JP6344356B2 - 内燃機関の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却構造に関する。

液冷式の内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ。）は、その部位によって発生する熱量が大きく異なるため、シリンダブロックと比べて高温になり易いシリンダヘッドを積極的に冷やす一方、シリンダブロックは冷やしすぎないようにする温度管理が必要である。こうすることにより、エンジンを適温に維持することができ、燃焼の安定性とエンジンの構造体の信頼性とを高めることができる。

具体的には、エンジンの構造体の温度は、該構造体の内部に設けられたウォータジャケットを流れる冷却液の流量、流速及び液温（壁温との温度差）によって制御されており、例えば、シリンダヘッドを積極的に冷やすには、大流量の冷却液が必要となる。

しかしながら、エンジンの冷却構造は、一般に、冷却液がシリンダブロック内のウォータジャケットと、シリンダヘッドのウォータジャケットとが連通する構造を採り、シリンダヘッドのウォータジャケットの要求流量を通水すると、シリンダブロックは過冷却となるおそれがある。また、シリンダブロックにとっては、余分な冷却液を流すことによる圧損の増大にもつながる。

そこで、特許文献１には、シリンダブロックの外側面より外方向に、ウォータポンプから吐出された冷却水をブロックウォータジャケットを介さずに、シリンダヘッドの排気側の側方部分からシリンダヘッドウォータジャケットに導入するための冷却液供給配管を設け、ウォータポンプからの吐出直後の温度が低い冷却液によって、シリンダヘッド部分を有効に冷却する冷却構造が開示されている。

実開昭６２−５２２２０号公報

しかしながら、従来技術は、構造体の外側面に冷却液供給配管をバイパスとして設けており、該冷却液供給配管とシリンダヘッドとの接続部のシール性を確保する必要性が生じると共に、該冷却液供給配管を排気マニホールド等と干渉せずにシリンダヘッドに組み付けるために、シリンダヘッドの排気側の側方部に側方延設部を形成しており、構造体の寸法（外寸）及び重量が増大するという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑み、その課題とするところは、シリンダブロックを迂回するバイパスウォータジャケットを簡単な構造で、さらにはコンパクトに配設できるようにすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、シリンダブロックウォータジャケット（以下、燃焼室周囲ウォータジャケット）にバイパスウォータジャケットを設け、該バイパスウォータジャケットの下流端部を燃焼室周囲ウォータジャケットの下流端部と接続する構成とすることを特徴とする。

具体的には、本発明は、内燃機関の冷却構造を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、シリンダブロックの燃焼室の周囲を囲むように設けられた燃焼室周囲ウォータジャケットと、シリンダヘッド内に設けられたヘッドウォータジャケットとを備えた内燃機関の冷却構造を対象とし、燃焼室周囲ウォータジャケットは、内燃機関のクランク軸方向の一端側に設けられた主冷却液入口と接続された冷却液供給手段により供給される冷却液がクランク軸方向の他端側に向かって流れる縦流型のウォータジャケットであり、ヘッドウォータジャケットは、燃焼室周囲ウォータジャケットとクランク軸方向の他端側で連通し、クランク軸方向の一端側に向かって冷却液が流れる縦流型のウォータジャケットであり、内燃機関は、冷却液が燃焼室周囲ウォータジャケットを迂回するためのバイパスウォータジャケットをさらに備え、バイパスウォータジャケットは、該バイパスウォータジャケットの上流端部に設けられた副冷却液入口に、冷却液供給手段から冷却液が直接に供給され、燃焼室周囲ウォータジャケットの下流端部には、前記バイパスウォータジャケットの下流端部と連通する合流部がシリンダブロック内に設けられており、燃焼室周囲ウォータジャケットには、該燃焼室周囲ウォータジャケットを燃焼室側ウォータジャケットと反燃焼室側ウォータジャケットとに区画するウォータジャケットスペーサが配設され、合流部は、反燃焼室側ウォータジャケットと連通しているものである。

これによれば、バイパスウォータジャケットは、排気ポート、吸気ポート、点火プラグ及び燃料噴射装置等が設けられるシリンダヘッド部分と接続される構成ではなく、燃焼室周囲ウォータジャケットの下流端部と連通させることにより、上記の部位及び装置を容易に避けることができる。従って、燃焼室周囲ウォータジャケットをバイパスしつつ簡単な構造で且つコンパクトにバイパスウォータジャケットを連通させることができる。さらに、燃焼室周囲ウォータジャケットとバイパスウォータジャケットとの合流部を反燃焼室側ウォータジャケットに連通させることにより、燃焼室周囲ウォータジャケットの下流部においても、バイパスウォータジャケットから合流した冷却液によるシリンダブロックの燃焼室壁の過冷却を防止することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、バイパスウォータジャケットは、シリンダブロックにおける燃焼室周囲ウォータジャケットのエンジン上下方向の下端部よりも下側に一体に成型されているものである。

これによれば、バイパスウォータジャケットを、シリンダブロックにおける燃焼室周囲ウォータジャケットの下方に一体成型しているため、別体成型した場合に課題となる接続部のシール性の確保を不要とすることができる。

第３の発明は、上記第２の発明において、バイパスウォータジャケットは、副冷却液入口からシリンダブロックのクランク軸方向に略直管状に延び、シリンダブロックのシリンダライナの下端部よりも下側に設けられているものである。

これによれば、シリンダヘッドとシリンダブロックとをボルトにより締結する際に、バイパスウォータジャケットがシリンダブロックのシリンダライナの下端部よりも下側に設けられているため、バイパスウォータジャケットを構成する筒状部がシリンダライナの下側で梁として作用するので、ボルトの引張力によるシリンダライナの変形を防止することができる。

第４の発明は、上記第１から第３の発明において、主冷却液入口には、冷却液が所定温度以上又は所定圧力以上であるときに冷却液を通過可能な弁構造が設けられ、副冷却液入口は、冷却液の温度及び圧力に拘わらず、冷却液を流通可能とするものである。

これによれば、例えば、エンジンの暖機途上においては、シリンダブロック内の冷却液の流通を停止させて、該シリンダブロックの過冷却を防止できる一方、比較的に昇温が速いシリンダヘッドの燃焼室壁はバイパスウォータジャケットから流入させた冷却液によって該壁温の過上昇を防止することができる。

本発明に係る内燃機関の冷却構造よれば、シリンダブロックを迂回するバイパスウォータジャケットを簡単な構造で、さらにはコンパクトに配設することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の冷却構造を示す模式的な斜視図である。 図２は本発明の一実施形態に係る内燃機関を構成するシリンダブロックにおける燃焼室周囲ウォータジャケットとバイパスウォータジャケットとの合流部を示す断面斜視図である。 図３は本発明の一実施形態に係る燃焼室周囲ウォータジャケットに挿入されるウォータジャケットスペーサを示す斜視図である。 図４は本発明の一実施形態に係る内燃機関を構成するシリンダブロックの冷却構造を示す斜視図である。 図５は図４のＶ−Ｖ線における断面斜視図である。 図６は本発明の一実施形態に係る内燃機関を構成するシリンダブロックの冷却構造を示すクランク軸に垂直な方向の断面図である。 図７は本発明の一実施形態に係る内燃機関の冷却構造における冷却液の流路とその制御の一例を示す模式図である。 図８は本発明の一実施形態に係る内燃機関の冷却構造における冷却液の流路とその制御の一変形例を示す模式図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ。）の冷却構造について図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態に係るエンジンの冷却構造を示す模式的な斜視図である。図１に示すエンジンは、例えば、車両に搭載される多気筒直列エンジン１００である。図１に示すように、エンジン１００は、気筒部を構成するシリンダブロック１２０と、該シリンダブロック１２０の上に固持、例えばボルト締結され、各気筒の燃焼室を構成するシリンダヘッド１３０とを有する。シリンダブロック１２０の気筒列に平行なクランク軸方向の一方の側端部には、エンジン冷却用の冷却液を強制的に循環させるウォータポンプ２００が配設されている。ウォータポンプ２００は、図示しないクランク軸の回転力をベルトを介してウォータポンプ駆動軸に伝えることで駆動され、冷却液は、ウォータポンプ２００のポンプ入口２００ａからウォータポンプ２００に導入され、該ウォータポンプ２００によって圧送された冷却液は、シリンダブロック１２０の相対的に上側に設けられた主冷却液入口１１０と、シリンダブロック１２０の相対的に下側に設けられた副冷却液入口１１１とに直接に導入される。

主冷却液入口１１０は、シリンダブロック１２０のメイン流路である燃焼室周囲ウォータジャケット１１２と接続され、副冷却液入口１１１は、シリンダブロック１２０のバイパス流路であるバイパスウォータジャケット１１３と接続される。バイパスウォータジャケット１１３の下流端には、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２の下流端と連通する合流部１１４が設けられ、バイパスウォータジャケット１１３に導入された冷却液は、全て燃焼室周囲ウォータジャケット１１２に導入されるようになっている。合流部１１４で合流した冷却液は、該合流部１１４よりもエンジン１００内の冷却液流れ方向下流側に設けられたヘッドウォータジャケット入口１１５に導入される。本実施形態に係るヘッドウォータジャケット１１６は、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２及びバイパスウォータジャケット１１３を通過した冷却液がシリンダヘッド１３０内をクランク軸方向に通過するように形成されている。ヘッドウォータジャケット入口１１５は、ヘッドウォータジャケット１１６におけるエンジン１００の上下方向下端部であって、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２の下流端部、すなわち反ウォータポンプ側端部で且つエンジン上下方向上端部と接続するように設けられている。

このように、本実施形態においては、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２は、シリンダブロック１２０のクランク軸方向の一端側に設けられた主冷却液入口１１０にウォータポンプ２００から供給される冷却液が燃焼室周囲ウォータジャケット１１２内を主冷却液入口１１０を通過した後、すぐにエンジン１００の吸気側及び排気側に分流され、その後、クランク軸方向の他端側に向かって流れる縦流型のウォータジャケットである。

図２に、エンジン１００のシリンダブロック１２０における燃焼室周囲ウォータジャケット１１２とバイパスウォータジャケット１１３との合流部１１４の断面斜視図を示す。図２に示すように、合流部１１４の直上には、シリンダライナ１１８に沿った燃焼室周囲ウォータジャケット１１２が配設されている。さらに、本実施形態の特徴として、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２には、図３に示すウォータジャケットスペーサ３００が挿入されている。

図２及び図３に示すように、本実施形態に係るウォータジャケットスペーサ３００は、その側面の上下方向中央部より上側に屈曲部である仕切部３００ｃを設けている。仕切部３００ｃの上側を、シリンダライナ１１８との間に空隙を設けたスペーサ上部３００ａとし、該仕切部３００ｃの下側を、シリンダライナ１１８との間に空隙をほぼ設けないスペーサ下部３００ｂとしている。このように、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２は、ウォータジャケットスペーサ３００の仕切部３００ｃによって、上部は燃焼室側ウォータジャケット１１２ａに、また、下部はシリンダライナ１１８に対して反対側の反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂに区画される。反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂを設けることで、シリンダライナ１１８の上部と比べて高温になりにくいシリンダライナ１１８の下部の過冷却を防止でき、該シリンダライナ１１８の上下温度差を小さくすることができる。なお、本実施形態に係るウォータジャケットスペーサ３００の材質は樹脂であるが、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２を燃焼室側ウォータジャケット１１２ａと反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂとに区画するという機能を満足するものであれば材質を金属等に置き換えてもよい。さらに、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２とバイパスウォータジャケット１１３との合流部１１４は、反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂと主に（実質的に）連通する。

このように、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２の下流部においては、バイパスウォータジャケット１１３から合流した冷却液が、反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂを流通することにより、シリンダライナ１１８の過冷却をより抑制することができる。

なお、ウォータジャケットスペーサ３００の高さは、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２の深さとほぼ同等に設定している。このようにすると、燃焼室側ウォータジャケット１１２ａと反燃焼室側ウォータジャケット１１２ｂとを明確に区画することができる。

図４にシリンダブロック１２０の斜視図を示し、図５に図４のＶ−Ｖ線における断面斜視図を示す。図５に示すように、本実施形態に係るバイパスウォータジャケット１１３は、シリンダブロック１２０における燃焼室周囲ウォータジャケット１１２のエンジン上下方向の下端部１１２Ａよりも下側でシリンダブロック１２０に一体成型されている。

このようにすると、バイパスウォータジャケット１１２をシリンダブロック１２０と別体成型した場合に課題となる接続部のシール性の確保が不要となる。

なお、バイパスウォータジャケット１１３における副冷却液入口１１１と合流部１１４とを結ぶ配設方向は、クランク軸方向に対して平行又はほぼ平行に形成されている。但し、必ずしも平行又はほぼ平行に設ける必要はなく、バイパスウォータジャケット１１３内に流入したエアを確実にエンジン１００の外部に導くために、副冷却液入口１１１側又はその反対側に傾けて形成してもよい。

また、図５に示す、バイパスウォータジャケット１１３における副冷却液入口１１１と反対側の端部には、貫通部１１３ａがある。本実施形態において、シリンダブロック１２０は鋳造成型され、該貫通部１１３ａは、シリンダブロック１２０を形成する際に、バイパスウォータジャケット１１３も併せて一体成型するための型を抜くことによってできる。従って、エンジンを組み立てる際には、冷却液が貫通部１１３ａから漏れないように該貫通部１１３ａをキャップ材等の封止材によって封止する。

図６は、シリンダブロック１２０におけるクランク軸１２１に垂直な方向の断面構成を表しており、副冷却液入口１１１側から見た図である。図６に示すように、本実施形態に係るバイパスウォータジャケット１１３は、シリンダブロック１２０のクランク軸方向に略直管状に延びている。さらに、シリンダブロック１２０のシリンダライナ１１８の下端部よりもほぼ下側、すなわち、シリンダライナ１１８とクランクケース１２０ｂとの境界部に設けられている。

このようにすると、シリンダヘッド１３０とシリンダブロック１２０とを、図４及び図５に示す複数のボルト穴でボルトによりシリンダヘッド１３０方向に引張り力が働くようにして締結する際に、クランク軸方向に延び且つバイパスウォータジャケット１１３を構成する筒状部が、シリンダライナ１１８の下側で梁として作用する。その結果、各ボルトの引張力によるシリンダライナ１１８の下部の変形を、梁として作用するバイパスウォータジャケット１１３の構成部材によって防止することができる。

（冷却液の流路とその制御）
以下に、本実施形態に係るエンジンに冷却液の流路とその制御について図７を参照しながら説明する。図７は本実施形態に係るエンジンの冷却液の流路を模式的に表している。図７に示すように、例えば、エンジンの始動と同時にウォータポンプ２００が作動し、シリンダブロック１２０に設けられた燃焼室周囲ウォータジャケット１１２とバイパスウォータジャケット１１３とに冷却液が導通する。これらの冷却液は、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２とバイパスウォータジャケット１１３との合流部１１４で合流して、シリンダヘッド１３０に設けられたヘッドウォータジャケット１１６に導通する。エンジン１００の内部で該エンジン１００から熱を奪って高温になり、ヘッドウォータジャケット１１６から排出された冷却液は、ラジエータ３５０で外気との熱交換により冷却されてウォータポンプ２００に再導入される。なお、ラジエータ３５０には、冷却液の温度が所定の温度に達していない場合に該ラジエータ３５０をバイパスするバイパス流路を設けてもよい。

ここで、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２とバイパスウォータジャケット１１３とを導通する冷却液の比率は、エンジンの特性に応じて適当に設定すれば良く、特に限定されない。一例として、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２における冷却液の導通量を約６０％から７０％とし、バイパスウォータジャケット１１３の冷却液の導通量を約４０％から３０％とする等がある。

（冷却液の流路とその制御の一変形例）
図８に冷却液の流路とその制御の一変形例を示す。図８に示すように、主冷却液入口１１０には、冷却液が所定温度以上又は所定圧力以上である場合に、冷却液を通過可能とするバルブ（弁構造）１２０ｃを設けてもよい。これに対し、副冷却液入口１１１は、冷却液の温度及び圧力に拘わらず、冷却液を流通可能とする。

このようにすると、エンジンの始動直後等の、暖機途上においては、燃焼室周囲ウォータジャケット１１２、すなわち、シリンダブロック１２０内の冷却液の流通を停止させることができる。これにより、シリンダブロック１２０の過冷却を防止できる一方、比較的に昇温が速いヘッドウォータジャケット１１６、すなわち、シリンダヘッド１３０内の燃焼室壁は、バイパスウォータジャケット１１３から流入した冷却液によって、該燃焼室壁温の過上昇を防止することができる。

本発明に係る内燃機関（エンジン）の冷却構造は、シリンダブロックを迂回するバイパスウォータジャケットが必要な用途等に適用することができる。

１００ エンジン（内燃機関）
１１０ 主冷却液入口
１１１ 副冷却液入口
１１２ 燃焼室周囲ウォータジャケット
１１２Ａ 燃焼室周囲ウォータジャケットの下端部
１１２ａ 燃焼室側ウォータジャケット
１１２ｂ 反燃焼室側ウォータジャケット
１１３ バイパスウォータジャケット
１１３ａ 貫通部
１１４ 合流部
１１５ ヘッドウォータジャケット入口
１１６ ヘッドウォータジャケット
１１７ ヘッドウォータジャケット出口
１１８ シリンダライナ
１２０ シリンダブロック
１２０ａ ヘッドボルト穴
１２０ｂ クランクケース
１２０ｃ バルブ（弁構造）
１２１ クランク軸
２００ ウォータポンプ（冷却液供給手段）
２００ａ ポンプ入口
３００ ウォータジャケットスペーサ
３００ａ スペーサ上部
３００ｂ スペーサ下部
３００ｃ 仕切部

Claims (4)

1. シリンダブロックの燃焼室の周囲を囲むように設けられた燃焼室周囲ウォータジャケットと、シリンダヘッド内に設けられたヘッドウォータジャケットとを備えた内燃機関の冷却構造であって、
   前記燃焼室周囲ウォータジャケットは、前記内燃機関のクランク軸方向の一端側に設けられた主冷却液入口と接続された冷却液供給手段により供給される冷却液がクランク軸方向の他端側に向かって流れる縦流型のウォータジャケットであり、
   前記ヘッドウォータジャケットは、前記燃焼室周囲ウォータジャケットとクランク軸方向の前記他端側で連通し、クランク軸方向の前記一端側に向かって冷却液が流れる縦流型のウォータジャケットであり、
   前記内燃機関は、冷却液が前記燃焼室周囲ウォータジャケットを迂回するためのバイパスウォータジャケットをさらに備え、
   前記バイパスウォータジャケットは、該バイパスウォータジャケットの上流端部に設けられた副冷却液入口に、前記冷却液供給手段から冷却液が直接に供給され、
   前記燃焼室周囲ウォータジャケットの下流端部には、前記バイパスウォータジャケットの下流端部と連通する合流部が前記シリンダブロック内に設けられており、
   前記燃焼室周囲ウォータジャケットには、該燃焼室周囲ウォータジャケットを燃焼室側ウォータジャケットと反燃焼室側ウォータジャケットとに区画するウォータジャケットスペーサが配設され、
   前記合流部は、前記反燃焼室側ウォータジャケットと連通していることを特徴とする内燃機関の冷却構造。
2. 前記バイパスウォータジャケットは、前記シリンダブロックにおける前記燃焼室周囲ウォータジャケットのエンジン上下方向の下端部よりも下側に一体に成型されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却構造。
3. 前記バイパスウォータジャケットは、前記副冷却液入口から前記シリンダブロックのクランク軸方向に略直管状に延び、前記シリンダブロックのシリンダライナの下端部よりも下側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の冷却構造。
4. 前記主冷却液入口には、前記冷却液が所定温度以上又は所定圧力以上であるときに、冷却液を通過可能な弁構造が設けられ、
   前記副冷却液入口は、冷却液の温度及び圧力に拘わらず、冷却液が流通可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の冷却構造。

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