KR101895141B1

KR101895141B1 - 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체

Info

Publication number: KR101895141B1
Application number: KR1020167017867A
Authority: KR
Inventors: 사토시 이케미; 히로시 오시게; 기요시 스와; 겐이치 사토; 고우지 구니타케; 료우이치 요시노
Original assignee: 닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤; 니탄 밸브 가부시키가이샤
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2018-09-04
Also published as: KR20160103016A; US20160326919A1; JP2015127521A; JP6316588B2; US10287933B2; WO2015098643A1

Abstract

축 단부에 우산부가 일체적으로 형성되고, 우산부로부터 축부에 걸쳐서 중공부를 가지며, 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브와, 지지 부재측 층과 밸브 접촉면측 층을 2층 일체화하여 이루어지는 철기 소결 합금제 밸브 시트의 조합체로, 중공 포핏 밸브를, 20~1000℃에서의 열전도율이 5~45(W/m·K)인 재료제이며, 밸브 시트를 20~300℃에서의 열전도율이 23~50(W/m·K)인 지지 부재측 층과, 10~22(W/m·K)인 밸브 접촉면측 층으로 이루어지는 밸브 시트로 한다. 이에 의해, 자동차의 엔진 회전수의 전 영역에 걸쳐서, 종래 중실 밸브-밸브 시트의 조합체에 비해, 밸브 온도를 현저하게 저하시킬 수 있다.

Description

내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체{ASSEMBLY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVE AND VALVE SEAT}

본 발명은 내연기관용의 밸브 장치에 관한 것으로서, 특히 방열성을 향상시켜, 밸브의 온도 상승을 억제할 수 있는 밸브와 밸브 시트의 조합체에 관한 것이다.

근래, 가솔린 엔진 등의 내연기관에 대해서는, 고 출력화나 고성능화가 요구되고, 또한, 최근에는 저 연비화도 강하게 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해, 엔진 성능의 개선을 실행하면, 연소실의 온도가 높아지고, 특히 배기 밸브로의 열부하가 증대된다.

그래서, 축부와 우산부를 일체적으로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐서 중공부를 형성하여, 밸브의 경량화를 도모하는 동시에, 중공부의 내부에, 예컨대 금속 나트륨 등의 열전도율이 높은 냉각재(냉매)를 불활성 가스와 함께 봉입하여, 밸브의 열전도성(이하, 밸브의 방열 효과라고도 함)을 높인 밸브(중공 포핏 밸브)가 제안되어 있다. 이러한 밸브에서는, 엔진의 시동에 따라서 연소실에서 발생한 열을 밸브를 거쳐서 적극적으로 열전달시키고 있다.

예컨대, 특허문헌 1에는, 우산부로부터 축부에 걸쳐서 축선 방향을 따라, 우산 표면에서 폐색되어 있는 중공 구멍이 천공되어 있는 내연기관용 중공 밸브가 기재되어 있다. 이 중공 밸브에서는, 우산 표면부에 중공부와 연속하여, 중공부의 최대 내경보다 소경의 통 구멍을 마련하고, 해당 통 구멍에 밀봉 부재를 끼워 맞춤 고착하고, 밸브 본체와 밀봉 부재의 경계를, 응력이 집중되기 쉬운 예각부를 피한, 밸브축의 중심측에 위치시키고 있다. 이에 의해, 중공 밸브의 내구성, 신뢰성이 향상된다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 우산부로부터 스템에 걸쳐서 천공된 중공 구멍 내에 냉각 매체를 봉입하고, 적어도 중공 구멍 내주면에 요철부를 마련한 내연기관용 중공 밸브가 기재되어 있다. 이에 의해, 우산부로부터의 냉각 매체로의 열전달 효율이 높아져, 밸브 작동시의 우산부의 열부하가 현저하게 경감된다고 하고 있다.

한편, 내연기관의 흡기구, 배기구를 개폐하는 밸브를 착좌시키는 밸브 시트에 대해서도, 내마모성에 더하여, 밸브의 방열 등 연소실 주위의 온도 상승을 억제할 수 있는 우수한 냉각능을 보지하는 것이 요망되고 있다.

이러한 요망에 대하여, 예컨대 특허문헌 3에는, 밸브 접촉면이 형성되는 페이스면측 층과 착좌면측 층의 2층을 일체화하고, 페이스면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 10~45%이며, 바람직하게는 페이스면측 층과 착좌면측 층의 경계면이 밸브 시트축과 이루는 각도로 20~90°의 평균 각도를 갖고, 경계면의 평균 위치에 대해 높이 방향으로 ±300㎛ 이하로 조정되어 이루어지는 철기 소결 합금제 내연기관용 밸브 시트가 기재되어 있다. 이에 의해, 뛰어난 내마모성과 높은 열전도성을 겸비한 밸브 시트로 할 수 있다고 하고 있다.

일본 실용신안 공개 평02-124204호 공보 일본 실용신안 공개 평04-76907호 공보 일본 특허 공개 제2011-157845호 공보

우산부에 형성된 중공부의 내부에 냉각재(냉매)를 봉입한 중공 포핏 밸브(중공 밸브)에는, 냉각재(냉매)의 유동에 따라서 열이 이동하여, 밸브가 고온이 되는 것을 어느 정도 방지할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 밸브의 내구성, 신뢰성의 향상은 도모할 수 있지만, 밸브의 방열 효과에 현저한 향상은 기대할 수 없었다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 중공 구멍 내주면의 표면적이 증가하여, 냉각 매체로의 열전달은 증가하는 경향이 되는데, 그러나, 냉각 매체(냉각재)의 중공 구멍 내의 흐름이 교란되어, 우산부로부터의 발열이 충분하다고 할 수는 없어서, 밸브의 방열 효과의 현저한 향상은 바랄 수 없었다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 연소실에서 발생하는 열량이 너무 많아지면, 중공 구멍 내의 냉각재(냉매) 유동에 의한 밸브의 방열 효과를 상회하여, 배기 가스에 접촉하는 밸브 우산부의 온도가 너무 상승할 우려가 있다. 나아가, 밸브의 개폐시에는, 밸브의 우산부와 중공 축부의 접속부인 목부나, 우산부 경사면, 밸브 시트와의 접촉면 등에 큰 부하가 걸린다. 그 때문에, 밸브 온도가 너무 상승해 있으면, 부하가 높은 부위에서, 온도 상승에 의한 강도 저하, 마모, 부식 등에 기인하는 파손이 일어날 것이 염려되며, 엔진 트러블의 원인으로 이어진다는 문제가 있다. 그 때문에, 밸브의 방열 효과를 더욱 향상시켜, 우산부의 온도 상승을 억제할 필요가 있는 것에 생각이 미쳤다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 최근의 엔진 성능의 향상에 수반하는 밸브의 온도 상승을 억제하기에는 불충분하며, 밸브 시트의 방열 효과를 더욱 향상시킬 것이 요망되고 있었다.

또한, 종래에는, 상기한 바와 같이, 중공 포핏 밸브 자체, 또는 밸브 시트 자체의 방열 효과의 향상에 대해서는 몇 가지 제안이 있다. 그러나, 중공 밸브를 사용한 경우에 있어서의 밸브와 밸브 시트의 적정한 조합에 대한 언급은 없다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 해결하여, 중실 밸브를 사용한 종래의 밸브와 밸브 시트의 조합체에 비해, 밸브 온도의 상승을 현저하게 억제할 수 있는, 내연기관용 중공 포핏 밸브와 밸브 시트의 조합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 과제를 달성하기 위해, 우선, 중공 포핏 밸브(중공 밸브)의 방열 효과를 더욱 높이기 위해 여러 가지의 검토를 실행했다. 그 결과, 밸브 중공부 내의 냉각재(냉매)에 순환류를 형성시킬 필요가 있는 것을 깨달았다. 중공부 내 전체의 냉각재(냉매)에 순환류가 형성되면, 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 서로 섞이도록 교반되어, 중공 밸브의 방열 효과가 현저하게 개선된다.

구체적으로는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 우산부(13) 내에 마련된 대략 원반 형상의 대경 중공부(S1)와, 축부(11)에 마련된 대략 봉 형상의 소경 중공부(S2)가 대략 직교하도록 연통하며, 대경 중공부(S1)에 있어서의 소경 중공부(S2)의 개구 주연부가 밸브(10)의 중심 축선(L)에 대해 대략 직교하는 평면(13b)으로 구성된 중공 포핏 밸브(중공 밸브)(10)로 한다.

이러한 중공 포핏 밸브에서는, 밸브(10)를 개폐 동작할 때에, 대경 중공부(S1) 내의 냉각재에, 밸브 중심 축선(L)의 주위에 종방향 내회전의 순환류가 형성되는 것을, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 확인했다(도 2의 F1, F2, F3, F6, F8 참조). 또한, 도 2의 (a)는 밸브가 하강하는 경우이며, 도 2의 (b)는 밸브가 상승하는 경우이다. 도면부호 8은 밸브 시트이다.

그래서, 본 발명자들은, 도 1에 도시하는 구조의 중공 포핏 밸브를 제작하고, 자동차용 엔진에 조립하여, 소정 시간의 난기 운전(서서히 회전수를 올림)을 실행한 후, 소정의 회전수로 고 부하 운전을 소정 시간 계속한 후의, 밸브 목부의 표면 온도를, 표면에 용착시킨 열전쌍을 이용하여 측정했다. 또한, 비교로서, 대경 중공부(S1)와 소경 중공부(S2)의 연통부(P)가 매끄럽게 연속하는 형상의 종래의 중공 포핏 밸브(도 8의 (b))에 대해서도 동일한 시험을 실행했다.

그 결과, 대경 중공부(S1)에 있어서의 소경 중공부(S2)의 개구 주연부가 밸브의 중심 축선(L)에 대해 대략 직교하는 평면(13b)으로 구성된 중공 포핏 밸브(도 1)에서는, 연통부(P)가 매끄럽게 연속하는 형상의 종래의 중공 밸브(도 8의 (b))에 비해, 명확하게 밸브의 열전달성(방열 효과)이 향상하고 있는 것을 알았다. 이것은, 도 8의 (b)에 도시하는 연통부(P)가 매끄럽게 연속하는 형상의 종래의 중공 밸브에서는, 밸브의 개폐에 따라서, 대경 중공부(S1)와 소경 중공부(S2) 사이를 냉각재(19)가 부드럽게 이동하지만, 냉각재의 상층부, 중간부, 하층부가 교반되는 일 없이 상하 관계를 유지한 채의 상태로 축방향으로 이동하고 있을 뿐이다. 이에 반하여, 도 1에 도시하는 대경 중공부(S1)에 있어서의 소경 중공부(S2)의 개구 주연부가 밸브의 중심 축선(L)에 대해 대략 직교하는 평면(13b)으로 구성된 중공 밸브에서는, 축방향 내회전으로 순환류가 형성되는 것에 의한다고 여겨진다.

그래서, 도 1에 도시하는 구조의 중공 포핏 밸브에 대해 실제 엔진에서의 효과를 확인할 목적으로, 중공 포핏 밸브에 밸브 시트를 조합하여 사용한 경우의 밸브의 표면 온도에 대해, 표면에 용착한 열전쌍을 이용하여 조사했다. 또한, 기준으로서, 중실 밸브와 밸브 시트의 조합을 이용했다. 중실 밸브는, 도 8의 (a)에 도시하는 형상으로 하고, 밸브 시트는 모두 도 4의 (b)에 도시하는, 통상 사용되고 있는 철기 소결 합금제 2층 일체형의 밸브 시트(표준 밸브 시트)로 했다.

그 결과, 중실 밸브와 밸브 시트(표준 밸브 시트)를 조합한 경우에 비해, 도 1에 도시하는 중공 포핏 밸브를 사용한, 중공 밸브와 밸브 시트(표준 밸브 시트)의 조합에서는, 엔진 회전수가 고 회전수 영역인 경우에, 밸브 온도의 상승이 억제되는 것을 확인했다. 그러나, 이 조합에서는, 일반적으로 사용 빈도가 높은, 엔진 회전수가 저중 회전수 영역에서, 고 회전수 영역에 비해 방열량이 적다는 문제가 있는 것을 알았다. 이것은, 저중 회전수 영역에서는, 냉각재(냉매)의 상하 교반이 적은 것에 의해, 밸브의 방열량이 적어지기 때문인 것으로 추찰된다.

그래서, 넓은 범위의 엔진 회전수 영역에 걸쳐서, 밸브 온도의 상승을 억제하는 방책에 대해 추가로 검토했다. 그 결과, 엔진의 저중 회전수 영역에 있어서의 밸브 온도 상승을 억제하고, 방열량을 크게 하려면, 도 1에 도시하는 중공 포핏 밸브의 사용에 부가하여, 열전도성을 높인 고 열전도형 밸브 시트를 사용할 필요가 있는 것을 도출했다. 그리고, 방열 효과가 높은 중공 포핏 밸브와 고 열전도성의 밸브 시트를 조합한, 밸브와 밸브 시트의 조합체로 하는 것에 의해, 엔진의 저중 회전수 영역에서 고 회전수 영역에 도달할 때까지, 밸브 온도의 상승을 억제할 수 있다는 현저한 효과를 기대할 수 있는 것을 발견했다. 밸브 시트의 열전도성이 낮으면, 방열 효과가 높은 중공 밸브를 사용해도, 저중 회전수 영역에서의 밸브 온도 상승의 억제 효과가 적다.

우선, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해 설명한다.

밸브로서, 도 1에 도시하는 구조의 중공 포핏 밸브(방열 효과가 높은 중공 밸브)와, 도 8의 (a)에 도시하는 형상 중실 밸브를 준비했다. 모두 내열강(SUH 35)제로 했다. 또한, 중공 포핏 밸브의 중공 구멍 내에는 금속 나트륨(Na)을 불활성 가스와 함께 봉입했다.

한편, 밸브 시트로서, 도 5의 (a)에 도시하는 치수 형상의 밸브 시트(고 열 전도형 밸브 시트), 도 5의 (b)에 도시하는 치수 형상의 밸브 시트(표준 밸브 시트)를 준비했다.

또한, 밸브 시트는, 모두, 밸브 접촉면측 층을 기지상(基地相) 중에 경질 입자가 분산된 기지부를 갖고, 기지부가 질량%로 1.0%C이며, Co, Mo, Si, Ni 등의 합금 원소를 합계로 40%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기 소결 합금제로 하고, 지지 부재측 층을 질량%로 C: 1.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철기 소결 합금제로 했다. 이러한 조성을 갖는 밸브 접촉면측 층은 레이저 플래시법으로 측정한 20℃ 내지 300℃에서의 열전도율이 10~22W/m·K이며, 또한, 지지 부재측 층은 20℃ 내지 300℃에서의 열전도율이 25~50W/m·K였다.

또한, 고 열전도형 밸브 시트에서는, 밸브 접촉면측 층을 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 26%로 하고, 밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층의 경계면을, 밸브 시트 단면이며, 밸브 접촉면의 폭 방향의 중앙 위치에서, 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 밸브 접촉면으로부터 지지 부재측에 1.0㎜의 점과, 밸브 시트의 외주면 상에서, 밸브 시트의 착좌면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이의 5/6이 되는 점과, 밸브 시트 내주면 상에서 착좌면으로부터의 거리로 2.5㎜ 이격된 점을 포함한 면으로 했다. 한편, 표준 밸브 시트에서는, 밸브 접촉면측 층을 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 51%로 하고, 밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층의 경계면을 밸브 시트축에 대해 90°인 면으로 했다.

이들 밸브 및 밸브 시트를 각각 조합하여, 자동차용 가솔린 엔진(1.8리터, 직렬 4기통)에 조립했다. 밸브와 밸브 시트의 조합은 중실 밸브와 표준 밸브 시트의 조합체(No. a), 중실 밸브와 고 열전도형 밸브 시트의 조합체(No. b), 중공 밸브와 표준 밸브 시트의 조합체(No. c), 중공 밸브와 고 열전도형 밸브 시트의 조합체(No. d)로 했다. 또한, 밸브의 목부에 열전쌍을 용착하여 밸브 표면 온도를 측정했다.

소정 시간의 난기 운전을 실행한 후, 소정의 회전수로 고 부하 운전을 소정의 운전 조건으로 실행하여, 밸브의 표면 온도를 측정했다. 소정의 회전수는1000~5500rpm으로 했다.

얻어진 결과를 엔진 회전수와 밸브 표면 온도와의 관계로 도 6에 나타낸다. 도 6에서, 중공 포핏 밸브를 사용한 밸브와 밸브 시트의 조합체(No. c, No. d)가, 밸브 시트의 종류에 의하지 않고, 중실 밸브-표준 밸브 시트의 조합체(No. a)의 경우와 비교하여, 밸브 표면 온도의 상승이 강하게 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 엔진의 회전수가 고 회전수가 될수록, 밸브 표면 온도 상승의 억제 효과가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 중공 포핏 밸브와 고 열전도성 밸브 시트를 조합한 조립 밸브와 밸브 시트의 조합체(No. d)에서는, 중공 포핏 밸브와 표준 밸브 시트를 조합한 조합체(No. c)에 비해 저중 회전수로부터 고 회전수의 광범위에 걸쳐서, 밸브 온도의 상승이 현저하게 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 나아가, 조합체(No. d)에서는, 조합체(No. c)와 비교하여, 특히 1000~3500rpm의 저중 회전수에서도 밸브 온도 상승의 억제 효과가 큰 것을 알았다.

본 발명은 이러한 지견에 기초해서 추가로 검토하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 내연기관에 있어서의 밸브와 밸브 시트의 조합체로서, 상기 밸브를, 20~1000℃에서의 열전도율이 5~45(W/m·K)인 재료제이며, 축 단부에 우산부가 일체적으로 형성되고, 또한 해당 우산부로부터 축부에 걸쳐서 중공부가 형성되며, 해당 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 밸브로 하고, 또한 상기 밸브 시트를, 지지 부재측 층과 밸브 접촉면측 층의 2층을 일체화하여 이루어지는 2층 구조인 철기 소결 합금제 밸브 시트로 하고, 상기 지지 부재측 층이, 20~300℃에서의 열전도율이 23~50(W/m·K)인 층으로, 상기 밸브 접촉면측 층이, 20~300℃에서의 열전도율이 10~22(W/m·K)인 층에 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(2) (1)에 있어서, 상기 밸브의 상기 중공부가, 상기 우산부 내에 마련된 대략 원반 형상의 대경 중공부와, 상기 축부에 마련된 대략 직선 형상의 소경 중공부로 이루어지며, 상기 대경 중공부와 상기 소경 중공부가 대략 직교하도록 연통하며, 상기 대경 중공부에 있어서의 상기 소경 중공부의 개구 주연부가 상기 밸브의 중심 축선에 대해 대략 직교하는 평면으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(3) (2)에 있어서, 상기 대경 중공부가, 상기 우산부의 외형을 대략 모방하는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원뿔대 형상으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 냉각재가, 상기 밸브의 재료보다 열전도율이 높은 재료인 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 밸브가, 해당 밸브 표면 중 적어도 상기 밸브 시트와 접촉하는 영역에 금속화되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(6) (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 밸브의 상기 재료가, 내열강 및 그 상당품, Ni기 초합금 및 그 상당품 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 철기 소결 합금제 밸브 시트가, 상기 밸브 접촉면측 층과 상기 지지 부재측 층의 경계면을, 밸브 접촉면의 폭 방향의 중앙 위치에서, 해당 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 밸브 접촉면으로부터 지지 부재측으로 0.5㎜만큼 이격된 원 형상의 선을 포함하고, 밸브 시트축과 이루는 각도가 45°인 면과, 상기 밸브 시트의 내주면과 상기 밸브 시트의 착좌면과의 교선과, 상기 밸브 시트의 외주면 상에서, 상기 밸브 시트의 착좌면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이의 1/2인 원 형상의 선을 포함하는 면으로 둘러싸이는 영역 내에 형성되어 이루어지는 철기 소결 합금제 밸브 시트인 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(8) (7)에 있어서, 상기 밸브 접촉면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 10~60%인 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(9) (7) 또는 (8)에 있어서, 상기 밸브 접촉면측 층이, 기지상 중에 경질 입자가 분산된 기지부를 갖고, 해당 기지부가, 질량%로 C: 0.2~2.0%를 포함하고, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖고, 또한 상기 경질 입자를 기지상 중에 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로 5~40% 분산시켜 이루어지는 기지부 조직을 갖는 철기 소결 합금제이며, 상기 지지 부재측 층이, 질량%로 C: 0.2~2.0%를 포함하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금제인 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(10) (9)에 있어서, 상기 지지 부재측 층이, 상기 기지부 조성에 부가하여 또한 질량%로, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 20% 이하 함유하는 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(11) (7) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 밸브 접촉면측 층이, 상기 기지부 조직에 부가하여 또한, 기지상 중에, 고체 윤활제 입자를 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로 0.5~4% 분산시켜 이루어지는 기지부 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

(12) (7) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 지지 부재측 층이, 기지상 중에, 고체 윤활제 입자를 지지 부재측 층 전량에 대한 질량%로 0.5~4% 분산시켜 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.

본 발명에 의하면, 종래에 비해, 내연기관의 연소실 주위의 온도 상승, 특히 밸브의 온도 상승을, 엔진 회전수의 광범위에 걸쳐서 억제할 수 있는 밸브와 밸브 시트의 조합체를 제공할 수 있어서, 자동차 등의 내연기관의 고 출력화에 유효하게 기여할 수 있다는 산업상 각별한 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명에 의하면, 중공부의 배설에 의해 밸브 중량이 경감되고, 기계 저항 손실의 저감이나, 밸브 스프링 하중의 저감 등을 통해, 프릭션(friction)의 저감이 가능해져, 연비 향상에 기여할 수 있다는 효과도 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 밸브의 경량화에 의해, 엔진의 최고 회전수의 향상에도 기여한다는 효과도 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 연소실 온도를 저감할 수 있어서, 노킹을 억제하고, 점화의 진각화가 진행되어, 연비 향상이나 토크의 향상에 기여한다는 효과도 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 노킹의 억제가 가능해져, 연료의 고 압축화에 기여하여, 연비 향상이나 토크의 향상으로 이어진다는 효과도 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 밸브의 온도가 저하되어, 밸브의 피로 강도 저하를 억제할 수 있다. 이에 의해, 내열성이 낮은 염가의 재료로의 변경도 가능해져, 재료 비용의 저감 등 경제성의 향상에도 기여한다는 효과도 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 밸브 온도의 저하를 통해, 연소실 주위의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, λ₁(이론 공연비)의 확대가 가능해져, 연비 향상에 기여한다는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브의 형상과, 해당 중공 포핏 밸브를 밸브 시트와 조합하여 실린더 헤드에 조립된 상황을 도시하는 종단면도,
도 2는 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브에 있어서의, 밸브 개폐시의 중공부 내의 냉각재의 흐름을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 3은 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브의 다른 일 예를 도시하는 종단면도,
도 4는 본 발명에서 사용하는 밸브 시트 형상을 모식적으로 도시하는 설명도로서, (a)는 고 열전도형, (b)는 표준형인 도면,
도 5는 본 발명에서 사용하는 밸브 시트 형상의 일 예를 도시하는 종단면도로서, (a)는 고 열전도형, (b)는 표준형인 도면,
도 6은 밸브 표면 온도와 엔진 회전수의 관계에 미치는 밸브와 밸브 시트의 조합의 영향을 나타내는 그래프,
도 7은 밸브 표면 온도 저감율에 미치는 밸브와 밸브 시트의 조합의 영향을 나타내는 그래프,
도 8은 비교로서 사용한 밸브의 형상을 도시하는 종단면도.

우선, 본 발명의 밸브와 밸브 시트의 조합체(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 내연기관(엔진)의 실린더 헤드(2)에서, 예컨대 배기 통로(6)의 연소실(4)로의 개구 주연부에 압입된 밸브 시트(8)와, 해당 밸브 시트(8)의 밸브 접촉면(8a)에, 페이스부(14)가 접촉하는 밸브(10)를 조합한 것을 말한다. 또한, 도면부호 3은 실린더 헤드(2)에도 마련되는 밸브 관통 삽입 구멍이며, 내주에는 밸브 가이드(3a)가 배설되어 있다. 또한, 도면부호 9는 밸브(10)에 대해 개방 방향으로 힘을 가하는 스프링이다.

우선, 사용할 밸브에 대해 설명한다.

본 발명의 밸브와 밸브 시트의 조합체(1)에서는, 축(11) 단부에 우산부(13)가 일체적으로 형성되고, 또한 우산부로부터 축부에 걸쳐서 중공부(S)가 형성되며, 해당 중공부(S)에 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 장전된 중공 포핏 밸브(중공 밸브)(10)를 사용한다.

이 중공 포핏 밸브(10)는, 축부(11)의 일단측에 외경이 서서히 커지는 R자 형상의 필릿부(12)를 거쳐서, 우산부(13)가 일체적으로 형성된 밸브이며, 우산부(13)의 외주에는 테이퍼 형상의 페이스부(14)가 마련되어 있다. 중공부(S)에는, 아르곤 가스 등의 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 장전(봉입)된다. 냉각재(냉매)로서는, 밸브재보다 열전도율이 높은 재료, 예컨대, 금속 나트륨, 금속 칼륨 등으로 하는 것이 방열 효과의 관점에서 바람직하다. 또한, 봉입되는 냉각재의 양은 중공부 체적의 50% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브는 20~1000℃에서의 열전도율이5~45(W/m·K)인 재료제의 밸브로 한다.

이러한 열전도율을 갖는 밸브용 재료로서는, 내열강 및 그 상당품, 또는 Ni기 초합금 및 그 상당품 중에서 선택된 1종으로 하는 것이 바람직하다.

내열강으로서는, JIS G 4311에 규정되는 마텐자이트계 또는 오스테나이트계 내열강을 예시할 수 있다. JIS G 4311에 규정되는 내열강 중에서는, 내열 강도의 관점에서, 오스테나이트계 내열강으로 하는 것이 바람직하다.

또한, Ni기 초합금으로서는, Iconel 751, Nimonic 80A 등을 예시할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 중공 밸브(10)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 중공부(S)가, 우산부(13) 내에 마련된 대략 원반 형상의 대경 중공부(S1)와, 상기 축부(11)에 마련된 대략 직선 형상의 소경 중공부(S2)로 이루어지며, 대경 중공부(S1)와 소경 중공부(S2)가 대략 직교하도록 연통하며, 대경 중공부(S1)에 있어서의 소경 중공부(S2)의 개구 주연부가 밸브의 중심 축선(L)에 대해 대략 직교하는 평면(13b)으로 구성되어 이루어지는 밸브로 하는 것이 바람직하다. 즉, 소경 중공부(S2)의 내주면과 소경 중공부(S2)의 개구 주연부에 의해서, 차양 형상의 환상 단차부(15)가 구획 형성된 구성으로 한다. 이 환상 단차부(15)의 존재에 의해, 밸브가 개폐 동작할 때에, 중공부(S) 내의 냉각재에는 도 2의 화살표로 나타내는 바와 같이, 종방향 내회전의 순환류가 형성되며, 동시에 소경 중공부(S2) 내의 냉각재에도 난류가 형성된다. 이에 의해, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 상층부~하층부가 적극적으로 교반되어, 밸브의 방열 효과가 보다 증대된다. 또한, 도 2의 (a)는 밸브가 하강하는 경우이며, (b)는 상승하는 경우이다.

또한, 대경 중공부(S1)는 우산부(13)의 외형을 대략 모방하는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원뿔대 형상으로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 대경 중공부(S1)의 용적을 크게 할 수 있어서, 냉각재를 다량으로 충전할 수 있다. 또한, 원뿔대의 상면과 원뿔대의 외주면이 둔각을 이루므로, 밸브의 개폐 동작시에, 냉각재의 흐름(도 2에 있어서의 F1, F2, F6, F8)이 원활해지고, 순환류가 활발해져, 밸브의 방열 효과가 보다 증대된다.

또한, 대경 중공부(S1)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 그 천정면(13b)을, 상기한 원뿔대의 상면에, 밸브의 축부측에 소정량(H)만큼 오프셋하는 대략 원뿔대 형상으로 구성해도 좋다. 이에 의해, 장전될 냉각재의 양을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브에서는, 밸브 시트와 접촉하는 영역(페이스면)에, 내마모성, 내식성 등을 향상시킬 목적으로, 용접 등을 이용하여 금속화(metalizing)를 실시해도 좋다. 금속화의 재료로서는, 스텔라이트(등록상표)로 대표되는 Co-Cr-Mo-C계 합금이나, 트리발로이(등록상표)로 대표되는 Co-Mo-Si계 합금 등의 Co기 표면 경화 합금 등을 예시할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는, 상기한 구조의 중공 포핏 밸브는, 상기한 구조로 성형할 수 있는 제조 방법이면 좋으며, 특별히 그 제조 방법을 한정할 필요는 없다.

본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브는, 소정의 조성을 갖는 주조재, 단조재, 압연재 등을 밸브 소재로 하고, 절삭, 연삭 등의 상용의 가공에 의해 소정의 치수 형상으로 성형해도 좋지만, 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브에서는, 예컨대, 다음에 나타내는 공정을 거쳐서 제조하는 것이 생산성 향상의 관점에서 바람직하다.

즉, 밸브 소재에, 우산부 외피의 내측에, 예컨대 금형을 이용한 단조에 의해, 대경 중공부에 상당하는 오목부를 성형하는 성형 공정, 오목부의 저면에 소경 중공부에 상당하는 구멍을 천공하는 구멍 천공 공정, 대경 중공부에 상당하는 오목부에 냉각재(고체)를 소정량 장전하는 냉각재 장전 공정, 불활성 가스 분위기 하에서, 해당 오목부의 개구부에 캡을 용접하고, 중공부를 밀폐하는 중공부 밀폐 공정을 순차 실시하여, 도 1에 도시하는 구조의 중공 포핏 밸브로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에서 사용하는 중공 포핏 밸브의 제조 방법은 이에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.

다음에, 본 발명의 조합체에서 사용하는 밸브 시트에 대해 설명한다.

본 발명에서 사용하는 밸브 시트(8)는, 철기 소결 합금제의 밸브 시트로 하고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 실린더 헤드(2)의 착좌면에 접하는 측에 지지 부재측 층(81)과, 밸브(10)와 접촉하는 측에 밸브 접촉면측 층(82)을 갖고, 지지 부재측 층(81)과 밸브 접촉면측 층(82)의 2층을 일체화하여 이루어지는 2층 구조를 갖는 밸브 시트(8)로 한다.

또한, 본 발명에서 사용하는 밸브 시트는, 레이저 플래시법으로 측정된20~300℃에서의 열전도율이 지지 부재측 층에서 23~50W/m·K, 밸브 접촉면측 층에서 10~22W/m·K를 만족하는 밸브 시트로 한다.

지지 부재측 층의 열전도율이 23W/m·K 미만이면, 소망의 고 열전도성을 확보할 수 없다. 이 때문에, 지지 부재측 층의 열전도율은 23W/m·K 이상으로 한정했다. 또한, 지지 부재측 층을, 열전도율이 50W/m·K를 초과하는 조성으로 하면, 별도로 강도를 높일 대책이 필요하여 생산성이 저하된다. 또한, 밸브 접촉면측 층의 열전도율이 10W/m·K 미만이면, 합금 원소량이 많아져, 소망의 강도를 확보할 수 없게 된다. 한편, 밸브 접촉면측 층을, 열전도율이 22W/m·K를 초과하는 조성으로 하면, 소망의 내마모성을 확보할 수 없게 된다.

본 발명에서는, 상기한 구조의 중공 밸브에 조합하는 밸브 시트로서는, 종래 사용되고 있던 밸브 시트 중 상기한 열전도율을 만족하는 구성으로 이루어지는 2층 구조의 철기 소결 합금제 밸브 시트이면, 어떤 것도 적합하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 특히, 상기한 구조의 중공 포핏 밸브에, 열전도성을 높인 고 열전도형 밸브 시트를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 밸브와 밸브 시트의 조합에서는, 밸브 자체의 방열 효과에 부가하여, 밸브와 밸브 시트의 조합체의 방열 효과가 현저하게 향상된다. 특히, 엔진의 저중 회전수 영역에서의 방열 효과의 향상이 현저해진다.

이러한 열전도성이 높은 고 열전도형 밸브 시트로 하기 위해서는, 합금 원소 함유량이 많고 열전도성이 낮은 밸브 접촉면측 층을 가능한 한 얇게 하며, 합금 원소 함유량이 적고 열전도성이 뛰어난 지지 부재측 층을 두껍게 구성하고, 나아가 밸브 시트의 지지 부재측 층과 실린더 헤드와의 접촉면을 확대한 구성으로 하는 것이 긴요해진다. 그 때문에, 본 발명에서 사용하는 고 열전도형 밸브 시트에서는, 도 4의 (a)에 도시하는, 밸브 접촉면측 층(82)과 지지 부재측 층(81)의 경계면을, 밸브 접촉면의 폭 방향의 중앙 위치에서, 해당 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 밸브 접촉면으로부터 지지 부재측으로 0.5㎜만큼 이격된 원 형상의 선(A1)을 포함하고, 밸브 시트축과 이루는 각도가 45°인 면(A면)과, 밸브 시트의 내주면과 밸브 시트 착좌면의 교선(B1)을 포함하며, 밸브 시트의 외주면 상에서, 밸브 시트의 착좌면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이(h)의 1/2이 되는 원 형상의 선(B2)을 포함하는 면(B면)으로 둘러싸이는 영역 내에 형성하는 것으로 했다. 이러한 고 열전도형 밸브 시트의 형상을 모식적으로 종단면도로 도 4의 (a)에 도시한다. 또한, 도 4의 (b)에는 통상 사용되고 있는 표준의 밸브 시트(표준 밸브 시트)의 형상을 나타낸다. 표준 밸브 시트에서는, 경계면은 밸브 시트축과 이루는 각도가 90°인 면으로 한다.

밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층의 경계면이, 상기한 면(A면)보다 밸브 접촉면측에서는, 밸브 접촉면측 층이 너무 얇아져서, 밸브 시트의 내구성이 저하된다. 또한, 내구성의 관점에서는, 경계면을, 밸브 접촉면의 폭 방향의 중앙 위치에서, 해당 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 밸브 접촉면으로부터 지지 부재측으로 1㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 경계면이, 상기한 면(B면)보다 지지 부재측이 되면, 밸브 접촉면측 층의 두께가 너무 두꺼워져서, 밸브 시트의 열전도성이 저하된다. 또한, 바람직하게는, 지지 부재측 층과 실린더 헤드의 접촉 영역을 최대로 할 수 있도록, 밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층의 경계면을 밸브 시트축과 이루는 각도(α)가 60° 이하 바람직하게는 40~50°이며, 또한 밸브 시트의 외주면 상에서 밸브 시트의 착좌면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이(h)의 1/2 이상, 바람직하게는 3/4 이상인 원 형상의 선을 포함하는 면이 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

상기한 고 열전도형 밸브 시트의 제조에 있어서는, 지지 부재측 층용 혼합분을 임시로 누를 때의 임시 누름 펀치의 성형면 형상과 성형압과의 밸런스가, 또한, 밸브 접촉면측 층용 혼합분을 압축할 때의 펀치의 성형압의 조정이, 소망의 경계면을 안정적으로 형성하는데 중요하게 된다. 구체적으로는, 임시 누름 펀치의 성형면 형상을 축심에 대한 각도로 20~50°로 하여, 임시 누름 펀치의 성형압이 0.01~3ton/㎠가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

임시 누름 펀치의 성형면 형상이 축심에 대한 각도로 50°를 초과하면, 소망의 높은 열전도성을 확보할 수 없게 된다. 한편, 임시 누름 펀치의 성형면 형상이 축심에 대한 각도로 20°미만이면, 성형시에 분말의 이동이 너무 커져, 소망의 경계면 형상으로 성형할 수 없게 된다. 또한, 임시 누름 펀치의 성형압이 0.01ton/㎠ 미만이면, 경계면이 둘레 방향 또는 직경 방향으로 불균일하여, 소망의 경계면 정밀도를 확보할 수 없다. 한편, 임시 누름 펀치의 성형압을 3ton/㎠를 초과하여 커지면, 지지 부재측 층과 밸브 접촉면측 층과의 밀착력이 저하되고, 밸브 시트의 강도가 저하된다. 이러한 이유로, 임시 누름 펀치의 성형면 형상을 축심에 대한 각도로 20~50°로 하고, 임시 누름 펀치의 성형압을 0.01~3ton/㎠의 범위가 되도록 조정하는 것으로 했다.

또한, 본 발명에서 사용하는 고 열전도형 밸브 시트에서는, 경계면이 상기 한 범위 내가 되도록 조정하는 동시에, 바람직하게는 밸브 접촉면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 10~60%가 되도록 조정한다. 밸브 접촉면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 10% 미만이면, 밸브 접촉면측 층의 두께가 얇고, 내구성이 부족하다. 한편, 60%를 초과하여 많아지면, 밸브 접촉면측 층의 두께가 너무 두꺼워져, 열전도성이 저하된다.

또한, 본 발명에서 사용하는 표준형 밸브 시트에서는, 경계면을 밸브 시트 축에 대한 각도 90°로 하고, 또한 밸브 접촉면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 40~60%가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 밸브 시트의 밸브 접촉면측 층은 기지상 중에 경질 입자가 분산된 기지부를 갖는 철기 소결 합금제로 한다. 기지상 중에 경질 입자를 분산시키는 것에 의해, 밸브 시트의 내마모성이 현저하게 향상된다. 기지상 중에 분산시키는 경질 입자는 Co기 금속간 화합물 입자 등으로 하는 것이 바람직하다. Co기 금속간 화합물 입자는 비교적 부드러운 Co 기지 중에 경도가 높은 금속간 화합물이 분산되어, 상대 공격성이 낮다는 특징이 있다. 또한, 바람직한 Co기 금속간 화합물 입자로서는, Si-Cr-Mo계 Co기 금속간 화합물 입자, Mo-Ni-Cr계 Co기 금속간 화합물 입자를 예시할 수 있다.

밸브 접촉면측 층에서는, 경질 입자를, 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로 5~40% 분산시키는 것이 바람직하다. 경질 입자의 분산량이 5% 미만이면, 소망의 내마모성을 확보할 수 없다. 한편, 40%를 초과하여 다량으로 분산시켜도, 효과가 포화되어, 첨가량에 알맞은 효과를 기대할 수 없게 된다. 이 때문에, 밸브 접촉면측 층에 있어서의 경질 입자의 분산량은 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로 5~40%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 20~30%이다.

또한, 밸브 접촉면측 층에서는, 상기한 경질 입자에 부가하여 추가로 고체 윤활제 입자를 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로 0.5~4% 함유해도 좋다. 함유량이 0.5% 미만이면, 소망의 윤활 효과를 기대할 수 없는 데다가, 절삭성이 저하된다. 한편, 4%를 초과하여 함유하면, 효과가 포화될 뿐만 아니라 강도가 저하된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, 0.5~4%의 범위에 한정하는 것이 바람직하다. 고체 윤활제 입자로서는, MnS, CaF₂를 예시할 수 있다.

밸브 접촉면측 층에서는, 기지상과, 경질 입자와, 또는 추가로 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부는, 질량%로 C: 0.2~2.0%를 포함하고, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 것이 바람직하다.

C: 0.2~2.0%

C는, 소결체의 강도, 경도를 증가시켜, 소결시에 금속 원소의 확산을 용이하게 하는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.2% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 2.0%를 초과하는 함유는 기지 중에 시멘타이트가 생성되기 쉬워져서, 소결시에 액상이 발생하기 쉬워서, 치수 정밀도가 저하된다. 이 때문에, C는 0.2~2.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 0.7~1.3%이다.

Co, Mo , Si , Cr , Ni , Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상: 합계로 40% 이하

Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S은 모두 소결체의 강도, 경도를 증가시키고, 나아가서는 내마모성 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 경질 입자 기인을 포함하여, 적어도 1종 이상을 선택하고, 합계로 5% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 합계로 40%를 초과하여 함유하면, 성형성, 강도를 저하시킨다. 이 때문에, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계 40% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 합계 30% 이하이다.

상기한 것 이외의 밸브 접촉면측 층의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

한편, 본 발명에서 사용하는 밸브 시트의 지지 부재측 층은 철기 소결 합금제이며, 밸브 접촉면측 층과 경계면을 거쳐서 일체화되어 있다. 지지 부재측 층은 밸브와는 접촉하지 않고, 접촉면측 층을 지지하며, 밸브 시트로서 소망의 강도를 확보할 수 있는 조성으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 지지 부재측 층은, 필요에 따라서, 기지 중에 추가로 고체 윤활제 입자를 지지 부재측 층 전량에 대한 질량%로 0.5~4% 함유해도 좋다. 함유량이 0.5%미만이면, 소망의 윤활 효과를 기대할 수 없는 데다가, 절삭성이 저하된다. 한편, 4%를 초과하여 함유하면, 효과가 포화될 뿐만 아니라, 강도가 저하된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, 0.5~4%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 고체 윤활제 입자로서는, MnS, CaF₂를 예시할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는 0.5~3%이다.

본 발명에서 사용하는 밸브 시트의 지지 부재측 층의 기지상 조성(고체 윤활제 입자가 분산되어 있는 경우에는 그것을 포함하는 기지부 조성)은, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하고, 또는 추가로 Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 20% 이하 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 하는 것이 바람직하다.

C: 0.2~2.0%

C는 소결체의 강도, 경도를 증가시키는 원소이며, 밸브 시트로서 소망의 강도, 경도를 확보하기 위해서, 0.2% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 2.0%를 초과하여 함유하면, 기지 중에 시멘타이트가 생성되기 쉬워지는 동시에, 소결시에 액상이 생성되기 쉬워져, 치수 정밀도가 저하된다. 이 때문에, C는 0.2~2.0%로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.7~1.3%이다.

상기한 성분이 지지 부재측 층의 기본 성분이지만, 이 기본 조성에 부가하여 추가로 Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 20% 이하 함유해도 좋다.

Mo , Si , Cr , Ni , Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상: 합계로 20% 이하

Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P은 모두 소결체의 강도, 경도를 증가시키는 원소이며, 필요에 따라서, 1종 또는 2종 이상 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 합계로 5% 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 열전도성의 관점에서는 가능한 한 줄이는 것이 바람직하다. 한편, 합계로 20%를 초과하면, 성형성이 저하된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합계 20% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

지지 부재측 층에서는, 상기한 것 이외의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.

또한, 지지 부재측 층은 레이저 플래시법으로 측정된 20~300℃에서의 열전도율이 23(W/m·K) 이상인 열전도성이 높은 층으로 하는 것이 중요하다. 그 때문에, 지지 부재측 층은 상기한 조성의 범위 내라도 특별히 고가의 합금 원소의 함유를 필요로 하지 않는, 질량%로 C: 0.2~2.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 기본으로 하는 철기 소결 합금제로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명에서 사용하는 철기 소결 합금제 밸브 시트의 바람직한 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서 사용하는 철기 소결 합금제 밸브 시트는 다이, 코어 로드, 상부 펀치, 하부 펀치, 서로 독립하여 구동 가능한 2종의 피더와, 독립하여 구동 가능한 임시 누름 펀치를 갖는 프레스 성형기를 이용하는 것이 바람직하다.

우선, 지지 부재측 층용의 원료분으로서, 철계 분말과, 흑연 분말, 다른 합금 원소 분말 등의 합금용 분말과, 윤활제 입자 분말과, 또는 추가로 고체 윤활제 입자 분말을 상기한 소망의 지지 부재측 층 조성이 되도록, 소정량 배합하고, 혼합, 혼련하여 지지 부재측 층용 혼합분으로 하는 것이 바람직하다.

밸브 접촉면측 층용의 원료분으로서는, 철계 분말과, 흑연 분말, 다른 합금 원소 분말 등의 합금용 분말과, 경질 입자 분말과, 윤활제 입자 분말과, 또는 추가로 고체 윤활제 입자 분말을 상기한 소망의 밸브 접촉면측 층 조성이 되도록, 소정량 배합하고, 혼합, 혼련하여 밸브 접촉면측 층용 혼합분으로 하는 것이 바람직하다.

제 1 피더에 지지 부재측 층용 혼합분을, 제 2 피더에 밸브 접촉면측 층용 혼합분을 장입하여 둔다. 우선, 제 1 피더를 이동시킨 후, 다이와 코어 로드를 하부 펀치에 대해 상대적으로 상승시키고, 지지 부재측 층용의 충전 공간을 형성하면서, 해당 충전 공간에 지지 부재측 층용 혼합분을 충전한다. 그리고, 임시 누름 펀치를 이동시켜, 밸브 접촉면측 층과의 경계면이 되는 상면을 소정의 형상이 되도록, 임시 누름 펀치의 성형면 형상, 성형압을 조정하여, 지지 부재측 층용 혼합분을 임시 누름한다.

본 발명에서 사용하는 고 열전도형 밸브 시트를 제조할 때에는, 임시 누름 펀치의 성형면 형상을, 얻어지는 압분체의 경계면에 대해, 밸브 시트 축에 대한 각도로 20~40% 작아지도록 조정한 형상으로 하고, 임시 누름의 성형압을 0.01~3ton/㎠의 범위 내가 되도록 조정하여 임시 누름하는 것이 바람직하다.

이어서, 제 2 피더를 이동시킨 후, 다이와 코어 로드를 하부 펀치에 대해 상대적으로 상승시키고, 밸브 접촉면측 층용의 충전 공간을 형성하면서, 해당 충전 공간에 밸브 접촉면측 층용 혼합분을 충전한다. 그리고, 상부 펀치를 하강시키고, 밸브 접촉면측 층용 혼합분 및 지지 부재측 층용 혼합분을 일체적으로 가압하여, 압분체로 한다. 밸브 접촉면측 층용 혼합분 및 지지 부재측 층용 혼합분을 일체적으로 가압할 때에는, 6.5~7.5g/㎤의 범위의 압분체 밀도가 되도록 성형압을 조정하는 것이 바람직하다.

이어서, 얻어진 압분체를 상용의 소결 방법인, 암모니아 분해 가스, 진공 등의 보호 분위기 중에서 1100~1200℃로 가열해서 소결하여 소결체로 한다. 이와 같이 하여 얻어진 소결체를 절삭, 연삭 등의 가공에 의해 소정 치수 형상의 내연기관용 밸브 시트로 한다.

실시예

밸브 소재를 오스테나이트계 내열강 SUH35(20℃에서의 열전도율: 18W/m·K)로 하고, 해당 밸브 소재에, 단조 성형 공정, 구멍 천공 공정, 냉각재 장전 공정과, 중공부 밀폐 공정을 순차 실시하여, 도 1에 도시하는 구조의 중공 포핏 밸브를 제작했다. 또한, 중공부에 장전한 냉각재는 금속 나트륨(0℃에서의 열전도율: 142W/m·K)으로 했다. 또한, 밸브 소재로부터 절삭·연마 가공 공정을 거쳐서, 도 8의 (a)에 도시하는 구조의 중실 밸브를 제작했다.

또한, 표 1에 나타내는 밸브 시트의 소결체 조성, 소결체 조직이 되도록 원료분을 배합하고, 혼합, 혼련하여 밸브 접촉면측 층용 혼합분 및 지지 부재측 층용 혼합분으로 했다. 이들 혼합분을 이용하고, 다이, 코어 로드, 상부 펀치, 하부 펀치, 서로 독립하여 구동 가능한 2종의 피더와, 독립하여 구동 가능한 임시 누름 펀치를 갖는 프레스 성형기를 이용하여, 압분 성형하고, 2층 구조의 압분체로 한 후, 추가로 소결 처리를 실시해서 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체를 절삭, 연삭 등의 가공에 의해, 소정 치수 형상(외경: 30㎜φ×내경: 25㎜φ×높이: 6㎜)의 밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층으로 이루어지는 2층 구조의 철기 소결 합금제 내연기관용 밸브 시트로 했다. 얻어진 밸브 시트는, 도 5의 (a)에 도시하는 구조의 고 열전도형 밸브 시트, 및 도 5의 (b)에 나타내는 구조의 표준 밸브 시트이다.

또한, 도 5의 (a)에 도시하는 구조의 고 열전도형 밸브 시트에서는, 밸브 접촉면측 층과 지지 부재측 층의 경계면은, 밸브 시트 외주면에서 밸브 시트의 착좌면으로부터 5㎜인 원 형상의 선과, 밸브 시트 내주면에서 착좌면으로부터 2.5㎜인 원 형상의 선을 포함한 면이며, 밸브 시트축과 이루는 각도가 45°가 된다. 또한, 경계면은 밸브 접촉면의 폭 방향 중앙 위치에서 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 1.0㎜ 이격된 면이다. 이 경계면은, 밸브 접촉면의 폭 방향 중앙 위치에서 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 0.5㎜인 원 형상의 선을 포함하며, 밸브 시트축과 이루는 각도가 45°인 면과, 밸브 시트의 내주면과 밸브 시트의 착좌면과의 교선과, 밸브 시트의 외주면 상에서, 밸브 시트의 상단면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이의 1/2인 원 형상의 선을 포함하는 면에 둘러싸인 영역 내에 있다.

또한, 도 5의 (a)에 도시하는 구조의 고 열전도형 밸브 시트에서는, 20~300℃에서의 열전도율이 밸브 접촉면측 층에서 13W/m·K, 지지 부재측 층에서 37W/m·K였다. 도 5의 (b)에 도시하는 구조의 표준 밸브 시트에서는, 20~300℃에서의 열전도율이 밸브 접촉면측 층에서 13W/m·K, 지지 부재측 층에서 37W/m·K였다.

또한, 고 열전도형 밸브 시트에서는, 압분 성형에 있어서의 임시 누름 펀치의 성형면 형상을 축심에 대한 각도로 25~40°로 하고, 임시 누름 펀치의 성형압을 0.02~1ton/㎠의 범위로 조정하여 성형했다. 표준형 밸브 시트의 제조에서는, 임시 누름 펀치의 성형면 형상은 플랫(축심에 대한 각도로 90°)으로 했다.

[표 1]

상기한 밸브와 상기한 밸브 시트를 조합하여, 밸브와 밸브 시트의 조합체로 했다. 조합체는, (A) 중실 밸브(No. Ba)와 표준 밸브 시트(No. Sa)의 조합체, (B) 중실 밸브(No. Ba)와 고 열전도형 밸브 시트(No. Sb)의 조합체, (C) 중공 밸브(No. Bb)와 표준 밸브 시트(No. Sa)의 조합체, (D) 중공 밸브(No. Bb)와 고 열전도형 밸브 시트(No. Sb)의 조합체로 했다.

이들 밸브와 밸브 시트의 조합체를 각각 자동차용 가솔린 엔진(1.8 리터, 직렬 4기통)에 조립했다. 또한, 밸브의 목부에 열전쌍을 용착하여 밸브 표면 온도를 측정했다.

소정 시간의 난기 운전을 실행한 후, 소정의 회전수로 고 부하 운전을 소정의 운전 조건에서 실행하고, 밸브의 표면 온도를 측정했다. 소정의 회전수는 약 1000~5500rpm의 영역으로 했다.

얻어진 결과를, 조합체 No. A를 기준으로 하여, 각 조합체의 밸브 표면 온도 저감률(=｛(기준 조합체의 밸브 표면 온도)-(해당 조합체의 밸브 표면 온도)｝/(기준 조합체의 밸브 표면 온도))를 산출하고, 도 7에 나타낸다.

도 7에서, 본 발명의 밸브와 밸브 시트의 조합체(조합체 No. C, No. D)는 모두 기준으로 한 조합체(No. A)에 비해 밸브 온도의 저감률이 커서, 밸브 온도의 상승을 현저하게 억제할 수 있는, 밸브와 밸브 시트의 조합체로 되어 있다.

1 : 밸브와 밸브 시트의 조합체 2 : 실린더 헤드
4 : 연소실 6 : 배기 통로
8 : 밸브 시트 9 : 밸브 스프링
10 : 밸브 11 : 축부
12 : 필릿 영역 13 : 우산부
15 : 환상 단차부 18 : 캡
19 : 냉각재 S : 중공부

Claims

내연기관에 있어서의 밸브와 밸브 시트의 조합체에 있어서,
상기 밸브를, 20~1000℃에서의 열전도율이 5~45(W/m·K)인 재료제이며, 축 단부에 우산부가 일체적으로 형성되고, 또한 상기 우산부로부터 축부에 걸쳐서 중공부가 형성되며, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 밸브로 하고, 또한,
상기 밸브 시트를, 지지 부재측 층과 밸브 접촉면측 층의 2층을 일체화하여 이루어지는 2층 구조인 철기 소결 합금제 밸브 시트로 하고, 상기 지지 부재측 층이, 20~300℃에서의 열전도율이 23~50(W/m·K)인 층으로, 상기 밸브 접촉면측 층이, 20~300℃에서의 열전도율이 10~22(W/m·K)인 층으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브의 상기 중공부가, 상기 우산부 내에 마련된 원반 형상의 대경 중공부와, 상기 축부에 마련된 직선 형상의 소경 중공부로 이루어지며, 상기 대경 중공부와 상기 소경 중공부가 직교하도록 연통하며, 상기 대경 중공부에 있어서의 상기 소경 중공부의 개구 주연부가 상기 밸브의 중심 축선에 대해 직교하는 평면으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 2 항에 있어서,
상기 대경 중공부가, 상기 우산부의 외형을 모방하는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원뿔대 형상으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각재가, 상기 밸브의 재료보다 열전도율이 높은 재료인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브가, 상기 밸브의 표면 중 적어도 상기 밸브 시트와 접촉하는 영역에, 금속화되어 있는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 4 항에 있어서,
상기 밸브가, 상기 밸브의 표면 중 적어도 상기 밸브 시트와 접촉하는 영역에, 금속화되어 있는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브의 상기 재료가 내열강 및 그 상당품, 또는 Ni기 초합금 및 그 상당품 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 4 항에 있어서,
상기 밸브의 상기 재료가 내열강 및 그 상당품, 또는 Ni기 초합금 및 그 상당품 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 5 항에 있어서,
상기 밸브의 상기 재료가 내열강 및 그 상당품, 또는 Ni기 초합금 및 그 상당품 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철기 소결 합금제 밸브 시트가, 상기 밸브 접촉면측 층과 상기 지지 부재측 층의 경계면을, 밸브 접촉면의 폭 방향의 중앙 위치에서, 상기 밸브 접촉면에 수직인 방향으로 밸브 접촉면으로부터 지지 부재측으로 0.5㎜만큼 이격된 원 형상의 선을 포함하고, 밸브 시트축과 이루는 각도가 45°인 면과, 상기 밸브 시트의 내주면과 상기 밸브 시트의 착좌면과의 교선과, 상기 밸브 시트의 외주면 상에서, 상기 밸브 시트의 착좌면으로부터의 거리가 밸브 시트 높이의 1/2인 원 형상의 선을 포함하는 면에 둘러싸이는 영역 내에 형성되어 이루어지는 철기 소결 합금제 밸브 시트인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 10 항에 있어서,
상기 밸브 접촉면측 층이 밸브 시트 전량에 대한 체적%로 10~60%인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 10 항에 있어서,
상기 밸브 접촉면측 층이, 기지상(基地相) 중에 경질 입자가 분산된 기지부를 갖고, 상기 기지부가, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하고, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖고, 또한 상기 경질 입자를 기지상 중에 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로, 5~40% 분산시켜 이루어지는 기지부 조직을 갖는 철기 소결 합금제이며,
상기 지지 부재측 층이, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금제인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 11 항에 있어서,
상기 밸브 접촉면측 층이, 기지상 중에 경질 입자가 분산된 기지부를 갖고, 상기 기지부가, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하고, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖고, 또한 상기 경질 입자를 기지상 중에 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로, 5~40% 분산시켜 이루어지는 기지부 조직을 갖는 철기 소결 합금제이며,
상기 지지 부재측 층이, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금제인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 12 항에 있어서,
상기 지지 부재측 층이, 상기 기지부 조성에 부가하여 또한, 질량%로, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 20% 이하 함유하는 조성으로 하는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 12 항에 있어서,
상기 밸브 접촉면측 층이, 상기 기지부 조직에 부가하여 추가로, 기지상 중에, 고체 윤활제 입자를 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로, 0.5~4% 분산시켜 이루어지는 기지부 조직을 갖는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 12 항에 있어서,
상기 지지 부재측 층이, 기지상 중에, 고체 윤활제 입자를 지지 부재측 층 전량에 대한 질량%로, 0.5~4% 분산시켜 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.
제 11 항에 있어서,
상기 밸브 접촉면측 층이, 기지상 중에 경질 입자, 및 고체 윤활제 입자가 분산된 기지부를 갖고, 상기 기지부가, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하고, Co, Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖고, 또한 상기 경질 입자를 기지상 중에 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로, 5~40% 분산시키고, 나아가 상기 기지상 중에 고체 윤활제 입자를 밸브 접촉면측 층 전량에 대한 질량%로, 0.5~4% 분산시켜서 이루어지는 기지부 조직을 갖는 철기 소결 합금제이며,
상기 지지 부재측 층이, 질량%로, C: 0.2~2.0%를 포함하며, 나아가 Mo, Si, Cr, Ni, Mn, W, V, S, P 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 20% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성과, 기지상 중에, 고체 윤활제 입자를 지지 부재측 층 전량에 대한 질량%로, 0.5~4% 분산시켜서 이루어지는 조직을 갖는 철기 소결 합금제인 것을 특징으로 하는
내연기관용 밸브와 밸브 시트의 조합체.