JP5569370B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダブロックのウォータージャケットにインサート部材が挿入されるエンジンに関する。

一般に、エンジンのシリンダブロックには、ピストンが挿入される複数のシリンダボアを取り囲むように、ウォータジャケットが設けられている。このようなシリンダブロックのウォータジャケットの内部には、スペーサと呼ばれるインサート部材が挿入されている（例えば、特許文献１，２参照）。

前記特許文献１に係る従来例では、シリンダブロックのウォータージャケットにおいてシリンダ壁表面に、微細な空孔からなる凹凸表面構造を設けている。この凹凸表面構造により核沸騰（サブクール沸騰）を助長して、シリンダ壁表面の冷却を促進させるようにしている。そして、シリンダ壁表面において上部の凹凸表面構造の空孔のサイズを、下部の凹凸表面構造の空孔のサイズよりも小さくすることにより、シリンダ壁表面の上部を下部に比べて積極的に冷却させるようにしている。

前記特許文献２に係る従来例では、シリンダブロックのウォータージャケットのシリンダボア壁とスペーサの内側面との対向隙間について、その上側領域および下側領域を中間領域よりも大きくし、かつ上側領域を下側領域よりも大きくしている。これにより、前記対向隙間の上下方向の冷却液の流量分布を制御し、シリンダボア壁の温度を均一にするようにしている。

特開２０１０−１９６５１８号公報 特開２００５−２７３４６９号公報

上記特許文献１に係る従来例は、ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させているときや当該強制的な流通を停止させているときに関係なく、シリンダ壁表面の上部の冷却作用を促進させるというものであり、本発明のようにウォータージャケット内での冷却液の強制的な流通を停止させているときに冷却液の自然対流を促進させるための構成をインサート部材（スペーサ）に設けるようにはなっていない。

上記特許文献２に係る従来例は、ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させているときにシリンダボア壁の上部の冷却作用を促進させるというものであって、本発明のようにウォータージャケット内での冷却液の強制的な流通を停止させているときに冷却液の自然対流を促進させるための構成をインサート部材（スペーサ）に設けるようにはなっていない。

このような事情に鑑み、本発明は、シリンダブロックのウォータージャケット内にインサート部材が挿入されるエンジンにおいて、前記ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させていないときに、シリンダボア壁における上下方向の温度分布を均一化できるようにして、ピストン打音の発生を抑制または防止することを目的としている。

本発明は、シリンダブロックのウォータージャケットにインサート部材が挿入されかつ前記ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させない状態にすることが可能な構成のエンジンであって、インサート部材は、前記ウォータージャケット内においてシリンダボア寄りの内側と、シリンダブロック外面寄りの外側と、上側と、下側とに、それぞれ環状に連なる空間を作るように位置決めされた状態で配置されており、この環状の空間の一部領域の断面積が他領域に比べて小さく設定されている、ことを特徴としている。

例えばエンジンの冷間運転時などシリンダブロックのウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させていない状態では、エンジンの燃焼室から発生する熱でもって、前記インサート部材を取り囲むように作られる環状の空間内の冷却液の温度が上昇することになって、この冷却液が自然対流により流動するようになる。

そもそも、エンジンの燃焼室から熱が発生するので、シリンダブロックのウォータジャケット内においてインサート部材よりもシリンダボア寄りの内側空間内の冷却液の温度がインサート部材よりもシリンダブロック外面寄りの外側空間内の冷却液の温度よりも高くなるとともに、シリンダブロックのウォータージャケット内の上側空間内の冷却液の温度が下側空間内の冷却液の温度よりも高くなる傾向となる。

そのために、内側空間内では冷却液が上向きに流れるようになり、外側空間内では冷却液が下向きに流れるようになるとともに、内側空間から上側空間に到達した冷却液は方向転換して外側空間を下向きに流れ、外側空間から下側空間に到達した冷却液は方向転換して内側空間を上向きに流れるようになる。

つまり、前記環状の空間内の冷却液は、自然対流でもって、内側空間→上側空間→外側空間→下側空間→内側空間というような経路で循環させられることになる。しかも、前記環状の空間において断面積を小さくしている一部領域のベンチュリ効果でもって、前記環状の空間を循環する冷却液の流速が可及的に速められるようになる。

このような冷却液の自然対流による循環により、シリンダボア壁において比較的昇温しやすい上側領域から熱を効率良く奪えるようになるから、シリンダブロックのウォータージャケット内の冷却液が速やかに昇温されるようになるとともに、シリンダボア壁における上下方向の温度分布が均一化されるようになる。

これにより、前記シリンダボア壁の上側領域が過剰に熱膨張することが抑制または防止されるようになるので、ピストンの打音の発生が抑制または防止されるようになる。

好ましくは、前記インサート部材は、略筒形のボディに、前記シリンダブロックのウォータージャケットの内壁面に当接される位置決め用の張り出し部を設けた構成とされ、前記張り出し部には、前記環状の空間において断面積の小さい一部領域となる通路が設けられている。

ここでは、インサート部材の構成を特定するとともに、断面積を小さくする一部領域の構成を特定している。これにより、インサート部材をシリンダブロックのウォータージャケット内に挿入するだけで、インサート部材がシリンダブロックのウォータージャケット内で位置決めされることになって前記環状の空間が作られることが明らかになる。しかも、環状の空間を流れる冷却液の流速を速くするためのベンチュリ効果が得られることが明らかになる。

好ましくは、前記張り出し部は、前記ボディの外面の下側領域に設けられている。ここでは、前記張り出し部の設置場所を特定している。

好ましくは、前記通路は、その下側開口端が上側開口端よりもシリンダボア寄りに配置されている。

この構成では、前記シリンダブロックのウォータージャケット内においてインサート部材の外側空間から通路を通って下側空間に流れる冷却液が下側空間で上向きに方向転換しやすくなり、冷却液の循環を促進することが可能になる。

ところで、前記エンジンは、シリンダブロックのウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させるための電動式ウォーターポンプを備えており、この電動式ウォーターポンプは前記エンジンの冷間運転時に非作動とされる。

本発明は、シリンダブロックのウォータージャケット内にインサート部材が挿入されるエンジンにおいて、例えば冷間運転時などのように前記ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させていないときに、シリンダボア壁における上下方向の温度分布を均一化できるようにして、ピストン打音の発生を抑制または防止することが可能になる。

本発明に係るエンジンの一実施形態におけるシリンダブロックとインサート部材とを示す斜視図である。 図１のシリンダブロックおよびシリンダヘッドガスケットを模式的に示す上面図である。 図２の（３）−（３）線断面の矢視図であるが、シリンダヘッドを取り付けた状態で示している。 図３の二点鎖線で囲む領域を拡大して示す図である。 図３のシリンダブロックのウォータージャケットとインサート部材とを分離して示す図である。 図１から図５に示すインサート部材のみの上面図である。 本発明に係るエンジンの他実施形態で、図３に対応する図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図６に、本発明の一実施形態を示している。この実施形態では、水冷式の直列４気筒型の内燃機関（エンジン）を例に挙げている。図中、１はエンジンのシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はシリンダヘッドガスケット、５は電動式のウォーターポンプ、６はスペーサと呼ばれるインサート部材である。

シリンダブロック１には、その長手方向に複数（この実施形態では４つ）のシリンダボア１１・・・が一列に並んで設けられている。このシリンダブロック１は、シリンダライナレスになっている。

複数のシリンダボア１１には、図示していないが、それぞれピストンが挿入される。複数のシリンダボア１１を作る円筒形のシリンダボア壁は、それぞれ直列に連接されている。このようなシリンダボア壁は、いわゆるサイアミーズタイプのシリンダバレル１２と呼ばれている。

そして、シリンダブロック１には、シリンダバレル１２を囲むようにウォータージャケット１３が設けられている。このシリンダブロック側ウォータージャケット１３は、図１から図３に示すように、シリンダブロック１のデッキ面つまりシリンダヘッド（図示省略）が組み付けられる面に向けて開放されている。このようなウォータージャケット１３を備えるシリンダブロック１は、いわゆるオープンデッキタイプと呼ばれている。

なお、シリンダバレル１２の外壁面が、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面においてシリンダボア１１寄りの壁面（以下、ボア側壁面という）１４となる。このシリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面においてシリンダブロック１の外面寄りの壁面は、ブロック外側壁面１５と言うことにする。

ところで、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の幅つまりシリンダボア１１の径方向に沿う幅は、この実施形態において図３から図５に示すように、シリンダボア１１の下側から上側へ向けて徐々に大きくされている。

この幅の広がりは、シリンダブロック１を例えばダイカスト成形法などによって鋳造するときに用いる成形型の抜き勾配とされる。この実施形態では、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面においてブロック外側壁面１５のみが上から下へシリンダボア１１に近づくような傾斜面にされており、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面においてボア側壁面１４はシリンダボア１１の中心軸線２０１と略平行となるように形成されている。なお、図３から図５では、前記傾斜を誇張して示している。

シリンダヘッド２には、シリンダボア１１と同数の燃焼室を作るための凹部２１・・・が設けられているとともに、吸気ポート２２および排気ポート２３が設けられている。さらに、このシリンダヘッド２にも、ウォータジャケット２４が設けられている。このシリンダヘッド側ウォータジャケット２４は、基本的に燃焼室を作るための凹部２１と排気ポート２３の周辺に設けられており、下側つまりシリンダブロック１側へ向けて開口されている。

シリンダヘッドガスケット３は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２との間に介装されている。このシリンダヘッドガスケット３は、その外縁形状がシリンダブロック１の上面の外縁形状に近似するように形成されている。

このシリンダヘッドガスケット３には、４つのシリンダボア１１・・・に対応する貫通孔３１・・・と、シリンダブロック側ウォータジャケット１３とシリンダヘッド側ウォータジャケット２４との間で冷却液の流通を可能とするための通孔３２・・・と、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを連結するためのボルト（図示省略）が挿通されるボルト孔３３・・・が設けられている。なお、通孔３２は、吸気ポート２２側よりも排気ポート２３側に多く設けられている。冷却液は、例えばロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる不凍液などとされる。

このようなことから、図３に示すように、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の上側開口は、シリンダヘッドガスケット３に設けられる通孔３２を経てシリンダヘッド側ウォータージャケット２４に連通されているが、このシリンダヘッドガスケット３において通孔３２の存在しない領域でもって閉塞されるようになっている。

このようなシリンダブロック１には、例えば電動式のウォータポンプ５が取り付けられている。エンジンを冷間で運転するとき、つまりシリンダブロック側ウォータージャケット１３やシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液が所定の閾値未満の場合、つまり冷間時にはウォーターポンプ５を非作動とすることにより、エンジンから発する熱でシリンダブロック側ウォータージャケット１３やシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液を速やかに昇温させるようにする。

そして、シリンダブロック側ウォータージャケット１３やシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液の温度が前記閾値以上になると、ウォータポンプ５を作動させることにより、シリンダブロック側ウォータージャケット１３やシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液を一旦外に取り出して、図示していないラジエータなどにより冷却した後、再度、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内に戻すようにする。このシリンダブロック側ウォータジャケット１３に戻された冷却液は、シリンダヘッドガスケット３の通孔３２を通じてシリンダヘッド側ウォータージャケット２４に流れるようになる。この冷却液の循環によりシリンダブロック１のシリンダボア１１における燃焼室寄り領域が冷却されるとともに、シリンダヘッド２において凹部２１の周囲や排気ポート２３の周囲が冷却されるようになる。

ところで、インサート部材６は、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内に挿入されるものであって、図１および図３に示すように、シリンダバレル１２と近似した形状に形成されている。

詳しくは、インサート部材６は、上から見て略楕円筒形とされたボディ６１の外面における下側領域に、外向きに張り出す張り出し部６２を設けた構成とされている。

このようなインサート部材６をシリンダブロック側ウォータージャケット１３内に挿入すると、インサート部材６の張り出し部６２における外面が、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面におけるブロック外側壁面１５に楔作用により密に当接するようになって、その位置でインサート部材６が位置決めされて停止することになる。この状態で、インサート部材６が、ウォータージャケット１３内において、シリンダボア１１寄りの内側と、シリンダブロック１外面寄りの外側と、上側と、下側とに、それぞれ空間１０１，１０２，１０３，１０４を作るようになっている。これらの空間１０１，１０２，１０３，１０４のうち、隣り合うもの同士が連通されているので、各空間１０１，１０２，１０３，１０４が環状に連なる空間になる。

このようなインサート部材６の位置決めを実現可能にするために、インサート部材６の張り出し部６２の外形を、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の内壁面におけるブロック外側壁面１５に合致させるようにしている。

但し、張り出し部６２を前記したような外形にすると、インサート部材６をシリンダブロック側ウォータージャケット１３内に挿入したときに、張り出し部６２が外側空間１０２と下側空間１０４とを非連通状態にしてしまう。

そこで、張り出し部６２には、外側空間１０２と下側空間１０４とを連通するための通路６３を多数設けるようにしている。この通路６３は、張り出し部６２の上側平坦面とボディ６１の底面とに向けてそれぞれ開口するような真っ直ぐの貫通孔とされている。また、この通路６３は、図６に示すように、ボディ６１の周方向所定間隔おきに並べて設けられている。

この実施形態では、通路６３を外側空間１０２内において下側領域に設置している関係より、当該通路６３が外側空間１０２の一部の断面積を小さくしていることになる。ここで、前記断面積とは、ボディ６１の厚み方向に沿う断面積のことである。

さらに、図４に示すように、前記真っ直ぐな貫通孔からなる通路６３の中心軸線２０２は、当該通路６３の下側開口端が上側開口端よりもシリンダボア１１寄りに位置するように、シリンダボア１１の中心軸線２０１に対して所定角度θ傾斜されている。このように傾斜している理由は、後で詳細に説明しているが、例えば外側空間１０２から下側空間１０４へ冷却液が自然対流により通過した後で、この下側空間１０４内で冷却液を内側空間１０１へ向けて方向転換させやすくするためである。

次に、上記したようなインサート部材６をシリンダブロック側ウォータージャケット１３内に挿入した場合における冷却液の動作について説明する。

まず、エンジンの冷間運転時や低負荷運転時など、シリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液の温度が所定の閾値未満であるときには、当該冷却液の温度を速やかに上昇させるために、ウォーターポンプ５を非作動にする。これにより、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内に外部から冷却液が流入されなくなるので、図示していないエンジンの燃焼室から発生する熱がシリンダバレル１２を介してシリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内に残留する冷却液に伝達されることになるので、この冷却液が速やかに温度上昇するようになる。

そして、シリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液の温度が前記閾値以上になると、ウォーターポンプ５を作動することによって、シリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液を図示していない外部配管を経て図示していないラジエータに導入させるとともに、ラジエータを通過して冷却された冷却液をシリンダブロック側ウォータージャケット１３内に戻すように強制的に循環させる。このような冷却液の強制循環によってシリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液の温度が略一定値に保たれるようになる。

ところで、前記のように、シリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液の温度が前記閾値未満であるときは、シリンダブロック側ウォータージャケット１３およびシリンダヘッド側ウォータージャケット２４内の冷却液が強制的に流通しない状態になっているが、エンジンの運転に伴い燃焼室から発生する熱でもってシリンダブロック側ウォータージャケット１３内の冷却液が自然対流するようになる。

詳しくは、そもそも、エンジンの燃焼室から熱が発生するので、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内において内側空間１０１内の冷却液の温度が外側空間１０２内の冷却液の温度よりも高くなるとともに、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内において上側空間１０３内の冷却液の温度が下側空間１０４内の冷却液の温度よりも高くなる傾向となる。

そのために、図３の矢印で示すように、内側空間１０１内では冷却液が上向きに流れるようになり、外側空間１０２内では冷却液が下向きに流れるようになるとともに、内側空間１０１から上側空間１０３に到達した冷却液はシリンダヘッドガスケット３により方向転換させられて外側空間１０２を下向きに流れ、外側空間１０２から下側空間１０４に到達した冷却液はシリンダブロック側ウォータージャケット１３の底部で方向転換させられて内側空間１０１を上向きに流れるようになる。

つまり、前記環状の空間１０１〜１０４内の冷却液は、その温度上昇に伴う自然対流でもって、内側空間１０１→上側空間１０３→外側空間１０２→下側空間１０４→内側空間１０１というような経路で循環させられることになる。しかも、外側空間１０２と下側空間１０４とを連通する通路６３の断面積が外側空間１０２の断面積よりも小さくなっているので、この通路６３を冷却液が通過するときにベンチュリ効果でもって当該冷却液の流速が可及的に増速されることになる。その結果として、前記環状の空間１０１〜１０４を循環する冷却液の流速が可及的に増速されるようになる。

これにより、内側空間１０１を自然対流によって上向きに流れる冷却液が、シリンダバレル１２の外壁面つまりシリンダブロック側ウォータージャケット１３のボア側壁面１４において比較的昇温しやすい上側領域から熱を効率良く奪えるようになるから、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内の冷却液が速やかに昇温されるようになるとともに、ウォータージャケット１３のボア側壁面１４（シリンダバレル１２の外壁面）における上側領域が過度に温度上昇することが抑制または防止されることになる。

その結果、電動式ウォーターポンプ５を非作動とすることによってシリンダブロック側ウォータージャケット１３内で冷却液を強制的に流通させていないときでも、シリンダブロック側ウォータージャケット１３のボア側壁面１４（シリンダバレル１２の外壁面）における上下方向の温度分布が均一化されるようになる。

なお、前記しているが、図３に示すように、シリンダブロック側ウォータージャケット１３の上側開口は、シリンダヘッドガスケット３に設けられる通孔３２を経てシリンダヘッド側ウォータージャケット２４に連通されるものの、このシリンダヘッドガスケット３において前記通孔３２の存在しない領域がシリンダブロック側ウォータージャケット１３の上側開口を閉塞するようになっている。その関係より、前記のようなシリンダブロック側ウォータージャケット１３内における冷却液の自然対流による循環が可能になるのである。

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、電動式ウォーターポンプ５を非作動とすることによってシリンダブロック側ウォータージャケット１３内で冷却液を強制的に流通させていないときに、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内の冷却液が、その温度上昇に伴う自然対流でもってインサート部材６を取り囲む環状の空間１０１〜１０４を循環するようになる。

これにより、シリンダブロック側ウォータージャケット１３内の冷却液が速やかに昇温されるようになるとともに、シリンダブロック側ウォータージャケット１３のボア側壁面１４（シリンダバレル１２の外壁面）における上下方向の温度分布が均一化されるようになるから、シリンダブロック側ウォータージャケット１３のボア側壁面１４において最も昇温しやすい上側領域が過剰に熱膨張することを抑制または防止できるようになる。

その結果、シリンダボア１１の上下領域とピストンとの間のクリアランスのばらつきを低減することが可能になるので、シリンダボア１１を構成するシリンダバレル１２の内壁面に対するピストンの打音の発生を抑制または防止することが可能になる。それに伴い、シリンダボア１１を構成するシリンダバレル１２の内壁面やピストン（図示省略）の偏摩耗を抑制または防止することが可能になるので、フリクションロスを軽減することが可能になるなど、エンジンの耐久性ならびに燃費を向上するうえで有利になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、本発明に係るエンジンとして直列４気筒型エンジンを例に挙げているが、本発明の適用対象となるエンジンの型式や気筒数は特に限定されるものではない。

（２）上記実施形態では、インサート部材６の張り出し部６２をボディ６１の外側で上下方向の下側領域に設置した場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、インサート部材６の張り出し部６２をボディ６１の外側で上下方向の中間領域に設置することも可能であり、また、図示していないが、インサート部材６の張り出し部６２をボディ６１の外側で上下方向の上側領域に設置することも可能である。このような形態でも上記実施形態とほぼ同様の作用、効果が得られる。

（３）上記実施形態では、インサート部材６の張り出し部６２をボディ６１の外側に設置した場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図示していないが、インサート部材６の張り出し部６２をボディ６１の内側で上下方向の下側領域、中間領域あるいは上側領域に設置することが可能である。この場合には、ウォータージャケット１３の内壁面においてボア側壁面１４を、上から下へシリンダボア１１に近づけるような傾斜面にし、前記張り出し部の内面を、前記傾斜面に楔作用で当接するような傾斜面にすることができる。このような形態でも上記実施形態とほぼ同様の作用、効果が得られる。

本発明は、シリンダブロックのウォータージャケットにインサート部材が挿入されたエンジンに好適に利用することが可能である。

１ シリンダブロック
１１ シリンダボア
１２ シリンダバレル
１３ シリンダブロック側ウォータージャケット
１４ シリンダブロック側ウォータージャケットのボア側壁面
１５ シリンダブロック側ウォータージャケットのブロック外側壁面
５ 電動式ウォーターポンプ
６ インサート部材
６１ インサート部材のボディ
６２ インサート部材の張り出し部
６３ 張り出し部の通路

Claims (5)

1. シリンダブロックのウォータージャケットにインサート部材が挿入されかつ前記ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させない状態にすることが可能な構成のエンジンであって、
   前記インサート部材は、前記ウォータージャケット内においてシリンダボア寄りの内側と、シリンダブロック外面寄りの外側と、上側と、下側とに、それぞれ環状に連なる空間を作るように位置決めされた状態で配置されており、この環状の空間の一部領域の断面積が他領域に比べて小さく設定されている、ことを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、
   前記インサート部材は、略筒形のボディに、前記ウォータージャケットの内壁面に当接される位置決め用の張り出し部を設けた構成とされ、
   前記張り出し部には、前記環状の空間において断面積の小さい一部領域となる通路が設けられている、ことを特徴とするエンジン。
3. 請求項２に記載のエンジンにおいて、
   前記張り出し部は、前記ボディの外面の下側領域に設けられている、ことを特徴とするエンジン。
4. 請求項３に記載のエンジンにおいて、
   前記通路は、その下側開口端が上側開口端よりもシリンダボア寄りに配置されている、ことを特徴とするエンジン。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンは、
   前記ウォータージャケット内で冷却液を強制的に流通させるための電動式ウォーターポンプを備えており、この電動式ウォーターポンプは前記エンジンの冷間運転時に非作動とされる、ことを特徴とするエンジン。

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