JP2006097499A - 内燃機関用中空弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 傘部側からステム側へ冷却媒体を適切に案内して、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Ｅに冷却媒体Ｍを封入してなる内燃機関用中空弁１であって、冷却媒体Ｍを、傘部Ａ側から少なくともステムＢ側に方向付ける案内部材７が、傘部Ａ側の中空部Ｅに配設されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

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く、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、封入されている冷却媒体が傘部側からステム側へ跳ね上がってもその方向は一定せず、例えば特定の部位に冷却媒体を到達させることは難しいという問題がある。

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冷却媒体を適切に案内して、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であって、冷却媒体を傘部側から少なくともステム側に方向付ける案内部材が、傘部側の中空部に配設されていることを特徴とする。

また、案内部材はノズル形状を有することが好ましい。

さらに、ステム側から傘部側に戻る冷却媒体の通過する冷媒戻口部が、案内部材の外周側であり且つ中空部を形成する部材の内周側に配設されているのが好ましい。

さらに、案内部材は傘部側からステム側に向けられ、湾曲傾斜面を有する凸部とされているのが好ましい。

本発明の一形態によれば、冷却媒体を傘部側から少なくともステム側に方向付ける案内部材が、傘部側の中空部に配設されているので、傘部側からステム側へ冷却媒体が適切に案内されてステム側へ到達されることとなり、これにより冷却媒体を介して傘部側からステム側上部へ熱が確実に伝達され、ステム側上部からの放熱が迅速に行われて冷却性能の向上を図ることが可能になる。

また、案内部材はノズル形状を有するのであれば、冷却媒体のステム側への移動方向がさらに制御されると共に、より勢いを付けて移動されるので、さらにステム側上部に冷却媒体は到達させられ得るようになる。

さらに、ステム側から傘部側に戻る冷却媒体の通過する冷媒戻口部が、案内部材の外周側であり且つ中空部を形成する部材の内周側に配設されているのであれば、ステム側へ移動される冷却媒体と傘部側へ戻る冷却媒体とが互いに干渉することがなく、中空部内の冷却媒体の流れが円滑になり得る。

さらに、案内部材は傘部側からステム側に向けられ、湾曲傾斜面を有する凸部とされているのであれば、冷却媒体は、この湾曲傾斜面により長い助走区間を得ることが出来ると共に、傘部側からステム側へ方向付けられて案内され、ステム側上部へ到達させられ得るようになる。

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及び図２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。そして、筒状部４の開端部に上部キャップ部６が接合されることにより中空弁１の上端部が封止されると共に、拡径部３の開端部に冷却媒体Ｍが投入されて後述する下部キャップ部５が接合されることにより中空弁１の下端部が封止されて、中空弁１内の傘部ＡからステムＢまでに形成される中空部Ｅに冷却媒体Ｍが封入される。ここで、傘部Ａとは下部キャップ部５から拡径部３の中空弁１の部分をいい、ステムＢとは筒状部４から上部キャップ部６の中空弁１の部分をいうものとして用いる。また、中空部Ｅは、後述する第一中空部Ｅ１と第二中空部Ｅ２に分割される。なお、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。

図２に詳述するように、下部キャップ部５は内部に第二中空部Ｅ２を有し、下部キャップ部５の上面に形成された案内ノズル７と冷媒戻し穴８を介して冷却媒体Ｍは第一中空部Ｅと第二中空部Ｅ２との間で出入り可能にされている。なお、第一中空部Ｅ１は、中空部Ｅから第二中空部Ｅ２を除いた空間とされている。複数の案内ノズル７は、各々が、第二中空部Ｅ２から第一中空部Ｅ１に、冷却媒体ＭをステムＢ側に向かって方向付ける案内部材であり、下部キャップ部５の上面５ａの中央近辺に配設されている。但し、案内ノズル７はノズル形状を有している。一方、複数の冷媒戻し穴８は、各々が、案内ノズル７により案内されて移動され傘部Ａ側へ戻ってくる冷却媒体Ｍを第二中空部Ｅ２に導き戻す冷媒戻口部であり、案内ノズル７の外周側であり且つ中空部Ｅを形成する弁本体２の内周側に配設されている。なお、案内ノズル７や冷媒戻し穴８はそれぞれ一つずつであっても良いが、案内ノズル７のノズル穴７ａ及び冷媒戻し穴８の形状は円形であることが好ましい。また、これらは傘部Ａ側の中空部Ｅに配設されていれば良い。

なお、各案内ノズル７のノズル穴７ａに至るに従って縮径する向きは、ステムＢ側である上部キャップ部６などに向かう方向とされている。しかし、この案内ノズル７の向きは実験により求めて任意に設計することが可能であり、例えば下部キャップ部５中央近辺の案内ノズル７をステムＢ側上方に向ける一方で、その周囲の案内ノズル７を弁本体２の拡径部３に向けるように設計することも可能である。こうすることで、熱応力の変化の激しい拡径部３を重点的に冷却することも可能になる。

第一中空部Ｅ１と第二中空部Ｅ２との間を移動可能にされている冷却媒体Ｍとしては、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を冷却媒体Ｍとして用いても良い。但し、本第一の実施形態における冷却媒体Ｍの総量は、第二中空部Ｅ２に収容可能な量とされ、且つ冷却媒体Ｍの全てが第二中空部Ｅ２に収容されている状態で冷却媒体Ｍが第二中空部Ｅ２内で動くことを可能にする空間が第二中空部Ｅ２に形成される量とされている。

本第一の実施形態の中空弁１は、内燃機関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、第二中空部Ｅ２内の冷却媒体Ｍ１は案内ノズル７からステムＢ側へ移動、具体的には噴出され、弁本体２上部の内壁面や上部キャップ部６であるステムＢ上部へ至らされ、弁本体２の内壁面を伝うなどして冷却媒体Ｍは冷媒戻し穴８を介して第二中空部Ｅ２内へ収容される。すなわち、内燃機関運転時、冷却媒体Ｍは、概して、案内ノズル７から第一中空部Ｅ１へ移動されて後、冷媒戻し穴８を介して第二中空部Ｅ２へ戻るように対流されることになる。そして、この冷却媒体Ｍには、傘部Ａ側にあるときや弁本体２内壁面を伝っている間に下部キャップ部５や弁本体２から熱が伝えられて、その後にこの冷却媒体ＭがステムＢ側上部へ到達されることで、ステムＢ側上部へ熱が速やかに伝達されて中空弁１からの外部への放熱が促進される。なお、弁本体２そのものによっても熱が傘部Ａ側からステムＢ側へ伝達され得る。

なお、冷却媒体Ｍとして微粉末を用いる場合には、第一中空部Ｅ１や第二中空部Ｅ２内の不活性ガスや空気などである気体の流れに従っても、冷却媒体Ｍは中空弁１内を移動されることになる。

上記事項をまとめると、上述の如く、傘部ＡからステムＢまでに形成された中空部Ｅ内に封入されている冷却媒体Ｍを、傘部Ａ側から少なくともステムＢ側に方向付けて案内する案内ノズル７が傘部Ａ側の中空部Ｅに配設されているので、冷却媒体Ｍは傘部Ａ側からステムＢ側へ向けて勢い良く移動されてステムＢ側上部へ到達され、これにより冷却媒体Ｍを介して傘部Ａ側からステムＢ側上方へ熱が確実に伝達されることになり、ステムＢ側上部からの放熱が迅速に行われて冷却性能の向上を図ることが可能になる。また、この案内ノズル７はノズル形状を有しているので、冷却媒体ＭのステムＢ側への移動方向が制御されて、所望の箇所に冷却媒体Ｍを到達させることが可能になる。

さらに、上述の如く、案内ノズル７により傘部Ａ側からステムＢ側に飛散された冷却媒体Ｍが傘部Ａ側に戻る過程で通過する冷媒戻し穴８が、案内ノズル７の外周側であり且つ中空部Ｅを形成する弁本体２の内周側に配設されているので、ステムＢ側へ移動される冷却媒体Ｍと傘部Ａ側へ戻る冷却媒体Ｍとが互いに干渉することがないように中空部Ｅ内の流れが制御される。これにより中空部Ｅ内の冷却媒体Ｍの対流が円滑に行われ、冷却媒体Ｍに伝えられた熱がステムＢ側へ確実に伝達されて、冷却性能の向上を図ることが可能になる。

しかし、上記第一の実施形態において、冷却媒体Ｍは勢い良くステムＢ側へ移動され得るが、ステムＢ側の所望の箇所、具体的には弁本体２上部近傍の特定の部位又は領域に冷却媒体Ｍの狙いを定めて移動させて至らせるべく、案内ノズル７の形状をさらに調節することが望ましい。そこで、このようなことを可能にする案内ノズル７を備えた中空弁１を、本発明の第二の実施形態として、図３を用いて説明する。なお、図３は第二の実施形態の中空弁１下部の断面拡大図であり、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。

下部キャップ部５の上面５ａの外周側に配設された案内ノズル７は、上記の如く、ノズル形状を有しているが、外周側の案内ノズル７ほど、その形状は拡径部３の流線型状に対応していて、案内ノズル７の先端であるノズル穴７ａがよりステムＢ側に近づくように、案内ノズル７の全長が長くされている。このように案内ノズル７の全長が長いことにより照準が定められて、飛散される冷却媒体Ｍが所望の箇所に至らされることになる。更に、案内ノズル７の形状が拡径部３の流線型状に対応した形状とされているので、その内部の湾曲傾斜面を介して冷却媒体Ｍの助走区間が長く取れて的確に中空弁１の上下動に伴う力を冷却媒体Ｍに付与することができ、効率よく冷却媒体ＭをステムＢ上部に至らすことが可能になる。なお、案内ノズル７の全てを、このように所望の箇所に照準を合わせ、且つそこに冷却媒体Ｍを至らせる形状とすることも可能である。

次に、本発明に係る中空弁１の第三の実施形態を、図４を用いて同様に説明する。この中空弁１では、冷却媒体Ｍの中空部Ｅ内での流れを円滑にするべく、冷媒戻し穴８を介して、第一中空部Ｅ１へ移動された冷却媒体Ｍが的確に第二中空部Ｅ２に戻されるように、戻ってくる冷却媒体Ｍを第二中空部Ｅ２に誘導するガイド部９が冷媒戻し穴８の内周側に設けられている。このガイド部９は、冷却媒体Ｍを円滑に第二中空部Ｅ２に導くべく、拡径部３の流線型状に対応した形状とされている。なお、このガイド部９の長さは、案内ノズル７によってステムＢ側に至らされる冷却媒体Ｍが確実に超えることが出来る長さとされている。

次に、本発明に係る中空弁１の第四の実施形態を、図５を用いて同様に説明する。この中空弁１では、冷媒戻口部が、上記第一から上記第三の実施形態の如く中空弁１の軸線方向ではなく、径方向に穿設されていて、冷媒戻し穴８´とされている。また、案内部材はノズル形状を有さずに穴７´とされて、下部キャップ部５の上面５ａに、傘部Ａ側からステムＢ側に向けて穿設されている。これにより、穴７´を介してステムＢ側へ移動された冷却媒体Ｍは弁本体２の拡径部３にも噴出されて、拡径部３の冷却をも迅速に促すことが可能になる。また、この穴７´を介して送出された冷却媒体Ｍは下部キャップ部５の上面５ａを介すると共に、径方向に開いた冷媒戻し穴８´を介して的確に第二中空部Ｅ２に収容されることになり、冷却媒体Ｍの流れが円滑にされる。

次に、本発明に係る中空弁の第五の実施形態を図６に基づいて説明する。なお、図６は第五の実施形態の中空弁１下部の断面拡大図であり、説明の理解を容易にするため、上記第二から上記第四の実施形態と同様に、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を付したものを用い、重複する説明を避ける。

本第五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、下部キャップ部５の上面５ａの中央部はステムＢ側へ突出した凸部５ｂとされている。すなわち、中空部Ｅの下部はこの凸部５ｂによって形成されている。凸部５ｂは、傘部Ａ側からステムＢ側に向けられていて、傘部Ａ側からステムＢ側に冷却媒体Ｍを方向付けて案内する湾曲傾斜面５ｃを有する案内部材とされていて、上面５ａの外周側はほぼ平坦であり、内周側に至るに従って傾斜が急になり、中央部先端近傍で傾斜が緩やかになるように形成されている。これにより、冷却媒体Ｍは長い助走区間を得ることが出来ると共に、ステムＢ側に方向付けられ、冷却媒体ＭはステムＢ上部へ確実に至らされて冷却性能の向上を図ることが可能になる。また、凸部５ｂを設けることで下部キャップ部５の厚さが増し、内燃機関運転時の強い衝撃にも耐え得るようになる。さらに、同様に下部キャップ部５の中央付近の厚さが増すことにより、加熱及び冷却による熱応力の変化に対する耐性も増し、高出力化に対応した中空弁を提供することが可能になる。

また、上記第五の実施形態の中空弁１を改良し、これを本発明の第六の実施形態として図７に示すが、凸部５ｂの高さは、拡径部３と筒状部４の境界付近、すなわち傘部ＡとステムＢの境界付近まで高くされると共に、凸部５ｂの湾曲傾斜面５ｃの曲率半径Ｒ１は拡径部３の曲率半径Ｒ２と同じにされている。これにより、冷却媒体Ｍは効率良く湾曲傾斜面５ｃによって付勢されるので、冷却媒体ＭのステムＢ側へ導かれる高さを高くでき、少ない量の冷却媒体Ｍで高い冷却性能を発揮することが可能になる。

なお、凸部５ｂは、複数設けるようにしても良く、それぞれの凸部５ｂの先端は異なる向き、具体的には下部キャップ部５中央近辺の凸部５ｂの先端をステムＢ側上方に向ける一方で、その周囲の凸部５ｂの先端を弁本体２の拡径部３に向けるように設計することも可能である。また、上記凸部５ｂは先端に向かって縮径するようにされているが、先端でエッジを形成するようなほぼ円錐形状としても良い。

以上、本発明に係る中空弁について、第一から第六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ず、第一から第六の実施形態における特徴を組み合わせた中空弁１としても良い。また、上記中空弁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。さらに、案内ノズル７、冷媒戻し穴８、ガイド部９、凸部５ｂを下部キャップ部５に設けることとしたが、これらを下部キャップ部５とは独立に作製しても良い。例えば、弁本体２に設けることとしても良い。

本発明に係る第一の実施形態の中空弁の一部断面側面図である。 図１に示した中空弁下部の断面拡大図である。 本発明に係る第二の実施形態の中空弁下部の断面拡大図である。 本発明に係る第三の実施形態の中空弁下部の断面拡大図である。 本発明に係る第四の実施形態の中空弁下部の断面拡大図である。 本発明に係る第五の実施形態の中空弁下部の断面拡大図である。 本発明に係る第六の実施形態の中空弁下部の断面拡大図である。

符号の説明

１ 中空弁
２ 弁本体
３ 拡径部
４ 筒状部
４ａ コッタ溝部
５ 下部キャップ部
５ａ 上面
５ｂ 凸部
５ｃ 湾曲傾斜面
６ 上部キャップ部
７ 案内ノズル
７´ 穴
８、８´ 冷媒戻し穴
９ ガイド部
Ａ 傘部
Ｂ ステム
Ｅ 中空部
Ｅ１ 第一中空部
Ｅ２ 第二中空部
Ｍ 冷却媒体

Claims (4)

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であって、
   該冷却媒体を該傘部側から少なくとも該ステム側に方向付ける案内部材が、該傘部側の該中空部に配設されていることを特徴とする内燃機関用中空弁。
2. 前記案内部材はノズル形状を有す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. 前記ステム側から前記傘部側に戻る前記冷却媒体の通過する冷媒戻口部が、前記案内部材の外周側であり且つ前記中空部を形成する部材の内周側に配設されてい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. 前記案内部材は前記傘部側から前記ステム側に向けられ、湾曲傾斜面を有する凸部とされてい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。

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