(57)【要約】【要  約】【課  題】耐久性に優れたシリンダヘッド補強部材を提供する。    【解決手段】平板状に配置した複数のバルブシート部とそれらの間を連結する連結部とを一体的に構成した鉄基焼結体とする。これにより、バルブシート間（弁間）での亀裂の発生が防止され、耐久性に優れたシリンダヘッドとすることができる。このシリンダヘッド補強部材は、鋳包み工法でシリンダヘッドに装着することが好ましい。鋳包み工法によれば、補強部材を薄肉化できるという利点がある。また、バルブ当たり面側の表面に複数の凸部を配することが好ましい。これによりシリンダヘッド本体へ装着後に行う切削加工負荷の軽減が可能となる。また、少なくとも外周側表面の表面粗さをＲzで20〜100μmとすることが、シリンダヘッド本体との密着性向上の観点から好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状に配置された複数のバルブシート部と、該複数のバルブシート部間を連結する連結部と、を有し、前記連結部と前記複数のバルブシート部とが一体的に構成されてなる鉄基焼結体であることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
【請求項２】
前記シリンダヘッド補強部材が、鋳包み工法でシリンダヘッドに装着される部材であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド補強部材。
【請求項３】
バルブ当たり面側の表面に複数の凸部を配してなることを請求項１または２に記載の特徴とするシリンダヘッド補強部材。
【請求項４】
少なくとも外周側表面の表面粗さがJIS B 0601−1994に規定されるＲzで20〜100μmであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシリンダヘッド補強部材。
【請求項５】
前記複数のバルブシート部と、ノズルもしくは点火栓用の穴部との合計が３個以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のシリンダヘッド補強部材。
【請求項６】
前記バルブシート部および前記連結部が、肉厚方向に２層からなる構造を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のシリンダヘッド補強部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに装着されるバルブシートを含む補強部材に係り、とくにシリンダヘッド弁間部の亀裂発生防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のシリンダヘッドには、吸排気用バルブが着座するバルブシートが主として圧入により装着されている。近年、内燃機関の性能向上のために、多数のバルブを配設した内燃機関が使用されるようになってきた。それに伴い、バルブシートの数も増加し、バルブシートの製造工数、材料費の増大が問題となっていた。このような問題に対し、一体型のバルブシートが提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、バルブシートを、1つの吸気バルブのバルブシート部位と1つの排気バルブのバルブシート部位とをめがね状に連接一体とした一対のバルブシートで構成し、該バルブシートをシリンダヘッドに圧入したうえ、一対のバルブシート間に点火栓穴を設けた４バルブの内燃機関が提案されている。特許文献１に記載された技術によれば、バルブシートの製作性の改善や材料費の低減が達成できるうえ、燃焼室壁温の上昇を抑制でき、点火栓への悪影響が除去できるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、シリンダヘッドの弁間部に円弧状の切欠きを設けるとともに、吸気系バルブシートと排気系バルブシートとを弁間部位置で連続する一体形状として、シリンダヘッド本体に圧入してなる内燃機関のシリンダヘッドが記載されている。特許文献２に記載された技術によれば、バルブシートがシリンダヘッドから脱落することもなく、また弁間部で亀裂が発生することもないとしている。
【０００５】
しかし、特許文献１、２に記載された技術では、バルブシートをシリンダヘッドに圧入することを前提としているため、圧入に際し内部応力が生じ、さらに熱膨張差や燃焼筒内圧力等によりシリンダヘッドが変形し、弁間に亀裂が生じるという問題が依然として残されていた。また、特許文献１，２に記載された技術では、バルブシート形状が複雑であり、圧入のためにシリンダヘッドに穴加工すること自体が困難を伴うという問題もある。
【０００６】
また、特許文献３には、排気通路同士を結ぶ方向にバルブシート同士を連結部材で連結して一体のバルブインサートとし、バルブインサートとシリンダヘッドとの締め代を、連結部材の幅方向に比べて連結部材の連結方向に大きく設定して、バルブインサートをシリンダヘッドに嵌合したシリンダヘッド構造が記載されている。
【特許文献１】実開昭61−51415号公報
【特許文献２】実開昭61−1642号公報
【特許文献３】実公平05−7450号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３に記載された技術は、特許文献１、２に記載された技術と同様に、バルブシートをシリンダヘッドに圧入することを前提としているため、圧入に際し内部応力が生じ、さらに熱膨張差や燃焼筒内圧力等によりシリンダヘッドが変形し、弁間に亀裂が生じるという問題があった。また、圧入のために穴加工することも形状が複雑であるため、かなりの困難を伴うという問題もある。
【０００８】
また、最近では、自動車車体の軽量化の観点から、アルミ二ウム合金製内燃機関が主流となっており、しかも内燃機関の更なる高能率化への要求が強く、燃焼筒の内圧が更に高まる傾向となっている。このようなことから、シリンダヘッドの弁間部での応力が高まり、特許文献１〜３に記載された技術を利用しても、弁間部がアルミニウム合金製であるため、依然として弁間部のシリンダヘッドに亀裂が多発する傾向となるという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、弁間部の亀裂発生を防止し、さらにバルブシートの脱落を防止でき、従来より、耐久性に優れたシリンダヘッド補強部材を提案することを目的とする。また、本発明は、燃焼筒内圧が高く、また熱負荷が大きい内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）への適用が可能な、耐久性に優れたシリンダヘッド補強部材を提案することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、バルブシート部間（弁間部）の強度補強について鋭意検討した。その結果、バルブシート間（弁間）を、シリンダヘッド材のアルミ二ウム合金等に代えて、バルブシート材と同じ材質である、鉄基焼結体で形成することがよいことに想到した。弁間部を鉄基焼結体で形成することにより、バルブシート間（弁間）の強度が高くなり、耐久性が顕著に向上し、亀裂等の発生を容易に防止できることを知見した。
【００１１】
本発明はかかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
（１）平板状に配置された複数のバルブシート部と、該複数のバルブシート部間を連結する連結部と、を有し、前記連結部と前記複数のバルブシート部とが一体的に構成されてなる鉄基焼結体であることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
【００１２】
（２）（１）において、前記シリンダヘッド補強部材が、鋳包み工法でシリンダヘッドに装着される部材であることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
（３）（２）において、バルブ当たり面側の表面に複数の凸部を配してなることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
（４）（１）ないし（３）において、少なくとも外周側表面の表面粗さがJIS B 0601−1994に規定されるＲzで20〜100μmであることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
【００１３】
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記複数のバルブシート部と、ノズルもしくは点火栓用の穴部との合計が３個以上であることを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
（６）（１）ないし（５）のいずれかにおいて、前記バルブシート部および前記連結部が、肉厚方向に２層からなる構造を有することを特徴とするシリンダヘッド補強部材。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バルブシート脱落の危険性もなく、バルブシート間（弁間）からの亀裂発生を防止でき、シリンダヘッドの耐久性が顕著に向上し、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、とくにディーゼルエンジン用として優れた耐久性を確保できるという効果もある。また、バルブシートの製造負荷が軽減できるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のシリンダヘッド補強部材は、平板状に配置された複数のバルブシート部と、それらの間を連結する連結部とを有し、複数のバルブシート部と連結部とが一体的に構成されてなる。バルブシート部は、吸気／排気用バルブの着座用の穴部であり、バルブの数に対応して複数個、好ましくは３個以上、配置される。
本発明のシリンダヘッド補強部材１の一例を図１に示す。図１に示す例は、バルブシート部11を平板状に４個配置した４バルブ用シリンダヘッド補強部材の例である。また、図１に示した例は、バルブシート部11と連結部12との肉厚を異にする場合で、連結部12を、バルブシート部11より薄肉としている。本発明では、これに限定されず、図２に示すように、バルブシート部11と連結部12とを、同一肉厚としてもなんら問題はない。なお、本発明のシリンダヘッド補強部材１では、連結部12の適正位置にノズルもしくは点火栓（図示せず）を設けてもよい。
【００１６】
本発明のシリンダヘッド補強部材１は、バルブシート部11と連結部12とを、同一の材料で一体的に構成した鉄基焼結体からなる。これにより、連結部がバルブシート部と同じ鉄基焼結体で構成されることになり、バルブシート部間（弁間）をシリンダヘッド材製とする従来の技術に比べて、連結部が高強度となり、バルブシート部間での亀裂発生が防止でき、シリンダヘッド補強部材の耐久性が顕著に向上する。
【００１７】
ここで使用する鉄基焼結体は、従来からバルブシート用として常用されている組成の鉄基焼結体がいずれも好適に利用できる。なかでも、鉄基焼結合金の基地相中に硬質粒子を分散させてなる鉄基焼結体が好ましい。また、鉄基焼結体を２層構造の鉄基焼結体としてもよい。２層構造としては、肉厚方向に２層、すなわちバルブ当たり面側（外層）を鉄基焼結合金の基地相中に硬質粒子を分散させてなる耐摩耗性に優れた鉄基焼結体とし、その内層を硬質粒子を含まない鉄基焼結体とする構造が例示できる。
【００１８】
本発明シリンダヘッド補強部材は、上記した構成からなり、内燃機関のシリンダーヘッド本体の燃焼室に接した吸排気ポートに圧入、好ましくは鋳包まれて装着される。本発明では、特に、鋳包み工法を採用することにより、圧入工法に比して、シリンダヘッド補強部材へ作用する応力が少なく、シリンダヘッド補強部材の肉厚を薄くすることが可能となる。
【００１９】
また、本発明シリンダヘッド補強部材では、少なくとも側面（外周面）の表面をショットブラスト処理を施し、粗面化しておくことが好ましい。とくに、鋳包み工法で本体に装着する場合に好ましい。補強部材の外周面を粗面化することにより、シリンダーヘッド本体との密着性が向上し、容易に脱落を防止できる。本発明では、外周面の表面粗さは、JIS B 0601−1994に規定されるＲzで20〜100μmとなるように調整することが好ましい。表面粗さが上記した範囲を外れると、シリンダーヘッド本体との密着性が低下し、シリンダヘッド補強部材が脱落しやすくなる。
【００２０】
また、本発明では、シリンダヘッド補強部材のバルブ当たり面側の表面に、図３に示すように、複数の凸部13を配することが好ましい。複数の凸部13を配することにより、シリンダヘッドに装着後のバルブシートの加工が、凸部のみの加工でよく、バルブシート面の機械加工をほとんど行う必要がなくなり、加工工具への負荷を軽減でき、加工工具の摩耗量が減少し加工費が低減するとともに加工時間も短縮され生産性を向上させることができるという効果がある。なお、凸部の高さは0.5〜1.0mm程度とすることが、加工取代の観点から好ましい。また、凸部の数は３〜５個程度とすることが鋳包前セット時の安定性の観点から好ましい。
【００２１】
つぎに、本発明のシリンダヘッド補強部材の好ましい製造方法について説明する。
まず、所望の基地相組成となるように、純鉄粉に合金元素粉、あるいは鉄基粉末にあるいはさらに合金元素粉を配合し、あるいはさらに所望の分散量となるように硬質粒子粉と、あるいはさらに所定量の固体潤滑剤を配合し、混合、混練して混合粉とし、該混合粉を所定寸法形状の金型に充填し、圧縮成形したのち焼結する工程を経て所定寸法形状のシリンダヘッド補強部材とすることが好ましい。なお、混合粉に圧縮成形−焼結する工程を施し、一次焼結体としたのち、該一次焼結体にさらに圧縮成形−焼結工程を繰り返し、焼結体（シリンダヘッド補強部材）とする、２回繰返し圧縮成形−焼結工程を採用してもよい。また、２層構造とする場合は、混合粉の配合を各層組成に適合するようにし、所定厚みの２層となるように金型に充填し、圧縮成形したのち焼結する工程とすることが好ましい。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
原料粉を、金型に充填し、面圧：６ton/cm２で圧縮成形し圧粉体としたのち、該圧粉体を非酸化性雰囲気中の1160℃で焼結させ、鉄基焼結体（シリンダヘッド補強部材）とした。なお鉄基焼結体（シリンダヘッド補強部材）は、（イ）図１に示す形状、（ロ）図２に示す形状、および、（ハ）図３に示す形状、の４個のバルブシート部を有するシリンダヘッド補強部材とした。表１に示すように、図１に示す形状では、バルブシート部の肉厚aを４mmまたは７mmとし、連結部の肉厚bを２mmに設定し、一方、図２に示す形状では、バルブシート部および連結部の肉厚aをいずれも４mmとした。また、図３に示す形状では、バルブシート部および連結部の肉厚aをいずれも４mmとし、バルブ着座側表面に５個の凸部(ｃ＝0.5mm)を有する形状とした。なお、表１に示すように、バルブシート部11間の最小距離(弁間距離)を２〜５mmの間で変化させた。
【００２３】
得られた鉄基焼結体（シリンダヘッド補強部材）１を、図４に示すようにバルブ当たり面側が下面となるように、アルミ二ウム合金製シリンダヘッド相当材２（大きさ：厚さ30mm×120mm×120ｍｍ）に鋳包んだ。鋳包み後、バルブ当たり面側を平面研磨する平面だしを行った。なお、図３に示す形状の鉄基焼結体（シリンダヘッド補強部材）を使用した場合には、凸部の切削と平面だしを行った。
【００２４】
なお、比較として、上記した組成と同じ組成の混合粉を用い、本発明のシリンダヘッド補強部材のバルブシート部と同じ大きさ（肉厚：７mm、外径：30mmφ）のバルブシートを作製した。またこれとは別に、４個のバルブシート装着用の穴部が形成された、アルミ二ウム合金製シリンダヘッド相当材２（大きさ：厚さ30mm×120mm×120ｍｍ）を用意した。そして、バルブシートの締め代が80μmとなるように、シリンダヘッド相当材の穴部の大きさおよびバルブシートの外径を調整し、これらバルブシートを、図６に示すように、シリンダヘッド相当材２の穴部にそれぞれ圧入し、比較例とした。
【００２５】
バルブシートを圧入されたシリンダヘッド相当材（比較例）、およびシリンダヘッド補強部材を鋳包んだシリンダヘッド相当材（本発明例）について、密着性試験、加熱冷却試験を実施した。試験方法は次の通りとした。
（１）密着性試験
得られたシリンダヘッド相当材２（鋳包み材）を、図５に示すような、鋳包まれたシリンダヘッド補強部材１の上下面がともに露出し、鋳包み境界の端が上下面に露出する形状の試験片に加工した。そして、図５に示すように、試験片の両端を支持台で支持して、シリンダヘッド補強部材１に荷重を負荷し、シリンダヘッド補強部材１がシリンダヘッド相当材から抜け落ちる荷重（Ｎ）を測定し、密着性を評価した。また、シリンダヘッド相当材にバルブシートを圧入した比較例では、圧入されたバルブシート単体に荷重を負荷し、同様に、バルブシートが抜け落ちる荷重を測定し、密着性を評価した。
【００２６】
（２）加熱冷却試験
得られたシリンダヘッド相当材に、加熱温度：300℃まで昇温し、該加熱温度で15min間保持する加熱工程と、該加熱温度から水冷し、室温まで冷却する冷却工程からなる熱サイクルを、バルブシート部間（弁間）で亀裂が発生するまで、最大で50回繰り返し施した。バルブシート部間（弁間）で亀裂が発生するまでの熱サイクル繰返し回数が多いほど耐久性に優れると評価した。
【００２７】
得られた結果を表１に併記して示す。
【００２８】
【表１】
2009235954.tif 000003
【００２９】
本発明例はいずれも、比較例（圧入材）に比べて、バルブシート間から亀裂が発生するまでの期間（熱サイクル回数）が大幅に長くなり、耐久性が向上している。また、本発明例は、比較例（圧入材）に比べて、抜き荷重が高くなり、密着性が向上している。とくに外周面を粗面化した本発明例では抜き荷重が増大し、密着性が顕著に向上している。
（実施例２）
実施例１で製造した、シリンダヘッド相当材No.５、No.９（鋳包み材）について、切削性を比較した。シリンダヘッド相当材No.９は、複数の凸部をバルブ当たり面側に形成したシリンダヘッド補強部材を鋳包んだものであり、No.５は凸部なしのシリンダヘッド補強部材を鋳包んだものである。これらシリンダヘッド相当材について、図６に示すバルブ当たり面側平面を、次のような条件
使用機械：フライス盤（刃径：150mmφ）
使用工具：超硬チップ
回転数：800rpm
送り速度：0.05mm／rev
切り込み：1.0mm
で切削加工し、５パス後の工具摩耗を調査した。その結果、凸部なしのシリンダヘッド補強部材を使用したシリンダヘッド相当材No.５では、チップの摩耗量は150μmであるのに対し、凸部を形成したシリンダヘッド補強部材を使用したシリンダヘッド相当材No.９では20μmであった。シリンダヘッド補強部材に凸部を設けることにより、バルブ当たり面側平面の加工負荷が顕著に低減することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のシリンダヘッド補強部材の一例を示す説明図である。
【図２】本発明のシリンダヘッド補強部材の一例を示す説明図である。
【図３】本発明のシリンダヘッド補強部材の一例を示す説明図である。
【図４】実施例で使用した、シリンダヘッド補強部材を鋳包んだシリンダヘッド相当材の断面を示す説明図である。
【図５】密着性試験方法を模式的に示す説明図である。
【図６】圧入によりバルブシートをシリンダヘッド相当材へ装着した状態を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    シリンダヘッド補強部材
２   シリンダヘッド相当材
11    バルブシート部
12    連結部
13    凸部
【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】
2009235954.tif 000008
【図６】
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