JP5846135B2

JP5846135B2 - 内燃機関

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Publication number: JP5846135B2
Application number: JP2013017107A
Authority: JP
Inventors: 篤志野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: KR101639543B1; WO2014118627A1; JP2014148912A; EP2951412B1; IN2015DN03251A; CN104736810A; US9562492B2; BR112015009350A2; KR20150055060A; CN104736810B; US20150247472A1; EP2951412A1

Description

本発明は、独立した複数の冷却水通路を有するシリンダヘッドを備えた内燃機関に関する。

内燃機関は、高温のシリンダブロックのボア間にブロックウォータジャケットを形成し難いため、ボア間にキリ穴等からなるボア間冷却水通路を形成し、このボア間冷却水通路にブロックウォータジャケットから冷却水を導入するようにしている。

従来、ボア間を効率よく冷却するため、ブロック冷却水通路を、ボア間冷却水通路を介してシリンダヘッドの上段ウォータジャケットに連通した内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この内燃機関は、高温の燃焼室に臨むシリンダヘッドの下方を下段ウォータジャケットによって冷却した後、下段ウォータジャケットの冷却水を上段ウォータジャケットに供給するようになっている。

このため、ボア間冷却水通路を下段ウォータジャケットよりも低圧な上段ウォータジャケットに導くことで、ブロック冷却水通路と上段ウォータジャケットの差圧を大きくしてボア間冷却水通路の流量（流速）を増加させることができ、ボア間の冷却性能を向上させることができる。

特開２００２−１６８１４７号公報

しかしながら、このような従来の内燃機関にあっては、上段ウォータジャケットから流出される冷却水がラジエータ等の熱交換器を介して内燃機関に循環するものと考えられる。このため、上段ウォータジャケットから流出される冷却水がラジエータを流通するときに流動抵抗が大きくなる。

したがって、上段ウォータジャケットとブロックウォータジャケットとの差圧を大きくすることができず、ボア間冷却水通路を流通する冷却水通路の流量を十分に増大させることができない。この結果、ボア間冷却水通路の冷却性能を向上させることができないおそれがある。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、ボア間冷却水通路を流れる冷却水の流量を増大させることができ、ボア間の冷却性能を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、上記目的を達成するため、（１）複数のシリンダボアに冷却水を供給するブロック冷却水通路および前記シリンダボアの間に冷却水を供給するボア間冷却水通路を有するシリンダブロックと、前記ブロック冷却水通路から冷却水が供給される第１の冷却水通路および前記第１の冷却水通路と独立して設けられ、前記ボア間冷却水通路から冷却水が供給される第２の冷却水通路を有するシリンダヘッドと、前記第１の冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器に導く第１の冷却水導入部と、前記第２の冷却水通路から流出される冷却水を前記熱交換器の下流側に導く第２の冷却水導入部と、上流端が前記第１の冷却水導入部に、下流端が前記熱交換器の下流側に接続されているバイパス配管と、前記熱交換器の下流に設けられ、前記バイパス配管に接続され、前記熱交換器を流通する冷却水量と前記バイパス配管を流通する冷却水量とを調整するサーモスタットと、を備え、前記第２の冷却水導入部の下流端が前記サーモスタットの下流側に接続されているものから構成されている。

この内燃機関は、シリンダヘッドの第１の冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器に導く第１の冷却水導入部と、ボア間冷却水通路を通してシリンダヘッドの第２の冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器の下流側に導く第２の冷却水導入部とを備えているので、第１の冷却水通路から流出される冷却水が熱交換器の抵抗を受け、第２の冷却水通路から流出される冷却水が熱交換器の抵抗を受けることがない。
このため、第１の冷却水通路を流れる冷却水の流動抵抗よりも第２の冷却水通路を流れる冷却水の流動抵抗を小さくすることができる。

したがって、ブロック冷却水通路と第２の冷却水通路との差圧をブロック冷却水通路と第１の冷却水通路との差圧よりも大きくすることができ、ボア間冷却水通路を流れる冷却水の流速を増大させてボア間冷却水通路を流れる冷却水の流量を増大させることができる。この結果、高温となるボア間の冷却性能を向上させることができる。

上記（１）に記載の内燃機関において、（２）前記第１の冷却水通路が、前記シリンダボアの上部と前記シリンダヘッドの下部によって囲まれる燃焼室の近傍に設けられた下段冷却水通路と、前記下段冷却水通路に連通し、前記下段冷却水通路の上方に設けられた上段冷却水通路とから構成され、前記第１の冷却水導入部が、前記上段冷却水通路および前記下段冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器に導くものから構成されている。

この内燃機関は、第１の冷却水通路が、燃焼室の近傍に設けられた下段冷却水通路と、下段冷却水通路に連通し、下段冷却水通路の上方に設けられた上段冷却水通路とから構成されるので、例えば、下段冷却水通路の通路面積を上段冷却水通路の通路面積よりも小さくすることで、下段冷却水通路を流れる冷却水の流速を増大させることができる。このため、高温となる燃焼室近傍のシリンダヘッドの部位を積極的に冷却することができ、シリンダヘッドの冷却性能を向上させることができる。

上記（１）または（２）に記載の内燃機関において、（３）前記熱交換器が、冷却水が流れるチューブを有し、冷媒と前記冷却水との間で熱交換を行うラジエータから構成されている。

この内燃機関の熱交換器が、冷却水が流れるチューブを有するラジエータから構成されるので、ラジエータのチューブを流れる冷却水の流動抵抗が増大する。このため、第２の冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器の下流側に導く第２の冷却水導入部を設けることにより、第２の冷却水通路を流れる冷却水の流動抵抗を第１の冷却水通路を流れる冷却水の流動抵抗よりも小さくすることができる。

本発明によれば、ボア間冷却水通路を流れる冷却水の流量を増大させることができ、ボア間の冷却性能を向上させることができる内燃機関を提供することができる。

本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、内燃機関および冷却装置の概略構成図である。本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、内燃機関の断面図である。本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、内燃機関のシリンダブロックを示す図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、図２のシリンダブロックのＢ−Ｂ方向矢視断面図および同方向のシリンダヘッドの断面図である。本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、内燃機関および他の構成を有する冷却装置の概略構成図である。本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図であり、内燃機関および他の構成を有する冷却装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る内燃機関の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図６は、本発明に係る内燃機関の一実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１、図２において、内燃機関１０は、例えばガソリンエンジンであって、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを備えている。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とは、ヘッドガスケット１３を介して図示しないヘッドボルトによって締結されている。なお、内燃機関１０は、ディーゼルエンジン等であってもよい。

図２、図３に示すように、シリンダブロック１１には、シリンダブロック１１の長手方向に複数（図２には１つのみ示す）のシリンダボア１４が一列に並んで設けられており、シリンダボア１４には、ピストン１５が挿入されている。シリンダブロック１１には、冷却水が流通するブロック冷却水通路としてのブロックウォータジャケット１６が形成されており、ブロックウォータジャケット１６は、複数のシリンダボア１４を囲むように設けられている。

図２において、シリンダボア１４の上部とシリンダヘッド１２の下部によって囲まれる空間には燃焼室１７が設けられており、シリンダヘッド１２には燃焼室１７に対向して点火プラグ１８が取り付けられている。

燃焼室１７には、吸気ポート１９および排気ポート２０が接続されている。吸気ポート１９と燃焼室１７との間には吸気バルブ２１が設けられており、吸気バルブ２１を開閉駆動することにより、吸気ポート１９と燃焼室１７とが連通または遮断される。

また、排気ポート２０と燃焼室１７との間には排気バルブ２２が設けられており、排気バルブ２２を開閉駆動することにより、排気ポート２０と燃焼室１７とが連通または遮断される。これら吸気バルブ２１および排気バルブ２２の開閉駆動は、図示しないクランクシャフトの回転が伝達される吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの回転によって行われる。

シリンダヘッド１２には、冷却水が流通するウォータジャケットが形成されている。シリンダヘッド１２のウォータジャケットは、第１の冷却水通路を構成するメインウォータジャケット２３と第２の冷却水通路を構成するサブウォータジャケット２４を含んで構成されている。

メインウォータジャケット２３は、排気バルブ２２の周囲に形成された上段冷却水通路としての上段ウォータジャケット２５と、吸気ポート１９および排気ポート２０の周囲の領域であって、シリンダボア１４の上部とシリンダヘッド１２の下部とによって囲まれる燃焼室１７の近傍に設けられた下段ウォータジャケット２６とを含んで構成されている。

上段ウォータジャケット２５および下段ウォータジャケット２６の上流側は、連通して合流部を構成しており、この合流部は、シリンダブロック１１のブロックウォータジャケット１６の下流側に連通されている。
このため、ブロックウォータジャケット１６から上段ウォータジャケット２５および下段ウォータジャケット２６に冷却水が導入される。

また、下段ウォータジャケット２６の流路面積は、上段ウォータジャケット２５の流路面積よりも小さく形成されており、下段ウォータジャケット２６を流れる冷却水の流速は、上段ウォータジャケット２５を流れる冷却水の流速よりも速くなる。

また、図３、図４に示すように、シリンダボア１４の間のシリンダブロック１１の薄肉の部位（以下、ボア間２７という）にはドリル等によってボア間冷却水通路２８が形成されており、このボア間冷却水通路２８の上流端は、ブロックウォータジャケット１６に連通している。

サブウォータジャケット２４は、メインウォータジャケット２３と非連通となるようにメインウォータジャケット２３と独立して設けられている。このサブウォータジャケット２４は、点火プラグ１８を取り囲むようにして設けられるとともに（図２参照）、ボア間冷却水通路２８の下流端に連通している（図４参照）。

図１において、内燃機関１０には冷却装置２９が設けられており、この冷却装置２９は、熱交換器としてのラジエータ３０、電動ウォータポンプ３１、サーモスタット３２およびこれらラジエータ３０、電動ウォータポンプ３１、サーモスタット３２の間で冷却水を流通させる配管から構成されている。

なお、図１において、サブウォータジャケット２４、下段ウォータジャケット２６および上段ウォータジャケット２５の位置関係が図２と異なるが、実際の位置関係は、図２のようになっている。

シリンダヘッド１２の上段ウォータジャケット２５および下段ウォータジャケット２６の下流側は、連通して合流部を構成しており、この合流部は、メイン配管３３に接続されている。このメイン配管３３上にはラジエータ３０、電動ウォータポンプ３１およびサーモスタット３２が設けられており、上段ウォータジャケット２５から流出した冷却水は、ラジエータ３０に供給される。

本実施の形態の内燃機関１０は、メイン配管３３のうち、上段ウォータジャケット２５および下段ウォータジャケット２６とラジエータ３０とを連通する部位は、第１の冷却水導入部を構成する配管部３３ａを構成している。

ラジエータ３０は、冷却水が流通するチューブおよびチューブに設けられたフィンを備えており、チューブを流れる冷却水を冷媒としての空気と熱交換することにより、冷却水を冷却する機能を有する。

また、配管部３３ａにはバイパス配管３４の上流端が接続されており、このバイパス配管３４の下流端は、ラジエータ３０をバイパスしてラジエータ３０の下流側のサーモスタット３２に接続されている。

サーモスタット３２は、ラジエータ３０を流通する冷却水量とバイパス配管３４を流通する冷却水量とを調整するようになっている。
例えば、内燃機関１０の暖機運転時においてはバイパス配管３４の冷却水量を増加させて内燃機関１０の暖機を促進し、暖機完了後にはバイパス配管３４側の冷却水量を減少、または、バイパス配管３４側に冷却水をバイパスしないようにして内燃機関１０の冷却性能を向上させる機能を有している。

また、サブウォータジャケット２４の下流端から流出した冷却水は、第２の冷却水導入部としてのサブ配管３５に導入されるようになっており、このサブ配管３５の下流端は、メイン配管３３のうちでラジエータ３０とサーモスタット３２とを接続する配管部３３ｂに接続されている。このため、サブウォータジャケット２４から流出した冷却水は、ラジエータ３０を避けるようにしてラジエータ３０の下流側の配管部３３ｂに導かれる。

また、電動ウォータポンプ３１は、メイン配管３３およびサブ配管３５を通して内燃機関１０に冷却水を循環させるようになっており、図示しない制御回路によって駆動される。ここで、電動ウォータポンプ３１に代えて、内燃機関１０のクランクシャフトによって駆動される機械式のウォータポンプを用いてもよい。

次に、作用を説明する。
内燃機関１０の暖機運転時には、ブロックウォータジャケット１６を流れる冷却水が下段ウォータジャケット２６および上段ウォータジャケット２５に導入された後、下段ウォータジャケット２６および上段ウォータジャケット２５から配管部３３ａに流出する。

また、ブロックウォータジャケット１６を流れる冷却水は、ボア間冷却水通路２８を通してサブウォータジャケット２４に流れた後、サブウォータジャケット２４からサブ配管３５に流出する。

内燃機関１０の暖機運転には冷却水の温度が低いため、サーモスタット３２により冷却水がバイパス配管３４を通して内燃機関１０に導かれるため、内燃機関１０の暖機が促される。

また、内燃機関１０の暖機終了後には冷却水の温度が高温となるため、下段ウォータジャケット２６および上段ウォータジャケット２５から流出する冷却水がラジエータ３０に導かれ、ラジエータ３０によって冷却された冷却水がメイン配管３３を通して内燃機関１０に導入される。

また、サブウォータジャケット２４から流出する冷却水は、ラジエータ３０を避けて配管部３３ｂに導かれるが、この冷却水は、ラジエータ３０によって冷却された低温の冷却水に混合されることで温度が低下される。

このため、低温の冷却水によってシリンダブロック１１のシリンダボア１４およびボア間２７とシリンダヘッド１２とが冷却される。

一方、ボア間冷却水通路２８は、薄肉のボア間２７に形成されることから細径であるため、ボア間冷却水通路２８の上流側と下流側との差圧が大きい程、ボア間冷却水通路２８を流れる冷却水の流速を増大させてその流量を増大させることができる。

従来のように、シリンダヘッドの上段ウォータジャケットとシリンダブロックのブロックウォータジャケットをボア間冷却水通路で連通する場合には、下段ウォータジャケットから上段ウォータジャケットに導かれて上段ウォータジャケットから流出する冷却水がラジエータに導入されるため、冷却水がラジエータを流通するときに流動抵抗が大きくなる。
したがって、上段ウォータジャケットとブロックウォータジャケットとの差圧をより一層大きくすることができない。

また、ブロックウォータジャケットを流れる冷却水と上段ウォータジャケットを流れる冷却水との差圧を大きくするためには、ブロックウォータジャケット、上段ウォータジャケットおよび下段ウォータジャケットの形状を、ブロックウォータジャケットを流れる冷却水と上段ウォータジャケットを流れる冷却水との差圧が大きくなるような形状にする必要がある。

ところが、ブロックウォータジャケット、上段ウォータジャケットおよび下段ウォータジャケットの形状を、ブロックウォータジャケットを流れる冷却水と上段ウォータジャケットを流れる冷却水との差圧が大きくなるような形状にすると、ブロックウォータジャケット、上段ウォータジャケットおよび下段ウォータジャケットの形状が複雑になる。

このように形状が複雑になると、ブロックウォータジャケット、上段ウォータジャケットおよび下段ウォータジャケットを流れる冷却水の圧力損失が大きくなってしまい、内燃機関１０の冷却性能が悪化してしまうおそれがある。
このため、この点からも上部ウォータジャケットとブロックウォータジャケットとの差圧を大きくすることができない。

さらに、ブロックウォータジャケットに電動ウォータポンプから冷却水を供給する場合には、電動ウォータポンプの吐出容量を大きくすることが困難な場合に、内燃機関の高回転時に内燃機関に供給される冷却水の総量が少なくなるため、ボア間冷却水通路に供給される冷却水も少なくなってしまう。以上の結果、ボア間の冷却性能が低下してしまう。

このようにボア間の冷却性能が低下してしまうと、シリンダブロックが高温となってシリンダブロックの強度が低下してしまうとともに、ヘッドガスケットの耐久性が悪化してシリンダブロックとシリンダヘッドとのシール性が悪化してしまう。
これに加えて、ピストン１５を潤滑する潤滑油が高温となって粘性が低くなってしまい、ピストン１５の潤滑性能が悪化してしまうおそれもある。

これに対して、本実施の形態の内燃機関１０は、シリンダボア１４に供給する冷却水を供給するブロックウォータジャケット１６およびボア間２７に冷却水を供給するボア間冷却水通路２８を有するシリンダブロック１１と、ブロックウォータジャケット１６から冷却水が供給されるメインウォータジャケット２３およびメインウォータジャケット２３と独立して設けられ、ボア間冷却水通路２８から冷却水が供給されるサブウォータジャケット２４を有するシリンダヘッド１２を備えている。

また、内燃機関１０は、メインウォータジャケット２３から流出される冷却水をラジエータ３０に導く配管部３０ａと、サブウォータジャケット２４から流出される冷却水をラジエータ３０の下流側に導くサブ配管３５とを備えている。

このため、メインウォータジャケット２３から流出される冷却水がラジエータ３０のチューブの抵抗を受け、サブウォータジャケット２４から流出される冷却水がラジエータ３０のチューブの抵抗を受けることがない。

したがって、メインウォータジャケット２３を流れる冷却水の流動抵抗よりもサブウォータジャケット２４を流れる冷却水の流動抵抗を小さくすることができ、ブロックウォータジャケット１６とサブウォータジャケット２４との差圧をブロックウォータジャケット１６とメインウォータジャケット２３との差圧よりも大きくすることができる。

換言すれば、本実施の形態の内燃機関１０は、ボア間冷却水通路２８から流出する冷却水の流動抵抗を低下させるための専用のサブウォータジャケット２４を内燃機関１０に設けることにより、ボア間冷却水通路２８をメインウォータジャケット２３に連通させる場合に比べて、ボア間冷却水通路２８の上流側（シリンダブロック１１）と下流側（シリンダヘッド１２）との差圧を大きくすることができるのである。

この結果、ボア間冷却水通路２８を流れる冷却水の流速を増大させてボア間冷却水通路２８を流れる冷却水の流量を増大させることができ、高温となるボア間２７の冷却性能を向上させることができる。

このように本実施の形態の内燃機関１０は、ボア間２７の冷却性能を向上させることができるため、シリンダブロック１１の強度が低下してしまうのを防止することができるとともに、ヘッドガスケット１３の耐久性が悪化してシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とのシール性が悪化してしまうのを防止することができる。これに加えて、ピストン１５を潤滑する潤滑油の温度上昇を抑制して潤滑油の粘性が低くなるのを防止することができ、ピストン１５の潤滑性能が悪化するのを防止することができる。

また、本実施の形態の内燃機関１０は、メインウォータジャケット２３が、燃焼室１７の近傍に設けられた下段ウォータジャケット２６と、下段ウォータジャケット２６に連通し、下段ウォータジャケット２６の上方に設けられた上段ウォータジャケット２５とから構成され、配管部３３ａが、上段ウォータジャケット２５から流出される冷却水をラジエータ３０に導くものから構成されている。

このため、下段ウォータジャケット２６の流路面積よりも上段ウォータジャケット２５の流路面積を小さくすることで、下段ウォータジャケット２６を流れる冷却水の流速を増大させることができる。したがって、高温となる燃焼室１７近傍のシリンダヘッド１２の部位を積極的に冷却することができ、シリンダヘッド１２の冷却性能を向上させることができる。

なお、本実施の形態の内燃機関１０は、サブ配管３５の下流端をサーモスタット３２の上流側のメイン配管３３の配管部３３ｂに接続しているが、図５に示すように、サブ配管３５の下流端をサーモスタット３２の下流側のメイン配管３３に接続してもよい。

このようにすれば、サブウォータジャケット２４から流出した冷却水をラジエータ３０およびサーモスタット３２を避けてメイン配管３３に導入することができるため、サブウォータジャケット２４を流れる冷却水の流通抵抗をより一層低下させることができ、ブロックウォータジャケット１６とサブウォータジャケット２４との差圧をブロックウォータジャケット１６とメインウォータジャケット２３との差圧よりも効果的に大きくすることができる。

また、図６に示すように、メイン配管３３の配管部３３ａとサーモスタット３２の下流側のメイン配管３３との間に、ヒータコア４１を備えるヒータ配管４２を介装し、サブ配管３５の下流端をヒータ配管４２に接続するようにしてもよい。

このように構成してもサブウォータジャケット２４から流出した冷却水を、ラジエータ３０を避けてメイン配管３３に供給することができる。
なお、本実施の形態の内燃機関１０は、メインウォータジャケット２３を上段ウォータジャケット２５および下段ウォータジャケット２６から構成しているが、メインウォータジャケットは、同じ程度の高さに配列された複数のウォータジャケットから構成されてもよい。また、メインウォータジャケットは、１つでもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、ボア間冷却水通路を流れる冷却水の流量を増大させることができ、ボア間の冷却性能を向上させることができるという効果を有し、独立した複数の冷却水通路を有するシリンダヘッドを備えた内燃機関等として有用である。

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１４…シリンダボア、１６…ブロックウォータジャケット（ブロック冷却水通路）、１７…燃焼室、２３…メインウォータジャケット（第１の冷却水通路）、２４…サブウォータジャケット（第２の冷却水通）、２５…上段ウォータジャケット（上段冷却水通路）、２６…下段ウォータジャケット（下段冷却水通路）、２７…ボア間（シリンダボアの間）、３０…ラジエータ（熱交換器）、３３ａ…配管部（第１の冷却水導入部）、３５…サブ配管（第２の冷却水導入部）

Claims

複数のシリンダボアに冷却水を供給するブロック冷却水通路および前記シリンダボアの間に冷却水を供給するボア間冷却水通路を有するシリンダブロックと、
前記ブロック冷却水通路から冷却水が供給される第１の冷却水通路および前記第１の冷却水通路と独立して設けられ、前記ボア間冷却水通路から冷却水が供給される第２の冷却水通路を有するシリンダヘッドと、
前記第１の冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器に導く第１の冷却水導入部と、前記第２の冷却水通路から流出される冷却水を前記熱交換器の下流側に導く第２の冷却水導入部と、
上流端が前記第１の冷却水導入部に、下流端が前記熱交換器の下流側に接続されているバイパス配管と、
前記熱交換器の下流に設けられ、前記バイパス配管に接続され、前記熱交換器を流通する冷却水量と前記バイパス配管を流通する冷却水量とを調整するサーモスタットと、を備え、
前記第２の冷却水導入部の下流端が前記サーモスタットの下流側に接続されていることを特徴とする内燃機関。
前記第１の冷却水通路が、前記シリンダボアの上部と前記シリンダヘッドの下部によって囲まれる燃焼室の近傍に設けられた下段冷却水通路と、前記下段冷却水通路に連通し、前記下段冷却水通路の上方に設けられた上段冷却水通路とから構成され、
前記第１の冷却水導入部が、前記上段冷却水通路および下段冷却水通路から流出される冷却水を熱交換器に導くことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記熱交換器が、冷却水が流れるチューブを有し、冷媒と前記冷却水との間で熱交換を行うラジエータから構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。