JP2006097498A - 内燃機関用中空弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 傘部Ａ側からステムＢ側への熱伝達を促進して冷却性能の向上を図る内燃機関用中空弁を提供することを課題とする。
【解決手段】 傘部ＡからステムＢまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁において、中空部は上部中空部Ｅ２と下部中空部Ｅ１とに分割形成され、上部中空部Ｅ２および下部中空部Ｅ１の各々に冷却媒体Ｍ２、Ｍ１が封入されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸排気弁として用いられる内燃機関用中空弁に関し、特に、傘部からステムまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁に関する。

一般的に、エンジンの燃焼室で発生した熱の一部は、吸排気弁からバルブガイド、オイルシール、バルブリフターなどを介してシリンダヘッド側へ放熱される。しかし、この放熱が速やかに行われずにこれら吸排気弁の温度が過度に上昇すると、例えば燃焼状態が悪化し、ノッキングやプレイグニッションのような異常燃焼が誘発され、ひいては熱効率の低下や出力の低下が引き起こされる場合がある。

そこで、このような問題を解決すべく、冷却性能の向上を図った中空弁が、例えば特許文献１に開示されている。この中空弁は、軽量化を図るために傘部からステムにかけて形成された中空孔内に冷却媒体を封入して、該中空弁の開閉運動により上下に該冷却媒体を躍動飛散させて、傘部側からステム側への熱の伝達を促進させるものである。

特開平１０−２５２４２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の中空弁では、この中空弁の上下動に伴う慣性力により冷却媒体はシェイクされて上方へ跳ね上がるが、概して内部に封入される冷却媒体は軽量であり、そのためその跳ね上がりは小さいので、冷却媒体を介しての傘部側からステム側上部への十分な熱伝達は行われ難いという問題がある。また、冷却媒体の量を多くしても、中空孔内の空域が減少する結果、慣性力による冷却媒体の移動量が小さくなり、冷却媒体による傘部側からステム側への熱伝達が促進されないという問題がある。すなわち、上記特許文献１に記載の内燃機関用中空弁を用いても、冷却媒体を介して中空弁の上部側に傘部側の熱が適切に伝達されず、傘部側で吸収された熱が迅速に放熱され難いとい問題がある。

そこで、本発明は、上記問題を解消し、傘部側からステム側への熱伝達を促進して冷却性能の向上を図る内燃機関用中空弁を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一形態に係る内燃機関用中空弁は、傘部からステムまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁において、中空部は上部中空部と下部中空部とに分割形成され、上部中空部および下部中空部の各々に冷却媒体が封入されていることを特徴とする。

また、上部中空部の冷却媒体は、下部中空部の冷却媒体に対して、高冷却性能を示す媒体であるのが好ましい。

さらに、上部中空部を形成している部材は、下部中空部を形成している部材に対して、熱伝導率の大きな材料から作製されるのが望ましい。

また、本発明の他の形態に係る内燃機関用中空弁は、傘部からステムまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁において、中空部には高さの異なる複数の棚部が配設されていることを特徴とする。

さらに、棚部の各々は、交互に配設されているのが望ましい。

本発明の一形態によれば、内燃機関用中空弁の中空部は上部中空部と下部中空部とに分割形成され、上部中空部および下部中空部の各々に冷却媒体が封入されているので、上部中空部の冷却媒体を介してステム中央部付近からステム側上方へ熱が速やかに伝達されて外部へ放熱されることによりステム側は十分に冷却され、これにより傘部側からステム側への温度勾配が大きくなり、下部中空部の冷却媒体を介すなどして傘部側からステム側上部への熱伝達が促進されて、冷却性能の向上を図ることが可能になる。

さらに、上部中空部の冷却媒体は、下部中空部の冷却媒体に対して、高冷却性能を示す媒体であれば、ステム側では上部中空部の冷却媒体を介した熱伝達とこれに伴う放熱が促進されて十分に冷却がされるので、傘部側とステム側の温度勾配が大きくなり、下部の熱が上部へ積極的に伝達されて、冷却性能の向上を図ることが可能になる。

さらに、上部中空部を形成している部材が、下部中空部を形成している部材に対して、熱伝導率の大きな材料から作製される形態によれば、ステム側の有する熱が傘部側のそれよりも早く放熱されて、ステム側の冷却が傘部側のそれに比して進行するので、傘部側からステム側への熱伝達の速度を上げて冷却性能の向上を図ることが可能になる。

さらに、本発明の他の形態によれば、内燃機関用中空弁の中空部には高さの異なる複数の棚部が配設されているので、冷却媒体は棚部で中継されながらより上部へ到達され得、傘部側で冷却媒体に伝達された熱がよりステム側上部へ伝達されるようになり、冷却性能の向上を図ることが可能になる。

さらに、棚部の各々が交互に配設されている形態によれば、冷却媒体が動き得る通路が大きくとれて、上方の棚部へ中継される冷却媒体の量を増加させることが可能になる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る内燃機関用中空弁の好ましい実施形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係る内燃機関用中空弁（以下、中空弁という。）の第一の実施形態を図１から図３に基づいて説明する。なお、図１は第一の実施形態の中空弁１の一部断面側面図であり、図２は図１に示した中空弁１下部の断面拡大図であり、図３は第一の実施形態の中空弁１の使用時の温度分布を概略的に示したグラフである。

吸排気弁として使用され得る中空弁１は、弁本体２と、下部キャップ部５と、上部キャップ部６とを備えて構成されている。弁本体２は、傘状に拡径した拡径部３と、それになだらかに連続する筒状部４とからなり、弁本体２の中心軸線上には中空孔が穿設されている。なお、筒状部４の上端部外周側にはコッタ溝部４ａが形成されている。この中空孔は、拡径部３の開端部３ａから筒状部４中央部まで縮径されるようにされていて、開端部３ａから、冷却媒体を上部と下部で分離滞留可能にするべく仕切板７が中空孔内に挿入されて、筒状部４の中央部近傍の所定の位置まで差し込まれ、かしめられて中空孔内に保持されている。そして、弁本体２の拡径部３の開端部３ａに冷却媒体Ｍ１が投入され下部キャップ部５を接合することにより封止されると共に、筒状部４の開端部４ｂに冷却媒体Ｍ２が投入され上部キャップ部６を接合することにより封止されて、中空弁１内に下部中空部Ｅ１と上部中空部Ｅ２とが形成され、後述するように傘部Ａ側からステムＢ側への熱伝達を促進して冷却性能の向上を図ることが可能にされる。ここで、傘部Ａとは下部キャップ部５から弁本体２の拡径部３の中空弁１の部分をいい、ステムＢとは弁本体２の筒状部４から上部キャップ部６の中空部１の部分をいうものとして用いる。なお、仕切板７、下部キャップ部５、上部キャップ部６の弁本体２への接合に際しては、レーザー溶接、ろう付け等の接合技術が用いられることが望ましい。

下部中空部Ｅ１と上部中空部Ｅ２とに封入されている冷却媒体Ｍ１、Ｍ２は共に、作動時、すなわち内燃機関の運転時における熱により液体となる、例えばＮａ（ナトリウム）が用いられ得る。その他、Ｋ（カリウム）など作動時の熱で溶融して液体となる金属が、熱伝導率の観点から用いられるのが好ましい。しかし、本発明では、内燃機関の運転時における熱により溶融しない、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などのセラミックスや金属の微粉末であっても良い。

本実施形態の中空弁１は、内燃機関での運転時の開閉運動により上下に往復運動される。この往復運動により、冷却媒体Ｍ１は下部中空部Ｅ１で、冷却媒体Ｍ２は上部中空部Ｅ２で、シェイクされて主として弁本体２の中心軸線上の慣性力を受けて躍動飛散させられ、傘部Ａ側で吸収された熱が、ステムＢ側へ伝達される。もちろん、これは、下部キャップ部５から上部キャップ部６まで熱が伝達されることを含むものである。

ところで、本第一の実施形態では、冷却媒体が封入される中空部が下部中空部Ｅ１と上部中空部Ｅ２の二つに分けられているので、それぞれの冷却媒体Ｍ１、Ｍ２によって冷却される熱量が、一の中空部とされている時に比して小さい。そこで、冷却媒体Ｍ１、Ｍ２の量は、それぞれ仕切板７を設けない場合に比して少量とされている。具体的には、図２に示すように、拡径部３、すなわち傘部Ａの先端近傍までしか冷却媒体Ｍ１は封入されない。それ故、シェイクされた冷却媒体Ｍ１が拡径部３にもシェイクによる躍動飛散により到達されることとなり、内燃機関の燃焼室での燃焼により最も加熱される傘部Ａの熱が積極的に冷却媒体Ｍ１に伝達吸収されて、この冷却媒体Ｍ１を介してより上部のステムＢ側へ当該熱が伝達されることとなる。

なお、下部中空部Ｅ１および上部中空部Ｅ２では、それぞれの中の冷却媒体Ｍ１、Ｍ２を介してより上部へ熱が運ばれる一方、弁本体２そのものによっても熱が伝達される。

ここで、本第一の実施形態の中空弁１の使用時の温度分布の実験結果を、中空部が一つだけである従来の中空弁の使用時の温度分布と対比して、図３に示す。従来の中空弁の使用時の温度分布を表した曲線Ｃ１と、本第一の実施形態の中空弁１の使用時の温度分布を表した曲線Ｃ２を比較すると、曲線Ｃ２が曲線Ｃ１よりも下方にあり、すなわち下部キャップ部５、拡径部３、仕切板７近傍である筒状部４中央部、上部キャップ部６の各温度は全て本第一の実施形態の中空弁１の方が低く、中でも中空弁１の上部キャップ部６の温度は、従来の中空弁の上部キャップ部の温度に比して極めて低くなっている。それ故、温度の高い傘部Ａ側から温度の低いステムＢ側への温度勾配が大きくなり、傘部Ａ側からステムＢ側に熱が迅速に伝達されることとなる。

上記事項をまとめると、上記第一の実施形態の中空弁１は、上部中空部Ｅ２と下部中空部Ｅ１とを有し、上部中空部Ｅ２および下部中空部Ｅ１の各々に冷却媒体Ｍ２、Ｍ１が封入されているので、ステムＢ側では、上部中空部Ｅ２の冷却媒体Ｍ２を介してステムＢ上方へ熱が速やかに伝達されて、外部へその熱が放熱され、それにより十分な冷却が行われる。これにより、傘部Ａ側からステムＢ側への温度勾配が大きくなるので、傘部Ａ側からは、下部中空部Ｅ１の冷却媒体Ｍ１を介すなどしてステムＢ側上部への熱伝達が促進される。従って、中空弁１の傘部Ａ側からステムＢ側への熱伝達が促進され、中空弁１の冷却性能の向上を図ることが可能になる。

また、上述の如く、上記第一の実施形態の中空弁１では下部中空部Ｅ１の冷却媒体Ｍ１の量は仕切板７を設けない場合に比して少量とされているので、拡径部３、すなわち傘部Ａの熱が積極的に冷却媒体Ｍ１に取り除かれて、この冷却媒体Ｍ１を介してより上部のステムＢ側へ当該熱が伝達されることとなり、加熱と冷却が繰り返し行われる傘部Ａでの、熱膨張による伸長と収縮による熱疲労を緩和することが可能になる。

しかし、上記第一の実施形態では、冷却媒体Ｍ１、Ｍ２が同種の冷却媒体である例を説明したが、互いに異なる媒体としても良く、上部と下部の温度勾配を大きくする観点からは、上部中空部Ｅ２の冷却媒体Ｍ２は、下部中空部Ｅ１の冷却媒体Ｍ１よりも高冷却性能を示す媒体である方が望ましい。これによりステムＢ側では上部中空部Ｅ２の冷却媒体Ｍ２を介した熱伝達とこれに伴う放熱が促進されて十分に冷却が促進され、傘部Ａ側とステムＢ側の温度勾配が大きくなり、下部の熱が上部へ積極的に伝達されて、冷却性能の向上を図ることが可能になる。具体的には、冷却媒体Ｍ１、Ｍ２が共に内燃機関の運転時における熱により溶融しない媒体である場合には、上部中空部Ｅ２の冷却媒体Ｍ２の粒径を、下部中空部Ｅ１の冷却媒体Ｍ１の粒径よりも小さくするのが良い。これにより冷却媒体Ｍ２の表面積が、冷却媒体Ｍ１の表面積よりも大きくなり、冷却媒体Ｍ２を介してステムＢ上部の冷却が速やかに行われるようになる。または、冷却媒体Ｍ１を内燃機関の運転時における熱で溶融しない固体である粉末とし、冷却媒体Ｍ２をその熱で溶融するＮａ、Ｋなどの低融点の物質とすることとしても良い。

ところで、上記第一の実施形態では、弁本体２を一の部材として仕切板７を保持することで中空孔を二分割することとしたが、傘部Ａ側よりもステムＢ側での冷却性能の向上を図るためには、中空弁１のステムＢ側が傘部Ａ側に比して冷却性能の優れた材料から製作されることが望ましい。そこで、次に本発明に係る中空弁１の第二の実施形態を、図４に基づいて説明する。なお、図４は第二の実施形態の中空弁１の断面側面図であり、説明の理解を容易にするため、上記第一の実施形態と同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明を避ける。

本第二の実施形態では、下部中空部Ｅ１と上部中空部Ｅ２を形成している部材を異なる部材とし、上部中空部Ｅ２を形成している部材は、下部中空部Ｅ１を形成している部材に対して、熱伝導率の大きな材料から作製される。具体的には、図４に示すように、弁本体２を下部弁本体２１と上部弁本体２２とに分け、下部弁本体２１よりも上部弁本体２２を熱伝導率の大きな材料から作製し、下部弁本体２１の仕切部２１ａと上部弁本体２２の仕切部２２ａを接合する。すなわち、上記第一の実施形態の仕切板７が、仕切部２１ａと仕切部２２ａとから形成することになる。なお、下部弁本体２１と上部弁本体２２は共に、一端が仕切部２１ａと仕切部２２ａで仕切られていて、他方が開口していることにより、それぞれ中空穴を有することとされている。そして、下部弁本体２１と上部弁本体２２のそれぞれの中空穴に冷却媒体Ｍ１、Ｍ２を投入後に下部キャップ部５と上部キャップ部６が接合される。これにより、中空弁１は、ステムＢ側の有する熱が傘部Ａ側の熱よりも早く放熱されて、ステムＢ側の冷却が傘部Ａ側の冷却に比して進行されるので、傘部Ａ側からステムＢ側への温度勾配が大きくなり、熱伝達の速度を上げて冷却性能の向上を図ることが可能になる。なお、例えば、下部中空部Ｅ１をＮｉ−Ｃｒ鋼やＣｏ−Ｃｒ鋼の材料製の下部弁本体２１内に形成するのに対して、上部中空部Ｅ２をＡｌ合金、Ｃｕ合金やカーボン繊維系の材料製の上部弁本体２２内に形成することが望ましい。

次に、本発明に係る中空弁の第三の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、図５は第三の実施形態の中空弁１´の断面側面図であり、説明の理解を容易にするため、上記第一の実施形態と同一の構成要素に対しては可能な限り同一の番号に「´」を付したものを用い、重複する説明を避ける。

本第三の実施形態の中空弁１´は、弁本体２´と、下部キャップ部５´と、上部キャップ部６´とを備えて構成されていて、弁本体２´の拡径部３´から筒状部４´に穿設されている中空孔には複数の棚部８´が配設されている。一の中空部Ｅ´に配設されたこれら棚部８´は、中空弁１´の軸線方向に異なる高さに配設されていて、弁本体２の内側面から略径方向に突出し、弁本体２の内側面から棚部８´先端に至るに従って中空弁１´の上部へ若干傾いた形状とされている。但し、本第三の実施形態では、この棚部８´は中空弁１´の軸線方向に異なる高さに配設されていることに加えて、同一円上にも複数の棚部８´が設けられている。なお、この棚部８´は角形の板でも良いが、円盤状の板であるのが望ましい。

以上、本発明の第三の実施形態によれば、中空弁１´の中空部Ｅ´には高さの異なる複数の棚部８´が配設されているので、冷却媒体Ｍ´は棚部８´で中継されながらより上部の棚部８´へ到達され得る。これにより傘部Ａ´側で冷却媒体Ｍ´に伝達された熱がよりステムＢ´側上部へ伝達されるようになり、ステムＢ´側上部から熱を外部へ放熱し、中空弁１´を迅速に冷却することが可能になる。

ところで、上記第三の実施形態では、棚部８´が中空弁１´の軸線方向に異なる高さに配設されていることに加えて、同一円上にも複数の棚部８´が設けられることとしたが、同一円上に複数の棚部８´があると中空部Ｅ´の通路が当該棚部８´により狭められてシェイクされた冷却媒体Ｍ´の上部への移動が阻害される場合が考えられる。そこで、より上部の棚部８´へ移動される冷却媒体Ｍ´の量を多くするべく、本発明に係る中空弁１´の第四の実施形態を図６に基づいて説明する。

第四の実施形態の中空弁１´では、同一円周上に棚部８´が設けられないで、棚部８´の各々は軸線方向に交互に配設される。これにより、冷却媒体Ｍ´が動き得る通路が大きくとれて、上方の棚部８´へ中継される冷却媒体Ｍ´の量を増加させることが出来、冷却性能の向上を図ることが可能になる。

以上、本発明に係る中空弁について、第一から第四の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されない。具体的には、中空弁に、各々冷却媒体が封入されている上部中空部と下部中空部とを設け、上部中空部と下部中空部の各々に棚部を配設することが可能である。また、上記中空弁１、１´は弁本体２、２´と、下部キャップ部５、５´と、上部キャップ部６、６´とを備えて構成されているとしたが、これらの一部又は全部を一体に成形しても良い。

第一の実施形態の中空弁の一部断面側面図である。 図１に示した中空弁の下部の断面拡大図である。 第一の実施形態の中空弁の使用時の温度分布を、従来の中空弁のそれに比して、概略的に示したグラフである。 第二の実施形態の中空弁の断面側面図である。 第三の実施形態の中空弁の断面側面図である。 第四の実施形態の中空弁の断面側面図である。

符号の説明

１、１´ 中空弁
２、２´ 弁本体
２１ 下部弁本体
２２ 上部弁本体
２１ａ、２２ａ 仕切部
３、３´ 拡径部
４、４´ 筒状部
３ａ、４ａ 開端部
５、５´ 下部キャップ部
６、６´ 上部キャップ部
７ 仕切板
８´ 棚部
Ａ、Ａ´ 傘部
Ｂ、Ｂ´ ステム
Ｅ´ 中空部
Ｅ１ 下部中空部
Ｅ２ 上部中空部
Ｍ´、Ｍ１、Ｍ２ 冷却媒体

Claims (5)

1. 傘部からステムまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁において、
   該中空部は上部中空部と下部中空部とに分割形成され、該上部中空部および該下部中空部の各々に前記冷却媒体が封入されていることを特徴とする内燃機関用中空弁。
2. 前記上部中空部の冷却媒体は、前記下部中空部の冷却媒体に対して、高冷却性能を示す媒体であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用中空弁。
3. 前記上部中空部を形成している部材は、前記下部中空部を形成している部材に対して、熱伝導率の大きな材料から作製されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用中空弁。
4. 傘部からステムまでに形成された中空部に冷却媒体を封入してなる内燃機関用中空弁において、
   該中空部には高さの異なる複数の棚部が配設されていることを特徴とする内燃機関用中空弁。
5. 前記棚部の各々は、交互に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用中空弁。

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