JPH0596450U - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリンダ内最高圧力を上昇させるためには、
補強リブのスパンを充分に小さくする必要がある。この
ような小スパン構造を有すると共に、その製造が容易で
かつ強度的に優れたシリンダヘッドを提供する。 【構成】 底壁部１と補強部２とを別体に形成すると共
に、底壁部１は補強部２よりも高温強度が高く熱伝導の
悪い材料によって形成しておき、両者の接合面を全面に
わたって平面状にし、両者を拡散接合法等の面接合手段
により金属結晶的に固相状態で一体的に接合する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は内燃機関においてシリンダの端部を閉止し、燃焼室を構成するため のシリンダヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】

従来のシリンダヘッドの具体例としては、例えば実開昭５６−１４３５３９号 公報や、Ｍｏｔｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ第４０巻第 １号（１９７９年１月発行）の第２７頁に記載されたシリンダヘッドを挙げるこ とができる。このシリンダヘッドは図５〜図７に示すように、燃焼室５１に臨む 底壁部５２と、この底壁部５２から燃焼室５１とは逆方向に延びる補強部５３と を有するものであって、補強部５３には補強リブ５４が形成されると共に、この 補強リブ５４によって冷却水通路５５が区画形成されている。また上記補強部５ ３内には、上記補強リブ５４によって、底壁部５２へと連通する空気通路５６や 排気通路５７が形成されているが、シリンダヘッドがこのように複雑な構造を有 することから、従来のシリンダヘッドはその全体が、アルミニウム鋳物や鋳鉄等 によって一体的に形成されている。

【０００３】 ところで近年、内燃機関の熱効率を向上し、機関出力を向上するために、シリ ンダ内の最高圧力を上昇させる必要が生じている。いまこれを上記シリンダヘッ ドについて考えると、シリンダヘッドにおいては、その底壁部５２における熱応 力と機械応力とが上昇することになるということである。そこで図８に示す単純 モデルによって、上記熱応力σ_ｔｈとσ_ｍとについて検討する。

【０００４】 まず熱応力σ_ｔｈに関しては、 σ_ｔｈ∝Ｅ・α・ｑ・ｈ／λ∝ｈ となる。なお上式において、Ｅは縦弾性係数、αは線膨張係数、λは熱伝導率、 ｑは熱流密度、ｈは肉厚をそれぞれ示しているが、上式から熱応力σ_ｔｈを上昇 させないためには、肉厚ｈの増加をおさえる必要があるということになる。

【０００５】 一方、機械応力σ_ｍに関しては、 σ_ｍ∝ｐ・（ａ／ｈ）^２ となる。なお式中、ｐはシリンダ内最高圧力、ａは補強リブ５４のスパンをそれ ぞれ示しているが、上式から機械応力σ_ｍを上昇させないためには、補強リブ５ ４のスパンａを小さくすると共に、肉厚ｈを厚くする必要があるということにな る。

【０００６】 そして上記両式から熱応力σ_ｔｈと機械応力σ_ｍとを増加することなく、シリ ンダ内の最高圧力を上昇させるためには、シリンダヘッドの底壁部５２の肉厚ｈ を増加させることなく、補強リブ５４のスパンａを小さくすればよいことが明ら かとなる。

【０００７】 しかしながら上記した一体鋳物構造のシリンダヘッドにおいては、上記のよう に補強リブ５４のスパンａを小さくするにも、その工作上自ずと限度があり、そ のためシリンダ内最高圧力を充分に上昇することが不可能であった。

【０００８】 この考案は上記に鑑みなされたものであって、その目的は、補強リブのスパン を充分に小さくすることが可能であるため、シリンダ内最高圧力を上昇させるこ とを可能とし、しかも容易に製造することの可能なシリンダヘッドを提供するこ とにある。

【０００９】

【間題点を解決するための手段及び作用】

そこでこの考案のシリンダヘッドにおいては、実施例に対応する図１に示すよ うに、底壁部１と補強部２とを別体に形成すると共に、両者を拡散接合等の面接 合手段により金属結晶的に固相状態で接合するようにしてある。この場合の接合 法としては、拡散接合法、熱間静水圧プレス法による接合、摩擦圧接法等を挙げ ることができるが、特にこれらに限定される訳ではない。

【００１０】 そして上記のような構造を採用することにより、予め補強部２に設ける補強リ ブ９のスパン距離は自由に設定し得ることとなり、そのため補強リブ９のスパン を充分に小さくして、熱応力及び機械応力を増加させることなくシリンダ内最高 圧力を上昇させ、機関の出力を向上することが可能となる。また補強部２は、接 合前にはその一端側が開口していることとなる訳であるが、このためこの補強部 ２を、例えば鋳造法によって製造するような場合には、その製造が容易となる。

【００１１】 また上記底壁部１を、上記補強部２よりも高温強度が高く熱伝導の悪い耐熱金 属、例えばニッケル系合金（Ｎｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ）、オーステナイト系ステ ンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等によって形成した結果、燃焼室に臨 む底壁部１の機械的及び熱的強度が大幅に改善されると共に断熱性を有すること になるので、シリンダヘッドひいては機関の耐久性及び熱効率を向上することが 可能となる。さらに底壁部１と補強部２との接合面を全面にわたって平面状にす ると共に、両者を拡散接合等の面接合手段により金属結晶的に固相状態で一体的 に接合しているので、接合強度が向上し、この点においてもシリンダ内最高圧力 を上昇させることが可能となる。

【００１２】

【実施例】

次にこの考案の内燃機関のシリンダヘッドの具体的な実施例について、図面 を参照しつつ詳細に説明する。

【００１３】 まず図１に第１実施例を模式的に示す。このシリンダヘッドは底壁部１と補強 部２とを有しているが、底壁部１の下面は燃焼室内に配置され、また補強部２は 燃焼室とは逆方向に配置される部分である。上記底壁部１は板状の部材であって 、複数の透孔、すなわち給気弁用孔３、３、排気弁用孔４、４、燃料弁用孔５、 始動弁用孔６及び安全弁用孔７がそれぞれ穿設されている。一方補強部２は概略 筒状の外筒８と、この外筒８内を区画する補強リブ９とを有しており、この補強 リブ９によって給気通路１０、排気通路１１、燃料通路１２及び冷却水通路１３ 等がそれぞれ区画形成されている。

【００１４】 上記において底壁部１を形成するのに用いる材料としては、底壁部１の下面が 燃焼室内に位置することになるために、熱伝導度が低くかつ耐熱性のある高強度 材、例えばニッケル系合金（Ｎｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ：２０Ｃｒ−１Ｃｏ−２． ５Ｔｉ−１．３Ａｌ）、オーステナイト系ステンレス鋼（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ） 、マルテンサイト系ステンレス鋼（１７Ｃｒ−７Ｎｉ）等を用いるのが好ましい が、特にこれらに限定されるものではなく、他の鋼種を使用することも可能であ る。また底壁部１を上記のような形状に形成するのは、板状体に施削等の機械加 工を施すことによっても可能であるが、鋳造法や鍛造法を採用してもよい。

【００１５】 一方上記補強部２は、その構造が複雑であるために、鋳鉄、鋳鋼等の鋳造製と するのが好ましいが、鋼板を溶接して構成した溶接板金構造や、鋼製ブロックに 機械加工を施して形成することも可能である。

【００１６】 そして上記各孔３・・７と各通路１０・・１２とが合致した状態において、上 記底壁部１の、図における上面に、補強部２の下端部、すなわち外筒８及び補強 リブ９の下端面を拡散接合、熱間静水圧プレス法、摩擦圧接等によって一体的に 接合する。その後、必要のある場合には、上記接合体にさらに機械加工を施し、 シリンダヘッドを形成する。

【００１７】 上記のようなシリンダヘッドにおいては、従来の鋳造法によって製造されたシ リンダヘッドのように寸法上の制限がないために、補強リブ９のスパン距離を自 由に、つまり充分に小さく設定することが可能となり、そのためシリンダヘッド の底壁部１の熱応力σ_ｔｈと機械応力σ_ｍとを増加させることなくシリンダ内最 高圧力を上昇させ、機関の出力を向上することが可能である。また上記補強部２ は、底壁部１に接合される前の状態においては、その端部が開口しているため、 鋳造等による製造が容易なものとなり、しかもその接合前に鋳造欠陥等を検査す ると共に補修しておくことができるので、高品質なシリンダヘッドを提供するこ とが可能となる。さらに上記のように、燃焼室に臨む底壁部１を熱伝導度が低く 耐熱性のある高強度材で形成してあるので、該底壁部１の機械的及び熱的強度が 大幅に改善されると共に断熱性を有することになり、シリンダヘッドひいては機 関全体の耐久性及び熱効率を向上することが可能である。

【００１８】 図２及び図３にはこの考案のシリンダヘッドの第２実施例を模式的に示す。こ れは補強部２側に、上記のような補強リブ９に加えてさらに複数のリブ１４・・ １４を突設し、冷却水通路１３を細分化した点において上記第１実施例と相違し ている。なお他の部分の構造及びその構造による効果は第１実施例と同様である ために、同一部分に同一の符号を付し、その説明を省略する。そして上記冷却水 通路１３は、リブ１４・・１４によって、図３のように底壁部１の近傍において 特に細分化されている。このように冷却水通路１３を細分化することによって、 リブ９、１４間のスパン距離をより一層小さくすることができると共に、さらに 該通路１３内を通過する冷却水の流速を大きくし、その冷却効果をも向上するこ とが可能となる。

【００１９】 なお上記各実施例においては、平板状の底壁部１を用い、その上面にリブ９、 １４の先端面を突合せ接合する場合を示しているが、図４に示すように、底壁部 １になめらかに隆起する突部１５を形成すると共に、この突部１５に外筒８やリ ブ９、１４の端面を接合し、該接合部の疲労強度を向上するようにすることもあ る。

【００２０】 また上記各実施例においては、いずれもシリンダヘッドを模式的に図示してい るが、その実用に際しては、シリンダライナやシリンダブロック等への取付部等 を付加するものであることはもちろんである。

【００２１】

【考案の効果】

この考案のシリンダヘッドは、底壁部と補強部とを別体に形成すると共に、底 壁部を補強部よりも高温強度が高く熱伝導の悪い材料によって形成し、これら両 者を一体的に接合することによって構成されたものであるため、予め補強部に設 ける補強リブのスパン距離は自由に設定し得ることとなり、そのため補強リブの スパンを充分に小さくして、熱応力及び機械応力を増加させることなくシリンダ 内最高圧力を上昇させ、機関の出力並びに熱効率を向上することが可能となる。 さらに底壁部と補強部との接合面を全面にわたって平面状にすると共に、両者を 拡散接合等の面接合手段により金属結晶的に固相状態で一体的に接合しているの で、接合強度が向上し、この点においてもシリンダ内最高圧力を上昇させること が可能となる。すなわち出力率を高めたディーゼル機関においては、シリンダ内 最高圧力は１５０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２Ｇにも達し、燃焼温度は２０００℃を越 し、シリンダヘッド部材温度は５００℃にも達することから、従来のろう付法で は全く耐久性を有さず、実用に供し得ないものになるが、本願のように拡散接合 等のような固相状態での接合法を採用すれば、全面にわたって確実に接合し得る ことから、充分な接合強度が得られるためである。また補強部は、接合前にはそ の一端側が開口していることとなる訳であるが、このためこの補強部を、例えば 鋳造法によって製造するような場合には、その製造が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案のシリンダヘッドの第１実施例の説明
図である。

【図２】第２実施例の説明図である。

【図３】上記実施例の要部の縦断面図である。

【図４】接合部形状の変更例を示す説明図である。

【図５】従来例を示す中央縦断面図である。

【図６】前図のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

【図７】図５の周 ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

【図８】シリンダヘッドに作用する応力の解析モデルの
説明図である。

【符号の説明】

１ 底壁部 ２ 補強部 ９ 補強リブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 小津 忠弘 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)考案者 熱田 稔雄 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)考案者 山田 猛 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社神戸工場内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に臨む底壁部と、この底壁部から
   燃焼室とは逆方向に延びる補強部とを有する内燃機関の
   シリンダヘッドにおいて、上記底壁部と補強部とが別体
   に形成されると共に、上記底壁部は補強部よりも高温強
   度が高く熱伝導の悪い材料によって形成されており、ま
   た両者の接合面は全面にわたって平面状になされ、両者
   が拡散接合等の面接合手段により金属結晶的に固相状態
   で一体的に接合されていることを特徴とする内燃機関の
   シリンダヘッド。