JP2010209882A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却系装置の大型化を抑制しつつ、潤滑油を冷却する。
【解決手段】機関１００の燃焼室周りに形成されるウォータジャケット４と、ウォータジャケット４から排出された冷却水を冷却する熱交換器８と、ウォータジャケット４から排出された冷却水が流れる通路であって、ウォータジャケット４下方、かつ、機関１００の潤滑油と熱交換ができる部位１２に形成されて、熱交換器８を通過していない冷却水が流れる冷却水通路７と、少なくとも冷却水通路７を流れた冷却水を含んだ冷却水を圧送してウォータジャケット４に供給するポンプ５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に関する。

従来の内燃機関として、シリンダブロックのウォータジャケットを浅底形状とし、そのウォータジャケットの下方にシリンダ列方向に冷却水を通す水通路を形成し、この水通路に隣接するように機関摩擦部を潤滑する潤滑油を通すオイル通路を形成したものがある。これにより、水通路を流れる冷却水とオイル通路を流れる潤滑油との間で熱交換をしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１３５４２６号公報

しかしながら、前述した従来の内燃機関では、対流熱伝達を利用して潤滑油から熱を奪っていたので、潤滑油の温度上昇に応じて冷却水流量を増加させる必要があった。そのため、冷却水を循環させるためのウォータポンプなどの冷却系装置が大型化するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、冷却系装置の大型化を抑制しつつ、潤滑油を冷却することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、機関（１００）の燃焼室（１７）周りに形成されるウォータジャケット（４）と、ウォータジャケット（４）から排出された冷却水を冷却する熱交換器（８）と、ウォータジャケット（４）から排出された冷却水が流れる通路であって、ウォータジャケット（４）下方、かつ、機関（１００）の潤滑油と熱交換ができる部位（１２，５１）に形成されて、熱交換器（８）を通過していない冷却水が流れる冷却水通路（７）と、少なくとも冷却水通路（７）を流れた冷却水を含んだ冷却水を圧送してウォータジャケット（４）に供給するポンプ（５）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ウォータジャケット下方、かつ、機関の摩擦部分に供給されてシリンダに付着した潤滑油と熱交換ができる部位に、ウォータジャケットから排出された沸騰状態に近い高温の冷却水が流れる冷却水通路を形成した。これにより、冷却水通路を流れる冷却水と、シリンダに付着する潤滑油と、の間で熱交換を実施でき、潤滑油を冷却できる。このとき、沸騰状態に近い高温の冷却水で潤滑油を冷却することになるので、沸騰熱伝達を利用しての潤滑油の冷却が可能となる。沸騰熱伝達を利用する場合は、潤滑油の温度上昇に応じて冷却水流量を増加させる必要はないので、冷却水を循環させるためのウォータポンプなどの冷却系装置の大型化を抑制できる。

本発明の第１実施形態によるエンジンの概略図である。 本発明の第１実施形態によるエンジンの冷却装置の概略図である。 本発明の第２実施形態によるウォータジャケット及びバイパス通路の壁面の模式図である。 本発明の第３実施形態によるエンジンの概略図である。 本発明の一実施形態によるエンジンの冷却装置の概略図である。 本発明の一実施形態によるエンジンの冷却装置の概略図である。 本発明の一実施形態によるエンジンの概略図である。 ラダーフレームの斜視図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるエンジン１００の概略図である。

エンジン１００は、シリンダブロック１と、シリンダヘッド２と、オイルパン３と、ウォータジャケット４と、を備える。

シリンダブロック１は、シリンダ部１１とクランクケース部１２とを備え、シリンダ部１１とクランクケース部１２とが一体に鋳造されてできている。

シリンダ部１１には、複数のシリンダ１３が形成される。シリンダ１３の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１３の内部を往復動するピストン１４が収められる。

クランクケース部１２は、シリンダ部１１の下方に形成される。クランクケース部１２の内部にはクランクシャフト１５が収められる。クランクシャフト１５は、ピストン１４の往復運動をコンロッド１６を介して回転運動に変換する。

シリンダヘッド２は、シリンダブロック１の上面に取り付けられる。シリンダヘッド２は、シリンダ１３及びピストン１４とともに燃焼室１７の一部を形成する。

オイルパン３は、シリンダブロック１の下部に取り付けられる。オイルパン３は、エンジン内部の摺動部や回転部などの摩擦熱が発生する摩擦部分に供給する潤滑油を貯蔵する。オイルパン３に貯蔵された潤滑油は、オイルポンプによってシリンダブロック及びシリンダヘッドに形成されたオイルギャラリに圧送され、エンジンの摩擦部分に供給される。

ウォータジャケット４は、燃焼室周りを冷却するための冷却水が流れる通路であり、シリンダブロック１のシリンダ部１１及びシリンダヘッド２の内部にそれぞれ設けられる。

シリンダブロック１に形成されたウォータジャケット４の下方のシリンダケース部１２には、後述するバイパス通路７の主通路７２２が形成される。この主通路７２２は、側面７２２ａがシリンダ側と接しており、上面７２２ｂは接していない。本実施形態では、この主通路７２２に高温の冷却水を流すことによって、潤滑油を冷却する。

図２は、本実施形態によるエンジン１００の冷却装置５０の概略図である。

エンジン１００の冷却装置５０は、ウォータポンプ５と、アウトレットアッシ６と、バイパス通路７と、ラジエータ８と、サーモスタット９と、を備える。

ウォータポンプ５は、シリンダブロック１の前端部に設けられ、エンジン１００によって駆動される。ウォータポンプ５は、冷却水を圧送してウォータジャケット４へ供給する。

アウトレットアッシ６は、シリンダヘッド２の後端面に取り付けられる。アウトレットアッシ６の内部には、シリンダヘッド２の後端面に形成されたウォータジャケット出口部４１と接続する冷却水通路６１が形成される。この冷却水通路６１は、アウトレットアッシ６の内部で２本に分岐して、一方がバイパス通路７に接続され、他方が冷却水を外部へ排出するウォータアウトレット６２を形成する。

バイパス通路７は、シリンダヘッドバイパス通路７１と、シリンダブロックバイパス通路７２とを備える。

シリンダヘッドバイパス通路７１は、シリンダヘッド２の内部に形成される。シリンダヘッドバイパス通路７１は、アウトレットアッシ６の冷却水通路６１を介して流入してきた冷却水をシリンダブロックバイパス通路７２へ排出する。

シリンダブロックバイパス通路７２は、シリンダブロック１の内部に形成される。シリンダブロックバイパス通路７２は、シリンダ部１１を通ってクランクケース部１２まで鉛直下向きに形成された副通路７２１と、シリンダケース部１２に形成されてシリンダ列方向に延びる主通路７２２と、を備える。

ラジエータ８は、ウォータジャケット４及びバイパス通路７を循環して高温になった冷却水を冷却する。ラジエータ８には、ウォータジャケット４及びバイパス通路７を循環して高温になった冷却水を導入するための冷却水流入口８１と、ラジエータ８によって冷却された冷却水を排出するための冷却水排出口８２と、を備える。

ラジエータ８の冷却水流入口８１は、図示しない第１ラジエータホースを介してウォータアウトレット６２に接続される。一方で、ラジエータ８の冷却水排出口８２は、図示しない第２ラジエータホースを介して主通路７２２の下流に接続するウォータインレット８３に接続される。ウォータインレット８３もシリンダケース部１２の内部に形成される。

サーモスタット９は、ウォータインレット８３の内部に設けられる。サーモスタット９は、冷却水の温度が所定温度より高くなったときに開かれる。サーモスタット９が開かれると、ラジエータ８によって冷却された冷却水と主通路７２２を流れる冷却水とが合流し、ウォータポンプ５によって圧送されてウォータジャケット４に供給される。

次に、引き続き図２を参照して本実施形態による冷却装置５０の作用効果について説明する。

まず、サーモスタット９が開かれているときの作用効果について説明する。

サーモスタット９が開かれているときは、バイパス通路７を流れてきた冷却水とラジエータ８によって冷却された冷却水とが混合された低温の冷却水がウォータポンプ５によって圧送される。ウォータポンプ５によって圧送されたこの低温の冷却水は、ウォータジャケット４を流れて燃焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２から熱を奪ってエンジン１００を冷却する。

このようにサーモスタット９が開かれているときは、冷却する必要のある高温部位に液相の冷媒を流すことによって高温部位と液相との間で熱対流を起こさせてその高温部位から熱を奪う対流熱伝達を利用して、燃焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２を冷却している。

熱を奪って高温になった冷却水は、一部がラジエータ８に流入し、残りがバイパス通路７に流入する。

ラジエータ８に流入した高温の冷却水は大気へ熱を放出して冷やされる。

一方で、バイパス通路７に流入した高温の冷却水は、副通路７２１と主通路７２２とを流れながら沸騰冷却によってクランクケース部１２を冷却する。以下では、この沸騰冷却について説明する。

バイパス通路７を構成するシリンダヘッド２及びシリンダブロック１は冷却水の沸点よりも高温になっているので、バイパス通路７の壁面付近の冷却水の温度は沸点を超えている。そのため、高温になった冷却水をバイパス通路７に流すことで、バイパス通路７の壁面付近において容易に冷却水を沸騰させてバイパス通路７の壁面付近でのみ気泡が出ている状態にすることができる。このバイパス通路７の壁面付近で発生した気泡が、バイパス通路７を流れる冷却水の流れによってバイパス通路７の壁面から離れていくと、バイパス通路７の壁面付近の冷却水がかき乱される状態となる。このような金属壁（バイパス通路７）の表面でのみ沸騰が生じ、気泡によって金属壁表面の冷媒（冷却水）がかき乱される状態の沸騰をサブクール沸騰という。

このように本実施形態では、冷却する必要のある高温部位に液相の冷媒を供給し、この冷媒の沸騰によって高温部位から熱を奪う沸騰熱伝達を利用して、クランクケース部１２を冷却している（沸騰冷却）。沸騰熱伝達の熱伝達率は、冷媒の相変化を伴うため、対流熱伝達の熱伝達率よりも良くなる。そのため、対流熱伝達によって冷却するときよりも冷却水の温度が高くても冷却効果がある。

副通路７２１の一部及び主通路７２２が形成されるクランクケース部１２には、エンジン１００の摩擦部分を潤滑して落下してくる潤滑油や、クランクシャフト１５によって飛び散らされたオイルパン３の潤滑油が付着する。したがって、クランクケース部１２を冷却することで、クランクケース部１２に付着する潤滑油を冷却することができる。これにより、高出力時における潤滑油の過度な温度上昇を抑制できる。

また、バイパス通路７の副通路７２１及び主通路７２２に高温の冷却水を流して沸騰熱伝達を利用してクランクケース部１２から熱を奪うので、副通路７２１及び主通路７２２に低温の冷却水を流して冷却する場合と比べてクランケース部の過冷却を抑制できる。そのため、潤滑油の過冷却を抑制できるので、潤滑油に溶け込んでいる水成分の分離を抑制でき、潤滑油の泥状化を抑制できる。したがって、潤滑油の潤滑性能の悪化を抑制でき、フリクションロスを抑制できる。

次にサーモスタット９が閉じられているときの作用効果について説明する。

サーモスタット９が閉じられているときは、バイパス通路７を流れてきた冷却水のみがウォータポンプ５によって圧送される。バイパス通路７を流れてきた冷却水は、すでに燃焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２や、シリンダケース部１２から熱を奪って高温になっている。そうすると、焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２は冷却水の沸点よりも高温なので、沸騰熱伝達を利用して焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２を冷却することができる。

このように、サーモスタット９が閉じられているときは、燃焼室周りのシリンダブロック１及びシリンダヘッド２と、シリンダケース部１２と、の双方を沸騰熱伝達を利用して冷却する。

冷却水の流量に応じて熱伝達率が変化する対流熱伝達と比べて、沸騰熱伝達の熱伝達率は基本的に流量に依存しない。したがって、沸騰熱伝達を利用して冷却する場合は、対流熱伝達と比べて冷却水の流量を少なくできる。これにより、ウォータポンプ５を駆動することによるエンジン負荷を低減できるので、燃費を向上させることができる。またウォータポンプ５を小型化することができる。

また、サーモスタット９が開かれているときと同様に、潤滑油の過度な温度上昇及び過冷却を抑制できる。

さらに本実施形態によれば、以下の作用効果もある。

図１に示すように、本実施形態では、バイパス通路７の主通路７２２の側面７２２ａがシリンダ側と接しており、上面７２２ｂが接していない。そのため、主通路７２２の側面７２２ａで気泡が発生しやすくなり、上面７２２ｂには気泡が発生しにくくなる。気泡の密度は冷却水よりも低いので、気泡は主通路７２２の上面７２２ｂに滞留しやすくなるが、これを抑制して壁面からの気泡の脱離を容易にしている。これにより、沸騰熱伝達による熱伝導率を向上させることができる。

以上から明らかなように、副通路７２１と主通路７２２は、ウォータジャケット４から排出された冷却水が流れる通路であって、ウォータジャケット４の下方、かつ、エンジン１００の潤滑油と熱交換ができる部位に形成されて、ラジエータ（熱交換器）８を通過していない冷却水のみが流れる冷却水通路に相当する（副通路７２１においてはその下流側の主通路７２２付近が相当する）。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、ウォータジャケット４及びバイパス通路７の壁面に陽極酸化処理を施した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図３（Ａ）は、本実施形態によるウォータジャケット４及びバイパス通路７の壁面の模式図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ウォータジャケット４及びバイパス通路７の壁面に微細な窪み２１を設けて親水性を有する表面性状としている。この微細な窪み２１は、１つ１つの開口部が数ナノメートル四方に収まる程度の大きさであり、シリンダヘッド２及びシリンダブロック１がアルミ合金であれば陽極酸化処理を施して形成する。

このように、ウォータジャケット４及びバイパス通路７の壁面に陽極酸化処理を施すことによって、壁面で発生した気泡が壁面に滞留するのを抑制できる。つまり、壁面から気泡が脱離しやすくなって壁面付近の冷却水がかき乱されやすくなる。したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、第１実施形態よりも沸騰熱伝達の熱伝達率を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、シリンダブロック１に形成されるオイルギャラリを覆うようにバイパス通路７の主通路７２２を形成した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図４は、本発明の第３実施形態によるエンジン１００の概略図である。

図４に示すように、エンジン１００はシリンダケース部１２をシリンダ列方向に延びるオイルギャラリ３１を備える。オイルギャラリ３１には、クランクシャフト１５などを潤滑するための潤滑油がオイルパン３から圧送される。

本実施形態では、このオイルギャラリ３１を主通路７２２の下方に設けた。そうすると、潤滑油の温度は冷却水の温度よりも高いので、オイルギャラリ３１の潤滑油の熱によって主通路７２２の下面７２２ｃにおいて気泡が生じやすくなる。このように、主通路７２２の下面７２２ｃに気泡を生じさせることで、気泡の密度は冷却水よりも低いので気泡を壁面から脱離させやすくでき、沸騰熱伝達による冷却効果を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば上記各実施形態ではウォータインレット８３を主通路７２２の下流に接続させたが、図５に示すように主通路７２２の途中や、図６に示すように主通路７２２の上流に接続させてもよい。この場合、サーモスタット９が開かれたときは、対流熱伝達によってクランクケース部１２を冷却することになる。

図６においては、副通路７２１の下流側の主通路７２２の付近が、ウォータジャケット４から排出された冷却水が流れる通路であって、ウォータジャケット４の下方、かつ、エンジン１００の潤滑油と熱交換ができる部位に形成されて、ラジエータ（熱交換器）８を通過していない冷却水のみが流れる冷却水通路に相当する。また、ウォータジャケット４から排出された冷却水が流れる通路であって、ウォータジャケット４の下方、かつ、エンジン１００の潤滑油と熱交換ができる部位に形成されて、ラジエータ（熱交換器）８を通過していない冷却水のみが流れる冷却水通路は、各実施形態におけるバイパス通路７の一部である場合のみならず、アウトレットアッシ６の上流側であっても良い。

また、図７及び図８に示すように、支持剛性を高めるためにクランクシャフト１５をラダーフレーム５１によって支持するときは、ラダーフレーム５１の内部に主通路７２２を設けても良い。なお、図８はラダーフレーム５１の斜視図である。

４ ウォータジャケット
５ ウォータポンプ（ポンプ）
７ バイパス通路（冷却水通路）
８ ラジエータ（熱交換器）
９ サーモスタット（開閉弁）
１２ クランクケース部（部位）
３１ オイルギャラリ
５１ ラダーフレーム（部位）
８３ ウォータインレット（合流部）
１００ エンジン（内燃機関）

Claims (9)

1. 機関の燃焼室周りに形成されるウォータジャケットと、
   前記ウォータジャケットから排出された冷却水を冷却する熱交換器と、
   前記ウォータジャケットから排出された冷却水が流れる通路であって、前記ウォータジャケット下方、かつ、機関の潤滑油と熱交換ができる部位に形成されて、前記熱交換器を通過していない冷却水が流れる冷却水通路と、
   少なくとも前記冷却水通路を流れた冷却水を含んだ冷却水を圧送して前記ウォータジャケットに供給するポンプと、
   を備える内燃機関。
2. 前記熱交換器をバイパスするように形成されて、前記ウォータジャケットから排出された冷却水が流れるバイパス通路と、
   前記熱交換器から排出された冷却水と、前記バイパス通路を流れる冷却水と、を合流させる合流部と、
   を備え、
   前記冷却水通路は前記バイパス通路の一部であるとともに、前記ポンプは前記合流部の下流に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記合流部は、前記ウォータジャケット下方の機関内部に形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記合流部に設けられ、冷却水が所定温度以下のときに閉じて前記熱交換器への冷却水の供給を停止させる開閉弁を備える
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記ウォータジャケット下方の機関内部に形成されて、機関の摩擦部分に供給する潤滑油が流れるオイルギャラリを備え、
   前記冷却水通路は、前記オイルギャラリの上面側又は側面側の近傍に位置するように形成される
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の内燃機関。
6. 前記冷却水通路の内壁面を、親水性を有する表面性状とした
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の内燃機関。
7. 前記ウォータジャケットの内壁面を、親水性を有する表面性状とした
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１つに記載の内燃機関。
8. 前記部位は、クランクケースである
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の内燃機関。
9. 前記部位は、ラダーフレーム部である
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１つに記載の内燃機関。

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