JP2017089470A - 内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関において、シリンダヘッドとカムキャリアの接続箇所に対するフレッチング摩耗による損傷を抑制できると共に、各カムベアリングの同軸加工精度を維持できて、各カムベアリングの摩耗や焼き付きを抑制できる内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関を提供する。
【解決手段】カムキャリア２０を、カムシャフト３０の軸方向と平行に設けられる１対の縦フレーム２１と、該１対の縦フレーム２１に互いに離間して接続され、かつ、カムシャフト３０をカムベアリング３１で支持する、複数の横フレーム２２とで構成すると共に、縦フレーム２１において、隣接する横フレーム２２の間の壁面２３の内、少なくとも１つの壁面２３ａに、熱膨張に起因する、カムベアリング３１のカムシャフト３０に対する相対位置及び傾斜角度の変化量を抑制する柔構造４０を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の多くは、気筒（シリンダ）を複数設けた多気筒エンジンとして構成されている。この多気筒エンジンで動弁機構にＯＨＣ（オーバーヘッドカムキャリア）を採用している場合は、各気筒の内の上部に配設した吸気弁及び排気弁の開閉を行うためのカムを複数備えたカムシャフトを備え、このカムシャフトをシリンダヘッドの上部に設けたカムキャリアに回動可能に支持している。

この多気筒ＯＨＣエンジンでは、このカムキャリアは、カムシャフトの軸方向と平行に設けられる１対の縦フレームと、この１対の縦フレームに互いに離間して接続される複数の横フレームとを有しており、この横フレームは、エンジンの気筒を挟むように気筒数に対応して設けられ、この横フレームに配設されたカムベアリングでカムシャフトを支持している。

そして、各々の気筒に対するカムベアリング位置の加工において同軸度の精度が信頼性や耐久性に大きな影響を与えるので、カムシャフトのカムを正確な位置に配置できるように、縦フレームと横フレームを一体化され、一体構造として同軸加工する構成が使用されている。この一体構造のカムキャリアはボルトによりシリンダヘッドに固定される。

しかしながら、シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを固定した内燃機関では、カムキャリアとシリンダヘッドの間で温度差が発生するような、エンジンの運転条件、例えば、冷間時等の低負荷運転から急に高負荷運転に移行する運転条件や、高負荷運転から急に低負荷運転または無負荷運転（エンジンブレーキ作動状態）に移行する運転条件においては、シリンダヘッドとカムキャリアとの間の熱温度差による相対変位が生じたり、カムキャリアにおいてシリンダヘッドへの接触面と反対側の上面側との間の熱膨張差に起因する熱変形が発生したりするという問題がある。

つまり、急激なエンジン運転状態の変化では、エンジンの気筒における発熱量が大きく変化して、シリンダヘッドの温度が変化するため、シリンダヘッドとカムキャリアの間で、温度差が生じ、この温度差による熱膨張差で相対変位が生じるため、微小な往復滑りが繰り返し作用したときに生じる表面損傷であるフレッチング摩耗が発生する。

一方、カムキャリアのシリンダヘッドと接していて温度がシリンダヘッドに追従し易い接触面側と、カムキャリアのシリンダヘッドと反対側で熱伝達が遅く、しかも放熱量が大きく、温度がシリンダヘッドに追従し難い上面側との間で、温度差が発生し、接触面側の熱膨張量と、上面側の熱膨張量との間に差が生じてしまうため、カムキャリア内で熱変形が生じる。この熱変形が生じると、カムベアリングの、カムシャフトに対する位置や傾斜度が変化してしまい、カムベアリングの摩耗や焼き付き等の不具合が生じることになる。

すなわち、図６に示すように、従来技術の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ｘでは、定常状態で、カムキャリア２０の温度が略均等であるときから、図７に示すように、シリンダヘッド１０の温度が急上昇して更に熱膨張（ΔＬｂ）すると、カムキャリア２０の接触面２０ｒ側はシリンダヘッド１０の熱膨張に追従して比較的大きな伸び量ΔＬｒとなるため、シリンダヘッド１０の螺合されているボルト５０の接触面２０ｒ側の位置Ｐｒも移動する。一方、放熱量の大きい上面２０ｔ側では温度上昇に追従できず、比較的小さな伸び量ΔＬｔとなるため、ボルト５０の上面２０ｔ側の位置Ｐｔは、接触面２０ｒ側の位置Ｐｒからずれてしまう。すなわち、カムキャリア２０における熱膨張の差により熱変形してしまう。なお、説明のための図７では、図７の横方向のみの伸びに注目して、模式的に書いた図であり、上下など全体の伸びを正確に示してはいない。また、温度上昇時は、「ΔＬｂ≧Ｌｒ≧Ｌｔ」となり、温度下降時には、「ΔＬｂ≦Ｌｒ≦Ｌｔ」となる。

これに関連して、インテークカムシャフトジャーナル部とエキゾーストカムシャフトジャーナル部とのカム軸間ピッチが拡大し、バルブクリアランスが増大して異音が発生するのを防止するために、アルミ製のシリンダヘッド本体の上に、このシリンダヘッド本体と別体のカムキャリアを載置したシリンダヘッドにおいて、カムキャリアをアルミダイカスト製にするとともに、カムキャリアの中に鋳鉄製の軸受け部材を鋳込んで、カムキャリアの熱変形量を小とするシリンダヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このシリンダヘッドでは、アルミ製のカムキャリアに鋳鉄製の軸受部材を鋳込んでいるので、アルミニウム合金と鋳鉄で熱膨張率の差に起因して、特定の温度範囲以外では常に熱変形量の差による熱応力が作用することになるという問題が生じ、また、カムキャリアの熱膨張量を小さく抑え込んでいるため、シリンダヘッド本体とその上に載置されたカムキャリアとの間の相対変位が大きくなるという問題が生じる。

特開２００２−２０５１５９号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関において、シリンダヘッドとカムキャリアの温度差が発生するようなエンジンの運転条件下においても、シリンダヘッドとカムキャリアの接続箇所に対するフレッチング摩耗による損傷を抑制できると共に、カムシャフトとカムベアリングの相対位置と相対角度の変化量を減少して、カムキャリアの横フレームに配置される各カムベアリングの同軸加工精度を維持できて、各カムベアリングの摩耗や焼き付きを抑制できる内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のシリンダヘッド構造は、シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関のシリンダヘッド構造において、前記カムキャリアを、カムシャフトの軸方向と平行に設けられる１対の縦フレームと、該１対の縦フレームに互いに離間して接続され、かつ、前記カムシャフトをカムベアリングで支持する、複数の横フレームとで構成すると共に、前記縦フレームにおいて、隣接する前記横フレームの間の壁面の内、少なくとも１つの壁面に、熱膨張に起因する、前記カムベアリングの前記カムシャフトに対する相対位置及び傾斜角度の変化量を抑制する柔構造を設けて構成される。

この構成によれば、この柔構造により、縦フレームのカムシャフトの軸方向の剛性を低下させることで、シリンダヘッドとカムキャリアの間の熱膨張差で生じる相対変位を吸収できるので、シリンダヘッドとカムキャリアの接触面におけるフレッチング摩耗による損傷を抑制することができる。

更に、この柔構造により、縦フレームのカムシャフトの軸方向の剛性を低下させることで、縦フレームの上面側と接触面側との間の熱膨張差を吸収して、言い換えれば、熱膨張差に相当する分だけ柔構造部分のカムシャフトの軸方向に変形することで、カムキャリア内で発生する温度不均等から生じる熱膨張差に起因する熱変形が、カムベアリングのカムシャフトに対する相対位置及び傾斜角度に及ぼす影響を減少でき、カムベアリングの摩耗や焼き付きの発生を抑制することができる。

また、上記の内燃機関のシリンダヘッド構造において、前記柔構造を、前記壁面の一部又は全部を、該壁面に垂直な方向に凸状にした凸形状構造とする。この凸形状構造は、例えば、カムキャリアの縦フレームの壁面をこの壁面に垂直な方向に対してプレス加工等することで容易に形成できる。そして、この構成によれば、プレス加工等の比較的簡易な加工により、カムキャリアの縦フレームに柔構造を形成することができ、また、既存のエンジンにも容易に適用することができる。

あるいは、上記の内燃機関のシリンダヘッド構造において、前記柔構造を、前記壁面の一部に、壁面の下面又は上面から高さ方向に切り込まれたスリットを少なくとも１つ設けたスリット形状構造とする。このスリット形状構造は、例えば、シリンダヘッドの高さ方向に切削加工等することで容易に形成できる。そして、この構成によれば、切削加工等の比較的簡易な加工により、カムキャリアの縦フレームに柔構造を形成でき、また、既存のエンジンに適用することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関のシリンダヘッド構造を備えて構成され、上記の内燃機関のシリンダヘッド構造と同様の効果を奏することができる。

本発明の内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関によれば、シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関において、シリンダヘッドとカムキャリアの温度差が発生するようなエンジンの運転条件下においても、シリンダヘッドとカムキャリアの間の相対変位を吸収して、シリンダヘッドとカムキャリアの接触箇所に対するフレッチング摩耗による損傷を抑制できると共に、カムキャリア内の温度の不均一によって生じる熱変形を吸収することでカムシャフトとカムベアリングの相対位置と相対角度の変化量を減少して、カムキャリアの横フレームに嵌入される各カムベアリングの同軸加工精度を維持できるので、各カムベアリングの摩耗や焼き付きを抑制できる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造を模式的に示す図である。 図１のＡ部分を拡大した図であり、カムキャリアの縦フレームに凸形状構造の柔構造を設けた図である。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造の、図１のＡ部分に相当する部分を拡大した図であり、カムキャリアの縦フレームにスリット形状構造の柔構造を設けた図である。 従来技術の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 図４のＡ部分を拡大した図である。 図５をＢ方向から見た図であり、エンジンの定常運転条件時における、従来技術のシリンダヘッドとカムキャリアの位置関係を模式的に示す図である。 図５をＢ方向から見た図であり、エンジンの過渡運転条件時における、従来技術のシリンダヘッドとカムキャリアの位置関係とカムキャリアの変形を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造及び内燃機関について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、カムキャリアに、エンジンの各気筒（シリンダ）の内の上部に配設した吸気弁及び排気弁の開閉を行うためのカムを複数備えた単一のカムシャフトをカムキャリアで支持する、所謂、ＳＯＨＣ（シングル・オーバーヘッド・カムキャリア）エンジンを例として説明するが、吸気弁の動作用のカムを複数備えた吸気弁用カムシャフトと、排気弁の動作用のカムを複数備えた排気弁用カムシャフトの２つのカムシャフトをカムキャリアに備えて構成される、所謂、ＤＯＨＣ（ダブル・オーバーヘッド・カムシャフト）エンジンに対しても、本発明を適用することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ａは、図１に示すように、シリンダヘッド１０の上部に一体構造のカムキャリア２０を載置してボルト５０で固定した構造である。

そして、この内燃機関のシリンダヘッド構造１において、カムキャリア２０を、カムシャフト３０の軸方向（縦方向）と平行に設けられる１対の縦フレーム２１と、この１対の縦フレーム２１に互いに離間して接続され、かつ、カムシャフト３０をカムベアリング３１で支持する、複数の横フレーム２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）とで構成される。

なお、ここでは、図１に示す各方向について説明しておく。縦方向は、シリンダヘッド２０の縦方向を示し、カムシャフト３０の軸方向と同じ方向である。この方向は、カムキャリア２０の横フレーム２２に配置される各カムベアリング３１の軸方向と同じ方向である。また、横方向は、縦方向と垂直な方向で、シリンダヘッド１０の横方向であり、カムキャリア２０の各横フレーム２２の配設方向と同じ方向である。また、高さ方向は、シリンダヘッド１０の高さ方向で、シリンダヘッド１０の縦方向及び横方向に垂直な方向である。

この横フレーム２２は、エンジン１の気筒数（図１の構成では４気筒）に対応して、上から見て、これらの気筒をそれぞれ跨ぐように設けられる。また、カムシャフト３０には、吸気弁と排気弁の開閉を行うための複数のカム３２が備えられている。

本発明においては、それと共に、縦フレーム２１において、隣接する横フレーム２２の間の壁面２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ）の内、少なくとも１つ（図１の構成では２つ）の壁面２３ａ、２３ｄに、熱膨張に起因する、カムベアリング３１のカムシャフト３０に対する相対位置及び傾斜角度の変化量を抑制する柔構造４０（４０ａ、４０ｄ）を設けて構成される。なお、図１では、図面の簡略化のため、紙面の裏側方向に配設される縦フレーム２１を省略しているが、この縦フレーム２１に対しても、後述する本発明の柔構造４０を適用することができる。

この柔構造４０は、縦フレーム２１のカムシャフト３０の軸方向、即ち、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間に大きな相対変位が発生する方向の剛性を低下させることで、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の相対変位を吸収する構造である。また、それと共に、縦フレーム２１の上面側と接触面側との間の熱膨張差を吸収して、言い換えれば、熱膨張差に相当する分だけ柔構造４０部分のカムシャフト３０の軸方向に変形する構造である。

また、縦フレーム２１の端部側の壁面（図１では、２３ａ、２３ｄ）にこの柔構造４０を設けると、中央側の壁面（図１では、２３ｂ、２３ｃ）に柔構造４０を設ける場合よりも、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の相対変位が大きくなる部位で、相対変位の吸収をすることができるので、より効果が大きくなるので、好ましい。また、横フレーム２２の熱膨張が問題になるような場合には、柔構造４０を、カムキャリア２０の各横フレーム２２の壁面に設けてもよい。

図１に示す、第１の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ａは、図２に示すように、この柔構造４０を、カムキャリア２０の縦フレーム２１の壁面２３の一部又は全部を、この壁面２３に垂直な方向に凸部４１を設けて凸状にした凸形状構造で構成している。この凸形状構造は、例えば、カムキャリア２０の縦フレーム２１の壁面２３をこの壁面２３に垂直な方向に対してプレス加工等することで容易に形成できる。そして、この構成によれば、プレス加工等の比較的簡易な加工により、カムキャリア２０の縦フレーム２１に柔構造４０を形成することができ、また、既存のエンジンにも容易に適用することができる。

なお、凸部４１の形状、寸法等の具体的な仕様については、内燃機関の過渡運転条件時における、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の相対変位の量を予め実験やシミュレーション等により求めておいて、この相対変位の量を基に設定する。また、複数の凸部４１を壁２３に設けた場合における、各柔構造４０の形状、寸法等の具体的な仕様の設定についても、同様である。

また、図３に示す第２の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ｂでは、柔構造４０(図３では４０ａ)を、壁面２３の一部に、壁面２３の下面又は上面から高さ方向に切り込まれたスリット４２を少なくとも１つ設けたスリット形状構造とする。このスリット形状構造は、例えば、シリンダヘッド１０の高さ方向に切削加工等することで容易に形成できる。そして、この構成によれば、切削加工等の比較的簡易な加工により、カムキャリア２０の縦フレーム２１に柔構造４０を形成でき、また、既存のエンジンに適用することができる。

なお、スリット形状構造４０の形状、寸法等の具体的な仕様については、エンジン１の過渡運転条件時における、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の相対変位の量を、予め実験やシミュレーション等により求めておいて、この相対変位の量を基に設定する。また、複数のスリット４２を壁２３に設けた場合における、各柔構造４０の形状、寸法等の具体的な仕様の設定についても、同様である。

そして、本発明の実施の形態の内燃機関は、上記の実施の形態の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ａ、１Ｂを備えて構成される。

上記の構成の内燃機関のシリンダヘッド構造１Ａ、１Ｂ及び内燃機関によれば、この柔構造４０により、縦フレーム２１のカムシャフト３０の軸方向の剛性を低下させることで、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の熱膨張差で生じる相対変位を吸収できるので、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の接触面におけるフレッチング摩耗による損傷を抑制することができる。

更に、この柔構造４０により、縦フレーム２１のカムシャフト３０の軸方向の剛性を低下させることで、縦フレーム２１の上面側と接触面側との間の熱膨張差を吸収して、言い換えれば、熱膨張差に相当する分だけ柔構造４０部分のカムシャフト３０の軸方向に変形することで、カムキャリア２０内で発生する温度不均等から生じる熱膨張差に起因する熱変形が、カムベアリング３１のカムシャフト３０に対する相対位置及び傾斜角度に及ぼす影響を減少でき、カムベアリング３１の摩耗や焼き付きの発生を抑制することができる。

従って、シリンダヘッド１０の上部に一体構造のカムキャリア２０を載置した内燃機関のシリンダヘッド構造１Ａ、１Ｂ及び内燃機関において、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の温度差が発生するようなエンジンの運転条件下においても、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の間の相対変位を吸収して、シリンダヘッド１０とカムキャリア２０の接触箇所に対するフレッチング摩耗による損傷を抑制できると共に、カムキャリア２０内の温度の不均一によって生じる熱変形を吸収することでカムシャフト３０とカムベアリング３１の相対位置と相対角度の変化量を減少して、カムキャリア２０の横フレーム２２に配置される各カムベアリング３１の同軸加工精度を維持できるので、各カムベアリング３１の摩耗や焼き付きを抑制できる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｘ 内燃機関のシリンダヘッド構造
１０ シリンダヘッド
２０ カムキャリア
２０ｒ 接触面
２０ｔ 上面
２１ 縦フレーム
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ） 横フレーム
２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ） 横フレームの間の縦フレームの壁面
３０ カムシャフト
３１ カムベアリング
３２ カム
４０、４０ａ、４０ｄ 柔構造
４１ 凸部
４２ スリット
５０ ボルト
Ｐｒ 接触面におけるボルトの中心の位置
Ｐｔ 上面におけるボルトの中心位置

Claims (4)

1. シリンダヘッドの上部に一体構造のカムキャリアを載置した内燃機関のシリンダヘッド構造において、
   前記カムキャリアを、カムシャフトの軸方向と平行に設けられる１対の縦フレームと、該１対の縦フレームに互いに離間して接続され、かつ、前記カムシャフトをカムベアリングで支持する、複数の横フレームとで構成すると共に、
   前記縦フレームにおいて、隣接する前記横フレームの間の壁面の内、少なくとも１つの壁面に、熱膨張に起因する、前記カムベアリングの前記カムシャフトに対する相対位置及び傾斜角度の変化量を抑制する柔構造を設けたことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
2. 前記柔構造を、
   前記壁面の一部又は全部を、該壁面に垂直な方向に凸状にした凸形状構造とした請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
3. 前記柔構造を、
   前記壁面の一部に、壁面の下面又は上面から高さ方向に切り込まれたスリットを少なくとも１つ設けたスリット形状構造とした請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造を備えたことを特徴とする内燃機関。

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