JP2006037737A - ピストン式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドとシリンダブロックとの組付け時におけるシリンダヘッドボルト締付け力によるシリンダブロックの変形を比較的安価に抑制する。
【解決手段】シリンダヘッド１６の筒内側下端部及びシリンダライナ１４の筒内側上端部には、印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６とによって構成された印籠継手部２２が設けらる。印籠継手部２２は、径方向及び軸方向ともに「隙間嵌め」とされ、印籠継手凸部下面と印籠継手凹部上面との間には所定の隙間Ｓ１が設けられ、また、印籠継手凸部側面と印籠継手凹部側面との間に、所定の隙間Ｓ２が設けられる。さらに、隙間Ｓ１、隙間Ｓ２、及び、シリンダブロック１２及びシリンダライナ１４の上端面とシリンダヘッド１６の下端面との間の接合部分に、高耐熱性のゴム状のシール剤Ｋが充填され、シリンダヘッド１６がシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４に締結（接合）固定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はピストン式内燃機関に関する。

ピストン式内燃機関におけるシリンダブロックとシリンダヘッドとは、一般的に、筒内圧力によるシリンダヘッドの浮き上がりで筒内ガスが漏れるのを防ぐため、両者の間にガスケット等を介在させた状態でシリンダヘッドボルトを筒内圧力に抗するのに充分な応力が発生するまで締付けを行って固定している（一例として、特許文献１参照）。

しかしながら、前記特許文献１に示された如き従来のシリンダブロックとシリンダヘッドとの接合構造では、シリンダヘッドボルトの締め付けによって発生するシリンダブロックとシリンダヘッドとの間の面圧を筒内のガス気密に有効に利用するためにシリンダライナ（シリンダブロック）の内周側に集中させる構造になっているため、シリンダブロックには非常に大きな圧縮応力がかかることになる。このため、エンジン組付け時のシリンダヘッドボルト締付け力によりシリンダブロック（シリンダライナ）が一般的にはラッパ型に変形する。このようにシリンダブロックが変形すると、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダブロック（シリンダライナ）への追従性が悪化し、結果的にオイル消費が増大したり、ピストンの摺動摩耗が増大する要因となっていた。
特開平１０−４７０５５号公報

本発明は上記事実を考慮し、シリンダヘッドとシリンダブロックとの組付け時におけるシリンダヘッドボルト締付け力によるシリンダブロックの変形を比較的安価に抑制することができ、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダブロック（シリンダライナ）への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減、ピストン摺動摩耗の低減が可能になるピストン式内燃機関を得ることが目的である。

請求項１に係る発明のピストン式内燃機関は、シリンダブロックと、前記シリンダブロックに接合されるシリンダヘッドと、を有するピストン式内燃機関において、前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとの接合部分を、径方向及び軸方向ともに隙間嵌めとされる印籠継手形状に形成し、かつ、前記隙間部分にシール剤を充填して前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとを接合した、ことを特徴としている。

一般的に、エンジン組付け時のシリンダブロック（シリンダライナ）の変形は、シリンダヘッドボルト締付け力によってシリンダブロックが軸方向に圧縮されることが要因である。通常、シリンダ形状のものを軸方向に圧縮すると、中央部が径方向外側に膨らみ、全体として「たる型」に変形をする。内燃機関（エンジン）の場合には、シリンダブロック上面とシリンダヘッド下面の間にシリンダヘッドガスケットが挟まれているので接合面ですべりが生じる。このため、シリンダブロック上端面の径方向への拘束力が弱くなり、「たる型」というよりはシリンダヘッド側に向かう「ラッパ型」に変形することが多い。

また、一般的に、エンジンの運転時においても、燃料の燃焼熱により発生する筒内圧力で、シリンダヘッドはシリンダブロック軸方向に引き上げられることになる。これによって、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合部分に隙間が生じると、燃焼ガスが漏れるのでエネルギーの損失になるばかりか、水冷式エンジンでは冷却水に燃焼ガスが混入するという問題が生じる。このようなことが起きないようにするために、通常は、シリンダヘッドボルトの張力を燃焼により発生するシリンダヘッドの引き上げ力よりも十分に大きく設定しており、特に、シリンダブロックの内周部において接触面圧が最も高くなるようにしている。これらが前述の如き組付け時のシリンダブロック（シリンダライナ）の変形の要因になっている。

この点、請求項１記載のピストン式内燃機関では、シリンダブロックとシリンダヘッドとの接合部分が、径方向及び軸方向ともに隙間嵌めとされる印籠継手形状に形成されているため、シリンダヘッドボルトを締めた状態においてもシリンダブロックに軸方向の圧縮力がかからない。したがって、組付け歪みは発生しない。

またしかも、請求項１記載のピストン式内燃機関では、前述の如くシリンダヘッドとシリンダブロックの接合部分を径方向及び軸方向ともに隙間嵌めとされる印籠継手形状に形成することでシリンダヘッドボルトの力がシリンダブロックにかからないようになっているので、シリンダヘッドボルトの締付け力を大きくしても歪みが発生しないため、機関の運転時に筒内圧力でシリンダヘッドがシリンダブロック軸方向に不要に引き上げられることを防止することができる。

したがって、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダブロック（シリンダライナ）への追従性が悪化することがなく、オイル消費量の低減及びピストン摺動摩耗の低減を図ることができる。

しかもこの場合、極小的に捉えればシリンダヘッドの前記引き上げは発生しているが、印籠継手形状に形成された接合部分の隙間にはシール剤（例えば、ゴム状の耐熱液体シリコン剤等）が充填された構成であるため、印籠継手形状の接合部分の軸方向変位を当該シール剤が吸収する。このため、筒内のガスシール性を損なうことがない。

また、印籠継手形状に形成された接合部分の隙間にはシール剤が充填してあるので、隙間にガスが侵入するために発生する未燃焼燃料の増大を招くことがない。さらに、印籠継手形状に形成された接合部分においては、凸形状側が燃焼室に面することになるため、凸形状側のほうが凹形状側よりも温度が高くなる。これによって、エンジンが暖気された時に、印籠継手形状の接合部分の隙間は径方向に沿って小さく（少なく）なるように変化（変形）する。すなわち、シール剤の剥がれを阻止するように作用することになり、シール剤の剥がれを防止することができる。またさらに、印籠継手形状に形成された接合部分にシール剤を充填して接合する構成であるため、当該印籠継手形状の接合部分の面粗度を高くする必要がなくなり、加工のコストの低減を図ることができる。

以上説明した如く本発明に係るピストン式内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダブロックとの組付け時におけるシリンダヘッドボルト締付け力によるシリンダブロックの変形を比較的安価に抑制することができ、これにより、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダブロック（シリンダライナ）への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減、ピストン摺動摩耗の低減が可能になるという優れた効果を有している。

図１には、本発明の第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の主要部分の構成が断面図にて示されている。また、図２には、当該ピストン式内燃機関１０の主要部分の構成が分解した断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関１０では、シリンダブロック１２と、このシリンダブロック１２の一部を構成しその内周側に設けられたシリンダライナ１４を有しており、さらに、これらのシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４に接合されるシリンダヘッド１６を有している。シリンダヘッド１６は、シリンダヘッドボルト１８によってシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４に締結固定されている。

なおこの場合、シリンダブロック１２の上端面とシリンダライナ１４の上端面とは同一高さ面に形成するか、もしくはシリンダライナ１４の上端面のほうがシリンダブロック１２の上端面よりも僅かに低くなるように形成されている。

また、シリンダブロック１２とシリンダライナ１４の間には、一部分がシリンダヘッド１６にも連続する冷却水供給用のウォータージャケット部２０が設けられている。

さらに、シリンダヘッド１６の筒内側下端部及びシリンダライナ１４の筒内側上端部には、印籠継手部２２が設けられている。図２に示す如く、印籠継手部２２は、シリンダヘッド１６の印籠継手凸部２４と、シリンダライナ１４の印籠継手凹部２６とによって構成されている。

シリンダヘッド１６の印籠継手凸部２４は、凸部下面２８及び凸部側面３０によって構成されており、また、シリンダライナ１４の印籠継手凹部２６は、凹部上面３２及び凹部側面３４によって構成されている。なおこの場合、例えば、シリンダライナ１４の肉厚寸法が４ｍｍとする場合に、印籠継手凸部２４は、高さが２ｍｍ、厚さが１ｍｍ程度に設定されている。

この印籠継手部２２（印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６）は、径方向及び軸方向ともに「隙間嵌め」とされており、印籠継手凸部２４の凸部下面２８と印籠継手凹部２６の凹部上面３２との間には（すなわち、軸方向に沿って）所定の隙間Ｓ１が設けられ、またさらに、印籠継手凸部２４の凸部側面３０と印籠継手凹部２６の凹部側面３４との間には（すなわち、径方向に沿って）所定の隙間Ｓ２が設けられるように各部の寸法等が設定されている。

またさらに、前記印籠継手部２２（印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６）の隙間Ｓ１、隙間Ｓ２、及び、シリンダブロック１２及びシリンダライナ１４の上端面とシリンダヘッド１６の下端面との間の接合部分には、高耐熱性のゴム状のシール剤Ｋ（例えば、耐熱温度３００℃以上の耐熱液体シリコンガスケット）が充填された状態で、シリンダヘッド１６がシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４に締結（接合）固定されている。

次に、本第１の実施の形態の作用を説明する。

一般的に、エンジン組付け時のシリンダブロック（シリンダライナ）の変形は、シリンダヘッドボルト締付け力によってシリンダブロックが軸方向に圧縮されることが要因である。通常、シリンダ形状のものを軸方向に圧縮すると、中央部が径方向外側に膨らみ、全体として「たる型」に変形をする。内燃機関（エンジン）の場合には、シリンダブロック上面とシリンダヘッド下面の間にシリンダヘッドガスケットが挟まれているので接合面ですべりが生じる。このため、シリンダブロック上端面の径方向への拘束力が弱くなり、「たる型」というよりはシリンダヘッド側に向かう「ラッパ型」に変形することが多い。

また、一般的に、エンジンの運転時においても、燃料の燃焼熱により発生する筒内圧力で、シリンダヘッドはシリンダブロック軸方向に引き上げられることになる。これによって、シリンダヘッドとシリンダブロックの接合部分に隙間が生じると、燃焼ガスが漏れるのでエネルギーの損失になるばかりか、水冷式エンジンでは冷却水に燃焼ガスが混入するという問題が生じる。このようなことが起きないようにするために、通常は、シリンダヘッドボルトの張力を燃焼により発生するシリンダヘッドの引き上げ力よりも十分に大きく設定しており、特に、シリンダブロックの内周部において接触面圧が最も高くなるようにしている。これらが前述の如き組付け時のシリンダブロック（シリンダライナ）の変形の要因になっている。

この点、本第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０では、シリンダヘッド１６の下端面に対して、シリンダブロック１２の上端面とシリンダライナ１４の上端面とは同一高さ面に形成されており、もしくはシリンダライナ１４の上端面のほうがシリンダブロック１２の上端面よりも僅かに低くなるように形成されているため、シリンダヘッドボルト１８の締付け力は主にシリンダブロックの上端面に強く付与され、シリンダライナ１４の上端面にかかる面圧は小さい。さらに、シリンダヘッド１６の筒内側下端部及びシリンダライナ１４の筒内側上端部に印籠継手部２２が設けられており、しかもこの印籠継手部２２（印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６）は、径方向及び軸方向ともに「隙間嵌め」とされており、印籠継手凸部２４の凸部下面２８と印籠継手凹部２６の凹部上面３２との間には（すなわち、軸方向に沿って）所定の隙間Ｓ１が設けられているため、前述と同様に、シリンダヘッドボルト１８の締付け力による面圧（シリンダライナ１４への軸方向の圧縮力）はかからない。したがって、組付け歪みは発生せず、シリンダライナ１４の変形を防止することができる。

またしかも、このピストン式内燃機関１０では、前述の如くシリンダヘッド１６とシリンダライナ１４の接合部分を、径方向及び軸方向ともに「隙間嵌め」とされる印籠継手部２２とすることでシリンダヘッドボルト１８の力がシリンダライナ１４にかからないようになっているので、シリンダヘッドボルト１８の締付け力を大きくしても歪みが発生しないため、機関の運転時に筒内圧力でシリンダヘッド１６が軸方向上方へ不要に引き上げられることを防止することができる。

また、印籠継手部２２において、燃焼による熱変形で印籠継手凸部２４の凸部側面３０はシリンダライナ１４の径方向に変位するが、当該凸部側面３０と印籠継手凹部２６の凹部側面３４との間には（すなわち、径方向に沿って）所定の隙間Ｓ２が設けられているため、当該凸部側面３０が印籠継手凹部２６の凹部側面３４に干渉することがなく、シリンダライナ１４が変形を防ぐことができる。

したがって、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダライナ１４への追従性が悪化することがなく、オイル消費量の低減及びピストン摺動摩耗の低減を図ることができる。

しかもこの場合、極小的に捉えればシリンダヘッド１６の前記引き上げは発生しているが、印籠継手部２２（印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６）の隙間Ｓ１、及び、シリンダブロック１２及びシリンダライナ１４の上端面とシリンダヘッド１６の下端面との間の接合部分には、高耐熱性のゴム状のシール剤Ｋが充填された状態で、シリンダヘッド１６がシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４に締結（接合）固定されているため、印籠継手部２２の軸方向変位を当該シール剤Ｋが吸収する。このため、筒内のガスシール性を損なうことがない。

さらに、印籠継手凸部２４の凸部側面３０と印籠継手凹部２６の凹部側面３４との間に積極的に所定の隙間Ｓ２を設けた構成であるため、前述の如く燃焼によってシリンダヘッド１６は上方へ僅かに持ち上げられることになっても、隙間Ｓ２に挟まっている（充填されて締結された状態の）シール剤Ｋの剪断応力が低減されることになり、当該シール剤Ｋの破損が防止される。

また、印籠継手部２２の隙間Ｓ１、隙間Ｓ２にはシール剤Ｋが充填してあるので、当該隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２にガスが侵入することで発生する未燃焼燃料の増大を招くことがない。さらに、印籠継手部２２においては、印籠継手凸部２４が燃焼室に面することになるため、印籠継手凸部２４のほうが印籠継手凹部２６よりも温度が高くなる。これによって、機関が暖気された時に、印籠継手部２２の隙間Ｓ２は径方向に沿って小さく（少なく）なるように変化（変形）する。すなわち、シール剤Ｋの剥がれを阻止するように作用することになり、シール剤Ｋの剥がれを防止することができる。またさらに、印籠継手部２２（印籠継手凸部２４と印籠継手凹部２６）の隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２にシール剤Ｋを充填して接合する構成であるため、当該印籠継手部２２の面粗度を高くする必要がなくなり、加工のコストの低減を図ることができる。

以上の如く、第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０では、シリンダヘッド１６とシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４との組付け時におけるシリンダヘッドボルト１８締付け力によるシリンダライナ１４の変形を比較的安価に抑制することができ、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダライナ１４への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減を図ることができると共に、ピストン摺動摩耗の低減も可能になる。

次ぎに、本発明の他の実施の形態を説明する。

なお、前記第１の実施の形態と基本的に同一の部品には、前記第１の実施の形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図３には、本発明の第２の実施の形態に係るピストン式内燃機関４０の主要部分の構成が断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関４０では、シリンダヘッド１６の筒内側下端部及びシリンダライナ１４の筒内側上端部には、印籠継手部４２が設けられている。この印籠継手部４２は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２とは上下を逆にした構成となっており、シリンダヘッド１６の印籠継手凹部４４と、シリンダライナ１４の印籠継手凸部４６とによって構成されている。この印籠継手凹部４４と印籠継手凸部４６は、前記第１の実施の形態に係る印籠継手部２２と同様に、径方向及び軸方向ともに「隙間嵌め」とされている。その他の構成は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と同じである。

本第２の実施の形態に係るピストン式内燃機関４０においても、前述した第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０と同様の作用・効果を奏し、シリンダヘッド１６とシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４との組付け時におけるシリンダヘッドボルト１８締付け力によるシリンダライナ１４の変形を比較的安価に抑制することができ、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダライナ１４への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減を図ることができると共に、ピストン摺動摩耗の低減も可能になる。

図４には、本発明の第３の実施の形態に係るピストン式内燃機関５０の主要部分の構成が断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関５０は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と基本的に同じ構成であるが、シリンダライナ１４に設けられた印籠継手凹部２６の凹部側面３４には、凹溝５２が形成されており、この凹溝５２内にもシール剤Ｋが連続して充填された構成となっている。

その他の構成は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と同じである。

本第３の実施の形態に係るピストン式内燃機関５０においても、前述した第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０と同様の作用・効果を奏し、シリンダヘッド１６とシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４との組付け時におけるシリンダヘッドボルト１８締付け力によるシリンダライナ１４の変形を比較的安価に抑制することができ、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダライナ１４への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減を図ることができると共に、ピストン摺動摩耗の低減も可能になる。

さらに、印籠継手凹部２６の凹部側面３４に設けられた凹溝５２内にもシール剤Ｋが連続して充填された構成であるため、シール剤Ｋの保持力が向上し、シール剤Ｋの抜けが一層確実に防止される。

なお、前述の如き凹溝５２を、シリンダライナ１４に設けられた印籠継手凹部２６の凹部上面３２に形成する構成としてもよい。

図５には、本発明の第４の実施の形態に係るピストン式内燃機関６０の主要部分の構成が断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関６０は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と基本的に同じ構成であるが、シリンダヘッド１６に設けられた印籠継手凸部２４の凸部側面３０には、凹溝６２が形成されており、この凹溝６２内にもシール剤Ｋが連続して充填された構成となっている。

その他の構成は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と同じである。

本第４の実施の形態に係るピストン式内燃機関６０においても、前述した第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０と同様の作用・効果を奏し、シリンダヘッド１６とシリンダブロック１２及びシリンダライナ１４との組付け時におけるシリンダヘッドボルト１８締付け力によるシリンダライナ１４の変形を比較的安価に抑制することができ、ピストン摺動時のピストンリングのシリンダライナ１４への追従性悪化を抑制して、オイル消費量の低減を図ることができると共に、ピストン摺動摩耗の低減も可能になる。

さらに、印籠継手凸部２４の凸部側面３０に設けられた凹溝６２内にもシール剤Ｋが連続して充填された構成であるため、前記第３の実施の形態と同様に、シール剤Ｋの保持力が向上し、シール剤Ｋの抜けが一層確実に防止される。

なお、前述の如き凹溝６２を、シリンダヘッド１６に設けられた印籠継手凸部２４の凸部下面２８に形成する構成としてもよい。

図６には、本発明の第５の実施の形態に係るピストン式内燃機関７０の主要部分の構成が断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関７０は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と基本的に同じ構成であるが、シリンダライナ１４に設けられた印籠継手凹部２６の凹部側面７２が、下向きに広がったテーパー面とされた構成となっている。

その他の構成は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と同じである。

本第５の実施の形態に係るピストン式内燃機関７０においても、前述した第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０と同様の作用・効果を奏する。

さらに、印籠継手凹部２６の凹部側面７２が、下向きに広がったテーパー面とされた構成となっているため、シール剤Ｋの保持力が向上し、シール剤Ｋの抜けが一層確実に防止される。

なお、シリンダヘッド１６に設けられた印籠継手凸部２４の凸部側面３０を、下向きに広がったテーパー面とする構成としてもよい。

図７には、本発明の第６の実施の形態に係るピストン式内燃機関８０の主要部分の構成が断面図にて示されている。

このピストン式内燃機関８０は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と基本的に同じ構成であるが、シリンダヘッド１６に設けられた印籠継手凸部２４の凸部下面８２が、筒内側に向けて広がったテーパー面とされた構成となっている。

その他の構成は、前記第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０の印籠継手部２２と同じである。

本第６の実施の形態に係るピストン式内燃機関８０においても、前述した第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関１０と同様の作用・効果を奏する。

さらに、印籠継手凸部２４の凸部下面８２が筒内側に向けて広がったテーパー面とされた構成となっているため、シール剤Ｋの保持力が向上し、シール剤Ｋの抜けが一層確実に防止される。

なお、シリンダライナ１４に設けられた印籠継手凹部２６の凹部上面３２を、筒内側に向けて広がったテーパー面とする構成としてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す分解断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係るピストン式内燃機関の主要部分の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ ピストン式内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ シリンダライナ
１６ シリンダヘッド
１８ シリンダヘッドボルト
２２ 印籠継手部
２４ 印籠継手凸部
２６ 印籠継手凹部
２８ 凸部下面
３０ 凸部側面
３２ 凹部上面
３４ 凹部側面
Ｓ１ 隙間
Ｓ２ 隙間
Ｋ シール剤

Claims (1)

1. シリンダブロックと、前記シリンダブロックに接合されるシリンダヘッドと、を有するピストン式内燃機関において、
   前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとの接合部分を、径方向及び軸方向ともに隙間嵌めとされる印籠継手形状に形成し、
   かつ、前記隙間部分にシール剤を充填して前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとを接合した、
   ことを特徴とするピストン式内燃機関。

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