(57)【要約】【課題】自己への入熱量を減少させて運転時のバルブ温度を低減させることができるエンジン用排気バルブを提供する。【解決手段】エンジン用排気バルブＶ１において、外周の少なくとも一部の表面に、特定の部材又は表面処理層により、バルブ基材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する熱制御部Ｈを設けた。この熱制御部Ｈにより自己への入熱量を減少させて運転時のバルブ温度を低減させ、ノッキングの発生の抑制や圧縮比アップによる燃焼効率の向上並びに燃費の向上に貢献し得るものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン用排気バルブにおいて、外周の少なくとも一部の表面に、バルブ基材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する熱制御部を設けたことを特徴とするエンジン用排気バルブ。
【請求項２】
熱制御部が、少なくともバルブ傘裏部に設けてあることを特徴とする請求項１に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項３】
熱制御部が、セラミックスで形成してあることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項４】
熱制御部が、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ及びＣａのうちの少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項５】
熱制御部の線膨張係数が、４×１０−６／℃〜１６×１０−６／℃の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項６】
熱制御部が、ジルコニアを主成分とする材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項７】
熱制御部を構成するジルコニアが、４〜１６ｗｔ％のイットリア、及び２〜１２ｗｔ％のカルシウムのいずれか一方を含む部分安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項６に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項８】
バルブ基材と熱制御部の間に中間層を有し、中間層の線膨張係数が、バルブ基材の線膨張係数と熱制御部の線膨張係数との中間の値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項９】
中間層が、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のうちのいずれか一つを主成分としていることを特徴とする請求項８に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項１０】
中間層を形成する前のバルブ基材の下地表面粗度が、Ｒａ１μｍ〜５μｍの範囲であることを特徴とする請求項８又は９に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項１１】
中間層の形成後に、雰囲気温度８００℃〜１１００℃にて１時間以上の熱処理を施したことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項１２】
熱制御部と中間層の厚さの和が、１００〜５００μｍの範囲であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【請求項１３】
バルブ基材が中空形状であって、その中空部に冷却用の溶媒が封入してあることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のエンジン用排気バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用エンジン等のピストンエンジンに利用されるエンジン用排気バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン用排気バルブには、Ｆｅ基耐熱合金が広く用いられていたが、燃焼温度の高温化とともにＮｉ基耐熱合金が用いられるようになった。また、エンジンの高効率化に伴って燃焼温度が一層高くなる傾向にあるので、エンジン用排気バルブに関しては、高温強度により優れたエンジンバルブ用耐熱合金（特許文献１参照）や、セラミックス製バルブ（特許文献２参照）の開発が行われてきた。
【特許文献１】特開２００４−１９００６０号公報
【特許文献２】特開平５−１４１２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年では、環境問題としてＣＯ２の排出量低減の要求が高まっており、これに対応して燃費により優れたエンジンの開発が求められている。エンジンの燃費向上の一方策としては、圧縮比アップによる燃焼効率の向上が挙げられるが、この場合、燃焼室温度の低減によるノッキング抑制を検討する必要がある。ここで、燃焼室温度を低減するには、燃焼室を形成するシリンダヘッドや排気バルブの冷却性を向上させるか、これらへの入熱を防ぐことが有効である。
【０００４】
しかしながら、従来のエンジン用排気バルブにおいて、高温強度に優れた耐熱合金製の排気バルブでは、燃焼温度の高温化に対して有効であるので燃焼室温度の低減に対処し得るものではなく、他方、セラミック製バルブでは、衝撃により割れなどが発生する恐れがあるので実用化には至っていない。
【０００５】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、自己への入熱量を減少させて運転時のバルブ温度を低減させることができるエンジン用排気バルブを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、エンジン用排気バルブの表面に熱の制御が可能な特定の部材又は表面処理層を設けることにより、運転時のバルブ温度の低減を可能にし、さらには性能評価においてノッキングの改善効果を確認し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明のエンジン用排気バルブは、エンジンのシリンダの上方に形成した排気口を開閉するエンジン用排気バルブであって、外周の少なくとも一部の表面に、バルブ基材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する熱制御部を設けたことを特徴としている。この構成において、熱制御部は、特定の部材や表面処理層により形成することができる。
【０００８】
なお、エンジン用排気バルブは、燃焼ガスによる厳しい負荷を受けるので、熱制御部として上記したような部材や表面処理層を設けた場合、これらが破損したり剥離したりする恐れが全く無いとは言えない。そこで、熱制御部の線膨張係数、成分、厚さ及びバルブ基材の下地表面粗度を最適化することで、より耐久性に優れた熱制御部を有するエンジン用排気バルブを提供することが可能となった。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のエンジン用排気バルブによれば、熱制御部によって自己への入熱量を減少させて運転時のバルブ温度を低減させることができる。
【００１０】
これにより、当該排気バルブからシリンダヘッドへの伝熱量も小さくなり、燃焼室壁面全体の温度を低減させてノッキングの発生を抑制することができ、圧縮比アップによる燃焼効率の向上並びに燃費の向上に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明のエンジン用排気バルブの一実施形態を説明する図である。図示のエンジン用排気バルブ（以下、「排気バルブ」とする。）Ｖ１は、バルブ基材から成るバルブ本体Ａ及びバルブステムＢを備えており、外周の少なくとも一部の表面に、バルブ基材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する熱制御部Ｈが設けてある。なお、図１における熱制御部Ｈは厚さを誇張して示している。
【００１２】
熱制御部Ｈは、少なくともバルブ本体Ａの外周となるバルブ傘裏部に設けるのがより望ましい。そこで、図示例の排気バルブＶ１は、バルブ傘裏部と、バルブ傘裏部とバルブステムＢとの連続部分に、熱制御部Ｈが設けてある。また、熱制御部Ｈは、バルブ基材とは別体の特定の部材や表面処理層とすることができる。
【００１３】
排気バルブＶ１に熱制御部Ｈを設けるに際し、溶射法を用いて表面処理層により熱制御部Ｈを形成した例を、以下に説明する。バルブ基材として一般的な材料である耐熱鋼（ＳＵＨ３６）を用いて、図１に示す排気バルブＶ１を製造した後、溶射被膜の密着性を高めるために、排気バルブＶ１の外周の所定範囲にブラスト等によって下地加工を施し、下地加工後の排気バルブＶ１の表面に、特定の被膜材料を液滴として溶射被膜を形成した。
【００１４】
ここで、特定の被膜材料を液滴とする際には、特定の被膜材料粉末を使用すると共に、プラズマ溶射法を用いた。すなわち、排気バルブＶ１の表面に対し、溶射ガンを移動させつつ同溶射ガンの先端から、燃焼炎により溶融させた溶射粉末の溶滴を溶射フレームとして噴き付けて、溶射被膜を形成する。これにより、図１に示す如く熱制御部Ｈを有する排気バルブＶ１を得た。
【００１５】
ところで、排気バルブＶ１は、エンジンの運転中において、燃焼室からの排出燃焼ガスに晒されるバルブ傘裏部が最も熱影響を受けやすい。そこで、当該排気バルブＶ１は、少なくともバルブ傘裏部に熱制御部Ｈを設け、より望ましくは、図示例の如くバルブ傘裏部からバルブステムＢにかかる部分に熱制御部Ｈを設けることで、自己への入熱量が減少する。また、実機評価においても運転時のバルブ温度が低下することを確認した。
【００１６】
図２は、上記した方法により形成した溶射被膜の断面性状を示す図であって、バルブ本体ＡやバルブステムＢを形成するバルブ基材の表面に、溶射被膜から成る熱制御部Ｈが形成してある。この熱制御部Ｈは、上述したように、バルブ基材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するものである。すなわち、熱制御部Ｈは、一般的なバルブ材料である耐熱鋼（ＳＵＨ３６）の熱伝導率（１４〜２４Ｗ／ｍ／Ｋ）に対し、それよりも低い熱伝導率を有する材料であり、これにより、自己への入熱量を減らし、バルブ温度の上昇を防ぐことができる。また、バルブ基材の表面を凹凸状にすることで溶射被膜の密着性を高めている。
【００１７】
上記の熱制御部Ｈの具体的な材料としては、例えばセラミックス材料が好適であり、とくに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ及びＣａのうちの少なくとも一つの酸化物を含むものであることがより好ましい。これにより、自己への入熱量低減やバルブ温度の上昇防止といった機能を一層高めることができる。
【００１８】
また、一般的に、排気バルブは、エンジンの燃焼サイクルにより繰り返し発生する熱応力を受けるため、バルブ基材とは線膨張係数が異なる表面処理層を有する場合、熱膨張及び収縮に伴って表面処理層の剥離や破損が生じる恐れが無いとは言えない。
【００１９】
そこで、本発明の排気バルブでは、表面処理層から成る熱制御部Ｈを採用した場合は、熱制御部Ｈの線膨張係数を、一般的なバルブ基材の線膨張係数（９×１０−６／℃〜１８×１０−６／℃）と同等にしており、より望ましくは、熱制御部Ｈの線膨張係数を４×１０−６／℃〜１６×１０−６／℃としている。
【００２０】
これにより、本発明の排気バルブは、エンジンの燃焼サイクルによって繰り返し熱応力を受けても、表面処理層から成る熱制御部Ｈの剥離や破損を未然に阻止することができ、充分な信頼性を確保することができる。
【００２１】
さらに、本発明の排気バルブは、熱制御部Ｈの遮熱効果（熱伝導率）と耐剥離性（線膨張係数）の両立を考慮した場合、熱制御部位Ｈの材料にはジルコニアを主成分とするものを使用することが好ましく、とくに、４〜１６ｗｔ％のイットリア及び２〜１２ｗｔ％のカルシウムのいずれか一方を含む部分安定化ジルコニアを使用することが望ましい。これにより、熱制御部Ｈの耐剥離性をより一層高めることができる。
【００２２】
さらに、本発明の排気バルブは、遮熱効果への跳ね返りを小さくしつつ（遮熱効果を低下させることなく）、耐剥離性を向上させる方策として、バルブ基材と前記部材もしくは表面処理層の間に中間層を設け、中間層の線膨張係数を、バルブ基材の線膨張係数と熱制御部Ｈの熱膨張係数との中間の値とすることが好ましい。
【００２３】
上記の如く中間層を設ける場合、中間層の材料は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金及びＣｏ基合金のうちのいずれか一つを主成分とするのがより望ましい。これにより、遮熱効果への跳ね返りを小さくしつつ、耐剥離性を向上させることができる。
【００２４】
また、中間層を有する排気バルブの製造方法としては、例えばプラズマ溶射法を用い、下地加工後の排気バルブの表面に、中間層としてＮｉ基合金製の被膜材料を液滴として溶射被膜を形成した後、図１に示す表面処理層（一例としてジルコニア）から成る熱制御部Ｈを形成する。
【００２５】
ここで、本発明の排気バルブは、上記の如く中間層を設ける場合、熱制御部Ｈと中間層の厚さの和を１００〜５００μｍとしている。これは、溶射被膜により中間層や熱制御部Ｈを形成する場合、これらの厚さの和が１００μｍよりも小さいと、充分な遮熱効果を得ることが難しくなり、また、厚さの和が５００μｍよりも大きいと、内部応力の増加によって被膜が内部破壊を起こす恐れがあるからである。
【００２６】
そこで、本発明の排気バルブは、上記の如く熱制御部Ｈと中間層の厚さの和を１００〜５００μｍとすることで、充分な遮熱効果すなわち自己への入熱量の低減や、バルブ温度の低減を実現すると共に、熱制御部Ｈの剥離や破壊を防止することができ、信頼性のさらなる向上を実現することができる。
【００２７】
また、本発明の排気バルブは、上記中間層を形成する前のバルブ基材の下地表面粗度をＲａ１μｍ〜５μｍの範囲とすることができる。
【００２８】
すなわち、当該排気バルブにおいて、被膜（中間層や表面処理層）の耐剥離性の向上には、バルブ基材の下地表面の粗面化が寄与しており、粗面化が進むほどに被膜の耐剥離性が向上する。ただし、下地表面の荒れは切欠きとして働くため、疲労強度の低下要因にもなる。そこで、本発明の排気バルブは、中間層を形成する前のバルブ基材の下地表面粗度をＲａ１μｍ〜５μｍの範囲とすることにより、疲労強度を低下させることなく被膜の耐剥離性を高めることができる。
【００２９】
さらに、本発明の排気バルブは、中間層の形成後に、雰囲気温度８００℃〜１１００℃にて１時間以上の熱処理を施したものとすることができる。
【００３０】
すなわち、当該排気バルブにおいて、中間層の耐剥離性の向上に寄与する他の因子としては、中間層の性状があり、中間層の形成後の熱処理によって耐剥離性を回復することができる。この際、熱処理温度が高すぎると中間層の酸化物劣化が加速され、低すぎると耐剥離性の回復効果が少ないことから、適正な温度範囲として、熱処理温度を８００℃〜１１００℃とした。さらに、熱処理時間については、１時間以下の保持温度では部品全体として均熱にならない恐れがあることから、１時間以上とした。
【００３１】
さらに、本発明の排気バルブは、図３に示すように、バルブ本体Ａ及びバルブステムＢを形成しているバルブ基材を中空形状にし、その中空部Ｃに冷却用の溶媒Ｄを封入した構成にすることができる。冷却用の溶媒Ｄとしては、例えばＮａやＮａＫを使用することができる。
【００３２】
これにより、排気バルブは、熱制御部Ｈによる入熱量低減の効果に、冷却用溶媒Ｄによる冷却効果が加わって、バルブ温度のさらなる低減を実現することができ、シリンダヘッドへの伝熱量をより小さくして、燃焼室壁面全体の温度低減やノッキングの抑制に貢献することができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の排気バルブの実施例及び比較例を説明する。本発明の排気バルブはこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
（１）溶射被膜の熱流れ性測定（熱伝導率測定の代替）
図４に示すように、２００×２００ｍｍ（肉厚５ｍｍ）のＳＵＨ３６製基材Ｍの表面に、熱制御部Ｈとして表１に示す仕様の表面処理層を形成し、一部の実施例については中間層を形成し、これらを実施例１〜１０及び比較例１〜４の試験片Ｔｐとした。
【００３５】
そして、同図４に示す如く試験片Ｔｐに熱電対Ｔｃを埋設し、この試験片Ｔｐを熱制御部Ｈ側からヒーター５０で加熱して熱電対Ｔｃで温度を測定し、基材Ｍのみに対しての温度低下代を熱流れ性の指標とした。その結果を表１に示す。
【００３６】
（２）溶射被膜の耐剥離性評価
３０×３０ｍｍ（肉厚５ｍｍ）のＳＵＨ３６製基材の表面に、熱制御部として表１に示す仕様の表面処理層を形成し、一部の実施例については中間層を形成し、これらを実施例１〜１０及び比較例１〜４の試験片とした。
【００３７】
そして、溶射被膜の耐剥離性評価として、各例の評価試験片について熱サイクル試験を実施した。すなわち、高温炉中に各例の試験片を配置し、図５に示すように、炉内温度を上昇させ、炉内温度を一定にして一定時間保持した後、炉内温度を低下させるという工程を１サイクルとし、剥離を確認した回数を剥離寿命とした。その結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
（※１）実施例１０は、基材を中空形状にし、その中空部に冷却用の溶媒としてＮａＫを封入したものとした。
（※２）実施例１２は、中間層の形成後に、１０３０℃の炉中で３時間の熱処理を行ったものとした。
（※３）比較例１は、比較例１は基材のみとし、比較例１を基準として各例の温度低減効果を測定した。 数値は温度低減値であり、低減効果が認められなかった試験片は効果無しと記載した。また、耐剥離性については、実機評価で問題が無かった実施例１を基準１．０とし、１．０未満のものはＮＧとした。この数値が高いほど耐剥離性に優れていることになる。
【００４０】
表１から明らかなように、本発明の実施例１〜１３は、いずれもバルブ温度の低減効果を確認することができ、しかも、耐剥離性にも全く問題が無いことが判明した。また、とくに実施例６〜１３は、より耐剥離性に優れていることが判明した。これに対して、比較例１〜４は、いずれもバルブ温度の低減効果が認められず、耐剥離性も不充分であった。
【００４１】
なお、本発明のエンジン用排気バルブにおける熱制御部は、給気バルブに設けることも可能である。しかし、エンジンの運転時には、給気バルブが受ける熱負荷よりも排気バルブが受ける熱負荷の方が圧倒的に大きいので、熱制御部を排気バルブに設けることが極めて有用である。これにより、自己への入熱量を減少させて運転時のバルブ温度を低減させ、ノッキングの発生の抑制や、圧縮比アップによる燃焼効率の向上並びに燃費の向上に貢献し得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の排気バルブの一実施形態を説明する断面図である。
【図２】排気バルブの熱制御部の部分の断面性状を示す断面図である。
【図３】本発明の排気バルブの他の実施形態を説明する断面図である。
【図４】熱流れ測定の要領を示す断面説明図である。
【図５】耐剥離評価における熱サイクル試験条件を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ          バルブ本体
Ｂ          バルブステム
Ｃ          中空部
Ｄ          冷却用の溶媒
Ｈ          熱制御部
Ｖ１  Ｖ２  排気バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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