JP5999813B2

JP5999813B2 - シリンダヘッドへの連結構造を備えた内燃機関

Info

Publication number: JP5999813B2
Application number: JP2012557514A
Authority: JP
Inventors: オーベナウス，トーマス
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: US8839758B2; AT509691B1; US20120318229A1; EP2547892B1; AT509691A1; JP2013522525A; EP2547892A1; CN102844555B; WO2011113793A1; CN102844555A

Description

本発明は、シリンダヘッドの少なくとも１つの通気口につながる少なくとも１つの空気・ガス通気路部材とくに排気マニホルドまたは吸気マニホルドを含んでおり、空気・ガス通気路部材とシリンダヘッドの間に少なくとも１つのシール部材を配置した構成のシリンダヘッドへの連結構造を備えた内燃機関に関する。

一般に、吸気マニホルドまたは排気マニホルドはボルトまたは締付け具によってシリンダヘッドに固定され、その際、通気口ごとないし固定される部材ごとに少なくとも１つのボルトまたは締付け具が設けられている。これらのボルトないし締付け具は、多くの場合、吸気マニホルドまたは排気マニホルドの部材剛性が限定的なものであることから、連結される２部材間に配設されたシールに多くの場合必要とされる相応なレベルの圧接力をつくり出すことができるように、主として通気口の直近に配置されている。ただしこのことは、吸気マニホルドないし排気マニホルドの取付けないしは取外しのためにボルトへのアクセスが可能でなければならないため、構造的自由度は大幅に制限されてしまう。必要とされるボルトへの自由なアクセスと工具を操作するための作業スペースとによって、その他に必要とされるコンポーネントを配置するための構造スペースに関して、ないしは取付けられるコンポーネントの設計自由度に関して不都合が生じる。

ドイツ特許公開公報第１０２００８０２９０２０号は、排気マニホルドの組み込まれたシリンダヘッドを有する内燃機関を開示している。シリンダヘッドには排気導通ユニットが締付けフランジ装置によって取り付けられており、該締付けフランジ装置はシリンダヘッド側に配されたシリンダフランジと、ユニット側に配されたユニットフランジとを有し、これらのフランジのフランジ面は互いに押圧されている。これを達成するために、フランジ面の方向に取り付けられて、シリンダフランジとユニットフランジとにまたがり、少なくとも１つの斜面によって双方のフランジに締付け作用を及ぼす少なくとも１つの締め付けブリッジが設けられている。この締付けブリッジはボルトを介して直接シリンダヘッドにねじ固定されている。
短所は、シリンダヘッドにねじ孔を形成しなければならないことであり、このことは一方で製造コストを高めると共に、他方でウォータージャケットの造形自由度を制限することになる。

シリンダヘッドに排気マニホルドを固定するためのその他の締付け式解決方法は以下の文献、ドイツ特許公開公報第１０２００７００２８２５号明細書、国際公開公報第０９／００３６６８号、ドイツ特許公開公報第１０２００４０１０８１５号、ドイツ特許公開公報第１０２００４０３７８６５号明細書、ドイツ特許公開公報第１０２５１７７１号明細書、ドイツ特許公開公報第４４３０３３９号明細書、ドイツ特許公開公報第１９５１０７１８号明細書、ドイツ特許公開公報第１９６５３９０８号、ドイツ特許公開公報第４２０５４５４号またはドイツ特許公開公報第２３３１５１０号から公知である。ただし、これらの解決方法のほとんどには、固定のためのボルトが設けられており、比較的大きな取付けスペースが必要となる。

ドイツ特許公開公報第１０２００７００２８２５号明細書国際公開公報第０９／００３６６８号パンフレットドイツ特許公開公報第１０２００４０１０８１５号明細書ドイツ特許公開公報第１０２００４０３７８６５号明細書ドイツ特許公開公報第１０２５１７７１号明細書ドイツ特許公開公報第４４３０３３９号明細書ドイツ特許公開公報第１９５１０７１８号明細書ドイツ特許公開公報第１９６５３９０８号明細書ドイツ特許公開公報第４２０５４５４号明細書ドイツ特許公開公報第２３３１５１０号明細書

本発明の目的は、上述した短所を解消し、シリンダヘッドにつながる空気・ガス通気路部材を固定するための方法であって、固定の容易化ならびに省スペース取付けを可能とする固定方法を開発することである。

本発明により上記課題は、空気・ガス通気路部材の少なくとも１つの固定装置はシール部材とは空間的に離れて配置され、好ましくは、空気・ガス通気路部材はシリンダブロックにのみ固定されることによって達成される。ただし、空気・ガス通気路部材をシリンダヘッドにのみ固定するまたは一部シリンダブロックに一部シリンダヘッドに固定することもできる。

固定装置は機能的にも上記シール部材とは切り離されて配置されてもよい。

シール部材、シリンダヘッドおよび上記空気・ガス通気路部材が変形するので、これにより、比較的わずかな締付け力で十分となる。

空気・ガス通気路部材は、好ましくは、少なくとも１つのシール部材を介してのみシリンダヘッドと連結されている。したがって、空気／排気導通部を形成する排気マニホルドないし吸気マニホルドはシリンダブロックにのみ固定たとえばボルト固定されている。その際、空気・ガス通気路部材は、たとえば、排気ターボチャージャのハウジングに固定連結されているまたは排気ターボチャージャと一体に形成されていてよい排気マニホルドによって形成されていてよく、この場合、排気マニホルドと排気ターボチャージャとは共にシリンダブロックに固定されている。

好ましくは、シリンダヘッドと空気・ガス通気路部材の間には柔軟なシール部材が配置されている。該シール部材は一体式または多部材構造で形成されて、少なくとも部分的に蛇腹として形成されていてよくかつ／または少なくとも部分的に、たとえば、シリンダヘッドまたは空気・ガス通気路部材への接続領域において、少なくとも該接続領域の外周面は球体切断形状または円筒形状を有していてよい。

シール部材が多部材構造で形成されている場合には、このシール部材は接続領域に形成された球体切断形状部の間またはリング部の間に管状の蛇腹部を有していてもよい。この場合、これらの３つの部は互いに耐久気密式に連結、たとえば、接着、はんだ付けまたは溶接連結されている。いずれのシール部材も接続領域でシリンダヘッドおよび／または空気・ガス通気路部材と連結、たとえば、圧嵌め連結されている。球体切断形状部は、排気マニホルド内のガス力によってシール機能が強まるされるように形成されている。

本発明の連結構造により、信頼度ならびに耐久性を高め、わずかな開発リスクで、流体流れに適した排気流路形状が実現可能である。シール部材と固定手段との空間的ならびに機能的分離によって、振動に敏感なターボチャージャの近傍での固定が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。各図は以下を示している：
本発明による内燃機関の側面図である。前記内燃機関の正面図である。図２の詳細部ＩＩＩに示した本発明の第一の実施形態によるシール部材を示す図である。図２の詳細部ＩＩＩに示した本発明の第二の実施形態によるシール部材を示す図である。図２の詳細部ＩＩＩに示した本発明の第三の実施形態によるシール部材を示す図である。

各実施形態に共通して、機能的に同一の部品には同一の符号が付されている。
図１および図２は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを有する内燃機関を示している。シリンダヘッド２は、図３〜５から看取されるように、シリンダヘッド２の長辺側領域２ａで通気口３ａに流入または同所から発する複数本の給排気交換路３を有している。これらの給排気交換路３は吸気路または排気路であってよい。本実施形態において、給排気交換路は排気路によって形成されている。給排気交換路３には空気・ガス通気路部材４が接続されており、これはたとえばマニホルドつまり吸気マニホルドまたは排気マニホルドあるいは接続装置たとえばターボチャージャによって形成されていてよい。本実施形態において、空気・ガス通気路部材４は、排気ターボチャージャ６のハウジングに固定連結されているまたは排気ターボチャージャと一体に形成された排気マニホルド５によって形成されている。排気ターボチャージャ６の排気タービンは符号Ｔで、チャージャは符号Ｃでそれぞれ表されている。

排気マニホルド５は固定手段７たとえば固定ボルト８によってシリンダブロック１に固定されている。シリンダヘッド２への排気マニホルド５の固定は行われない。それゆえ、この実施形態において、排気マニホルド５は柔軟なシール部材または柔軟可動するように構成された剛性シール部材９を介して給排気交換路３と連結されている。この種の柔軟に作用するシール部材９の種々の実施形態は図３〜図５に示されている。重要な点は、シール部材９はシリンダヘッド２と排気マニホルド５との相対運動を相殺することができるということである。シール部材９は少なくとも部分的に球片形状ないし球体切断形状を有していてよい。

図３には、両端に球体切断形状に形成された接続領域１０、１１を有すると共に、これらの接続領域の間に蛇腹１９が形成されていてよい一体型のシール部材９が示されている。このシール部材９は軽度の圧嵌めによって通気口３ａ、５ａに嵌め込まれる。球体切断形状によって、軸方向、半径方向および斜め方向のずれ変位をシール部材９によって吸収することができる。

図４および図５は、３つの区域から気密式に合成されたシール部材９を示している。その際、図４に示したシール部材９は、中央に位置する１つの蛇腹部１２と、シール部材９をシリンダヘッド２および排気マニホルド５にそれぞれ接続するための接続領域１０、１１に形成された２つのリング区域１３、１４とからなっている。その際、リング区域１３、１４は一方でシリンダヘッド２に圧嵌めされ、他方で排気マニホルド５に耐久気密被嵌される。図５に示した実施形態において、接続領域１０、１１に形成された球体切断形状部１５、１６は、シリンダヘッド２ないし排気マニホルド５の球片状加工面１７、１８に圧接される。これらの球体切断形状は、排気マニホルド５内のガス力によってシール機能が助勢されるように設計されている。

重要な点は、排気マニホルド５のシール機能と固定機能とが分離されることである。これによって、排気マニホルド５は、排気マニホルド５とシリンダヘッド２の間のシール部材９から切り離されて、少なくとも１つの固定手段７によって固定することができ、この場合、排気マニホルド固定のために造成されるボルト力は所要のシール圧の造成にはなんらの役割も果たさない。シール部材９のシール圧はシールないし所定のシールスペースの形態、機能および／またはサイズによってのみ決定される。シールはその熱および／または振動に起因する排気マニホルド５のすべての変形および変位を吸収および／または相殺することができなければならない。

固定機能とシール機能とを切り離すことにより、熱機械的耐久性に関する排気マニホルド５の挙動を改善することが可能である。これにより、排気マニホルドはシリンダヘッド近傍でシリンダヘッドに対して自由可動となるため、亀裂の発生は減少する。

加えて、固定ボルト８を、排気導通に好適な排気マニホルド５の形状に不適な影響を及ぼすことなく、容易にアクセス可能な領域に配することができる。特に、その際、排気マニホルド５と排気ターボチャージャ６とからなる装置全体を単一の工程で固定することができる。さらに、固定ボルト８を排気系および／またはターボチャージャの重心領域に配置して、付加的なサポートを要することなく、振動の発生を低減させることができる。

Claims

シリンダヘッド（２）の少なくとも１つの通気口（３ａ）につながる少なくとも１つの空気・ガス通気路部材（４）とくに排気マニホルド（５）または吸気マニホルドを含んでおり、空気・ガス通気路部材（４）とシリンダヘッド（２）の間に少なくとも１つのシール部材（９）を配置した構成のシリンダヘッド（２）への連結構造を備えた内燃機関であって、
前記空気・ガス通気路部材（４）の少なくとも１つの固定手段（７）は前記シール部材（９）とは空間的に離れ、かつ前記シール部材（９）とは機能的に分断されて配置されていることを特徴とする内燃機関。
前記空気・ガス通気路部材（４）は少なくとも部分的にシリンダブロック（１）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記空気・ガス通気路部材（４）はシリンダブロック（１）に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記空気・ガス通気路部材（４）は少なくとも部分的にシリンダヘッド（２）に固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記空気・ガス通気路部材（４）は少なくとも１つのシール部材を介してのみ前記シリンダヘッド（２）と連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）は柔軟に形成されているか、または前記シール部材（９）は前記シリンダヘッド（２）または前記空気・ガス通気路部材（４）と柔軟に連結されているか、あるいはその両方の形態であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）は少なくとも部分的に蛇腹（１９）として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）の、少なくとも前記空気・ガス通気路部材（４）または前記シリンダヘッド（２）への接続領域（１０，１１）の少なくとも外周面は、少なくとも部分的に球体切断形状または円筒形状または円錐形状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）は一体構造で形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）は多部材構造で形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）の少なくとも一部は蛇腹部（１２）として形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）の少なくとも一部は球体切断形状部（１５，１６）として形成されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）の少なくとも一部はリング区域（１３，１４）として形成されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記シール部材（９）の個々の区域は互いに耐久気密連結されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関。
少なくとも１つのシール部材（９）は前記シリンダヘッド（２）または前記空気・ガス通気路部材（４）あるいはその両方の通気口（３ａ）に圧嵌めされていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関。
少なくとも１つのシール部材（９）は前記空気・ガス通気路部材（４）に押し被せられていることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記空気・ガス通気路部材（４）は、排気ターボチャージャ（６）のハウジングに固定連結されたまたは排気ターボチャージャと一体に形成された排気マニホルド（５）によって形成され、排気マニホルド（５）と排気ターボチャージャ（６）とは共にシリンダブロック（１）に固定されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の内燃機関。