JP2011252454A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機中に、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させてもシリンダヘッドが過度に冷却されることを防止する。
【解決手段】第１冷却水流路４５は、ラジエータ４２内の冷却水が循環しているか否かにかかわらず、冷却水が循環する流路であり、第２冷却水流路４６は、ラジエータ４２内の冷却水が循環しているときに限り、冷却水が循環する流路である。そして、ラジエータ４２内の冷却水の循環が停止しているとき、ヘッド側ウォータジャケット３１から第１冷却水流路４５へ流れる冷却水の流路上に位置し、かつ、ラジエータ４２内の冷却水が循環しているとき、ヘッド側ウォータジャケット３１から第２冷却水流路４６へ流れる冷却水の流路上から外れるように、冷却水の流動抵抗となる抵抗体７５が設けられている。抵抗体７５は、第１サーモスタット弁７０の一部からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来より、自動車用内燃機関において、シリンダヘッドのウォータジャケット（以下「ヘッド側ウォータジャケット」ともいう。）およびシリンダブロックのウォータジャケット（以下「ブロック側ウォータジャケット」ともいう。）に対して冷却水を並列に循環させるようにした内燃機関の冷却装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この種の内燃機関の冷却装置では、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水のみを循環させる弁を備えている。そして、内燃機関のコールドスタート時に、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させることで、シリンダブロックを早急に暖めることができ、シリンダのフリクションロスを低減して燃費向上を図ることができる。

特開平５−８６９７０号公報

このような内燃機関の冷却装置では、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させた場合、両方のウォータジャケット内の冷却水を循環させた場合と比較して、ヘッド側ウォータジャケット内を循環する冷却水の流量が大幅に増加してしまう。

通常、内燃機関の冷却装置では、ウォータポンプの吐出能力、冷却水回路の圧損などは、両方のウォータジャケットに冷却水を循環させる場合を基準に設計される。したがって、このように設計された内燃機関の冷却装置では、暖機完了前のように冷却水の水温が低いときに、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させると、シリンダヘッドが過度に冷却されるおそれがある。この場合、燃費の低下、燃料の霧化状態の低下によるエミッションの悪化などを招くおそれがある。

本発明はかかる問題に鑑みて創案されたものであり、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させることが可能な内燃機関の冷却装置において、暖機中に、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させても冷却水によってシリンダヘッドが過度に冷却されることを抑制できる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、本発明の内燃機関の冷却装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明の内燃機関の冷却装置は、シリンダブロック内に形成されたブロック側ウォータジャケットと、シリンダヘッド内に形成されたヘッド側ウォータジャケットと、前記ブロック側ウォータジャケットと前記ヘッド側ウォータジャケットに冷却水を並列に循環させるための冷却水流路と、前記ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させたまま、前記ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させることができるように設けられた弁と、前記ウォータジャケットより下流側に互いに並列に設けられた第１冷却水流路および第２冷却水流路と、を備えるものを前提としており、前記第１冷却水流路は、ラジエータ内の冷却水が循環しているか否かにかかわらず、冷却水が循環する流路であり、前記第２冷却水流路は、ラジエータ内の冷却水が循環しているときに限り、冷却水が循環する流路である。そして、ラジエータ内の冷却水の循環が停止しているとき、前記ヘッド側ウォータジャケットから前記第１冷却水流路へ流れる冷却水の流路上に位置し、かつ、前記ラジエータ内の冷却水が循環しているとき、前記ヘッド側ウォータジャケットから前記第２冷却水流路へ流れる冷却水の流路上から外れるように、冷却水の流動抵抗となる抵抗体が設けられている。

かかる構成を備える内燃機関の冷却装置によれば、暖機中、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環が停止したまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水が循環しても、ヘッド側ウォータジャケットを通過して第１冷却水流路に流れ込む冷却水の流路上に、抵抗体があることから、ヘッド側ウォータジャケット内を循環する冷却水の流量が抑制される。

前記弁は、サーモスタット弁であり、前記抵抗体は、前記サーモスタット弁の一部であることが望ましい。

かかる構成を備える内燃機関の冷却装置によれば、サーモスタット弁の一部が抵抗体を兼ねるため、抵抗体の設置スペースを削減することができる。

また、前記両ウォータジャケットおよび前記抵抗体を迂回して、前記両ウォータジャケットより上流側と前記第１冷却水流路とを連通するバイパス流路をさらに備えることが望ましい。

ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させたまま、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止しているとき、ヘッド側ウォータジャケット内を循環する冷却水の流量が抵抗体によって抑制されると、第１冷却水路上に設置された機器に供給される冷却水の流量が低下するが、バイパス流路が設けられることによって、ウォータポンプから吐出する冷却水の一部がヘッド側ウォータジャケットおよび抵抗体を迂回して上記機器へ供給されるので、当該機器に供給される冷却水の流量不足を補うことが可能となる。

本発明の内燃機関の冷却装置によれば、暖機中に、ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させたまま、ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させても冷却水によってシリンダヘッドが過度に冷却されることを抑制することができる。

エンジン内で冷却水が循環する経路を示す模式図である。 エンジンの冷却装置における冷却水の循環回路図である。 図１のシリンダヘッドのＡ−Ａ断面に相当する図であって、具体的なヘッド側ウォータジャケット等の構造例を示す図である。 他の実施形態に係る第１および第２冷却水流路を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係る内燃機関の冷却装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態における内燃機関として、直列４気筒エンジンを例に挙げて説明する。図１は、エンジン１０内で冷却水が循環する経路を示す模式図である。図２は、エンジンの冷却装置の回路図である。

図１および図２に示すように、エンジン１０は、シリンダブロック２０内に形成されたウォータジャケット２１（以下「ブロック側ウォータジャケット２１」ともいう。）と、シリンダヘッド３０内に形成されたウォータジャケット３１（以下「ヘッド側ウォータジャケット３１」ともいう。）とを備えている。図１ではヘッド側ウォータジャケット３１の図示は省略している。

ウォータポンプ４０から吐出する冷却水は、シリンダブロック２０の冷却水導入口２２よりブロック側ウォータジャケット２１の前部（気筒配列方向一端位置に配置されたシリンダ５１周り）に導入される。そして、その導入された冷却水は、後述する第１サーモスタット弁７０が開弁しているとき、シリンダ５１の前方で分流し、その一部がブロック側ウォータジャケット２１内を流れ、その余部がヘッド側ウォータジャケット３１側に流れる。

ブロック側ウォータジャケット２１内を流れる冷却水は、矢印９１，９２に示すように、各シリンダ５１〜５４の両側に沿って、気筒配列方向に前方（一方）から後方（他方）に向かって流れ、シリンダ５４の後方で合流する。そして、シリンダ５４の後方に到達した冷却水は、シリンダブロック２０とシリンダヘッド３０の間に介装されたガスケット６０に形成された貫通孔からなる連通路６２とシリンダヘッド３０に形成された案内流路３２（図２参照）とを通過し、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過した冷却水と合流する。

ヘッド側ウォータジャケット３１内には、冷却水導入口２２よりブロック側ウォータジャケット２１の前部に導入された冷却水が、ガスケット６０に形成された貫通孔からなる連通路６１を通じて供給され、矢印９３に示すように、概ね各シリンダ５１〜５４の燃焼室壁に沿って気筒配列方向に前方（一方）から後方（他方）に向かって流れる。そして、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過した冷却水は、後述する第１サーモスタット弁７０が開弁状態であれば、ブロック側ウォータジャケット２１から案内流路３２を通じて供給される冷却水と合流し、ウォータジャケット２１，３１より下流側に互いに並列に設けられた第１冷却水流路４５および第２冷却水流路４６の何れかに流入してエンジン１０外へ導出される。

このように、ブロック側ウォータジャケット２１およびヘッド側ウォータジャケット３１の周囲に、冷却水導入口２２、連通路６１，６２、第１および第２冷却水流路４５，４６等が設けられたことによって、ブロック側ウォータジャケット２０とヘッド側ウォータジャケット３０に冷却水が並列に循環できるようになっている。なお、ブロック側ウォータジャケット２１からヘッド側ウォータジャケット３１側へ冷却水を供給するためにガスケット６０に連通路６１，６２となる貫通孔が形成されているが、ガスケット６０のその他の場所に比較的小さな空気抜孔を形成して、微量の冷却水がブロック側ウォータジャケット２１からヘッド側ウォータジャケット３１側へ流れるようにしてもよい。

第１冷却水流路４５は、冷却水をヒータ４４側へ供給する。ヒータ４４に供給された冷却水は、ヒータ４４内を循環した後、第２サーモスタット弁４３を経由してウォータポンプ４０に還流される。なお、図２から明らかなように、第１冷却水流路４５では、ラジエータ４２内の冷却水が循環しているか否かにかかわらず、冷却水が循環するようになっている。

一方、第２冷却水流路４６は、冷却水をラジエータ４２側に供給する。ラジエータ４２に供給された冷却水は、ラジエータ４２内を循環した後、第２サーモスタット弁４３を経由してウォータポンプ４０に還流される。第２冷却水流路４６では、ラジエータ４２内の冷却水が循環している場合に限り、冷却水が循環するようになっている。

第１サーモスタット弁７０は、ブロック側ウォータジャケット２１からの冷却水の出口となる案内流路３２を開閉するように設けられている。この第１サーモスタット弁７０は、その弁体７１が、水温Ｔｃ（例えばＴｃ＝９５℃）未満で閉弁し、水温Ｔｃ以上で開弁して、水温Ｔｃｗ（例えばＴｃｗ＝１０８℃）以上で全開となる。したがって、第１サーモスタット弁７０近傍の冷却水が所定水温Ｔｃ未満のとき、弁体７１によって案内流路３２が閉塞され、ブロック側ウォータジャケット２１内の冷却水の循環が停止する。一方、ヘッド側ウォータジャケット３１内の冷却水は第１サーモスタット弁７０の状態にかかわらず循環する。

また、第２サーモスタット弁４３は、冷却水が所定水温Ｔｗ（例えばＴｗ＝８２℃）未満のとき、その弁体を閉弁してラジエータ４２内の冷却水の循環を停止させる。一方、冷却水が所定水温Ｔｗ以上のとき、その弁体を開弁してラジエータ４２内の冷却水を循環させる。但し、第２サーモスタット弁４３の開閉状態にかかわらずヒータ４４側からウォータポンプ４０に還流する冷却水の流路は常に開放されている。なお、本明細書においては、エンジン１０の運転中において、第２サーモスタット弁４３が閉弁していることにより、ラジエータ４２内の冷却水の循環が停止しているときを暖機中とする。

本実施形態に係るエンジン１０の冷却装置は、以上に説明した構成のほか、図２に示すような、バイパス流路４７を備えている。このバイパス流路４７は、ウォータポンプ４０と冷却水導入口２２間（両ウォータジャケット２１，３１の上流側）と、第１冷却水流路４５の途中とを連通し、ウォータポンプ４０から吐出する冷却水の一部を両ウォータジャケット２１，３１および後述する抵抗体７５を迂回させて、ヒータ４４に供給するために設けられている。このバイパス流路４７の途中にはＥＧＲクーラ４８が設置されている。なお、冷却水循環回路の全体の圧損調整のために、ＥＧＲクーラ４８のほか、他の熱交換器（例えばオイルクーラなど）をバイパス流路４７上に更に設置してもよい。

図３は、図１のシリンダヘッド３０のＡ−Ａ断面に相当する図であって、具体的なヘッド側ウォータジャケット３１等の構造例を示す図である。なお、説明の便宜上、ヘッド側ウォータジャケット３１内を流れる冷却水の上流側をエンジン１０の「前」とし、下流側をエンジン１０の「後」とする。また、排気ポートから排ガスが排出される方を「排気側」、吸気ポートから新気が吸入される方を「吸気側」とする。

図３に示すように、ヘッド側ウォータジャケット３１は、シリンダヘッド３０内で概ね気筒配列方向に延在している。ヘッド側ウォータジャケット３１の前端部には、ブロック側ウォータジャケット２１に連通する連通路６１が形成されており、この連通路６１を通じてブロック側ウォータジャケット２１からヘッド側ウォータジャケット３１内に冷却水が流入する。ヘッド側ウォータジャケット３１の後端部は、シリンダヘッド３０に接続されたアウトレットパイプからなる第１冷却水流路４５および第２冷却水流路４６に通じている。

後方の連通路６２を通じてブロック側ウォータジャケット２１からシリンダヘッド３０内に供給される冷却水は、連通路６２から案内流路３２によって後方に導かれ、ヘッド側ウォータジャケット３１内を通過した冷却水と合流して第１又は第２冷却水流路４５，４６に流れ込む。

第１サーモスタット弁７０は、弁体７１、感温部７２、フランジ部７３、ピストン部７４等を備えており、その弁体７１が案内流路３２を開閉するようにフランジ部７３がシリンダヘッド３０内に形成された座面３７に固定されている。

第１サーモスタット弁７０の感温部７２は、第１冷却水流路４５の入口近傍に設置されており、各ウォータジャケット２１，３１を通過した冷却水の水温に反応して、内部のワックスを膨張・収縮させるようになっている。このワックスの膨張・収縮力によってピストン部７４が作動し、当該ピストン部７４に固定された弁体７１により、案内流路３２が開閉されるようになっている。

第１サーモスタット弁７０の感温部７２等は、第２サーモスタット弁４３が閉弁状態にありラジエータ４２内の冷却水の循環が停止しているとき（つまり、暖機中のとき）、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過して第１冷却水流路４５に流れ込む冷却水の流路上に位置し、かつ、第２サーモスタット弁４３が開弁状態にありラジエータ４２内の冷却水が循環しているとき（つまり、暖機完了後の状態にあるとき）、ヘッド側ウォータジャケット３１から第２冷却水流路４６に流れ込む冷却水の流路上から外れるように設置されている。これにより、少なくとも暖機完了前は、第１サーモスタット弁７０の感温部７２等がヘッド側ウォータジャケット３１を通過して第１冷却水流路４５に流れ込む冷却水の流動抵抗となる抵抗体７５として機能する。その結果、ヘッド側ウォータジャケット３１を流れる冷却水の流量が抑制される。

なお、符号３４は排気ポート用通路、符号３５は吸気ポート用通路、符号３６は点火栓用開口を示している。

以上に説明したエンジンの冷却装置によれば、冷却水の水温がＴｗ未満である暖機中においては、両サーモスタット弁４３，７０が閉弁し、ブロック側ウォータジャケット２１内の冷却水の循環が停止したまま、ヘッド側ウォータジャケット３１内の冷却水が循環する。このとき、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過した冷却水は全て第１冷却水流路４５に流れ込み、第２冷却水流路４６には流れ込まない。そして、このときヘッド側ウォータジャケット３１を通過して第１冷却水流路４５に流れ込む冷却水の流路上には、流動抵抗となる抵抗体７５が配置されていることから、ヘッド側ウォータジャケット３１内を循環する冷却水の流量が抑制される。

一方、暖機完了直後は、第２サーモスタット弁４３が開弁し、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過した冷却水は主に第２冷却水流路４６に流れ込むようになる。このとき、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過して第２冷却水流路４６に流れ込む冷却水の流路上に抵抗体７５が配置されていないことから、ヘッド側ウォータジャケット３１内を循環する冷却水の流量は増加する。しかし、このときの冷却水の水温は、既に所定水温Ｔｗ以上となっているので、シリンダヘッド３０が過度に冷却されるおそれは少ない。

さらに、冷却水の水温が上昇して、第１サーモスタット弁７０も開弁すると、各ウォータジャケット２１，３１を通過した冷却水が第１および第２冷却水流路４５，４６に流れ込むようになる。このときは、ヘッド側ウォータジャケット３１を通過して第２冷却水流路４６に流れ込む冷却水の流路上に流動抵抗となる抵抗体７５が配置されていないことから、ヘッド側ウォータジャケット３１内を循環する冷却水の流量を十分に確保することができ、エンジン１０の負荷が高いときにも充分な冷却効率を確保できる。

ところで、暖機中に上記のように、ヘッド側ウォータジャケット３１内を循環する冷却水の流量が抑制されると、下流側に設置されたヒータ４４に供給される冷却水の流量も低下して規定値を満たさないことが懸念される。しかし、本実施形態では、バイパス流路４７が設けられていることによって、ウォータポンプ４０から吐出する冷却水の一部がヘッド側ウォータジャケット３１および抵抗体７５を迂回してヒータ４４へ供給されるので、ヒータ４４に供給する冷却水の流量不足を容易に補うことができる。

バイパス流路４７を設けると、ウォータポンプ４０から吐出供給される冷却水の一部がバイパス流路４７へ流れることから、ウォータポンプ４０が吐出供給する冷却水のうち両ウォータジャケット２１，３１内に供給される冷却水の割合が低下する。しかし、バイパス流路４７を設けることで、冷却水の循環回路全体としての圧損が低下し、ウォータポンプ４０の吐出量が増加するため、バイパス流路４７上にＥＧＲ４８などの圧損要素を適度に設けることで、各ウォータジャケット２１，３１内に供給される冷却水の流量をバイパス流路４７が設けられていない場合と同程度に維持することが可能である。

［他の実施形態１］
図１〜図３に基づき説明したエンジンの冷却装置においては、各ウォータジャケット２１，３１を通過した冷却水は、シリンダヘッド３０内で合流するように冷却水流路が形成されているが、シリンダブロック２０およびシリンダヘッド３０の外部において、各ウォータジャケット２１，３１を通過した冷却水を合流させ、第１サーモスタット弁７０を設けることも可能である。

例えば、図４に示す例では、既述の連通路６２が廃止され、各ウォータジャケット２１，３１の下流側にヘッド側アウトレットパイプ８１とブロック側アウトレットパイプ８２がそれぞれ接続されている。

ヘッド側アウトレットパイプ８１の途中には、冷却水をヒータ４４側へ供給する中間パイプ８３が接続され、この中間パイプ８３の途中にブロック側アウトレットパイプ８２の下流端が接続されている。そして、ブロック側アウトレットパイプ８２と中間パイプ８３との接続部において、第１サーモスタット弁７０が設けられている。この第１サーモスタット弁７０は、弁体７１がブロック側アウトレットパイプ８２内の冷却水流路を開閉するように設置されており、その感温部７２（抵抗体７５）は、中間パイプ８３内の冷却水流路上に設置され、中間パイプ８３内を流れる冷却水流路の流動抵抗となっている。なお、既述の第１冷却水流路４５は、中間パイプ８２内に形成され、既述の第２冷却水流路４６は、ヘッド側アウトレットパイプ８１内に形成される。

本発明は、例えば、自動車に搭載される水冷式エンジンに適用することが可能である。

１０ エンジン（内燃機関）
２０ シリンダブロック
２１ ブロック側ウォータジャケット
３０ シリンダヘッド
３１ ヘッド側ウォータジャケット
４２ ラジエータ
４５ 第１冷却水流路
４６ 第２冷却水流路
７０ 第１サーモスタット弁
７５ 抵抗体

Claims (3)

1. シリンダブロック内に形成されたブロック側ウォータジャケットと、
   シリンダヘッド内に形成されたヘッド側ウォータジャケットと、
   前記ブロック側ウォータジャケットと前記ヘッド側ウォータジャケットに冷却水を並列に循環させるための冷却水流路と、
   前記ヘッド側ウォータジャケット内の冷却水を循環させたまま、前記ブロック側ウォータジャケット内の冷却水の循環を停止させることができるように設けられた弁と、
   前記ウォータジャケットより下流側に互いに並列に設けられた第１冷却水流路および第２冷却水流路と、
   を備える内燃機関の冷却装置であって、
   前記第１冷却水流路は、ラジエータ内の冷却水が循環しているか否かにかかわらず、冷却水が循環する流路であり、
   前記第２冷却水流路は、ラジエータ内の冷却水が循環しているときに限り、冷却水が循環する流路であり、
   ラジエータ内の冷却水の循環が停止しているとき、前記ヘッド側ウォータジャケットから前記第１冷却水流路へ流れる冷却水の流路上に位置し、かつ、前記ラジエータ内の冷却水が循環しているとき、前記ヘッド側ウォータジャケットから前記第２冷却水流路へ流れる冷却水の流路上から外れるように、冷却水の流動抵抗となる抵抗体が設けられていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の冷却装置において、
   前記弁は、サーモスタット弁であり、
   前記抵抗体は、前記サーモスタット弁の一部であることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関の冷却装置において、
   前記両ウォータジャケットおよび前記抵抗体を迂回して、前記両ウォータジャケットより上流側と前記第１冷却水流路とを連通するバイパス流路をさらに備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。

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