JP6486130B2 - 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℃以上であるため、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、冷媒としてアルミニウム合金やマグネシウム合金を用いた検討がなされている。しかしながら、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。

また、従来のエンジンバルブでは、通常、バルブガイドの下端よりも上方まで冷媒が封入される。これは、ノッキングが生じ易いエンジン高温域で冷媒が液体状態の場合において、エンジンバルブの開閉動作時に生じる冷媒の撹拌による熱移動と、エンジンバルブが閉弁している時に冷媒の対流による熱移動を利用して、オイルやウォータージャケット冷却水にて冷却されたバルブガイドに熱引きをして燃焼室を冷却することで、ノッキングを抑制するためである。

しかしながら、ノッキングが生じないエンジン低負荷時で冷媒が固体状態の場合において、バルブガイドの下端よりも上方まで冷媒が封入されていると、本来は燃焼室内を冷却する必要が無いにも関わらず、燃焼室から受けた熱が冷媒を通じてバルブガイドに熱引きをして燃焼室を冷却することとなり、熱損失が発生する。

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、シリンダヘッド（例えば、後述のシリンダヘッド２）に設けられた略円筒状のバルブガイド（例えば、後述のバルブガイド２２）内を前記軸部が摺動可能となるように取り付けられることで前記傘部により燃焼室（例えば、後述の燃焼室４，排気ポート５）を開閉するエンジンバルブ（例えば、後述のエンジンバルブ１）であって、前記軸部から前記傘部にかけて形成された中空部（例えば、後述の中空部１３）に封入された金属からなる冷媒（例えば、後述の冷媒１０）を備え、前記エンジンバルブの閉弁時において、前記傘部の下端（例えば、後述の傘部１２の下端１２ａ）から前記バルブガイドの下端（例えば、後述のバルブガイド２２の下端２２ａ）までの軸方向距離をＬａ（例えば、後述のＬａ）としたときに、前記冷媒が全て固体であるときは、前記傘部の下端から前記冷媒の上端（例えば、後述の冷媒１０の上端１０ａ）までの軸方向距離Ｌ１（例えば、後述のＬ１）が前記Ｌａよりも小さく、前記冷媒が全て液体であるときは、前記傘部の下端から前記冷媒の上端までの軸方向距離Ｌ２（例えば、後述のＬ２）が前記Ｌａよりも大きいエンジンバルブを提供する。

（１）の発明では、エンジンバルブの閉弁時において冷媒が固体状態のときに、中空部における固気界面がバルブガイドの下端よりも下方の燃焼室側に位置するように構成する。
これにより、燃焼室から冷媒に流れ込んだ熱は、バルブガイドと接していないエンジンバルブの軸部を構成する母材を経由して、バルブガイドに流れ込むこととなる。経由する母材部分には中空部が形成されているため断面積が小さく、また、通常、母材は耐熱鋼やチタン合金からなりこれらは熱伝導率が小さいため熱引きが阻害される結果、熱損失を抑制できる。
従って、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、冷媒が固体状態となったときに、閉弁時においてエンジンバルブによる熱引きを抑制できる。ひいては、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、（１）の発明では、エンジンバルブの閉弁時において冷媒が液体状態のときに、中空部における気液界面がバルブガイドの下端よりも上方に位置するように構成する。
これにより、燃焼室から冷媒に流れ込んだ熱は、冷媒の対流によってバルブガイド近傍まで拡散され、オイルやウォータージャケット冷却水にて冷却されたバルブガイドに流れ込むこととなる。その結果、エンジンバルブの閉弁時においても、バルブガイドによる熱引きを効率良く行うことができる。
従って、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、冷媒が液体状態となったときに、閉弁時において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より抑制できる。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。
なお、通常、冷媒は液体の方が密度が低く、液化する際に体積膨張することから、その体積膨張率に応じて冷媒量を適宜設定することで、本発明の冷媒量を達成できる。

（２）（１）の発明において、前記エンジンバルブの全開時において、前記中空部の上端（例えば、後述の中空部１３の上端１３ａ）から前記バルブガイドの下端までの軸方向距離をＬｂ（例えば、後述のＬｂ）としたときに、前記冷媒が前記中空部の上部で固着したときは、前記中空部の上端から前記冷媒の下端（例えば、後述の冷媒１０の下端１０ｂ）までの軸方向距離Ｌ３（例えば、後述のＬ３）が前記Ｌｂよりも大きいことが好ましい。

上述したように、バルブガイドは、オイルやウォータージャケット冷却水により冷却されるため、バルブガイド近傍のエンジンバルブの母材、即ち中空部の最上部近傍の母材の温度は、冷媒の融点よりも低くなるおそれがある。そのため、低負荷時等のエンジン低温域において、中空部の上部で冷媒が固化するおそれがある。従って、冷媒が液化する高負荷運転と冷媒が固化する低負荷運転とを交互に繰り返し行うと、冷媒が中空部の上部に固着して堆積し、一旦堆積すると冷媒の液化に時間がかかる。特に、固着して堆積した冷媒が全てバルブガイドの下端よりも上方に位置する場合には、排気から受ける熱が少なくなるうえバルブガイドへの熱引きによって、その液化に長時間を要する。すると、エンジンバルブによる熱引きを効率良く行うことができず、ノッキングを抑制できない。

これに対して（２）の発明では、エンジンバルブの全開時において、冷媒が中空部の上部で固着したときは、中空部における固気界面がバルブガイドの下端よりも下方に位置するように構成する。
これにより、エンジンバルブの全開時（即ち、バルブリフト量最大時）において、中空部の上部で固着した冷媒の一部がバルブガイドの下端よりも下方にはみ出るため、バルブガイドへの熱引きを受け難くなる。加えて、下方にはみ出た冷媒は排気からの熱を受け易いため早期に液化する。液化した冷媒は、エンジンバルブの開閉動作に伴って中空部の下端（燃焼室側）と固着した冷媒との間を移動して撹拌されることで、燃焼室から受けた熱を固着した冷媒に直接伝達する。従って、固着した冷媒は速やかに液化し、エンジンバルブは本来の冷却性能を発揮する結果、ノッキングをより抑制できる。

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。 上記実施形態の好ましい態様に係るエンジンバルブの縦断面図であり、エンジンバルブの全開時に中空部の上部に冷媒が固着した状態を示す図である。 上記実施形態の好ましい態様に係るエンジンバルブの縦断面図であり、エンジンバルブの閉弁時に中空部の上部に冷媒が固着した状態を示す図である。

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（軸部１１の軸方向と同一方向）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又は特定のマグネシ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。

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℃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、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。

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。

次に、上述した本実施形態に係る冷媒１０の封入量について、図１及び図３を参照して詳しく説明する。
図１に示すように、本実施形態では、エンジンバルブ１の閉弁時において、傘部１２の下端１２ａからバルブガイド２２の下端２２ａまでの軸方向距離をＬａとする。このとき、燃焼室４が低温であるために冷媒１０が全て固体である場合、傘部１２の下端１２ａから冷媒１０の上端１０ａまでの軸方向距離Ｌ１は、Ｌａよりも小さく設定されている。即ち、本実施形態では、エンジンバルブ１の閉弁時において、冷媒１０が固体状態のときに、中空部１３における固気界面（冷媒１０の上端１０ａ）が、バルブガイド２２の下端２２ａよりも下方の燃焼室４側に位置する。
なお、本実施形態では、傘部１２の下端１２ａ、バルブガイド２２の下端２２ａ及び中空部１３における固気界面（冷媒１０の上端１０ａ）は、いずれも略水平面となっている。

ところで、従来では、ノッキングが生じないエンジン低温域で冷媒が固体状態の場合において、バルブガイドの下端よりも上方まで冷媒が封入されているのが通常である。しかしながらこの場合には、本来は燃焼室内を冷却する必要が無いにも関わらず、燃焼室から受けた熱が冷媒を通じてバルブガイドに熱引きをして燃焼室を冷却することとなり、熱損失が発生する。

これに対して本実施形態では、図１中の黒矢印で熱の移動を示すように（便宜上、図１中の左方向に移動する熱のみを示している）、燃焼室４から冷媒１０に流れ込んだ熱は、バルブガイド２２と接していないエンジンバルブ１の軸部１１を構成する母材を経由して、バルブガイド２２に流れ込む。経由する母材部分には中空部１３が形成されているため断面積が小さい。また上述したように、通常、母材は耐熱鋼やチタン合金からなり、これらは熱伝導率が小さいため、熱引きが阻害され、熱損失が抑制されている。

従って、本実施形態によれば、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１０が固体状態となったときに、閉弁時においてエンジンバルブ１による熱引きを抑制できる。ひいては、エンジンバルブ１からの熱損失を抑制できるため、燃費を向上できる。

また、図３に示すように本実施形態では、エンジンバルブ１の閉弁時において、燃焼室４が高温であるために冷媒１０が全て液体である場合、傘部１２の下端１２ａから冷媒１０の上端１０ａまでの軸方向距離Ｌ２は、Ｌａよりも大きく設定されている。即ち、本実施形態では、エンジンバルブ１の閉弁時において、冷媒１０が液体状態のときに、中空部１３における気液界面（冷媒１０の上端１０ａ）が、バルブガイド２２の下端２２ａよりも上方に位置する。
なお、本実施形態では、中空部１３における気液界面（冷媒１０の上端１０ａ）は、略水平面となっている。

ここで、図３中の黒矢印は、熱の移動を示している（便宜上、図３中の左方向に移動する熱のみを示している）。この黒矢印で示されるように、燃焼室４から冷媒１０に流れ込んだ熱は、冷媒１０の対流によってバルブガイド２２近傍まで拡散され、オイルやウォータージャケット冷却水にて冷却されたバルブガイド２２に流れ込む。その結果、エンジンバルブ１の閉弁時においても、バルブガイド２２による熱引きが効率良く行われる。

従って、本実施形態によれば、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１０が液体状態となったときに、閉弁時においてもエンジンバルブ１から熱引きを行うことで、燃焼室４を冷却してノッキングをより抑制できる。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。

なお、冷媒１０は固体よりも液体の方が密度が低く、液化する際に体積膨張する。そのため、冷媒１０の体積膨張率に応じて冷媒量を適宜設定することで、上述の関係を満たす冷媒量とすることができる。

また、本実施形態に係る冷媒１０の封入量は、上述の関係に加えて、次の関係を満たすことが好ましい。ここで、図１０は、本実施形態の好ましい態様に係るエンジンバルブ１の縦断面図であり、エンジンバルブ１の全開時に中空部１３の上部に冷媒１０が固着した状態を示す図である。
図１０に示すように、エンジンバルブ１の全開時（即ち、バルブリフト量最大時）において、中空部１３の上端１３ａからバルブガイド２２の下端２２ａまでの軸方向距離をＬｂとする。このとき、冷媒１０が中空部１３の上部で固着した場合、中空部１３の上端１３ａから冷媒１０の下端１０ｂまでの軸方向距離Ｌ３は、Ｌｂよりも大きく設定されていることが好ましい。即ち、エンジンバルブ１の全開時において、冷媒１０が中空部１３の上部で固着したときは、中空部１３における固気界面（冷媒１０の下端１０ｂ）が、バルブガイド２２の下端２２ａよりも下方に位置することが好ましい。
なお、本実施形態では、中空部１３の上端１３ａ、バルブガイド２２の下端２２ａ及び中空部１３における固気界面（冷媒１０の下端１０ｂ）は、いずれも略水平面となっている。

上述したように、バルブガイド２２は、オイルやウォータージャケット冷却水により冷却されるため、バルブガイド２２近傍のエンジンバルブ１の母材、即ち中空部１３の上部近傍の母材の温度は、冷媒１０の融点よりも低くなるおそれがある。そのため、低負荷時等のエンジン低温域において、中空部１３の上部で冷媒１０が固化するおそれがある。従って、冷媒１０が液化する高負荷運転と冷媒１０が固化する低負荷運転とを交互に繰り返し行うと、冷媒１０が中空部１３の上部に固着して堆積し、一旦堆積すると冷媒１０の液化に時間がかかる。特に、固着して堆積した冷媒１０が全てバルブガイド２２の下端よりも上方に位置する場合には、排気から受ける熱が少なくなるうえバルブガイド２２への熱引きによって、その液化に長時間を要する。すると、エンジンバルブ１による熱引きを効率良く行うことができず、ノッキングを抑制できない。

これに対して本実施形態の好ましい態様によれば、エンジンバルブ１の全開時において、中空部１３の上部で固着した冷媒１０の一部が、バルブガイド２２の下端２２ａよりも下方にはみ出るため、バルブガイド２２への熱引きを受け難くなる。加えて、下方にはみ出た冷媒１０は排気からの熱を受け易いため、早期に液化する。液化した冷媒１０は、エンジンバルブ１の開閉動作に伴って中空部１３の下端（燃焼室４側）と固着した冷媒１０との間を移動して撹拌されることで、燃焼室４から受けた熱を固着した冷媒１０に直接伝達する。従って、固着した冷媒１０は速やかに液化し、エンジンバルブ１は本来の冷却性能を発揮する結果、ノッキングをより抑制できる。

なお上述したように、冷媒１０は固体よりも液体の方が密度が低く、液化する際に体積膨張する。そのため、冷媒１０の体積膨張率に応じて冷媒量を適宜設定することで、上述の関係を満たす冷媒量とすることができる。

また、本実施形態に係る冷媒１０の封入量は、さらに次の関係を満たすことがより好ましい。ここで、図１１は、本実施形態の好ましい態様に係るエンジンバルブ１の縦断面図であり、エンジンバルブ１の閉弁時に中空部１３の上部に冷媒１０が固着した状態を示す図である。
図１１に示すように、エンジンバルブ１の閉弁時において、中空部１３の上端１３ａからバルブガイド２２の下端２２ａまでの軸方向距離をＬｃとする。このとき、冷媒１０が中空部１３の上部で固着した場合、中空部１３の上端１３ａから冷媒１０の下端１０ｂまでの軸方向距離Ｌ４は、Ｌｃよりも大きく設定されていることが好ましい。即ち、エンジンバルブ１の閉弁時において、冷媒１０が中空部１３の上部で固着したときは、中空部１３における固気界面（冷媒１０の下端１０ｂ）が、バルブガイド２２の下端２２ａよりも下方に位置することが好ましい。
なお、本実施形態では、中空部１３の上端１３ａ、バルブガイド２２の下端２２ａ及び中空部１３における固気界面（冷媒１０の下端１０ｂ）は、いずれも略水平面となっている。

このような好ましい態様によれば、エンジンバルブ１の閉弁時においても、固着した冷媒１０の一部がバルブガイド２２の下端２２ａよりも下方にはみ出しているため、そのはみ出した部分はバルブガイド２２による熱引きの影響を受け難い。従って、より早期に冷媒１０を液化させることができ、ノッキングをより抑制できる。

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。
上記実施形態では、冷媒１０として、特定のアルミニウム合金又は特定のマグネシウム合金を用いたが、これに限定されない。エンジン低温域において固体状態を維持でき、エンジン高温域において液体状態を維持できる金属であれば、冷媒として用いることができる。

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
１０ａ…冷媒の上端
１０ｂ…冷媒の下端
１１…軸部
１２…傘部
１２ａ…傘部の下端
１３…中空部
１３ａ…中空部の上端
２１…バルブ挿通孔
２２…バルブガイド
２２ａ…バルブガイドの下端
２３…バルブシート
１２１…外側壁
１２２…バルブフェイス

Claims (4)

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、
   シリンダヘッドに設けられ冷却水により冷却される略円筒状のバルブガイド内を前記軸部が摺動可能となるように取り付けられることで前記傘部により燃焼室を開閉するエンジンバルブであって、
   前記軸部から前記傘部にかけて形成された中空部に封入された金属からなる冷媒を備え、
   前記冷媒は、金属ナトリウムよりも融点が高いことにより、エンジン低温域において固体状態を維持する一方で、エンジン高温域において液体状態を維持するものであり、
   前記エンジンバルブの閉弁時において、
   前記傘部の下端から前記バルブガイドの下端までの軸方向距離をＬａとしたときに、
   前記冷媒が全て固体であるときは、前記傘部の下端から前記冷媒の上端までの軸方向距離Ｌ１が前記Ｌａよりも小さく、
   前記冷媒が全て液体であるときは、前記傘部の下端から前記冷媒の上端までの軸方向距離Ｌ２が前記Ｌａよりも大きいエンジンバルブ。
2. 前記エンジンバルブの全開時において、
   前記中空部の上端から前記バルブガイドの下端までの軸方向距離をＬｂとしたときに、
   前記冷媒が前記中空部の上部で固着したときは、前記中空部の上端から前記冷媒の下端までの軸方向距離Ｌ３が前記Ｌｂよりも大きい請求項１に記載のエンジンバルブ。
3. 前記冷媒は、
   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％含有するアルミニウム合金である請求項１又は２に記載のエンジンバルブ。
4. 前記冷媒は、
   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％含有するマグネシウム合金である請求項１又は２に記載のエンジンバルブ。

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