JP6449666B2 - エンジンバルブ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンバルブに関する。詳しくは、軸部から傘部にかけて形成された中空部に冷媒が封入されたエンジンバルブに関する。

従来、エンジンバルブ（ポペットバルブ）の軸部から傘部にかけて形成された中空部に、金属ナトリウムからなる冷媒が封入されたナトリウム封入バルブが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。封入された金属ナトリウムは、エンジンの運転中に液化し、エンジンバルブの開閉動作に伴って中空部内を移動する。これにより、燃焼室内の排気から受けた熱をバルブガイドに逃がすことで、燃焼室内を冷却する。そのため、このナトリウム封入バルブは、中実バルブと比べて、高負荷時における燃費向上目的で点火時期を進角させたときに生じ易いノッキングを抑制できる。

ところが、このナトリウム封入バルブは、ノッキングが生じるノック域に限らず、低負荷でノッキングが生じないＭＢＴ域においても、燃焼室から熱を奪う。その結果、熱損失が増加するため、燃費が悪化する。

また、ナトリウムは常温で固体であるが、融点が９８℃で低温であるため、エンジン始動後直ぐに液化する。冷間始動時においては、燃焼安定化の観点から燃焼室内が早期に暖められるのが求められるところ、ナトリウム封入バルブでは液化した金属ナトリウムを介して燃焼熱が奪われるため、燃焼の安定化まで長時間を要する。

さらには、金属ナトリウムは非常に酸化し易く、酸化物になると熱伝導率が著しく低下する。そのため、金属ナトリウムは取り扱いが容易ではなく、ナトリウム封入バルブの価格高騰の一因となっている。以上を踏まえ、金属ナトリウム以外の冷媒について、種々の検討がなされている（例えば、特許文献３〜７参照）。

特開昭６０−１４５４１０号公報 特開２０１２−８７６２０号公報 特開平１１−１１７７１８号公報 特開平０９−１８４４０４号公報 国際公開第２０１４／０５４６１３号 実開昭５６−１４２２０４号公報 実開昭５８−１５１３０６号公報

しかしながら、特許文献３のエンジンバルブでは冷媒が粉体であるところ、冷媒の対流による熱伝導は液体ほどではないものの、エンジンバルブの開閉動作によって紛体が中空部内で撹拌されることで、ＭＢＴ域においても熱引きが行われ、熱損失が生じる。また、ノック域においても粉体が液化しないため、冷媒の対流による熱引き効果は得られず、ノッキング抑制効果は得られない。

また、特許文献４のエンジンバルブでは冷媒が低融点合金であるところ、ガソリンエンジンの排気温度は最も低いアイドリング中でも１５０℃〜１９０℃であるため、暖気完了後のエンジン運転中は常時液体となる。そのため、ＭＢＴ域においても熱引きが行われ、熱損失が生じる。

また、特許文献５〜７のエンジンバルブでは冷媒がアルミニウム合金やマグネシウム合金であるところ、これら合金の組成については何ら検討がなされていない。さらには、上述したような低負荷時等のエンジン低温域での熱引きによる熱損失や、中高負荷時等のエンジン高温域での熱引きによるノッキング抑制については何ら言及されてはいない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジン低負荷時では熱損失を抑制でき、エンジン高負荷時では熱引きを行うことでノッキングを抑制できるエンジンバルブを提供することにある。

（１）本発明は、軸部（例えば、後述の軸部１１）と、該軸部の軸方向一端側に一体的に設けられた傘部（例えば、後述の傘部１２）と、を含んで構成され、前記軸部から前記傘部にかけて中空部（例えば、後述の中空部１３）が形成されたエンジンバルブ（例えば、後述のエンジンバルブ１）であって、前記中空部に封入されたアルミニウム合金からなる冷媒（例えば、後述の冷媒１０）を備え、前記アルミニウム合金は、アルミニウムを５０質量％〜８６質量％含有するとともに、マグネシウムを１４質量％〜５０質量％含有するか、又は、マグネシウムと、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる合金元素を合計で１４質量％〜５０質量％含有するエンジンバルブを提供する。

（１）の発明によれば、マグネシウムで合金化されたアルミニウム合金、又は、マグネシウムを含む所定量の合金元素で合金化されたアルミニウム合金を冷媒として用いることで、その融点をおよそ４５０℃に低下させることができる。これにより、アイドリング運転時、ＭＢＴ域のうち正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）が最も少ない運転時又は低負荷運転時等のエンジン低温域において、冷媒が固体状態を維持できるため、エンジンバルブからの熱引きを抑制できる。従って、エンジンバルブからの熱損失を抑制できるため、燃費を向上できる。
また、定格点運転時、トルク点運転時等のノック域運転時や中高負荷運転時等のエンジン高温域において、冷媒が液体状態を維持できるため、エンジンバルブから熱引きを行うことで、燃焼室を冷却してノッキングを抑制できる。ひいては、ノッキングを抑制できるため、点火時期を進角させることができ、出力及び燃費を向上できる。

（２）本発明は、軸部（例えば、後述の軸部１１）と、該軸部の軸方向一端側に一体的に設けられた傘部（例えば、後述の傘部１２）と、を含んで構成され、前記軸部から前記傘部にかけて中空部（例えば、後述の中空部１３）が形成されたエンジンバルブ（例えば、後述のエンジンバルブ１）であって、前記中空部に封入されたマグネシウム合金からなる冷媒（例えば、後述の冷媒１０）を備え、前記マグネシウム合金は、マグネシウムを５０質量％〜８５質量％含有するとともに、アルミニウムを１５質量％〜５０質量％含有するか、又は、アルミニウムと、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる合金元素を合計で１５質量％〜５０質量％含有するエンジンバルブを提供する。

（２）の発明によれば、アルミニウムで合金化されたマグネシウム合金、又は、アルミニウムを含む所定量の合金元素で合金化されたマグネシウム合金を冷媒として用いることで、その融点をおよそ４３７℃に低下させることができる。これにより、（１）の発明と同様の効果が奏される。

（３）本発明は、軸部（例えば、後述の軸部１１）と、該軸部の軸方向一端側に一体的に設けられた傘部（例えば、後述の傘部１２）と、を含んで構成され、前記軸部から前記傘部にかけて中空部（例えば、後述の中空部１３）が形成されたエンジンバルブ（例えば、後述のエンジンバルブ１）であって、前記中空部に封入されたナトリウム合金からなる冷媒（例えば、後述の冷媒１０）を備え、前記ナトリウム合金は、バリウムを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７２モル％含有するナトリウム合金、ビスマスを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７５モル％含有するナトリウム合金、又は、スズを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７９モル％含有するナトリウム合金であるエンジンバルブを提供する。

（３）の発明によれば、バリウム、ビスマス又はスズを所定量含んで合金化されたナトリム合金を冷媒として用いることで、その融点をそれぞれ、およそ１９７℃、４４４℃又は３５７℃〜４４１℃に高めることができる。これにより、（１）の発明と同様の効果が奏される。

（４）（１）の発明において、前記軸部及び前記傘部は、耐熱鋼からなり、前記アルミニウム合金の合金元素は、マグネシウムと、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなることが好ましい。

リチウム及び亜鉛は、オーステナイト系ステンレス等の耐熱鋼からなる軸部及び傘部で構成されたエンジンバルブを液体金属脆化させる特性を有する。これに対して（４）の発明によれば、合金元素としてリチウム及び亜鉛を含まないアルミニウム合金を冷媒として用いるため、エンジンバルブの脆弱化を抑制できる。

（５）（２）の発明において、前記軸部及び前記傘部は、耐熱鋼からなり、前記マグネシウム合金の合金元素は、アルミニウムと、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなることが好ましい。

（５）の発明によれば、合金元素としてリチウム及び亜鉛を含まないマグネシウム合金を冷媒として用いるため、（４）の発明と同様の効果が奏される。

本発明によれば、エンジン低負荷時では熱損失を抑制でき、エンジン高負荷時では熱引きを行うことでノッキングを抑制できるエンジンバルブを提供できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンバルブの縦断面図であり、冷媒が固体のときにエンジンバルブが閉じた状態を示す図である。 上記実施形態に係るエンジンバルブの縦断面図であり、冷媒が固体のときにエンジンバルブが開いた状態を示す図である。 上記実施形態に係るエンジンバルブの縦断面図であり、冷媒が液体のときにエンジンバルブが閉じた状態を示す図である。 上記実施形態に係るエンジンバルブの縦断面図であり、冷媒が液体のときにエンジンバルブが開いた位状態を示す図である。 エンジンのＢＳＦＣマップを示す図である。 エンジントルク曲線及びエンジン出力曲線を示す図である。 エンジンのＭＢＴ域とノック域を示す図である。 通常のガソリンエンジンの運転エリアを示す図である。 ハイブリッドエンジンの運転エリアを示す図である。 ２成分系アルミニウム−マグネシウム合金の状態図である。 ２成分系ナトリウム−バリウム合金の状態図である。 ２成分系ナトリウム−ビスマス合金の状態図である。 ２成分系ナトリウム−スズ合金の状態図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンバルブ１の縦断面図であり、後述する冷媒１０が固体のときにエンジンバルブ１が閉じた状態を示す図である。図１では、本実施形態に係るエンジンバルブ１をガソリンエンジンの排気バルブとして適用した例を示している（図２〜図４も同様）。

本実施形態に係るエンジンバルブ１は、エンジンのシリンダヘッド２に設けられ、シリンダヘッド２内に形成された排気通路３の燃焼室４側に配置される。エンジンバルブ１は、図示しないエンジンの回転に応じて回転するカムに連動したバルブリフタにより往復運動することで、排気通路３と燃焼室４とを連通する排気ポート５を開閉する。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジンバルブ１は、軸部１１と、傘部１２と、を含んで構成される。エンジンバルブ１は、鉄の含有量が５０質量％以上の合金からなる耐熱鋼により構成される。

軸部１１は、棒状に延びる略円柱形状を有する。この軸部１１は、シリンダヘッド２に形成されたバルブ挿通孔２１内に挿通される。より詳しくは、バルブ挿通孔２１の内周面に設けられた円筒状のバルブガイド２２に摺接するように挿通される。即ち、軸部１１は、エンジンバルブ１の往復運動によりバルブガイド２２内を摺動する。

傘部１２は、軸部１１の軸方向一端側（燃焼室４側の下端側）に、軸部１１と一体的に設けられる。傘部１２は、その横断面形状（エンジンバルブ１の中心軸線に直交する方向の断面形状）が略円形状であり、その先端（燃焼室４側の下端、以下同じ。）に向かうに従い拡径された形状を有する。即ち、傘部１２の外側壁１２１は、エンジンバルブ１の中心軸線に対して傾斜している。

傘部１２の外側壁１２１の先端側には、その周方向全体に亘ってテーパ状に形成されたバルブフェイス１２２が設けられる。バルブフェイス１２２は、先端側ほど拡径している。エンジンバルブ１が上方の排気通路３側に移動すると、このバルブフェイス１２２がシリンダヘッド２の排気ポート５の内周面に設けられた略円環状のバルブシート２３に圧接されることで、排気ポート５が閉じた状態となる。一方、エンジンバルブ１が下方の燃焼室４側に移動すると、このバルブフェイス１２２がバルブシート２３から離間することで、排気ポート５が開いた状態となる。このようにして、バルブフェイス１２２がバルブシート２３と離接することにより、排気ポート５が開閉される。

また、図１に示すように、軸部１１から傘部１２にかけて、これらの内部には中空部１３が形成されている。中空部１３は、略円柱状を有し、エンジンバルブ１の中心軸線上に形成される。中空部１３の上端は、中空部１３がバルブガイド２２の全長のおよそ７割の範囲とラップするような位置に位置している。中空部１３の下端は、傘部１２の下端１２ａ近傍に位置している。

上述の中空部１３には、冷媒１０が封入されている。冷媒１０は、中空部１３内の少なくとも５０〜６０容量％を満たすように、空気とともに中空部１３内に密封される。冷媒１０は、燃焼室４内の排気から受けた熱を、シリンダヘッド２内に設けられた図示しないオイルやウォータージャケットの冷却水によって冷却されるバルブガイド２２に逃がすことで、熱引きを行う。即ち、冷媒１０による熱引きは、エンジンバルブ１の軸部１１を介してバルブガイド２２に熱が伝達されることで行われる。ここで、バルブガイド２２は、後述するようにオーステナイト系ステンレス等で構成されるエンジンバルブ１と比べて、より熱伝導率が高い真鍮等の材料で構成される。そのため、冷媒１０とバルブガイド２２の距離が近いほど、熱引き効率は高くなる。

冷媒１０としては、後段で詳述するが、従来の金属ナトリウム等と比べて融点が高いものが用いられる。従って、エンジン運転中において、冷媒１０は固体状態と液体状態を取り得る。以下、冷媒１０が固体のときと液体のときにおける挙動について、図１〜図４を参照して説明する。

図２は、エンジンバルブ１の縦断面図であり、冷媒１０が固体のときにエンジンバルブ１が開いた状態を示す図である。
図１及び図２に示すように、冷媒１０が固体の場合は、中空部１３内で冷媒１０自体が移動することはなく、冷媒１０内で対流が生じることもない。そのため、エンジンバルブ１が開いて燃焼室４内の排気から冷媒１０が受けた熱の移動は、後述する冷媒１０が液体の場合よりも少ない。従って、例えばアイドリング運転等のエンジン低負荷時において、燃焼室４内の排気温度が低温であるため冷媒１０が固体である場合には、冷媒１０が液体である場合と比べて、エンジンバルブ１による熱引きが小さい。即ち、エンジンバルブ１からの熱損失が小さく、燃費が向上する。

一方、図３は、エンジンバルブ１の縦断面図であり、冷媒１０が液体のときにエンジンバルブ１が閉じた状態を示す図である。図４は、エンジンバルブ１の縦断面図であり、冷媒１０が液体のときにエンジンバルブ１が開いた状態を示す図である。
図３及び図４に示すように、冷媒１０が液体の場合は、エンジンバルブ１が下方に移動して開いたときに、冷媒１０内で対流が生じるとともに冷媒１０が強制的に撹拌されて中空部１３内の上部に移動し、中空部１３内の上部が冷媒１０で満たされる（図４参照）。そのため、エンジンバルブ１が開いて燃焼室４内の排気から冷媒１０が受けた熱の移動は、上述の冷媒１０が固体の場合よりも多い。加えて、冷媒１０とバルブガイド２２との距離が近くなるため、エンジンバルブ１からバルブガイド２２に効率良く熱が伝達される。従って、例えばノック域運転時や中高負荷運転時等のエンジン高温域において、燃焼室４内の排気温度が高温であるため冷媒１０が液体である場合には、冷媒１０が固体である場合と比べて、エンジンバルブ１による熱引きが大きい。即ち、エンジンバルブ１からの熱損失が大きく、エンジン高温域で生じ易いノッキングが抑制される。さらには、ノッキングが抑制されるため、点火時期を進角させることができ、出力及び燃費が向上する。

従って本実施形態では、冷媒１０として、最もエンジンの負荷が低いアイドリング運転時において固体である冷媒が用いられる。そのため、ノッキングが発生しないアイドリング運転時では、冷媒１０が固体になることで、中空部１３内での冷媒１０の移動による熱引きが抑制される。またこれにより、エンジンバルブ１からの熱損失が低減され、燃費が向上する。

また本実施形態では、冷媒１０として、ＭＢＴ域のうち正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）が最も少ない運転領域において固体である冷媒が好ましく用いられる。
ここで、図５は、エンジンのＢＳＦＣマップを示す図である。図５中、横軸はエンジン回転数を表し、縦軸はエンジントルクを表している。図５のＢＳＦＣマップは、要求されたエンジントルクに対して最も効率の良いエンジン回転数を表しており、図５中の運転領域ａ＜運転領域ｂ＜運転領域ｃ＜運転領域ｄの順に、燃料消費率（ｇ／ｋＷｈ）が大きい。そのため、有段ギアを有する変速機の多段化や無段変速機の適用により、エンジンの運転が、最も燃費が良い、即ちＢＳＦＣが最も少ない運転領域ａ内で行われるように、ギア比が制御される。図５に示すように、通常この運転領域ａはＭＢＴ域内であり、ＭＢＴ域のうちＢＳＦＣが最も少ない運転領域ａでは、排気温度が比較的低温となるため、このときに冷媒１０が固体になることで、エンジンバルブ１からの熱損失が低減され、燃費がさらに向上する。

また本実施形態では、冷媒１０として、最もエンジンの負荷が高い定格点運転時において液体である冷媒が用いられる。さらには、冷媒１０として、トルク点運転時において液体である冷媒が好ましく用いられ、ノッキングが発生するノック域の全域において液体である冷媒がより好ましく用いられる。

ここで、図６は、エンジントルク曲線及びエンジン出力曲線を示す図である。図６中、横軸はエンジン回転数を表し、縦軸はエンジントルク又はエンジン出力を表している。図６に示すように、エンジン出力が最高となる定格点において、エンジンの負荷は最も高くなる。この最もエンジンの負荷が高い定格点運転時には、ノッキングが生じ易く、排気温度が最も高くなる。そのため、この定格点運転時に冷媒１０が液体となることで、冷媒１０の対流及び移動によるバルブガイド２２への熱引きにより、燃焼室４内が冷却され、ノッキングが抑制される。さらには、ノッキングが抑制されるため、点火時期を進角させることができ、出力及び燃費が向上する。

また、高回転域である定格点では回転数が早過ぎて燃焼が十分追い付かないため、より低回転域であるトルク点の方がよりノッキングが生じ易い。そのため、このトルク点運転時に冷媒１０が液体となることで、ノッキングがより抑制され、出力及び燃費をより向上できる。

図７は、エンジンのＭＢＴ域とノック域を示す図である。図７中、横軸はエンジン回転数を表し、縦軸はエンジントルクを表している。図７に示すように、ノック域はＭＢＴ域の外側に位置し、エンジン回転数やトルクを大きくすることでＭＢＴ域を逸脱し、ノッキングが発生する運転領域である。上述の定格点及びトルク点を含むこのノック域の全域において、冷媒１０が液体となることで、ノッキングがさらに抑制され、出力及び燃費をさらに向上できる。

ここで、本明細書では、アイドリング運転時、定格点運転時、トルク点運転時、ノック域運転時とは、エンジンが安定的にアイドリング、定格点、トルク点、ノック域にて運転されている状態を表す。即ち、これらに冷間始動時は含まれない。

なお、本実施形態に係るエンジンバルブ１は、ハイブリッドエンジンに対して好ましく適用される。ここで、図８Ａは、通常のガソリンエンジンの運転エリアを示す図であり、図８Ｂは、ハイブリッドエンジンの運転エリアを示す図である。
通常のガソリンエンジン及びハイブリッドエンジンいずれも、最も燃費の良い領域を走行するのが通常である。通常のガソリンエンジンの場合、運転者の要求に対してダイレクトに出力を出す必要があることから、低負荷時や高負荷時に燃費の悪い領域での運転を余儀なくされることがあり、その運転エリアＮＡは図８Ａ中に破線で示す通りとなる。

これに対して、ハイブリッドエンジンの場合、低負荷時には燃費最適領域で運転され、余剰トルクはバッテリーに回収される。また、高負荷時には燃費最適領域で運転し、不足トルクはバッテリーから補われる。従って、ハイブリッドエンジンにおいては、燃費最適領域での運転割合が通常のガソリンエンジンに比べて高く、その運転エリアＨＡは図８Ｂ中に破線で示す通りとなる。従って、この運転エリアＨＡにおいて、冷媒１０が固体であるのが好ましく、これにより、エンジンバルブ１からの熱損失による燃費ロスが回避される。

以上を踏まえ、本実施形態に係るエンジンバルブ１では、冷媒１０として、上述の好ましい態様を含めた冷媒を実現できる具体的なものとして、特定のアルミニウム合金、特定のマグネシウム合金又は特定のナトリウム合金が用いられる。
以下、これらの各合金について、詳しく説明する。

［アルミニウム合金］
本実施形態の冷媒１０として用いるアルミニウム合金は、２元素以上を含有するアルミニウム合金である。具体的には、アルミニウムを５０質量％〜８６質量％含有するとともに、マグネシウムを１４質量％〜５０質量％含有するか、又は、マグネシウムと、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる合金元素を合計で１４質量％〜５０質量％含有する。即ち、本実施形態のアルミニウム合金は、合金元素として少なくともマグネシウムを含み、加えて上記列挙した合金元素を１種以上含んでもよい。

ここで、図９は、２成分系アルミニウム−マグネシウム合金の状態図である。図９中、横軸はマグネシウムの質量％を表し、縦軸は温度（℃）を表している。
図９に示すように、アルミニウム−マグネシウム合金は、マグネシウム含有量が１４質量％〜８５質量％、即ちアルミニウム含有量が１５質量％〜８６質量％の範囲内であれば、その融点はおよそ４３７℃〜４５０℃であることが分かる。

従って、合金元素としてマグネシウムを含むアルミニウム合金でアルミニウム含有量が５０質量％〜８６質量％である本実施形態の冷媒１０は、およそ４５０℃までは固体であることが分かる。これにより、排気温度が１５０℃〜１９０℃であるアイドリング運転時において、本実施形態の冷媒１０は固体状態を維持できる。
一方、高負荷時には、排気温度は通常７００℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。また、中負荷時には、排気温度は通常４５０℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。

ここで、図９から分かるように、アルミニウム合金中のアルミニウム含有量が８６質量％を超えると、その融点は４５０℃から急激に上昇し、純アルミニウムに至るとその融点は６６０℃と非常に高温となる。そのため、アルミニウム含有量が８６質量％を超えたアルミニウム合金を冷媒に用いた場合には、中高負荷時のノック域においても融解せずにノッキングを改善できない。そこで本実施形態では、アルミニウム含有量が５０質量％〜８６質量％の範囲内となるようにアルミニウムを合金化することで、融点を低下させて冷媒として用いている。これにより、ノック域で確実に融解し、ノッキングを抑制できるようになっている。

また、純アルミニウムの熱伝導率は、約２３０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であり、エンジンバルブ１を構成する耐熱鋼の熱伝導率に比して高い。これに対して本実施形態では、アルミニウムを合金化して固体のときの熱伝導率を低下させて冷媒として用いている。これにより、ＭＢＴ域で熱引きを抑制し、熱損失をさらに低下できるようになっている。

また、２成分系のアルミニウム−マグネシウム合金に対して、アルミニウム及びマグネシウム以外の特定の合金元素を含有させることにより、融点を低下させることができる。特定の合金元素としては、融点の低い典型元素が挙げられ、中でも、上記で列挙したように、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種が用いられる。これにより、冷媒１０の融点を低下させることができ、上記合金元素の含有量を合計で１４質量％〜５０質量％の範囲内とすることで、ＭＢＴ域のうちＢＳＦＣが最も少ない運転領域において固体状態を維持できる冷媒とすることができる。

ところで、合金元素としては、エンジンバルブ１を構成する耐熱鋼に対して液体金属脆化を起こさない元素であることが好ましい。液体脆化を起こす元素を用いた場合、合金が液化した際に耐熱鋼が脆化し、最悪の場合エンジンバルブが破損するおそれがある。例えば、ニッケルを含有するオーステナイト系ステンレスであるＳＵＨ３５を用いる場合に、合金元素としてリチウムや亜鉛を用いると、冷媒１０が液体状態のときにＳＵＨ３５が液体金属脆化を引き起こすおそれがある。
従って本実施形態では、マグネシウムを除く上記で列挙した合金元素のうち、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。

［マグネシウム合金］
本実施形態の冷媒１０として用いるマグネシウム合金は、２元素以上を含有するマグネシウム合金である。具体的には、マグネシウムを５０質量％〜８５質量％含有するとともに、アルミニウムを１５質量％〜５０質量％含有するか、又は、アルミニウムと、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる合金元素を合計で１５質量％〜５０質量％含有する。即ち、本実施形態のマグネシウム合金は、合金元素として少なくともアルミニウムを含み、加えて上記列挙した合金元素を１種以上含んでもよい。

上述した図９に示すように、合金元素としてアルミニウムを含むマグネシウム合金でマグネシウム含有量が５０質量％〜８５質量％である本実施形態の冷媒１０は、およそ４３７℃付近までは固体であることが分かる。これにより、排気温度が１５０℃〜１９０℃であるアイドリング運転時において、本実施形態の冷媒１０は固体状態を維持できる。
一方、高負荷時には、排気温度は通常７００℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。また、中負荷時には、排気温度は通常４５０℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。

ここで、図９から分かるように、マグネシウム合金中のマグネシウム含有量が８５質量％を超えると、その融点は４３７℃から急激に上昇し、純マグネシウムに至るとその融点は６５０℃と非常に高温となる。そのため、マグネシウム含有量が８５質量％を超えたアルミニウム合金を冷媒に用いた場合には、中高負荷時のノック域においても融解せずにノッキングを改善できない。そこで本実施形態では、マグネシウム含有量が５０質量％〜８５質量％の範囲内となるようにマグネシウムを合金化することで、融点を低下させて冷媒として用いている。これにより、ノック域で確実に融解し、ノッキングを抑制できるようになっている。

また、純マグネシウムの熱伝導率は、約１６０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であり、エンジンバルブ１を構成する耐熱鋼の熱伝導率に比して高い。これに対して本実施形態では、マグネシウムを合金化して固体のときの熱伝導率を低下させて冷媒として用いている。これにより、ＭＢＴ域で熱引きを抑制し、熱損失をさらに低下できるようになっている。

また、上述したアルミニウム合金と同様に、本実施形態のマグネシウム合金も、アルミニウム以外の特定の合金元素を含有させることにより、融点を低下させることができる。特定の合金元素は上述した通りであり、これらのうち、エンジンバルブ１を構成する耐熱鋼に対して液体金属脆化を起こさない元素が好ましいことも同様である。

［ナトリウム合金］
本実施形態の冷媒１０として用いるナトリウム合金は、２元素以上を含有するナトリウム合金である。具体的には、ナトリウム合金は、バリウムを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７２モル％含有するナトリウム合金、ビスマスを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７５モル％含有するナトリウム合金、又は、スズを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７９モル％含有するナトリウム合金である。

ここで、図１０は、２成分系ナトリウム−バリウム合金の状態図である。図１０中、上横軸はバリウムの質量％を表し、下横軸はバリウムのモル％を表し、縦軸は温度（℃）を表している。
図１０に示すように、ナトリウム含有量が５０モル％以上のナトリウム−バリウム合金は、バリウム含有量が２８モル％〜５０モル％の範囲内、即ちナトリウム含有量が５０モル％〜７２モル％であれば、その融点はおよそ１９７℃であることが分かる。このように、通常の金属は合金化すると単一金属よりも融点が低下するところ、ナトリウム合金は純ナトリウム（融点９８℃）よりも融点が高くなる特性を有する。

従って、合金元素としてバリウムを含むナトリウム合金でナトリウム含有量が５０モル％〜７２モル％である本実施形態の冷媒１０は、およそ１９７℃付近までは固体であることが分かる。これにより、排気温度が１５０℃〜１９０℃であるアイドリング運転時において、本実施形態の冷媒１０は固体状態を維持できる。
一方、高負荷時には、排気温度は通常７００℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。また、中負荷時には、排気温度は通常４５０℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。

なお、図１０から分かるように、ナトリウム−バリウム合金中のナトリウム含有量が７２モル％を超えると、その融点は１９７℃から急激に低下する。そのため、ナトリウム含有量が７２モル％を超えたナトリウム−バリウム合金を冷媒に用いた場合には、アイドリング運転時において固体状態を維持できない。そこで本実施形態では、ナトリウム含有量が５０モル％〜７２モル％の範囲内となるようにナトリウムをバリウムで合金化することで、上述の効果が得られるようになっている。

また、図１１は、２成分系ナトリウム−ビスマス合金の状態図である。図１１中、上横軸はナトリウムの質量％を表し、下横軸はナトリウムのモル％を表し、縦軸は温度（℃）を表している。
図１１に示すように、ナトリウム含有量が５０モル％以上のナトリウム−ビスマス合金は、ナトリウム含有量が５０モル％〜７５モル％の範囲内であれば、その融点はおよそ４４４℃であることが分かる。

従って、合金元素としてビスマスを含むナトリウム合金でナトリウム含有量が５０モル％〜７５モル％である本実施形態の冷媒１０は、およそ４４４℃付近までは固体であることが分かる。これにより、排気温度が１５０℃〜１９０℃であるアイドリング運転時において、本実施形態の冷媒１０は固体状態を維持できる。
一方、高負荷時には、排気温度は通常７００℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。また、中負荷時には、排気温度は通常４５０℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。

なお、図１１から分かるように、ナトリウム−ビスマス合金中のナトリウム含有量が７５モル％を超えると、その融点はおよそ９７．８℃に急激に低下する。そのため、ナトリウム含有量が７５モル％を超えたナトリウム−ビスマス合金を冷媒に用いた場合には、アイドリング運転時において固体状態を維持できない。そこで本実施形態では、ナトリウム含有量が５０モル％〜７２モル％の範囲内となるようにナトリウムをビスマスで合金化することで、上述の効果が得られるようになっている。

また、図１２は、２成分系ナトリウム−スズ合金の状態図である。図１２中、上横軸はスズのモル％を表し、下横軸はスズの質量％を表し、縦軸は温度（℃）を表している。
図１２に示すように、ナトリウム含有量が５０モル％以上のナトリウム−スズ合金は、スズ含有量が２１モル％〜５０モル％、即ちナトリウム含有量が５０モル％〜７９モル％の範囲内であれば、その融点はおよそ３５７℃〜４４１℃であることが分かる。

従って、合金元素としてスズを含むナトリウム合金でナトリウム含有量が５０モル％〜７９モル％である本実施形態の冷媒１０は、およそ３５７℃〜４４１℃までは固体であることが分かる。これにより、排気温度が１５０℃〜１９０℃であるアイドリング運転時において、本実施形態の冷媒１０は固体状態を維持できる。
一方、高負荷時には、排気温度は通常７００℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。また、中負荷時には、排気温度は通常４５０℃を超えるため、冷媒１０は液体状態を維持できる。

なお、図１２から分かるように、ナトリウム−スズ合金中のナトリウム含有量が７９モル％を超えると、その融点はおよそ９７．８℃に急激に低下する。そのため、ナトリウム含有量が７９モル％を超えたナトリウム−スズ合金を冷媒に用いた場合には、アイドリング運転時において固体状態を維持できない。そこで本実施形態では、ナトリウム含有量が５０モル％〜７９モル％の範囲内となるようにナトリウムをスズで合金化することで、上述の効果が得られるようになっている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

１…エンジンバルブ
２…シリンダヘッド
３…排気通路
４…燃焼室
５…排気ポート
１０…冷媒
１１…軸部
１２…傘部
１３…中空部
２１…バルブ挿通孔
２２…バルブガイド
２３…バルブシート
１２１…外側壁
１２２…バルブフェイス

Claims (3)

1. 軸部と、該軸部の軸方向一端側に一体的に設けられた傘部と、を含んで構成され、前記軸部から前記傘部にかけて中空部が形成されたエンジンバルブであって、
   前記中空部に封入されたアルミニウム合金からなる冷媒を備え、
   前記アルミニウム合金は、
   アルミニウムを５０質量％〜８６質量％含有するとともに、
   マグネシウムを１４質量％〜５０質量％含有するか、又は、
   マグネシウムと、リチウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる合金元素を合計で１４質量％〜５０質量％含有するエンジンバルブ。
2. 軸部と、該軸部の軸方向一端側に一体的に設けられた傘部と、を含んで構成され、前記軸部から前記傘部にかけて中空部が形成されたエンジンバルブであって、
   前記中空部に封入されたナトリウム合金からなる冷媒を備え、
   前記ナトリウム合金は、バリウムを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７２モル％含有するナトリウム合金、ビスマスを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７５モル％含有するナトリウム合金、又は、スズを含有し且つナトリウムを５０モル％〜７９モル％含有するナトリウム合金であるエンジンバルブ。
3. 前記軸部及び前記傘部は、耐熱鋼からなり、
   前記アルミニウム合金の合金元素は、マグネシウムと、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、インジウム、スズ、バリウム及びビスマスからなる群より選ばれる少なくとも１種と、からなる請求項１に記載のエンジンバルブ。

Images