JPWO2013054395A1 - カムシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

内燃機関のシリンダヘッド（１）上には各カムシャフト（５，６）を回転自在に支持する複数の支持台（４）が取り付けられている。これら支持台（４）は各カムシャフト（５，６）の軸線方向において互いに離間して設けられている。また、各支持台４には各カムシャフト（５，６）を支持する軸受部（４５ｂ，４５ｃ）と、各カムシャフト（５，６）の軸線方向に延びる貫通孔（４１ｄ）とが形成されている。各貫通孔（４１ｄ）には各軸受部（４５ｂ，４５ｃ）が内燃機関の冷温停止状態における配設位置から変位することを規制するシャフト（７）が挿通されている。

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッド上に取り付けられてカムシャフトを回転自在に支持する支持台が設けられたカムシャフト支持構造に関する。

従来、この種のカムシャフト支持構造としては、例えば特許文献１に記載の構造がある。特許文献１に記載のカムシャフト支持構造では、カムシャフトを回転自在に支持する支持台が同カムシャフトの軸線方向において互いに離間して複数設けられている。

こうした構造によれば、ラダーフレーム型のカムシャフトハウジングのように各支持台を連結する外枠が設けられた構造に比べて、外枠がない分だけ内燃機関の軽量化を図ることができる。

特開２０１０―２０９７９６号公報

ところで、機関運転時においては排気の熱を受けることによってシリンダヘッドが高温となり、シリンダヘッドが熱変形する。上記各支持台はシリンダヘッドに当接して配設されているため、シリンダヘッドからの受熱に起因して各支持台が熱変形するようになる。そのため、各支持台に設けられてカムシャフトを支持する軸受部の同軸度が悪化することとなる。その結果、カムシャフトの回転摺動抵抗が増大する等の問題が生じるおそれがある。

尚、上記特許文献１に記載の構造によれば、ラダーフレーム型のカムシャフトハウジングが設けられた構造に比べて、外枠がない分だけ、シリンダヘッドから各支持台が受ける熱量が低減されるようになり、各支持台の熱変形量がある程度は低減されるようにはなる。しかしながら、例えば過給機を搭載した内燃機関のように排気の温度が一層高くなる内燃機関に適用された場合には、シリンダヘッドから各支持台が受ける熱量が一層大きなものとなり、各支持台の軸受部の同軸度が悪化することを好適に抑制するには限界がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カムシャフトを支持する複数の支持台について、これらの軸受部の同軸度が機関運転に伴い悪化することを好適に抑制することのできるカムシャフト支持構造を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。

上記目的を達成するため、本発明に従うカムシャフト支持構造は、内燃機関のシリンダヘッド上に取り付けられてカムシャフトを回転自在に支持する支持台が設けられたカムシャフト支持構造であって、前記支持台は前記カムシャフトの軸線方向において互いに離間して複数設けられ、各支持台には前記カムシャフトを支持する軸受部と前記カムシャフトの軸線方向に延びる貫通孔とが形成され、各貫通孔には各軸受部が内燃機関の冷温停止状態における配設位置から変位することを規制するシャフトが挿通されてなることをその要旨としている。

同構成によれば、内燃機関のシリンダヘッド上に取り付けられた複数の支持台の軸受部によってカムシャフトが回転自在に支持される。これら支持台はカムシャフトの軸線方向において互いに離間して設けられているため、ラダーフレーム型のカムシャフトハウジングのように各支持台を連結する外枠を備えるものに比べて、シリンダヘッドとの接触面積が小さくなる。このため、シリンダヘッドからの受熱量が低減され、当該受熱に起因した支持台の熱変形が抑えられるようになる。

更に、上記構成によれば、各支持台に形成された貫通孔にシャフトが挿通されているため、シリンダヘッドからの受熱に起因して支持台が熱変形することが抑制されるようになる。

また、シャフトは各貫通孔に挿通された状態で各支持台と共にシリンダヘッドに組み付けられる。また、シリンダヘッドはヘッドボルトによってシリンダブロックに組み付けられる。ここで、ヘッドボルトの締め付け軸力によってシリンダヘッド頂面は平面状態から僅かに歪むこととなる。このため、シャフトは各貫通孔の内壁によって押圧された状態に維持され、各支持台に対して固定されるようになる。

したがって、カムシャフトを支持する複数の支持台について、これらの軸受部の同軸度が機関運転に伴い悪化することを好適に抑制することができるようになる。

この場合、前記シャフトは前記支持台よりも高い剛性を有する材料にて形成されてなるといった態様が好ましい。こうした態様によれば、支持台の熱変形を的確に抑制することができるようになる。ちなみに、例えば支持台がアルミニウム合金にて形成されている場合には、シャフトをアルミニウム合金よりも剛性の高いステンレス鋼にて形成するようにすればよい。

支持台の具体的な構成としては、前記支持台は、前記シリンダヘッド上に取り付けられて前記カムシャフトを受ける受け部材と、同受け部材の頂面に取り付けられて同受け部材と共に前記軸受部を形成するキャップ部材とを有してなるといった態様が好ましい。この場合、前記貫通孔は前記受け部材に形成されてなるといった態様が好ましい。

またこの場合、前記支持台は前記カムシャフトとしての排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの双方を受けるものとされ、前記貫通孔は前記吸気カムシャフトよりも前記排気カムシャフトに近接して形成されてなるといった態様が好ましい。

内燃機関では、高温の排気が排気バルブを通じて排気通路に排出される。このため、シリンダヘッドにおける熱変形は排気カムシャフト寄りの部位ほど大きくなる。この点、上記態様によれば、シャフトが挿通される貫通孔が吸気カムシャフトよりも排気カムシャフトに近接して形成される。すなわち、支持台の受け部材においてシリンダヘッドからの受熱量が多く熱変形度合が大きくなる部位に近接してシャフトが配置される。したがって、支持台においてシリンダヘッドからの受熱量の大きい排気カムシャフト近傍における熱変形を的確に抑制することができるようになる。

過給機を搭載した内燃機関においては、非搭載のものに比べて、排気の温度が高くなるため、シリンダヘッドからの受熱に起因した支持台の熱変形量が大きくなる。更に、過給機を搭載した内燃機関においては、非搭載のものに比べて、筒内圧が高くなるため、内燃機関の筒内圧が変動することによってシリンダヘッドが大きく変形するようになる。その結果、シリンダヘッド上に取り付けられた支持台の変形量が大きくなる。このように過給機を搭載した内燃機関においては、各支持台の外枠を備えていないカムシャフト支持構造であっても、各支持台における軸受部の同軸度が機関運転に伴って悪化しやすい。こうした内燃機関に対して本発明を適用すれば、各支持台における軸受部の同軸度が機関運転に伴い悪化することを好適に抑制することができるようになる。

本発明の第１実施形態について、排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの上方から視た内燃機関の平面構造を示す平面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った内燃機関の断面構造を示す断面図。 同実施形態におけるシリンダヘッドの頂面及び同頂面上に取り付けられた支持台についてシリンダヘッドの長手方向に沿った側面構造を模式的に示す側面図。

以下、図１〜図３を参照して、本発明を、ＤＯＨＣ（Ｄｏｕｂｌｅ ＯｖｅｒＨｅａｄ Ｃａｍｓｈａｆｔ）式直列４気筒内燃機関のカムシャフト支持構造として具体化した一実施形態について説明する。尚、本実施形態の内燃機関には排気駆動式の過給機が搭載されている。

図１に、排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの上方から視た内燃機関の平面構造を示す。また、図２に、図１のＡ−Ａ線に沿った内燃機関の断面構造を示す。

図２に示すように、シリンダブロック２の頂面には、排気バルブや吸気バルブ等の動弁機構が搭載されるシリンダヘッド１が設けられている。これらシリンダブロック２及びシリンダヘッド１は周知の態様にてヘッドボルト３によって締結されている（図２及び図３参照）。

シリンダヘッド１の頂面１ａには、排気バルブを開閉駆動する排気カム５１が設けられた排気カムシャフト５及び吸気バルブを開閉駆動する吸気カム６１が設けられた吸気カムシャフト６が互いに平行に設けられている。具体的には、シリンダヘッド１の頂面１ａには、各カムシャフト５，６を回転自在に支持する５つの支持台４が取り付けられている。尚、図２では、１つの支持台４のみが示されている。

図１に示すように、各支持台４は各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌにおいて互いに離間して配設されている。具体的には、各支持台４は各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌに対して直交するように配設されている。

図２に示すように、各支持台４は、シリンダヘッド１の頂面１ａ上に設けられる受け部材４１と、受け部材４１の頂面上に設けられる排気側キャップ部材４２及び吸気側キャップ部材４３とを有している。受け部材４１の頂面には各カムシャフト５，６に対応して断面半円状の下側凹部４１ｂ，４１ｃが形成されている。

排気側キャップ部材４２の底面には下側凹部４１ｂに対応して断面半円状の上側凹部４２ｂが形成されている。これら下側凹部４１ｂと上側凹部４２ｂとによって形成される断面円状の軸受部４５ｂにより排気カムシャフト５の複数のカムジャーナル５ａが各別に支持されている（図１参照）。

また、吸気側キャップ部材４３の底面には下側凹部４１ｃに対応して断面半円状の上側凹部４３ｃが形成されている。これら下側凹部４１ｃと上側凹部４３ｃとによって形成される断面円状の軸受部４５ｃにより吸気カムシャフト６の複数のカムジャーナル６ａが各別に支持されている（図１参照）。

排気側キャップ部材４２及び受け部材４１には排気カムシャフト５を挟んで気筒の軸線方向Ｃに沿って２つのボルト孔が貫通形成されている。これらボルト孔に挿通されるボルト４４Ｌ，４４Ｓにより受け部材４１及び排気側キャップ部材４２がシリンダヘッド１に締結されている。

また、吸気側キャップ部材４３及び受け部材４１も排気側キャップ部材４２及び受け部材４１と同様にしてボルト４４Ｌによりシリンダヘッド１に締結されている。

ちなみに、シリンダヘッド１は予めボルト４４Ｌ，４４Ｓにより支持台４が取り付けられた状態で、ヘッドボルト３によりシリンダブロック２に組み付けられる。尚、シリンダヘッド１、シリンダブロック２、及び支持台４はいずれもアルミニウム合金によって形成されている。

また本実施形態では、図２に示すように、各受け部材４１には各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌに延びる貫通孔４１ｄが形成されている。各貫通孔４１ｄは、各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌに対して直交する方向において排気カムシャフト５の中心位置Ｐｅｘと吸気カムシャフト６の中心位置Ｐｉｎとの中央位置Ｐｃよりも排気カムシャフト５の中心位置Ｐｅｘ寄りに形成されている。すなわち、各貫通孔４１ｄは吸気カムシャフト６よりも排気カムシャフト５に近接して形成されている。

各貫通孔４１ｄには、ステンレス鋼からなるシャフト７が挿通されている。すなわち、シャフト７は支持台４よりも高い剛性を有する材料にて形成されている。ここで、シャフト７の外径は貫通孔４１ｄの内径よりも僅かに小さくされている。尚、排気カムシャフト５よりもシャフト７寄りに設けられるボルト４４Ｓは、シャフト７に干渉しないように他のボルト４４Ｌに比べて短くされている。

次に、本実施形態の作用について説明する。

各カムシャフト５，６は、シリンダヘッド１上に取り付けられた５つの支持台４の軸受部４５ｂ、４５ｃによって回転自在に支持される。これら支持台４は各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌにおいて互いに離間して設けられているため、ラダーフレーム型のカムシャフトハウジングのように各支持台を連結する外枠を備えるものに比べて、シリンダヘッド１との接触面積が小さくなる。このため、シリンダヘッド１からの受熱量が低減され、当該受熱に起因した支持台４の熱変形が抑えられるようになる。

本実施形態の内燃機関では過給機による過給が行なわれるため、過給機を非搭載のものに比べて、排気の温度が高くなり、シリンダヘッド１からの受熱に起因した支持台４の熱変形量が大きくなる。更に、過給機を非搭載のものに比べて、筒内圧も高くなるため、内燃機関の筒内圧が変動することによってシリンダヘッド１が大きく変形するようになる。その結果、シリンダヘッド１上に取り付けられた支持台４の変形量が大きくなる。このように過給機を搭載した内燃機関においては、本実施形態のように各支持台４の外枠を備えていないカムシャフト支持構造であっても、各支持台４における軸受部４５ｂ、４５ｃの同軸度が機関運転に伴って悪化しやすくなるようにも思われる。

この点、上記実施形態によれば、各支持台４に形成された貫通孔４１ｄにシャフト７が挿通されているため、シリンダヘッド１からの受熱に起因して支持台４が熱変形することが好適に抑制されるようになる。

また、内燃機関では、高温の排気が排気バルブを通じて排気通路に排出される。このため、シリンダヘッド１における熱変形は排気カムシャフト５寄りの部位ほど大きくなる。この点、上記構成によれば、シャフト７が挿通される貫通孔４１ｄが吸気カムシャフト６よりも排気カムシャフト５に近接して形成される。すなわち、支持台４の受け部材４１においてシリンダヘッド１からの受熱量が多く熱変形度合が大きくなる部位に近接してシャフト７が配置される。このため、受け部材４１において排気カムシャフト５近傍における熱変形が的確に抑制されるようになる。

また、シャフト７は各貫通孔４１ｄに挿通された状態で各支持台４と共にシリンダヘッド１に組み付けられる。また、シリンダヘッド１は各支持台４及びシャフト７が組み付けられた状態でヘッドボルト３によってシリンダブロック２に組み付けられる。ここで、図３に示すように、ヘッドボルト３の締め付け軸力によってシリンダヘッド１の頂面１ａは平面状態から僅かに歪むこととなる。このため、シャフト７は各貫通孔４１ｄの内壁によって押圧された状態に維持され、各支持台４に対して固定されるようになる。尚、図３では、説明の便宜上、シリンダヘッド１の頂面１ａの歪みが誇張して示されるとともに、シャフト７の図示が割愛されている。

以上説明した本実施形態に係るカムシャフト支持構造によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。

（１）支持台４は各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌにおいて互いに離間して複数設けられている。また、各支持台４には各カムシャフト５，６を支持する軸受部４５ｂ，４５ｃと各カムシャフト５，６の軸線方向Ｌに延びる貫通孔４１ｄとが形成されている。各貫通孔４１ｄには各軸受部４５ｂ，４５ｃが内燃機関の冷温停止状態における配設位置から変位することを規制するシャフト７が挿通されている。こうした構成によれば、各カムシャフト５，６を支持する複数の支持台４について、これらの軸受部４５ｂ、４５ｃの同軸度が機関運転に伴い悪化することを好適に抑制することができるようになる。尚、ここでの内燃機関の冷温停止状態とは、内燃機関の運転が停止されており、且つ直前の機関運転による熱的影響が無視できる状態を意味する。

（２）シャフト７は支持台４よりも高い剛性を有する材料にて形成されている。具体的には、支持台４がアルミニウム合金にて形成されているのに対し、シャフト７はアルミニウム合金よりも剛性の高いステンレス鋼にて形成されている。こうした構成によれば、支持台４の熱変形を的確に抑制することができるようになる。

（３）貫通孔４１ｄは吸気カムシャフト６よりも排気カムシャフト５に近接して形成されている。こうした構成によれば、受け部材４１においてシリンダヘッド１からの受熱量の大きい排気カムシャフト５近傍における熱変形を的確に抑制することができる。

尚、本発明に係るカムシャフト支持構造は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記実施形態では、排気駆動式の過給機、所謂ターボチャージャを搭載した内燃機関に対して本発明を適用したが、機関駆動式の過給機、所謂スーパチャージャを搭載した内燃機関に対しても本発明を適用することができる。

・上記実施形態及びその変形例では過給機を搭載した内燃機関に対して本発明を適用した。しかしながら、本発明は過給機を搭載した内燃機関にのみ適用されるものではなく、過給機を搭載していない内燃機関に対しても本発明を適用することはできる。この場合、シリンダヘッドから各支持台が受ける熱量は過給機を搭載したものに比べれば小さなものとはなるものの、上記実施形態と同様にして、各支持台の軸受部の同軸度が機関運転に伴い悪化することを好適に抑制することができるようになる。

・上記実施形態によるように貫通孔４１ｄが吸気カムシャフト６よりも排気カムシャフト５に近接して形成されるものとすることが、受け部材４１においてシリンダヘッド１からの受熱量の大きい排気カムシャフト５近傍における熱変形を的確に抑制する上では望ましい。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、例えば排気カムシャフト５と吸気カムシャフト６との中央位置Ｐｃに貫通孔を形成するようにしてもよい。この場合であっても、受け部材の熱変形をある程度は抑制することができるようになる。

・上記実施形態では、各支持台４に１つの貫通孔４１ｄが形成されるものについて例示した。これに代えて、各支持台４に２つ以上の貫通孔を形成するとともに、これら貫通孔の数に対応して２本以上のシャフトを設けるようにしてもよい。この場合、各支持台の熱変形を一層抑制することができるようになる。

・上記実施形態では、ステンレス鋼製のシャフト７について例示したが、シャフトとしては支持台よりも高い剛性を有する材料からなるものであればよく、任意の材料からなるシャフトに置換することができる。

１…シリンダヘッド、１ａ…頂面、２…シリンダブロック、３…ヘッドボルト、４…支持台、４１…受け部材、４１ａ…当接面、４１ｂ，４１ｃ…下側凹部、４１ｄ…貫通孔、４２…排気側キャップ部材、４２ｂ…上側凹部、４３…吸気側キャップ部材、４３ｃ…下側凹部、４４…ボルト、４５ｂ，４５ｃ…軸受部、５…排気カムシャフト、５ａ…カムジャーナル、５１…排気カム、６…吸気カムシャフト、６ａ…カムジャーナル、６１…吸気カム、７…シャフト。

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダヘッド上に取り付けられてカムシャフトを回転自在に支持する支持台が設けられたカムシャフト支持構造であって、
   前記支持台は前記カムシャフトの軸線方向において互いに離間して複数設けられ、
   各支持台には前記カムシャフトを支持する軸受部と前記カムシャフトの軸線方向に延びる貫通孔とが形成され、
   各貫通孔には各軸受部が内燃機関の冷温停止状態における配設位置から変位することを規制するシャフトが挿通されてなる
   ことを特徴とするカムシャフト支持構造。
2. 請求項１に記載のカムシャフト支持構造において、
   前記シャフトは前記支持台よりも高い剛性を有する材料にて形成されてなる
   ことを特徴とするカムシャフト支持構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のカムシャフト支持構造において、
   前記支持台は、前記シリンダヘッド上に取り付けられて前記カムシャフトを受ける受け部材と、同受け部材の頂面に取り付けられて同受け部材と共に前記軸受部を形成するキャップ部材とを有してなり、
   前記貫通孔は前記受け部材に形成されてなる
   ことを特徴とするカムシャフト支持構造。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のカムシャフト支持構造において、
   前記支持台は前記カムシャフトとしての排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの双方を受けるものとされ、
   前記貫通孔は前記吸気カムシャフトよりも前記排気カムシャフトに近接して形成されてなる
   ことを特徴とするカムシャフト支持構造。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のカムシャフト支持構造において、
   内燃機関は過給機を備えてなる
   ことを特徴とするカムシャフト支持構造。

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