(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄からなる内燃機関のシリンダーヘッドにおいて、上記シリンダーヘッド下面の吸気ポートと排気ポートとの間などの高熱負荷による熱応力集中部位に、上記擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄よりも熱伝導率が高く、高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなり、その表面にNi-Pメッキ層を有する鋳包み材を鋳包んで形成したことを特徴とする内燃機関のシリンダーヘッド。
【請求項２】
上記高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材が、36W/mK以上の熱伝導率を有した請求項１記載の内燃機関のシリンダーヘッド。
【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ーヘッドに係り、特に、高過給エンジン用のシリンダーヘッド粗材としての複合鋳造体及びそれを用いた内燃機関のシリンダーヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関、特に車両用のエンジンとしては、高出力、かつ、低燃費のものが要求されており、例えば、高過給エンジンなどが挙げられる。
【０００３】
ここで、高過給エンジン用のシリンダーヘッド粗材には、高強度と高熱伝導率が要求される。
【０００４】
従来エンジンのシリンダーヘッド粗材として用いられている片状黒鉛鋳鉄（例えば、FC 230，FC 300等；JIS規格）は、この高過給エンジン用のシリンダーヘッド粗材として強度が不十分である。そこで、高強度鋳鉄材として注目されている擬片状黒鉛鋳鉄（いも虫状黒鉛鋳鉄を含むCV黒鉛鋳鉄；以下、FCVと呼ぶ）または球状黒鉛鋳鉄（以下、FCDと呼ぶ）を、高過給エンジン用のシリンダーヘッド粗材として用いることが検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、FCVまたはFCDは、高過給エンジン用のシリンダーヘッド粗材として十分な強度を有しているものの、片状黒鉛鋳鉄と比較して、熱伝導率が約30％も劣っている（FC 230：50〜55W/mK、FCV：30〜35W/mK）。
【０００６】
このため、FCVまたはFCDを用いて形成した高過給エンジンのシリンダーヘッドは高熱負荷に対して弱く、運転中、シリンダーヘッド下面の温度が上昇すると、図２に示すように、熱疲労により高熱負荷に対する熱応力集中部位（例えば、インレットバルブが着座する吸気ポート１２とエキゾーストバルブが着座する排気ポート１３とのポート間、排気ポート１３と噴射ノズル１４との間など）に亀裂Ｋが入ってしまうという問題があった。
【０００７】
FCVからなる試験片を実際に作製し、その試験片の両端を拘束した状態で、荷重および熱負荷（100℃〜450℃間、100℃〜400℃間、および100℃〜350℃間の熱サイクル）を変えて熱疲労寿命試験を行ってみた。
【０００８】
擬片状黒鉛鋳鉄の熱疲労寿命の試験結果を図３に示す。尚、図３中の横軸は繰返し数を、縦軸はトータル残留歪み（１／２Δεｔ（％））を示しており、図中の黒菱形印を結んだ線は100℃〜450℃間の熱サイクル曲線、黒四角印を結んだ線は100℃〜400℃間の熱サイクル曲線、黒三角印を結んだ線は100℃〜350℃間の熱サイクル曲線を示している。
【０００９】
その結果、図３に示すように、高温の熱負荷になるほど、寿命が低下していることが伺える。
【００１０】
そこで本発明は、上記課題を解決し、高熱負荷による熱応力集中部位の熱伝導率が高く、かつ、全体の強度が高い内燃機関のシリンダーヘッドを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄からなる鋳造体において、その鋳造体の高熱負荷による熱応力集中部位に、擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄よりも熱伝導率が高く、高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなり、その表面にNi-Pメッキ層を有する鋳包み材を鋳包んだものである。
【００１２】
より具体的には、擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄からなる内燃機関のシリンダーヘッドにおいて、上記シリンダーヘッド下面の吸気ポートと排気ポートとの間などの高熱負荷による熱応力集中部位に、上記擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄よりも熱伝導率が高く、高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなり、その表面にNi-Pメッキ層を有する鋳包み材を鋳包んで形成したものである。
【００１３】
請求項２の発明は、上記高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材が、36W/mK以上の熱伝導率を有した請求項２記載の内燃機関のシリンダーヘッドである。
【００１４】
以上の構成によれば、シリンダーヘッド母材の高熱負荷による熱応力集中部位に、擬片状黒鉛鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄よりも熱伝導率が高く、高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材を鋳包むことで、熱応力を緩和することができ、亀裂が生じるおそれがなくなる。
【００１５】
また、鋳包み材の表面にNi-Pメッキ層を形成することで、シリンダーヘッド母材と鋳包み材との接合性が良好となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明の内燃機関のシリンダーヘッド１の概略図を図１に示す。尚、図１（ａ）はシリンダーヘッド１の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の下面図である。
【００１８】
本発明の内燃機関のシリンダーヘッドは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、FCV（又はFCD）からなるシリンダーヘッド１の吸気ポート２ａ，２ｂと排気ポート３ａ，３ｂとの間などの高熱負荷による熱応力集中部位に、36W/mK以上の熱伝導率を有した高Ｍｏ片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材４を鋳包んで形成したものである。ここで、鋳包み材４の表面には、Ni-Pメッキ層（図示せず）が形成されている。
【００１９】
シリンダーヘッド１における高熱が負荷される部分には、水冷のためのウォータジャケット５が形成されている。
【００２０】
高Ｃおよび低Ｓｉ片状黒鉛鋳鉄は、通常の片状黒鉛鋳鉄よりも熱伝導率が高く、FCVと比較すると約２倍の熱伝導率を有している。これに対して、高Ｍｏ片状黒鉛鋳鉄は、高Ｃおよび低Ｓｉ片状黒鉛鋳鉄と比較すると熱伝導率が劣るものの、Ｍｏの効果により通常の片状黒鉛鋳鉄よりも高温強度が高く、通常の片状黒鉛鋳鉄と比較すると、400℃における強度が約20％も高くなっている。
【００２１】
このため、高Ｃおよび低Ｓｉ片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材４を、シリンダーヘッド１下面の吸・排気ポート２，３間に鋳包むことで、吸・排気ポート２，３間の強度は若干低下するものの、熱負荷時の吸・排気ポート２，３間における熱応力集中を著しく緩和することが可能となる。これに対して、高Ｍｏ片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材４を、シリンダーヘッド１下面の吸・排気ポート２，３間に鋳包むことで、吸・排気ポート２，３間の強度（高温強度）を殆ど低下させることなく、熱負荷時の吸・排気ポート２，３間における熱応力集中を緩和することが可能となる。
【００２２】
鋳包み材４の表面に被覆されるNi-Pメッキ層は、シリンダーヘッド１の母材と鋳包み材４との接合性を向上させるためのものであり、ＮｉがＦｅ中に拡散して母材と鋳包み材４を拡散接合すると共に、ＰがＮｉ拡散を促進している。
【００２３】
鋳包み材４の断面形状は、図１に示したような断面十字型に特に限定するものではなく、高熱負荷による熱応力集中部位の形状によって適宜決定されるものである。
【００２４】
次に、本発明の作用を説明する。
【００２５】
高強度鋳鉄材であるFCV（又はFCD）を用いてシリンダーヘッド１を作製する際に、シリンダーヘッド１下面における高熱負荷による熱応力集中部位（例えば、吸・排気ポート２，３間）に、36W/mK以上の熱伝導率を有した高Ｍｏ片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材４を鋳包む。
【００２６】
これによって、シリンダーヘッド１全体としては高強度であると共に、高熱負荷による熱応力集中部位の高温強度を殆ど低下させることなく、熱応力を緩和させることができるため、シリンダーヘッド１下面の吸・排気ポート２，３間などの亀裂を防止することができる。よって、エンジンの高過給が可能となり、シリンダーの筒内圧力の最大値Pmax（又は平均値Pme）の向上を図ることができる。
【００２７】
その結果、エンジンの高出力化および燃費の向上を図ることができ、延いては、排ガス対策をも同時に図ることができる。
【００２８】
【実施例】
（参考例１）
化学組成が、Ｃ：4.1wt％，Ｓｉ：2.44wt％，Ｍｎ：0.092wt％，残部が実質的にＦｅであり、熱伝導率が59.4W/mKの高Ｃ片状黒鉛鋳鉄からなる断面十文字型の多面体の表面に、Ni-Pメッキ層を被覆して鋳包み材を形成する。
【００２９】
この鋳包み材を、シリンダーヘッド鋳型内の吸・排気ポート間に相当する部分に配置した後、鋳型内にFCV溶湯を流し込み、シリンダーヘッドの吸・排気ポート間に鋳包み材が鋳包まれた複合鋳造体からなるシリンダーヘッドを作製する。
【００３０】
（参考例２）
化学組成が、Ｃ：3.09wt％，Ｓｉ：0.55wt％，Ｍｎ：1.09wt％，残部が実質的にＦｅであり、熱伝導率が64.9W/mKの低Ｓｉ片状黒鉛鋳鉄からなる断面十文字型の多面体の表面に、Ni-Pメッキ層を被覆して鋳包み材を形成する。
【００３１】
この鋳包み材を用いる以外は参考例１と同様にして、複合鋳造体からなるシリンダーヘッドを作製する。
【００３２】
（実施例１）
化学組成が、Ｃ：3.12wt％，Ｓｉ：2.31wt％，Ｍｎ：0.39wt％，Ｍｏ：0.77wt％，残部が実質的にＦｅであり、熱伝導率が49.8W/mKの高Ｍｏ片状黒鉛鋳鉄からなる断面十文字型の多面体の表面に、Ni-Pメッキ層を被覆して鋳包み材を形成する。
【００３３】
この鋳包み材を用いる以外は参考例１と同様にして、複合鋳造体からなるシリンダーヘッドを作製する。
【００３４】
参考例１，２及び実施例１の複合鋳造体からなる各シリンダーヘッドのいずれにおいても、高強度鋳鉄であるFCVをシリンダーヘッド母材として用いていると共に、シリンダーヘッドの吸・排気ポート間に、高Ｃ、低Ｓｉ、或いは高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなる鋳包み材を鋳包んでいるため、シリンダーヘッド全体の強度が高く、かつ、シリンダーヘッドの吸・排気ポート間の熱伝導性は良好であった。
【００３５】
実際に、参考例１，２及び実施例１の各シリンダーヘッドを用いて耐久試験（始動−停止試験）を行ったところ、いずれのシリンダーヘッドにおいても、吸・排気ポート間に亀裂が生じることはなかった。
【００３６】
本発明においては、シリンダーヘッド１下面の吸・排気ポート２，３間などに鋳包み材４を鋳包んで、高熱負荷時における熱応力が集中する部位の熱応力を緩和させているが、特に熱応力の緩和のみに限定するものでないことは言うまでもなく、例えば、高Ｃ片状黒鉛鋳鉄からなり、耐摩耗性が良好な鋳包み材を、シリンダーブロックのボア面に露出するように鋳包むことで、シリンダーブロックのボア面の熱伝導性及び耐摩耗性が良好となるため、ライナーレスのシリンダーブロックとすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、擬片状黒鉛鋳鉄（又は球状黒鉛鋳鉄）を母材とするシリンダーヘッドの高熱負荷による熱応力集中部位に、高Ｍｏの片状黒鉛鋳鉄からなり、その表面にNi-Pメッキ層を有する鋳包み材を鋳包むことで、シリンダーヘッド全体としては高強度を保ったまま、高熱負荷による熱応力集中部位の高温強度を殆ど低下させることなく、熱応力を緩和することができ、シリンダーヘッド下面の吸・排気ポート間などの亀裂を防止することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の内燃機関のシリンダーヘッドの概略図である。図１（ａ）はシリンダーヘッドの断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の下面図である。
【図２】  熱疲労によるシリンダーヘッド下面の亀裂を示す模式図である。
【図３】  擬片状黒鉛鋳鉄の熱疲労寿命の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１  シリンダーヘッド
２ａ，２ｂ  吸気ポート
３ａ，３ｂ  排気ポート
４  鋳包み材
【図１】
0003788082.tif 000002
【図２】
0003788082.tif 000003
【図３】
0003788082.tif 000004