(57)【要約】【課題】  アルミニウム合金を用いた内燃機関用インテークバルブにおいて、内燃機関の出力および燃費の向上をもたらす手段を提供する。【解決手段】  軸部２０と、軸部２０に連結された傘部３０とを有し、軸部２０または傘部３０の少なくとも一方は、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関用インテークバルブ１０である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部と、前記軸部に連結された傘部とを有し、
前記軸部または前記傘部の少なくとも一方は、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関用インテークバルブ。
【請求項２】
前記アルミニウム合金中の前記カーボンナノチューブの含有率が、２体積％〜４０体積％である、請求項１に記載の内燃機関用インテークバルブ。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、前記インテークバルブの軸方向に平行に一軸配向されてなる、請求項１または２に記載の内燃機関用インテークバルブ。
【請求項４】
供給される燃料と前記インテークバルブとが接する部位が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用インテークバルブ。
【請求項５】
前記インテークバルブの傘部側末端から半分以上の部位が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用インテークバルブ。
【請求項６】
前記軸部および前記傘部の双方が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関用インテークバルブ。
【請求項７】
アルミニウム合金とカーボンナノチューブとを複合化する工程と、
前記複合化によって得られた複合化物をインテークバルブ形状に機械加工する工程と、
を含む、内燃機関用インテークバルブの製造方法。
【請求項８】
アルミニウム合金とカーボンナノチューブとを複合化する工程と、
前記複合化によって得られた複合化物を押し出し成形する工程と、
前記押し出し成形によって得られた押出物をインテークバルブ形状に機械加工する工程と、
を含む、内燃機関用インテークバルブの製造方法。
【請求項９】
前記アルミニウム合金とカーボンナノチューブとを複合化する工程は、前記カーボンナノチューブのプリフォームを金型に配置する工程と、前記プリフォームを溶湯鍛造法、低圧鋳造法または重力鋳造法を用いて鋳造する工程とからなる、請求項７または８に記載の内燃機関用インテークバルブの製造方法。
【請求項１０】
前記アルミニウム合金とカーボンナノチューブとを複合化する工程は、前記アルミニウム粉末と前記カーボンナノチューブとを混合する工程と、前記混合によって得られた混合物をＳＰＳ法、ＨＩＰ法または焼結法を用いて成形固化する工程とからなる、請求項７または８に記載の内燃機関用インテークバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用インテークバルブおよびその製造方法に関し、特に、熱伝導性の高いインテークバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界では、自動車用内燃機関の出力および燃費の向上に対する要求がますます高まってきている。その要求に答える手段としては、内燃機関の燃焼室内の温度を低下させることにより、内燃機関の圧縮比の向上や吸入空気量の増加を図ることが考えられる。また、別の手段としては、供給される燃料の気化を促進させ、燃焼効率の向上を図ることも考えられる。
【０００３】
内燃機関の燃焼室内の温度低下や、燃料気化の促進を図る一般的な方策としては、内燃機関用インテークバルブの熱伝導率を向上させることが考えられる。内燃機関用インテークバルブの熱伝導率が高いと、インテークバルブの傘表部の温度を低下させることができ、燃焼室内の高温熱を効率的に燃焼室外へ伝達することができる。また、内燃機関用インテークバルブの熱伝導率が高いことにより、燃焼室内から移動する高温熱により内燃機関用インテークバルブ自身が非常に高温になるため、内燃機関用インテークバルブに向けて噴射される燃料の気化が促進されることとなる。
【０００４】
ところで、アルミニウム合金は、軽量で、優れた熱伝導性を有している。上記に示したように、内燃機関の出力および燃費の向上のため、内燃機関用インテークバルブには優れた熱伝導性が求められ、また、慣性質量の低減による応答性の向上も期待されることから、内燃機関用インテークバルブのアルミニウム化が検討され始めている。
【０００５】
アルミニウム合金を用いた内燃機関用インテークバルブとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１のインテークバルブは、軸部および該軸部に連続する傘部が、アルミニウム合金またはマグネシウム合金をマトリックスとし、セラミックス粒子、ウィスカー、繊維または粒子を添加して強化したアルミニウム基ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）からなり、かつ、バルブフェース面に耐摩耗性急冷アルミニウム粉末合金をマトリックスとしたＭＭＣを被着したことを特徴としている。
【０００６】
しかし、上記内燃機関用インテークバルブでは、軸部および該軸部に連続する傘部に添加される強化材料は、単に高温強度を確保するために用いられており、バルブフェース部のみ熱伝導率が向上するといった構造が採用されている。したがって、慣性質量の低減や高温強度の確保および焼付き防止などの面からは有効であるものの、燃焼室内の温度低下による内燃機関の圧縮比の向上および吸入空気量の増加、あるいは、燃料気化の促進による燃費向上の面からは必ずしも有効であるとは言えなかった。
【特許文献１】特開平７−６３０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、アルミニウム合金を用いた内燃機関用インテークバルブにおいて、インテークバルブの熱伝導性を向上させ、内燃機関の出力および燃費の向上をもたらす手段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】
【０００８】
本発明は、軸部と、前記軸部に連結された傘部とを有し、前記軸部または前記傘部の少なくとも一方は、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる、内燃機関用インテークバルブである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、優れた熱伝導性をもたらす内燃機関用インテークバルブが提供できる。したがって、内燃機関の出力および燃費の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る内燃機関用インテークバルブの側面図である。本発明に係る内燃機関用インテークバルブ１０は、軸部２０および軸部に連結された傘部３０から成り立っており、軸部２０または傘部３０の少なくとも一方はカーボンナノチューブを含むことを特徴としている。また、傘部３０は、傘裏部３２と傘表部３４とから成り立っている。
【００１２】
続いて、図２は、本発明に係る内燃機関用インテークバルブを搭載した内燃機関の吸気ポート部の断面を示す模式図である。上記吸気ポート部は、本発明に係る内燃機関用インテークバルブ１０と、バルブシート４０と、吸気ポート５０と、燃料噴射ノズル６０とから成り立っている。また、燃料７０は、燃料噴射ノズル６０から噴出される。
【００１３】
カーボンナノチューブの熱伝導率は、通常、自動車用材料として使用されるアルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ２Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ２Ｂ合金、ＪＩＳ  ＡＣ４Ｃ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｂ合金など）の熱伝導率に比べ、はるかに大きな値を示す。そこで、アルミニウム合金を用いたインテークバルブに、カーボンナノチューブを複合化することにより、インテークバルブの熱伝導率が向上する。
【００１４】
インテークバルブの熱伝導率が向上すると、インテークバルブの傘表部の温度を低下させることができ、内燃機関の燃焼室内の高温熱を効率的に燃焼室外へ伝達させることができるため、燃焼室内の温度低下をもたらす。内燃機関の燃焼室の温度低下は、内燃機関の圧縮比向上および吸入空気量の増加をもたらし、内燃機関の出力および燃費の同時向上が可能となる。
【００１５】
また、内燃機関用インテークバルブの熱伝導率が高いため、燃焼室内から移動する高温熱により内燃機関用インテークバルブ自身が非常に高温になる。そして、内燃機関用インテークバルブに向けて噴射される燃料の気化が促進されることとなる。したがって、供給される燃料の気化促進は、燃焼効率の向上をもたらし、内燃機関の燃費向上が可能となる。
【００１６】
ところで、カーボンナノチューブの強度は、通常、自動車用材料として使用されるアルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ２Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ２Ｂ合金、ＪＩＳ  ＡＣ４Ｃ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ａ合金、ＪＩＳ  ＡＣ８Ｂ合金など）の強度の数百倍であると言われている。よって、これらのアルミニウム合金を用いたインテークバルブにカーボンナノチューブを複合化することにより、インテークバルブの高温強度および熱疲労強度を向上させることも可能となる。
【００１７】
カーボンナノチューブとしては、多層型カーボンナノチューブ（ＭＷ−ＣＮＴ）や単層型カーボンナノチューブ（ＳＷ−ＣＮＴ）などが存在するが、本発明においては、いずれのカーボンナノチューブを用いても熱伝導率の向上および高強度化といった目的を達成することが可能である。したがって、アルミニウム合金に複合化するカーボンナノチューブの種類については特に限定はされない。しかし、カーボンナノチューブの複合化に際して、鋳造法や粉末焼結法などを用いる場合には、７００℃程度まで安定であるカーボンナノチューブを採用することが望ましい。
【００１８】
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有率は、２体積％〜４０体積％であることが望ましい。当該含有率が２体積％未満である場合には、熱伝導率あるいは強度という面からのカーボンナノチューブの複合化の効果を十分に得ることができないおそれがある。また、当該含有率が４０体積％を超えると、鋳造法によりカーボンナノチューブをアルミニウム合金に複合化させる際に用いる、プリフォームの製作が困難になるおそれがある。あるいは、粉末法によりカーボンナノチューブをアルミニウム合金に複合化させる際に、焼結性が悪化するおそれがある。
【００１９】
カーボンナノチューブは、インテークバルブの軸方向に平行に一軸配向されてなることが望ましい。一般に、複合材中の添加材がある方向に配向していると性質にも方向性が生じ、配向方向の性質はランダムに分散している場合に比べ、際立った性質が得られる。よって、アルミニウム合金中に含まれるカーボンナノチューブをインテークバルブの軸方向と平行に一軸配向させることにより、カーボンナノチューブをランダムに配向させた場合に比べ、インテークバルブ全体の軸方向の熱伝導率が向上する。したがって、内燃機関の燃焼室内の温度の低下や、供給される燃料の気化促進を、よりいっそう高めることができる。
【００２０】
カーボンナノチューブが含まれる部位については、インテークバルブの軸部または傘部の少なくとも一方にカーボンナノチューブが含まれていれば、特に限定されない。
【００２１】
望ましくは、供給される燃料とインテークバルブが接する部位が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる内燃機関用インテークバルブである。上記のように、アルミニウム合金中にカーボンナノチューブを複合化することの効果として、供給される燃料の気化促進がある。燃料がインテークバルブと接する部位にカーボンナノチューブが含まれていることにより、当該部位の熱伝導率が向上し、より燃料気化の促進が期待できる。
【００２２】
また望ましくは、インテークバルブの傘部側末端から半分以上の部位が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる内燃機関用インテークバルブである。つまり、傘部末端から見て、傘表部から軸部末端までの長さの半分以上の領域に、カーボンナノチューブが含まれる。一般的に、燃料は、インテークバルブの傘部側末端からインテークバルブの中央の領域に向かって噴射されるため、インテークバルブの傘部側末端の半分以上の部位が、カーボンナノチューブを含むことにより、当該部位の熱伝導率が向上し、より燃料気化の促進が期待できる。
【００２３】
さらに望ましくは、軸部および傘部の双方が、カーボンナノチューブを含むアルミニウム合金からなる。
【００２４】
続いて、本発明に係る内燃機関用インテークバルブの製造方法について説明する。
【００２５】
まず、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化する。次に、複合化して得られた複合化物を、インテークバルブ形状に機械加工して、目的の内燃機関用インテークバルブを得る。
【００２６】
上記、アルミニウム合金とカーボンナノチューブとの複合化は、例えば、以下のようにしてすることができる。まず、カーボンナノチューブを分散させてバインダにより固めたプリフォームを作製し、得られたプリフォームを金型に配置する。次に、溶湯鍛造法、低圧鋳造法および重力鋳造法のいずれかにより、アルミニウム溶湯を金型内に鋳込むことにより、目的の複合化物を得る。
【００２７】
また、アルミニウム合金とカーボンナノチューブとの複合化の別の方法として、以下のようにすることもできる。まず、アルミニウム粉末とカーボンナノチューブを混合する。次に、混合によって得られた混合物を、ＳＰＳ法、ＨＩＰ法および焼結法のいずれかにより、成形固化することにより、目的の複合化物を得る。
【００２８】
続いて、カーボンナノチューブがインテークバルブの軸方向に平行に一軸配向したインテークバルブの製造方法について説明する。まず、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化する。次に、複合化によって得られた複合化物を、押し出し成形する。さらに、押し出し成形によって得られた押出物を、カーボンナノチューブがインテークバルブの軸方向に平行に一軸配向する向きになるようにインテークバルブ形状に機械加工して、目的の内燃機関用インテークバルブを得る。上記複合化物を、圧延や押し出し成形によって塑性加工を加えることによって緻密化するとともに、カーボンナノチューブを所定方向に配向させることができる。
【００２９】
図３は、本発明に係る内燃機関用インテークバルブの製造方法の一例を示す図である。まず、工程Ａでは、カーボンナノチューブのプリフォーム１００を溶湯鍛造用金型１２０内に配置し、アルミニウム溶湯１４０を溶湯鍛造用金型１２０内に注入する。次に、溶湯鍛造用金型１２０に対し圧力を加えつつ、アルミニウム合金とカーボンナノチューブを複合化し、複合化物２００を得る。工程Ｂでは、工程Ａで得られた複合化物２００を押し出し成形し、カーボンナノチューブが一軸配向した押出物を得る。続いて、工程Ｃでは、工程Ｂで得られた押出物を、カーボンナノチューブがインテークバルブの軸方向に平行に一軸配向する向きになるようにインテークバルブ形状に機械加工して、目的の内燃機関用インテークバルブ１０を得る。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）をマトリックスとし、これにカーボンナノチューブを複合化して、アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化物を作製した。アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）は、５体積％とした。作製方法としては、ＡＤＣ１２粉末に所定量のカーボンナノチューブ（直径２０〜５０μｍ、長さ数μｍの多層カーボンナノチューブ）を混合して撹拌し、冷間プレスで所定形状に成形した。次に、上記成形により得られた成形体を、焼結温度７８０℃で加熱して焼結体を作製し、その焼結体を熱間（押し出し温度７５０℃）で押し出し成形することによって、カーボンナノチューブ複合体を得た。
【００３２】
続いて、得られた複合体を、カーボンナノチューブがインテークバルブの軸方向に平行に一軸配向する向きになるようにインテークバルブ形状に機械加工して、インテークバルブを得た。このインテークバルブを、２０００ｃｃ直列４気筒エンジンに搭載し、最高出力回転数で、最大負荷をかけてエンジンを運転した状態での、インテークバルブの傘表中央部の温度、および上記エンジンの燃費を測定した。なお、本実施例のインテークバルブの、温度２５℃における熱伝導率は、２６３Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３３】
（実施例２）
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）を８体積％とし、実施例１と同様の手順により、インテークバルブの傘表中央部の温度、および上記エンジンの燃費を測定した。なお、本実施例のインテークバルブの、温度２５℃における熱伝導率は、３０２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３４】
（実施例３）
アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）を１５体積％とし、実施例１と同様の手順により、インテークバルブの傘表中央部の温度、および上記エンジンの燃費を測定した。なお、本実施例のインテークバルブの、温度２５℃における熱伝導率は、３８９Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３５】
（比較例１）
カーボンナノチューブを含まないアルミニウム合金からなるインテークバルブを用いて、実施例１と同様の手順により、インテークバルの傘表中央部の温度、および上記エンジンの燃費を測定した。なお、本比較例のインテークバルブの、温度２５℃における熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３６】
表１に、各実施例および比較例１における、インテークバルブの傘表中央部の温度、および上記エンジンの燃費の測定結果を示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１において、温度低下代は、比較例１のインテークバルブの傘表中央部の温度に対する温度低下代を示している。また、燃費向上代は、比較例１のインテークバルブを用いたエンジンの燃費に対する燃費向上代を示している。
【００３９】
表１より、比較例１に対し、すべての実施例において、熱伝導率の向上、インテークバルブの傘表中央部の温度低下、および燃費向上が達成されていることが分かる。また、実施例１〜３の比較より、アルミニウム合金中のカーボンナノチューブの含有量（Ｖｆ）が多くなればなるほど、熱伝導率の向上、インテークバルブの傘表中央部の温度低下、および燃費向上の効果が増大することが分かる。さらに、実施例１〜３では、すべて同一の圧縮比で実験を行っているにもかかわらず、燃費が向上している。これにより、噴射される燃料の気化が促進され、燃焼効率の向上が図られていることが示唆される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、例えば、自動車用内燃機関に用いられるインテークバルブに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る内燃機関用インテークバルブの側面図である
【図２】本発明に係る内燃機関用インテークバルブを搭載した内燃機関の吸気ポート部の断面を示す模式図である。
【図３】本発明に係る内燃機関用インテークバルブの製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  本発明に係る内燃機関用インテークバルブ、２０  軸部、３０  傘部、３２  傘裏部、３４  傘表部、４０  バルブシート、５０  吸気ポート、６０  燃料噴射ノズル、７０  燃料、１００  カーボンナノチューブのプリフォーム、１２０  溶湯鍛造用金型、１４０  アルミニウム溶湯、２００  アルミニウム合金とカーボンナノチューブの複合化物、２２０  ダイス、２４０  コンテナ、２６０  ステム、２８０  ダミーブロック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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