JPH0642320A - 内燃機関用バルブシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】冷却液用流通路及びクラッドシート層を有する
バルブシートを容易に成形でき、しかも、クラッドシー
ト層による冷却性能をより一層向上させることが可能な
バルブシートを提供する。 【構成】バルブシート１６は冷却溝１７と閉塞部材１８
とクラッドシート層１９とからなる。冷却溝１７は、シ
リンダヘッド１における吸気バルブ６の当接部位に穿設
されている。冷却溝１７は円環状をなし燃焼室２に向け
て開口している。冷却溝１７には冷却水導入孔及び冷却
水排出孔２６が連通している。閉塞部材１８は冷却溝１
７の開口端を閉塞している。閉塞部材１８と冷却溝１７
の壁面との間には、冷却水の流通路２１が形成されてい
る。クラッドシート層１９は、レーザ光の照射を用いて
金属粉末を溶着させるレーザクラッド法により、前記閉
塞部材１８の表面及び冷却溝１７の周辺部位に肉盛り形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の吸・排気バ
ルブが着座した際に混合気及び燃焼ガスをシールする内
燃機関用バルブシートに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のシリンダヘッドとして
は、軽量化及び成形性の点からアルミニウム合金が用い
られることが多い。一方、シリンダヘッドのバルブシー
ト部には、内燃機関の運転中に、吸気バルブ又は排気バ
ルブが繰り返し着座する。また、バルブシート部は、燃
焼室内での混合気の爆発によって発生する熱に晒され
る。これらのことから、バルブシート部を含むシリンダ
ヘッド全体をアルミニウム合金で形成した場合には、同
バルブシート部の摩耗や溶損による吹き抜け、吸・排気
バルブの着座によるへたり、バルブシート部の熱による
拡径膨張等が問題となる。そこで、一般的なアルミニウ
ム合金製シリンダヘッドにおいては、吸・排気バルブと
の当接部位に凹部を形成し、その凹部に鋳鉄や鉄系焼結
材料よりなるリング状のバルブシートを圧入していた。

【０００３】しかしながら、圧入によりバルブシートを
シリンダヘッドに密着させることは難しく、両者間での
わずかな隙間の発生は避けられない。この隙間は空気断
熱層として作用する。そのため、前記空気断熱層により
バルブシートからシリンダヘッドへの熱伝導が阻害さ
れ、バルブシートが高温になる。その結果、バルブシー
トの耐摩耗性等の各種特性が低下する。また、上記熱伝
導の阻害により、シリンダヘッドの冷却性能が低下す
る。そして、このことが、内燃機関の高性能化を図るう
えでの障害となっていた。

【０００４】このような問題に対処する技術として、例
えば特開平２−１９６１１７号公報では、耐熱性、耐摩
耗性及び耐食性に優れた銅合金を用いて、シリンダヘッ
ドのバルブシート部にレーザクラッド法を施し、クラッ
ドシート層を肉盛り形成している。このクラッドシート
層を有するバルブシート部は、シリンダヘッドの母材
（アルミニウム合金）に対して溶着し、あるいは母材と
の間で合金化しているので、バルブシート部からシリン
ダヘッドへの熱伝導が良好となる。そのため、バルブシ
ート部やバルブの熱負荷を軽減して耐久性能を向上させ
ることができる。また、冷却性能が向上するため、内燃
機関の動力性能の向上を図ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記レーザ
クラッド法を用いた技術によっても、冷却性能の点で未
だ十分ではなかった。これに対しては、冷却水の流通路
をクラッドシート層内に設けることで解決できるものと
考えられる。しかし、実際には、レーザクラッド法では
粉末金属を溶着させるために、同粉末金属を溶融して複
雑な特定形状に成形しにくく、製造が困難である。

【０００６】本発明は前述した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、容易に成形でき、しかも、クラ
ッドシート層による冷却性能をより一層向上させること
が可能なバルブシートを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、内燃機関のシリンダヘッドにおける吸・排
気バルブとの当接部位に穿設され、前記内燃機関の燃焼
室に向けて開口するとともに、冷却液導入路及び冷却液
排出路に連通した環状の冷却溝と、前記冷却溝内に冷却
液の流通路が形成されるように、同冷却溝の燃焼室側開
口端を閉塞する環状の閉塞部材と、熱伝導性の良い金属
粉末を、前記閉塞部材の表面及び前記冷却溝の周辺部位
に溶着させることにより肉盛り形成され、その表面に
は、前記吸・排気バルブとの当接面を有するクラッドシ
ート層とを備えている。

【０００８】

【作用】内燃機関の運転に際し、バルブシートには、吸
気バルブ及び排気バルブが繰り返し着座する。また、バ
ルブシートは、燃焼室内における混合気の爆発によって
発生する熱に晒される。この熱によりバルブシートは高
温となる。しかし、このときには冷却液が冷却液導入孔
からバルブシートの流通路内へ導入される。この冷却液
とクラッドシート層及び閉塞部材との間で熱交換が行わ
れ、クラッドシート層及び閉塞部材の温度が低下すると
ともに、冷却水の温度が上昇する。

【０００９】ここで、クラッドシート層自体は熱伝導性
の良好な金属で形成されている。また、クラッドシート
層はシリンダヘッド及び閉塞部材に対して溶着してい
る。このため、閉塞部材から流通路内の冷却液への熱の
伝導が良好である。従って、燃焼室の壁面の熱や吸気バ
ルブ及び排気バルブの熱が、バルブシートを介して冷却
液に効率良く伝導される。

【００１０】なお、前記熱交換により昇温した流通路内
の冷却液は、冷却液排出孔から同流通路外へ排出され
る。ところで、前記バルブシートの製造に際しては、ク
ラッドシート層の成形に先立ちシリンダヘッドに冷却溝
が穿設され、その冷却溝が閉塞部材で閉塞されることに
より流通路が区画形成される。そのうえでクラッドシー
ト層が肉盛り形成される。クラッドシート層の成形時に
は粉末金属が溶着されるが、冷却溝が閉塞部材で閉塞さ
れているので、同粉末金属の冷却溝内への侵入が閉塞部
材によって阻止される。従って、流通路とクラッドシー
ト層とが閉塞部材によって完全に仕切られたバルブシー
トが得られる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１〜
図４に従って説明する。図２は本実施例のバルブシート
が設けられた多気筒（４気筒）内燃機関におけるシリン
ダヘッドの底面図であり、図１は図２のＡ−Ａ線方向の
拡大断面図である。アルミニウム合金よりなるシリンダ
ヘッド１の下部には、気筒数に応じた数の燃焼室２が凹
設されている。また、シリンダヘッド１には、１気筒毎
に、２つの吸気ポート３と２つの排気ポート４とがそれ
ぞれ開けられている。吸気ポート３は、シリンダヘッド
１の一側面（図１の右側面）と燃焼室２とを連通させて
いる。また、排気ポート４は、シリンダヘッド１の他側
面と燃焼室２とを連通させている。

【００１２】吸気ポート３は、シリンダヘッド１に取付
けられた吸気バルブ５によって開閉される。排気ポート
４は、シリンダヘッド１に取付けられた排気バルブ６に
よって開閉される。次に、これら吸気バルブ５及び排気
バルブ６の動弁機構について説明する。

【００１３】シリンダヘッド１の上方には、その長手方
向（図１において紙面と直交する方向）へ延びる吸気側
カムシャフト７及び排気側カムシャフト８がそれぞれ回
転可能に設けられている。両カムシャフト７，８にはそ
れぞれカム７ａ，８ａが一体に形成されている。シリン
ダヘッド１におけるカム７ａ，８ａの直下にはガイド孔
９が貫設され、ここにバルブリフタ１１が摺動可能に挿
入されている。バルブリフタ１１の上面にはアジャステ
ィングシム１２が嵌合され、その上面に前記カム７ａ，
８ａが当接している。

【００１４】シリンダヘッド１には、吸気バルブ５及び
排気バルブ６がそれぞれ摺動可能に挿入され、それらの
バルブステム５ａ，６ａの上端は前記バルブリフタ１１
の下面に当接している。バルブステム５ａ，６ａの上端
部にはコッタ１３を介してリテーナ１４が外嵌されてい
る。

【００１５】リテーナ１４の下面とシリンダヘッド１の
内底面１ａとの間には、コイル状バルブスプリング１５
が圧縮状態で介装されている。バルブスプリング１５は
常に吸気バルブ５及び排気バルブ６を上方へ付勢してい
る。この付勢方向は、吸気ポート３及び排気ポート４を
閉じる方向である。一方、バルブステム５ａ，６ａの上
端は前記バルブリフタ１１の下面に当接している。その
ため、両カムシャフト７，８が回転し、カム７ａ，８ａ
がバルブスプリング１５の付勢力に抗しバルブリフタ１
１を周期的に押し下げると、同バルブリフタ１１が吸・
排気バルブ５，６を下方へ押圧して開閉動作させる。

【００１６】そして、吸気バルブ５の下動により吸気ポ
ート３が開放されると、吸気及び燃料よりなる混合気が
矢印で示すように、同吸気ポート３を通って燃焼室２に
導かれる。この混合気は燃焼室２内で爆発・燃焼されて
燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、排気バルブ６が下動
して排気ポート４が開放されたとき、同排気ポート４か
ら外部へ排出される。

【００１７】シリンダヘッド１において、吸気ポート３
の燃焼室側開口端及び排気ポート４の燃焼室側開口端に
はバルブシート１６が設けられている。これらのバルブ
シート１６は、吸気バルブ５が吸気ポート３を閉塞した
ときや、排気バルブ６が排気ポート４を閉塞したときの
シール性を確保するためのものである。それ以外にもバ
ルブシート１６は、吸・排気バルブ５，６の熱や燃焼室
２の壁面の熱を冷却液としての冷却水に逃がす機能を有
している。

【００１８】図３及び図４に示すように、バルブシート
１６は、冷却溝１７と閉塞部材１８とクラッドシート層
１９とからなる。冷却溝１７は、シリンダヘッド１にお
ける吸・排気バルブ５，６の当接部位を、機械加工にて
穿設して得た溝である。冷却溝１７は円環状をなし、そ
の燃焼室２側の面は開口している。また、冷却溝１７
は、燃焼室２側ほど拡径する形状に形成されている。

【００１９】前記冷却溝１７の開口端は閉塞部材１８に
よって閉塞されている。閉塞部材１８は、０．３〜０．
５ｍｍ程度の厚みの金属製薄板材によって円環状に形成
され、しかも、その内外両面が下側ほど拡径している。
そして、この閉塞部材１８によって閉塞された冷却溝１
７の内部は、冷却水の流通路２１となっている。

【００２０】さらに、前記閉塞部材１８の表面及びシリ
ンダヘッド１における冷却溝１７の周辺部位には、高密
度エネルギ源としてのレーザ光を用いて金属粉末を溶着
させてなるレーザクラッド法により、クラッドシート層
１９が肉盛り形成されている。クラッドシート層１９と
シリンダヘッド１との境界部分、及びクラッドシート層
１９と閉塞部材１８との境界部分は合金化している。ク
ラッドシート層１９を構成するクラッド材料としては、
シリンダヘッド１及び閉塞部材１８に肉盛り可能であっ
て、耐摩耗性、耐熱性、耐食性、熱伝導性の良好な金属
であれば、その種類は問わない。

【００２１】例えば、前記クラッド材料として、以下に
示す成分組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金を使用すること
ができる。すなわち、吸気側クラッドシート層１９を構
成する好ましいクラッド材料としては、１８．５重量％
のＮｉと、３．０重量％のＳｉと、１．３重量％のＢ
と、８．０重量％のＦｅと、残部を実質的に占めるＣｕ
とからなる成分組成の銅合金が挙げられる。また、排気
側クラッドシート層１９を構成する好ましいクラッド材
料としては、１６．０重量％のＮｉと、３．０重量％の
Ｓｉと、６．０重量％のＦｅと、８．０重量％のＣｏ
と、７．０重量％のＭｏと、１．５重量％のＣｒと、残
部が実質的にＣｕとからなる成分組成の銅合金が挙げら
れる（ＳＡＥペーパ ９２０５７１ から引用）。

【００２２】また、本実施例ではレーザクラッド法を実
施する際の条件として、レーザ出力を４．５ｋｗに、走
査速度を８００ｍｍ／ｍｉｎにそれぞれ設定し、厚さ約
０．８ｍｍのクラッドシート層１９を形成した。

【００２３】なお、前記クラッドシート層１９の表面
は、前記吸気バルブ５が吸気ポート３を閉塞するとき、
及び排気バルブ６が排気ポート４を閉塞するときの当接
面１９ａを構成している。

【００２４】図１及び図２に示すように、前記シリンダ
ヘッド１内において、吸気ポート３、排気ポート４及び
燃焼室２の近傍にはウォータジャケット２２，２３が形
成されている。これらのウォータジャケット２２，２３
内には、ウォータポンプ（図示しない）から供給された
冷却水が流通しており、この流通により燃焼室２の壁面
等が冷却されるようになっている。また、シリンダヘッ
ド１内の吸気ポート３の直下及び排気ポート４の直下で
あって、前記バルブシート１６の近傍には一対のパイプ
２４が埋設されている。両パイプ２４はシリンダヘッド
１の長手方向へ向けて真っ直ぐに延びている。両パイプ
２４の一端はシリンダヘッド１外へ引き出され、ゴムホ
ース等によってラジエータ（図示しない）に接続されて
いる。

【００２５】前記パイプ２４及び流通路２１は、冷却液
排出路としての冷却水排出孔２６によって連通状態で連
結されている（図３参照）。また、冷却溝１７におい
て、前記冷却水排出孔２６の対向位置には、冷却液導入
路としての冷却水導入孔２５が設けられている。この冷
却水導入孔２５により、流通路２１とウォータジャケッ
ト２２とが連通されている。

【００２６】次に、前記のように構成された本実施例の
作用及び効果を説明する。内燃機関の運転に際し、バル
ブシート１６には、吸気バルブ５及び排気バルブ６が繰
り返し着座する。また、バルブシート１６は、燃焼室２
内における混合気の爆発によって発生する熱に晒され
る。このため、バルブシート１６は高温に加熱される。

【００２７】しかし、このときには、シリンダヘッド１
のウォータジャケット２２内を流れる冷却水の一部が冷
却水導入孔２５を通り、バルブシート１６の流通路２１
内を通過する。つまり、鉄系焼結合金よりも熱伝導率の
良いクラッドシート層１９及び閉塞部材１８の裏側近傍
を冷却水が流れている。この冷却水とクラッドシート層
１９及び閉塞部材１８との間で熱交換が行われる。この
熱交換により、クラッドシート層１９及び閉塞部材１８
の温度が低下するとともに、冷却水の温度が上昇する。

【００２８】ここで、クラッドシート層１９自体は熱伝
導性の良好な銅合金で形成されている。また、閉塞部材
１８は熱伝導性の良好な金属によって形成され、しか
も、０．３〜０．５ｍｍ程度と薄い。さらに、クラッド
シート層１９はシリンダヘッド１及び閉塞部材１８に対
して溶着しているか、あるいはシリンダヘッド１及び閉
塞部材１８との境界部分で合金化が生じている。このた
め、閉塞部材１８から流通路２１内の冷却水への熱の伝
導が良好である。このように、本実施例では、燃焼室２
の壁面の熱や吸・排気バルブ５，６の熱を、バルブシー
ト１６を介して冷却水に効率良く伝導することができ
る。

【００２９】なお、熱交換により昇温した流通路２１内
の冷却水は、冷却水排出孔２６を通ってパイプ２４内へ
導かれ、ゴムホース等を通過した後ラジエータに戻され
る。そして、冷却水の熱はラジエータで放熱される。

【００３０】ところで、本実施例ではクラッドシート層
１９の形成に先立ち、シリンダヘッド１に冷却溝１７を
穿設し、その冷却溝１７を閉塞部材１８で閉塞すること
により流通路２１を区画形成した。そして、このように
閉塞部材１８を用いて冷却水の通路を確保したうえで、
レーザクラッド法によりクラッドシート層１９を肉盛り
形成した。この形成時には、粉末金属を溶着させている
が、冷却溝１７を閉塞部材１８で閉塞しているので、粉
末金属が冷却溝１７内に入り込むのを閉塞部材１８によ
って防止できる。従って、流通路２１とクラッドシート
層１９とを閉塞部材１８によって完全に仕切ることがで
きる。このように、本実施例では閉塞部材１８を用いる
ことでレーザクラッド法による問題点、すなわち、金属
粉末を溶融することから特定の形状に成形することが困
難であるという問題点、を解消できる。その結果、冷却
性能の向上及び成形性の向上をともに両立できる。

【００３１】さらに、本実施例によると、前記以外にも
次に示す作用及び効果も奏する。 （ａ）バルブシート１６の熱伝導率向上と効率の良い冷
却とにより、吸・排気バルブ５，６の温度が下がって摩
耗が減少するため、耐久性が向上する。

【００３２】（ｂ）上記耐久性の向上により、吸・排気
バルブ５，６の材質のグレードダウンが可能となる。 （ｃ）燃焼室２の壁温が低下することから、ノッキング
の発生が抑えられる。このため、今までよりも点火進角
を進めて、内燃機関の運転可能領域を拡大できる。さら
に、圧縮比を上げて内燃機関の出力を増加させることが
可能となる。

【００３３】（ｄ）リング状のバルブシートをシリンダ
ヘッドに圧入する従来技術では、バルブシート部分での
シリンダヘッドの肉厚を厚くしなければ強度を確保でき
ないおそれがあった。また、特に、１気筒当たりに４本
の吸・排気バルブを有する、いわゆる４バルブエンジン
の場合には、吸・排気バルブの傘径が制限される問題が
あった。

【００３４】これに対し本実施例では、リング状のバル
ブシートをシリンダヘッド１に圧入することなく、閉塞
部材１８の裏側に冷却水の流通路２１を形成している。
このため、圧入が不要となった分、燃焼室２に面する箇
所のシリンダヘッド１の肉厚を従来よりも薄くできる。
従って、燃焼室２の壁面の冷却効果がさらに向上する。
これにともない、吸・排気バルブ５，６の傘径を従来よ
りも大きくし、吸入効率を向上させて、内燃機関のより
一層の出力向上を図ることが可能となる。

【００３５】なお、本発明は前記実施例の構成に限定さ
れるものではなく、例えば以下のように発明の趣旨から
逸脱しない範囲で任意に変更してもよい。 （１）冷却水排出孔２６の数は、１つのバルブシートに
つき、１つ以上であれば特に限定を受けない。

【００３６】（２）本発明のバルブシートは、１気筒当
たりの吸・排気バルブの本数が４本以外の内燃機関や、
４気筒以外の気筒数の内燃機関にも適用できる。 （３）バルブシート１６の冷却溝１７、閉塞部材１８、
クラッドシート層１９の形状は円環状に限定されるもの
ではなく、吸・排気バルブ５，６の傘部分の形状に合わ
せて、楕円環状等、適宜に変更可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、シ
リンダヘッドにおける吸・排気バルブの当接部位に環状
の冷却溝を穿設し、この冷却溝の開口端を閉塞部材で閉
塞して冷却液の流通路を形成し、さらに、閉塞板の表面
及び前記冷却溝の周辺部位にクラッドシート層を肉盛り
形成し、このクラッドシート層の表面を吸気バルブ及び
排気バルブとの当接面としたので、冷却液の流通路及び
クラッドシート層を有するバルブシートを容易に成形で
きる。また、クラッドシート層の近傍には閉塞部材を介
して流通路が設けられ、ここに冷却液が流通しているの
で、クラッドシート層に加わった熱を効率良く冷却液に
伝導できる。従って、クラッドシート層による冷却性能
をより一層向上させることができる。さらには、前記熱
伝導及び冷却性能の向上により、吸・排気バルブの耐久
性向上や、内燃機関の出力向上を図ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施例のバルブシートを
用いた動弁機構の縦断面図であり、図２のＡ−Ａ線方向
の断面図である。

【図２】一実施例におけるシリンダヘッド及び吸・排気
バルブの底面図である。

【図３】図１のＢ部を拡大して示す図である。

【図４】一実施例において、冷却溝に閉塞部材を取付け
る前の状態を説明する部分断面図である。

【符号の説明】

１…シリンダヘッド、２…燃焼室、５…吸気バルブ、６
…排気バルブ、１６…バルブシート、１７…冷却溝、１
８…閉塞部材、１９…クラッドシート層、１９ａ…当接
面、２１…流通路、２５…冷却液導入路としての冷却水
導入孔、２６…冷却液排出路としての冷却水排出孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河崎 稔 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のシリンダヘッドにおける吸・
   排気バルブとの当接部位に穿設され、前記内燃機関の燃
   焼室に向けて開口するとともに、冷却液導入路及び冷却
   液排出路に連通した環状の冷却溝と、 前記冷却溝内に冷却液の流通路が形成されるように、同
   冷却溝の燃焼室側開口端を閉塞する環状の閉塞部材と、 熱伝導性の良い金属粉末を、前記閉塞部材の表面及び前
   記冷却溝の周辺部位に溶着させることにより肉盛り形成
   され、その表面には、前記吸・排気バルブとの当接面を
   有するクラッドシート層とを備えたことを特徴とする内
   燃機関用バルブシート。