(57)【要約】【課題】コストが嵩むことなく熱負荷を低減し得るエンジンバルブを提供する。【解決手段】軸部２と傘部３とを備えるエンジンバルブ１において、傘部３の表面のうち傘表３ｂと傘裏３ｃとには、セラミックス系材料からなる断熱被膜４が形成されて、入熱量が抑えられる。一方、軸部２の表面には窒化アルミや窒化クロムからなる伝熱被膜５が形成されて、放熱性が高められている。当該エンジンバルブは、内部が中実な排気バルブとすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部の一端に傘部を備えるエンジンバルブにおいて、
前記傘部の表面に断熱材料からなる断熱被膜を有し、
前記軸部の表面には伝熱性の良好な伝熱被膜を有することを特徴とするエンジンバルブ。
【請求項２】
前記伝熱被膜が窒化アルミ又は窒化クロムからなる、請求項１に記載のエンジンバルブ。
【請求項３】
内部が中実な排気バルブである、請求項１または請求項２に記載のエンジンバルブ。
【請求項４】
前記断熱被膜が少なくとも傘裏に形成されている、請求項３に記載のエンジンバルブ。
【請求項５】
前記断熱被膜が少なくとも傘表に形成されている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエンジンバルブ。
【請求項６】
前記断熱被膜がセラミックス系材料からなる、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエンジンバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コストが嵩むことなく熱負荷を軽減し得るエンジンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、自動車の高性能化に伴うエンジンの高出力化が一層進んでいる。しかし、エンジンの高出力化が進むと、それだけエンジンにおける燃焼温度が高くなり、エンジン構成部品の破損や早期劣化の要因になる。したがって、従来では燃焼温度を抑えるため、空燃比を燃料リッチにすることがあった。しかし、燃料リッチの状態で燃焼させると排気ガス中のＨＣが増加して排気ガス規制を満たさない。近年では、環境問題の点から排気ガス規制はより強まる傾向にある。そこで、理論空燃比で燃焼させて排気ガス規制を満たしながら高出力化を達成することが求められる。しかし、理論空燃比で高出力化すると高温化は避けられず、エンジン構成部品の改良が必須となる。
【０００３】
このような問題が生じ得るエンジン構成部品として、例えばエンジンの燃焼室に吸排気するエンジンバルブがある。エンジンバルブは軸部の一端に傘部を有する構造となっており、燃焼室に面する傘表から入熱され、バルブシートと当接するフェース部、及びバルブガイドと摺接する軸部を介して放熱される。その上で、吸気バルブは吸入空気により傘裏からも放熱され得るが、排気バルブは高温の排気ガスによって傘裏からも入熱され、吸気バルブよりも排気バルブの方が高温となり易い。
【０００４】
エンジンバルブの作動中の温度は、上記のような入熱と放熱とのバランスにより支配されるが、特に排気バルブにおいては入熱量に比べて放熱量が小さくなり易く、エンジンの運転条件によっては傘部が高温となり、熱負荷が増大する。そのため、従来のエンジンバルブには、耐久性に考慮して高温特性に優れるマルテンサイト系やオーステナイト系の耐熱鋼が使用されている。また、ニッケル合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、あるいはチタン合金などを使用して軽量化を図る例もある。しかし、耐熱鋼は比較的高価であり、アルミニウム合金などは耐熱強度の点で問題がある。例えば、エンジンバルブの傘部は９００℃以上の高温になることがあり、ニッケル合金は８５０℃までは耐熱強度を維持できるが、９００℃程度にまで昇温すると耐熱強度が不足する。
【０００５】
そこで、エンジンバルブ自体の構成を改良することでエンジンバルブの熱負荷を軽減することが提案されている。例えば特許文献１では、エンジンバルブを中空として、主に軸部からの放熱性を高めている。一方、特許文献２や特許文献３では、傘部表面にセラミックス系の断熱材料からなる被膜を形成して、入熱量を低減している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２４６５号公報
【特許文献１】特開２００３−３０７１０５号公報
【特許文献２】特開平４−３１１６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のように中空バルブとするには製造コストが嵩むと共に、特に排気バルブにおいては熱効率の点から空洞内にナトリウム等の冷媒を充填することが必要であり、材料コストも嵩む。そもそも、傘部からの入熱量が多量であると、放熱性にも限界がある。一方、特許文献２や特許文献３のエンジンバルブは、傘部の断熱被膜により入熱量がある程度抑えられるが、入熱量低減効果にもある程度の限界があり、軸部からの放熱性については特に考慮されていない。
【０００８】
そこで、特許文献１のような中空バルブと特許文献２や特許文献３のような傘部に断熱被膜を有するエンジンバルブとを組み合わせることも考えられるが、上述のように中空バルブとするにはコスト高となる。
【０００９】
そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、コストが嵩むことなく熱負荷を低減し得るエンジンバルブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、軸部の一端に傘部を備えるエンジンバルブにおいて、傘部の表面に断熱材料からなる断熱被膜を有し、且つ軸部の表面には伝熱性の良好な伝熱被膜を有することを特徴とする。軸部はバルブガイドに摺接し、傘部はバルブシートに当接するフェース部を有する。なお、傘裏とは、一定の面積を有する傘表から棒状の軸部に至る、フェース部よりも上方の部位であり、首部ということもできる。伝熱被膜は、例えば窒化アルミ又は窒化クロムからなる被膜とすることができる。
【００１１】
本発明は、中空バルブに適用することもできるが、特に、内部が中実な排気バルブに対して適用することが好ましい。排気ガスが排気ポートへ排出される際、図３に示すように、排気ガスは排気バルブの傘裏に沿うように排気される。このとき、傘裏は傘表よりも断面積が小さく熱容量が小さい。したがって、傘表よりも熱容量の小さい傘裏の方が熱負荷がより大きくなる。そこで、断熱被膜は、傘裏と傘表の双方に形成することが好ましいが、特に排気バルブにおいて傘表と傘裏のうちのいずれか一方のみに形成する場合は、少なくとも傘裏へ優先的に形成することが好ましい。なお、断熱被膜を傘表のみに形成しても、十分な入熱量低減効果は得られる。当該断熱被膜は、例えばセラミックス系材料からなる被膜とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、断熱被膜により傘部への入熱量が低減される。そのうえで、さらに軸部には伝熱被膜が形成されていることにより、ある程度高い入熱量があっても、軸部において良好に放熱されるので、エンジンバルブ全体の熱負荷を良好に軽減できる。これにより、バルブ材料選択の幅が拡がると共に、必ずしもエンジンバルブを中空とする必要もなくなる。
【００１３】
従来では、窒化アルミ又は窒化クロムからなる被膜を有するエンジンバルブは存在しなかったが、当該窒化アルミや窒化クロムなどの窒化物からなる被膜は、耐熱性と共に伝熱性が良好であり、エンジンバルブの伝熱被膜として好適である。
【００１４】
内部が中実な排気バルブであれば、本発明の効果を最大限に得られる。すなわち、内部が中実なエンジンバルブに本発明を適用すれば、製造コスト及び材料コストを抑えられる。また、吸気バルブよりも高温となり易い排気バルブに本発明を適用すれば、熱負荷低減効果が大きい。
【００１５】
本発明を排気バルブに適用する場合に、断熱被膜を少なくとも傘裏に形成しておけば、熱容量が傘表よりも小さい傘裏の熱負荷を効率よく低減できる。また、断熱被膜を少なくとも傘表に形成しておけば、燃焼室からの直接的な入熱量も低減できる。断熱被膜をセラミックス系材料としていれば、的確に入熱量を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に示すように、エンジンバルブ１は、棒状の軸部２と、当該軸部の一端に末広がりの傘部３とを備える。傘部３は、後述のバルブシート１９に当接するフェース部３ａを有する。なお、本発明は中空バルブにも適用できるが、以下には中実バルブに適用した好適な例について説明する。また、本発明は吸気バルブに適用することも可能であるが、より高温となり易い排気バルブに適用した好適な例について説明する。
【００１７】
そのうえで、傘部３の表面のうち、燃焼室に臨む傘表３ｂと排気ポート１８（図２参照）に臨む傘裏（首部）３ｃには、フェース部３ａを避けるように断熱材料からなる断熱被膜４が形成されている。一方、軸部２の表面には、良好な伝熱性を有する伝熱被膜５が形成されている。
【００１８】
断熱材料としては、耐熱性及び断熱性を有するセラミックス系材料を好適に挙げることができる。例えば、アルミナ、コージェライト、ジルコニア、ジルコン、酸化チタン、マグネシアなどのセラミックス系酸化物、炭化ケイ素などのセラミックス系炭化物、及び窒化ケイ素などのセラミックス系窒化物のほか、ケイ酸アルミニウム、酸化クロム、ＷＣ＋Ｃｏ合金、ＷＣ＋Ｎｉ＋Ｗ＋Ｃｒ3Ｃ2合金、Ｃｒ3Ｃ2＋Ｎｉ−Ｃｒ合金なども挙げられる。断熱被膜４の膜厚は、断熱効果と軽量化を勘案して、０．１〜２ｍｍ程度とすることが好ましい。なお、断熱被膜４は単層としてもよいし複数積層してもよい。
【００１９】
伝熱材料としては、良好な伝熱性と共に耐熱性も有する窒化アルミや窒化クロムが好適である。伝熱被膜５の膜厚は、放熱性及び軽量化を勘案して１〜１００μｍ程度とすることが好ましい。なお、本発明では、排気バルブ１自体の材料は特に限定されず、従来公知の材料を使用できるが、これらの材料から成るバルブ本体（基材）表面に自然酸化膜が形成されていると、伝熱性が阻害される。したがって、伝熱被膜５を形成する前に、基材表面の酸化膜を除去しておくことが好ましい。また、伝熱被膜５は、軸部２の全体に形成してもよいが、少なくともバルブガイド１２（図２参照）と摺接し得る範囲に形成しておく。材料コストの点からは、バルブガイド１２と摺接し得る範囲のみに形成しておくことが好ましい。
【００２０】
断熱被膜４及び伝熱被膜５は、ガス炎、アーク溶射法、プラズマ溶射法、爆発溶射法、スパッタリング、イオンプレーティングなどの手段を用いて形成することができる。
【００２１】
次に、作用について説明する前に、排気バルブ１の動弁機構について概説する。なお、ここでの動弁機構はほんの一例であって、その他の全ての動弁機構について使用できる。図２に示すように、排気バルブ１の軸部２は、エンジン１０のシリンダヘッド１１に固定されたバルブガイド１２内に軸方向（図２において上下方向）に摺動可能に挿通されている。排気バルブ１の軸端部２ａには、コッタ溝１３に係合されたコッタ１４を介してスプリングリテーナ１５が取付けられている。シリンダヘッド１１の上面側において、バルブガイド１２を取り囲むように形成されたスプリングシート部１１ａとスプリングリテーナ１５との間には、コイルスプリング１６が圧縮状態で介装されている。排気ポート１８の燃焼室側の開口部には、バルブシート１９が固定されている。排気バルブ１は、コイルスプリング１６により常時上方へ付勢されており、傘部３のフェース部３ａがバルブシート１９に当接することにより排気ポート１８が閉鎖されている。クランクシャフト（図示せず）により回転駆動されるカムシャフト２０には、カム２１が設けられている。カムシャフト２０と並設されたロッカシャフト２２には、ロッカアーム２３が揺動自在に設けられている。
【００２２】
燃焼室においてガソリンが空気と共に燃焼されると、これの排気ガスを排気ポート１８から排出するために、カムシャフト２０が回転する。すると、カム２１の回転に伴ってロッカアーム２３が揺動され、排気バルブ１がコイルスプリング１６の付勢力に抗して押し下げられる。これにより、図３に示すように排気バルブ１の傘部３がバルブシート１９から離れ、排気ポート１８が開口される。ロッカアーム２３が元の姿勢に戻ると、排気バルブ１がコイルスプリング１６の付勢力により上昇される。これにより、傘部３のフェース部３ａがバルブシート１９に当接することで、再び排気ポート１８が閉鎖される。
【００２３】
これを前提として、本発明の作用について説明する。まず、燃焼室において燃料が燃焼されると、その燃焼熱が傘表３ｂから排気バルブ１に入熱され得る。しかし、傘表３ｂの表面には断熱被膜４が形成されているので、当該傘表３ｂからの入熱量が抑えられる。次いで、排気ガスを排気ポート１８へ排出するために排気バルブ１がバルブシート１９から離接されると、図３に示すように、高温の排気ガスは傘裏３ｃに沿うように流れながら排気ポート１８へ排出されていく。これにより、傘部３には、傘裏３ｃからも入熱され得る。しかし、傘裏３ｃの表面にも断熱被膜４が形成されているので、当該傘裏３ｃからの入熱量も抑えられる。このように、傘部３への入熱量が傘表３ｂ及び傘裏３ｃの双方において的確に抑えられるので、熱容量の小さい傘裏（首部）３ｃを含めて傘部３の熱負荷が低減される。
【００２４】
しかし、傘部３への入熱が完全に遮断されるわけではなく、傘部３はある程度昇温する。すると、傘部３の熱は軸部２へ伝熱され、当該軸部２と摺接するバルブガイド１２へ放熱される。このとき、軸部２の表面に伝熱被膜５が形成されていることで、軸部２からバルブガイド１２への伝熱が良好に行われ、放熱性が高くなっている。これにより、傘部３の熱負荷がより低減される。また、排気バルブ１が閉弁されてフェース部３ａがバルブシート１９に当接すると、当該フェース部３ａからバルブシート１９へも放熱される。このとき、フェース部３ａの表面には断熱被膜４が形成されていないので、放熱性が阻害されることはない。
【００２５】
なお、軸部２からの放熱性をより高めるため、バルブガイド１２は伝熱性の高い銅合金とすることが好ましい。また、一般的なバルブシート１９は、シリンダヘッド１１とは別部材として構成されている。この場合、シリンダヘッド１１とバルブシート１９との接合面は必ずしも平滑ではなく、ミクロ単位では凹凸を有することが殆どである。そうすると、当該凹凸による隙間等によって伝熱性が低下し、排気バルブ１からの放熱性が阻害される要因となり得る。そこで、バルブシート１９は、シリンダヘッド１１を一体的に肉盛りしたクラッドシートとすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】エンジンバルブの断面図である。
【図２】動弁機構の概略構成図である。
【図３】開弁状態にある排気ポートの要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  エンジンバルブ
２  軸部
３  傘部
３ａ  フェース部
３ｂ  傘表
３ｃ  傘裏
４  断熱被膜
５  伝熱被膜
１０  エンジン
１２  バルブガイド
１８  排気ポート
１９  バルブシート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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