(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス交換弁の冷却効果と対疲労強度の向上。【解決手段】中空のステム部３とディスク部４とを備えた内燃機関２のガス交換弁１に関する。ディスク部４は、ボトム部５と、当該ボトム部５の外縁に結合された中空の傘部６とを有し、中空の傘部６はボトム部５からの距離が増すにつれて次第に先細になる。ステム部３は、中空の傘部６を貫通し、一方でボトム部５に、他方で傘部６の先細端部にそれぞれ固定的に結合されている。ここで、本発明にとって重要なことは、ディスク部４の中に設けられた第２の空洞８から流体分離された第１の空洞７がステム部３の中に設けられたことと、第１の空洞７と第２の空洞８とが冷却剤の異なる充填レベル９，１０を持つこととである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のステム部（３）とディスク部（４）とを備えた内燃機関（２）のガス交換弁（１）であって、
前記ディスク部（４）は、ボトム部（５）と、前記ボトム部（５）の外縁に結合された中空の傘部（６）とを有し、中空の前記傘部（６）は前記ボトム部（５）からの距離が増すにつれて次第に先細になり、
前記ステム部（３）は、中空の前記傘部（６）を貫通し、一方で前記ボトム部（５）に、他方で前記傘部（６）の先細端部にそれぞれ固定的に結合されており、
前記ディスク部（４）の中に設けられた第２の空洞（８）から流体分離された第１の空洞（７）が前記ステム部（３）の中に設けられたことと、
前記第１の空洞（７）と前記第２の空洞（８）とが冷却剤の異なる充填レベル（９，１０）を持つこととを特徴とするガス交換弁。
【請求項２】
請求項１記載のガス交換弁において、
少なくとも１つの空洞（７，８）の中に、特に少なくとも前記第１の空洞（７）の中に冷却剤（１１）が充填されていることを特徴とするガス交換弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガス交換弁において、
前記冷却剤（１１）は、ナトリウムを含むことを特徴とするガス交換弁。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス交換弁において、
少なくとも前記ディスク部（４）が窒化され、又は、
前記ガス交換弁（１）の全体が窒化されたことを特徴とするガス交換弁。
【請求項５】
請求項４記載のガス交換弁において、
前記窒化の層は、１〜２０μｍ厚であることを特徴とするガス交換弁。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス交換弁において、
前記傘部（６）の肉厚は、１．０ｍｍ以下であることを特徴とするガス交換弁。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス交換弁において、
前記第１の空洞（７）の内径ｄ１は、前記ステム部（３）の外径ｄ２の少なくとも２／３であることを特徴とするガス交換弁。
【請求項８】
先行する請求項のいずれか１項に記載のガス交換弁において、
前記ガス交換弁（１）は、少なくとも部分的に６０１Ｈ鋼、８００Ｈ鋼、２８６鋼又は６０２Ｈ鋼で形成されたことを特徴とするガス交換弁。
【請求項９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のガス交換弁において、
前記ボトム部（５）に結合された前記ステム部（３）の端部は、当該ステム部の前記傘部（６）への結合部分の直径よりも大きい直径を有することを特徴とするガス交換弁。
【請求項１０】
少なくとも１つのシリンダと、請求項１〜９のいずれか１項に記載の少なくとも１つのガス交換弁（１）とを備えた内燃機関（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の導入部に記載のとおり、中空ステム部とディスク部とを備えた内燃機関のガス交換弁に関する。本発明はまた、少なくとも１つのシリンダと、少なくとも１つのそのようなガス交換弁とを備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１から、中空ステム部とディスク部とを備えた内燃機関の一般的なガス交換弁が知られている。この場合のディスク部は、ボトム部と、当該ボトム部の外縁に結合された中空の傘部とを有する。傘部は、ボトム部からの距離が増すにつれて次第に先細になっている。ステム部は、中空の傘部を貫通し、一方でボトム部に、他方で傘部の先細端部にそれぞれ固定的に結合されている。このようなガス交換弁を安定性と疲労強度の点で改良できるためには、ボトム部は、一方でステム部への結合箇所と、他方で傘部への結合箇所との間に位置する環状領域において、半径方向にかつ隣接して、断面が凸状で外部にまで達する少なくとも１つの環状ビードを有する。
【０００３】
特許文献２から、肉厚とステム部の直径との比が１：３よりも小さい、内燃機関のための軽量構造のガス交換弁も知られている。これは、ヘッド部の変形、すなわち特にディスク部の変形を最小化するものである。これを実現するために、ディスク部は、ステム部に直接に又は中間物を介して支持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４０１０３０９号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９８０４０５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、特に改良された冷却と、これにより改良された疲労強度とを特徴とする、汎用タイプのガス交換弁に関する改良された又は少なくとも代替の実施形態に言及する課題を取り扱う。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この課題は、独立請求項の主題により解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。
【０００７】
本発明は、それ自体公知の内燃機関の中空ガス交換弁の中に、互いに流体分離された２つの空洞を設けるという概念に基づいている。すなわち、ステム部の中に第１の空洞が、ディスク部の中に第２の空洞がそれぞれ設けられる。本発明による２つの空洞の流体分離により、本発明によるガス交換弁では、個々の空洞中に異なる冷却剤充填レベルを実現することができる結果、１つの空洞のみを有する現在までの中空弁に比べて、ガス交換弁の特に効果的な冷却が達成される。この場合の本発明によるガス交換弁は、前述した公知の態様の中空ステム部と、その上のディスク部とを備える。ここで、ディスク部は、ボトム部と、ボトム部の外縁に結合された中空の傘部とを有し、中空の傘部はボトム部からの距離が増すにつれて次第に先細になっている。ステム部は、傘部を貫通し、一方でボトム部に、他方で傘部の先細端部にそれぞれ固定的に結合されている。ここで、ステム部は、ボトム部につながる端面でボトム部に対して流体密封態様で結合され、その結果、ステム部の中に設けられた第１の空洞と、ディスク部の中に設けられた第２の空洞との間の流体交換ができないようになっている。２つの空洞の流体分離により、例えば、第２の空洞中に比較的低い冷却剤充填レベルを実現する一方、第１の空洞中の冷却剤充填レベルを著しく高くすることができる。冷却剤充填レベルが異なる結果、いわゆるシェイカー効果が両空洞中で達成され、そのため、内燃機関の動作中に冷却剤がシェイクされ、これにより十分な冷却効果が達成され得る。特に、本発明のガス交換弁では、ヘッド部を完全に空にすること、すなわちディスク部を完全に空にすることは、前述のシェイカー効果により、もはや起こり得ない。なぜなら、ディスク部中の第２の空洞に入れられた冷却剤は、従来とは違って、ステム部中へもはや放出され得ないからである。
【０００８】
本発明による解決策の更なる有利な実施形態では、少なくとも１つの空洞の中に、特に少なくとも前記第１の空洞の中に冷却剤が充填されている。しかしながら、両空洞中に冷却剤が存在し、第２の空洞中の冷却剤充填レベルが第１の空洞中の冷却剤充填レベルに比べて著しく低いことが好ましい。例えば、両空洞のそれぞれ３分の１に冷却剤が充填されているものとすると、冷却効果を支えるシェイカー効果が十分に利用可能になる。
【０００９】
好ましくは、冷却剤はナトリウムを含む。ナトリウムは融点が９８℃、沸点が８８３℃である。ナトリウムは、１４０Ｗ／ｍＫの熱伝導率のゆえに優秀な熱伝達特性を持つと同時に、低い融点を持つので液体範囲が広い。この場合の熱伝導性は鋼のそれよりもはるかに高いので、例えば、ボトム部から傘部への熱放散や、ボトム部からステム部への熱放散が好ましく達成される。ステム部をボトム部に結合することにより、最適な熱伝達がここでも達成される。
【００１０】
本発明による解決策の他の有利な実施形態では、少なくともガス交換弁のディスク部が窒化される。ディスク部の窒化は、例えば、槽により又はプラズマ窒化により行われ得る。その結果、約１〜２０μｍ厚の窒化層が形成され、表面層の非常に高い硬度が得られる。この非常に硬い表面層は、当該弁の高い耐摩耗性をもたらす。ディスク部のみが窒化されるのではなくて、更にステム部も窒化することにより弁全体が窒化されてもよいことは明らかである。
【００１１】
本発明によるガス交換弁の更なる有利な実施形態では、ボトム部に結合されたステム部の端部は、当該ステム部の傘部への結合部分の直径よりも大きい直径を有する。これにより、ボトム部の、その中央部における、著しく改善された支持が達成され得る。その結果、本発明によるガス交換弁の安定性を増すことができる。
【００１２】
実用的には、第１の空洞の内径、すなわちステム部中の空洞の内径は、ステム部の外径の少なくとも２／３である。これにより、ステム部を特に薄肉に形成することができ、これにより、比較的軽量のガス交換弁を製造できるだけでなく、ディスク部からの最適な熱放散も達成できる。同じ積極的効果は、例えば、傘部の肉厚を低減することによっても、達成され得る。ここでは、傘部の１ｍｍ以下の肉厚が目標とされる。
【００１３】
本発明による解決策の更なる有利な実施形態では、ガス交換弁は、少なくとも部分的に６０１Ｈ鋼（ＵＮＳ  Ｎ０６６０１）、８００Ｈ鋼（ＵＮＳ  Ｎ０８８１０又は材料番号１．４８７６／１．４９５８）、２８６鋼（ＵＮＳ  Ｓ６６２８６）又は６０２Ｈ鋼（ＵＮＳ  Ｎ０６０２５）で形成される。これらの鋼は、耐高温性、強度、良好な溶接性に特徴がある。
【００１４】
本発明の更なる重要な特徴及び利点は、下位請求項から、図面から、また図面を参照する対応した図面の説明から得られる。
【００１５】
上述した特徴及び以下に説明する特徴は、記載した各々の組合せだけでなく、本発明の範囲から逸脱しない限り、他の組合せ又は単独でも用いることができると理解されるべきである。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態を、図面に示し、かつ以下更に詳細に説明する。ここで、同一の参照符号は、同一の又は同様の又は機能的に同一の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るガス交換弁のディスク部を詳細に示す図である。
【図２】ディスク部のみが窒化された、本発明に係るガス交換弁の図である。
【図３】全体が窒化されたガス交換弁を示す、図２と同様の図である。
【図４】（ａ）はステム部中の第１の空洞にのみ冷却剤が充填された、図１と同様の断面図であり、（ｂ）はディスク部中の第２の空洞にのみ冷却剤が充填された、（ａ）と同様の図であり、（ｃ）は第１及び第２の空洞の双方に冷却剤が充填された、図１と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１及び図４によれば、内燃機関２の本発明に係るガス交換弁１は、中空のステム部３とディスク部４とを備えている。ディスク部４は、ボトム部５と、ボトム部５の外縁に結合された中空の傘部６とを有し、中空の傘部６はボトム部５からの距離が増すにつれて次第に先細になっている。ここに、ボトム部は、内燃機関２の燃焼室に公知の態様で装着される。さて、ディスク部４の中に設けられた第２の空洞８から流体分離された第１の空洞７がステム部３の中に設けられているという事実は、本発明による。加えて、第１の空洞７と第２の空洞８とは、それぞれ冷却剤の異なる充填レベル９及び１０を持つ。２つの空洞７及び８の流体分離により、いわゆるシェイカー効果が両空洞７，８中で達成され得る。その結果、ボトム部５から傘部６の方向への、又はステム部３の上端の方向への最適な熱放散が可能になる。
【００１９】
この場合の冷却剤充填レベル９，１０が異なるということは、両空洞７，８のうちの１つに冷却剤１１が全く充填されず、このためにその冷却剤充填レベル９，１０がゼロであって、他の空洞８，７には冷却剤１１が充填されていることをも意味する。
【００２０】
図４（ａ）を見ると、当該ガス交換弁１では、第１の空洞７にのみ冷却剤１１が充填されており、第２の空洞８には冷却剤が全く充填されていないことが判る。図４（ｂ）によれば、第２の空洞８にのみ冷却剤１１が充填されており、ステム部３中の第１の空洞７には冷却剤１１が全く充填されていない。図４（ｃ）によれば、図１に示された充填レベルが描かれており、第１の空洞７と第２の空洞８との双方に、異なる冷却剤充填レベル９，１０で冷却剤１１が充填されている。
【００２１】
冷却剤１１は、例えばナトリウムであり、又はナトリウムを含む。その結果、特に最適な熱伝導が達成される。
【００２２】
ガス交換弁１に耐摩耗性を付加するためには、少なくともディスク部４が窒化される。すなわち、図２に示されるように、ディスク部４は表面窒化１２を有する。ただし、これに代えて、表面窒化１２を持つようにガス交換弁１の全体を窒化することも考えられる。ディスク部４の表面を窒化すること、又は更にステム部３の表面を追加的に窒化することで、表面層の硬度が著しく向上し得る。
【００２３】
図１を再度見ると、傘部６の肉厚ａは可能な限り小さく、特に１ｍｍ以下に形成されることが判る。その結果、特に軽量のガス交換弁１を製造することができる。加えて、ステム部３の中の第１の空洞７の内径ｄ１は、ステム部３の外径ｄ２の２／３であってよい。その結果、材料が軽減され、したがって重量が同様に軽減され得る。
【００２４】
本発明に係るガス交換弁の材料に関しては、例えば、６０１Ｈ鋼、８００Ｈ鋼、２８６鋼又は６０２Ｈ鋼を使用し得る。その結果、耐高温性、強度、及び良好な溶接性という利点が得られる。
【００２５】
最後に、図１及び図４に従ってステム部３を見ると、ボトム部５に結合された当該ステム部３の端部は、当該ステム部の傘部６への結合部分の直径よりも大きい直径を有することが判る。その結果、特にボトム部５の改善された支持が達成され、かつ特に安定したガス交換弁１を達成し得る。
【００２６】
本発明に係るガス交換弁１によれば、特に軽量化だけでなく、最適な冷却をも実現することが可能であるので、摩耗に関し、また内燃機関２の動作に関して、利点がもたらされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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