DE102019124881A1

DE102019124881A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102019124881A1
Application number: DE102019124881.7A
Authority: DE
Inventors: Manabu Tateno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2020-05-20
Also published as: US10865667B2; CN111188660A; US20200157979A1; CN111188660B; JP2020084773A; JP7063246B2

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine (10) umfasst: Einlass- und Auslasskanäle (22; 24); ein Einlassventil (26), das einen Einlassventilschaft (26a) und einen Einlassventilkopf (26b) umfasst; und ein Auslassventil (28), das einen Auslassventilschaft (28a) und einen Auslassventilkopf (28b) umfasst. Die Oberfläche des Einlassventils (26) umfasst eine Vorderseite (40) des Einlassventilkopfes, welche in der Brennkammer (20) freiliegt, wenn das Einlassventil (26) geschlossen ist, und eine Rückseite (42) des Einlassventilkopfes, die in dem Einlasskanal (22) freiliegt, wenn das Einlassventil (26) geschlossen ist. Die Oberfläche des Auslassventils (28) umfasst eine Vorderseite (46) des Auslassventilkopfes, die in der Brennkammer (20) freiliegt, wenn das Auslassventil (28) geschlossen ist, und eine Rückseite (48) des Auslassventilkopfes, die in dem Auslasskanal (24) freiliegt, wenn das Auslassventil (28) geschlossen ist. Der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (48) des Auslassventilkopfes ist größer als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) von jeweils der gesamten Vorderseite (40) des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite (42) des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite (46) des Auslassventilkopfes.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, die mit Tellereinlass- und -auslassventilen ausgestattet ist.
Stand der Technik
Zum Beispiel JP 2018-087562 A offenbart eine Verbrennungskraftmaschine, die mit Tellereinlass- und -auslassventilen ausgebildet ist. Jede Ventiloberfläche, die sich auf der Seite näher an einer Brennkammer befindet als Ventilsitze in diesen jeweiligen Einlass- und Auslassventilen, hat einen Abschnitt M, der in einer Spiegeloberfläche umfasst ist, dessen arithmetischer Mittenrauwert kleiner ist als 0,3 µm, und einen Abschnitt R, der in einer rauen Oberfläche umfasst ist, dessen arithmetischer Mittenrauwert größer gleich 0,3 µm ist.
Kurzfassung der Erfindung
Es bestehen die folgenden Anforderungen bezüglich Einlass- und Auslassventilen, die jeweils Einlass- und Auslasskanäle öffnen und schließen, die mit einer Brennkammer in Verbindung stehen. Das soll heißen, bezüglich einer Ansaugluft ist es in Hinblick auf die Ausgangsleistungsperformance und einer Kraftstoffeffizienzperformance einer Verbrennungskraftmaschine erforderlich, die Wärmeübertragung von dem Einlassventil auf die Ansaugluft so weit wie möglich zu reduzieren. Bezüglich eines Abgases ist es in Hinblick auf eine Reduzierung der Temperatur des Abgases, das aus der Brennkammer ausgestoßen wird, erforderlich, die Wärmeübertragung auf das Auslassventil von dem Abgas, das durch den Auslasskanal strömt, so weit wie möglich zu fördern. Zudem ist es während der Verbrennung, wenn die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, erforderlich, hinsichtlich der Reduzierung des Kühlverlusts der Verbrennungskraftmaschine, die Wärmeübertragung von Brenngas auf die Einlass- und Auslassventile so weit wie möglich zu reduzieren.
JP 2018-087562 A offenbart nicht, wie der arithmetische Mittenrauwert einer Oberfläche des Einlassventils, die sich auf der Seite befindet, die in einem Einlasskanal freiliegt, wenn das Einlassventil geschlossen ist (in der vorliegenden Anmeldung als „Rückseite des Einlassventilkopfes“ bezeichnet), und der arithmetische Mittenrauwert einer Oberfläche des Auslassventils, die sich auf der Seite befindet, die in einem Auslasskanal freiliegt, wenn das Auslassventil geschlossen ist (nachfolgend als „Rückseite des Auslassventilkopfes“ bezeichnet) eingestellt werden sollte. Um allerdings die oben beschriebenen Anliegen hinsichtlich des Temperaturmanagements der Ansaugluft, des Abgases und des Brenngases zu erfüllen, ist es vorteilhaft, nicht nur den arithmetischen Mittenrauwert jeder der Oberflächen der Einlass- und Auslassventile, die auf der Seite der Brennkammer freiliegen (als „Vorderseite des Einlassventilkopfes“ und „Vorderseite des Auslassventilkopfes“ bezeichnet), einheitlich und ordentlich einzustellen, sondern auch den arithmetischen Mittenrauwert von jeweils der Rückseite des Einlassventilkopfes und der Rückseite des Auslassventilkopfes.
Die vorliegende Erfindung wurde angefertigt, um das oben beschriebene Problem zu adressieren, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die ein Temperaturmanagement von Ansaugluft, Abgas und Brenngas durch die Verwendung von Einlass- und Auslassventilen ordentlich durchführen kann.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfasst: einen Einlasskanal und einen Auslasskanal, die mit einer Brennkammer in Verbindung stehen; ein Einlassventil, das einen Einlassventilschaft und einen Einlassventilkopf umfasst, wobei der Einlassventilkopf an einem Ende des Einlassventilschafts angeordnet ist und den Einlasskanal öffnet und schließt; ein Auslassventil, das einen Auslassventilschaft und einen Auslassventilkopf umfasst, wobei der Auslassventilkopf an einem Ende des Auslassventilschafts angeordnet ist und den Auslasskanal öffnet und schließt. Das Einlassventil hat eine Oberfläche, die eine Vorderseite des Einlassventilkopfes umfasst, welche in der Brennkammer freiliegt, wenn das Einlassventil geschlossen ist, und eine Rückseite des Einlassventilkopfes, die in dem Einlasskanal freiliegt, wenn das Einlassventil geschlossen ist. Das Auslassventil weist eine Oberfläche auf, die eine Vorderseite des Auslassventilkopfes umfasst, die in der Brennkammer freiliegt, wenn das Auslassventil geschlossen ist, und eine Rückseite des Auslassventilkopfes, die in dem Auslasskanal freiliegt, wenn das Auslassventil geschlossen ist. Ein arithmetischer Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Auslassventilkopfes ist größer als ein arithmetischer Mittenrauwert von jeweils der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes.
Der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Auslassventilkopfes kann größer sein als 0,5 µm. Der arithmetische Mittenrauwert von jeweils der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes kann ebenfalls kleiner gleich 0,5 µm sein.
Auf der Rückseite des Auslassventilkopfes kann mindestens eine Nut ausgebildet sein.
Die mindestens eine Nut kann eine Mehrzahl an Nuten umfassen, die in der Rückseite des Auslassventilkopfes derart ausgebildet sind, dass sie sich radial in einer Radialrichtung des Auslassventilkopfes erstrecken.
Jede der Mehrzahl an Nuten kann derart ausgebildet sein, dass sie an einem Abschnitt des Auslassventilkopfes, der sich radial außen befindet, tiefer wird als an einem Abschnitt des Auslassventilkopfes, der sich radial innen befindet.
Der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes und der Rückseite des Auslassventilkopfes kann größer sein als der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes und der Rückseite des Einlassventilkopfes.
Der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Auslassventilkopfes kann größer sein als der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes.
Der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes kann größer sein als der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes.
Der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes kann kleiner sein als der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes.
Ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Vorderseite des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf befindet, kann größer sein als ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Vorderseite des Einlassventilkopfes, der sich radial innen von dem Einlassventilkopf befindet.
Ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Rückseite des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf befindet, kann kleiner sein als ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Rückseite des Einlassventilkopfes, der sich radial innen von dem Einlassventilkopf befindet.
Ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Vorderseite des Auslassventilkopfes, der sich radial außen von dem Auslassventilkopf befindet, kann kleiner sein als ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Vorderseite des Auslassventilkopfes, der sich radial innen von dem Auslassventilkopf befindet.
Ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Rückseite des Auslassventilkopfes, der sich radial außen von dem Auslassventilkopf befindet, kann größer sein als ein arithmetischer Mittenrauwert eines Abschnitts der Rückseite des Auslassventilkopfes, der sich radial innen von dem Auslassventilkopf befindet.
Das Einlassventil kann eine Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht umfassen, die mindestens einen Teil der Vorderseite des Einlassventilkopfes bedeckt, und eine Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht, die mindestens einen Teil der Rückseite des Einlassventilkopfes bedeckt. Die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht kann auch dünner sein als die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht.
Eine Dicke der Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht kann kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes sein.
Eine Dicke der Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht kann kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes sein.
Das Auslassventil kann eine Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht umfassen, die mindestens einen Teil der Vorderseite des Auslassventilkopfes bedeckt. Die Rückseite des Auslassventilkopfes kann auch von keiner Beschichtungsschicht bedeckt sein.
Eine Dicke der Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht kann kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes sein.
Gemäß der Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung, wird der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Auslassventilkopfes derart eingestellt, dass er größer wird als der arithmetische Mittenrauwert von jeweils der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes. Wenn sich die Oberflächenrauheit eines Ventils verringert, verringert sich in diesem Zusammenhang der Oberflächenbereich des Ventils und daher verringert sich die Menge an Wärme, die zwischen dem Ventil und Gas übertragen wird. Wenn dagegen die Oberflächenrauheit steigt, steigt die Menge an Wärmeübertragung. Gemäß der Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung kann daher, in Hinblick auf die Ansaug- und Verdichtungstakte, die Wärmeübertragung von den Einlass- und Auslassventilen auf die Ansaugluft durch die Vorderseite des Einlassventilkopfes, die Rückseite des Einlassventilkopfes und die Vorderseite des Auslassventilkopfes, deren Rauheit kleiner ist als jene der Rückseite des Auslassventilkopfes, reduziert werden. Mit dem Arbeitstakt kann die Wärmeübertragung von dem Brenngas auf die Einlass- und Auslassventile durch die Vorderseite des Einlassventilkopfes und die Vorderseite des Auslassventilkopfes, deren Rauheit wie oben beschrieben kleiner ist, reduziert werden. Mit dem Ausstoßtakt kann die Wärmeübertragung (Wärmeabgabe) auf das Auslassventil von dem Abgas durch die Rückseite des Auslassventilkopfes, deren Rauheit relativ größer ist, gefördert werden, während die Wärmeübertragung von dem Brenngas auf die Einlass- und Auslassventile durch die Vorderseite des Einlassventilkopfes und die Vorderseite des Auslassventilkopfes reduziert wird, ähnlich wie bei dem Arbeitstakt. Wie bisher beschrieben kann gemäß der Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung das Temperaturmanagement der Ansaugluft, des Abgases und des Brenngases durch die Verwendung der Einlass- und Auslassventile ordentlich durchgeführt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Darstellung, die einen Aufbau rund um die in 1 gezeigten Einlass- und Auslassventile darstellt;
3 ist eine Darstellung zur Beschreibung vorteilhafter Effekte der Einstellung der Oberflächenrauheit von jedem Einlass- und Auslassventil rund um eine Brennkammer und Einlass- und Auslasskanäle gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine perspektivische Gesamtansicht, die einen Hauptteil eines Auslassventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von in 4A gezeigten radialen Nuten;
5 ist eine Querschnittsansicht des Auslassventils, die entlang der in 4A gezeigten radialen Nuten aufgeschnitten wurde;
6 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer Konfiguration rund um das Auslassventil in einer Verbrennungskraftmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Einstellung der Oberflächenrauheit einzelner Abschnitte eines Einlassventils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Einstellung der Oberflächenrauheit einzelner Abschnitte eines Auslassventils gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Problems bezüglich der Hochglanzpolitur der Oberfläche eines Ventils;
10 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration eines Einlassventils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration eines Auslassventils gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer Beziehung zwischen der Dicke jeder der in den 10 und 11 gezeigten Beschichtungsschichten und der Rauheit jeder der Ventiloberflächen, die diesen entsprechen.

Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Allerdings wurden in der Zeichnung gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und auf eine überflüssige Beschreibung derselben wird verzichtet oder vereinfacht. Es versteht sich ferner, dass, selbst wenn die Nummer, die Anzahl, die Menge, der Bereich oder ein anderes numerisches Attribut eines Elements hier in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen erwähnt wird, die vorliegende Erfindung nicht auf das erwähnte numerische Attribut beschränkt ist, außer ausdrücklich anderweitig beschrieben, oder außer die vorliegende Erfindung wird explizit durch das numerische Attribut theoretisch spezifiziert. Ferner sind Strukturen oder dergleichen, die in Zusammenhang mit den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben werden, nicht unbedingt essentiell für die vorliegende Erfindung, außer dies wird explizit anders gezeigt oder außer die vorliegende Erfindung wird explizit durch die Strukturen oder dergleichen theoretisch spezifiziert.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
Beispiel für Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine
1 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, ist die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Zylinderblock 12 und einem Zylinderkopf 14 ausgestattet, der an einem oberen Teil des Zylinderblocks 12 befestigt ist. Zylinderbohrungen 16 sind in dem Inneren des Zylinderblocks 12 ausgebildet. In jeder dieser Zylinderbohrungen 16 ist ein Kolben 18 angeordnet, der sich in Axialrichtung der relevanten Zylinderbohrung 16 hin- und herbewegt. In jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 wird eine Brennkammer 20 durch eine Wandoberfläche der relevanten Zylinderbohrung 16, einer Unterseite des Zylinderkopfes 14 und einer Oberseite des Kolbens 18 definiert.
In dem Zylinderkopf 14 sind ein Einlasskanal 22 und ein Auslasskanal 24 ausgebildet, die mit der relevanten Brennkammer 20 in Verbindung stehen. Ein Einlassventil 26 ist in einem Öffnungsabschnitt des Einlasskanals 22 geschaffen, der mit der Brennkammer 20 in Verbindung steht. Ein Auslassventil 28 ist in einem Öffnungsabschnitt des Auslasskanals 24 geschaffen, der mit der Brennkammer 20 in Verbindung steht. Das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 sind beide Tellerventile. Das Einlassventil 26 ist mit einem Einlassventilschaft 26a und einem Einlassventilkopf 26b geschaffen, die eine Schirmform aufweisen. Der Einlassventilkopf 26 ist an einem Ende des Einlassventilschafts 26a angeordnet und öffnet und schließt den Einlasskanal 22. Das Auslassventil 28 ist mit einem Auslassventilschaft 28a geschaffen und ein Auslassventilkopf 28b ist in Schirmform ausgebildet. Der Auslassventilkopf 28 ist an einem Ende des Auslassventilschafts 28a angeordnet und öffnet und schließt den Auslasskanal 24.
Der Einlassventilschaft 26a und der Auslassventilschaft 28a werden verschiebbar von Ventilführungen 30 und 32 getragen, die jeweils in dem Zylinderkopf 14 eingebaut sind. In dem Einlasskanal 22 ist ein Ventilsitz 34 angeordnet, auf dem der Einlassventilkopf 26b sitzt, und in dem Auslasskanal 24 ist ein Ventilsitz 36 angeordnet, auf dem der Auslassventilkopf 28b sitzt. Das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 werden durch die jeweilige Ventilbetätigungsvorrichtung, die nicht gezeigt wird, angesteuert, sich zu öffnen und schließen.
2 ist eine vergrößerte Darstellung, die einen Aufbau rund um die in 1 gezeigten Einlass- und Auslassventile 26 und 28 darstellt. Der Einlassventilkopf 26b hat eine Seitenfläche (Sitzkontaktoberfläche) 38, die den Ventilsitz 34 berührt, wenn das Einlassventil 26 geschlossen ist. Die Oberfläche des Einlassventils 26 umfasst eine Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und eine Rückseite 42 des Einlassventilkopfes auf beiden Seiten der Seitenfläche 38, zusätzlich zu der Seitenoberfläche 38. Die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes bezieht sich auf eine Oberfläche des Einlassventils 26, die in der Brennkammer 20 freiliegt, wenn das Einlassventil 26 geschlossen ist. Die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes bezieht sich auf eine Oberfläche des Einlassventils 26, die in dem Einlasskanal 22 freiliegt, wenn das Einlassventil 26 geschlossen ist. Deshalb wird die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes durch einen Teil der Oberfläche des Einlassventilkopfes 26b und einen Teil des Einlassventilschafts 26a, wie in 2 gezeigt, konfiguriert.
Der Auslassventilkopf 28b weist eine Seitenfläche 44 auf, die den Ventilsitz 36 berührt, wenn das Auslassventil 28 geschlossen ist. Ähnlich wie das Einlassventil 26 umfasst die Oberfläche des Auslassventils 28 auch eine Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes, die in der Brennkammer 20 freiliegt, wenn das Auslassventil 28 geschlossen ist, und eine Rückseite 48 des Auslassventilkopfes, die in dem Auslasskanal 24 freiliegt, wenn das Auslassventil 28 geschlossen ist. Ferner wird die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes durch einen Teil der Oberfläche des Auslassventilkopfes 28b und einen Teil des Auslassventilschafts 28a, wie in 2 gezeigt, konfiguriert.
Einstellen einer Oberflächenrauheit von Einlass- und Auslassventilen um eine Brennkammer und Kanäle herum
Die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist ein Merkmal zur Einstellung der Rauheit von jeweils der Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, der Rückseite 42 des Einlassventilkopfes, der Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes und der Rückseite 48 des Auslassventilkopfes auf.
Im Detail werden bezüglich des Einlassventils 26 sowohl die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes als auch die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes hochglanzpoliert (auf Hochglanz poliert). Die Hochglanzpolitur kann zum Beispiel durch Polieren (Schleifen) einer Solloberfläche eines Ventils durchgeführt werden. Es ist anzumerken, dass sich in der vorliegenden Spezifikation eine „Spiegeloberfläche“ auf eine Oberfläche bezieht, deren arithmetische Mittenrauwert Ra kleiner gleich 0,5 µm ist. Zudem kann eine mit dieser „Spiegeloberfläche“ gepaarte Oberfläche, deren arithmetischer Mittenrauwert Ra größer ist als 0,5 µm, als „raue Oberfläche“ bezeichnet werden.
Dagegen ist bezüglich dem Auslassventil 28 die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes hochglanzpoliert (auf Hochglanz poliert), ähnlich wie das Einlassventil 26. Die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes ist allerdings nicht hochglanzpoliert. Das heißt, die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes ist mit der rauen Oberfläche wie oben beschrieben fertiggestellt. Um genauer zu sein, umfassen Beispiele für die hier erwähnte „raue Oberfläche“ beispielsweise eine geschmiedete Oberfläche (zum Beispiel mit einem arithmetischen Mittenrauwert Ra von 20 µm), die in einem allgemeinen Herstellungsprozess von Einlass- und Auslassventilen verwendet werden soll, und eine einer Wärmebehandlung unterzogene Oberfläche oder eine oberflächenbehandelte Oberfläche (zum Beispiel mit einem arithmetischen Mittenrauwert Ra von 1-20 µm). Die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes ist zum Beispiel eine Schmiedeoberfläche.
Zudem ist es bezüglich der Erzielung guter Wärmeabgabeeigenschaften hinsichtlich einer Wärmeabgabe von Abgas an das Auslassventil 28 in einem unten beschriebenen Ausstoßtakt wünschenswert, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 48 des Auslassventilkopfes größer gleich 20 µm ist. Es ist anzumerken, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra einer Oberfläche eines Auslasskanals, der durch ein Auslassventil geöffnet und geschlossen wird, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, einem Beispiel für einen oberen Grenzwert des arithmetischen Mittenrauwerts Ra für die „Rückseite des Auslassventilkopfes“ entspricht. Dies rührt daher, dass das Ausbilden einer Rückseite des Auslassventilkopfes, die rauer ist als die Oberfläche des Auslasskanals, zu einem Anstieg des Ansaugwiderstands führt.
Wie bisher beschrieben ist der arithmetische Mittenrauwert Ra von jeweils der gesamten Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite 42 des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes, die hochglanzpoliert sind, kleiner gleich 0,5 µm. Dagegen ist der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 48 des Auslassventilkopfes, die eine raue Oberfläche ist, größer als 0,5 µm. Deshalb ist gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 48 des Auslassventilkopfes größer als der arithmetische Mittenrauwert Ra von jeweils der gesamten Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite 42 des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes.
Ferner ist gemäß der Verbrennungskraftmaschine 50 der vorliegenden Ausführungsform die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes derart fertiggestellt, dass die Rauheit derselben beispielsweise insgesamt gleichmäßig ist. Dies gilt auch für die andere Rückseite 42 des Einlassventilkopfes, die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes und die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes.
Vorteilhafte Effekte
Einlass- und Auslassventile einer Verbrennungskraftmaschine sind dem Brenngas mit der höchsten Temperatur der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt. Eine Kühlung der Einlass- und Auslassventile wird durchgeführt, wenn die Einlass- und Auslassventile mit einzelnen Abschnitten (Ventilführungen, Ventilsitze, Nocken und Ventilfedern) eines Zylinderkopfes in Kontakt kommen. Da sich die Einlass- und Auslassventile allerdings hin- und herbewegen, kann man nicht behaupten, dass die Kühlung ausreichend ist, und insbesondere ist es wahrscheinlich, dass die Temperatur des Auslassventils, das einem Hochtemperaturabgas ausgesetzt ist, höher wird als jene eines Kolbens und einer Brennkammerwand, die sich um das Auslassventil herum befinden.
Im Allgemeinen werden die folgenden Anforderungen an die Einlass- und Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine gestellt, die in der oben beschriebenen Umgebung platziert sind. Das heißt, bezüglich einer Ansaugluft ist es in Hinblick auf die Ausgangsleistungsperformance und Kraftstoffeffizienzperformance der Verbrennungskraftmaschine erforderlich, die Wärmeübertragung von dem Einlassventil auf die Ansaugluft so weit wie möglich zu reduzieren. Bezüglich eines Abgases ist es in Hinblick auf eine Reduzierung der Temperatur des Abgases, das aus der Brennkammer ausgestoßen wird, erforderlich, die Wärmeübertragung auf das Auslassventil von dem Abgas, das durch einen Auslasskanal strömt, so weit wie möglich zu fördern. Zudem ist es während der Verbrennung, wenn die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, erforderlich, hinsichtlich der Reduzierung des Kühlverlusts der Verbrennungskraftmaschine, die Wärmeübertragung von Brenngas auf die Einlass- und Auslassventile so weit wie möglich zu reduzieren. Angesichts dieser Art Probleme (drei Anforderungen) werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes hochglanzpoliert und die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes wird nicht hochglanzpoliert.
3 ist eine Darstellung zur Beschreibung vorteilhafter Effekte der Einstellung der Oberflächenrauheit von jedem Einlass- und Auslassventil 26 und 28 um die Brennkammer 20 und Einlass- und Auslasskanäle 22 und 24 herum gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3 bezeichnet „vorne“ eine „Kopfvorderseite“ jedes Ventils und „hinten“ bezeichnet eine „Kopfrückseite“ jedes Ventils. Auch zeigt 3 für jeden Takt der Verbrennungskraftmaschine 10, ob eine Spiegeloberfläche oder eine raue Oberfläche jeden Takt stärker beeinflusst. Da der Gasstrom auf Oberflächen, die Feldern entsprechen, denen ein Symbol „-“ zugewiesen ist, geringer ist, ist es zudem schwierig, die unten beschriebenen vorteilhaften Effekte ausreichend zu erzielen. Daher kann man allerdings sagen, dass die vorteilhaften Effekte ein wenig erzielt werden können, da Gas in der Nähe eines geschlossenen Ventils verbleibt.
Die Menge an Wärme, die zwischen einem Ventil (feste Wandoberfläche) und Gas in einer Zeiteinheit übertragen wird, ist nicht nur zu einer Temperaturdifferenz zwischen dem Ventil und dem Gas proportional, sondern auch zu einem Oberflächenbereich des Ventils, das mit dem Gas in Kontakt kommt. Auch unterscheidet sich der Oberflächenbereich des Ventils abhängig von der Oberflächenrauheit des Ventils und wird größer, je größer die Oberflächenrauheit ist. Aufgrund dessen wird die Menge an Wärme, die sich zwischen dem Ventil und dem Gas überträgt, weniger, wenn die Oberflächenrauheit kleiner ist, und umgekehrt wird die Menge an Wärmeübertragung größer, wenn die Oberflächenrauheit größer ist. Ferner wird die Menge an Wärmeübertragung auch größer, wenn die Durchflussmenge des Gases, das mit dem Ventil in Kontakt kommt, größer wird.
(Ansaugtakt)
Anfangs, in dem Ansaugtakt, ist das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil ist geschlossen. Folglich strömt in dem Ansaugtakt Ansaugluft in eine Brennkammer, während sie die Nähe einer Vorderseite des Einlassventilkopfes passiert. Zudem entspricht das Gas um eine Rückseite des Einlassventilkopfes und eine Vorderseite des Auslassventilkopfes herum einer Ansaugluft, die in die Brennkammer eingeströmt ist.
Die Temperatur der Ansaugluft entspricht im Grunde normalen Temperaturen. Ferner werden die Einlass- und Auslassventile, Wände der Einlass- und Auslasskanäle und eine Wand der Brennkammer im Allgemeinen durch ein Kühlwasser gekühlt und die Temperatur derselben erreichen 80 °C oder höher. Aufgrund dessen wird während dem Ansaugtakt die Temperatur jedes Einlass- und Auslassventils höher als die Temperatur des Gases (Ansaugluft) um diese Ventile herum (Ventil > Ansaugluft). Folglich wird die Temperatur der Ansaugluft, die in den Einlasskanal strömt, und die Temperatur der Ansaugluft, die in die Brennkammer strömt, während dem Ansaugtakt aufgrund der Wärme höher, die von den Einlass- und Auslassventilen übertragen wird. Genauer gesagt steigen die Strömungsgeschwindigkeit und ein Druck der Ansaugluft, wenn die Ansaugluft die Nähe des Ventilsitzes passiert, und folglich wird die Wärmeübertragung von dem Einlassventil auf die Ansaugluft gefördert.
In Hinblick auf den Ansaugtakt, bei dem die Wärmeübertragung wie oben beschrieben durchgeführt wird, werden gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform die folgenden vorteilhaften Effekte erzielt. So ist die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, die in dem Einlasskanal 22 freiliegt, eine Spiegeloberfläche. Mit anderen Worten, es wird eine Anordnung getroffen, um den Bereich der Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes zu reduzieren. Aufgrund dessen kann die Wärmeübertragung von dem Einlassventil 26 auf die Ansaugluft, wenn die Ansaugluft die Nähe der Rückseite 42 des Einlassventilkopfes in dem Einlasskanal 22 passiert, reduziert werden. Zudem sind auch die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes, die in der Brennkammer 20 freiliegen, ebenfalls Spiegeloberflächen. Aufgrund dessen kann die Wärmeübertragung von dem Einlasskanal 22 auf die Ansaugluft, die in die Brennkammer 20 geströmt ist, ebenfalls reduziert werden. Da eine Erhöhung der Ansauglufttemperatur reduziert wird, kann folglich ein Absinken der Verdichtungsendtemperatur und eine Verbesserung der Aufladungseffizienz frischer Luft erzielt werden. Wenn die Verdichtungsendtemperatur sinkt, wird Klopfen reduziert, was zu einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz sowie einer Verbesserung der Ausgangsleistungsperformance der Verbrennungskraftmaschine 10 führt. Ferner führt ein Aufladen einer größeren Menge von Luft aufgrund dessen, dass Luft niedrigerer Temperatur in die Brennkammer 20 eintritt, auch zur Verbesserung der Ausgangsleistungsperformance.
(Verdichtungstakt)
Dann werden in dem Verdichtungstakt beide Einlass- und Auslassventile geschlossen. In Hinblick auf den gesamten Verdichtungstakt wird die Temperatur der Einlass- und Auslassventile im Grunde genommen höher als die Temperatur des Gases um diese Ventile herum (Ventil > Ansaugluft), obwohl in der Nähe des Verdichtungsendes die Temperatur der Ansaugluft in der Brennkammer höher wird als die Temperaturen der Einlass- und Auslassventile.
Gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform sind die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes, die in der Brennkammer 20 freiliegen, wenn die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, Spiegeloberflächen. Aufgrund dessen kann auch die Wärmeübertragung von den Einlass- und Auslassventilen 26 und 28 auf die Ansaugluft in der Brennkammer 20 selbst in dem Verdichtungstakt reduziert werden.
(Arbeitstakt)
Dann werden in dem Arbeitstakt auf ähnliche Weise die Einlass- und Auslassventile beide geschlossen. Allerdings wird in dem Arbeitstakt die Temperatur des Gases in dem Zylinder aufgrund eines Temperaturanstiegs, der durch die Verbrennung verursacht wird, höher als die Temperaturen der Einlass- und Auslassventile (Ventil < Brenngas).
Gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform sind die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes Spiegeloberflächen. Aufgrund dessen kann in dem Arbeitstakt die Wärmeübertragung (Wärmeabgabe) von einem Hochtemperaturbrenngas auf die Einlass- und Auslassventile 26 und 28 reduziert werden. Folglich kann der Kühlverlust zur Zeit der Verbrennung reduziert werden. Aufgrund dessen kann der thermische Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 10 verbessert werden. Zudem kann während eines Aufwärmens nach einem Motorstart der Effekt, die Aufwärmung eines Katalysators mit einer Temperaturerhöhung des Abgases zu fördern, auch durch die Reduzierung der Wärmeabgabe von einem Hochtemperaturbrenngas auf die Einlass- und Auslassventile 26 und 28 erzielt werden, und folglich kann die Abgasemissionsleistung während dieses Aufwärmens ebenfalls verbessert werden.
(Ausstoßtakt)
Dann, während dem Ausstoßtakt, ist das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil ist geöffnet. Folglich strömt bei dem Ausstoßtakt ein Hochtemperaturabgas nach der Verbrennung aus der Brennkammer in den Auslasskanal. Genauer gesagt, wird die Abgastemperatur höher, insbesondre während eines Betriebs mit hoher Auslastung und hoher Drehzahl. Aufgrund dessen wird in dem Ausstoßtakt auf ähnliche Weise die Temperatur des Gases (Abgases) höher als die Temperaturen der Einlass- und Auslassventile (Ventil < Abgas).
Gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform sind in dem Ausstoßtakt auf ähnliche Weise die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes, die sich auf der Seite befinden, die in der Brennkammer 20 freiliegt, Spiegeloberflächen. Daher kann die Wärmeübertragung auf diese Oberflächen 40 und 46 von einem Hochtemperaturabgas reduziert werden. Die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes dagegen ist eine raue Oberfläche. Aufgrund dessen kann die Wärmeübertragung (Wärmeabgabe) von dem Abgas auf die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes im Vergleich zu einem Beispiel gefördert werden, in dem die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes ebenfalls eine Spiegeloberfläche ist, wenn ein Hochtemperaturabgas die Nähe der Rückseite 48 des Auslassventilkopfes in dem Auslasskanal 24 passiert. Zudem wird der Effekt, die Wärmeabgabe von dem Abgas auf die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes zu fördern, in einem Betrieb mit hoher Auslastung und hoher Drehzahl groß, in dem die Durchflussmenge des Abgases hoch ist. Dagegen wird gemäß der Maßnahmen, die das Einstellen der Oberflächenrauheit in der vorliegenden Ausführungsform verwenden, nicht veranlasst, dass die Wärmekapazität des Auslassventils 28 erhöht wird, anders als in einem Beispiel, bei dem ein Vorsprungsabschnitt, wie beispielsweise Lamellen, auf der Rückseite 48 des Auslassventilkopfes ausgebildet sind, um den Oberflächenbereich zu erhöhen, um die Wärmeabgabe zu fördern. Aufgrund dessen kann man entsprechend den Maßnahmen sagen, dass verhindert wird, dass ein Sinken der Abgastemperatur gefördert wird, da die Wärmeabgabe während eines Kaltstarts gefördert wird (d. h. während ein Verbrennungsmotor aufwärmt).
Basierend auf dem Vorstehenden kann hinsichtlich des Ausstoßtakts die Abgastemperatur reduziert werden, indem das Abgas gekühlt wird, indem ein Abschnitt des Auslassventilkopfes 28b, der sich weit von der Brennkammer 20 entfernt befindet, und ein Abschnitt des Auslassventilschafts 28a (d. h., ein Abschnitt näher an der Rückseite 48 des Auslassventilkopfes) anschließend an den zuvor erwähnten Abschnitt verwendet wird, während Temperaturerhöhungen von Abschnitten des Einlassventilkopfes 26b und des Auslassventilkopfes 28b, die näher an der Brennkammer 20 liegen (d. h. Abschnitten in der Nähe der Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes und der Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes), reduziert werden. Folglich können zum Beispiel die nachfolgenden vorteilhaften Effekte erzielt werden. Nämlich kann die Zuverlässigkeit der Belastbarkeit von Abgasanlagenteilen (zum Beispiel einer Turbine eines Turboladers und eines Abgas reinigenden Katalysators) einschließlich des Auslassventils 28 verbessert werden. Die Kosten, die erforderlich sind, um eine hohe Wärmebeständigkeit zu erzielen (zum Beispiel Materialkosten) können ebenfalls reduziert werden. Die Kraftstoffeffizienz kann ebenfalls verbessert werden, da die Kraftstofferhöhung zur Kühlung der Abgasanlagenteile reduziert wird. Ferner kann eine Begrenzung der Motorleistungsabgabe bezüglich der Abgastemperatur gelockert werden, und daher kann die Ausgangsleistungsperformance verbessert werden.
(Schlussfolgerung)
Wie bisher beschrieben, können gemäß der Verbrennungskraftmaschine 10, bei der die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes Spiegeloberflächen sind, und die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes eine raue Oberfläche ist, die drei oben beschriebenen Anforderungen vorteilhaft erfüllt werden, indem die Oberflächenrauheit der Einlass- und Auslassventile 26 und 28 um die Brennkammer 20 und Einlass- und Auslasskanälen 22 und 24 herum ordentlichen eingestellt wird. Folglich kann die Verbrennungskraftmaschine 10 geschaffen werden, welche die Einlass- und Auslassventile 26 und 28 umfasst, die das Temperaturmanagement (Temperatursteuerung) der Ansaugluft, des Abgases und des Brenngases ordentlich durchführen können.
Zweite Ausführungsform
Dann wird eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 beschrieben.
Konfiguration der Rückseite des Auslassventilkopfes
4A ist eine perspektivische Gesamtansicht, die einen Hauptteil eines Auslassventils 52 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und 4B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von in 4A gezeigten radialen Nuten 58. Eine Verbrennungskraftmaschine 50 (siehe unten beschriebene 6) gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß der ersten Ausführungsform darin, dass sie das in 4A gezeigte Auslassventil 52 anstelle dem in 1 gezeigten Auslassventil 28 umfasst.
Wie in 4A gezeigt, ist das Auslassventil 52 mit einem Auslassventilschaft 52a und einem Auslassventilkopf 52b geschaffen, der in Schirmform ausgebildet ist. Ähnlich wie das in 1 gezeigte Auslassventil 28, umfasst die Oberfläche des Auslassventils 52 eine Vorderseite 54 des Auslassventilkopfes, die in der Brennkammer 20 freiliegt, und eine Rückseite 56 des Auslassventilkopfes, die in dem Auslasskanal 24 freiliegt. Auf dieser Basis werden die radialen Nuten 58 in der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet.
Wie in den 4A und 4B gezeigt, beziehen sich die radialen Nuten 58 auf eine Mehrzahl von Nuten, die auf der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes derart ausgebildet sind, dass sie sich radial in Radialrichtung des Auslassventilkopfes 52b erstrecken. Im Detail werden die radialen Nuten 58 gemäß dem in 4A gezeigten Beispiel auf einer Oberfläche des Auslassventilkopfes 52b ausgebildet, die in der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes umfasst ist. Gemäß den auf diese Art und Weise ausgebildeten radialen Nuten 58 kann die Fläche der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes erhöht werden.
Zudem werden gemäß dem in 4A gezeigten Beispiel die radialen Nuten 58 nicht in Bezug auf einen Abschnitt geschaffen, der sich in der Umgebung der Grenze zwischen dem Auslassventilschaft 52a und dem Auslassventilkopf 52b befindet. Dies rührt daher, dass dieser Abschnitt auf Grund der Tatsache, dass er sich jeweils weit von dem Ventilsitz 36 und einer Ventilführung 60 entfernt befindet, am schwierigsten zu kühlen ist, und die Temperatur desselben daher am höchsten wird. Dementsprechend werden in diesem Beispiel die radialen Nuten 58 nicht ausgebildet, um die Wärmezufuhr von dem Abgas auf den vorgenannten Abschnitt zu reduzieren.
Auf dieser Grundlage werden gemäß dem in 4A gezeigten Beispiel die radialen Nuten 58 auf einer Oberfläche des Auslassventilkopfes 52b ausgebildet, die in der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes umfasst ist, und diese Oberfläche befindet sich radial außen von dem Auslassventilkopf 52b, wobei die Umgebung der oben beschriebenen Grenze ausgenommen ist.
5 ist eine Querschnittsansicht des Auslassventils 52, die entlang der in 4A gezeigten radialen Nuten 58 aufgeschnitten wurde. Wie in 5 gezeigt, ist jede Nut der radialen Nuten 58 derart ausgebildet, dass ein radial äußerer Abschnitt des Auslassventilkopfes 52b tiefer ist als ein radial innerer Abschnitt desselben. Genauer gesagt, sind gemäß dem in 5 gezeigten Beispiel die radialen Nuten 58 derart ausgebildet, dass sie in Richtung der radialen Außenseite tiefer werden.
Ferner bezieht sich der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 56 des Auslassventilkopfes des Auslassventils 52, auf der diese Art radialer Nuten 58 ausgebildet sind, auf einen arithmetischen Mittenrauwert Ra der gesamten Basisoberfläche 56a der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes mit Ausnahme der radialen Nuten 58. Zudem ist die Tiefe der radialen Nuten 58 größer als der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 56 des Auslassventilkopfes.
Die in den 4A, 4B und 5 gezeigten radialen Nuten 58 können zum Beispiel unter Verwendung von Elektroerosion ausgebildet werden. Im Detail wird in einem Beispiel für Elektroerosion eine radiale Elektrode vorbereitet, die mit der Form der radialen Nuten 58 (Werkstück) assoziiert ist. Als nächstes wird das Auslassventil 52 in das Innere dieser Elektrode eingebracht und dann wird die Elektroerosion durchgeführt, wobei die Elektrode gegen die Rückseite 56 des Auslassventilkopfes gepresst wird. Als Folge davon werden die radialen Nuten 58 ausgebildet. Es ist anzumerken, dass, falls die Elektroerosion auf der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes durchgeführt wird, um die radialen Nuten 58 auszubilden, eine Oberflächenrauheit erhalten wird, die das oben beschriebene Erfordernis der „rauen Oberfläche“ aufgrund der Natur der Elektroerosion ordnungsgemäß erfüllt. Basierend auf diesem Grund ist Elektroerosion für das Ausbilden der radialen Nuten 58 geeignet, obwohl die Art, wie die radialen Nuten 58 ausgebildet werden, nicht besonders beschränkt ist.
Andere Konfigurationen um das Auslassventil herum
6 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer Konfiguration um das Auslassventil 52 in der Verbrennungskraftmaschine 50 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herum. Gemäß der Verbrennungskraftmaschine 50 der vorliegenden Ausführungsform ist die Ventilführung 60 zum Halten des Auslassventilschafts 52a und der Ventilsitz 62, auf dem der Auslassventilkopf 52b sitzt, jeweils eingerichtet, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufzuweisen. Im Detail sind die Ventilführung 60 und der Ventilsitz 62 aus einer Legierung gefertigt, die ein Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit (zum Beispiel Kupfer) als Hauptbestandteil enthält.
Ferner haben der Auslassventilschaft 52a und der Auslassventilkopf 52b jeweils eine hohle Struktur, wie in 6 gezeigt. Ferner sind die jeweiligen hohlen Abschnitte 52a1 und 52b1 des Auslassventilschafts 52a und des Auslassventilkopfes 52b mit einem Kältemittel (zum Beispiel Natrium) gefüllt. Es ist anzumerken, dass der hohle Abschnitt 52a1 mit dem hohlen Abschnitt 52b1 in Verbindung steht.
Vorteilhafte Effekte
Wie bisher beschrieben, werden die radialen Nuten 58 auf der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes des Auslassventils 52 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet. Folglich wird die Fläche der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes größer und so kann die Wärmeabgabe an das Auslassventil 52 von einem Hochtemperaturabgas gefördert werden. Zudem kann ein Vorsprungsabschnitt, wie beispielsweise Lamellen, auf der Rückseite des Auslassventilkopfes ausgebildet sein, um die Wärmeabgabe von einem Hochtemperaturabgas an das Auslassventil zu fördern. Allerdings sind die Maßnahmen, bei denen der auf diese Art und Weise ausgebildete Vorsprungsabschnitt verwendet wird, gut zur Förderung der Wärmeabgabe, und beeinträchtigen dagegen nachteilig die Motorleistung, da das Gewicht des Auslassventils zunimmt und ein Druckabfall des Abgases erhöht wird. Dagegen kann gemäß den Maßnahmen, bei denen die Ausbildung der Nuten verwendet wird, die Wärmeabgabe an das Auslassventil 52 von dem Abgas vorteilhaft gefördert werden, ohne die oben beschriebene nachteilige Auswirkung auf die Motorleistung. Dies gilt auf ähnliche Art und Weise für Maßnahmen gemäß eines anderen Beispiels, bei dem der Oberflächenbereich vergrößert wird, wie unten in Abschnitt 2-4-2 beschrieben.
Gemäß dem in 4A gezeigten Beispiel werden ferner hinsichtlich der Radialrichtung des Auslassventilkopfes 52b die radialen Nuten 58 in der Oberfläche des Auslassventilkopfes 52b ausgebildet, die in der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes umfasst ist, und diese Oberfläche befindet sich radial außen von dem Auslassventilkopf 52b, wobei die Umgebung der Grenze zwischen dem Auslassventilschaft 52a und dem Auslassventilkopf 52b ausgenommen ist. In diesem Zusammenhang wird die Temperatur des Abgases, das aus der Brennkammer 20 heraus in den Auslasskanal 24 strömt, zur Startzeit, zu der das Auslassventil 52 geöffnet wird, welche näher an der Brenndauer liegt, am höchsten und sinkt dann während dem nachfolgenden Ausstoßtakt. Auch ist bei der Startzeit des Öffnens der Druck des Abgases hoch und auf diese Weise wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch, das die Umgebung der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes passiert. In der Folge wird der Wärmeübertragungskoeffizient des Abgases hoch und der Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Auslassventil 52 wird so gefördert. Indem die radialen Nuten 58, die für den radial äußeren Abschnitt bestimmt sind, ausgebildet werden, das heißt, mit Ausnahme des zuvor genannten Bereichs, der sich in der Umgebung der Grenze befindet, kann folglich die Wärmeabgabe von dem Abgas an das Auslassventil 52 aufgrund einer Vergrößerung des Oberflächenbereichs durch Verwendung der radialen Nuten 58 vorteilhaft gefördert werden.
Ferner wird jede Nut der radialen Nuten 58 derart ausgebildet, dass der radial äußere Abschnitt des Auslassventilkopfes 52b tiefer ist als der radial innere Abschnitt desselben. Folglich wird der Oberflächenbereich des radial äußeren Abschnitts größer als jener des radial inneren Abschnitts. Das heißt, der Oberflächenbereich wird von der Einstellung der Nuttiefe bestimmt. Wie oben beschrieben, entspricht der radial äußere Abschnitt des Auslassventilkopfes 52b einem Abschnitt, der mit dem Abgas in Kontakt kommt, dessen Temperatur und Druck zur Startzeit, zu der das Auslassventil 52 geöffnet wird, am höchsten wird. Aufgrund dessen kann gemäß den radialen Nuten 58, bei denen die Tiefe wie oben beschrieben eingestellt wird, die Wärmeabgabe an das Auslassventil 52 von einem Hochtemperaturabgas zur Startzeit des Öffnens effektiv gefördert werden.
Ferner wird die Rückseite 56 des Auslassventilkopfes gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einer rauen Oberfläche fertiggestellt, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, um die Wärmeabgabe von einem Hochtemperaturabgas an das Auslassventil 52 zu fördern. Zudem ist das Auslassventil 52 eingerichtet, fähig zu sein, aufgrund einer Erhöhung der Fläche der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes als Folge der Ausbildung der radialen Nuten 58, Wärme von einem Hochtemperaturabgas leicht zu übertragen. Dies bedeutet, dass die Temperatur des Auslassventilkopfes 52b aufgrund der Wärme von dem Abgas auf leichte Art und Weise höher wird. In diesem Zusammenhang sind gemäß der Verbrennungskraftmaschine 50, die mit dem Auslassventil 52 geschaffen ist, die jeweiligen hohlen Abschnitte 52a1 und 52b1 des Auslassventilschafts 52a und des Auslassventilkopfes 52b mit dem Kältemittel gefüllt. Als Folge kann die Wärmeübertragung von einem Auslassventilkopf 52b mit hoher Temperatur auf den Auslassventilschaft 52a durch die Verwendung des Kältemittels gefördert werden, das sich in den hohlen Abschnitten 52a1 und 52b1 in Zusammenhang mit der Bewegung des Auslassventils 52 bewegt. Gemäß der Verbrennungskraftmaschine 50 sind auch die Ventilführung 60 und der Ventilsitz 62 jeweils eingerichtet, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufzuweisen. Dies erlaubt es, dass die Wärmeübertragung von dem Auslassventilkopf 52b auf den Auslassventilschaft 52a leicht über die Ventilführung 60 an den Zylinderkopf 14 abgelassen wird. Auf ähnliche Art und Weise kann die Wärme des Auslassventilkopfes 52b leicht über den Ventilsitz 62 an den Zylinderkopf 14 abgelassen werden. Wie oben kann gemäß dieser Konfigurationen die Temperatur des Auslassventilkopfes 52b, die aufgrund der Tatsache, dass er effektiv die Wärme von dem Abgas erhält, leicht hoch ist, reduziert werden.
Abwandlungsbeispiele bezüglich der zweiten Ausführungsform
Andere Beispiele bezüglich der Ausbildung von Nuten auf der Rückseite des Auslassventilkopfes
Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform sind die radialen Nuten 58 (eine Mehrzahl von Nuten) in der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes ausgebildet. Allerdings ist die Anzahl der Nuten, die in der „Rückseite des Auslassventilkopfes“ gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, nicht besonders beschränkt, und daher kann mindestens eine gewünschte Nut außer dem in 4A gezeigten Beispiel auf der Rückseite des Auslassventilkopfes ausgebildet sein.
Ferner kann die mindestens eine Nut auf der Rückseite des Auslassventilkopfes in einer anderen Form als der radialen Form ausgebildet sein. Ferner ist der Ausbildungsbereich jeder Nut in dem Beispiel der radialen Nuten nicht auf das Beispiel der radialen Nuten 58, das in 4A gezeigt wird, beschränkt, und kann frei eingestellt werden. Dementsprechend können die radialen Nuten zum Beispiel nicht nur auf der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes, die in dem Auslassventilkopf 52b umfasst ist, ausgebildet sein, sondern auch auf der Rückseite 56 des Auslassventilkopfes, die in dem Auslassventilschaft 52a umfasst ist. Zusätzlich können Nuten, die auf der Seite des Auslassventilkopfes 52b ausgebildet sind, und Nuten, die auf der Seite des Auslassventilschafts 52a ausgebildet sind, kontinuierlich oder getrennt voneinander sein. Im Gegensatz zu dem in 4A gezeigten Beispiel kann ferner die Tiefe jeder radialen Nut konstant sein, oder die Tiefe kann bei jeder Nut der radialen Nuten unterschiedlich sein.
Andere Beispiele zur Erhöhung der Fläche der Rückseite des Auslassventilkopfes als durch Nuten
In einem weiteren Beispiel für die Erhöhung der Fläche der „Rückseite des Auslassventilkopfes“ gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Oberflächenbehandlung zur Erhöhung des Oberflächenbereichs bei einem Auslassventil anstelle des Beispiels der Nuten (radialer Nuten 58) gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden. Im Detail kann der Bereich der Rückseite des Auslassventilkopfes erhöht werden, indem die Rückseite des Auslassventilkopfes in einer Form aufgeraut wird (zum Beispiel einer Texturform oder einer Form mit matter oder seidenmatter Oberfläche), indem zum Beispiel Sandstrahlen oder Elektroerosion verwendet wird.
Dritte Ausführungsform
Dann wird eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Vorderseite 40 des Einlassventilkopfes, die Rückseite 42 des Einlassventilkopfes, die Vorderseite 46 des Auslassventilkopfes und die Rückseite 48 des Auslassventilkopfes jeweils derart fertiggestellt, dass die Rauheit insgesamt gleichmäßig wird, wie bereits beschrieben. Dagegen unterscheiden sich ein Einlassventil 70 und ein Auslassventil 80 gemäß der dritten Ausführungsform jeweils von dem Auslassventil 26 und dem Auslassventil 28 hinsichtlich der nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschriebenen Punkte.
Einstellen der Rauheit jeder Oberfläche des Einlassventils
7 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Einstellung der Oberflächenrauheit einzelner Abschnitte des Einlassventils 70 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem Einlassventil 70, wie in 7 gezeigt, wird die Rauheit einzelner Abschnitte, die jeweils in einer Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes und einer Rückseite 74 des Einlassventilkopfes umfasst sind, derart eingestellt, dass sie sich basierend auf der Durchschnittstemperaturverteilung des Einlassventils 70 unterscheidet.
Im Detail bezieht sich die Durchschnittstemperaturverteilung des Einlassventils 70, die hier erwähnt wird, auf eine Verteilung der Durchschnittstemperatur des Einlassventils 70 (insbesondere des gesamten Einlassventilkopfes 70b, der von der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes und der Rückseite 74 des Einlassventilkopfes und einem Teil des Einlassventilschafts 70a bedeckt ist), die für alle Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen vorherbestimmt wird. Diese Art der Durchschnittstemperaturverteilung kann erhalten werden, indem im Voraus ein Versuch oder eine Simulation durchgeführt wird. Dies gilt auch für eine unten beschriebene Durchschnittstemperaturverteilung des Auslassventils 80.
Gemäß der Durchschnittstemperaturverteilung des Einlassventils 70, wie in 7 gezeigt, wird die Temperatur des Einlassventils 70 in einem Abschnitt in der Umgebung eines Zentralabschnitts 72a der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes am höchsten. Dies rührt daher, dass der Effekt von Wärme, die von einem verbrannten, Hochtemperaturgas in den Arbeits- und Ausstoßtakten erhalten wird, hoch ist. Die Temperatur des Einlassventils 70 wird in einem Abschnitt in der Umgebung eines Endes des Einlassventilkopfes 70b höher, der sich radial außen befindet, in Anschluss an den Abschnitt in der Umgebung des Zentralabschnitts 72a. Zusätzlich wird die Temperatur des Einlassventils 70 in einem Abschnitt in der Umgebung der Grenze zwischen dem Einlassventilkopf 70b und dem Einlassventilschaft 70a niedriger als jene der vorherigen zwei Abschnitte.
Gemäß dem Einlassventil 70 wird die Rauheit von jedem Abschnitt der einzelnen Oberflächen 72 und 74 des Einlassventils 70 unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Durchschnittstemperaturverteilung wie folgt eingestellt. Das heißt, der arithmetische Mittenrauwert Ra eines Abschnitts 72b der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf 70b befindet, wird so eingestellt, dass er größer ist als jener des Abschnitts (Zentralabschnitts) 72a der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes, der sich radial innen befindet. Zusätzlich wird der arithmetische Mittenrauwert Ra eines Abschnitts 74a der Rückseite 74 des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf 70b befindet, derart eingestellt, dass er kleiner ist als jener eines Abschnitts 74b der Rückseite 74 des Einlassventilkopfes, der sich radial innen von demselben befindet.
Einstellen der Rauheit jeder Oberfläche des Auslassventils
8 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Einstellung der Oberflächenrauheit einzelner Abschnitte des Auslassventils 80 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem Auslassventil 80, wie in 8 gezeigt, wird die Rauheit einzelner Abschnitte, die jeweils in der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes und der Rückseite 84 des Auslassventilkopfes umfasst sind, derart eingestellt, dass sie sich basierend auf der Durchschnittstemperaturverteilung des Auslassventils 80 unterscheidet.
Gemäß der Durchschnittstemperaturverteilung des Auslassventils 80, wie in 8 gezeigt, wird die Temperatur des Auslassventils 80 in einem Abschnitt in der Umgebung der Grenze zwischen dem Auslassventilkopf 80b und dem Auslassventilschaft 80a am höchsten. Der Grund ist wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben. Die Temperatur des Auslassventils 80 wird in einem Abschnitt in der Umgebung eines Zentralabschnitts 82a der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes in Anschluss an den Abschnitt in der Umgebung der oben beschriebenen Grenze höher. Zusätzlich wird die Temperatur des Auslassventils 80 in einem Abschnitt in der Umgebung eines radial äußeren Endes des Auslassventilkopfes 80b höher als jene der vorherigen zwei Abschnitte.
Gemäß dem Auslassventil 80 wird die Rauheit von jedem Abschnitt der einzelnen Oberflächen 82 und 84 des Auslassventils 80 wie folgt unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Durchschnittstemperaturverteilung eingestellt. Das heißt, der arithmetische Mittenrauwert Ra eines Abschnitts 82b der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf 80b befindet, wird so eingestellt, dass er kleiner ist als jener des Abschnitts (Zentralabschnitts) 82a der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes, der sich radial innen befindet. Zusätzlich wird der arithmetische Mittenrauwert Ra eines Abschnitts 84a der Rückseite 84 des Auslassventilkopfes, der sich radial außen von dem Auslassventilkopf 80b befindet, derart eingestellt, dass er größer ist als jener eines Abschnitts 84b der Rückseite 84 des Auslassventilkopfes, der sich radial innen von demselben befindet.
Schlussfolgerung der Beziehung einer Rauheit zwischen jeweiligen Oberflächen von Einlass- und Auslassventilen
Selbst in der vorliegenden Ausführungsform beträgt der arithmetische Mittenrauwert Ra von jeweils der gesamten Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite 74 des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes, die hochglanzpoliert sind, kleiner gleich 0,5 µm, und der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 84 des Auslassventilkopfes, die rau fertiggestellt wird, ist größer als 0,5 µm.
Dann ist die durchschnittliche Temperatur eines Abschnitts A (d. h. des gesamten Auslassventilkopfes 80b und eines Teils des Auslassventilschafts 80a), der von der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes und der Rückseite 84 des Auslassventilkopfes bedeckt wird, höher als die Durchschnittstemperatur eines Abschnitts B (d. h. des gesamten Einlassventilkopfes 70b und eines Teils des Einlassventilschafts 70a), der von der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes und der Rückseite 74 des Einlassventilkopfes bedeckt wird. Daher wird bezüglich des Vergleichs zwischen diesen Abschnitten A und B gemäß der vorliegenden Ausführungsform der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes und der Rückseite 84 des Auslassventilkopfes derart eingestellt, dass er größer ist als jener der gesamten Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes und der gesamten Rückseite 74 des Einlassventilkopfes.
(Beziehungen einer Rauheit zwischen Kopfvorderseiten und Kopfrückseiten der Einlass- und Auslassventile)
Zudem sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Beziehungen der Rauheit der Kopfvorderseiten 72 und 82 und der Kopfrückseiten 74 und 84 der Einlass- und Auslassventile 70 und 80 wie folgt. Das heißt, erstens ist der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 84 des Auslassventilkopfes, die eine raue Oberfläche ist, größer als der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 74 des Einlassventilkopfes, die eine Spiegeloberfläche ist.
Wie man anhand der in 7 gezeigten Durchschnittstemperaturverteilung sehen kann, ist ferner die Durchschnittstemperatur des Abschnitts in der Umgebung der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes höher als jene des Abschnitts in der Umgebung der Rückseite 74 des Einlassventilkopfes. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei der dieser Punkt berücksichtigt wird, wird der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 74 des Einlassventilkopfes derart eingestellt, dass er größer ist als der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes.
Bezüglich des Ausstoßtakts wird ferner in der Umgebung der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes die Strömungsgeschwindigkeit des Gases relativ gering, da das Einlassventil 70 geschlossen ist, und andererseits wird in der Umgebung der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes die Strömungsgeschwindigkeit des Gases relativ hoch, da das Abgas durch die Umgebung des Auslassventils 80, das offen ist, in den Auslasskanal 24 strömt. Deshalb wird die Durchschnittstemperatur des Abschnitts in der Umgebung der Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes höher als jene des Abschnitts in der Umgebung der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei der dieser Punkt berücksichtigt wird, wird der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes derart eingestellt, dass er kleiner ist als der arithmetische Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes.
Vorteilhafte Effekte
Wie oben beschrieben unterscheiden sich die Temperaturen der Einlass- und Auslassventile abhängig von den Abschnitten. Gemäß den Einlass- und Auslassventilen 70 und 80 der bisher beschriebenen vorliegenden Ausführungsform wird die Oberflächenrauheit jedes Abschnitts unter Berücksichtigung dieser Art Temperaturdifferenz eingestellt. Daher kann die Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme zwischen Ventilen und Gasen, wie unter Bezugnahme auf 3 in der ersten Ausführungsform beschrieben, effektiver gefördert werden.
Abwandlungsbeispiele bezüglich der dritten Ausführungsform
Bei der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform wird die Oberflächenrauheit in zwei Stufen zwischen dem Abschnitt 72a, der sich radial innen von dem Einlassventilkopf 70b befindet, und dem Abschnitt 72b, der sich radial außen von demselben befindet, geändert. Anstatt nach dieser beispielhaften Art kann allerdings die Oberflächenrauheit von jedem Abschnitt, der in der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes umfasst ist, in gewünschten drei oder mehr Stufen entsprechend der radialen Position verändert werden, oder sie kann allmählich (kontinuierlich) entsprechend der radialen Position geändert werden. Dies gilt auch für die andere Rückseite 74 des Einlassventilkopfes, die Vorderseite 82 des Auslassventilkopfes und die Rückseite 84 des Auslassventilkopfes. Zudem ist es in der Praxis schwierig, eine Oberflächenbehandlung (insbesondere eine Hochglanzpolitur) durchzuführen, um die gesamte Rauheit jeder der Oberflächen 72, 74, 82 und 84 der Einlass- und Auslassventile 70 und 80 einheitlich zu gestalten, und die Kosten steigen auch leichter. Indem die Oberflächenrauheit jedes Abschnitts, der in der Vorderseite 72 des Einlassventilkopfes umfasst ist (ebenso bei den anderen Oberflächen 74, 82 und 84), entsprechend der radialen Position wie oben beschrieben allmählich verändert wird (d. h., indem die Gesamtrauheit nicht einheitlich gestaltet wird), kann die Oberflächenbehandlung (insbesondere eine Hochglanzpolitur) der Oberflächen 72, 74, 82 und 84 jeweils vereinfacht werden.Ferner, bezüglich der Oberflächen 72, 82 und 84, die hochglanzpoliert werden sollen, können die Oberflächen 72, 82 und 84, deren Rauheit allmählich entsprechend der radialen Position verändert wird, erhalten werden, indem zum Beispiel die Stärke verändert wird, mit der ein Schleifstein auf diese Oberflächen 72, 82 und 84 zwischen der radial inneren Position und der radial äußeren Position der jeweiligen Ventilköpfe 70b und 80b aufgebracht wird.
Vierte Ausführungsform
Dann wird eine vierte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9 bis 12 beschrieben.
Beschichtung von Einlass- und Auslassventilen
Ein Einlassventil 90 und ein Auslassventil 100 gemäß der vierten Ausführungsform unterscheiden sich jeweils von dem Einlassventil 26 und dem Auslassventil 28 gemäß der ersten Ausführungsform hinsichtlich einer unten beschriebenen Beschichtung. Es ist anzumerken, dass die unten beschriebene Beschichtung auf das Einlassventil 70 und die Auslassventile 52 und 80 gemäß anderer zweiter und dritter Ausführungsformen aufgebracht werden kann.
9 ist eine Darstellung zur Beschreibung eines Problems bezüglich der Hochglanzpolitur der Oberfläche eines Ventils. Im Allgemeinen wird die Oberfläche eines Ventils (Einlass- und Auslassventile) von einer Schutzschicht wie beispielsweise einer Oxidschicht geschützt. Wenn allerdings eine Hochglanzpolitur an der Oberfläche des Ventils aufgebracht wird, geht die Schutzschicht verloren und daher kann sich Rost auf der Oberfläche des Ventils bilden. Insbesondere enthält das verbleibende Gas in einer Brennkammer Feuchtigkeit. Daher bildet sich Kondensation, da das Ventil gekühlt wird, nachdem ein Verbrennungsmotor hält, und folglich bildet sich Rost. Dies führt zu einer Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit. Wenn sich der Rost auf der Oberfläche des Ventils bildet, erodiert ferner der Rost im Gegensatz zu wenn Kohlenstoff oder Ablagerungen an der Oberfläche des Ventils haften, und breitet sich innerhalb des Metalls wie in 9 gezeigt aus, und die Dicke des Rosts steigt. Wenn die thermische Leitfähigkeit sinkt, überträgt sich Wärme schwerer und es wird schwierig, die Wärme im Inneren des Ventils zu entfernen. Das heißt, ein Abschnitt, auf dem der Rost gebildet wird, dient als Wärmeisolierschicht. Auch ist das Ventil an einer Stelle angeordnet, an der eine Kühlung von Natur aus schwierig ist. Falls sich daher auf der Oberfläche des Ventils auf der Seite der Brennkammer Rost bildet, kann die Oberfläche des Ventils eine Wärmestelle werden. Falls die Dicke des Rosts zunimmt, wird ferner die Oberflächenrauheit größer und die Wärmekapazität wird ebenfalls größer. Als Folge sinkt der Effekt der Hochglanzpolitur mit dem Wachstum des Rosts.
10 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration des Einlassventils 90 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist anzumerken, dass Beschichtungsschichten 96 und 98 in 10 schematisch mit Dicken dargestellt sind, die sich von den tatsächlichen Dicken unterscheiden, um die Anbringungsstellen der Beschichtungsschichten 96 und 98 leicht auszudrücken. Dies gilt auch für eine Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106, die in 11 gezeigt wird, die unten beschrieben wird.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform sind eine Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes und eine Rückseite 94 des Einlassventilkopfes hochglanzpoliert. Auf dieser Basis umfasst das Einlassventil 90 eine Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96, die die Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes bedeckt, und eine Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98, die die Rückseite 94 des Einlassventilkopfes bedeckt. Das heißt, gemäß dem Einlassventil 90 wird bei den einzelnen Oberflächen 92 und 94 nach der Hochglanzpolitur ein Beschichtungsprozess angewendet. Zudem ist die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 derart ausgebildet, dass sie dünner ist als die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98.
Ferner sind die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 und die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98 derart ausgebildet, dass sie jeweils die gesamte Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes und die gesamte Rückseite 94 des Einlassventilkopfes bedecken. Allerdings ist es möglich, dass die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 nicht immer die gesamte Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes bedeckt und sie kann daher nur einen gewünschten Teil derselben bedecken. Dies gilt auch für die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98.
Obwohl Beschichtungsmaterialien, die für die Ausbildung der Beschichtungsschichten 96 und 98 verwendet werden, nicht besonders beschränkt sind, wird im Allgemeinen ein Beispiel dafür erhalten, indem ein siliziumhaltiges Material, wie beispielsweise Polysilazan (SiH₂NH), als Basismaterial verwendet wird und das Basismaterial in einem organischen Material geschmolzen wird. Durch die Verwendung des beispielhaften Beschichtungsmaterials wie beschrieben, wird die Flüssigkeit in der Materialstufe vor dem Aufbringen erhöht, und es wird auch eine dünne Schicht erhalten, in der das Beschichtungsmaterial vorteilhaft in eine unebene Oberfläche des Ventils eindringt, wenn eine Beschichtungsschicht gebildet wird. Dann wird bei der erhaltenen Schicht ein Aushärtungsverfahren durchgeführt. Folglich kann eine Beschichtungsschicht ausgebildet werden, die stabil und gegenüber Wärme widerstandsfähig ist. Dies gilt auch für die Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106.
11 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration des Auslassventils 100 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform wird eine Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes hochglanzpoliert, und eine Rückseite 104 des Auslassventilkopfes wird dagegen rau fertiggestellt. Auf dieser Basis umfasst das Auslassventil 100 die Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106, die die Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes bedeckt. Das heißt, gemäß dem Auslassventil 100 wird nach der Hochglanzpolitur ein Beschichtungsprozess auf der Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes angewendet. Dagegen wird die Rückseite 104 des Auslassventilkopfes, die eine raue Oberfläche ist, nicht von einer Beschichtungsschicht bedeckt. Die Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106 wird beispielsweise dünn mit einer Dicke gleich der Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 ausgebildet.
Ferner ist die Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106 derart ausgebildet, dass sie die gesamte Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes bedeckt. Allerdings ist es möglich, dass die Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106 nicht immer die gesamte Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes bedeckt und sie kann daher nur einen gewünschten Teil derselben bedecken.
12 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer Beziehung zwischen der Dicke jeder der in den 10 und 11 gezeigten Beschichtungsschichten 96, 98 und 106 und der Rauheit jeder der Ventiloberflächen 92, 94 und 102, die diesen entsprechen. Grob gesagt ist die Dicke jeder der Beschichtungsschichten 96, 98 und 106 nicht besonders beschränkt. Auf dieser Basis wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dicke von jeder der Beschichtungsschichten 96, 98 und 106 wie folgt eingestellt, um die Effekte der Hochglanzpolitur der Ventiloberflächen 92, 94 und 102, die diesen entsprechen, so weit wie möglich nicht zu reduzieren.
In 12 ist eine Darstellung eines Beispiels für die Beziehung zwischen einer Dicke A einer Beschichtungsschicht und einem Wert B des arithmetischen Mittenrauwerts Ra der Oberfläche eines Ventils. Als Folge einer Aufbringung des Beschichtungsprozesses kann die Unebenheit der Oberfläche des Ventils wie in 12 gezeigt geebnet werden. So kann die Oberflächenrauheit reduziert werden. Wie in 12 gezeigt, kann allerdings aufgrund von Wärmeausdehnung des Ventils ein Riss in der Beschichtungsschicht erzeugt werden.
Hinsichtlich des oben beschriebenen Risses kann verhindert werden, dass die Oberflächenrauheit der Beschichtungsschicht größer wird als die Oberflächenrauheit eines Ventils ohne die Beschichtungsschicht, selbst falls der Riss erzeugt wird, indem die Dicke A der Beschichtungsschicht kleiner gleich dem Wert B eingestellt wird. Das heißt, selbst falls der Riss erzeugt wird, kann verhindert werden, dass der Oberflächenbereich größer wird als jener des Ventils ohne die Beschichtungsschicht.
Dementsprechend wird die Dicke der Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 derart eingestellt, dass sie kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes wird. Auch wird die Dicke der Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98 derart eingestellt, dass sie kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert Ra der gesamten Rückseite 94 des Einlassventilkopfes wird. Auf ähnliche Weise wird die Dicke der Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht 106 derart eingestellt, dass sie kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert Ra der gesamten Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes wird.
Vorteilhafte Effekte
Soweit bisher beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Beschichtungsprozess auf der Vorderseite 92 des Einlassventilkopfes, der Rückseite 94 des Einlassventilkopfes und der Vorderseite 102 des Auslassventilkopfes angewendet, die hochglanzpoliert sind. Dies kann verhindern, dass sich auf diesen Oberflächen 92, 94 und 102 aufgrund der Aufbringung der Hochglanzpolitur Rost bildet.
Ferner wird die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96 derart ausgebildet, dass sie dünner wird als die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98. Gemäß dieser Einstellung der Beschichtungsschichtdicke wird bezüglich der Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht 96, die relativ dünn ist, die Wärmekapazität reduziert und so kann es schwer sein, die Wärme von einem Gas im Zylinder hoher Temperatur auf das Einlassventil 90 zu übertragen. Bezüglich der Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht 98 dagegen, die relativ dick ist, so kann diese als Wärmeisolierschicht verwendet werden, und der Oberflächenbereich (Wärmeübertragungsbereich) kann effizient reduziert werden, da die Rauheit der Rückseite 94 des Einlassventilkopfes aufgrund einer dicken Beschichtung reduziert wird. Folglich kann es schwer sein, die Wärme von dem Einlassventil 90 auf die Ansaugluft zu übertragen, die durch den Einlasskanal 22 strömt.
Ferner kann gemäß der Einstellung (B ≥ A), die unter Bezugnahme auf 12 beschrieben wird, verhindert werden, dass der Oberflächenbereich (Wärmeübertragungsbereich) desselben größer wird als jener eines Ventils ohne Beschichtungsschicht, selbst falls ein Riss in der Beschichtungsschicht 96, 98 oder 106 erzeugt wird. Aufgrund dessen kann das Auftreten von Rost verhindert werden, während der Effekt verhindert wird, dass die Hochglanzpolitur aufgrund der Aufbringung der Beschichtungsschichten 96, 98 und 106 reduziert wird.
Andere Ausführungsformen
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen eins bis vier werden die Vorderseiten 40, 72, 82 und 92 des Einlassventilkopfes, die Rückseiten 42, 74, 84 und 94 des Einlassventilkopfes und die Vorderseite 46, 54 und 102 des Auslassventilkopfes, die als Spiegeloberflächen fertiggestellt sind, deren arithmetischer Mittenrauwert Ra kleiner gleich 0,5 µm ist, und die Rückseiten 48, 56 und 104 des Auslassventilkopfes, die als raue Oberflächen fertiggestellt sind, deren arithmetischer Mittenrauwert Ra größer ist als 0,5 µm, veranschaulicht. Allerdings sind „die Vorderseite des Einlassventilkopfes, die Rückseite des Einlassventilkopfes, die Vorderseite des Auslassventilkopfes und die Rückseite des Auslassventilkopfes“ gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, solange eine Beziehung „der arithmetische Mittenrauwert der gesamten Rückseite des Auslassventilkopfes ist größer als der arithmetische Mittenrauwert von jeweils der gesamten Vorderseite des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite des Auslassventilkopfes“ erfüllt ist. Das heißt, die Rauheit jeder dieser Oberflächen kann derart relativ eingestellt werden, dass die oben beschriebene Beziehung erfüllt ist, ohne 0,5 µm als Schwellwert für den arithmetischen Mittenrauwert Ra zu berücksichtigen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungsbeispiele können auf andere Weise als die oben explizit beschriebenen kombiniert werden und auf verschiedene Art und Weise abgewandelt werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018087562 A [0002, 0004]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10; 50) aufweisend: einen Einlasskanal (22) und einen Auslasskanal (24), die mit einer Brennkammer (20) in Verbindung stehen; ein Einlassventil (26; 70; 90), das einen Einlassventilschaft (26a; 70a) und einen Einlassventilkopf (26b; 70b) umfasst, wobei der Einlassventilkopf (26b; 70b) an einem Ende des Einlassventilschafts (26a; 70a) angeordnet ist und den Einlasskanal (22) öffnet und schließt; und ein Auslassventil (28; 52; 80; 100), das einen Auslassventilschaft (28a; 52a; 80a) und einen Auslassventilkopf (28b; 52b; 80b) umfasst, wobei der Auslassventilkopf (28b; 52b; 80b) an einem Ende des Auslassventilschafts (28a; 52a; 80a) angeordnet ist und den Auslasskanal (24) öffnet und schließt, wobei das Einlassventil (26; 70; 90) eine Oberfläche hat, die eine Vorderseite (40; 72; 92) des Einlassventilkopfes umfasst, welche in der Brennkammer (20) freiliegt, wenn das Einlassventil (26; 70; 90) geschlossen ist, und eine Rückseite (42; 74; 94) des Einlassventilkopfes, die in dem Einlasskanal (22) freiliegt, wenn das Einlassventil (26; 70; 90) geschlossen ist, wobei das Auslassventil (28; 52; 80; 100) eine Oberfläche aufweist, die eine Vorderseite (46; 54; 82; 102) des Auslassventilkopfes umfasst, die in der Brennkammer (20) freiliegt, wenn das Auslassventil (28; 52; 80; 100) geschlossen ist, und eine Rückseite (48; 56; 84; 104) des Auslassventilkopfes, die in dem Auslasskanal (24) freiliegt, wenn das Auslassventil (28; 52; 80; 100) geschlossen ist, und wobei ein arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (48; 56; 84; 104) des Auslassventilkopfes größer ist als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) von jeweils der gesamten Vorderseite (40; 72; 92) des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite (42; 74; 94) des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite (46; 54; 82; 102) des Auslassventilkopfes.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 1, wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (48; 56; 84; 104) des Auslassventilkopfes größer ist als 0,5 µm, und wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) von jeweils der gesamten Vorderseite (40; 72; 92) des Einlassventilkopfes, der gesamten Rückseite (42; 74; 94) des Einlassventilkopfes und der gesamten Vorderseite (46; 54; 82; 102) des Auslassventilkopfes kleiner gleich 0,5 µm ist.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine Nut (58) in der Rückseite (56) des Auslassventilkopfes ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Nut (58) eine Mehrzahl an Nuten (58) umfasst, die in der Rückseite (56) des Auslassventilkopfes derart ausgebildet sind, dass sie sich radial in einer Radialrichtung des Auslassventilkopfes (52b) erstrecken.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 4, wobei jede der Mehrzahl an Nuten (58) derart ausgebildet ist, dass sie in einem Abschnitt des Auslassventilkopfes (52b), der sich radial außen befindet, tiefer wird als in einem Abschnitt des Auslassventilkopfes (52b), der sich radial innen befindet.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (46; 54; 82; 102) des Auslassventilkopfes und der Rückseite (48; 56; 84; 104) des Auslassventilkopfes größer ist als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (40; 72; 92) des Einlassventilkopfes und der Rückseite (42; 74; 94) des Einlassventilkopfes.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (84) des Auslassventilkopfes größer ist als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (74) des Einlassventilkopfes.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (74) des Einlassventilkopfes größer ist als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (72) des Einlassventilkopfes.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (82) des Auslassventilkopfes kleiner ist als der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (72) des Einlassventilkopfes.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (72b) der Vorderseite (72) des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf (70b) befindet, größer ist als ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (72a) der Vorderseite (72) des Einlassventilkopfes, der sich radial innen von dem Einlassventilkopf (70b) befindet.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (74a) der Rückseite (74) des Einlassventilkopfes, der sich radial außen von dem Einlassventilkopf (70b) befindet, kleiner ist als ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (74b) der Rückseite (74) des Einlassventilkopfes, der sich radial innen von dem Einlassventilkopf (70b) befindet.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (82b) der Vorderseite (82) des Auslassventilkopfes, der sich radial außerhalb des Auslassventilkopfes (80b) befindet, kleiner ist als ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (82a) der Vorderseite (82) des Auslassventilkopfes, der sich radial innen von dem Auslassventilkopf (80b) befindet.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (84a) der Rückseite (84) des Auslassventilkopfes, der sich radial außen von dem Auslassventilkopf (80b) befindet, größer ist als ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) eines Abschnitts (84b) der Rückseite (84) des Auslassventilkopfes, der sich radial innen von dem Auslassventilkopf (80b) befindet.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Einlassventil (90) eine Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht (96) umfasst, die mindestens einen Teil der Vorderseite (92) des Einlassventilkopfes bedeckt, und eine Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht (98), die mindestens einen Teil der Rückseite (94) des Einlassventilkopfes bedeckt, und wobei die Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht (96) dünner ist als die Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht (98).
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 14, wobei eine Dicke der Einlassvorderseiten-Beschichtungsschicht (96) kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (92) des Einlassventilkopfes wird.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Dicke der Einlassrückseiten-Beschichtungsschicht (98) kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert (Ra) der gesamten Rückseite (94) des Einlassventilkopfes ist.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Auslassventil (100) eine Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht (106) umfasst, die mindestens einen Teil der Vorderseite (102) des Auslassventilkopfes bedeckt, und wobei die Rückseite (104) des Auslassventilkopfes nicht von einer Beschichtungsschicht bedeckt ist.
Verbrennungskraftmaschine (10; 50) nach Anspruch 17, wobei eine Dicke der Auslassvorderseiten-Beschichtungsschicht (106) kleiner gleich dem arithmetischen Mittenrauwert (Ra) der gesamten Vorderseite (102) des Auslassventilkopfes ist.