JP2022015676A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の圧力損失の増大を抑制しつつ排気弁間流路内の冷却水の流れを適切に確保できるようにした内燃機関を提供する。【解決手段】ヘッド内ウォータジャケットは、排気弁周囲流路と排気弁間流路とを含む。ブロック内ウォータジャケットは、シリンダ上部ウォータジャケット（上部ＷＪ）と、上部ＷＪから離れて配置されたシリンダ下部ウォータジャケット（下部ＷＪ）と、これらの間を接続するウォータジャケット間連通路と、下部ＷＪと排気弁間流路とを接続する直通流路とを含む。冷却水ポンプは、下部ＷＪ内に冷却水を供給する。冷却水は、下部ＷＪからウォータジャケット間連通路を介して上部ＷＪに流入する。冷却水は、上部ＷＪから排気弁周囲流路に供給され、かつ、下部ＷＪから直通流路を介して排気弁間流路に供給される。【選択図】図１

Description

この発明は、水冷式の内燃機関に関する。

特許文献１には、水冷式の内燃機関が開示されている。この内燃機関は、シリンダヘッドの内部に形成されたポート間冷却水流路（排気弁間流路）とポート外側通路（排気弁周囲流路）とを備えている。ポート間冷却水流路は、冷却水が各シリンダの一対の排気ポートの間を流れるように形成されている。ポート外側通路は、冷却水が一対の排気ポートの周囲を流れるように形成されている。これらのポート間冷却水流路（排気弁間流路）及びポート外側通路（排気弁周囲流路）には、シリンダブロックの内部に形成されたブロック側通路（ブロック内ウォータジャケット）から冷却水が供給される。

また、特許文献２には、シリンダボアを保温する保温部材と、保温部材が固定される固定部材と、保温部材を付勢する付勢部材とを含むウォータジャケットスペーサを備える内燃機関が開示されている。ウォータジャケット内の所定位置までウォータジャケットスペーサを挿入する作業を行い易くなるように、付勢部材は、固定部材とは別に設けられ、かつ、ウォータジャケット内に各々のシリンダボアに対応して設けられている。特許文献３には、シリンダブロックの内部においてピストン下死点付近まで及ぶように形成されたウォータジャケットと、当該ブロック内ウォータジャケットの下方においてシリンダ列方向に冷却水を通す水通路と、この水通路に隣接したオイル通路とを備えるエンジンの水油熱交換装置が開示されている。特許文献４には、シリンダ列方向に冷却水を流通可能に構成されたウォータジャケットと、当該ウォータジャケットと近接する位置に設けられたオイル通路（中部オイル通路）とを有するシリンダブロックを備える内燃機関が開示されている。

特開２０１９－１１２９９１号公報 特開２０１９－００２３７５号公報 特開平０８－１３５４２６号公報 特開２０１３－１５５６２５号公報

次のような構成を有するブロック内ウォータジャケット及びヘッド内ウォータジャケットを備えるように内燃機関を構成することが考えられる。すなわち、シリンダボア中部（シリンダ軸線方向の中部）の保温性を向上させることによって内燃機関の低燃費及び低排出ガスを実現するシリンダブロックの温度管理を行うために、浅く形成されたブロック内ウォータジャケットを設ける。シリンダヘッドの内部において同一シリンダの複数の排気弁の周囲及び排気弁間にそれぞれ形成された排気弁周囲流路及び排気弁間流路を有するヘッド内ウォータジャケットを設ける。そして、これらの排気弁周囲流路及び排気弁間流路に対して上記のブロック内ウォータジャケット（すなわち、単一のブロック内ウォータジャケット）から冷却水を供給する。

しかしながら、同一シリンダの排気弁間に形成される排気弁間流路は、狭い空間を通るため、その流路面積も狭くなり易い。このため、そのような排気弁間流路と排気弁周囲流路とに対して同じブロック内ウォータジャケットから冷却水を供給する構成の上記内燃機関では、狭い排気弁間流路に冷却水を流すために排気弁周囲流路を狭めることが必要になる。その結果、冷却水の圧力損失が増大してしまうことが懸念される。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、冷却水の圧力損失の増大を抑制しつつ排気弁間流路内の冷却水の流れを適切に確保できるようにした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、シリンダブロックとシリンダヘッドと冷却水ポンプとを備える。
シリンダブロックは、シリンダ列方向に沿って直列に配置された複数のシリンダと、複数のシリンダの周囲に形成され冷却水が流れるブロック内ウォータジャケットと、を有する。
シリンダヘッドは、冷却水が流れるヘッド内ウォータジャケットを有する。
冷却水ポンプは、冷却水を循環させる。
ヘッド内ウォータジャケットは、同一シリンダに設けられた複数の排気弁の周囲を覆うように形成された排気弁周囲流路と、複数の排気弁を構成する任意の２つの排気弁の間に形成された排気弁間流路とを含む。
ブロック内ウォータジャケットは、シリンダ軸線方向の上部に配置されたシリンダ上部ウォータジャケットと、シリンダ上部ウォータジャケットから離れた位置においてシリンダ軸線方向の下部に配置されたシリンダ下部ウォータジャケットと、シリンダ上部ウォータジャケットとシリンダ下部ウォータジャケットとを接続するウォータジャケット間連通路と、シリンダ下部ウォータジャケットと排気弁間流路とを接続する直通流路とを含む。
冷却水ポンプは、シリンダ下部ウォータジャケット内に冷却水を供給するように配置されている。
ブロック内ウォータジャケットは、冷却水がシリンダ下部ウォータジャケットからウォータジャケット間連通路を介してシリンダ上部ウォータジャケットに流入するように構成されている。
ブロック内ウォータジャケット及びヘッド内ウォータジャケットは、冷却水がシリンダ上部ウォータジャケットから排気弁周囲流路に供給され、かつ、冷却水がシリンダ下部ウォータジャケットから直通流路を介して排気弁間流路に供給されるように構成されている。

本発明に係る内燃機関によれば、ブロック内ウォータジャケットから排気弁間流路への冷却水の供給は、排気弁周囲流路への供給と同じシリンダ上部ウォータジャケットからではなく、シリンダ上部ウォータジャケットと分離されたシリンダ下部ウォータジャケットから直通流路を介して行われる。すなわち、排気弁間流路への冷却水の供給は、シリンダ上部ウォータジャケットを介さずにシリンダ下部ウォータジャケットから直接的に行われる。このような構成によれば、狭い排気弁間流路に冷却水を流すために排気弁周囲流路を狭める必要がない。このため、冷却水の圧力損失の増大を抑制しつつ、排気弁間流路内の冷却水の流れを適切に確保できるようになる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の冷却系の構成を説明するための斜視図である。 図１に示す排気側からブロック内ウォータジャケットを見た図である。 図２中のＡ－Ａ線でシリンダブロックを切断した断面図である。

以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成
１－１．冷却系の構成
図１は、実施の形態に係る内燃機関１０の冷却系の構成を説明するための斜視図である。より詳細には、図１は、内燃機関１０が備えるシリンダブロック１２（図３参照）及びシリンダヘッド（図示省略）の内部にそれぞれ形成されるブロック内ウォータジャケット１４及びヘッド内ウォータジャケット１６を示している。

なお、内燃機関１０のシリンダブロック１２は、シリンダ列方向に沿って直列に配置された複数のシリンダ（一例として、４つのシリンダ＃１～＃４）を備えている。図１には、そのうちのシリンダ＃１周りの構成及びシリンダ＃２周りの一部の構成が示されている。また、以下の説明は、シリンダブロック１２の排気側（図１の紙面手前側）の構成を中心になされる。

ブロック内ウォータジャケット１４は、シリンダ＃１～＃４の周囲に形成され、その内部を冷却水が流れる。図１に示すように、ブロック内ウォータジャケット１４は、シリンダ上部ウォータジャケット（以下、「上部ＷＪ」と略する）２０と、シリンダ下部ウォータジャケット（以下、「下部ＷＪ」と略する）２２と、ウォータジャケット間連通路（以下、「ＷＪ間連通路」と略する）２４とを含む。

上部ＷＪ２０は、シリンダ軸線方向の上部（すなわち、シリンダボアの上部（燃焼室に近いピストン上死点付近の部位）の周囲）に配置されている。より詳細には、上部ＷＪ２０は、基本的には、排気側及び吸気側の双方においてシリンダ列方向に沿って延びるように形成されている。しかしながら、上部ＷＪ２０は、シリンダ列方向において連続的に繋がるようには形成されておらず、図１に示すように、シリンダ列方向における各シリンダ＃１～＃４の中央部（換言すると、後述の排気弁間流路３２が位置する部位）において隙間をあけつつ互いに分割されている。

下部ＷＪ２２は、上部ＷＪ２０から離れた位置においてシリンダ軸線方向の下部（シリンダボアの下部の周囲）に配置されている。より詳細には、下部ＷＪ２２は、ピストン下死点近傍（ピストンが下死点にある時のピストン頂面近傍）に配置されている。すなわち、下部ＷＪ２２は、上部ＷＪ２０と十分に離れて配置されている。

ＷＪ間連通路２４は、上部ＷＪ２０と下部ＷＪ２２とを接続するストレート形状の流路である。より詳細には、ＷＪ間連通路２４は、複数であり、排気側及び吸気側の双方において、シリンダ列方向におけるブロック内ウォータジャケット１４の各端部、及び各シリンダ間の部位に配置されている。各ＷＪ間連通路２４は、シリンダ軸線方向に沿って並列に延びるように形成されている。付け加えると、各ＷＪ間連通路２４が設けられる部位は、ヘッドガスケット（図示省略）を介してシリンダヘッドをシリンダブロック１２に締結するヘッドボルトが配置される場所の付近である。また、一例として、ＷＪ間連通路２４は円断面を有する。

ヘッド内ウォータジャケット１６は、シリンダ＃１～＃４のそれぞれに対し、排気弁周囲流路３０と排気弁間流路３２とを含む。図１には、排気弁周囲流路３０と排気弁間流路３２以外のヘッド内ウォータジャケット１６の部位の図示は省略されている。内燃機関１０は、シリンダ＃１～＃４のそれぞれに対して複数（典型的には、２つ）の排気弁及び吸気弁（ともに図示省略）を備えている。排気弁は、ヘッド内ウォータジャケット１６の排気側開口部３４の位置に設けられている。

排気弁周囲流路３０は、同一シリンダ＃１～＃４に設けられた複数（２つ）の排気弁の周囲を覆うように形成されている。一方、排気弁間流路３２は、「同一シリンダに設けられた複数の排気弁を構成する任意の２つの排気弁の間」に、図１に示す例では同一シリンダ＃１～＃４に設けられた２つの排気弁の間に形成されている。

内燃機関１０は、さらに冷却水ポンプ１８を備えている。冷却水ポンプ１８は、ブロック内ウォータジャケット１４及びヘッド内ウォータジャケット１６を含む冷却水回路内において冷却水を循環させる。より詳細には、冷却水ポンプ１８は、図１に示すように、下部ＷＪ２２内に冷却水を供給するように配置されている。図１に示す一例では、冷却水ポンプ１８からの冷却水は、シリンダ列方向における下部ＷＪ２２の端部（例えば、シリンダ＃１側の端部）に導入される。図１中に太い実線の矢印で示すように、冷却水ポンプ１８から下部ＷＪ２２に導入された冷却水の一部は、下部ＷＪ２２の排気側の部位をシリンダ列方向に沿って流れる。そして、残りの冷却水は、下部ＷＪ２２のシリンダ＃１側の端部を吸気側に向けて流れた後に下部ＷＪ２２の吸気側の部位をシリンダ列方向に沿って流れる。

（下部ＷＪ２２と上部ＷＪ２０との間の冷却水の流れ）
図１中に破線の矢印で示すように、ブロック内ウォータジャケット１４は、冷却水が下部ＷＪ２２から各ＷＪ間連通路２４を介して上部ＷＪ２０に流入するように構成されている。すなわち、冷却水は、下部ＷＪ２２から上部ＷＪ２０に向けて各ＷＪ間連通路２４内を並列に流れる。

（上部ＷＪ２０とヘッド内ウォータジャケット１６（排気弁周囲流路３０）との間の冷却水の流れ）
ブロック内ウォータジャケット１４及びヘッド内ウォータジャケット１６は、冷却水が上部ＷＪ２０から排気弁周囲流路３０に供給されるように構成されている。より詳細には、冷却水は、上記ヘッドガスケットに形成された連通路４０を介して上部ＷＪ２０から排気弁周囲流路３０に流入する。付け加えると、連通路４０を介した上部ＷＪ２０と排気弁周囲流路３０との接続は、図１に示すように、排気弁間流路３２付近（すなわち、シリンダ列方向における上部ＷＪ２０の各端部付近）においてなされている。これにより、ヘッドボルトが配置される場所の付近においてＷＪ間連通路２４から上部ＷＪ２０に導入された冷却水は、図１中の破線の矢印で示すように、シリンダ列方向に沿って上部ＷＪ２０内を十分に流れた後に排気弁周囲流路３０に導入される。

（下部ＷＪ２２とヘッド内ウォータジャケット１６（排気弁間流路３２）との間の冷却水の流れ）
ブロック内ウォータジャケット１４は、さらに、下部ＷＪ２２と排気弁間流路３２とを接続する直通流路２６を含む。直通流路２６は、シリンダ軸線方向に沿って延びるように形成されたストレート形状の流路であり、図１に示すように、シリンダ列方向において隣り合う上部ＷＪ２０の隙間を通過して下部ＷＪ２２と排気弁間流路３２とを接続している。したがって、直通流路２６は、シリンダブロック１２の排気側において、各シリンダ＃１～＃４に対して１つ備えられている。なお、図１に示す一例では、直通流路２６がシリンダブロック１２の吸気側にも同様に設けられている。また、一例として、直通流路２６は円断面を有する。

より詳細には、直通流路２６は、上記ヘッドガスケットに形成された連通路４２を含んでいる。図１中の（細い方の）実線の矢印で示すように、冷却水は、下部ＷＪ２２から直通流路２６を介して排気弁間流路３２に流入する。すなわち、排気弁間流路３２には、下部ＷＪ２２から直接的に（換言すると、上部ＷＪ２０を介することなく）冷却水が供給される。

なお、排気弁周囲流路３０及び排気弁間流路３２からヘッド内ウォータジャケット１６に流入した冷却水は、これらの流路３０、３２内を各シリンダ＃１～＃４の外周側から中央側に向けて流れた後に、シリンダ列方向に沿って流れて所定の冷却水出口に向かう。そして、冷却水は、当該冷却水出口を通ってヘッド内ウォータジャケット１６の外部に排出され、その後、ラジエータ等の所定の機器（図示省略）を介して冷却水ポンプ１８に吸入される。

１－１－２．ブロック内ウォータジャケットとオイル通路との関係
次に、図２は、図１に示す排気側（シリンダブロック１２の排気側）からブロック内ウォータジャケット１４を見た図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線でシリンダブロック１２を切断した断面図である。

シリンダブロック１２の内部には、内燃機関１０の各摺動部を潤滑するためのオイルが流れるブロック内オイル通路５０が形成されている。ブロック内オイル通路５０は、オイル落とし通路５２と、オイル供給通路５４とを含む。オイル落とし通路５２は、図２、３に示すように、シリンダヘッドからオイルパン（図示省略）に戻る（落下する）オイルが流れる通路である。オイル供給通路５４は、オイルポンプ（図示省略）から圧送されたオイルを各摺動部に供給するための通路の１つである。

より詳細には、オイル落とし通路５２は、第１～第４通路部５２ａ～５２ｄからなる。第１通路部５２ａは、シリンダ＃１及びシリンダ＃２の付近においてシリンダヘッドから落下するオイルを集める部位５２ａ１と、シリンダ＃３及びシリンダ＃４の付近においてシリンダヘッドから落下するオイルを集める部位５２ａ２とを有する。これらの部位５２ａ１、５２ａ２は、図２に示すように、各上部ＷＪ２０と重なる位置においてシリンダ列方向に延びるように形成されている。

第２通路部５２ｂは、シリンダ軸線方向に延びるように形成された２本のストレート形状の通路である。第２通路部５２ｂのそれぞれは、第１通路部５２ａと第３通路部５２ｃとを接続している。第２通路部５２ｂのそれぞれも、ブロック内ウォータジャケット１４におけるシリンダ＃２及びシリンダ＃３用の直通流路２６と重なる場所に配置されている。

第３通路部５２ｃは、図２に示すように、下部ＷＪ２２と重なる位置においてシリンダ列方向に沿って延びるように形成されている。第３通路部５２ｃは、図３に示すように下部ＷＪ２２と密接するように配置されている。第２通路部５２ｂから第３通路部５２ｃに流入したオイルは、第４通路部５２ｄを介してオイルパンに落下する。

また、オイル供給通路５４は、図３に示すように、下部ＷＪ２２の下方、かつ下部ＷＪ２２に近接した場所に配置されている。より詳細には、オイル供給通路５４は、図２に示すように、シリンダ列方向に沿って延びるように形成されたストレート形状の通路である。

１－２．効果
以上説明したように、本実施形態の内燃機関１０によれば、ブロック内ウォータジャケット１４から排気弁間流路３２への冷却水の供給は、排気弁周囲流路３０への供給と同じ上部ＷＪ２０からではなく、上部ＷＪ２０と分離された下部ＷＪ２２から直通流路２６を介して（すなわち、上部ＷＪ２０を介さずに直接的に）行われる。このような構成によれば、狭い排気弁間流路３２に冷却水を流すために排気弁周囲流路３０を狭める必要がなく、下部ＷＪ２２と排気弁間流路３２との間の圧力差を利用して冷却水を流すことができる。このため、低燃費及び低排出ガスを実現するシリンダブロック１２の温度管理のために浅い上部ＷＪ２０を備える内燃機関１０における冷却水の圧力損失の増大を抑制しつつ（又は圧力損失を低下させつつ）、排気弁間流路３２内の冷却水の流れを適切に確保できるようになる。

より詳細には、低燃費及び低排出ガスを実現するシリンダブロック１２の温度管理のためには、ブロック内ウォータジャケットの深さ（シリンダ軸線方向の幅）を減らしてシリンダボア中部を保温できることが有効である。本実施形態１０の内燃機関１０においても、ブロック内ウォータジャケット１４を十分に離れた上部ＷＪ２０と下部ＷＪ２２とに分割することによって、シリンダボア中部を温め易くする構成が採用されている。このような構成を採用して上部ＷＪ２０を浅く形成した場合であっても、排気弁間流路３２への冷却水の供給を上述のように直通流路２６を介して下部ＷＪ２２から直接的に行うことにより、圧力損失の増大を抑制できる。

また、本実施形態の内燃機関１０によれば、下部ＷＪ２２から上部ＷＪ２０への冷却水の供給は、複数のＷＪ間連通路２４を利用して行われる。これにより、下部ＷＪ２２に設けられた冷却水ポンプ１８からの冷却水の導入部に対して各上部ＷＪ２０が並列に繋がるため、上部ＷＪ２０を浅くしても、圧力損失の増大を抑制できる。

以上のように、内燃機関１０によれば、上部ＷＪ２０を浅くしても、排気弁間流路３２内での冷却水の流れを適切に確保しつつ（すなわち、排気弁間（排気ポート間）に位置するシリンダヘッドの壁部の冷却能力を適切に確保しつつ）冷却水の圧力損失を低減できる。このため、低燃費及び低排出ガスを実現するシリンダブロック１２の温度管理を適切に行いつつ、圧力損失の増大を抑制できる。また、本実施形態の対策によれば、シリンダボア中部の保温性を高めるために、別途ウォータジャケットスペーサを用いる必要がない。このことは、製造原価低減に繋がる。

また、シリンダブロック内での冷却水とオイルとの熱交換に関し、特別な配慮なしにブロック内ウォータジャケットを浅くすることは当該熱交換性能の低下を招き、その結果として、オイル温度の上昇が懸念される。このような追加の課題に関し、本実施形態の内燃機関１０によれば、図２に示すようにシリンダブロック１２の排気側から見たとき、ブロック内オイル通路５０の各部（オイル落とし通路５２の第１～第４通路部５２ａ～５２ｄ、及びオイル供給通路５４）は、それぞれ、ブロック内ウォータジャケット１４の各部（上部ＷＪ２０、下部ＷＪ２２及びＷＪ間連通路２４）と重なるように設けられている。このため、ブロック内ウォータジャケット１４を流れる低温の冷却水を利用したブロック内オイル通路５０の壁の冷却効果を高めることができ、その結果として、その内部を流れる高温のオイルを効果的に冷却できる。

特に、第３通路部５２ｃは、図３に示すように下部ＷＪ２２と密接するように配置されている。冷却水ポンプ１８からの冷却水の導入部がある下部ＷＪ２２内を流れる冷却水の温度は、その下流側の上部ＷＪ２０を流れる冷却水の温度と比べても低い。このため、内燃機関１０の構成によれば、そのような低温の冷却水との間で積極的な熱交換を行う空間として第３通路部５２ｃを利用することができる。このため、オイルと冷却水との熱交換を効果的に促進できる。その結果、オイル冷却のためのオイルクーラを別途設けることを不要としながら上述のシリンダブロック１２の温度管理のために浅い上部ＷＪ２０を採用する構成を成立させ易くなる。

さらに、本実施形態の内燃機関１０によれば、シリンダブロック１２のシリンダボア下部は、シリンダ列方向に沿って延びるように形成された下部ＷＪ２２によって冷却される。このため、ピストン冷却用のオイルジェットによって噴射されたオイルがシリンダボア壁から受熱することを抑制できる。

１０ 内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ ブロック内ウォータジャケット
１６ ヘッド内ウォータジャケット
１８ 冷却水ポンプ
２０ シリンダ上部ウォータジャケット（上部ＷＪ）
２２ シリンダ下部ウォータジャケット（下部ＷＪ）
２４ ウォータジャケット間連通路（ＷＪ間連通路）
２６ 直通流路
３０ 排気弁周囲流路
３２ 排気弁間流路
４０、４２ 連通路
５０ ブロック内オイル通路
５２ オイル落とし通路
５２ａ～５２ｄ オイル落とし通路の第１～第４通路部
５４ オイル供給通路
５６ シリンダボア壁

Claims (1)

1. シリンダ列方向に沿って直列に配置された複数のシリンダと、前記複数のシリンダの周囲に形成され冷却水が流れるブロック内ウォータジャケットと、を有するシリンダブロックと、
   前記冷却水が流れるヘッド内ウォータジャケットを有するシリンダヘッドと、
   前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
   を備える内燃機関であって、
   前記ヘッド内ウォータジャケットは、
   同一シリンダに設けられた複数の排気弁の周囲を覆うように形成された排気弁周囲流路と、
   前記複数の排気弁を構成する任意の２つの排気弁の間に形成された排気弁間流路と、
   を含み、
   前記ブロック内ウォータジャケットは、
   シリンダ軸線方向の上部に配置されたシリンダ上部ウォータジャケットと、
   前記シリンダ上部ウォータジャケットから離れた位置において前記シリンダ軸線方向の下部に配置されたシリンダ下部ウォータジャケットと、
   前記シリンダ上部ウォータジャケットと前記シリンダ下部ウォータジャケットとを接続するウォータジャケット間連通路と、
   前記シリンダ下部ウォータジャケットと前記排気弁間流路とを接続する直通流路と、
   を含み、
   前記冷却水ポンプは、前記シリンダ下部ウォータジャケット内に前記冷却水を供給するように配置され、
   前記ブロック内ウォータジャケットは、前記冷却水が前記シリンダ下部ウォータジャケットから前記ウォータジャケット間連通路を介して前記シリンダ上部ウォータジャケットに流入するように構成され、
   前記ブロック内ウォータジャケット及び前記ヘッド内ウォータジャケットは、前記冷却水が前記シリンダ上部ウォータジャケットから前記排気弁周囲流路に供給され、かつ、前記冷却水が前記シリンダ下部ウォータジャケットから前記直通流路を介して前記排気弁間流路に供給されるように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。

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