JP2011064142A - ウォータジャケット構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時のシリンダ外壁部表面からの放熱を効果的に抑えるとともに、シリンダブロックの上下方向におけるウォータジャケットの熱分布を均一化することができるウォータジャケット構造を提供する。
【解決手段】シリンダブロックにおけるシリンダボアを形成するシリンダライナ部と、シリンダブロックにおけるシリンダライナ部よりも外周側に配設されたシリンダ外壁部と、シリンダ外壁部の内周面を被覆する樹脂製のスペーサと、スペーサの内周面とシリンダライナ部の外周面との間に設けられたウォータジャケットとを有し、スペーサはシリンダライナ部の軸方向に熱を伝達する伝熱機構を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両等のエンジンに設けられているウォータジャケット構造に関する。

図８に示すように、車両用エンジンのシリンダブロック９１には、筒状のシリンダボア９２を囲むようにウォータジャケット構造９３が設けられている。ウォータジャケット構造９３は、シリンダボア９２を形成するシリンダライナ部９４と、シリンダ外壁部９５と、シリンダライナ部９４とシリンダ外壁部９５との間に設けられたウォータジャケット９６とを有する。ウォータジャケット９６に冷却水を流通させて冷却水が熱を奪うことで、シリンダライナ部９４、即ちシリンダボア９２壁の冷却を図っている。

ところで、エンジンの冷間始動時には、シリンダボア９２の温度を素早く高温に上昇させて燃焼効率を上げることが望まれている。このため、冷間始動時には、ウォータジャケット９６に流通させる冷却水の量をエンジン高温時よりも少なくしてシリンダボア９２からの放熱を抑えている。

しかし、シリンダブロック９１は、アルミニウム等の金属から形成されているものが多い。このため、シリンダブロック９１のシリンダ外壁部９５表面からの放熱量が多い。ゆえに、冷間始動時には、シリンダ外壁部９５表面からの放熱を抑えることで、シリンダボア９２の迅速な温度上昇を促して燃費向上を図ることが望まれる。

そこで、従来、特許文献１に開示されているように、シリンダボアを形成する金属製のシリンダライナ部と、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）からなるシリンダ外壁部と、シリンダライナ部とシリンダ外壁部との間に介在させたウォータジャケットとを有するシリンダブロックがある。特許文献１のシリンダブロックでは、シリンダ外壁部がＦＲＰからなるため、シリンダ外壁部が金属製である場合に比べて、シリンダ外壁部表面からの放熱量を少なくすることができる。

また、特許文献２には、ウォータジャケットの内部の一部にスペーサを配設して、ボア壁温を均一にすることが開示されている。

実開昭６１−７６１４８号公報 特開２００２−３０９８９号公報

しかしながら、近年、燃費向上、ＣＯ２排出抑制の要望が高まり、冷間始動時に更に迅速にエンジン温度を上昇させたいという要望がある。かかる要望に対して、特許文献１に開示された技術では、ＦＲＰからなるシリンダ外壁部表面からの放熱が、金属製のシリンダ外壁部表面からの放熱よりも少なくすることができるとしても、近年の要望に応じた冷間始動時の迅速なシリンダ温度の上昇には十分に応ずることはできない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、冷間始動時のシリンダ外壁部表面からの放熱を効果的に抑えるとともに、シリンダライナ部の軸方向におけるウォータジャケットの熱分布を均一化することができるウォータジャケット構造を提供することを課題とする。

本発明は、シリンダブロックにおけるシリンダボアを形成するシリンダライナ部と、前記シリンダブロックにおける該シリンダライナ部よりも外周側に配設されたシリンダ外壁部と、該シリンダ外壁部の内周面を被覆する樹脂製のスペーサと、該スペーサの内周面と該シリンダライナ部の外周面との間に設けられたウォータジャケットと、を有し、該スペーサはシリンダライナ部の軸方向に熱を伝達する伝熱機構を有することを特徴とする。

前記スペーサは、その内周面に高熱伝導層が形成されていることが好ましい。

前記スペーサは、高熱伝導性のフィラーをシリンダライナ部の軸方向に配向して形成されていることが好ましい。

本発明においては、樹脂製のスペーサの内周面と、シリンダライナ部の外周面との間には、ウォータジャケットが形成されている。このスペーサは、シリンダライナ部の軸方向に熱を伝達する伝熱機構を有している。このため、シリンダからウォータジャケット内を流れる冷却媒体に伝達された熱分布が均一でない場合でも、スペーサの伝熱機構により熱が伝達されて、熱分布を均一化することができる。

シリンダ外壁部の内周面が樹脂製のスペーサにより被覆されている。このため、シリンダ外壁部全体を金属により構成した場合に比べて、放熱を抑えることができる。よって、冷間始動時には、シリンダ外壁部表面からの放熱を効果的に抑えることができる。したがって、エンジンを素早く暖機することができ、燃費向上、ＣＯ２排出抑制及びノッキング抑制を図ることができる。

本発明の実施例１における、シリンダブロックの斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視線で切断してＢ−Ｂ矢視線側から視たシリンダブロックの斜視図である。 図１のＢ−Ｂ矢視線で切断して側面側から視たシリンダブロックの斜視図である。 実施例１における、シリンダブロックの分解斜視図である。 実施例１における、ウォータジャケット構造の要部拡大断面図である。 実施例２における、ウォータジャケット構造の要部拡大断面図である。 従来例における、シリンダブロックの断面図である。

本発明のウォータジャケット構造は、内燃機関のシリンダブロックに形成されている構造であり、シリンダライナ部と、シリンダ外壁部と、スペーサと、ウォータジャケットとを有する。

シリンダライナ部の内周面側には、筒状の複数のシリンダボアが直列状に形成されている。シリンダライナ部の外周面側には、ウォータジャケットが配置されている。本明細書において、「内周面側」とは、ウォータジャケット構造を構成する各部材における、シリンダブロックの外周部からシリンダボアの中心に向かう径方向内側に面する側を意味し、「外周面側」とは、シリンダボアの中心からシリンダブロックの外周部に向かう径方向外側に面する側を意味する。

シリンダライナ部の材質は、例えば、アルミニウム、鋳鉄などの金属などが用いられる。

ウォータジャケットは、シリンダ外壁部を被覆するスペーサの内周面と、シリンダライナ部の外周面との間に形成された空間である。ウォータジャケットには冷却媒体が流通する。エンジン高温時にはウォータジャケット内の冷却媒体の流通量を多くして、シリンダボアからシリンダライナ部を通じて伝達されてきた熱を外部に排出する。これにより、シリンダライナ部の温度の過剰上昇を抑える。一方、冷間始動時には、ウォータジャケット内の冷却媒体の流通量を、エンジン高温時よりも少なくして、冷却媒体による熱の排出量を抑える。これにより、冷間始動時に、素早くシリンダボア温度を上昇させて、効率よく燃料を燃焼させる。

エンジンブロックにおけるウォータジャケットよりも外周側にはスペーサが配置されている。スペーサは、シリンダライナ部における軸方向に熱を伝達する伝熱機構を有している。これにより、シリンダからウォータジャケット内を流れる冷却媒体に伝達された熱分布が均一でない場合でも、スペーサの伝熱機構によりシリンダライナ部における軸方向に熱が伝達されて、熱分布を均一化することができる。スペーサの内周面は、ウォータジャケットに対面している。スペーサの外周面は、シリンダ外壁部の内周面に対面している。スペーサは、ウォータジャケットの外周面を構成する形状をもち、シリンダ外壁部の内周面全体を被覆しているとよい。この場合には、ウォータジャケットからシリンダ外壁部への放熱を効果的に抑えることができる。

スペーサは樹脂材からなる。スペーサに好適に用いられる樹脂材としては、強度が高く、耐熱性及び耐水性に優れた材質であることがよい。スペーサに用いられる好適な樹脂としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）などがあり、特に、樹脂の中に、ガラス、カーボンなどからなる繊維が含浸されたＦＲＰ（繊維強化樹脂）を用いることがよい。

スペーサの伝熱機構としては、内周面に高熱伝導層が形成されていても良いし、スペーサ自体の樹脂材が高熱伝導性のフィラーをシリンダライナ部における軸方向に配向して形成されていても良い。高熱伝導層や高熱伝導性フィラーは、１００W/m・K以上の熱伝導率を有するものが好ましい。例えば、高熱伝導層としてはアルミニウムやステンレスなどを用いることができ、高熱伝導性フィラーとしてはカーボンフィラーやアルミニウム、ステンレス等の各種金属フィラーを用いることができる。また、高熱伝導性フィラーは、針状、繊維状、鱗片状などの異方形状のものが用いられる。

スペーサは、シリンダ外壁部の内周面に液密に接合されているとよい。この場合には、スペーサとシリンダ外壁部との間に隙間が生じるのを防止して、ウォータジャケットを流通する冷却媒体の漏出を防止することができる。スペーサをシリンダ外壁部の内周面に液密に接合する方法としては、例えば、スペーサをシリンダ外壁部に溶着する方法、スペーサをシリンダ外壁部に接着剤を用いて接着する方法、シリンダ外壁部をインサートしてスペーサを射出成形する方法などがあげられる。スペーサは、射出成形、プレス成形、ブロー成形などにより形成される。

シリンダ外壁部は、シリンダブロックの上部外周部に配置されている。シリンダ外壁部は、スペーサと対面しない部分で、シリンダライナ部の外周面に固定されている。本体部は、シリンダライナと一体に形成されてもよいし、別体で形成した後にシリンダライナ部に接合してもよい。本体部を構成する金属は、例えば、アルミニウム、鋳鉄などが挙げられる。本体部を構成する金属は、シリンダライナ部を構成する金属と同材質であっても、異なる材質であってもよい。

また、シリンダ外壁部の全体が外壁樹脂材により構成されていてもよい。この場合に用いる樹脂材は、ＦＲＰなどの強化樹脂を用いるとよい。

本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本例のウォータジャケット構造３は、車両エンジンのシリンダブロック１の上部に設けられた構造である。シリンダブロック１は、直列４気筒エンジンに用いられる。シリンダブロック１の上部には４つのシリンダボア２が直列に配設されている。シリンダブロック１の下部にはクランクシャフトやオイルポンプが収容されるクランクケース１０が設けられている。シリンダブロック１上部に設けられたシリンダボア２の周囲には、ウォータジャケット構造３が設けられている。

図２に示すように、ウォータジャケット構造３は、シリンダライナ部４と、シリンダ外壁部５と、スペーサ６と、ウォータジャケット７と、断熱空間８とを有する。

図１，図３，図４に示すように、シリンダライナ部４は、４つの直列に配列する円筒形状のシリンダボア２を形成するとともに、各シリンダボア２を連結している。

図２、図３に示すように、シリンダ外壁部５は、シリンダブロック１のシリンダライナ部４よりも外周側に設けられている。シリンダ外壁部５は、本体部５１と、本体部５１に設けられた窓部５２と、窓部５２を塞ぐ外壁樹脂材５３とを有する。本体部５１は、その下部でシリンダライナ部４と一体に連結して、シリンダブロック１の一部を構成している。本体部５１は、シリンダブロック１の上部の外側骨格を形成している。本体部５１には、ウォータジャケット７に冷却媒体を流通させる配管５０が配設されている。本体部５１及びシリンダライナ部４を含むシリンダブロック１の材質は、アルミニウムである。

図１、図３，図４に示すように、窓部５２は、シリンダ外壁部５の側部のコーナ部以外の中間部に形成されている。シリンダ外壁部５の外形は略直方体であり、シリンダ外壁部５の側部の中間部の中でもシリンダ外壁部５の厚みの薄い部分、即ちシリンダ外壁部５外表面とシリンダボア２との間の距離が狭い部分に、窓部５２が配置されている。シリンダ外壁部５には、シリンダブロック１の長手方向に沿って各シリンダボア２に対応する位置に窓部５２が形成されている。また、シリンダブロック１の長手方向の一端側の側面にも、窓部５２が形成されている。シリンダブロック１の長手方向の他端側の側面は、弁開閉調整機構が設けられる部分であり、窓部を設けるスペースがない。

図２に示すように、窓部５２は、本体部５１の内周面側と外周面側とを連通している。窓部５２の周縁の外周面側には、外壁樹脂材５３が配設されて、窓部５２を塞いでいる。外壁樹脂材５３は、シリンダ外壁部５の内周面側に表出している。シリンダ外壁部５の窓部５２が開口している部分では、シリンダ外壁部５の内周面よりも窓部５２の厚み分だけ外周面側に奥まった部分に、外壁樹脂材５３が配設されている。外壁樹脂材５３は、パネル形状であり、その厚みは２．５ｍｍである。外壁樹脂材５３の材質はガラス繊維を含浸させたＰＰＳである。外壁樹脂材５３の周縁部は、接着剤により窓部５２の外周面に接着されている。図１の斜線部分に示すように、外壁樹脂材５３は、シリンダブロック１の外部から視認できる位置に設けられている。

図２，図３に示すように、スペーサ６は、シリンダ外壁部５の内周面に合った形状をもち、シリンダ外壁部５の内周面全体を被覆している。スペーサ６の材質は、ガラス繊維を含浸させたＰＰＳである。スペーサ６は、上部から中央部にわたる一般部６ａで均一な厚みＡ（２．５ｍｍ）をもち、一般部６ａよりも下方の下部６ｂでは厚みＡよりも厚い厚みＢをもつ。スペーサ６の一般部６ａの内周面とシリンダライナ部４の外周面との間には、冷却媒体が流通するウォータジャケット７が介在している。スペーサ６の下部６ｂの内周面はシリンダライナ部４の外周面に当接して、ウォータジャケット７の底部を構成している。ウォータジャケット７の厚みは、スペーサ６の下部６ｂの厚みＢから一般部６ａの厚みＡを差し引いた大きさである。ウォータジャケット７の厚みは、周方向で若干変わり、１〜３０ｍｍである。図６に示すように、スペーサ６の一般部６ａの内周面には、高熱伝導層としてアルミニウム層６３が形成されている。アルミニウム層６３の厚さは、放熱量を抑制する観点から０．３ｍｍ以下が好ましい。

スペーサ６の外周面はシリンダ外壁部５の内周面に対面している。シリンダ外壁部５の窓部５２が開口している部分では、スペーサ６の外周面は、窓部５２を塞ぐ外壁樹脂材５３に対面している。外壁樹脂材５３は、シリンダ外壁部５の内周面よりも窓部５２の厚み分だけ窪んだ位置に配置されているので、外壁樹脂材５３とスペーサ６との間には、窓部５２の厚みと同じ厚みをもつ断熱空間８が形成されている。断熱空間８の内部は、空洞であり、幅方向に対向するスペーサ６及び外壁樹脂材５３と、上下方向に対向する窓部５２の周縁とによって気密に囲まれている。

スペーサ６の外周面には、リブ６１、６２が突設している。リブ６１、６２は、スペーサ６の上下方向の位置が異なる２箇所の位置に配置されている。一方のリブ６１は他方のリブ６２よりも上側に位置している。リブ６１、６２の先端は、外壁樹脂材５３の内周面に溶着している。図４に示すように、リブ６１、６２は、それぞれスペーサ６の周方向に延びている。

ウォータジャケット構造３を作製するにあたっては、図５に示すように、シリンダライナ部４及びシリンダ外壁部５の本体部５１を一体に有するシリンダブロック１をアルミニウムで鋳造する。また、外壁樹脂材５３を射出成形で形成する。スペーサ６は、シリンダブロック１を金型の一部とするインサート射出成形により一体成形する。

スペーサ６をシリンダ外壁部５に射出成形するのと同時に接着するために、シリンダ外壁部５の内周面に予め接着処理を行って、シリンダ外壁部５の内周面に官能基（例えばカルボニル基）を付与する。射出成形時の熱と圧力によりスペーサ６を形成する樹脂中の官能基（例えばエポキシ基）をシリンダ外壁部５の内周面の官能基と化学結合させる。

外壁樹脂材５３をシリンダ外壁部５の窓部５２周縁の外周面に、エポキシ系の接着剤を用いて接着する。また、熱板溶着法により、スペーサ６の外周面に突出するリブ６１，６２の先端部を、外壁樹脂材５３の内周面に対して溶着する。

本例のウォータジャケット構造３においては、シリンダ外壁部５の内周面が樹脂製のスペーサ６により被覆されている。スペーサ６の外周面と、シリンダ外壁部５の外壁樹脂材５３の内周面との間には、断熱空間８が形成されている。このため、シリンダボア２から伝達されてきた熱を断熱空間８に蓄えることができる。また、断熱空間８は、樹脂製のスペーサ６と外壁樹脂材５３との間に設けられているため、外壁樹脂材５３により囲まれることになる。ゆえに、断熱空間８は、金属材により囲まれている場合に比べて、熱を効果的に蓄えることができる。

シリンダ外壁部５の内周面が樹脂製のスペーサ６により被覆されており、また、シリンダ外壁部５の一部は外壁樹脂材５３により構成されている。このため、シリンダ外壁部５全体を金属により構成した場合に比べて、シリンダ外壁部５表面からの放熱を抑えることができる。よって、冷間始動時には、シリンダ外壁部５からの放熱を効果的に抑えることができる。しかも、樹脂製のスペーサ６の内周面に形成されたアルミニウム層６３により、ウォータジャケット内の冷却媒体に均一に熱を伝達することができる。したがって、エンジンを素早く暖機することができ、燃費向上、ＣＯ２排出抑制及びノッキング抑制を図ることができる。

シリンダブロック１のウォータジャケット７よりも外周面側に、樹脂製のスペーサ６、外壁樹脂材５３及び断熱空間８が配置されている。このような放熱を抑える性質をもつ構成は、ウォータジャケット７よりも外周面側に存在しており、ウォータジャケット７よりも内周面側にはない。このため、エンジン高温時にシリンダボア２で発生した熱のウォータジャケット７への伝達は妨げられない。ゆえに、エンジン高温時には、ウォータジャケット７に冷却媒体を流通させることでシリンダボア２の温度の過剰上昇を効果的に抑えることができる。

また、シリンダ外壁部５が、金属製の本体部５１と、本体部５１に開口する窓部５２とをもち、窓部５２が外壁樹脂材５３により塞がれている。このため、外壁樹脂材５３をシリンダブロック１の外周面側から窓部５２に装着することで、本体部５１に外壁樹脂材５３を接合することができる。ゆえに、シリンダ外壁部５の本体部５１に外壁樹脂材５３を容易に一体化することができる。

断熱空間８は、シリンダブロック１におけるシリンダ外壁部５の径方向の厚みが薄い部分に対応する部分に設けられている。シリンダ外壁部５の径方向の厚みが薄い部分は、シリンダボア２からの熱伝導距離が短く、放熱し易い部分である。この部分に断熱空間８を設けることによって、シリンダ外壁部５表面からの放熱を効果的に抑制できる。

また、シリンダボア２の下部は、燃焼室が設けられている上部よりも温度上昇しにくい。このため、シリンダブロック１におけるシリンダボア２の下部を囲む部分には、スペーサ６の厚肉の下部６ｂが配置され、且つ断熱空間８が配置されている。このため、温度上昇しにくいシリンダボア２下部からの放熱を抑えて、温度上昇しやすいシリンダボア上部との温度差を抑えることができる。さらに、スペーサ６の内周面に形成されたアルミニウム層６３により、燃焼室が設けられているシリンダボア２の上部と燃焼室のない下部との、冷却媒体への熱分布を均一化するように働く。

本例においては、図７に示すように、樹脂製のスペーサ６の内周面にアルミニウム層６３を形成して伝熱機構を付与した実施例１に対して、スペーサ６４はスペーサ自体がカーボンフィラーをシリンダライナ部の軸方向に配向して形成することで、伝熱機構を付与していることが異なるのみである。フィラーの配向方法としては、材料の流動によりえられる流動配向や磁場を利用した磁場配向を用いることができる。このようにして製造されたスペーサ６４は、カーボンフィラーの配向により、シリンダライナ部４における径方向（スペーサ６４の厚さ方向）には小さな熱伝導率しか有さず、シリンダライナ部４における軸方向には大きな熱伝導率を有している。このため、ウォータジャケット７内の冷却媒体に対する熱分布の均一化を効果的に図るとともに、シリンダ外壁部５表面からの放熱を効果的に抑制することができる。

１：シリンダブロック
２：シリンダボア
３：ウォータジャケット構造
４：シリンダライナ部
５：シリンダ外壁部
６：スペーサ
６ａ：スペーサの一般部
６ｂ：スペーサの下部
７：ウォータジャケット
８：断熱空間
１０：クランクケース
５０：冷却媒体を流通させる配管
５１：本体部
５２：窓部
５３：外壁樹脂材
６１：リブ
６２：リブ
６３：アルミニウム層
６４：スペーサ
９１：シリンダブロック
９２：シリンダボア
９３：ウォータジャケット構造
９４：シリンダライナ部
９５：シリンダ外壁部
９６：ウォータジャケット

Claims (3)

1. シリンダブロックにおけるシリンダボアを形成するシリンダライナ部と、
   前記シリンダブロックにおける該シリンダライナ部よりも外周側に配設されたシリンダ外壁部と、
   該シリンダ外壁部の内周面を被覆する樹脂製のスペーサと、
   該スペーサの内周面と該シリンダライナ部の外周面との間に設けられたウォータジャケットと、を有し、
   該スペーサはシリンダライナ部の軸方向に熱を伝達する伝熱機構を有することを特徴とするウォータジャケット構造。
2. 前記スペーサは、内周面に高熱伝導層が形成されている請求項１記載のウォータジャケット構造。
3. 前記スペーサは、高熱伝導性のフィラーをシリンダライナ部の軸方向に配向して形成されている請求項１記載のウォータジャケット構造。
   
   

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