JP4771868B2 - 内燃機関用バルブ構造 - Google Patents
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Description
即ち、前記バルブは、内燃機関の燃焼動作中に、通常、燃料ガス供給ライン側では約450℃、燃焼ガス排出ライン側では約800℃の高温に晒される。
前記従来の中空バルブは、前記中空部内に金属ナトリウムを封入することでバルブ自体の温度上昇を抑えて、該バルブの弾性変形防止を図っているが、前記金属ナトリウムの作用のみによって該バルブの熱変形が生じないような温度にまで温度上昇を抑えることは困難である。
特に、前記従来の中空バルブのように、前記中空部が溶接によって密閉されていると、温度上昇に伴い該中空部の内圧が急激に上昇することになり、該内圧によってバルブが大きく弾性変形する虞がある。
他方、前記クリアランスを小さくし過ぎると、前記バルブの弾性変形に伴って、前記バルブ駆動機構が該バルブによって突き上げられることになり、該バルブ駆動機構を構成するカム部材等の損傷を招くことになる。
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有する。
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持される。
前記弁座と前記拡径部の外周面とは、前記燃焼室に近接する側の燃焼室側端部と前記燃焼室とは離間する側のガスライン側端部との間に延びるシール領域において互いに当接し、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とは、前記燃焼室に近接する側の燃焼室側端部と前記燃焼室とは離間する側のガスライン側端部との間に延びる接合領域において互いに当接し、前記シール領域の前記ガスライン側端部は、軸線方向位置に関し前記接合領域の前記燃焼室側端部と同一又は該端部より前記燃焼室から離間され、且つ、前記シール領域の前記燃焼室側端部は前記接合領域の前記ガスライン側端部よりも前記燃焼室に近接されている。
好ましくは、前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容される。
斯かる構成によれば、内燃機関の燃焼時における前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を抑えることができ、これにより、前記バルブの軸線方向他方側(前記燃焼室から離間する側)への弾性変形量を可及的に低減化することができる。
従って、バルブの軸線方向他端部と該他端部に作用するバルブ駆動機構との間のクリアランス量を小さくして該バルブ駆動機構の騒音を低減化しつつ、前記バルブから前記バルブ駆動機構に不要な押圧力が作用することを防止できる。
図1は、本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造100が適用された内燃機関500(エンジン)の一例を示す部分模式断面図である。
そして、前記バルブ1は、前記シリンダヘッド600に設けられた弁座601に着座することで対応する前記ポート620P,630Pを閉塞し且つ前記弁座601から離間することで対応する前記ポート620P,630Pを開放し得るように、前記シリンダヘッド600に軸線方向Xに関し移動可能に装着されている。
図1及び図2に示すように、前記バルブ1は、中空のステム部材10と、該ステム部材10に連結される蓋部材20とを有している。
なお、図1及び図2中の符号90は、前記中空部15の前記開放端とは反対側の端部を閉塞する為に前記軸部11の外端部に挿入されたプラグであり、該プラグ90は前記軸部11の中空部15に挿入された状態で、かしめ処理されている。
詳しくは、前記蓋部材20が前記ステム部材10にかしめによって連結された後の状態において、前記ステム部材10のフレア部12が、前記軸部11の軸線Xを基準にして、一端側(即ち、中空部15の開口端側)へ行くに従って拡径された拡径部12aと、変曲点12bを挟んで該拡径部12aから一端側に延びる縮径部12cとを有するようになっている。
即ち、前記拡径部12a及び前記縮径部12cは、図2に示すように、前記拡径部12aの縦断面視外形線と前記縮径部12cの縦断面視外形線とが略平行ではなく、所定角度で交差するように構成されており、且つ、前記蓋部材20は斯かる構成の拡径部12a及び縮径部12cによって挟持されるようになっている。
従って、温度上昇に伴う前記中空部15の内圧上昇によって前記中空部15が膨張するように該ステム部材10が弾性変形する虞がある。
特に、ステム部材10の軽量化を図る為に、該ステム部材10の肉厚を薄くした場合にはその危険性が高くなる。
斯かる構成を備えている為、内燃機関の作動時において、該バルブ1が高温に晒されると、前記拡径部12aと前記縮径部12cとの間の変曲点12bが前記軸部11の軸線Xを基準にして径方向外方へ熱膨張し、これにより、前記ステム部材10と前記蓋部材20との間に、前記中空部15を外部に連通する隙間が生じることになる。
従って、温度上昇に伴う前記中空部15の内圧上昇を有効に防止することができ、これにより、温度上昇に起因する前記ステム部材10の弾性変形を防ぐことができる。
即ち、前記軸部11の他端部(前記フレア部12とは反対側の端部)近傍(図1のA部)に内圧逃がし孔を設けると、エンジンオイルがバルブ1の中空部15内に流入する虞がある。
また、前記軸部11から前記フレア部12に至る部分に前記内圧逃し孔を設けると、該内圧逃し孔付近が応力集中の場となり、ステム部材10が破損する虞がある。
斯かる構成を備えることにより、前記ステム部材10の熱膨張時に前記変曲点12bが前記軸部11の軸線Xを基準にして径方向外方へ膨張し易くなり、これにより、前記隙間をより確実に得ることができる。
例えば、前記ステム部材10をSUS305(温度範囲0℃〜100℃における線熱膨張係数16×10−6/℃)で形成し、且つ、前記蓋部材20をSUH3(温度範囲0℃〜100℃における線熱膨張係数11×10−6/℃)で形成することができる。
このように、前記ステム部材10を前記蓋部材20よりも熱膨張し易い材料で形成することにより、内燃機関の作動時において、前記ステム部材10と前記蓋部材20との間に前記隙間を確実に形成することができる。
具体的には、該コイルスプリング60は、基端部が前記シリンダヘッド600の外表面に係止され、且つ、先端部が前記軸部11に設けられた係止部材50に係止されている。
前記大径部61は、内径が前記バルブガイド650の外径よりも大径とされている。
一方、前記テーパ部65は、前記先端部における内径が前記バルブガイド650の外径よりも小径とされるように構成されている。
つまり、本実施の形態においては、前記コイルスプリング60の先端部の係止位置が、前記軸部11の軸線Xを基準にして可及的に径方向内方に位置するように構成しており、該先端部を係止する前記係止部材50の小型化及び軽量化を可能としている
詳しくは、前記駆動機構700は、軸線回りに回転駆動される駆動軸710と、該駆動軸によって回転駆動されるカム部材720とを備えている。
そして、前記カム部材720が作動的に前記コイルスプリング60の付勢力に抗して前記バルブ1を軸線方向一方側(前記シリンダヘッド600に近接する方向)へ押動する際には、前記バルブ1が対応する前記ポート620P,630Pを前記燃焼室610に連通させる開放位置をとり、且つ、前記カム部材720による押動力が付与されない際には、前記バルブ1が前記コイルスプリング60の付勢力によって対応する前記ポート620P,630Pを前記燃焼室610に対して遮断させる遮断位置をとるようになっている。
なお、図1は、前記燃料ガス供給ライン620及び前記燃焼ガス排出ライン630が共に、対応する前記バルブアッセンブリ100によって前記燃焼室610に対して遮断されている状態を示している。
図3に、図2におけるIII部拡大図を示す。
一方、前記蓋部材20と前記拡径部12aの内周面とは、軸線方向一方側(前記燃焼室610に近接する側)の燃焼室側端部25bと軸線方向他方側のガスライン側端部25aとの間に延びる接合領域25において、互いに当接するように構成されている。
なお、該接合領域25は、好ましくは、1mm以上の長さを有するものとされる。
このような方向の力が前記蓋部材20から前記拡径部12aへ作用すると、前記ステム部材10は軸線方向他方側(即ち、前記燃焼室610から離間する方向)へ弾性変形しようとする。
この点に関し、本実施の形態においては、前述の通り、前記シール領域605の軸線方向他方側のガスライン側端部605aが前記接合領域25の軸線方向一方側の燃焼室側端部25bと同一若しくは該端部25bよりも軸線方向他方側(前記燃焼室610から離間する側)に位置されている。
従って、前記バルブ1の他端部と前記バルブ駆動機構700との間のクリアランスを狭めて該バルブ駆動機構700の駆動時における静粛性を向上させつつ、該バルブ駆動機構700に前記バルブ1から不要な力が作用することを有効に防止できる。
図4に、前記シール領域605の前記ガスライン側端部605a及び前記接合領域25の前記燃焼室側端部25bの軸線方向距離Aを変化させた場合の前記ステム部材10の弾性変形量の変化割合を有限要素法に基づき解析した結果を示す。
なお、図4中において、A=0は前記シール領域605の前記ガスライン側端部605aと前記接合領域25の前記燃焼室側端部25bとが軸線方向に関し同一位置に位置する場合であり、A<0は前記ガスライン側端部605aが前記燃焼室側端部25bよりも軸線方向他方側(前記燃焼室610から離間する側)に位置する場合であり、A>0は前記ガスライン側端部605aが前記燃焼室側端部25bよりも軸線方向一方側(前記燃焼室610に近接する側)に位置する場合である。
斯かる構成を備えることにより、前記燃焼室610の内圧によって前記蓋部材20が撓むように弾性変形しても、前記隙間の存在によって前記中空部15の内圧が上昇することを有効に防止できる。
斯かる構成によれば、前記蓋部材20の径方向外方への弾性変形を前記シール領域605によってより有効に抑えることができ、これにより、前記ステム部材10の軸線方向他方側への伸長をより防止することができる。
斯かる緩衝部材80を設けることにより、前記蓋部材20の径方向外方への弾性変形を吸収し、該蓋部材20の径方向外方への弾性変形による前記ステム部材10への作用を有効に防止することができる。
より好ましくは、前記緩衝部材80は、前記ステム部材10及び前記蓋部材20よりも表面硬さの小さい材料によって形成される。斯かる材料としては、例えば、耐熱樹脂,Cu系合金,アルミ系合金又は鉛系合金が例示される。
前記紛状クーラント付きのバルブ1は、前記ステム部材10の中空部15内に前記紛状クーラントを予め収容させた状態で、前記蓋部材20をかしめによって該ステム部材10に連結させることにより、形成される。
斯かる紛状クーラントとしては、例えば、平均粒径1μm以上の窒化アルミニウム又はセラミックスの粒状体を用いることができる。
前記紛状クーラントを備えることにより、前記バルブの温度上昇を有効に低減化させることができる。
10 ステム部材
11 軸部
12 フレア部
12a 拡径部
12b 変曲点
12c 縮径部
20 蓋部材
25 接合領域
25a 接合領域の軸線方向他方側の端部(接合領域のガスライン側端部)
25b 接合領域の軸線方向一方側の端部(接合領域の燃焼室側端部)
60 コイルスプリング
80 緩衝部材
600 シリンダヘッド
601 弁座
605 シール領域
605a シール領域の軸線方向他方側の端部(シール領域のガスライン側端部)
605b シール領域の軸線方向一方側の端部(シール領域の燃焼室側端部)
610 燃焼室
620 燃料ガス供給ライン
630 燃焼ガス排出ライン
700 バルブ駆動機構
X 軸部の軸線
Claims (4)
- シリンダヘッドに設けられた弁座と当接することで燃焼室及びガスラインを遮断し且つ前記弁座から離間することで前記燃焼室及び前記ガスラインを連通し得るように、前記シリンダヘッドに軸線方向移動可能に装着されるバルブと、前記バルブを前記弁座へ向けて付勢するコイルスプリングとを備え、前記バルブの前記燃焼室とは反対側の外端部を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構によって該バルブが前記コイルスプリングの付勢力に抗して前記燃焼室側へ押動されると前記燃焼室及び前記ガスラインが連通され且つ前記バルブ駆動機構による押動力が作用しない際には前記コイルスプリングによって前記バルブが前記弁座に着座して前記燃焼室及び前記ガスラインが遮断されるように構成された内燃機関用バルブ構造であって、
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有し、
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、
前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持されており、
前記弁座と前記拡径部の外周面とは、前記燃焼室に近接する側の燃焼室側端部と前記燃焼室とは離間する側のガスライン側端部との間に延びるシール領域において互いに当接し、
前記蓋部材と前記拡径部の内周面とは、前記燃焼室に近接する側の燃焼室側端部と前記燃焼室とは離間する側のガスライン側端部との間に延びる接合領域において互いに当接し、
前記シール領域の前記ガスライン側端部は、軸線方向位置に関し前記接合領域の前記燃焼室側端部と同一又は該端部より前記燃焼室から離間され、且つ、前記シール領域の前記燃焼室側端部は前記接合領域の前記ガスライン側端部よりも前記燃焼室に近接されていることを特徴とする内燃機関用バルブ構造。
- 前記シール領域の前記ガスライン側端部は、軸線方向に関し、前記接合領域の前記ガスライン側端部と同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用バルブ構造。
- 前記蓋部材と前記拡径部の内周面との間には、前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を吸収し得る緩衝部材が介挿されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関用バルブ構造。
- 前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内燃機関用バルブ構造。
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