JP2014169696A

JP2014169696A - 金属製中空弁

Info

Publication number: JP2014169696A
Application number: JP2014030232A
Authority: JP
Inventors: Kroos Peter; クロースペーター; Luven Christoph; ルーフェンクリストフ; Schacherer Roland; シャハエラーローラント
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN104018904A; DE102013203443A1; EP2803827B1; EP2803827B2; KR20140108150A; CN104018904B; EP2803827A1

Abstract

【課題】中空弁（１）を特に良好に冷却できるようにし、その結果として、内燃機関のノッキング限界を上げる。
【解決手段】本発明は、キャビティ（５）を有する筒状シャフト（２）と、前記筒状シャフト（２）に接続されている弁頭（３）とを備えている内燃機関の金属製中空弁（１）に関する。前記シャフト（２）の外径ｄ_ａは５．０ｍｍよりも大きく且つ６．０ｍｍよりも小さく、前記シャフト（２）の内径ｄ_ｉは３．０ｍｍよりも大きく且つ４．６ｍｍよりも小さく、前記弁頭（３）にキャビティ（４）が設けられ、前記キャビティ（４）を取り囲む壁の壁厚ｂ_１およびｂ_２は、それぞれ１．０ｍｍよりも大きく且つ２．０ｍｍよりも小さいことが、本発明にとって不可欠である。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の導入句に係る、筒状シャフトと、筒状シャフトに接続されている弁板とを備えている内燃機関の金属製中空弁に関する。

特に乗用車のエンジンのような内燃機関における熱応力が大きくなると、例えばガス交換弁（弁と略されることもある）のような乗用車の部品も冷却されることがますます必要となってくる。このため、中に冷却媒体を有するいわゆる中空弁が用いられる。

金属製中空弁を製造する方法が特許文献１から知られている。この方法では、対応する金型によって、弁が連続的に変形され、特に弁のシャフトがテーパー状にされる。

内燃機関のガス交換用の金属製中空弁の製造方法が特許文献２から知られている。この方法では、弁を構成する中空部のキャビティが互いに接続されるとともに、これらキャビティの少なくとも一部は、金属の電解除去によって形成される。このため、まず、弁シャフトには長手方向にドリルで穴が開けられ、続いて、弁シャフトの長手方向の軸と交差するように、拡大穴としてキャビティが弁頭に形成される。上述の方法によって、特に中空弁の製造が簡略化できることを目的とし、同時に、弁の品質が向上することも目的とする。

内燃機関の金属製中空弁の製造方法が特許文献３からも知られている。この方法では、梨状の構造の鍛造ブランクに穴が開けられている。その後、後方にある弁頭の少なくとも一部が電解除去によってくり抜かれ、続いて、このようにして形成されたキャビティが支持流体で充填され、中空弁が閉鎖される。こうして、比較的妥当なコストで中空弁が製造できる。

弁シャフトに移行する弁頭を備えている内燃機関の金属製中空弁の製造方法が特許文献４からも知られている。この方法では、弁頭に穴が開けられており、続いて、弁頭の少なくとも一部が電解除去によってくり抜かれている。また、こうして、このような金属製中空弁の製造が基本的に改良されることを目的としている。

一般的に、金属製中空弁は、中実弁よりも軽いとともに、例えばナトリウムのような冷却媒体を充填すると、放熱性が向上するものとみなされる。オットーエンジンでは、特に放熱性が良好な中空弁によって、ノッキング限界をシフトすることができ、それによって、特に好ましい動作になる。ノッキングとは、高温高圧に起因する混合気の制御されていない点火のことである。このノッキングによって、内燃機関内で衝撃が起きて高い機械的応力および熱応力が発生する。このような応力によって、最終的には、耐用年数が短くなるとともに効率が下がる。しかしながら、ノッキング限界を上げることができれば、シリンダ内の圧縮比を上げることができる。こうして、燃焼プロセスにおける効率が顕著に上がり、それによって、燃料消費量を抑えつつ性能を向上させることができる。

欧州特許出願公開第２５４１０００号明細書独国特許出願公開第１０２０１００５１８７１号明細書独国特許出願公開第１０２０１２２０９１８７号明細書独国特許出願公開第１０２０１１０７７１９８号明細書

以上に鑑み、本発明は、ノッキング限界を上げることができる汎用の金属製中空弁の改良された実施形態を提供するという課題に関するものである。

この課題は、本発明における独立請求項１の主題によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、内燃機関に用いる弁（ガス交換弁）が、非常に薄い壁を有する中空弁として構成され、とりわけ効率的に冷却できるようにすることによって、内燃機関のノッキング限界を上げるという概念に基づいている。このため、本発明に係る金属製中空弁は、公知のように、筒状シャフトと、筒状シャフトに接続されている弁頭とを備えている。本発明によれば、シャフトの外径は５．０〜６．０ｍｍの間であり、シャフトの内径は、３．０〜４．６ｍｍの間である。こうして、シャフトの壁厚は、従来の中空弁よりも大幅に小さくすることができる。さらに、キャビティが弁頭に設けられ、このキャビティを取り囲む壁は、１.０ｍｍから最大で２．０ｍｍまでの間の厚さがある。そのため、高い伝熱性も実現できるとともに中空弁の冷却を良好にもできる。本発明に係る中空弁の構造を比較的精巧にすることによって、特に燃焼チャンバと対面する平坦な弁頭の底面を効率よく冷却できる。そのため、ノッキング限界をシフトする（上げる）ことができ、結果として、ノッキングによって発生した内燃機関の機械的応力および熱応力を抑制できる。本発明に係る精巧な弁においては、シリンダ内の圧縮比をさらに上げることができ、燃焼プロセスの効率が顕著に上がることになり、その結果、性能が向上すると同時に燃料消費量が抑制される。

キャビティの内壁の表面粗さＲ_Ｚ（ＤＩＮＥＮＩＳＯ４２８７：２０１０−０７に準拠して測定）が１０μｍよりも大きいことが好ましく、１６μｍよりも大きいことがさらに好ましい。弁頭におけるキャビティの内壁の表面粗さが比較的大きいと、伝熱面積を大きくできる。そのため、熱交換に良い影響を与えることになり、その結果、本発明に係る中空弁の冷却にも良い影響を与えることになる。中空弁のシャフトの内壁の表面粗さも同様に構成されてもよい。

本発明に係る解決策のさらに好ましい実施形態においては、中空弁は、Ｘ４５ＣｒＳｉ９−３、Ｘ５０ＣｒＭｎＮｉＮｂＮ２１−９、ＮｉＣｒ２０ＴｉＡｌ、またはＮＣＦ３０１５（Ｎｉ３０％，Ｃｒ１５％）鋼から製造される。このような高合金鋼によって、まず本発明に係る中空弁の構造を精巧にすることができるとともに、このような高合金鋼は、比較的高い耐摩耗性を有している。さらに、このような高合金鋼は、通常、高い耐腐食性を備えているとともに、例えばオイルまたは燃焼排ガスのような反応性の高い化学物質に対する耐性も高い。従って、このような高合金鋼は、内燃機関におけるこのような金属製中空弁に使用するのに特に適している。

弁頭におけるキャビティは電解除去によって形成され、このキャビティは、略球状、略楕円状、または略円錐状に形成されることが好ましい。電解除去によって、大変な機械作業をすることもなく、さらに、複雑な道具を使用することもなく、可能な限り大きいキャビティを弁頭に形成することができる。電解除去は、ここでは、極めて高精度に制御可能なプロセスであり、よって、本発明に係る金属製中空弁は、一貫して高品質に製造できる。ここでは、シャフトは、通常最初にドリルで穴が開けられるが、電解除去によって同様に広げることもできる。

本発明のさらなる重要な特徴および利点は、下位請求項、図面、および対応する図面の説明に示される。

図１は、本発明に係る金属性中空弁の断面図である。

上述の特徴および以下にさらに説明する特徴は、発明の範囲から逸脱しない限り、記載した組み合わせだけでなく、他の組み合わせ又は単独でも用いることができると理解されたい。

発明の好ましい実施形態は、図示されるとともに、以下にさらに詳細に説明される。

唯一の図である図１は、本発明に係る金属性中空弁の断面図である。

図１に示すように、特に図示していない内燃機関における本発明の金属製中空弁１は、筒状シャフト２と、筒状シャフト２に接続されている弁頭３とを備えている。ここでは、シャフト２と弁頭３とは通常一体構造になっている。この場合、金属製中空弁１の冷却をできるだけ効率よく実現することができるように、弁頭３が精巧に装備されている。つまり、弁頭３は、比較的薄い壁厚ｂ_１とｂ_２とｂ_３とを有する。ここで、壁厚ｂ_１は、弁頭の土台における図示していない燃焼チャンバと対面している領域で測定されている一方、壁厚ｂ_２は、弁スロート６の領域で測定されている。壁厚ｂ_３は、シャフト２の領域における壁厚を示す。このような薄い壁厚ｂ_１とｂ_２とｂ_３とによって、金属製中空弁１の冷却が改良されるだけでなく、内燃機関のノッキング限界を上げることもできる。こうして、混合気の制御されていない点火と、それに伴う高い機械的応力および熱応力の発生とを防ぐことができる。また、これらを防ぐことができなくても、少なくとも大幅に抑制できる。ここでは、このような薄い壁厚によって、ノッキング限界が上がる。これを実現するために、本発明に係る金属性中空弁１は、シャフト２の領域に、５〜６ｍｍの間の外径ｄ_ａを有している。シャフト２の領域の内径ｄ_ｉは、３．０〜４．６ｍｍの間である。よって、壁厚ｂ_３は約０．７〜１．５ｍｍの間である。当然、壁厚ｂ_３は、耐性を条件に約０．５〜１．５ｍｍの間であってもよい。外径ｄ_ａが６ｍｍであれば、内径ｄ_ｉは４．６ｍｍであることが好ましい。弁頭３にキャビティ４が設けられ、キャビティ４は、シャフト２に設けられたキャビティ５とともに、ナトリウムなどの冷媒用の収容スペースを形成する。キャビティ４を取り囲む壁は、弁頭の土台の領域において、弁スロート６の領域と全く同様に、１〜２ｍｍの間の厚みｂ_１を有する。従って、弁スロート６の領域においても、壁厚ｂ_２は約１〜２ｍｍである。

キャビティ４および５に設けた冷媒と金属製中空弁１との伝熱をさらに向上できるようにするために、キャビティ４の内壁７の表面粗さＲ_Ｚまたはキャビティ５の内壁７の表面粗さＲ_Ｚが１０μｍよりも大きく、さらに好ましくは１６μｍよりも大きくてもよい。表面粗さＲ_Ｚが大きくなると、熱交換に利用できる面積が大きくなり、その結果、伝熱が向上する。

一般的に、中空弁１は、例えばＸ４５ＣｒＳｉ９−３、Ｘ５０ＣｒＭｎＮｉＮｂＮ２１−９、ＮｉＣｒ２０ＴｉＡｌ、またはＮＣＦ３０１５鋼のような高合金鋼から製造される。このような高合金鋼によって、本発明に係る金属製中空弁１の構造を精巧にでき、さらに、このような高合金鋼は、例えばオイルまたは燃焼排ガスのような反応性の高い化学媒体に対して耐性がある。また、このような高合金鋼は、耐摩耗性が高く且つ耐腐食性も高いため、耐用年数が長い。

シャフト２のキャビティ５は通常ドリルで開けられるが、弁頭３のキャビティ４は、電解除去によって形成される。キャビティ４は、例えば、球状、円錐状、または楕円状に形成することができる。このような電解除去によって、キャビティ４と、キャビティ４を取り囲む壁とを単純且つ極めて高精度に形成することができる。

本発明に係る金属製中空弁１の冷却が顕著に良好になるとともに、内燃機関のノッキング限界を間接的に上げることができる。こうして、内燃機関の耐用年数が長くなるだけでなく、性能が上がると同時に燃料消費量が少なくなる。さらに、精巧な形態によって重量が減るため、内燃機関の燃料消費量に良い影響を与えることになる。

Claims

キャビティ（５）を有する筒状シャフト（２）と、前記筒状シャフト（２）に接続されている弁頭（３）とを備えている内燃機関の金属製中空弁（１）であって、
前記シャフト（２）の外径ｄ_ａは５．０ｍｍよりも大きく且つ６．０ｍｍよりも小さく、
前記シャフト（２）の内径ｄ_ｉは３．０ｍｍよりも大きく且つ４．６ｍｍよりも小さく、
前記弁頭（３）にキャビティ（４）が設けられ、
前記キャビティ（４）を取り囲む壁の壁厚ｂ_１およびｂ_２は、それぞれ１．０ｍｍよりも大きく且つ２．０ｍｍよりも小さいことを特徴とする金属製中空弁。
前記キャビティ（５）を取り囲む壁の壁厚ｂ_３は、０．７ｍｍよりも大きく且つ１．５ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の中空弁。
前記中空弁（１）は、Ｘ４５ＣｒＳｉ９−３、Ｘ５０ＣｒＭｎＮｉＮｂＮ２１−９、ＮｉＣｒ２０ＴｉＡｌ、またはＮＣＦ３０１５鋼から製造されることを特徴とする請求項１および２のいずれか１項に記載の中空弁。
前記弁頭（３）における前記キャビティ（４）の少なくとも一部は電解除去によって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空弁。
前記キャビティ（４）が、略球状、略楕円状、または、略円錐状に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空弁。
前記キャビティ（５）が前記シャフト（２）にドリルで開けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の中空弁。
前記キャビティ（４，５）の内壁（７）の表面粗さＲ_Ｚが１０μｍよりも大きく、好ましくは１６μｍよりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の中空弁。