JP7095334B2

JP7095334B2 - シリンダヘッド

Info

Publication number: JP7095334B2
Application number: JP2018049782A
Authority: JP
Inventors: 稔沖村; 康博山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: JP2019157837A

Description

本発明は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、例えばアルミニウム（Ａｌ）合金製のシリンダヘッド本体に、例えば銅（Ｃｕ）合金など異なる材料をレーザクラッド加工などで接合し、バルブシートを形成することがある（例えば特許文献１）。

特開２０１５－４８７８９号公報

シリンダヘッド本体とバルブシートとは、合金を形成することで、互いに接合される。しかし、接合界面の合金層は他の部分よりも脆い。したがって、バルブがバルブシートに着座する際に生じる力により、接合界面が割れ、バルブシートが剥離する恐れがある。そこで、バルブシートの剥離を抑制することが可能な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、シリンダヘッド本体と、前記シリンダヘッド本体とは異なる材料で形成され、前記シリンダヘッド本体と合金を形成することで前記シリンダヘッド本体に接合されたバルブシートと、を具備し、前記バルブシートは、ポートを開閉するバルブが着座する第１面を有し、前記第１面よりも前記ポート側に、前記バルブシートと前記シリンダヘッド本体との接合界面を含む第２面が位置し、前記第１面と前記第２面との間に、前記第１面および前記第２面に連続する第３面が位置し、前記バルブの軸と前記第３面とがなす角は、前記軸と前記第１面とがなす角よりも小さく、前記軸と前記第２面とがなす角は前記軸と前記第３面とがなす角よりも小さく、前記第１面の法線方向から両側に６０°の範囲に第１の領域が形成され、前記第２面は、前記第１の領域よりも外側に位置するシリンダヘッドによって達成できる。

バルブシートの剥離を抑制することが可能なシリンダヘッドを提供できる。

図１（ａ）は内燃機関を例示する模式図である。図１（ｂ）は吸気ポートを拡大した図である。

（実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態のシリンダヘッドについて説明する。図１（ａ）は内燃機関１００を例示する模式図である。図１（ａ）に示す内燃機関１００は、例えば自動車などに搭載されるガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンなどである。内燃機関１００は、シリンダヘッド１０およびシリンダブロック１１を備える。シリンダヘッド１０はシリンダブロック１１の上側に取り付けられ、シリンダヘッド１０、シリンダブロック１１およびピストン１５により燃焼室１３が形成される。燃焼室１３内においてピストン１５が上下に往復運動する。吸気ポート１２は吸気バルブ１６の移動により開閉する。排気ポート１４は排気バルブ１８の移動により開閉する。

図１（ｂ）は吸気ポート１２を拡大した図である。排気ポート１４も吸気ポート１２と同様の構成である。図１（ｂ）に示すように、シリンダヘッド１０はシリンダヘッド本体２０とバルブシート２２とを含む。シリンダヘッド本体２０は例えばアルミニウム鋳物であり、バルブシート２２は例えばＣｕ合金などで形成されている。シリンダヘッド本体２０には吸気ポート１２および図２では不図示の排気ポート１４が形成されている。バルブシート２２は、図１（ａ）に示した吸気バルブ１６が着座する部分である。シリンダヘッド本体２０とバルブシート２２とは、例えばレーザクラッド加工などで接合される。接合部にはＡｌ－Ｃｕ合金の合金層２４が形成される。

面１３ａは燃焼室１３の内壁である。バルブシート２２の面２６（第１面）は面１３ａよりも吸気ポート１２側に位置し、吸気バルブ１６が着座する面である。燃焼室１３内のガスが流出しないように、吸気バルブ１６は面２６に接触する。面２８（第２面）は面２６よりも吸気ポート１２側に位置する。接合界面２４ａは合金層２４の表面であり、面２８に含まれる。バルブシート２２の面３０（第３面）は、面２６と面２８との間に位置し、面２６および２８と連続する。

図１（ｂ）中のＡｘは吸気バルブ１６の作動軸の軸線である。面２６と軸線Ａｘとのなす角はθａである。面３０と軸線Ａｘとのなす角はθｂであり、θａよりも小さい。面２８と軸線Ａｘとのなす角はθｃであり、θｂよりも小さい。

吸気バルブ１６が面２６に着座する際、バルブシート２２は吸気バルブ１６から力を受ける。この力が大きく影響する領域をＡ１とする。領域Ａ１は、例えば面２６の端部付近を起点として広がり、面２６の法線Ｎ１から両側に角度θ０の範囲に形成される。θ０は例えば６０°程度である。

シリンダヘッド本体２０とバルブシート２２との間の合金層２４は、シリンダヘッド本体２０およびバルブシート２２に比べて脆い。吸気バルブ１６の着座により生じる力が合金層２４の接合界面２４ａに作用すると、合金層２４が割れる恐れがある。この結果、バルブシート２２がシリンダヘッド本体２０から剥離する。合金層２４のクラックを抑制するため、合金層２４の接合界面２４ａを、力の影響する領域Ａ１の外に配置する。

本実施形態によれば、面２６と面２８との間に面３０が位置する。角度θｂは角度θａより小さく、角度θｃは角度θｂよりも小さい。このため、面２６から面３０および面２８へと向かうにつれて面は軸線Ａｘに近づき、領域Ａ１から遠ざかる。面２８および接合界面２４ａは領域Ａ１の外に位置することになる。したがって合金層２４のクラックが抑制され、バルブシート２２の剥離を抑制することができる。

シリンダヘッド１０およびバルブの形状などに応じてθａ、θｂおよびθｃは様々な値を取り得る。例えばθａはバルブの形状から決まり、θｃは吸気ポート１２の形状から決まる。θｂはθｃより大きく、θａより小さい角度とする。これにより面２８および接合界面２４ａは領域Ａ１外となる。

θｂが小さすぎると、面２８が領域Ａ１に近づく。そこで、θｂは例えばθａ－１５°より大きくしてもよい。これにより面２８および接合界面２４ａは領域Ａ１外となる。

バルブシート２２の大きさを維持し、かつ面３０を軸線Ａｘに向けて大きくすると、面２８は軸線Ａｘに近づき、領域Ａ１から遠ざかる。これにより接合界面２４ａからのクラックを抑制することができる。しかし吸気ポート１２の径が小さくなる。吸気ポート１２の径の縮小を抑制するため、面３０は大きすぎず、かつ面２８が軸線Ａｘに近すぎないことが好ましい。例えば面３０の図１（ｂ）断面における長さは、面２６および２８よりも小さい。これによりポート径の縮小を抑制し、かつ面２８は領域Ａ１の外に位置する。

吸気ポート１２を例としたが、本実施形態は排気ポート１４にも適用される。また、内燃機関１００の各気筒の各バルブに本実施形態を適用することが好ましい。シリンダヘッド本体２０はアルミニウム鋳物以外でもよいし、バルブシート２２はＣｕ合金以外で形成されてもよい。バルブシート２２がシリンダヘッド本体２０とは異なる材料で形成され、合金層２４によりバルブシート２２がシリンダヘッド本体２０に接合される場合、本実施形態を適用することができる。バルブシート２２の接合にはレーザクラッド加工以外に、合金層２４を形成する加工法を用いることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態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。

１０シリンダヘッド
１１シリンダブロック
１２吸気ポート
１３燃焼室
１３ａ、２６、２８、３０面
１４排気ポート
１５ピストン
１６吸気バルブ
１８排気バルブ
２０シリンダヘッド本体
２２バルブシート
２４合金層
２４ａ接合界面
１００内燃機関

Claims

シリンダヘッド本体と、
前記シリンダヘッド本体とは異なる材料で形成され、前記シリンダヘッド本体と合金を形成することで前記シリンダヘッド本体に接合されたバルブシートと、を具備し、
前記バルブシートは、ポートを開閉するバルブが着座する第１面を有し、
前記第１面よりも前記ポート側に、前記バルブシートと前記シリンダヘッド本体との接合界面を含む第２面が位置し、
前記第１面と前記第２面との間に、前記第１面および前記第２面に連続する第３面が位置し、
前記バルブの軸と前記第３面とがなす角は、前記軸と前記第１面とがなす角よりも小さく、前記軸と前記第２面とがなす角は前記軸と前記第３面とがなす角よりも小さく、
前記第１面の法線方向から両側に６０°の範囲に第１の領域が形成され、
前記第２面は、前記第１の領域よりも外側に位置するシリンダヘッド。