JP2013119837A

JP2013119837A - バルブシート、その伝熱調節方法、及びバルブシート組み付け構造

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Publication number: JP2013119837A
Application number: JP2011269282A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Chikada; 哲也近田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートに関し、耐久性をほぼ犠牲にすることなく伝熱を調節できるようにする。
【解決手段】提案するバルブシートの伝熱調節方法は、燃焼室と反対側の端面４に、半径方向ｒへ傾斜する傾斜部位５を形成し、該傾斜部位５の広さによって、開口周囲に形成された嵌合受け部に対する端面４の接触面積を調節する、伝熱調節方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関における吸気、排気バルブ用のバルブシートに関する。

内燃機関の燃焼室に臨む吸排気ポートの開口周囲には、耐久性を確保するためにバルブシートが嵌合固定される。このバルブシートについて、その外周面を燃焼室側縁部にかけて部分的に削除し、シリンダヘッドの開口内周面（すなわち、吸排気ポートの開口周囲に形成された嵌合受け部の側面）との間で隙間を画成する非接触部分を形成することにより、シリンダヘッドへの伝熱面積を縮小し、主としてシリンダヘッドにおける弁間部の温度落差を減じることが、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されたシートバルブによれば、排気行程時などに燃焼ガス（排気）の通過によりバルブシートが高温となった場合、非接触部分からはシリンダヘッドに直接熱が伝達されないため、シリンダヘッドの弁間部にバルブシートから伝達される熱量が減少し、したがって吸気バルブ側との温度落差が小さくなり、熱的応力の集中が緩和される（特許文献１の明細書第４頁参照）。

実開昭６０−１７１９０８号公報

特許文献１のバルブシートは、燃焼室と反対側の内奥部を残して非接触部分を形成してあるので、外周面の内奥部のみが全周に渡って圧入嵌合し、シリンダヘッドの嵌合受け部に固定される（特許文献１の明細書第５頁）。すなわち、このバルブシートは、シリンダヘッドへの嵌合に寄与する外周面の一部を削って非接触部分を形成してある。したがって、特許文献１のバルブシートは、上記のようなシリンダヘッドに対する伝熱制御という視点だけ見れば効果的であるが、本来は嵌合に寄与すべき外周面を大きく削ってあるため、経時的な嵌合力（固定を維持する力）など、バルブシート自身の耐久性に関しては逆に劣ることが懸念される。

この点に着目すると、燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートに関し、耐久性をほぼ犠牲にすることなく伝熱を調節できるようにすることが望まれる。

上記課題を解決するために、次の手段を提案する。

内燃機関の燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートの伝熱調節方法であって、
前記燃焼室と反対側の端面に、半径方向へ傾斜する傾斜部位を形成し、該傾斜部位の広さによって、前記開口周囲に形成された嵌合受け部に対する前記端面の接触面積を調節する、伝熱調節方法。

内燃機関の燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートであって、
前記燃焼室と反対側の端面において、半径方向へ傾斜した傾斜部位が円周方向に延設され、該傾斜部位の半径方向の幅が円周方向において変化している、バルブシート。

内燃機関の燃焼室に臨む吸気及び排気ポートの各開口周囲にそれぞれバルブシートを嵌合固定した、バルブシート組み付け構造であって、
前記各バルブシートは、前記燃焼室と反対側の端面に、半径方向へ傾斜した傾斜部位を有し、
該傾斜部位の広さが、前記吸気ポートの開口周囲に嵌合固定されたバルブシートと前記排気ポートの開口周に嵌合固定されたバルブシートとで異なっている、バルブシート組み付け構造。

上記提案に係る各手段によれば、バルブシートにおいて、嵌合に寄与する外周面ではなく、軸方向の端面に傾斜部位を形成することで、伝熱を調節できる。したがって、耐久性をほぼ犠牲にすることなく伝熱調節を行える。

バルブシートの第１実施形態を示す、（Ａ）平面図、（Ｂ）側面図、（Ｃ）断面図。第１実施形態に係るバルブシートの組み付け構造を示したシリンダヘッドの要部断面図。バルブシートの第２実施形態を示す、（Ａ）平面図、（Ｂ）側面図、（Ｃ）断面図。第２実施形態に係るバルブシートの組み付け構造を示したシリンダヘッドの要部断面図。

図１に、バルブシートの第１実施形態を平面図、側面図、断面図で示している。
第１実施形態のバルブシート１は、吸気又は排気ポートの直径に一致する貫通孔２を中央に有する環状の焼結品である。その軸方向ａの両端面のうち、燃焼室側の端面がバルブの当接する座面３として、バルブ形状に沿う漏斗状に形成される。一方、燃焼室と反対側の端面４は、図２を参照して後述する吸気又は排気ポートの開口周囲に形成された嵌合受け部に当接する、当接面として形成される。

この端面４の外縁側において、半径方向ｒへ下り傾斜の傾斜部位５が円周方向ｃに延設されている。傾斜部位５は、吸気又は排気の流れに影響しないように、端面４の内縁側よりは、図示の通り外縁側に設けるのが好ましい。傾斜部位５は、端面４の外縁部（外肩部）を面取りすることにより形成することができる。外縁部の面取りにより形成された加工面である傾斜部位５は、その面取り深さｄをできるだけ浅い一定値とし、面取り角度θを変化させることで、半径方向ｒの幅ｗを調節して広さを変えることができる。この幅ｗに応じ決定される傾斜部位５の広さによって、嵌合受け部に対する端面４の接触面積が調節される。すなわち、傾斜部位５を広くすれば端面４の接触面積は減少し、傾斜部位５を狭くすれば端面４の接触面積は増加する。

図２に、内燃機関のシリンダヘッド１０に形成された吸気ポート１１と排気ポート１２の、燃焼室１３に臨む開口周囲に嵌合固定されている、上記のバルブシート１ｉ，１ｅを示す。吸気ポート１１及び排気ポート１２の各開口周囲には、開口を囲繞するようにして、バルブシート１ｉ，１ｅを嵌合させて固定するための嵌合受け部１４，１５が形成される。嵌合受け部１４，１５の直径はバルブシート１ｉ，１ｅの外径よりもわずかに小さく、したがってバルブシート１ｉ，１ｅは、その外周面と嵌合受け部１４，１５の側面との締り嵌めによって嵌合固定される。すなわち、バルブシート１ｉ，１ｅにおいて嵌合に寄与するのは外周面であり、当該外周面には、上記従来技術のような非接触部分などが形成されていないので、バルブシート１ｉ，１ｅの嵌合固定に関しては耐久性が保たれる。

バルブシート１ｉ，１ｅは、座面３ｉ，３ｅを燃焼室１３側にして嵌合受け部１４，１５に嵌め込まれ、反対側の端面４ｉ，４ｅが嵌合受け部１４，１５の底面に当接する。したがって、バルブシート１ｉ，１ｅが受けた熱は、端面４ｉ，４ｅからシリンダヘッド１０へ伝わり、ウォータージャケット１６で冷却される。

図２に示すバルブシート組み付け構造の場合、吸気側のバルブシート１ｉと排気側のバルブシート１ｅとで、端面４ｉ，４ｅにおける傾斜部位５ｉ，５ｅの広さが異なり、排気側のバルブシート１ｅの傾斜部位５ｅよりも、吸気側のバルブシート１ｉの傾斜部位５ｉのほうが広い。すなわち、吸気側のバルブシート１ｉは、面取り角度θを小さくすることにより、端面４ｉにおける傾斜部位５ｉの幅ｗがより広く形成されている。一方、排気側のバルブシート１ｅは、面取り角度θを大きくすることにより、端面４ｅにおける傾斜部位５ｅの幅ｗがより狭く形成されている。このように傾斜部位５ｉ，５ｅの広さを変えることによって、嵌合受け部１４，１５に対する端面４ｉ，４ｅの接触面積が調節され、バルブシート１ｉ，１ｅからシリンダヘッド１０への伝熱が調節される。図２に示すバルブシート組み付け構造では、吸気側のバルブシート１ｉからシリンダヘッド１０へ伝わる熱の量が少なく、排気側バルブシート１ｅからシリンダヘッド１０へ伝わる熱の量が多い。すなわち、排気が通ることで吸気側よりも受熱の多い排気側のバルブシート１ｅの伝熱量を多くすることができ、シリンダヘッド１０におけるバルブシート近辺の温度分布の偏りを緩和することができる。

このように、燃焼室１３と反対側の端面４に形成する傾斜部位５の広さによって端面４の接触面積を調節することによる伝熱調節方法は、排気側と吸気側で材質の異なるバルブシート１を採用する、あるいは、エンジン機種ごとにバルブシート１の材質を変更する、といった不利益の解消に関与する。焼結品であるバルブシートには使用に適した温度環境があるが、当該温度環境は、吸気ポートの側と排気ポートの側とで異なるし、エンジン機種によっても異なる。そこで、従来では、吸気側と排気側とでそれぞれその温度環境に適した材質のバルブシートを採用したり、エンジン機種ごとにその温度環境に適した異なる材質のバルブシートを採用したりしていた。これに対し、本実施形態のバルブシート１は、端面４の接触面積によって受熱量を制御することができるので、材質の選択を不要とすることができ、バルブシートの材質変更に伴う評価などの工数低減、コスト抑制に貢献する。

図３は、バルブシートの第２実施形態を図１と同じく平面図、側面図、断面図で示す。
第２実施形態のバルブシート２１において、貫通孔２２及び燃焼室側の端面に形成される座面２３は、第１実施形態と同じである。一方、燃焼室と反対側の端面２４及び傾斜部位２５は、次のように形成される。

半径方向ｒへ下り傾斜の傾斜部位２５は端面２４の外縁側において円周方向に延設されるが、本第２実施形態の傾斜部位２５は、その半径方向の幅ｗが円周方向において変化している。すなわち、図示の例では、図中右側における幅ｗ１が最も広く、この幅ｗ１から円周方向に徐々に狭くなっていき、１８０°反対側の図中左側における幅ｗ２が最も狭くなっている。したがって、端面２４の嵌合受け部に対する接触面積も、円周方向において変化している。この変化により、円周方向の位置に応じて、端面２４からシリンダヘッドへ伝わる熱の量が違うことになる。このような傾斜部位２５も、端面２４の外縁部を面取りすることにより形成することができる。すなわち、面取り深さｄをできるだけ浅い一定値とし、面取り角度θを円周方向において変化させることで、半径方向ｒの幅ｗが幅ｗ１から幅ｗ２へ変化する傾斜部位２５を形成することができる。この円周方向において変化する傾斜部位２５によって、嵌合受け部に対する端面２４の接触面積が円周方向の位置に応じて変わり、これに伴い伝熱量が位置によって変化する。

図４に、シリンダヘッド１０において、吸気ポート１１及び排気ポート１２の燃焼室１３に臨む各開口を囲繞して形成された、図２同様の嵌合受け部１４，１５と、これらに嵌合固定された第２実施形態に係るバルブシート２１ｉ，２１ｅを示す。図４のバルブシート組み付け構造においても、嵌合受け部１４，１５の直径はバルブシート２１ｉ，２１ｅの外径よりもわずかに小さく、バルブシート２１ｉ，２１ｅは、その外周面と嵌合受け部１４，１５の側面との締り嵌めによって嵌合固定される。したがって図２の場合同様に、バルブシート２１ｉ，２１ｅにおいて嵌合に寄与するのは外周面であり、当該外周面には、上記従来技術のような非接触部分などが形成されていないので、バルブシート２１ｉ，２１ｅの嵌合固定に関しては耐久性が保たれる。

バルブシート２１ｉ，２１ｅは、座面２３ｉ，２３ｅを燃焼室１３側にして嵌合受け部１４，１５に嵌め込まれ、反対側の端面２４ｉ，２４ｅが嵌合受け部１４，１５の底面に当接する。したがって、バルブシート２１ｉ，２１ｅが受けた熱は、端面２４ｉ，２４ｅからシリンダヘッド１０へ伝わり、ウォータージャケット１６で冷却される。図４に示すバルブシート組み付け構造では、吸気側のバルブシート２１ｉと排気側のバルブシート２１ｅとで、端面２４ｉ，２４ｅにおける傾斜部位２５ｉ，２５ｅの広さが異なり、排気側のバルブシート２１ｅの傾斜部位２５ｅよりも、吸気側のバルブシート２１ｉの傾斜部位２５ｉのほうが広い。したがって、吸気側のバルブシート２１ｉにおける端面２４ｉの接触面積の方が排気側のバルブシート２１ｅにおける端面２４ｅの接触面積よりも狭いので、吸気側のバルブシート２１ｉからシリンダヘッド１０への伝熱量が少なく、排気側バルブシート１ｅからシリンダヘッド１０への伝熱量が多い。これにより図２同様、排気が通ることで吸気側よりも受熱の多い排気側のバルブシート２１ｅの伝熱量を多くすることができ、シリンダヘッド１０におけるバルブシート近辺の温度分布の偏りを緩和することができる。

また、このうように吸気側と排気側とで伝熱量を変えると共に、図４の組み付け構造の場合、両バルブシート２５ｉ，２５ｅのそれぞれにおいても、円周方向の位置によって伝熱量が変えられている。すなわち、上述のように、円周方向において端面２４ｉ，２４ｅの接触面積が変化しているので、より受熱量の多い、例えば燃焼室１３の中心線寄りに接触面積の広い箇所を配置するようにして、他よりも多くの熱がここからシリンダヘッド１０へ伝わるようにする。これにより、シリンダヘッド１０におけるバルブシート近辺の温度分布の偏りをさらに緩和することができる。

１，１ｉ，１ｅ，２１，２１ｉ，２１ｅバルブシート
２，２ｉ，２ｅ，２２，２２ｉ，２２ｅ貫通孔
３，３ｉ，３ｅ，２３，２３ｉ，２３ｅ燃焼室側の端面（座面）
４，４ｉ，４ｅ，２４，２４ｉ，２４ｅ燃焼室と反対側の端面（当接面）
５，５ｉ，５ｅ，２５，２５ｉ，２５ｅ傾斜部位

Claims

内燃機関の燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートの伝熱調節方法であって、
前記燃焼室と反対側の端面に、半径方向へ傾斜する傾斜部位を形成し、該傾斜部位の広さによって、前記開口周囲に形成された嵌合受け部に対する前記端面の接触面積を調節する、伝熱調節方法。
前記端面の外縁部を面取りすることにより前記傾斜部位を形成し、その面取り角度によって前記傾斜部位の広さを決定する、請求項１記載の伝熱調節方法。
内燃機関の燃焼室に臨む吸気又は排気ポートの開口周囲に嵌合固定されるバルブシートであって、
前記燃焼室と反対側の端面において、半径方向へ傾斜した傾斜部位が円周方向に延設され、該傾斜部位の半径方向の幅が円周方向において変化している、バルブシート。
前記傾斜部位が、前記端面の外縁部を面取りした加工面である、請求項３記載のバルブシート。
内燃機関の燃焼室に臨む吸気及び排気ポートの各開口周囲にそれぞれバルブシートを嵌合固定した、バルブシート組み付け構造であって、
前記各バルブシートは、前記燃焼室と反対側の端面に、半径方向へ傾斜した傾斜部位を有し、
該傾斜部位の広さが、前記吸気ポートの開口周囲に嵌合固定されたバルブシートと前記排気ポートの開口周に嵌合固定されたバルブシートとで異なっている、バルブシート組み付け構造。
前記傾斜部位が、前記端面の外縁部を面取りした加工面である、請求項５記載のバルブシート組み付け構造。