JP6459502B2 - エンジンの冷却液循環構造 - Google Patents

Description

この発明は、例えばディーゼルエンジン等のエンジンに適用される冷却液循環構造に関する。

エンジンのシリンダブロックやシリンダヘッド等を冷却する冷却液循環構造の一例は、シリンダブロックに形成されたウォータジャケットやウォータポンプを含んでいる。ラジエータによって冷却された冷却液は、ウォータポンプによってウォータジャケットに供給される。シリンダブロックやシリンダヘッドを冷却して温度が上昇した冷却液は再びラジエータに送られて冷却され、ラジエータからウォータポンプを経て再びウォータジャケットに供給される。一般的なウォータポンプは、クランクシャフトの回転に連動するプーリ等の動力伝達機構によって回転する。このためエンジンが回転している間、ウォータポンプは常に回転してポンプ動作を行なっている。

特許文献１あるいは特許文献２にウォータポンプの一例が記載されている。例えばウォータポンプの下流側（吐出側流路）にサーモスタット弁が配置されている場合には、冷却液の温度が低いときサーモスタット弁が閉じることにより、低温の冷却液がラジエータからウォータジャケットに供給されることを回避できる。エンジン温度が上昇し、ラジエータから供給される冷却液の温度が所定温度（例えば６０℃）よりも高くなると、サーモスタット弁が開くことにより、冷却液がウォータジャケットに供給される。特許文献３には暖機運転のためのショートカット通路を備えたエンジンの冷却装置が開示されている。

特開２０１４−１６３２２５号公報 特開２００９−７４３８１号公報 特開２００６−１６１７８２号公報

クランクシャフトの回転に連動するウォータポンプを用いた冷却液循環構造において、前記したようにサーモスタット弁の下流側にウォータポンプが配置されている場合には、サーモスタット弁が閉じればウォータポンプが回転していても、低温の冷却液がウォータジャケットに供給されることはない。しかしウォータポンプやサーモスタット弁のレイアウトの都合上、ウォータポンプがサーモスタット弁の下流側（サーモスタット弁とウォータジャケットとの間）に配置されることもある。その場合、冷却液が低温のときにウォータポンプが回転すると、低温の冷却液がウォータジャケットやシリンダヘッドに送られてしまう。このため暖機運転中のエンジンの温度が上がりにくいことがあり、暖機運転に要する時間が長くかかるという点で改善の余地があった。特許文献３では、シリンダブロック内に仕切壁を形成することによってショートカット通路を形成しているため、ウォータポンプやサーモスタットバルブの位置が変更になると、仕切壁のためにシリンダブロック自体を変更しなければならず、大掛かりな対策が必要となる。

従って本発明の目的は、暖機運転等のエンジン冷態時においてエンジン温度が上昇することを促進できる冷却液循環構造を提供することにある。

本発明の１つの実施形態の冷却液循環構造は、ウォータジャケットと冷却液導入口および冷却液流出口を有するシリンダブロックと、前記冷却液導入口に冷却液を供給するウォータポンプと、前記ウォータポンプの吸入側流路に通じる流入室と、前記流入室と前記ウォータジャケットとの間に形成されたバイパス流路と、冷却液の温度に反応する感熱部を有し、冷却液の温度が所定値以下の状態において前記バイパス流路を開放する第１の位置に移動し、冷却液の温度が所定値を越えた状態において前記バイパス流路を規制する第２の位置に移動するバイパス弁とを具備している。そしてこの実施形態は、前記ウォータジャケット内に配置されるウォータジャケットスペーサをさらに有し、前記ウォータジャケットスペーサは、前記ウォータジャケット内に配置された状態において前記ウォータジャケットの底部からシリンダヘッドに向かってシリンダボアの軸線方向に突出する凸部を有し、該凸部によって前記ウォータジャケット内の流路が前記冷却液導入口に通じる第１流路と前記冷却液流出口に通じる第２流路とに仕切られている。さらに前記バイパス流路と前記流入室との間に形成され前記バイパス弁が配置されるバイパス室と、シリンダヘッドの冷却液の流路と前記バイパス室とをつなぐ第２の戻り流路を備えている。

この実施形態において、前記流入室の流入口とラジエータとをつなぐ第１の戻り流路と、前記流入口に配置され冷却液の温度が所定値より低い状態において閉じるサーモスタット弁とを備えてもよい。あるいは前記流入室と前記ウォータジャケットとをつなぐ第３の戻り流路と、該第３の戻り流路に通じるヒータおよびＥＧＲクーラとを備えてもよい。

本発明に係るエンジンの冷却液循環構造によれば、エンジンの冷態時にウォータポンプが回転しても、低温の冷却液がウォータジャケットやシリンダヘッド等の冷却液の流路に供給されることを抑制することができ、暖機運転等においてエンジンの温度を比較的早く上昇させることができる。

シリンダブロックの一例を示す斜視図。 図１に示されたシリンダブロックの正面図。 ウォータジャケットスペーサの斜視図。 シリンダブロックとウォータジャケットスペーサ等を模式的に示す斜視図。 １つの実施形態に係るシリンダブロックとポンプユニット等を模式的に示す断面図。 図５に示されたポンプユニットを拡大して示す断面図。

以下に１つの実施形態に係る冷却液循環構造を備えたエンジンについて、図１から図６を参照して説明する。図１は、エンジンのシリンダブロック１０を示している。図２は、シリンダブロック１０の正面図である。シリンダブロック１０には、クランクシャフトの軸線Ｘ１に沿って、複数（例えば４つ）のシリンダボア１１_１〜１１_４が直列に形成されている。図１中に矢印Ｘ２で示す方向がシリンダボア１１_１〜１１_４の列方向である。

シリンダボア１１_１〜１１_４は、それぞれシリンダブロック１０の上面１２において開口している。シリンダブロック１０の上面１２には、ガスケット１３を間に挟んでシリンダヘッド１４が配置される。シリンダヘッド１４のエキゾースト側に、エキゾーストマニホールド（排気多岐管）が配置されている。シリンダヘッド１４のインテーク側に、インテークマニホールド（吸気多岐管）が配置されている。シリンダヘッド１４には、冷却液が流れるエキゾースト側流路１４ａ（図４に模式的に示す）とインテーク側流路１４ｂとが形成されている。

シリンダボア１１_１〜１１_４の周りに、冷却液（クーラント）が流れるウォータジャケット２０が形成されている。なお、冷却液は水であってもよい。ウォータジャケット２０は、全てのシリンダボア１１_１〜１１_４の周りを囲むように連続して形成されている。シリンダブロック１０の上部は下部よりも高温となる。このためウォータジャケット２０は、シリンダブロック１０の特に上部を効率良く冷却することができるように、シリンダブロック１０の上面１２からシリンダボア１１_１〜１１_４の上下方向（軸線Ｙ１方向）の中間部までの範囲Ｈ１（図２に示す）に形成されている。

この明細書では説明の都合上、図２においてシリンダブロック１０の手前側をインテーク側ブロック壁１０ａと称し、図２においてシリンダブロック１０の裏側をエキゾースト側ブロック壁１０ｂと称することにする。エンジンが回転すると、エキゾースト側ブロック壁１０ｂの上端付近の温度は、排気の影響などにより、インテーク側ブロック壁１０ａの上端付近の温度よりも高くなる。

インテーク側ブロック壁１０ａに、冷却液導入口３０と、冷却液流出口３１とが形成されている。冷却液導入口３０は、インテーク側ブロック壁１０ａの前後方向（クランクの軸線Ｘ１方向）の一端１０ｃ寄りの位置に形成されている。これに対し冷却液流出口３１は、インテーク側ブロック壁１０ａの他端１０ｄ寄りの位置に形成されている。しかも冷却液導入口３０は、冷却液流出口３１よりも高さＨ２（図２に示す）だけ高い位置に形成されている。すなわち冷却液導入口３０と冷却液流出口３１とは、互いに高低差Ｈ２をもたせてシリンダブロック１０の同じ側（インテーク側ブロック壁１０ａ）に形成されている。

図２から図６に示されるように、シリンダブロック１０のウォータジャケット２０に、ウォータジャケットスペーサ（これ以降、単にスペーサと称すこともある）４０が配置されている。図３にウォータジャケットスペーサ４０の単品が示されている。図４は、ウォータジャケットスペーサ４０が収容されたシリンダブロック１０の上部を模式的に示す斜視図である。

ウォータジャケットスペーサ４０は、例えばポリアミド等の耐熱性（１００℃以上の耐熱性）を有する樹脂からなり、帯状基部４１と、帯状基部４１の第１の部分４１ａの上方に突き出る第１の凸部５１と、帯状基部４１の第２の部分４１ｂの上方に突き出る第２の凸部６１とを有している。

帯状基部４１は、このスペーサ４０がウォータジャケット２０に収容された状態において、ウォータジャケット２０の底部２０ａに沿ってシリンダボア１１_１〜１１_４の列方向Ｘ２に連なっている。帯状基部４１は、１番目のシリンダボア１１_１の周りに沿う第１の円弧部４５と、２番目のシリンダボア１１_２の周りに沿う第２の円弧部４６と、３番目のシリンダボア１１_３の周りに沿う第３の円弧部４７と、４番目のシリンダボア１１_４の周りに沿う第４の円弧部４８とを有している。第４の円弧部４８には、冷却液流出口３１と対向する位置に、冷却液流出口３１の流路を妨げない大きさの円弧状（略半円形）の凹部４９が形成されている。

シリンダブロック１０の上部は下部よりも高温となるが、シリンダブロック１０の下部は比較的低温であり、温度的に厳しくない。このためウォータジャケット２０の深さＨ１（図２に示す）が大きい場合には、ウォータジャケットスペーサ４０を挿入することにより、帯状基部４１の高さＨ３分だけウォータジャケット２０内の流路の底が嵩上げされた状態となる。これにより、ウォータジャケット２０内の流路を流れる冷却液の量をなるべく少なくすることができる。

第１の凸部５１は、帯状基部４１の第１の部分４１ａの上縁から、シリンダボア１１_１〜１１_４の軸線Ｙ１方向に突き出ている。すなわち第１の凸部５１は、帯状基部４１の第１の部分４１ａからシリンダヘッド１４に向かって次第に幅が小さくなる第１のテーパ部５２と、第１のテーパ部５２から上方に延びる幅狭部５３とを有している。第１の凸部５１の先端すなわち幅狭部５３の上端は、シリンダブロック１０の上面１２よりも僅かに低い位置（例えばガスケット１３の下面よりも１ｍｍ程度以内）に達している。

第２の凸部６１は、帯状基部４１の第２の部分４１ｂの上縁から、シリンダボア１１_１〜１１_４の軸線Ｙ１方向に突き出ている。すなわち第２の凸部６１は、帯状基部４１の第２の部分４１ｂからシリンダヘッド１４に向かって次第に幅が小さくなる第２のテーパ部６２と、第２のテーパ部６２から上方に延びる幅狭部６３とを有している。第２の凸部６１の先端すなわち幅狭部６３の上端は、シリンダブロック１０の上面１２よりも僅かに低い位置（例えばガスケット１３の下面よりも１ｍｍ程度以内）に達している。

図５は、シリンダブロック１０とウォータジャケットスペーサ４０と下記ポンプユニット８０などを模式的に示す断面図である。第１の凸部５１と第２の凸部６１とによって、ウォータジャケット２０内の流路がエキゾースト側の第１流路７１と、インテーク側の第２流路７２とに仕切られている。

第１流路７１は、シリンダブロック１０の冷却液導入口３０と連通している。しかも第１流路７１は、シリンダヘッド１４のエキゾースト側流路１４ａ（図４に示す）と連通している。第２流路７２は、シリンダブロック１０の冷却液流出口３１と連通している。しかも第２流路７２は、シリンダヘッド１４のインテーク側流路１４ｂ（図４に示す）と連通している。

図４に示されるように、シリンダブロック１０の上面に配置されたガスケット１３に、エキゾースト側連通孔７５とインテーク側連通孔７６とが形成されている。これらエキゾースト側連通孔７５とインテーク側連通孔７６とは、それぞれ、各シリンダボア１１_１〜１１_４ごとに、複数個所に形成されている。

ウォータジャケット２０の第１流路７１は、エキゾースト側連通孔７５を介して、シリンダヘッド１４のエキゾースト側流路１４ａと連通している。ウォータジャケット２０の第２流路７２は、インテーク側連通孔７６を介して、シリンダヘッド１４のインテーク側流路１４ｂと連通している。

図５と図６に示されるように、シリンダブロック１０のインテーク側ブロック壁１０ａにポンプユニット８０が取付けられている。図６は、ポンプユニット８０とシリンダブロック１０の一部を拡大して示す断面図である。ポンプユニット８０とウォータジャケット２０などは、本実施形態の冷却液循環構造の一部をなしている。

ポンプユニット８０は、シリンダブロック１０に固定されたハウジング８１と、ハウジング８１に設けられたウォータポンプ８２と、バイパス弁８５と、サーモスタット弁９０などを含んでいる。ウォータポンプ８２は、動力伝達機構８３によって回転するインペラ８４を有している。動力伝達機構８３は、エンジンのクランクシャフトの回転に連動するプーリおよびベルト等によって構成されている。

ポンプユニット８０のハウジング８１の内部に、流入室９１と、ウォータポンプ８２の吸入側流路９２および吐出側流路９３と、バイパス流路９５と、バイパス室９６などが形成されている。バイパス室９６にバイパス弁８５が配置されている。バイパス室９６は流入室９１と連通している。ウォータポンプ８２のインペラ８４が回転すると、吸入側流路９２から流入した冷却液が吐出側流路９３から流出し、シリンダブロック１０の冷却液導入口３０に供給される。

ウォータポンプ８２の吸入側流路９２は、流入室９１と連通している。ウォータポンプ８２の吐出側流路９３は、冷却液導入口３０と連通している。バイパス流路９５は、ウォータジャケット２０の第１流路７１に通じる液戻り孔９７とバイパス室９６との間に形成されている。バイパス流路９５の一端（流入側）は液戻り孔９７と連通し、この液戻り孔９７が冷却液導入口３０の近傍に開口している。このためバイパス流路９５は冷却液導入口３０とも連通している。バイパス流路９５の他端（流出側）にバイパス弁８５の弁体８６が配置されている。

バイパス弁８５は、バイパス流路９５を開閉する弁体８６と、バイパス室９６内の冷却液の温度に反応する感熱部８７とを含んでいる。感熱部８７は、例えばワックス等のように温度に応じて体積が変化する感熱部材を有し、冷却液の温度が所定値（例えば６０℃）以下の場合には、弁体８６を第１の位置に移動させることにより、バイパス流路９５を開放して冷却液が通る流路断面を確保する。また冷却液の温度が所定値を越えた状態において、弁体８６を第２の位置に移動させることにより、バイパス流路９５を閉じるかまたは流路断面を小さくするなど、バイパス流路９５を規制するように構成されている。

流入室９１は流入口９９を有している。流入口９９とラジエータ１００の流出側とが第１の戻り流路１０１によってつながれている。流入口９９にサーモスタット弁９０が配置されている。サーモスタット弁９０は冷却液の温度に応じて開閉し、冷却液の温度が所定値よりも低い状態において閉弁することにより、ラジエータ１００からの冷却液が流入室９１に流れ込むことを抑制する。ラジエータ１００の流入側は、管路１０２を介して冷却液流出口３１に接続されている。

バイパス室９６に第２の戻り流路１１０の一端側が接続されている。第２の戻り流路１１０の他端側は、シリンダヘッド１４のエキゾースト側流路１４ａまたはインテーク側流路１４ｂ（図４に示す）に接続されている。すなわちバイパス室９６は、第２の戻り流路１１０を介してシリンダヘッド１４の冷却液の流路と連通している。このためシリンダヘッド１４を流れる冷却液の一部が、第２の戻り流路１１０を通ってバイパス室９６に流入する。さらに流入室９１には、ヒータ１２０およびＥＧＲクーラ（exhaust gas recirculation cooler）（図５に示す）１２１に通じる第３の戻り流路１２３が接続されている。ＥＧＲクーラ１２１は、高温のＥＧＲガスを冷却する熱交換器である。

次に、本実施形態のポンプユニット８０を備えた冷却液循環構造の冷却液の流れについて説明する。
ウォータポンプ８２は、サーモスタット弁９０の下流側（サーモスタット弁９０とウォータジャケット２０との間）に配置されている。エンジンが回転している間、ウォータポンプ８２は常時回転し、冷却液を吐出側流路９３に送り出している。暖機運転等のエンジン冷態時には冷却液の温度が低いため、サーモスタット弁９０が閉じている。本実施形態は、流入室９１とラジエータ１００とをつなぐ第１の戻り流路１０１と、冷却液が低温のときに閉弁するサーモスタット弁９０とを備えているため、エンジンの冷態時に低温の冷却液がラジエータ１００からポンプユニット８０に供給されることを回避できる。

暖機運転等のエンジン冷態時には冷却液の温度が低いため、バイパス弁８５が第１の位置に移動し、バイパス流路９５が開放されている。このためウォータポンプ８２から吐出側流路９３に供給される冷却液は、図５と図６に矢印Ｒ１で示すように、ウォータジャケット２０の第１流路７１に向かうが、冷却液導入口３０付近にウォータジャケットスペーサ４０の第１の凸部５１が設けられていることもあって、冷却液の一部は液戻り孔９７とバイパス流路９５を経てバイパス室９６に流入する。

バイパス室９６に流入した冷却液は、図５と図６に矢印Ｒ２で示すように、流入室９１を経て再びウォータポンプ８２の吸入側流路９２に向かう。こうして冷却液の少なくとも一部がバイパス流路９５を通ってハウジング８１の内部を循環することにより、低温の冷却液がウォータジャケット２０に供給されることを抑制することができる。よって、シリンダブロック１０やシリンダヘッド１４の温度上昇を促進することができる。

しかも本実施形態では、シリンダヘッド１４を流れた冷却液の一部が第２の戻り流路１１０を介してバイパス室９６に流入し、バイパス弁８５の感熱部８７に接するようにしている。このためシリンダヘッド１４を流れる冷却液の温度がバイパス弁８５の開閉に関与する。よって、感熱部８７は実際にエンジンが暖まった時点で的確にバイパス弁８５を閉じることができる。

また本実施形態では、流入室９１とウォータジャケット２０とをつなぐ第３の戻り流路１２３を有し、第３の戻り流路１２３にヒータ１２０とＥＧＲクーラ１２１が配置されている。このため、エンジン冷態時にサーモスタット弁９０が閉じていても、冷却液の一部をヒータ１２０に供給できるとともに、ＥＧＲクーラ１２１に冷却液を供給することができる。

暖機運転が終了し、冷却液の温度が上昇すると、サーモスタット弁９０が開弁する。これにより、ラジエータ１００によって冷却された冷却液が流入口９９に流入する。また冷却液の温度が上昇し、バイパス弁８５が第２の位置に移動すると、バイパス流路９５が閉じる。このためウォータポンプ８２から吐出される冷却液の全量が吐出側流路９３と冷却液導入口３０を経てウォータジャケット２０の第１流路７１に流入する。

ウォータジャケット２０の第１流路７１に流入した冷却液は、ウォータジャケット２０の下部側から上昇し、シリンダブロック１０の主にエキゾースト側ブロック壁１０ｂなどを冷却したのち、図４に矢印Ａで示すようにエキゾースト側連通孔７５からシリンダヘッド１４のエキゾースト側流路１４ａに流入する。そしてエキゾースト側流路１４ａからインテーク側流路１４ｂに向かって矢印Ｂに示すように流れてシリンダヘッド１４を冷却したのち、矢印Ｃで示すようにインテーク側連通孔７６からウォータジャケット２０の第２流路７２に流入する。

ウォータジャケット２０の第２流路７２に流入した冷却液は、第２流路７２の上部から下部側に向かって流れ、シリンダブロック１０の主にインテーク側ブロック壁１０ａを冷却したのち、冷却液流出口３１から流出し、管路１０２を経てラジエータ１００に向かって流れる。ウォータジャケットスペーサ４０の帯状基部４１には冷却液流出口３１と対応した位置に凹部４９が形成されているため、冷却液流出口３１から流出する冷却液の流れを妨げることがなく、圧力損失が回避されて円滑に流出させることができる。

なお本発明を実施するに当たり、ポンプユニットを構成するハウジングやウォータポンプ、バイパス弁、バイパス流路、流入室等の具体的な形状や位置をはじめとして、冷却液循環構造を構成する各要素の態様を適宜に変更して実施できることは言うまでもない。またシリンダブロックやウォータジャケットあるいはシリンダヘッド等のエンジン構成要素についても前記実施形態に制約されるものではなく、エンジンの仕様に応じて種々の形態をとることができる。本発明の冷却液循環構造はディーゼルエンジンに限ることはなく、ガソリンエンジンに適用することもできる。

１０…シリンダブロック、１１_１〜１１_４…シリンダボア、１４…シリンダヘッド、２０…ウォータジャケット、３０…冷却液導入口、３１…冷却液流出口、４０…ウォータジャケットスペーサ、５１…第１の凸部、６１…第２の凸部、８０…ポンプユニット、８１…ハウジング、８２…ウォータポンプ、８５…バイパス弁、８６…弁体、８７…感熱部、９０…サーモスタット弁、９１…流入室、９２…吸入側流路、９３…吐出側流路、９５…バイパス流路、９６…バイパス室、９９…流入口、１００…ラジエータ、１０１…第１の戻り流路、１１０…第２の戻り流路、１２０…ヒータ、１２３…第３の戻り流路。

Claims (3)

1. ウォータジャケットと冷却液導入口および冷却液流出口を有するシリンダブロックと、
   前記冷却液導入口に冷却液を供給するウォータポンプと、
   前記ウォータポンプの吸入側流路に通じる流入室と、
   前記流入室と前記ウォータジャケットとの間に形成されたバイパス流路と、
   冷却液の温度に反応する感熱部を有し、冷却液の温度が所定値以下の状態において前記バイパス流路を開放する第１の位置に移動し、冷却液の温度が所定値を越えた状態において前記バイパス流路を規制する第２の位置に移動するバイパス弁と、
   前記ウォータジャケット内に配置されるウォータジャケットスペーサと、を有しかつ、
   前記ウォータジャケットスペーサは、
   前記ウォータジャケット内に配置された状態において前記ウォータジャケットの底部からシリンダヘッドに向かってシリンダボアの軸線方向に突出する凸部を有し、該凸部によって前記ウォータジャケット内の流路が前記冷却液導入口に通じる第１流路と前記冷却液流出口に通じる第２流路とに仕切られ、さらに
   前記バイパス流路と前記流入室との間に形成され前記バイパス弁が配置されるバイパス室と、シリンダヘッドの冷却液の流路と前記バイパス室とをつなぐ第２の戻り流路を備えたことを特徴とするエンジンの冷却液循環構造。
2. 前記流入室の流入口とラジエータとをつなぐ第１の戻り流路と、前記流入口に配置され冷却液の温度が所定値より低い状態において閉じるサーモスタット弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの冷却液循環構造。
3. 前記流入室と前記ウォータジャケットとをつなぐ第３の戻り流路と、該第３の戻り流路に通じるヒータおよびＥＧＲクーラとを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの冷却液循環構造。

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