JP2007077975A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダを形成する内壁へのヘッドボルトの軸力の伝達効率を向上させ、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間のシール性を向上させることが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダ６を形成する内壁７と、内壁７の周囲にウォータジャケット溝９を挟んで設けられる外壁８と、を有し、外壁８にシリンダヘッド３を固定するヘッドボルト５がねじ込まれるボルト穴１０が複数設けられ、外壁８と内壁７とがシリンダヘッド３と対向するトップデッキ面２ａにてウォータジャケット溝９により分離されているシリンダブロック２を備えたエンジン１において、シリンダブロック２にはトップデッキ面２ａから陥没し、かつウォータジャケット溝９を跨いで内壁７と外壁８とに広がる底面７ａ、８ａを備えた凹部１２が設けられ、シリンダヘッド２と凹部１２の底面７ａ、８ａとの間にスペーサ４が内壁７と外壁８とに接するように挟まれている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オープンデッキタイプのシリンダブロックを備えた内燃機関に関する。

ウォータジャケット溝がそのままの状態でトップデッキに開口する、いわゆるオープンデッキタイプのシリンダブロックを備え、このシリンダブロックとシリンダヘッドとの間にスペーサを挟持した２枚のガスケット基板が設けられる内燃機関が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。シリンダブロックのウォータジャケット内にウォータジャケットスペーサを挿入することにより、ウォータジャケット内の冷却水の流量分布を調整するようにした内燃機関も知られている（特許文献３参照）。

特開平１１−２１０８８９号公報 特開２００５−１２０９４９号公報 特開２００５−１２０９４９号公報

このようなオープンデッキタイプのシリンダブロックは、トップデッキ面においてもシリンダを形成する内壁とその周囲に形成された外壁とがウォータジャケット溝を挟んで離間している。そのため、ヘッドボルトによってシリンダヘッドを固定する際、ヘッドボルトの軸力がウォータジャケット溝を越えて内壁に伝達され難い。

そこで、本発明は、シリンダを形成する内壁へのヘッドボルトの軸力の伝達効率を向上させ、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間のシール性を向上させることが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、シリンダを形成する内壁と、前記内壁の周囲にウォータジャケット溝を挟んで設けられる外壁と、を有し、前記外壁にシリンダヘッドを固定するヘッドボルトがねじ込まれるボルト穴が複数設けられ、前記外壁と前記内壁とが前記シリンダヘッドと対向するトップデッキ面にて前記ウォータジャケット溝により分離されているシリンダブロックを備えた内燃機関において、前記シリンダブロックには前記トップデッキ面から陥没し、かつ前記ウォータジャケット溝を跨いで前記内壁と前記外壁とに広がる底面を備えた凹部が設けられ、前記シリンダヘッドと前記凹部の底面との間にスペーサ部材が前記内壁と前記外壁とに接するように挟まれていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関によれば、シリンダブロックにシリンダヘッドを固定しているヘッドボルトの軸力（以下、ボルト軸力と記述することもある。）を、スペーサ部材を介して内壁に伝達させることができる。そのため、内壁へのボルト軸力の伝達効率を向上させ、シリンダブロックとシリンダヘッドとの密着性を高めてこれらの間のシール性を向上させることができる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記スペーサ部材には、前記ヘッドボルトが通されるボルト通し孔が設けられていてもよい（請求項２）。この場合、スペーサ部材に直にボルト軸力が伝達されるので、内壁へのボルト軸力の伝達効率をさらに向上させることができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記凹部が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられるとともに前記スペーサ部材が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられ、前記スペーサ部材が前記シリンダブロックよりも線膨張係数の小さい材料で形成されていてもよい（請求項３）。この場合、内燃機関の温度上昇時における内壁の変形量よりもこの時のスペーサ部材の変形量の方が小さい。そのため、スペーサ部材が内壁に対してしまりばめとなってシリンダブロックとスペーサ部材との結合力が増加し、ボルト軸力の伝達効率をさらに向上させることができる。これによりシリンダブロックとシリンダヘッドとの間のシール性をさらに向上させることができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記凹部が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられるとともに前記スペーサ部材が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられ、前記シリンダブロックがアルミニウム系材料で形成され、前記スペーサ部材が鉄系材料で形成されていてもよい（請求項４）。鉄系材料はアルミニウム系材料よりも線膨張係数が小さいので、このようにシリンダブロックをアルミニウム系材料で形成し、スペーサ部材を鉄系材料で形成することで、上述した形態と同様に内燃機関の温度上昇時にシリンダブロックとスペーサ部材との結合力を増加させ、ボルト軸力の伝達効率を向上させることができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記スペーサ部材が、前記ウォータジャケット溝に挿入されるウォータジャケットスペーサと一体化されてもよい（請求項５）。この形態によれば、ウォータジャケット溝にウォータジャケットスペーサを挿入しつつスペーサ部材を凹部に装着することにより、スペーサ部材を利用してウォータジャケットスペーサをウォータージャケット溝内にて位置決めすることができる。このため、ウォータジャケットスペーサを単独部品として設けた場合に問題となるウォータジャケット溝の深さ方向に関するウォータジャケットスペーサの位置決め、あるいは固定が容易に行える利点がある。また、ウォータジャケットスペーサを組み付けるために必要な工数を削減することができる。さらに、スペーサ部材とウォータジャケットスペーサとが一体化されることにより、スペーサ部材の剛性が向上する。このため、シリンダの変形に対するスペーサ部材の耐変形効果が向上する。

スペーサ部材とウォータジャケットスペーサとを一体化する形態において、前記シリンダブロックには複数のシリンダが一列に並べて設けられ、前記複数のボルト穴は前記シリンダの並び方向に関して前記複数のシリンダの間に位置するように設けられ、前記スペーサ部材には前記ヘッドボルトが通されるボルト通し穴をそれぞれ有する複数の固定座が設けられ、前記複数の固定材同士の中間位置に、前記スペーサ部材と前記ウォータジャケットスペーサとを一体に連結する連結部が設けられてもよい（請求項６）。この形態によれば、固定座同士の中間位置にスペーサ部材とウォータジャケットスペーサとの連結部を設けているので、固定座間におけるスペーサ部材の剛性を高め、それによりスペーサ部材の曲げ変形を効果的に抑えることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、スペーサによってヘッドボルトの軸力が内壁に伝達されるので、内壁への軸力の伝達効率を向上させることができる。そのため、シリンダブロックとシリンダヘッドとの密着性を高め、これらの間のシール性を向上させることができる。

［第１の形態］
図１及び図２は、本発明の第１の形態に係る内燃機関の要部を示している。なお、図１は図２のI−I線における内燃機関の断面の斜視図を示し、図２は図１のII−II線における断面図を示している。この内燃機関（以下、エンジンと呼称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるもので、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを備えている。図１に示したようにシリンダブロック２にはスペーサ４が嵌め込まれている。また、シリンダブロック２はアルミニウム系材料で形成されている。シリンダブロック２とシリンダヘッド３との間には、これらが密着するように不図示のガスケットが設けられる。ガスケットは周知のものと同様でよいため、詳細な説明は省略する。シリンダヘッド３は複数（図２では２本のみを示す。）のヘッドボルト５によってシリンダブロック２に固定される。なお、図２に示した角度θは、ヘッドボルト５の軸力が伝達される範囲を示している。

図３にその一部を拡大して示したように、シリンダブロック２は複数のシリンダ６を形成する内壁７と、この周囲にウォータジャケット溝９を挟んで設けられる外壁８とを備えている。外壁８には、ヘッドボルト５がねじ込まれるボルト穴１０が形成されたボルトボス部１１が複数設けられている。図３に示したようにシリンダブロック２は、トップデッキ面２ａにおいて内壁７と外壁８とがウォータジャケット溝９にて分離された、いわゆる周知のオープンデッキタイプのシリンダブロックとして形成されている。

図３に示したように、シリンダブロック２にはトップデッキ面２ａから陥没し、かつウォータジャケット溝９を跨いで内壁７と外壁８とに広がる底面７ａ、８ａを備えた凹部１２が設けられている。内壁７に形成される凹部１２の底面（以下、内壁底面と記述することもある。）７ａは、ウォータジャケット溝９に沿って内壁７の外周の全周に亘って設けられる。一方、外壁８に形成される凹部１２の底面（以下、外壁底面と記述することもある。）８ａは、外壁８の各ボルトボス部１１にそれぞれ設けられる。また、図３に示したように、外壁８に形成される凹部１２の底面は、ボルト穴１０の周囲からウォータジャケット溝９に至るまで形成されている。内壁底面７ａ及び外壁底面８ａは、それぞれ同様の深さでトップデッキ面２ａから陥没している。この凹部１２の底面７ａ、８ａの深さとしては、例えばスペーサ４がシリンダブロック２に嵌め込まれた際にスペーサ４の上面４ａがトップデッキ面２ａと同じ高さになる深さ、すなわちスペーサ４の厚さと同じ値が設定される。

図４は、スペーサ４を拡大して示している。スペーサ４は、内壁７に形成された内壁底面７ａとシリンダヘッド３とに挟まれるとともに内壁７の外周の全周に亘って嵌め込まれる本体部４ｂと、この本体部４ｂから突出する複数の突出部４ｃとを備えている。このスペーサ４は、シリンダブロック２を形成しているアルミニウム系材料よりも線膨張係数が小さい材料、例えば鉄系材料によって形成されている。なお、スペーサ４は凹部１２に嵌め込まれた際に隙間が無いか、又は内壁７及び外壁８とスペーサ４との間に若干の隙間が形成される程度の大きさに設定される。各突出部４ｃは、スペーサ４をシリンダブロック２に嵌め込んだ際に、それぞれが各ボルトボス部１１に形成された凹部１２に嵌るように本体部４ｂに設けられている。また、各突出部４ｃには、ヘッドボルト５が通されるボルト通し孔４ｄがそれぞれ設けられている。スペーサ４の厚さは、エンジン１の大きさなどに応じて適宜設定してよく、例えば数ｍｍが設定される。なお、本体部４ｂの幅Ｗはウォータジャケット溝９の幅よりも狭く設定される。そのため、図１に示したように、トップデッキ面２ａにおいてスペーサ４と外壁８との間に隙間１３が設けられ、ウォータジャケット溝９がトップデッキ面２ａに開口する。

図１及び図２に示したように、スペーサ４は、シリンダヘッド３と凹部１２の底部７ａ、８ａとの間に挟まれる。また、この際スペーサ４は、内壁７及び外壁８にそれぞれ接するように配置される。このようにシリンダブロック２とシリンダヘッド３との間にスペーサ４を挟み込ませることで、内壁７と外壁８とをトップデッキ面２ａにおいて接続させ、図２に角度θで示したヘッドボルト５の軸力伝達範囲内のトップデッキ面２ａを連続させることができる。そのため、このスペーサ４によりヘッドボルト５の締め付けによって発生するヘッドボルト５の軸力を内壁７のトップデッキ面（ボアシール面）７ｂに伝達させ易くすることができる。また、スペーサ４にはヘッドボルト５が通されるボルト通し孔４ｄが設けられているので、ヘッドボルト５の軸力をスペーサ４に直に伝達することができる。さらに、スペーサ４がシリンダブロック２よりも線膨張係数の小さい材料で形成されているので、エンジン１の温度が上昇した場合、シリンダブロック２に対してスペーサ４がしまりばめとなるため、シリンダブロック２とスペーサ４との結合力が増加し、ヘッドボルト５の軸力の伝達効率をさらに向上させることができる。

図５は、図２に示したエンジン１の断面方向におけるシリンダブロック２に作用する面圧の分布の一例を示している。また、図５には、比較例としてスペーサ４が無いエンジン１におけるシリンダブロック２に作用する面圧の分布を想像線で示した。図５に示したように、本発明のエンジン１によればスペーサ４によりヘッドボルト５の軸力がウォータジャケット溝９を越えてボアシール面７ｂに伝達され易くなるため、比較例よりもボアシール面７ｂにおける面圧を図５に示した面圧差ΔＰ分上昇させることができる。そのため、ボアシール面７ｂへのヘッドボルト５の軸力の伝達効率を向上させ、シリンダブロック２とシリンダヘッド３との間のシール性を向上させることができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、シリンダブロックに嵌め込むプレートは一体に形成されていなくてもよく、内壁と外壁とにそれぞれが架け渡されるように分割された複数のプレートがシリンダブロックに嵌め込まれていてもよい。

［第２の形態］
図６及び図７は本発明の第２の形態に係る内燃機関に使用されるスペーサを示す。なお、図６又は図７において、図１〜４と共通する構成要素には同一符号を付してある。この形態において、スペーサ４は複数の連結部１５を介してウォータジャケットスペーサ１４と一体化されている。ウォータジャケットスペーサ１４は、ウォータジャケット溝９の内部に挿入されて溝９内における冷却水の流量分布を調整するために設けられている。ウォータジャケットスペーサ１４とスペーサ４とは連結部１５を介して相互に連結されている。連結部１５の配置は適宜でよいが、図示の形態では、シリンダ６の並び方向に関して一端（図６において右端）側のシリンダ６の中心位置に合わせて一対の連結部１５が、他端側のシリンダ６の外側の端部に相当する位置に単一の連結部１５が、そして、シリンダ６の並び方向に関して中央の突出部（固定座）４ｃに合わせて一対の連結部１５が設けられている。

スペーサ４とウォータジャケットスペーサ１４とを一体化する方法としては種々の方法が利用できる。例えば、スペーサ４とウォータジャケットスペーサ１４とを、連結部１５を含めて一体に鋳造することにより、これらを一体化してもよい。この場合、鋳造品の素材としては、鉄系材料、アルミニウム系材料等を適宜に利用することができる。あるいは、スペーサ４とウォータジャケットスペーサ１４とを別部品としてそれぞれ製造し、これらの部品をカシメ、溶接、接着等の各種の接合方法を利用して相互に結合することによりスペーサ４及びウォータジャケットスペーサ１４を一体化してもよい。この場合、連結部１５はスペーサ４又はウォータジャケットスペーサ１４のいずれかと同一部品として製造してもよい。あるいはスペーサ４及びウォータジャケットスペーサ１４の両者に対して連結部１５を別部品として製造し、連結部１５をスペーサ４及びウォータジャケットスペーサ１４のそれぞれとカシメ等により結合してもよい。スペーサ４及びウォータジャケットスペーサ１４を別部品として製造する場合においては、両者を互いに同一の素材で製造してもよいし、両者を互いに異なる素材で製造してもよい。例えば、スペーサ４を鉄系材料で形成し、ウォータジャケットスペーサ１４をアルミニウム系材料で形成してもよい。

以上の形態によれば、ウォータジャケットスペーサ１４をウォータジャケット溝９に挿入しつつ、スペーサ４を凹部１２に据え付けることにより、ウォータジャケットスペーサ１４をウォータジャケット溝９内の正しい位置に組み付けることができる。これにより、ウォータジャケットスペーサ１４を他の部品から切り離された単独部品として構成した場合に問題となるウォータジャケット溝９の深さ方向に対する位置決め、あるいは固定が容易に行えるようになり、ウォータジャケットスペーサ１４をウォータジャケット溝９へ組み付けるために必要な工数を削減することができる。

また、スペーサ４をウォータジャケットスペーサ１４と一体化することにより、スペーサ４を単独部品として構成する場合と比較してスペーサ４の剛性を高めることができる。これにより、シリンダ６の変形に対するスペーサ４の耐変形効果が向上する。さらに、スペーサ４を単独部品として構成した場合と比較して、スペーサ４の肉厚を薄くしつつ同等の剛性を確保できるようになるので、シリンダ６の壁面の温度上昇を抑えられる効果も得られる。この点を図８により説明する。図８はシリンダブロック２のトップデッキ面２ａからウォータジャケット溝９の下部までの断面構造と、シリンダ壁面６ａの温度との対応関係を示す図である。スペーサ４はその突出部４ｃの部分では凹部１２の底面７ａ、８ａの両者に密着するように配置されてウォータジャケット溝９を全面的に塞ぎ、突出部４ｃ以外の部分でも内壁７側の底面７ａから外側に突出してウォータジャケット溝９を部分的に覆う。このため、シリンダブロック２のトップデッキ面２ａ及びその近傍では冷却水によるシリンダ壁面６ａの冷却作用が低下し、シリンダ壁面６ａの温度はトップデッキ面２ａ及びその近傍において上昇傾向を示す。その傾向はスペーサ４の肉厚ｔが増加するほど顕著となる。これに対して、スペーサ４の肉厚ｔを薄くすることができれば、トップデッキ面２ａの付近でスペーサ４が冷却効果に与える影響が低下し、シリンダ壁面６ａの温度上昇を抑えることができる。なお、図８では内壁７の内周面をシリンダ壁面６ａとして描いているが、実際には内壁７のさらに内側に別部品のライナーが挿入され、そのライナーの内周面がシリンダ壁面を構成する。

［第３の形態］
図９及び１０は本発明の第３の形態に係る内燃機関に使用されるスペーサを示す。なお、図９又は図１０において図６又は図７と共通する構成要素には同一符号を付してある。この形態では、スペーサ４が複数の連結部１５を介してウォータジャケットスペーサ１４と一体化されている点において第２の形態と共通する。しかしながら、連結部１５の位置が第２の形態と異なる。すなわち、この形態では、シリンダ６の並び方向に関して両端（図９において右端及び左端）のシリンダ６の外側の端部にそれぞれ単一の連結部１５が設けられるとともに、スペーサ４の突出部４ｃ同士の中間位置、より具体的には、シリンダ６の並び方向に関して内側の２つのシリンダ６の中心と一致する位置にそれぞれ一対の連結部１５が設けられている。

以上の形態によれば、連結部１５がシリンダ６の並び方向に関して固定座としての突出部４ｃ同士の中間位置に設けられているため、突出部４ｃ間におけるスペーサ４の剛性を高めることができる。特に、内側の２つのシリンダ６の中心と位置を合わせて連結部１５については、連結部１５が存在しないと仮定した場合にそれらの連結部１５の位置でスペーサ４の曲げ変位が最も大きくなることから、これらの位置に連結部１５を配置することにより、スペーサ４の曲げ変形を効果的に抑えることができる。但し、連結部１５は必ずしもシリンダ６の中心と位置を合わせて設けなくてもよい。連結部１５が突出部４ｃ同士の中間位置に存在する限りは、突出部４ｃ間におけるスペーサ４の曲げ変形抑制効果を期待することができる。また、一対の突出部４ｃ間に複数の連結部１５が設けられてもよい。

本発明の第１の形態に係るエンジンの要部を示す斜視図。 図１のII―II線におけるエンジンの断面を示す図。 図１のエンジンのシリンダブロックの一部を拡大して示す図。 スペーサを示す図。 図２に示したエンジンの断面方向におけるシリンダブロックに作用する面圧の分布の一例を示す図。 本発明の第２の形態に係るスペーサを示す斜視図。 第２の形態について図６のVII方向から見た状態を示す図。 シリンダブロックのトップデッキ面からウォータジャケット溝の下部までの断面構造と、シリンダ壁面の温度との対応関係を示す図。 本発明の第３の形態に係るスペーサを示す斜視図。 第３の形態について図９のＸ方向から見た状態を示す図。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダブロック
２ａ トップデッキ面
３ シリンダヘッド
４ スペーサ（スペーサ部材）
４ｃ 突出部（固定座）
４ｄ ボルト通し孔
５ ヘッドボルト
６ シリンダ
７ 内壁
７ａ 内壁底面
８ 外壁
８ａ 外壁底面
９ ウォータジャケット溝
１０ ボルト穴
１２ 凹部
１４ ウォータジャケットスペーサ
１５ 連結部

Claims (6)

1. シリンダを形成する内壁と、前記内壁の周囲にウォータジャケット溝を挟んで設けられる外壁と、を有し、前記外壁にシリンダヘッドを固定するヘッドボルトがねじ込まれるボルト穴が複数設けられ、前記外壁と前記内壁とが前記シリンダヘッドと対向するトップデッキ面にて前記ウォータジャケット溝により分離されているシリンダブロックを備えた内燃機関において、
   前記シリンダブロックには前記トップデッキ面から陥没し、かつ前記ウォータジャケット溝を跨いで前記内壁と前記外壁とに広がる底面を備えた凹部が設けられ、前記シリンダヘッドと前記凹部の底面との間にスペーサ部材が前記内壁と前記外壁とに接するように挟まれていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記スペーサ部材には、前記ヘッドボルトが通されるボルト通し孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記凹部が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられるとともに前記スペーサ部材が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられ、
   前記スペーサ部材が前記シリンダブロックよりも線膨張係数の小さい材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記凹部が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられるとともに前記スペーサ部材が前記内壁の周囲に全周に亘って設けられ、
   前記シリンダブロックがアルミニウム系材料で形成され、前記スペーサ部材が鉄系材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記スペーサ部材が、前記ウォータジャケット溝に挿入されるウォータジャケットスペーサと一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記シリンダブロックには複数のシリンダが一列に並べて設けられ、
   前記複数のボルト穴は前記シリンダの並び方向に関して前記複数のシリンダの間に位置するように設けられ、
   前記スペーサ部材には前記ヘッドボルトが通されるボルト通し穴をそれぞれ有する複数の固定座が設けられ、
   前記複数の固定座同士の中間位置に、前記スペーサ部材と前記ウォータジャケットスペーサとを一体に連結する連結部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
   

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