(57)【要約】【課題】シリンダ部の上部と下部との温度差を低減してシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を低減し、かつ、エンジンの早期暖機化を図り得るエンジンの冷却システムを提供すること。【解決手段】アルミ合金製のシリンダヘッド及びシリンダブロックを備えたエンジンの冷却システムにおいて、前記シリンダヘッドに設けられた冷却媒体の第１通路に対して、前記冷却媒体として冷却水を循環的に供給する第１供給手段と、前記シリンダブロックに設けられた冷却媒体の第２通路に対して、前記冷却媒体としてオイルを循環的に供給する第２供給手段と、を備え、前記第２供給手段は、前記エンジンの冷機時には前記オイルの供給を停止して、前記第２通路内からオイルが抜かれた状態とすることを特徴とする。【選択図】図１
2007120305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ合金製のシリンダヘッド及びシリンダブロックを備えたエンジンの冷却システムにおいて、
前記シリンダヘッドに設けられた冷却媒体の第１通路に対して、前記冷却媒体として冷却水を循環的に供給する第１供給手段と、
前記シリンダブロックに設けられた冷却媒体の第２通路に対して、前記冷却媒体としてオイルを循環的に供給する第２供給手段と、を備え、
前記第２供給手段は、
前記エンジンの冷機時には前記オイルの供給を停止して、前記第２通路内からオイルが抜かれた状態とすることを特徴とするエンジンの冷却システム。
【請求項２】
前記シリンダブロックが、
そのシリンダ部の上部の周囲に形成された第１ジャケットと、
前記シリンダ部の下部の周囲に形成された第２ジャケットと、を備え、
前記第１ジャケットが前記第２通路を形成し、前記第２ジャケットが冷却媒体が流通しない空気層を形成するジャケットであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの冷却システム。
【請求項３】
前記オイルが前記エンジンの潤滑用のオイルであり、
前記第２供給手段は、前記第２通路と潤滑用のオイル通路とに前記オイルを循環的に供給し、
前記第２通路は前記オイル通路にオリフィスを介して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの冷却システム。
【請求項４】
前記冷却水と前記オイルとの間で熱交換を行なう熱交換器を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエンジンの冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの冷却技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗は、これが大きいと燃費の悪化等をもたらすため、できるだけ小さい方が望ましいことが知られている。また、エンジンの冷機時には摩擦抵抗が大きくなり易く、早期にエンジンを暖機して摩擦抵抗を低減し、燃費の向上等を図ることが望ましいことも知られている。このような問題に対処する技術として、従来では、例えば、特許文献１及び２に記載のものが提案されている。特許文献１にはシンリダ周壁に電気式ヒータを埋設し、暖機時にシリンダ部周壁を加温することでシリンダ部とピストンとの摩擦抵抗を低減する技術が開示されている。また、特許文献２にはシリンダヘッドとシリンダブロックとでそれぞれ独立して冷却水を循環させる２系統の水冷方式が開示されており、更に冷機時にはシリンダブロックの冷却水の循環を停止し、冷却水を通路に停滞させることで早期にエンジンを暖機することも開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７１８８６号公報
【特許文献２】特開平５−２５６１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、シリンダ部の上方には燃焼室が形成されるため、シリンダブロックはその上部が高温となり易くなる一方、相対的に下部が低温となり易い。この結果、シリンダ部の上部では熱膨張によりボア径が拡大し易く、シリンダ部の上部と下部とでボア径の格差が生じてシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗が大きくなる。すなわち、シリンダ部の上部と下部とでボア径の格差が生じると、低いピストンリングの張力ではガスシール性が低下するため、ピストンリングの張力を高めざるを得ず、この結果、シリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗が大きくなる。
【０００５】
特に近年ではエンジンの軽量化のため、シリンダブロックの素材としてアルミ合金を採用することが普及しつつあるが、アルミ合金は放熱性がよいためシリンダ部の上部と下部とで温度差が生じ易く、この傾向が強くなってシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗が大きくなり易い。更に、エンジンの暖機運転に時間を要する傾向にある。
【０００６】
このような問題に対して、例えば、特許文献１のように電気式ヒータを設ける方策はコスト高を招くため好ましくない。また、特許文献２のものはシリンダ部の上部と下部との温度差の発生に起因するシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗が大きくなる点を解消する技術は提案されていない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、シリンダ部の上部と下部との温度差を低減してシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を低減し、かつ、エンジンの早期暖機化を図り得るエンジンの冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、アルミ合金製のシリンダヘッド及びシリンダブロックを備えたエンジンの冷却システムにおいて、前記シリンダヘッドに設けられた冷却媒体の第１通路に対して、前記冷却媒体として冷却水を循環的に供給する第１供給手段と、前記シリンダブロックに設けられた冷却媒体の第２通路に対して、前記冷却媒体としてオイルを循環的に供給する第２供給手段と、を備え、前記第２供給手段は、前記エンジンの冷機時には前記オイルの供給を停止して、前記第２通路内からオイルが抜かれた状態とすることを特徴とするエンジンの冷却システムが提供される。
【０００９】
この冷却システムによれば、前記シリンダブロックの冷却媒体として水よりも熱伝導率が小さいオイルを用いることで、前記シリンダブロックを必要な範囲で冷却しながらも放熱量を低減し、シリンダ部の上部と下部との温度差を低減する。これにより、ガスシール性を確保した上で、ピストンリングの張力を低下させることができ、シリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を低減できる。更に、前記エンジンの冷機時には前記第２通路に対する前記オイルの供給を停止して、前記第２通路内からオイルが抜かれた状態とすることで、前記シリンダブロックを空冷とし、前記エンジンの早期暖機化を図ることができる。
【００１０】
本発明においては、前記シリンダブロックが、そのシリンダ部の上部の周囲に形成された第１ジャケットと、前記シリンダ部の下部の周囲に形成された第２ジャケットと、を備え、前記第１ジャケットが前記第２通路を形成し、前記第２ジャケットが冷却媒体が流通しない空気層を形成するジャケットである構成を採用できる。この構成によれば、前記シリンダ部の下部の放熱量が特に低減され、シリンダ部の上部と下部との温度差を一層低減し、シリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を一層低減できる。
【００１１】
また、本発明においては、前記オイルが前記エンジンの潤滑用のオイルであり、前記第２供給手段は、前記第２通路と潤滑用のオイル通路とに前記オイルを循環的に供給し、前記第２通路は前記オイル通路にオリフィスを介して接続されている構成を採用できる。この構成によれば、前記エンジンの潤滑用のオイルを前記シリンダブロックの冷却媒体として兼用できる。
【００１２】
また、本発明においては、前記冷却水と前記オイルとの間で熱交換を行なう熱交換器を更に備えた構成を採用できる。この構成によれば、前記熱交換器を、前記エンジンの冷機時には前記オイルのオイルウォーマとして、また、暖機後にはオイルクーラとして活用できる。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べた通り、本発明によれば、シリンダ部の上部と下部との温度差を低減してシリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を低減し、かつ、エンジンの早期暖機化を図り得るエンジンの冷却システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る冷却システムＡのシステム図である。冷却の対象となるエンジン１００は多気筒のレシプロエンジンであって、シリンダヘッド１１０と、シリンダブロック１２０と、オイルパン１３０と、を備える。シリンダヘッド１１０とシリンダブロック１２０とはいずれもアルミ合金製のものを想定している。
【００１５】
まず、シリンダヘッド１１０を冷却する構成について説明する。シリンダヘッド１１０には、シリンダヘッド１１０に設けられる点火プラグや排気バルブ周辺等、エンジン１００の駆動時に高温となる燃焼室回りに、冷却媒体が通過する第１通路１１０ａが形成されている。本実施形態においてシリンダヘッド１１０の冷却方式は水冷であり、従って冷却媒体は冷却水である。冷却システムＡは冷却水を循環的に第１通路１１０ａに供給する供給手段を構成するウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１を備える。ウォータポンプ１はエンジン１００の出力により駆動される。冷却水の循環経路は図中、一点破線の矢印で示されている。
【００１６】
本実施形態においてウォータポンプ１から圧送される冷却水は第１通路１１０ａと熱交換器（Ｈ／Ｅ）２とにそれぞれへ供給される。第１通路１１０へ供給された冷却水は第１通路１１０からサーモスタット３へ排出される。第１通路１１０とサーモスタット３との間の配管には水温センサ４が配設されており、第１通路１１０から排出された冷却水の水温を検知する。サーモスタット３は冷却水が予め定めた温度を超えると、ラジエータ５へ当該冷却水を排出し、当該温度を超えない間はウォータポンプ１へ冷却水を戻す。
【００１７】
従って、冷却水が当該温度を超えない間は、ウォータポンプ１⇒第１通路１１０ａ⇒サーモスタット３⇒ウォータポンプ１という経路で冷却水が循環する。一方、冷却水が当該温度を越える間はウォータポンプ１⇒第１通路１１０ａ⇒サーモスタット３⇒ラジエータ５⇒ウォータポンプ１という経路で冷却水が循環し、ラジエータ５により冷却水の冷却が促進される。ウォータポンプ１から熱交換器２へ圧送された冷却水は、熱交換器２により後述するオイルと熱交換がされてサーモスタット３へ流入する。
【００１８】
次に、シリンダブロック１２０を冷却する構成について説明する。シリンダブロック１２０には、その各シリンダ部（不図示）を冷却すべく、当該各シリンダ部の周囲に冷却媒体が通過する第２通路としてオイルジャケット１２０ａが形成されている。本実施形態においてシリンダブロック１２０の冷却方式は油冷であり、従って冷却媒体はオイルである。また、本実施形態ではエンジン１００内の各摺動部分を潤滑する潤滑用のオイルを冷却媒体として兼用する。
【００１９】
冷却システムＡはオイルを循環的にオイルジャケット１２０ａに供給する供給手段を構成するオイルポンプ（Ｏ／Ｐ）１１を備える。オイルポンプ１１は、また、シリンダブロック１２０に設けられた、潤滑用としてのオイルを供給するためのメインギャラリー１２０ｂや、シリンダヘッド１１０に設けられ、シリンダヘッド１１０の各摺動部分へ潤滑用としてのオイルの油路１１０ｂにオイルを循環的に供給する手段としても機能する。オイルポンプ１１はエンジン１００の出力により駆動される。オイルの循環経路は図中、実線の矢印で示されている。
【００２０】
本実施形態においてオイルポンプ１１から圧送されるオイルは、３方向の制御弁１２の切替えに応じて熱交換器２又はオイルフィルタ（Ｏ／Ｆ）１３へ供給される。オイルが熱交換器２へ供給される場合、オイルはウォータポンプ１から熱交換器２へ圧送される冷却水と熱交換がされてオイルフィルタ１３へ供給される。制御弁１２から又は熱交換器２からオイルフィルタ１３へ供給されたオイルは、濾過されてメインギャラリー１２０ｂへ供給される。
【００２１】
オイルフィルタ１３とメインギャラリー１２０ｂとの間では、オイル通路が分岐し、分岐したオイル通路はオイルジャケット１２０ａへ接続されている。オイル通路の分岐点とオイルジャケット１２０ａとの間には制御弁１４とオリフィス１５ａとが配設されている。制御弁１４を開放するとオイルフィルタ１３からメインギャラリー１２０ｂへ圧送されるオイルの一部がオイルジャケット１２０ａに供給され、制御弁１４を閉じるとオイルジャケット１２０ａにはオイルが供給されなくなり、制御弁１４及びこれを制御する後述する制御部２０もオイルを循環的にオイルジャケット１２０ａに供給する供給手段を構成する。
【００２２】
オリフィス１５ａはオイルジャケット１２０ａに供給されるオイルの量を調整するために配設されている。オイルジャケット１２０ａを通過したオイルはオイルジャケット１２０ａから落流してオイルパン１３０により回収される。オイルジャケット１２０ａのオイルの排出部にもオリフィス１５ｂが配設されている。これもオイルジャケット１２０ａ内のオイルの量を調整するために配設されている。
【００２３】
オイルパン１３０内のオイルはオイルポンプ１１に吸引されて圧送されることになる。従って、冷却媒体としてのオイルは、オイルポンプ１１⇒制御弁１２⇒オイルフィルタ１３又は熱交換器２及びオイルフィルタ１３⇒制御弁１４⇒オリフィス１５ａ⇒オイルジャケット１２０ａ⇒オリフィス１５ｂ⇒オイルパン１３０⇒オイルポンプ１１という経路で循環する。
【００２４】
メインギャラリー１２０ｂへ供給されたオイルは、その一部がクランク軸の摺動部分に供給され、当該摺動部分から落流してオイルパン１３０により回収される。また、メインギャラリー１２０ｂへ供給されたオイルはシリンダヘッド１１０の油路１１０ｂへ供給される。油路１１０ｂに供給されたオイルはシリンダヘッド１１０内の摺動部分に供給され、当該摺動部分から落流してシリンダブロック１２０を通過し、オイルパン１３０により回収される。しかして、オイルパン１３０に回収されたオイルはオイルポンプ１１により上記の潤滑系統へも再び圧送されることになる。
【００２５】
図１（ｂ）は冷却システムＡの制御部２０のブロック図である。制御部２０はＣＰＵ２１と、ＣＰＵ２１が実行する、後述する処理のプログラムを格納したＲＯＭ２２と、ＣＰＵ２１のワークエリアを提供するＲＡＭ２３と、入力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２４と、出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２５と、を備える。なお、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３は他の記憶手段であってもよい。
【００２６】
入力Ｉ／Ｆ２４には水温センサ４が接続されており、ＣＰＵ２１は入力Ｉ／Ｆ２４を介して水温センサ４の検知結果を取得する。出力Ｉ／Ｆ２５には制御弁１２、１４が接続されており、ＣＰＵ２１は出力Ｉ／Ｆ２５を介して制御弁１２、１４を開閉する。
【００２７】
図２は制御部２０のＣＰＵ２１が実行する処理のフローチャートである。この処理はエンジン１００の始動により実行される。なお、エンジン１００の始動によりウォータポンプ１及びオイルポンプ１１も作動する。
【００２８】
Ｓ１では水温センサ４の検知結果を取得し、シリンダヘッド１１０の第１通路１１０ａを通過した冷却水の水温を検知する。Ｓ２ではＳ１で検知した水温が第１閾値を超えているか否かを判定する。第１閾値は例えば摂氏４０度程度である。該当する場合はＳ３へ進み、該当しない場合はＳ４へ進む。
【００２９】
Ｓ３では制御弁１２を制御して、オイルポンプ１１と熱交換器２との間でオイルの通路が形成されるように弁の開閉状態を切替える。Ｓ４ではオイルポンプ１１とオイルフィルタ１３との間でオイルの通路が形成されるように弁の開閉状態を切替える。つまり、冷却水の水温が第１閾値以下の場合はオイルと冷却水との熱交換を行なわず、第１閾値を超えるとオイルと冷却水との熱交換を行なう。
【００３０】
Ｓ５ではＳ１で検知した水温が第２閾値を超えているか否かを判定する。第２閾値は、エンジン１００が冷機時か否かを判定するための閾値であり、例えば摂氏７０度程度である。該当する場合はＳ６へ進み、該当しない場合はＳ７へ進む。Ｓ６では制御弁１４を開き、オイルをオイルジャケット１２０ａに供給する。これによりシリンダブロック１２０のシリンダ部が油冷され、ピストンリングとシリンダ部との摩擦抵抗を低減する。
【００３１】
一方、Ｓ７ではエンジン１００が冷機時であると判断して制御部１４を閉じ、オイルジャケット１２０ａへのオイルの供給を停止する。オイルジャケット１２０ａ内のオイルはオイルパン１３０へ落流するので、オイルジャケット１２０ａへのオイルの供給を停止すると、オイルジャケット１２０ａ内からオイルが抜かれた状態となり、シリンダブロック１２０のシリンダ部は空冷となる。つまり、シリンダブロック１２０は冷機時には空冷となり、暖機時には油冷となる。シリンダヘッド１１０は常時水冷である。Ｓ６又はＳ７の処理により一単位の処理が終了し、Ｓ１へ戻って同様の処理を繰り返すことになる。
【００３２】
次に、冷却システムＡの効果について説明する。一般にエンジンの構成部品のうちで特に冷却が必要なのは燃焼室を構成するシリンダヘッドであり、シリンダブロックはシリンダヘッドに比べれば冷却の必要性は小さい。アルミ合金は放熱性が高いため、シリンダヘッド及びシリンダブロックをアルミ合金製とした場合には、上記の通り、シリンダブロックの上部と下部とで温度差が生じてボア径の格差が生じ、シリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗の増大を招く虞がある。ここで、オイルと水と空気の熱伝導率はそれぞれ、０．１２５、０．６３、０．０２６（Ｗ／ｍ・℃）であり、オイルは水に比べて熱伝導率が極めて小さい。また、空気は更に小さい。
【００３３】
そこで、本実施形態ではシリンダヘッド１１０は水冷とし、シリンダヘッド１１０が放熱性の高いアルミ合金製であることとの兼ね合いで、冷却性能を向上することができる。一方、シリンダブロック１２０は水よりも熱伝導率の低いオイルによる油冷とすることで、シリンダブロック１２０を必要な範囲で冷却しながらも放熱量を低減し、シリンダ部の上部と下部との温度差を低減する。つまり、放熱性を悪くすることでシリンダ部の上部と下部との間の熱の伝導性を高め、温度差を低減する。これにより、シリンダ部とピストンリングとの摩擦抵抗を低減できる。更に、エンジン１１０の冷機時にはオイルジャケット１２０ａからオイルを抜いてシリンダブロック１２０を空冷とすることで、エンジン１００の早期暖機化を図ることができる。なお、一般にはエンジン１００の始動時にはオイルジャケット１２０ａからオイルがオイルパン１３０へ落流済みであると想定されるから、エンジン１００の始動時にはシリンダブロック１２０は実際上、常に空冷となり、早期暖機化が図り易い。また、オイルは水に比べてエア混入等の問題が生じ難いので通路から抜き易いという利便性もある。
【００３４】
また、本実施形態ではシリンダブロック１２０の冷却媒体として、エンジン１００の潤滑用のオイルを兼用することで、当該オイルの有効活用を図ることができる。なお、シリンダブロック１２０の冷却媒体としてのオイルを、潤滑用のオイルと別系統とすることも可能であるが、両者を兼用することで構成を簡略化することができる。
【００３５】
また、本実施形態では熱交換器１２を設けて冷却水とオイルとの熱交換を行なうようにしたので、エンジン１００の冷機時には熱交換器１２をオイルウォーマとして、また、暖機後にはオイルクーラとして活用できる。
【００３６】
詳細には、冷却水は熱伝導率が高く、かつ、より高温となるシリンダヘッド１１０を冷却するので、エンジン１００の冷機時にはオイルよりも冷却水の方が温度上昇が早くなる。しかして、オイルをオイルジャケット１２０ａへ供給する際に、オイルがある程度温まった状態で供給でき、早期暖機化が図れる。また、本実施形態のようにオイルを潤滑用として兼用する場合には、潤滑用のオイルとしての油温の早期上昇も図れ、摺動部分の摩擦抵抗低減に役立つ。一方、エンジン１００の暖機後、特に、エンジン１００に負荷をかけた場合には、オイルの油温は上昇し易いが、冷却水はラジエータ５により冷却されるため、左程上昇しない。従って、熱交換器１２をオイルクーラとして活用できることになる。
【００３７】
＜他の実施形態＞
上記実施形態ではオイルジャケット１２０ａを１系統としたが、ジャケットを２系統とすることもできる。図３は本発明の他の実施形態に係るシリンダブロック１２０’の要部構成図である。シリンダブロック１２０’はシリンダ部１２１の上部の周囲に形成された第１ジャケット１２２と、シリンダ部１２１の下部の周囲に形成された第２ジャケット１２３と、を備える。シリンダ部１２１にはシリンダライナ１２１ａが設けられている。
【００３８】
しかして、第１ジャケット１２２は上記のオイルジャケット１２０ａと同様に暖機後には冷却媒体としてオイルが供給され、冷機時にはオイルの供給を遮断し、オイルが抜かれた状態とする。一方、第２ジャケット１２３には冷却媒体を流通させ、常時空気層とする。この構成によれば、シリンダ部１２１の下部の放熱量が特に低減され、シリンダ部１２１の上部と下部との温度差を一層低減し、シリンダ部１２１と不図示のピストンリングとの摩擦抵抗を一層低減できる。
【００３９】
なお、図３の構成では第２ジャケット１２３が形成されない部分を設け、ここに第１ジャケット１２２内のオイルをオイルパンへ落流させるための排出通路１２２ａを形成し、第１ジャケット１２２と連通させている。排出通路１２２ａの下端部は穴径を小さくしてオリフィスを形成するようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る冷却システムＡのシステム図、（ｂ）は冷却システムＡの制御部１００のブロック図である。
【図２】制御部２０のＣＰＵ２１が実行する処理のフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施形態に係るシリンダブロック１２０の要部構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ  冷却システム
１  ウォータポンプ
１１  オイルポンプ
１２、１４  制御弁
２０  制御部
１００  エンジン
１１０  シリンダヘッド
１１０ａ  第１通路
１２０  シリンダブロック
１２０ａ  オイルジャケット
【図１】
2007120305.tif 000003
【図２】
2007120305.tif 000004
【図３】
2007120305.tif 000005