JP2009236087A

JP2009236087A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2009236087A
Application number: JP2008086321A
Authority: JP
Inventors: Katsuichi Miyasaka; 克一宮坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】シリンダヘッド内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】所定の減量条件が成立した場合に送り出す冷却水の流量を減少させるウォータポンプ３０と、シリンダヘッド４内に設けられてシリンダ２の上方から吸気側及び排気側の両方に延び、かつウォータポンプ３０から冷却水が供給されるウォータジャケット１０と、を備え、吸気側が排気側よりも高くなるように配置される内燃機関１Ａにおいて、ウォータジャケット１０には、吸気側ジャケット１０ａをシリンダブロック３側に形成される第１吸気側冷却部１７とヘッドカバー５側に形成される第２吸気側冷却部１８とに分割する吸気側隔壁１５と、シリンダ２の上方から吸気側に最も離れた位置に配置されて第１吸気側冷却部１７と第２吸気側冷却部１８とを連通する吸気側隙間２１とが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダヘッド内にシリンダの上方から吸気側及び排気側の両方に延びる冷却水通路が設けられ、所定の減量条件が成立した場合にその冷却水通路に供給される冷却水の流量を減少させる内燃機関に関する。

シリンダヘッド内にシリンダの並び方向と略直交する方向に冷却水を流すウォータジャケットが設けられたＶ型内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−３３６６０７号公報

ところで、内燃機関の暖機時など所定の減量条件が成立した場合に冷却水の流量を減少させたりウォータポンプを停止させたりすることが可能な冷却装置を備えた内燃機関が知られている。このような内燃機関において冷却水の流量を減少させたりウォータポンプを停止させたりすると、シリンダヘッドのウォータジャケット内の冷却水は自然対流でウォータジャケット内を循環する。特許文献１のＶ型内燃機関にこのような冷却装置を適用した場合、一般にＶ型内燃機関は吸気側が排気側よりも上に位置するため、冷却水は排気側で熱せられて吸気側に移動し、その後吸気側で冷却されて排気側に移動する。特許文献１のＶ型内燃機関では、このように冷却水が循環する場合に排気側から吸気側に移動する冷却水と吸気側から排気側に移動する冷却水とが衝突してシリンダヘッド内の冷却水の循環が乱れ、冷却水の自然対流によって十分にシリンダヘッドを冷却できないおそれがある。

そこで、本発明は、シリンダヘッド内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、所定の減量条件が成立した場合に送り出す冷却水の流量を減少又は停止させる冷却水ポンプと、シリンダヘッド内に設けられてシリンダの上方から吸気側及び排気側の両方に延び、かつ前記冷却水ポンプから冷却水が供給される冷却水通路と、を備え、吸気側が排気側よりも高くなるように配置される内燃機関において、前記冷却水通路には、前記冷却水通路のうち前記シリンダの上方よりも吸気側の吸気側冷却水通路をシリンダブロック側に形成される第１吸気側冷却部とヘッドカバー側に形成される第２吸気側冷却部とに分割する隔壁と、前記シリンダの上方から吸気側に最も離れた位置に配置されて前記第１吸気側冷却部と前記第２吸気側冷却部とを連通する連通部と、が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）。

本発明の内燃機関において冷却水ポンプからの冷却水の流量が減少又は停止して自然対流で冷却水が循環する場合、冷却水通路内の冷却水の温度は、排気側の冷却水通路の冷却水が最も高く、第１吸気側冷却部の冷却水、第２吸気側冷却部の冷却水の順に低くなる。そのため、本発明の内燃機関では、冷却水の流量が減少した場合、排気側の冷却水通路、第１吸気側冷却部、連通部、第２吸気側冷却部、排気側の冷却水通路の順に自然対流で冷却水を循環させることができる。そのため、シリンダヘッド内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることができる。これにより、排気側の冷却水と吸気側の冷却水との間の温度差を小さくすることができるので、シリンダヘッドの各部の温度差を小さくしてシリンダヘッドの変形を抑制することができる。また、隔壁によって吸気側冷却水通路を分割したので、冷却水の流速を高めることができる。そのため、シリンダヘッドから冷却水への熱伝達を促進させることができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記シリンダが、一方向に向かって並ぶように複数設けられ、前記冷却水通路には、前記第１吸気側冷却部から前記連通部を通過して前記第２吸気側冷却部に流入した冷却水の少なくとも一部が前記冷却水通路のうちシリンダ間の上方に位置する部分に向かって流れるようにその冷却水を案内するガイド手段が設けられていてもよい（請求項２）。このように第２吸気側冷却部に流入した冷却水の少なくとも一部をシリンダ間の上方に導くことにより、冷却水が対流する領域を広げることができる。そのため、シリンダヘッドの各部の冷却をさらに促進させることができる。これにより、シリンダヘッドの変形をさらに抑制することができる。

この形態においては、前記ガイド手段として、前記第１吸気側冷却部から前記連通部を通過して前記第２吸気側冷却部に流入した冷却水の流れを前記シリンダの並び方向に変更する第１ガイドと、シリンダ間に配置されて前記第１ガイドによって流れの方向が変更された冷却水の流れを前記シリンダの並び方向と交差する方向に変更する第２ガイドと、が設けられてもよい（請求項３）。この場合、第２吸気側冷却部に流入した冷却水をまず第１ガイドでシリンダの並び方向に移動させ、その後その冷却水を第２ガイドでシリンダ間の上方に移動させることができる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記冷却水通路には、前記冷却水通路のうち前記シリンダの上方よりも排気側の排気側冷却水通路を前記シリンダブロック側に形成されて前記第１吸気側冷却部と連通する第１排気側冷却部と前記ヘッドカバー側に形成されて前記第２吸気側冷却部と連通する第２排気側冷却部とに分割する排気側隔壁と、前記シリンダの上方から排気側に最も離れた位置に配置されて前記第１排気側冷却部と前記第２排気側冷却部とを連通する排気側連通部と、が設けられてもよい（請求項４）。この形態では、冷却水の流量が減少した場合に冷却水を第１排気側冷却部、第１吸気側冷却部、連通部、第２吸気側冷却部、第２排気側冷却部、排気側連通部、第１排気側冷却部の順に循環させることができる。このように排気側冷却水通路においても冷却水の流れる方向を整えることにより、シリンダヘッド内で冷却水をさらにスムーズに循環させることができる。そのため、シリンダヘッドの変形をさらに抑制することができる。また、排気側隔壁によって排気側冷却水通路を分割したので、排気側における冷却水の流速も高めることができる。そのため、シリンダヘッドから冷却水への熱伝達をさらに促進させることができる。

以上に説明したように、本発明の内燃機関によれば、吸気側冷却水通路内に隔壁を設けて第１吸気側冷却部と第２吸気側冷却部とに分割し、これらを連通部で連通し、排気側冷却水通路内に隔壁を設けて第１排気側冷却部と第２排気側冷却部とに分割し、これらを連通部で連通したので、シリンダヘッド内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることができる。

（第１の形態）
図１及び図２は、本発明の第１の形態に係る内燃機関の要部を示した図である。なお、図１は図２のI−I線における内燃機関の断面図であり、図２は図１のII−II線における内燃機関の断面図である。この内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１Ａは、車両に走行用動力源として搭載されるものである。この際、エンジン１Ａは、吸気側が排気側よりも高くなるように車両に搭載される。図１及び図２に示したようにエンジン１Ａは、複数（例えば４つ）のシリンダ２が形成されるシリンダブロック３と、シリンダブロック３に取り付けられるシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４に取り付けられるヘッドカバー５とを備えている。なお、図１では、４つのシリンダ２のうちの２つのみを示す。シリンダヘッド４は、シリンダ２に吸気を導くための吸気ポート６及びシリンダ２から排気を排出するための排気ポート７をシリンダ２毎に２つずつ備えている。また、シリンダヘッド４は、シリンダ２の略中心線上に不図示の点火プラグが配置されるように設けられ、この点火プラグがねじ込まれる点火プラグねじボス８を備えている。

図１及び図２に示したようにシリンダヘッド４内には、シリンダ２の上方から吸気側及び排気側の両方に延びる、言い換えるとシリンダ２の並び方向（以下、縦方向と称することがある。）と交差する方向（以下、横方向と称することがある。）に延びる冷却水通路としてのウォータジャケット１０が設けられている。図２に示したようにウォータジャケット１０は、カムハウジング側壁１１、吸気側外壁１２、排気側外壁１３、及びシリンダブロック側壁１４で形成されている。シリンダブロック側壁１４には、ウォータジャケット１０をシリンダブロック３のウォータジャケット（不図示）と接続するための接続穴１４ａが設けられている。

図２に示したようにウォータジャケット１０内には、シリンダ２の上方に設けられている点火プラグねじボス８から吸気側に延びる吸気側隔壁１５と、点火プラグねじボス８から排気側に延びる排気側隔壁１６とが設けられている。吸気側隔壁１５は、シリンダブロック側壁１４のうちシリンダ２の吸気側に配置される吸気側燃焼室壁１４ｂと略平行になるように設けられる。また、排気側隔壁１６は、シリンダブロック側壁１４のうちシリンダ２の排気側に配置される排気側燃焼室壁１４ｃと略平行になるように設けられる。図２に示したように吸気側隔壁１５を設けることにより、ウォータジャケット１０のうちシリンダ２の上方よりも吸気側のウォータジャケット（以下、吸気側ジャケットと称することがある。）１０ａを、シリンダブロック３側に形成される第１吸気側冷却部１７と、ヘッドカバー５側に形成される第２吸気側冷却部１８とに分割することができる。また、排気側隔壁１６を設けることにより、ウォータジャケット１０のうちシリンダ２の上方よりも排気側のウォータジャケット（以下、排気側ジャケットと称することがある。）１０ｂを、シリンダブロック３側に形成される第１排気側冷却部１９と、ヘッドカバー５側に形成される第２排気側冷却部２０とに分割することができる。なお、吸気側ジャケット１０ａが本発明の吸気側冷却水通路に相当し、排気側ジャケット１０ｂが本発明の排気側冷却水通路に相当する。

図１及び図２に示したように吸気側隔壁１５は、少なくとも共通のシリンダ２に接続される２つの吸気ポート６の間において吸気側外壁１２と接しないように設けられる。そのため、この吸気ポート６間には、第１吸気側冷却部１７と第２吸気側冷却部１８とを連通する連通部としての吸気側隙間２１が設けられる。このように吸気側隔壁１５と吸気側外壁１２との間に吸気側隙間２１を設けることにより、この吸気側隙間２１をシリンダ２の上部から吸気側に最も離れた位置に配置することができる。排気側隔壁１６も同様に、少なくとも共通のシリンダ２に接続される２つの排気ポート７の間において排気側外壁１３と接しないように設けられる。そのため、排気ポート７間には、第１排気側冷却部１９と第２排気側冷却部２０とを連通する排気側連通部としての排気側隙間２２が設けられる。そして、このように排気側隔壁１６と排気側外壁１３との間に排気側隙間２２を設けることにより、この排気側隙間２２をシリンダ２の上部から排気側に最も離れた位置に配置することができる。

図１に示したようにエンジン１Ａは、シリンダブロック３のウォータジャケット及びシリンダヘッド４のウォータジャケット１０とに冷却水を送る冷却水ポンプとしてのウォータポンプ３０を備えている。なお、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４に送られた冷却水は、ラジエータなどを経由してウォータポンプ３０に戻される。このウォータポンプ３０は電動式であり、エンジン１Ａの運転状態に拘わらず停止させたり動作させたりすることができる。ウォータポンプ３０の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０によって制御される。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１Ａ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。ＥＣＵ４０は、所定の減量条件が成立した場合、ウォータポンプ３０から送り出される冷却水の流量が減少するようにウォータポンプ３０の動作を制御する。所定の減量条件は、例えばエンジン１Ａの暖機時などに成立したと判断される。このようにエンジン１Ａの暖機時に冷却水の流量を減少させることにより、エンジン１Ａの暖機を促進させることができる。

ウォータポンプ３０から送り出される冷却水が減少又は停止すると、ウォータジャケット１０内の各部の冷却水に温度差が生じ、ウォータジャケット１０内において冷却水が自然対流で循環し始める。図２の矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、この自然対流時における冷却水の流れを示している。ウォータジャケット１０内においては、排気側かつシリンダブロック３側に形成された第１排気側冷却部１９の冷却水の温度が最も高くなり易く、吸気側かつヘッドカバー５側に形成された第２吸気側冷却部１８の冷却水の温度が最も低くなり易い。そして、上述したようにエンジン１Ａは、吸気側が排気側より高くなるように車両に搭載される。そのため、図２に矢印Ｆ１で示したように、冷却水は第１排気側冷却部１９から第１吸気側冷却部１７に流れる。その後、冷却水は、矢印Ｆ２で示したように第１吸気側冷却部１７から吸気側隙間２１を介して第２吸気側冷却部１８に流れ込む。第２吸気側冷却部１８では、他の場所と比較して冷却水の温度が低くなる。そのため、重力によって第２吸気側冷却部１８の冷却水は第２排気側冷却水２０に流れる。その後、第２排気側冷却水２０に流れ込んだ冷却水は、排気側隙間２２を通過して第１排気側冷却部１９に戻る。以降、同様にして冷却水はウォータジャケット１０内の各部をこの順番で繰り返し循環する。

第１の形態のエンジン１Ａによれば、冷却水の流量が減少又は停止し、ウォータジャケット１０内において冷却水が自然対流で循環を始めた場合、図２に示したように冷却水を第１排気側冷却部１９、第１吸気側冷却部１７、第２吸気側冷却部１８、第２排気側冷却水２０、第１排気側冷却部１９の順に流すことができる。そのため、ウォータジャケット１０内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることができる。また、このようにスムーズに冷却水を循環させることにより、ウォータジャケット１０内における冷却水の温度差を小さくすることができる。これにより、シリンダヘッド４の各部の温度差を小さくし、シリンダヘッド４の変形を抑制することができる。さらに、吸気側燃焼室壁１４ｂ、排気側燃焼室壁１４ｃ、及び点火プラグねじボス８の各部の冷却を促進できるので、点火プラグによる点火時期以外の時期にシリンダ２内の燃料混合気が燃焼を開始すること、いわゆるプレイグニッションの発生を防止できる。そのため、エンジン１Ａの出力を向上させて暖機時間を短縮することができる。

エンジン１Ａでは、吸気側隔壁１５によって吸気側ジャケット１０ａを第１吸気側冷却部１７と第２吸気側冷却部１８に分割するとともに排気側隔壁１６によって排気側ジャケット１０ｂを第１排気側冷却部１９と第２排気側冷却水２０に分割したので、各冷却部１７、１８、１９、２０を流れる冷却水の流速を高めることができる。そのため、シリンダヘッド４から冷却水への熱伝達を促進させ、シリンダヘッド４の冷却を促進させることができる。また、第１吸気側冷却部１７及び第２吸気側冷却部１８における冷却水の流速を高めることにより、吸気ポート６を流れる吸気の冷却を促進できるので、シリンダ２に流入する吸気量を増加させ、エンジン１Ａの出力を向上させることができる。

（第２の形態）
図３及び図４は、本発明の第２の形態に係る内燃機関の要部を示す図である。なお、図３は図４のIII−III線における内燃機関の断面図を示し、図４は図３のIV−IV線における内燃機関の断面図を示している。図３及び図４に示したように、この形態の内燃機関（エンジン）１Ｂは、ウォータジャケット１０に冷却水の流れを変更するガイド手段としてのガイド５０が設けられる。それ以外は第１の形態と同じであるため、図３及び図４において第１の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図３に示したように、ガイド５０としては、吸気側隙間２１に配置される第１ガイド５１と、シリンダ２間に配置される第２ガイド５２とが設けられる。第１ガイド５１は、図３に矢印Ｆ４で示したように吸気側隙間２１を介して第２吸気側冷却部１８に流入した冷却水を図３の左右方向に分割し、その冷却水の流れが横方向から縦方向に変化するように設けられる。第２ガイド５２は、図３に矢印Ｆ５で示したように第１ガイド５１で方向を変えられた冷却水が再度横方向に流れるように設けられる。これにより、第２吸気側冷却部１８に流入した冷却水の少なくとも一部をシリンダ２間の上方Ｓに導くことができる。

第２の形態のエンジン１Ｂによれば、冷却水の少なくとも一部をシリンダ２間の上方Ｓに導くことができるので、ウォータジャケット１０内において冷却水が対流する領域を広げることができる。そのため、シリンダヘッド４の各部の冷却をさらに促進させ、シリンダヘッド４の変形をさらに抑制することができる。また、第１ガイド５１及び第２ガイド５２によってウォータジャケット１０内における冷却水の循環をさらにスムーズに行わせることができるので、シリンダブロック側壁１４のうちシリンダ２の上方に配置される各部分の温度差をさらに小さくすることができる。

本発明は、上述した各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。本発明の内燃機関は、ディーゼル機関であってもよい。また、本発明の内燃機関は、吸気側が排気側より高くなるように配置される内燃機関であればよく、例えばＶ型内燃機関、水平対向式内燃機関などでもよい。本発明の内燃機関は４気筒の内燃機関に限定されず、１、２、３、５、６、８、１０、１２気筒などの内燃機関でもよい。

ウォータジャケット内には、吸気側隔壁のみが設けられてもよい。この場合においても、排気側ジャケット、第１吸気側冷却部、第２吸気側冷却部、排気側ジャケットの順に冷却水を自然対流で循環させることができるので、上述した各形態と同様にウォータジャケット内において冷却水を自然対流でスムーズに循環させることができる。

本発明の第１の形態に係る内燃機関の要部を示す図。図１のII−II線における内燃機関の断面図。本発明の第２の形態に係る内燃機関の要部を示す図。図３のIV−IV線における内燃機関の断面図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ内燃機関
２シリンダ
３シリンダブロック
４シリンダヘッド
５ヘッドカバー
１０ウォータジャケット（冷却水通路）
１０ａ吸気側ジャケット（吸気側冷却水通路）
１０ｂ排気側ジャケット（排気側冷却水通路）
１５吸気側隔壁
１６排気側隔壁
１７第１吸気側冷却部
１８第２吸気側冷却部
１９第１排気側冷却部
２０第２排気側冷却部
２１吸気側隙間（連通部）
２２排気側隙間（排気側連通部）
３０ウォータポンプ（冷却水ポンプ）
５０ガイド（ガイド手段）
５１第１ガイド
５２第２ガイド
Ｓシリンダ間の上方

Claims

所定の減量条件が成立した場合に送り出す冷却水の流量を減少又は停止させる冷却水ポンプと、シリンダヘッド内に設けられてシリンダの上方から吸気側及び排気側の両方に延び、かつ前記冷却水ポンプから冷却水が供給される冷却水通路と、を備え、吸気側が排気側よりも高くなるように配置される内燃機関において、
前記冷却水通路には、前記冷却水通路のうち前記シリンダの上方よりも吸気側の吸気側冷却水通路をシリンダブロック側に形成される第１吸気側冷却部とヘッドカバー側に形成される第２吸気側冷却部とに分割する隔壁と、前記シリンダの上方から吸気側に最も離れた位置に配置されて前記第１吸気側冷却部と前記第２吸気側冷却部とを連通する連通部と、が設けられていることを特徴とする内燃機関。
前記シリンダが、一方向に向かって並ぶように複数設けられ、
前記冷却水通路には、前記第１吸気側冷却部から前記連通部を通過して前記第２吸気側冷却部に流入した冷却水の少なくとも一部が前記冷却水通路のうちシリンダ間の上方に位置する部分に向かって流れるようにその冷却水を案内するガイド手段が設けられている請求項１に記載の内燃機関。
前記ガイド手段として、前記第１吸気側冷却部から前記連通部を通過して前記第２吸気側冷却部に流入した冷却水の流れを前記シリンダの並び方向に変更する第１ガイドと、シリンダ間に配置されて前記第１ガイドによって流れの方向が変更された冷却水の流れを前記シリンダの並び方向と交差する方向に変更する第２ガイドと、が設けられる請求項２に記載の内燃機関。
前記冷却水通路には、前記冷却水通路のうち前記シリンダの上方よりも排気側の排気側冷却水通路を前記シリンダブロック側に形成されて前記第１吸気側冷却部と連通する第１排気側冷却部と前記ヘッドカバー側に形成されて前記第２吸気側冷却部と連通する第２排気側冷却部とに分割する排気側隔壁と、前記シリンダの上方から排気側に最も離れた位置に配置されて前記第１排気側冷却部と前記第２排気側冷却部とを連通する排気側連通部と、が設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。