JP2007182834A - シリンダブロックの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材が体積変化を繰り返しても損傷を確実に防止することができる容器を備えたシリンダブロックの冷却構造を提供する。
【解決手段】温度によって相変化した際に体積が変化する潜熱型の蓄熱材Ｘをスペーサ３の内部に封入し、このスペーサをウォータジャケット内に収容する。そして、スペーサを、外周面側が外方に開放する断面略ハット状のアルミニウム合金よりなる剛体部分３１と、その外方に開口する剛体部分３１を外方から覆う合成ゴム製の弾性体３２とによって断面袋状に成形している。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダブロックのシリンダ壁の周囲をウォータジャケットにより冷却するようにした冷却構造に関し、特に、ウォータジャケット内に収容される容器の内部での蓄熱材の体積変化による容器の破損を防止する対策に係わる。

一般に、内燃機関の始動時に、内燃機関の内部温度、特にシリンダ壁温や燃焼室温度が低くなっていると、ピストンの運動に対するフリクションロスが増大する上、排気組成が悪くなる。

そのため、従来より、シリンダブロックのシリンダ壁をその周囲から取り囲むような収容室を設け、この収容室内に潜熱型の蓄熱材を収容し、内燃機関の運転により発生する熱を蓄熱材に蓄えておき、その蓄熱材に蓄えた熱を次の内燃機関の始動時に放熱させて、シリンダブロックをシリンダ壁の周囲から暖機するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、シリンダブロックのシリンダ壁の周囲にはウォータジャケットが設けられているため、上述の如き蓄熱材を収容するための収容室がシリンダブロックのシリンダ壁の周囲に別途に設けられていると、ウォータジャケットの設置部位が制約を受け、ウォータジャケット内の冷却水によるシリンダの冷却性能が悪化するおそれがある。

かかる点から、潜熱型の蓄熱材を封入した容器をウォータジャケット内に収容し、冷却水によるシリンダ壁の冷却性能と、内燃機関の始動時におけるシリンダブロックの暖機性能とを両立できるようにしたものも提案されている。
特開平１１−１８２３９３号公報

ところが、前記提案のものでは、潜熱型の蓄熱材を封入した容器自体が合成樹脂などのハードケースにより成形されているため、内部の蓄熱材が体積変化を繰り返すうちに容器が損傷するおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蓄熱材が体積変化を繰り返しても損傷を確実に防止することができる容器を備えたシリンダブロックの冷却構造を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、シリンダブロックの冷却構造として、温度によって相変化した際に体積が変化する潜熱型の蓄熱材を容器の内部に封入している。そして、前記容器を、シリンダブロックのシリンダ壁の周囲を冷却するウォータジャケット内に収容し、前記容器の一部を弾性体により成形している。

この特定事項により、容器の一部が弾性体により成形されているので、容器の内部での蓄熱材の体積変化が弾性体の膨縮により円滑に吸収され、蓄熱材の体積変化の繰り返しによる容器の損傷を確実に防止することが可能となる。

また、弾性体の容器に対する成形位置として、シリンダブロックのシリンダ壁側とは反対側に位置させている場合には、形状変化し易い容器の一部がシリンダブロックのシリンダ壁側とは反対側に位置する一方、その容器の一部を除くその他の部分（弾性体を除く部分）がシリンダブロックのシリンダ壁側に位置することになり、前記容器の一部を除くその他の部分が形状変形し難いものであるためにその容器の弾性体を除く部分を挟んで蓄熱材とシリンダ壁との距離が安定し、内燃機関の始動時におけるシリンダブロックの暖機性能を安定して発揮することが可能となる。

更に、弾性体の熱伝導率を、容器から弾性体を除いた部分よりも低くしている場合には、内燃機関の始動時に放熱される蓄熱材の熱量が、容器の弾性体の部分から放熱し難くなって容器から弾性体を除いた部分から効率よく放熱されることになる。しかも、容器から弾性体を除いた部分がシリンダブロックのシリンダ壁側に位置している場合には、蓄熱材の熱量をシリンダブロックのシリンダ壁により一層効率よく受熱させることが可能となる。

以上、要するに、容器の一部を弾性体により成形することで、容器の内部での蓄熱材の体積変化を弾性体の膨縮により円滑に吸収し、蓄熱材の体積変化の繰り返しによる容器の損傷を確実に防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る冷却構造を備えた直列４気筒エンジンの各シリンダ１１，１１，…の周辺部を示すシリンダブロック１の平面図であって、シリンダ列とウォータジャケット２の配置状態とを示している（シリンダブロック１の外縁形状については省略している）。ここでは、図１において左端に位置する気筒を第１番気筒♯１とし、その右側に位置する気筒を第２番気筒♯２、更に、その右側に位置する気筒を第３番気筒♯３、そして、右端に位置する気筒を第４番気筒♯４として説明する。また、図１における下側を吸気側とし、上側を排気側として説明する。なお、気筒番号や吸排気の形態はこれに限るものではない。

本実施形態に係る直列４気筒エンジンのシリンダブロック１は、アルミニウム合金製であって、直列状態で配置された４個のシリンダ１１，１１，…が一体成形されてなる。そして、図２に示すように、各シリンダ１１，１１，…の内面つまりシリンダ壁１２，１２，…には、シリンダライナ１４がそれぞれ鋳込まれている。

また、図１に示すように、本実施形態に係るシリンダブロック１は、オープンデッキ型に構成されている。つまり、シリンダブロック１の頂面（シリンダヘッド側）にウォータジャケット２が開放されていると共に、このウォータジャケット２が、前記各シリンダ１１，１１，…の略全周囲を囲むようにシリンダブロック１の外壁と各シリンダ壁１２，１２，…との間に形成されている。

ウォータジャケット２には、ラジエータからの冷却水が導入される冷却水入口通路２１がシリンダ列方向の一端側（図１における左端側）、つまり、第１番気筒♯１の近傍に形成されている。そして、ウォータジャケット２における冷却水の主な流れとしては、この冷却水入口通路２１から導入された冷却水が各シリンダ１１，１１，…の配列方向に沿ってシリンダブロック１の片側（図１における下側である吸気側）を第１番気筒♯１から第４番気筒♯４に向かって流れ、この第４番気筒♯４の外周囲に沿って流れ方向が反転した後、再び、各シリンダ１１，１１，…の配列方向に沿ってシリンダブロック１の他方の片側（図１における上側である排気側）を第１番気筒♯１に向かって流れるようになっている。そして、この第１番気筒♯１の周囲に戻った冷却水は、この第１番気筒♯１の近傍に形成された出口１８，１９からシリンダヘッド１５（図２に表れる）に向かって導出されることになる。シリンダブロック１とシリンダヘッド１５との間にはガスケット１６（図２に表れる）が介在されており、前記出口１８，１９は、このガスケット１６及びシリンダヘッド１５にそれぞれ形成されていて、シリンダブロック１からシリンダヘッド１５に向かって冷却水の導入が可能となっている。

次に、前記ウォータジャケット２の内部に装着される容器としてのウォータジャケットスペーサ３（以下、単にスペーサと呼ぶ）について説明する。

このスペーサ３は、ウォータジャケット２の全周囲に亘って嵌め込まれるように環状を呈しており、その略上下方向の高さ寸法がウォータジャケット２の略上下方向の高さ寸法に対して若干小さく設定されている。このスペーサ３は、断面袋状に成形され、その袋の厚さがウォータジャケット２の厚さ方向の寸法と略一致している。そして、スペーサ３の内部には、例えば酢酸ナトリウム・３水和物（ＣＨ₃ＣＯＯＮａ・３Ｈ₂Ｏ）からなる潜熱型の蓄熱材Ｘ（作動流体）が封入されている。

このスペーサ３内に封入される蓄熱材Ｘは、融点（５８゜Ｃ）を越える温度状態から融点以下の温度状態に冷却しても液相から固相に相変化を起こさず、マイナス２０゜Ｃ〜マイナス３０゜Ｃ程度まで潜熱を蓄えたまま過冷却状態となる特性を有している。また、スペーサ３には、蓄熱材Ｘの相変化を促すように稼動する発核装置４（後述する）が配設されている。そして、シリンダブロック１（エンジン）の温度が低下し、蓄熱材Ｘが過冷却状態にあるときに、エンジンの始動時に発する振動により発核装置４が稼動すると、蓄熱材Ｘの固相への相変化が促され、速やかに潜熱が放出されるようになっている。また、蓄熱材Ｘは、固相への相変化により潜熱の放出を終えてシリンダブロック１からの熱を受け、融点を越える温度状態から液相へ相変化して潜熱を蓄え、高温になるに従い体積が増加するようになっている。この場合、蓄熱材Ｘは、温間時（融点を越える温度状態）に液相となって体積が増加する一方、冷間時（過冷却状態から融点までの温度状態）に固相となって体積が減少する上、液相状態にあるときにシリンダブロック１からの熱を受けて高温になるに従い体積が増加するようになっている。

そして、図３および図４に示すように、前記スペーサ３の内部には、蓄熱材Ｘの相変化を促すように稼動する発核装置４が収容されている。この発核装置４は、蓄熱材収容容器１４内に設けられた金属よりなる円柱形状のシャフト部材４１と、このシャフト部材４１の両端に取り付けられたストッパ部材４２ａ，４２ｂと、このストッパ部材４２ａ，４２ｂ間においてシャフト部材４１の外周面上に空隙を存してシャフト部材４１の軸線ｍ方向に移動可能に支持された円筒形状のカラー部材４３と、このカラー部材４３をシャフト部材４１上においてストッパ部材４２ａ，４２ｂ間の略中央に位置させるように均衡状態に付勢する付勢スプリング４４ａ，４４ｂと、前記シャフト部材４１との間の空隙を埋めるようにカラー部材４３の内周面の一側端（図３および図４では上端）および他側端（図３および図４では下端）にそれぞれ取り付けられ、内燃機関１の始動時に発する振動により付勢スプリング４４ａ，４４ｂによる均衡状態を解除させてシャフト部材４１上を前記カラー部材４３が移動する際にシャフト部材４１の外周面に対し密接状態で摺動して扱く円環形状の金属製扱き部材４５，４５とを備えている。この各金属製扱き部材４５は、シャフト部材４１の外周面に対し鋭角な頂点を接触させるように円錐形状に形成されている。

前記一方の付勢スプリング４４ａ（図３および図４では上側のもの）は、一方のストッパ部材４２ａ（図３および図４では上側のもの）とカラー部材４３の一側端面（図３および図４では上端面）との間に縮装されている。一方、他方の付勢スプリング４４ｂ（図３および図４では下側のもの）は、他方のストッパ部材４２ｂ（図３および図４では下側のもの）とカラー部材４３の他側端（図３および図４では下端面）との間に縮装されている。

また、図４に示すように、前記カラー部材４３は、内燃機関１の始動時に発する振動により付勢スプリング４４ａ，４４ｂによる均衡状態を解除させてシャフト部材４１上を摺動する際に金属製扱き部材４５，４５がシャフト部材４１の外周面を扱いて新生面を過冷却状態の蓄熱材Ｘに直に接触させることによって、蓄熱材Ｘを発核させるように発核装置４を稼動させている。この発核装置４の稼動により、蓄熱材Ｘの固相への相変化が促され、速やかに潜熱がシリンダブロック１１に対し放出されるようになっている。この場合、発核装置４は、内燃機関１の始動時に発する振動により付勢スプリング４４ａ，４４ｂによる均衡状態が解除されてカラー部材４３がシャフト部材４１の軸線ｍ方向に移動し易い向きとなるように、シャフト部材４１の軸線ｍを略上下方向に延ばして取り付けられている。

そして、前記スペーサ３は、外周面側が外方に開放する断面略ハット状のアルミニウム合金よりなる剛体部分３１と、その外方に開口する剛体部分３１を外方から覆う合成ゴム製の弾性体３２とによって断面袋状に成形されている。また、スペーサ３の内周面側に位置する剛体部分３１の底部は、ウォータジャケット２の内周面（シリンダ壁１２）に接触している一方、外周面側に位置する弾性体３２は、ウォータジャケット２の内周面側とは反対側に位置するウォータジャケット２の外周面（シリンダブロック１の外壁側面）に隙間Ｓを存して対向している。この場合、合成ゴムよりなる弾性体３２の熱伝導率は、アルミニウム合金よりなる剛体部分３１よりも低くなっている。

また、図３に示すように、スペーサ３の弾性体３２は、冷間時に体積が減少する蓄熱材Ｘの体積変化に応じて収縮し、ウォータジャケット２の外周面に対し隙間Ｓを存して離間するようになっている一方、図４に示すように、温間時に体積が増加する蓄熱材Ｘの体積変化に応じて隙間Ｓをなくすように膨張し、ウォータジャケット２の外周面に対し接触するようになっている。そして、ウォータジャケット２の高さ寸法に対して高さ寸法が若干小さく設定されたスペーサ３は、ウォータジャケット２の内部に挿入された状態で前記ガスケット１６及びシリンダヘッド１５がシリンダブロック１に組み付けられると、ウォータジャケット２の底部にスペーサ３の下端が当接した状態で保持されてそのスペーサ３の上方に冷却水経路２０が確保されることになり、シリンダヘッド１５の燃焼室側の冷却が円滑に行えるようになっている。

したがって、前記実施形態では、スペーサ３は、外周面側が外方に開放する断面略ハット状のアルミニウム合金よりなる剛体部分３１と、その外方に開口する剛体部分３１を外方から覆う合成ゴム製の弾性体３２とによって断面袋状に成形されているので、スペーサ３内での蓄熱材Ｘの体積変化が弾性体３２の膨縮により円滑に吸収され、蓄熱材Ｘの体積変化の繰り返しによるスペーサ３の損傷を確実に防止することができる。

また、スペーサ３の剛体部分３１の底部がウォータジャケット２の内周面（シリンダ壁１２）に接触している一方、スペーサ３の弾性体３２がウォータジャケット２の外周面（シリンダブロック１の外壁側面）に隙間Ｓを存して対向しているので、形状変化し易いスペーサ３の弾性体３２がシリンダブロック１の外壁側に位置する一方、形状変化し難い剛体部分３１の底部がシリンダブロック１のシリンダ壁１２側に位置することになり、スペーサ３の剛体部分３１を挟んで蓄熱材Ｘとシリンダ壁１２との距離が接触した状態で安定し、エンジンの始動時におけるシリンダブロック１の暖機性能を安定して発揮することができる。

更に、合成ゴムよりなる弾性体３２の熱伝導率が、アルミニウム合金よりなる剛体部分３１よりも低いので、エンジンの始動時に放熱される蓄熱材Ｘの熱量が、スペーサ３の外周面側（弾性体３２側）から放熱し難くなってスペーサ３の剛体部分３１から効率よく放熱され、このスペーサ３の内周面側（剛体部分３１の底部）がシリンダブロック１のシリンダ壁１２に接触していることと相俟って蓄熱材Ｘの熱量をシリンダブロック１のシリンダ壁１２に効率よく受熱させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、前記実施形態では、自動車用直列４気筒ガソリンエンジンに本発明を適用した場合について説明したが、エンジンとしては自動車用に限らず、その他の用途に使用されるものに対しても本発明は適用可能である。また、気筒数は４気筒に限らず、エンジン形式も直列型に限らず、Ｖ型や水平対向型等にも適用可能である。

更に、上記実施形態では、スペーサ３の剛体部分３２をアルミニウム合金により成形したが、剛体部分がＰＰ（ポリプロピレン）やＰＡ（ポリアミド）などの合成樹脂により成形されていてもよい。

本発明の実施形態に係わる冷却構造を用いたエンジンの各シリンダ周辺部を示すシリンダブロックの平面図である。 図１のＡ−Ａ線において切断した断面図である。 稼働前の状態を示す発核装置付近の断面図である。 稼働状態を示す発核装置付近の断面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
１１ シリンダ
１２ シリンダ壁
３ スペーサ（容器）
３１ 剛体部分（容器の一部を除くその他の部分）
３２ 弾性体（容器の一部）
Ｘ 蓄熱材（作動流体）

Claims (3)

1. 温度によって相変化した際に体積が変化する潜熱型の蓄熱材が容器の内部に封入されており、
   前記容器は、シリンダブロックのシリンダ壁の周囲を冷却するウォータジャケット内に収容され、前記容器の一部が弾性体により成形されていることを特徴とするシリンダブロックの冷却構造。
2. 請求項１に記載のシリンダブロックの冷却構造において、
   前記弾性体は、前記シリンダブロックのシリンダ壁側とは反対側に位置することを特徴とするシリンダブロックの冷却構造。
3. 請求項１または請求項２に記載のシリンダブロックの冷却構造において、
   前記弾性体の熱伝導率は、前記容器から前記弾性体を除いた部分よりも低いことを特徴とするシリンダブロックの冷却構造。

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