气缸盖以及发动机的制作方法

本发明涉及气缸盖以及发动机。

本申请基于2015年2月17日在日本申请的特愿2015－028497号主张优先权，并将其内容引用至此。

背景技术：

在往复式发动机的气缸盖中，用于界定燃烧室的燃烧面变为高温，从而产生热应力。因此，存在应力集中在气缸盖的刚性低的部分从而产生龟裂或破损的情况。

在专利文献1中，公开了通过以与界定燃烧室的气缸盖的底壁的燃烧面的曲率一致的方式形成圆弧状的槽，来有效地缓和并吸收在气缸盖的下表面产生的热应力以及热变形的技术。

在上述往复式发动机中，为了缓和气缸盖的热应力以及热变形，存在在气缸盖的进排气道的周围等形成流过冷却水的水室的情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:(日本)特开2002-266696号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

在上述往复式发动机中，作为实现高效化的一种方法，已知的是使用增压器来提高压缩比的方法。当这样提高压缩比时，缸内压力增加，使气缸盖的燃烧面被按压。

在上述气缸盖的燃烧面上形成有进排气道的开口。在这些进排气道的开口的周缘和其以外的燃烧面处，从燃烧室以相同的力按压时的变形量不同。

更具体地，进排气道的开口周缘的刚性比其周围的在内部具备水室的燃烧面的刚性大。由于它们刚性的不同，因此底壁部在被燃烧室按压时，其变形量根据部位不同而产生差别。

因此，由于上述变形量的差别而使拉伸应力作用于气缸盖的底壁部。也就是说，缸内压力越高，气缸盖产生龟裂等破损产生的概率越大。

本发明的目的在于，提供一种抑制伴随缸内压力的增加而作用的拉伸应力，从而能够降低破损的产生的气缸盖。

用于解决技术问题的方案

根据该发明的第一方式，气缸盖具备：多个道壁部，其形成进排气用的流路；外周壁部，其形成为间隔配置在所述多个道壁部的外侧的环状，至少在所述外周壁部与所述道壁部之间形成有使冷却水流通的水室。气缸盖还具备底壁部，该底壁部面向发动机的燃烧室且将所述道壁部和所述外周壁部各自的端部彼此连接。所述外周壁部具备厚度向靠近所述道壁部的一侧增加的增厚部，以使所述外周壁部和所述道壁部之间的距离为规定距离以下。

通过这样的结构，能够通过增厚部来使外周壁部的内表面靠近道壁部的外表面。因此，能够缩短从道壁部到外周壁部的方向上的底壁部的长度尺寸。由此，能够提高底壁部的刚性从而难以弯曲。其结果，能够抑制伴随缸内压力的增加而作用于底壁部的拉伸应力从而降低破损的产生。

根据本发明的第二方式，气缸盖也可以为，第一方式中的增厚部形成于所述外周壁部中的靠近所述底壁部的一侧的一部分。

通过这样的结构，能够缩短底壁部在从道壁部到外周壁部的方向上的长度尺寸从而抑制拉伸应力，同时与增厚部形成于外周壁部的长度方向的所有区域的情况相比，能够实现轻量化。

根据本发明的第三方式，气缸盖也可以为，设从所述道壁部的道中心到所述道壁部的外表面为止的距离为“a”，从所述道中心到与所述道壁部相对置的所述外周壁部的内表面为止的距离为“b”，第一或第二方式中的增厚部的与所述道壁部相对置的部分的厚度满足b/a≤1.8的关系。

通过这样的结构，能够在抑制增厚部的厚度过大从而增加重量的同时，有效地抑制作用于底壁部的拉伸应力。

根据本发明的第四方式，气缸盖也可以为，第一到第三方式中的任意一个方式中的道壁部具备壁厚随着朝向靠近所述底壁部的一侧而逐渐向外周侧增加的道侧增厚部。

通过这样的结构，能够提高拉伸应力特别容易集中的道壁部周围的底壁部的刚性。

根据本发明的第五方式，气缸盖也可以为，第四方式中的道侧增厚部由凹状的曲面形成，设该曲面的曲率半径为“r”，从所述道壁部的道中心到所述道壁部的外表面为止的距离为“a”，从所述道中心到所述外周壁部的内表面为止的距离为“b”，道侧增厚部满足r≥0.6×(b－a)的关系。

通过这样的结构，能够在抑制道侧增厚部的厚度过大从而增加重量的同时，有效地抑制在离道壁部近的一侧作用于底壁部的拉伸应力。

根据本发明的第六方式，气缸盖也可以为，在从第一到第五方式中的任意一个方式中，由所述多个道壁部中的至少一部分道壁部形成的流路在从所述底壁部上升以后汇合连接，在远离所述底壁部的方向上具备从所述流路交叉的交叉部沿着所述流路延伸的肋。

通过这样的结构，即使是在多个流路汇合连接，成为在刚性方面不利的结构的情况下，设置肋也能够相应地提高底壁部相对于气缸的缸内压力的刚性。在排气用的流路的中途设有肋的情况下，还能够获得整流效果。

根据本发明的第七方式，发动机具备第一到第六方式中的任意一个方式中的气缸盖和固定有所述气缸盖的气缸体。

通过这样的结构，能够充分提高缸内压力从而实现高效化。其结果，能够不大型化地获得高输出。在不需要增加输出的情况下，能够实现小型化。

发明效果

根据以上气缸盖以及发动机，能够抑制伴随缸内压力的增加而作用于底壁部的拉伸应力，从而降低破损的产生。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的发动机的结构的剖视图。

图2是沿图1的ii－ii线的剖视图。

图3是本发明的第二实施方式的相当于图1的剖视图。

图4是表示以b/a为纵轴、以r为横轴的情况下的安全率的图表。

图5是本发明的第三实施方式的排气道的剖视图。

具体实施方式

以下，对本发明的一个实施方式的气缸盖以及发动机进行说明。

图1是表示本发明的第一实施方式的发动机的结构的剖视图。

本实施方式的燃气机10是使城市燃气等气体燃料燃烧来运转的发动机。本实施方式的燃气机10是预燃室式燃气机。进一步地，本实施方式的燃气机10是在发电设备等中使用的固定型的燃气机。

如图1所示，燃气机10至少具备气缸体20、气缸盖30和预燃室部件40。

气缸体20具备圆筒状的气缸21。在该气缸21的内部，收纳有能够沿气缸21的中心轴c作直线往复运动的活塞22。活塞22经由连杆23与旋转自如地支承在曲轴箱(未图示)内的曲轴24连结。

连杆23经由销25旋转自如地与活塞22连结，并且经由销26旋转自如地与曲轴24连结。由此，当活塞22在气缸21内沿中心轴c的方向作直线运动时，该活塞22的运动通过连杆23向曲轴24传递并被转换为旋转运动。

气缸盖30通过螺栓等紧固于气缸体20的端面20a，该端面20a具有气缸21的开口。由此，气缸盖30闭塞气缸21的开口。在气缸盖30的朝向气缸体20侧的面上，在与气缸21相对置的区域形成有与气缸21的中心轴c正交的呈平坦状或半球面状、弯曲面状的顶面31。

利用上述气缸体20、气缸盖30和活塞22界定出主燃烧室33。

在气缸盖30中形成有进气道34以及排气道35。进气道34的端部34a以及排气道35的端部35a在顶面31上开口并面向主燃烧室33。这些进气道34以及排气道35配置在气缸21的中心轴c的周围，并且分别在周向上间隔配置。

进气道34与混合燃气供应源(未图示)连通，从该混合燃气供应源供应混合空气和燃烧气体而成的混合燃气。在进气道34中，在其靠近主燃烧室33的一侧的端部34a设有进气门36。进气门36通过阀驱动机构(未图示)能够在关闭位置和打开位置之间位移。通过使进气门36从关闭位置位移至打开位置，使从混合燃气供应源供应的混合燃气从进气道34流入主燃烧室33。

排气道35的与主燃烧室33相反的一侧的端部(未图示)与排放气体流路(未图示)连接。在排气道35中，在其靠近主燃烧室33的一侧的端部35a设有排气门37。通过利用阀驱动机构(未图示)使排气门37从关闭位置位移至打开位置，使在主燃烧室33中供燃烧使用过的混合燃气的排放气体在从主燃烧室33经过排气道35以后，经由排放气体流路向外部排出。

预燃室部件40具备预燃室支架42和预燃室管头43。

预燃室支架42固定在形成于气缸盖30的预燃室部件保持孔39内。该预燃室支架42配置为其中心轴与气缸21的中心轴c的延长线重合。在预燃室支架42中形成有燃气导入路(未图示)、火花塞保持孔46和管头保持部47。燃气导入路从外部向预燃室41导入预燃室燃气。火花塞保持孔46与燃气导入路邻接地设置，并保持火花塞45。通过该火花塞45，预燃室41内的预燃室燃气被点燃并生成火焰。此处，在该预燃室41生成的火焰经由预燃室管头43的孔(未图示)流入主燃烧室33。主燃烧室33的混合气体被流入该主燃烧室33的火焰点着，在主燃烧室33中稳定地进行燃烧。

图2是本发明的实施方式的沿图1的ii-ii线的剖视图。

如图1、图2所示，在气缸盖30中，在紧邻顶面31的上方，形成有水室48，用于冷却顶面31的冷却水在该水室48中循环。该水室48由盖本体49、道壁部50、外周壁部51和底壁部52界定而成。

道壁部50从盖本体49的底面49a朝向顶面31延伸。这些道壁部50各自形成为形成进气道34以及排气道35的流路的圆管状。各道壁部50在以中心轴c为中心的周向上互相隔开间隔地排列。换而言之，道壁部50的中心配置在以中心轴c为中心的同一个圆上。道壁部50在其靠近顶面31的一侧的端缘形成有座部50a。座部50a能够通过与进气门36以及排气门37接触来闭塞进气流路以及排气流路。

外周壁部51的剖面轮廓形成以中心轴c为中心的圆形的筒状，换而言之形成为环状。该外周壁部51从底面49a的外周缘朝向顶面31延伸。在该外周壁部51的径向内侧、即道壁部50和外周壁部51之间配置有水室48。

该外周壁部51在其周向的一部分具有增厚部54。该增厚部54朝向外周壁部51的径向内侧突出。通过该增厚部54，外周壁部51的内周面51a和与该内周面51a相对置的道壁部50的外周面50b之间的距离l1变为规定距离以下。此处，距离l1根据通过主燃烧室33的内压或热能而作用于底壁部52的拉伸应力等确定。距离l1越长，作用于底壁部52的拉伸应力越大。

在该实施方式的外周壁部51中，在周向的多个部位，形成有朝向径向外侧突出的冷却水出入口部55。在这些冷却水出入口部55，分别形成有用于冷却水出入的孔56。这些孔56各自与水室48连通。该实施方式的孔56形成有四个，在分别经过中心轴c的对角线(在图2中用单点划线表示)上各配置有两个。在该实施方式的一个例子中，在经过上述孔56的对角线上，没有配置道壁部50。进一步地，在冷却水出入口部55中，形成有在径向上越靠近中心轴c则周向的宽度尺寸越增加的流路55a。

上述增厚部54形成为：在以中心轴c为中心的周向上，靠近冷却水出入口部55的一侧的厚度尺寸最大，厚度尺寸随着在周向上远离冷却水出入口部55而逐渐减小。此处，在图2中，用虚线表示了没有增厚部54的情况下的外周壁部51的内周面。

在增厚部54中，与道壁部50相对置的面54a为在道壁部50的同心圆上经过的凹曲面。进一步地，增厚部54的、在以中心轴c为中心的周向上朝向冷却水出入口部55侧(换言之，对角线侧)的增厚部54的面54b以延长形成冷却水出入口部55的流路55a的内壁面的方式，朝向中心轴c渐渐远离对角线地倾斜地形成。

增厚部54形成为，使上述外周壁部51的内周面51a和道壁部50之间的距离，如上所述，为规定距离以下。设从道壁部50的道中心c2到道壁部50的外周面50b为止的距离为“a”，从道中心c2到与道壁部50相对置的外周壁部51的内周面51a(或面54a)为止的距离为“b”，该增厚部54的与道壁部50相对置的部分的厚度形成为满足b/a≤1.8的关系。

增厚部54在中心轴c的延伸方向上也可以形成于外周壁部51中的靠近底壁部52的一侧的一部分。通过这样，能够缩短底壁部52在从道壁部50到外周壁部51的方向上的长度尺寸从而抑制拉伸应力，同时与增厚部54形成于外周壁部51的长度方向(换而言之，中心轴c的延伸方向)的所有区域的情况相比，能够实现轻量化。

底壁部52将外周壁部51的靠近主燃烧室的一侧的端部和道壁部50的靠近主燃烧室的一侧的端部连接。底壁部52的朝向主燃烧室33侧的面形成上述的顶面31的一部分。在底壁部52中，在中心轴c的周围形成有管头保持壁部53。管头保持壁部53形成为圆管状而形成上述的管头保持部47。

根据上述第一实施方式，能够通过增厚部54来使外周壁部51的内周面51a靠近道壁部50的外周面50b。因此，能够缩短底壁部52在从道壁部50到外周壁部51的方向上的长度尺寸。由此，能够提高底壁部52的刚性从而变得难以弯曲。其结果，能够抑制伴随缸内压力的增加而作用于底壁部52的拉伸应力从而降低破损的产生。

进一步地，使从道壁部50的道中心c2到道壁部50的外周面50b为止的距离a和从道中心c2到与道壁部50相对置的外周壁部51的内周面51a为止的距离b的关系满足b/a≤1.8。通过这样，能够在抑制增厚部54的厚度过大从而增加重量的同时，有效地抑制作用于底壁部52的拉伸应力。

进一步地，能够充分提高燃气机10的缸内压力从而实现高效化。因此，能够不使燃气机10大型化地获得高输出。另一方面，在不需要增加输出的情况下，能够实现燃气机10的小型化。

接下来，基于附图对本发明的第二实施方式的气缸盖以及发动机进行说明。该第二实施方式与上述第一实施方式仅在道壁部的结构上不同。因此，在该第二实施方式中，对与第一实施方式相同的部分标注相同附图标记进行说明，并且省略重复的说明。

图3是本发明的第二实施方式的相当于图1的剖视图。

如图3所示，燃气机10至少具备气缸体20(未图示)、气缸盖30和预燃室部件40。

在气缸盖30中形成有进气道34以及排气道35。在该气缸盖30中，在紧邻顶面31的上方，形成有水室48，用于冷却顶面31的冷却水在该水室48中循环。该水室48，与第一实施方式相同，是通过盖本体49、道壁部50、外周壁部51和底壁部52界定而成。

道壁部50具备道侧增厚部60，该道侧增厚部60的壁厚随着朝向靠近底壁部52的一侧而逐渐向外周侧增加。

道侧增厚部60由凹状的曲面形成，设该曲面的曲率半径为“r”，从道壁部50的道中心c2(参照图2)到道壁部50的外表面为止的距离为“a”，从道中心c2到外周壁部51的内周面51a为止的距离为“b”，道侧增厚部60形成为满足r≥0.6×(b－a)的关系。此处，上述距离a和距离b不包含道侧增厚部60的厚度部分。

在外周壁部51中与第一实施方式相同地形成有增厚部54(参照图2)。

图4是表示以b/a为纵轴、以r为横轴的情况下的安全率的图表。

作为气缸盖30的底壁部52所需要的安全率的基准值，为1.2左右。即需要使安全率的值比1.2左右更大。

如图4所示，在不形成增厚部54以及道侧增厚部60的情况下，各处的安全率的值为“0.95”、“0.98”以及“1.05”。

如上所述，通过形成为满足b/a≤1.8以及r≥0.6×(b－a)，安全率的值变为“1.22”以及”1.33”，为比安全率的基准值大的足够的安全率。也就是说，道侧增厚部60的曲面的曲率半径r只要形成为4.8a以上即可。

根据上述第二实施方式，通过使道壁部50具备壁厚随着朝向靠近底壁部52的一侧而逐渐向外周侧增加的道侧增厚部60，能够提高拉伸应力特别容易集中的道壁部50周围的底壁部52的刚性。

进一步地，通过满足r≥0.6×(b－a)的关系，能够在抑制道侧增厚部60的厚度过大从而增加重量的同时，有效地抑制在离道壁部50近的一侧作用于底壁部52的拉伸应力。

接下来，基于附图对本发明的第三实施方式的气缸盖以及发动机进行说明。该第三实施方式的气缸盖以及发动机与上述第一和第二实施方式仅在排气道35的结构上不同。因此，对与第一和第二实施方式相同的部分标注相同的附图标记进行说明，并且省略重复的说明。

图5是本发明的第三实施方式的排气道的剖视图。在该图5中，为了便于图示，省略了排气门37。

如图5所示，本实施方式的气缸盖30与上述各实施方式相同，在紧邻顶面31的上方形成有水室48。该水室48由盖本体49、道壁部50、外周壁部51和底壁部52界定而成。

道壁部50与上述各实施方式相同，从盖本体49的底面49a朝向顶面31延伸。这些道壁部50各自形成为形成进气道34以及排气道35的流路的圆管状。

排气道35的道壁部50设有多个，更具体地，设有两个。由这些道壁部50形成的流路f1、f2在各自从靠近气缸21的一侧的端部35a向上方上升以后，在盖本体49的内部汇合连接。流路f1、f2通过汇合连接而成为由一个排气道35形成的流路f3并朝向盖本体49的侧面延伸。

在这些流路f1、f2交叉的交叉部61中形成有肋62。交叉部61是指将道壁部50的内周面50c延长的面63和面64(在图5中均用两点划线表示)交叉的部分。该肋62在远离底壁部52的方向上沿流路f3朝向流路f3的下游侧延伸。该肋62的长度l2形成为满足上述安全率的基准值。例如，在要提高安全率的情况下，只要使肋62的长度l2更长即可。

根据上述第三实施方式，即使是在多个道壁部50汇合连接，成为在刚性方面不利的结构的情况下，设置肋62也能够相应地提高汇合连接部分的道壁部50的刚性。由于在排气道35的流路中设有肋，因此还能够获得整流效果。

即使是在多个流路f1、f2汇合连接，成为在底壁部52相对于气缸21的缸内压力的刚性方面不利的结构的情况下，设置肋62也能够相应地提高底壁部52相对于气缸21的缸内压力的刚性。

本发明并不限定于上述各实施方式，还包括在不脱离本发明的主旨的范围内，对上述各实施方式施加了各种变更的实施方式。即，各实施方式所列举的具体的形状和结构等仅为一个例子，能够适当地变更。

例如，在上述各实施方式中，对形成有四个孔56、在分别经过中心轴c的对角线上各配置有两个孔56的情况进行了说明。但是，孔56的配置并不限定于上述结构。例如，可以设置三个以下的孔56，也可以设置五个以上的孔56。进一步地，孔56的配置并不限定在经过中心轴c的对角线上。

进一步地，在上述第三实施方式中，对在排气道35的流路的中途形成肋62的情况进行了说明。但是，并不限定于排气道35。例如，在进气道34的流路分支连接的情况下，也可以在这些进气道34的流路彼此的交叉部中形成与肋62相同的肋。

在上述各实施方式中，对设有两个进气道34用的道壁部50，且设有两个排气道35用的道壁部50的情况进行了说明，但道壁部50的个数并不限定于上述的个数。进一步地，在上述各实施方式中，对多个道壁部50的中心配置在以中心轴c为中心的同一个圆上的情况进行了说明。但是，道壁部50的配置并不限定于上述配置。即，多个道壁部50的中心也可以不配置在以中心轴c为中心的同一个圆上。

进一步地，在上述各实施方式中，作为发动机，以燃气机10的情况为一个例子进行了说明，但不限定于燃气机。本发明也能够应用于例如柴油发动机或汽油发动机等，只要是在靠近顶面31的一侧具有水室48的发动机即可。

工业实用性

根据本发明的气缸盖以及发动机，能够抑制伴随缸内压力的增加而作用于底壁部的拉伸应力，从而降低破损的产生。

附图标记说明

10燃气机

20气缸体

20a端面

21气缸

22活塞

23连杆

24曲轴

25销

26销

30气缸盖

31顶面

33主燃烧室

34进气道

34a端部

35排气道

35a端部

36进气门

37排气门

39预燃室部件保持孔

40预燃室部件

42预燃室支架

43预燃室管头

45火花塞

46火花塞保持孔

47管头保持部

48水室

49盖本体

50道壁部

50a座部

50b外周面

50c内周面

51外周壁部

51a内周面(内表面)

52底壁部

53管头保持壁部

54增厚部

54a面

54b面

55冷却水出入口部

55a流路

56孔

60道侧增厚部

61交叉部

62肋

63面

64面

c轴线

c2道中心

f流路

l1距离

l2长度