JPH09317552A - 内燃エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比強度が高くて軽量なＴｉ合金製バルブの放
熱性を高めてその温度を耐熱温度以下に抑えることがで
きる内燃エンジンを提供すること。 【構成】 内燃エンジンの吸・排気バルブ１−１，１−
２，２をＴｉ合金で構成するとともに、バルブシート
６，７を接合型バルブシートで構成し、該接合型バルブ
シート６，７をシリンダヘッド３との接合界面に固相拡
散層を形成するとともに、同接合界面の少なくともシリ
ンダヘッド３側に塑性変形層を形成することによってシ
リンダヘッド３の吸・排気ポート４，５周縁に金属学的
に接合する。本発明によれば、厚さの薄い（最大厚さが
２５０μｍ〜２５００μｍ）接合型バルブシート６，７
を用いるため、該接合型バルブシート６，７の熱容量が
従来の圧入型バルブシートのそれに比して小さく、従っ
て、Ｔｉ合金製の吸・排気バルブ１−１，２から接合型
バルブシート６，７を経て放熱される熱量が大きくなっ
て吸・排気バルブ１−１，２の放熱性が高められ、前記
目的が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室に開口する
ポートの周縁に装着されたバルブシートに間欠的に着座
するバルブによってポートを適当なタイミングで開閉し
て所要のガス交換を行う内燃エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、４サイクルエンジンにおいて
は、燃焼室に開口する吸・排気ポートが吸・排気バルブ
によってそれぞれ適当なタイミングで開閉されて所要の
ガス交換がなされるが、近年、軽量化を目的として比強
度が高くて軽量なＴｉ合金製の吸・排気バルブを採用す
ることが行われている。

【０００３】一方、従来の４サイクルエンジンにおいて
は、シリンダヘッドの吸・排気ポートの開口部周縁に
は、吸・排気バルブが間欠的に着座すべきバルブシート
が一般には圧入によって組み付けられていた。例えば、
図１２に示すようにシリンダヘッド１０３の吸気ポート
１０４と排気ポート１０５の開口部周縁には、吸気バル
ブ１０１、排気バルブ１０２がそれぞれ間欠的に着座す
べきバルブシート１０６，１０７が圧入によって装着さ
れていた。

【０００４】ところで、圧入型バルブシートは必要強度
及び剛性を確保する必要からその厚さが比較的厚く設定
され、又、所定の圧入代を要するためにその高さ寸法も
比較的大きく設定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】而して、Ｔｉ合金製の
吸・排気バルブはＦｅ系の従来の吸・排気バルブに比し
て耐熱温度が低く、該吸・排気バルブが着座するバルブ
シートとして厚さと高さ寸法が比較的大きな従来の圧入
型バルブシートを用いた場合には、圧入型バルブシート
の熱容量が大きいために吸・排気バルブの放熱性が悪
く、吸・排気バルブの温度が耐熱温度を超えて上昇する
場合があり、特に高温となる排気バルブへのＴｉ合金製
バルブの適用が不可能となることがあった。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、比強度が高くて軽量なＴｉ合
金製バルブの放熱性を高めてその温度を耐熱温度以下に
抑えることができる内燃エンジン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、請求項１記載の発明は、燃焼室に開口するポートの
周縁に装着されたバルブシートに間欠的に着座するバル
ブによってポートを適当なタイミングで開閉して所要の
ガス交換を行う内燃エンジンにおいて、前記バルブをＴ
ｉ合金で構成するとともに、前記バルブシートを接合型
バルブシートで構成し、該接合型バルブシートをシリン
ダヘッドとの接合界面に固相拡散層を形成するととも
に、同接合界面の少なくともシリンダヘッド側に塑性変
形層を形成することによってシリンダヘッドのポート周
縁に金属学的に接合することを特徴とする。

【０００８】又、請求項２記載の発明は、請求項１記載
の発明において、前記接合型バルブシートの最大厚さを
２５０μｍ〜２５００μｍに設定したことを特徴とす
る。

【０００９】従って、本発明によれば、バルブシートと
して厚さの薄い（最大厚さが２５０μｍ〜２５００μ
ｍ）接合型バルブシートを用いるため、該接合型バルブ
シートの熱容量が従来の圧入型バルブシートのそれに比
して小さく、このためにＴｉ合金製バルブから接合型バ
ルブシートを経て放熱される熱量が大きくなってＴｉ合
金製バルブの放熱性が高められ、該Ｔｉ合金製バルブの
温度が耐熱温度以下に抑えられる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明に係る内燃エンジンのシリン
ダヘッドの縦断面図、図２は図１のＡ部（吸気側のバル
ブシート部）の拡大詳細図である。

【００１２】本実施の形態に係る内燃エンジンは４サイ
クル５バルブエンジンであって、該エンジンは各気筒に
ついてＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）製の３つの吸気
バルブ１−１，１−２（１−１は両側の吸気バルブ、１
−２は中央の吸気バルブ（センターバルブ））と同じく
Ｔｉ合金製の２つの排気バルブ２を備えている。そし
て、軽量な鋳造Ａｌ合金で構成されるシリンダヘッド３
に形成された３つの吸気ポート４と２つの排気ポート５
はそれぞれ前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ
２によって適当なタイミングで開閉され、これによって
所要のガス交換がなされる。尚、シリンダヘッド３の材
料である鋳造Ａｌ合金としては、ＪＩＳ：ＡＣ２Ｂ，Ａ
Ｃ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ等が選定される。

【００１３】ところで、前記シリンダヘッド３の下面に
は、燃焼室１６を構成する凹状の燃焼ドーム３ａが形成
されており、同シリンダヘッド３に形成された前記吸気
ポート４と排気ポート５の燃焼室１６への開口部周縁に
は、前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ２がそ
れぞれ間欠的に着座すべきバルブシート６，７が各々装
着されている。

【００１４】而して、吸気バルブ１−１，１−２と排気
バルブ２はそれぞれバルブガイド８，９に摺動自在に挿
通しており、これらはバルブスプリング１０，１１によ
って閉じ方向に付勢されている。そして、吸気バルブ１
−１，１−２と排気バルブ２は、バルブリフタ１２，１
３に摺接しながら回転するカム１４，１５によってそれ
ぞれ適当なタイミングで駆動される。尚、図１におい
て、１７，１８，１９はシリンダヘッド３の吸気バルブ
１−１，１−２と排気バルブ２の周辺に形成されたウォ
ータジャケットである。

【００１５】ここで、バルブシート６，７について説明
する。

【００１６】バルブシート６，７は接合型バルブシート
であって、これらは耐衝撃性、耐摩耗性及び高温強度に
優れたＦｅ系燒結材によってリング状に成形され、抵抗
熱接合法によってシリンダヘッド３に金属学的に接合さ
れている。尚、バルブシート６，７に高い熱伝導性や耐
衝撃性等を付与するため、該バルブシート６，７の材質
であるＦｅ系燒結材にはＣｕ等の金属が溶浸処理によっ
て充填されている。

【００１７】ここで、吸気側のバルブシート６の接合部
の詳細を図２に示すが、該バルブシート６とシリンダヘ
ッド３との接合界面を境としてシリンダヘッド３側には
後述の塑性変形層２５が形成されている。このバルブシ
ート６の内周部には３つのテーパ面６ａ，６ｂ，６ｃが
形成されており、テーパ面６ｂが前記吸気バルブ１−
１，１−２の当り面（着座面）となっている。又、バル
ブシート６の外周面には２つのテーパ面６ｄ，６ｅが形
成され、両テーパ面６ｄ，６ｅが交わる部分は鈍角の突
起部６ｆを構成している。尚、排気側のバルブシート７
の断面形状も吸気側のバルブシート６のそれと同様であ
るため、これについての説明は省略する。

【００１８】次に、吸気側のバルブシート６のシリンダ
ヘッド３への接合プロセスを図３乃至図１０に基づいて
説明する。尚、図３は抵抗溶接機の概略構成図、図４乃
至図９はバルブシートの接合プロセスを説明するための
部分断面図、図１０は図６のＢ部拡大詳細図である。

【００１９】図３に示す抵抗溶接機２０は、加圧装置２
１と、該加圧装置２１によって加圧される電極２２と、
該電極２２に給電するための不図示の給電装置を含んで
構成されている。電極２２はＣｕ又はその合金で構成さ
れ、その中心部には円孔２２ａが貫設されており、該円
孔２２ａには丸棒状のガイドバー２３が摺動自在に嵌挿
されている。

【００２０】而して、上記構成を有する抵抗溶接機２０
にはシリンダヘッド３とシートリング材６’が図示のよ
うにセットされる。即ち、シリンダヘッド３は、これに
形成されたバルブガイド孔３ｂに抵抗溶接機２０の前記
ガイドバー２３が嵌合されることによって位置決めさ
れ、該シリンダヘッド３に形成された吸気ポート４の開
口部周縁が電極２２に対して正確に位置決めされる。
尚、シートリング材６’はバルブシート６の素材であっ
て、これはＦｅ系燒結材によってリング状に成形され、
その断面形状の詳細は図４に示される。

【００２１】上記シートリング材６’のシリンダヘッド
３への接合に際しては、図４に示すように、該シートリ
ング材６’はその外周の突起部６ａ’がシリンダヘッド
３の吸気ポート４の開口部周縁に当接する状態でセット
され、その後、図３に示す加圧装置２１によって電極２
２がガイドバー２３に沿って下動せしめられてシートリ
ング材６’の内周テーパ面６ｂ’に嵌合され、シートリ
ング材６’が電極２２によって所定の加圧力Ｐで加圧さ
れ始める。

【００２２】上述のようにシートリング材６’を電極２
２によって加圧しながら、電極２２によってシートリン
グ材６’に通電がなされると、該シートリング材６’か
らシリンダヘッド３へと電流が流れ、両者の接触部及び
その周辺が加熱される。すると、シートリング材６’の
材質であるＦｅ系燒結材よりも変形抵抗の小さな鋳造Ａ
ｌ合金製のシリンダヘッド３が図５に示すように塑性変
形し、シートリング材６’がシリンダヘッド３に沈み込
んでいく。

【００２３】ところで、本実施の形態においては、低融
点材料である鋳造Ａｌ合金製のシリンダヘッド３の接合
プロセスにおける温度は鋳造Ａｌ合金の固相線温度を超
えないよう制御され、鋳造Ａｌ合金が接合界面付近にお
いて固相のまま塑性流動し得る温度範囲内に設定され
る。尚、抵抗溶接機２０の電極２２への通電時間は、鋳
造Ａｌ合金が接合界面付近において固相のまま塑性流動
し得るに必要十分な通電時間とされる。

【００２４】一方、高融点材料であるＦｅ系燒結材製の
シートリング材６’の接合プロセスにおける温度は、該
Ｆｅ系燒結材の一部（特に中心部）が相変態点温度を超
えるように制御される。

【００２５】而して、前述の温度範囲で前述のようにシ
ートリング材６’とシリンダヘッド３との接触部及びそ
の周辺が加熱されると、温度上昇によって活発化した原
子運動の結果、図１０に示すようにＦｅ原子とＡｌ原子
の固相拡散が起き、この固相拡散によってシートリング
材６’がシリンダヘッド３に金属学的に強固に接合さ
れ、図１１に示すように、Ｆｅ−Ａｌ合金組成を有する
非常に薄い固相拡散層２４が形成される。尚、図１１は
シートリング材６’とシリンダヘッド３との接合界面付
近における鋳造Ａｌ合金の主成分Ａｌの濃度分布を示す
図である。

【００２６】又、同時にシリンダヘッド３を構成する鋳
造Ａｌ合金はシートリング材６’との接合界面において
図１０の矢印方向の塑性流れを生じ、両金属材料の表面
に被覆されていた酸化被膜は鋳造Ａｌ合金の上記塑性流
れによって破壊されて接合界面外へ押し出され、更に、
両金属材料の接合面に付着していた汚れも鋳造Ａｌ合金
の塑性流れによって接合界面外へ排出されるため、酸化
被膜や汚れが接合界面に巻き込まれることがない。

【００２７】而して、図７に示すようにシートリング材
６’がシリンダヘッド３に所定量だけ沈み込むと、電極
２２への通電が終了し、シートリング材６’はシリンダ
ヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に強固に接合され
る。そして、図７及び図１１に示すように接合界面を境
としてシリンダヘッド３側（Ａｌ合金側）には所定厚さ
の塑性変形層２５が形成される。

【００２８】以上のようにしてシートリング材６’がシ
リンダヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に金属学的
に接合されると、図８に示すように、電極２２を取り除
いてシートリング材６’への加圧を解除し、最後に図９
に示すようにシートリング材６’を機械加工によって所
定の形状に仕上加工してバルブシート６として仕上げれ
ば、該バルブシート６のシリンダヘッド３への接合作業
が完了し、バルブシート６はシリンダヘッド３の吸気ポ
ート４の開口部周縁に強固に接合されて一体化される。
尚、バルブシート６は仕上加工によって最大厚さｔmax
（図９参照）が２５０μｍ〜２５００μｍに設定され
る。

【００２９】尚、以上は吸気側のバルブシート６の接合
プロセスについて説明したが、排気側のバルブシート７
も同様にしてシリンダヘッド３に強固に接合される。

【００３０】以上のように、本実施の形態に係る内燃エ
ンジンにおいては、比強度が高くて軽量であるが耐熱温
度の低いＴｉ合金製の吸気バルブ１−１，１−２と排気
バルブ２を用いたが、厚さの薄い（最大厚さが２５０μ
ｍ〜２５００μｍ）接合型バルブシート６，７を用いた
ため、該接合型バルブシート６，７の熱容量が従来の圧
入型バルブシートのそれに比して小さく、従って、Ｔｉ
合金製の吸気バルブ１−１，１−２と排気バルブ２から
それぞれ接合型バルブシート６，７を経て放熱される熱
量が大きくなって吸気バルブ１−１，１−２と排気バル
ブ２の放熱性が高められ、結果的にこれらの吸気バルブ
１−１，１−２と排気バルブ２の温度が耐熱温度以下に
抑えられる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、燃焼室に開口するポートの周縁に装着されたバ
ルブシートに間欠的に着座するバルブによってポートを
適当なタイミングで開閉して所要のガス交換を行う内燃
エンジンにおいて、前記バルブをＴｉ合金で構成すると
ともに、前記バルブシートを接合型バルブシートで構成
し、該接合型バルブシートをシリンダヘッドとの接合界
面に固相拡散層を形成するとともに、同接合界面の少な
くともシリンダヘッド側に塑性変形層を形成することに
よってシリンダヘッドのポート周縁に金属学的に接合す
るようにしたため、比強度が高くて軽量なＴｉ合金製バ
ルブの放熱性を高めてその温度を耐熱温度以下に抑える
ことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃エンジンのシリンダヘッドの
縦断面図である。

【図２】図１のＡ部（吸気側のバルブシート部）拡大詳
細図である。

【図３】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための半裁断面図である。

【図４】抵抗溶接機の概略構成図である。

【図５】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。

【図６】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。

【図７】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。

【図８】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。

【図９】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。

【図１０】図６のＢ部拡大詳細図である。

【図１１】接合型バルブシートとシリンダヘッドの接合
界面近傍の構造を示す図である。

【図１２】圧入型バルブシートを備える従来の内燃エン
ジンのシリンダヘッドの縦断面図である。

【符号の説明】

１−１，１−２ 吸気バルブ（バルブ） ２ 排気バルブ（バルブ） ３ シリンダヘッド ４ 吸気ポート（ポート） ５ 排気ポート（ポート） ６，７ 接合型バルブシート １６ 燃焼室 ２４ 固相拡散層 ２５ 塑性変形層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に開口するポートの周縁に装着さ
   れたバルブシートに間欠的に着座するバルブによってポ
   ートを適当なタイミングで開閉して所要のガス交換を行
   う内燃エンジンにおいて、 前記バルブをＴｉ合金で構成するとともに、前記バルブ
   シートを接合型バルブシートで構成し、該接合型バルブ
   シートをシリンダヘッドとの接合界面に固相拡散層を形
   成するとともに、同接合界面の少なくともシリンダヘッ
   ド側に塑性変形層を形成することによってシリンダヘッ
   ドのポート周縁に金属学的に接合することを特徴とする
   内燃エンジン。
2. 【請求項２】 前記接合型バルブシートの最大厚さを２
   ５０μｍ〜２５００μｍに設定したことを特徴とする請
   求項１記載の内燃エンジン。