(57)【要約】【課題】シリンダヘッドの触火面に設けられる燃料噴射弁用穴等の貫通穴において、加熱時の圧縮応力を低減して、塑性変形を防止することができ、また、これにより、冷却時における引張残留応力の増加も防止でき、熱疲労に対して強く、熱耐久性に優れた内燃機関のシリンダヘッドを提供する。【解決手段】内燃機関のシリンダヘッドのシリンダに面する触火面に開口する燃料噴射弁用穴やグロープラグ穴、点火プラグ穴等の貫通穴に対して、ボールバニッシング加工等を施して、これらの貫通穴の内周面の円周方向に引張残留応力を予め付与して構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダヘッドのシリンダに面する触火面に開口する貫通穴において、該貫通穴の内周面の円周方向に引張残留応力を予め付与したことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項２】
前記引張残留応力を、ボールバニッシング加工により付与することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関し、より詳細には、シリンダヘッドの触火面に設けられる貫通穴部の亀裂発生防止の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダヘッドにおいて、その外周部でシリンダヘッドボルト（締結ボルト）によってシリンダブロックに強固に固定されているので、シリンダヘッドが熱膨張率の比較的大きいアルミニウム製で、シリンダブロックが熱膨張率の比較的小さい鋳鉄製であって、両者の熱膨張率の差が大きい場合には、シリンダヘッドは、この固定により、熱膨張や熱収縮を拘束されることになる。
【０００３】
そして、このシリンダヘッドは、シリンダの燃焼室に臨んでおり、内燃機関の運転に伴う加熱と運転停止による冷却との冷熱サイクルが繰り返されるため、熱疲労による亀裂の問題が生じる。
【０００４】
この亀裂のメカニズムは、冷熱サイクルによる材料の膨張と収縮の繰り返しによって材料に加わる応力が変化することによる疲労破壊であり、過大な塑性荷重の繰り返しにより材料が劣化して亀裂に至るものである。
【０００５】
図７にシリンダヘッドを形成する材料の応力と歪の関係を示すが、図７に示すように塑性域は圧縮側にも引張側もあり、この塑性域で材料が使用される場合には材料が劣化し耐久寿命は著しく低下してしまう。
【０００６】
そして、この応力と歪の関係を有するシリンダヘッドが、周囲を拘束された状態で、冷熱サイクル時に示す応力と歪の関係を図５に示す。内燃機関の停止状態である常温時に、応力と歪がゼロ（原点Ｏ）の時に、内燃機関を運転して加熱すると周囲が拘束されているために、圧縮応力が高くなるとともに圧縮歪が増し、材料の強度を超える応力（σ１）以上になると塑性域に入って塑性変形が進行し、シリンダヘッドとシリンダブロックの熱膨張量の差に対応する全歪量に到達する。即ち、出発点Ａ１（原点Ｏ）からＢ１点を通過してＣ１点に到達する。
【０００７】
そして、次に、内燃機関を停止して冷却されるとシリンダヘッドは縮み側で変化するが、塑性変形による収縮歪（Ｂ１〜Ｃ１）が生じているために、応力は圧縮応力から引張応力に変化しながら歪量がゼロの点（Ａ２）に戻る。このＡ２では、引張残留応力（σ２）が発生している。
【０００８】
更に、加熱と冷却を繰り返すと、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を通過してＡ３となり、更に、Ａ３，Ｂ３，Ｃ３を通過してＡ４、・・・・・・・のヒステリシスを繰り返す。従って、この図５に示すように、圧縮の塑性域に繰り返し入るので、材料の劣化が進行し、また、冷却時の残留引張応力も増加するので、熱疲労による亀裂が発生することになる。
【０００９】
特に、最近は高過給化が進んで、シリンダヘッドの熱負荷が増加してきている上に、内燃機関に対するコンパクト化、軽量化の要求が大きくなってきているため、形状変更を安易にすることはできず、また、重量増を伴う強度アップも困難なため、この冷熱サイクルに起因するシリンダヘッドの下面の触火面における熱疲労による亀裂の防止が技術的に重要な課題となってきている。
【００１０】
一方、初期の残留応力により発生する応力を相殺して発生応力を低減する方法が広く知られており、このような残留応力を応用したものとして、シリンダヘッド下面の触火面で特に亀裂などを生じやすい弁間部表面にショットピーニングを施して、圧縮残留応力を発生させる方法がある。この圧縮残留応力により、シリンダヘッド加熱後の冷却時に弁間部に発生する引張応力の一部を相殺して、引張応力を軽減することにより、シリンダに直接触れる触火面が、加熱時には熱膨張に対する拘束によって発生する圧縮応力で降伏及び塑性変形に至り、冷却後は引張残留応力を受けて、その引張残留応力を受けた時に熱疲労により劣化していた部分が亀裂破壊を起こすという、熱疲労による亀裂発生を防止し、熱疲労に対する耐久性を向上している（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭５９−１３４３５４号公報  （第１頁、第２頁）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮残留応力を与えた場合は、冷却時の塑性変形には効果があるものの、加熱時においては、熱膨張によって発生する圧縮応力と相乗して圧縮応力が圧縮残留応力が無い場合よりも大きくなり、加熱時の塑性変形がより進行することになり、材料そのものの劣化が進んでしまうという問題がある。
【００１３】
また、一方で、シリンダヘッドの触火面に設けられる燃料噴射弁（インジェクタ）用穴、グロープラグ穴、点火プラグ穴等の部位に関しても、熱疲労による亀裂の問題がある。つまり、図８に示すように、貫通穴を有し周囲が拘束された平板を加熱した時に、貫通穴が収縮荷重を受けて圧縮応力を発生するが、シリンダヘッドの貫通穴においても、貫通穴の内周面が、図８の状態と同じように、収縮荷重を受けて圧縮応力が発生し、シリンダヘッドの弁間部と同じ熱疲労による亀裂の問題が生じる。
【００１４】
従来、この熱疲労による亀裂発生の問題に対し、有効な対策が施されてきておらず、近年の小排気量高出力化の中で、これらに対する対策が強く求められている。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、シリンダヘッドの触火面に設けられる燃料噴射弁用穴等の貫通穴において、加熱時の圧縮応力を低減して、塑性変形を防止することができ、また、これにより、冷却時における引張残留応力の増加も防止でき、熱疲労に対して強く、熱耐久性に優れた内燃機関のシリンダヘッドを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関のシリンダヘッドは、内燃機関のシリンダヘッドのシリンダに面する触火面に開口する貫通穴において、該貫通穴の内周面の円周方向に引張残留応力を予め付与して構成される。
【００１７】
更に、前記引張残留応力を、ボールバニッシング加工により付与する。
【００１８】
このボールバニッシング加工は、ドリル加工された穴に、締め代のある鋼球をプレス貫通させて穴を拡張させながら通過させる（ボールバニシング）ことにより、穴の面に引張残留応力を発生させる加工である。
【００１９】
この構成の内燃機関のシリンダヘッドによれば、触火面に設けられる貫通穴部分において、ボールバニッシング加工等を施すことにより貫通穴の内周面の円周方向に引張残留応力が付与され、この予め付与された引張残留応力により、加熱時の圧縮歪量が小さくなるので、加熱冷却の繰り返しにおいて、圧縮及び引張の塑性変形が防止または軽減され、材料劣化が抑制され、材料の熱耐久性や熱サイクル寿命が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のシリンダヘッドについて、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１に、内燃機関のシリンダヘッド１の構成を示す。このシリンダヘッド１には、シリンダに面する触火面３に開口する燃料噴射弁（インジェクタ）用穴２が設けられている。
【００２２】
本発明においては、この燃料噴射弁用穴２に、単純に穴をドリル加工するだけでなく、ボールバニシング加工を施して、内周面の円周方向に引張残留応力を発生させる。
【００２３】
つまり、図２に示すように、切削した燃料噴射弁用穴２に、締め代Ｓのある鋼球１０をプレス貫通させることにより、燃料噴射弁用穴２の内面を塑性変形させ、穴内面の円周方向に引張残留応力を付与する。
【００２４】
この構成の内燃機関のシリンダヘッド１によれば、図３に示すように、引張残留応力（σａ）があるので、加熱により熱膨張した場合でも、全歪量を弾性域内に収めることができ、冷却した時は最初のＡ点に戻る。従って、冷熱サイクルにおいて、Ａ点からＢ点の間を往復するだけとなるので、塑性域に入ることが無くなり、塑性域に入ることによる材料の劣化を回避できる。
【００２５】
一方、常温時に残留応力をゼロとしている従来のシリンダヘッドの場合には、図５に示すように、圧縮塑性域に入るので、材料が劣化し、更に、引張残留応力も発生することになるので、この引張残留応力と材料劣化との組合せにより、熱疲労が進行し、亀裂発生に至る。
【００２６】
次に、歪の概念を用いて以下に説明する。図５は、常温（例えば２０℃）において歪ゼロ（残留応力ゼロ）のものを、完全に拘束して３００℃まで加熱して例えば３００℃にした時の金属材料に生じる圧縮歪量を模式的に示したものである。それに対して、図６は、常温において（初期時に）引張歪（Ｌ３−Ｌ１）を与えておいた場合を示す。
【００２７】
この図５に示すように、加熱時においては、自由膨張量（Ｌ２−Ｌ１）は、熱膨張量ΔＬとなるが、拘束状態にある場合には、この熱膨張量ΔＬの分だけ圧縮歪が生じ、この圧縮歪が弾性歪（Ｌ４−Ｌ１）だけでは収まらず、塑性歪（Ｌ２−Ｌ４）も生じた場合には、冷却された後に、引張残留歪（Ｌ１−Ｌ５＝Ｌ２−Ｌ４）が発生することになる。
【００２８】
一方、図６に示すように、常温（例えば２０℃）時に初期引張歪（Ｌ３−Ｌ１）を付与した場合には、常温の拘束時の長さはＬ３となるが、高温（３００℃）時に発生する歪量に対しては、初期引張歪（Ｌ３−Ｌ１）を与える前の自由長Ｌ１が基準となる。また、拘束状態における高温時の圧縮歪量は、常温時の長さ（Ｌ３）からの変化で表されるので、（Ｌ２−Ｌ３）となり、図５で示す加熱時（例えば３００℃）の拘束状態の圧縮歪量（Ｌ２−Ｌ１）より少なくなる。この圧縮歪量（Ｌ２−Ｌ３）が弾性域内にあれば、冷却した状態に戻っても、初期引張歪（Ｌ３−Ｌ１）は変化しない。そのため、冷熱サイクルを繰り返しても、この弾性域内の変化だけで、塑性域に入らないので、材料の劣化を防止することができる。
【００２９】
このように予め引張歪（Ｌ３−Ｌ１）を与えておくことにより、加熱中の圧縮歪量（Ｌ２−Ｌ３）を少なくできるため、弾性域内に留めたり、加熱温度の条件によって塑性域に入ったとしても塑性歪を小さくできる。従って、熱サイクル疲労寿命を大幅に低く抑えることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の内燃機関のシリンダヘッドによれば、触火面に開口する燃料噴射弁用穴やグロープラグ穴、点火プラグ穴等の部位に対して、ボールバニッシング加工等により、常温時に、貫通穴の内周面の円周方向に引張残留応力を付与することにより、加熱時に発生する圧縮歪量を小さくすることができるので、加熱冷却の繰り返しにおいて、圧縮及び引張の塑性変形を防止または軽減することができる。また、塑性歪を回避することにより、引張残留応力の増加も回避できる。
【００３１】
従って、この触火面に開口する各種穴部の内周面の材料劣化が抑制され、亀裂の発生を防止でき、材料の熱耐久性や熱サイクル寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態のエンジンのシリンダヘッドの構成を示す模式的な断面図である。
【図２】シリンダヘッドにおけるボールバニッシング加工を示す図１のＡ部分の拡大図である。
【図３】常温時に引張残留応力を付与した場合の応力と歪の関係を模式的に示す説明図である。
【図４】常温時に初期引張歪を付与した場合の歪を模式的に示す説明図である。
【図５】常温時に残留応力がゼロの場合の応力と歪の関係を模式的に示す説明図である。
【図６】常温時に歪ゼロの場合の歪を模式的に示す説明図である。
【図７】シリンダヘッドを形成する材料の応力と歪の関係を示す図である。
【図８】外周を拘束した平板を加熱した時に、この平板に開口された貫通穴に作用する荷重方向を示す説明図である。
【符号の説明】
１  シリンダヘッド
２  燃料噴射弁用穴
３  触火面
１０  鋼球
【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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【図７】
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【図８】
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