JP2008169720A - シリンダヘッド構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度向上が可能であり、断熱効果の高い安価な排気ポートライナを備えるシリンダヘッド構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】多気筒内燃機関のシリンダヘッド１の内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポート６、７と、前記集合排気ポート６、７の少なくとも一部を構成する内側ライナ３１とこの内側ライナ３１の外周に隙間を介在させて配置した外側ライナ３２との二重構造に構成され、前記集合排気ポート６、７のライニングとして前記シリンダヘッド１の鋳造の際に鋳ぐるみによって固着される金属製の排気ポートライナ２６、２７と、を備え、しかも、この二重構造の排気ポートライナは、中途部に開口する入口開口部２３に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板３４を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、多気筒エンジンの複数の気筒の排気を合流させる集合排気ポートを、シリンダヘッドの内部に形成して備えるシリンダヘッド構造およびその製造方法に関するものである。

従来から下流に配置するターボチャージャの効率を高めたり、エンジンの熱負荷を低減するため、多気筒エンジンの複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポートを、シリンダヘッドの内部にシリンダヘッド本体とは断熱した状態で設けるシリンダヘッド構造が提案されている（特許文献１参照）。

これは、多気筒内燃機関のシリンダヘッドの内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポートと、前記集合排気ポートの内張りとして前記シリンダヘッドの鋳造の際に鋳ぐるみによって固着され前記集合排気ポートを複数個の部分に分断するセラミック製の排気ポートライナと、前記複数個の排気ポートライナ相互の継ぎ目の近くに、前記継ぎ目に沿って設けられる冷却水通路とを備えるようにしている。
実公平７−３４１９８号公報

しかしながら、上記従来例では、セラミック製のポートライナを用いるものであるため、エンジン高性能化への対応としてその強度向上を図るために実施されるシリンダヘッドの溶体化処理等の熱処理温度をより高くする必要があり、熱処理時に前記ポートライナに亀裂が発生し易く、シリンダヘッドの強度向上に限界があるという不具合があった。

また、断熱効果を高めるには排気ポ一トと排気ポートライナ間に断熱層を設ける必要があるが、セラミック製ポートライナでは空気層が形成しにくく、大きな断熱効果が発揮できないものであり、また、セラミック材料そのものも高価であり且つ分断して配置する必要があるため、コスト高となる不具合があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、強度向上が可能であり、断熱効果の高い安価なシリンダヘッド構造およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドの内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポートと、前記集合排気ポートの少なくとも一部を構成する内側ライナとこの内側ライナの外周に隙間を介在させて配置した外側ライナとの二重構造に構成され、前記集合排気ポートのライニングとして前記シリンダヘッドの鋳造の際に鋳ぐるみによって固着される金属製の排気ポートライナと、を備え、前記二重構造の排気ポートライナは、中途部に開口する入口開口部に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板を備えるようにした。

したがって、本発明では、集合排気ポートの少なくとも一部を構成する内側ライナとこの内側ライナの外周に隙間を介在させて配置された外側ライナとの二重構造に構成され且つ中途部に開口する入口開口部に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板を備える金属製の排気ポートライナを形成し、前記集合排気ポートのライニングとして前記シリンダヘッドの鋳造の際に鋳ぐるみによって固着したため、シリンダヘッド鋳造品の溶体化処理等の熱処理工程での高温加熱・急冷を行なった場合でも、排気ポートライナが亀裂することがなく、強度向上が可能であり、断熱効果の高い安価なシリンダヘッド構造とすることができる。しかも、中途部に開口する入口開口部に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板を備えることにより、個別排気ポートから排気ポートライナの出口開口へ向かって排気ガスをスムーズに流すことができるので、燃焼室内のガス交換が良好となり、出力性能を向上することができる。

以下、本発明のシリンダヘッド構造およびその製造方法を一実施形態に基づいて説明する。図１は本発明を適用した第１実施形態のシリンダヘッドの断面図、図２はシリンダヘッドに設けられる排気ポートのレイアウト図、図３は図２の排気ポートに設ける排気ポートライナのレイアウト図、図４は排気ポートライナの断面図である。

図１はシリンダヘッド１の断面図を示し、燃焼室２に連なる吸気ポート３および排気ポート４と、これらを冷却するためのウォータジャケット５として、排気ポート４の上部および下部に配置した排気ポート上部ウォータジャケット５Ａおよび排気ポート下部ウォータジャケット５Ｂと、吸気ポート３と燃焼室２とで囲まれる部分に配置した吸気ポート部ウォータジャケッ５Ｃトと、燃焼室２の上部の排気ポート４と吸気ポート３とで挟まれる部分に配置した燃焼室ウォータジャケット５Ｄとを備える。

このシリンダヘッド１は、１気筒当たり２つの排気バルブを備える３気筒に対するものであり、図示しない夫々の燃焼室の排気バルブに連ねて、図２に示すように、夫々の気筒の複数の排気ポート１１〜１６が配置され、これら個別の排気ポート１１〜１６は夫々３ポート分を合流させて出口ポート１７、１８に集合させる左側集合排気ポート６と右側集合排気ポート７とで構成されている。このような構成のシリンダヘッド構造は、３気筒エンジン若しくはＶ型６気筒エンジンのシリンダヘッドに用いることができる。前記左側集合排気ポート６と右側集合排気ポート７とは、左右対称の形状に形成されている。即ち、右側集合排気ポート７は、気筒列方向の中央から遠い側の２つのポートからの排気ポート１５、１６同士が第１ポート集合部１９で一本に集合されて集合ポート２０を構成し、この集合ポート２０が中央側の残りのポートからの排気ポート１４と第２気筒集合部２１により１本に集合されて出口ポート１８へ連なるよう構成されている。左側集合排気ポート６も同様に構成されている。

上記構成の左側集合排気ポート６および右側集合排気ポート７では、第１集合部１９で２個の排気ポート１５、１６が合流され、第１集合部１９の下流の集合ポート２０の壁面には複数のポートの排気ガスが集合して流れる結果として、その壁面温度が上流側より上昇される。また、第２集合部２１では更に残りの排気ポート１４が合流され、出口ポート１８に至る間で３ポートからの排気ガスが合流または交互に流れ、その壁面温度が更に上昇される。これがため、第１集合部１９から出口ポート１８に至る間で排気ポート７とシリンダヘッド１の本体１Ａとを断熱させる必要がある。

また、第２集合部２１においては、第１集合部１９で合流した集合ポート２０の排気ガス流Ｇ３に対して第２集合部２１で新たに排気ガス流Ｇ２が合流することとなるため、第２集合部２１にはガス流Ｇ２、Ｇ３を整流して互いの干渉を防止する整流板を配置する必要がある。

図３は前記した図２に示す排気ポート６、７の内壁面に配置して示す左側排気ポートライナ２６および右側排気ポートライナ２７を図示したものである。左右の排気ポートライナ２６、２７は同様の構成を備えた対称形のものであり、ここでは、右側排気ポートライナ２７のみについて説明する。図３に示すように、右側排気ポートライナ２７は、排気ポート７の第１集合部１９を取囲む第１入口開口部２２と、第２集合部２１の新たに合流する排気ポート１４を取囲む第２入口開口部２３と、出口開口１８を取囲む出口開口部２４とを備えて、これらの開口部２２〜２４間の排気ポート７の壁面を覆う（ライニングする）よう形成した薄肉の筒状金属板で構成している。

前記右側排気ポートライナ２７は、図４に示すように、内外で二重壁の金属板３１、３２（ライナ）で形成しており、開口部２２〜２４間の壁面部では内外二重の金属板３１、３２（ライナ）の間に隙間を設けて空気層３０を形成するよう構成している。また、各開口部２２〜２４で外側の金属板３２を内側の金属板３１側に折曲げて、内側の金属板３１の開口部にその折り曲げ端部を沿わせて圧着させることで、内外二重の金属板３１、３２が前記圧着部３３を介して一体となるよう構成している。そして、各開口部２２〜２４に形成した圧着部３３の内の、出口開口２４を構成する圧着部３３、若しくは、第１および第２入口開口部２２、２３を構成する圧着部３３のいずれか一方の圧着部３３を溶接またはかしめ等により締結し、他方の圧着部３３は締結することなく圧着状態のままとしている。

また、前記第２入口開口部２３は、筒状をした内外金属板３１、３２の一部をスリット状に切取り、スリットの向き合う一方の端面およびそれに連なる部分を半円状に起して曲げ成形することで突出させ、スリットの向き合う他方の端面およびそれに連なる部分を残りの半円状に窪むよう曲げ成形することで、概略円形状の開口とすることにより形成している。従って、集合ポート２０を囲んで配置され且つ第２入口開口部２３へ連なる直近の内外金属板３１、３２は、その一部３１Ａ、３２Ａを第２入口開口部２３の開口縁に沿って窪ませられており、第２合流部２１で新たに第２入口開口部２３に繋がる排気ポート１４のポート壁面を構成して、集合ポート２０を流れる排気ガス流と新たな排気ポート１４を流れる排気ガスとの合流時の整流板３４を形成している。この整流板３４は、第２入口開口部２３から流れ込む新たな排気ポート１４からの排気ガスの流動方向を出口開口２４側へ整流させ（図中Ｇ４参照）、また、集合ポート２０内を流れる排気ガスの流動方向も出口開口２４側へ整流させ（図中Ｇ５参照）、結果として、集合ポート２０内を流れる排気ガスの流動方向と新たな排気ポート１４から流入する排気ガスの流動方向との干渉を抑制するよう機能する。

上記構成の右側排気ポートライナ２７は、入口開口部２２、２３および出口開口部２４を備える筒状の一体構造の内側の金属板３１（内側ライナ）と、この内側の金属板３１を取囲むよう配列され、図４の紙面の手前側と向う側との二つ割りとなった外側の金属板３２（外側ライナ）とによる３部品構造により構成することができる。即ち、排気ポート１４については、排気上流側の端部から第２ポート集合部２１までの部分にライナを設けず、排気ポート１４をこの第２ポート集合部２１で内側ライナ３１の入口開口部２３に連通させる構造としている。この結果、ライナが複雑な分岐（集合）形状とならず、内側ライナ３１を円筒部材の液圧成形により一体成形部品として成形することができる。因みに、排気ポート１４にも第２ポート集合部２１から延びるライナを設ける場合には、内側ライナ３１も外側ライナ３２と同様に二つ割り構造とすることが必要となり、結果として、排気ポートライナが４部品構造となり、部品点数および組立工数が増加し高価なものとなる。

以上は、右側排気ポートライナ２７の構成を説明したが、左側排気ポートライナ２６も同様に構成されており、その具体的な構造の説明は省略する。

以上の構成のシリンダヘッド構造においては、薄肉金属製の二重構造の排気ポートライナ２６、２７で構成しているため、この排気ポートライナ２６、２７を排気ポート４を構成する中子を抱かせて鋳造することによりシリンダヘッド１に鋳込むことができ、鋳造後の溶体化処理等の熱処理における急冷時においても、ポートライナ２６、２７に亀裂が発生することがなく、高い熱処理温度により軽合金製のシリンダヘッド１を強度向上できる。しかも、排気ポートライナ２６、２７は筒状の内外二重の一体構造の薄肉金属製に構成されているため、材料費、製作工程を簡素化でき、安価な排気ポートライナとすることができる。また、分断されていないため、冷却水通路を配置して部分的に冷却する必要もなく、この点でも安価に構成することができる。

また、内外二重の薄肉金属の間に空気層３０が配置されていることにより、冷間始動時における排気ガスのガス温度が、空気層３０により構成する断熱層の存在により、放熱性の良い軽合金製のシリンダヘッド１本体および排気ポート４の上下の冷却ウォータジャケット５Ａ、５Ｂに伝熱・放熱されて温度低下されることが抑制され、出口ポート１７、１８から排出される排気ガス温度を比較的高く維持させることができ、下流の排気管に配置される排気浄化触媒の活性化を早め、未処理のままに排出される排気ガスを低減させることができる。

また、エンジンの暖機後の高負荷運転時においても、排気ポート４から軽合金製のシリンダヘッド１本体を経由させて冷却ジャケット５の冷却水へ放熱される熱流量が抑制されるので、冷却システムで放熱させるべき熱量を低減させることができ、冷却システムの熱負荷を低減させることができる。

また、排気ポートライナ２６、２７は、第２入口開口部２３に連なり新たに接続される排気ポート１４の一部の壁面を構成するよう形成した整流板３４を備えるため、排気ポート１４および集合ポート２０の各排気ガス流を干渉させることなく出口ポート１８に導くことができ、燃焼室２のガス交換を改善でき、出力向上を図ることができる。このことは、図示しないが、出口ポート１７、１８の下流にターボチャージャを装着した場合においては、排気ガス温度・ガス流といった排気ガスエネルギを有効に活かすことで、エンジンの出力・燃費効率を高めることができる。

また、内外二重壁の金属板３１、３２で形成する各開口部２２〜２４は夫々圧着状態で嵌合されており、出口開口２４を構成する圧着部３３、若しくは、第１および第２入口開口部２２、２３を構成する圧着部３３のいずれか一方の圧着部を溶接またはかしめ等により締結し、他方の圧着部は締結することなく圧着状態のままとしていることにより、内外二重壁の温度差による熱膨張差があっても、圧着部３３の滑りにより応力を吸収するので、変形及び破損を防止でき、その信頼性を高めることができる。

なお、上記実施形態において、排気ポートライナ２６、２７の内外二重壁構造として、筒状の薄肉金属板３１、３２を形状成形することにより構成するものについて説明したが、図示はしないが、内外壁夫々について、まず内側の壁面を２つ割構造により形成した後、内側壁面の外周に２つ割構造の外側壁面を被せることにより、内外二重壁構造の排気ポートライナを構成してもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）多気筒内燃機関のシリンダヘッド１の内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポート６、７と、前記集合排気ポート６、７の少なくとも一部を構成する内側ライナ３１とこの内側ライナ３１の外周に隙間を介在させて配置した外側ライナ３２との二重構造に構成され、前記集合排気ポート６、７のライニングとして前記シリンダヘッド１の鋳造の際に鋳ぐるみによって固着される金属製の排気ポートライナ２６、２７と、を備えるようにした。このため、シリンダヘッド１鋳造品の溶体化処理等の熱処理工程での高温加熱・急冷を行なった場合でも、排気ポートライナ２６、２７が亀裂することがなく、強度向上が可能であり、断熱効果の高い安価なシリンダヘッド構造とすることができる。しかも、二重構造の排気ポートライナ２６、２７として、中途部に開口する入口開口部２３に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板３４を備えることにより、個別排気ポート１４から排気ポートライナ２６の出口開口２４へ向かって排気ガスをスムーズに流すことができるので、燃焼室２内のガス交換が良好となり、出力性能を向上することができる。

（イ）二重構造の排気ポートライナ２６、２７として、内側ライナ３１と外側ライナ３２との間に空気層３０を設けた薄肉金属により形成していることにより、空気層３０により断熱効果が高まり、また薄肉金属としているので低温始動からの暖気特性を向上することができ、下流に配置されている触媒の活性化を早め、排気ガスの浄化を促進させることができる。またエンジン暖気後の高負荷運転時においても、排気ポート４から冷却水への熱流量を抑制するので、冷却システムヘの負荷を低減することができる。

（ウ）二重構造の排気ポートライナ２６、２７を、入口開口部２２、２３から出口開口部２４まで筒状の金属板３１、３２により構成されていることにより、複数の部材を組合せて形成する場合に比べて、材料費、製作工程を簡素化できて、安価な排気ポ一トライナとすることができる。しかも、従来のように排気ポートライナの分断部からの熱伝達を抑制するように冷却水通路を設ける必要がないので安価に形成することができる。

（エ）前記内側ライナ３１は、筒状の部材から液圧成形によって一体に成形されたものであり、外側ライナ３２は、排気流れ方向に対して交差する方向に分割される２つの部材を接合して構成されていることにより、筒状の一体構造の内側の金属板３１（内側ライナ）と、この内側の金属板３１を取囲むよう配列された二つ割りとなった外側の金属板３２（外側ライナ）とによる３部品構造により構成することができ、部品点数を少なくできる。

（オ）二重構造の排気ポートライナ２６、２７は、入口開口部２２、２３および出口開口部２４において外側ライナ３２の端部を内周側に折り曲げてその折曲げ端部を内側ライナ３１の外周に圧着させた入口圧着部３３および出口圧着部３３に構成され、入口圧着部３３および出口圧着部３３のいずれか一方の圧着部は溶接若しくはかしめにより互いに締結されることにより、内外ライナ３１、３２の温度差による熱膨張差を、圧着部３３の滑りにより吸収することができ、熱応力の発生を抑制し、信頼性を向上することができる。

本発明の一実施形態を示すシリンダヘッド構造の概略断面図。 同じくシリンダヘッドに設けられる排気ポートのレイアウト図。 図２の排気ポートに設ける排気ポートライナのレイアウト図。 排気ポートライナの断面図。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 燃焼室
３ 吸気ポート
４、６、７ 排気ポート
５ ウォータジャケット
１１〜１６ 個別排気ポート
１７、１８ 出口ポート
１９、２１ 集合部
２０ 集合ポート
２２、２３ 入口開口
２４ 出口開口
２６、２７ 排気ポートライナ
３０ 空気層
３１ 内側ライナ
３２ 外側ライナ
３３ 圧着部
３４ 整流板

Claims (6)

1. 多気筒内燃機関のシリンダヘッドの内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポートと、
   前記集合排気ポートの少なくとも一部を構成する内側ライナとこの内側ライナの外周に隙間を介在させて配置した外側ライナとの二重構造に構成され、前記集合排気ポートのライニングとして前記シリンダヘッドの鋳造の際に鋳ぐるみによって固着される金属製の排気ポートライナと、を備え、
   前記二重構造の排気ポートライナは、中途部に開口する入口開口部に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板を備えていることを特徴とするシリンダヘッド構造。
2. 前記二重構造の排気ポートライナは、内側ライナと外側ライナとの間に空気層を設けた薄肉金属により形成していることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド構造。
3. 前記二重構造の排気ポートライナは、入口開口部から出口開口部まで筒状の金属板により構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド構造。
4. 前記内側ライナは、筒状の部材から液圧成形によって一体に成形されたものであり、前記外側ライナは、排気流れ方向に対して交差する方向に分割される２つの部材を接合して構成されていることを特徴とする請求項３に記載のシリンダヘッド構造。
5. 前記二重構造の排気ポートライナは、入口開口部および出口開口部において外側ライナの端部を内周側に折り曲げてその折曲げ端部を内側ライナの外周に圧着させた入口圧着部および出口圧着部に構成され、入口圧着部および出口圧着部のいずれか一方の圧着部は溶接若しくはかしめにより互いに締結されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のシリンダヘッド構造。
6. 多気筒内燃機関のシリンダヘッドの内部に形成され複数の排気ポートの排気を合流させる集合排気ポートを備えるシリンダヘッドの製造方法であり、
   集合排気ポートの少なくとも一部を構成する内側ライナとこの内側ライナの外周に隙間を介在させて配置された外側ライナとの二重構造に構成され且つ中途部に開口する入口開口部に連ねて排気ガスの流動方向を規制する整流板を備える金属製の排気ポートライナを形成し、
   前記金属製の排気ポートライナを前記集合排気ポートのライニングとして前記シリンダヘッドの鋳造の際に鋳ぐるみによって固着することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。

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