JP2809317B2 - セラミックバルブ用コッタ - Google Patents

セラミックバルブ用コッタ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関に用いるセラミックバルブ用コッ
タに関し、さらに詳しくは、高速、高出力及び長期間の
運転を行っても、セラミックバルブのステム部を破損さ
せないコッタに関する。
〔従来の技術〕
従来、内燃機関の吸排気用バルブは金属製のものが一
般的であったが、最近は、高回転、高出力の内燃機関が
求められるようになり、それに伴ってバルブも機械的及
び熱的により過酷な環境に耐えられるものが必要となっ
てきた。そこで最近では、比較的軽量で、耐熱性、耐酸
化性等に優れたセラミックスからなるバルブが提案さ
れ、実用に向けてその開発が行われている。
ところで、内燃機関のバルブは、そのステム部端部に
おいてコッタを介してリテーナに固定される。その固定
は、一般には第3図に示すように行われる。すなわち、
バルブ10のステム部10bの端部に設けた環状のコッタ溝1
0cに、その凸部分が嵌入するようにコッタ13がステム部
10bの外側から密着し、さらにその外側にリテーナ14が
装着される。ここでリテーナ14はコッタ13の表面に密着
するテーパー状の孔部を有する円筒部14aと、スプリン
グ15を受けるフランジ部14bとからなり、バルブの往復
運動(図の矢印方向)時にバルブ10がリテーナ14から離
脱しないように三者は組み合わさっている。なおバルブ
10の傘状部分10aは内燃機関の燃焼室側となっており、
この部分の吸排気口の開閉を行うことになる。
この状態でバルブ10はその軸線方向に速い速度で往復
運動することになるが、セラミック製のバルブとした場
合、Fe系の材料からなる従来のコッタによってリテーナ
に固定すると、コッタ締めつけ部となるステム部分(例
えばコッタ溝部10Cやその下部のステム部とコッタとの
接触部分10d)において破損することがたびたびあっ
た。この原因は、内燃機関の運転時に、コッタ13にステ
ム軸線方向の高荷重が繰り返し加わり、そのためにコッ
タ13とステム部10bとが、両者の接触面の一部分で摺動
し、局部的な焼付に似た減少が起きるためと考えられ
る。またコッタとステムとが摺動する部分には応力が集
中することになり、その部分で亀裂が生じ破損するもの
と思われる。
セラミックバルブを用いた場合に生じる上記の問題点
を解消するために、これまでいくつかの提案がなされ
た。
たとえば、コッタとバルブステムとの間に応力緩衝層
又は低硬度材料層を設けるために、コッタ又はステム表
面にCuやNi等のめっき層又はスパッタリングによる金属
等を設けたバルブ保持構造(実開昭63−19012号及び実
開昭63−36607号)や、コッタとステム間に金属や硬質
樹脂等からなる緩衝材を設けたもの(実開昭63−52904
号)、又はステム外周に環溝を設け、この環溝にリング
を介してコッタを受ける構造としたもの(実開昭63−34
313号)等がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら実開昭63−19012号及び実開昭63−36607
号のようにめっき層等を介する手段では、ある程度の改
善はみられるものの、長期にわたる内燃機関の運転に対
してはステムの破損を確実に防ぐことはできない。すな
わち、めっき層のような薄層の緩衝層では、高速、高出
力の運転でステムとコッタ間に生じる応力を緩和してス
テムの破損を防ぐには不十分である。
また実開昭63−52904号及び実開昭63−34313号のよう
に、さらに新たな部材をコッタとステム間に配置してス
テムの破損を防ぐのは、製造組立工程が増えて、コスト
的に不利である。さらにこの手段で従来の材質からなる
コッタを使用するならば、やはりコッタとステムとの接
触部分は存在するわけで、ステムの破損を完全に防止で
きるとは限らない。
したがって、本発明の目的は、セラミックバルブの破
損を防止してセラミックバルブをリテーナに固定するこ
とができるコッタを提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、コッタ
材として、ヤング率がある値以下で、熱伝導率がある水
準以上のものを用いれば、コッタがステム部の一部分の
みに大きな衝撃を加えるようなことはなく両者間の当接
は均一化し、また両者間に多少の摺動があっても、その
摺動によって発生する熱を容易に外部に放出することが
でき、もって焼付現象を発生せず、ステム部の破損を防
止することができることを発見し、本発明を完成した。
すなわち本発明のセラミックバルブ用コッタは、ヤン
グ率が20000kg/mm2以下であるとともに、熱伝導率が0.1
cal/cm・sec・℃以上の材料からなることを特徴とす
る。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明のコッタは、ヤング率が、20000kg/mm2以下の
材質からなる。
ヤング率が大きいということは、大きな力がかかって
も変形が小さいということであるから、一般にその材料
は変形しにくいといえる。したがって、大きなヤング率
を有する材料からなるコッタは、内燃機関の運転(バル
ブの往復運動)につれてステムの表面になじむように変
形するようなことはなく、両者の接触面のうち、特に両
者が強く当接する部分につねに衝撃がかかることにな
る。すなわち、両者は点又は線による接触をすることに
なり、その部分に応力が集中し、運転を続けてもその状
態が持続する。ところがコッタが比較的軟い材質である
と、内燃機関の運転につれて、コッタはステムの表面全
体に均一に接触するように変形していく。このコッタの
変形が、応力の集中する部位をつくることを避け、破損
を防止する。
ヤング率が20000kg/mm2以下であれば、上述したよう
に、コッタはセラミックバラブのステムに均一に接触す
るようになる。コッタ材のより好ましいヤング率は5000
〜12000kg/mm2である。
またコッタ材は熱伝導率が0.1cal/cm・sec・℃以上で
ある必要がある。熱伝導率が0.1cal/cm・sec・℃未満の
ものであると、コッタとステムとが摺動して発生する熱
をその摺動する部分付近に保持して、その部分の温度を
上昇させることになる。それはコッタとステムとの局部
的な焼付を起こす原因となり、その部分で破損すること
になる。したがってコッタを熱伝導率が0.1cal/cm・sec
・℃以上の良好な熱伝導性を有するものとし、局部的な
温度の上昇を防ぐようにする。コッタ材のより好ましい
熱伝導率は、0.1〜1.0cal/cm・sec・℃である。
このようにコッタ材のヤング率と熱伝導率の両方を上
記した範囲に同時に限定することにより、セラミックバ
ルブのステム部における破損は確実に防止できる。この
ようなヤング率と熱伝導率とを有する材料としては、ア
ルミニウム材、アルミニウム合金、銅−鉛合金、マグネ
シウム材、又はこれらの繊維強化金属(FRM)等があげ
られる。
〔実施例〕
以下本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。
実施例1 全長185mm、傘部分の径26mm、ステム径7.0mm、コッタ
溝部におけるステム径5.9mmの大きさの窒化ケイ素系セ
ラミックのバルブを用意した。
このセラミックバルブにアルミニウム製コッタ(材質
7075−T6)及びリテーナを第3図に示すように組み合わ
せて一つのアセンブリーとし、これを第1図に示すよう
に疲労テスト機に治具6及び7を介して組み込んだ。こ
こで治具6はセラミックバルブ1の傘部1aを固定してお
り、治具7はリテーナ4を保持してセラミックバルブ1
のステム部軸線方向に周期的な引張りの力を与える部分
とした。
セラミックバルブ1、コッタ3及びリテーナ4からな
るこのアセンブリーに与える引張りの力の大きさを、第
2図に示すような正弦波状とした。このときの最大荷重
を1000kgとし、その周期を30回/秒とした。
この条件で疲労テストを行ったところ、1000kgの最大
荷重をかける引張り回数を10万回連続して行っても、セ
ラミックバルブ1に破損はみられなかった。
実施例2、3 コッタとして銅−鉛合金(銅/鉛比が65/35)からな
るコッタ(実施例2)、又はマグネシウム系FRM(繊維
強化金属)(Mg/SiC(W))からなるコッタ(実施例
3)を用いた以外は、実施例1と同様の条件で疲労テス
トを行った。
実施例2及び3のセラミックバルブはともに、1000kg
の最大荷重を10万回連続してかけても破損しなかった。
比較例1〜6 比較として鉄材(S 15C)からなるコッタ(比較例
1)、浸炭させた鉄材(S 15C)からなるコッタ(比較
例2)、チタン材からなるコッタ(比較例3)、チタン
にアルミニウム及びバナジウムを加えた合金(Ti−6Al
−4V)からなるコッタ(比較例4)、上述した比較例2
の鉄材に9μm厚の銅めっきを施した構成のコッタ(比
較例5)、及び、上述したチタン−アルミニウム−バナ
ジウム合金に二硫化モリブデンコートを施した構成のコ
ッタ(比較例6)を用い、それぞれ実施例1と同様の疲
労テストを行った。ただし加えた最大荷重はそれぞれ第
1表に示す値とした。
比較例1〜6におけるセラミックバルブは、すべて最
大荷重が1000kg未満で、その引張り回数も10万回に達す
る以前に破損した。その結果を、ヤング率、熱伝導率及
び強度とともに第1表に示す。なお、第1表には実施例
1〜3のコッタについても併記してある。
第1表から明らかな通り、実施例1〜3では、重大荷
重1000kgでも、10万回以上のテストをクリヤーし、破損
しなかった。これに対して、比較例1〜5の場合、1000
kg未満の最大荷重で、10万回より前に破損した。
〔発明の効果〕
以上詳述した通り、本発明のコッタは、ヤング率が20
000kg/mm2以下の材料からなるので、セラミックバルブ
のステム表面に対してなじむように変形し、これによっ
てコッタとステムとの接触面において応力が集中する部
分が生じるのを防ぐことができる。
またコッタの熱伝導率を0.1cal/cm・sec・℃以上とす
ることで、コッタとステムとの摺動により発生する熱を
効率よく周辺部に放散することができ、両者の局部的な
焼付を防止できる。
したがって本発明のコッタを用いてセラミックバルブ
をリテーナに固定すれば、高出力で長時間の運転を行っ
てもセラミックバルブのコッタしめつけ部分に破損が生
じることはない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるコッタと、セラミック
バルブとリテーナとを組み合わせて一つのアセンブリー
とし、これを疲労テストする状態を示す部分断面図であ
り、 第2図は、疲労テストにおいて、第1図に示すアセンブ
リーに加える引張り力の大きさの時間的変化を示すグラ
フであり、 第3図は、バルブとリテーナとコッタとの組み合わさり
の状態の一例を示す部分断面図である。 1……セラミックバルブ 1b……ステム 3……コッタ 4……リテーナ 6,7……治具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01L 3/10 F01L 3/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ヤング率が20000kg/mm2以下であるととも
    に、熱伝導率が0.1cal/cm・sec・℃以上の材料からなる
    ことを特徴とするセラミックバルブ用コッタ。
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