JP4414923B2 - シリンダブロック - Google Patents

Description

この発明はシリンダブロックに関し、より特定的には、ウォータジャケットを有するシリンダブロックに関するものである。

従来、シリンダブロックは、たとえば特開２００４−９２５４７号公報（特許文献１）および特開２００２−２５６９６４号（特許文献２）に開示されている。
特開２００４−９２５４７号公報 特開２００２−２５６９６４号公報

特許文献１ではヘッドガスケットのシリンダブロックのウォータジャケットにガスケットから冷却水流制御板がある間隔を有して設けられており、水温によってサーモバルブが開閉することによって制御板同士が接合したり、ボアに屈曲かつ当接し、冷却水を制御してシリンダ壁の熱膨張による変形を防止する技術が開示されている。特許文献２では、暖機性とボア壁の温度を均一化できるシリンダブロックが開示されている。

上述の構成では、シリンダの上下方向の冷却水の流れの制御ができず、したがって、シリンダの上下部での温度差の是正が困難であるという問題があった。

そこでこの発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、内燃機関の運転状態に対応し放熱量を調整することが可能なシリンダブロックを提供することを目的とする。

この発明に従ったシリンダブロックは、内燃機関のピストンと摺動し、かつ燃焼室を構成するシリンダボアと、シリンダボアを冷却するウォータジャケットを有し、水温状態によってシリンダボア外周に当接・離反をする可変フィンを単数ないし複数配置している。

このように構成されたシリンダブロックでは、内燃機関の冷・暖機状態に対応し、シリンダボアの熱状態または可変フィンを可動によって制御することが可能となる。

シリンダボアの下端部が可動フィンの支点となる。この場合冷間始動等の暖機過程ではフィン全体がボアに当接することができ、ボアの暖機性が向上することで油温を早急に上昇させることができ、フリクションの低減を図ることができる。また、暖機終了後は可動フィンの上部がボアから弓なりに離反し、ボア上部の冷却水通路が広くなり、燃焼室近傍の熱冷却効率を向上させることができると同時にボアの変形も抑制できる。

この発明に従ったシリンダブロックは、内燃機関のピストンと摺動し、かつ燃焼室を構成するシリンダボアと、シリンダボアを冷却するウォータジャケットを有し、水温状態によってシリンダボア外周に当接・離反をする可変フィンを単数ないし複数配置している。可動フィンは、その途中で屈曲するスナップ機構を有する。このように構成されたシリンダブロックでは、高負荷および高回転時はピストンリングの摺動摩擦熱よりボア下部の温度が上昇するため、下部に冷却水を流すことができる。

この発明に従えば、内燃機関の運転状態に応じて冷却状態を変更することが可能なシリンダブロックを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照番号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったシリンダブロックの断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従ったシリンダブロック１は、内燃機関のピストン１２と摺動し、かつ燃焼室１１を構成するシリンダボア４と、そのシリンダボア４を冷却するウォータジャケット２を有し、水温状態によってシリンダボア４の外周面１３に当接および離反する可動フィン３が複数設けられている。可動フィン３はその途中で屈曲するスナップ機構３１を有する。可動フィン３はアルミニウム系金属より低い熱伝導率を有する。可動フィン３は、燃焼室１１での発熱量が大きくなるに従って燃焼室１１から冷却水１０１への放熱量が大きくなるように変形してシリンダボア４の外周面１３との間に隙間を形成する。

シリンダブロック１内の燃焼室１１は円柱形状であり、この領域で燃料の爆発が生じてこの爆発力がピストン１２へ伝えられる。

ピストン１２は燃焼室１１内を往復運動し、爆発力を往復運動に変換し、この往復運動がコネクティングロッドおよびクランクシャフトにより回転力に変換される。

この実施の形態では、エンジンの種類については特に限定されず、たとえば燃焼室１１内で爆発する燃料がガソリン、軽油などさまざまな燃料を燃焼させることができる。すなわち、本発明はガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれにも適用することが可能である。さらに、エンジン内でのピストンの配置位置に関しても、直列型、Ｖ型、Ｗ型、水平対向型などのさまざまなエンジンに本発明を適用することが可能である。

ピストン１２の外周にはシリンダボア４がピストン１２を取囲むように配置されている。

シリンダボア４はピストン１２のピストンリングと摺動する部材であり、たとえば放熱性（熱伝導性）を向上させる観点からはアルミニウム合金で構成される。また、シリンダボア４の強度を高める場合には、シリンダボア４のうちピストン１２と向かい合う面に鋳鉄を配置し、その外周をアルミニウム合金で覆ってもよい。さらに特に強度が必要とされる内燃機関の場合には、シリンダボア４が鋳鉄で構成されていてもよい。

シリンダボア４は燃焼室１１を取囲む筒状領域であり、その内周面がピストン１２と向かい合い、外周面１３は可動フィン３と接触している。シリンダボア４の外周にはウォータジャケット２が設けられている。ウォータジャケット２には冷却水１０１が流され、シリンダボア４から発生した熱を冷却水１０１が奪い去る。なお、冷却水１０１は冷却媒体として作用するものであり、水である必要はなく、ロングライフクーラント、油などで冷却がなされてもよい。

ウォータジャケット２は冷媒通路であり、シリンダボア４の外周面１３、底面１５およびウォータジャケット壁面１４で取囲まれる空間である。ウォータジャケット２の上側、すなわちデッキ面１８近傍ではウォータジャケット２が開口しており、この実施の形態に従ったシリンダブロック１は、いわゆるオープンデッキタイプのシリンダブロックである。なお、オープンデッキタイプに限られず、より強度が必要とされるシリンダブロック１ではクローズドタイプ（デッキ面１８においてウォータジャケット２が開口していない）を用いることも可能である。ウォータジャケット２へはウォータポンプから冷却水１０１が供給され、冷却水はウォータジャケット２内を流れてシリンダボア４の熱を吸収した後にヘッド側へ回り、ヘッドを構成する各要素を冷却することが可能である。ウォータジャケット２はシリンダボア４の上端２１から下端２２まで延びており、シリンダボア４を取囲む形状とされる。

ウォータジャケット２内に可動フィン３が収納されている。可動フィン３は温度に応じて形態を変化させることが可能な遮蔽板であり、シリンダボア４の外周面１３に直接冷却水１０１が当たることを防止する。図１で示す低温状態では、シリンダボア４の外周面１３が可動フィン３で覆われている。

シリンダボア４の外周にウォータジャケット２が連続して設けられており、冷却媒体としての冷却水１０１を供給してボア壁温を均一化するシリンダブロック１の冷却構造において、ウォータジャケット２内にシリンダブロックと別体形成の可動フィン３が設けられる。また、シリンダブロック１自体、またはシリンダブロック１から一体に形成されたウォータジャケット内に可動フィン３が設けられていてもよい。可動フィン３はバイメタル構造となっており、シリンダボア４の壁温と冷却水温に応じて開閉する。

図２から図４は、可動フィンの動作を説明するために示すシリンダブロックの断面図である。図２を参照して、シリンダボア４の外周面１３の温度と冷却水１０１の温度が低い暖機時には、可動フィン３は閉じており、シリンダボア４から冷却水１０１への放熱が遮蔽される。

図３を参照して、冷却水１０１の温度およびシリンダボア４の外周面１３の温度が高くなる暖機終了時には、可動フィン（可変フィン）３が開きシリンダボア４から冷却水１０１への放熱を開始する。但し、通常運転時には、シリンダボア４の上端２１（燃焼室近傍）が高温になるため、上方側の流路が広くなるように可動フィン３はウォータジャケット２の底面１５で拘束される。

図４を参照して、さらに高負荷および高回転時には、逆にピストンリングおよびオイルリングの摺動摩擦熱により、シリンダブロック１の下部の温度が上昇する。そのため、可動フィン３にはスナップ機構が設けられており、可動フィン３の先端がウォータジャケット２の壁面を押付け、可動フィン３に係る荷重が大きくなるとシリンダボア４の下部流路が広がる。このとき、可動フィン３はスナップ機構３１を有し、スナップ機構３１を中心として可動フィン３が折れ曲がる構造となる。

図５および図６は、可動フィンの構成を示す図である。図５および図６を参照して、可動フィン３はバイメタル３ａに熱伝導率の低い塗料３ｂを塗布し、端部を拘束具３ｃで固定する構造とされる。但し、バイメタル３ａは必須ではなく、温度を感知して変形し、目標の変形を達成する素材であればよい。バイメタル３ａは、たとえばＴＭ１、ＴＭ２（ＪＩＳ規格Ｃ２５３０）などの汎用性の高いバイメタルを用いる。塗料３ｂとしては、シリコン系またはフッ素系の塗料を用いる。拘束具３ｃには、熱膨張率がアルミニウムに近い金属もしくは樹脂を用いる。拘束具３ｃは、シリンダボアの外周に沿った形状とし、フィンがシリンダボア周辺に均等に配置されるようにする。図６で示すように、シリンダボアの外周に沿った円弧形状の拘束具３ｃに複数のバイメタル３ａが取付けられており、シリンダボアの外周を囲む形状とされる。可動フィン３はボア下端を支点として変形することが可能である。

このように構成されたシリンダブロック１では、図２から３で示すように、冷却水１０１の温度およびシリンダボア４の外周面１３の温度に応じて可動フィン３が変形し、シリンダボア４から冷却水１０１への放熱量を調整することができるため、所望の冷却状態を実現することができる。

すなわち、本発明では暖機性およびボア周囲温度の均一性を向上させることができる。暖機性に関し、従来のシリンダブロックでは、燃焼室内で発生した熱を冷却水に奪われてしまうため暖機性が悪いという問題がある。これに対し、本発明では、暖機時には図２で示すようにシリンダボア４の外周面１３が可動フィン３で覆われる。これにより、暖機時の放熱を防止し、暖機性を向上させることができる。

また、ボア周囲温度の均一性に関しては、シリンダボア４の局部的な温度上昇によるボア系の歪やシリンダボア壁上部の温度上昇によるシリンダ上下方向での不均一な変形などに起因して、シリンダライナへのピストンリングの追従性が低下し、オイル消費やオイル劣化が生じるといった問題がある。これに対し、本発明では図３および図４で示すように、通常運転時には、図４で示すようにシリンダボア４の上部においてシリンダボア４の外周面１３と可動フィン３との間で隙間を生じさせて、燃焼室１１からの放熱を促進する。また、高負荷および高回転時には、ピストン１２による摩擦摺動熱を放熱するために、シリンダボア４の下部に大きな隙間を形成し、この部分での熱を放熱する。その結果、ボア周囲温度の均一性をより向上させることができる。すなわち、この発明では、シリンダブロック１のシリンダボア４回りに可動フィン３を設け、エンジン冷間時に筒内から冷却水への排熱を抑制して暖機を促進するとともに、暖機後にはボア壁温度を積極的に制御し、ボア壁の変形を制御するものである。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２に従ったシリンダブロックの平面図である。図８は、図７中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見たシリンダブロックの側面図である。図７を参照して、この発明の実施の形態２に従ったシリンダブロック１では、可動フィン３がシリンダボア４の円周方向に沿って延びている点で、実施の形態１に従ったシリンダブロック１と異なる。実施の形態１では、可動フィン３はシリンダボア４の軸方向に延びるように配置される。可動フィン３はウォータジャケット２内に配置され、冷間時には、図７中の実線で示すようにシリンダボア４の壁面に沿うように円弧形状とされる。可動フィン３の構造は、実施の形態１と同様でありバイメタル構造とされる。シリンダボア４の温度と冷却水温に応じて可動フィンが開閉する。可動フィン３はシリンダボア４に対して水平方向に配列され、シリンダボア４の半径方向に所定の間隔で取付けられる。シリンダブロック１にはヘッドボルト５が取付けられており、ヘッドボルト５がシリンダブロック１とシリンダヘッドとを固定する。図８を参照して、シリンダブロック１のシリンダボア４の外周に帯状の可動フィン３が複数枚固定されている。この実施の形態では、可動フィン３はシリンダボア４の軸方向と直交するように配置されているが、可動フィン３がシリンダボア４の軸方向に対して傾斜するように配列されていてもよい。また、その場合の傾斜角度も特に限定されるものではない。

次に、可動フィン３の動作について説明する。暖機時には、可動フィン３は閉じておりシリンダボア４から冷却水１０１への放熱を遮断する。具体的には、図７の実線で示す位置に可動フィン３が位置しており、シリンダボア４の外周面の大部分が可動フィン３で覆われる。

暖機完了後には、可動フィン３が点線で示す位置まで動いて可動フィン３が開き、シリンダボア４から冷却水１０１への放熱が開始される。但し、可動フィン３の開口形状を利用して、シリンダボア４の半径方向の温度分布を積極的に制御することで、シリンダボア４の真円度を向上させることができる。たとえば、可動フィン３を９０度間隔で配置し、ヘッドボルト５の締付け等で引き伸ばされた部分に積極的に冷却水１０１を通過させ、逆に変形の少ない部分は流路を狭くして熱膨張を促進させ、ボアの真円度を向上させる。また、サイアミーズ型の多気筒エンジンにおいては、冷却性能が低いシリンダボア間の流路を積極的に広くとり、冷却性能をその他の部位より向上させることでボアの真円度を図ることができる。可動フィン３の構成については、実施の形態で示したものに限られず、予め定められた設定された温度により可変することが可能なものであればよい。また、可動フィン３の配置位置および配置本数については特に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は内燃機関の分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従ったシリンダブロックの断面図である。 可動フィンの動作を説明するために示すシリンダブロックの断面図である。 可動フィンの動作を説明するために示すシリンダブロックの断面図である。 可動フィンの動作を説明するために示すシリンダブロックの断面図である。 可動フィンの構成を示す図である。 可動フィンの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に従ったシリンダブロックの平面図である。 図７中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見たシリンダブロックの側面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック、２ ウォータジャケット、３ 可動フィン、４ シリンダボア、５ ヘッドボルト、１１ 燃焼室、１３ 外周面、１４ ウォータジャケット壁面、１５ 底面、２１ 上端、２２ 下端、１０１ 冷却水。

Claims (3)

1. 内燃機関のピストンと摺動し、かつ燃焼室を構成するシリンダボアと、
   前記ボアを冷却するウォータジャケットを有するシリンダブロックであって、
   水温状態によって該シリンダボア外周に当接および離反する可動フィンを単数または複数配置し、
   前記シリンダボアの下端部が前記可動フィンの支点である、シリンダブロック。
2. 前記可動フィンは、その途中で屈曲するスナップ機構を有する、請求項１に記載のシリンダブロック。
3. 内燃機関のピストンと摺動し、かつ燃焼室を構成するシリンダボアと、
   前記ボアを冷却するウォータジャケットを有するシリンダブロックであって、
   水温状態によって該シリンダボア外周に当接および離反する可動フィンを単数または複数配置し、
   前記可動フィンは、その途中で屈曲するスナップ機構を有する、シリンダブロック。

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