JP2017113779A - 鋳造用中子 - Google Patents

Abstract

【課題】母材の流し込みの際に起こる位置ずれを抑えると共に、シリンダヘッドの生産性を向上させる。
【解決手段】ガイド周りＷＪ用中子４０は、吸気バルブのステムを支持するバルブガイドの周囲を覆う冷却水流路（ウォータージャケット）を、エンジンのシリンダヘッドに形成するための中子であり、図２の点線で囲まれた部分を単位構造としている。この単位構造は、円筒状の大径貫通孔ＬＨがそれぞれに形成された２つの肉厚部４０ａと、これらを連結する連結部４０ｂと、を含んでいる。肉厚部４０ａは大径貫通孔ＬＨの内周面に相当する内壁面と、この内壁面の反対側に形成された外壁面とを有している。このうちの内壁面がバルブガイド２４の外周面に対向する面を形成する。また、肉厚部４０ａのそれぞれは、内壁面から外壁面まで貫通する円筒状の小径貫通孔ＳＨを複数有している。
【選択図】図２

Description

この発明は鋳造用中子に関し、より詳細には、エンジンのシリンダヘッドを鋳造する際に使用される中子に関する。

エンジンのシリンダヘッドの鋳造においては、このシリンダヘッドの外形を形成するための複数の金型の所定位置に、吸気ポート、排気ポート、ウォータージャケットといったシリンダヘッドの内部空間を形成するための複数の中子を組み付け、その後、当該金型内に母材の浴湯を流し込んで成型することが一般的である。このような鋳造に使用される中子に関し、特開２０１１−１４００６１号公報には、その先端部に錘を内蔵させたポート用中子が開示されている。このポート用中子によれば、錘の重力により母材の流し込みの際に先端部に作用する浮力に対抗することができるので、ポート用中子の位置ずれの発生を抑えることができる。

特開２０１１−１４００６１号公報

しかし、この様なポート用中子を形成するためには、上述した錘を中子用の型内に設置しなければならない。また、通常であれば、鋳造処理の後には上述した金型から鋳造製品を取り外し、中子を粉砕除去して熱処理等の後処理を行うことでシリンダヘッドが得られるが、上述した錘は粉砕されないことから当該鋳造製品から別途取り除かなければならない。このように、生産性の観点からすると、工程数が増加してしまうこの従来の鋳造用中子では十分とは言えず、更なる改良が求められる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、母材の流し込みの際に起こる位置ずれを抑えると共に、シリンダヘッドの生産性を向上させることのできる鋳造用中子を提供することにある。

本発明に係る鋳造用中子は、エンジンのシリンダヘッドの鋳造の際に使用され、当該シリンダヘッドに設けられるバルブガイドの周囲を覆う冷却水流路を形成するための鋳造用中子であり、前記バルブガイドの外周面に対向する内壁面と、前記内壁面の反対側に形成された外壁面と、を有する肉厚部を備えている。前記肉厚部は、前記内壁面から前記外壁面まで貫通する貫通孔、前記内壁面から前記外壁面に向けて凹む内側凹み部、または、前記外壁面から前記内壁面に向けて凹む外側凹み部を備えている。

本発明によれば、バルブガイドの周囲を覆う冷却水流路を形成するための鋳造用中子が貫通孔、内側凹み部または外側凹み部を備えているので、金型に流し込まれた母材のうちの、貫通孔、内側凹み部または外側凹み部の周囲にある母材を、同一水平面の他の領域にある母材に比べてより速く凝固させることができる。凝固した母材は、当該水平面よりも鉛直下方に位置する凝固状態の母材と結合し、鋳造用中子に対して楔の如く作用して浮力に対抗することが可能となる。従って、母材の流し込みの際に起こる位置ずれを抑えることができる。また、この鋳造用中子は、上述した錘を内蔵するものではないことから、鋳造処理の後には中子を粉砕除去すればよい。従って、シリンダヘッドの生産性を向上させることもできる。

本発明の実施の形態に係る鋳造用中子を使用して製造されたシリンダヘッド１０の断面模式図である。 本実施の形態に係る鋳造用中子の形状について説明するための図である。 本実施の形態に係る鋳造用中子による効果を説明するための図である。 本実施の形態に係る鋳造用中子の比較用の中子の形状について説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る鋳造用中子は、吸気バルブのステムを支持するバルブガイドの周囲を覆う冷却水流路（ウォータージャケット）を、エンジンのシリンダヘッドに形成するための中子（以下「ガイド周りＷＪ用中子」ともいう。）である。図１は、本発明の実施の形態に係る鋳造用中子を使用して製造されたシリンダヘッド１０近傍の断面模式図である。図１には、吸気バルブ挿入孔１２の中心軸を含む断面が描かれている。但し図１には、吸気バルブ１４および排気バルブ３０がシリンダヘッド１０に装着され、尚且つ、シリンダヘッド１０がシリンダブロック１６に組み付けられた状態が描かれている。シリンダヘッド１０は、シリンダブロック１６に組み付けられることでシリンダ１８を上方から閉塞し、シリンダ１８内に収容されるピストン（不図示）と燃焼室２０を形成する。

図１に示す燃焼室２０の右側には、吸気ポート２２が開口している。吸気ポート２２は、燃焼室２０内にタンブル流を生成することのできるタンブル流生成ポートである。吸気ポート２２と燃焼室２０との接続部分、つまり、吸気ポート２２の燃焼室側の開口端は、吸気バルブ１４によって開閉される吸気口となっている。吸気バルブ１４はシリンダ１８に２つ設けられているため、燃焼室２０には吸気ポート２２の２つの吸気口が形成される。吸気ポート２２の入口は、シリンダヘッド１０の右側面に開口している。吸気ポート２２は、この入口の開口部から左斜め下方に向かって延び、途中で２つに分岐し、各分岐ポートが上述の吸気口に繋がっている。

吸気バルブ挿入孔１２は、吸気バルブ１４のステムを通すための孔であり、燃焼室２０の近傍の吸気ポート２２の上面から右斜め上方に真っ直ぐ延びている。吸気バルブ挿入孔１２には、吸気バルブ１４のステムを支持するバルブガイド２４が圧入によって嵌め込まれている。バルブガイド２４の周囲には、環状の冷却水流路２６が形成されている。冷却水流路２６は、バルブガイド２４に対して燃焼室２０の中心軸側に位置する内側流路２６ａと、バルブガイド２４に対してシリンダヘッド１０の側面側に位置する外側流路２６ｂとから構成されている。内側流路２６ａと外側流路２６ｂは、共に弧状に湾曲した流路であって、バルブガイド２４に関して軸対称となっている。また、内側流路２６ａと外側流路２６ｂは、ほぼ等しい流路断面積を有している。

図１に示す燃焼室２０左側には、排気ポート２８が開口している。排気ポート２８と燃焼室２０との接続部分、つまり、排気ポート２８の燃焼室側の開口端は、排気バルブ３０によって開閉される排気口となっている。排気バルブ３０はシリンダ１８に２つ設けられているため、燃焼室２０には排気ポート２８の２つの排気口が形成される。なお、排気ポート２８の出口は、図１に示す断面には位置していない。

シリンダヘッド１０には、排気バルブ３０のステムを通すための排気バルブ挿入孔３２が形成されている。排気バルブ挿入孔３２には、排気バルブ３０のステムを支持するバルブガイド３４が圧入によって嵌め込まれている。バルブガイド３４の周囲には、冷却水流路３６が形成されている。冷却水流路３６は、バルブガイド３４に対して燃焼室２０の中心軸側に位置する流路３６ａと、バルブガイド３４に対してシリンダヘッド１０の側面側に位置する流路３６ｂと、吸気ポート２２に対してシリンダヘッド１０の側面側に位置する流路３６ｃと、排気ポート２８に対してシリンダヘッド１０の側面側に位置する流路３６ｄと、吸気ポート２２と排気ポート２８の間に位置する流路３６ｅと、を備えている。

上述した冷却水流路２６と冷却水流路３６は、シリンダヘッド１０に形成される２系統の冷却水流路に相当している。冷却水流路２６には、冷却水流路３６を流れる冷却水の温度よりも低温の冷却水が導入される。この理由は、タンブル流生成ポートである吸気ポート２２では、空気は吸気ポート２２の上面２２ａの側に張り付くように流れるためであり、より低温の冷却水によって吸気ポート２２の上面２２ａを冷やし、吸気ポート２２を流れる空気を効率よく冷却することを目的としている。

上述した冷却水流路２６を形成するための中子が、本実施の形態に係るガイド周りＷＪ用中子に相当している。図２は、本実施の形態に係るガイド周りＷＪ用中子の形状について説明するための図である。図２に示すガイド周りＷＪ用中子４０は、長手方向に延びる３気筒に対応したものであり、点線で囲まれた部分を単位構造としている。この単位構造は、円筒状の大径貫通孔ＬＨがそれぞれに形成された２つの肉厚部４０ａと、これらを連結する連結部４０ｂと、を含んでいる。隣り合う単位構造は、連結部４０ｃによって連結されている。連結部４０ｃの上面には、大径貫通孔ＬＨの中心軸と略平行に延びる巾木４２が設けられている。また、ガイド周りＷＪ用中子４０の長手方向の端部に位置する肉厚部４０ａの側面には、当該長手方向に延びる巾木４４が設けられている。

肉厚部４０ａは大径貫通孔ＬＨの内周面に相当する内壁面と、この内壁面の反対側に形成された外壁面とを有している。このうちの内壁面がバルブガイド２４の外周面（正確には、吸気バルブ挿入孔１２の外周面）に対向する面を形成する。また、肉厚部４０ａのそれぞれは、内壁面から外壁面まで貫通する円筒状の小径貫通孔ＳＨを複数有している。小径貫通孔ＳＨの中心軸は何れも、大径貫通孔ＬＨの中心軸と直交している。但し、小径貫通孔ＳＨは肉厚部４０ａの側面の全体に形成されているのではなく、図２における紙面奥側にのみ形成され、紙面手前側には形成されていない。なお、図２で説明した形状のガイド周りＷＪ用中子４０は、主に鋳砂からなる砂状の材料を固めたものであり、例えば３Ｄプリンタを用いた積層造形によって得ることができる。

図１で説明した構造のシリンダヘッド１０は、次のように製造される。先ず、巾木４２，４４を金型（不図示）に取り付けてガイド周りＷＪ用中子４０を当該金型に組み付けると共に、各種の中子を当該金型に組み付ける。なお、ガイド周りＷＪ用中子４０は、大径貫通孔ＬＨの中心軸が鉛直方向に対して若干傾いた状態で金型に取り付けられる。続いて、鋳造処理（具体的には低圧鋳造法を用いた処理）が行われる。具体的には、母材（具体的にはアルミニウム合金）の浴湯を金型内に流し込み、この母材が凝固したら金型から鋳造製品（中間製品）を取り外す。続いて、ガイド周りＷＪ用中子４０等の中子を粉砕除去し、熱処理、機械加工等の後処理を行う。以上により、図１で説明した構造のシリンダヘッド１０が得られる。

図２で説明したガイド周りＷＪ用中子４０による効果について、図３乃至図４を参照しながら説明する。図３の左下に示す「実施例」の形状は、図２で説明したガイド周りＷＪ用中子４０の単位構造をモデル化した中子の形状に相当している。一方、この「実施例」の上方に示す「比較例」の形状は、図４に示すガイド周りＷＪ用中子５０の単位構造をモデル化した中子の形状に相当している。なお、この「実施例」および「比較例」に示された２種類のモデル中子、または、図２と図４を比較すると分かるように、小径貫通孔ＳＨの有無の点を除き、両者の形状は同じである。

図３の右方に示す２種類の断面は、浴湯面上昇中の金型を水平方向に切断した場合における母材の凝固状態をＣＡＥ（熱流体解析）によって予測したものである。図３に示す２種類の中子モデルは、当然ながら図２で説明したガイド周りＷＪ用中子４０と同じ姿勢で金型に取り付けられる。そのため、大径貫通孔ＬＨの中心軸から若干傾いた方向が鉛直方向と等しくなり、中子モデルに作用する浮力の向きは紙面下方から紙面上方の向きと概ね等しくなる。

図３の右上に示すように、「比較例」の中子モデルでは、肉厚部４０ａの内壁面や外壁面の近傍では母材が凝固するが、この領域を除いた同一水平面の他の領域にある母材の凝固速度が遅い。そのため、未凝固状態の母材から作用する浮力の影響を強く受けて中子モデルの位置ずれ（浮き上がり）が起きるおそれがある。これに対し、図３の右下に示すように、「実施例」の中子モデルでは、小径貫通孔ＳＨの近傍、特に、小径貫通孔ＳＨの内周面の近傍にある母材が、同一水平面の他の領域にある母材に比べてより速く凝固し始める。そのため、小径貫通孔ＳＨで凝固状態となった母材が、この水平面よりも鉛直下方に位置する凝固状態の母材と結合し、中子モデルに対して楔の如く作用してこの中子モデルに作用する浮力に対抗することが可能となる。

中子モデルに作用する浮力に対向することができれば、中子モデルの位置ずれを抑えることができる。また、中子モデルの位置ずれを抑えることができれば、図１で説明した冷却水流路２６の流路断面積を拡大することが可能となる。これに加え、鋳造処理後には小径貫通孔ＳＨに由来した円柱状部が形成されることから、図１で説明した冷却水流路２６を流れる冷却水との熱交換が可能な面積を、この円柱状部の表面積の分だけ増やすこともできる。従って、図１で説明した吸気ポート２２を流れる空気を高い効率で冷却して、エンジンでのノッキングの発生を良好に抑制できることも可能となる。

上述した効果を高めるため、図２で説明した小径貫通孔ＳＨの内周面には、黒鉛粉、ベンガラ等の冷却促進剤が設けられていることが望ましい。このような冷却促進剤を設けることで、小径貫通孔ＳＨを通過する母材が凝固し始めるまでの時間をより短くできるためである。

また、上述した効果を高めるため、小径貫通孔ＳＨの数を多く形成することが望ましい。但し、小径貫通孔ＳＨの数を多くし過ぎると、上述した円柱状部の数も多くなることから、冷却水流路２６での圧力損失が大きくなり、冷却水流路２６に流す冷却水の流量が減る可能性がある。従って、小径貫通孔ＳＨの数は、各種効果を総合的に評価した上で、最適な数とすることが望ましい。

また、上述した効果を高めるため、小径貫通孔ＳＨは、ガイド周りＷＪ用中子４０を金型に組み付けたときに、水平方向のより下方に位置するように形成することが望ましい。小径貫通孔ＳＨの位置がより下方であれば、浴湯の流し込みの開始から短時間でここに流入した母材を凝固させることができるためである。

なお、上述した実施の形態においては、バルブガイド２４が本発明の「バルブガイド」に、冷却水流路２６が本発明の「冷却水流路」に、小径貫通孔ＳＨが本発明の「貫通孔」に、それぞれ相当している。

ところで、上述した実施の形態においては、図２で説明した小径貫通孔ＳＨの中心軸が、大径貫通孔ＬＨの中心軸と直交する例を説明した。しかしながら、小径貫通孔ＳＨの中心軸が大径貫通孔ＬＨの中心軸から傾いていてもよい。小径貫通孔ＳＨの中心軸が傾いていても、ここに流入する母材を他の領域にある母材に比べてより速く凝固させることが可能となるので、上述した実施の形態と同じ効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態においては、３つの単位構造を有するガイド周りＷＪ用中子４０を例とし、各単位構造の肉厚部４０ａの何れにも小径貫通孔ＳＨが形成される例を説明した。しかしながら、小径貫通孔ＳＨが肉厚部４０ａの一部にのみ形成されていてもよい。仮に肉厚部４０ａのうちの１つに小径貫通孔ＳＨが１つだけ形成されていたとしても、ここに流入する母材を他の領域にある母材に比べてより速く凝固させることが可能となるので、上述した実施の形態と略同じ効果を得ることができるためである。なお、小径貫通孔ＳＨの数が限定される場合（例えば、小径貫通孔ＳＨの数が肉厚部４０ａの数よりも少なくなるような場合）には、各単位構造に作用する浮力の大きさが長手方向において偏ることのないように、例えば３つの単位構造のうちの中央に位置する単位構造に他の単位構造よりも多くの小径貫通孔ＳＨを形成することが望ましい。

また、上述した実施の形態においては、肉厚部４０ａに小径貫通孔ＳＨを形成する例を説明した。しかしながら、小径貫通孔ＳＨの代わりに、または、小径貫通孔ＳＨとは別に、肉厚部４０ａの内壁面から外壁面に向かって凹む凹み部（以下「内側凹み部」と称す。）を形成してもよいし、当該外壁面から当該内壁面に向かって凹む凹み部（以下「外側凹み部」と称す。）を形成してもよい。内側凹み部や外側凹み部を形成することで、ここに流入する母材を、他の領域にある母材に比べてより速く凝固させることが可能となるので、上述した実施の形態と同じ効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態においては、図１で説明した吸気バルブ１４のステムを支持するバルブガイド２４を前提として、ガイド周りＷＪ用中子４０の例を説明した。しかし、このガイド周りＷＪ用中子４０を排気側に適用してもよい。但しこの場合は、図１で説明した冷却水流路３６の流路３６ａと流路３６ｂを、同図で説明した内側流路２６ａと外側流路２６ｂの様に構成する必要がある。

１０ シリンダヘッド
２４，３４ バルブガイド
２６，３６ 冷却水流路
２６ａ 内側流路
２６ｂ 外側流路
４０ ガイド周りＷＪ用中子
４０ａ 肉厚部
４０ｂ，４０ｃ 連結部
ＬＨ 大径貫通孔
ＳＨ 小径貫通孔

Claims (1)

1. エンジンのシリンダヘッドの鋳造の際に使用され、当該シリンダヘッドに設けられるバルブガイドの周囲を覆う冷却水流路を形成するための鋳造用中子であって、
   前記バルブガイドの外周面に対向する内壁面と、前記内壁面の反対側に形成された外壁面と、を有する肉厚部を備え、
   前記肉厚部が、前記内壁面から前記外壁面まで貫通する貫通孔、前記内壁面から前記外壁面に向けて凹む内側凹み部、または、前記外壁面から前記内壁面に向けて凹む外側凹み部を備えることを特徴とする鋳造用中子。

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