JP2006329128A - 内燃機関の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気干渉を抑制するとともに内燃機関の性能を向上させることが可能な内燃機関の冷却構造を提供する。
【解決手段】 複数の気筒５の排気ポート１１を集合させる排気集合ポート７ａ、７ｂがシリンダヘッド２の内部に複数設けられたエンジン１に適用される冷却構造であって、シリンダヘッド２には、各排気集合ポート７ａ、７ｂをそれぞれ別々に冷却可能なように冷却水を流通させる冷却水流路２１、２２が複数設けられている。また、各冷却水流路２１、２２には互いに異なるウォータポンプ１０５、１０９から冷却水が供給される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の冷却構造に関する。

複数の燃焼室から延びる排気ポートをシリンダヘッドの内部に形成した排気集合部で一体に集合させる多気筒エンジンのシリンダヘッド構造が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開２０００−１６１１３２号公報 特開昭６０−８５２１５号公報 特開平８−７４５９８号公報 特開２００３−１７６７２２号公報

各気筒の排気ポートを全て合流させると各気筒から排出される排気が互いに干渉し合って排気の流れを阻害するいわゆる排気干渉が生じ易い。排気干渉を抑制すべく排気ポートを複数の排気ポート群にまとめ、これら排気ポート群毎に集合部を設けた場合、各集合部から排出される排気温度の差が大きいと、温度が最も高い排気が集合部以降の排気系に設ける機器の許容上限温度未満に維持されるように内燃機関の運転状態を抑制する必要がある。

そこで、本発明は、排気干渉を抑制するとともに内燃機関の性能を向上させることが可能な内燃機関の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の冷却構造は、複数の気筒の排気ポートを集合させる排気集合ポートがシリンダヘッドの内部に複数設けられた内燃機関に適用される冷却構造であって、前記シリンダヘッドには、各排気集合ポートをそれぞれ別々に冷却可能なように冷却水を流通させる冷却水流路が複数設けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の冷却構造によれば、全ての気筒の排気ポートを一つにまとめず、排気集合ポートを複数設けたので、排気干渉を抑えることができる。また、排気集合ポートがそれぞれ別々に冷却可能なように冷却水流路を設けたので、排気集合ポートをそれぞれ適切に冷却することができる。そのため、例えば各排気集合ポートから排出される排気の温度差を低減させ、内燃機関の性能を向上させることができる。

本発明の一形態において、各排気集合ポートは冷却水との熱交換面積が互いに異なるように設けられ、かつ各冷却水流路に供給される冷却水の流量を調整可能な冷却水流量調整手段をさらに備え、前記冷却水流量調整手段は、前記複数の排気集合ポートのうち熱交換面積が小さい排気集合ポートほどこの排気集合ポートを冷却する冷却水流路に供給する冷却水の流量を増加させてもよい（請求項２）。熱交換面積が小さい排気集合ポートほど排気が冷却され難いので、このように冷却水の流量を調整することで、各排気集合ポートから排出される排気の温度差を低減することができる。

本発明の一形態は、複数の冷却水供給手段をさらに備え、各冷却水流路には互いに異なる冷却水供給手段から冷却水が供給されてもよい（請求項３）。このように冷却水流路毎に冷却水供給手段を設けることで、各冷却水流路の冷却水の流量を容易に調整することができる。

本発明の一形態は、前記排気集合ポートを冷却した後の冷却水を利用して空気を暖めるヒータをさらに備え、前記ヒータには、前記複数の排気集合ポートのうち最も前記内燃機関のシリンダブロック寄りに配置された排気集合ポートを冷却した冷却水が供給されてもよい（請求項４）。最もシリンダブロック寄りに配置された排気集合ポートを冷却した冷却水は、この他の排気集合ポートを冷却した冷却水よりも水温が高くなり易い。そのため、このように高温になり易い冷却水をヒータに供給することで、ヒータの性能を向上させることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、排気集合ポートを複数設けたので、排気干渉を抑制できる。また、各排気集合ポートをそれぞれ別々に冷却可能なように冷却水流路を設けたので、各排気集合ポートから排出される排気の温度をそれぞれ適切に調節できる。そのため、各排気集合ポートから排出される排気の温度差を低減させることで、内燃機関の性能を向上させることができる。

図１〜図３は、本発明の一形態に係る冷却構造が適用された内燃機関を示している。なお、図１は内燃機関をシリンダヘッド側から見た図を示し、図２は図１のII−II線における内燃機関の断面を示し、図３は内燃機関において冷却水が流通する経路の概略図を示している。内燃機関（以下、エンジンと記述することもある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるもので、図２に示すようにシリンダヘッド２及びシリンダブロック３を含んで構成される機関本体４と、図３に示すように機関本体４に冷却水を循環させる冷却システム１００とを備えている。エンジン１は、複数（図１では４つ）の気筒５を有し、シリンダブロック３にはこれら複数の気筒５が一列に並べて形成されている。なお、図１に示したように各気筒５に＃１〜＃４の番号を付して各気筒５を区別する。図１に示したようにシリンダヘッド２には、複数の吸気ポート６及び複数の排気集合ポート７が形成される。また、シリンダヘッド２には、不図示の点火プラグが取り付けられる点火プラグ取付孔８が各気筒５に設けられる。吸気ポート６は、気筒５の吸気口９から延びてシリンダヘッド２の側面に開口し、気筒５ごとに独立して設けられる。

各排気集合ポート７は、気筒５の排気口１０から延びる排気ポート１１と、排気ポート１１を集合させる集合部１２とをそれぞれ備えている。図４に形状を示したように、エンジン１は、＃１の気筒５の排気ポート１１ａと＃４の気筒の排気ポート１１ｄとを第１の集合部１２ａで集合させる第１の排気集合ポート７ａと、＃２の気筒５の排気ポート１１ｂと＃３の気筒５の排気ポート１１ｃとを第２の集合部１２ｂで集合させる第２の排気集合ポート７ｂとを備えている。図４に示したように、第２の排気集合ポート７ｂは、第１の排気集合ポート７ａよりもシリンダブロック３側に配置される。また、図４から明らかなように、第１の排気集合ポート７ａの方が第２の排気集合ポート７ｂよりも表面積が広い。

図２に示したように、シリンダヘッド２には、冷却システム１００によって冷却水が流通されるウォータジャケット２０が設けられている。ウォータジャケット２０は第１の冷却水流路２１及び第２の冷却水流路２２を備え、各冷却水流路２１、２２は気筒５の並び方向に沿って延びるとともにシリンダヘッド２の略全長に亘って形成される。また、図２に示したように、第２の冷却水流路２２は第１の冷却水流路２１よりもシリンダブロック３側に形成される。図２に示したように、第１の冷却水流路２１は第１の排気集合ポート７ａの周囲に形成され、第２の冷却水流路２２は第２の排気集合ポート７ｂの周囲に形成される。なお、第１の冷却水流路２１と第２の冷却水流路２２とを隔てる隔壁２３は、第１の排気集合ポート７ａの一部及び第２の排気集合ポート７ｂの一部を含んで形成されているが、第１の排気集合ポート７ａの殆どは第１の冷却水流路２１を流通する冷却水によって冷却され、第２の排気集合ポート７ｂの殆どは第２の冷却水流路２２を流通する冷却水によって冷却される。そのため、第１の冷却水流路２１を流通する冷却水の流量などを調整することで、第１の排気集合ポート７ａを流れる排気の冷却効率を変化させることができる。また、第２の冷却水流路２２を流通する冷却水の流量などを調整することで、第２の排気集合ポート７ｂを流れる排気の冷却効率を変化させることができる。

次に図３を参照してエンジン１の冷却システム１００を説明する。冷却システム１００は、図３の矢印Ａ方向に冷却水を導く第１の冷却水経路１０１と、矢印Ｂ方向に冷却水を導く第２の冷却水経路１０２と、機関本体４で昇温された冷却水を冷却するラジエータ１０３が設けられた循環経路１０４とを備えている。図３に示したように、第１の冷却水経路１０１は冷却水がシリンダブロック３を冷却した後、第１の冷却水流路２１に導かれるように形成され、第２の冷却水経路１０２は冷却水が第２の冷却水流路２２に導かれるように形成される。すなわち、エンジン１においては、第１の冷却水流路２１が第１の冷却水経路１０１の一部を形成し、第２の冷却水流路２２が第２の冷却水経路１０２の一部を形成している。上述したように、第２の冷却水流路２２は第１の冷却水流路２１よりもシリンダブロック３側に形成されているため、第２の冷却水経路１０２を流通する冷却水は、第１の冷却水経路１０１を流通する冷却水よりも高温になり易い。

第１の冷却水経路１０１には、冷却水の流量を調整するための第１の流量制御バルブ１０５と、冷却水供給手段としての第１のウォータポンプ１０６と、シリンダヘッド２及びシリンダブロック３を通過した後の冷却水の温度を検出する第１の水温センサ１０７と、シリンダヘッド２及びシリンダブロック３を通過した冷却水をラジエータ１０３をバイパスさせて第１のウォータポンプ１０６の上流側に戻す第１のバイパス通路１０８とが設けられている。第２の冷却水経路１０２には、第２の流量制御バルブ１０９と、冷却水供給手段としての第２のウォータポンプ１１０と、シリンダヘッド２を通過した冷却水の温度を検出する第２の水温センサ１１１と、シリンダヘッド２を通過した冷却水を第２のウォータポンプ１１０の上流側に戻す第２のバイパス通路１１２と、が設けられている。また、第２の冷却水経路１０２には、第２のバイパス通路１１２と並列に、機関本体４で温められた冷却水（以下、温水と略称する。）をエンジン１が搭載された車両に設けられるエアコンのヒータ１１３などに送るためのヒータバイパス通路１１４が設けられている。なお、ヒータバイパス通路１１４による温水の供給先は、エアコンのヒータ１１３に限定されない。例えば、スロットルバルブなど、エンジン１の部品のうち暖機が必要な種々の部品に温水を供給してもよい。なお、第１のウォータポンプ１０６及び第２のウォータポンプ１１０は、エンジン１の回転を利用して駆動してもよいし、電動モータによって駆動してもよい。

第１の冷却水経路１０１を流通する冷却水の温度は、第１の流量制御バルブ１０５によって調整できる。例えば、第１の流量制御バルブ１０５を閉じることで、循環経路１０４を経由して第１のウォータポンプ１０６に戻される冷却水の流量を減少させるとともに、第１のバイパス通路１０８を経由して第１のウォータポンプ１０６に戻される冷却水の流量を増加させることができる。第１のバイパス通路１０８を経由して戻される冷却水は、ラジエータ１０３によって冷却されていないため、循環経路１０４を経由して戻される冷却水よりも温度が高い。そのため、第１の流量制御バルブ１０５を閉じることで、第１の冷却水経路１０１を流通する冷却水の温度を上昇させることができる。一方、第１の流量制御バルブ１０５が開けられた場合は、循環経路１０４と経由して戻される冷却水の流量が増加するので、第１の冷却水経路１０１を流通する冷却水の温度を下げることができる。同様に、第２の冷却水経路１０２を流通する冷却水の温度は、第２の流量制御バルブ１０９によって調整できる。例えば第２の流量制御バルブ１０９を閉じることで、循環経路１０４を経由して第２のウォータポンプ１１０に戻される冷却水の流量を減少させるとともに、第２のバイパス通路１１２及びヒータバイパス通路１１４を通過して第２のウォータポンプ１１０に戻される冷却水の流量を増加させることができる。そのため、第２の冷却水経路１０２を流通する冷却水の温度を上昇させることができる。一方、第２の流量制御バルブ１０９が開けられた場合は、第２の冷却水経路１０２を流通する冷却水の温度を下げることができる。

第１の流量制御バルブ１０５、第１のウォータポンプ１０６、第２の流量制御バルブ１０９、及び第２のウォータポンプ１１０の動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２００によって制御される。ＥＣＵ２００は、各気筒５に噴射する燃料量を調整するなどしてエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。図３に示したように、ＥＣＵ２００には第１の水温センサ１０７及び第２の水温センサ１１１が接続され、ＥＣＵ２００はこれらの水温センサ１０７、１１１から制御時に参照する情報を取得する。ＥＣＵ２００は、例えばエンジン１の始動時など機関本体４を通過した冷却水の温度が低い場合、第１の流量制御バルブ１０５及び第２の流量制御バルブ１０９をそれぞれ閉じてエンジン１の始動性を向上させる。また、上述したように、第２の排気集合ポート７ｂは第１の排気集合ポート７ａよりもシリンダヘッド３側に配置され、かつ第２の排気集合ポート７ｂの方が第１の排気集合ポート７ａよりも内面の面積の合計が小さいため、第２の排気集合ポート７ｂを通過して排出される排気は、第１の排気集合ポート７ａを通過して排出される排気よりも温度が高い。そこで、ＥＣＵ２００は、第２のウォータポンプ１１０の動作を制御して第２の冷却水経路１０２の冷却水の流量を増加させ、第２の排気集合ポート７ｂを通過して排出される排気の温度を低下させる。このようにＥＣＵ２００によって冷却水の流量が調整されることで、冷却システム１００及びＥＣＵ２００は本発明の冷却水流量調整手段として機能する。

以上に説明したエンジン１によれば、第１の排気集合ポート７ａが第２の冷却水流路２２を流れる冷却水によって冷却され、第２の排気集合ポート７ｂが第３の冷却水流路２３を流れる冷却水によって冷却されるので、各冷却水流路２２、２３を流れる冷却水の流量及び温度等を調整することで、各排気集合ポート７ａ、７ｂをそれぞれ適切に冷却することができる。また、第２の冷却水流路２２を流れる冷却水の流量を増加させることで、燃焼室周り及び吸排気バルブの下端の冷却をそれぞれ強めることができる。

排気集合ポート７の下流にはターボ過給機及び排気浄化触媒などが設けられ、エンジン１はこれらの機器の温度が許容上限温度未満に維持されるように運転状態が制御される。上述したエンジン１によれば、第１の排気集合ポート７ａの排気の温度及び第２の排気集合ポート７ｂの排気の温度をそれぞれ別々に調整できるので、各排気集合ポート７から排出される排気の温度差を低減させるとともに、各排気集合ポート７から排出される排気の温度を排気集合ポート７の下流に設けられる機器の許容上限温度未満にそれぞれ調整することができる。そのため、エンジン１の性能を向上させることができる。

図３に示したように、エアコンのヒータ１１３及び暖機が必要な部品などには、シリンダブロック３側に配置された第２の冷却水流路２２を通過した温水が供給される。上述したように第２の冷却水流路２２に供給された冷却水は、第１の冷却水流路２１に供給された冷却水よりも温度が上昇し易いので、この第２の冷却水流路２２を通過した冷却水をヒータ１１３及び暖機が必要な部品などに供給することで、これらの機器を速やかに暖機することができる。そのため、エンジン１の始動性を改善することができる。また、速やかにヒータ１１３に熱を供給することができるので、エアコンの性能を向上させることができる。

一般に直列４気筒の４サイクル式エンジンは、１８０°ＣＡ（クランク角を意味する。）間隔で全気筒に順次燃焼を生じさせる。また、この直列４気筒の４サイクル式エンジンでは、＃１の気筒５の燃焼行程と＃４の気筒５の燃焼行程とが３６０°ＣＡずれるように設定され、＃２の気筒５の燃焼行程と＃３の気筒５の燃焼行程とが３６０°ＣＡずれるように設定される。そのため、＃１の気筒５の排気行程と＃４の気筒５の排気行程とが連続せず、＃２の気筒５の排気行程と＃３の気筒５の排気行程とが連続しない。そこで、＃１の気筒５の排気ポート７と＃４の気筒５の排気ポート７とを合流させ、＃２の気筒５の排気ポート７と＃３の気筒５の排気ポート７とを合流させることで、排気干渉を抑制することができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用されるエンジンは直列４気筒エンジンに限定されない。複数の気筒を有し、これら複数の気筒の排気ポートにて複数の排気ポート群が形成され、シリンダヘッド内においてこれら複数の排気ポート群ごとに排気ポートを集合させる種々のエンジンに適用することができる。この場合、各排気ポート群の周囲にそれぞれ別の冷却水流路を形成することで、各排気ポート群から排出される排気の温度を適切に調整することができる。

本発明の一形態に係る冷却構造が適用された内燃機関を示す図。 図１のII−II線における内燃機関の断面を示す図。 図１の内燃機関の冷却システムを示す図。 図１の内燃機関の排気ポートの形状を示す斜視図。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
５ 気筒
７ａ 第１の排気集合ポート
７ｂ 第２の排気集合ポート
１１ 排気ポート
２１ 第１の冷却水流路
２２ 第２の冷却水流路
１００ 冷却システム（冷却水流量調整手段）
１０６ 第１のウォータポンプ（冷却水供給手段）
１１０ 第２のウォータポンプ（冷却水供給手段）
１１３ ヒータ
２００ エンジンコントロールユニット（冷却水流量調整手段）

Claims (4)

1. 複数の気筒の排気ポートを集合させる排気集合ポートがシリンダヘッドの内部に複数設けられた内燃機関に適用される冷却構造であって、
   前記シリンダヘッドには、各排気集合ポートをそれぞれ別々に冷却可能なように冷却水を流通させる冷却水流路が複数設けられていることを特徴とする内燃機関の冷却構造。
2. 各排気集合ポートは冷却水との熱交換面積が互いに異なるように設けられ、かつ各冷却水流路に供給される冷却水の流量を調整可能な冷却水流量調整手段をさらに備え、
   前記冷却水流量調整手段は、前記複数の排気集合ポートのうち熱交換面積が小さい排気集合ポートほどこの排気集合ポートを冷却する冷却水流路に供給する冷却水の流量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却構造。
3. 複数の冷却水供給手段をさらに備え、各冷却水流路には互いに異なる冷却水供給手段から冷却水が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却構造。
4. 前記排気集合ポートを冷却した後の冷却水を利用して空気を暖めるヒータをさらに備え、
   前記ヒータには、前記複数の排気集合ポートのうち最も前記内燃機関のシリンダブロック寄りに配置された排気集合ポートを冷却した冷却水が供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却構造。

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