JP2018021505A - エンジンの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンを冷却した際に吸収した熱を効率よく熱交換器に供給することができるエンジンの冷却構造を提供する。
【解決手段】エンジン１００のシリンダブロック１０２に設けられた円筒状の燃焼室１０６と、燃焼室１０６の外側に燃焼室１０６を囲むように設けられ、内部に冷却水が通ることで燃焼室１０６を冷却するウォータージャケット１１６と、ウォータージャケット１１６を通った冷却水を受け入れる冷却水通路を有し、冷却水を用いて熱交換可能に構成されたヒーターコアと、を有するエンジン１００の冷却構造１であって、ウォータージャケット１１６は、高さ方向に、上段部、中段部、及び下段部の３つの区画に分割され、中段部のみがヒータコアの冷却水通路に連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの冷却構造に関し、エンジンの燃焼室の外周を囲むウォータージャケットを用いたエンジンの冷却構造に関する。

従来、エンジンの燃焼室を冷却するエンジンの冷却構造としては、例えば特許文献１に記載されるように、エンジンのシリンダ内面にシリンダライナを設け、シリンダライナとシリンダブロックとの間に冷却水を流通させるウォータージャケットを形成した構造のものがある。この特許文献１に記載の冷却構造では、ウォータージャケット内部に突出するフィンをシリンダライナに形成し、ウォータージャケットを流通する冷却水に乱流を発生させ、これによりシリンダライナの冷却効率を向上させている。

特開２００５−３３７０３５号公報

ところで、エンジンの冷却構造では、ウォータージャケットを通過してエンジンの燃焼室を冷却する一方で、エンジンの熱によって温められた冷却水を熱交換器に供給して熱交換しエンジンの熱を利用するものがあり、例えばエンジンの熱によって温められた冷却水をヒータコアに供給し、車室へ温風を供給する暖房装置に使用するものがある。このような冷却構造では、暖房装置に使用する冷却水の観点から見れば、エンジンの熱によって温められた冷却水の温度は高い方が暖房装置の暖房効率が向上する。
しかしながら、近年では、エンジンの熱効率向上に伴って車両の燃費性能が向上する一方、燃焼室からエンジン構造体への冷却損失が低減されることにより、冷却水がエンジンで吸収する熱、すなわちエンジンから冷却水に供給される熱量も減ってきている。このため、エンジンの冷却水を例えば暖房装置に利用する場合、ヒーターコアへの十分な熱供給が課題となってきている。特に冬季などエンジン始動後、早期に暖房装置が効くようにする際には、ヒータコアへの迅速かつ十分な熱供給が重要となる。

本発明の目的は、エンジンを冷却した際に吸収した熱を効率よく熱交換器に供給することができるエンジンの冷却構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの冷却構造は、エンジンのシリンダブロックに設けられた略円筒状の燃焼室と、燃焼室の外側に燃焼室を囲むように設けられ、内部に冷却水が通ること燃焼室を冷却するウォータージャケットと、ウォータージャケットを通った冷却水を受け入れる冷却水通路を有し、ウォータージャケットを通った冷却水を用いて熱交換可能に構成された熱交換器と、を有するエンジンの冷却構造であって、ウォータージャケットは、高さ方向に、上段部、中段部、及び下段部の３つの区画に分割され、中段部のみが熱交換器の冷却水通路に連通している、ことを特徴としている。

このように構成された本発明においては、エンジンの燃焼室の外側に設けられたウォータージャケットが上段部、中段部、及び下段部の３つの区画に分割され、中段部のみが、熱交換器の冷却水通路に連通しているので、ウォータージャケットを通る冷却水のうち、中段部を通る冷却水のみが熱交換器に供給される。
ウォータージャケットが３つの区画に分割されているので、分割された３つの区画のうちの一部、つまり中段部のみに冷却水を流通させれば、冷却構造を流れる冷却水の流量が少なくなるので、冷却水の熱容量が小さくなり、冷却水を早期昇温させて熱交換器に供給される。これにより、エンジンを冷却した際に吸収した熱を効率よく熱交換器に供給することが可能になる。
また、中段部のみに冷却水を流通させて冷却水の熱容量が小さくすることにより、より温度の高い冷却水が熱交換器に供給されるので、上段部に比べて温度の低い中段部から熱を吸収しても、熱交換器に必要な冷却水の温度が確保される。

更に、エンジンの燃焼工程においては、燃焼室上部における燃焼室温度が安定的な燃焼に特に関係するが、本発明では、上段部ではなく中段部に冷却水を流通させることで中段部のみから熱を吸収することが可能になるので、燃焼安定性への悪影響を抑制しながら、必要な温度の冷却水を熱交換器に供給することが可能になる。

本発明において、好ましくは、熱交換器は、車両用空調装置の構成部材であって、車室に供給される空気と熱交換可能に構成されたヒータコアである。
このように構成された本発明においては、ウォータージャケットを通った冷却水が車両用空調装置のヒータコアに供給され、車室に供給される空気と熱交換可能に構成されているので、エンジンを冷却した際に吸収した熱を利用して車室の空調が可能になる。特に、冬季にはエンジン始動と同時に暖房要求がなされ、早期に熱交換器への温かい冷却水の供給が必要になるが、本発明はそのエンジンの始動と暖房が両立するので特に有効である。

本発明において、好ましくは、中段部を流れる冷却水の流れ方向は、ウォータージャケットの内周面の接線方向に対して所定の傾斜角度を有する。
このように構成された本発明においては、冷却水の流れ方向がウォータージャケットの内周面の接線方向に対して所定の傾斜角度を有しているので、冷却水が内周面に所定の傾斜角度を有して流れる。このため、冷却水がウォータージャケットの内周面の接線方向に沿って流れる場合に比べて、内周面における冷却水の流速が高くなり、内周面における熱伝達率が高くなるので、より効率よく熱が吸収される。

本発明において、好ましくは、傾斜角度は、３０〜６０度である。
このように構成された本発明においては、傾斜角度を３０〜６０度と適切に設定したので、ウォータージャケットの内周面から効率よく熱が吸収される。

本発明において、好ましくは、上段部、中段部、及び下段部は、ウォータージャケット内に挿入可能なスペーサによって区画されている。
このように構成された本発明においては、ウォータージャケット内に挿入可能なスペーサが設けられているので、このスペーサをウォータージャケットに挿入することで、上段部、中段部、及び下段部が区画される。したがって、簡単な構造でウォータージャケットが３つの区画に分割される。また、スペーサによってウォータージャケットを３つの区画に分割することが可能になるので、ウォータージャケット自体に区画を形成するための構造を設ける必要がないから、ウォータージャケットの構造が簡単になる。

本発明において、好ましくは、スペーサは、上段部と中段部との境界を形成する上壁と、中段部と下段部との境界を形成する下壁と、上壁の外側端から下壁の外側端まで延びる外壁とを有し、ウォータージャケットの内周面に向かう面が開口した略Ｃ字形の断面形状を有する。
このように構成された本発明においては、スペーサが、上壁、下壁、及び外壁を有する略Ｃ字形の断面形状を有するので、ウォータージャケット内に挿入すると、上壁によって上段部と中段部との境界が形成され、下壁によって中段部と下段部との境界が形成され、上壁、下壁、及び外壁とウォータージャケットの内周面とで囲まれた部分によって中段部が形成される。
スペーサをウォータージャケットに挿入するだけで、上段部、中段部、及び下段部を区画することができるので、スペーサのウォータージャケットへの組み付けが簡単になる。

本発明において、好ましくは、スペーサは、外壁よりも内側に、上壁と下壁との間に延びて中段部を外側空間と内側空間とに区切る隔壁を更に有し、隔壁には、外側空間と内側空間とを連通する複数の貫通孔が形成され、スペーサへの冷却水の冷却水入口は、外側空間に接続され、熱交換器の前記冷却水通路への冷却水の冷却水出口は、内側空間に接続される。
このように構成された本発明においては、スペーサが、複数の貫通孔が形成された隔壁を有し、冷却水入口が隔壁の外側の外側空間に接続され、冷却水出口が隔壁の内側の内側空間に接続されるので、冷却水入口から入った冷却水は、外側空間を流れ、複数の貫通孔から内側空間に入り、冷却水出口で出て行く。したがって、冷却水が外側から内側に向かって流れてウォータージャケットの内周面に当たるから、内周面に当たる冷却水の流速が高くなり、内周面における熱伝達率が高くなるので、より効率よく熱が吸収される。

本発明において、好ましくは、燃焼室の外周面は、前記中段部に対応する位置に設けられた中段領域を有し、中段領域の上方及び下方には、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きい熱伝達率異方性材料で構成された熱伝達領域が形成されている。
このように構成された本発明においては、燃焼室の外周面の中段領域の上方及び下方に、熱伝達領域が形成されており、この熱伝達領域では、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きい熱伝達率異方性材料で構成されている。したがって、熱伝達領域では軸方向に沿って熱が伝達しやすく、中段領域の上方及び下方から中段領域へ熱が伝達しやすい。よって、中段部に冷却水を流通させると、燃焼室の外周面の中段領域の上方及び下方から中段領域に熱が伝達され、その熱は中段部において冷却水に吸収される。これにより、中段部のみに冷却水の流通させた場合であっても、効率よく燃焼室が冷却されるとともに、中段部に熱を集めて、冷却水によって効率よく熱が吸収される。

本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却構造を示す、燃焼室の軸線方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却構造を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却構造の冷却水回路を示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却構造のスペーサを示す斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った面で切った状態で示すスペーサの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るスペーサの貫通孔から出る冷却水の流れを示す図である。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って切った状態で示すエンジンの冷却構造の斜視図である。 図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ったエンジンの冷却構造の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の冷却構造２を示す、燃焼室の軸線方向に沿った断面図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の冷却構造２を示す平面図である。
これらの図１及び図２に示すように、エンジン１は、例えばＨＣＣＩ(Homogeneous Charge Compression Ignition)式のエンジンやディーゼルエンジンのような圧縮着火式のエンジンであり、シリンダブロック４に形成された複数（本実施形態では４つ）のシリンダ６を有し、各シリンダ６の内周面には、シリンダライナ７が設けられているとともに、各シリンダ６の内部には略円筒形の燃焼室８が形成されている。シリンダ６内にはピストン１０が挿通されており、ピストン１０はトップリング１２、セカンドリング１４、及びオイルリング１６を有する。これらのリング１２，１４，１６により、ピストン１０とシリンダ６の内面との間のシールが形成されている。

シリンダブロック４には、燃焼室８の外側に燃焼室８を囲むように設けられ、内部に冷却水が通ることで燃焼室８を冷却するウォータージャケット１８が形成されている。ウォータージャケット１８は、図２に示すように、整列した４つのシリンダ６全体を囲むように形成された凹部であり、上方からみて燃焼室８の外周面から等距離に、等幅の複数の円弧状の溝を連続させたような形状となっている。ウォータージャケット１８は、図１に示すように、燃焼室８の外側で、シリンダ６の軸線方向に沿って所定深さに形成されている。ウォータージャケット１８の所定深さは、シリンダブロック４の上方にシリンダヘッド５（図３）を取り付ける際に、ヘッドボルト（図示せず）に必要な締め付けトルクを掛けたときにシリンダブロック４が変形しない程度に設定されている。また、図には表れていないが、ウォータージャケット１８は、金型を抜いて成形されるため、高さ（深さ）方向（シリンダ６の軸線方向）に沿って若干の抜き勾配を有しており、全体として先細りの形状となっている。

ウォータージャケット１８には、ウォータージャケット１８の内部空間を高さ方向に３つに分割するためのスペーサ２０が挿入されている。このスペーサ２０により、ウォータージャケット１８の内部空間は、スペーサ２０の上方に位置する上段部２２と、スペーサ２０の内部の空間によって形成される中段部２４と、スペーサ２０の下方に位置する下段部２６との３つの区画に分割されている。上段部２２、中段部２４、及び下段部２６には、エンジンのシリンダ６を冷却するための冷却水がそれぞれ流通可能となっている。

図３は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の冷却構造２の冷却水回路を示す図である。この図３に示すように、冷却構造２は、シリンダブロック４に形成されたウォータージャケット１８と、シリンダブロック４の上方に設けられたシリンダヘッド５に形成されシリンダヘッド５を冷却するためのヘッド冷却水通路２８と、ヘッド冷却水通路２８の出口付近に設けられたサーモスタット３０と、サーモスタット３０を介してヘッド冷却水通路２８に接続された第１配管３２と、第１配管３２に接続されたラジエータ３４と、ラジエータ３４に接続された第２配管３６と、第２配管３６に接続されたウォーターポンプ３８と、ウォーターポンプ３８とウォータージャケット１８とを連通する第３配管４０と、ウォータージャケット１８からの冷却水の一部を取り出す第４配管４２と、第４配管４２に接続された熱交換器としてのヒータコア４４と、ヒータコア４４内部を冷却水が流れるヒータコア冷却水通路４６と、ヒータコア冷却水通路４６に接続され、第２配管３６に連通する第５配管４８と、を有する。

ウォータージャケット１８は、前述のように上段部２２、中段部２４、及び下段部２６に分割されており、ウォータージャケット１８の上流側において、上段部２２、中段部２４、及び下段部２６の全てが第３配管４０と連通している。一方、ウォータージャケット１８の下流側では、上段部２２及び下段部２６のみがヘッド冷却水通路２８に連通している。中段部２４は、第４配管４２に連通している。したがって、ウォータージャケット１８の３つに分割された区画のうち中段部２４のみが、第４配管４２を介してヒータコア４４のヒータコア冷却水通路４６に連通している。
ウォータージャケット１８の上段部２２及び下段部２６は、下流側端において合流し、シリンダブロック４の上端においてヘッド冷却水通路２８に連通している。

ヒータコア４４は、車両用空調装置の一部であって車室に供給される空気と熱交換可能に構成されており、ファン５０を有し、ファン５０からの空気がヒータコア冷却水通路４６に当たるように構成されている。また、ファン５０の下流側には車室（図示せず）が配置されており、ファン５０からの空気が車室に供給されるようになっている。

次に、ウォータージャケット１８を上段部２２、中段部２４、及び下段部２６の３つの区画に分割するスペーサ２０の構造について説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の冷却構造２のスペーサ２０を示す斜視図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った面で切った状態で示すスペーサ２０の斜視図である。これらの図４及び図５に示すように、スペーサ２０は、環状に形成されており、上壁５２及び下壁５４と、上壁５２の外側端から下壁５４の外側端まで延びる外壁５６と、を有する。

上壁５２及び下壁５４は、シリンダ６の軸線方向に直交する面で切ったウォータージャケット１８の断面形状に対応する形状を有し、つまり、整列した複数（４つ）のシリンダ６全体を囲むように、複数の円弧を連続させたような形状となっている。外壁５２及び下壁５４の内側端には、スペーサ２０をウォータージャケット１８の内周面にシールするためのＯリング５８が取り付けられている。上壁５２には、複数箇所（本実施形態では３箇所）に、上方に延びてシリンダヘッド５に当接可能に構成されることで、スペーサ２０のウォータージャケット１８内での上方への浮き上がりを防止するための支柱６０が設けられている。
外壁５６は、上壁５２の外側端と下壁５４の外側端を連結するように、ウォータージャケット１８の軸線方向に沿って延びている。
このような形状の上壁５２、下壁５４、及び外壁５６により、スペーサ２０は、シリンダ６の軸線方向に沿って切った断面形状が、略Ｃ字形に形成される。

外壁５６の内側には、上壁５２と下壁５４との間に延びて外壁５６と同様の外形形状を有する隔壁６２が形成されている。隔壁６２は、スペーサ２０の内部の空間を、隔壁６２と外壁５６との間の外側空間６４と、隔壁６２とウォータージャケット１８の内周面との間の内側空間６６とに区切る。隔壁６２には、全面にわたって等間隔に複数の貫通孔６８が形成されている。

ここで、スペーサ２０の隔壁６２の貫通孔６８の構造について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係るスペーサ２０の貫通孔６８から出る冷却水の流れを示す図であり、この図６においては、４つのシリンダ６のうちの中央側に配置されたシリンダ６に対応するスペーサ２０の部分が示されている。
図６に示すように、貫通孔６８の軸線方向は、シリンダ６の半径方向に対して角度Ａを有して傾斜している。したがって、貫通孔６８を通る冷却水の流れ方向は、シリンダ６の半径方向、つまりウォータージャケット１８の内周面の半径方向に対して角度Ａの傾斜角度を有する。また、冷却水がウォータージャケット１８の内周面に当たった位置での冷却水の流れ方向は、ウォータージャケット１８の内周面に対して角度Ｂを有して傾斜している。

本実施形態において、角度Ａは、好ましくは３０〜６０度、より好ましくは４５度である。また、角度Ｂは、好ましくは６０〜３０度（３０〜６０度）、より好ましくは４５度である。角度Ａが６０度より大きい、あるいは角度Ｂが３０度よりも小さいと、冷却水の流れ方向が、ウォータージャケット１８の内周面の接線方向に近い方向に流れるため、冷却水の流れはスムーズになるが、熱伝達率が低下して冷却水が吸熱できる熱量が小さくなるため、冷却水の温度上昇量は小さくなる。また、角度Ａが３０度より小さい、あるいは角度Ｂが６０度よりも大きいと、冷却水の流れ方向がウォータージャケット１８の内周面の半径方向に近い方向に流れるため、熱伝達率は比較的高くなるが、隣接する貫通孔６８から出た冷却水の流れ同士がぶつかり、その場で淀みやすい状態となる。

図４及び図５に戻って、スペーサ２０には、内部に冷却水を導入するための冷却水入口７０と、内部から冷却水を排出するための冷却水出口７２とが設けられている。
冷却水入口７０は、４つ並んだシリンダ６の一端側のシリンダ６に対応する円弧上に設けられており、スペーサ２０の外側と、スペーサ２０の外側空間６４とを連通している。また、冷却水入口７０は、ウォーターポンプ３８に接続する第３配管４０に接続している。
図７は、図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って切った状態で示すエンジンの冷却構造の斜視図である。この図７に示すように、シリンダブロック４には、ウォータージャケット１８の外周面から外側に突出するように形成された冷却水流入領域７６が形成されており、冷却水入口７０は、この冷却水流入領域７６に開口している。冷却水流入領域７６は、冷却水入口７０の上方及び下方にわたって延びており、したがって、冷却水流入領域７６は、冷却水入口７０を介して中段部２４に連通しているだけでなく、ウォータージャケット１８の上段部２２及び下段部２６にも連通している。冷却水流入領域７６は、シリンダブロック４に形成された冷却水流入口７８と連通しており、冷却水流入口７８は、図示はしないが、シリンダブロック４の側面に開口して、ウォーターポンプ３８と連結している。したがって、冷却水流入口７８は、冷却水回路における第３配管４０を構成する。このような構造により、第３配管４０は、ウォータージャケット１８の上段部２２、中段部２４、及び下段部２６の全てに連通している。

冷却水出口７２は、４つ並んだシリンダ６の他端側のシリンダ６に対応する円弧上に配置されており、スペーサ２０の長手方向軸線に対して冷却水入口７０の反対側で且つ横方向軸線に関しても冷却水入口７０の反対側に位置している。冷却水出口７２は、スペーサ２０の内側空間６６と、スペーサ２０の外側とを連通しており、シリンダブロック４の側面において、ヒータコア４４のヒータコア冷却水通路４６に連通する第４配管４２に接続している。したがって、ウォータージャケット１８の中段部２４のみが、第４配管４２に連通している。

ここで、冷却水入口７０及び冷却水出口７２の配置と隔壁６２の貫通孔６８の軸線の傾斜方向との関係について説明する。
図８は、図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ったエンジンの冷却構造の断面図である。この図８に示すように、隔壁６２の貫通孔６８は、貫通孔６８から出た冷却水の流れ方向が冷却水出口７２に向かう冷却水の流れの下流側に向かって傾斜するように形成されている。具体的には、図８においては、冷却水入口７０が図面右下に、冷却水出口７２が図面左上に配置されているが、内側空間６６における冷却水入口７０の位置から冷却水出口７２までの冷却水の流れは、冷却水入口７０の位置からシリンダ６の図面上方の内側空間６６を通り冷却水出口７２に向かう第１の流れ８０と、冷却水入口７０の位置からシリンダ６の図面下方の内側空間６６を通って冷却水出口７２に向かう第２の流れ８２とに分割される。したがって、貫通孔６８の軸線の傾斜方向は、第１の流れ８０の領域内及び第２の流れ８２の領域内のそれぞれにおける位置において、流れの下流側に向かって傾斜している。

図１及び図７を再び参照すると、スペーサ２０がウォータージャケット１８内に挿入された状態で示されている。ウォータージャケット１８は、前述のように、成形時の金型の抜き勾配により下方側の幅が若干小さくなった先細りの形状となっている。このため、スペーサ２０がウォータージャケット１８の上端から挿入された状態では、スペーサ２０は、下壁５４がウォータージャケット１８の周面に当接した位置で安定する。
この状態では、Ｏリング５８がウォータージャケット１８の内周面に当接し、上壁５２とウォータージャケット１８の内周面との間、及び下壁５４とウォータージャケット１８の内周面との間をシールしている。

このような構造により、スペーサ２０の上壁５２は、上段部２２と中段部２４との境界を形成し、下壁５４は、中段部２４と下段部２６との境界を形成する。また、中段部２４は、上壁５２、下壁５４、外壁５６、及びウォータージャケット１８の内周面によって上段部２２及び下段部２６とは隔離された領域を形成している。

ここで、スペーサ２０のウォータージャケット１８内での位置は、ピストン１０のストロークの中央位置が、中段部２４の高さ方向範囲内に位置するように設定されている。ここで、ピストン１０のストロークは、上死点におけるピストン１０のトップリング１２の位置から下死点におけるトップリング１２の位置までの距離を意味する。図１では、ピストン１０は下死点に位置した状態で示されており、本実施形態では、ピストン１０のストロークの中央位置とスペーサ２０の中段部２４の高さ方向中央位置はほぼ一致している。

また、中段部２４の高さＨ、つまり上壁５２の下端から下壁５４の上端までの距離は、中段部２４の幅や必要な冷却水流量等によって定まる。すなわち、中段部２４を流れる冷却水がエンジン１の熱を吸収することで上昇する冷却水の温度を高めるためには、中段部２４を流れる冷却水の流量は少ない方がよい。したがって、中段部２４の幅や高さを小さくすることが考えられる。しかしながら、中段部２４においては、隔壁６２の貫通孔６８からウォータージャケット１８の内周面に向かって出た冷却水がウォータージャケット１８の内周面ではね返って再び隔壁６２に当たってしまうと、内側空間６６における冷却水の流れを乱す。したがって、中段部２４の内側空間６６の幅は、内側空間６６の冷却水の流れを乱さない程度の適切な幅が必要とされる。本実施形態では、中段部２４の高さＨは、内側空間６６での冷却水の流れを乱さない程度の中段部２４の内側空間６６の幅と、ヒータコア４４で要求される輸送熱量から計算される内側空間６６の体積と、を勘案して決定されている。具体的には、本実施形態では、中段部２４の高さＨは、１０〜２０ｍｍの範囲で設定されている。

シリンダ６の内面、つまり燃焼室８の外周面には、シリンダライナ７が設けられている。このシリンダライナ７は、ウォータージャケット１８の上段部２２に対応する位置に設けられた上段領域８４と、中段部２４に対応する位置に設けられた中段領域８６と、下段部２６に対応する位置に設けられた下段領域８８とを有する。また、シリンダライナ７は、中段領域８６の上方及び下方、つまり、上段領域８４と中段領域８６との間、及び中段領域８６と下段領域８８との間に熱伝達領域９０を有する。
中段領域８６は、シリンダ６の内面からウォータージャケット１８の内周面まで半径方向に延び、したがって、中段領域８６の外周面は、ウォータージャケット１８の中段部２４に露出している。一方、上段領域８４、下段領域８８及び熱伝達領域９０は、中段領域８６よりも半径方向の寸法が小さく形成されており、ウォータージャケット１８の内周面に露出しない。

上段領域８４、中段領域８６、及び下段領域８８は、半径方向に沿った熱伝達率が軸線方向に沿った熱伝達率より大きい熱伝達率異方性材料で構成されている。熱伝達率異方性材料としては、例えばグラファイトと金属との複合材料が挙げられ、上段領域８４、中段領域８６、及び下段領域８８では、グラファイトの積層方向をシリンダライナ７の軸線方向に沿って配向し、グラファイトの配向方向をシリンダライナ７の半径方向に沿って配向することによって、半径方向に沿った熱伝達率が軸線方向に沿った熱伝達率より大きくなる熱伝達率の異方性が得られる。
熱伝達領域９０は、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きい熱伝達率異方性材料で構成されている。熱伝達率異方性材料としては、例えばグラファイトと金属との複合材料が挙げられ、熱伝達領域９０では、グラファイトの積層方向をシリンダライナ７の半径方向に沿って配向し、グラファイトの配向方向をシリンダライナ７の軸線方向に沿って配向することによって、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きくなる熱伝達率の異方性が得られる。

以上のような構造のエンジン１の冷却構造２では、次のように動作する。
エンジン１の始動時に車室に温風を送る場合には、エンジン１の始動とともに、冷却構造２のウォーターポンプ３８が冷却水の供給を開始する。ウォーターポンプ３８から供給された冷却水は、第３配管４０を構成する冷却水流入口７８に入り、冷却水流入領域７６に入る。このとき、エンジン１の燃焼室８はエンジン１の暖機が完了したと思われる所定温度に達していないため、サーモスタット３０は第１配管３２への冷却水の流通を禁止している。第１配管３２は、ウォータージャケット１８の上段部２２及び下段部２６に連通しているので、上段部２２及び下段部２６には冷却水が流入することができない。よって、冷却水流入領域７６に流入した冷却水は、冷却水入口７０を通って中段部２４に入る。

中段部２４では、冷却水入口７０からの冷却水は、第１の流れ８０及び第２の流れ８２に沿って流れて外側空間６４を満たし、隔壁６２の貫通孔６８からウォータージャケット１８の内周面に向かって噴出して内側空間６６に入る。貫通孔６８から噴出した冷却水は、ウォータージャケット１８の内周面の接線方向に対して角度Ｂを有して当たり、ウォータージャケット１８の内周面から熱を吸収する。このとき、ウォータージャケット１８の内周面には、シリンダライナ７の中段領域８６が露出しており、この中段領域８６は、半径方向に沿った熱伝達率が軸線方向に沿った熱伝達率より大きい熱伝達率異方性材料で構成されているので、燃焼室８からの熱が中段領域８６の外周面まで伝わって冷却水に吸収される。
また、熱伝達領域９０が上段領域８４及び下段領域８８から中段領域８５へ熱を軸方向に伝達し、その熱も中段領域８６において冷却水に吸収される。

内側空間６６を通る冷却水は、中段領域８６から熱を吸収しながら下流側に流れ、冷却水出口７２から出る。ウォータージャケット１８で熱を吸収して温度が上昇した冷却水は、第４配管４２を介してヒータコア４４のヒータコア冷却水通路４６に供給される。ヒータコア冷却水通路４６においてファン５０からの空気が冷却水の熱を奪うことで熱交換が行われ、冷やされた冷却水は第２配管３６を通ってウォーターポンプ３８に戻される。一方、冷却水から熱を奪った空気は温風となり、車室に供給されて車室を温める。

エンジン１がある程度運転されて暖機が完了し、燃焼室８の温度が所定温度に達した場合、サーモスタット３０が第１配管３２への冷却水の流通を許可する。すると、ウォータージャケット１８の上段部２２及び下段部２６にも冷却水が流通可能になるので、ウォーターポンプ３８から供給された冷却水は、冷却水流入領域７６から上段部２２、中段部２４、及び下段部２６の全てに流入する。中段部２４では、冷却水は、前述のように中段領域８６から熱を吸収し、ヒータコア４４を通って熱交換し、ウォーターポンプ３８に戻る。上段部２２及び下段部２６では、流入した冷却水は、シリンダブロック４を介してシリンダライナ７の上段領域８４及び下段領域８８からそれぞれ熱を吸収する。熱を吸収した冷却水は、下流端で合流し、シリンダブロック４の上端からヘッド冷却水通路２８に入る。この際、ヘッド冷却水通路２８への連通がシリンダブロック４の上端でなされているため、上段部２２の冷却水は、下段部２６の冷却水よりもヘッド冷却水通路２８に流れやすくなる。したがって、上段部２２の冷却水の流量は、下段部２６の冷却水の流量よりも多い。

ヘッド冷却水通路２８を通ってシリンダヘッド５をも冷却した冷却水は、第１配管３２を通ってラジエータ３４に入り、熱交換して冷却される。その後、冷却水は、第２配管３６を通ってウォーターポンプ３８に戻る。

以上のような本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
ウォータージャケット１８が上段部２２、中段部２４、及び下段部２６の３つの区画に分割され、中段部２４のみがヒータコア４４のヒータコア冷却水通路４６に連通しているので、中段部２４のみに冷却水を流通させることで、冷却水の熱容量を小さくすることができる。

例えば特許文献１に記載されるような従来の冷却構造では、ウォータージャケット全面から熱を吸収している。エンジン内部を通過する全ての冷却水を使って吸熱しているので、エンジンの燃焼室の冷却効率は高まるものの、熱容量の観点からは、冷却水の温度が上昇しにくい。このため、この冷却水をヒータコアに供給して暖房装置で使用しようとした場合、温度の高い温風を得ることができない。
これに対して本実施形態では、ウォータージャケット１８の一部の中段部２２のみで熱を吸収することで冷却水の熱容量を小さくすることができるので、冷却水の温度をより高くすることができ、エンジン１から吸収した熱を効率よくヒータコア４４に供給することができる。

また、冷却水の熱容量を小さくして効率よく熱をヒータコア４４に供給することができるから、上段部２２に比べてウォータージャケット１８の内周面の温度が低い中段部２４のみをヒータコア冷却水通路４６に連通させても、所望の冷却水温度を得ることができる。
更に、中段部２４のみに冷却水を流通させることでヒータコアに十分な熱量を供給することができるので、燃焼に大きく関わる上段部２２の温度を大幅に下げるのを防止することができる。したがって、例えば冬季のエンジン始動時に暖機と暖房装置の作動の両方を行わなければならない場合等に、両方の迅速な作動を両立することができる。

ウォータージャケット１８の上段部２２、中段部２４、及び下段部２６のうち、中段部２４から熱を吸収することができるので、その際、上段部２２及び下段部２６から中段部２４へ伝達された熱も吸収することができる。例えば上段部２２だけから熱を吸収する場合、上段部２２は下段部２６から距離があるため、下段部２６からの熱を吸収しにくい。本実施形態では、中段部２４から熱を吸収することにより上段部２２及び下段部２６の両方からの距離を短くして両方からの熱を吸収しやすくすることができる。

スペーサ２０に隔壁６２を設け、隔壁６２に貫通孔６８を形成したことにより、貫通孔６８を出た冷却水をウォータージャケット１８の内周面の接線方向に対して角度Ｂの傾斜角度で内周面に当てることができる。これにより、冷却水がウォータージャケット１８の内周面の接線方向に沿って流れる場合に比べて、冷却水への熱伝達率を向上させることができ、より効率よく熱を吸収することができる。

ウォータージャケット１８の上段部２２、中段部２４、及び下段部２６を、スペーサ２０のウォータージャケット１８への挿入によって区画しているので、従来の、ウォータージャケット１８の内面に凹凸を形成する等の構造に比べて簡単な構造で区画を分割することができる。また、スペーサ２０をウォータージャケット１８に挿入するだけで、ウォータージャケット１８を上段部２２、中段部２４、及び下段部２６に分割することができるので、シリンダブロック４の組み付け工程を簡略化できる。

スペーサ２０が上壁５２、下壁５４、及び外壁５６を有して断面略Ｃ字形に形成されているので、スペーサ２０をウォータージャケット１８に挿入するだけで、上壁５２によって上段部２２と中段部２４との境界を形成することができ、下壁５４によって中段部２４と下段部２６との境界を形成することができる。また、上壁５２、下壁５４、及び外壁５６とウォータージャケット１８の内周面で囲まれた領域に中段部２４を形成することができるので、簡単な構造で中段部２４をその他の区画から隔離することができる。

スペーサ２０が、貫通孔６８が形成された隔壁６２を有し、冷却水入口７０が外側空間６４に連通し、冷却水出口７２が内側空間６６に連通しているので、冷却水入口７０から入った冷却水が隔壁６２の貫通孔６８を通って内側空間６６に入り、ウォータージャケット１８の内周面に向かって噴出される。したがって、冷却水がウォータージャケット１８の内周面の接線方向に沿って流れる場合に比べて、冷却水への熱伝達率を向上させることができ、より効率よく熱を吸収することができる。

シリンダライナ７を、上段領域８４と、中段領域８６と、下段領域８８とに分割し、これらの領域８４，８６，８８を、半径方向に沿った熱伝達率が軸線方向に沿った熱伝達率より大きい熱伝達率異方性材料で構成しているので、これらの領域８４，８６，８８においては燃焼室８の熱がウォータージャケット１８の内周面側に伝わりやすくなるから、上段部２２、中段部２４、及び下段部２６において冷却水が効率よく熱を吸収することができる。
また、シリンダライナ７の上段領域８４と中段領域８６との間、及び中段領域８６と下段領域８８との間に熱伝達領域９０を設け、この熱伝達領域９０を、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きい熱伝達率異方性材料で構成したので、上段領域８４と中段領域８６との間、及び中段領域８６と下段領域８８との間で熱を伝達しやすくすることができる。したがって、例えば中段部２４のみから燃焼室８の熱を吸収している場合に、上段部２２及び下段部２６からの熱も中段部２４で吸収しやすくすることができる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、例えば、以下のような態様であってもよい。
前述の実施形態では、スペーサ２０の冷却水出口７２が、シリンダブロック４の側面においてヒータコア冷却水通路４６に連通する第４配管４２に連結していたが、これに限らず、冷却水出口は、例えばシリンダブロックの上面からシリンダヘッドを貫通してシリンダヘッドの上面に開口して、ヒータコアの冷却水通路に連通してもよい。

前述の実施形態では、スペーサ２０の上壁５２及び下壁５４の内側端にはＯリング５８が設けられていたが、これらのＯリングは、必ずしも設けられていなくてもよい。
前述の実施形態では、上段領域８４、中段領域８６及び下段領域８８は、熱伝達率異方性材料で構成されていたが、必ずしも熱伝達率異方性材料で構成されていなくてもよい。また、熱伝達領域９０についても、必ずしも設けられていなくてもよい。

前述の実施形態では、スペーサ２０に隔壁６２を設け、隔壁６２の貫通孔６８の軸線方向を傾斜させることによって、冷却水の流れ方向をウォータージャケット１８の内周面の接線方向に対して傾斜させるようにしたが、冷却水の流れ方向を定めるための具体的な構造は、これに限らず任意に設計することができる。

ウォータージャケットを上段部、中段部、及び下段部の３つの区画に分割するための構造は、前述の実施形態のようにスペーサ２０をウォータージャケット１８に挿入するものに限らず、例えば従来と同様にウォータージャケットの内周面に凹凸や仕切りを形成したり、シリンダライナに仕切りを設けてウォータージャケットの内側にはめ込んだり等、任意の構造を採用することができる。

前述の実施形態では、上段部２２及び下段部２６にも冷却水が流通可能な構造となっていたが、本発明においてはこれは必須な構成ではない。

前述の実施形態では、熱交換器としてヒータコアを採用していたが、これに限らず、例えばＡＴＦウォーマやオイルウォーマを採用してもよい。

エンジンは圧縮着火式のエンジンに限らず、火花着火式のエンジンを採用してもよい。

１ エンジン
２ 冷却構造
４ シリンダブロック
８ 燃焼室
１８ ウォータージャケット
２０ スペーサ
２２ 上段部
２４ 中段部
２６ 下段部
４４ ヒータコア（熱交換器）
４６ 冷却水通路
５２ 上壁
５４ 下壁
５６ 外壁
６２ 隔壁
６４ 外側空間
６６ 内側空間
６８ 貫通孔
７０ 冷却水入口
７２ 冷却水出口
９０ 熱伝達領域

Claims (8)

1. エンジンのシリンダブロックに設けられた略円筒状の燃焼室と、
   前記燃焼室の外側に前記燃焼室を囲むように設けられ、内部に冷却水が通ることで前記燃焼室を冷却するウォータージャケットと、
   前記ウォータージャケットを通った冷却水を受け入れる冷却水通路を有し、前記ウォータージャケットを通った冷却水を用いて熱交換可能に構成された熱交換器と、を有するエンジンの冷却構造であって、
   前記ウォータージャケットは、高さ方向に、上段部、中段部、及び下段部の３つの区画に分割され、
   前記中段部のみが前記熱交換器の前記冷却水通路に連通している、
   ことを特徴とするエンジンの冷却構造。
2. 前記熱交換器は、車両用空調装置の構成部材であって、車室に供給される空気と熱交換可能に構成されたヒータコアである、
   請求項１に記載のエンジンの冷却構造。
3. 前記中段部を流れる冷却水の流れ方向は、前記ウォータージャケットの内周面の接線方向に対して所定の傾斜角度を有する、
   請求項１または請求項２に記載のエンジンの冷却構造。
4. 前記傾斜角度は、３０〜６０度である、
   請求項３に記載のエンジンの冷却構造。
5. 前記上段部、前記中段部、及び前記下段部は、前記ウォータージャケット内に挿入可能なスペーサによって区画されている、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジンの冷却構造。
6. 前記スペーサは、前記上段部と前記中段部との境界を形成する上壁と、前記中段部と前記下段部との境界を形成する下壁と、前記上壁の外側端から前記下壁の外側端まで延びる外壁とを有し、前記ウォータージャケットの内周面に向かう面が開口した略Ｃ字形の断面形状を有する、
   請求項５に記載のエンジンの冷却構造。
7. 前記スペーサは、前記外壁よりも内側に、前記上壁と前記下壁との間に延びて前記中段部を外側空間と内側空間とに区切る隔壁を更に有し、前記隔壁には、前記外側空間と前記内側空間とを連通する複数の貫通孔が形成され、前記スペーサへの冷却水の冷却水入口は、前記外側空間に接続され、前記熱交換器の前記冷却水通路への冷却水の冷却水出口は、前記内側空間に接続される、
   請求項６に記載のエンジンの冷却構造。
8. 前記燃焼室の外周面は、前記中段部に対応する位置に設けられた中段領域を有し、前記中段領域の上方及び下方には、軸線方向に沿った熱伝達率が半径方向に沿った熱伝達率よりも大きい熱伝達率異方性材料で構成された熱伝達領域が形成されている、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンジンの冷却構造。

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