(57)【要約】【課題】ウォータージャケットの冷却性能を向上させる。【解決手段】シリンダブロックにおけるウォータージャケットの深さが、冷却水入口から他端側までの吸気側または排気側の一方においては、上流側よりも下流側のほうが浅く、他端側から一端側までの吸気側または排気側の他方においては、上流側よりも下流側のほうが深くなるように、ウォータージャケットを形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックに複数のシリンダが直列に配列されると共に、前記シリンダブロックに前記複数のシリンダの配列方向にウォータージャケットが形成され、前記シリンダブロックに接続されるシリンダヘッドに冷却水の出口を備える内燃機関であって、
前記シリンダブロックにおける前記複数のシリンダの配列方向に対する一端側で且つ吸気側または排気側の一方に設けられ、前記ウォータージャケットへの冷却水の入口になる冷却水入口を備え、
前記ウォータージャケットは、前記冷却水入口から前記吸気側または前記排気側の一方を前記複数のシリンダの配列方向に対する他端側に向けて延び、前記他端側において前記吸気側または前記排気側の一方から他方へ向けて延び、前記他端側から前記吸気側または前記排気側の他方を前記複数のシリンダの配列方向に対する前記一端側に向けて延び、
前記シリンダブロックにおける前記ウォータージャケットの深さが、前記冷却水入口から前記他端側までの前記吸気側または前記排気側の一方においては、上流側よりも下流側のほうが浅く、前記他端側から前記一端側までの前記吸気側または前記排気側の他方においては、上流側よりも下流側のほうが深い、
内燃機関。
【請求項２】
前記冷却水入口は、前記吸気側に設けられる請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記冷却水入口の中心と、前記シリンダブロック上面との距離が、ピストンが下死点に位置するときの前記ピストンのトップリングと、前記シリンダブロック上面との距離よりも長い請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ウォータージャケットの面積Ａ１が、比例定数をＣ１とし、冷却水の平均流速をＵＭとした場合に、Ａ１＝Ｃ１／（ＵＭ０．８）なる関係を満たす請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ウォータージャケットの深さを調整するスペーサーを更に備える請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダブロックに複数のシリンダが直列に配列される内燃機関において、シリンダブロックにおける複数のシリンダの配列方向に対する一端側に冷却水をウォータージャケットに導入する冷却水入口と、他端側に冷却水をウォータージャケットから排出する冷却水出口とを備え、ウォータージャケットの断面積を、冷却水入口から冷却水出口へと向かうに従って小さくする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０２４０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、気筒間に温度差が生じることを抑制している。上記ウォータージャケットでは、シリンダンブロックのシリンダの配列方向の一端側に冷却水入口が設けられ、他端側に冷却水出口が設けられているが、冷却水入口及び冷却水出口が、共にシリンダの配列方向の一端側に設けられ、シリンダの配列方向の一端側から他端側に流れた冷却水が、他端側から一端側に戻るようにウォータージャケットを形成する場合がある。このような構成におけるウォータージャケットの構造については上記従来技術では考慮されていないため、更なる検討を要する。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウォータージャケットの冷却性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、シリンダブロックに複数のシリンダが直列に配列されると共に、前記シリンダブロックに前記複数のシリンダの配列方向にウォータージャケットが形成される内燃機関であって、前記シリンダブロックにおける前記複数のシリンダの配列方向に対する一端側で且つ吸気側または排気側の一方に設けられ、前記ウォータージャケットへの冷却水の入口になる冷却水入口を備え、前記ウォータージャケットは、前記冷却水入口から前記吸気側または前記排気側の一方を前記複数のシリンダの配列方向に対する他端側に向けて延び、前記他端側において前記吸気側または前記排気側の一方から他方へ向けて延び、前記他端側から前記吸気側または前記排気側の他方を前記複数のシリンダの配列方向に対する前記一端側に向けて延び、前記シリンダブロックにおける前記ウォータージャケットの深さが、前記冷却水入口から前記他端側までの前記吸気側または前記排気側の一方においては、上流側よりも下流側のほうが浅く、前記他端側から前記一端側までの前記吸気側または前記排気側の他方においては、上流側よりも下流側のほうが深い、内燃機関である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ウォータージャケットの冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る内燃機関のウォータージャケットの概略構成図である。
【図２】吸気側から見たウォータージャケットの概略構成図である。
【図３】図１に示したウォータージャケットに沿って該ウォータージャケットをシリンダ軸方向に切断したときの断面図である。
【図４】各シリンダの吸気側及び排気側の平均流速ＵＭと、伝熱面積Ａ１との関係を示した図である。
【図５】冷却水の平均流速ＵＭの変化割合と、伝熱面積Ａ１の変化割合との関係を示した図である。
【図６】ウォータージャケットの深さの例を示した図である。
【図７】ウォータージャケットの深さの例を示した図である。
【図８】ウォータージャケットの深さの例を示した図である。
【図９】ウォータージャケットの深さの例を示した図である。
【図１０】ウォータージャケットの深さの例を示した図である。
【図１１】シリンダをシリンダ軸方向に切断したときの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１０】
＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関１のウォータージャケット２の概略構成図である。図１は、内燃機関１のシリンダブロック３を上面側から見た図である。図１において、上側が排気通路側（以下、排気側という。）であり、下側が吸気通路側（以下、吸気側という。）である。また、図１において、左側が内燃機関１のフロント側（以下、シリンダ配列方向の一端側ともいう。）であり、右側が内燃機関１のリア側（以下、シリンダ配列方向の他端側ともいう。）である。内燃機関１は直列に設けられる複数のシリンダ４を有している。なお、図１においては、４つのシリンダ４を有しており、内燃機関１のフロント側から順に、一番シリンダ＃１、二番シリンダ＃２、三番シリンダ＃３、四番シリンダ＃４が配置されている。図２は、吸気側から見たウォータージャケット２の概略構成図である。図２における上側がエンジン１の上側であり、図２における下側がエンジン１の下側である。図２において左側が内燃機関１のフロント側であり、シリンダ配列方向の一端側である。また、図２において右側が内燃機関１のリア側であり、シリンダ配列方向の他端側である。シリンダブロック３の上側には、シリンダヘッド６が連結されている。
【００１１】
シリンダブロック３に形成されているウォータージャケット２は、各シリンダ４の吸気側及び排気側に形成されている。また、シリンダブロック３には、ウォータージャケット２への冷却水の入口となる冷却水入口２１が設けられている。冷却水入口２１は、シリンダブロック３のシリンダ配列方向の一端側で且つ吸気側に設けられている。また、シリンダヘッド６には、各シリンダ４の燃焼室の周りにウォータージャケット２４が形成されており、シリンダブロック３のウォータージャケット２４とシリンダヘッド６のウォータージャケット２４とが、複数の連通孔２３によって連通されている。シリンダヘッド６には、ウォータージャケット２からの冷却水の出口となる冷却水出口２２が設けられている。冷却水出口２２は、シリンダ配列方向の他端側で且つ排気側に設けられている。ただし、冷却水出口２２の位置はこれに限らず、例えば、シリンダ配列方向の一端側で且つ排気側に設けられていてもよく、シリンダ配列方向の他端が側で、排気側と吸気側との間に設けられていてもよい。冷却水はウォーターポンプによって圧送され、冷却水出口２２から流出した冷却水は例えばラジエータを通って冷却水入口２１に戻る。
【００１２】
ウォータージャケット２は、冷却水入口２１から吸気側をシリンダ配列方向の他端側に
向けて延び、他端側に設けられている四番シリンダ＃４の周りを吸気側から排気側に向けて延び、更に他端側から排気側を冷却水出口２２に向けて延びている。なお、吸気側から排気側に向けてさらに複数の冷却水の通路が形成されているが、冷却水は、図１に示したウォータージャケット２を最も多く流通するため、他の冷却水の通路は図示を省略している。また、連通孔２３は、シリンダブロック３からシリンダヘッド６へ向けて冷却水が流れるように、吸気側及び排気側に夫々複数設けられている。
【００１３】
そして、ウォータージャケット２は、シリンダ４ごとに深さが異なるように形成されている。図３は、図１に示したウォータージャケット２に沿って該ウォータージャケット２をシリンダ軸方向（上下方向）に切断したときの断面図である。ウォータージャケット２の深さが、冷却水入口２１から他端側までの吸気側においては、上流側よりも下流側のほうが浅く、他端側から冷却水出口までの排気側においては、上流側よりも下流側のほうが深くなるように、各シリンダ４（＃１、＃２、＃３、＃４）に対応するウォータージャケット２が形成されている。夫々のウォータージャケット２がどのシリンダ４に対応するのかは、どのシリンダ４から最も熱を奪うのかによる。ここでいうウォータージャケット２の深さとは、シリンダブロック３の上面からウォータージャケット２の最深部までの距離をいう。
【００１４】
図３に示されるように、一番シリンダ＃１に対応するウォータージャケット２の深さが最も深くなっており、二番シリンダ＃２、三番シリンダ＃３、四番シリンダ＃４の順にウォータージャケット２の深さが浅くなっている。したがって、吸気側では、冷却水の流れ方向の上流側よりも下流側が浅くなっており、排気側では、冷却水の流れ方向の上流側よりも下流側が深くなっている。
【００１５】
一般に、内燃機関１の摩擦損失を低減するために、燃焼室に近いシリンダ４の上部では、シリンダ４の壁面からの潤滑油の蒸発を抑制するために、シリンダ４の壁面の温度を低下させることが好ましい。したがって、シリンダ４の上部では、冷却水による冷却性能を向上させることが好ましい。一方、シリンダ４の下部では、余分な油膜形成を抑制するために、シリンダ４の壁面の温度を上昇させることが好ましい。したがって、シリンダ４に下部では、上部よりも冷却水による冷却性能を低下させることが好ましい。また、シリンダブロック３における冷却水の温度は、上流側から下流側へ向かうほど上昇する。また、シリンダブロック３からシリンダヘッド６へ冷却水が流れることにより、シリンダブロック３における上流側よりも下流側のほうが冷却水の流量が少なくなるため、シリンダブロック３における冷却水の流速は、上流側から下流側へ向かうほど低下する。このため、各シリンダ４における冷却水への放熱量が異なる虞があり、シリンダ４間で温度差が生じる虞がある。
【００１６】
本実施形態に係るウォータージャケット２では、吸気側において、上流側よりも下流側の深さが浅くなっているため、冷却水の流路面積が減少する。このため、吸気側の下流側において流速が低下することを抑制できる。これにより、シリンダ４から冷却水への熱の移動を促進させることができるため、吸気側の下流側において冷却性能が低下することを抑制できる。また、シリンダ４の主に上部から熱を奪うことができるため、シリンダ４の主に上部の温度を低下させることができる。一方、シリンダブロック３からシリンダヘッド６へ冷却水が流れることにより、排気側においては、冷却水の流速がさらに低下する。これに対して、排気側における上流側よりも下流側の深さを深くすることにより、冷却水の流路面積を増加させることができる。このため、排気側において冷却性能が低下することを抑制できる。
【００１７】
このようにウォータージャケット２を形成することにより、全てのシリンダ４に対応するウォータージャケット２の深さが同じ場合と比較して、冷却水への放熱量が７％の増加
したことが計算により確認された。これにより、内燃機関１の早期暖機に有効であるといえる。
【００１８】
なお、本実施形態においては吸気側に冷却水入口２１を設け、排気側に冷却水出口２２を設けているが、これに代えて、吸気側に冷却水出口を設け、排気側に冷却水入口を設けることもできる。ただし、吸気側に冷却水入口２１を設けることにより、冷却水とシリンダ４の壁面との温度差が小さい吸気側を優先的に冷却することができる。また、冷却水とシリンダ４の壁面との温度差が大きい排気側を、吸気側の後で冷却することにより、吸気側と排気側とのシリンダ４の壁面の温度差をより小さくすることができる。このため、より好適な冷却が可能となる。
【００１９】
各シリンダ４に対応するウォータージャケット２の深さは、以下のようにして決定することができる。ここで、比例定数をＣ１とし、冷却水の平均流速をＵＭとした場合に、伝熱面積Ａ１が以下の式で示される関係となるように、ウォータージャケット２の深さ及び断面積を決定する。平均流速ＵＭは、各シリンダ４に対応する夫々の範囲における平均流速である。なお、比例定数Ｃ１は、実験またはシミュレーション等により求める。
Ａ１＝Ｃ１／（ＵＭ０．８）
【００２０】
このようにすることで、シリンダ４間で冷却水への伝熱量が一定となるため、シリンダ４間の壁面温度の差を小さくすることができる。
【００２１】
図４は、各シリンダ４の吸気側及び排気側の平均流速ＵＭと、伝熱面積Ａ１との関係を示した図である。図４は、図３における断面図に対応した平均流速ＵＭ及び伝熱面積Ａ１を示している。また、図５は、冷却水の平均流速ＵＭの変化割合と、伝熱面積Ａ１の変化割合との関係を示した図である。図５における線は、ＵＭ０．８×Ａ１＝一定とした場合の線である。この関係を維持するように、ウォータージャケット２を形成する。
【００２２】
なお、上記のようにＵＭ０．８×Ａ１＝一定の関係は必ずしも必要ではない。また、シリンダ４間でウォータージャケット２の深さが異なる必要は必ずしもない。また、各シリンダ４において吸気側と排気側とでウォータージャケット２の深さが異なっていてもよい。図６、図７、図８、図９、図１０は、ウォータージャケット２の深さの例を示した図である。
【００２３】
図６では、一番シリンダ＃１において吸気側よりも排気側でウォータージャケット２の深さが浅くなっており、また、吸気側では、一番シリンダ＃１、二番シリンダ＃２、三番シリンダ＃３、四番シリンダ＃４の順にウォータージャケット２の深さが浅くなっているが、排気側では、一番シリンダ＃１と二番シリンダ＃２とでウォータージャケット２の深さが同じであり、一番シリンダ＃１及び二番シリンダ＃２よりも、三番シリンダ＃３のほうがウォータージャケット２の深さが浅く、三番シリンダ＃３よりも四番シリンダ＃４のほうがウォータージャケット２の深さが浅い場合を示している。
【００２４】
図７では、四番シリンダ＃４以外のシリンダ４は吸気側よりも排気側でウォータージャケット２の深さが浅くなっており、また、二番シリンダ＃２と三番シリンダ＃３とでウォータージャケット２の深さが同じであり、一番シリンダ＃１よりも、二番シリンダ＃２及び三番シリンダ＃３のほうがウォータージャケット２の深さが浅く、二番シリンダ＃２及び三番シリンダ＃３よりも四番シリンダ＃４のほうがウォータージャケット２の深さが浅い場合を示している。
【００２５】
図８では、各シリンダ４において吸気側と排気側とでウォータージャケット２の深さが同じであり、また、三番シリンダ＃３と四番シリンダ＃４とでウォータージャケット２の
深さが同じであり、一番シリンダ＃１よりも、二番シリンダ＃２のほうがウォータージャケット２の深さが浅く、二番シリンダ＃２よりも三番シリンダ＃３及び四番シリンダ＃４のほうがウォータージャケット２の深さが浅い場合を示している。
【００２６】
図９では、各シリンダ４において吸気側と排気側とでウォータージャケット２の深さが同じであり、また、一番シリンダ＃１と二番シリンダ＃２とでウォータージャケット２の深さが同じであり、一番シリンダ＃１及び二番シリンダ＃２よりも、三番シリンダ＃３のほうがウォータージャケット２の深さが浅く、三番シリンダ＃３よりも四番シリンダ＃４のほうがウォータージャケット２の深さが浅い場合を示している。
【００２７】
図１０では、各シリンダ４において吸気側と排気側とでウォータージャケット２の深さが同じであり、また、一番シリンダ＃１と二番シリンダ＃２とでウォータージャケット２の深さが同じであり、三番シリンダ＃３と四番シリンダ＃４とでウォータージャケット２の深さが同じであり、一番シリンダ＃１及び二番シリンダ＃２よりも、三番シリンダ＃３及び四番シリンダ＃４のほうがウォータージャケット２の深さが浅い場合を示している。
【００２８】
なお、本実施形態では、ウォータージャケット２の形状は、シリンダブロック３の製造時（すなわち、鋳造時）に予め決定されていてもよい。すなわち、最初からウォータージャケット２の深さを調整した状態で、シリンダブロック３を製造してもよい。一方、図１１に示すように、ウォータージャケット２にスペーサー２５を入れることにより、該ウォータージャケット２の深さを調整してもよい。図１１は、シリンダ４をシリンダ軸方向に切断したときの断面図である。各シリンダ４では、シリンダブロック３の鋳造時においてウォータージャケット２の深さが同じである。そして、シリンダブロック３の上面からウォータージャケット２にスペーサー２５を入れて底部に配置している。これにより、スペーサー２５が存在する箇所には冷却水が流れない。したがって、実質上、ウォータージャケット２の深さが浅くなっているといえる。したがって、シリンダ４毎に、ウォータージャケット２の深さを調整するように、スペーサー２５を選択してウォータージャケット２に配置する。スペーサー２５の材料には、金属、樹脂、セラミック、またはこれらの組み合わせを用いることができる。
【００２９】
なお、シリンダブロック３の上面から冷却水入口２１の中心までの距離が、シリンダブロック３の上面からピストン５が下死点に位置するときのピストンのトップリング５１までの距離よりも長くなるように、冷却水入口２１を配置してもよい。このようにすることで、一番シリンダ＃１の燃焼ガスが存在する範囲に冷却水を確実に流すことができるため、冷却性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  内燃機関
２  ウォータージャケット
３  シリンダブロック
４  シリンダ
２１  冷却水入口
２２  冷却水出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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