JP4164945B2

JP4164945B2 - Cylinder head and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4164945B2
Application number: JP16696099A
Authority: JP
Inventors: 英二伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: JP2000356165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関を構成するシリンダヘッドの構造およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１シリンダ当たりに複数の吸気バルブあるいは複数の排気バルブを備える多弁式のシリンダヘッド４では、例えば図８に示すように、これらバルブによって開閉されるポート４１，４２が仕切り壁４１ａ，４２ａによって複数に分岐された形状に形成されることが多い。そして、こうしたポートを分岐する仕切り壁４１ａ，４２ａにあって同ポートの分岐された部分が合流する部分側の端部、すなわちポート又部には、
・シリンダヘッド４を鋳造した後に残る残留応力。
・シリンダヘッド４を内燃機関に組み付ける際の組み付けボルトの締め付けによる組み付け応力。
・内燃機関の運転の際の燃焼室における爆発・燃焼による熱応力。
・同爆発・燃焼による繰返し応力。
といった応力が複合された大きな応力が作用することはよく知られている（図７参照）。
【０００３】
一方、こうしたポート４１，４２は、シリンダヘッド４の鋳造の際に、同図８に鎖線で示すようなシリンダヘッド成形用の鋳型５１，５２，５３，５４内に配設されるポート中子４３によって形成される。このポート中子４３は通常、型枠内にて鋳砂が付き固められて、例えば図９に示される態様で型成形されるが、この型成形の際にその表面には型枠の合わせ面、すなわち見切り線に沿って見切りバリ４７が形成される。なお、上記見切り線は、型枠からポート中子４３を取出すことができるように、同ポート中子４３を平面に投影した場合にその外郭線となる部位に位置するのが普通である。
【０００４】
ところで、このポート中子４３の型成形後には、見切り線に沿って形成された上記見切りバリ４７を削り取る作業が行われるが、この作業の際、往々にして上記見切りバリ４７を削り取った部位には凹部が形成される。そして、こうしてポート中子４３の表面に形成された凹部に起因して上述したシリンダヘッド４の鋳造の際には、先の図８に示されるように、同シリンダヘッド４における上記ポート４１，４２の表面の該凹部に対応する部位に凸部４９が形成されるようになる。また、上述のように見切り線はポート中子４３を平面に投影した場合にその外郭線となる部位に形成されるため、前記ポート又部にもこうした凸部４９が同様に形成されるようになる。
【０００５】
ところが、ポート又部は上述したように、もともと大きな応力が作用する部分であり、同ポート又部にこうして凸部４９が形成される場合には、該凸部４９にその作用する応力が集中することとなって同凸部４９から疲労亀裂が生じ易くなる。すなわち、シリンダヘッド４の耐久性能が著しく低下することとなる。
【０００６】
そこで従来、このような不具合を改善するために、例えば実開平５−１７１４３号公報では、通常アルミニウム合金で鋳造形成されるシリンダヘッド４の鋳造の際に、上記ポート又部に相当する部位を鉄製の板金等によって鋳ぐるみ成形するようにしている。この場合、シリンダヘッド４のポート又部が上記鉄製の板金等の別部材で形成されることとなるために、上述した凸部４９が形成されることはなく、同シリンダヘッド４としての耐久性能が低下することもない。
【０００７】
また、従来は他に、シリンダヘッド４の鋳造後にポート４１，４２の内面を機械加工して表面を滑らかにする方法なども知られている。この場合にも、上記ポート４１，４２の内面が凸部４９等のない滑らかな形状に形成されるため、シリンダヘッド４としてその耐久性能が低下することはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、シリンダヘッド４の吸排気ポート４１，４２の内面に前記凸部４９が形成されないようにしたり、同吸排気ポート４１，４２の内面に凸部４９が形成されてもこれを削ってその表面を滑らかにしたりすることにより、応力が極部的に集中する個所を排除して、同シリンダヘッド４としての耐久性能の低下を抑制することはできる。
【０００９】
しかしこの場合、シリンダヘッド４の形成に際してその鋳型５１，５２，５３，５４内に鉄製の板金等からなる別部材を配置したり、または鋳造後にシリンダヘッド４のポート４１，４２内を機械加工する等の手間のかかる別工程が必要となり、加工工数および加工コストの増大が無視できないものとなる。
【００１０】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工工数や加工コストの増大を伴うことなく、ポート中子の見切りバリに起因して生じるシリンダヘッドの耐久性能の低下を効果的に抑制することのできるシリンダヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
まず、請求項１記載の発明では、鋳造に際してシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に配設されたポート中子によって複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部における前記ポート中子の型成形時の見切り線に沿って形成される凸部が、前記分岐部の並び方向から見た前記ポートの幅方向における中央線から偏倚されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
【００１２】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載のシリンダヘッド構造において、前記凸部が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位側に偏倚されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
【００１３】
また、請求項３記載の発明では、鋳型成形されて複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部に対応する各分岐ポートの略円形の断面の該仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記分岐部の並び方向から見た前記ポートの幅方向における中央線から偏倚されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
【００１４】
また、請求項４記載の発明では、請求項３記載のシリンダヘッド構造において、前記各分岐ポートの略円形の断面の前記仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位側に偏倚されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
また、請求項５記載の発明では、鋳造に際してシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に配設されたポート中子によって複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部における前記ポート中子の型成形時の見切り線に沿って形成される凸部が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位に配置されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
また、請求項６記載の発明では、鋳型成形されて複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部に対応する各分岐ポートの略円形の断面の該仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位に配置されてなるものとしてシリンダヘッドを構成する。
【００１５】
また、請求項７記載の発明では、内燃機関のシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に先端が複数に分岐されたポート中子を配設し、該ポート中子を用いた鋳造によって機関燃焼室側に複数に分岐されるポートを併せ形成するシリンダヘッドの製造方法において、前記ポート中子を形成するための型枠として、同ポート中子の前記複数に分岐される部分の各内側の付け根部分に対応する合わせ面がそれら分岐される部分の並び方向から見た前記ポート中子の幅方向における中央線から偏倚された型枠を用いることとする。
【００１６】
請求項１または７記載の発明の構成または製造方法によれば、前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部において、最も大きい応力（引張応力）がかかる部位である前記分岐部の並び方向から見た前記ポートの幅方向における中央線上に当る部位から適宜偏倚された部位に前記凸部が形成されることとなり、少なくとも該凸部においてはこれにかかる応力が低減されることとなる。このため、当該シリンダヘッドの耐久性能が低下してしまうことを好適に抑制できるようになる。
【００１７】
また、請求項３の発明の構成によっても、請求項１の発明の構成と同様に、前記凸部が上記中央線上に当る部位から適宜偏倚された部位に形成されることとなり、上記と同様の理由によってシリンダヘッドの耐久性能が低下してしまうことを好適に抑制できるようになる。
【００１８】
また、請求項２または４記載の発明の構成によれば、前記凸部が圧縮方向の応力がかかる部位に形成されるため、引張方向の応力がかかる部位に同凸部が形成される場合に比べて、クラックの発生および進行を抑制することができるようになる。
また、請求項５または６記載の発明の構成によっても、上記と同様の理由によってクラックの発生および進行を抑制することができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１〜図４に、この発明にかかるシリンダヘッドおよびその製造方法についてその一実施の形態を示す。
【００２０】
はじめに、同実施の形態にかかるシリンダヘッドおよび製造方法の概要について説明する。
図１に例示するシリンダヘッド１は、例えば吸排気弁が各一対設けられる４バルブ方式の内燃機関に取付けられるものとして構成されている。このシリンダヘッド１には、図示しない燃焼室に空気またはガソリンと空気との混合気を供給できるように、シリンダヘッド１の燃焼室側（図１において下側）から一方壁まで貫通する吸気ポート１１が形成されている。また、燃焼後の排気ガスを燃焼室から排出できるように、シリンダヘッド１の燃焼室側から他方側壁まで貫通する排気ポート１２が形成されている。
【００２１】
このような構造のシリンダヘッド１は、複数の鋳型および複数の中子を用いて鋳造される。具体的には、同図１に鎖線で示す下型２１，上型２２，横型２３および２４によって構成される鋳型の内部に吸気ポート１１および排気ポート１２を形成するための各ポート中子１３等の中子が配設され、その鋳型内に溶湯が流し込まれてシリンダヘッド１が鋳造形成される。
【００２２】
一方、この鋳型内に配設される上記ポート中子１３は、図２に示すように、上型３１と下型３２とで構成される型枠に鋳砂が入れられ、その鋳砂が付き固められて型成形される。この型成形によって図３に示すような形状にポート中子１３は成形される。
【００２３】
図３に示すように、この同ポート中子１３はその基端部に柱状でその断面が長円である固定部１４が形成され、この固定部１４が上記シリンダヘッド１の成形用鋳型に固定されてポート中子１３が同鋳型内に配設される。また、上記固定部１４の先端側には柱状で断面が長円であって同固定部１４より若干細い形状の胴体部１５が突設され、更に該胴体部１５はその先端部において二つの部分に分岐されている。この分岐された部位が下方に曲げられて各分岐部１６が構成されている。
【００２４】
そして本実施の形態にあって、これら各分岐部１６の形状は、同図３に併せ示されるように、ポート中子１３を平面に投影した場合において上記２つの部分に分岐された又部の外郭線を形成する部位の付け根部分が、それら分岐部１６の並び方向から見たポート中子１３の幅方向における中央線より上方に位置するような形状に形成されている。すなわち先の図２についていえば、各分岐部１６の並び方向から見た上記中央線の接線方向において、上記又部の最も先端側に位置する部位Ａが、同中央線より上方に位置する構造となっている。
【００２５】
そしてこの場合、上記部位Ａにて上記接線に対して直交するように切断した場合におけるポート中子１３（各分岐部１６）の略円形の断面形状は、図４（ａ）に示されるように、その最も又部側に位置する部位、すなわち分岐ポートの仕切り壁となる部分を介して互いに最も近接する部位が上方に偏倚するかたちとなる。換言すれば、ポート中子１３の当該部分の断面形状が同図４（ａ）に示される形状をもって形成されるように、上記型枠である上型３１および下型３２の形状が設定されている。すなわち、これら型枠側から見た場合には、上型３１と下型３２との合わせ面となる見切り線３３が、同図４（ａ）に示されるように、上記各分岐部１６の又部に対応する部分で上方に偏倚されている。
【００２６】
なお、図２の上記部位Ａにおいては図４（ａ）に示される態様でその断面が非円形に形成される各分岐部１６も、その先端方向に向けては図３に示される態様で徐々に円形状に移行するよう形成され、上述した偏倚が解除される図２の部位Ｂにおいては、同分岐路１６の断面形状は円形状となる。すなわち、この部位Ｂより先端側の少なくとも吸排気バルブと当接されるポート部分に対応する部位においてはその断面形状が円形状となるように形成される。
【００２７】
ところで、このポート中子１３は上述のように、上型３１および下型３２からなる型枠に鋳砂が入れられ、その鋳砂が付き固められて成形されるが、この両型枠３１，３２はその精度や使用による劣化等が原因で、図４（ｂ）に先の図４（ａ）の領域Ｚ部を拡大して示すように、当該両型枠３１，３２を組み合わせた際には、その合わせ面（見切り線３３）に若干の隙間ができる。このため、上記ポート中子１３を形成すべく鋳砂を付き固めた際に、この隙間に鋳砂が入り込み、この入り込んだ鋳砂によって、型成形後のポート中子１３には上記見切り線３３に沿って見切りバリ１７が形成される。このため、型成形後にこの見切りバリ１７を削り取る作業が行われるが、この作業の際には前述のように、上記見切りバリ１７を削り取った部位に往々にして凹部１８が形成される（図４（ｂ）破線参照）。
【００２８】
従って、このようにして形成されたポート中子１３がシリンダヘッド１成形用の上記鋳型内に配設され、その鋳型内に溶湯が流し込まれてシリンダヘッド１が鋳造される際には図１に併せ示すように、同吸排気ポート１１，１２の内面に、上記ポート中子１３に形成されている凹部１８に相対した形状の凸部１９が形成されるようになる。そして、特に本実施の形態の場合、同吸排気ポート１１，１２にそれぞれ一対ずつ設けられた前記分岐部１６に対応する空間をそれぞれ仕切っている仕切り壁１１ａ，１２ａにあって各分岐部１６が合流する部分側の端部（以下、単に「仕切り壁１１ａ，１２ａの端部」という）においては、図２あるいは図３に例示したポート中子１３の前記形状に起因して、この凸部１９が、前記ポート中子１３の各分岐部１６の並び方向から見て吸排気ポート１１，１２の幅方向における中央線よりも上方に位置する部位に形成されるようになる。
【００２９】
図５および図６は、こうして仕切り壁１１ａ，１２ａの端部に形成される凸部１９を偏倚させることの意味について、発明者による実験結果をもとにその応力（歪振幅）特性を示したものであり、次にこれら図５および図６を併せ参照して、本実施の形態のシリンダヘッドの上記構造に基づく作用を説明する。
【００３０】
これら図５および図６において、図５には吸気ポート１１の仕切り壁１１ａの端部に形成される上記凸部１９の位置についてａ〜ｄの４つのモデルを示し、図６にはそれらモデル位置において測定された内燃機関運転中にかかる平均応力の測定値を示す。
【００３１】
なお、上記モデル位置ａ〜ｄのうち、当該ポート（吸気ポート１１）の分岐される部分（分岐部）の並び方向から見て同ポートの幅方向における中央線（図５鎖線参照）に対応する位置ｂは、図８に例示した従来のシリンダヘッド４において凸部４９が形成されていた位置を示し、その上方に偏倚した位置ｃは、本実施の形態のシリンダヘッド１において上記凸部１９が形成される位置を示す。また、位置ｄはこの位置ｃから更に上方に偏倚した位置、位置ａは上記位置ｂから下方に偏倚した位置をそれぞれ示す。
【００３２】
これら図５および図６から明らかなように、従来のシリンダヘッド４において凸部４９が形成されていた位置ｂでは、内燃機関運転時の平均応力が引張方向に最大となる。前述のように、ポート又部である仕切り壁１１ａはもともと大きな応力が作用する部分ではあるが、このように引張応力が最大となる位置に凸部が形成されることで、これも前述のようにこの凸部に当該応力が集中し、同凸部から疲労亀裂等が生じ易くなる。
【００３３】
これに対し、本実施の形態において凸部１９が形成される位置ｃでは、上記平均応力が圧縮方向に作用するようになる。この圧縮方向の応力とは、クラックの発生および進行を抑制する方向に加わる応力であり、その結果、前記従来のシリンダヘッド４に比べてその耐久性能の低下を抑制することができるようにもなる。すなわち、ポート中子１３を形成するための型枠（上型３１および下型３２）の形状は変えるものの、基本的には前記従来のシリンダヘッド４に準じた製造方法の採用をもって、ポート中子の見切りバリに起因して生じるシリンダヘッドの耐久性能の低下を抑制することができるようになる。またこのことは、上記下方に偏倚した位置ａにおいても同様である。ただし、シリンダヘッド１やポート中子１３の上記形状に鑑みれば、上記位置ｃへの凸部１９の形成がより容易であり、仕切り壁１１ａとしての強度も保証され易い。
【００３４】
その他、上記更に上方に偏倚した位置ｄにおいても、基本的には上記位置ｃや上記位置ａと同様のことがいえ、圧縮方向への応力も更に助長されるようになる。ただし、当該ポート全体としての応力バランス、あるいは歪のばらつきを考慮した場合には、上記中央線に対応する位置ｂからの離間を極力抑えることが望ましく、その意味では、上記位置ｃや上記位置ａの採用がより望ましい。またその場合、上記位置ｂからの離間距離（寸法）も併せて考慮することが望ましく、平均応力が「０」から圧縮方向への応力が作用する範囲でより小さな離間距離に位置ｃや位置ａを設定することも意義がある。
【００３５】
なお、上記のモデルは吸気ポート１１を例にとったものであるが、他方の排気ポート１２に関しても同様のことがいえることはいうまでもない。
以上詳述したように、上記構造をもって鋳造形成される本実施の形態にかかるシリンダヘッドおよびその製造方法によれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（１）クラックの発生および進行を抑制する方向に加わる応力である圧縮応力が加わる部分に凸部１９が形成されることで、シリンダヘッド１の耐久性能の低下を好適に抑制することができる。
（２）ポート中子１３を形成するための型枠（上型３１，下型３２）の形状を変えるだけで、従来と基本的に同じ製造方法を採用できる。すなわち、シリンダヘッド１を鋳造形成した後における吸気ポート１１内面の機械加工等は行う必要がない。
（３）上記（１）において、吸気ポート１１の分岐部の並び方向から見た同吸気ポート１１の幅方向における中央線からの離間距離が小さい部分に凸部１９が形成されることで、同吸気ポート１１全体としての応力バランス、あるいは歪のばらつきを最小限に抑えつつ、シリンダヘッド１の耐久性能の低下を好適に抑制することができる。
【００３６】
なお、この発明にかかるシリンダヘッドおよびその製造方法は上記実施の形態に限定されるものではなく、同実施の形態を適宜変更した、例えば次のような形態として実施することもできる。
【００３７】
・上記実施の形態においては、図５のモデル図の位置ｃに対応して上記凸部１９を形成することとしたが、他の位置ｄや位置ａに同凸部１９を形成することとしてもよい。この場合であれ、上記（１）および（２）に準じた効果を得ることはできる。
【００３８】
・上記実施の形態において、吸排気ポート１１，１２の形状が変われば当然上記平均応力のかかり方も変わってくる。この場合には、上記凸部１９を形成する部位を当該吸排気ポート１１，１２の形状においてクラックの発生および進行を抑制できる部位に適宜変更して同凸部１９を形成するようにすればよい。
【００３９】
・上記実施の形態では、吸排気ポート１１，１２の何れにおいても上記凸部１９を偏倚させる構成としたが、これらの何れか一方のみ偏倚させる構成としてもよい。少なくとも偏倚させたポートにおいてはシリンダヘッド１の耐久性能が低下してしまうことを抑制できるようになる。
【００４０】
・上記実施の形態では、吸排気弁を各一対設ける４バルブ方式で構成したが、吸排気弁の何れか一方を３個設ける５バルブ方式で構成してもよい。この場合にも、当該ポートの形状においてクラックの発生および進行を抑制できる部位に上記凸部１９を形成することで上記と同様の効果を得ることができるようになる。また、これら４バルブ方式あるいは５バルブ方式に限らず、１つのポートに複数のバルブが設けられる内燃機関については同様にこの発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリンダヘッドの一実施の形態についてその正面断面構造を示す断面図。
【図２】同実施の形態のシリンダヘッドの製造に用いられるポート中子成形用の型枠の正面断面構造を示す断面図。
【図３】同実施の形態のシリンダヘッドの製造に用いられるポート中子の斜視構造を示す斜視図。
【図４】同ポート中子の成形態様を示す断面図およびその拡大断面図。
【図５】シリンダヘッドのポート分岐部に形成される凸部の位置モデルを示す断面略図。
【図６】同位置モデルに対応した平均応力分布を示すグラフ。
【図７】シリンダヘッドのポート分岐部にかかる複合応力を示すグラフ。
【図８】従来のシリンダヘッドについてその正面断面構造を示す断面図。
【図９】従来のシリンダヘッドの製造に用いられるポート中子の斜視構造を示す斜視図。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド、１１…吸気ポート、１１ａ…仕切り壁、１２…排気ポート、１２ａ…仕切り壁、１３…ポート中子、１９…凸部、３１…ポート中子成形用上型（型枠）、３２…ポート中子成形用下型（型枠）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a cylinder head constituting an internal combustion engine and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a multi-valve cylinder head 4 having a plurality of intake valves or a plurality of exhaust valves per cylinder, for example, as shown in FIG. 8, ports 41 and 42 opened and closed by these valves are divided into a plurality by partition walls 41a and 42a. Often formed into a branched shape. And in the partition walls 41a and 42a which branch such a port, the end on the part side where the branched part of the port merges , that is, the port or the part,
-Residual stress remaining after the cylinder head 4 is cast.
-Assembly stress due to tightening of assembly bolts when the cylinder head 4 is assembled to the internal combustion engine.
-Thermal stress due to explosion / combustion in the combustion chamber during operation of the internal combustion engine.
・ Repetitive stress due to the same explosion and combustion.
It is well known that a large stress combined with such a stress acts (see FIG. 7).
[0003]
On the other hand, these ports 41 and 42 are port cores 43 disposed in cylinder head molding molds 51, 52, 53, and 54 as shown by chain lines in FIG. Formed by. This port core 43 is usually casted and solidified in a mold, and is molded, for example, in the form shown in FIG. 9, but the surface of the mold is aligned on the surface at the time of molding. That is, the parting burr 47 is formed along the parting line. Note that the parting line is usually located at a portion that becomes an outline when the port core 43 is projected onto a plane so that the port core 43 can be taken out of the formwork.
[0004]
By the way, after the port core 43 is molded, an operation for scraping the parting burr 47 formed along the parting line is performed. In this operation, the parting part burr 47 is often scraped off. A recess is formed. When the cylinder head 4 is cast as described above due to the recess formed on the surface of the port core 43, the ports 41 and 42 in the cylinder head 4 are shown in FIG. The convex part 49 comes to be formed in the site | part corresponding to this concave part of the surface of this. Further, as described above, the parting line is formed at a portion that becomes an outline when the port core 43 is projected onto a plane, so that such a convex portion 49 is similarly formed at the port or the portion. Become.
[0005]
However, as described above, the port or portion is originally a portion to which a large stress acts, and when the convex portion 49 is thus formed on the port or portion, the stress acting on the convex portion 49 is concentrated. As a result, fatigue cracks are easily generated from the convex portions 49. That is, the durability performance of the cylinder head 4 is significantly reduced.
[0006]
Therefore, conventionally, in order to improve such a problem, for example, in Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-17143, when the cylinder head 4 which is usually cast and formed of an aluminum alloy is cast, a portion corresponding to the port or portion is made of iron. It is made by cast-in-metal molding with a sheet metal or the like. In this case, since the port or portion of the cylinder head 4 is formed of a separate member such as the above-described iron sheet metal, the above-described convex portion 49 is not formed, and the durability performance as the cylinder head 4 is achieved. Will not drop.
[0007]
In addition, conventionally, there is also known a method in which the inner surfaces of the ports 41 and 42 are machined to smooth the surfaces after the cylinder head 4 is cast. Also in this case, since the inner surfaces of the ports 41 and 42 are formed in a smooth shape without the convex portions 49 or the like, the durability performance of the cylinder head 4 is not lowered.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, the convex portions 49 are not formed on the inner surfaces of the intake and exhaust ports 41 and 42 of the cylinder head 4, or even if the convex portions 49 are formed on the inner surfaces of the intake and exhaust ports 41 and 42, they are removed. By smoothing the surface, it is possible to eliminate the location where the stress is extremely concentrated and to suppress the deterioration of the durability performance of the cylinder head 4.
[0009]
However, in this case, when the cylinder head 4 is formed, another member made of iron sheet metal or the like is arranged in the molds 51, 52, 53, 54, or the inside of the ports 41, 42 of the cylinder head 4 is machined after casting. Such a time-consuming separate process is required, and the increase in processing man-hours and processing costs cannot be ignored.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to reduce the durability performance of the cylinder head caused by parting burr of the port core without increasing the number of processing steps and processing costs. An object of the present invention is to provide a cylinder head that can be effectively suppressed and a method of manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the following, means for achieving the above object and its effects are described.
First, in the first aspect of the present invention, the cylinder head having a port formed in a shape which is branched into a plurality by the provided port core in a mold for forming the cylinder head body during casting, before Symbol Convex portions formed along a parting line at the time of molding of the port core at the end portion on the part side where the branch portions meet at a partition wall that divides the branch portion of the port are arranged in the branch portions. The cylinder head is configured as being deviated from the center line in the width direction of the port as viewed from the direction .
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the cylinder head structure according to the first aspect, the average stress during operation of the internal combustion engine provided with the cylinder head, of the end portion of the partition wall , is the compression direction. The cylinder head is configured as being biased toward the site acting on the cylinder.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in a cylinder head including a port formed in a shape that is molded and branched into a plurality of branches, the branching portions are joined at a partition wall that divides the branching portion of the port. The portions closest to each other through the partition wall of the substantially circular cross section of each branch port corresponding to the end portion on the partial side are biased from the center line in the width direction of the port as seen from the direction in which the branch portions are arranged. A cylinder head is formed as a result.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the cylinder head structure according to the third aspect of the present invention, the portions that are closest to each other through the partition wall having a substantially circular cross section of each branch port are the end portions of the partition wall. Among these, the cylinder head is configured such that an average stress during operation of the internal combustion engine including the cylinder head is biased toward a portion acting in the compression direction.
According to a fifth aspect of the present invention, in the cylinder head comprising a port formed in a shape branched into a plurality by a port core disposed in a mold for forming the cylinder head body during casting, the port A convex portion formed along a parting line at the time of molding of the port core at the end portion on the part side where the respective branch portions meet each other is an end portion of the partition wall. Among them, the cylinder head is configured as one that is disposed at a site where an average stress during operation of the internal combustion engine including the cylinder head acts in the compression direction.
According to a sixth aspect of the present invention, in a cylinder head having a port formed in a shape that is molded and branched into a plurality of shapes, the branching portion joins at a partition wall that divides the branching portion of the port. The portions closest to each other through the partition wall of the substantially circular cross section of each branch port corresponding to the end portion on the partial side are during operation of the internal combustion engine including the cylinder head among the end portions of the partition wall. The cylinder head is configured so that the average stress is disposed at a site where the average stress acts in the compression direction.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, a port core having a plurality of branched ends is disposed in a mold for forming a cylinder head body of an internal combustion engine, and engine combustion is performed by casting using the port core. In the manufacturing method of a cylinder head in which a plurality of ports branched to the chamber side are formed together, as a mold for forming the port core, each inner root of the portion branched to the plurality of the port core A formwork in which the mating surfaces corresponding to the portions are deviated from the center line in the width direction of the port core viewed from the arrangement direction of the branched portions is used.
[0016]
According to the configuration or the manufacturing method of the invention according to claim 1 or 7 , the largest stress (tensile stress) at the end portion on the side of the partition wall that divides the branch portion of the port and where the branch portions meet. The convex portion is formed in a portion that is appropriately deviated from a portion that hits the center line in the width direction of the port as viewed from the direction in which the branch portions are arranged , and at least in the convex portion. Such stress is reduced. For this reason, it can suppress now that the durable performance of the said cylinder head falls.
[0017]
Further, according to the configuration of the invention of claim 3, similarly to the configuration of the invention of claim 1, the convex portion is formed in a portion that is appropriately deviated from the portion that hits the center line. It becomes possible to suppress suitably that the durable performance of a cylinder head falls for a reason.
[0018]
Further, according to the configuration of the invention according to claim 2 or 4, when the convex portion is formed in a portion where stress in the compression direction is applied, the convex portion is formed in a portion where stress in the tensile direction is applied. In comparison, the generation and progress of cracks can be suppressed.
Further, according to the configuration of the invention described in claim 5 or 6, the generation and progress of cracks can be suppressed for the same reason as described above.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 4 show an embodiment of a cylinder head and a manufacturing method thereof according to the present invention.
[0020]
First, an outline of a cylinder head and a manufacturing method according to the embodiment will be described.
A cylinder head 1 illustrated in FIG. 1 is configured to be attached to, for example, a 4-valve internal combustion engine in which a pair of intake and exhaust valves are provided. The cylinder head 1 has an intake port 11 penetrating from the combustion chamber side (lower side in FIG. 1) to one wall so that air or a mixture of gasoline and air can be supplied to a combustion chamber (not shown). Is formed. Further, an exhaust port 12 penetrating from the combustion chamber side of the cylinder head 1 to the other side wall is formed so that the exhaust gas after combustion can be discharged from the combustion chamber.
[0021]
The cylinder head 1 having such a structure is cast using a plurality of molds and a plurality of cores. Specifically, each port core 13 and the like for forming the intake port 11 and the exhaust port 12 in the mold constituted by the lower mold 21, the upper mold 22, and the horizontal molds 23 and 24 shown by chain lines in FIG. The core is disposed, and the molten metal is poured into the mold to cast the cylinder head 1.
[0022]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the port core 13 disposed in the mold is filled with casting sand in a mold frame composed of an upper mold 31 and a lower mold 32, and the casting sand is attached thereto. Solidified and molded. By this mold forming, the port core 13 is formed into a shape as shown in FIG.
[0023]
As shown in FIG. 3, the port core 13 is formed with a fixing portion 14 having a columnar shape and an oval cross section at the base end portion, and the fixing portion 14 is fixed to the molding mold of the cylinder head 1. Thus, the port core 13 is disposed in the same mold. Further, a body 15 having a columnar shape and an ellipse in section and slightly narrower than the fixed part 14 is projected from the distal end side of the fixed part 14, and the body 15 has two parts at the distal end. It is branched to. Each branched portion 16 is configured by bending the branched portion downward.
[0024]
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the shape of each branching portion 16 is that of the split portion branched into the two portions when the port core 13 is projected onto a plane. The base portion of the portion forming the outline is formed in a shape that is located above the center line in the width direction of the port core 13 as viewed from the direction in which the branch portions 16 are arranged . That is, with respect to FIG. 2 above , in the tangential direction of the center line as viewed from the direction in which the branch portions 16 are arranged , the portion A located on the most distal side of the top part is located above the center line. It has become.
[0025]
In this case, the substantially circular cross-sectional shape of the port core 13 (each branching portion 16) when the part A is cut so as to be orthogonal to the tangent line is as shown in FIG. The part located closest to the part, that is, the part closest to each other through the part that becomes the partition wall of the branch port, is biased upward. In other words, the shapes of the upper mold 31 and the lower mold 32, which are the molds, are set so that the cross-sectional shape of the portion of the port core 13 is formed with the shape shown in FIG. Yes. That is, when viewed from these mold frame sides, the parting line 33 that becomes the mating surface of the upper mold 31 and the lower mold 32 is shown in FIG. The portion corresponding to the portion is biased upward.
[0026]
In addition, in the part A of FIG. 2, each branch part 16 whose cross section is formed in a non-circular shape in the mode shown in FIG. 4A is also gradually in the mode shown in FIG. In the region B of FIG. 2 where the above-described deviation is released, the cross-sectional shape of the branch path 16 is circular. That is, at least a portion corresponding to the port portion in contact with the intake / exhaust valve on the tip side from the portion B is formed so that its cross-sectional shape is circular.
[0027]
By the way, as described above, the port core 13 is formed by putting casting sand into a mold made up of the upper mold 31 and the lower mold 32, and then molding the cast sand. 32 is due to its accuracy, deterioration due to use, etc., and when the two molds 31 and 32 are combined, as shown in FIG. 4 (b), the area Z in FIG. 4 (a) is enlarged. Has a slight gap on the mating surface (parting line 33). For this reason, when the sand sand is formed and hardened to form the port core 13, the sand sand enters the gap, and the parting line 33 is formed in the port core 13 after molding by the sand sand. A parting burr 17 is formed along the line. For this reason, an operation of scraping off the parting burr 17 is performed after the molding, and at this time, as described above, the concave part 18 is often formed in a part where the parting burr 17 is scraped (FIG. 4). (B) See broken line).
[0028]
Accordingly, when the port core 13 formed in this way is disposed in the mold for forming the cylinder head 1, and when the molten metal is poured into the mold and the cylinder head 1 is cast, FIG. As also shown, a convex portion 19 having a shape opposite to the concave portion 18 formed in the port core 13 is formed on the inner surfaces of the intake and exhaust ports 11 and 12. In particular, in the case of the present embodiment, each of the branch portions 16 is provided in the partition walls 11a and 12a that partition the spaces corresponding to the branch portions 16 provided in pairs on the intake and exhaust ports 11 and 12, respectively. At the end of the part to be joined (hereinafter simply referred to as “ ends of the partition walls 11a and 12a”) , this convex portion 19 is caused by the shape of the port core 13 illustrated in FIG. 2 or FIG. However , it is formed at a position located above the center line in the width direction of the intake / exhaust ports 11 and 12 when viewed from the direction in which the branch portions 16 of the port core 13 are arranged .
[0029]
FIGS. 5 and 6 show the stress (strain amplitude) characteristics of the meaning of biasing the convex portions 19 formed at the end portions of the partition walls 11a and 12a based on the experimental results by the inventors. Next, referring to these FIG. 5 and FIG. 6 together, the operation based on the above structure of the cylinder head of the present embodiment will be described.
[0030]
5 and 6, FIG. 5 shows four models a to d with respect to the position of the convex portion 19 formed at the end of the partition wall 11 a of the intake port 11, and FIG. 6 shows the model positions. The measured value of the average stress applied during the operation of the internal combustion engine measured in (1) is shown.
[0031]
In addition, among the model positions a to d, it corresponds to the center line (see the chain line in FIG. 5) in the width direction of the port (intake port 11) when viewed from the arrangement direction of the branched portion (branch portion) of the port . The position b shows the position where the convex part 49 was formed in the conventional cylinder head 4 illustrated in FIG. 8, and the position c biased upward is the position where the convex part 19 is in the cylinder head 1 of the present embodiment. The position to be formed is shown. Further, the position d indicates a position deviating further from the position c, and the position a indicates a position deviating downward from the position b.
[0032]
As is apparent from FIGS. 5 and 6, at the position b where the convex portion 49 is formed in the conventional cylinder head 4, the average stress during the operation of the internal combustion engine becomes maximum in the tensile direction. As described above, the partition wall 11a, which is a port or a portion, is originally a portion where a large stress acts, but by forming a convex portion at a position where the tensile stress is maximized as described above, this is also as described above. The stress concentrates on the convex portion, and fatigue cracks or the like are likely to occur from the convex portion.
[0033]
On the other hand, in the present embodiment, the average stress acts in the compression direction at the position c where the convex portion 19 is formed. The stress in the compression direction is a stress applied in a direction that suppresses the generation and progression of cracks, and as a result, it is possible to suppress a decrease in durability as compared with the conventional cylinder head 4. . That is, although the shape of the mold for forming the port core 13 (the upper mold 31 and the lower mold 32) is changed, the port core basically adopts a manufacturing method according to the conventional cylinder head 4. It is possible to suppress a decrease in the durability performance of the cylinder head caused by the parting burr. The same applies to the position a biased downward. However, in view of the shapes of the cylinder head 1 and the port core 13, it is easier to form the convex portion 19 at the position c, and the strength as the partition wall 11a is easily guaranteed.
[0034]
In addition, at the position d biased further upward, basically the same as the position c and the position a, the stress in the compression direction is further promoted. However, when considering the stress balance or distortion variation of the port as a whole, it is desirable to suppress the separation from the position b corresponding to the center line as much as possible. In that sense, the position c and the position a Is more desirable. In that case, it is desirable to consider the separation distance (dimension) from the position b as well, and the position c and the position a are set to a smaller separation distance in the range in which the stress in the compressive direction acts from “0”. It is also meaningful to set
[0035]
Although the above model takes the intake port 11 as an example, it goes without saying that the same applies to the other exhaust port 12.
As described above in detail, according to the cylinder head and the manufacturing method thereof according to the present embodiment cast and formed with the above structure, the following effects can be obtained.
(1) Since the convex part 19 is formed in the part to which the compressive stress which is the stress added to the direction which suppresses generation | occurrence | production and progress of a crack, the fall of the durability performance of the cylinder head 1 can be suppressed suitably.
(2) Basically the same manufacturing method as in the prior art can be adopted only by changing the shape of the mold (upper mold 31 and lower mold 32) for forming the port core 13. That is, it is not necessary to machine the inner surface of the intake port 11 after the cylinder head 1 is cast.
(3) In the above (1), the convex portion 19 is formed in a portion having a small separation distance from the center line in the width direction of the intake port 11 when viewed from the direction in which the branched portions of the intake port 11 are arranged. It is possible to suitably suppress a decrease in the durability performance of the cylinder head 1 while minimizing the stress balance or distortion variation of the intake port 11 as a whole.
[0036]
Note that the cylinder head and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, and the embodiment can be appropriately modified, for example, as follows.
[0037]
In the above embodiment, the convex portion 19 is formed corresponding to the position c in the model diagram of FIG. 5, but the convex portion 19 may be formed at other positions d and a. Good. Even in this case, the effects according to the above (1) and (2) can be obtained.
[0038]
-In the said embodiment, if the shape of the intake / exhaust ports 11 and 12 changes, naturally the method of applying the said average stress will also change. In this case, the convex portion 19 may be formed by appropriately changing the portion where the convex portion 19 is formed to a portion where the generation and progression of cracks can be suppressed in the shape of the intake and exhaust ports 11 and 12. .
[0039]
In the above embodiment, the convex portion 19 is biased in any of the intake / exhaust ports 11, 12, but only one of these may be biased. At least in the biased port, it is possible to prevent the durability performance of the cylinder head 1 from deteriorating.
[0040]
In the above embodiment, the four-valve system is provided with a pair of intake / exhaust valves, but may be configured with a five-valve system in which any one of the three intake / exhaust valves is provided. Also in this case, it is possible to obtain the same effect as described above by forming the convex portion 19 in a portion where the generation and progress of cracks can be suppressed in the shape of the port. In addition, the present invention can be similarly applied to an internal combustion engine in which a plurality of valves are provided in one port, without being limited to these four-valve or five-valve systems.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a front sectional structure of an embodiment of a cylinder head of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a front cross-sectional structure of a port core mold for use in manufacturing the cylinder head according to the embodiment;
FIG. 3 is a perspective view showing a perspective structure of a port core used for manufacturing the cylinder head according to the embodiment;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a molding mode of the port core and an enlarged cross-sectional view thereof.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a position model of a convex portion formed at a port branch portion of a cylinder head.
FIG. 6 is a graph showing an average stress distribution corresponding to the same position model.
FIG. 7 is a graph showing a composite stress applied to a port branch portion of a cylinder head.
FIG. 8 is a sectional view showing a front sectional structure of a conventional cylinder head.
FIG. 9 is a perspective view showing a perspective structure of a port core used for manufacturing a conventional cylinder head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder head, 11 ... Intake port, 11a ... Partition wall, 12 ... Exhaust port, 12a ... Partition wall, 13 ... Port core, 19 ... Convex part, 31 ... Upper mold (form frame) for port core molding, 32: Lower mold (form frame) for forming a port core.

Claims

鋳造に際してシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に配設されたポート中子によって複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、
前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部における前記ポート中子の型成形時の見切り線に沿って形成される凸部が、前記分岐部の並び方向から見た前記ポートの幅方向における中央線から偏倚されてなる
ことを特徴とするシリンダヘッド。In a cylinder head comprising a port formed in a shape branched into a plurality by a port core disposed in a mold for forming a cylinder head body during casting,
Protrusions formed along the parting line during molding of the port core there a branch portion on the partition walls defining the ends of the partial side of each branch portion is merged before Symbol ports, the branch portion A cylinder head, wherein the cylinder head is biased from a center line in the width direction of the ports as viewed from the direction in which they are arranged.

前記凸部が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位側に偏倚されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。The said convex part is biased to the site | part side in which the average stress during operation | movement of an internal combustion engine provided with the said cylinder head acts among the edge parts of the said partition wall acts in a compression direction. Cylinder head.

鋳型成形されて複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、
前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部に対応する各分岐ポートの略円形の断面の該仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記分岐部の並び方向から見た前記ポートの幅方向における中央線から偏倚されてなる
ことを特徴とするシリンダヘッド。In a cylinder head having a port formed in a shape that is molded and branched into a plurality of branches,
Site nearest to each other substantially via the partition wall of circular cross-section of each branch port corresponding to the end portion side of the branch portion be in a partition wall partitioning the branch portion of the ports are merging, the A cylinder head characterized by being deviated from a center line in the width direction of the port as seen from the direction in which the branching portions are arranged .

前記各分岐ポートの略円形の断面の前記仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位側に偏倚されてなる
ことを特徴とする請求項３に記載のシリンダヘッド。The portions closest to each other through the partition wall of the substantially circular cross section of each branch port are subjected to an average stress in the compression direction during the operation of the internal combustion engine including the cylinder head among the end portions of the partition wall. The cylinder head according to claim 3, wherein the cylinder head is biased toward a portion to be operated.

鋳造に際してシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に配設されたポート中子によって複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、In a cylinder head comprising a port formed into a shape branched into a plurality by a port core disposed in a mold for forming a cylinder head body during casting,
前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部における前記ポート中子の型成形時の見切り線に沿って形成される凸部が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位に配置されてなる A convex portion formed along a parting line at the time of molding of the port core at the end portion on the part side where the branch portions meet at the partition wall that divides the branch portion of the port is formed on the partition wall. Among the ends, the average stress during the operation of the internal combustion engine including the cylinder head is arranged at a portion where it acts in the compression direction.
ことを特徴とするシリンダヘッド。 Cylinder head characterized by that.

鋳型成形されて複数に分岐される形状に形成されたポートを備えるシリンダヘッドにおいて、In a cylinder head provided with a port formed in a shape that is molded and branched into a plurality of branches,
前記ポートの分岐部を区画する仕切り壁にあって各分岐部が合流する部分側の端部に対応する各分岐ポートの略円形の断面の該仕切り壁を介して互いに最も近接する部位が、前記仕切り壁の端部のうち、当該シリンダヘッドを備える内燃機関の運転中における平均応力が圧縮方向に作用する部位に配置されてなる The portions that are closest to each other through the partition wall of the substantially circular cross section of each branch port that corresponds to the end portion on the part side where the branch portions meet at the partition wall that divides the branch portion of the port, Among the end portions of the partition wall, the average stress during the operation of the internal combustion engine including the cylinder head is disposed at a site where the average stress acts in the compression direction.
ことを特徴とするシリンダヘッド。 Cylinder head characterized by that.

内燃機関のシリンダヘッド本体を形成するための鋳型内に先端が複数に分岐されたポート中子を配設し、該ポート中子を用いた鋳造によって機関燃焼室側に複数に分岐されるポートを併せ形成するシリンダヘッドの製造方法において、A port core having a plurality of branched ends is disposed in a mold for forming a cylinder head body of an internal combustion engine, and a port branched into the engine combustion chamber side by casting using the port core is provided. In the manufacturing method of the cylinder head formed together,
前記ポート中子を形成するための型枠として、同ポート中子の前記複数に分岐される部分の各内側の付け根部分に対応する合わせ面がそれら分岐される部分の並び方向から見た前記ポート中子の幅方向における中央線から偏倚された型枠を用いる As the form for forming the port core, the port as seen from the alignment direction of the branching portions corresponding to the inner root portions of the plurality of branching portions of the port core Use a form deviated from the center line in the width direction of the core
ことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。 A method of manufacturing a cylinder head.