シリンダーヘッドとは一般的な往復動内燃機関において、シリンダーブロックとともにエンジンを構成する最も基礎的な部品である。
シリンダーヘッドは往復動内燃機関の性能を左右する重要な部品であり、燃焼室の形状、インテークマニホールド、エキゾーストマニホールド、吸排気ポートの形状などの設計により、エンジンの燃焼効率や体積効率、圧縮比が決定される要因となる。
サイドバルブの時代にはバルブトレーンの部品は全てシリンダーブロックの内部に納められており、シリンダーヘッドは文字通りシリンダーブロック(V型エンジンの場合はシリンダーバンク
歴史
サイドバルブ
しかし、サイドバルブおよびフラットヘッドは構造が単純で整備性に優れている反面、バルブが側面に広がる関係上から燃焼室が大きくなり、熱効率上不利であり、圧縮比も制限される。また、簡素な構造を重視すると吸排気が複雑な経路で流れるターンフローレイアウトを採用せざるをえず、一部のエンジンはクロスフローレイアウト(サイドバルブにおいてはen:T-head engineと呼ばれる)を取ったものの複雑化するわりに高い性能は得られず主流とはならなかった。サイドバルブは高出力化、効率化が求められるなか、最高回転数に限界を生じるといったことから、前述の小型エンジンなどを除き、のちに頭上弁式と呼ばれるOHVやOHCに主流は移っていくこととなる。 頭上弁式ヘッドのうち、OHCにはシリンダーヘッドの上半分にポペットバルブとカムシャフトが納められ、クランクシャフトからの回転をカムシャフトに伝えるためのタイミングチェーンやタイミングベルトの一部が引き込まれている。OHC以前に主流であったOHV形式ではカムシャフトはシリンダーブロック内に納められ、ポペットバルブはヘッド内のロッカーアームとプッシュロッドを介して駆動された。その他サイドバルブの吸気バルブのみをOHV化したIOEエンジン(Fヘッド)も存在し、それなりに用いられた。 OHVのシリンダーヘッドにはインテークマニホールドやエキゾーストマニホールドが同一側面に接続され、混合気や排気ガスが出入りするポートと呼ばれる出入口が並んで配置されたターンフローレイアウトとウェッジ燃焼室
頭上弁式ヘッド
材質としてはじめは鋳鉄が用いられたが、比較的早期の段階で放熱性の高いアルミ合金に切り換えられた。しかし、アルミ合金は放熱性が高い反面、熱膨張が大きいという短所もあり、初期のアルミ製シリンダーヘッドにおいてはヘッドガスケットがヘッド合わせ面の熱膨張に追従できず吹き抜けるトラブルが頻発したため、シリンダーヘッドの素材改良と同時にヘッドガスケットの材質改良も同時に進められていくことになった。
OHCによる頭上弁式ヘッドには、カムホルダーと呼ばれる部品によりカムシャフトが保持されている。ホンダ・スーパーカブをはじめとする小排気量のオートバイではボールベアリングを介してカムシャフトを保持することが多いが、250cc超の排気量のオートバイ用エンジンや、今日のほぼ全ての自動車用エンジンはベアリングの耐久性の観点から、カムホルダー自体が一種のすべり軸受として製造される。このような構造を持つシリンダーヘッドは、カムホルダー自体がシリンダーヘッドと一体加工され高度な真円度が保たれているために、カムホルダーの取り付け位置や取り付け方向が陽刻などによって厳密に指定されていることがほとんどであり、順序や向きを入れ替えて取り付けることや他のシリンダーヘッドに取り付けられているカムホルダーを使用することは焼き付きの原因となるために禁忌とされている。もしも分解整備の際にカムホルダーを紛失したり破損したりした場合、そのシリンダーヘッドそのものが使用不可能となる危険性が高いため、取り扱いには細心の注意が必要である。 シリンダーヘッドはエンジンレイアウトによりその数が変わる。直列エンジンや単気筒エンジンにはシリンダーヘッドが1つしかないが、V型エンジンや水平対向エンジンでは2つのシリンダーヘッドを持つことが多い。かつてF1エンジンなどごく一部の用途でのみ用いられたW型エンジンでは3つ、第二次世界大戦中の航空機用エンジンに用いられたX型エンジンでは4つのシリンダーヘッドが用いられた。V型エンジンでも狭角V型エンジンと呼ばれるタイプのものは、シリンダーバンクの角度が非常に狭いためにシリンダーヘッドが1個で済ませられているものもある。
必要数
ギャラリー
DOHCシリンダーヘッドのカットモデル。吸排気バルブと吸排気ポート、ウォータージャケットやカムシャフトの様子がよくわかる。
ホンダ・D15A3エンジンのSOHCシリンダーヘッド
ホンダ・K20Z3エンジンのDOHCシリンダーヘッド
イタリア・en:Malossi社のスクーター用2ストロークエンジンのシリンダーヘッド。2ストのヘッドは燃焼室と点火プラグのみを備えたもので、初期のフラットヘッドの構成に近い。
スズキ・GS550の空冷DOHCシリンダーヘッド。大きな冷却フィンとカムシャフトを駆動するスプロケットの存在がよくわかる。
GMC製のバンに用いられたシリンダーヘッド。典型的な鋳鉄製のターンフローヘッドであり、インマニとエキマニが同一の方向に出ていく様子がよくわかる。
中島飛行機の航空機用空冷二重星型18気筒エンジンである誉。典型的な1気筒1個のシリンダーヘッドという構成のエンジンである。
関連項目
燃焼室
圧縮比
体積効率
ポート加工
ターンフロー
クロスフロー