(57)【要約】【課題】容易な構造で、内燃機関の高温部位の冷却をより効率的に行うことのできる内燃機関の冷却構造を提供する。【解決手段】鋳造部品１２の高温部位近傍に、冷却液が流れる流路２２の中に一部を突出させた高熱伝導部材２６を配置する。この高熱伝導部材２６の突出部分には、放熱面積を増大させると共に、冷却液の流れ方向を高温部位に向けるフィン２８が形成されている。高熱伝導部材２６及びフィン２８を介して高温部位の熱を冷却液側に伝達すると共に、フィン２８により冷却液を高熱伝導部材２６の立設根部２６ａに向けて冷却効率を増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造部品の冷却を行う冷却媒体が流通する媒体流路を有する内燃機関の冷却構造であって、
前記鋳造部品の高温部位近傍に配置され、前記媒体流路の中に一部を突出させ高温部位の熱を冷却媒体に伝達する高熱伝導部材と、
前記高熱伝導部材の媒体流路突出部分に形成され、放熱面積を増大させると共に、冷却媒体の流れ方向を高温部位に偏向可能な突起翼と、
を含むことを特徴とする内燃機関の冷却構造。
【請求項２】
請求項１の冷却構造において、
前記鋳造部品は、少なくとも内燃機関のシリンダヘッドまたはシリンダブロックのいずれか一方であることを特徴とする内燃機関の冷却構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の冷却構造において、
前記高熱伝導部材は、内燃機関の少なくともウォータジャケットの流路または、オイル流路のいずれか一方に一部を突出していることを特徴とする内燃機関の冷却構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の冷却構造において、
前記高熱伝導部材または突起翼の少なくとも一方は、形状記憶合金で形成され、高温部位の温度に応じて所定形状に変形することを特徴とする内燃機関の冷却構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の冷却構造において、
前記高熱伝導部材の媒体流路突出部分は、流れる冷却媒体の上流側に向かって先太の流線形状を呈することを特徴とする内燃機関の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の冷却構造、特に、内燃機関内の高温部位を効率的に冷却する内燃機関の冷却構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関は、燃焼室内において燃焼が繰り返される。そのため、インテークバルブやエキゾーストバルブの周囲は非常に高温になる。所定温度以上の高温状態が継続すると内燃機関の破損の原因になるため効率的な冷却が必要となる。通常、内燃機関を形成する鋳造部品には、ラジエーターから送られてくる冷却液が流通するウォータジャケットが形成されている。このウォータジャケットの内部に冷却液を循環させることにより、必要以上の加熱を抑制し、例えば、シリンダヘッド本体の信頼性確保を行っている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、特に高温になるエキゾーストバルブ部分の放熱を向上させるために、例えば、シリンダヘッドのアルミ鋳造時に、エキゾーストバルブの弁座に接近し、かつウォータジャケットとの中間域に銅材を鋳込み形成し、熱伝導域を設け、ウォータジャケットを介した放熱を促進する構造が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２６４８１６号公報
【特許文献２】特開平８−３１９８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、例えばシリンダヘッド内にウォータジャケットを形成し、高温部位の効率的な冷却を行おうとした場合、高温部分、例えば、インテークバルブやエキゾーストバルブの近傍までウォータジャケットの冷却液流路を近づける必要がある。この場合、必然的にインテークバルブやエキゾーストバルブとウォータジャケットとの間の隔壁部分の厚みが薄くなり、その部分の剛性が低下する。つまり、シリンダヘッドの信頼性が低下するという問題が発生する。また、複数存在する高温部位にくまなく冷却流路を導こうとするとウォータジャケットの形状が複雑化すると共に、前記剛性の低下に拍車をかける。さらに、冷却液の循環経路が長くなり冷却効率の低下にも繋がってしまう。
【０００６】
また、高温部位の近傍に銅材等を鋳込み、熱伝導域を形成しても熱伝導域が拡大し拡散するものの、全体としての冷却効率には限界があった。そのため、さらに効率的な冷却構造が望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は、容易な構造で、高温部位の冷却をより効率的に行うことのできる内燃機関の冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、鋳造部品の冷却を行う冷却媒体が流通する媒体流路を有する内燃機関の冷却構造であって、前記鋳造部品の高温部位近傍に配置され、前記媒体流路の中に一部を突出させ高温部位の熱を冷却媒体に伝達する高熱伝導部材と、前記高熱伝導部材の媒体流路突出部分に形成され、放熱面積を増大させると共に、冷却媒体の流れ方向を高温部位に偏向可能な突起翼と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
ここで、高熱伝導部材とは、例えば銅で形成された部材であり、高温部位に鋳込み形成されたり、後付けで埋め込まれたりする部材である。また、高熱伝導部材の媒体流路突出部分に形成され、放熱面積を増大させると共に、冷却媒体の流れ方向を高温部位に偏向可能な突起翼とは、高熱伝導部材と一体に形成されてもよいし、後付けされてもよく、その材質は高熱伝導部材と同じ銅であってもよし、耐熱性のある任意の金属材料であってもよい。また、冷却媒体の流れ方向を高温部位、言い換えれば高熱伝導部材の立設根部に向ける形状や傾きを有していれば形状や翼枚数は任意である。
【００１０】
この構成によれば、高温部位の熱を冷却媒体内に効率的に伝達すると共に、突起翼により、導き出した熱を効率的に冷却媒体に放熱することができる。さらに、突起翼により冷却媒体が高温部位近傍に積極的に導かれるので、放熱効率をさらに向上することができる。
【００１１】
なお、前記鋳造部品は、少なくとも内燃機関のシリンダヘッドまたはシリンダブロックのいずれか一方であることが好ましい。
【００１２】
また、前記高熱伝導部材は、内燃機関の鋳造部品に形成されたウォータジャケットの流路または、オイル流路の少なくともいずれか一方に一部を突出していることが好ましい。
【００１３】
また、上記構成において、前記高熱伝導部材または突起翼の少なくとも一方は、形状記憶合金で形成され、高温部位の温度に基づいて所定形状に変形することを特徴とする。
【００１４】
高熱伝導部材または突起翼の少なくとも一方を形状記憶合金で形成することで、初期状態で同一形状の高熱伝導部材または突起翼でも使用時の温度状態に応じて形状を変化させ、異なる冷却特性を有する高熱伝導部材または突起翼として使用することが可能になる。
【００１５】
つまり、同一形状の高熱伝導部材または突起翼を内燃機関の複数の場所に配置した場合でも、その配置場所が、形状記憶合金の変形所定温度以下の場合には、高熱伝導部材または突起翼の初期の形状が維持され、その形状に応じた冷却特性を発揮する。一方、配置された場所が、形状記憶合金の変形所定温度以上になる場合、高熱伝導部材または突起翼は、記憶された形状に変形し、冷却媒体の流れを変化させる。例えば、高温部位（高熱伝導部材の立設根部）に積極的に冷却媒体を向けるような冷却特性を発揮することが可能になる。その結果、高熱伝導部材または突起翼の部品共有化が可能になる。
【００１６】
また、上記構成において、前記高熱伝導部材の媒体流路突出部分は、流れる冷却媒体の上流側に向かって先太の流線形状を呈することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、媒体流路内を流れる冷却媒体の流動が阻害されることを低減しつつ、効率的な放熱を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１９】
図１には、本実施形態の冷却構造を有する内燃機関のシリンダヘッド１０の概略図が示されている。シリンダヘッド１０本体は、例えばアルミ合金を用いた鋳造部品１２を中心に構成され、インテークマニホールド１４やエキゾーストマニホールド１６用のポートを形成すると共に、インテークバルブ１８やエキゾーストバルブ２０を配置する形状を形成している。また、この鋳造部品１２には、図示しないラジエータを介して循環する冷却液を流通させて、シリンダヘッド１０の所望の位置の冷却を行うウォータジャケットの流路２２が形成されている。図１において、冷却液は略紙面垂直方向に流れる。
【００２０】
シリンダヘッド１０において、カムシャフト２４が回転することにより所定のタイミングでインテークバルブ１８やエキゾーストバルブ２０の開閉が行われ、図示しないシリンダブロックの所定の気筒に燃料混合気を送り込み、燃焼を行って動力を発生している。前述したように、この燃焼動作により、インテークバルブ１８やエキゾーストバルブ２０の周辺、特にエキゾーストバルブ２０の周辺は高温になる。この高温部位を冷却するためにウォータジャケットの流路２２が形成されているが、前述したように、流路２２を極端に高熱部位に接近させると、高熱部位（例えば、バルブシート部分やその近傍）と流路２２との間に存在する鋳造部品１２の肉厚が薄くなり、剛性の低下、つまり信頼性低下を招く。
【００２１】
そこで、本実施形態では、ウォータジャケットの流路２２が極端に高熱部位に接近することを抑制するために、棒状の高熱伝導部材２６が高温部位から流路２２内に向かって突出するように配置されている。
【００２２】
この高熱伝導部材２６は、例えば、銅等の材料で形成されている。そして、例えば、シリンダヘッド１０をアルミ鋳造する時に使用する中子にセットすることにより、シリンダヘッド１０と容易に一体化している。もちろん、鋳造完了後のシリンダヘッド１０に後付けすることも可能である。
【００２３】
図２には、高熱伝導部材２６の詳細が示されている。高熱伝導部材２６は例えば角柱形状を呈し、一端は、高温部位（例えば、エキゾーストバルブ２０のバルブシート）の近傍まで挿入され、他端は流路２２中に突出している。また、高熱伝導部材２６の流路２２への突出部には、複数の板状の突起翼（フィン）２８が植設されている。このフィン２８の材質は任意であるが、高熱伝導部材２６と同様な高熱伝導材料で形成することにより後述する放熱効果を増大することができる。
【００２４】
高熱伝導部材２６の一端が高温部位近傍まで挿入配置され、他端が冷却液が流れる流路２２に突出しているため、高熱伝導部材２６を介して、高温部位の熱は効率的に流路２２側に伝達される。つまり、高温部位が冷却液によって冷却される。なお、この場合、高熱伝導部材２６は鋳造部品１２に鋳込み形成（または後付け挿入）されるので、高温部位と流路２２との間に存在する鋳造部品１２の肉厚を薄くする必要はなく、十分な剛性を確保することができる。また、流路２２を極端に高温部位に接近させる必要がなくなり、流路２２の経路自体がシンプル化される。そのため、シリンダヘッド１０内における流路２２の全体長も短くすることが可能になり、冷却液の循環効率が向上する。つまり、冷却効率を向上することができる。さらに、ウォータジャケットを含むシリンダヘッド１０の設計も簡略化される。
【００２５】
ところで、高熱伝導部材２６は、流路２２に露出する部分の表面積が広い程放熱効果が大きくなる。そこで、本実施形態では、高熱伝導部材２６の流路２２への突出部分にフィン２８を形成している。本来、流路２２への突出部分の表面積を拡大するのみであれば、高熱伝導部材２６に対するフィン２８の取り付け方は任意であるが、本実施形態においては、図２に示すように、冷却液の流れ（図中矢印Ａ）に対し、上流側が上向きになるように、斜めに固定している。このように、フィン２８を斜めに固定することにより、図２にに示すように、冷却液の流れＡが高熱伝導部材２６の立設根部２６ａ（おおよそ、破線で囲む部分）に向くようにしている。これは、高熱伝導部材２６において、より高温部位に近い部分に積極的に冷却液を供給し、冷却効率を向上させようとするためである。
【００２６】
また、前述したように、高温部位と流路２２との間に存在する鋳造部品１２の十分な剛性を確保できる範囲内で、流路２２は可能な限り高温部位に接近させることが望ましい。そのため、図２に示すように、高温部位近傍で凹部１２ａが形成される場合がある。この場合、冷却液が高温部位に接近する反面、凹部１２ａの部分で冷却液の流れが鈍くなったり滞留したりして、冷却効率が低下するおそれがある。しかし、上述のように、フィン２８を斜めに固定して、冷却液を積極的に立設根部２６ａ、すなわち凹部１２ａに流し込むようにすることで、凹部１２ａにおける冷却液の流れを活性化し滞留を抑制し、効率的な冷却を実現することができる。
【００２７】
図３には、高熱伝導部材２６及びフィン２８の形状のバリエーションを説明する説明図が示されている。図３（ａ）は、後述する図３（ｂ）〜（ｄ）における高熱伝導部材２６及びフィン２８に共通する側面視図である。図３（ｂ）は、高熱伝導部材２６及びフィン２８の上面視図であり、高熱伝導部材２６及びフィン２８が平板矩形形状である場合を示している。また、図３（ｃ）は、高熱伝導部材２６が楕円柱形状を呈し、平板形状のフィン２８が固定されている例である。
【００２８】
図３（ｂ）〜（ｄ）に示すいずれの場合も高熱伝導部材２６により高温部位の熱を流路２２側へ運び、高熱伝導部材２６及びフィン２８から冷却液へと放熱するという機能で共通している。また、フィン２８によって、冷却液の流れＡを高熱伝導部材２６の立設根部２６ａへ強制的に導くという機能で共通し、良好な放熱を実現している。
【００２９】
ところで、ウォータジャケットを構成する流路２２内部では、冷却液はスムーズに流れることが望ましい。すなわち、流路２２内には、流路抵抗となるような物体は存在しない方が好ましい。この場合、流路２２に突出する高熱伝導部材２６及びフィン２８は流路抵抗の原因になり得る。すなわち、高熱伝導部材２６及びフィン２８により放熱効果が向上するが、その一方で冷却液のスムーズな流れを阻害し、冷却効果を低下させる原因になり得る。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、図３（ｃ）に示すように、高熱伝導部材２６を楕円柱とすることで、高熱伝導部材２６に対する冷却液の抵抗を低減し、高熱伝導部材２６が存在する場合でも冷却液の流れがスムーズになるように配慮している。特に、図３（ｄ）のように高熱伝導部材２６を流線形状にすることにより、さらに流路抵抗を低減することが可能となり、冷却液の流れ具合による冷却効率の低下を抑制しつつ、高熱伝導部材２６及びフィン２８による放熱効率向上を実現している。なお、高熱伝導部材２６及びフィン２８の形状は一例であり、流路２２内に突出し、高温部位からの熱を冷却液に放熱する構成であれば、その形状は適宜変更可能である。また、高温部位の温度特性や流路２２の形状等に基づき適宜選択することが好ましい。
【００３１】
ところで、シリンダヘッド１０における高温部位は、その位置により温度が異なり、求められる冷却特性も異なる。例えば、温度が非常に高い部分では、前述したように、立設根部２６ａの周辺に積極的に冷却液を流し込むようにフィン２８の固定角度を大きくすることが望ましい。一方、冷却は必要であるが、極端に高温ではない場合には、流路２２の全体として冷却液がスムーズに流れるように、流路抵抗を低減することが望ましい。つまり、フィン２８の固定角度を小さくして冷却液の流れの方向をあまり変化させないようにすることが望ましい。従って、フィン２８を有する高熱伝導部材２６は、配置する部分に応じて形状の異なるものを選択することが望ましい。しかし、この場合、類似する部品を複数種類準備する必要があり、取扱いが煩雑になるとととも、配置間違い等も発生するおそれがある。
【００３２】
そこで、本実施形態では、配置する場所の温度に応じて、フィン２８の角度が変化するようにしている。具体的には、フィン２８を形状記憶合金で形成し、「フィン角度：大」、「フィン角度：小」のような設定を行う。この場合、「フィン角度：大」の状態を形状記憶させておき、形状記憶合金の設定した変形開始温度以下での状態を「フィン角度：小」としておく。
【００３３】
つまり、効率的な冷却が必要ではあるが、形状記憶合金の変形開始温度以下までしか昇温しない部分では、図４（ａ）に示すように、予め変形させておいた「フィン角度：小」のままフィン２８を有する高熱伝導部材２６として利用可能となる。つまり、冷却液の流れの方向をあまり変化させないようにして、冷却液のスムーズな循環を優先させる。一方、同様に「フィン角度：小」に変形させておいたフィン２８を有する高熱伝導部材２６を形状記憶合金の変形開始温度以上に昇温する高温部分に配置した場合、図４（ｂ）に示すように、変形前の状態、つまり「フィン角度：大」の状態に形状回復する。その結果、フィン２８は、使用時において、積極的に立設根部２６ａの周辺に冷却液を流し込み、高温部位の冷却を優先的に行うように、フィン角度が変化する。
【００３４】
この結果、フィン２８を有する高熱伝導部材２６をシリンダヘッド１０等に配置する場合に、形状回復前の同じ形状の部材を使用することが可能になり、部材の取り扱いや管理が容易となる。また、組み付け間違い等のミスも排除することができる。
【００３５】
なお、同様に、高熱伝導部材２６を形状記憶合金で構成することも可能である。図４（ｃ）は、形状記憶合金の変形開始温度以下の状態であり、この状態で使用する場合は、冷却液の流れの方向はあまり変化せず冷却液の循環を優先させることができる。一方、形状記憶合金の変形開始温度以上に昇温する高温部分に配置した場合には、図４（ｄ）に示すように、形状回復し立設根部２６ａの周辺に積極的に冷却液を流し込むようにすることができる。
【００３６】
高熱伝導部材２６に装着されるフィン２８の枚数は任意であり、フィン２８の全てを形状記憶合金にしてもよし、一部のフィン２８を形状記憶合金にしてもよい。なお、高熱伝導部材２６やフィン２８に形状記憶合金を用いる場合、フィン２８を有する高熱伝導部材２６は、鋳造が完了したシリンダヘッド等に後付けで埋め込まれることもある。この場合、シリンダヘッド等の鋳造部品は分割構造等を採用することができる。
【００３７】
なお、上述の実施形態において、フィン２８を有する高熱伝導部材２６をシリンダヘッド１０に配置した例を示したが、例えば、フィン２８を有する高熱伝導部材２６をシリンダブロックに適用しても上述の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００３８】
また、上述の実施形態において、高温部位の冷却を行う冷却媒体としてウォータジャケットの流路２２を流れる冷却液を例にとって説明したが、例えば、内燃機関内で循環している冷却オイルでも同様な冷却作用をもたらすことが可能である。その場合、高熱伝導部材２６の一方端は、冷却オイルの循環路の一部に露出することになる。
【００３９】
また、本実施形態では、フィン２８を有する高熱伝導部材２６をシリンダヘッド１０のバルブ周辺に配置する例を説明したが、内燃機関内で冷却を効率的に行いたい部分であり、その近傍に冷却媒体の流通する流路が存在する部分であれば、本実施形態のフィン２８を有する高熱伝導部材２６の適用が可能であり、本実施形態と同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態に係る冷却構造を有するシリンダヘッドの概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る冷却構造の高熱伝導部材及びフィンの配置状態を説明する説明図である。
【図３】本実施形態に係る冷却構造の高熱伝導部材及びフィンの形状のバリエーションを示す説明図である。
【図４】本実施形態に係る冷却構造の高熱伝導部材及びフィンを形状記憶合金で形成した場合の使用例を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  シリンダヘッド、１２  鋳造部品、１２ａ  凹部、１４  インテークマニホールド、１６  エキゾーストマニホールド、１８  インテークバルブ、２０  エキゾーストバルブ、２２  流路、２４  カムシャフト、２６  高熱伝導部材、２６ａ  立設根部、２８  フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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