JP6167246B2 - シリンダブロック及びそれを備えたエンジン - Google Patents

Description

本発明は、軽量化に伴う剛性低下を抑制するシリンダブロック及びそれを備えたエンジンに関するものである。

近年、自動車用等のエンジンにおいて、熱効率を向上するべく高圧縮比化が促進されているが、高圧縮比化することによりピストンに加わる爆発荷重が増大すると、ＮＶ（ノイズ・バイブレーション）性能が悪化するという問題がある。ＮＶ性能の悪化はシリンダブロックの剛性不足により生じるため、ＮＶ性能の対策としてシリンダブロックの剛性を高める必要がある。

また、特にディーゼルエンジンにおいては、ガソリンエンジンよりも圧縮比が高いため、剛性の高い鉄製ピストンを用いるとよい。しかしながら、鉄製ピストンは剛性が高い反面、ガソリンエンジンに用いられているアルミニウム製ピストンよりも重いことから、重量物となる鉄製ピストンの運動に対する剛性を確保するために、シリンダブロックを鋳鉄製にして対応していた。

一方、エンジンの小型化に伴う高回転化・低燃費化の向上のために軽量化が促進されており、軽量化を促進するためにはシリンダブロックをアルミニウム等の軽合金製にするとよい。しかしながら、ディーゼルエンジンにおいて、シリンダブロックを軽合金製とした場合には鉄製ピストンの運動に対する剛性不足が生じる虞がある。

シリンダブロックの剛性の補強として、軽量化のためにクランクケースのスカート部の肉厚を薄肉化した場合に、ピストンの往復動方向の力によりスカート部に生じる曲げ変形を抑制するべく、スカート部の外表面に、シリンダ軸線方向及びクランク軸線方向のそれぞれに対して斜めに延在しかつ互いに交差するリブを設けたものがある（特許文献１参照）。また、シリンダブロック外壁に、シリンダヘッドを締結するためのヘッドボルト用のねじ孔を有するボス部が複数設けられた構造において、隣り合うボス部間で、ボス部の下方に位置するスカート部の上端部とボス部の下端とを連結する２本のリブを互いに交差するようにシリンダブロック外壁に設けたものがある（特許文献２参照）。

特開平７−２４７８９９号公報 特許第４５３２４３０号公報

一方、内燃機関の騒音の一つとしてピストンスラップ騒音がある。ピストンスラップは、燃焼圧力とコンロッド反力の合力がピストンに作用し、ピストンが首振り運動してシリンダ壁と衝突することによって、振動や騒音が発生する現象である。そのため、ピストンの重量が大きいと、ピストンスラップも大きくなる。

ピストンスラップを低減するために種々の技術が提案されており、例えばピストンの軽量化が有効である。しかしながら、高圧縮比化されたエンジン、特にディーゼルエンジンでは、上述したように剛性の高いピストンである鉄製ピストンを用いることにより、ピストンスラップに対するピストンによる影響が大となる。さらに、軽量化のためにシリンダブロックを軽合金製にする場合には、鉄製ピストンの運動に対応し得るように剛性を高める必要がある。

シリンダブロックの剛性を高めるためには、上記各特許文献に記載されているようにシリンダブロックにリブを設けることが考えられる。しかしながら、特許文献１や特許文献２のようにシリンダブロックのスカート部側に設けただけでは、特に圧縮行程の終わり（上死点側）でピストンの首振り運動により生じるピストンスラップに対して対応できないという問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑み、ＮＶ性能を向上すると共に軽量化を促進することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ピストン（６）を往復動自在に受容するべきシリンダを画定するシリンダ壁（２）と、前記シリンダ壁の外側にウォータジャケット（１２）を画定すると共に前記シリンダ壁を外囲するように設けられたシリンダブロック外壁（３ａ）とを有するシリンダブロック（３）であって、前記シリンダ壁の各クランク軸線方向側部分に対応する前記シリンダブロック外壁の外面に、オイル通路（１６）を内部に形成するべく外向きに突出する突条（１５）がシリンダ軸線（ＣＹ）方向に延設され、前記両突条間に、互いに交差するように２本のリブ（２１）がクランク軸線（ＣＲ）方向に対して斜め方向に延設されていることを特徴とする。

この構成によれば、シリンダブロック外壁の両突条間が、両突条間で互いに交差する２本のリブにより補強されることにより、シリンダ壁を外囲する部分の剛性が高められるため、上死点位置側でのピストンの首振り運動に伴ってピストンがシリンダ壁に衝当して生じる打音及び振動がシリンダブロック外壁を伝わってエンジンの騒音及び振動になることを抑制することができると共に、軽量化をも促進できる。また、両突条間に斜めに設けられた２本のリブにより、爆発時の衝撃でシリンダブロックに生じる口開き方向（シリンダ壁のシリンダヘッド側が拡径される方向）での変形を抑制できるので、ピストンの摺動音を軽減することができる。

また、上記の発明において、前記リブ（２１）の前記シリンダブロック外壁の外面からの高さが、前記交差する部分（２１ａ）において、他の部分よりも小さくなるように形成されているとよい。

リブを両突条により両端を固定された両端固定梁とすると、梁の中央部分となる２本のリブの交差する部分の高さを他の部分よりも小さくして、剛性を確保しつつ軽量化を促進することができる。これにより、リブの交差部分の高さを、ピストン速度が高くなるシリンダ壁のシリンダ軸線方向中央部周辺の膨脹を促進するように小さくして、交差部分の剛性を低くすることにより、ピストン速度が高くなる部分のシリンダ壁とピストンとの摩擦抵抗を低減することができると共に、爆発時におけるシリンダ壁の変形を抑制してピストンの摺動音を軽減することができる。

また、前記リブの稜線（２１ｂ）が外向きに凹形をなすとよい。これにより、両端固定梁の等分布荷重における曲げモーメントに対応させる形状とすることができ、軽量化を促進しつつ、剛性確保による制振効果を得ることができる。

また、前記交差する部分（２１ａ）が、前記ピストンが上死点に位置するときのピストンスカート（６ａ）の最下部に略対向する位置に設けられているとよい。

この構成によれば、上死点近傍においてピストンが首振り運動することによりピストンスカートの最下部がシリンダ壁に衝当する部分の剛性を高めることができ、衝当による打音及び振動がシリンダブロック壁を伝達していくことが抑制されるため、ピストンスカートの最下部がシリンダ壁に衝当する際の振動及び騒音を低減することができる。

また、前記交差する部分（２１ａ）が、前記ウォータジャケット（１２）の前記シリンダ軸線方向の端部（下死点側の端部）に略対向する位置に設けられているとよい。

シリンダブロック外壁において、ウォータジャケットのシリンダ軸線方向の下端部に対応する部分は、ウォータジャケットの底部を画定するべく、ウォータジャケットが設けられていない部分から外方に延出する部分を有し、その外方に延出する部分がリブとして作用して剛性が高められると、シリンダ壁の膨脹変形が抑制されてシリンダ壁とピストンとの摩擦抵抗が高まるようになる。その部分に略対向する位置にリブの交差部分が設けられ、交差部分の高さを小さくすることにより、シリンダ壁の膨脹を促進することができ、シリンダ壁とピストンとの摩擦抵抗を低減し得る。

また、軽合金製である上記発明のシリンダブロック（３）及び鉄製ピストン（６）を備えるエンジン（１）であるとよい。この構成によれば、ピストンを鉄製にしてディーゼルエンジンのような高圧縮比に耐えられる剛性を確保することにより高圧縮比による熱効率の向上を促進し、シリンダブロックをアルミニウム製にして軽量化を促進すると共にリブにより剛性が確保されるため、ピストンのシリンダ壁への衝撃を抑制することができ、エンジンの長寿命化を図ることができる。

このように本発明によれば、シリンダブロックのＮＶ性能を向上すると共に軽量化を促進することができる。

本発明が適用されたエンジンの要部縦断面図 図１の矢印II線方向から見た要部拡大斜視図 図１の矢印III線方向から見たシリンダブロックの一方の側面図 図１の矢印IV線方向から見たシリンダブロックの他方の側面図 図２のＶ−Ｖ線に沿って破断して矢印方向に見たリブの要部拡大断面図 リブの第２の例を示す図５に対応する図

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたエンジンの要部縦断面図である。なお、本発明は、実施形態としてディーゼルエンジンに適用した例を示すが、ガソリンエンジンにも適用し得る。

エンジン１は、シリンダを画定する円筒状のシリンダ壁２を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面（図においてシリンダ軸線ＣＹに直交する上側の面）に接合されたシリンダヘッド４と、シリンダブロック３の下面に接合されたオイルパン５とを備える。なお、本実施形態のエンジン１は直列４気筒エンジンであるが、他の気筒数の多気筒エンジンや単気筒エンジンであってもよい。

シリンダ壁２内には軸線方向に摺動自在にピストン６が収容されており、ピストン６には、ピストンピン７を介してコネクティングロッド８の小端部８ａが連結されている。コネクティングロッド８の大端部８ｂは、クランクピン９を介してクランクシャフト１１と連結されている。なお、ピストンピン７及びクランクピン９は、クランクシャフト１１の軸線（クランク軸線ＣＲ）と平行に延在している。

図１の矢印II線方向から見た要部拡大斜視図に示されるように、シリンダブロック３は、シリンダ壁２の外側にウォータジャケット１２を画定すると共にシリンダ壁２を外囲するシリンダブロック外壁３ａと、シリンダブロック外壁３ａの下側から拡幅された形状のスカート部３ｂとを有する。スカート部３ｂの下面にオイルパン５が接合されており、スカート部３ｂとオイルパン５とによりクランクケース１３が形成されている。ウォータジャケット１２は、シリンダブロック３の上面に開口し、各シリンダ壁２を気筒列全体で外囲するように設けられている。

図３は、図１の矢印III線方向から見たシリンダブロック３の気筒列方向に延在する一方の側面図であり、図４は、図１の矢印IV線方向から見た他方の側面図である。図２〜４に示されるように、シリンダブロック外壁３ａのクランク軸線ＣＲに沿う両外面には、シリンダ壁２の各クランク軸線ＣＲ方向側部分、すなわちシリンダ壁２をクランク軸線ＣＲ方向に挟むように位置する両側部分に対応する位置に、シリンダブロック外壁３ａから外向きに突出し、かつシリンダ軸線ＣＹ方向に延設された突条１５がそれぞれ形成されている。

突条１５内には、シリンダヘッド４の内部とクランクケース１３とを連通するオイル通路１６が設けられている。なお、本実施形態におけるオイル通路１６には、シリンダヘッド４内のオイルをオイルパン５に戻すオイルリターン通路と、クランクケース１３内のブローバイガスを通すブローバイガス還元通路とが含まれる。

本実施形態では、ピストン６は、ディーゼルエンジンの高圧縮比に対応して鋳造等により製造された鉄製であり、シリンダブロック３は、エンジン１の軽量化を促進し得るようにアルミダイキャスト等により製造された軽合金製である。また、鉄製により重量物となるピストン６がシリンダ壁２内を往復運動することから、シリンダブロック３の剛性を高める必要がある。

本実施形態では、シリンダブロック外壁３ａの外面には、隣り合う両突条１５間において、互いにＸ字状に交差するようにクランク軸線ＣＲ方向に対して斜めの方向に延設された２本のリブ２１が突設されている。リブ２１は、両突条１５間を橋渡しするように形成されている。また、シリンダブロック外壁３ａの外面には、ウォータジャケット１２が設けられていない部分において気筒列方向に延在する上側横リブ２２と、スカート部３ｂの上部（シリンダ壁２とスカート部３ｂとの略境界部分）において気筒列方向に延在する下側横リブ２３とがそれぞれ設けられている。

なお、シリンダブロック外壁３ａの図３に示される一方の外面では、上側横リブ２２及び下側横リブ２３はシリンダブロック３の気筒列方向全長に亘って延在するように設けられている。図４に示される他方の外面では、オイルクーラーやオイルポンプといった補機部品を取り付けるべく突出する環状ボス部２４が形成されている部分では環状ボス部２４が補強リブとして機能することから、環状ボス部２４が設けられている部分を除いて、シリンダブロック３の気筒列方向に延在するように上側横リブ２２及び下側横リブ２３が設けられている。このようにして、適所に設けられた各リブ２１〜２３によりシリンダブロック３の剛性が適所で補強されている。

上死点側と下死点側とにおいてピストン６が首振り運動により傾倒することから、それぞれの所でピストンスカート６ａの最下部（クランクケース１３側の端部）がシリンダ壁２に衝当する。ピストン６の首振り運動の方向はピストンピン７の周方向であることから、上死点側でのピストンスカート６ａの最下部がシリンダ壁２の壁面に衝当する位置はシリンダブロック外壁３ａの両突条１５間の中央部分となる。このようなピストンスカート６ａの最下部の衝当による打音を軽減するべく、ピストン６が上死点に位置するときのピストンスカート６ａの最下部に対応する位置に、一対のリブ２１の互いに交差する部分である交差部分２１ａが位置するようにされている。

これにより、シリンダブロック外壁３ａにおいて、ピストン６が上死点に位置するときのピストンスカート６ａの最下部に対応する部分の剛性を高めることができ、上死点近傍でピストン６が傾倒してピストンスカート６ａの最下部がシリンダ壁２に衝当することにより生じるピストンスラップによる音や振動を抑制し得る。また、爆発時のシリンダ壁２の変形を抑制することができ、これによりピストン６の摺動音を軽減できる。

なお、ピストン６が図１の二点鎖線で示される下死点に位置するときのピストンスカート６ａの最下部の位置は、シリンダ壁２の下端部となるシリンダブロック外壁３ａとスカート部３ｂとの接続部分に略対向する位置となる。スカート部３ｂは、シリンダブロック外壁３ａから外方に延出されて拡がるように形成されていることから、シリンダブロック外壁３ａの変形を抑制し得る。これにより、下死点近傍でピストン６が傾倒してピストンスカート６ａの最下部がシリンダ壁２の壁面に衝当する部分の剛性を高めることができ、ピストンスラップによる音や振動を抑制し得る。なお、本実施形態では、上述したように、シリンダブロック外壁３ａの下側部分（スカート部３ｂ側部分）には上側横リブ２２及び下側横リブ２３が設けられており、これらリブ２２・２３を併せてシリンダブロック外壁３ａの剛性が確保されている。

また、シリンダブロック外壁３ａにおいて、ウォータジャケット１２のシリンダ軸線ＣＹ方向下部に対応する部分には、ウォータジャケット１２の底部を画定するべく、ウォータジャケット１２が設けられていない部分から外方に延出する延出部２５（図１参照）が形成されている。延出部２５は、シリンダ壁２の径方向外側に延出する部分を有するように形成されていることから、シリンダブロック外壁３ａのウォータジャケット１２の底部に対応する部分の剛性が高められる。シリンダブロック外壁３ａの剛性が高められている部分では、シリンダ壁２とピストン６との摩擦抵抗が高まるようになる。

それに対して、シリンダブロック外壁３ａにおけるウォータジャケット１２の外方を覆う部分であってウォータジャケット１２の底部に対応する部分に交差部分２１ａが設けられており、上述したように交差部分２１ａの高さを小さくすることにより、シリンダ壁２における交差部分２１ａに対向する部分の膨脹を促進することができる。これにより、シリンダ壁２とピストン６との摩擦抵抗を低減し得る。

また、シリンダ壁２内で首振り運動するピストン６の打音や振動は、シリンダ壁２からシリンダブロック外壁３ａの内部を伝達して外面に至り、エンジン１の騒音や振動となる。したがって、シリンダブロック外壁３ａのウォータジャケット１２の底部に対応する部分では、延出部２５を介して、シリンダブロック外壁３ａにおけるウォータジャケット１２の外方を覆う部分に打音や振動が伝達される。その伝達される部分に交差部分２１ａが設けられていることから、交差部分２１ａは他の部分（シリンダブロック外壁３ａのリブ２１が設けられていない薄肉部分）よりも剛性が高いため、騒音や振動を抑制し得る。

図５は、シリンダブロック外壁３ａの一方の外面に設けられたリブ２１の延在方向に沿う断面で見た要部拡大断面図である。図に示されるように、リブ２１のシリンダブロック外壁３ａからの突出方向高さは、交差部分２１ａが他の部分よりも小さくされている。なお、交差する他方のリブ２１においても同様であり、また他方の外面に設けられたリブ２１においても同様であり、それらの説明を省略する。

交差部分２１ａの高さが小さくなるリブ２１の形状としては、リブ２１の稜線２１ｂが図に示されるように半径Ｒの球面に合わせた円弧状にて外向きに凹形になるとよい。両突条１５に両端部が支持された形状のリブ２１において、両端固定梁における等分布荷重に対応させた場合には、高さが弧状に低減することにより、曲げモーメントに対する剛性の確保と軽量化とを達成することができる。また、爆発時の衝撃でシリンダブロック３に生じる口開き（シリンダ壁２のシリンダヘッド４側の開き）方向の変形がリブ２１により抑制されるため、ピストン６の首振り運動が抑制され、ピストン６の摺動音を軽減できる。

一方、半径Ｒの大きさを変えて交差部分２１ａの高さを小さくすることにより、交差部分２１ａの剛性を低減することができる。図１に示されるストロークＳの中央部の周辺領域はピストン６の速度が高くなる部分である。そのストロークＳの中央部に対向するように、円弧状の稜線２１ｂにより剛性が低くされた交差部分２１ａが位置することにより、シリンダ壁２のストロークＳの中央部における膨脹が促進されるため、ピストン６とシリンダ壁２との摩擦抵抗が低減される。

なお、交差部分２１ａの高さを小さくするリブ２１の稜線２１ｂの形状としては、半径Ｒの円弧状に形成された図示例の外向きに凹形に限定されるものではなく、突条１５側に高い部分を有し、その高い部分に対して交差部分２１ａの高さが相対的に低くされていればよい。例えば、リブ２１の稜線２１ｂが、シリンダ軸線ＣＹ又はシリンダ軸線ＣＹに直交する方向（気筒列方向）と平行な軸線を有する円筒面に合わせた楕円弧状に外向きの凹形になってもよい。或いは、図６に示されるように、稜線２１ｂが直線状に延在するリブ２１であってもよい。シリンダブロック外壁３ａの両突条１５間の外面が円筒状のシリンダ壁２に応じて弧状の面（図の破線）を有するように形成されている場合には、稜線２１ｂが直線であっても、シリンダブロック外壁３ａの両突条１５間の外面が外方に最も突出する部分に交差部分２１ａが位置するようになるため、リブ２１のシリンダブロック外壁３ａの外面からの高さは交差部分２１ａで小さくなる。これにより、上記と同様の作用効果を奏し得る。

また、図１に示したように、交差部分２１ａは、ウォータジャケット１２の底部に対応する部分に位置している。上述したようにウォータジャケット１２はシリンダ壁２のシリンダ軸線ＣＹ方向長さの略半分の深さを有しており、ウォータジャケット１２の底部に対応する部分は、ストロークＳの中間部分に対応している。ストロークＳの中央部の周辺領域は上述したようにピストン６の速度が高くなる部分であることから、シリンダブロック３においてウォータジャケット１２の底部を囲う部分が薄肉形状である場合に、併せて交差部分２１ａの高さを低くしたことにより、シリンダ壁２のストロークＳの中央部における膨脹が促進されるため、ピストン６とシリンダ壁２との摩擦抵抗が低減される。なお、交差部分２１ａ以外のリブ２１の高さを十分に高くすると共に、シリンダ壁２の軸線に対して斜めにリブ２１が延在することにより、爆発時のシリンダブロック３に生じる口開き方向への変形を防止することができるため、爆発により生じるピストン６のがたつきが抑制され、ＮＶ性能が向上する、すなわち振動や騒音が軽減される。

このようにリブ２１が設けられていることから、エンジン１における高圧縮比に対応してピストン６を鉄製とし、それに対して軽量化のためにシリンダブロック３をアルミニウム合金等の軽合金製とした場合でも、重量物となるピストン６の首振り時のシリンダ壁２への衝撃に対する剛性を確保することができ、エンジン１の長寿命化を促進することができる。

以上、本発明を、その好適実施形態の実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では突条１５でリブ２１が分断されるように各リブ２１が設けられているが、突条１５を跨ぐように隣り合うリブ２１間が連続するように形成されていてもよい。この場合には突条１５が補強される。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１ エンジン
２ シリンダ壁
３ シリンダブロック
３ａ シリンダブロック外壁
６ ピストン
６ａ ピストンスカート
１２ ウォータジャケット
１５ 突条
１６ オイル通路
２１ リブ
２１ａ 交差部分（交差する部分）
２１ｂ 稜線
ＣＲ クランク軸線
ＣＹ シリンダ軸線

Claims (5)

1. ピストンを往復動自在に受容するべきシリンダを画定するシリンダ壁と、
   前記シリンダ壁の外側にウォータジャケットを画定すると共に前記シリンダ壁を外囲するように設けられたシリンダブロック外壁とを有するシリンダブロックであって、
   前記シリンダブロック外壁のクランク軸線方向に沿う部分の外面における、前記シリンダ壁のクランク軸線方向の両端部に対応する部分に、オイル通路を内部に形成するべく外向きに突出する突条がシリンダ軸線方向に延設され、
   前記両突条間に、互いに交差するように２本のリブがクランク軸線方向に対して斜め方向に延設され、
   前記２本のリブの前記シリンダブロック外壁の外面からの高さが、前記交差する部分において、他の部分よりも小さくなるように形成されていることを特徴とするシリンダブロック。
2. 前記リブの稜線が凹形をなすことを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック。
3. ピストンを往復動自在に受容するべきシリンダを画定するシリンダ壁と、
   前記シリンダ壁の外側にウォータジャケットを画定すると共に前記シリンダ壁を外囲するように設けられたシリンダブロック外壁とを有するシリンダブロックであって、
   前記シリンダブロック外壁のクランク軸線方向に沿う部分の外面における、前記シリンダ壁のクランク軸線方向の両端部に対応する部分に、オイル通路を内部に形成するべく外向きに突出する突条がシリンダ軸線方向に延設され、
   前記両突条間に、互いに交差するように２本のリブがクランク軸線方向に対して斜め方向に延設され、
   前記交差する部分が、前記ピストンが上死点に位置するときのピストンスカートの最下部に略対向する位置に設けられていることを特徴とするシリンダブロック。
4. 前記交差する部分が、前記ウォータジャケットの前記シリンダ軸線方向の端部に略対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載のシリンダブロック。
5. 軽合金製である請求項１及び請求項３乃至請求項５のいずれかに記載されたシリンダブロック及び鉄製ピストンを備えるエンジン。

Images