JP2008151083A

JP2008151083A - ポペット弁を備えた内燃機関

Info

Publication number: JP2008151083A
Application number: JP2006342184A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Fujii; 亮輔藤井; Seiji Tsuruoka; 誠司鶴岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】ポペット弁の重量増加を伴うことなく弁傘部の曲げ剛性を増大して、弁傘部のシート面と弁座との片当たりの発生及びかかる片当たりによる流体漏れの発生を防止するとともに弁傘部の曲げ応力を低減してポペット弁の耐久性を向上したポペット弁を備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁を備えたエンジン（内燃機関）において、前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から弁中心に向けて傾斜して切欠いた円錐状面に形成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の排気弁、吸気弁等に適用され、弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより、排気通路、吸気通路等の流体通路を開閉するポペット弁の構造及び該ポペット弁を備えたエンジン（内燃機関）に関する。

エンジン（内燃機関）の排気弁及び吸気弁には、図６（Ｂ）に示されるように、弁棒１８の端部に結合される弁傘部１７の外周に形成されたシート面１６をシリンダヘッド３（図７参照）に圧入された弁座１５に着脱することにより、排気ポート６あるいは吸気ポートを開閉するポペット弁が採用されている。該ポペット弁は、エンジンの燃焼室１ａ内の高圧ガスに対して、弁傘部１７のシート面１６と弁座１５との間のシール機能を高く保持できる。

通常、前記ポペット弁は、図６（Ｂ）に示されるように、弁傘部１７の端面２０を弁中心１９に直角な平滑面に形成されているが、特許文献１（実公平３−４６１６６号公報）にて開示されているように、該弁傘部の端面の中央部を抉り、そこから弁棒内を通して中心孔を形成した中空弁や、大型ディーゼルエンジン用排気弁のように、弁傘部の中央部近傍を大きく抉って弁の重量を軽減しているものもある。

実公平３−４６１６６号公報

図６（Ｂ）に示されるように、エンジンの排気弁及び吸気弁に用いられるポペット弁は、閉弁時に弁傘部１７のシート面１６と弁座１５との間のシート部を支点とした両端支持梁の形態で燃焼室内の燃焼ガスによるガス圧力Ｆを受ける支持構成となっており、かかる支持構成で以って前記シート部で高圧の燃焼ガスをシールしている。

然るに、図６（Ｂ）に示されるポペット弁は、弁傘部１７が端面２０を弁中心１９に直角な平滑面に形成された構造をそなえ前述のような支持構成で以って、弁傘部１７の端面２０に加わるガス圧力Ｆが端面２０の全面に均一に作用するため、前記弁傘部１７の厚さＴ_１によって前記シート部における燃焼ガスのシール機能が決まり、前記弁傘部１７の厚さＴ_１を薄くして弁の重量を軽減しようとする場合には、弁傘部１７の剛性不足によって該弁傘部１７が曲げ変形を起こして前記シート部にシール不良及びこれによるガス漏れを誘発し、これを防止するため弁傘部１７の厚さＴ_１を厚くすると弁の重量が増大するという相反する問題を抱えている。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ポペット弁の重量増加を伴うことなく弁傘部の曲げ剛性を増大して、弁傘部のシート面と弁座との片当たりの発生及びかかる片当たりによる流体漏れの発生を防止するとともに弁傘部の曲げ応力を低減してポペット弁の耐久性を向上したポペット弁を備えた内燃機関を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、次のように構成されたポペット弁を備えたエンジンを特徴としている。
（１）弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁であって、前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面を外周端部から弁中心に向けて傾斜して切欠いた円錐状面に形成される。
（２）前記ポペット弁は、前記円錐状面に形成された前記弁傘部の端面に、前記弁中心から弁傘部の前記外周端部に向けて放射状に形成された複数の溝を周方向に沿って刻設される。
（３）前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から球状に切欠いた球面に形成される。
（４）前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から一定深さに亘って、双曲面状もしくはサイクロイド面状のいずれかの形状に切欠いて構成される。

本発明によれば、弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁の形状を、弁傘部の端面の全面を、外周端部から弁中心に向けて傾斜して切欠いた円錐状面、あるいは外周端部から球状に切欠いた球面、あるいは双曲面状もしくはサイクロイド面状のいずれかの形状に切欠いた曲面等の、外周端部から弁中心に向けて傾斜した形態で陥没した面に形成したので、該ポペット弁のシート面が弁座に着座している閉弁時に、前記弁傘部の端面に作用する燃焼室内のガス圧等の弁傘部作用力の水平方向分力が発生し、この水平方向分力の発生によって、両端部のシート面を前記弁座に両端支持梁の形態で支持された弁傘部に該弁傘部の曲げ荷重として加わる弁傘部作用力の垂直方向分力が前記水平方向分力の分だけ小さくなる。これにより、弁傘部が弁中心に直角な平面に形成された従来のポペット弁に比べて、弁傘部の両端支持による曲げモーメントが小さくなる。

そして本発明では、弁傘部の端面を外周端部から弁中心に向けて傾斜した形態で陥没した面に形成したので、該弁傘部の体積を、該弁傘部が弁中心に直角な平面に形成された従来のポペット弁と同一にして、該弁傘部の重量を前記従来技術と同一した場合における弁傘部外周の厚さを前記従来技術よりも大きく採れるので、前記従来技術よりも弁傘部の重量増加を伴うことなく断面二次モーメントを大きくすることが可能となる。

従って本発明によれば、従来技術よりも弁傘部の重量増加を伴うことなく断面二次モーメントを大きくし、且つ弁傘部の両端支持による曲げモーメントを小さくすることが可能となり、従来技術よりも弁傘部の曲げ変形を小さくすることができて、該曲げ変形による弁傘部のシート面と弁座との片当たりの発生、及びかかる片当たりによる流体漏れの発生を防止できる。さらには、前記のように弁傘部の曲げ変形を小さくできることで弁傘部の曲げ応力を低減でき、これによりポペット弁の耐久性を向上できる。

さらに、前記ポペット弁を、円錐状面に形成された弁傘部の端面に弁中心から弁傘部の外周端部に向けて放射状に形成された複数の溝を周方向に沿って刻設した構造とすれば、弁の開き始め時において、弁傘部端面の中央部下方近傍にある流体が前記複数の溝を通って弁傘部シート面と弁座との間の開口部を通って外部に抜けることができるので、弁の開き始め時に於ける前記開口部を通っての流体の流出が迅速となり、特に燃料噴射装置の噴射タイミング制御用のポペット弁に適用した場合には、燃料噴射の切れが向上し、燃料消費率の低下に貢献できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図７は本発明に係るポペット弁が適用される４サイクルディーゼルエンジンのシリンダ及び２個の排気弁中心線に沿う要部断面図である。
図７において、１００はエンジン（４サイクルディーゼルエンジン）、１は該エンジン１００のシリンダ（シリンダライナ）、１ａは該シリンダ１内に形成された燃焼室、２はピストン、９はコネクチングロッドである。
３はシリンダヘッド、６は前記シリンダヘッド３に形成された２ポートからなる排気ポート、７は該排気ポート６を開閉する２個の排気弁、８は排気弁ばね、１１はばね受である（図７には前記排気弁が着座する弁座の図示を省略している）。
尚、かかるエンジンは、この図に表示されていない２個の吸気弁及び吸気ポートをそなえている。

以上のような構成をそなえたエンジンにおいて、図示しないクランク軸により、排気カム軸及び排気カム（いずれも図示省略）が回転駆動されて排気弁ロッカーアーム（図示省略）及びばね受１１を介して、前記排気弁７が排気弁ばね８のばね力に抗して往復駆動されて排気ポート６を開閉する。
また、前記燃焼室１ａでの着火燃焼後の排気ガスは、前記排気弁７の開弁により排気ポート６を通って排気マニホールド（図示省略）に溜められてから、過給機（図示省略）に送り込まれて該過給機のタービンを駆動する。
本発明は、以上のような４サイクルエンジンの排気弁、吸気弁等に適用されるポペット弁の改良に係るものである。

図１は本発明の第1実施例に係るポペット弁からなる排気弁の弁傘部近傍の一部断面を含む部分側面図である。
図１において、ポペット弁からなる排気弁７は、弁棒１８の端部に結合される弁傘部１７の外周に形成されたシート面１６を前記シリンダヘッド３（図７参照）に圧入された弁座１５に着脱することにより排気ポート６を開閉するように構成されており、該ポペット弁からなる排気弁７は、エンジン１００の燃焼室１ａ（図７参照）内の高圧ガスに対して、弁傘部１７のシート面１６と弁座１５との間のシール機能を高く保持可能となっている。

前記排気弁７は、前記燃焼室１ａへの触火面となる弁傘部１７の端面２０の全面を、該弁傘部１７の外周端部２０ａから弁中心１９に向けて傾斜し該弁中心１９での切欠き深さＳまで切欠いた円錐状面に形成されている。

かかる第１実施例によれば、弁棒１８の端部に結合される弁傘部１７の外周に形成されたシート面１６を弁座１５に着脱することにより、排気ポート６を開閉するポペット弁からなる排気弁７の形状を、該弁傘部１７の端面２０の全面を、外周端部２０ａから弁中心１９に向けて傾斜して切欠いた円錐状面に形成したので、該排気弁７のシート面１６が弁座１５に着座している閉弁時に、前記弁傘部１７の端面２０に作用する燃焼室１ａ内のガス圧の水平方向分力が発生する。

即ち、図６は排気弁の弁傘部のガス圧力支持構造の説明図で、（Ａ）は本発明の第１実施例の場合、（Ｂ）は従来技術の場合を示す。
図６のように、排気弁７は、閉弁時に弁傘部１７のシート面１６と弁座１５との間のシート部を支点とした両端支持梁の形態で燃焼室１ａ内の燃焼ガスによるガス圧力Ｆを受ける支持構成となっており、かかる支持構成で以って前記シート部で高圧の燃焼ガスをシールしている。

かかるガス圧力の支持構成において、従来技術では図６（Ｂ）のように、弁傘部１７の端面２０を弁中心１９に直角な平滑面に形成しているので、該弁傘部１７の端面２０に加わるガス圧力Ｆは該端面２０の全面に均一に作用する。
これに対して、図１（Ａ）に示す本発明の第１実施例の場合には、前記のように、該弁傘部１７の端面２０の全面を、外周端部２０ａから弁中心１９に向けて傾斜して切欠いた円錐状面に形成したので、前記弁傘部の端面２０に作用するガス圧力Ｆの水平方向分Ｆ_１が発生し、この水平方向分力Ｆ_１の発生によって、両端部のシート面１６を前記弁座１５に両端支持梁の形態で支持された弁傘部１７に該弁傘部１７の曲げ荷重として加わるガス圧力Ｆの垂直方向分力Ｆ_２が前記水平方向分力Ｆ_１の分だけ小さくなる。
これにより、弁傘部１７が弁中心１９に直角な平面に形成された従来の排気弁７に比べて、弁傘部１７の両端支持による曲げモーメントが小さくなる。

そしてかかる実施例では、前記のように、弁傘部１７の端面を外周端部２０ａから弁中心１９に向けて傾斜した形態で陥没した円錐状面に形成したので、該弁傘部１７の体積を、図６（Ｂ）のような、該弁傘部１７が弁中心１９に直角な平面に形成された従来の排気弁７と同一にして（２０ｚは前記円錐状面の形成によって体積が変化する部分）、該弁傘部１７の重量を前記従来技術と同一した場合における弁傘部外周の厚さＴを、前記従来技術よりの厚さＴ_１よりも大きく採れるので、前記従来技術よりも弁傘部１７の重量増加を伴うことなく断面二次モーメントを大きくすることが可能となる。

従ってかかる実施例によれば、前記従来技術よりも弁傘部１７の重量増加を伴うことなく断面二次モーメントを大きくし、且つ前記のように、弁傘部１７の両端支持による曲げモーメントを小さくすることが可能となり、これにより従来技術よりも弁傘部１７の曲げ変形を小さくすることができて（図６（Ｂ）のように前記従来技術の場合の曲げ変形角α２に対して、図６（Ａ）のようにかかる実施例の場合の曲げ変形角α１のように小さくなる）、該曲げ変形による弁傘部１７のシート面１６と弁座１５との片当たりの発生、及びかかる片当たりによるガス漏れの発生を防止できる。
さらには、前記のように弁傘部１７の曲げ変形を小さくできることで、該弁傘部１７の曲げ応力を低減でき、これにより排気弁７の耐久性を向上できる。

図２は本発明の第２実施例に係るポペット弁からなる排気弁を示し、（Ａ）は排気弁の弁傘部近傍の一部断面を含む部分側面図（（Ｂ）におけるＢ−Ｂ線断面図）、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ矢視図である。
この第２実施例においては、前記排気弁７を、前記第１実施例と同様に、前記弁傘部１７の端面２０を円錐状面に形成した上で、該端面２０に、前記弁中心１９から弁傘部１７の前記外周端部２０ａに向けて放射状に複数（この例では４個）の溝２１を周方向に沿って刻設している。
その他の構成は前記第１実施例（図１）と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

かかる第２実施例は、前記第１実施例と同一の効果を奏するとともに、弁の開き始め時において、弁傘部１７端面の中央部下方近傍にあるガスが前記複数の溝２１を通って弁傘部シート面１６と弁座１５との間の開口部を通って外部に抜け易くなるので、弁の開き始め時に於ける前記開口部を通ってのガスの流出が迅速となるという効果を奏することができる。
従って、かかる構成のポペット弁をエンジンの燃料噴射装置の噴射タイミング制御用のポペット弁に適用した場合には、燃料噴射の切れが向上し、燃料消費率の低下に貢献できることとなる。

図３〜５は前記弁傘部１７の端面２０を曲面に形成した実施例である。
図３に示される第３実施例においては、前記排気弁７を、前記弁傘部１７の端面２０の全面を外周端部２０ａから球状に切欠いた球面に形成している。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示される第４実施例においては、前記排気弁７を、前記弁傘部１７の端面２０の全面を外周端部２０ａから一定深さＳに亘って、図４（Ｂ）に示すような双曲面状に形成している。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示される第５実施例においては、前記排気弁７を、前記弁傘部１７の端面２０の全面を外周端部２０ａから一定深さＳに亘って、図５（Ｂ）に示すようなサイクロイド面状に形成している。
以上の第３〜第５実施例も前記第１実施例と同一の効果を奏することができる。
その他の構成は前記第１実施例（図１）と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。

以上の実施例は本発明に係るポペット弁を、排気弁に適用した場合について述べたが、本発明はエンジン用吸気弁にも適用可能であり、さらにはエンジンの燃料噴射装置の噴射タイミング制御用のポペット弁にも適用できる。

本発明によれば、ポペット弁の重量増加を伴うことなく弁傘部の曲げ剛性を増大して、弁傘部のシート面と弁座との片当たりの発生及びかかる片当たりによる流体漏れの発生を防止するとともに弁傘部の曲げ応力を低減してポペット弁の耐久性を向上したポペット弁を備えた内燃機関を提供できる。

本発明の第１実施例に係るポペット弁からなる排気弁の弁傘部近傍の一部断面を含む部分側面図である。本発明の第２実施例に係るポペット弁からなる排気弁を示し、（Ａ）は排気弁の弁傘部近傍の一部断面を含む部分側面図（（Ｂ）におけるＢ−Ｂ線断面図）、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ矢視図である。本発明の第３実施例を示す図１対応図である。本発明の第４実施例を示し、（Ａ）は図１対応図、（Ｂ）は双曲線を示す説明図である。本発明の第５実施例を示し、（Ａ）は図１対応図、（Ｂ）はサイクロイド線を示す説明図である。排気弁の弁傘部のガス圧力支持構造の説明図で、（Ａ）は本発明の場合、（Ｂ）は従来技術の場合を示す。本発明に係るポペット弁が適用される４サイクルディーゼルエンジンのシリンダ及び２個の排気弁中心線に沿う要部断面図である。

符号の説明

１シリンダ
１ａ燃焼室
２ピストン
３シリンダヘッド
６排気ポート
７排気弁
１５弁座
１６シート面
１７弁傘部
１８弁棒
１９弁中心
２０端面
２０ａ外周端部
１００エンジン
Ｓ切欠き深さ

Claims

弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁を備えたエンジン（内燃機関）において、前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から弁中心に向けて傾斜して切欠いた円錐状面に形成したことを特徴とするポペット弁を備えた内燃機関。
前記円錐状面に形成された前記弁傘部の端面に、前記弁中心から弁傘部の前記外周端部に向けて放射状に形成された複数の溝を周方向に沿って刻設したことを特徴とする請求項１記載のポペット弁を備えた内燃機関。
弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁を備えたエンジン（内燃機関）において、前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から球状に切欠いた球面に形成したことを特徴とするポペット弁を備えた内燃機関。
弁棒の端部に結合される弁傘部の外周に形成されたシート面を弁座に着脱することにより流体通路を開閉するポペット弁を備えたエンジン（内燃機関）において、前記ポペット弁は、前記弁傘部の端面の全面を外周端部から一定深さに亘って、双曲面状もしくはサイクロイド面状のいずれかの形状に切欠いたことを特徴とするポペット弁を備えた内燃機関。