JP2014129748A - エンジンのシリンダヘッドの鋳造方法及びシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホールドが一体化されたエンジンのシリンダヘッドを崩壊性の中子を用いて効率よく鋳造する。
【解決手段】直列４気筒エンジンの１／４番シリンダに連通する１／４番マニホールド９及び２／３番シリンダに連通する２／３番マニホールド１０をそれぞれ崩壊性の第１及び第２中子２２、２３を用いて形成する。第１中子２２の巾木２４は、１／４番マニホールド９の開口部７を形成する部分の延長部の上半分が接合部２５Ｄから突出した形状とする。これらの接合部２５Ｄ及び延長部に第２中子２３の巾木２７を嵌合して、１／４番及び２／３番マニホールド９、１０の開口部７、８及び開口部７、８が開口する傾斜面１６を形成する。この形状により第１及び第２中子２２、２３は、アンダーカットを生じず型成形できるので、傾斜面１６を有するシリンダヘッド１を効率よく鋳造することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、マニホールドが一体に形成されたエンジンのシリンダヘッドの鋳造方法及びシリンダヘッドに関するものである。

一般的に、エンジンのシリンダヘッドは、燃焼室、吸排気ポート、冷却水通路等を備え、アルミニウム合金等によって一体に鋳造される。シリンダヘッドを鋳造する場合、空洞部分となる吸排気ポートは、一般的に、崩壊性の中子を用いて形成される。崩壊性の中子を用いてシリンダヘッドを鋳造する技術については、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００３−１８４６４０号公報

また、エンジンのシリンダヘッドにおいて、排気ポートを集合する排気マニホールドを一体に形成し、冷却水による排出ガス温度の制御を可能にして、排出ガスの浄化及び燃料消費率の向上を図るようにしたものが公知である。このように排気マニホールドを一体化したシリンダヘッドを鋳造する場合、より複雑な形状の中子が必要になるが、崩壊性の中子は、型成形によって製造するため、アンダーカットが生じない形状に設計することが望まれる。

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、マニホールドを一体化したエンジンのシリンダヘッドを崩壊性の中子を用いて効率よく鋳造することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成され、それぞれの前記マニホールドを崩壊性の中子を用いて形成するエンジンのシリンダヘッドの鋳造方法であって、
前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置され、
前記中子は、前記傾斜面を形成するための巾木を有し、該巾木は、前記開口部を形成するための部分を延長した延長部と、該延長部の前記シリンダの軸方向に直交する最大幅を有する部分の両側に形成された接合部とを有し、該接合部から前記延長部の上部が突出し、
前記巾木は、更に、隣接する巾木の前記接合部及び該接合部から突出した前記延長部の上部に嵌合する嵌合部を有し、
複数の前記中子を組み合わせて隣接する前記巾木を互いに嵌合して鋳造キャビティを形成することを特徴とする。
また、本発明は、複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成されたエンジンのシリンダヘッドであって、
前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置されていることを特徴とする。

（発明の態様）
以下に、本発明において特許請求が可能と認識される発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の（１）乃至（４）の内容が請求項１乃至４に対応する。

（１）複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成され、それぞれの前記マニホールドを崩壊性の中子を用いて形成するエンジンのシリンダヘッドの鋳造方法であって、
前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置され、
前記中子は、前記傾斜面を形成するための巾木を有し、該巾木は、前記開口部を形成するための部分を延長した延長部と、該延長部の前記シリンダの軸方向に直交する最大幅を有する部分の両側に形成された接合部とを有し、該接合部から前記延長部の上部が突出し、
前記巾木は、更に、隣接する巾木の前記接合部及び該接合部から突出した前記延長部の上部に嵌合する嵌合部を有し、
複数の前記中子を組み合わせて隣接する前記巾木を互いに嵌合して鋳造キャビティを形成することを特徴とするシリンダヘッドの鋳造方法。
このように構成したことにより、中子は、アンダーカットを生じることなく、型によって容易に形成することができ、巾木を互いに嵌合して中子を組み合わせて用いることにより、傾斜面に複数のマニホールドの開口部が配置されたシリンダヘッドを駄肉を生じることなく効率よく鋳造することができる。
ここで、マニホールドとしては、吸気マニホールド及び排気マニホールドを想定することができる。
（２）（１）において、前記マニホールドは、排気マニホールドであることを特徴とするシリンダヘッドの鋳造方法。
（３）複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成されたエンジンのシリンダヘッドであって、
前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置されていることを特徴とするシリンダヘッド。
（４）（３）において、前記マニホールドは、排気マニホールドであることを特徴とするシリンダヘッド。
シリンダヘッドは、（１）の鋳造方法によって製造することができる。排気マニホールドをシリンダヘッド一体化することにより、排気をシリンダヘッドと共に例えば冷却水によって冷却することができるので、排気温度の制御が可能になり、排出ガスの浄化及び燃料消費率の向上を図ることができる。

本発明によれば、マニホールドを一体化したエンジンのシリンダヘッドを崩壊性の中子を用いて効率よく鋳造することができる。

本発明の一実施形態に係る排気マニホールドを一体化したシリンダヘッドの斜視図である。 図１に示すシリンダヘッドの排気マニホールド側の側面図である。 図１に示すシリンダヘッドにおいて、第１中子及び第２中子を鋳込んだ状態の要部を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る第１中子の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る第２中子の斜視図である。 図４に示す第１中子と図５に示す第２中子とを組み合わせた状態を示す斜視図である。 図４に示す第１中子と図５に示す第２中子とを組み合わせた状態を示す側面図である。 図４に示す第１中子と図５に示す第２中子とを組み合わせた状態を示す平面図である。 図１に示すシリンダヘッドを鋳造するための下型、上型、第１及び第２中子を組み合わせる工程を示す図である。 図１に示すシリンダヘッド及び図４に示す第１中子を示す斜視図である。 図１に示すシリンダヘッド、図４及び図５に示す第１及び第２中子を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係るシリンダヘッド１は、１気筒当り各２つの吸排気バルブを有する４バルブ直列４気筒エンジン用のシリンダヘッドであって、４つのシリンダの燃焼室２（図３に一部のみ示す）と各燃焼室２に連通する各２つの吸気ポート及び排気ポート３を備えている。シリンダヘッド１の下面は、シリンダブロック（図示せず）に結合されるデッキ結合面４を形成し、上面はシリンダヘッドカバー（図示せず）が結合されるカバー結合面５を形成する。図には表れていないが、シリンダヘッド１の各燃焼室２に連通する２つの吸気ポートは、互いに合流し、シリンダヘッド１の長手方向に沿った一側の側面部まで延び、横一列に並ぶ４つの開口部を形成している。また、シリンダヘッド１には、後述するように、４つのシリンダのうち、１番及び４番シリンダの燃焼室２に連通する１／４番マニホールド９と、残りの２番及び３番シリンダの燃焼室２に連通する２／３番マニホールド１０との２組の排気マニホールドが形成されている。１／４及び２／３番マニホールド９、１０のそれぞれの集合部の開口部７、８は、シリンダヘッド１の吸気ポート側とは反対側の側面の中央部に、上下方向、すなわち、シリンダの軸方向Ｘ（図３参照）に沿って並んで配置されている。

１／４及び２／３番マニホールド９、１０の詳細な形状について、これらを形成するための図４乃至図８に示す第１及び第２中子２２、２３を参照して説明する。以下の説明において、１／４及び２／３番マニホールド９、１０の各部については、便宜上、第１及び第２中子２２、２３の対応する部分に参照符号を付して説明することとする。

図４、図６乃至図８を参照して、１／４番マニホールド９は、４つのシリンダのうち、シリンダヘッド１の長手方向両端部に配置された１番及び４番シリンダの燃焼室２に連通する。１／４番マニホールド９は、シリンダヘッド１の側面部の下側の開口部７に連通する集合部１１から、１番シリンダの燃焼室２に向って延びる１番枝管１２Ａと、４番シリンダの燃焼室２に向って延びる４番枝管１２Ｂとの２つに分岐する。１番及び４番枝管１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ更に２つに排気ポート１３Ａ、１３Ａ及び１３Ｂ、１３Ｂに分岐して、１番及び４番シリンダの燃焼室２に連通する。

図５乃至図８を参照して、２／３番マニホールド１０は、４つのシリンダのうち、シリンダヘッド１の長手方向中央部に配置された２番及び３番シリンダの燃焼室２に連通する。２／３番マニホールド１０は、シリンダヘッド１の側面部の上側の開口部８に連通する集合部１４から、下方へ２番シリンダの燃焼室２に向って延びる２番枝管１４Ａと、３番シリンダの燃焼室２に向って延びる３番枝管１４Ｂとの２つに分岐する。２番及び３番枝管１４Ａ、１４Ｂは、それぞれ更に２つに排気ポート１５Ａ、１５及び１５Ｂ、１５Ｂに分岐して、２番及び３番シリンダの燃焼室２に連通する。なお、図３は、１／４番マニホールド９の１番枝管１２Ａ及び２／３番マニホールド１０の２番枝管１４Ａに沿った断面を示している。

図１乃至図３に示すように、シリンダヘッド１の側面部には、上部に対して下部が突出するようにシリンダの軸方向Ｘに対して傾斜した傾斜面１６が形成され、１／４番マニホールド９及び２／３番マニホールド１０の開口部７、８が傾斜面１６に開口している。開口部７、８は、横長の長穴形状となっている。傾斜面１６に、排気管（図示せず）のフランジ部が結合される。上側に配置された２／３番マニホールド１０は、下側に配置された１／４番マニホールド９に対して、燃焼室から開口部までの長さが短く、開口部８が開口部７よりも小さくなっている。

シリンダヘッド１は、更に、冷却水通路、潤滑油通路、各種ボルト穴、吸排気バルブ、動弁機構、点火プラグ、燃料インジェクタ及び各種センサの装着部等の必要な要素が適当な部位に形成されており、アルミニウム合金等で鋳造される。

次に、シリンダヘッド１の鋳造方法について説明する。
シリンダヘッド１は、シリンダヘッド１の下側部分を形成するための下型２０、及び、上側部分を形成するための上型２１に、図４に示す１／４番マニホールド９を形成するための第１中子２２、及び、図５に示す２／３マニホールド１０を形成するための第２中子２３をセットして鋳造する。第１及び第２中子２２、２３は、砂中子等の崩壊性の中子であり、中子型を用いて製造可能なものである。

以下の第１及び第２中子２２、２３の説明において、１／４番マニホールド９及び２／３番マニホールド１０の各部を形成するための部分については、上述の１／４番マニホールド９及び２／３番マニホールド１０の説明で対応する部分に付した符号を用いて説明する。

図４に示すように、第１中子２２は、１／４番マニホールド９を形成する１／４番マニホールド成形部９（１／４番マニホールド９と同じ符号９で示す）と、この１／４番マニホールド成形部９の集合部成形部１１に一体に結合された巾木２４とで構成されている。巾木２４は、下型２０及び上型２１と共に鋳造キャビティの一部を形成する成形部２５と、位置決めのための位置決め部２６とを有している。成形部２５は、シリンダヘッド１の傾斜面１６の下部、すなわち、下側に配置された開口部７の下半分以下の領域（開口部７のシリンダの軸方向Ｘに直交する最大幅を有する部分よりも下の領域）を形成する傾斜面成形部２５Ａを有している。成形部２５の下端部は、下型２０の嵌合部２０Ａ（図９参照）に嵌合して溶湯をシールする嵌合部２５Ｂとなっている。また、成形部２５の上端部は、断面形状が長穴形状の集合部成形部１１を延長した延長部２５Ｃと、延長部２５Ｃが最大幅となる上下方向中央部の両側に位置する平坦な接合部２５Ｄとを有し、接合部２５Ｄから、断面形状が１／４番マニホールド９の開口部７と同じ長穴形状の延長部２５Ｃの上半分（最大幅から上の部分）が突出している。位置決め部２６は、下型２０及び第２中子２３に係合して、これらに対する位置決めを行う。第１中子２２は、このような形状とすることにより、１／４番マニホールド成形部９を最大幅の部分で上下に半割りする曲面、及び、成形部２５の上端の接合部２５Ｄに沿った平面を通るパーティングラインを有する中子型（図示せず）を用いることにより、アンダーカットを生じることなく型成形することができるようになっている。

図５に示すように、第２中子２３は、２／３番マニホールド１０を形成する２／３番マニホールド成形部１０（２／３番マニホールド１０と同じ符号１０で示す）と、この２／３番マニホールド成形部１０の集合部成形部１４に一体に結合された巾木２７とで形成されている。巾木２７は、下型２０及び上型２１と共に鋳造キャビティの一部を形成する成形部２８と、位置決めのための位置決め部２９とを有している。成形部２８は、シリンダヘッド１の傾斜面１６の上下方向中間部、すなわち、下側に配置された開口部７の上半分から、上側に配置された開口部８の下半分以下の領域（開口部８のシリンダの軸方向Ｘに直交する最大幅を有する部分よりも下の領域）を形成する傾斜面成形部２８Ａを有している。成形部２８の下端部は、第１中子２２の巾木２４に形成された成形部２５の接合部２５Ｄ及び接合部２５Ｄから突出した断面形状が長穴形状の延長部２５Ｃの上半分（最大幅から上の部分）に嵌合する嵌合部２８Ｂとなっている。また、成形部２８の上端部は、断面形状が長穴形状の集合部成形部１４を延長した延長部２８Ｃと、延長部２８Ｃが最大幅となる上下方向中央部の両側に位置する平坦な接合部２８Ｄを有し、接合部２８Ｄから、断面形状が２／３番マニホールド１０の開口部８と同じ長穴形状の延長部２８Ｃの上半分（最大幅から上の部分）が突出している。位置決め部２９は、第１中子２２に係合して、これに対する位置決めを行う。第２中子２３は、このような形状とすることにより、２／３番マニホールド成形部１０を最大幅の部分で上下に半割りする曲面、及び、成形部２８の上端の接合部２８Ｄに沿った平面を通るパーティングラインを有する中子型（図示せず）を用いることにより、アンダーカットを生じることなく型成形することができるようになっている。

そして、図６乃至図８に示すように、第１中子２２と第２中子２３とは、第１中子２２の成形部２５の上端部の延長部２８Ｃ及び接合部２５Ｄと、第２中子２３の成形部２８の嵌合部２８Ｂとを嵌合させる共に、これらの位置決め部２６、２９を互いに係合させることにより、互いに位置決めして組み合わせることができるようになっている。

図９（Ｄ）に示すように、上型２１は、第２中子の巾木２７に形成された成形部２８の接合部２８Ｄ、及び、接合部２８Ｄから突出した断面形状が長穴形状の延長部２８Ｃの上半分に嵌合する嵌合部３０を有し、また、傾斜面１６の上部、すなわち、上側に配置された開口部８の上半分以上の領域を形成する傾斜面成形部３１を有している。

次に、第１及び第２中子２２、２３を用いてシリンダヘッド１を鋳造する工程について説明する。
１／４番マニホールド成形部９を上下に半割りする曲面、及び、成形部２５の上端の接合部２５Ｄに沿った平面を通るパーティングラインを有する中子型を用いて崩壊性の第１中子２２を形成する。また、２／３番マニホールド成形部１０を上下に半割りする曲面、及び、成形部２８の上端の接合部２８Ｄに沿った平面を通るパーティングラインを有する中子型を用いて崩壊性の第２中子２３を形成する。

図９（Ａ）乃至（Ｄ）を参照して、下型２０及び上型２１に第１及び第２中子２２、２３をセットして鋳造キャビティを形成する。なお、シリンダヘッド１の側面部の上下方向中央部を形成するための金型の部分は、図示を省略している。図９（Ａ）は、下型２０を示し、図９（Ｂ）は、下型２０の嵌合部２０Ａに第１中子２２の嵌合部２５Ｂを嵌合した状態を示している。図９（Ｃ）は、更に、第１中子２２の延長部２５Ｃ及び接合部２５Ｄに第２中子２３の嵌合部２８Ｂを嵌合した状態を示している。図９（Ｄ）は、更に、第２中子２３の延長部２８Ｃ及び接合部２８Ｄに上型２１の嵌合部３１を嵌合し、下型２０と上型２１とを型締めして鋳造キャビティを形成した状態を示している。また、下型２０及び上型２１には、シリンダヘッド１の吸気ポート、冷却水通路、潤滑油通路等の他の中空部を形成するための中子、インサート等を適宜、セットする。

このようにして下型２０、上型２１、第１及び第２中子２２、２３を用いて形成した鋳造キャビティにアルミニウム合金等の溶湯を注湯してシリンダヘッド１を鋳造する。第１中子２２を鋳込んだ状態のシリンダヘッド１を図１０に示し、第１及び第２中子２２、２３を鋳込んだ状態のシリンダヘッド１を図１１に示す。溶湯が冷却、固化した後、離型し、第１、第２中子２２、２３及び他の中子を崩壊し、除去して鋳造品であるシリンダヘッド１を得る。

第１中子２２と第２中子２３とを組み合わせて用いることにより、１／４番及び２／３番マニホールド９、１０の開口部７、８が傾斜面１６に上下に並べて配置されたシリンダヘッド１を駄肉を生じさせることなく、効率よく鋳造することができる。そして、このように１／４番及び２／３番マニホールド９、１０が一体に形成されたシリンダヘッド１により、冷却水による排気の冷却の制御を可能にして、エンジンの排出ガスの浄化及び燃料消費率の向上を図ることができる。

図３中に仮想線で示すように、１／４番及び２／３番マニホールド９、１０の開口部７、８の周囲を覆う従来の一般的な形状の巾木４０、４１を有する中子を用いた場合、これらの中子を形成する際、傾斜面１６を形成するための巾木４０、４１の傾斜部４０Ａ、４１Ａがアンダーカットとなるため、金型による中子の形成が非常に困難になる。また、巾木４０、４１に、傾斜部４０Ａ、４１Ａを形成せず、傾斜面１６を後加工により形成する場合、鋳造時に相当の駄肉が生じることになり、これを切削加工等により除去する必要があるので、生産性が大幅に低下することになる。

なお、上記実施形態では、第１及び第２中子２２、２３の２つの中子を組み合わせた場合について説明しているが、巾木に形成される延長部及び接合部と嵌合部とを順次嵌合させることにより、同様に、３つ以上の中子を組み合わせることも可能である。また、排気マニホールドの排気通路の断面形状は、上述の長穴形状に限らず、円形、楕円形等、中子の型成形が可能なものであれば任意である。また、本発明は、上述の直列４気筒エンジン用のシリンダヘッドに限らず、任意の複数気筒数のエンジン及びＶ型エンジンにも同様に適用することができる。

１…シリンダヘッド、１３Ａ、１３Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ…排気ポート（ポート）、７、８…開口部、９…１／４番マニホールド（マニホールド）、１０…２／３番マニホールド（マニホールド）、１１、１４…集合部、１６…傾斜面、２２…第１中子（中子）、２３…第２中子（中子）、２４、２７…巾木、２５Ｃ…延長部、２８Ｂ…嵌合部、２５Ｄ…接合部

Claims (4)

1. 複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成され、それぞれの前記マニホールドを崩壊性の中子を用いて形成するエンジンのシリンダヘッドの鋳造方法であって、
   前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置され、
   前記中子は、前記傾斜面を形成するための巾木を有し、該巾木は、前記開口部を形成するための部分を延長した延長部と、該延長部の前記シリンダの軸方向に直交する最大幅を有する部分の両側に形成された接合部とを有し、該接合部から前記延長部の上部が突出し、
   前記巾木は、更に、隣接する巾木の前記接合部及び該接合部から突出した前記延長部の上部に嵌合する嵌合部を有し、
   複数の前記中子を組み合わせて隣接する前記巾木を互いに嵌合して鋳造キャビティを形成することを特徴とするシリンダヘッドの鋳造方法。
2. 前記マニホールドは、排気マニホールドであることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッドの鋳造方法。
3. 複数のシリンダの燃焼室に連通するポートを集合するマニホールドが複数形成されたエンジンのシリンダヘッドであって、
   前記シリンダヘッドの側面部には、前記シリンダの軸方向に対して傾斜した傾斜面が形成され、前記各マニホールドの集合部の開口部のうち少なくとも一部は、前記傾斜面に前記シリンダの軸方向に沿って並べて配置されていることを特徴とするシリンダヘッド。
4. 前記マニホールドは、排気マニホールドであることを特徴とする請求項３に記載のシリンダヘッド。

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