JP2009150247A

JP2009150247A - 内燃機関及びそのバルブ

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Publication number: JP2009150247A
Application number: JP2007326856A
Authority: JP
Inventors: Hidemasa Kosaka; 英雅小坂; Yoshihiro Hotta; 義博堀田; Yoshifumi Wakizaka; 佳史脇坂
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】シリンダ内の燃焼ガスからバルブに伝わる熱を効率よく逃がす。
【解決手段】吸気バルブ１６においては、傘部４６の底面４６ａに第１の異方性熱伝導材６１が設けられ、ステム部３６に第２の異方性熱伝導材６２がステム部３６の軸線方向に沿って設けられ、一端部が第１の異方性熱伝導材６１に接続され他端部が第２の異方性熱伝導材６２に接続された第３の異方性熱伝導材６３が傘部４６に設けられている。第１の異方性熱伝導材６１において、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部４６の底面４６ａに平行な方向が当該底面４６ａに直交する方向よりも高く、第２の異方性熱伝導材６２の熱伝導率は、ステム部３６の軸線方向が当該軸線方向に直交する方向よりも高く、第３の異方性熱伝導材６３の熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向よりも高い。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気バルブが開いているときに吸気通路内からシリンダ内に新気が吸入され、排気バルブが開いているときにシリンダ内の燃焼ガスが排気通路内へ排出される内燃機関、及びそのバルブに関する。

内燃機関の吸気バルブや排気バルブは、その傘部がシリンダ内に面するため、シリンダ内の高温の燃焼ガスにより加熱される。吸気バルブの温度が高くなると、吸気行程にて吸気通路内からシリンダ内に吸入される吸気（新気）が吸気バルブにより加熱されることで、吸気効率が低下する。また、排気バルブの傘部の温度が高くなると、高温の傘部を起点としてノックが起こりやすくなる。そのため、吸気バルブや排気バルブの温度上昇を抑制することが要求される。

吸気バルブの温度上昇を抑制するために、吸気バルブの傘部及びステム部に中空部を設け、この中空部内にナトリウム等の冷却媒体を封入する技術が用いられている（例えば下記特許文献１）。中空部内に封入されたナトリウムは、内燃機関の使用範囲温度では液状になっており、吸気バルブの動きに応じて中空部内を移動することで、シリンダ内の燃焼ガスから吸気バルブの傘部に伝わる熱を逃がしている。

また、下記特許文献２においては、シリンダヘッド本体のバルブシート部に、銅合金をレーザ等によって肉盛（クラッド）し、これらのクラッド層によってバルブシートを構成している。レーザクラッドによる肉盛層で形成したバルブシートは、シリンダヘッド本体に対して溶着あるいは合金化しているため、バルブシートからシリンダヘッド本体への熱伝導が良好となり、バルブやバルブシートの温度上昇の抑制を図っている。

実開昭６３−１５１９１１号公報特開平２−１９６１１７号公報

特許文献１においては、シリンダ内の燃焼ガスから傘部に伝わる熱を逃がすために、中空部内に封入されたナトリウムが中空部内を移動する際には、ナトリウムからステム部へステム部の軸線方向に直交する方向に熱が伝わることで、ステム部の温度が高くなる。そのため、シリンダ内の燃焼ガスからバルブに伝わる熱を効率よく逃がすことが困難である。

また、特許文献２において、バルブシートからシリンダヘッド本体への放熱性能を向上させるためには、バルブシートを構成する肉盛層とシリンダヘッド本体との界面に欠陥が少ないことが必要であるが、レーザクラッドを適用した場合でも欠陥を解消することは困難である。そのため、シリンダ内の燃焼ガスからバルブに伝わる熱を効率よく逃がすことが困難である。

本発明は、シリンダ内の燃焼ガスからバルブに伝わる熱を効率よく逃がすことを目的とする。

本発明に係る内燃機関及びそのバルブは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関は、吸気バルブが開いているときに吸気通路内からシリンダ内に新気が吸入され、排気バルブが開いているときにシリンダ内の燃焼ガスが排気通路内へ排出される内燃機関であって、吸気バルブ及び排気バルブはいずれも、ステム部と、当該ステム部の先端部に接続されシリンダ内に臨む傘部と、を含み、吸気バルブ及び排気バルブのいずれか１つ以上においては、傘部の底面に、第１の異方性熱伝導材が設けられ、ステム部に、第２の異方性熱伝導材がステム部の軸線方向に沿って設けられ、傘部に、一端部が第１の異方性熱伝導材に接続され他端部が第２の異方性熱伝導材に接続された第３の異方性熱伝導材が設けられており、第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部の底面に平行な方向が当該底面に直交する方向よりも高く、第２の異方性熱伝導材の熱伝導率は、ステム部の軸線方向が当該軸線方向に直交する方向よりも高く、第３の異方性熱伝導材の熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向よりも高いことを要旨とする。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第１の繊維集合体を含む熱伝導材であり、第１の繊維集合体の繊維方向が傘部の底面に略平行であることが好適である。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材は、傘部の底面上に形成された低熱伝導層と、低熱伝導層を覆い、低熱伝導層よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導層と、を含むことが好適である。この態様では、高熱伝導層は、シリンダ内の燃焼ガスに対する耐熱性を有することが好適である。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材は、シリンダ内の燃焼ガスに対する耐熱性を有することが好適である。

本発明の一態様では、第２の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第２の繊維集合体を含む熱伝導材であり、第２の繊維集合体の繊維方向が、ステム部の軸線方向に略平行であることが好適である。また、本発明の一態様では、第３の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第３の繊維集合体を含む熱伝導材であり、第３の繊維集合体の繊維方向が、第３の異方性熱伝導材の一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に略一致することが好適である。

本発明の一態様では、第２の異方性熱伝導材の表面に断熱材が設けられており、当該断熱材の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向に直交する方向の熱伝導率よりも低いことが好適である。また、本発明の一態様では、第３の異方性熱伝導材の表面に断熱材が設けられており、当該断熱材の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向の熱伝導率よりも低いことが好適である。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部の底面に直交する方向の熱伝導率は、第１の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低いことが好適である。また、本発明の一態様では、第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向に直交する方向の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低いことが好適である。また、本発明の一態様では、第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低いことが好適である。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部の底面に平行な方向の熱伝導率は、第１の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高いことが好適である。また、本発明の一態様では、第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高いことが好適である。また、本発明の一態様では、第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高いことが好適である。

本発明の一態様では、第１の異方性熱伝導材、第２の異方性熱伝導材、及び第３の異方性熱伝導材が吸気バルブに設けられている場合に、第２の異方性熱伝導材は、吸気バルブのステム部の内部に設けられ、第３の異方性熱伝導材は、吸気バルブの傘部の内部に設けられていることが好適である。

また、本発明に係る内燃機関のバルブは、ステム部と、当該ステム部の先端部に接続されシリンダ内に臨む傘部と、を含む内燃機関のバルブであって、傘部の底面に、第１の異方性熱伝導材が設けられ、ステム部に、第２の異方性熱伝導材がステム部の軸線方向に沿って設けられ、傘部に、一端部が第１の異方性熱伝導材に接続され他端部が第２の異方性熱伝導材に接続された第３の異方性熱伝導材が設けられており、第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部の底面に平行な方向が当該底面に直交する方向よりも高く、第２の異方性熱伝導材の熱伝導率は、ステム部の軸線方向が当該軸線方向に直交する方向よりも高く、第３の異方性熱伝導材の熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向よりも高いことを要旨とする。

本発明によれば、シリンダ内の高温の燃焼ガスから第１の異方性熱伝導材に伝わる熱を、バルブの傘部及びステム部（母材）へ伝わるのを抑制しながら、第３の異方性熱伝導材及び第２の異方性熱伝導材を介して放出させることができる。したがって、シリンダ内の燃焼ガスからバルブに伝わる熱を、傘部及びステム部（母材）の温度上昇を抑制しながら効率よく逃がすことができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関１の概略構成を示す図であり、図１はシリンダ１１の軸線方向と直交する方向から見た内部構成の概略を示し、図２は吸気バルブ１６の断面図を示す。内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０を備え、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０によりシリンダ１１を形成する。シリンダ１１内には、その軸線方向に往復運動するピストン１２が収容されている。シリンダヘッド１０には、シリンダ１１内に連通する管路状の吸気通路１４及び排気通路１５が形成されている。さらに、吸気通路１４とシリンダ１１内との境界を開閉する吸気バルブ１６、及び排気通路１５とシリンダ１１内との境界を開閉する排気バルブ１７が設けられている。吸気バルブ１６は、その軸線方向に沿って摺動可能にバルブガイド２６に支持されており、吸気通路１４内を通ってシリンダ１１内との境界（シリンダ１１内への開口面）まで延びている。吸気行程にて吸気バルブ１６が開いているときに、吸気通路１４内からシリンダ１１内に吸気（新気）が吸入される。同様に、排気バルブ１７はその軸線方向に沿って摺動可能にバルブガイド２７に支持されており、排気通路１５内を通ってシリンダ１１内との境界（シリンダ１１内への開口面）まで延びている。

図１では、シリンダ１１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１８がシリンダヘッド１０に配設された例を示しているが、本実施形態に係る内燃機関１は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁１８からシリンダ１１内に燃料を噴射することで、シリンダ１１内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電によりシリンダ１１内の混合気に点火することで、シリンダ１１内の混合気を火炎伝播燃焼させる。シリンダ１１内の燃焼ガス（燃焼後の排ガス）は、排気行程にて排気バルブ１７が開いているときに排気通路１５内へ排出される。

吸気バルブ１６は、バルブガイド２６に摺動可能に支持された棒状のステム部（軸部）３６と、ステム部３６の先端部に接続されシリンダ１１内に臨む傘部４６と、を含む。傘部４６の底面４６ａ（平面）は、ステム部３６の軸線方向（図２の上下方向）に垂直である。本実施形態では、シリンダ１１内に臨む傘部４６の底面４６ａに薄膜状の第１の異方性熱伝導材６１が傘部４６の底面４６ａを覆うように設けられ、ステム部３６に棒状の第２の異方性熱伝導材６２がステム部３６の軸線方向に沿って設けられ、傘部４６に第３の異方性熱伝導材６３が設けられている。第３の異方性熱伝導材６３の一端部は第１の異方性熱伝導材６１に接続され、第３の異方性熱伝導材６３の他端部は第２の異方性熱伝導材６２に接続されている。図２に示す例では、第２の異方性熱伝導材６２が吸気バルブ１６のステム部３６の内部に設けられ、第３の異方性熱伝導材６３が吸気バルブ１６の傘部４６の内部に設けられている。図３に示すように、第１の異方性熱伝導材６１において、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部４６の底面４６ａに平行な方向が傘部４６の底面４６ａに直交する方向よりも高い。第２の異方性熱伝導材６２における熱伝導率は、ステム部３６の軸線方向がステム部３６の軸線方向に直交する方向よりも高い。第３の異方性熱伝導材６３における熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向（当該方向の法線方向）よりも高い。なお、吸気バルブ１６（ステム部３６及び傘部４６）の母材は、熱伝導率に異方性を有しておらず、例えば、アルミニウム（もしくはアルミニウム合金）や、チタン（もしくはチタン合金）を用いることが可能である。

第１の異方性熱伝導材６１は、例えば図３，４に示すように、多数の繊維を焼成した繊維集合体６１ａでマトリクス層６１ｂを補強した薄膜状の繊維強化複合材を含んで構成することができる。ここで、図３はステム部３６及び傘部４６の断面図を示し、図４は図３のＡ−Ａ断面図を示す。ここでの第１の異方性熱伝導材６１（繊維強化複合材）は、繊維集合体６１ａの繊維方向の熱伝導率が繊維集合体６１ａの繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高く、繊維集合体６１ａの繊維方向が傘部４６の底面４６ａに平行（あるいはほぼ平行）である。これによって、第１の異方性熱伝導材６１においては、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合に、傘部４６の底面４６ａに平行な方向の熱伝導率が、傘部４６の底面４６ａに直交する方向の熱伝導率よりも高くなる。例えば、繊維集合体６１ａ及びマトリクス層６１ｂにセラミック（ＳｉＣ（炭化珪素））を用いたセラミック繊維強化複合材を含んで第１の異方性熱伝導材６１を構成する場合は、繊維集合体６１ａの繊維方向（傘部４６の底面４６ａに平行な方向）の熱伝導率は４０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、繊維集合体６１ａの繊維方向に直交する方向（傘部４６の底面４６ａに直交する方向）の熱伝導率は３．６［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度である。さらに、第１の異方性熱伝導材６１は、シリンダ１１内の燃焼ガスに面するため、シリンダ１１内の燃焼ガスに対する耐熱性を有することが好ましく、例えば１３００［Ｋ］以上の耐熱温度を有することが好ましい。例えば、繊維集合体６１ａ及びマトリクス層６１ｂに、１３００［Ｋ］程度の耐熱温度を有するセラミック（ＳｉＣ）を用いることで、シリンダ１１内の燃焼ガスに対する第１の異方性熱伝導材６１の耐熱性を十分に確保することができる。なお、図４に示す例では、繊維集合体６１ａの繊維が傘部４６の底面４６ａの面内で格子状に形成されているが、必ずしも繊維集合体６１ａの繊維を格子状に形成する必要はなく、例えば繊維集合体６１ａの繊維を傘部４６の底面４６ａの面内で放射状に形成することも可能である。

同様に、第２の異方性熱伝導材６２も、例えば図３に示すように、多数の繊維を焼成した繊維集合体６２ａでマトリクス部６２ｂを補強した棒状の繊維強化複合材を含んで構成することができる。ここでの第２の異方性熱伝導材６２（繊維強化複合材）は、繊維集合体６２ａの繊維方向の熱伝導率が繊維集合体６２ａの繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高く、繊維集合体６２ａの繊維方向がステム部３６の軸線方向に平行（あるいはほぼ平行）である。これによって、第２の異方性熱伝導材６２においては、ステム部３６の軸線方向の熱伝導率が、ステム部３６の軸線方向に直交する方向の熱伝導率よりも高くなる。例えば、繊維集合体６２ａ及びマトリクス部６２ｂに炭素（カーボン）を用いた炭素繊維強化複合材（Ｃ／Ｃコンポジット）を含んで第２の異方性熱伝導材６２を構成する場合は、繊維集合体６２ａの繊維方向（ステム部３６の軸線方向）の熱伝導率は４０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、繊維集合体６２ａの繊維方向に直交する方向（ステム部３６の軸線方向に直交する方向）の熱伝導率は５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度である。あるいは、繊維集合体６２ａ及びマトリクス部６２ｂにセラミック（ＳｉＣ）を用いたセラミック繊維強化複合材を含んで第２の異方性熱伝導材６２を構成することも可能である。

さらに、第３の異方性熱伝導材６３も、例えば図３に示すように、多数の繊維を焼成した繊維集合体６３ａでマトリクス部６３ｂを補強した棒状の繊維強化複合材を含んで構成することができる。ここでの第３の異方性熱伝導材６３（繊維強化複合材）は、繊維集合体６３ａの繊維方向の熱伝導率が繊維集合体６３ａの繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高く、繊維集合体６３ａの繊維方向が第３の異方性熱伝導材６３の一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に一致（あるいはほぼ一致）している。これによって、第３の異方性熱伝導材６３においては、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率が、当該方向に直交する方向（当該方向の法線方向）の熱伝導率よりも高くなる。繊維集合体６３ａの一端部は第１の異方性熱伝導材６１（繊維集合体６１ａ）に接続されており、繊維集合体６３ａの他端部は第２の異方性熱伝導材６２（繊維集合体６２ａ）に接続されている。例えば、繊維集合体６３ａ及びマトリクス部６３ｂに炭素を用いた炭素繊維強化複合材を含んで第３の異方性熱伝導材６３を構成することができる。あるいは、繊維集合体６３ａ及びマトリクス部６３ｂにセラミック（ＳｉＣ）を用いたセラミック繊維強化複合材を含んで第３の異方性熱伝導材６３を構成することもできる。なお、第２の異方性熱伝導材６２及び第３の異方性熱伝導材６３は、シリンダ１１内の燃焼ガスには直接面しないため、第１の異方性熱伝導材６１ほど高い耐熱性は要求されない。例えば、第２の異方性熱伝導材６２及び第３の異方性熱伝導材６３に、無酸素雰囲気下で１６００［℃］程度の耐熱温度を有する炭素繊維強化複合材（Ｃ／Ｃコンポジット）を用いることで、第２の異方性熱伝導材６２及び第３の異方性熱伝導材６３の耐熱性を十分に確保することができる。

吸気バルブ１６は、その傘部４６の底面４６ａ（第１の異方性熱伝導材６１）がシリンダ１１内に面するため、シリンダ１１内の高温の燃焼ガスから第１の異方性熱伝導材６１に熱が伝わる。本実施形態では、図３に示すように、第１の異方性熱伝導材６１は、傘部４６の底面４６ａに平行な方向の熱伝導率が高く、傘部４６の底面４６ａに直交する方向の熱伝導率が低いため、第１の異方性熱伝導材６１内では、傘部４６の底面４６ａに平行な方向（繊維集合体６１ａの繊維方向）に伝わる熱量が多くなり、傘部４６の底面４６ａに直交する方向（繊維集合体６１ａの繊維方向に直交する方向）に伝わる熱量が少なくなる。そのため、第１の異方性熱伝導材６１から傘部４６（母材）へ傘部４６の底面４６ａに直交する方向に伝わる熱量が抑制され、傘部４６（母材）の温度上昇が抑制される。

第１の異方性熱伝導材６１内を傘部４６の底面４６ａに平行な方向に伝わる熱は、第１の異方性熱伝導材６１に接続された第３の異方性熱伝導材６３へ伝わる。本実施形態では、図３に示すように、第３の異方性熱伝導材６３は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率が高く、当該方向に直交する方向（当該方向の法線方向）の熱伝導率が低いため、第３の異方性熱伝導材６３内では、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向（繊維集合体６３ａの繊維方向）に伝わる熱量が多くなり、当該方向の法線方向（繊維集合体６３ａの繊維方向に直交する方向）に伝わる熱量が少なくなる。そのため、第３の異方性熱伝導材６３から傘部４６（母材）へ伝わる熱量が抑制され、傘部４６（母材）の温度上昇が抑制される。

第３の異方性熱伝導材６３内をその一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に伝わる熱は、第３の異方性熱伝導材６３に接続された第２の異方性熱伝導材６２へ伝わる。本実施形態では、図３に示すように、第２の異方性熱伝導材６２は、ステム部３６の軸線方向の熱伝導率が高く、ステム部３６の軸線方向に直交する方向の熱伝導率が低いため、第２の異方性熱伝導材６２内では、ステム部３６の軸線方向（繊維集合体６２ａの繊維方向）に伝わる熱量が多くなり、ステム部３６の軸線方向に直交する方向（繊維集合体６２ａの繊維方向に直交する方向）に伝わる熱量が少なくなる。そのため、第２の異方性熱伝導材６２からステム部３６（母材）へステム部３６の軸線方向に直交する方向に伝わる熱量が抑制され、ステム部３６（母材）の温度上昇が抑制される。第２の異方性熱伝導材６２内をステム部３６の軸線方向に伝わる熱は、ステム部３６の根元部（傘部４６と反対側の端部）から吸気バルブ１６の外部へ放出される。

このように、本実施形態によれば、シリンダ１１内の高温の燃焼ガスから第１の異方性熱伝導材６１に伝わる熱を、傘部４６及びステム部３６（母材）へ伝わるのを抑制しながら、傘部４６の内部に設けられた第３の異方性熱伝導材６３及びステム部３６の内部に設けられた第２の異方性熱伝導材６２を介して放出させることができる。したがって、シリンダ１１内の燃焼ガスから吸気バルブ１６に伝わる熱を、傘部４６及びステム部３６（母材）の温度上昇を抑制しながら効率よく逃がすことができる。そのため、吸気行程にて吸気通路１４内からシリンダ１１内に吸入される吸気（新気）が吸気バルブ１６の傘部４６及びステム部３６（母材）により加熱されるのを抑制することができ、吸気温度を低下させて吸気効率を向上させることができる。その結果、過給エンジンにおいては、同じターボチャージャーを使用しても過給圧をより増加させることができ、燃焼を希薄化させて燃費を向上させることができる。また、吸気効率を向上させることで、希薄燃焼による窒素酸化物（ＮＯｘ）生成量減少にもつながり、ディーゼル及びリーンブーストガソリンエンジンにおいては、後処理用として行うポスト噴射を削減できるために燃費向上にもつながる。また、ガソリンエンジンにおいては、吸気温度を低下させることができるとともに、シリンダ１１内に臨む傘部４６の底面４６ａ（第１の異方性熱伝導材６１）の温度も低下させることができるため、耐ノック性を向上させることができ、燃費向上につながる。なお、吸気バルブの中空部内にナトリウムを封入する場合は、ナトリウムは酸化反応性が高いため、封入時及び廃棄時の取り扱いが難しくなるが、本実施形態では、酸化反応性の高いナトリウムを用いることなく、シリンダ１１内の燃焼ガスから吸気バルブ１６に伝わる熱を効率よく逃がすことができる。

また、第１の異方性熱伝導材６１から傘部４６（母材）へ伝わる熱量をより抑制するためには、第１の異方性熱伝導材６１において、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部４６の底面４６ａに直交する方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低いことが好ましい。さらに、第１の異方性熱伝導材６１において、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部４６の底面４６ａに平行な方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高いことが好ましい。例えば、繊維集合体６１ａ及びマトリクス層６１ｂにセラミック（ＳｉＣ）を用い、吸気バルブ１６の母材に、２１．９［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するチタン（もしくはチタン合金）を用いることで、第１の異方性熱伝導材６１において、傘部４６の底面４６ａに直交する方向（繊維集合体６１ａの繊維方向に直交する方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなり、さらに、傘部４６の底面４６ａに平行な方向（繊維集合体６１ａの繊維方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高くなる。また、繊維集合体６１ａ及びマトリクス層６１ｂにセラミック（ＳｉＣ）を用い、吸気バルブ１６の母材に、１９３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するアルミニウム（もしくはアルミニウム合金）を用いることによっても、第１の異方性熱伝導材６１における傘部４６の底面４６ａに直交する方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。ただし、この場合は、第１の異方性熱伝導材６１における傘部４６の底面４６ａに平行な方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。

同様に、第３の異方性熱伝導材６３から傘部４６（母材）へ伝わる熱量をより抑制するためには、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向（法線方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低いことが好ましい。さらに、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高いことが好ましい。例えば、繊維集合体６３ａ及びマトリクス部６３ｂに炭素繊維強化複合材を用い、吸気バルブ１６の母材にチタン（もしくはチタン合金）を用いることで、第３の異方性熱伝導材６３において、一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の法線方向（繊維集合体６３ａの繊維方向の法線方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなり、さらに、一端部から内部を通って他端部へ向かう方向（繊維集合体６３ａの繊維方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高くなる。また、繊維集合体６３ａ及びマトリクス部６３ｂに炭素繊維強化複合材を用い、吸気バルブ１６の母材にアルミニウム（もしくはアルミニウム合金）を用いることによっても、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の法線方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。ただし、この場合は、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。

同様に、第２の異方性熱伝導材６２からステム部３６（母材）へ伝わる熱量をより抑制するためには、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向に直交する方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低いことが好ましい。さらに、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高いことが好ましい。例えば、繊維集合体６２ａ及びマトリクス部６２ｂに炭素繊維強化複合材を用い、吸気バルブ１６の母材にチタン（もしくはチタン合金）を用いることで、第２の異方性熱伝導材６２において、ステム部３６の軸線方向に直交する方向（繊維集合体６２ａの繊維方向に直交する方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなり、さらに、ステム部３６の軸線方向（繊維集合体６２ａの繊維方向）の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも高くなる。また、繊維集合体６２ａ及びマトリクス部６２ｂに炭素繊維強化複合材を用い、吸気バルブ１６の母材にアルミニウム（もしくはアルミニウム合金）を用いることによっても、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向に直交する方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。ただし、この場合は、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向の熱伝導率が、吸気バルブ１６の母材の熱伝導率よりも低くなる。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

本実施形態では、図５に示すように、第１の異方性熱伝導材６１を、傘部４６の底面４６ａ上に形成された薄膜状の低熱伝導層６１ｃと、低熱伝導層６１ｃを覆うように低熱伝導層６１ｃ上に形成され、低熱伝導層６１ｃよりも高い熱伝導率を有する薄膜状の高熱伝導層６１ｄと、を含んで構成することもできる。ここで、図５はステム部３６及び傘部４６の断面図を示す。第３の異方性熱伝導材６３の一端部は、高熱伝導層６１ｄに接続されている。ここでの低熱伝導層６１ｃとしては、例えば、３．０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するジルコニアや、８．４［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するチタニア等を用いることができる。一方、ここでの高熱伝導層６１ｄとしては、例えば、１４．８６［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するニッケル合金等を用いることができる。ニッケル合金は、１５００［Ｋ］程度の耐熱温度を有するため、シリンダ１１内に臨む高熱伝導層６１ｄにニッケル合金を用いることで、高熱伝導層６１ｄは、シリンダ１１内の燃焼ガスに対する耐熱性を有することができ、シリンダ１１内の燃焼ガスに対する第１の異方性熱伝導材６１の耐熱性を十分に確保することができる。

図５に示す構成例では、熱伝導率の高い高熱伝導層６１ｄと傘部４６（底面４６ａ）との間に熱伝導率の低い低熱伝導層６１ｃが配置されているため、シリンダ１１内の燃焼ガスから高熱伝導層６１ｄに熱が伝わる場合は、高熱伝導層６１ｄ内を傘部４６の底面４６ａに平行な方向に伝わるときの熱伝導率が高くなって熱量が多くなり、高熱伝導層６１ｄから低熱伝導層６１ｃへ傘部４６の底面４６ａに直交する方向に伝わるときの熱伝導率が低くなって熱量が少なくなる。そのため、図５に示す構成例でも、第１の異方性熱伝導材６１において、シリンダ１１内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部４６の底面４６ａに平行な方向が傘部４６の底面４６ａに直交する方向よりも高くなり、第１の異方性熱伝導材６１から傘部４６（母材）へ傘部４６の底面４６ａに直交する方向に伝わる熱量が抑制される。高熱伝導層６１ｄ内を傘部４６の底面４６ａに平行な方向に伝わる熱は、高熱伝導層６１ｄに接続された第３の異方性熱伝導材６３へ伝わる。その結果、図５に示す構成例でも、シリンダ１１内の燃焼ガスから吸気バルブ１６に伝わる熱を、傘部４６及びステム部３６（母材）の温度上昇を抑制しながら効率よく逃がすことができる。

また、本実施形態では、図６に示すように、第２の異方性熱伝導材６２の表面に、（熱伝導率に異方性を有さない）断熱材７２を、第２の異方性熱伝導材６２を覆うように形成することもできる。ここで、図６は吸気バルブ１６（ステム部３６及び傘部４６）の断面図を示す。ここでの断熱材７２の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向に直交する方向の熱伝導率よりも低い。例えば、３．０［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度の熱伝導率を有するジルコニアを断熱材７２に用い、繊維集合体６２ａ及びマトリクス部６２ｂに炭素繊維強化複合材を用いることで、断熱材７２の熱伝導率が、第２の異方性熱伝導材６２におけるステム部３６の軸線方向に直交する方向（繊維集合体６２ａの繊維方向に直交する方向）の熱伝導率よりも低くなる。第２の異方性熱伝導材６２の表面に熱伝導率の低い断熱材７２を設けることで、第２の異方性熱伝導材６２からステム部３６（母材）へステム部３６の軸線方向に直交する方向に伝わる熱量をさらに抑制することができ、ステム部３６（母材）の温度上昇をさらに抑制することができる。

同様に、図６に示すように、第３の異方性熱伝導材６３の表面に、（熱伝導率に異方性を有さない）断熱材７３を、第３の異方性熱伝導材６３を覆うように設けることもできる。ここでの断熱材７３の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向（法線方向）の熱伝導率よりも低い。例えば、断熱材７３にジルコニアを用い、繊維集合体６３ａ及びマトリクス部６３ｂに炭素繊維強化複合材を用いることで、断熱材７３の熱伝導率が、第３の異方性熱伝導材６３における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の法線方向（繊維集合体６３ａの繊維方向の法線方向）の熱伝導率よりも低くなる。第３の異方性熱伝導材６３の表面に熱伝導率の低い断熱材７３を設けることで、第３の異方性熱伝導材６３から傘部４６（母材）へ伝わる熱量をさらに抑制することができ、傘部４６（母材）の温度上昇をさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、図７に示すように、第１の異方性熱伝導材６１、第２の異方性熱伝導材６２、及び第３の異方性熱伝導材６３を排気バルブ１７に設けることもできる。ここで、図７は排気バルブ１７の断面図を示す。排気バルブ１７も、吸気バルブ１６と同様に、バルブガイド２７に摺動可能に支持された棒状のステム部（軸部）３６と、ステム部３６の先端部に接続されシリンダ１１内に臨む傘部４６と、を含み、傘部４６の底面４６ａ（平面）は、ステム部３６の軸線方向（図７の上下方向）に垂直である。排気バルブ１７（ステム部３６及び傘部４６）の母材も、熱伝導率に異方性を有しておらず、例えば、アルミニウム（もしくはアルミニウム合金）や、チタン（もしくはチタン合金）を用いることが可能である。図７に示す例では、第１の異方性熱伝導材６１が排気バルブ１７の傘部４６の底面４６ａに設けられ、第２の異方性熱伝導材６２が排気バルブ１７のステム部３６の内部に設けられ、第３の異方性熱伝導材６３が排気バルブ１７の傘部４６の内部に設けられている。第１の異方性熱伝導材６１、第２の異方性熱伝導材６２、及び第３の異方性熱伝導材６３の構成は、吸気バルブ１６に設ける場合と同様である。第１の異方性熱伝導材６１、第２の異方性熱伝導材６２、及び第３の異方性熱伝導材６３を排気バルブ１７に設けることで、シリンダ１１内の燃焼ガスから排気バルブ１７に伝わる熱を、傘部４６及びステム部３６（母材）の温度上昇を抑制しながら効率よく逃がすことができる。その結果、シリンダ１１内に臨む傘部４６の底面４６ａ（第１の異方性熱伝導材６１）の温度を低下させることができ、耐ノック性を向上させることができる。このように、本実施形態では、第１の異方性熱伝導材６１、第２の異方性熱伝導材６２、及び第３の異方性熱伝導材６３を、吸気バルブ１６及び排気バルブ１７のいずれか１つ以上に設けることができる。

なお、第１の異方性熱伝導材６１、第２の異方性熱伝導材６２、及び第３の異方性熱伝導材６３を排気バルブ１７に設ける場合は、図８に示すように、第２の異方性熱伝導材６２を排気バルブ１７のステム部３６の表面（外周面）にステム部３６（母材）を覆うように設け、第３の異方性熱伝導材６３を排気バルブ１７の傘部４６の表面（外周面）に傘部４６（母材）を覆うように設けることもできる。ここで、図８は排気バルブ１７（ステム部３６及び傘部４６）の断面図を示す。図８に示す構成例においても、シリンダ１１内に臨む傘部４６の底面４６ａ（第１の異方性熱伝導材６１）の温度を低下させることができ、耐ノック性を向上させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関のバルブの他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１内燃機関、９シリンダブロック、１０シリンダヘッド、１１シリンダ、１２ピストン、１４吸気通路、１５排気通路、１６吸気バルブ、１７排気バルブ、１８燃料噴射弁、２６，２７バルブガイド、３６ステム部、４６傘部、４６ａ底面、６１第１の異方性熱伝導材、６１ａ，６２ａ，６３ａ繊維集合体、６１ｂマトリクス層、６２ｂ，６３ｂマトリクス部、６１ｃ低熱伝導層、６１ｄ高熱伝導層、６２第２の異方性熱伝導材、６３第３の異方性熱伝導材、７２，７３断熱材。

Claims

吸気バルブが開いているときに吸気通路内からシリンダ内に新気が吸入され、排気バルブが開いているときにシリンダ内の燃焼ガスが排気通路内へ排出される内燃機関であって、
吸気バルブ及び排気バルブはいずれも、ステム部と、当該ステム部の先端部に接続されシリンダ内に臨む傘部と、を含み、
吸気バルブ及び排気バルブのいずれか１つ以上においては、
傘部の底面に、第１の異方性熱伝導材が設けられ、
ステム部に、第２の異方性熱伝導材がステム部の軸線方向に沿って設けられ、
傘部に、一端部が第１の異方性熱伝導材に接続され他端部が第２の異方性熱伝導材に接続された第３の異方性熱伝導材が設けられており、
第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部の底面に平行な方向が当該底面に直交する方向よりも高く、
第２の異方性熱伝導材の熱伝導率は、ステム部の軸線方向が当該軸線方向に直交する方向よりも高く、
第３の異方性熱伝導材の熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向よりも高い、内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第１の繊維集合体を含む熱伝導材であり、
第１の繊維集合体の繊維方向が傘部の底面に略平行である、内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材は、
傘部の底面上に形成された低熱伝導層と、
低熱伝導層を覆い、低熱伝導層よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導層と、
を含む、内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関であって、
高熱伝導層は、シリンダ内の燃焼ガスに対する耐熱性を有する、内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材は、シリンダ内の燃焼ガスに対する耐熱性を有する、内燃機関。
請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第２の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第２の繊維集合体を含む熱伝導材であり、
第２の繊維集合体の繊維方向が、ステム部の軸線方向に略平行である、内燃機関。
請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第３の異方性熱伝導材は、繊維方向の熱伝導率が繊維方向に直交する方向の熱伝導率よりも高い第３の繊維集合体を含む熱伝導材であり、
第３の繊維集合体の繊維方向が、第３の異方性熱伝導材の一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に略一致する、内燃機関。
請求項１〜７のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第２の異方性熱伝導材の表面に断熱材が設けられており、
当該断熱材の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向に直交する方向の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
請求項１〜８のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第３の異方性熱伝導材の表面に断熱材が設けられており、
当該断熱材の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
請求項１〜９のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部の底面に直交する方向の熱伝導率は、第１の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
請求項１〜１０のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向に直交する方向の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
請求項１〜１１のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向に直交する方向の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも低い、内燃機関。
請求項１〜１２のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の傘部の底面に平行な方向の熱伝導率は、第１の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高い、内燃機関。
請求項１〜１３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第２の異方性熱伝導材におけるステム部の軸線方向の熱伝導率は、第２の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高い、内燃機関。
請求項１〜１４のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第３の異方性熱伝導材における一端部から内部を通って他端部へ向かう方向の熱伝導率は、第３の異方性熱伝導材が設けられたバルブの母材の熱伝導率よりも高い、内燃機関。
請求項１〜１５のいずれか１に記載の内燃機関であって、
第１の異方性熱伝導材、第２の異方性熱伝導材、及び第３の異方性熱伝導材が吸気バルブに設けられている場合に、
第２の異方性熱伝導材は、吸気バルブのステム部の内部に設けられ、
第３の異方性熱伝導材は、吸気バルブの傘部の内部に設けられている、内燃機関。
ステム部と、当該ステム部の先端部に接続されシリンダ内に臨む傘部と、を含む内燃機関のバルブであって、
傘部の底面に、第１の異方性熱伝導材が設けられ、
ステム部に、第２の異方性熱伝導材がステム部の軸線方向に沿って設けられ、
傘部に、一端部が第１の異方性熱伝導材に接続され他端部が第２の異方性熱伝導材に接続された第３の異方性熱伝導材が設けられており、
第１の異方性熱伝導材において、シリンダ内の燃焼ガスから熱が伝わる場合の熱伝導率は、傘部の底面に平行な方向が当該底面に直交する方向よりも高く、
第２の異方性熱伝導材の熱伝導率は、ステム部の軸線方向が当該軸線方向に直交する方向よりも高く、
第３の異方性熱伝導材の熱伝導率は、その一端部から内部を通って他端部へ向かう方向が当該方向に直交する方向よりも高い、内燃機関のバルブ。