JP6712947B2 - 水冷エンジンの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ディーゼルエンジンなどに適用される冷却構造に係り、詳しくは、シリンダブロックに配列された複数のシリンダと、複数のシリンダの周囲に形成されたウォータジャケットとを備える水冷エンジンの冷却構造に関するものである。

水冷エンジンにおける冷却構造としては、発熱箇所であるシリンダやシリンダヘッドの周りにウォータジャケットを設け、冷却水を循環させる構成が一般的である。直列４気筒エンジンなどの２気筒以上の多気筒エンジンの場合、隣り合うシリンダ間の冷却、即ちボア間冷却も必要になることが多い。

シリンダが２つ以上ある場合、エンジン長をコンパクトにするには、隣り合うシリンダどうしをなるべく近付けて配置するのが好ましい。しかしながら、熱の発生源でもあるシリンダどうしの間、即ちボア間部分は、最も熱的負荷が厳しい。そこで、従来では、特許文献１において開示されるように、後加工によりシリンダのボア間部分にキリ穴をあけて水路とする手段が採られていた。

キリ穴の付設により、冷却水がボア間に通されて冷却性能は向上したが、高圧縮エンジンや大排気量エンジンなど、より熱的負荷の大きい場合には、ボア間冷却の強化が望まれる。そこで従来では、中子ケレンを用いるなどして、隣り合うシリンダを明確に分離させてボア間にも明確なウォータジャケットを設け、冷却性をさらに向上させる手段も採られている。

後者の従来技術では冷却性能は高められるが、その分ボア間距離が必要になり、結果的にエンジン長が大型化し易い問題がある。前者の従来技術では、エンジン長の点では好都合であるが、冷却性の点では後者の従来技術に劣る。このように、従来の水冷エンジンの冷却構造では、エンジン長の大型化の抑制の点と冷却性能向上の点とにおいて一長一短を有するものであった。

特開２００７−０２３８２４号公報 特開２００３−１９３８３６号公報

本発明の目的は、更なる構造工夫により、エンジン長の大型化を招くことなく十分なボア間冷却が行えるようにして、エンジン長の小型化と冷却性能との両立が図れる水冷エンジンの冷却構造を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、水冷エンジンの冷却構造において、
シリンダブロック１に配列された複数のシリンダ２と、
前記複数のシリンダ２の周囲に形成されたウォータジャケットＷとを備え、
前記ウォータジャケットＷは、前記シリンダブロック１における前記シリンダ２を形成するバレル部４の隣合うものどうしの間に形成されているボア間流路９，１０を有し、
前記ボア間流路９，１０において前記シリンダ２の軸心方向に延びるリブ壁２１が、前記バレル部４の外周壁４Ａから張出すように***形成され、
前記リブ壁２１は、そのシリンダ２の周方向に沿う幅がシリンダヘッドに近付くに連れて狭くなる先窄まり形状に構成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の水冷エンジンの冷却構造において、
前記リブ壁２１は、前記ボア間流路９，１０におけるシリンダヘッド側の反対側となる反シリンダヘッド側部位に設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の水冷エンジンの冷却構造において、
前記リブ壁２１の先窄まり角度θが２０±５度に設定されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の水冷エンジンの冷却構造において、
前記バレル部４の隣合うものどうしのシリンダヘッド側の反対側となる反シリンダヘッド側部位を繋ぐ堰き止め壁１６が形成され、前記堰き止め壁１６のシリンダヘッド側に前記ボア間流路９，１０が形成されるとともに、
前記堰き止め壁１６のシリンダ２の周方向に沿う幅がシリンダヘッド側に行くほど狭くなる先細り形状に形成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の水冷エンジンの冷却構造において、
前記堰き止め壁１６の先細り角度γが２０±５度に設定されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の水冷エンジンの冷却構造において、前記リブ壁２１は、前記堰き止め壁１６からも***形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ボア間流路を形成するバレル部の外周壁に、シリンダヘッド側に行くに従って幅が狭くなる先窄まり形状のリブ壁が***形成されているので、ボア間流路を流れる冷却水がリブ壁の左右側面によってシリンダヘッド側へ導き案内されるガイド作用が生じる。故に、ボア間流路においては、熱的条件の厳しいシリンダヘッド側の流れが促進されるようになり、従来の冷却構造よりも効率良く冷却させることが可能になる。
その結果、更なる構造工夫により、エンジン長の大型化を招くことなく十分なボア間冷却が行えるようにして、エンジン長の小型化と冷却性能との両立が図れる水冷エンジンの冷却構造を提供することができる。

なお、リブ壁に代えて、隣合うバレル部の下部どうし繋ぐ堰き止め壁の上側にボア間流路が形成され、かつ、堰き止め壁が、シリンダヘッド側ほど幅が狭くなる先細り形状とされる構成を採る場合でも、上述の効果は同様に得られる。

シリンダブロックを示すシリンダ部の平面図 図１に示すシリンダブロックのａ−ａ線断面図 図１に示すシリンダブロックのｂ−ｂ線断面図 図２に示すシリンダブロックのｃ−ｃ線断面図 ウォータジャケットでの冷却水の流れを示し、（ａ）は互に逆方向のガイド壁による場合、（ｂ）は互に同方向のガイド壁による場合

以下に、本発明による水冷エンジンの冷却構造の実施の形態を、立形の直列３気筒水冷ディーゼルエンジンに適用されたものとして、図面を参照しながら説明する。

図１及び図４に示すように、このエンジンは、シリンダブロック１に複数（３個）のシリンダ２が直列に配列され、複数のシリンダ２の周囲に形成されたウォータジャケット（シリンダジャケット）Ｗを備えた水冷エンジンに構成されている。ウォータジャケットＷは、シリンダブロック１における各シリンダ２を形成する略筒状に起立形成されているバレル部（シリンダ壁）４，４，４と、シリンダブロック１におけるシリンダ外枠部５と、シリンダ天井壁３との間に形成されている冷却水循環用の内部空間である。なお、シリンダブロック１の前側で左側に張出した部分は燃料噴射ケース部２６である。

図１、図４において、シリンダブロック１の吸気側を左、排気側を右、ウォータジャケットＷへの冷却水入口６のある側を前、その反対側を後とする。
ウォータジャケットＷは、シリンダ２（バレル部４）の外側でシリンダ配列方向に延びる状態で形成されている一対の主流路である吸気側主流路７及び排気側主流路８と、一対の主流路７，８どうしを繋ぐ状態で隣り合うシリンダ２（バレル部４）どうしの間に形成されている第１及び第２ボア間流路９，１０、と主流路７，８の始端及び終端どうしを繋ぐ前及び後の端流路ｗｆ，ｗｒを有して構成されている。

図１、図４に示されるように、ガスケット（図外）を介してシリンダヘッド（図外）がその上面３Ａに連結されるシリンダ天井壁３には、ボルト挿通孔３ａ、連通孔３ｂ、キリ孔３ｃが形成されている。ボルト挿通孔３ａは、シリンダブロック１とシリンダヘッド（図外）などを連結するためのボルトを通す孔であり、各シリンダ２の周囲に複数個所（１４箇所）に開けられている。連通孔３ｂは、冷却水をウォータジャケットＷからシリンダヘッドのウォータジャケット（シリンダヘッドジャケット：図外）へ流すための比較的大き目の通路であり、何れかの主流路７，８に連通する状態で複数（１２箇所）に形成されている。

キリ孔３ｃは、シリンダ天井壁３の前後端において、ウォータジャケットＷの前端流路ｗｆ、後端流路ｗｒそれぞれの前後に連通する状態で計４箇所に形成されている。また、シリンダ天井壁３の隣り合うシリンダ２，２間には、第１ボア間流路９及び第２ボア間流路１０それぞれに連通する状態で、左上から右下に架けての斜め孔として、各１箇所ずつに形成されている。

なお、図３，４において、前端流路ｗｆに臨むようにシリンダブロック１の前端に設けられた孔は、サーモスタット（図外）や冷却水温度を測定するセンサ（図外）などの補機を装備するための装着孔２５であっても良い。

さて、ウォータポンプ（図外）により冷却水入口６からウォータジャケットＷに送られてきた冷却水は、まず前端流路ｗｆから左右に分離されて吸気側主流路７及び排気側主流路８を後方に向けて流れ、途中で第１及び第２ボア間流路９，１０にも流れる。そして、冷却水はウォータジャケットＷを後方に流れながらも上方にも流れ、複数個所の連通孔３ｂ及び複数個所のキリ孔３ｃを通って、シリンダヘッドジャケット（図外）に流入され、シリンダヘッドの冷却水出口（図外）に向かって流れていく。

図４、図５（ａ）に示されるように、シリンダブロック１に、主流路７，８を流れる冷却水をボア間流路９，１０に導くことが可能なガイド壁ｈ（１１〜１４）が４箇所に形成されている。詳しくは、前後中間の第２バレル部４の前側部分から吸気側主流路７に突き出た第１ガイド壁１１、前側の第１バレル部４の後側部分から排気側主流路８に突き出た第２ガイド壁１２、前後中間の第２バレル部４の後側部分から吸気側主流路７に突き出た第３ガイド壁１３、後側の第３バレル部４の前側部分から排気側主流路８に突き出た第４ガイド壁１４により、それぞれガイド壁ｈが構成されている。

上下方向視で前側の第１シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈する第１ガイド壁１１により、第１シリンダ２の傍の吸気側主流路７にて前から後に向けて流れる冷却水を、右に向けて第１ボア間流路９に導くガイド作用が発揮される。上下方向視で前後中間の第２シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈する第２ガイド壁１２により、第１ボア間流路９にて左から右に（吸気側から排気側に）流れる冷却水を、右斜め後方に導きながら排気側主流路８に合流させるガイド作用が発揮される。

上下方向視で第２シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈する第４ガイド壁１４により、第２シリンダ２の傍の排気側主流路８にて前から後に向けて流れる冷却水を、左に向けて第２ボア間流路１０に導くガイド作用が発揮される。上下方向視で後側の第３シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈する第３ガイド壁１３により、第２ボア間流路１０にて右から左に（排気側から吸気側に）流れる冷却水を、左斜め後方に導きながら吸気側主流路７に合流させるガイド作用が発揮される。

このように、シリンダ配列方向で隣り合うボア間流路９，１０に対応した第１ガイド壁１１と第３ガイド壁１３どうしは、冷却水をボア間流路９，１０に導く向きが互いに逆方向となる状態に形成されている。そして、排気側主流路８を流れる冷却水の第１ボア間流路９への入り込みを規制する第２ガイド壁１２と、排気側主流路８を流れる冷却水の第２ボア間流路１０への入り込みを促進させる第４ガイド壁１４とも、互に逆方向にガイド作用する状態に形成されている。

その結果、ウォータジャケットＷでは冷却水は、図５（ａ）に示されるように、第１〜第４ガイド壁１１〜１４のガイド作用により、一対の主流路７，８を前から後に流れる流れと、第１ボア間流路９を左から右に流れる流れと、第２ボア間流路１０を右から左に流れる流れとが生じるように案内される。この円滑な冷却水の流れにより、第１及び第２ボア間流路９，１０には十分な流量（冷却水の単位時間当たりの流量も）が確保され、冷やし難い箇所であるボア間を、シリンダ２，２の配列間隔を広げなくても効率よく冷却できる構成が実現できている。

つまり、第１ボア間流路９には、第１ガイド壁１１による冷却水の取り込み（取水）促進作用と、第２ガイド壁１２による排水促進作用とが発揮されるので、ボア間幅を広めることなく十分な流量を通して効率の良い水冷効果を得ることが可能である。同様に、第２ボア間流路１０には、第３ガイド壁１３による冷却水の取り込み（取水）促進作用と、第４ガイド壁１４による排水促進作用とが発揮されるので、ボア間幅を広めることなく十分な流量を通して効率の良い水冷効果を得ることが可能である。

図５（ａ）に示される構成のガイド壁ｈを備える冷却構造においては、シリンダ配列方向で隣り合うボア間流路９，１０に対応したガイド壁１１（ｈ），１３（ｈ）どうしは、冷却水をボア間流路９，１０に導く向きが互いに逆方向となる状態に形成されている。従って、２箇所のボア間流路９，１０を流れる冷却水の移動経路を長くすることができ、冷却水による吸熱作用を効率良く発揮させることが可能になる。
また、ガイド壁ｈを、冷却水を送る対象であるボア間流路９，１０のシリンダボアと同心又は略同心の円弧状のものとしてあるので、より円滑に冷却水をボア間流路９，１０に送り込むことができるようになる。

ウォータジャケットＷは、図２や図３に示されるように、ジャケット底１５を備えてバレル部４のほぼ上下長さに匹敵する深さ（上下幅）を有している。
図２に示されるように、ボア間においては、隣り合うバレル部４，４どうしの下半部を一体化する堰き止め壁１６がジャケット底１５から競り上がるように形成されており、かつ、隣り合うバレル部４，４どうしの上部を小断面積で一体化する点連結壁１７が形成されている。

左右に長く前後に短い形状の堰き止め壁１６は、図２に示されるように、左右の傾斜側面１８，１９を備えて上窄まり形状の台形とされ、ほぼボア間流路９，１０の左右長さに匹敵する左右長さを有している。なお、傾斜側面１８，１９が垂直な側面に形成されて前後方向視で矩形の堰き止め壁１６でも良い。ボア間流路９，１０に流れ込もうとする冷却水は、傾斜側面１８，１９によりガイドされ、ボア間流路９，１０においては、横斜め上方に向かう流れの成分が促進されるようになる。そして、ボア間流路９，１０の上面が鉢伏せ状の湾曲天井面２０に形成されていることもあり、ボア間流路９，１０においては、比較的上部における流れが促進されるように構成されている。

図２、図４に示されるように、堰き止め壁１６は、シリンダ２を形成するバレル部４の隣合うものどうしの反シリンダヘッド側部位を繋いで一体化する状態に形成されており、堰き止め壁１６のシリンダヘッド側にボア間流路９，１０が形成されていることになる。堰き止め壁１６のシリンダ２の周方向に沿う幅がシリンダヘッド側に行くほど狭くなる先細り形状に形成され、先細り角度γが２０±５度（１５度≦γ≦２５度）に設定されている。

反シリンダヘッド側にてバレル部４，４どうしを繋ぐ堰き止め壁１６の存在により、ボア間流路の高さ（深さ）を主流路７，８より狭めてボア間流路９，１０での流速アップによる冷却効率の向上が図れる。そして、堰き止め壁１６の先細り角度γが２０±５度に設定されているので、左右側壁１８，１９が流れの妨げになることなく、主流路７，８からボア間流路９，１０へ冷却水を円滑に流すことができる。

堰き止め壁１６と点連結壁１７との上下間においては、バレル部４の外周壁４Ａから前後に張出すように***形成された上窄まり台形状の下リブ壁（リブ壁の一例）２１が設けられている。点連結壁１７の上側には、バレル部４から前後に張出し形成された上リブ壁２２が設けられている。これら下リブ壁２１及び上リブ壁２２により、ボア間流路９，１０の経路幅（前後幅）が規制され、冷却水の流速を早める効果や上方に導く効果を奏することが可能である。

図２、図４に示されるように、下リブ壁２１は、バレル部４の外周壁４Ａに、堰き止め壁１６からシリンダ２の軸心方向（上下方向）に延びる状態に***形成されるとともに、シリンダ２の周方向に沿う幅がシリンダヘッドに近付くに連れて狭くなる先窄まり形状に構成されている。つまり、下リブ壁２１は、ボア間流路９，１０における反シリンダヘッド側部位に設けられている。下リブ壁２１の幅の狭い左右側面２１ａ，２１ａが為す挟み角である先窄まり角度θが２０±５度（１５度≦θ≦２５度）に設定されている。下リブ壁２１の外周壁４Ａからの***量は０．５〜２ｍｍであり、好ましくは０．５〜１ｍｍに設定される。

下リブ壁２１が、ボア間流路９，１０における反シリンダヘッド側（下側）部位に設けられているので、ボア間流路９，１０における下部を流れる冷却水をシリンダヘッド側に導き案内することができ、無理なく円滑に熱的条件の厳しいシリンダヘッド側に冷却水を優先的に流すことができる。下リブ壁２１の***量は１ｍｍ前後と薄いので、ボア間流路９，１０を狭めて流れの妨げとなることも殆どない。

下リブ壁２１の先窄まり角度θが２０度±５度に設定されているので、左右側壁２１ａが流れの妨げになることなく、ボア間流路９，１０を横切る流れとシリンダヘッドへ導く流れとが円滑に行われて、ボア間流路９，１０での高効率な冷却効果を得ている。また、堰き止め壁１６と下リブ壁２１とがシリンダ軸心方向（上下方向）に連続しているので、これら両者１６，２１によってボア間流路９，１０におけるシリンダヘッド側の重点冷却及び効率の良い冷却との双方が円滑に行われる利点がある。

また、ボア間流路９，１０の上部左右中間においてシリンダ天井壁３を上下に貫通するキリ孔３ｃが、下から左斜め上方に向かう傾斜孔として形成されている。このキリ孔３ｃにより、ボア間流路９，１０の頂部からシリンダヘッドジャケット（図外）へも流れることができ、ボア間流路９，１０での流速アップや冷却面積の増大を行い、より冷却効率が高められるように構成されている。

このように、ウォータジャケットＷにおける隣り合うバレル部４，４どうしの間は、下半分に堰き止め壁１６があり、主流路７，８の深さの約半分となる断面積でシリンダ２の上部に位置する状態のボア間流路９，１０に形成されている。堰き止め壁１６と点連結壁１７とでバレル部４，４どうしが一体化されており、シリンダブロック１としての強度・剛性の向上に寄与できる構成とされている。

図２、図３に示されるように、各ガイド壁１１〜１４の下端はジャケット底１５から起立する状態に一体形成されている。第１及び第３ガイド壁１１，１３は、それらの上端がボア間流路９，１０の上下中間に位置して、ウォータジャケットＷの上下幅（深さ）の２／３〜３／４の高さとなるように高さ設定されている。第２及び第４ガイド壁１２，１４は、それらの上端がボア間流路９，１０の上下中間で第１，３ガイド壁１１，１３よりも少し低くて、ウォータジャケットＷの上下幅（深さ）の１／２〜２／３の高さとなるように高さ設定されている。

なお、ガイド壁ｈに関しては、図５（ｂ）に示される構成でも良い。即ち、第３ガイド壁１３は、上下方向視で前後中間の第２シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈して、第３バレル部４から吸気側主流路７に突出するように形成されている。また、第４ガイド壁１４は、上下方向視で後側の第３シリンダ２の周方向に沿った円弧状を呈して、第２バレル部４から排気側主流路８に突出するように形成されている。第１，２ガイド壁１１，１２は実施形態１のものと基本的には同じである。

この構成によるガイド壁１１〜１４によれば、第３ガイド壁１３により、吸気側主流路７を流れる冷却水を第２ボア間流路１０に導く流れを促進するようにガイド作用が発揮される。そして、第４ガイド壁１４により、第２ボア間流路１０を吸気側から排気側に（左から右に）流れる冷却水を、右斜め後方に導きながら排気側主流路８に円滑に合流させるガイド作用が発揮される。

つまり、図５（ｂ）に示されるように、ガイド壁ｈ（１１〜１４）により、いずれのボア間流路９，１０においても、冷却水は左から右へ（吸気側から排気側へ）流れるようにガイドされる。第２ボア間流路１０での流れ方向が異なる以外は、図５（ａ）に示される場合と同じである。図５（ａ）に示される場合とは流れの方向が異なるものの、ボア間流路９，１０の水冷効果に関しては同様の効果を奏することが可能である。

この場合、図５（ｂ）に示されるように、第３ガイド壁１３よりも冷却水入口６に近い第１ガイド壁１１の吸気側主流路７への突出量を第３ガイド壁１３のものよりも小さくして、第１及び第２ボア間流路９，１０への冷却水の流入量が互に等しくなるようにバランスさせるようにすれば好都合である。また、第３ガイド壁１３のジャケット底１５（図２参照）からの高さを、第１ガイド壁１１のものより高くする手段も有効である。

図５（ｂ）に示される冷却構造においては、シリンダ配列方向で隣り合うボア間流路９，１０に対応したガイド壁１１（ｈ），１３（ｈ）どうしは、冷却水をボア間流路９，１０導く向きが互いに同方向となる状態に形成されている。従って、２箇所のボア間流路９，１０へ冷却水の流れは、双方共に吸気側主流路７から排気側主流路８に向かう流れとなり、ウォータジャケットＷでの円滑な流れによって一層効率の良い冷却効果が得られるようになる。

〔別実施例〕
下リブ壁２１の幅（シリンダ周方向幅）や外周壁４Ａからの***量、或いは先窄まり角度θは、適宜に変更設定が可能である。同様に、堰き止め壁１６の左右幅の長さ、高さ、先細り角度γも適宜に変更設定が可能である。

１ シリンダブロック
２ シリンダ
４ バレル部
４Ａ 外周壁
９，１０ ボア間流路
１６ 堰き止め壁
２１ リブ壁
Ｗ ウォータジャケット
θ 先窄まり角度
γ 先細り角度

Claims (6)

1. シリンダブロックに配列された複数のシリンダと、前記複数のシリンダの周囲に形成されたウォータジャケットとを備え、
   前記ウォータジャケットは、前記シリンダブロックにおける前記シリンダを形成するバレル部の隣合うものどうしの間に形成されているボア間流路を有し、
   前記ボア間流路において前記シリンダの軸心方向に延びるリブ壁が、前記バレル部の外周壁から張出すように***形成され、
   前記リブ壁は、そのシリンダの周方向に沿う幅がシリンダヘッドに近付くに連れて狭くなる先窄まり形状に構成されている水冷エンジンの冷却構造。
2. 前記リブ壁は、前記ボア間流路におけるシリンダヘッド側の反対側となる反シリンダヘッド側部位に設けられている請求項１に記載の水冷エンジンの冷却構造。
3. 前記リブ壁の先窄まり角度が２０±５度に設定されている請求項１又は２に記載の水冷エンジンの冷却構造。
4. 前記バレル部の隣合うものどうしのシリンダヘッド側の反対側となる反シリンダヘッド側部位を繋ぐ堰き止め壁が形成され、前記堰き止め壁のシリンダヘッド側に前記ボア間流路が形成されるとともに、
   前記堰き止め壁のシリンダの周方向に沿う幅がシリンダヘッド側に行くほど狭くなる先細り形状に形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の水冷エンジンの冷却構造。
5. 前記堰き止め壁の先細り角度が２０±５度に設定されている請求項４に記載の水冷エンジンの冷却構造。
6. 前記リブ壁は、前記堰き止め壁からも***形成されている請求項４又は５に記載の水冷エンジンの冷却構造。

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