JP7219132B2 - 内燃機関の冷却水通路 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関の冷却水通路に関するものである。

自動車用等の内燃機関において、シリンダブロックとシリンダヘッドは冷却水で冷却されている。すなわち、シリンダブロックにはシリンダボアの群を囲う冷却水通路（ブロックジャケット）が形成されている一方、シリンダヘッドには面的な広がりを持つ冷却水通路（ヘッドジャケット）が形成されており、ウォータポンプによって圧送された冷却水が、ブロックジャケットやヘッドジャケットに送られている。

ウォータポンプは、一般に、補機駆動ベルトを介してクランクプーリによって駆動されている。そこで、ウォータポンプは、シリンダブロックのうちタイミングチェーンに近い前部に配置したり、タイミングチェーンを覆うフロントカバーに配置したりしている。

そして、シリンダブロックの前部にウォータポンプを配置した例が特許文献１に開示されている。この特許文献１では、ウォータポンプのハウジングに平面視Ｌ片の吐出通路が形成されて、シリンダブロックには、吐出通路と連通する流入口が形成されている。従って、ウォータポンプの下流側に位置した通路が、互いに直交した２つの通路で構成されている。

特開２０１５－１４５６３１号公報

特許文献１のように、ウォータポンプの下流側の冷却水通路をＬ型に形成すると、シリンダブロックに形成した通路は、シリンダブロックの側面と直交した方向に開口するため、鋳造で形成するにしてもドリル加工で形成するにしても、加工が容易である（特に、ドリル加工で形成する場合は、ドリルの滑りがないため好適である。）。

しかし、冷却水通路が単に直交しているに過ぎない構成では、交差部において冷却水の流れ方向が急激に変化するため、大きな流れ抵抗が発生して圧損が大きいという問題があった。

この点については、交差部の外角部に丸みを付けて冷却水をシリンダブロックの方にガイドすることが考えられるが、丸みを付けるとしても大きさに限度があるため、圧損を大幅に低減できるに至るか否か疑問である。また、丸みを付けることによって流路の面積が小さくなると、冷却水の流速が速くなって、コーナー部に激しく衝突する現象が発生するおそれもあり、すると、丸みによるガイド機能が大きく減殺されてしまいかねない。

本願発明はこのような現状を契機に成されたものであり、簡単な構造で圧損を大幅に低減しようとするものである。

本願発明は、
「ウォータポンプから吐出された冷却水が流れる通路の一部を、上流側に位置した第１通路と、前記第１通路と直交した姿勢で下流側に位置した第２通路とが連通した状態に形成している」
という構成において、
「前記第１通路と第２通路とは、前記第１通路から第２通路に流入した冷却水が第２通路の内部で旋回流となるように、それら両通路の軸心と直交した方向にオフセットされていて、
前記第２通路に、感温部の膨張収縮によって可動弁板が中心軸の軸心方向に移動するサーモバルブが、前記中心軸を前記第２通路と平行にした姿勢で配置されており、冷却水が前記サーモバルブの中心軸の軸心回りに旋回するようになっている」
という特徴を有している。

第１通路と第２通路とのオフセット態様に限定はないが、特許文献１と同様に第１通路及び第２通路が水平状の姿勢である場合は、第２通路を第１通路よりも下にオフセットさせる態様と、第２通路を第１通路よりも上にオフセットさせる態様とがある。そして、第２通路を第１通路よりも下にオフセットさせると、重力によって冷却水の旋回流化が助長されるため、効率的である。

本願発明では、第１通路から排出された冷却水は、第２通路の内部において旋回流となって奥にスムースに移動する。この場合、第１通路と第２通路とをオフセットさせるだけの簡単な構造であるため、コストが嵩むことはない。また、流路面積の低下はないため、流速が増大して旋回流の効果が減殺されるといった問題もない。

従って、本願発明では、第１通路と第２通路とを略直交した姿勢に保持しつつ、圧損を著しく低減した状態で冷却水をスムースに送ることを、低コストで実現できると共に、燃費の向上にも貢献できる。

そして，本願発明では、第２通路に配置されているサーモバルブの感温部に冷却水を満遍なく当てることができるため、サーモバルブの応答性を格段に向上できる利点がある。また、冷却水が旋回流になって第２通路で均等に混ざり合うことにより、サーモバルブの感温部には、均等に混ざり合って温度が均一化された冷却水を接触させることができるため、サーモバルブの応答性を更に向上できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は冷却系統を示す模式図、（Ｂ）は図２のIB-IB 視断面図である。 平面図である。 ウォータポンプを分離した平面図である。 クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た側面図である。 ウォータポンプを分離した側面図である。 図４のVI-VI 視断面図である（ウォータポンプの断面は表示していない。）。 ウォータポンプの断面を表示した平断面図である。 図４の VIII-VIII視断面図である。 図８のIX-IX 視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向（シリンダブロックの長手方向）、左右方向は、クランク軸線及び気筒軸線と直交した方向（シリンダヘッドの短手方向）である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置される側を前、ミッションが配置される側を後ろとしている。念のため、図２等に方向を明示している。

上下方向は、シリンダボア軸線としている。従って、平面視はシリンダボア軸線方向から見た方向であり、側面視は、クランク軸線方向及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た方向である。

(1).内燃機関の概要
本実施形態は、車両用内燃機関に適用している。まず、内燃機関の概要を図１（Ａ）の模式図に基づいて説明する。

内燃機関は、機関本体の中核としてシリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、シリンダヘッド２の上面にはシリンダヘッドカバー３が固定されて、シリンダブロック１の下面にはオイルパン４が固定されている。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の前面（一端面）には、タイミングチェーン（図示せず）を覆うフロントカバー（チェーンカバー、チェーンケース）５がボルトで固定されている。

シリンダブロック１には、シリンダヘッド２に向けて上向き開口したとブロックジャケット６が形成されており、シリンダヘッド２の内部にもヘッドジャケット７が形成されている。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２は、それぞれアルミの鋳造品である。

シリンダブロック１のうち前端寄り部位には、ウォータポンプ８が配置されており、冷却水はウォータポンプ８からブロックジャケット６及びヘッドジャケット７に送水されるが、本実施形態では、冷却水が設定温度よりも低い状態では主としてヘッドジャケット７に流れて、冷却水が設定温度に至るとヘッドジャケット７とブロックジャケット６との両方に流れる２系統冷却システムを採用している。

そこで、ウォータポンプ８の吐出通路９から、ヘッド行き送水通路１０とブロック行き送水通路１１とを分岐させて、ブロック行き送水通路１１に第１サーモバルブ１２を配置しており、ヘッド行き送水通路１０はヘッドジャケット７の前端部に連通し、ブロック行き送水通路１１は、ブロックジャケット６の前端寄り部位に連通している。

シリンダヘッド２の後端部には冷却水出口２ａが開口しており、この冷却水出口２ａに、ヒータ送り管路１３とラジエータ送り管路１４とが接続されている。ヒータ送り管路１３はヒータコア１５のインレットポートに接続されているが、途中にＥＧＲクーラ１６が介在している。ヒータコア１５のアウトレットポートにはヒータ戻り管路１７が接続されており、ヒータ戻り管路１７は、シリンダヘッド２の後端部に形成された中継部１８に接続されている。

ヒータ戻り管路１７の中途部には、オイルクーラ１９が介挿されている。また、ヒータ送り管路１３とヒータ戻り管路１７とはバイパス通路２０で接続されており、このバイパス通路２０に、ＥＧＲバルブ２０ａが介在している。

シリンダヘッド２の後端部に形成された中継部１８には、シリンダブロック１の後端部に向けて開口したヘッド流下通路２１が形成されている一方、シリンダブロック１には、ヘッド流下通路２１とウォータポンプ８とに連通した前後長手の冷却水戻り通路２２が一体に形成されている。

他方、ラジエータ送り管路１４はラジエータ２３のアッパータンクに接続されており、ラジエータ２３のロアタンクにはラジエータ戻り管２４が接続されている。そして、冷却水戻り通路２２の下流端部に連通した中継通路２５に第２サーモバルブ２６を配置し、第２サーモバルブ２６のポートにラジエータ戻り通路２４を接続している。

冷却水の温度が設定値より低い状態では、冷却水は全量がヒータ戻り管１７を経由して冷却水戻り通路２２に流れ込む。他方、冷却水の温度が設定を越えると、ヘッドジャケット７から排出された冷却水のうち大部分は、ラジエータ２３を経由してウォータポンプ８に吸い込まれ、残りの部分は、ヒータ戻り管１７及び冷却水戻り通路２２を経由してウォータポンプ８に吸い込まれる。

(2).シリンダブロックの基本構造
次に、シリンダブロック１に関連した冷却水流れ構造の詳細を、図１（Ｂ）以下の図面も参照して説明する。

本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、図２のとおり、シリンダブロック１には、３つのシリンダボア２７がクランク軸線方向に並べて形成されている。シリンダボア２７の群はブロックジャケット６で囲われているが、本実施形態では、ブロックジャケット６は、前部を構成するフロントブロックジャケット６ａと、それ以外のメインブロックジャケット６ｂとに分離している。

冷却水の温度が設定温度以下の状態では、冷却水は、フロントブロックジャケット６ａだけからヘッドジャケット７に流れて、冷却水の温度が設定温度を越えると、冷却水は、図１（Ａ）に示す連通穴２８を介してメインブロックジャケット６ｂからヘッドジャケット７に流れる。

本実施形態の内燃機関は車両用であってエンジンルームに搭載されるが、クランク軸線を車幅方向に長い姿勢にすると共に排気側面を車両前方に向けており、従って、横置き・前排気姿勢で車両に搭載されている。そして、図２に示すように、シリンダブロック１のうち排気側面２９の側に位置した部位の後部に、図１（Ａ）に示したヘッド流下通路２１と連通する冷却水流入口３０が上向きに開口しており、更に、冷却水流入口３０の手前側に、第１ブロック側オイル落とし通路３１と第２ブロック側オイル落とし通路３２とが前後に並んだ状態で形成されている。

両ブロック側オイル落とし通路３１，３２はシリンダブロック１を上下に貫通しているが、上部には、前後方向に広がった拡張部３３が形成されている。図２に点線で示すように、シリンダヘッド２には、ブロック側オイル落とし通路３１，３２に対応した前後２本のヘッド側オイル落とし通３４，３５が形成されている。図２，３等に示す符号３６は、ヘッドボルト挿通穴である。

例えば図２，３，１（Ｂ）のとおり、シリンダブロック１の排気側面２９には、前後方向に長い円筒状の横長ボス体３７が一体に形成されており、このボス体３７の内部を既述の冷却水戻り通路２２と成している。図６に示すように、冷却水流入口３０と冷却水戻り通路２２の後端部は、横穴３８によって連通している。また、図６に示すように、冷却水戻り通路２２の後端部はプラグ３９で塞がれている。

図４に示すように、ブロック側オイル落とし通路３１，３２は、シリンダブロック１の排気側面２９に突設した縦長ボス体４０の箇所に形成している。従って、冷却水戻り通路２２が形成された横長ボス体３７とブロック側オイル落とし通路３１，３２が形成された縦長ボス体４０とによって、シリンダブロック１の剛性が高められている。シリンダブロック１の排気側面２９には、補強のための補助リブ４１を突設している。

(3).ウォータポンプと吸い込み構造
図５，７に示すように、シリンダブロック１の排気側面２９のうち前部に、冷却水戻り通路２２の終端を構成する拡張室２２ａを形成して、拡張室２２ａを側方に向けて開口させており、この拡張室２２ａを塞いだ状態でウォータポンプ８が配置されている。

図７に示すように、ウォータポンプ８は、冷却水戻り通路２２の拡張室２２ａと連通した中継通路２５を有するメインハウジング４４と、メインハウジング４４に側方から固定されたキャップ４５と、メインハウジング４４の前面に固定されていてポンプ室（渦巻き室）４６を塞ぐポンプハウジング４７と、ポンプハウジング４７に軸受４８を介して回転自在に保持されたプーリ４９とを備えており、プーリ４９に設けた主軸５０に、ポンプ室４６に配置された羽根車５１を固定している。

ポンプ室４６は、メインハウジング４４に形成されている。メインハウジング４４はボルトでシリンダブロック１の受け座１ａ（図５参照）に固定されており、ポンプハウジング４７とキャップ４５とは、それぞれボルトでメインハウジング４４に固定されている。敢えて述べるまでもないが、ウォータポンプ８は、補機駆動ベルトを介してクランクプーリによって駆動される。

図７に示すように、キャップ４５には、左右外向きに開口した戻りポート４５ａが形成されており、この戻りポート４５ａに、ホースより成るラジエータ戻り管路２４が接続されている。そして、メインハウジング４４とポートキャップ４５とで囲われた空所に、ラジエータ２３への通水を制御する第２サーモバルブ２６が配置されている。

図７に示すように、第２サーモバルブ２６は、メインハウジング４４とポートキャップ４５とで挟み保持された弁座板５４と、弁座板５４に固定されて左右方向外側に突出したフロントケージ５５と、フロントケージ５５の先端部に固定された左右長手の中心軸５６と、弁座板５４よりも奥側に位置して中心軸５６にスライド可能に取付いたスライダー５７と、スライダー５７の先端に固定されて弁座板５４と密着・離反自在な可動弁板５８とを有しており、可動弁板５８は、弁座板５４に固定されたリアケージ５９で支持されたばね６０により、弁座板５４と密着する方向に付勢されている。

弁座板５４には通水穴が空いており、ケージ５５，５９も通水自在な構造である。スライダー５７には、温度に応じて膨張・収縮する感温作動体が内蔵されており、冷却水の温度が設定値に至るまでは、感温作動体は熱膨張せずに、可動弁板５８は弁座板５４と密着している。従って、ラジエータ２３への冷却水の循環は停止している。

他方、冷却水の温度が設定値に至ると、感温作動体が熱膨張してスライダー５７が後退を開始して、これによって可動弁板５８が弁座板５４から離反する。従って、冷却水はラジエータ２３を循環する。なお、冷却水の温度が設定温度から上昇していくと、可動弁板５８の移動量の増大に連れてラジエータ２３への通水量が増加していく。

第２サーモバルブ２６の弁座板５４により、中継通路２５と戻り通路５２とが区画されており、冷却水は、中継通路２５からポンプ室４６に吸い込まれる。図７及び図９に矢印６１で示すように、冷却水は、羽根車５１の回転軸心方向からポンプ室４６に流入して、ポンプ室４６を周方向に流れていき、次いで、図８，９に示すように、メインハウジング４４の下部に形成された前後長手の吐出通路９に至る。

図７に示すように、冷却水戻り通路２２の拡張室２２ａとウォータポンプ８のポンプ室４６とを繋ぐ中継通路２５に、断面積を小さくした絞り部（くびれ部）６６を形成すると共に、拡張室２２ａの軸心Ｏ１と第２サーモバルブ２６の（中継通路２５の）の軸心Ｏ２とを、第２サーモバルブ２６の中心が手前にずれるように、前後方向にある程度の寸法Ｅだけオフセットさせている。

絞り部６６を設けたことにより、中継通路２５のうち絞り部６６よりも外側の空間は、第２サーモバルブ２６の感温部が配置される感温空間２５ａになっていると云える。拡張室２２ａは側面視で略円形に形成されている一方、中継通路２５も側面視で円形に形成されており、両者の内径は概ね同じに設定されている。そして、中継通路２５は、絞り部６６によって略半分程度の断面積に絞られている。絞り部６６の奥側は、滑らかな湾曲面６６ａになっている。

中継通路２５に絞り部６６を形成すると、図７に実線の矢印６８で示すように、冷却水は、拡張室２２ａで直進性を殆ど無くしてから絞り部６６に向かい、絞り部６６によっていったん流速を速めてから、絞り部６６を通過すると、感温空間２５ａでは、流速を低下させつつ当該絞り部６６の中心線の放射方向に拡散していく。また、冷却水は、拡張室２２ａで十分に混ざり合って温度が均一化されるため、第２サーモバルブ２６の感温部に、温度が均一化された冷却水を満遍なく接触させることができる。その結果、第２サーモバルブ２６の応答性を向上できる。

(4).ウォータポンプからの吐出構造
図９に示すように、吐出通路９の下流側の端部には、ヘッド行き送水通路１０の横長部１０ａと、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａとが連通している。図８に実線で示すように、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａは、メインハウジング４４とシリンダブロック１とに跨がった状態で形成されており、横長部１１ａの奥端部（下流端部）に、ブロック行き送水通路１１の縦長部１１ｂが連通していて、縦長部１１ｂがメインブロックジャケット６ｂの前端部と連通している。

図８に一点鎖線で示すように、ヘッド行き送水通路１０の横長部１０ａも、メインハウジング４４とシリンダブロック１とに跨がった状態で形成されており、横長部１０ａの奥部に、フロントブロックジャケット６ａと連通する縦長部１０ｂが連通している。

図２，３，６にも、ヘッド行き送水通路１０とブロック行き送水通路１１とを明示している。既述のとおり、ヘッド行き送水通路１０の横長部１０ａとブロック行き送水通路１１の横長部１１ａとはシリンダブロック１にも形成されているが、図５では、シリンダブロック１に形成されている横長部１０ａ，１１ａを明示している。

ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａに、第１サーモバルブ１２が配置されている。第１サーモバルブ１２は、第２サーモバルブ２６と同様に、弁座板５４とフロントケージ５５と中心軸５６とスライダー５７と可動弁板５８とばね６０とを有しており、弁座板５４はシリンダブロック１とメインハウジング４４とで挟み固定されている。但し、この第１サーモバルブ１２では、ばね６０は、中心軸５６に固定されたフランジ６４で支持されている。

本実施形態では、請求項との関係では、ウォータポンプ８の吐出通路９が第１通路に該当して、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａが第２通路に該当する。そして、図８に示すように、ウォータポンプ８の吐出通路９は前後長手の姿勢である一方、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａは左右長手の姿勢であり、平面視で両者の流れ方向が直角に交差しているため、両者の高さが同じであると、圧損が大きくなるという問題がある。

この点について、本実施形態では、図９に示すように、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａを、吐出通路９に対して、当該横長部１１ａ及び吐出通路９の軸線と直交した方向である下方にオフセットさせている（下げている）。このように構成すると、吐出通路９から放出された冷却水は、下向きに方向を変えて横長部１１ａの内周面に沿って流れていき、横長部１１ａの軸心回りの旋回流となって、横長部１１ａの奥部に向けてスムースに流れていく。

従って、流れ抵抗が著しく低減されて圧損を大幅に抑制できる。その結果、機関の冷却性能を向上できると共に、ウォータポンプ８の負担を軽減して燃費向上に貢献できる。また、冷却水が横長部１１ａにおいて旋回流となることにより、冷却水の直進性が消えるため、第１サーモバルブ１２の感温部に冷却水を満遍なく接触させることができて、第１サーモバルブ１２の応答性を向上できる。

冷却水の流れが旋回流化すると、冷却水の混合性が高まるため、冷却水の温度の均一化にも貢献している。この面でも、第１サーモバルブ１２の応答性向上に貢献できる。実施形態では、ブロック行き送水通路１１の横長部１１ａを吐出通路９の下側にオフセットしたが、横長部１１ａを吐出通路９の上側にオフセットさせても、同じ効果を享受できる。

吐出通路９に対する横長部１１ａのオフセット寸法は任意に設定できるが、本実施形態のように、吐出通路９の下面と横長部１１ａの上面とを略同じ高さに設定すると、いわば、吐出通路９から噴出した冷却水が横長部１１ａの接線方向に向かうため、冷却水の流れが一層スムース化されて圧損抑制に効果的である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、適用箇所は吐出通路とブロック行き送水通路との部分のみでなく、他の部位にも適用できる。

本願発明は、内燃機関のシリンダブロックに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
６（６ａ，６ｂ） ブロックジャケット
７ ヘッドジャケット
８ ウォータポンプ
９ 吐出通路（請求項の第１通路）
１０ ヘッド行き送水通路
１１ ブロック行き送水通路
１１ａ 横長部（請求項の第２通路）
１１ｂ 縦長部
１２ 第１サーモバルブ
２２ 冷却水戻り通路
４４ メインハウジング
４６ ポンプ室
４７ 羽根車
４９ プーリ
５６ 中心軸
５７ 感温部を内蔵したスライダー
５８ 可動弁板

Claims (1)

1. ウォータポンプから吐出された冷却水が流れる通路の一部を、上流側に位置した第１通路と、前記第１通路と直交した姿勢で下流側に位置した第２通路とが連通した状態に形成している構成であって、
   前記第１通路と第２通路とは、前記第１通路から第２通路に流入した冷却水が第２通路の内部で旋回流となるように、それら両通路の軸心と直交した方向にオフセットされていて、
   前記第２通路に、感温部の膨張収縮によって可動弁板が中心軸の軸心方向に移動するサーモバルブが、前記中心軸を前記第２通路と平行にした姿勢で配置されており、冷却水が前記サーモバルブの中心軸の軸心回りに旋回するようになっている、
   内燃機関の冷却水通路。

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