JP2002266696A

JP2002266696A - シリンダヘッド

Info

Publication number: JP2002266696A
Application number: JP2001063469A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Yamauchi; 孝宏山内
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】シリンダヘッド下面に発生する熱応力及び熱
歪みを効果的に緩和・吸収して亀裂の発生を確実に防止
できるシリンダヘッドを提供する。【解決手段】内燃機関のシリンダヘッドであって、シ
リンダヘッド下面１０ａに複数設けられ、燃焼室を区画
する略円形状の燃焼面１１と、燃焼面１１に開口された
吸気又は排気用のバルブ穴１２，１３と、それら燃焼面
１１の間に形成されたシリンダブリッジ当接部１７と、
シリンダブリッジ当接部１７に開口形成された、ボルト
穴１９ａや冷却水通路穴１９ｂ等の穴部１９と、シリン
ダブリッジ当接部１７における燃焼面１１と穴部１９と
の間の部分に形成され、隣接する燃焼面１１の曲率にほ
ぼ倣うように円弧状に形成された溝２１とを有するもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多気筒内燃機関の
シリンダヘッドに係り、特に、シリンダヘッド下面に発
生する熱応力を緩和して亀裂の発生を防止できるシリン
ダヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関におけるシリンダヘッドの下
面、特に、燃焼室を区画する燃焼面は、内燃機関の運転
中、非常に高温となるため膨張（変形）しようとする
が、シリンダヘッドはボルト締結によるシリンダヘッド
下面とガスケットとの摩擦力やシリンダヘッド自体の温
度分布の不均一による影響で、熱変形に対する拘束力が
発生している。その結果、シリンダヘッド下面に熱応力
が発生する。

【０００３】熱応力が発生すると、シリンダヘッド下面
の燃焼面における最も剛性の低い部分、即ち、燃焼面に
開口された吸気又は排気用のバルブ穴間の部分、所謂バ
ルブブリッジ部に応力が集中して亀裂や破損が生じる場
合がある。

【０００４】そこで従来、シリンダヘッド下面の燃焼面
に、溝（スリット）を形成したシリンダヘッドが提案さ
れている。このように燃焼面に溝を形成すると、溝が変
形することで熱応力及び熱歪みを緩和・吸収できるた
め、亀裂の発生等を防止できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃焼面
に溝を形成した場合、燃焼室の容積が無駄に増大するた
め、内燃機関の性能低下等の不具合が生じる問題があっ
た。

【０００６】そこで、図３に示すように、シリンダブロ
ック下面５０ａの各燃焼面５１の間に形成されたシリン
ダブリッジ当接部５７に溝６１を形成したシリンダヘッ
ド５０が提案されている（実開昭５９−６５９５５号公
報参照）。

【０００７】このシリンダブロック５０は、一つのシリ
ンダブリッジ当接部５７に、各燃焼面５１の中心同士を
結んだ中心軸線Ｃに対して直交する方向にほぼ直線状
（実際には、シリンダブリッジ当接部５７に形成されて
いるボルト穴等を避けるために多少湾曲している）の溝
６１が一つ形成されたものである。

【０００８】しかしながら、このシリンダヘッド５０で
は、溝６１と燃焼面５１、特に、運転中最も高温となる
排気用バルブ穴５３周縁部との距離が大きいため、熱応
力及び熱歪みを効果的に吸収することができなかった。
また、一つの溝６１で両隣りに位置する燃焼面５１の熱
応力及び熱歪みを吸収する構造であるため、充分な効果
を得られない場合があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、シリンダヘッド下面に発生する熱応力及び熱歪みを
効果的に緩和・吸収して亀裂の発生を確実に防止できる
シリンダヘッドを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドであっ
て、シリンダヘッドの下面に複数設けられ、各気筒の燃
焼室を区画する略円形状の燃焼面と、燃焼面に開口され
た吸気又は排気用のバルブ穴と、それら燃焼面の間に形
成されたシリンダブリッジ当接部と、シリンダブリッジ
当接部に開口形成された、ボルト穴や冷却水通路穴等の
穴部と、上記シリンダブリッジ当接部における上記燃焼
面と上記穴部との間の部分に形成され、隣接する燃焼面
の曲率にほぼ倣うように円弧状に形成された溝とを有す
るものである。

【００１１】この構成によれば、溝と燃焼面及びバルブ
穴との距離を小さくできるため、シリンダヘッド下面に
発生する熱応力及び熱歪みを効果的に緩和・吸収でき
る。従って、亀裂の発生等の不具合を確実に防止でき
る。

【００１２】また、上記溝は、一つのシリンダブリッジ
当接部において、両隣りの燃焼面の曲率にそれぞれ倣う
ように二つづつ形成しても良い。こうすれば、二つの溝
が、シリンダブリッジ当接部の両隣に位置する二つの燃
焼面にそれぞれ対応できるため、熱応力及び熱歪みの緩
和・吸収効果がより高くなる。

【００１３】また、上記溝は、上記燃焼面の中心同士を
結んだ中心軸線を中心として、その直角方向両側に対称
となるように形成しても良い。これによれば、中心軸線
の両側に均等に、熱応力及び熱歪みの緩和・吸収効果を
得ることができるためシリンダヘッドが不均一に歪むこ
とがない。

【００１４】また、上記溝が、上記燃焼面の中心から、
燃焼面の中心同士を結んだ中心軸線を跨いで位置する二
つの吸気又は排気用バルブ穴の間隔の中心を通って延び
る間隔中心線を中心として、その直角方向両側に対称と
なるように形成しても良い。これによれば、中心軸線を
跨いで位置する吸気又は排気用バルブ穴が中心軸線から
等間隔に配置されていない燃焼面においても、確実に熱
応力及び熱歪みの緩和・吸収効果を得ることができる。

【００１５】また、上記溝の長さＬを、燃焼面の中心同
士を結んだ中心軸線を跨いで位置する二つの吸気又は排
気用バルブ穴の間隔の最小距離をＡとした場合、Ａ＜Ｌ
＜５Ａの範囲内に形成されるようにしても良い。これに
よれば、確実に熱応力及び熱歪みの緩和・吸収効果を得
ることができるうえ、溝を無駄に長く形成してシリンダ
ヘッドの剛性を不必要に低下させることがない。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００１７】図１は、本実施形態に係るシリンダヘッド
の下面側平面図である。

【００１８】図に示すように、本実施形態に係る、多気
筒内燃機関のシリンダヘッド１０は、その下面１０ａに
設けられ、図示しないシリンダブロックのシリンダ及び
ピストンとで、各気筒の燃焼室を区画する円形状の燃焼
面１１を複数（気筒と同数）有している。

【００１９】なお、図では、複数の燃焼面１１の内、二
つのみを示している。

【００２０】燃焼面１１には、吸気ポート壁又は排気ポ
ート壁が接続された吸気用バルブ穴１２および排気用バ
ルブ穴１３が２個づつ開口形成されている。吸気用バル
ブ穴１２および排気用バルブ穴１３には、これらバルブ
穴１２，１３を開閉する吸気弁および排気弁（図示せ
ず）が設けられており、吸気用バルブ穴１２が開くこと
によって、ガソリン機関における混合気、又はディーゼ
ル機関における空気が燃焼室内に導入され、排気用バル
ブ穴１３が開くことによって排気ガスが燃焼室から排出
される。

【００２１】吸気用バルブ穴１２および排気用バルブ穴
１３は、燃焼面１１の中心Ｏを中心とする正四角形の頂
部に位置するように配置されている。従って、各燃焼面
１１の中心Ｏ同士を結んだ中心軸線Ｃ１を跨いで位置す
る吸気又は排気用バルブ穴１２，１３は、それぞれ中心
軸線Ｃ１から等間隔を隔てて配置されている。

【００２２】そして、隣接するバルブ穴１２，１３の間
にバルブブリッジ部１５が形成される。このバルブブリ
ッジ部１５は、シリンダヘッド下面１０ａにおいて、最
も剛性が低い部分であるため最も亀裂が発生しやすい。
特に、排気用バルブ穴１３同士の間のバルブブリッジ部
１５は、両側の排気用バルブ穴１３に接続された排気ポ
ート壁から熱を受けるため他の部分と比べて高温となる
ので、より亀裂が発生しやすい。

【００２３】なお、燃焼面１１の中央部には、ガソリン
機関における点火プラグ、又はディーゼル機関における
燃料噴射ノズル等が取り付けられる取付穴１６が開口形
成されている。

【００２４】各燃焼室１１の間には、シリンダブロック
（図示せず）のシリンダブリッジとガスケットシールを
挟んで当接するシリンダブリッジ当接部１７が形成され
る。ガスケットシールは燃焼面１１の外周１１ａと等し
い径の穴を有しており、燃焼室の外周をシールして燃焼
ガス等が燃焼室から洩れることを防いでいる。

【００２５】シリンダブリッジ当接部１７のほぼ中心部
には、シリンダヘッド１０をシリンダブロックに固定す
るボルトを挿通するためのボルト穴１９ａや、シリンダ
ブリッジを冷却する冷却水の通路となる冷却水通路穴１
９ｂ等の穴部１９が形成されている。

【００２６】そして、シリンダブリッジ当接部１７にお
いて、燃焼面１１と各穴部１９との間の部分２０に、中
心軸線Ｃ１に対して直交する方向に延びる溝２１が形成
されている。溝２１は、燃焼面１１の外周１１ａおよび
各穴部１９と交差することがないように、これらを避け
て形成される。

【００２７】図に示すように、溝２１はシリンダブリッ
ジ当接部１７の両隣に位置する燃焼面１１にそれぞれ近
接させて二つ形成されている。

【００２８】更に溝２１は、隣接する燃焼面１１の外周
１１ａの曲率にほぼ倣うように円弧状に形成されると共
に、中心軸線Ｃ１を中心として、その直角方向両側に対
称に形成されている。従って、溝２１は中心軸線Ｃ１の
両側に等距離形成される。

【００２９】溝２１の長さＬは、隣接する燃焼面１１の
バルブブリッジ部１５に発生する熱応力及び熱歪みを十
分吸収できる程度に長く（燃焼室１１の外周１１ａの長
さの１／４程度）形成される。

【００３０】なお、本発明者らは、実験や経験則によっ
て、溝２１の長さＬを、中心軸線Ｃ１を跨いで位置する
バルブ穴１２，１３の間隔の最小距離をＡとした場合、
Ａ＜Ｌ＜５Ａの範囲内で形成すれば、確実に熱応力及び
熱歪みの緩和・吸収効果を得ることができると共に、溝
２１を無駄に長く形成することを防止できることを確認
した。

【００３１】次に本実施形態の作用を述べる。

【００３２】内燃機関の運転中、燃焼面１１、特にバル
ブブリッジ部１５は、燃焼ガスから熱を受けて高温にな
り、熱応力及び熱歪みが発生する。

【００３３】このとき、シリンダブリッジ当接部１７に
形成された溝２１が変形することで熱応力及び熱歪みが
緩和・吸収される。従って、バルブブリッジ部１５に発
生する熱応力は小さくなり、亀裂の発生が防止される。

【００３４】また、溝２１が燃焼面１１と穴部１９との
間に形成されると共に、燃焼面１１の外周１１ａの曲率
に倣った円弧状に形成されているため、溝２１と燃焼面
１１及びバルブ穴１２，１３との距離が小さくなり、熱
応力及び熱歪みを効果的に緩和・吸収できる。特に、図
３に示す従来のシリンダヘッド５０と比較して、排気用
バルブ穴１３周縁部（運転中、最も高温となる部分）と
の距離が小さいのでより効果が大きい。

【００３５】更に、一つのシリンダブリッジ当接部１７
に形成された二つの溝２１が、両隣りに位置する二つの
燃焼面１１の熱応力及び熱歪みをそれぞれ緩和・吸収す
るため、効果が大きい。

【００３６】また、溝２１の長さＬをＡ＜Ｌ＜５Ａの範
囲内で形成すれば、確実に効果を得ることができるうえ
に溝２１を無駄に長く形成して、シリンダヘッド１０の
剛性を不必要に低下させることがない。即ち、図３に示
す従来のシリンダヘッド５０では、溝６１がシリンダヘ
ッド下面５０ａの幅方向全域に渡って形成されているた
め、シリンダヘッド５０全体の曲げ剛性が低下すること
が推定されるが、溝２１の長さＬを、上記範囲内で形成
すれば、そのようなデメリットが生じることはない。

【００３７】また、溝２１が中心軸線Ｃ１の両側に対称
に形成されているので、中心軸線Ｃ１の両側に均等に、
熱応力及び熱歪みの緩和・吸収効果を得ることができる
ためシリンダヘッド１０が不均一に歪むことがない。

【００３８】なお、ＦＥＭ（有限要素法）解析によっ
て、シリンダヘッド下面１０ａの最大熱歪み量を確認し
た結果、溝２１が形成されていないシリンダヘッドに対
して約２％低減されることが分かった。これをシリンダ
ヘッドの材質の一例として、ねずみ鋳鉄材の熱疲労強度
からシリンダヘッドの寿命を推定すると、約１５％程度
向上することが確認された。

【００３９】従って、本発明によればシリンダヘッドの
信頼耐久性の向上が図れる。

【００４０】次に、図２を用いて他の実施形態について
説明する。

【００４１】この形態のシリンダヘッド３０はその基本
的な構造は、図１に示したものと同一であるので同一の
要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

【００４２】この形態のシリンダヘッド３０が、図１に
示したものと異なる点は、各燃焼面１１に形成される吸
気又は排気用バルブ穴３２，３３の配置が異なっている
点である。即ち、中心軸線Ｃ１を跨いで位置する吸気又
は排気用バルブ穴３２，３３が中心軸線Ｃ１から等間隔
に位置していない。更に、中心軸線Ｃ１の長さ方向にも
ずれて配置されている。

【００４３】そして、溝２１は燃焼面１１の中心Ｏか
ら、中心軸線Ｃ１を跨いで位置する二つの吸気又は排気
用バルブ穴３２，３３の間隔の中心Ｂを通って延びる間
隔中心線Ｃ２を中心として、その直角方向両側に対称と
なるように形成される。

【００４４】このように溝２１を形成すれば、バルブ穴
３２，３３が中心軸線ｃ１から等間隔に配置されていな
い場合でも確実に熱応力及び熱歪みの緩和・吸収効果を
得ることができる。

【００４５】また、この場合も、溝２１の長さＬは、中
心軸線Ｃ１を跨いで位置する二つの吸気又は排気用バル
ブ穴３２，３３の間隔の最小距離をＡとした場合、Ａ＜
Ｌ＜５Ａの範囲内に形成することが好ましい。

【００４６】これまで、各穴部１９はシリンダブリッジ
当接部１７の中央に直線状に形成されているとして図示
してきたが、本発明はこの点において限定されない。

【００４７】各穴部１９の配置が異なる場合でも、溝２
１を燃焼面１１と穴部１９との間に形成すると共に、燃
焼面１１の外周１１ａに倣った円弧状に形成すれば同じ
効果を得ることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、以下に示
す如く優れた効果を発揮するものである。１）シリンダ
ヘッド下面に発生する熱応力及び熱歪みを効果的に緩和
・吸収して亀裂の発生を確実に防止できる。２）シリン
ダヘッドの耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの下
面側平面図である。

【図２】本発明の他の実施形態に係るシリンダヘッドの
下面側平面図である。

【図３】従来のシリンダヘッドの下面側平面図である。

【符号の説明】

１０シリンダヘッド１０ａシリンダヘッド下面１１燃焼面１２吸気用バルブ穴１３排気用バルブ穴１７シリンダブリッジ当接部１９穴部２１溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多気筒内燃機関のシリンダヘッドであっ
て、該シリンダヘッドの下面に複数設けられ、各気筒の
燃焼室を区画する略円形状の燃焼面と、燃焼面に開口さ
れた吸気又は排気用のバルブ穴と、それら燃焼面の間に
形成されたシリンダブリッジ当接部と、該シリンダブリ
ッジ当接部に開口形成された、ボルト穴や冷却水通路穴
等の穴部と、上記シリンダブリッジ当接部における上記
燃焼面と上記穴部との間の部分に形成され、隣接する燃
焼面の曲率にほぼ倣うように円弧状に形成された溝とを
有することを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項２】上記溝が、一つのシリンダブリッジ当接
部において、両隣りの燃焼面の曲率にそれぞれ倣うよう
に二つづつ形成された請求項１記載のシリンダヘッド。
【請求項３】上記溝が、上記燃焼面の中心同士を結ん
だ中心軸線を中心として、その直角方向両側に対称とな
るように形成された請求項１又は２記載のシリンダヘッ
ド。
【請求項４】上記溝が、上記燃焼面の中心から、燃焼
面の中心同士を結んだ中心軸線を跨いで位置する二つの
吸気又は排気用バルブ穴の間隔の中心を通って延びる間
隔中心線を中心として、その直角方向両側に対称となる
ように形成された請求項１又は２記載のシリンダヘッ
ド。
【請求項５】上記溝の長さＬが、燃焼面の中心同士を
結んだ中心軸線を跨いで位置する二つの吸気又は排気用
バルブ穴の間隔の最小距離をＡとした場合、Ａ＜Ｌ＜５
Ａの範囲内に形成される請求項１〜４いずれかに記載の
シリンダヘッド。