(57)【要約】【課題】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の提供。【解決手段】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。【選択図】図４
2008180181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンにおいて、
実働時に前記シリンダヘッドに発生する熱と、実働時に前記シリンダブロックに発生する熱とが異なるので、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。
【請求項３】
請求項１又は請求項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エンジン。
【請求項４】
請求項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エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【特許文献１】実公平３−４３４０１号公報
【特許文献２】実開平３−１２７０６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２２５８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
（２）（１）に記載のエンジンにおいて、
実働時に前記シリンダヘッドに発生する熱と、実働時に前記シリンダブロックに発生する熱とが異なるので、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。
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
（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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、実働時にシリンダヘッドに発生する熱と、実働時にシリンダブロックに発生する熱とが異なるので、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（２）（１）に記載のエンジンにおいて、実働時にシリンダヘッド２０に発生する熱と、実働時にシリンダブロック３０に発生する熱とが異なるので、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。
【００５０】
（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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施例の、エンジン１０の断面図を示している。
【図２】本実施例の、エンジン１０を模式的に示した立体斜視図を示している。
【図３】本実施例の、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している。
【図４】本実施例の、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している。
【符号の説明】
【００５４】
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
【図１】
2008180181.tif 000003
【図２】
2008180181.tif 000004
【図３】
2008180181.tif 000005
【図４】
2008180181.tif 000006