(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにおいて用いるための軽量中空の弁装置（１０）であって、
弁棒ガイド（１４）の内孔の中に往復動可能に収容されている吸込弁（１２）と排出弁（１２）とを含み、
その吸込弁（１２）は
炭素                ０．１５  −  ０．５０
珪素          最高  ０．３０
マンガン            ０．３０  −  １．６５
鉄                  残量
の組成（質量％）の吸込弁弁座（１６）を含み、
その排出弁（１２）は
炭素                ０．１５  −  ０．５０
珪素                ０．１０  −  ３．５０
マンガン      最高  ９．５
クロム              ８．００  −  ２２．０
ニッケル      最高１４．０
鉄                  残量
の組成（質量％）の排出弁弁座（１６）を含み、
この弁装置（１０）は更に、
そのエンジン中に取り付けられていて排出弁と吸込弁との各弁座面（１６）を受けて密封係合を形成する挿入部材（１８）を含み、
その挿入部材（１８）及び排出弁、吸込弁の各弁座面（１６）が、
各弁座面（１６）と挿入部材（１８）との間の接着や摩擦による摩耗を低下させるための、窒化物よりなる層（２０、２２）を含むことを特徴とする上記弁装置。
【請求項２】
弁（１２）が、炭素合金、ステンレス鋼及びニッケル基合金よりなる群から選ばれた材料からなり、かつ
その挿入部材（１８）が、鋳鉄、鋼鉄、上に窒化物層が形成されていてもよいニッケル基合金及び上に窒化物層が形成されていてもよいコバルト基合金よりなる群から選ばれた材料からなっている、請求項１記載の弁装置（１０）。
【請求項３】
挿入部材（１８）が、鍛錬金属合金、鋳造金属合金及び粉末金属合金よりなる群から選ばれた材料よりなっている、請求項１記載の弁装置（１０）。
【請求項４】
窒化物層（２０、２２）が、塩浴窒化法、ガス窒化法及びイオン窒化法よりなる群から選ばれた方法により形成されている、請求項１記載の弁装置（１０）。
【請求項５】
各層（２０、２２）が少なくとも約２０μｍの厚さを有している、請求項１記載の弁装置（１０）。
【請求項６】
エンジンにおいて用いるための軽量中空の弁装置（１０）であって、
弁棒ガイド（１４）の内孔の中に往復動可能に収容されている排出弁（１２）と吸込弁（１２）とを含み、
その吸込弁（１２）は
炭素                ０．０２  −  ０．９０
珪素                ０．１０  −  ３．５０
マンガン      最高  ９．５
クロム              ８．００  −  ２２．０
ニッケル      最高１４．０
鉄                  残量
の組成（質量％）の吸込弁弁座（１６）を含み、
この弁装置（１０）は更に、
そのエンジン内に取り付けられていて吸込弁と排出弁との各弁座面（１６）を受けて密封係合を形成する挿入部材（１８）を含み、その際
その挿入部材（１８）及び排出弁、吸込弁の各弁座（１６）の各面は、
各弁座面（１６）と挿入部材（１８）との間の接着や摩擦による摩耗を低下させるための、窒化物よりなる層（２０、２２）を含むことを特徴とする上記弁装置。
【請求項７】
エンジンにおいて用いるための軽量中空の弁装置（１０）であって、
弁棒ガイド（１４）の内孔の中に往復動可能に収容されている排出弁（１２）と吸込弁（１２）とを含み、
その吸込弁（１２）は
炭素                ０．１５  −  ０．２０
珪素          最高  ０．１０
マンガン            ０．３０  −  ０．６０
鉄                  残量
の組成（質量％）の吸込弁弁座（１６）を含み、
その排出弁（１２）は
炭素                ０．０３  −  ０．６０
珪素                ０．５０  −  １．００
マンガン      最高  ２．０
クロム            １７．０  −  １９．０
ニッケル          １１．５  −  １３．０
鉄                  残量
の組成（質量％）の排出弁弁座（１６）を含み、
この弁装置（１０）は更に、
そのエンジン中に取り付けられていて排出弁と吸込弁との各弁座面（１６）を受けて密封係合を形成する挿入部材（１８）を含み、
その挿入部材（１８）及び排出弁、吸込弁の各弁座面（１６）は、
各弁座面（１６）と挿入部材（１８）との間の接着や摩擦による摩耗を低下させるための、窒化物よりなる層（２０、２２）を含むことを特徴とする上記弁装置。
【請求項８】
それぞれ弁棒ガイド（１４）の内孔の中に往復動可能に収容されている弁棒（３０）を有する排出弁、吸気弁（１２）、各弁（１２）の上に配置された弁座（１６）、及びエンジン中に取り付けられてそれら排出用及び吸込み用の弁の各弁座（１６）をともに受けて密封係合を形成する挿入部材（１８）を含む、エンジンにおいて用いるための軽量中空の弁装置の製作方法であって、
弁棒（３０）を仕上げすることなく各弁座（１６）を仕上げし、
それら弁座（１６）を塩浴窒化し、そして
弁棒（３０）を仕上げ研磨する
各段階を含み、それにより
それら弁座（１６）の上に硬質窒化物層と厚い拡散層とを形成させて圧痕、摩擦及び接着による摩耗の発生に対して防護することを特徴とする上記方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンで用いるための軽量中空の弁装置に関する。
【従来の技術】
エンジンの各弁は流体のエンジンシリンダ又は燃焼室の中への、又はそれから外への流れを制御する。それらはシリンダヘッドの中に嵌め込まれており、そして弁ガイドの中で作動する。
それら弁の上端に各弁ばねが取り付けられていてそれらの弁を通常は閉じた位置に保持する。通常、各弁は弁面、弁座、マージン、弁棒及び先端を有する。下方へスライドさせたときに弁はその弁座から離れてスライドされてポートが開放される。上向きにスライドさせたときは弁はその弁座と接して燃焼室がポートに対して密封される。
吸込用弁はしばしば、供給燃料がエンジンシリンダの中へ流入するのを許容する比較的大きな弁である。典型的には燃料空気混合気は弁が開いたときに吸込ポートを通り、この弁を過ぎた後、燃焼室の中へ流入する。排出用弁は、燃焼したガスがエンジンから出てゆくのを許容するように開く比較的小さな弁であることができる。
自動車用ガソリン及びジーゼルエンジンはともに、通常は４サイクルエンジンである。それらの４つのサイクルは、吸込ストローク、圧縮ストローク、出力ストローク及び排気ストロークよりなる。吸込ストロークの間に空気と燃料とが燃焼室の中へ吸い込まれる。ピストンが下向きにスライドされて真空が作り出される。吸込用弁が開放され、そして排出用弁が閉じられる。そのようにしてシリンダは燃料と空気との可燃性混合物で満たされる。
圧縮ストロークの間にこの燃料空気混合気は圧縮されて更に可燃性になる。吸込用弁と排出用弁とはともに閉じられる。ピストンが上向きにスライドされてその混合気は燃焼室の小さな領域の中へ圧縮される。正常な燃焼のためにはそれら弁、リング及び他の構成部材が燃焼室からの圧力の漏洩を許容しないことが重要である。漏洩は出力ストロークにおいてその混合気が点火し、燃焼するのを妨げる。出力ストロークの間に燃料空気混合気は点火されて燃焼し、ガスが膨張し、そして圧力が作り出されてピストンは強く下向きに動かされる。各弁はともに閉じられている。スパーク点火エンジンにおいてはスパークプラグが燃料空気混合気の燃焼を開始させる。燃焼の間にこの混合気は膨張し、そして圧力が燃焼室の中に蓄積される。ピストンだけが可動の部材であるのでこれは下向きに押しつけられる。この下向きの動きは連結ロッドとクランクシャフトとに伝えられてこれを回転させる。
排気ストロークにおいてその燃焼したガスはシリンダから排出されてその自動車の排気系の中へ送り出される。吸込用弁は閉じたままに保たれており、そして排出用弁がスライドされて開放される。ここでピストンは上向きに動いているので燃焼したガスは排気ポートから押し出されてこのシリンダは可燃性の燃料空気混合気の新鮮な供給混合物を受け入れる準備ができる。排気ストロークの間は、そのエンジンの使用期間の引き続く各相においてさえも吸込用弁とその弁座との密封的係合の継続されることが要求される。
通常は弁座は、燃焼室へのポート開口の中で受けられるように機械加工された丸い表面を有している。エンジンの弁が閉じたときにこの弁は弁座と接してポートを閉じる。各弁座はシリンダヘッドの一部分であってもよいし、或いは別個の嵌め込まれた構成部材として構成されていてもよい。一体化された弁座は、燃焼室へのポート開口の上の正確な面を工具によって機械加工することにより作られる。この弁座は弁ガイドと整列し、そしてこれに芯合わせされており、それにより弁の中心が弁座に合致するようになっている。嵌め込み弁座又は弁座挿入体は典型的には、シリンダヘッドの中へプレス嵌めされた別個の機械加工された部材である。燃焼室の中に画定された切込み部はその挿入部材の外直径よりも僅かに小さい。その挿入部材をシリンダの中へ押し込めるのにはプレスを用いる。摩擦が弁座をシリンダヘッドに対して保持する。
典型的にはアルミニウムのシリンダヘッドの中に鋼鉄製の弁座挿入部材が用いられる。鋼鉄には、燃焼によって発生する高い運転温度に耐えることが要求される。
ガソリンエンジンにおいては弁座挿入部材は鋳鉄シリンダヘッドでは一般的には用いられない。と言うのは一体化弁座を用いた場合と同じ程に迅速には熱が放散されないからである。高出力ジーゼルエンジンにおいては鋳鉄シリンタヘッドに低合金又は高合金の挿入部材を使用することができる。
高度及び摩耗抵抗の特性はしばしば、通常は電気加熱操作によりもたらされる高周波焼入れによって導入される。多くの最近のエンジンは容易に高周波焼入れできない弁座を用いたアルミニウムシリンダを含んでいるけれども、高周波焼入れされた弁座は、耐用年数を増大させるために種々のエンジンにおいて用いられている。
燃料の中の種々の鉛添加物がこれまで弁と弁座との間の接触の潤滑を助けてきた。高温度において鉛はそれらの間の準滑剤として作用するけれども、今日の無鉛燃料は加鉛潤滑剤を含まない。加えて、エンジンの運転温度はより高くなる傾向にある。従って弁と弁座との間の摩耗の問題は益々顕著になってきている。このような状況を克服するために、硬化された弁の面及び弁座が特に排出用弁座について要求される。
より高い効率、コンパクトな寸法及び低下させた重量に対する全世界的な要求は、エンジンにおいて用いるための超軽量弁の発展をもたらした。このような弁は１０年前に作られた自動車用の弁の重量の６５％であり得る。このように要求される運転の環境を克服する解答の１つは、非常に大きな冷却作用と軽量化とが要求されるときに、ナトリウム等の内部冷却剤で満たされ、又は満たされていない中空の軽量弁を開発することである。エンジンの運転の間にこの中空の弁の内部のナトリウムは溶融する。或る設計においては、弁が開かれたときにナトリウムが弁頭の中へ流れ落ちて熱を奪う。弁が閉じたときにナトリウムは弁棒の中へ跳ね上げられる。熱はナトリウムから弁棒、弁棒ガイド及びエンジンの冷却材へ伝えられる。このようにして弁は冷却される。これらは軽量であり、このような弁は中実の弁棒を有する弁よりもより冷却されて運転される傾向を有するので、弁がいちじるしく過熱されることなく長期間にわたり高い運転回転数を許容する。
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エンジンにおいて使用するための圧痕、接着および摩擦による摩耗を防護した超軽量弁装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は往復動可能に弁棒ガイドの内孔に収容される弁を含み、この弁は或る弁座面を含む。この装置はそのエンジンの内部に取り付けられた挿入部材を含み、この挿入部材が上記弁座面を共働的に受ける。
その挿入部材と弁座面とはそれぞれ、この弁座面と挿入部材との間の接着的及び摩擦的損耗を低下させるための窒化物よりなる層を含む。
詳細には本発明は、吸込用超軽量弁座と排気用超軽量弁座とのために異なった冶金学的組成を採用する。本発明はまた、超軽量弁装置を製作するための方法をも含むが、この方法は、各弁棒を仕上げ加工することなくそれら弁座を仕上げ加工し、それら弁座を塩浴窒化し、そしてそれら弁棒を仕上げ研磨する、各工程段階を含む。それによって硬質の窒化化合物が各弁座の上に形成されてこれらを圧痕、摩擦及び接着による摩耗の発生に対して防護する。
【発明の実施の形態】
図１ないし図３を参照して説明すると、エンジンにおいて使用するための軽量中空の弁装置１０が示されている。この装置１０は弁棒ガイド１４の内孔の中に往復動可能に収容されている軽量の中空弁１２を含む。図示されているように、弁棒ガイド１４はシリンダヘッド２４の中に挿入されているチューブ状構造のものである。しかしながら本発明はそれにのみ限定されるものではない。別ないくつかの具体例の場合に、シリンダヘッドそれ自身を、弁棒ガイドとして用いるためのチューブ状構造のものを間挿することなく弁棒のガイドとすることができる。
弁１２は弁座面１６を含む。この弁座面１６は弁１２の首部分２８とマージン２６との間に設けられている。弁棒３０は首部分２８の上方に位置していて、弁棒ガイド１４の中に収容されている。
この軽量又は超軽量の弁装置１０はエンジンのシリンダヘッドの内部に取り付けられた挿入部材１８を含む。好ましくはこの挿入部材１８は断面が環状であるのがよい。この挿入部材１８は弁座面１６を共働的に受ける。
密封係合を確実にするために挿入部材１８と弁座面１６とにはそれぞれ、弁座面１６と挿入部材１８との間の接着や摩擦による摩耗を低下させるためのそれぞれの層２０及び２２（図３）が設けられている。
好ましくは各層２０、２２は本質的に窒化物よりなり、これが所望の摩耗特性を提供し、そしてこの弁装置１０の運転寿命を延長する。吸込用弁の弁座面の層２２は下記よりなる（全ての％値は重量％である）：
0004287531.tif 000002
そしてその排出用弁の弁座面は下記よりなる：
0004287531.tif 000003
所望により、エンジンの要求に応じて排出用弁の弁座面の組成を同様に吸込位置においても使用することができる。
排出用弁は吸込用弁よりも運転においてより高温度になる傾向を有する。本発明者等は、その超軽量の排出用弁と吸込用弁との弁座に異なった冶金学的組成を用いることによってその弁座と挿入部材との間の接着や摩擦による摩耗を低下させると言う目的が実質的に達成されることを見出した。
他の典型的なエンジン用弁及び挿入部材の材料を表１にあげる。
【表１】
0004287531.tif 000004
具体例の１つにおいて、挿入部材１８及び弁座面１６にはそれぞれ、層２０、２２が設けられており、これは本質的に約２０−４０μｍの厚さの窒化物よりなる。好ましい結果は、少なくとも２０μｍの層を用いて達成されたけれども、約２０−４０μｍが好ましい。
いかなる特別な理論によっても束縛されることを望むものではないけれども、粉末冶金による挿入部材の場合に孔隙率のために窒素がその材料本体の中へより深く浸透する傾向を有すると信じられる。次いで各粒子は窒化物の層で被覆されるようになる。それにより、この層を完全に失うことなく機械加工することが可能となる。
Ｗｅａｒ，２０１，（１９９６）の  Ｙ．Ｓ．  Ｗｏｎｇ等の「高出力エンジンの弁座の摩耗に対する運転条件の影響」の中にその試験方法の記述がある。この文献はここに参照文献として採用される。
或る構成部材を窒化させる方法は、  Ｂｒｉａｎ  Ｒａｄｆｏｒｄ  の「工業的加熱」第４６巻第６号（１９７９）の中の「摩滅摩耗及び疲労に対する抵抗性を改善するための青酸塩系塩浴中での窒化」に記述されているような「サーサルフ（Ｓｕｒｓｕｌｆ）処理」であることができる。これと異なり、１９８５年１０月２９日の塩浴窒化のセミナーの報文の中で  Ｊａｍｅｓ  Ｅａｓｔｅｒｄａｙにより「塩浴窒化の基本」において記述されているような、メロナイト又はタフトライド（Ｍｅｌｏｎｉｔｅ  ｏｒ  Ｔｕｆｆｔｒｉｄｅ）或いはＱＰＱ法を窒化物層を与えるために用いることができる。これら文献はここに参照文献として採用される。
塩浴窒化法（ＳＢＮ）は摩耗性、疲労強度、耐擦過腐食性及び耐食性を改善する（例えば  Ｅａｔｏｎ  Ｃｏｒｐ．  の  Ｙ．Ｓ．  Ｗｏｎｇ  等による「エンジン吸込弁の弁座摩耗の研究」第１頁及びその中で引用されている引用文献参照）。この文献は全体的にここに参照文献として採用される。ＳＢＮ法は操作温度が低く、相転移を含まず、そしてその窒化温度以下の表面温度における高い硬度特性と組み合わされた高い焼戻し抵抗のために低い歪を与える傾向がある（上記文献第１頁）。
ＳＢＮ法は熱化学的拡散過程の１つであって、これは原子状窒素の表面の中への拡散による高硬度の化合物層（ε窒化鉄Ｆｅ3 Ｎ）を形成する。この化合物層に隣接して、かなり低い濃度の拡散された窒素が鉄との固溶体の中に存在する。この領域は拡散層と呼ばれる。窒化鉄、γ’及びε窒化鉄並びに無定形の炭素−窒化物がプロセス条件に依存してこの領域にわたり現れる主な相である。ＳＢＭ表面の中の上記Ｆｅ3 Ｎ及び酸化皮膜は本来備わっている潤滑性の表面を提供し、これが潤滑された、及び／又は潤滑されていない条件のもとで摩擦係数を低下させる。
弁座挿入部材を作るための適当な方法、及び例示的な化学組成が、米国特許第４，７２４，０００号（本出願と共通の所有にかかる）に開示されているが、これはここで参照文献として採用される。通常的に、この弁又は挿入部材の上の窒化物層は、塩浴窒化法、ガス窒化法又はイオン窒化法のような今日入手できる窒化処理法のいずれによっても作ることができる。これらの通常的な形成方法の詳細は簡潔のために、またそのような従来技術の知識は当業者の常識内に属すると考えられるのでここではあげない。
作製に当って、この弁は炭素合金、ステンレス鋼又はニッケル基合金でできていることができる。この中空弁は、米国特許第５，４１３，０４３号（本出願と共通の所有にかかる。これは参照文献としてここに採用される）に記述されているように、鍛造して穿孔し、又は冷間成形して深絞りすることができる。
挿入部材を作製するための適当な方法は、鍛錬金属合金、鋳造金属合金又は粉末合金を使用することを含む。
本発明の方法は、
弁棒を仕上げすることなく各弁座を仕上げし、
それら弁座を塩浴窒化し、そして
弁棒を仕上げ研磨し、それによりそれら弁座の上に硬質窒化物層と厚い拡散層とを形成させて圧痕、摩耗及び接着による摩耗の発生に対して防護する、各段階を含む。
挿入部材は窒化されても窒化されなくてもよい。窒化される場合には好ましくはその弁座挿入部材はそれらをいずれかの窒化方法で処理する前に仕上げ加工された状態又は近似最終形（ｎｅａｒ−ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）の状態にあるのがよい。今日まで、機械加工する必要があることが挿入部材の窒化による利益を無にしてしまうであろうと考えられたために、挿入部材を窒化できるとは考えられていなかった。今日では、高出力ジーゼルエンジンのメーカーは予備仕上げされた挿入部材を受け入れ始めており、それにより、窒化された挿入部材は実用的になっている。
予め仕上げされて窒化された挿入部材は、その窒化された層が高い摩耗抵抗性を与えると言う理由のみならず、より高出力のジーゼルエンジンのメーカーが近似最終形の（又は仕上げされた）挿入部材を高精度の機械加工をすることができるので使用しつつあると言う理由から魅力あるものである。
このように、本発明は従来の方法と対照的な方法である。従来は、エンジンヘッド装置（鋳鉄ヘッド又はアルミニウムヘッドのいずれにおいても）において採用されている弁座挿入部材はそのヘッドの中に粗機械加工された状態で挿入されていた。取り付けに際してそれらは、必要な弁座の角度、同心性及び着座面についての表面状態を得るためにシリンダヘッドの中で仕上げ加工されていた。しかしながら鋳造技術及び機械仕上げ技術の進歩と共に、より多くのエンジン、中でも高出力ジーゼル工業におけるエンジンは、取り付けに際してそれ以上機械加工する必要のない予め仕上げされた弁座挿入部材が受け入れられるほどに精密に機械仕上げされたシリンダヘッドを有している。
耐摩耗性被覆として開示されている窒化層は２０ないし４０ミクロンの厚さであることができるので、窒化された挿入部材はその耐摩耗性層と妥協することなしに、それ以上の機械加工（表面から数ミクロンを超える層が除去されない研磨操作を除く）を許容しないであろう。このような窒化層は、予め仕上げ加工された挿入部材を受け入れることのできるシリンダヘッドに適用することができる。従って、高出力ジーゼルエンジン又は天然ガスエンジンにおける弁座や弁座ガイドのような予め仕上げ加工された構成部材の採用は増大する傾向がある。同様な傾向は、機械加工技術が乗用車工業において用いられている主としてアルミニウムよりなるヘッドの機械加工における公差を改善するにつれて乗用車エンジンにおいても期待できる。
【発明の効果】
本発明の弁装置は、弁座面と挿入部材との間において発生する圧痕、接着および摩擦による摩耗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軽量中空弁装置及び関連部分の断面説明図。
【図２】本発明の弁装置の要部の拡大断面図。
【図３】挿入部材と弁座とが閉じた位置において向かい合ってるところを、その上に形成された摩擦、摩耗抵抗性の層とともに詳細に示す断面図。
【符号の説明】
１０  弁装置
１２  軽量中空弁
１４  弁棒ガイド
１６  弁座面
１８  挿入部材
２０、２２  窒化物層
２４  シリンダヘッド
２６  マージン
２８  首部分
３０  弁棒
【図１】
0004287531.tif 000005
【図２】
0004287531.tif 000006
【図３】
0004287531.tif 000007