JP4557659B2

JP4557659B2 - 可変スワール吸気装置付きシリンダヘッド鋳造用中子

Info

Publication number: JP4557659B2
Application number: JP2004286070A
Authority: JP
Inventors: 友三青柳
Original assignee: 株式会社新エィシーイー
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006097608A

Description

本発明は、可変スワール吸気装置を具備した内燃機関用シリンダヘッドを精確にかつ効率良く鋳造し得る中子に関する。

直噴式ディーゼルエンジンは、ピストン頂部のキャビティにより構成された燃焼室に燃料を直接噴射するとともに、同心状の旋回流（スワール）の形成により効率的な燃焼を実現させたものである。スワールにより燃焼室内のガスが旋回流動すると、燃料噴射弁から噴射された燃料と空気との混合が促進され、燃焼速度が高まり、排出ガスの浄化ができる。スワールの強さはエンジンの１回転中のスワールの旋回数で表され、「スワール比」と呼ばれる。

燃焼室内のスワール比はエンジンの運転条件により異なる。例えば、低速・低負荷のように燃料噴射量の少ない領域では、燃料と空気の混合を促進するために高スワール比が要求される。一方、高速・高負荷のように燃料噴射量の多い運転条件では、噴射された燃料が燃焼室全体に拡散し、かつスワールによりたなびいた燃料噴霧が互いに干渉しないように、スワール比を低く抑える必要がある。このように運転条件により異なるスワール比の要求を満たすために、吸気ポート部分に種々のスワール比を生成するための可変機構が設けられている。

特開平6-323145号は、シリンダごとに２つの吸気ポートを設け、一方の吸気ポートの流量を制限することによりスワール比を制御する可変スワール吸気装置を開示している。この可変スワール吸気装置では、一方の吸気ポートが高スワール比で、他方の吸気ポートが低スワール比であり、低スワールポートの入口に流量制御弁が設けられている。流量制御弁が閉じているときは、高スワール吸気ポートからのみ空気の吸入が行われて、高スワール比となる。また流量制御弁を開くと、低スワール吸気ポートからの空気流入量の割合が増えるので、低スワール比となる。このように流量制御弁の開度制御によりスワール比が可変制御される。

またシリンダごとに２つの吸気ポートを有するディーゼルエンジンの可変スワール吸気ポートとして、社団法人自動車技術会の「学術講演会前刷集974」、1997-10（非特許文献１）は、単独でスワール比12以上を生成できるヘリカルポートと、タンジェンシャルポートを組合せ、スワール可変範囲を４〜10とした吸気システムを開示している。ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとはバルブリフトの大きさに応じたスワール比の変化が異なるので、両ポートのバルブリフトを調節することにより、広い範囲で可変スワールとすることができる。

特開2004-84668号（特許文献１）は、図15に示すように、シリンダヘッド101内の燃焼室103に開口する２つの吸気ポート102と、各吸気ポート102に連通する吸気路110と、各吸気ポート102に設けられた吸気弁105とを有し、各吸気路110は吸気弁105に面する弁空洞部106で合流する２つの吸気分流路111，112を有し、吸気分流路111，111は一次路で、他方112，112は二次路であり、二次路112，112を流れる空気の流量は調整弁115により可変であり、一次路111，111は接線路であり、二次路112，112は中立路又は接線路である内燃機関用可変スワール吸気路システムを開示している。調整弁115により一次路111，111及び二次路112，112内を流れる空気の流量が変更されるので、燃焼室103に流入する空気のスワール強度が可変となる。

特許文献１の吸気装置は非特許文献１のものに比べて著しく可変スワール比の範囲が拡大したという利点を有する。しかしながら、シリンダヘッドの２つの吸気ポートにそれぞれ２つの吸気分流路を鋳造により形成する場合、各吸気分流路用中子を鋳造型内に精確に位置決めするのが難しいという問題があることが分かった。

特開2004-84668号公報社団法人自動車技術会「学術講演会前刷集974」、1997-10

従って本発明の目的は、内燃機関の燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、各吸気ポートに連通する２つの吸気分流路とを有するシリンダヘッドを精確に鋳造し得る中子を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、内燃機関の燃焼室に開口する２つの吸気ポートと、各吸気ポートに連通する２つの吸気分流路とを有するシリンダヘッドを鋳造する場合、２つの吸気分流路用中子を板金部と消失部により形成されたインサートを介して一体化すれば、吸気分流路用中子のキャビティ内での位置決めを精確に行うことができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の複合中子は、２つの吸気分流路からなる吸気路を有する内燃機関用シリンダヘッドを鋳造するための複合中子であって、一対の吸気分流路形成用中子と、両中子に一体的に挟持された位置決め用インサートとを有し、前記インサートの実質的に平坦な部分が前記シリンダヘッドと実質的に同じ材質からなる板金部で形成され、その他の部分が消失部で形成されていることを特徴とする

本発明の複合中子は一対の吸気分流路形成用中子と、両中子に一体的に挟持されたインサートとを有するので、成形型のキャビティ内に載置するときの精確な位置決めが確実にできるという利点を有する。また、両吸気分流路間は間隔が狭いので、湯流れ不良の問題が起こるおそれがあるが、本発明の複合中子を使用すると、湯流れ不良の問題が起こることはない。さらにインサート表面を平滑にすることにより、中子が消失した後の吸気分流路の表面も綺麗に仕上げることができる。

本発明を添付図面を参照して以下詳細に説明する。なお、添付図面において同じ参照番号は同様の部品又は部位を示すものとする。

[1] 可変スワール吸気装置を有するシリンダヘッドの構造
まず本発明の複合中子を用いて鋳造する可変スワール吸気装置を具備するディーゼルエンジンの一例を図１に示す。なお図１に示すディーゼルエンジンは実験用モデルであるが、シリンダヘッド自体は実機と実質的に同じである。また各吸気分流路の配置を明瞭にするために、弁空洞部は省略してある。この例では、シリンダヘッド１の内壁には、第一及び第二の吸気ポート２，３と、燃料噴射弁ホール４と、２つの排気ポート5a，5bが設けられている。各吸気ポート２，３には吸気弁12，13が設けられており、燃料噴射弁ホール４には燃料噴射弁14が設けられており、各排気ポート5a，5bには排気弁15a，15bが設けられている。燃料噴射弁ホール４には燃料流路24（一部のみ図示）が連通している。

第一の吸気ポート２に開口する第一の吸気路22は２つの吸気分流路22a，22bからなり、第二の吸気ポート３に開口する第二の吸気路23は２つの吸気分流路23a，23bからなる。各吸気分流路22a，22b，23a，23bには、空気流量調節弁としてロータリ弁16a，16b，16c，16dが設けられている。

図１の例では、第一の吸気路22の２つの吸気分流路22a，22bの合流面32（後述するブリッジ部224とほぼ同じ）、及び第二の吸気路23の２つの吸気分流路23a，23bの合流面33（後述するブリッジ部225とほぼ同じ）はシリンダヘッド１の接線方向（シリンダヘッド１の中心Ｏを通る半径に直交する方向）に延在しているが、一方の吸気路の２つの吸気分流路がシリンダヘッド１の半径方向に延在しても良い。ここで吸気分流路の「合流面」は、弁空洞部における２つの空気流の界面であって、弁空洞部を形成する前に吸気ポートに存在していたブリッジ部（後述する）の方向と実質的に同じである。

図１に示す例では、両吸気路22，23とも、吸気ポート２，３付近では吸気分流路22a，22b及び23a，23bはそれぞれ水平に配置されている。ただし、例えば図２に示すように第二の吸気路23の合流面33がシリンダヘッド１の半径方向に延在している場合、一方の吸気分流路23aは他方の吸気分流路23bより上側に位置する。勿論、吸気ポート２，３とシリンダヘッドにおける吸気開口部のとの位置関係により、各吸気分流路22a，22b，23a，23bの形状は異なる。

図３は、図１の可変スワール吸気装置において吸気分流路及び弁空洞部の配置を示す斜視図である。各吸気ポート２，３には吸気弁12，13が設けられるので、各対の吸気分流路22a，22b及び23a，23bの合流域に弁空洞部26が形成されている。図４は第一の吸気路22の弁空洞部26を示すが、第二の吸気路23の弁空洞部26も同じである。弁空洞部26は、吸気弁12の弁部12aを収容する拡径部26aと、吸気弁12のシャフト部12bを収容する細径部26bとからなる。各弁空洞部26の拡径部26aには弁座42，43が設けられている。また各弁空洞部26の細径部26bには弁ガイド28が収容されている。

図５は図１のＸ−Ｘ断面図であるが、図示を簡単にするために各吸気分流路の断面をハッチングで示す。なお各吸気分流路の断面は、弁空洞部26の形成前の断面である。図５より、第一の吸気ポート２の２つの吸気分流路22a，22bが弁空洞部26により合流し、第二の吸気ポート３の２つの吸気分流路23a，23bが弁空洞部26により合流することが分かる。２つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さであり、２つの吸気分流路23a，23bはほぼ同じ高さである。一方、図２に示す可変スワール吸気装置の場合、図６に示すように、第一の吸気ポート２側では２つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さであり、第二の吸気ポート３側では吸気分流路23aが吸気分流路23bの上に重なるように位置している。

図７は図１の可変スワール吸気装置を概略的に示す縦断面図であり、図８は図２の可変スワール吸気装置を概略的に示す縦断面図である。図７から明らかなように、図１の可変スワール吸気装置では、第一の吸気路22の２つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さで延在し、第二の吸気路23の２つの吸気分流路23a，23bはほぼ同じ高さで延在する。また図８から明らかなように、図１の可変スワール吸気装置では、第一の吸気路22の２つの吸気分流路22a，22bはほぼ同じ高さで延在するが、第二の吸気路23の一方の吸気分流路23aは他方の吸気分流路23bより高い位置で延在する。

図９は図１の左側面図である。各吸気分流路22a，22b，23a，23bは小判形の断面形状を有しているが、全て同形である必要はない。各吸気分流路22a，22b，23a，23bの断面形状は、所望のスワール比の範囲に応じて適宜設定することができる。なお各吸気分流路22a，22b，23a，23bの断面形状は図２の可変スワール吸気装置でも同じであるので、図示を省略する。

図10は吸気分流路22aのロータリ弁16aを例示するが、他のロータリ弁も同じ構造を有する。ロータリ弁16aは、円柱状の弁本体161と、吸気分流路22aと整合するように弁本体161に設けられた開口部162と、弁本体161を回動させるためのレバー163とを有する。(a) の状態では、開口部162は吸気分流路22aと連通しているので、吸気分流路22aは開放状態である。レバー163により弁本体161を回動させて、開口部162が吸気分流路22aと直交する状態になると、吸気分流路22aは閉鎖状態である。

上記のようにして、各吸気分流路22a，22b，23a，23bに設けられたロータリ弁16a，16b，16c，16dを独立にＯＮ・OFFすることにより、各吸気分流路22a，22b，23a，23bを独立に開閉することができる。また必要に応じて、各ロータリ弁16a，16b，16c，16dを、ＯＮ・OFF以外に自由な開度となるように作動させることもできる。いずれにしても、各ロータリ弁16a，16b，16c，16dの作動により、広い範囲でスワール比を変更できる。

[2] 複合中子
シリンダヘッドに本発明の可変スワール吸気装置を形成するには、図11の(a) に示すように各吸気分流路22a，22b，23a，23bに相当する中子122a，122b，123a，123bを用いる。しかしながら、各吸気路22，23を２つの吸気分流路22a及び22b，23a及び23bにより形成するので、各吸気分流路中子122a，122b，123a，123bの鋳造キャビティ内での位置決めが難しい。そのため本発明では、図12に示すように、一対の吸気分流路中子122a，122bを中間のインサート131により一体化し、また一対の吸気分流路中子123a，123bを中間のインサート132により一体化した。得られた複合中子141，142の位置決めは通常の鋳造法に従って行うことができる。

図13の(a) は図11の複合中子141，142を示す平面図であり、(b) は各複合中子141，142の分解図である。また図14は各複合中子141，142の外端部（図12における右端部）の断面を示す。一般に各複合中子141，142は複雑な形状を有するので、中間のインサート131，132は実質的に平坦な部分を板金で形成し、その他の部分を消失模型で形成する。

(1) 消失模型によるインサートの場合
予め一対の吸気分流路用中子を作製しておき、それらをポリスチレンやPMMAのビーズとともに金型内に載置し、加熱発泡させることにより、一対の吸気分流路用中子と消失模型とが一体化した複合中子を製造することができる。

(2) 板金＋消失模型からなるインサートの場合
両吸気分流路の間隔が狭い部分では湯回り不良の問題があり得るので、両吸気分流路が実質的に平行であれば、インサートのその部分を板金により形成するのが好ましい。また両吸気分流路の間隔が広い部分ではインサートは複雑な形状を有することが多いので、その部分を消失模型により形成するのが好ましい。このように板金と消失模型を組合せることにより、(a) 確実な湯回り、(b) 吸気分流路の綺麗な内壁面、及び(c) 鋳造工程の簡略化を達成することができる。この複合中子は、一対の吸気分流路用中子及び板金をポリスチレンやPMMAのビーズとともに金型内に載置し、加熱発泡させることにより形成することができる。

いずれのインサートを用いる場合でも、吸気分流路用中子は、綺麗な表面を有するために、ロストワックス法、ロストフォーム法、石膏鋳造法、シェルモールド法等の精密鋳造法により形成するのが好ましい。

[3] シリンダヘッドの製造
複合中子141，142を鋳造砂型のキャビティ内に載置し、型締めをした後、注湯する。消失したインサートの空間に溶湯が進入し、板金部と一体化する。

型ばらしの後、振動、サンドブラスト、高圧水等により中子を除去する。図11の(b) に示すように、鋳ばなしの状態では、吸気ポート２，３の位置には中子122a，122b，123a，123bに相当する開口部222a，222b，223a，223bが形成されるだけで、開口部222aと開口部222bの間、及び開口部223aと開口部223bの間には接線方向のブリッジ部224，225が存在する。この鋳造品に機械加工を施し、図３に示すように弁空洞部26を形成する。各弁空洞部26により、吸気分流路22a，22bは吸気ポート２の近傍で合流し、吸気分流路23a，23bは吸気ポート３の近傍で合流する。各弁空洞部26の開口縁部に弁座42，43を取付け、図１，２，５，６に示すように弁12，13を装着する。

以上可変スワール吸気装置を具備するディーゼルエンジンを製造するための本発明の複合中子を図面を参照して説明したが、本発明はそれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更を施すことができる。

可変スワール吸気装置の一例を示す平面図である。可変スワール吸気装置の別の例を示す平面図である。図１の可変スワール吸気装置における吸気分流路及び弁空洞部の配置を示す斜視図である。吸気弁を摺動自在に収容する弁空洞部を示す斜視図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。図２のＹ−Ｙ断面図である。図１の可変スワール吸気装置の縦断面図である。図２の可変スワール吸気装置の縦断面図である。図１の可変スワール吸気装置の左側面図である。図１の可変スワール吸気装置におけるロータリ弁を示す横断面図であり、(a) は開放状態のロータリ弁を示し、(b) は閉鎖状態のロータリ弁を示す。吸気分流路形成用中子の配置を示し、(a) は斜視図であり、(b) は底面図である。本発明の複合中子の一例を示す斜視図である。図12の複合中子を示し、(a) は平面図であり、(b) は分解図である。図13の複合中子の右端部における断面図である。従来の可変スワール吸気装置を示す平面図である。

１・・・シリンダヘッド
２，３・・・吸気ポート
12，13・・・吸気弁
22，23・・・吸気路
22a，22b，23a，23b・・・吸気分流路
26・・・弁空洞部
28・・・弁ガイド
42，43・・・弁座
４・・・燃料噴射弁ホール
14・・・燃料噴射弁
5a，5b・・・排気ポート
15a，15b・・・排気弁
16a，16b，16c，16d・・・ロータリ弁
161・・・弁本体
162・・・開口部
163・・・レバー
131，132・・・インサート
141，142・・・複合中子
122a，122b，123a，123b・・・吸気分流路用中子
222a，222b，223a，223b・・・開口部

Claims

２つの吸気分流路からなる吸気路を有する内燃機関用シリンダヘッドを鋳造するための複合中子であって、一対の吸気分流路形成用中子と、両中子に一体的に挟持された位置決め用インサートとを有し、前記インサートが前記シリンダヘッドと実質的に同じ材質からなる板金部と消失部とからなり、前記吸気分流路の実質的に平行な隔壁となる部分を前記板金部で形成し、その他の部分を前記消失部で形成することを特徴とする複合中子。