JP2016075270A - モノブロックエンジンのシリンダー構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの熱効率の低下を抑えることが可能なモノブロックエンジンのシリンダー構造を提供する。【解決手段】モノブロック１１には、シリンダー１２の側壁２０における上面壁２１側の端部に、シリンダー１２の周方向における全周にわたって凹部２２が形成されている。凹部２２には、合い口部を有する円環形状のスペーサー２５が装着される。スペーサー２５は、凹部２２に装着された状態において、スペーサー２５の内周面２８がピストン１３のトップランド１３Ｔよりもシリンダー１２の外方に位置する。【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとが一体的に形成されたモノブロックを有するモノブロックエンジンのシリンダー構造に関する。

例えば特許文献１のように、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとが一体的に形成されたモノブロックを有するモノブロックエンジンがある。モノブロックエンジンは、ヘッドガスケットやヘッドボルトが不要なため、エンジンの構成要素の削減を図ることが可能である。

一方、モノブロックには、シリンダーの側壁に対するホーニング加工時に工具の逃げや研削液溜りが必要とされる。そのため、シリンダーの側壁には、シリンダーの上面壁側の端部に、全周にわたって凹部が形成される。

特開平６−２２９３１５号公報

工具の逃げや研削液溜りとして機能する凹部は、シリンダーと、ピストンのトップランドとの隙間であるデッドボリュームを増大させるためエンジンの熱効率を低下させる。
本発明は、エンジンの熱効率の低下を抑えることが可能なモノブロックエンジンのシリンダー構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するモノブロックエンジンのシリンダー構造は、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとが一体的に形成されたモノブロックを有するモノブロックエンジンのシリンダー構造であって、前記モノブロックには、シリンダーの側壁の上面壁側の端部に全周にわたって凹部が形成され、前記凹部には、リング状のスペーサーが装着され、前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記スペーサーの内周面がピストンのトップランドよりも前記シリンダーの外方に位置する。

上記構成によれば、凹部にスペーサーが装着されることでデッドボリュームが小さくなる。これにより、デッドボリュームに起因した未燃ガスの生成や燃焼圧の低下が抑えられることから、エンジンの熱効率の低下が抑えられる。

上記モノブロックエンジンのシリンダー構造において、前記スペーサーは、合い口部を有して弾性変形により縮径可能に構成され、前記凹部に装着されていない状態において、前記凹部における前記シリンダーの最大径よりも大きい外径を有することが好ましい。

上記構成によれば、スペーサーは、凹部に装着される際には縮径された状態でシリンダーに挿入され、凹部に装着された後は復元力でシリンダーの側壁を押圧する。その結果、凹部からスペーサーが外れにくくなる。

上記モノブロックエンジンのシリンダー構造は、前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記凹部の凹面に対して前記スペーサーが面接触することが好ましい。
上記構成によれば、スペーサーの位置がずれにくくなる。
上記モノブロックエンジンのシリンダー構造は、前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記スペーサーの内周面が前記シリンダーの内側面よりも前記シリンダーの内方に位置することが好ましい。

上記構成によれば、スペーサーの内周面がシリンダーの内側面よりも内方に位置することでデッドボリュームをさらに小さくすることができる。
上記モノブロックエンジンのシリンダー構造において、前記凹部が曲面で構成されていることが好ましい。

上記モノブロックエンジンのシリンダー構造において、前記スペーサーの熱伝導率が前記モノブロックの熱伝導率よりも低いことが好ましい。
上記構成によれば、混合気の燃焼熱がスペーサーを介してモノブロックに伝熱することが抑えられる。これにより、シリンダー内の温度低下が抑えられることで未燃ガスの生成や燃焼圧の低下が抑えられる。その結果、エンジンの熱効率の低下がさらに抑えられる。

上記モノブロックのシリンダー構造において、前記スペーサーは、スペーサー本体と前記スペーサー本体にコーティングされて前記スペーサー本体よりも熱伝導率の低いセラミック層とを備えることが好ましい。

上記構成によれば、スペーサー本体にセラミック層がコーティングされることで、スペーサー本体のみでスペーサーが構成される場合に比べて、スペーサーの熱伝導率をさらに低くすることができる。

第１実施形態のモノブロックエンジンのシリンダー構造の断面構造を示す図であって、ピストンが上死点に位置している状態を示す図である。 自由状態におけるスペーサーの斜視構造を示す斜視図である。 スペーサーの装着方法を説明するための図である。 シリンダー周辺の断面構造を示す図であって、ピストンが上死点に位置している状態とピストンが下死点に位置している状態とを示す図である。 第２実施形態におけるスペーサーの断面構造を示す断面図である。 凹部およびスペーサーについての変形例の一例を示す断面図である。 凹部およびスペーサーについての変形例の一例を示す断面図である。 スペーサーについての変形例の一例を示す断面図である。 スペーサーの合い口部についての変形例の一例を示す平面図である。

（第１実施形態）
図１〜図４を参照してモノブロックエンジンのシリンダー構造の第１実施形態について説明する。

図１に示すように、モノブロックエンジン１０の一例は、シリンダーヘッドとシリンダーブロックとが一体化されたモノブロック１１を備えるディーゼルエンジンである。モノブロック１１のシリンダー１２には、ピストン１３が収容される。ピストン１３には、ピストンリングとして、燃焼室の気密性を高めるトップリング１４およびセカンドリング１５、ならびに、シリンダー１２に付着するオイル量を調整するオイルリング１６が装着されている。ピストン１３は、トップリング１４よりもピストン１３の頂面側の外周部分としてトップランド１３Ｔを有する。モノブロックエンジン１０では、シリンダー１２の上面壁２１に開口する吸気ポート１７を通じてシリンダー１２に吸入空気が流入する。シリンダー１２内の吸入空気に対して燃料噴射弁１８から燃料が噴射されることによりシリンダー１２内に混合気が生成される。そして、混合気を燃焼させた排気ガスは、上面壁２１に開口する排気ポート１９を通じてシリンダー１２から排出される。

シリンダー１２の側壁２０には、シリンダー１２の上面壁２１側の端部に、シリンダー１２の周方向の全周にわたって凹部２２が形成されている。凹部２２は、円弧状の断面形状を有する凹面２３で構成されている。凹部２２は、シリンダー１２に対するホーニング加工時に工具の逃げや研削液溜りとして機能する。シリンダー１２は、凹部２２において最大内径φａを有し、ピストンリングが摺動することによりピストン１３の往復動をガイドする内側面２４において内径φｂを有する。凹部２２には、リング状のスペーサー２５が装着される。

スペーサー２５は、例えばスチール系や鋳鉄といった金属からなる。スペーサー２５は、凹部２２に装着された状態において、シリンダー１２の外方に臨む面である外周面２７とシリンダー１２の内方に臨む面である内周面２８とを有する。スペーサー２５の外周面２７は、外方に張り出す半円状の断面形状を有するとともにその断面形状に凹面２３と同じ断面形状の部分を有し、凹部２２の凹面２３に対して面接触する。スペーサー２５の内周面２８は、凹部２２にスペーサー２５が装着された状態において、シリンダー１２の中心軸Ａに沿って延びる平坦な面である。また内周面２８は、ピストン１３のトップランド１３Ｔよりもシリンダー１２の外方であって、かつ、シリンダー１２の内側面２４よりもシリンダー１２の内方に位置し、ピストン１３が上死点に位置しているときにトップランド１３Ｔと対向する。すなわち、スペーサー２５は、凹部２２に装着された状態において、シリンダー１２の最大内径φａと同じ大きさの外径を有し、ピストン１３のトップランド１３Ｔの外径φｃよりも大きく、かつ、シリンダー１２の内側面２４の内径φｂよりも小さい内径φｆを有する。

図２に示すように、スペーサー２５は、合い口部２９を有して弾性変形により縮径可能なリング状に形成されている。スペーサー２５は、凹部２２に装着されていない状態において、シリンダー１２の最大内径φａよりも大きい外径φｄを有する。

図３に示すように、スペーサー２５は、合い口部２９を構成する各端部を互いに近づけた縮径状態でシリンダー１２に挿入される。そしてスペーサー２５は、シリンダー１２の上面壁２１まで挿入されると縮径状態が開放され、拡径することで凹部２２に装着される。凹部２２に装着されたスペーサー２５では、復元力によって外周面２７が凹部２２の凹面２３を押圧する。

図４に示すように、モノブロックエンジン１０の各シリンダー１２では、吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程、これらが順に繰り返される。吸入行程では、ピストン１３が上死点から下死点へと往動することにより、吸気ポート１７を通じてシリンダー１２に吸入空気が取り込まれる。圧縮行程では、ピストン１３が下死点から上死点へと復動することにより、吸入行程にて取り込まれた吸入空気を圧縮する。また、圧縮行程では、燃料噴射弁１８からシリンダー１２に燃料が噴射され、混合気が生成される。膨張行程では、混合気の燃焼にともなう燃焼圧によってピストン１３が上死点から下死点へと往動することにより、クランクシャフトに回転力を付与する。排気行程では、ピストン１３が下死点から上死点へと復動することにより、シリンダー１２内の排気ガスが排気ポート１９を通じて排出される。ピストン１３は、スペーサー２５の内周面２８がピストン１３のトップランド１３Ｔよりも外方に位置することから、スペーサー２５との干渉が抑えられた状態で往復動する。そして、凹部２２に対するスペーサー２５の装着によりデッドボリュームが小さくなっていることから、デッドボリュームに起因した未燃ガスの生成および燃焼圧の低下が抑えられる。

上述したモノブロック１１には、シリンダー１２の周辺にエンジン冷却水が流れるウォータージャケット（図示略）が形成されている。モノブロック１１は、エンジン冷却水で冷却されることで、混合気の燃焼による過熱が抑えられ、機械的強度を確保している。一方、混合気の燃焼熱がスペーサー２５を介してモノブロック１１へと積極的に伝熱するとなれば、シリンダー１２内の温度が低下することで未燃ガスの生成や燃焼圧の低下を招く。スペーサー２５は、モノブロック１１の機械的強度を保持する部材ではなく、また、内周面２８がトップランド１３Ｔの外方に位置する範囲で熱変形も許容されるため、モノブロック１１よりも冷却の必要性が少ない。そのため、スペーサー２５には、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱に起因したシリンダー１２内の温度低下を抑えることが望まれる。

上述したモノブロック１１は、例えばアルミニウム合金または鋳鉄で形成される。アルミニウム合金は、鉄、鋼、ステンレス鋼といったスチール系、ならびに、鋳鉄よりも熱伝導率が高い。そのため、アルミニウム合金製のモノブロック１１には、鉄、鋼、ステンレス鋼、および、鋳鉄から選択される１種の金属材料で形成したスペーサー２５を用いることにより、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱を抑えることができる。一方、鋳鉄は、鉄および鋼よりも熱伝導率が低く、ステンレス鋼よりも熱伝導率が高い。そのため、鋳鉄製のモノブロック１１には、ステンレス鋼からなるスペーサー２５を用いることにより、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱を抑えることができる。

上記モノブロックエンジンのシリンダー構造によれば、以下の効果が得られる。
（１）凹部２２にスペーサー２５が装着されることにより、凹部２２の形成に起因したエンジンの熱効率の低下が抑えられる。

（２）スペーサー２５は、合い口部２９を有して弾性変形により縮径可能に構成され、凹部２２に装着されていない状態において、シリンダー１２の最大内径φａよりも大きい外径φｄを有する。こうした構成によれば、凹部２２にスペーサー２５が装着された状態において、シリンダー１２の側壁２０に対してスペーサー２５が押圧されることから、スペーサー２５が凹部２２から外れにくくなる。

（３）凹部２２の凹面２３に対してスペーサー２５の外周面２７が面接触することで、スペーサー２５の変位が抑えられ、スペーサー２５がずれにくくなるとともにスペーサー２５の振動に起因した異音も抑えられる。

（４）モノブロック１１のうちで凹部２２を形成する部分には、燃焼圧に基づく力がスペーサー２５を介して作用する。そのため、凹部２２を形成する部分とスペーサー２５との接触面積が小さいとなれば、その接触部分に燃焼圧に基づく力が集中的に作用する。そのため、凹部２２を形成する部分およびスペーサー２５には、上記力に対する十分な機械的な強度が要求される。

この点、上記構成では、凹部２２の凹面２３に対してスペーサー２５の外周面２７が面接触することで、凹部２２とスペーサー２５との接触面積を大きくすることができる。これにより、凹部２２とスペーサー２５との接触部分において燃焼圧に基づく力が分散されやすくなる。その結果、材質や形状を含め、凹部２２を形成する部分およびスペーサー２５に要求される機械的な強度が軽減される。

（５）スペーサー２５の内周面２８がシリンダー１２の内側面２４よりも内方に位置することから、例えば内周面２８の少なくとも一部が内側面２４よりも外方に位置する場合に比べて、デッドボリュームを小さくすることができる。

（６）スペーサー２５の外周面２７が凹部２２の凹面２３に面接触し、かつ、スペーサー２５の内周面２８がシリンダー１２の内側面２４よりも内方に位置することによって、凹部２２内の空間の大部分がスペーサー２５で占有される。その結果、凹部２２内の空間のうちで燃焼ガスが進入可能な空間を確実に小さくすることができる。

（７）曲面である凹面２３によって凹部２２が構成されることから、スペーサー２５を介して燃焼圧に基づく力を受けたとしても、例えば図６に示すように断面形状に角部を有する凹部３０に比べて、凹部２２を形成する部分における応力の集中が抑えられる。

（８）スペーサー２５の内周面２８がシリンダー１２の中心軸Ａに沿って延びる平坦な面である。そのため、スペーサー２５の内径を内径φｆよりも大きくする面を内周面が含む場合に比べて、デッドボリュームを小さくすることが可能である。

（９）スペーサー２５がモノブロック１１よりも熱伝導率の低い材料で形成されることで、混合気の燃焼熱がスペーサー２５を介してモノブロック１１に伝熱することが抑えられる。その結果、モノブロックエンジン１０の熱効率の低下がさらに抑えられる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、モノブロックエンジンのシリンダー構造の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態のモノブロックエンジンのシリンダー構造とはスペーサーの構造が異なる。そのため、第２実施形態では、スペーサーの構造について詳細に説明し、第１実施形態を同じ構成の部分については同じ符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態のスペーサー５０は、スペーサー本体５１と、スペーサー本体５１にコーティングされたセラミック層５２とで構成される。スペーサー本体５１は、鉄、鋼、ステンレス鋼といったスチール系、および、鋳鉄、これらから選択される１種の金属材料で構成される。セラミック層５２は、スペーサー本体５１の金属材料よりも熱伝導率の低いセラミックで構成され、スペーサー本体５１に対するプラズマ溶射等の表面処理により形成される。セラミック層５２には、例えば、ムライト系、コージライト系、窒化珪素系、アルミナ系、ジルコニア系のセラミックを用いることができ、これらのセラミックのなかでも熱伝導率が低く、かつ、融点が高いジルコニア系のセラミックが用いられることが好ましい。

こうした構成のスペーサー５０によれば、熱伝導率の低いセラミック層が断熱層として機能することから、スペーサー５０の熱伝導率がスペーサー本体５１の燃伝導率よりも低くなる。その結果、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱がさらに抑えられる。

ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて燃焼圧が高いため、モノブロック１１には、アルミニウム合金よりも機械的強度が高い鋳鉄が用いられることが多い。上述したように鋳鉄は熱伝導率が低いため、単一の金属材料でスペーサーを形成し、かつ、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱を抑えるとなれば、その金属材料についての制約を受けやすい。しかし、上述したスペーサー５０であれば、スペーサー本体５１にセラミック層５２がコーティングされていることにより熱伝導率を低下させているため、スペーサー本体５１を構成する金属材料についての自由度が向上する。

第２実施形態のモノブロックエンジンのシリンダー構造では、以下の効果が得られる。
（１０）スペーサー５０がスペーサー本体５１とセラミック層５２とで構成されることにより、モノブロック１１への燃焼熱の伝熱がさらに抑えられる。また、スペーサー５０に使用可能な金属材料の自由度が向上する。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・モノブロック１１に形成される凹部は、側壁２０の上面壁２１側の端部にてシリンダー１２の内径を大きくする形状であればよく、断面形状が円弧状の凹面２３で構成されるものに限られない。

例えば図６に示す凹部３０のように、凹部は、内側面２４に連なりシリンダー１２の内径を大きくする傾斜面３１と、傾斜面３１に連なりシリンダー１２の中心軸Ａに沿って延びる平坦面３２とで構成されてもよい。この凹部３０にも、これらの面３１，３２に面接触する外周面３７と内側面２４よりも内方に位置する内周面３８とを有するスペーサー３５が装着されることが好ましい。なお、スペーサー３５は、単一の金属材料で構成されてもよいし、スペーサー本体とスペーサー本体にコーティングされたセラミック層とで構成されてもよい。

・スペーサーは、凹部に装着された状態において、内周面がトップランド１３Ｔの外方に位置し、かつ、凹部内の空間の少なくとも一部を占有していればよい。そのため、スペーサーの内周面は、凹部に装着された状態において、シリンダー１２の内側面２４よりも外方に位置する面であってもよいし、シリンダー１２の内側面２４に沿う面でもよい。

・スペーサーの内周面は、凹部にスペーサーが装着された状態において、シリンダー１２の内方に臨む面である。そのため、内周面は、シリンダー１２の中心軸Ａに沿って延びる平坦な面に限らず、スペーサーの内径を変化させる傾斜面や曲面を含んでいてもよい。

例えば、スペーサーは、図７に示すスペーサー４０のように、上面壁２１に近い部位ほどスペーサー４０の内径を小さくする内周面４３を有してもよい。また、スペーサーは、上面壁２１に近い部位ほどスペーサーの内径を大きくする内周面を有していてもよい。これらの内周面は、その一部がシリンダー１２の内側面２４よりも外方に位置する面であってもよい。スペーサーの内周面の位置や形状については、ピストン１３の首振り運動を考慮して設計されることが好ましい。なお、こうした構成のスペーサーは、単一の金属材料で構成されてもよいし、スペーサー本体とスペーサー本体にコーティングされたセラミック層とで構成されてもよい。

・スペーサーは、凹部に装着されることにより凹部内の空間の少なくとも一部を占有すればよく、スペーサー２５のように凹部２２の凹面２３に対して外周面２７が面接触していなくともよい。例えば、スペーサーは、凹部の凹面とスペーサーの外周面の一部との間に隙間を形成した状態で凹部の開口部を塞ぐ構成であってもよい。

例えば、図８に示すように、スペーサー５５の外周面５７は、凹部２２の凹面２３に面接触する接触面５７ａと、凹部２２の凹面２３との間に隙間６０を形成する非接触面５７ｂとを有していてもよい。この非接触面５７ｂは、スペーサー５５の外周部においてスペーサー５５の周方向に沿って延在する溝部によって構成されてもよいし、スペーサー５５の外周部において散在する窪みによって構成されてもよい。こうした構成であってもデッドボリュームが小さくなる。また、スペーサー５５とモノブロック１１との接触面積が小さくなるとともに隙間６０が断熱層として機能することにより、スペーサー５５からモノブロック１１への伝熱量が低下する。その結果、混合気の燃焼熱がスペーサー５５を介してモノブロック１１に伝熱することを抑えることができる。また、熱変形にともなう凹面２３側への膨張の一部を隙間６０で吸収することが可能となるため、ピストン１３側への内周面５８の変位を抑えることもできる。なお、スペーサー５５は、単一の金属材料で構成されてもよいし、スペーサー本体とスペーサー本体にコーティングされたセラミック層とで構成されてもよい。

・スペーサーの外径φｄは、凹部に装着されていない状態において、シリンダー１２の最大内径φａと同じであってもよい。また、例えば凹部の凹面とスペーサーの外周面との間に隙間が形成される場合のように、スペーサーの外径φｄは、凹部におけるシリンダー１２の最大内径φａよりも小さくてもよい。

・スペーサー２５の合い口部２９は、直角合い口に限らず、斜め合い口や図９に示すような段付合い口６１であってもよい。こうした構成によれば、凹部２２においてスペーサーの占有する部分を大きくすることができるとともに合い口部に対する燃焼ガスの進入を抑えることができる。

・モノブロックエンジン１０は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよいし、天然ガスを燃料とする天然ガスエンジンであってもよい。

１０…モノブロックエンジン、１１…モノブロック、１２…シリンダー、１３…ピストン、１３Ｔ…トップランド、１４…トップリング、１５…セカンドリング、１６…オイルリング、１７…吸気ポート、１８…燃料噴射弁、１９…排気ポート、２０…側壁、２１…上面壁、２２…凹部、２３…凹面、２４…内側面、２５…スペーサー、２７…外周面、２８…内周面、２９…合い口部、３０…凹部、３１…傾斜面、３２…平坦面、３５…スペーサー、３７…外周面、３８…内周面、４０…スペーサー、４３…内周面、５０…スペーサー、５１…スペーサー本体、５２…セラミック層、５５…スペーサー、５７…外周面、５７ａ…接触面、５７ｂ…非接触面、５８…内周面、６０…隙間、６１…段付合い口。

Claims (7)

1. シリンダーヘッドとシリンダーブロックとが一体的に形成されたモノブロックを有するモノブロックエンジンのシリンダー構造であって、
   前記モノブロックには、シリンダーの側壁の上面壁側の端部に全周にわたって凹部が形成され、
   前記凹部には、リング状のスペーサーが装着され、
   前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記スペーサーの内周面がピストンのトップランドよりも前記シリンダーの外方に位置する
   モノブロックエンジンのシリンダー構造。
2. 前記スペーサーは、
   合い口部を有して弾性変形により縮径可能に構成され、前記凹部に装着されていない状態において、前記凹部における前記シリンダーの最大径よりも大きい外径を有する
   請求項１に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。
3. 前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記凹部の凹面に対して前記スペーサーが面接触する
   請求項２に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。
4. 前記凹部に前記スペーサーが装着された状態において、前記スペーサーの内周面が前記シリンダーの内側面よりも前記シリンダーの内方に位置する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。
5. 前記凹部が曲面で構成されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。
6. 前記スペーサーの熱伝導率が前記モノブロックの熱伝導率よりも低い
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。
7. 前記スペーサーは、スペーサー本体と前記スペーサー本体にコーティングされて前記スペーサー本体よりも熱伝導率の低いセラミック層とを備える
   請求項６に記載のモノブロックエンジンのシリンダー構造。

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