JP2023107563A - 内燃機関のガスシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のガスシール構造において、ガスシール性能の向上を図る。【解決手段】円柱形状をなす空間部を有するシリンダブロックと、円筒形状をなして空間部に配置されるシリンダライナと、シリンダライナに軸方向に移動自在に支持されるピストンと、シリンダブロックの上部に締結されるシリンダヘッドと、シリンダブロックおよびシリンダライナとシリンダヘッドとの間に配置されるガスケットと、を備える内燃機関において、シリンダライナとガスケットとの接触面積と、シリンダヘッドとガスケットとの接触面積が同じである。【選択図】図３

Description

本開示は、内燃機関のガスシール構造に関するものである。

内燃機関は、シリンダブロックと、シリンダヘッドと、ピストンとを備える。シリンダブロックは、鉛直方向に沿って円柱形状をなす空間部が水平方向に間隔を空けて複数設けられる。複数の空間部は、それぞれ円筒形状をなすシリンダライナが嵌め込まれる。ピストンは、シリンダライナに対して軸方向に移動自在に支持される。シリンダブロックは、上部にガスケットを介してシリンダヘッドが締結されることで、ピストンに対向して燃焼室が区画される。燃焼室は、吸気ポートと排気ポートがそれぞれ連通し、吸気ポートは、吸気弁により開閉自在であり、排気ポートは、排気弁により開閉自在である。そして、シリンダヘッドは、燃焼室に対して燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられる。

燃焼室は、シリンダライナとシリンダヘッドとの間に配置されるガスケットにより燃焼室内の燃焼ガスの外部漏洩が防止される。すなわち、シリンダヘッドは、シリンダブロックとの間にガスケットが配置された状態で、複数のボルトによりシリンダブロックに締結される。このとき、ガスケットは、上面がシリンダヘッドの下面に密着し、下面がシリンダライナの上面に密着する。そのため、ガスケットとシリンダヘッドとの接触面と、ガスケットとシリンダライナとの接触面に所定の荷重が作用することで互いに密着してシールされる。このような内燃機関のガスシール構造としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

実公昭６３－０２０８５０号公報 特開２０１４－１２６０２３号公報

ガスケットは、シリンダヘッドとシリンダライナとの間で、所定の荷重を受けることで、上下面がシリンダヘッドとシリンダライナに密着する。このとき、ガスケットは、シリンダヘッドとの接触面積とシリンダライナとの接触面積が相違する。すなわち、接触面積の大きいガスケットとシリンダヘッド間の面圧は、接触面積の小さいガスケットとシリンダライナとの面圧より低くなる。一方で、内燃機関の稼働時、シリンダライナは、爆発荷重を受けて変形するシリンダブロックの剛性にならって変形するが、シリンダヘッドは、自身の剛性で爆発荷重を受けてシリンダライナとは異なる挙動で変形する。そのため、面圧の低い側のガスケットとシリンダヘッドとの接触面で相対すべりが発生する。すると、相対すべりが発生する面、つまり、ガスケットの上面とシリンダヘッドの下面に面荒れが生じ、ガスケットによるガスシール性能が低下してしまうという課題がある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、ガスシール性能の向上を図る内燃機関のガスシール構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の内燃機関のガスシール構造は、円柱形状をなす空間部を有するシリンダブロックと、円筒形状をなして前記空間部に配置されるシリンダライナと、前記シリンダライナに軸方向に移動自在に支持されるピストンと、前記シリンダブロックの上部に締結されるシリンダヘッドと、前記シリンダブロックおよび前記シリンダライナと前記シリンダヘッドとの間に配置されてファイアリングを有するガスケットと、を備える内燃機関において、前記シリンダライナと前記ファイアリングとの接触面積と、前記シリンダヘッドと前記ファイアリングとの接触面積が同じである。

本開示の内燃機関のガスシール構造によれば、ガスシール性能の向上を図ることができる。

図１は、本実施形態のディーゼルエンジンを表す要部断面図である。 図２は、締結前の内燃機関のガスシール構造を表す要部断面図である。 図３は、締結後の内燃機関のガスシール構造を表す要部断面図である。 図４は、ガスケットとシリンダヘッドとの接触面における径方向の面圧分布を表すグラフである。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

＜エンジン＞
図１は、本実施形態のディーゼルエンジンを表す要部断面図である。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０は、シリンダブロック１１と、シリンダライナ１２と、シリンダヘッド１３と、ピストン１４と、ガスケット１５とを備える。本実施形態では、内燃機関をディーゼルエンジン１０としたが、ガソリンエンジンなどの他の形式のエンジンであってもよい。

シリンダブロック１１は、ブロック形状をなし、鉛直方向に沿って円柱形状をなす空間部２１が設けられる。図示しないが、空間部２１は、シリンダブロック１１の水平方向に間隔を空けて複数設けられる。シリンダライナ１２は、円筒形状をなし、空間部２１に嵌め込まれて固定される。シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１１およびシリンダライナ１２の上部に配置され、複数のボルト（図示略）によりシリンダブロック１１に締結されて固定される。

ピストン１４は、円柱形状をなし、外周面に複数（本実施形態では、３個）のピストンリング２２が軸方向に間隔を空けて装着される。ピストン１４は、シリンダライナ１２の内部に配置され、軸方向に沿って移動自在に支持される。このとき、ピストン１４は、ピストンリング２２の外周部がシリンダライナ１２の内周面を摺動する。シリンダブロック１１は、図示しないが、下部にクランクシャフトが回転自在に支持され、ピストン１４とクランクシャフトがコネクティングロッド２３を介して連結される。

ガスケット１５は、シリンダブロック１１およびシリンダライナ１２とシリンダヘッド１３との間に配置される。シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１１との間にガスケット１５が配置された状態で、シリンダブロック１１に締結される。ガスケット１５は、上面がシリンダヘッド１３の下面に密着し、下面がシリンダライナ１２の上面に密着し、ガスシール機能を有する。

燃焼室２４は、シリンダヘッド１３の下面とシリンダライナ１２の内周面とピストン１４の上面により区画される空間である。燃焼室２４は、シリンダヘッド１３に設けられた吸気ポート２５および排気ポート２６の各端部が連通する。吸気ポート２５は、吸気弁２７の下端部が配置され、排気ポート２６は、排気弁２８の下端部が配置される。吸気弁２７および排気弁２８は、シリンダヘッド１３に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、付勢部材（図示略）により吸気ポート２５および排気ポート２６を閉止する方向（図１にて上方）に付勢される。

吸気弁２７および排気弁２８は、図示しない吸気カムおよび排気カムが作用することで、吸気ポート２５および排気ポート２６を開閉する。また、燃焼室２４は、上方、つまり、シリンダヘッド１３の下部に燃料噴射弁２９が配置される。燃料噴射弁２９は、所定のタイミングで燃焼室２４に高圧燃料を噴射することができる。

ディーゼルエンジン１０は、クランクシャフトが２回転する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程を実行する。このとき、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトが１回転し、吸気弁２７および排気弁２８が吸気ポート２５および排気ポート２６を開閉する。燃焼室２４に吸気ポート２５から空気が供給されると、ピストン１４の上昇により吸入空気が圧縮される。また、燃焼室２４に燃料噴射弁２９から高圧燃料が噴射されると、高圧燃料が自然着火して燃焼する。このときの爆発荷重によりピストン１４が押し下げられ、クランクシャフトを回転する。燃焼室２４で発生した燃焼ガスは、排ガスとして排気ポート２６から排出される。

＜ガスシール構造＞
図２は、締結前の内燃機関のガスシール構造を表す要部断面図、図３は、締結後の内燃機関のガスシール構造を表す要部断面図である。

ガスケット１５は、シリンダブロック１１に対するシリンダヘッド１３の締結力によりシリンダライナ１２の上面とシリンダヘッド１３の下面に密着する。燃焼室２４は、シリンダライナ１２とシリンダヘッド１３との間に配置されるガスケット１５により発生したガス（燃焼ガスまたは排気ガス）の外部漏洩が防止される。

図２に示すように、ガスケット１５は、所定の厚さを有する矩形断面の平板形状をなし、燃焼室２４に対応したシリンダ数の円形孔１５ａが形成される。ガスケット１５は、ガスケット本体３１と、ファイアリング３２とを有する。ガスケット本体３１は、円形孔３１ａが設けられる。ファイアリング３２は、リング形状をなし、ガスケット本体３１の円形孔３１ａの内周部に配置される。

ガスケット１５は、ガスケット本体３１がシリンダブロック１１とシリンダヘッド１３との間に配置され、ファイアリング３２がシリンダライナ１２とシリンダヘッド１３との間に配置される。ガスケット１５は、ファイアリング３２がシリンダライナ１２とシリンダヘッド１３とから締結荷重を受けることで、下面３２ａがシリンダライナ１２の上面１２ａに密着し、上面３２ｂがシリンダヘッド１３の下面１３ａに密着する。

このとき、ファイアリング３２は、下面３２ａとシリンダライナ１２の上面１２ａとの密着面におけるシリンダライナ１２の径方向長さＬ１と、上面３２ｂとシリンダヘッド１３の下面１３ａとの密着面におけるシリンダライナ１２の径方向長さＬ２とが相違する。すなわち、径方向長さＬ２が径方向長さＬ１より長い。そのため、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２との接触面積と、シリンダヘッド１３との接触面積とが相違し、同一荷重を上下から受けた結果、両者の面圧も相違するものとなり、シリンダヘッド１３とシリンダライナ１２の異なる挙動による相対すべりを面圧が低い下面３２ａで引き受けることとなる。

そこで、本実施形態のガスシール構造は、ガスケット１５（ファイアリング３２）とシリンダライナ１２との接触面積と、ガスケット１５（ファイアリング３２）とシリンダヘッド１３との接触面積を同じにする。そのため、シリンダライナ１２は、上面１２ａにて、ガスケット１５におけるファイアリング３２の下面３２ａに接触する接触面（径方向長さＬ１の領域）に周方向に沿う第１溝部４１が設けられる。また、シリンダヘッド１３は、下面１３ａにて、ガスケット１５におけるファイアリング３２の上面３２ｂに接触する接触面（径方向長さＬ２の領域）に周方向に沿う第２溝部４２，４３が設けられる。この場合、第２溝部４２，４３の数が第１溝部４１の数より多い。つまり、シリンダヘッド１３に２本の第２溝部４２，４３を設け、シリンダライナ１２の上面１２ａに１本の第１溝部４１を設ける。そして、第１溝部４１および第２溝部４２，４３の断面形状および断面寸法は、同じである。

すなわち、シリンダライナ１２は、上面１２ａに周方向に沿う１本の第１溝部４１が設けられる。第１溝部４１は、ファイアリング３２の下面３２ａが接触するシリンダライナ１２の接触領域（径方向長さＬ１の領域）に設けられる。一方、シリンダヘッド１３は、下面１３ａに周方向に沿う２本の第２溝部４２，４３が設けられる。第２溝部４２，４３は、ファイアリング３２の上面３２ｂが接触するシリンダヘッド１３の接触領域（径方向長さＬ２の領域）に設けられる。そのため、シリンダライナ１２とファイアリング３２との接触面積は、第１溝部４１の分だけ減少し、シリンダヘッド１３とファイアリング３２との接触面積は、第２溝部４２，４３分だけ減少する。すると、ガスケット１５におけるファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面積と、ガスケット１５におけるファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面積が同じになる。ここで、接触面積が同じとは、例えば、面積比が０％～５％の範囲にあることである。

第１溝部４１と第２溝部４２，４３とは、シリンダライナ１２の径方向にずれて配置される。第１溝部４１は、径方向長さＬ１の中間位置に設けられる。つまり、第１溝部４１と径方向長さＬ１における一端との径方向長さＬ１ａと、第１溝部４１と径方向長さＬ１における他端との径方向長さＬ１ｂは、同じ長さである。第２溝部４２は、第１溝部４１に対して径方向の内側に設けられる内側第２溝部として機能し、第２溝部４３は、第１溝部４１に対して径方向の外側に設けられる外側第２溝部として機能する。そして、第１溝部４１と第２溝部（内側第２溝部）４２との径方向長さＬ２ａと、第１溝部４１と第２溝部（外側第２溝部）４３との径方向長さＬ２ｂは、同じ長さである。

図３に示すように、ディーゼルエンジン１０が組み付けられるとき、ガスケット１５は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１３の間に配置される。このとき、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２とシリンダヘッド１３との間に配置される。この状態で、シリンダヘッド１３が所定のボルト締結力によりシリンダブロック１１に締結されると、図２に示すように、ファイアリング３２は、圧縮荷重を受け、下面３２ａがシリンダライナ１２の上面１２ａに密着し、上面３２ｂがシリンダヘッド１３の下面１３ａに密着する。

シリンダライナ１２とシリンダヘッド１３は、鋳鉄で製作される。一方、ガスケット１５のファイアリング３２は、冷間圧延鋼板であるＳＰＣＣ（Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｃｏｌｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ）で製作される。つまり、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２やシリンダヘッド１３に比べて軟質材料である。

そのため、ファイアリング３２は、シリンダヘッド１３がシリンダブロック１１に締結されることで、板厚方向に圧縮力を受けたとき、材料の降伏点を超える面圧印加により塑性変形する。すると、ファイアリング３２は、第１溝部４１により圧縮力を受けない下面３２ａの一部が下方に突出し、第１溝部４１に入り込む第１凸部５１が形成される。また、ファイアリング３２は、第２溝部４２，４３により圧縮力を受けない上面３２ｂの一部が上方に突出し、第２溝部４２，４３に入り込む第２凸部５２，５３が形成される。

なお、本実施形態では、シリンダライナ１２の上面１２ａに１本の第１溝部４１を設け、シリンダヘッド１３の下面１３ａに２本の第２溝部４２，４３を設けたが、この構成に限定されるものではない。ガスケット１５とシリンダライナ１２との接触面積と、ガスケット１５とシリンダヘッド１３との接触面積が同じになれば、第１溝部４１と第２溝部４２，４３の本数は限定されない。例えば、シリンダヘッド１３の下面１３ａに第２溝部を設け、シリンダライナ１２の上面１２ａに第１溝部４１を設けなくてもよい。また、第１溝部４１と第２溝部４２，４３の形成位置や形状も、適宜設定すればよい。

＜ガスシール構造の作用＞
図２に示すように、シリンダライナ１２は、ファイアリング３２の下面３２ａに対向する上面１２ａに第１溝部４１が設けられ、シリンダヘッド１３は、ファイアリング３２の上面３２ｂに対向する下面１３ａに第２溝部４２，４３が設けられる。そのため、ファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面積と、ファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面積が同じになる。そのため、ファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面での面圧と、ファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面での面圧が同じになる。

ディーゼルエンジン１０の稼働時、シリンダライナ１２は、爆発荷重を受けて変形するシリンダブロック１１の剛性にならって変形し、シリンダヘッド１３は、自身の剛性で爆発荷重を受けて変形する。ここで、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２との接触面圧とシリンダヘッド１３との接触面圧が同じであることから、シリンダライナ１２とファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面での相対すべりを片方で受け持つことなくすべり量が小さい。そのため、ファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面やファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面での面荒れが抑制され、ガスケット１５によるガスシール性能の低下が抑制される。

また、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２とシリンダヘッド１３から圧縮力を受けることで、下面３２ａおよび上面３２ｂが変形し、第１凸部５１がシリンダライナ１２の第１溝部４１に入り込み、第２凸部５２，５３がシリンダヘッド１３の第２溝部４２，４３に入り込む。すると、第１凸部５１および第２凸部５２，５３がシリンダライナ１２およびシリンダヘッド１３に対してアンカーとなり、上下面の面圧均一化効果に加えさらに相対すべりを抑制することができる。この場合、ファイアリング３２をシリンダライナ１２やシリンダヘッド１３より軟質材料とすることで、アンカー部の凸部ヤング率の範囲での弾性変形によりすべりを吸収し、アンカー部の硬度が低いことで溝部をき裂させることがない。

図４は、ガスケットとシリンダヘッドとの接触面における径方向の面圧分布を表すグラフである。

図４は、ガスケット１５のファイアリング３２の上面３２ｂとシリンダヘッド１３の下面１３ａとの接触面におけるファイアリング３２の径方向の面圧分布を表している。図４に示すように、第２溝部４２，４３が設けられていない場合、面圧（図４の一点鎖線）は、径方向の中間部が比較的高くなるような分布となる。一方、第２溝部４２，４３が設けられている場合、面圧（図４の実線）は、第２溝部４２，４３に向けて高くなり、第２溝部４２，４３の位置で０になる分布となる。すなわち、第２溝部４２，４３の両端にて、平均面圧より高いピーク面圧が作用することで、平滑時の面圧分布よりガスシール性能が向上する。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、円柱形状をなす空間部２１を有するシリンダブロック１１と、円筒形状をなして空間部２１に配置されるシリンダライナ１２と、シリンダライナ１２に軸方向に移動自在に支持されるピストン１４と、シリンダブロック１１の上部に締結されるシリンダヘッド１３と、シリンダブロック１１およびシリンダライナ１２とシリンダヘッド１３との間に配置されてファイアリング３２を有するガスケット１５とを備えるディーゼルエンジン（内燃機関）１０において、シリンダライナ１２とファイアリング３２１５との接触面積と、シリンダヘッド１３とファイアリング３２との接触面積が同じである。

第１の態様に係る内燃機関のガスシール構造によれば、ファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面積と、ファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面積が同じになることで、各接触面での面圧が同じになる。すると、シリンダライナ１２やシリンダヘッド１３が燃焼室２４からの爆発荷重を受けて変形するとき、ファイアリング３２は、シリンダライナ１２との接触面やシリンダヘッド１３との接触面での相対すべりが発生しにくくなり、相対すべりによる面荒れが抑制される。その結果、ガスケット１５によるガスシール性能の向上を図ることができる。

第２の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、ファイアリング３２に接触するシリンダライナ１２の接触面に周方向に沿う第１溝部４１を設け、ファイアリング３２に接触するシリンダヘッド１３の接触面に周方向に沿う第２溝部４２，４３を設ける。これにより、簡単な構成で、ファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面積と、ファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面積を同じにすることができ、構造の複雑化を抑制することができる。

第３の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、第１溝部４１と第２溝部４２，４３とをシリンダライナ１２の径方向にずれて配置する。これにより、ファイアリング３２に対する面圧が抜ける位置を径方向にずらすことができ、ファイアリング３２とシリンダライナ１２およびシリンダヘッド１３との接触面での相対すべりの発生を抑制することができる。

第４の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、第２溝部４２，４３の数を第１溝部４１の数より多くする。これにより、適切にファイアリング３２とシリンダライナ１２との接触面積と、ファイアリング３２とシリンダヘッド１３との接触面積を同じにすることができる。

第５の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、第１溝部４１に対して径方向の内側に設けられる第２溝部（内側第２溝部）４２と、径方向の外側に設けられる第２溝部（外側第２溝部）４３とを設け、第１溝部４１と第２溝部４２との径方向長さＬ２ａと、第１溝部４１と第２溝部４３との径方向長さＬ２ｂを同じとする。これにより、シリンダライナ１２とシリンダヘッド１３は、ガスケット１５のファイアリング３２に対して、径方向に均等な荷重を作用させることとなり、ガスシール性能の低下を抑制することができる。

第６の態様に係る内燃機関のガスシール構造は、ガスケット１５が面圧を受けて塑性変形することで第１溝部４１と第２溝部４２，４３に侵入する第１凸部５１と第２凸部５２，５３を形成可能な軟質材料により構成される。これにより、第１凸部５１および第２凸部５２，５３がシリンダライナ１２およびシリンダヘッド１３に対してアンカーとなり、相対すべりの発生を効果的に抑制することができる。

１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１ シリンダブロック
１２ シリンダライナ
１３ シリンダヘッド
１４ ピストン
１５ ガスケット
２１ 空間部
２２ ピストンリング
２３ コネクティングロッド
２４ 燃焼室
２５ 吸気ポート
２６ 排気ポート
２７ 吸気弁
２８ 排気弁
２９ 燃料噴射弁
３１ ガスケット本体
３２ ファイアリング
４１ 第１溝部
４２ 第２溝部（内側第２溝部）
４３ 第２溝部（外側第２溝部）
５１ 第１凸部
５２，５３ 第２凸部

Claims (6)

1. 円柱形状をなす空間部を有するシリンダブロックと、
   円筒形状をなして前記空間部に配置されるシリンダライナと、
   前記シリンダライナに軸方向に移動自在に支持されるピストンと、
   前記シリンダブロックの上部に締結されるシリンダヘッドと、
   前記シリンダブロックおよび前記シリンダライナと前記シリンダヘッドとの間に配置されてファイアリングを有するガスケットと、
   を備える内燃機関において、
   前記シリンダライナと前記ファイアリングの接触面積と、前記シリンダヘッドと前記ファイアリングとの接触面積が同じである、
   内燃機関のガスシール構造。
2. 前記ファイアリングに接触する前記シリンダライナの接触面に前記ファイアリングの周方向に沿う第１溝部を設け、前記ファイアリングに接触する前記シリンダヘッドの接触面に前記ファイアリングの周方向に沿う第２溝部を設ける、
   請求項１に記載の内燃機関のガスシール構造。
3. 前記第１溝部と前記第２溝部とは、前記シリンダライナの径方向にずれて配置される、
   請求項２に記載の内燃機関のガスシール構造。
4. 前記第２溝部の数が前記第１溝部の数より多い、
   請求項２または請求項３に記載の内燃機関のガスシール構造。
5. 前記第２溝部は、前記第１溝部に対して径方向の内側に設けられる内側第２溝部と、径方向の外側に設けられる外側第２溝部とを有し、前記第１溝部と前記内側第２溝部との径方向長さと、前記第１溝部と前記外側第２溝部との径方向長さは、同じである、
   請求項４に記載の内燃機関のガスシール構造。
6. 前記ガスケットは、面圧を受けて塑性変形することで前記第１溝部と前記第２溝部に侵入する第１凸部と第２凸部を形成可能な軟質材料により構成される、
   請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関のガスシール構造。

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