JP2008528873A - 特に内燃エンジンにおけるガス交換を制御するためのバルブ - Google Patents

Abstract

特に内燃エンジンにおけるガス交換を制御するためのバルブであって、バルブステム（１）の一端にステム端部（４）と他端にバルブヘッドとを備えていてバルブヘッドおよび／またはバルブステムが金属製の中空部材から形成されており、前記中空部材に全体的あるいは部分的に発泡金属が充填され、その発泡金属とその境界面上で金属分子結合が形成されている。

Description

発明の詳細な説明

この発明は請求項１前段に記載のバルブに関する。この種のバルブは例えば独国特許出願公開第１９８０４０５３号明細書に記載されているように軽量バルブとして適用される。それにおいてバルブコーンとバルブ閉鎖鉢状部材が共に空洞部を形成し；この空洞部材の壁厚は軽量化の理由からステム直径の１／３未満になるように選定される。それにもかかわらず充分な剛性を保証するため、従来の軽量バルブにおいてはバルブ閉鎖鉢状部材が半径方向内側に延在する領域においてバルブステムに対して支持され、バルブコーンはその上端がバルブステムの外側に固定される。この既知の構造によって、中空のバルブステムがバルブコーンと一体的に形成されているものの場合の、バルブに対するバルブヘッドの耐変形強度が向上する。エンジン内の点火条件における全ての強度要件を満たすために、既知の軽量バルブにおいては高い耐熱強度を有する高コストな硬化材料を使用することが必要である。

従って本発明の目的は、低コストな材料から製造可能であるとともに特に内燃エンジン等の高速動作する機械の要求性能も満たすことができる、冒頭に述べた種類の軽量バルブを提供することである。このように高速回転するエンジンの振動負荷の危険性のため、良好な減衰特性の達成が重要であり、同時に軽量化のために最小限の壁厚を実現する必要がある。

前記の課題は、冒頭に述べた種類のバルブにおいて請求項１の特徴に従って解決される。バルブを形成している中空部材が全体的あるいは部分的に発泡金属によって充填されるため高い補強効果が達成され、それによってバルブを形成している中空部材の薄い壁厚上で固持することができる。高い剛性値ならびに良好な減衰特性の両方を達成するために、バルブを形成している中空部材が全面的に金属分子で発泡金属と結合されていることが重要である。

発泡金属としては、閉じた細孔および開いた細孔のいずれによる実施形態も可能である。綴じた細孔の発泡金属が例えば個々の細胞が実質的に球形に形成されている場合により高い剛性を示す一方で、開いた細孔の実施形態は例えばナトリウムベースの冷却剤充填が可能になるという重要な利点を有するものとなる。

好適な実施形態によれば、発泡金属が５ないし２０容量％、特に約８ないし１０容量％の金属基複合材料（ＭＭＣ）を有する。そのために適した材料は、アルミニウム、亜鉛、鉄発泡材であり、ここでＡｌＳｉ７−ベースの金属基複合材料が特に好適である。

軽いバルブ重量のための要件を満たすために、発泡金属の平均密度が約０．５ｇ／ｃｍ^３となるようにされる。ＡｌＳｉ７−発泡材においてこの数値は、１８５ＭＰａの剛性に際して約５０ＧＰａの弾性率を意味する。

発泡金属に適した原材料として、膨張剤が温度作用によって原材料と比べて約５倍の発泡容積を生成するような粉末混合物を選択することができる。

バルブステムとバルブヘッドの中空部材全体に発泡金属を充填することが好適である。そのため好適な方式によれば、発泡金属のための原材料の注入はバルブステムの開口端部を介して実施され、発泡金属が温度作用によってバルブ中空部全体に膨張しその量は注入口から溢れる程までになり、その後発泡金属の余剰量が除去されまた注入口が溶接によって閉鎖される。

従って発泡金属の膨張に際して任意の膨張方向が可能であり、例えばバルブステムのステム端部の開口部を介してバルブヘッドの方向に行うか、あるいは例えばバルブ閉鎖鉢状部材が取り外されている際にバルブ底部の開口部を介して膨張剤粉末を注入し従ってその粉末が閉鎖されたステム末端に向かって流れ込むようにすることが可能である。粉末を充填した後前述した方法の提案のように注入口から溢れる程まで温度作用によって膨張させる。その温度は、発泡金属がバルブ中空部材の内面に固定的に付着するように選択される。

高価な材料を節約するために、本発明はさらにバルブを形成する金属外殻部材を同一あるいは異なった材料から形成することができる複数の分節を溶接して形成することを提案している。

好適な実施形態によれば、バルブヘッドはバルブステムと一体的なバルブコーンとバルブ閉鎖鉢状部材とから形成され、それらが電気溶接によって互いに結合されている。ここで、Ｎｉｍｏｎｉｃ８０Ａ製のバルブヘッド側分節と硬化可能な材料からなるバルブのステム末端を含んだ末端分節とからバルブステムを形成することが好適であり、それら両方の分節は摩擦溶接によって互いに結合される。末端分節は可能な限り短く保持することが必要であり、これは通常Ｘ４５ＣｒＳｉ９３（ＤＩＮ １．４７１８）から形成される。

次に、本発明の実施例について添付図面を参照しながら説明する。図１には、中空のバルブステム１と、その上に形成されたバルブコーン２と、前記バルブコーン２と外周部上において溶接継目７を介して電気溶接によって結合されたバルブ閉鎖鉢状部材３と、ならびに前記バルブステム１の他方の末端上のステム端部４とからなるバルブの縦断面が示されている。塊状のステム端部４が溶接継目５を介して中空のバルブステム１と結合されていることが示されており、ここでは摩擦溶接が施されている。バルブ空洞部全体が発泡金属体６によって充填されており、ここで発泡金属はそのバルブ中空部材との境界面においてモノリシック構造の分子結合を有している。

本発明に係るバルブの縦断面図である。

Claims (13)

1. バルブステム（１）の一端にステム端部（４）と他端にバルブヘッドとを備えていてバルブヘッドおよび／またはバルブステムが金属製の中空部材から形成されている、特に内燃エンジンにおけるガス交換を制御するためのバルブであり、
   前記中空部材に全体的あるいは部分的に発泡金属が充填され、その発泡金属とその境界面上で金属分子結合が形成されていることを特徴とするバルブ。
2. 発泡金属は密閉気孔状あるいは開放気孔状に加工されていることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
3. 発泡金属は５ないし２０容積％金属基複合材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
4. 発泡金属は約８ないし１０容積％金属基複合材料から形成されていることを特徴とする請求項３記載のバルブ。
5. 発泡金属はＡｌＳｉ７ベースの金属基複合材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
6. 発泡金属の平均密度が約０．５ｇ／ｃｍ^３となることを特徴とする請求項５記載のバルブ。
7. 発泡金属に適した原材料として膨張剤が温度作用によって原材料と比べて約５倍の発泡容積を生成するような粉末混合物を選択することを特徴とする請求項５記載のバルブ。
8. バルブステム（１）およびバルブヘッドが完全に発泡金属で充填されることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
9. バルブを形成する金属外殻部材を同一あるいは異なった材料から形成された複数の分節を溶接して形成することを特徴とする請求項１記載のバルブ。
10. バルブヘッドはバルブステム（１）と一体的なバルブコーン（２）とバルブ閉鎖鉢状部材（３）とから形成され、それらが電気溶接によって互いに結合されていることを特徴とする請求項９記載のバルブ。
11. バルブステム（１）はＮｉｍｏｎｉｃ８０Ａ製のバルブヘッド側分節と硬化可能な材料からなりバルブのステム末端を含んでいる末端分節とを組み合わせて形成され、それらが摩擦溶接によって互いに結合されることを特徴とする請求項９記載のバルブ。
12. 末端分節はＸ４５ＣｒＳｉ９３（ＤＩＮ １．４７１８）から形成されることを特徴とする請求項１１記載のバルブ。
13. 発泡金属のための原材料の注入はバルブステム（１）の開口端部を介して実施され、発泡金属が温度作用によってバルブ中空部全体に膨張しその量は注入口から溢れる程までになり、その後発泡金属の余剰量が除去されまた注入口が溶接によって閉鎖される、ことを特徴とする請求項１および／または従属請求項のいずれかに記載のバルブの製造方法。

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