特許 7597005 内燃機関のシリンダヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】内燃機関のシリンダヘッド

(51)【国際特許分類】

   F02F 1/24 20060101AFI20241203BHJP

   F01L 1/04 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

F02F1/24 R

F02F1/24 J

F01L1/04 D

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021176534

(22)【出願日】2021-10-28

(65)【公開番号】P2023066044

(43)【公開日】2023-05-15

【審査請求日】2024-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】勝本 晃広

【審査官】鶴江 陽介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１４８１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７９６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１０７４０４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００４－３００９３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｆ １／２４

Ｆ０１Ｌ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平行に配置された第１カムシャフトと、第２カムシャフトとを、カムシャフトハウジングに複数のカムキャップを締結して支持している内燃機関のシリンダヘッドであり、
複数の挿通孔のそれぞれにインジェクタを挿通させて前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトとの間に、先端が各燃焼室に臨むように複数のインジェクタを固定するインジェクタホルダを備え、
各々の前記カムキャップが、前記第１カムシャフトのジャーナルを支持する第１軸受部と前記第２カムシャフトのジャーナルを支持する第２軸受部とを備えており、
前記複数のカムキャップが、前記第１カムシャフト及び前記第２カムシャフトにおいて軸方向に間隔をあけて配置されている複数のジャーナルの位置に合わせて前記軸方向において間隔を空けて前記カムシャフトハウジングに締結されており、
前記インジェクタホルダが、前記各カムキャップに対して１箇所ずつ締結されており、前記各カムキャップとの締結箇所は、前記軸方向の一方から他方に向かう方向における順番において奇数番目の前記締結箇所が前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトの中間点よりも前記第１カムシャフト側に位置し、偶数番目の前記締結箇所が前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトの中間点よりも前記第２カムシャフト側に位置している
内燃機関のシリンダヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、内燃機関におけるカムシャフトの保持構造が開示されている。この保持構造においては、シリンダヘッドに、カムシャフトのジャーナルを支持する半円状の軸受部が設けられている。カムキャップにもカムシャフトのジャーナルを支持する半円状のキャップ側軸受部が設けられている。この軸受部内にジャーナルが位置するようにカムシャフトが載置される。軸受部にカムシャフトを載置した状態で、シリンダヘッドに、カムキャップを締結する。これにより、軸受部とキャップ側軸受部とでカムシャフトのジャーナルを保持している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－０２４９８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

各燃焼室内での燃焼ガスの膨張により、吸気バルブ及び排気バルブに荷重が作用する。そして、吸気バルブ及び排気バルブを介してカムシャフトに荷重が伝わる。カムシャフトに伝わった荷重は、カムシャフトを支持しているカムキャップにも作用する。この荷重によってカムキャップが傾くと、ジャーナルが摩耗しやすくなってしまう。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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。
上記課題を解決するための内燃機関のシリンダヘッドは、平行に配置された第１カムシャフトと、第２カムシャフトとを、カムシャフトハウジングに複数のカムキャップを締結して支持している。このシリンダヘッドは、複数の挿通孔のそれぞれにインジェクタを挿通させて前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトとの間に、先端が各燃焼室に臨むように複数のインジェクタを固定するインジェクタホルダを備えている。そして、各々の前記カムキャップが、前記第１カムシャフトのジャーナルを支持する第１軸受部と前記第２カムシャフトのジャーナルを支持する第２軸受部とを備えている。また、前記複数のカムキャップが、前記第１カムシャフト及び前記第２カムシャフトにおいて軸方向に間隔をあけて配置されている複数のジャーナルの位置に合わせて前記軸方向において間隔を空けて前記カムシャフトハウジングに締結されている。前記インジェクタホルダが、前記各カムキャップに対して１箇所ずつ締結されている。そして、前記各カムキャップとの締結箇所は、前記軸方向の一方から他方に向かう方向における順番において奇数番目の前記締結箇所が前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトの中間点よりも前記第１カムシャフト側に位置し、偶数番目の前記締結箇所が前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトの中間点よりも前記第２カムシャフト側に位置している。

【0006】

上記構成では、第１カムシャフト及び第２カムシャフトの軸方向に間隔をあけて複数のカムキャップが配置されている。そして、各カムキャップは、インジェクタホルダによって連結されている。そのため、第１カムシャフト及び第２カムシャフトを介して作用する荷重に対して各カムキャップが傾きにくくなる。なお、上記構成では、各カムキャップとインジェクタホルダとの締結箇所を一箇所ずつにしている。そして、複数の締結箇所を第１カムシャフトと第２カムシャフトとの中間点を跨ぐようにジグザグに配置している。

【0007】

これにより、締結箇所の数を最小限に絞って全てのカムキャップを連結している。また、締結箇所を一直線に並べる場合と比較してより広い範囲に荷重を分散させることを実現している。

【0008】

すなわち、上記構成によれば、インジェクタホルダを利用して、重量やコストの増大を避けながら、カムキャップの傾きを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施形態にかかるシリンダヘッドを備えたエンジンの正面図である。

【図2】図２は、実施形態のシリンダヘッドにおけるカムシャフトハウジング及びインジェクタホルダの上面図である。

【図3】図３は、カムシャフトハウジングとインジェクタホルダとの分解斜視図である。

【図4】図４は、カムシャフトハウジングの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、内燃機関のシリンダヘッドの一実施形態について、図１～図４を参照して説明する。
＜エンジン１００の構成＞
図１はシリンダヘッド２０を備えたエンジン１００の正面図である。なお、このエンジン１００は、直列４気筒エンジンである。図１に示すように、シリンダヘッド２０は、シリンダブロック１０の上部に固定されている。そして、シリンダブロック１０の下部には、オイルパン３０が固定されている。また、シリンダブロック１０の下部には、クランクシャフト１１が収容されている。クランクシャフト１１の一端には、スプロケット１２が固定されている。シリンダヘッド２０の上部には、シリンダヘッド２０の上部の開口を覆うヘッドカバー４０が固定されている。

【0011】

＜シリンダヘッド２０の構成＞
シリンダヘッド２０は、シリンダヘッド本体２１と、カムシャフトハウジング２２と、を組み合わせて構成されている。シリンダヘッド本体２１は、吸気バルブと排気バルブを収容している。シリンダヘッド本体２１は、シリンダブロック１０の上部に固定されている。これにより、シリンダヘッド本体２１は、エンジン１００の各気筒の燃焼室の天井を構成する。

【0012】

カムシャフトハウジング２２には、吸気カムシャフト２３と、排気カムシャフト２５と、が収容されている。吸気カムシャフト２３の端部には吸気側バルブタイミング変更機構２７が取り付けられている。排気カムシャフト２５の端部には排気側バルブタイミング変更機構２８が取り付けられている。吸気側バルブタイミング変更機構２７及び排気側バルブタイミング変更機構２８は、それぞれがスプロケットになっている。

【0013】

図１に示すように、これらバルブタイミング変更機構２７，２８と、スプロケット１２と、にはタイミングチェーン５０が巻き掛けられている。これにより、クランクシャフト１１が回転すると、クランクシャフト１１の回転に連動して吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２５も回転する。なお、このエンジン１００においては、タイミングチェーン５０が設けられている面がエンジン１００の正面になっている。そして、このエンジン１００においては、この正面をエンジン１００のフロントと称し、背面をエンジン１００のリヤと称する。すなわち、図１は、エンジン１００を、フロント側からリヤ側に向かって見た正面図である。このエンジン１００では、機関運転に伴い、タイミングチェーン５０が図１における反時計回りに回転する。すなわち、クランクシャフト１１及び吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２５も反時計回りに回転する。

【0014】

＜カムシャフトハウジング２２の構成＞
図２～図４に示すように、カムシャフトハウジング２２は、リヤ側の側壁である後壁２２７と、一対の側壁２２８，２２９を備えている。一対の側壁２２８，２２９のうち、フロント側からリヤ側に向かってエンジン１００を見たときに右側に位置する側壁２２９が右側壁２２９である。そして、一対の側壁２２８，２２９のうち、フロント側からリヤ側に向かってエンジン１００を見たときに左側に位置する側壁２２８が左側壁２２８である。

【0015】

図４に示すように、カムシャフトハウジング２２の右側壁２２９と左側壁２２８との間には、５本の横フレーム２２１～２２５が掛け渡されている。５本の横フレーム２２１～２２５は、フロント側からリヤ側に向かって順に、第１横フレーム２２１、第２横フレーム２２２、第３横フレーム２２３、第４横フレーム２２４、第５横フレーム２２５である。横フレーム２２１～２２５の各々には、第１軸受部２３７と、第２軸受部２３８と、が設けられている。

【0016】

第１軸受部２３７は、第１カムシャフトである排気カムシャフト２５のジャーナルを支持する半円状の窪みである。そして、第２軸受部２３８は、第２カムシャフトである吸気カムシャフト２３のジャーナルを支持する半円状の窪みである。

【0017】

図３及び図４に示すように、排気カムシャフト２５には、各気筒に対して２つずつ合計８つの排気カム２６が設けられている。排気カム２６は、気筒毎に対にして、排気カムシャフト２５の軸方向に間隔をあけて設けられている。同様に、吸気カムシャフト２３には、各気筒に対して２つずつ合計８つの吸気カム２４が設けられている。吸気カム２４は、気筒毎に対にして、吸気カムシャフト２３の軸方向に間隔をあけて設けられている。また、図２に示すように、吸気カムシャフト２３には、吸気カム２４の他に、高圧燃料ポンプを駆動するポンプカム２９が設けられている。

【0018】

第１気筒に対応する２つの吸気カム２４及び２つの排気カム２６が第１横フレーム２２１と第２横フレーム２２２との間に位置している。そして、第２気筒に対応する２つの吸気カム２４及び２つの排気カム２６が第２横フレーム２２２と第３横フレーム２２３との間に位置している。第３気筒に対応する２つの吸気カム２４及び排気カム２６が第３横フレーム２２３と第４横フレーム２２４との間に位置している。第４気筒に対応する２つの吸気カム２４及び２つの排気カム２６が第４横フレーム２２４と第５横フレーム２２５との間に位置している。このように、気筒毎に対になった２つの吸気カム２４及び２つの排気カム２６を挟むように、５本の横フレーム２２１～２２５は、ほぼ等間隔に設けられている。

【0019】

また、図４に示すように、カムシャフトハウジング２２には、縦フレーム２２６が設けられている。縦フレーム２２６は、吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２５との間に、これら吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２５と平行に延びるように設けられている。縦フレーム２２６は、後壁２２７から第１横フレーム２２１まで延びており、後壁２２７と横フレーム２２１～２２５を繋いでいる。これによりカムシャフトハウジング２２が補強されている。

【0020】

図２～図４に示すように、横フレーム２２１～２２５には、５つのカムキャップ２４１～２４５がボルト２５０で固定されている。５つのカムキャップ２４１～２４５は、フロント側からリヤ側に向かって順に、第１カムキャップ２４１、第２カムキャップ２４２、第３カムキャップ２４３、第４カムキャップ２４４、第５カムキャップ２４５である。カムキャップ２４１～２４５の各々には、第１キャップ側軸受部２４７と、第２キャップ側軸受部２４８と、が設けられている。

【0021】

第１キャップ側軸受部２４７は、第１軸受部２３７と組み合わされて、排気カムシャフト２５のジャーナルを支持する半円状の窪みである。そして、第２キャップ側軸受部２４８は、第２軸受部２３８と組み合わされて、吸気カムシャフト２３のジャーナルを支持する半円状の窪みである。

【0022】

第１横フレーム２２１には、第１カムキャップ２４１がボルト２５０で締結されている。第２横フレーム２２２には、第２カムキャップ２４２がボルト２５０で締結されている。第３横フレーム２２３には、第３カムキャップ２４３がボルト２５０で締結されている。第４横フレーム２２４には、第４カムキャップ２４４がボルト２５０で締結されている。そして、第５横フレーム２２５には、第５カムキャップ２４５がボルト２５０で締結されている。すなわち、カムキャップ２４１～２４５は、排気カムシャフト２５及び吸気カムシャフト２３のジャーナルの位置に合わせて間隔を空けてカムシャフトハウジング２２に締結されている。こうしてカムシャフトハウジング２２には、吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２５とが平行に並べて支持されている。

【0023】

＜インジェクタホルダ２６０の構成＞
図２に示すように、カムシャフトハウジング２２の上部には、インジェクタホルダ２６０が取り付けられている。インジェクタホルダ２６０には、インジェクタを挿通させて固定する４つのインジェクタ挿通孔２６８が設けられている。インジェクタ挿通孔２６８に挿入されたインジェクタは、吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２５の間を通って先端がシリンダヘッド本体２１に到達する。そして、先端が燃焼室に臨むように、インジェクタホルダ２６０に固定される。インジェクタホルダ２６０は、こうして４つのインジェクタを、各気筒の燃焼室に臨むようにシリンダヘッド２０に固定するホルダである。

【0024】

図３に示すように、インジェクタホルダ２６０は、６つのボルト２５１～２５６によってカムシャフトハウジング２２に締結されている。インジェクタホルダ２６０には、インジェクタホルダ２６０を貫通している６つのボルト挿通孔２６１～２６６が設けられている。カムキャップ２４１～２４５には、ボルト２５１～２５５が螺合するボルト孔２３１～２３５が設けられている。

【0025】

インジェクタホルダ２６０を取り付ける際には、第１ボルト２５１を第１ボルト挿通孔２６１に挿通させ、第１カムキャップ２４１の第１ボルト孔２３１に螺合させる。これにより、第１カムキャップ２４１とインジェクタホルダ２６０とが締結される。以下、この第１ボルト２５１による第１カムキャップ２４１とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第１締結箇所Ｘ１と称する。

【0026】

インジェクタホルダ２６０を取り付ける際には、第２ボルト２５２を第２ボルト挿通孔２６２に挿通させ、第２カムキャップ２４２の第２ボルト孔２３２に螺合させる。これにより、第２カムキャップ２４２とインジェクタホルダ２６０とが締結される。以下、この第２ボルト２５２による第２カムキャップ２４２とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第２締結箇所Ｘ２と称する。

【0027】

インジェクタホルダ２６０を取り付ける際には、第３ボルト２５３を第３ボルト挿通孔２６３に挿通させ、第３カムキャップ２４３の第３ボルト孔２３３に螺合させる。これにより、第３カムキャップ２４３とインジェクタホルダ２６０とが締結される。以下、この第３ボルト２５３による第３カムキャップ２４３とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第３締結箇所Ｘ３と称する。

【0028】

インジェクタホルダ２６０を取り付ける際には、第４ボルト２５４を第４ボルト挿通孔２６４に挿通させ、第４カムキャップ２４４の第４ボルト孔２３４に螺合させる。これにより、第４カムキャップ２４４とインジェクタホルダ２６０とが締結される。以下、この第４ボルト２５４による第４カムキャップ２４４とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第４締結箇所Ｘ４と称する。

【0029】

インジェクタホルダ２６０を取り付ける際には、第５ボルト２５５を第５ボルト挿通孔２６５に挿通させ、第５カムキャップ２４５の第５ボルト孔２３５に螺合させる。これにより、第５カムキャップ２４５とインジェクタホルダ２６０とが締結される。以下、この第５ボルト２５５による第５カムキャップ２４５とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第５締結箇所Ｘ５と称する。

【0030】

また、後壁２２７には、第６ボルト２５６が螺合するボルト孔２３６が設けられている。
第６ボルト２５６を第６ボルト挿通孔２６６に挿通させ、後壁２２７の第６ボルト孔２３６に螺合させることにより、後壁２２７とインジェクタホルダ２６０とが締結されている。以下、この第６ボルト２５６による後壁２２７とインジェクタホルダ２６０との締結箇所を第６締結箇所Ｘ６と称する。

【0031】

このように、インジェクタホルダ２６０は、６箇所の締結箇所Ｘ１～Ｘ６においてカムシャフトハウジング２２と締結されている。
図２には、カムシャフトハウジング２２に取り付けられた排気カムシャフト２５の中心軸が一点鎖線Ｃ１で示されている。また、吸気カムシャフト２３の中心軸が一点鎖線Ｃ２で示されている。

【0032】

６箇所の締結箇所Ｘ１～Ｘ６は、一点鎖線Ｃ１、Ｃ２の延伸方向に沿ってフロント側からリヤ側に向かう方向において、第１、第２、第３、第４、第５、第６の順に並んでいる。

【0033】

図２には、一点鎖線Ｃ１及び一点鎖線Ｃ２と等しい距離にある仮想線を二点鎖線Ｃ３で示している。すなわち、二点鎖線Ｃ３は、排気カムシャフト２５と吸気カムシャフト２３との中間点を結んだ線である。

【0034】

図２に示すように、このシリンダヘッド２０において、第１締結箇所Ｘ１と第３締結箇所Ｘ３と第５締結箇所Ｘ５は、二点鎖線Ｃ３よりも右側壁２２９側に位置している。すなわち、第１カムキャップ２４１における第１ボルト孔２３１は、第１キャップ側軸受部２４７側に偏った位置に設けられている。そして、第３カムキャップ２４３における第３ボルト孔２３３も、第５カムキャップ２４５における第５ボルト孔２３５も、同様に第１キャップ側軸受部２４７側に偏った位置に設けられている。

【0035】

そして、第２締結箇所Ｘ２と第４締結箇所Ｘ４は、二点鎖線Ｃ３よりも左側壁２２８側に位置している。すなわち、第２カムキャップ２４２における第２ボルト孔２３２は、第２キャップ側軸受部２４８側に偏った位置に設けられている。そして、第４カムキャップ２４４における第４ボルト孔２３４も、同様に第２キャップ側軸受部２４８側に偏った位置に設けられている。

【0036】

このように、このシリンダヘッド２０においては、インジェクタホルダ２６０が、カムキャップ２４１～２４５に対して１箇所ずつ締結されている。そして、締結箇所Ｘ１～Ｘ５は、フロント側からリヤ側に向かう方向における順番において奇数番目の締結箇所Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５が二点鎖線Ｃ３よりも排気カムシャフト２５側に位置している。そして、偶数番目の締結箇所Ｘ２、Ｘ４が二点鎖線Ｃ３よりも吸気カムシャフト２３側に位置している。

【0037】

＜作用＞
カムキャップ２４１～２４５は、排気カムシャフト２５及び吸気カムシャフト２３の軸方向に間隔をあけて配置されている。そして、カムキャップ２４１～２４５は、インジェクタホルダ２６０によって連結されている。そのため、排気カムシャフト２５及び吸気カムシャフト２３を介して作用する荷重に対して各カムキャップが傾きにくくなっている。

【0038】

なお、上記の構成では、各カムキャップとインジェクタホルダ２６０との締結箇所の数を一箇所ずつにしている。そして、締結箇所Ｘ１～Ｘ５が、排気カムシャフト２５と吸気カムシャフト２３との中間点を跨ぐようにジグザグに配置されている。

【0039】

＜効果＞
・締結箇所の数を最小限に絞って全てのカムキャップ２４１～２４５を連結している。また、締結箇所Ｘ１～Ｘ５を一直線に並べる場合と比較してより広い範囲に荷重を分散させることを実現している。

【0040】

すなわち、上記構成によれば、インジェクタホルダ２６０を利用して、重量やコストの増大を避けながら、カムキャップ２４１～２４５の傾きを抑制することができる。
＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0041】

・カムシャフトハウジング２２の構成は、適宜変更可能である。例えば、横フレームの数はエンジン１００の気筒の数に合わせて変更してよい。すなわち、カムキャップの数も気筒の数に合わせて変更してよい。カムキャップの数を変更した場合であっても、各カムキャップとインジェクタホルダ２６０の締結箇所が、ジグザグに配置されていれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、カムシャフトの軸方向の一方から他方に向かう方向における順番において奇数番目の締結箇所が一方のカムシャフト側に位置し、偶数番目の締結箇所が他方のカムシャフト側に位置していればよい。すなわち、上記の実施形態と同様の構成は、４気筒エンジンに限らず、３気筒エンジンや、５気筒以上のエンジンにも適用できる。また、Ｖ型エンジンなどのマルチバンクエンジンの各バンクにおいて、上記の実施形態と同様の構成を適用することもできる。

【0042】

・上記実施形態では、第１カムシャフトが排気カムシャフト２５であり、第２カムシャフトが吸気カムシャフト２３である例を示した。第１カムシャフトが吸気カムシャフト２３であり、第２カムシャフトが排気カムシャフト２５であってもよい。この場合でも、カムシャフトの軸方向の一方から他方に向かう方向における順番において奇数番目の締結箇所が一方のカムシャフト側に位置し、偶数番目の締結箇所が他方のカムシャフト側に位置していれば、締結箇所はジグザグに配置されることになる。

【0043】

・上記実施形態では、フロント側からリヤ側に向かう方向における順番で締結箇所の順番を決定したが、リヤ側からフロント側に向かう方向における順番で締結箇所の順番を決定してもよい。この場合でも、カムシャフトの軸方向の一方から他方に向かう方向における順番において奇数番目の締結箇所が一方のカムシャフト側に位置し、偶数番目の締結箇所が他方のカムシャフト側に位置していれば、締結箇所はジグザグに配置されることになる。

【符号の説明】

【0044】

２０…シリンダヘッド
２１…シリンダヘッド本体
２２…カムシャフトハウジング
２３…吸気カムシャフト
２５…排気カムシャフト
２３１…第１ボルト孔
２３２…第２ボルト孔
２３３…第３ボルト孔
２３４…第４ボルト孔
２３５…第５ボルト孔
２３６…第６ボルト孔
２３７…第１軸受部
２３８…第２軸受部
２４１…第１カムキャップ
２４２…第２カムキャップ
２４３…第３カムキャップ
２４４…第４カムキャップ
２４５…第５カムキャップ
２４７…第１キャップ側軸受部
２４８…第２キャップ側軸受部
２５１…第１ボルト
２５２…第２ボルト
２５３…第３ボルト
２５４…第４ボルト
２５５…第５ボルト
２５６…第６ボルト
２６０…インジェクタホルダ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】