JP2521987B2 - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、エンジンの冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの冷却装置に関しては、シリンダヘッ
ド及びシリンダライナの上部は勿論のこと、ピストンが
往復動するシリンダライナの下部のシリンダボディにも
冷却室が形成されているのが一般的である。

ところで、実開昭61−14715号公報には、セラミック
部材によって形成された断熱構造の燃焼室を有した断熱
エンジンのシリンダヘッド本体内の排気弁の周囲に形成
された腔室内に排気弁の機能を維持するために所定エン
ジン特性値以上において制量自在に冷却媒体を供給する
断熱エンジン用シリンダヘッドの冷却装置が開示されて
いる。該断熱エンジン用シリンダヘッドの冷却装置は、
ヘッドプレート上に組み合わされた金属製シリンダヘッ
ド本体内の少なくとも排気弁の周囲に形成された腔室内
にエンジンの排気温度、回転数、ブースト圧等に応じて
冷却媒体を供給する冷却媒体の制御手段を具備したもの
である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、往復動エンジンの冷却装置に関して
は、シリンダヘッド、シリンダライナの上部及びシリン
ダライナの下部のシリンダボディに冷却室を形成したも
のについては、冷却室が占めるスペースは大きくなり、
そのため軽量化、低コスト化を図ることができず、或い
はエンジンを暖機するのに冷却水が多いためそれだけ長
時間を要するという問題点を有している。

また、上記のようなセラミック材料を断熱剤又は耐熱
材としてピストンヘッド、シリンダヘッド、シリンダラ
イナ、バルブ等のエンジン部材に利用する断熱エンジン
において、断熱特性を十分に得ることは極めて困難なこ
とである。セラミック材料が燃焼室側の高温に晒される
状態であり、そのため熱ショックを受け、セラミック材
料の強度上の問題も生じる。

また、断熱エンジンについて、断熱のため壁面のセラ
ミック材料の肉厚を厚く構成したり、すべての部品を断
熱構造に構成したりすると、燃容量が大きくなり、吸入
行程時に吸入空気が燃焼室から多く受熱して高温にな
り、吸入効率が低下して空気が吸入されなくなるという
現象が生じる反面、熱発生行程では断熱性を向上させな
ければならないという問題がある。

ところで、前掲実開昭61−14715号公報に開示された
断熱エンジン用シリンダヘッドの冷却装置については、
上記と同様な問題点を有している。ところで、往復動型
エンジンでは、往復運動するピストンの外周を水又は空
気によって冷却することによって円滑な往復運動が継続
できる。しかるに、燃焼室壁を断熱すれば、燃料の燃焼
エネルギーは排気ガスに保存されるか、又は仕事となる
ものである。

往復動型エンジンの熱伝達量は、作動ガス圧力が高
く、温度が高い時に主に増加するが、作動ガス圧力、温
度が低い時には余り多くの熱伝達量ではない。このよう
な観点からエンジン作動の最も重要な熱発生部について
は、ピストンの上死点（TDC）付近であり、この部分の
放熱を最適化することによってシリンダライナ部の冷却
は不要になるものであることが分かった。

そこで、この発明の目的は、上記の問題点を解決する
ことであり、上記の観点から、往復動エンジンの熱発生
については、クランクアングルでピストンの上死点（TD
C）後、約70°位で完了するものであり、その期間での
シリンダ内のガスは高温高圧であるため、熱伝達量が多
く、それ以後の熱伝達量は全体の約30％位であることに
着眼し、シリンダヘッドのガス圧及び温度の最も高い部
分を冷却し、しかも放熱が最も適したように燃焼室上部
の冷却形状即ち水ジャケットの形状を最適形状に構成し
たものであり、それに応じてエンジンの冷却を必要最小
限にして吸入効率の低下を防止し、鋳型の簡略化により
加工性を向上させると共に、エンジンそのものを小型軽
量化して重量の低減し、大幅コストダウンを図り、しか
も冷却の必要部位を冷却水をスムースに流すことによっ
て極めて有効に且つ迅速に冷却すると共に、冷却系によ
って生じる騒音を低減し、冷却水用ポンプを小型化する
ことができるエンジンの冷却装置を提供することであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の問題点を解決し、上記の目的を達
成するために、次のように構成されている。即ち、この
発明は、シリンダヘッドの一端から他端へダイレクトに
配置した各気筒を構成する燃焼室、該燃焼室のエンジン
上死点近傍の前記各気筒上部のみのシリンダヘッド下面
とライナ上部全周を冷却するため前記各気筒上部のみに
形成した各水ジャケット、及び隣接する前記水ジャケッ
トをダイレクトに連通するストレートの冷却通路を有
し、冷却水を前記シリンダヘッド上部の一端の入口から
他端の出口へ前記水ジャケットと前記冷却通路を通って
一方向に循環させるエンジンの冷却装置に関する。

また、このエンジンの冷却装置は、セラミック材料か
ら成る断熱エンジンに適用したものである。

〔作用〕

この発明は、以上のように構成されており、次のよう
に作用する。即ち、この発明は、各燃焼室を形成するシ
リンダヘッド上部全周に形成した水ジャケットをダイレ
クトに連通し且つシリンダヘッドの一端から他端へ冷却
水を一方向に循環させるようにストレートの冷却通路を
形成したものであり、シリンダヘッド上部のガス圧及び
温度の最も高い部分即ちピストンの上死点（TDC）付近
の部位を放熱するためシリンダヘッド下面及びシリンダ
ライナ上部全周を冷却したので、この部位でほとんどの
熱が放熱され、シリンダライナ下部側即ち下部ライナ側
に燃焼室の熱が流れる現象がほとんどなく、シリンダラ
イナ下部の冷却を行う必要がないものである。

また、冷却系の構造上、冷却の壁面を可及的に小さく
構成でき、水ジャケットそのものを冷却水がスムースに
流れる単純な形状に構成でき、冷却水の流れ抵抗が小さ
く、水ジャケットを小型且つ軽量に構成できる。また、
水ジャケットが小さく水量が少ないため、冷却水は迅速
に流れてエンジンの高温部を直ちに冷却すると共に、冷
却水は所定温度にまで直ちに上昇して、エンジンの暖機
性を向上できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によりエンジンの冷
却装置の実施例を詳述する。

第１図はこの発明によるエンジンの冷却装置の一実施
例を示し且つ第２図の線Ｉ−Ｉにおける断面図である。
第２図は第１図の線II−IIにおける断面図である。この
エンジンの冷却装置10は、主として、セラミックエンジ
ン即ち断熱エンジンに適用して極めて好ましいものであ
る。例えば、該断熱エンジンの例としては、部分断熱構
造のエンジン、即ち、シリンダブロックであるシリンダ
ボディ内に嵌合されたセラミック材料で構成したシリン
ダライナ、並びにピストンヘッド部におけるセラミック
材料、断熱材及びピストンスカートから成るピストンか
ら構成されている。

図では、シリンダライナ上部７とシリンダヘッド１と
は、同一構造体で構成して一体に製作されている。シリ
ンダライナ上部７は、例えば、鋳鉄等の金属で構成され
ているが、水ジャケット２によって外壁全周を冷却して
いるので熱影響の面では問題は生じない。即ち、このシ
リンダライナ上部７の全周及びシリンダヘッド１の外側
には、エンジンの燃焼室９に面する部分を冷却するた
め、水ジャケット２が形成されている。

冷却系の水ジャケット２については、各々の燃焼室９
を形成するシリンダヘッド１の外全周においてシリンダ
ライナ上部７とシリンダヘッド１の仕切壁５によって形
成した水ジャケット部を一連的に即ちダイレクトに連通
すると共に、シリンダヘッド１の一端の入口３から他端
の出口４へ冷却水を一方向に循環させるストレートの冷
却通路６を形成している。

このように、各気筒上部のみのシリンダヘッド下面と
ライナ上部７の全周とを冷却するため、シリンダヘッド
１と上部に位置するシリンダライナ上部７のみに対して
水ジャケット２を設け、隣接する水ジャケット２をスト
レートの冷却通路６でダイレクトに連通し、冷却水をシ
リンダヘッド上部７の一端から他端へ水ジャケット２と
冷却通路６を通って一方向に循環させるように構成した
ので、水ジャケット２自体の形状を極めて簡潔な形状に
構成できる。

また、シリンダヘッド１の上面、シリンダライナ上部
７及びシリンダヘッド１の仕切壁５によって形成される
冷却壁を、可及的に少なくすることができ、冷却系を構
成する水ジャケット２を冷却水がダイレクトスルーに流
れるように極めて簡単な構造に構成でき、冷却水の流れ
抵抗を小さくすることができる。

それ故に、冷却水を循環させる水ポンプの容量も小さ
く構成することができる。なお、図中、８は吸排気バル
ブのバルブ孔を示す。

更に、ピストンが往復動するシリンダライナについて
は、それほど高温高圧にならないので、該シリンダライ
ナを、例えば、セラミック材料で構成し、その部位の断
熱機能を果たすように構成すると共に、耐焼付性を向上
させるように構成すれば、該シリンダライナの外周に位
置するシリンダボディについては、水ジャケットを設け
る必要はなく、また空冷のフィン等も設ける必要もな
い。即ち、シリンダライナは、鋳物から作られたシリン
ダボディに鋳込み、圧入、焼嵌め等によって嵌合されて
おり、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア等のセラミック
材料で製作することができる。

従って、シリンダボディの製作に当たって水ジャケッ
ト用の中子を廃止でき、極めて加工性が容易になり、重
量の低減、大幅なコストダウンを図ることができる。

また、ピストンについては、図示していないが、エン
ジンの燃焼室９側に面するピストンヘッドを、例えば、
セラミック材料で構成し、該ピストンヘッドをセラミッ
ク材料から成る断熱材等を介してピストンスカートに取
付けることができる。従って、ピストンヘッド部におけ
るセラミック材料のピストンヘッド及びセラミック材料
等の断熱材によって、燃焼室９内の熱流即ち熱が下部の
シリンダライナ側に流れることを防止できる。このピス
トンヘッドのセラミック材料部分は、窒化珪素、炭化珪
素等のセラミック材料で薄肉に製作され、その部分の熱
容量が小さくなるように構成することもできる。更に、
ピストンヘッド部の断熱材については、チタン酸カリウ
ム、チタン酸カリウムウイスカー、ジルコニアファイ
バ、アルミナファイバ等の材料から構成することがで
き、断熱機能を果たすと共に、爆発時に作用する圧力を
受け止める構造材としても機能させることもできる。

〔発明の効果〕

この発明によるエンジンの冷却装置は、以上のように
構成されているので、次のような特有の効果を奏する。
即ち、この発明は、各燃焼室を形成するシリンダヘッド
上部全周に形成した水ジャケットをダイレクトに連通し
且つシリンダヘッドの一端の入口から他端の出口へ冷却
水を一方向に循環させるように冷却通路を形成したの
で、シリンダヘッドのガス圧及び温度の最も高い部分即
ちピストンの上死点（TDC）付近を放熱するため冷却で
き、この部位でほとんどの熱が放熱され、シリンダライ
ナ下部に対しては水ジャケットによる冷却を行う必要が
ないものとなる。

即ち、シリンダライナ下部側即ち下部ライナ側に燃焼
室の熱が流れる現象がほとんどなく、従ってシリンダボ
ディの水ジャケット用中子が廃止でき、鋳型の簡略化に
より加工性を向上させ、大幅コストダウンを図ると共
に、重量を低減でき、しかも冷却が必要最小限行われる
ので、ピストンとシリンダライナ下部との間の摺動での
焼付現象は発生しない。

また、冷却系の構造上、シリンダヘッドの上面、シリ
ンダライナ上部及びシリンダヘッドの仕切壁によって形
成される冷却壁を可及的に少なくすることができ、水ジ
ャケットそのものを冷却水に対して低抵抗に即ち冷却水
がスムースに流れる単純な形状に構成でき、水ジャケッ
トを小型且つ軽量に構成できる。

また、水ジャケットが小さく水量を少なく構成できる
ため、冷却水は迅速に流れてエンジンの高温部を直ちに
冷却すると共に、冷却水は所定温度にまで直ちに上昇す
るので、エンジンの暖機性を向上できる。更に、エンジ
ンそのものの低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるエンジンの冷却装置の一実施例
を示す断面図、及び第２図は第１図の線II−IIにおける
断面図である。 １……シリンダヘッド、２……水ジャケット、３……冷
却水の入口、４……冷却水の出口、５……仕切壁、６…
…冷却通路、７……シリンダライナ上部、８……吸排気
バルブのバルブ孔、９……燃焼室、10……エンジンの冷
却装置。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッドの一端から他端へダイレク
   トに配置した各気筒を構成する燃焼室、該燃焼室のエン
   ジン上死点近傍の前記各気筒上部のみのシリンダヘッド
   下面とライナ上部全周を冷却するため前記各気筒上部の
   みに形成した各水ジャケット、及び隣接する前記水ジャ
   ケットをダイレクトに連通するストレートの冷却通路を
   有し、冷却水を前記シリンダヘッド上部の一端の入口か
   ら他端の出口へ前記水ジャケットと前記冷却通路を通っ
   て一方向に循環させるエンジンの冷却装置。
2. 【請求項２】セラミック材料から成る断熱エンジンに適
   用した特許請求の範囲第１項に記載のエンジンの冷却装
   置。