JP4375731B2 - シリンダライナの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用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、ウォータジャケット内に冷却水が通る複数の小孔を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３６４４５６公報

特許文献１の図６を以下の図８で説明する。なお、符号は振り直した。
図８は従来のシリンダライナの冷却構造を示す断面図であり、ウォータージャケット２０１内、詳しくはウォータジャケット２０１を形成する外壁とシリンダライナ２０２との間に、複数の孔２０３を開けたスリーブ２０４をシリンダライナ２０２と同心状に設けたことを示す。

冷却水は、ウォータジャケット２０１の下部に設けた入口部２０６からウォータジャケット２０１内のスリーブ２０４の孔２０３を通過してウォータジャケット２０１の上部に設けた出口部２０７へ流れる。

例えば、冷却水の入口部２０６が一ヶ所しかない場合は、冷却水は、ウォータジャケット２０１の周方向には流れにくく、冷却水が滞留しやすい部分が生じる。これにより、シリンダライナ２０２に局部的に温度が高い箇所が発生し、シリンダライナ２０２の温度分布が不均一となる。

また、入口部２０６に近い位置にある孔２０３と、入口部２０６から遠い位置にある孔２０３とでは、流れる冷却水に作用する摩擦力、及び入口部２０６に近い位置にある孔２０３から流出した分の流量低下により、入口部２０６に近い位置にある孔２０３よりも入口部２０６から遠い位置にある孔２０３の方がその孔２０３を通過する冷却水の流速は小さくなる。

各孔２０３を通過する冷却水の流速が異なれば、各孔２０３を通過してシリンダライナ２０２に当たるときに冷却水に発生する乱流の状態が異なってくる。即ち、ウォータジャケット２０１内の乱流の発生が場所によって不均一になる。これでは、熱伝達効率が場所により異なってくるために、上記したのと同様に、シリンダライナ２０２の温度分布が不均一になるから、シリンダライナ２０２を効果的に冷却することはできない。

本発明の課題は、シリンダライナの冷却構造において、シリンダライナの温度分布をより均一にしてシリンダライナをより効果的に冷却し、冷却効率を高めることにある。

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の周囲に、ウォータポンプに接続する複数の給水口と、冷却水を一時的に貯えるために給水口に接続した環状の空間からなる環状冷却プール部とを形成するとともに、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、シリンダライナの軸方向から見たときに、ウォータジャケットの壁にほぼ垂直に流入・衝突させることを特徴とする。

一旦、冷却水を環状冷却プール部に貯えることで、環状冷却プール部内の全体に冷却水を行き渡らせて冷却水の流れを周方向でほぼ一様にすることができ、この冷却水を更に複数の放射状冷却通路からウォータジャケット内へ流入させることによって、ウォータジャケットの周方向に冷却水を均等に供給することができ、周方向の冷却水の滞留を防止して温度分布をより均一にすることができる。

更に、放射状冷却通路から冷却水をウォータジャケットの壁にほぼ垂直に衝突させて、各放射状冷却水路から噴出した冷却水にそれぞれ均一な乱流を発生させることができるとともに、ウォータジャケットの周方向の乱流の生成も均一になり、シリンダライナ側から冷却水への熱伝達効率を高めることができる。

請求項２に係る発明は、放射状冷却通路が、細長く形成されていることを特徴とする。
細長い放射状冷却通路とすることにより、環状冷却プール部からウォータジャケットへ供給する冷却水量を多くするとともに、各放射状冷却通路を通過した冷却水をウォータジャケット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。

請求項３に係る発明は、給水口が、４つ設けられていることを特徴とする。
４つの給水口から環状冷却プール部に流入した冷却水は、その流れが環状の環状冷却プール部に溜まって安定するため、この環状冷却プール部から各放射状冷却通路へもより均等に冷却水を流すことができる。

請求項４に係る発明は、環状冷却プール部の下方にウォータジャケットの一部を構成する環状貯水部が形成され、この環状貯水部から冷却水をラジエータ側へ排水するための排水口が設けられることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、冷却水が流入・衝突するウォータジャケットの壁が、シリンダライナの上部に位置することを特徴とする。
冷却水が流入・衝突するウォータジャケットの壁がシリンダライナの上部に位置するため、燃焼室から伝わる熱でシリンダライナの最も高温になる上部を冷却水で冷却することができ、シリンダライナの上部と下部との温度差を小さくすることができる。

請求項１に係る発明では、ウォータジャケットの周囲にウォータポンプに接続する複数の給水口と、冷却水を一時的に貯えるために給水口に接続した環状の空間からなる環状冷却プール部とを形成するとともに、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、放射状冷却通路内を流れる冷却水を、シリンダライナの軸方向から見たときに、ウォータジャケットの壁にほぼ垂直に流入・衝突させたので、環状冷却プール部及び放射状冷却通路によって、ウォータジャケット内の周方向の温度分布をより均一にすることができるとともに、放射状冷却通路からウォータジャケットの壁への冷却水の衝突により、冷却水の乱流の生成を促進させることができ、シリンダライナ側から冷却水への熱伝達効率を高めることができる。
従って、シリンダライナをより効果的に冷却することができ、シリンダライナの冷却効率を高めることができる。

請求項２に係る発明では、放射状冷却通路が、細長く形成されているので、環状冷却プール部からウォータジャケットへ供給する冷却水量を多くするとともに、各放射状冷却通路を通過した冷却水をウォータジャケット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。

請求項３に係る発明では、給水口が、４つ設けられているので、４つの給水口から環状冷却プール部に流入した冷却水は、その流れが環状の環状冷却プール部に溜まって安定するため、この環状冷却プール部から各放射状冷却通路へもより均等に冷却水を流すことができる。

請求項４に係る発明では、環状冷却プール部の下方にウォータジャケットの一部を構成する環状貯水部が形成され、この環状貯水部から冷却水をラジエータ側へ排水するための排水口が設けられる。

請求項５に係る発明では、冷却水が流入・衝突するウォータジャケットの壁が、シリンダライナの上部に位置するので、シリンダライナの最も高温になる上部を冷却水で冷却することができ、シリンダライナの上部と下部との温度差を小さくすることができて、シリンダライナの熱変形をより小さくすることができる。

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の周囲に、冷却水を一時的に貯える環状冷却プール部としての第１貯水部６２を形成するとともに、この第１貯水部６２とウォータジャケット２６とを複数の放射状冷却通路としての冷却水通孔６３で連通させ、この冷却水通孔６３内を流れる冷却水をウォータジャケット２６の内壁５４ａにほぼ垂直又は垂直に流入・衝突させることを特徴とする。

ウォータジャケット２６の周囲に第１貯水部６２を形成するとともに、この第１貯水部６２とウォータジャケット２６とを複数の冷却水通孔６３で連通させ、冷却水通孔６３内を流れる冷却水をウォータジャケット２６の内壁５４ａにほぼ垂直に又は垂直に流入・衝突させたので、第１貯水部６２及び冷却水通孔６３によって、ウォータジャケット２６内の周方向の温度分布をより均一にすることができるとともに、冷却水通孔６３からウォータジャケット２６の内壁５４ａへの冷却水の衝突により、冷却水の乱流の生成を促進させることができ、シリンダライナ１２側から冷却水への熱伝達効率を高めることができる。
従って、シリンダライナ１２をより効果的に冷却することができ、シリンダライナ１２の冷却効率を高めることができる。

本発明は第２に、冷却水が流入・衝突するウォータジャケット２６の内壁５４ａが、シリンダライナ１２の上部に位置することを特徴とする。
冷却水が流入・衝突するウォータジャケット２６の内壁５４ａが、シリンダライナ１２の上部に位置するので、シリンダライナ１２の最も高温になる上部を冷却水で冷却することができ、シリンダライナ１２の上部と下部との温度差を小さくすることができて、シリンダライナ１２の熱変形をより小さくすることができる。

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、ウェ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。 従来のシリンダライナの冷却構造を示す断面図である。

符号の説明

１０…内燃機関、１２…シリンダライナ、２６…ウォータジャケット、５４ａ…ウォータジャケットの壁（内壁）、６１…給水口、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）、６７…環状貯水部（第２貯水部）、６８…排水口。

Claims (5)

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の周囲に、前記ウォータポンプに接続する複数の給水口と、冷却水を一時的に貯えるために前記給水口に接続した環状の空間からなる環状冷却プール部とを形成するとともに、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、前記シリンダライナの軸方向から見たときに、ウォータジャケットの壁にほぼ垂直に流入・衝突させることを特徴とするシリンダライナの冷却構造。
2. 前記放射状冷却通路は、細長く形成されてい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。
3. 前記給水口は、４つ設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のシリンダライナの冷却構造。
4. 前記環状冷却プール部の下方に前記ウォータジャケットの一部を構成する環状貯水部が形成され、この環状貯水部から冷却水をラジエータ側へ排水するための排水口が設けられることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のシリンダライナの冷却構造。
5. 前記冷却水が流入・衝突する前記ウォータジャケットの壁は、前記シリンダライナの上部に位置す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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