JP7106972B2

JP7106972B2 - 内燃機関のシリンダヘッド

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Publication number: JP7106972B2
Application number: JP2018090052A
Authority: JP
Inventors: 稔沖村; 篤史駒田; 康博山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2022-07-27
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: CN110454293B; JP2019196720A; CN110454293A; US20190345892A1; US10731597B2

Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関する。

内燃機関のシリンダヘッドでは、ポートを画定する周壁部の内側に形成された内周溝部に、溶融した金属材料を供給して肉盛溶接部を形成して、この肉盛溶接部をバルブシートとして用いる場合がある。例えば特許文献１では、レーザクラッド加工により肉盛溶接部を形成している。

特開２０１５－４８７８９号公報

ところでシリンダヘッドでは、燃焼圧に対する剛性を確保するために、周壁部の一部に肉厚部を設ける場合がある。このような肉厚部の位置は、大きな燃焼圧を受けやすい燃焼室の中心近傍に設定することが望ましい。

上述した周壁部の内周溝部に肉盛溶接部を形成する過程で、溶融物は凝固する。上記の周壁部の肉厚部の近傍では、溶融物からより多くの熱が肉厚部へと伝わり、溶融物は比較的に短時間で凝固する。これに対して、薄肉部近傍では溶融物の熱は逃げにくく、溶融物が凝固するまでに時間を要する。このような溶融物の凝固に要する時間の差により、肉厚部の近傍で、肉盛溶接部の残留応力が増大する可能性がある。

また、内燃機関の作動中では燃焼室内は高温となり、内燃機関が停止すると燃焼室内は冷却される。これに伴って、肉盛溶接部も加熱、冷却され、この温度差に起因して肉盛溶接部にも熱応力が加わる。このような熱応力は、燃焼により、より高温となりやすい燃焼室の中心側で増大する。

従って、上記の肉厚部の位置を燃焼室の中心近傍に設定すると、肉盛溶接部には、残留応力に加えて熱応力も加わり、肉盛溶接部に局所的に応力が集中する可能性がある。このようにバルブシートとして形成された肉盛溶接部に局所的な応力が集中すると、耐久性に影響を与える可能性がある。

そこで本発明は、燃焼圧に対する剛性を確保しつつ、バルブシートとして形成された肉盛溶接部への局所的な応力集中が抑制された内燃機関のシリンダヘッドを提供することを目的とする。

上記目的は、吸気バルブ又は排気バルブである第１及び第２バルブと、前記第１バルブにより開閉され燃焼室に連通した第１ポートを画定する第１周壁部と、前記第１周壁部に形成され前記第１バルブが着座する第１バルブシートとなる第１肉盛溶接部と、を備え、前記第１周壁部は、第１肉薄部と、前記第１肉薄部よりも径方向の厚みが増した第１肉厚部と、を有し、前記第１肉薄部は、前記第１肉厚部の一方の端部から前記第１肉厚部の他方の端部まで前記第１周壁部の周方向に連続しており、前記第１肉厚部は、前記第１バルブの軸線の方向から見て、前記第１及び第２バルブの双方の軸線を通過する第１線分よりも前記燃焼室の中心側であって、かつ前記第１線分に直交し前記第１バルブの軸線を通過する第２線分よりも前記燃焼室の中心側とは反対側の第１領域に位置し、前記第１肉薄部は、前記第１領域以外の領域に位置している、内燃機関のシリンダヘッドによって達成できる。

第１周壁部の第１肉厚部が第１線分よりも燃焼室の中心側に位置するため、燃焼圧に対する剛性を確保できる。また、第１肉厚部が第２線分よりも燃焼室の中心側とは反対側に位置するため、熱応力が大きい燃焼室の中心側から、第１肉厚部に起因して第１肉盛溶接部での残留応力が集中する位置を引き離すことができる。従って、第１肉盛溶接部への局所的な応力集中を抑制できる。

前記第１及び第２バルブは、前記吸気バルブであってもよい。

前記第２バルブにより開閉され前記燃焼室に連通する第２ポートを画定する第２周壁部と、前記第２周壁部に形成され前記第２バルブが着座する第２バルブシートとなる第２肉盛溶接部と、を備え、前記第２周壁部は、第２肉薄部と、前記第２肉薄部よりも径方向の厚みが増した第２肉厚部と、を有し、前記第２肉薄部は、前記第２肉厚部の一方の端部から前記第２肉厚部の他方の端部まで前記第２周壁部の周方向に連続しており、前記第２肉厚部は、前記第２バルブの軸線の方向から見て、前記第１線分よりも前記燃焼室の中心側であって、かつ前記第１線分に直交し前記第２バルブの軸線を通過する第３線分よりも前記燃焼室の中心側の反対側の第２領域に位置し、前記第２肉薄部は、前記第２領域以外の領域に位置していてもよい。

前記第１肉厚部は、前記第１バルブの軸線に沿って前記燃焼室から離れる方向に延在していてもよい。

本発明によれば、燃焼圧に対する剛性を確保しつつ、バルブシートとして形成された肉盛溶接部への局所的な応力集中が抑制された内燃機関のシリンダヘッドを提供できる。

図１は、内燃機関の部分断面図である。図２は、シリンダヘッドの部分拡大図である。図３は、図２のＡ－Ａ線に相当する断面図である。図４は、比較例のシリンダヘッドの説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本実施例及び比較例での、１３５°位置と２２５°位置での肉盛溶接部に作用する応力を示したグラフである。図６Ａ及び図６Ｂは、肉厚部近傍で残留応力が増大する説明図である。図７は、本実施例の周壁部の肉厚部及び肉薄部を示した断面図である。

図１は、内燃機関１の部分断面図である。内燃機関１は、例えばガソリンエンジンである。内燃機関１は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上部に組み付けられているシリンダヘッド２０とを備えている。内燃機関１の内部には複数の気筒１４が形成されており、各気筒１４内には所定範囲を往復動するピストン１５が設けられている。シリンダヘッド２０とピストン１５の頂面１５１との間では、燃料と吸入空気とを含む混合気が燃焼される燃焼室ＣＣが画定される。シリンダヘッド２０には、吸入空気を燃焼室ＣＣ内に導入する吸気ポート２２と、燃焼室ＣＣから排気ガスを排出する排気ポート３２とが設けられている。また、シリンダヘッド２０には、吸気ポート２２内に燃料を噴射する不図示のポート噴射弁と、燃焼室ＣＣ内で混合気を点火する不図示の点火プラグが設けられている。シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０内のそれぞれには、冷却水が流れるウォータジャケット１９及び２９が形成されている。例えば、シリンダヘッド２０内では、吸気ポート２２や排気ポート３２周辺等にウォータジャケット２９が形成されている。

シリンダヘッド２０には、吸気ポート２２を開閉する吸気バルブ４０と、排気ポート３２を開閉する排気バルブ５０とが設けられている。吸気バルブ４０は、ロッド状をなす軸部４１と、軸部４１の先端に設けられている傘部４２とを有している。傘部４２は、軸部４１よりも径方向外側に拡大している。同様に、排気バルブ５０は、軸部５１及び傘部５２を有している。吸気ポート２２の下流端には、吸気バルブ４０の傘部４２が着座する肉盛溶接部２６が形成されている。同様に、排気ポート３２の上流端には、排気バルブ５０の傘部５２が着座する肉盛溶接部３６が形成されている。肉盛溶接部２６及び３６は、バルブシートとして機能している。尚、本実施例では、吸気ポート２２及び吸気バルブ４０は２対設けられており、排気ポート３２及び排気バルブ５０も２対設けられている。

図２は、シリンダヘッド２０の部分拡大図である。図２においては、吸気バルブ４０及び排気バルブ５０を省略しているが、吸気バルブ４０及び排気バルブ５０のそれぞれの駆動の軸線Ａ４及びＡ５を示している。燃焼室ＣＣ側の吸気ポート２２の開口端を画定する周壁部２４が形成されている。同様に、燃焼室ＣＣ側の排気ポート３２の開口端を画定する周壁部３４が形成されている。周壁部２４及び３４の内周側には、それぞれ略円環状の内周溝部２５及び３５が形成されている。肉盛溶接部２６及び３６は、それぞれ内周溝部２５及び３５上に円環状に形成されている。肉盛溶接部２６は、以下に示す方法によって形成されている。内周溝部２５にレーザ光を照射しながら銅基材合金粉等の金属粉を供給し、金属粉を溶融して内周溝部２５に付着する。その後に溶融した金属粉が冷却されて凝固し、肉盛溶接部２６が形成される。尚、このようにレーザ光を用いた肉盛溶接部の形成方法をレーザクラッド加工と称する。肉盛溶接部３６の製造方法も同様である。尚、シリンダヘッド２０本体は、上述した金属粉とは異なるアルミ合金製である。

図３は、図２のＡ－Ａ線に相当する断面図である。尚、図２のＡ－Ａ線は、軸線Ａ４及びＡ５に対して垂直である。図３には、吸気バルブ４０が着座する肉盛溶接部２６周辺の周壁部２４、排気バルブ５０が着座する肉盛溶接部３６周辺の周壁部３４、及び点火プラグが挿入される孔部２８を実線で示し、燃焼室ＣＣ、吸気ポート２２、及び排気ポート３２を点線で示している。更に図３には、２つの吸気バルブ４０の双方の軸線Ａ４を通過する第１線分の一例である線分Ｌ１、及び線分Ｌ１に直交し一方の吸気バルブ４０の軸線Ａ４を通過する第２線分の一例である線分Ｌ２、及び線分Ｌ１に直交し他方の吸気バルブ４０の軸線Ａ４を通過する第３線分の一例である線分Ｌ２を示している。

また、図３には、周壁部２４の角度位置を示し、具体的には、各軸線Ａ４を中心として、０°位置、９０°位置、１８０°位置、及び２７０°位置を示している。０°位置は、線分Ｌ２上の燃焼室ＣＣの中心側とは反対側に位置している。９０°位置は、線分Ｌ１上に位置して隣接する２つの周壁部２４の対向し合う側に位置している。１８０°位置は、線分Ｌ２上に位置して燃焼室ＣＣの中心側に位置している。２７０°位置は、線分Ｌ１上に位置して、隣接する２つの周壁部２４の対向し合う側とは反対側に位置している。尚、点火プラグが挿入される孔部２８は、燃焼室ＣＣの略中心に位置している。

ここで周壁部２４は、肉薄部２４１と、肉薄部２４１よりも厚みが厚い肉厚部２４３とを有している。肉厚部２４３は、１８０°～２７０°の間の２２５°位置に形成されている。換言すれば、肉厚部２４３は、軸線Ａ４の方向から見て、線分Ｌ１よりも燃焼室ＣＣの中心側であって、かつ線分Ｌ２よりも燃焼室ＣＣの中心側とは反対側に位置している。ここで、線分Ｌ１よりも燃焼室ＣＣの中心側は、線分Ｌ１よりも燃焼室ＣＣの中心側とは反対側と比較して、高い燃焼圧を受けやすい。このように高い燃焼圧を受けやすい位置に肉厚部２４３が形成されているため、シリンダヘッド２０は燃焼圧に対する剛性が確保されている。

次に、比較例について説明する。図４は、比較例のシリンダヘッド２０ｘの説明図である。図４は、図３に対応している。シリンダヘッド２０ｘの周壁部２４ｘの肉厚部２４３ｘは、本実施例とは異なり、１３５°位置に形成されている。即ち比較例での肉厚部２４３ｘは、本実施例の肉厚部２４３よりもより燃焼室ＣＣの中心に近い位置に形成されている。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本実施例及び比較例での、１３５°位置と２２５°位置での肉盛溶接部２６に作用する応力を示したグラフである。本実施例及び比較例の何れも、１３５°位置での肉盛溶接部２６に作用する熱応力Ｈ１は、２２５°位置での肉盛溶接部２６に作用する熱応力Ｈ２よりも大きい。この理由は、内燃機関の作動及び停止により、肉盛溶接部２６も加熱、冷却され、この温度差に起因して肉盛溶接部２６に熱応力が加わるが、燃焼室ＣＣで燃焼が行われている際には燃焼室ＣＣの中心側に近い１３５°位置の方が２２５°位置よりも高温となるからである。

本実施例での１３５°位置での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ１と、比較例での２２５°位置での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ１は同じである。また、本実施例での２２５°位置での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ２と、比較例での１３５°位置での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ２は同じである。詳しくは後述するが、肉盛溶接部２６の残留応力は、周壁部２４及び２４ｘの各厚みに起因しているからである。また、上述したように本実施例では２２５°位置に肉厚部２４３が設けられ、比較例では１３５°位置に肉厚部２４３ｘが設けられているが、肉厚部２４３及び２４３ｘのそれぞれの近傍での肉盛溶接部２６に作用する残留応力Ｒ２は、肉薄部２４１近傍での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ１よりも大きい。この理由は以下のように考えられる。

図６Ａ及び図６Ｂは、肉厚部２４３近傍で残留応力が増大する説明図である。図６Ａ及び図６Ｂでは、周壁部２４及び内周溝部２５を直線状に展開して示している。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、下方から上方にレーザ光ＬＢを照射するレーザ照射装置１００を走査して溶融した金属粉を内周溝部２５上に一方向に順に付着させる場合を想定する。この場合、溶融物は内周溝部２５に熱を奪われて内周溝部２５上に付着した順に温度が低下してゆく。従って、図６Ａの場合、溶融物が部分Ｅ１～Ｅ３の順に内周溝部２５上に付着して、部分Ｅ１～Ｅ３の順に凝固する。ここで、溶融物が凝固する過程で熱収縮しようとするが、母材であるシリンダヘッド２０の周壁部２４によりその収縮は制限される。このため、溶融物が凝固した後には内部に残留応力が生じる。ここで上述したように部分Ｅ１～Ｅ３の順に凝固するため、部分Ｅ１～Ｅ３のそれぞれで、略同じ方向であって略同じ大きさの残留応力が生じると考えられる。

これに対して、図６Ｂに示すように、肉厚部２４３近傍を通過するように、溶融物が部分Ｅ４～Ｅ６の順に内周溝部２５上に付着すると、肉厚部２４３に最も近い部分Ｅ５では、溶融物の熱がより多く肉厚部２４３に奪われる。このため、部分Ｅ４よりも部分Ｅ５の方が先に冷却され、部分Ｅ５、部分Ｅ４、部分Ｅ６の順に凝固する場合がある。この場合、先に部分Ｅ５が凝固して部分Ｅ５では部分Ｅ５の中心に向かう残留応力が発生し、その後に部分Ｅ４では下方側に向かう残留応力が発生する。このため、部分Ｅ５と部分Ｅ４との境界では互いに反対方向の残留応力し、部分Ｅ５近傍での残留応力は、部分Ｅ４近傍や部分Ｅ６近傍での残留応力よりも増大すると考えられる。このような理由により、肉厚部２４３及び２４３ｘのそれぞれの近傍での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ２は、肉厚部２４３及び２４３ｘから離れた位置での肉盛溶接部２６の残留応力Ｒ１よりも大きいと考えられる。

従って、図５Ｂに示した比較例の場合では、２２５°位置での肉盛溶接部２６には比較的小さい熱応力Ｈ２と残留応力Ｒ１とが作用するが、１３５°位置での肉盛溶接部２６には比較的大きい熱応力Ｈ１と残留応力Ｒ２との双方が作用している。従って、比較例では１３５°位置で肉盛溶接部２６に局所的な応力が集中している。これに対して図５Ａに示した本実施例では、２２５°位置での肉盛溶接部２６では比較的小さい熱応力Ｈ２と比較的大きい残留応力Ｒ２とが作用し、１３５°位置での肉盛溶接部２６では比較的大きい熱応力Ｈ１と比較的小さい残留応力Ｒ１とが作用している。このため、本実施例での１３５°位置での肉盛溶接部２６に作用する応力は、比較例での１３５°位置での肉盛溶接部２６に作用する応力よりも低減されている。

以上のように、本実施例では、肉厚部２４３に起因した比較的大きい残留応力が加わる位置と、比較的大きな熱応力とが加わる位置とを引き離すことにより、比較例よりも肉盛溶接部２６に加わる応力が分散されている。このため、肉盛溶接部２６に局所的な応力集中が抑制され、局所的な応力が集中することにより肉盛溶接部２６の耐久性が低下することなどが抑制されている。

本実施例では肉厚部２４３は、線分Ｌ１よりも燃焼室ＣＣの中心側に設けられているため、燃焼圧に耐え得るシリンダヘッド２０の剛性も確保されている。肉厚部２４３が０°位置から９０°位置の間、又は２７０°位置から０°位置までの間に設けられている場合には、肉厚部２４３は燃焼圧を受けにくい位置にあるため、燃焼圧に耐え得る剛性を確保できない可能性があるからである。

尚、燃焼圧に対する剛性の確保しつつ肉盛溶接部の残留応力を低減する観点から、周壁部の厚みを、上述した肉薄部２４１よりも全周に亘って均一に厚く設計することも考えられる。しかしながらこの場合、周壁部の全周に亘って厚みが増すため、周壁部周辺に形成されたウォータジャケット内を流れる冷却水によるシリンダヘッドの冷却性能が低下する可能性がある。また、吸気ポート２２の容積が低減して所望の燃焼効率を確保することができない可能性もある。更に、シリンダヘッドの重量が増大する可能性もある。以上のような観点をも考慮して、本実施例のように周壁部２４の一部分にのみ肉厚部２４３を設けることが好ましい。

図７は、本実施例の周壁部２４の肉厚部２４３及び肉薄部２４１を示した断面図である。図７に示すように、肉厚部２４３は、軸線Ａ４に沿って燃焼室ＣＣから離れる方向にも延在している。例えば、肉薄部２４１よりも厚みの厚い部分が、軸線Ａ４の方向での内周溝部２５の幅よりも長く形成されるように、肉厚部２４３が軸線Ａ４に沿って形成されている。このため、軸線Ａ４に垂直な方向での肉薄部２４１の厚みに対する同一方向での肉厚部２４３の厚みの増量分を抑制しつつ、肉厚部２４３による燃焼圧に対するシリンダヘッド２０の剛性を確保することができる。また、燃焼室ＣＣ近傍で周壁部２４の肉厚部２４３での厚みを抑制できるため、周壁部２４周辺に形成されたウォータジャケット内を流れる冷却水によるシリンダヘッド２０の冷却性能も確保されている。尚、上記の観点から、肉厚部２４３の軸線Ａ４に沿った長さは、軸線Ａ４の方向での内周溝部２５の幅よりも長いことが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例では吸気ポート２２の周壁部２４を例に説明したが、これに限定されず、吸気ポート２２の周壁部２４に肉厚部２４３を採用する代わりに、排気ポート３２の周壁部３４に、同様の位置に肉厚部を採用してもよい。また、吸気ポート２２の周壁部２４に採用された肉厚部２４３に加えて、排気ポート３２の周壁部３４に同様の位置に肉厚部を採用してもよい。また、２つの吸気ポート２２の周壁部２４のうち、一方の周壁部２４にのみ肉厚部２４３を採用してもよい。２つの排気ポート３２の周壁部３４のうち、一方の周壁部３４にのみ肉厚部を採用してもよい。尚、吸気ポート２２よりも高温の排気ガスが流れる排気ポート３２の方が高温化しやすいため、冷却水による排気ポート３２周辺の冷却性を確保する観点から、排気ポート３２の周壁部３４には肉厚部を設定せずに、吸気ポート２２の周壁部２４に肉厚部を設定することが好ましい。

本実施例の内燃機関１は、点火プラグを備えたガソリンエンジンであるが、これに限定されない。例えば、内燃機関は、点火プラグを備えていないディーゼルエンジンであってもよい。

１エンジン
２０シリンダヘッド
２２吸気ポート
２４、３４周壁部
２５、３５内周溝部
２６、３６肉盛溶接部
３２排気ポート
４０吸気バルブ
５０排気バルブ
Ａ４、Ａ５軸線
Ｌ１線分（第１線分）
Ｌ２線分（第２線分、第３線分）

Claims

吸気バルブ又は排気バルブである第１及び第２バルブと、
前記第１バルブにより開閉され燃焼室に連通した第１ポートを画定する第１周壁部と、
前記第１周壁部に形成され前記第１バルブが着座する第１バルブシートとなる第１肉盛溶接部と、を備え、
前記第１周壁部は、第１肉薄部と、前記第１肉薄部よりも径方向の厚みが増した第１肉厚部と、を有し、
前記第１肉薄部は、前記第１肉厚部の一方の端部から前記第１肉厚部の他方の端部まで前記第１周壁部の周方向に連続しており、
前記第１肉厚部は、前記第１バルブの軸線の方向から見て、前記第１及び第２バルブの双方の軸線を通過する第１線分よりも前記燃焼室の中心側であって、かつ前記第１線分に直交し前記第１バルブの軸線を通過する第２線分よりも前記燃焼室の中心側とは反対側の第１領域に位置し、
前記第１肉薄部は、前記第１領域以外の領域に位置している、内燃機関のシリンダヘッド。
前記第１及び第２バルブは、前記吸気バルブである、請求項１の内燃機関のシリンダヘッド。
前記第２バルブにより開閉され前記燃焼室に連通する第２ポートを画定する第２周壁部と、
前記第２周壁部に形成され前記第２バルブが着座する第２バルブシートとなる第２肉盛溶接部と、を備え、
前記第２周壁部は、第２肉薄部と、前記第２肉薄部よりも径方向の厚みが増した第２肉厚部と、を有し、
前記第２肉薄部は、前記第２肉厚部の一方の端部から前記第２肉厚部の他方の端部まで前記第２周壁部の周方向に連続しており、
前記第２肉厚部は、前記第２バルブの軸線の方向から見て、前記第１線分よりも前記燃焼室の中心側であって、かつ前記第１線分に直交し前記第２バルブの軸線を通過する第３線分よりも前記燃焼室の中心側の反対側の第２領域に位置し、
前記第２肉薄部は、前記第２領域以外の領域に位置している、請求項１又は２の内燃機関のシリンダヘッド。
前記第１肉厚部は、前記第１バルブの軸線に沿って前記燃焼室から離れる方向に延在している、請求項１乃至３の何れかの内燃機関のシリンダヘッド。