JP2023074371A - 内燃システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に冷却水を循環させるための配管を含めたシステムの全体のサイズを小型化することが可能な内燃システムを提供する。【解決手段】内燃システム１０は、クランクシャフト１３と、このクランクシャフト１３を当該クランクシャフト１３の一方の端部１３ａ側を前方側とし出力部１３ｂが設けられた他方端側を後方側として収容するシリンダブロック１２と、を含むエンジン１１（内燃機関）と、シリンダブロック１２に備えられて、供給口１６から冷却水を供給してエンジン１１に冷却水を循環させるウォーターポンプ２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に冷却水を循環させるウォーターポンプを備える内燃システムに関する。

自動車等の車両に適用される内燃機関は、当該内燃機関を冷却するための冷却水を循環させるウォーターポンプを備えている。

例えば、特許文献１には、クランクシャフトの回転力を、ベルトを介してプーリに伝達して、当該プーリに設けた主軸に固定された羽根車を回転させることによって、冷却水を循環させるウォーターポンプが開示されている。

特開２０２０－１５３２６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された内燃機関の冷却装置の場合、ウォーターポンプは、クランクシャフトの回転力によって駆動されるため、エンジンの前方側に設置せざるを得なかった。そのため、冷却水を冷却装置からウォーターポンプへ戻す長い配管が必要であり、冷却装置と冷却水の配管とを含めた内燃機関、すなわち内燃システム全体のサイズの小型化を妨げる要因の一つになっていた。

本発明の目的は、内燃機関に冷却水を循環させるための配管を含めたシステムの全体のサイズを小型化することが可能な内燃システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る内燃システムは、クランクシャフトと、このクランクシャフトを当該クランクシャフトの一方端側を前方側とし出力部が設けられた他方端側を後方側として収容するシリンダブロックと、を含む内燃機関と、シリンダブロックに備えられて、供給口から冷却水を供給して内燃機関に冷却水を循環させるウォーターポンプと、を備える。そして、供給口は、シリンダブロックの後方側である後方領域に接続されている。

この構成によれば、例えば、内燃機関の後方領域に水循環のための流路を集約し易く、内燃システムの全体のサイズを小型化し易くなる。

また、本発明に係る内燃システムにおいて、ウォーターポンプから内燃機関に供給された冷却水は、内燃機関から冷却装置を介してウォーターポンプに直接戻る流路を循環するようにしてもよい。

この構成によれば、例えば、ウォーターポンプと内燃機関と冷却装置とをより短い流路で接続し易くなる。これによって、冷却装置と冷却水の配管とを含めた内燃システムの全体のサイズを小型化することができる。また、流路が短くできることにより、内燃システムに循環させる冷却水の必要量を削減できる。これによって、より効率的に冷却水の循環を実現する内燃システムを実現することができるとともに、冷却水の必要量の削減が可能なので、暖機運転が必要な際には冷却水の温度上昇効率が向上し、燃費向上に寄与できる。

また、本発明に係る内燃システムにおいて、供給口は、後方領域のうちシリンダブロックの前方側と後方側との間の略中央位置に片寄った位置に接続されてもよい。

この構成によれば、例えば、ウォーターポンプを内燃機関の後方に設置した場合と比較して、ウォーターポンプが内燃機関の振動を受け難くなる。

また、本発明に係る内燃システムにおいて、ウォーターポンプは、電動式であってもよい。

この構成によれば、例えば、冷却水の循環のための配管（流路）の長さが短縮される内燃システムにおいて、配管の圧力損失が低下可能となるため、小型の電動式のウォーターポンプの採用が可能になる。その結果、内燃システムの全体のサイズを小型化、軽量化がし易くなるとともに、コストダウンに寄与できる。

本発明によれば、内燃機関の後方領域に冷却水の循環のための流路を集約し易く、全体のサイズを小型化することができる内燃システムを提供することができる。

図１は、実施形態に係る内燃システムを示す例示的かつ模式的なブロック図である。 図２は、実施形態に係る内燃システムのウォーターポンプの概略構造を示す例示的かつ模式的な断面図である。 図３は、実施形態に係る内燃システムのウォーターポンプの取付構造を示す例示的かつ模式的な斜視図である。 図４は、比較例としての内燃システムを示す例示的かつ模式的なブロック図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１を用いて、本発明の実施形態の内燃システム１０を説明する。図１は、実施形態に係る内燃システムを示す例示的かつ模式的なブロック図である。

（内燃システムの概略構成）
内燃システム１０は、エンジン１１と、エンジン１１の内部に冷却水を供給し循環させるウォーターポンプ２０と、エンジン１１を冷却することによって温まった冷却水を冷却する冷却装置としてのラジエター４０とを備える。なお、エンジン１１は、本開示における内燃機関の一例である。

図１において、エンジン１１は、例えば３個のシリンダ１４がクランクシャフト１３に沿って直列に配置された、直列３気筒エンジンである。また、エンジン１１は、車両の前後方向（図１のＸ軸方向）に対して、横置き、即ち図１のＹ軸方向に沿って配置されているものとする。この場合、エンジン１１のクランクシャフト１３の一方の端部１３ａ側である一方端側を前方側とし、クランクシャフト１３の回転出力が取り出される出力部１３ｂが設けられた他方端側を後方側とする。すなわち、図１において、エンジン１１の後方側はＹ軸正側であり、エンジン１１の前方側はＹ軸負側であるとする。また、図１において、エンジン１１の前方側と後方側との間の略中央位置Ｓを境に前方側を前方領域Ｆ、後方側を後方領域Ｒと称する場合もある。クランクシャフト１３やシリンダ１４は、エンジン１１を構成するシリンダブロック１２の内部に収容されて、ウォーターポンプ２０はシリンダブロック１２の後方領域Ｒの側壁の一部に取り付けられている。ウォーターポンプ２０の取り付け位置の詳細は、後述する。

内燃システム１０を循環する冷却水は、エンジン１１以外の補機の冷却も行う。例えば、図１に記載した、ＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲバルブ４４との冷却を行う。ＥＧＲクーラ４２とＥＧＲバルブ４４は、エンジン１１の排気ガスを再度吸気ポートに戻すことによって、燃費の向上を図るＥＧＲ（排気再循環システム）に用いられる補機である。また、ディーゼルエンジンの場合、ＥＧＲを行うことによって、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を減らすことができる。ＥＧＲクーラ４２は、冷却水を循環させることによって、排気ガスの温度を下げる。ＥＧＲバルブ４４は、吸気ポートに戻す排気ガスの量を調整する。

また、図１には記載しないが、冷却水は、例えばＣＶＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の冷却に用いられるＣＶＴオイルの冷却等も行う。

更に、内燃システム１０を循環する冷却水は、ヒータ４６を通過する。ヒータ４６は、暖まった冷却水による熱によって、車室内の暖房を行う。

内燃システム１０を循環する冷却水は、ウォーターポンプ２０と、エンジン１１と、ラジエター４０と、上述した補機とを互いに接続した配管（流路）の中を循環する。この配管は、エンジン１１の内部に配設した内部配管としてもよいし、金属パイプ等をエンジン１１の外部に配設した外部配管としてもよい。

なお、図１には図示しないが、冷却水の配管の中には、冷却水の温度が低い場合に、冷却水をラジエター４０等に循環させないように、冷却水の循環経路を変更するサーモスタット等が設置される。例えば、冬季等におけるエンジン１１の始動時に暖機運転が必要な際に冷却水の温度を迅速に上昇させるようにすることができる。

ウォーターポンプ２０は、例えば、電動ウォーターポンプであり、モータ部２２とポンプ部２４とを備える。

モータ部２２は、例えばＤＣモータであり、図１に不図示のコントローラによって回転駆動される。

ポンプ部２４は、ＤＣモータの回転軸に軸支されたインペラを備える。インペラは、複数の羽根を備えて、ＤＣモータの回転軸の回転に連れ添って回転する。インペラが備える複数の羽根は、回転することによって、ポンプ部２４に流入した冷却水を、エンジン１１の内部に送り込む。なお、ウォーターポンプ２０の詳細構造は後述する（図２参照）。

冷却水は、ウォーターポンプ２０の流入口２０ａからウォーターポンプ２０のポンプ部２４に流入して、その後、ウォーターポンプ２０に形成された供給口１６からシリンダブロック１２（エンジン１１）の内部に流入する。

シリンダブロック１２（エンジン１１）の内部に流入した冷却水は、シリンダブロック１２の内部に形成された冷却水路を流れる。シリンダブロック１２の内部の冷却水路は、エンジン１１が備えるシリンダ１４（図１の例では３つのシリンダ）を冷却して、排出口１８から排出される。

排出口１８から流出する冷却水は、流路Ｌ１を通りラジエター４０に流入し、ラジエター４０で冷却された後、流路Ｌ２を通りウォーターポンプ２０に戻る。また、前述したように、排出口１８から排出される冷却水のうち補機側を通る冷却水は、例えば、流路Ｌ３を通り、ＥＧＲクーラ４２に流れる。ＥＧＲクーラ４２に供給された冷却水の一部は、流路Ｌ４を通り、ＥＧＲバルブ４４および流路Ｌ５を通りウォーターポンプ２０に戻る。また、ＥＧＲクーラ４２に供給された冷却水の残りの部分は、流路Ｌ６を通りヒータ４６および流路Ｌ７を通りウォーターポンプ２０に戻る。各流路Ｌ１～Ｌ７を流れる冷却水は、ウォーターポンプ２０のポンプ圧によって移動する。

なお、図１に示す各流路Ｌ１～Ｌ７やラジエター４０、ＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲバルブ４４、ヒータ４６の配置は、説明のため間隔を空けて図示しているが、実際は、必要最小限の間隔で配置されている。

図１に示されるように、ウォーターポンプ２０の供給口１６は、シリンダブロック１２（エンジン１１）の後方側である後方領域Ｒに接続されている。より具体的には、供給口１６は、後方領域Ｒのうちシリンダブロック１２の前方側（前方領域Ｆ）と後方側（後方領域Ｒ）との間の略中央位置Ｓに片寄った位置、例えば、エンジン１１の重心に近い位置に接続される。そして、前述したように、ウォーターポンプ２０からエンジン１１に供給された冷却水の一部は、エンジン１１からラジエター４０を介して流路Ｌ２を通り、ウォーターポンプ２０に直接戻る。その結果、ウォーターポンプ２０がエンジン１１の前方に配置される場合に比べて、エンジン１１の後方に配置されるラジエター４０とエンジン１１の後方領域Ｒに配置されるウォーターポンプ２０とを接続する流路Ｌ２を短くすることができる。同様に、ＥＧＲバルブ４４とウォーターポンプ２０を接続する流路Ｌ５やヒータ４６とウォーターポンプ２０を接続する流路Ｌ７等もウォーターポンプ２０がエンジン１１の前方側に配置される場合よりも短くすることができる。

（電動ウォーターポンプの構造）
図２を用いて、ウォーターポンプ２０の構造を説明する。図２は、ウォーターポンプ２０の概略構造を示す例示的かつ模式的な断面図である。

ウォーターポンプ２０は、モータ部２２とポンプ部２４を備える。

モータ部２２は、モータを構成するロータ２６（回転子）とステータ２７（固定子）を有する。ロータ２６は、例えば永久磁石で形成される。ステータ２７は、ロータ２６を収容するハウジング２５の内部に設置されるコイルである。ステータ２７は、通電することによって回転磁界を発生する。ロータ２６は、ステータ２７が発生させた回転磁界によってポンプシャフト２８の周りに回転する。

ポンプ部２４は、インペラ２９とポンプカバー３０を備える。

インペラ２９は、複数の羽根を有する羽根車である。インペラ２９は、ロータ２６と一体的に形成されており、不図示のベアリング等によってポンプシャフト２８に支持される。インペラ２９は、ポンプシャフト２８を中心に回転することによって、遠心ポンプとして機能する。なお、インペラ２９を収容するポンプカバー３０の内部には、渦巻き型の渦室が形成されている。流入口２０ａに接続されたパイプ３２から流入した冷却水は、インペラ２９の回転で生じる遠心力によって９０°向きを換えて、パイプ３４に吐出される。その後、パイプ３４に吐出された冷却水は、供給口１６からエンジン１１の内部に流入する。

なお、図２において、ポンプカバー３０とハウジング２５とは、例えば樹脂材料で一体的に成形されている。

電動ウォーターポンプの構造は、図２に示すものに限らない。例えば、ポンプカバー３０とハウジング２５とが別体型であってもよい。

（電動ウォーターポンプの取付構造）
図３は、ウォーターポンプ２０の取付構造を示す例示的かつ模式的な斜視図である。

ウォーターポンプ２０のパイプ３４の先端には、フランジ３５が形成される。フランジ３５は、パイプ３４の先端に平板状に形成され、冷却水をエンジン１１に供給する供給口１６を形成する。フランジ３５のパイプ３４を挟む位置には、貫通穴３５ａ，３５ｂが開口されている。

ウォーターポンプ２０のハウジング２５の側面には、フランジ３６が形成される。フランジ３６は、ハウジング２５を挟んで、フランジ３５と反対側の位置に、フランジ３５と略平行に形成される。フランジ３６には、貫通穴３６ａが開口されている。

貫通穴３５ａ，３５ｂ、および貫通穴３６ａには、それぞれ、雄ネジが切られたボルト３７が挿通される。貫通穴３５ａ，３５ｂおよび貫通穴３６ａを挿通した各ボルト３７は、シリンダブロック１２の側壁に形成された、不図示のボルト穴に形成された雌ネジと結合する。これによって、ウォーターポンプ２０は、シリンダブロック１２の後方領域Ｒの側壁に取り付けられる。なお、フランジ３５に裏面（供給口１６の周囲）には、冷却水漏れを防止するために、不図示のガスケットが設置される。

このように、ウォーターポンプ２０は、ハウジング２５が内包する重量物であるモータ部２２（図２参照）を取り囲む３点でシリンダブロック１２に締結される。なお、ウォーターポンプ２０の重心位置を取り囲む３点でシリンダブロック１２に締結するのが望ましい。これによって、シリンダブロック１２から振動が伝わった場合であっても、ウォーターポンプ２０はシリンダブロック１２に強固に固定される。

なお、ウォーターポンプ２０のシリンダブロック１２への取付構造は、図３に示す例に限定されるものではない。

次に、図４を用いて、本実施形態の内燃システム１０を、比較例の内燃システム１０ａと比較する。図４は、比較例としての内燃システム１０ａを示す例示的かつ模式的なブロック図である。

内燃システム１０ａは、エンジン１１の前方に、ウォーターポンプ２１を備える。その他の構成は、本実施形態の内燃システム１０と基本的には同じである。

ウォーターポンプ２１は、機械式ウォーターポンプである。ウォーターポンプ２１は、ベアリング部２３とポンプ部２４とを備える。ベアリング部２３は、クランクシャフト１３の回転に連れ添って回転するクランクプーリー１５との間に架け渡されたベルト１７によって回転駆動される。ポンプ部２４は、ベアリング部２３とともに回転するインペラを備える。インペラは、複数の羽根を備えて、ベアリング部２３の回転に連れ添って回転する。インペラが備える複数の羽根は、回転することによって、流入口２１ａからウォーターポンプ２１のポンプ部２４に流入した冷却水を供給口１６からエンジン１１の内部に送り込む。

内燃システム１０ａの場合も排出口１８から流出する冷却水は、流路Ｌ１を通りラジエター４０に流入し、ラジエター４０で冷却された後、流路Ｌ２ａを通りウォーターポンプ２１に戻る。また、排出口１８から排出される冷却水のうち補機側を通る冷却水は、流路Ｌ３を通り、ＥＧＲクーラ４２に流れる。ＥＧＲクーラ４２に供給された冷却水の一部は、流路Ｌ４を通り、ＥＧＲバルブ４４、流路Ｌ５ａを通りウォーターポンプ２０に戻る。また、ＥＧＲクーラ４２に供給された冷却水の残りの部分は、流路Ｌ６を通りヒータ４６および流路Ｌ７ａを通りウォーターポンプ２０に戻る。

図４に示すように、比較例の内燃システム１０ａは、本実施形態の内燃システム１０と比べて、冷却水の配管（流路Ｌ２ａ，Ｌ５ａ，Ｌ７ａ等）を、エンジン１１の後方に配置されたラジエター４０や補機から、エンジン１１の前方に配置されたウォーターポンプ２１まで延設する必要がある。つまり、エンジン１１、ラジエター４０等を含む内燃システム１０ａの全体サイズが大型化する原因になる。

一方、ウォーターポンプ２０の供給口１６がエンジン１１（シリンダブロック１２）の後方領域Ｒで接続される内燃システム１０の場合、全体のサイズを内燃システム１０ａの全体のサイズに比べてコンパクトにすることができる。また、内燃システム１０は内燃システム１０ａに比べて冷却水の配管が短いため、使用する冷却水の量が少なくて済む。そして、配管が短いため、内燃システム１０は内燃システム１０ａに比べて、配管による圧力損失が小さくなる。これによって、内燃システム１０で使用するウォーターポンプ２０のパワー（吐出量）は、ウォーターポンプ２１と比べてより小さくて済む。すなわち、電動式のウォーターポンプ２０を選ぶ場合に、高出力の大型のモータ部２２を選択する必要がなくなり、ウォーターポンプ２０の小型化に寄与できる。その結果、ウォーターポンプ２０の選択および設計の自由度が向上、コストダウン等に寄与できる。

また、内燃システム１０の場合、内燃システム１０ａに比べて、配管（流路）を短くすることができるため、使用する冷却水の量が少なくて済む。その結果、暖機運転が必要な際に、冷却水を適温まで上昇させる時間が、内燃システム１０ａの場合より短くなる。その結果、エンジン１１の燃費向上に寄与することができる。

さらに、本実施形態の内燃システム１０の場合、ウォーターポンプ２０の供給口１６を、シリンダブロック１２（エンジン１１）の後方領域Ｒのうちシリンダブロック１２の前方側（前方領域Ｆ）と後方側（後方領域Ｒ）との間の略中央位置Ｓに片寄った位置に接続している。つまり、エンジン１１の重心に近い位置にウォーターポンプ２０を設置することができる。ウォーターポンプ２０がエンジン１１の重心から離れた位置に設置される場合、例えば、エンジン１１からオーバハングした状態で設置される場合に比べて、モータ部２２の駆動時の振動を抑制することができる。また、ウォーターポンプ２０をエンジン１１の後方に設置した場合と比較して、ウォーターポンプ２０がエンジン１１の振動を受け難くなる。その結果、内燃システム１０を搭載する車両の静寂性の向上に寄与することができる。また、ウォーターポンプ２０の振動が軽減可能になるため、ウォーターポンプ２０をシリンダブロック１２（エンジン１１）に固定する際の固定構造の見直しが可能になる。例えば、フランジ３５，３６等の薄肉化が可能であり、ウォーターポンプ２０の軽量化をさらに行うことができる。

（本実施形態の作用効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る内燃システム１０は、クランクシャフト１３と、このクランクシャフト１３を当該クランクシャフト１３の一方の端部１３ａ側を前方側とし出力部１３ｂが設けられた他方端側を後方側として収容するシリンダブロック１２と、を含むエンジン１１と、シリンダブロック１２に備えられて、供給口１６から冷却水を供給してエンジン１１に冷却水を循環させるウォーターポンプ２０と、を備える。そして、供給口１６は、シリンダブロック１２の後方側である後方領域Ｒに接続されている。したがって、エンジン１１の後方領域Ｒに水循環のための流路を集約し易く、内燃システム１０の全体のサイズを小型化し易くなる。

また、本実施形態の内燃システム１０において、ウォーターポンプ２０からエンジン１１に供給された冷却水は、エンジン１１からラジエター４０を介してウォーターポンプ２０に直接戻る流路Ｌ２を循環する。したがって、ウォーターポンプ２０とエンジン１１とラジエター４０とをより短い流路Ｌ２で接続し易くなる。これによって、ラジエター４０と冷却水の流路Ｌ２とを含めた内燃システム１０の全体のサイズを小型化することができる。また、流路Ｌ２が短くできることにより、内燃システム１０に循環させる冷却水の必要量を削減できる。これによって、暖機運転が必要な際には冷却水の温度上昇をより迅速に行うことが可能になり、燃費向上に寄与できる。

また、本実施形態の内燃システム１０において、供給口１６は、後方領域Ｒのうちシリンダブロック１２の前方側（前方領域Ｆ）と後方側（後方領域Ｒ）との間の略中央位置Ｓに片寄った位置に接続されている。したがって、ウォーターポンプ２０をエンジン１１の後方に設置した場合と比較して、ウォーターポンプ２０がエンジンの振動を受けにくくなる。

また、本実施形態の内燃システム１０において、ウォーターポンプ２０は、電動式である。冷却水の循環のための配管（流路）の長さが短縮される内燃システム１０において、配管の圧力損失が低下可能となるため、小型の電動式のウォーターポンプ２０の採用が可能になる。その結果、内燃システム１０の全体のサイズを小型化、軽量化し易くなるとともに、コストダウンに寄与できる。

なお、上述した実施形態において、エンジン１１（内燃機関）の形式として３気筒エンジンを示したが、これに限定されず、例えば、２気筒や４気筒以上のエンジンに本実施形態の構成を適用してもよく、同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した実施の形態は、例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。また、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。また、この実施の形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０ａ 内燃システム
１１ エンジン（内燃機関）
１２ シリンダブロック
１３ クランクシャフト
１３ｂ 出力部
１６ 供給口
２０，２１ ウォーターポンプ
２２ モータ部
２４ ポンプ部
２５ ハウジング
２９ インペラ
３０ ポンプカバー
３２，３４ パイプ
３５，３６ フランジ
３５ａ，３５ｂ，３６ａ 貫通穴
４０ ラジエター
Ｆ 前方領域
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７ 流路
Ｒ 後方領域
Ｓ 中間位置

Claims (4)

1. クランクシャフトと、前記クランクシャフトを当該クランクシャフトの一方端側を前方側とし出力部が設けられた他方端側を後方側として収容するシリンダブロックと、を含む内燃機関と、
   前記シリンダブロックに備えられて、供給口から冷却水を供給して前記内燃機関に前記冷却水を循環させるウォーターポンプと、
   を備え、
   前記供給口は、前記シリンダブロックの前記後方側である後方領域に接続される、
   内燃システム。
2. 前記ウォーターポンプから前記内燃機関に供給された前記冷却水は、前記内燃機関から冷却装置を介して前記ウォーターポンプに直接戻る流路を循環する、請求項１に記載の内燃システム。
3. 前記供給口は、前記後方領域のうち前記シリンダブロックの前記前方側と前記後方側との間の略中央位置に片寄った位置に接続される、請求項１または請求項２に記載の内燃システム。
4. 前記ウォーターポンプは、電動式である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃システム。

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