(57)【要約】【課題】軸部内を通る熱伝導媒体から軸部への熱伝導を効率的に行うことが可能な吸排気バルブを提供する。【解決手段】吸排気バルブが、軸部４６ａと、該軸部４６ａの一端に設けられた傘部４６ｂとを有するとともに、軸部４６ａ及び傘部４６ｂの内部に中空部４５が形成され、中空部４５内に熱伝導媒体（ナトリウム）が封入されるバルブ本体４６と、中空部４５内部に設けられた、軸部４６ａの軸方向を長手方向とする略棒状の流路形成部材５４と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部と、該軸部の一端に設けられた傘部とを有するとともに、前記軸部及び前記傘部の内部に中空部が形成され、前記中空部内に熱伝導媒体が封入される吸排気バルブ本体と、
前記中空部内部に設けられた、前記軸部の軸方向を長手方向とする略棒状の棒状部材と、を備える吸排気バルブ。
【請求項２】
前記棒状部材の外周面と前記軸部の内周面との間に、ほぼ一定のクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の吸排気バルブ。
【請求項３】
前記棒状部材の一端部は、前記傘部の内周面の少なくとも一部に倣った形状を有し、該一端部と前記傘部の内周面の少なくとも一部との間に所定のクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の吸排気バルブ。
【請求項４】
前記棒状部材は、前記吸排気バルブ本体よりも低比重であることを特徴とする請求項２又は３に記載の吸排気バルブ。
【請求項５】
前記棒状部材は、前記吸排気バルブ本体の移動に伴って湾曲する可撓性部材から成り、該棒状部材の一部が、前記吸排気バルブ本体の一部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の吸排気バルブ。
【請求項６】
前記棒状部材の少なくとも一部が、平板状の形状を有することを特徴とする請求項５に記載の吸排気バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は吸排気バルブに関し、特に内部に熱伝導媒体が封入される中空部を有する吸排気バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関のシリンダヘッドには、燃焼室、燃焼室に対して気体を供給するための吸気口、燃焼室内の気体を排出する排気口などが形成されており、吸気口と排気口とは、吸気バルブ及び排気バルブ（以下、これらを纏めて「吸排気バルブ」とも呼ぶ）のそれぞれにより開閉される。この吸排気バルブは、軸部（ステム部）と、このステム部の一端部に設けられた傘部とを有しており、傘部が燃焼室に面した状態となっている。このため、燃焼室内で燃料が燃焼すると、その際に発生した熱が吸排気バルブの傘部に伝達し易い構成となっている。この熱の影響でバルブの傘部の温度が過度に上昇すると、例えば燃焼状態が悪化し、ノッキングやプレイグニッションのような異常燃焼が誘発され、ひいては熱効率の低下や出力の低下が引き起こされる場合がある。特に、近年の内燃機関は、従来の内燃機関と比較して出力が向上しているため、これに伴い発熱量も増大している。
【０００３】
そこで、近年においては、上記熱の影響を回避するために、傘部に伝達した熱を、傘部に接触するバルブシートや、吸排気バルブに接触又は近接して配置されるバルブガイド及びオイルシールなどを介して、シリンダヘッド内に存在する冷却水へ放熱する技術が採用されている。また、最近においては、バルブ内部に冷却媒体を封入する中空部を形成し、バルブの開閉動作により冷却媒体を中空部内で躍動飛散させて、傘部側からステム部側への熱の伝達を促進させる技術（中空バルブ技術）も提案されている。更に、この中空バルブ技術を改良した技術が特許文献１〜４等に開示されている。
【０００４】
これらのうち特許文献１には、傘部側からステム側への熱を確実に伝達するために冷却媒体を適切に案内するための技術が開示され、特許文献２にはバルブ軸部（ステム部）内の中空部内に毛細管構造を設け、ナトリウムを均等に行きわたらせる技術が開示されている。また、特許文献３には、弁（バルブ）内部に冷却媒体の流路を形成するために、弁（バルブ）の内部空間に断面十字形状の仕切り部材を設ける技術が開示され、特許文献４には、冷却媒体としてナフタレンを用い、ステム部及び傘部の内側にメッシュ状のウイックを設けることにより、軸部側で凝縮したナフタレンを毛細管現象により傘部側に戻す技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９７４９９号公報
【特許文献２】特開平５−１４１２１４号公報
【特許文献３】特開２０００−８７７０８号公報
【特許文献４】特開２００５−４８６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記中空バルブ技術においては、冷却媒体から軸部への熱の伝達が熱伝導により行われることから、軸部の中心部近傍を通過する冷却媒体のほうが、軸部の内周面に接触する冷却媒体よりも熱を伝達しにくい（換言すると、冷却媒体の軸部内通過位置に応じた熱伝達効率のばらつきが生じる）ことが考えられる。すなわち、今後の内燃機関の出力向上に伴って中空バルブに要求される冷却性能を達成するためには、上記熱伝達効率のばらつきを極力抑制して、軸部を通る冷却媒体全体から熱を効率的に軸部に伝達させる技術の出現が必要となると予想される。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１〜４では、傘部側から軸部側に冷却媒体を効果的に供給する技術についての開示はあるものの、冷却媒体の軸部内通過位置に応じた熱伝達効率のばらつき、及びこれによる熱伝導効率の低下については考慮されていない。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、軸部内を通る熱伝導媒体から軸部への熱伝導を効率的に行うことが可能な吸排気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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、軸部と、該軸部の一端に設けられた傘部とを有するとともに、前記軸部及び前記傘部の内部に中空部が形成され、前記中空部内に熱伝導媒体が封入される吸排気バルブ本体と、前記中空部内部に設けられ、前記軸部の軸方向を長手方向とする略棒状の棒状部材と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、吸排気バルブ本体内に形成された中空部内部に、略棒状の棒状部材が設けられていることにより、棒状部材外周面と軸部内周面との間を熱伝導媒体が通るので、棒状部材を設けない場合と比較して、軸部内を通る熱伝導媒体に対する軸部内周面に接触する熱伝導媒体の割合を向上させることができる。これにより、軸部内を通る熱伝導媒体から軸部への熱伝導を効率よく行うことが可能となる。
【００１１】
この場合において、前記棒状部材の外周面と前記軸部の内周面との間に、ほぼ一定のクリアランスが形成されていることとすることができる。
【００１２】
この場合において、前記棒状部材の一端部は、前記傘部の内周面の少なくとも一部に倣った形状を有し、該一端部と前記傘部の内周面の少なくとも一部との間に所定のクリアランスが形成されていることとすることができる。また、前記棒状部材は、前記吸排気バルブ本体よりも低比重であることとすることができる。かかる場合には、吸排気バルブ本体を加工して軸部内に熱伝導媒体の流路を直接形成するよりも、吸排気バルブ全体の重量を軽量化することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の吸排気バルブでは、前記棒状部材は、前記吸排気バルブ本体の移動に伴って湾曲する可撓性部材から成り、該棒状部材の一部が、前記吸排気バルブ本体の一部に固定されていることとすることができる。かかる場合には、可撓性部材から成る棒状部材が、吸排気バルブ本体の移動に伴って湾曲することにより、軸部を通る熱伝導媒体を撹拌する。これにより、棒状部材を設けない場合に比べて熱伝導媒体が軸部に接触する割合が高くなるので、軸部内を通る熱伝導媒体から軸部への熱伝導を効率よく行うことが可能となる。
【００１４】
この場合において、前記棒状部材の少なくとも一部が、平板状の形状を有することとすることができる。かかる場合には、棒状部材による熱伝導媒体の撹拌が促進され、より効率よく熱伝導媒体から軸部への熱伝導を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軸部内を通る熱伝導媒体から軸部への熱伝導を効率的に行うことが可能な吸排気バルブを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１には、内燃機関におけるシリンダヘッド１２の部分構成図が示されている。この図１に示されるように、シリンダヘッド１２内部には、燃焼室２２と、燃焼室２２に対して連通状態とされ、燃焼室２２内で燃焼したガスを排気するための排気ポート２４とが形成されている。また、シリンダヘッド１２には、排気ポート２４と燃焼室２２との間を、連通状態又は非連通状態にするための排気バルブ機構３０が配設されている。なお、図示は省略されているが、シリンダヘッド１２内部には、燃焼室２２に対して連通状態とされ、燃焼室２２内に排気を導入するための吸気ポートも形成されており、シリンダヘッド１２には、吸気ポートと燃焼室２２との間を連通状態又は非連通状態にするための吸気バルブ機構が配設されている。
【００１８】
排気バルブ機構３０は、直動式の動弁機構であり、図１の上下方向に往復移動可能な排気バルブ３２と、排気バルブ３２を往復移動可能な状態で支持するバルブガイド３４と、バルブガイド３４に固定されたオイルシール３６と、排気バルブ３２が挿通状態とされた圧縮コイルバネから成るバルブスプリング３８と、排気バルブ３２の上端部に当接し、カムシャフト４２の回転軸を中心として回転するカム４４と、を備えている。このうち、バルブガイド３４、オイルシール３６、及びバルブスプリング３８の下端部が、シリンダヘッド１２側に固定されている。また、排気ポート２４の燃焼室２２側の端部には、バルブシート５８が設けられている。このバルブシート５８の下端側は、排気バルブ３２が図１の状態にある場合において、排気バルブ３２と常時接触するようになっている。
【００１９】
排気バルブ３２は、図２に示されるように、円筒状の形状を有する軸部４６ａとこの軸部４６ａの下端部に設けられたロート状の傘部４６ｂとを有するバルブ本体４６と、軸部４６ａの上端部の開口を閉塞する上部キャップ部４８と、傘部４６ｂの下端部の開口を閉塞する下部キャップ部５２と、これらバルブ本体４６、上部キャップ部４８及び下部キャップ部５２により構成される内部空間（中空部）４５内の下端部近傍に設けられた棒状部材としての流路形成部材５４と、を備えている。バルブ本体４６は、例えば２１−４Ｎ鋼（ＳＵＨ３５）などを材料としている。また、バルブ本体４６と、上部キャップ部４８及び下部キャップ部５２それぞれとは、例えばレーザー溶接、ロウ付け等の接合技術により接合されている。また、内部空間４５内には、熱伝導媒体としてのナトリウム（Ｎａ）が封入されている（図１参照）。このナトリウムは、少なくとも内燃機関の運転時には液体の状態となり、その体積は、例えば、内部空間４５の容積の５０〜７０％程度とされている。
【００２０】
なお、熱伝導媒体としては、ナトリウムに限らず、熱により溶融して液体となるその他の金属（カリウム（Ｋ）など）を採用することとしても良い。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの熱により溶融しないセラミックスや金属の微粉末を採用することとしても良い。
【００２１】
流路形成部材５４は、バルブ本体４６よりも低比重な部材（例えば、チタンなど）を材料とし、内部空間４５のうち図２に示される領域Ａ内の空間よりも一回り小さい形状を有している。この流路形成部材５４は、図２では不図示ではあるが、バルブ本体４６の一部に溶接などにより固定されている。この流路形成部材５４の外周面と、軸部４６ａのほぼ下半部の内周面及び傘部４６ｂのほぼ上半部の内周面との間には、所定のクリアランス５４ａが形成されているため、流路形成部材５４の下側の空間と上側の空間との間をナトリウムが移動する際には、このクリアランス５４ａ内を通過するようになっている。
【００２２】
図１に戻り、バルブガイド３４は、排気バルブ３２よりも熱伝導率の高い材料（例えばアルミニウムなど）により形成された略円筒状の部材であり、その軸に沿って形成されたガイド穴３４ａに対し、排気バルブ３２（軸部４６ａ）が挿入された状態となっている。バルブガイド３４の内周面と軸部４６ａの外周面との間には所定のクリアランスが形成されており、バルブガイド３４により、排気バルブ３２の軸方向（長手方向）以外の方向に関する動きが規制されている。本実施形態においては、このクリアランスが内燃機関の暖機終了時点で最適となるように、ガイド穴３４ａの径と軸部４６ａの径との関係が設定されているものとする。
【００２３】
オイルシール３６は、シリンダヘッド１２内を潤滑するオイルが排気バルブ３２を伝わって燃焼室２２内に流入するのを防止するための部材であり、その上部には、軸部４６ａとほぼ同一径を有する孔部３６ａが形成されている。このオイルシール３６の孔部３６ａと排気バルブ３２（軸部４６ａ）との間には、微小なクリアランスが形成されており、このクリアランスにオイルの一部がわずかに供給されることで、オイルシール３６に対する排気バルブ３２の摺動を潤滑に行うことが可能である。
【００２４】
バルブスプリング３８は、排気バルブ３２（軸部４６ａ）の上端部近傍にバルブコッタ６２を介して設けられたアッパシート６４と、シリンダヘッド１２の一部に設けられたロアシート６６とを連結する状態で設けられ、排気バルブ３２に対して上向きの付勢力を常時付与している。
【００２５】
カム４４は、不図示の回転駆動機構によりカムシャフト４２を介して回転駆動される。このカム４４の回転により、排気バルブ３２の上端部（上部キャップ部４８）に対してバルブスプリング３８による付勢力に抗した力（下向きの力）が作用され、カム４４による下向きの力と、バルブスプリング３８による上向きの力とのバランスにより、排気バルブ３２が上下動する。なお、本実施形態では、排気バルブ３２の中心軸ＡＸ（紙面内上下方向）とカム巾（紙面に対する直交方向の幅）の中心とは紙面直交方向に関してオフセットされているため、排気バルブ３２は、上記中心軸ＡＸ回りに回転しながら上下動する。したがって、排気バルブ３２の傘部４６ｂの、バルブシート５８と接触する位置は、カムの回転に応じて変更されることになる。
【００２６】
上記のように構成される排気バルブ機構３０では、排気バルブ３２が図１の状態にある場合に、排気ポート２４と燃焼室２２との間が非連通状態（閉状態）に設定される。また、カム４４の回転に伴って、排気バルブ３２が図１の状態よりも下方に移動することで、排気ポート２４と燃焼室２２との間が連通状態（開状態）に設定される。本実施形態では、この閉状態と開状態とが一定周期で切り替わるように、排気バルブ３２が上下に往復移動（及び、軸回りの回転移動）されるため、この移動に伴って、内部空間４５内部のナトリウムが撹拌（シェーキング）される。この場合、ナトリウムは、流路形成部材５４の上側の空間と下側の空間との間を、クリアランス５４ａを介して移動する。したがって、燃焼室２２に面している排気バルブ３２の下端面（下部キャップ部５２の下面）に燃焼室２２内で発生した熱が伝導した場合、ナトリウムの温度が、下部キャップ部５２の熱によって高くなるが、ナトリウムは、上記撹拌（シェーキング）の際に、軸部４６ａに熱を伝えながら移動する。本実施形態では、ナトリウムがクリアランス５４ａ内を通過するようになっているため、流路形成部材５４を設けない場合と比較して、軸部４６ａを通るナトリウムのうち、軸部４６ａの内周面に接触するナトリウムの割合を高くすることができる。これにより、ナトリウムと軸部４６ａとの間の熱伝導を効率よく行うことが可能である。このようにして温度が高くなった軸部４６ａには、軸部４６ａよりも熱伝導率の高い材料からなるバルブガイド３４が近接しているため、軸部４６ａの熱はバルブガイド３４に伝わり、軸部４６ａの熱がバルブガイド３４に放熱されることになる。
【００２７】
以上詳細に説明したように、本実施形態の排気バルブ３２によると、流路形成部材５４の外周面と軸部４６ａの内周面との間に、所定のクリアランス５４ａが形成され、該クリアランス５４ａがナトリウムの流路とされているので、このクリアランス５４ａをナトリウムが通ることで、流路形成部材５４を設けない場合に比べてナトリウムが軸部４６ａの内周面に接触する割合が高くなる。これにより、軸部内を通るナトリウムから軸部４６ａへの熱伝導を効率よく行うことが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態では、軸部４６ａに対して熱を効率よく伝達させることができるので、排気バルブ３２の効率的な冷却を行うことができる。これにより、内燃機関の、燃焼状態が良好となるので、ノッキングやプレイグニッションのような異常燃焼を抑制し、ひいては熱効率の向上や出力の向上を図ることが可能である。
【００２９】
なお、上記第１の実施形態では、本発明の吸排気バルブが、排気バルブ３２に適用された場合について説明したが、これに限られるものではなく、本発明の吸排気バルブを不図示の吸気バルブに適用することとしても良い。
【００３０】
また、上記第１の実施形態では、流路形成部材５４が、内部空間４５のうちの領域Ａ（図２参照）内の空間よりも一回り小さい形状を有する場合について説明したが、これに限られるものではなく、種々の形状の流路形成部材を採用することが可能である。例えば、図３に示されるように、略円柱状の形状を有する流路形成部材５４’を採用することも可能である。この場合、流路形成部材５４’の外周面と軸部４６ａの内周面との間に形成されるクリアランス５４ａ’に対して、流路形成部材５４’の下側の空間に存在するナトリウムが流入しやすくなるので、ナトリウムから軸部４６ａへの熱伝導を効率的に行うことが可能である。
【００３１】
なお、上記実施形態では流路形成部材５４が、排気バルブ３２よりも低比重である場合について説明したが、ナトリウムが軸部の内周面に対して接触する割合を向上させる観点からは、流路形成部材５４の材料としていかなる材料を採用してもかまわない。
【００３２】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態について、図４及び図５に基づいて説明する。この第２の実施形態は、第１の実施形態において排気バルブ３２内部に設けられた流路形成部材５４（又は５４’）に代えて、棒状部材として撹拌部材１５４が設けられている点に特徴を有している。したがって、以下においては、上述した第１の実施形態と同一又は同等の構成部分については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略するものとする。
【００３３】
図４は、第２の実施形態にかかる排気バルブ１３２の断面図であり、図５は、排気バルブ１３２を一部断面した状態を示す斜視図である。これら図４及び図５に示されるように、バルブ本体４６の内部に設けられた撹拌部材１５４は、略棒状の形状を有し、その上端部が上部キャップ部４８の下面中央部に固定されている。この撹拌部材１５４は、例えば、鋼（steel）を材料とする可撓性部材から構成され、排気バルブ３２の移動に伴って、下端部が湾曲するようになっている。
【００３４】
このように構成される排気バルブ１３２では、上記第１の実施形態と同様、カム４４の回転に応じて、排気バルブ１３２が上下に往復移動（及び軸回りの回転移動）される際に、この移動に伴って、内部空間４５内部のナトリウムが撹拌（シェーキング）されるが、本実施形態では、排気バルブ１３２の移動に伴って撹拌部材１５４の下端部が湾曲するので、ナトリウムの撹拌がさらに促進される。これにより、撹拌部材１５４を設けない場合と比較して、軸部４６ａを通るナトリウム全体に対する、軸部４６ａの内周面に接触するナトリウムの割合を高くすることができるので、ナトリウムと軸部４６ａとの間の熱伝導を効率よく行うことが可能である。
【００３５】
以上説明したように、本第２の実施形態の排気バルブ１３２によると、排気バルブ１３２の移動に伴って、撹拌部材１５４が湾曲するので、ナトリウムの撹拌がさらに促進される。これにより、撹拌部材１５４を設けない場合と比べて、軸部４６ａを通るナトリウム全体に対する、軸部４６ａの内周面に接触するナトリウムの割合を高くすることができるので、ナトリウムと軸部４６ａとの間の熱伝導を効率よく行うことが可能である。
【００３６】
また、本第２の実施形態では、軸部４６ａに対して熱を効率よく伝達させることができるので、排気バルブ３２の効率的な冷却を行うことができる。これにより、内燃機関の燃焼状態が良好となるので、ノッキングやプレイグニッションのような異常燃焼を抑制し、ひいては熱効率の向上や出力の向上を図ることが可能である。
【００３７】
なお、上記第２の実施形態では、本発明の吸排気バルブが排気バルブに採用された場合について説明したが、上記第１の実施形態と同様、吸気バルブに採用することも可能である。
【００３８】
なお、上記第２の実施形態では、撹拌部材１５４と上部キャップ部４８とを別部材で構成した場合について説明したが、これに限られるものではなく、撹拌部材１５４と上部キャップ部４８を一つの部材で一体的に構成することとしても良い。
【００３９】
また、上記第２の実施形態では、撹拌部材１５４が上部キャップ部４８に固定された場合について説明したが、これに限らず、バルブ本体４６の軸部４６ａ内周面に固定されても良い。
【００４０】
また、上記第２の実施形態では、撹拌部材１５４が略棒状の部材から成る場合について説明したが、これに限らず、例えば、図６及び図７に示されるように、その下端部に平板状部分１５４ａを有する撹拌部材１５４’を採用することも可能である。平板状部分１５４ａは、撹拌部材１５４’下端部のプレス成形により形成されている。このような撹拌部材１５４’を採用することにより、撹拌部材１５４’の下端部（平板状部分１５４ａ）とナトリウムとの接触面積を大きくすることができるので、ナトリウムの撹拌効率を向上することが可能となる。なお、撹拌部材としては、図６及び図７の形状のものに限らず、撹拌効率を向上させる観点から種々の形状のものを採用することも可能である。
【００４１】
なお、上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態の排気バルブを含む内燃機関のシリンダヘッドの部分構成図である。
【図２】図１の排気バルブを取り出して示す断面図である。
【図３】第１の実施形態の排気バルブの変形例を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態にかかる排気バルブを断面して示す図である。
【図５】第２の実施形態にかかる排気バルブを一部断面して示す斜視図である。
【図６】第２の実施形態の排気バルブの変形例を示す断面図である。
【図７】図６の排気バルブを一部断面して示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
３２  排気バルブ
４５  内部空間
４６  バルブ本体
４６ａ  軸部
４６ｂ  傘部
５４  流路形成部材
５４ａ  クリアランス
１５４  撹拌部材
【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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【図６】
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【図７】
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