(57)【要約】【課題】  冷却効率のよいシリンダヘッド構造を提供する。【解決手段】  シリンダヘッド構造は、内燃機関におけるシリンダヘッド１の燃焼室との開口１２に筒状のバルブシート（バルブシートリング４）を圧入したシリンダヘッド構造であって、シリンダヘッドの開口とバルブシートとの間隙２１の少なくとも一部には、内燃機関の始動後にシリンダヘッド又はバルブシートの昇温により溶融する低融点材料２２が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関におけるシリンダヘッドの燃焼室との開口に筒状のバルブシートを圧入したシリンダヘッド構造であって、
該シリンダヘッドの前記開口と前記バルブシートとの間隙の少なくとも一部には、前記内燃機関の始動後にシリンダヘッド又はバルブシートの昇温により溶融する低融点材料が設けられていることを特徴とするシリンダヘッド構造。
【請求項２】
前記バルブシートの燃焼室側とは逆側の端面には、外燃焼室側のバルブシート外径よりも径の小さい縮径部が設けられ、前記低融点材料が該縮径部の外周に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシリンダヘッド構造。
【請求項３】
前記縮径部は、該縮径部と前記バルブシートとの径の差が、該縮径部の高さよりも長くなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド構造。
【請求項４】
前記バルブシートの縮径部の周囲は、表面の金属酸化物が除去されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダヘッド構造。
【請求項５】
前記低融点材料が、低融点金属又は低融点合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリンダヘッド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリンダヘッド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリンダヘッド構造においては、バルブの熱をバルブ軸を伝達させて放熱したり、また、シリンダヘッドの開口に設けられたリング状のバルブシートリング（バルブシート）を介してシリンダヘッド側に放熱することで、バルブを冷却している。
【０００３】
シリンダヘッドの開口にリング状のバルブシートを設けたシリンダヘッド構造としては、バルブシートの外周に縮径部を設けて、バルブシートとシリンダヘッドとの圧接時に生じる流動体をこの縮径部に充填するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。このようなシリンダヘッド構造では、この流動体によりバルブシートをシリンダヘッドに物理的に係合させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２３５５１４号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バルブシートをシリンダヘッドに設置する場合には、バルブシートを圧入させているので、バルブシートの側面は、圧入面としての加工に留まっている。このため、バルブシートとシリンダヘッドとの係合面には、微視的には凹凸が存在しているのでこの凹凸によりシリンダヘッドとバルブシートとの間の面接触が十分ではなくなる。これにより、バルブからのバルブシートを介してのシリンダヘッドへの熱伝達が阻害されてしまい、バルブシートに熱がこもってバルブシートを効率的に冷却することができない。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、冷却効率のよいシリンダヘッド構造を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のシリンダヘッド構造は、内燃機関におけるシリンダヘッドの燃焼室との開口に筒状のバルブシートを圧入したシリンダヘッド構造であって、該シリンダヘッドの前記開口と前記バルブシートとの間隙の少なくとも一部には、前記内燃機関の始動後にシリンダヘッド又はバルブシートの昇温により溶融する低融点材料が設けられていることを特徴とする。前記内燃機関の始動後にシリンダヘッド又はバルブシートの熱により溶融する低融点材料が設けられていることで、シリンダヘッドとバルブシートとの間の熱伝達効率が向上し、これにより冷却効率のよいシリンダヘッド構造とすることができる。
【０００８】
前記バルブシートの燃焼室側とは逆側の端面には、外燃焼室側のバルブシート外径よりも径の小さい縮径部が設けられ、前記低融点材料が該縮径部の外周に設けられていることが好ましい。上端面に設けられた縮径部の外周に低融点材料を設けることで、低融点材料がバルブシートとシリンダヘッドとの間の保持力を損なうことなく、低融点材料を介してバルブシートとシリンダヘッドとの間の熱交換が効率的に行われる。
【０００９】
前記縮径部は、該縮径部と前記バルブシートとの径の差が、該縮径部の高さよりも長くなるように構成されていることが好ましい。このように構成されていることで、熱交換をより効率的に行うことができると共に、バルブシートとシリンダヘッドとの間の面接触部分の面積も広くなり、保持力を損なうこともない。
【００１０】
前記バルブシートの縮径部の周囲は、表面の金属酸化物が除去されていることが好ましい。表面の金属酸化物が除去されていることで、縮径部の周囲にも低融点材料が広がることができ、これにより低融点材料により覆われる面積が広くなって熱伝達効率が上昇する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態としては、前記低融点材料が、低融点金属又は低融点合金であることが挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のシリンダヘッド構造によれば、冷却効率が高いという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】シリンダヘッド構造を示す模式的断面図である。
【図２】（１）シリンダヘッド構造の要部を示す模式的断面図及び（２）その拡大図である。
【図３】シリンダヘッド構造の要部を示す模式的断面図である。
【図４】従来のシリンダヘッド構造の要部を示す模式的断面図である。
【図５】シリンダヘッド構造の製造工程を示す模式的断面図である。
【図６】それぞれ別のシリンダヘッド構造の要部を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１から図６に基づいて本発明の内燃機関を説明する。
【００１５】
図１に示すように、内燃機関（エンジン）であるエンジン本体のシリンダヘッド１には、気筒２毎に吸気ポート３（吸気通路）が形成されている。各吸気ポート３はバルブシートリング４を介して吸気開口５に接続されている。吸気開口５は、燃焼室６に臨んでいる。バルブシートリング４は、吸気開口５に圧入により設置されている。このバルブシートリング４については、詳しくは後述する。
【００１６】
気筒２の燃焼室６には吸気ポート３の燃焼室６側に吸気バルブ７が設けられている。吸気バルブ７は、軸が摺動自在であるようにシリンダヘッド１に支持され、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示省略）のカムに倣って開閉作動するものである。吸気バルブ７が開閉作動してバルブシートリング４に対して着座と非着座を繰り返すことで、各吸気ポート３と燃焼室６との連通・遮断が繰り返して行なわれる。各吸気ポート３には、図示しない吸気マニホールドの一端がそれぞれ接続され、各吸気ポート３に吸気マニホールドが連通している。
【００１７】
また、シリンダヘッド１には気筒２毎に排気ポート１１が形成され、各排気ポート１１はバルブシートリング（バルブシート）４を介して排気開口１２に接続されている。各排気ポート１１の燃焼室６側には排気バルブ１３がそれぞれ設けられている。
【００１８】
排気バルブ１３は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示せず）のカムに倣って開閉作動され、バルブシートリング４に対して着座と非着座を繰り返すことで、各排気ポート１１と燃焼室６との連通・遮断が繰り返して行なわれる。そして、各排気ポート１１には排気マニホールド（図示せず）の一端がそれぞれ接続され、各排気ポート１１に排気マニホールドが連通している。
【００１９】
また、シリンダヘッド１には、吸気ポート３と排気ポート１１との間に冷却水路（冷却ジャケット）１５が設けられ、この冷却水路１５を含むシリンダヘッド１に設けられた冷却手段によりシリンダヘッド１の冷却が行われる。シリンダヘッド１では、吸気バルブ７及び排気バルブ１３からの熱をバルブシートリング４を介してシリンダヘッド１側へ伝達し、これによりバルブシートリング４をこの冷却手段により冷却することができるように構成されている。
【００２０】
本発明のシリンダヘッド構造について、排気側を例として以下詳細に説明する。
【００２１】
シリンダヘッド１の排気ポート１１では、排気開口１２とバルブシートリング４との接合面には、微視的には図２に示すように凹凸が設けられていることで、完全には両者が面接触されておらず、この凹凸による間隙２１が形成されている。
【００２２】
バルブシートリング４の上端面、即ち燃焼室６とは逆側の端面にはバルブシートリング４の外径よりも径の小さい縮径部２３が形成されている。つまり、バルブシートリング４の上端面にはその外周側に段差部が形成されることで、縮径部２３が形成されている。縮径部２３は、縮径部２３の径とバルブシートリング４の径との差（長さの差）の方が、縮径部２３の高さよりも長くなるように構成されている。
【００２３】
この縮径部２３の近傍の間隙２１には低融点材料２２が充填されている。詳しくは後述するようにこの低融点材料２２は初めは縮径部２３の外周部に設けられ、エンジンの始動によりシリンダヘッド１が昇温されることで溶融して間隙２１間を充填したものである。即ち、本実施形態においては、凹凸のあるバルブシートリング４とシリンダヘッド１との間の接触面に溶融した低融点材料２２が介在し、これにより接触面全体が接触した状態となっている。
【００２４】
このように本実施形態にかかるシリンダヘッド構造では、低融点材料２２により縮径部２３の近傍の間隙２１が充填されていることで、図３に示すように排気バルブ１３がバルブシートリング４に着座した場合の排気バルブ１３からの熱をバルブシートリング４及び低融点材料２２を介してシリンダヘッド１に効率よく伝えることができ、シリンダヘッド１における冷却水路１５（図１参照）により効率的にバルブシートリング４を冷却することができる。バルブシートリング４における冷却が効率的に行われることで、バルブシートリング４のバルブとの接触面の温度が低下するので、バルブシートリング４やバルブフェースの摩耗を低減することができると共に、バルブ傘部の温度を低下させることができる。したがって、このような構成をシリンダヘッド１の吸気側にも適用することで、吸気側のバルブシートリング４の冷却も効率的に行うことができ、これによりさらにノッキングの発生するおそれを低減させる。
【００２５】
ちなみに、従来の図４に示すシリンダヘッド１ｘでは、バルブシートリング４ｘとシリンダヘッド１ｘとの接合面が微視的には凹凸が多く、嵌合しない部分において間隙２１ｘが生じており、この間隙２１ｘで熱伝達が阻害されていた。したがって、バルブシートリング４ｘにバルブが着座した場合のバルブからの熱がシリンダヘッド１ｘに伝わり難く、その結果バルブシートリング４ｘの放熱が阻害されてバルブシートリング４ｘが高温となることもあった。
【００２６】
これに対し、本実施形態では、この間隙２１には低融点材料２２が充填されていることから、バルブシートリング４とシリンダヘッド１との間で熱伝達が効率的に行われることで、バルブシートリング４の冷却を効率的に行うことができる。
【００２７】
かかるシリンダヘッド構造の製造工程について図５を用いて説明する。上述のように、バルブシートリング４の上端面には縮径部２３が設けられている。縮径部２３の周囲の領域２６は、フラックス加工、即ち表面の酸化物などの皮膜を除去する加工が行われている。
【００２８】
縮径部２３には、固相の低融点材料２５が配される。この場合、縮径部２３の形状に沿ったリング状の固相の低融点材料２５を縮径部２３の外周に貼付してもよいし、また、公知の膜形成方法、即ち塗布法等によって膜が形成されることで設置してもよい。このようにバルブシートリング４の一部にのみ固相の低融点材料２５を設置することで、シリンダヘッド１に圧入されるバルブシートリング４の保持力を維持するとともに、熱伝導率を向上させることができる。したがって、バルブシートリング４の全面を固相の低融点材料で被覆することは好ましくない。
【００２９】
固相の低融点材料２５が縮径部２３の外周に設置された状態で、バルブシートリング４を圧入によりシリンダヘッド１の排気開口１２に取り付けて車両を製造する。製造後、車両が始動してエンジンが始動すると、バルブシートリング４の固相の低融点材料２５がシリンダヘッド１が加熱されることにより液相化され、縮径部２３においてバルブシートリング４とシリンダヘッド１との間を充填すると共に、縮径部２３の周囲のフラックス加工が行われた領域２６にも流出しシリンダヘッド１とバルブシートリング４との縮径部の周りの間隙２１を充填して密着する。低融点材料２２は縮径部２３においては表面張力が高くあまり移動できないが、縮径部２３の周囲のフラックス加工が行われた領域２６では表面張力が低く移動しやすいのでこの領域２６では移動できる。そして、この領域２６の周囲はフラックス加工が行われていないため表面張力が高いので移動できない。これにより、本実施形態にかかるバルブシートリング４では、液相化した低融点材料が燃焼室６内まで移動することが防止されている。
【００３０】
そして、エンジン作動が停止され、温度が低下すると低融点材料はその位置で固相化する（図２に示す低融点材料となる）。このように一度低融点材料２２が固相化してしまえば、バルブシートリング４とシリンダヘッド１との縮径部２３の周りの間隙２１を充填することができるので、再度液相化する必要はない。なお、その後もエンジンの作動により再度低融点材料２２が液相化することも考えられるが、再度液相化してもバルブシートリング４及びシリンダヘッド１における表面張力が高いので低融点材料２２が燃焼室６内まで移動することはない。
【００３１】
このような低融点材料２２（固相の低融点材料２５）としては、融点が８０〜３００℃、好ましくは１５０〜１８０℃であることが挙げられる。３００℃より高い融点をもつ材料では、エンジン作動後においても充填されないことが考えられると共に、８０℃未満の融点をもつ材料では、エンジンを始動させる前に、例えば製造段階において材料が液相化してしまうことが考えられる。この範囲であれば、シリンダヘッド１が約１８０℃、バルブシートリング４が３００℃程度まで上昇するので、いずれかにより低融点材料を溶融することができる。また、融点が１５０℃以上であれば、エンジンを始動させる前に、例えば輸送中においても材料が液相化してしまうことを抑制できるため好ましい。さらにこのような材料が１８０℃以下の融点をもつ材料であれば、エンジンの始動後バルブシートリング４が高温となる前に液相化することで体積膨張してシリンダヘッド１とバルブシートリング４が密着するのでより熱伝達効率を向上させることができる。
【００３２】
具体的には、低融点材料としての金属は、インジウム（融点１５６℃）、錫（融点２３２℃）等が挙げられ、合金としては、大阪アサヒメタル工場社商品名Ｕアロイ等の鉛やカドミウムを含まないはんだや低温はんだ等の合金（例えば融点１３８℃のものや１５０℃のもの）が挙げられる。
【００３３】
本実施形態では図５に示すように縮径部２３をバルブシートリング４の上端面に段差状となるように設けたが、これに限定されない。例えば、図６（１）に示すように、バルブシートリング４Ａの上端面の外周側に、上方に向かって徐々に縮径する斜面状となるように縮径部２３Ａを設けてもよい。
【００３４】
また、図６（２）に示すように、バルブシートリング４Ｂの外周面の上端側に、図５よりも縮径部２３Ｂの径が小さくなるように、かつ高さが高くなるように設けてもよい。即ち、縮径部２３Ｂの高さが、縮径部２３Ｂとバルブシートリング４Ｂとの径の差よりも大きくなるように設けてもよい。この場合、縮径部２３Ｂがバルブシートリング４Ｂの下方側まで、即ち縮径部２３Ｂの高さが十分に高くなるように設けられていると、エンジン始動後に低融点材料２２Ｂが燃焼室内に流入するおそれがある。したがって、少なくともバルブシートリングの高さの５０％以下の部分に縮径部２３を設けることが好ましい。また、バルブシートリング４はその外周面でシリンダヘッド１との保持を行っているので、この外周面の広範囲を低融点材料が占めてしまうと、保持力が低下するおそれがある。したがって、図５に示す実施形態のようにバルブシートリング４の上端面に、縮径部２３の高さが、縮径部２３とバルブシートリング４との径の差よりも小さくなるように縮径部２３を設けることが好ましい。
【００３５】
本実施形態では、フラックス加工を行う領域２６を縮径部２３の周囲に設けたが、これに限定されない。縮径部２３の周囲にフラックス加工を行う領域２６を設けることで、低融点材料が充填される領域を増やすこともできるが、設けなくても縮径部２３においてシリンダヘッド１との間隙２１を充填することができれば、少なくとも従来よりも熱伝導効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１     シリンダヘッド
２     気筒
３     吸気ポート
４     バルブシートリング
５     吸気開口
６     燃焼室
７     吸気バルブ
１１   排気ポート
１２   排気開口
１３   排気バルブ
１５   冷却水路
２１   間隙
２２   低融点材料
２３   縮径部
２５   固相の低融点材料
２６   領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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