JP2006329184A - エンジンバルブとその製造方法、及びその形状決定方法及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、エンジンバルブの傘部に発生する熱応力を低減することにより、クラックの発生を抑制し、耐久性に優れたエンジンバルブを実現する点にある。
【解決手段】フェース部１３の外周縁に形成されるエッジ部１４を曲面状に形成してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シート部に着座するテーパー状のフェース部が形成された傘部を有するエンジンバルブとその製造方法、及びその形状決定方法及びそのエンジンバルブを備えたエンジンに関する。

従来のエンジンバルブは、軸部の先端に傘部を有する構造とされ、その傘部の裏面側（即ちポート側）にテーパー状のフェース部が形成され、そのフェース部が、シリンダヘッドに設けられたバルブシートのシート部に着座することにより、燃焼室の密閉性が確保される。
また、かかるエンジンバルブ、特に排気バルブとして設けられるエンジンバルブは、その傘部が燃焼室等の高温の燃焼排ガスにより比較的高温に加熱される。よって、その傘部に形成されたフェース部が比較的低温のシート部に着座すると、比較的大きな熱応力が発生することにより、クラックが発生することが懸念される。
近年では、エンジンの高効率化やコージェネレーションシステムの長時間運転に伴って、燃焼室の燃焼排ガスの温度が非常に高くなる傾向があるため、上記のようなエンジンバルブの熱応力の増大化に伴うクラック発生の危険性が高くなる。
また、このようにクラックが発生すると、その部位を起点に疲労破壊が進行する場合もある。

かかるエンジンバルブの損傷を抑制するための従来のエンジンバルブとして、エンジンバルブのフェース部に、窒化物や炭化物などの硬化層を形成することで、フェース部の耐磨耗性を向上したエンジンバルブが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平８−１２１１２５号公報

上記特許文献１に記載のエンジンバルブでは、フェース部に硬化層を形成すればそのフェース部の損傷は抑制できるものの、高温のフェース部が低温のシート部に着座することで発生する熱応力は殆ど低減されないので、例えばエンジンバルブの母材と硬化層との熱膨張率の違いにより、その境界部においてクラックが発生することが懸念される。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンバルブの傘部に発生する熱応力を低減することにより、クラックの発生を抑制し、耐久性に優れたエンジンバルブを実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンバルブは、シート部に着座するテーパー状のフェース部が形成された傘部を有するエンジンバルブであって、前記フェース部の外周縁に形成されるエッジ部を曲面状に形成してある点を特徴とする。

本発明者は、鋭意研究した結果、エンジンバルブの傘部に形成されたフェース部が比較的低温のシート部に着座することで発生する熱応力は、フェース部の外周縁に形成されるエッジ部において略最大となることを見出し、よって、そのエッジ部に発生する熱応力を低減することができれば、エッジ部における熱応力に起因するクラックを良好に抑制し得ることから、本発明を完成した。
即ち、上記エンジンバルブの特徴構成によれば、上記エッジ部の外側に形成された傘部の外周側面部が燃焼排ガスにより非常に高温となっており、上記エッジ部の内側に形成されるフェース部がシート部に着座することで冷却された場合でも、上記エッジ部が曲面状に形成されていることにより、温度差に起因して発生する熱応力を低減し、そのエッジ部におけるクラックの発生を抑制することができる。
したがって、エンジンバルブの傘部に発生する熱応力を低減することにより、クラックの発生を抑制し、耐久性に優れたエンジンバルブを実現することができる。

更に、本発明に係るエンジンバルブは、前記エッジ部が、円弧断面形状を有する曲面状に形成してあることが望ましい。
即ち、円弧断面を有する曲面状に形成するようエッジ部を比較的容易な方法で加工することができる。

本発明に係るエンジンバルブの製造方法は、シート部に着座するテーパー状のフェース部が形成された傘部を有するエンジンバルブの製造方法であって、前記フェース部の外周縁を面取り加工した後に研磨し、当該外周縁に曲面状のエッジ部を形成することを特徴とする。

すなわち、加工の全工程を研磨加工のみで実行する場合と比較して、フェース部の外周縁を研磨加工する前に、簡単、且つ高速で加工可能な面取り加工を施した後に、研磨加工を施すことにより、加工時間の短縮化、及び加工作業の簡略化を図ることができる。
また、前記研磨加工は、SiCやダイヤモンドの砥粒を用いた微細研磨を用いることが望ましい。従来のグラインダーなどによる研磨よりも、表面粗さを低減させることができ、エッジ部に発生する熱応力によるクラックの発生を良好に抑えることができる。
さらに、上記の製造方法により加工されたエンジンバルブは、これまでに説明してきた本発明に係るエンジンバルブと同様の特徴構成を有するため、同様の作用効果を発揮する。

本発明に係るエンジンバルブの形状決定方法は、上述した特徴構成を有するエンジンバルブの形状決定方法であって、高温の前記傘部の前記フェース部を低温の前記シート部に着座する状態において、前記エッジ部の曲率半径を、前記エッジ部に発生する熱応力が許容範囲内となる下限値以上、且つ、前記フェース部の前記シート部に対する接触面に発生する熱応力が許容範囲内となる上限値以下に決定する点を特徴とする。

エッジ部の曲率半径は、大きくするほどそのエッジ部に発生する熱応力を低く抑制することができるのであるが、エッジ部の曲率半径を大きくしすぎると、それに伴ってエッジ部の内側に形成されるフェース部におけるシート部との接触面の幅が小さくなって、その接触面において、大きな熱応力が発生して、クラックの発生が懸念される。
そこで、上記特徴構成によれば、高温の前記傘部の前記フェース部を低温の前記シート部に着座する状態において、例えば上記解析処理により傘部に発生する熱応力を解析して、エッジ部の曲率半径を、そのエッジ部に発生する熱応力がそのエッジ部を構成する材料特性における許容範囲内となるときの最小の曲率半径である下限値以上に決定することで、そのエッジ部におけるクラックの発生を適切に抑制することができ、更には、エッジ部の曲率半径を、そのエッジ部の内側に形成されたフェース部の接触面に発生する熱応力がそのフェース部を構成する材料特性における許容範囲内となるときの最大の曲率半径である上限値以下に決定することにより、フェース部の接触面の幅をある一定以上に確保して、その接触面におけるクラックの発生をも適切に抑制することができる。

本発明に係るエンジンは、燃焼室に通じる吸気ポート又は排気ポートのポートに、上述した特徴構成を有するエンジンバルブを備えた点を特徴とする。
即ち、吸気ポート及び排気ポートの少なくとも一方に、上述したように、エンジンバルブの傘部に発生する熱応力を低減することによりエンジンバルブのクラックの発生を抑制し耐久性に優れたエンジンバルブを、上述した特徴構成を有するエンジンバルブを設けて、エンジンの耐久性を向上することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、エンジンの燃焼室１に通じる吸気ポート及び排気ポートのポート２には、エンジンバルブ１０が設けられ、そのエンジンバルブ１０は、ポート２側から燃焼室１に向けて延出する軸部１１と、その軸部１１の先端に形成された傘部１２とを備える。

かかるエンジンバルブ１０の傘部１２の裏面側即ちポート２側には、直辺テーパー状のフェース部１３が形成されており、このフェース部１３が、ポート２の燃焼室１への開口部に設けられたバルブシート２０に形成されたテーパー状のシート部２１に着座することにより、燃焼室１の密閉性が確保される。
即ち、エンジンバルブ１０は、軸部１１の軸方向の摺動に伴って、フェース部１３をシート部２１に対して離間させてポート２を燃焼室１に対して開放する開弁状態と、フェース部１３の接触面１３ａをシート部２１に密着させてポート２を燃焼室１に対して閉鎖する閉弁状態とに変位するように構成されている。

このようなエンジンバルブ１０の傘部１２は、燃焼室１及びポート２として構成された排気ポートに存在する高温の燃焼排ガスにより、比較的高温に加熱された状態となっており、例えば６５０℃程度になる。

一方、バルブシート２０については、冷却されているシリンダヘッドに設けられることから、比較的低温に冷却された状態となっており、例えば４５０℃程度になる。

そして、この高温の傘部１２のフェース部１３を低温のバルブシート２０のシート部２１に着座させると、フェース部１３の熱がシート部２１側に奪われて、傘部１２の内部においてその温度差に起因する熱応力が発生し、特に、そのフェース部１３の外周縁、即ちフェース部１３と傘部１２の外周側面１５との間の縁部に形成されたエッジ部１４においてその熱応力が略最大となる。

そこで、このエンジンバルブ１０は、上記エッジ部１４が円弧断面を有する曲面状に形成されており、このエッジ部１４における熱応力が低減されているので、そのエッジ部１４におけるクラックの発生が抑制されている。
なお、上記エッジ部１４の断面形状については、比較的容易な加工方法により加工するため円弧断面形状としたが、別に、円弧断面形状とせずに、エッジ部１４における熱応力が低減するような滑らかな形状としても良い。

尚、エンジンの吸気ポート及び排気ポートの両方のポート２に設けられた夫々のエンジンバルブ１０について、エッジ部１４を曲面状に形成することが望ましいが、例えば、比較的高温となり得る排気ポートに設けられたエンジンバルブについてのみエッジ部を曲面状に形成するなどのように、吸気ポート及び排気ポートの一方側に設けられたエンジンバルブについてのみエッジ部を曲面状に形成しても構わない。

次に図２、図３、図４を用いて、エンジンバルブ１０の製造方法であって、フェース部１３の外周縁にこれまで説明してきたような曲面状のエッジ部１４を形成する方法について説明する。

先ず、本製造方法では、図２に示すように、フェース部１３の外周縁に外周側面１５との境界となる角部１４’が形成された第１半製品エンジンバルブ１０’が準備される。
次に、この第１半製品エンジンバルブ１０’に対して、図３に示すように、旋盤加工などの公知の加工方法により、前記フェース部１３の角部１４’を、例えば外周側面１５に対してフェース部１３の半分の相対角度で交差する面に沿って斜めに切削する面取り加工を施して、前記フェース部１３の外周縁に面取りされた面取り面１４’’を形成した第２半製品エンジンバルブ１０’’を作成する。図３に二点鎖線で最終的なエッジ部１４の形状を示した。尚、この面取り加工は、簡単且つ高速で施すことができ、また、面取り加工における切削角度や切削深さ等の加工条件については、後述する研磨加工の研磨のし易さ等を考慮して適切に設定する。
次に、この第２半製品エンジンバルブ１０’’に対して、図４に示すように、面取り面１４’’の両側に形成された角を滑らかな曲面状とする形態で、公知の研磨加工方法により、SiCやダイヤモンドなどの研磨剤を用いて研磨する研磨加工を施して、上記フェース部１３の外周縁に曲面状のエッジ部１４を形成したエンジンバルブ１０を完成することができる。尚、この研磨加工では、前に前記面取り加工を施すことにより、加工しろが比較的少ない状態になっているので、簡単かつ高速で、表面粗さが非常に少ない曲面状のエッジ部１４を有するエンジンバルブ１０を製造することができる。そして、このように製造したエンジンバルブ１０は、これまで説明してきたように、フェース部１３の外周縁に形成された曲面状のエッジ部１４において、熱応力によるクラックが良好に抑えられる。

上述した実施例には、エンジンバルブ１０を旋盤加工により外周縁を面取り加工する例を示したが、他の方法により面取り、加工してもよい。

研磨時に用いる砥粒は、公知の研磨剤を用いることが望ましいが、公知の研磨剤以外の砥粒を用いて加工してもよい。

次に、このエッジ部１４の曲率半径を決定するエンジンバルブ１０の形状決定方法について説明する。

かかる形状決定方法においては、上述したような曲面形状のエッジ部１４が形成されたエンジンバルブ１０の傘部１２と、バルブシート２０とのモデルを作成し、そのモデルに対して、その傘部１２を高温状態とし、バルブシート２０を低温状態とする温度履歴を付与した形態で、その傘部１２に形成されたフェース部１３をバルブシート２０に形成されたシート部２１に着座すると想定して、傘部１２の内部に発生する熱応力についての解析処理を実行する。
また、この解析処理において、傘部１２の直径Ｄ１を固定した状態で、上記エッジ部１４の曲率半径を増減させて、エッジ部１４に発生する熱応力と、フェース部１３の接触面１３ａに発生する熱応力を求めると、エッジ部１４の曲率半径を大きくするほど、エッジ部１４に発生する熱応力は低減するものの、接触面１３ａに発生する熱応力は、エッジ部１４の曲率半径の拡大に伴う接触面１３ａの幅の縮小に起因して増加する傾向にあることがわかる。

よって、上記解析処理により、エッジ部１４に発生する熱応力が、そのエッジ部１４を構成する材料特性（傘部１２全体が同じ材料で構成されている場合には、傘部１２を構成する材料特性）における許容範囲内となるエッジ部１４の曲率半径の下限値を求め、更には、接触面１３ａに発生する熱応力が、そのフェース部１３を構成する材料特性（傘部１２全体が同じ材料で構成されている場合には、傘部１２を構成する材料特性）における許容範囲内となるエッジ部１４の曲率半径の上限値とを求める。そして、エッジ部１４の曲率半径をこのように求めた下限値以上且つ上限値以下の範囲内に決定する形態で、エンジンバルブ１０の形状を決定すれば、傘部１２の内部に発生する熱応力を適切に低減してクラックが発生することを適切に防止することができる。

〔実施例〕
上記エンジンバルブ１０の形状決定方法の実施例について以下に説明を加える。
尚、本実施例では、エンジンバルブ１０の形状、傘部１２及びバルブシート２０の温度は、以下のように設定した。
傘部１２の直径Ｄ１：４０ｍｍ
傘部１２の裏面側におけるフェース部１３の内側端の直径Ｄ２：３０ｍｍ
軸部１１の直径Ｄ３：９ｍｍ
フェース部１３の幅Ｆ：６ｍｍ
外周側面１５の高さＨ：４ｍｍ
傘部１２の温度：６５０℃
バルブシート２０の温度：４５０℃

ちなみに、上記フェース部１３の幅Ｆは、接触面１３ａの内側端から、接触面１３ａの延長線と外周側面１５の延長線との交点までの幅を示し、上記外周側面１５の高さＨは、傘部１２の表面側（燃焼室１に面する側）から上記交点までの高さを示す。

本実施例では、上記解析処理により、エッジ部１４の曲率半径Ｒの上記外周側面１５の高さＨに対する比率を０％（Ｒ＝０ｍｍ）、２５％（Ｒ＝１ｍｍ）、５０％（Ｒ＝２ｍｍ）、７５％（Ｒ＝３ｍｍ）と変化させたときの、エッジ部１４に発生する最大熱応力と接触面１３ａに発生する最大熱応力とを求め、その結果を下記の表１に示す。尚、下記の表１において、夫々の最大熱応力は、上記曲率半径Ｒの比率を０％としたときの最大熱応力に対する比率に換算して示されている。

上記のような結果により、エッジ部１４の曲率半径Ｒの比率を０％とした場合、即ち、エッジ部１４を曲面形状にしなかった場合には、エッジ部１４に発生する最大熱応力が材料特性における許容範囲を超えて非常に大きくなって、エッジ部１４においてクラックが発生する可能性が高いことが確認された。
一方、エッジ部１４の曲率半径Ｒの比率を７５％よりも大きくした場合には、エッジ部１４に発生する最大熱応力が材料特性における許容範囲内に低減されるものの、接触面１３ａに発生する最大熱応力が、例えば曲率半径Ｒの比率を０％とした場合にエッジ部１４に発生する最大熱応力に対して同等又はそれ以上に、大きくなって、接触面１３ａにおいてクラックが発生する可能性が高いことが確認された。
したがって、エッジ部１４及び接触面１３ａの両方の最大熱応力が材料特性における許容範囲内となるように、エッジ部Ｒの曲率半径Ｒの高さＨに対する比率は、２５％以上且つ７５％以下の範囲内に決定することが望ましいことが確認された。

本発明に係るエンジンバルブ及びその形状決定方法は、エンジンバルブの傘部に発生する熱応力を低減することにより、クラックの発生を抑制し、耐久性に優れたエンジンバルブ及びその形状決定方法として好適に利用可能である。

本発明に係るエンジンバルブの概略断面図 エンジンバルブのフェース部の外周縁の拡大図 図２の外周縁のうち面取り加工により切削される箇所の拡大図 面取り加工後に、施す研磨加工により切削される箇所の拡大図

符号の説明

１０：エンジンバルブ
１３：フェース部
１３ａ：接触面

Claims (5)

1. シート部に着座するテーパー状のフェース部が形成された傘部を有するエンジンバルブであって、
   前記フェース部の外周縁に形成されるエッジ部を曲面状に形成してあるエンジンバルブ。
2. 前記エッジ部が、円弧断面形状を有する曲面状に形成してある請求項１に記載のエンジンバルブ。
3. シート部に着座するテーパー状のフェース部が形成された傘部を有するエンジンバルブの製造方法であって、
   前記フェース部の外周縁を面取り加工した後に研磨して、当該外周縁に曲面状のエッジ部を形成するエンジンバルブの製造方法。
4. 請求項１に記載のエンジンバルブの形状決定方法であって、
   高温の前記傘部の前記フェース部を低温の前記シート部に着座する状態において、前記エッジ部の曲率半径を、前記エッジ部に発生する熱応力が許容範囲内となる下限値以上、且つ、前記フェース部の前記シート部に対する接触面に発生する熱応力が許容範囲内となる上限値以下に決定するエンジンバルブの形状決定方法。
5. 燃焼室に通じる吸気ポート及び排気ポートの少なくとも一方のポートに、請求項１又は２に記載のエンジンバルブを備えたエンジン。

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