JPH05272337A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関の冷却水系統の任意部分の冷却効率
を局所的に向上させる手段を提供する。 【構成】 内燃機関１０の内部冷却水通路に通水管１を
挿入し、通水管１の一端を冷却水通路壁面と所定距離だ
け隔てて位置させ、通水管の他端を通水管１の両端で圧
力差が生じる冷却水通路部分６に位置させて通水管１を
通る冷却水流を生じさせる。この水流により通水管端部
近傍の冷却水通路壁面では冷却水流速が増大し、壁面と
冷却水との熱伝達率が増大するためこの部分で冷却効果
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の冷却装置に関
し、詳細には、内燃機関冷却通路部分の任意の部位の壁
面温度を制御可能な冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関においては、機関内部
に冷却水通路を設け、冷却水ポンプにより冷却水通路内
に冷却水を循環させてシリンダや燃焼室壁面の冷却を行
う。この場合、冷却水通路壁面における熱伝率は冷却水
流速、すなわち冷却水流量が増大する程高くなり冷却効
果が向上する。このため、通常、冷却水ポンプは内燃機
関のクランク軸から適宜な手段を用いて駆動され、機関
回転数に略比例する冷却水流量を生じるようにされる。
これにより機関が高速運転されて発生熱量が増大すると
冷却水流量も増大して、冷却水通路壁面での熱伝達率も
増大することから大きな冷却効果が得られ、燃焼室等の
壁温を低く保つことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、機関内部の
冷却水通路は一般に複雑な形状をしているため、冷却水
流量が増加しても壁面での流速は一様に増大するわけで
はなく、冷却水通路の形状によっては流量が増加しても
流速が増大しない部分が生じることがある。このような
部分では、機関高速運転時に発生熱量が増大しても冷却
水通路壁面での熱伝達率が増大しないため局所的に壁温
が上昇する部分が生じることになる。

【０００４】特に、最近では機関性能向上のために機関
の高圧縮比化や多弁化が行われているため機関燃焼室近
傍やシリンダ壁上部近傍では冷却水通路形状が複雑にな
り易い。特に排気弁を多弁化した場合にはそれぞれのシ
リンダの、排気ポートと排気ポートとで挟まれた部位の
冷却水通路は構造上流速が増加し難くなるため、この部
分の燃焼室壁温が上昇しやすくなる問題が生じる。

【０００５】このため高速運転時には、この部分の燃焼
室壁温が過度に上昇してノックやプレイグニションの発
生等の問題を生じる恐れがある。この問題を防止するた
めには冷却水流量を大幅に増大することによりこの部分
の流速を或る程度増大させることが必要となるが、この
ためには容量の大きな冷却水ポンプを用いて余分な冷却
水流量を流す必要があり、コスト上昇やポンプ駆動損失
の増大による燃費の悪化等の問題が生じる。

【０００６】更に冷却水通路形状は各気筒で同一ではな
く、冷却水流速もそれぞれ異なるため燃焼室壁温は、１
つの気筒内で不均一になる部分が生じるだけでなく、各
気筒間でも差を生じている。このような状態で上述のよ
うに冷却水流量を増大させると冷却水通路の流速が増加
しやすい部分では必要以上に熱伝達率が増加して温度が
低下するため、同一気筒内での燃焼室壁温の不均一や各
気筒間での壁温の差がますます拡大されてしまい、熱歪
の増加による機関耐久性の低下が生じる恐れがある。

【０００７】本発明は、上記問題を解決し、冷却水ポン
プの容量の増大や各部位での温度差の拡大を伴うことな
く、冷却水通路の任意部分の冷却効果を増大させること
ができる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内燃機
関内部冷却水通路に冷却水通水管を挿入し、該通水管の
一端を冷却水通路壁面との間に所定の冷却水流路面積を
確保するように配置し、該通水管の他端を冷却水通路の
他の部分であって前記通水管の前記一端の位置する部分
と冷却水圧力差を生じる部分に配置し、前記冷却水通水
管を通して冷却水流を生じさせるようにしたことを特徴
とする内燃機関の冷却装置が提供される。

【０００９】好ましくは上記通水管の途中には通水管を
流れる冷却水の温度を下げるための冷却手段が設けられ
る。また、通水管を用いて冷却水流を生じさせる代わり
に機関内部に通水路を形成して冷却水流を生じさせるよ
うにしても良い。

【００１０】

【作用】冷却水通水管の一端は冷却水通路壁面との間に
所定の冷却水流路面積を生じる位置に配置されているた
め、通水管両端の圧力差により通水管に流入、又は通水
管から流出する冷却水は、上記一端が配置された部分の
壁面と通水管端部との間で所定の流速を生じるようにな
る。このため、冷却水通路内の流速が遅い場合でも通水
管端部近傍の壁面部分での冷却水流速を増加させること
ができるため、局部的に壁面での熱伝達率を増大させる
ことができる。

【００１１】

【実施例】図１に本発明による内燃機関の冷却装置の一
実施例の略示図を示す。図において１０はエンジンを示
し、１０ａはエンジンのシリンダブロック、１０ｂはシ
リンダヘッド、１１はエンジンの各気筒を示す。本実施
例ではエンジン１０は４つの気筒を備えた４気筒エンジ
ンであり、各気筒１１のシリンダヘッド部には、それぞ
れ２つの排気ポート３ａ，３ｂと２つの吸気ポート（図
示せず）が備えられた４弁構造とされている。

【００１２】また、図１に矢印で示したのはエンジン１
０内部の冷却水通路を示す。本実施例では冷却水はラジ
エータ７から入口配管６を通じてエンジン１０のフロン
ト側に設けた冷却水ポンプ９に吸入され、エンジンシリ
ンダブロック１０ａとシリンダヘッド１０ｂの両方の内
部の冷却水通路をリヤ側に向けて圧送され、エンジン各
部分を冷却する。冷却水はこの後エンジンシリンダヘッ
ド１０ｂリヤ側から出口配管８に吐出され、ラジエータ
７で冷却される。エンジン１０内部では冷却水はシリン
ダブロック１０ａ及びシリンダヘッド１０ｂ内をフロン
ト側からリヤ側に向けてエンジンの軸線に沿った方向に
流れる他、シリンダヘッドガスケット２に設けた冷却水
孔２ａを通ってシリンダブロック１０ａからシリンダヘ
ッド１０ｂ内に流入する。

【００１３】上記のように冷却水をエンジン１０内に軸
線に沿って流すことにより冷却水の平均流速を容易に高
めることができるため全体として熱伝達率を高くした効
率的な冷却が可能となっている。しかし、本実施例のエ
ンジンでは、各気筒にそれぞれ２つの排気ポート３ａ，
３ｂを有する構造であり、シリンダヘッド１０ｂ内の冷
却水通路形状はこれら排気ポート３ａ，３ｂ近傍では複
雑になっているため、この付近で冷却水が流れ難い部分
が生じている。

【００１４】図２は、エンジン１０の気筒燃焼室部分の
形状を示し、図２Ｂは燃焼室平面形状を、図２Ａは図２
ＢのＡ−Ａ線に沿ったシリンダヘッド断面と冷却水通路
４を示す。前述のように冷却水はエンジン軸線方向に沿
って流れる。しかし、排気ポート３ａ，３ｂが軸線方向
に配置されているため、冷却水はこの部分で図２Ｂに矢
印で示したように排気ポートを迂回して流れる。このた
め、シリンダヘッド１０ｂ内の冷却水通路４の両排気ポ
ートの間の部分（図２Ａ，２Ｂに点線Ｓで示した領域）
では、冷却水が滞留しやすくなり冷却水流量が増えても
流速が増大し難くなる。このため、高負荷高回転運転時
にはこの部分の燃焼室壁温が局部的に上昇しやすくなり
前述の問題が生じる。

【００１５】本実施例では図１に示すようにこの部分に
通水管１を挿入することにより燃焼室壁温の上昇を防止
している。図１の実施例では通水管１は一端が各気筒の
排気ポート３ａ，３ｂの中間部分の冷却水通路４に挿入
され、他端は冷却水の入口配管６に接続されている。シ
リンダヘッド部の冷却水通路４は冷却水ポンプ９の吐出
圧になっているため、入口配管６より高圧になってい
る。このため、冷却水通路４内の冷却水は一部が通水管
１を通って吸い出され入口配管６に流入することにな
る。

【００１６】図３に通水管１の挿入部の詳細を示す。図
３は、図２Ａと同様の断面図を示し、図示するように通
水管１は排気ポート３ａ，３ｂの中間部分に、壁面から
平均距離ｈ_m だけ離して配置される。本実施例では、平
均距離ｈ_m は、通水管の内径ｄに対してｈ_m ≒ｄ／４と
なるように設定されている。この理由を以下に説明す
る。いま、通水管１端部と壁面との間から通水管１内に
流入する冷却水は、通水管の内径ｄと平均距離ｈ_m とで
決まる円筒の側面から流入することになる。この円筒側
面の面積πｄｈ_m が通水管の管路断面積πｄ² ／４より
小さいと管路に対して余分な流入抵抗を与えることにな
り、逆に面積πｄｈ_m が大きいと、通水管１入口部近傍
での壁面流速が充分に上昇しない。従って、流入抵抗を
増大させない範囲で壁面近傍での流速を最大にするため
に上記円筒側面の面積と管路断面積とを同等にすること
が好ましい。このため、πｄｈ_m ≒πｄ² ／４からｈ_m
≒ｄ／４となり、このときに最も壁面近傍の流速が高く
なり大きな熱伝達率が得られることになるのである。

【００１７】図５は、通水管１の両端に加わる差圧ΔＰ
を一定に保持したままで壁面からの距離ｈ_m を変えた場
合の熱伝達率αの実測値の変化傾向を示す。図５からわ
かるように、熱伝達率αはｈ_m ＝ｄ／４近傍で最大とな
りｈ_m ＜ｄ／８又はｈ_m ＞３ｄ／８の領域では急激に減
少する。従って平均距離ｈ_m はｄ／８≦ｈ_m ≦３ｄ／８
の範囲、すなわちｄ／４±５０％の範囲に設定するのが
適切である。

【００１８】なお、前述のように通水管端面と壁面との
間の距離を平均距離ｈ_m で代表させるようにしているの
は通水管端面と壁面とが平行でない場合を考慮したもの
である。平均距離ｈ_m を使用するようにした結果、図１
２に示すように両排気ポート間が凹形状にくぼんでいる
ような場合にも通水管１を壁面に接触させ、かつｄ／８
≦ｈ_m ≦３ｄ／８、すなわちｈ_m ＝ｄ／４±５０％の関
係を満足させることが可能となり、熱伝達率αの増大だ
けでなく、通水管１と壁面との接触部での熱伝導によっ
ても壁面から熱を奪うことができ、壁面の冷却効果が一
層向上される。

【００１９】また、図１３に示すように通水管１の端面
が通水管軸線に直角でなく、斜め（図１３Ａ）、球状
（図１３Ｂ）等に切断されている場合や切欠等を有する
特殊形状（図１３Ｃ）の場合には、通水管端面の配置は
以下のように決定する。すなわち、通水管１端部の管内
径部と壁面との間に形成される冷却水流路面積をＳとし
たときにＳ≒πｄ² ／４とした場合に壁面近傍での流速
が高くなり最も熱伝達率αが増大する。また、前述のよ
うに流路面積Ｓはπｄ² ／８≦Ｓ≦３πｄ² ／８、すな
わちＳ＝πｄ² ／４±５０％の範囲に設定するのが適切
である。

【００２０】従って流路面積Ｓを上記範囲に設定してい
れば、図１２と同様、通水管１の端面が壁面と接触して
いても良く、これにより更に壁面の冷却効果を向上させ
ることができる。通水管１の内径ｄは通水管１内を流れ
る冷却水流量、すなわち壁面近傍での流速を決める上で
重要であるため、各エンジン型式に応じて実験により最
適な管径を決定することが好ましい。

【００２１】図４は、通水管１の内径ｄの決定方法の一
例を示す。図４は前述のｈ_m ＝ｄ／４の関係を保ちなが
ら通水管の内径ｄを変化させた場合の高速全負荷運転時
の、排気ポート中間部での冷却水通路壁面温度Ｔc と通
水管を通る流量（吸い出し流量）Ｑv との関係を示して
いる。図４に示すように通水管１の内径ｄを増大させる
につれて壁温Ｔc は低下し、流量Ｑv は増大する。しか
し、流量Ｑv の増大に対する壁温Ｔc の減少率は徐々に
鈍くなり図４Ａ点近傍では頭打ちになってくる。従って
図４Ａ点に相当する管径に通水管の内径ｄを設定すれば
最も効率的に壁面温度を減少させることができる通水管
内径ｄを得ることができる。なお、ゴミや異物の詰まり
等による閉塞を防止するためには通水管の内径ｄは最小
限３mm以上とすることが好ましい。

【００２２】図６，図７は上記により決定した管径ｄの
通水管を用いてｈ_m ＝ｄ／４に設定した場合の図１の冷
却装置の効果を示す実測結果である。図６は全負荷運転
（スロットル弁全開）時の各回転数における第３気筒の
燃焼室壁温Ｔc を排気ポート中間部分（ＥＸ−ＥＸ）と
吸気ポート中間部分（ＩＮ−ＩＮ）について示してい
る。また図中点線で示したのは通水管１を設けない場合
（従来例）の同一条件下での測定結果を示す。また、図
７は図６と同一条件下で回転数を６０００rpm （略１０
０％回転数）とした全負荷運転時の各気筒について図６
と同様な測定を行った結果を示す。

【００２３】図６からわかるように、本発明によれば、
全回転数領域にわたり排気ポート中間部分（ＥＸ−Ｅ
Ｘ）の燃焼室壁温を低下させることができる。更に、図
６，図７からわかるように排気ポート部分に通水管１を
設けた場合には吸気ポート中間部分（ＩＮ−ＩＮ）の燃
焼室壁温は従来からほとんど変化していない。すなわ
ち、本発明によれば通水管１を設けた部分の壁温のみを
選択的に低下させ、他の部分の壁温にはほとんど影響が
生じていない。このため、従来冷却が不充分になりがち
であった部分のみを効果的に冷却できるため、他の部分
との温度差が減少し、熱歪の発生を防止することができ
る。

【００２４】なお、本実施例では通水管の径ｄは各気筒
で同一としているため、各気筒間で燃焼室壁温Ｔc にば
らつきが生じているが（図７参照）、各気筒で通水管径
ｄを変え、温度が高い気筒では管径ｄを増大して流量を
増すようにすれば各気筒間での燃焼室壁温Ｔc のばらつ
きを低減することが可能となる。また、本実施例では、
排気ポート中間部分に通水管を設けた場合について示し
たが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の部
分、例えばシリンダボア上部のように高温になりやすい
部分や、燃焼室の吸気ポート側スキッシュ部等のように
できるだけ低温にしたい部分等に通水管を配置してその
部分だけを選択的に冷却することも可能である。

【００２５】次に図８，図９に本発明の第二の実施例を
示す。本実施例は、いわゆる吸気先行冷却式の冷却装置
を有するエンジンに本発明を適用した場合を示す。吸気
先行冷却とは、図８に示すように、ラジエータ出口から
の低温の冷却水をまずシリンダヘッドの吸気ポート側の
冷却水通路（先行冷却通路）に流し、その後ウォータポ
ンプで昇圧してシリンダブロックやシリンダヘッドの排
気ポート側の冷却水通路に流すようにしたものである。
これにより、吸気ポート側には常にラジエータ出口の低
温冷却水が流れるため吸気ポートを常に低温に保持する
ことができる。図９は吸気先行冷却系統に本発明を適用
した場合の例を示す。本実施例では排気ポート側冷却水
通路２４と吸気ポート側の先行冷却通路２６とを通水管
２１で連結している。本実施例においても排気ポート側
では、通水管先端は図１の実施例と同様各気筒の排気ポ
ート中間部分に配置されている。また吸気ポート側では
通水管先端は、壁面温度をできるだけ低く保つことが好
ましい燃焼室スキッシュ部２８の壁面部分に配置され
る。なお、本実施例においても通水管の両端部は、壁面
近傍の流速が最大になるように、前述の実施例と同様、
壁面との平均距離ｈ_m がｄ／８≦ｈ_m ≦３ｄ／８（通水
管端面が軸線に対して直角に形成されている場合）、又
は壁面との間の流路面積Ｓがπｄ² ／８≦Ｓ≦３πｄ²
／８となるように（通水管端面が軸線に対して直角でな
い場合）設定されている（ｄは通水管内径）。

【００２６】また通水管１を設けずに、図１４に示すよ
うにシリンダヘッド内に冷却水通水路２１を形成して排
気ポート側冷却水通路２４と吸気ポート側先行冷却水通
路２６とを連通するようにしても良い。この場合通水管
を用いた場合のように通水路２１開口端を壁面に近接配
置できない場合があるが、排気ポート中間部分と燃焼室
スキッシュ部近傍の流速を極力高められるような位置に
通水路を配置すれば同様の冷却効果の向上が得られる。

【００２７】前述のように先行冷却通路２６は、ウォー
タポンプ２３の入口側であるため排気ポート側冷却水通
路２４より低圧になっている。従って本実施例では冷却
水は通水管２１により排気ポート側冷却水通路２４から
吸い出され、先行冷却水通路２６に噴き出されることに
なる。このため、本実施例では、図１の実施例と同様に
排気ポート間の燃焼室壁温を低下させることができるの
みならず、吸気ポート側の通水管２１先端付近の壁面で
も冷却水流速が増大し、燃焼室スキッシュ部の壁温を低
下させることができる。これにより図１の実施例と同等
の冷却水流量で排気ポート側と吸気ポート側の燃焼室壁
温を同時に低下させることができ、吸気ポート側スキッ
シュ部の燃焼室壁温低下により、ノッキングの大幅な低
減を図ることができる。

【００２８】なお、ノッキング低減の目的でスキッシュ
部の燃焼室壁温のみを低下させたい場合には通水管２１
の吸い出し側の先端は排気ポート側冷却水通路壁面に近
接して設ける必要はなく、ウォータポンプ吐出側の任意
の位置に設けることができる。次に図１０は本発明の第
三の実施例を示す。

【００２９】本実施例では図１の実施例と同様排気ポー
ト側冷却水通路に通水管３１を設け、吸い出しを行って
いるが、排気ポート側冷却水通路のエンジン出口部分に
オリフィス又は流量制御弁３２を設け、通水管３１をラ
ジエータ３４とオリフィス又は流量制御弁３２との間の
冷却水配管３３に接続している点が図１の実施例と相違
する。冷却水配管３３では流量制御弁３２により冷却水
の圧力が低下しているため、通水管３１を通って冷却水
が配管３３内に流入する。これにより通水管３１により
吸い出された冷却水もラジエータを通過するようにでき
るため、通水管３１の配置個所や流量を増大させた場合
の水温上昇を防止することができる。

【００３０】次に図１１は、排気ポート側の冷却水通路
に図１の実施例と同様な通水管４１を設けた第４の実施
例であるが通水管４１の他端は冷却水ポンプ４３の吐出
側であるシリンダブロック内の冷却水通路から取り出し
た集合管４４に接続している。このため本実施例では通
水管４１内の流れは図１の場合と逆になり、排気ポート
側で噴き出し冷却が行われる。

【００３１】なお、これらの場合においても通水管３１
あるいは４１と壁面との距離ｈ_m はｄ／８≦ｈ_m ≦３ｄ
／８とされる。また、図示していないが、図１及び図９
の実施例においては、通水管の途中に冷却フィンやサブ
ラジエータ等の冷却装置を設け、通水管を通る冷却水の
温度を低下させるようにすれば壁温がその分だけ低下し
て更に有利であり、また通水管の配置個所や流量を増大
させた場合の水温上昇を防止することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、上述のように通水管を用いて
冷却水通路の任意部分の壁面での冷却水流速を増大させ
るようにしたことにより、冷却系統の任意の部分の冷却
効果を選択的に向上させることができ、機関のノッキン
グやプレイグニションの防止、熱歪の低減等に優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す略示図である。

【図２】図１の内燃機関の燃焼室部分の詳細図である。

【図３】図１の通水管部分の拡大図である。

【図４】通水管内径と冷却水流量及び燃焼室壁温との関
係を示す図である。

【図５】通水管先端と壁面との間の距離ｈ_m による壁面
の熱伝達率の変化を示す図である。

【図６】本発明による燃焼室壁温低減効果を示す図であ
る。

【図７】本発明による燃焼室壁温低減効果を示す図６と
同様な図である。

【図８】本発明の第二の実施例を示す略示図である。

【図９】図８の実施例の通水管配置を示す図である。

【図１０】本発明の第三の実施例を示す略示図である。

【図１１】本発明の第四の実施例を示す略示図である。

【図１２】図１の通水管先端部の配置の他の実施例を示
す拡大図である。

【図１３】通水管端面の形状例を示す図である。

【図１４】図９において通水管のかわりに通水路を設け
た例を示す図である。

【符号の説明】

１…通水管 ３ａ，３ｂ…排気ポート ７…ラジエータ ９…冷却水ポンプ １０…エンジン １０ａ…シリンダブロック １０ｂ…シリンダヘッド １１…シリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福永 博之 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 所 雅美 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関内部冷却水通路に冷却水通水管
   を挿入し、該通水管の一端を冷却水通路壁面との間に所
   定の冷却水流路面積を確保するように配置し、該通水管
   の他端を冷却水通路の他の部分であって前記通水管の前
   記一端の位置する部分と冷却水圧力差を生じる部分に配
   置し、前記冷却水通水管を通して冷却水流を生じさせる
   ようにしたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記冷却水通水管の途中に冷却手段を設
   けた請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 【請求項３】 内燃機関内部冷却水通路壁面近傍の部分
   と、冷却水通路の他の部分であって前記冷却水通路壁面
   近傍の部分と冷却水圧力差を生じる部分とを連通する通
   水路を設け、該通水路を通して冷却水流を生じさせるよ
   うにしたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。