(57)【要約】【課題】冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却することのできるシリンダヘッド及びその製造方法を提供する。【解決手段】シリンダヘッド１０は、冷却水が流通する冷却水通路１８を備える。冷却水通路１８の壁部２２における高温部位２２ａの壁面に対して、その冷却水通路１８の壁部２２に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材３０を設ける。このため、冷却水通路１８の壁部２２における高温部位２２ａの熱が放熱部材３０を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、冷却水通路１８の壁部２２の高温部位２２ａを効率的に冷却することができる。冷却水通路１８における冷却水の通水抵抗を、冷却水に接触する放熱部材３０の水接触面３０ａの表面粗さによって調整する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が流通する冷却水通路を備えるシリンダヘッドであって、
前記冷却水通路の壁部における高温部位の壁面に対して、その冷却水通路の壁部に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材を設けたことを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のシリンダヘッドであって、
前記冷却水通路における冷却水の通水抵抗を、前記冷却水に接触する前記放熱部材の面の表面粗さによって調整する構成としたことを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシリンダヘッドであって、
前記冷却水通路の壁部と前記放熱部材とが凹凸形状をもって相互に接合されていることを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のシリンダヘッドであって、
エンジンの１気筒当たり複数の排気ポートを並列状に備え、
前記放熱部材は、前記複数の排気ポートの壁部における冷却水通路側の壁面に亘って設けられていることを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項５】
冷却水が流通する冷却水通路を備えるシリンダヘッドを鋳造によって製造するシリンダヘッドの製造方法であって、
前記冷却水通路の壁部における高温部位の壁面を形成する鋳型部分に、その冷却水通路の壁部に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材をセットした状態で、シリンダヘッドを鋳造することによって、前記放熱部材が一体化されていることを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のシリンダヘッドの製造方法であって、
複数の気筒毎に配置される各放熱部材が連結部を介して連結された放熱部品を形成し、その放熱部品を前記冷却水通路の壁部における高温部位の壁面を形成する鋳型部分にセットするようにしたことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関いわゆるエンジンのシリンダヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、エンジンのシリンダヘッドにおいては、燃焼室からの排気ガスが流通する排気ポートの燃焼室に近い壁部が加熱されやすいので高温になる。このため、加熱されやすい排気ポートの壁部の高温部位を効率的に冷却する必要がある。
そこで、従来、高温部位に冷却水をできるだけ多く流すために、シリンダヘッドのウォータジャケットすなわち冷却水通路内を燃焼室毎に仕切り壁で区画し、その仕切り壁の中央部から燃焼室の中央部に向けて冷却水の流動方向を誘導する突出壁を形成した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１において、冷却水通路内に供給された冷却水は、各燃焼室毎に仕切り壁に沿って流れるとともに、突出壁にぶつかって高温部位へ向けて流される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−８６９６９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１のものでは、シリンダヘッド内における冷却水の流動方向を単に冷却水通路の壁部の高温部位に向けて案内するものにすぎない。このため、冷却水通路の壁部の高温部位の冷却効果を高めるには自ずと限界があり、その高温部位を効率的に冷却することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却することのできるシリンダヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、特許請求の範囲の欄に記載された構成を要旨とするシリンダヘッド及びその製造方法により解決することができる。
すなわち、請求項１に記載されたシリンダヘッドによると、冷却水通路の壁部における高温部位の壁面に対して、その冷却水通路の壁部に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材が設けられている。このため、冷却水通路の壁部における高温部位の熱が放熱部材を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却することができる。
【０００７】
また、請求項２に記載されたシリンダヘッドによると、冷却水通路における冷却水の通水抵抗が、冷却水に接触する放熱部材の面の表面粗さによって調整される。例えば、冷却水に接触する放熱部材の面の表面粗さを小さくすれば、通水抵抗を小さくすることができる。一方、冷却水に接触する放熱部材の面の表面粗さを大きくすれば、放熱部材に対する冷却水の接触面積を増大することができる。したがって、冷却水に接触する放熱部材の面の表面粗さによって、冷却水通路の冷却水の通水抵抗を調整することにより、放熱部材に対する冷却水の接触面積をも調整することができるので、冷却能力を容易にコントロールすることができる。
【０００８】
また、請求項３に記載されたシリンダヘッドによると、冷却水通路の壁部と放熱部材とが凹凸形状をもって相互に接合されることにより、冷却水通路の壁部と放熱部材との接合面積を増大することができる。このため、冷却水通路の壁部から放熱部材への熱伝導性を一層向上することができる。
【０００９】
また、請求項４に記載されたシリンダヘッドによると、エンジンの１気筒当たり複数で並列状の排気ポートの壁部における冷却水通路側の壁面に亘って、放熱部材が設けられる。これにより、複数の排気ポートを効果的に冷却し、その排気ポートの壁部の相互間に生じる熱応力を効果的に緩和することができる。
【００１０】
また、請求項５に記載されたシリンダヘッドの製造方法によると、冷却水通路の壁部における高温部位の熱が放熱部材を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却することのできるシリンダヘッドの製造方法を提供することができる。
また、シリンダヘッドの鋳造によって放熱部材が鋳ぐるまれるため、シリンダヘッドに放熱部材を高い寸法精度をもって設置することができる。
【００１１】
また、請求項６に記載されたシリンダヘッドの製造方法によると、放熱部品を冷却水通路の壁部における高温部位の壁面を形成する鋳型部分に亘ってセットすることにより、その放熱部品の各放熱部材を複数の気筒に亘って一挙にセットすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を説明する。本実施の形態におけるシリンダヘッドは、例えばアルミニウム合金の鋳物として鋳造されている。また、本シリンダヘッドは、例えば３気筒エンジンに使用されるものであり、基本的には各気筒についてほとんど同一の構成であるので、主として１つの気筒に対応するシリンダヘッドの構成について説明する。
【００１３】
図１に示すように、シリンダヘッド１０には、吸気ポート１１及び排気ポート１２が形成されている。吸気ポート１１及び排気ポート１２は、図２に示すように、１気筒（図２中、二点鎖線Ｃ参照）当たり２つずつ並列状に形成されている。また、シリンダヘッド１０には、図３に示すように、プラグ（図示省略）を取付けるためのプラグ取付孔１３が形成されている。プラグ取付孔１３は、計４つの吸気ポート１１及び排気ポート１２によって取り囲まれる中央位置に設けられている。また、シリンダヘッド１０には、図１に示すように、吸気ポート１１に対応する吸気バルブ（図示省略）を配置するための吸気バルブ用孔１５、及び、排気ポート１２に対応する排気バルブ（図示省略）を配置するための排気バルブ用孔１６がそれぞれ形成されている。
【００１４】
図３に示すように、前記シリンダヘッド１０には、ウォータジャケットを構成する冷却水通路１８が形成されている。冷却水通路１８内を、冷却水いわゆるエンジン冷却水が気筒列方向（図３において上から下方）に沿って流通するようになっている。
【００１５】
前記シリンダヘッド１０には、前記両ポート１１，１２及び各孔１３，１５，１６と冷却水通路１８とを区画する壁部２１，２２，２３，２５，２６が設けられている。すなわち、シリンダヘッド１０には、吸気ポート１１と冷却水通路１８とを区画する壁部（吸気ポート１１の壁部という。）２１が形成されている。両吸気ポート１１の壁部２１は断面「８」の字状につながっている。また、シリンダヘッド１０には、排気ポート１２と冷却水通路１８とを区画する壁部（排気ポート１２の壁部という。）２２が形成されている。両排気ポート１２の壁部２２は断面「８」の字状につながっている。また、シリンダヘッド１０には、プラグ取付孔１３と冷却水通路１８とを区画する壁部（プラグ取付孔１３の壁部という。）２３が形成されている。さらに、図１に示すように、シリンダヘッド１０には、吸気バルブ用孔１５と冷却水通路１８とを区画する壁部（吸気バルブ用孔１５の壁部という。）２５が形成されている。また、また、シリンダヘッド１０には、排気バルブ用孔１６と冷却水通路１８とを区画する壁部（排気バルブ用孔１６の壁部という。）２６が形成されている。
そして、前記冷却水通路１８内を流通する冷却水は、各壁部２１，２２，２３，２５，２６の周りを接触しながら通過することによって各壁部の熱を吸収し、その各壁部を冷却する。なお、各壁部２１，２２，２３，２５，２６は、冷却水通路１８の壁部でもあるので、以下、冷却水通路１８の壁部ともいう。
【００１６】
前記シリンダヘッド１０において、冷却水によって冷却されにくい高温部位としては、例えば、排気ポート１２の壁部２２における燃焼室側に近い部位（符号、２２ａを付す）が相当する。
そこで、排気ポート１２の壁部２２の高温部位２２ａの周囲に相当する冷却水通路１８の壁部２２の高温部位２２ａの壁面には、一対の放熱部材３０が配置されている。一対の放熱部材３０は、当該壁部２２の材料、すなわちシリンダヘッド１０のアルミニウム合金材料に比べて、熱伝導率の高い金属材料、例えば銅材により形成されている。
【００１７】
図３に示すように、前記各放熱部材３０は、それぞれ隣り合う２つの排気ポート１２の壁部２２における冷却通路１８側の壁面に沿って亘るように形成された断面半円形状の放熱部３１を並列状に連設した断面ほぼＷ字状のプレート状に形成されている。また、各放熱部材３０は、２つの排気ポート１２の壁部２２における冷却通路１８側の壁面に対していわゆる最中状に接合されている。なお、各放熱部材３０は、基本的にはほとんど同一の構成であるので、排気ポート１２の壁部２２の吸気ポート１１側に近い壁面に配置される放熱部材３０について説明し、他方の放熱部材３０についての説明は省略する。
【００１８】
隣り合う気筒毎に配置される前記放熱部材３０は、図４に示すように、連結部３２を介して連結されている。なお、複数（本実施の形態の場合、３個）の放熱部材３０を連結部３２により連結した一体部品を、本明細書では「放熱部品（符号、３５を付す。）」という。
また、放熱部品３５は、連結部３２と同様にして両側方に突出された端片部３５ａを有している。端片部３５ａは、シリンダヘッド１０の鋳造時において巾木として機能する。また、放熱部品３５は、例えば、銅板をプレス成形することによって一体成形形成されている。
【００１９】
上記したシリンダヘッド１０によると、冷却水通路１８の壁部２２における高温部位２２ａの壁面に対して、その壁部２２に比べて熱伝導率の高い材料により形成された放熱部材３０が設けられている。このため、壁部２２における高温部位２２ａの熱が放熱部材３０を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、壁部２２の高温部位２２ａを効率的に冷却することができる。さらには、シリンダヘッド１０の強度低下が防止されることにより、信頼性及び性能を向上することができる。なお、放熱部品３５の連結部３２が冷却水通路１８に露出しており、冷却水に晒されることによっても、高温部位２２ａを効果的に冷却することができる。
【００２０】
また、冷却水通路１８における冷却水の通水抵抗は、冷却水に接触する放熱部材３０の面（これを水接触面という）３０ａ（図３参照）の表面粗さによって調整される。例えば、冷却水に接触する放熱部材３０の水接触面３０ａの表面粗さを小さくすれば、通水抵抗を小さくすることができる。一方、冷却水に接触する放熱部材３０の水接触面３０ａの表面粗さを大きくすれば、放熱部材３０に対する冷却水の接触面積を増大することができる。したがって、冷却水に接触する放熱部材３０の水接触面３０ａの表面粗さによって、冷却水通路１８の冷却水の通水抵抗を調整することにより、放熱部材３０に対する冷却水の接触面積をも調整することができるので、冷却能力を容易にコントロールすることができる。なお、冷却水の通水抵抗は、放熱部材３０の表面積すなわち水接触面３０ａの面積の増減によっても調整することが可能である。
【００２１】
また、エンジンの１気筒当たり複数で並列状の排気ポート１２の壁部２２における冷却水通路１８側の壁面に亘って一対の放熱部材３０が設けられている（図３参照）。これにより、複数の排気ポート１２の壁部２２を効果的に冷却し、その排気ポート１２の壁部２２の相互間に生じる熱応力を効果的に緩和することができる。なお、両放熱部材３０のうち、いずれか一方は省略することができる。
【００２２】
また、上記したシリンダヘッド１０は、次に述べるシリンダヘッド１０の製造方法によって製造される。図５に、シリンダヘッドの鋳造にかかる鋳型５０が示されている。鋳型５０は、上型５１と下型５２及び複数のスライド型５３とから構成されている。なお、説明の都合上、下型５２、複数のスライド型５３、上型５１の順に説明する。
【００２３】
図５において、下型５２は、シリンダヘッド１０の下面を成形する成形面を有する金型である。
また、複数のスライド型５３は、シリンダヘッド１０（図１参照）の前後左右の側面を成形する金型である。各スライド型５３は、図示されないスライド装置によって下型５２上を水平方向にスライド可能になっている。シリンダヘッド１０の吸気側（図５において左側）の側面を成形するスライド型５３には、吸気ポート１１（図１参照）を形成する吸気ポート用砂中子５４が取り付けられている。また、シリンダヘッド１０の排気側（図５において右側）の側面を成形するスライド型５３には、排気ポート１２（図１参照）を形成する排気ポート用砂中子５５が取り付けられている。
また、上型５１は、シリンダヘッド１０の上面を成形する金型であり、図示されない昇降装置によって昇降可能になっている。上型５１の中央部には、エジェクタピン５６が昇降可能に設けられている。また、上型５１には、吸気バルブ用孔１５（図１参照）を成形するための吸気バルブ用孔成形ピン５７が昇降可能に設けられている。また、上型５１には、排気バルブ用孔１６（図１参照）を成形するための排気バルブ用孔成形ピン５８が昇降可能に設けられている。
【００２４】
前記鋳型５０内には、前記シリンダヘッド１０のウォータジャケットを形成するためのウォータジャケット用砂中子５９が図示しない巾木等を介して位置決めされている。
【００２５】
次に、前記した鋳型５０（図５参照）を使用してシリンダヘッド１０（図１参照）を製造する方法を説明する。先ず、鋳型５０内の所定位置にウォータジャケット用砂中子５９がセットされる。次に、排気ポート用砂中子５５にそれぞれ放熱部品３５をセットする。これにより、放熱部品３５の各放熱部材３０が、冷却水通路１８の壁部２２における高温部位２２ａ（図１参照）の壁面を形成する鋳型部分すなわちウォータジャケット用砂中子５９にセットされる。その後、鋳型５０が型締めされる。
【００２６】
上記のようにして、鋳型５０の型締めが完了すると、鋳型５０内に形成されたキャビティ（符号、６０を付す）内に溶湯が注入される。キャビティ６０内に注入された溶湯は、放熱部品３５を鋳ぐるみ、その状態で凝固する。そして、所定時間の経過後、溶湯の凝固及び冷却が完了すると、鋳型５０が型開きされ、鋳造品であるシリンダヘッド１０が取り出される。その後、後工程では、シリンダヘッド１０の吸気ポート用砂中子５４、排気ポート用砂中子５５、及び、ウォータジャケット用砂中子５９が除去されるとともに、各所のバリが除去される。
【００２７】
上記したシリンダヘッド１０の製造方法によれば、壁部２２の高温部位２２ａの熱が放熱部材３０を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、壁部２２の高温部位２２ａを効率的に冷却することのできるシリンダヘッド１０（図１参照）の製造方法を提供することができる。
また、シリンダヘッド１０の鋳造によって放熱部材３０が鋳ぐるまれるため、シリンダヘッド１０に放熱部材３０を高い寸法精度をもって設置することができる。
【００２８】
また、放熱部品３５を冷却水通路１８の壁部２２における高温部位２２ａの壁面を形成するウォータジャケット用砂中子５９にセットすることにより、その放熱部品３５の各放熱部材３０を複数の気筒に亘って一挙にセットすることができる。
【００２９】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２を説明する。本実施の形態１は前記実施の形態１の一部を変更したものであるからその変更部分について詳述し、重複する説明は省略する。なお、以降の形態についても同様に、重複する説明は省略する。
図６に示すように、本実施の形態では、断面半円形状の放熱部３１を背中合わせ状に一体化した放熱部材３０Ａを、シリンダヘッド１０の両排気ポート１２の相互間に配置することにより、２つの排気ポート１２の壁部２２における冷却水通路１８側の壁面に亘って設けたものである。
【００３０】
本実施の形態のシリンダヘッド１０によっても、前記実施の形態１と同様に、排気ポート１２の相互間を効果的に冷却し、その排気ポート１２の相互間の熱応力を緩和することができる。
さらに、排気ポート１２の相互間に放熱部材３０Ａが介在されるので、両排気ポート１２の相互間における壁部２２の高温部位２２ａの熱を放熱部材３０Ａにより冷却水に良好に放熱させることができる。
【００３１】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３を説明する。図７に示すように、本実施の形態では、放熱部材３０と冷却水通路１８の壁部２２とが、例えば断面鋸刃状の凹凸形状をもって相互に接合されている。この場合、放熱部材３０の接合面３０ｂに凹凸面を形成しておけば、シリンダヘッド１０の鋳造時に放熱部材３０が鋳ぐるまれることにより、放熱部材３０と冷却水通路１８の壁部２２とが凹凸形状をもって相互に接合される。
【００３２】
本実施の形態によると、放熱部材３０と冷却水通路１８の壁部２２とが凹凸形状をもって相互に接合されることにより、放熱部材３０と壁部２２との接合面積を増大することができる。このため、冷却水通路１８の壁部２２から放熱部材３０への熱伝導性を向上することができる。なお、放熱部材３０の接合面３０ｂの凹凸形状としては、断面鋸刃状に限らず、断面波形状、断面ギヤ歯形状、ローレット状等、種々の形状が考えられる。また、放熱部材３０の接合面３０ｂの凹凸形状は、前記実施の形態２の放熱部材３０Ａの接合面３０ｂ（図６参照）にも適用することができる。
【００３３】
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４を説明する。本実施の形態は、前記実施の形態３における放熱部材３０の水接触面３０ａを、前記凹凸面と同様の凹凸形状をもって形成したものである。
本実施の形態によると、放熱部材３０の凹凸形状によって表面粗さが大きくなっている。これにより、冷却水に対する放熱部材３０の接触面積を増大し、冷却能力を向上することが可能である。なお、放熱部材３０の水接触面３０ａの凹凸形状としては、接合面３０ｂと同様に種々の形状が考えられる。また、放熱部材３０の水接触面３０ａの凹凸形状は、前記実施の形態２の放熱部材３０Ａの水接触面３０ａ（図６参照）にも適用することができる。
【００３４】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明は、３気筒に限らず、１あるいは２気筒、あるいは４気筒以上のエンジンのシリンダヘッド１０に適用することができる。また、シリンダヘッド１０には、例えばアルミニウム合金に限らず、鋳鉄、その他の鋳物材料を適用することができる。また、吸気ポート１１及び排気ポート１２の１気筒当たりの個数は適宜増減することができる。したがって、放熱部材３０，３０Ａは、１つの排気ポート１２の壁部２２にそれぞれ個々に設けることができる。また、放熱部材３０，３０Ａは、３つ以上の排気ポート１２の壁部２２に亘って設けることができる。また、放熱部材３０，３０Ａは、排気ポート１２の壁部２２に限らず、冷却水通路１８の適宜の壁部、すなわち吸気ポート１１の壁部２１、プラグ取付孔１３の壁部２３、吸気バルブ用孔１５の壁部２５、排気バルブ用孔１６の壁部２６等の高温部位に設けることが考えられる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水通路の壁部における高温部位の熱が放熱部材を介して冷却水に効率良く放熱されることにより、冷却水通路の壁部の高温部位を効率的に冷却することのできるシリンダヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるシリンダヘッドを示す断面図である。
【図２】シリンダヘッドの下面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】放熱部材を示す斜視図である。
【図５】シリンダヘッドの鋳造にかかる金型を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかるシリンダヘッドを示す図３に準じる断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３にかかる放熱部材の周辺部を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４にかかる放熱部材の周辺部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  シリンダヘッド
１１  吸気ポート
１２  排気ポート
１８  冷却水通路
２２  排気ポートの壁部（冷却水通路の壁部）
３０，３０Ａ  放熱部材
３０ａ  水接触面
３０ｂ  接合面
３２  連結部
３５  放熱部品
５０  鋳型
５９  ウォータジャケット用砂中子（冷却水通路の壁部における高温部位２２ａの壁面を形成する鋳型部分）
【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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