JP2016102449A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シンリダボアの軸心とクランク軸の軸心とをずらしている内燃機関において、ヘッドボルトとキャップボルトとの軸心がずれても、シリンダブロックのひずみ発生を防止しつつシリンダヘッド及びクランクキャップを強固に締結可能とする。【解決手段】ヘッドボルト３とキャップボルト１２とを、シリンダブロック２に鋳込んだ鉄製のアンカー部材２６にねじ込む。アンカー部材２６はクランク軸線視において円形である。ボルト３，１２をねじ込むとアンカー部材２６が回転して、ボルト３，１２はボルト穴２１，２２の内面に広い範囲にわたって圧接する。このため、シリンダブロック２の狭い部位に応力が集中することはなくて、シリンダブロック２のひずみを防止できる。このため、シリンダブロック２を厚肉化したり補強リブを設けたりする必要はなく、コスト抑制や軽量化に貢献できる。【選択図】図１

Description

本願発明は内燃機関に関するもので、特に、シリンダヘッドとシリンダブロックとクランクキャップとの固定構造（締結構造）に特徴を有するものである。

レシプロ式の内燃機関では、シリンダブロックの上面にシリンダヘッドがヘッドボルトで固定されている一方、シリンダブロックの下面部（軸受け凹所）には、クランク軸を回転自在に保持するクランクキャップがキャップボルトによって固定されている。この場合、膨張行程でのピストンの力をクランク軸に効率良く伝えたり、シリンダブロックの高さを低くする等のために、シンリダボアの軸心とクランク軸の軸心とを、クランク軸線視で少し左右方向にずらすことが行われている。

他方、シリンダヘッドをヘッドボルトでシリンダブロックに固定する場合、ボルトによる締結力を均等化するために、ヘッドボルトは、クランク軸線から見てシンリダボアの左右対称位置に配置している。

同様に、キャップボルトも、クランクキャップの締結力を全体にわたって均等化してクランク軸の偏磨耗を防止するためには、クランク軸線視で、キャップボルトをシンリダボアの左右対称位置に配置するのが好ましい。特に、アルミ製のシリンダブロックは変形しやすいため、シリンダヘッドやクランクキャップに均等な締結力がかかるように配慮する必要性が高い。

そして、特許文献１には、左右のヘッドボルトの間隔と左右キャップボルトの間隔とが異なる場合において、クランク軸を挟んで一方に位置したヘッドボルトとキャップボルトとを同心に配置し、クランク軸を挟んで他方に位置したヘッドボルトとキャップボルトとは左右にずらすことが記載されている。

特開２００６−２５６８１１号公報

特許文献１では、一対ずつのヘッドボルトとキャップボルトとのうち、片方のキャップボルトとヘッドボルトとは左右にずれているため、ヘッドボルトの引っ張り力とキャップボルトの引っ張りとによってシリンダブロックにひずみが発生し、これがシンリダボアの真円度に影響する等の問題があり、これを防止するためには、シリンダブロックの肉厚を厚くしたり補強リブを設けるといった補強手段を講じなければならず、すると、コストアップや重量増大（結果としての燃費悪化）といった新たな問題が生じてくる。

このような、ボルトの非対称配置によるひずみの問題は、シリンダブロックがアルミ製である場合に顕著に現れる。そこで、シリンダブロックの内部に鉄製のアンカー部材を鋳込んで、このアンカー部材にヘッドボルトとキャップボルトとを同心の姿勢でねじ込むことによって、ひずみの発生防止を図ることも行われている。

しかし、シンリダボアの軸心とクランク軸の軸心とをずらしつつ、ヘッドボルトとキャップボルトとを同心に配置すると、クランク軸の軸心から左右のキャップボルトまでの間隔が異なってしまうため、クランクキャップの締結力がクランク軸線方向から見て左右方向で不均一化し、このため、クランク軸に偏磨耗が発生しやすくなる。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、アンカー部材を効果的に利用することにより、シリンダブロックへのひずみを抑制しつつ、クランクキャップの締結力の均等化を図ろうとするものである。

本願発明の内燃機関は、シリンダブロックの上面に、シリンダヘッドがヘッドボルトによって固定されている一方、シリンダブロックの下面部には、クランク軸を保持するクランクキャップがキャップボルトで固定されており、前記ヘッドボルトとキャップボルトとは、クランク軸線方向から見て左右に配置されており、かつ、クランク軸線方向から見て、ヘッドボルトとキャップボルトとが左右にずれている、という基本構成である。

そして、前記シリンダブロックの内部に、前記ヘッドボルトが上方からねじ込まれてキャップボルトが下方からねじ込まれる高強度のアンカー部材を配置しており、前記アンカー部材を、クランク軸線方向から見て、円形又は丸みを帯びた形状に形成している。

アンカー部材をクランク軸線方向から見て円形に形成する場合、球状でもよいが、クランク軸線と直交した方向から見ると四角形の円板状又はブロック状とするのが好ましい。丸みを帯びた形状とは、四角形のような多角形の角を丸めた形状が挙げられる。

クランク軸線を挟んだ左右側にヘッドボルトとキャップボルトの対が配置されているが、特許文献１のように、一方のヘッドボルトとキャップボルトとの対を同心にすることは可能であり、この場合は、左右にずれているヘッドボルトとキャップボルトとがねじ込まれるアンカー部材のみを、本願発明の構成にしたらよい。もとより、同心に配置されたヘッドボルトとキャップボルトとがねじ込まれるアンカー部材を本願発明の構成にすることを排除するものではない。

ヘッドボルトとキャップボルトとがクランク軸線方向視において左右にずれていると、ヘッドボルトによる上向きの引っ張りキャップボルトによる下向きの引っ張りとにより、アンカー部材には、クランク軸線と平行な軸心回りに回転させようとする偶力が作用する。従って、アンカー部材が角を有する角形であると、アンカー部材によってシリンダブロックに大きな加圧力が作用し、これにより、シリンダブロックにひずみが発生するおそれがある。

これに対して本願発明では、アンカー部材は円形又は丸みを帯びた形状であるため、ヘッドボルトとキャップボルトとの引っ張りにより、僅かながらシリンダブロックの内部で回転し得る。すると、ヘッドボルト及びキャップボルトにはリーマボルトが使用されていて、これらはボルト穴と殆どきっちり嵌まり合っているため、アンカー部材の回転により、ボルトがボルト穴の内面に圧接することになる。

つまり、ヘッドボルト及びキャップボルトの引っ張りが、ボルト穴への圧接に変換されるのであり、このため、ボルトのねじ込みによる引っ張り力は、シリンダブロックの広い範囲に分散して作用する。その結果、シリンダブロックの狭い部位に応力が集中することを防止して、ひずみの発生を防止できる。従って、シリンダブロックを厚肉化したり補強リブを形成したりする手段を講じなくても、シリンダヘッド及びクランクキャップを均等かつ強い力で締結できて、内燃機関の信頼性を向上できると共に、軽量化による燃費の向上にも貢献できる。

第１実施形態を示す図で、ボア間部をクランク軸線と直交した方向から見た縦断正面図である。 （Ａ）は図１の部分拡大図、（Ｂ）はボルトの締結力の作用方向を示すベクトル図である。 他の実施形態を示す要部断面図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。なお、以下の説明で方向を特定するために「左右」の文言を使用するが、これは、クランク軸線方向から見た左右を意味している。

内燃機関の基本構造は従来と同様であり、複数のシンリダボア１を有するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面にヘッドボルト３の群で固定されたシリンダヘッド４とを備えている。シリンダブロック２及びシリンダヘッド４はアルミの鋳造品である。図１はボア間部の断面図であり、従って、シンリダボア１は点線で表示している。シンリダボア１にはピストン５が摺動自在に嵌まっており、ピストン５の往復動は、仮想線で示すコンロッド６により、クランク軸７の回転に変換される。

クランク軸７は、ボア間部２ａ及びボア群の外側に位置した複数のクランクジャーナル８を備えており、各クランクジャーナル８は、上半分はシリンダブロック２の下部凹所９に形成した軸受け部１０に嵌まって、下半分はクランクキャップ１１に嵌まっており、クランクキャップ１１は、左右一対のキャップボルト１２により、シリンダブロック２の下部凹所９に固定（締結）されている。軸受け部１０とクランクキャップ１１とにはメタル軸受け１３が嵌まっており、メタル軸受け１３とクランクジャーナル８との間の摺動面には、オイル供給路１４から潤滑油が供給される。

クランク軸７は図示しないクランクアームを備えており、クランクアームの先端に設けたクランクピン１５とピストンピン１６とがコンロッド６で連結されている。クランクピン１５の回転軌跡を符号１７で示している。

ヘッドボルト３は、ボア間部２ａ及びボア群の外側に左右一対ずつ配置されており、左右のヘッドボルト３は、シンリダボアの軸心２０を挟んだ対称位置に設けている。すなわち、左右のヘッドボルト３は、シンリダボア１の軸心２０から等しい寸法Ｌ１だけ離れた箇所に対称に配置されている。ヘッドボルト３とキャップボルト１２とはリーマボルトであり、ヘッドボルト３及びキャップボルト１２とボルト穴２１，２２とのクリアランスはごく僅かである。

クランク軸７の軸心２３はシンリダボア１の軸心２０から若干の寸法ｅだけ左側にずれている（右側にずらしてもよい。）。また、左右のクランクキャップ１１は、クランク軸７の軸心２２から等しい距離Ｌ２だけ離れた対称位置に配置されている。本実施形態では、シンリダボア１の軸心２０からヘッドボルト３の軸心２４までの寸法Ｌ１と、クランク軸７の軸心２３からキャップボルト１２の軸心２５までの寸法Ｌ２とを同じ寸法に設定しているが、Ｌ１とＬ２とを異ならせてもよい。

そして、ヘッドボルト３とキャップボルト１２とは、シリンダブロック２の肉厚部内に配置した鉄製のアンカー部材２６にねじ込まれている。従って、アンカー部材２６には、ヘッドボルト３がねじ込まれる上向き開口の第１ねじ穴２７と、キャップボルト１２が下方からねじ込まれる第２ねじ穴２８が形成されている。アンカー部材２６は、クランク軸線視においては円形で、クランク軸線及びシンリダボア１の軸心２０と直交した側面視では、四角形（長方形又は正方形）に形成されている。すなわち、アンカー部材２６は円板状の形態である。

アンカー部材２６は、シリンダブロック２に鋳込むこともできるし、シリンダブロック２に空けた穴に嵌め込むこともできる。鋳込みの場合は、ヘッドボルト３及びクランクキャップ１１と同様のダミーのボルトによってアンカー部材２４を鋳型に保持し、鋳造後にダミーのボルトを取り外したらよい。

アンカー部材２４にねじ込まれたヘッドボルト３とキャップボルト１２とは、その軸心２４，２５が寸法ｅだけ左右にずれている。また、ヘッドボルト３及びキャップボルト１２の軸心２４，２５は、アンカー部材２６の軸心２９を挟んだ左右対称の位置に位置している。従って、両ボルト３，１２の軸心２４，２５は、アンカー部材２６の軸心２９からｅ／２の寸法ずつ左右方向（紙面で右方向）にずれている（偏心している）。クランク軸線と直交した見た側面視では、ヘッドボルト３とキャップボルト１２とは同心になっている。

このため、図２（Ａ）に矢印Ｒで示すように、両ボルト３，１２のねじ込み（引っ張り）によって、アンカー部材２６にはこれを軸心回りに回転させようとする偶力が作用する。そして、アンカー部材２６がシリンダブロック２の内部でごく僅かながら回転すると、ボルト３，１２は、矢印Ｓに示すように、ボルト穴２１，２２の内面に圧接し、これにより、アンカー部材２６の回転は阻止される。

すなわち、図２（Ｂ）に示すように、ボルト３，１２のねじ込みによってアンカー部材２６を下向きに引っ張る力（シリンダヘッド４及びクランクキャップ１１をシリンダブロック２に押し付ける力）Ｆ１は、アンカー部材２６を上下に分離させるような上下方向の力Ｆ２と、ボルト３，１２をボルト穴２１，２２に圧接させる力Ｆ３とに分けられる。

そして、アンカー部材２６が回転してもシリンダブロック２には応力は発生しない一方、ボルト穴２１，２２は上下に長くてシリンダブロック２の狭い部位に応力が集中することはないため、シリンダブロック２にリブの形成や厚肉化等の特段の補強手段を講じなくても、シリンダブロック２にひずみが発生することを防止又は著しく抑制した状態で、シリンダヘッド４及びクランクキャップ１１をシリンダブロック２に強固に締結できるのである。

(2).他の実施形態・その他
第１実施形態はアンカー部材２６を円形に形成した場合であったが、図３に別例として示すように、アンカー部材２６は丸みを帯びた角形とすることもできる。このうち（Ａ）では、アンカー部材２６は、クランク軸視で４つの面が縦横に並ぶように配置しており、上下の平行な２つの面にねじ穴２７，２８を開口させている。４つの角は円弧状（曲面状）にカットされて、全体として丸みを帯びている。

他方、（Ｂ）に示す例では、コーナー部が上下左右を向く姿勢（対角方向が上下と左右を向く姿勢）で配置しており、ねじ穴２７，２８は上下のコーナー部に開口している。従って、左右の角部が現れるが、左右角部をカットして丸みを付けている。従って、この場合も、全体として丸みを帯びている。

これら図３の場合は、ボルト３，１２のねじ込みにより、アンカー部材２６は、シリンダブロック２を弾性変形させて僅かながら回転するが、角部をカットして丸みを帯びていることにより、シリンダブロック２に発生する応力は僅かであり、かつ、シリンダブロック２が大きく弾性変形する前にボルト３，１２がボルト穴２１，２２に圧接するため、シリンダブロック２の弾性変形量はごく僅かであり、問題になるほどのひずみは生じないといえる。

アンカー部材２６をシリンダブロック２よりも熱膨張率が小さい素材で製造すると、機関の運転による昇温によってシリンダブロック２とアンカー部材２６との間にごく僅かながら隙間が発生するため、アンカー部材２６はより回転しやすくなる。従って、シリンダブロック２にひずみが発生することを、より的確に防止できるといえる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、アンカー部材は、正六角形や正八角形等の多角形を基本にしつつ、角を丸めた形態とすることもできる。また、楕円形でも構わない。左右２本のキャップボルト１２を、ヘッドボルト３よりもクランク軸の側にずらして配置してもよい。

本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ シンリダボア
２ シリンダブロック
３ ヘッドボルト
４ シリンダヘッド
７ クランク軸
８ クランクジャーナル
９ シリンダブロックの軸受け凹所
１０ シリンダブロックの軸受け部
１１ クランクキャップ
１２ キャップボルト
２０ シンリダボアの軸心
２１，２２ ボルト穴
２３ クランク軸の軸心
２４，２５ ボルトの軸心
２６ アンカー部材
２７ アンカー部材の軸心

Claims (1)

1. シリンダブロックの上面に、シリンダヘッドがヘッドボルトによって固定されている一方、シリンダブロックの下面部には、クランク軸を保持するクランクキャップがキャップボルトで固定されており、前記ヘッドボルトとキャップボルトとは、クランク軸線方向から見て左右に配置されており、かつ、クランク軸線方向から見て、ヘッドボルトとキャップボルトとが左右にずれている構成であって、
   前記シリンダブロックの内部に、前記ヘッドボルトが上方からねじ込まれてキャップボルトが下方からねじ込まれる高強度のアンカー部材を配置しており、前記アンカー部材を、クランク軸線方向から見て、円形又は丸みを帯びた形状に形成している、
   内燃機関。

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