JP4595843B2 - Method of manufacturing exhaust port liner and cylinder head of internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、内燃機関の排気ポートにおける排気温度の低下を抑制するために排気ポート内周面に配設される排気ポートライナに関する。 The present invention relates to an exhaust port liner disposed on an inner peripheral surface of an exhaust port in order to suppress a decrease in exhaust temperature at an exhaust port of an internal combustion engine.
排気温度の低下を抑制するために、排気ポートの内周面に、より熱伝達率の低い材料からなる筒状の排気ポートライナを配設することが従来から行われており、例えば、アルミニウム合金等の鋳造からなるシリンダヘッドの鋳造時に、別部材からなる排気ポートライナを鋳ぐるみにより取り付けることが多く行われている。 In order to suppress a decrease in the exhaust temperature, it has been conventionally practiced to arrange a cylindrical exhaust port liner made of a material having a lower heat transfer coefficient on the inner peripheral surface of the exhaust port. For example, an aluminum alloy In many cases, an exhaust port liner made of a separate member is attached to the cylinder head by casting, when a cylinder head made of such a casting is cast.
特許文献1には、バルブシート付近からシリンダヘッド側面のポート開口面に至る排気ポートのほぼ全長に亘る長さの排気ポートライナをシリンダヘッド鋳造時に鋳ぐるむとともに、バルブシート側の一端(上流端)を固定し、かつポート開口面側の他端(下流端)を、断熱材を介在させることによりシリンダヘッドの母材と接合していない自由端とした構成が開示されている。
上記構成においては、排気ポートライナの上流端がバルブシートに隣接して設けられているので、熱膨張による排気ポートライナの応力がバルブシートに伝わり、バルブシートに浮きが生じる虞がある。 In the above configuration, since the upstream end of the exhaust port liner is provided adjacent to the valve seat, the stress of the exhaust port liner due to thermal expansion is transmitted to the valve seat and the valve seat may be lifted.
また、内燃機関の運転中は、排気ポートライナよりもシリンダヘッドの母材の熱膨張の方が大きくなるため、形状が複雑な排気ポートライナの上流側部分では、固定されているバルブシート側の上流端との間で引張応力が発生し、亀裂や破損が生じやすい。 Further, during the operation of the internal combustion engine, the thermal expansion of the base material of the cylinder head is larger than that of the exhaust port liner. Therefore, the upstream side portion of the exhaust port liner having a complicated shape has a fixed valve seat side. Tensile stress is generated between the upstream end, and cracks and breakage are likely to occur.
この発明に係る内燃機関の排気ポートライナは、間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成され、シリンダヘッドの排気ポートのバルブガイドよりも下流側に鋳ぐるみされるとともに、その上流側端部がシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端として構成され、かつ下流側端部は、排気マニホルドとの間で挟持固定される固定端として構成され、
さらに、上記外管は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第1のビード部と第2のビード部とを有し、上記第1のビード部が外周側へ膨出し、該第1のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第1のビード部が軸方向に縮まるように変形可能であるとともに、上記第2のビード部が内周側へ窪んでおり、該第2のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第2のビード部が軸方向に伸びるように変形可能であることを特徴としている。
An exhaust port liner of an internal combustion engine according to the present invention comprises an inner pipe and an outer pipe formed by joining an upstream end and a downstream end to each other so as to form a double pipe having an air layer therebetween, and a cylinder It is casted downstream from the valve guide of the exhaust port of the head, and its upstream end is configured as a free end that can be displaced in the axial direction with respect to the base material of the cylinder head, and the downstream end is It is configured as a fixed end that is clamped and fixed with the exhaust manifold ,
Furthermore, the outer tube has a first bead portion and a second bead portion that are annularly continuous to allow expansion and contraction in the axial direction, and the first bead portion bulges to the outer peripheral side, The first bead portion can be deformed so as to be contracted in the axial direction away from the base material of the cylinder head solidified along the bead portion, and the second bead portion is recessed toward the inner peripheral side, The second bead portion is deformable so as to extend in the axial direction away from the base material of the cylinder head solidified along the second bead portion .
また本発明のシリンダヘッドの製造方法は、間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成されたポートライナを、シリンダヘッドの鋳造時に該シリンダヘッドの母材と溶着しない材料から構成するとともに、上記外管には、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第1のビード部と第2のビード部とを設け、上記第1のビード部が外周側へ膨出し、上記第2のビード部が内周側へ窪んでいるように構成し、
シリンダヘッドの鋳造時に、このポートライナを、排気ポートのバルブガイドよりも下流側の位置に鋳ぐるみ、その上流側端部をシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端とするとともに、鋳造後に、上記下流側端部が位置するシリンダヘッドの排気マニホルド取付面を機械加工し、上記下流側端部の外周側へ拡がったフランジ部が上記排気マニホルド取付面に露出するようにしたことを特徴としている。
Also, the cylinder head manufacturing method of the present invention is a port liner composed of an inner pipe and an outer pipe formed by joining an upstream end and a downstream end to each other so as to form a double pipe having an air layer therebetween. Is formed of a material that is not welded to the base material of the cylinder head when the cylinder head is cast , and the outer pipe includes an annular first continuous bead portion and a second bead that allow expansion and contraction in the axial direction. And the first bead portion bulges to the outer peripheral side, and the second bead portion is recessed to the inner peripheral side,
When casting the cylinder head, the port liner is cast at a position downstream of the valve guide of the exhaust port, and the upstream end thereof is a free end that can be displaced in the axial direction with respect to the base material of the cylinder head. After the casting, the exhaust manifold mounting surface of the cylinder head where the downstream end is located is machined so that the flange portion extending to the outer peripheral side of the downstream end is exposed to the exhaust manifold mounting surface. It is characterized by.
すなわち、本発明においては、例えば、シリンダヘッドがアルミニウム合金等からなり、排気ポートライナがステンレス鋼板からなるが、シリンダヘッドの鋳造時に鋳ぐるみによりシリンダヘッド内に配置された排気ポートライナは、その表面同士が溶着することはなく、その形状による物理的な係合によって母材内に保持される。そのため、上流側端部を母材と係合しない複雑形状としないことにより、母材に対し軸方向に変位可能な自由端となる。これにより、母材との相対的な熱膨張差による変位が許容され、過大な応力発生が回避される。これに対し、下流側端部は、シリンダヘッドの排気マニホルド取付面に露出し、該取付面に締付固定される排気マニホルドとの間で挟持されて、固定端となる。これにより、排気ポートライナの無用な動きや振動が回避される。 That is, in the present invention, for example, the cylinder head is made of an aluminum alloy or the like, and the exhaust port liner is made of a stainless steel plate, but the exhaust port liner disposed in the cylinder head by cast-in when the cylinder head is cast is They are not welded to each other and are held in the base material by physical engagement due to their shapes. Therefore, the upstream end is not a complicated shape that does not engage with the base material, thereby providing a free end that can be displaced in the axial direction with respect to the base material. Thereby, the displacement by a relative thermal expansion difference with a base material is accept | permitted, and excessive stress generation | occurrence | production is avoided. On the other hand, the downstream end is exposed to the exhaust manifold mounting surface of the cylinder head, and is sandwiched between the exhaust manifold fixed to the mounting surface and becomes a fixed end. This avoids unnecessary movement and vibration of the exhaust port liner.
この発明によれば、排気ポートライナの母材に対する相対的な伸縮がバルブシートに影響することがなく、また、過大な応力による排気ポートライナの亀裂や破損を防止することができる。 According to the present invention, relative expansion and contraction of the exhaust port liner with respect to the base material does not affect the valve seat, and cracks and breakage of the exhaust port liner due to excessive stress can be prevented.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、この発明に係る排気ポートライナ31を備えた内燃機関のシリンダヘッド1の断面を示している。このシリンダヘッド1は、例えばアルミニウム合金等の軽合金によって一体に鋳造されているものであって、下面つまりシリンダブロック取付面5に燃焼室4が凹設されているとともに、クロスフロー形式に吸気ポート3と排気ポート2とが形成されている。シリンダヘッド1内部には、これらの燃焼室4や吸気ポート3、排気ポート2の周囲を囲むように一体に連通したウォータジャケット11,12,13,14が中子により形成されている。
FIG. 1 shows a cross section of a
上記シリンダヘッド1の排気弁側の側面は、排気マニホルド取付面23として機械加工されており、上記排気ポート2は、下流端が、この排気マニホルド取付面23に開口している。上記排気ポート2は、排気マニホルド取付面23に近い下流側部分がほぼ直線状をなし、かつ燃焼室4に近い上流側部分は、バルブガイド21が位置する付近から燃焼室4へ向かって緩いL字形をなすように湾曲している。排気ポートライナ31は、この排気ポート2の中の直線状に近い下流側部分、特に、複雑形状となるバルブガイド21を避けて、これよりも下流側の部分に設けられている。
A side surface of the
図2は、上記排気ポートライナ31の詳細を示す断面図であって、この排気ポートライナ31は、全体としてほぼ円筒状をなしており、間に空気層を有する二重管となるように、熱伝導率が低いステンレス鋼板からなる内管36と外管32とが組み合わされている。上記内管36は、その内周面が排気ポート2の実質的な流路面となるものであって、上流側端部39は、折れ曲がることなく直線状に(換言すれば単純な円筒状に)延びている。これに対し、外管32の上流側端部35は、外管32の中央の本体部分から内周側へステップ状に折れ曲がった段差部32Dを介して、上記内管36の外周面に沿う口径となるように形成されており、この外管32の上流側端部35と上記内管36の上流側端部39とが互いに接合されている。なお、両者を予め溶接等により堅固に接合してもよく、あるいは単に密に嵌合した状態としてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the details of the
一方、排気マニホルド取付面23に位置する外管32の下流側端部は、外周側へ斜めに拡がった下流端フランジ部33として形成されている。これに対し、内管36の下流側端部は、同じ角度でもって外周側へ斜めに拡がった下流端フランジ部37を有し、これらの双方の下流端フランジ部33,37が互いに重なり合った状態に接合されている。この部分も、やはり溶接等により堅固に接合してもよく、あるいは、単に嵌合しただけの状態のままとしてもよい。ここで、上記内管36の下流側端部においては、図5および図6に示すように、上記下流端フランジ部37の内周側に、部分的に軸方向に突出した凸部51と相対的に軸方向に窪んだ凹部52とが波形をなすように周方向に交互に並んでなる波状部50を備えている。上記凸部51の軸方向先端面は、内管36の中心線に対し実質的に垂直であり、これに対し、上記凹部52の軸方向先端面は、上記下流端フランジ部37に連続する傾斜面をなしている。従って、外管32の下流端フランジ部33は、より詳しくは、凹部52の外周側の一部と上記下流端フランジ部37との両者に亘って接合されている(図6参照)。つまり、図5に示すように、傾斜面の全体の半径方向の幅はL1であり、その中の凹部52の傾斜面の半径方向の幅はL2である。
On the other hand, the downstream end portion of the
また、上記内管36は、その軸方向の2箇所に、軸方向の伸縮を許容するための環状に連続したビード部38を有している。このビード部38は、断面がU字形ないしC字形をなすように外周側へ向かって膨出形成されているものであって、軸方向の幅が比較的狭く、また、空気層内に突出した最大外径部が外管32内周面に接触することがないように、その径が設定されている。
The
さらに、上記外管32は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第1のビード部341と第2のビード部342とを有している。これらのビード部341,342は、上記内管36のビード部38よりも軸方向の幅が広く、かつ断面がC字形をなすように加工されたものであって、特に、上流側に位置する第1のビード部341が外周側へ膨出し、下流側に位置する第2のビード部342が内周側へ窪んでいる。この第2のビード部342も、内管36に接触することがないように、その径が設定されている。
Further, the
図2は、上記のような構成の排気ポートライナ31がシリンダヘッド1に鋳ぐるみにより配置された状態を示している。すなわち、上述した形状に形成した内管36および外管32を一体に組み立てた排気ポートライナ31を、排気ポート2に対応する中子とともに鋳型内にセットし、アルミニウム合金等による鋳造を行ったものである。この状態では、シリンダヘッド1の母材が外管32の外形状に沿って凝固する結果、排気ポートライナ31が物理的に固定保持されるが、外管32の外表面とシリンダヘッド1の母材表面とは溶着はしていない。従って、排気ポートライナ31の上流側端部35,39は、シリンダヘッド1の母材に対し軸方向に変位可能な自由端となっている。より詳しくは、段差部32Dが母材の階段状部分と当接するため、図2の位置から伸長側(図の左側)には変位できないが、収縮側(図の右側)には相対変位可能である。
FIG. 2 shows a state in which the
一方、排気ポートライナ31の下流端フランジ部33,37は、排気マニホルド取付面23に露出しており、ここに図3,図4に示す排気マニホルド42の取付フランジ41がガスケット40とともに取り付けられることにより、下流端フランジ部33,37の背部に位置するシリンダヘッド1の母材との間で、挟持固定される。つまり、外周側へ拡がった下流端フランジ部33,37は、図2の左方へ変位することはできないため、排気マニホルド42が取り付けられた状態では、軸方向に全く変位することができない固定端となる。
On the other hand, the downstream
ここで、上記排気マニホルド取付面23は、シリンダヘッド1を排気ポートライナ31とともに鋳造した後に、所定の精度の平面となるように機械加工が施されるが、この際に、下流端フランジ部33,37の外周縁の一部も同時に切削され得る。この場合も、下流端フランジ部33,37は、図2に明らかなように斜めに傾斜しているので、外周縁が部分的に削り取られるに過ぎず、排気ポートライナ31を固定する固定端としての機能が失われることがない。
Here, the exhaust
上記のように構成された排気ポートライナ31によれば、熱伝導率の低いステンレス鋼板からなるとともに、中間に空気層を有することから、高い断熱作用が得られ、排気ガス温度を高い状態に保持できる。これにより、例えば、図示しない下流側の触媒コンバータにおける触媒の早期活性が図れ、あるいは冷却損失の抑制が可能となる。
According to the
次に、シリンダヘッド1の温度が変化したときの作用を説明する。
Next, the operation when the temperature of the
図3は、機関停止中でかつシリンダヘッド1全体が極低温にあるときの状態を示すもので、この条件下では、排気ポートライナ31に対し、シリンダヘッド1の熱収縮が相対的に大きい。従って、外管32の段差部32Dは、シリンダヘッド1の母材により図の右方へ押圧され、外管32に圧縮応力が発生するが、外周側へ膨出した第1のビード部341が母材から離れて軸方向に縮まるように弾性変形するので、応力が吸収され、外管32の変形や破損が回避される。
FIG. 3 shows a state in which the engine is stopped and the
なお、シリンダヘッド1の熱収縮に伴い、排気ポートライナ31の下流側端部が排気マニホルド42側へ押し出されようとした場合、下流端フランジ部33,37に加えて、波状部50(凸部51)が排気マニホルド42(ガスケット40)に当接して確実に拘束されるので、固定端として、その位置が確実に保持される。
When the downstream end of the
図4は、内燃機関の高負荷運転により高温となっているときの状態を示しており、この条件下では、排気ポートライナ31(外管32)に対し、シリンダヘッド1の熱膨張が相対的に大きい。従って、外管32に引張応力が発生するが、このときは、内周側へ窪んだ第2のビード部342が母材から離れて軸方向に伸びるように弾性変形し得るので、やはり応力が吸収され、外管32の変形や破損が回避される。なお、このとき、上流側端部35,39は軸方向に変位可能であり、外管32の段差部32Dと母材との間に僅かな間隙36Hが生じうる。
FIG. 4 shows a state when the internal combustion engine is at a high temperature due to high load operation. Under this condition, the thermal expansion of the
また高温の排気ガスにより内管36のみが高温となるので、内管36には、熱膨張による圧縮応力が作用するが、内管36のビード部38によって同様に応力が吸収され、内管36の変形や破損が回避される。
Further, since only the
1…シリンダヘッド
2…排気ポート
31…排気ポートライナ
32…外管
36…内管
33,37…下流端フランジ部
35,39…上流側端部
38…ビード部
341…第1のビード部
342…第2のビード部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
さらに、上記外管は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第1のビード部と第2のビード部とを有し、上記第1のビード部が外周側へ膨出し、該第1のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第1のビード部が軸方向に縮まるように変形可能であるとともに、上記第2のビード部が内周側へ窪んでおり、該第2のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第2のビード部が軸方向に伸びるように変形可能であることを特徴とする内燃機関の排気ポートライナ。 It consists of an inner pipe and an outer pipe that are joined to each other at the upstream end and the downstream end so as to form a double pipe having an air layer between them, and is located downstream of the valve guide of the exhaust port of the cylinder head. A fixed end that is casted and whose upstream end is configured as a free end that is axially displaceable with respect to the base material of the cylinder head, and whose downstream end is sandwiched and fixed with the exhaust manifold It is configured as,
Furthermore, the outer tube has a first bead portion and a second bead portion that are annularly continuous to allow expansion and contraction in the axial direction, and the first bead portion bulges to the outer peripheral side, The first bead portion can be deformed so as to be contracted in the axial direction away from the base material of the cylinder head solidified along the bead portion, and the second bead portion is recessed toward the inner peripheral side, An exhaust port liner for an internal combustion engine, wherein the second bead portion is deformable so as to extend in an axial direction away from a base material of a cylinder head solidified along the second bead portion .
シリンダヘッドの鋳造時に、このポートライナを、排気ポートのバルブガイドよりも下流側の位置に鋳ぐるみ、その上流側端部をシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端とするとともに、鋳造後に、上記下流側端部が位置するシリンダヘッドの排気マニホルド取付面を機械加工し、上記下流側端部の外周側へ拡がったフランジ部が上記排気マニホルド取付面に露出するようにしたことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッドの製造方法。 Port liners made up of inner and outer tubes formed by joining together the upstream end and a downstream end such that the double tube having an air layer between, the cylinder head during the casting of the cylinder head The outer pipe is provided with a first bead portion and a second bead portion that are continuous in an annular shape allowing axial expansion and contraction, and the first bead portion. Is configured so that the second bead portion is recessed toward the inner peripheral side,
When casting the cylinder head, the port liner is cast at a position downstream of the valve guide of the exhaust port, and the upstream end thereof is a free end that can be displaced in the axial direction with respect to the base material of the cylinder head. After the casting, the exhaust manifold mounting surface of the cylinder head where the downstream end is located is machined so that the flange portion extending to the outer peripheral side of the downstream end is exposed to the exhaust manifold mounting surface. A method of manufacturing a cylinder head for an internal combustion engine.
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