JPWO2018042620A1 - シリンダヘッド及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】吸排気用のバルブの部品コストとエンジンのダウンサイジング化との関係、及び吸排気用のバルブの冷却性能と追従性との関係に妥協点を見いだし、これらの相矛盾する関係に最善の調和をもたらすこと。【解決手段】吸気バルブ１５１よりも高温の環境下に晒される排気バルブ１６１には、冷却作用に優れた冷媒を封入した中空バルブを採用することで、ダウンサイジング化に対する阻害要因を除去する。一方、排気バルブ１６１ほどには高い冷却作用が求められず、また燃焼効率を向上させるためには排気バルブ１６１以上に追従性が求められる吸気バルブ１５１には、相対的に部品コストが安く軽量で追従性に優れた、冷媒を封入しない中空バルブを採用するようにした。

Description

本発明は、吸排気用のバルブとして中空バルブを用いたシリンダヘッド、及びこれを搭載するエンジンに関する。

中空バルブは、航空機用のエンジンとしては第２次世界大戦前から技術的なノウハウが積み重ねられてきたとされ、また、自動車用のエンジンとしても、例えばレーシングカーのような高性能エンジンにおいてはすでに中空バルブの使用が一般化している。
こうした中空バルブを用いる利点は二つある。
一つは、軽量化によって高い追従性が得られるために、エンジンのより高回転化に寄与するという点である。
もう一つの利点は、中空であるが故に内部に冷媒等を封入することが可能で、これによる冷却効果を期待できることである。代表的には金属ナトリウムなどの冷媒を封入し、より高い燃焼室の温度にも対応できるようにするということが従来から行われている。

このような中空バルブは、その製造に工数がかかる高価なものであることから、自動車用としてはターボチャージャーを搭載したり、高圧縮比であったりするような高性能エンジンには比較的早期に導入されたが、大衆車への導入には比較的障壁が高かった。
しかし、近年、二酸化炭素排出量の削減による地球温暖化防止等の観点もあり、エンジンのダウンサイジング化が世界規模でのトレンドとなっている。すなわち、同一車種についても従来よりも小排気量のエンジンを採用し、その上でターボチャージャーを搭載して小型エンジンにつきもののトルク不足を補ったり、圧縮比を高めて燃費を向上させたりすることが一つの潮流をなしている。
つまり「エンジンのダウンサイジング化」という概念は、単にエンジンの排気量を小さくするというだけに留まるものではない。ターボチャージャーの搭載や高圧縮比化などの手法を併用することで、排気量を小さくしたことによるデメリットを打ち消したり、あるいはそのようなデメリットをユーザーに感じさせないようにしたりすることを意味している。
このためエンジンのダウンサイジング化が広く普及した近年、燃焼温度はより高温化する傾向にある。
そこで着目され始めたのが中空バルブであり、大衆車ではあっても、冷媒を封入した中空バルブを用いる例が増えつつある。そして、軽自動車用のエンジンにも冷媒を封入した中空バルブが採用されてきている。

中空バルブの技術に関する特許としては、例えば特許文献１、２を挙げることができる。

特許文献１は、平成１１年１２月２４日に特許出願された公開特許公報で、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方に中空バルブを用いた発明を開示している（段落０００９、図２、図４参照）。
ただしこれらの吸排気用のバルブは中空ではあるものの、冷媒などを封入しているという記述はない。

特許文献２は、平成１６年１０月２８日に特許出願された公開特許公報で、吸気バルブと排気バルブとの両方に中空バルブを用いた発明を開示している（段落００２９、図２参照）。
もっとも特許文献２の吸排気用のバルブは特許文献１とは異なり、ナトリウムカリウムなどのナトリウム化合物からなる冷媒を封入している。

特開２００１−１８２５４０号公報 特開２００６−１２５２７７号公報

冷媒を封入した中空バルブを採用する際に障害となるのは、その部品コストの高さにある。とりわけ近年トレンドとなっている、冷媒を封入した中空バルブの大衆車への導入は、部品コストが車両販売価格に跳ね返ってくることを考慮すると、手放しで是認できるものではない。
その一方で、エンジンのダウンサイジング化に伴うターボチャージャーの適用や高圧縮比化の傾向に鑑みると、燃焼温度はいかんともし難く、冷媒を封入した中空バルブの導入はもはや不可避であるといえる。
したがって吸排気用のバルブの部品コストとエンジンのダウンサイジング化との間に、トレードオフが生じるという問題がある。

二つ目の問題は、吸排気用のバルブの軽量化である。
バルブに封入する冷媒としてよく用いられるのは金属ナトリウムであるが、冷媒を封入しない中空バルブと比較すると当然のことながらバルブの重量が増加し、フリクション低減効果を低下させてしまうと言う問題がある。
したがって吸排気用のバルブの冷却性能と軽量化という面においても、トレードオフの関係が存在する。
もう一つの問題は、吸入効率低下である。吸気バルブの冷媒はバルブの傘部の温度を軸部に伝達する目的で封入するが、吸気バルブの場合、軸部の温度が上昇すると、ここを通過する吸入空気を加温する事になる。吸入空気が加温されると体積効率が低下して燃焼効率が低下する。
したがって、吸気用のバルブの冷却性能と体積効率という面においても、トレードオフの関係が存在する。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、吸排気用のバルブのコストとエンジンのダウンサイジング化との関係、及び吸排気用のバルブの冷却性能と追従性・体積効率との関係に妥協点を見いだし、これらの相矛盾する関係に最善の調和をもたらすことを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、それぞれに軸部および傘部を備えた吸気バルブおよび排気バルブを有する内燃機関のシリンダヘッドにおいて、吸気バルブが、冷媒を封入しない中空部を内部に備える中空バルブであり、排気バルブが、冷媒を封入する中空部を内部に備える中空バルブである、ことを特徴とする。
排気バルブに冷媒を封入した中空バルブを用い、吸気バルブに冷媒を封入しない中空バルブを用いることにより、性能とコストのバランスを最適にすることが可能となる。

前記吸気バルブは、前記軸部及び前記傘部に中空部が設けられた傘中空バルブであっても良い。吸気バルブを傘中空バルブとすることで、吸気バルブを軽量化することができる。

あるいは、前記吸気バルブは前記軸部に中空部が設けられた軸中空バルブであっても良い。吸気バルブを軸中空バルブとすることで、特に傘径の大きなバルブにおいて、吸気バルブの強度の低下を防止し、結果として高燃焼圧エンジンの場合の信頼性を得ることができる。また、製造コストを低減することができる。

また、前記排気バルブは、前記軸部及び前記傘部に中空部が設けられた傘中空バルブであっても良い。冷媒を封入した排気バルブを傘中空バルブとすることで、冷媒を傘部まで行き渡らせることができ、高い冷却効果が得られる。

あるいは、前記排気バルブは前記軸部に中空部が設けられた軸中空バルブであっても良い。排気バルブを軸中空バルブとすることで、製造コストを低減することができる。

前記吸気バルブの傘部が前記排気バルブの傘部よりも大きい場合、前記吸気バルブの中空部の長さを前記排気バルブの中空部の長さよりも長くする、または前記吸気バルブの中空部の径を前記排気バルブの中空部の径よりも大きくしても良い。もちろん、前記吸気バルブの中空部の長さを前記排気バルブの中空部の長さよりも長くし、かつ前記吸気バルブの中空部の径を前記排気バルブの中空部の径よりも大きくしても良い。傘部の大きさの違いによって生じる吸気バルブと排気バルブの重量差を、中空部の長さ又は径、あるいは両方を変更することによって低減することができる。これによって、エンジンフリクションを低減し、エンジンの燃費を向上することができる。

本発明のエンジンは、シリンダ内にピストンを往復動自在に保持し、コネクティングロッドを介して前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトを回転自在に保持するシリンダブロックと、前記シリンダを前記燃焼室に連絡させて前記シリンダブロックに固定される請求項１〜７のいずれか一に記載のシリンダヘッドと、を備えることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、吸気バルブよりも高温の環境下に晒される排気バルブには、冷却作用に優れた冷媒を封入した中空バルブを採用した。一方、より一層の追従性が求められる吸気バルブには、最も軽量で追従性に優れ、かつ低コストである冷媒を封入しない中空バルブを採用するようにしたので、吸排気用のバルブの冷却性能と追従性、及びコストの面でバランスの良いシリンダヘッド及びエンジンを提供することができる。

実施の一形態として、エンジンを示す縦断面図。 ターボチャージャーを含むエンジンの吸排気系を示す平面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの第１の形態として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの第２の形態として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの第３の形態として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの第４の形態として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの変形例として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの別の変形例として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。 吸排気用のバルブの組み合わせの更なる変形例として、（ａ）は吸気バルブ、（ｂ）は排気バルブをそれぞれ示す縦断正面図。

実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態は、ターボチャージャーを搭載するエンジンへの適用例である。
以下、次の項目にしたがい説明する。
１．エンジンの基本構造
２．エンジンの吸排気系
３．吸気バルブと排気バルブの構造
（１）第１の形態
（２）第２の形態
（３）第３の形態
（４）第４の形態
４．作用
（１）吸排気用のバルブの部品コストとエンジンのダウンサイジング化との関係
（２）吸排気用のバルブの冷却性能と追従性との関係
５．変形例

１．エンジンの基本構造
図１に示すように、エンジン１１は、シリンダブロック２０１にシリンダヘッド１０１が搭載されて形成されている。

シリンダブロック２０１は、上部にシリンダ２１１を備え、下部にクランクシャフト２２１を回転自在に保持している。
シリンダ２１１は円筒形状のものであり、内部にピストン２３１をスライド自在に収納する。したがってピストン２３１は、滑らかに面処理されたシリンダ２１１の内壁を摺動して、往復運動をすることができる。
このようなピストン２３１はコネクティングロッド２４１を介してクランクシャフト２２１に連結され、これによってピストン２３１の往復運動がコネクティングロッド２４１を介してクランクシャフト２２１の回転運動に変換される。
図１中、符号２２２で示す軸は、クランクシャフト２２１の回転軸である。また符合２２３で示す軸は、クランクシャフト２２１が備えるコネクティングロッド２４１との連結軸である。

シリンダヘッド１０１は、シリンダ２１１及びピストン２３１に対面する位置でシリンダブロック２０１に連結され、この連結部分に燃焼室形成領域１１１を備えている。燃焼室形成領域１１１は、シリンダヘッド１０１がシリンダブロック２０１に搭載された状態で燃焼室Ｃを形成する領域であり、吸排気用のポート１２１，１３１と、点火プラグ３０１を取り付けるためのプラグ孔１４１とを開口させている。
図１中、符号１２１で示す方が吸気ポートであり、符号１３１で示す方が排気ポートである。これらの吸気ポート１２１及び排気ポート１３１は、ピストン２３１の軸心に対して対称となる位置に配置されており、吸気ポート１２１は吸気通路１２２に、排気ポート１３１は排気通路１３２にそれぞれ連絡している。
プラグ孔１４１は点火プラグ３０１をねじ込むことができるねじ孔の形態のもので、ピストン２３１の軸心上に位置付けられている。

シリンダヘッド１０１は、吸排気用のバルブ１５１，１６１を備えている。
図１中、符号１５１で示す方が吸気バルブであり、符号１６１で示す方が排気バルブである。これらの吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１とは、シリンダヘッド１０１に取り付けられたバルブガイドＶＧにスライド自在に保持されている。
吸排気用のバルブ１５１，１６１は、柱状の軸部１５２，１６２の一端に略円錐形の傘部１５３，１６３を連結し、全体として茸形状である。以降、本明細書では、吸排気用のバルブ１５１，１６１の軸部１５２，１６２側を上側とし、傘部１５３，１６３側を下側として説明する。傘部１５３，１６３によって吸排気用のポート１２１，１３１を開閉する。このような吸排気用のバルブ１５１，１６１は、軸部１５２，１６２の後端部分にアッパーシートＵＳを取り付けている。シリンダヘッド１０１は、これらのアッパーシートＵＳに対面する位置にロワシートＬＳを形成し、これらのアッパーシートＵＳとロワシートＬＳとの間にバルブスプリングＣＳを圧縮状態で配置している。
したがって吸排気用のバルブ１５１，１６１は、後端部分に押圧力が加えられるとスライド移動して吸排気用のポート１２１，１３１を開放する。この際、アッパーシートＵＳがロワシートＬＳに近接することから、バルブスプリングＣＳは圧縮される。そこで後端部分に加えた圧縮力を解除すると、圧縮されたバルブスプリングＣＳの復元力によって吸排気用のバルブ１５１，１６１が付勢され、バルブ１５１，１６１は速やかに元の位置に復帰する。

吸排気用のバルブ１５１，１６１を駆動し、吸排気用のポート１２１，１３１を開閉させるのは、バルブ駆動機構１７１である。
バルブ駆動機構１７１はシリンダヘッド１０１に組み込まれ、吸排気用のバルブ１５１，１６１をそれぞれ別個に駆動する二本のカムシャフト１７２を主体に構成されている。これらのカムシャフト１７２は、それぞれ吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１との後端部分に押圧力を加えるカム１７３を備え、カムシャフト１７２の回転によってカム１７３が予め決められたタイミングで吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１とを駆動する。
これによって吸気ポート１２１のみが開いた「吸入」、吸排気用のポート１２１，１３１がいずれも閉じられた「圧縮」「燃焼」、排気ポート１３１のみが開いた「排気」という４サイクルの動作が実行される。
このような４サイクルの各過程において、バルブ駆動機構１７１は、ピストン２３１が下死点に向けて下がるタイミングで「吸入」、下死点まで下がったピストン２３１が上死点まで上がるタイミングで「圧縮」、ピストン２３１が上死点まで上がったタイミングで「燃焼」、下死点まで下がったピストン２３１が上死点に向けて上がるタイミングで「排気」を実行するように、クランクシャフト２２１の回転と同期が取られる。

図１中には示さないが、シリンダヘッド１０１は燃料噴射装置（図示せず）を備えている。この燃料噴射装置は、燃料であるガソリンを霧状にして、「吸入」のタイミングで燃焼室Ｃに噴射し、燃料と空気の混合気を生成するための装置である。したがって「圧縮」工程では燃料が混入する混合気が圧縮され、圧縮された混合気は点火プラグ３０１による火によって爆発し、「燃焼」工程が実行されるわけである。

２．エンジンの吸排気系
図２に示すように、本実施の形態のエンジン１１は４気筒エンジンであり、ターボチャージャー４０１を備えている。
つまりエンジン１１のシリンダヘッド１０１には、個々の気筒の吸気通路１２２を形成する四本に分岐された吸気マニホールド４１１と、個々の気筒の排気通路１３２を形成する四本に分岐された排気マニホールド４２１とが取り付けられている。これらの吸気マニホールド４１１及び排気マニホールド４２１の四本の分岐パイプ４１１ａ，４２１ａは合流し、一本の集合パイプ４１１ｂ，４２１ｂにまとめられている。
合流して一本にまとめられた排気マニホールド４２１の集合パイプ４２１ｂによって形成される排気通路１３２中には、ターボチャージャー４０１のタービン４０２が配置されている。
そしてタービン４０２と同軸上に連結されたターボチャージャー４０１のコンプレッサ４０３は、合流して一本にまとめられた吸気マニホールド４１１の集合パイプ４１１ｂによって形成される吸気通路１２２に配置されている。

したがって排気通路１３２を流れる排ガスによってタービン４０２が回転し、これに伴いコンプレッサ４０３が同速で回転して空気を圧縮する。すると「吸入」工程においてより多くの酸素を含む混合気が燃焼室Ｃに送り込まれ、「燃焼」工程での燃焼効率が向上する。
このようなターボチャージャー４０１による過給工程においては、コンプレッサ４０３での圧縮によって吸気通路１２２を流れる空気の温度が上昇する。すると「吸入」工程でシリンダ２１１に取り込まれた混合気に、ノッキングが生じやすくなる。そこで本実施の形態では、コンプレッサ４０３と分岐パイプ４１１ａとの間にインタークーラ４３１を介在させ、吸気通路１２２を流れる空気の温度を低下させている。
また吸気通路１２２中、インタークーラ４３１の下流側にはスロットルバルブ４４１が設けられ、吸気通路１２２を流れる空気の流量を調整することができるようにしている。

無論、上記のシリンダヘッドその他のエンジンの構造は一例であり、本件発明が特徴とする後述の吸排気バルブの構造は、内燃機関用のシリンダヘッドないしエンジンに広く適用することができる。

３．吸気バルブと排気バルブの構造
本実施の形態では、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１とに中空バルブを採用している。中空バルブは、内部に中空部Ｈを設けたバルブである。
もっとも、中空バルブを採用している点については共通するものの、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１とではその構造が異なっている。
図３（ａ）（ｂ）〜図６（ａ）（ｂ）に、本実施の形態で採用可能な吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１との四種類の組み合せ例（第１〜第４の形態）を挙げる。

（１）第１の形態
図３（ａ）に示すように、吸気バルブ１５１の中空部Ｈは、軸部１５２の中間付近から傘部１５３に渡って連続した一つの空間として形成されている。このように、軸部のみならず傘部まで中空となっているバルブを、以降「傘中空バルブ」という。傘部まで中空とすることによって、吸気バルブ１５１をより軽量化させ、エンジンフリクションを低減することができる。傘中空バルブである吸気バルブ１５１には、冷媒を封入していない。このように、吸気バルブの冷媒封入工程を有しないことで、低コスト・高性能化を実現することができる。また、吸気バルブ１５１に冷媒を封入すると、傘部１５３の熱が冷媒を介して軸部１５２に伝達され、軸部１５２の温度が上昇する可能性がある。冷媒を封入しないことで、軸部１５２の温度上昇による吸入空気の加温を防止し、燃焼効率の低下を防止することができる。

図３（ｂ）に示すように、排気バルブ１６１は、軸部１６２のみならず、傘部１６３にまで中空部Ｈを設けた傘中空バルブである。しかも中空部Ｈには冷媒１６４を封入している。冷媒１６４としては、例えば金属ナトリウムが用いられる。排気バルブ１６１は傘中空バルブであるため、冷媒１６４は傘部１６３まで行き渡り、高い冷却効果が得られる。冷媒１６４によって排気バルブ１６１の底面の温度が低減されることで、吸入効率を向上させ、ノック限界を拡大し、プレイグニッションを防止することができる。また、傘部１６３及び軸部１６４の温度が低減されることで、材料強度における安全率を向上させることができる。結果として、軽量かつコストが安価なバルブ鋼材を使用することが可能となり、経済性を向上させることができる。

（２）第２の形態
第２の形態においては、第１の形態と同様、図４（ａ）に示すように、吸気バルブ１５１は、冷媒を封入していない中空部Ｈを有する傘中空バルブであり、図４（ｂ）に示すように、排気バルブ１６１は、傘部１６３にまで中空部Ｈを設けた傘中空バルブであって、排気バルブ１６１の中空部Ｈには冷媒１６４を封入している。

図４に示すように、通常、吸気バルブ１５１の傘部１５３は排気バルブ１６１の傘部１６３よりも大きい。そのため、図３のように両者の中空部Ｈを同じ大きさとした場合は、吸気バルブ１５１は排気バルブ１６１よりも重くなる。排気バルブ１６１には冷媒１６４を封入しているが、冷媒１６１の比重は通常、バルブ鋼材よりも小さい。たとえば、金属ナトリウムの比重はバルブ鋼材の８分の１程度である。したがって、冷媒１６４の重量を加えても、通常排気バルブ１６１より吸気バルブ１５１の方が重くなる。

上述したように、吸気バルブ１５１及び排気バルブ１６１は、バルブスプリングＣＳによって付勢されて閉弁状態に保たれる。そのため、バルブスプリングＣＳはバルブの重量に比例した反力を発生するように設計する必要がある。部品の製造コスト低減のため、通常は吸気バルブ１５１及び排気バルブ１６１で共通のバルブスプリングＣＳが用いられる。したがって、バルブスプリングＣＳの設計は、重量の大きい吸気バルブ１５１に合わせた設計となる。ここで、吸気バルブ１５１を軽量化して排気バルブ１６１との重量差を低減できれば、バルブスプリングＣＳの反力を下げることができる。結果として、エンジンフリクションを低減し、エンジンの燃費を向上することができる。

そこで、図４に示すように、吸気バルブ１５１の中空部Ｈの長さＬ１は、排気バルブ１６１の中空部Ｈの長さＬ２よりも大きく設定されている。ここで、「中空部の長さ」とは、吸気バルブ１５１及び排気バルブ１６１の下端から中空部Ｈの上端までの長さを意味する。このように、吸気バルブ１５１の中空部Ｈを長くすると、中空部Ｈの容積が大きくなり、バルブ鋼材の量が減る。これによって吸気バルブ１５１を軽量化して、排気バルブ１６１との重量差を低減することができる。長さＬ１及び長さＬ２は特定の数値には限定されないが、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１の重量差が低減されるように、あるいは両者の重量が等しくなるように適宜設定することができる。

（３）第３の形態
図５（ｂ）に示すように、第３の形態においては、排気バルブ１６１は、第１及び第２の形態と同様であり、軸部１６２のみならず、傘部１６３にまで中空部Ｈを設けた傘中空バルブであり、内部に冷媒１６４を封入している。
かつ、第３の形態においては、図５（ａ）に示すように、吸気バルブ１５１は、傘部１５３は中実で軸部１５２のみに中空部Ｈを有する。このように軸部１５２にのみ中空部Ｈを設けたバルブを「軸中空バルブ」という。

高燃焼圧のエンジンにおいては、特に傘の径の大きな傘中空バルブの場合には、吸気バルブに傘中空バルブを用いると、底面が凹む危険性がある。したがって、吸気バルブ１５１はあえて軸中空とすることにより、強度の低下を防止して信頼を得ることができる。また、軸中空バルブにすることにより、製造コストを低減することもできる。

一方、軸中空バルブは傘部が中実のため、傘中空バルブよりも重量が大きくなる。第３の形態では排気バルブ１６１が傘中空バルブであるため、両者の重量差は第２の形態よりも増加することになる。そこで、図５に示すように、吸気バルブ１５１の中空部Ｌ１の長さを第２の形態よりもさらに長くすることで、吸気バルブ１５１をさらに軽量化して排気バルブ１６１との重量差を低減することができる。これによって、第２の形態と同様に、エンジンフリクションを低減し、エンジンの燃費を向上することができる。

（４）第４の形態
図６（ａ）に示すように、吸気バルブ１５１は、第３の形態と同様に、軸部１５２にのみ中空部Ｈを設けた軸中空バルブである。
図６（ｂ）に示すように、第４の形態の排気バルブ１６１は、第１〜第３の形態の排気バルブ１６１と同一のものである。つまり軸部１６２のみならず、傘部１６３にまで中空部Ｈを設けた傘中空バルブであり、内部に冷媒１６４を封入している。

第４の形態では、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１の中空部Ｈの長さは同じであるが、吸気バルブ１５１の中空部Ｈの径Ｄ１を排気バルブ１６１の中空部の径Ｄ２よりも大きくしている。吸気バルブ１５１の中空部Ｈの径Ｄ１を大きくすると、中空部Ｈの容積が大きくなり、その分バルブ鋼材の量が減ることとなる。これによって、第２及び第３の形態と同様に、吸気バルブ１５１を軽量化して、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１の重量差を低減することができる。結果としてエンジンフリクションを低減し、エンジンの燃費を向上することができる。なお、「中空部の径」とは、中空部の軸部における径を意味する。径Ｄ１及び径Ｄ２は特定の数値には限定されないが、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１の重量差が低減されるように、あるいは両者の重量が等しくなるように適宜設定することができる。

４．作用
エンジン１１及びターボチャージャー４０１の作用については簡単に前述したので、詳しい説明は省略する。
ここでは吸排気用のバルブ１５１，１６１の作用について言及する。

（１）吸排気用のバルブの部品コストとエンジンのダウンサイジング化との関係
前述したとおり、エンジンのダウンサイジング化を実現する上では、冷媒を封入した中空バルブの採用が望ましく、場合によってはそれが不可避である場合もある。
その反面、冷媒を封入した中空バルブは中実バルブに比べて極端に部品コストが高く、車種やグレードと無関係に制限なく採用できるものではない。
そこで本実施の形態では、吸排気用のバルブ１５１，１６１の最適な組合せを提案している。
まず吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１とが晒される環境の相違に着目すると、排気バルブ１６１の方がより厳格な熱対策を求められることがわかる。燃焼後の高温になった燃焼ガスを排気ポート１３１から取り込んで排気通路１３２に導くという役割上、吸気ポート１２１から外気をシリンダ２１１に取り込むに過ぎない吸気バルブ１５１よりも、排気バルブ１６１はより高温環境下に晒されるからである。
そこで本実施の形態では、上記第１〜第３の形態に示すように、排気バルブ１６１には冷媒を封入した中空バルブを用い、吸気バルブ１５１には冷媒を封入しない中空バルブを用いることにした。
これによって吸排気用のバルブ１５１，１６１の部品コストとエンジン１１のダウンサイジング化という相矛盾する関係に最善の調和をもたらすことができる。

（２）吸排気用のバルブの冷却性能と追従性との関係
燃焼室Ｃでの燃焼効率の向上やエンジンの高回転化には、吸排気用のバルブ１５１，１６１の追従性が大きく影響する。
例えば吸気バルブ１５１の追従性が劣っていると、「吸入」工程でシリンダ２１１内に導入できる混合気の量に変動を来たす。吸気バルブ１５１の追従性が劣っていると、シリンダ２１１に最大限の量の混合気を引き込めなかったり、あるいはせっかく導入した混合気が吸気ポート１２１から戻されてしまったりすることがあるからである。
同様に排気バルブ１６１についても、その追従性が劣っていると、燃焼室Ｃ内に燃焼後のガスを残存させてしまうという問題を引き起こす。
そこで本実施の形態では、吸排気用のバルブ１５１，１６１に中空バルブを採用し、その追従性を向上させるようにした。
とりわけ吸気バルブ１５１については、冷媒１６４を封入しない中空バルブとしたことから、より一層の追従性の向上を期待することができる。

５．変形例
以上のように本発明の実施形態を説明したが、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。そして、上述の実施形態やそれらの変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述の形態では、吸気バルブ１５１の軽量化の手段として、吸気バルブ１５１の中空部Ｈの長さＬ１を排気バルブ１６１の中空部Ｈの長さＬ２よりも長く設定した例と（上記第２及び第３の形態）、吸気バルブ１５１の中空部Ｈの径Ｄ１を排気バルブ１６１の中空部Ｈの径Ｄ２よりも大きく設定した例（上記第４の形態）とを示したが、実施に際してはこれらの二種類の手段を併用するようにしてもよい。

また、第４の形態では、吸気バルブ１５１が軸中空バルブである例を説明したが、図７に示すように、吸気バルブ１５１を傘中空バルブとし、かつ中空部Ｈの径Ｄ１を排気バルブ１６１の中空部Ｈの径Ｄ２より大きく設定しても良い。

また、上述の形態では、排気バルブ１６１はいずれも傘中空バルブとする例を説明した。しかしながら、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、排気バルブ１６１を軸中空バルブとしても良い。排気バルブ１６１を軸中空バルブとすることで、製造コストを低減することができる。その場合、吸気バルブ１５１は、図８（ａ）に示すように軸中空バルブにしても良く、あるいは、図９（ａ）に示すように傘中空バルブにしても良い。図８および図９の場合も、吸気バルブ１５１と排気バルブ１６１に重量差がある場合には、吸気バルブ１５１の中空部Ｈの長さＬ１を排気バルブ１６１の中空部Ｈの長さＬ２よりも長くする、あるいは径Ｄ１を径Ｄ２より大きくして、両者の重量差を低減するようにしても良い。

上述したように、通常は吸気バルブ１５１の方が排気バルブ１６１よりも重くなるが、排気バルブ１６１の方が吸気バルブ１５１より重くなるような場合には、排気バルブ１６１の中空部Ｈの長さＬ２を吸気バルブ１５１の中空部Ｈの長さＬ１より長くしたり、径Ｄ２を径Ｄ１より大きくしたりしても良い。
その他、あらゆる変形や変更が許容される。

１１１・・・燃焼室形成領域
１２１・・・吸気ポート
１３１・・・排気ポート
１５１・・・吸気バルブ
１６１・・・排気バルブ
１７１・・・バルブ駆動機構
２０１・・・シリンダブロック
２１１・・・シリンダ
２２１・・・クランクシャフト
２３１・・・ピストン
２４１・・・コネクティングロッド
Ｃ・・・燃焼室
Ｈ・・・中空部

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、それぞれに軸部および傘部を備えた吸気バルブおよび排気バルブを有する内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記吸気バルブが、冷媒を封入しない中空部を内部に備える中空バルブであり、前記排気バルブが、冷媒を封入する中空部を内部に備える中空バルブであり、前記吸気バルブの中空部の長さは前記排気バルブの中空部の長さよりも長い、ことを特徴とする。
また、本発明は、それぞれに軸部および傘部を備えた吸気バルブおよび排気バルブを有する内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記吸気バルブが、冷媒を封入しない中空部を内部に備える中空バルブであり、前記排気バルブが、冷媒を封入する中空部を内部に備える中空バルブであり、前記吸気バルブの中空部の径は前記排気バルブの中空部の径よりも大きい、ことを特徴とする。
また、前記吸気バルブの傘部の径は前記排気バルブの傘部の径よりも大きくなっていても良い。

上記の構成に示すように、排気バルブに冷媒を封入した中空バルブを用い、吸気バルブに冷媒を封入しない中空バルブを用いることにより、性能とコストのバランスを最適にすることが可能となる。また、上記構成により、吸気バルブと排気バルブの重量差を、中空部の長さ又は径、あるいは両方を変更することによって低減することができる。これによって、エンジンフリクションを低減し、エンジンの燃費を向上することができる。

また、本発明は、それぞれに軸部および傘部を備えた吸気バルブおよび排気バルブを有する内燃機関のシリンダヘッドにおいて、前記吸気バルブが、冷媒を封入しない中空部を内部に備える中空バルブであり、前記排気バルブが、冷媒を封入する中空部を内部に備える中空バルブであり、前記吸気バルブは、前記軸部に中空部が設けられた軸中空バルブであり、前記排気バルブは、前記軸部及び前記傘部に中空部が設けられた傘中空バルブである、ことを特徴とする。

Claims (8)

1. それぞれに軸部および傘部を備えた吸気バルブおよび排気バルブを有する内燃機関のシリンダヘッドにおいて、
   吸気バルブが、冷媒を封入しない中空部を内部に備える中空バルブであり、
   排気バルブが、冷媒を封入する中空部を内部に備える中空バルブである、
   ことを特徴とする内燃機関のシリンダヘッド。
2. 前記吸気バルブは、前記軸部及び前記傘部に中空部が設けられた傘中空バルブである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
3. 前記吸気バルブは、前記軸部に中空部が設けられた軸中空バルブである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
4. 前記排気バルブは、前記軸部及び前記傘部に中空部が設けられた傘中空バルブである、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のシリンダヘッド。
5. 前記排気バルブは、前記軸部に中空部が設けられた軸中空バルブである、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のシリンダヘッド。
6. 前記吸気バルブの傘部の径は前記排気バルブの傘部の径よりも大きく、前記吸気バルブの中空部の長さは前記排気バルブの中空部の長さよりも長い、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
7. 前記吸気バルブの傘部の径は前記排気バルブの傘部の径よりも大きく、前記吸気バルブの中空部の径は前記排気バルブの中空部の径よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
8. シリンダ内にピストンを往復動自在に保持し、コネクティングロッドを介して前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトを回転自在に保持するシリンダブロックと、
   前記シリンダを前記燃焼室に連絡させて前記シリンダブロックに固定される請求項１〜７のいずれか一に記載のシリンダヘッドと、
   を備えることを特徴とするエンジン。

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