JP2017067013A

JP2017067013A - cylinder head

Info

Publication number: JP2017067013A
Application number: JP2015194780A
Authority: JP
Inventors: 夏樹杉山; Natsuki Sugiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-04-06

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cylinder head which can sufficiently enhance heat radiation efficiency at peripheral regions of an intake valve and an exhaust valve.SOLUTION: A cylinder head 1 comprises an intake valve 3, an exhaust valve 4 and a cylinder head main body 2. An intake port 5 which is opened and closed by the intake valve 3, an exhaust port 6 which is opened and closed by the exhaust valve 4, a combustion chamber 17 communicating with the intake port 5 and the exhaust port 6, and a cooling fluid flow passage 9 arranged between the intake port 5 and the exhaust port 6 are formed at the cylinder head main body 2. A padding layer 15 which is composed of a cupper-group alloy is formed at an internal wall face of the combustion chamber 17 side in the cooling fluid flow passage 9.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明はシリンダヘッドに関する。 The present invention relates to a cylinder head.

ガソリンエンジン等の内燃機関において性能・燃費を向上させるためには、ノックを抑制し、点火進角することが有効である。ノックを抑制するためには、燃焼室内の温度を低減する必要がある。内燃機関では、燃焼室内において燃焼が繰り返されるが、この燃焼により、シリンダヘッドにおける燃焼室内の吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位の温度が特に高くなる。燃焼室内の吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位を冷却するため、シリンダヘッドの鋳造部品であるシリンダヘッド本体には、ラジエーターから送られてくる冷却液が流通するウォータジャケットが形成されている。 In order to improve performance and fuel consumption in an internal combustion engine such as a gasoline engine, it is effective to suppress knocking and advance the ignition. In order to suppress knocking, it is necessary to reduce the temperature in the combustion chamber. In an internal combustion engine, combustion is repeated in the combustion chamber, and this combustion particularly raises the temperatures of the peripheral portions of the cylinder head around the intake and exhaust valves in the combustion chamber. In order to cool the peripheral parts of the intake valve and the exhaust valve in the combustion chamber, a water jacket through which a coolant sent from the radiator flows is formed in the cylinder head body which is a cast part of the cylinder head.

特許文献１には、吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率を高めるため、シリンダヘッド本体のウォータジャケットの流路において、銅等の材料で形成された棒状の高熱伝導部材を高温部位から流路に向かって突出するように配置させたシリンダヘッドが記載されている。 In Patent Document 1, in order to increase the heat radiation efficiency in the peripheral part of the intake valve and the exhaust valve, a rod-like high heat conductive member made of a material such as copper is flowed from the high temperature part in the flow path of the water jacket of the cylinder head body. A cylinder head arranged so as to protrude toward the road is described.

特開２００５−１８８４１４号公報JP 2005-188414 A

しかしながら、特許文献１に記載のシリンダヘッドでは、上述の高熱伝導部材を、シリンダヘッド本体ともに鋳込んだり、後付けで埋め込んだりするため、高熱伝導部材とシリンダヘッド本体との界面に隙間が生じてしまう場合がある。このような場合に、吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率を十分に高めることのできないおそれがあった。 However, in the cylinder head described in Patent Document 1, the above-described high heat conduction member is cast together with the cylinder head body or embedded later, and therefore a gap is generated at the interface between the high heat conduction member and the cylinder head body. There is a case. In such a case, there is a possibility that the heat radiation efficiency in the peripheral part of the intake valve and the exhaust valve cannot be sufficiently increased.

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率を十分に高めることができるシリンダヘッドを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide a cylinder head capable of sufficiently enhancing the heat radiation efficiency in the peripheral portions of the intake valve and the exhaust valve.

本発明は、吸気バルブと、排気バルブと、シリンダヘッド本体と、を備え、前記シリンダヘッド本体には、前記吸気バルブにより開閉される吸気ポートと、前記排気バルブにより開閉される排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートに連通した燃焼室と、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間に設けられた冷却液流路と、が形成されたシリンダヘッドであって、前記冷却液流路における前記燃焼室側の内壁面に、銅基合金からなる肉盛層が設けられているものである。 The present invention includes an intake valve, an exhaust valve, and a cylinder head body, and the cylinder head body includes an intake port that is opened and closed by the intake valve, an exhaust port that is opened and closed by the exhaust valve, A cylinder head formed with a combustion chamber communicating with an intake port and the exhaust port, and a coolant flow path provided between the intake port and the exhaust port, the cylinder head in the coolant flow path A built-up layer made of a copper-based alloy is provided on the inner wall surface on the combustion chamber side.

吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率を十分に高めることができる。 It is possible to sufficiently increase the heat radiation efficiency in the vicinity of the intake valve and the exhaust valve.

本実施の形態にかかるシリンダヘッドの概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the cylinder head concerning this Embodiment. 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the II-II line | wire of FIG. 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line of FIG. 埋め栓の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of a plug. 肉盛層の加工工程について説明する図である。It is a figure explaining the processing process of an overlaying layer. 肉盛層の加工工程について説明する図である。It is a figure explaining the processing process of an overlaying layer. 肉盛層の加工工程について説明する図である。It is a figure explaining the processing process of an overlaying layer. 肉盛層の加工工程について説明する図である。It is a figure explaining the processing process of an overlaying layer.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１、図２及び図３は、本実施の形態にかかるシリンダヘッド１の概略構成を示す図である。図1は、本実施の形態にかかるシリンダヘッド１の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図１、図２及び図３に示すように、シリンダヘッド１は、シリンダヘッド本体２と、吸気バルブ３と、排気バルブ４と、を備えている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1, 2 and 3 are diagrams showing a schematic configuration of a cylinder head 1 according to the present embodiment. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a cylinder head 1 according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the cylinder head 1 includes a cylinder head body 2, an intake valve 3, and an exhaust valve 4.

シリンダヘッド本体２は、アルミ基材の鋳造により作製する。シリンダヘッド本体２には、吸気ポート５と、排気ポート６と、バルブガイド取付孔７，８と、ウォータジャケットである冷却液流路９，１０，１１と、加工用孔１２と、点火プラグ取付孔１３と、燃焼室１７と、が形成されている。 The cylinder head body 2 is produced by casting an aluminum base material. The cylinder head body 2 has an intake port 5, an exhaust port 6, valve guide mounting holes 7, 8, coolant channels 9, 10, 11 serving as a water jacket, a processing hole 12, and a spark plug mounting. A hole 13 and a combustion chamber 17 are formed.

吸気ポート５は、混合ガスを燃焼室１７に流入させるための通路である。また、排気ポート６は、燃焼室１７から排気ガスを排出させるための通路である。吸気ポート５及び排気ポート６は、燃焼室１７と連通している。バルブガイド取付孔７，８は、吸気バルブ３と排気バルブ４とをそれぞれガイドするバルブガイド１８，１９を取り付けするための孔である。 The intake port 5 is a passage for allowing the mixed gas to flow into the combustion chamber 17. The exhaust port 6 is a passage for exhausting exhaust gas from the combustion chamber 17. The intake port 5 and the exhaust port 6 are in communication with the combustion chamber 17. The valve guide mounting holes 7 and 8 are holes for mounting the valve guides 18 and 19 that guide the intake valve 3 and the exhaust valve 4, respectively.

冷却液流路９，１０，１１は、冷却水などの冷却液を循環させるための流路で、吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部分を冷却する。加工用孔１２は、冷却液流路９の内壁面に後述する肉盛層１５を形成する際に加工器具を挿入するための孔で、冷却液流路９の上部において冷却液流路９と連通している。加工用孔１２は、半球形状の埋め栓１４（図４参照）によって塞がれている。なお、加工用孔１２を塞ぐために、埋め栓１４の代わりに六角ボルトなどを用いてもよい。 The cooling fluid passages 9, 10, and 11 are passages for circulating a cooling fluid such as cooling water, and cool the peripheral portions of the intake valve 3 and the exhaust valve 4. The processing hole 12 is a hole for inserting a processing tool when forming a build-up layer 15 to be described later on the inner wall surface of the coolant channel 9. Communicate. The processing hole 12 is closed by a hemispherical plug 14 (see FIG. 4). In order to close the processing hole 12, a hexagon bolt or the like may be used instead of the plug 14.

点火プラグ取付孔１３には、点火プラグが取り付けられる。吸気バルブ３及び排気バルブ４は、それぞれ吸気ポート５及び排気ポート６を開閉する弁体である。吸気ポート５及び排気ポート６の開閉は、吸気バルブ３及び排気バルブ４の上部にそれぞれ取り付けられたカムシャフトが回転し吸気バルブ３及び排気バルブ４を上下させることにより所定のタイミングで行われる。吸気ポート５が開くと吸気ポート５内に空気が吸い込まれ、吸気ポート５内で燃料と混合されて混合ガスとなる。この混合ガスは、燃焼室１７内に流入した後に圧縮され、点火プラグにて着火されて燃焼し動力を発生させる。燃焼後の排気ガスは燃焼室１７から排気ポート６へと排出される。 A spark plug is attached to the spark plug mounting hole 13. The intake valve 3 and the exhaust valve 4 are valve bodies that open and close the intake port 5 and the exhaust port 6, respectively. The intake port 5 and the exhaust port 6 are opened and closed at a predetermined timing by rotating camshafts attached to the upper portions of the intake valve 3 and the exhaust valve 4 to move the intake valve 3 and the exhaust valve 4 up and down. When the intake port 5 is opened, air is sucked into the intake port 5 and mixed with fuel in the intake port 5 to become a mixed gas. This mixed gas flows into the combustion chamber 17 and is then compressed, ignited by a spark plug, and burned to generate power. The exhaust gas after combustion is discharged from the combustion chamber 17 to the exhaust port 6.

一連の燃焼動作により、吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部位が高温になる。この高温になった周辺部位は、冷却液流路９，１０，１１を循環する冷却液によって冷却される。燃焼室１７の内壁面における吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部位（バルブシート形成部位）には、冷却性能を高めるため、ホウ素やクロムを含む銅基合金などの金属合金からなるバルブシート合金１６が直接肉盛りされている。バルブシート合金１６は、いわゆるレーザクラッド加工により形成される。レーザクラッド加工とは、銅基合金などの金属粉末を所定の部位に供給し、この金属粉末に対しレーザを照射して溶融固化させて所定の部位を肉盛りする技術である。 Due to the series of combustion operations, the peripheral portions of the intake valve 3 and the exhaust valve 4 become high temperature. The peripheral part that has reached a high temperature is cooled by the coolant circulating in the coolant flow paths 9, 10, 11. A valve seat alloy 16 made of a metal alloy such as a copper-based alloy containing boron or chromium is provided at a portion around the intake valve 3 and the exhaust valve 4 (valve seat formation portion) on the inner wall surface of the combustion chamber 17 in order to improve cooling performance. Is directly raised. The valve seat alloy 16 is formed by so-called laser cladding. Laser clad processing is a technique in which a metal powder such as a copper-based alloy is supplied to a predetermined portion, and the metal powder is irradiated with a laser to be melted and solidified to build up the predetermined portion.

本実施の形態の特徴部である肉盛層１５について以下で説明する。
図２及び図３に示すように、肉盛層１５は、冷却液流路９の燃焼室１７側の内壁面に設けられている。肉盛層１５は、レーザクラッド加工によりホウ素やクロムを含む銅基合金などの金属粉末１５ａを溶融固化させたものである。 The build-up layer 15 that is a characteristic part of the present embodiment will be described below.
As shown in FIGS. 2 and 3, the built-up layer 15 is provided on the inner wall surface of the coolant channel 9 on the combustion chamber 17 side. The build-up layer 15 is obtained by melting and solidifying a metal powder 15a such as a copper-based alloy containing boron or chromium by laser cladding.

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂは、肉盛層１５の加工工程について説明する図である。図５Ａ及び図６Ａは、図２と同じ断面位置における断面図である。また、図５Ｂ及び図６Ｂは、図３と同じ断面位置における断面図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、加工用孔１２から金属粉末供給ノズル２０を挿入し、金属粉末１５ａを冷却液流路９の燃焼室１７側の内壁面に置く。次に、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、加工用孔１２からレーザノズル２１を挿入し、レーザノズル２１を図中矢印のように回転させることでレーザＬを金属粉末１５ａ上で走査させ金属粉末１５ａを溶着させ、冷却液流路９の燃焼室１７側の内壁面に肉盛層１５を形成する。なお、シリンダヘッド本体２のアルミ基材と、銅基合金である肉盛層１５と、の界面は、銅とアルミが溶け込んだ合金層となるように溶着する。肉盛層１５を形成した後、加工用孔１２に図４に示す埋め栓１４を圧入し加工用孔１２を塞ぐ。 5A, FIG. 5B, FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams for explaining the processing steps of the built-up layer 15. 5A and 6A are cross-sectional views at the same cross-sectional position as FIG. 5B and 6B are cross-sectional views at the same cross-sectional position as FIG. As shown in FIGS. 5A and 5B, the metal powder supply nozzle 20 is inserted from the processing hole 12, and the metal powder 15a is placed on the inner wall surface of the coolant channel 9 on the combustion chamber 17 side. Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a laser nozzle 21 is inserted from the processing hole 12, and the laser nozzle 21 is rotated as indicated by an arrow in the drawing to cause the laser L to scan on the metal powder 15a. The powder 15a is welded, and the built-up layer 15 is formed on the inner wall surface of the coolant channel 9 on the combustion chamber 17 side. The interface between the aluminum base material of the cylinder head body 2 and the build-up layer 15 that is a copper-based alloy is welded so as to be an alloy layer in which copper and aluminum are melted. After the build-up layer 15 is formed, the plug 14 shown in FIG. 4 is press-fitted into the processing hole 12 to close the processing hole 12.

燃焼室１７と冷却液流路９を流れる冷却液との間の熱抵抗が小さければ小さいほど、冷却液による燃焼室１７の内壁面における吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部位の冷却が促進される。つまり、燃焼室１７と冷却液との間にある冷却液流路９の壁部を熱伝導率がより高い材料で形成するほど、冷却液による燃焼室１７の内壁面における吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部位の冷却が促進される。シリンダヘッド本体２を形成するアルミ基材の熱伝導率は約１５０Ｗ／ｍＫであるのに対し、肉盛層１５を形成する銅基合金の熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫ以上である。燃焼室１７と冷却液との間にある冷却液流路９の壁部を全てアルミ基材で形成する場合に対し、本実施の形態のように当該壁部の一部を銅基合金による肉盛層１５で形成することで冷却液による燃焼室１７の内壁面における吸気バルブ３及び排気バルブ４の周辺部位の冷却がより促進される。 The smaller the thermal resistance between the combustion chamber 17 and the coolant flowing through the coolant flow path 9, the more the cooling of the peripheral portions of the intake valve 3 and the exhaust valve 4 on the inner wall surface of the combustion chamber 17 by the coolant is promoted. The That is, as the wall portion of the coolant flow path 9 between the combustion chamber 17 and the coolant is formed of a material having higher thermal conductivity, the intake valve 3 and the exhaust valve on the inner wall surface of the combustion chamber 17 by the coolant are used. Cooling of the peripheral part of 4 is promoted. The thermal conductivity of the aluminum base material forming the cylinder head body 2 is about 150 W / mK, whereas the thermal conductivity of the copper base alloy forming the build-up layer 15 is 300 W / mK or more. In contrast to the case where the wall portion of the coolant flow path 9 between the combustion chamber 17 and the coolant is formed entirely of an aluminum base, a part of the wall portion is made of a copper-based alloy as in the present embodiment. By forming the raised layer 15, cooling of the peripheral portions of the intake valve 3 and the exhaust valve 4 on the inner wall surface of the combustion chamber 17 by the coolant is further promoted.

高温の物体から低温の物体に対して熱放射が行われることで高温の物体が冷却される。高温の物体の熱放射率を高めることで、高温の物体から低温の物体に対する熱放射がより促進され、高温の物体の冷却をより促進することができる。シリンダヘッド１において、高温の冷却液流路９の内壁面の熱放射率を高めれば、高温の冷却液流路９の内壁面から低温の冷却液への熱放射が促進され、燃焼室１７の壁面の冷却がより促進される。冷却液流路９の内壁面を形成する肉盛層１５の表面は酸化銅となっており、その熱放射率は０．５程度である。これは、シリンダヘッド本体２を形成するアルミ基材の熱放射率の５倍以上である。燃焼室１７の内壁面を熱放射率がより高い肉盛層１５で形成することにより、燃焼室１７の壁面の冷却をより促進することができる。 A high-temperature object is cooled by heat radiation from a high-temperature object to a low-temperature object. By increasing the thermal emissivity of the hot object, heat radiation from the hot object to the cold object is further promoted, and cooling of the hot object can be further promoted. In the cylinder head 1, if the heat emissivity of the inner wall surface of the high-temperature coolant channel 9 is increased, heat radiation from the inner wall surface of the high-temperature coolant channel 9 to the low-temperature coolant is promoted. Cooling of the wall surface is further promoted. The surface of the built-up layer 15 that forms the inner wall surface of the coolant channel 9 is made of copper oxide, and its thermal emissivity is about 0.5. This is 5 times or more the thermal emissivity of the aluminum base material forming the cylinder head body 2. By forming the inner wall surface of the combustion chamber 17 with the built-up layer 15 having a higher thermal emissivity, cooling of the wall surface of the combustion chamber 17 can be further promoted.

以上のように、本発明では、熱伝導率の向上及び熱放射率の向上がなされることにより、吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率を十分に高めることができる。これにより、耐ノック性が向上し燃費を改善できる。 As described above, in the present invention, by improving the thermal conductivity and the thermal emissivity, it is possible to sufficiently increase the heat radiation efficiency in the peripheral portions of the intake valve and the exhaust valve. Thereby, knock resistance improves and fuel consumption can be improved.

また、本実施の形態では、シリンダヘッド本体２に加工用孔１２を形成したことで冷却液流路９の燃焼室１７側の内壁面においてレーザクラッド加工を容易に行うことができる。これにより、特許文献１のように、高熱伝導部材をシリンダヘッド本体ともに鋳込む場合に対し、低コストで加工を行うことができる。 Further, in the present embodiment, since the processing hole 12 is formed in the cylinder head body 2, laser cladding can be easily performed on the inner wall surface of the coolant channel 9 on the combustion chamber 17 side. Thereby, like patent document 1, it can process at low cost with respect to the case where a high heat conductive member is cast together with a cylinder head main part.

さらに、上述したバルブシート合金１６を、燃焼室１７の内壁面におけるバルブシート形成部位に形成する場合、吸気ポート５から燃焼室１７に流入する混合ガス、及び燃焼室１７から排気ポート６へと排出される排気ガスの流れを妨げないようにする必要がある。このため、バルブシート合金１６が突出して混合ガス及び排気ガスの流れを妨げないよう、シリンダヘッド本体２における冷却液流路９の燃焼室１７側の壁面の肉厚を薄くしている。しかし、このようにすると、冷却液流路９の燃焼室１７側の壁面の強度（熱疲労強度）が低下する。肉盛層１５を形成する銅基合金は、シリンダヘッド本体２を形成するアルミ基材よりも強度が高い。バルブシート合金１６をバルブシート形成部位に形成するとともに冷却液流路９の燃焼室１７側の内壁面に肉盛層１５を設けることで、吸気バルブ及び排気バルブの周辺部位における放熱効率をより高めることができ、かつシリンダヘッド本体２における冷却液流路９の燃焼室１７側の壁面の強度（熱疲労強度）を高めることができる。 Further, when the above-described valve seat alloy 16 is formed at the valve seat forming portion on the inner wall surface of the combustion chamber 17, the mixed gas flowing into the combustion chamber 17 from the intake port 5 and the exhaust from the combustion chamber 17 to the exhaust port 6 are discharged. It is necessary not to disturb the flow of exhaust gas. For this reason, the wall surface on the combustion chamber 17 side of the coolant flow path 9 in the cylinder head body 2 is made thin so that the valve seat alloy 16 does not protrude and obstruct the flow of the mixed gas and the exhaust gas. However, if it does in this way, the intensity | strength (thermal fatigue strength) of the wall surface by the side of the combustion chamber 17 of the coolant flow path 9 will fall. The copper-based alloy that forms the build-up layer 15 has higher strength than the aluminum base material that forms the cylinder head body 2. By forming the valve seat alloy 16 in the valve seat forming portion and providing the built-up layer 15 on the inner wall surface of the coolant channel 9 on the combustion chamber 17 side, the heat radiation efficiency in the peripheral portion of the intake valve and the exhaust valve is further increased. In addition, the strength (thermal fatigue strength) of the wall surface on the combustion chamber 17 side of the coolant flow path 9 in the cylinder head body 2 can be increased.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

１シリンダヘッド
２シリンダヘッド本体
３吸気バルブ
４排気バルブ
５吸気ポート
６排気ポート
７，８バルブガイド取付孔
９，１０，１１冷却液流路
１２加工用孔
１３点火プラグ取付孔
１４埋め栓
１５肉盛層
１６バルブシート合金
１７燃焼室 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder head 2 Cylinder head main body 3 Intake valve 4 Exhaust valve 5 Intake port 6 Exhaust port 7, 8 Valve guide attachment hole 9, 10, 11 Coolant flow path 12 Processing hole 13 Spark plug attachment hole 14 Filling plug 15 Overlay Layer 16 Valve seat alloy 17 Combustion chamber

Claims

An intake valve;
An exhaust valve;
A cylinder head body,
The cylinder head body includes an intake port that is opened and closed by the intake valve, an exhaust port that is opened and closed by the exhaust valve, a combustion chamber that communicates with the intake port and the exhaust port, the intake port and the exhaust port A coolant flow path provided between the cylinder head and the cylinder head,
A cylinder head in which a built-up layer made of a copper-based alloy is provided on an inner wall surface on the combustion chamber side in the coolant flow path.