(57)【要約】【課題】  吸気マニホールドに加熱装置を組込むことなく、吸気ポート内で噴射された燃料を効果的に温度上昇させて微粒子化させることができる技術を実現する。【解決手段】  吸気バルブ３２のフェース部３２ｂの燃焼室１８側の面に、高輻射コーティングが施されているため、圧縮工程と燃焼行程での燃焼室１８内の高温が吸気バルブ３２に吸収されやすい。さらに吸気マニホールド２６側の面にも高輻射コーティングが施されているため、吸気バルブ３２は吸収した高温を吸気マニホールド２６内に放熱しやすい。燃焼室１８内の高温は吸気バルブ３２のみを介して吸気マニホールド２６内に伝熱し、噴射された燃料を加熱する。しかも、吸気バルブには高輻射コーティングが施されているため、伝熱ロスが少ない。吸気マニホールドに加熱装置を組込むことなく、噴射された燃料を効率よく加熱して微粒子化を促進させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱形状の軸部と、その軸部の端部から先端に向かって拡大する略円錐形状のフェース部を有するエンジンバルブであり、
少なくともフェース部の表面に、輻射率を高くするコーティングが施されていることを特徴とするエンジンバルブ。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンバルブを吸気ポートに備えている内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に配設されるエンジンバルブと、これを備えた内燃機関に関し、詳しくは、吸気ポートを開閉させるエンジンバルブの少なくともフェース部に高輻射のコーティングを施すことによって、燃焼室内の熱を吸気マニホールド内に伝熱させ、吸気ポート内に噴射された燃料を効率よく加熱し、微粒子化させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射装置を備えた内燃機関では、燃焼室において燃料を効率よく燃焼させるために、燃料を微粒子化して燃料と空気との混合を促進させる。吸気マニホールド内に噴射された燃料を予め加熱しておくことによって、燃料の微粒子化はさらに向上される。
特許文献１には、吸気マニホールド内の燃料噴射装置とエンジンバルブの間に燃料の噴射方向に沿って複数の加熱用フィンを配設し、噴射された燃料を集中的に効率よく加熱する技術が公開されている。
特許文献２には、シリンダと熱伝導関係にあるヒートシンク部を有する加熱装置を配設し、ヒートシンク部に電圧を加えて加熱するか、あるいはヒートシンク部がシリンダから熱を受けて燃料を加熱する技術が公開されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−７１４３４号公報
【特許文献２】特開平６−３４１３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１と特許文献２では、吸気マニホールド内に噴射された燃料を加熱するための加熱装置が配設される。このため、吸気マニホールドを形成する際に、吸気マニホールドに加熱装置を組込めるようにしておく必要がある。吸気マニホールドは内燃機関の機種毎に形状が異なるため、それぞれの吸気マニホールドに加熱装置を組込めるようにしておかねばならない。吸気マニホールドの設計や製作に手間が掛り、コスト高を招く。
本発明は上記問題点に鑑みて創作されたものであり、吸気マニホールドに加熱装置を組込む必要がなく、吸気ポート内で噴射された燃料を効果的に温度上昇させて微粒子化させることができる技術を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のエンジンバルブは、略円柱形状の軸部と、その軸部の端部から先端に向かって拡大する略円錐形状のフェース部を有している。そして、エンジンバルブの少なくともフェース部の表面に、輻射率を高くするコーティングが施されている。
本発明のエンジンバルブによれば、少なくともフェース部に高輻射コーティングが施されているため、高輻射コーティングが施されている部分は熱を吸収しやすく、またその熱を放熱しやすい。即ち、本発明のエンジンバルブを利用すると、燃焼室とマニホールドの間で、効率よく伝熱させることができる。マニホールド内の燃料を加熱して燃料の微粒子化を促進することができる。
【０００６】
本発明の内燃機関は、前記エンジンバルブを吸気ポートに備えている。
本発明の内燃機関は、吸気側のエンジンバルブ（吸気バルブとする）のフェース部の燃焼室側の面に、高輻射コーティングが施されているため、燃焼室内の高温が吸気バルブに吸収されやすい。さらに吸気バルブの吸気マニホールド側の面の少なくともフェース部にも高輻射コーティングが施されているため、吸気バルブは吸収した高温を吸気マニホールド内に放熱しやすい。燃焼室内の高温は吸気バルブを介して吸気マニホールド内に伝熱し、噴射された燃料を加熱する。吸気バルブには高輻射コーティングが施されているため、伝熱ロスが低減され、燃焼室内の高熱は効率よく吸気マニホールド内に伝熱される。この伝熱作用によって、吸気マニホールド内に噴射される燃料を良好に加熱することができる。本発明によれば、吸気マニホールドに加熱装置を組込む必要がなく、噴射された燃料を効率よく加熱して微粒子化を促進させることができる。
【０００７】
（形態１）  エンジンバルブのフェース部は四硼化珪素（ＳｉＢ４）やカーボン等の高輻射材を含む物質によってコーティングされている。
【実施例】
【０００８】
本発明を具現化した実施例を図１から図３を用いて説明する。図１は本実施例の内燃機関の燃焼室周辺の断面概略図であり、図２は図１の要部拡大図であり、図３は本実施例による効果を示したグラフである。
図１に示す内燃機関は、エンジンバルブを備えた動弁系内燃機関である。シリンダ１０内にピストン１２が収容されている。シリンダ１０の下方に図示しないクランクシャフトが配設されており、クランクシャフトとピストン１２はコネクティングロッド１４によって接続されている。シリンダ１０の上方にはシリンダヘッド１６が載置されており、シリンダヘッド１６の下方は燃焼室１８となっている。燃焼室１８内に火花を飛ばす点火プラグ２０はシリンダヘッド１６に取付けられている。また、シリンダヘッド１６には吸気ポート２２と排気ポート２４が形成されている。各ポート２２，２４は円形状である。吸気ポート２２には空気を供給する吸気マニホールド２６が接続されている。吸気マニホールド２６には、燃料を吸気ポート２２に向けて霧状に噴射するための燃料噴射装置２８が配設されている。排気ポート２４には排気ガスを図示しない排気管へ送る排気マニホールド３０が接続されている。
【０００９】
各ポート２２，２４のそれぞれに耐熱鋼製のエンジンバルブ３２，３４が配設されている。吸気ポート２２はエンジンバルブ（吸気バルブ）３２によって開閉され、排気ポート２４はエンジンバルブ（排気バルブ）３４によって開閉される。
エンジンバルブ３２，３４は、それぞれ軸部３２ａ，３４ａとフェース部３２ｂ，３４ｂを有している。軸部３２ａ，３４ａは、軸方向に長尺な略円柱形状である。フェース部３２ｂ，３４ｂは、軸部３２ａ，３４ａの下端に形成されて下端に向かって拡大している略円錐形状である。軸部３２ａ，３４ａの上部の周囲には図示しないバルブスプリングが取付けられており、軸部３２ａ，３４ａの上端には、クランクシャフトの動きに連動して回転する図示しないカムが配設されている。エンジンバルブ３２，３４は、カムが回転すると、カムによって上端を軸方向に下方に押されたり、バルブスプリングによって元の位置に戻されたりする。各ポート２２，２４は、エンジンバルブ３２，３４が下方に移動して開口縁とフェース部３２ｂ，３４ｂの下端部とが離れることによって開かれ、エンジンバルブ３２，３４が上方の元の位置に戻されて開口縁とフェース部３２ｂ，３４ｂの下端部とが接触することによって閉じられる。
図２に示すように、吸気バルブ３２のフェース部３２ｂの表面は、コーティング剤によってコーティングされている。本実施例で使用するコーティング剤はガラス組織と顔料粒子からなり、顔料粒子として高輻射物質である四硼化珪素（ＳｉＢ４）粒子が用いられている。コーティング膜厚は１０〜１００μｍ程度（好ましくは２０μｍ程度）である。コーティング粗さＲｚ（１０点平均粗さ）は３．２μｍ程度である。なお、コーティング粗さＲｚは１０μｍ以下程度であればよく、１０μｍ以下程度であればコーティング後の表面加工が不要である。フェース部３２ｂの表面にこのコーティング剤を施すと、フェース部３２ｂの表面の輻射率が高まる。即ち、フェース部３２ｂの吸熱効率と放熱効率が高まる。
【００１０】
以下に、一般的な内燃機関の一連の動作を、図示を省略して簡単に説明する（符号は図１参照）。
内燃機関が始動すると、吸気バルブ３２が開き、ピストン１２が下降するタイミングに合わせて、吸気マニホールド２６に燃料噴射装置２８から燃料が霧状に噴射される。噴射された燃料は空気と混合されて混合気となり、開放された吸気バルブ３２から燃焼室１８内に吸込まれる（以上、吸気工程）。
吸気バルブ３２が閉じられ、ピストン１２が上昇すると、燃焼室１８内の圧力が高まり、吸込まれた混合気が圧縮される。圧縮によって温度上昇が起こり、混合気内の燃料の更なる微粒子化が促進される（以上、圧縮工程）。
ピストン１２が上死点に達したとき、燃焼室１８内の温度と圧力が最高値となる。このタイミングで点火プラグ２０が火花放電を行って点火し、混合気を急激に燃焼させる。圧力が高まった燃焼ガスによってピストン１２が押し下げられ、これに伴ってクランクシャフトが回転する（以上、燃焼行程）。
ピストン１２が下死点付近に達したとき、排気バルブ３４が開き、燃焼ガスが排出される。上昇するピストン１２によって燃焼ガスの排出が促される（以上、排気工程）。
【００１１】
本実施例の吸気バルブ３２のフェース部３２ｂには先述のような高輻射コーティングが施されている。上記の圧縮工程と燃焼行程において、燃焼室１８内の温度は高温となる。従って、図２に示すように、輻射率の高められたフェース部３２ｂの燃焼室１８側の面３２ｃから燃料室１８の高温が吸気バルブ３２内によく吸熱される（熱の流れを図中矢印Ａで示す）。フェース部３２ｂの吸気マニホールド２６側の面３２ｄも輻射率が高められているため、吸気バルブ３２内に吸熱された高温は、フェース部３２ｂの面３２ｄから吸気マニホールド２６内に放熱される（熱の流れを図中矢印Ｂで示す）。即ち、圧縮工程と燃焼行程での燃焼室１８内の高温が、吸気バルブ３２を介して吸気マニホールド２６内に伝熱される。しかも、吸気バルブ３２のフェース部３２ｂには高輻射コーティングが施されているため、燃焼室１８内からフェース部３２ｂへ伝熱するときの伝熱ロスと、フェース部３２ｂから吸気マニホールド２６内へ伝熱するときの伝熱ロスは、何れも極めて少ない。従って、圧縮工程と燃焼行程での燃焼室１８内の高温によって効率よく吸気マニホールド２６内を加熱することができる。
【００１２】
図３のグラフは、内燃機関始動後のアイドル時の、経過時間に伴う吸気バルブ３２のフェース部３２ｂ内の平均温度変化を、吸気バルブ３２のフェース部３２ｂに高輻射コーティングを施した場合（実線）と、吸気バルブ３２のフェース部３２ｂに高輻射コーティングを施していない場合（破線）とで比較したものである。図３のグラフには、高輻射コーティングを施した場合の方が、高輻射コーティングを施していない場合に比して、早く温度上昇し、且つ高温となる。例えば、燃焼室内が６００℃であるとき、高輻射コーティングを施した吸気バルブ３２は、高輻射コーティングを施していない吸気バルブ３２に比して約１０℃高温となった。高輻射コーティングを施した吸気バルブ３２の方が、高輻射コーティングを施していない吸気バルブ３２に比して１０％程度高温となる。
【００１３】
燃焼室１８において燃料を効率よく燃焼させるためには、燃料を微粒子化して燃料と空気との混合を促進させることが必要である。吸気マニホールド２６内に噴射された燃料を、燃焼室１８内へ吸気する前に予め加熱しておくことによって、燃料の微粒子化はさらに向上され、良好な燃焼が得られる。
従来技術では、吸気マニホールド内に噴射された燃料を加熱するため、吸気マニホールド内に加熱装置を組込んでいる。しかし、吸気マニホールドは内燃機関の機種毎に形状が異なるため、機種毎に加熱装置を組込める吸気マニホールドを設計したり製作したりしなければならず、手間が掛り、コスト高を招いていた。
本実施例の内燃機関では、吸気バルブ３２に高輻射コーティングを施すことによって、吸気バルブ３２を利用して、圧縮工程と燃焼行程での燃焼室１８内の高温を効率よく吸気マニホールド２６内に伝熱する。内燃機関を始動すれば、自然に吸気マニホールド２６内は昇温し、噴射される燃料を良好に加熱することができる。このため、吸気マニホールド２６内に噴射された燃料を加熱する装置をわざわざ配設する必要がない。吸気バルブ３２に高輻射コーティングを施すのみであるため、エンジンバルブを使用しているあらゆる内燃機関に対応させることができる。また、吸気マニホールドの形状をシンプル化することができるため、作業性が向上し、安価に製作することができる。
【００１４】
従来技術には、吸気マニホールド内に加熱装置を備え、加熱装置にＰＴＣ素子を用いるものが多い。この技術によれば、冷間時にはＰＴＣ素子に通電し、発生する熱を利用して噴射された燃料を加熱し、温間時にはＰＴＣ素子に通電せず、シリンダからの伝熱のみで加熱装置を加熱し、この熱によって噴射された燃料を加熱する。
ＰＴＣ素子を利用する加熱装置では、冷間時の熱伝達と温間時の熱伝達をスムーズに切換えることができない。完全な加熱制御を行うことが困難であり、熱伝達にロスが生じるため、大きなエネルギ−が必要となる。
また、温間時にシリンダから加熱装置に伝熱される熱は、燃焼室内の高温がシリンダに伝熱したものである。即ち、燃焼室内の高温がシリンダに伝熱され、さらにこの熱が加熱装置に伝達され、さらにこの熱が噴射された燃料を加熱することとなる。このようなシリンダからの伝熱を利用する加熱装置によって噴射された燃料を加熱しようとしても、燃焼室内からシリンダに伝熱されるときと、シリンダから加熱装置に伝熱されるときにそれぞれ伝熱ロスが生じてしまい、実際には噴射された燃料を十分に加熱することができない。
本実施例では、吸気バルブ３２のフェース部３２ｂには高輻射コーティングが施されているため、燃焼室１８内からフェース部３２ｂへ伝熱するときの伝熱ロスと、フェース部３２ｂから吸気マニホールド２６内へ伝熱するときの伝熱ロスは、何れも極めて少ない。内燃機関が始動すれば、加熱制御を行うことなく、吸気マニホールド２６内は自然に昇温する。圧縮工程と燃焼行程での燃焼室１８内の高温によって効率よく吸気マニホールド２６内を加熱することができる。
【００１５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、本実施例において、高輻射コーティングは吸気バルブのフェース部のみに施されているが、少なくともフェース部に高輻射コーティングが施されていればよい。例えば、吸気バルブの全表面に高輻射コーティングが施されていてもよい。吸気バルブの全表面にコーティングを施す方が容易であり、作業性の面で有利であるが、コーティング剤が高価である場合は、フェース部のみにコーティングを施す方がコストの面で有利である。コーティング箇所については、諸条件に合わせて適宜選択することができる。
また、本実施例では、エンジンバルブは耐熱鋼製であるが、材質はこれに限らない。例えばチタン合金製でもよい。耐熱鋼やチタン合金には、本実施例で使用した四硼化珪素を含むコーティング剤の他、カーボンを含むコーティング剤によってコーティングすることが可能である。選択するエンジンバルブの材質によって使用する高輻射材を適宜選択することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施例の内燃機関の燃焼室周辺の断面概略図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】本実施例による効果を示したグラフ。
【符号の説明】
【００１７】
１０：シリンダ
１２：ピストン
１４：コネクティングロッド
１６：シリンダヘッド
１８：燃焼室
２０：点火プラグ
２２：吸気ポート
２４：排気ポート
２６：吸気マニホールド
２８：燃料噴射装置
３０：排気マニホールド
３２：エンジンバルブ（吸気バルブ）
３４：エンジンバルブ（排気バルブ）
【図１】
2005163663.tif 000003
【図２】
2005163663.tif 000004
【図３】
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