JP2007247497A - シリンダヘッドの製造方法およびシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】連通路で連通した上下層ウォータージャケットをシリンダヘッド内に形成する。
【解決手段】上層ウォータージャケット形成用中子４５と下層ウォータージャケット形成用中子４６とを互いに間隔を隔てて保持するための中子部分４７を支持用中子部分４８，４９と、間隔保持用中子部分５０，５１から構成する。これら中子４５，４６は支持用中子部分４８において２分割されている。間隔保持用中子部分５０，５１により上層ウォータージャケット３０と下層ウォータージャケット３１とを連通する連通路５３が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明はシリンダヘッドの製造方法およびシリンダヘッドに関する。

シリンダヘッド内に上下二層のウォータージャケットを形成した内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。しかしながらこの特許文献１にはシリンダヘッドの製造方法に関して何らの示唆もない。
特開平１−１８２５６０号公報

本発明は、このようにその内部に上下二層のウォータージャケットを形成したシリンダヘッドの新たな製造方法およびその新たな製造方法により製造されたシリンダヘッドを提供することにある。

即ち、１番目の発明によれば、シリンダヘッド内に上下二層に分離されたウォータージャケットを形成するための中子として、上層ウォータージャケット形成用中子と下層ウォータージャケット形成用中子とを互いに間隔を隔てて保持するための中子部分が支持用中子部分と、支持用中子部分の端部を上層ウォータージャケット形成用中子の側端部および下層ウォータージャケット形成用中子の側端部に連結する間隔保持用中子部分から構成されると共に支持用中子部分において２分割されている中子を用い、上層ウォータージャケット形成用中子と下層ウォータージャケット形成用中子との間に排気ポート形成用中子を配置し、２分割されている支持用中子部分を重ね合わせて一緒に把持した状態で注湯することによりシリンダヘッドを鋳造するようにしたシリンダヘッドの製造方法が提供される。
２番目の発明では、１番目の発明に記載された製造方法により製造されたシリンダヘッド、即ち上層ウォータージャケット形成用中子により形成された上層ウォータージャケットと、下層ウォータージャケット形成用中子により形成された下層ウォータージャケットと、間隔保持用中子部分により形成されて上層ウォータージャケットと下層ウォータージャケットとを連通する連通路とを具備したシリンダヘッドが提供される。

上下層のウォータージャケットを保持するための中子部分の一部である間隔保持用中子部分によって上下層のウォータージャケットを連通する連通路が形成される。

まず初めに本発明による排気ポートの配置構造について説明する。
図１は例えばアルミ合金により一体的に鋳造されたシリンダヘッド１を示している。なお、図１において破線で示される各円は夫々１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３、４番気筒＃４の位置を示しており、従って図１に示されるシリンダヘッド１を備えた内燃機関は直列４気筒内燃機関であることがわかる。図１において２は吸気弁によって開閉される弁ポートを示しており、３は排気弁によって開閉される弁ポートを示している。従って各気筒＃１，＃２，＃３，＃４は夫々一対の吸気弁と一対の排気弁とを備えていることがわかる。

なお、シリンダヘッド１には実際には複雑な経路に沿って延びる冷却水通路、動弁機構の支持部、点火栓の挿入部、燃料噴射弁の挿入部等が形成されているが図１ではこれらについて省略している。

シリンダヘッド１には各気筒＃１，＃２，＃３，＃４のシリンダ軸線を含む平面の両側にこの平面とほぼ平行をなして延びる側壁面４および５が形成されており、シリンダヘッド１内に形成されている各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の吸気ポート６は側壁面４上に開口している。

また、シリンダヘッド１内には１番気筒＃１の排気ポート７、２番気筒＃２の排気ポート８、３番気筒＃３の排気ポート９および４番気筒＃４の排気ポート１０が形成されている。図１からわかるように各排気ポート７，８，９，１０は夫々対応する一対の弁ポート３付近では分離しているが弁ポート３から少し離れると一つの排気ポートとなる。

さて、図１からわかるように中央に位置する一対の気筒の排気ポート、即ち２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９はシリンダヘッド１内で互いに集合せしめられて一つの集合排気ポート１１にされ、この集合排気ポート１１はシリンダヘッド１の側壁面５まで延設される。図１において２番気筒＃２と３番気筒＃３との間の中央をシリンダ軸線方向に延びかつ各気筒＃１，＃２，＃３，＃４のシリンダ軸線を含む平面と直交する平面を対称面Ｋ−Ｋと称すると、２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９とは対称面Ｋ−Ｋに対して対称に配置されており、集合排気ポート１１は対称面Ｋ−Ｋ上をシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されている。

一方、両端に位置する一対の気筒の排気ポート、即ち１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０も対称面Ｋ−Ｋに対して対称に配置されている。この場合、１番気筒＃１の排気ポート７は１番気筒＃１から集合排気ポート１１に向け延設された後、集合排気ポート１１の側方において集合排気ポート１１と薄肉壁１２を隔だてて集合排気ポート１１に沿いつつシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されており、４番気筒＃４の排気ポート１０は４番気筒＃４から集合排気ポート１１に向け延設された後、集合排気ポート１１の側方において集合排気ポート１１と薄肉壁１３を隔だてて集合排気ポート１１に沿いつつシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されている。

図１からわかるように夫々排気ポート７および８に沿って延びる薄肉壁１２および１３の長さは排気ポート７および８の径よりも長くされている。一方、図１に示されるように１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０は集合排気ポート１１の開口部１４の両側において１５および１６に示されるようにシリンダヘッド１の側壁面５上に開口している。

ところで本発明による実施例では各気筒における爆発順序が＃１→＃３→＃４→＃２又は＃１→＃２→＃４→＃３とされている。いずれにおいても爆発順序が一つおきとなる一対の気筒は、中央に位置する２番気筒＃２と３番気筒＃３の気筒対、および両端に位置する１番気筒＃１と４番気筒＃４との気筒対である。この場合、もし全排気ポートをシリンダヘッド１内に集合させておくと或る気筒の排気行程時に排気ポート内に発生した正圧が次に爆発の行われた気筒の排気ポート内に排気行程時に作用し、その結果燃焼室からの既燃ガスの排出作用が損なわれるという問題を生ずる。

これに対し、本発明の実施例におけるように爆発順序が一つおきの気筒のみの排気ポートを合流させると、即ち２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９とを合流させ、１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０とを合流させると他の気筒の排気ポート内で発生した正圧が排気行程時に排出作用が行われている排気ポートに作用することがなく、斯くして燃焼室から既燃ガスを良好に排出させることができる。即ち、排気干渉の発生を阻止できるので高い充填効率を確保することができる。

また、集合排気ポート１１の開口部１４内には、各気筒で排気行程が行われる毎ではなくて、一つおきの排気行程毎にしか排気ガスが流れないので開口部１４が過熱するのを阻止することができる。また、１番気筒＃１の排気ポート７の開口部１５および４番気筒＃４の排気ポート１０の開口部１６内には一サイクル毎にしか排気ガスが流れないので開口部１５および１６は全く過熱することはない。

一方、排気ポート７および１０については弁ポート３から開口部１５および１６までの距離が長いために排気ポート７および１０内を流れる排気ガスは集合排気ポート１１内を流れる排気ガスよりも温度が低下する。従って集合排気ポート１１と排気ポート７および１０とが夫々薄肉壁１２および１３を介して配置されていると薄肉壁１２および１３は各排気ポート７および１０内を流れる排気ガスによって冷却され、斯くして集合排気ポート１１の開口部１４が過熱するのを一層阻止することができる。

図２は図１のII−II線に沿ってみた断面図を示している。図２を参照すると、１７はシリンダブロック、１８はピストン、１９は燃焼室、２０は燃料噴射弁、２１は点火栓を夫々示している。図２に示されるようにシリンダヘッド１内には排気ポート７，８，９，１０の上方をシリンダヘッド１の長手方向および横方向に延びる上層ウォータージャケット３０と、排気ポート７，８，９，１０の下方をシリンダヘッド１の長手方向および横方向に延びる下層ウォータージャケット３１とが形成されている。

図２は内燃機関を車両ボディー上に塔載したところを示している。即ち、図２からわかるように本発明による実施例では、各ウォータージャケット３０，３１が全体として吸気ポート６側から排気ポート７，８，９，１０側に向けて高くなるようにシリンダ軸線が傾斜した状態でもって内燃機関が車両ボディー上に塔載されており、下層ウォータージャケット３１の排気ポート７，８，９，１０側の最も高い端部が上下方向に延びる連通路３２を介して上層ウォータージャケット３０の排気ポート７，８，９，１０側の端部に連通せしめられている。

このような連通路３２を形成することによって下層ウォータージャケット３１内の冷却水に含まれている空気の気泡は上層ウォータージャケット３０内に導びかれ、次いでこの気泡はシリンダヘッド１内から外部に排出される。従って下層ウォータージャケット３１が傾斜している場合でも空気が下層ウォータージャケット３１の排気ポート７，８，９，１０側の端部に滞溜することがなく、斯くして下層ウォータージャケット３１内の冷却水による各排気ポート７，８，９，１０の冷却作用が損なわれるのを阻止することができる。

次に図３から図５を参照しつつ図１および図２に示されるシリンダヘッド１の製造方法について説明する。図３はシリンダヘッド１を形成するための型と中子を示しており、４０は下型、４１は上型、４２は２つ割りの側方型、４３はもう一方の側方型、４４は排気ポート７，８，９，１０を形成するための排気ポート形成用中子、４５は上層ウォータージャケット３０を形成するための上層ウォータージャケット形成用中子、４６は下層ウォータージャケット３１を形成するための下層ウォータージャケット形成用中子を夫々示している。

一方、図４は排気ポート形成用中子４４の斜視図を示しており、図５は排気ポート形成用中子４４と、その周りに組付けられた上下層ウォータージャケット形成用中子４５，４６の斜視図を示している。図４において破線で示す部分は鋳造時に中子を支持するための中子部分を示している。なお、上下層ウォータージャケット形成用中子４５，４６は実際にはかなり複雑な構造を有しているが図５ではこれら上下層ウォータージャケット４５，４６の構造を簡略化して示している。

さて、本発明によれば図３および図５に示されるように、シリンダヘッド１内に上下二層に分離されたウォータージャケット３０，３１を形成するための中子として、上層ウォータージャケット形成用中子４５と下層ウォータージャケット形成用中子４６とを互いに間隔を隔てて保持するための中子部分４７が支持用中子部分４８，４９と、支持用中子部分４８，４９の端部を上層ウォータージャケット形成用中子４５の側端部および下層ウォータージャケット形成用中子４６の側端部に連結する間隔保持用中子部分５０，５１から構成されると共に支持用中子部分４８，４９において２分割されている中子が用いられている。

これら支持用中子部分４８，４９の分割面は図３および図５において符号５２でもって示されるように支持用中子部分４８，４９の上下方向の中央部を延びており、従って図３に示されるように支持用中子部分４８は上方に位置する支持用中子部分の半体４８ａと下方に位置する支持用中子部分の半体４８ｂとにより構成される。一方、間隔保持用中子部分５０も支持用中子部分の半体４８ａの内端部から上方に延びて上層ウォータージャケット形成用中子４５の端部に連結された連結部分５３ａと、支持用中子部分の半体４８ｂの内端部から下方に延びて下層ウォータージャケット形成用中子４６の端部に連結された連結部分５３ｂとにより構成される。図３に示されるようにこれら連結部分５３ａ，５３ｂは互いに整列している。

シリンダヘッド１を鋳造する際には図３および図５に示されるように、上層ウォータージャケット形成用中子４５と下層ウォータージャケット形成用中子４６との間に排気ポート形成用中子４４を配置し、２分割されている支持用中子部分の半体４８ａ，４８ｂを重ね合わせて２つ割の側方壁４２により一緒に把持しかつ排気ポート形成用中子４４の中子支持部分を把持した状態で注湯することによりシリンダヘッド１が鋳造される。

このようにして上層ウォータージャケット形成用中子４５により上層ウォータージャケット３０が形成され、下層ウォータージャケット形成用中子４６により下層ウォータージャケット３１が形成され、間隔保持用中子部分５０，５１により上層ウォータージャケット３０と下層ウォータージャケット３１とを連通する連通路３２が形成される。

一方、シリンダヘッド１の鋳造完了後、中子砂が除去されると図２に示されるように支持用中子部分４８によって連通路３２からシリンダヘッド１の側壁面５まで延びる通路部分３３が形成され、この通路部分３３のシリンダヘッド側壁面５側の端部に機械加工により環状溝が削成される。この環状溝内にはキャップ３４が嵌着され、従って通路部分３３のシリンダヘッド側壁面５側の端部はこのキャップ３４により閉塞されることになる。

一方、図１に示されるように全ての排気ポート７，８，９，１０は集合せしめられてシリンダヘッド側壁面５の中央部の限られた領域Ｒ内において開口しており、図５からわかるようにこの領域Ｒの両側にこの領域Ｒに隣接して間隔保持用中子部分５０，５１が配置されている。従ってシリンダヘッド１が鋳造されたときには領域Ｒの両側に領域Ｒに隣接して夫々連通路３２が形成される。

このように領域Ｒの両側に領域Ｒに隣接して夫々連通路３２を形成することによって各排気ポート７，８，９，１０の集合している部分を良好に冷却することができる。

また、図５において符号５４はシリンダヘッド１からの冷却水の出口を形成するための中子部分を示している。図５からわかるようにこの冷却水出口はシリンダヘッド１内から気泡が抜け出るようにシリンダヘッド１内に形成されているウォータージャケット３０，３１のうちで最も高い場所に位置している。

図６は排気ターボチャージャからなる過給機６０の冷却方法を示している。図６において６１はターボチャージャの回転軸、６２は軸受、６３は軸受６２を冷却するための冷却水が流通するウォータージャケットを夫々示している。図６に示されるようにこの実施例では過給機６０のウォータージャケット６３がシリンダヘッド１内のウォータージャケット３０，３１よりも下方に配置されており、過給機６０のウォータージャケット６３の冷却水出口６４が上方に向けて延びる冷却水通路６５を介してシリンダヘッド１内のウォータージャケット３０，３１に連結されている。

この場合、図６に示される実施例ではキャップ３４に冷却水取入口６６が形成されており、冷却水通路６５はこの冷却水取入口６６に連結されている。また、ウォータージャケット６３の冷却水取入口６７は冷却水通路６８を介してシリンダブロック１７内のウォータージャケット６９に連結されている。この実施例ではシリンダブロック１７のウォータージャケット６９内の冷却水が冷却水通路６８を介して過給機６０のウォータージャケット６３内に導びかれる。次いで軸受６２を冷却することにより温度上昇した冷却水は冷却水通路６５を介して通路部分３３内に排出される。

機関が停止すると過給機６０のウォータージャケット６３内の冷却水の流動が停止し、その結果ウォータージャケット６３内の冷却水が温度上昇して蒸気を発生する。この蒸気は発生するや否や冷却水通路６５を介してウォータージャケット３０内に排出され、斯くして軸受６２には温度の低い冷却水が移動してくる。従って軸受６２が過熱するのを阻止することができる。

シリンダヘッドの平面断面図である。 図１のII−II線に沿ってみたシリンダヘッドの断面図である。 シリンダヘッドを鋳造するための型と中子を示す断面図である。 排気ポート形成用中子の斜視図である。 排気ポート形成用中子および上下層ウォータージャケット形成用中子の斜視図である。 内燃機関の断面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
６ 吸気ポート
７，８，９，１０ 排気ポート
３０ 上層ウォータージャケット
３１ 下層ウォータージャケット
３２ 連通路
３４ キャップ
４４ 排気ポート用中子
４５ 上層ウォータージャケット用中子
４６ 下層ウォータージャケット用中子
４８，４９ 支持用中子部分
５０，５１ 間隔保持用中子部分

Claims (6)

1. シリンダヘッド内に上下二層に分離されたウォータージャケットを形成するための中子として、上層ウォータージャケット形成用中子と下層ウォータージャケット形成用中子とを互いに間隔を隔てて保持するための中子部分が支持用中子部分と、支持用中子部分の端部を上層ウォータージャケット形成用中子の側端部および下層ウォータージャケット形成用中子の側端部に連結する間隔保持用中子部分から構成されると共に該支持用中子部分において２分割されている中子を用い、上層ウォータージャケット形成用中子と下層ウォータージャケット形成用中子との間に排気ポート形成用中子を配置し、２分割されている支持用中子部分を重ね合わせて一緒に把持した状態で注湯することによりシリンダヘッドを鋳造するようにしたシリンダヘッドの製造方法。
2. 上層ウォータージャケット形成用中子により形成された上層ウォータージャケットと、下層ウォータージャケット形成用中子により形成された下層ウォータージャケットと、間隔保持用中子部分により形成されて上層ウォータージャケットと下層ウォータージャケットとを連通する連通路とを具備した、請求項１に記載の製造方法により製造されたシリンダヘッド。
3. シリンダヘッド内に形成された各ウォータージャケットが全体として吸気ポート側から排気ポート側に向けて高くなるようにシリンダ軸線が傾斜した状態でもって内燃機関が車両ボディー上に塔載されており、下層ウォータージャケットの排気ポート側の最も高い端部が上下方向に延びる上記連通路を介して上層ウォータージャケットの排気ポート側の端部に連通せしめられている請求項２に記載のシリンダヘッド。
4. 上記支持用中子部分によって上記連通路からシリンダヘッドの側壁面まで延びる通路部分が形成されており、該通路部分のシリンダヘッド側壁面側の端部がキャップにより閉塞されている請求項２に記載のシリンダヘッド。
5. 全ての排気ポートは集合せしめられてシリンダヘッド側壁面の中央部の限られた領域内において開口しており、該領域の両側に該領域に隣接して夫々上記連通路が形成されている請求項１に記載のシリンダヘッド。
6. 過給機のウォータージャケットがシリンダヘッド内のウォータージャケットよりも下方に配置されており、過給機のウォータージャケットの冷却水出口が上方に向けて延びる冷却水通路を介してシリンダヘッド内のウォータージャケットに連結されている請求項２に記載のシリンダヘッド。

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