JP4670737B2

JP4670737B2 - エンジンの冷却装置

Info

Publication number: JP4670737B2
Application number: JP2006152244A
Authority: JP
Inventors: 邦彦林; 日出夫小林; 克彦蟻沢; 賢一山田; 芳雄山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007321637A

Description

本発明は、エンジンの早期暖機及び暖機完了後のエンジンを適切に冷却することができるエンジンの冷却装置に関する。

エンジンは、暖機が完了していない状態ではフリクションが大きい等の問題があることから早期の暖機完了が求められる。特に、シリンダボアやピストン、クランクシャフト等の摺動部を有する構成要素は効率のよい運転を実現するために早期暖機完了が望まれる。通常のエンジンは筒内爆発が開始されるとシリンダブロックやシリンダヘッド等のエンジン構成要素、さらに、これらのエンジン構成要素に形成された油路中を循環するエンジンオイル、ウォータジャケット中を循環する冷却水が温められ、徐々に暖機が進行する。

また、その一方で、暖機完了後はエンジン各部の温度が過度に上昇することを回避すべく、エンジンには冷却装置が搭載されている。

従来、エンジンの冷却装置は種々の形態のものが提案されており、例えば、特許文献１には、エンジンの冷間時には、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間で冷却水を循環させ、エンジンの温間軽負荷時には、シリンダヘッド及びシリンダブロックのうちシリンダヘッドのみに冷却水を流すとともに、必要に応じてラジエータにも流し、エンジンの温間高負荷時には、シリンダヘッド、シリンダブロック及びラジエータ間で冷却水を循環させるとともに、ラジエータから流出した冷却水を先にシリンダヘッドに流し、その後にシリンダブロックに流すようにした構成が開示されている。このようなエンジンの冷却装置は、具体的には、一端が冷却水流入口と連通するシリンダヘッド吸気側通路部と、一端がシリンダヘッド吸気側通路部の他端と連通部を介して連通し、他端が冷却水出口と連通するシリンダヘッド排気側通路部を備えている。このようなエンジンの冷却装置では、冷却水は、まずシリンダヘッド吸気側通路部へ流入し、連通部を通じてシリンダヘッド排気側通路部へ流れ、その後、シリンダブロックへ流入する。

このようなエンジンの冷却装置は、エンジンの冷間時には暖機性を促進し、温間時にはエンジンをその運転状態に応じて適切に冷却することを目的としている。

特開２００４−２７０６５２号公報

しかしながら、前記特許文献１で開示されたエンジンの冷却装置では、シリンダヘッド吸気側通路部へ流入した冷却水が連通部を通じてシリンダヘッド排気側通路部へ流れることから、エンジンの温間高負荷時のシリンダヘッド排気側には、シリンダヘッド吸気側通路部、連通部を通過することによって温度が上昇した冷却水が流通することとなり、冷却性の確保が十分でないおそれがある。

そこで、本発明は、エンジンの早期暖機を達成することができるとともに、エンジンの効率的な冷却効果を得ることができるエンジンの冷却装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明のエンジンの冷却装置は、ウォータポンプと、シリンダヘッドの吸気側に配置され、エンジンの一端側に前記ウォータポンプに接続された冷却水入口を備えると共に他端側に冷却水出口を備える吸気側ウォータジャケットと、シリンダヘッドの排気側に配置され、エンジンの一端側にシリンダブロックウォータジャケットへ通じる冷却水出口を備えると共に他端側に冷却水入口を備える排気側ウォータジャケットと、前記吸気側ウォータジャケットの冷却水出口と前記排気側ウォータジャケットの冷却水入口とを接続するＵターン通路と、前記吸気側ウォータジャケットから分岐して前記排気側ウォータジャケットへ接続されるバイパス通路と、当該バイパス通路の冷却水の流通を制御するバイパス弁と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。

このような構成とすることにより、エンジンの早期暖機を図ることができる。特に、エンジン始動により高温の排気ガスが流通するシリンダヘッドの排気側の周囲を通過した冷却水がシリンダブロックへ供給されるので、シリンダブロックの周囲を効率よく温めることができる。また、シリンダヘッドの排気側で温められた冷却水がシリンダヘッドの吸気側へ流入することがないので吸気に熱を奪われることがなく、吸気の温度上昇も抑制することができる。

しかし、その一方で、暖機完了後は、シリンダヘッドにおける冷却性能が不足することが懸念される。そこで、本発明では、シリンダヘッド内に略並行に配置される吸気側ウォータジャケットと排気側ウォータジャケットとを接続するバイパス通路を設け、このバイパス通路に高負荷時に開弁するバイパス弁を設ける構成としている。このような構成とすることにより冷却水の流量を稼ぐことができるとともに排気側ウォータジャケットへ到達するまでの圧損を低減することができる。この結果、シリンダヘッドにおける冷却性能の向上を実現できる。

ここで、バイパス弁としては、例えば、吸気側ウォータジャケット内の冷却水の圧力が排気側ウォータジャケット内の冷却水の圧力に対して上昇することにより開弁される圧力弁を採用することができる。例えば、ウォータポンプをエンジンの回転数の上昇に伴って回転数が上昇する機械式とすれば、高負荷時に吸気側ウォータジャケット内の冷却水の圧力が高まり、バイパス弁である圧力弁が開弁する。これにより、吸気側ウォータジャケット内の冷却水は、Ｕターン通路をバイパスして排気側ウォータジャケット内に流入する。また、例えば、サーモスタット等を用い、冷却水の温度に感応して開閉を行うタイプの弁をバイパス弁として用いることもできる。さらに、制御手段によって制御される電磁弁等の任意駆動弁をバイパス弁として用いることもできる。

また、排気側ウォータジャケットの冷却水出口にウォータポンプからの配管を行い、この配管にバイパス通路の機能を持たせ、この配管に圧力弁等のバイパス弁を装着した構成とすることもできる。このような構成とすることにより、高負荷時の吸気側ウォータジャケット及び排気側ウォータジャケットにはエンジンの同一の側から冷却水が流入することとなる。この結果、シリンダヘッドにおける吸気側、排気側の冷却性能を向上させることができる。

このようなエンジンンの冷却装置では、前記シリンダヘッドに連続して設けられるエキゾーストマニホールドと、当該エキゾーストマニホールドの周囲に形成され、前記排気側ウォータジャケットから冷却水が流入するエキゾーストマニホールドウォータジャケットと、を備えた構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、冷却水はエキゾーストマニホールドからも熱を受け取り、この熱をシリンダブロック周辺の昇温へ利用することができる。また、温間高負荷時のエキゾーストマニホールド周辺の冷却性能を向上させることにもなる。

本発明によれば、高温となる排気ガスが流通するシリンダヘッド排気側に配置された排気側ウォータジャケットを通過した冷却水が即座にシリンダブロックに供給されるので、シリンダブロックの早期昇温、暖機完了が可能となる。また、高負荷時にはバイパス通路を通じて排気側ウォータジャケットへ冷却水を流通させるようにしたのでシリンダヘッドの冷却性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明のエンジンの冷却装置の概略構成を示す模式図である。本実施例における冷却装置が搭載されるエンジンは、図１中、左右方向に直列にシリンダが配列された直列４気筒エンジンである。

冷却装置は、機械式のウォータポンプ１と、エンジンを構成するシリンダヘッド２内に配置される吸気側ウォータジャケット３と排気側ウォータジャケット４とを備えている。吸気側ウォータジャケット３は、シリンダヘッド２の吸気側（ＩＮ側）に配置されており、エンジンの一端側（図１中、左側）に冷却水入口３ａを備え、他端側（図１中、右側）に冷却水出口３ｂを備えている。一方、排気側ウォータジャケット４は、シリンダヘッド２の排気側（ＥＸ側）に配置されており、エンジンの一端側（図１中、左側）に冷却水出口４ｂを備え、他端側（図１中、右側）に冷却水入口４ａを備えている。このような吸気側ウォータジャケット３の冷却水出口３ｂと排気側ウォータジャケット４の冷却水入口４ａとはＵターン通路５を介して接続されている。

また、吸気側ウォータジャケット３と排気側ウォータジャケット４は、吸気側ウォータジャケット３から分岐して排気側ウォータジャケット４へ接続されるバイパス通路８によって接続されている。このバイパス通路８には吸気側ウォータジャケット３から排気側ウォータジャケット４への冷却水の流通を制御するバイパス弁９を備えている。図２は、このバイパス弁９の動作を示す説明図である。バイパス弁９は、ケース９ａ内にスプリング９ｂによって吸気側に付勢された弁体９ｃが組み込まれて構成されている。

シリンダブロック６には、シリンダの吸気側（ＩＮ側）と排気側（ＥＸ側）の周囲を循環するシリンダブロックウォータジャケット７が形成されている。このシリンダブロックウォータジャケット７は、排気側ウォータジャケット４の冷却水出口４ｂから冷却水が供給されるようになっている。

冷却装置はラジエータ１０が組み込まれている。ラジエータ１０の入口１０ａは、シリンダブロックウォータジャケット７と接続されている。また、ラジエータ１０の出口１０ｂの下流にはサーモスタット１１が装着されている。サーモスタット１１は、ラジエータ１０の出口１０ｂにつながる配管以外に、シリンダブロックウォータジャケット７と接続され、さらにウォータポンプ１へつながる配管が接続されている。

次に、以上のように構成される冷却装置における冷却水の流通の様子を説明する。

≪冷間時≫
まず、冷間時の冷却水の流通について図３を参照しつつ説明する。冷間時、サーモスタット１１は、ラジエータ１０の出口１０ｂを塞ぐような状態となっている。また、バイパス弁９は、図２（ａ）に示すような閉弁状態となっている。このような状態でエンジンが始動し、機械式のウォータポンプ１が駆動され始めると、冷却水が冷却水入口３ａから吸気側ウォータジャケット３へ供給される。エンジン始動時の低回転状態では、吸気側ウォータジャケット３内を流通す冷却水の圧力はあまり高くはない。このため、吸気側ウォータジャケット３内の冷却水の圧力によってバイパス弁９を開弁状態とすることはない。このため、吸気側ウォータジャケット３を流通する冷却水がバイパス通路８を通じて排気側ウォータジャケット４へ流入することはない。このため、吸気側ウォータジャケット３内の冷却水はＵターン通路を通じて排気側ウォータジャケット４内へ流入する。排気側ウォータジャケット４内を通過する冷却水は、シリンダヘッド２内を流通する高温の排気ガスから熱を得て温度が上昇する。このようにして温度が上昇した冷却水は冷却水出口４ｂからシリンダブロックウォータジャケット７内に流入して循環した後、サーモスタット１１を通じて再びウォータポンプ１に吸い上げられる。この際、冷却水は、シリンダブロック６に熱を与え、シリンダブロック６の暖機が促進される。
なお、ラジエータ１０の出口１０ｂの下流に位置するサーモスタット１１は、ラジエータ１０からの冷却水の流入を遮断する弁状態となっているので、ラジエータ１０内の冷却水は殆ど流れておらず、このため、シリンダブロックウォータジャケット７と接続された入口１０ａからラジエータ１０内への冷却水の流入は制限されている。

以上、説明した冷間時における冷却水の流通を整理すると、冷却水は、主としてウォータポンプ１、吸気側ウォータジャケット３、Ｕターン通路５、排気側ウォータジャケット４、シリンダブロックウォータジャケット７を循環する。冷却水はこの間にシリンダヘッド２、特に排気側から熱を受け取り、シリンダブロックウォータジャケット７を介してその熱をシリンダブロック６へ伝達し、シリンダブロック６の暖機を促進する。

≪暖機完了後≫
次に、暖機完了後の冷却水の流通について図４を参照しつつ説明する。暖機の進行に伴って冷却水の温度が上昇し、サーモスタット１１の作動温度に到達すると、サーモスタット１１は図４に示すようにシリンダブロックウォータジャケット７からの冷却水の流入を制限し、ラジエータ１０の出口１０ｂからの冷却水の流入を許容する状態となる。サーモスタット１１がこのような状態となると、冷却水はラジエータ１０内を流通するようになるのでウォータポンプ１１には温度が低下した冷却水が導入され、シリンダヘッド２、シリンダブロック６の冷却が図られる。

≪高負荷時≫
エンジンが高負荷状態となると、ウォータポンプ１の回転数が上昇し、吸気側ウォータジャケット３内の冷却水の圧力が上昇する。吸気側ウォータジャケッ３ト内の冷却水の圧力と排気側ウォータジャケット４内の冷却水の圧力との差がバイパス弁９の開弁圧に到達すると、バイパス弁９は、図２（ｂ）に示すように弁体９ｃが持ち上げられて開弁状態となる。バイパス弁９が開弁状態となることにより、吸気側ウォータジャケット３内の冷却水はバイパス通路８を通じて排気側ウォータジャケット４内に流入できるようになる。この結果、排気側ウォータジャケット４内に流入する冷却水の流量を稼ぐことができるとともに排気側ウォータジャケット４へ到達するまでの圧損を低減することができる。これにより、シリンダヘッド２における冷却性能の向上を実現できる。

次に、本発明の実施例２について図５を参照しつつ説明する。実施例２が実施例１と異なる点は、実施例２では、シリンダヘッド２の連続して設けられるエキゾーストマニホールド２０を備えており、さらに、このエキゾーストマニホールド２０の周囲に形成され、排気側ウォータジャケット４から冷却水が流入するエキゾーストマニホールドウォータジャケット２１を備えている点である。このような構成とすることにより、冷間時の冷却水はエキゾーストマニホールド２０の周囲からも熱を得ることができ、この熱をシリンダブロック６へ伝達することができるのでシリンダブロック６の暖機効率をさらに向上させることができる。一方、暖機完了後には、エキゾーストマニホールド２０の周辺から熱を奪うことになるので、エキゾーストマニホールド２０周辺の冷却効率を向上させることができる。これは、エキゾーストマニホールド２０周辺の信頼性向上、例えば高温での割れ防止、触媒の溶損防止等にもつながる。さらに、ターボエンジンの場合にはタービンの溶損の防止にもなり、排気熱がターボチャージャを伝わり、吸気温が上昇することに起因する出力低下を回避することができる。

なお、冷却水の流通は、排気側ウォータジャケット４内に流入した冷却水がエキゾーストマニホールドウォータジャケット２１内も流通する以外は、実施例１の場合と同様であるのでその詳細な説明は省略する。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、上述の実施例では、シリンダブロックウォータジャケット７への冷却水の流入は排気側ウォータジャケット４の冷却水出口４ｂを通じて行っているが、図６に示したようなヘッドガスケット２５、すなわち、排気側（ＥＸ側）に水穴２５ａ〜２５ｄを設けたヘッドガスケット２５を用いて排気側の広範囲に渡って冷却水をシリンダブロックウォータジャケット７へ供給する構成とすることもできる。各ウォータジャケットの形状等を考慮してこのような措置を採ることにより、最適な冷却水の流通を実現することができる。この際、図６に示すように水穴２５ａ〜２５ｄの大きさや位置を調整して冷却水流通の最適化を図ることができる。

実施例１のエンジンの冷却装置の概略構成を示す模式図である。バイパス弁の説明図であり、（ａ）は閉弁状態、（ｂ）は開弁状態を示す図である。冷間時の冷却装置の状態を示す模式図である。暖機完了後の冷却装置の状態を示す模式図である。実施例２のエンジンの冷却装置の概略構成を示す模式図である。ヘッドガスケットの平面図である。

符号の説明

１ウォータポンプ
２シリンダヘッド
３吸気側ウォータジャケット
３ａ冷却水入口
３ｂ冷却水出口
４排気側ウォータジャケット
４ａ冷却水入口
４ｂ冷却水出口
６シリンダブロック
７シリンダブロックウォータジャケット
８バイパス通路
９バイパス弁
１０ラジエータ
１１サーモスタット
２０エキゾーストマニホールド
２１エキゾーストマニホールドウォータジャケット
２５ヘッドガスケット

Claims

ウォータポンプと、
シリンダヘッドの吸気側に配置され、エンジンの一端側に前記ウォータポンプに接続された冷却水入口を備えると共に他端側に冷却水出口を備える吸気側ウォータジャケットと、
シリンダヘッドの排気側に配置され、エンジンの一端側にシリンダブロックウォータジャケットへ通じる冷却水出口を備えると共に他端側に冷却水入口を備える排気側ウォータジャケットと、
前記吸気側ウォータジャケットの冷却水出口と前記排気側ウォータジャケットの冷却水入口とを接続するＵターン通路と、
前記吸気側ウォータジャケットから分岐して前記排気側ウォータジャケットへ接続されるバイパス通路と、
当該バイパス通路の冷却水の流通を制御するバイパス弁と、
を備えたことを特徴とするエンジンの冷却装置。
請求項１記載のエンジンの冷却装置において、
前記シリンダヘッドに連続して設けられるエキゾーストマニホールドと、
当該エキゾーストマニホールドの周囲に形成され、前記排気側ウォータジャケットから冷却水が流入するエキゾーストマニホールドウォータジャケットと、
を備えたことを特徴とするエンジンの冷却装置。