JP2002276460A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダヘッド下面の温度および熱応力の低
減を図り、亀裂の発生を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１０の下面１１に設けられ、内燃機関の燃
焼室を区画する燃焼面１２と、その燃焼面１２に開口さ
れた４個の吸気又は排気用のバルブ穴１３，１５と、こ
れらバルブ穴１３，１５に囲まれた領域である上記燃焼
面１２の中央部に設けられ、燃料噴射ノズルや点火プラ
グ等を取り付けるための取付穴１７と、取付穴１７の周
辺部分に、取付穴１７を含んで厚さ方向に窪んで形成さ
れた凹部１９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、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の温度低減
および熱応力の分散を図り、亀裂の発生を防止したシリ
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熱膨張（変形）しようとする
が、シリンダヘッドは、ヘッドボルトの締結やヘッド下
面の温度勾配（例えば、ヘッド下面の冷却ジャケット側
と燃焼室側との温度差等）の影響で、シリンダヘッドの
熱膨張に対する拘束力が発生する。その結果、シリンダ
ヘッドの下面に大きな熱応力が生じる。

【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】また、吸気及び排気用のバルブ穴が２個づ
つ開口された燃焼面において、排気用バルブ穴間のバル
ブブリッジ部は、間欠的に排気ガスが排気ポートへ流入
する影響で他の部分と比べて高温となり、この温度差に
よって生じる熱応力によりバルブブリッジ部に亀裂や破
損が生じる場合もある。

【０００５】そこで従来、図３に示すように、シリンダ
ヘッド下面３０の燃焼面３１に開口形成された吸気又は
排気用のバルブ穴３２，３３間のバルブブリッジ部３５
に溝３６を形成して亀裂や破損の発生を防止するシリン
ダヘッド３７が提案されている。

【０００６】このように溝３６を設けることによって、
バルブブリッジ部３５の表面が、燃焼面３１の裏側（図
３において紙面裏側）に設けられている冷却水通路（図
示せず）に近付くため、バルブブリッジ部３５の温度を
低減できると同時に、熱応力の低減も期待できる。

【０００７】なお、図中、３９は燃料噴射ノズルや点火
プラグ等を取り付けるための取付穴である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このシ
リンダヘッド３７は、バルブブリッジ部３５に溝３６を
形成しているため、バルブブリッジ部３５の厚さ（図３
において紙面厚さ方向）が薄くなり、剛性が低くなって
しまう。

【０００９】即ち、バルブブリッジ部３５の温度は低く
なるものの、バルブブリッジ部３５の剛性が低くなるた
め、溝３６の形状（例えば、深さや幅）によっては（形
状的な）応力集中が起きやすく逆効果となる可能性もあ
り、より亀裂が発生しやすくなるという懸念があった。

【００１０】そこで、図４に示すように、燃焼面３１の
中心部に設けられた燃料噴射ノズルや点火プラグ等を取
り付けるための取付穴３９を囲うように円状の溝４０を
形成したシリンダヘッド４１が提案されている（特開昭
６２−２０３９６６号公報参照）。

【００１１】このように取付穴３９を囲うように円状の
溝４０を形成すれば、バルブブリッジ部３５の剛性が低
下する心配がない。

【００１２】しかしながら、図４に示したようなシリン
ダヘッド４１は、火炎が触れる面積が大きく増加するた
め壁部分４２は高温となり、取付穴３９の熱応力が増加
し亀裂が発生するという問題がある。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、バルブブリッジ部の剛性を低下させることなく、シ
リンダヘッド下面の温度および熱応力の低減を図り、亀
裂の発生を防止できるシリンダヘッドを提供することに
ある。

【００１４】

【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、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設けられ、内燃機関の燃焼室を区画
する燃焼面と、その燃焼面に開口された４個の吸気又は
排気用のバルブ穴と、これらバルブ穴に囲まれた領域で
ある上記燃焼面の中央部に設けられ、燃料噴射ノズルや
点火プラグ等を取り付けるための取付穴と、その取付穴
の周辺部分に、取付穴を含んで厚さ方向に窪んで形成さ
れた凹部とを有するものである。

【００１５】これによれば、バルブブリッジ部の剛性を
低下することなく、この部分の温度低減を図ることがで
き、亀裂や破損の発生を防止できる。また、凹部内に取
付穴が位置するようにしたので、図４に示したシリンダ
ヘッド４１のように、凹部と取付穴との間に応力が集中
することはない。

【００１６】また、上記４個の吸気又は排気用のバルブ
穴が上記燃焼面において四角形の各頂部に位置するよう
に配置され、上記凹部が、４つの頂部が各バルブ穴間に
位置する略ひし形形状に形成されるようにしても良い。

【００１７】これによれば、凹部の各頂部がバルブブリ
ッジ部付近に位置するため、バルブブリッジ部の温度を
効果的に低減することができる。

【００１８】

【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。

【００１９】図１は本実施形態に係るシリンダヘッドの
下面側平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面
図である。

【００２０】図に示すように内燃機関のシリンダヘッド
１０は、その下面１１に設けられ、図示しないシリンダ
及びピストンとで燃焼室を区画する燃焼面１２を有して
いる。

【００２１】燃焼面１２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１３および排気用バ
ルブ穴１５が２個づつ開口形成されている。吸気用バル
ブ穴１３および排気用バルブ穴１５には、これらバルブ
穴１３，１５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１３を開くこと
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１５が開くことによって排気ガスが燃焼室から排出
される。

【００２２】吸気用バルブ穴１３および排気用バルブ穴
１５は、燃焼面１２において、それぞれ四角形の頂部に
位置するように配置されている。

【００２３】そして隣接するバルブ穴１３，１５の間に
バルブブリッジ部１６が形成される。このバルブブリッ
ジ部１６は、シリンダヘッド下面１１において、最も剛
性が低く、かつ内燃機関の運転中に最も高温となる部分
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１５同士の間のバルブブリッジ部１６は、間欠的
に排気ガスが排気ポートへ流入するため他の部分と比べ
て高温となる。

【００２４】吸気用バルブ穴１３および排気用バルブ穴
１５に囲まれた領域である燃焼面１２の中央部２４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
１７が開口形成されている。

【００２５】そして、この取付穴１７を含んだ取付穴周
辺部分に、燃焼面１２の厚さ方向（図１において紙面裏
側方向）に窪んだ凹部１９が形成されている。従って、
取付穴１７は凹部１９内が形成されている部分の燃焼面
１２を貫通して形成されている。

【００２６】凹部１９は本実施形態では略ひし形形状に
形成されており、その各頂部１９ａが隣接する各バルブ
穴１３，１５間にそれぞれ位置されている。凹部１９の
深さｄは、燃焼面１２の温度上昇の程度や、凹部１９を
形成した部分の燃焼面１２の剛性等を考慮して適宜設定
される。

【００２７】次に本実施形態の作用を述べる。

【００２８】内燃機関の運転中、燃焼面１２は燃焼室の
燃焼ガスから熱を受けて高温になる。特に、排気用バル
ブ穴１５周りが非常に高温になる。

【００２９】このとき、燃焼面１２の中央部２４には凹
部１９が形成されており、その表面が燃焼面１２の裏側
（図１において紙面裏側）に設けられている冷却水通路
（図示せず）に近付くため、燃焼面１２に伝達した熱は
冷却水通路側（図２において下側）へ移動する。このた
め、燃焼面１２は冷却水通路によって効果的に冷やされ
て温度が下がる。その結果、バルブブリッジ部１６を含
む燃焼面１２全体の温度が低減する。

【００３０】また、凹部１９を形成したことによって、
燃焼面１２の中央部の表面積が適度に増加しているた
め、放熱性が向上し、温度が低減される。

【００３１】これらの結果、燃焼面１２の温度上昇によ
りバルブブリッジ部１６に発生する熱応力、及びバルブ
ブリッジ部１６と他の部分との温度差によってバルブブ
リッジ部１６に発生する熱応力は小さくなる。

【００３２】また、凹部１９が形成されている燃焼面１
２の中央部は、厚さが薄く剛性及び温度が低くなってい
るため熱応力が緩和され、バルブブリッジ部１６に発生
する熱応力は小さくなる。

【００３３】ここで、凹部１９の深さｄが大きく、凹部
１９が形成された部分の燃焼面１２の剛性が低くなりす
ぎるような場合、図２に点線で示すように、凹部１９が
形成された部分の燃焼面１２の冷却水通路側（図２にお
いて下側）に補強リブ２０を形成するようにしても良
い。

【００３４】このようにシリンダヘッド１０によれば、
バルブブリッジ部１６の剛性を低下させることなく、バ
ルブブリッジ部１６に発生する熱応力を低減でき、亀裂
や破損の発生を防止できる。

【００３５】ここで、凹部１９の形状は、ひし形に限定
されず丸形等様々な形状とすることができる。しかしな
がら、本実施形態のように、凹部１９をひし形に形成し
て、各頂部１９ａをバルブ穴１３，１５間に位置させる
ようにすれば、凹部１９をバルブブリッジ部１６により
近付けることができるため、バルブブリッジ部１９の温
度を効果的に低減できる。

【００３６】更に、図１に示すように、ひし形１９の各
辺１９ｂを、近接するバルブ穴１３，１５の曲率に倣っ
た円弧形状とすれば、バルブ穴１３，１５と凹部１９と
の間の壁部２１の幅Ｗを均等にできる。こうすれば、壁
部２１に応力が集中して亀裂が発生することを防止でき
る。

【００３７】また、燃焼面１２の中央部に凹部１９を形
成しているため、一つの凹部１９で４か所のバルブブリ
ッジ部１６の熱応力を低減することができる。例えば、
図３に示したシリンダヘッド３７では、４か所のバルブ
ブリッジ部３５の熱応力を低減するには溝３６を４か所
に形成しなければならず加工工程数が増加してしまう
が、本発明ではそのようなデメリットがない。

【００３８】なお、ＦＥＭ（有限要素法）解析によっ
て、シリンダヘッド１０の下面の最大熱歪み量を確認し
た結果、凹部１９が形成されていないシリンダヘッドに
対して約２．５％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２０
％程度向上することが確認された。

【００３９】

【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）バルブブリッジ部の剛性が低下することなく、シリ
ンダヘッド下面の温度および熱応力の低減が可能とな
り、亀裂の発生を防止できる。 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】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３】従来のシリンダヘッドの下面側平面図である。

【図４】（ａ）従来のシリンダヘッドの下面側平面図で
ある。 （ｂ）図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

【符号の説明】

１０ シリンダヘッド １１ シリンダヘッド下面 １２ 燃焼面 １３ 吸気用バルブ穴 １５ 排気用バルブ穴 １６ バルブブリッジ部 １７ 取付穴 １９ 凹部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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設けられ、内燃機関の燃焼室を
   区画する燃焼面と、その燃焼面に開口された４個の吸気
   又は排気用のバルブ穴と、これらバルブ穴に囲まれた領
   域である上記燃焼面の中央部に設けられ、燃料噴射ノズ
   ルや点火プラグ等を取り付けるための取付穴と、該取付
   穴の周辺部分に、取付穴を含んで厚さ方向に窪んで形成
   された凹部とを有することを特徴とするシリンダヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 上記４個の吸気又は排気用のバルブ穴が
   上記燃焼面において四角形の各頂部に位置するように配
   置され、上記凹部が、４つの頂部が各バルブ穴間に位置
   する略ひし形形状に形成される請求項１記載のシリンダ
   ヘッド。