JP2020026738A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒導入孔から各気筒への距離の違いに起因する冷却効率の差を考慮した形状のウォータジャケットスペーサを備える内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関におけるシリンダブロックには、ウォータポンプから圧送される冷却水をウォータジャケットに供給するための冷媒導入孔が区画されている。第３スペーサ部５３は、ウォータジャケットスペーサ５０のうちの冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒に対応した部分に位置している。第３スペーサ部５３は、上端の位置が第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２よりも低い。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に関する。

特許文献１の内燃機関では、シリンダブロック内に４つの気筒が区画されている。各気筒は並列に配置されている。また、シリンダブロック内には、４つの気筒の全体を取り囲むようにウォータジャケットが区画されている。さらに、シリンダブロック内には、ウォータジャケットに冷媒を導入するための冷媒導入孔が区画されている。冷媒導入孔は、４つの気筒の並び方向において、ウォータジャケットの端部に接続されている。

特許文献１の内燃機関では、ウォータジャケット内にウォータジャケットスペーサが挿入されている。このようにウォータジャケットスペーサがウォータジャケット内に挿入されることにより、ウォータジャケット内の空間の一部が埋められて、ウォータジャケット内を流通する冷媒の流量や流速が調整されている。

特開２０１８−０３５７２６号公報

特許文献１のような内燃機関においては、冷媒導入孔、ウォータジャケット、及び各気筒との位置関係によって、シリンダブロックの場所毎に、ウォータジャケット内を流通する冷媒による冷却効率に差が生じる。特許文献１のウォータジャケットスペーサは、このような冷却効率の差を考慮しておらず、さらなる改善の余地がある。

上記課題を解決するため、本発明は、シリンダブロックと、前記シリンダブロック内に区画されており、並列配置された複数の気筒と、前記シリンダブロック内に区画されており、前記複数の気筒を取り囲むウォータジャケットと、前記シリンダブロック内に区画されており、冷媒を前記ウォータジャケットに供給するための冷媒導入孔と、少なくとも前記冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒を含む複数の気筒に対応するように、前記ウォータジャケット内に挿入されるウォータジャケットスペーサとを備える内燃機関であって、前記ウォータジャケットスペーサは、上端の位置が他の部分よりも低い低部を備え、前記低部は、前記ウォータジャケットスペーサのうちの前記冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒に対応した部分に位置している。

上記の構成において、ウォータジャケット内を流通する冷媒は、上流側から下流側に向けて流通するにつれて圧力が損失される。したがって、ウォータジャケットのうち冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒に対応する部分においては、冷媒の圧力が低くて冷媒が流通しにくい。上記構成によれば、このように冷媒の圧力が低い部分において、ウォータジャケットスペーサの上端が他の部分より低くされている。換言すれば、ウォータジャケット内において冷媒の流路断面積が大きくなっている。そのため、圧力損失が生じて圧力が相応に低下している冷媒であっても、速やかに流通できる。このように、上記構成のウォータジャケットスペーサは、冷媒導入孔から各気筒への距離の違いに起因する冷却効率の差を考慮した形状になっている。

内燃機関の一実施形態の構成を模式的に示す内燃機関の断面図。 ウォータジャケットスペーサを挿入したシリンダブロックの上面図。 ウォータジャケットスペーサの斜視図。

内燃機関の一実施形態について、図面に従って説明する。なお、以下では、直列３気筒の内燃機関を例に説明する。
図１に示すように、内燃機関Ｅは、全体として直方体状のシリンダブロック１０を備えている。図２に示すように、シリンダブロック１０の内部には、円筒状の気筒１１が３つ区画されている。３つの気筒１１は、シリンダブロック１０を上面視した場合に、各気筒１１の中心が同一直線上に位置するように、並列配置されている。また、各気筒１１は、シリンダブロック１０の上面において開口している。図１に示すように、気筒１１の内部には、ピストン１２が当該気筒１１内を往復移動可能に収容されている。図示は省略するが、ピストン１２は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。ピストン１２の頂面には、シリンダブロック１０の側面視で円弧状の頂面凹部１２Ａが窪んでいる。また、頂面凹部１２Ａは、気筒１１の軸線方向から視て、円状に窪んでいる。

シリンダブロック１０の上端には、全体として直方体状のシリンダヘッド２０が固定されている。シリンダヘッド２０の下面においては、気筒１１の軸線方向から視て円形の凹部２１が上側へと窪んでいる。凹部２１の直径は、気筒１１の直径と略同一となっている。凹部２１と気筒１１は向かい合って配置されている。凹部２１の内壁、気筒１１の内壁及びピストン１２の上側面によって、燃焼室１３が区画されている。

シリンダヘッド２０の内部には、気筒１１内に吸気を供給するための吸気ポート２２が区画されている。吸気ポート２２は、気筒１１の数に対応して複数区画されている。吸気ポート２２は、気筒１１の並び方向及び上下方向のいずれに対しても直交する方向（図１において左右方向、図２において上下方向）の一方側（以下、「吸気側」と呼称する。）に配置されている。また、シリンダヘッド２０には、吸気ポート２２における燃焼室１３側の開口を開閉する吸気バルブ１４が取り付けられている。吸気バルブ１４は、図示しない動弁機構によってクランクシャフトの回転と連動して開閉される。

シリンダヘッド２０の内部には、気筒１１内から排気を排出するための排気ポート２３が区画されている。排気ポート２３は、気筒１１の数に対応して複数区画されている。排気ポート２３は、気筒１１の並び方向及び上下方向のいずれに対しても直交する方向（図１において左右方向、図２において上下方向）の他方側（以下、「排気側」と呼称する。）に配置されている。また、シリンダヘッド２０には、排気ポート２３における燃焼室１３側の開口を開閉する排気バルブ１５が取り付けられている。排気バルブ１５は、図示しない動弁機構によってクランクシャフトの回転と連動して開閉される。

また、シリンダヘッド２０における吸気ポート２２と排気ポート２３との間には、燃料を点火するための点火プラグ１６が取り付けられている。点火プラグ１６は、気筒１１毎に取り付けられている。

内燃機関の吸気ポート２２内には、図示しない燃料噴射弁から燃料が噴射される。噴射された燃料は、吸気と混ぜ合わされて燃焼室１３に導入される。燃焼室１３内に導入された燃料と吸気との混合気は、点火プラグ１６によって点火され、燃焼される。燃焼室１３内で燃焼した混合気は、排気として排気ポート２３へ排出される。

図２に示すように、シリンダブロック１０において、３つの気筒１１の周囲には、冷媒としての冷却水が流れるウォータジャケット３０が区画されている。ウォータジャケット３０は、３つの気筒１１全体をひとつながりで取り囲んでいる。ウォータジャケット３０の気筒１１の軸線方向の高さは、当該ウォータジャケット３０の延設方向全域に亘って同一である。また、ウォータジャケット３０の気筒１１に近い側の内壁から、気筒１１に遠い側の内壁までの最短距離（空間の厚み）は、ウォータジャケット３０の延設方向全域に亘って略同一である。

ウォータジャケット３０は、吸気側に位置する上流部３０Ａと、排気側に位置する下流部３０Ｂに大別される。上流部３０Ａは、気筒１１の軸線方向における上側（図２における紙面手前側）から視たときに、３つの気筒１１の形状に沿った３つの円弧状部がつながったような形状になっている。また、下流部３０Ｂの形状及び大きさは、上流部３０Ａと同一であり、各気筒１１を挟んで上流部３０Ａに対して対象的な形状になっている。そして、ウォータジャケット３０は、上流部３０Ａと下流部３０Ｂとを向かい合わせて、これらの両端部のみが接続されることで、ひとつながりの空間になっている。また、ウォータジャケット３０は、シリンダブロック１０の上側の開口部が全域にわたって開口している。

図２に示すように、シリンダブロック１０には、ウォータポンプから圧送される冷却水をウォータジャケット３０に供給するための冷媒導入孔３１が区画されている。冷媒導入孔３１は、ウォータジャケット３０における上流部３０Ａと連通している。冷媒導入孔３１は、気筒１１の並び方向において、端に位置する気筒１１の中心軸線と略同位置に位置している。なお、以下の記載では、３つの気筒１１を冷媒導入孔３１からの距離が近い順に、気筒１１Ａ、気筒１１Ｂ、気筒１１Ｃとする。

図２に示すように、シリンダブロック１０においてウォータジャケット３０よりも外側には、複数のボルト穴４５が配置されている。各ボルト穴４５は、シリンダブロック１０の上面において開口している。シリンダヘッド２０をシリンダブロック１０の上面に配置した状態で、ボルト穴４５にボルトが挿入され、螺合されることにより、シリンダヘッド２０がシリンダブロック１０に固定されている。

シリンダヘッド２０内には、冷却水が流れる図示しないウォータジャケットと、当該ウォータジャケットに冷却水を導入するための導入通路３２とが区画されている。シリンダヘッド２０における導入通路３２は、シリンダブロック１０におけるウォータジャケット３０と連通している。したがって、シリンダブロック１０のウォータジャケット３０内を流通した冷却水は、シリンダヘッド２０の導入通路３２を介して当該シリンダヘッド２０のウォータジャケット内へと供給される。

この実施形態では、シリンダヘッド２０の導入通路３２は、５つ設けられている。シリンダブロック１０にシリンダヘッド２０が固定された状態では、導入通路３２のうちの３つは、下流部３０Ｂのうち、各気筒１１の中心から排気側に最も離れた位置に連通するように配置されている。また、導入通路３２のうちの残りの２つは、下流部３０Ｂのうち、２つの円弧状部分がつながっている各境界部分に連通するように配置されている。なお、図２では、シリンダブロック１０のウォータジャケット３０に対する導入通路３２の位置を仮想的に破線で図示している。

ウォータジャケット３０のうち、下流部３０Ｂには、ウォータジャケットスペーサ５０が挿入されている。ウォータジャケットスペーサ５０は、全体としては、ウォータジャケット３０における下流部３０Ｂの内部形状に合わせた長方形板状になっている。

図３に示すように、ウォータジャケットスペーサ５０は、長手方向の一方側から順に、第１スペーサ部５１、第２スペーサ部５２及び第３スペーサ部５３に、大別される。第１スペーサ部５１は、下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ａを囲う部分に対応しており、シリンダヘッド２０の上面から視て、円弧状に湾曲している。第２スペーサ部５２は、下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ｂを囲う部分に対応しており、シリンダヘッド２０の上面から視て、円弧状に湾曲している。第３スペーサ部５３は、下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ｃを囲う部分に対応しており、シリンダヘッド２０の上面から視て、円弧状に湾曲している。すなわち、ウォータジャケットスペーサ５０は、シリンダヘッド２０の上面から見て、３つの円弧が連なったような形状となっている。

第１スペーサ部５１は、気筒１１の軸線方向の上側に位置する第１薄板部５１Ａと、気筒１１の軸線方向の下側に位置する第１厚板部５１Ｂを備えている。同様に、第２スペーサ部５２は、気筒１１の軸線方向の上側に位置する第２薄板部５２Ａと、気筒１１の軸線方向の下側に位置する第２厚板部５２Ｂを備えている。一方で、第３スペーサ部５３は、第３厚板部５３Ｂのみを備えている。これら第１薄板部５１Ａ及び第２薄板部５２Ａの厚さは同一となっている。また、第１厚板部５１Ｂ、第２厚板部５２Ｂ及び第３厚板部５３Ｂの厚さは、いずれもウォータジャケット３０における下流部３０Ｂの空間の厚みと略同一となっている。そして、第１薄板部５１Ａ及び第２薄板部５２Ａの厚みは、第１厚板部５１Ｂ、第２厚板部５２Ｂ及び第３厚板部５３Ｂの厚みよりも薄くなっている。そして、第１厚板部５１Ｂ、第２厚板部５２Ｂ及び第３厚板部５３Ｂにおいて、気筒１１の軸線方向における上端及び下端の位置は同一となっている。さらに、第１薄板部５１Ａ及び第２薄板部５２Ａにおいて、気筒１１の軸線方向における上端及び下端は同一となっている。

上記のようにウォータジャケットスペーサ５０が構成されているため、ウォータジャケットスペーサ５０のうち、第１スペーサ部５１の上端は第１薄板部５１Ａの上端であり、第２スペーサ部５２の上端は第２薄板部５２Ａの上端となっている。そして、第１スペーサ部５１と第２スペーサ部５２の上端は気筒１１の軸線方向における位置は同一となっている。一方で、第３スペーサ部５３の上端は第３厚板部５３Ｂの上端であり、第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低くなっている。すなわち、第３スペーサ部５３は、上端の位置が他の部分よりも低い低部に相当する。

ウォータジャケットスペーサ５０は、第１スペーサ部５１が気筒１１Ａ側、第３スペーサ部５３が気筒１１Ｃ側に位置するように、ウォータジャケット３０における下流部３０Ｂに挿入されている。すなわち、第３スペーサ部５３は、ウォータジャケットスペーサ５０のうちの冷媒導入孔３１からの距離が最も長い気筒１１Ｃに対応した部分に位置している。

ウォータジャケットスペーサ５０において、第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の高さ位置は、以下のように吸気ポート２２の形状と吸気バルブ１４の全開位置に基づいて、設定されている。具体的には、図１に示すように、吸気ポート２２の燃焼室１３側の開口部のうち、排気ポート２３側に最も近い部分の壁面を壁面２２Ｅとする。この壁面２２Ｅに接しつつ気筒１１側に延びる直線を壁面直線Ｌ１とする。また、吸気バルブ１４が最も開弁した全開位置にある際に、吸気バルブ１４の最も排気ポート２３側に位置する点を点Ｐ１とする。さらに、点Ｐ１を通り、かつ壁面直線Ｌ１と平行な直線を吸気方向直線Ｌ２とする。そして、吸気方向直線Ｌ２と、気筒１１の内面との接点をＰ２とする。ウォータジャケットスペーサ５０における第１薄板部５１Ａ〜第３薄板部５３Ａの上端の高さ位置は、気筒１１の軸線方向の高さが点Ｐ２と同じ高さになっている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）本実施形態において、ウォータポンプから圧送される冷却水が、冷媒導入孔３１を介して、ウォータジャケット３０に供給される。ウォータジャケット３０に供給された冷却水は、気筒１１Ａに対応する上流部３０Ａで２方向に分流される。一方は気筒１１Ａに対応する下流部３０Ｂに流れ、他方は気筒１１Ｂに対応する上流部３０Ａ、気筒１１Ｃに対応する上流部３０Ａを経て、気筒１１Ｃに対応する下流部３０Ｂに流れる。よって、冷却水の流路において、シリンダブロック１０のウォータジャケット３０では、気筒１１Ｃに対応する下流部３０Ｂにて、冷媒導入孔３１から最も遠くなる。ウォータジャケット３０内を流通する冷却水は、上流側から下流側に向けて流通するにつれて圧力が損失される。したがって、冷媒導入孔３１からの距離が最も長い気筒１１Ｃに対応するウォータジャケット３０の下流部３０Ｂでは、冷却水の圧力が低くて冷媒が流通しにくくなる。本実施形態では、気筒１１Ｃに対応する下流部３０Ｂに挿入されるウォータジャケットスペーサ５０の第３スペーサ部５３の上端は、他の気筒１１に対応する下流部３０Ｂに挿入されるウォータジャケットスペーサ５０の第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低くなっている。換言すれば、ウォータジャケット３０の下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ｃに対応する部分においては、気筒１１Ｃの軸線方向における上側の一部が、ウォータジャケットスペーサ５０によって埋められていない部分が存在する。そして、この部分においては冷媒の流路断面積が大きくなっている。そのため、圧力損失が生じて圧力が相応に低下している冷却水であっても、ウォータジャケット３０の下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ｃに対応する部分を速やかに流通できる。

（２）本実施形態において、ウォータジャケットスペーサ５０の第３スペーサ部５３では、冷却水の流路断面積が比較的に大きくなっているため、冷却水の流れる速度は遅くなる。冷却速度が遅くなると、冷却水は滞留しやすくなる。特に、気筒１１Ｃ内での圧縮行程においては、シリンダブロック１０の温度は相当に高い温度になるため、ウォータジャケット３０内において冷却水が滞留すると、冷却水の温度が過度に高くなることもあり得る。

ここで、燃焼室１３内には、吸気バルブ１４が開弁したときに、吸気ポート２２から冷えた吸気が供給される。冷えた吸気は、主として、気筒１１の排気ポート２３側の内壁のうち、点Ｐ２より気筒１１の軸線方向の上側に衝突する。そのため、気筒１１のうち、排気ポート２３側であって、点Ｐ２より気筒１１の軸線方向の上側では、吸気行程において、気筒１１の壁温を冷却できる。本実施形態では、第３スペーサ部５３の上端の高さは、吸気ポート２２の形状と吸気バルブ１４の全開位置に基づいて設定されている。すなわち、第３スペーサ部５３の高さ位置は、ウォータジャケット３０において吸気工程で冷却されやすい部分の流路断面積が大きくなるように設定されている。よって、第３スペーサ部５３よりも上側の部分で冷却水が、排気行程において熱せられやすかったとしても、吸気行程において適切に冷却できる。その結果、ウォータジャケット３０内における第３スペーサ部５３よりも上側の部分で冷却水が多少滞留しても、冷却水の温度の過度な上昇を抑制できる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・ウォータジャケットスペーサ５０において、第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の気筒１１の軸線方向の高さ位置は、気筒１１の軸線方向の高さが点Ｐ２より高くても、低くてもよい。第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の高さ位置について、気筒１１の軸線方向の高さが点Ｐ２より高い場合、吸気による気筒１１の内壁の冷却効果は得られるものの、流路断面積が狭くなる。一方、第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の高さ位置について、気筒１１の軸線方向の高さが点Ｐ２より低い場合、吸気による気筒１１の内壁の冷却効果が小さい部分があるものの、流路断面積は広くなる。したがって、シリンダブロック１０等の全体の構成を鑑みて、これらのバランスを取りつつ、第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の高さ位置を設定すればよい。

・第１厚板部５１Ｂ〜第３厚板部５３Ｂの上端の気筒１１の軸線方向の高さ位置はそれぞれ異なっていてもよい。例えば、第２厚板部５２Ｂの上端よりも第３厚板部５３Ｂの上端が低くてもよい。第３厚板部５３Ｂの上端が、第２厚板部５２Ｂの上端より低い方が、下流部３０Ｂのうちの気筒１１Ｃに対応する部分において、流路断面積が広くなる。

・ウォータジャケットスペーサ５０において、第３スペーサ部５３が薄板部を備えていてもよい。例えば、第３スペーサ部５３の第３厚板部５３Ｂの上端に、薄板部が接続されており、当該薄板部の上端が、第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低い位置であってもよい。この場合であっても、第３スペーサ部５３の上端が第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低ければ、当該第３スペーサ部５３は、低部である。

・第１スペーサ部５１の上端位置は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、第１スペーサ部５１の上端位置が第２スペーサ部５２側へ向かうほど徐々に又は段階的に高くなっていてもよい。また、第１スペーサ部５１の上端位置が第２スペーサ部５２側へ向かうほど徐々に又は段階的に低くなっていてもよい。この点、第２スペーサ部５２及び第３スペーサ部５３についても同様である。

・ウォータジャケット３０の下流部３０Ｂにウォータジャケットスペーサ５０を挿入するのに加えて、又は代えて、ウォータジャケット３０の下流部３０Ｂに他のウォータジャケットスペーサを挿入してもよい。この場合も、上記実施形態のように、他のウォータジャケットスペーサのうち気筒１１Ｃに対応する部分の上端の位置を、他の部分よりも低くすれば、ウォータジャケット３０の流路断面積を部分的に大きくできる。

・ウォータジャケットスペーサ５０の一部が、上流部３０Ａにまで至っていてもよい。例えば、第３スペーサ部５３の第２スペーサ部５２と接続している側とは反対側の端部は、上流部３０Ａのうち、気筒１１Ｃに対応する部分にまで至っていてもよい。

・第３スペーサ部５３の一部分の上端が、第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低くなっていてもよい。この場合であっても、第３スペーサ部５３のうち、上端が第１スペーサ部５１及び第２スペーサ部５２の上端よりも低い一部分が、低部である。

・シリンダブロック１０のウォータジャケット３０に対する導入通路３２の位置や導入通路３２の数は、適宜変更できる。
・冷媒導入孔３１の位置は、適宜変更されてもよい。例えば、気筒１１の並び方向において、気筒１１Ｂの中心軸線と略同位置に位置していてもよい。この場合、冷媒導入孔３１からの距離が最も長い気筒１１は、気筒１１Ａ及び気筒１１Ｃの２つとなる。

・気筒１１の数は、適宜変更されていてもよい。例えば、気筒１１の数は４つであってもそれ以上であってもよい。
・ピストン１２の頂面の形状は適宜変更されていてもよい。例えば、ピストン１２の頂面と吸気バルブ１４及び排気バルブ１５との衝突を避けるための窪み部が複数窪んでいてもよい。

１０…シリンダブロック、１１…気筒、１１Ａ…気筒、１１Ｂ…気筒、１１Ｃ…気筒、１２…ピストン、１２Ａ…頂面凹部、１３…燃焼室、１４…吸気バルブ、１５…排気バルブ、２０…シリンダヘッド、２１…凹部、２２…吸気ポート、２３…排気ポート、３０…ウォータジャケット、３０Ａ…上流部、３０Ｂ…下流部、３１…冷媒導入孔、３２…導入通路、４５…ボルト穴、５０…ウォータジャケットスペーサ、５１…第１スペーサ部、５１Ａ…第１薄板部、５１Ｂ…第１厚板部、５２…第２スペーサ部、５２Ａ…第２薄板部、５２Ｂ…第２厚板部、５３…第３スペーサ部、５３Ｂ…第３厚板部、Ｅ…内燃機関。

Claims (1)

1. シリンダブロックと、
   前記シリンダブロック内に区画されており、並列配置された複数の気筒と、
   前記シリンダブロック内に区画されており、前記複数の気筒を取り囲むウォータジャケットと、
   前記シリンダブロック内に区画されており、冷媒を前記ウォータジャケットに供給するための冷媒導入孔と、
   少なくとも前記冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒を含む複数の気筒に対応するように、前記ウォータジャケット内に挿入されるウォータジャケットスペーサと
   を備える内燃機関であって、
   前記ウォータジャケットスペーサは、上端の位置が他の部分よりも低い低部を備え、
   前記低部は、前記ウォータジャケットスペーサのうちの前記冷媒導入孔からの距離が最も長い気筒に対応した部分に位置している
   内燃機関。