CN107227982B - 发动机阀及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机阀及其制造方法。所述发动机阀(10)包括轴部分(12)和形成在所述轴部分(12)的一端处的伞形部分(14)。所述发动机阀(10)打开和关闭内燃机的燃烧室的进气口或排气口。另外，所述发动机阀(10)的在其纵向方向上从所述伞形部分(14)延伸到所述轴部分(12)上的一位置的至少一部分包括：阀主体(16)，所述阀主体由钢或镍合金制成；以及芯构件(18)，所述芯构件由铜或铜合金制成并且设置在所述阀主体(16)内。

Description

发动机阀及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于打开/闭合内燃机的燃烧室的进气口或排气口的发动机阀，还涉及制造此发动机阀的方法。

背景技术

为了增加发动机的旋转速度，必须通过减轻发动机阀的重量来增加发动机阀响应于凸轮旋转的响应速度。另外，在增加发动机输出的情况下，由于燃烧温度升高，因此如果发动机阀的热辐射性能差，则发动机阀可被加热至超过耐热温度的温度。因此，在发动机阀用于需要高速旋转和高输出的内燃机的情况下，发动机阀需要具有优异的质轻性质，并且具有足够的热辐射性能或耐热性能。

在这方面，日本特许第04-069495号公报提出了一种发动机阀，该发动机阀包括中空阀主体和装载在阀主体内的芯构件。阀主体由钢制成，并且芯构件由具有良好耐热性能并且比重比钢的比重小的钛或钛合金制成。因此，在该发动机阀中，相比于具有实心阀主体(只由钢制成)的发动机阀，可以实现重量减轻，而没有使耐热性能劣化。

另外，日本实用新型第60-034725号公报提出了一种发动机阀，其中，由铝、铝合金、镁和镁合金中的任一种制成的芯构件被装载在阀主体内。日本特开第2012-097627号公报提出了一种发动机阀，其中，金属钠被密封在阀主体内。在日本实用新型第60-034725号公报和日本特开第2012-097627号公报中描述的发动机阀中，在阀主体内设置相比于钢具有小比重和大导热率的金属。因此，相比于具有实心阀主体的发动机阀，可以实现重量减轻并且改进热辐射性能。

发明内容

近年来，为了既实现高输出又改进燃料经济性而利用增压器使发动机排量减小的内燃机(尺寸缩小的内燃机)已经备受关注。在此内燃机中，通常，在低速旋转区而非高速旋转区中，设计转矩改进。高速旋转并不十分必要。另一方面，由于燃烧室往往没有因增压而变热，因此需要通过发动机阀积极辐射燃烧室中的热来抑制由于预点燃而出现爆震等。因此，在尺寸缩小的内燃机中使用的发动机阀中，重要的是改进热辐射性能，而非重量减轻。

然而，日本特许第04-069495号公报、日本实用新型第60-034725号公报和日本特开第2012-097627号公报中描述的发动机阀的主要目的是实现质量减轻。即使设置了由以上金属中的任一种制成的芯构件，也担心无法得到对于缩小尺寸的内燃机中使用的发动机阀而言足够的热辐射性能。特别地，在日本特许第04-069495号公报中描述的发动机阀中，由于相比于用于阀主体的钢，用于芯构件的钛和钛合金的导热率并不是特别大，因此难以改进热辐射性能。

另外，在日本实用新型第60-034725号公报中描述的发动机阀中，由于很难说由铝、镁等制成的芯构件的延展性足够，因此难以通过挤出等将芯构件和阀主体一体成型。在这种情况下，为了得到发动机阀，需要复杂步骤，诸如通过精确切割等将芯构件装载在预先形成为中空形状的阀主体中。因此，制造效率可劣化，并且制造成本可不期望地增加。

另外，在日本特开第2012-097627号公报中描述的发动机阀中，由于难以操纵作为遇水反应物质的钠，因此制造效率降低并且制造成本增加是不可避免的。另外，难以在处置用过的发动机阀时进行操纵。

本发明的主要目的是提供一种发动机阀，在该发动机阀中，可以有效改进热辐射性能，并且以低成本高效制造发动机阀。

本发明的另一个目的是提供制造以上发动机阀的方法。

根据本发明的实施方式，提供了一种用于打开和闭合内燃机的燃烧室的进气口或排气口的发动机阀。所述发动机阀包括轴部分和形成在所述轴部分的一端处的伞形部分。所述发动机阀的在其纵向方向上从所述伞形部分延伸到所述轴部分上的一位置的至少一部分包括：阀主体，所述阀主体由钢或镍合金制成；以及芯构件，所述芯构件由铜或铜合金制成并且设置在所述阀主体内。

根据本发明的发动机阀包括在由钢或镍合金制成的阀主体内的由铜或铜合金制成的芯构件。铜或铜合金的导热率大于钢、镍合金、钛、铝、镁和钠中的任一种的导热率。通过设置由具有此大导热率的材料制成的芯构件，可以有效改进发动机阀的热辐射性能。因此，例如，发动机阀可适于应用于如下的内燃机(尺寸缩小的内燃机)：通过利用增压器来减小其发动机排量。在这种情况下，即使内燃机往往会由于增压而变热，由于内燃机中的热可通过发动机阀被快速传导和辐射到燃烧室的外部，因此可以有效抑制由于预点燃而导致内燃机中出现爆震等。

另外，芯构件由延展性比铝、镁等的延展性高的铜或铜合金制成。因此，变得容易通过挤出成型等将阀主体和芯构件一体成型，由此得到发动机阀。另外，不同于钠等，可容易地操纵铜或铜合金。相比于具有由铝、镁、钠等制成的芯构件的发动机阀，可以以低成本高效制造本发明的发动机阀。另外，容易在处置用过的发动机阀时进行操纵。

在发动机阀中，优选地，在比所述内燃机的操作温度低的温度下，在所述阀主体和所述芯构件之间至少部分形成有间隙，并且所述阀主体和所述芯构件由于在所述操作温度或更高温度下的热膨胀而彼此紧密接触。

铜或铜合金的热膨胀系数大于钢或镍合金的热膨胀系数。因此由于环境温度从内燃机操作之前的温度升高至其操作温度而导致芯构件热膨胀的程度大于由于环境温度同样升高而导致阀主体热膨胀的程度。因此，通过将阀主体和芯构件的尺寸设置为在内燃机的操作温度下使阀主体和芯构件彼此紧密接触，在比内燃机的操作温度低的温度下在阀主体和芯构件之间至少部分形成有间隙。

也就是说，在该发动机阀中，在内燃机的温度达到其操作温度之前，由于因间隙中的空气在阀主体和芯构件之间形成热绝缘部分，因此可以减少发动机的热辐射。在该结构中，抑制了燃烧室通过发动机阀进行的热辐射，并且可以将内燃机的温度快速升高至操作温度。

另一方面，在内燃机的温度达到操作温度之后，由于在彼此紧密接触的阀主体和芯构件之间建立了良好的热传导，因此可以增加发动机阀的热辐射。因此，可通过发动机阀有效地辐射燃烧室中的热，并且可抑制温度进一步升高。

如上所述，由于可以根据内燃机的温度来改变发动机阀中的热传导，因此可以提高内燃机的启动操作性能，并且抑制由于预点燃而导致的爆震等。

另外，根据本发明的另一个实施方式，提供了一种制造用于打开和关闭内燃机的燃烧室的进气口或排气口的发动机阀的方法。所述发动机阀包括轴部分和形成在所述轴部分的一端处的伞形部分。所述方法包括：金属坯料形成步骤：通过在钢或镍合金的第一材料内部装载铜或铜合金的第二材料来形成金属坯料；轴部分形成步骤：在等于或高于所述内燃机的操作温度的温度下的温暖温度范围或热温度范围内挤出所述金属坯料，由此形成所述轴部分，在所述轴部分中，由所述第二材料制成的芯构件设置在由所述第一材料制成的阀主体内；以及伞形部分形成步骤：将所述金属坯料的除了所述轴部分外的一部分塑性变形，由此形成所述伞形部分，在所述伞形部分中，所述芯构件设置在所述阀主体内。

在根据本发明的制造方法中，可以容易地对由第一材料和第二材料制成的金属坯料执行一体成型，由此制造具有优异热辐射性能的发动机阀，其中，由铜或铜合金制成的芯构件设置在由钢或镍合金制成的阀主体内。因此，不需要执行费力步骤，诸如将芯构件装载到通过精确切割工作等预先形成为中空形状的阀主体中。另外，不需要操纵诸如钠的遇水反应的物质。因此，变得可以提高发动机阀的制造效率，并且降低制造成本。

另外，在所述制造方法中，如上所述，在等于或高于内燃机的操作温度的温度下的温暖温度范围或热温度范围中挤出金属坯料，从而形成轴部分，并且此后，金属坯料的除了轴部分外的一部分发生塑性变形，从而形成伞形部分。在按以上方式得到的发动机阀中，由于阀主体和芯构件的尺寸被设置为使得在与内燃机的操作温度对应的温度下阀主体和芯构件彼此紧密接触，因此在比操作温度低的温度下在阀主体和芯构件之间至少部分形成有间隙。因此，可以得到能够以改进内燃机启动操作的性能并且抑制由于预点燃而导致的爆震等的方式按照内燃机的温度来调节热辐射量的发动机阀。

当结合附图进行以下描述时，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更清楚，在附图中，用示例性实施例来示出本发明的优选实施方式。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明的实施方式的发动机阀的剖视图；

图2是示意性示出制造图1中的发动机阀的方法中的金属坯料形成步骤的视图；

图3A是示意性示出轴部分形成步骤的视图；

图3B是示意性示出轴部分形成步骤的另一个视图；

图4是示意性示出伞形部件形成步骤的视图；

图5A是示意性示出根据另一个实施方式的发动机阀的剖视图；以及

图5B是示意性示出根据又一个实施方式的发动机阀的剖视图。

具体实施方式

下文中，将参照附图来描述根据本发明的发动机阀的优选实施方式连同其制造方法。

如图1所示，根据本发明的实施方式的发动机阀10用作用于打开/关闭内燃机的燃烧室的进气口或排气口(二者都未示出)的进气阀或排气阀。发动机阀10包括大体圆柱形轴部分12和伞形部分14，从轴部分12的一端起，伞形部分14的直径以大体倒锥形的方式逐渐扩大。

发动机阀10的在纵向方向上从伞形部分14延伸到轴部分12的大体中心位置的一部分由阀主体16的中空部分和设置在阀主体16内部的芯构件18制成。另外，发动机阀10的在纵向方向上从大体中心部分延伸到轴部分12的另一端的另一个部分由阀主体16的实心部分制成。

阀主体16由例如诸如SUH 35、SUH11、NCF等的耐热钢或诸如DY2等镍合金制成，因为这些材料的耐热性质和抗氧化性质优异，另外其成本低。另外，阀主体16包括：轴主体20，其形成轴部分12；以及伞形主体22，其直径以大体倒锥形方式从轴主体20的一端起逐渐扩大，以形成伞形部分14。

芯构件18由相比于钢或镍合金具有大导热率和大热膨胀系数的铜或铜合金制成。芯构件18包括：轴芯24，其设置在轴主体20中，以形成轴部分12；以及伞形芯26，其设置在伞形主体22中，以形成伞形部分14。伞形芯26相比于轴芯24具有大直径。在该实施方式中，伞形芯26的一端处的端面26a具有向着轴芯24凹进从而使其表面积增大的圆弧形状。端面26a和伞形主体22的一个端面联合地形成发动机阀10的一个端面。

另外，芯构件18的外周缘表面沿着阀主体16的内周缘表面设置。由于芯构件18和阀主体16之间存在热膨胀系数差异，因此当发动机阀10的温度低于内燃机的操作温度(下文中被简称为操作温度)时，在芯构件18的外周缘表面和阀主体16的内周缘表面之间至少部分形成间隙。另一方面，当发动机阀10的温度是操作温度或更高时，芯构件18的外周缘表面和阀主体16的内周缘表面被布置成彼此紧密接触。如上所述，由于伞形芯26的直径和体积大于轴芯24的直径和体积，因此热膨胀之前和之后伞形芯26的尺寸差异相应地大。因此，相比于轴主体20的内周缘表面和轴芯24的外周缘表面之间，在伞形主体22的内周缘表面和伞形芯26的外周缘表面之间往往会更容易形成以上间隙。

另外，在随后描述的制造发动机阀10的步骤中，通过挤出或压制成形，在轴芯24和伞形芯26之间形成颈部(收缩部分)28。另外，在轴主体20和伞形主体22之间的阀主体16的内壁上，形成沿着颈部28扩大的扩大部分30。在低于操作温度的温度下，颈部28在轴向方向上的两侧的芯构件18的一些部分的外径大于阀主体16的扩大部分30的内径。因此，芯构件18被保持，而没有离开阀主体16。

根据本发明的实施方式的发动机阀10基本上具有以上结构。接下来，将参照图2、图3A、图3B和图4来描述制造发动机阀10的方法。如下所述，制造方法包括金属坯料形成步骤、轴部分形成步骤和伞形部分形成步骤。

在金属坯料形成步骤中，如图2所示，通过在第一材料40内部装载第二材料42来形成金属坯料44。第一材料40是钢或镍合金，即，上述阀主体16的材料。第二材料42是铜或铜合金，即，芯构件18的材料。更具体地，在金属坯料形成步骤中，首先，切割由以上钢或镍合金制成的圆柱形构件，使其具有预定大小。

切割后的圆柱形构件经受例如使用具有预定形状的冲压工具进行的反向挤出成型，由此形成有底的孔48，从而得到第一材料40。有底的孔48是锥形部分46的轴中心部分，锥形部分46在其底表面具有减小直径。接下来，将已经被处理成与第一材料40的有底的孔48对应的形状的第二材料42装载在有底的孔48中。因此，得到金属坯料44。此时，第二材料42的锥形前端进入锥形部分46，由此执行第一材料40和第二材料42的中心对准(定心)。

在轴部分形成步骤中，在处于等于或高于内燃机操作温度的温度的温暖温度范围或热温度范围内，对金属坯料44执行挤出成型，由此形成轴部分12，其中，由第二材料42制成的轴芯24设置在由第一材料40制成的轴主体20内。更具体地，如图3A所示，第一模具54包括：变窄部分50，其具有与轴部分12的外径对应的内径；以及大直径部分52，其具有与金属坯料44的外径对应的内径，首先，将金属坯料44放置在大直径部分52中，使得金属坯料44的底面侧面向变窄部分50。此时，例如，通过将模具加热至900℃至1000℃的范围内的温度，将金属坯料44加热至操作温度或更高。

接下来，如图3B所示，通过冲压工具56将金属坯料44压向变窄部分50，以执行挤出成型。因此，轴主体20和轴芯24在操作温度或更高温度下被一体成型，由此形成轴部分12。结果，得到包括轴部分12和头部分57的预备成型体58，头部分57的直径大于轴部分12的直径。

在伞形部分形成步骤中，首先，从第一模具54中取出预备成型体58，并且将预备成型体58放置在图4中示出的第二模具60中。第二模具60包括下模具62和上模具64。下模具62具有通孔66和腔体形成表面68，轴部分12被插入通过通孔66，腔体形成表面68与伞形部分14的外周缘表面的形状对应。上模具64具有与伞形部分14的一个端面的形状对应的凸腔体形成表面70。

预备成型体58的轴部分12被插入下模具62的通孔66中，并且其头部分57被放置在下模具62的腔体形成表面68上。在这种状态下，上模具64被压贴头部分57以执行加厚成型，由此头部分57发生塑性变形。以这种方式，可以形成伞形部分14，其中，伞形芯26设置在伞形主体22内。应该注意，由于以上轴部分形成步骤中的挤出成型的处理热等，导致预备成型体58的温度是例如大约800℃。因此，利用余热，还可以在操作温度或更高温度下执行伞形部分形成步骤。

结果，得到具有在轴部分12的一端形成的伞形部分14的发动机阀10。也就是说，可通过将阀主体16和芯构件18一体成型来得到发动机阀10。另外，在以此方式得到的发动机阀10中，由于分别在阀主体16和芯构件18中形成了扩大部分30和颈部28，因此阀主体16和芯构件18被组合在一起，彼此没有任何脱离。

如上所述，发动机阀10包括由具有大导热率的铜或铜合金制成的芯构件18，由此表现出优异的热辐射性能。因此，例如，发动机阀10可适宜地用于如下的内燃机：在内燃机中，可通过利用增压器(尺寸缩小的内燃机)来减小内燃机的排量。在这种情况下，即使内燃机往往会由于增压而变热，由于燃烧室中的热可通过发动机阀10被快速传导和辐射到燃烧室的外部，因此可以有效抑制由于预点燃而导致的爆震等。另外，由于发动机阀10具有如上所述的优异热辐射性能，因此特别地，可适宜地将发动机阀10用作排气阀，相比于进气阀，排气阀往往会变热。

由于发动机阀10的芯构件18由延展性比铝、镁等的延展性高的铜或铜合金制成，因此容易将阀主体16和芯构件18一体成型，由此制造发动机阀10。也就是说，在制造发动机阀10时，不需要执行费力步骤，诸如将芯构件装载到通过精确切割工作等预先形成为中空形状的阀主体中。另外，不需要使用诸如钠的遇水反应的物质。因此，相比于具有由铝、镁、钠等制成的芯构件18的情况，可以以低成本高效得到发动机阀10。

另外，如上所述，在发动机阀10中，由于轴部分12和伞形部分14是在操作温度或更高温度下形成的，因此阀主体16和芯构件18的尺寸被设定为使得阀主体16和芯构件18在操作温度下彼此牢固接触。因此，在低于操作温度的温度下，在阀主体16和芯构件18之间至少部分形成间隙。

因此，在内燃机达到操作温度之前，由于因间隙中的空气在阀主体16和芯构件18之间形成并且存在热绝缘部分，因此可以减少来自发动机阀10的热辐射。在该结构中，抑制通过发动机阀10从燃烧室辐射热，并且可以将内燃机的温度快速升高至操作温度。

在内燃机达到操作温度之后，由于在彼此紧密接触的阀主体16和芯构件18之间产生良好的热辐射，因此可以增加来自发动机阀10的热辐射。因此，可通过发动机阀10高效辐射燃烧室中的热，并且可抑制温度进一步升高。

如上所述，由于可以根据内燃机的温度来改变发动机阀10中的热传导，因此可以改进内燃机的启动操作性能，并且抑制由于预点燃而导致的爆震等。

本发明不特别限于上述实施方式，并且可在不脱离本发明的范围内进行各种修改。

例如，在根据本发明的实施方式的发动机阀10中，伞形芯26的一端处的端面26a形成为向着轴芯24凹进的圆弧形状。然而，在这点上，本发明不受限。例如，如在图5A中示出的发动机阀80的情况下，可在伞形芯26的一端处设置平面端面80a。用相同的参考标号来标记具有与图1中示出的功能和效果相同或相似的功能和效果的图5A中示出的构成元件，并且省略对其的详细描述。

在得到这种类型的发动机阀80的情况下，例如，在伞形部分形成步骤中使用第二模具60将预备成型体58塑性变形时，可使用具有替代凸腔体形成表面的平坦腔体形成表面的上模具64。

另外，在根据以上实施方式的发动机阀10中，伞形芯26的端面26a和伞形主体22的一个端面联合地形成发动机阀10的一个端面。然而，在这点上，本发明不受限。例如，如在图5B中示出的发动机阀90的情况一样，伞形芯26的一端处的端面90a可被封盖92覆盖。例如，像阀主体16中一样，封盖92可由钢或镍合金制成。

在得到这种类型的发动机阀90的情况下，例如，钢或镍合金的第三材料(未示出)，即用于封盖92的材料，被放置在第二材料42的有底的孔48的开口侧，第一材料40被装载在该有底的孔中。在这种状态下，通过冲压工具56，可将第三材料和金属坯料44压向变窄部分50，以执行挤出成型。由于设置了由钢或镍合金制成的封盖92，因此在发动机阀90中，不可能出现芯构件18的腐蚀或者在阀主体16和芯构件18之间不可能累积碳、沉淀物等。因此，可以提高耐久性。另外，通过改变封盖92的厚度，可以调节内燃机的操作温度。

另外，在根据本发明的实施方式的发动机阀10中，发动机阀10的在纵向方向上从伞形部分14延伸到轴部分12的大体中心位置的那部分由阀主体16和在阀主体16内设置的芯构件18制成。然而，在这点上，本发明不受限。例如，在纵向方向上包括伞形部分14和轴部分12的发动机阀10整体可由阀主体16和芯构件18制成。另选地，在轴部分12中，由阀主体16和芯构件18制成的一部分的长度可比在纵向方向上在伞形部分14和轴部分12的大体中心位置之间的距离短。

Claims (3)

1.一种用于打开和关闭内燃机的燃烧室的进气口或排气口的发动机阀(10)，所述发动机阀(10)包括轴部分(12)和形成在所述轴部分(12)的一端处的伞形部分(14)，

其中，所述发动机阀(10)的在其纵向方向上从所述伞形部分(14)延伸到所述轴部分(12)上的一位置的至少一部分包括：

阀主体(16)，所述阀主体由钢或镍合金制成；以及

芯构件(18)，所述芯构件由铜或铜合金制成并且设置在所述阀主体(16)内，

所述芯构件(18)包括：轴芯(24)，其形成所述轴部分(12)；伞形芯(26)，其形成所述伞形部分(14)；以及颈部(28)，其是被形成于所述轴芯(24)和所述伞形芯(26)之间的收缩部分，

所述阀主体(16)包括：轴主体(20)，其形成所述轴部分(12)；伞形主体(22)，其形成所述伞形部分(14)；以及扩大部分(30)，其被形成在所述轴主体(20)和所述伞形主体(22)之间的所述阀主体(16)的内壁上，且沿着所述颈部(28)扩大，

所述芯构件(18)的将所述颈部(28)夹在彼此之间的轴向两侧的部位的外径大于所述阀主体(16)的所述扩大部分(30)的内径。

2.根据权利要求1所述的发动机阀(10)，其中，在比所述内燃机的操作温度低的温度下，在所述阀主体(16)和所述芯构件(18)之间至少部分形成有间隙，并且

所述阀主体(16)和所述芯构件(18)由于在所述操作温度或更高温度下的热膨胀而彼此紧密接触。

3.一种制造用于打开和关闭内燃机的燃烧室的进气口或排气口的发动机阀(10)的方法，所述发动机阀(10)包括轴部分(12)和形成在所述轴部分(12)的一端处的伞形部分(14)，

所述方法包括：

金属坯料形成步骤：通过在钢或镍合金的第一材料(40)内部装载铜或铜合金的第二材料(42)来形成金属坯料(44)；

轴部分形成步骤：在等于或高于所述内燃机的操作温度的温度下的温暖温度范围或热温度范围内挤出所述金属坯料(44)，由此形成所述轴部分(12)，在所述轴部分(12)中，由所述第二材料(42)制成的芯构件(18)设置在由所述第一材料(40)制成的阀主体(16)内；以及

伞形部分形成步骤：将所述金属坯料(44)的除了所述轴部分(12)外的一部分塑性变形，由此形成所述伞形部分(14)，在所述伞形部分(14)中，所述芯构件(18)设置在所述阀主体(16)内。