JP4276128B2 - シリンダライナの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関におけるシリンダライナの冷却構造に関するものである。

従来のシリンダライナの冷却構造として、冷却流体が流れるボアをシリンダライナに開け、このボア内にフィン付中子を挿入したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実開平６−８０８２１号公報

特許文献１の図１を以下の図８で説明し、特許文献１の図３を以下の図９で説明する。なお、符号は振り直した。
図８は従来の冷却構造を示す構成図であり、内燃機関のシリンダカバー１０１に複数のボア１０２を開け、これらのボア１０２内にそれぞれフィン付中子１０３を配置したことを示す。各フィンとボア１０２の内面との隙間は所定寸法ｔ（図９参照）に設定される。このような冷却構造をシリンダライナに採用した例が特許文献１の図２に示されている。

図９（ａ），（ｂ）は従来の冷却構造の効果を示す説明図である。
（ａ）は冷却構造の拡大図であり、ボア１０２内にフィン付中子１０３を配置したことを示す。
（ｂ）は冷却構造の作用図であり、ボア１０２内に冷却流体が流れたときに、ボア１０２内に冷却流体の乱れが生じたことを示す。

特許文献１では、図８において、細長いボア１０２を冷却流体の通路とするために、例えば、ウォータジャケットにてシリンダライナを冷却する方式に比べて冷却流体の流量を確保することが難しく、冷却性という点では不利となる。また、ボア１０２に近い部分しか冷却することが出来ないため、シリンダライナにボア１０２を開けた場合に、シリンダライナの全体を均一に冷却することは難しい。
例えば、冷却流体の流量を増やすためにボア１０２の本数を多くすれば、ボア１０２を開ける工数が増え、製造の手間が多く掛かる。

また、フィン付中子１０３は、軸部材と、この軸部材に固定した多数のフィンとからなるため、ボア１０２が長くなれば、軸部材の曲がりやフィンの外径のばらつきによって、各フィンとボア１０２の内面との隙間を所定寸法に保つことが難しく、この隙間が許容範囲を外れた場合に、この隙間を調整するにはフィン付中子１０３を交換する以外にないため、上記の隙間を精度よく形成できる構造が望まれる。

更に、シリンダライナ一体型のシリンダブロックでは、例えば、シリンダライナが摩耗した場合に、シリンダライナを交換することができず、また、シリンダライナが摩耗しないようにシリンダブロックの全体を鋳鉄で製造した場合には、シリンダブロックの重量増を招く。

本発明の課題は、より均一に冷却でき、製造が容易で、フィンの先端とこのフィンに対向する壁との隙間を精度よく形成でき、しかも、シリンダライナ部分を交換可能であってシリンダブロックの重量を軽減できるシリンダライナの冷却構造を提供することにある。

請求項１に係る発明は、ウォータポンプから供給された冷却水を、シリンダライナの外周に沿って形成されたウォータジャケット内に循環させてシリンダライナを冷却する冷却構造であって、ウォータジャケットを、シリンダライナとこのシリンダライナを囲む周壁とで構成し、これらのシリンダライナ及び周壁の一方にフィンを形成し、このフィンの先端と、シリンダライナ及び周壁の他方との間に狭窄空間を形成するとともに、ウォータジャケットの周囲に環状冷却プール部を形成し、この環状冷却プール部とウォータジャケットとを放射状に且つ周方向に等分した位置に配置した複数の放射状冷却通路で連通させ、この放射状冷却通路内を流れる冷却水を狭窄空間へ供給することを特徴とする。

ウォータジャケットを、シリンダライナとこのシリンダライナを囲む周壁とで構成することで、シリンダライナをウォータジャケット内の流量の多い冷却水で直接的に冷却することができ、冷却性を高めることができる。また、シリンダライナの周囲をウォータジャケットで囲むことで、シリンダライナの全体をより均一に冷却することができる。
更に、ウォータジャケットによる冷却構造であるから、細長いボアを多数開けた冷却構造に比べて、製造の手間を少なくすることができる。

また、複数の放射状冷却通路を放射状に且つ周方向に等分した位置に配置したことにより、環状冷却プール部からウォータジャケットへ円周方向に均等に冷却水を供給することができ、シリンダライナの上部を周方向により均一に冷却することができ、また、環状冷却プール部から、周壁とシリンダライナの外周面との間の隙間にも周方向に均等に冷却水を流すことができ、シリンダライナの中間部及び下部をも周方向により均一に冷却することができる。

請求項２に係る発明は、狭窄空間の隙間を、０．８〜１．０ｍｍとしたことを特徴とする。
狭窄空間の隙間を、０．８〜１．０ｍｍとしたことで、冷却水が狭窄空間を通過するときに、冷却水の流速を大きくすることができ、冷却水が狭窄空間を通過した直後に乱流を発生しやすくすることができ、シリンダライナから冷却水への熱伝達効率を向上させることができる。

例えば、狭窄空間の隙間が広い場合（即ち、狭窄空間の隙間が１．０ｍｍを上回る場合）、狭窄空間の隙間を流れる冷却水の流量が多くなるとともに流速が小さくなり、冷却水はほぼ層流となって流れるため、乱流は発生しにくくなる。

また、例えば、狭窄空間の隙間が非常に狭い場合（即ち、狭窄空間の隙間が０．８ｍｍを下回る場合）、狭窄空間の隙間を流れる冷却水の流量は非常に少なくなり、流速も小さくなって乱流は発生しにくくなる。

請求項１に係る発明では、ウォータジャケットを、シリンダライナとこのシリンダライナを囲む周壁とで構成したので、シリンダライナをウォータジャケット内の流量の多い冷却水で直接的に冷却することができ、冷却効率を高めることができる。また、シリンダライナの周囲をウォータジャケットで囲んだので、シリンダライナの全体をより均一に冷却することができ、シリンダライナの温度分布をより均一にすることができて、シリンダライナの熱変形を抑えることができる。
更に、ウォータジャケットによる冷却構造であるから、細長いボアを多数開けた冷却構造に比べて、製造の手間を少なくすることができ、コストを低減することができる。

また、複数の放射状冷却通路を放射状に且つ周方向に等分した位置に配置したことにより、環状冷却プール部からウォータジャケットへ円周方向に均等に冷却水を供給することができ、シリンダライナの上部を周方向により均一に冷却することができ、また、環状冷却プール部から、周壁とシリンダライナの外周面との間の隙間にも周方向に均等に冷却水を流すことができ、シリンダライナの中間部及び下部をも周方向により均一に冷却することができる。

請求項２に係る発明では、狭窄空間の隙間を、０．８〜１．０ｍｍとしたので、冷却水が狭窄空間を通過するときに、冷却水の流速を大きくすることができ、冷却水が狭窄空間を通過した直後に乱流を発生しやすくすることができ、シリンダライナから冷却水への熱伝達効率を向上させることができて、シリンダライナを効果的に冷却することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るシリンダライナの冷却構造を採用した内燃機関の断面図であり、内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１に備えるシリンダライナ１２に移動自在に挿入したピストン１３と、このピストン１３にピストンピン１４を介して連結したコンロッド１６と、シリンダブロック１１の下部に回転自在に取付けるとともにクランクピン１７でコンロッド１６をスイング自在に支持するクランクシャフト１８とを備える。

シリンダブロック１１は、上部に設けたシリンダブロック本体２１と、このシリンダブロック本体２１の内側に嵌合させた別体のシリンダライナ１２と、シリンダブロック本体２１の下部に取付けたアッパークランクケース２３とからなる。

シリンダブロック本体２１は、シリンダライナ１２を嵌合することで、このシリンダライナ１２との間に、シリンダライナ１２を冷却する冷却水を流すウォータジャケット２６を形成し、このウォータジャケット２６を含むシリンダライナ冷却部２７を設けた部分である。

ここで、３１はコンロッド１６の大端部２５とクランクピン１７との間に介在させた軸受半体３１ａ，３１ｂからなる滑り軸受、３２はクランクシャフト１８に設けたカウンタウエイト、３３はシリンダブロック１１の上部にヘッドガスケット（不図示）を介して取付けたシリンダヘッド、３４は吸気バルブ、３６は排気バルブ、３７は燃焼室、３８はアッパークランクケース２３とでクランクケースを形成するためにアッパークランクケース２３の下部にボルト４１・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ。）で取付けたロワークランクケース、４２はロワークランクケース３８の下部にボルト４４・・・で取付けたオイルパンである。

図２は本発明に係るシリンダライナの冷却構造を示す断面図であり、シリンダライナ１２は、ほぼ筒状としたシリンダライナ本体部５１と、このシリンダライナ本体部５１の一端部に一体に設けた大径部５２とからなり、シリンダライナ本体部５１の外周面５１ａに複数の環状のフィン５３を形成し、大径部５２に環状の溝部５４を形成したものである。なお、５６はシリンダライナ本体部５１の他端部に設けた小径部である。

上記したシリンダライナ１２の配置は、シリンダライナ１２がウォータジャケット２６に直接接する形式であり、ウェットライナ式と呼ばれ、例えば、シリンダライナがシリンダブロック本体と一体で鋳造された一体形のものに比べて、シリンダライナの破損や摩耗の際の交換が容易であり、又、シリンダライナがウォータジャケットに接しないドライライナ式に比べても、冷却性に優れる。

シリンダブロック本体２１は、図示せぬウォータポンプに接続する複数の給水口６１と、冷却水を一時的に貯えるために各給水口６１に接続した環状の空間からなる第１貯水部６２と、冷却水を溝部５４の内壁５４ａに衝突させるために細く形成した複数の冷却水通孔６３と、シリンダライナ１２を挿入するために開けたライナ挿入穴６４と、シリンダライナ１２の大径部５２を嵌合するためにライナ挿入穴６４の一端部に形成した大径穴部６６と、冷却水を一時的に貯えるためにライナ挿入穴６４の他端部側に環状に形成した第２貯水部６７と、この第２貯水部６７から冷却水を図示せぬラジエータ側へ排水するための排水口６８と、Ｏリング７１，７２を嵌めるために一端部側（即ち、大径穴部６６である。）及び他端部側に設けたＯリング溝７３，７４とを備える。なお、７６は大径穴部６６の側面であり、この側面７６と前述の溝部５４とで、冷却水を一時的に貯えるとともに冷却水通孔６３から噴射した冷却水で乱流を形成するための第３貯水部７７を形成する。
フィン５３は、シリンダライナ１２の軸方向に直交する面に沿って設けた環状の部分である。

上記したＯリング７１，７２で、シリンダブロック本体２１とシリンダライナ１２とのそれぞれの両端部をシールしたときに、ライナ挿入穴６４、側面７６、シリンダライナ１２の溝部５４、シリンダライナ本体部５１の外周面５１ａ及び第２貯水部６７は、前述のウォータジャケット２６を形成する部分であり、このウォータジャケット２６、給水口６１、第１貯水部６２、冷却水通孔６３は、前述のシリンダライナ冷却部２７を構成する部分である。
また、給水口６１、第１貯水部６２、冷却水通孔６３は、ウォータジャケット２６へ冷却水を供給する冷却水供給部８１を構成する部分である。

図３は本発明に係る冷却水供給部を示す斜視図であり、環状の第１貯水部６２と環状の第３貯水部７７とを複数の冷却水通孔６３で連結したことを示す。
このように、環状の第１貯水部６２と環状の第３貯水部７７とを細長い複数の冷却水通孔６３で連結することにより、第１貯水部６２から第３貯水部７７へ供給する冷却水量を多くするとともに、各冷却水通孔６３を通過した冷却水を第３貯水部７７内へ勢いよく噴射させることができ、冷却水の乱流の生成を促進することができる。

図４は図２の４−４線断面図であり、複数の冷却水通孔６３を放射状に且つ周方向に等分した位置に配置したことを示す。これにより、第１貯水部６２から第３貯水部７７へ円周方向に均等に冷却水を供給することができ、シリンダライナ１２の上部を周方向により均一に冷却することができ、また、第１貯水部６２から、ライナ挿入穴６４とシリンダライナ本体部５１の外周面５１ａとの間の隙間にも周方向に均等に冷却水を流すことができ、シリンダライナの中間部及び下部をも周方向により均一に冷却することができる。

また、４つの給水口６１から第１貯水部６２に流入した冷却水は、その流れが環状の第１貯水部６２に溜まって安定するため、この第１貯水部６２から各冷却水通孔６３へもより均等に冷却水を流すことができる。

図５は図２のＡ部拡大図であり、シリンダライナ１２の外周面５１ａに設けたフィン５３の先端５３ａとシリンダブロック本体２１のライナ挿入穴６４との間に、径方向に狭めた環状の狭窄空間８５を形成したことを示す。なお、８６は隣り合うフィン５３，５３間の環状のフィン間空間である。
フィン５３の先端５３ａとライナ挿入穴６４とのクリアランスＣ、即ち狭窄空間８５の厚さは０．８〜１．０ｍｍである。

以上に述べたシリンダライナ冷却部の作用を図６及び図７で説明する。
図６は本発明に係るシリンダライナ冷却部の作用を示す第１作用図である。
冷却水が給水口６１から第１貯水部６２に流入すると、冷却水は、環状の第１貯水部６２内の周方向の隅々にほぼ均等に行き渡り、各冷却水通孔６３へほぼ均等に流れ込み、各冷却水通孔６３から環状の第３貯水部７７の周方向にほぼ均等に流れ込む。

冷却水通孔６３は細長い孔であるから、冷却水は第３貯水部７７へ勢いよく噴射し、第３貯水部７７の内壁５４ａに大きな流速で衝突するため、矢印で示したように、第３貯水部７７内の広い範囲に乱流が発生する。

そして、冷却水は、第３貯水部７７から、シリンダライナ１２とライナ挿入穴６４との間を通って矢印のようにフィン５３に直交するように、あるいはフィン間空間８６を周方向に流れる。

冷却水が狭窄空間８５を通過するときには、狭窄空間８５の厚さが小さいために冷却水の流速が大きくなるので、狭窄空間８５（第３貯水部７７の下流側に隣接する空間も狭窄空間８５である。）を通過した直後には乱流が発生しやすくなり、冷却水が狭窄空間８５から容積の大きなフィン間空間８６に流入すると、冷却水の流速は急激に小さくなり、フィン間空間８６の広い範囲で乱流が発生する。

この結果、フィン５３による表面積の拡大に加えて、広い範囲の乱流発生によるシリンダライナ１２から冷却水への熱伝達効率の向上により、シリンダライナ１２の効果的な冷却が可能になる。

例えば、フィン５３の先端５３ａとライナ挿入穴６４との間の隙間が広く、狭窄空間８５が無い場合（狭窄空間８５の厚さが、１．０ｍｍを越える場合）は、フィン５３の先端５３ａとライナ挿入穴６４との間の冷却水の流量が多くなるとともに冷却水の流速はそれほど大きくならず、冷却水はほぼ層流となって流れ、乱流は発生しにくい。

また、例えば、フィン５３の先端５３ａとライナ挿入穴６４との間の隙間が非常に狭く、狭窄空間８５が存在する場合（狭窄空間８５の厚さが、０．８ｍｍ未満の場合）は、フィン５３の先端５３ａとライナ挿入穴６４との間の冷却水の流量は非常に少なくなり、乱流はフィン間空間の一部でしか発生しなくなる。

本発明では、狭窄空間８５の厚さを０．８〜１．０ｍｍに設定することで、フィン間空間８６の広い範囲で速い乱流が発生するようにした。
また、シリンダライナ１２は、シリンダブロック本体２１とは別体であるため、シリンダライナ１２をシリンダブロック本体２１に組付ける前に、フィン５３の高さ、即ちフィン５３の外径を精度良く形成することができ、シリンダブロック本体２１のライナ挿入穴６４の内径を精度良く形成（シリンダブロック本体２１に嵌合する大径部５２及び小径部５６をも精度良く形成しておく必要がある。）しておけば、狭窄空間８５の厚さの精度を高めることができる。従って、各フィン間空間８６での乱流発生を均一にすることができて、シリンダライナ１２から冷却水への熱伝達効率をシリンダライナ１２の軸方向でより均一にすることができる。

また更に、第１貯水部６２から斜め上方に各冷却水通孔６３を延ばし、第３貯水部７７から下方へウォータジャケット２６を延ばしたことで、冷却水が第３貯水部７７にて断面で鋭角的に急激に方向を変えるから、第３貯水部７７における乱流生成を促進させることができる。

図７は本発明に係るシリンダライナ冷却部の作用を示す第２作用図である。
各冷却水通孔６３から第３貯水部７７に噴出した冷却水は、第３貯水部７７の内壁５４ａにほぼ垂直に又は垂直に衝突することで、乱流が第３貯水部７７内の広い範囲で生成される。

これにより、シリンダライナから第３貯水部７７内の冷却水への熱伝達効率が向上し、シリンダライナの特に高温となる上部を周方向にほぼ均一に冷却して、効果的に温度を下げることができる。

また、周方向にほぼ均一に冷却されて周方向に温度がほぼ均一となった冷却水は、そのままウォータジャケット２６の下方に流れるため、シリンダライナの中間部及び下部においても、周方向に温度がほぼ均一になり、また、上部、即ち、高温部である燃焼室近辺を冷却し、温度の上昇した冷却水が中間部及び下部に流れるため、シリンダライナの軸方向温度も均一化されることで、シリンダライナの温度差による熱変形を抑えることができる。熱変形が小さい分、ピストンの加工が容易になり（熱変形が大だと楕円加工など手間が掛かる。）、更にピストン形状の簡略化が期待できる。

以上の図２及び図５で説明したように、本発明は第１に、ウォータポンプから供給された冷却水を、シリンダライナ１２の外周に沿って形成されたウォータジャケット２６内に循環させてシリンダライナ１２を冷却する冷却構造であって、ウォータジャケット２６を、シリンダライナ１２とこのシリンダライナ１２を囲む周壁としてのシリンダブロック本体２１とで構成し、これらのシリンダライナ１２及びシリンダブロック本体２１の一方に複数のフィン５３を形成し、これらのフィン５３の先端５３ａと、シリンダライナ１２及びシリンダブロック本体２１の他方との間に狭窄空間８５を形成し、この狭窄空間８５によって冷却水に乱流を生成することを特徴とする。

ウォータジャケット２６を、シリンダライナ１２とこのシリンダライナ１２を囲むシリンダブロック本体２１とで構成したので、シリンダライナ１２をウォータジャケット２６内の流量の多い冷却水で直接的に冷却することができ、冷却効率を高めることができる。

また、シリンダライナ１２の周囲をウォータジャケット２６で囲んだので、シリンダライナ１２の全体をより均一に冷却することができ、シリンダライナ１２の温度分布をより均一にすることができて、シリンダライナ１２の熱変形を抑えることができる。

更に、ウォータジャケット２６による冷却構造であるから、細長いボアを多数開けた冷却構造に比べて、シリンダブロック１１（図１参照）の製造の手間を少なくすることができ、コストを低減することができる。

本発明は第２に、狭窄空間８５の隙間を、０．８〜１．０ｍｍとしたことを特徴とする。
狭窄空間８５のクリアランス、即ち隙間Ｃを、０．８〜１．０ｍｍとしたので、冷却水が狭窄空間８５を通過するときに、冷却水の流速を大きくすることができ、冷却水が狭窄空間８５を通過した直後に乱流を発生しやすくすることができ、シリンダライナ１２から冷却水への熱伝達効率を向上させることができて、シリンダライナ１２を効果的に冷却することができる。

本発明は第３に、ウォータポンプから供給された冷却水を、シリンダライナ１２の外周に沿って形成されたウォータジャケット２６内に循環させてシリンダライナ１２を冷却する冷却構造であって、ウォータジャケット２６の側壁を、シリンダブロック本体２１と、このシリンダブロック本体２１に嵌合させた別体のシリンダライナ１２とで構成し、シリンダブロック本体２１及びシリンダライナ１２の一方に、ウォータジャケット２６内に位置するフィン５３を形成し、このフィン５３の先端５３ａと、シリンダブロック本体２１及びシリンダライナ１２の他方との間に冷却水が通過する狭窄空間８５を形成したことを特徴とする。

ウォータジャケット２６の側壁をシリンダブロック本体２１と別体のシリンダライナ１２とで構成し、シリンダブロック本体２１及びシリンダライナ１２の一方に形成したフィン５３の先端５３ａと、シリンダブロック本体２１及びシリンダライナ１２の他方との間に狭窄空間８５を形成したので、シリンダブロック本体２１及びシリンダライナ１２の一方に容易に且つ精度良くフィン５３を形成することができ、狭窄空間８５の隙間Ｃを精度良く形成することができる。

従って、例えば、狭窄空間８５を複数設けた場合に、各狭窄空間８５による冷却水の乱流生成をより均一にすることができ、シリンダライナ１２から冷却水への熱伝達効率がシリンダライナ１２各部でより均一になり、シリンダライナ１２の温度分布の均一化を図ることができる。

また、別体のシリンダライナ１２によって、シリンダライナ１２が摩耗した場合には簡単に交換することができ、更に、シリンダブロック本体２１を例えばアルミニウム合金で形成するとともにシリンダライナ１２を鋳鉄で形成すれば、シリンダライナ一体型のシリンダブロック全体を鋳鉄で製造するのに比べて大幅な軽量化を図ることができる。

尚、本発明の実施形態では、図２に示したように、シリンダライナ１２の外周面５１ａにフィン５３を形成したが、これに限らず、シリンダブロック本体２１のライナ挿入穴６４に複数のフィンをシリンダライナ１２の軸方向に直交する平面に沿って形成してもよい。

本発明のシリンダライナの冷却構造は、ウエットライナ式内燃機関に好適である。

本発明に係るシリンダライナの冷却構造を採用した内燃機関の断面図である。 本発明に係るシリンダライナの冷却構造を示す断面図である。 本発明に係る冷却水供給部を示す斜視図である。 図２の４−４線断面図である。 図２のＡ部拡大図である。 本発明に係るシリンダライナ冷却部の作用を示す第１作用図である。 本発明に係るシリンダライナ冷却部の作用を示す第２作用図である。 従来の冷却構造を示す構成図である。 従来の冷却構造の効果を示す説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関、１２…シリンダライナ、２１…周壁（シリンダブロック本体）、２６…ウォータジャケット、５３…フィン、５３ａ…フィンの先端、５４ａ…ウォータジャケットの壁（内壁）、６２…環状冷却プール部（第１貯水部）、６３…放射状冷却通路（冷却水通孔）、８５…狭窄空間、Ｃ…狭窄空間の隙間。

Claims (2)

1. ウォータポンプから供給された冷却水を、シリンダライナの外周に沿って形成されたウォータジャケット内に循環させてシリンダライナを冷却する冷却構造であって、
   前記ウォータジャケットを、前記シリンダライナとこのシリンダライナを囲む周壁とで構成し、これらのシリンダライナ及び周壁の一方にフィンを形成し、このフィンの先端と、前記シリンダライナ及び前記周壁の他方との間に狭窄空間を形成するとともに、前記ウォータジャケットの周囲に環状冷却プール部を形成し、この環状冷却プール部と前記ウォータジャケットとを放射状に且つ周方向に等分した位置に配置した複数の放射状冷却通路で連通させ、この放射状冷却通路内を流れる冷却水を前記狭窄空間へ供給することを特徴としたシリンダライナの冷却構造。
2. 前記狭窄空間の隙間は、０．８〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のシリンダライナの冷却構造。

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