JP2010207853A

JP2010207853A - 冷却水通路形成用中子及びシリンダヘッドとその製造方法

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Publication number: JP2010207853A
Application number: JP2009056320A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Ikehara; 賢亮池原; Takuya Taniguchi; 拓也谷口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP5444772B2

Abstract

【課題】強度低下防止に好適な冷却水通路形成用中子及びシリンダヘッドとその製造方法を提供する。
【解決手段】冷却水通路３の下側表面を形成する下型２２と、冷却水通路の上側表面を形成する上型２３と、排気ポート２に臨む冷却水通路の表面を形成する横型２１と、により成形され、シリンダヘッド１の鋳造による製造時に冷却水通路を形成する冷却水通路形成用中子およびシリンダヘッドとその製造方法において、前記排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッドの中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面Ｒ形状２５と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成した。
【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関における冷却水通路形成用中子及びシリンダヘッドとその製造方法に関するものである。

従来からエンジンのシリンダヘッドにおいて燃焼室から排気ガスを排出する排気ポートの燃焼室に近い壁部が加熱されやすく高温になるため、排気ポートの壁部の高温部位を効率的に冷却するシリンダヘッドの構造が提案されている(特許文献１参照)。

これは、冷却水が流通する冷却水通路を備えるシリンダヘッドの冷却水通路の壁部における高温部位の壁面に対して、その冷却水通路の壁部に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材を設ける。このため、冷却水通路の壁部における高温部位の熱が放熱部材を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却するようにしている。

特開２００５−４２６０２号公報

ところで、このようなシリンダヘッドは、冷却水通路、即ちウォータジャケットが鋳造製品の内部に空間として形成されるよう、鋳造型の内部にウォータジャケット形成用中子を装着した状態で、鋳造することにより製造される。

このため、シリンダヘッド内に形成される前記ウォータジャケットの内面形状は、ウォータジャケットとなる空間を形成する形成用中子の表面形状に応じて、凹凸が形成されることとなる。例えば、中子形成時に中子成形型の型抜き勾配を考慮して、ウォータジャケット形成用中子の表面に尖った形状が存在する場合には、形成されるウォータジャケットには、ウォータジャケットの表面に前記尖った形状に対応して鋭角な窪みが形成されることとなる。この尖った窪みは、シリンダヘッドとして使用時に、応力集中部位を形成し、亀裂(クラック)を生じさせ、シリンダヘッドの強度を低下させる虞がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、強度低下防止に好適な冷却水通路形成用中子及びシリンダヘッドとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、冷却水通路形成用中子の前記排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成した。

したがって、本発明では、冷却水通路形成用中子の前記排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成したため、冷却水通路のシリンダヘッド中央側端部の表面にエッジ状の窪み部分が形成されることがなく、燃焼圧力による上方に変形させる圧力に対向して平面方向に引張り応力が作用しても、前記コーナ部分に応力集中が発生することを回避でき、シリンダヘッドの強度低下を防止できる。

本発明の一実施形態を示すシリンダヘッドの側面図。同じくウォータジャケット及び吸排気ポートの配列を示すシリンダヘッド上面よりの説明図。ウォータジャケット及び吸排気ポートの配列を示すシリンダヘッド下面よりの説明図。図１のＡ−Ａ線に沿う部分断面図。図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図。図４のＢ−Ｂ線に沿う断面の斜視図。図６の一部の拡大図。ウォータジャケット形成用中子の成形型の断面を示す斜視図。ウォータジャケット形成用中子の成形型の断面図。ウォータジャケット形成用中子の成形型の要部断面の拡大図。比較例のウォータジャケット形成用中子の成形型の断面図。比較例のウォータジャケット形成用中子の成形型の要部断面の拡大図。

以下、本発明の冷却水通路形成用中子及びシリンダヘッドとその製造方法を一実施形態に基づいて説明する。本実施形態のシリンダヘッド１は、例えば、アルミニウム合金の鋳物として鋳造され、例えば、４気筒エンジンに使用されるものであり、基本的には各気筒についてほとんど同一の構成を備える。即ち、図１は４個の排気ポート２が開口している側面からのシリンダヘッド１の側面図であり、図２はウォータジャケット３及び吸排気ポート２の配列を示すシリンダヘッド１上面よりの説明図、図３はウォータジャケット３及び吸排気ポート２の配列を示すシリンダヘッド１下面よりの説明図、図４は図１のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。

前記シリンダヘッド１には、図２に示すように、各気筒に対応してインジェクタ（図示省略）を取付けるためのインジェクタ取付孔４が形成されている。前記各気筒のインジェクタ取付孔４の周囲には、２個の吸気バルブと２個の排気バルブとが装備される吸気バルブ用孔５Ａ及び排気バルブ用孔２Ａが設けられている。前記吸気バルブ用孔５Ａからはシリンダヘッド１の一方の側面に到る吸気ポート５が設けられ、排気バルブ用孔２Ａからはシリンダヘッド１の他方の側面に到る排気ポート２が設けられている。排気ポート２は気筒毎に一本にまとめられてシリンダヘッド１の側面に開口するようにされている。

前記シリンダヘッド１は、冷却水を気筒列方向（図中左右方向）に沿って流通させる冷却水通路としてのウォータジャケット３を備える。即ち、前記ウォータジャケット３は、図３に示すように、気筒間及び吸気ポート５及び排気ポート２の下方領域を含む広い領域に配置され、当該領域(下部領域６)の気筒列方向に冷却水を流通させて冷却することにより、燃焼室からの伝熱によるシリンダヘッド１の温度上昇を抑制するよう構成されている。また、前記ウォータジャケット３は、図２に示すように、その一部がシリンダヘッド１の上方に延在され、排気ポート２の上方を跨るように配置されたアーチ部分８を含む上部領域７を備え、燃焼ガスが排出されて温度上昇する排気ポート２を、前記下部領域６と共に上下方向から冷却するよう構成している。

前記ウォータジャケット３の下部領域６は、図４に示すように、排気ポート２、吸気ポート５の下部及び気筒間の領域に配置され、前記上部領域７は、排気ポート２を跨ったアーチ部分８を含んでその上方に配置されている。前記吸気ポート５には、図示しない吸気バルブの弁ステムが挿入される弁穴５Ｂが連通させて配置され、前記排気ポート２には、図示しない排気バルブの弁ステムが挿入される弁穴２Ｂが連通させて配置されている。

前記シリンダヘッド１においては、燃焼圧力による上方に変形させる圧力に対向して平面方向に引張り応力が発生する。特に、近年、燃費・出力改善のために、エンジンの燃焼圧力を上昇させる場合に、ウォータジャケット３の表面形状に、エッジ状の窪み等により発生しやすい応力集中が生じない、円滑な表面形状に形成することが望ましい。このため、前記シリンダヘッド１の排気ポート２を取囲む、特に、排気ポート２の上方のアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部においては、応力集中が生じない、円滑なＲ形状に形成している。

即ち、前記ウォータジャケット３の上部領域７は、排気ポート２の上方に跨って配置されるアーチ部分８において、排気ポート２の上流に臨むシリンダヘッド１の中央側端部、特に、排気ポート２に接近するコーナ部分９において、円滑なＲ形状で形成している。即ち、前記上部領域７のアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９は、図５及び図６に示す断面形状を備える空間で形成され、特に、図７に拡大して示すように、前記アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９が、円滑なＲ形状で形成される。なお、図５〜７に示す断面は、前記アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９より若干上方位置よりスライスして、コーナ部分９を俯瞰等して示すものである。

前記ウォータジャケット３の形状を得るためのウォータジャケット形成用中子１０を形成するため、本実施形態においては、図８〜図１０に示すウォータジャケット形成用中子１０の成形型２０を使用する。即ち、ウォータジャケット形成用中子１０の成形型２０は、排気ポート２を取囲む領域のウォータジャケット３の表面形状に形作られた表面を備える横型２１と、ウォータジャケット３の下方の表面形状に形作られた表面を備える下型２２と、ウォータジャケット３の上方の表面形状に形作られた表面を備える上型２３と、を備える。

そして、ウォータジャケット３の、排気ポート２の上下部分を除いた、下部領域６及び上部領域７の大部分の中子領域は、上型２３と下型２２との間に形成される。また、排気ポート２の下部領域６を形成する中子領域は、前記横型２１と下型２２との間で形成され、排気ポート２の上部領域７であるアーチ部分８を形成する中子領域は、前記横型２１と上型２３との間で大部分が形成される。しかしながら、排気ポート２の上部領域７部分であるアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９を形成する中子領域は、前記横型２１と上型２３と下型２２との３型間で形成される。

即ち、排気ポート２の上部領域７であるアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９の中子領域を形成するため、下型２２は横型２１の先端に沿って上方に隆起された部分２４を備え、その隆起部分２４の先端がアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９を構成する中子領域に達している。そして、前記隆起部分２４の先端には、図１０に拡大して示すように、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９を形成するための、円滑なＲ形状２５に形成している。前記下型２２の隆起部分２４と横型２１の先端とは、下型２２の型抜きを考慮して、斜めの傾斜面で当接している。このため、横型２１の下方において、下型２２との合せ面により形成されるウォータジャケット３の下部領域６は、シリンダヘッド１の中央領域から若干外側に変位されて位置し、下型２２に対する隆起部分２４の形成を容易にしている。

また、下型２２の隆起部分２４の先端と横型２１との型合せ点は、型抜き方向が、横型２１では横方向であり、下型２２は下方向であり、互いの型抜き方向が、型抜き勾配を考慮しても、型合せ面に直交する中子形成面から離れる方向となっている。また、下型２２の隆起部分２４の先端と上型２３との型合せ点は、型抜き方向が、横型２１では横方向であり、上型２３は上方向であり、互いの型抜き方向が、型抜き勾配を考慮しても、型合せ面に直交する中子形成面から離れる方向となっている。そして、各成形型２０の型合せ点が、前記応力集中を回避する円滑なＲ形状２５の両側にずらせて配置されているため、横型２１で形成される面と下型２２の隆起部分２４先端のＲ形状２５で形成される面とが繋がり、上型２３で形成される面と下型２２の隆起部分２４先端のＲ形状２５で形成される面とが繋がり、夫々円滑な面となる。

図１１及び図１２は、排気ポート２の上部領域７であるアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａの中子領域を、上型２２Ａと横型２１Ａとで形成した比較例を示したものである。この比較例においては、排気ポート２の上部領域７であるアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａが、上型２３Ａと横型２１Ａとの型合せ部分と一致させて形成されている。

また、図示するように、型抜き方向が、上型２３Ａでは上方であり、横型２１Ａでは横方向であるため、互いの抜き勾配を設けるために、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａは、下方に向けて尖って形成される。このため、比較例においては、上記形状の成形型で形成されたウォータジャケット形成用中子１０によりウォータジャケット３をシリンダヘッド１に形成すると、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａが鋭角に窪んだ形状に形成される。また、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａにおける上型２３Ａと横型２１Ａとの型合せ部分に隙間が存在すると、形成されるウォータジャケット中子１０のコーナ部分９Ａに尖ったバリができやすい。

このように、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９Ａが鋭角に窪んだ形状に形成されると、燃焼圧力による上方に変形させる圧力に対向して平面方向に引張り応力が作用すると、前記コーナ部分９Ａの鋭角に窪んだ形状部分に応力集中が発生し、排気ポート２の上側に向かってクラックが生じる虞がある。

しかしながら、本実施形態における上記した中子成形型２０においては、排気ポート２の上部領域７であるアーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のウォータジャケット中子１０のコーナ部分９は、下型２２の隆起部分２４の先端の円滑なＲ形状２５により、エッジ状の窪み部分が形成されないため、応力集中を回避することができる。

また、下型２２の隆起部分２４の先端と横型との型合せ点は、型抜き方向が、横型２１では横方向であり、下型２２は下方向であり、互いの型抜き方向が、型抜き勾配を考慮しても、型合せ面に直交する中子形成面から離れる方向であるため、形成されるウォータジャケット形成用中子１０の型合せ部に鋭角な突起が形成されることがない。また、下型２２の隆起部分２４の先端と上型２３との型合せ点は、型抜き方向が、横型２１では横方向であり、上型２３は上方向であり、互いの型抜き方向が、型抜き勾配を考慮しても、型合せ面に直交する中子形成面から離れる方向であるため、形成されるウォータジャケット形成用中子１０の型合せ部に鋭角な突起が形成されることがない。これは、各成形型の型合せ点が、前記応力集中を回避する円滑なＲ形状２５の両側にずらせて配置したために、横型２１で形成される面と下型２２の隆起部分２４先端のＲ形状２５で形成される面との繋がり、及び、上型２３で形成される面と下型２２の隆起部分２４先端のＲ形状２５で形成される面との繋がりが円滑となる。このため、形成されるウォータジャケット形成用中子１０の表面形状を円滑な表面形状とすることができる。

このように、円滑な表面形状に形成されたウォータジャケット形成用中子１０によりウォータジャケット３をシリンダヘッド１に形成すると、アーチ部分８のシリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９が円滑なＲ形状に形成される。このため、燃焼圧力による上方に変形させる圧力に対向して平面方向に引張り応力が作用しても、前記コーナ部分９に応力集中が発生することを回避でき、排気ポート２の上側に向かってクラックが生じる虞がない。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）冷却水通路３の下側表面を形成する下型２２と、冷却水通路３の上側表面を形成する上型２３と、排気ポート２に臨む冷却水通路３の表面を形成する横型２１と、により成形され、シリンダヘッド１の鋳造による製造時に冷却水通路３を形成する冷却水通路形成用中子１０およびシリンダヘッド１とその製造方法において、前記排気ポート２上面に臨む中子部分のシリンダヘッド１の中央側端部を、冷却水通路３の下側表面を形成する下型２２の一部を隆起させた先端の窪み表面２５と、前記下型２２の先端の窪み表面２５の一方に連ねて排気ポート２に臨む冷却水通路３の表面を形成する横型２１と、前記下型２２の先端の窪み表面２５の他方に連ねて冷却水通路３の上側表面を形成する上型２３と、の３型により形成したため、冷却水通路３のシリンダヘッド１の中央側端部の表面にエッジ状の窪み部分が形成されることがなく、燃焼圧力による上方に変形させる圧力に対向して平面方向に引張り応力が作用しても、前記コーナ部分９に応力集中が発生することを回避でき、シリンダヘッド１の強度低下を防止できる。

(イ)下型２２の一部を隆起させた先端の窪み表面２５は、円弧状の曲面により形成されて、両側に連なる前記横型２１及び上型２３の各表面と連続した表面に形成されるため、シリンダヘッド１の中央側端部のコーナ部分９が円滑なＲ形状に形成され、より一層シリンダヘッド１の強度低下を防止できる。

１シリンダヘッド
２排気ポート
３冷却水通路としてのウォータジャケット
４インジェクタ取付孔
５吸気ポート
６下方領域
７上方領域
８アーチ部分
９コーナ部分
１０ウォータジャケット形成用中子、冷却水通路形成用中子
２０成形型

Claims

冷却水通路の下側表面を形成する下型と、冷却水通路の上側表面を形成する上型と、排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、により成形され、シリンダヘッドの鋳造による製造時に冷却水通路を形成する冷却水通路形成用中子において、
前記排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成したことを特徴とする冷却水通路形成用中子。
前記下型の一部を隆起させた先端の窪み表面は、円弧状の曲面により形成されて、両側に連なる前記横型及び上型の各表面と連続した表面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷却水通路形成用中子。
シリンダヘッドの冷却水が流通する冷却水通路を、冷却水通路の下側表面を形成する下型と、冷却水通路の上側表面を形成する上型と、排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、により形成した冷却水通路形成用中子により構成し、鋳造によって製造するシリンダヘッドであって、
前記冷却水通路形成用中子の排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成することを特徴とするシリンダヘッド。
前記下型の一部を隆起させた先端の窪み表面は、円弧状の曲面により形成されて、両側に連なる前記横型及び上型の各表面と連続した表面に形成されることを特徴とする請求項３に記載のシリンダヘッド。
前記冷却水通路形成用中子の排気ポート下面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部は、前記下型の隆起させた部分を避けて、排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部より外側に配置されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のシリンダヘッド。
冷却水通路の下側表面を形成する下型と、冷却水通路の上側表面を形成する上型と、排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、により成形され、シリンダヘッドの鋳造による製造時に冷却水通路を形成する冷却水通路形成用中子の製造方法において、
前記排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成することを特徴とする冷却水通路形成用中子の製造方法。
前記下型の一部を隆起させた先端の窪み表面は、円弧状の曲面により形成されて、両側に連なる前記横型及び上型の各表面と連続した表面に形成されることを特徴とする請求項６に記載の冷却水通路形成用中子の製造方法。
シリンダヘッドの冷却水が流通する冷却水通路を、冷却水通路の下側表面を形成する下型と、冷却水通路の上側表面を形成する上型と、排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、により形成した冷却水通路形成用中子により構成し、鋳造によって製造するシリンダヘッドの製造方法であって、
前記冷却水通路形成用中子の排気ポート上面に臨む中子部分のシリンダヘッド中央側端部を、冷却水通路の下側表面を形成する下型の一部を隆起させた先端の窪み表面と、前記下型の先端の窪み表面の一方に連ねて排気ポートに臨む冷却水通路の表面を形成する横型と、前記下型の先端の窪み表面の他方に連ねて冷却水通路の上側表面を形成する上型と、の３型により形成することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
前記下型の一部を隆起させた先端の窪み表面は、円弧状の曲面により形成されて、両側に連なる前記横型及び上型の各表面と連続した表面に形成されることを特徴とする請求項８に記載のシリンダヘッドの製造方法。