JP2016173060A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で早期暖機を実現する。
【手段】シリンダブロック１にはブロックウォータジャケット７が形成されて、シリンダヘッド２には、下層ウォータジャケット８と上層ウォータジャケット９との２層（２段）のウォータジャケットが形成されている。送水通路２３に、ブロックウォータジャケット７への通水は上層ウォータジャケット９への通水とを切り替える切り替え装置２４が配置されている。暖機運転状態では、冷却水はシリンダヘッド２のうち上層ウォータジャケット９のみに流れて、下層ウォータジャケット８には流れない。このため早期暖機できる。冷却水がＥＧＲクーラで加温されることにより、早期暖機に貢献できる。暖機終了後の通常運転状態では、冷却水は、ブロックウォータジャケット７から、下層ウォータジャケット８、上層ウォータジャケット９へと流れる。
【選択図】図１

Description

本願発明は水冷式の内燃機関に関するもので、特に、車両用（自動車用）の内燃機関を好適な対象にしている。

四輪の車両に搭載される内燃機関は一般に水冷式になっており、シリンダブロックとシリンダヘッドとにウォータジャケットを設けて、これらウォータジャケットに冷却水を循環させているが、コールドスタート時にシリンダブロックのウォータジャケットとシリンダヘッドのウォータジャケットとに冷却水を流すと、暖機時間が長くなって燃料の無駄が生じたり、冷却水の昇温が遅くてヒータの効きが悪いといった問題がある。

そこで、暖機運転時にはシリンダヘッドのウォータジャケットのみに冷却水を流して、暖機運転を終えて通常運転状態になると、シリンダブロックのウォータジャケットにも冷却水を流すように制御することが提案されている。

その例としては特許文献１には、シリンダヘッドの内部に上段ウォータジャケットと下段ウォータジャケットとを形成して、冷却水が上下両断のウォータジャケットに流入する構成において、上段ウォータジャケットと下段ウォータジャケットとを仕切る隔壁に連通穴を設け、連通穴を通って下段ウォータジャケットから上段ウォータジャケットに流れる冷却水の量を閉塞部材で制御することにより、下段ウォータジャケットを流れる冷却水の量と上段ウォータジャケットを流れる冷却水の量とを制御することが記載されている。

特開２０１２−１６３０６５号公報

さて、シリンダヘッドは、燃焼室に開口した部分が最も温度が高くなる。従って、シリンダヘッドに上下２段のウォータジャケットを設けた場合、下段のウォータジャケットを流れる冷却水に対して多く熱交換される。これを逆に見ると、暖機運転時には、燃焼室の熱が下段のウォータジャケットの冷却水に奪われることを意味している。

従って、特許文献１は、暖機運転時にシリンダヘッドのみに冷却水を流すことで暖機時間の短縮には貢献できるとはいうものの、冷却水はシリンダヘッドにおける上下のウォータジャケットに流れるため、下段ウォータジャケットの冷却水に放熱されることによってシリンダヘッドの昇温が遅くなり、その結果、暖機時間の短縮が不十分であるという問題があった。

なお、暖機時間の短縮策としては、暖機運転時に冷却水の循環を停止することも考えられるが、車両用内燃機関では、車両のヒータは一般に冷却水で行っているため、冷却水の循環をなくすとヒータが機能しなくなるため、現実的ではない。また、近年の内燃機関は排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ装置を備えていることが多く、このＥＧＲ装置は、排気ガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラを備えていることが多いが、冷却水の通水を止めるとＥＧＲクーラが機能しなくなるという問題もある。更に、ウォータポンプの駆動を機関温度に応じて制御するのは、構成が著しく複雑化してコストも大幅に嵩むことになる。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたもので、簡単な構成で暖機時間の大幅短縮を可能にせんとするものである。

本願発明の内燃機関は、請求項１のとおり、シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドの内部に、前記シリンダブロックの側に位置した下層ウォータジャケットと、前記下層ウォータジャケットを挟んでシリンダブロックと反対側に位置した上層ウォータジャケットとが形成されており、
機関温度が基準値より低い暖機運転状態では冷却水が前記上層ウォータジャケットに流れて、機関温度が基準値を越えた通常運転状態では冷却水が前記下層ウォータジャケットに流れるように冷却水の流れを制御する切り替え装置を備えている。

本願発明は様々に展開できるが、その例として請求項２の発明では、請求項１において、吸気系に還流する排気ガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラを備えており、前記上層ウォータジャケットと前記ＥＧＲクーラとが管路で接続されている。

本願発明において、上層ウォータジャケットは単層でもよいし、複数層であってもよい。すなわち、シリンダヘッドに、例えば、上段、中段、下段の３つのウォータジャケットが形成されていてもよい。この場合、暖機運転時の通水態様としては、上段のウォータジャケットと中段のウォータジャケットとのいずれか一方に流してもよいし、両方に流してもよい。

また、切り替え装置としては、電磁ソレノイドのような電気的なものも使用できるし、熱によって体積や長さ等が変化する感温部材を使用したサーモ弁装置も使用できる。サーモ弁装置は、従来から冷却水の通水制御に使用されていて信頼性が高く、また、コスト的にも優れているので、好適であると云える。

本願発明では、暖機運転時には冷却水は下層ウォータジャケットに流れないため、燃焼室から冷却水への熱交換を著しく抑制して機関の早期昇温を実現できる。その結果、暖機時間を大幅に短縮して、燃料の節約（燃費の改善）に貢献できる。また、冷却水は循環しているため、ウォータポンプの制御のような複雑な構造変更は不要であると共に、ヒータを機能させることもできる。

請求項２の構成を採用すると、冷却水が排気ガスによって加温されるため、早期暖機を一層促進できると共に、ヒータの早期昇温にも貢献できる。また、冷却水が加温されることにより、シリンダヘッドの上部と下部との温度差をできるだけ縮めることができるため、シリンダヘッドの熱ひずみを抑制できる利点もある。

実施形態に係る内燃機関の模式図である。 切り替え装置の詳細図であり、（Ａ）は暖機運転状態を示す図、（Ｂ）は通常運転状態を示す図である。

(1).内燃機関の概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の概略を図１に基づいて説明する。本実施形態は、車両用の３気筒内燃機関に適用している。内燃機関の基本構造は従来と同様であり、中核要素として、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とを備えている。シリンダブロック１の下面には、オイルパン３が固定されている。

３つの気筒にそれぞれピストン４が摺動自在に配置されて、各ピストン４はコンロッド５を介してクランク６に連結されている。シリンダブロック１には、気筒の群の上半分程度を囲うブロックウォータジャケット７が形成されている。

シリンダヘッド２の内部には、シリンダブロック１の側に位置した下層ウォータジャケット８と、その上側に位置した上層ウォータジャケット９とが形成されている。下層ウォータジャケット８とブロックウォータジャケット７とは、複数の第１通水穴１０で連通しており、下層ウォータジャケット８と上層ウォータジャケット９とは、複数の第２通水穴１０で連通している。通常運転状態では、冷却水は、ブロックウォータジャケット７から下層ウォータジャケット８に流れて、更に、下層ウォータジャケット８から上層ウォータジャケット９に流れる。なお、図１では、各ジャケット７，８，９を平行斜線で表示しているが、これはエリアを明瞭化するためであり、断面表示ではない。

上層ウォータジャケット９の冷却水出口１２には、ラジェータ送り管路１３とヒータ送り管路１４とが接続されている。ラジェータ送り管路１３はラジェータ１５の入口（アッパータンク）に接続されて、ラジェータ１５の出口（ロアタンク）に接続されたラジェータ戻り管路１６は、シリンダヘッド２に装着されたサーモ弁１７の入口に接続され、サーモ弁１７の出口は冷却水戻り管路１８に接続されて、冷却水戻り管路１８の終端はウォータポンプ１９に接続されている。

ヒータ送り管路１４はヒータコア２０の入口に接続されて、ヒータコア２０の出口に接続されたヒータ出口管路２１は、冷却水戻り管路１８に接続されている。ヒータ出口管路２１には、吸気系に還流する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２２が介挿されている。なお、ＥＧＲクーラ２２は、ヒータ送り管路１４に介挿してもよいし、冷却水出口１２と冷却水戻り管路１８とに接続された専用の管路に介挿してもよい。

ウォータポンプ１９は機関本体の一端部に設けており、補機駆動ベルトを介してクランク軸６によって駆動される。そして、ウォータポンプ１９の吐出口に連通した送水通路２３に、ブロックウォータジャケット７と上層ウォータジャケット９とが接続されている。図１では、送水通路２３は、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２に内蔵した状態に描いているが、シリンダブロック１やシリンダヘッド２の外側に露出したパイプの構造にすることも可能である。

送水通路２３のうちブロックウォータジャケット７に連通する箇所には、サーモ式の切り替え装置２４を設けている。切り替え装置２４の詳細は図２に示している。

(2).切り替え装置
切り替え装置２４は、シリンダブロック１（又はフロントカバー）の端面に固定された本体ケース２５を備えており、本体ケース２５に、送水通路２３を横切ってブロックウォータジャケット７の入口穴２６に向かうガイドロッド２７が固定されており、ガイドロッド２７に、中空スライド筒２８が摺動自在に装着されている。中空スライド筒２８の一端には、ブロックウォータジャケット７の入口穴２６に嵌脱する第１弁体２９と、送水通路２３を塞いだり開いたりする第２弁体３０とが固定されている。

中空スライド筒２８が後退した状態では、第２弁体３０は送水通路２３から後退して、送水通路２３を流れる冷却水がシリンダヘッド２の上層ウォータジャケット９に流入する状態になっていると共に、第１弁体２９によってブロックウォータジャケット７の入口穴２６は塞がれて、冷却水はブロックウォータジャケット７には流入しない。すなわち、冷却水は、シリンダヘッド２の上層ウォータジャケット９のみに流入する。

中空スライド筒２８が前進しきった状態では、第２弁体３０で送水通路２３の中途部が塞がれて、送水通路２３から上層ウォータジャケット９への通水は遮断されていると共に、第１弁体２９とブロックウォータジャケット７の内部に入り込んでいるため、冷却水はブロックウォータジャケット７に流入する。すなわち、冷却水は、ブロックウォータジャケット７のみに流入する。

中空スライド筒２８の内部には、温度に感応して膨張する感温部材が充填された感温スライドユニットが内蔵されており、冷却水の温度に比例して、本体ケース２５に遠近移動するようにスライドする。そして、コールドスタートしてからの暖機運転時には、送水通路２３は上下が連通しており、既述のとおり、冷却水はシリンダヘッド２の上層ウォータジャケット９のみに流れる。

シリンダヘッド２の上層ウォータジャケット９と下層ウォータジャケット８とは第２通水穴１０を介して連通しているが、下層ウォータジャケット８での冷却水の移動はないため、燃焼室から冷却水への熱交換は少ない。従って、早期暖機に大きく貢献できる。また、冷却水はＥＧＲクーラを通過する過程で排気ガスによって加温されるため、冷却水の昇温を促進して早期暖機に一層貢献できると共に、クーラの立ち上がり促進にも貢献できる。

他方、冷却水の温度が例えば７０〜８０℃程度まで昇温した通常運転状態に至ると、中空スライド筒２８は前進しきって、冷却水はブロックウォータジャケット７のみに流入する。この状態では、冷却水はブロックウォータジャケット７から下層ウォータジャケット８を経由して上層ウォータジャケット９に流れるため、シリンダヘッド２を積極的に冷却できる。

暖機運転状態から通常運転状態に移行する過程では、冷却水がブロックウォータジャケット７と上層ウォータジャケット９との両方に流入する状態が存在する。このような中間的な状態の存在により、シリンダブロック１もシリンダヘッド２も各部位ができるだけ均等に昇温し、かつ、昇温の程度もなだらかになるため、熱ひずみを防止又は著しく抑制できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、切り替え装置は実施形態のような方式には限らず、他の方式でもよい。ブロックウォータジャケットへの通水を継断する切り替え装置と、シリンダヘッドの上層ウォータジャケットへの通水を継断する切り替え装置とを別々に設けることも可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。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
７ ブロックウォータジャケット
８ シリンダヘッドの下層ウォータジャケット
９ シリンダヘッドの上層ウォータジャケット
１０，１１ 通水穴
１２ 上層ウォータジャケットの冷却水出口
１５ ラジェータ
１７ ラジェータ通水制御用のサーモ弁
１８ 冷却水戻り管路
１９ ウォータポンプ
２０ ヒータコア
２１ クーラ戻り管路
２２ ＥＧＲクーラ
２３ 送水通路
２４ サーモ弁式の切り替え装置
２５ 本体ケース
２６ ブロックウォータジャケットの入口穴
２９，３０ 弁体

Claims (2)

1. シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドの内部に、前記シリンダブロックの側に位置した下層ウォータジャケットと、前記下層ウォータジャケットを挟んでシリンダブロックと反対側に位置した上層ウォータジャケットとが形成されており、
   機関温度が基準値より低い暖機運転状態では冷却水が前記上層ウォータジャケットに流れて、機関温度が基準値を越えた通常運転状態では冷却水が前記下層ウォータジャケットに流れるように冷却水の流れを制御する切り替え装置を備えている、
   内燃機関。
2. 吸気系に還流する排気ガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラを備えており、前記上層ウォータジャケットと前記ＥＧＲクーラとが管路で接続されている、
   請求項１に記載した内燃機関。

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