JP2009503354A - 未完成シリンダーヘッドキャスティング、ディーゼル内部燃焼機関用に鋳造されるシリンダーヘッド及び未完成シリンダーヘッドキャスティングの製造方法 - Google Patents

Abstract

ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関用のシリンダーヘッドの製造用の未完成シリンダーヘッドキャスティングであって；
前記未完成シリンダーヘッドキャスティングは密封表面（２）を有するものであり、
前記密封表面は、完成した状態で、エンジンブロックの相当する密封表面上へ取り付けられ、そして、未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）の密封表面セクション（８）上に設計されるものであり、
鋳造状態における厚さ（Ｄ）は、密封表面（２）の材料除去後に得られるその設定された厚さ（Ｄ_ｎ）に関連して、機械加工代（Ｄ_Ｚ２）を示すものであり、そして、
エンジンブロック中に形成される燃焼室に関連する燃焼室領域（３）を、前記密封表面（２）が更に含む；
前記シリンダーヘッドキャスティングに関する。
本発明によると、密封表面（２）の燃焼室領域における密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_ｚ２）が、密封表面の残りの表面の密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_ｚ２）の最大で１５％に達するということによって、前記タイプのシリンダーヘッド（１）の最適なロードキャパシティが単純な態様で達成される。本発明によると、未完成シリンダーヘッドキャスティングから製造される完成したシリンダーヘッド及びその製造方法も開示される。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関のシリンダーヘッド製造用の未完成シリンダーヘッドキャスティング（Zylinderkopf-Gussrohteil）であって、
完成した状態で、エンジンブロックの相当する密封表面上へ取り付けられ、そして、未完成シリンダーヘッドキャスティングの密封表面セクション上に設計される、密封表面を有しており、
鋳造状態における前記セクションの厚さは、密封表面の材料除去（spanabhebende Fertigbearbaitung）後に得られるその設定された厚さに関連して、機械加工代（Bearbeitungszugabe）を示し、そして、
エンジンブロック中に形成される燃焼室と関連する燃焼室領域を、前記密封表面が更に含む、
前記未完成シリンダーヘッドキャスティングに関する。

更に、本発明は、ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関のシリンダーヘッド（金属メルトから鋳造される）に関するものであって、
前記シリンダーヘッドは密封表面を有し、
ここで、前記密封表面は、
材料除去により得られ、エンジンブロック中に形成される燃焼室と関連する燃焼室領域を含み、そして、エンジンブロックの相当する密封表面上に取り付けられる。

最後に、本発明は、未完成シリンダーヘッドキャスティングを鋳造する方法にも関するものであって、
ここで、モールドキャビティ（未完成シリンダーヘッドキャスティング上の密封表面を複製する外周（Begrenzungsflaeche）を有する）を含む未完成シリンダーヘッドキャスティングの複製用のモールドへ中で金属メルト（特に、軽合金メルト）を鋳造するものとし、そして、
未完成シリンダーヘッドキャスティングの鋳造、固化、及び、成形（Ausformen）後に、密封表面の領域中の厚さにわたって鋳造材料（Gussmaterial）を除去することにより、エンジンブロックの相当する密封表面上へ取り付けるための完成した密封表面を製造する、材料除去を通じて密封表面を完成させるもととする。

ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関（特に、直接噴射式；Direkteinspritzmotoren）の場合では、ガソリンエンジン用のシリンダーヘッドの場合と同様に、燃焼室領域は、ドーム型構造を有しているのではなく、均等に平らな密封表面中へ平坦に組み込まれており、それによって、ディーゼルシリンダーヘッドが据え付けられた状態で、個々のエンジンブロックの密封表面（前記シリンダーへ関連している）に対して支持される。この場合、シリンダーヘッドの燃焼室領域は、エンジンブロックの密封平面中にある。

恒久的に確実に密接なシートのために必要な精度を有する密封表面の製造を可能にするために、未完成シリンダーヘッドキャスティングの場合では、シリンダーヘッドの完成の間に除去される機械加工代を、通常、予備鋳造する。実際には、未完成シリンダーヘッドキャスティングの密封表面を支えるセクションの追加の厚さ（機械加工代として提供され、そして、完成の過程で除去される）は２ｍｍ〜３ｍｍに達する。前記厚さを機械的に除去することにより、製造されるべき密封表面が最高の精度及び必要な均一性を有することができる。

実施では、ディーゼルエンジンの場合に生じる高圧及び高温のために、可能な最大限の範囲でシリンダーヘッドの燃焼室領域を搭載する。バルブシート及びクロスピース（通常、その燃焼室領域中に組み込まれている）上の、特に軽金属合金から鋳造されるシリンダーヘッドについての荷重は、亀裂感受性の増加を導く。より高いロードキャパシティ（belastbaren）を有するシリンダーヘッドに対する要求を考慮すると、この感受性は特に問題がある。前記ロードキャパシティについて、ディーセルエンジンの製造者及びユーザーの側での、可能な限りのパワー出力に対するより大きな要求がある。

シリンダーヘッドが軽合金材料（例えば、アルミニウム合金）から製造されるべき場合において、これらの要求は、合金に関する実質的な技術的試み、デザイン又は製造をこれまで満足させていなかった。従って、内部燃焼機関領域中のバルブシートのロードキャパシティを、例えば、より高いロードキャパシティを有する金属製のエレメントをキャスティング中に組み込むことによって、改良させることができる。しかしながら、バルブシートをキャスティング中に組み込むことに関する試み、並びに、シリンダーヘッドの軽合金におけるそれらの十分に強固な一体化（Einbingdung）に必要な措置（massnehmen）は、追加の製造費用を伴う。内部燃焼機関の強度及び伸び特性を、追加の熱処理によって増加させる可能性に対しても、同じことが当てはまる。

これらの背景技術に対して、本発明の目的は、単純な方法で製造することのできる未完成シリンダーヘッドキャスティングを製造することであり、ディーゼルエンジン用に最適なロードキャパシティを備えたシリンダーヘッドを前記未完成シリンダーヘッドキャスティングから単純な態様で製造することができる。同様に、それに応じて製造されるディーゼルエンジン用のシリンダーヘッド（特に、機械加工（spanender Nachbearbeitung）前に軽金属合金から鋳造される）も示唆され、前記シリンダーヘッドは、その最適なロードキャパシティのための増大した要求をも永久的に満たす。最終的に、本発明は、前記シリンダーヘッドの製造用の適当な方法を提供することも目的としている。

キャスティングブランクに関して、本発明によると、前記の未完成のキャスティングによって、密封表面の燃焼室領域における密封表面セクションの機械加工代が、密封表面の残りの領域における密封表面セクションのオーバーサイズの最大１５％に達するという点で、前述のタイプの未完成シリンダーヘッドキャスティングに基づいて前記目的が達成される。

本発明は、製造されるべきシリンダーヘッドの密封表面により含まれる、燃焼室領域の静的及び動的特徴が、鋳造構造の構成によってかなり影響を受けるという認識に基づいている。この場合、特別な重要性は、固化速度（Erstarrungsgeschwindigkeit）に実質的に左右される構造的品質（Gefuegefeinheit）から起因される。

軽合金メルトの鋳造の間で、固化は、モールドを介する熱除去（waermeentzug）により制御され、そして、モールドとモールドへ鋳造されるメルトとの間の接触領域において一番速く固化する。燃焼室領域における機械加工代の厚さを制限することが本発明で提案されるので、燃焼室領域中の表面に隣接する素早く固化した鋳造構造が、密封表面の必要な平坦さを製造するために不可欠な材料除去後であっても、除去されずに、燃焼室領域の表面上に損なわれずに残っているということが達成された。そこでの良好な機械的特性は、更に内側にある鋳造されたシリンダーヘッドのよりゆっくりと固化された層（Bereichen）と比較すると、相当して良好である。従って、燃焼室領域は、最も固化した構造を含み、そして、それによって、より長い耐用年数にわたって高い対荷重力を有する。

前述の特徴を有するディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼期間用のシリンダーヘッドに関して、本発明によるシリンダーヘッドは、材料除去前の表面に隣接する密封表面の領域中に存在する鋳造構造（燃焼室領域中でその表面に隣接する鋳造構造と相当する）を示すということが、本発明の解法に含まれる。

最後に、前述に記載のタイプの方法に関してモールドの外周が、未完成シリンダーヘッドキャスティングの密封表面における燃焼室領域を形成する高台（Erhebung）を含むということが、本発明による前記目的の解決により提案される。ここで、前記高台は、前記外周と実質的に平行に延びている表面を有し、密封表面から間隔を設けて配置されており、そして、密封表面の材料除去の過程で除去される材料の厚さの少なくとも８５％に達する。

燃焼室領域における材料の最小限の量のみが密封表面の材料除去間（その平坦さを製造するために鋳造後に不可避である）で多く除去される、最終寸法に近くシリンダーヘッドを鋳造する場合に、シリンダーヘッドの密封表面中に形成される燃焼室領域が既に製造されることが、本発明の様々な実施態様において共通である。この場合、微細テクスチャー（feiner Struktur）の素早く固化した鋳造構造が、密封表面によって含まれる未完成シリンダーヘッドの燃焼室領域中に残る。

本発明により設計及び製造される、それらの各々の燃焼室領域中のシリンダーヘッドキャスティングは、同一の鋳造合金から製造され、そして、従来の方法で設計及び完成したシリンダーヘッドよりも５％〜１５％大きい引張強度を有していることが、実際の調査によって分かった。同様に、従来のシリンダーヘッドと比較すると、本発明のシリンダーヘッドの延性は１５％〜２５％増加していることが、これらの調査により分かった。

密封表面の燃焼室領域における機械加工代を最小限にすることによって、本発明により達成される特性改善を更に最適化することができる。従って、燃焼室領域における機械加工代を、密封表面の残りの領域における密封表面セクションのオーバーサイズの、最大で１０％（特に、７％）、そして、更に好ましくは、最大で４％までに限定することが、本発明の有利な構成として提案されている。従って、本発明により構成される未完成シリンダーヘッドキャスティングの場合に、燃焼室領域におけるオーバーサイズの厚さは、例えば、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍにあり、それに対して、燃焼室領域を含む残りの密封表面は、通常、２ｍｍ〜３ｍｍと続くことができる。

模範的な実施態様（各々の場合で模式的に示される）を示す図面に基づいて、本発明を以下に詳しく説明する。
従来のアルミニウム鋳造合金から鋳造される、未完成シリンダーヘッドキャスティングの断面の切り抜き図である。 図１に示される未完成シリンダーヘッドキャスティング用モールドの断面の切り抜き図である。 図１に示される未完成シリンダーヘッドキャスティングから完成されるシリンダーヘッドの断面の切り抜き図である。

組み立てられた状態で、未完成シリンダーヘッドキャスティング１はその下側上に、未完成シリンダーヘッドキャスティング１の幅及び長さの全体にわたって延長している密封表面２を有する。図１に示されるように、未完成キャスティングロー状態（unbearbeiteten Gussrohzustand）で、密封表面２が既に実質的に均等に形成される。

密封表面２は、エンジンブロック（図示しない）の燃焼室と関連している燃焼室領域３を含む。吸気弁（図示しない）用のバルブシート４と、排気弁（図示しない）用のバルブシート５とが、燃焼室領域３中に形成される。更に、冷却通路６，７が未完成シリンダーヘッドやスティング１中に形成されており、その連結ポート（エンジンブロックの相当する通路との結合用）が、燃焼室領域３から間隔を設けて、密封表面２中に展開している。

未完成シリンダーヘッドキャスティング１の幅及び長さにわたって延びている密封表面セクション８によって、密封表面２は燃焼室領域とともに支持される。前記密封表面セクション８は、冷却通路６，７のセクション（密封表面２に対して平行に延びている）の間の領域中に配置されており、前記密封表面２は、技術専門用語「燃焼室デッキ（Brennraumdeck）」としても記載される。

密封表面２の領域において、キャスティングロー状態での密封表面セクション８の厚さＤは、機械加工代Ｄ_ｚ２によって、図３に示される完成した状態での密封表面セクション８の設定された厚さＤ_ｎよりも厚い。実際に、機械加工代Ｄ_ｚ２は、例えば２ｍｍに達する。

密封表面２の領域とは対照的に、燃焼室領域３の密封表面セクション８は、完成した状態での所定の設定された厚さＤ_ｎよりもほんのわずかだけ厚い。従って、燃焼室領域中の機械加工代Ｄ_Ｚ３は０．１ｍｍに達する、つまり、未完成シリンダーヘッドキャスティング１の場合では機械加工代の５％である。

機械加工代Ｄ_Ｚ３の厚さを最小化する結果として、完成したシリンダーヘッドＺの設定された厚さＤ_ｎの領域中まで達する素早く進行した固化により、燃焼室領域３中の未完成シリンダーヘッドキャスティング１は、その自由な表面に基づいて、深さＴの全体にわたって微細鋳造構造（feines Gussgefuege）を有する。しかしながら、設定された厚さＤ_ｎの領域では、比較的粗い構造のみが存在する。これは、密封表面２の領域において、密封表面２の自由な表面からの間隔（機械加工代Ｄ_ｚ２がより大きいため、前記間隔も大きい）により、表面近くの層中よりも、アルミニウム鋳造材料はよりゆっくりと固化するからである。

未完成シリンダーヘッドキャスティング１の鋳造用にはモールド１００が提供される。前記モールド１００はその側壁１０１、１０２を有しており、そして、その底部１０３がモールドキャビティ１０４を包囲している。この場合、キャスティングコア１０５を用いて、未完成シリンダーヘッドキャスティング１のバルブシート４、５及び冷却通路６又は７が複製される。

一方で、密封表面２を製造するために、そして、他方では、未完成シリンダーヘッドキャスティング１の密封表面２中で形成される内部燃焼領域３を製造するために、モールドキャビティ１０４と関連する平坦な外周１０６を、モールド１００の底部１０３上に形成する。未完成シリンダーヘッドキャスティングの内部燃焼機関３と関連するそのセクションにおいて、前記外周１０６は、高台１０７を有しており、前記高台１０７の外形は燃焼機関領域３の形状に相当する。この場合、高台１０７は、その自由な上側上に、外周１０６と平行に並べられる平坦な表面１０８を有している。この場合、外周１０６上に配置される表面１０８での高さＨは、未完成シリンダーヘッドキャスティング１上の密封表面２の領域において鋳造されるべき機械加工代Ｄ_ｚ２の９５％に達し、従って、この場合、１．９ｍｍに達する。

未完成シリンダーヘッドキャスティング１の完成の間に、密封表面２の領域の厚い機械加工代Ｄ_ｚ２と、燃焼室領域３における機械加工代Ｄ_ｚ３とが、材料除去によって除去されるので、密封表面Ｆ（前記表面Ｆによって含まれる均等に平坦な燃焼室領域Ｒへ継ぎ目なく変化する）が、完成したシリンダーヘッドＺ上で形成される。この場合、密封表面２の領域中で除去される材料の量がかなり多いので、完成した密封表面Ｆの自由な表面上には比較的粗い鋳造構造のみが存在する。その一方で、前記表面に隣接する微細鋳造構造（素早い固化から得られる）は、燃焼室領域Ｒ中で除去される材料の量が非常に大幅に減少されるために、完成されたシリンダーヘッドＺの前記燃焼室領域Ｒ中に依然として存在する。このことは、増加された強度と改良された伸び値が、完成されたシリンダーヘッドＺの燃焼室領域Ｒ中に存在する。

完成したシリンダーヘッドＺをエンジンブロック（図示しない）の密封表面（前記シリンダーヘッドに関連している）上に取り付けた後で、燃焼室領域Ｒと、シリンダーヘッドの前記領域を包囲している密封表面Ｆとが、同じ密封表面中にある。この場合、燃焼室領域Ｒは、エンジンブロックの燃焼室（前記領域に関連している）をカバーする。

符号の説明

１・・・未完成シリンダーヘッドキャスティング；
２・・・未完成シリンダーヘッドキャスティングの密封表面；３・・・燃焼室領域；
４，５・・・バルブシート；６，７・・・冷却通路；
８・・・未完成シリンダーヘッドキャスティング１の密封表面セクション；
１００・・・モールド；１０１，１０２・・・側壁；
１０３・・・モールド１００のベース；１０４・・・モールドキャビティ；
１０５・・・キャスティングコア；１０６・・・外周；１０７・・・高台；
１０８・・・高台１０７の表面；Ｄ・・・密封表面セクション８の厚さ；
Ｄ_ｎ・・・完成した状態での密封表面セクション８の設定された厚さ；
Ｄ_ｚ２・・・機械加工代；Ｄ_ｚ３・・・燃焼室領域３における機械加工代；
Ｈ・・・外周１０６の上に配置される表面１０７での高さ；
Ｆ・・・シリンダーヘッドＺの密封表面；Ｒ・・・シリンダーヘッドＺの燃焼室領域；
Ｔ・・・素早く固化した細かい構造が存在する深さ；Ｚ・・・完成したシリンダーヘッド

Claims (12)

1. ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関用のシリンダーヘッドの製造用の未完成シリンダーヘッドキャスティングであって；
   ここで、
   前記未完成シリンダーヘッドキャスティングは密封表面を有するものであり、
   前記密封表面は、完成した状態で、エンジンブロックの相当する密封表面上へ取り付けられ、そして、未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）の密封表面セクション（８）上に設計されるものであり、
   鋳造状態における厚さ（Ｄ）は、密封表面（２）の材料除去後に得られるその設定された厚さ（Ｄ_ｎ）に関連して、機械加工代（Ｄ_Ｚ２）を示すものであり、そして、
   エンジンブロック中に形成される燃焼室に関連する燃焼室領域（３）を、前記密封表面（２）が更に含むものとし；
   密封表面（２）の燃焼室領域（３）における密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_Ｚ３）が、密封表面の残留領域における密封表面セクションの機械加工代（Ｄ_Ｚ２）の最大１５％に達すること
   を特徴とする、前記未完成シリンダーヘッドキャスティング。
2. 燃焼室領域（８）における密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_Ｚ３）が、密封表面の残留領域における密封表面セクションの機械加工代（Ｄ_Ｚ２）の最大１０％に達することを特徴とする、請求項１に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
3. 燃焼室領域（８）における密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_Ｚ３）が、密封表面の残留領域における密封表面セクションの機械加工代（Ｄ_Ｚ２）の最大７％に達することを特徴とする、請求項１に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
4. 燃焼室領域（８）における密封表面セクション（８）の機械加工代（Ｄ_Ｚ３）が、密封表面の残留領域における密封表面セクションの機械加工代（Ｄ_Ｚ２）の最大４％に達することを特徴とする、請求項１に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
5. 密封表面（２）と燃焼室領域（３）とが実質的に平坦に形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
6. バルブシート（４，５）の少なくとも１つが、燃焼室領域（３）中に形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
7. 軽金属合金（特に、アルミニウム合金）から鋳造されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の未完成シリンダーヘッドキャスティング。
8. ディーゼル燃料を動力源とする内部燃焼機関用のシリンダーヘッド（特に、軽合金メルトの金属メルトから鋳造される）であって；
   ここで、
   前記シリンダーヘッドは、材料除去により製造され、エンジンブロックの相当する密封表面上に取り取り付けられる密封表面（Ｆ）を有しているものとし、そして、
   エンジンブロック中に形成される燃焼室と関連する燃焼室領域（Ｒ）を含んでいるものとする；
   シリンダーヘッド（Ｚ）の表面に隣接する燃焼室領域（Ｒ）中の前記シリンダーヘッド（Ｚ）が鋳造構造を有しており、前記鋳造構造が、密封表面（Ｆ）の材料除去前の表面と隣接する前記密封表面（Ｆ）の領域に存在する鋳造構造と一致していることを特徴とする、前記シリンダーヘッド。
9. 密封表面（Ｆ）と燃焼室領域（Ｒ）とが、実質的に平坦であることを特徴とする、請求項８に記載のシリンダーヘッド。
10. 少なくとも１つのバルブシート（４，５）が、燃焼室領域（Ｒ）中に形成されることを特徴とする、請求項８又は９に記載のシリンダーヘッド。
11. 軽合金メルト（特に、アルミニウムメルト）からなる、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド。
12. 金属メルト（特に、軽合金メルト）をモールド（１００）へ鋳造し、
    ここで、前記モールドは、未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）上の密封表面（２）を複製する外周（１０６）を有しているモールドキャビティ（１０４）を含むものとし、前記モールドキャビティ（１０４）は、未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）を複製するものとする、
    そして、
    未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）の鋳造、固化、及び、成形後に、密封表面（２）の領域中の厚さにわたって鋳造材料を除去することにより、エンジンブロックの相当する密封表面上へ取り付けるための完成した密封表面（Ｆ）を製造する、材料除去を通じて密封表面（２）を完成させる、
    未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）を鋳造する方法であって、
    密封表面から間隔（Ｈ）を設けて配置され、そして、密封表面（２）の材料除去の過程で除去される材料の厚さ（Ｄ_Ｚ２）の少なくとも８５％に達する、高台（１０７）が、外周（１０６）と実施的に平行に延びている表面（１０８）を有していることによって、
    未完成シリンダーヘッドキャスティング（１）の密封表面（２）中の内部燃焼領域（３）を形成する前記高台（１０７）をモールドの外周（１０６）が有することを特徴とする、前記方法。

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