JP2020118098A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】シリンダヘッド内に供される潤滑油がタイミングベルトに付着するのを抑えることのできる新規な内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッドと、支持構造と、カムプーリと、シール部材と、を備えている。支持構造は、シリンダヘッドの上方に設けられ、カムシャフトを支持する。カムプーリは、カムシャフトの端部に設けられる。カムプーリには、タイミングベルトが掛け回される。シール部材は、カムプーリと対向する対向面においてシリンダヘッドと支持構造との間に形成される隙間を覆うように設けられる。シール部材は、シリンダヘッドと支持構造との間をカムシャフトの軸方向にシールする。【選択図】図5

Description

本発明は、内燃機関に関する。
OHV(Over Head Valve)形式の内燃機関のクランクシャフトからカムシャフトに駆動力を伝達する手段として、タイミングベルトが知られている。タイミングベルトは例えば合成ゴムから形成されており、タイミングチェーンに比べて騒音性に優れる。一方、タイミングベルトは、タイミングチェーンに比べて劣化し易く、定期的な交換が必要となる。タイミングベルトの劣化の一因として、内燃機関の潤滑油の付着が挙げられる。
特開2018−131955号公報は、タイミングベルトを使用するOHV形式の内燃機関を開示する。タイミングベルトは、ベルト室に収容されている。ベルト室には、内燃機関から潤滑油が流入する。ただし、この従来の内燃機関は、タイミングベルトが掛け回されるカムプーリの表面に形成された溝を有している。この溝によれば、カムプーリの表面に付着した潤滑油をベルト室の外に排出することが可能となる。
特開2018−131955号公報
タイミングベルトの劣化を抑える観点からすると、ベルト室への潤滑油の流入を許容する従来の構成は最適とは言い難い。この点、ベルト室に潤滑油が流入するのを抑える構成は、タイミングベルトに潤滑油が付着するのを抑えることが可能となる。
タイミングベルトに付着しうる潤滑油として、シリンダヘッド内に供される潤滑油に着目する。OHV形式の内燃機関では、通常、シリンダヘッドと、このシリンダヘッドの上方に設けられるカムシャフト支持部材との間のシールによって、シリンダヘッドの外部に潤滑油が漏れ出すのを抑えている。
しかしながら、これらの間のシールには、次の問題がある。すなわち、シリンダヘッドとカムシャフト支持部材は、通常、上下方向にシールされる。ただし、カムプーリはある程度の外径を有するため、シリンダヘッドの長手方向で内燃機関を見た場合、カムプーリの外径が描く範囲内にシール面が位置することになる。そのため、カムプーリの位置をシリンダヘッド側に寄せることができない。つまり、カムプーリを含んだ内燃機関のサイズを小さくすることができない。
本発明の1つの目的は、シリンダヘッド内に供される潤滑油がタイミングベルトに付着するのを抑えることが可能な新規な内燃機関を提供することにある。本発明の別の目的は、カムプーリを含んだ全体のサイズを小さくすることが可能な内燃機関を提供することにある。
第1の観点は、上述した課題を解決するための内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記内燃機関は、シリンダヘッドと、支持構造と、カムプーリと、シール部材と、を備えている。
前記支持構造は、前記シリンダヘッドの上方に設けられる。前記支持構造は、カムシャフトを支持する。
前記カムプーリは、前記カムシャフトの端部に設けられる。前記カムプーリには、タイミングベルトが掛け回される。
前記シール部材は、前記カムプーリと対向する対向面において前記シリンダヘッドと前記支持構造との間に形成される隙間を覆うように設けられる。前記シール部材は、前記シリンダヘッドと前記支持構造との間を前記カムシャフトの軸方向にシールする。
第2の観点は、第1の観点において、更に次の特徴を有する。
前記支持構造は、前記対向面の一部を形成する対向部材を含む。
前記対向部材は、支持部と、外周部とを備える。
前記支持部は、前記カムシャフトを前記シリンダヘッド側から支持する。
前記外周部は、前記支持部の外周に沿って設けられる。
前記シール部材は、前記外周部との間にシール面を形成する。
前記シール面は、前記カムシャフトの軸方向において前記カムプーリと干渉しない位置に形成される。
前記支持部の表面において少なくとも前記カムプーリと対向する領域が、前記シール面よりも前記カムシャフトの軸方向に窪む。
前記カムプーリの少なくとも一部が、前記支持部の窪んだ空間に設けられる。
第3の観点は、第1の観点において、更に次の特徴を有する。
前記内燃機関は、オイルシールを更に備える。
前記オイルシールは、カムシャフトの端部の外周に設けられる。
前記シール部材は、前記オイルシールを保持するオイルシールリテーナである。
前記オイルシールリテーナは、保持部と、固定部とを備える。
前記保持部は、前記オイルシールの外周に設けられる。
前記固定部は、前記保持部の外周に設けられる。前記固定部は、前記対向面に固定される。
前記固定部は、前記シリンダヘッドとの間にシール面を形成する。
前記シール面は、前記カムシャフトの軸方向において前記カムプーリと干渉しない位置に形成される。
前記保持部の表面において少なくとも前記カムプーリに対向する領域が、前記シール面よりも前記カムシャフトの軸方向に窪む。
前記カムプーリの少なくとも一部が、前記保持部の窪んだ空間に設けられる。
第4の観点は、第1乃至3の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記カムプーリがバルブタイミングを調整する機能を有する。
第1の観点によれば、シリンダヘッドと支持構造との間をカムシャフトの軸方向にシールするシール部材が用いられる。そのため、これらの間に形成された隙間から潤滑油が漏れ出すのを抑えることが可能な新規な内燃機関が提供される。特に、これらの間のシールが上下方向で直接的に行われる従来の内燃機関においては、シール面の面積を増やすことが現実的に難しい。これに対し、第1の観点によれば、シール部材の面積を増やすことでシール面の面積を増やすことができる。したがって、シリンダヘッドと支持構造との間のシール性を十分に担保して、潤滑油が漏れ出すのを適切に抑えることが可能となる。
第2の観点によれば、支持部の表面において少なくともカムプーリと対向する領域がシール面よりもカムシャフトの軸方向に窪み、且つ、この窪んだ空間にカムプーリの少なくとも一部が設けられる。したがってカムプーリを含んだ内燃機関の全体のサイズを小さくすることが可能となる。
第3の観点によれば、保持部の表面において少なくともカムプーリと対向する領域がシール面よりもカムシャフトの軸方向に窪み、且つ、この窪んだ空間にカムプーリの少なくとも一部が設けられる。したがって、カムプーリを含んだ内燃機関の全体のサイズを小さくすることが可能となる。
カムプーリがバルブタイミングを調整する機能を有する場合、すなわち、カムプーリがVVT(Variable Valve Timing)から構成される場合は、カムシャフトの軸方向に内燃機関のサイズが拡大し易くなる。この点、第4の観点によれば、VVTが適用される場合であっても、内燃機関の全体のサイズを小さくすることが可能となる。
本発明の実施の形態1に係る内燃機関の要部を示す斜視図である。 図1に示したシリンダヘッド、カムハウジングおよびカムキャップを示す斜視図である。 図1に示したシリンダヘッドの平面図である。 図1に示した内燃機関の側面図である。 VVTが取り付けられたカムシャフトの端部の周辺を示す断面模式図である。 従来の内燃機関のシリンダヘッドの要部を示す斜視図である。 図6に示したシリンダヘッドの平面図である。 VVTが取り付けられた従来のカムシャフトの端部の周辺を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態2に係る内燃機関の要部を示す斜視図である。 VVTが取り付けられたカムシャフトの端部の周辺を示す断面模式図である。 カムシャフトの支持構造の別の例を説明する斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
実施の形態1.
先ず、図1乃至8を参照しながら本発明の実施の形態1について説明する。
1.内燃機関(以下、単に「エンジン」とも称す。)の構成
1.1 基本構成
実施の形態1に係るエンジンは、車両等の移動体に搭載されるDOHV(Double Over Head Valve)形式のエンジンである。図1は、実施の形態1に係るエンジンの要部を示す斜視図である。図2は、図1に示すシリンダヘッド、カムハウジングおよびカムキャップを示す斜視図である。図3は、図1に示すシリンダヘッドの平面図である。図4は、図1に示すエンジンの側面図である。図1乃至図4において、x軸方向は吸排気方向に相当し、y軸方向はカムシャフトの軸方向に相当し、z軸方向は上下方向に相当する。以下の説明では、z軸の正の方向を上方向とし、負の方向を下方向とする。
図1乃至3に示すように、エンジン100は、シリンダヘッド10と、カムシャフト20および21と、カムハウジング30と、カムキャップ40〜44と、カバー部材50と、を備えている。エンジン100は、直列4気筒型のエンジンである。ただし、エンジン100の気筒の数および配列はこれに限定されない。
図2および3に示すように、シリンダヘッド10は、ボルト孔11、12および13を複数有している。ボルト孔11のそれぞれには、カムハウジング30側からボルト61(図1参照)が嵌め合わされる。ボルト61は、シリンダヘッド10と、カムハウジング30と、カムキャップ40〜44と、を締結する。ボルト孔12のそれぞれには、カバー部材50側からボルト62(図1参照)が嵌め合わされる。ボルト62は、シリンダヘッド10と、カバー部材50とを締結する。ボルト孔13のそれぞれには、シリンダヘッド10側からボルト64(図5参照)が嵌め合わされる。ボルト64は、シリンダヘッド10とシリンダブロック(不図示)を締結する。
カムシャフト20は、例えば、吸気用のカムシャフトである。カムシャフト20の端部には、電動式のVVT70(図5参照)が取り付けられる。カムシャフト21は、例えば、排気用のカムシャフトである。カムシャフト21の端部には、油圧式のVVTが取り付けられる。これらのVVTの外周には、タイミングベルト71(図5参照)が掛け回される。なお、VVTの駆動方式はこれに限定されない。また、これらのVVTは、これらの端部に取り付けられていなくてもよい。この場合は、VVTの代わりにカムプーリが使用される。
カムハウジング30は、シリンダヘッド10側からカムシャフト20および21を支持する。図2に示すように、カムハウジング30には、カムシャフト20のジャーナルを支持する軸受31と、カムシャフト21のジャーナルを支持する軸受32と、が形成されている。
ここで、カムハウジング30のうち、エンジンがVVTと対向する面(以下、「VVT対向面」とも称す。)を形成する部材に着目する。図2に示すように、この対向部材は、軸受31および32が形成された支持部33と、外周部34と、を含む。外周部34は、支持部33の外周に沿って設けられている。外周部34のy軸方向の厚みは、支持部33のそれよりも大きい。外周部34には、複数のボルト孔35が形成されている。ボルト孔35には、カバー部材50側から複数のボルト63(図1参照)が嵌め合わされる。
カムキャップ40〜44は、シリンダヘッドカバー14(図5参照)側からカムシャフト20および21を支持する。図2に示すように、カムキャップ40〜44には、カムシャフト20のジャーナルを支持する軸受45と、カムシャフト21のジャーナルを支持する軸受46と、がそれぞれ形成されている。カムキャップ40〜44は、カムハウジング30と組み合わせられることによって、カムシャフト20および21を支持する「支持構造」を形成する。
VVT対向面には、シリンダヘッド10とカムハウジング30との間に隙間が形成される。カバー部材50は、この隙間を覆う板状の部材である。図4に示すように、カバー部材50は、ボルト孔51および52を複数有している。ボルト孔51のそれぞれには、ボルト62が嵌め合わされる。ボルト孔51の中心は、ボルト孔35(図2参照)の中心とそれぞれ一致している。ボルト孔52のそれぞれには、ボルト63が嵌め合わされる。ボルト孔52の中心は、ボルト孔12(図2参照)の中心とそれぞれ一致している。
1.2 カムシャフトにVVTを取り付けたときの構成
図5は、VVTが取り付けられたカムシャフトの端部の周辺を示す断面模式図である。図5では、図1に示したカムシャフト20に着目する。なお、カムシャフト21の端部におけるVVTの取り付け態様は、以下に説明するカムシャフト20のそれと基本的に同じである。
図5に示すように、カムシャフト20の端部には、VVT70が取り付けられる。VVT70は、電動モータ72の駆動により、クランクシャフト(不図示)に対するカムシャフト20の位相角を変更する。VVT70の外周には、タイミングベルト71が掛け回されている。なお、VVT70が油圧式のVVTから構成される場合、電動モータ72の代わりに油圧制御弁により、VVT70が駆動される。タイミングベルト71は、エンジン100の駆動力を、クランクシャフトを介してカムシャフト20に伝達する。タイミングベルト71は、ベルト室73内に収容されている。
カムシャフト20の端部と、支持部33との間には、オイルシール22が設けられている。オイルシール22は、シリンダヘッドカバー14内に供される潤滑油が、カムシャフト20の端部と、支持部33(またはカムキャップ40)との間に形成される隙間を経由してシリンダヘッドカバー14の外部に漏れ出すのを抑えるリング状の部材である。
カバー部材50の上方の端部は、例えば、液体ガスケットを介して外周部34と接している。この接触面は、カバー部材50とカムハウジング30との間のシール面S1を形成する。また、カバー部材50の下方の端部は、例えば、液体ガスケットを介してシリンダヘッド10と接している。この接触面は、カバー部材50とシリンダヘッド10との間のシール面S2を形成する。シール面S1およびS2が形成されることで、シリンダヘッド10とカムハウジング30との間に形成される隙間(図5の例では、ボルト64が収容される空間)が塞がれる。つまり、カバー部材50は、シール部材としても機能する。
また、図5から分かるように、シール面S1は、VVT70の下方に形成されている。また、シール面S1の上方に位置する支持部33の表面の領域(以下、「シール面S1の内側領域」とも称す。)は、シール面S1よりもy軸の正の方向に窪んでいる。この窪んだ空間に、VVT70の一部が入り込んでいる。つまり、VVT70の一部は、カバー部材50がタイミングベルト71と対向する面よりも、エンジン100の内側に位置している。
また、図5から分かるように、カムキャップ40の表面の領域の一部は、シール面S1よりもy軸の正の方向に窪んでいる。VVT70の一部は、この窪んだ空間にも入り込んでいる。y軸方向において、カムキャップ40の窪み領域の位置は、例えば、シール面S1の内側領域におけるそれと同じである。
2.エンジンの構成による効果
2.1 従来の構成における問題点
図6は、従来のエンジンのシリンダヘッドの要部を示す斜視図である。図7は、図6に示すシリンダヘッドの平面図である。図8は、従来のエンジンのカムシャフトにVVTを取り付けたときの要部を示す断面模式図である。図6乃至8に示すx軸、y軸およびz軸の方向は、図1乃至4に示した軸の方向とそれぞれ同じである。
図6乃至8に示すように、従来のシリンダヘッド90は、VVT対向面にシール部91および92を有している。シール部91および92により、シリンダヘッド90とカムハウジング39との間に形成される隙間(図8の例では、ボルト64が収容される空間)が塞がれる。ただし、シール部91および92に最も近いボルト64(図8参照)の座面を確保するため、シール部91および92は、このボルト64が嵌め合わされるボルト孔13の外周に沿って湾曲した形状を有している。
また、図8に示すように、シリンダヘッド90では、シール部92とカムハウジング39との間にシール面S3が形成される。ところが、従来のエンジンをy軸方向で見た場合、このシール面S3は、VVT70の外径が描く範囲内に位置している。そのため、シリンダヘッド90の前端位置をエンジンの内側の方向に移動することが難しい。仮に、シール面S3の面積を小さくすれば、この問題を解消することが可能である。そうすると、今度は、シール部92とカムハウジング39との間のシール性を担保することができない。
2.2 従来の構成と比較した有利な効果
この点、カバー部材50を用いるエンジン100の構成によれば、シリンダヘッドとカムハウジングとの間のシールがy軸方向で行われる。そのため、これらの間のシールがz軸方向で直接的に行われる従来のエンジンの構成に比べて、シール面の面積(すなわち、シール面S1およびS2の面積)を十分に確保することが可能となる。したがって、これらの間のシール性を十分に担保して、これらの間に形成された隙間から潤滑油が漏れ出すのを適切に抑えることが可能となる。
加えて、支持部33および外周部34を含む対向部材を用いる構成によれば、y軸方向において、VVT70と干渉しない位置にシール面S1を形成することができる。そのため、シール面S1の内側領域をシール面S1よりもy軸の正の方向に窪ませて、VVT70がカムハウジング30と対向する面の位置を、シリンダヘッド10の前端位置(図5参照)よりもエンジン100の内側の方向に移動させることが可能となる。したがって、VVTを含んだエンジンの全体のサイズを小さくすることが可能となる。
なお、この窪みの程度は、支持部33の厚みの調整により容易に調整される。カムキャップ40の表面における窪みの程度の調整も、これと同様の手法により調整される。
実施の形態2.
次に、図9乃至10を参照しながら本発明の実施の形態2について説明する。なお、上記実施の形態1の説明と重複する説明については適宜省略する。
1.エンジンの構成
図9は、実施の形態2に係るエンジンの要部を示す斜視図である。図10は、VVTが取り付けられたカムシャフトの端部の周辺を示す断面模式図である。図9に示すx軸、y軸およびz軸の方向は、図1乃至4に示した軸の方向とそれぞれ同じである。図5同様、図10では、図9に示したカムシャフト20に着目する。
図9に示すように、エンジン200は、シリンダヘッド10と、カムシャフト20および21と、カムハウジング30と、カムキャップ41〜44と、オイルシールリテーナ80と、を備えている。なお、図9には、説明の便宜上、シリンダヘッドカバー14の一部が開示されている。
エンジン100と異なり、エンジン200は、支持部33、外周部34またはカムキャップ40を有していない。支持部33および外周部34の代わりに、エンジン200は、カムハウジング30の対向部材として支持部36を有している(図10参照)。支持部36の形状は、支持部33のそれと略同じである。カムキャップ40の代わりに、エンジン200は、カムキャップ47を有している(図10参照)。カムキャップ47の形状は、カムキャップ41のそれと略同じである。
オイルシールリテーナ80は、オイルシール22および23を保持する部材である。オイルシール22については、既に説明したとおりである。オイルシール23は、シリンダヘッドカバー14内に供される潤滑油が、カムシャフト21の端部と、支持部36(またはカムキャップ47)との間に形成される隙間を経由してシリンダヘッドカバー14の外部に漏れ出すのを抑えるリング状の部材である。
図9および10に示すように、オイルシールリテーナ80は、オイルシール22および23を保持する保持部81と、固定部82と、を含む。固定部82は、シリンダヘッドカバー14およびシリンダヘッド10にオイルシールリテーナ80を固定する。固定部82は、複数のボルト孔83および84を有している。ボルト孔83および84のそれぞれには、VVT70側からボルト(不図示)が嵌め合わされる。ボルト孔84の中心は、ボルト孔13(図2参照)の中心とそれぞれ一致している。
図10に示すように、保持部81の中央部は、例えば、液体ガスケットを介して支持部36およびカムキャップ47と接している。この中央部と支持部36の接触面は、オイルシールリテーナ80と支持部36との間のシール面S4を形成する。また、固定部82の下方の端部は、例えば、液体ガスケットを介してシリンダヘッド10と接している。この接触面は、オイルシールリテーナ80とシリンダヘッド10との間のシール面S5を形成する。シール面S4およびS5が形成されることで、シリンダヘッド10とカムハウジング30との間に形成される隙間(図10の例では、ボルト64が収容される空間)が塞がれる。つまり、オイルシールリテーナ80は、シール部材としても機能する。
また、図10から分かるように、シール面S5の上方に位置する保持部81の表面の領域(以下、「シール面S5の内側領域」とも称す。)の一部は、シール面S5よりもy軸の正の方向に窪んでいる。この窪んだ空間に、VVT70の一部が入り込んでいる。
2.エンジンの構成による効果
オイルシールリテーナ80を用いるエンジン200の構成によれば、シリンダヘッドとカムハウジングとの間のシールがy軸方向で行われる。したがって、上記エンジン100の構成による効果と同じ効果を得ることが可能となる。
その他の実施の形態.
上記実施の形態で説明したエンジンは、以下のように変形することもできる。
上記実施の形態では、カムハウジングとカムキャップを組み合わせたカムシャフトの「支持構造」がエンジンに適用された。しかしながら、シリンダヘッドの上方に設けられ、且つ、カムシャフトを支持する任意の支持構造であれば、本発明に係るエンジンに適用することが可能である。
図11は、カムシャフトの支持構造の別の例を説明する斜視図である。この別の例では、カムハウジング30がシリンダヘッドカバー15に一体化されている。上記実施の形態1で説明したカムキャップ40の機能は、シリンダヘッドカバー15のうちのVVT対向面を形成する部材が有している。この部材の表面には、ボルト孔16が2つ形成されている。このボルト孔16およびボルト孔35には、カバー部材50(図1参照)側からボルト63(図1参照)が嵌め合わされる。
また、上記実施の形態では、支持部33または保持部81の表面の領域の広い範囲をy軸の正の方向に窪ませた。しかしながら、VVTの外径よりも僅かに広い領域に限って窪ませてもよい。つまり、少なくともVVTに対向する領域のみを窪ませてもよい。
10、90 シリンダヘッド
20、21 カムシャフト
22、23 オイルシール
30、39 カムハウジング
31、32、45、46 軸受
33、36 支持部
34 外周部
40 カムキャップ
50 カバー部材
70 VVT
71 タイミングベルト
73 ベルト室
80 オイルシールリテーナ
81 保持部
82 固定部
100、200 エンジン
S1、S2、S3、S4、S5 シール面

Claims (4)

  1. シリンダヘッドと、
    前記シリンダヘッドの上方に設けられ、カムシャフトを支持する支持構造と、
    前記カムシャフトの端部に設けられ、タイミングベルトが掛け回されるカムプーリと、
    前記カムプーリと対向する対向面において前記シリンダヘッドと前記支持構造との間に形成される隙間を覆うように設けられ、前記シリンダヘッドと前記支持構造との間を前記カムシャフトの軸方向にシールするシール部材と、
    を備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記支持構造は、前記対向面の一部を形成する対向部材を含み、
    前記対向部材は、前記カムシャフトを前記シリンダヘッド側から支持する支持部と、前記支持部の外周に沿って設けられた外周部と、を備え、
    前記シール部材は、前記外周部との間にシール面を形成し、
    前記シール面は、前記カムシャフトの軸方向において前記カムプーリと干渉しない位置に形成され、
    前記支持部の表面において少なくとも前記カムプーリと対向する領域が、前記シール面よりも前記カムシャフトの軸方向に窪み、
    前記カムプーリの少なくとも一部が、前記支持部の窪んだ空間に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  3. 前記カムシャフトの端部の外周に設けられるオイルシールを更に備え、
    前記シール部材は、前記オイルシールを保持するオイルシールリテーナであり、
    前記オイルシールリテーナは、前記オイルシールの外周に設けられる保持部と、前記保持部の外周に設けられて前記対向面に固定される固定部と、を備え、
    前記固定部は、前記シリンダヘッドとの間にシール面を形成し、
    前記シール面は、前記カムシャフトの軸方向において前記カムプーリと干渉しない位置に形成され、
    前記保持部の表面において少なくとも前記カムプーリに対向する領域が、前記シール面よりも前記カムシャフトの軸方向に窪み、
    前記カムプーリの少なくとも一部が、前記保持部の窪んだ空間に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  4. 前記カムプーリがバルブタイミングを調整する機能を有する
    ことを特徴とする請求項1乃至3何れか1項に記載の内燃機関。
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