(57)【要約】【課題】高温及び低温に繰り返し曝される内燃機関の吸気バルブにおいて、効率の良いバルブの冷却による抗ノック性の向上、かつ、取り扱いの安全性の向上を達成することができる内燃機関の吸気バルブ及びその製造方法を提供する。【解決手段】ステム部（２２）及び傘部（２１）から構成されるとともにステム部及び傘部をヒートパイプのコンテナとして内側に中空部（２５）を有し、中空部に、ヒートパイプの作動流体としてのナフタレン（２６Ｎ）が封入されて構成される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステム部及び傘部から構成されるとともに該ステム部及び傘部をヒートパイプのコンテナとして内側に中空部を有し、該中空部に、前記ヒートパイプの作動流体としてのナフタレンが封入されていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ。
【請求項２】
中空部を有するステム部及び傘部を形成させ、該ステム部及び傘部をヒートパイプのコンテナとして形成させるとともに、前記ステム部にコッタ溝部を形成させて中空バルブパーツを成型する工程と、
ウイックを前記中空部に挿入する工程と、
前記ヒートパイプの作動流体としてのナフタレンを前記中空部に注入する工程と、
前記傘部の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、該係合部分を溶接して前記中空部を閉塞する工程と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気バルブの製造方法。
【請求項３】
ステム部と傘部とから構成されるとともに該ステム部及び傘部の内側に中空部を有し、該中空部に、作動流体としてのナフタレンを封入したヒートパイプが挿入されていることを特徴とする内燃機関の吸気バルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気バルブ及びその製造方法に係り、詳しくは、抗ノック性の向上、かつ、安全性の向上を達成する内燃機関の吸気バルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダヘッドに装備されるバルブには、混合ガスの入口側に位置する吸気バルブと、燃焼ガスの出口側に位置する排気バルブとがある。これらのバルブは、ともに燃焼室に直面しており、高熱及び高圧に耐えなければならないことの他、毎分数千回転にも及ぶ回転に対する往復運動の衝撃にも耐えなければならない。よって、これらのバルブは、ポペットバルブと呼ばれる茸状の形状に構成されている。
【０００３】
ここで、吸気バルブは、新しい混合ガスの流入によって冷却され、この混合ガスによる低温状態と上記燃焼ガスによる高温状態とが繰り返されることから、熱の繰り返し衝撃による吸気バルブの変形が生ずるとの問題がある。
そこで、吸気バルブの変形を抑制させる内燃機関の吸気バルブの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６４−３００８号公報（第１０頁第７行〜第１１頁第１４行、第２図等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の技術では、ヒートパイプを内蔵させた傘部と、空気層を内側に設けたステム部とから構成された吸気バルブが開示されている。これにより、バルブの傘部の熱負荷を低減させることは可能である。
しかし、当該従来の技術では、傘部にのみヒートパイプが配設されている。つまり、傘部の熱負荷はステム部にも伝達されるものであり、この場合に空気層を用いてステム部の熱負荷を軽減させるだけでは、ステム部での熱負荷の軽減が十分ではないとの問題がある。換言すれば、上記従来の技術では、吸気バルブの温度上昇を抑えて抗ノック効果の向上を図る点については依然として課題が残されている。
【０００６】
ここで、この課題を解決する構成として、中空にしたステム部内に金属ナトリウムを封入させたナトリウム封入バルブの構成が知られている。この金属ナトリウムは、エンジンの使用範囲温度では液状になっており、バルブの動きに応じてステム部内を移動し、傘部及びステム部の熱を逃がしている。このように、金属ナトリウムを用いて傘部及びステム部の温度が低減させれば、抗ノック効果、すなわち、燃焼ガスの温度が低減されることによるノッキングの発生を抑制できる。
【０００７】
しかし、この金属ナトリウムは、酸化反応性が高く爆発の危険性がある物質であり、金属ナトリウムの封入時の他、バルブの廃棄時の取り扱いが難しく、一部の高性能エンジンを除き、量産車に安心して適用させるには抵抗がある。これを回避する手段としては、例えば、ステム部の内側にオイル冷却通路を設ける、或いは、冷却水による冷却通路を設けることも考えられるが、複数本の細い冷却通路をステム部に設けなければならない等、最近の傾向の如く、動弁機能の向上を目指すべくステム部の細軸化を図る状況下では採用し難いという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高温及び低温に繰り返し曝される内燃機関の吸気バルブにおいて、効率の良いバルブの冷却による抗ノック性の向上、かつ、取り扱いの安全性の向上を達成することができる内燃機関の吸気バルブ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の吸気バルブは、ステム部及び傘部から構成されるとともにステム部及び傘部をヒートパイプのコンテナとして内側に中空部を有し、中空部に、ヒートパイプの作動流体としてのナフタレンが封入されていることを特徴としている。
【００１０】
したがって、請求項１記載の内燃機関の吸気バルブによれば、傘部及びステム部が作動流体の気化潜熱を利用したヒートパイプとして構成されることから、吸気バルブの熱伝導性能が高められ、傘部の熱負荷がバルブシートの他、ステム部からも軽減され、効率の良い冷却が図られる。したがって、従来に比して傘部が一層効率良く冷却され、高負荷時の抗ノック性を高めて出力向上に寄与する。
【００１１】
また、作動流体としてナフタレンを用いているので、ナトリウム封入バルブに比して取り扱いの安全性が向上する。しかも、ナフタレンは、吸気バルブに用いるヒートパイプの作動流体として好適である。これは、一般に、吸気バルブの傘部の温度は約３００℃超に達し、ステム部の温度は約２００℃以下であるのに対し、ナフタレンの沸点は２１８℃だからである。つまり、吸気バルブの使用時の温度は、４００℃を超えず、ナフタレンの気相と液相の間の温度帯に相当し、吸気バルブの使用状態に合致した潜熱吸収及び潜熱放出を行うことができるからである。
【００１２】
しかも、傘部及びステム部がヒートパイプのコンテナとされていることから、このコンテナの容積を大きくすることが可能になり、作動流体の気化潜熱をさらに有効に活用することが可能となる。よって、傘部の冷却がより一層効率良くなり、抗ノック性をさらに高めて出力向上に大きく寄与する。
また、ヒートパイプのコンテナとして予め成型された中空バルブパーツが用いられることから、近年のヒートパイプにおける細径化（マイクロヒートパイプ）の傾向を鑑みればその成形性も容易であり、市販車にも採用可能になる。
【００１３】
また、請求項２記載の内燃機関の吸気バルブの製造方法は、中空部を有するステム部及び傘部を形成させ、ステム部及び傘部をヒートパイプのコンテナとして形成させるとともに、ステム部にコッタ溝部を形成させて中空バルブパーツを成型する工程と、ウイックを前記中空部に挿入する工程と、ヒートパイプの作動流体としてのナフタレンを中空部に注入する工程と、傘部の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、係合部分を溶接して中空部を閉塞する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
このように、請求項２記載の内燃機関の吸気バルブの製造方法によれば、中空バルブパーツが、ヒートパイプのコンテナとして予め成型されているので、コンテナ分の軽量化が図られる。また、傘部の他、ステム部に至るまでがヒートパイプとして構成されることから、傘部及びステム部での熱負荷軽減が良好になり、抗ノック性が向上する。
【００１５】
しかも、作動流体にナフタレンを用いれば、ナトリウム封入バルブに比して取り扱いの安全性が向上する。よって、当該製造方法によって構成された吸気バルブを安心して市販車に採用可能になる。
また、請求項３記載の内燃機関の吸気バルブは、ステム部と傘部とから構成されるとともにステム部及び傘部の内側に中空部を有し、中空部に、作動流体としてのナフタレンを封入したヒートパイプが挿入されていることを特徴としている。
【００１６】
したがって、請求項３記載の発明によれば、上記の吸気バルブの安全性及び熱伝導性能が高められることの他、予め成型されたヒートパイプを用いることによって作動流体等の封入作業が不要になり、バルブの成形性がさらに容易になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の吸気バルブが適用されたエンジンの部分構成図が示され、図２には、当該吸気バルブの縦断面図が示されており、以下図１及び図２に基づき本発明に係る内燃機関の吸気バルブの構成を説明する。
【００１８】
エンジンのシリンダヘッド１には、略水平方向に吸気ポート２が形成されており、吸気ポート２の燃焼室３側には、吸気ポート２と燃焼室３とを連通する吸気口４の開閉を行う吸気バルブ２０が設けられている。
吸気バルブ２０は、シリンダヘッド１に配設された直動式動弁機構５に組み込まれている。この直動式動弁機構５は、吸気バルブ２０を往復運動させるバルブリフタ１０と、エンジン回転に応じて回転して吸気バルブ２０を開弁させるカム１３とを備えている。
【００１９】
バルブリフタ１０は、吸気バルブ２０のステム部２２に圧接される突起部１１と、突起部１１の上側にてカム１３に当接されクリアランスを調整するシム１２と、シリンダヘッド１に圧入固定されステム部２２を支持するバルブガイド１９と、バルブガイド１９のシール１８と、カム１３の押圧力に抗して吸気バルブ２０を閉弁させるバルブスプリング１６と、バルブスプリング１６の上端及び下端に設けられたアッパシート１５及びロアシート１７と、ステム部２２とバルブスプリング１６等とを固定させるバルブコッタ１４とから構成されている。
【００２０】
吸気バルブ２０は、茸状をなし吸気口４を開閉する傘部（コンテナ）２１と、傘部２１に連なりバルブの軸部分をなしてバルブガイド１９に支持されるステム部（コンテナ）２２と、突起部１１に当接する上端部２３と、バルブコッタ１４に係合されるコッタ溝部２４とを備えている。そして、傘部２１からコッタ溝部２４近傍に至るまでのステム部２２の内側には中空部２５が構成されている。つまり、本実施形態におけるステム部２２及び傘部２１は、吸気バルブ２０の外郭を構成する他、ヒートパイプのコンテナをも構成して兼用されている。
【００２１】
本実施形態においては、ステム部２２に相当する部分の中空部２５には、メッシュ状のウイック２６Ｗが挿入されている。ウイック２６Ｗは、冷却側で凝縮したナフタレンを毛細管現象で加熱側（傘部２１側）に戻す機能を有するものであり、同様の機能を有するものであれば良く、メッシュ状のものに限定されない。また、中空部２５には、高温対応型のヒートパイプの作動流体として、純水ではなく、ナフタレン２６Ｎが適量注入される。なお、ウイック２６Ｗ及びナフタレン２６Ｎを備えた中空部２５は、傘部２１の開口周縁部２７に係合される蓋部材２８によって閉塞される。
【００２２】
上記ナフタレン２６Ｎは、ヒートパイプの作動流体として機能するものである。つまり、このナフタレン２６Ｎは、傘部２１が高温の燃焼ガスに曝されると、傘部２１たる蒸発部で入熱され、潜熱吸収によって蒸発して気体になる。次いで、気化したナフタレン２６Ｎは、ステム部２２たる低温部に向かって移動し、ステム部２２にて潜熱放出により凝縮されて液体になる。そして、ステム部２２にて放熱されると、液化したナフタレン２６Ｎは、ウイック２６Ｗを伝って再び傘部２１に戻り、以下、傘部２１での熱負荷に応じてこの気化と液化とを繰り返す。
【００２３】
次に、前記の如き構成のポペットバルブ２０の製造方法について説明する。
図３は、吸気バルブ２０の製造工程を示す図である。
同図（ａ）は、中空バルブパーツ２０Ａを鍛造により成型する工程である。すなわち、本実施形態においては、ポペットバルブ２０の製造にあたり、まず中空バルブパーツ２０Ａ（ヒートパイプ）が成型される。より具体的には、板状の部材が段階を経て絞られ、ステム部２２及び傘部２１の外形の他、これらステム部２２及び傘部２１の内側に中空部２５を構成させる。このステム部２２及び傘部２１は、ヒートパイプのコンテナをも兼用すべく形成される。さらに、上記鍛造形成後には、ステム部２２にコッタ溝部２４を形成させる。
【００２４】
次に、予め製造されたウイック２６Ｗを用いる。この形状は上記ステム部２２に相当する部分の中空部２５の形状に等しくされている。そして、同図（ｂ）に示すように、ウイック２６Ｗを傘部２１の開口から、同図ではステム部２２のコッタ溝部２４側に該当する中空部２５の端部に当接するまで挿入する。
次いで、適量のナフタレン２６Ｎを傘部２１の開口から中空部２５に注入する。これにより、同図（ｃ）に示す状態の如く、ナフタレン２６Ｎは、ステム部２２のコッタ溝部２４側に貯まる。
【００２５】
そして、同図（ｄ）は中空部２５を閉塞する工程を示している。つまり、同図に示すように、傘部２１の開口周縁部２７に蓋部材２８を係合させ、この係合部分２９をレーザ溶接により中空部２５の傘部２１の開口を閉塞し、吸気バルブ２０が完成する。
図４は、本発明の第二実施形態を示すものである。当該第二実施形態では、中空バルブパーツの構成及び製造方法の点を除き、前記第一実施形態と同一の構成からなるものであることから、このバルブパーツの構成及び製造方法の点について詳細に説明する。
【００２６】
本実施形態の排気バルブ３０は、傘部３１と、ステム部３２と、上端部３３と、コッタ溝部３４とを備え、ステム部３２及び傘部３１の内側には中空部３５が構成されている。これは上記第一実施形態と同様である。
一方、本実施形態においては、ステム部３２及び傘部３１がヒートパイプのコンテナとして兼用されておらず、中空部３５には、別工程で製造されたヒートパイプ３６Ｈが挿入されている。換言すれば、ヒートパイプ３６Ｈは、既存のものであり、中空部３５の形状に合わせて製造されたヒートパイプ３６Ｈの内側に、メッシュ状のウイック３６Ｗ及び適量のナフタレン３６Ｎが予め封入されている。
【００２７】
この排気バルブ３０の製造工程は、図５に示されている。
同図（ａ）に示すように、まず、中空バルブパーツ３０Ａを鍛造により成型する。すなわち、板状の部材が段階を経て絞られることにより、ステム部３２及び傘部３１の外形の他、これらステム部３２及び傘部３１の内側に中空部３５を構成させる。さらに、上記鍛造形成後には、ステム部３２にコッタ溝部３４を形成させる。
【００２８】
次に、同図（ｂ）はヒートパイプ３６Ｈを挿入する工程である。つまり、同図に示すように、予め別個独立に製造されたヒートパイプ３６Ｈが傘部３１の開口から中空部３５に挿入される。これにより、ステム部３２及び傘部３１の内側に位置する中空部３５が、ウイック３６Ｗ及びナフタレン３６Ｎを有するヒートパイプ３６Ｈによって満たされる。
【００２９】
次いで、同図（ｃ）に示すように、傘部３１の開口周縁部３７に蓋部材３８を係合させ、この係合部分３９をレーザ溶接により中空部３５の傘部３１の開口を閉塞し、吸気バルブ３０が完成する。
以上のように、上記第一実施形態の吸気バルブ２０の構成の如く、ヒートパイプのコンテナを傘部２１及びステム部２２に相当する部分の中空部２５として構成させる、或いは、上記第二実施形態の吸気バルブ３０の構成の如く、傘部２１及びステム部２２に相当する部分の中空部３５に別途ヒートパイプ３６Ｈを挿入させ、各実施形態の吸気バルブ２０、３０がヒートパイプによって冷却されることから、傘部２１、３１の熱をシートやステム部２２、３２から効率良く逃がすことができる。つまり、傘部２１、３１の温度を効果的に下げることが可能になり、バルブの耐久性の向上が図られる。
【００３０】
しかも、燃焼ガスの加熱を抑制させるのでノッキングが発生し難くなり、その分だけ点火時期を進めることが可能になって燃費及びエンジン出力等の性能の向上が図られる。また、近年のヒートパイプの細径化と相俟って、その成形性も容易になる。
さらに、第一実施形態の吸気バルブ２０の構成によれば、コンテナ部分の容積が、第二実施形態のコンテナ部分の容積に比しても大きくなり、冷却性能をより高めることが可能となる。
【００３１】
また、ヒートパイプの作動流体としてナフタレンが封入されていると、その性質が吸気バルブ２０、３０の使用温度に合致しているので、吸気バルブ２０、３０が積極的に冷却されるとともに、ナトリウム封入バルブに比して爆発の危険がなく、バルブの廃棄の際の処置も容易化される。
さらに、第一実施形態の吸気バルブ２０の製造方法の如く、ヒートパイプのコンテナとして兼用された中空バルブパーツ２０Ａを用いていることから、軽量の吸気バルブ２０を製造することができる。
【００３２】
また、第二実施形態の吸気バルブ３０の製造方法の如く、中空バルブパーツ３０Ａに既存のヒートパイプ３６Ｈを挿入しているので、バルブの製造時においてはナフタレン３６Ｎ及びウイック３６Ｗの封入作業が不要になり、成形性がさらに向上する。
以上で本発明の各実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、直動式の動弁機構に適用された吸気バルブの例が示されているが、この形態に限定されるものではなく、例えば、ロッカーアーム式の動弁機構であっても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の内燃機関の吸気バルブによれば、傘部及びステム部が作動流体の気化潜熱を利用したヒートパイプとして構成されることから、吸気バルブの熱伝導性能が高められ、傘部の熱負荷がバルブシートの他、ステム部からも軽減され、効率の良い冷却を図ることができる。したがって、従来に比して傘部が一層効率良く冷却され、高負荷時の抗ノック性を高めて出力向上に寄与できる。
【００３５】
また、吸気バルブに用いるヒートパイプの作動流体として好適なナフタレンを用いているので、ナトリウム封入バルブに比して取り扱いの安全性が向上する。
しかも、傘部及びステム部がヒートパイプのコンテナとされていることから、このコンテナの容積を大きくすることが可能になり、作動流体の気化潜熱をさらに有効に活用することができる。よって、従来に比して傘部の冷却がより一層効率良くなり、高負荷時の抗ノック性をさらに高めて出力向上に大きく寄与できる。
【００３６】
また、ヒートパイプのコンテナとして予め成型された中空バルブパーツが用いられることから、近年のヒートパイプにおける細径化（マイクロヒートパイプ）の傾向を鑑みればその成形性も容易であり、市販車にも採用することができる。
また、請求項２記載の内燃機関の吸気バルブの製造方法によれば、中空バルブパーツが、ヒートパイプのコンテナとして予め成型されているので、コンテナ分の軽量化を図ることができる。また、傘部の他、ステム部に至るまでがヒートパイプとして構成されることから、傘部及びステム部での熱負荷軽減が良好になり、抗ノック性を向上できる。
【００３７】
しかも、作動流体にナフタレンを用いれば、ナトリウム封入バルブに比して取り扱いの安全性が向上することができる。よって、当該製造方法によって構成された吸気バルブを安心して市販車に採用することができる。
さらに、請求項３記載の発明によれば、上記の吸気バルブの熱伝導性能が高められることの他、予め成型されたヒートパイプを用いることによって作動流体等の封入作業が不要になり、バルブの成形性がさらに容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る内燃機関の吸気バルブが適用されるエンジンの部分構成図である。
【図２】図１の吸気バルブの縦断面図である。
【図３】図１の吸気バルブの製造方法を示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る内燃機関の吸気バルブの縦断面図である。
【図５】図４の吸気バルブの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
２０  吸気バルブ
２０Ａ  中空バルブパーツ（ヒートパイプ）
２１  傘部（コンテナ）
２２  ステム部（コンテナ）
２４、３４  コッタ溝部
２５  中空部
２６Ｎ、３６Ｎ  ナフタレン（作動流体）
２６Ｗ  ウイック
２７、３７  開口周縁部
２８、３８  蓋部材
２９、３９  係合部分
３０  吸気バルブ
３０Ａ  中空バルブパーツ
３１  傘部
３２  ステム部
３５  中空部
３６Ｈ  ヒートパイプ
３６Ｗ  ウイック
【図１】
2005048635.tif 000003
【図２】
2005048635.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005048635.tif 000006
【図５】
2005048635.tif 000007