JP2005048634A - 内燃機関のポペットバルブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温に曝される内燃機関のポペットバルブにおいて、市販車にも安心して採用できる内燃機関のポペットバルブ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ステム部（２２）と傘部（２１）とから構成されるとともにステム部及び傘部の内側に中空部（２５）を有し、中空部に、カーボン繊維を含む成型体（２６）又はカーボン繊維の粉体が封入されて構成される。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のポペットバルブ及びその製造方法に係り、詳しくは、安心して市販車に採用可能な内燃機関のポペットバルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダヘッドに装備されるバルブには、混合ガスの入口側に位置する吸気バルブと、燃焼ガスの出口側に位置する排気バルブとがある。これらのバルブは、ともに燃焼室に直面しており、高熱及び高圧に耐えなければならないことの他、毎分数千回転にも及ぶ回転に対する往復運動の衝撃にも耐えなければならない。よって、これらのバルブは、ポペットバルブと呼ばれる茸状の形状に構成されている。
【０００３】
ここで、吸気バルブは、新しい混合ガスの流入によって冷却されるのに対し、排気バルブは、開弁しても燃焼ガスに曝されている。つまり、排気バルブは、高温環境下での作動が特に要求されることから、その冷却を如何に達成するかが極めて重要である。
そして、バルブの冷却効果を高めるべく、内燃機関のポペットバルブの技術が各種提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６４−４４３０５号公報（第１図等）
【特許文献２】
特開平５−５９９２０号公報（段落番号００２０、図１等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献１記載の従来の技術では、茸状をなす傘部に放熱芯体を埋設させたポペットバルブが開示され、また、前記特許文献２記載の従来の技術では、ステム部に相当する軸部を炭素長繊維等で構成させる一方、傘部の表面部分を窒化ケイ素焼結体で構成させたポペットバルブが開示されている。
【０００６】
よって、これらの従来の技術によれば、バルブの熱負荷を低減させることは可能である。しかし、前者の技術では、放熱芯体が傘部の底面側にて燃焼室に曝されているので、放熱芯体の材質如何によっては放熱芯体自体が燃えて、傘部の耐熱・耐久性に問題が生じてしまうとの問題がある。一方、後者の技術では、傘部の材質が熱伝導性の低い材料で構成されていることから、傘部の温度上昇によってノッキングが発生するとの問題がある。つまり、上記従来の技術のポペットバルブでは、いずれも安心して市販車に採用する点については依然として課題が残されている。
【０００７】
また、これらの構成の他、中空にしたステム部内に金属ナトリウムを封入させたナトリウム封入バルブの構成が知られている。この金属ナトリウムは、エンジンの使用範囲温度では液状になっており、バルブの動きに応じてステム部内を移動し、傘部の熱をステム部に逃がしている。このように、金属ナトリウムを用いて傘部の温度が低減させれば、抗ノック効果、すなわち、燃焼ガスの温度が低減されることによるノッキングの発生を抑制できる。
【０００８】
しかし、この金属ナトリウムは、酸化反応性が高く爆発の危険性がある物質である。すなわち、万一、バルブの折損等が起こったときには危険であることを鑑みれば、一部の高性能エンジンを除き、量産車に安心して適用させるにはやはり抵抗がある。これを回避する手段としては、例えば、ステム部の内側にオイル冷却通路を設ける、或いは、冷却水による冷却通路を設けることも考えられるが、複数本の細い冷却通路をステム部に設けなければならない等、最近の傾向の如く、動弁機能の向上を目指すべくステム部の細軸化を図る状況下では採用し難いという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高温に曝される内燃機関のポペットバルブにおいて、市販車にも安心して採用できる内燃機関のポペットバルブ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関のポペットバルブは、ステム部と傘部とから構成されるとともにステム部及び傘部の内側に中空部を有し、中空部に、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体が封入されていることを特徴としている。
【００１１】
したがって、請求項１記載の内燃機関のポペットバルブによれば、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体は、爆発する危険がなく、かつ、高い熱伝導性を有していることから、傘部の冷却が効率良く行え、高負荷時の抗ノック性を高めて出力向上に寄与するとともに、比重も軽いのでバルブの軽量化にも寄与する。よって、当該ポペットバルブを市販車に安心して採用可能となる。
【００１２】
しかも、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体は、蓋部材で閉塞されて外気に曝されないので、この成型体又は粉体自体が酸化によって変質することもなく、傘部の耐熱・耐久性が向上する。この点からも当該ポペットバルブを市販車に安心して採用可能となる。
また、請求項２記載の内燃機関のポペットバルブの製造方法は、中空部を有するステム部及び傘部分からなる中空粗材を成型する工程と、中空部の形状に沿って予め成型されたカーボンコンポジット材を傘部分の底面側の開口から中空部に充填する工程と、傘部分の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、係合部分を溶接して開口を閉塞する工程と、閉塞された傘部分を鍛造して傘部を成型する工程と、ステム部にコッタ溝部を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
したがって、請求項２記載の内燃機関のポペットバルブの製造方法によれば、ポペットバルブの内側と外側とを別部材で構成し、機械的強度は外側に相当する中空粗材に具備させれば、内側に相当する部分にはカーボンコンポジット材の如く、熱伝導能力の高さを主眼にした冷却材の選定が可能となり、バルブの傘部の冷却を効率良く行える。しかも、爆発の危険性を伴わないので、当該製造方法によって構成されたポペットバルブを安心して市販車に採用可能となる。
【００１４】
また、予め成型されたカーボンコンポジット材を中空部内に封入して外部と接触させないので、カーボンコンポジット材自体が燃焼ガスの温度上昇によって変質することもなく、傘部の耐熱・耐久性が向上する。さらに、中空粗材にカーボンコンポジット材を充填・閉塞してから傘部分を鍛造成型すれば、ポペットバルブの成型を効率良く行え、ステム部の細軸化も達成可能となる。
【００１５】
なお、カーボンコンポジット材としては、その繊維方向で高熱伝導性能を有するカーボン繊維に、アルミニウムや銅等の高熱伝導金属を含浸させたものが考えられる。このようなカーボン繊維を採用すれば、例え焼却しても、爆発することなくそのまま燃えるので、バルブの廃棄時にも好適になる。
また、請求項３記載の発明では、係合部分を溶接して中空部を閉塞する工程は、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴としている。
【００１６】
このように、カーボン繊維は、不活性ガス雰囲気中の如く酸素のない雰囲気では３０００℃までの温度に耐え得るので、傘部の温度が６００℃を超える可能性のある排気バルブにおいても、使用中におけるカーボンコンポジット材の変質を防止し、その高熱伝導機能が維持される。なお、仮に酸素のある雰囲気であっても５００℃レベルまでの温度では十分に使用可能である。
【００１７】
なお、係合部分の閉塞は、局所加熱できるレーザ溶接等により行われることが好ましい。これにより、溶接中におけるカーボンコンポジット材の焼失も防止される。
さらに、請求項４記載の発明では、中空部を有するステム部及び傘部を形成させるとともに、ステム部にコッタ溝部を形成させて中空バルブパーツを成型する工程と、ポペットバルブの動きに応じて中空部内で移動可能なカーボン粉体を傘部の底面側の開口から中空部に装填する工程と、傘部の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、係合部分を不活性ガス雰囲気中で溶接して開口を閉塞する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
したがって、請求項４記載の内燃機関のポペットバルブの製造方法によれば、ポペットバルブの内側と外側とを別部材で構成して上述と同様の効果が得られることの他、内側に相当する部分には、カーボン粉体の如くの熱伝導能力の高さを主眼にした冷却材の選定がより可能となり、熱伝導機能がさらに高められる。
そして、不活性ガス雰囲気中で中空部を閉塞すれば、排気バルブにおいても使用中のカーボンコンポジット材の変質を防止し、上記のさらに高められた熱伝導機能も維持される。
【００１９】
なお、カーボン粉体としては、カーボンナノチューブが考えられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の第一実施形態に係る内燃機関のポペットバルブが排気バルブとして適用されたエンジンの部分構成図が示されている。また、図２には、当該ポペットバルブの縦断面図が示されており、以下図１及び図２に基づき本発明に係る内燃機関のポペットバルブの構成を説明する。
【００２１】
エンジンのシリンダヘッド１には、略水平方向に排気ポート２が形成されており、排気ポート２の燃焼室３側には、排気ポート２と燃焼室３とを連通する排気口４の開閉を行う排気バルブ２０が設けられている。
排気バルブ２０は、シリンダヘッド１に配設された直動式動弁機構５に組み込まれている。この直動式動弁機構５は、排気バルブ２０を往復運動させるバルブリフタ１０と、エンジン回転に応じて回転して排気バルブ２０を開弁させるカム１３とを備えている。
【００２２】
バルブリフタ１０は、排気バルブ２０のステム部２２に圧接される突起部１１と、突起部１１の上側にてカム１３に当接されクリアランスを調整するシム１２と、シリンダヘッド１に圧入固定されステム部２２を支持するバルブガイド１９と、バルブガイド１９のシール１８と、カム１３の押圧力に抗して排気バルブ２０を閉弁させるバルブスプリング１６と、バルブスプリング１６の上端及び下端に設けられたアッパシート１５及びロアシート１７と、ステム部２２とバルブスプリング１６等とを固定させるバルブコッタ１４とから構成されている。
【００２３】
排気バルブ２０は、茸状をなし排気口４を開閉する傘部２１と、傘部２１に連なりバルブの軸部分をなしてバルブガイド１９に支持されるステム部２２と、突起部１１に当接する上端部２３と、バルブコッタ１４に係合されるコッタ溝部２４とを備えている。そして、傘部２１からコッタ溝部２４近傍に至るまでのステム部２２の内側には中空部２５が構成されており、本実施形態においては、中空部２５には、この中空部２５の形状に沿って予め成型されたカーボンコンポジット材２６が充填される。また、カーボンコンポジット材２６が充填された中空部２５は、傘部２１の底面側の開口周縁部２７に係合される蓋部材２８によって閉塞される。
【００２４】
上記カーボンコンポジット材２６とは、カーボン繊維を含む成型体を意味し、その繊維方向で高熱伝導性能を有するカーボン繊維に、アルミニウムや銅等の高熱伝導金属を含浸させたものである。
次に、前記の如き構成のポペットバルブ２０の製造方法について説明する。
図３は、ポペットバルブ２０の製造工程を示す図である。
【００２５】
同図（ａ）は、中空粗材２０Ａを鍛造により成型する工程である。すなわち、ポペットバルブ２０の製造にあたり、まず中空粗材２０Ａが成型される。より具体的には、板状の部材が段階を経て絞られることで、ステム部２２の外形の他、ステム部２２の内側に中空部２５を構成させるとともに、傘部分２１Ａの外形を構成させる。この傘部分２１Ａは、最終的に傘部２１として構成される前段階のものである。なお、中空部２５は傘部分２１Ａの内側にも構成される。
【００２６】
次に、カーボンコンポジット材２６が別工程で成型される。この形状は上記中空部２５の形状に等しくされている。そして、同図（ｂ）に示すように、この予め成型されたカーボンコンポジット材２６を傘部分２１Ａの開口から中空部２５に充填する。これにより、ステム部２２及び傘部分２１Ａの内側の中空部２５はカーボンコンポジット材２６によってほぼ一杯に満たされる。
【００２７】
次いで、同図（ｃ）は中空部２５を閉塞する工程を示している。つまり、傘部分２１Ａの開口周縁部２７に蓋部材２８を係合させ、この係合部分２９をレーザ溶接により傘部分２１Ａの開口を閉塞している。このように、レーザ溶接で係合部分２９のみを局所的に加熱すれば、溶接中のカーボンコンポジット材２６の焼失等による変質が防止できる。
【００２８】
ここで、この溶接は、不活性ガス雰囲気中で行われることが望ましい。中空部２５内に酸素が存在しないように溶接すれば、封入されたカーボン繊維は、約３０００℃までの温度に耐えるようになり、傘部２１の温度が約６００℃を超える可能性のある排気バルブ２０においても、その高熱伝導機能が維持されるからである。なお、不活性ガス雰囲気中で溶接を行わない場合には、中空部２５内に酸素が存在することになるが、この場合であっても、カーボン繊維は、約５００℃レベルの温度までは十分に使用でき、例えば吸気バルブには十分に適用可能である。
【００２９】
そして、同図（ｄ）に示すように、カーボンコンポジット材２６が封入された中空粗材２０Ａを保持具５０内に載置し、続いて、押圧具５１が、傘部分２１Ａの開口周縁部２７側からステム部２２の長手方向に向けて傘部分２１Ａを鍛造すれば、保持具５０の内側形状に沿った傘部２１が成型される。
そして、鍛造形成後に保持具５０から取り出されたステム部２２に対し、コッタ溝部２４を形成すれば排気バルブ２０が完成する。
【００３０】
図４は、本発明の第二実施形態を示すものである。当該第二実施形態では、バルブの冷却材の構成及び製造方法の点を除き、前記第一実施形態と同一の構成からなるものであることから、このバルブの冷却材の構成及び製造方法の点について詳細に説明する。
本実施形態の排気バルブ３０は、傘部３１と、ステム部３２と、上端部３３と、コッタ溝部３４とを備え、ステム部３２及び傘部３１の内側には中空部３５が構成されている。これは上記第一実施形態と同様である。一方、本実施形態においては、中空部３５には、カーボンナノチューブ３６と不活性ガス３６Ｇとが装填される。具体的には、カーボンナノチューブ３６は、排気バルブ３０の往復運動に伴って中空部３５内を移動することから、この移動を可能にさせるための量が考慮されて封入されている。また、カーボンナノチューブ３６及び不活性ガス３６Ｇが装填された中空部３５は、傘部３１の開口周縁部３７に係合される蓋部材３８によって閉塞される。なお、上記カーボンナノチューブ３６とは、カーボン繊維の粉体を意味し、その繊維方向で高熱伝導性能を有するものである。
【００３１】
この排気バルブ３０の製造工程は、図５に示されている。
同図（ａ）は、中空バルブパーツ３０Ａを鍛造により成型する工程である。すなわち、本実施形態においては、ポペットバルブ３０の製造にあたり、まず中空バルブパーツ３０Ａが成型される。より具体的には、板状の部材が段階を経て絞られ、ステム部３２及び傘部３１の外形の他、これらステム部３２及び傘部３１の内側に中空部３５を構成させる。また、上記鍛造形成後には、ステム部３２にコッタ溝部３４を形成させる。
【００３２】
次に、同図（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ３６を傘部３１の開口から中空部３５に装填する。これにより、ステム部３２の内側に相当する中空部３５の部分がカーボンナノチューブ３６によって満たされる。
次いで、同図（ｃ）は中空部３５を閉塞する工程を示している。つまり、同図に示すように、まず、カーボンナノチューブ３６が装填された中空バルブパーツ３０Ａを不活性ガス槽６０内に置く。そして、傘部３１の開口周縁部３７に蓋部材３８を係合させ、この係合部分３９をレーザ溶接により傘部２１の開口を閉塞している。つまり、中空部３５内には、カーボンナノチューブ３６の層と不活性ガス３６Ｇの層とが形成される。このように、不活性ガス雰囲気中で溶接を行うことにより、粉体であるカーボンナノチューブ３６が酸化して変質することが防止できる。また、レーザ溶接で係合部分３９のみを局所的に加熱すれば、溶接中のカーボンナノチューブ３６の焼失も防止できる。
【００３３】
そして、不活性ガス槽６０から取り出して排気バルブ３０が完成する。
以上のように、上記第一実施形態のポペットバルブ２０及び第二実施形態のポペットバルブ３０の構成によれば、カーボンコンポジット材、カーボンナノチューブ等のカーボン繊維を含んだ冷却材が封入され、ポペットバルブ２０、３０がカーボン繊維により積極的に冷却されることから、傘部２１、３１の熱をシートやステム部２２、３２から効率良く逃がすことができる。つまり、傘部２１、３１の温度を効果的に下げることが可能になり、バルブの耐久性の向上が図られる。しかも、燃焼ガスの加熱を抑制させるのでノッキングが発生し難くなり、その分だけ点火時期を進めることが可能になって燃費及びエンジン出力等の性能の向上が図られる。
【００３４】
また、金属ナトリウムを封入するナトリウム封入バルブに比して爆発の危険がなく、バルブの廃棄の際の処置も容易化される。
さらに、第一実施形態のポペットバルブ２０の製造方法の如く、予め成型され、高熱伝導金属が含浸されたカーボンコンポジット材２６を中空粗材２０Ａの中空部２５へ導入し、封入後に鍛造成型していることから、成型性が良く、かつ、高熱伝導能力を有するポペットバルブ２０を製造することができる。
【００３５】
また、第二実施形態のポペットバルブ３０の製造方法の如く、粉体のカーボンナノチューブ３６を中空バルブパーツ３０Ａの中空部３５に導入しているので、高熱伝導能力の更なる向上を図ることができる。さらに、不活性ガス３６Ｇも封入されることから、高温環境下での作動が特に要求される排気バルブにおいても、カーボンナノチューブ３６の焼失を防止できる。
【００３６】
以上で本発明の各実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、ポペットバルブ２０、３０が排気バルブとして適用された例が示されているが、吸気バルブとして適用されるものであっても良く、上記と同様に、バルブの耐久性の他、ノッキングの発生の抑制、及びバルブの廃棄処置を容易化できる効果を奏する。
【００３７】
また、動弁機構についても、上述の直動式の形態に限定されるものではなく、ロッカーアーム式のものであっても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の内燃機関のポペットバルブによれば、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体は、爆発する危険がなく、かつ、高い熱伝導性を有していることから、傘部の冷却が効率良く行え、高負荷時の抗ノック性を高めて出力向上に寄与するとともに、比重も軽いのでバルブの軽量化にも寄与する。よって、当該ポペットバルブを市販車に安心して採用することができる。
【００３９】
しかも、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体は、蓋部材で閉塞されて外気に曝されないので、この成型体又は粉体自体が変質することもなく、傘部の耐熱・耐久性を向上させることができる。この点からも当該ポペットバルブを市販車に安心して採用することができる。
また、請求項２記載の内燃機関のポペットバルブの製造方法によれば、ポペットバルブの内側と外側とを別部材で構成し、機械的強度は外側に相当する中空粗材に具備させれば、内側に相当する部分にはカーボンコンポジット材の如く、熱伝導能力の高さを主眼にした冷却材の選定が可能となり、バルブの傘部の冷却を効率良く行うことができる。しかも、爆発の危険性を伴わないので、当該製造方法によって構成されたポペットバルブを安心して市販車に採用することができる。
【００４０】
また、予め成型されたカーボンコンポジット材を中空部内に封入して外部と接触させないので、カーボンコンポジット材自体が燃焼ガスの温度上昇によって変質することもなく、傘部の耐熱・耐久性を向上させることができる。さらに、中空粗材にカーボンコンポジット材を充填・閉塞してから傘部分を鍛造成型すれば、ポペットバルブの成型を効率良く行うことができ、ステム部の細軸化も達成することができる。
【００４１】
さらに、請求項３記載の発明によれば、カーボン繊維は、不活性ガス雰囲気中の如く酸素のない雰囲気では３０００℃までの温度に耐え得るので、傘部の温度が６００℃を超える可能性のある排気バルブにおいても、使用中におけるカーボンコンポジット材の変質を防止し、その高熱伝導機能を維持させることができる。
【００４２】
また、請求項４記載の発明によれば、ポペットバルブの内側と外側とを別部材で構成して上述と同様の効果が得られることの他、内側に相当する部分には、カーボン粉体の如くの熱伝導能力の高さを主眼にした冷却材の選定がより可能となり、熱伝導機能をさらに高めることができる。そして、不活性ガス雰囲気中で中空部を閉塞すれば、排気バルブにおいても使用中のカーボンコンポジット材の変質を防止し、上記のさらに高められた熱伝導機能も維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る内燃機関のポペットバルブが適用されるエンジンの部分構成図である。
【図２】図１のポペットバルブの縦断面図である。
【図３】図１のポペットバルブの製造方法を示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る内燃機関のポペットバルブの縦断面図である。
【図５】図４のポペットバルブの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
２０、３０ ポペットバルブ
２０Ａ 中空粗材
２１、３１ 傘部
２１Ａ 傘部分
２２、３２ ステム部
２４、３４ コッタ溝部
２５、３５ 中空部
２６ カーボンコンポジット材（カーボン繊維を含む成型体）
２７、３７ 開口周縁部
２８、３８ 蓋部材
２９、３９ 係合部
３０Ａ 中空バルブパーツ
３６ カーボンナノチューブ（カーボン繊維の粉体）
３６Ｇ 不活性ガス

Claims (4)

1. ステム部と傘部とから構成されるとともに該ステム部及び傘部の内側に中空部を有し、該中空部に、カーボン繊維を含む成型体又はカーボン繊維の粉体が封入されていることを特徴とする内燃機関のポペットバルブ。
2. 中空部を有するステム部及び傘部分からなる中空粗材を成型する工程と、
   前記中空部の形状に沿って予め成型されたカーボンコンポジット材を前記傘部分の底面側の開口から前記中空部に充填する工程と、
   前記傘部分の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、該係合部分を溶接して前記開口を閉塞する工程と、
   該閉塞された傘部分を鍛造して傘部を成型する工程と、
   前記ステム部にコッタ溝部を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のポペットバルブの製造方法。
3. 前記係合部分を溶接して前記中空部を閉塞する工程は、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項２記載の内燃機関のポペットバルブの製造方法。
4. 中空部を有するステム部及び傘部を形成させるとともに、前記ステム部にコッタ溝部を形成させて中空バルブパーツを成型する工程と、
   ポペットバルブの動きに応じて前記中空部内で移動可能なカーボン粉体を前記傘部の底面側の開口から前記中空部に装填する工程と、
   前記傘部の開口周縁部に蓋部材を係合させるとともに、該係合部分を不活性ガス雰囲気中で溶接して前記開口を閉塞する工程と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のポペットバルブの製造方法。

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