JP2009248168A - バルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を向上させ、鋳ぐるみ後にバルブシートの冷却性を向上させること。
【解決手段】ウォータジャケット５を有するシリンダヘッド１にバルブシート６を鋳ぐるんだ構造において、バルブシート６の一部をウォータジャケット５に接触させて設けられる。バルブシート１６は、その外周に一つのフィン６ａを含み、少なくともフィン６ａの部分をウォータジャケット５に接触させて設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、エンジン用シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートに設けられるバルブシートに係る。詳しくは、シリンダヘッドにバルブシートを鋳ぐるむバルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造に関する。

従来、バルブシートをシリンダヘッドに設けるには、図１２に示すように、バルブシート３１をシリンダヘッド３２の吸気ポート３３及び排気ポート３４に圧入することが一般に行われている。一方、下記の特許文献１乃至３には、バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐるみによって一体成形することが記載されている。特許文献１には、鋳造工程において、バルブシートを溶湯の熱により部分的に溶融させてシリンダヘッドと一体に接合する鋳ぐるみ方法が記載されている。特許文献２には、チャンバに設けられる中子の所定位置にバルブシートをセットし、上型を下型に被せて鋳型を完成させた後、溶湯を注入して両者を一体成形する鋳ぐるみ方法が記載されている。特許文献３には、バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐるむことで両者を一体的に結合することが記載されている。

特開平１−１８６２６１号公報 特開平８−２３２６１８号公報 特開平１０−２３１７１３号公報

ところが、特許文献１乃至３に記載の技術では、バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐるむ際、溶湯の流れや凝固時の収縮等によってバルブシートの位置精度を高く保つことが困難であった。燃焼効率やバルブ運動等を考慮してシリンダヘッドにバルブシートを設けるには、設計上高い精度が要求される。

また、従来の技術では、図１２に示すように、シリンダヘッド３２に設けられるウォータジャケット３５とバルブシート３１との間に、必ず一定の厚みの肉が介在する。このため、ウォータジャケット３５によるバルブシート３１の冷却性が不十分なものとなる懸念があった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を向上させると共に、鋳ぐるみ後にバルブシートの冷却性を向上させることを可能としたバルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ウォータジャケットを有するシリンダヘッドにバルブシートを鋳ぐるむバルブシートの鋳ぐるみ方法において、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにてバルブシートとウォータジャケット用中子を接触させてセットするセッティング工程と、キャビティに溶湯を注入する注湯工程とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、セッティング工程では、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにバルブシートとウォータジャケット用中子が接触してセットされるので、バルブシートがウォータジャケット用中子に位置決めされる。その後、注湯工程では、キャビティに溶湯が注入されることで、バルブシートが位置決めされた状態で溶湯により鋳ぐるまれる。バルブシートの鋳ぐるみ後は、ウォータジャケット用中子を取り除くことで、ウォータジャケットにバルブシートの一部が接触することとなる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、バルブシートは、その外周に凸部を含み、セッティング工程では、少なくとも凸部をウォータジャケット用中子に接触させてセットしたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、セッティング工程では、バルブシートの少なくとも凸部とウォータジャケット用中子が接触することで、バルブシートが凸部の掛かりによりウォータジャケット用中子に位置決めされる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、バルブシートは、その外周に凹部を含み、セッティング工程では、少なくとも凹部をウォータジャケット用中子に接触させてセットしたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、セッティング工程では、バルブシートの少なくとも凹部とウォータジャケット用中子が接触することで、バルブシートが凹部の掛かりによりウォータジャケット用中子に位置決めされる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、ウォータジャケットを有するシリンダヘッドにバルブシートを鋳ぐるんだバルブシートの鋳ぐるみ構造において、バルブシートの一部をウォータジャケットに接触させて設けたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ウォータジャケットにバルブシートの一部が接触することから、バルブシートの一部にウォータジャケットの冷却水が直接当たることとなる。バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐる際には、バルブシートの一部をウォータジャケット用中子に接触させることとなり、鋳ぐるみに際してバルブシートがウォータジャケット用中子に位置決めされる。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、バルブシートは、その外周に凸部を含み、少なくとも凸部をウォータジャケットに接触させて設けたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ウォータジャケットにバルブシートの少なくとも凸部が接触することから、バルブシートの少なくとも凸部に冷却水が直接当たることとなる。バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐるむ際には、少なくとも凸部をウォータジャケット用中子に接触させることとなり、この凸部がウォータジャケット用中子に掛かりバルブシートがウォータジャケット用中子に位置決めされる。

上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、バルブシートは、その外周に凹部を含み、少なくとも凹部をウォータジャケットに接触させて設けたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ウォータジャケットにバルブシートの少なくとも凹部が接触することから、バルブシートの少なくとも凹部に冷却水が直接当たることとなる。バルブシートをシリンダヘッドに鋳ぐるむ際には、少なくとも凹部をウォータジャケット用中子に接触させることとなり、この凹部がウォータジャケット用中子に掛かりバルブシートがウォータジャケット用中子に位置決めされる。

請求項１に記載の発明によれば、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を向上させることができると共に、鋳ぐるみ後のバルブシートの冷却性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に対し、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を一層向上させることができ、バルブシートの冷却性を一層構造させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に対し、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を一層向上させることができ、バルブシートの冷却性を一層構造させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を向上させることができると共に、鋳ぐるみ後のバルブシートの冷却性を向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に対し、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を一層向上させることができ、バルブシートの冷却性を一層構造させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に対し、シリンダヘッドに対するバルブシートの鋳ぐるみ精度を一層向上させることができ、バルブシートの冷却性を一層構造させることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明におけるバルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態のシリンダヘッド１の一部を断面図により示す。このシリンダヘッド１は、燃焼室上部を構成する凹部２と、その凹部２に連通する吸気ポート３及び排気ポート４と、吸気ポート３及び排気ポート４に隣接する複数のウォータジャケット５とを含む。吸気ポート３及び排気ポート４の開口部３ａ，４ａには、バルブシート６がそれぞれ固定される。吸気ポート３及び排気ポート４の途中には、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ案内するバルブガイド７がそれぞれ設けられる。これらバルブシート６及びバルブガイド７は、シリンダヘッド１を鋳造する際に鋳ぐるまれたものである。この実施形態のバルブシート６の鋳ぐるみ構造においては、バルブシート６の一部は、隣接するウォータジャケット５に接触して設けられる。換言すると、バルブシート６の一部を、隣接するウォータジャケット５の中に露呈させる。

図２に、この実施形態のバルブシート６を平面図により示す。図３に、同じくバルブシート６を正面図により示す。このバルブシート６は、その外周に一体に形成された一対のフィン６ａを含む。２つのフィン６ａは、楔形をなし、バルブシート６の外周に１８０°の角度間隔をもって配置される。図１に示すように、各バルブシート６は、各フィン６ａをウォータジャケット５に接触させて設けられる。この実施形態で、各フィン６ａは、本発明の凸部に相当する。

ここで、上記したバルブシート６の鋳ぐるみ方法について説明する。図４に、この鋳ぐるみ方法をフローチャートにより示す。図５に、バルブシート６と一体化して設けたウォータジャケット用中子１１を一部省略した斜視図により示す。図６〜８に、バルブシート６の鋳ぐるみの工程を、燃焼室部分の断面図により示す。以下に、図４のフローチャートに付された各番号に従って順次説明する。

（１）セッティング工程では、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにバルブシート６とウォータジャケット用中子１１を互いに接触させてセットする。すなわち、図５に示すように、予め複数のバルブシート６を一体化して設けたウォータジャケット用中子１１をシリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにセットする。図５には、排気ポート４に設けられるバルブシートを便宜的に省略し、吸気ポート３に設けられるバルブシート６のみを示す。この実施形態のシリンダヘッド１は、４気筒用エンジン用として設けられる。従って、図５に示すように、ウォータジャケット用中子１１は、４気筒分を一体として設けられる。図６には、１気筒分の４つのバルブシート６と、それらバルブシート６に隣接するウォータジャケット５のためのウォータジャケット用中子の一部１１ａを示す。このセッティング工程では、フィン６ａとバルブシート６の一部がウォータジャケット用中子の一部１１ａに接触するようにセットされる。図６において、バルブシート６及びウォータジャケット用中子の一部１１ａを除いた余白部分は、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティの一部１２を示す。

（２）注湯工程では、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティに溶湯を注入する。これにより、図７に示すように、キャビティの一部１２は、溶湯１３で満たされる。その後、冷却期間を待って、図１に示すようなシリンダヘッド１が鋳造される。

（３）離型工程では、シリンダヘッド鋳造用金型を型開きすることにより、シリンダヘッド１の鋳造品を取り出す。このとき、砂製のウォータジャケット用中子１１は崩されて除去されることにより、図８に示すように、シリンダヘッドの一部１ａに各バルブシート６が鋳ぐるまれる。この鋳ぐるみ状態では、各バルブシート６の一部とフィン６ａがウォータジャケット５に接触して設けられることとなる。つまり、バルブシート６の一部を、隣接するウォータジャケット５の中に露呈させることとなる。

以上説明したこの実施形態のバルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造によれば、セッティング工程では、シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにてバルブシート６とウォータジャケット用中子１１が接触してセットされるので、バルブシート６がウォータジャケット用中子１１に対して位置決めされる。その後、注湯工程では、キャビティに溶湯１３が注入されることにより、バルブシート６が位置決めされた状態で溶湯１３により鋳ぐるまれる。つまり、バルブシート６がウォータジャケット用中子１１に固定された状態で溶湯１３によりバルブシート６が鋳ぐるまれる。この結果、シリンダヘッド１に対するバルブシート６の鋳ぐるみ精度を向上させることができる。また、バルブシート６をシリンダヘッド１に鋳ぐるんだ後は、ウォータジャケット用中子１１をシリンダヘッド１から取り除くことで、ウォータジャケット５の中にバルブシート６の一部が露呈することとなる。このため、シリンダヘッド１を実際にエンジンに使用した場合、バルブシート６の一部にウォータジャケット５の冷却水が直接触れることとなり、バルブシート６を冷却水により直接冷却することができる。この結果、バルブシート６の冷却性、延いては燃焼室の冷却性を向上させることができる。

特に、この実施形態では、セッティング工程で、バルブシート６のフィン６ａとウォータジャケット用中子１１が接触することで、バルブシート６がフィン６ａの掛かりによりウォータジャケット用中子１１に位置決めされる。つまり、ウォータジャケット用中子１１の砂がフィン６ａを抱き込んでバルブシート６を固定することとなる。このため、フィン６ａが楔となってバルブシート６がウォータジャケット用中子１１に確実に位置決めされる。この意味で、シリンダヘッド１に対するバルブシート６の鋳ぐるみ精度を一層向上させることができる。また、バルブシート６をシリンダヘッド１に鋳ぐるんで、ウォータジャケット用中子１１をシリンダヘッド１から取り除くことで、ウォータジャケット５の中にフィン６ａを含むバルブシート６の一部が露呈することとなる。このため、フィン６ａの分だけバルブシート６と冷却水との接触面積が増え、その分だけバルブシート６の冷却性をより一層向上させることができる。

ここで、この実施形態のバルブシートの鋳ぐるみ構造によるバルブシート冷却効果を図９にグラフにより示す。このグラフは、バルブシート６のシリンダヘッド１に対する接触熱抵抗と、バルブシート周りの壁温及びエンジンの燃費との関係を、本実施形態に係る「鋳ぐるみ」によるバルブシートの場合と、従来例の「圧入」によるバルブシートの場合とで比較して示す。また、このグラフは、吸気側のバルブシートと排気側のバルブシートに係る壁温の違いを、バルブシートの厚み（シート厚）が「１.４ｍｍ」の場合（破線）と、「５ｍｍ」の場合（太実線）によりそれぞれ示す。

このグラフから明らかなように、接触熱抵抗は「鋳ぐるみ」による場合は「２.０」であり、「圧入」による場合の「７.５」に比べて大幅に小さく、「鋳ぐるみ」による場合の方が冷却性が高いことが分かる。また、壁温については、シート厚にかかわらず、吸気側及び排気側にかかわらず「鋳ぐるみ」による場合の方が低いことが分かる。このため、図９に棒グラフで示すように、「圧入」による場合に比べ、「鋳ぐるみ」による場合の方が明らかに燃費が向上したことが分かる。このように、この実施形態のバルブシート６の鋳ぐるみ構造によれば、バルブシート６の冷却性を向上させることができ、そのことが実際のエンジンでは燃費向上に有効なことが分かる。

［第２実施形態］
次に、本発明におけるバルブシートの鋳ぐるみ方法及び鋳ぐるみ構造を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、バルブシート１６の構成の点で、第１実施形態と異なる。すなわち、図１０に、この実施形態のバルブシート１６を平面図により示す。図１１に、同じくバルブシート１６を正面図により示す。このバルブシート１６は、その周壁に外周に一対の穴１６ａを含む。二つの穴１６ａは、バルブシート１６にて１８０°の角度間隔をもって配置される。この実施形態のバルブシート１６は、第１実施形態におけるバルブシート６のフィン６ａに代わり、各穴１６ａがウォータジャケットに接触させてシリンダヘッドに設けられる。そのための鋳ぐるみ方法は、第１実施形態のそれに準ずる。この実施形態で、各穴１６ａは、本発明の凹部に相当する。

従って、ウォータジャケットを有するシリンダヘッドにこのバルブシート１６を鋳ぐるむときには、セッティング工程で、バルブシート１６の少なくとも穴１６ａとウォータジャケット用中子を互いに接触させる。これにより、各穴１６ａにウォータジャケット用中子の砂が入り込んで、バルブシート１６が各穴１６ａの掛かりによりウォータジャケット用中子に位置決めされる。すなわち、各穴１６ａに入り込んだ砂が楔となってウォータジャケット用中子に確実に位置決めされる。この意味で、シリンダヘッドに対するバルブシート１６の鋳ぐるみ精度を一層向上させることができる。

また、この実施形態では、シリンダヘッドの鋳造後は、ウォータジャケットの中に各穴１６ａを含むバルブシート１６の一部が露呈することとなる。このため、各穴１６ａの内周壁の分だけバルブシート１６と冷却水との接触面積が増え、その分だけバルブシート１６の冷却性をより一層向上させることができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより以下のように実施することもできる。

（１）前記第１実施形態では、バルブシート６の外周に一対のフィン６ａを設けたが、フインの数を２以外の適宜な数に変更することもできる。

（２）前記第２実施形態では、バルブシート１６の周壁に一対の穴１６ａを設けたが、この穴の数を２以外の適宜な数に変更することもできる。

第１実施形態に係り、シリンダヘッドの一部を示す断面図。 同じく、バルブシートを示す平面図。 同じく、バルブシートを示す正面図。 同じく、バルブシートの鋳ぐるみ方法を示すフローチャート。 同じく、バルブシートと一体化したウォータジャケット用中子を一部省略して示す斜視図。 同じく、バルブシートの鋳ぐるみの工程を示す燃焼室部分の断面図。 同じく、バルブシートの鋳ぐるみの工程を示す燃焼室部分の断面図。 同じく、バルブシートの鋳ぐるみの工程を示す燃焼室部分の断面図。 同じく、バルブシートの鋳ぐるみ構造によるバルブシート冷却効果を示すグラフ。 第２実施形態に係り、バルブシートを示す平面図。 同じく、バルブシートを示す正面図。 従来例のシリンダヘッドの一部を示す断面図。

符号の説明

１ シリンダヘッド
１ａ シリンダヘッドの一部
５ ウォータジャケット
６ バルブシート
６ａ フィン（凸部）
１１ ウォータジャケット用中子
１１ａ ウォータジャケット用中子の一部
１２ キャビティの一部
１３ 溶湯
１６ バルブシート
１６ａ 穴（凹部）

Claims (6)

1. ウォータジャケットを有するシリンダヘッドにバルブシートを鋳ぐるむバルブシートの鋳ぐるみ方法において、
   シリンダヘッド鋳造用金型のキャビティにて前記バルブシートとウォータジャケット用中子を接触させてセットするセッティング工程と、
   前記キャビティに溶湯を注入する注湯工程と
   を備えたことを特徴とするバルブシートの鋳ぐるみ方法。
2. 前記バルブシートは、その外周に凸部を含み、前記セッティング工程では、少なくとも前記凸部を前記ウォータジャケット用中子に接触させてセットしたことを特徴とする請求項１に記載のバルブシートの鋳ぐるみ方法。
3. 前記バルブシートは、その外周に凹部を含み、前記セッティング工程では、少なくとも前記凹部を前記ウォータジャケット用中子に接触させてセットしたことを特徴とする請求項１に記載のバルブシートの鋳ぐるみ方法。
4. ウォータジャケットを有するシリンダヘッドにバルブシートを鋳ぐるんだバルブシートの鋳ぐるみ構造において、
   前記バルブシートの一部を前記ウォータジャケットに接触させて設けたことを特徴とするバルブシートの鋳ぐるみ構造。
5. 前記バルブシートは、その外周に凸部を含み、少なくとも前記凸部を前記ウォータジャケットに接触させて設けたことを特徴とする請求項４に記載のバルブシートの鋳ぐるみ構造。
6. 前記バルブシートは、その外周に凹部を含み、少なくとも前記凹部を前記ウォータジャケットに接触させて設けたことを特徴とする請求項４に記載のバルブシートの鋳ぐるみ構造。

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