(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブステム（２）およびバルブヘッド（４）を有するバルブ本体と、
前記バルブステム（２）の外面に配置されたウイングの形状を有する少なくとも１つの突起（６）と、を含む、内燃機関用ポペットバルブであって、
前記少なくとも１つの突起（６）が、溶接法を使用して前記バルブステム（２）の前記外面に材料を堆積させることによって得られる、少なくとも１つの溶接堆積物（８）により形成されており、
前記少なくとも１つの突起（６）が、重ね合わされたいくつかの溶接堆積物（８）を含むことを特徴とする、ポペットバルブ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの突起（６）の材料が、前記バルブ本体の材料と異なる、請求項１に記載のポペットバルブ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの突起（６）が、異なる材料の溶接堆積物（８）を含む、請求項１または２に記載のポペットバルブ。
【請求項４】
前記ウイング（６）の高さが、前記ウイングの長さ方向に沿って変化している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のポペットバルブ。
【請求項５】
前記ウイング（６）の幅が、前記ウイングの長さおよび／また高さ方向に沿って変化している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のポペットバルブ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのウイング（６）が、軸方向に対して傾斜している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のポペットバルブ。
【請求項７】
内燃機関用ポペットバルブの製造方法であって、
バルブステム（２）およびバルブヘッド（４）を有するバルブ本体を提供するステップ（Ｓ５０２）と、
ウイングの形状を有する少なくとも１つの突起（６）が少なくとも１つの溶接堆積物（８）によって形成されるように、溶接法を使用して前記バルブステム（２）の外面に材料を堆積させるステップ（Ｓ５０６）と、を含み、
前記少なくとも１つの突起（８）を形成するために、いくつかの溶接堆積物を重ね合わせるステップを含むことを特徴とする、製造方法。
【請求項８】
前記材料が粉末材料の形態で提供され、前記溶接法がレーザ溶接を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの突起（８）の材料が、前記バルブ本体の材料と異なる、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
異なる材料を提供して、異なる材料の溶接堆積物（１０）を形成するステップをさらに含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
材料を堆積させる前記ステップの前に、前記バルブステム（２）を機械加工するステップ（Ｓ５０４）をさらに含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
材料を堆積させる前記ステップの後に、前記少なくとも１つの突起（６）を機械加工するステップ（Ｓ５０８）をさらに含む、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブに関し、特にはバルブステムに突起（例えば、ウイング）が設けられた内燃機関用ポペットバルブに関する。本発明はまた、対応するポペットバルブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用ポペットバルブのステムには、ガスの流れをガイドするために、該バルブステム上にウイング、すなわちブレード、フィンまたはリムを設けることができる。アウトレットバルブでは、ウイングにより、排気システムにおけるガスの流れが加速される。インレットバルブでは、ウイングにより、混合気または燃焼ガスの渦が発生し、燃焼室内の混合気のより良い分布がもたらされる。同時に、ガスの流れがウイングに力を加えてバルブに（小さな）回転を引き起こすが、これは、バルブのシートが均一に摩耗することを意味し、エンジンの耐用期間中のガスおよび燃料の漏れを防ぐ。
【０００３】
現在、ウイング付きのポペットバルブの、いくつかの異なる製造方法が存在する。ある方法では、まず、ステムの中央に膨らみ（ball）をアップセットし、その後、通常はフライス加工によって機械加工する。別の方法では、非常に大きな（すなわち、ヘッドおよびウイングを囲むのに十分に大きい）ヘッドセクションを鍛造し、その後、バルブヘッドおよびウイングを得るために機械加工（例えば、フライス加工）する。さらに別の方法は、まず、ステムの中央に小さな膨らみをアップセットしてから、次に、ウイングを鍛造することを含む。さらに別の方法は、機械的アップセッターを使用して、粗いステムを４つまたは５つのステップに鍛造し、その後、ウイングとヘッドとを機械加工する。
【０００４】
これらの製造方法には、いくつかの欠点がある。すなわち、これらの製造方法では、かなり複雑で、多くの場合、追加の加工ステップで材料を除去する必要がある。また、ウイングの材料がバルブ本体の材料と同じでなければならない。
独国公開特許第１０２０１４２１９９１７（Ａ１）号および実開昭６１−１１６１０８号は、渦を生成するために、フィレット部分に配置されたガイド輪郭を有するポペットバルブを開示している。独国公開特許第１０２０１４２１９９１７（Ａ１）号の場合、ガイド輪郭は、溶接ビードを使用して取り付けられ得る。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、これらの問題が回避される、ステムにウイングを有するポペットバルブおよび該ポペットバルブの製造方法を提供することである。
【発明の概要】
【０００６】
この目的は、独立請求項１に従う内燃機関用ポペットバルブによって、また、独立請求項７に従う内燃機関用ポペットバルブの製造方法によって達成される。従属請求項は、好まし実施形態に関連している。このポペットバルブは、バルブステムおよびバルブヘッドを有するバルブ本体と、バルブステムの外面に配置された所定の形状の少なくとも１つの突起と、を含み；少なくとも１つの突起が、溶接法を使用してバルブステムの外面に材料を堆積させることによって得られる、少なくとも１つの溶接シームにより形成されている。
【０００７】
本発明のさらなる態様では、少なくとも１つの突起の材料が、バルブ本体の材料と異なる。
【０００８】
別の態様では、少なくとも１つの突起が、重ね合わされたいくつかの溶接シームを含み得る。
【０００９】
別の態様では、少なくとも１つの突起が、異なる材料の溶接シームを含み得る。
【００１０】
別の態様では、少なくとも１つの突起が、ウイングの形状を有し得る。
【００１１】
別の態様では、ウイングの高さが、該ウイングの長さ方向に沿って変化し得る。
【００１２】
別の態様では、ウイングの幅が、該ウイングの長さおよび／また高さ方向に沿って変化し得る。
【００１３】
別の態様では、少なくとも１つのウイングが、軸方向に対して傾斜し得る。
【００１４】
この目的は、内燃機関用ポペットバルブの製造方法であって、バルブステムおよびバルブヘッドを有するバルブ本体を提供するステップと、所定の形状の少なくとも１つの突起が少なくとも１つの溶接シームによって形成されるように、溶接法を使用してバルブステムの外面に材料を堆積させるステップと、を含む製造方法によってさらに達成される。
【００１５】
さらなる態様では、本発明の方法は、材料を粉末材料の形態で提供するステップを含むことができ、溶接法がレーザ溶接を含む。
【００１６】
この方法の別の態様では、なくとも１つの突起の材料が、バルブ本体の材料とは異なっていてもよい。
【００１７】
別の態様では、この方法は、少なくとも１つの突起を形成するために、いくつかの溶接シームを重ね合わせるステップをさらに含み得る。
【００１８】
別の態様では、この方法は、異なる材料を提供して、異なる材料の溶接シームを形成するステップをさらに含み得る。
【００１９】
別の態様では、この方法は、材料を堆積させるステップの前に、バルブステムを機械加工するステップをさらに含み得る。
【００２０】
別の態様では、この方法は、材料を堆積させるステップの後に、少なくとも１つの突起を機械加工するステップをさらに含み得る。
【００２１】
本発明のさらなる態様によれば、バルブステムおよびバルブヘッドを有するバルブ本体と、バルブステムの外面に配置された少なくとも１つの突起と、を含む内燃機関用ポペットバルブであって、上記方法のいずれか１つを使用して製造されるポペットバルブが提供される。
【００２２】
本出願の文脈において、軸方向は、ポペットバルブの軸でもあるバルブステムの縦軸によって定義され、半径方向は、軸方向に垂直である。さらに、本出願の文脈において、ウイングの形状を有する突起は、単に「突起」とも称される。
【００２３】
ここで、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に従うポペットバルブの側面図および上面図である。
【図２】本発明に従う別のポペットバルブの側面図である。
【図３】本発明に従うさらに別のポペットバルブの側面図である。
【図４】本発明の製造方法に従う突起の構築プロセスを示す図である。
【図５】本発明に従う方法のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１，２および３は、本発明に従うポペットバルブの例示的な実施形態を示す。図中のポペットバルブ（以下、単にバルブともいう）は、バルブステム２およびバルブヘッド４を有するバルブ本体を備えている。図示される各バルブのステム２の外面には、異なる所定の形状の突起６が配置されている。一般に、１つまたは複数の突起を、バルブステム２の外面に配置することができる。この少なくとも１つの突起は、以下に説明するように、クラッディング法を使用した少なくとも１つの溶接シーム８で形成されている。この方法によれば、少なくとも１つの突起は、特に、所定の形状を有する少なくとも１つの突起６を形成することを可能にする、いくつかの溶接シームを重ね合わせることにより形成される。
【００２６】
図１の左側にバルブの側面図を示し、右側にバルブの上面図を示す。４つの突起６は、ステムの表面上に等間隔で配置されている。突起６は、軸方向に対して傾斜した、直線状のウイング（ブレード）の形状を有している。明らかに、突起６の製造が可能である限り（例えば、その数が多すぎると突起が重複してしまう）、「４つ」以外の任意の数の突起６が考えられる。
【００２７】
図２は、ポペットバルブの側面図を示す。バルブステム２の外面には、ステムの周囲に等間隔で配置されたいくつかの突起６が形成されている。また、突起６は、ウイングの形状を有しており、軸方向に対して傾斜しているだけでなく、該ウイングの長さ方向に沿って湾曲している。
【００２８】
図３は、別のポペットバルブの側面図であり、突起６の形状およびバルブステム２上での配置は図２と同様である。唯一の違いは、２組のウイング６が、バルブヘッド４から異なる距離に配置されていることである。この「マルチプロペラバルブ」は、当技術分野で既知の方法では製造が困難な突起構成の一例である。
【００２９】
図１〜３に示す突起／ウイング６は、各図において同じ形状を有し、各図において対称的に分布しているが、より一般的な構成が可能である。例えば、１つのバルブの異なる突起が異なる形状を有していてもよく、それらのバルブヘッドからの距離が異なっていてもよく、それらの周方向の分布が不均一であってもよく、それらの軸方向に対する傾斜角度が異なっていてもよく、あるいは、それらの高さ／幅が異なっていてもよい。
【００３０】
ウイング形状を有する少なくとも１つの突起の寸法は変化し得る。ウイングは、主に２次元に延在し、かつこれらの２次元に直交する幅を有する、平坦なブレード状の物体と見なされる。ウイングの高さは、バルブの半径方向の延長として、すなわちバルブステムの外面に対する延長／高さとして定義される。ウイングの長さは、バルブステムの外面に沿った延長として、すなわち、幅および高さと直交する延長として定義される。これらすべてのパラメータは、１つの突起内で変化し得る。例えば、ウイングの高さは、その長さ方向に沿って変化することが可能であり、かつ／あるいは、ウイングの幅は、その長さおよび／または高さ方向に沿って変化することが可能である。ウイングは、軸方向に対して傾斜することが可能であり、好ましくは湾曲している。
【００３１】
ウイングとは異なる形状の突起も可能である。一例には、リブがあり、例えば、環状リブ、軸方向に対して平行に延びるリブ、または軸方向に対して傾斜したリブである。また、リブの幅、高さおよび長さは、リブごとに異なっていてもよく、幅および高さは、リブ内で異なっていてもよい。
【００３２】
バルブ本体および突起は、バルブ鋼で作られていることが好ましい。より好ましくは、バルブ本体の材料は、X50(DIN 1.4882)，X53(DIN 1.4871)，X45(1.4718)，NC20(DIN 2.4952)，X85(DIN 1.4748)，3015および2512 NbNから選択され、少なくとも１つの突起の材料は、X50(DIN 1.4882)，X53(DIN 1.4871)，X45(1.4718)，NC20(DIN 2.4952)，X85(DIN 1.4748)，X60(DIN 1.4785)，INCONEL(登録商標)718から、バルブ本体の材料に関係なく選択される（括弧内の数字は、各材料のそれぞれの材料番号を示している）。
【００３３】
材料は、少なくとも１つの突起内で異なる場合があるが、これは異なる溶接シームによって材料が異なり得るためである。これにより、少なくとも１つの突起の技術的特性をセクションごとに調整することができる。１つのバルブの異なる突起もまた、異なる材料で作られていてもよい。例えば、材料は、（１つのバルブ上に異なる形状の突起が配置されている場合）それぞれの突起の形状に依存し、あるいはバルブヘッドからの距離に依存し得る。
【００３４】
本発明に従う、ステムに少なくとも１つの突起を有するポペットバルブの製造方法は、バルブヘッドおよびバルブステム（すなわち、ブランク）を有するバルブ本体を提供するステップと、溶接法を使用して材料を堆積することによって、すなわちクラッディングまたは溶接クラッディングによって、少なくとも１つの突起をステムの外面に構築するステップと、を含む。バルブ本体は、当技術分野で既知の方法、例えば、鍛造法によって製造することができる。材料の堆積は、好ましくは、レーザ溶接を使用した溶接法によって行われる。材料は、好ましくは粉末形態で適用され、かつ／あるいは、好ましくはバルブ本体の材料と異なる。
【００３５】
この方法により、現在使用されている突起を有するポペットバルブの製造方法よりも、迅速であり、かつ必要なエネルギーおよび材料が少なくて済む、非常に効率的な生産プロセスが可能になる。クラッディング後の突起の形状は、最終形状に非常に近くなる。これは、機械加工の必要性が少なくなること、あるいは、まったく無くなることを意味している。これは、機械加工作業が困難な合金材料の場合に特に有利である。さらなる利点は、少なくとも１つの突起の材料がバルブ本体の材料と異なり得ることである。好ましい材料のリストについては、上記を参照のこと。
【００３６】
図４は、溶接法を使用して、１つまたは複数の溶接シーム８を表面上に堆積させることによって行われる、突起の構築プロセスを示す。特定の範囲において、少なくとも１つの突起の形状は、溶接法のプロセスパラメータを調整することによって、例えば、材料の堆積速度、溶接速度または溶接領域の幅を調節することによって決定することができる。より高い、かつ／あるいは、より広幅の形状の場合、いくつかの溶接シーム１０が重ねられる。例えば、突起の高さを高くするために、いくつかの溶接シームを互いの上に置くことができる（例えば、図中の１−１−１−１構成）。より広幅の突起は、表面上にいくつかの溶接シームを互いに平行に配置することによって得られる（例えば、２−２構成および３−２−２−２である図中の２または３）。したがって、より広幅の突起の高さは、溶接シームの下層の上にいくつかの溶接シームを隣接して配置することによって増加する。突起の幅は、各層における溶接シームの数を変えることによって変化し得る（一例として、３−２−２−２構成が図示されている）。これを利用して、テーパー状の突起を得ることができる。１つの突起の高さは、該突起に沿って、重ね合わされた溶接シームの数が異なるセクションを有することで変化し得る。
【００３７】
この技術を使用して、上記の形状および技術的特性、特にはウイングおよびリブを含む、様々な形状および技術的特性を有する突起を構築することが可能である。この方法の汎用性により、ウイングおよびリブとは異なる突起を形成することが可能になり、例えば、半径方向に見た場合に、細長い形状ではなく、バルブステムの一部を覆う丸い、円形または長方形の形状を有する波形形状または隆起部分を形成することが可能になる。
【００３８】
さらに、異なる溶接シームに対して異なる物理的／技術的特性を有する異なる材料を提供して使用することによって、少なくとも１つの突起の材料を該突起内で様々にすることが可能である。好ましい材料のリストについては、上記を参照のこと。一例として、突起の燃焼室に面する側に耐熱性の高い材料を使用し、燃焼室に面しない反対側に熱伝導性の高い材料を使用することができる。同様に、様々な硬度、耐食性、延性などの材料を様々な溶接シームに使用することができる。材料は溶接シームごとに変化し得るため、少なくとも１つの突起内での材料の変化は、高さだけでなく幅でも可能である。
【００３９】
バルブ本体の外面、特にステムの外面は、溶接に備えて、少なくとも１つの突起を形成するプロセスの前に機械加工され得る。好ましくは、材料を堆積させるステップに続いて、ポペットバルブの表面、特には少なくとも１つの突起の表面を機械加工する。このようにして、少なくとも１つの突起の最終形状およびバルブの所望の表面仕上げを得ることができる。両方（堆積ステップの前後）の場合において、機械加工には、研削、旋削、フライス加工、ショットブラストおよび摩擦仕上げが含まれる。
【００４０】
図５は、本発明に従う方法のフローチャートを示す。２つの主なステップは、（バルブステムおよびバルブヘッドを有する）バルブ本体を提供するステップＳ５０２と、バルブステムの外面に材料を堆積させるステップＳ５０６と、である。ここで、バルブ本体を提供するステップには、当技術分野で既知の方法を使用してバルブ本体を製造することが含まれていてもよく、材料を堆積させるステップは、上述のクラッディング法を使用して行われる。この図は、２つの可能な追加のステップ、すなわち、材料を堆積させるステップの前にバルブステムを機械加工するステップＳ５０４と、材料を堆積させるステップの後に突起を機械加工するステップＳ５０８と、を示している。
【００４１】
当業者であれば、１つまたは複数の突起をステムに有するポペットバルブを得るために、この方法の異なる態様を組み合わせることができ、少なくとも１つの突起の所望の技術的特性、すなわち形状、材料、表面仕上げなどを有するポペットバルブを得るために突起を形成することができることは明らかであろう。
【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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