JPH0575406U - 内燃機関のバルブ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック製バルブの実用化を可能とするバ
ルブ機構。 【構成】 バルブ２の着座面４における最小径ｄ₂ より
バルブシート１の着座面３における最小径ｄ₁ を小さく
するかもしくは同一に設定する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、動弁系を備えた内燃機関（以下エンジンという）において、吸気及 び排気用の各シリンダポートを開閉操作するために不可欠なポペット弁（以下バ ルブという）をセラミック化したバルブ機構に関する。尚本考案においてセラミ ックとは、ファインセラミックをいう。

【０００２】

【従来の技術】

近年、エンジン部品をセラミック化して性能の向上を図る試みが盛んに行なわ れており、バルブ機構もその例外ではない。バルブをセラミック化することによ り軽くなる分、バルブスプリングの低減によるフリクションロスが低減されたり 、許容回転数をより高く設定したりすることが可能となる。現在セラミック化さ れているバルブは、金属の物理的性質を充分検討した上で設計された完成度の高 い金属製バルブの形状を単にそのままセラミックで再現したにすぎず、バルブ自 体やそのバルブが当接するバルブシート、それらで構成されるバルブ機構とセラ ミックの物理的性質との関係については何も考慮されていない状況である。因に 従来のバルブ機構では、図１０又は図１１に示す如く、少なくともバルブシート １のバルブが当接する着座面の最小径ｄ₁ がバルブ２のバルブシートと当接する 着座面の最小径ｄ₂ より大きく設定されている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

金属の物理的性質を満足するように設計されたバルブ機構を、セラミック化し たバルブに組み変えただけで、何のトラブルもなく期待通りの性能が発揮される はずはない。セラミックは軽量で耐摩耗性に優れている反面、衝撃を受けると破 損しやすい弱点を有していて、事実、セラミック製のバルブでは、バルブシート のエッジ部と接触する部分に割れを起こす問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】 バルブ２がバルブシート１に衝突すると、そのバルブシート１のエッジ部５． ５と接触する部分に集中応力が加わり、その応力が図１２に示す如くバルブ２に 対して局部的に引張応力が作用する。しかしセラミック製のバルブでは、その引 張応力の強さに耐えられないものと推察される。本考案は、バルブがバルブシー トに衝突した際、局部的に発生する集中応力の軽減を図るべく開発したエンジン のバルブ機構であって、その構成は、バルブをセラミックで形成する一方、第１ の手段は少なくともバルブの着座面における最小径よりバルブシートの着座面に おける最小径を小さくするかもしくは同一に設定するものであり、第２の手段は バルブの着座面を、頂部に少なくともバルブシートの着座面に密着してシール機 能が発揮される幅の密着シール面が確保された膨出形状とするものであり、第３ の手段はバルブシートの着座面を、頂部に少なくともバルブの着座面に密着して シール機能が発揮される幅を有する平滑な密着シール面が確保され、且つバルブ と接する密着シール面の端部に、前記密着シール面と滑らかに継がった曲面を持 つものである。

【０００５】

【作用】

第１及び第２の技術を採用すると、バルブの着座面にはバルブシートのエッジ 部が接触しないから、バルブがバルブシートに衝突しても局部的に集中応力を受 けないし、第３の技術を採用すると、バルブの着座面にバルブシートのエッジ部 が接触しても、エッジ部が曲面に形成されているからその応力が低いので、バル ブに作用する引張応力はセラミックに許容される耐衝撃値の範囲内に留まり、バ ルブの破損は起こらない。

【０００６】

【実施例】

本考案に係るエンジンのバルブ機構を図面に基いて説明する。１はシリンダヘ ッドに吸気又は排気用として形成したシリンダポートの開口部に設けられている バルブシートであり、２はステムの先端に傘状のバルブヘッドを備えたバルブで あって、周知の如くそのバルブ２のバルブヘッドと前記バルブシート１とでシリ ンダポートが開閉操作される。バルブシート１の内周面とバルブ２におけるバル ブヘッド１の外周面とには、夫々互いに対向する着座面３．４が設けられ、その 着座面３．４は開口側に開いた傾斜状になっている。そしてバルブ２は、以下説 明する総ての実施例とも窒化珪素系のセラミックで、又バルブシート１は、吸気 側が鋳鉄、排気側は焼結金属にて形成されている。 本実施例のバルブ強度を、予備に製作した同一品より、２．５×２×２０mmの 角柱状テストピースを切り出し、図１３に示す方法にて測定したところ、常温で Ｐ＝６８〜９２kg、１０００度ＣでＰ＝５３〜９０kgであった。

【０００７】 第１の実施例は、図１に示す如く、バルブシート１とバルブ２の着座面３．４ が共に平滑である。バルブ２の着座面４における最小径ｄ₂ はバルブシート１の 着座面３における最小径ｄ₁ より大きく設定されている。従ってバルブシート１ における着座面縁のエッジ部５はバルブ２と一切接触しない。

【０００８】 このように形成されたバルブ機構は、バルブ２のエッジ部６とバルブシート１ の着座面３との衝突によりバルブ２に作用する引張応力が低いため、セラミック 製のバルブでも充分対応できる。（図２参照）。本実施例のバルブは、着座面縁 のエッジ部６が角ばっているが、着座面料側縁のエッジ部が僅かにＲ面取りされ ていても差支えない。 本実施例では、ｄ₂ ＞ｄ₁ であるが、ｄ₂ ＝ｄ₁ でも同様な効果がある。又バ ルブ２の着座面における最大径が、バルブシートの着座面における最大径より大 きく設定されているバルブに対しては、これを同一とするか、バルブの着座面の 最大径の方を小さくするべきである。

【０００９】 第２の実施例は、図３に示す如く、バルブ２の着座面が、頂部に少なくともバ ルブシート１の着座面３に密着してシール機能が発揮される幅の密着シール面７ が確保された膨出形状になっている。言い換えると、バルブ２の着座面を、必要 な幅の密着シール面７を残してその両縁をテーパ状に削り落した形状である。こ のようにすれば、着座面が広い幅のバルブシートに適合するバルブを、そのバル ブの着座面の両縁をテーパ状に削り落すことによって、着座面が狭幅のバルブシ ートに適合するよう改造したり、バルブヘッドの厚みを薄くすることなく前記第 １の手段に規定される条件を満足させられる。前記密着シール面両端縁のエッジ 部６．６は、僅かにＲ面取りされていても差支えない。

【００１０】 前記第２の実施例においては、着座面を膨出形状としたので、その膨出分バル ブヘッドが燃焼室内へせり出すから、そのせり出しを少なくするため膨出部の高 さＨを可及的低くくするのが望ましい。しかしバルブ２がシリンダ内から燃焼圧 を受けても、そのバルブ２がバルブシート１のエッジ部５に接触しないよう配慮 することが必要である（図４参照）。 一般の乗用車用エンジンの場合、着座面同士が完全に密着する密着シール面の 幅は１．４mm〜２．０mmが適当といわれているが、バルブヘッドの周面幅Ｌが４ mmのバルブであれば、膨出部の高さＨは最低０．２mm以上とすることが望ましい 。又このバルブを加工する場合には、最低必要な１．４mmの密着シール面を確保 し、且つ砥石に必要な逃げ角θを確保しなければならず、前記と同じくバルブヘ ッドの周面幅Ｌが４mmのバルブであれば、膨出部の高さＨを０．６mm以下とする ことが望ましい（図５参照）。但しこれらの値は、バルブのサイズ、必要とする 密着シール面の幅等により異なるので、その都度検討することが好ましい。

【００１１】 前記第２の実施例のバルブ側密着シール面は必ずしも平滑である必要はなく、 なだらかな湾曲面形状の膨出形状とすれば、更に引張り応力を低減できる。この とき前記湾曲面形状は、気密性に影響がないよう最低でも曲率半径は10mm以上必 要である。

【００１２】 第３実施例は、図６に示す如く、バルブシート１におけるバルブとの着座面は 、密着シール面８の両端縁に密着シール面と滑らかに継がった曲面を持ち、あく まで密着シール面８は平滑である。 即ち、シール性を確保するためバルブシート１に形成される密着シール面８は 、バルブ２の着座面に集中加重が加わらないように曲面は除外され、１．４mm以 上の幅の平滑な面に限定される。尚バルブ２が、バルブシート１の片側のエッジ 部５のみにしか当接しないケースでは、図７に示す如く、その当接するエッジ部 ５のみに、前記密着シール面と滑らかに継がった曲面を形成するだけで充分であ る。 本第３実施例の場合、密着シール面両端縁のエッジ部５．５は、バルブ２の着 座面４に衝突した場合作用する応力のみを考慮すると、曲率半径を大きくするこ とが望ましいが、余り大きくするとシリンダ内の燃焼圧を受けてバルブシートの エッジ部がバルブ着座面に接触してしまう。ある実験データによると、面接触す る部分のエッジ部に作用する最大圧力Ｐは、図８に示す如く曲率半径Ｒを大きく することにより、角ばったエッジ部に比べて減少することが確認されており、バ ルブに加わる集中応力の減少目標を６０％におくと、少なくともエッジ部の曲率 半径を３mm以上確保したい。又バルブシートの着座面の幅が３．０mm、 シール面 の幅Ｗが１．４mmと仮定した場合、バルブ２がシリンダ内から燃焼圧を受けても 、そのバルブ２がバルブシート１のエッジ部に接触しないようにするには、曲面 の曲率半径の上限を７mmとするのが好ましい。このことから一般的な自動車用の エンジンでは、エッジ部の曲率半径を３〜７mmとするのが理想的である（図９参 照）。前記第２実施例及び第３実施例の如く形成されたバルブ機構では、バルブ シートとの衝突によりバルブに作用する集中応力は、従来に比べて大幅に減少し 、引張応力が少なく、セラミック製のバルブでも充分対応できる。又これらは単 に一般の自動車用エンジンにのみ適用されるものでなく、バルブのサイズ、密着 シール面幅等の異なるエンジンにおいても、適切に設計することにより、同様な 効果を得ることができる。

【００１３】 最後に、前記第１〜第３実施例のバルブ機構を、３０００cc６気筒のガソリン エンジンに採用し、同じ型式の従来エンジンでバルブの材質をセラミックに変更 したものとベンチテストにて比較した結果を示す。 両エンジンとも最高回転数は５４００ｒｐｍに設定され、いずれもフルスロッ トルの５４００ｒｐｍにてテストを行なった。

【００１４】

【表１】

【００１５】 この結果から、従来の金属バルブを用いたバルブ機構のバルブをそのままセラ ミック化した場合、実用化するのは困難であるが、本考案に係るバルブ機構では 、バルブシートにおけるエッジ部の曲率半径が小さいためバルブに対して作用す る集中応力が高かった一つの例を除き、総て１０時間の連続運転でトラブルが発 生しなかったので、前記第３実施例で説明した集中応力の減少目標を６０％とし たことの正しさが証明されると共に、実用可能であることが確信できた。 尚バルブを形成するセラミックは、窒化珪素系以外に、現在知り得るセラミッ ク原料から自由に選択できる。

【００１６】

【考案の効果】

本考案によれば、軽量で耐摩耗性が高いセラミック特性を効率良く利用すると 共に、バルブシートとバルブとの衝突により発生する集中応力を低減して衝撃に 弱い特性をカバーしたので、セラミック化したバルブの実用化が可能となり、高 性能エンジンの開発にとっての実益は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係るバルブ機構の第１実施例を示す説
明図である。

【図２】第１実施例においてバルブに作用する引張応力
の強さを例示した説明図である。

【図３】本考案に係るバルブ機構の第２実施例を示す説
明図である。

【図４】第２実施例における膨出部の高さＨの下限の根
拠を示す説明図である。

【図５】第２実施例における膨出部の高さＨの上限の根
拠を示す説明図である。

【図６】第３実施例の説明図である。

【図７】第３実施例の変更例を示す説明図である。

【図８】面接触する部分のエッジ部に作用する最大圧力
Ｐと曲率半径Ｒとの関係を例示したグラフである。

【図９】第３実施例の変更例を示す説明図である。

【図１０】従来例の説明図である。

【図１１】従来例の説明図である。

【図１２】従来例においてバルブに作用する引張応力の
強さを例示した説明図である。

【図１３】バルブの強度測定方法を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・バルブシート、２・・バルブ、３・・（バルブシ
ートの）着座面、４・・（バルブの）着座面、５・・
（バルブシートの）エッジ部、６・・（バルブの）エッ
ジ部、７・・（バルブの）密着シール面、８・・（バル
ブシートの）密着シール面、ｄ₁ ・・バルブシートの着
座面における最小径、ｄ₂ ・・バルブの着座面における
最小径、θ・・砥石に必要な逃げ角、Ｈ・・膨出部の高
さ、Ｌ・・バルブヘッドの周面幅、Ｗ・・密着シール面
の幅。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルブをセラミックで形成し、少なくと
   もバルブの着座面における最小径よりバルブシートの着
   座面における最小径を小さくするかもしくは同一に設定
   して成る内燃機関のバルブ機構。
2. 【請求項２】バルブをセラミックで形成し、バルブの着
   座面を、頂部に少なくともバルブシートの着座面に密着
   してシール機能が発揮される幅を有する密着シール面が
   確保された膨出形状とした内燃機関のバルブ機構。
3. 【請求項３】バルブをセラミックで形成し、バルブシー
   トの着座面を、頂部に少なくともバルブの着座面に密着
   してシール機能が発揮される幅を有する平滑な密着シー
   ル面が確保され、且つバルブと接する密着シール面の端
   部に、前記密着シール面と滑らかに継がった曲面を持つ
   内燃機関のバルブ機構。