JP2009012073A - 内燃機関のシリンダヘッドにおける水ジャケットの鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットのコスト削減を図った鋳造方法を提供すること。
【解決手段】第１の水ジャケット用中子を設けるとともに、該第１の水ジャケット用中子を鋳型基礎板１における複数箇所で該鋳型基礎板１に対して支持する。さらに、第１の水ジャケット用中子を鋳型基礎板１において支持するステップと、シリンダヘッドにおける水ジャケット用の第２の水ジャケット用中子２５を、鋳型基礎板１と第１の水ジャケット用中子の間で鋳型基礎板１において支持するステップと、吸気ポート用中子３２及び／又は排気ポート用中子３３を、これら吸気ポート用中子３２又は排気ポート用中子３３の２つの別々な湯道３１が第２の水ジャケット用中子２５及び第１の水ジャケット用中子の２つのリングを有する領域における開口部３０を貫通するように支持するステップとを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、水ジャケット用中子を備え、該水ジャケット用中子を鋳型基礎板における複数箇所で該鋳型基礎板に対して支持する弁座リング用の水ジャケットにおける往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットの鋳造方法に関するものである。

さらに、本発明は、特に上記の鋳造方法によって鋳造された往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットに関するものでもある。

往復ピストン機関のシリンダヘッドの弁付近における水ジャケットの鋳造方法が特許文献１に開示されており、この方法においては、水ジャケット用の中子が備えられており、この中子は、鋳型基礎板における複数箇所で該鋳型基礎板に対して支持されている。

このような鋳造方法によって鋳造された水ジャケットは、特に燃焼室におけるシリンダヘッドの効果的な冷却に寄与するものである。なお、この水ジャケットは、２つの吸気バルブ、２つの排気バルブ及び１つのインジェクションノズル付近に配置されている。

ここで、冷却液の流入路は中央の水ジャケットに接続されており、この流入路は、両排気バルブの間のインジェクションノズル近傍に配置されている。また、前記中央の水ジャケットの一端はクランクケーシング側の冷却液排出路に接続されており、他端は、排気バルブにおける前記中央の水ジャケットと反対側に設けられた水ジャケットと、吸気バルブにおける前記中央の水ジャケットの反対側に設けられた水ジャケットとに接続されている。なお、外側の水ジャケットも同様にクランクケーシング側の冷却液排出路に連通している。

したがって、これら３つの水ジャケットは互いに隣接した２つのＵ字を形成し、このＵ字の１つの直線部が共通となっている。また、鋳造における中子もこのような水ジャケットの形成に合わせられており、この中子には、冷却液を流通させる流路が設けられている。

特許文献２には冷却液によって冷却される内燃機関のシリンダヘッドが開示されており、このシリンダヘッドにおいては、各吸気バルブ及び各排気バルブに環状の弁座リング流路がその周りを完全に包囲して設けられ、かつ、これらが水ジャケットに開口している。

特許文献３には、冷却液を強制的に流通させるよう構成された、内燃機関のシリンダヘッド用の冷却装置が開示されている。ここで、各バルブは環状の流路を包囲する弁座リングを備えており、内燃機関の作動時には、この環状の流路内を冷却媒体が循環するようになっている。また、弁座リングは環状の流路の壁面部も形成しており、冷却媒体が弁座リングに直接接触するようになっている。しかし、このような構成では、弁座リングの燃焼室あるいは吸気／排気ポートに対するシールに問題が生じてしまう。

特許文献４には、特に吸気バルブを備えていない２サイクルの大型ディーゼルエンジンとして形成された往復ピストン機関のシリンダヘッド用水ジャケットシステムを備えたシリンダカバーが開示されている。このシリンダカバーは各排気バルブを包囲する水ジャケットを備えており、この水ジャケットは、排気バルブと同心状に設けられている。
欧州特許出願公開第１２３９１３５号明細書 欧州特許第０２０６２１５号明細書 独国特許第３４１２０５２号明細書 欧州特許出願公開第１３２９６２８号明細書

本発明の目的とするところは、往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットのコスト削減を図った鋳造方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、吸気バルブ及び排気バルブの弁座リングの効果的な冷却を達成し得る水ジャケットを提供することでもある。

上記目的を達成するため、本発明は、往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットの鋳造方法であって、第１の水ジャケット用中子を設けるとともに、該第１の水ジャケット用中子を鋳型基礎板における複数箇所で該鋳型基礎板に対して支持し、前記第１の水ジャケット用中子を前記鋳型基礎板において支持するステップと、シリンダヘッドにおける水ジャケット用の第２の水ジャケット用中子を、前記鋳型基礎板と前記第１の水ジャケット用中子の間で前記鋳型基礎板において支持するステップと、吸気ポート用中子及び／又は排気ポート用中子を、これら吸気ポート用中子又は排気ポート用中子の２つの別々な湯道が前記第２の水ジャケット用中子及び前記第１の水ジャケット用中子の２つのリングを有する領域における開口部を貫通するように支持するステップとを行うことを特徴としている。

したがって、本発明による鋳造方法においては、第１の水ジャケット用中子の支持、第２の水ジャケット用中子の支持、吸気ポート及び／又は排気ポート用中子の支持の順に行われる。これら第１の水ジャケット用中子、第２の水ジャケット用中子及び吸気／排気ポート用中子は、例えば接着、締結等によって鋳型の外部で形成され、組み立てられた後、鋳型内へ設置される。このようにすることで、弁座リングを包囲しつつ冷却液のクランクケーシングへの流出部に統合された水ジャケットが形成されることになる。

また、第１の水ジャケット用中子を、例えば砂製として第２の水ジャケット用中子と鋳型基礎板の間に設けることが可能である。そのため、第１及び第２の水ジャケット用中子を砂製のものとして鋳型の外部であらかじめ組み立てて鋳型内へ設置することができる。このような最適な構成によれば、従来は機械的に穿設すべき、冷却液が水ジャケットへ流入する孔を鋳造によって形成される弁座リング用の水ジャケットに統合して鋳造することができ、大幅なコスト削減が達成される。

本発明の鋳造方法によれば、水ジャケットは、弁座リングに接触することはなく、所定の強度を備える鋳造された壁面としてとどまる。そのため、水ジャケットと弁座リングの間のシールについて問題が生じることがない。

また、吸気ポート用中子あるいは排気ポート用中子は、特に、鋳型基礎板の弁座突出部又は鋳型基礎板において支持される弁座リング用中子内で支持される。

ところで、本発明は、特に上記鋳造方法によって鋳造された、往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットにおいて、互いに結合された２つのリングから成る冷却領域と、該冷却領域に結合された少なくとも１つの冷却液供給路と、前記冷却領域に結合された少なくとも１つの冷却液排出路とを設け、前記両リングを、弁座リングの近傍においてかつこれと所定の間隔をもって配置し、前記シリンダヘッドの吸気ポート及び／又は排気ポートを前記各リングで包囲したことを特徴としている。

したがって、本発明によれば、両リングがシリンダヘッドの吸気ポート又は排気ポートを包囲するように設定されている。また、各リングは、吸気バルブ及び排気バルブのうちいずれかを包囲するものとなっている。この際、４つのリングを設けて、そのうち２つが２つの吸気バルブをそれぞれ包囲し、残りの２つが２つの排気バルブをそれぞれ包囲するように設定してもよい。

また、水ジャケットが弁座リングと離間し、かつ、該弁座リングの近傍に配置されているため、冷却液は弁座リングに接触しないようになっている。そして、前記リングの弁座リング近傍における配置により、バルブあるいは弁座リングからの放熱を効果的かつ均一に行うことが可能となり、燃焼室の表面温度の均一化及びシリンダヘッドの効率的な冷却に寄与することになる。なお、特に、水ジャケットが共通の流入路と複数の排出路に接続されているのが好ましい。

ところで、水ジャケット内の冷却液の流通は、特にインジェクタ流入路と呼ばれる流入路によって強制的に行われる。この際、このインジェクタ流入路は、圧力差に基づき供給される。また、インジェクタ流入路内では、約４〜６ｍ／ｓ程度の比較的速い流速となるよう調整されている。このようなインパルスによって各リング内への流入が可能となっている。

また、水ジャケットがシリンダヘッドの排気ポートを包囲していれば、インジェクタ流入路によって、シリンダヘッドのインジェクションノズルから排気バルブあるいは排気バルブの弁座リング方向にわたる高温部の最適な冷却がなされることになる。このようなインジェクションノズルの冷却と弁座リングにおける良好な放熱のコンビネーションによって、燃焼室におけるシリンダヘッドの最適かつ均一な冷却を達成することが可能である。

なお、本発明の他の特徴は、従属請求項、図面及びこの図面に基づく以下の説明において記載されている。

本発明によれば、往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットのコスト削減を図った鋳造方法を提供することが可能であるとともに、吸気バルブ及び排気バルブの弁座リングの効果的な冷却を達成し得る水ジャケットも提供することが可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図面には、鋳型における本発明の理解に必要な部分が記載されている。図１には、鋳造後（完成後）のシリンダヘッド下面部に相当する平面部２と、該平面部２から突出し、鋳造後の燃焼室に相当する突出部３と、該突出部３上に配設された４つのリング状部４，５とを備えて成る鋳型基礎板１が示されている。また、これらリング状部４，５によって、鋳造後のシリンダヘッドにはセットバック部が形成されることになり、このセットバック部は、鋳造後に弁座リングの収容部としての役割を担うものである。なお、リング状部４は２つの吸気バルブに相当し、リング状部５は排気バルブに相当するものである。

しかして、２つのリング状部４は第１のリング状部グループ６を形成し、２つのリング状部５は第２のリング状部グループ７を形成している。これら第１及び第２のリング状部グループ６，７は、それぞれ前記平面部２に対して吸気バルブ又は排気バルブの傾斜に合わせて同様に傾斜して形成されている。なお、この傾斜は、突出部３の湾曲部によって規定されている。

また、鋳型基礎板１はその平面部２の両端部にそれぞれ凹部８，９を備えており、図１に示す配置は、平面部２に対して垂直かつ凹部８，９の中心を通る面に対して対称となっている。さらに、鋳型基礎板１のおける第２のリング状部クループ７及び突出部３の近傍の両端部にもそれぞれ凹部１０，１１が設けられており、これら凹部１０，１１の平面部２に沿った断面は凹部８，９の断面に比して小さく形成されている。

そして、特に図２に示すように、凹部９，１０，１１は、第１の水ジャケット用中子１２を鋳型基礎板１において支持する機能を果たすものである。この第１の水ジャケット用中子１２は、砂で形成されており、互いに結合された２つのリング１３，１４を備えて構成されている。これらリング１３，１４は、それぞれ円環状のリング部１６，１７を備えているとともに、これらリング部１６，１７を結合する共通の直線部１７を備えている。

また、第１の水ジャケット用中子１２は直線部１７の延長部１８を更に備えており、この延長部１８は、その直線部１７と逆側の端部で、凹部９と嵌合する支持部材１９に結合されている。さらに、リング部１６，１７におけるそれぞれ直線部１７の逆側（最も離間した位置）にも、それぞれ延長部２０，２１が設けられており、この延長部２０，２２は、それぞれの端部で、凹部１０，１１と嵌合する支持部材２１，２３に結合されている。

ここで、支持部材１９，２１，２３は、その上面に、シリンダヘッドの水ジャケットの形成に使用される第２の水ジャケット用中子２５を第１の水ジャケット用中子１２上に嵌挿するための凸部２４を備えて形成されている。一方、第２の水ジャケット用中子２５は、前記各凸部２４と嵌合する凹部を備えた突出部２６，２７，２８を備えている。さらに、第２の水ジャケット用中子２５は、突出部２６の逆側の端部に、凹部８と嵌合する更なる突出部２９を備えている。

ところで、第１の水ジャケット用中子１２と第２の水ジャケット用中子２５の組立ては、鋳型内で別々に行われるか、鋳型外部であらかじめ行われる。そして、これらの組立て時には、まず、第１の水ジャケット用中子１２が、その支持部材１９，２１，２３を図３における矢印１方向に鋳型基礎板１の凹部９，１０，１１内へ嵌挿させて固定され、次に、矢印２で示すように、第２の水ジャケット用中子２５が、その突出部２６，２７，２８を第１の水ジャケット用中子１２の支持部材１９，２１，２３の凸部へ嵌挿させて固定される一方、当該第２の水ジャケット用中子２５の突出部２９を凹部８へ嵌挿させて固定される。

なお、図４に示すように、第１の水ジャケット用中子１２のリング部１５，１６はリング状部５を同心円状に包囲しており、支持部材９が２つのリング状部５の間に位置している。

また、第２の水ジャケット用中子２５におけるリング状部４，５の近傍には開口部３０が設けられており、この開口部３０は、組み立てられた状態で、吸気ポート用中子３２あるいは排気ポート用中子３３の２つの湯道（Kernkanaele）３１を内包している。ここで、排気ポート用中子３３にあっては各湯道３１をそれぞれ内包する２つの開口部３０が形成されている一方、吸気ポート用中子３２にあっては１つの開口部３０のみが形成されている（図５参照）。

そして、第２の水ジャケット用中子２５の取付後には、まず、図３における矢印３で示すように排気ポート用中子３３が取り付けられ、次に、矢印４で示すように吸気ポート用中子３４が取り付けられる。

このような吸気ポート用中子３２あるいは排気ポート用中子３３の取付はこれらの湯道３１を開口部３０に挿通させることによってなされ、リング状部４，５は、円筒状のショルダ部３４周辺において吸気ポート用中子３２あるいは排気ポート用中子３３の支持部３５に嵌合するようになっている。なお、鋳型基礎板１、第１の水ジャケット用中子１２、第２の水ジャケット用中子２５、吸気ポート用中子３２及び排気ポート用中子３３の取付完成後の状態が図４に示されている。

図５には、第１の水ジャケット用中子１２、第２の水ジャケット用中子２５、吸気ポート用中子３２及び排気ポート用中子３３を下から見たものが示されている。この図５及び図２から分かるように、直線部１７は延長部１８と逆側の端部に延長部３６を備えており、この延長部３６は、第２の水ジャケット用中子２５が取り付けられた状態で、直線部１７と第２の水ジャケット用中子２５の間に掛架されている。さらに、図５には、第２の水ジャケット用中子２５における中央開口部３７が示されている。

なお、鋳造されたシリンダヘッドには、点火プラグ及び／又はインジェクションノズルを収容するためのほぼ円状の貫通開口部がリング部１５，１６の近傍に設けられている。

また、鋳造されたシリンダヘッドには、第１の水ジャケット用中子１２に合わせて弁座リング用の水ジャケットが形成され、かつ、冷却液を収容する水ジャケットの中空部が実際のシリンダヘッドに合わせて形成されている。なお、シリンダヘッドの冷却システムに関しての記述については、第１の水ジャケット用中子１２によって形成された弁座リング冷却用の水ジャケット内の冷却液の流れを矢印で示した特に図５を参照することができる。

さらに、図５に示すように、シリンダヘッド（鋳型基礎板１の凹部９）から出た冷却液は、インジェクションノズル用の貫通開口部へ至り、インジェクションノズルの約半分（延長部１８の端部）だけ排気ポートの２つの弁座リングに割り当てられたリング状の水ジャケット（リング部１５，１６）へ流入する。このとき、この冷却液の一部は、インジェクションノズルの端部（直線部１７の端部）まで流通し、ここで２つの水ジャケット（リング部１５，１６）と、シリンダヘッドの実際の水ジャケットに接続された水ジャケット（延長部３６）とに分岐される。

その結果、冷却液は、各リング状の水ジャケットのリング部内で、一部は直線部１７の一端から流入し、残りは直線部の他端から流入するため、互いに逆方向へ向かうように流れ、直線部１７と反対側において合流して排出路（延長部２０，２２）へ至った後クランクケーシング（鋳型基礎板１の凹部１０，１１）へと流入する。

したがって、このような実施形態においては、２つの排気バルブの弁座リングを冷却する水ジャケットが流入路を備えており、この流入路を通って冷却液がクランクケーシングからシリンダヘッドへ流入するようになっている。さらに、２つの排出路も設けられており、冷却液は、これら排出路及び弁座リングの水ジャケットからクランクケーシングへ排出される。なお、インジェクションノズルからシリンダヘッドの水ジャケットへの接続流路も設けられている。

また、冷却液が弁座リングの水ジャケットへ流入する領域（支持部材１９）において、冷却液は分岐され、その一部が直接シリンダヘッドの水ジャケット（突出部２６）へ流入するようになっている。そして、シリンダヘッドを冷却する冷却液が流通する水ジャケットが水ジャケットを介してクランクケーシングに接続されており（突出部２９と凹部８の嵌合）、冷却液は、シリンダヘッドからこれら水ジャケットを流通するようになっている。

基礎板、第１及び第２の水ジャケット用中子、吸気ポート用中子並びに排気ポート用中子を備えた鋳型の一部の分解斜視図である。 図１における基礎板及び第１の水ジャケット用中子の分解斜視図である。 取付手順と共に示す、図１における鋳型の側面図である。 図１における鋳型の取付後の状態を示す斜視図である。 第１及び第２の水ジャケット用中子、吸気ポート用中子並びに排気ポート用中子の下方から見た斜視図である。

符号の説明

１ 鋳型基礎板
２ 平面部
３ 突出部
４，５ リング状部
６ 第１のリング状部グループ
７ 第２のリング状部グループ
８〜１１ 凹部
１２ 第１の水ジャケット用中子
１３，１４ リング
１５，１６ リング部
１７ 直線部
１８，２０，２２ 延長部
１９，２１，２３ 支持部材
２４ 凸部
２５ 第２の水ジャケット用中子
２６，２７，２８，２９ 突出部
３０ 開口部
３１ 湯道
３２ 吸気ポート用中子
３３ 排気ポート用中子
３４ ショルダ部
３５ 支持部
３６ 延長部
３７ 中央開口部

Claims (12)

1. 往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットの鋳造方法であって、第１の水ジャケット用中子（１２）を設けるとともに、該第１の水ジャケット用中子（１２）を鋳型基礎板（１）における複数箇所で該鋳型基礎板（１）に対して支持し、
   前記第１の水ジャケット用中子（１２）を前記鋳型基礎板（１）において支持するステップと、
   シリンダヘッドにおける水ジャケット用の第２の水ジャケット用中子（２５）を、前記鋳型基礎板（１）と前記第１の水ジャケット用中子（１２）の間で前記鋳型基礎板（１）において支持するステップと、
   吸気ポート用中子（３２）及び／又は排気ポート用中子（３３）を、これら吸気ポート用中子（３２）又は排気ポート用中子（３３）の２つの別々な湯道（３１）が前記第２の水ジャケット用中子（２５）及び前記第１の水ジャケット用中子（１２）の２つのリングを有する領域における開口部（３０）を貫通するように支持するステップと
   を行うことを特徴とする鋳造方法。
2. 前記吸気ポート用中子（３２）又は前記排気ポート用中子（３３）の前記湯道（３１）を、それぞれ前記鋳型基礎板（１）における弁座リング用のリング状部（４，５）又は前記鋳型基礎板（１）に支持された前記第１の水ジャケット用中子において支持することを特徴とする請求項１記載の鋳造方法。
3. 請求項１又は２記載の方法によって鋳造された、往復ピストン機関のシリンダヘッドにおける弁座リング用の水ジャケットにおいて、
   互いに結合された２つのリングから成る冷却領域と、該冷却領域に結合された少なくとも１つの冷却液供給路と、前記冷却領域に結合された少なくとも１つの冷却液排出路とを設け、
   前記両リングを、弁座リングの近傍においてかつこれと所定の間隔をもって配置し、
   前記シリンダヘッドの吸気ポート及び／又は排気ポートを前記各リングで包囲した
   ことを特徴とする水ジャケット。
4. 前記冷却液供給路をクランクケーシング側の冷却液供給路と連通させたことを特徴とする請求項３記載の水ジャケット。
5. 前記各リングの端部で接続されてこれら各リングに共通に形成された、前記冷却液供給路に接続する直線部を設けたことを特徴とする請求項４記載の水ジャケット。
6. 前記各リングを、その前記直線部と反対側の端部において複数の冷却液排出路に開口させたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の水ジャケット。
7. 前記各冷却液排出路を、クランクケーシング側の冷却液排出路と連通させたことを特徴とする請求項６記載の水ジャケット。
8. 前記直線部の端部における当該水ジャケットの領域を、特に、点火プラグ及び／又はインジェクションノズルの近傍の冷却液排出路に開口させたことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の水ジャケット。
9. 前記冷却液排出路を前記シリンダヘッド用の水ジャケットに連通させて、該シリンダヘッドの冷却に使用するよう構成したことを特徴とする請求項８記載の水ジャケット。
10. 弁座リング用の当該水ジャケットにおける少なくとも１つの冷却液供給路及び同少なくとも１つの冷却液排出路、特に、弁座リング用の水ジャケットにおける全冷却液供給路及び全冷却液排出路をシリンダヘッド用の水ジャケットに直接連通させたことを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の水ジャケット。
11. 前記リングを弁座リングの回転軸に関して同心状に設けたことを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載の水ジャケット。
12. 前記リングによって２つの排気バルブ用弁座リングを包囲したことを特徴とする請求項３〜１１のいずれか１項に記載の水ジャケット。

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