JP4222194B2 - エンジンのシリンダヘッド取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ周りに配置される複数本のヘッドボルトで、シリンダブロックの上面に、シリンダブロックを締結してなるエンジンのシリンダヘッド取付構造に関する。

図６に示されるようにレシプロ式の複数気筒エンジンのエンジン本体１は、複数のシリンダ（ボア）２が直列に並んだシリンダブロック３の上面に、シリンダヘッドガスケット４を介して、動弁系（図示しない）などが組付けてあるシリンダヘッド５を搭載する構造が用いられている。

こうしたエンジン本体１は、シリンダ２内の爆発圧力に耐えるようシリンダヘッド５を組付けるために、通常、図６に示されるようにシリンダ毎（一部しか図示せず）、シリンダ２の周りに配置した複数本のヘッドボルト７（図面上では例えば８本）で、シリンダヘッド５をシリンダブロック３の上面に締結する構造が用いられている。一般には、各ヘッドボルト７を均等（均一）軸力で締結して、シリンダヘッド５をシリンダブロック３に取付けている（例えば特許文献１を参照）。

具体的には、シリンダブロック３やシリンダヘッド５は、冷却水の水路を確保するべく、内部に全体にわたって空間部分が形成されているために、各部の剛性は一様でない。特にシリンダヘッドにおいてはエンジン長手方向に冷却水を流すためにボア間に水路を設ける必要があり、故に高剛性な完全な隔壁を設けることができないため、上下方向、シリンダ外壁を構成している剛性はシリンダ（ボア）２間では小さく、エンジン両側では高い傾向にある。この剛性差により、図７に示されるようにシリンダ２のボア周上のシリンダヘッドガスケット上／下面の面圧は、各ヘッドボルト７の軸力が同一にも関わらず、シリンダ２が並ぶ方向の部位、すなわちボア間で上記面圧は最も低く、対してエンジン左右両側で上記面圧が高くなる傾向にある。そのため、従来、各ヘッドボルト７は、ボア間で筒内ガスの密封性（ガスシール）が確保できる最低面圧をもたらす軸力値で、シリンダヘッド５をシリンダブロック３に締結させていた。
特公平２−５３１７６号公報

ところが、こうした同一の軸力でシリンダヘッド５を締結する構造は、シリンダ２の真円度が過大に損なわれやすい問題ある。

すなわち、シリンダブロック３は部品単体で、シリンダ２の所要の真円度が確保される（真円加工の実施による）。しかし、シリンダヘッドガスケット４やシリンダヘッド５が組付くにしたがい、各部品の剛性差や相互作用により、シリンダブロック３には真円度を損なう歪みが生じ、シリンダ２は真円筒ではなくなる。この真円度を損なう歪みは、シリンダヘッド５とシリンダブロック３とを締め付けるヘッドボルト７の軸力が大きくなるほど大きくなる傾向にある。

ところが、上記のようにボア間でガスシールに必要なシリンダヘッド上／下面の面圧が確保されるよう、各ヘッドボルト７（同一軸力）でシリンダヘッド５を締結すると、エンジン左右両側は、既に筒内ガスの密封性が確保できる上記面圧が確保されている状態から、さらに軸力が加わる状況となるために、各部品の剛性差や相互作用が大きくなり、真円度を損なう歪みが大きくなってしまう。これでは、シリンダ内を上下運動するピストンリングによるガス密封性を確保するために、また潤滑油が燃焼空間に入り込み燃焼し消費される（オイル消費）量が増えてしまうのを防ぐために、ピストンリングの張力を増大する必要が生じ、その結果、フリクションを増大させてしまい、燃費を悪化させる問題をもたらしていた。

そこで、本発明の目的は、シリンダ周りのガスシール性を確保しつつ、シリンダの真円度を損なう歪みの発生の低減化が図れるエンジンのシリンダヘッド取付構造を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、各シリンダ周りの各ヘッドボルトは、シリンダボア間に配置されるボア間ヘッドボルトの軸力より、エンジンの長手方向に沿って配置された左右ヘッドボルトの軸力の方が小さい軸力比となるように締結してなる構成を採用して、シリンダ周上のシリンダヘッド上／下面の面圧が均一化されるようにした。
また、簡単な構造で、求む軸力比が得られるよう、ボア間ヘッドボルトと左右ヘッドボルトとの軸力比は、両ヘッドボルトが同一強度でかつ同一サイズのヘッドボルト部材からなるものとした。

請求項３に記載の発明は、できるだけシリンダの真円度を損なう歪みの発生を抑えられるよう、ボア間ヘッドボルトの軸力が、シリンダ周りのガスシールに求められるシリンダヘッドガスケット上下面の面圧が確保される軸力とし、左右ヘッドボルトの軸力が、ボア間ヘッドボルトの軸力に対して面圧が１シリンダでほぼ均一となるような軸力比とした。つまり、左右ヘッドボルトの軸力を、シリンダ周りの上記面圧が、どの場所でもボア間部の値相当となるような値とした軸力比の軸力値とした。

請求項４に記載の発明は、さらに、シリンダの真円度を損なう歪みの発生を最小するためにボア間ヘッドボルトと左右ヘッドボルトとの軸力比は、２：１といった軸力比を採用した。

請求項５に記載の発明は、簡単な構造で、求む軸力比が得られるよう、ボア間ヘッドボルトと左右ヘッドボルトとの軸力比は、両ヘッドボルトが同一強度でかつ同一サイズのヘッドボルト部材からなり、両ヘッドボルト部材の締結トルクの変化で得られるものとした。

請求項２に記載の発明は、前記ボア間ヘッドボルトと前記左右ヘッドボルトとの軸力比は、前記両ヘッドボルトが同一サイズのヘッドボルト部材からなり、前記両ヘッドボルト部材の強度の違いで得られるものとした。

請求項１に記載の発明によれば、シリンダの真円度を損なう歪みをもたらす過大な軸力を作用させずに、シリンダの周方向におけるシリンダヘッドガスケット上／下面の面圧の均一化を図ることができる。

それ故、シリンダ周りのガスシール性の確保とシリンダの真円度を損なう歪低減を図ることができ、シリンダ内を往復動するピストンリングの張力を低減でき、エンジンの低フリクション化を図り、燃費を向上させることができる。また、簡単な構造で、所望の軸力比を得ることができるといった効果を奏する。

請求項３の発明によれば、上記効果に加え、できるだけシリンダの真円度を損なう歪みの発生を抑えることができる。

請求項４の発明によれば、最も有効な効果、すなわち真円度を損なう歪みの発生を最小に抑えることができるといった効果を奏する。

請求項５の発明によれば、上記効果に加え、ヘッドボルト部材の締結トルクを変化させるという簡単な構造で、所望の軸力比を得ることができるといった効果を奏する。

請求項２の発明によれば、上記効果に加え、ヘッドボルト部材の強度の異ならせるといった簡単な構造で、所望の軸力比を得ることができるといった効果を奏する。

［一実施形態］
以下、本発明を図１〜図５に示す一実施形態にもとづいて説明する。

なお、エンジンのエンジン本体１の全体は、図６と同じなので、エンジン本体１の全体については図６をそのまま流用してその説明を省略し、この項では特徴となる部分を中心に説明する。

ここで、図１は、図６に示したエンジン本体１の平面図を示し、図２は、同エンジン本体１の断面図を示している。また図１において、シリンダ１の周りに配置される複数本（ここでは、例えば８本）のヘッドボルト７のうち、シリンダ２が並ぶシリンダ列方向に配置されるヘッドボルト７ａ（以後、ボア間ボルト７ａという）には、斜線のハッチングを施し、エンジン（左右）両側に配置されるヘッドボルト７ｂ（以後、左右ボルト７ｂという）には、白抜きを施して、区別してある。但し、ボア間ボルト７ａは、隣接するシリンダ２の相互で共用する。なお、図２において、８はシリンダ２の内壁面を形成するライナー、ここでは例えば乾式ライナーを用いている。

このとき、シリンダヘッド５をシリンダブロック３に締結しているヘッドボルト７（１シリンダ当たり８本）は、いずれも１シリンダ当たりの総軸力がほぼ同一のもとで、ボア間ボルト７ａに対し、左右ボルト７ｂの軸力を小さくした軸力比に変化させてある。

この軸力比は、例えば同一強度および同一サイズのヘッドボルト部材を用い、それらヘッドボルト部材を締め付ける締結トルクの変化、すなわち締結トルクを調整することで得ている。この締結トルクの変化により、ボア間ボルト７ａでは、筒内ガスの密封性が確保されるシリンダヘッドガスケット上／下面の最低面圧（ガスシールに求められる最低面圧）が確保される軸力にし、左右ボルト７ｂでは、シリンダ周上の全ての部位での上記面圧がボア間ボルト７ａで得られる面圧と相応な値が確保される軸力に調整している。つまり、シリンダ周上のシリンダヘッドガスケット上／下面の面圧が均等化されるよう、ボア間ボルト７ａと左右ボルト７ｂの軸力を不均一にしている。

このように１シリンダ当たりの総軸力がほぼ同一のもと、ボア間ボルト７ａと左右ボルト７ｂの１本当たりの軸力を不均一にすると、従来のヘッドボルトの１本当たり同じ軸力で締結する構造では成し得ない効果、すなわちガスシール性を確保しながら、シリンダ２の真円度を損なう歪みが抑えられるという効果が得られる。

すなわち、従来のヘッドボルト全数を均一軸力で締結したとき（以下、全数均一軸力という）と、ボア間ボルト７ａと左右ボルト７ｂの軸力を不均一（不均等）にした場合の例として、軸力の合計は全数均一軸力の場合とほぼ同一で、「ボア間ボルト７ａの軸力：左右ボルト７ｂとの１本当たりの軸力比＝１．６：１」にしたとき（以下、「ボア間：左右軸力比＝１．６：１」という）と、「ボア間ボルト７ａの軸力：左右ボルト７ｂとの軸力比＝２：１」にしたとき（以下、「ボア間：左右軸力比＝２：１」という）とを対比すると、図５に示されるようにシリンダ（ボア）周上のボア間（シリンダが並ぶ方向）で、筒内ガスの密封性が確保されるシリンダヘッドガスケット上／下面の最低面圧を確保したとき、シリンダ（ボア）周上の左右部（エンジン両側）の上記面圧は、「全数均一軸力」の場合、過大となる。これに対し「ボア間：左右軸力比＝１．６：１」と「ボア間：左右軸力比＝２：１」は、左右部のシリンダヘッド上／下面の面圧がボア間面圧と近い値に抑えられるから、シリンダ（ボア）周方向のシリンダヘッド上／下面の面圧は、ガス密封性が確保される最低面圧を保持したまま均一化される。

このときのボア間／左右の軸力比とシリンダ２の真円度との関係は、図３に示されるようにシリンダ（ボア）の真円度平均値で見ると、α点のボア間／左右軸力比が「１．０」となる「全数均一軸力」は、真円度が大きく（真円度を損なう歪みが大）、ボア間／左右軸力比が小さくなる、すなわち「１．６」、「２．０」へとボア間側に加わる軸力の割合が大きくなるにしたがって、真円度が小さく（真円度を損なう歪みが小）なる傾向がある。またボア間／左右の軸力比がもたらすシリンダ２の真円筒の各部変形量（シリンダブロック上面からシリンダ下端までの変形）で見ると、図４に示されるように「ボア間：左右軸力比＝１．６：１」、「ボア間：左右軸力比＝２：１」のようにボア間に加わる割合が大きくなるにしたがい、真円度を損なう歪みの発生ができる限り抑えられることがわかる。

それ故、ヘッドボルト７の一本当たりの軸力比を変化させることにより、シリンダ周りのガスシール性を確保しながら、シリンダ２の真円度を損なう歪みの発生を低減できる。しかも、ボア間ボルト７ａはガス密封性上必要な最低シリンダヘッド上／下面面圧を確保できる軸力とし、左右ボルト７ｂはその面圧と近い割合となるよう軸力を定めると、できる限りシリンダ２の真円度を損なう歪みの発生が抑制できる。特に、ガス密封性上必要な最低シリンダヘッド上／下面の面圧を確保してガスシール性を保持しながらシリンダ２の真円度を損なう歪みを最小するには、軸力比は２：１程度に定めるのが最適である。

そのうえ、こうした効果をもたらす軸力比は、同一強度および同一サイズのヘッドボルト部材を用い、それらヘッドボルト部材の締結トルクを変化させることで簡単に得ることができ、調整構造は簡単である。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、同一強度、同一サイズのヘッドボルト部材を用いて締結トルクの変化で軸力比を変化させるようにしたが、これに限らず、例えば締付回転角度を変えたり、また、弾性域トルク法、弾性性角度法、塑性域角度法等を用いて、強度あるいはサイズを変更したヘッドボルト部材で形成されるヘッドボルトを用いて、均一な締結トルクのもとで、軸力比を変化させるようにしてもよい。この場合、ボア間ヘッドボルトと左右ヘッドボルトとの軸力比は、両ヘッドボルトとして同一強度でかつ同一サイズのヘッドボルト部材を用いて、両ヘッドボルト部材の締結トルクの変化で得られるものとしたり、両ヘッドボルトが同一強度のヘッドボルト部材からなり、両ヘッドボルト部材のサイズの違いで得られるものとしたりするものである。また一実施形態では、８本のヘッドボルトでシリンだヘッドを締結する構造を挙げたが、これに限らず、ヘッドボルトは、６本でも、その他の本数でもよい。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッド取付構造を示す平面図。 図１中のＡ−Ａ線に沿うエンジン本体の断面図。 ヘッドボルト軸力比がもたらすシリンダ真円度の影響を説明するための示す線図。 ヘッドボルト軸力比がもたらす真円筒各部の真円度の影響を説明するための線図。 ヘッドボルト軸力比がもたらすボア間面圧と左右部面圧との関係を示す線図。 ヘッドボルトによるシリンダヘッドの取付構造を示す斜視図。 ボア間面圧が小さくなる傾向にあることを説明するための線図。

符号の説明

２…シリンダ（ボア）、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッドガスケット、５…シリンダヘッド、７ａ…ボア間ボルト（シリンダ列方向のヘッドボルト）、７ｂ…左右ボルト（エンジン両側のヘッドボルト）。

Claims (5)

1. シリンダが直列に並んで配置されたシリンダブロックの上面に、シリンダの周りに配置される複数本のヘッドボルトでシリンダヘッドを締結してなるエンジンのシリンダヘッド取付構造において、
   前記各シリンダ周りの各ヘッドボルトは、前記シリンダの直列方向と交差する幅方向の中央側のシリンダボア間に配置されるボア間ヘッドボルトの軸力より、前記幅方向の両端側においてエンジンの長手方向に沿って配置された左右ヘッドボルトの軸力の方が小さい軸力比となるように締結してなり、
   前記両ヘッドボルトが同一強度でかつ同一サイズのヘッドボルト部材からなることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド取付構造。
2. シリンダが直列に並んで配置されたシリンダブロックの上面に、シリンダの周りに配置される複数本のヘッドボルトでシリンダヘッドを締結してなるエンジンのシリンダヘッド取付構造において、
   前記各シリンダ周りの各ヘッドボルトは、前記シリンダの直列方向と交差する幅方向の中央側のシリンダボア間に配置されるボア間ヘッドボルトの軸力より、前記幅方向の両端側においてエンジンの長手方向に沿って配置された左右ヘッドボルトの軸力の方が小さい軸力比となるように締結してなり、
   前記ボア間ヘッドボルトと前記左右ヘッドボルトとの軸力比は、前記両ヘッドボルトが同一サイズのヘッドボルト部材からなり、前記両ヘッドボルト部材の強度の違いで得られるものであることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド取付構造。
3. 前記シリンダ周りのヘッドボルトは、前記ボア間ヘッドボルトの軸力が、シリンダ周りのガスシールに求められるシリンダヘッドガスケット上下面の面圧が確保される軸力とし、前記左右ヘッドボルトの軸力が、前記ボア間ヘッドボルトの軸力に対して前記面圧が１シリンダでほぼ均一となるような軸力比で締結した
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンのシリンダヘッド取付構造。
4. 前記ボア間ヘッドボルトと前記左右ヘッドボルトとの軸力比は、２：１であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のエンジンのシリンダヘッド取付構造。
5. シリンダが直列に並んで配置されたシリンダブロックの上面に、シリンダの周りに配置される複数本のヘッドボルトでシリンダヘッドを締結してなるエンジンのシリンダヘッド取付構造において、
   前記各シリンダ周りの各ヘッドボルトは、前記シリンダの直列方向と交差する幅方向の中央側のシリンダボア間に配置されるボア間ヘッドボルトの軸力より、前記幅方向の両端側においてエンジンの長手方向に沿って配置された左右ヘッドボルトの軸力の方が小さい軸力比となるように締結してなり、
   前記ボア間ヘッドボルトと前記左右ヘッドボルトとの軸力比は、前記両ヘッドボルトが同一強度でかつ同一サイズのヘッドボルト部材からなり、前記両ヘッドボルト部材の締結トルクの変化で得られるものであることを特徴とするエンジンのシリンダヘッド取付構造。

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