JP4258980B2

JP4258980B2 - エンジンのシール構造

Info

Publication number: JP4258980B2
Application number: JP2001029850A
Authority: JP
Inventors: 隆二柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002235603A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダライナを備えるシリンダブロックとシリンダヘッドとの間をガスケットによりシールするエンジンのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のエンジンのシール構造では通常、図５に示すようなガスケット７が用いられる。すなわち、シリンダボア２２に対応するボア孔７２が形成された金属製のガスケット本体７１と、同ガスケット本体７１においてボア孔７２の外周に配設された環状の耐熱性シム７３とを備えたガスケット７が用いられる。
【０００３】
そして、図６に、図５のＡ−Ａ線に沿った断面構造を同図５では割愛したシリンダヘッドとともに一部拡大して示すように、上記シム７３がシリンダボア２２の周縁に位置するようにして且つ、ガスケット本体７１がシリンダブロック２及びシリンダヘッド３の両対向面（シール面）２ａ，３ａ間に挟まれた状態で、同シリンダヘッド３がシリンダブロック２に締結固定される。その結果、シム７３とシリンダブロック２との間の面圧が増大し、燃焼室４からの燃焼ガス等の漏れが抑制されるようになる。
【０００４】
なお、上記シリンダブロック２においてシリンダボア２２の内壁のピストン５（ピストンリング５１）が摺動する部分には、円筒形状のシリンダライナ８１が鋳込まれており、このシリンダライナ８１の内壁によりシリンダボア２２の内壁の一部が構成されている。
【０００５】
また、シリンダブロック２には、シリンダボア２２の周囲を囲むように設けられ、シリンダヘッド３の取付面において開口するウォータジャケット２３が形成されている。そして、このウォータジャケット２３内に冷却水を流すことによって、エンジンの稼働に伴って高温になるシリンダブロック２やシリンダヘッド３が冷却されるようになっている。
【０００６】
一方、ガスケット７には、上記ウォータジャケット２３よりもシリンダボア２２側においてシム７３を囲む形状のビード１５と、同ウォータジャケット２３の外周を囲む形状のビード１６とが、それぞれシリンダブロック２に向けて突出形成されている。これら両ビード１５，１６によって、ウォータジャケット２３内の冷却水がシリンダボア２２内へ浸入したり、エンジン外へ漏れたりすることが防止される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のシール構造では、シリンダヘッド３のシリンダブロック２への締結固定によってシム７３とシリンダブロック２との間の面圧が増大されている。しかも、エンジン稼働時には、上記燃焼室４で発生する燃焼熱によりシリンダブロック２、シリンダヘッド３、及びガスケット７が高温となって熱膨張するために、上記面圧が更に増大するようになる。
【０００８】
一方、シリンダライナ８１は、シリンダブロック２に鋳込まれているために、シリンダボア２２の内壁を構成する面以外の変形が同シリンダブロック２によって規制されている。そして、このシリンダライナ８１には、自身の熱膨張や上記面圧より、シリンダ軸方向において圧縮方向に作用する内部応力が生じるようになる。
【０００９】
そして、この内部応力が大きくなると、図７にシリンダライナ８１の変形態様を模式的に拡大して示すように、上記シリンダライナ８１のシリンダヘッド３側の端部が、シリンダブロック２との界面で剥がれるとともに、唯一その変形が規制されていない燃焼室４側に倒れ込むように変形することがある。なお、図７において、矢印Ｆ２は上記シリンダブロックに加わる面圧を示している。また、同図７においては、シリンダライナ８１の変形態様の理解を容易にするため、その変形量を誇張して図示している。こうした変形がシリンダライナ８１に生じた場合には、同シリンダライナ８１の内壁、すなわちシリンダボア２２の内壁の真円度が大きく低下して、同内壁とピストンリング５１との間に無用な間隙が生じることとなり、ひいてはオイル消費量が増大するようになる。
【００１０】
なお従来、シリンダライナ付きシリンダブロックとしては、例えば特開平８−１７８０７０号公報に示されるように、シリンダボアの内壁のシリンダ方向全長にわたってシリンダライナが設けられるタイプのシリンダブロックもある。ただしこの場合も、シリンダヘッドとの間に設けられるシム等を介してシリンダライナの上面に上記面圧が生じ、またエンジンの稼働に伴う熱膨張が生じるようなことがあると、上述したシリンダライナの倒れ込みに起因するシリンダボア内壁の真円度の低下が無視できないものとなる。
【００１１】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、シリンダライナの形状変化についてもこれを好適に抑制しつつ、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間をガスケットによりシールすることのできるエンジンのシール構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
先ず、請求項１に記載の発明は、シリンダボアの内壁にシリンダライナが別体として鋳込まれてなるシリンダブロック上にガスケットを介してシリンダヘッドを締結してそれらシリンダブロックとシリンダヘッドとの間をシールするエンジンのシール構造において、前記シリンダライナは、少なくともそのシリンダ方向上面の前記ガスケットと対向する側が前記シリンダブロックによって覆われるかたちで同シリンダブロックに鋳込まれてなり、前記シリンダライナのシリンダ方向についての上方と前記ガスケットとの間に前記シリンダライナの厚さ方向の中心よりも前記シリンダボア寄りに荷重中心が設定されて同シリンダボアの周縁をシールするシムを備えることをその要旨とする。
【００１３】
上記構成によれば、シリンダヘッドのシリンダブロックへの締結固定を通じてシムとシリンダブロックとの間の面圧が増大され、これにより、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間をシールすることができる。しかも、こうしたシムによる面圧の荷重中心を同シリンダライナの厚さ方向の中心よりもシリンダボア寄りに設定することで、上記面圧によるシリンダライナの変形方向をシリンダボア方向と反対方向に、すなわちシリンダブロックによりその変形が規制される方向とすることができる。これにより、シリンダライナの形状変化についてもこれを好適に抑制することができるようになる。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のエンジンのシール構造において、前記シムは前記シリンダライナの厚さ方向に所定の幅を有して前記シリンダボア周りに同心円状に設けられ、同シムの幅方向の中心を結ぶ円の径が前記シリンダライナの厚さ方向の中心を結ぶ円の径に比して小径に設定されてなることをその要旨とする。
【００１５】
上記構成によれば、シムによる面圧の荷重中心を、シリンダライナの厚さ方向の中心よりもシリンダボア寄りに確実に設定することができるようになる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載のエンジンのシール構造において、前記シムは前記シリンダライナの厚さ方向に所定の幅を有するものが同シリンダライナの厚さ方向に複数に分割されて前記シリンダボア周りに同心円状に設けられることで、前記シリンダライナの厚さ方向の中心よりも前記シリンダボア寄りに荷重中心が設定されてなることをその要旨とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数に分割されたシムが設けられるシール構造であっても、それらシムによる面圧の荷重中心をシリンダライナの厚さ方向の中心よりもシリンダボア寄りに設定することで、シリンダライナの形状変化を好適に抑制しつつ、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間をガスケットによりシールすることができるようになる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のエンジンのシール構造において、前記分割された複数のシムとして熱膨張係数の異なるものが用いられ、熱膨張係数の大きいものほど前記シリンダボア寄りに配されることをその要旨とする。
【００１８】
上記構成によれば、複数のシムによる面圧の荷重中心を設定するにあたり、その設定パラメータとしてそれらシムについての個々の熱膨張係数を用いることができるようになる。このため、複数のシムについて、その配設態様の自由度が高められる。
【００１９】
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンのシール構造において、前記シリンダライナのシリンダブロックによって覆われる同シリンダ方向上面とシリンダブロックに接する周面との角部が直角に形成されてなることをその要旨とする。
【００２１】
シリンダブロックによっては、図８にその一例として先の図６の一部を模式的に拡大して示すように、シリンダライナ８１が、そのガスケット７に対向する面８１ｂをシリンダブロック２によって覆われるようなかたちで鋳込まれたものがある。また、同図８に示されるように、こうしたシリンダブロック２にあって、上記シリンダライナ８１の対向面８１ｂとシリンダブロック２に接する周面との角部８１ａに丸みが形成されたものもある。
【００２２】
こうしたシリンダブロック２では、上記角部８１ａにおいて加わる力の一例を矢印Ｆ３，Ｆ４として同図８に併せ示すように、シリンダブロック２がシリンダライナ８１の角部８１ａに加えるシリンダ方向の力Ｆ３が、その方向を同角部８１ａに形成された丸みによって変更され、シリンダライナ８１をシリンダボア２２側に押し出す方向の力Ｆ４として作用するようになる。なお、同図８において、矢印Ｆ３，Ｆ４の向きがこれら力Ｆ３，Ｆ４の方向を示している。すなわち、上記角部８１ａに丸みを形成すると、シリンダライナ８１のシリンダボア２２側への変形が助長されることとなる。この点、上記請求項５に記載した発明の構成によれば、こうした角部を直角に形成することで、この角部の形状に起因するシリンダライナの形状変化を好適に抑制することができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるエンジンのシール構造の一実施の形態を説明する。
なお、この実施の形態のエンジンのシール構造にあって、シム及びシリンダライナ以外の構造は、先の図５及び図６に例示した構造と同等の構造を想定しており、それら要素についての重複する説明は割愛する。
【００２４】
はじめに、図１に、この実施の形態にかかるエンジンの先の図６に対応する断面構造を示し、同図１を参照しつつ上記シムの配設態様及びシリンダライナの形状を説明する。
【００２５】
同図１に示されるように、ガスケット１に設けられるシム１３は、シリンダボア２２と同心円状に配設されている。また、このシム１３の幅方向の中心を結ぶ円の半径Ｒ１がシリンダライナ２１の厚さ方向の中心を結ぶ円の半径Ｒ２よりも小さく設定されている。すなわち、こうしたシム１３が設けられたガスケット１がシリンダブロック２及びシリンダヘッド３間に配設されることで、シリンダブロック２のシール面２ａに対するシム１３の面圧の荷重中心が、上記シリンダライナ２１の幅方向の中心よりもシリンダボア２２寄りに設定されるようになる。
【００２６】
また、上記シリンダライナ２１は、そのガスケット１に対向する対向面（上面）２１ｂとシリンダブロック２に接する外周面との角部２１ａが直角に形成されている。
【００２７】
次に、本実施の形態のエンジンのシール構造による作用を説明する。
このシール構造では、シリンダヘッド３のシリンダブロック２への締結固定を通じて、シム１３とシリンダブロック２のシール面２ａとの間の面圧が増大している。これにより、シリンダブロック２とシリンダヘッド３との間がシールされる。しかも、エンジンの稼働に伴って、ガスケット１、シリンダブロック２、及びシリンダヘッド３が温度上昇し、これらが熱膨張すると、上記面圧もそれに伴い増大する。
【００２８】
ここで、このシール構造では、上記面圧の荷重中心が、シリンダライナ２１の幅方向の中心よりもシリンダボア２２寄りの位置に設定されている。これにより、図２に、シリンダライナ２１の変形態様の一例を模式的に拡大して示すように、上記面圧Ｆ１によってシリンダブロック２がシリンダライナ２１の上面２１ｂに加えるようになる面圧Ｆ１’の荷重中心も同シリンダライナ２１の幅方向の中心よりもシリンダボア２２寄りになる。
【００２９】
こうした面圧Ｆ１’は、シリンダライナ２１をその外周方向に弓形に撓ませるように作用するために、この面圧Ｆ１’によるシリンダライナ２１の変形方向が同シリンダライナ２１の外周方向となり、シリンダライナ２１がシリンダボア２２側に倒れ込むように変形することが抑制される。なお、このシリンダライナ２１は、シリンダブロック２に鋳込まれているために、その外周面がシリンダブロック２と接している。すなわち、シリンダライナ２１の外周方向における形状変化についてもシリンダブロック２によって抑制されている。
【００３０】
また、上記シリンダライナ２１の上面２１ｂと外周面との角部２１ａが直角に形成されている。これにより、先の図８に例示したように、すなわち角部に丸みを形成する場合のように、シリンダ方向に作用する力が、角部の形状によりシリンダライナをシリンダボア側に押出す方向に変更されることがなくなる。このため、こうした角部の形状に起因するシリンダライナの形状変化についても好適に抑制されるようになる。また、角部に丸みや面取り等の加工を施す手間を省くこともできる。
【００３１】
なお、上記角部２１ａを直角に形成したことで、シリンダブロック２において同角部２１ａが接する部位（隅部）についてもこれが直角に形成されるようになる。一般に、こうした部分が直角に形成されると応力が集中し易くなるため、この隅部において亀裂が生じる懸念がある。
【００３２】
図３は、シリンダブロック２の隅部に形成される丸みの半径と同隅部に生じる応力との関係を計算により求めた結果を示したものである。なお、この計算に際し、丸みの半径及びシリンダライナの角部以外の構成については本実施の形態のシール構造と同様の構造を前提としている。また、丸みの半径を「０」に設定した構成が、上記隅部が直角に形成される構成、すなわち本実施の形態のシール構造にあたる。
【００３３】
同図３から明らかなように、上記隅部が直角に形成される本実施の形態のシール構造では、同隅部に丸みが形成されるものと比較して、同隅部に生じる応力が小さく抑えられるようになる。すなわち、シリンダライナ２１の角部２１ａを直角に形成することにより、シリンダブロック２の隅部に生じる応力が抑制され、シリンダブロック２の耐亀裂性が向上されることがわかる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）シリンダヘッド３のシリンダブロック２への締結固定を通じてシム１３とシリンダブロック２のシール面２ａとの間の面圧を増大させるようにしたために、この面圧によってシリンダヘッド３とシリンダブロック２との間をシールすることができる。しかも、シム１３による面圧の荷重中心をシリンダライナ２１の厚さ方向の中心よりもシリンダボア２２寄りに設定したために、上記面圧によるシリンダライナ２１の変形方向をその外周方向とすることができる。このため、シリンダライナ２１がシリンダボア２２側に倒れ込むように変形することを好適に抑制することができる。また、シリンダライナ２１の外周方向における形状変化についても、同シリンダライナ２１の外周面が接しているシリンダブロック２により抑制することができる。
【００３５】
（２）シム１３を、シリンダボア２２と同心円状に配設するとともに、同シム１３の幅方向の中心を結ぶ円の半径Ｒ１をシリンダライナ２１の厚さ方向の中心を結ぶ円の半径Ｒ２よりも小さく設定するようにした。このため、これにより、シム１３による面圧の荷重中心を、シリンダライナ２１の厚さ方向の中心よりもシリンダボア２２寄りに確実に設定することができる。
【００３６】
（３）シリンダライナ２１の上面２１ｂと外周面との角部２１ａを直角に形成するようにしたために、こうした角部の形状に起因するシリンダライナの形状変化についてもこれを好適に抑制することができる。
【００３７】
（４）また、シリンダライナ２１の上面２１ｂと外周面との角部２１ａを直角に形成することで、シリンダブロック２において角部２１ａが接する部位における応力の集中を抑制することもでき、シリンダブロック２の耐亀裂性を向上させることができる。
【００３８】
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施の形態では、１つのシム１３を配設するようにしたが、これに代えて、図４にその変形例として先の図１に対応した断面構造を示すように、シリンダライナ２１の厚さ方向において２つに分割されたシム６７，６８を配設するようにしてもよい。こうした構成によっても、これらシム６７，６８の面圧による荷重中心がシリンダライナ２１の幅方向の中心よりもシリンダボア２２寄りの位置になるようにこれらシム６７，６８を配設すれば、シリンダライナ２１の形状変化を好適に抑制しつつ、シリンダブロック２とシリンダヘッド３との間をガスケット６によりシールすることができるようになる。また特に、このようにシムを複数に分割することで、これらシム６７，６８のうち、より燃焼室４に近いシム６８の温度上昇が大きくなってその熱膨張量も大きくなり、これらシム６７，６８による面圧の荷重中心が自ずとシリンダライナ２２寄りの位置になる。すなわち、シムの配設態様の自由度を高めることができるようになる。
【００３９】
・また、分割されるシムの数は２つに限られない。要は、それら複数のシムによる面圧の荷重中心がシリンダライナ２１の幅方向の中心よりもシリンダボア２２寄りの位置になるように配設される構造であればよい。
【００４０】
・また更に、これら複数のシムとして熱膨張係数の異なるものを用いるとともに、熱膨張係数の大きいものほどシリンダボア寄りに配設するようにしてもよい。こうした構成によれば、複数のシムによる面圧の荷重中心を設定するにあたり、その設定パラメータとしてこれらシムについての個々の熱膨張係数を用いることができるようになるために、その配設態様の自由度をより高めることができるようになる。
【００４１】
・上記実施の形態では、シリンダライナ２１がその上面２１ｂをシリンダブロック２によって覆われるようなかたちで鋳込まれたエンジンについて言及したが、シリンダライナの内壁がシリンダ方向全長にわたってシリンダボアの内壁を形成するように、すなわちシリンダライナの上面がシムと接するようにシリンダライナが鋳込まれたエンジンに本発明にかかるシール構造を適用するようにしてもよい。こうした構成によっても、上記（１）及び（２）に記載した効果を奏することはできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるエンジンのシール構造の一実施の形態についてその断面構造を示す断面図。
【図２】同実施の形態のシリンダライナの変形態様の一例を模式的に示す断面図。
【図３】シリンダブロックの隅部に形成される丸みの半径と同隅部に生じる応力との関係を示すグラフ。
【図４】同実施の形態の変形例についてその断面構造を示す断面図。
【図５】従来のエンジンのシール構造に採用されるガスケットの平面図。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図７】従来のシリンダライナの変形態様の一例を模式的に示す断面図。
【図８】従来のシリンダブロックの一部の断面構造を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１，６，７…ガスケット、２…シリンダブロック、３…シリンダヘッド、４…燃焼室、５…ピストン、１１，７１…ガスケット本体、１３，６７，６８，７３…シム、１５，１６…ビード、２１，８１…シリンダライナ、２１ａ，８１ａ…角部、２１ｂ，８１ｂ…上面、２２…シリンダボア、２３…ウォータジャケット、５１…ピストンリング。

Claims

シリンダボアの内壁にシリンダライナが別体として鋳込まれてなるシリンダブロック上にガスケットを介してシリンダヘッドを締結してそれらシリンダブロックとシリンダヘッドとの間をシールするエンジンのシール構造において、
前記シリンダライナは、少なくともそのシリンダ方向上面の前記ガスケットと対向する側が前記シリンダブロックによって覆われるかたちで同シリンダブロックに鋳込まれてなり、
前記シリンダライナのシリンダ方向についての上方と前記ガスケットとの間に前記シリンダライナの厚さ方向の中心よりも前記シリンダボア寄りに荷重中心が設定されて同シリンダボアの周縁をシールするシムを備える
ことを特徴とするエンジンのシール構造。
前記シムは前記シリンダライナの厚さ方向に所定の幅を有して前記シリンダボア周りに同心円状に設けられ、同シムの幅方向の中心を結ぶ円の径が前記シリンダライナの厚さ方向の中心を結ぶ円の径に比して小径に設定されてなる
請求項１記載のエンジンのシール構造。
前記シムは前記シリンダライナの厚さ方向に所定の幅を有するものが同シリンダライナの厚さ方向に複数に分割されて前記シリンダボア周りに同心円状に設けられることで、前記シリンダライナの厚さ方向の中心よりも前記シリンダボア寄りに荷重中心が設定されてなる
請求項１記載のエンジンのシール構造。
前記分割された複数のシムとして熱膨張係数の異なるものが用いられ、熱膨張係数の大きいものほど前記シリンダボア寄りに配される
請求項３記載のエンジンのシール構造。
前記シリンダライナのシリンダブロックによって覆われる同シリンダ方向上面とシリンダブロックに接する周面との角部が直角に形成されてなる
請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンのシール構造。