温してしまい、すぐに閉じたりしてしまい、ハンチング現象を起こしてしまう。そのためエンジンヘッドの温度管理ができない。その他、エンジンヘッドに局所的に熱がこもって該エンジンヘッドが熱変形したり、燃焼効率の悪化等につながったりしてしまい、エンジンにとって好ましくない。したがって、上記問題を解決するために、少しでも流れが生じるように上記の小孔を設け、感温が確実に行う。

本発明（請求項４記載の発明）によれば、このようなバイパス通路がない場合に生じる問題、すなわちサーモスタットの感温を得るために上述した小孔を設けるにあたって、該小孔の大きさや数には限りがあり、大きくし過ぎると、暖機性能が悪化するという問題を解消するために、感温を確実に行う補助的手段として、バイパス通路を上記のように設けているのである。

図１ないし図４は本発明に係るエンジンの冷却装置の一実施の形態を示す。これらの図において、本発明を特徴づけるエンジンの冷却装置１の概要を図１を用いて説明する。
すなわち、図中符号２はエンジンのエンジンブロック、３はそのエンジンヘッドで、このエンジンヘッド３にウォータジャケットが設けられている。４は冷却水を冷却するための熱交換器であるラジエータであって、これらのウォータジャケット（以下、符号３を付して説明する。）とラジエータ４との間には、冷却水を流通、循環させるための主通路である冷却水通路５，６が設けられている。

ここで、冷却水通路５はウォータジャケット３の出口側通路であって、後述するように上方に向けて冷却水を流通させ得る上昇通路となっている。また、冷却水通路６はウォータジャケット３の入口側通路であって、後述するように下方に向けて冷却水を流通させ得る下降通路となっている。

符号７は冷却水通路５，６の途中に接続されるバイパス通路であり、このバイパス通路７は、前記ラジエータ４を迂回してウォータジャケット３の出口部（後述するサーモスタット１０の通路孔５ａ部分）とウォータジャケット３の入口部とを結ぶように構成されている。

符号１０はウォータジャケット３の出口側通路となる冷却水通路５の途中に設けられたサーモスタットであり、このサーモスタット１０は、上記の上昇通路５を遮断して前記バイパス通路７に冷却水を流通、循環させる状態と前記冷却水通路５，６に冷却水を流通、循環させる状態とを、冷却水温度に応じて切換えるように前記上昇通路５の途中に設けられている。

以上の構成において、冷却装置１を構成する部材は、図１の上下方向において高低差をもって配設されている。すなわち、エンジンヘッド（ウォータジャケット）３は最下方位置にあり、ラジエータ４はこのウォータジャケット３よりも高さＬだけ上方に位置するように位置付けられて配設される。したがって、冷却水通路５は、高温になり比重が小さくなった冷却水を上方に向かって流通させる上昇通路となり、冷却水通路６は、低温になり比重が大きくなった冷却水を下方に向かって流通させる下降通路となる。

また、前記サーモスタット１０は、前記エンジンヘッド３（ウォータジャケット）の上端部よりも上方位置であって、ラジエータ４のアッパタンクの最上端部よりも下方位置に配設されている。このように構成すれば、エンジンの始動時においてサーモスタット１０を弁閉状態とし、上昇していく冷却水を遮断することができるから、暖機性能を向上させることが可能で、また該冷却回路において任意の温度で主たる自然対流による流れを生じさせることが可能となる。

このようなサーモスタット１０の設置箇所としては、前記エンジンのエンジンヘッド３近傍に設置することが望ましい。このようにすれば、サーモスタット１０を、最もエンジンの実態温度に近い温度を感温することができるからである。

さらに、ラジエータ４のアッパタンクを冷却システムの最上位に位置付けることにより、冷却水の対流を確実に発生させることができる。これは、該ラジエータ４のアッパタンクが最上位にないと、エンジンヘッド３側からの高温の冷却水がラジエータ４における放熱部を通らずに流れるから冷えず、効率よく冷却水が循環しないため、自然対流が発生しないためである。
そして、このような構成による冷却装置１では、従来必要であった冷却水を強制的に循環させるためのポンプを省略することができるのである。

ここで、上述したサーモスタット１０は、図２、図３等に示されるように、前記上昇通路（冷却水通路５）の途中を構成するように上下に延びる通路孔５ａ，５ｂを有するハウジング１１と、前記通路孔５ａ，５ｂ内で移動可能に配置されるとともに前記バイパス通路７に通じてハウジング１１内に形成される水室１１ａに下端を臨ませる感温ケース１３と、冷却水の温度変化に伴う膨張、収縮に応じて前記感温ケース１３をスライド作動させることを可能として該感温ケース１３に内蔵される熱膨張体としてのワックス１５とを備える。そして、このワックス１５の収縮時には前記上昇通路５ａを閉じ、ワックス１５の膨張時には前記上昇通路５ａ，５ｂによりラジエータ４側に冷却水を流通、循環させるように構成されている。

また、サーモスタット１０は、図２〜図４に示すように、主通路である上昇通路（冷却水通路５；５ａ，５ｂ）の途中を構成するように上下に延びるハウジング１１内に配置され、フランジ部１２ａが該ハウジング１１の内壁に固定保持される本体フレーム１２と、この本体フレーム１２に対して摺動自在に保持され該フランジ部１２ａの開口を開閉する弁体１３ａを備えた感温ケース１３と、該フレーム１２と弁体１３ａとの間に配置され、弁体１３ａを常時は弁閉位置に位置させるばね１６を備えている。

前記感温ケース１４内には、ワックス１５が内蔵され、この熱膨張、熱収縮により前記弁体１３ａを開閉動作させるような構成となっている。なお、ここでは、ダイヤフラムを介して二重構造となっているが、その詳細は周知の通りであり、具体的な説明は省略する。この感温ケース１３の一端からは、前記ワックス１５の熱膨張、熱収縮による容積変化に伴い移動するピストンロッド１７が設けられている。なお、図中１８は上記の感温ケース１３と一体的に設けられた係止フレームである。

上述したサーモスタット１０において、ハウジング１１側に保持固定されるフランジ１２ａの一部には、図３および図４に示すように、自然対流用の小孔２０が一個または複数個（この例では２個）設けられている。この小孔２０は、図２に示されるように、弁体１３ａが弁閉状態にあるときに、冷却水通路５ａ，５ｂを僅かな流量をもって連通状態とするために設置されている。
すなわち、このような小孔２０は、感温ケース１３のワックス１５を内蔵した感温部周辺でのむらなく冷却水の流れを生じさせることができる位置に設けており、また暖機促進という目的を果たすことができる程度の流量を流す通路面積をもって少なくとも１つあるいは複数個形成されている。

なお、このような小孔２０としては、図５に示すように、弁体１３ａの一部に設けた小孔２１であっても同等の機能を得られることは勿論である。

そして、このような小孔２０または２１を設けると、暖機運転時の流量不足から感温ケース１３によるサーモエレメントへの伝熱が不足して弁体１３ａの開閉が緩慢になることで、エンジンヘッド３の出口側と入口側との間での温度差の大きいハンチングが生じることを防止することができる。これは、小孔２０または２１がないときに比べてサーモエレメントの感温に有利な流れを生じさせ、サーモスタット１０の弁体１３ａの開閉動作に伴うハンチング現象を抑えることができるからである。

図６は本発明に係るエンジンの冷却装置の他の実施の形態を示す概略図であって、この実施の形態では、サーモスタット１０として、ボトムバイパス式のものを用いた場合を示す。
このようなボトムバイパス式のサーモスタット１０を用いると、感温ケース１３内のワックスが熱膨張すると、ピストン１７の動きに従ってバイパス通路７側に突出する突出部３１先端の第２の弁体３２が、該バイパス通路７を閉塞するように動作する。したがって、エンジン側からの冷却水はバイパス通路７側には流れず、第１の弁体部分を通してラジエータ側に流れることになる。なお、図中３３は第２の弁体３２を弾性支持する付勢手段であるコイルばねである。

ここで、この図６では、サーモスタット１０を鉛直線に対して斜めに傾斜させて配置させた場合を示しているが、このサーモスタット１０のピストン１７の移動方向となる軸線が鉛直線に対してなす角度θが、０＜θ＜９０°の関係にあればよい。

なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、サーモスタット１０を含めた各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。
たとえばサーモスタット１０において、フランジ部１２ａを、ピストンロッド１７の先端を係止する係止フレーム１８に一体に形成した例を示したが、本体フレーム１２側に設けた構造のものであってもよい。

また、エンジンヘッドに設置されているウォータジャケット３の出口側通路は、エンジンヘッドだけでなく、エンジンブロック２に設置されている場合もあり、その接続位置についても中央部あるいは四隅など任意の位置でもよく、出口側通路とサーモスタットを結ぶ通路は、必要な流量を稼ぐために複数設けて通路面積を拡大しても良い。ウォータジャケットのレイアウトによって適宜設定されることは言うまでもない。

さらには、高さLは、実験によって算出された対流の促進される位置あるいはレイアウトの制約等を総合的に加味した値であり、任意に設定可能であることも言うまでもない。

本発明に係るエンジンの冷却装置の一実施の形態を示し、装置全体の概要図である。 図１のエンジンの冷却装置において、サーモスタット部分を拡大して示す概略断面図である。 図１、図２のエンジンの冷却装置において、サーモスタットを拡大した拡大断面図である。 図３のサーモスタットの矢印Ｆ方向から見た概略図である。 図４の変形例を示す概略図である。 本発明に係るエンジンの冷却装置の別の実施の形態を示す概略図である。

符号の説明

１…冷却装置、２…エンジンのエンジンブロック、３…エンジンヘッド（ウォータジャケット）、４…ラジエータ、５，６…冷却水通路、７…バイパス通路、１０…サーモスタット、１１…ハウジング、１２…本体フレーム、１２ａ…フランジ部、１３…感温ケース（サーモエレメント）、１３ａ…弁体、１５…ワックス（熱膨張体）、２０，２１…自然対流用の小孔。

Claims (4)

1. 上方に向けて冷却水を流通させ得る上昇通路を一部通路としてエンジンのエンジンヘッドに設けたウォータジャケットとラジエータとを結ぶ冷却水通路と、
   前記上昇通路の途中に設けられるサーモスタットを具備してなり、
   前記サーモスタットは、前記上昇通路の途中を構成するように上下に延びる通路孔を有するハウジングと、前記通路孔内で移動可能に配置されるとともにハウジング内部に形成される水室に下端を臨ませる感温ケースと、
   冷却水の温度変化に伴う膨張、収縮に応じて前記感温ケースをスライド作動させることを可能として該感温ケースに内蔵される熱膨張体とを備え、
   前記熱膨張体の収縮時には前記上昇通路を閉じるように、前記熱膨張体の膨張時には前記上昇通路によりラジエータ側に冷却水を流通、循環させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の冷却装置において、
   前記サーモスタットは、前記エンジンの上端部よりも上方位置であって、ラジエータの最上端部よりも下方位置に配設されていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
3. 請求項１または請求項２記載の内燃機関の冷却装置において、
   前記サーモスタットは、そのフランジ部または弁体の少なくとも一箇所に、冷却水を自然対流によって流通させる自然対流用の小孔を設けたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
4. 請求項１、請求項２または請求項３記載の内燃機関の冷却装置において、
   該冷却水通路において前記ラジエータを迂回してウォータジャケットの出口部と入口部とを結ぶバイパス通路を、前記サーモスタットとエンジンヘッドのウォータジャケットの入口部とを結ぶように設けたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。

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