JP2004019558A - 内燃機関のシリンダヘッド構造 - Google Patents
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Abstract
【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
【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 (4)
- 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。
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JP2002175928A JP2004019558A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 内燃機関のシリンダヘッド構造 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2002175928A JP2004019558A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 内燃機関のシリンダヘッド構造 |
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JP2004019558A true JP2004019558A (ja) | 2004-01-22 |
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ID=31174440
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103573459A (zh) * | 2012-07-26 | 2014-02-12 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种天然气发动机气缸盖 |
-
2002
- 2002-06-17 JP JP2002175928A patent/JP2004019558A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103573459A (zh) * | 2012-07-26 | 2014-02-12 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种天然气发动机气缸盖 |
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