JPH07259640A - シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属間化合物分散強化アルミニウム合金等の
複合材料による強化部材を燃焼室の一部に上記鋳ぐるみ
によらずに嵌合し、燃焼室の局部的な領域に複合材料を
用いて耐熱性を確保することとしたシリンダヘッドを提
供する。 【構成】 複合材料により構成したシリンダヘッド強化
部材３，23を、接着剤、ねじ込式、ピンあるいはキーに
よって固定したシリンダヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダヘッドに関
し、さらに詳しくは、金属間化合物分散強化アルミニウ
ム合金を燃焼室の一部に嵌合して用いたシリンダヘッド
に関する。。

【０００２】

【従来の技術】２サイクルエンジンあるいは４サイクル
エンジン等の内燃機関用シリンダヘッドは、構造上冷却
水が通るウオータージャケットや潤滑油が通るオイルジ
ャケット（４サイクルエンジンの場合）が必要である。
これらのジャケットを設けるために、一般的にシェル中
子を用いた鋳造法が採用されている。また、燃焼室内の
混合ガスの圧縮比の確保をすることや、クーラント・油
を隔絶することが必要となるため、鋳巣が発生しにくい
アルミニウム鋳物を使用することが多い。このような背
景のもとに、シリンダヘッドには、比較的湯流れが良く
鋳造し易いＡＣ４Ｃ合金あるいはＡＣ４Ｄ合金が好んで
用いられている。さらに近年、燃焼室の一部に、強化粒
子としてセラミックスを分散させたアルミニウム基複合
材料やＳｉを高率で含有したＡｌ―Ｓｉ系急冷凝固粉の
押出材が用いられるようになった。これらは、圧入鋳ぐ
るみ、または拡散接合等により燃焼室に嵌合されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技
術は、以下のような難点を有していた。 (1) ＡＣ４Ｃ合金あるいはＡＣ４Ｄ合金のアルミニウム
合金鋳物は、鋳造性が良い反面、強度が低い（引っ張り
強さ：ＡＣ４Ｃ合金，２５０℃で７６ＭＰａ；ＡＣ４Ｄ
合金，２５０℃で１４０ＭＰａ）。特に、使用温度限界
が約２５０℃と低い。したがって、冷却あるいは潤滑の
面で使用条件の厳しい２サイクルエンジンのシリンダヘ
ッドは、燃焼室温度の高さしいては圧縮比を高く設定す
ることができず、高出力を確保する上で障害となってい
る。また、これらの合金は、熱膨張率が大きく（23.5×
10^-6／℃）、軟らかいために、４サイクルエンジン用シ
リンダヘッドではバルブシートがシリンダヘッド内に座
屈したり、抜けたりする場合がある。 (2) セラミックスのアルミニウム基複合材料は、切削性
が悪く、点火プラグ取付部のネジ加工や燃焼室内の機械
加工が難しくなる。 (3) 急冷凝固粉の押出材は、コストが高くなる割には、
満足な物性を得ることができない。 (4) 従来の鋳ぐるみでは、小ロット生産の砂型鋳造に頼
る場合が多く、凝固速度が遅いために、既述の複合材を
鋳ぐるむ工程が難しく、溶湯との境で鋳ぐるまれる複合
材が局部溶融を起こしやすい。また、拡散接合では、コ
ストが高く、また、量産に向かない。

【０００４】したがって、本発明の目的は、金属間化合
物分散強化アルミニウム合金等の複合材料による強化部
材を燃焼室の一部に上記鋳ぐるみによらずに嵌合し、燃
焼室の局部的な領域に複合材料を用いて耐熱性を確保す
ることとしたシリンダヘッドを提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明の要旨は、複合材料によって構成したシリンダヘッ
ド部材を結合手段によって固定したシリンダヘッドにあ
る。

【０００６】本発明の他の態様は、複合材料により構成
したシリンダヘッド強化部材を、該シリンダヘッド強化
部材の周囲に設けたねじ部と該シリンダヘッドに設けた
ねじ部とを螺合することによって固定したシリンダヘッ
ドにある。

【０００７】本発明のさらに他の態様は、複合材料によ
り構成したシリンダヘッド強化部材を、該シリンダヘッ
ド部材の周囲に嵌合したキーを介して固定したシリンダ
ヘッドにある。

【０００８】本発明のまたさらなる他の態様は、複合材
料により構成したシリンダヘッド強化部材を、該シリン
ダヘッド部材の上面に嵌合したピンを介して固定したシ
リンダヘッドにある。

【０００９】

【実施例】以下に、添付図面に示した実施例を参照しな
がら、本発明にかかるシリンダヘッドを説明する。

【００１０】図１は、本発明にかかるシリンダヘッドを
２サイクルエンジンに適用した場合の実施例を示し、図
において、１はシリンダヘッド、２はシリンダ、３は複
合材料による強化部材である。強化部材３はシリンダヘ
ッド内に後述する方法によって嵌合固定される。この２
サイクルエンジンの基本的構成は、通常の２サイクルエ
ンジンと同じである。すなわち、シリンダ２は燃焼室４
を備え、シリンダヘッド１はガスケット５を介してスタ
ッドボルト６によりシリンダ２に固定されている。ま
た、７は点火プラグ取付部、８は点火プラグ取付ねじ
部、９はウオータージャケットである。強化部材３の高
さは、シリンダヘッド底面１０から、燃焼室最上面１１
と点火プラグ取付座面１２との間までとし、シリンダヘ
ッド底面１０には必ず強化部材３が露出していることが
必要である。強化部材３は通常円筒状に構成されるが、
その径はシリンダースリーブ内径より大きく構成し、強
化部材３の底面が直接ガスケット５を介してシリンダ上
面２に締結されることで、強化部材３のシリンダヘッド
の上下方向の締結力を補う。

【００１１】図２は、本発明にかかるシリンダヘッドを
４サイクルエンジンに適用した場合の実施例を示し、図
において、２１はシリンダヘッド、２３は複合材料によ
る強化部材である。強化部材２３はシリンダヘッド内に
後述する方法によって嵌合固定される。この４サイクル
エンジンの基本的構成は、通常の４サイクルエンジンと
同じである。すなわち、２４はバルブ、２５はカムシャ
フト、２６はロッカーアーム、２７は点火プラグであ
る。強化部材２３の高さは、シリンダヘッド底面から、
燃焼室最上面１１と点火プラグ取付座面２８までとし、
シリンダヘッド底面には必ず強化部材２３が露出してい
ることが必要である。強化部材２３は通常円筒状に構成
されるが、その径はシリンダースリーブ内径より大きく
構成し、強化部材２３の底面が直接ガスケットを介して
シリンダ上面に締結されることで、強化部材２３のシリ
ンダヘッドの上下方向の締結力を補う。

【００１２】本発明で使用することのできる複合材料
は、強化粒子としてＭｇ₂ Ｓｉ，Ａｌ ₃ Ｔｉ，Ａｌ₃ Ｆ
ｅ等を用いこれをＡｌマトリックス中に均一に分散した
ものが好適である。 このようなものとしては、例え
ば、特願平５−２２５３１１号、特願平５−２６５８５
７号により出願された合金がある。このうち、特願平５
−２２５３１１号のものは、Ａｌ粉末またはＡｌ合金粉
末に金属間化合物粉末を混合し、該混合粉末をメカニカ
ルアロイング処理することを含む金属間化合物分散強化
アルミニウム合金粉末の製造方法によって得た粉末を処
理して得た合金である。金属間化合物としては、以下の
ものが列挙されている。 （１）軽量高強度化の追求が目的のとき（かっこ内は比
重）：Ｍｇ₂ Ｓｉ（１．９６），Ａｌ₃ Ｔｉ（３．
３），ＴｉＡｌ（３．８）等 （２）高温強度向上の追求が目的のとき：Ａｌ₃ Ｖ，Ｎ
ｉ₃ Ａｌ，Ａｌ₃ Ｎｉ，Ａｌ₃ Ｆｅ，ＦｅＡｌ Ａｌ₃ Ｚｒ，Ａｌ₃ Ｍｎ，Ａｌ₃ Ｔｉ等 （３）高強度・低コストの追求が目的のとき：Ｍｇ₂ Ｓ
ｉ，ＣｕＡｌ₃ 特願平５−２６５８５７号のものは、強化粒子となる金
属間化合物の各構成元素の粉末を化学量論組成に従って
秤量・混合し、混合した粉末をメカニカルアロイング
し、これによって得られる前駆複合体に純Ａｌ粉末また
はＡｌ合金粉末を加え、再度メカニカルアロイングを実
施することにより成る前駆複合体を複合化したアルミニ
ウム合金粉末の製造方法によって得た粉末を処理し得た
合金である。

【００１３】このような合金の例について表１に挙げ
る。

【００１４】

【表１】

【００１５】このように高温における強度が増すので、
耐熱性が向上し、圧縮比を上げることが可能となり、高
出力を期待することができる。また、４サイクルエンジ
ンでは、バルブシートを省略できる可能性もある。

【００１６】次に、図３から図９について、シリンダヘ
ッド強化部材の取付構造を説明する。これらの図に示し
た実施例は、２サイクルエンジンについて実施したもの
である。

【００１７】図３，４は、複合材料により構成したシリ
ンダヘッド強化部材３を、シリンダヘッド１に接着剤３
１によって固定している。接着剤３１は、シリンダヘッ
ド強化部材３の周囲に塗布して実施する。接着剤として
は、耐熱性の接着剤を使用し、これは、セラミックス粒
子（大部分は、ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ 等の酸
化物系が多い）と高分子（有機バインダー等）とを混合
したものである。高温硬化型のものが好適である。これ
らの接着剤は含水性のため内部は空隙が多くなり、熱衝
撃に耐える。ただし、このような接着剤の場合、シリン
ダヘッド母材１ａと接着剤３１中のセラミックスの熱膨
張係数の差が大きいので剥離のおそれがある。そこで、
シリンダーボア径の大きいシリンダヘッドでは、接着面
（母材１ａ側）に金属（Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，およびそれ
らの合金系のもの等）を溶射し、溶射被膜３２を形成し
ておく。使用する金属は、熱膨張係数が、接着剤３１中
のセラミックスとシリンダヘッド母材１ａの中間にある
ものとする。このような金属の溶射被膜３２は、表面に
凹凸があるために接着強度も高くなる。

【００１８】図５は、複合材料により構成したシリンダ
ヘッド強化部材３を、該シリンダヘッド強化部材３の周
囲に設けたねじ部５１と該シリンダヘッド１に設けたね
じ部５２とを螺合することによって固定した実施例を示
す。ねじ式のため機械加工のみで対応できるため低コス
トである。

【００１９】図６，７は、複合材料により構成したシリ
ンダヘッド強化部材３を、該シリンダヘッド部材３の周
囲およびシリンダヘッド１にキー溝を設け、これに嵌合
したキー６１（複数個）を介して固定した実施例を示
す。この構造は、シリンダヘッド強化部材３の回り止め
効果が高いという利点がある。

【００２０】図８，９は、複合材料により構成したシリ
ンダヘッド強化部材３を、該シリンダヘッド部材３の上
面に嵌合したピン８１（複数個）を介して固定した実施
例を示す。この構造も、シリンダヘッド強化部材３の回
り止め効果が高いという利点がある。

【００２１】上記図３から９の実施例は、２サイクルエ
ンジンについて説明したが、同様にして、４サイクルエ
ンジンにも適用することができる。

【００２２】

【発明の効果】上記したところから明かなように、本発
明によれば、高温における強度が増すので、耐熱性が向
上し、圧縮比を上げることが可能となり、高出力を期待
することができる。また、耐熱性の向上に伴いウオータ
ージャケットの容積を小さくすることができ、エンジン
の小型化、軽量化を図ることができる。また、４サイク
ルエンジンでは、バルブシートを省略することができる
ようになる。この結果、コスト的負担が軽減され、バル
ブシートの陥没、抜け落ちもなくなる。また、本発明を
実施するにあたっては、機械的嵌合で済み、量産に適し
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した２サイクルエンジンのシリン
ダヘッドの付近を説明する断面図である。

【図２】本発明を適用した４サイクルエンジンのシリン
ダヘッドの付近を説明する断面図である。

【図３】シリンダヘッド強化部材の固定構造の接着剤方
式の実施例を示す模式的断面図である。

【図４】シリンダヘッド強化部材の固定構造の接着剤方
式の実施例を示す図３のＡ部拡大断面図である。

【図５】シリンダヘッド強化部材の固定構造のねじ方式
の実施例を示す模式的断面図である。

【図６】シリンダヘッド強化部材の固定構造のキー方式
の実施例を示す模式的断面図である。

【図７】シリンダヘッド強化部材の固定構造のキー方式
の実施例を示す底面図である。

【図８】シリンダヘッド強化部材の固定構造の上部ピン
方式の実施例を示す模式的断面図である。

【図９】シリンダヘッド強化部材の固定構造の上部ピン
方式の実施例を示す底面図である。

【符合の説明】

１ シリンダヘッド ２ シリンダ ３ シリンダ強化部材 ２１ シリンダヘッド ２３ シリンダ強化部材 ３１ 接着剤 ５２ ねじ部 ６１ キー ８１ 上部ピン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複合材料により構成したシリンダヘッド
   強化部材を、結合手段によって固定したシリンダヘッ
   ド。