JP2015048789A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制し、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することのできるシリンダヘッドを提供する。
【解決手段】内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面１０、２０、３０、４０を複数有し、各燃焼室面１０、２０、３０、４０に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッド１であって、シリンダヘッド１の隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の間にスリット１５、２５、３５が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダヘッドに関し、特にシリンダヘッドのポートにレーザクラッド加工によりクラッド層（肉盛層）が形成されているシリンダヘッドに関するものである。

従来から、エンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、そのバルブシートに対し、例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザを照射し、バルブシートとレーザを相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉体状の肉盛り材料を供給しつつレーザ照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工と称されている。

上記するバルブシートにおけるレーザ加工においては、加工部位に対して特定の方向からレーザを照射することが肉盛層の品質安定化の観点から好ましいことや、肉盛り材料供給機構やレーザ光学機構などの設備レイアウト上種々の制約があることなどの理由から、一般に、レーザ光を固定側としてバルブシートを相対回転させるとともに、シリンダヘッドの回転方向を特定の一方向に規定しながらその加工がおこなわれている。

ところで、従来のバルブシートにおけるレーザ加工においては、あるバルブシートにレーザビームを照射した際の入熱が他のバルブシートに伝播し、他のバルブシートの母材温度が不均一となってそのバルブシートの肉盛層にワレが発生するといった問題があった。また、シリンダヘッドの底面でバルブシートに対応する箇所の温度差が大きくなり、シリンダヘッドの底面に大きな歪みが生じ、この歪みの除去加工に多大な時間を要するといった問題があった。

このような問題に対し、特許文献１には、シリンダヘッドの各バルブシート部にレーザビームを順次照射して肉盛層を形成する肉盛方法であって、ｎ番目に肉盛りされるバルブシート部へのレーザビームの入熱がｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部へ伝播されないように、各バルブシート部の肉盛順序を設定したり、各バルブシート部の肉盛層で、レーザビームの照射におけるその始端部と終端部とがオーバーラップする部分を母材厚肉部に位置させる肉盛方法が開示されている。

特開２００９−１２０５６号公報

特許文献１に開示されている肉盛方法によれば、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部に肉盛加工する際に、ｎ番目に肉盛りされたバルブシート部へのレーザビームの入熱が伝播されないため、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部の母材温度が略均一化され、ｎ＋１番目に肉盛りされるバルブシート部の肉盛層へのワレの発生を防止できると共に、シリンダヘッドの母材温度が略均一になるため、シリンダヘッドの温度差による底面の歪みを低減でき、この歪みの除去加工に費やす時間を大幅に短縮することができる。

ところで、一般にシリンダヘッドと肉盛層とは線膨張率等の材料特性が異なる材料から形成されている。そのため、特許文献１に開示されている肉盛方法においては、シリンダヘッドの各バルブシート部に溶着された肉盛層が冷却されて凝固した際、シリンダヘッドと肉盛層との線膨張率の差に起因してシリンダヘッド全体が歪み変形、例えば肉盛層が形成されたシリンダヘッドの底面が凹となるように反り変形し、その歪みの除去加工に多大な時間や費用を要するといった問題が残存し得る。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制し、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することのできるシリンダヘッドを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるシリンダヘッドは、内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面を複数有し、各燃焼室面に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッドであって、前記シリンダヘッドの隣接する燃焼室面の間にスリットが形成されているものである。

上記する形態のシリンダヘッドによれば、隣接する燃焼室面の間にスリットが形成されていることによって、シリンダヘッドのポートに溶着されたクラッド層が冷却されて凝固する際に発生し得る各燃焼室面における歪み変形が、隣接する燃焼室面に伝播することを抑制することができるため、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。

ここで、隣接する燃焼室面の間とは、少なくとも隣接する燃焼室面の中心を結んだ線分の一部を含む領域である。

また、上記するシリンダヘッドの好ましい形態は、前記スリットが、前記シリンダヘッドの燃焼室面よりも該シリンダヘッドの内部まで穿設されているものである。

上記する形態のシリンダヘッドによれば、スリットが燃焼室面よりもシリンダヘッドの内部まで穿設されていることによって、各燃焼室面における歪み変形が、隣接する燃焼室面に伝播することを確実に抑制することができるため、シリンダヘッド全体の歪み変形を効果的に抑制することができる。

また、上記するシリンダヘッドの好ましい形態は、前記スリットには冷却水が流通するようになっているものである。

上記する形態のシリンダヘッドによれば、スリットに冷却水が流通することによって、内燃機関の運転時のシリンダヘッドの温度変化に伴う歪み変形を抑制できるとともに、内燃機関の燃焼室を効果的に冷却することができ、当該内燃機関の耐ノック性能や燃費性能を高めることができる。

ここで、前記スリットが、前記シリンダヘッドに予め形成された冷却水通路と連通していれば、簡単な構成でもって、前記スリットに冷却水を流通させることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のシリンダヘッドによれば、隣接する燃焼室面の間にスリットが形成されているという簡単な構成でもって、シリンダヘッド全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。

本発明のシリンダヘッドの実施の形態を示した下面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 レーザクラッド加工方法を模式的に説明した斜視図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図であって、（ａ）はクラッド層を溶着した直後の状態を模式的に示した図であり、（ｂ）はクラッド層を冷却固化させた状態を模式的に示した図である。 図１のＣ−Ｃ矢視断面図である。 図１で示すシリンダヘッドの冷却水通路を模式的に示した縦断面図であって、（ａ）はプラグ中心近傍における冷却水通路を模式的に示した図であり、（ｂ）はバルブ中心近傍における冷却水通路を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して本発明のシリンダヘッドの実施の形態を説明する。

図１は、本発明のシリンダヘッドの実施の形態を示した下面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図であり、図３は、レーザクラッド加工方法を模式的に説明した斜視図であり、図４は、図１のＢ−Ｂ矢視断面図であって、図４（ａ）はクラッド層を溶着した直後の状態を模式的に示した図であり、図４（ｂ）はクラッド層を冷却固化させた状態を模式的に示した図である。なお、以下では、内燃機関が４つの燃焼室を有し、シリンダヘッドが４気筒であって、１気筒あたり４個のポート（バルブ孔）、すなわち２個の排気ポートと２個の吸気ポートを有する形態について説明するが、気筒数や１気筒あたりのポート数、各気筒の配列等は、必要とされる内燃機関の性能に応じて適宜変更することができる。

図１で示すように、本実施の形態のシリンダヘッド１は、内燃機関の各燃焼室に対向する燃焼室面１０、２０、３０、４０を有し、各燃焼室面１０、２０、３０、４０に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層（肉盛層）が形成されてバルブシートが構成されている。

具体的には、シリンダヘッド１は、その底面（シリンダブロック側の面）に直列に並んだ４つの燃焼室面１０、２０、３０、４０を有している。各燃焼室面１０、２０、３０、４０は、シリンダブロックの底面から僅かに窪んで形成され、平面視で底面側から視た際に略円形状を呈している。例えば、燃焼室面１０には、２個の吸気ポート１１ａ、１１ｂと２個の排気ポート１２ａ、１２ｂが開口され、各ポート１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂにそれぞれレーザクラッド加工によりバルブシートを構成するクラッド層１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂが形成されている（図２参照）。なお、燃焼室面２０、３０、４０についても燃焼室面１０と同様であるため、同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

ここで、各燃焼室面に開口するポート（吸気ポートまたは排気ポート）へクラッド層を形成する方法（レーザクラッド加工方法）の一例を概説すると、まず、シリンダヘッド１を載置台上に載置してクランプ機構等により位置決め固定し、その載置台を回転テーブル上に載置する。次いで、載置台上に載置固定されたシリンダヘッド１に開設された任意のポートの中心軸心が回転テーブルの回転軸心と一致するようにシリンダヘッド１を移動し、回転テーブルを駆動してシリンダヘッド１をポートの中心軸心、すなわち回転テーブルの回転軸心周りで回動させる。そして、回転するシリンダヘッド１の前記ポートに金属粉体（例えば銅を主成分とする）を供給しながら、シリンダヘッド１の上方に配置されたレーザビーム照射装置から前記ポートに向かってレーザビームを照射する。これにより、前記ポートに供給された金属粉体がレーザビームにより溶融され、溶融された金属紛体がシリンダヘッドのポートに溶着され、溶着された金属紛体が冷却されて凝固され、前記ポートの表面にリング状のクラッド層（肉盛層）が形成される（図３参照）。

任意のポートに対してシリンダヘッド１の移動〜レーザクラッド加工を実行した後、次のポートの中心軸心が回転テーブルの回転軸心と一致するようにシリンダヘッド１を移動し、同様のレーザクラッド加工を実行する。このような操作を順次おこなうことで、シリンダヘッド１に開設された全てのポートに対してレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されることとなる。

ところで、一般にシリンダヘッドとクラッド層とは線膨張率等の材料特性が異なる材料から形成されている。そのため、上記したレーザクラッド加工により、シリンダヘッド１に開設されたポート（排気ポートおよび吸気ポート）にクラッド層を形成すると、シリンダヘッドの各ポートに形成されたクラッド層が冷却されて凝固した際に、シリンダヘッドとクラッド層との線膨張率の差に起因して、シリンダヘッド全体が歪み変形する。例えば、シリンダヘッドがアルミニウムを主成分とする材料（アルミニウムまたはアルミニウム合金）から形成され、クラッド層が銅を主成分とする材料（銅または銅合金）から形成される場合、クラッド層の線膨張率がシリンダヘッドの線膨張率よりも小さいため、クラッド層が冷却されて凝固する際、クラッド層が形成されたシリンダヘッド１の底面側が収縮し、シリンダヘッド１の底面が凹となるようにシリンダヘッド全体が反り変形する可能性がある。

そこで、本実施の形態では、図１で示すように、各燃焼室面１０、２０、３０、４０の間に、シリンダヘッド１の底面から内部へ向かってスリット１５、２５、３５が形成されている。具体的には、シリンダヘッド１に開設されたポート（排気ポートおよび吸気ポート）にクラッド層を形成する以前に、例えば切削加工等により、各燃焼室面１０、２０、３０、４０の間に、シリンダヘッド１の底面から内部へ向かってスリット１５、２５、３５が形成されている。このスリット１５、２５、３５は、平面視で視た際に隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の中心を結ぶ線分の略中点からその線分に対して略直交する方向に延設されている。なお、このスリット１５、２５、３５の燃焼室面１０、２０、３０、４０の中心を結ぶ線分方向での厚さは、例えば後述するように冷却水を流通し得る厚さに設定されている。

このように、シリンダヘッド１の隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の間に予めスリット１５、２５、３５が形成されていることによって、図４で示すように、シリンダヘッドの各ポートに形成されたクラッド層が冷却されて凝固した際に、各燃焼室面１０、２０、３０、４０におけるシリンダヘッド１の歪み変形が、隣接する燃焼室面に伝播することを抑制することができるため、シリンダヘッド１全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。

また、各スリット１５、２５、３５のシリンダヘッド１の内部の断面形状は適宜の形状を選択することができるが、例えば、図５で示すように、その上面が円弧状もしくは半円形状を呈している。特に、スリット１５、２５、３５の上面の上端部は、図４で示すように、シリンダヘッド１の燃焼室面１０、２０、３０、４０の上端部よりもシリンダヘッド１の内側に設定されている。すなわち、各スリット１５、２５、３５は、シリンダヘッド１の燃焼室面１０、２０、３０、４０よりもシリンダヘッド１の内部の深くまで穿設されている。

このように、スリット１５、２５、３５が、シリンダヘッド１の燃焼室面１０、２０、３０、４０よりもシリンダヘッド１の内部まで穿設されていることによって、各燃焼室面におけるシリンダヘッド１の歪み変形が、隣接する燃焼室面に伝播することを確実に抑制することができるため、シリンダヘッド１全体の歪み変形を効果的に抑制することができる。

また、シリンダヘッド１、特にシリンダヘッド１の燃焼室面１０、２０、３０、４０の周囲には、該シリンダヘッド１に連結される不図示のシリンダブロックを流れる冷却水が流通する冷却水通路（冷却水ジャケットともいう）１ａが形成されている。そこで、隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の間に形成された上記スリット１５、２５、３５は、冷却水通路１ａに連通するように穿設されていることが好ましい（図５参照）。これにより、シリンダブロックを流通する冷却水は、スリット１５、２５、３５にも流通するようになる。なお、各スリット１５、２５、３５は、冷却水が内部を円滑に流通し得るように、例えば燃焼室面１０、２０、３０、４０の中心を結ぶ線分方向での厚さが設定（例えば0.8mm以上）されている。

このように、スリット１５、２５、３５がシリンダヘッド１に予め形成された冷却水通路１ａと連通して穿設され、冷却水通路１ａを流通する冷却水がスリット１５、２５、３５内にも流通することによって、内燃機関の運転時にシリンダヘッド１の温度変化に伴う歪み変形を抑制できるとともに、内燃機関の燃焼室を効果的に冷却することができ、当該内燃機関の耐ノック性能や燃費性能を高めることができる。

より詳細には、レーザクラッド加工を用いて吸気ポートや排気ポートに形成したクラッド層からなるバルブシートは、例えば従来の圧入型のバルブシートと比較してその容積を小さくすることができる。図６で示すように、例えば、内燃機関の燃焼室上に存在する冷却水通路１ａを前記燃焼室に近接して配置することができる。また、本実施の形態では、内燃機関の燃焼室間においても、上記したように、隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の間にスリット１５、２５、３５が形成され、そのスリット１５、２５、３５内に冷却水通路１ａを流通する冷却水が流通するようになっている。そのため、例えば従来の圧入型のバルブシートを用いたシリンダヘッドを有する内燃機関と比較して、内燃機関の燃焼室の周囲全体を効果的かつ均一に冷却することができる。これにより、内燃機関の耐ノック性能や燃費性能を格段に向上させることができるというものである。

このように、本実施の形態のシリンダヘッド１によれば、シリンダヘッド１のポートに溶着されたクラッド層が冷却されて凝固する際に生じ得る各燃焼室面１０、２０、３０、４０における歪み変形が、隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０に伝播することを抑制することができるため、シリンダヘッド１全体の歪み変形を抑制することができ、その歪みの除去加工に費やす時間や費用を大幅に短縮することができる。

なお、上記する実施の形態のシリンダヘッド１では、隣接する燃焼室面１０、２０、３０、４０の間の全てにスリット１５、２５、３５が形成される形態について説明したが、たとえばシリンダヘッド１の変形量や変形状態等に応じて、隣接する燃焼室面の間の一部のみにスリットを形成してもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…シリンダヘッド、１ａ…シリンダヘッドの冷却水通路、１０、２０、３０、４０…燃焼室面、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ…吸気ポート、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ…排気ポート、１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ…吸気ポートのクラッド層、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ、４４ａ、４４ｂ…排気ポートのクラッド層、１５、２５、３５…スリット

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室に対向する燃焼室面を複数有し、各燃焼室面に開口するポートにレーザクラッド加工によりクラッド層が形成されてバルブシートが構成されているシリンダヘッドであって、
   前記シリンダヘッドの隣接する燃焼室面の間にスリットが形成されているシリンダヘッド。
2. 前記スリットは、前記シリンダヘッドの燃焼室面よりも該シリンダヘッドの内部まで穿設されている、請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記スリットには冷却水が流通するようになっている、請求項１または２に記載のシリンダヘッド。
4. 前記スリットは、前記シリンダヘッドに予め形成された冷却水通路と連通している、請求項３に記載のシリンダヘッド。
5. 前記スリットは、隣接する燃焼室面の中心を結ぶ線分に対して直交する方向へ延設されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。

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