JP2000356165A - シリンダヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工工数や加工コストの増大を伴うことな
く、ポート中子の見切りバリに起因して生じるシリンダ
ヘッドの耐久性能の低下を効果的に抑制することのでき
るシリンダヘッドおよびその製造方法を提供する。 【解決手段】 このシリンダヘッド１は、鋳造に際して
シリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に配設され
たポート中子１３によって複数に分岐される形状に形成
されたポート１１，１２を備える。このポート中子１３
の型成形時の見切り線に沿ってポート１１，１２の分岐
部を区画する仕切り壁１１ａ，１２ａの先端部に形成さ
れる凸部１９は、同ポート１１，１２の側方から見た中
央線から上方に偏倚した位置に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関を構成
するシリンダヘッドの構造およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】１シリンダ当たりに複数の吸気バルブあ
るいは複数の排気バルブを備える多弁式のシリンダヘッ
ド４では、例えば図８に示すように、これらバルブによ
って開閉されるポート４１，４２が仕切り壁４１ａ，４
２ａによって複数に分岐された形状に形成されることが
多い。そして、こうしたポートを分岐する仕切り壁４１
ａ，４２ａの先端部、すなわちポート又部には、 ・シリンダヘッド４を鋳造した後に残る残留応力。 ・シリンダヘッド４を内燃機関に組み付ける際の組み付
けボルトの締め付けによる組み付け応力。 ・内燃機関の運転の際の燃焼室における爆発・燃焼によ
る熱応力。 ・同爆発・燃焼による繰返し応力。 といった応力が複合された大きな応力が作用することは
よく知られている（図７参照）。

【０００３】一方、こうしたポート４１，４２は、シリ
ンダヘッド４の鋳造の際に、同図８に鎖線で示すような
シリンダヘッド成形用の鋳型５１，５２，５３，５４内
に配設されるポート中子４３によって形成される。この
ポート中子４３は通常、型枠内にて鋳砂が付き固められ
て、例えば図９に示される態様で型成形されるが、この
型成形の際にその表面には型枠の合わせ面、すなわち見
切り線に沿って見切りバリ４７が形成される。なお、上
記見切り線は、型枠からポート中子４３を取出すことが
できるように、同ポート中子４３を平面に投影した場合
にその外郭線となる部位に位置するのが普通である。

【０００４】ところで、このポート中子４３の型成形後
には、見切り線に沿って形成された上記見切りバリ４７
を削り取る作業が行われるが、この作業の際、往々にし
て上記見切りバリ４７を削り取った部位には凹部が形成
される。そして、こうしてポート中子４３の表面に形成
された凹部に起因して上述したシリンダヘッド４の鋳造
の際には、先の図８に示されるように、同シリンダヘッ
ド４における上記ポート４１，４２の表面の該凹部に対
応する部位に凸部４９が形成されるようになる。また、
上述のように見切り線はポート中子４３を平面に投影し
た場合にその外郭線となる部位に形成されるため、前記
ポート又部にもこうした凸部４９が同様に形成されるよ
うになる。

【０００５】ところが、ポート又部は上述したように、
もともと大きな応力が作用する部分であり、同ポート又
部にこうして凸部４９が形成される場合には、該凸部４
９にその作用する応力が集中することとなって同凸部４
９から疲労亀裂が生じ易くなる。すなわち、シリンダヘ
ッド４の耐久性能が著しく低下することとなる。

【０００６】そこで従来、このような不具合を改善する
ために、例えば実開平５−１７１４３号公報では、通常
アルミニウム合金で鋳造形成されるシリンダヘッド４の
鋳造の際に、上記ポート又部に相当する部位を鉄製の板
金等によって鋳ぐるみ成形するようにしている。この場
合、シリンダヘッド４のポート又部が上記鉄製の板金等
の別部材で形成されることとなるために、上述した凸部
４９が形成されることはなく、同シリンダヘッド４とし
ての耐久性能が低下することもない。

【０００７】また、従来は他に、シリンダヘッド４の鋳
造後にポート４１，４２の内面を機械加工して表面を滑
らかにする方法なども知られている。この場合にも、上
記ポート４１，４２の内面が凸部４９等のない滑らかな
形状に形成されるため、シリンダヘッド４としてその耐
久性能が低下することはない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、シリンダ
ヘッド４の吸排気ポート４１，４２の内面に前記凸部４
９が形成されないようにしたり、同吸排気ポート４１，
４２の内面に凸部４９が形成されてもこれを削ってその
表面を滑らかにしたりすることにより、応力が極部的に
集中する個所を排除して、同シリンダヘッド４としての
耐久性能の低下を抑制することはできる。

【０００９】しかしこの場合、シリンダヘッド４の形成
に際してその鋳型５１，５２，５３，５４内に鉄製の板
金等からなる別部材を配置したり、または鋳造後にシリ
ンダヘッド４のポート４１，４２内を機械加工する等の
手間のかかる別工程が必要となり、加工工数および加工
コストの増大が無視できないものとなる。

【００１０】この発明は、こうした実情に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、加工工数や加工コストの増
大を伴うことなく、ポート中子の見切りバリに起因して
生じるシリンダヘッドの耐久性能の低下を効果的に抑制
することのできるシリンダヘッドおよびその製造方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以下、上記目的を達成す
るための手段およびその作用効果について記載する。ま
ず、請求項１記載の発明では、鋳造に際してシリンダヘ
ッド本体を形成するための鋳型内に配設されたポート中
子によって複数に分岐される形状に形成されたポートを
備えるシリンダヘッドにおいて、前記ポート中子の型成
形時の見切り線に沿って前記ポートの分岐部を区画する
仕切り壁の先端部に形成される凸部が、同ポートの側方
から見た中央線から偏倚されてなるものとしてシリンダ
ヘッドを構成する。

【００１２】また、請求項２記載の発明では、請求項１
記載のシリンダヘッド構造において、前記凸部が、前記
仕切り壁の先端部のうち、当該シリンダヘッドを備える
内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用す
る部位側に偏倚されてなるものとしてシリンダヘッドを
構成する。

【００１３】また、請求項３記載の発明では、鋳型成形
されて複数に分岐される形状に形成されたポートを備え
るシリンダヘッドにおいて、前記ポートの分岐部を区画
する仕切り壁の先端部に対応する各分岐ポートの略円形
の断面の該仕切り壁を介して互いに最も近接する部位
が、同ポートの側方から見た中央線から偏倚されてなる
ものとしてシリンダヘッドを構成する。

【００１４】また、請求項４記載の発明では、請求項３
記載のシリンダヘッド構造において、前記各分岐ポート
の略円形の断面の前記仕切り壁を介して互いに最も近接
する部位が、前記仕切り壁の先端部のうち、当該シリン
ダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が
圧縮方向に作用する部位側に偏倚されてなるものとして
シリンダヘッドを構成する。

【００１５】また、請求項５記載の発明では、内燃機関
のシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に先端が
複数に分岐されたポート中子を配設し、該ポート中子を
用いた鋳造によって機関燃焼室側に複数に分岐されるポ
ートを併せ形成するシリンダヘッドの製造方法におい
て、前記ポート中子を形成するための型枠として、同ポ
ート中子の前記複数に分岐される部分の各内側の付け根
部分に対応する合わせ面がそれら分岐される部分の側方
から見た中央線から偏倚された型枠を用いることとす
る。

【００１６】請求項１または５記載の発明の構成または
製造方法によれば、前記ポートの分岐部を区画する仕切
り壁の先端部において、最も大きい応力（引張応力）が
かかる部位である前記ポートの側方から見た中央線上に
当る部位から適宜偏倚された部位に前記凸部が形成され
ることとなり、少なくとも該凸部においてはこれにかか
る応力が低減されることとなる。このため、当該シリン
ダヘッドの耐久性能が低下してしまうことを好適に抑制
できるようになる。

【００１７】また、請求項３の発明の構成によっても、
請求項１の発明の構成と同様に、前記凸部が上記中央線
上に当る部位から適宜偏倚された部位に形成されること
となり、上記と同様の理由によってシリンダヘッドの耐
久性能が低下してしまうことを好適に抑制できるように
なる。

【００１８】また、請求項２または４記載の発明の構成
によれば、前記凸部が圧縮方向の応力がかかる部位に形
成されるため、引張方向の応力がかかる部位に同凸部が
形成される場合に比べて、クラックの発生および進行を
抑制することができるようになる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１〜図４に、この発明にかかる
シリンダヘッドおよびその製造方法についてその一実施
の形態を示す。

【００２０】はじめに、同実施の形態にかかるシリンダ
ヘッドおよび製造方法の概要について説明する。図１に
例示するシリンダヘッド１は、例えば吸排気弁が各一対
設けられる４バルブ方式の内燃機関に取付けられるもの
として構成されている。このシリンダヘッド１には、図
示しない燃焼室に空気またはガソリンと空気との混合気
を供給できるように、シリンダヘッド１の燃焼室側（図
１において下側）から一方壁まで貫通する吸気ポート１
１が形成されている。また、燃焼後の排気ガスを燃焼室
から排出できるように、シリンダヘッド１の燃焼室側か
ら他方側壁まで貫通する排気ポート１２が形成されてい
る。

【００２１】このような構造のシリンダヘッド１は、複
数の鋳型および複数の中子を用いて鋳造される。具体的
には、同図１に鎖線で示す下型２１，上型２２，横型２
３および２４によって構成される鋳型の内部に吸気ポー
ト１１および排気ポート１２を形成するための各ポート
中子１３等の中子が配設され、その鋳型内に溶湯が流し
込まれてシリンダヘッド１が鋳造形成される。

【００２２】一方、この鋳型内に配設される上記ポート
中子１３は、図２に示すように、上型３１と下型３２と
で構成される型枠に鋳砂が入れられ、その鋳砂が付き固
められて型成形される。この型成形によって図３に示す
ような形状にポート中子１３は成形される。

【００２３】図３に示すように、この同ポート中子１３
はその基端部に柱状でその断面が長円である固定部１４
が形成され、この固定部１４が上記シリンダヘッド１の
成形用鋳型に固定されてポート中子１３が同鋳型内に配
設される。また、上記固定部１４の先端側には柱状で断
面が長円であって同固定部１４より若干細い形状の胴体
部１５が突設され、更に該胴体部１５はその先端部にお
いて二つの部分に分岐されている。この分岐された部位
が下方に曲げられて各分岐部１６が構成されている。

【００２４】そして本実施の形態にあって、これら各分
岐部１６の形状は、同図３に併せ示されるように、ポー
ト中子１３を平面に投影した場合において上記２つの部
分に分岐された又部の外郭線を形成する部位の付け根部
分が、同ポート中子１３の側方から見た中央線より上方
に位置するような形状に形成されている。すなわち先の
図２についていえば、ポート中子１３の側方から見た中
央線の接線方向において、上記又部の最も先端側に位置
する部位Ａが、同中央線より上方に位置する構造となっ
ている。

【００２５】そしてこの場合、上記部位Ａにて上記接線
に対して直交するように切断した場合におけるポート中
子１３（各分岐部１６）の略円形の断面形状は、図４
（ａ）に示されるように、その最も又部側に位置する部
位、すなわち分岐ポートの仕切り壁となる部分を介して
互いに最も近接する部位が上方に偏倚するかたちとな
る。換言すれば、ポート中子１３の当該部分の断面形状
が同図４（ａ）に示される形状をもって形成されるよう
に、上記型枠である上型３１および下型３２の形状が設
定されている。すなわち、これら型枠側から見た場合に
は、上型３１と下型３２との合わせ面となる見切り線３
３が、同図４（ａ）に示されるように、上記各分岐部１
６の又部に対応する部分で上方に偏倚されている。

【００２６】なお、図２の上記部位Ａにおいては図４
（ａ）に示される態様でその断面が非円形に形成される
各分岐部１６も、その先端方向に向けては図３に示され
る態様で徐々に円形状に移行するよう形成され、上述し
た偏倚が解除される図２の部位Ｂにおいては、同分岐路
１６の断面形状は円形状となる。すなわち、この部位Ｂ
より先端側の少なくとも吸排気バルブと当接されるポー
ト部分に対応する部位においてはその断面形状が円形状
となるように形成される。

【００２７】ところで、このポート中子１３は上述のよ
うに、上型３１および下型３２からなる型枠に鋳砂が入
れられ、その鋳砂が付き固められて成形されるが、この
両型枠３１，３２はその精度や使用による劣化等が原因
で、図４（ｂ）に先の図４（ａ）の領域Ｚ部を拡大して
示すように、当該両型枠３１，３２を組み合わせた際に
は、その合わせ面（見切り線３３）に若干の隙間ができ
る。このため、上記ポート中子１３を形成すべく鋳砂を
付き固めた際に、この隙間に鋳砂が入り込み、この入り
込んだ鋳砂によって、型成形後のポート中子１３には上
記見切り線３３に沿って見切りバリ１７が形成される。
このため、型成形後にこの見切りバリ１７を削り取る作
業が行われるが、この作業の際には前述のように、上記
見切りバリ１７を削り取った部位に往々にして凹部１８
が形成される（図４（ｂ）破線参照）。

【００２８】従って、このようにして形成されたポート
中子１３がシリンダヘッド１成形用の上記鋳型内に配設
され、その鋳型内に溶湯が流し込まれてシリンダヘッド
１が鋳造される際には図１に併せ示すように、同吸排気
ポート１１，１２の内面に、上記ポート中子１３に形成
されている凹部１８に相対した形状の凸部１９が形成さ
れるようになる。そして、特に本実施の形態の場合、同
吸排気ポート１１，１２にそれぞれ一対ずつ設けられた
前記分岐部１６に対応する空間をそれぞれ仕切っている
仕切り壁１１ａ，１２ａの先端部においては、図２ある
いは図３に例示したポート中子１３の前記形状に起因し
て、この凸部１９が吸排気ポート１１，１２の側方から
見てその中央線よりも上方に位置する部位に形成される
ようになる。

【００２９】図５および図６は、こうして仕切り壁１１
ａ，１２ａの先端部に形成される凸部１９を偏倚させる
ことの意味について、発明者による実験結果をもとにそ
の応力（歪振幅）特性を示したものであり、次にこれら
図５および図６を併せ参照して、本実施の形態のシリン
ダヘッドの上記構造に基づく作用を説明する。

【００３０】これら図５および図６において、図５には
吸気ポート１１の仕切り壁１１ａの先端部に形成される
上記凸部１９の位置についてａ〜ｄの４つのモデルを示
し、図６にはそれらモデル位置において測定された内燃
機関運転中にかかる平均応力の測定値を示す。

【００３１】なお、上記モデル位置ａ〜ｄのうち、当該
ポート（吸気ポート１１）の側方から見てその中央線
（図５鎖線参照）に対応する位置ｂは、図８に例示した
従来のシリンダヘッド４において凸部４９が形成されて
いた位置を示し、その上方に偏倚した位置ｃは、本実施
の形態のシリンダヘッド１において上記凸部１９が形成
される位置を示す。また、位置ｄはこの位置ｃから更に
上方に偏倚した位置、位置ａは上記位置ｂから下方に偏
倚した位置をそれぞれ示す。

【００３２】これら図５および図６から明らかなよう
に、従来のシリンダヘッド４において凸部４９が形成さ
れていた位置ｂでは、内燃機関運転時の平均応力が引張
方向に最大となる。前述のように、ポート又部である仕
切り壁１１ａはもともと大きな応力が作用する部分では
あるが、このように引張応力が最大となる位置に凸部が
形成されることで、これも前述のようにこの凸部に当該
応力が集中し、同凸部から疲労亀裂等が生じ易くなる。

【００３３】これに対し、本実施の形態において凸部１
９が形成される位置ｃでは、上記平均応力が圧縮方向に
作用するようになる。この圧縮方向の応力とは、クラッ
クの発生および進行を抑制する方向に加わる応力であ
り、その結果、前記従来のシリンダヘッド４に比べてそ
の耐久性能の低下を抑制することができるようにもな
る。すなわち、ポート中子１３を形成するための型枠
（上型３１および下型３２）の形状は変えるものの、基
本的には前記従来のシリンダヘッド４に準じた製造方法
の採用をもって、ポート中子の見切りバリに起因して生
じるシリンダヘッドの耐久性能の低下を抑制することが
できるようになる。またこのことは、上記下方に偏倚し
た位置ａにおいても同様である。ただし、シリンダヘッ
ド１やポート中子１３の上記形状に鑑みれば、上記位置
ｃへの凸部１９の形成がより容易であり、仕切り壁１１
ａとしての強度も保証され易い。

【００３４】その他、上記更に上方に偏倚した位置ｄに
おいても、基本的には上記位置ｃや上記位置ａと同様の
ことがいえ、圧縮方向への応力も更に助長されるように
なる。ただし、当該ポート全体としての応力バランス、
あるいは歪のばらつきを考慮した場合には、上記中央線
に対応する位置ｂからの離間を極力抑えることが望まし
く、その意味では、上記位置ｃや上記位置ａの採用がよ
り望ましい。またその場合、上記位置ｂからの離間距離
（寸法）も併せて考慮することが望ましく、平均応力が
「０」から圧縮方向への応力が作用する範囲でより小さ
な離間距離に位置ｃや位置ａを設定することも意義があ
る。

【００３５】なお、上記のモデルは吸気ポート１１を例
にとったものであるが、他方の排気ポート１２に関して
も同様のことがいえることはいうまでもない。以上詳述
したように、上記構造をもって鋳造形成される本実施の
形態にかかるシリンダヘッドおよびその製造方法によれ
ば、以下のような効果を得ることができるようになる。 （１）クラックの発生および進行を抑制する方向に加わ
る応力である圧縮応力が加わる部分に凸部１９が形成さ
れることで、シリンダヘッド１の耐久性能の低下を好適
に抑制することができる。 （２）ポート中子１３を形成するための型枠（上型３
１，下型３２）の形状を変えるだけで、従来と基本的に
同じ製造方法を採用できる。すなわち、シリンダヘッド
１を鋳造形成した後における吸気ポート１１内面の機械
加工等は行う必要がない。 （３）上記（１）において、吸気ポート１１を側方より
見た中央線からの離間距離が小さい部分に凸部１９が形
成されることで、同吸気ポート１１全体としての応力バ
ランス、あるいは歪のばらつきを最小限に抑えつつ、シ
リンダヘッド１の耐久性能の低下を好適に抑制すること
ができる。

【００３６】なお、この発明にかかるシリンダヘッドお
よびその製造方法は上記実施の形態に限定されるもので
はなく、同実施の形態を適宜変更した、例えば次のよう
な形態として実施することもできる。

【００３７】・上記実施の形態においては、図５のモデ
ル図の位置ｃに対応して上記凸部１９を形成することと
したが、他の位置ｄや位置ａに同凸部１９を形成するこ
ととしてもよい。この場合であれ、上記（１）および
（２）に準じた効果を得ることはできる。

【００３８】・上記実施の形態において、吸排気ポート
１１，１２の形状が変われば当然上記平均応力のかかり
方も変わってくる。この場合には、上記凸部１９を形成
する部位を当該吸排気ポート１１，１２の形状において
クラックの発生および進行を抑制できる部位に適宜変更
して同凸部１９を形成するようにすればよい。

【００３９】・上記実施の形態では、吸排気ポート１
１，１２の何れにおいても上記凸部１９を偏倚させる構
成としたが、これらの何れか一方のみ偏倚させる構成と
してもよい。少なくとも偏倚させたポートにおいてはシ
リンダヘッド１の耐久性能が低下してしまうことを抑制
できるようになる。

【００４０】・上記実施の形態では、吸排気弁を各一対
設ける４バルブ方式で構成したが、吸排気弁の何れか一
方を３個設ける５バルブ方式で構成してもよい。この場
合にも、当該ポートの形状においてクラックの発生およ
び進行を抑制できる部位に上記凸部１９を形成すること
で上記と同様の効果を得ることができるようになる。ま
た、これら４バルブ方式あるいは５バルブ方式に限ら
ず、１つのポートに複数のバルブが設けられる内燃機関
については同様にこの発明を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリンダヘッドの一実施の形態につい
てその正面断面構造を示す断面図。

【図２】同実施の形態のシリンダヘッドの製造に用いら
れるポート中子成形用の型枠の正面断面構造を示す断面
図。

【図３】同実施の形態のシリンダヘッドの製造に用いら
れるポート中子の斜視構造を示す斜視図。

【図４】同ポート中子の成形態様を示す断面図およびそ
の拡大断面図。

【図５】シリンダヘッドのポート分岐部に形成される凸
部の位置モデルを示す断面略図。

【図６】同位置モデルに対応した平均応力分布を示すグ
ラフ。

【図７】シリンダヘッドのポート分岐部にかかる複合応
力を示すグラフ。

【図８】従来のシリンダヘッドについてその正面断面構
造を示す断面図。

【図９】従来のシリンダヘッドの製造に用いられるポー
ト中子の斜視構造を示す斜視図。

【符号の説明】

１…シリンダヘッド、１１…吸気ポート、１１ａ…仕切
り壁、１２…排気ポート、１２ａ…仕切り壁、１３…ポ
ート中子、１９…凸部、３１…ポート中子成形用上型
（型枠）、３２…ポート中子成形用下型（型枠）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳造に際してシリンダヘッド本体を形成す
   るための鋳型内に配設されたポート中子によって複数に
   分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘ
   ッドにおいて、 前記ポート中子の型成形時の見切り線に沿って前記ポー
   トの分岐部を区画する仕切り壁の先端部に形成される凸
   部が、同ポートの側方から見た中央線から偏倚されてな
   ることを特徴とするシリンダヘッド。
2. 【請求項２】前記凸部が、前記仕切り壁の先端部のう
   ち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中にお
   ける平均応力が圧縮方向に作用する部位側に偏倚されて
   なることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッ
   ド。
3. 【請求項３】鋳型成形されて複数に分岐される形状に形
   成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、 前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁の先端部に対応
   する各分岐ポートの略円形の断面の該仕切り壁を介して
   互いに最も近接する部位が、同ポートの側方から見た中
   央線から偏倚されてなることを特徴とするシリンダヘッ
   ド。
4. 【請求項４】前記各分岐ポートの略円形の断面の前記仕
   切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記仕切り
   壁の先端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機
   関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位
   側に偏倚されてなることを特徴とする請求項３に記載の
   シリンダヘッド。
5. 【請求項５】内燃機関のシリンダヘッド本体を形成する
   ための鋳型内に先端が複数に分岐されたポート中子を配
   設し、該ポート中子を用いた鋳造によって機関燃焼室側
   に複数に分岐されるポートを併せ形成するシリンダヘッ
   ドの製造方法において、 前記ポート中子を形成するための型枠として、同ポート
   中子の前記複数に分岐される部分の各内側の付け根部分
   に対応する合わせ面がそれら分岐される部分の側方から
   見た中央線から偏倚された型枠を用いる。ことを特徴と
   するシリンダヘッドの製造方法。