(57)【要約】伝熱の3 形態のすべてを遮断して、最大の燃焼効率を達成出来るポペットバルブを提供する。軸部(12)の一端側に傘部(14)を一体的に形成したポペットバルブにおいて、前記傘部(14)内には、傘表(24)に沿って延在する中空部(19)が形成され、該中空部(19)の天井面(25)に輻射熱を遮断する金属層(17)が形成され、前記金属層(17)と前記中空部(19)の底面間に断熱部が形成されている。前記断熱部により、伝熱形態のうちの伝導および対流が、前記金属層(17)により輻射が遮断される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部の一端側に傘部を一体的に形成したポペットバルブにおいて、前記傘部に、燃焼室側に位置する断熱部と、軸部側に位置する輻射熱を遮断する金属層が形成されていることを特徴とするポペットバルブ。
【請求項２】
前記傘部内には、傘表に沿って延在する中空部が形成され、該中空部の天井面に輻射熱を遮断する金属層が形成され、前記金属層と前記中空部の底面間に断熱部が形成されることを特徴とする請求項１に記載のポペットバルブ。
【請求項３】
前記傘部の底面に、輻射熱を遮断する金属層が形成され、該輻射熱を遮断する金属層の燃焼室側に断熱性の表面処理層が形成されることを特徴とする請求項１に記載のポペットバルブ。
【請求項４】
金属が、アルミニウム、銅およびアルミニウム合金から選択される請求項１から３までのいずれか１項に記載のポペットバルブ。
【請求項５】
金属が、箔状またはシート状である請求項１から４までのいずれか１項に記載のポペットバルブ。
【請求項６】
金属層が、物理蒸着（ＰＶＤ），溶射およびメッキから選択される表面処理にて形成された皮膜である請求項１または２に記載のポペットバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃焼室からの伝熱、特に輻射による熱の散逸を抑制するようにしたポペットバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１には、軸端部に傘部を一体的に形成したポペットバルブが記載されている。内燃機関で使用されるポペットバルブは、吸気路又は排気路が接続されるシリンダヘッドの弁座に着座して前記吸気路又は排気路を開閉させてエンジンを駆動させている。【０００３】  通常、内燃機関は、燃焼室内で生じたエネルギーの損失が少ないほど燃焼効率は向上する。エネルギーの損失としては熱が外部へ飛散することによる冷却損失などがある。前記燃焼室の熱は前記ポペットバルブや燃焼室内壁を介して外部に散逸することが多い。そのため、前記燃焼室に接触するポペットバルブの傘表にあるいはその近傍に、空間を形成して、この空間を真空にしたり、不活性ガスを充填したり、あるいは前記ポペットバルブを構成する材料より熱伝導度の小さい材料を充填して、断熱空間を形成し、燃焼室内の熱の散逸を抑制している（特許文献１参照）。【０００４】  熱が伝達される（伝熱）態様には、熱伝導、対流および輻射（熱放射）の３種類がある。熱伝導は、物体が移動せず直接触れ合うことにより、対流は流体の流れを媒介させることにより間接的に熱を伝え、どちらも熱は熱振動のまま伝わって行く。これに対し輻射は、輸送元の物体が電磁波を放出し、輸送先の物体がそれを吸収することによって熱が運ばれる。輻射の場合、二つの物体のあいだに媒介する物質がなく、真空であったとしても熱が伝達される。【０００５】  エンジンの燃焼室からポペットバルブへの伝熱も、熱伝導、対流および輻射の3種類の態様により生ずる。前述した特許文献１では、バルブヘッド面に凹部を形成し、この凹部に断熱性の多孔材を充填して、燃焼室からの熱放散を抑制している。この多孔材の材料としてはステンレス鋼等の耐熱金属製の不織布（段落００３６）が例示されている。しかし通常の断熱材料では、前記３態様の伝熱のうち、熱伝導、対流による伝熱は遮断できても、輻射熱は透過してしまい、その分の燃焼室内の温度低下は回避できない。特許文献１には輻射に関する記載は一切なく、輻射熱を遮断することは発想されていない。【０００６】  特許文献２には、エンジンの燃焼室の内壁に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層とセラミックスにより形成された表面緻密層の断熱材を被覆している（段落００２３）。そして燃料の燃焼時に表面緻密層により輻射熱を反射することが開示されている（段落００２４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−７２７４８
【特許文献２】ＷＯ  ２０１３／０８０３８９Ａ１
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】http://www.landinst.jp/info/faq/faq3.html
【非特許文献２】http://www.fintech.co.jp/etc-data/housharitsu.htm
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  発明者の検討によると、特許文献１の記載の粗面状の不織布では輻射を含めた熱の反射は殆ど起こらず、また特許文献２記載のセラミックスは、特許文献２の記載に反して、輻射熱の十分な反射は起こらないことが明らかになった。例えば非特許文献１および特許文献２には、金属やセラミックス等による電磁波の放射率が記載され、放射率は、（放射率＝１−反射率−透過率）で定義されている。したがって放射率が低ければ反射率は高くなるが、セラミックスの放射率は０．４から０．９５とかなり高く、そのため反射率はかなり低くなり、電磁波の反射効率は十分でないことが分かる。アルミニウムや銅の放射率は０．０５から０．０９で、反射率はかなり高くなる。金属による反射は、自由電子による働きが大きく、電磁波を自由電子の集団振動により反射するため、反射効果が高く、また前述の反射には指向性を有している。しかしながらアルミニウムや銅の金属は、高温耐性に欠け、燃焼ガス温度が２０００℃から２５００℃に達するエンジンでは使用できないことは明らかである。【００１０】  また、特許文献２では、燃焼室側の最表層部に輻射熱反射機構を有している為、材料に要求される耐熱温度が高く、適用可能な材料が限られることや、燃焼残渣物の付着や酸化層が発生することにより、反射機能が劣化する。したがって、セラミックを特許文献１のポペットバルブのバルブヘッド面に適用しても、輻射熱の反射による熱放散の抑制には繋がらない。【００１１】  本発明は、先行文献に対する発明者の前記した知見に基づいてなされたもので、その目的は、ポペットバルブの燃焼室からの輻射熱を該燃焼室方向に反射させて、輻射による熱放散を抑制して、長期間、安定して燃焼効率を高く維持できるポペットバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  前記目的を達成するために、本発明（請求項１）に係るポペットバルブにおいては、軸部の一端側に傘部を一体的に形成したポペットバルブにおいて、前記傘部に、燃焼室側に位置する断熱部と、軸部側に位置する輻射熱を遮断する金属層が形成されるように構成した。【００１３】  （作用）このような構成から成るポペットバルブを、エンジンバルブとして使用すると、燃焼室での燃料燃焼により発生する燃焼炎及び燃焼による燃焼ガスの熱は、熱伝導、対流および輻射の形態で、燃焼室からポペットバルブ方向に伝達される。前記燃焼ガスの熱は、バルブ本体の傘部のバルブヘッドの燃焼室側に断熱空間や該断熱空間に断熱材料が充填された断熱領域(断熱部)で、熱伝導および対流による熱が遮断される。熱が電磁波として運ばれる輻射熱は、断熱領域を通過し、光沢を有する金属に接触する。【００１４】  熱伝導および対流による熱が前記断熱部で遮断され、前記金属に達しないため、該金属に接触する燃焼ガスの温度は大きく減少し、高温耐性に欠ける金属であっても、劣化することなく輻射熱を燃焼室方向に反射でき、かつバルブ本体を透過して放散することがなく、輻射熱を燃焼室内に留めることにより、バルブによる燃焼ガスの熱の冷却を防ぐことで燃焼効率の向上が可能となる。特に前記金属は断熱部を介した燃焼ガスの熱、言い換えると断熱部では遮断できない輻射を主とした熱を受けて、燃焼ガスの熱を前記金属に直接伝達させないため、耐熱温度が低い材料でも選択可能である。また、バルブ内部に輻射熱反射機構を有することで、燃焼残渣物の付着などの汚れや酸化層の発生による反射能力の低下を防ぐことが出来る。なお、本発明の金属には、金属合金も含まれる。【００１５】  本発明の金属層は、輻射熱遮断性を有する必要がある。輻射熱遮断性を有する金属は、通常光沢面や鏡面を有するが、該光沢面や鏡面を有しなくても、輻射熱遮断性を有していれば、本発明の金属として使用できる。輻射熱遮断性を有していない金属の場合は、表面を光沢仕上げや鏡面仕上げを行って、輻射熱遮断性を付与して本発明の金属として使用できる。特に燃焼室内で発生する燃焼ガスの温度を2500℃とすると、その燃焼ガスの熱による放射の波長はウィーンの変位則より波長が1.0μm(1500℃での波長は1.6μm)であり、金属は前記波長域での反射率が高いため、輻射熱遮断特性が高くなる。よって、本発明で使用できる金属は、セラミックス等よりかなり大きい輻射熱遮断性を有している。【００１６】  請求項２においては、請求項１に記載のポペットバルブにおいて、前記傘部内には、傘表に沿って延在する中空部が形成され、該中空部の天井面に輻射熱を遮断する金属層が形成され、前記金属層と前記中空部の底面間に断熱部が形成されるように構成した。【００１７】  （作用）このような構成から成るポペットバルブでは、中空部には、ガスや低熱伝導材料の断熱材が充填され、あるいは前記中空部が真空に維持されている。中空部の条件を適宜選択することにより、最適の熱遮断効果が得られる。【００１８】  請求項３においては、請求項１に記載のポペットバルブにおいて、前記傘部の底面に、輻射熱を遮断する金属層が形成され、該輻射熱を遮断する金属層の燃焼室側に断熱性の表面処理���が形成されるよう構成した。【００１９】  （作用）このような構成から成るポペットバルブでは、中空部を形成しないため、バルブの製造性を向上することが出来る。【００２０】  請求項４においては、請求項１に記載のポペットバルブにおいて、金属が、アルミニウム、銅およびアルミニウム合金から選択されるよう構成した。アルミニウム合金を構成するアルミニウム以外の金属としては、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛およびニッケルなどがある。【００２１】  （作用）アルミニウムや銅は比較的軽量で、輻射熱反射効率が高いため、好適な材料である。アルミニウム合金も輻射熱反射能を有し、燃費向上が達成できる。【００２２】  請求項５においては、請求項１または２に記載のポペットバルブにおいて、金属が、箔状またはシート状であるように構成している。アルミニウム箔や銅箔は、通常それら自身が光沢を有し、そのままバルブヘッドの燃焼室側に、断熱領域を介して貼着等することにより、輻射熱反射による熱の外部への飛散を防ぐことが出来、かつ燃焼効率向上に伴う燃費向上に寄与できる。また前記金属をシート状に成形する場合も同様に、所定箇所に位置させて使用することで輻射熱を反射することができる。【００２３】  請求項６においては、請求項１に記載のポペットバルブにおいて、金属層が、物理蒸着（ＰＶＤ），溶射およびメッキから選択される表面処理にて形成された皮膜であるように構成した。本発明の金属層は、既存の箔やシートとしても良いが、前記表面処理により、金属層を形成しても良く、このような表面処理によると、輻射熱遮断性の高い金属層が形成できる。
【発明の効果】
【００２４】  本発明に係るポペットバルブによれば、燃焼室内の燃焼炎及び燃焼ガスの熱の熱伝導、対流および輻射のすべての形態の熱伝達を効果的に遮断して、燃焼室内で発生した熱が外部へ飛散することを防ぐことで、冷却による燃焼効率の損失を軽減することができる。輻射熱遮断性の高い金属層を形成する金属の高温耐性が十分でなくても、燃焼ガスの熱のうち、熱伝導および対流に起因する熱が断熱部で除去されて、輻射に起因する熱のみが前記金属層に達するため、金属劣化が生じることは殆どない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施例であるポペットバルブの縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例であるポペットバルブの縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例であるポペットバルブの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】  次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２７】  図１および図２は、本発明の第１の実施例である内燃機関用の中空ポペットバルブを示す。
【００２８】  図１において、符号１０は、真っ直ぐに延びるバルブ軸部１２の一端側に、外径が徐々に大きくなるＲ形状のフィレット部１３を介して、バルブ傘部１４が一体的に形成された耐熱合金製のポペットバルブで、バルブ傘部１４の外周には、テーパ形状のフェース部１６が設けられている。軸部１２の一端側には傘部外殻１４ａが一体的に形成されて、シェル１１が構成される。
【００２９】  バルブ傘部１４の傘表２４側の天井面１４ｂには、好ましくは鏡面が形成された箔状またはシート状の金属から成る輻射熱反射面（輻射熱を遮断する金属層）１７が溶射等により形成されかつ接合されるか、シート状に成形された金属を溶着等の手法で接合されている。使用可能な金属としては、アルミニウムや銅があり、さらにこれらの金属、特にアルミニウムの合金が含まれる。
【００３０】  通常、箔状の金属は鏡面を有し輻射熱遮断性を有するため、そのまま使用すれば良いが、シート状又は表面処理により形成された金属は十分な輻射熱遮断性を有しないことがある。その際には表面に光沢を有するように処理を行って輻射熱遮断性を高めることが必要になる。金属の光沢処理の一例として金属表面の研磨がある。
【００３１】  次いで、輻射熱反射面１７が形成された前記バルブ傘部１４の天井面１４ｂにキャップ１８を装着する。このキャップ１８は、周縁部を上向きに折曲して成る上向き折曲部１８ａを有する円板形状を有し、さらに内方の上面には、ドーナツ状の円環を４個に等分した円弧状リブ１８ｂが一体成型または溶接により形成されている。このキャップ１８の前記上向き折曲部１８ａを、前記バルブ傘部１４の天井面１４ｂに溶接等で固定すると、前記各リブ１８ｂは、前記輻射熱反射面１７を介して、前記バルブ傘部１４の天井面１４ｂを支持する。前記キャップ１８の上面とバルブ傘部１４の天井面１４ｂ間には中空部１９が形成される。形成された空間内を真空とすることで燃焼室側からの熱の伝導を断熱し、断熱空間として機能する。また、この空間に空気又はアルゴン等のガスを充填することでも断熱空間として機能する。図１の場合、前記キャップ１８の上面が、前記中空部の底面２５となる。
【００３２】  なお、図１における符号２はシリンダヘッド、符号６は燃焼室４から延びる排気通路で、排気通路６の燃焼室４への開口周縁部には、バルブ１０のフェース部１６が当接できるテーパを備えた円環状のバルブシート８が設けられている。符号３はシリンダヘッド２に設けられたバルブ挿通孔で、バルブ挿通孔３は、バルブ１０の軸部１２が摺接する円筒形状のバルブガイド３ａで構成されている。符号９は、バルブ１０を閉弁方向（図１の上方向）に付勢するバルブスプリング、符号１２ｃは、バルブ軸部１２の端部に設けられたコッタ溝である。軸部１２には縦方向の中空部２１が形成され、該中空部２１は、前記中空部（断熱部）１９と前記軸端部材１２ｂの下面を連通させている。
【００３３】  また、燃焼室４や排気通路６の高温ガスにさらされる部位である、シェル１１およびキャップ１８は、耐熱鋼で構成されているのに対し、機械的強度が要求されるものの、シェル１１およびキャップ１８ほどの耐熱性が要求されない軸端部材１２ｂは、一般的な鋼材で構成されている。
【００３４】  このように構成された中空ポペットバルブ１０の燃焼室４で燃料が燃焼すると、高温の燃焼ガスの熱が発生し、この燃焼ガスの熱は前記ポペットバルブ１０のキャップ１８を通って、前記中空部（断熱部）１９に達する。燃焼ガスの熱の熱伝達態様である熱伝導、対流および輻射のうち、熱伝導および対流は、この断熱部１９で遮断され、燃焼ガスの熱が前記輻射熱反射面１７からバルブ傘部１４方向に伝達されない。燃焼ガスの熱中の輻射熱は、アルミニウム製等の輻射熱反射面１７で反射し、キャップ１８を通って、燃焼室４内に戻る。したがって、本実施例のポペットバルブ１０では、燃焼ガスの熱の熱伝達態様である熱伝導、対流および輻射が抑制され、燃料の燃焼によって発生するエネルギーが熱としてバルブ本体を介して外部に奪われる量が少なくなる（冷却損失が小さくなる）。
【００３５】  本実施例では、輻射熱反射面の材料としてアルミニウム、銅あるいはアルミニウム合金が使用可能であり、特許文献２記載のセラミックスとは異なり、輻射熱の多くを反射して、燃焼室内に戻せることが明らかになった。
【００３６】  図３は、本発明の第２の実施例である内燃機関用のポペットバルブを示す。第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａは、前記第１の実施例の変形例で、第１の実施例と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。第２の実施例では、天井面１４ｂ’と円盤状のキャップ１８’の底面２５’間に球面状（ドーム状）空間である中空部１９’が形成され、この中空部１９’の下端周縁を除く内周面に輻射熱反射面１７’が被覆形成され、前記中空部１９’下端には、前記円盤状のキャップ１８’が嵌合されている。軸部１２内の前記輻射熱反射面１７’のやや上から上方に向けて小径中空部Ｓが形成され、この小径中空部Ｓ内には、エンジンバルブの母材よりも熱伝導率の高い冷却材２３（例えば、金属ナトリウム、融点約９８℃）が不活性ガスとともに装填されている。そしてこの小径中空部Ｓ内には、段差部２２が形成され、このため、小径中空部Ｓ内の冷却材２３が、バルブ１０Ａが開閉動作する際に作用する慣性力によって上下方向に移動する際に、段差部２２近傍に乱流が発生し、冷却材２３が攪拌されることとなって、バルブ軸部１２における熱引き効果（熱伝導性）が改善されている。燃焼室側の燃焼ガスの熱を遮断することによりバルブを介して熱が散逸されることなく、且つ、バルブ軸部の熱引きにより効果により、材料に要求される耐熱温度を下げることが出来る。
【００３７】  図４は、本発明の第３の実施例である内燃機関用のポペットバルブを示す。第３の実施例のポペットバルブ１０Ｂは、前記第１の実施例の変形例で、第１の実施例と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。第３の実施例では、中実状軸部１２Ｂの燃焼室４側に傘部１４Ｂが一体成型され、本実施例では、中空部は形成しない。前記バルブ１０Ｂの傘部１４Ｂの底面１５に、両端が露出しないように、輻射熱反射面１７”が形成され、前記輻射熱反射面１７”の表面には、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以下の表面処理断熱層１８ｃの被覆または熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以下のプレート状の低熱伝導材料の被覆が形成されている。形成された表面処理断熱層１８ｃは第１の実施例の中空部１９の断熱空間と同様の効果を有しており、燃焼室内で生じる高温の燃焼ガスの熱は前記ポペットバルブ１０Ｂの表面処理層断熱１８ｃを通って、輻射熱反射面１７”に達する。燃焼ガスの熱の熱伝達態様である熱伝導、対流および輻射のうち、熱伝導および対流は、この低熱伝導率の表面処理断熱層１８ｃで遮断され、輻射は前記輻射熱反射面１７”により燃焼室４内に反射させる。この際に、輻射熱反射面１７”は、傘部１４Ｂの底面１５および表面処理断熱層１８ｃに囲まれ、雰囲気中に露出されないため、アルミニウム等の耐熱性のない金属も前記輻射熱反射面１７”の材料として使用できる。したがって、本実施例のポペットバルブ１０Ｂでは、燃焼ガスの熱の熱伝達態様である熱伝導、対流および輻射が抑制され、燃料の燃焼によって発生するエネルギーが熱としてバルブ本体を介して外部に奪われる量が少なくなる（冷却損失が小さくなる）。低熱伝導率の表面処理断熱層１８ｃの形成は、大気プラズマ溶射などにより被覆される。
【符号の説明】
【００３８】  ２  シリンダヘッド  ３  バルブ挿通孔  ３ａ  バルブガイド  ４  燃焼室  ６  排気通路  ８  バルブシート  ９  バルブスプリング  １０、１０Ａ、１０Ｂ  ポペットバルブ  １１、１１Ａ  シェル  １２  軸部  １２ｂ  軸端部材  １２ｃ  コッタ溝  １３  フィレット部  １４、１４Ｂ  傘部  １４ａ  傘部外殻  １４ｂ  天井面  １５  底面  １６  フェース部  １７、１７’、１７”  輻射熱反射面（輻射熱を遮断する金属層）  １８，１８’  キャップ  １８ａ  折曲部  １８ｂ  円弧状リブ  １８ｃ  表面処理断熱層  １９、１９’  中空部（断熱部、断熱空間）  ２１  中空部  ２２  段差部  ２３  冷却材  ２４、２４’  傘表  ２５、２５’  底面
【図１】
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【図２】
2015121920.tif 000004
【図３】
2015121920.tif 000005
【図４】
2015121920.tif 000006
【国際調査報告】
2015121920.tif 000007
2015121920.tif 000008
2015121920.tif 000009
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