JP5296594B2 - Exhaust poppet valve for internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、円筒形状のバルブガイドによって軸方向摺動可能に支持される部位であるバルブ軸部と、その外周縁に排気ポート側のバルブシートに対応する円錐形状のシート当接面が形成され、該排気ポートを開閉する部位であるバルブ傘部とが、スカート状遷移領域を介して一体的に形成された内燃機関の排気用ポペットバルブに係り、特に、バルブ軸部における、バルブ傘部側のバルブガイド開口端部内周面に臨む領域が、バルブ傘部側に向けて細くなるテーパ形状に構成された排気用ポペットバルブに関する。 In the present invention, a valve shaft portion, which is a portion that is slidably supported in the axial direction by a cylindrical valve guide, and a conical seat contact surface corresponding to the valve seat on the exhaust port side are formed on the outer periphery thereof. A valve umbrella part that is a part for opening and closing the exhaust port and an exhaust poppet valve for an internal combustion engine that is integrally formed through a skirt-like transition region, in particular, the valve umbrella part side of the valve shaft part The present invention relates to an exhaust poppet valve configured such that a region facing the inner peripheral surface of the valve guide opening end portion is tapered toward the valve umbrella side.
自動車等の内燃機関用動弁機構を構成する排気用ポペットバルブは、円筒形状のバルブガイドによって摺動可能に案内される部位であるバルブ軸部と、排気ポートを開閉するべく作用する部位であるバルブ傘部とが、スカート状遷移領域を介して一体的に形成されている。そして、ポペットバルブは、図1に示すように、バルブ軸部がシリンダヘッドに固定されたバルブガイド内を貫通して、バルブ傘部側が排気通路を横切るように配設されており、カムシャフト(カム)の回転に同期して、バルブ(軸部)がバルブガイド内を軸方向に摺動動作することで、バルブ傘部外周の円錐形状のシート当接面が排気ポート周縁部のバルブシートに圧接して排気ポートを閉じる閉弁状態から、バルブ傘部(のシート当接面)がバルブシートから離間して排気ポートを開く開弁状態まで変化するように構成されている。 An exhaust poppet valve that constitutes a valve mechanism for an internal combustion engine such as an automobile is a valve shaft portion that is slidably guided by a cylindrical valve guide and a portion that acts to open and close an exhaust port. The valve umbrella is integrally formed with the skirt transition region. As shown in FIG. 1, the poppet valve is disposed so that the valve shaft portion passes through the valve guide fixed to the cylinder head and the valve umbrella portion crosses the exhaust passage. The valve (shaft) slides in the valve guide in the axial direction in synchronization with the rotation of the cam), so that the conical seat abutment surface on the outer periphery of the valve umbrella is brought into contact with the valve seat on the periphery of the exhaust port. The valve is configured to change from a closed state in which the exhaust port is closed by pressure contact to an open state in which the valve umbrella (seat contact surface) is separated from the valve seat and opens the exhaust port.
そして、動弁機構の構成上、バルブの軸方向の摺動動作には僅かな揺動を伴うことから、バルブが僅かに揺動してもバルブガイドに沿ってスムーズに摺動動作できるように、均一な外径のバルブ軸部と均一な内径のバルブガイド間には、所定のクリアランスが設けられ、クリアランスにはエンジンオイルが浸透している。 In addition, because of the configuration of the valve mechanism, the sliding operation in the axial direction of the valve involves a slight swing, so that the valve can smoothly slide along the valve guide even if the valve swings slightly. A predetermined clearance is provided between the valve shaft portion having a uniform outer diameter and the valve guide having a uniform inner diameter, and the engine oil penetrates into the clearance.
そして、バルブおよびバルブガイドは、いずれも高温度の排気ガスの熱の影響を受けて膨張するが、バルブガイドは、シリンダヘッドを介して放熱されるのに対し、バルブは、バルブガイドとの間にクリアランスがある分、バルブガイドやシリンダヘッドに放熱され難いため、バルブの方がバルブガイドよりも半径方向の熱膨張量が大きい。このため、特に、バルブ傘部が延出する側(排気ポートに近い側)のバルブガイド開口部におけるバルブ・ガイド間クリアランスが狭められることとなって、バルブが摺動動作する際に、バルブ軸部とバルブガイド開口端部内周面とが干渉して、バルブのスムーズな摺動動作が妨げられたり、干渉領域が磨耗して、バルブ・ガイド間クリアランスが拡大されて、振動や騒音が発生したり、バルブの折損に至るおそれもある。また、干渉により削られた金属粉は、エンジンオイルの寿命を低下させたり、排気通路内に焼結付着して排気通路を狭めるなどの不具合も考えられる。 Both the valve and the valve guide expand due to the influence of the heat of the exhaust gas at a high temperature, whereas the valve guide radiates heat through the cylinder head, whereas the valve The amount of thermal expansion in the radial direction of the valve is larger than that of the valve guide. For this reason, in particular, the valve-guide clearance at the valve guide opening on the side where the valve umbrella extends (the side close to the exhaust port) is narrowed. And the inner periphery of the valve guide opening end interfere with smooth sliding movement of the valve, wear the interference area, increase the clearance between the valve and guide, and generate vibration and noise. Or the valve may be broken. In addition, the metal powder scraped by the interference may cause problems such as reducing the life of the engine oil or sintering and adhering in the exhaust passage to narrow the exhaust passage.
そこで、下記特許文献1では、図6に示すように、バルブbの軸部b1におけるバルブガイドcの開口端部(バルブ傘部b2が延出している側のバルブガイドcの開口端部)に臨む領域にテーパ部b3を設けて、バルブガイドcの開口端部におけるバルブ・ガイド間のクリアランスsを予め拡大しておくことで、排気ガスの熱の影響によってバルブ・ガイド間クリアランスsが狭められたとしても、バルブ軸部b1とバルブガイドc開口端部との干渉が回避されて、上記問題が解消されるという構造が提案されている。
Therefore, in
前記特許文献1では、バルブbの軸部b1にテーパ部b3を設けることで、バルブ軸部b1とバルブガイドc開口端部の干渉は、確かに回避される。しかし、バルブ軸部b1の外径が均一な領域からテーパ部b3に移行する、外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)b4がバルブガイドcとの摺動領域内にあるため、バルブbが摺動動作する際に、外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)b4がバルブガイドcの内周面と干渉する。
In
このため、バルブのスムーズな摺動動作が妨げられたり、バルブ・ガイド間の干渉領域が磨耗して、バルブ・ガイド間クリアランスが拡大され、振動や騒音が発生したり、バルブの折損に至るおそれがあるとか、干渉領域で削られた金属粉が、エンジンオイルの寿命を低下させたり、排気通路内に焼結付着して排気通路を狭めるといった、前記した従来の種々の問題点は、実質的に改善されていない。 For this reason, the smooth sliding movement of the valve is hindered, the interference area between the valve and guide is worn, the clearance between the valve and guide is expanded, vibration and noise may occur, and the valve may be broken. The above-mentioned various problems such as the fact that the metal powder shaved in the interference region reduces the life of the engine oil or sinters and adheres to the exhaust passage narrows the exhaust passage. It has not been improved.
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、バルブ軸部におけるバルブガイドとの摺動領域全体をテーパ形状に構成することで、バルブの摺動動作時にバルブ軸部とバルブガイドが確実に干渉しない内燃機関用の排気用ポペットバルブを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is to configure the entire sliding region of the valve shaft portion with the valve guide in a tapered shape, thereby enabling the valve to slide. An object of the present invention is to provide an exhaust poppet valve for an internal combustion engine in which a valve shaft portion and a valve guide do not reliably interfere with each other.
前記目的を達成するために、請求項1に係る内燃機関用の排気用ポペットバルブにおいては、円筒形状のバルブガイドによって軸方向に摺動可能に支持される部位であるバルブ軸部と、その外周縁に排気ポート側のバルブシートに対応する円錐形状のシート当接面が形成され、該排気ポートを開閉する部位であるバルブ傘部とが、スカート状遷移領域を介して一体的に形成された内燃機関用の排気用ポペットバルブにおいて、
前記バルブ軸部における少なくとも前記バルブガイドとの摺動領域全体をバルブ傘部側に向けて細くなるテーパ形状に構成した。
In order to achieve the above object, in the exhaust poppet valve for an internal combustion engine according to
At least the entire sliding area of the valve shaft portion with the valve guide is configured to be tapered toward the valve umbrella side.
(作用)バルブ軸部におけるバルブガイドとの摺動領域全体がバルブ傘部側に向けて細くなる(小径となる)テーパ形状に構成されているので、以下の作用が奏される。 (Operation) Since the entire sliding region of the valve shaft portion with the valve guide is formed in a tapered shape (small diameter) toward the valve umbrella portion side, the following operations are exhibited.
第1には、バルブガイドの開口端部(バルブ傘部が延出している側のバルブガイド開口端部)内周面とバルブ軸部間のクリアランスは、バルブ軸部をテーパ形状に構成していない構造(バルブ軸部全長を均一径に構成している従来構造)よりも拡大されているので、排気ガスの熱の影響によってバルブ・ガイド間クリアランスが狭められたとしても、バルブ軸部とバルブガイド開口端部内周面との干渉が回避される。 First, the clearance between the inner peripheral surface of the opening end of the valve guide (the valve guide opening end on the side where the valve umbrella portion extends) and the valve shaft portion forms the valve shaft in a tapered shape. Since the structure is larger than the conventional structure (conventional structure in which the entire length of the valve shaft is made uniform), even if the clearance between the valve and the guide is reduced due to the heat of exhaust gas, the valve shaft and valve Interference with the inner peripheral surface of the guide opening end is avoided.
第2には、バルブ軸部における均一な外径の領域からテーパ部に移行する外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)がバルブガイドとの摺動領域外にある(変曲点がバルブガイドとの摺動領域内に無い)ので、バルブが摺動動作する際に、特許文献1のように、外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)がバルブガイド内周面と干渉することは、あり得ない。 Second, an outwardly inflection point (starting point of the taper portion) that transitions from the uniform outer diameter region to the tapered portion in the valve shaft portion is outside the sliding region with the valve guide (the inflection point is Therefore, when the valve slides, the inflection point that protrudes outward (starting point of the taper portion) interferes with the inner peripheral surface of the valve guide. It is impossible to do.
請求項2においては、請求項1に記載の内燃機関用の排気用ポペットバルブにおいて、前記バルブ軸部のテーパ部のテ―パ角θを、前記バルブ軸部の前記バルブガイドとの摺動領域(以下、摺動テーパ部という)の長さをL、摺動テーパ部の最小半径をr、バルブガイドの内半径をR、バルブ軸部の線膨張係数をα、バルブガイドの線膨張係数をβ、摺動テーパ部の最小半径位置の温度をt、摺動テーパ部の最小半径位置に対応するバルブガイドの温度をTとして、r(αt+1)<R(βT+1)かつL・tanθ<R−rという条件式を満足するように構成した。
The exhaust poppet valve for an internal combustion engine according to
(作用)動弁機構の駆動中におけるバルブおよびバルブガイドは、排気ポート(に近い)側では高温度の排気ガスの熱の影響を受けて熱膨張するが、その反対側では、排気ガスの熱の影響が少ないため、熱膨張を無視できる。このため、動弁機構が駆動していない状態で、バルブ・ガイド間クリアランスがバルブ軸方向に一定に構成されていると、動弁機構の駆動中のバルブ・ガイド間クリアランスは、排気ガスの熱の影響を受けて傘部延出側で狭められることになるが、請求項2では、バルブ軸部のバルブガイドとの摺動領域(テーパ部)のテーパ角θがr(αt+1)<R(βt+1)かつL・tanθ<R−rという条件式を満足するように構成されて、バルブ駆動時(排気ガスの熱の影響を受けてバルブおよびバルブガイドが熱膨張した状態)のバルブ・ガイド間クリアランスが長手方向に略一定となって、バルブは軸方向にスムーズに摺動できる。 (Operation) While the valve mechanism is being driven, the valve and the valve guide are thermally expanded on the side of the exhaust port (close to) under the influence of the heat of the high-temperature exhaust gas. The thermal expansion is negligible because Therefore, if the valve-guide clearance is configured to be constant in the valve axial direction when the valve mechanism is not driven, the valve-guide clearance during driving of the valve mechanism will However, in the second aspect, the taper angle θ of the sliding region (taper portion) of the valve shaft portion with the valve guide is r (αt + 1) <R ( βt + 1) and the condition that L · tan θ <R−r is satisfied, and between the valve and the guide when the valve is driven (the valve and the valve guide are thermally expanded under the influence of the exhaust gas heat) The clearance is substantially constant in the longitudinal direction, and the valve can slide smoothly in the axial direction.
請求項3においては、請求項1または2に記載の内燃機関用の排気用ポペットバルブにおいて、前記バルブを、第1の素材で構成したバルブ軸部材と、前記第1の素材よりもさらに耐熱性に優れた第2の素材で構成した、前記スカート状遷移領域を含むバルブ傘部材とを接合一体化するように構成した。
According to a third aspect of the present invention, in the exhaust poppet valve for an internal combustion engine according to the first or second aspect, the valve is a valve shaft member made of a first material, and is more heat resistant than the first material. The valve umbrella member including the skirt-like transition region, which is made of the second material excellent in the above, is configured to be joined and integrated.
(作用)バルブ全体を、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼等の靭性に優れた素材で構成した場合は、スカート状遷移領域を含むバルブ傘部における高温クリープ強度を高めるための後処理が必要となる。 (Operation) When the entire valve is made of a material having excellent toughness such as austenitic heat-resisting steel containing nickel, post-treatment is required to increase the high temperature creep strength in the valve umbrella including the skirt-like transition region. .
一方、バルブ全体を、ニッケル基耐熱合金(例えば、NCF80A,NCF751)等の特に耐熱性(高温クリープ強度)に優れた素材で構成した場合は、熱間鍛造によるバルブ処理温度が高い分、製造工程が面倒である。また、鍛造終了後に、バルブ軸部における靭性を高めるための後処理が必要である。 On the other hand, when the entire valve is made of a material excellent in heat resistance (high temperature creep strength) such as a nickel-based heat-resistant alloy (for example, NCF80A, NCF751), the manufacturing process is equivalent to the high valve processing temperature by hot forging. Is troublesome. Further, after finishing forging, a post-treatment for increasing the toughness in the valve shaft portion is necessary.
然るに、請求項3では、閉弁方向に作用する復帰スプリングのばね力(軸方向引張力)やトルクの変動が作用し、軸方向引張応力や曲げ応力に対する強度が要求されるバルブ軸部は、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼等の靭性に優れた素材でバルブ軸部が構成されているので、耐久性(耐摩耗性)に優れる。一方、常に高温の排気ガスにさらされるスカート状遷移領域を含むバルブ傘部は、特に耐熱クリープ強度が要求される部位であるが、例えばニッケル基耐熱合金等の特に耐熱性(高温クリープ強度)に優れた素材で構成されているので、耐熱性に優れる。
However, in
請求項4においては、請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関用の排気用ポペットバルブにおいて、前記バルブ傘部が延出している側のバルブガイド開口端部内側に、バルブガイドの内周面を半径方向外側に拡大する拡径部を周設するように構成した。 According to a fourth aspect of the present invention, in the exhaust poppet valve for an internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, an inner portion of the valve guide is disposed inside the valve guide opening end on the side where the valve umbrella portion extends. It was comprised so that the enlarged diameter part which expands a surrounding surface to radial direction outer side might be provided.
(作用)バルブ傘部が延出している側のバルブガイド開口端部内側に設けられた拡径部(具体的な拡径部としては、段差部,テーパ面,円弧面等が考えられる。)が、バルブガイドの開口端部(バルブ傘部が延出している側のバルブガイド開口端部)近傍のバルブ・ガイド間クリアランスを拡大するので、バルブ軸部のテーパ部のテーパ角を小さくできる。 (Operation) A diameter-enlarged portion provided inside the valve guide opening end on the side where the valve umbrella portion extends (specifically, a stepped portion, a tapered surface, an arc surface, etc. can be considered). However, since the clearance between the valve and the guide near the opening end portion of the valve guide (the valve guide opening end portion on the side where the valve umbrella portion extends) is enlarged, the taper angle of the taper portion of the valve shaft portion can be reduced.
以上の説明から明らかなように請求項1によれば、排気ガスの熱の影響によってバルブ・ガイド間クリアランスが狭められたとしても、バルブ(バルブ軸部)がバルブガイド内周面に沿って摺動動作する際に、バルブ軸部とバルブガイド開口端部内周面との干渉は勿論、バルブ軸部とバルブガイド内周面全長域との干渉が確実に回避されるので、以下の効果が奏される。 As is apparent from the above description, according to the first aspect, even if the clearance between the valve and the guide is narrowed due to the heat of the exhaust gas, the valve (valve shaft portion) slides along the inner peripheral surface of the valve guide. During dynamic operation, interference between the valve shaft and the inner peripheral surface of the valve guide opening end is of course avoided, and interference between the valve shaft and the entire length of the inner peripheral surface of the valve guide is surely avoided. Is done.
第1には、排気バルブのスムーズな摺動動作が確保されて、排気ポートの正確な開閉動作が長期間にわたり保証される。 First, a smooth sliding operation of the exhaust valve is ensured, and an accurate opening / closing operation of the exhaust port is ensured for a long period of time.
第2には、排気バルブの摺動動作時に、振動や騒音が発生したり、排気バルブが折損するおそれがない。 Second, there is no possibility that vibration or noise occurs or the exhaust valve breaks during the sliding operation of the exhaust valve.
第3には、排気バルブとバルブガイド間の相対摺動部において金属粉が発生しないので、エンジンオイルの寿命が延びるとともに、排気通路が狭まる等の不具合がない。 Third, since metal powder is not generated in the relative sliding portion between the exhaust valve and the valve guide, the life of the engine oil is extended and there are no problems such as a narrow exhaust passage.
請求項2によれば、バルブ・ガイド間クリアランスが長手方向に略一定となって、排気バルブのスムーズな摺動動作がいっそう確保されて、排気ポートの正確な開閉動作がより長期間にわたり保証される。
According to
また、バルブ軸部のバルブガイドとの摺動領域(摺動テーパ部)の望ましいテーパ角を、摺動テーパ部の長さL、摺動テーパ部の最小半径r、バルブガイドの内半径R、バルブ軸部の線膨張係数α、バルブガイドの線膨張係数β、摺動テーパ部の最小半径位置の温度t、テーパ部の最小半径位置に対応するバルブガイドの温度Tから簡単に求めることができるので、バルブ軸部に形成するテーパ部の寸法設計が簡単となる。 Further, the desired taper angle of the sliding region (sliding taper portion) with the valve guide of the valve shaft portion is set such that the length L of the sliding taper portion, the minimum radius r of the sliding taper portion, the inner radius R of the valve guide, The linear expansion coefficient α of the valve shaft portion, the linear expansion coefficient β of the valve guide, the temperature t at the minimum radius position of the sliding taper portion, and the temperature T of the valve guide corresponding to the minimum radius position of the taper portion can be easily obtained. Therefore, the dimension design of the taper portion formed in the valve shaft portion is simplified.
請求項3によれば、スカート状遷移領域を含むバルブ傘部における耐熱性(高温クリープ強度)およびバルブ軸部における靭性の双方に優れた排気用ポペットバルブを提供できる。 According to the third aspect, it is possible to provide an exhaust poppet valve that is excellent in both heat resistance (high temperature creep strength) in the valve umbrella portion including the skirt-shaped transition region and toughness in the valve shaft portion.
請求項4によれば、バルブ軸部に設けるテーパ部のテーパ角を小さくできるので、それだけバルブ軸部のテーパ加工が容易である。 According to the fourth aspect, since the taper angle of the taper portion provided in the valve shaft portion can be reduced, the taper processing of the valve shaft portion is facilitated accordingly.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、内燃機関の排気ポートを開閉させる動弁機構の断面図、図2は、本発明に係る排気用ポペットバルブの第1実施例を示す断面図、図3は、バルブ軸部に設けたテーパ部の詳細を説明する説明図である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a valve operating mechanism for opening and closing an exhaust port of an internal combustion engine, FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment of an exhaust poppet valve according to the present invention, and FIG. It is explanatory drawing explaining the detail of the taper part.
図1において、自動車用エンジンの排気ポート4側の動弁機構1は、燃焼室6に開口する排気通路3の排気ポート4を開閉させる機構として構成されており、エンジンの回転に同期して回転駆動するカムシャフト10に固定されたカム12と、シリンダヘッド2に設けた排気通路3を横切るように上下方向に配設されて、排気ポート4を閉弁する方向にばね付勢された排気用ポペットバルブ(以下、排気バルブという)20と、カム12と排気バルブ20の軸端部との間に揺動自在に配置されたロッカアーム16と、ロッカアーム16の支点となる位置に配置された油圧式ラッシュアジャスタ18を備えて構成されている。
In FIG. 1, a
符号30は、バルブ20のバルブ軸部22を摺動可能に支持する円筒形状のバルブガイドで、排気通路3と交差するようにシリンダヘッド2に設けた上下貫通孔2aに嵌合固定されている。符号34は、バルブ20の軸端部に固定した円盤形状のリテーナで、このリテーナ34と上下貫通孔2a周りの座面2b間に、排気バルブ20を上方向(閉弁方向)に付勢する圧縮コイルばね36が介装されている。符号5は、排気ポート4の周縁部に設けられた円錐形状のバルブシートで、排気バルブ20側のシート当接面27aがバルブシート5に圧接した状態で排気ポート4が閉口し、排気バルブ20側のシート当接面27aがバルブシート5から離間した状態で排気ポート4が開口するように構成されている。
そして、エンジンの駆動に伴う駆動力によりカムシャフト10(カム12)が回転するが、カム12の回転に応じてロッカアーム16が油圧式ラッシュアジャスタ18を支点として上下に揺動し、カム12のロッカアーム16を押すタイミングに合わせて(カム12の回転に同期して)排気バルブ20が上下に摺動して、排気ポート4を開閉動作させるようになっている。
The camshaft 10 (cam 12) is rotated by the driving force accompanying the driving of the engine. The
次に、排気バルブ20の構造を図2に基づいて詳細に説明する。
Next, the structure of the
排気バルブ20は、円筒形状のバルブガイド30によって軸方向に摺動可能に支持される部位であるバルブ軸部22と、排気ポート4側のバルブシート5に対応する円錐形状のシート当接面27aがその外周縁に形成されて、該排気ポート4を開閉させる部位であるバルブ傘部27とが、スカート状遷移領域28を介して一体的に形成された構造で、全体が耐熱性および靭性に優れたニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成されている。一方、バルブガイド30は、グラファイトを含む潤滑性に優れた焼結材で構成されている。
The
また、バルブガイド30は、その内径が軸方向に一定の円筒形状に構成されているのに対し、バルブ軸部22(バルブの傘部27からスカート状遷移領域28までの領域を除く領域)のバルブガイド30との摺動領域(長さLで示す)を含む長さL1で示す領域が、傘部27側に向けて細くなるテーパ形状に構成されている。以下、この長さL1で示すテーパ形状の領域22cをテーパ部という。
In addition, the
そして、バルブ軸部22のテーパ部22cのテーパ角θがr(αt+1)<R(βt+1)かつL・tanθ<R−rという条件式を満足する所定値に構成されて、バルブ駆動時(排気ガスの熱の影響を受けてバルブ20およびバルブガイド30が熱膨張した状態)のバルブ・ガイド間クリアランスSがバルブガイド30の軸方向にほぼ一定となって、バルブ20が軸方向にスムーズに摺動できるように構成されている。
Then, the taper angle θ of the
以下、排気バルブ20のテーパ部22c(のテーパ角θ)を、図3に基づいて詳しく説明する。
Hereinafter, the
動弁機構の駆動中におけるバルブ20およびバルブガイド30は、排気ポート4側では高温度の排気ガスの熱の影響を受けて熱膨張するが、排気ポート4側と反対側では、排気ガスの熱の影響が少ないため、熱膨張を無視できる。このため、動弁機構が駆動している状態(排気ガスの熱の影響を受けて狭められた状態)の排気ポート4側におけるバルブ・ガイド間クリアランスS1が0より大きく、排気ガスの熱の影響を無視できる排気ポート4側と反対側におけるバルブ・ガイド間クリアランスS2も0より大きければ、バルブ・ガイド間クリアランスSはバルブ軸方向にほぼ一定となって、バルブ20は軸方向にスムーズに摺動できると考えられる。
While the valve mechanism is being driven, the
このためには、バルブ軸部22をテーパ形状(テーパ角θ)に形成した場合に、排気ガスの熱の影響を受けて狭められた排気ポート4側におけるバルブ・ガイド間クリアランスS1、および排気ガスの熱の影響を無視できる排気ポート4側と反対側におけるバルブ・ガイド間クリアランスS2がそれぞれ正となる(0より大きくなる)テーパ角θを求めればよい。
For this purpose, when the
すなわち、テーパ部22cのうち、バルブガイド30との摺動領域(摺動テーパ部24)の長さをL、摺動テーパ部23のテーパ角をθ、摺動テーパ部24の最小半径をr、バルブガイド30の内半径をR、排気バルブ20(バルブ軸部22)の線膨張係数をα、バルブガイド30の線膨張係数をβする。そして、排気ガスの熱によって排気バルブ20,バルブガイド30の温度がそれぞれ上昇するが、摺動テーパ部23の最小半径位置P1の上昇温度をt、バルブガイド30における、テーパ部22c(摺動テーパ部24)の最小半径位置P1に対応する位置P2の上昇温度をT(<t)とすると、バルブ20の駆動時には、熱膨張によりP1→P1’、P2→P2’となる。即ち、摺動テーパ部24の最小半径位置P1における半径rは、排気ガスの熱によって、P1’位置における半径r’=r(1+αt)となる。また、バルブガイド30における摺動テーパ部23の最小半径位置P1に対応する位置P2の内半径Rは、排気ガスの熱によって、P2’位置の内半径R’=R(1+βT)となる。したがって、摺動テーパ部24の最小半径位置P1におけるクリアランスS1は、
S1=R’−r’=R(1+βT)−r(1+αt) ・・・(1)である。
That is, of the tapered
S1 = R′−r ′ = R (1 + βT) −r (1 + αt) (1).
一方、排気ポート4側と反対側(摺動テーパ部24の最大半径位置P3およびバルブガイド30のP3に対応する位置P4)におけるクリアランスS2への熱の影響は無視できるので、摺動テーパ部23の最大半径位置P3におけるクリアランスS2は、
S2=R−(r+L・tanθ) ・・・(2)である。
On the other hand, since the influence of heat on the clearance S2 on the side opposite to the exhaust port 4 side (the position P4 corresponding to the maximum radius position P3 of the sliding
S2 = R− (r + L · tan θ) (2)
そして、S1,S2がいずれも正である(0より大きい)ためには、r(αt+1)<R(βT+1)かつL・tanθ<R−rなる条件式(3)を満足することである。 In order for both S1 and S2 to be positive (greater than 0), it is necessary to satisfy the conditional expression (3) where r (αt + 1) <R (βT + 1) and L · tanθ <R−r.
また、バルブ軸部22とバルブ傘部領域23とは、所定長さの連続する円柱形状のストレート部22a,23aを介して一体的に形成されている。
バルブ軸部22は、リテーナ34固定用の溝34aが形成された端部側のストレート部22d、バルブ傘部領域23に向けて細くなるテーパの形成されたテーパ部22c、テーパ部22cとストレート部22a間に形成された逆テーパ部22bで構成されている。
Further, the
The
このように、本実施例では、バルブ軸部22の少なくともバルブガイド30との摺動領域(符号24で示す摺動領域)がバルブ傘部27側に向けて細くなる前記条件式(3)式を満足するテーパ形状(テーパ角θ)に構成されているので、以下の作用・効果が奏される。
As described above, in this embodiment, the conditional expression (3) is such that the sliding region (sliding region indicated by reference numeral 24) of at least the
第1には、バルブ傘部27が延出している側のバルブ・ガイド間クリアランスS1は、バルブ軸部22を均一径に構成している従来構造の場合のクリアランスと比べて大きいので、排気ガスの熱の影響によってバルブ・ガイド間クリアランスS1が狭められたとしても、バルブ軸部22とバルブガイド30開口端部内周面との干渉が回避され、排気バルブ20のスムーズな摺動動作が確保されて、排気ポート4の正確な開閉動作が長期間にわたり保証される。
First, the valve-guide clearance S1 on the side where the
第2には、バルブ軸部22における均一な外径の領域からテーパ部24に移行する外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)がバルブガイド30との摺動領域外にある(変曲点がバルブガイド30との摺動領域内に無い)ので、排気バルブ20が摺動動作する際に、特許文献1のように、外側に凸の変曲点(テーパ部の起点)がバルブガイド30内周面と干渉することがなく、排気バルブ20の動作時に振動や騒音が発生したり、排気バルブ20が折損するおそれがない。また、排気バルブ20とバルブガイド30間の相対摺動部において金属粉が発生しないので、エンジンオイルの寿命が延びるとともに、排気通路3が狭まる等の不具合もない。
Second, an outwardly inflection point (starting point of the taper portion) that transitions from the uniform outer diameter region of the
図4は、本発明に係る排気用ポペットバルブの第2実施例を示す断面図である。 FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the exhaust poppet valve according to the present invention.
前記第1の実施例では、排気バルブ20が単一の素材(ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼)で構成されていたが、この第2の実施例では、排気バルブ20Aが、耐熱性および靭性に優れたニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼(線膨張係数α)からなるバルブ軸部材22Aと、耐熱性(耐高温クリープ強度)に特に優れたニッケル基耐熱合金(線膨張係数α1)からなる、スカート状遷移領域28とバルブ傘部27とを含む傘部領域構成部材23Aとが、軸方向に接合一体化されて構成されている。符号Xは、バルブ軸部材22Aと傘部領域構成部材23Aとの接合位置を示す。
In the first embodiment, the
即ち、閉弁方向に作用する復帰スプリング36のばね力(軸方向引張力)やトルクの変動が作用し、軸方向引張応力や曲げ応力に対する強度が要求されるバルブ軸部22Aは、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼等の靭性に優れた素材(線膨張係数α)で構成されているので、耐久性(耐摩耗性)に優れる。一方、常に高温の排気ガスにさらされるスカート状遷移領域28を含むバルブ傘部領域23Aは、特に耐熱クリープ強度が要求される部位であるが、例えばニッケル基耐熱合金等の特に耐熱性(高温クリープ強度)に優れた素材(線膨張係数α1)で構成されているので、耐熱性に優れる。
That is, the
そして、第1の実施例のように、バルブ20全体が、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼等の靭性に優れた素材で構成されている場合は、スカート状遷移領域28を含むバルブ傘部27における高温クリープ強度を高めるための後処理が必要となるが、この第2の実施例では、バルブ軸部22Aおよびバルブ傘部領域23Aは、いずれもそれぞれの機能に対し望ましい特性をもつ金属で構成されているので、第1の実施例のように、バルブ傘部領域23Aにおける高温クリープ強度を高めるための後処理が不要である。
When the
また、前記第1の実施例と同様、バルブ軸部(バルブ軸部材)22Aのテーパ部22c(摺動テーパ部24)のテーパ角θが、r(αt+1)<R(βT+1)かつL・tanθ<R−rなる条件式を満足する所定値に構成されており、バルブ軸部22とバルブガイド30開口端部内周面との干渉が回避されて、排気バルブ20Aのスムーズな摺動動作が確保されている。
Similarly to the first embodiment, the taper angle θ of the
また、この第2の実施例では、バルブ傘部27が延出している側のバルブガイド30の開口端部30a内側に、バルブガイド30の内周面を半径方向外側に拡大する拡径部である段差部32が周設されている。
Further, in the second embodiment, an enlarged diameter portion that expands the inner peripheral surface of the
このため、バルブガイド開口端部30a内側に設けられた段差部32は、段差部32を設けない構造に比べて、バルブ・ガイド間のクリアランスs1をいっそう拡大するので、排気ガスの熱の影響によってバルブ・ガイド間クリアランスS1が狭められたとしても、第1の実施例よりも、バルブ軸部22とバルブガイド開口端部30a内周面との干渉がいっそう回避される。
For this reason, the
また、バルブガイド開口端部30aの内側に設けられた段差部32がバルブ・ガイド間クリアランスS1を拡大する分、バルブ軸部22Aに設けるテーパ部24のテーパ角θを小さくできるので、それだけバルブ軸部22Aのテーパ加工が容易となる。
Further, since the stepped
また、バルブガイド30の内周面を半径方向外側に拡大する拡径部としては、段差部32に代えて、開口側ほど内径が大きいテーパ部や縦断面円弧部(内側に凸または内側に凹の環状円弧面)であってもよい。
In addition, as the diameter-expanded portion that expands the inner peripheral surface of the
その他は、前記した第1の実施例と同一であるので、同一の符号を付すことで、その重複した説明は省略する。 Others are the same as in the first embodiment described above, and therefore, the same reference numerals are given and the redundant description is omitted.
図5は、本発明に係る排気用ポペットバルブの第3実施例を示す断面図である。 FIG. 5 is a sectional view showing a third embodiment of the exhaust poppet valve according to the present invention.
前記した第1,第2の実施例では、排気バルブ20,20Aがいずれも中実体で構成されているが、第3実施例では、排気バルブ20Bが中空体で構成されている点に特徴がある。
In the first and second embodiments, the
即ち、下方に開口する中空体で構成した、耐熱性および靭性に優れたニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼等の素材(線膨張係数α)からなるバルブ軸部材22Bと、同じく上方に開口する中空体で構成した、耐熱性(耐高温クリープ強度)に特に優れたニッケル基耐熱合金等の素材(線膨張係数α1)からなる、バルブ軸部の一部を含むバルブ傘部領域構成部材23Bとが、符号Xで示す位置で軸方向に接合一体化されて構成されている。バルブ20Bの中空部内には、必要に応じてナトリウム等の冷媒が収容されている。
That is, the
そして、バルブ軸部22のテーパ部22c(摺動テーパ部24)のテーパ角θが、r(α1t+1)<R(βT+1)かつL・tanθ<R−rなる条件式を満足する所定値に構成されており、バルブ軸部22とバルブガイド30開口端部内周面との干渉が回避されて、排気バルブ20Bのスムーズな摺動動作が確保されている。
The taper angle θ of the
その他は、前記した第1の実施例と同一であるので、同一の符号を付すことで、その重複した説明は省略する。 Others are the same as in the first embodiment described above, and therefore, the same reference numerals are given and the redundant description is omitted.
なお、前記した第1〜第3の実施例では、いずれもバルブ軸部22のほぼ全長がテーパ形状に構成されているが、バルブ軸部22の少なくともバルブガイド30と摺動する領域をテーパ形状に構成すればよい。
In each of the first to third embodiments described above, the
また、前記の実施例では、カム12と排気バルブ20の軸端部とがロッカアーム16を介して連結されているが、カム12と排気バルブ20の軸端部との間に直動型ラッシュアジャスタを介在させた構造であってもよい。
In the above-described embodiment, the
1 動弁機構
2 シリンダヘッド
3 排気通路
4 排気ポート
5 バルブシート
6 燃焼室
10 カムシャフト
12 カム
16 ロッカアーム
18 油圧式ラッシュアジャスタ
20,20A,20B 排気用ポペットバルブ(排気バルブ)
22 バルブ軸部
22A,22B バルブ軸部材
22c テーパ部
23 バルブ傘部領域
23A,23B バルブ傘部領域構成部材
24 摺動テーパ部
27 バルブ傘部
27a シート当接面
28 スカート状遷移領域
30 バルブガイド
36 圧縮コイルばね
r 摺動テーパ部最小半径
L 摺動テーパ部の長さ
θ 摺動テーパ部のテーパ角
R バルブガイドの内半径
DESCRIPTION OF
22
Claims (4)
前記バルブ軸部における少なくとも前記バルブガイドとの摺動領域全体がバルブ傘部側に向けて細くなるテーパ形状に構成されたことを特徴とする内燃機関用の排気用ポペットバルブ。 A valve shaft portion, which is a portion that is slidably supported in the axial direction by a cylindrical valve guide, and a conical seat contact surface corresponding to the valve seat on the exhaust port side are formed on the outer peripheral edge thereof. In an exhaust poppet valve for an internal combustion engine in which a valve umbrella part which is a part for opening and closing a port is integrally formed via a skirt-like transition region,
An exhaust poppet valve for an internal combustion engine, wherein at least the entire sliding region of the valve shaft portion with the valve guide is tapered toward the valve umbrella side.
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