JP2009516114A

JP2009516114A - 内燃機関の動弁機構

Info

Publication number: JP2009516114A
Application number: JP2008539407A
Authority: JP
Inventors: オリバー、シュネル; ティム、マティアス、ホゼンフェルト
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2009-04-16
Also published as: KR20080079640A; DE102005053607A1; WO2007054464A1; US20090217896A1; US8161925B2; CN101305164A; KR101282500B1; EP1948910A1; CN101305164B

Abstract

給排気バルブ（１１）及びバルブ操作部材（４）を備え、バルブ操作部材（４）がバルブ操作部材（４）によって開閉方向に操作される給排気バルブ（１１）のバルブステム（１０）の端面（９）に対する接触面（８）を有する内燃機関の動弁機構を提案する。その場合接触面（８）及び／又は端面（９）は、ｓｐ^２−及びｓｐ^３−混成炭素を含む少なくとも１つの無金属アモルファス炭化水素層からなる摩耗保護層（１２）を備えるものとする。

Description

本発明は給排気バルブ及びバルブ操作部材を有し、バルブ操作部材がバルブ操作部材によって開閉方向に操作される給排気バルブのバルブステムの端面に対する接触面を有する内燃機関の動弁機構に関する。

バルブ操作部材の接触面とバルブステムの端面との間の、以下でバルブステム接触部と呼ぶ接触部は、動弁機構の構造に応じて高い機械的荷重がかかり、それが一方又は両方の接触相手の早期の表面摩耗をもたらすとともに、望ましくない動弁機構摩擦に大いに関与する。ロッカアーム式動弁機構では直線運動を行うバルブステムの端面上で、回転運動させられるバルブ操作部材の接触面の摺動運動が起こる。ところがその場合高い摺動速度にかかわらず、その方向反転によりバルブステム接触部に連続した弾性流体潤滑膜を形成することが妨げられる。その結果、高い接触圧力と相俟って、内燃機関の燃費にとって重要な動弁機構の損失動力の大部分を生じる高い摺動摩擦をもたらすとともに、特に潤滑膜が潤滑油中の摩耗作用粒子で汚染された場合は、接触相手の早期の表面摩耗の危険を招くことになる。

この観察はタペット形動弁機構にも当てはまる。そのバルブ操作部材は直線的に、一般に給排気バルブと並行に移動させられる。この場合はバルブステムの端面上でバルブ操作部材の接触面が横にずれるためバルブステム接触部にさほどの摺動速度が生じないのだが、しかし給排気バルブ又はバルブ操作部材の回転によって生じるバルブステム接触部の微小運動が、動弁機構摩擦又は表面摩耗に関して同様に望ましくない随伴現象をもたらす。

バルブステム接触部の摩耗保護のための慣用の対策として、一方ではバルブステム端の高周波焼入れが、他方ではバルブ操作部材の表面硬化のための、場合によっては後続の窒化処理を含む熱処理が行われる。接触圧力が非常に高い場合は、バルブステムに超硬合金チップ又は焼入れ可能なバルブ材料を溶接することも知られている。ところが高い摺動速度と接触圧力及び汚染した潤滑油により特にバルブステム接触部の負担が複合する場合は、この対策の効果は不十分であり、又はチップを溶接する場合は不当に高い製造コストをもたらす。また常に十分なバルブ保護とともに、摩擦によってバルブステム接触部に生じる損失動力の大幅な減少をもたらす対策は知られていない。

そこで本発明の根底にあるのは、これらの上記の欠点を回避するとともに、バルブ操作部材と給排気バルブの間に耐摩耗性と同時に低摩擦のバルブステム接触部を作り出すという課題である。

本発明に基づきこの課題は、接触面及び／又は端面がｓｐ^２−及びｓｐ^３−混成炭素を含む少なくとも１つの無金属アモルファス炭化水素層からなる摩耗保護層を備えることによって解決される。アモルファス炭化水素層で被覆された接触相手は優れた耐摩耗性とともに低減された摩擦係数が特徴である。これによって一方では動弁機構の寿命に対するますます高まる要求をよく満足し、他方では内燃機関の燃費の減少に一層寄与することができる。前者の基準はジーゼル内燃機関で大変重要である。ジーゼル内燃機関では粒子フィルタによる排気ガス再処理が排気ガス逆圧の上昇を招き、その結果摩耗作用のあるすす粒子による潤滑油汚染の増加をもたらす。

本発明をさらに発展させて、バルブ操作部材はカムが少なくとも間接的に作用するバルブロッカアームとして形成され、接触面はバルブロッカアームと一体に結合された端部の上にあるようにする。カムが間接的に作用するバルブロッカアームは中心部に回転中心がある天秤形ロッカアームとして当業者に周知であり、その第１の端部はタペットプッシュロッド又はバルブタペットの作用を受け、第２の端部に形成された接触面が給排気バルブのバルブステムの端面を操作する。カムが直接作用するバルブロッカアームの実例として、まず第一に末端側の自在軸受及び中心部のカム作用面を有する片腕形ロッカアーム及びスイングアーム形ロッカアーム、さらには末端側のカム作用面及び中心部の自在軸受を有する天秤形ロッカアームが挙げられる。自在軸受として、バルブロッカアームの種類に応じて内燃機関のシリンダヘッドに直立又は懸垂して支承された支持部材、又はシリンダヘッドの縦方向に配置された旋回軸が多くの場合使用される。

代案として、バルブ操作部材は給排気バルブの開閉方向にこれと連動する油圧式バルブクリアランス補整部材として形成される。その場合、バルブクリアランス補整部材はケース、ケースの中に縦移動可能に支承され、圧力室を画定するつり合いピストン、チェックバルブ及び戻しばねとともに、特にカップ形タペットに収容するために設けられた１つの組立ユニットを構成し、接触面はケースの端面の上にある。このようなバルブクリアランス補整部材は、油圧式バルブクリアランス補整を備えた直接操作式カップ形タペット動弁機構のための別製の機能及び組立ユニットとして周知であり、様々な直径のカップ形タペット又は様々な形状のカム作用面にモジュールとして使用することができる。

油圧式バルブクリアランス補整部材がスイングアーム形ロッカアーム又は天秤形ロッカアームに収容するための組立ユニットとして設けられた場合は、さらにケースに取り付けられた連接片を取り囲むようになっている。接触面は連接片の端面の上にある。このような連接片はバルブクリアランス補整部材の接触面がバルブステムの端面上で横にずれるロッカアーム式動弁機構でも、接触圧力を減少するためのたやすく実現できる対策として当業者に周知である。

代案として、バルブ操作部材を内燃機関のガイドの中に縦移動可能に支承された、一端が底部に移行する中空円筒形隔壁として形成することにより、動弁機構は機械的バルブクリアランス調整を有することもできる。外側にカムが作用する底部は、内側に調整されるバルブクリアランスに相当する所定の高さの、給排気バルブに面した突起を有し、接触面は突起の端面の上にある。

しかし機械的バルブクリアランス調整を備えたカップ形タペット動弁機構の場合は、調整されるバルブクリアランスに相当する所定の厚さと、端面側の接触面とを有する下側調整板としてバルブ操作部材を形成し、カップ形タペットの底部の外側にカムがスラストワッシャを介して間接的に又は直接的に作用し、内側が調整板に接するようにすることもできる。

さらに本発明は調整キャップによる機械的バルブクリアランス調整を備えた動弁機構を含む。調整キャップは調整されるバルブクリアランスに相当する所定の厚さの底部に一端が移行する中空円筒形隔壁によりバルブステムを取り囲む。その場合バルブステムの端面は底部の外面にある。

またバルブ操作部材がカムの作用を受ける機械的バルブクリアランス調整付きバルブロッカアームとして形成され、接触面がバルブロッカアームのバルブ側にねじ込まれた調整ねじの端面上にあるようにすることもできる。このような調整ねじは特に天秤形ロッカアーム及び片腕形ロッカアーム、さらにはスイングアーム形ロッカアームで無段階バルブクリアランス調整のための安価で小重量の解決策として当業者に知られている。

本発明の好ましい改良によれば、アモルファス炭化水素層は最大１６原子％の水素分及びプロセスに原因する１原子％未満の例えばＯ又はＡｒ原子、金属等の形の不純物を有する。こうしてバルブ操作部材の接触面又はバルブステムの端面であって、摩耗保護層を備えた表面が、高い耐摩耗性を有するとともに、金属表面を持つ接触相手に対して付着傾向が少ない。同時にこのような炭化水素層は高い耐薬品性、高い機械的強度及び高い硬さ／弾性係数比を特徴とする。これ以上の水素分は潤滑剤等との望ましくない結合を生じる恐れがある。

またアモルファス炭化水素層は０．８μｍ〜２．５μｍの厚さを有するものとする。さらに別の好ましい構成によれば、炭化水素層の下に少なくとも１つの付着仲介層及び／又は少なくとも１つの中間層を設けることができる。付着仲介層は金属物質、遷移金属のホウ化物、炭化物及び／又は窒化物からなり、０．１μｍ〜０．５μｍの厚さを有することが好ましい。中間層は金属含有炭化水素層として形成され、その金属成分はＷ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｇｅ又は上記の成分の組合せからなり、約０．５μｍ〜２．０μｍの厚さを有するものとする。

下記の実施例について発明を詳述する。

様々な動弁機構構造の種々のバルブ操作部材について添付の図面で発明を例示する。

別に示さぬ限り、図で同じ参照符号は同じ又は同機能の部品を示す。

図１はカム２により操作され、バルブロッカアーム３ａとして形成されたバルブ操作部材４を有する、ロッカアーム形動弁機構として形成された内燃機関の動弁機構１ａを開示する。バルブ操作部材４の一方の端部は内燃機関のシリンダヘッド５に静止して支承された、油圧式バルブクリアランス補整付き支持部材６に支えられる。支持部材６の反対側にあって、バルブロッカアーム３ａと一体に結合された端部７の上に、給排気バルブ１１のバルブステム１０の端面９に対する接触面８がある。接触面８から端面９に伝達される、給排気バルブ１１をその開閉方向に操作するための力は、特に内燃機関の回転数が高ければバルブステム接触部に高い機械的圧縮力を生じる。ここに示すロッカアーム形動弁機構１ａの場合は、この圧縮力に端面９の上の接触面８の往復摺動運動が重なる。この摺動運動の方向反転はバルブステム接触部に連続する弾性流体潤滑膜を形成することを妨げるから、接触力の増加とともに接触相手、接触面８及び端面９の不当に高い付着摩耗及び／又は摩擦摩耗の危険が増大する。

潤滑油中の比較的高い割合の摩耗作用粒子によって一層増大するこの危険を回避するために、摩耗保護層１２を被着するようにした。以下でさらに詳しく説明するこの摩耗保護層１２は、バルブ操作部材４の接触面８又はバルブステム１０の端面９又は両方の接触相手に被着することができる。しかし製造及びコストの面を考慮して、摩耗保護層１２をもっぱら一方の接触相手にだけ、図１に鎖線で示すようにバルブロッカアーム３ａの接触面８にだけ設ければ十分である。

図１のバルブロッカアーム３ａは片腕形ロッカアーム１３として形成されているが、図２は下側カムシャフトを有するタペットプッシュロッド形動弁機構で周知のころがり軸受付き天秤形ロッカアーム１４ａの形の動弁機構３ａを開示する。天秤形ロッカアーム１４ａもこれと一体に結合された端部７を有し、点で示す摩耗保護層１２を備えた接触面８がこの端部７にある。

図３でバルブ操作部材４は、給排気バルブ１１の開閉方向にこれと連動する油圧式バルブクリアランス補整部材１５ａとして形成されている。図４で明らかなように、このようなバルブクリアランス補整部材１５ａは特にカップ形タペット１６の中に収容するための組立及び機能ユニットとして設けられ、おおむねケース１７ａ、ケース１７ａの中に縦移動可能に支承され、圧力室１８を画定するつり合いピストン１９、チェックバルブ２０及び戻しばね２１からなる。この場合、摩耗保護層１２を備えた接触面８はケース１７ａの端面２２にある。摩耗保護層１２は図３に鎖線で、図４に点で示した。

図５に示す油圧式バルブクリアランス補整部材１５ｂは、主としてケース１７ｂに取り付けられた補助連接片２３とともに１つの機能及び組立ユニットを構成することが図３と相違する。この機能及び組立ユニットは通常、連動する油圧式バルブクリアランス補整部材を有するバルブロッカアームで使用される。このようなバルブロッカアーム３ｂの典型的な実施例は、図６の軸支した天秤形ロッカアーム１４ｂ及び図７で２個の給排気バルブ１１の同時操作のための二連スイングアーム形ロッカアームとして形成された軸支式のスイングアーム形ロッカアームである。連接片２３を有するバルブクリアランス補整部材１５ｂの場合は、図５ないし７にそれぞれ鎖線で示す摩耗保護層１２を備えた接触面８は連接片２３の端面２２の上にある。

図８には機械的バルブクリアランス調整を有する動弁機構１ｂが開示されている。この場合バルブ操作部材４は、内燃機関のガイド２６の中に縦移動可能に支承された、一端が底部２７ａに移行する中空円筒形隔壁２８を有する、一体に作られたカップ形タペット２５ａとして形成されている。カム２が外側に作用する底部２７ａは内側に給排気バルブ１１に面した突起２９を有する。突起２９の高さ３０によってバルブクリアランスが調整される。その場合鎖線で示す摩耗保護層１２を備えた接触面８が突起２９の端面２２の上にある。

これに対して図９の動弁機構１ｃのバルブクリアランスは所定の厚さ３２の調整板３１によって調整される。この調整板３１はカップ形タペット２５ｂの底部２７ｂとバルブステム１０の端面９の間に配置され、鎖線で示す摩耗保護層１２を備えた接触面８は、端面９に面した調整板３１の端面２２にある。しかしこの場合、調整板３１の方向を持った取り付けを避けるために、調整板３１の両側の端面に摩耗保護層１２を設けてもよい。

図１０の別の実施例では調整キャップ３３が設けられている。調整キャップ３３は一端が所定の厚さの底部２４に移行する中空円筒形隔壁３５によりバルブステム１０にかぶさる。この場合、鎖線で示す摩耗保護層１２を備えた底部３４の外面３６がバルブステム１０の端面９と規定される。

図８〜図１０に示した段階的な機械的バルブクリアランス調整を有する実施例に対して、図１１にはバルブロッカアーム３ｃのバルブ側にねじ込まれた無段階機械的バルブクリアランス調整のための調整ねじ３７が示されている。このようなバルブクリアランス調整はとりわけ天秤形ロッカアーム及び片腕形ロッカアームに適用され、点で示した摩耗保護層２２が調整ねじ３７の凸面として形成された端面２２の上にある。

最後に、バルブ操作部材４の接触面８又はバルブステム１０の端面９に被着された摩耗保護層１２は図１２の拡大図で明かである。その場合接触面８又は端面９の上にまずクロムからなる付着仲介層３８を析出することが好ましい。これはＰＶＤ法（Physical Vapour Deposition［物理的蒸着］）によって行われ、その際プロセスに原因する例えば０又はＡｒ原子、金属等による１原子％以下の不純物は許容される。付着仲介層３８は０．１μｍ〜０．５μｍの厚さを有し、中間層３９及び摩耗保護層１２の接触面８又は端面９への結合の改善に役立つ。

中間層３９もＰＶＤ法により付着仲介層３８の上に析出され、最大２０％Ｗ及び最大２０％Ｈを含む金属含有炭化水素層（Ｍｅ−Ｃ：Ｈ）として形成されている。中間層３９の厚さは約０．５μｍ〜２．０μｍであり、付着仲介層３８への摩耗保護層１２の結合の改善のために役立つ。摩耗保護層１２はアモルファス炭化水素層（ａ−Ｃ：Ｈ）として形成され、とりわけＰＶＤ及び／又は（ＰＡ）ＣＶＤ法（Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition［プラズマ援用化学蒸着］）により中間層３９の上に析出される。

付着仲介層３８、中間層３９及び摩耗保護層１２で構成された全層は約１．０μｍ〜５．０μｍの層厚を有する。このような層厚によって被覆された部品の寸法はごく僅かしか変化しないから、再加工は不要であり、調整された表面構造又は被覆された表面の微細構成は維持される。アモルファス炭化水素層の再熱処理もあまり必要でない。また摩耗保護層１２の低い摩擦係数がバルブステム接触部に生じる摩擦損失の顕著な減少をもたらす。

片腕形ロッカアーム動弁機構の横断面図である。タペットプッシュロッド動弁機構の天秤形ロッカアームの斜視図である。油圧式バルブクリアランス補整部材の切欠き斜視図である。図３のバルブクリアランス補整部材を有するカップ形タペットの図である。連接片を有する油圧式バルブクリアランス補整部材の切欠き斜視図である。図５のバルブクリアランス補整部材を有するカム操作天秤形ロッカアームの一部断裁した斜視図である。図５のバルブクリアランス補整部材を有する二連スイングアーム形ロッカアームの斜視図である。機械式バルブクリアランス調整及び一体に作られたカップ形タペットを有するカップ形タペット動弁機構の横断面図である。機械式バルブクリアランス調整及び下側調整板を有するカップ形タペット動弁機構の横断面図である。機械的バルブクリアランス調整のための調整キャップを有する給排気バルブの縦断面図である。機械的バルブクリアランス調整のための調整ねじを有するバルブロッカアームの縦断面図である。本発明に基づく摩擦保護層の拡大図である。

符号の説明

１ａ、ｂ、ｃ動弁機構
２カム
３ａ、ｂ、ｃバルブロッカアーム
４バルブ操作部材
５シリンダヘッド
６支持部材
７端部
８接触面
９端面
１０バルブステム
１１給排気バルブ
１２摩耗保護層
１３片腕形ロッカアーム
１４ａ、ｂ天秤形ロッカアーム
１５ａ、ｂ油圧式バルブクリアランス補整部材
１６カップ形タペット
１７ａ、ｂケース
１８圧力室
１９つり合いピストン
２０チェックバルブ
２１戻しばね
２２端面
２３連接片
２４スイングアーム形ロッカアーム
２５ａ、ｂカップ形タペット
２６ガイド
２７ａ、ｂ底部
２８隔壁
２９突起
３０高さ
３１調整板
３２厚さ
３３調整キャップ
３４底部
３５隔壁
３６外面
３７調整ねじ
３８付着仲介層
３９中間層

Claims

給排気バルブ（１１）及びバルブ操作部材（４）を有し、バルブ操作部材（４）がバルブ操作部材（４）によって開閉方向に操作される給排気バルブ（１１）のバルブステム（１０）の端面（９）に対する接触面（８）を有する内燃機関の動弁機構において、
接触面（８）及び／又は端面（９）がｓｐ^２−及びｓｐ^３−混成炭素を含む少なくとも１つの無金属アモルファス炭化水素層からなる摩耗保護層（１２）を備えていることを特徴とする動弁機構。
バルブ操作部材（４）が少なくとも間接的にカム（２）の作用を受けるバルブロッカアーム（３ａ）として形成され、接触面（８）がバルブロッカアーム（３ａ）と一体に結合された端部（７）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
バルブ操作部材（４）が給排気バルブ（１１）の開閉方向にこれと連動する油圧式バルブクリアランス補整部材（１５ａ）として形成され、バルブクリアランス補整部材（１５ａ）がケース（１７ａ）、ケース（１７ａ）の中に縦移動可能に支承され、圧力室（１８）を画定するつり合いピストン（１９）、チェックバルブ（２０）及び戻しばね（２１）とともに１つの組立ユニットを構成し、接触面（８）がケース（１７ａ）の端面（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
バルブ操作部材（４）が給排気バルブ（１１）の開閉方向にこれと連動する油圧式バルブクリアランス補整部材（１５ｂ）として形成され、バルブクリアランス補整部材（１５ｂ）がケース（１７ｂ）、ケース（１７ｂ）の中に縦移動可能に支承され、圧力室（１８）を画定するつり合いピストン（１９）、チェックバルブ（２０）、戻しばね（２１）及びケース（１７ｂ）に取り付けられた連接片（２３）とともに、特にスイングアーム形ロッカアーム（２４）又は天秤形ロッカアーム（１４ｂ）に収容するために設けられた１つの組立ユニットを構成し、接触面（８）が連接片（２３）の端面（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
バルブ操作部材（４）が、内燃機関のガイド（２６）に縦移動可能に支承された、一端が底部（２７ａ）に移行する中空円筒形隔壁（２８）を有する、一体に作られたカップ形タペット（２５ａ）として形成され、上記の底部（２７ａ）が外側にカム（２）の作用を受け、内側に給排気バルブ（１１）に面した所定の高さの突起（２９）を有することによって、動弁機構（１ｂ）が機械的バルブクリアランス調整を有し、接触面（８）が突起（２９）の端面（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
バルブ操作部材（４）がカップ形タペット（２５ｂ）のための所定の厚さの下側調整板（３１）として形成され、カップ形タペット（２５ｂ）が、内燃機械のガイド（２６）の中に縦移動可能に支承された、一端が底部（２７ｂ）に移行する中空円筒形隔壁（２８）を有し、上記底部（２８）が外側にスラストワッシャを介して間接的に又は直接的にカム（２）の作用を受け、内側が調整板（３１）に接し、その際接触面（８）が調整板（３１）の端面（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
動弁機構が調整キャップ（３３）による機械的バルブクリアランス調整を有し、調整キャップ（３３）が一端が所定の厚さの底部（３４）に移行する中空円筒形隔壁（３５）によりバルブステム（１０）を取り囲み、その際バルブステム（１０）の端面（９）が底部（３４）の外面（３６）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
バルブ操作部材（４）がカム（２）の作用を受ける、機械的バルブクリアランス調整を備えたバルブロッカアーム（３ｃ）として形成され、接触面（８）がバルブロッカアーム（３ｃ）にねじ込まれた調整ねじ（３７）の端面（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
アモルファス炭化水素層が最大１６原子％の水素分とプロセスに原因する１原子％未満の不純物を有することを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
アモルファス炭化水素層が約０．８μｍ〜２．５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
アモルファス炭化水素層の下に少なくとも１つの付着仲介層（３８）及び／又は中間層（３９）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
少なくとも１つの付着仲介層（３８）が金属物質、遷移金属のホウ化物、炭化物及び／又は窒化物からなり、約０．１μｍ〜０．５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の動弁機構。
少なくとも１つの中間層（３９）が金属含有炭化水素層として形成され、その金属成分がＷ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｇｅ又は上記成分の組合せからなり、約０．５μｍ〜２．０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の動弁機構。