JP3903953B2 - 直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの鋳造型 - Google Patents

直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの鋳造型 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は4弁式の直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの鋳造に用いられる鋳造型に関し、特に、シリンダヘッドにおける冷却水通路の形成技術等に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリンダヘッドに、各気筒毎夫々2つの吸気弁及び2つの排気弁を備え、かつシリンダヘッドに前記4つの弁(2つ吸気弁及び2つの排気弁)により開閉される吸気排気の4つのポートを夫々有し、該シリンダヘッドの4つのポートの略中央部に対応する部位に燃料噴射ノズルを備えるようにした4弁式の直噴式ディーゼルエンジンが知られている。
【0003】
かかる4弁式の直噴式ディーゼルエンジンにおいて、シリンダヘッドの燃料噴射ノズルのノズルホール周りに冷却水通路を形成する等のために有利な構成として、従来、図8や図9に示すようなものを採用している。
即ち、シリンダヘッド1は鋳鉄製であり、シリンダヘッド1の吸気ポート2,3、排気ポート4,5の略中央部に対応する部位に設けられる燃料噴射ノズルの取付ボス6は、シリンダヘッド1とは別体のパイプをシリンダヘッド1に圧入することによって形成している。
【0004】
又、4つの弁の配置は、所謂ダイヤ型と称されるものであり、バルブセンタがシリンダボアの中心軸に対して捻じられた位置に4つの弁が配置される。
即ち、クランクシャフト方向と直交する方向とは所定角度をもって傾斜した方向に吸気弁と排気弁とが並んでいる配置となっている。
このような4弁式の直噴式ディーゼルエンジンは、燃料噴射ノズルの取付ボス6を、シリンダヘッド1にパイプを圧入して形成した構成であるため、燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路の形成が容易である利点と、鋳鉄製のシリンダヘッド1であるため、材料強度が高く、前記パイプ圧入代を大きくとれることから圧入部の面圧を大きくとれて冷却水やガスのシール性に優れる利点と、4つの弁2〜5の配置がダイヤ型であるため、燃料噴射ノズルの取付ボス6と排気ポート4,5との間に冷却水通路を形成するのが容易であり、かつ鋳鉄製のシリンダヘッド1であるため肉厚を薄くできることにより冷却水通路の確保が十分に可能である利点とを有している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、DOHC形式のアルミニウム鋳造製シリンダヘッドを有する直噴式ディーゼルエンジン製作において、上述のような従来の4弁式の直噴式ディーゼルエンジンの構成を採用した場合には、次のような問題点がある。
即ち、燃料噴射ノズルの取付用ボスを、シリンダヘッドにパイプを圧入して形成する構成を採用した場合には、アルミニウムの材料強度の面からパイプの圧入代を大きくとれないことから圧入部の面圧を大きくとず、冷却水やガスのシール性の確保が困難である。
【0006】
加えて、別体のパイプ圧入方式では、材料、加工コストの面でも不利である。
更に、4つの弁の配置がダイヤ型である場合には、DOHC形式の動弁系配置を採用することが難しく、ロッカーアーム式のSOHC形式或いはOHV形式を採用することとなるが、このような形式では、エンジンの高速域での出力の確保が困難となる。
【0007】
以上のような実情を考慮すると、DOHC形式のアルミニウム鋳造製シリンダヘッドを有する直噴式ディーゼルエンジンにあっては、各気筒の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置し、燃料噴射ノズルの取付用ボスをシリンダヘッドと一体成形する構成とする必要がある。
【0008】
しか、このような構成では、燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路の形成が困難であると共に、燃料噴射ノズルの取付用ボスと排気ポートとの間冷却水通路形成するのが困難であるという問題点が生起してしまう。
発明は、以上のような従来の課題を解決するためなされたものであり、各気筒の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置、燃料噴射ノズルの取付用ボスシリンダヘッドと一体成形した構成の直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドにおいて、冷却水通路の形成を容易することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明では、
直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドであって、各気筒毎夫々2つの吸気弁及び2つの排気弁を備え、かつ各気筒毎前記4つの弁により開閉される吸気と排気の4つのポートを夫々有し、各気筒毎の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置してなるシリンダヘッドの鋳造型において、
燃料噴射ノズルのノズルホール周りにおける冷却水通路の形成のため、シリンダヘッドの鋳造時に使用する排気ポート形成用中子の冷却水ジャケット形成用中子に対する挿入軌跡が、該排気ポート形成用中子が吸気ポート形成用中子の配置空間を経由して、前記燃料噴射ノズルのノズルホールを迂回するように湾曲させて設定され、
前記シリンダヘッドは、前記排気ポートの上部及び下部並びに前記吸気ポートの下部に夫々冷却水ジャケットを有するものであって、前記燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路により前記上部と下部の冷却水ジャケットが連通され、
排気ポートのスロート部における排気ポート形成用中子とシリンダヘッド下型との割面の高さT3が、排気ポートのスロート部間の冷却水通路の上面高さ若しくは排気ポート下部の冷却水ジャケットの上部高さのうち高い方の寸法T1、排気ポートの上部壁肉厚T2、シリンダヘッド下型のポート位置決め用ほぞの高さT4及び余裕代Δに対して次式の関係となるように設定した。
T3>T1+T4−T2−Δ
【0010】
かかる請求項1に係る発明において、シリンダヘッドの鋳造時の排気ポート形成用中子を、冷却水ジャケット形成用中子に対して、シリンダ長手方向に対して直角に挿入する方法では、排気ポートのスロート部と燃料噴射ノズルのノズルホールとの間に冷却水通路を形成するのが困難である。
そこで、排気ポート形成用中子の冷却水ジャケット形成用中子に対する挿入軌跡を、排気ポート形成用中子が吸気ポート形成用中子の配置空間を経由して、燃料噴射ノズルのノズルホールを迂回するように湾曲させることとすれば、このノズルホール周りの冷却水通路を形成するのが容易となる。
また、かかる請求項1に係る発明においては、排気ポートの上部及び下部並びに吸気ポートの下部に夫々冷却水ジャケットを形成し、これらの冷却水ジャケットをノズルホール周りの冷却水通路により連通させたことで、吸気ポート形成用中子を、冷却水ジャケット形成用中子の上部からセットすることが可能となる。これにより、吸気ポート形成用中子のセット性が向上するが、排気ポートの上下に冷却水ジャケットを形成しようとすると、排気ポート形成用中子は、冷却水ジャケット形成用中子における排気ポート形成用中子配置空間に対して水平方向に挿入する必要がある。
そこで、請求項1所定の関係を成立させることとすれば、排気ポート全高を低くして、排気ポート形成用中子のセット性を向上させ、かつ上下の冷却水通路幅を最大限に確保することができる。かかる請求項1に係る発明において、排気ポート形成用中子は、排気ポート上部の壁となる冷却水ジャケット形成用中子内の空間を使用して持ち上げながら挿入し、その配置空間となる挿入部に収めることができる。
【0011】
請求項2に係る発明では、
前記2つの吸気ポートを、夫々ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとして、シリンダヘッドの一方の側面に開口させるとともに前記2つの排気ポートを、各ポートのスロート部からの流れが途中で合流する単一の排気ポートとして、シリンダヘッドの他方の側面に開口させた。
【0012】
請求項3に係る発明では、
シリンダヘッドをアルミニウム鋳造製とした。
請求項4に係る発明では、
前記ディーゼルエンジンをDOHC形式のエンジンとした。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
請求項5に係る発明では、
直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドであって、各気筒毎夫々2つの吸気弁及び2つの排気弁を備え、かつ各気筒毎前記4つの弁により開閉される吸気と排気の4つのポートを夫々有し、各気筒毎の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置してなるシリンダヘッドの鋳造型において、
隣接する気筒のシリンダヘッド側壁における吸気ポート開口位置を基準として奥側に延びる吸気ポートの外壁と該吸気ポートと隣り合う排気ポートの外壁とを、その最近接点で連接させた共用の外壁を形成する第1の部分と、シリンダヘッドの気筒列方向の一方の終端壁側に設けられ、その位置に形成される排気ポートの外壁を他の部分の外壁と比較して肉厚に形成する第2の部分と、各気筒のシリンダボアの略中心軸に直立して設けられる燃料噴射ノズルの取付用ボスをシリンダヘッドと一体成形する第3の部分と、各気筒の2つの排気ポートの各スロート部と前記燃料噴射ノズルのノズルホールとの間に冷却水通路を形成する第4の部分と、前記排気ポートの上部及び下部並びに前記吸気ポートの下部に夫々冷却水ジャケットを形成する第5の部分とを設け、
前記上部と下部の冷却水ジャケットが前記燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路により連通されるように、第4の部分と第5の部分とを接続し、
排気ポートのスロート部における排気ポート形成用中子とシリンダヘッド下型との割面の高さT3が、排気ポートのスロート部間の冷却水通路の上面高さ若しくは排気ポート下部の冷却水ジャケットの上部高さのうち高い方の寸法T1、排気ポートの上部壁肉厚T2、シリンダヘッド下型のポート位置決め用ほぞの高さT4及び余裕代Δに対して次式の関係となるように設定した。
T3>T1+T4−T2−Δ
かかる請求項5に係る発明によれば、排気ポートの外壁と隣接する気筒の吸気ポートの外壁とを一部で共用させることとしたので、吸気ポート形成用中子配置空間を利用して排気ポート形成用中子の挿入空間を確保することができ、排気ポート形成用中子を、燃料噴射ノズルのノズルホールを迂回させるように挿入することができる。このため、排気ポートのスロート部と燃料噴射ノズルのノズルホールとの間の冷却水通路の形成が容易となる。一方、シリンダヘッドの終端壁側にある排気ポートは、隣接する吸気ポートが存在しないが、その外壁の一部を肉厚に形成することにより、排気ポート形成用中子の挿入空間が確保されるので、他の排気ポート形成用中子と同様に燃料噴射ノズルのノズルホールを迂回させるように挿入することができる。
また、請求項5に係る発明によれば、排気ポート形成用中子のセット性を向上させ、かつ上下の冷却水通路幅を最大限に確保することができる。
【0017】
【発明の効果】
請求項1及びに係る発明によれば、例えば、請求項3及び4に係る発明のように、出力性能に優れたDOHC4弁直噴式ディーゼルエンジンにおいて、軽量なアルミニウム鋳造製シリンダヘッドを用いつつ、生産コストが有利で、ガス、水漏れ等の問題が生じ難い、シリンダヘッド一体成形式の燃料噴射ノズルの取付用ボスとした場合において、燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路を容易に確保でき、冷却性能の向上並びに耐久性の向上を図ることができる。また、吸気ポート形成用中子のセット性を向上でき、生産性を高めることができるとともに、排気ポート形成用中子のセット性を向上でき、かつ上下の冷却水通路幅を最大限に確保することができる。
【0018】
請求項2に係る発明によると、吸気によりシリンダの横方向への強い旋回流(スワール流)を形成して、燃焼性能向上を図れる吸気ポート形状並びに排気ポート形状とすることができる。
【0019】
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1及び図2において、直噴式ディーゼルエンジンのアルミニウム鋳造製のシリンダヘッド11には、夫々直動式の2つの吸気弁及び2つの排気弁(図示せず)が備えられ、かつ前記シリンダヘッド11に前記4つの弁により開閉される4つのポート(吸気ポート12,13及び排気ポート14A,14B)が形成されている。
【0021】
各気筒の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士は、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置される。
又、2つの吸気ポート12,13は、夫々ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとして、シリンダヘッド11の一方の側面に開口して図示しない吸気マニホールドと連通される。
【0022】
更に、2つの排気ポート14A,14Bは、各ポート14A,14Bのスロート部からの流れが途中で合流する単一の排気ポート14とされ、シリンダヘッド11の他方の側面に開口して図示しない排気マニホールドと連通される。
一方、シリンダヘッド11の各気筒のシリンダボアの略中心に直立て図示しない燃料噴射ノズルが設けられており、燃料噴射ノズルの取付用ボス15は、シリンダヘッド11の鋳造時にシリンダヘッド11と一体成形される(鋳造型の「第3の部分」による。)。
【0023】
又、排気ポート14A,14Bの各スロート部と燃料噴射ノズルの取付用ボス15との間には、冷却水通路16が形成されている(鋳造型の「第4の部分」による。)。
ここで、吸気弁を2つ備えた直噴式ディーゼルエンジンでは、燃焼性能向上のため、吸気によりシリンダの横方向への強い旋回流(スワール流)を形成するべく、シリンダに対して非対称配置となる吸気ポート形状(ヘリカル、タンジェンシャル)とする必要がある。
【0024】
これに伴い、排気ポートも非対称配置となる。
このような構成では、ートのシリンダヘッド11側壁端面に対して奥まったスロート部に向かうポートは、シリンダ中心から先に進んだ位置までの長さとなる。
このため、シリンダヘッド11の鋳造時の排気ポート形成用中子を、冷却水ジャケット形成用中子20(図2参照)に対して、シリンダ長手方向に対して直角に挿入する方法では、排気ポートのスロート部と燃料噴射ノズルのノズルホールとの間に冷却水通路を形成するのが困難である(排気ポート形成用中子のうち奥まったポートスロート部を形成する中子部分の挿入軌跡により冷却水通路を形成したい部分は全て駄肉となる)。
【0025】
そこで、本構成では、排気ポート形成用中子26(図2参照)の挿入軌跡を、図1のAに示すように、奥まったポートスロート部を形成する中子部分が燃料噴射ノズルのノズルホール15Aを迂回するように湾曲させることで、ノズルホール15A周りに冷却水通路16が形成できるようにする。
この場合、かかる排気ポート形成用中子26の挿入空間を確保するため、排気ポート14Aの外壁と隣り合う気筒の吸気ポート12の外壁とを一部共用化る(図1,図3及び図4の共通外壁17:鋳造型の「第1の部分」による。)。
【0026】
これによって、排気ポート形成用中子26は、冷却水ジャケット形成用中子20に対して、吸気ポート形成用中子27(図2参照)の配置空間の一部を利用して前記ノズルホール15Aを迂回させて挿入することができる。
又、図5に示すように、シリンダヘッド11の終端部にある排気ポート14Aにおいては、隣接する吸気ポート12,13が存在しないため、排気ポート形成用中子26の挿入空間を確保するため、外壁の一部を厚肉に形成する(厚肉部11A:鋳造型の「第2の部分」による。)。
【0027】
従って、ポート形成用中子の挿入順序は、排気ポート形成用中子26、吸気ポート形成用中子27,28の順となる。
又、吸気ポート12,13は、排気ポート14A,14Bと比較して熱負荷が少ないため、その上部に冷却水ジャケットを必要としない。
従って、排気ポート14A,14Bの上部及び下部並びに吸気ポート12,13の下部に夫々冷却水ジャケットを設け(鋳造型の「第5の部分」による。)、燃料噴射ノズルのノズルホール15周りの冷却水通路16により前記上部と下部の冷却水ジャケットを連通させる構成とする。
【0028】
これにより、吸気ポート形成用中子27,28を、図2に示すように、冷却水ジャケット形成用中子20の上からセットすることが可能となり、セット性を向上でき、生産性を高めることができるようになる
一方、排気ポート14A,14Bは、シリンダヘッド11を横断する形状であるため、その全長が長い。
【0029】
従って、排気ポート14A,14Bの上下に冷却水通路を設けようとすると、排気ポート形成用中子26は、冷却水ジャケット形成用中子20における配置空間に対して水平方向に挿入する必要がある。
そこで、本構成においては、排気ポート形成用中子26は、中子26とシリンダヘッド下型29との見切り線30の高さT3(排気ポート14A,14Bのスロート部における排気ポート形成用中子26とシリンダヘッド下型29との割面)を高くした形状として、排気ポート14A,14B全高を低くするようにし、排気ポート形成用中子26のセット性を向上させ、かつ上下の冷却水通路幅を最大限に確保するようにしている。
【0030】
この場合、図6に示すように、前記T3と、排気ポート14A,14Bのスロート部間冷却水通路10Bの上面高さ若しくは排気ポート14A,14B下部の冷却水ジャケット10Aの上部高さのうち高い方の寸法T1と、排気ポート14A,14B上部壁肉厚T2と、シリンダヘッド下型29のポート位置決め用ほぞ29Aの高さT4と、余裕代Δとの関係が次式であるように、各種寸法を設定する。
【0031】
T3>T1+T4−T2−Δ
かかる構成において、排気ポート形成用中子26は、排気ポート14A,14B上部の壁となる冷却水ジャケット形成用中子20内の空間を使用して持ち上げながら冷却水ジャケット形成用中子20における配置空間となる挿入部19(図4参照)に挿入される。
【0032】
これによって、排気ポート形成用中子26は、冷却水ジャケット形成用中子20の下部の冷却水ジャケット部分に当たる部分22(図7参照)とシリンダヘッド下型29のスロート部分上面に設けられた位置決め用ほぞ29Aクリアして所定位置にセットされる。
尚、前記余裕代Δは、中子の寸法バラツキやセット時の位置バランスを考慮したものである。
【0033】
排気ポート14A,14Bのスロート部は、略円筒形に形成され、シリンダヘッド下型29から高く略円筒状に伸びて形成された中子部分29Bによって形成され、スロートカッタ等による機械加工でその形状が仕上げられる。
尚、図4及び図7において、18A,18Bは、冷却水ジャケット形成用中子20における吸気ポート形成用中子27,28の挿入部、23は、吸気ポート下部冷却水ジャケット形成部、25は排気ポート上部冷却水ジャケット形成部である。また、24は、上下冷却水ジャケット連絡通路形成部であり、形成部23及び25と接続している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドの一実施形態の横断面図
【図2】 同上のシリンダヘッドの冷却ジャケット形成用中子に対するポート形成用中子のセット方法を示す斜視図
【図3】同上のシリンダヘッドの排気ポート形成部の縦断面図
【図4】同上のシリンダヘッドの冷却ジャケット形成用中子の斜視図
【図5】同上のシリンダヘッドの横断面図
【図6】同上のシリンダヘッドの縦断面図
【図7】同上のシリンダヘッドの冷却ジャケット形成用中子の下方からの斜視図
【図8】従来のシリンダヘッドの横断面図
【図9】従来のシリンダヘッドの横断面図
【符号の説明】
11 シリンダヘッド
11A 厚肉部
12,13 吸気ポート
14,14A,14B 排気ポート
15 燃料噴射ノズルの取付用ボス
16 冷却水通路
17 共通外壁
20 冷却水ジャケット形成用中子
26 排気ポート形成用中子
27,28 吸気ポート形成用中子
30 見切り線

Claims (5)

  1. 直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドであって、各気筒毎夫々2つの吸気弁及び2つの排気弁を備え、かつ各気筒毎前記4つの弁により開閉される吸気と排気の4つのポートを夫々有し、各気筒毎の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置してなるシリンダヘッドの鋳造型であって、
    燃料噴射ノズルのノズルホール周りにおける冷却水通路の形成のため、シリンダヘッドの鋳造時に使用する排気ポート形成用中子の冷却水ジャケット形成用中子に対する挿入軌跡が、該排気ポート形成用中子が吸気ポート形成用中子の配置空間を経由して、前記燃料噴射ノズルのノズルホールを迂回するように湾曲させて設定され、
    前記シリンダヘッドは、前記排気ポートの上部及び下部並びに前記吸気ポートの下部に夫々冷却水ジャケットを有するものであって、前記燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路により前記上部と下部の冷却水ジャケットが連通され、
    排気ポートのスロート部における排気ポート形成用中子とシリンダヘッド下型との割面の高さT3が、排気ポートのスロート部間の冷却水通路の上面高さ若しくは排気ポート下部の冷却水ジャケットの上部高さのうち高い方の寸法T1、排気ポートの上部壁肉厚T2、シリンダヘッド下型のポート位置決め用ほぞの高さT4及び余裕代Δに対して次式の関係となるように設定されたことを特徴とするシリンダヘッドの鋳造型。
    T3>T1+T4−T2−Δ
  2. 前記2つの吸気ポートを、夫々ヘリカルポートとタンジェンシャルポートとして、シリンダヘッドの一方の側面に開口させるとともに、前記2つの排気ポートを、各ポートのスロート部からの流れが途中で合流する単一の排気ポートとして、シリンダヘッドの他方の側面に開口させる請求項1記載のシリンダヘッドの鋳造型
  3. アルミニウム鋳造製のシリンダヘッドに用いられる請求項1又は2記載のシリンダヘッドの鋳造型
  4. 前記ディーゼルエンジンがDOHC形式のエンジンである請求項1〜3のうちいずれか1つに記載のシリンダヘッドの鋳造型
  5. 直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッドであって、各気筒毎夫々2つの吸気弁及び2つの排気弁を備え、かつ各気筒毎前記4つの弁により開閉される吸気排気の4つのポートを夫々有し、各気筒毎の2つの吸気弁同士並びに2つの排気弁同士を、夫々クランク軸の中心軸方向に略直交する方向に並列するように配置してなるシリンダヘッドの鋳造型において、
    隣接する気筒のシリンダヘッド側壁における吸気ポート開口位置を基準として奥側に延びる吸気ポートの外壁と吸気ポートと隣り合う排気ポートの外壁とをその最近接点で連接させた共用の外壁を形成する第1の部分と、
    シリンダヘッドの気筒列方向の一方の終端壁側に設けられ、その位置に形成される排気ポートの外壁を他の部分の外壁と比較して肉厚に形成する第2の部分と、
    各気筒のシリンダボアの略中心に直立て設けられる燃料噴射ノズルの取付用ボスをシリンダヘッドと一体成形する第3の部分と、
    各気筒の2つの排気ポートの各スロート部と前記燃料噴射ノズルのノズルホールとの間に冷却水通路を形成する第4の部分と、
    前記排気ポートの上部及び下部並びに前記吸気ポートの下部に夫々冷却水ジャケットを形成する第5の部分と、を含んで構成され、
    前記上部と下部の冷却水ジャケットが前記燃料噴射ノズルのノズルホール周りの冷却水通路により連通するように、第4の部分と第5の部分とが接続され、
    排気ポートのスロート部における排気ポート形成用中子とシリンダヘッド下型との割面の高さT3が、排気ポートのスロート部間冷却水通路の上面高さ若しくは排気ポート下部の冷却水ジャケットの上部高さのうち高い方の寸法T1、排気ポート上部壁肉厚T2、シリンダヘッド下型のポート位置決め用ほぞの高さT4及び余裕代Δに対して次式の関係となるように設定されたことを特徴とするシリンダヘッドの鋳造型。
    T3>T1+T4−T2−Δ
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