CN108397253B - 发动机阀 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是促进从发动机阀向阀座的热移动，抑制燃烧室中的爆燃。解决手段是提供一种发动机阀，所述发动机阀的伞部具有面向内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面。发动机阀的轴部是沿发动机阀的移动方向延伸的部分。颈部是伞部和轴部之间的部分。轴部的材料为耐热钢。伞部的材料为热传导率比耐热钢高的高λ材料，例如铝、铝合金、钨钢、铬钢、低铬钢、低碳钢等。

Description

发动机阀

技术领域

本发明涉及内燃机用的发动机阀。

背景技术

作为与内燃机用的发动机阀(进气阀或排气阀)的材料相关的现有技术文献，已知以下文献。

专利文献1公开了一种钛金属系的发动机阀。更详细而言，发动机阀主体由Ti-Al的金属间化合物形成。发动机阀的轴端部与凸轮(cam)接触，该轴端部由SUH3、SUH11等耐热钢形成。

专利文献2公开了一种进气阀。该进气阀的主体由铝合金形成。进气阀的伞部的阀面与阀座(valve seat)接触，在该阀面的表层部形成有热固化层。而且，在热固化层之下形成有包含强化元素(Ti、Cr、Ni、Cu、Mn、Fe、Co的任一种)的合金层。

专利文献3公开了一种进气阀。该进气阀的骨架部和轴部由SUH3、SUH11等铁系材料形成。该骨架部所含的环部与阀座接触。另外，骨架部周围的部分由铝合金形成。

专利文献4公开了一种排气阀。该排气阀的伞部由SUH1、SUH3等耐热钢形成。另外，该排气阀的轴部由钛或钛合金形成。而且，从轴部的大致整个面延伸到伞部的一部分形成有金属钼喷镀层。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平8-144722号公报

专利文献2：日本特开平11-62525号公报

专利文献3：日本特开2012-162999号公报

专利文献4：特开昭62-41908号公报

发明内容

本申请发明人着眼于以下方面。即，如果发动机阀的温度上升，则燃烧室中容易发生爆燃(knocking)。为了抑制爆燃，有效的是降低发动机阀的温度。并且，为了降低发动机阀的温度，有效的是使尽量多的热从发动机阀向阀座逸散。但是，上述现有技术中，从发动机阀到阀座的热移动并不足够。从发动机阀到阀座的热移动还有改善的余地。

本发明的目的之一，在于提供一种能够促进从发动机阀到阀座的热移动的技术。

本发明的一个观点中，提供一种内燃机用的发动机阀。

该发动机阀包括：

伞部，其具有面向内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面；

轴部，其沿发动机阀的移动方向延伸；以及

伞部和轴部之间的颈部。

轴部的材料是耐热钢。

伞部的材料是铝或铝合金。

本发明的其他观点中，提供一种内燃机用的发动机阀。

该发动机阀包括：

伞部，其具有面向内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面；

轴部，其沿发动机阀的移动方向延伸；以及

伞部和轴部之间的颈部。

轴部的材料是耐热钢。

伞部的材料是钨钢、铬钢、低铬钢和低碳钢中的任一种。

本发明的其他观点中，提供一种内燃机用的发动机阀。

该发动机阀包括：

伞部，其具有面向内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面；

轴部，其沿发动机阀的移动方向延伸；以及

伞部和轴部之间的颈部。

轴部的材料是耐热钢。

100℃时的伞部的材料的热传导率λ的倒数在0.01(m·K/W)～0.04(m·K/W)的范围。

根据本发明，发动机阀的轴部由耐热钢形成，伞部由热传导率λ比耐热钢高的高λ材料(铝、铝合金、钨钢、铬钢、低铬钢、低碳钢等)形成。换句话说，轴部的热传导率λ比伞部的热传导率λ低。因此，热难以从伞部向轴部传导，结果可促进通过阀面的向阀座的热移动。由此，发动机阀的温度有效地下降。发动机阀的温度下降，由此燃烧室的温度下降，可抑制爆燃。

附图说明

图1是概略地表示本发明的实施方式涉及的内燃机的构成的截面图。

图2是用于说明本发明的实施方式涉及的内燃机的进气阀的结构的示意图。

图3是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的概念图。

图4是是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的坐标图。

图5是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的概念图。

图6是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的坐标图。

图7是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的坐标图。

图8是表示本发明的实施方式涉及的进气阀中的第1材料的第1例的图。

图9是用于说明本发明的实施方式涉及的进气阀带来的效果的坐标图。

图10是表示本发明的实施方式涉及的进气阀中的第1材料的第2例的图。

图11是表示各种材料的抗拉强度的坐标图。

图12是表示本发明的实施方式涉及的进气阀的结构的一例的示意图。

图13是表示本发明的实施方式涉及的进气阀的结构的另一例的示意图。

图14是表示本发明的实施方式涉及的进气阀的结构的又一例的示意图。

图15是表示图14所示出的进气阀的结构的变形例的示意图。

图16是表示图14所示出的进气阀的结构的另一变形例的示意图。

附图标记说明

1 燃烧室

2 进气口

3 汽缸头

4 进气开口部

5 阀座

6 冷却通路

10 进气阀(发动机阀)

11 伞部

11S 主面

11F 阀面

12 颈部

13 轴部

21 第1材料部

22 第2材料部

23 接合面

30 中空部

31 绝热材料

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

1.概要

图1是概略地表示本发明的实施方式涉及的内燃机的构成的截面图。内燃机具有燃烧室1。进气口2是为了向燃烧室1供给进气气体而设置的。更详细而言，进气口2在汽缸头3内形成，并且在进气开口部4与燃烧室1相连。

进气阀10是为了控制燃烧室1和进气口2之间的连通而使用的发动机阀。更详细而言，进气阀10通过沿着图1所示的轴线C往复移动来开闭。进气阀10打开时，燃烧室1与进气口2之间连通，进气气体从进气口2导入燃烧室1内。另外，进气阀10关闭时，进气开口部4被进气阀10覆盖，燃烧室1与进气口2之间的连通被截断。

在进气开口部4周围的汽缸头3设置有阀座5。进气阀10关闭时，进气阀10的一部分与该阀座5接触，由此覆盖进气开口部4。

此外，在汽缸头3的内部，形成有用于冷却汽缸头3的冷却通路6(水套，waterjacket)。如图1所示，冷却通路6配置在阀座5的周围，从而能够有效地冷却阀座5。

图2是用于说明本实施方式涉及的进气阀10的结构的示意图。进气阀10包括伞部11、颈部12和轴部13。

伞部11是位于进气阀10之中最靠燃烧室1侧的部分。也就是说，伞部11具有面向燃烧室1的主面11S。主面11S与进气阀10的移动方向(轴线C)正交。另外，伞部11被形成为以能够覆盖进气开口部4的程度扩展。进气阀10关闭时，伞部11与上述阀座5接触，由此覆盖进气开口部4。与阀座5接触的伞部11的表面以下称为“阀面11F”。如图2所示，伞部11的周缘部呈锥状形成，其锥形的斜面相当于阀面11F。

轴部13是沿进气阀10的移动方向(轴线C)延伸的棒状部分，也被称为“茎”。颈部12是伞部11和轴部13之间的部分。图2所示的例子中，颈部12的侧面以连接伞部11的阀面11F和轴部13的侧面之间的方式弯曲。

在图2中，伞部11和颈部12之间的边界用“BD1”表示，颈部12和轴部13之间的边界用“BD2”表示。不过，边界BD1和边界BD2仅为方便起见，并不一定表示物理边界。即，伞部11和颈部12未必需要用不同材料形成，并且未必为不同构件。同样地，颈部12和轴部13也未必需要用不同材料形成，并且未必为不同构件。

本实施方式涉及的进气阀10，从材料的观点出发划分为2个部分。第1个是由第1材料形成的第1材料部21。第2个是由不同于第1材料的第2材料形成的第2材料部22。第1材料部21和第2材料部22在接合面23接合。

更详细而言，第1材料部21至少包含伞部11的全体。另一方面，第2材料部22至少包含轴部13。颈部12可以属于第1材料部21，也可以属于第2材料部22。或者，也可以是颈部12的一部分属于第1材料部21，颈部12的其余部分属于第2材料部22。即，第1材料部21和第2材料部22之间的接合面23可以位于边界BD1、颈部12的中途或边界BD2中的任一者。

根据本实施方式，作为轴部13的材料的第2材料，是从高温强度和耐磨损性的观点来看优异的“耐热钢”。作为第2材料，可例示SUH3、SUH1、SUH11等。另一方面，作为伞部11的材料的第1材料，是热传导率λ比第2材料高的“高λ材料”。作为第1材料(高λ材料)，可例示铝、铝合金、钨钢、铬钢、低铬钢、低碳钢等。

图3是用于说明本实施方式涉及的进气阀10带来的效果的概念图。热主要通过伞部11的主面11S从燃烧室1向进气阀10流入。流入到进气阀10的热的一部分通过伞部11的阀面11F向阀座5脱离。从伞部11到阀座5的热流在图3中用“q1”表示。另外，流入到进气阀10的热的一部分通过颈部12向轴部13传导下去。从伞部11到轴部13的热流在图3用“q2”表示。

要降低进气阀10的温度，需要使流入到进气阀10的热向进气阀10之外逸散。因此，有效的是使尽可能多的热通过阀面11F向阀座5逸散。换句话说，有效的是尽可能增加从伞部11到阀座5的热流q1。为了增加热流q1，减少向轴部13的热流q2即可。

如上所述，根据本实施方式，轴部13由耐热钢形成，伞部11由热传导率λ比耐热钢高的高λ材料形成。换句话说，轴部13的热传导率λ比伞部11的热传导率λ低。因此，热难以从伞部11向轴部13传导，结果可促进通过阀面11F的向阀座5的热移动。也就是说，可抑制向轴部13的热流q2，另一方面促进从伞部11向阀座5的热流q1。由此，进气阀10的温度有效地下降。进气阀10的温度下降，由此燃烧室1的温度下降，可抑制爆燃。

另外，在进气阀10的中尤其是颈部12的温度对颈部12周围的进气口2(参照图1)中的进气气体的温度造成影响。根据本实施方式，从伞部11向阀座5的热流q1增加，可抑制向轴部13的热流q2，因此颈部12的温度下降。如果颈部12的温度下降，则颈部12周围的进气口2中的进气气体的温度也下降。向燃烧室1供给的进气气体的温度下降，因此可进一步抑制爆燃。

再者，本实施方式涉及的阀结构的适用位置不限于进气阀10。本实施方式涉及的阀结构也可以适用于内燃机的排气阀(未图示)。排气阀是为了控制燃烧室1和排气口之间的连通而使用的发动机阀。排气阀的温度下降，由此燃烧室1的温度下降，可抑制爆燃。

2.第1材料(高λ材料)的各种例

2-1.第1例

在第1例中，构成伞部11的第1材料为铝或铝合金。以下，说明第1例带来的效果。

图4是表示进气阀10及其周边的温度分布的坐标图。纵轴表示温度，横轴表示温度的测定位置(B1、B2、B3、A1、A2)。各个位置(B1、B2、B3、A1、A2)示于图5。位置B1是伞部11的主面11S上的位置。位置B2是伞部11的背侧的弯曲部，也就是颈部12的弯曲部上的位置。位置B3是颈部12开始的位置，是从伞部11的阀面11F稍微离开的位置。位置A1是阀座5与冷却通路6之间的位置。位置A2是阀座5周围的冷却通路6内的位置。

图4中的用“铝阀”表示的线表示本实施方式涉及的进气阀10的情况的温度分布。为了说明本实施方式带来的效果，也考虑比较例。比较例中，第1材料和第2材料都是SUH3(耐热钢)。图4中的用“耐热钢阀”表示的线表示该比较例的情况的温度分布。

由图4可明确得知，本实施方式涉及的进气阀10的温度与比较例的情况的温度相比显著地降低。尤其是着眼于位置B2的温度下降。位置B2不是在主面11S和阀面11F之间，而是在主面11S和轴部13之间(参照图5)。因而，位置B2的温度下降意味着轴部13的温度下降、即向轴部13的热流q2(图3参照)的减少。向轴部13的热流q2减少，从伞部11向阀座5的热流q1被促进，因此进气阀10的温度有效地下降。并且，由于进气阀10的温度下降，可抑制爆燃。

再者，图4也示出了对于位置A2(阀座5周围的冷却通路6)的冷却水温度的阀温度分布的依赖性。如果位置A2的冷却水温度从80℃下降到45℃，则由于冷却效果的增大，阀座5和进气阀10的温度进一步下降。

图6示出本实施方式和比较例的情况的位置B2的温度的计算结果。横轴表示热传导率λ。纵轴表示位置B2的温度(以下称为“B2温度”)。作为本实施方式的情况的第1材料，考虑热传导率λ为236[W/(m·K)]的纯铝和热传导率λ为110[W/(m·K)]的硬铝(duralumin)这2种。比较例的情况的SUH3的热传导率λ为20[W/(m·K)]。再者，各个热传导率λ的值是100℃时的值。在以下的说明中，只要没有特别说明，热传导率λ的值就是100℃时的值。

如图6所示，第1材料为纯铝的情况的B2温度比比较例的情况低78℃。在第1材料为硬铝的情况下，B2温度也比比较例的情况低66℃。这样，通过第1例涉及的第1材料，B2温度显著下降。另外，可知即使当不使用高价的纯铝，而使用硬铝的情况下，也可得到充分的温度下降效果。

图7也示出本实施方式和比较例的情况的B2温度的计算结果。横轴表示热传导率λ的倒数(1/λ)，纵轴表示B2温度。比较例的情况的SUH3的1/λ为0.05[m·K/W]。另一方面，本实施方式的情况的纯铝和硬铝的1/λ全都低于0.01[m·K/W]。如图7所示，随着1/λ变小，B2温度进一步变低，也就是说，温度下降效果变得更强。

再者，图7中也示出释放比例。释放比例反映了来自进气阀10的热辐射量。更详细而言，参照已述的图3，流入到进气阀10的热不仅通过上述的热流q1、q2，还通过来自进气阀10的热辐射而被消耗。所谓释放比例，是热流q1、q2以外的热辐射造成的辐射热量相对于总热量的比例。释放比例是进气阀10的温度的函数，随着进气阀10的温度变高而变高。因此，如图7所示，随着1/λ变大，释放比例也增加。

图8示出第1例涉及的第1材料(铝或铝合金)的具体例和各自的1/λ。第1例涉及的第1材料包含纯铝(pure aluminum)、硬铝(duralumin)、超硬铝(super duralumin)和特超硬铝(extra super duralumin)。任一情况下，1/λ都低于0.01[m·K/W]。

如以上说明的，根据第1例，与比较例的情况相比B2温度显著下降。B2温度的下降意味着轴部13的温度下降和从伞部11向阀座5的热移动的增加。因此，可有效地抑制爆燃。

2-2.第2例

图9是与已述的图7相同形式的坐标图。上述的第1例中，第1材料是铝或铝合金，1/λ低于0.01[m·K/W]。第2例中，对于与第1例不同的1/λ的范围、也就是图9中的范围RE进行考虑。

更详细而言，范围RE的下限和上限分别为0.01[m·K/W]和0.04[m·K/W]。作为该范围RE上限的0.04[m·K/W]比比较例(SUH3)的情况的0.05[m·K/W]小。如上所述，另外，如图9所示，随着1/λ变小，B2温度进一步变低，也就是说，温度下降效果变得更强。因而，1/λ处于范围RE的第2例中，在与比较例的情况的比较中可得到温度下降效果。即，范围RE也是有效的。

图10示出第2例涉及的第1材料的具体例。作为第2例涉及的第1材料，可列举钨钢、铬钢(SCr15)、低铬钢(SCrL15)和低碳钢(S15)。各材料的1/λ处于上述范围RE。再者，图10中的热传导率λ和1/λ的值全都是100℃时的值。

图11是表示各种材料的抗拉强度(tensile strength)的坐标图。纵轴表示抗拉强度，横轴表示1/λ。如图11所示，随着1/λ变小，也就是随着热传导率λ变高，抗拉强度变小。尤其是如果1/λ低于0.01[m·K/W]，则抗拉强度急剧下降。因此，可以说1/λ为0.01[m·K/W]以上的范围RE从抗拉强度的观点出发是合适的。

如以上说明的，根据第2例，与比较例的情况相比B2温度下降。即，根据第2例，也可促进从伞部11向阀座5的热移动，因此可得到抑制爆燃的效果。

此外，根据第2例，也可得到如下效果。即，第2例涉及的钢系材料(钨钢、铬钢、低铬钢、低碳钢)与第1例涉及的材料(铝、铝合金)相比，在强度、抗拉强度、耐磨损性等观点优异。因此，与第1例的情况相比，进气阀10的耐久性提高，并且阀面11F的磨损也被抑制。另外，第2例涉及的钢系材料在成本方面也比第1例有利。

2-3.与专利文献1～专利文献4和的对比

以下，对于上述的专利文献1～专利文献4的情况的阀结构进行讨论。

专利文献1(日本特开平8-144722号公报)中，发动机阀主体由Ti-Al的金属间化合物形成。强度由该金属间化合物确保，但并未促进向阀座的热移动。

专利文献2(日本特开平11-62525号公报)中，进气阀的主体由铝合金形成，但在阀面形成有热固化层。而且，在热固化层之下，形成有包含强化元素的合金层。这些热固化层和合金层的热传导率λ比铝合金(进气阀主体)的热传导率λ低。也就是说，热固化层和合金层发挥妨碍向阀座的热移动的作用。其另一方面，进气阀的轴部由铝合金形成，热传导率λ高。因而，流入到进气阀的热不向阀面，反而向轴部流去。即，专利文献2的情况下，不是向阀座的热移动，而是向轴部的热移动被促进。这与本实施方式中的热移动的倾向正相反。

专利文献3(日本特开2012-162999号公报)和专利文献4(日本特开昭62-41908号公报)中，与阀座接触的阀面由SUH3等耐热钢形成。这与上述的比较例相同。

3.关于接合面位置的各种例

以下，对关于第1材料部21和第2材料部22之间的接合面23的位置的各种例进行说明。

图12是表示本实施方式涉及的进气阀10的结构的一例的示意图。图12所示的例子中，接合面23位于伞部11和颈部12之间的边界BD1。也就是说，伞部11由第1材料形成，颈部12和轴部13由第2材料(耐热钢)形成。在此，考虑进气阀10涉及的应力。如图12所示，应力成为最大的最大应力部SM存在于颈部12的中途的弯曲部。该颈部12的材料为高强度的耐热钢，因此最大应力部SM也位于高强度的耐热钢内。这从进气阀10的耐久性的观点出发优选。

图13是表示本实施方式涉及的进气阀10的结构的另一例的示意图。图13所示的例子中，接合面23位于颈部12的中途。更详细而言，接合面23的位置与最大应力部SM的位置一致。因而，可以通过接合来强化最大应力部SM的位置的强度。这从进气阀10的耐久性的观点出发优选。

图14是表示本实施方式涉及的进气阀10的结构的又一例的示意图。图14所示的例子中，接合面23位于颈部12和轴部13之间的边界BD2。即使是图14所示的结构，也可得到抑制向轴部13的热流q2、降低轴部13的温度这样的效果。

图15示出图14所示出的进气阀10的结构的变形例。图15所示的变形例中，在与接合面23相邻的轴部13内形成有中空部30。通过这样的中空部30的存在，可进一步抑制向轴部13的热流q2，结果可进一步促进向阀座5的热移动。

图16示出图14所示出的进气阀10的结构的另一变形例。与图15所示的情况相同，在与接合面23相邻的轴部13内形成有中空部30。而且，在该中空部30填充有绝热材料31。通过这样的中空部30和绝热材料31的存在，可进一步抑制向轴部13的热流q2，结果可进一步促进向阀座5的热移动。

Claims (7)

1.一种发动机阀，是内燃机用的发动机阀，包括：

伞部，其具有面向所述内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面，

轴部，其沿所述发动机阀的移动方向延伸；以及

所述伞部和所述轴部之间的颈部，

所述轴部的材料为耐热钢，

所述伞部的材料为钨钢、铬钢、低铬钢和低碳钢中的任一种，

所述轴部的材料的热传导率比所述伞部的材料的热传导率低。

2.一种发动机阀，是内燃机用的发动机阀，包括：

伞部，其具有面向所述内燃机的燃烧室的主面、和与阀座接触的阀面，

轴部，其沿所述发动机阀的移动方向延伸；以及

所述伞部和所述轴部之间的颈部，

所述轴部的材料为耐热钢，

100℃时的所述伞部的材料的热传导率的倒数在0.01～0.04m·K/W的范围，所述轴部的材料的热传导率比所述伞部的材料的热传导率低。

3.根据权利要求1或2所述的发动机阀，

由所述伞部的所述材料形成的部分为第1材料部，

由所述轴部的所述材料形成的部分为第2材料部，

所述第1材料部和所述第2材料部之间的接合面位于所述伞部和所述颈部之间的边界。

4.根据权利要求1或2所述的发动机阀，

由所述伞部的所述材料形成的部分为第1材料部，

由所述轴部的所述材料形成的部分为第2材料部，

所述第1材料部和所述第2材料部之间的接合面位于所述颈部的中途。

5.根据权利要求1或2所述的发动机阀，

由所述伞部的所述材料形成的部分为第1材料部，

由所述轴部的所述材料形成的部分为第2材料部，

所述第1材料部和所述第2材料部之间的接合面位于所述颈部和所述轴部之间的边界。

6.根据权利要求5所述的发动机阀，

在与所述接合面相邻的所述轴部内存在中空部。

7.根据权利要求5所述的发动机阀，

在与所述接合面相邻的所述轴部内存在绝热材料。

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