JP6561486B2

JP6561486B2 - 内燃機関の冷却ファン構造

Info

Publication number: JP6561486B2
Application number: JP2015026733A
Authority: JP
Inventors: 森　正樹; 正樹森
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: CN105889127B; JP2016148316A; CN105889127A

Description

本発明は、自動二輪車等の車両におけるエンジン、特に強制空冷式のエンジンに好適な内燃機関の冷却ファン構造に関するものである。

所謂、スクータ等の自動二輪車等に搭載される内燃機関において、その放熱部であるシリンダ及びシリンダヘッドをシュラウドで覆い、クランクシャフトの軸端部に設けた冷却ファンでシュラウド内に冷却風を導入し、その冷却風をシリンダヘッドまわりにあてる冷却構造がある。この例の自動二輪車を始めとして、家電製品等を含めて遠心式の冷却ファンを用いる強制空冷式の冷却装置が種々使用されている。

なお、例えば特許文献１に記載のものにおいて、これは空気調和機等の適用例ではあるが、空気が流入する前縁部と、空気が流出する後縁部とを有し、周方向に互いに間隔を隔てて設けられる複数の羽根部を備え、羽根部は、前縁部と後縁部との間で延びる翼断面形状の中心線が複数箇所で屈曲してなり、後縁部よりも前縁部に近い領域に配置される屈曲部を有している。そして、屈曲部が前縁部と後縁部とを結ぶ方向において、折れ方向が交互に反対方向となるように形成される遠心ファンにより、送風能力の向上を図ろうとしている。

特許第４７６１３２３号公報

従来車両の冷却装置において冷却ファンでシュラウド内に導入した冷却風によりシリンダヘッドまわりを冷却するが、一方で冷却ファンの送風効率等は、その駆動エネルギー等との関係で燃費等に著しく影響するため極めて重要な要素である。従来では特に冷却ファン自体における形状との関係で、冷却ファンの効率に配慮したものは実質的になく、冷却ファンの回転翼もしくは回転羽根の出口角度あるいは羽根高さの調整等に留まっていたのが実情であった。

なお、特許文献１に係る遠心ファンでは回転翼もしくは回転羽根が屈曲部で折れ曲がっているため、流入空気の通路面積が狭くなり、送風量が低下せざるを得ない等の問題があった。

本発明はかかる実情に鑑み、簡素な構成としながら、有効にファン効率を向上し得る内燃機関の冷却ファン構造を提供することを目的とする。

本発明による内燃機関の冷却ファン構造は、エンジンのクランクシャフトの動力によって一体回転する冷却ファンを備えた内燃機関の冷却ファン構造であって、前記冷却ファンは前記クランクシャフトの軸端部に同軸に設定された回転軸のまわりに回転する複数の回転羽根を有し、前記回転羽根は、半径方向内側縁が半径方向外側縁よりも回転方向前側に位置する遠心ファンであり、各前記回転羽根は前記回転軸の軸方向視で、その回転方向前端側がかぎ型状に湾曲形成され、前記かぎ型の開口部は、前記冷却ファンの回転方向における正圧側に開設されていることを特徴とする。

本発明によれば、実質的に回転羽根の形状のみの変更により、ファン効率を有効に向上し、装置の簡素化及び軽量化等を図ることができる。

本発明に係る自動二輪車の全体構成を示す側面図である。本発明に係る自動二輪車におけるパワーユニットの構成例を示す前方斜視図である。本発明に係る自動二輪車におけるパワーユニットの構成例を示す右側面図である。本発明に係る自動二輪車におけるパワーユニットの構成例を示す平断面図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの右方斜視図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの左方斜視図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの右方正面図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの回転羽根を通る図７Ａの縦断面図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの左方正面図である。本発明の内燃機関の冷却ファン構造に係る冷却ファンの回転羽根を通る図８Ａの縦断面図である。

以下、図面に基づき、本発明による内燃機関の冷却ファン構造における好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る車両としての自動二輪車の側面図である。先ず、図１を用いて、自動二輪車の全体構成について説明する。なお、図１を含め、以下の説明で用いる図においては、必要に応じて車両の前方を矢印Ｆｒにより、車両の後方を矢印Ｒｒにより示し、また、車両の側方右側を矢印Ｒにより、車両の側方左側を矢印Ｌにより示す。

車両１００は、鋼製あるいはアルミニウム合金製でなる複数の車体フレームにより車体骨格が形成され、車体フレームに対する各種部品の艤装を経て構成される。詳細図示を省略するが、車体フレームの一部であるダウンチューブは、その前端がステアリングヘッドパイプに結合しており、ステアリングヘッドパイプから略下方向に向けて延出し、その下端部付近でアンダーフレーム１０１と接続する。このアンダーフレーム１０１は略後方に延出する。アンダーフレーム１０１の後部側には、車体フレームの一部として左右一対で構成されるリヤフレーム１０２が結合し、その一対のそれぞれが概して後上方に傾斜して延出する。

また、ステアリングヘッドパイプは、フロントフォーク１０３を左右方向に回動可能に支持し、フロントフォーク１０３の上方にはハンドルバー１０４が固定されると共に、下端側には前輪１０５が回転可能に支持される。前輪１０５には、これと一体回転するブレーキディスク１０６が装備される。

更に、アンダーフレーム１０１の後端には、エンジン１１（詳しくは図２等参照）を含むパワーユニット１０を支持するためのブラケットが付設形成され、このブラケットに設けたステー１０７を介して、スイング軸１０８のまわりに上下方向に揺動可能にスイング式パワーユニット１０が支持される。なお、パワーユニット１０は、エンジン１１の後述するシリンダアセンブリや、クランクケース及びベルト／プーリを用いてなる無段変速機を内包する動力伝動装置をユニット化したものであり、その車両前方側にてステー１０７に揺動可能に連結し、車両後方側にて動力伝動装置により後輪１０９を回転可能に支持する。後輪１０９の車軸側とリヤフレーム１０２との間はショックアブソーバ１１０によって連結され、パワーユニット１０全体としてスイングアームとして機能する。

また、図１に示されるようにパワーユニット１０の上方には、ライダーが着座するためのシート１１１が設置され、アンダーフレーム１０１の上方にはシート１１１に着座したライダーが足を載せるステップボード１１２が、ステップフレームに支持される。なお、ステップボード１１２は車両外観を構成するレッグフレームカバー１１３と一体的に形成される。また、パワーユニット１０とシート１１１との間には、シート１１１により開閉される物品等の収納スペースとして構成されたラゲッジボックスを有している。

車両外観としては、各種車体カバーが車体フレーム等の適所に支持されて被着される。フロントレッグシールド１１４は車両前面側を覆うと共にウィンカ等が実装され、上述のステップボード１１２と一体的に連なる。リヤフレームカバー１１５はシート１１１の下方乃至車両後方側を覆うと共に、ウィンカやブレーキランプが実装される。前輪１０５及び後輪１０９の上方はそれぞれフロントフェンダ１１６及びリヤフェンダ１１７によって覆われる。

次に、図２〜図４等を参照してパワーユニット１０について説明する。図２はパワーユニット１０の前方斜視図、図３はシュラウドを取り外した状態の右側面図、図４は平断面図である。パワーユニット１０の基本構成において空冷式４サイクル単気筒エンジン１１を有し、このエンジン１１は本例では例えばＳＯＨＣエンジンとする。エンジン１１は、左右方向に水平配置されるクランクシャフト１２（図２では一点鎖線により略記する）を回転自在に支持・収容するクランクケース１３と、クランクケース１３に対して前方に順次シリンダ１４、シリンダヘッド１５及びシリンダヘッドカバー１６が結合し、そのシリンダ軸線Ｚが略水平方向に設定される。この場合、シリンダヘッド１５側が適度に高くなるようにシリンダ１４のシリンダ軸線Ｚはかなり前傾して、即ち略水平に近いかたちで傾斜する。

クランクシャフト１２の軸端部にはエンジン冷却用の遠心式の冷却ファン１７が軸着されており、この冷却ファン１７が後述のように冷却風を発生する。この場合、所定の冷却風流路を形成すべく、シリンダ１４、シリンダヘッド１５及び冷却ファン１７がシュラウド１８によって覆われる。このためシリンダ１４及びシリンダヘッド１５におけるシュラウド１８によって覆われた部位は、図２のように実質的に外観に現われない。

パワーユニット１０は更に、クランクケース１３と一体的に結合する動力伝動装置１９を含み、この動力伝動装置１９としてベルト及びプーリ等を用いてなる無段変速機を有する。この例では図４のようにクランクケース１３は左右２つ割りに分割構成され（クランクケース１３Ｒ、クランクケース１３Ｌ）、動力伝動装置１９のケーシング２０はクランクケース１３Ｌと結合する。ケーシング２０内にはベルト及びプーリ等を含んでなる無段変速機が配置構成され、クランクシャフト１２と後輪１０９の車軸とが動力伝動装置１９によって連結される。

また、図２等では図示を省略するが、動力伝動装置１９の上面側にはエアクリーナ等を含んでなる吸気系が配置構成される。この吸気系において、エアクリーナからその前方に順次、吸気ホース、スロットルボディ及びインテークパイプ（吸気管）等が接続される。このインテークパイプは、図２に示されるシリンダヘッド１５のインテークポート（吸気ポート）２１に連通し、これらの部材により構成される吸気通路を介して、エアクリーナからシリンダヘッド１５のインテークポート２１に清浄化された空気が供給される。なお、インテークパイプの途中適所には燃料噴射装置が装着され、インテークポートに向けて燃料を噴射するようになっている。

一方、エンジン１１からの排気ガスを排気する排気系において、この例ではシリンダヘッド１５の下面側にはエキゾーストポート（排気ポート）が設けられる。このエキゾーストポートには、エキゾーストパイプ（排気管）が結合する。エキゾーストパイプはエキゾーストポートとの接続部から一旦右方へ延出し、その後、後方へ湾曲して更に冷却ファン１７の下方付近を通って後方へ延設される。エキゾーストパイプは更に、車両後部においてマフラ２２（図１参照）に接続する。エンジン１１内で生成された燃焼ガスが排気ガスとして、エキゾーストポートからエキゾーストパイプを通り、最終的にマフラ２２から排気される。

次に、パワーユニット１０を冷却する冷却系において、前述のようにシリンダ１４、シリンダヘッド１５及び冷却ファン１７はシュラウド１８によって覆われる（図２、図４等参照）。つまり、冷却ファン１７を含めシリンダ１４及びシリンダヘッド１５は、図４に示されるようにシュラウド１８により囲繞される。シュラウド１８は合成樹脂あるいはプラスチック材料により形成され、クランクケース１３やシリンダブロックの外壁適所にビス等の固定手段によってぴったりと、即ち基本的には取付相手であるシリンダブロック等との接合部に隙間が生じないように取付固定される。シリンダ１４等の外周面から突設された各冷却フィン２３（図３、図４参照）の頂部とシュラウド１８の内面とは、一定の隙間が形成されるように間隔が開けられている。

ここで、クランクシャフト１２は、図４において一点鎖線により略記するが、クランクケース１３Ｒ及びクランクケース１３Ｌによって、ベアリングを介して回転自在に支持される。この例では図４のようにクランクシャフト１２の右側の軸端部側に冷却ファン１７が一体的に結合し、この冷却ファン１７には、図３にも示されるようにクランクシャフト１２を中心とする周方向に沿って複数の回転羽根２４が配設される。なお、この回転羽根２４等を含む冷却ファン１７の詳細については後述するものとする。冷却ファン１７は、クランクシャフト１２と一体回転するように結合する。冷却ファン１７のエンジン１１内方側にオルタネータ２５（図４において二点鎖線により概略図示する）が隣接配置され、該オルタネータ２５のロータ（図示せず）がクランクシャフト１２に同軸に固定され、クランクシャフト１２と一体回転する。

シュラウド１８の形状等に関して、冷却ファン１７に対応するシュラウド１８の右側部には、冷却ファン１７の回転軸（クランクシャフト１２）と同心の空気導入開口部１８ａが開設される。シュラウド１８は空気導入開口部１８ａから更にシリンダヘッド１５の右側面対応部位まで、その側壁１８ｂ（右側壁）が前方へ延出する。シュラウド１８の側壁１８ｂは、平面視において図４に示されるように左右幅で空気導入開口部１８ａから先端に向って幅狭になる、つまり側壁１８ｂは、図４の平面視で前方に向けてシリンダ軸線Ｚに接近するように大きな曲率半径で湾曲形成される。

上記構成の冷却構造を持つ冷却系における基本的な作用等について概略説明すると、エンジン１１が始動してクランクシャフト１２が回転すると、クランクシャフト１２の軸端部側に取り付けられた冷却ファン１７の回転羽根２４が、図３の矢印Ａのように回転する。これにより冷却ファン１７の周囲の空気が巻き込まれて、空気導入開口部１８ａからシュラウド１８内へ図４の矢印Ａ_INのように導入される。冷却風の主流は矢印Ａ₁のようにシュラウド１８の内壁に沿ってシリンダヘッド１５方向へと流れる。冷却風はその後、上方及び下方等に分岐し、それらの分岐した冷却風はシリンダ１４及びシリンダヘッド１５の周囲を通り抜けて、冷却風排風口から排出される。

さて、本発明の内燃機関の冷却ファン構造において、上述のように放熱部であるシリンダ１４及びシリンダヘッド１５をシュラウド１８で覆い、クランクシャフト１２の動力によって一体回転する冷却ファン１７で冷却風をシュラウド１８内に導入して、強制的にシリンダ１４及びシリンダヘッド１５まわりにあてて冷却する。

本発明では特に、図５及び図６に示されるように冷却ファン１７は、その回転軸２６のまわりに配設された複数の回転羽根２４を有する。なお、図５は冷却ファン１７を右方から見た斜視図であり、図６は冷却ファン１７を左方（クランクシャフト１２側）から見た斜視図である。各回転羽根２４は回転軸２６の軸方向視で、その回転方向（図５、矢印Ａ）前端側がかぎ型状に湾曲形成されている。ここで、冷却ファン１７の回転軸２６は図５等において一点鎖線により略記するが、クランクシャフト１２の右側の軸端部側に同軸に設定される。

冷却ファン１７は、回転方向に沿って所定ピッチ間隔で配設された複数の回転羽根２４と、クランクシャフト１２の右側の軸端部側に支持されるベース部２７と、回転羽根２４を挟んでベース部２７とは回転軸２６の軸方向反対側に配置される補強円環部２８とを含んで構成され、これらは合成樹脂材料により一体成形することができる。ベース部２７は回転軸２６を中心とする概略円盤状を呈し、具体的な取付構造として例えば、クランクシャフト１２の右側の軸端部に固着したブラケットに対して、複数の取付用ボス部２９にてボルト等によって締結するものであってよく、ベース部２７はクランクシャフト１２と同期回転する。また、補強円環部２８はリング状もしくはドーナッツ状を呈する。

図７Ａは冷却ファン１７を右方から見た正面図であり、図７Ｂは回転羽根２４を通るの縦断面図である。また、図８Ａは冷却ファン１７を左方から見た正面図であり、図８Ｂは回転羽根２４を通るの縦断面図である。これらの図も参照して、ベース部２７と補強円環部２８は同心配置され、ベース部２７の外径が補強円環部２８の内径と略一致する。回転羽根２４のかぎ型状に湾曲形成された部位、即ちその前端側には開口部３０を有する。各回転羽根２４の開口部３０は、冷却ファン１７の回転方向における正圧側（図７Ｂにおいて特定の回転羽根２４について図示し、正圧側を（＋）で、また負圧側を（−）でそれぞれ示すが、全ての回転羽根２４について同様である）に開口する。

また、各回転羽根２４の前端側にてかぎ型を形成する円弧部３１を有し、この円弧部３１は冷却ファン１７の回転軸２６を指向して配置される。円弧部３１は回転羽根２４の回転方向前端に位置し、回転軸２６に対向するように形成される。

また、図５及び図６に示されるように各回転羽根２４は、回転軸２６方向に幅あるいは高さを持ち、回転軸２６の先端側（右方側）で補強円環部２８を介して相互に連結される。この場合、かぎ型の開口部３０が、補強円環部２８の内方側まで突設される。換言すると開口部３０が形成される回転羽根２４の前端側は、補強円環部２８とは直接繋がっておらず、図７Ａのように補強円環部２８の内方に露呈する。

一方、各回転羽根２４は回転軸２６の基端側（左方側）で、ベース部２７を介して相互に連結され、その回転方向前端側が該ベース部２７に接続される。この場合、回転羽根２４の回転方向後端側は図７Ｂ及び図８Ｂ等に示されるように、開口部３０から補強円環部２８の外周側に向けて概略弓状に湾曲して延設され、該補強円環部２８に接続される。より具体的には回転羽根２４の回転方向後端側は、円弧部３１の略中心を通る回転軸２６に関する半径方向に対して回転方向と反対方向へなびくように形成するとよい。なお、かかる回転羽根２４の形状効果として、導入される空気流に対する整流作用に寄与する。

更に、各回転羽根２４は回転軸２６の軸方向視で、かぎ型の開口部３０とは反対側の負圧側（図７Ｂにおいて（−）で示す）にリブ３２が設けられる。本例では回転羽根２４の回転方向後端側の上述した弓状曲部位に１又は複数、本例では２つのリブ３２を有し、各回転羽根２４の負圧側においてかぎ型状部位から回転方向後端までの間に、これらのリブ３２により凹部３３が形成される。この場合、リブ３２は図７Ｂ及び図８Ｂ等に示されるように、回転羽根２４（の回転方向後端側）に対して鋭角で交差するように形成するとよい。なお、かかる回転羽根２４及びリブ３２の形状効果として、導入される空気流に対する整流作用に寄与する。これらの回転羽根２４及びリブ３２、凹部３３等について、各図において特定のものについて符号を付するが、全ての回転羽根２４について同様である。

本発明の内燃機関の冷却ファン構造は上記のように構成されており、次にその主要な作用効果等について説明する。先ず、クランクシャフト１２を駆動源として冷却ファン１７の回転羽根２４が回転すると（例えば図３、矢印Ａ）、冷却ファン１７の周囲の空気が巻き込まれて、空気導入開口部１８ａからシュラウド１８内へ導入される。その際、回転羽根２４の前端側から正圧側（図７Ｂ、（＋）領域）に流れる風は、かぎ型の開口部３０に発生する小渦によって整流され、これにより空気抵抗が減少する。

この場合、円弧部３１は回転羽根２４の回転方向前端に位置し、冷却ファン１７の回転軸２６を指向して配置される。このように回転羽根２４の回転方向前端側に大きな円弧部３１を設けることで、回転羽根２４が風を切る際の空気抵抗が減少する。そして、回転羽根２４の空気抵抗が減少することで、所謂メカロス（機械的損失）が低減し、冷却ファン１７の作動効率（ファン効率）を高め、結果として燃費性能向上等にも寄与することができる。

また、冷却ファン１７のかぎ型の開口部３０が、補強円環部２８の内方側まで突設されている。空気導入開口部１８ａからシュラウド１８内へ導入される空気に対して、回転羽根２４のかぎ型状の部位が補強円環部２８よりも内方へ張り出しているため、補強円環部２８自体によって邪魔されることなく、導入される空気の風を効率よく集めることができ、これにより冷却ファン１７として送風量が増加する。

更に、かぎ型の開口部３０とは反対側の負圧側（図７Ｂ、（−）領域）にリブ３２を設け、該かぎ型から回転方向後端まで凹部３３を設けている。回転羽根２４の言わば、裏側に凹部３３を設けて、凹部３３に小渦を発生させることで、導入される風の剥離を抑えて整流し、空気抵抗が減少する。この場合にも回転羽根２４の空気抵抗が減少することで、冷却ファン１７の作動効率を高めることができる。

以上説明したように回転羽根２４は、かぎ型の開口部３０を持つ回転方向前端側がベース部２７に接続されると共に、その回転方向後端側が補強円環部２８に接続される。実質上、別部品等を追加することなく回転羽根２４の形状のみの変更工夫により、簡素な構成でありながら、冷却ファン１７としての送風量は従来品と変わらずに、つまり送風量を同等以上に確保しながら回転羽根２４の枚数を実質的に少なくすることができる。このように冷却ファン１７の送風性能を確保維持した上で、装置の軽量化等を図ることができ、その際、回転羽根２４の枚数が減ることで、導入される空気の風の通路面積が広がり、この点でも空気抵抗が減少する。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
上記実施形態における回転羽根２４やこれに設けるリブ３２の数量等は図示例のもののみに限定されず、必要に応じて増減可能である。

１０パワーユニット、１１エンジン、１２クランクシャフト、１３クランクケース、１４シリンダ、１５シリンダヘッド、１６シリンダヘッドカバー、１７遠心式冷却ファン、１８シュラウド、１９動力伝動装置、２０ケーシング、２１インテークポート、２３冷却フィン、２４回転羽根、２５オルタネータ、２６回転軸、２７ベース部、２８補強円環部、２９取付用ボス部、３０開口部、３１円弧部、３２リブ、３３凹部、１００車両。

Claims

エンジンのクランクシャフトの動力によって一体回転する冷却ファンを備えた内燃機関の冷却ファン構造であって、
前記冷却ファンは前記クランクシャフトの軸端部に同軸に設定された回転軸のまわりに回転する複数の回転羽根を有し、
前記回転羽根は、半径方向内側縁が半径方向外側縁よりも回転方向前側に位置する遠心ファンであり、
各前記回転羽根は前記回転軸の軸方向視で、その回転方向前端側がかぎ型状に湾曲形成され、
前記かぎ型の開口部は、前記冷却ファンの回転方向における正圧側に開設されていることを特徴とする内燃機関の冷却ファン構造。
前記回転羽根の回転方向前端に位置して前記かぎ型を形成する円弧部を有し、この円弧部は前記冷却ファンの前記回転軸に対向するように該回転軸を指向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却ファン構造。
各前記回転羽根は、その基端側が前記クランクシャフトの前記軸端部に設定される前記回転軸の先端側で補強円環部を介して相互に連結され、前記かぎ型の前記開口部が、前記補強円環部の内方側まで突設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却ファン構造。
各前記回転羽根は前記回転軸の軸方向視で、前記かぎ型の前記開口部とは反対側の負圧側に複数のリブを突設し、該かぎ型から回転方向後端まで前記リブ相互間で凹状を呈して形成される凹部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の冷却ファン構造。
各前記回転羽根は前記回転軸の基端側でベース部を介して相互に連結され、その回転方向前端側が該ベース部に接続されると共に、その回転方向後端側が前記補強円環部に接続されることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の冷却ファン構造。