JP6174348B2 - 車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、シリンダブロックとシリンダヘッドとの冷却を別系統にした車両用の水冷式内燃機関に関するものである。

４輪車両用内燃機関の大半は水冷（液冷）方式であり、主として、シリンダブロックとシリンダヘッドとが冷却対象になっている。一般に、冷却水はシリンダブロックのウォータジャケットからシリンダヘッドのウォータジャケットに流れるか、又は、シリンダヘッドのウォータジャケットからシリンダブロックのウォータジャケットに流れて、冷却の仕事をした冷却水はラジェータに送られて放熱されているが、冬季や寒冷地のような外気温度が低い状態での始動に際しては、暖機運転中にシリンダブロックを冷却すると、熱が奪われ過ぎて暖機時間が遅くなる問題がある。

そこで、シリンダブロックとシリンダヘッドとの冷却系統を別々に分けて、冷却水の水温がある程度に上昇するまではシリンダヘッドのみを冷却し、冷却水の水温がある程度まで上昇して暖機運転が終了したらシリンダブロックに冷却水を流すという、２系統冷却方式を採用することが行われている。

そして、冷却水はウォータポンプから圧送されるが、冷却水をシリンダヘッドのみに流してシリンダブロックには流さない状態と、冷却水をシリンダヘッドとシリンダブロックとの両方に流す状態との切り替えは温度に感応して開閉するサーモ弁で行っており、また、冷却系統は、冷却水の温度に応じてラジェータへの循環を制御するサーモ弁も備えている。

従って、２系統冷却方式は、シリンダブロックへの通水を制御するサーモ弁とラジェータへの通水を制御するサーモ弁との２つのサーモ弁を備えており、特許文献１では、２つのサーモ弁を１つのハウジングに前後に並べた状態で設けて、このハウジングをシリンダヘッドの一側面（クランク軸線方向に向いた一側面）に固定している。すなわち、特許文献１では、２つのサーモ弁は、シリンダヘッドの一側面の別々の箇所に位置するように並列姿勢で１つのハウジングにユニット化されており、ハウジングが、シリンダヘッドの一側面に固定されている。

特開２００４−２７０６５２号公報

特許文献１のように２つのサーモ弁を１つにユニット化すると、内燃機関の組み立て作業の手間を軽減できるが、特許文献１は２つのサーモ弁を前後に配置した状態のままでユニット化したに過ぎないため、占有スペースや重量は別々に配置した場合と大差はなく、このため、他の部材の配置の邪魔になりやすいのみならず、燃費やコストの面からも改善の余地があると云える。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、２つのサーモ弁を備えた２系統冷却方式の内燃機関において、サーモ弁配置部のコンパクト化・軽量化等を図ることを主たる課題とするものである。なお、本願は多くの改良された発明を含んでおり、これら改良された発明を提供することも課題たり得るものである。

本願発明は車両用内燃機関に関し、請求項１では、
シリンダブロックを冷却するために当該シリンダブロックに形成したブロックジャケットと、シリンダヘッドを冷却するために当該シリンダヘッドに形成したヘッドジャケットと、前記ブロックジャケットへの通水を制御する第１サーモ弁と、前記ブロックジャケット及びヘッドジャケットからラジェータへの通水を制御する第２サーモ弁とを備えており、
前記第１サーモ弁が閉じた状態では、冷却水は前記ブロックジャケットには流れずにヘッドジャケットに流れて、前記第１サーモ弁が開いた状態では、冷却水は前記ブロックジャケット及びヘッドジャケットに流れる構成であって、
前記第１サーモ弁と第２サーモ弁とは、前記シリンダヘッド又はブロックジャケットの一側面と直交した方向に往復動する弁体を備えており、
前記シリンダヘッド又はシリンダブロックの一側面の箇所に、前記第１サーモ弁と第２サーモ弁とが、当該両サーモ弁の弁体を直列状に並べた状態で前記シリンダヘッド又はブロックジャケットの一側面と直交した方向に並べて配置されている。

請求項２の発明は請求項１を具体化したもので、この発明では、
１つのハウジングに、前記第１サーモ弁が全体的に又は部分的に入る第１弁室と、前記第２サーモ弁が全体的に又は部分的に入る第２弁室と、前記ヘッドジャケットを経由した冷却水が入る入口通路とが形成されておリ、
前記入口通路に、冷却水をラジェータに送るラジェータ送り接続口と、冷却水をヒータに送るヒータ送り接続口と、前記第１弁室とが連通しており、前記ラジェータに送られた冷却水が前記第２サーモ弁を経由してウォータポンプに戻るようになっている。

本願発明では、２つのサーモ弁が１箇所に寄っているため、全体として占有スペースを抑制してスペースを有効利用できる。このため、他の部材との干渉の回避もしやすくなる。そして、一方のサーモ弁の弁室が他方のサーモ弁の部分で塞がれた状態になるため、一方のサーモ弁の蓋が不要になり、その結果、部材点数を減らして軽量化・コンパクト化・コストダウンに貢献できると共に、燃費の向上にも貢献できる。

請求項２の発明によると、ハウジングを主要要素として２つのサーモ弁や複数の接続口を１つにユニット化できるため、取り扱いが容易で内燃機関の組み立ての手間も抑制できる利点がある。

また、請求項２では、ハウジングが一方のサーモ弁の弁室の蓋として機能するため、軽量化・コストダウンをより一層促進できると共に、組み立て能率も向上できる。

また、本願発明では、２つのサーモ弁は、弁体を直列状に並べた状態で前記シリンダヘッド又はブロックジャケットの一側面と直交した方向に並べて配置されているため、両サーモ弁をハウジングに設けてこのハウジングをボルトでシリンダヘッドやシリンダブロックに締結するに際してサーモ弁が邪魔にならず、設計の自由性を向上できる。更に、外側に位置したサーモ弁の弁室を覆う蓋とハウジングとを一緒にシリンダヘッド等に共締めできるため、ボルトの本数を抑制して組み立て作業性もより一層向上できる。

実施形態のように、前記第１サーモ弁をシリンダヘッド又はシリンダブロックの側に配置して、その外側に第２サーモ弁を配置すると、第１サーモ弁の弁室はシリンダヘッド又はシリンダブロックの通路に接続されるため、シリンダブロックのウォータジャケットと第１サーモ弁の弁室とを接続するパイプが不要であり、シリンダヘッド又はシリンダブロックの通路に第１弁室をダイレクトに連通させることができるため、コストダウンできると共にスペースも有効利用できる。

冷却水をウォータポンプに戻す通路はシリンダヘッド及びシリンダブロックに一体化することも可能であるが、この場合は、シリンダヘッドやシリンダブロックの構造が複雑化すると共に、暖機運転中にシリンダブロックが冷却され過ぎてしまって２系統冷却にした意味が減殺するおそれがある。また、通路が複雑化すると、流れ抵抗が増大して動力のロスが発生するおそれもある。

この点、実施形態のように、冷却水を中空部材で戻す構成を採用すると、シリンダヘッド及びシリンダブロックの構造が簡単になると共に、暖機運転中にシリンダブロックが過冷却されることを防止して、２系統冷却の機能を向上できる。更に、中空部材は単純な姿勢に配置できるため、冷却水の流れ抵抗を小さくして動力損失を抑制できる利点、もある。

請求項２の発明を採用すると、各通路と各接続口とがハウジングに集約されているので、シリンダヘッド又はシリンダブロックの構造を簡単化できる。

（Ａ）は実施形態に係る内燃機関の模式的な平面図、（Ｂ）は同じく正面図、（Ｃ）は変形例の部分図である。 通水分配装置を構成するハウジングをシリンダヘッドの方向から見た斜視図である。 通水分配装置を構成するハウジングをシリンダヘッドの外側から見た斜視図である。 通水分配装置を構成するハウジングをシリンダヘッドから見た側面図である。 通水分配装置の全体とシリンダヘッド及びシリンダブロックとを表示した図２の及び図４の V-V視断面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の概要を図１に基づいて説明する。本実施形態は車両用（自動車用）の内燃機関に適用しており、内燃機関は例えば３気筒のような多気筒である。

内燃機関は、シリンダブロック１とこれにガスケットを介して重ね固定されたシリンダヘッド２とを有しており、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一側面１ａ，２ａには、動弁機構を駆動するタイミングチェーン（図示せず）を覆うチェーンケース３が固定されている。これらシリンダブロック１とシリンダヘッド２とチェーンケース３とで機関本体が構成されている。

シリンダヘッド２の一方の広幅面２ｂには吸気マニホールド（図示せず）が固定されて、シリンダヘッド２の他方の広幅面２ｃには排気マニホールド（図示せず）が固定されているが、内燃機関は、排気マニホールドが固定された他方の広幅面２ｃを進行方向前方に向けた姿勢で車両に搭載されている。従って、一方の広幅面２ｂは後面で、他方の広幅面２ｃは前面になっている。以下では方向を特定するための前後・左右の文言を使用するが、これは、車両の前進方向を前として使用している。

シリンダブロック１とシリンダヘッド２とには、それぞれ冷却水が流れるウォータジャケット４，５を形成しており、両ウォータジャケット４，５には、補機駆動ベルト６を介してクランク軸７で駆動されるウォータポンプ８により、冷却水が送水される。便宜的に、シリンダブロック１のウォータジャケット４はブロックジャケットと呼び、シリンダヘッド２のウォータジャケット５はヘッドジャケットと呼ぶことにする。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一側面２ａと他側面２ｄとは、クランク軸７と直交した方向から見て左右両側に位置しており、シリンダブロック１の他側面１ｄには、トランスミッション９を固定している。

本願発明の内燃機関は２系統方式なので、ウォータポンプ８から吐出された冷却水は、ブロックジャケット４に向かう第１送水通路１０と、ヘッドジャケット５に向かう第２送水通路１１とに分岐している。但し、図１（Ｃ）に示すように、ヘッドジャケット５から連通穴１２を介してブロックジャケット４に送水することも可能である。この場合、連通穴１２は１つのみでもよいし、多数設けてもよい。

シリンダヘッド２の他側面２ｄには、冷却水分配装置１４を設けており、この冷却水分配装置１４と車内暖房用ヒータ１５及びラジェータ１６が接続されていると共に、冷却水分配装置１４とウォータポンプ８とが中空部材の一例としてのパイプ１７で接続されている。冷却水分配装置１４とウォータポンプ８とはパイプ１７でダイレクトに接続してもよいが、実施形態では、シリンダブロック１に設けた補助通路１８を介して接続している。

つまり、ウォータポンプ８は冷却水を軸方向から吸引して外周方向に吐出する渦巻き式である一方、羽根車はクランク軸７と平行に配置されているので、シリンダブロック１に、ウォータポンプ８の羽根車に向けて軸方向に開口した補助通路１８を設けて、パイプ１７の終端は補助通路１８の入口に接続しているのである。

シリンダヘッド２の他側面２ｄには、ブロックジャケット４を流れた冷却水が排出される第１排出通路１９と、ヘッドジャケット５を流れた冷却水が排出される第２排出通路２０とが開口している。他方、冷却水分配装置１４はシリンダヘッド２の他側面２ｂに固定されたハウジング２１を有しており、このハウジング２１に、第１排出通路１９に連通する第１入口ポート２２と、第２排出通路２０に連通する第２入口ポート２３とを設けている。

第１入口ポート２２と第２入口ポート２３とはハウジング２１の内部の第１連通室２４に連通しており、第１連通室２４に、ラジェータ送りポート２５とヒータ送りポート２６とが連通している。更に、ハウジング２１は第２連通室２７を備えており、この第２連通室２７に、ラジェータ戻りポート２９とヒータ戻りポート２８とポンプ戻りポート３０とが接続されている。

敢えて述べるまでもないが、ラジェータ送りポート２５はラジェータ送り管路３２によってラジェータ１６のアッパータンク１６ａに接続されて、ラジェータ戻りポート２９はラジェータ戻り管路３１によってラジェータ１６のロアタンク１６ｂに接続されている。また、ヒータ送りポート２６はヒータ送り管路３３によってヒータ１５の入口に接続されて、ヒータ戻りポート２８はヒータ戻り管路３４によってヒータ１５の出口に接続されている。更に、ポンプ戻りポート３０に、戻り通路として既述のパイプ１７が接続されている。

パイプ１７は機関本体の後ろ側に配置されており、背面視では、始端が高くて終端が低くなった傾斜姿勢になっている（図１（Ｂ）はパイプ１７がシリンダヘッド２の上を通っているかのように見えるが、これは便宜的な表示である。）。従って、パイプ１７は概ね直線に近い傾斜姿勢で補助通路１８に向かっており、このため、冷却水を流れ抵抗無しでウォータポンプ８に戻すことができ、その結果、動力損失を減少させて燃費向上に貢献できる。

第１排出通路１９と第１入口ポート２２との箇所には第１サーモ弁３６が内蔵されており、ラジェータ戻りポート２９の箇所には第２サーモ弁３７を内蔵している。従って、第１サーモ弁３６の作動は主としてシリンダブロック１の温度に依存しており、シリンダブロック１が設定温度に達するまではブロックジャケット４には冷却水が溜まったままで循環はせず、シリンダブロック１の温度が設定値まで昇温すると、第１サーモ弁３６が開いてブロックジャケット４を冷却水が循環する。また、第１排出通路１９と第１入口ポート２２とはいずれも第１弁室を構成している。

第２サーモ弁３７の働きは従来と同様であり、冷却水の温度が設定値に昇温するまでは閉じていて冷却水はラジェータ１６には流れず、冷却水の温度が設定値を超えると第２サーモ弁３７が開いてラジェータ１６への循環が開始する。ヒータ１５には加温された冷却水が常に流れている。

(2).冷却水分配装置の具体的構成
次に、図２〜５を参照して冷却水分配装置１４の具体的な構成を説明する。ハウジング２１は冷却水分配装置１４の主要要素を構成しており、ハウジング２１には、第１入口ポート２２と第２入口ポート２３とが前後に並んだ状態で開口している（図１（Ｂ）では両ポート２２，２３を上下に表示しているが、これは作図上の便宜のためであり、実際には前後に並んでいる。）。

ハウジング２１は樹脂の成型品又は金属のダイキャスト品であり（金属の鋳造品でもよい）、第１入口ポート２２と第２入口ポート２３とが前後に並んだ状態で開口していることから、第１連通室２４を形成するため、入口ポート２２，２３と直交した姿勢の連通穴３８を開けている。云うまでもないが、連通穴３８の口部はプラグで塞がれる。第１連通室２４には、温度センサー取り付け穴３９が開口している。

図２から理解できるように、ラジェータ送りポート２５とヒータ送りポート２６とは筒状の形態を成してハウジング２１の外側に突出しており、両者は、クランク軸７の軸方向と直交した方向である正面視で略Ｖ型の姿勢になっている。このため、ホースやパイプの差し込みを支障なく行える。他方、ヒータ戻りポート２８も筒状の形態を成しており、図４から理解できるように、側面視でラジェータ送りポート２５から離れるように斜め上向きに姿勢になっている。

ラジェータ戻りポート２９は第２弁室として機能するもので、これは、第１入口ポート２２と同心の姿勢で左右方向（クランク軸７の軸線方向）の外向きに開口しており、これに継手筒４０ａを有する蓋４０が被さっている。ポンプ戻りポート３０は、ラジェータ戻りポート２９及び第１入口ポート２２と直交した姿勢でラジェータ送りポート２５と反対側に向けて開口しており、開口穴の周囲の端面には、パイプ１７の始端に設けたフランジ（図示せず）を固定するための雌ねじ穴３０ａが、軸心を挟んだ両側に２カ所設けられている。

ラジェータ戻りポート２９とヒータ戻りポート２８とポンプ戻りポート３０との軸心は概ね交叉しており、互いに連通している。従って、これらラジェータ戻りポート３１とヒータ戻りポート２８とポンプ戻りポート３０との奥部が第２連通室２７になっている。

以上の説明から理解できるように、各送りポート２５，２６及び戻りポート２８，２９はハウジング２１から互いに異なる方向に向けて開口しているため、ホース類の接続作業は支障なく行える。

また、ハウジング２１には、蓋４０と一緒にシリンダヘッド２にボルト（図示ぜす）で共締めするための第１ボルト挿通穴４１と、ハウジング２１のみをシリンダヘッド２に固定するための第２ボルト挿通穴４２とが開けられているが、図４のとおり、第１ボルト挿通穴４１は第１入口通路１９及びラジェータ戻り通路２７を挟んでおおむね上下両側の２カ所に設けて、第２ボルト挿通穴４２は第２入口通路２０を挟んだ前後両側に設けており、冷却水分配装置１４は４本のボルトのみで安定よく締結されている。

図５に示すように、第１サーモ弁３６と第２サーモ弁３７とは同心状に配置されている。両サーモ弁３６，３７は、中央部に通水穴（通路）４３を設けた弁座４４と、通水穴４３を開閉する弁体４５と、水温に応じて弁体４５を駆動する駆動部４６とを備えている。駆動部４６は水温によって軸方向に往復動するロッド４７を有しており、ロッド４７の先端に弁体４５を固定している。ロッド４７は、シリンダヘッド２の他側面２ｄと直交した方向（すなわちクランク軸７の軸線方向）に往復動する。

また、サーモ弁３６，３７は籠状のケース４８を備えており、ケース４８に内蔵したばね４９で弁体４５を閉じ方向に付勢していると共に、ケース４８の後端に駆動部４６を固定している。従って、温度が設定値に上昇するまでは、弁体４５はばね４９で付勢されて閉じ状態に保持され、水温が設定値を超えると、駆動部４６に内蔵した感温材の膨張によってロッド４７が後退し、弁体４５が閉開き作動する。温度が設定値に至ってから弁体が開き切るまでは通水量が水温に比例して変化するが、弁体４５が開き切ると、冷却水の全量が通水穴４３を通過する。

サーモ弁３６，３７はフランジ５０を有しており、第１サーモ弁３６のフランジ５０は、シリンダヘッド２とハウジング２１との間に挟み固定されている。正確には、ハウジング２１における第１入口ポート２２の開口部に、フランジ５０が嵌まる環状段部５１を形成して、環状段部５１で位置決めしている。同様に、第２サーモ弁３７のフランジ５０は蓋４０に形成した環状段部５１に嵌まっている。従って、蓋４０も第２弁室の一部を構成している。

また、第１サーモ弁３６の大部分はシリンダヘッド２に設けた第１排出通路１９を構成する弁室に入り込んでおり、第２サーモ弁３７の大部分はハウジング２１の内部に入り込んでいる。そして、第１サーモ弁３６の大部分はシリンダヘッド２に入り込んでいるため、ハウジング２１は必要最小限度の左右厚さで足りる。従って、冷却水分配装置１４をコンパクト化・軽量化できる。

本実施形態では、ハウジング２１が第１サーモ弁３６を覆う蓋として機能しているため、それだけ部材点数を抑制してコンパクト化・軽量化に貢献できる。また、第１排出通路１９の軸心を挟んだ反対位置に第１ボルト挿通穴４１が配置されていることにより、ハウジング２１を２本だけのボルトでシリンダヘッド２に均等な面圧で押え保持できるため、２本のボルトで締結したに過ぎない構成ながら、ハウジング２１とシリンダヘッド２との間での高いシール性を確保できる。

同様に、蓋４０も２本のボルトでハウジング２１に締結したものでありながら、両者は均等な面圧で締結されるため、蓋４０とハウジング２１との間の間での高いシール性も確保できる。更に、蓋４０とハウジング２１とが共締めされているため、それだけボルトの本数を少なくして締結作業の能率をアップできるのみならず、第２ボルト穴４２を設定するに当たって両サーモ弁３６，３７が邪魔にならないため、設計の自由性も向上できるのである。

実施形態では、２つの第１ボルト挿通穴４１はおおよそ上下方向に並んで、２つの第２ボルト挿通穴４２は前後方向に並んでいるが、このようにボルト挿通穴４１，４２の並び方向を縦横に交叉させると、ハウジング２１の安定性（締結強度）をより一層向上できる利点がある。

実施形態のように、ラジェータ戻りポート３１とヒータ戻りポート２９とポンプ戻りポート３０との三者を、その姿勢を互いに異ならせつつ奥部が互いに連通した構成にすると、プラグで塞ぐ連通用穴は不要になるため、それだけ構造を簡素化できる利点がある（配管作業も簡単である。）。

図５に示すように、本実施形態では、シリンダヘッド２の他側面２ｄに外向き突出部５２を設けて、この外向き突出部５２に排出通路１９，２０を設けると共に、その外面にハウジング２１を固定している。従って、シリンダヘッド２をできるだけコンパクト化できる。また、外向き突出部５２の下部にはＥＧＲ通路５３を設けており、このため、ＥＧＲガスの冷却性にも優れている。

上記の実施形態では第１サーモ弁３６と第２サーモ弁３７とを同心に配置しているが、例えば、第２サーモ弁３７を第１サーモ弁３６の外側に配置しつつ、前後方向や上下方向にずらすことも可能である。また、サーモ弁は図示の構造に限定されず、様々なタイプのものを使用できる。接続口は外向きに突出した筒状である必然性はなく、継手がねじ込まれる雌ねじ穴であってもよい。

内燃機関の冷却水はシリンダブロック及びシリンダヘッドはインタークーラーＥＧＲクーラ等に利用されることもあるが、これらの補助冷却のための配管は、例えばヒータ送り管路等から分岐させるなどしたらよい。

本願発明は実際に内燃機関に具体できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
４ ブロックジャケット
５ ヘッドジャケット
７ クランク軸
８ ウォータポンプ
１０ 第１送水通路
１１ 第２送水通路
１４ 冷却水分配装置
１５ ヒータ
１６ ラジェータ
１７ 戻り通路としてのパイプ（中空部材）
１９ 第１排出通路（第１弁室）
２０ 第２排出通路
２１ ハウジング
２２ 第１入口ポート（第１弁室）
２３ 第２入口ポート
２５ ラジェータ送りポート
２６ ヒータ送りポート
２８ ラジェータ戻りポート
２９ ラジェータ戻りポート（第２弁室）
３０ ポンプ戻りポート
３６ 第１サーモ弁
３７ 第２サーモ弁
４０ 蓋（第２弁室）
４５ 弁体

Claims (2)

1. シリンダブロックを冷却するために当該シリンダブロックに形成したブロックジャケットと、シリンダヘッドを冷却するために当該シリンダヘッドに形成したヘッドジャケットと、前記ブロックジャケットへの通水を制御する第１サーモ弁と、前記ブロックジャケット及びヘッドジャケットからラジェータへの通水を制御する第２サーモ弁とを備えており、
   前記第１サーモ弁が閉じた状態では、冷却水は前記ブロックジャケットには流れずにヘッドジャケットに流れて、前記第１サーモ弁が開いた状態では、冷却水は前記ブロックジャケット及びヘッドジャケットに流れる構成であって、
   前記第１サーモ弁と第２サーモ弁とは、前記シリンダヘッド又はブロックジャケットの一側面と直交した方向に往復動する弁体を備えておリ、
   前記シリンダヘッド又はシリンダブロックの一側面の箇所に、前記第１サーモ弁と第２サーモ弁とが、当該両サーモ弁の弁体を直列状に並べた状態で前記シリンダヘッド又はブロックジャケットの一側面と直交した方向に並べて配置されている、
   車両用内燃機関。
2. １つのハウジングに、前記第１サーモ弁が全体的に又は部分的に入る第１弁室と、前記第２サーモ弁が全体的に又は部分的に入る第２弁室と、前記ヘッドジャケットを経由した冷却水が入る入口通路とが形成されておリ、
   前記入口通路に、冷却水をラジェータに送るラジェータ送り接続口と、冷却水をヒータに送るヒータ送り接続口と、前記第１弁室とが連通しており、前記ラジェータに送られた冷却水が前記第２サーモ弁を経由してウォータポンプに戻るようになっている、
   請求項１に記載した車両用内燃機関。

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