JP6308192B2 - レシプロ式エンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン、および、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介在する中間体と、を備えたレシプロ式エンジンに関する。

現在、一般的なレシプロエンジンでは、シリンダヘッドとシリンダブロックは、燃焼ガスや冷却水、潤滑油等のシールを目的とした薄いガスケットを介してボルト締結されている。この場合、シリンダ内の圧力、すなわち、筒内圧力は、シリンダの内壁により受け持たれる。

特開２００２−３７１９１２号公報

ここで、近年のエンジンの低燃費化開発において、機関の軽量化と機械損失（ポンプ損失、摩擦損失）の低減による燃費向上効果を狙ってエンジンの排気量を小さくする傾向がある。このとき、少なくなった排気量による出力の低下を、過給によるエンジンの比出力（排気量あたりのエンジン出力）増加により補うことになる。過給を行なった場合には、燃焼による筒内圧力が増大する。こうした高い筒内圧力によりシリンダの変形や、シリンダブロックの割れが生じるおそれがあった。シリンダの変形が生じると、摩擦損失の増加や、ピストン−シリンダの異常摩耗や焼きつき等が生じるおそれがあった。

ここで、シリンダブロックの構造としては、シリンダとブロック外壁がほぼ一体に成型されたクローズドデッキ構造と、シリンダとブロック外壁がウォータジャケットによって中州状態になっているオープンデッキ構造と、が知られている。オープンデッキ構造は、生産性に優れており、また、軽量であるという利点を有する一方で、上述した高い筒内圧力に耐えにくく、シリンダの変形が生じやすいという問題があった。

クローズドデッキ構造は、オープンデッキ構造に比べて高い強度を有し、シリンダが変形しにくいという利点を有する一方で、生産性の悪化や製造コストおよび重量の増加という問題を招いていた。さらに、将来的に現状を大きく上回る高筒内圧力化が必要となった場合、クローズドデッキのシリンダブロックでもシリンダ変形が過大となり、シリンダ変形に起因する上述の問題が発生する恐れがあった。

なお、特許文献１には、ピストンの一部を積極的に変形させて、圧縮比を変化可能にしたエンジン構造が開示されている。この特許文献１では、高負荷運転時には、ピストンの一部を、ガス圧により、燃焼室体積が増加する方向に変形させることで、圧縮比を低減している。したがって、この技術によれば、筒内圧力が高い場合には、ピストンの一部が体積拡大、ひいては、筒内圧力低下の方向に変形するため、シリンダの変形を多少は防止できる。しかし、特許文献１の技術は、そもそも、シリンダの変形防止を目的とした技術ではなく、特許文献１の技術のみで上述したシリンダの変形等の問題を効果的に防止することは困難であった。

そこで、本発明では、シリンダの変形をより効果的に防止できるレシプロ式エンジンを提供することを目的とする。

本発明のレシプロ式エンジンは、１以上のシリンダが設けられたシリンダブロックと、前記シリンダブロックに連結されるシリンダヘッドと、前記シリンダ内を進退可能なピストンであって、周面にピストンリングが取り付けられたピストンと、前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとの間に介在する中間体であって、内周面が燃焼室内に露出して燃焼圧力を受けるボア孔が１以上設けられた中間体と、を備え、前記中間体は、前記シリンダ内を気密にシールする一対のガスケットと、前記ガスケットよりも肉厚で前記一対のガスケットの間に介在するスペーサと、を含み、前記中間体は、前記ピストンが前記シリンダヘッドに最も近づく最上位置にあるときの前記ピストンリングの上端から前記シリンダヘッドの下端までの距離である基準距離以下の厚みを有しており、前記一対のガスケットのうち少なくとも前記シリンダブロック側に配されるガスケットの少なくとも片面は、前記スペーサの変形に伴う、前記シリンダブロックに対する前記スペーサの滑りを許容する表面性状を有する、ことを特徴とする。

他の好適な態様では、前記中間体は、前記基準距離の２割以上の厚みを有する。さらに、前記中間体は、前記基準距離の５割以上の厚みを有する、ことがより望ましい。

他の好適な態様では、前記スペーサの強度は、前記シリンダブロックの強度とほぼ同じである、ことが望ましい。

他の好適な態様では、前記シリンダブロックは、前記シリンダと離間した位置に、当該シリンダブロックの上端面に開口するウォータジャケットを有しており、前記スペーサは、前記ウォータジャケットの開口部に嵌り込む凸部を有する。この場合、前記スペーサの強度は、前記シリンダブロックの強度よりも高い、ことが望ましい。他の好適な態様では、前記スペーサは、２以上の板材を積層した構成を含む。

本発明によれば、燃焼により生じる力の一部を中間体が受けるため、シリンダにかかる負荷を低減でき、ひいては、シリンダの変形を効果的に防止できる。

本発明の実施形態であるエンジンの概略構成を示す図である。 シリンダブロックの一部平面図である。 中間体の一部平面図である。 図１におけるＡ部拡大図である。 ガスケットの構成を示す図である。 シリンダ変形量を示す実験結果である。 二つの実験条件を示す図である。 他の中間体の構成を示す図である。 他の中間体の構成を示す図である。 他の中間体の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるレシプロ式エンジン１０（以下、単に「エンジン１０」という）の概略構成を示す図である。また、図２は、シリンダブロック１２の一部平面図であり、図３は、中間体１８の一部平面図である。また、図４は、図１のＡ部拡大図である。

エンジン１０は、１以上のシリンダ２０が形成されたシリンダブロック１２と、当該シリンダブロック１２の上側に取り付けられるシリンダヘッド１４と、シリンダ２０内で進退するピストン１６と、シリンダヘッド１４およびシリンダブロック１２の間に介在する中間体１８と、を備えている。シリンダブロック１２は、アルミダイキャスト（鋳物用アルミニウム合金）や、鋳鉄等からなる鋳造部品である。このシリンダブロック１２には、複数のシリンダ２０が設けられており、各シリンダ２０の周囲には、ウォータジャケット２２が形成されている。ウォータジャケット２２は、シリンダブロック１２の上端面において開口した穴であり、各シリンダ２０の全周囲を囲むような形状となっている。つまり、本実施形態のシリンダブロック１２は、シリンダ２０の外壁２０ａと、シリンダブロック１２の外壁１２ａとが分離した、いわゆるオープンデッキ構造となっている。また、シリンダブロック１２の上端面には、シリンダヘッド１４を締結するための締結ボルト（図示せず）が螺合するボルト穴２４が形成されている。

シリンダヘッド１４も、シリンダブロック１２と同様に、アルミダイキャストや鋳鉄等からなる鋳造部品である。このシリンダヘッド１４には、吸気ポート２８および排気ポート３０が設けられている。このシリンダヘッド１４のうち、ボルト穴２４に対応する位置には、締結ボルトが挿通する挿通孔（図示せず）が形成されている。

ピストン１６は、シリンダ２０内を進退する円柱体で、コネクティングロッド３２を介してクランクシャフト（図示せず）に接続されている。ピストン１６は、シリンダ２０の内径より僅かに小さい外径を有している。このピストン１６よりも上側の空間が、燃料が燃焼（爆発）する燃焼室２６となる。

ピストン１６の外周囲には、三つのピストンリング３４、すなわち、上から順に、トップリング３４ｔ、セカンドリング３４ｓ、オイルリング３４ｏが装着されている。トップリング３４ｔおよびセカンドリング３４ｓは、シリンダ２０の内周面（シリンダライナ）に気密に密着して摺動し、主に、燃焼室２６からクランクケース側へと圧縮ガスが抜けることを防ぐ。オイルリング３４ｏは、シリンダ２０の内周面についている余分なエンジンオイルをかき落とし、適度な油膜を形成してピストン１６の焼きつきを防止する。ここで、以下の説明では、ピストン１６がシリンダヘッド１４に最も近づく最上位置（一般に上死点位置）にあるときのトップリング３４ｔの上端から、シリンダヘッド１４の下端までの距離を、「基準距離Ｄ」と呼ぶ。

中間体１８は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に介在する部材である。中間体１８は、図３に示す通り、複数のボア孔３６を有しており、この複数のボア孔３６は、シリンダブロック１２に形成されたシリンダ２０の位置に合わせて形成されている。ボア孔３６の内径は、シリンダ２０の内径とほぼ同じか、僅かに大きくなっている。このボア孔３６の内周面は、燃焼室２６内に露出しており、燃焼室２６の内周面の一部として機能する。また、中間体１８には、複数の挿通孔３８も形成されており、この複数の挿通孔３８は、シリンダブロック１２に形成されたボルト穴２４の位置に合わせて形成されている。こうした中間体１８は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に配された状態で、締結ボルトにより、シリンダヘッド１４とともにシリンダブロック１２に共締めされる。

中間体１８は、スペーサ４２と、当該スペーサ４２とシリンダヘッド１４との間に介在する上側ガスケット４０ｔと、当該スペーサ４２とシリンダブロック１２との間に介在する下側ガスケット４０ｄと、を有した積層構造となっている。なお、以下では、上側ガスケット４０ｔと下側ガスケット４０ｄとを特に区別しない場合は、添え字のアルファベットを省略し、単に、「ガスケット４０」という。

ガスケット４０は、周知の通り、燃焼室２６内の高圧ガスをシールする部材である。ガスケット４０は、図５に示すように、ステンレス鋼板等の基材４６の両面を耐熱ゴム等のゴム状弾性材料からなる弾性層４４でコーティングした多層板材からなる。ガスケット４０は、この多層板材を、所定形状にプレス加工して構成される。ガスケット４０には、ボア孔３６を取り囲むボアシールドビード４０ａと、ウォータジャケット２２の周縁に沿って延びるハーフビード４０ｂが形成されている。ボアシールドビード４０ａおよびハーフビード４０ｂは、それぞれ、スペーサ４２とは反対側に突出する突起および段差である。この二種類のビード４０ａ，４０ｂは、いずれも、シリンダブロック１２の上面またはシリンダヘッド１４の底面に接触して、高圧ガスや冷却水の漏れを防止する。

スペーサ４２は、燃焼室２６内での燃料燃焼で生じた力の少なくとも一部を受けるために設けられた板材である。このスペーサ４２は、ガスケット４０よりも十分に肉厚な板材からなるため、通常、一般的なプレス加工（いわゆる板金加工）での成形は難しく、板鍛造と呼ばれる特殊なプレス加工や、切削加工、鋳造等で成形される。スペーサ４２の材質は、十分な耐熱性を有しているのであれば、特に限定されないが、望ましくは、シリンダブロック１２よりも強度が高い材料、例えば、鋼材やジュラルミン等からなることが望ましい。ここで、「強度」としては、種々の定義があるが、本実施形態で言う「強度」とは、圧力に対する変形や破壊のしにくさの意味であり、ヤング率（縦弾性係数）や、じん性、降伏応力が高い場合に「強度が高い」としている。

こうしたスペーサ４２および一対のガスケット４０からなる中間体１８の厚みは、基準距離Ｄ未満となっている。中間体１８の厚みを基準距離Ｄ未満とするのは、トップリング３４ｔと中間体１８との干渉を防止するためである。また、中間体１８の厚みの下限は、特に限定されないが、少なくとも基準距離Ｄの２割以上であることが望ましく、より望ましくは、５割以上、より望ましくは、７割以上である。

ここで、既述した通り、中間体１８の厚みを基準距離Ｄの２割以上とした場合、通常、スペーサ４２は、数ミリ以上の厚みとなり、一般的なプレス加工（板金加工）での成形は困難となる。その結果、本実施形態のスペーサ４２は、板鍛造や、切削加工、鋳造など、一般的なプレス加工に比べてコストの高い加工方法で成形される。このように、高コストであっても、中間体１８をＤ／５以上という肉厚な構造にするのは、シリンダ２０の変形を低減するためである。すなわち、周知の通り、エンジン１０においては、燃料をシリンダ２０内で燃焼（爆発）させるが、この燃焼時にシリンダ２０内には、高い燃焼圧力が生じる。従来、この燃焼により生じた大きな力の大部分を、シリンダ２０の内面で受けていた。この大きな力を受けて、シリンダ２０の変形や、割れが生じることがあった。特に、本実施形態のように、オープンデッキ構造のシリンダブロック１２の場合、シリンダ２０の外壁２０ａとシリンダブロック１２の外壁１２ａとの間にウォータジャケット２２が介在しており、シリンダ２０の上部外側に、シリンダブロック１２の外壁１２ａによる支持が無いため、シリンダ２０の変形や割れが生じやすかった。

本実施形態では、こうしたシリンダ２０の変形や割れを防止するために、通常のガスケット４０よりも十分に肉厚な中間体１８をシリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に配置している。かかる構成とすることで、燃料の燃焼で生じた力の一部を、中間体１８が受けることになり、シリンダ２０の内周面が受ける力が低下する。結果として、シリンダ２０の変形や割れが効果的に防止される。

図６は、中間体１８の有無によるシリンダ２０の変形量の違いについての実験結果を示す図である。また、図７は、二つの実験条件Ａ，Ｂを示す図である。この実験では、基準距離Ｄ＝２０ｍｍの燃焼室２６内に、１０ＭＰａの圧力をかけた際のシリンダ２０上端における変形量を測定した。条件Ａでは、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に厚さ１０ｍｍ（＝１／２Ｄ）の中間体１８を配した。つまり、条件Ａでは、燃焼室２６の内周面の１／２が中間体１８であり、燃焼室２６の内周面の１／２がシリンダ２０となっている。条件Ｂでは、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に厚さ０．５ｍｍのガスケットを配しており、燃焼室２６の内周面の大部分は、シリンダ２０で構成されている。条件Ａ，Ｂともに、シリンダヘッド１４の下端から１５ｍｍの位置での変形を測定している。

図６において、円Ｓ１は、シリンダ変形量が０のラインであり、破線は、条件Ｂでのシリンダ変形量のラインであり、太実線は、条件Ａでのシリンダ変形量のラインである。この図６から明らかな通り、スペーサを有さない薄いガスケットのみを有する条件Ｂでは、シリンダ２０が大きく変形していることが分かる。一方、中間体１８を設けた条件Ａでは、条件Ｂに比べて、シリンダ変形量が、１／２以下に低減していることが分かる。これは、１／２Ｄの厚みを有する中間体１８を設けることにより、シリンダ２０の筒内圧力を受ける面積が条件Ｂと比べて、大幅に低減したためと考えられる。以上の実験からも明らかな通り、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４との間に十分に厚い中間体１８を配することにより、シリンダ２０の内周面が受ける力を大幅に低減することができ、ひいては、シリンダ２０の変形や割れを効果的に防止できる。

なお、こうした中間体１８の厚みは、既述した通り、基準距離Ｄ未満であれば特に限定されないが、シリンダ２０の変形を防止するためには、極力厚いことが望ましい。一方で、厚みが大きいほど、中間体１８のコストが増加する。そこで、現実的には、中間体１８の厚みは、シリンダブロック１２の強度や、想定される筒内圧力（燃焼圧力）等に基づいて決定され、一般的には、基準距離Ｄの２割以上であれば、シリンダ２０の変形をある程度抑制できると考えられる。

なお、これまでの説明は、一例であり、スペーサ４２と、一対のガスケット４０と、を備えた中間体１８をシリンダヘッド１４とシリンダブロック１２との間に配するのであれば、その他の構成は適宜、変更されてもよい。例えば、下側ガスケット４０ｄに、シリンダブロック１２に対するスペーサ４２の面方向への滑り変形を許容する表面性状を付与してもよい。より具体的には、下側ガスケット４０ｄの少なくとも片面に、低摩擦材料のコーティング（例えばフッ素系コーティング等）を施したり、柔質材料を塗布したりしてもよい。かかる構成とすることで、スペーサ４２がシリンダブロック１２に対して面方向に滑りやすくなり、筒内圧力を受けた際に面方向に変形しやすくなる。そして、スペーサ４２が面方向に変形することで、筒内圧力が吸収され、スペーサ４２の破損等が効果的に防止される。結果として、中間体１８の寿命低下を防止できる。かかる構成は、スペーサ４２の強度が、シリンダブロック１２の強度とほぼ同じである場合（例えば、スペーサ４２とシリンダブロック１２が同じ材料からなる場合）に、特に有効である。

また、別の形態として、下側ガスケット４０ｄに、シリンダブロック１２に対するスペーサ４２の面方向への滑りを阻害する表面性状を付与してもよい。より具体的には、下側ガスケット４０ｄの両面に、微小な凹凸を形成し、面粗さを付与したりしてもよい。かかる構成とすることで、スペーサ４２がシリンダブロック１２に対して面方向に滑りにくくなり、意図しない燃焼室２６の体積変動を確実に防止できる。なお、この場合、スペーサ４２が面方向に変形しにくくなるため、スペーサ４２の端面は、高い筒内圧力に耐えなければならない。そのため、この場合、スペーサ４２の強度は、シリンダブロック１２の強度よりも高いことが望ましく、スペーサ４２は、例えば、鋼材やジュラルミン等からなることが望ましい。

また、別の形態として、図８に示すように、下側ガスケット４０ｄに、スペーサ４２側およびシリンダブロック１２側に突出する凸部４８を設けるとともに、スペーサ４２およびシリンダブロック１２に、当該凸部４８が嵌り込む凹部を設けてもよい。かかる構成とすることで、スペーサ４２のシリンダブロック１２に対する滑りがより確実に防止される。そして、結果として、意図しない燃焼室２６の体積変動を確実に防止できる。なお、この場合も、スペーサ４２の強度は、シリンダブロック１２の強度よりも高いことが望ましい。

また、別の形態として、図９に示すように、スペーサ４２のうちウォータジャケット２２に対応する位置に、シリンダブロック１２側に突出する凸部５０を設け、当該凸部５０をウォータジャケット２２に嵌め込む構成としてもよい。かかる構成とすることで、スペーサ４２のシリンダブロック１２に対する滑りがより確実に防止される。そして、結果として、意図しない燃焼室２６の体積変動を確実に防止できる。なお、この場合も、スペーサ４２の強度は、シリンダブロック１２の強度よりも高いことが望ましい。

このように、スペーサ４２のシリンダブロック１２に対する滑りを阻害する構成を設けるとともに、スペーサ４２の強度をシリンダブロック１２の強度よりも高くすることにより、スペーサ４２が、シリンダブロック１２の補強材として作用する。その結果、シリンダ２０の変形がより確実に防止される。

また、これまでの説明では、スペーサ４２を一枚の板材で構成する例を挙げたが、スペーサ４２は、図１０に示すように、２以上の板材４２ａを積層して構成されてもよい。かかる構成とした場合、スペーサ４２の内部に冷媒流路等の空洞５２を容易に形成できる。すなわち、中間体１８を肉厚にした場合、当該中間体１８の内部にエンジン１０を冷却するための冷媒流路を形成することも考えられる。この場合、スペーサ４２が一枚の板材の場合、当該一枚の板材の内部に流路用の空洞を形成するためには、くり貫き加工等、比較的、複雑な加工が必要となる。一方、複数の板材４２ａでスペーサ４２を構成した場合、貫通孔や溝等が形成した板材を積層することで、冷媒流路用の空洞５２を構成することができ、比較的簡易な構成で、冷媒流路を構成できる。なお、複数の板材４２ａを積層してスペーサ４２を構成する場合には、ボア孔３６の端面を、グロメット５４等で被覆し、ボア孔３６の内周面を平滑面にしておくことが望ましい。また、複数の板材４２ａは、全て同じ材質で構成される必要はなく、部位によって異なる材料で構成されてもよい。

また、これまでの説明では、オープンデッキ構造のシリンダブロック１２を用いる場合を例示したが、シリンダ２０外壁とシリンダブロック１２の外壁がほぼ一体に成型されたクローズドデッキ構造のシリンダブロック１２を用いてもよい。また、これまで説明したガスケット４０の構成は、一例であり、スペーサ４２とシリンダブロック１２、スペーサ４２とシリンダヘッド１４との間をガスシールできるのであれば、公知の他の構造のガスケットを用いてもよい。

いずれにしろ、従来のガスケットと比べて肉厚な中間体１８を、シリンダヘッド１４とシリンダブロック１２との間に配し、燃料燃焼により生じる力の一部を中間体１８で受ける構成とすることで、シリンダヘッド１４の変形を効果的に抑制できる。

１０ レシプロ式エンジン、１２ シリンダブロック、１４ シリンダヘッド、１６ ピストン、１８ 中間体、２０ シリンダ、２２ ウォータジャケット、２４ ボルト穴、２６ 燃焼室、２８ 吸気ポート、３０ 排気ポート、３２ コネクティングロッド、３４ ピストンリング、３６ ボア孔、３８ 挿通孔、４０ ガスケット、４２ スペーサ、４４ 弾性層、４６ 基材、４８，５０ 凸部、５２ 空洞、５４ グロメット。

Claims (7)

1. １以上のシリンダが設けられたシリンダブロックと、
   前記シリンダブロックに連結されるシリンダヘッドと、
   前記シリンダ内を進退可能なピストンであって、周面にピストンリングが取り付けられたピストンと、
   前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとの間に介在する中間体であって、内周面が燃焼室内に露出して燃焼圧力を受けるボア孔が１以上設けられた中間体と、
   を備え、
   前記中間体は、前記シリンダ内を気密にシールする一対のガスケットと、前記ガスケットよりも肉厚で前記一対のガスケットの間に介在するスペーサと、を含み、
   前記中間体は、前記ピストンが前記シリンダヘッドに最も近づく最上位置にあるときの前記ピストンリングの上端から前記シリンダヘッドの下端までの距離である基準距離以下の厚みを有しており、
   前記一対のガスケットのうち少なくとも前記シリンダブロック側に配されるガスケットの少なくとも片面は、前記スペーサの変形に伴う、前記シリンダブロックに対する前記スペーサの滑りを許容する表面性状を有する、
   ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
2. 請求項１に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記中間体は、前記基準距離の２割以上の厚みを有する、ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
3. 請求項２に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記中間体は、前記基準距離の５割以上の厚みを有する、ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記スペーサの強度は、前記シリンダブロックの強度とほぼ同じである、ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記シリンダブロックは、前記シリンダと離間した位置に、当該シリンダブロックの上端面に開口するウォータジャケットを有しており、
   前記スペーサは、前記ウォータジャケットの開口部に嵌り込む凸部を有する、
   ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記スペーサの強度は、前記シリンダブロックの強度よりも高い、ことを特徴とするレシプロ式エンジン。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のレシプロ式エンジンであって、
   前記スペーサは、２以上の板材を積層した構成を含む、ことを特徴とするレシプロ式エンジン。

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