JPH05141211A - Ceramic valve - Google Patents

Ceramic valve

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Publication number
JPH05141211A
JPH05141211A JP30478091A JP30478091A JPH05141211A JP H05141211 A JPH05141211 A JP H05141211A JP 30478091 A JP30478091 A JP 30478091A JP 30478091 A JP30478091 A JP 30478091A JP H05141211 A JPH05141211 A JP H05141211A
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JP
Japan
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valve
ceramic
temperature
thermal conductivity
strength
Prior art date
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Pending
Application number
JP30478091A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshio Ogasawara
俊 夫 小笠原
Motohide Ando
藤 元 英 安
Toru Akiba
場 亨 穐
Satoshi Asano
野 諭 浅
Yasuyuki Katase
瀬 康 亨 片
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Oozx Inc
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Fuji Oozx Inc
Nissan Motor Co Ltd
Fuji Valve Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP30478091A priority Critical patent/JPH05141211A/en
Publication of JPH05141211A publication Critical patent/JPH05141211A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent temperature rise in an exhaust valve and a suction valve by using ceramic material with the heat conductivity of specific values or higher at room temperature and 600 deg.C, respectively, for a ceramic valve as the exhaust valve and the suction valve for a gasoline engine. CONSTITUTION:A ceramic valve 1 with the shade 1a, the stem 1b and the axial end 1c is made of ceramic such as composite ceramic material for which monolithic simple substance of silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, sialon, etc. or one or more of these is used as matrix. The heat conductivity is set to be 40W/(m.k) or more at room temperature and 20W/(m.k) at 600 deg.C. When the ceramic valve is applied to an exhaust valve, no temperature rise occurs in the valve, no hot spot appears in the valve area and no knocking source exists. When applied to a suction valve, the suction efficiency is improved to realize higher torque.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、セラミックバルブに
関し、例えば、ガソリンエンジン用の排気バルブや吸気
バルブとして利用するのに好適なセラミックバルブに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic valve, for example, a ceramic valve suitable for use as an exhaust valve or an intake valve for a gasoline engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、ガソリンエンジン用の排気バルブ
の素材としては、耐熱鋼であるクロム・ニッケル鋼がよ
く用いられているが、このクロム・ニッケル鋼は、熱伝
導率が15W/(m・K)程度と低いため、エンジンの
燃焼室内で最も温度の高くなるいわゆるホットスポット
になり易く、ガソリンエンジンにおけるノッキングの発
生源になることがあるという問題点があった。また、バ
ルブ温度の上昇により、耐熱鋼の疲労強度やクリープ強
度が低下することがあるという問題点もあった。
2. Description of the Related Art At present, heat-resistant chrome / nickel steel is often used as a material for exhaust valves for gasoline engines. This chrome / nickel steel has a thermal conductivity of 15 W / (m. Since it is as low as K), a so-called hot spot with the highest temperature is likely to be generated in the combustion chamber of the engine, which may cause knocking in the gasoline engine. There is also a problem that the fatigue strength and the creep strength of the heat-resistant steel may decrease due to the rise of the valve temperature.

【0003】このような問題点を改善するため、図10
に示すように、傘部11aとステム部11bと軸端部1
1cを有するバルブ11において、ステム部11bを中
空化してこの中空部11dに金属ナトリウム12を封入
したナトリウム封入中空金属バルブ11が実用化されて
いる。
In order to improve such a problem, FIG.
As shown in FIG. 1, the umbrella portion 11 a, the stem portion 11 b, and the shaft end portion 1
In the valve 11 having 1c, a sodium-filled hollow metal valve 11 in which the stem portion 11b is hollowed and the metallic sodium 12 is filled in the hollow portion 11d has been put into practical use.

【0004】しかしながら、ガソリンエンジンの高圧縮
比化、リーンバーン化などに伴ってバルブ温度は上昇す
る傾向にあり、排気バルブの温度をより効率的に低下さ
せる必要性が高まっている。そして、ナトリウム封入中
空金属バルブ11において冷却効率を高めるためには、
中空部11dの径を大きくし、封入する金属ナトリウム
12の量を多くしてやる必要があるが、ステム部11b
の強度などの理由により、ナトリウム封入中空金属バル
ブ11のバルブ冷却性能はほぼ限界に来ているのが現状
である。
However, the valve temperature tends to rise with the increase in the compression ratio and lean burn of the gasoline engine, and there is an increasing need to lower the temperature of the exhaust valve more efficiently. Then, in order to increase the cooling efficiency in the sodium-filled hollow metal valve 11,
It is necessary to increase the diameter of the hollow portion 11d and increase the amount of the metallic sodium 12 to be enclosed, but the stem portion 11b
At present, the valve cooling performance of the sodium-filled hollow metal valve 11 has almost reached its limit due to the strength of the above.

【0005】一方、耐熱性を高めるために、耐熱鋼にか
わって、ニッケル基やコバルト基の耐熱合金をガソリン
機関用バルブとして適用した場合には、高温強度につい
ては改善されるものの、熱伝導率は耐熱鋼よりも小さい
ため、バルブ温度はより上昇する傾向にある。また、こ
れらの材料は比重も大きいため、動弁系全体の摩擦損失
も増大してしまうといった問題点がある。
On the other hand, when a nickel-base or cobalt-base heat-resistant alloy is applied as a valve for a gasoline engine instead of heat-resistant steel in order to improve heat resistance, the high temperature strength is improved, but the thermal conductivity is improved. Is smaller than heat-resistant steel, the valve temperature tends to rise more. Further, since these materials also have a large specific gravity, there is a problem that the friction loss of the entire valve train also increases.

【0006】そのため、上記した種々の問題点を解決す
ることが課題となっていた。
Therefore, it has been a problem to solve the above various problems.

【0007】[0007]

【発明の目的】この発明は、上記した従来の課題にかん
がみてなされたものであって、排気バルブや吸気バルブ
の温度を従来に比べてさらに降下させることが可能であ
って、排気バルブの温度上昇を防止してホットスポット
が形成されないようにし、また、吸気バルブの温度上昇
を防止して吸気効率が向上するようにし、しかも軽量で
あって動弁系全体の摩擦損失が少ないと共に慣性力の減
少によるエンジンの高回転化にも対応することができる
セラミックバルブを提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in view of the above-mentioned conventional problems, and it is possible to further lower the temperature of the exhaust valve and the intake valve as compared with the conventional one, and the temperature of the exhaust valve. It prevents the temperature rise of the intake valve to prevent hot spots from being formed, and also prevents the temperature rise of the intake valve to improve intake efficiency. It is an object of the present invention to provide a ceramic valve that can cope with an increase in engine rotation speed due to a reduction in engine speed.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明に係わるセラミ
ックバルブは、熱伝導率が、室温で40W/(m・K)
以上でかつ600℃で20W/(m・K)以上であるセ
ラミックを素材とする構成としたことを特徴としてお
り、実施態様においては、セラミックの素材が、モノリ
シックな窒化ケイ素,炭化ケイ素,窒化アルミ,サイア
ロンの単体もしくはそれらの1種以上をマトリックスと
する複合セラミック材料からなり、その熱伝導率が、室
温で40(W/m・K)以上でかつ600℃で20(W
/m・K)以上である構成のものとすることができる。
The ceramic valve according to the present invention has a thermal conductivity of 40 W / (m · K) at room temperature.
It is characterized in that it is made of a ceramic material having a temperature of 20 W / (m · K) or more at 600 ° C., and in the embodiment, the ceramic material is monolithic silicon nitride, silicon carbide, or aluminum nitride. , Sialon alone or composed of a composite ceramic material with one or more of them as a matrix, the thermal conductivity of which is 40 (W / mK) or more at room temperature and 20 (W at 600 ° C).
/ M · K) or more.

【0009】また、同じく実施態様においては、少なく
ともバルブの傘部もしくはバルブガイド内に位置するス
テム部がセラミックを素材とする構成のものとすること
ができ、同じく実施態様においては、セラミックの強度
が、JIS R1601に制定された4点曲げ室温強度
で400MPa以上である構成のものとすることができ
る。
Further, in the same manner, at least the umbrella portion of the valve or the stem portion located in the valve guide may be made of a ceramic material. In the same manner, the strength of the ceramic material may be increased. , 4-point bending room temperature strength defined by JIS R1601 is 400 MPa or more.

【0010】本発明者らは、排気バルブ材料のひとつで
あるクロム・ニッケル鋼(SUH36)と、各種セラミ
ック材料の熱伝導率について調べたところ、図2に示す
結果を得た。
The present inventors investigated the thermal conductivity of chromium / nickel steel (SUH36), which is one of the exhaust valve materials, and various ceramic materials, and obtained the results shown in FIG.

【0011】図2に示すように、現在まで一般にセラミ
ックバルブの素材として用いられてきた高強度・高靭性
窒化ケイ素(Si(A))の熱伝導率は、クロム
・ニッケル鋼(SUH36)に比較してやや高い程度で
あるが、セラミックのうち炭化ケイ素(SiC(A),
SiC(B))と窒化アルミ(AlN(A),AlN
(B))はクロム・ニッケル鋼(SUH36)に比較し
て著しく高い熱伝導率を示し、また、高熱伝導性窒化ケ
イ素(Si(B))においてもクロム・ニッケル
鋼(SUH36)よりも2倍以上高い熱熱伝導率を有し
ていることが認められ、このような熱伝導率の高いセラ
ミック材料の特性を利用することによって、バルブ温度
を低下させることが可能となり、とくに、熱伝導率が、
室温で40W/(m・K)以上でかつ600℃で20W
(m・K)以上であるセラミックをバルブの素材とする
ことによって、ガソリンエンジンの排気バルブの素材と
して使用した場合における耐ノック性能の向上や、吸気
バルブの素材として使用した場合における吸気効率の向
上などを実現できることを確かめてこの発明を完成する
に至った。
As shown in FIG. 2, the thermal conductivity of high-strength and high-toughness silicon nitride (Si 3 N 4 (A)), which has been generally used as a material for ceramic valves up to now, has a thermal conductivity of chromium-nickel steel (SUH36). ) Is slightly higher than that of silicon carbide (SiC (A),
SiC (B)) and aluminum nitride (AlN (A), AlN
(B)) has a significantly higher thermal conductivity than chromium-nickel steel (SUH36), and also has high thermal conductivity in silicon nitride (Si 3 N 4 (B)) than chromium-nickel steel (SUH36). It has been confirmed that the thermal conductivity of thermal conductivity is more than twice as high, and it is possible to lower the valve temperature by utilizing the characteristics of the ceramic material having such high thermal conductivity. The conductivity is
40W / (mK) or more at room temperature and 20W at 600 ° C
By using a ceramic material of (m · K) or more as the material of the valve, improvement of knock resistance when used as the material of the exhaust valve of a gasoline engine and improvement of intake efficiency when used as the material of the intake valve. The present invention has been completed after confirming that the above can be realized.

【0012】そして、セラミックの素材としては、窒化
ケイ素,炭化ケイ素,窒化アルミ,サイアロンなどの単
体からなるものを用いるだけでなく、これらの1種以上
からなる複合セラミック材料を用いることも可能であ
る。
As the ceramic material, not only a single material such as silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, sialon, etc., but also a composite ceramic material composed of one or more of them can be used. ..

【0013】また、バルブの全体が上記の熱伝導率が高
いセラミック材料よりなるものとする場合に限定され
ず、少なくともバルブの傘部や、少なくともバルブガイ
ド内に位置するステム部が上記熱伝導率の高いセラミッ
ク材料よりなるものとすることによっても、良好なる結
果を得ることができる。
The present invention is not limited to the case where the entire valve is made of the above-mentioned ceramic material having high thermal conductivity, and at least the umbrella portion of the valve or at least the stem portion located in the valve guide has the above thermal conductivity. Good results can also be obtained by using a ceramic material having a high temperature.

【0014】また、ガソリンエンジンの運転時において
バルブに発生する応力から考えると、バルブ用セラミッ
ク材料の強度は、その平均強度が、JIS R1601
に制定する4点曲げ室温強度で400MPa以上である
ことが望ましいものであった。
Considering the stress generated in the valve during the operation of the gasoline engine, the strength of the valve ceramic material is JIS R1601.
It was desirable that the four-point bending room temperature strength defined by the above standard be 400 MPa or more.

【0015】[0015]

【発明の作用】本発明に係わるセラミックバルブは、熱
伝導率が、室温で40W/(m・K)以上でかつ600
℃で20W/(m・K)以上であるセラミックを素材と
するものであるから、バルブ温度が上昇しがたいものと
なり、排気バルブに適用した場合に、温度上昇の防止に
よってバルブの部分でホットスポットが形成されがたい
ものとなってノッキングの発生源となりがたいものとな
り、吸気バルブに適用した場合に、温度上昇の防止によ
って吸気効率が向上するものとなってトルクの向上が実
現されるものとなる。
The ceramic valve according to the present invention has a thermal conductivity of 40 W / (m · K) or more at room temperature and 600
Since it is made of a ceramic material with a temperature of 20 W / (mK) or higher at ℃, the temperature of the valve is hard to rise, and when applied to an exhaust valve, the temperature rise is prevented to prevent the valve from becoming hot. Spots are hard to form, which makes it hard to become a source of knocking, and when applied to an intake valve, intake efficiency is improved by preventing temperature rise, and torque is improved. Becomes

【0016】[0016]

【実施例】この実施例においては、表1にも示すよう
に、比較例1として図10に示したように、ステム部1
1bに形成した中空部11dの中に金属ナトリウム12
を封入したSUH36製中空金属バルブ11と、比較例
2として金属ナトリウムを封入していないSUH36製
中実金属バルブと、比較例3として従来からセラミック
バルブとして用いられている高強度・高靭性窒化ケイ素
(Si(A))製セラミックバルブについて実施
すると共に、本発明実施例である図1に示すような傘部
1aとステム部1bと軸端部1cを有するセラミックバ
ルブ1において、実施例1として高熱伝導性窒化ケイ素
(Si(B))製セラミックバルブと、実施例2
として窒化アルミ(AlN(B))製セラミックバルブ
と、実施例3としてB,C助剤系炭化ケイ素(SiC
(A))製セラミックバルブと、実施例4としてBeO
助剤系炭化ケイ素(SiC(B))製セラミックバルブ
とについてそれぞれ実施した。
EXAMPLE In this example, as shown in Table 1, as shown in FIG.
In the hollow portion 11d formed in 1b, metallic sodium 12
Hollow metal valve 11 made of SUH36 in which is encapsulated, solid metal valve made of SUH36 in which metal sodium is not encapsulated as Comparative Example 2, and high-strength / high-toughness silicon nitride conventionally used as a ceramic valve as Comparative Example 3. The present invention is carried out on a ceramic valve made of (Si 3 N 4 (A)), and an embodiment of the present invention is applied to a ceramic valve 1 having a cap portion 1a, a stem portion 1b and a shaft end portion 1c as shown in FIG. A ceramic valve made of high thermal conductivity silicon nitride (Si 3 N 4 (B)) as No. 1 and Example 2
As an example, a ceramic valve made of aluminum nitride (AlN (B)) is used, and as a third example, a B, C auxiliary silicon carbide (SiC) is used.
(A)) Ceramic valve and BeO as Example 4
It carried out with the ceramic valve made from an auxiliary agent silicon carbide (SiC (B)), respectively.

【0017】これら各バルブについて評価するにあた
り、まず、シリンダヘッドを用いた台上のモータリング
試験によって、各種セラミックバルブと金属バルブとの
比較測温実験を行った。
In evaluating each of these valves, first, a comparative temperature measurement experiment was carried out between various ceramic valves and metal valves by a motoring test on a table using a cylinder head.

【0018】実験は、図3に示すように、エンジン2の
カムシャフトをモータ3にて駆動し、水槽4の温度を8
0℃として冷却水温度を模擬的に一定のものとし、ま
た、オイルタンク5の温度を80℃としてエンジンオイ
ル温度を模擬的に一定のものとして、エンジン2に組み
込んだバルブを往復運動させながら、図4に示すよう
に、各バルブ1,11の傘部1a,11aの表部(測温
部)をバーナ6にて加熱し、測温点Pに設けた熱電対7
により測温実験を行なった。
In the experiment, as shown in FIG. 3, the camshaft of the engine 2 was driven by the motor 3 and the temperature of the water tank 4 was changed to 8%.
While setting the cooling water temperature to be 0 ° C. and the cooling temperature to be simulated, and the temperature of the oil tank 5 to be 80 ° C. to be the engine oil temperature to be simulated and constant, while reciprocating the valve incorporated in the engine 2, As shown in FIG. 4, the front portion (temperature measuring portion) of the umbrella portions 1a and 11a of each valve 1 and 11 is heated by the burner 6, and the thermocouple 7 provided at the temperature measuring point P is used.
The temperature measurement experiment was performed by.

【0019】この場合、各バルブ間の相対比較実験は以
下の手順にて行なった。すなわち、基準となる比較例1
のバルブ11の傘表部をバーナ6で加熱し、バーナ熱量
を変化させて所定の温度となるように調整し、基準のバ
ルブ11の温度が所定の値となったときにバーナ熱量を
一定のままにしてこれと比較するバルブ(1)の傘表部
を加熱し、バルブ各部位の測温を行なうことにより、各
バルブ間の相対比較実験を行なった。
In this case, the relative comparison experiment between the valves was carried out by the following procedure. That is, Comparative Example 1 serving as a reference
The umbrella surface of the valve 11 is heated by the burner 6 to adjust the burner heat amount to a predetermined temperature, and the burner heat amount is kept constant when the reference valve 11 temperature reaches a predetermined value. The relative comparison experiment between the valves was carried out by heating the umbrella surface of the valve (1) to be compared with this and then measuring the temperature of each part of the valve.

【0020】この相対比較実験において、測温は最低各
2回ずつ行ない、その平均値をデータとした。実験条件
は、カム回転数;300rpm、冷却水温;80℃、冷
却水量;80 l/min、潤滑油温度;80℃とし
た。これによって得られた実験結果を表1および図5に
示す。
In this relative comparison experiment, temperature measurement was performed at least twice each, and the average value was used as data. The experimental conditions were cam rotation speed: 300 rpm, cooling water temperature: 80 ° C., cooling water amount: 80 l / min, lubricating oil temperature: 80 ° C. The experimental results thus obtained are shown in Table 1 and FIG.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】表1および図5に示すように、比較例1の
ナトリウム封入中空金属バルブ11においては、比較例
2の中実金属バルブに比べてかなり大きなバルブ温度冷
却効果がみられている。また、比較例3(高強度・高靭
性窒化ケイ素(A))では、耐熱鋼(SUH36)より
も熱伝導率が若干よいことから、ほぼナトリウム封入中
空金属バルブ11と同程度の温度となっている。
As shown in Table 1 and FIG. 5, the sodium-filled hollow metal valve 11 of Comparative Example 1 exhibits a considerably larger valve temperature cooling effect than the solid metal valve of Comparative Example 2. Further, in Comparative Example 3 (high-strength / high-toughness silicon nitride (A)), the thermal conductivity is slightly better than that of heat-resistant steel (SUH36), so the temperature is almost the same as that of the sodium-filled hollow metal valve 11. There is.

【0023】それに対して本発明実施例のセラミックバ
ルブ1では、比較例1のナトリウム封入中空金属バルブ
11を基準にして考えると、実施例1の高熱伝導性窒化
ケイ素(Si(B))で−50℃前後、実施例2
の窒化アルミ(AlN(B))や実施例3,4の炭化ケ
イ素(SiC(A),SiC(B))では−150℃以
上もの温度低下が認められている。この結果より、本発
明による軽量性と高熱伝導性を兼ね備えたセラミックバ
ルブ1は、耐ノック性能に優れた排気バルブとして適用
できることが判る。
On the other hand, in the ceramic valve 1 of the example of the present invention, considering the sodium-filled hollow metal valve 11 of the comparative example 1 as a reference, the high thermal conductivity silicon nitride (Si 3 N 4 (B)) of the example 1 is considered. ) Around -50 ° C, Example 2
The aluminum nitride (AlN (B)) and the silicon carbide (SiC (A), SiC (B)) of Examples 3 and 4 are observed to have a temperature decrease of −150 ° C. or more. From this result, it is understood that the ceramic valve 1 according to the present invention having both light weight and high thermal conductivity can be applied as an exhaust valve having excellent knock resistance.

【0024】図6は、実施例1(窒化ケイ素Si
(B))および実施例3(炭化ケイ素SiC(A))を
ガソリンエンジンに実際に組み込んだときのエンジンの
動力性能(トルクカーブ)を測定したものである。
FIG. 6 shows Example 1 (silicon nitride Si 3 N 4
(B)) and Example 3 (silicon carbide SiC (A)) were actually incorporated into a gasoline engine, and the power performance (torque curve) of the engine was measured.

【0025】比較例1のナトリウム封入中空金属バルブ
11を採用したエンジンのトルク曲線に比較して、高熱
伝導率窒化ケイ素を素材としたセラミックバルブ1を採
用した実施例1の場合には、4000rpm以下の回転
域において約0.2〜0.5kgf・m程度のトルク向
上が認められており、また、熱伝導率がさらに大きな炭
化ケイ素(A)を素材としたセラミックバルブ1を採用
した実施例3の場合には、4000rpm以下の回転数
で0.5〜0.8kgf・m、それ以上の回転数でも
0.2kgf・m程度のトルク向上が得られている。
In comparison with the torque curve of the engine using the sodium-filled hollow metal valve 11 of Comparative Example 1, in the case of Example 1 using the ceramic valve 1 made of silicon nitride having a high thermal conductivity, 4000 rpm or less. A torque increase of about 0.2 to 0.5 kgf · m is recognized in the rotation range of No. 3, and a ceramic valve 1 made of silicon carbide (A) having a higher thermal conductivity is used in Example 3 In the case of 1, the torque is improved by 0.5 to 0.8 kgf · m at the rotation speed of 4000 rpm or less, and about 0.2 kgf · m at the rotation speed of more than 4000 rpm.

【0026】このようなトルクの増大は、バルブ温度の
低下により耐ノック性能が向上し、1500〜4000
rpmの低中回転域において、点火進角を約2〜6de
g進めることが可能となったためである。それゆえ、エ
ンジンの実用域である低回転から中回転領域におけるト
ルクは、比較例1や比較例3のように従来のナトリウム
封入中空金属バルブや通常の高強度・高靭性窒化ケイ素
を用いたセラミックバルブなどに比較して向上してお
り、市街地走行モードである10モード燃費やLA10
モード燃費によい影響を与えることができることが認め
られた。
Such an increase in torque improves knocking resistance due to a decrease in valve temperature, resulting in 1500 to 4000.
The ignition advance angle is about 2 to 6 de in the low and middle rpm range.
This is because it is possible to proceed. Therefore, the torque in the low to medium rotation range, which is the practical range of the engine, is the same as in Comparative Example 1 and Comparative Example 3, in which a conventional sodium-filled hollow metal valve or a ceramic using normal high-strength / high-toughness silicon nitride is used. Compared to valves, etc., it has improved 10-mode fuel consumption and LA10 that are urban driving modes.
It was found that it can have a positive effect on mode fuel economy.

【0027】図7は有限要素解析(FEM)により、各
セラミックバルブの表面温度を計算する方法について示
したものである。熱伝導率の温度依存性としては、図7
の(A)に示すように、600℃で室温の熱伝導率の5
0%となるように近似し、その間の熱伝導率は直線補関
した。この近似は、多くの材料に対して比較的よく適用
できる。また、図7の(B)はメッシュ分割図を示した
ものである。
FIG. 7 shows a method of calculating the surface temperature of each ceramic valve by finite element analysis (FEM). The temperature dependence of thermal conductivity is shown in FIG.
As shown in (A) of FIG.
It was approximated to be 0%, and the thermal conductivity between them was linearly supplemented. This approximation applies relatively well for many materials. Also, FIG. 7B shows a mesh division diagram.

【0028】図8は有限要素解析によって計算された結
果を示したもので、実験から得られた比較例1のナトリ
ウム封入中空金属バルブのデータに対して、その温度差
を示したものである。この結果から、セラミックの熱伝
導率として室温で40W/(m・K)以上、600℃で
20W/(m・K)以上の値があれば、少なくともナト
リウム封入中空金属バルブ並のバルブ温度低下効果が得
られることがわかる。
FIG. 8 shows the results calculated by the finite element analysis, and shows the temperature difference with respect to the data of the sodium-filled hollow metal valve of Comparative Example 1 obtained from the experiment. From these results, if the thermal conductivity of the ceramic is 40 W / (m · K) or more at room temperature and 20 W / (m · K) or more at 600 ° C., at least a valve temperature lowering effect comparable to that of a sodium-filled hollow metal valve is obtained. It can be seen that

【0029】さて、エンジンバルブにおいては、バルブ
傘部のフェース面を通してバルブシートから、また、バ
ルブステム部を通してバルブガイドから熱を逃がしてい
る。そのため、本発明の効果を発揮させるためには、少
なくともエンジンバルブの傘部もしくはバルブガイド内
に位置するステム部が上述のセラミック素材からなって
いることが望ましいといえる。
In the engine valve, heat is radiated from the valve seat through the face surface of the valve head portion and from the valve guide through the valve stem portion. Therefore, in order to exert the effect of the present invention, it can be said that at least the stem portion of the engine valve or the stem portion located in the valve guide is made of the above-mentioned ceramic material.

【0030】そのほか、ガソリンエンジン運転時にバル
ブに発生する応力から考えると、セラミックバルブ素材
の強度は、その平均強度がJIS R1601に制定す
る4点曲げ室温強度で400MPa以上であることが望
ましいといえる。
In addition, considering the stress generated in the valve during operation of the gasoline engine, it can be said that the strength of the ceramic valve material is preferably 400 MPa or more in the four-point bending room temperature strength defined by JIS R1601.

【0031】図9はセラミック素材の強度と保証試験後
の歩留まり率との関係を、ワイブル係数m=10として
計算した結果を示すものである。図9からも明らかなよ
うに、ガソリンエンジン用バルブとして必要な最低強度
を確保するために保証試験を行うことを考えた場合、4
00MPaよりも小さい曲げ強度のセラミック材料をガ
ソリンエンジン用バルブとして適用した場合に、その保
証試験における歩留まりは50%前後と著しく低くなる
ため、その平均強度として上述した400MPa以上が
望ましいといえる。
FIG. 9 shows the result of calculation of the relationship between the strength of the ceramic material and the yield rate after the guarantee test with the Weibull coefficient m = 10. As is clear from FIG. 9, when considering a guarantee test to secure the minimum strength required for a valve for a gasoline engine, 4
When a ceramic material having a bending strength smaller than 00 MPa is applied to a valve for a gasoline engine, the yield in the proof test is remarkably low at about 50%, so that it can be said that the average strength is 400 MPa or more.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明に係
わるセラミックバルブによれば、現在一部実用化されて
いるナトリウム封入中空金属バルブや、従来のセラミッ
クバルブ材料である高強度・高靱性窒化ケイ素を適用す
る代わりに、モノリシックな窒化ケイ素,炭化ケイ素,
窒化アルミ,サイアロンなどの単体もしくはそれらの1
種以上をマトリックスとする複合セラミック材料等のセ
ラミックからなり、その熱伝導率が、室温で40W/
(m・K)以上でかつ600°Cで20W/(m・K)
以上である構成としたから、バルブの温度が上昇するの
を防止することが可能となり、このセラミックバルブを
エンジンの排気バルブに適用した場合に、バルブの温度
上昇が防止できることによって、バルブ部分でのホット
スポットが形成されがたいものとなって、耐ノック性能
が大きく向上し、特に低中回転域におけるエンジンのト
ルクを大きく向上できるという効果が得られる。
As described above, according to the ceramic valve according to the present invention, a sodium-filled hollow metal valve which has been partially put into practical use at present and a high strength / high toughness nitriding material which is a conventional ceramic valve material are used. Instead of applying silicon, monolithic silicon nitride, silicon carbide,
Aluminum nitride, sialon, etc. alone or one of them
It is composed of a ceramic such as a composite ceramic material having at least one kind of matrix, and its thermal conductivity is 40 W / room temperature at room temperature.
20W / (m · K) above (m · K) and 600 ° C
With the above configuration, it is possible to prevent the temperature of the valve from rising, and when this ceramic valve is applied to an exhaust valve of an engine, the temperature of the valve can be prevented from rising, so that Since hot spots are hard to be formed, the anti-knock performance is greatly improved, and the effect of being able to significantly improve the torque of the engine particularly in the low and middle speed range is obtained.

【0033】また、このセラミックバルブをエンジンの
吸気バルブに適用した場合にも吸気バルブの温度上昇が
防止できることとなり、これによって吸気効率が向上
し、トルクを向上できるという効果が得られる。
Also, when this ceramic valve is applied to an intake valve of an engine, it is possible to prevent the temperature of the intake valve from rising, thereby improving the intake efficiency and torque.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の一実施例によるセラミックバルブの
正面説明図である。
FIG. 1 is a front explanatory view of a ceramic valve according to an embodiment of the present invention.

【図2】現在よく用いられている排気バルブ材料である
耐熱鋼(SUH36)と、各種のセラミック材料の熱伝
導率の温度依存性を示したグラフである。
FIG. 2 is a graph showing temperature dependence of heat conductivity of heat-resistant steel (SUH36), which is an exhaust valve material that is often used at present, and various ceramic materials.

【図3】本発明の確認実験を行なった際に用いた実験装
置の概略を示した説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing an outline of an experimental apparatus used when conducting a confirmation experiment of the present invention.

【図4】本発明の確認実験においてバーナより加熱して
熱電対により測温実験する要領を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a procedure of performing a temperature measurement experiment with a thermocouple by heating with a burner in the confirmation experiment of the present invention.

【図5】図3および図4に示した実験要領によって、比
較例1のナトリウム封入中空金属バルブ、比較例2の中
実金属バルブ、比較例3の高強度・高靱性窒化ケイ素バ
ルブと、本発明実施例である実施例1の高熱伝導率窒化
ケイ素バルブと、実施例2の窒化アルミバルブと、実施
例3,4の炭化ケイ素バルブの実験結果をまとめたグラ
フである。
FIG. 5 shows a sodium-filled hollow metal valve of Comparative Example 1, a solid metal valve of Comparative Example 2, and a high-strength / high-toughness silicon nitride valve of Comparative Example 3 according to the experimental procedure shown in FIGS. 3 and 4. It is a graph which put together the experimental result of the high thermal conductivity silicon nitride valve of Example 1 which is an invention example, the aluminum nitride valve of Example 2, and the silicon carbide valve of Examples 3 and 4.

【図6】実施例1と3の各セラミックバルブを実際にガ
ソリンエンジンに組み込んで実験を行なったときのトル
クカーブを比較例1のナトリウム封入中空金属バルブと
比較して示したグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a torque curve when each of the ceramic valves of Examples 1 and 3 was actually installed in a gasoline engine and an experiment was performed in comparison with the sodium-filled hollow metal valve of Comparative Example 1.

【図7】有限要素法(FEM)による熱伝導解析シュミ
レーション方法について示し、図7の(A)は熱伝導率
の温度依存性を示すグラフ、図7の(B)はメッシュ分
割図である。
7A and 7B show a heat conduction analysis simulation method by a finite element method (FEM), FIG. 7A is a graph showing temperature dependence of heat conductivity, and FIG. 7B is a mesh division diagram.

【図8】FEMによるセラミックの熱伝導率とバルブ表
面温度との相関について概算した結果を示したグラフで
ある。
FIG. 8 is a graph showing a result obtained by estimating the correlation between the thermal conductivity of ceramics by FEM and the valve surface temperature.

【図9】セラミックバルブの保証試験後の歩留まり率を
ワイブル統計に基づいて計算した結果を示すグラフであ
る。
FIG. 9 is a graph showing a result of calculating a yield rate of a ceramic valve after a guarantee test based on Weibull statistics.

【図10】従来のナトリウム封入中空金属バルブの下半
分破断正面説明図である。
FIG. 10 is a front half broken front explanatory view of a conventional sodium-filled hollow metal valve.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 セラミックバルブ 1a セラミックバルブの傘部 1b セラミックバルブのステム部 1c セラミックバルブの軸端部 1 Ceramic Valve 1a Ceramic Valve Head 1b Ceramic Valve Stem 1c Ceramic Valve Shaft End

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 穐 場 亨 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 浅 野 諭 神奈川県藤沢市石川2958 富士バルブ株式 会社内 (72)発明者 片 瀬 康 亨 神奈川県藤沢市石川2958 富士バルブ株式 会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toba Toba 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Satoshi Asano 2958, Ishikawa, Fujisawa, Kanagawa Fuji Valve Co., Ltd. (72) ) Inventor Yasushi Katase Toru Ishikawa 2958 Fujisawa, Kanagawa Fuji Valve Stock Company

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 熱伝導率が、室温で40W/(m・K)
以上でかつ600℃で20W/(m・K)以上であるセ
ラミックを素材とすることを特徴とするセラミックバル
ブ。
1. The thermal conductivity is 40 W / (m · K) at room temperature.
A ceramic valve, which is made of a ceramic material having a temperature of 20 W / (m · K) or more at 600 ° C. or above.
【請求項2】 セラミックの素材が、窒化ケイ素,炭化
ケイ素,窒化アルミ,サイアロンの単体もしくはそれら
の1種以上をマトリックスとする複合セラミック材料で
ある請求項1に記載のセラミックバルブ。
2. The ceramic valve according to claim 1, wherein the ceramic material is a single material of silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, sialon, or a composite ceramic material having one or more of them as a matrix.
【請求項3】 少なくともバルブの傘部もしくはバルブ
ガイド内に位置するステム部がセラミックを素材とする
請求項1または2に記載のセラミックバルブ。
3. The ceramic valve according to claim 1, wherein at least the stem of the valve or the stem located in the valve guide is made of ceramic.
【請求項4】 セラミックの強度が、4点曲げ室温強度
で400MPa以上である請求項1,2または3に記載
のセラミックバルブ。
4. The ceramic valve according to claim 1, wherein the strength of the ceramic is 400 MPa or more in 4-point bending room temperature strength.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1106793A1 (en) * 1999-12-09 2001-06-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Electromagnetic valve drive

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1106793A1 (en) * 1999-12-09 2001-06-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Electromagnetic valve drive
US6371063B2 (en) 1999-12-09 2002-04-16 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Valve-open-close mechanism

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