JP2018017193A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温環境下でのウォータポンプにおけるシール部材の損傷を低減できる内燃機関の冷却装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の冷却装置１は、内燃機関１００の冷却経路１１０に冷却液を循環させるウォータポンプ１０と、冷却液をラジエータ６１に循環させるラジエータ循環経路６０と、冷却液の温度が所定温度以上の場合にラジエータ循環経路６０を開くサーモスタット７０と、を備える。ウォータポンプ１０には、水抜き孔の排水口２６とラジエータ循環経路６０とを接続し、漏出した冷却液を水抜き孔からラジエータ循環経路６０に戻す戻し配管５０が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却液を循環させて内燃機関を冷却する内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関には、冷却装置が備えられており、自動車などの車両では、冷却液を使用する水冷式の冷却装置が主流である。冷却装置は、内燃機関内に設けられた冷却経路に冷却液を循環させるウォータポンプと、冷却液を冷却するラジエータと、冷却液の温度によってラジエータへの冷却液の流通を制御するサーモスタットなどで構成されている。

特許文献１〜３には、内燃機関の冷却装置を構成するウォータポンプに関する技術が開示されている。一般に、ウォータポンプの構成は、内燃機関に固定されるハウジング（ボディ）と、ハウジング内部にベアリングを介して回転自在に支持される回転軸と、回転軸の一端側に取り付けられたインペラーとを備える。インペラーとベアリングとの間には、ハウジングと回転軸との隙間をシールするシール部材が設けられている。通常、ハウジングには、ハウジング内部（シール部材とベアリングとの間の空間）に連通し、シール部材から内部に漏出した冷却液やその蒸気を外部に排出する水抜き孔や蒸気抜き孔が形成されている。

特許文献２、３には、ウォータポンプのハウジング内部に漏出した冷却液をエンジンの冷却経路やラジエータのリザーバタンクに戻す（回収する）ことが記載されている。例えば、特許文献２では、漏出した冷却液を排出する水切通路に設けられたポケット部に冷却水が所定量蓄えられると、弁部を開放して、冷却水の導入通路へ還流する。特許文献３では、エンジンのエアクリーナ内の吸入空気のバキューム圧を利用して、漏出した冷却液をチャンバーからパイプを介して吸引し、リザーバタンクに回収する。

特開２０１６−７００９４号公報 特開平１１−２１２６号公報 実開平３−１２２２９９号公報

ウォータポンプのハウジング内部に漏出した冷却液を戻す従来の冷却装置では、外気温や冷却液の温度に関係なく、漏出した冷却液が排出されるように構成されている。ハウジング内部に漏出した冷却液を排出する際、蒸気抜き孔などの外部と連通する箇所から内部に外気が取り込まれる。したがって、寒冷地や冬場などの極低温環境下（例えば−２０℃以下）で、内燃機関が冷間状態（暖機完了前の状態）であるときに、冷却液が排出されると、極低温の外気がそのままハウジング内部に取り込まれることになる。このとき、シール部材から漏出する冷却液の温度も低いため、極低温の外気によってシール部材などに付着した冷却液が凍結することがあり、ウォータポンプにおけるシール部材などが損傷するトラブルが発生する虞がある。

本発明の目的の１つは、極低温環境下でのウォータポンプにおけるシール部材の損傷を低減できる内燃機関の冷却装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る内燃機関の冷却装置は、冷却液を循環させて内燃機関を冷却する内燃機関の冷却装置であって、
内燃機関内に設けられた冷却経路に冷却液を循環させるウォータポンプと、
前記冷却経路を通過した前記冷却液をラジエータに循環させるラジエータ循環経路と、
前記冷却液の温度によって開閉し、前記冷却液の温度が所定温度以上の場合に前記ラジエータ循環経路を開くサーモスタットと、を備え、
前記ウォータポンプは、
前記内燃機関に固定されるハウジングと、
前記ハウジングの内部にベアリングを介して回転自在に支持される回転軸と、
前記回転軸の一端側に取り付けられるインペラーと、
前記インペラーと前記ベアリングとの間に設けられ、前記ハウジングと前記回転軸との隙間をシールするシール部材と、
前記ハウジングに形成され、前記シール部材から内部に漏出した前記冷却液を排出する水抜き孔と、
前記水抜き孔と前記ラジエータ循環経路とを接続し、漏出した前記冷却液を前記水抜き孔から前記ラジエータ循環経路に戻す戻し配管と、を備える。

上記内燃機関の冷却装置では、冷却液の温度が所定温度以上の場合にラジエータ循環経路を開くサーモスタットを備え、水抜き孔とラジエータ循環経路とを接続する戻し配管が設けられている。上記内燃機関の冷却装置によれば、冷却液の温度が所定温度以上になると、ラジエータ循環経路が開き、ラジエータ循環経路に冷却液が流通することにより、漏出した冷却液が水抜き孔から戻し配管を介してラジエータ循環経路に戻される。ここで、「冷却液の温度が所定温度以上」とは、例えば、内燃機関の暖機が完了した状態であり、冷却液の温度が暖機温度以上の場合をいう。このように、上記内燃機関の冷却装置では、冷却液の温度が上昇し、内燃機関の温度が高い状態のときに、漏出した冷却液が水抜き孔から排出されることになる。つまり、漏出した冷却液を水抜き孔から排出するときは、内燃機関の温度が高く、その周囲では外気が暖められることから、極低温環境下（例えば−２０℃以下）であっても、極低温の外気がそのままハウジング内部に取り込まれることがない。また、シール部材から漏出する冷却液の温度が高いため、外気によってシール部材などに付着した冷却液が凍結することを回避できる。よって、上記内燃機関の冷却装置は、極低温環境下でのウォータポンプにおけるシール部材の損傷を低減できる。

実施形態に係る内燃機関の冷却装置の一例を示す概略構成図である。 実施形態に係る内燃機関の冷却装置におけるウォータポンプの一例を示す概略断面図である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却装置の具体例を、図面を参照して説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

［実施形態１］
《内燃機関の冷却装置》
図１、図２を参照して、実施形態１に係る内燃機関の冷却装置１を説明する。内燃機関の冷却装置１は、冷却液を循環させて内燃機関１００を冷却するものであり、図１に示すように、内燃機関１００の冷却経路１１０に冷却液を循環させるウォータポンプ１０と、冷却液をラジエータ６１に循環させるラジエータ循環経路６０と、冷却液の温度に応じてラジエータ循環経路６０を開くサーモスタット７０と、を備える。ウォータポンプ１０のハウジング（ボディ）２０には、図２に示すように、シール部材４０から内部に漏出した冷却液を排出する水抜き孔２５が形成されている。そして、内燃機関の冷却装置１の特徴の１つは、水抜き孔２５とラジエータ循環経路６０とを接続する戻し配管５０を備える点にある。以下、主に図１を参照して、内燃機関の冷却装置１の構成について説明する。

〈内燃機関〉
内燃機関１００は、シリンダブロック１０１とその上面に固定されたシリンダヘッド１０２とを備え、内燃機関１００の内部には、冷却経路１１０が形成されている。冷却経路１１０には、内燃機関１００を冷却した冷却液をウォータポンプ１０側に戻すリターン通路１１１が設けられており、この例では、内燃機関１００の冷却液の出口１１５側とウォータポンプ１０の吸入口付近とを接続するリターン通路１１１を有する。シリンダブロック１０１及びシリンダヘッド１０２の端面には、フロントカバー１０３（図２参照）が取り付けられている。

〈ウォータポンプ〉
ウォータポンプ１０は、内燃機関１００内に設けられた冷却経路１１０に冷却液を循環させる部品であり、インペラー３５が回転することにより、冷却液を圧送する。ウォータポンプ１０で圧送された冷却液は、内燃機関１００の冷却経路１１０を通過した後、［リターン通路１１１］又は［ラジエータ循環経路６０→リターン通路１１１］を通ってウォータポンプ１０に戻される（図１中の矢印は、冷却液の流れを示す）。ウォータポンプ１０の詳細については、後述する。

〈ラジエータ循環経路〉
ラジエータ循環経路６０は、内燃機関１００の冷却経路１１０に接続され、冷却経路１１０を通過した冷却液をラジエータ６１に循環させることにより、高温になった冷却液をラジエータ６１で放熱させて冷却する。ラジエータ循環経路６０は、冷却経路１１０から冷却液をラジエータ６１に送る上流側経路６２と、ラジエータ６１から冷却液を冷却経路１１０に戻す下流側経路６３とを有する。

〈サーモスタット〉
サーモスタット７０は、冷却液の温度によって開閉し、冷却液の温度が所定温度以上の場合にラジエータ循環経路６０を開く部品であり、ラジエータ循環経路６０への冷却液の流通を制御する。この例では、冷却経路１１０の出口１１５とラジエータ循環経路６０の下流側経路６３との合流部分にサーモスタット７０が設けられており、サーモスタット７０がインレットサーモ（エンジン入口側制御方式）の配置になっている。サーモスタット７０は、図１に例示するようにラジエータ循環経路６０（下流側経路６３）の出口部分に配置する他、ラジエータ循環経路６０（上流側経路６２）の入口部分に配置することも可能である。

サーモスタット７０は、冷却液の温度が所定温度未満の場合は、ラジエータ循環経路６０（下流側経路６３）の出口６５を閉じ、冷却経路１１０のリターン通路１１１に繋がる出口１１５を開いて、冷却液を、ラジエータ循環経路６０を経由させずに、リターン通路１１１へ流通させる。また、冷却液の温度が所定温度以上になると、ラジエータ循環経路６０（下流側経路６３）の出口６５を開き、冷却経路１１０のリターン通路１１１に繋がる出口１１５を閉じて、冷却液を、ラジエータ循環経路６０を経由させてから、リターン通路１１１へ流通させるように構成されている。これにより、冷却液が流通する経路を、ラジエータ循環経路６０を経由せずにリターン通路１１１を経由する経路と、ラジエータ循環経路６０を経由してからリターン通路１１１を経由する経路との間で切り替え可能である。要するに、冷却液の温度が所定温度未満の場合は、サーモスタット７０によりラジエータ循環経路６０が閉じられ、ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通しない。一方、冷却液の温度が所定温度以上の場合は、サーモスタット７０によりラジエータ循環経路６０が開いて、ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通する。

この例では、サーモスタット７０は、冷却液の温度が暖機温度以上の場合にラジエータ循環経路６０を開く。「暖機温度」とは、内燃機関の暖機が完了したときの冷却液の温度であり、例えば８０℃〜９０℃である。つまり、内燃機関の冷却装置１では、内燃機関１００の始動時といった内燃機関１００が冷間状態（暖機完了前の状態）であるときは、ラジエータ循環経路６０が閉じられており、冷却液がラジエータ６１へ流れないため、温度上昇が速くなる。一方、内燃機関１００が温まって暖機が完了した状態では、ラジエータ循環経路６０が開くことで、冷却液がラジエータ６１へ流れ、適温に保たれる。

《ウォータポンプの詳細》
以下、主に図２を参照して、ウォータポンプ１０の構成を詳細に説明する。ウォータポンプ１０は、ハウジング２０と、回転軸３０と、インペラー３５と、シール部材４０と、水抜き孔２５と、戻し配管５０とを備える。

（ハウジング）
ハウジング２０は、内燃機関１００に固定される。この例では、ハウジング２０が、シリンダブロック１０１に取り付けられたフロントカバー１０３に固定されている。シリンダブロック１０１及びフロントカバー１０３には、ポンプ室２１が設けられており、この部分にハウジング２０が固定され、ウォータポンプ１０が取り付けられる。ポンプ室２１には、吸入口２２と吐出口（図示せず）とが連通している。ハウジング２０の内部には、ベアリング３１が設けられている。

（回転軸）
回転軸３０は、ハウジング２０の内部にベアリング３１を介して回転自在に支持される。回転軸３０は、ハウジング２０を貫通しており、中間部がベアリング３１に挿入されている。

（インペラー）
インペラー３５は、回転軸３０の一端側に取り付けられ、シリンダブロック１０１及びフロントカバー１０３で形成されたポンプ室２１に配置される。回転軸３０のハウジング２０から露出する他端側には、プーリ３６が取り付けられている。プーリ３６は、内燃機関１００内にあるクランクシャフト（図示せず）の回転がベルト３７を介して伝達される。クランクシャフトの回転がプーリ３６に伝達され、回転軸３０が回転することによってポンプ室２１に配置されたインペラー３５が回転することで、冷却液を圧送する。

（シール部材）
シール部材４０は、インペラー３５とベアリング３１との間に設けられ、ハウジング２０と回転軸３０との隙間をシールする部材であり、この例では、メカニカルシールである。シール部材４０でハウジング２０と回転軸３０との隙間を完全にシールすることは困難であるため、シール部材４０からハウジング２０の内部に冷却液が少なからず漏出する。この例では、ハウジング２０内部のシール部材４０とベアリング３１との間にバッファ空間４１が形成されており、シール部材４０からバッファ空間４１に冷却液が漏出する。

（水抜き孔）
水抜き孔２５は、ハウジング２０に形成され、シール部材４０からハウジング２０の内部に漏出した冷却液を排出する。この例では、水抜き孔２５は、ハウジング２０の内部に形成されたバッファ空間４１の底面から下方に向かって形成され、ハウジング２０の外部に連通している。ハウジング２０の下部には、水抜き孔２５の排水口２６が設けられている。シール部材４０からバッファ空間４１に漏出した冷却液は水抜き孔２５に導かれる。これにより、漏出した冷却液がベアリング３１まで到達することを阻止できる。図２に例示するように、水抜き孔２５の途中に、漏出した冷却液を貯留するポケット部２７を設けてもよい。

この例では、ハウジング２０に通気孔２８が形成されている。通気孔２８は、漏出した冷却液が内燃機関１００の熱により蒸発し、その蒸気を外部に排出したり、水抜き孔２５から漏出した冷却液を排出する際に外気（大気）を取り込む通路として機能する。通気孔２８は、ハウジング２０の上部に設けられており、バッファ空間４１の上面から上方に向かって形成され、ハウジング２０の外部に連通している。

（戻し配管）
戻し配管５０は、図１、図２に示すように、水抜き孔２５とラジエータ循環経路６０とを接続し、漏出した冷却液を水抜き孔２５からラジエータ循環経路６０に戻す。この例では、戻し配管５０の一端側が水抜き孔２５の排水口２６に接続され、他端側がラジエータ循環経路６０の下流側経路６３に接続されている。ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通するとき、冷却液が流通することにより発生する負圧によって漏出した冷却液が水抜き孔２５の排水口２６から排出され、戻し配管５０を介してラジエータ循環経路６０に戻される。戻し配管５０には、図１に例示するように、ラジエータ循環経路６０からの冷却液の逆流を阻止する逆止弁５１を設けてもよい。

《内燃機関の冷却装置の動作》
上述した内燃機関の冷却装置１の動作を説明する。

内燃機関１００が冷間状態では、冷却液の温度が所定温度未満であるため、サーモスタット７０によりラジエータ循環経路６０が閉じられており、ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通しない。そのため、漏出した冷却液が水抜き孔２５から排出されることがない。このとき、シール部材４０からバッファ空間４１に漏出した冷却液は水抜き孔２５からポケット部２７に一時的に貯留される。内燃機関１００が暖機状態では、冷却液の温度が所定温度以上であり、サーモスタット７０によりラジエータ循環経路６０が開いて、ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通する。これにより、漏出した冷却液が水抜き孔２５（ポケット部２７）から排出され、戻し配管５０を介してラジエータ循環経路６０に戻される。このとき、通気孔２８から外気（大気）が取り込まれるため、水抜き孔２５からの冷却液の抜けが良くなる。

《内燃機関の冷却装置の効果》
上述した内燃機関の冷却装置１は、以下の効果を奏する。

（１）冷却液の温度が所定温度未満であり、内燃機関１００が冷間状態のときは、ウォータポンプ１０のハウジング２０内部（バッファ空間４１）に漏出した冷却液が水抜き孔２５から排出されないため、通気孔２８などの外部と連通する箇所からバッファ空間４１に外気が侵入することが少ない。よって、極低温環境下において、極低温の外気によってシール部材４０などに付着した冷却液が凍結することを回避でき、シール部材の損傷を低減できる。一方、冷却液の温度が所定温度以上となり、内燃機関１００が暖機状態のときは、ラジエータ循環経路６０が開き、ラジエータ循環経路６０に冷却液が流通することにより、漏出した冷却液が水抜き孔２５から排出され、戻し配管５０を介してラジエータ循環経路６０に戻される。このとき、通気孔２８からバッファ空間４１に外気が取り込まれるが、内燃機関１００が暖機状態であり、その熱で周囲の外気が暖められるため、極低温環境下であっても、極低温の外気がそのまま取り込まれることがない。また、冷却液の温度が上昇しており、シール部材４０から漏出する冷却液の温度も高いため、極低温の外気によってシール部材４０などに付着した冷却液が凍結することを回避できる。したがって、極低温環境下でのウォータポンプ１０におけるシール部材４０の損傷を低減できる。

（２）ハウジング２０の内部に漏出した冷却液を水抜き孔２５から戻し配管５０を介してラジエータ循環経路６０に戻すことができるため、漏出した冷却液が水抜き孔２５からオーバーフローすることを抑制できる。更に、漏出した冷却液を水抜き孔２５に設けられたポケット部２７に貯留できるため、漏出した冷却液が水抜き孔２５からオーバーフローすることをより抑制できる。

（３）ハウジング２０の内部に漏出した冷却液を戻すので、シール部材４０からの冷却液の漏れを許容できる。シール部材４０のシール性を高くすると、冷却液の漏れが減少するが、摩擦抵抗が増加したり、異音が発生するなど、回転軸３０の回転性が低下する。一方、シール部材４０のシール性を低くすると、冷却液の漏れが増加するが、摩擦抵抗が減少し、異音の発生も抑制できるため、回転軸３０の回転性が向上する。シール部材４０における冷却液の漏れを許容できるため、シール部材４０のシール性を低くすることが可能であり、回転軸３０の回転性を向上させることで、回転軸３０回転ロスを低減して燃費を改善すると共に、異音の発生を大幅に抑制できる。

［変形例１］
上述した実施形態１の内燃機関の冷却装置１では、戻し配管５０の他端側をラジエータ循環経路６０の下流側経路６３に接続する場合を例に挙げて説明したが、上流側経路６２に接続してもよい。この場合、漏出した冷却液を水抜き孔２５から戻し配管５０を介して戻す際に空気が混入するようなことがあっても、ラジエータ６１でエア抜きされるので、冷却液による冷却効率の低下を抑制できる。

本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の内燃機関の冷却装置は、内燃機関を搭載した自動車などの車両に利用可能である。

１ 冷却装置
１０ ウォータポンプ
２０ ハウジング
２１ ポンプ室
２２ 吸入口
２５ 水抜き孔
２６ 排水口
２７ ポケット部
２８ 通気孔
３０ 回転軸
３１ ベアリング
３５ インペラー
３６ プーリ
３７ ベルト
４０ シール部材
４１ バッファ空間
５０ 戻し配管
５１ 逆止弁
６０ ラジエータ循環経路
６１ ラジエータ
６２ 上流側経路
６３ 下流側経路
６５ 出口
７０ サーモスタット
１００ 内燃機関
１０１ シリンダブロック
１０２ シリンダヘッド
１０３ フロントカバー
１１０ 冷却経路
１１１ リターン通路
１１５ 出口

Claims (1)

1. 冷却液を循環させて内燃機関を冷却する内燃機関の冷却装置であって、
   前記内燃機関内に設けられた冷却経路に冷却液を循環させるウォータポンプと、
   前記冷却経路を通過した前記冷却液をラジエータに循環させるラジエータ循環経路と、
   前記冷却液の温度によって開閉し、前記冷却液の温度が所定温度以上の場合に前記ラジエータ循環経路を開くサーモスタットと、を備え、
   前記ウォータポンプは、
   前記内燃機関に固定されるハウジングと、
   前記ハウジングの内部にベアリングを介して回転自在に支持される回転軸と、
   前記回転軸の一端側に取り付けられるインペラーと、
   前記インペラーと前記ベアリングとの間に設けられ、前記ハウジングと前記回転軸との隙間をシールするシール部材と、
   前記ハウジングに形成され、前記シール部材から内部に漏出した前記冷却液を排出する水抜き孔と、
   前記水抜き孔と前記ラジエータ循環経路とを接続し、漏出した前記冷却液を前記水抜き孔から前記ラジエータ循環経路に戻す戻し配管と、を備える内燃機関の冷却装置。

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