JP2016223303A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇を抑制することにより、燃焼室内への吸入空気の充填率の低下を抑制することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関１１のシリンダヘッド１３には、吸気ポート１７における燃焼室１６との接続部分である吸気接続部分２５、及び排気ポート１８における燃焼室１６との接続部分である排気接続部分３５の双方に、バルブ２０，３０の傘部２２，３２が当接するバルブシート２６，３６が設けられている。ウォータジャケット１９と吸気用のバルブシート２６のバルブシート面との最短距離は、ウォータジャケット１９と排気用のバルブシート３６のバルブシート面との最短距離よりも短い。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気バルブ及び排気バルブを有する内燃機関に関する。

内燃機関のシリンダヘッドには、吸気ポートにおける燃焼室との接続部分、及び排気ポートにおける燃焼室との接続部分の双方に、バルブの傘部が当接するバルブシートが設けられている。

このようにシリンダヘッドに設けられるバルブシートとして、シリンダヘッドの上記接続部分に肉盛りすることによって形成されるシートが知られている。例えば特許文献１に記載されるように、シリンダヘッドの上記接続部分にレーザ光を照射しながら金属粉末を供給することにより、当該接続部分に肉盛りしたバルブシートを形成することができる。こうしたバルブシートは、シリンダヘッドとの密着度合いが高く、シリンダヘッドへの熱の伝達効率が高い。そのため、バルブシート及びバルブの傘部の温度上昇を好適に抑制することができる。

ちなみに、特許文献１に記載のシリンダヘッドでは、吸気用のバルブシート及び排気用のバルブシートの双方が、肉盛りによって形成したバルブシートとなっている。

特開２００８−１８８６４８号公報

ところで、シリンダヘッド内において吸気ポートと排気ポートとの間には、ウォータジャケットが設けられている。そして、バルブシートからシリンダヘッドに伝達された熱は、当該ウォータジャケット内を流れる冷却水に回収されることとなる。そのため、吸気用のバルブシートからウォータジャケットまでの距離が長いと、吸気用のバルブシートや吸気バルブの傘部の熱が、ウォータジャケット内を流れる冷却水に回収されにくくなる。

ここで、燃焼室から排気ポートに排出される排気は高温であるため、排気バルブの傘部や排気用のバルブシートの温度は、吸気バルブの傘部や吸気用のバルブシートの温度よりも高くなりやすい。特に、内燃機関の高速回転高負荷運転時にあっては、排気の温度が非常に高温となる。この場合、排気用のバルブシートからシリンダヘッドに伝わった熱が、シリンダヘッドにおける吸気用のバルブシートの周辺部位にも伝わり、同周辺部位の温度が高くなる。

このとき、吸気用のバルブシートから上記のウォータジャケットまでの距離が長いと、排気用のバルブシートからシリンダヘッドにおける吸気用のバルブシートの周辺部位に熱が伝わることで吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の双方の温度が上昇してしまう。その結果、吸気ポートを通じて燃焼室内に供給される吸入空気の温度が高くなり、燃焼室内への吸入空気の充填率が低下するおそれがある。

本発明の目的は、吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇を抑制することにより、燃焼室内への吸入空気の充填率の低下を抑制することができる内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するための内燃機関は、シリンダヘッドにおいて吸気ポートにおける燃焼室との接続部分である吸気接続部分、及び排気ポートにおける燃焼室との接続部分である排気接続部分の双方に、バルブの傘部が当接するバルブシートが設けられている内燃機関を前提としている。バルブシートにおいてバルブの傘部が当接する部位をバルブシート面とし、当該ウォータジャケットと、排気用のバルブシートのバルブシート面との最短距離を第１の距離とし、当該ウォータジャケットと、吸気用のバルブシートのバルブシート面との最短距離を第２の距離としたとする。この場合、上記内燃機関では、第２の距離が第１の距離よりも短い。

上記構成によれば、ウォータジャケット内を流れる冷却水による排気用のバルブシート及び排気バルブの傘部の冷却効率が低くなる分、同一のウォータジャケット内を流れる冷却水による吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の冷却効率が高くなる。そのため、排気用のバルブシートからシリンダヘッドに伝わった熱が、シリンダヘッドにおける吸気用のバルブシートの周辺部位に伝わったとしても、当該周辺部位の熱を、上記のウォータジャケット内を流れる冷却水によって効率よく回収することができる。その結果、吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇が抑制される。したがって、吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇を抑制することにより、燃焼室内への吸入空気の充填率の低下を抑制することができるようになる。

また、排気用のバルブシートの熱伝導率を、吸気用のバルブシートの熱伝導率よりも低くすることが好ましい。この構成によれば、排気用のバルブシートからシリンダヘッドへの熱の伝達効率が低くなり、その分、吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の冷却効率を高めることができる。そのため、吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇の抑制効果をより高めることができる。

また、排気用のバルブシートの熱容量を、吸気用のバルブシートの熱容量よりも大きくすることが好ましい。内燃機関が高回転高速負荷運転を一時的に行った場合、排気の温度が一時的に上昇する。このとき、排気の温度が一時的に上昇した際であっても、排気用のバルブシートの熱容量が大きい分、排気用のバルブシートからシリンダヘッドへの熱の伝達量を少なくすることができる。すなわち、排気用のバルブシートが排気から受容した熱は、シリンダヘッドに少しずつ伝わることとなる。その結果、排気の温度が一時的に上昇したことに起因する、吸気用のバルブシートからシリンダヘッドへの熱の伝達効率の低下が抑制され、同吸気用のバルブシート及び吸気バルブの傘部の温度上昇を抑制することができるようになる。

一実施形態の内燃機関の一部を模式的に示す断面図。 同内燃機関のシリンダヘッドの一部を拡大した断面図。

以下、内燃機関を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の内燃機関１１は、シリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の図中上部に組み付けられているシリンダヘッド１３とを備えている。こうした内燃機関１１の内部には複数の気筒１４が形成されており、各気筒１４内には、図中上下方向に進退移動するピストン１５が設けられている。そして、シリンダヘッド１３とピストン１５の頂面１５１との間に、燃料と吸入空気とを含む混合気が燃焼される燃焼室１６が形成されている。

シリンダヘッド１３には、吸入空気を燃焼室１６内に導入するための吸気ポート１７と、燃焼室１６で発生した排気を排出するための排気ポート１８とが設けられている。また、こうしたシリンダヘッド１３内において吸気ポート１７と排気ポート１８との間には、冷却水が流れるウォータジャケット１９が設けられている。

また、内燃機関１１は、燃焼室１６に対して吸気ポート１７を開閉する吸気バルブ２０と、燃焼室１６に対して排気ポート１８を開閉する排気バルブ３０とを備えている。これら各バルブ２０，３０は、ロッド状をなす軸部２１，３１と、軸部２１，３１の先端に設けられている傘部２２，３２とを有している。

図１及び図２に示すように、吸気ポート１７における下流端は、吸気ポート１７における燃焼室１６との接続部分である吸気接続部分２５となっている。同様に、排気ポート１８における上流端は、排気ポート１８における燃焼室１６との接続部分である排気接続部分３５となっている。そして、吸気接続部分２５には、吸気バルブ２０の傘部２２が当接する吸気用のバルブシート２６が設けられているとともに、排気接続部分３５には、排気バルブ３０の傘部３２が当接する排気用のバルブシート３６が設けられている。

なお、吸気用のバルブシート２６の内周面に、吸気バルブ２０の傘部２２が当接するバルブシート面２６１が形成されている。また、排気用のバルブシート３６の内周面に、排気バルブ３０の傘部３２が当接するバルブシート面３６１が形成されている。

吸気用のバルブシート２６は、吸気接続部分２５に肉盛りによって形成したシートである。例えば、こうしたバルブシートは、以下に示す方法によって形成することができる。すなわち、吸気接続部分２５にレーザ光を照射しながら金属粉末の一例である銅基材合金粉を供給すると、当該銅基材合金粉が溶解して吸気接続部分２５に付着される。このように吸気接続部分２５における銅基材合金粉の付着部分を加工することにより、吸気用のバルブシート２６が形成される。なお、このようにレーザ光を用いたバルブシートの製造方法をレーザクラッド加工といい、レーザクラッド加工によって形成されたバルブシートをレーザクラッドバルブシートということもある。

一方、排気用のバルブシート３６は、以下に示す２つの条件が成立するように構成されている。
（条件１）熱伝導率が吸気用のバルブシート２６の熱伝導率よりも低いこと。
（条件２）熱容量が吸気用のバルブシート２６の熱容量よりも大きいこと。

本実施形態の内燃機関１１にあっては、上記２つの条件を満たす排気用のバルブシート３６として、鉄基材などの金属の基材を焼結することで形成されたリングシートを採用することができる。このように焼結によって形成されたバルブシートは多数の微細な空孔を含んで構成されているため、同バルブシートの熱伝導率は、肉盛りによって形成されたバルブシートの熱伝導率よりも低くなる。

また、排気用のバルブシート３６は、径方向における幅が吸気用のバルブシート２６の径方向における幅よりも広いとともに、軸方向における長さが吸気用のバルブシート２６の軸方向における長さよりも長くなるように構成されている。そのため、排気用のバルブシート３６の熱容量は、吸気用のバルブシート２６の熱容量よりも大きくなる。

そして、こうした排気用のバルブシート３６は、シリンダヘッド１３の排気接続部分３５に圧入されている。吸気用のバルブシート２６はシリンダヘッド１３と一体形成したものであるのに対し、排気用のバルブシート３６はシリンダヘッド１３とは別に構成したものである。このように接続部分に圧入されたバルブシートとシリンダヘッド１３との間には、僅かな隙間が介在していることがある。つまり、排気用のバルブシート３６とシリンダヘッド１３との密着度合いは、吸気用のバルブシート２６とシリンダヘッド１３との密着度合いよりも低い。そのため、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッド１３への熱伝達効率は、吸気用のバルブシート２６からシリンダヘッド１３への熱伝達効率よりも低い。

また、シリンダヘッド１３に排気用のバルブシート３６を圧入するに際し、シリンダヘッド１３における排気接続部分３５の周辺には負荷が加わることとなる。このとき、排気接続部分３５とウォータジャケット１９との間隔が狭いと、当該負荷によってウォータジャケット１９の形状が過剰に変形してしまうおそれがある。

そのため、本実施形態の内燃機関１１にあっては、排気接続部分３５からウォータジャケット１９までの最短距離を、吸気接続部分２５からウォータジャケット１９までの最短距離よりも長くすることで、シリンダヘッド１３における排気接続部分３５とウォータジャケット１９との間の部分の剛性を高めている。そのため、排気用のバルブシート３６を排気接続部分３５に圧入する際に加わる負荷によって、シリンダヘッド１３における排気接続部分３５とウォータジャケット１９との間の部分が過剰に変形する事象が生じにくくなる。

そして、排気用のバルブシート３６のバルブシート面３６１からウォータジャケット１９までの最短距離を「第１の距離Ｌ１」とし、吸気用のバルブシート２６のバルブシート面２６１からウォータジャケット１９までの最短距離を「第２の距離Ｌ２」としたとする。このようにシリンダヘッド１３における排気接続部分３５とウォータジャケット１９との間の部分を肉厚としたことにより、第２の距離Ｌ２が第１の距離Ｌ１よりも短くなっている。

次に、本実施形態の内燃機関１１の作用について説明する。
吸入空気が吸気ポート１７を通じて燃焼室１６内に導入される場合、吸気バルブ２０（特に、吸気バルブ２０の傘部２２）及び吸気用のバルブシート２６と吸入空気との間で熱交換が行われる。吸気バルブ２０及び吸気用のバルブシート２６の温度が吸入空気の温度よりも高いとき、吸入空気は、吸気バルブ２０及び吸気用のバルブシート２６によって暖められて燃焼室１６内に導入される。一方、燃焼室１６で発生した排気が排気ポート１８に排出される際、排気の熱が、排気バルブ３０（特に、排気バルブ３０の傘部３２）及び排気用のバルブシート３６に伝達される。そのため、排気バルブ３０の傘部３２及び排気用のバルブシート３６の温度は高くなりやすい。特に、排気用のバルブシート３６において、排気バルブ３０の傘部３２と当接するバルブシート面３６１の温度は高くなりやすい。

本実施形態の内燃機関１１では、排気用のバルブシート３６とシリンダヘッド１３との密着度合いは、吸気用のバルブシート２６とシリンダヘッド１３との密着度合いよりも低い。また、排気用のバルブシート３６は、吸気用のバルブシート２６よりも熱伝導率が低くなるように構成されている。そのため、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッド１３に熱が伝わりにくくなっている。

その結果、排気用のバルブシート３６に伝達された排気の熱が、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺まで伝達されにくくなる。すなわち、排気の熱に起因する、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺の温度上昇を抑えることができる。すると、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺の温度が高くなりにくい分、吸気用のバルブシート２６の温度は高くなりにくくなる。その結果、吸気用のバルブシート２６を介した吸気バルブ２０の傘部２２からシリンダヘッド１３への熱伝達効率が高くなる。

ここで、バルブシートからシリンダヘッド１３に伝達された熱は、吸気ポート１７と排気ポート１８との間に位置するウォータジャケット１９内を流れる冷却水によって回収される。そのため、バルブシートからウォータジャケット１９までの距離が短いほどバルブシート及びバルブの傘部の冷却効率が高くなり、当該距離が長いほどバルブシート及びバルブの傘部の冷却効率が低くなる。

この点、本実施形態の内燃機関１１では、吸気用のバルブシート２６のバルブシート面２６１からウォータジャケット１９までの最短距離である第２の距離Ｌ２が、排気用のバルブシート３６のバルブシート面３６１からウォータジャケット１９までの最短距離である第１の距離Ｌ１よりも短くなっている。そのため、ウォータジャケット１９内を流れる冷却水による吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の冷却効率が高くなる。これにより、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺まで排気の熱が伝わったとしても、当該排気の熱を、ウォータジャケット１９内を流れる冷却水によって好適に回収することができる。その結果、吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の傘部２２の温度上昇が抑えられる。

これにより、吸気ポート１７を通じて燃焼室１６内に導入される吸入空気の温度の上昇が抑えられ、燃焼室１６内への吸入空気の充填効率の低下が抑制される。
なお、内燃機関１１の高回転高負荷運転時にあっては、排気の温度が非常に高くなる。そして、内燃機関１１がこうした高回転高速負荷運転を一時的に行い、排気の温度が一時的に上昇した際であっても、排気用のバルブシート３６の熱容量が大きい分、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッドへの熱の伝達量を少なくすることができる。すなわち、排気用のバルブシート３６が排気から受容した熱は、シリンダヘッド１３に少しずつ伝わることとなる。その結果、排気の温度の一時的な上昇に起因する熱が、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺に伝達されにくい。したがって、排気の温度が一時的に上昇したことに起因する、吸気用のバルブシート２６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率の低下が抑制され、燃焼室１６内への吸入空気の充填効率の低下が抑制される。

以上、上記構成及び作用によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）本実施形態の内燃機関１１にあっては、第２の距離Ｌ２を第１の距離Ｌ１よりも短くすることにより、ウォータジャケット１９内を流れる冷却水による吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の傘部２２の冷却効率を高くしている。そのため、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッド１３に伝わった熱が、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺に伝わったとしても、吸気接続部分２５の周辺の熱を、ウォータジャケット１９内を流れる冷却水によって効率よく回収することができる。その結果、吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の傘部２２の温度上昇が抑制される。したがって、吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の傘部２２の温度上昇を抑制することにより、燃焼室１６内への吸入空気の充填率の低下を抑制することができる。

（２）なお、吸気用のバルブシート２６が、吸気接続部分２５への肉盛りによって形成したシートであるのに対し、排気用のバルブシート３６が、排気接続部分３５に圧入したシートとなっている。そのため、排気用のバルブシート３６と同様に、吸気用のバルブシート２６を、排気接続部分３５に圧入したシートとする場合と比較し、吸気接続部分２５とウォータジャケット１９との間の間隔を狭くすることができる。その結果、吸気用のバルブシート２６のバルブシート面２６１を、ウォータジャケット１９により近づけることができる。すなわち、第２の距離Ｌ２を第１の距離Ｌ１よりも短くする構成を実現しやすくすることができる。

（３）また、吸気用のバルブシート２６を、吸気接続部分２５への肉盛りによって形成したシートとし、排気用のバルブシート３６を、排気接続部分３５に圧入したシートとすることで、排気用のバルブシート３６とシリンダヘッド１３との密着度合いが、吸気用のバルブシート２６とシリンダヘッド１３との密着度合いよりも低くなる。そのため、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率が、吸気用のバルブシート２６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率よりも低い。その結果、排気用のバルブシート３６から熱がシリンダヘッド１３に伝わりにくくなり、排気の熱がシリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺に伝わりにくくなる。したがって、シリンダヘッド１３における吸気接続部分２５の周辺の温度が高くなりにくくなるため、吸気用のバルブシート２６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率の低下を抑制することができる。

（４）また、排気用のバルブシート３６の熱伝導率を、吸気用のバルブシート２６の熱伝導率よりも低くしている。そのため、排気用のバルブシート３６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率がさらに低くなり、吸気用のバルブシート２６及び吸気バルブ２０の傘部２２の冷却効率をさらに高めることができる。

（５）また、排気用のバルブシート３６の熱容量を、吸気用のバルブシート２６の熱容量よりも大きくしている。そのため、内燃機関１１が高回転高速負荷運転を一時的に行うなどし、排気の温度が一時的に上昇した場合であっても、吸気用のバルブシート２６からシリンダヘッド１３への熱の伝達効率の低下を抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・排気接続部分３５への圧入時に排気用のバルブシート３６が破損しないのであれば、吸気用のバルブシート２６の大きさと同程度の大きさのバルブシートを、排気用のバルブシート３６として採用するようにしてもよい。

・排気接続部分３５に圧入することができるのであれば、排気用のバルブシート３６として、焼結によって形成したリングシート以外の他のリングシートを採用してもよい。
・吸気用のバルブシート２６は、吸気接続部分２５に肉盛りによって形成したシートであれば、レーザクラッド加工以外の他の方法で形成してもよい。

・第２の距離Ｌ２を第１の距離Ｌ１よりも短くすることができるのであれば、吸気用のバルブシート２６と同様に、排気用のバルブシート３６を、排気接続部分３５への肉盛りによって形成したシートとしてもよい。

・第２の距離Ｌ２を第１の距離Ｌ１よりも短くすることができるのであれば、排気用のバルブシート３６と同様に、吸気用のバルブシート２６を、吸気接続部分２５に圧入したシートとしてもよい。

１１…内燃機関、１３…シリンダヘッド、１６…燃焼室、１７…吸気ポート、１８…排気ポート、１９…ウォータジャケット、２０…吸気バルブ、２２…吸気バルブの傘部、２５…吸気接続部分、２６…吸気用のバルブシート、２６１…バルブシート面、３０…排気バルブ、３２…排気バルブの傘部、３５…排気接続部分、３６…排気用のバルブシート、３６１…バルブシート面。

Claims (3)

1. シリンダヘッドにおいて吸気ポートにおける燃焼室との接続部分である吸気接続部分、及び排気ポートにおける前記燃焼室との接続部分である排気接続部分の双方に、バルブの傘部が当接するバルブシートが設けられている内燃機関において、
   前記バルブシートにおいて前記バルブの傘部が当接する部位をバルブシート面とし、
   前記シリンダヘッド内において前記吸気ポートと前記排気ポートとの間に位置するウォータジャケットと、排気用のバルブシートの前記バルブシート面との最短距離を第１の距離とし、
   前記ウォータジャケットと、吸気用のバルブシートの前記バルブシート面との最短距離を第２の距離とした場合、
   前記第２の距離が前記第１の距離よりも短い
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記排気用のバルブシートの熱伝導率は、前記吸気用のバルブシートの熱伝導率よりも低い
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気用のバルブシートの熱容量は、前記吸気用のバルブシートの熱容量よりも大きい
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。