JP5627872B2 - 高温のガスに曝される弁体のガス封止部の構造 - Google Patents

Description

本発明は、主に可動式の弁体に関し、特に内燃機関の吸排気弁のように高温のガスに曝されるものにおけるガス封止部の構造に係る。

従来より内燃機関の吸気弁や排気弁等、ガス交換のためのバルブ（弁体）においては、高温の燃焼ガスに曝される傘部（ガス封止部）の表面の少なくとも一部に、熱的な絶縁のための材料を用いることが知られている。

例えば、特許文献１に記載されているバルブの傘部は、熱伝導性の良い金属によって被覆されている。この金属皮膜の断面は傘部の中央では相対的に薄くされ、そこから傘部の外周縁に向かって徐々に厚くなっている。これは、傘部の温度勾配に応じて皮膜に、熱の拡散のために十分な断面積を与えるためである。

独国特許出願公開第３６７００３号明細書

本発明の目的は、前記のような一般的なバルブとは構造が異なり、高温のガスに曝される封止部の熱分布が、より均一なものになるとともに、容易に製造することができるように改善されたバルブを提供することにある。

前記の目的は独立請求項１に係る発明によって達成される。また、各従属請求項に係る発明はそれぞれ有利な実施形態に対応する。

すなわち、請求項１の発明は、高温ガスに曝される弁体のガス封止部の構造に係るものであり、このガス封止部の表面に、環状のバルブシートに気密に接合される密接領域が設けられている場合に、当該ガス封止部の表面において前記高温ガスに曝されて、その影響を所定以上に強く受ける範囲に、最大で前記密接領域の所までは、弁体の基材上に、即ち第１材料で形成されている部分の上に、それよりも熱伝導性の高い第２材料からなる層を熱溶射法によって形成したものである。

そうすると、熱伝導性の高い第２材料の層においてガス封止部の中央付近から周縁部に向かい熱が良好に導かれるようになり、この周縁部から対応するバルブシートへの放熱が促されるとともに、その第２材料の層と前記第１材料の部分との間に断熱材が設けられていないことで、第１材料の部分、即ち弁体の内部へも熱が良好に導かれるようになる。よって、従来よりも均一な熱分布が得られるようになり、急な温度勾配により過大な熱応力が生じることはなくなる。

前記の熱溶射法には従来公知の種々の方法がある。熱溶射法においては例えば噴射バーナーの内部或いは外部にてガスフロー中に融解、溶化、若しくは溶解された溶射材料が、溶射粒子の態様で加速され、被覆しようとする材料の表面へ吹き付けられることになる。このとき被覆しようとする表面は溶化されず、その熱負荷は最小限に抑えられる。

また、そうして被覆しようとする表面に吹き付けられた溶射粒子は、この表面に衝突し、そこにおける微細な凹凸を平坦化しながら、プロセスや材料に依らない機械的な拘束力によって付着するようになる。そして、その上にさらに吹き付けられる溶射粒子が層状に付着して、皮膜を形成してゆく。

そのような熱溶射法のメリットは、形成される層（皮膜）の孔隙率が低く、この層と基材との接着性が良好なものであり、クラックフリーで、しかも比較的均一な微細構造となる点である。こうして形成される層の特性は、溶射粒子が被覆しようとする表面に接触する時点の温度と速度とによって主に決定され得る。

また、前記溶射材料の溶化又は溶解のためのエネルギー担体としては、例えば、電気アーク、プラズマジェット、レーザビーム、又は予熱されたガス（例えば、低温溶射、ＨＶＯＦ）等が挙げられる。すなわち、熱溶射法として具体的には、溶湯式溶射法、アーク溶射法（ワイヤアーク溶射）、プラズマ溶射法（大気中、或いは保護ガス下、減圧下で）、フレーム溶射法（粉体フレーム溶射、ワイヤフレーム溶射、プラスチックフレーム溶射、高速フレーム溶射等）、爆発溶射法（フレーム衝撃溶射）、低温溶射法、レーザ溶射法等々が用いられる。

弁体の構成に関しては、より具体的に、前記第２材料の層は、高温の排ガスの影響を所定以上に強く受ける範囲において前記密接領域との境界まで、即ちこの密接領域と接するように形成するのがよい。こうすれば、内燃機関の運転中にバルブが受ける高熱を密接領域からバルブシートへ速やかに放散することができるとともに、弁体のガス封止部における温度分布を均一化する上でも、より好ましい。

但し、そうして第２材料の層を密接領域との境界まで広げるとしても、この密接領域内、即ち直接、バルブシートに接触する部位には形成しないのがよい。これは、熱伝導性の高い材料が大抵は中程度の耐摩耗性しか有しないことから、このような材料からなる皮膜が密接領域に形成されると、比較的短時間で摩滅してしまうからである。この点、第１材料、即ちガス封止部の基材は、主として硬さに基づいて選択される。

また、第２材料の層は、低温溶射法によって形成される。低温溶射法では、粉状の被覆材料を高速で担体材料（基板）上に噴き付ける。そのために、数百℃に加熱したプロセスガスをラバルノズルにて膨張させて超音速にまで加速し、このガスフローへ粉体粒子を注入する。こうして注入された溶射粒子は、他の熱溶射法のように溶化又は溶解することなく基板に衝突し、しっかりと付着して稠密な皮膜を形成する。一般に低温溶射法によれば付着力の強い皮膜を形成でき、コスト効率も高い。

上述したように本発明によると、高温のガスに曝される弁体のガス封止部の表面にバルブシートとの密接領域が設けられている場合に、最大でその密接領域との境界まで、弁体の基材（第１材料）よりも熱伝導性の高い第２材料の層（皮膜）を形成することにより、前記密接領域からバルブシートへの放熱を促進できるとともに、ガス封止部における熱分布が従来より均一になって、耐久性が向上する。第２材料の層は熱溶射法によって容易に形成することができる
本発明のさらなる特徴及び利点は、従属請求項や図面、及び図面を参照した図の説明等により理解されるであろう。尚、上述の如く説明し、以下でさらに説明する本発明の特徴は、提示した組み合せだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組合せでも使用でき、さらには個別にも使用できる。

本発明の一実施形態として内燃機関のガス交換用バルブを示し、そのガス封止部である傘部の下面及び上面の外周寄りの部位に、相対的に熱伝導性の高い第２材料の層が形成されていることを示す概略図である。 傘部が中空状とされたバルブの実施形態を示す図１相当図である。

本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して、以下の説明でより詳細に説明される。尚、以下の説明において同様の参照符号は、同様、類似、又は機能的に同様若しくは類似な部品を示す。

図１及び図２にそれぞれ示す内燃機関のバルブは、その傘部及び軸部からなるバルブ本体１が基材（第１材料）によって形成されるとともに、燃焼室の高温の燃焼ガスに曝される傘部（ガス封止部）の表面（図の上面及び下面）には、第１材料よりも高い熱伝導性を有する第２材料の皮膜２（層）が形成されている。

その第２材料の皮膜２は円環状であり、外周縁がちょうど、バルブが閉じられたときにその傘部においてバルブシート（図示せず）に気密に接合される円環状の領域（密接領域）の内周縁に位置している。つまり、同図には、第２材料の皮膜２がバルブの傘部において径方向外方に最大限、大きく広がった状態を示している。

尚、両図の各実施形態において第２材料の皮膜２を、前記の密接領域を越えてバルブの傘部の外周縁まで形成してもよいが、その密接領域、即ち、バルブシートに直接、接触する部位には形成しないことが好ましい。これは、密接領域の耐摩耗性を確保するためである。

また、図示の２つの実施形態において第２材料の皮膜２は、例えば熱溶射法により形成される。このような熱溶射法として例えば溶湯式溶射法（molten bath spraying）、アーク溶射法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法、爆発溶射法、低温溶射法、又は、レーザ溶射法等が用いられる。特に低温溶射法が好ましい。

この低温溶射法は、第２材料、即ち被覆材料を粉状として非常に高い速度で担体材料の表面（この例ではバルブ本体１の傘部表面）に吹き付けるものである。そのために、数百℃に加熱したプロセスガス、例えば窒素又は他の不活性ガスを、ラバルノズルにて膨張させて超音速にまで加速し、この超高速のガスの流れに粉体粒子を注入する。こうして注入された溶射粒子は、他の熱溶射法のように溶化又は溶解することなく担体材料の表面に衝突し、しっかりと付着して稠密な皮膜を形成する。

それ以外の熱溶射法として、例えば、プラズマトーチにおいてアノードと最大で３つのカソードとが細隙によって分離されているプラズマ溶射法がある。直流電圧によってアノードとカソードとの間にアークが発生し、プラズマトーチを流れるガスは、アークによって導かれ、これにより電離される。解離又はそれに続く電離は、正のイオンと電子とからなる高温に加熱された電導性のガスを生成する。そして、そのガスに溶射材料、即ち第２材料が注入されて、高温のプラズマにより直ぐに溶解される。プラズマ・ガスフローは、溶射材料を搬送して担体材料の表面に吹き付ける。

以上のように形成される第２材料の皮膜２と担体、即ちバルブ本体１との間には通常、断熱材は設けない。熱伝導性の良い第２材料の皮膜２は、内燃機関の燃焼プロセスによって生じる高熱をバルブの傘部の中央付近から外周縁部に向かい良好に伝導し、その密接領域からバルブシートへと放散させるとともに、第２材料の皮膜２の全体から第１材料の部分、即ちバルブの傘部の内部へも均一に導くようになる。よって、バルブの傘部における熱分布が従来よりも均一なものとなり、急な温度勾配による熱応力等の悪影響が緩和される。

しかしながら、第２材料の皮膜２と第１材料の部分１（傘部）との間の接着性を向上するために、これらの間に例えばアルミニウムやニッケルを含む接着層を形成してもよい。接着層は、例えば第２材料の皮膜２を覆う腐食保護層のように最大１００μｍの厚みとしてもよい。このような腐食保護層はニッケルを含んでいてもよい。

一方で第２材料の皮膜２は通常、熱伝導性の良い材料、例えば、純度が９９％を上回る銅または銀によって形成される。第２材料の皮膜２の厚みは、０．２ｍｍを上回り且つ１．０ｍｍ未満とするのがよい。

Claims (7)

1. 高温ガスに曝される弁体のガス封止部の構造であって、
   前記ガス封止部の表面には、バルブシートに気密に接合される密接領域が設けられ、
   前記密接領域を除いたガス封止部の表面において、前記高温ガスに曝されてその影響を所定以上に強く受ける範囲の少なくとも一部が、第１材料の部分（１）と、これよりも熱伝導性の高い第２材料の層（２）と、で構成され、
   前記第２材料の層（２）が低温溶射法によって形成されたものであり、
   前記第２材料の層（２）には銅及び銀の少なくとも１つが含まれ、
   前記第２材料の層（２）の厚みが、０．２ｍｍよりも大きく且つ１ｍｍよりも小さく、
   前記第２材料の層（２）が少なくとも１つの腐食保護層によって被覆され、
   前記腐食保護層にはニッケルが含まれ、且つ該腐食保護層の厚みが最大で１００μｍである、ことを特徴とする弁体のガス封止部の構造。
2. 前記密接領域には前記第２材料の層（２）が形成されていない、請求項１に記載のガス封止部の構造。
3. 前記第１材料の部分（１）と第２材料の層（２）との間に接着層が設けられている、請求項１又は２のいずれか１つに記載のガス封止部の構造。
4. 前記接着層がニッケル及びアルミニウムの少なくとも１つを含む、請求項３に記載のガス封止部の構造。
5. 前記接着層の厚みが最大で１００μｍである、請求項３又は４のいずれかに記載のガス封止部の構造。
6. 前記封止部が概略円盤状とされ、その一方の面に円環状の前記密接領域が設けられていて、
   前記第２材料の層（２）は、前記封止部の一方の面において前記密接領域の内周側に接するように形成されるとともに、該密接領域の外周側にも形成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス封止部の構造。
7. 前記封止部が概略円盤状とされ、その一方の面に前記密接領域が設けられていて、
   前記第２材料の層（２）は、前記封止部の一方の面において前記密接領域に接するように形成されるとともに、当該封止部の他方の面にも形成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス封止部の構造。

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