JP4631854B2 - engine - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンのシリンダヘッドをシリンダブロックに固定する際に、エンジンの実働時においてシリンダブロックに形成されるシリンダボアの真円度の向上を図る技術に関する。 The present invention relates to a technique for improving the roundness of a cylinder bore formed in a cylinder block during actual operation of the engine when the cylinder head of the engine is fixed to the cylinder block.
近年、環境性能を求められる自動車のエンジンは、燃料消費量の改善や燃焼効率の向上等が求められている。燃料消費量の改善や燃焼効率の向上を行えば、少ない燃料で自動車がより長い距離を走ることを可能とすることで、相対的に排出するガスの量を減らすことができる。また、燃焼効率の向上は、燃料を燃やす際により効率を高めることで、不完全燃焼による排気ガスの清浄化を図ることができる。
このようなエンジンの燃料消費量の改善、燃焼効率の向上を実現する手法としては、様々な方法が提案されているが、その手法の一つとして、エンジンのシリンダボアの真円度を高めるという方法がある。
In recent years, automobile engines that require environmental performance have been required to improve fuel consumption and combustion efficiency. If fuel consumption is improved and combustion efficiency is improved, it is possible to reduce the amount of gas that is relatively discharged by enabling the automobile to travel a longer distance with less fuel. Moreover, the improvement of combustion efficiency can aim at the purification of exhaust gas by incomplete combustion by raising efficiency when burning fuel.
Various methods have been proposed as a method for improving the fuel consumption of the engine and improving the combustion efficiency. One of the methods is to increase the roundness of the cylinder bore of the engine. There is.
まず簡単にエンジンの構造を説明する。
最も普及しているレシプロエンジンであれば、ピストンが上下するシリンダボアを備えたシリンダブロックと、燃焼室が形成され、バルブなどを備えるシリンダヘッドと、ヘッドカバー、オイルパン等の部品と、カムシャフトやクランクシャフト、その他の補器類からなる。
そしてレシプロエンジンの実働時には、燃焼室で燃料を燃焼させ、そのエネルギーをシリンダブロックに形成されるシリンダボア内をピストンが摺動し、クランクシャフトに回転としてエネルギーを伝えることで、動力を発生する。
First, the structure of the engine will be briefly described.
In the most popular reciprocating engine, a cylinder block having a cylinder bore in which a piston moves up and down, a cylinder head in which a combustion chamber is formed and having a valve, a head cover, parts such as an oil pan, a camshaft and a crank Consists of shafts and other auxiliary equipment.
During actual operation of the reciprocating engine, fuel is combusted in the combustion chamber, the piston slides in the cylinder bore formed in the cylinder block, and power is generated by transmitting the energy as rotation to the crankshaft.
シリンダボアとピストンの間には、ピストンリングが備えられ、このピストンリングが直接シリンダボアと摺動する。ピストンリングはシリンダボアの内側に突っ張る状態で備えられる。そして、燃焼室側の気密を保ち、クランクシャフト側からのエンジンオイルの飛沫を必要最低限の油膜が確保できるように掻き落とす役割を果たす。
適正な油膜の膜厚と機密性を確保するためには、シリンダボアの真円度が高く維持されている必要があり、真円度が低い場合は適正な油膜の膜厚と気密性を確保するために、シリンダボアの内側に突っ張る力、つまりボア内側への張力を強める必要がある。
A piston ring is provided between the cylinder bore and the piston, and this piston ring slides directly with the cylinder bore. The piston ring is provided in a state of stretching inside the cylinder bore. And it plays the role which scrapes off so that the minimum required oil film may be ensured, maintaining the airtightness of the combustion chamber side and ensuring the splash of engine oil from the crankshaft side.
In order to ensure proper oil film thickness and confidentiality, the roundness of the cylinder bore must be maintained high, and when the roundness is low, proper oil film thickness and air tightness are ensured. Therefore, it is necessary to increase the force that pushes the cylinder bore, that is, the tension inside the bore.
しかし、ピストンリングの張力を高めると、シリンダボアとピストンとの摺動抵抗が高くなることになり、結果的に燃料消費量を悪化させる原因となる。
エンジンの実働時には各回転部分と摺動部分のメカロスが、エンジンの効率を落とす原因になるといわれている。
そのメカロスの内、3分の1はピストン周りの摺動抵抗によるものであると言われる。具体的にはピストンとシリンダボアの摺動の他に、カムシャフトやクランクシャフトの回転時の抵抗などがメカロスとしてエンジンの効率に影響するので、これらを改善することは、結果的に燃料消費量の改善や燃焼効率の向上に繋がるものと期待できる。
よって、シリンダボアの真円度を確保することは、エンジンを設計、製作する上では非常に重要な課題である。
However, when the tension of the piston ring is increased, the sliding resistance between the cylinder bore and the piston increases, resulting in a deterioration in fuel consumption.
It is said that the mechanical loss of each rotating part and sliding part causes the engine efficiency to drop during actual operation of the engine.
One third of the mechanical loss is said to be due to sliding resistance around the piston. Specifically, in addition to the sliding of the piston and cylinder bore, the resistance during rotation of the camshaft and crankshaft affects the engine efficiency as a mechanical loss, so improving these results in a reduction in fuel consumption. It can be expected to lead to improvement and improvement of combustion efficiency.
Therefore, securing the roundness of the cylinder bore is a very important issue in designing and manufacturing the engine.
シリンダブロックのシリンダボアの真円度を確保する手法としては、大きく分けて2種類考えられる。1つは静的なシリンダボアの真円度の確保であり、1つは動的なシリンダボアの真円度の確保である。
静的なシリンダボアの真円度の確保については、エンジン制作時の真円度を高める方法で、従来からダミーヘッドを用いる方法等、数多く提案されている。
一方で、動的なシリンダボアの真円度の確保は、エンジン実働時のシリンダボアの形状変化を予想しなければならないという困難性があるため、従来はあまり有効な手法が知られていなかった。
There are roughly two types of techniques for ensuring the roundness of the cylinder bore of the cylinder block. One is to secure the roundness of a static cylinder bore, and the other is to secure the roundness of a dynamic cylinder bore.
Many methods have been proposed for securing the roundness of a static cylinder bore, such as a method of increasing the roundness at the time of engine production, and a method using a dummy head.
On the other hand, in order to secure the roundness of the dynamic cylinder bore, there has been a difficulty that it is necessary to predict a change in the shape of the cylinder bore during actual operation of the engine.
動的なエンジンに発生する歪みに関する技術としては、特許文献1乃至特許文献3に開示されるようなものが挙げられる。
特許文献1には、シリンダヘッドの実働時における変形防止手段についての技術が開示されている。
アルミニウム合金製のシリンダヘッドと、鋳鉄製のシリンダブロックをヘッドボルトで締結し、エンジンとして稼働させると、発生する熱によって金属は膨張するが、アルミニウム合金は鋳鉄よりも線膨張率が大きいため、シリンダヘッドとシリンダブロックでは熱の影響で膨張する量が異なる。結果的に、アルミニウム合金製のシリンダヘッドの方がより膨張しようとするが、ヘッドボルトによって拘束されているために膨張した部分が逃げ場を失い、結果的に凸形状に変形し、カムシャフトのジャーナルと軸受部に局部当たりが生じる虞がある。
このような軸受部への影響を改善するために、特許文献1では、シリンダヘッドの長手方向に沿ってアルミニウム合金より熱膨張率の小さい補強部材を埋没している。これにより、より熱膨張率の小さい補強部材が熱の影響を受けた際にシリンダヘッドの変形を抑えるので、カムシャフトのジャーナルや軸受部に起きる局部当たりを軽減することが可能となる。
Examples of the technology related to distortion generated in a dynamic engine include those disclosed in Patent Documents 1 to 3.
Patent Document 1 discloses a technique relating to a deformation preventing means during actual operation of the cylinder head.
When a cylinder head made of aluminum alloy and a cylinder block made of cast iron are fastened with head bolts and operated as an engine, the metal expands due to the heat generated, but the aluminum alloy has a higher linear expansion coefficient than cast iron, so the cylinder The amount of expansion due to the influence of heat differs between the head and the cylinder block. As a result, the cylinder head made of aluminum alloy tends to expand more, but because it is constrained by the head bolt, the expanded portion loses the escape area, and as a result, deforms into a convex shape, and the journal of the camshaft There is a risk of local contact between the bearing and the bearing.
In order to improve such an influence on the bearing portion, in Patent Document 1, a reinforcing member having a thermal expansion coefficient smaller than that of the aluminum alloy is buried along the longitudinal direction of the cylinder head. As a result, when the reinforcing member having a smaller thermal expansion coefficient is affected by heat, the deformation of the cylinder head is suppressed, so that it is possible to reduce the local contact that occurs in the journal and the bearing portion of the camshaft.
特許文献2には、内燃機関のシリンダヘッド固定構造を開示されている。
エンジン実働時において、シリンダヘッドに備える吸気ポートと排気ポートとでは発生する温度が異なる。したがって、シリンダヘッドをシリンダブロックに固定するヘッドボルトのうち吸気側に備えられる吸気側ヘッドボルトは約100℃程度になるのに対し、排気側に備えられる排気側ヘッドボルトは約200℃程度になり、それぞれの膨張量が異なる。
したがって、シリンダヘッドとシリンダブロックの間にガスケットを挟んでガス漏れや冷却水漏れを防いでいるが、吸気側ヘッドボルトと排気側ヘッドボルトの膨張量の差が生じることで、シリンダヘッドとシリンダブロックの間の面圧が不均一となり、ガス漏れや冷却水漏れを生じる。
このような面圧の不均一化を改善するために、特許文献2では、吸気側ヘッドボルトと排気側ヘッドボルトの材質を変え、線膨張率を変えることで、エンジン実働時に温度差が生じても一定の力でシリンダヘッドとシリンダブロックを固定し、面圧の不均一化を生じないようにしている。
Patent Document 2 discloses a cylinder head fixing structure for an internal combustion engine.
During actual operation of the engine, the generated temperature differs between the intake port and the exhaust port provided in the cylinder head. Accordingly, among the head bolts for fixing the cylinder head to the cylinder block, the intake side head bolt provided on the intake side is about 100 ° C., whereas the exhaust side head bolt provided on the exhaust side is about 200 ° C. , Each expansion amount is different.
Therefore, a gasket is sandwiched between the cylinder head and the cylinder block to prevent gas leakage and cooling water leakage. However, the difference in expansion between the intake side head bolt and the exhaust side head bolt causes a difference in the cylinder head and cylinder block. The surface pressure between them becomes uneven, causing gas leakage and cooling water leakage.
In order to improve such non-uniform surface pressure, Patent Document 2 changes the material of the intake side head bolt and the exhaust side head bolt and changes the linear expansion coefficient, thereby causing a temperature difference during engine operation. However, the cylinder head and the cylinder block are fixed with a constant force so as not to cause uneven surface pressure.
特許文献3には、金属部材の結合構造が開示されている。
エンジン実働時において、第1金属部材からなるシリンダヘッドと、第2金属部材からなるシリンダブロック、第3金属部材からなるヘッドボルトは、それぞれ線膨張率が異なる結果、エンジン実働時に熱が加わり、エンジン停止時に冷却されることを繰り返されることで、ヘッドボルトに緩みが生じる。これを見越してヘッドボルトの締め付け力を強くしておくと、シリンダボアの変形を生じる問題があった。
このような、ヘッドボルトの締め付け力を制御する目的で、特許文献3では、シリンダヘッドの線膨張係数Aと、シリンダブロックの線膨張係数Bと、ヘッドボルトの線膨張係数Cと、シリンダヘッドの締結部の厚みXと、シリンダブロックに形成される雌ネジ部からシリンダヘッドとの当接面までの距離Yとの関係を(A−C)X=(C−B)Yを満たすことで、温度による変化に対応してヘッドボルトによる締結状態を安定して保持可能としている。
During engine operation, the cylinder head made of the first metal member, the cylinder block made of the second metal member, and the head bolt made of the third metal member have different linear expansion rates, so that heat is applied during engine operation. The head bolt is loosened by being repeatedly cooled at the time of stopping. In anticipation of this, if the tightening force of the head bolt is increased, there is a problem that the cylinder bore is deformed.
In order to control the tightening force of the head bolt, in Patent Document 3, the linear expansion coefficient A of the cylinder head, the linear expansion coefficient B of the cylinder block, the linear expansion coefficient C of the head bolt, and the cylinder head By satisfying (AC) X = (CB) Y, the relationship between the thickness X of the fastening portion and the distance Y from the female thread portion formed on the cylinder block to the contact surface with the cylinder head, The fastening state by the head bolt can be stably held corresponding to the change due to the temperature.
しかしながら、特許文献1乃至特許文献3に開示される従来技術を、動的なシリンダボアの真円度の確保に適用するには、以下の課題があると考えられる。
(1)シリンダヘッドの変形について
出願人が調査した結果、エンジン実働時には、シリンダヘッド及びシリンダブロックに山形変形が発生していることが判明している。この山形変形は、特許文献1の凸形状変形とは異なり、シリンダブロック、シリンダヘッド共にアルミ合金製であっても発生する。
シリンダブロックとシリンダヘッドとでは実働時に設定されている温度が異なり、シリンダヘッドの膨張量がシリンダブロックよりも多くなる。シリンダブロックとシリンダヘッドは、ヘッドボルトで強固に固定されているため、シリンダヘッド側の膨張量が多くなると、膨張した部分が逃げ場を失って、結果的に山形に変形してしまうことになる。
このようなメカニズムでシリンダヘッドはエンジン実働時に山形変形することが判明し、シリンダヘッドが山形変形すると、ヘッドボルトで固定されたシリンダブロックもヘッドボルトに引っ張られて変形し、シリンダボアの真円度を低下させる要因となることが判明した。
However, it is considered that there are the following problems in applying the conventional techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3 to securing the roundness of a dynamic cylinder bore.
(1) Deformation of Cylinder Head As a result of investigation by the applicant, it has been found that angle deformation occurs in the cylinder head and the cylinder block during actual operation of the engine. Unlike the convex deformation of Patent Document 1, this chevron deformation occurs even if both the cylinder block and the cylinder head are made of an aluminum alloy.
The cylinder block and the cylinder head have different temperatures set during actual operation, and the cylinder head expands more than the cylinder block. Since the cylinder block and the cylinder head are firmly fixed by the head bolt, when the amount of expansion on the cylinder head side increases, the expanded portion loses the escape place and is eventually deformed into a mountain shape.
With this mechanism, it was found that the cylinder head deformed in an angle when the engine was in operation, and when the cylinder head deformed in an angle, the cylinder block fixed by the head bolt was also pulled and deformed, and the roundness of the cylinder bore was increased. It turned out to be a factor to reduce.
(2)特許文献1乃至特許文献3の適用
特許文献1の方法は、シリンダヘッドに補強部材を埋め込むことで、シリンダヘッドの凸形状変形を抑える技術であり、基本的にはシリンダブロックとシリンダヘッドが異種材料で形成されている場合を想定しているが、出願人が確認した山形変形にも対応しうると考えられる。
つまり、シリンダヘッドに線膨張率の小さな補強部材を埋め込むことで、シリンダヘッドの山形変形を抑制できるので、結果的にシリンダブロックの変形を抑え、シリンダボアの真円度の低下を抑えることができる可能性がある。
しかしながら、シリンダヘッドにシリンダヘッドの変形を抑えることが可能な大きさの補強部材を埋め込むことは、シリンダヘッド内に形成するウォータジャケットの流路を遮ることになりかねない。また、小型化、高出力化の進むエンジンにとって冷却効率を下げることは望ましくない。
また、補強部材をシリンダヘッドに鋳込むという作業が必要となり、新たな工程が必要でコストアップとなるという問題がある。
(2) Application of Patent Document 1 to Patent Document 3 The method of Patent Document 1 is a technique for suppressing the convex deformation of the cylinder head by embedding a reinforcing member in the cylinder head, and basically the cylinder block and the cylinder head. Is assumed to be formed of a different material, but it is also possible to cope with the chevron deformation confirmed by the applicant.
In other words, by embedding a reinforcing member having a small linear expansion coefficient in the cylinder head, it is possible to suppress the mountain-shaped deformation of the cylinder head, and as a result, it is possible to suppress the deformation of the cylinder block and the decrease in the roundness of the cylinder bore. There is sex.
However, embedding a reinforcing member having a size capable of suppressing deformation of the cylinder head in the cylinder head may obstruct the flow path of the water jacket formed in the cylinder head. Moreover, it is not desirable to reduce the cooling efficiency for an engine that is becoming smaller and having higher output.
In addition, the work of casting the reinforcing member into the cylinder head is required, and there is a problem that a new process is required and the cost is increased.
特許文献2の方法は、吸気ポート側の吸気ヘッドボルトと、排気ポート側の排気ヘッドボルトの線膨張率を、吸気ポート側と排気ポート側の温度差に合わせて変える手法であるので、シリンダヘッドの山形変形を抑えることはできないと考えられる。
特許文献3の方法は、ヘッドボルトの材質と、シリンダヘッドの締結部分の厚みと、シリンダブロックの雌ネジ部の深さとシリンダヘッド及びシリンダブロックの材質の関係を規定する方法であるが、シリンダヘッドの山形変形を想定しておらず、シリンダヘッドの山形変形を抑えることはできないと考えられる。
The method of Patent Document 2 is a method in which the linear expansion coefficient of the intake head bolt on the intake port side and the exhaust head bolt on the exhaust port side is changed in accordance with the temperature difference between the intake port side and the exhaust port side. It is thought that it is impossible to suppress the Yamagata deformation.
The method of Patent Document 3 is a method for defining the relationship between the material of the head bolt, the thickness of the fastening portion of the cylinder head, the depth of the internal thread portion of the cylinder block, and the material of the cylinder head and the cylinder block. Therefore, it is considered that the mountain-shaped deformation of the cylinder head cannot be suppressed.
このように、特許文献1乃至特許文献3に示される従来技術には、シリンダヘッドとシリンダブロックの温度差によって山形変形が発生するという思想が無く、特許文献1に示された凸状変形に対し補強部材を埋め込む技術は、エンジンの冷却効率に影響を与える虞があり、コストもかかる。よって、特許文献1乃至特許文献3を組み合わせたとしても、安価にシリンダヘッドの山形変形を抑え、動的なシリンダボアの真円度を確保することは困難である。 As described above, the conventional techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3 do not have the idea that a mountain-shaped deformation occurs due to a temperature difference between the cylinder head and the cylinder block. The technique for embedding the reinforcing member may affect the cooling efficiency of the engine and is expensive. Therefore, even if Patent Documents 1 to 3 are combined, it is difficult to suppress the chevron deformation of the cylinder head at low cost and to ensure the dynamic roundness of the cylinder bore.
そこで、本発明は、このような課題を解決するために、安価にシリンダヘッドの山形変形を抑えて、シリンダブロックに形成される動的なシリンダボアの真円度を確保可能なエンジンを提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve such problems, the present invention provides an engine capable of suppressing the mountain-shaped deformation of the cylinder head at low cost and ensuring the roundness of the dynamic cylinder bore formed in the cylinder block. With the goal.
前記目的を達成するために、本発明によるエンジンは以下のような特徴を有する。
(1)燃焼室が形成されるシリンダヘッドと、直列に気筒が形成されるシリンダブロックと、前記シリンダヘッドを前記シリンダブロックに固定するヘッドボルトを備えるエンジンにおいて、
前記ヘッドボルトのうち、前記シリンダブロックの両端部に締められる前後端ヘッドボルトが、他の位置に締められる他のヘッドボルトと比べ、線膨張率の大きい材質よりなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an engine according to the present invention has the following characteristics.
(1) In an engine including a cylinder head in which a combustion chamber is formed, a cylinder block in which a cylinder is formed in series, and a head bolt that fixes the cylinder head to the cylinder block,
Among the head bolts, front and rear end head bolts fastened to both ends of the cylinder block are made of a material having a larger linear expansion coefficient than other head bolts fastened to other positions.
(2)(1)に記載のエンジンにおいて、前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックとの実働時の温度が異なるので、前記シリンダヘッドの膨張量が、前記シリンダブロックの膨張量よりも大きくなり、前記シリンダヘッドが長手方向に伸びようとする働きで、前記シリンダヘッドが山形変形を起こした際に、前記前後端ヘッドボルトは、前記他のヘッドボルトよりも線膨張率の大きい材質よりなることで、実働時に発生する熱によって、前記前後端ヘッドボルトと前記他のヘッドボルトとの間に軸力差が発生し、前記軸力差により、前記シリンダヘッドに前記山形変形と逆方向の力が発生するので、前記シリンダヘッドの前記山形変形を抑制することを特徴とする。 (2) In the engine according to (1), the temperature of the production time of the previous SL cylinder head and the cylinder block are different, expansion of the cylinder head becomes larger than the amount of expansion of the cylinder block, the When the cylinder head causes a chevron-shaped deformation due to the action of the cylinder head extending in the longitudinal direction, the front and rear end head bolts are made of a material having a larger linear expansion coefficient than the other head bolts. Due to the heat generated during actual operation, an axial force difference is generated between the front and rear end head bolts and the other head bolts, and due to the axial force difference, a force in the direction opposite to the angle deformation is generated in the cylinder head. Therefore, the chevron deformation of the cylinder head is suppressed.
なお、ここでいう軸力とは、ヘッドボルトによってシリンダヘッドがシリンダブロックに押し付けられる力のことを指している。シリンダヘッド及びシリンダブロックと線膨張率の異なる材質で作られたヘッドボルトは、実働時に発生する熱によって膨張する際に、シリンダヘッド及びシリンダブロックよりも膨張率が小さくなる。このことにより、シリンダヘッドに対して発生している軸力は、増加することとなる。 Here, the axial force refers to the force with which the cylinder head is pressed against the cylinder block by the head bolt. A head bolt made of a material having a linear expansion coefficient different from that of the cylinder head and the cylinder block has a smaller expansion coefficient than the cylinder head and the cylinder block when the head bolt expands due to heat generated during actual operation. As a result, the axial force generated against the cylinder head increases.
(3)(1)又は(2)に記載のエンジンにおいて、
前記シリンダヘッド、及び前記シリンダブロックの材質がアルミニウム合金である場合に、前記前後端ヘッドボルトの材質をステンレスとし、前記他のヘッドボルトの材質を鋼とすることを特徴とする。
(3) In the engine according to (1) or (2),
When the cylinder head and the cylinder block are made of an aluminum alloy, the front and rear end head bolts are made of stainless steel, and the other head bolts are made of steel.
(4)(1)に記載のエンジンにおいて、
前記ヘッドボルトは、前記シリンダブロックの長手方向の中心部より、端部に備えられるものほど線膨張率の大きい材質よりなることを特徴とする。
(4) In the engine according to (1),
The head bolt is made of a material having a higher linear expansion coefficient as it is provided at the end portion than the center portion in the longitudinal direction of the cylinder block.
このような特徴を有する本発明によるエンジンにより、以下のような作用、効果が得られる。
まず、(1)に記載される発明は、ヘッドボルトのうち、シリンダブロックの両端部に締められる前後端ヘッドボルトが、他の位置に締められる他のヘッドボルトと比べ、線膨張率の大きい材質よりなるので、エンジン実働時に発生する熱によって発生する前後端ヘッドボルトの軸力と他のヘッドボルトの軸力に軸力差が発生する。
一例を挙げれば、(3)に記載のように、前後端ヘッドボルトをステンレス製にし、他のヘッドボルトを鋼製にすることで、一般的な大きさのエンジンであれば、エンジン実働時に一割弱の軸力差が発生する。この軸力差によって、シリンダヘッドの前後端は膨張しやすくなり、その結果、課題に記載したような山形変形とは逆に反ろうとする変形が発生する。
このシリンダヘッドに発生する逆反り変形が、山形変形と逆方向の力を発生することで、山形変形を抑制することになる。その結果、シリンダヘッドの山形変形の量が減少し、シリンダブロックに与える影響も少なくなる。
With the engine according to the present invention having such characteristics, the following operations and effects can be obtained.
First, the invention described in (1) is a material in which, among the head bolts, the front and rear end head bolts fastened to both ends of the cylinder block have a larger linear expansion coefficient than other head bolts fastened to other positions. Therefore, an axial force difference is generated between the axial force of the front and rear end head bolts generated by the heat generated during engine operation and the axial force of other head bolts.
For example, as described in (3), the front and rear end head bolts are made of stainless steel, and the other head bolts are made of steel. A little axial force difference occurs. Due to this axial force difference, the front and rear ends of the cylinder head are likely to expand, and as a result, a deformation that tends to warp contrary to the chevron deformation as described in the problem occurs.
The reverse warp deformation generated in the cylinder head generates a force in the opposite direction to the chevron deformation, thereby suppressing the chevron deformation. As a result, the amount of angle deformation of the cylinder head is reduced and the influence on the cylinder block is reduced.
シリンダブロックに与えられる山形変形の影響が小さくなることで、エンジン実働時の動的なシリンダボアの真円度を確保することに貢献することができる。
また、前後端ヘッドボルトを線膨張率の高い材質とするだけであるので、安価にシリンダボアの真円度を確保することに貢献することができる。
実働時におけるエンジンのシリンダボアの真円度を向上することで、エンジンの実働時においても、シリンダボアの真円度が維持され、シリンダボアを摺動するピストンの備えるピストンリングの張力を低く設定可能となり、フリクションロスの低減に寄与するのでエンジンの燃費向上に貢献する。
By reducing the influence of the chevron deformation applied to the cylinder block, it is possible to contribute to ensuring the roundness of the dynamic cylinder bore during engine operation.
Further, since the front and rear end head bolts are only made of a material having a high linear expansion coefficient, it is possible to contribute to securing the roundness of the cylinder bore at a low cost.
By improving the roundness of the cylinder bore of the engine during actual operation, the circularity of the cylinder bore can be maintained even during actual operation of the engine, and the tension of the piston ring included in the piston sliding on the cylinder bore can be set low. Contributes to reduction of friction loss and contributes to improvement of engine fuel efficiency.
また、(2)に記載される発明は、(1)に記載のエンジンにおいて、シリンダヘッドとシリンダブロックとの実働時の温度が異なるので、シリンダヘッドの膨張量が、シリンダブロックの膨張量よりも大きくなり、シリンダヘッドが長手方向に伸びようとする働きで、シリンダヘッドが山形変形を起こした際に、前後端ヘッドボルトは、他のヘッドボルトよりも線膨張率の大きい材質よりなることで、実働時に発生する熱によって、前後端ヘッドボルトと他のヘッドボルトとの間に軸力差が発生し、軸力差により、シリンダヘッドに山形変形と逆方向の力が発生するので、シリンダヘッドの山形変形を抑制する。
このように前後端ヘッドボルトと、他のヘッドボルトの材質を、前後端ヘッドボルトの線膨張率が大きくなるようにすることで、安価に動的なシリンダボアの真円度を確保することに貢献することができる。
そして、実働時におけるエンジンのシリンダボアの真円度を向上することで、エンジンの実働時においても、シリンダボアの真円度が維持され、シリンダボアを摺動するピストンの備えるピストンリングの張力を低く設定可能となり、フリクションロスの低減に寄与するのでエンジンの燃費向上に貢献することができる。
Further, the present invention is included in this (2), in the engine according to (1), the temperature of the production time of the sheet cylinder head and the cylinder block are different, expansion of the cylinder head, from the amount of expansion of the cylinder block When the cylinder head is deformed in a chevron shape, the front and rear end head bolts are made of a material having a higher linear expansion coefficient than other head bolts. The axial force difference between the front and rear end head bolts and the other head bolts is generated by the heat generated during actual operation, and the cylinder head generates a force in the opposite direction to the angle deformation due to the axial force difference. Suppresses the mountain-shaped deformation.
In this way, the material of the front and rear end head bolts and other head bolts is used to increase the linear expansion coefficient of the front and rear end head bolts, thereby contributing to ensuring the roundness of the dynamic cylinder bore at low cost. can do.
And by improving the roundness of the cylinder bore of the engine during actual operation, the roundness of the cylinder bore can be maintained even during the actual operation of the engine, and the tension of the piston ring included in the piston sliding on the cylinder bore can be set low. Therefore, it contributes to the reduction of friction loss, which can contribute to improvement of engine fuel efficiency.
また、(3)に記載される発明は、(1)又は(2)に記載のエンジンにおいて、シリンダヘッド、及びシリンダブロックの材質がアルミニウム合金である場合に、前後端ヘッドボルトの材質をステンレスとし、他のヘッドボルトの材質を鋼とするので、鋼よりも線膨張率の大きいステンレスは、エンジン実働時に発生する温度によって、軸力差を発生することができ、その結果、シリンダヘッド及びシリンダブロックの山形変形を抑制することが可能となる。
前後端ヘッドボルトは、他のヘッドボルトと材質が違うだけで同じ大きさのものを使用すれば良いので、管理する締め付けトルク等も同じとできる。したがって、簡易な方法で山形変形を抑制可能であり、コストもあまりかからない。
つまり安価に動的なシリンダボアの真円度の向上を実現することができる。
Further, in the invention described in (3), in the engine described in (1) or (2), when the material of the cylinder head and the cylinder block is an aluminum alloy, the material of the front and rear end head bolts is stainless steel. Since other head bolts are made of steel, stainless steel, which has a higher linear expansion coefficient than steel, can generate an axial force difference depending on the temperature generated during engine operation. As a result, the cylinder head and cylinder block Can be suppressed.
The front and rear end head bolts may be of the same size as the other head bolts, but the same tightening torque can be managed. Therefore, it is possible to suppress the chevron deformation by a simple method, and it does not cost much.
That is, the roundness of the dynamic cylinder bore can be improved at low cost.
また、(4)に記載される発明は、(1)に記載のエンジンにおいて、ヘッドボルトは、シリンダブロックの長手方向の中心部より、端部に備えられるものほど線膨張率の大きい材質よりなるので、エンジン実働時においてヘッドボルトの軸力差はシリンダヘッドの端部に備えられるほど低くなり、シリンダヘッドが山形変形と逆方向に反ろうとする逆反り変形を、より山形変形の形状に合わせて発生させることが可能となる。 In the engine described in (4), in the engine described in (1), the head bolt is made of a material having a higher linear expansion coefficient as it is provided at the end than the center in the longitudinal direction of the cylinder block. Therefore, the axial force difference of the head bolt becomes low as it is provided at the end of the cylinder head during engine operation, and the reverse warping deformation that the cylinder head warps in the opposite direction to the chevron deformation is made to match the shape of the chevron deformation. Can be generated.
前後端のヘッドボルトだけでなく、シリンダヘッドの長手方向の中心線を対称に対応するヘッドボルトの線膨張率を、端部にいくにつれて徐々に線膨張率が大きくなるように設定することで、逆反り変形をより山形変形に応じた形で発生させることが可能となる。
直列4気筒やV6エンジンなど、気筒数の少ないエンジンであれば、用いられるヘッドボルトの数も少ないため、前後端ヘッドボルトの線膨張率を大きくすることで、山形変形の抑制効果を得ることができる。
しかし、直列に配置される気筒数が増えると、前後端ヘッドボルトの線膨張率を大きくするだけでなく、シリンダヘッドの長手方向の中心線を対称に対応するヘッドボルトの線膨張率を、端部にいくにつれて徐々に線膨張率が大きくなるように設定したほうが、より山形変形の抑制効果を高めることを期待できる。
By setting not only the head bolts at the front and rear ends but also the linear expansion coefficient of the head bolt corresponding to the center line in the longitudinal direction of the cylinder head symmetrically so that the linear expansion coefficient gradually increases toward the end, It becomes possible to generate the reverse warp deformation in a form corresponding to the chevron deformation.
If the engine has a small number of cylinders, such as an in-line 4-cylinder engine or a V6 engine, the number of head bolts used is small. Therefore, by increasing the linear expansion coefficient of the front and rear end head bolts, it is possible to obtain an effect of suppressing mountain deformation. it can.
However, as the number of cylinders arranged in series increases, not only does the linear expansion coefficient of the front and rear end head bolts increase, but also the linear expansion coefficient of the head bolt corresponding to the center line in the longitudinal direction of the cylinder head is symmetrical. It can be expected that the effect of suppressing the mountain-shaped deformation is further enhanced by setting the linear expansion coefficient to gradually increase toward the portion.
次に、本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施例のエンジンの構成について概略を簡単に説明する。
図1は、エンジン10の断面図を示している。
エンジン10は、シリンダヘッド20と、シリンダブロック30と、クランクケース40と、オイルパン50と、ヘッドカバー60等で構成される。そして、シリンダブロック30の下部にクランクシャフト35を備え、シリンダヘッド20の上部にバルブシャフト25を備える。図1に示されるように本実施例のエンジン10は直列4気筒のエンジンである。
シリンダヘッド20は、アルミニウム合金で形成され、燃焼室21が4つ形成されており、図示しない吸気ポートと排気ポートが接続されている。燃焼室21には、バルブ22が4つ設けられており、吸気ポートと燃焼室21の接続口を吸気用のバルブ22で開閉し、排気ポートと燃焼室21との接続口を排気用のバルブ22で開閉している。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the outline of the configuration of the engine of this embodiment will be briefly described.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the
The
The
バルブ22の先端にはバルブリフタ23が設けられており、バルブリフタ23をバルブシャフト25に設けられたカムが押圧することで、バルブ22は、吸気ポート及び排気ポートへの接続口を閉じる。なお、バルブ22にはバルブスプリング24が設けられることで、燃焼室21と吸気ポート及び排気ポートへの接続口を開け、通路を連通することができる。
バルブシャフト25は、シリンダヘッド20の上部に回転可能に軸受けによって保持されており、先端にはバルブ用スプロケット26が設けられている。
シリンダブロック30は、アルミニウム合金で形成され、気筒となる円筒状のシリンダボア31が直列に4つ形成されており、その内部をピストン32が摺動する。ピストン32は円筒形状をしており、その外周にはピストンリング34が設けられている。ピストン32はコンロッド33が接続され、コンロッド33はクランクシャフト35に繋がれている。
A
The
The
クランクシャフト35は、シリンダブロック30の下部に回転可能に軸受けによって保持されており、先端にクランク用スプロケット36が設けられている。このクランク用スプロケット36から、クランクシャフト35の回転を、バルブシャフト25にバルブ用スプロケット26を介して伝えている。また、図示しない出力軸に接続され、動力を取り出している。
クランクケース40は、シリンダブロック30の下部に設けられる部品である。クランクシャフト35をシリンダブロック30とクランクケース40で挟むようにして回転可能に保持している。なお、エンジン10の作りによっては、シリンダブロック30とクランクケース40を一体化しているケースもある。
オイルパン50は、クランクケース40の下部に設けられ、エンジンオイルを溜める機能がある。
ヘッドカバー60は、シリンダヘッド20の上部に設けられるカバーである。
The
The
The
The
図2には、エンジン10を模式的に示した立体斜視図を示す。
シリンダヘッド20は、シリンダブロック30と図示しないガスケットを介して、ヘッドボルト28で結合されている。
本実施例でのヘッドボルト28は、4気筒のエンジン10であるので、10本設けられており、便宜上、第1ヘッドボルト28a、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、第4ヘッドボルト28d、第5ヘッドボルト28eと称呼することにする。
ヘッドボルト28の材質は、エンジン10の両端部に位置する第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eはステンレスであり、その他の第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、第4ヘッドボルト28dは鋼が用いられている。なお、ヘッドボルト28のサイズは、第1ヘッドボルト28a乃至第5ヘッドボルト28eの何れも同じ大きさでよい。
FIG. 2 shows a three-dimensional perspective view schematically showing the
The
Since the
As for the material of the
ヘッドボルト28は、シリンダヘッド20とシリンダブロック30の間から燃焼ガスやクーラント液が漏れないように、数トンの締め付け力で締め付けられている。この締め付け力は、エンジン10の実働時による熱によって緩んだりしないように設定されている。
また、シリンダボア31も、便宜上、第1気筒31a、第2気筒31b、第3気筒31c、及び第4気筒31dとする。
よって、図2に示されるように、シリンダブロック30に対して、第1ヘッドボルト28aは第1気筒31aの外側に、第2ヘッドボルト28bは第1気筒31aと第2気筒31bとの間に、第3ヘッドボルト28cは第2気筒31bと第3気筒31cとの間に、第4ヘッドボルト28dは第3気筒31cと第4気筒31dとの間に、第5ヘッドボルト28eは第4気筒31dの外側に、ヘッドボルト28を締め付けるための雌ネジ穴が形成されていることになる。
The
The cylinder bore 31 is also referred to as a
Therefore, as shown in FIG. 2, with respect to the
本実施例のエンジン10は以上のような構成となっているので、以下に示すような作用、効果を奏する。
エンジン10の働きを簡単に説明すると、燃焼室21で燃料を爆発気化させることで、ピストン32の上面が力を受ける。この力を受けたピストン32はシリンダボア31を摺動して、図1の下方向へと移動する。ピストン32に接続されたコンロッド33は、他端に回転可能に接続されたクランクシャフト35に力を伝達する。クランクシャフト35は回転可能にシリンダブロック30に軸受けを介して保持されているので、ピストン32の受けた力を回転力として動力を取り出す。
クランクシャフト35に設けられたクランク用スプロケット36は、図1に二点差線で示したチェーンを介してバルブシャフト25に設けられたバルブ用スプロケット26に動力を伝える。バルブ用スプロケット26に伝えられた動力によって回転するバルブシャフト25は、カムを備えており、バルブリフタ23の先端を押圧することで、バルブ22を動かし、図示しない吸気ポートと排気ポートへの接続口を開き、燃焼室21へエアを供給したり、燃焼後のガスを排気したりする。
Since the
The operation of the
The
エンジン10の実働時には各部品は、上述のような働きをするが、この際に、シリンダヘッド20とシリンダブロック30では管理している温度が異なり、エンジン10によっては100度近い温度差が発生する。
シリンダヘッド20とシリンダブロック30には、ウォータジャケットが設けられており、クーラント液が循環している。このクーラント液によってシリンダヘッド20及びシリンダブロック30を適切な温度になるように冷却するのだが、シリンダヘッド20側は、燃焼室21で燃料を爆発機化させており、熱効率を良くする等の目的で比較的高めの温度設定となっている。
一方、シリンダブロック30は、ピストン32がシリンダボア31を摺動する際に、ピストンリング34によってコントロールされる油膜に用いる潤滑油の消費を防ぐために、比較的に低めの温度設定となっている。
During actual operation of the
The
On the other hand, when the
このように、シリンダヘッド20とシリンダブロック30でエンジン10の実働時の温度が異なるため、シリンダヘッド20とシリンダブロック30が、共にアルミニウム合金製であったとしても、温度差が生じることによって膨張量に差が生じる。
アルミニウム合金の線膨張率は、合金の種類にも若干左右されるが24×10−6程度であり、100度程度の温度差があるとすると、1mm辺り2.4×10−3mm程度の伸びの差ができることになる。エンジン10は直列4気筒であるので横に長い形となるが、数百mmの長さであれば、シリンダヘッド20はシリンダブロック30に対して長手方向に1mm弱の長さの差を生ずることになる。
しかし、シリンダヘッド20とシリンダブロック30はヘッドボルト28で締結されているため、制御温度の高いシリンダヘッド20側は自由に伸びることができずに、山形の変形を生ずる結果となる。この時、シリンダヘッド20が固定されているシリンダブロック30もヘッドボルト28に引っ張られて同様の変形を起こす。
この変形が、課題に記載したエンジン10の山形変形である。
As described above, the
The linear expansion coefficient of the aluminum alloy is about 24 × 10 −6 , although it is slightly affected by the type of the alloy. If there is a temperature difference of about 100 °, it is about 2.4 × 10 −3 mm per 1 mm. There will be a difference in elongation. Since the
However, since the
This deformation is a mountain-shaped deformation of the
図3に、エンジン10の山形変形状態を模式的に表した側面図を示す。
エンジン10の静止時は図3の上段に示すように、シリンダヘッド20及びシリンダブロック30は外気温とほぼ同じ温度であるため、変形していない。この状態でクランクケース40、オイルパン50及びヘッドカバー60は、シリンダヘッド20とシリンダブロック30程強固に固定されておらず、部品自身の剛性もそれ程高くないため、変形に寄与する割合は低く、説明の都合上省略している。
一方、図3の下段に示すように、実働時には、シリンダヘッド20がシリンダブロック30に比べて100度近くの温度差を生じ、かつヘッドボルト28に固定されていることによって、図示するように山形変形を生じることになる。なお、この図3の下段の図は模式的に分かりやすく表現したものである。
FIG. 3 is a side view schematically showing the mountain-shaped deformation state of the
When the
On the other hand, as shown in the lower part of FIG. 3, in actual operation, the
このような山形変形がエンジン10に生じた場合、シリンダボア31の真円度や、バルブシャフト25及びクランクシャフト35に影響が出ることになる。
出願人が確認した限り、直列4気筒のエンジンではシリンダヘッド20及びシリンダブロック30に数十μmの変形が起こる。
一方、バルブシャフト25やクランクシャフト35は、シリンダヘッド20及びシリンダブロック30に備える軸受けに保持されている。一般的にこれらの軸受けにはすべり軸受けが用いられており、シリンダヘッド20及びシリンダブロック30のシャフト部分とのクリアランスは、数十μm程度に管理されている。
クランクシャフト35の軸受け部分は、エンジン10によっても異なるが、直列4気筒の場合であればシリンダブロック30に5カ所程度設けられているので、山形変形によって、シリンダブロック30の中央付近に設けられる軸受けが持ち上がり、相対的にシリンダブロック30の端部に設けられている軸受けは低くなり、高さに差が出てしまうことになる。
クランクシャフト35と軸受けのクリアランスと比較して、山形変形による変形量が大きくなると、クランクシャフト35は軸受けの高さがバラバラになることで、常に片当たりしながら毎分数千回転の速さで回転することになる。よって、大きなフリクションロスを発生する結果となる。
When such a mountain-shaped deformation occurs in the
As long as the applicant has confirmed, in the inline 4-cylinder engine, the
On the other hand, the
The bearing portion of the
Compared with the clearance between the
バルブシャフト25についてもクランクシャフト35と同様のことが言える。シリンダヘッド20に複数の軸受け部分が設けられ、バルブシャフト25は回転可能に保持されているが、シリンダヘッド20が山形変形を起こすことで、バルブシャフト25の回転時に軸受けに片当たりしながら毎分数千回転の速さで回転することになる。
したがって、クランクシャフト35同様に大きなフリクションロスが発生することになる。
エンジン10は直列4気筒で1気筒辺り4バルブの構成となっているため、バルブシャフト25はエンジン10に2本設けられる場合が多いが、バルブシャフト25が2本あれば、フリクションロスもそれに比例して大きくなる。
The same applies to the
Therefore, as with the
Since the
また、シリンダブロック30がシリンダヘッド20の変形に応じて山形変形することで、シリンダボア31の円筒度、及び真円度を低下させる原因となる。
シリンダボア31の円筒度について言えば、第1気筒31a及び第4気筒31dが特に影響が大きく、シリンダブロック30の山形変形に合わせて、第1気筒31a及び第4気筒31dも外側に曲げられることになる。シリンダボア31内を摺動するピストン32は直進しようとするので、その分の摺動抵抗となる。
シリンダボア31の真円度については、ヘッドボルト28の軸力の増加に伴って悪化すると考えられる。ヘッドボルト28の軸力増加については後述する。
シリンダボア31を摺動するピストン32も、シリンダボア31の真円度が低下することで、この真円度悪化分を見込んだピストンリング34を選定する必要があるため、結果的に摺動抵抗が上がりフリクションロスとなってしまう。
Further, the
Speaking of the cylindricity of the cylinder bore 31, the
The roundness of the cylinder bore 31 is considered to deteriorate as the axial force of the
The
このように、フリクションロスを発生させる山形変形を緩和するために、本実施例では、ヘッドボルト28のうち第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの材質を、他のヘッドボルト28と比べて線膨張率の高いステンレス製としている。
第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、第4ヘッドボルト28dの材質に用いる鋼と比べて、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの材質に用いたステンレスは、1.5倍近い線膨張率を備えている。ボルト用の鋼の線膨張率はおよそ11.7×10―6であるのに対し、ステンレスの線膨張率はおよそ17×10―6である。
ヘッドボルト28もシリンダヘッド20の中を貫通しているため、シリンダヘッド20とほぼ同じ温度となる。したがって、伸びを生じることになるが、シリンダヘッド20を構成するアルミニウム合金製に比べて線膨張率が低いため、結果的にヘッドボルト28の軸力を増加させることになる。
ヘッドボルト28の熱による軸力増加分を試算すると、初期締め付け力に比べて約20%弱の軸力増加に繋がると考えられる。
このような軸力の増加は、シリンダブロック30を引っ張り上げる力となる。
In this way, in this embodiment, the material of the
The stainless steel used for the material of the
Since the
If the axial force increase due to the heat of the
Such an increase in axial force is a force that pulls up the
ヘッドボルト28は1気筒辺り4本設けられており、シリンダヘッド20とシリンダブロック30を結合しているが、ヘッドボルト28の軸力が増加することで、シリンダブロック30に設けられた雌ネジ部を中心に、シリンダヘッド20側に引っ張り上げられる力が働くことになる。
このような引っ張り上げる力は、シリンダボア31の真円度に影響を与えることが分かっている。詳しくは出願人が出願した特願2006−048437号等にそのメカニズムを説明しているので参照されたい。
ヘッドボルト28の軸力増加に伴い、シリンダボア31はヘッドボルト28の雌ネジ部が設けられている近辺に内側に膨らむような変形を起こして、シリンダボア31の真円度が悪化してしまう。
Four
It has been found that such pulling-up force affects the roundness of the cylinder bore 31. For details, refer to Japanese Patent Application No. 2006-048437 filed by the applicant for the mechanism.
As the axial force of the
図4に、エンジン10の実働時の軸力増加を加味した変形を模式的に表した側面図を示す。
エンジン10の実働時において、ヘッドボルト28の材質を、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28e、すなわちエンジン10の前後端のヘッドボルト28に線膨張率の高い材質を選ぶことで、図4の下段に示すように、シリンダヘッド20は外側がヘッドボルト28の軸方向に膨張することになる。図4の上段は、図3の上段の図と同じである。
ステンレスは、鋼に比べて線膨張率が1.5倍近く高いため、同じ温度であれば1.5倍近く第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eが伸びることになる。このため、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28d、に比べて発生する軸力は小さく、その結果シリンダヘッド20の膨張を許すことになる。このようなシリンダヘッド20の膨張によって前述した山形変形とは逆方向の変形である逆反り変形を起こす。
FIG. 4 is a side view schematically showing deformation taking into account the increase in axial force during actual operation of the
When the
Since the linear expansion coefficient of stainless steel is nearly 1.5 times higher than that of steel, the
一方、図3の下段に示すようなシリンダヘッド20とシリンダブロック30の温度差による膨張も同時に発生するので、ヘッドボルト28に発生する軸力差による影響と合わせて、エンジン10は図4の下段に示すような変形を起こすことになる。
すなわち、シリンダヘッド20の両端がヘッドボルト28の軸方向に広がるように変形することになる。
このように、ヘッドボルト28の軸力差によって発生するシリンダヘッド20の逆反り変形は、シリンダヘッド20の山形変形とは反対方向に発生するので、シリンダブロック30に与える山形変形の影響を少なくすることができる。
すなわち、シリンダブロック30の山形変形量が小さくなるので、シリンダブロック30に備えられるクランクシャフト35の軸受けへの片当たりが緩和される。同様にシリンダヘッド20の山形変形量が小さくなるので、シリンダヘッド20に備えられるバルブシャフト25の軸受けへの片当たりが緩和される。
また、シリンダブロック30に与えられる山形変形の影響が小さくなることは、シリンダブロック30に備えられるシリンダボア31の真円度を維持することに寄与し、バルブシャフト25及びクランクシャフト35の回転時の抵抗を増やすことがない。
On the other hand, since the expansion due to the temperature difference between the
That is, both ends of the
Thus, the reverse warp deformation of the
That is, since the amount of mountain-shaped deformation of the
In addition, the reduction in the effect of the chevron deformation applied to the
なお、エンジン10の実働時のヘッドボルト28の軸力は、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28dに比べ、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの方が相対的に低くなるが、エンジン10の停止時における軸力よりも低くなるわけではないので、シリンダヘッド20とシリンダブロック30のシール性を阻害することはない。
前述したようにヘッドボルト28は熱による膨張を考慮した上でシリンダブロック30に締め付けられているため、エンジン10の実働時であってもシール性を確保し、燃焼ガスやクーラント液が漏れる虞はない。
The axial force of the
As described above, since the
シリンダブロック30のシリンダボア31は、ダミーヘッドを用いてホーニング加工等を行うことによって静的な真円度をある程度まで向上することができるが、動的な真円度の向上についてはこれまであまり考慮されてこなかった。
しかし、本実施例のようにヘッドボルト28の材料を、第1ヘッドボルト28a、第5ヘッドボルト28eと、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28dとで変えてやることで、山形変形を相殺する逆反り変形を発生させることとなり、山形変形を抑制することに繋がる。
出願人の試算によれば、第1ヘッドボルト28a、第5ヘッドボルト28eにステンレスを、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28dに鋼を用いたことで、10%弱の軸力増加率を低減することができる。
このように、第1ヘッドボルト28aと第5ヘッドボルト28eの軸力増加率を低減することは、前述したように逆反り変形を発生させ、シリンダヘッド20の山形変形を抑制するので、山形変形によってシリンダブロック30に与えられる影響を最小限に抑えることが可能となる。
よって、シリンダブロック30に形成されるシリンダボア31に与える影響も少なくなり、真円度の向上に寄与する。
The cylinder bore 31 of the
However, as in the present embodiment, the material of the
According to the applicant's estimation, stainless steel is used for the
In this way, reducing the axial force increase rate of the
Therefore, the influence on the cylinder bore 31 formed in the
エンジン10の前後端部分では、特にヘッドボルト28の軸力増加がシリンダボア31の真円度に与える影響が強くなる傾向にある。つまり、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eは、第1気筒31aの外側、及び第4気筒31dの外側を引っ張るため、例えば第2ヘッドボルト28bのように、第1気筒31a及び第2気筒31bの間を引っ張る場合よりも、ボアの真円度への影響が大きくなる。
これは、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eがシリンダブロック30の端部に設けられているためで、例えば第1気筒31aと第2気筒31bの間に設けられる場合よりも剛性が低くなっているからである。
このため、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの軸力増加率が低下することは、よりシリンダボア31の真円度の向上を期待することができる。
また、ヘッドボルト28のボルトサイズは10本とも同じであるので、シリンダブロック30に設ける雌ネジ穴も同じサイズで良く、管理する締め付けトルクも同じでよい。このため設備的負荷も軽く、さほどコストをかけずにシリンダボア31の真円度の向上を期待できる。
In particular, at the front and rear end portions of the
This is because the
For this reason, the reduction in the axial force increase rate of the
Further, since the bolt sizes of the
ところで、ヘッドボルト28の線膨張率については、可能であればシリンダヘッド20の長手方向の中心に対して対称になるように、中心から端部にいくにしたがってヘッドボルト28の線膨張率が大きくなるように設定できることが望ましい。
例えば、第1ヘッドボルト28aと第5ヘッドボルト28eに線膨張率の大きな材質を選定し、第2ヘッドボルト28bと第4ヘッドボルト28dに、第1ヘッドボルト28aと第5ヘッドボルト28eよりも線膨張率の小さな材質を選定し、第3ヘッドボルト28cには、第2ヘッドボルト28bと第4ヘッドボルト28dよりも線膨張率の小さな材質を選定するといった具合に、ヘッドボルト28の材質を選定してやれば、より逆反り変形が山形変形を打ち消す形に近くなると考えられる。
理想的には、シリンダヘッド20に発生する山形変形を完全に打ち消す逆反り変形を発生することが望ましいが、必要な線膨張率を任意に設定することは適当な材料が存在するかどうかによる。
By the way, as for the linear expansion coefficient of the
For example, a material having a large linear expansion coefficient is selected for the
Ideally, it is desirable to generate a reverse warp deformation that completely cancels the chevron deformation generated in the
しかし、ヘッドボルト28の材料を数種類揃えて組付けを行うことは、組み付け工程を煩雑化させる結果となる。よってコスト面から考えれば、ボルトの種類は2〜3種類程度とすることが好ましい。ボルトの種類を増やすことは、間違った場所にボルトを組み付けてしまう誤組み付けに繋がる虞があり、また複数のボルトを管理することが必要となるために、コストアップに繋がる。また、誤組み付けを無くすために工程を分けることも考えられるが、コストアップに繋がる。
効果とコストの面から考えると、本実施例の直列4気筒のエンジン10やV6エンジン等は、エンジン10の両端部のヘッドボルト28の材質を変更する程度が良いと考えられる。
However, assembling several materials for the
In view of the effect and cost, it is considered that the in-line four-
以上に説明したように、本実施例に示したエンジン10では以下に示すような、構成、作用、効果が得られる。
(1)燃焼室21が形成されるシリンダヘッド20と、直列に気筒が形成されるシリンダブロック30と、シリンダヘッド20をシリンダブロック30に固定するヘッドボルト28を備えるエンジン10において、ヘッドボルト28のうち、シリンダブロック30の両端部に締められる第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eが、他の位置に締められる第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dと比べ、線膨張率の大きい材質よりなることを特徴とするので、エンジン10実働時に発生する熱によって発生する第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの軸力と第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28dの軸力に軸力差が発生する。
一例を挙げれば、(3)に記載のように、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eをステンレス製にし、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c、及び第4ヘッドボルト28dを鋼製にすることで、一般的な大きさのエンジン10であれば、エンジン10の実働時に一割弱の軸力差が発生する。この軸力差によって、シリンダヘッド20の前後端は膨張しやすくなり、その結果、課題に記載したような山形変形とは逆に反ろうとする変形が発生する。
このシリンダヘッド20に発生する逆反り変形が、山形変形と逆方向の力を発生することで、山形変形を抑制することになる。その結果、シリンダヘッド20の山形変形の量が減少し、シリンダブロック30に与える影響も少なくなる。
As described above, the
(1) In the
For example, as described in (3), the
The reverse warp deformation generated in the
シリンダブロック30に与えられる山形変形の影響が小さくなることで、エンジン10の実働時の動的なシリンダボア31の真円度を確保することに貢献することができる。
また、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eを線膨張率の高い材質とするだけであるので、安価にシリンダボア31の真円度を確保することに貢献することができる。
実働時におけるエンジン10のシリンダボア31の真円度を向上することで、エンジン10の実働時においても、シリンダボア31の真円度が維持され、シリンダボア31を摺動するピストン32の備えるピストンリング34の張力を低く設定可能となり、フリクションロスの低減に寄与するのでエンジン10の燃費向上に貢献する。
By reducing the influence of the chevron deformation applied to the
Further, since only the
By improving the roundness of the cylinder bore 31 of the
(2)(1)に記載のエンジンにおいて、シリンダヘッド20とシリンダブロック30との実働時の温度が異なるので、シリンダヘッド20の膨張量が、シリンダブロック30の膨張量よりも大きくなり、シリンダヘッド20が長手方向に伸びようとする働きで、シリンダヘッド20が山形変形を起こした際に、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eは、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dよりも線膨張率の大きい材質よりなることで、実働時に発生する熱によって、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eと第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dとの間に軸力差が発生し、軸力差により、シリンダヘッド20に前記山形変形と逆方向の力が発生するので、シリンダヘッド20の山形変形を抑制することを特徴とするので、シリンダヘッド20の山形変形を抑制する。
このように第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eと、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dの材質を、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの線膨張率が大きくなるようにすることで、安価に動的なシリンダボア31の真円度を確保することに貢献することができる。
そして、実働時におけるエンジン10のシリンダボア31の真円度を向上することで、エンジン10の実働時においても、シリンダボア31の真円度が維持され、シリンダボア31を摺動するピストン32の備えるピストンリング34の張力を低く設定可能となり、フリクションロスの低減に寄与するのでエンジン10の燃費向上に貢献することができる。
Engine according to (2) (1), the temperature of the production time of the
Thus, the
Further, by improving the roundness of the cylinder bore 31 of the
(3)(1)又は(2)に記載のエンジンにおいて、シリンダヘッド20、及びシリンダブロック30の材質がアルミニウム合金である場合に、第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eの材質をステンレスとし、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dの材質を鋼とすることを特徴とするので、鋼よりも線膨張率の大きいステンレスは、エンジン10の実働時に発生する温度によって、軸力差を発生することができ、その結果、シリンダヘッド20及びシリンダブロック30の山形変形を抑制することが可能となる。
第1ヘッドボルト28a及び第5ヘッドボルト28eは、第2ヘッドボルト28b、第3ヘッドボルト28c及び第4ヘッドボルト28dと材質が違うだけで同じ大きさのものを使用すれば良いので、管理する締め付けトルク等も同じとできる。したがって、簡易な方法で山形変形を抑制可能であり、コストもあまりかからない。
つまり安価に動的なシリンダボア31の真円度の向上を実現することができる。
(3) In the engine according to (1) or (2), when the material of the
The
That is, the roundness of the dynamic cylinder bore 31 can be improved at low cost.
(4)(1)に記載のエンジン10において、ヘッドボルト28は、シリンダブロック30の長手方向の中心部より、端部に備えられるものほど線膨張率の大きい材質よりなるので、エンジン10の実働時においてヘッドボルト28の軸力差はシリンダヘッド20の端部に備えられるほど低くなり、シリンダヘッド20が山形変形と逆方向に反ろうとする逆反り変形を、より山形変形の形状に合わせて発生させることが可能となる。
(4) In the
以上において、実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、本実施例では直列4気筒のエンジン10を例にとって説明したが、シリンダボア31が直列的に配列されるレイアウトのエンジンであれば、直列レイアウトであっても、V形レイアウトであっても、水平対向レイアウトであっても本発明を適用可能である。
また、本実施例では直列4気筒のエンジン10で、ヘッドボルト28が10本締め付けられていることを前提に話を進めているが、ヘッドボルト28の締結本数が増えたとしても、シリンダヘッド20の山形変形を抑制する逆反り変形が起きるように、ヘッドボルト28の線膨張率を設定することで同等の効果が得られる。
ヘッドボルト28に用いる素材についても、一般的な金属の例としてステンレスと鋼を挙げているが、適切な線膨張率が設定可能で、必要な締め付け力を発生可能な素材であれば、それを用いることを妨げない。
While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the scope of the invention.
For example, in the present embodiment, the in-line four-
In the present embodiment, the in-line four-
As for materials used for the
10 エンジン
20 シリンダヘッド
21 燃焼室
22 バルブ
23 バルブリフタ
24 バルブスプリング
25 バルブシャフト
26 バルブ用スプロケット
28 ヘッドボルト
30 シリンダブロック
31 シリンダボア
32 ピストン
33 コンロッド
34 ピストンリング
35 クランクシャフト
36 クランク用スプロケット
40 クランクケース
50 オイルパン
60 ヘッドカバー
10
Claims (4)
前記ヘッドボルトのうち、前記シリンダブロックの両端部に締められる前後端ヘッドボルトが、他の位置に締められる他のヘッドボルトと比べ、線膨張率の大きい材質よりなることを特徴とするエンジン。 In an engine comprising a cylinder head in which a combustion chamber is formed, a cylinder block in which cylinders are formed in series, and a head bolt that fixes the cylinder head to the cylinder block,
The engine characterized in that, among the head bolts, front and rear end head bolts fastened to both ends of the cylinder block are made of a material having a larger linear expansion coefficient than other head bolts fastened to other positions.
前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックとの実働時の温度が異なるので、前記シリンダヘッドの膨張量が、前記シリンダブロックの膨張量よりも大きくなり、前記シリンダヘッドが長手方向に伸びようとする働きで、前記シリンダヘッドが山形変形を起こした際に、
前記前後端ヘッドボルトは、前記他のヘッドボルトよりも線膨張率の大きい材質よりなることで、実働時に発生する熱によって、前記前後端ヘッドボルトと前記他のヘッドボルトとの間に軸力差が発生し、
前記軸力差により、前記シリンダヘッドに前記山形変形と逆方向の力が発生するので、前記シリンダヘッドの前記山形変形を抑制することを特徴とするエンジン。 The engine according to claim 1 ,
The temperature of the production time of the before and SL cylinder head the cylinder block are different, in function of the expansion of the cylinder head becomes larger than the amount of expansion of the cylinder block, the cylinder head is going Nobiyo longitudinally , When the cylinder head is deformed
The front and rear end head bolts are made of a material having a larger linear expansion coefficient than the other head bolts, so that an axial force difference between the front and rear end head bolts and the other head bolts is generated by heat generated during actual operation. Occurs,
Since the axial force difference generates a force in the direction opposite to the chevron deformation in the cylinder head, the chevron deformation of the cylinder head is suppressed.
前記シリンダヘッド、及び前記シリンダブロックの材質がアルミニウム合金である場合に、
前記前後端ヘッドボルトの材質をステンレスとし、前記他のヘッドボルトの材質を鋼とすることを特徴とするエンジン。 The engine according to claim 1 or 2,
When the material of the cylinder head and the cylinder block is an aluminum alloy,
The engine characterized in that the front and rear end head bolts are made of stainless steel, and the other head bolts are made of steel.
前記ヘッドボルトは、前記シリンダブロックの長手方向の中心部より、端部に備えられるものほど線膨張率の大きい材質よりなることを特徴とするエンジン。 The engine according to claim 1,
The engine is characterized in that the head bolt is made of a material having a higher linear expansion coefficient as it is provided at an end portion than a center portion in the longitudinal direction of the cylinder block.
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