JP4595843B2 - 内燃機関の排気ポートライナおよびシリンダヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気ポートにおける排気温度の低下を抑制するために排気ポート内周面に配設される排気ポートライナに関する。

排気温度の低下を抑制するために、排気ポートの内周面に、より熱伝達率の低い材料からなる筒状の排気ポートライナを配設することが従来から行われており、例えば、アルミニウム合金等の鋳造からなるシリンダヘッドの鋳造時に、別部材からなる排気ポートライナを鋳ぐるみにより取り付けることが多く行われている。

特許文献１には、バルブシート付近からシリンダヘッド側面のポート開口面に至る排気ポートのほぼ全長に亘る長さの排気ポートライナをシリンダヘッド鋳造時に鋳ぐるむとともに、バルブシート側の一端（上流端）を固定し、かつポート開口面側の他端（下流端）を、断熱材を介在させることによりシリンダヘッドの母材と接合していない自由端とした構成が開示されている。
特開２００３−２８６８９７号公報

上記構成においては、排気ポートライナの上流端がバルブシートに隣接して設けられているので、熱膨張による排気ポートライナの応力がバルブシートに伝わり、バルブシートに浮きが生じる虞がある。

また、内燃機関の運転中は、排気ポートライナよりもシリンダヘッドの母材の熱膨張の方が大きくなるため、形状が複雑な排気ポートライナの上流側部分では、固定されているバルブシート側の上流端との間で引張応力が発生し、亀裂や破損が生じやすい。

この発明に係る内燃機関の排気ポートライナは、間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成され、シリンダヘッドの排気ポートのバルブガイドよりも下流側に鋳ぐるみされるとともに、その上流側端部がシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端として構成され、かつ下流側端部は、排気マニホルドとの間で挟持固定される固定端として構成され、
さらに、上記外管は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第１のビード部と第２のビード部とを有し、上記第１のビード部が外周側へ膨出し、該第１のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第１のビード部が軸方向に縮まるように変形可能であるとともに、上記第２のビード部が内周側へ窪んでおり、該第２のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第２のビード部が軸方向に伸びるように変形可能であることを特徴としている。

また本発明のシリンダヘッドの製造方法は、間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成されたポートライナを、シリンダヘッドの鋳造時に該シリンダヘッドの母材と溶着しない材料から構成するとともに、上記外管には、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第１のビード部と第２のビード部とを設け、上記第１のビード部が外周側へ膨出し、上記第２のビード部が内周側へ窪んでいるように構成し、
シリンダヘッドの鋳造時に、このポートライナを、排気ポートのバルブガイドよりも下流側の位置に鋳ぐるみ、その上流側端部をシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端とするとともに、鋳造後に、上記下流側端部が位置するシリンダヘッドの排気マニホルド取付面を機械加工し、上記下流側端部の外周側へ拡がったフランジ部が上記排気マニホルド取付面に露出するようにしたことを特徴としている。

すなわち、本発明においては、例えば、シリンダヘッドがアルミニウム合金等からなり、排気ポートライナがステンレス鋼板からなるが、シリンダヘッドの鋳造時に鋳ぐるみによりシリンダヘッド内に配置された排気ポートライナは、その表面同士が溶着することはなく、その形状による物理的な係合によって母材内に保持される。そのため、上流側端部を母材と係合しない複雑形状としないことにより、母材に対し軸方向に変位可能な自由端となる。これにより、母材との相対的な熱膨張差による変位が許容され、過大な応力発生が回避される。これに対し、下流側端部は、シリンダヘッドの排気マニホルド取付面に露出し、該取付面に締付固定される排気マニホルドとの間で挟持されて、固定端となる。これにより、排気ポートライナの無用な動きや振動が回避される。

この発明によれば、排気ポートライナの母材に対する相対的な伸縮がバルブシートに影響することがなく、また、過大な応力による排気ポートライナの亀裂や破損を防止することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る排気ポートライナ３１を備えた内燃機関のシリンダヘッド１の断面を示している。このシリンダヘッド１は、例えばアルミニウム合金等の軽合金によって一体に鋳造されているものであって、下面つまりシリンダブロック取付面５に燃焼室４が凹設されているとともに、クロスフロー形式に吸気ポート３と排気ポート２とが形成されている。シリンダヘッド１内部には、これらの燃焼室４や吸気ポート３、排気ポート２の周囲を囲むように一体に連通したウォータジャケット１１，１２，１３，１４が中子により形成されている。

上記シリンダヘッド１の排気弁側の側面は、排気マニホルド取付面２３として機械加工されており、上記排気ポート２は、下流端が、この排気マニホルド取付面２３に開口している。上記排気ポート２は、排気マニホルド取付面２３に近い下流側部分がほぼ直線状をなし、かつ燃焼室４に近い上流側部分は、バルブガイド２１が位置する付近から燃焼室４へ向かって緩いＬ字形をなすように湾曲している。排気ポートライナ３１は、この排気ポート２の中の直線状に近い下流側部分、特に、複雑形状となるバルブガイド２１を避けて、これよりも下流側の部分に設けられている。

図２は、上記排気ポートライナ３１の詳細を示す断面図であって、この排気ポートライナ３１は、全体としてほぼ円筒状をなしており、間に空気層を有する二重管となるように、熱伝導率が低いステンレス鋼板からなる内管３６と外管３２とが組み合わされている。上記内管３６は、その内周面が排気ポート２の実質的な流路面となるものであって、上流側端部３９は、折れ曲がることなく直線状に（換言すれば単純な円筒状に）延びている。これに対し、外管３２の上流側端部３５は、外管３２の中央の本体部分から内周側へステップ状に折れ曲がった段差部３２Ｄを介して、上記内管３６の外周面に沿う口径となるように形成されており、この外管３２の上流側端部３５と上記内管３６の上流側端部３９とが互いに接合されている。なお、両者を予め溶接等により堅固に接合してもよく、あるいは単に密に嵌合した状態としてもよい。

一方、排気マニホルド取付面２３に位置する外管３２の下流側端部は、外周側へ斜めに拡がった下流端フランジ部３３として形成されている。これに対し、内管３６の下流側端部は、同じ角度でもって外周側へ斜めに拡がった下流端フランジ部３７を有し、これらの双方の下流端フランジ部３３，３７が互いに重なり合った状態に接合されている。この部分も、やはり溶接等により堅固に接合してもよく、あるいは、単に嵌合しただけの状態のままとしてもよい。ここで、上記内管３６の下流側端部においては、図５および図６に示すように、上記下流端フランジ部３７の内周側に、部分的に軸方向に突出した凸部５１と相対的に軸方向に窪んだ凹部５２とが波形をなすように周方向に交互に並んでなる波状部５０を備えている。上記凸部５１の軸方向先端面は、内管３６の中心線に対し実質的に垂直であり、これに対し、上記凹部５２の軸方向先端面は、上記下流端フランジ部３７に連続する傾斜面をなしている。従って、外管３２の下流端フランジ部３３は、より詳しくは、凹部５２の外周側の一部と上記下流端フランジ部３７との両者に亘って接合されている（図６参照）。つまり、図５に示すように、傾斜面の全体の半径方向の幅はＬ１であり、その中の凹部５２の傾斜面の半径方向の幅はＬ２である。

また、上記内管３６は、その軸方向の２箇所に、軸方向の伸縮を許容するための環状に連続したビード部３８を有している。このビード部３８は、断面がＵ字形ないしＣ字形をなすように外周側へ向かって膨出形成されているものであって、軸方向の幅が比較的狭く、また、空気層内に突出した最大外径部が外管３２内周面に接触することがないように、その径が設定されている。

さらに、上記外管３２は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第１のビード部３４１と第２のビード部３４２とを有している。これらのビード部３４１，３４２は、上記内管３６のビード部３８よりも軸方向の幅が広く、かつ断面がＣ字形をなすように加工されたものであって、特に、上流側に位置する第１のビード部３４１が外周側へ膨出し、下流側に位置する第２のビード部３４２が内周側へ窪んでいる。この第２のビード部３４２も、内管３６に接触することがないように、その径が設定されている。

図２は、上記のような構成の排気ポートライナ３１がシリンダヘッド１に鋳ぐるみにより配置された状態を示している。すなわち、上述した形状に形成した内管３６および外管３２を一体に組み立てた排気ポートライナ３１を、排気ポート２に対応する中子とともに鋳型内にセットし、アルミニウム合金等による鋳造を行ったものである。この状態では、シリンダヘッド１の母材が外管３２の外形状に沿って凝固する結果、排気ポートライナ３１が物理的に固定保持されるが、外管３２の外表面とシリンダヘッド１の母材表面とは溶着はしていない。従って、排気ポートライナ３１の上流側端部３５，３９は、シリンダヘッド１の母材に対し軸方向に変位可能な自由端となっている。より詳しくは、段差部３２Ｄが母材の階段状部分と当接するため、図２の位置から伸長側（図の左側）には変位できないが、収縮側（図の右側）には相対変位可能である。

一方、排気ポートライナ３１の下流端フランジ部３３，３７は、排気マニホルド取付面２３に露出しており、ここに図３，図４に示す排気マニホルド４２の取付フランジ４１がガスケット４０とともに取り付けられることにより、下流端フランジ部３３，３７の背部に位置するシリンダヘッド１の母材との間で、挟持固定される。つまり、外周側へ拡がった下流端フランジ部３３，３７は、図２の左方へ変位することはできないため、排気マニホルド４２が取り付けられた状態では、軸方向に全く変位することができない固定端となる。

ここで、上記排気マニホルド取付面２３は、シリンダヘッド１を排気ポートライナ３１とともに鋳造した後に、所定の精度の平面となるように機械加工が施されるが、この際に、下流端フランジ部３３，３７の外周縁の一部も同時に切削され得る。この場合も、下流端フランジ部３３，３７は、図２に明らかなように斜めに傾斜しているので、外周縁が部分的に削り取られるに過ぎず、排気ポートライナ３１を固定する固定端としての機能が失われることがない。

上記のように構成された排気ポートライナ３１によれば、熱伝導率の低いステンレス鋼板からなるとともに、中間に空気層を有することから、高い断熱作用が得られ、排気ガス温度を高い状態に保持できる。これにより、例えば、図示しない下流側の触媒コンバータにおける触媒の早期活性が図れ、あるいは冷却損失の抑制が可能となる。

次に、シリンダヘッド１の温度が変化したときの作用を説明する。

図３は、機関停止中でかつシリンダヘッド１全体が極低温にあるときの状態を示すもので、この条件下では、排気ポートライナ３１に対し、シリンダヘッド１の熱収縮が相対的に大きい。従って、外管３２の段差部３２Ｄは、シリンダヘッド１の母材により図の右方へ押圧され、外管３２に圧縮応力が発生するが、外周側へ膨出した第１のビード部３４１が母材から離れて軸方向に縮まるように弾性変形するので、応力が吸収され、外管３２の変形や破損が回避される。

なお、シリンダヘッド１の熱収縮に伴い、排気ポートライナ３１の下流側端部が排気マニホルド４２側へ押し出されようとした場合、下流端フランジ部３３，３７に加えて、波状部５０（凸部５１）が排気マニホルド４２（ガスケット４０）に当接して確実に拘束されるので、固定端として、その位置が確実に保持される。

図４は、内燃機関の高負荷運転により高温となっているときの状態を示しており、この条件下では、排気ポートライナ３１（外管３２）に対し、シリンダヘッド１の熱膨張が相対的に大きい。従って、外管３２に引張応力が発生するが、このときは、内周側へ窪んだ第２のビード部３４２が母材から離れて軸方向に伸びるように弾性変形し得るので、やはり応力が吸収され、外管３２の変形や破損が回避される。なお、このとき、上流側端部３５，３９は軸方向に変位可能であり、外管３２の段差部３２Ｄと母材との間に僅かな間隙３６Ｈが生じうる。

また高温の排気ガスにより内管３６のみが高温となるので、内管３６には、熱膨張による圧縮応力が作用するが、内管３６のビード部３８によって同様に応力が吸収され、内管３６の変形や破損が回避される。

本発明の排気ポートライナを備えたシリンダヘッド全体の断面図。 排気ポートライナを備えた排気ポートの断面図。 低温時の状態を示す断面図。 高温時の状態を示す断面図。 排気ポートライナの下流側端部を正面から見た正面図。 図５のＡ−Ａ線に沿った要部の断面図。

符号の説明

１…シリンダヘッド
２…排気ポート
３１…排気ポートライナ
３２…外管
３６…内管
３３，３７…下流端フランジ部
３５，３９…上流側端部
３８…ビード部
３４１…第１のビード部
３４２…第２のビード部

Claims (5)

1. 間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成され、シリンダヘッドの排気ポートのバルブガイドよりも下流側に鋳ぐるみされるとともに、その上流側端部がシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端として構成され、かつ下流側端部は、排気マニホルドとの間で挟持固定される固定端として構成され、
   さらに、上記外管は、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第１のビード部と第２のビード部とを有し、上記第１のビード部が外周側へ膨出し、該第１のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第１のビード部が軸方向に縮まるように変形可能であるとともに、上記第２のビード部が内周側へ窪んでおり、該第２のビード部に沿って凝固したシリンダヘッドの母材から離れて該第２のビード部が軸方向に伸びるように変形可能であることを特徴とする内燃機関の排気ポートライナ。
2. 上記内管は、軸方向の１箇所もしくは複数箇所に、軸方向の伸縮を許容する環状に連続したビード部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ポートライナ。
3. 上記下流側端部においては、上記内管および上記外管のそれぞれに、外周側へ斜めに拡がった下流端フランジ部が形成されており、両者が互いに重なり合って、シリンダヘッドの母材と上記排気マニホルドとの間で挟持されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気ポートライナ。
4. 上記内管の下流側端部において、上記下流端フランジ部の内周側に、部分的に軸方向に突出した凸部と相対的に軸方向に窪んだ凹部とが周方向に交互に並んでなる波状部を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気ポートライナ。
5. 間に空気層を有する二重管となるように上流側端部ならびに下流側端部を互いに接合してなる内管および外管から構成されたポートライナを、シリンダヘッドの鋳造時に該シリンダヘッドの母材と溶着しない材料から構成するとともに、上記外管には、軸方向の伸縮を許容する環状に連続した第１のビード部と第２のビード部とを設け、上記第１のビード部が外周側へ膨出し、上記第２のビード部が内周側へ窪んでいるように構成し、
   シリンダヘッドの鋳造時に、このポートライナを、排気ポートのバルブガイドよりも下流側の位置に鋳ぐるみ、その上流側端部をシリンダヘッドの母材に対し軸方向に変位可能な自由端とするとともに、鋳造後に、上記下流側端部が位置するシリンダヘッドの排気マニホルド取付面を機械加工し、上記下流側端部の外周側へ拡がったフランジ部が上記排気マニホルド取付面に露出するようにしたことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッドの製造方法。

Images