(57)【要約】【課題】内燃機関の給排気時における弁棒の振動を抑制でき、これにより弁棒や弁傘部の摩耗を防ぎ、弁装置の長寿命化が図れる内燃機関の弁装置を提供する。【解決手段】内燃機関のシリンダヘッド１０に装着され該内燃機関のクランク軸に連係した動弁機構により往復駆動される弁棒２と、該弁棒２の端部に設けられ外周にシート面４を有する弁傘部３とを備え、シリンダヘッド１０に形成された弁座１１に弁傘部３のシート面４が着脱することにより燃焼室２０に通じるガス通路１３を開閉する内燃機関の弁装置１において、弁棒２の少なくともガス通路１３に露出する部位に、該弁棒２の外周面全周に亘って複数の孔状若しくは溝状の凹部５を形成し、弁棒２でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダヘッドに装着され該内燃機関のクランク軸に連係した動弁機構により往復駆動される弁棒と、該弁棒の端部に設けられ外周にシート面を有する弁傘部とを備え、前記シリンダヘッドに形成された弁座に前記弁傘部のシート面が着脱することにより燃焼室に通じるガス通路を開閉する内燃機関の弁装置において、
前記弁棒の少なくとも前記ガス通路に露出する部位に、該弁棒の外周面全周に亘って複数の孔状若しくは溝状の凹部を形成したことを特徴とする内燃機関の弁装置。
【請求項２】
前記シリンダヘッドに前記弁棒の外周面と摺動する案内管を設け、前記案内管を前記ガス通路まで延出させたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の弁装置。
【請求項３】
前記孔状の前記凹部が複数のディンプルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の弁装置。
【請求項４】
前記溝状の前記凹部は、その溝方向が前記弁棒の軸方向に対して平行にまたは該軸方向に対して９０度未満の角度を有するように形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の弁装置。
【請求項５】
前記凹部を前記弁棒から前記弁傘部の前記シート面まで形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに装着され、クランク軸に連係した動弁機構により往復駆動されて吸気通路又は排気通路を開閉する内燃機関の弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の給気弁又は排気弁を含む弁装置は、内燃機関のクランク軸に連係した動弁機構により往復駆動され、この往復駆動によって給気通路又は排気通路からなるガス通路を開閉する構成となっている。この弁装置は、シリンダヘッドに摺動自在に嵌挿された弁棒と、該弁棒の端部に設けられ外周にシート面を有する弁傘部とを備え、シリンダヘッドに形成された弁座に弁傘部のシート面が着脱することにより燃焼室に連通したガス通路の弁孔を開閉する。
【０００３】
このような弁装置においては、弁傘部が開閉時に弁座と接触するため、その影響によって内燃機関を長時間運転すると表面に摩耗が生じる。特に、給気時又は排気時には、ガス通路上で急激にガス流れが増加して弁棒に過大な抵抗が発生し、弁棒に加振力が作用する。これにより、弁装置が開いている最中に弁棒が揺らされ、弁傘部のシート面が振動した状態で弁座に着座することによって弁傘部の表面は着座の瞬間の大きな接触力を受けながら微小にこすれ、早期磨耗を引き起こすことがある。
【０００４】
そこで、特許文献１（特開２０１０−９６１３７号公報）には、弁座や弁傘部の摩耗を低減する弁装置として、シリンダヘッドの弁座に弁傘部のシート面と着脱する当り面を設け、この当り面では、シート面の内径側と接触する内側接触部の剛性を小さくし、シート面が着座したときに当り面上方の弁座形状を変化させ、弁座部分で着座時の衝撃を吸収するようにした構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−９６１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように特許文献１の弁装置によれば、弁座部分で着座時の衝撃を吸収する構成としたことで弁座や弁傘部の摩耗低減が期待できるが、給排気時における弁棒の振動自体を抑制するものではない。ここで、図８に従来の内燃機関の排気弁における弁傘部中心点の軌跡を示す。同図に示されるように、排気弁は開弁中に１ｍｍ程度も揺らされる。この状態で着座すると早期摩耗を引き起こしてしまう。また、弁棒が振動することにより弁棒を支持する部位との接触が激しくなり弁棒自体にも摩耗が生じる惧れがある。
したがって、弁傘部と弁座の接触部や弁棒のさらなる摩耗抑制のためには、この弁棒の振動を抑制することが望まれている。
【０００７】
本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、内燃機関の給排気時における弁棒の振動を抑制でき、これにより弁棒や弁傘部の摩耗を防ぎ、弁装置の長寿命化が図れる内燃機関の弁装置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】
上記の課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の弁装置は、内燃機関のシリンダヘッドに装着され該内燃機関のクランク軸に連係した動弁機構により往復駆動される弁棒と、該弁棒の端部に設けられ外周にシート面を有する弁傘部とを備え、前記シリンダヘッドに形成された弁座に前記弁傘部のシート面が着脱することにより燃焼室に通じるガス通路を開閉する内燃機関の弁装置において、前記弁棒の少なくとも前記ガス通路に露出する部位に、該弁棒の外周面全周に亘って複数の孔状若しくは溝状の凹部を形成したことを特徴とする。
【０００９】
ここで、本発明に係る内燃機関の弁装置は、給気弁及び排気弁の少なくとも一方であり、特に好適には、弁が振動しやすい排気弁である。
【００１０】
本発明によれば、弁棒に形成された複数の凹部によって弁棒でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させることができるため、弁棒のガス流れ境界層における抵抗を低減でき、内燃機関の給排時における弁棒への加振力を低減できる。なお、「弁棒でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させる」とは、すなわち、弁棒の軸方向に直交する断面において、弁棒の中心軸を通ってガス流れに直交する線よりも後方側に剥離点を位置させることをいう。これにより弁装置の振動を抑制できるため、振動により弁傘部と弁座との接触部の摩耗が促進されてしまうことを防ぎ、弁装置の長寿命化が図れる。さらに、弁棒とシリンダヘッドとが摺動する部位に位置する凹部により、摺動部位における潤滑剤の保持性を高めることができる。
【００１１】
また、前記シリンダヘッドに前記弁棒の外周面と摺動する案内管を設け、前記案内管を前記ガス通路まで延出させることが好ましい。
このように、案内管をガス通路まで延出させることで、案内管により弁棒にかかる加振力を低減でき、弁棒の振動をより一層抑制することができる。ここで、案内管を延出することにより弁棒と案内管との摺動面積が大きくなり摺動性が低下することが考えられるが、弁棒に形成された凹部により潤滑剤の保持性を高めることができるため、弁棒と案内管との円滑な摺動が可能となる。
【００１２】
上記した孔状の前記凹部は複数のディンプルであってもよく、これにより弁棒の抵抗低減効果を高くでき弁装置の振動を抑制可能で、且つ弁棒の硬度を向上させることが可能である。
一方、上記した溝状の前記凹部は、その溝方向が前記弁棒の軸方向に対して平行にまたは該軸方向に対して９０度未満の角度を有するように形成してもよく、これにより弁棒の抵抗低減効果を高くでき弁装置の振動を抑制可能で、且つ溝状であることから摺動部位において潤滑剤を弁棒表面に略均一に行き渡らせることが可能である。
【００１３】
さらにまた、前記凹部を前記弁棒から前記弁傘部の前記シート面まで形成することが好ましい。これにより、弁棒だけでなく弁傘部においてもガス流れによる抵抗を低減でき、より一層弁装置の振動を抑制することが可能となる。特に、弁傘部に形成される凹部がディンプルであることが好ましく、これにより弁傘部のシート面の強度を向上でき、弁座との接触による摩耗を抑制可能である。
【発明の効果】
【００１４】
以上記載のように本発明によれば、弁棒に形成された複数の凹部によって弁棒でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させることができるため、弁棒のガス流れ境界層における抵抗を低減でき、内燃機関の給排時における弁棒への加振力を低減できる。これにより弁装置の振動を抑制できるため、振動により弁傘部と弁座との接触部の摩耗が促進されてしまうことを防ぎ、弁装置の長寿命化が図れる。さらに、弁棒とシリンダヘッドとが摺動する部位に位置する凹部により、摺動部位における潤滑剤の保持性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の弁装置を示す側面図である。
【図２】給気弁の開閉動作を説明する図である。
【図３】本実施形態の第１構成例の弁装置を示す部分拡大図であり、（Ａ）は凹部の断面図で、（Ｂ）は弁棒の側面図である。
【図４】本実施形態の第２構成例の弁装置を示す部分拡大図であり、（Ａ）は凸部の断面図で、（Ｂ）は弁棒の側面図である。
【図５】弁棒付近のガス流れを説明する図であり、（Ａ）は本実施形態の弁装置におけるガス流れを示す図で、（Ｂ）は従来例の弁装置におけるガス流れを示す図である。
【図６】弁装置の振動抑制効果を説明する図であり、本実施形態の排気弁における弁傘部中心点の軌跡を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る内燃機関の弁装置の応用例を示す側面図である。
【図８】従来の内燃機関の排気弁における弁傘部中心点の軌跡を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１７】
まず、図１を参照して本発明の実施形態に係る内燃機関の弁装置の構成を説明する。
図１は本発明の実施形態に係る内燃機関の弁装置を示す側面図であり、この弁装置１は、主に、内燃機関のシリンダヘッド１０に装着される弁棒２と、該弁棒２の端部に設けられた弁傘部３とから構成される。
なお、この弁装置１は、内燃機関の給気弁及び排気弁の少なくとも一方であり、特に好適には、弁が振動しやすい排気弁である。
【００１８】
弁棒２は、シリンダヘッド１０に形成された弁挿通孔１６に摺動自在に嵌挿され、内燃機関のクランク軸に連係した動弁機構により往復駆動される。なお、動弁機構とは、内燃機関のピストン位置に応じて弁装置１を開閉させる機構であり、一般に、不図示のクランク軸に駆動連結されたカムの運動を、タペット、ロッカアーム等を介して弁棒２に伝達し、該弁装置１を往復駆動させるものである。
弁傘部３は、弁棒２のガス通路１３側端部に設けられ、その外周にシート面４を有している。シート面４は、シリンダヘッド１０に形成された弁座１１に着脱するようになっている。なお、ガス通路１３とは、給気弁においては給気通路、排気弁においては排気通路である。
【００１９】
ここで、図２を参照して、上記した構成を備える弁装置１の開閉動作を説明する。同図には、一例としてシリンダヘッド１０に給気弁１が２個設けられている場合を示しており、図の左半分は給気弁が閉じている状態、右半分は給気弁が全開の状態を示している。
シリンダヘッド１０には、燃料ガスを供給する燃料ガス通路１５と給気通路１３とが設けられており、この燃料ガス通路１５と給気通路１３は、弁棒２の外周とシリンダヘッド１０の弁挿通孔１６との間の間隙を介して連通している。また、給気通路１３は、弁孔１２を介して燃焼室２０に連通している。
【００２０】
給気弁閉時は、図２の左半分に示すように、弁棒２が上方に移動して弁傘部３のシート面４が弁座１１に着座し、弁孔１２が閉じられる。
一方、給気弁開時は、図２の右半分に示すように、弁棒２が下方に移動して弁傘部３のシート面４が弁座１１から離間し、弁孔１２が開放されて燃焼室２０に給気される。
【００２１】
本実施形態の弁装置１は、上記した構成に加えてさらに以下の構成を備えている。
図１に示すように弁装置１は、弁棒２の少なくともガス通路１３に露出する部位に、該弁棒２の外周面全周に亘って複数の孔状又は溝状の凹部５を有している。図１には一例として孔状の凹部５を有する場合を示している。この複数の孔状凹部５は、弁棒２の外周面全周に亘って略均一に形成されていることが好ましい。また、異なる形状、大きさの凹部５が混在していてもよい。
なお、ガス通路１３に露出する部位とは、弁棒２のうち常時ガス通路１３内に位置する部位の他に、弁閉時（図２の左半分参照）には弁挿通孔１６内に位置するが、弁全開時（図２の右半分参照）にはガス通路１３に露出する部位を含む。
【００２２】
次に、図３及び図４を参照して、凹部の具体的な構成例を説明する。
図３は本実施形態の第１構成例の弁装置を示す部分拡大図であり、（Ａ）は凹部の断面図で、（Ｂ）は弁棒の側面図である。この凹部５は円形孔状に形成されたもので、好ましくは該凹部５はディンプルである。このディンプル５は、弁棒２の外周面全周に亘って複数形成されており、例えばショットピーニング加工により形成される。このように孔状凹部をディンプルとすることで、後述するような弁棒２の抵抗低減効果を高くでき弁装置１の振動を抑制可能で、且つ弁棒２の硬度を向上させることが可能である。
【００２３】
また、複数のディンプル５は、図３（Ａ）に示すように千鳥状、又は列状に整列配置してもよいし、図１に示すようにランダムに配置してもよい。より好ましくは、複数のディンプル５は製作コストが安価で、且つガス流れに対して均一な作用を与えることから千鳥状の配置であるとよい。
例えば、弁棒２の直径Φが１８〜２０ｍｍの場合、ディンプル５の直径ｄを０．５〜１．５ｍｍ、深さｈを０．１〜０．２ｍｍとし、このディンプル５を弁棒２の外周面に２〜４個／ｃｍ２の密度となるように配置する。このとき、弁棒２の外周面１周に７〜１０個のディンプルが配置されることが好ましい。
【００２４】
図４は本実施形態の第２構成例の弁装置を示す部分拡大図であり、（Ａ）は凸部の断面図で、（Ｂ）は弁棒の側面図である。この凹部６は溝状に形成されたもので、弁棒２の外周面全周に亘って複数形成されている。好適には溝状凹部６は、その溝方向が弁棒２の軸方向に対して平行にまたは該軸方向に対して９０度未満の角度を有するように形成される。これにより後述するような弁棒２の抵抗低減効果を高くでき弁装置１の振動を抑制可能で、且つ溝状であることから摺動部位において潤滑剤を弁棒表面に略均一に行き渡らせることが可能である。
【００２５】
なお、溝状凹部６の溝方向を、弁棒２の軸方向に対して平行、または該軸方向に対して９０度未満の角度を有するように形成したのは、弁棒２外周面にガス流れ方向に沿った凹凸を存在させるためであり、軸方向に直交する溝ではガス流れ方向に沿った凹凸が存在しなくなり抵抗低減効果が得られ難いため、溝方向を上記条件に設定したものである。
さらに、溝状凹部６はローレット加工により形成されることが好ましく、これにより容易に複数の溝状凹部６を形成でき、且つ製作コストを安価にできる。
【００２６】
図４の溝状凹部６は、弁棒２の軸方向に対して斜めに形成した溝状凹部６ａと、この溝状凹部６ａに交わるように線対称に形成した溝状凹部６ｂとを有しており、これらの溝状凹部６ａ、６ｂにより弁棒表面にひし形状の凸部７が形成されている。
例えば、弁棒２の直径Φが１８〜２０ｍｍの場合、ひし形状凸部７の高さｈ、すなわち溝状凹部６の深さを０．１〜０．２ｍｍとし、ひし形状凸部７の軸方向長さｌを２〜３ｍｍ、幅ｗを１〜２ｍｍとする。
【００２７】
図５は弁棒付近のガス流れを説明する図であり、（Ａ）は本実施形態の弁装置におけるガス流れを示す図で、（Ｂ）は従来例の弁装置におけるガス流れを示す図である。
本実施形態では、上記したように弁棒２の外周面全周に亘って複数の孔状凹部５又は溝状凹部６を形成することによって、弁棒２でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させることができる。
弁棒２でのガス流れの剥離点をガス流れ方向後方側に位置させるとは、すなわち、図５（Ａ）に示すような弁棒２の軸方向に直交する断面において、弁棒２の中心軸Ｏを通ってガス流れに直交する線（図中で直線Ｌ）よりも後方側に剥離点Ｐを位置させることをいう。
【００２８】
図５（Ｂ）に示すように、外周面に凹部５、６が存在しない従来の弁棒２では、ガス流れ境界層における剥離点Ｐ’は弁棒２のガス流れ方向前方側（直線Ｌより前方側）に位置する。しかしこの場合、弁棒２の抵抗は大きく弁棒２への過大な加振力により内燃機関の給排時に弁装置１が大きく振動してしまっていた。
図５（Ａ）に示すように、本実施形態では弁棒２の外周面に凹部５、６が形成されているため（図３又は図４参照）、ガス流れの剥離点Ｐをガス流れ後方側に位置させることができる。したがって、弁棒２のガス流れ境界層における抵抗を低減でき、内燃機関の給排時における弁棒２への加振力を低減できる。これにより弁装置１の振動を抑制できるため、振動により弁傘部３と弁座１１との接触部の摩耗が促進されてしまうことを防ぎ、弁装置１の長寿命化が図れる。さらに、弁棒２とシリンダヘッド１０とが摺動する部位に形成された凹部５、６により、摺動部位における潤滑剤の保持性を高めることができる。
【００２９】
ここで、図６及び図８を用いて本実施形態における弁装置の振動抑制効果を従来例と比較して説明する。図６は本実施形態の排気弁における弁傘部中心点の軌跡を示す図である。なお、この排気弁は図３に示す弁棒２を有し、弁棒表面に複数のディンプル５が形成されたものである。一方、図８は従来例の排気弁における弁傘部中心点の軌跡を示す図である。なお、この排気弁は本実施形態と同一構造を有する排気弁であるが、弁棒表面に凹部が形成されていないものである。いずれも排気弁が開いて排気する際の弁傘部中心点の軌跡を実験から求めている。
【００３０】
同図に示されるように、本実施形態の排気弁は揺れが極めて小さく安定しており、最大でも０．５ｍｍ程度の揺れであるのに対して、従来例の排気弁では排気中常時揺れが生じており、１ｍｍ以上の揺れも見られる。
この実験結果からも明らかなように、本実施形態の弁装置１によれば、従来例に比べて格段に弁装置１の振動を低減することが可能であり、延いては弁装置１の摩耗を抑制して長寿命化に大きく寄与すると推察される。
【００３１】
上記に説明した本実施形態に係る弁装置１は、さらに以下の構成を備えていてもよい。
図７は、本発明の実施形態に係る内燃機関の弁装置の応用例を示す側面図である。同図に示すように、シリンダヘッド１０に弁棒２の外周面と摺動する案内管２５を設け、該案内管２５をガス通路１３まで延出させた構成とする。
このように、案内管２５をガス通路１３まで延出させた構成とすることにより、案内管２５により弁棒２にかかる加振力を低減でき、弁棒２の振動をより一層抑制することができる。ここで、案内管２５を延出することにより弁棒２と案内管２５との摺動面積が大きくなり摺動性が低下することが考えられるが、弁棒２に形成された孔状凹部５又は溝状凹部６により潤滑剤の保持性を高めることができるため、弁棒２と案内管２５との円滑な摺動が可能となる。
【００３２】
また、この案内管２５は、その材料強度や構造上の強度等に基づいて設計することができるが、少なくともガス流路１３の中心位置まで到達する長さに形成されることが好ましい。これにより、弁棒２へ作用する加振力を小さくし、弁装置１の振動をより確実に抑制することができる。
さらにまた、案内管２５のガス通路１３側の少なくとも一部を、その外周面が下方に向けて縮径したテーパ状としてもよい。このように案内管２５をテーパ状に形成することで、案内管２５の強度を維持しつつ、縮径したことでガス流れの抵抗を低減することができる。
【００３３】
また、本実施形態において複数の凹部５は、弁棒２から弁傘部３のシート面４まで形成してもよい。これにより、弁棒２だけでなく弁傘部３においてもガス流れによる抵抗を低減でき、より一層弁装置１の振動を抑制することが可能となる。特に、弁傘部３に形成される凹部５がディンプルであることが好ましく、これにより弁傘部３のシート面４の強度を向上でき、弁座１１との接触による摩耗を抑制可能である。
さらに、弁棒２の凹部５は、該弁棒２のガス通路１３に露出する部位のほかに、弁棒２の上方であるシリンダヘッド１０との摺動部位まで形成してもよい。これにより、摺動部位における潤滑剤の保持性をより一層高めることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１    弁装置
２    弁棒
３    弁傘部
４    シート面
５    孔状凹部
６    溝状凹部
７    ひし形状凸部
１０  シリンダヘッド
１１  弁座
１２  弁孔
１３  ガス通路
２０  燃焼室
２５  案内管
【図１】
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【図２】
2012002205.tif 000004
【図３】
2012002205.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012002205.tif 000007
【図６】
2012002205.tif 000008
【図７】
2012002205.tif 000009
【図８】
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