JP5569335B2 - シリンダブロックの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明はシリンダブロックの冷却構造に関し、特に高熱伝導材を備えるシリンダブロックの冷却構造に関する。

エンジンのシリンダブロックなどに高熱伝導材を備える技術が知られている。特許文献１では、シリンダライナの外周とシリンダブロックのシリンダライナ挿入穴の内周との間に高熱伝導部材を配設した内燃機関が開示されている。

特開２０１０−７１２４６号公報

ボア壁部からの伝熱を促進する高熱伝導材を備えることで、ボア壁部の冷却を促進できる。結果、ノッキングの発生を抑制できる。しかしながら、機関暖機中にはピストンのフリクションを低減する観点から、ボア壁部の温度上昇を促進できることが望ましい。

本発明は上記課題に鑑み、機関暖機状態に応じてボア壁部を適切に冷却できるシリンダブロックの冷却構造を提供することを目的とする。

本発明はエンジンのシリンダブロックのうち、ボアと冷却媒体通路との間の部分に設けられた溝部と、前記溝部に設けられた高熱伝導材と、を備え、前記高熱伝導材は、前記冷却媒体通路を流通する冷却媒体の温度が所定値以下である場合には、前記溝部の壁面との間に隙間が形成されることで前記溝部の壁面に対して非接触の状態になるように、前記溝部に設けられ、前記高熱伝導材は、前記シリンダブロックの母材よりも高い線膨張係数を有することで、前記冷却媒体の温度が前記所定値よりも高い場合に、熱膨張して前記溝部の壁面に接触するシリンダブロックの冷却構造である。

また本発明は前記高熱伝導材が、前記シリンダブロックの母材よりも高い熱伝導率を有する構成であることが好ましい。

本発明によれば機関暖機状態に応じてボア壁部を適切に冷却できる。

実施例１のシリンダブロックの概略構成図である。 図１に示すＡ部の拡大図である。 実施例１における伝熱の様子を示す図である。 実施例２のシリンダブロックの概略構成図である。 ＴｉＮｉのＮｉ含有率と形状回復温度Ａｆとの関係を示す図である。 誘導部の説明図である。 実施例２における伝熱の様子を示す図である。 実施例２における冷却水の流通の様子を示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はシリンダブロック１０Ａの概略構成図である。図２は図１に示すＡ部の拡大図である。シリンダブロック１０Ａは、シリンダブロックの冷却構造（以下、冷却構造と称す）１Ａを備えている。冷却構造１Ａは、溝部１１と高熱伝導材１２とを備えている。シリンダブロック１０Ａには、ボア１３やウォータジャケット（以下、Ｗ／Ｊと称す）１４が形成されている。シリンダブロック１０Ａは図示しないエンジンに設けられる。シリンダブロック１０Ａはデッキ面にＷ／Ｊ１４が開口したオープンデッキタイプのシリンダブロックになっている。

溝部１１はシリンダブロック１０Ａのうち、ボア１３と冷却媒体通路であるＷ／Ｊ１４との間の部分に設けられている。溝部１１はシリンダブロック１０Ａのデッキ面に開口するとともに、ボア１３の延伸方向においてＷ／Ｊ１４に対応させて設けられている。このため溝部１１とＷ／Ｊ１４とは深さが同等になっている。

高熱伝導材１２は溝部１１に設けられている。高熱伝導材１２は板状の形状を有し、溝部１１の開口部から底部にかけて設けられている。高熱伝導材１２はシリンダブロック１０Ａの母材よりも高い線膨張係数を有するとともに、Ｗ／Ｊ１４を流通する冷却媒体である冷却水の温度（冷却水温）が所定値αよりも高い場合に溝部１１の壁面（具体的には、ボア側の壁面およびＷ／Ｊ１４側の壁面）に接触するように、溝部１１の壁面に対して非接触の状態で設けられている。

したがって、高熱伝導材１２は冷却水温が所定値α以下である場合に、溝部１１の壁面との間に隙間が形成されるように設けられている。隙間は例えば数μｍから数十μｍ程度の大きさの僅かな隙間である。所定値αには、例えば機関暖機完了時の冷却水温を適用できる。高熱伝導材１２はボア側の壁面およびＷ／Ｊ１４側の壁面のうち、いずれか一方の壁面と非接触の状態で設けられてもよい。

高熱伝導材１２はシリンダブロック１０Ａの母材よりも高い熱伝導率を有している。シリンダブロック１０Ａの母材は例えばアルミダイキャストであり、高熱伝導材１２の材質は例えば亜鉛である。高熱伝導材１２の材質は、例えばシリンダブロック１０Ａの母材をアルミダイキャストとする場合に、アルミダイキャストよりも線膨張係数が大きく、且つ熱伝導率が高いアルミ合金であってもよい。この点、鋳造で用いられるアルミダイキャストはＳｉなどの添加物が多い。このため、添加物が少ないアルミ合金はアルミダイキャストと比較して例えば２倍程度、熱伝導率が高くなる。

次に冷却構造１Ａの作用効果について説明する。図３は冷却構造１Ａにおける伝熱の様子を示す図である。（ａ）は機関暖機中の伝熱の様子を、（ｂ）は機関暖機後の伝熱の様子を示す。そして、（ａ）は冷却水温が所定値αよりも低い場合の様子を、（ｂ）は冷却水温が所定値αよりも高い場合の様子を示している。

（ａ）に示すように、溝部１１の壁面と高熱伝導材１２との間には、機関暖機中に隙間が形成される。結果、矢印Ｈ１で模式的に示すように、空気による断熱効果でボア１３壁部からＷ／Ｊ１４を流通する冷却水への伝熱が抑制される。このため、冷却構造１Ａは機関暖機中に、ボア１３に設けられるピストンのフリクションを低減できる。

一方、エンジンの暖機が進むと高熱伝導材１２が熱膨張する。結果、（ｂ）に示すように、溝部１１の壁面と高熱伝導材１２とが機関暖機後に接触する。このため、冷却構造１Ａは矢印Ｈ２で模式的に示すように、機関暖機後にボア１３壁部からＷ／Ｊ１４を流通する冷却水への伝熱を促進できる。そしてこれにより、ボア１３壁部の冷却を促進できる。結果、具体的にはこれにより、ノッキングの発生を抑制できる。このように、冷却構造１Ａは機関暖機状態に応じてボア１３壁部を適切に冷却できる。

また、このようにしてボア１３壁部の冷却を促進する冷却構造１Ａによれば、シリンダブロック１０Ａに設けられるシリンダヘッドの冷却性を特段高めることなく、ノッキングの発生を抑制することも可能になる。具体的には例えばシリンダヘッドを断熱性の高いヘッドガスケットを介してシリンダブロック１０Ａに設けることで、ボア１３壁部の冷却を促進しつつ、シリンダヘッドの冷却性が高まることを抑制できる。この点、シリンダヘッドの冷却は大きな冷却損失を伴うことがわかっている。このため、冷却構造１Ａは冷却損失の増大を抑制しつつ、ノッキングの発生を抑制するにあたっても好適である。

図４はシリンダブロック１０Ｂの概略構成図である。シリンダブロック１０Ｂは冷却構造１Ａの代わりに冷却構造１Ｂを備える点以外、シリンダブロック１０Ａと実質的に同一である。冷却構造１Ｂは溝部１１および高熱伝導材１２の代わりに、以下に示す形状記憶材１５を備えている。

形状記憶材１５はＷ／Ｊ１４に設けられている。形状記憶材１５は板状の形状を有し、Ｗ／Ｊ１４の開口部から底部にかけて設けられている。Ｗ／Ｊ１４に設けられた形状記憶材１５は、流路断面積を減少させるとともに冷却水の流速を増加させることで、熱伝達率の向上を図るウォータジャケットスペーサとして機能する。

形状記憶材１５は冷却水温が所定値α´よりも高い場合に、ボア１３側から、ボア１３とは反対側に位置するように形状が変化する。所定値α´には、例えば機関暖機完了時の冷却水温を適用できる。所定値α´と所定値αとは同じ値であってよい。この点、所定値αではなく所定値α´としたのは、後述するように冷却構造１Ｂと冷却構造１Ａとを組み合わせて用いた場合に、高熱伝導材１２に係る所定値αと形状記憶材１５に係る所定値α´とが、実際には多少なりとも異なってくる可能性があることを考慮したものである。

形状記憶材１５はボア１３側に位置する場合に、Ｗ／Ｊ１４の壁面のうち、ボア１３側の壁面に密接するように設けられている。また、ボア１３とは反対側に位置する場合に、Ｗ／Ｊ１４の壁面のうち、ボア１３とは反対側の壁面に密接するように設けられている。

図５はＴｉＮｉのＮｉ含有率と形状回復温度Ａｆとの関係を示す図である。形状記憶材１５の材質をＴｉＮｉとする場合、ＴｉＮｉの組成によって、冷却水温が所定値α´よりも高い場合に、上述のように形状記憶材１５を変形させることができる。ＴｉＮｉの組成は、エンジンの暖機し易さに応じて、すなわち、機関暖機完了時の冷却水温に応じて設定できる。

エンジンが暖機し易い場合、例えば６０℃から８０℃の間で形状記憶材１５が変形するようにＴｉＮｉの組成を設定できる。また、エンジンが暖機し難い場合、例えば８０℃で形状記憶材１５が変形するようにＴｉＮｉの組成を設定できる。これらに対しては、例えば範囲Ｒで示す範囲が好適である。この点、ＴｉＮｉの組成はさらに例えばＮｉ含有率を５０ａｔ％とする組成が好ましい。

ＴｉＮｉの熱伝導率は、アルミダイキャストの熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ程度であるのに対して、１２Ｗ／ｍＫ程度と大幅に小さくなっている。

図６は誘導部１５ａの説明図である。（ａ）は、シリンダブロック１０Ｂを上面視で示す。（ｂ）は、（ａ）に示すＢ部を拡大して示す。形状記憶材１５は、冷却水温に応じてＷ／Ｊ１４を流通する冷却水を第１の流通経路Ｐ１または第２の流通経路Ｐ２に誘導する誘導部１５ａをさらに備えている。誘導部１５ａは冷却水温が所定値α´よりも低い場合に、冷却水を第１の流通経路Ｐ１に誘導する。また、冷却水温が所定値α´よりも高い場合に、冷却水を第２の流通経路Ｐ２に誘導する。誘導部１５ａはＷ／Ｊ１４のうち、冷却水の入口部Ｉｎに設けられている。

流通経路Ｐ１、Ｐ２はともに入口部Ｉｎから冷却水の出口部Ｏｕｔに冷却水を流通させる経路となっている。第１の流通経路Ｐ１は直列に配置された複数のボア１３のうち、入口部Ｉｎおよび出口部Ｏｕｔ側の端に設けられたボア１３の側方に沿って、入口部Ｉｎから出口部Ｏｕｔに冷却水を流通させる経路となっている。第２の流通経路Ｐ２は直列に配置された複数のボア１３に沿って、入口部Ｉｎから出口部ＯｕｔにＵ字状に冷却水を流通させる経路となっている。

これに対し、誘導部１５ａは機関暖機中と機関暖機後との間で（ｂ）に示すように変形する。そしてこれにより、入口部Ｉｎで冷却水の流れを制御することで、Ｗ／Ｊ１４に流入する冷却水を第１の流通経路Ｐ１または第２の流通経路Ｐ２に誘導する。誘導部１５ａは、流通経路Ｐ１、Ｐ２のうち、いずれか一方の流通経路に冷却水を誘導する場合に、他方の冷却経路よりも流量が大きくなるように冷却水を流通させることができる。誘導部１５ａは、流通経路Ｐ１、Ｐ２のうち、いずれか一方の流通経路に冷却水を誘導する場合に、他方の冷却経路に冷却水を流通させなくてもよい。

次に冷却構造１Ｂの作用効果について説明する。図７は冷却構造１Ｂにおける伝熱の様子を示す図である。図８は冷却構造１Ｂにおける冷却水の流通の様子を示す図である。図７、図８ともに（ａ）は機関暖機中の伝熱の様子を、（ｂ）は機関暖機後の伝熱の様子を示す。そして、（ａ）は冷却水温が所定値α´よりも低い場合の様子を、（ｂ）は冷却水温が所定値α´よりも高い場合の様子を示す。図８において、流通経路Ｐ１、Ｐ２の矢印の太さは流量の大きさを模式的に示す。

図７（ａ）に示すように、形状記憶材１５は機関暖機中にボア１３側に位置する。結果、矢印Ｈ１´で模式的に示すように、ボア１３壁部からＷ／Ｊ１４を流通する冷却水への伝熱が抑制される。このため、冷却構造１Ｂは、機関暖機中にピストンのフリクションを低減できる。

一方、機関暖機後には形状記憶材１５が変形する。結果、図７（ｂ）に示すように形状記憶材１５がボア１３とは反対側に位置する。このため、冷却構造１Ｂは矢印Ｈ２´で模式的に示すように、機関暖機後にボア１３壁部からＷ／Ｊ１４を流通する冷却水への伝熱を促進できる。そしてこれにより、ボア１３壁部の冷却を促進できる。

冷却構造１Ｂは、このように形状記憶材１５の変形によって、機関暖機状態に応じてボア１３壁部を適切に冷却できる。また、形状記憶材１５の材質をＴｉＮｉとすることで、機関暖機のし易さに応じた適切な変形を実現できる。さらに、形状記憶材１５の材質をＴｉＮｉとすることで、低い熱伝導率によって機関暖機中にボア１３壁部の断熱性を高めることもできる。

図８（ａ）に示すように、誘導部１５ａは機関暖機中にＷ／Ｊ１４に流入する冷却水を第１の流通経路Ｐ１に誘導する。結果、冷却水は主に第１の流通経路Ｐ１を流通する。このため、冷却構造１Ｂはボア１３壁部の冷却を抑制することで、機関暖機中にピストンのフリクションを低減できる。

一方、誘導部１５ａは機関暖機後にＷ／Ｊ１４に流入する冷却水を第２の流通経路Ｐ２に誘導する。結果、図８（ｂ）に示すように冷却水は優先的に第２の流通経路Ｐ２を流通する。このため、冷却構造１Ｂはボア１３壁部の冷却を促進できる。そして、冷却構造１Ｂはこのように誘導部１５ａでＷ／Ｊ１４を流通する冷却水の流れを制御することで、機関暖機状態に応じてボア１３壁部をより適切に冷却できる。

また、冷却構造１Ｂは冷却構造１Ａと組み合わせて用いることで、換言すれば溝部１１および高熱伝導材１２をさらに備えることで、機関暖機状態に応じてボア１３壁部をさらに適切に冷却できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

冷却構造 １Ａ、１Ｂ
シリンダブロック １０Ａ、１０Ｂ
溝部 １１
高熱伝導材 １２
ボア １３
Ｗ／Ｊ １４
形状記憶材 １５
誘導部 １５ａ

Claims (2)

1. エンジンのシリンダブロックのうち、ボアと冷却媒体通路との間の部分に設けられた溝部と、
   前記溝部に設けられた高熱伝導材と、を備え、
   前記高熱伝導材は、前記冷却媒体通路を流通する冷却媒体の温度が所定値以下である場合には、前記溝部の壁面との間に隙間が形成されることで前記溝部の壁面に対して非接触の状態になるように、前記溝部に設けられ、
   前記高熱伝導材は、前記シリンダブロックの母材よりも高い線膨張係数を有することで、前記冷却媒体の温度が前記所定値よりも高い場合に、熱膨張して前記溝部の壁面に接触するシリンダブロックの冷却構造。
2. 請求項１記載のシリンダブロックの冷却構造であって、
   前記高熱伝導材が、前記シリンダブロックの母材よりも高い熱伝導率を有するシリンダブロックの冷却構造。

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