JP2021080859A - エンジンの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォータージャケット内において、ウォータージャケットスペーサの内側面と外側面との間で生じる冷却水の自然対流を抑止する。【解決手段】エンジンの冷却構造は、気筒列２１Ｌを取り囲むように形成され冷却水を流通させるウォータージャケット２２を区画する壁面を有するシリンダブロック２と、ウォータージャケット２２の内部に配置され、冷却水の流れを調整するウォータージャケットスペーサ３とを備える。ウォータージャケットスペーサ３は、気筒列２１の外周形状に沿った形状を有し、気筒２１と対向する内側面３０Ａを含むスペーサ本体部３０と、内側面３０Ａに付設され、外的要因が加わることによって膨張する膨張部材４とを備える。膨張部材４は、内側面３０Ａにおける気筒列２１Ｌの一端側から他端側に亘る領域に連続的に付設され、且つ、内側面３０Ａの気筒軸方向の下方領域に配置されている。【選択図】図１０

Description

本発明は、エンジンブロックのウォータージャケット内に、冷却水の流れを調整するウォータージャケットスペーサが配置されてなるエンジンの冷却構造に関する。

多気筒型の内燃機関のエンジンブロックには、気筒壁、すなわち、各気筒の周壁であるボア中央壁及び隣り合う気筒間の壁であるボア間壁を通過するように、冷却水の流通経路となるウォータージャケットが設けられる。ウォータージャケットの内部には、冷却水の流れを調整するウォータージャケットスペーサが配置されることがある。冷却水流れの調整によって、ボア中央壁及びボア間壁を狙いの温度に設定することが可能となる。

一般に、ウォータージャケットスペーサは、冷却水の流通経路を、気筒に近いボア側経路と、気筒から遠い反ボア側経路とに区分する。特許文献１には、ウォータージャケットスペーサのボア側の壁面（内側面）に、水との接触により膨張する膨張部材を取り付ける技術が開示されている。この膨張部材は、ボア中央壁と対向する位置において、気筒軸方向の下端から上端にかけて配置されている。前記膨張部材は、膨張するとウォータージャケットスペーサとボア中央壁との間の隙間を塞ぎ、冷却水の流通を規制する。これにより、ボア中央壁の過度の冷却を抑止することができる。

特開２０１６−１８０３１４号公報

ウォータージャケットスペーサにより区分される上記のボア側経路と反ボア側経路との間で、企図しない冷却水の自然対流が発生し、気筒壁を過冷却してしまうことがある。例えば、エンジン停止時には、ボア側経路の冷却水は気筒壁と接しているため比較的高温となり、反ボア側経路の冷却水は外気との熱交換によって比較的低温となる。このような冷却水の温度差は、ボア側経路と反ボア側経路との間で冷却水の自然対流を生じさせる。

特許文献１に開示された膨張部材の配置技術は、上記の自然対流の抑止に貢献し得る。しかしながら、冷却水の自然対流の完全な抑止には、膨張部材を、特許文献１のようにウォータージャケットスペーサのボア中央壁に対向する位置において、気筒軸方向の下端から上端にかけて配置するだけでは不十分であることが判明した。

本発明の目的は、ウォータージャケット内において、ウォータージャケットスペーサの内側面と外側面との間で生じる冷却水の自然対流を抑止することが可能なエンジンの冷却構造を提供することにある。

本発明の一局面に係るエンジンの冷却構造は、複数の気筒が所定方向に並ぶ気筒列と、前記気筒列を取り囲むように形成され冷却水を流通させるウォータージャケットと、を各々区画する壁面を有するエンジンブロックと、前記ウォータージャケットの内部に配置され、前記ウォータージャケット内における冷却水の流れを調整するウォータージャケットスペーサと、を備え、前記ウォータージャケットスペーサは、前記気筒列の外周形状に沿った形状を有し、前記気筒と対向する内側面と、当該内側面と反対側の外側面とを含むスペーサ本体部と、前記スペーサ本体部の前記内側面に付設され、外的要因が加わることによって膨張する膨張部材と、を備え、前記膨張部材は、前記内側面における前記気筒列の一端側から他端側に亘る領域に連続的に付設され、且つ、前記内側面の気筒軸方向の下方領域に配置されている。

このエンジンの冷却構造によれば、スペーサ本体部の前記内側面に付設された膨張部材によって、ウォータージャケット内においてスペーサ本体部の内側面と外側面との間で生じる冷却水の自然対流が抑止される。すなわち、膨張部材が、前記内側面における前記気筒列の一端側から他端側に亘る領域に連続的に付設されている。このため、前記気筒列の全長の領域において、前記内側面と気筒壁との間の隙間を膨張後の膨張部材が埋め、冷却水の自然対流の発生を抑止することが可能となる。さらに、前記膨張部材は、前記内側面の気筒軸方向の下方領域に配置されている。これにより、加温された冷却水を、スペーサ本体部の前記内側面における前記膨張部材が配置されていない上方領域に滞留させることができる。従って、スペーサ本体部の内側面と外側面との間を跨いだ冷却水の流動、つまり冷却水の自然対流が生じ難くなり、気筒の保温性を高めることができる。

上記のエンジンの冷却構造において、前記気筒内に気筒軸方向に沿って往復移動可能に収容され、スカート部を備えたピストンをさらに備え、前記下方領域は、前記ピストンが上死点に存在するとき、前記スカート部の下端よりも下方において、前記気筒列を区画する壁面と対向する領域であることが望ましい。

一般に、気筒の上端から、ピストンが上死点に存在するときの前記スカート部の下端までの領域が、気筒内における燃焼によって熱が発生する熱源領域となる。上記のエンジンの冷却構造によれば、このような熱源領域に対向する領域に加温された冷却水を滞留させることができるので、当該熱源領域の保温性を高めることができる。

上記のエンジンの冷却構造において、前記エンジンブロックは、隣り合う気筒間の壁であるボア間壁と、前記ボア間壁を除く気筒の周壁であるボア中央壁とを備え、前記膨張部材の気筒列方向と水平面で直交する方向の厚さは、前記膨張部材の膨張後の状態において、前記ボア間壁及び前記ボア中央壁と前記スペーサ本体部の前記内側面との間の隙間を塞ぐことが可能な厚さに選ばれていることが望ましい。

このエンジンの冷却構造によれば、ボア間壁及びボア中央壁とスペーサ本体部の内側面との間の隙間を、膨張部材の膨張後に確実に封止させることができる。従って、気筒列の全長に亘って、冷却水の自然対流の発生を確実に抑止することができる。

上記のエンジンの冷却構造において、前記ウォータージャケットスペーサは、前記ウォータージャケット内の冷却水の流通経路を、前記気筒に近いボア側経路と、前記気筒から遠い反ボア側経路とに区分するものであって、前記ボア側経路の横幅が前記反ボア側経路の横幅よりも狭くなるように、前記ウォータージャケットスペーサが前記ウォータージャケット内に配置されていることが望ましい。

このエンジンの冷却構造によれば、ボア側経路の横幅が反ボア側経路の横幅よりも狭く設定されるため、本来的にボア側経路において冷却水の水流が生じ難い構造とすることができる。従って、上記の膨張部材の付設による自然対流の抑止効果を発揮し易くすることができる。

上記のエンジンの冷却構造において、前記膨張部材は、前記気筒列の一端側の気筒と他端側の気筒とに各々対向する領域において、前記下方領域と、当該下方領域よりも上方領域とに配置されていることが望ましい。

気筒列の一端側の気筒と他端側の気筒は、気筒列の両端に位置する気筒であるので、他の気筒における燃焼の熱影響を受け難い気筒であるといえる。上記のエンジンの冷却構造によれば、これらの気筒については、前記下方領域だけでなくその上方領域にも膨張部材を配置して、冷却水と接触を回避させる。これにより、これら気筒の保温を図ることができる。

本発明によれば、ウォータージャケット内において、ウォータージャケットスペーサの内側面と外側面との間で生じる冷却水の自然対流を抑止することが可能なエンジンの冷却構造を提供することができる。

図１は、本発明に係るエンジンの冷却構造が適用されるエンジンの正面図である。 図２は、シリンダブロックとウォータージャケットスペーサとを併せて示す分解斜視図である。 図３は、シリンダブロックのＸＹ平面の断面図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、ウォータージャケットスペーサの斜視図である。 図７は、ウォータージャケットスペーサの内面側の側面図である。 図８（Ａ）は、ウォーターポンプ動作時の冷却水の流れを示す断面図、図８（Ｂ）は、ウォーターポンプ停止時の冷却水の自然対流を示す断面図である。 図９（Ａ）は、ウォータージャケットスペーサに付設される膨張部材の膨張前の状態を示す断面図、図９（Ｂ）は膨張後の状態を示す断面図である。 図１０は、ウォータージャケットスペーサの内面側の側面図であって、気筒との関係を示す図である。 図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例及び本実施形態の膨張部材が用いられた場合のウォーターポンプ停止時における冷却水の流動を示す図である。 図１２は、ウォータージャケットスペーサに付設される膨張部材の好ましい配置位置を示す断面図である。

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係るエンジンの冷却構造が適用されるエンジン１の正面図である。エンジン１は、走行用の動力源として車両に搭載されるエンジンであって、例えば４サイクルの多気筒型ディーゼルエンジンである。

エンジン１は、複数の気筒を内部に備えるシリンダブロック２（エンジンブロック：図２）と、シリンダブロック２の上面に取り付けられたシリンダヘッドと、前記気筒内に収容されたピストンと、を含むエンジン本体１０を備えている。エンジン１は、縦置き又は横置きで車両に搭載される。縦置きの場合、図１に付記する方向表示において、Ｙ方向は車幅方向に相当する左右方向、Ｚ方向は上下方向（＋Ｚ＝上、−Ｚ＝下）となる。

エンジン１は、エンジン本体１０内に冷却水を強制循環させるためのウォーターポンプ１１を備える。ウォーターポンプ１１は、冷却水を圧送するインペラを備えたインペラ式ポンプである。ウォーターポンプ１１は、エンジン本体１０が発生する駆動力で駆動される。すなわち、エンジン本体１０のクランクシャフトに取り付けられたクランクプーリー１２、及び、このクランクプーリー１２に架け渡されたストレッチベルト１３を介して、前記クランクシャフトの駆動力がウォーターポンプ１１に伝達される。

図１には、エンジン本体１０内へ冷却水を導入する冷却水入口１４と、エンジン本体１０内の冷却水の流通経路を通過した後の冷却水の出口となる冷却水出口１５とが示されている。ウォーターポンプ１１は、前記流通経路の途中に組み入れられている。なお、冷却水は、エンジン本体１０内の前記流通経路の他、図略の暖房用ヒータユニットや、放熱用のラジエータ等を経由する循環経路を循環する。

［シリンダブロックの冷却装置］
図２は、エンジン本体１０における冷却水の流通経路のうち、シリンダブロック２の部分の流通経路を示す分解斜視図である。図２には、シリンダブロック２と、このシリンダブロック２に組み付けられるウォータージャケットスペーサ３とが示されている。シリンダブロック２は、６個の気筒２１がＸ方向（所定方向）に一列に並んだ気筒列２１Ｌと、この気筒列２１Ｌの周囲を取り囲むように形成された溝からなるウォータージャケット２２とを備えている。ウォータージャケット２２は、シリンダブロック２における冷却水の流通経路を構成する。なお、Ｘ方向は、エンジン１が縦置きされる場合は車両の前後方向となる。ウォータージャケットスペーサ３は、ウォータージャケット２２の内部に配置される。

シリンダブロック２は、Ｘ方向に長い略直方体のブロックである。シリンダブロック２の−Ｘ側の側面には、当該シリンダブロック２への冷却水の入口となるブロック側入口１４Ｈが設けられている。ブロック側入口１４Ｈは、図１に示した冷却水入口１４に連通している。冷却水は、ウォーターポンプ１１の圧送力により、ブロック側入口１４Ｈからウォータージャケット２２内に入る。そして、矢印ＦＬで示すように、冷却水は、シリンダブロック２の−Ｘ側側面から＋Ｘ側側面に向けてウォータージャケット２２内を流通する。すなわち、ウォータージャケット２２は、冷却水を気筒列２１Ｌの一端側（−Ｘ側）から他端側（＋Ｘ側）へ向かうように流通させる流通経路である。

シリンダブロック２の上面（＋Ｚ面）には、気筒列２１Ｌの各気筒２１の上面開口を塞ぐように、図略のシリンダヘッドが取り付けられる。当該シリンダヘッドには、各気筒２１へ吸気を供給する吸気ポート及び吸気バルブと、各気筒２１から燃焼ガスを排出する排気ポート及び排気バルブとが設けられる。図２には、気筒列２１Ｌの配列ライン（Ｘ方向のライン）に対して、前記吸気弁が配置される側として「吸気側」と、前記排気弁が配置される側として「排気側」との表示が記されている。ウォータージャケット２２は、気筒列２１Ｌの吸気側に配置された吸気側ジャケット２２ＩＮと、排気側に配置された排気側ジャケット２２ＥＸとを含む。

シリンダブロック２についてさらに詳述する。図３は、シリンダブロック２のＸＹ平面の断面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図、図５は、図３のＶ−Ｖ線断面図である。シリンダブロック２は、内ブロック２３と、この内ブロック２３の周囲を取り囲むように配置された外ブロック２４とを含む。図４及び図５に示すように、内ブロック２３は、気筒２１を区画する筒状の壁面である内周壁２３１と、ウォータージャケット２２の内側面を区画する壁面となる外壁２３２とを含む。

さらに内ブロック２３は、ボア間壁２５及びボア中央壁２６を備えている。ボア間壁２５は、概ね図３に示す領域Ｐ１内の壁であって、シリンダブロック２においてＸ方向に隣り合う気筒２１間の壁である。ボア間壁２５は、隣り合う２つの気筒２１の熱源部分から熱を受けるため、高温化し易い壁である。ボア中央壁２６は、概ね図３に示す領域Ｐ２内の壁であり、ボア間壁２５を除く気筒２１の周壁である。つまり、気筒列２１Ｌの両端部を除く一つの気筒２１を区画する壁においては、＋Ｙ及び−Ｙ側の一対の円弧壁がボア中央壁２６であり、＋Ｘ及び−Ｘ側の一対の円弧壁がボア間壁２５である。内ブロック２３の内周壁２３１側には、図略のピストンが実際に摺接する内面となるライナー２１１が配置されている。

図５を参照して、ボア間壁２５には、冷却水を流通させるための経路であるクロスドリル２７が備えられている。クロスドリル２７は、高温化し易いボア間壁２５を冷却するために設けられ、当該ボア間壁２５内を横断するようにＹ方向（気筒列方向と水平面内で直交する方向）に延びる貫通孔である。クロスドリル２７は、＋Ｙ側から−Ｙ側へ下降するように傾斜して延びる上流ドリル孔２７１と、−Ｙ側から＋Ｙ側へ下降するように傾斜して延びる下流ドリル孔２７２とが下端で合流（合流部２７５）する流路形状を備える。上流ドリル孔２７１の上端には大径の導入開口２７３が、下流ドリル孔２７２の上端には大径の出口開口２７４が、各々連設されている。

排気側ジャケット２２ＥＸを区画している内ブロック２３の外壁２３２の上端付近には、入口孔２８が設けられている。入口孔２８は、クロスドリル２７へ冷却水を導くための孔であり、クロスドリル２７の導入開口２７３に連通している。一方、クロスドリル２７の出口開口２７４は、吸気側ジャケット２２ＩＮとは直接的に連通していない。出口開口２７４は、図略のシリンダヘッドに備えられているウォータージャケットに連通する。ボア間壁２５は、吸気側に比べて、排気ガスが流れる排気側の方が高温となる。従って、排気側ジャケット２２ＥＸを区画する外壁２３２に入口孔２８を設けることで、高温化するボア間壁２５の排気側を良好に冷却させることができる。

外ブロック２４は、ウォータージャケット２２の内側面を区画する壁面となる内壁２４１を含む。この内壁２４１と、内ブロック２３の外壁２３２との間の隙間が、冷却水の流通するウォータージャケット２２の空間である。気筒２１の径方向において、内ブロック２３の肉厚は、ボア間壁２５の部分を除いて略一定である。従って、内ブロック２３の外壁２３２は、上面視において、Ｘ方向に並ぶ６個の気筒２１の輪郭に沿った凹凸曲面形状を有している。すなわち外壁２３２は、ボア間壁２５の領域付近では内側に窪んだ凹曲面を、ボア中央壁２６の領域では外側に膨らむ凸曲面の形状を有している。外ブロック２４の内壁２４１も、外壁２３２の凹凸曲面形状に対応した凹凸曲面形状を有している。従って、ウォータージャケット２２の延伸方向（Ｘ方向）において、概ね、内壁２４１と外壁２３２との隙間は一定である。

ウォータージャケットスペーサ３もまた、内壁２４１及び外壁２３２の凹凸曲面形状に対応した凹凸曲面形状を有している。ウォータージャケットスペーサ３は、ウォータージャケット２２の内部に配置され、冷却水の流通経路をボア側経路２２Ａと反ボア側経路２２Ｂとの２つの領域に区分している。ボア側経路２２Ａは、気筒２１の径方向において、気筒２１に近い側の経路である。反ボア側経路２２Ｂは、ボア側経路２２Ａの外側に位置し、気筒２１から遠い側の経路である。

ウォータージャケットスペーサ３は、ウォーターポンプ１１の動作時（冷却水の強制循環時）に、ウォータージャケット２２内における冷却水の流れを調整する役目を果たす。また、ウォータージャケットスペーサ３は、ウォーターポンプ１１の停止時に、冷却水の自然対流を防止する膨張部材４を備えている。以下、ウォータージャケットスペーサ３について詳述する。

［ウォータージャケットスペーサの詳細］
図６は、ウォータージャケットスペーサ３の斜視図である。ウォータージャケットスペーサ３は、スペーサ本体部３０と、このスペーサ本体部３０に付設される膨張部材４とを含む。

＜スペーサ本体部＞
スペーサ本体部３０は、気筒列２１Ｌの周囲を取り囲むことが可能な筒型形状、つまり、気筒列２１Ｌの外周形状に沿った凸面と凹面とを有している。スペーサ本体部３０は、ウォータージャケット２２内に配置された状態で気筒２１（内ブロック２３）と対向する内側面３０Ａと、内側面３０Ａと反対側の面であって外ブロック２４と対向する外側面３０Ｂとを有する。

スペーサ本体部３０の上端（＋Ｚ端）には上端フランジ３０１が、下端（−Ｚ端）には下端フランジ３０４が、各々備えられている。これらフランジ３０１、３０４は、ウォータージャケット２２内でのウォータージャケットスペーサ３の姿勢維持、所望の水流の形成等に寄与する。上端フランジ３０１において、矢印ＦＬで示す冷却水の流通方向上流端側には入口フランジ３０２が設けられている。一方、下流端側では、上端フランジ３０１が切り欠かれた切り欠き部３０３が設けられている。この切り欠き部３０３を通して、冷却水が図略のシリンダヘッド内のウォータージャケットへ導かれる。

ウォータージャケットスペーサ３は、＋Ｙ側の吸気側スペーサ３ＩＮと、−Ｙ側の排気側スペーサ３ＥＸとを含む。吸気側スペーサ３ＩＮは、ウォータージャケット２２の吸気側ジャケット２２ＩＮ内に配置されるスペーサ部分、排気側スペーサ３ＥＸは排気側ジャケット２２ＥＸ内に配置されるスペーサ部分である。吸気側スペーサ３ＩＮ及び排気側スペーサ３ＥＸは、各々、スペーサ本体部３０及び膨張部材４を備える。

スペーサ本体部３０は、中央スペーサ部３１及びボア間スペーサ部３２を備えている。中央スペーサ部３１は、気筒２１の外形形状に応じて＋Ｙ方向又は−Ｙ方向へ凸型に膨出している部分である。具体的には中央スペーサ部３１は、吸気側スペーサ３ＩＮでは＋Ｙ方向へ凸型に膨出し、排気側スペーサ３ＥＸでは−Ｙ方向へ凸型に膨出する部分である。ボア間スペーサ部３２は、吸気側スペーサ３ＩＮでは−Ｙ方向へ、排気側スペーサ３ＥＸでは＋Ｙ方向へ凹型に湾曲する部分である。吸気側スペーサ３ＩＮと排気側スペーサ３ＥＸとは、＋Ｘ側端部及び−Ｘ側端部において連結され、一体化されている。ウォータージャケットスペーサ３がウォータージャケット２２内に配置された状態において、中央スペーサ部３１は内ブロック２３のボア中央壁２６に対向し、ボア間スペーサ部３２はボア間壁２５に対向している。

既述の通り、ウォータージャケット２２は、内ブロック２３の外壁２３２と外ブロック２４の内壁２４１とで区画され、上端が開口した溝である。図４及び図５に示すＹ方向断面では、ウォータージャケット２２は上下方向（Ｚ方向）に細長いＵ字型の溝形状を有している。ウォータージャケットスペーサ３は、このようなウォータージャケット２２に挿入され、ウォータージャケット２２内における冷却水の流通経路を、ボア側経路２２Ａと反ボア側経路２２Ｂとに区分している。ボア側経路２２Ａは、スペーサ本体部３０の内側面３０Ａと内ブロック２３の外壁２３２との間の流路である。反ボア側経路２２Ｂは、スペーサ本体部３０の外側面３０Ｂと外ブロック２４の内壁２４１との間の流路である。

本実施形態では、ウォータージャケットスペーサ３は、反ボア側経路２２Ｂに冷却水の主流が形成されるように、ウォータージャケット２２内における冷却水の水流を分流する。つまり、反ボア側経路２２Ｂにおいては冷却水の水流を積極的に形成（主流の形成）する一方で、ボア側経路２２Ａにおいては水流を積極的には形成しないように、ウォータージャケットスペーサ３は水流を調整する。このような水流調整を行うのは、気筒２１に近い側のボア側経路２２Ａに積極的に水流を形成すると、気筒２１が冷え過ぎて冷損を発生させてしまうからである。

このため、ボア側経路２２Ａの横幅が反ボア側経路２２Ｂの横幅よりも狭くなるように設定される。具体的には、図４を参照して、ボア側経路２２ＡのＹ方向幅（横幅）をｄ１、反ボア側経路２２ＢのＹ方向幅（横幅）をｄ２とすると、ｄ２＞ｄ１の関係となるように、ウォータージャケットスペーサ３がウォータージャケット２２内に収容される。ボア側経路２２ＡのＹ方向幅ｄ１は、内側面３０Ａと外壁２３２との間の隙間である。反ボア側経路２２ＢのＹ方向幅ｄ２は、外側面３０Ｂと内壁２４１との間の隙間である。例えばｄ２は、ｄ１の１．５倍〜４倍程度の範囲から選択することができる。

ｄ２がｄ１に対して十分に広幅とされる結果、冷却水の流路抵抗は、ボア側経路２２Ａに比べて反ボア側経路２２Ｂの方が低くなる。このため、ブロック側入口１４Ｈ（図３）から所定の供給圧で矢印ＦＬ方向に冷却水が供給された場合、専ら水流は反ボア側経路２２Ｂに形成されるようになる。冷却水の流路抵抗が高いボア側経路２２Ａにおいては、冷却水の水流は比較的緩いものとなる。従って、気筒２１が過度に冷却されないようにすることができる。

＜膨張部材＞
膨張部材４は、上述のスペーサ本体部３０の内側面３０Ａに貼り付けられ、外的要因が加わることによって膨張する部材である。本実施形態では、膨張部材４として、水との接触という外的要因によって膨張する部材を例示する。膨張部材４は、ウォータージャケット２２内を流れる冷却水との接触により、圧縮された状態から圧縮前の状態に復元するセルロース系スポンジによって構成されている。セルロース系スポンジは、パルプ由来のセルロースと、補強繊維として加えられた天然繊維とからなる天然素材であって、多孔質の素材である。膨張部材４としては、セルロース系スポンジの他、例えば発泡ゴムを水溶性バインダーで圧縮状態に固定した部材を用いることができる。或いは、熱に反応して膨張する部材を、膨張部材４として用いることもできる。

図７は、膨張部材４が配置されているスペーサ本体部３０の内側面３０Ａの側面図である。膨張部材４は、スペーサ本体部３０の内側面３０Ａにおける気筒軸方向（Ｚ方向）の下方領域（−Ｚ側）に配置されている。また、膨張部材４は、内側面３０Ａにおける気筒列２１Ｌの一端側から他端側に亘って、連続的にスペーサ本体部３０に付設されている。膨張部材４は、凹面付設部４１と凸面付設部４２とを含む。

凹面付設部４１は、膨張部材４においてスペーサ本体部３０の凹面に付設される部分である。凸面付設部４２は、スペーサ本体部３０の凸面に付設される部分である。本実施形態では、内側面３０Ａに膨張部材４が取り付けられるので、凹面は中央スペーサ部３１の内側面３０Ａ、凸面はボア間スペーサ部３２の内側面３０Ａとなる。従って、凹面付設部４１は中央スペーサ部３１の下方領域に、凸面付設部４２はボア間スペーサ部３２の下方領域に、各々密着するように取り付けられている。

膨張部材４は、例えばインサート成形によってスペーサ本体部３０に対して一体的に形成される。すなわち、セルロース系スポンジを成形型にセットした状態で、スペーサ本体部３０をインサート成形することにより、ウォータージャケットスペーサ３を製造することができる。この他、上記のセルロース系スポンジをシート片に成形した態様で、内側面３０Ａにネジ止め又は接着等の手段で取り付けても良い。凹面付設部４１は、凸面付設部４２よりもＺ方向幅がやや幅広に設定されている。すなわち、凸面付設部４２の＋Ｚ端は凹面付設部４１の＋Ｚ端よりも低く、凸面付設部４２の−Ｚ端は凹面付設部４１の−Ｚ端よりも高い位置にある。これら凹面付設部４１及び凸面付設部４２がＸ方向に隙間無く連設された状態で、内側面３０Ａの下方領域に配設されている。この膨張部材４の配置については、後記で詳述する。

［冷却水の流れと膨張部材の機能］
続いて、ウォータージャケット２２内における冷却水の流れについて説明する。先ず、膨張部材４がスペーサ本体部３０に付設されていない場合の冷却水の流れを図８に基づいて説明する。図８（Ａ）は、ウォーターポンプ１１の動作時の冷却水の流れを示す断面図、図８（Ｂ）は、ウォーターポンプ１１の停止時の冷却水の流れ（自然対流）を示す断面図である。

ウォーターポンプ１１が動作すると、図２に矢印ＦＬで示すように、エンジン本体１０を経由する冷却水の循環経路において、冷却水の強制循環が始まる。既述の通り、ウォータージャケットスペーサ３は、ボア側経路２２Ａよりも反ボア側経路２２Ｂが幅広となるようにウォータージャケット２２内の空間を仕切っている。このため、ボア側経路２２Ａの通水抵抗が大きいことから、ウォーターポンプ１１の動作時には、専ら反ボア側経路２２Ｂを冷却水は流れる。

ボア側経路２２Ａには、図８（Ａ）に矢印ａ１で示すように、スペーサ本体部３０の上端フランジ３０１を乗り越えるように、反ボア側経路２２Ｂから冷却水が流れ込む。つまり、冷却水は、内壁２４１と上端フランジ３０１との隙間を通して反ボア側経路２２Ｂからボア側経路２２Ａへ流れ込み、当該ボア側経路２２Ａを流れる。ボア側経路２２Ａを流れる冷却水の水量は、反ボア側経路２２Ｂに比べて少量である。

クロスドリル２７の入口孔２８を有する排気側ジャケット２２ＥＸでは、矢印ａ１の冷却水の流れが促進される。すなわち、ウォーターポンプ１１の動作によって、入口孔２８には冷却水を吸引する吸引力が発生する。この吸引力によって、冷却水が反ボア側経路２２Ｂからボア側経路２２Ａへ積極的に引き込まれるようになる。

一方、エンジン停止や暖気時の止水モードの実行等によってウォーターポンプ１１が停止すると、上記の冷却水の強制循環は停止する。エンジン停止時には、ボア側経路２２Ａの冷却水は気筒壁である内ブロック２３（ボア間壁２５及びボア中央壁２６）と接しているため比較的高温となる。一方、反ボア側経路２２Ｂの冷却水は、外気との熱交換によって比較的低温となる。このような冷却水の温度差は、ボア側経路２２Ａと反ボア側経路２２Ｂとの間で冷却水の自然対流を生じさせる。

図８（Ｂ）に示すように、ボア側経路２２Ａの冷却水は、高温化するため比重が軽くなり、矢印ａ２１で示すように当該ボア側経路２２Ａ内で上昇する。これに対し、反ボア側経路２２Ｂの冷却水は、低温化するため比重が重くなり、矢印ａ２３で示すように当該反ボア側経路２２Ｂ内で下降する。このような冷却水の流動によって、ウォータージャケットスペーサ３の上端３Ｔ側では、矢印ａ２２で示すように、ボア側経路２２Ａから反ボア側経路２２Ｂに流れ込む冷却水の流動が生じる。また、ウォータージャケットスペーサ３の下端３Ｂ側では、矢印ａ２４で示すように、反ボア側経路２２Ｂからボア側経路２２Ａに流れ込む冷却水の流動が生じる。すなわち、ウォータージャケット２２内において、矢印ａ２１、ａ２２、ａ２３、ａ２４に沿って流れる自然対流が発生する。

エンジン停止中に上記の自然対流が発生すると、企図せず気筒壁が冷却されてしまうことになる。つまり、ボア側経路２２Ａにおいて自然対流により冷却水の流動が生じると、ボア中央壁２６及びボア間壁２５の熱を奪い、これらの壁を過冷却してしまう。この場合、エンジンの暖気状態が維持され難くなる。上述のような自然対流による気筒壁の過冷却の防止の役目を果たすのが、スペーサ本体部３０の内側面３０Ａに付設される膨張部材４である。

図９（Ａ）は、ウォータージャケットスペーサ３に付設される膨張部材４の膨張前の状態を示す断面図、図９（Ｂ）は、膨張部材４の膨張後の状態を示す断面図である。図９（Ａ）は、ウォータージャケット２２に冷却水が流通される前の状態、例えばエンジン本体１０の組み立て行程において、ウォータージャケット２２に膨張部材４が付設されたウォータージャケットスペーサ３が収容された状態を示している。膨張部材４は未だ膨張していないので、作業者はウォータージャケットスペーサ３のウォータージャケット２２内への組み入れを容易に行うことができる。また、組み入れ後において、膨張部材４と内ブロック２３の外壁２３２との間には隙間が存在している。

図９（Ｂ）は、ウォータージャケット２２に冷却水が流通された後の状態を示している。冷却水との接触により膨張部材４は膨張し、その横幅が増大している。膨張部材４の右面は、内ブロック２３の外壁２３２に当接し、ボア側経路２２Ａの下方領域は実質的に塞がれている。この結果として、図８（Ｂ）に示したような、エンジン停止時或いはウォーターポンプ１１の停止モードにおいて生じる冷却水の自然対流が防止される。つまり、膨張部材４によってボア側経路２２Ａの下方領域が閉塞されているので、ボア側経路２２Ａと反ボア側経路２２Ｂとを循環するような冷却水の流動が形成されなくなる。従って、エンジン停止時等に気筒２１が過冷却されないようにすることができる。

［膨張部材の配置］
既述の通り膨張部材４は、ウォータージャケットスペーサ３の内側面３０Ａであって、気筒列２１Ｌの一端側から他端側に亘る領域に連続的に付設され、且つ、気筒軸方向の下方領域に配置されている。以下、このような膨張部材４の配置について詳述する。図１０は、ウォータージャケットスペーサ３の内側面３０Ａを示す側面図であって、気筒２１との関係を示す図である。図１０では、＃１〜＃６気筒２１からなる気筒列２１Ｌが仮想線にて示されている。膨張部材４は、凹面付設部４１及び凸面付設部４２と、気筒列２１Ｌの−Ｘ端側の＃６気筒２１に対向する第１端部付設部４３と、＋Ｘ端側の＃１気筒２１に対向する第２端部付設部４４とを含む。

＜気筒列方向に連続的に膨張部材を付設＞
まず、冷却水の自然対流の完全な抑止には、気筒列２１Ｌの一端側（＋Ｘ）から他端側（−Ｘ）の全長に亘って、ウォータージャケットスペーサ３に膨張部材４を配置することが必要となる。Ｘ方向において、膨張部材４が配置されていない欠落部分が存在すると、当該欠落部分を通して、図８（Ｂ）に示したような冷却水の自然対流が生じてしまうからである。

このため、本実施形態の膨張部材４は、＃２気筒２１〜＃５気筒２１への対向領域においては、凹面付設部４１と凸面付設部４２とがＸ方向に隙間無く連設されている。この凹面付設部４１及び凸面付設部４２の連設体の＋Ｘ側には、＃１気筒２１に対向する第２端部付設部４４が連設され、−Ｘ側には、＃６気筒２１に対向する第１端部付設部４３が連設されている。これにより、＃１〜＃６気筒２１に対する対向領域の全長に亘って連続的に繋がった膨張部材４が形成されている。このような膨張部材４が付設されたウォータージャケットスペーサ３をウォータージャケット２２内に配置すれば、気筒列２１Ｌの全長の領域においてボア側経路２２Ａの隙間を膨張後の膨張部材４が埋め、冷却水の自然対流の発生を抑止することができる。

＜気筒列方向の下方領域に膨張部材を付設＞
次に、膨張部材４をスペーサ本体部３０の内側面３０Ａであって気筒軸方向の下方領域に配置する意義について説明する。ボア側経路２２Ａと反ボア側経路２２Ｂとの間での冷却水の自然対流を防止するには、ボア側経路２２Ａ又は反ボア側経路２２Ｂのいずれかの箇所に膨張部材４を配置し、冷却水の循環経路を遮断すれば足りる。しかし、反ボア側経路２２Ｂ（スペーサ本体部３０の外側面３０Ｂ側）に膨張部材４を配置すると、反ボア側経路２２Ｂにおける冷却水の流動が滞る分、ボア側経路２２Ａに冷却水が流通してしまう。この場合、ボア間壁２５及びボア中央壁２６を含む気筒壁が過冷却されるので好ましくない。従って、ボア側経路２２Ａ（スペーサ本体部３０の内側面３０Ａ側）に膨張部材４を配置することが望ましい。

ボア側経路２２Ａのどの位置に膨張部材４を配置すべきかについて、図１１に基づき説明する。図１１（Ａ）は、比較例の膨張部材４Ａが付設されたウォータージャケットスペーサ３Ａが用いられた場合の、ウォーターポンプ停止時における冷却水の流動を示す図である。図１１（Ａ）では、特許文献１に開示されているように、膨張部材４Ａはスペーサ本体部３０のＺ方向全長に亘って付設されている例を示している。

膨張部材４Ａとして例示しているセルロース系スポンジは、完全な遮水体ではなく、ある程度は水を通す。また、ボア側経路２２Ａの冷却水は、上端側が高温、下端側が低温の傾向となる。このため、冷却水はボア側経路２２Ａ内で上昇しようとする。図１１（Ａ）の比較例では、ボア側経路２２Ａの通水抵抗は、膨張部材４Ａの全長配置によって高くなっているとはいえ、ボア側経路２２ＡのＺ方向全長において一定である。従って、図中に矢印ａ３１、ａ３２で示すように、膨張部材４Ａを貫通する水流が一旦出来ると、自然対流が生じる。すなわち、スペーサ本体部３０の下端側で、矢印ａ３１の水流に引っ張られて、反ボア側経路２２Ｂの下端からボア側経路２２Ａへ向かう冷却水の水流（矢印ａ３３）が出来る。また、スペーサ本体部３０の上端側においては、ボア側経路２２Ａから通水抵抗の低い反ボア側経路２２Ｂへ向かう冷却水の水流（矢印ａ３４）が出来る。よって、弱いながらも、矢印ａ３１、ａ３２、ａ３４、ａ３３のように循環する冷却水の自然対流が発生してしまう。

図１１（Ｂ）は、本実施形態の膨張部材４が付設されたウォータージャケットスペーサ３が用いられた場合の冷却水の流動を示している。本実施形態では、膨張部材４はスペーサ本体部３０の下方領域３Ｄに付設される。このため、ボア側経路２２Ａの通水抵抗は、膨張部材４が配置されている下方領域３Ｄでは高く、膨張部材４が配置されていない上方領域では低くなる。つまり、ボア側経路２２ＡにおけるＺ方向の通水抵抗は一定ではなく、通水抵抗のギャップが存在している。

図１１（Ｂ）の実施形態の場合、ボア側経路２２Ａの上方領域内で完結する冷却水の循環流のみが専ら生じる。すなわち、気筒壁との熱交換により冷却水が上昇しようとする水流（矢印ａ４１）が生じたとしても、その水流は反ボア側経路２２Ｂには至らず、ボア側経路２２Ａの上方領域内で下降する水流（矢印ａ４２）となる。仮に、膨張部材４がボア側経路２２Ａの下方領域３Ｄに配置されていない場合、矢印ａ４１の水流が生じると、反ボア側経路２２Ｂの上端へ入り、反ボア側経路２２Ｂの下端からボア側経路２２Ａへ戻る循環経路が生成される。しかし、本実施形態では、膨張部材４が配置されているので、前記循環経路の通水抵抗が高くなる。従って、矢印ａ４１の上昇水流が生じると、通水抵抗の高いルートとなる反ボア側経路２２Ｂの上端へは向かわず、矢印ａ４２の下降水流が生じるものである。この場合、冷却水は、実質的にボア側経路２２Ａの上方領域内で滞留することになるので、気筒壁との熱交換は少なくなる。つまり、冷却水の自然対流を生じ難くし、気筒壁の保温性を高めることができる。

なお、ボア側経路２２Ａの上方領域だけに膨張部材４を配置することも考えられるが、この態様でも自然対流をシャットアウトすることはできない。図１１（Ｃ）は、他の比較例の膨張部材４Ｂが付設されたウォータージャケットスペーサ３Ｃが用いられた場合の冷却水の流動を示している。図１１（Ｃ）の比較例では、膨張部材４Ｂはスペーサ本体部３０の上方領域３Ｕに付設されている。この上方領域３Ｕは、シリンダブロック２における熱源領域と対向する領域となる。前記熱源領域は、気筒２１内における燃焼によって熱が発生する領域である。

この場合、前記熱源領域に膨張部材４Ｂが対峙することから、当該膨張部材４Ｂ内で冷却水が上昇しようとする冷却水の水流（矢印ａ５１）が生じる。この矢印ａ５１の水流に引っ張られて、ボア側経路２２Ａの下方領域から膨張部材４Ｂへ進入する水流（矢印ａ５２）が生じる。つまり、膨張部材４Ｂが冷却水の水流発生の起点となる。そして、膨張部材４Ｂが配置されている領域以外の通水抵抗は比較的低い。従って、スペーサ本体部３０の上端側において、ボア側経路２２Ａから反ボア側経路２２Ｂへ向かう冷却水の水流（矢印ａ５３）が生じ、スペーサ本体部３０の下端側で、反ボア側経路２２Ｂの下端からボア側経路２２Ａへ向かう冷却水の水流（矢印ａ５４）が生じる。よって、矢印ａ５１、ａ５３２、ａ５４、ａ５２のように循環する冷却水の自然対流が発生してしまう。以上の通りであるから、スペーサ本体部３０の下方領域３Ｄに膨張部材４が付設されることが望ましい。

図１１（Ｂ）に示す、本実施形態において膨張部材４が付設されるスペーサ本体部３０の内側面３０Ａの下方領域３Ｄは、前記熱源領域よりも下方において、内ブロック２３の内周壁２３１（気筒を区画する壁面）と対向する領域である。これにより、図１１（Ｂ）に示したように、前記熱源領域に対向するボア側経路２２Ａの上方領域に、当該熱源領域で加温された冷却水を滞留させることができる。従って、ウォーターポンプ１１の停止時に、前記熱源領域の保温性を高めることができる。

具体的には、上記の下方領域３Ｄは、気筒２１内に収容されるピストンとの関係において設定することができる。図１２は、膨張部材４の好ましい配置位置を示す断面図である。気筒２１には、Ｚ方向に往復動可能にピストン５が収容されている。ピストン５は下方側にスカート部５１を有している。下方領域３Ｄは、ピストン５が上死点に存在するときに、内側面３０Ａにおける、スカート部５１の下端５１Ｂよりも下方において内ブロック２３の外壁２３２と対向する領域とすることができる。

図１２の例では、膨張部材４は、スペーサ本体部３０におけるスカート部５１の下端５１Ｂの延長線上から、スペーサ本体部３０の下端までの領域、つまり下方領域３Ｄの全領域に膨張部材４が付設されている例を示している。一般に、気筒２１の上端から、ピストン５が上死点に存在するときのスカート部５１の下端５１Ｂまでの領域が、気筒２１内における燃焼によって熱が発生する熱源領域となる。従って、この熱源領域に対向するボア側経路２２Ａに冷却水を滞留させることができるよう、下方領域３Ｄに膨張部材４を配置することで、当該熱源領域の保温性を高めることができる。

＜他の工夫＞
図１０を参照して、膨張部材４は、気筒列２１Ｌの一端側の気筒と他端側の気筒とに各々対向する領域においては、下方領域３Ｄと、当該下方領域３Ｄよりも上方領域とに配置されている。つまり、気筒列２１Ｌの−Ｘ端側の＃６気筒２１に対向する第１端部付設部４３と、＋Ｘ端側の＃１気筒２１に対向する第２端部付設部４４とにおいては、下方領域３Ｄだけでなく、当該下方領域よりも上方に位置する上方領域にも膨張部材４が配置されている。

気筒列２１Ｌの両端に位置する＃１気筒２１及び＃６気筒２１は、気筒列２１Ｌの端部に位置する気筒であるので、他の気筒における燃焼の熱影響を受け難い。具体的には、＃１気筒２１は＃２気筒２１のみと隣接し、＃６気筒２１は＃５気筒２１のみと隣接するだけであって、他の気筒のように２つの気筒に挟まれてはいない。このため、＃１気筒２１及び＃６気筒２１は、他の＃２〜＃５気筒２１に比べて相対的に温度が低くなる気筒である。これらの気筒について、下方領域３Ｄだけでなくその上方領域にも膨張部材４を配置することで、＃１気筒２１及び＃６気筒２１を区画する気筒壁（内ブロック２３）と冷却水と接触を回避させる。これにより、＃１気筒２１及び＃６気筒２１の保温を図ることができる。

膨張部材４の気筒列方向（Ｘ方向）と水平面で直交する方向（Ｙ方向）の厚さは、ボア側経路２２Ａの横幅に応じて選定される。冷却水の自然対流を完全に抑止するには、膨張後の膨張部材４と内ブロック２３の外壁２３２との間に隙間が生じないようにする必要がある。このため、膨張部材４の膨張前の厚さは、当該膨張部材４の膨張後の状態において、ボア間壁２５及びボア中央壁２６とスペーサ本体部３０の内側面３０Ａとの間の隙間を塞ぐ（図９（Ｂ）参照）ことが可能な厚さに選ばれていることが望ましい。

なお、本実施形態では、ボア側経路２２ＡのＹ方向幅（横幅）ｄ１が反ボア側経路２２ＢのＹ方向幅ｄ２よりも狭くなるように、ウォータージャケットスペーサ３がウォータージャケット２２内に配置されている。このことも、冷却水の自然対流の抑止に寄与している。すなわち、ｄ２＞ｄ１の関係とされていることから、本来的にボア側経路２２Ａにおいて冷却水の水流が生じ難い構造となっている。従って、膨張部材４の付設による冷却水の自然対流の抑止効果を発揮し易くなる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、スカート部５１の下端５１Ｂの延長線上に、膨張部材４の上端が位置するように、スペーサ本体部３０の内側面３０Ａに膨張部材４が付設される例を示した（図１２）。これに代えて、膨張部材４の上端が、スカート部５１の下端５１Ｂの延長線上よりも下方に位置するように付設しても良い。あるいは、膨張部材４の上端が、スカート部５１の下端５１Ｂの延長線上よりもやや上方に位置するように付設しても良い。

（２）図７及び図１０に示すように、上記実施形態では、膨張部材４の凹面付設部４１よりも凸面付設部４２のＺ方向幅が幅狭である例を示した。これに代えて、凹面付設部４１及び凸面付設部４２のＺ方向幅を同一にしても良い。また、膨張部材４の第１端部付設部４３及び第２端部付設部４４は、スペーサ本体部３０のＺ方向幅の全幅に亘って設けられている例を示した。これに代えて、第１端部付設部４３及び第２端部付設部４４についても、スペーサ本体部３０の下方領域だけに設けられるようにしても良い。

（３）上記実施形態では、ウォータージャケットスペーサ３により区画されるボア側経路２２Ａ及び反ボア側経路２２Ｂのうち、反ボア側経路２２Ｂに冷却水の主流が形成されるよう、図４に示すようにｄ２＞ｄ１の関係に設定される例を示した。これは一例であり、ボア側経路２２Ａ及び反ボア側経路２２Ｂの幅、ウォータージャケットスペーサ３の形状等は、エンジン本体１０の冷却コントロール指針に応じて、適宜設定することができる。

１ エンジン
２ シリンダブロック（エンジンブロック）
２１ 気筒
２１Ｌ 気筒列
２２ ウォータージャケット
２２Ａ ボア側経路
２２Ｂ 反ボア側経路
２５ ボア間壁
２６ ボア中央壁
３ ウォータージャケットスペーサ
３Ｄ 下方領域
３０ スペーサ本体部
３０Ａ 内側面
４ 膨張部材
５ ピストン
５１ スカート部
５１Ｂ 下端
Ｘ方向 複数の気筒が並ぶ所定方向
Ｙ方向 気筒列方向と水平面で直交する方向
Ｚ方向 気筒軸方向

Claims (5)

1. 複数の気筒が所定方向に並ぶ気筒列と、前記気筒列を取り囲むように形成され冷却水を流通させるウォータージャケットと、を各々区画する壁面を有するエンジンブロックと、
   前記ウォータージャケットの内部に配置され、前記ウォータージャケット内における冷却水の流れを調整するウォータージャケットスペーサと、を備え、
   前記ウォータージャケットスペーサは、
   前記気筒列の外周形状に沿った形状を有し、前記気筒と対向する内側面と、当該内側面と反対側の外側面とを含むスペーサ本体部と、
   前記スペーサ本体部の前記内側面に付設され、外的要因が加わることによって膨張する膨張部材と、を備え、
   前記膨張部材は、前記内側面における前記気筒列の一端側から他端側に亘る領域に連続的に付設され、且つ、前記内側面の気筒軸方向の下方領域に配置されている、エンジンの冷却構造。
2. 請求項１に記載のエンジンの冷却構造において、
   前記気筒内に気筒軸方向に沿って往復移動可能に収容され、スカート部を備えたピストンをさらに備え、
   前記下方領域は、前記ピストンが上死点に存在するとき、前記スカート部の下端よりも下方において、前記気筒列を区画する壁面と対向する領域である、エンジンの冷却構造。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンの冷却構造において、
   前記エンジンブロックは、隣り合う気筒間の壁であるボア間壁と、前記ボア間壁を除く気筒の周壁であるボア中央壁とを備え、
   前記膨張部材の気筒列方向と水平面で直交する方向の厚さは、前記膨張部材の膨張後の状態において、前記ボア間壁及び前記ボア中央壁と前記スペーサ本体部の前記内側面との間の隙間を塞ぐことが可能な厚さに選ばれている、エンジンの冷却構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの冷却構造において、
   前記ウォータージャケットスペーサは、前記ウォータージャケット内の冷却水の流通経路を、前記気筒に近いボア側経路と、前記気筒から遠い反ボア側経路とに区分するものであって、
   前記ボア側経路の横幅が前記反ボア側経路の横幅よりも狭くなるように、前記ウォータージャケットスペーサが前記ウォータージャケット内に配置されている、エンジンの冷却構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの冷却構造において、
   前記膨張部材は、前記気筒列の一端側の気筒と他端側の気筒とに各々対向する領域において、前記下方領域と、当該下方領域よりも上方領域とに配置されている、エンジンの冷却構造。

Images