JP2021017829A - バルブ構造および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】錆等により摺動面が固着するのを抑止可能なバルブ構造および内燃機関を提供する。【解決手段】バルブ構造は、排気又は吸気の少なくとも一方のポートを開閉し、軸状のステムを有するポペット弁と、ステムが軸方向に移動可能に挿通されるガイド穴を有するバルブガイドと、を備え、ガイド穴の内周壁におけるポート側の端である軸方向一端側は、軸方向他端側より前記ステムの外周壁に近接する。例えば、ガイド穴の内周壁の軸方向一端側は、内周方向に沿って環状に延在し、軸径方向内側に突出する環状凸部を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、バルブ構造および内燃機関に関する。

従来、シリンダーヘッドの排気ポート又は吸気ポートを開閉し、軸状のステムを有するポペット弁と、シリンダーヘッドに配置され、ステムを軸方向に摺動可能に案内するガイド穴を有するバルブガイドとを備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１）。

内燃機関の燃焼室において発生した熱は、ステムおよびバルブガイドを介してシリンダーヘッドに伝達される。

特開昭６３−１６７０７０号公報

ところで、燃焼室に導かれる気体中に含まれる水分が凝縮し、ステムの外周壁とガイド穴の内周壁との間の隙間に付着して、錆が発生する場合がある。そして、錆により摺動面（ステムの外周壁、ガイド穴の内周壁）が固着する場合があるという問題がある。

本開示の目的は、錆等により摺動面が固着するのを抑止可能なバルブ構造および内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示におけるバルブ構造は、
排気又は吸気の少なくとも一方のポートを開閉し、軸状のステムを有するポペット弁と、
前記ステムが軸方向に移動可能に挿通されるガイド穴を有するバルブガイドと、
を備え、
前記ガイド穴の内周壁におけるポート側の端である軸方向一端側は、軸方向他端側より前記ステムの外周壁に近接する。

本開示における内燃機関は、
上記バルブ構造を備える。

本開示のバルブ構造によれば、錆等により摺動面が固着するのを抑止することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係るバルブ構造を概略的に示す図である。 図２は、バルブ構造の部分拡大図である。 図３は、バルブ構造の一部のＸ軸に沿う断面を示す縦断面図である。 図４は、変形例１に係るバルブ構造の一部のＸ軸に沿う断面を示す縦断面図である。 図５は、変形例２に係るガイド穴の内周壁を概略的に示す図である。 図６Ａは、溝における軸方向一端側を示す断面図である。 図６Ｂは、溝における軸方向他端側を示す断面図である。 図７Ａは、溝の他の例を示す断面図である。 図７Ｂは、溝の他の例を示す断面図である。 図８は、変形例３に係るガイド穴の内周壁を概略的に示す図である。 図９は、変形例４に係るガイド穴の内周壁を概略的に示す図である。 図１０は、変形例４に係るガイド穴の内周壁を概略的に示す図である。 図１１は、変形例４に係るガイド穴の内周壁の部分拡大図である。 図１２は、変形例５に係るガイド穴の内周壁の部分断面図である。 図１３は、変形例５に係るガイド穴の内周壁の部分断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態に係るバルブ構造１００を概略的に示す図である。図２は、図１に示すバルブ構造１００の一部を拡大して示す拡大図である。図２にＸ軸およびＹ軸が描かれている。図２において上下方向を軸方向又は「Ｘ方向」といい、上方向を「＋Ｘ方向」、下方向を「−Ｘ方向」、という。図２において、左右方向を軸径方向又は「Ｙ方向」といい、ステム４の中心軸に対して直交する方向から中心軸から離間する方向を、軸径方向外側又は「＋Ｙ方向」、中心軸に近接する方向を軸径方向内側又は「−Ｙ方向」という。

バルブ構造１００の構成を、図１および図２を参照して簡単に説明する。バルブ構造１００は、図１および図２に示すように、エンジン（内燃機関）のシリンダーヘッド１に設けられた排気および吸気のポート２と、ポペット弁３と、バルブガイド６と、コイルバネ７と、カム８とを備えている。

ポート２の開口縁部にはバルブシート２１が嵌合されて、固定されている。

ポペット弁３は、ステム４およびバルブフェース５を有している。ステム４は、ポート２側から軸方向（Ｘ方向）に延在している。ポペット弁３の材料には、例えば、ステンレス鋼が用いられる。以下の説明では、ステム４において、ポート２から近い側の端を軸方向一端４１、ポート２から遠い側の端を軸方向他端４２という。

バルブフェース５は、ステム４の軸方向一端４１側に設けられている。バルブフェース５がバルブシート２１に当接することより閉弁される。また、バルブフェース５がバルブシート２１から離間することにより開弁される。

バルブガイド６は、シリンダーヘッド１に圧入されている。バルブガイド６は、ステム４が軸方向（Ｘ方向）に移動可能に挿通されるガイド穴６１を有している。バルブガイド６の材料には、例えば鋳鉄材が用いられる。

コイルバネ７は、ステム４の軸方向他端４２側に外嵌するように配置されている。ステム４の軸方向他端４２側には挟持部材７１が係止している。コイルバネ７は、シリンダーヘッド１と挟持部材７１との間に圧縮された状態で挟持されている。コイルバネ７は、ポペット弁３を閉弁方向に付勢する。

カム８は、エンジン回転に同期するように、エンジンのクランクシャフト（不図示）と同期して回転するカムシャフト（不図示）に設けられている。カム８は、コイルバネ７の付勢力に抗してポペット弁３を開弁方向に押圧するように、ロッカーアーム８１およびブリッジ８２を介してステム４に連結されている。

次に、図３を参照して、バルブ構造１００の構成を詳細に説明する。図３は、バルブ構造１００の一部のＸ軸に沿う断面を示す縦断面図である。なお、バルブガイド６においてポート２側の端を軸方向一端６５といい、ポート２とは反対側の端を軸方向他端６６（図５を参照）という。また、ステム４の外周壁４３およびガイド穴６１の内周壁６２を「摺動面」という。

図３に示すように、ガイド穴６１の内周壁６２における軸方向一端６５側は、軸方向他端６６側よりステム４の外周壁４３に近接している。具体的には、内周壁６２における軸方向一端６５側の内径φ１は、軸方向他端６６側の内径φ２より小さい（φ１＜φ２）。内周壁６２の内径は、軸方向一端６５側から軸方向他端６６側に向かって段階的に大きくしてもよく、連続的に大きくしてもよい。

より具体的には、内周壁６２における軸方向一端６５は、環状凸部６７を有する。環状凸部６７は、内周壁６２の内周方向に沿って環状に延在している。環状凸部６７は、軸径方向内側（−Ｙ方向）に突出する。環状凸部６７とステム４の外周壁４３との間の隙間が小さいため、凝縮水がステム４の外周壁４３とガイド穴の内周壁６２との間の隙間に侵入し難くなる。

ステム４の外周壁４３がガイド穴の内周壁６２に接することで、摺動抵抗が生じる。本実施の形態においては、環状凸部６７の軸方向内側（−Ｙ方向）の端面６７１は、丸みを帯びている。これにより、端面６７１は、ステム４の外周壁４３と線接触する。線接触は、端面６７１が丸みを帯びていない場合の面接触よりも摺動抵抗を小さく抑えることができる。

実施の形態に係るバルブ構造１００によれば、排気又は吸気の少なくとも一方のポート２を開閉し、軸状のステム４を有するポペット弁３と、ステム４が軸方向に移動可能に挿通されるガイド穴６１を有するバルブガイド６と、を備え、ガイド穴６１の内周壁６２におけるポート２側の端部である軸方向一端部は、内周方向に沿って環状に延在し、軸径方向内側（−Ｙ方向）に突出する環状凸部６７を有する。

以上の構成により、凝縮水がステム４の外周壁４３とガイド穴の内周壁６２との間の隙間に侵入し難くなる。また、環状凸部６７の端面６７１が丸みを帯びているため、ステム４の外周壁４３との接触が線接触となり、ステム４の外周壁４３とガイド穴６１の内周壁６２との間の摺動抵抗を小さく抑えることができる。

上記実施の形態においては、内周壁６２に１つの環状凸部６７を設けたが、軸方向（Ｘ方向）に複数の環状凸部６７を設けてもよい。この場合、軸方向一端６５側の環状凸部６７の内径を、軸方向他端６６側の環状凸部６７の内径より小さくしてもよい。これにより、凝縮水をステム４の外周壁４３とガイド穴の内周壁６２との間の隙間に侵入し難くし、かつ、隙間からガイド穴の外（ポート２側）へ排出し易くすることが可能となる。

（変形例１）
次に、本実施の形態の変形例１について図４を参照して説明する。図４は、変形例１に係るバルブ構造１００の一部のＸ軸に沿う断面を示す縦断面図である。

上記実施の形態において、環状凸部６７とステム４の外周壁４３との間の隙間を小さくした場合でも、凝縮水がステム４の外周壁４３とガイド穴の内周壁６２との間の隙間に付着するおそれがある。

そこで、変形例１では、環状凸部６７の軸方向他端６６側の壁面６７２は、軸径方向内側（−Ｙ方向）に対して軸方向一端側に傾斜する斜面とする。これにより、上記隙間に付着した凝縮水を排出し易くすることが可能となる。

（変形例２）
次に、変形例２について、図５から図７Ｂを参照して説明する。変形例２においては、上記の環状凸部６７と溝６３とを組み合わせた構成について説明する。図５では、内周壁６２のうちの半円周壁に設けられた溝６３を実線で示し、残りの半円周壁に設けられた溝６３を点線で示す。なお、図５に溝６３を簡略的に示す。

内周壁６２は、軸方向一端６５側から軸方向他端６６側に延在する溝６３を有する。溝６３は、軸方向（Ｘ方向）に対して傾斜する方向に延在する傾斜溝である。

図５に示すように、溝６３は、複数条（ここでは、３条）の螺旋溝である。溝６３のＸ方向に対する傾斜角は一定である。図５では、内周壁６２のうちの半円周壁に設けられた溝６３を実線で示し、残りの半円周壁に設けられた溝６３を点線で示す。

図６Ａは、溝６３における軸方向一端６５側を示す断面図である。図６Ｂは、溝６３における軸方向他端６６側を示す断面図である。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、溝６３（螺旋溝）は、三角形状断面を有している。溝６３の断面積Ｓは、溝６３の深さｄが深くなることで、また、溝６３の幅ｗが広くなることで、大きくなる。溝６３の断面積Ｓは、溝６３の深さｄが浅くなることで、また、溝６３の幅ｗが狭くなることで、小さくなる。

軸方向一端６５側の溝６３の断面積Ｓ１は、幅ｗ１および深さｄ１で表すことができる。軸方向他端６６側の溝６３の断面積Ｓ２は、幅ｗ２および深さｄ２で表すことができる。断面積Ｓ１は、断面積Ｓ２よりも大きい（Ｓ１＞Ｓ２）。具体的には、深さｄ１は、深さｄ２よりも深い（ｄ１＞ｄ２）。幅ｗ１は、幅ｗ２よりも広い（ｗ１＞ｗ２）。なお、断面積Ｓは、軸方向一端側（−Ｘ方向）に向かって段階的に大きくなってもよく、また、連続的に大きくなってもよい。

なお、上記変形例２においては、溝６３は三角形状断面を有しているが、溝６３の断面形状は、これに限らない。例えば、溝６３は、矩形状断面を有してもよい（図７Ａを参照）。また、溝６３は、半円状断面を有してもよい（図７Ｂを参照）。これらの断面形状においても、溝６３は、深さｄを深くすることで、また、幅ｗを広げることで、断面積Ｓを大きくすることが可能となる。

上記変形例２に係るバルブ構造１００によれば、ポート２を開閉し、軸状のステム４を有するポペット弁３と、ステム４が軸方向（Ｘ方向）に移動可能に挿通されるガイド穴６１を有するバルブガイド６と、を備え、ガイド穴６１の内周壁６２は、内周壁６２におけるポート２側の端である軸方向一端６５側から軸方向他端６６側に延在する溝６３を有し、溝６３における軸方向一端６５側の断面積は、軸方向他端６６側の断面積より大きい。

以上の構成により、以下の効果を奏する。
ステム４の外周壁４３とガイド穴６１の内周壁６２との間の隙間に付着する凝縮水を溝６３に移動することが可能となる。また、溝６３に移動した凝縮水を、ガイド穴６１の外へ排出することが可能となる。また、ステム４とバルブガイド６との接触面積を少なくし、例えば、摺動抵抗を減少させることが可能となる。また、軸方向一端６５側の溝６３の断面積が軸方向他端６６側の溝６３の断面積より大きいため、凝縮水が軸方向一端６５側から軸方向他端６６側に侵入し難くなり、かつ、凝縮水が軸方向他端６６側から軸方向一端６５側へ排出し易くなる。また、螺旋溝として複数の溝６３を設けたため、凝縮水を排出する効果を上げることが可能となる。また、環状凸部６７と溝６３とを組み合わせた構成としたため、凝縮水をステム４の外周壁４３とガイド穴６１の内周壁６２との間の隙間にさらに侵入し難くし、かつ、凝縮水を隙間からガイド穴の外に排出し易くすることが可能となる。

（変形例３）
次に、変形例３について図８を参照して説明する。図８は、変形例３に係るガイド穴６１の内周壁６２を概略的に示す図である。図８では、内周壁６２のうちの半円周壁に設けられた溝６３を実線で示し、残りの半円周壁に設けられた溝６３を点線で示す。

螺旋溝としての溝６３が例えば炭化物等によって詰まることで、凝縮水が溝６３に沿って排出し難くなるため、凝縮水が滞留して、錆が発生する場合がある。

そこで、変形例３においては、図８に示すように、ガイド穴６１の内周壁６２には、相互に交差するように複数の溝６３（螺旋溝）が設けられる。換言すれば、内周壁６２には、＋Ｘ方向に向かって右巻きの３条の螺旋溝と、左巻きの３条の螺旋溝とが相互に交差するように設けられる。

螺旋溝が交差することにより、溝６３が炭化物等で詰まって、凝縮水が流れない場合、凝縮水の流れる方向が、炭化物等で詰まった溝６３と上流側（軸方向他端６６側）で交差する他の溝６３の方へ切り換わるため、凝縮水を確実に排出することが可能となる。これにより、錆の発生を抑止することが可能となる。

（変形例４）
次に、変形例４について図９から図１１を参照して説明する。変形例４においては、環状凸部６７と溝６３と凹部６８とを組み合わせた構成について説明する。図９及び図１０は、変形例４に係るガイド穴６１の内周壁６２を概略的に示す図である。図１１は、内周壁６２の部分拡大図である。なお、図９および図１０では、内周壁６２のうちの半円周壁に設けられた溝６３および凹部６８をそれぞれ実線で示し、残りの半円周壁に設けられた溝６３を点線で示し、残りの半円周壁に設けられた凹部６８を省略して示す。

図９に、複数の凹部６８と複数の溝６３とが設けられた内周壁６２を示す。例えば、多量の凝縮水が発生した場合、上記の変形例における溝６３によっても、凝縮水を十分に排出できないことがある。そこで、変形例４では、図９に示すように、ガイド穴６１の内周壁６２（摺動面）は、軸径方向（Ｙ方向）に複数の凹部６８を有している。複数の凹部６８のうちの全部または一部は、溝６３（螺旋溝）に連結されなくてもよいが、溝６３に連結されることが好ましい。ここでは、複数の凹部６８は、溝６３に連結される。

凹部６８は、例えば、半球状の窪みである。凝縮水がステム４の外周壁４３（図３を参照）とガイド穴６１の内周壁６２との間の隙間から凹部６８に逃げる。凹部６８は、その隙間から逃げた凝縮水を収容する。また、凝縮水が溝６３から凹部６８に逃げる。凹部６８は、溝６３から逃げた凝縮水を収容する。

以上のように、凝縮水が凹部６８に逃げて、錆が凹部６８に発生した場合でも、錆が凹部６８とステム４の外周壁４３（図３を参照）との間の隙間に収まるので、摺動面が固着し難くなる。また、摺動面に複数の凹部６８が設けられることで、摺動面におけるステム４の外周壁４３とガイド穴６１の内周壁６２との接触面積を小さく抑えることができるため、この点においても摺動面が固着し難くなる。

図１０および図１１に、複数の凹部６８と複数の溝６３（互いに交差する溝）とが設けられた内周壁６２を示す。複数の凹部６８のうちの全部または一部は、互いに交差する溝６３（螺旋溝）に連結されなくてもよいが、図１０および図１１に示すように、溝６３に連結されることが好ましい。また、複数の凹部６８のうちの全部または一部は、溝６３が互いに交差する位置以外の位置に配置されてもよいが、図１０および図１１に示すように、溝６３が互いに交差する位置に配置される方がより好ましい。これにより、凝縮水を排水する効果をさらに上げることが可能となる。摺動面の接触面積をさらに小さく抑えることができる。また、凹部６８が互いに交差する位置に配置されているため、交差する位置が炭化物等により詰まり難くなるため、凝縮水の排水を確実に行うことが可能となる。また、環状凸部６７と溝６３と凹部６８とを組み合わせた構成としたため、上記の効果に加えて、凝縮水をステム４の外周壁４３とガイド穴６１の内周壁６２との間の隙間にさらに侵入し難くし、かつ、凝縮水を隙間からガイド穴の外に排出し易くすることが可能となる。

なお、複数の凹部６８は、溝６３に連結されなくてもよい。複数の凹部６８が溝６３に連結されない場合であっても、凹部６８は凝縮水を収容するため、錆が発生した場合でも、摺動面が固着し難くなる。また、摺動面の接触面積を小さく抑えることができるため、摺動面が固着し難くなる。

（変形例５）
次に、変形例５について図１２および図１３を参照して説明する。図１２および図１３は、ガイド穴６１の内周壁６２の部分断面図である。錆の発生を抑えるため、摺動面にオイル（例えば、錆防止オイル）が塗布される。

図１２に示すように、内周壁６２に設けられた溝６３は、オイルを保有する。溝６３によりオイルの保持性が向上するため、オイルが錆の発生を抑える。この点からも、摺動面が固着し難くなる。

図１３に示すように、内周壁６２に設けられた凹部６８は、オイルを保有する。凹部６８によりオイルの保持性が向上するため、オイルが錆の発生を抑える。この点からも、摺動面が固着し難くなる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態においては、溝６３をガイド穴６１の内周壁６２に設けたが、本開示はこれに限らず、例えば、ステム４の外周壁４３に設けてもよい。また、溝６３をガイド穴６１の内周壁６２およびステム４の外周壁４３の両方に設けてもよい。

上記実施の形態においては、凹部６８をガイド穴６１の内周壁６２に設けたが、本開示はこれに限らず、例えば、ステム４の外周壁４３に設けてもよい。また、凹部６８をガイド穴６１の内周壁６２およびステム４の外周壁４３の両方に設けてもよい。

また、上記実施の形態においては、溝６３を軸方向（Ｘ方向）に対して傾斜する方向に延在する傾斜溝としたが、本開示はこれに限らず、軸方向（Ｘ方向）に沿って延在してもよい。

また、上記実施の形態では、溝６３（螺旋溝）の傾斜角を一定にしたが、本開示はこれに限らない。例えば、溝６３における軸方向一端側の傾斜角と軸方向他端側の傾斜角と、凝縮水が侵入し難くかつ排出し易いように異ならせてもよい。例えば、溝６３における軸方向一端側の傾斜角を軸方向他端側の傾斜角より小さくしてもよい。

本開示は、錆等により摺動面が固着するのを抑止することが要求されるバルブ構造を備えた内燃機関に好適に利用される。

１ シリンダーヘッド
２ ポート
３ ポペット弁
４ ステム
５ バルブフェース
６ バルブガイド
７ コイルバネ
８ カム
２１ バルブシート
４１ 軸方向一端
４２ 軸方向他端
４３ 外周壁
６１ ガイド穴
６２ 内周壁
６３ 溝
６５ 軸方向一端
６６ 軸方向他端
６７ 環状凸部
６８ 凹部
７１ 挟持部材
８１ ロッカーアーム
８２ ブリッジ
１００ バルブ構造
６７１ 端面
６７２ 壁面

Claims (9)

1. 排気又は吸気の少なくとも一方のポートを開閉し、軸状のステムを有するポペット弁と、
   前記ステムが軸方向に移動可能に挿通されるガイド穴を有するバルブガイドと、
   を備え、
   前記ガイド穴の内周壁におけるポート側の端である軸方向一端側は、軸方向他端側より前記ステムの外周壁に近接する、
   バルブ構造。
2. 前記ガイド穴の内周壁の軸方向一端側は、内周方向に沿って環状に延在し、軸径方向内側に突出する環状凸部を有する、
   請求項１に記載のバルブ構造。
3. 前記環状凸部の軸径方向内側の端面は、丸みを帯びている、
   請求項２に記載のバルブ構造。
4. 前記環状凸部の軸方向他端側の壁面は、軸径方向内側に対して軸方向一端側に傾斜する、
   請求項２または３に記載のバルブ構造。
5. 前記ガイド穴の内周壁および前記ステムの外周壁の少なくとも一方の周壁は、前記周壁の軸方向一端側から軸方向他端側に延在する溝を有する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のバルブ構造。
6. 前記溝は、前記ガイド穴の内周壁と前記ステムの外周壁との間の隙間に付着する凝縮水を通す、
   請求項５に記載のバルブ構造。
7. 前記ガイド穴の内周壁および前記ステムの外周壁の少なくとも一方の周壁は、軸径方向に凹入する複数の凹部を有する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のバルブ構造。
8. 前記凹部は、前記ガイド穴の内周壁と前記ステムの外周壁との間の隙間に付着する凝縮水を収容可能に構成される、
   請求項７に記載のバルブ構造。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のバルブ構造を備える内燃機関。
   

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