JPH03107512A - エンジン用バルブシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エンジン用バルブシートに関する。

〔従来技術〕

一般に、アルミニウム合金製のシリンダヘッドには、吸
気弁や排気弁に当接するバルブシートが圧入にて装着さ
れている。

通常、上記バルブシートは、高温・高圧下にさらされる
とともに吸気弁又は排気弁の開閉による衝撃を受けるた
め、十分な耐摩耗性・耐衝撃性耐熱性が要求される。

従来、上記バルブシートとして、鉄系の鍛造品や粉末冶
金法で製作された焼結合金製のものが使用されていたが
、近年その耐摩耗性・耐衝撃性・耐熱性を改善するため
セラミック材料製のバルブシートが提案されている。

ところで、上記セラミック材料製のバルブシートは比較
的脆いので圧入時に破損することがあるとともに、高硬
度なので外径寸法を精度良く加工することが困難である
。しかも、セラミック材料は、例えば窒化珪素（熱膨張
率：約３．３ＸＩＯ−６／“Ｃ）のようにその熱膨張率
が、シリンダヘッドを構成するアルミニウム合金材料（
熱膨張率：約２２　ｘ　１０−ｂ／’ｃ）よりも大幅に
小さいので、バルブシート及びその付近のシリンダヘッ
ドの部分が高温になると、熱膨張率の差によりバルブシ
ートが脱落するという問題が発生ずる。

そこで、例えば実開昭６２−５４２０６号公報には、窒
化珪素や炭化珪素等のセラミック材料にバインダを加え
て成形・焼結したセラミック材料製の本体部材と、粉末
冶金法等により製作して本体部材に外嵌させた鉄基合金
製のリング部材とで構成し、本体部材の外周部とリング
部材の内周部とに相互に係合する円錐面状のテーパ部或
いは凹凸部を形成したバルブシートが記載されている。

上記バルブシートでは、本体部材がテーバ部或いは凹凸
部を介してリング部材内に保持されるので、本体部材が
リング部材から脱落することが防止されるとともに、リ
ング部材の熱膨張率が１０〜１３　Ｘ　１０−６／”Ｃ
でシリンダヘッドを構成するアルミニウム合金材料と本
体部材を構成するセラミック材料との中間の値となるの
で、高温状態での熱膨張率の差は小さくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記公報に記載のバルブシー１・では、本体部材とリン
グ部材とを別個に製作して本体部材にリング部材を外嵌
させるのでまたセラミック製の本体部材の製作時に収縮
や熱歪が発生するので、本体部材の外周面とリング部材
の内周面とを精度良く仕上げ加工する必要がある。つま
り、リング部材を外嵌するときに本体部材が破損したり
或いは、吸気弁や排気弁からの衝撃により本体部材が破
損するのを防ぐためである。ところが、本体部材は高硬
度なセラミック材料製であり、リング部材は比較的高硬
度な鉄・クロム合金などの鉄基合金製なので、その仕上
げ加工に多大の労力とコストがかかるという問題がある
。

一方、鉄基合金の熱膨張率は比較的小さいので、リング
部材とシンリダヘッドとの熱膨張率の差により、運転時
においてリング部材とシリンダヘッド間の拘束力を十分
に確保できず、シリンダヘッドからバルブシートが脱落
するという問題がある。

本発明の目的は、容易に製作可能で且つシリンダヘッド
からの脱落を確実に防止し得るエンジン用バルブシート
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るエンジン用バルブシートは、シリンダヘッ
ドの吸気弁又は排気弁に当接するバルブシートにおいて
、上記バルブシートを、セラミック材料製の本体部材と
、アルミニウムと珪素とを含むアルミニウム系合金粉末
からなる円筒状予備成形体を本体部材に外嵌状に熱間鍛
造して形成したリング部材とで構成し、上記本体部材の
外周部とリング部材の内周部とに相互に係合する保持用
係合部を形成したものである。

〔作用〕

本発明に係るエンジン用バルブシートにおいては、バル
ブシートがセラミック材料製の本体部材と、アルミニウ
ムと珪素とを含むアルミニウム系合金製のリング部材と
で構成され、リング部材はアルミニウム系合金粉末から
なる円筒状予備成形体を本体部材に外嵌状に保持した状
態で熱間鍛造して形成するので、本体部材の外周面を精
度良く加工せずとも、リング部材を略隙間なく焼き嵌め
状に本体部材に外嵌させることが出来、本体部材をリン
グ部材で強力に拘束出来るとともに、排気弁又は吸気弁
から本体部材へ作用する衝撃力をリング部材の内周面で
一様に受は止めることが出来る。しかも、本体部材はそ
の外周部とリング部材の内周部とに設けた保持用保合部
を介してリング部材内に保持されるので、リング部材か
らの脱落が確実に防止される。

上記リング部材を構成するアルミニウム系合金の熱膨張
率は１２〜１５　Ｘ　１０−’／’Ｃで、シリンダヘッ
ドの熱膨張率に比較的近い値となるので、運転時におい
てもシリンダヘッドとバルブシート間に十分が拘束力が
確保される。しかも、アルミニウム系合金は鉄基合金よ
りも容易に加工可能な合金であり、リング部材の仕上げ
加工が容易になる。

〔発明の効果〕

本発明に係るエンジン用バルブシートによれば、上記〔
作用］の項で詳述したように、本体部材の外周面の仕上
げ加工を省略してバルブシートの製作工程を簡単化出来
るとともにその製作コストを低減出来ること、リング部
材の外周面の機械加工が比較的容易になること、本体部
材とリング部材との嵌合不良を防止して吸気弁や排気弁
からの衝撃による本体部材の破損を防止出来ること、本
体部材のリング部材からの脱落を確実に防止出来ること
、リング部材の熱膨張率を大きくしてバルブシートのシ
リンダヘッドへの拘束力を大きく出来ることなどの効果
が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

本実施例は、ガスヒートポンプ用エンジンのバルブシー
トに本発明を適用した場合のものである。

第１図に示すように、エンジンのシンリダヘッド１には
略Ｕ字状の吸気ボート２及び排気ポート（図示路）が形
成されるとともに、吸気ボート２及び排気ポートを夫々
開閉する吸気弁５及び排気弁（図示路）が上下動自在に
装着され、吸気ボート２の下流端部及び排気ポートの上
流端部には環状の装着溝部３が形成され、バルブシート
４は装着溝部３内に正大保持されている。吸気弁５は図
示外の動弁機構及びそのスプリング６を介して」ニ下に
駆動され、吸気弁５の下端の弁体５ａがバルブシート４
に対して開閉駆動される。このことは排気弁についても
同様である。

上記シリンダヘッド１は、アルミニウム合金製でその熱
膨張率は約２１　Ｘ　１０−６／”Ｃである。

上記バルブシート４は、第２図〜第４図に示すように、
セラミック材料製の環状の本体部材７と、本体部材７に
略隙間なく外嵌されたアルミニウム系合金からなる環状
のリング部材８とで構成され、本体部材７の下半内周部
には弁体５ａの外周縁部の上面に略気密状に当接可能な
下方に向けて段階的に拡大するシート面７ａが形成され
、本体部材７の外周部の略中段部には環状の係合溝部７
ｂが形成され、リング部材８の内周部には保合溝部７ｂ
と係合する環状の係合突部８ａが突出状に形成され、係
合溝部７ｂの奥端部と係合突部８ａ間には最熱空間９が
形成され、本体部材７は係合溝部７ｂと係合突部８ａの
係合によりリング部材８内に固定保持され、バルブシー
ト４はリング部材８を介してシリンダヘッド１の装着溝
部３に正大保持されている。

次に、上記バルブシート４の製造方法について簡単に説
明する。

先ず、Ｓｉ３Ｎ４　（窒化珪素）粉末に焼結助剤を加え
た混合粉末をプレス加工して略環状の予備成形体を成形
し、この予備成形体を窒素雰囲気中で約１２００°Ｃに
て３０分間仮焼結した後、外周面に深さ１ｍｍの係合溝
部７ｂを形成し、その後窒素雰囲気中で約１８００°Ｃ
にて２時間焼結して熱膨張率が約３．３　Ｘ　１０−６
／’Ｃの本体部材７を製作した。

次に、アルミニウム３０重量％と珪素との混合粉末を、
冷間静水圧加圧法により約７　ｔ　ｏ　ｎ　／ｃｒｎ２
で加圧成形し、熱膨張率が約１３　Ｘ　１０−６／”Ｃ
の略円筒状の予備成形体８Ａを製作した。

次に、第５図に示すように、上記本体部材７をダイス１
０の下型１１の突出部１１ａにセットして予備成形体８
Ａを本体部材７に外嵌状にセットし、下型１１と上型１
２とを固定型１４内において型締めした後、ダイス１０
を約５８０　’Ｃに加熱した状態で上型１２に外嵌され
たパンチ１３で予備成形体８Ａを加圧して熱間鍛造し、
予備成形体８Ａを略隙間なく本体部材７に焼き嵌め状に
外嵌させた。この熱間鍛造により、予備成形体８Ａの一
部が係合溝部７ｂにも充填されて係合突部８ａが成形さ
れ、熱間鍛造後の収縮により係合溝部７ｂの奥端部と係
合突部８ａ間に断熱空間９が形成される。

次に、上記熱間鍛造された成形体を１２０〜２００°Ｃ
にて所定時間時効硬化させるＴ６処理を施し、その機械
的強度を高めた後、本体部材７の下半内周面に研磨加工
を施してシート面７ａを形成するとともに、成形体の外
周面及び上下両端面を仕上げ加工してバルブシート４を
得た。

次に、上記バルブシート４の作用について説明する。

予備成形体８Ａを本体部材７に外嵌状にセットした状態
で、熱間鍛造によりリング部材８を成形したので、高硬
度なセラミック材料製の本体部材７の外周面を仕上げ加
工せずとも、リング部材８０ を略隙間なく焼き嵌め状に本体部材７に外嵌され、リン
グ部材８で本体部材７を強力に拘束出来る。

しかも、本体部材７は係合溝部７ｂと係合突部８ａとの
係合によりリング部材８内に保持されるので、リング部
材８からの脱落が確実に防止される。

また、吸気弁５から本体部材７に作用する衝撃力はリン
グ部材８の内周面で一様に受止られるので、本体部材７
の破損が防止される。

上記リング部材８を構成するアルミニウム系合金の熱膨
張率は比較的高い値なので、バルブシート４及びその付
近のシリンダヘッド１の部分が高温になった時でも、バ
ルブシー１−４は強力な拘束力でシリンダヘッド１に確
実に保持される。しかも、アルミニウム系合金は鉄基合
金などと比較してその加工が容易なので、リング部材８
の上下両端面及び外周面の仕上げ加工が比較的容易にな
る。

一方、上記ガスヒートポンプ用エンジンのように比較的
低速回転で運転される産業エンジンでは、バルブシート
４が低温になって燃焼ガス中の硫酸成分がバルブシート
４のシート面７ａに露結し、■ シート面７ａに当接する弁体５ａの外周縁部の摩耗が激
しくなるという問題があるが、断熱空間９によりシート
面７ａ付近の温度が比較的高温に保持されるので、硫酸
成分の露結を防止して弁体５ａの異常摩耗を防止出来る
。

以上のように、本体部材７の外周面の仕」二げ加工を省
略してバルブシート４の製造工程を簡単化出来るととも
にその製造コストを低減出来ること、リング部材８の仕
上げ加工が比較的容易になること、本体部材７とリング
部材８間の嵌合不良を防止して本体部材７の破損を防止
出来ること、本体部材７の脱落を確実に防止出来ること
、リング部材８の熱膨張率を大きくしてバルブシー１−
４の脱落を防止出来ること、シート面７ａへの硫酸成分
の露結を防止して弁体５ａの異常摩耗を防止出来ること
などの効果が得られる。

次に、上記バルブシート４の変形例について説明する。

尚、上記実施例と同一の部材には同一の符号を付してそ
の詳細な説明を省略する。

第６図・第７図に示すように、バルブシート４■ Ａが環状の本体部材１７と、本体部材１７に略隙間なく
外嵌された環状のリング部材１８とで構成され、リング
部材１８の上端部には本体部材１７の上側へ延びる環状
の受部１８ａが形成され、本体部材１７の上端部には内
外１対の環状の溝部１７ａが形成され、受部１８ａと溝
部１７ａ間には断熱空間１９が形成され、本体部材１７
は係合溝部７ｂと係合突部８ａの係合によりリング部＋
１１８内に固定保持され、バルブシート４Ａばリング部
材１８を介してシリンダヘッド１の装着溝部３に正大保
持される。尚、上記本体部材１７及びリング部材１８は
前記実施例と同様の材料で構成されている。

次に、上記バルブシート４Ａの製造方法について簡単に
説明する。

先ず、Ｓｉ３Ｎ４　（窒化珪素）粉末に焼結助剤を加え
た混合粉末をプレス加工して略環状の予備成形体を成形
し、この予備成形体を窒素雰囲気中で約１２００°Ｃに
て３０分間仮焼結した後、外周面及び上端面に深さ１肛
の係合溝部７ｂ及び溝部３ １７ａを夫々形成し、その後窒素雰囲気中で約１８００
　’Ｃにて２時間焼結して本体部材１７を製作した。

次に、前記実施例と同様にして冷間静水圧加圧法により
略円筒状の予備成形体１８Ａを製作した。

次に、第８図に示すように、上記本体部材１７をダイス
１０の下型１１の突出部１１ａにセラ（・して予備成形
体１８Ａを本体部材１７に外嵌状にセットし、下型ＩＩ
と上型１２とを固定型１４内において型締めした後、ダ
イス１０を約５８０　”Ｃに加熱した状態で上型１２に
外嵌されたパンチ１３で予備成形体１８Ａを加圧して熱
間鍛造し、予備成形体１８Ａを略隙間なく本体部材１７
に外嵌させた。この熱間鍛造により、予備成形体１８Ａ
の上部が本体部材１７と上型１２間の隙間に流入して受
部１８ａが形成されるが、予備成形体１８Ａの流動性が
あまり良くないので、溝部１７ａ内には殆ど充填されず
溝部１７ａ内に断熱空間１９が形成される。

次に、上記熱間鍛造された成形体を１２０〜２４ ００゛Ｃにて所定時間時効硬化させるＴ６処理を施し、
その機械的強度を高めた後、本体部材１７の下半内周面
に研磨加工を施してシート面７ａを形成するとともに、
本体部材１７とリング部材１８の外周面及び上下両端面
を仕上げ加工してハルフシ−１−４Ａを製作した。

上記バルブシー）４Ａでは、前記実施例と同様の効果が
得られる。加えて、内外１対の断熱空間１９により、本
体部材１７からシリンダヘッド１への熱伝導を更に抑制
して、受面７ａの温度低下を防止出来る。

尚、本体部材７・１７を製作するセラミック材料として
上記Ｓｉ、Ｎ、以外のセラミック材料を用いてもよく、
また保合溝部７ｂの形状は角溝形状でもよく、係合溝部
７ｂと係合突部８ａは上下に１対以上形成してもよい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図はシリンダ
ヘッドの要部縦断面図、第２回はバルブシートの縦断面
図、第３図はバルブシートの平面５ 図、第４図は係合溝部及び係合突部付近の縦断面図、第
５図は熱間鍛造時におけるダイスの縦断面図、第６図〜
第８図は変形例に係るもので、第６図は第２図相当図、
第７図はバルブシートの上端近傍部の拡大縦断面図、第
８図は第５図相当図である。 １・・シリンダヘッド、　４・４Ａ・・バルブシート、
　５・・吸気弁、　７・１７・・本体部材、７ｂ・・係
合溝部、　８・１８・・リング部材、８ａ・・係合突部
、　８Ａ・１．８Ａ・・予備成形体。 特　許　出　願　人　　　　マツダ株式会社６ （１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダヘッドの吸気弁又は排気弁に当接するバ
   ルブシートにおいて、 上記バルブシートを、セラミック材料製の本体部材と、
   アルミニウムと珪素とを含むアルミニウム系合金粉末か
   らなる円筒状予備成形体を本体部材に外嵌状に熱間鍛造
   して形成したリング部材とで構成し、 上記本体部材の外周部とリング部材の内周部とに相互に
   係合する保持用係合部を形成したことを特徴とするエン
   ジン用バルブシート。