JP2007309254A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッド本体の上に別体のカムハウジングが載置される構造の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、排気側の端部におけるシリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間の口開き量を低減する。
【解決手段】吸・排気カムシャフト３３，３４を支持するカムハウジング３１がシリンダヘッド本体２０に複数のボルト５０によって締結された内燃機関のシリンダヘッド１２を次のような構成とする。シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１とを締結するボルト５０の締結箇所が吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部となっている一方で、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分ではボルト締結が行われていない。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関し、詳細には、シリンダヘッドにおけるシリンダヘッド本体とその上に設けられるカムハウジングとのボルト締結構造に関する。

内燃機関のシリンダヘッドとして、シリンダヘッド本体の上に、別体のカムハウジングが載置される構造のものが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１，２には、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを支持するカムハウジングがシリンダヘッド本体上に載置されたシリンダヘッドが開示されており、複数のボルトによってカムハウジングがシリンダヘッド本体に締結されることが示されている。そして、ボルト締結が、吸気カムシャフトよりも外側の箇所、排気カムシャフトよりも外側の箇所、および、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの中間の箇所において行われていることが示されている。つまり、カムハウジングのシリンダヘッド本体へのボルト締結箇所が、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部、および、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分となっている。
特開昭６０−２１６０１１号公報 特開２００２−２０５１５９号公報

ところで、内燃機関のシリンダヘッドは、排気ガスの熱によって熱膨張するが、シリンダヘッドの吸気側の部分および中間の部分はあまり熱膨張しないのに対し、排気側の部分は大きく熱膨張する。したがって、上記特許文献１，２に記載のようなシリンダヘッド本体とカムハウジングとがボルトによって締結される構造のシリンダヘッドにおいては、シリンダヘッド本体の吸気側の部分および中間の部分に比べ、排気側の部分の熱膨張量が大きくなる。そして、このようなシリンダヘッド本体の熱膨張にともない、カムハウジングは、その排気側の部分が上方に持ち上げられるように変形し、シリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面（合わせ面）間の面圧を低下させようとする力が発生する。その結果、シリンダヘッドの排気側の端部で、シリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間が開く、いわゆる口開きの現象が発生する。

シリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間は、ガスや潤滑油等の外部への洩れを防止するために、シールガスケットによりシールされている。しかし、上述のようなシリンダヘッドの排気側の端部における口開きが発生すると、その部分でシールができず、ガスや潤滑油等が外部へ洩れてしまう。

上記特許文献１，２に記載のようなシリンダヘッドでは、カムハウジングのシリンダヘッド本体へのボルト締結箇所が、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部、および、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分となっており、カムハウジングは、ボルト締結箇所となった吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分よりも排気側の部分が上方に持ち上げられるように変形する。ここで、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分のボルト締結箇所が排気側の端部に近いほど、つまり、カムハウジングの変形部分の長さが小さいほど、カムハウジングの上方への変形が急激になる。そして、シリンダヘッドの排気側の端部における口開き量が大きくなり、ガスや潤滑油等が外部へ洩れやすくなるという問題点がある。

本発明は、そのような問題点を鑑みてなされたものであり、シリンダヘッド本体の上に別体のカムハウジングが載置される構造の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、排気側の端部におけるシリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間の口開き量を低減することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、吸・排気カムシャフトを支持するカムハウジングがシリンダヘッド本体に複数のボルトによって締結された内燃機関のシリンダヘッドであって、前記シリンダヘッド本体とカムハウジングとを締結するボルトの締結箇所が吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部となっている一方で、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分ではボルト締結が行われていないことを特徴としている。

上記構成によれば、シリンダヘッド本体とカムハウジングとを締結するボルトの締結箇所が吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部、および、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分となっている場合に比べて、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分でのボルト締結を行っていない分、シリンダヘッドの排気側端部におけるシリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間の開き量（口開き量）を低減することができる。そして、シリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間のシールを確保でき、ガスや潤滑油等の外部への洩れを抑制できる。また、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分でボルト締結を行わない分、生産性の向上やコストダウンを図ることができる。

ここで、シリンダヘッドにおいて、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分でのボルト締結を行わない場合、吸・排気カムシャフトの回転等によるカムハウジングの振動によって、異音の発生やカムハウジングの吸・排気カムシャフトを支持する部分の摩耗が懸念される。そのため、カムハウジングの吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分と、シリンダヘッド本体との間に、弾性部材を圧縮状態で介在させることが好ましい。こうすると、カムハウジングの振動に追従して弾性部材が伸縮して、その振動が吸収される。これにより、カムハウジングの振動による異音の発生やカムハウジングの吸・排気カムシャフトを支持する部分の摩耗を防止することができる。

また、弾性部材として断熱性を有する部材を用いることが好ましい。こうすると、弾性部材の断熱作用によって、シリンダヘッド本体からカムハウジングへの熱伝導が効果的に抑制されるので、カムハウジングの熱膨張を抑制することができる。そして、これにより、カムハウジングの吸・排気カムシャフトを支持する部分の間（カムジャーナル間）の距離の変化を低減することができる。

本発明によれば、シリンダヘッド本体とカムハウジングとを締結するボルトの締結箇所が吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部、および、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分となっている場合に比べて、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分でのボルト締結を行っていない分、シリンダヘッドの排気側端部におけるシリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間の口開き量を低減することができる。そして、シリンダヘッド本体とカムハウジングとの互いの取り付け面間のシールを確保でき、ガスや潤滑油等の外部への洩れを抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を車両に搭載される内燃機関（エンジン）に適用した例を挙げて説明する。

まず、エンジンの概略構成について、図１、図２を用いて説明する。

エンジン１０は、例えば、直列４気筒エンジンであって、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２を備えて構成されている。なお、図１には、１つの気筒のみを示している。

シリンダブロック１１は、気筒（シリンダ）１３を有しており、この気筒１３には、ピストン１４が往復移動可能に収容されている。ピストン１４よりも上側の空間は燃焼室１５となっている。ピストン１４は、コネクティングロッドを介して出力軸であるクランクシャフトに連結されている。そして、ピストン１４の往復動がコネクティングロッドによって回転運動に変換された後、クランクシャフトに伝達される。

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上に載置されるシリンダヘッド本体２０と、このシリンダヘッド本体２０の上に載置されるシャフト支持部３０とを備えて構成されている。

シリンダヘッド本体２０は、複数のボルトによってシリンダブロック１１に締結されている。シリンダヘッド本体２０は、例えば、アルミニウム合金等からなる。シリンダヘッド本体２０には、吸気通路の一部をなす吸気ポート２１と、排気通路の一部をなす排気ポート２２とが形成されている。シリンダヘッド本体２０には点火プラグ２９が取り付けられている。その点火プラグ２９の電気火花によって、吸気ポート２１を通って燃焼室１５内に導入される混合気が着火され、爆発・燃焼する。このとき生じた高温高圧の燃焼ガスによって、ピストン１４が往復動され、クランクシャフトが回転されて、エンジン１０の駆動力（出力トルク）が得られる。なお、上述の吸気通路には、燃料を噴射する燃料噴射弁が取り付けられており、この燃料噴射弁により噴射された燃料が、吸気ポート２１を通って導入される吸入空気と混ざり合って混合気となる。また、燃焼ガス（排気ガス）は排気ポート２２を通じて上述の排気通路へ排出される。

シリンダヘッド本体２０には、吸気ポート２１を開閉する吸気バルブ２３と、排気ポート２２を開閉する排気バルブ２４とが配設されている。吸・排気バルブ２３，２４の各バルブステム２３ａ，２４ａの上端部にはリテーナ２６が装着されている。各リテーナ２６とシリンダヘッド本体２０との間であって、各バルブステム２３ａ，２４ａの周りには、バルブスプリング２７が配置されている。各バルブスプリング２７によって、吸・排気バルブ２３，２４が、吸・排気ポート２１，２２を閉鎖する方向（閉弁方向、図１のほぼ上方）へ付勢されている。また、各バルブステム２３ａ，２４ａの上端部には、バルブリフタ２８が組み付けられている。各バルブリフタ２８は、後述する吸・排気カム３５，３６の下方に配置されている。

シャフト支持部３０は、カムハウジング３１とカムキャップ３２とを備えており、吸・排気バルブ２３，２４を駆動する吸・排気カムシャフト３３，３４を回転可能に支持するために設けられている。カムハウジング３１およびカムキャップ３２は、例えば、アルミニウム合金等からなる。

この例では、カムハウジング３１およびカムキャップ３２として、吸気カム３５を有する吸気カムシャフト３３を支持する吸気側の部分と、排気カム３６を有する排気カムシャフト３４を支持する排気側の部分とが一体的に形成されているものが用いられている。つまり、カムハウジング３１およびカムキャップ３２が、それぞれ吸気側の端部（図１、図２の左端部）から排気側の端部（図１、図２の右端部）にわたって延びている。

カムハウジング３１には、半円形状の軸受凹部４１が吸気バルブ２３のほぼ上方に形成されており、半円形状の軸受凹部４２が排気バルブ２４のほぼ上方に形成されている。また、カムキャップ３２には、半円形状の軸受凹部４３がカムハウジング３１の軸受凹部４１に対応する箇所に形成されており、半円形状の軸受凹部４４がカムハウジング３１の軸受凹部４２に対応する箇所に形成されている。つまり、カムハウジング３１の軸受凹部４１とカムキャップ３２の軸受凹部４３とが互いに向き合うように設けられており、カムハウジング３１の軸受凹部４２とカムキャップ３２の軸受凹部４４とが互いに向き合うように設けられている。

そして、カムハウジング３１の軸受凹部４１とカムキャップ３２の軸受凹部４３とによって、吸気カムシャフト３３の軸部分（吸気カム３５が設けられていない部分）が挟まれ、これにより、吸気カムシャフト３３が回転可能に支持されている。カムハウジング３１の軸受凹部４２とカムキャップ３２の軸受凹部４４とによって、排気カムシャフト３４の軸部分（排気カム３６が設けられていない部分）が挟まれ、これにより、排気カムシャフト３４が回転可能に支持されている。

吸・排気カムシャフト３３，３４は、クランクシャフトの回転にともない回転される。これにより、吸・排気バルブ２３，２４が、バルブスプリング２７等に抗して、吸・排気ポート２１，２２を開放させる方向（開弁方向、図１のほぼ下方）へリフトされる。具体的には、吸・排気カムシャフト３３，３４の回転は、吸・排気バルブ２３，２４の各バルブステム２３ａ，２４ａの上端部に組み付けられたバルブリフタ２８を介して、吸・排気バルブ２３，２４に伝達される。したがって、吸・排気カムシャフト３３，３４が回転すると、吸・排気カム３５，３６によってバルブリフタ２８が押圧され、これにより、吸・排気バルブ２３，２４が押し下げられる。この押し下げにより、吸・排気ポート２１，２２が開放された状態（開弁状態）となる。

シリンダヘッド１２においては、シャフト支持部３０のカムハウジング３１は、複数のボルト５０によってシリンダヘッド本体２０に締結されている。次に、シリンダヘッド１２におけるシリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１とのボルト締結構造について説明する。

シリンダヘッド本体２０の吸・排気側の両側部には、ボルト５０がねじ込まれるねじ孔５１，５２が形成されている。具体的には、吸気側のねじ孔５１は、吸気カムシャフト３３よりも外側（図１、図２の左側）に設けられており、排気側のねじ孔５２は、排気カムシャフト３４よりも外側（図１、図２の右側）に設けられている。

上述したように、シャフト支持部３０のカムハウジング３１およびカムキャップ３２は、吸・排気一体型のものとなっている。そして、カムハウジング３１の吸・排気側の両側部には、ボルト５０が挿通される貫通孔５３，５４が形成されている。具体的には、吸気側の貫通孔５３は、シリンダヘッド本体２０のねじ孔５１に対応する箇所に形成されており、軸受凹部４１よりも外側に設けられている。排気側の貫通孔５４は、シリンダヘッド本体２０のねじ孔５２に対応する箇所に形成されており、軸受凹部４２よりも外側に設けられている。

また、カムキャップ３２の吸・排気側の両側部には、ボルト５０が挿通される貫通孔５５，５６が形成されている。具体的には、吸気側の貫通孔５５は、シリンダヘッド本体２０のねじ孔５１に対応する箇所に形成されており、軸受凹部４３よりも外側に設けられている。排気側の貫通孔５６は、シリンダヘッド本体２０のねじ孔５２に対応する箇所に形成されており、軸受凹部４４よりも外側に設けられている。

シリンダヘッド１２の吸気側において、ボルト５０が、カムキャップ３２の貫通孔５５とカムハウジング３１の貫通孔５３とに挿通され、さらにシリンダヘッド本体２０のねじ孔５１に螺合されている。また、シリンダヘッド１２の排気側において、ボルト５０が、カムキャップ３２の貫通孔５６とカムハウジング３１の貫通孔５４とに挿通され、さらにシリンダヘッド本体２０のねじ孔５２に螺合されている。これにより、カムキャップ３２がカムハウジング３１に取り付けられるとともに、カムハウジング３１がシリンダヘッド本体２０に締結されている。

シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面（合わせ面）間には、ガスや潤滑油等の外部への洩れを防止するために、シールガスケットが介装されている。シールガスケットとして、例えば、硬化型液状ガスケットを用いることができる。硬化型液状ガスケットは、例えば、シリコーン樹脂からなるもので、シリンダヘッド１２の組み付けに先立ち、シリンダヘッド本体２０の取り付け面またはカムハウジング３１の取り付け面に予め塗布しておく。そして、塗布された液体状態の硬化型液状ガスケットが、ボルト５０の締結に際してシリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間に挟み込まれることで、それらのクリアランス形状に合わせて変形する。その後、長時間放置することによって、液体状態の硬化型液状ガスケットが硬化して固体になる。これにより、クリアランス形状に合致した形状のガスケットが、シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間に形成される。

また、シリンダヘッド本体２０の中央部（吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分に対応）には、座部６１が設けられている。シリンダヘッド本体２０の座部６１とカムハウジング３１の軸受凹部４１と軸受凹部４２との中央部との間には、ゴム部材６０が介装されている。ゴム部材６０は、上下方向に圧縮された状態で配設されている。ゴム部材６０は、シリンダヘッド１２の組み付けに先立ち、シリンダヘッド本体２０の座部６１の上面またはカムハウジング３１の中央部の下面に、接着、焼付け等によって予め取り付けておく。そして、ゴム部材６０は、ボルト５０の締め付けによるシリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との締結にともなって圧縮される。

上述のようなシリンダヘッド１２におけるボルト締結構造によれば、次のような作用効果が得られる。

すなわち、上述したように、シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１とを締結するボルト５０の締結箇所が、吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部となっている。一方、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分では、ボルト締結は行われていない。これにより、シリンダヘッド１２の排気側端部におけるシリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間の開き量（口開き量）Ｘ（図３）を低減することができる。そして、シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間のシールを確保でき、ガスや潤滑油等の外部への洩れを抑制できる。

これについて、図３、図４を用いて詳しく説明すれば、シリンダヘッド本体２０は、排気ポート２２を通じて排出される排気ガスの熱によって熱膨張する。このとき、シリンダヘッド本体２０の排気側の部分の熱膨張量が大きくなるのに対し、それ以外の部分（吸気側の部分および中間の部分）の熱膨張量は小さい。このため、シリンダヘッド本体２０上のカムハウジング３１は、その排気側の部分が上方に持ち上げられるように変形する。この例では、ボルト５０の締結箇所が吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部となっているため、図３に示すように、カムハウジング３１はその吸気側のボルト５０の締結箇所よりも排気側の部分が上方に変形する。この変形にともない、シリンダヘッド１２の排気側端部において、シリンダヘッド本体２０とカムハウジングとの互いの取り付け面間の面圧を低下させようとする力が発生する。

ここで、ボルト締結箇所が吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部、および、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分となっている場合（図４に示す場合）に比べると、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分でのボルト締結を行っていない分、カムハウジング３１の変形部分の長さＬが大きくなる（Ｌ＞Ｌ１）。これにより、カムハウジング３１の上方への変形が緩やかになり、シリンダヘッド１２の排気側端部における口開き量Ｘを低減することができ（Ｘ＜Ｘ１）、ガスや潤滑油等の外部への洩れを抑制できる。

また、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分でのボルト締結を行っていないため、シリンダヘッド本体２０の燃焼圧変形を抑制することができ、これにともない、カムハウジング３１の変形や吸・排気カムシャフト３３，３４を支持するカムハウジング３１の軸受凹部４１，４２の変形も抑制することができる。しかも、ボルト締結箇所が吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部、および、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分となっている場合に比べて、シリンダヘッド１２では、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分でボルト締結を行わない分、生産性の向上やコストダウンを図ることができる。

ところで、シリンダヘッド１２では、吸気カムシャフト３３と排気カムシャフト３４との間の部分でのボルト締結を行っていないため、吸・排気カムシャフト３３，３４の回転等による振動により、異音の発生や吸・排気カムシャフト３３，３４を支持するカムハウジング３１の軸受凹部４１，４２の摩耗が懸念される。しかし、この例では、上述したように、カムハウジング３１の軸受凹部４１と軸受凹部４２との中央部と、シリンダヘッド本体２０との間に、ゴム部材６０が介在されているので、カムハウジング３１の振動に追従してゴム部材６０が上下方向に伸縮して、その振動が吸収される。これにより、カムハウジング３１の振動による異音の発生やカムハウジング３１の軸受凹部４１，４２の摩耗を防止することができる。

さらに、ゴム部材６０の断熱作用によって、シリンダヘッド本体２０からカムハウジング３１への熱伝導が効果的に抑制されるので、その熱伝導によるカムハウジング３１の熱膨張を抑制することができる。そして、これにより、カムハウジング３１の軸受凹部４１，４２間（カムジャーナル間）の距離の変化を低減することができる。

次に、変形例について説明する。

上述した例において、吸・排気カムシャフト３３，３４の軸方向に沿う方向おけるボルト５０の締結箇所の数は特に限定されない。つまり、カムハウジング３１の吸気カムシャフト３３および排気カムシャフト３４を挟んだ両側部において、ボルト５０の締結箇所は、軸方向に１つずつだけではなく、軸方向に複数ずつ並べて設けられていてもよい。こうすれば、カムハウジング３１の変形部分の長さ（図３ではＬ）が小さくなることがないので、上述した例と同様の作用効果が得られる。また、この場合、ボルト５０の締結箇所が増えると、１つのボルト５０にかかる荷重を低減しながら、シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間の面圧を増大させることができる。これにより、シリンダヘッド１２の排気側端部における口開き量（図３ではＸ）をさらに低減することができ、シール性を向上させることができる。

また、上述した例において、ボルト５０の径は特に限定されない。この場合、ボルト５０の径を大きくすれば、ボルト５０の締め付け軸力が大きくなるので、シリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との互いの取り付け面間の面圧を増大させ、シリンダヘッド１２の排気側端部における口開き量（図３ではＸ）をさらに低減することができ、シール性を向上させることができる。

また、上述した例において、ゴム部材６０の以外の弾性部材をシリンダヘッド本体２０とカムハウジング３１との間に介在させてもよい。この場合、弾性部材は、例えばスポンジのような樹脂製の部材であってもよいし、例えばスプリングのような金属製の部材であってもよい。ただし、弾性部材として断熱性を有する部材を用いれば、上述したゴム部材６０のように、シリンダヘッド本体２０からカムハウジング３１への熱伝導を抑制できる点で効果的である。

本発明のシリンダヘッドを適用するエンジンの一実施形態を示す概略断面図である。 シリンダヘッド本体とカムハウジングとのボルト締結構造を示す断面図である。 シリンダヘッドの熱変形によるカムハウジングの変形を模式的に示す断面図である。 吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分においてもボルト締結を行った場合のシリンダヘッドの熱変形によるカムハウジングの変形を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ シリンダヘッド
２０ シリンダヘッド本体
３０ シャフト支持部
３１ カムハウジング
３２ カムキャップ
３３ 吸気カムシャフト
３４ 排気カムシャフト
５０ ボルト
６０ ゴム部材

Claims (3)

1. 吸・排気カムシャフトを支持するカムハウジングがシリンダヘッド本体に複数のボルトによって締結された内燃機関のシリンダヘッドであって、
   前記シリンダヘッド本体とカムハウジングとを締結するボルトの締結箇所が吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを挟んだ両側部となっている一方で、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分ではボルト締結が行われていないことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 前記カムハウジングの吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間の部分と、前記シリンダヘッド本体との間には、弾性部材が圧縮状態で介在されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記弾性部材は、断熱性を有する部材であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。

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