JPH0913919A - エンジン用シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルブシート部が高温になる運転条件下で長
時間エンジンを運転しても、接合部分の変形を防止する
ことができるエンジン用シリンダヘッドを提供する。 【構成】 内部に燃焼室を有するシリンダヘッド本体と
バルブシート１９とを異種材料によって構成した。シリ
ンダヘッド本体をアルミニウム合金によって形成し、燃
焼室に連通するシリンダヘッド本体の開口部に、金属製
円環体からなるバルブシートの素材を加熱圧接して接合
した。さらに、バルブシート１９の外径をＤ_O、バルブ
シート１９に当接するバルブ１７，１８の外径をＤとし
たときに、 Ｄ＜Ｄ_O＜Ｄ＋５ なる関係を満足した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダヘッド本体
に吸気弁や排気弁のバルブフェース面が当接するバルブ
シートを接合したエンジン用シリンダヘッドの改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンのシリンダヘッド本体は
主にアルミニウム合金によって形成されており、このシ
リンダヘッド本体における吸気弁や排気弁のバルブフェ
ース面が当接する部位にはバルブシートが装着されてい
た。このバルブシートは、吸・排気弁が繰り返し当接す
るとともに高熱にさらされるために、耐摩耗性および高
温強度に優れた鉄系焼結合金などによって形成されてい
る。たとえば、図２０に示すように、シリンダヘッドの
吸気ポート、排気ポートの燃焼室側開口部に形成した凹
部に圧入し、仕上げ研削加工を行うことによってシリン
ダヘッド本体に一体的に固定されていた。図２０はバル
ブシートが圧入された従来のシリンダヘッドのバルブシ
ート圧入部を拡大して示す断面図で、同図において１は
シリンダヘッド本体、２は圧入型バルブシート、３はバ
ルブシート圧入用凹部を示す。

【０００３】ところが、バルブシート２の材料となる鉄
系焼結材の熱伝導率はシリンダヘッド本体１の材料とな
るアルミニウム合金に較べて低く、しかも、このバルブ
シート２とシリンダヘッド本体１との間の界面には微小
隙間があることから、吸・排気弁のバルブフェースや排
気からシリンダヘッド本体１へ熱が伝達されるときの熱
抵抗が大きくなってしまう。このため、シリンダヘッド
の冷却性能が充分ではなくなって異常燃焼を引き起こし
たり、バルブの温度が過度に上昇してしまうということ
にもなりかねない。

【０００４】そこで、上述したようなバルブシート２を
圧入することによる不具合を解消するため、シリンダヘ
ッド本体１のバルブシート装着部分に、耐熱性、耐摩耗
性、耐食性に優れたバルブシート材料の粉末レーザーを
熱源として加熱溶融させて肉盛り（クラッド）し、その
肉盛層を機械加工することによってバルブシートを形成
する手法が提案されている（例えば、特開昭６２−１５
００１４号公報参照）。このレーザークラッド法によっ
て形成されたバルブシートを図２１に示す。

【０００５】図２１はレーザークラッド法によりバルブ
シートが形成されたシリンダヘッドのバルブシート部を
拡大して示す断面図で、４はバルブシート部、５は前記
バルブシート部４との接合界面、６、７は前記接合界面
５の近傍に形成された溶融反応層である。さらに、この
ようなレーザークラッド法によってバルブシートを形成
するシリンダヘッドにおいて、肉盛り層とシリンダヘッ
ド本体との溶着率を高めるために、シリンダヘッド本体
の溶着面に圧延ロールなどによって予め塑性変形層を形
成してからレーザークラッドを行うということが提案さ
れている（例えば、特開平２−１９６１１７号公報参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、このように
レーザークラッド法によってバルブシートを形成したと
しても、バルブシート材料の粉末溶融して肉盛りする関
係から接合強度に問題があった。これは、バルブシート
材料の粉末加熱、溶融するときにシリンダヘッド本体１
における接合界面７付近の部位が溶融するからであっ
た。

【０００７】すなわち、シリンダヘッド本体１の一部が
一旦溶融した後に凝固するため、ガスが生成されてそれ
が接合界面近傍の溶融反応層７中にブローホールとして
残存したり、溶融したアルミニウム合金が凝固するとき
に凝固収縮を起こすことによって前記溶融反応層７中に
引け巣が生じることがある。さらに、このレーザークラ
ッド法はアルミニウム合金材中の鋳巣や介在物の影響を
受け易いという不具合があった。また、材料が溶融・凝
固してなる接合部分では、シリンダヘッドの素材に予め
施されていた時効処理による強度向上効果が消失してい
るから、バルブシート部が高温となるような運転条件で
エンジンを長時間運転すると変形を生じ易い。

【０００８】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、バルブシート部の熱抵抗を小さくし
て過度な加熱を防止することができるのは勿論のこと、
バルブシート部が高温になる運転条件下で長時間エンジ
ンを運転しても、接合部分の強度を維持することができ
るとともに、バルブシート近傍の変形を最小限に抑える
ことができるシリンダヘッドを得ることを目的とする。

【０００９】請求項１に記載のエンジン用シリンダヘッ
ドは、内部に燃焼室を有するシリンダヘッド本体とバル
ブシートとを異種材料によって構成したエンジン用シリ
ンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本体をアルミ
ニウム合金によって形成し、上記燃焼室に連通する上記
シリンダヘッド本体の開口部に、金属製円環体からなる
上記バルブシートの素材を加熱圧接して接合し、さら
に、上記バルブシートの外径をＤ_O、上記バルブシート
に当接するバルブの外径をＤとしたときに、 Ｄ＜Ｄ_O＜Ｄ＋５ なる関係を満足することを特徴としている。

【００１０】請求項２に記載のエンジン用シリンダヘッ
ドは、内部に燃焼室を有するとともに上記燃焼室に連通
する吸気口と排気口とを有するシリンダヘッド本体とバ
ルブシートとを異種材料によって構成したエンジン用シ
リンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本体をアル
ミニウム合金によって形成し、吸気口および排気口に、
金属製円環体からなる上記バルブシートの素材を加熱圧
接して接合し、上記吸気口のバルブシートよりも上記排
気口の上記バルブシートの方が以下の寸法のうち少なく
とも１において上回っていることを特徴としている。 上記バルブシートの着座面とほぼ直交する方向から見
たときのバルブシートの幅 上記バルブシートの素材を加熱圧接する際の沈込み長
さ 上記バルブシートの着座面とほぼ直交する方向の厚さ

【００１１】請求項３に記載のエンジン用シリンダヘッ
ドは、内部に燃焼室を有するシリンダヘッド本体とバル
ブシートとを異種材料によって構成したエンジン用シリ
ンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本体をアルミ
ニウム合金によって形成し、上記燃焼室に連通する上記
シリンダヘッド本体の開口部に、金属製円環体からなる
上記バルブシートの素材を加熱圧接して接合し、上記バ
ルブシートの内径を構成する内輪円と外径を構成する外
輪円との中心をずらすことにより、同バルブシートの平
面視における厚さを変化させたことを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明者等は、アルミニウム合金からなるシリ
ンダヘッド本体の開口部に、鉄系焼結合金製円環体から
なるバルブシートの素材を加熱圧接して接合する技術を
先に提案した（特開平５ー２８７３２４号）。この技術
によれば、通電加熱により容易に塑性流動を生じるアル
ミニウム合金によりシリンダヘッド本体を構成している
ため、加熱圧接によってバルブシート素材がシリンダヘ
ッド本体に埋没する。そして、その際に両者の圧接部の
界面の原子が相互に拡散し、両者が隙間なく強固に固定
される。この場合、バルブシート素材もシリンダヘッド
本体も殆ど溶融しないため、上記したような材料欠陥の
発生が防止される。

【００１３】請求項１に記載のエンジン用シリンダヘッ
ドは、先の提案に係る技術をさらに改良しためので、シ
リンダヘッド本体の変形を防止したものである。すなわ
ち、一般に、アルミニウム合金は時効温度以上において
極めて小さな応力で変形するのみならず、クリープ強度
も低いことが知られており、シリンダヘッド本体の変形
を防止する必要がある。請求項１では、バルブシートの
外径をＤ_O、上記バルブシートに当接するバルブの外径
をＤとしたときに、 Ｄ＜Ｄ_O＜Ｄ＋５ なる関係を満足することにより、バルブが高温下でバル
ブシートに繰り返し当接することによるバルブシートの
変形ないし破損や、シリンダヘッド本体への沈み込みを
防止することができる。

【００１４】以下、上記数値限定の根拠を説明する。図
１２（Ａ）に示すように、バルブシート素材を加熱圧接
する際の沈込み量ｄの増加とともに、バルブシートの外
周部の位置が外側へ移動し、これに伴ってバルブ軸方向
から見たバルブシートの投影面積は増加する（図１２
（Ｂ）参照）。次に、バルブの着座加重等からバルブシ
ートが受ける繰り返し最大荷重を一定とすると、バルブ
シートの投影面積とバルブシート及びシリンダヘッドの
界面に作用する面圧は図１３（Ａ）に示す関係となる。
また、同面圧とバルブシート外径Ｄ_Oとの関係は同図
（Ｂ）に示すようになることが確認されている。ここ
で、図１３（Ｂ）において、水平な破線はアルミニウム
系（ＣＨ）合金で構成されたシリンダヘッドの圧縮限界
強度を示し、このレベルを越えると使用上支障を来す変
形が生じる。よって、バルブシートの外径Ｄ_Oは、シリ
ンダヘッドの界面の面圧が圧縮限界強度を下回るように
する必要がある。本発明者等の数々の実験から、バルブ
シートの外径Ｄ_Oの最小値は、バルブの外径に等しいこ
とが確認された。よって、バルブの外径Ｄ＜バルブシー
トの外径Ｄ_Oとした。

【００１５】次に、図１４（Ａ）は排気口（または吸気
口）を示す断面図であり、この図に示すように、排気口
の内径Ｄ_cとバルブの外径Ｄとの間の空間は排ガスの流
出口（または混合ガスの流入口）となっており、バルブ
の外径Ｄを一定とすると、図１４（Ｂ）に示すように、
排気又は吸気口の内径Ｄ_cが大きい程通気抵抗が小さく
なる。したがって、排気又は吸気口の内径Ｄ_cは可能な
限り大きくすべきであるが、隣接する排気口や吸気口と
のスペースの関係でその大きさにも限界がある。図２に
示すように、排気又は吸気口の内径Ｄ_cを漸次大きくし
てゆくと、Ｄ_cが（Ｄ＋５ｍｍ）となるあたりからは、
Ｄ_cが増加しても通気抵抗はさほど減少しないことが実
験によって確認された。したがって、排気又は吸気口の
内径Ｄ_cは（Ｄ＋５ｍｍ）あれば充分であり、このこと
から、バルブシートの外径Ｄ_Oは、排気又は吸気口の内
径Ｄ_cよりも小さい（Ｄ＋５ｍｍ）未満とした。

【００１６】次に、請求項２の作用について説明する。
本発明者等は、エンジン用シリンダヘッドでは、吸気口
よりも排気口の方がより高温になることに着目し、排気
口側のみを強化した。これにより、バルブシート近傍の
シリンダヘッド素材の変形を最小限に抑えることがで
き、しかも、シリンダヘッドの製造コストを低減するこ
とができる。具体的には、バルブシートの着座面とほぼ
直交する方向から見たときのバルブシートの幅を大きく
することにより、シリンダヘッド素材の面圧を小さくし
てその塑性流動を抑制することができる。また、バルブ
シートの素材を加熱圧接する際の沈込み長さを長くする
ことにより、形成後のバルブシートの投影面積が大きく
なる（図９および図１０参照）。さらに、バルブシート
の着座面とほぼ直交する方向の厚さを厚くすることによ
り、バルブシート１９の剛性が確保され、バルブシート
の変形や破損を防止することができる。

【００１７】次に、シリンダヘッド本体の開口部周囲の
温度は、吸・排気ポートの配列などの諸条件によって不
均一となる。請求項３に記載のエンジン用シリンダヘッ
ドにおいては、バルブシートの内径を構成する内輪円と
外径を構成する外輪円との中心をずらすことにより、バ
ルブシートの平面視における厚さを変化させているか
ら、より高温になる位置にバルブシートの肉厚の厚い部
分を位置させることができる。これにより、必要な個所
のバルブシートの投影面積が確保され、シリンダヘッド
本体に負荷される圧縮力の面圧を小さくすることができ
る。

【００１８】

【実施例】

Ａ．第１実施例 以下、本発明の一実施例を図１ないし図１０によって詳
細に説明する。 （１）シリンダヘッドの全体構成 図１は本発明に係るシリンダヘッドのバルブシート部の
断面図、図２はバルブシート母材をポート開口部に重ね
た状態を示す断面図で、同図はシリンダヘッド本体およ
びバルブシート母材の一部のみを拡大して描いてある。
これらの図において、１１は４サイクルエンジンのシリ
ンダヘッド本体で、このシリンダヘッド本体１１は、ア
ルミニウム合金を材料として鋳造することによって形成
しており、ドーム状の燃焼室形成用凹部１２を下面に開
口するように形成するとともに、この凹部１２に一端が
開口する吸気ポート１３および排気ポート１４を形成し
ている。

【００１９】シリンダヘッド本体１１を形成するアルミ
ニウム合金は、ＪＩＳにＡＣ４Ｃとして規定されるＡｌ
−Ｓｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金を採用した。この材料
を選択した理由は、他のアルミニウム合金を使用したと
きに較べて後述するバルブシートを最も強固に接合でき
たからである。前記吸気ポート１３および排気ポート１
４の上壁部分にバルブガイド１５、１６を介して吸気弁
１７および排気弁１８をそれぞれ装着し、両ポート１
３、１４の開口部に後述するバルブシート１９をそれぞ
れ接合している。なお、前記バルブガイド１５、１６
は、シリンダヘッド本体１１に穿設したバルブガイド穴
１１ａに圧入し固定している。このバルブガイド穴１１
ａはその軸線Ｃが吸気ポート１３および排気ポート１４
の開口部１３ａ、１４ａの軸線と一致するように形成し
ている。

【００２０】図１に示したバルブシート１９は、円環状
に形成したバルブシート母材を前記ポート開口部１３
ａ、１４ａに加熱状況下において圧接させることによっ
て接合し、仕上げ加工を施した後のものである。前記バ
ルブシート母材を図２中に符号２０によって示す。バル
ブシート母材２０は、鉄系焼結合金製円環体２１の表面
を銅皮膜２２によって覆うことによって形成している。
前記円環体２１の材料としては、本実施例では、鉄系焼
結合金材料に後述する通電時に内部で抵抗熱が生じ難い
ようにする観点から銅を溶浸させたものを採用してい
る。また、前記銅皮膜２２は、膜厚が０．１μｍ〜３０
μｍとなるように円環体２１に電気めっきを施すことに
よって形成している。

【００２１】バルブシート母材２０は、図２に示すよう
に、吸気ポート１３や排気ポート１４の開口部１３ａ、
１４ａに重ねた状態で外周面の一部がこの開口部１３
ａ、１４ａ内に臨む形状に形成している。なお、図２で
はシリンダヘッド本体１１の下面（燃焼室形成用凹部１
２が開口する面）を上方に向けている。詳述すると、バ
ルブシート母材２０の外周面をシリンダヘッド本体１１
側に向かうにしたがって次第にこのバルブシート母材２
０の外径が細くなるように傾斜させ、かつ底面２０ｂを
このバルブシート部材１０の軸心へ向かうにしたがって
次第にシリンダヘッド本体１１側に偏在するように傾斜
させ、これら外周面２０ａと底面２０ｂとが互いに連な
る外面を凸曲面となるように形成している。図２におい
てはこの凸曲面に符号２０ｃを付した。

【００２２】一方、前記開口部１３ａ、１４ａにおける
前記凸曲面２０ｃと対向する部位には、吸・排気ポート
１３、１４の内径が部分的に細くなるように凸状部２３
を形成している。すなわち、このバルブシート母材２０
を前記開口部１３ａ、１４ａに図２に示したように重ね
ることによって、その凸曲面２０ｃがシリンダヘッド本
体１１の凸状部２３に当接するように構成している。な
お、バルブシート母材２０の内周面は、シリンダヘッド
本体１１側に向かうにしたがってこのバルブシート母材
２０の内径が小さくなるように傾斜した傾斜面２０ｄ
と、この傾斜面２０ｄの内周側端部から軸方向と平行に
延在する軸方向延在面２０ｅとから形成している。

【００２３】（２）バルブシートの接合方法 このように構成したバルブシート母材２０をシリンダヘ
ッド本体１１の前記開口部１３ａ、１４ａに接合するに
は、図３および図４に示すプレス装置２４を使用して行
う。このプレス装置２４は、基台２５の下部に下部プラ
テン２６を固定し、この下部プラテン２６の上方に、こ
の下部プラテン２６に対して接離するように上部プラテ
ン２７を昇降自在に配設している。この上部プラテン２
７は、基台上部に軸線が上下方向を向くよう取付けたシ
リンダ装置２８の作用端となるロッド２８ａの下端を固
定している。

【００２４】前記下部プラテン２６および上部プラテン
２７はそれぞれ導電部材２６ａ、２７ａを介して図示し
ていない給電装置から給電される構造になっている。な
お、上部プラテン２７に接続した導電部材２７ａは、上
部プラテン２７の昇降動作に合わせて変形あるいは昇降
するように構成している。また、本実施例では、上部プ
ラテン２７が陽極となり下部プラテン２６が陰極となる
ように構成している。前記シリンダ装置２８を支持する
基台上部には、上部プラテン２７の前部に固定した反射
部材２９にレーザー光を反射させてこの反射部材２９と
の距離から上部プラテン２７の変位量を測定するレーザ
ー変位計３０が取り付けてある。

【００２５】プレス装置２４を使用してバルブシート母
材２０を接合するには、先ず、前記下部プラテン２６上
に下側電極３１を固定し、この下側電極３１上にシリン
ダヘッド本体１１を載置固定して行う。このとき、シリ
ンダヘッド本体１１は、燃焼室形成用凹部１２側を上方
に向け、かつバルブシート母材２０を接合するポートの
開口部での軸線が前記シリンダ装置２８のロッド２８ａ
の軸線と一致するように位置決めしておく。

【００２６】次に、図５に示すように、バルブシート母
材２０を接合するポートのバルブガイド穴１１ａにガイ
ド棒３２を燃焼室形成用凹部１２側から嵌挿する。この
ガイド棒３２は、金属製丸棒３２ａの外周面にアルミナ
などの絶縁材３２ｂを被覆させて形成しており、バルブ
ガイド穴１１ａに嵌挿させストッパー３２ｃによって位
置決め保持させた状態で、シリンダヘッド本体１１の燃
焼室側端面より上方に突出する長さに形成している。前
記絶縁材３２ｂの形成方法は、本実施例ではアルミナな
どのセラミック材を丸棒３２ａに溶射し、その後、研磨
仕上げする手法を採っている。

【００２７】その後、バルブシート母材２０をポート開
口部に重ね、このバルブシート母材２０に上側電極３３
を載せる。この上側電極３３は、金属製円柱体の軸心部
に前記ガイド棒３２が嵌合する透孔３３ａを穿設してお
り、その下端部に、バルブシート母材２０の前記傾斜面
２０ｄ（図２）に密接するテーパー面３３ｂと、軸方向
延在面２０ｅに全周にわたり密接する位置決め用周面３
３ｃとを形成している。また、この上側電極３３の下端
部には、バルブシート母材２０を磁気吸着させるための
磁性体３３ｄが固着させてある。

【００２８】すなわち、前記透孔３３ａに前記ガイド棒
３２を嵌合させることにより、この上側電極３３がシリ
ンダヘッド本体１１のポート開口部と同軸上に位置づけ
られ、前記テーパー面３３ｂおよび周面３３ｃをバルブ
シート母材２０に密接させることにより、このバルブシ
ート母材２０が嵌合によってポート開口部と同軸となる
ように位置決めされる。

【００２９】このようにバルブシート母材２０に上側電
極３３を載せた後、上側電極３３を回転させてバルブシ
ート母材２０が確実に嵌合しているか否かを検査する。
しかる後、シリンダ装置２８を駆動して上部プラテン２
７を下降させ、前記上側電極３３に密着させる。このと
き、上部プラテン２７の下面と上側電極３３の上面とが
互いに平行になるようにする。次に、前記シリンダ装置
２８を駆動して上部プラテン２７を下降させ、上側電極
３３を介して前記バルブシート母材２０を一定な押圧力
をもってシリンダヘッド本体１１に押し付ける。このと
きにバルブシート母材２０に加えられる押圧力の方向
は、上側電極３３がガイド棒３２によって移動方向が規
制されている関係から、ポート開口部１３ａ、１４ａの
軸線方向と一致する。このため、バルブシート母材２０
はポート開口部１３ａ、１４ａに軸線を一致させた状態
でこの軸線に沿って押し付けられる。この押圧力は、図
６中に実線で示す押圧力パターンに基づいて変化させ
る。すなわち、相対的に低い一定の第１押圧力Ｐ１を接
合工程初期に加え、その後は下降終了まで相対的に高い
一定の第２押圧力Ｐ２を加える。

【００３０】第１押圧力Ｐ１による加圧を開始した後、
上部プラテン２７が安定したときに、前記レーザー変位
計３０によりこれと反射部材２９までの距離を測定し、
この距離を上部プラテン２７の下降開始位置として記録
する。また、第１押圧力Ｐ１による加圧開始から図６に
示すように時間Ｔ１が経過した後、前記上記プラテン２
７および下部プラテン２６に電圧を印加し、これら両プ
ラテンの間、すなわち上側電極３３、バルブシート母材
２０、シリンダヘッド本体１１および下側電極３１に電
流を流す。このとき、電流は上側電極３３からシリンダ
ヘッド本体１１へ向けて流れる。このときの電流値も図
６中に波線で示す電流値パターンに基づいて変化させ
る。すなわち、電流値が増大した後に一度電流値を０付
近まで低下させ、その後さらに電流値を増大させて接合
終期において前記押圧力を加えている途中で電流値を０
とする。

【００３１】このとき、バルブシート母材２０は図２に
示すように凸曲面２０ｃがシリンダヘッド本体１１の凸
状部２３に当接しており、これら両者どうしが接触する
部分の面積がきわめて小さいことから、上述したように
通電されると電気抵抗が大きくなってこの接触部が発熱
するようになる。この熱はバルブシート母材２０とシリ
ンダヘッド本体１１との接触界面の全体に伝導する。こ
のようにバルブシート母材２０とシリンダヘッド本体１
１との接触界面の温度が上昇すると、固相状態で互いに
圧接し合う材料金属（銅皮膜２２の銅およびシリンダヘ
ッド本体１１のアルミニウム合金）の原子が活発に運動
するようになり、これらの原子どうしが相互に拡散す
る。

【００３２】上述したように原子の相互拡散が起こるこ
とにより、界面付近の組成は、銅皮膜２２を構成する銅
と、シリンダヘッド本体１１のアルミニウム合金との共
晶合金になり、純銅より低い温度で固相から液層に変わ
ることができる状態になる。このときの界面付近の状態
を図７に模式的に示す。図７においては、原子の相互拡
散が起こり前記共晶合金層が生成されている部位を符号
Ａで示す。

【００３３】前記界面付近の温度がさらに上昇し、前記
共晶合金層の一部が液相に変化するようになると原子の
拡散現象は一層活発となり、この共晶合金層が成長して
これに伴なって固相と液相との界面が拡大する。この共
晶合金層の液相化が進行する一方、共晶合金層に隣接す
るシリンダヘッド本体１１のアルミニウム合金は、バル
ブシート母材２０が押し付けられていることと前記抵抗
熱により昇温されていることとによって、塑性流動（塑
性変形）を起こす。この塑性流動は最初の接触部を中心
にして図７において上下方向に略対称となるように生じ
るため、液相化した前記共晶合金は前記塑性流動に乗じ
て図８に示すように接触部の外に排除される。図８にお
いて共晶合金の排除された部分を符号Ｂで示す。また、
このときには、バルブシート母材２０の銅皮膜２２の一
部が共晶合金化されて接触部から排除されることによ
り、円環体２１の一部がアルミニウム合金に触れるよう
になってこれらの間でも原子の拡散現象が起こる。この
拡散現象が生じている部位を図８中に符号Ｃで示す。

【００３４】このように共晶合金層の一部が接触部から
排除されることと、アルミニウム合金が塑性流動を起こ
すこととにより、図６中にＴ２で示すときにバルブシー
ト母材２０がシリンダヘッド本体１１内に沈む込み始め
る。このようにバルブシート母材２０が沈み込み始めて
から図６中に示す時間Ｔ３に達したときに、押圧力を増
大させて前記第２押圧力Ｐ２とする。押圧力が増大する
ことによりアルミニウム合金の塑性流動量が増大し、こ
れに伴って共晶合金の排除量が増量される。この結果、
接触部の未反応部分において新たに銅−アルミニウム合
金からなる共晶合金が生成され、上述した現象が繰り返
されてこの共晶合金層が液相化しさらに排除される。こ
れとともに、円環体２１の材料である鉄系焼結合金とア
ルミニウム合金との界面で原子が相互に拡散する領域も
拡がる。

【００３５】第２押圧力Ｐ２による押圧を開始してから
図６に示す時間Ｔ４に達したときに、電流値を一度０付
近まで低下させ、さらに元の値まで上昇させる。電流値
を低下させることにより発熱が一時抑えられることにな
り、共晶合金の排除並びに塑性流動が抑えられて図６に
示すようにバルブシート母材２０の沈み込み量の増加割
合が一時低下する。このように電流値を一時的に低下さ
せるのは、アルミニウム合金が熱により溶融してしまう
のを防ぐためである。

【００３６】電流値を上述したように元の値まで上昇さ
せた後、時間Ｔ５に達してから時間Ｔ６に達するまでの
間に徐々に低下させて０とする。電流が流れている間は
勿論、通電が断たれた後も反応不能温度まで温度が低下
するまでは前記反応が進行し、共晶合金層の生成→液層
化→塑性流動に伴なう排除、という現象と、鉄系焼結合
金とアルミニウム合金との原子相互拡散という現象が同
時に起こりながらバルブシート母材２０が沈み込み続
け、図９に示すようにその外周面の略全域がシリンダヘ
ッド本体１１内に埋没するようになる。

【００３７】この沈み込み量が図６に示すように略増加
しなくなったとき（時間Ｔ７で示すとき）にシリンダ装
置２８による押圧を停止し、レーザー変位計３０によっ
てこれと反射部材２９との距離から上部プラテン２７の
最終位置を求めた後に上部プラテン２７を上昇させ、シ
リンダヘッド本体１１をプレス装置２４から取外す。な
お、平均電流値や総通電時間も全工程が終了するまでの
間に求めておく。次に、上部プラテン２７の下降開始位
置から最終位置までの高低差を算出することによりバル
ブシート母材２０の総沈み量を求める。この値が予め定
めた許容値Ｄ（図６参照）の範囲内でないときには接合
不良とみなす。前記許容値Ｄとしては、本実施例では
０．５mm〜２．５mmとした。なお、許容値Ｄはシリンダ
ヘッド本体１１の材料によっても異なるが、約１mm〜
１．５mmとすることが好ましい。

【００３８】シリンダヘッドの最終仕上げ加工は、図９
に示すようにバルブシート母材２０が接合されたシリン
ダヘッド本体１１から不要部分を図１０に示すように例
えば研削によって除去することによって行う。この最終
仕上げ加工を行うことにより円環体２１の不要部および
銅皮膜２２が除去され、図１０中に符号Ｃで示す原子の
拡散領域を介してシリンダヘッド本体１１に接合された
バルブシート１９が得られる。ここで、バルブシート１
９の外径をＤ_O、吸気弁１７または排気弁１８の外径を
Ｄとしたときに、Ｄ＜Ｄ_O＜Ｄ＋５なる関係を満たすよ
うに形成されている。

【００３９】（３）実施例の効果 上記構成のシリンダヘッドにおいては、バルブシート１
９とシリンダヘッド本体１１とが原子拡散によって隙間
なく強固に固定されている。したがって、両者の熱抵抗
が小さくシリンダヘッドの冷却性能を向上させることが
できる。また、上記のように、製造過程においてシリン
ダヘッド本体１１は溶融しないため、凝固時のブローホ
ールや引け巣の発生も生じない。特に、本発明では、バ
ルブシート１９の投影面積を上記数値限定により確保し
ているから、吸・排気弁１７，１８が高温下でバルブシ
ート１９に繰り返し当接することによるバルブシートの
変形ないし破損や、シリンダヘッド本体１１への沈み込
みを防止することができる。また、バルブシート母材２
０をシリンダヘッド本体１１に加熱圧接する際の押込み
力を抑制することができる。

【００４０】Ｂ．第２実施例 次に、図１１を参照して本発明の第２実施例について説
明する。図１１は吸気ポート１３および排気ポート１４
を燃焼室側から見た図であり、図中符号８は点火プラグ
の取付孔、１０は冷媒を循環させるための孔、１１はシ
リンダヘッド本体Ａをエンジン本体（図示略）に取り付
けるための孔である。図に示すように、排気ポート１４
の周囲は、図にハッチングで示すようにより高温となる
が、排気ポート１４は吸気ポート１３よりも内径が小さ
い。よって、排気ポート１４，１４どうしの離間距離
は、吸気ポート１３，１３どうしの離間距離よりも大き
くすることができ、これにより、排気ポート１４側を強
化するための以下の構成の少なくともいずれか１つが採
用されている。

【００４１】排気ポート１４のバルブシート１９の着
座面とほぼ直交する方向から見たときのバルブシート１
９の幅Ｗ（図１４（Ａ）および（Ｃ）参照）は、吸気ポ
ート１３のバルブシート１９の幅よりも広い。これによ
り、バルブシート１９がシリンダヘッド本体１１を加圧
するときの面圧が小さくなり、シリンダヘッド本体１１
の素材の塑性流動を抑制することができる。

【００４２】排気ポート１４のバルブシート母材２０
をシリンダヘッド本体１１に加熱圧接する際の沈込み長
さは、吸気ポート１３のバルブシート母材２０の沈込み
長さよりも長い。これにより、形成後のバルブシート１
９の投影面積が大きくなる（図９および図１０参照）。

【００４３】排気ポート１４のバルブシート１９の着
座面とほぼ直交する方向の厚さＴ（図１４（Ａ）参照）
は、吸気ポート１３のバルブシート１９の厚さよりも厚
い。これにより、バルブシート１９の剛性が確保され、
バルブシート１９の変形や破損を防止することができ
る。

【００４４】Ｃ．第３実施例 次に、図１５を参照して本発明の第３実施例について説
明する。図１５（Ａ）および（Ｂ）に示すシリンダヘッ
ドは、バルブシート１９の外周面２０ａと底面２０ｂと
がなすテーパ角θを１２０゜以上に設定したもので、こ
れにより、バルブシート１９を介してシリンダヘッド本
体１１に伝えられる最大応力を抑制したものである。具
体的には、同図（Ａ）に示すものは、ポート開口部１３
ａまたは１４ａの軸線と直交する平面に対して、バルブ
シート１９の底面２０ｂのなす角度αが３０゜、バルブ
シート１９の外周面２０ａが上記平面の法線となす角度
βが１５゜に設定され、これにより、テーパ角θは１３
５゜とされている。また、同図（Ｂ）に示すものは、角
度αが３０゜、角度βが３０゜に設定され、これによ
り、テーパ角θは１５０゜とされている。

【００４５】図１５（Ｃ）に示すものでは、バルブシー
ト１９の底面２０ｂは、ポート開口部１３ａまたは１４
ａの軸線と直交し、角度αは０゜とされている。これに
より、軸線と直交する接合部においては圧縮力のみが作
用するから、接合部におけるせん断加重が低減され、ア
ルミニウム合金の塑性流動が抑制される。なお、この例
では、角度βは１５゜、角度θは１０５゜とされてい
る。

【００４６】Ｄ．第４実施例 次に、図１６および図１７を参照して本発明の第４実施
例について説明する。第４実施例は、バルブシート１９
の内径を構成する内輪円１９ａと外径を構成する外輪円
１９ｂとの中心軸Ｏ_a，Ｏ_bをずらしたことを特徴として
いる。図１６に示すように、吸・排気ポート１３，１４
どうしが接近して配置されていると、バルブシート１９
およびその周囲の温度は、相手方のポート（１３または
１４）側において高くなる。そこで、バルブシート１９
のうち相手方のポート（１３または１４）側の部分の投
影面積を大きくすることにより、シリンダヘッド本体に
負荷される圧縮力の面圧を小さくしている。すなわち、
より高温となる部分の面圧を小さくしているから、シリ
ンダヘッド本体１１の変形が防止される。内輪円１９ａ
と外輪円１９ｂとの中心軸Ｏ_a，Ｏ_bをずらす方法とし
て、両者を互いに平行に離間させる方法（図１７（Ａ）
参照）と、中心軸Ｏ_a，Ｏ_bどうしを傾斜させる方法（図
１７（Ｂ）参照）がある。

【００４７】Ｆ．第６実施例 図１８は本発明の第６実施例を示すものである。この実
施例におけるバルブシート１９は、その底面２０ｂや外
周面２０ａに凸条１９ｃを形成したことを特徴としてい
る。凸条１９ｃは、バルブシート１９の円周方向の全体
にわたって延在させられているが、円周方向の複数箇所
に突起を設けるようにしてもよい。図１８（Ａ）〜
（Ｃ）は、凸条１９ｃの位置を種々設定した例を示し、
同図（Ｄ）および（Ｅ）は、凸条１９ｃを複数形成した
例を示す。この実施例によれば、アルミニウム合金の接
合部におけるせん断方向への塑性流動が凸条１９ｃによ
って阻止されるので、バルブシート１９の沈み込みを防
止することができる。

【００４８】Ｇ．第７実施例 図１９（Ａ）〜（Ｆ）は、バルブシート１９とシリンダ
ヘッド本体１１との間に、強化組織を介在させた例を示
す。前記第１実施例では、バルブシート母材２０には、
銅が溶浸されるとともに銅皮膜２２が設けられている。
このうち銅皮膜２２は、シリンダヘッド本体１１のアル
ミニウム合金とで純銅よりも低い融点の共晶合金を構成
し、この共晶合金は前記抵抗加熱により液相に変態す
る。そして、液相化した共晶合金は、シリンダヘッド本
体１１を構成するアルミニウム合金の塑性流動に伴って
接触部から排出されていた。

【００４９】図１９（Ａ）に示す実施例は、抵抗加熱の
方法を工夫して、上記共晶合金を排出せずに接合部に残
留させることを特徴としている。このように構成するこ
とにより、シリンダヘッド本体１１を構成するアルミニ
ウム合金よりも強度が高く、かつ、バルブシート１９よ
りも投影面積の大きな座５０が形成され、バルブシート
１９の変形抵抗およびクリープ強度を増加させることが
できる。なお、銅皮膜２２に代えてＺｎ、Ｓｎ、Ａｇ、
Ａｌ−Ｓｉ合金などをメッキすることもできる。

【００５０】図１９（Ｃ）は、バルブシート母材２０に
含浸させた金属や表面にメッキした金属（以下、これら
をインサート材と称する）をシリンダヘッド本体１１の
アルミニウム合金中に拡散させた例を示す。この例にお
いても、接合部の周囲に硬化した固溶体組織層５１が形
成されるので、上記と同様の効果を奏する。また、図１
９（Ｂ）に示すように、インサート材の拡散深度を不均
一にした固溶体組織層５２を形成することもできる。さ
らに、図１９（Ｂ）および（Ｃ）に示す例において、バ
ルブシート１９とシリンダヘッド本体１１との接合部
に、インサート材とアルミニウム合金との金属間化合物
を形成してもよい。これにより、アルミニウム合金の接
合部におけるせん断方向への塑性流動が抑制される。

【００５１】図１９（Ｄ）は、バルブシート１９とシリ
ンダヘッド本体１１との接合部の周囲の組織を微細化し
た微細化組織層５３を形成した例、同図（Ｅ）は、組織
に化合物を析出および分散させ、あるいはＦｅ、Ｎｉ等
のイオンを注入して金属拡散して硬化した析出強化組織
層５４を形成した例、同図（Ｆ）は、組織に金属粒子や
繊維を分散させて複合組織層５５を形成した例を示す。
また、化合物を析出させるに際しては、結晶粒界に析出
させることによって組織の粒界すべりを抑制するように
することもできる。

【００５２】Ｈ．第８実施例 図１９（Ｇ）〜（Ｉ）は本発明の第６実施例を示すもの
であり、バルブシート１９の縁部にフランジ部６０，６
１を形成した３つの例を示している。これらの例におけ
るフランジ部６０，６１はバルブシート１９の全周にわ
たって形成されている。そして、フランジ部６０，６１
を設けたことによりバルブシート１９の投影面積が増加
し、これにより、シリンダヘッド本体１１に伝わる圧縮
力の面圧を小さくすることができるとともに、高温の排
ガスからシリンダヘッド本体１１をカバーして受熱を抑
制することができる。

【００５３】Ｉ．変更例 本発明は前記実施例に限定されるものではなく以下のよ
うに種々の変更が可能である。 第１実施例において、バルブシート１９の接合部側の
面の面粗度をＲａ１０以上とすることにより、接合部近
傍のアルミニウム合金の塑性流動を抑制することができ
る。 シリンダヘッド本体１１を鋳造によって形成する際
に、改良処理材としてストロンチウムを使用することが
できる。これにより、アルミニウム合金の変形抵抗およ
びクリープ強度を高めることができる。 本発明は、自動車のエンジンは勿論のこと、オートバ
イのエンジンなどあらゆるエンジンに適用することがで
きる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バルブシートの投影面積を確保しているので、バルブが
バルブシートに当接する際にシリンダヘッド本体に負荷
される圧縮力の面圧を小さくすることができる。（請求
項１）。

【００５５】より高温にさらされる排気口側のみを強化
しているので、接合部におけるアルミニウム合金の塑性
流動をコストアップを抑制しつつ達成することができ
る。また、バルブシートの剛性が確保されてその変形や
破損の発生が防止される（請求項２）。

【００５６】バルブシートの内径を構成する内輪円と外
径を構成する外輪円との中心をずらすことにより、バル
ブシートの平面視における厚さを変化させているから、
より高温になる位置にバルブシートの肉厚の厚い部分を
位置させることができ、これにより、必要な個所のバル
ブシートの投影面積が確保され、シリンダヘッド本体に
負荷される圧縮力の面圧を小さくすることができる（請
求項３）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のバルブシートを示す側断
面図である。

【図２】バルブシート母材をポート開口部に重ねた状態
を示す側断面図である。

【図３】バルブシートをシリンダヘッドのポート開口部
に接合するためのプレス装置を示す平面図である。

【図４】バルブシートをシリンダヘッドのポート開口部
に接合するためのプレス装置を示す側面図である。

【図５】バルブシート母材に電極を当接させた状態を示
す側断面図である。

【図６】加圧パターン、電流値パターンおよび沈み込み
量を示す線図である。

【図７】バルブシート母材の皮膜の金属材料とシリンダ
ヘッド本体の材料金属からなる合金層が生成されている
状態を示す側断面図である。

【図８】シリンダヘッド本体の材料金属が塑性流動を起
こしている状態を示す側断面図である。

【図９】バルブシート母材がシリンダヘッド本体に埋没
した状態を示す側断面図である。

【図１０】バルブシートを仕上げ加工した状態を示す側
断面図である。

【図１１】本発明の第２実施例を示し、吸排気ポートを
燃焼室側から見た図である。

【図１２】本発明の作用を説明するための図であって、
（Ａ）はバルブシートの断面図、（Ｂ）はバルブシート
を加熱圧接する際の沈込み量とバルブシートの投影面積
との関係を示す線図である。

【図１３】本発明の作用を説明するための図であって、
（Ａ）はバルブシートの投影面積とバルブシートとシリ
ンダヘッド本体との界面に作用する圧縮力の面圧との関
係を示す線図、（Ｂ）はバルブシートの外径とバルブシ
ートの界面における面圧との関係を示す線図である。

【図１４】本発明の作用を説明するための図であって、
（Ａ）はバルブシートの断面図、（Ｂ）は排気口の内径
と通気抵抗との関係を示す線図、（Ｃ）は吸排気ポート
を燃焼室側から見た図である。

【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第３実施例をそれ
ぞれ示す側断面図である。

【図１６】本発明の第４実施例を示す平面図である。

【図１７】本発明の第５実施例を示す側断面図である。

【図１８】（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の第６実施例をそれ
ぞれ示す側断面図である。

【図１９】（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の第７実施例をそれ
ぞれ示す側断面図、（Ｇ）〜（Ｉ）は本発明の第８実施
例をそれぞれ示す側断面図である。

【図２０】従来のバルブシートを示す側断面図である。

【図２１】従来のバルブシートの他の例を示す側断面図
である。

【符号の説明】

１１ シリンダヘッド本体 １３ 吸気ポート（吸気口） １４ 排気ポート（排気口） １７ 吸気弁（バルブ） １８ 排気弁（バルブ） １９ バルブシート ２０ バルブシート母材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に燃焼室を有するシリンダヘッド本
   体とバルブシートとを異種材料によって構成したエンジ
   ン用シリンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本体
   をアルミニウム合金によって形成し、上記燃焼室に連通
   する上記シリンダヘッド本体の開口部に、金属製円環体
   からなる上記バルブシートの素材を加熱圧接して接合
   し、さらに、上記バルブシートの外径をＤ_O、上記バル
   ブシートに当接するバルブの外径をＤとしたときに、 Ｄ＜Ｄ_O＜Ｄ＋５ なる関係を満足することを特徴とするエンジン用シリン
   ダヘッド。
2. 【請求項２】 内部に燃焼室を有するとともに上記燃焼
   室に連通する吸気口と排気口とを有するシリンダヘッド
   本体とバルブシートとを異種材料によって構成したエン
   ジン用シリンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本
   体をアルミニウム合金によって形成し、吸気口および排
   気口に、金属製円環体からなる上記バルブシートの素材
   を加熱圧接して接合し、上記吸気口のバルブシートより
   も上記排気口の上記バルブシートの方が以下の寸法のう
   ち少なくとも１において上回っていることを特徴とする
   エンジン用シリンダヘッド。 上記バルブシートの着座面とほぼ直交する方向から見
   たときのバルブシートの幅 上記バルブシートの素材を加熱圧接する際の沈込み長
   さ 上記バルブシートの着座面とほぼ直交する方向の厚さ
3. 【請求項３】 内部に燃焼室を有するシリンダヘッド本
   体とバルブシートとを異種材料によって構成したエンジ
   ン用シリンダヘッドにおいて、上記シリンダヘッド本体
   をアルミニウム合金によって形成し、上記燃焼室に連通
   する上記シリンダヘッド本体の開口部に、金属製円環体
   からなる上記バルブシートの素材を加熱圧接して接合
   し、上記バルブシートの内径を構成する内輪円と外径を
   構成する外輪円との中心をずらすことにより、同バルブ
   シートの平面視における厚さを変化させたことを特徴と
   するエンジン用バルブシート。