JP2015190450A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダブロックとシリンダヘッドとを別々に冷却可能な２系統冷却方式において、冷却性能の向上等を図る。【解決手段】シリンダブロック１にはブロックジャケット６と、シリンダヘッド２のヘッドジャケット７は第２連通路１４で繋がっている。制御弁２３，２４を開閉操作することで、冷却水がヘッドジャケット７のみに流れる状態（暖機時の状態）と、冷却水の全量がブロックジャケット６を経由してヘッドジャケット７に流れる状態（暖機終了後の状態）とに切り換えられる。２系統方式でありながら、冷却水の全量をヘッドジャケット７に通水できるため、シリンダヘッド２の冷却性能が高い。また、ブロックジャケット６を流れて昇温した冷却水でシリンダヘッド２が冷却されるため、シリンダヘッド２の熱ひずみも抑制できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、シリンダブロックとシリンダヘッドとを別々に冷却できる２系統冷却方式の水冷式（液冷式）内燃機関に関するものである。

内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとは冷却水で冷却されており、そこで、シリンダブロックに気筒列を囲うように冷却水通路（ブロックジャケット）が形成されて、シリンダヘッドには面的な広がりを持つ冷却水通路（ヘッドジャケット）が形成されている。シリンダブロックの冷却水通路とシリンダヘッドの冷却水通路とは多数の連通穴を介して連通していることが多く、冷却水はブロックジャケットからヘッドジャケット流れている。

しかし、冷却水が常にブロックジャケットからヘッドジャケットに流れていると、コールドスタートした場合のように暖機運転が必要な状態でもシリンダブロックが冷却されるため、シリンダブロックが過冷却されて暖機運転時間が長くなる等の問題がある。

そこで、シリンダブロックとシリンダヘッドとを別々に冷却することが考えされており、その例として特許文献１には、ブロックジャケットとヘッドジャケットとに別々の冷却水通路を接続すると共に、ブロックジャケットから排出された戻り管路に流量制御弁を設けることで、暖機運転時にはブロックジャケットへの通水を停止する構成が開示されている。

特開平５−２５６１３１号公報

さて、シリンダブロックとシリンダヘッドとの受熱量を比べると、シリンダヘッドの方が受熱量が大きく、このため、シリンダヘッドはシリンダブロックよりも高温になる。従って、シリンダブロックとシリンダヘッドとをともに冷却する場合、シリンダヘッドをよ強く冷却する必要がある。

しかるに、特許文献１では、冷却水がヘッドジャケットのみに流れている暖機運転状態では特許文献１はさほどの問題はないが、暖機運転終了後においては、ブロックジャケットに流れた冷却水はそのままラジェータにリターンするため、ヘッドジャケットを流れる冷却水の量が少なくなって、冷却効率が悪くなるおそれが懸念される。

また、ブロックジャケットから排出される冷却水はまだ冷却性能があるにもかかわらずラジェーターに戻されるため、冷却水の冷却性能を十分に使用しているとはいい難く、この面でも冷却効率がよくないと云える。

更に、シリンダブロックとシリンダヘッドとの熱膨張はできるだけ均等化するのが好ましく、そのためには、燃焼室においてシリンダブロックとシリンダヘッドとの温度差をできるだけ小さくするのが好ましいが、特許文献１ではシリンダブロックとシリンダヘッドとが別々に冷却されるため、シリンダブロックとシリンダヘッドとの温度差が大きくなってシリンダブロックやシリンダヘッドがいびつに熱変形するおそれも懸念される。

本願発明は、このような現状を改善した２系統冷却方式内燃機関を提供することを目的とするものである。

本願発明の内燃機関は、シリンダブロックに設けたブロックジャケットと、シリンダヘッドに設けたヘッドジャケットと、冷却水が前記ヘッドジャケットのみに流れる状態とブロックジャケットを経由してヘッドジャケットに流れる状態とに切り換えできる切り換え手段を設けている。

ブロックジャケットからヘッドジャケットに通水させる方法としては、ブロックジャケットとヘッドジャケットとを１つ又は複数の連通路でダイレクトに繋いでもよいし、ブロックジャケットの排出口とヘッドジャケットの流入口とを専用の通路で繋いでもよい。

また、切り換え手段としては、ブロックジャケットへの送水通路とヘッドジャケット７への送水通路を別々に設けて、それらに別々の制御弁を設けたり、三方弁を介してブロックジャケットへの流れとヘッドジャケットへの流れを切り替えたりすることも可能である。

また、実施形態のように、ヘッドジャケットを複層方式にして、シリンダブロックがブロックジャケットに流れている状態と流れていない状態とでヘッドジャケットでの冷却水の流れ態様を異ならせることも可能である。つまり、ヘッドジャケットも複数系統冷却方式として、機関全体の流れ系統とヘッドジャケットの流れ系統との制御を組み合わせることも可能であり、かかる制御により、きめ細かな冷却を実現できる。

本願発明によると、暖機運転終了後は冷却水を全量をブロックジャケットからシリンダヘッドに流すことができる。このため、機関の冷却水をシリンダヘッドの冷却にフルに活用して、シリンダヘッドの適切な冷却が可能になる。また、冷却水はその全量がフルに冷却の仕事をしてからラジェーターに戻るため、機関全体としての冷却効率もアップすることができる。

また、ブロックジャケットを流れた冷却水がヘッドジャケットに流れるため、燃焼室を構成するシリンダブロックとシリンダヘッドとの温度差をできるだけ小さくして、シリンダブロック及びシリンダヘッドがいびつに熱膨張することも防止できる。特に、実施形態のように、連通路をブロックジャケットのうち入口と反対側に寄せて設けると、ブロックジャケットをまんべんなく巡った冷却水をヘッドジャケットに通水できるため、ブロックジャケットからヘッドジャケットに向かう冷却水の温度を均一化できて好適である。

また、上記のように、ヘッドジャケットを複数方式にして２系統冷却と組み合わせると、きめ細かい冷却を実現できる。

実施形態に係る冷却系統を示す模式的な概略側面図である。 要部の模式的な平断面図である。 ヘッドジャケットとブロックジャケットと送水系統とを上から見た斜視図である。 ヘッドジャケットとブロックジャケットと送水系統とを下から見た斜視図である。 シリンダヘッド及びフロントカバーを一点鎖線で示してヘッドジャケットと送水系統とを実線で示した平面図である。 シリンダヘッド及びフロントカバー並びにシリンダブロックを一点鎖線で示してヘッドジャケット及びブロックジャケット並びに通水系統を実線で示した側面図である。 シリンダヘッド及びシリンダブロックを一点鎖線で示してヘッドジャケット及びブロックジャケット並びに送水系統を実線で示した正面図である。 メインジャケット下層部を示す平断面図である。 メインジャケット上層部を示す平断面図である。

(1).内燃機関の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車両用内燃機関に適用している。まず、内燃機関の概要を図１の模式図に基づいて説明する。なお、図５と図９とは高さを変えて表示しているため、少し違いがある。

本願では、図面に関して正面視（正面図）・側面視（側面図）の文言を使用するが、正面視はクランク軸線方向から見た状態であり、側面視は、クランク軸線方向及び気筒軸線と直交した方向から見た状態である。前後方向はクランク軸線方向（シリンダヘッドの長手方向）であり、左右方向は、クランク軸線及び気筒軸線と直交した方向（シリンダヘッドの短手方向）である。上下に関しては、シリンダブロックからシリンダヘッドを向いた方向を上として定義している（従って、スラント型内燃機関の場合は、上下方向が必ずしも鉛直方向でない場合がある。）。

内燃機関は、機関本体の中核としてシリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、シリンダヘッド１の上面にはシリンダヘッドカバー３が固定されて、シリンダブロック１の下面にはオイルパン４が固定されている。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一端面１ａ，２ａには、タイミングチェーン（図示せず）を覆うフロントカバー（チェーンカバー、チェーンケース）５がボルトで固定されている。なお、タイミングチェーンは動力伝達手段と同義であり、タイミングギアやタイミングベルトも含んでいる。

シリンダブロック１には、シリンダヘッド２に向けて上向き開口したとブロックジャケット６が形成されており、シリンダヘッド２の内部にもヘッドジャケット７が形成されている。本実施形態の特徴として、ヘッドジャケット７は、フロントカバー５に近接して設けた先行ジャケット８と、概ねブロックジャケット６の上に位置したメインジャケット９とに分離構成されており、更に、メインジャケット９は、メインジャケット下層部１０とメインジャケット上層部１１とに分離されている。

先行ジャケット８は、メインジャケット下層部１０と１つの第１通路１２で連通しており、メインジャケット下層部１０とメインジャケット上層部１１とは複数の第２通路１３で連通しており、メインジャケット下層部１０とブロックジャケット６とは複数の第３通路１４で連通している。第３連通路１４は、請求項に記載した切り換え手段の一部を構成している。

そして、シリンダブロック１のうち一端面１ａ寄りの部位には、先行ジャケット８に連通した上下長手のヘッド行き送水路１６が上向きに開口するように形成されている。また、ヘッド行き送水路１６を挟んでフロントカバー５と反対側の部位には、ブロックジャケット６に連通したブロック行き送水口１７が形成されている。

ヘッド行き送水路１６及びブロック行き送水口１７には、ウォータポンプ１９から冷却
水が圧送される。ウォータポンプ１９は、ハウジングの内部にインペラーを設けた構成であり、クランク軸２０に設けたクランクプーリ２１でベルト２２を介して駆動される。ヘッド行き送水路１６には第１制御弁２３を設け、ブロック行き送水口１７とウォータポンプ１９との間には第２制御弁２４を設けている。

両制御弁２３，２４は請求項に記載した切り換え手段の中核を成すものであり、その制御態様としては、通水と非通水状態とを単純に切り換えてるだけでもよいし、水温に応じて通水量を調節してもよい。他方の制御弁は流量制御方式として、他方の制御弁は単純な開閉方式とすることも可能である。

シリンダヘッド２の周囲のうち、例えばフロントカバー５と反対側の他端面２ｂの近くの箇所に、サーモ弁を備えた分配装置２５が配置されている（分配装置２５は、シリンダヘッド２に一体化（内蔵）してもよい。）。メインジャケット上層部１１の終端に出口管２６が接続されており、出口管２６から、ヒータ行き管２７とラジェーター行き管２８とポンプ戻り管２９が分岐している。

ヒータ行き管２７は、ＥＧＲクーラ３０を経由して車内暖房用ヒータコア３１に接続されており、ヒータコア３１の出口ポートに接続されたヒータ戻り管３２は、オイルクーラ３３を経由して分配装置２５に接続されている。他方、ラジェーター行き管２８はラジェーター３４に接続されており、ラジェーター３４の出口ポートに接続されたラジェーター戻り管３５は分配装置２５に接続されている。更に、ポンプ戻り管２９は、ＥＧＲバルブ３６を経由して分配装置２５に接続され、更に、ポンプ戻り管２９は分配装置２５を経由してウォータポンプ１９の吸水口に接続されている。

本実施形態の冷却系統は、シリンダヘッド２のみの冷却とシリンダヘッド２及びシリンダブロック１の冷却とを切り換えできる２系統冷却方式であり、コールドスタート時のように冷却水の温度が所定以上に昇温していない状態では、第１制御弁２３が開いて第２制御弁２４が閉じていることにより、冷却水はブロックジャケット６には流れずに、ヘッドジャケット７の先行ジャケット８に流れる。

図２に示すように、冷却水が先行ジャケット８に流入している状態では、冷却水は、先行ジャケット８から第１連路１２を経由してメインジャケット下層部１０に至り、メインジャケット下層部１０をまんべんなく流れてからメインジャケット上層部１１に至る。

従って、暖機運転中は少ない量の冷却水が機関を素早く循環する。これにより、冷却水を早く循環させて早期昇温した冷却水をヒータコア３１に送水できると共に、機関の過冷却を防止して早期暖機を実現できる。なお、敢えて述べるまでもないが、低温状態では冷却水はラジェーター３２にも流れず、ヒータコア３１等を経由してポンプ戻り管３５よりウォータポンプ１９にリターンする。

両制御弁２３，２４は、例えば分配装置２５の近くに設けている水温センサからの信号に基づき、制御装置の一例としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）によって開閉が制御される（分配装置２５に設けた感温部で作動するセンサ（リミットスイッチ）を設けて、このセンサによって制御弁２３，２４をＯＮ・ＯＦＦさせることも可能である。）。

冷却水の温度が所定温度以上に昇温すると、第１制御弁２３は閉じて第２制御弁２４が開く。従って、冷却水はブロックジャケット６を流れてから、第３連通路１４を経由してヘッドジャケット７のメインジャケット下層部１０に流入し、メインジャケット下層部１０をまんべんなく巡ってから、第２連通路１３を経由してメインジャケット上層部１１に
至り、メインジャケット上層部１１を巡ってから出口管２６に排出される。

従って、暖機運転終了後のように機関温度が高い状態では、冷却水は先行ジャケット８には流れず、ブロックジャケット６から、ヘッドジャケット７のメインジャケット９に流れて出口管２６に排出される。敢えて述べるまでもないが、冷却水がブロックジャケット６に流れている状態では、冷却水はラジェーター３４にも流れている。

なお、暖機運転終了後も冷却水を先行ジャケット８に流すことは可能であるが、先行ジャケット８に通水させるとメインジャケット下層部１０の冷却能力が低下するため、シリンダヘッド２の冷却性の点からあまり好ましくない。水温に応じて、先行ジャケット８への通水とブロックジャケット６への通水を同時に行うことは可能である。

(2).冷却系統の具体的な構造
次に、冷却系統（特にヘッドジャケット７）の具体的な構造を、図３以下の図面も参照して説明する。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、図４から理解できるように、ブロックジャケット６は３つの気筒を囲う形態になっており、シリンダブロック１の一端面１ａの側において隣り合った２つの吸気ポートの間の部位に、ブロック行き送水口１７を設けている。図３のとおり、ブロック行き送水口１７は上下に長い形態になっており、図１に示した第２制御弁２４は、例えばブロック行き送水口１７の始端に設けている。

例えば図４に示すように（図５，８も参照）、ブロックジャケット６のうち、ヘッド行き送水路１６及びブロック行き送水口１７と反対側の部位に、５つの第３連通路１４を設けている。図３及び図５とから理解できるように、ヘッド行き送水路１６は、シリンダブロック１のうち、ブロック行き送水口１７よりもフロントカバー５に寄った位置に設けており、上下長手の形態を成している。図１に示した第１制御弁２３は、シリンダブロック１に埋め込むことが可能である。

図３から理解できるように、ヘッド行き送水路１６はブロックジャケット６の外側に位置しており、シリンダブロック１のコーナー寄りに配置している（従って、気筒列の端に位置したシリンダボアから遠のいた位置に設けている。）。

図３，４，６では、ポンプ戻り管２９に接続されてヘッド行き送水路１６及びブロック行き送水口１７に連通した流路３８を表示しているが、この流路３８はウォータポンプ１９の内部に形成されている。従って、流路３８はウォータポンプ１９の一部を成すものである。そして、流路３８は、クランク軸線３９の方向に長い上水平部３８ａを有しており、上水平部３８ａに設けた２つの吐出穴が、それぞれヘッド行き送水路１６とブロック行き送水口１７とに連通している。従って、ヘッド行き送水路１６とブロック行き送水口１７とは、シリンダブロック１の一側面と上面とに開口している。

ウォータポンプ１９に１本の吐出口を設けて、３方弁の２つの出口ポートに、ヘッド行き送水路１６とブロック行き送水口１７とを接続してもよい。この場合は、制御弁は１つになるので構造が簡単になる。

図３や図５等に明示するように、ヘッドジャケット７を構成する先行ジャケット８は、フロントカバー５に近接した部位に位置して、クランク軸線３９と直交した短手方向４０に細長い形態になっており、先行ジャケット８のうち、シリンダヘッド２の長手一側面２ｂの側の冷却水入口８ａに、ヘッド行き送水路１６を連通させている。

図９に示すように、シリンダヘッド２の長手一側面２ｂには、１つの気筒に対応して２
つずつの吸気ポート４１が開口していると共に、吸気マニホールド３６（図８参照）が固定されている（図８の符号３６′はサージタンクである。）。更に、シリンダヘッド２には、吸気ポート４１の開口端を開閉する吸気弁の弁軸４２が摺動自在に装着されている。また、シリンダヘッド２には、排気ポートの開口端を開閉する吸気弁の弁軸４３が摺動自在に装着されている。なお、図９では、便宜的に吸気ポート４１がメインジャケット上層部１１と連通するように描いているが、実際には両者は壁で仕切られている。

本実施形態の吸気ポート４１は、吸気を弁軸４２の軸心回りに旋回させて燃焼室にスワール流を発生させるヘリカルポートになっている。そこで、吸気ポート４１の終端部は巻き構造になっていると共に、平断面視で、クランク軸線３９と直交した線に対して傾斜させている。

また、本実施形態では、図８に模式的に線のみで示すように、排気ポート４４はシリンダヘッド２の内部において１つの排気集合通路４５に集合しており、従って、シリンダヘッド２の長手他側面２ｃには１つの排気穴が空いているだけである。また、内部に集合通路４５を設けているため、シリンダヘッド２は長手他側面２ｃの側が厚くなっている。

図９に示すように、メインジャケット上層部１１の箇所には、吸気弁の弁軸４２が嵌まっている第１アイランド部４６と、排気弁の弁軸４３が嵌まっている第２アイランド部４７とが、メインジャケット９を上下に貫通した状態に形成されている。なお、実際には弁軸４２，４３はガイド筒にスライド自在に嵌まっているが、ガイド筒は省略している。

更に、シリンダヘッド２には、燃料噴射弁（又は点火プラク）４８を取り付けるためのセンターアイランド部４９がメインジャケット７を上下に貫通する状態（柱状の状態）で形成されており、一対の第１アイランド部４６のうち出口５６の側の第１アイランド部４６とセンターアイランド４９とは、一体に繋がっている。他方、第２アイランド部４５はそれぞれ独立している。

シリンダヘッド２は、気筒列を挟んだ両側において、左右４本ずつのヘッドボルト５０でシリンダブロック１に締結されている。８本のヘッドボルト５０のうち吸気側の４本は、シリンダヘッド２の長手一側面２ｂを構成する長手一側肉部５１に貫通しており、排気側の４本のヘッドボルト５０は、先行ジャケット８と反対側の端の１本を除いて、ヘッドジャケット７を貫通した第３アイランド部５２に貫通している。

メインジャケット上層部１１では、先行ジャケット８とメインジャケット上層部１１とは、端に位置した第３アイランド部５２と長手一側肉部５１とを繋ぐ壁部５３で仕切られている。また、先行ジャケット８から離れた２つの第３アイランド部５２の間には、第１補助アイランド部５４が形成されている。

図８に示すように、メインジャケット下層部１０では、一対の吸気弁軸４２に対応した２つの第１アイランド部４６とセンターアイランド部４９とが集合アイランド部５５に一体化している。また、メインジャケット下層部１０では、前後中央部の第３アイランド部５２と出口５６の側に位置した１つの第３アイランド部５２とに、吸気側に向けて延びる横向き延長部５２ａと、先行ジャケット８の側に延びる縦向き延長部５２ｂとを一体に設けている。このため、メインジャケット下層部１０では、２つの第３アイランド部５２が略Ｌ形の形態をなしている。

図８では、第２連通路１３は網かけ表示で位置を明示している。他方、第３連通路１４はドット表示で位置を明示している。この図８に示すように、第３連通路１４は排気側に寄せて、第２連通路１３は吸気側に寄せている。従って、ブロックジャケット６からメイ
ンジャケット下層部１０に上がってきた冷却水は、基本的には第２連通路１３に向かう横向きの流れになっている。先行ジャケット８と反対側に位置した２つの第３連通路１４の間には、第２補助アイランド部５７を設けている。

メインジャケット下層部１０では、排気側は障害物がない縦長の大きな空洞になっている。これは、シリンダヘッド２に排気集合通路４５を設けたことで排気側の部分が非常な高温になることから、冷却性を高めるための措置である。他方、メインジャケット下層部１０のうち吸気側には、集合アイランド部５５に対応したバッファ部５８を設けている。これは、冷却水の流れを良くするためのものである。

図９においても、第２連通路１３は網かけ表示している。そして、第２連通路１３は吸気側に寄っているので、メインジャケット上層部１１に上がった冷却水は、基本的には排気側に向けて横向きに流れ、それから縦向きに流れを変えて出口５６に向かうことになる。

そして、メインジャケット上層部１１では、第１アイランド部４６とセンターアイランド部４９とからなるアイランド部と長手一側肉部５１とにより、長手一側面２ｂの側に入り込んだ湾状部５９が形成されている。このため、冷却水の一部は、いったん湾状部５９に入り込んでからリターンして排気側に向かう。図５及び図８に示すように、先行ジャケット８は、フロントカバー５の側に位置した２本のヘッドボルト５０よりも外側（フロントカバー５の側）に位置している。

(3).実施形態の利点・その他
本実施形態は、ヘッドジャケット７も２層式の２系統方式にしており、暖機運転時には冷却水の全量が先行ジャケット８を先に通るため、シリンダヘッド２の一端部２ａ′の冷却性を向上できる。このこめ、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とフロントカバー５との三者の合わせ面の当たりからオイルが滲み出る現象を抑制できる。

つまり、シリンダヘッド２の一端部２ａ′の熱膨張量がシリンダブロック１及びフロントカバー５よりも大きいことに起因して、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とフロントカバー５との三者の合わせ面の当たりにごく僅かながら隙間ができて、長期にわたって機関の運転・停止を繰り返していると、三者の合わせ面の当たりからオイルが滲み出ることがあるが、本実施形態では、シリンダヘッド２の一端部２ａ′を集中的に冷却できることで、当該シリンダヘッド２の一端部２ａ′を抑制できるため、隙間の発生を防止又は著しく抑制して、オイルが滲み出る現象を効果的に抑制できのである。

更に、実施形態のように、第３連通路１４と第２連通路１３とを左右に振り分けて配置すると、メインジャケット下層部１０及びメインジャケット上層部１１で冷却水は基本的に横向きの流れになって、それぞれのジャケットをまんべんなく流れるため、シリンダヘッド２をできるだけ均一に冷却できる利点である。

また、メインジャケット上層部１１において、第２連通路１３から上がってきた冷却水を排気側に導く構成を採用すると、最も温度が高い排気側の部分が昇温した冷却水でまんべんなく冷却されるため、シリンダヘッド２の左右方向の熱膨張の違いをなだらかにして、シリンダヘッド２の熱ひずみを抑制できる利点がある。

本願発明は、上記の他にも様々に具体化できる。例えば先行ジャケットやメインジャケットの形態は様々に具体化できる。３気筒のみならず、２気筒又は４気筒以上の内燃機関にもは適用できることはいうまでもない。ブロックジャケットに冷却水が流れていない状態で、ヘッドジャケットでは下層のみに冷却水が流れる態様とすることも可能である。或
いは、上層と下層とへの流れを制御弁で切り換えることも可能である。

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
６ ブロックジャケット
７ ヘッドジャケット
８ 先行ジャケット
８ａ 先行ジャケットの冷却水入口
９ メインジャケット
１０ メインジャケット下層部
１１ メインジャケット上層部
１２ 第１連通路
１３ 切り換え手段の一部を構成する第２連通路
１４ 切り換え手段の一部を構成する第３連通路
１６ ヘッド行き送水路
１７ ブロック行き送水口
１９ ウォータポンプ
２３ 切り換え手段を構成する第１制御弁
２４ 切り換え手段を構成する第２制御弁
３４ ラジェーター

Claims (1)

1. シリンダブロックに設けたブロックジャケットと、シリンダヘッドに設けたヘッドジャケットと、冷却水が前記ヘッドジャケットのみに流れる状態とブロックジャケットを経由してヘッドジャケットに流れる状態とに切り換えできる切り換え手段を設けている、
   内燃機関。

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