JP2002213298A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却水通路を確保するために吸気ポート周
壁、あるいは排気ポート周壁を薄肉化しても、その根元
部にヘッドボルトの締め付け荷重による応力が集中する
ことがなく、薄肉部分に亀裂を生じさせないシリンダヘ
ッドを提供するものである。 【解決手段】 シリンダ内に空気を吸入する吸気ポート
２とシリンダから排気ガスを排出する排気ポート３との
間に配設されたスリーブ５と、スリーブ５の外周面と吸
気ポート周壁１２、及び排気ポート周壁１３との間に形
成された冷却水通路４ａとを備え、吸気ポート周壁１２
又は排気ポート周壁１３のスリーブ５と対向する部位１
２ａ、１３ａは、スリーブ５との間に所定の間隔Ｓ１を
確保するために薄肉部に形成され、薄肉部にはヘッドボ
ルト９の軸方向に対して直角方向に溝２０、２１が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリンダヘッド、 特
に水冷式エンジンのシリンダヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの高出力化、低燃費化を
図るために吸気バルブ及び排気バルブを気筒毎にそれぞ
れ複数配設した多弁式のエンジンが広く実用に供されて
いる。このような多弁式エンジンを構成するシリンダヘ
ッドには、配設される吸気バルブ及び排気バルブに対応
した数の吸気ポート及び排気ポートが形成されている。
図５には、吸気バルブと排気バルブが気筒毎にそれぞれ
２本ずつ配設される４弁式の直接噴射式ディーゼルエン
ジンに適用されるシリンダヘッド１の断面図が示されて
いる。図５において、２は吸気ポート、３は排気ポー
ト、５は図示しない燃料噴射ノズルを収容するスリー
ブ、４ａはスリーブ５の外周面と吸気ポート２の周壁お
よび排気ポート３の周壁との間に形成された冷却水通
路、４ｂは吸気ポート２の下方と排気ポート３の下方及
び上方に形成された冷却水通路、８はヘッドボルト挿通
孔である。なお、上記吸気ポート２及び排気ポート３
は、吸排気バルブに対応して気筒毎にそれぞれ２つずつ
設けられている。このように構成されたシリンダヘッド
１は、該ヘッドボルト挿通孔８を挿通して配設されるヘ
ッドボルト９によってシリンダブロック９０に締付固定
される。上述したように、複数の吸気ポート２及び排気
ポート３を形成し、吸気ポート２と排気ポート３との間
にスリーブ５が配設されたシリンダヘッド１において
は、吸気ポート２と排気ポート３の占める割合が大きく
なり、吸気ポート２を規定する吸気ポート周壁６のスリ
ーブ５と対向する部位６ａとスリーブ５との間隔Ｓ２、
及び排気ポート３を規定する排気ポート周壁７のスリー
ブ５と対向する部位７ａとスリーブ５との間隔Ｓ３が狭
くなってしまう。特に、吸気ポート２は吸入空気の充填
効率を高めるために、ポート径（Ａｉｎ）が排気ポート
３のポート径（Ａｅｘ）よりも大きく形成されているの
で、上記間隔Ｓ２はより狭くなってしまう。このため、
絞り効果によって吸気ポート周壁６の上記部位６ａある
いは排気ポート周壁７の上記部位７ａとスリーブ５との
間を流通する冷却水の流速が上昇し、その下流側で局部
的な圧力低下によるキャビテーションが発生して、吸気
ポート周壁６や排気ポート周壁７およびスリーブ５を腐
食させる原因となる。また、上記のように冷却水の流速
が上昇すると、冷却水通路壁面への酸素の拡散が活発化
し、吸気ポート周壁６や排気ポート周壁７およびスリー
ブ５を腐食させる原因となる。そして、腐食が進行する
と、やがて孔が開いて冷却水漏れが発生する問題が生じ
る。そこで、スリーブ５と対向する吸気ポート周壁６あ
るいは排気ポート周壁７を、図５に示す二点鎖線から冷
却水通路４ａ側の厚さ分だけ薄肉化して薄肉部に形成
し、スリーブ５との間隔をＳ１まで拡げることによっ
て、所定の間隔を確保する対策が講じられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、吸気ポート
周壁６あるいは排気ポート周壁７のスリーブ５と対向す
る部位６ａあるいは７ａを薄肉部に形成すると新たな問
題が生ずる。この薄肉部に形成することによって生じる
問題について、図６も参照しながら説明する。図６は吸
気ポート周壁６のスリーブ５と対向する部位６ａの肉厚
を二点鎖線から冷却水通路４ａ側の厚さ分だけ薄肉化し
た状態の拡大図と、ヘッドボルト挿通孔８に挿通される
ヘッドボルト９によってシリンダヘッド１をシリンダブ
ロック９０に締め付けた場合に吸気ポート周壁６のスリ
ーブ５と対向する部位６ａに発生する応力を示したグラ
フである。ヘッドボルト９によってシリンダブロック９
０に締め付けられたシリンダヘッド１には、ヘッドボル
ト９の軸方向に締め付け荷重が生じる。しかるに、吸気
ポート２はシリンダヘッド１の側面まで達しているた
め、該吸気ポート２を規定する吸気ポート周壁６のスリ
ーブ５と対向する部位６ａにはその根元部６０を支点と
した曲げ応力が生じる。このため図６に示すように、吸
気ポート周壁６のスリーブ５と対向する部位６ａの根元
部６０に応力集中が発生する。また、吸気ポート周壁６
には、ヘッドボルトの締付け荷重による応力だけではな
く、シリンダヘッド１の下方に形成される燃焼室での燃
焼による応力も繰返し発生する。従って、スリーブ５と
吸気ポート周壁６との間隔を確保するために吸気ポート
周壁６のスリーブ５と対向する部位６ａを薄肉にする
と、その根元部６０から亀裂が発生して冷却水漏れが発
生してしまう問題が生じる。なお、排気ポート周壁７の
スリーブ５と対向する部位７ａについても、吸気ポート
周壁６のスリーブ５と対向する部位６ａと同様の問題が
生じることは言うまでもない。

【０００４】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
その主たる技術的課題は、冷却水通路を確保するために
吸気ポート周壁あるいは排気ポート周壁を薄肉化して
も、その根元部にヘッドボルトの締め付け荷重による応
力が集中することがなく、薄肉部分に亀裂を生じさせな
いシリンダヘッドを提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記主
たる技術的課題を解決するために、エンジンのシリンダ
内に空気を吸入する吸気ポートと、該シリンダから排気
ガスを排出する排気ポートと、該吸気ポートと該排気ポ
ートとの間に配設されたスリーブと、該スリーブの外周
面と該吸気ポートの周壁および該排気ポートの周壁との
間に形成された冷却水通路とを備え、該エンジンのシリ
ンダブロックにヘッドボルトによって締付固定されるシ
リンダヘッドにおいて、該吸気ポート周壁、又は該排気
ポート周壁の該スリーブと対向する部位は、該スリーブ
との間に所定の間隔を確保するために薄肉部に形成され
ており、該薄肉部には、該ヘッドボルトの軸方向に対し
て直角方向の溝が形成されている、ことを特徴とするシ
リンダヘッドが提供される。上記薄肉部に形成される溝
は略平行に設けられた複数の溝からなり、該複数の溝の
断面積は上記シリンダブロック側から遠い程広く形成さ
れていることが望ましい。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明によるシリンダヘッ
ドの一実施形態を示す部分下面図、図２は図１における
Ａ−Ａ線断面を１８０度回転させた断面図、図３は図２
におけるＢ−Ｂ線断面図である。なお、図１乃至図３で
は、図５に示した従来のシリンダヘッド１に対して変更
のない部分については図５と同じ符号が付いている。図
１乃至図３に示すシリンダヘッド１０は、例えばアルミ
合金によって鋳造され、吸気バルブと排気バルブが気筒
毎にそれぞれ２本ずつ配設される４弁式の直接噴射式デ
ィーゼルエンジンに適用される。シリンダヘッド１０に
は、シリンダブロック９０に形成される図示しないシリ
ンダ内に空気を吸入する吸気ポート２、及びシリンダか
ら排気ガスを排出する排気ポート３が各気筒にそれぞれ
２つずつ設けられている。図２に示すように、吸気ポー
ト２、及び排気ポート３の一端はシリンダヘッド１０の
両側面でそれぞれ分かれて開口された側面開口部２ａ、
３ａを構成しており、一方、吸気ポート２、及び排気ポ
ート３の他端はシリンダヘッド１０の下面で開口された
下面開口部２ｂ、３ｂを構成している。すなわち、吸気
ポート２の側面開口部２ａ、及び下面開口部２ｂは、そ
れぞれ吸気ポート２の入口、及び出口を構成し、排気ポ
ート３の下面開口部３ｂ、及び側面開口部３ａはそれぞ
れ排気ポート３の入口、及び出口を構成している。図１
に示すように、各気筒に設けた２つの吸気ポート２は、
それぞれが完全に分離独立した二つの通路で構成されて
いるが、排気ポート３は、入口側では二つに分かれてい
た通路が出口側で合流した構成とされている。図２に示
すように、吸気ポート２は、シリンダ内に吸入される空
気の充填効率を高めるために、吸気ポート２の下面開口
部２ｂのポート径（Ａｉｎ）が、排気ポート３の下面開
口部３ｂのポート径（Ａｅｘ）よりも大きく形成されて
いる。従って、吸気ポート２全体でも下面開口部２ｂに
合わせてポート径が広く形成されている。なお、吸気ポ
ート２、及び排気ポート３の下面開口部２ｂ、３ｂに
は、例えば耐摩耗性や耐熱性に優れた鉄系焼結材料によ
って造られたバルブシートリング１１ａ、１１ｂが嵌め
込まれており、バルブシートリング１１ａ、１１ｂは後
に配設される吸排気バルブの着座面として機能する。

【０００７】吸気ポート２と排気ポート３との間には、
後に取り付けられる燃料噴射ノズルを収容するスリーブ
５が配設されている。スリーブ５は、例えばアルミ合金
によって鋳造され、図２に示すように、上部から下部に
向かって大径部５ａ、中径部５ｂ、及び小径部５ｃと３
段に縮径された円筒状に形成されている。スリーブ５
は、シリンダヘッド１０の上壁部１４ａ、及び中壁部１
４ｂに形成された貫通孔１５ａ、１５ｂに大径部５ａ
が、そしてシリンダヘッド１０の下壁部１４ｃに形成さ
れた貫通孔１５ｃに小径部５ｃが挿通されており、図１
に示すように、各気筒の中心、すなわち吸気ポート２の
下面開口部２ｂと排気ポート３の下面開口部３ｂの計４
つの開口部によって囲まれた部分の略中心を軸にして垂
直方向に配設されている。

【０００８】シリンダヘッド１０には、冷却水を循環さ
せてシリンダヘッド１０各部を冷却する冷却水通路４
ａ、４ｂが設けられている。冷却水通路４ａはスリーブ
５の外周面と吸気ポート２の周壁および排気ポート３周
壁との間に形成され、冷却水通路４ｂは吸気ポート２の
下方と排気ポート３の下方及び上方に形成されている。
冷却水通路４ａ、４ｂは、図１に示すように、シリンダ
ヘッド１０の下面に形成された冷却水流入部１５を介し
てシリンダブロック９０に形成される図示しない冷却水
通路と連通されている。従って、冷却水通路４ａ、４ｂ
を循環する冷却水は、シリンダブロック９０の冷却水通
路から冷却水流入部１５を介して冷却水通路４ａ、４ｂ
に流入される。

【０００９】図１乃至図３において８はヘッドボルト挿
通孔で、このヘッドボルト挿通孔８に挿通して配設され
たヘッドボルト９によってシリンダヘッド１０はシリン
ダブロック９０に締付固定される。

【００１０】図示の実施形態におけるシリンダヘッド１
０においては、吸気ポート周壁１２および排気ポート周
壁１３とスリーブ５との間に所定の間隔Ｓ１を確保する
ために、吸気ポート周壁１２および排気ポート周壁１３
のスリーブ５と対向する部位１２ａおよび１３ａが薄肉
部に形成されている。その結果、薄肉部１２ａ、１３ａ
とスリーブ５との間には間隔Ｓ１が確保され、その間を
流通する冷却水の流速上昇が抑制され、キャビテーショ
ン等の発生は防止されるので、吸気ポート周壁部１２、
排気ポート周壁部１３、及びスリーブ５に腐食が起こる
ことがなくなる。

【００１１】図示の実施形態のシリンダヘッド１０にお
いては、薄肉部に形成された吸気ポート周壁１２におけ
るスリーブ５と対向する部位１２ａの外周面に該部位１
２ａの根元部１２０より高い位置に４本の溝２０が形成
され、また、排気ポート周壁１３におけるスリーブ５と
対向する部位１３ａの外周面に該部位１３ａの根元部１
３０より高い位置に３本の溝２１が形成されている。こ
の４本の溝２０および３本の溝２１は、ヘッドボルト９
の軸方向に対して直角方向にそれぞれ略平行に形成され
ている。吸気ポート周壁１２におけるスリーブ５と対向
する部位１２ａの外周面に形成された４本の溝２０につ
いて、図４を参照してさらに詳しく説明する。図４に拡
大図して示すように、溝２０は断面積が異なる４本の溝
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄからなっている。この
４本の溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、図示の実
施形態においては断面円弧状に形成され、その溝幅は略
同一に形成されているが、溝の深さが吸気ポート２の下
面開口部２ｂ側、即ちシリンダブロック９０側（図４に
おいて下側）から遠い程深く形成されている。従って、
４本の溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、その断面
積がシリンダブロック９０側から遠い程広く形成されて
いる。また、排気ポート周壁１３におけるスリーブ５と
対向する部位１３ａの外周面に該部位１３ａに形成され
た３本の溝２１も、上記溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２
０ｄと同様に、その断面積がシリンダブロック９０側か
ら遠い程広く形成されている。なお、上記吸気ポート周
壁１２および排気ポート周壁１３のスリーブ５と対向す
る部位１２ａおよび１３ａの薄肉化、及び溝２０および
２１は、シリンダヘッド１０鋳造用の中子の型によって
成形するか、あるいはシリンダヘッド１０鋳造後の切削
等による後加工によって形成することができる。

【００１２】図示の実施形態におけるシリンダヘッド１
０は以上のように構成されており、シリンダブロック９
０へ組み付けるために、ヘッドボルト９をヘッドボルト
挿通孔８に挿通してシリンダブロック９０へ締め付ける
と、シリンダブロック１０にはヘッドボルト９の軸方向
への締め付け荷重が生じる。この荷重によって薄肉化さ
れた吸気ポート周壁１２および排気ポート周壁１３のス
リーブ５と対向する部位１２ａおよび１３ａに発生する
応力は、上記溝２０および２１がなければ、上記部位１
２ａ、１３ａの根元部分にあたる根元部１２０、１３０
に集中する。しかし、図示の実施形態では、吸気ポート
周壁１２および排気ポート周壁１３におけるスリーブ５
と対向する部位１２ａおよび１３ａの根元部１２０およ
び１３０より高い位置にヘッドボルト９の軸方向に対し
て直角方向に溝２０および２１が形成されているので、
該溝２０および２１が形成された上記部位１２ａおよび
１３ａの断面積が小さくなるため、応力は根元部１２
０、１３０に集中せず、溝２０および２１が形成された
上記部位１２ａおよび１３ａへ分散することになる。従
って、ヘッドボルト９の締め付け荷重による上記部位１
２ａおよび１３ａに発生する応力は、４本の溝２０およ
び３本の溝２１によって断面積が小さくなる部分に分散
され、根元部１２０、１３０に応力が集中して亀裂が発
生することが防止される。なお、図４に示すように吸気
ポート周壁１２におけるスリーブ５と対向する部位１２
ａの外周面に形成された４本の２０ａ、２０ｂ、２０
ｃ、２０ｄはその断面積がシリンダブロック９０側から
遠い程広く形成されているので、上記部位１２ａに発生
する応力は略均一となる。なお、排気ポート周壁１３に
おけるスリーブ５と対向する部位１３ａにおいても、同
様な効果が生じることは言うまでもない。

【００１３】以上、本発明を図示の実施形態に基づいて
説明したが、本発明は実施形態のみに限定されるもので
はない。例えば、適用するエンジンはガソリンエンジン
でもよく、この場合、スリーブには点火プラグが収容さ
れることになる。また、溝を形成する薄肉部を吸気ポー
ト周壁か排気ポート周壁のいずれかに設けてもよい。ま
た、溝の断面積をシリンダブロック側から遠くなるにつ
れて広くさせるために、溝の幅および深さを変えて断面
積を変化させるような構成にしてもよい。つまり、本発
明を構成する各要件を備え、同様な作用を奏するもので
あればどのような実施の形態でもよい。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、 吸気ポート周壁又は排
気ポート周壁のスリーブと対向する部位はスリーブとの
間に所定の間隔を確保するために薄肉部に形成されてお
り、薄肉部にはヘッドボルトの軸方向に対して直角方向
の溝が形成されているので、薄肉部の根元部にヘッドボ
ルトの締め付け荷重による応力が集中することがなく、
上記溝の形成部に応力が分散されるため、上記根元部に
応力が集中することによる亀裂の発生を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシリンダヘッドの一実施形態を示
す部分下面図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面を１８０度回転させ
た断面図。

【図３】図２におけるＢ−Ｂ線断面図。

【図４】図２に示すシリンダヘッド断面の薄肉部の拡大
図と、ヘッドボルトの締め付けによって薄肉部に発生す
る応力をその拡大図に対応させて示したグラフ。

【図５】従来例によるシリンダヘッドの断面図。

【図６】図５に示すシリンダヘッド断面において、吸気
ポート周壁の肉厚を二点鎖線から冷却水通路側の厚さ分
だけ薄肉化した場合における吸気ポート周壁の拡大図
と、ヘッドボルトの締め付けによって吸気ポート周壁に
発生する応力をその拡大図に対応させて示したグラフ。

【符号の説明】

２：吸気ポート ３：排気ポート ４ａ、４ｂ：冷却水通路 ５：スリーブ ８：ヘッドボルト挿通孔 ９：ヘッドボルト １０：シリンダヘッド １２：吸気ポート周壁 １２ａ：吸気ポート周壁のスリーブと対向する部位（薄
肉部） １３：排気ポート周壁 １３ａ：排気ポート周壁のスリーブと対向する部位（薄
肉部） ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）、２１：溝 ９０：シリンダブロック １２０、１３０：根元部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンのシリンダ内に空気を吸入する
   吸気ポートと、該シリンダから排気ガスを排出する排気
   ポートと、該吸気ポートと該排気ポートとの間に配設さ
   れたスリーブと、該スリーブの外周面と該吸気ポートの
   周壁および該排気ポートの周壁との間に形成された冷却
   水通路とを備え、該エンジンのシリンダブロックにヘッ
   ドボルトによって締付固定されるシリンダヘッドにおい
   て、 該吸気ポート周壁又は該排気ポート周壁の該スリーブと
   対向する部位は、該スリーブとの間に所定の間隔を確保
   するために薄肉部に形成されており、 該薄肉部には、該ヘッドボルトの軸方向に対して直角方
   向の溝が形成されている、 ことを特徴とするシリンダヘッド。
2. 【請求項２】 該薄肉部に形成される溝は略平行に設け
   られた複数の溝からなり、該複数の溝の断面積は該シリ
   ンダブロック側から遠い程広く形成されている、請求項
   １記載のシリンダヘッド。