JP5678526B2

JP5678526B2 - エンジンのウォータジャケット構造

Info

Publication number: JP5678526B2
Application number: JP2010199103A
Authority: JP
Inventors: 浩明持田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: JP2012057493A

Description

本発明は、エンジンのシリンダブロックに冷却水を循環させるウォータジャケット構造に関するものである。

従来から冷却水による過冷却を防止してピストンとシリンダライナとを適度に加熱保持するエンジンの冷却水通路構造が提案されている（特許文献１参照）。

これは、ウォータジャケットに浅底部と深底部とを設けることにより、浅底部では冷却水によるシリンダ上部が積極的に冷却され、深底部では冷却水が滞留するためシリンダ下部の冷却を抑制するようにしている。

特開２００５−３３７１４０号公報

ところで、ウォータジャケットの温度差は、シリンダの上下方向だけではなく、例えば、吸気マニホールド側と排気マニホールド側との間でも異なっている。このため、上記従来例のように、ウォータジャケットに浅底部と深底部とを設けただけでは十分な温度均一化を図れないという課題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、温度均一化に好適なエンジンのウォータジャケット構造を提供することを目的とする。

本発明は、複数のシリンダを直線状に連ねて備えるシリンダブロックのシリンダの外周とブロック外壁との間にウォータジャケットを画成して備えるエンジンのウォータジャケット構造である。そして、前記ウォータジャケット内の底部からウォータジャケット内に隆起させ、その先端側に冷却水が通過可能な空間を備える、複数のリブにより、排気マニホールドが配置される側及び吸気マニホールドが配置される側の両方において、前記ブロック外壁内面と前記シリンダの当該シリンダ同士が連結された部分を除く外周面とを連結する。そして、排気マニホールドが配置される側のリブのウォータジャケット内での高さ寸法を、吸気マニホールドが配置される側のリブのウォータジャケット内での高さ寸法より高く形成したことを特徴とする。

したがって、本発明では、冷却水がリブにより片寄せて絞られつつ流れて、燃焼室に近い側で流速を高め、高温になりやすい燃焼室に近い側での冷却性を高くする冷却性能を、吸気マニホールドが配置された側より、リブ高さ寸法が高い排気マニホールドが配置された側で高くできる。このため、シリンダにおいて、排気マニホールドが配置された側の温度と吸気マニホールドが配置された側の温度との温度差を低減させることができる。結果として、シリンダの熱変形を抑制でき、熱変形に伴うオイル消費を抑制をすることができる。

本発明の第１実施形態のウォータジャケット構造を適用したＶ型エンジンの概略構成図。第１実施形態の第１実施例を示すエンジンのウォータジャケット構造の平面図。図２のＡ−Ａ線およびＣ−Ｃ線に沿う断面図。図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。第１実施形態の第２実施例を示すエンジンのウォータジャケット構造の平面図。図５のＡ−Ａ線およびＥ−Ｅ線に沿う断面図。図５のＢ−Ｂ線およびＦ−Ｆ線に沿う断面図。図５のＣ−Ｃ線に沿う断面図。図５のＤ−Ｄ線に沿う断面図。本発明の第２実施形態を示すエンジンのウォータジャケット構造の平面図。図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図。図１０のＢ−Ｂ線に沿う断面図。図１０のＣ−Ｃ線に沿う断面図。図１０のＤ−Ｄ線に沿う断面図。

以下、本発明のエンジンのウォータジャケット構造を各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４は本発明を適用した第１実施形態における第１実施例のエンジンのウォータジャケット構造である。

図１は本実施形態のウォータジャケット構造を適用したＶ型エンジンを示し、Ｖ型に形成されたシリンダブロック１と、シリンダブロック１の夫々のバンク上に固定され、吸排気バルブ３，４を搭載してシリンダ上部に燃焼室７を構成するシリンダヘッド２と、を備える。夫々のバンク上に固定される一対のシリンダヘッド２には、吸気マニホールド５が両バンク内側に形成され、排気マニホールド６が両バンク外側に形成されている。吸気は吸気マニホールド５、吸気弁３を介して燃焼室７に供給され、燃焼室７で燃焼されて高温となった排気ガスは排気弁４、排気マニホールド６を介して排気される。

図２は夫々の片側バンクに３気筒のシリンダ１０を備えるＶ型６気筒エンジンのシリンダブロック１を示す平面図である。図では、シリンダヘッド２が取付けられる左右のバンク上面を、紙面と正対させて図示している。Ｖ型６気筒エンジンのシリンダブロック１は、夫々のバンクに３つのシリンダ１０を備えている。夫々のバンクの各シリンダ１０は夫々のシリンダ１０同士を連結して一直線上に配置されている。連結されたシリンダ１０の周りは、隙間をあけてブロック外壁１１で囲まれ、シリンダ１０とブロック外壁１１との間に冷却水が循環するウォータジャケット１２が形成されている。なお、本実施形態ではシリンダ１０の内側にライナーを設けていないが、ここにライナーを設けても構わない。

シリンダ１０とブロック外壁１１とは、図３，４に示すように、上部および中央部において、ウォータジャケット１２により分離された、オープンデッキとされ、下部において両者はデッキ（ロワーデッキ）により一体に連結されて構成されている。前記シリンダ１０同士が連結されている部位に対応する前記ブロック外壁１１には、ガスケットを介して図示しないシリンダヘッド２を固定するためのボルト孔９が形成されている。

前記ウォータジャケット１２は、両バンク内側空間１２Ａと両バンク外側空間１２Ｂとにより各シリンダ１０を取囲み、両空間１２Ａ，１２Ｂは互いに対称形となる波形に形成され、夫々の前後端で互いに連通している。また、前記両空間１２Ａ，１２Ｂは、シリンダ１０同士が連結された部分の上端面に左右方向（シリンダ１０配列方向とは直交する方向）に設けた冷却用通路１３を介して連通している。この冷却用通路１３は、一方の空間から他方の空間に冷却水を流すことにより、シリンダ１０同士の連結部分、特にその上部領域を冷却可能としている。

前記ウォータジャケット１２は、両バンクにおける各外側空間１２Ｂに連通させて冷却水入口１４を配置すると共に、両バンクにおける各内側空間１２Ａに連通させて冷却水出口１５を配置している。図４に示すように、冷却水入口１４は、両バンクにおける各外側空間１２Ｂの中央部の上部位置に連通するようブロック外壁１１を貫通させて配置され、その入口部は図示しない配管を介してラジエータ出口に連通される。冷却水出口１５は、両バンクにおける各内側空間１２Ａの中央部の下部位置に連通するようブロック外壁１１を貫通させて配置され、その出口部は図示しない配管を介してラジエータ入口に連通される。

各シリンダ１０の外周とブロック外壁１１の内周とは、各シリンダ１０中心を通りシリンダ１０配列方向と直交する各線上において、ジャケット底部に配置されたリブ１６により連結されている。各リブ１６のジャケット底部からの高さは、配列方向中央部のシリンダ１０においては、図４に示すように、冷却水入口側（シリンダヘッド２の排気マニホールド６に臨む側）において低くされている。また、冷却水出口側（シリンダヘッド２の吸気マニホールド５に臨む側）においては、「ゼロ」即ち、リブ１６を配置していない状態としている。配列方向両側のシリンダ１０においては、各リブ１６のジャケット底部からの高さは、図３に示すように、冷却水入口１４側（シリンダヘッド２の排気マニホールド６に臨む側）において高くされている。また、冷却水出口１５側（シリンダヘッド２の吸気マニホールド５に臨む側）においては、低くされている。

これらのリブ１６は、シリンダブロック１の鋳造時に、ブロック外壁１１からリブ１６を介してシリンダ１０への溶湯の流れを促進し、シリンダ１０の上端が溶湯の行止りとなるオープンデッキ構造での懸案である、シリンダ１０に発生する鋳巣を低減させる効果がある。

以上の構成のエンジンのウォータジャケット構造の動作について以下に説明する。ラジエータにより冷却されて戻された冷却水は両バンクの外側に配置されている冷却水入口１４に供給され、冷却水入口１４から両バンクのウォータジャケット１２の外側空間１２Ｂのシリンダヘッド２に近い上方の中央部に流入する。このため、ラジエータから戻った冷えた冷却水が、燃焼室７での燃焼熱および燃焼ガスが排出される排気マニホールド６からの熱により高温となっているシリンダ１０の上部を効果的に冷却する。

そして、外側空間１２Ｂに流入した冷却水はその大部分が、外側空間１２Ｂの中央部から左右方向（図中上下方向）両側に分かれて流れ、連結されたシリンダ１０の端部に回り込み、両バンクのウォータジャケット１２の内側空間１２Ａの端部側から内側空間１２Ａの中央部に向かって流れる主流を構成する。また、冷却水の一部は、外側空間１２Ｂからシリンダ１０同士が連結された部分の上端面に設けた冷却用通路１３を介して直接ウォータジャケット１２の内側空間１２Ａに流れる副流を構成する。そして、前記主流および副流を伴って内側空間１２Ａの中央部に流れた冷却水は、内側空間１２Ａの中央部に開口している冷却水出口１５に流れ、冷却水出口１５からラジエータの入口に流出する。前記副流は、シリンダ１０同士が隣接して高温となるシリンダ１０同士の連結部を、冷却用通路１３を流れる冷却水により直接冷却する。

前記主流は、その途中において、シリンダ１０とブロック外壁１１とを連結しているリブ１６により流路がシリンダヘッド２側に片寄せて絞られつつ流れることにより、シリンダ１０の燃焼室７に近い側で流速が高められ、シリンダ１０の燃焼室７から遠い側で流速が低下されることになる。このため、燃焼室７に近い高温になりやすい上部側で冷却水による冷却を大きくし、燃焼室７から遠く冷却されやすい低温側での過冷却を抑制する。結果として、高温になりやすい上部と冷却されやすい下部の温度差が低減され、上部では耐ノック性を向上させると共に、下部では低温側の温度上昇により、オイルによる粘性フリクション低減ができる。

また、前記リブ１６はその高さ寸法が、シリンダヘッド２の排気マニホールド６が配置されている側（外側空間１２Ｂ側）で高く、吸気マニホールド５が配置されている側（内側空間１２Ａ側）で低く形成されている。このため、外側空間１２Ｂ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速が、内側空間１２Ａ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速より、高められることとなる。従って、高温となる排気マニホールド６に近い側での冷却水による冷却性が、吸気マニホールド５に近い側での冷却水による冷却性より、高くすることができる。このため、高温となる排気マニホールド６が近くに配置された外側空間１２Ｂに接するシリンダ１０の温度と、吸気マニホールド５が近くに配置された内側空間１２Ａに接するシリンダ１０の温度と、の温度差を低減させることができる。結果として、シリンダ１０の熱変形を抑制でき、熱変形に伴うオイル消費を抑制をすることができる。

図５〜図９に示す本実施形態における第２実施例のエンジンのウォータジャケット構造を示す。本実施例では、図５に示すように、シリンダ１０の中心を挟んで対向しているシリンダヘッド２を固定するためのボルト孔９同士を結んだ線上に、夫々リブ１６（片バンク当りに１２箇所）を配置している（図６〜図９参照）。各リブ１６のウォータジャケット１２の底部からの高さ寸法は、図６〜図９に示すように、ウォータジャケット１２の冷却水入口１４に臨む外側空間１２Ｂの中央側２箇所（両バンクで４箇所）のリブ１６と、冷却水出口に臨む内側空間１２Ａの６箇所（両バンクで１２箇所）のリブ１６では、比較的低く形成している。そして、図６，７に示すように、ウォータジャケット１２の冷却水入口１４に臨む外側空間１２Ｂの下流側４箇所（両バンクで８箇所）のリブ１６において、比較的高く形成している。その他の構成は、第１実施例と同様に構成している。

以上の構成の第２実施例のエンジンのウォータジャケット構造においても、第１実施例と同様に、冷却水が循環する。即ち、ラジエータにより冷却されて戻された冷却水は両バンクの外側に配置されている冷却水入口１４に供給され、冷却水入口１４から両バンクのウォータジャケット１２の外側空間１２Ｂのシリンダヘッド２に近い上方の中央部に流入する。このため、ラジエータから戻った冷えた冷却水が、燃焼室７での燃焼熱および燃焼ガスが排出される排気マニホールド６からの熱により高温となっているシリンダ１０の上部を効果的に冷却する。

前記主流は、先ず中央のシリンダ１０とブロック外壁１１とを連結している一対のリブ１６により、流路がシリンダヘッド２側に片寄せて絞られつつ流れることにより、シリンダ１０の燃焼室７に近い側で流速が高められ、シリンダ１０の燃焼室７から遠い側で流速が低下されることになる。このため、燃焼室７に近い高温になりやすい上部側で冷却水による冷却を大きくし、燃焼室７から遠く冷却されやすい低温側での過冷却を抑制する。結果として、高温になりやすい上部と冷却されやすい下部の温度差が低減され、上部では耐ノック性を向上させると共に、下部低温側の温度上昇により、オイルによる粘性フリクション低減ができる。

しかも、上記一対のリブ１６により高温になりやすい上部に流れが曲げられることにより、外側空間１２Ｂからシリンダ１０同士が連結された部分の上端面に設けた冷却用通路１３を介して直接ウォータジャケット１２の内側空間１２Ａに流れる副流を増加させる。結果として、シリンダ１０間の冷却用通路１３を流れる冷却水流量が増加されシリンダ１０間の冷却性が向上する。

次いで、両側のシリンダ１０とブロック外壁１１とを連結している高さ寸法が比較的高く形成されている２個のリブ１６を通過することにより、外側空間１２Ｂ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速が、内側空間１２Ａ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速より、高められることとなる。従って、高温となる排気マニホールド６に近い側での冷却水による冷却性が、吸気マニホールド５に近い側での冷却水による冷却性より、高くすることができる。このため、高温となる排気マニホールド６が近くに配置された外側空間１２Ｂに接するシリンダ１０の温度と、吸気マニホールド５が近くに配置された内側空間１２Ａに接するシリンダ１０の温度と、の温度差を低減させることができる。結果として、シリンダ１０の熱変形を抑制でき、熱変形に伴うオイル消費を抑制することができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）複数のシリンダ１０を直線状に連ねて備えるシリンダブロック１のシリンダ１０の外周とブロック外壁１１との間にウォータジャケット１２を画成して備えるエンジンのウォータジャケット構造である。前記ウォータジャケット１２内の底部からウォータジャケット１２内に隆起させ、その先端側に冷却水が通過可能な空間を備える、複数のリブ１６により前記ブロック外壁１１内面とシリンダ１０の外周面とを連結する。前記シリンダ１０の排気マニホールド６が配置される側のリブ１６のウォータジャケット１２内での高さ寸法を、吸気マニホールド５が配置される側のリブ１６のウォータジャケット１２内での高さ寸法より高く形成した。

このため、シリンダ１０とブロック外壁１１とを連結しているリブ１６により流路がシリンダヘッド２側に片寄せて絞られつつ流れることにより、シリンダ１０の燃焼室７に近い側で流速が高められ、シリンダ１０の燃焼室７から遠い側で流速が低下される。即ち、燃焼室７に近い高温になりやすい上部側で冷却水による冷却を大きくし、燃焼室７から遠く冷却されやすい低温側での過冷却を抑制する。結果として、高温になりやすい上部と冷却されやすい下部の温度差が低減され、上部では耐ノック性を向上させると共に、下部では低温側の温度上昇により、オイルによる粘性フリクション低減ができる。

しかも、高温となる排気マニホールド６に近い側での冷却水による冷却性が、吸気マニホールド５に近い側での冷却水による冷却性より、高くすることができる。このため、高温となる排気マニホールド６が近くに配置された外側空間１２Ｂに接するシリンダ１０の温度と、吸気マニホールド５が近くに配置された内側空間１２Ａに接するシリンダ１０の温度と、の温度差を低減させることができる。結果として、シリンダ１０の熱変形を抑制でき、熱変形に伴うオイル消費を抑制をすることができる。

（イ）ウォータジャケット１２への冷却水入口は、シリンダブロック１に結合されるシリンダヘッド２に近接させた位置でウォータジャケット１２に接続されているため、ラジエータから戻った冷えた冷却水が、燃焼室７での燃焼熱および燃焼ガスが排出される排気マニホールド６からの熱により高温となっているシリンダ１０の上部を効果的に冷却する。

（第２実施形態）
図１０〜図１４は、本発明を適用したエンジンのウォータジャケット構造の第２実施形態を示し、図１０は平面図、図１１〜図１４は断面図である。本実施形態においては、冷却水が各バンクの配列方向に流れる構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

本実施形態においては、図１０に示すように、冷却水入口１４が各バンクの配列方向の一端部の近傍に配置され、冷却水出口１５がバンク他端に配置されている。冷却水入口１４から流入した冷却水は、各バンクのウォータジャケット１２の内側空間１２Ａへ流通する流れと、バンク一端のシリンダ１０を回り込み、その後に外側空間１２Ｂを流通する流れとに別れ、バンク他端でこれらが合流されて冷却水出口１５から排出される。ウォータジャケット１２の内外空間には、第１実施形態と同様に、各シリンダ１０とブロック外壁１１とを連結するリブ１６が配置されている。各リブ１６のジャケット底面からの高さは、図１１〜図１３に示すように、排気マニホールド６が配置されている外側空間１２Ｂ側のリブ１６が、吸気マニホールド５が配置されている内側空間１２Ａ側のリブ１６より高くなるよう形成している。また、外側空間１２Ｂ内に配置されている各リブ１６および内側空間１２Ａ内に配置されている各リブ１６においても、上流側に配置されているリブ１６の高さは低く、下流に移るに連れて次第に高くなるように高さ寸法が設定されている。また、各リブ１６の先端形状は、図１４に示すように、上流側から下流側に移るに連れて隆起させた傾斜面に形成している。その他の構成は、第１実施形態と同様に構成している。

以上の構成のエンジンのウォータジャケット構造においては、ラジエータにより冷却されて戻された冷却水は両バンクの端部近傍に配置されている冷却水入口１４に供給される。冷却水入口１４から流入した冷却水は、各バンクのウォータジャケット１２の内側空間１２Ａへ流通する流れと、バンク一端のシリンダ１０を回り込み、その後に外側空間１２Ｂを流通する流れとに別れ、バンク他端でこれらが合流されて冷却水出口１５から排出される。

ウォータジャケット１２の内外空間を流れる冷却水は、各シリンダ１０とブロック外壁１１とを連結しているリブ１６により、流路がシリンダヘッド２側に片寄せて絞られつつ流れることにより、シリンダ１０の燃焼室７に近い側で流速が高められ、シリンダ１０の燃焼室７から遠い側で流速が低下されることになる。このため、燃焼室７に近い高温になりやすい上部側で冷却水による冷却を大きくし、燃焼室７から遠く冷却されやすい低温側での過冷却を抑制する。結果として、高温になりやすい上部と冷却されやすい下部の温度差が低減され、上部では耐ノック性を向上させると共に、下部では低温側の温度上昇により、オイルによる粘性フリクション低減ができる。しかも、各リブ１６の先端形状を、上流側で低く下流側で高くなる傾斜面に形成しているため、リブ１６下への巻き込み流れ（図中のループ状の流れ）が少なくでき、下部冷却の低減と通水抵抗の低減ができ、上記した作用効果を一層促進させることができる。

また、シリンダ１０との熱交換により冷却水の水温が下流に至るに連れて徐々に上昇されることになる。しかし、ウォータジャケット１２の内外空間に夫々配置されているリブ１６の高さ寸法が、上流側で低く下流側で高く設定して通過する冷却水の流速を徐々に高めて、冷却効果を下流側に至るに連れて高めるようにしている。このため、上流側と下流側とのシリンダ１０の温度差を低減させることができる。

しかも、ウォータジャケット１２の外側空間１２Ｂに配置されているリブ１６の高さを内側空間１２Ａに配置されているリブ１６の高さより高い寸法としているため、外側空間１２Ｂ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速を、内側空間１２Ａ側でシリンダ１０の燃焼室７に近い側での流速より高めることとなる。従って、高温となる排気マニホールド６に近い側での冷却水による冷却性が、吸気マニホールド５に近い側での冷却水による冷却性より、高くすることができる。このため、高温となる排気マニホールド６が近くに配置された外側空間１２Ｂに接するシリンダ１０の温度と、吸気マニホールド５が近くに配置された内側空間１２Ａに接するシリンダ１０の温度と、の温度差を低減させることができる。結果として、シリンダ１０の熱変形を抑制でき、熱変形に伴うオイル消費を抑制をすることができる。

また、ウォータジャケット１２の内側空間１２Ａの流速が低く外側空間１２Ｂの流速が高くなることから、両者の圧力差により、冷却水の一部は、内側空間１２Ａからシリンダ１０同士が連結された部分の上端面に設けた冷却用通路１３を介して直接ウォータジャケット１２の外側空間１２Ｂに流れる副流を構成する。前記副流は、シリンダ１０同士が隣接して高温となるシリンダ１０同士の連結部を、冷却用通路１３を流れる冷却水により直接冷却する。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（ウ）各リブ１６の高さ寸法は、冷却水の流れ方向上流側で低く、下流側で高く形成されていることにより、通過する冷却水の流速を下流に移るに連れて徐々に高めて、冷却効果を下流側に至るに連れて高めることができる。結果として、上流側と下流側とのシリンダ１０の温度差を低減させることができる。

（エ）各リブ１６の先端は、冷却水の流れ方向上流側で低く下流側で高くなる傾斜した形状に構成されているため、リブ１６下への巻き込み流れが少なくでき、下部冷却の低減と通水抵抗の低減ができ、上記した作用効果を一層促進させることができる。

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
３吸気弁
４排気弁
５吸気マニホールド
６排気マニホールド
７燃焼室

９ボルト孔
１０シリンダ
１１ブロック外壁
１２ウォータジャケット
１３冷却用通路
１６リブ

Claims

複数のシリンダを直線状に連ねて備えるシリンダブロックのシリンダの外周とブロック外壁との間にウォータジャケットを画成して備えるエンジンのウォータジャケット構造であって、
前記ウォータジャケット内の底部からウォータジャケット内に隆起させ、その先端側に冷却水が通過可能な空間を備える、複数のリブにより、排気マニホールドが配置される側及び吸気マニホールドが配置される側の両方において、前記ブロック外壁内面と前記シリンダの当該シリンダ同士が連結された部分を除く外周面とを連結すると共に、
前記排気マニホールドが配置される側のリブのウォータジャケット内での高さ寸法を、前記吸気マニホールドが配置される側のリブのウォータジャケット内での高さ寸法より高く形成したことを特徴とするエンジンのウォータジャケット構造。
前記ウォータジャケットへの冷却水入口は、シリンダブロックに結合されるシリンダヘッドに近接させた位置でウォータジャケットに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンのウォータジャケット構造。
前記リブの先端は、冷却水の流れ方向上流側で低く下流側で高くなる傾斜した形状に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンのウォータジャケット構造。
前記各リブの高さ寸法は、冷却水の流れ方向上流側で低く、下流側で高く形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のエンジンのウォータジャケット構造。