JP7022607B2 - バルブシート、および、バルブシートとシリンダヘッドとの結合構造 - Google Patents
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Description
図1を参照して、本発明の実施の形態におけるバルブシート1をシリンダヘッド2に圧入したときのバルブシート1の周辺構造について説明する。シリンダヘッド2は、吸気通路3と燃焼室5とを連通する開口部6を起点として吸気通路3側へ延びる保持領域8を有する。保持領域8は、バルブシート1が保持される領域である。バルブシート1は、燃焼室5側から保持領域8に圧入される。これにより、バルブシート1は、保持領域8で保持される。なお、シリンダヘッド2を構成する材料として、例えば、アルミニウム合金等の軽金属合金が挙げられるが、これに限定されるものではなく、シリンダヘッドの材料として使用可能なものならいずれであってもよい。
図1~図3を参照して、本発明の実施の形態におけるバルブシート1について説明する。バルブシート1は、材料を加工して、環状に形成される環状体である。当該環状体のバルブシート軸方向に切った断面は、図3に示すような形状となる。バルブシート1は、図2(A)に示すように、中心軸10と、奥側開口11と、手前側開口12と、内周面13と、外周面14と、粗面領域15とを有する。
バルブシート1の材料として、例えば、焼結体や溶製材等のバルブシートの製造に用いられる全ての材料が本発明に含まれる。特に、バルブシート1の材料として、鉄基焼結合金製の焼結体や溶製材等を用いることが好ましい。鉄基焼結合金は、加工性、製造性に優れ、バルブシートとして、備えるべき特性の調整等が容易であるからである。
中心軸10は、図2に示すように、バルブシート1を構成する環状体の中心軸である。奥側開口11は、図1および図2に示すように、バルブシート1がシリンダヘッド2の保持領域8に圧入されて保持領域8で保持されるとき、圧入方向(Y軸正方向)の奥側に位置するバルブシート1の開口である。手前側開口12は、バルブシート1がシリンダヘッド2の保持領域8に圧入されて保持領域8で保持されるとき、圧入方向(Y軸正方向)の手前側に位置するバルブシート1の開口である。
バルブシート1の内周面13は、図2に示すように、中心軸10周りを取り囲む環状の面である。また、バルブシート1の内周面13は、図3に示すように、軸方向延在面領域130と、傾斜面領域131と、を有する。バルブシート軸方向に垂直な平面で内周面13を切って、バルブシート1の内周面13を2つの領域に分けたとき、内周面13のうち、奥側開口11側の領域が軸方向延在面領域130に相当し、手前側開口12側の領域が傾斜面領域131に相当する。
軸方向延在面領域130は、図3(A)に示すように、バルブシート1の内周面13を構成する領域のうち、バルブシート軸方向に略平行に延在する面により構成される領域である。具体的に軸方向延在面領域130は、軸方向延在面132により構成される。軸方向延在面132は、内周面13の一部を構成し、奥側開口11を起点として、バルブシート軸方向に略平行に手前側開口12側に向かって延在する環状の面である。
傾斜面領域131は、図3(A)に示すように、バルブシート1の内周面13を構成する領域のうち、バルブシート軸方向の手前側開口12側における軸方向延在面領域130の端部130A(以下、軸方向延在面領域手前側端部と呼ぶ。)を起点として、バルブシート軸方向の手前側開口12側のバルブシート1の端部1A(以下、バルブシート手前側端部と呼ぶ。)まで、バルブシート軸方向に対して傾斜して延びる面により構成される領域である。具体的に傾斜面領域131は、軸方向延在面領域手前側端部130Aを起点として、バルブシート軸方向に沿って奥側開口11側から手前側開口12側(圧入方向と反対方向:Y軸負方向)に進むにしたがって、バルブシート1の径方向(以下、バルブシート径方向と呼ぶ。)の外側に延びる、少なくとも1つの環状の傾斜面により構成される。図3(A)に示すように、本実施形態におけるバルブシート1には、例えば、中心軸10(バルブシート軸方向)に対する傾斜角が異なる傾斜面が複数あり、各傾斜面は連続して繋がってバルブシート手前側端部1Aまで延びる。
バルブシート1の外周面14は、図1~図5に示すように、粗面領域15を有する。粗面領域15は、外周面14の少なくとも一部の領域を構成する。粗面領域15により、バルブシート1とシリンダヘッド2との接合力が高まり、バルブシート1がシリンダヘッド2から抜け落ちることを防止することができる。
次に、粗面領域15の具体的な構成について説明する。粗面領域15は、図3に示すように、凹凸部150を有する。凹凸部150は、バルブシート1の外周面14上に形成される凹凸部分である。粗面領域15の凹凸部150は、図4(A)に示すように、突出部151と、バルブシート軸方向(Y軸方向)において突出部151に隣接する窪み部152とにより構成される。突出部151と窪み部152とは、バルブシート軸方向に沿って交互に並ぶ。
次に、図3を参照して、粗面領域15のバルブシート軸方向における形成範囲について説明する。粗面領域15のバルブシート軸方向における形成範囲を、粗面領域奥側端部15Aの位置、および、粗面領域手前側端部15Bの位置により説明する。なお、粗面領域15は、上記説明したように、バルブシート軸方向において粗面領域奥側端部15Aから粗面領域手前側端部15Bまで延びる。
また、粗面領域奥側端部15Aは、バルブシート手前側端部1Aを起点として、バルブシート軸方向に沿ってバルブシート軸方向におけるバルブシートの全長の1/2の長さだけ離れた位置1Dよりも奥側開口11側に位置することがより好ましい。言い換えると、粗面領域奥側端部15Aは、バルブシート奥側端部1Bを起点として、バルブシート軸方向に沿ってバルブシート軸方向におけるバルブシートの全長の1/2の長さだけ離れた位置1Dよりも奥側開口11側に位置することがより好ましい。一方、粗面領域手前側端部15Bは、位置1Dよりも手前側開口12側に位置することがより好ましい。
上記説明したように、本実施形態におけるバルブシート1として、バルブシート軸方向の肉厚が薄い薄型バルブシートが想定される。薄型バルブシートとシリンダヘッド2との接合力を高める観点から見ると、粗面領域15の少なくとも一部が、薄型バルブシートの外周面14の手前側開口12寄りに形成されることが好ましい。
次に、図7を参照して、粗面領域15における突出部151および窪み部152の構造の詳細について説明する。図7(A)は、図5(C)のF-Fライン(バルブシート軸方向)に沿って凹凸部150をバルブシート径方向に切ったときの断面の概略図である。図7(B)は、シリンダヘッド2に圧入したバルブシート1をバルブシート軸方向に沿って切断した模試図である。
突出部151は、基底面150Aからバルブシート径方向の外側へ突出する。基底面150Aは、窪み部152の一部を構成する。また、突出部151の少なくとも1つは、図7(A)に示すように、基部155と、拡張部156と、反り面157とを有する。基部155は、凹凸部150の基底側からバルブシート径方向の外側へ突出する部分である。
拡張部156は、基部155の側方側の周面155Aから基部155に連続して外周面14の面方向に拡張する部分である。そして、拡張部156は、基底面150Aに覆い被さる。なお、基部155の側方側の周面155Aとは、基部155の突出方向周りの周面部分を指す。また、外周面14の面方向とは、外周面14の面内における全ての方向を指す。そして、粗面領域15において、外周面14の面方向とは、粗面領域15が無い部分の外周面14を粗面領域15まで延長した仮想円筒面140(図7(A)の点線参照)を基準外周面と定義したとき、当該基準外周面の面方向を指す。
上記のように、仮想円筒面140を基準外周面と定義したとき、凹凸部150の基底面150Aからバルブシート径方向の外側に延びる凹凸部150の突出部151の側面は、図7(A)に示すように、バルブシート径方向の外側へ進むにしたがって、基準外周面の面方向に反り返る反り面157を有する。なお、突出部151の側面とは、基部155の突出方向としてのバルブシート径方向を軸としたとき、軸回りの周面部分を指す。
窪み部152は、図7(A)に示すように、バルブシート軸方向において突出部151に隣接する。また、バルブシート1は、焼結合金から成る材料を加工して形成される。当該焼結合金は、図7(A)に示すように、内部に多数の空隙158を有する。なお、図7(A)において空隙158は3つしか描かれていないが、実際はさらに多数の空隙158が存在する。
次に、図1、および図7を参照して、バルブシート1とシリンダヘッド2との係合態様(図1の領域T参照)について説明する。バルブシート1をシリンダヘッド2の保持領域8に圧入すると、接触表面部8Aが粗面領域15に潜り込む。具体的に図7(B)に示す接触表面部8Aの突出部8Cは、拡張部156A,156B(または反り面157)と基底面150Aの間に潜り込む。これにより、バルブシート1とシリンダヘッド2とは係合する。
次に、図8を参照して、バルブシート1の製造方法について説明する。まず、所定の材料が混合される(S101)。具体的には、まず、<バルブシートの材料>で説明した焼結体の組成となるように、鉄系粉末に対して、黒鉛粉末および潤滑剤粉末、さらに、合金用粉末、または、固体潤滑剤粉末および/または硬質粒子粉末を配合した配合物が、混合装置に投入される。そして、混合装置で上記配合物が混合されて混合粉が生成される。
以上において、バルブシート1は、内部に空隙を有する鉄基焼結合金製の焼結体を材料として構成されたが、鉄基焼結合金製の焼結体に銅(Cu、以下同じ)を含浸させた銅含浸焼結体により構成されてもよい。鉄基焼結合金製の焼結体に銅を含浸させると、銅は、空隙に入り込む。鉄基焼結合金製の焼結体に熱伝導率が高い銅を含浸させると、その銅含浸焼結体は、熱伝導性が高くなるため、バルブシート1の熱伝導性を高めることができる。
次に、図11を参照して、バルブシート1の加工前における素材であるバルブシート素材9(図11の太線部分参照)について説明する。本実施形態においてバルブシート素材9の軸方向延在面領域は、バルブシート1の軸方向延在面領域130と共通する。また、本実施形態においてバルブシート素材9の傾斜面領域131Aは、図11に示すように、バルブシート1の傾斜面領域131よりもバルブシート軸方向の長さが長い。したがって、バルブシート素材9は、図11に示すように、バルブシート1よりもバルブシート軸方向の長さが長い。また、バルブシート素材9の傾斜面領域131Aは、図11に示すように、2つの傾斜面により構成されている。
1E 銅含浸バルブシート
1A バルブシート手前側端部
1B バルブシート奥側端部
2 シリンダヘッド
7 バルブ
8 保持領域
8A 接触表面部
9 バルブシート素材
10 中心軸
11 奥側開口
12 手前側開口
13 内周面
14 外周面
15 粗面領域
15A 粗面領域奥側端部
15B 粗面領域手前側端部
16A 傾斜面重畳領域
16B 延在面重畳領域
16C バルブ当たり面重畳領域
130 軸方向延在面領域
130A 軸方向延在面領域手前側端部
131,131A 傾斜面領域
132 軸方向延在面
133 中間側傾斜面
134 バルブ当たり面
135 開口側傾斜面
140 仮想円筒面
150 凹凸部
150A 基底面
151 突出部
152,152A,152B 窪み部
153,154 凹凸片
153A,154A 凸片
153B,154B 凹片
155 基部
155A 周面
156,156A,156B 拡張部
156E 基底面対向側拡張面
156F 表面側拡張面
157 反り面
157A 径方向外側反り面
157B 径方向内側反り面
157C 圧入方向奥側反り面
157D 圧入方向手前側反り面
158,158A 空隙
Q バルブシート周方向
Y 圧入方向
Claims (12)
- 内燃機関用のシリンダヘッドに圧入されるバルブシートであって、
自身の外周面において凹凸部を有する粗面領域を備え、
前記凹凸部の基底面から前記バルブシートの径方向の外側に延びる前記凹凸部の突出部は、前記基底面に覆いかぶさる拡張部を有することを特徴とする、
バルブシート。 - 前記バルブシートは、前記外周面に、前記粗面領域が有る部分と、前記粗面領域が無い部分を有し、
前記粗面領域が無い部分の前記外周面を前記粗面領域まで延長した仮想円筒面を基準外周面と定義した場合、
前記拡張部の少なくとも一部は、前記基準外周面に対して前記径方向の外側に位置することを特徴とする、
請求項1に記載のバルブシート。 - 内燃機関用のシリンダヘッドに圧入されるバルブシートであって、
自身の外周面に、凹凸部を有する粗面領域が有る部分と、前記粗面領域が無い部分を備え、
前記粗面領域が無い部分の前記外周面を前記粗面領域まで延長した仮想円筒面を基準外周面と定義した場合、
前記凹凸部の基底面から前記バルブシートの径方向の外側に延びる前記凹凸部の突出部の側面は、前記径方向の外側へ進むにしたがって、前記基準外周面の面方向に反り返る反り面を有することを特徴とする、
バルブシート。 - 前記反り面の少なくとも一部は、前記基準外周面に対して前記径方向の外側に位置することを特徴とする、
請求項3に記載のバルブシート。 - 前記反り面の少なくとも一部は、前記基準外周面に対して前記径方向の内側に位置することを特徴とする、
請求項3に記載のバルブシート。 - 前記反り面の少なくとも一部は、前記径方向の外側へ進むにしたがって、前記バルブシートが前記シリンダヘッドへ圧入される圧入方向の奥側に反り返ることを特徴とする、
請求項3~5のいずれかに記載のバルブシート。 - 前記反り面の少なくとも一部は、前記径方向の外側へ進むにしたがって、前記バルブシートが前記シリンダヘッドへ圧入される圧入方向の手前側に反り返ることを特徴とする、
請求項3~5のいずれかに記載のバルブシート。 - 前記バルブシートは、内部に空隙を有する焼結合金により形成され、
前記凹凸部は、前記空隙と連通することで、前記空隙が外部に開放された状態を含むことを特徴とする、
請求項1~7のいずれかに記載のバルブシート。 - 前記凹凸部は、前記バルブシートの外周面の一部が変形又は除去されて形成されるものであり、
外部に開放された前記空隙は、前記凹凸部の凹部分を構成する窪み部の最奥部を構成することを特徴とする、
請求項8に記載のバルブシート。 - 前記バルブシートは、銅、水ガラスおよび樹脂のうち1種以上が内部の空隙に入り込んだ焼結合金により構成され、
前記凹凸部は、自身の表面の少なくとも一部に前記空隙に入り込んだ材料を含有する層を有することを特徴とする、
請求項1~7のいずれかに記載のバルブシート。 - 請求項1または2に記載の前記バルブシートと、前記シリンダヘッドとの結合構造であって、前記拡張部と前記基底面の間に、前記シリンダヘッドの材料が潜り込むようにして前記バルブシートと前記シリンダヘッドとが係合することを特徴とする、
バルブシートとシリンダヘッドとの結合構造。 - 請求項3~7のいずれかに記載のバルブシートと、前記シリンダヘッドとの結合構造であって、前記反り面と前記基底面の間に、前記シリンダヘッドの材料が潜り込むようにして前記バルブシートと前記シリンダヘッドとが係合することを特徴とする、
バルブシートとシリンダヘッドとの結合構造。
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