JP2004092620A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッド底面の熱応力をより効果的に緩和することのできる内燃機関のシリンダヘッドを提供する。
【解決手段】シリンダヘッド底面１０に形成された燃焼室上面部分１１の外縁に沿って延伸され、燃焼室上面部分１１の外周を囲繞するように略円環状の熱応力を緩和する熱応力緩和溝１６を形成した。
【選択図】　　　図１

Description

【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かかり、特にその熱応力を緩和するための構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の燃焼室内では、燃料の燃焼に伴い、大量の熱が発生する。そのため、シリンダヘッド底面に形成された燃焼室上面部分が機関運転中に高温となり、シリンダヘッド底面がその燃焼室上面部分からその周囲に向けて熱膨張しようとする。ただし、シリンダヘッド底面は、ヘッドボルト等によりシリンダブロック側に固定されており、変形が制限されているため、そうした熱膨張を十分に許容することはできない。そのため、高温化に伴い、燃焼室上面部分などに、熱応力による歪みが発生してしまう。
【０００３】
従来、そうした熱応力を緩和するための構造として、図７に示されるように、シリンダヘッド底面７０に熱応力緩和用のスリット７１を形成した内燃機関のシリンダヘッドが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。このスリット７１は、シリンダヘッド底面７０の各気筒間の部分に形成されており、気筒配列方向と直交する方向に延伸されている。そして、そうしたスリット７１により、シリンダヘッド底面７０の熱応力による歪みを吸収するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６１１２８号公報
【特許文献２】
実開昭５８−８２４５３号公報
【特許文献３】
特開昭５５−１６０１４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、外気の導入に応じて冷却される吸気ポート７２の周辺部は、機関運転中も比較的低温となっており、燃焼室上面部分７３にあっても、その吸気ポート７２の周辺部と排気ポート７４の周辺部とでは、温度に差が生じている。そのため、吸気ポート７２と排気ポート７４との間の燃焼室中央部分では、熱応力による歪みが集中しやすくなっており、機関負荷の変化、或いは内燃機関の運転・停止に応じた温度の昇降の繰り返しにより、疲労き裂が発生しやすくなっている。
【０００６】
一方、シリンダヘッド底面７０にあって、直接燃焼に曝される燃焼室上面部分７３は、機関運転中に高温となるが、その周囲の部分は比較的低温であり、熱膨張が比較的小さくなっている。そのため、燃焼室上面部分７３の熱膨張は、その周囲全周に亘って拘束されることとなる。従って、気筒間の部分に形成されたスリット７１だけでは、排気ポート７４の周辺部の熱膨張を十分に吸収することができず、上記のような疲労き裂の発生の抑制に関しては、効果的に熱応力の緩和作用を発揮できない構造となっている。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダヘッド底面の熱応力をより効果的に緩和することのできる内燃機関のシリンダヘッドを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、上述した目的を達成するための手段及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、シリンダヘッド底面に形成された燃焼室上面部分の外縁に沿って延伸される略円弧状の溝を、少なくとも前記燃焼室上面部分の外周にあって排気ポートに隣接する部分を囲繞するように形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
上記構成では、シリンダヘッド底面の燃焼室上面部分の外周にあって、その排気ポートに隣接する部分の周囲を少なくとも囲繞するように溝が形成されているため、より高温となり、より熱膨張する排気ポート周辺部の熱応力歪みを効果的に吸収することができる。そのため、吸気ポートと排気ポートとの温度差による燃焼室中央部分での熱応力歪みの集中を緩和して、疲労き裂の発生を効果的に抑制できるようになる。従って、シリンダヘッド底面の熱応力を好適に緩和することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、シリンダヘッド底面に形成された燃焼室上面部分の外縁に沿って延伸されて、前記燃焼室部分の外周を囲繞する略円環状の溝を形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
上記構成においても、排気ポートに隣接する部分を含む燃焼室上面部分の外周を囲繞するように略円環状の溝が形成されているため、疲労き裂の発生を効果的に抑制できるように、シリンダヘッド底面の熱応力を緩和することができる。しかも、燃焼室上面部分の全周を囲繞するように溝が形成されているため、排気ポート周辺部のみならず、燃焼室上面部分の熱応力を全体的に緩和することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記シリンダヘッド底面は、シリンダボアの外周を囲繞するように形成されたシールラインを有するシリンダヘッドガスケットを介してシリンダブロック頂面に当接されるものであって、前記溝は、前記シールラインに沿うように形成されてなるものである。
【００１３】
シリンダヘッドガスケットでは、シリンダボアの外周を囲繞するように、局所的に厚みが増されたり、局所的に剛性が高められたりしたシールラインを形成して、接触面圧を局所的に高めることで、シール性を高めるようにしている。上記構成では、そうしたシールラインに沿って熱応力緩和用の溝が形成されているため、シリンダヘッドとシリンダブロックとの締結に応じて溝内にシリンダヘッドガスケットのシールラインが食い込むようになる。これにより、シリンダヘッド底面とシリンダヘッドガスケットのシールラインとの密着性が向上される。従って、シリンダヘッドガスケットのシール性を更に向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関のシリンダヘッドを直列４気筒配列のディーゼルエンジン用のシリンダヘッドとして具体化した一実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。
【００１５】
図１は、シリンダヘッド１の底面構造を示している。同図１に示されるように、シリンダヘッド１の底面、すなわちシリンダヘッド底面１０には、各気筒に対応した４つの燃焼室上面部分１１が形成されている。各燃焼室上面部分１１には、２つの吸気ポート１２と２つの排気ポート１３とがそれぞれ形成されている。
また、それら吸気ポート１２及び排気ポート１３によって囲繞された各燃焼室上面部分１１の中央部、すなわち燃焼室中央部１１Ａには、燃料噴射ノズルが収納されるノズル孔１４と、グロープラグが収納されるグロープラグ孔１５とがそれぞれ形成されている。
【００１６】
さらに、シリンダヘッド底面１０の各燃焼室上面部分１１の周囲には、ヘッドボルトが挿入される複数のボルト孔１７が形成されている。そしてこのボルト孔１７に挿入されるヘッドボルトによって、シリンダヘッド１はシリンダブロックに締結されるようになっている。ちなみに、そうした締結に際して、シリンダヘッド底面１０とシリンダブロック頂面との間には、シリンダヘッドガスケットが介設されるようになっている。
【００１７】
こうした締結を通してディーゼルエンジンに組み付けられたシリンダヘッド１では、エンジン運転中の燃料の燃焼に応じた熱により加熱され、シリンダヘッド底面１０の燃焼室上面部分１１が高温となり、その周囲に向けて熱膨張しようとする。ただし、シリンダヘッド底面１０にあってその燃焼室上面部分１１の周囲の部分は、エンジン運転中も比較的低温で、熱膨張量が小さいため、そうした燃焼室上面部分１１の熱膨張を十分に許容しにくい状態となっている。また、上述したように、燃焼室上面部分１１の燃焼室中央部１１Ａは、その吸気ポート１２の周辺部と排気ポート１３の周辺部との温度差に応じた熱膨張量の差異により、熱応力歪みが集中しやすい状態となってもいる。
【００１８】
そこで本実施形態のシリンダヘッド１では、そのシリンダヘッド底面１０に、そうした燃焼室上面部分１１の熱応力を緩和するための溝、すなわち熱応力緩和溝１６を形成するようにしている。同図１に示されるように熱応力緩和溝１６は、燃焼室上面部分１１の外縁から外周側に数ｍｍ程度離れた位置に形成されている。そして、熱応力緩和溝１６は、その燃焼室上面部分１１の外縁に沿うように延伸され、同燃焼室上面部分１１の外周を囲繞する略円環状に形成されている。
ここでは熱応力緩和溝１６の断面形状を、図２に示されるような略半円形状とするようにしている。この熱応力緩和溝１６の溝幅、及び溝深さは共に、１〜３ｍｍ程度となっている。
【００１９】
こうした熱応力緩和溝１６の形成されたシリンダヘッド底面１０では、その熱応力緩和溝１６が変形することで、上記のような燃焼室上面部分１１の熱膨張がその全周に亘って効果的に吸収されるようになる。そのため、燃焼室上面部分１１の熱応力を効果的に緩和することができる。またその結果、より高温となる排気ポート１３の周辺部の熱膨張についても、この熱応力緩和溝１６によって効果的に吸収することができる。そのため、上記のような燃焼室中央部１１Ａでの熱応力歪みの集中についても、効果的に緩和されるようになる。
【００２０】
ちなみにこの熱応力緩和溝１６は、シリンダヘッド底面１０の燃焼室上面部分１１に隣接して形成されており、直接的にその熱膨張を吸収できるため、その熱応力緩和溝１６の断面積をあまり大きくせずとも、燃焼室上面部分１１の熱応力を十分に緩和することができる。そのため、そうした熱応力の緩和に係る構造の採用に伴うシリンダヘッド１の剛性の低下は、比較的小さいものとなっている。
【００２１】
なお、本実施形態では、こうした熱応力緩和溝１６の位置を、下記のように設定することで、ディーゼルエンジンの燃焼室からの燃焼ガス等の漏出に対するシール性の更なる向上が図られるようにもなっている。
【００２２】
図３には、上記熱応力緩和溝１６の近傍におけるシリンダヘッド１及びシリンダブロック２０の締結部の断面が示されている。シリンダヘッドガスケット３０は、同図３に示されるように、シリンダヘッド底面１０とシリンダブロック頂面２１との間に介設されている。このディーゼルエンジンでは、そうしたシリンダヘッドガスケット３０として、金属製の薄板３１で断熱材３２を包み込んだサンドイッチ・タイプのガスケットが採用されている。
【００２３】
こうしたシリンダヘッドガスケット３０には、ディーゼルエンジンのシリンダボア２２に対応したボア孔３０Ａが形成されている。そしてシリンダヘッドガスケット３０の内部には、そのボア孔３０Ａの外周を囲繞するように、環状の補強部材３３が配設されている。この補強部材３３により、シリンダヘッド１及びシリンダヘッドガスケット３０とシリンダブロック２０との当接面には、シリンダボア２２の外縁からその外周側に数ｍｍ程度離れた位置に、局所的に接触面圧の高められた環状の部分、すなわちシールラインが形成されている。シールラインは、シリンダボア２２の外周を囲繞するように形成されており、ディーゼルエンジンの燃焼室からの燃焼ガス等の漏出に対するシール性の更なる向上に寄与している。
【００２４】
本実施形態のシリンダヘッド１では、シリンダヘッド底面１０の熱応力緩和溝１６は、そうしたシリンダヘッドガスケット３０のシールラインに沿うように形成されている。そのため、シリンダヘッド１とシリンダブロック２０との締結に応じて、シリンダヘッドガスケット３０のシールラインが熱応力緩和溝１６内に食い込むようになる。これにより、シールラインにおけるシリンダヘッド底面１０とシリンダヘッドガスケット３０との密着性が増し、シリンダヘッドガスケット３０のシール性が更に向上する。
【００２５】
本実施形態の内燃機関のシリンダヘッドによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）シリンダヘッド底面１０の燃焼室上面部分１１の外縁を囲繞する略円環状の熱応力緩和溝１６により、熱膨張を吸収させることで、燃焼室上面部分１１の熱応力を効果的に緩和することができる。
【００２６】
（２）そうした熱応力緩和溝１６によって、より高温となる排気ポート１３の周辺部の熱膨張を十分に吸収可能であるため、燃焼室中央部１１Ａでの熱応力歪みの集中を緩和し、疲労き裂の発生を抑制することができる。
【００２７】
（３）熱応力緩和溝１６が燃焼室上面部分１１に隣接して形成されており、その断面積をあまり大きくせずとも十分な熱応力の緩和が可能であるため、シリンダヘッド１の剛性についてもこれを良好に維持できる。
【００２８】
（４）熱応力緩和溝１６がシリンダヘッドガスケット３０のシールラインに沿うように形成されているため、シリンダヘッド底面１０とシールラインとの密着性を増して、シリンダヘッドガスケット３０のシール性を更に向上することができる。
【００２９】
以上説明した実施形態は、次のように変更して実施することもできる。
・熱応力緩和溝１６の断面形状は、例えば図４に示されるような矩形状とするなど、適宜変更することができる。上記実施形態の作用効果は、そうした熱応力緩和溝１６の断面形状の差異にかかわらず、同様に奏することができる。
【００３０】
・シリンダヘッドガスケット３０のシール性が十分に確保されているのであれば、熱応力緩和溝１６は、必ずしもシリンダヘッドガスケット３０のシールラインに沿うように形成されなくても良い。その場合にも、上記（１）〜（３）に記載の効果を奏することができる。
【００３１】
・上述したように燃焼室上面部分１１の熱膨張量は、温度差のため、吸気ポート１２の周辺部では比較的小さく、排気ポート１３の周辺部では比較的大きくなっており、そうした熱膨張量の違いが、疲労き裂発生の原因となる燃焼室中央部１１Ａでの熱応力歪みの集中を招いている。そこで、上記熱応力緩和溝１６の排気ポート１３に隣接する部分については、その溝幅、或いは溝深さを他の部分に比して大きく形成するようにすれば、より熱膨張量の大きい排気ポート１３の周辺部の熱膨張を重点的に吸収でき、更に効果的な熱応力の緩和が可能となる。
【００３２】
・また図５に示されるように、燃焼室上面部分１１の外周にあって排気ポート１３に隣接する部分については、上記熱応力緩和溝１６の外周側に、更なる熱応力緩和溝１６Ａを形成するようにしても良い。これにより、燃焼室上面部分１１の外周にあって排気ポート１３に隣接する部分については、二重の熱応力緩和溝が形成されることとなる。そのため、この場合にも、より熱膨張量の大きい排気ポート１３の周辺部の熱膨張を重点的に吸収でき、更に効果的に熱応力を緩和させることができる。
【００３３】
・もっとも、燃焼室中央部１１Ａの熱応力歪みの集中緩和にその目的を限れば、必ずしも燃焼室上面部分１１の全周に亘って熱応力緩和溝１６を設けずとも良い。例えば図６に示されるように排気ポート１３に隣接する部分に熱応力緩和溝１６Ｂを設けただけでも、十分にその達成は可能である。
【００３４】
・勿論、以上説明したような熱応力の緩和にかかる構造は、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに限らず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関のシリンダヘッドについても同様に適用可能である。
【００３５】
以上説明した実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
（イ）前記溝の排気ポートに隣接する部分の溝幅は、他の部分に比して大きく形成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【００３６】
（ロ）前記溝の排気ポートに隣接する部分の溝深さは、他の部分に比して大きく形成されてなる請求項１〜３及び上記（イ）のいずれかに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【００３７】
（ハ）請求項１〜３及び上記（イ）、（ロ）のいずれかに記載の内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記溝の排気ポートに隣接する部分の外側に、その外縁に沿って延伸される略円弧状の更なる溝を形成したことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
【００３８】
上記（イ）〜（ハ）に記載の構成によれば、より高温となり、より大きく熱膨張する排気ポート周辺部の熱応力歪みを、より重点的に吸収することができる。
（二）前記溝は、断面略半円形状に形成されてなる請求項１〜３、及び上記（イ）〜（ハ）のいずれかに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【００３９】
（ホ）前記溝は、断面略矩形状に形成されてなる請求項１〜３、及び上記（イ）〜（ハ）のいずれかに記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態についてそのシリンダヘッドの底面図。
【図２】同実施形態のシリンダヘッドにおける熱応力緩和溝の断面図。
【図３】同実施形態におけるシリンダヘッド及びシリンダブロックの締結部の部分断面図。
【図４】熱応力緩和溝の変形例の断面図。
【図５】上記実施形態の変形例についてそのシリンダヘッドの底面図。
【図６】上記実施形態の更なる変形例についてそのシリンダヘッドの底面図。
【図７】従来の内燃機関のシリンダヘッドの底面図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド、１０，７０…シリンダヘッド底面、１１，７３…燃焼室上面部分、１１Ａ…燃焼室中央部分、１２，７２…吸気ポート、１３，７４…排気ポート、１４…ノズル孔、１５…グロープラグ孔、１６，１６Ａ，１６Ｂ…熱応力緩和溝、１７…ボルト孔、２０…シリンダブロック、２１…シリンダブロック頂面、２２…シリンダボア、３０…シリンダヘッドガスケット、３０Ａ…ボア孔、３１…薄板、３２…断熱材、３３…補強部材、７１…スリット。

Claims (3)

1. シリンダヘッド底面に形成された燃焼室上面部分の外縁に沿って延伸される略円弧状の溝を、少なくとも前記燃焼室上面部分の外周にあって排気ポートに隣接する部分を囲繞するように形成した
   ことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. シリンダヘッド底面に形成された燃焼室上面部分の外縁に沿って延伸されて、前記燃焼室上面部分の外周を囲繞する略円環状の溝を形成した
   ことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
3. 前記シリンダヘッド底面は、シリンダボアの外周を囲繞するように形成されたシールラインを有するシリンダヘッドガスケットを介してシリンダブロック頂面に当接されるものであって、
   前記溝は、前記シールラインに沿うように形成されてなる
   請求項１又は２に記載の内燃機関のシリンダヘッド。

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