JP2005036697A

JP2005036697A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2005036697A
Application number: JP2003199116A
Authority: JP
Inventors: Kazutake Hasegawa; 和献長谷川
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】高出力の内燃機関において、高負荷時におけるバルブの傘部の温度低下を図り、かつ低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れを防止して排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化できる内燃機関を提供する。
【解決手段】排気バルブ３の傘部３ａからステム部３ｂにかけて穿設した中空部４内に冷媒１５を封入した中空バルブとし、傘部３ａがステム部３ｂよりも上方に位置となるように配置する。内燃機関が停止して冷媒が固化した状態では中空部４の傘部３ａ側が中空状態となり、内燃機関を始動した際の冷媒１５による燃焼ガスの熱伝達が抑制されるので、低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れが防止でき、排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化することが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ナトリウム等の冷媒を封入した中空バルブを備える内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用内燃機関においては、高出力化と共に低燃費化が要求されている。一方、内燃機関の高出力化に伴って燃焼温度が高くなるため、特に排気バルブへの熱負担が増大して傘部が高温となり、強度が低下して耐久性の低下が懸念される。また、内燃機関の許容回転数を高めると、バルブの慣性質量が大きくなりカムに対する追従性が損なわれることからバルブの軽量化が要求される。
【０００３】
この傘部の熱負荷の軽減及び軽量化を満たすバルブとして、例えば図３に一部断面で示すように、熱的に最も厳しい環境下にある排気バルブ２１に、傘部２１ａからステム部２１ｂにかけて直管状の中空部２１ｃを穿設して、この中空部２１ｃ内に冷媒２２を封入したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、このような中空バルブとして、高出力化に対応するために、例えば図４に断面図を示すように、バルブ２５の中空部２５ｃを、ステム部２５ｂ側においては直管状に延在させ、傘部２５ａ側においては傘部２５ａとほぼ同形状のロート状に拡大して、中空部２５ｃ内に冷媒２２を封入することにより、高負荷時における傘部２５ａの温度上昇をより効率良く抑えるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
なお、上記のような中空バルブ内に封入する冷媒２２は、通常、高温域では液化状態となり、低温域では固化状態となる金属ナトリウムや、Ｓｎ−Ｂｉ系あるいはＳｎ−Ｂｉ−Ｚｎ系の低融点合金が用いられ、内燃機関の作動による高温域において、バルブの駆動により中空部内でシェークされて、傘部が燃焼室およびポートを通る燃焼ガスから受けた熱を冷媒２２によってステム部に伝達し、ステム部からバルブガイドおよびシリンダヘッドを介して逃がすことにより、傘部の温度上昇を低減するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１８４４０４号公報（図１、図２）
【特許文献２】
実開平５−５０００８号公報（図１、図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３あるいは図４に示したような中空バルブを備える従来の内燃機関にあっては、中空バルブを、その傘部がステム部よりも下方に位置するように配置している。
【０００８】
このため、特に、図４に示したように、高出力化に対応するために、傘部２５ａ側において中空部２５ｃをロート状に拡大させた中空バルブ２５を用いると、内燃機関の停止状態においては、冷媒２２が重力によって中空部２５ｃ内の傘部２５ａ側に溜まることになり、傘部２５ａ側に溜まった冷媒２２が内燃機関の温度低下に伴って固化することになる。
【０００９】
このように、冷媒２２が中空部２５ｃの傘部２５ａ側において固化すると、その後に内燃機関を始動した際に、始動の瞬間から燃焼ガスの熱が冷媒２２により奪われて、排気管に排出される排気ガスの温度上昇が緩慢になる。その結果、排気ガス浄化用の触媒の温度上昇が遅れて触媒の活性化が遅れることが懸念される。図３に示す中空バルブを備えた内燃機関でも同様の現象が懸念される。
【００１０】
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、高出力の内燃機関において、高負荷時におけるバルブの傘部の温度上昇を抑制し、かつ低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れを防止して触媒を迅速に活性化できる内燃機関を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載の内燃機関の発明は、排気バルブおよび吸気バルブの少なくとも一方のバルブを、傘部からステム部にかけて穿設した中空部内に冷媒を封入した中空バルブとした内燃機関において、上記中空バルブは、上記傘部がステム部よりも上方に位置するように配置したことを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によると、中空バルブの傘部がステム部よりも上方に位置しているので、内燃機関の停止状態では、中空部内に封入された冷媒は重力によりステム部側に溜まり、冷媒はステム部側に溜まった状態で内燃機関の温度低下に伴って固化することになる。従って、冷媒が固化した状態では中空バルブの傘部側の中空部内が中空状態となり、内燃機関を始動した際の冷媒による燃焼ガスの熱伝達が抑制されるので、低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れを防止して、排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化することが可能となる。
【００１３】
一方、高負荷時においては、傘部が燃焼室およびポートを通る燃焼ガスから受けた熱を液化した冷媒による熱交換作用によりステム部に伝達し、ステム部からバルブガイドおよびシリンダヘッドを介して速やか逃がすことにより傘部の温度上昇が低減できる。この結果、ノッキングの発生が抑制され、点火進角が可能となり、内燃機関の性能向上が期待できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１の内燃機関において、上記中空部は、上記傘部側において傘部とほぼ同形状に拡大したことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明によると、中空部を傘部とほぼ同形状に拡大することによって冷媒が固化した状態では傘部側の拡大された中空部が中空状態となり、該部によって断熱機能が得られ低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れがより効率的に防止でき、排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化することが可能となる。一方、高負荷時においては傘部側において傘部と冷媒との接触面積が増大して冷媒への熱伝達量が多くなり、傘部の熱を冷媒によりステム部およびシリンダヘッドにより効率よく伝達できる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の内燃機関において、上記冷媒は、内燃機関の停止状態下で上記中空部のステム部範囲内に収まる量としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によると、冷媒が固化した状態では、中空部の傘部側に冷媒が存在しないので、その後の内燃機関の始動時における燃焼ガスの熱伝達がより確実に防止されて排気ガスの温度上昇が早められ、排気ガス浄化用の触媒をより迅速に活性化することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの内燃機関において、上記中空バルブは、排気バルブであることを特徴とする。
【００１９】
請求項５請求項４の発明によると、冷媒が固化した内燃機関の低温始動時には、排気ガスの温度上昇を早めて排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化することが可能になると共に、冷媒が液化した内燃機関の高負荷時には、冷媒によって排気バルブの傘部の温度上昇を抑えることができるので、内燃機関の更なる高出力化が可能となる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の内燃機関において、上記中空バルブを有する気筒をほぼ水平に配置したことを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明によると、気筒がほぼ水平に配置されているので、中空バルブを、例えば気筒の軸線よりも下側に配置することで、その傘部をステム部よりも上方に簡単に位置させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による内燃機関の実施の形態について、図１および図２を参照して説明する。
【００２３】
図１は内燃機関のシリンダヘッド部の要部構成を示す断面図であり、図２は図１に示す排気バルブの構成を示す拡大断面図である。
【００２４】
本実施の形態の内燃機関は、複数の気筒を水平に対向して配置した水平対向型エンジンで、シリンダヘッド１内には、各気筒に対応して上部側に吸気バルブ２が配置され、下部側に排気バルブ３が配置されている。
【００２５】
吸気バルブ２は、バルブガイド５を介してシリンダヘッド１に摺動可能に取り付けられ、インテークカムシャフト６の回転によりバルブスプリング７のばね力に抗して駆動されて、図示しないインテークマニホールドから吸気ポート８を経て対応する気筒の燃焼室９に混合気を選択的に供給するようになっている。
【００２６】
また、排気バルブ３は、バルブガイド１０を介してシリンダヘッド１に摺動可能に取り付けられ、エキゾーストカムシャフト１１の回転によりバルブスプリング１２のばね力に抗して駆動されて、対応する気筒の燃焼室９内の燃焼ガスを排気ポート１３から図示しないエキゾーストマニホールドおよび排気ガス浄化装置の排気ガス浄化用の触媒を経て排出するようになっている。
【００２７】
本実施の形態では、排気バルブ３として、図４と同様の構成の中空バルブを用いる。すなわち、図２に示すように、傘部３ａからステム部３ｂにかけて中空部４が穿設されている。中空部４はステム部３ｂ側に形成される直管部４ａと傘部３ａ側において傘部３ａとほぼ同形状にロート状に拡大する拡大部４ｂが連続形成されて、中空部４内に冷媒１５が封入されている。
【００２８】
この中空バルブからなる排気バルブ３は、その傘部３ａがステム部３ｂよりも上方に位置するように、即ち、中空部４の拡大部４ｂが直管部４ａより上方に位置してシリンダヘッド１に配置される。
【００２９】
また、冷媒１５は、高温域では液化状態となり、低温域では固化状態となる金属ナトリウムや、Ｓｎ−Ｂｉ系あるいはＳｎ−Ｂｉ−Ｚｎ系の低融点合金を用い、エンジンの停止状態下では重力によって直管部４ａのステム部３ｂの範囲内に収まる量が封入される。
【００３０】
本実施の形態によると、エンジン負荷の高い領域では、排気バルブ３の温度も高いので、冷媒１５は液化状態となって排気バルブ３の駆動により中空部４内でシェークされる。これにより、燃焼室９および排気ポート１３を通る燃焼ガスから傘部３ａが受けた熱は、冷媒１５の熱交換作用によりステム部３ｂ側に円滑に伝達され、バルブガイド１０およびシリンダヘッド１を介して放熱されて、傘部３ａの温度上昇が低減される。この結果、ノッキングの発生が抑制され、点火進角が可能となるので、高出力化が可能となり、性能向上が期待できる。
【００３１】
ここで、特に、中空部４の傘部３ａ側を傘部３ａとほぼ同形状の拡大部４ａとすることによって、傘部３ａと冷媒１５との接触面積が増大して傘部３ａから冷媒１５への熱伝達量が多く確保でき、燃焼室９および排気ポート１３を通る燃焼ガスから傘部３ａが受けた熱は、効率よくステム部３ｂ側に伝達されて傘部３ａの温度上昇が低減できる。
【００３２】
その後、エンジンを停止すると、中空部４内の冷媒１５は、液化状態となっているので、重力により排気バルブ３のステム部３ｂ側の直管部４ａに溜まって落ち着き、その状態でエンジンの温度低下に伴って固化状態となる。
【００３３】
このように、排気バルブ３内の冷媒１５が固化すると、傘部３ａ側の拡大部４ｂ内は中空状態となって冷媒１５も存在しないので、傘部３ａにおける熱容量は小さくなると共に中空状態の拡大部４ｂが断熱機能を果たす。従って、この状態でエンジンを始動すると、傘部３ａからステム部３ｂ側への熱伝達が抑制されて傘部３ａによって燃焼ガスから奪われる熱量が減少するので、排気ポート１３を経てエキゾーストマニホールドに排出される排気ガスの温度上昇を妨げる作用が緩慢になり温度上昇の遅れが防止される。その結果、排気ガス浄化用の触媒が迅速に活性化される。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、水平対向型エンジンの排気バルブ３を、傘部３ａ側において中空部４に拡大部４ｂを形成した中空バルブとしたので、この排気バルブ３を、その傘部３ａがステム部３ｂよりも上方に位置するようにシリンダヘッド１に簡単に取り付けることができ、中空部４の拡大部４ｂが直管部４ａより上方に位置し、排気バルブ３の中空部４内に封入する冷媒１５の量を、エンジンの停止状態下では直管部４ａ内、即ちステム部３ｂの範囲内に収まる量としたので、高出力エンジンにおいて、高負荷時の排気バルブ３の温度低下を図りながら、低温始動時の排気ガスの温度上昇遅れを防止して、排気ガス浄化用の触媒を迅速に活性化することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は水平対向型エンジンに限らず、他の配置形式の内燃機関にも適用することができる。また、排気バルブを中空バルブとする場合に限らず、吸気バルブを中空バルブとしたり、排気バルブおよび吸気バルブの双方を中空バルブとすることもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、排気バルブおよび吸気バルブの少なくとも一方のバルブを、傘部からステム部にかけて穿設した中空部内に冷媒を封入した中空バルブとした内燃機関において、中空バルブを、その傘部がステム部よりも上方に位置するように配置したので、高負荷時の中空バルブの温度低下を図りながら、低温始動時には冷媒をステム部側に留めて排気ガスの温度上昇遅れが防止でき、触媒を迅速に活性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の実施の形態の要部構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す排気バルブの構成を示す拡大断面図である。
【図３】従来の内燃機関に用いられている中空バルブの一例を一部断面で示す外観図である。
【図４】同じく、従来の内燃機関に用いられている中空バルブの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１シリンダヘッド
２吸気バルブ
３排気バルブ
３ａ傘部
３ｂステム部
４中空部
４ａ直管部（ステム部側）
４ｂ拡大部（傘部側）
５バルブガイド
６インテークカムシャフト
７バルブスプリング
８吸気ポート
９燃焼室
１０バルブガイド
１１エキゾーストカムシャフト
１２バルブスプリング
１３排気ポート
１５冷媒

Claims

排気バルブおよび吸気バルブの少なくとも一方のバルブを、傘部からステム部にかけて穿設した中空部内に冷媒を封入した中空バルブとした内燃機関において、
上記中空バルブは、上記傘部がステム部よりも上方に位置するように配置したことを特徴とする内燃機関。
上記中空部は、上記傘部側において傘部とほぼ同形状に拡大したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
上記冷媒は、内燃機関の停止状態下で上記中空部のステム部範囲内に収まる量としたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
上記中空バルブは、排気バルブであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の内燃機関。
上記中空バルブを有する気筒をほぼ水平に配置したことを特徴とする請求項１〜４に記載の内燃機関。