JPS635146A - エンジンのシリンダヘツドボルト締結構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンのシリンダヘッドをヘッドボルトに
よりシリンダブロックに締結する締結構造に関し、特に
、温度変化に伴うヘッドボルト軸力（締結）ｊ）の変化
を抑えてシリンダブロックとシリンダヘッドとの接合面
のシール性を安定確保する対策に関するものである。

（従来の技術） 従来より、エンジンのシリンダブロックにシリンダヘッ
ドを締結する場合、ヘッドボルトをシリンダヘッドのボ
ルト挿通孔に挿通してシリンダブロックのボルト孔に螺
合締結するようにした構造が一般的に採用されている。

ところで、エンジンのシリンダブロックを例えば鋳鉄で
、シリンダヘッドをアルミニウム合金で、ヘッドボルト
を鉄でそれぞれ構成したとぎには、シリンダヘッドを構
成するアルミニウム合金の線膨脹係数がヘッドボルトを
構成する鉄よりも大きいので、エンジンの温間時（暖機
終了時）に両者の熱膨張差によって相対的にヘッドボル
トの軸力が土曽大し、シリンダブロックとシリンダヘッ
ドとの合わせ面やヘッドボルト座面の面圧が増加して各
部にいわゆるへたつが生じるという問題がある。

そして、−旦、こうしてへたつが生じると、冷間時、上
記増大した軸力や面圧については元に戻るものの、ヘッ
ドボルトの軸力が逆に締付は初期よりも低下して合わせ
面の面圧が低下したり、ヘッドガスケット等の面圧がへ
たりによって部分的に低下したりすることがおり、気筒
内の燃焼ガスや冷却水の洩れ等が招来される。

また、これらの現象が熱リーイクル等によって繰り返さ
れると、上記ガス洩れ等の不具合がより一層助長される
。

そこで、本出願人は、前に、実開昭５８−２３４５号公
報において、ヘッドボルトにより該ヘッドボルトよりも
線膨脹係数の大きいシリンダヘッドをシリンダブロック
に締結する際、ヘッドボルトの外周にシリンダヘッドと
異種の金属よりなるスペーサを熱膨張変形可能に配設し
て、該スペーサを介してヘッドボルトの締結力をシリン
ダヘッドのボトムデツキ（シリンダブロックとの接合面
）に加えるようにすることにより、ヘッドボルトとシリ
ンダヘッドとの熱膨張差をスペーサによって吸収するよ
うにした構造を提案している。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、この提案のものでは、ヘッドボルトとシリン
ダヘッドとの熱膨張差をシリンダヘッドと異なる金属よ
りなるスペーサによって吸収するようにしているので、
シリンダブロックとシリンダヘッドとの合わせ面のへた
りを緩和できるものの、実際にはざらに改良の余地が残
されており、より一層有効にへたりをなくす上で改善策
が望まれる。

また、ヘッドボルトを鉄よりも線膨脹係数の大きいＳＵ
Ｓ系ステンレス鋼で構成して、そのシリンダヘッドとの
熱膨張差を減少させるようにすることも知られているが
、そのステンレス鋼とシリンダヘッド材料のアルミニウ
ム合金どの熱膨張差は依然として大きいので、大きな効
果を期待Ｔることはできない。

そこで、本発明者は上記の技術的課題を満たすために種
々の実験を積み重ねた結果、本発明を完成させるに至っ
たものであり、本発明で目的とするところは、シリンダ
ヘッドのボルト挿通孔に嵌装されるスペーサの線膨脹係
数をヘッドボルトのそれに対し相対的に特定し、さらに
そのシリンダヘッドのスペーサのみならずシリンダブロ
ック部分でも熱膨張差を吸収させるようにすることによ
り、ヘッドボルトの軸力をシリンダヘッドのボトムデツ
キに確実に伝達しつつ、その熱膨張率をシリンダヘッド
を含む被締結部の熱膨張率に可及的に近付けるようにし
、よって温度変化に伴うヘッドボルトの軸力変化を抑制
してシリンダブロックとシリンダヘッドとの合わせ面の
シール性をより−ｅ有効に向上させることにある。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明の解決手段は、上記
の如く、鋳鉄製のシリンダブロックにボルト孔を形成す
る一方、アルミニウム合金製のシリンダヘッドにボルト
挿通孔を形成し、上記シリンダヘッドのボルト挿通孔に
挿通されたヘッドボルトをシリンダブロックのボルト孔
に螺合してシリンダヘッドをシリンダブロックに締結す
るようにしたエンジンを対象とする。

そして、この締結構造のエンジンにおいて、まず、上記
シリンダヘッドのボルト挿通孔の上部に、ヘッドボルト
の頭部に当接してその締結力をシリンダヘッドに伝達す
る所定高さのスペーサを嵌装する。

一方、上記シリンダブロックのボルト孔の上端部に、螺
合部分がなくて単にヘッドボルトを挿通せしめるだけの
機能を持つ所定深さのばか孔部を形成する。

ざらに、上記スペーサをヘッドボルトと周じないしはそ
れよりも低い線膨脹係数を持つ材′１４（例えばヘッド
ボルトがＳＵＳ系のステンレス鋼であるときには鉄、ま
た鉄であるときにはセラミック等）で構成する。

（作用） 上記の構成により、本発明では、シリンダブロックのボ
ルト孔上端部に形成されたばか孔部により、同ボルト孔
にシリンダブロックと同じ材料（鋳鉄）からなる−種の
「スペーサ」が嵌装されていることになる。しかも、シ
リンダヘッドのボルト挿通孔に嵌装されたスペーサの線
膨脹係数がヘッドボルトのそれ以下であるので、このス
ペーサおよび上記シリンダブロックのばか孔部で構成さ
れた「スペーサ」の双方によってヘッドボルトの頭部か
らシリンダブロックのヘッドボルト螺合部までの間にヘ
ッドボルトよりも熱膨張率の小さい部分が形成されるこ
とになり、このことによってヘッドボルトと被締結部と
の熱膨張差が吸収される。よってヘッドボルトの軸力変
化が小さくなって、シリンダブロックとシリンダヘッド
との合わせ面のシール性をより一層有効に向上できるの
である。

その際、上記ヘッドボルトの頭部からシリンダブロック
の螺合部までの間の部分の熱膨張率を小さくするのを、
スペーサおよびばか孔部の双方で達成しているので、ス
ペーサあるいはばか孔部のみで達成する場合と比べてス
ペース的に有利である。

また、シリンダヘッドにおいて、そのスペーサの嵌装さ
れていない残りの部分により、ヘッドボルト軸力のシリ
ンダヘッドのボトムデツキへの伝達が確保される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係るエンジンＡを示し、１は
シリンダ１ａを有する鋳鉄製のシリンダブロックであっ
て、該シリンダブロック１の上面にはシリンダ１ａの回
りの所定部位にボルト孔２゜２、・・・が形成されてい
る。また、３は上記シリンダブロック１の上面に下端の
ボトムデツキ３ａを当接せしめて接合されるアルミニ１
クム合金製のシリンダヘッドであって、該シリンダヘッ
ド３には上下方向に貫通するボルト挿通孔４が上記シリ
ンダブロック１の各ボルト孔２に対応して形成されてい
る。ざらに、５は上記シリンダヘッド３をシリンダブロ
ック１に締結するためのＳＵＳ系ステンレスＩＩのヘッ
ドボルトで、該ヘッドボルト５はシリンダヘッド３の高
さ寸法よりも長いボルト本体５ａと、該ボルト本体５ａ
の上端に一体に設けられた頭部５ｂとからなり、ボルト
本体５ａの下部には雄ねじ部５Ｃが形成されている。そ
して、シリンダヘッド３の各ボルト挿通孔４にヘッドボ
ルト５を挿通するとともに、そのボルト５先端の雄ねじ
部５Ｃをシリンダブロック１のボルト孔２に螺合するこ
とにより、シリンダヘッド３がシリンダブロック１に一
体的に締結される。

ざらに、本発明の特徴として、上記シリンダヘッド３の
各ボルト挿通孔４の上部には他の部分よりも大径のスペ
ーサ嵌合部４ａが所定長さに亘って形成され、該スペー
サ嵌合部４ａにはヘッドボルト５の頭部５ｂ下面に当接
して該ヘッドボルト５からの締結力をシリンダヘッド３
に伝達する所定高さ、！！ｓの円筒状スペーサ６が嵌装
され、このスペーサ６は、上記ヘッドボルト５　（ＳＵ
Ｓ系スデステンレス鋼線膨脹係数αＢＴ（＝１８Ｘ１’
０−６／”　Ｃ）以下の線膨脹係数αＳを持つ例えば鋳
鉄（α５＝１２Ｘ１０−６／’　Ｃ）で構成されている
。

また、上記シリンダブロック１の各ボルト孔２の上端部
には、ねじ部がなくてヘッドボルト５を単に挿通せしめ
るだけのばか孔部２ａが所定深さＩＢＫに亘って形成さ
れている。尚、図中、７は冷却水を通すウォニトジャケ
ットである。

そして、この実施例では、上記シリンダブロック１の各
ボルト孔２におけるばか孔部２ａの深さｆｌＢＫと、シ
リンダヘッド３のボルト挿通孔４に嵌装されたスペーサ
６の高ざ１ｓと、シリンダヘッド３のスペーサ６部分を
除いた基部３ｂの高さ９日との関係は、 ｆｌ　ｓ−＋Ｊ　Ｂ　Ｋ≧！ｌ　Ｈ−（１）に設定され
ている。

ここで、この（１）式の関係の設定理由について説明す
る。

シリンダブロック１（鋳鉄）の線膨脹係数をα８に％シ
リンダヘッド３（アルミニウム合金）の線膨脹係数をα
Ｈとするとき、各ヘッドボルト５の所定温度変化Δを当
りの熱膨張度は、（ｆＪｅ　Ｋ　＋Ｎ　）−１−＋Ｊ　
ｓ　）αＢＴΔｔであり、−方、シリンダヘッド３やス
ペーサ６等の被締結部の同然膨張度は、 （Ｎ　ｅ　ＫαＢ　Ｋ　−＋Ｊ　Ｈαト、＋ｕ３αＳ）
Δｔとなる。そして、温度的な定常時（温間時）にヘッ
ドボルト５と被締結部との熱膨張差を零にする条件を満
足させるためには、 （、ＩＩｏにαＢ　Ｋ　＋ｆＩｌ−１αＨ十ρＳαＳ）
Δｔ＝（Ｊ！ｅＫ＋ｕＨ＋、ｌ！ｓ）αＢＴΔｔ　　−
（２）であればよい。

このとき、スペーサ６をシリンダブロック１と同じ材料
（鋳鉄）で構成してαＳ−α８Ｔとすれば、 （αＢＫ−αＢＴ）（ｊ！ｅＫ＋、２ｓ＞＝（αＢＴ−
αＨＬｌ！Ｈ・・・（３）となる。ここにおいて、 αＢＴ−αＨ ＝（ＸＢ　Ｋ−ａ８Ｔ＝−６Ｘ１０−６／”　Ｃである
ので、 ’Ｊ　ｓ　ｉ　Ｂ　Ｋ　＝、！！　）、１　　　　　　
　　　　　・・・（４）となる。そして、この（４）式
を満足させると、理論上、定常時における熱膨張差が零
となる。しかし、暖機中等の過渡時にあっては、シリン
ダヘッド３の温度上昇が他の部分よりも速く、この点を
考慮してシリンダヘッド３の基部３ｂの高ざＩＨを短く
しまたはその基部３ｂのシリンダヘッド３仝休に占める
割合を小ざくすれば、上記温度上昇速度の違いによる影
響が小さくなり、このことがら上記（１）式の関係が導
き出される。

すなわち、シリンダブロック１とシリンダヘッド３との
合わせ面でのへたりは、定常時および過渡時の双方での
熱膨張差が原因となって生じるが、ＳＵＳ系ステンレス
ｗＡ製のヘッドボルト５を使用したときには１．！！＄
十ρＢ　Ｋ　、Ｊ７　Ｈの条件であればよく、その定常
時の軸力変化が著しく小さくなり、また合わせ面のへた
りも殆ど生じない。また、シリンダヘッド３の剛性を低
下させない範囲で、その基部３ｂの高さｆＩＨを小さく
すれば、過渡時の軸力変化をも小さくでき、へたりをよ
り一層抑制することが可能である。よって、温度的な定
常時（温間時）にヘッドボルト５の軸力の若干の低下を
許容しながらもその過渡時の軸力増大を低下させて、温
度変化に拘らず全体的にヘッドボルト５の軸力増大が生
じないようにするために、上記（１）式の関係が設定さ
れている。

したがって、上記実施例においては、シリンダヘッド３
の各ボルト挿通孔４の上部にヘッドボルト５以下の線膨
脹係数αＳを有するスペーサ６が嵌装されており、また
、シリンダロック１の各ボルト孔２上端部にばか孔部２
ａが形成され、該ばか孔部２ａによって実質的にボルト
孔２回りにシリンダブロック１と同じ鋳鉄材料からなる
「スペーサ」が嵌装されているのと同等になるので、こ
のシリンダブロック１のボルト孔２のばか孔部２ａで構
成された「スペーサ」および上記実際のスペーサ６の双
方によってヘッドボルト５の頭部５ｂからシリンダブロ
ック１のボルト螺合部までの間にヘッドボルト５よりも
熱膨張率の小さい部分が形成され、シリンダヘッド３と
各ヘッドボルト５との熱膨張差は上記スペーサ６および
ばが孔部２ａによって吸収され、よって定常時（温間時
）におけるヘッドボルト５の軸力変化を極力低減でき、
シリンダヘッド３とシリンダブロック１との合わせ面の
へたりを可及的に低減することができる。

また、上記スペーサ６をシリンダヘッド３の上部に限定
して配置しているので、シリンダヘッド３のスペーサ６
配置以外の基部３ｂでもってヘッドボルト５の軸力のシ
リンダヘッド３への有効に伝達することができる。

ざらに、上記スペーサ６の長さｆｌ　Ｓ　Ｎシリンダブ
ロック１の各ボルト孔２におけるばが孔部２ａの深ざｊ
ｅＫｔｊよびシリンダヘッド３のスペーサ６以外の基部
３ｂの高ざＩＨが１ ．１１３−ＩＢ、＜≧！ＪＨ の関係に設定されているので、ヘッドボルト５と被締結
部との熱膨張が上記定常時のみならず過渡時にも路間等
となり、上記ヘッドボルト５の軸力変化をより一層抑制
してへたりの発生を低減することができる。

ざらに、上記ヘッドボルト５の頭部５ｂからシリンダブ
ロック１の螺合部までの間の部分の熱膨張率を小さくす
る狙いを、ボルト挿通孔４内のスペーサ６およびボルト
孔２のばか孔部２ａの双方で達成しているので、スペー
サ６あるいはばか孔部２ａのみで達成する場合と比べて
、シリンダヘッド３の座面が高くなったり、あるいはヘ
ッドボルト５が長くなり過ぎたりすることはなく、スペ
ース的に有利となる。

（他の実施例） 第２図は本発明の他の実施例を示しく尚、第１図と同じ
部分については同じ符号を付してその説明を省略する）
、シリンダヘッド３におけるボルト挿通孔４のスペーサ
嵌合部４ａの長さを短くして、スペーサ６をシリンダヘ
ッド３上面に突出させたものであり、この実施例でも上
記実施例と同様の作用効果を奏することができる。

また、第３図はさらに別の他の実施例を示し、シリンダ
ヘッド３′のボルト挿通孔４′上部に形成されるスペー
サ嵌合部４’　ａの底面を挾り、該嵌合部４’　ａに嵌
装されるスペーサ６′の下端部を先細りテーパ形状にす
るとともに、その各スペーサ６′の先端テーパ面と略垂
直な線上にシリンダヘッド３′のボトムデツキ３’　ａ
を下方に押圧するリブ８を形成したものである。

したがって、この実施例の場合、シリンダヘッド３′に
おいて、ヘッドボルト５から離れていてその締結力の及
び難い、ヘッドボルト５．５間のボトムデツキ３ｒａを
確実にシリンダブロック１上面に押し付けて、その熱変
形を有効に防止できる利点がある。

（具体例） 第４図および第５図は本発明を具体的に実施したときに
得られたデータを示す。

すなわち、第４図（ａ）は、同図（Ｃ）に示ず如くエン
ジンを５分間でアイドリング状態（軽負荷状態）から回
転数５００Ｏｒｐｍの高負荷状態としたのち元のアイド
リンク状態に戻すのを１サイクルとして運転する過渡条
件下で、本発明例における吸気側ヘッドボルトの軸力変
化を従来例（スペーサやシリンダブロックのばか孔部の
ないもの）と比較して示し、同図（ｂ）は同じ条件下で
の排気側のヘッドボルトの軸力変化を示す。

また、第５図は、上記したエンジンの運転条件を数サイ
クル繰り返したときに、その軽負荷時におけるヘッドボ
ルトの軸力変化を示すものであり、これらのデータによ
れば、吸気側および排気側共ヘッドボルトの軸力変化の
度合いは従来例に比べて約０．４ｔ（トン）程度小さく
、しかも軽負荷時毎のボルトの軸力低下度も同様に０．
３〜０゜５を程小さくなり、よって本発明によればシリ
ンダブロックとシリンダヘッドとの合わせ面のへたりを
有効に抑え得ることが判る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によると、エンジンにおけ
るアルミニウム合金製シリンダヘッドのボルト挿通孔内
の上部にヘッドボルトからの締結力を受ける所定高さの
スペーサを嵌装する一方、鋳鉄製シリンダブロックのボ
ルト孔に所定深さのばか孔部を形成し、上記スペーサを
ヘッドボルト以下の線膨脹係数を持つ材料で構成したこ
とにより、スペーサ部分以外のシリンダヘッドでヘッド
ボルトの軸力をシリンダヘッドのボトムデツキに伝達し
つつ、スペーサとばか孔部とでヘッドボルトとシリンダ
ヘッドとの熱膨張差を抑制してヘッドホルトの軸力変化
を極力低減でき、よってエンジンのシリンダブロックと
シリンダヘッドとの合わせ面のへたりを抑えて、シール
性の確保により燃焼ガスや冷却水等の洩れを長期間に亘
って支足して防止することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すエンジンの要部縦断面図
である。第２図および第３図はそれぞれ他の実施例を示
す第１図相当図である。第４図および第５図はそれぞれ
具体例における過渡時および軽負荷時のヘッドボルトの
軸力変化特性を示ず実験データ図である。 Ａ・・・エンジン、１・・・シンンダブロック、２・・
・ボルト孔、２ａ・・・ばか孔部、３，３′・・・シリ
ンダヘッド、４，４′・・・ボルト挿通孔、５・・・ヘ
ッドポルＡ（エソ己 第３図 （ポＪレト）Ｌ、） 第５図 ワイフル千又 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳鉄製のシリンダブロックにボルト孔を形成する
   一方、アルミニウム合金製のシリンダヘッドにボルト挿
   通孔を形成し、シリンダヘッドのボルト挿通孔に挿通さ
   れたヘッドボルトをシリンダブロックのボルト孔に螺合
   してシリンダヘッドをシリンダブロックに締結するよう
   にしたエンジンにおいて、上記シリンダヘッドのボルト
   挿通孔上部にはヘッドボルトの頭部に当接してその締結
   力をシリンダヘッドに伝達する所定高さのスペーサが嵌
   装されている一方、シリンダブロックのボルト孔の上端
   部にはヘッドボルトを挿通せしめる所定深さのばか孔部
   が形成されており、上記スペーサはヘッドボルト以下の
   線膨脹係数を持つ材料で構成されていることを特徴とす
   るエンジンのシリンダヘッドボルト締結構造。