JP2004019558A

JP2004019558A - 内燃機関のシリンダヘッド構造

Info

Publication number: JP2004019558A
Application number: JP2002175928A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kuroda; 黒田　良一; Tetsuo Uratani; 浦谷　哲雄
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】高温部分の熱ひずみの低減化を図ることができる内燃機関のシリンダヘッド構造を提供することである。
【解決手段】冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の燃焼室側の壁面に冷却性を向上させる凹部を設け、弁間部分の温度低下を図ることによりシリンダヘッド壁部の熱ひずみを低減させるようにした。冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の壁面に凹部又は凸部を設け、凹部又は凸部に応力を生じさせることによりシリンダヘッド壁部の弁間部分に生じる熱ひずみを低減させるようにした。冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の水室側の壁面に凹部を設け、シリンダヘッド壁部の弁間部分の冷却性を向上させることにより弁間部分の熱ひずみを低減させるようにした。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転中にシリンダヘッドに生じる熱ひずみを低減させることができる内燃機関のシリンダヘッド構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関は、シリンダヘッドの燃焼室に面した壁部の熱ひずみを低減するために冷却水通路に工夫を凝らし、冷却水による冷却効果を高めていた。シリンダヘッド自身（燃焼室に面した壁部）の剛性を確保する必要があるため、従来は、燃焼室に面した壁部の肉厚設定は、最も大きな熱応力が発生する排気弁間の安全性を考慮して燃焼室に面した全ての領域の壁部を一定の肉厚に設定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼室に面した壁部のうち、隣接する排気弁間のような高温部分と比較的低温な部分とを同一の強度に設定する必要はない。本発明では主にこの点に着目し、高温部分の熱ひずみの低減化を図ることができる内燃機関のシリンダヘッド構造を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の燃焼室側の壁面に冷却性を向上させる凹部を設け、前記弁間部分の温度低下を図ることにより前記シリンダヘッド壁部の熱ひずみを低減させるようにした。
請求項２の発明では、冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の壁面に凹部を設け、前記凹部に応力を生じさせることによりシリンダヘッド壁部の弁間部分に生じる熱ひずみを低減させるようにした。
請求項３の発明では、冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の壁面に凸部を設け、前記凸部に応力を生じさせることによりシリンダヘッド壁部の弁間部分に生じる熱ひずみを低減させるようにした。
請求項４の発明では、冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の水室側の壁面に凹部を設け、前記シリンダヘッド壁部の弁間部分の冷却性を向上させることにより前記弁間部分の熱ひずみを低減させるようにした。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１〜４の発明を実施した内燃機関のシリンダヘッド１００の底面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図１に示すようにシリンダヘッド１００は、底壁２０に２つの給気口１，２と２つの排気口３，４とを備えている。給気口１，２は、吸気弁（図示せず）により開閉され、排気口３，４は排気弁２５，２６（図２）によりそれぞれ開閉される。
【０００６】
図１には吸気弁，排気弁共に記載していないが、以下においては給気口１と２の間，排気口３と４の間，給気口１と排気口３の間及び給気口２と排気口４の間の部分（シリンダヘッド壁部）を弁間部分（弁間壁部）と呼ぶことにする。
【０００７】
図１，図２に示すように隣接する排気口３，４の間の弁間部分（弁間壁部２２ａ）には弁間くぼみ部５が設けてある。また、図示しないシリンダブロックとの間でガスシールを施す環状のグロメット部４０近傍におけるシリンダヘッド１００の外縁壁部２１ｂ，２１ｄには外縁くぼみ部１２，１１がそれぞれ設けてある。
【０００８】
また、図１に示すように給気口１と排気口３の間の弁間部分（弁間壁部２２ｄ）には弁間くぼみ部７が設けてある。同様に給気口２と排気口４の間の弁間壁部２２ｂには弁間くぼみ部６が設けてあり、給気口１と２の間の弁間壁部２２ｃには弁間くぼみ部８が設けてある。さらに図１に示すように、外縁壁部２１ａ，２１ｃには、それぞれ外縁くぼみ部１０，９が設けてある。
【０００９】
内燃機関の運転中は、燃焼室３５内で生じる熱によりシリンダヘッド１００は加熱される。特に２つの排気口３，４の間の弁間壁部２２ａが他所と比較して高温となり、大きな熱ひずみが生じる。
【００１０】
弁間くぼみ部５を設けて弁間壁部２２ａの肉厚を部分的に薄くすると、弁間壁部２２ａの熱を水室１５内の低温の冷却水に円滑に伝達させることができるので、この熱ひずみは低減される。
【００１１】
弁間くぼみ部５の深さを１ｍｍ増加させる毎に、弁間壁部２０ａの温度を１３〜１４℃程度低下させることができる。したがって、シリンダヘッド１００が強度的に問題のない範囲内で弁間くぼみ部５の深さを設定する（つまり、弁間壁部２２ａの最小肉厚を設定する）。
【００１２】
上述の範囲内で、低減させたいひずみ量に相当する温度低下度合いから、弁間くぼみ部５の加工深さを設定すると、シリンダヘッド１００に構造的な無理が生じにくく、また、熱ひずみも十分に低減させることができる。例えば、２６℃の温度低下が必要であれば、２ｍｍ程度の深さの弁間くぼみ部５を形成するようにする。
【００１３】
このように、予め低減したい熱ひずみ量を求めておき、この低減したい熱ひずみ量に見合う深さの弁間くぼみ部５を形成することもできる。シリンダボア（直径）を１０６ｍｍとすると、弁間くぼみ部５の直径は例えば２０ｍｍ程度とすることができる。
【００１４】
また、図２に示す外縁くぼみ部１１，１２を設けることにより、それぞれ弁間壁部２２ｄ，２２ｂ（図１）に生じる熱ひずみを低減させることができる。このように外縁壁部に外縁くぼみ部を設けることにより、内側の弁間壁部に生じる熱応力を軽減できる仕組を図７に示すグラフにより説明する。図７は、シリンダヘッド壁部２０に生じる応力の大きさを示す概念図である。
【００１５】
図７では、排気口３，４の間の弁間壁部２２ａ及び外縁壁部２１ａを例にとって説明している。図７（ａ）では、外縁くぼみ部１０が爆面に形成されており、くぼみ部１０に生じる応力により弁間壁部２２ａに生じる最大熱応力による熱ひずみが低減される。
【００１６】
図７（ｂ）では、図７（ａ）に記した外縁くぼみ部１０を設けておらず，外縁壁部２１ａが平坦となっている場合を示している。外縁壁部２１ａが平坦な場合においても、図７（ａ）のくぼみ部中心の位置に相当するＡ点において応力が生じているが、図７（ａ）の弁間くぼみ部５に生じる応力よりは小さいため、最大熱応力による熱ひずみを低減する効果は小さくなる。
【００１７】
外縁くぼみ部１０は、シリンダボアの中心方向から滑らかに窪むように形成すると、応力がシリンダヘッド壁部２０上で伝達され易くなり局部的に留まることを回避することができて好ましい。
【００１８】
外縁壁部２１ａにくぼみ部１０を形成すると、くぼみ部１０に応力が生じ易くなり、その結果、排気弁間の最大熱応力による熱ひずみを低減することができ、シリンダヘッド１００全体として熱ひずみを低減することができ、安全性が向上する。
【００１９】
外縁くぼみ部１０は、シリンダヘッド１００の肉厚が比較的分厚く強固な部分に設けるために強度的な制約が少なく、弁間くぼみ部５よりも深さが深くなるように形成することができる。外縁くぼみ部１１の直径は、例えば３０ｍｍ程度とすることができる。
【００２０】
以上の説明では、主に弁間くぼみ部５と外縁くぼみ部１０について記載したが、それ以外の弁間くぼみ部６〜８や外縁くぼみ部９，１１，１２も弁間くぼみ部５，外縁くぼみ部１０と同様に構成する。ただ、弁間くぼみ部６〜８が設けられた弁間壁部２２ｂ，２２ｃ及び２２ｄは、弁間くぼみ部５が設けられた弁間壁部２２ａよりも低温であるため、必ずしも弁間くぼみ部５と同じ深さに設定する必要はない。
【００２１】
図３は、外縁壁部２１ｄ，２１ｂにそれぞれ突起部１１ａ，１２ａを設けたシリンダヘッド１０１の図２に対応する断面略図である。また、図８（ａ）は、図７（ａ）において外縁くぼみ部１０の代わりに外縁壁部２１ａに突起部１０ａを設けたシリンダヘッド１０１の爆面（シリンダヘッド壁部２０）に生じる応力の大きさを示す概念図である。図８（ｂ）は、図７（ｂ）と同様に外縁壁部２１ａに突起部１０ａを設けない場合にシリンダヘッド１０１の爆面に生じる応力の大きさを示す概念図である。
【００２２】
外縁壁部２１ａに突起部１０ａを設けても、外縁壁部２１ａに生じる応力は平坦な場合よりも大きくなり、弁間壁部２２ａに生じる最大熱応力による熱ひずみを低減させることができる。
【００２３】
図６は、外縁壁部にくぼみ部（凹部）又は突起部（凸部）を設けた際のひずみ量を示すグラフである。外縁壁部が平坦な場合を１００％とすると、くぼみ部を設ける場合はくぼみ深さが深くなるほどひずみ量が減少している。つまり、くぼみ部の深さを深くするほど弁間壁部の熱ひずみが低減されている。また、外縁壁部に突起部を設けた場合には、燃焼面からの突出量が０．５ｍｍ付近でひずみ量が最小となっている。
【００２４】
つまり、外縁壁部にくぼみ部を設ける場合には、シリンダヘッド１００の強度上の問題が生じない限り、くぼみ深さを深く設定するほど弁間壁部の熱応力を低減させることができ、また、シリンダヘッド１０１のように突起部を設ける場合には、突起部を燃焼面からの高さが０．５ｍｍ程度となるように形成すると、弁間壁部の熱ひずみを低減させることができる。
【００２５】
図４は、図１〜図３に記載したシリンダヘッドとは別のシリンダヘッド１０２の底面図である。シリンダヘッド１０２には、図１に示す弁間くぼみ部５〜８と外縁くぼみ部９〜１２の代わりに、排気弁間広域くぼみ部３０（図４のハッチング部分）が設けてある。
【００２６】
燃焼面（爆面）の特に高温となる排気弁間の広い範囲にくぼみを形成することにより、水室に収容した冷却水との熱伝達が円滑になり、高温の弁間壁部の熱ひずみの低減化を期待することができる。
【００２７】
図５は、図１〜図４に記載したシリンダヘッドとはさらに別のシリンダヘッド１０３の底面図である。シリンダヘッド１０３は、全弁間部分（図５のハッチング部分）が弁間部より外周側の部分に対して窪んで広域なくぼみ部３０ａを形成している。このようにくぼみ部３０ａを形成する（弁間壁部を薄くする）ことにより、冷却効果を向上させることができ、熱ひずみを低減することができる。
【００２８】
本発明（請求項１〜４の発明）は、内燃機関全般に適用可能であるが、特にプレジャーボート用の高速エンジンとして使用されるようなディーゼル機関に適用すると、得られる効果が大きい。
【００２９】
上述した実施の形態では、吸気弁と排気弁とをそれぞれ２つずつ備えた４弁式の内燃機関のシリンダヘッドについてのみ記載したが、２弁式又はそれ以外の複数弁式の内燃機関においても同様に適用することができる。
【００３０】
また、ピストン（図示せず）の頂面に、シリンダヘッド１００の爆面の凹凸に対応する凹凸を設けておくことにより、圧縮効率の低下を阻止することができる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明では、シリンダヘッド底壁２０（シリンダヘッド壁部）の弁間部分２２ａの燃焼室側の壁面に冷却性を向上させる弁間くぼみ部５（凹部）を設けたので、弁間部分２２ａの温度低下を図ることができ、シリンダヘッド底壁２０（シリンダヘッド壁部）の熱ひずみを低減させることができる。したがって、安全性が向上しシリンダヘッド１００の寿命を延ばすことができる。
【００３２】
請求項２の発明では、シリンダヘッド底壁２０のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の外縁壁部２１ａに外縁くぼみ部１０（凹部）を設け、外縁くぼみ部１０に応力を生じさせることにより弁間壁部２２ａに生じる熱ひずみを低減させることができる。外縁くぼみ部１０を歪ませることにより、弁間壁部２２ａに生じる熱ひずみを低減させ、弁間壁部２２ａを保護することができる。
【００３３】
弁間部分から外れた位置（外縁部２１ａ等）は、弁間部２２ａよりも温度が低く、熱応力が小さい。したがって、この低温部分に外縁くぼみ部１０（凹部）を設けることにより、構造的に安全に弁間部２２ａの熱ひずみを低減させることができる。
【００３４】
請求項３の発明では、シリンダヘッド底壁２０のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の外縁壁部２２ａに突起部１０ａ（凸部）を設け、突起部１０ａ（凸部）に応力を生じさせることにより弁間壁部２２ａに生じる熱ひずみを低減させることができる。
【００３５】
請求項２及び請求項３の発明では、運転中の内燃機関のシリンダヘッド１００，１０１の応力分布を把握し、比較的小さな熱応力しかかからない部分（外縁部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ及び２１ｄ）にくぼみ部１０，１２，９及び１１を設け、このくぼみ部９〜１２を歪ませる（応力を掛ける）ことにより、弁間部２２ａ（排気弁間）にかかる最大熱応力による熱ひずみを低減させることができる。
【００３６】
請求項４の発明では、シリンダヘッド底壁２０の弁間壁部２１ｂの水室側の壁面に水室側くぼみ部１８（凹部）を設けたので、弁間部分の冷却性が向上し、弁間部分の熱ひずみを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１〜４の発明を実施した内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】外縁壁部に突起部を設けたシリンダヘッドの図２に対応する断面略図である。
【図４】図１〜図３に記載したシリンダヘッドとは別のシリンダヘッドの底面図である。
【図５】図１〜図４に記載したシリンダヘッドとはさらに別のシリンダヘッドの底面図である。
【図６】外縁壁部にくぼみ部又は突起部を設けた際の弁間壁部の熱ひずみ量を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、爆面にくぼみ部を設けた際のシリンダヘッド底壁に生じる応力の大きさを示す概念図である。（ｂ）は、爆面に（ａ）のようなくぼみ部を設けない場合にシリンダヘッド底壁に生じる応力の大きさを示す概念図である。
【図８】（ａ）は、爆面に突起部を設けた際のシリンダヘッド底壁に生じる応力の大きさを示す概念図である。（ｂ）は、爆面に（ａ）のような突起部を設けない場合にシリンダヘッド底壁に生じる応力の大きさを示す概念図である。
【符号の説明】
１，２　給気口
３，４　排気口
５〜８　弁間のくぼみ部（凹部）
９〜１２　外縁のくぼみ部（凹部）
１０ａ　突起部
１５〜１７　水室
１８　水室側くぼみ部
２０　シリンダヘッド底壁
２１ａ〜２１ｄ　外縁部
２２ａ〜２２ｄ　弁間部
２５，２６　排気弁
３０　排気弁間広域くぼみ部
３５　燃焼室
１００　シリンダヘッド

Claims

冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の燃焼室側の壁面に冷却性を向上させる凹部を設け、前記弁間部分の温度低下を図ることにより前記シリンダヘッド壁部の熱ひずみを低減させることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の壁面に凹部を設け、前記凹部に応力を生じさせることによりシリンダヘッド壁部の弁間部分に生じる熱ひずみを低減させることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部のシリンダボアの外周端付近の燃焼室側の壁面に凸部を設け、前記凸部に応力を生じさせることによりシリンダヘッド壁部の弁間部分に生じる熱ひずみを低減させることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
冷却水を収容する水室と燃焼室とを仕切るシリンダヘッド壁部の弁間部分の水室側の壁面に凹部を設け、前記シリンダヘッド壁部の弁間部分の冷却性を向上させることにより前記弁間部分の熱ひずみを低減させることを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。