JP2023101122A - 内燃機関の冷却構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の局所的な過冷却を抑制することが可能な内燃機関の冷却構造を提供することを課題とする。【解決手段】ウォータジャケットを有するシリンダブロックと、前記ウォータジャケットに配置されるスペーサと、を具備し、前記スペーサの表面および前記ウォータジャケットの内壁のうち少なくとも一方は、第1領域、第2領域および第3領域を有し、前記第1領域は前記第2領域に比べて内燃機関の燃焼室に近く、前記第2領域は前記第3領域に比べて前記燃焼室に近く、前記第1領域および前記第3領域に比べて大きな表面粗さを有する内燃機関の冷却構造。【選択図】図2

Description

本発明は内燃機関の冷却構造に関する。
内燃機関の冷却のため、シリンダブロックには冷却水の流通するウォータジャケットが設けられている。ウォータジャケット内にはウォータジャケットスペーサを配置し、冷却水の流通方向および流量などを調節する(特許文献1など)。
特開2013-079605号公報
内燃機関の位置に応じて発生する熱量が異なる。冷却水を一定の流量で流すと、内燃機関の一部に局所的な過冷却が発生する恐れがある。そこで、内燃機関の局所的な過冷却を抑制することが可能な内燃機関の冷却構造を提供することを目的とする。
上記目的は、ウォータジャケットを有するシリンダブロックと、前記ウォータジャケットに配置されるスペーサと、を具備し、前記スペーサの表面および前記ウォータジャケットの内壁のうち少なくとも一方は、第1領域、第2領域および第3領域を有し、前記第1領域は前記第2領域に比べて内燃機関の燃焼室に近く、前記第2領域は前記第3領域に比べて前記燃焼室に近く、前記第1領域および前記第3領域に比べて大きな表面粗さを有する内燃機関の冷却構造によって達成できる。
前記スペーサの表面は前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有し、前記第2領域における前記スペーサの表面に、凹部、凸部および貫通孔の少なくとも1つが設けられてもよい。
前記第2領域における前記スペーサの表面に、前記ウォータジャケットに貯留される冷却水の流れる方向に沿って並ぶ複数の前記凹部、複数の前記凸部、および複数の前記貫通孔の少なくとも1つが設けられてもよい。
前記スペーサは前記シリンダブロックのボアを囲み、前記スペーサの前記ボア側の表面は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有してもよい。
前記スペーサは前記シリンダブロックのボアを囲み、前記スペーサの前記ボアとは反対側の表面は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有してもよい。
前記ウォータジャケットの内壁は前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有し、前記第2領域における前記ウォータジャケットの内壁に、凹部および凸部の少なくとも1つが設けられてもよい。
前記第2領域における前記ウォータジャケットの内壁に、前記ウォータジャケットに貯留される冷却水の流れる方向に沿って並ぶ複数の前記凹部および複数の前記凸部の少なくとも1つが設けられてもよい。
前記ウォータジャケットは前記シリンダブロックのボアを囲み、前記ウォータジャケットの前記ボア側の内壁は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有してもよい。
内燃機関の局所的な過冷却を抑制することが可能な内燃機関の冷却構造を提供できる。
図1(a)は内燃機関の冷却構造を例示する断面図である。図1(b)は内燃機関10のシリンダブロックを例示する平面図である。 図2(a)はスペーサを例示する斜視図である。図2(b)は図2(a)の線A-Aに沿った断面を例示する断面図である。 図3(a)は第1実施形態の変形例に係るスペーサを例示する斜視図である。図3(b)は図3(a)の線B-Bに沿った断面図である。 図4(a)は第2実施形態に係るスペーサを例示する斜視図である。図4(b)は図4(a)の線C-Cに沿った断面図である。 図5(a)は第2実施形態の変形例に係るスペーサを例示する斜視図である。図5(b)は図5(a)の線D-Dに沿った断面図である。 図6(a)は第3実施形態に係るスペーサを例示する斜視図である。図6(b)は図6(a)の線E-Eに沿った断面図である。 図7(a)は第4実施形態に係るシリンダブロックを例示する側面図である。図7(b)はウォータジャケットの内壁を例示する断面図である。図7(c)はウォータジャケット14の内壁を例示する断面図である。
<第1実施形態>
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の冷却構造について説明する。図1(a)は内燃機関の冷却構造100を例示する断面図であり、内燃機関10の1つのボアを図示している。図1(a)に示すように、内燃機関10はシリンダヘッド11およびシリンダブロック12を備える。シリンダヘッド11およびシリンダブロック12は例えばアルミニウム合金などの金属で形成されている。シリンダヘッド11はシリンダブロック12の上側に装着される。Z方向はボアが延伸する方向であり、シリンダブロック12の+Z側にシリンダヘッド11が取り付けられる。
シリンダブロック12にピストン16が収納される。コンロッド17の一端はピストン16に連結され、他端はクランクシャフト18に連結されている。シリンダブロック12、シリンダヘッド11およびピストン16によって、燃焼室19が区画される。
シリンダヘッド11には吸気通路20および排気通路22が接続されている。吸気通路20から燃焼室19に空気が導入される。燃焼室19において空気と燃料との混合気が燃焼する。燃焼で発生する排気は、排気通路22から排出される。混合気の燃焼によってピストン16はZ軸方向に往復運動し、クランクシャフト18が回転する。
シリンダヘッド11はウォータジャケット13を有する。シリンダブロック12はウォータジャケット14を有する。ウォータジャケット13および14の内部に冷却水が循環することで、内燃機関10を冷却する。ウォータジャケット14にはスペーサ24が挿入される。冷却構造100は、シリンダブロック12およびスペーサ24により形成される。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率は、冷却水の流速に依存する。流速が大きいほど熱伝導率が高くなる。流速が小さいほど熱伝導率は低くなる。
図1(a)に示すように、ウォータジャケット14およびスペーサ24はZ軸方向に延伸する。スペーサ24は、3つの領域24a(第1領域)、領域24b(第2領域)および領域24c(第3領域)を有する。図1(a)の上から、領域24a、領域24b、および領域24cがこの順に並ぶ。領域24aは、スペーサ24のうちボアの延伸方向(Z軸方向)において上側の領域である。領域24cはZ軸方向において下側の領域である。領域24bはZ軸方向において中央の領域である。領域24aは、領域24bおよび24cに比べて、燃焼室19の近くに位置する。領域24bは領域24cに比べて、燃焼室19の近くに位置する。言い換えれば、3つの領域のうち領域24aはピストン16の上死点に最も近い。領域24cは下死点に最も近い。領域24bは、ピストン16が上下動する部分に対応する。
図1(b)は内燃機関10のシリンダブロック12を例示する平面図である。図1(b)に示すように、シリンダブロック12は例えば4つのボア15a、15b、15cおよび15dを有する。Z方向はボアが延伸する方向である。
ウォータジャケット14の内側にはスペーサ24(ウォータジャケットスペーサ)が配置される。ウォータジャケット14およびスペーサ24はボア15a、15b、15cおよび15dを囲む。
ウォータジャケット14には不図示の供給口から冷却水が導入される。冷却水はウォータジャケット14の内部を循環し、不図示の排出口から排出される。スペーサ24を設けることで、冷却水の流れを制御する。
ウォータジャケット14は内壁14aおよび14bを有する。内壁14aはボアの外壁である。内壁14bは内壁14aに対向する。スペーサ24の外側の表面を面24dとし、内側の表面を面24eとする。面24dは、ボアとは反対側の面であり、ウォータジャケット14の内壁14bに対向する。面24dと内壁14bとは離間する。面24eは、ボア側の面であり、ウォータジャケット14の内壁14aに対向する。面24eと内壁14aとは離間する。冷却水は面24dと内壁14bとの間、および面24eと内壁14aとの間を流れる。
図2(a)はスペーサ24を例示する斜視図である。スペーサ24はリング形状を有する部材であり、例えば樹脂などで形成されている。図2(a)中の矢印の方向に冷却水が流れる。
スペーサ24の内側の面24eは、領域24a、24bおよび24cを有する。領域24a、24bおよび24cは、スペーサ24の周方向に沿って延伸する。領域24bにおいて面24eに複数の凹部30が設けられている。複数の凹部30は、冷却水の流れる方向に沿って並ぶ。領域24aおよび24cに凹部30は設けられていない。
図2(b)は図2(a)の線A-Aに沿った断面を例示する断面図である。図2(b)に示すように、凹部30は面24eに設けられ、スペーサ24の厚さ方向に窪んでいる。凹部30が設けられているため、領域24bは領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。
図2(b)に矢印で示すように、スペーサ24の周囲に冷却水が流れる。冷却水が凹部30の内側に流れ込み、渦を巻く。このため冷却水の流れが乱され、凹部30がない場合に比べて流速が低下する。
第1実施形態によれば、スペーサ24の面24eは領域24a、24bおよび24cを有する。領域24aおよび24cには凹部30が設けられていない。領域24aおよび24bは、領域24bに比べて滑らかな面を有する。冷却水が大きな流速で流れる。このため冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が高くなり、冷却性能が高くなる。
一方、領域24bにおいて面24eには凹部30が設けられている。領域24bは、領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。領域24bでは領域24aおよび24cに比べ、冷却水の流速が低下し、冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域24aおよび24cと比較し、領域24bにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
燃焼室19で混合気が燃焼し、熱が発生する。内燃機関10のうち燃焼室19の近傍が高温になりやすい。図1(a)に示すように、領域24aは3つの領域のうちで燃焼室19に最も近い。領域24aで冷却水の流速を大きくし、熱伝導率を高めることで、シリンダブロック12を効率的に冷却することが可能である。ノッキングおよびオーバーヒートなどを抑制することができる。
図1(a)に示すように、領域24bは、領域24aよりも燃焼室19から遠いため、熱伝導率が低くてもよい。また領域24bは、内燃機関10のうちピストン16が上下動する部分を囲む。領域24bにおいて過剰な冷却を抑制することで、シリンダブロック12のボア周辺の温度が上昇し、ボアが膨張する。ボアの膨張により、ピストン16とボア内壁との摩擦を低減することができる。
図1(b)に示すように、スペーサ24の面24eはボアに対向する。凹部30もボアに対向する。スペーサ24とボアとの間において冷却水の流速が低下する。ボアの近傍において過冷却が抑制されることで、ピストン16とボア内壁との摩擦を低減することができる。
図2(b)に示すように、複数の凹部30は冷却水の流れる方向に沿って並ぶため、冷却水の流速を効果的に低下させることができる。1つのボアに対して例えば12個の凹部30が配置される。凹部30の個数は変えてもよい。凹部30の幅、および深さは、例えばシリンダブロック12の大きさなどに応じて定めればよい。ボアの個数は3つ以下でもよいし、5つ以上でもよい。
(変形例)
図3(a)は第1実施形態の変形例に係るスペーサ24を例示する斜視図である。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。図3(a)に示すように、領域24bにおいて面24eに複数の凸部32が設けられている。複数の凸部32は冷却水の流れる方向に沿って並ぶ。図3(b)は図3(a)の線B-Bに沿った断面図である。図3(b)に示すように、凸部32はスペーサ24の厚さ方向において面24eから突出している。凸部32が設けられているため、領域24bは領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。
図3(b)に矢印で示すように、スペーサ24の周囲に冷却水が流れる。冷却水が凸部32に衝突することで冷却水の流れが乱され、凸部32がない場合に比べて流速が低下する。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域24aおよび24cと比較し、領域24bにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
凸部32の個数、凸部32の幅、突出量(面24eからの高さ)は、例えばシリンダブロック12の大きさなどに応じて定めればよい。スペーサ24の面24eに凹部30および凸部32の両方を設けてもよい。
<第2実施形態>
図4(a)は第2実施形態に係るスペーサ24を例示する斜視図である。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。図4(a)に示すように、スペーサ24の面24dは領域24a、24bおよび24cを有する。領域24bにおいて面24dに複数の凹部30が設けられている。複数の凹部30は、冷却水の流れる方向に沿って並ぶ。領域24aおよび24cに凹部30は設けられていない。
図4(b)は図4(a)の線C-Cに沿った断面図である。図4(b)に示すように、凹部30はスペーサ24の面24dに設けられ、厚さ方向に窪んでいる。凹部30が設けられているため、領域24bは領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。
図4(b)に矢印で示すように、スペーサ24の周囲に冷却水が流れる。冷却水が凹部30の内側に流れ込み、渦を巻く。このため冷却水の流れが乱され、凹部30がない場合に比べて流速が低下する。
第2実施形態によれば、領域24bにおいて面24dに凹部30が設けられている。領域24bは領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。領域24bでは領域24aおよび24cに比べ、冷却水の流速が低下し、冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域24aおよび24cと比較し、領域24bにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
(変形例)
図5(a)は第2実施形態の変形例に係るスペーサ24を例示する斜視図である。第2実施形態と同じ構成については説明を省略する。図5(a)に示すように、領域24bにおいて面24dに複数の凸部32が設けられている。図5(b)は図5(a)の線D-Dに沿った断面図である。図5(b)に示すように、凸部32はスペーサ24の厚さ方向において面24dから突出している。
図5(b)に矢印で示すように、スペーサ24の周囲に冷却水が流れる。冷却水が凸部32に衝突することで冷却水の流れが乱され、凸部32がない場合に比べて流速が低下する。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域24aおよび24cと比較し、領域24bにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
スペーサ24の面24dおよび面24eのいずれか一方に凹部30および凸部32が設けられてもよいし、面24dおよび面24eの両方に凹部30および凸部32が設けられてもよい。
<第3実施形態>
図6(a)は第3実施形態に係るスペーサ24を例示する斜視図である。第1実施形態および第2実施形態と同じ構成については説明を省略する。図6(a)に示すように、スペーサ24の領域24bに貫通孔34が設けられている。複数の貫通孔34は、冷却水の流れる方向に沿って並ぶ。
図6(b)は図6(a)の線E-Eに沿った断面図である。図6(b)に示すように、貫通孔34はスペーサ24の面24dから面24eまで延伸し、スペーサ24を厚さ方向に貫通する。貫通孔34が設けられているため、領域24bは領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。図6(b)に矢印で示すように、スペーサ24の周囲に冷却水が流れる。冷却水の流れが貫通孔で乱され、貫通孔がない場合に比べて流速が低下する。
第3実施形態によれば、スペーサ24の領域24bは貫通孔34を有し、領域24aおよび24cに比べて大きな表面粗さを有する。領域24bでは領域24aおよび24cに比べ、冷却水の流速が低下する。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域24aおよび24cと比較し、領域24bにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
スペーサ24の領域24bは、凹部30、凸部32および貫通孔34のうち少なくとも1つを有していればよい。領域24bは、凹部30と凸部32とを有してもよいし、凹部30と貫通孔34とを有してもよいし、凸部32と貫通孔34とを有してもよい。領域24bは、凹部30、凸部32および貫通孔34の全てを有してもよい。
<第4実施形態>
図7(a)は第4実施形態に係るシリンダブロック12を例示する側面図である。第1実施形態から第3実施形態と同じ構成については説明を省略する。図1(b)に示したウォータジャケット14の内壁14a(ボアの外壁)は、図7(a)に示す3つの領域14c、14dおよび14eを有する。
図7(a)の上から、領域14c(第1領域)、領域14d(第2領域)、および領域14e(第3領域)がこの順に並ぶ。領域14cは、シリンダブロック12のうちボアの延伸方向(Z軸方向)において上側の領域である。領域14eはZ軸方向において下側の領域である。領域14dはZ軸方向において中央の領域である。領域14cは、領域14dおよび14eに比べて、図1(a)に示した燃焼室19の近くに位置する。領域14dは領域14eに比べて、燃焼室19の近くに位置する。言い換えれば、3つの領域のうち領域14cはピストン16の上死点に最も近い。領域14eは下死点に最も近い。領域14dは、ピストン16が上下動する部分に対応する。
図7(b)はウォータジャケット14の内壁14aを例示する断面図である。図7(b)の下側はウォータジャケット14であり、上側はボア(例えばボア15a)である。ウォータジャケット14の内壁14aにより、ウォータジャケット14とボア15aとの間が分けられている。図7(b)に示すように、ウォータジャケット14の内壁14aに凹部30が設けられている。凹部30は内壁の厚さ方向に窪んでいる。複数の凹部30は、冷却水の流れる方向に沿って並ぶ。図7(b)に矢印で示すように冷却水が流れる。冷却水が凹部30の内側に流れ込み、渦を巻く。このため冷却水の流れが乱され、凹部30がない場合に比べて流速が低下する。
第4実施形態によれば、領域14dにおいて内壁14aに凹部30が設けられている。領域14dは領域14cおよび14eに比べて大きな表面粗さを有する。領域14dでは領域14cおよび14eに比べ、冷却水の流速が低下する。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域14cおよび14eと比較し、領域14dにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
(変形例)
図7(c)はウォータジャケット14の内壁14aを例示する断面図である。第4実施形態と同じ構成については説明を省略する。図7(c)に示すように、領域14dにおいて内壁14aに複数の凸部32が設けられている。凸部32は内壁の厚さ方向において突出している。
図7(c)に矢印で示すように冷却水が流れる。冷却水が凸部32に衝突することで冷却水の流れが乱され、凸部32がない場合に比べて流速が低下する。冷却水とシリンダブロック12との間の熱伝導率が低くなる。領域14cおよび14eと比較し、領域14dにおける冷却水とシリンダブロック12との熱交換が抑制され、局所的な過冷却を抑制することができる。
ウォータジャケット14の内壁14aは凹部30、および凸部32のうち少なくとも1つを有していればよい。内壁14bに、凹部30および凸部32を設けてもよい。図7(b)および図7(c)に示すように、内壁14aに凹部30および凸部32を設けることが好ましい。図1(b)に示すように、内壁14aおよび14bのうち、内壁14aはボアに近く、内壁14bはボアから遠い。内壁14aの表面粗さを大きくすることで、ボアの近傍で冷却水の流速を低下させ、過冷却を効果的に抑制することができる。
スペーサ24の表面およびウォータジャケット14の内壁のうち少なくとも一方が、3つの領域を有し、中央の領域の表面粗さが大きければよい。例えばスペーサ24の表面が表面粗さの大きい領域24bを有し、かつウォータジャケット14の内壁も表面粗さの大きい領域14dを有してもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 内燃機関
11 シリンダヘッド
12 シリンダブロック
13、14 ウォータジャケット
14a、14b 内壁
14c、24a 領域(第1領域)
14d、24b 領域(第2領域)
14e、24c 領域(第3領域)
15a、15b、15c、15d ボア
16 ピストン
17 コンロッド
18 クランクシャフト
20 吸気通路
22 排気通路
24 スペーサ
24d、24e 面
30 凹部
32 凸部
34 貫通孔
100 冷却構造

Claims (8)

  1. ウォータジャケットを有するシリンダブロックと、
    前記ウォータジャケットに配置されるスペーサと、を具備し、
    前記スペーサの表面および前記ウォータジャケットの内壁のうち少なくとも一方は、第1領域、第2領域および第3領域を有し、
    前記第1領域は前記第2領域に比べて内燃機関の燃焼室に近く、
    前記第2領域は前記第3領域に比べて前記燃焼室に近く、前記第1領域および前記第3領域に比べて大きな表面粗さを有する内燃機関の冷却構造。
  2. 前記スペーサの表面は前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有し、
    前記第2領域における前記スペーサの表面に、凹部、凸部および貫通孔の少なくとも1つが設けられている請求項1に記載の内燃機関の冷却構造。
  3. 前記第2領域における前記スペーサの表面に、前記ウォータジャケットに貯留される冷却水の流れる方向に沿って並ぶ複数の前記凹部、複数の前記凸部、および複数の前記貫通孔の少なくとも1つが設けられている請求項2に記載の内燃機関の冷却構造。
  4. 前記スペーサは前記シリンダブロックのボアを囲み、
    前記スペーサの前記ボア側の表面は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有する請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却構造。
  5. 前記スペーサは前記シリンダブロックのボアを囲み、
    前記スペーサの前記ボアとは反対側の表面は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有する請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却構造。
  6. 前記ウォータジャケットの内壁は前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有し、
    前記第2領域における前記ウォータジャケットの内壁に、凹部および凸部の少なくとも1つが設けられている請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却構造。
  7. 前記第2領域における前記ウォータジャケットの内壁に、前記ウォータジャケットに貯留される冷却水の流れる方向に沿って並ぶ複数の前記凹部および複数の前記凸部の少なくとも1つが設けられている請求項6に記載の内燃機関の冷却構造。
  8. 前記ウォータジャケットは前記シリンダブロックのボアを囲み、
    前記ウォータジャケットの前記ボア側の内壁は、前記第1領域、前記第2領域および前記第3領域を有する請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却構造。

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