JP2020045813A - シリンダーヘッドの構造および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧縮比に適したシリンダーヘッドの構造および内燃機関を提供する。【解決手段】シリンダーヘッドの構造は、内燃機関のシリンダーブロックに装着され、シリンダーブロックに設けられたシリンダー内をシリンダーの軸線に沿って摺動するピストンの頭頂面側に配置されるシリンダーヘッドの構造において、シリンダーヘッドを前記シリンダーブロックに固定する複数の固定部と、複数の固定部を互いに連結する連結部材と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、シリンダーヘッドの構造および内燃機関に関する。

たとえば、内燃機関において、シリンダーブロックは、シリンダーが設けられている。シリンダー内にはシリンダーの軸線に沿ってピストンが摺動する。シリンダーヘッドは、ピストンの頭頂面側に配置され、シリンダーブロックに装着されている。たとえば、ピストンとシリンダーとシリンダーヘッドとにより区画された燃焼室が形成されている。

特表平９−５０３２７４号公報

しかしながら、燃焼室での爆発により、シリンダーヘッドの中央部（ピストンやシリンダーの軸線の延長線上）において膨らもうとする一方、固定部（たとえば、締結ボルト）でそれを抑え込もうとする現象が生じる。換言すれば、シリンダーヘッドには、シリンダーブロックとの固定部を支点としてシリンダーブロック側とは反対の方向へ変形する変形モードが生じるという問題点があった。

そこで、この変形モードに対するポテンシャルを高めることで、シリンダーヘッドの強度を向上させ、高圧縮比に適した内燃機関を提供したいという要請がある。

本開示の目的は、高圧縮比に適したシリンダーヘッドの構造および内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示におけるシリンダーヘッドの構造は、
内燃機関のシリンダーブロックに装着され、前記シリンダーブロックに設けられたシリンダー内を前記シリンダーの軸線に沿って摺動するピストンの頭頂面側に配置されるシリンダーヘッドの構造において、
前記シリンダーヘッドを前記シリンダーブロックに固定する複数の固定部と、
前記複数の固定部を互いに連結する連結部材と、
を備える。

また、本開示における内燃機関は、
上記のシリンダーヘッドの構造を備える。

本開示によれば、高圧縮比に適することができる。

本開示の実施の形態に係る内燃機関を概念的に示す部分分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施の形態の変形例１に係る連結部材を示す斜視図である。 本実施の形態の変形例２に係る連結部材を示す説明図である。 本実施の形態の変形例３に係る連結部材を示す説明図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本開示の実施の形態に係るシリンダーヘッドの構造は、たとえば、シリンダー内を摺動するピストンによって圧縮加熱した空気に燃料を噴射することで着火させるディーゼルエンジンに適用される。なお、シリンダーヘッドの構造は、これに限らず、ガソリンエンジンに適用されてもよい。

図１は、ディーゼルエンジン１００を概念的に示す部分分解斜視図である。図１に示すように、ディーゼルエンジン１００は、シリンダーブロック１と、シリンダーヘッド２と、ヘッドカバー（不図示）とを備える。ディーゼルエンジン１００は、シリンダー１１が１列に４本配列された直列４気筒エンジンである。なお、図１にはＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が描かれている。シリンダー１１の配列方向を「前後方向」又はＸ方向という。また、シリンダー１１の軸線方向を「上下方向」又はＺ方向という。また、Ｘ方向およびＺ方向にそれに直交する方向を「左右方向」又はＹ方向という。

シリンダーブロック１の上面１２（ピストン１４の頭頂面１４ａ側の面）には複数の雌ネジ部１３が設けられている。二つで一組の雌ネジ部１３は、左右方向（Ｙ方向）に対向配置されている。上面１２には、合計で五組の雌ネジ部１３が前後方向（Ｘ方向）に配列されている。シリンダー１１には、軸線方向に摺動するピストン１４が設置されている。なお、シリンダー１１とピストン１４とシリンダーヘッド２とにより画成された燃焼室（不図示）が形成される。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図１および図２に示すように、シリンダーヘッド２は、シリンダーブロック１の上面１２に載置される。シリンダーヘッド２の材料には、たとえば、アルミニウム合金が用いられている。シリンダーヘッド２には、雌ネジ部１３に対応して挿通孔２１が設けられている。つまり、二つで一組の挿通孔２１は、左右方向（Ｙ方向）に対向配置されている。挿通孔２１は、シリンダーヘッド２を上下方向（Ｚ方向）に貫通する。

締結ボルト５（本開示の「固定部」に対応する）は、雌ネジ部１３に対応して設けられている。つまり、二つで一組の締結ボルト５は、左右方向（Ｙ方向）に対向配置されている。締結ボルト５は、頭部５１および雄ネジ部５２を有している。雄ネジ部５２は、挿通孔２１を貫通して、雌ネジ部１３に螺合している。締結ボルト５は、回して締め付けた際に発生する上下方向（Ｚ方向）の軸力によって、シリンダーヘッド２をシリンダーブロック１に締結する。なお、固定部は、シリンダーヘッド２をシリンダーブロック１に固定するものであればよい。ここでは、固定部は、締結ボルト５におけるシリンダーヘッド２の上面側に位置する部分（たとえば、頭部５１）を含む。

燃焼室での爆発により、シリンダーヘッド２の中央部（シリンダー１１やピストン１４の軸線の延長線上）において膨らもうとする一方、締結ボルト５でそれを抑え込もうとする現象が生じる。換言すれば、シリンダーヘッド２には、Ｘ方向から見た場合、締結ボルト５の位置を支点として上方向へ変形する変形モード（ＹＺ平面における変形モード）が生じる。この変形モードに対するポテンシャルを高めることで、シリンダーヘッド２の強度を向上させたいという要請がある。

本実施の形態では、挿通孔２１は、大径孔２２および小径孔２３を有している。大径孔２２は、挿通孔２１の上端部に設けられている。小径孔２３は、挿通孔２１における大径孔２２以外の部分である。小径孔２３は、大径孔２２の径よりも小さい径を有する。

図２にカラー部材３（本発明の「拘束部材」に対応する）を示す。カラー部材３は、円筒形状を有する。カラー部材３は、外径部３１および内径部３２を有する。外径部３１は、大径孔２２に堅く嵌め込まれている。

図１に示すように、連結部材４は、左右方向（Ｙ方向）に延在している。連結部材４は、カラー部材３を介して、左右方向（Ｙ方向）に対向配置された締結ボルト５を連結する。具体的には、図２に示すように、連結部材４は、所定の厚さを有する平板状の材料を用いて、たとえば、プレスの打ち抜き加工により成形される。連結部材４の左右方向両端部には、貫通孔４１が設けられている。貫通孔４１は、外径部３１に堅く外嵌している。なお、連結部材４の材料の強度は、シリンダーヘッド２の材料の強度より高いことが好ましい。

図２に示すように、雄ネジ部５２は、内径部３２に貫通する。上述したように、締結ボルト５を回して締め付けた際に上下方向（Ｚ方向）の軸力が発生する。締結ボルト５は、軸力によって、連結部材４をシリンダーヘッド２と共締めする。

次に、カラー部材３および連結部材４の作用について図２を参照して説明する。なお、図２における左方向をＹ１方向といい、右方向をＹ２方向という。

燃焼室での爆発により、シリンダーヘッド２は、シリンダーブロック１との締結ボルト５の位置を支点として上方向へ変形しようとする（ＹＺ平面における変形モード）。ところが、連結部材４は、左右方向（Ｙ方向）に対向配置された締結ボルト５を連結しているため、連結部材４には、シリンダーヘッド２の上記変形に対する抗力が生じる。これにより、連結部材４は、シリンダーヘッド２の上記変形を抑える。

また、シリンダーヘッド２および連結部材４が燃焼室の熱による影響を受けた場合に、シリンダーヘッド２および連結部材４の材料の熱膨張係数が互いに異なることにより、シリンダーヘッド２および連結部材４のＹ方向の伸縮量が互いに異なる場合がある。

たとえば、図２に示すように、シリンダーヘッド２のＹ１方向の伸び量δａが連結部材４のＹ１方向の伸び量δｂより大きい場合がある。仮に、カラー部材３が設けられていない場合、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りが生じるため、シリンダーヘッド２の上記変形を抑える効果が下がる。

本実施の形態では、カラー部材３が設けられている。カラー部材３は、シリンダーヘッド２のＹ１方向の伸び量δａを減少させ、かつ、連結部材４のＹ１方向の伸び量δｂを増大させるため、伸び量δａ，δｂは、同一となる。これにより、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りが生じない。

これに対して、たとえば、シリンダーヘッド２のＹ１方向の伸び量δａが連結部材４のＹ１方向の伸び量δｂより小さい場合がある。この場合でも、カラー部材３は、シリンダーヘッド２のＹ１方向の伸び量δａを増大させ、かつ、連結部材４のＹ１方向の伸び量δｂを減少させるため、伸び量δａ，δｂは、同一となる。これにより、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りが生じない。

また、たとえば、シリンダーヘッド２のＹ２方向の縮み量と連結部材４のＹ２方向の縮み量とが異なる場合がある。この場合でも、カラー部材３は、両方の縮み量が同一になるように、シリンダーヘッド２および連結部材４に作用する。これにより、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りが生じない。

以上により、カラー部材３は、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りを生じさせないため、シリンダーヘッド２の上方向の変形を抑える効果が下がるのを防止することができる。

上記実施の形態に係るシリンダーヘッド２の構造によれば、内燃機関のシリンダーブロック１に装着され、シリンダーブロック１に設けられたシリンダー１１内をシリンダー１１の軸線に沿って摺動するピストン１４の頭頂面１４ａ側に配置されるシリンダーヘッド２の構造において、シリンダーヘッド２をシリンダーブロック１に固定する複数の締結ボルト５と、左右方向（Ｙ方向）に対向配置される締結ボルト５を互いに連結する連結部材４と、を備える。これにより、ＹＺ平面における変形モードに対するポテンシャルを高めることが可能となる。その結果、シリンダーヘッド２の強度を向上させ、高圧縮比に適した内燃機関となる。

また、上記実施の形態によれば、締結ボルト５は、軸力によって、連結部材４をシリンダーヘッド２と共締めする。これにより、燃焼室での爆発によるシリンダーヘッド２のＹＺ平面における変形モードにおいて、連結部材４とシリンダーヘッド２とが一体的に変形するようになるため、連結部材４は、シリンダーヘッド２の上記変形を抑えることが可能となる。

また、上記実施の形態によれば、連結部材４がシリンダーヘッド２に対して左右方向（Ｙ方向）へ相対移動するのを拘束するカラー部材３を備えている。シリンダーヘッド２および連結部材４の材料の熱膨張係数が互いに異なる場合でも、燃焼室での爆発によるシリンダーヘッド２のＹＺ平面における変形モードにおいて、シリンダーヘッド２に対する連結部材４の滑りが生じないため、シリンダーヘッド２の上記変形を抑える効果が下がるのを防止することができる。

また、上記実施の形態によれば、連結部材４は、プレスの打ち抜き加工により形成されているため、成形性に優れている。また、連結部材４は、上下方向（Ｚ方向）に嵩張らずに、シリンダーヘッド２とヘッドカバー（不図示）との間において広い設置スペースをとらないため、レイアウト性に優れている。また、複数の連結部材４は一体的に形成されているため、成形性にさらに優れている。

なお、上記実施の形態においては、連結部材４は、左右方向（Ｙ方向）に対向配置される締結ボルト５を互いに連結したが、本開示はこれに限らず、例えば、連結部材４は、前後方向（Ｘ方向）に対向配置される締結ボルト５を互いに連結してもよい。これにより、ＸＺ平面における変形モードに対するポテンシャルを高めることが可能となる。

また、上記実施の形態では、連結部材４は、締結ボルト５によりシリンダーヘッド２と共締めされたが、本開示はこれに限らず、たとえば、連結部材４の左右方向両端部に凹部を設け、凹部を締結ボルト５の頭部５１に嵌合させることにより、複数の締結ボルト５を互いに連結するようにしてもよい。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。なお、変形例の説明において、上記実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

＜変形例１＞
次に、変形例１について図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態の変形例１に係る連結部材４を示す斜視図である。

上記実施の形態においては、前後方向（Ｘ方向）に配列される複数の連結部材４は、互いに独立して形成されている。

これに対して、変形例１に係る複数の連結部材４は、図３に示すように、所定の厚さを有する平板状の材料を用いて、たとえば、プレスの打ち抜き加工により、一体的に形成されている。これにより、連結部材４は、成形性に優れている。複数の連結部材４は、接続部４ａにより一体化される。接続部４ａは、複数の連結部材４の左右方向（Ｙ方向）中央部を相互に接続している。なお、接続部４ａは、複数の連結部材４の左側端部および／または右側端部を相互に接続してもよい。

＜変形例２＞
次に、変形例２について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態の変形例２に係る連結部材４を示す説明図である。

上記実施の形態に係る複数の連結部材４は、締結ボルト５の配置に合わせて、前後方向（Ｘ方向）に配列される。

これに対して、変形例２においては、締結ボルト５は、図４に示すように、六角形の頂点の位置、および、六角形の中心位置に配置されている。これにより、変形例２に係る複数の連結部材４は、六角形の中心位置を間にして対向配置される締結ボルト５を連結する。さらに、変形例２に係る複数の連結部材４は、たとえば、プレスの打ち抜き加工により一体的に形成されている。これにより、連結部材４は成形性に優れている。

＜変形例３＞
次に、変形例３について図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態の変形例３に係る連結部材４を示す説明図である。

上記実施の形態においては、連結部材４は、左右方向（Ｙ方向）に真っ直ぐに延在するものである。

これに対して、変形例３に係る連結部材４の左右方向（Ｙ方向）中央部４ｂは、上方向にアーチ状に湾曲している。このようなアーチ状の連結部材４は、たとえば、左右方向中央部４ｂの下方向に他の部品６がある場合に採用される。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、高圧縮比に適することが要求される内燃機関を搭載する車両に利用される。

１ シリンダーブロック
２ シリンダーヘッド
３ カラー部材
４ 連結部材
４ａ 接続部
４ｂ 中央部
５ 締結ボルト
６ 部品
１１ シリンダー
１２ 上面
１３ 雌ネジ部
１４ ピストン
１４ａ 頭頂面
２１ 挿通孔
２２ 大径孔
２３ 小径孔
３１ 外径部
３２ 内径部
４１ 貫通孔
５１ 頭部
５２ 雄ネジ部
１００ ディーゼルエンジン

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダーブロックに装着され、前記シリンダーブロックに設けられたシリンダー内を前記シリンダーの軸線に沿って摺動するピストンの頭頂面側に配置されるシリンダーヘッドの構造において、
   前記シリンダーヘッドを前記シリンダーブロックに固定する複数の固定部と、
   前記複数の固定部を互いに連結する連結部材と、
   を備える、
   シリンダーヘッドの構造。
2. 前記固定部は、前記連結部材をシリンダーヘッドと共締めする締結ボルトを有する、
   請求項１に記載のシリンダーヘッドの構造。
3. 前記連結部材の材料の強度は、前記シリンダーヘッドの材料の強度より高い、
   請求項１または２に記載のシリンダーヘッドの構造。
4. 前記複数の固定部を複数の前記連結部材により互いに連結する場合において、前記複数の連結部材は、一体化されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のシリンダーヘッドの構造。
5. 前記連結部材が前記シリンダーヘッドに対して前記軸線に直交する方向へ相対移動するのを拘束する拘束部材をさらに備える、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のシリンダーヘッドの構造。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のシリンダーヘッドの構造を備えた内燃機関。

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