JP2006161689A - 過給装置付エンジンの冷却水通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び軽量化を図ることが可能な過給装置付エンジンの冷却水通路構造を提供する。
【解決手段】エンジンに取り付けられたターボチャージャ２０に冷却水を流通させてターボチャージャ２０の軸受部２４を冷却するための過給装置付エンジン１の冷却水通路構造は、エンジン１のシリンダヘッド１０に、シリンダヘッド冷却用ウォータジャケット１５、１４を外部に連通させる供給側出口通路１５ａ及び返還側入口通路１４ａが形成されており、供給側出口通路１５ａから供給側パイプ２７を介してターボチャージャ２０に設けられた軸受部冷却用ウォータジャケット２５に至る供給通路と、当該軸受部冷却用ウォータジャケット２５から返還側パイプ２８を介してシリンダヘッド１０の返還側入口通路１４ａに至る返還通路と、を備えている。
【選択図】図１

Description

エンジンに取り付けられた過給装置に冷却水を流通させて過給装置の軸受部を冷却するための過給装置付エンジンの冷却水通路構造に関する。

エンジンに取り付けられたターボチャージャに冷却水を流通させて当該ターボチャージャの軸受部を冷却するための過給装置付エンジンの冷却水通路構造として、ウォータインレットとターボチャージャの軸受部冷却用ウォータジャケットとをパイプを介して連通させると共に、当該ウォータジャケットとウォータアウトレットとを他のパイプで連通させたものが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような冷却通路構造では、ウォータインレットやウォータアウトレットから軸受部冷却用ウォータジャケットまでのパイプ長が必然的に長くなるので、配管に多くのスペースを必要としたり重量が嵩んだりする。
実開平２−８７９３２号公報

本発明は、小型化及び軽量化を図ることが可能な過給装置付エンジンの冷却水通路構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、エンジンに取り付けられた過給装置に冷却水を流通させて前記過給装置の軸受部を冷却するための過給装置付エンジンの冷却水通路構造であって、前記エンジンのシリンダヘッドに、当該シリンダヘッドに設けられたシリンダヘッド冷却用ウォータジャケットを外部に連通させる供給側出口通路及び返還側入口通路が形成されており、前記供給側出口通路から、供給側パイプを介して、前記過給装置に設けられた軸受部冷却用ウォータジャケットに至る供給通路と、前記軸受部冷却用ウォータジャケットから、返還側パイプを介して、前記シリンダヘッドに形成された前記返還側入口通路に至る返還通路と、を備えた過給装置付エンジンの冷却水通路構造が提供される。

本発明では、過給装置が取り付けられたエンジンのシリンダヘッドに、シリンダヘッド冷却用ウォータジャケットを外部に連通させる供給側出口通路及び返還側入口通路を形成し、供給側パイプを介して供給側出口通路と軸受部冷却用ウォータジャケットとを連通させると共に、返還側パイプを介して軸受部冷却用ウォータジャケットと返還側入口通路とを連通させる。

そして、本発明では、過給装置の軸受部を冷却するための冷却水を、シリンダヘッド冷却用ウォータジャケットから軸受部冷却用ウォータジャケットへ導き、さらにそれをシリンダヘッド冷却用ウォータジャケットに返還する。

このようにシリンダヘッド内を流通する冷却水を用いて過給装置の軸受部を冷却することにより、シリンダヘッド冷却用ジャケットと軸受部冷却用ウォータジャケットとの間に設けられた供給側パイプ及び返還側パイプのパイプ長を短くすることが出来、過給装置付エンジンの小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態におけるターボチャージャ付きエンジンの要部断面図であり、特にシリンダヘッド及びターボチャージャを示す断面図、図２は本発明の実施形態におけるシリンダヘッドのウォータジャケット内の冷却水の流れを示すと共にターボチャージャの平面図を示す図、図３（Ａ）は本発明の実施形態におけるシリンダヘッドのフランジ締結面を示す正面図、図３（Ｂ）は本発明の実施形態におけるフランジのシリンダヘッド締結面を示す正面図である。

本発明の実施形態に係るエンジン１は、自動車等に用いられるターボチャージャ（排気タービン駆動過給装置）付きの内燃機関であり、シリンダヘッド１０の上部にシリンダカバー（不図示）が取り付けられていると共に、当該シリンダヘッド１０の下部にシリンダブロック３０が取り付けられており、さらに、シリンダヘッド１０の排気ポート１２が導管２１ａを介して排気タービン２１に連通するように、シリンダブロック１０にターボチャージャ２０が取り付けられている。

先ず、本実施形態に係るターボチャージャ付きエンジン１のシリンダヘッド１０について説明する。

このシリンダヘッド１０は、図１及び図２に示すように、吸気ポート１１が燃焼室３２に連通するように形成されていると共に、複数の排気ポート１２（図２の点線参照）が当該シリンダヘッド１０内で集合するように形成されており、ターボチャージャ２０をシリンダヘッド１０に直接取り付けることが可能となっている。

このシリンダヘッド１０には、図１及び図２に示すように、吸気ポート１１側を冷却するための吸気側ウォータジャケット１３と、排気ポート１２の上方を冷却するための排気側上方ウォータジャケット１４と、排気ポート１２の下方を冷却するための排気側下方ウォータジャケット１５と、が設けられている。

また、このシリンダヘッド１０には、図２に示すように、ウォータポンプ（不図示）の作用により例えばシリンダブロック３０等から冷却水が当該シリンダヘッド１０内に流入する冷却水入口１６と、シリンダヘッド１０内から例えばウォータアウトレットを介してラジエータ等に冷却水が排出される冷却水出口１７と、が形成されている。

そして、このシリンダヘッド１０内において、同図に示すように、冷却水入口１６からシリンダヘッド１０内に進入した水流Ｉ_１の冷却水は、それぞれのウォータジャケット１３〜１５に分流し、所定部位を冷却した後に水流Ｉ_７として合流して冷却水出口１７を介して外部に排出される。

具体的には、冷却水入口１６から吸気側ウォータジャケット１３に導かれた冷却水は、水流Ｉ_２として吸気ポート１１側を冷却した後、冷却水出口１７から排出される。また、冷却水入口１６から排気側上方ウォータジャケット１４に導かれた冷却水は、水流Ｉ_３〜Ｉ_５として、点火プラグ５１やエキゾーストバルブガイド５２、ヘッドボルト５３等の周囲を含めた排気ポート１２側の上方を冷却した後、冷却水出口１７から排出される。さらに、冷却水入口１６から排気側下方ウォータジャケット１５に導かれた冷却水は、水流Ｉ_６として、排気ポート１２の下方を冷却した後、冷却水出口１７から排出される。

さらに、本実施形態におけるシリンダヘッド１０には、図１〜図３（Ａ）に示すように、排気側下方ウォータジャケット１５を外部に連通させる供給側出口通路１５ａが形成されている。この供給側出口通路１５ａは、後述するフランジ２６がシリンダヘッド１０に取り付けられた際に、当該フランジ２６に形成された供給側貫通孔２６ａと連通することが可能となっている。

この供給側出口通路１５ａの開口周囲には環状溝１５ｃが形成されており、この環状溝１５ｃにはＯリング１５ｄが挿入されている。そして、このＯリング１５ｄにより、ターボチャージャ３０がシリンダヘッド１０に取り付けられた際に、供給側出口通路１５ａと供給側貫通孔２６ａとの高い密封性を維持することが出来、冷却水の漏洩を防止することが可能となっている。

同様に、本実施形態におけるシリンダヘッド１０には、排気側上方ウォータジャケット１４を外部に連通させる返還側入口通路１４ａが形成されている。この返還側入口通路１４ａは、フランジ２６がシリンダヘッド１０に取り付けられた際に、当該フランジ２６に形成された返還側貫通孔２６ｂと連通することが可能となっている。

この返還側入口通路１４ａの開口周囲には環状溝１４ｃが形成されており、この環状溝１４ｃにはＯリング１４ｄが挿入されている。そして、このＯリング１４ｄにより、ターボチャージャ２０がシリンダヘッド１０に取り付けられた際に、返還側入口通路１４ａと返還側貫通孔２６ｂとの高い密封性を維持することが出来、冷却水の漏洩を防止することが可能となっている。

さらに、図２に示すように、排気側下方ウォータジャケット１５内における供給側出口通路１５ａの開口周縁には、当該開口周囲における冷却水の水流Ｉ_６に対向するように湾曲した形状を持つ動圧板１５ｂが設けられている。このような動圧板１５ｂを設けることにより、排気側下方ウォータジャケット１５の水流Ｉ６を利用して、冷却水を当該ウォータジャケット１５から供給側出口通路１５ａ内に動圧により積極的に流出させることが可能となっている。

これに対し、排気側上方ウォータジャケット１４内における返還側入口通路１４ａの開口周縁には、当該開口周囲における冷却水の水流Ｉ_５に沿うように湾曲した形状を持つ負圧板１４ｂが設けられている。このような負圧板１４ｂを設けることにより、排気側上方ウォータジャケット１４における水流Ｉ_５を利用して、冷却水を返還側入口通路１４ａから当該ウォータジャケット１４内に負圧により積極的に流入させることが可能となっている。

次に、本実施形態に係るターボチャージャ付きエンジン１のターボチャージャ２０について説明する。

このターボチャージャ２０は、図１及び図２に示すように、排気タービン２１、コンプレッサ２２、シャフト２３、軸受部２４、フランジ２６、供給側パイプ２７、及び、返還側パイプ２８を備えている。

排気タービン２１は、エンジン１からの排気ガスにより回転するタービンホイール（不図示）を有しており、導管２１ａを介してシリンダヘッド１０の排気ポート１２に連通している。コンプレッサ２２は、エンジン１に空気を過給するためのコンプレッサホイール（不図示）を有している。ベアリング（不図示）等を有する軸受部２４は、回転軸心を中心としてシャフト２３を回転自在に保持している。このシャフト２３の一方の端部にはタービンホイールが固定されているのに対し、他方の端部にはコンプレッサホイールが固定されている。

そして、エンジン１の排気ガスが排気ポート１２及び導管２１ａを介して排気タービン２１に進入すると、タービンホイールが回転し、この回転力がシャフト２４を介してコンプレッサホイールに伝達し、コンプレッサ２２においてコンプレッサホイールが回転して空気を過給することが可能となっている。

さらに、軸受部２４の内部には、軸受部冷却用ウォータジャケット２５が設けられており、このウォータジャケット２５内に冷却水を流通させることにより、回転するシャフト２４を回転自在に保持しているベアリング等を冷却させることが可能となっている。

この軸受部２４には、管状部材である供給側パイプ２７が軸受部冷却用ウォータジャケット２５の下部に連通するように、供給側パイプ２７の一方の端部が取り付けられている。

この供給側パイプ２７の他方の端部は、フランジ２６に形成された供給側貫通孔２６ａに供給側パイプ２７が連通するように、フランジ２６に取り付けられている。

このフランジ２６の供給側貫通孔２６ａは、シリンダヘッド１０の供給側出口通路１５ａに対向するような位置に形成されており、フランジ２６をシリンダヘッド１０に取り付けた際に、供給側貫通孔２６ａと供給側出口通路１５ａとが連通するようになっている。

従って、本実施形態では、シリンダヘッド１０の排気側下方ウォータジャケット１５と、ターボチャージャ２０の軸受部冷却用ウォータジャケット２５とは、シリンダヘッド１０の供給側出口通路１５ａ、フランジ２６の供給側貫通孔２６ａ、及び、供給側パイプ２７から成る供給通路により連通している。

同様に、軸受部２４には、管状部材である返還側パイプ２８が軸受部冷却用ウォータジャケット２５の上部に連通するように、返還側パイプ２８の一方の端部が取り付けられている。

この返還側パイプ２８の他方の端部は、フランジ２６に形成された返還側貫通孔２６ｂに返還側パイプ２８が連通するように、フランジ２６に取り付けられている。

このフランジ２６の返還側貫通孔２６ｂは、シリンダヘッド１０の返還側入口通路１４ａに対向するような位置に形成されており、フランジ２６をシリンダヘッド１０に取り付けた際に、返還側貫通孔２６ｂと返還側入口通路１４ａとが連通するようになっている。

従って、本実施形態では、ターボチャージャ２０の軸受部冷却用ウォータジャケット２５と、シリンダヘッド１０の排気側上方ウォータジャケット１４とは、返還側パイプ２８、フランジ２６の返還側貫通孔２６ｂ、及び、シリンダヘッド１０の返還側入口通路１４ａからなる返還通路により連通している。

本実施形態では、以上のような構成により、各パイプ２７、２８を、軸受部２４及びフランジ２６に予め固定することが可能な構造となっている。そのため、ターボチャージャ２０、各パイプ２７、２８及びフランジ２６を一旦組み立てた後（サブアッセンブリした後）に、当該ターボチャージャ２０とシリンダヘッド１０との組立を行うことが出来るので、ターボチャージャ付きエンジン１の組立工数を低減することが可能となる。

また、本実施形態では、フランジ２６に供給側貫通孔２６ａ及び返還側貫通孔２６ｂを形成したことにより、フランジ２６自体の内部に冷却水が流通することとなったので、エンジン作動時にフランジ２６及びシリンダヘッド１０に発生する熱応力を低減することが可能となる。

ターボチャージャ２０のフランジ２６の略中央には、シリンダヘッド１０の排気ポート１２に対向するような位置に排気通路２６ｃが形成されており、フランジ２６をシリンダヘッド１０に取り付けた際に、排気通路２６ｃと排気ポート１２とが連通するようになっている。なお、この排気通路２６ｃの反対面には、排気タービン２１に連通した導管２１ａが取り付けられている。

さらに、このフランジ２６には、図３（Ｂ）に示すような４カ所にボルト貫通孔２６ｄが形成されており、図３（Ａ）に示すシリンダヘッド１０に形成されたボルト締結穴１８に対して位置決めして、各ボルト貫通孔２６ｄにボルト２９をそれぞれ挿入して締結することにより、ターボチャージャ２０をシリンダヘッド１０に固定することが可能となっている。

次に作用について説明する。

シリンダヘッド１０の吸気ポート１１を介して供給された混合気を、シリンダ３１とピストン４０で囲まれた燃焼室３２で燃焼させると、この燃焼により生じた排気ガスが排気ポート１２から排気され、排気通路２６ｃ及び導管２１ａを介してターボチャージャ２０の排気タービン２１に導入される。そして、タービンホイールが回転し、シャフト２３を介して、コンプレッサ２２のコンプレッサホイールが回転を開始し、吸気ポート１１に供給される空気が過給される。

このようなエンジン作動の間、シリンダヘッド１０内には冷却水入口１６から冷却水が取り込まれ、各ウォータジャケット１３〜１５に冷却水の水流Ｉ_２〜Ｉ_６が発生し、シリンダヘッド１０の所定部位を冷却した後に冷却水出口１７から冷却水が水流Ｉ_７として外部に排出されている。

この際、排気側下方ウォータジャケット１５を流れる水流Ｉ_６のうちの一部の冷却水が、排気側下方ウォータジャケット１５から供給側出口通路１５ａ内に流出し、さらにフランジ２６の供給側貫通孔２６ａを介して供給側パイプ２７に流れ込む（図１及び図２の水流Ｓ_１）。そして、供給側パイプ２７に流れ込んだ冷却水は、当該パイプ２７内を進んで、軸受部冷却用ウォータジャケット２５内に至り（図１の水流Ｓ_２）、当該ウォータジャケット２５内を流通して軸受部２４を冷却する。

冷却後の冷却水は、軸受部冷却用ウォータジャケット２５から返還側パイプ２８に入り込む（図１の水流Ｒ_１）。この返還側パイプ２８に入り込んだ冷却水は、当該パイプ２８内を進んで、フランジ２６の返還側貫通孔２６ｂに至り、さらにシリンダヘッド１０の返還側通路１４ａを介して排気側上方ウォータジャケット１４内に流入する（図１及び図２の水流Ｒ_２）。排気側上方ウォータジャケット１４に流入した冷却水は、当該ウォータジャケット１４の水流Ｉ_５と合流し、さらに、シリンダヘッド１０内を流通してきた他の冷却水と共に冷却水出口１７から排出される。

従って、本実施形態では、冷却水入口１６からシリンダヘッド１０内に流入した冷却水は、水流Ｉ_２〜Ｉ_６としてシリンダヘッド１０内を流れる他に、水流Ｓ_１及びＳ_２により、ターボチャージャ２０の軸受部冷却用ウォータジャケット２５に供給され、さらに当該冷却水が、水流Ｒ_１及びＲ_２として、当該ウォータジャケット２５からシリンダヘッド１０内に返還されるようになっており、シリンダヘッド１０を流れる冷却水を利用してターボチャージャ２０の軸受部２４を冷却することが可能となっている。

これにより、シリンダヘッド冷却用ジャケット１５、１４と軸受部冷却用ウォータジャケット２５との間に設けられた供給側パイプ２７及び返還側パイプ２８のパイプ長を短くすることが出来るので、ターボチャージャ付きエンジン１の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、供給側出口通路１５ａの開口周縁に動圧板１５ｂを設けると共に、返還側入口通路１４ａの開口周縁に負圧板１４ｂを設けることにより、ターボチャージャ２０の軸受部冷却用ウォータジャケット２５への供給側の圧力と、当該ウォータジャケット２５からの返還側の圧力との差圧を大きくすることが出来る。これにより、ターボチャージャ２０に安定して冷却水を循環させることが出来、ターボチャージャ２０の信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、シリンダヘッド１０において、返還側入口通路１４ａが供給側出口通路１５ａに対して相対的に高く形成されている。このため、デッドソーク（高負荷運転直後の停止）時でも、シリンダヘッド１０のウォータジャケット１４、１５とターボチャージャ２０のウォータジャケット２５との間に冷却水の自然循環を発生させることが出来るので、ターボチャージャ２０の信頼性を高めることが可能となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、本実施形態では、ターボチャージャ付きエンジンとして、ターボチャージャをシリンダヘッドに直接取り付けるタイプのものを説明したが、本発明においては特にこれに限定されず、エンジンからエキゾーストマニホールドを分離したタイプであっても良い。

また、本実施形態では、シリンダヘッド１０の供給側出口通路１５ａ及び返還側入口通路１４ａの開口周囲に、Ｏリング１５ｄ、１４ｄを挿入するための環状溝１５ｃ、１４ｃを形成するように説明したが、本発明では特にこれに限定されず、フランジ２６の供給側貫通孔２６ａ及び返還側貫通孔２６ｂの開口周囲に環状溝を形成しても良い。

図１は、本発明の実施形態に係るターボチャージャ付きエンジンの要部断面図であり、特にシリンダヘッド及びターボチャージャを示す断面図である。 図２は、本発明の実施形態におけるシリンダヘッドのウォータジャケット内における冷却水の流れを示すと共にターボチャージャの平面図を示す図である。 図３（Ａ）は、本発明の実施形態におけるシリンダヘッドのフランジ締結面を示す正面図であり、図３（Ｂ）は、本発明の実施形態におけるフランジのシリンダ締結面を示す正面図である。

符号の説明

１…ターボチャージャ付きエンジン
１０…シリンダヘッド
１１…吸気ポート
１２…排気ポート
１３…吸気側ウォータジャケット
１４…排気側上方ウォータジャケット
１４ａ…返還側入口通路
１４ｂ…負圧板
１４ｃ…環状溝
１４ｄ…Ｏリング
１５…排気側下方ウォータジャケット
１５ａ…供給側出口通路
１５ｂ…動圧板
１５ｃ…環状溝
１５ｄ…Ｏリング
１６…冷却水入口
１７…冷却水出口
２０…ターボチャージャ
２１…排気タービン
２２…コンプレッサ
２３…シャフト
２４…軸受部
２５…軸受部冷却用ウォータジャケット
２６…フランジ
２６ａ…供給側貫通孔
２６ｂ…返還側貫通孔
２７…供給側パイプ
２８…返還側パイプ
Ｉ_１〜Ｉ_６…シリンダヘッド内のウォータジャケットにおける冷却水の水流
Ｓ_１、Ｓ_２…供給通路を通過する冷却水の水流
Ｒ_１、Ｒ_２…返還通路を通過する冷却水の水流

Claims (6)

1. エンジンに取り付けられた過給装置に冷却水を流通させて前記過給装置の軸受部を冷却するための過給装置付エンジンの冷却水通路構造であって、
   前記エンジンのシリンダヘッドに、当該シリンダヘッドに設けられたシリンダヘッド冷却用ウォータジャケットを外部に連通させる供給側出口通路及び返還側入口通路が形成されており、
   前記供給側出口通路から、供給側パイプを介して、前記過給装置に設けられた軸受部冷却用ウォータジャケットに至る供給通路と、
   前記軸受部冷却用ウォータジャケットから、返還側パイプを介して、前記シリンダヘッドに形成された前記返還側入口通路に至る返還通路と、を備えた過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
2. 前記シリンダヘッド冷却用ウォータジャケット内における前記供給側出口通路の開口周縁に、当該開口周囲における冷却水の水流に対向するような形状を持つ動圧板が設けられ、
   前記シリンダヘッド冷却用ウォータジャケット内における前記返還側入口通路の開口周縁に、当該開口周囲における冷却水の水流に沿うような形状を持つ負圧板が設けられている請求項１記載の過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
3. 前記供給側パイプ及び前記返還側パイプは、その一方の端部が、前記シリンダヘッドと前記過給装置との間に介装されたフランジに固定され、その他方の端部が、前記過給装置の軸受部に固定されており、
   前記フランジには、
   前記供給側出口通路と前記供給側パイプとを連通する供給側貫通孔と、
   前記返還側パイプと前記返還側入口通路とを連通する返還側貫通孔と、が形成された請求項１又は２記載の過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
4. 前記シリンダヘッドの前記返還側入口通路は、前記供給側出口通路に対して相対的に高く形成されている請求項３記載の過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
5. 前記供給側出口通路は、前記シリンダヘッドの排気ポートの下方に位置する排気側下方ウォータジャケットに連通し、
   前記返還側入口通路は、前記シリンダヘッドの排気ポートの上方に位置する排気側上方ウォータジャケットに連通している請求項４記載の過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
6. 前記シリンダヘッドの前記フランジに対向する面における前記供給側出口通路及び前記返還側入口通路の開口周囲、又は、前記フランジの前記シリンダヘッドに対向する面における前記供給側貫通孔及び前記返還側貫通孔の開口周囲、に環状溝が形成されており、
   前記環状溝にＯリングが挿入されている請求項３〜５の何れかに記載の過給装置付エンジンの冷却水通路構造。
   
   

Images