JPS6361705A - セラミツク製バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、吸排気用のバルブをセラミックにより形成
したセラミック製バルブに関する。

［従来の技術］ 近年、内燃機関は高回転・高出力になってきており、軽
量で耐熱性にすぐれた窒化珪素等のセラミックで作るこ
とが提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 窒化珪素等のセラミックは脆性材料であり、高回転にお
いてバルブがバウンシングおよびジャンピング等し１＝
場合、第７図のへあるいはＢの位置で径方向にたらまら
破損することがあった。また長期間の使用によってシリ
ンダーヘッドが変形してＣの位置で破損することがあっ
た。

［問題点を解決するための手段］ 上記の問題点を解決するために本発明のセラミツク製バ
ルブはエンジン燃焼室内の吸気または排気を行なうセラ
ミック製バルブにおいて、前記バルブにセラミック製の
ファイバーもしくはウィスカーなどの補強部材を少なく
とも軸方向に沿うように配設する構成を採用した。

［作用および発明の効果］ 上記のように構成したこの発明によれば、軽量で耐熱性
にすぐれたセラミックバルブの信頼性が高くなり、この
バルブを使用して、エンジンとのマツチングを図ること
により、低燃費、高出力、低騒音等、高性能なエンジン
を作ることができる。

またこの発明はピストンピン、コン［１ラド等軽量化を
目的にセラミックで作ることを提案されているため他の
部品への応用もできる。バルブが破損する限界バウンシ
ング量およびジャンピング量が大きくなり、セラミック
バルブの信頼性が高くなった。また長期間の使用に対す
る信頼性も向上した。

［実施例］ 以下まずこの発明の各実施例を各図面を参照して説明す
る。

まず、第１図に示す第１実施例において１は後述するエ
ンジン燃焼室の排気用のバルブで、弁体１ａと円柱状の
ステム１ｂとから成っている。このバルブ１のステム１
ｂには上端部に位置する環状の溝２が形成されている。

３は金属製のコックで、これは第２図にもみられるよう
に、断面円弧状の模式で二分割形の外抱式になっており
全体的に円筒状を成している。このような］コツタはバ
ルブ１のステム１ｂに装着され、内周面には溝２内に位
置する断面半円状の突条部３ａが周方向に沿って一体に
形成されている。４は］ツタ３の外周面に嵌合された例
えば窒化珪素等のセラミックあるいは金属からなるリテ
ーナ−で、これは内部を装着穴とする環状部４ａと鍔部
４ｂとからなり、環状部４ａの内周面はコツタ３外周面
とは逆方向にテーパーが形成されている。

さてバルブ１には、軽量で耐熱性にすぐれた８１３Ｎ４
を主成分とするセラミックの中にＳｉＣ等のウィスカー
もしくはファイバー５０を５〜２０ｗｔ％入れ、しかも
軸方向に配列させることにより、高強度・高靭性なセラ
ミックにする（第１図参照）。

ウィスカーもしくはファイバー５０は第５図に示すよう
にバルブ１の軸方向に表面１Ｃ近くだけ配列させても、
強靭化に対して十分な効果が（ｑられる。

またウィスカーもしくはファイバーは射出成形によりバ
ルブを成形することにより容易に軸方向に配列させるこ
とができる。

このように構成した背景には従来のセラミックスを用い
て、バルブのステム径を大きくしたり、傘裏のアールを
大きくし、肉盛りする等の方法が考えられるが、セラミ
ックバルブの軽量化による効果を減少させるばかりでな
く、吸・抽気通路を狭くするため、こらの方法はできる
だ（〕とりたくないという事情がある。

このような構成を有するバルブ１は第４図に示すように
エンジンのシリンダヘッド５に取付けられている。この
バルブ１とシリンダヘッド５どの間にはバルブスプリン
グ６が設けられ°Ｃおり、このスプリング６によりバル
ブ１は軸方向に」一方に付勢され弁体１ａはバルブシー
ト７を介して排気路８を気密に閉鎖している。このとき
バルブスプリング６の上記の方向の付勢の状態の態様に
よりリテーナ−４の有するテーパによりリテーナ−４が
コツタ３にいわゆる横効果で当接し、ひいてはコツタ３
を介してステム１ｂの外周面に強固に当接することにな
る。

しかしエンジンの作動時にはバルブ１は軸方向に上下に
変位して弁体１ａのバルブシートＩに対する係脱を繰り
返して排気路８を交互に開閉する。

つぎにバルブ１の製造方法についてのべる。

実施例（１） Ｓ１３Ｎ４に１０ｗｔ％Ｙ２Ｏ３と６ｗｔ％Ａｔ、、０
３焼結助剤を加え、さらに３０ｗｔ％までのＳｉＣウィ
スカー（太さ０．４μｍ１長さ３０μｍ）を添加し湿式
にて混合後ｌ１ｊＩ霧乾燥によって乾燥造粒粉を得た。

この造粒粉に対し射出成形用バインダーを加え、混合後
射出成形により所定形状のバルブ生成形体を作成した。

成形バインダーを脱脂後、７０ａｔｍの加圧窒素中７５
０℃４ｈｒｓで焼成しＳｉＣウイスカーが軸方向に整列
した軸径６ｍ１ｌｌの緻密質５ｔ３Ｎ４基セラミツクバ
ルブを得た。

また比較のためラバープレス成形法により同組成の成形
体も作成し同条件にて焼結した。本焼結体のＳｉＣウィ
スカーは方向性が認められず均一分散していた。

このようにして得られたセラミックバルブをＦ記の条件
にて実機評価した。結果を表１に示す。

（サイクルとしては第６図に示寸ように設定している）
。

実験方法 アイドリンク０無負荷全開 ７秒　　　　　　５秒 表１ 　７　一 実施例（２） 実施例（１）と同様にして射出成形用素地を用意した。

ついで２色成形法を用い内側にＳｉＣウィスカーの含ま
ない素地、外側にＳｉＣウィスカーを添加した素地を配
置後、画素地を同時に射出成形し表面近傍のみＳｉＣウ
ィスカーを含む生成形体を得た。実施例（１）と同様に
して脱脂・焼成を行い緻密質５１３Ｎ４基セラミツクバ
ルブを得た。得られた焼結体は第５図にみられるように
表面から約１ｎｍの厚さまで軸方向にＳｉＣウィスカー
が整列していることが確認された。このようにして得ら
れたセラミックバルブについても実施例（１）と同様の
条件で実機評価した。結束を表２に示す。

表２ 実施例（３） 実施例（１）と同様にして射出成形用素地を用意した。

まずＳｉＣウィスカーを含まない素地を用いて射出成形
し所定形状より約１ｍｍはど細めの径を有するバルブ生
成形体を作成した。ついで得られた生成形体を中子とし
て射出成形型の中央に配置し、ＳｉＣウィスカーを含む
素地を表面被覆するように射出成形を行った。引き続き
脱脂・焼成を行い軸径的６ｍｍの緻密質Ｓｉ　３Ｎ４基
セラミツクバルブを１ｑだ。得られた焼結体は実施例（
２）と同様表面から約１ｍｍの厚さまで軸方向にＳｉＣ
ウィスカーが整列していることが確認された。このよう
にして得られたセラミックバルブについても実施例（１
）と同様の条件で実機評価した。結果を表３に示す。

表３ 以上のような好結果を得ることになったが、従来窒化珪
素セラミックバルブを作成し実機に供した場合、第７図
に示すような部位（ハッヂング部分）にて軸方向に対し
て垂直方向に破断することがあった。この破壊抵抗を増
し信頼性を向上するためＳｉＣ！ｌｉ雑による複合化を
試みた。最初にラバープレス法により成形し、焼結を試
みたが繊維が３次元的に均一分散しているため垂直方向
破断に対する抵抗となり得る有効量は実質的に添加量の
１７３〜１７５程度となるため充分にその効果を発揮す
るためには２０％以上のｓ＋ｃｍｔａを必要とし、常圧
焼結や加圧雰囲気焼結やｌ−１Ｉ　Ｐ焼結による焼結が
困難であった。一方射出成形法では軸方向にｍ維が整列
するため添加量すべてが有効に作用しおよそ５〜２０％
でその効果が発揮できることがわかった。

ここで５ＩＣｉ１雑の添加量は５％未満ではその効果が
なり２０％以上では焼結性が悪くなるため望ましくない
。

また破壊はおおむね表面から生ずるため、ＳｉＣ繊帷ば
バルブの表面近くだけ配列させても強靭化に対して十分
な効果が得られる。またバルブにはバルブ下面にて異物
のかみこみによるチッピング等も考えられ軸端からバル
ブシート面まで強化されていることが望ましい。

つぎに、バルブがエンジンに適用された構成について以
下のとおりに補足説明を行う。

９はバルブ１のステム１ｂを挿通する管状のバルブガイ
ド、１０はシャフト１１に連結されたカム、１２はカム
１０が上端から当接するスイング）７−ムで、これの一
端はステム１ｂの上端に当接し他端は球面支点部に支持
されている。１４は吸気用のバルブで、これは吸気路１
５をバルブシート１６を介して開閉する機能を有し、排
気用のバルブ１と同様に構成されている。１７はバルブ
ガイド、１８はバルブスプリング、１９はスイングアー
ムで、これの一端はバルブ１４の上端に当接し他端は球
面支点部２ｏに支持されいる。２１はシャフト２２に連
結されたカムで、これはスイングアーム１９に当接して
いる。２３はシリンダブロック、２４はシリンダブロッ
ク２３内を上下運動するためのピストンである。

なお、上記各実施例ではコツタの突条部を断面半円状に
形成したが、この形状に囚われず例えば矩形状など任意
の形状に形成してもよい。この場合にはバルブステムに
おける溝の断面形状も突状部に対応するものとなること
は勿論である。

その他、事細かにいうならば、具体的かつ実際的に実施
するにあたっては、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変更できるものであることは言うを待たないものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、この発明の第１実施例を示し、
第１図はその縦断面図、第２図はコツタの縦断面図、第
３図はりテーナーの断面図、第４図はエンジンに適用し
た要部縦断面図、第５図はこの発明の第２実施例を示す
縦断面図、第６図は説明図、第７図は従来説明図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）エンジン燃焼室内の吸気または排気を行なうセラミ
   ック製バルブにおいて、 前記バルブにセラミック製のファイバーもしくはウィス
   カーなどの補強部材を少なくとも軸方向に沿うように配
   設したことを特徴とするセラミック製バルブ。 ２）前記ファイバーもしくはウィスカーなどの補強部材
   は前記バルブの表面側に位置していることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のセラミック製バルブ。 ３）前記バルブは射出成形により形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載のセ
   ラミック製バルブ。 ４）前記ウィスカーあるいはファイバーなどの補強部材
   の重量比は５〜２０％に設定されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   のセラミック製バルブ。