エキゾーストバルブ
【課題】重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供すること。
【解決手段】エキゾーストバルブ３１は、軸部４１と、軸部４１の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェース４２ａが形成された傘部４２とにより構成され、軸部４１が一定の直径からなる軸部直径Ｄ１を有し、傘部４２が軸部直径Ｄ１より大きい傘部直径Ｄ２を有し、軸部４１と傘部４２とを連結する連結位置３１ａと、バルブフェース４２ａと反対側の傘表４２ｂから軸部方向に傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ１だけ離隔した位置との間の区間内で、傘部直径Ｄ２よりも小さく、かつ、軸部直径Ｄ１よりも大きい直径の太軸部４３を形成したことを特徴とする。
【解決手段】エキゾーストバルブ３１は、軸部４１と、軸部４１の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェース４２ａが形成された傘部４２とにより構成され、軸部４１が一定の直径からなる軸部直径Ｄ１を有し、傘部４２が軸部直径Ｄ１より大きい傘部直径Ｄ２を有し、軸部４１と傘部４２とを連結する連結位置３１ａと、バルブフェース４２ａと反対側の傘表４２ｂから軸部方向に傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ１だけ離隔した位置との間の区間内で、傘部直径Ｄ２よりも小さく、かつ、軸部直径Ｄ１よりも大きい直径の太軸部４３を形成したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のエキゾーストバルブに関し、特に、機械的強度を向上させることができるエキゾーストバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のエキゾーストバルブとして、バルブ本体と、バルブステムと、バルブ本体側の小径部分およびバルブ本体から離隔した側の大径部分から構成されるバルブガイドとを有し、この小径部分と大径部分との境界が、滑らかな曲面で形成されるとともに、バルブ閉塞時に滑らかな曲面の一部がバルブガイドの内部に侵入するように位置しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このエキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時に滑らかな曲面の一部がバルブガイドの内部に侵入するように位置しているため、バルブ閉塞時に小径部分と大径部分との境界の曲面で小径部側に付着したカーボン等のスラッジをステムから容易に掻き落とすことができる。
【０００４】
すなわち、エキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時にスラッジがバルブガイド下端の内周コーナ部で掻き落とされる際に、スラッジに対してステムの半径方向外方への分力が作用することになり、ステムから容易に掻き落とされることになる。
また、このエキゾーストバルブにおいては、滑らかな曲面は、バルブガイド下端のコーナ部と協働してスラッジを掻き落とす機能に加え、バルブステムが曲面を有し、その断面が緩やかに変化しているので、バルブステムに応力集中が発生せず、十分な強度が補償されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のエキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時にスラッジをバルブガイド下端の内周コーナ部で掻き落とすよう、バルブ本体から離隔した側を大径部分とし、バルブ本体側を小径部分としているので、大径部分の強度に余裕ができており、軽量化が考慮されていなかった。
【０００７】
これに対して小径部分については、応力集中に対する強度は、曲面形状によって十分補償されているものの、耐熱強度に対しては考慮されていない。その結果、小径部分を流通する高温の排気ガスにより、小径部分が高温となって機械的強度が低下してしまい耐熱強度の補償が十分でないという問題があった。また、内燃機関の規格対応や出力などの性能向上の要請に伴い、排気ガスの温度が上昇する傾向にあり、エキゾーストバルブの温度も上昇することになり、エキゾーストバルブの耐熱強度の向上がより望まれている。
【０００８】
このようなエキゾーストバルブの耐熱強度を向上させる対策として、例えば、次のものが考えられる。
まず、バルブステムの断面積を拡大することが考えられる。すなわち、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムの断面積を拡大すると、バルブステムの質量が増加し、バルブリフト機構の運動性能が低下するため、バルブリフト機構の使用回転数を下げざるをえず、商品性が低下してしまうことになる。また、断面積の拡大によりバルブステム周囲の排気流路の断面積が減少してしまい、排気圧力が上昇するため、排気の妨げになり内燃機関の性能低下や燃費の悪化につながってしまうことになる。
【０００９】
次いで、バルブステムの材質を変更し、形状や質量の増加なくして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムについて、耐熱強度の高い金属、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）などを含むレアメタルを使用すると耐熱強度が向上するものの、耐熱強度の比較的要求されない部位にまで材料のコストが高い金属を使うこととなり、オーバークオリティとなって、製造コストが増大してしまうことになる。
【００１０】
次いで、バルブステムについて、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムについて、熱処理の追加および変更をすると、熱処理工程の追加や変更が必要になり、設備自体や設備の変更のコストが増大してしまう。この場合、バルブステム全体を炉にセットすることとなり、バルブステム全体を熱処理することになるので、耐熱強度の比較的要求されない部位にまで熱処理することとなり、オーバークオリティとなって、製造コストが増大してしまうことになる。
したがって、耐熱強度を向上するいずれの対策をとっても、不十分となってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、前述のような従来における問題を解決し、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るエキゾーストバルブは、上記課題を解決するため、（１）軸部と、前記軸部の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェースが形成された傘部とにより構成されたエキゾーストバルブにおいて、前記軸部が一定の直径からなる軸部直径を有し、前記傘部が前記軸部直径より大きい傘部直径を有し、前記軸部と前記傘部とを連結する連結位置と、前記バルブフェースと反対側の傘表から前記軸部方向に前記傘部直径と略同じ大きさの距離だけ離隔した位置との間の区間内で、前記傘部直径よりも小さく、かつ、前記軸部直径よりも大きい直径の太軸部を形成したことを特徴とする。
【００１３】
この構成により、本発明に係るエキゾーストバルブにおいては、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するものが得られる。
すなわち、本発明に係るエキゾーストバルブエキゾーストバルブは、耐熱強度を必要とする太軸部のみ、所定の区間内で軸径を大きくしているので、従来のエキゾーストバルブのように、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させて質量を増加させてしまうという問題が解消される。
また、従来の汎用性のある安価な材料を使っているので、従来のエキゾーストバルブのように、耐熱強度の高いレアメタルを使用する必要はなく、材料のコストが高い金属によるオーバークオリティになることはないので、製造コストの増大を防ぐことができる。
また、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させる必要がないので、従来のエキゾーストバルブのように、熱処理工程の追加や変更の必要がなく、設備自体や設備の変更のコストの増大を防ぐことができる。
このように、耐熱強度を向上させることができるので、今後、燃費向上や排気ガス規制などの要請により、燃焼室から流出する排気ガスの温度が高まっても、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく機械的強度の高いエキゾーストバルブが得られる。
また、エキゾーストバルブの運動性への影響も小さくすることができ、良好な運動特性が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブが適用される動弁機構の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの傘表からの距離と温度分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブにおける材料強度と温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの断面形状を説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブにおける温度分布と安全率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るエキゾーストバルブを内燃機関の動弁機構に適用した実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、動弁機構の構成について説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、内燃機関の動弁機構１０を構成しており、動弁機構１０の説明を通じてエキゾーストバルブ３１を説明する。
【００１８】
動弁機構１０は、カムシャフト１１と、カムシャフト１１に設けられたカム１２と、カム１２と係合するロッカーアーム１３と、ロッカーアーム１３の一端部と係合するラッシュアジャスタ１４と、ロッカーアーム１３の他端部と係合するバルブリフト機構１５とを含んで構成されている。この動弁機構１０は、図示しない内燃機関のシリンダヘッド１に組み込まれている。
【００１９】
この動弁機構１０においては、カムシャフト１１およびカム１２の回転によりロッカーアーム１３の他端部を支点としてロッカーアーム１３が回動し、バルブリフト機構１５が動作するようになっている。また、ラッシュアジャスタ１４により、カム１２とロッカーアーム１３との間の隙間やロッカーアーム１３とバルブリフト機構１５との間の隙間などのクリアランスが調整されるようになっている。
【００２０】
カムシャフト１１は、図示しない内燃機関のクランクシャフトの回転がタイミングチェーンなどの動力伝達装置により伝達されるようになっており、カム１２はクランクシャフトの回転と同期して回転するようになっている。
【００２１】
カム１２は、一体的に形成されたベース円部１２ａおよびノーズ部１２ｂと、このベース円部１２ａおよびノーズ部１２ｂの外周面からなるカム面部１２ｃとを含んで構成されている。ベース円部１２ａがロッカーアーム１３に当接するとき、バルブリフト機構１５が閉じた状態になり、ノーズ部１２ｂがロッカーアーム１３に当接するとき、バルブリフト機構１５が開いた状態になるよう構成されている。
【００２２】
ロッカーアーム１３は、アーム本体１３ａと、バルブリフト機構１５と回動可能に係合する機構係合部１３ｂと、ラッシュアジャスタ１４と回動可能に係合するアジャスタ係合部１３ｃと、機構係合部１３ｂとアジャスタ係合部２３ａとの中間に配置されカム１２と係合するローラ部１３ｄとを含んで構成されている。
【００２３】
ラッシュアジャスタ１４は、アジャスタボディ２１と、プランジャ２２と、チェックバルブ２３と、プランジャスプリング２４とを含んで構成されている。
このラッシュアジャスタ１４は、ロッカーアーム１３のバルブリフト機構１５と反対側の支点に配置されており、シリンダヘッド１から供給されるオイルを作動油として動作するようになっている。このアジャスタボディ２１内のプランジャ２２がプランジャスプリング２４の反発力や油圧の力で上下にスライドすることによりカム１２とロッカーアーム１３のローラ部１３ｄとの間の隙間からなるクリアランスをなくすよう調整するようになっている。
【００２４】
バルブリフト機構１５は、エキゾーストバルブ３１と、シリンダヘッド１に支持されエキゾーストバルブ３１の摺動を案内するバルブガイド３２と、バルブガイド３２の端部に設けられバルブガイド３２をシールするバルブシール３３と、エキゾーストバルブ３１の端部に設けられたステムエンド３４およびバルブコッタ３５と、バルブコッタ３５によりエキゾーストバルブ３１の端部に固定されたスプリングリテーナ３６と、スプリングリテーナ３６をシリンダヘッド１から離隔する方向に押圧するようスプリングリテーナ３６とシリンダヘッド１との間に介装されたバルブスプリング３７とを含んで構成されている。
【００２５】
このバルブリフト機構１５においては、エキゾーストバルブ３１が、シリンダヘッド１に設けられたバルブシート２に着座するようになっており、図１は、エキゾーストバルブ３１がバルブシート２に着座した状態、すなわち閉弁状態を示している。
【００２６】
図２に示すように、エキゾーストバルブ３１は、汎用の安価な鋼材、例えば、オーステナイト系のステンレス鋼からなり、軸部４１と、傘部４２と、太軸部４３とにより構成されている。軸部４１、太軸部４３および傘部４２は一体的に形成されている。
軸部４１と傘部４２とは、連結位置３１ａで滑らかなカーブで連結されている。
【００２７】
軸部４１は、一定の軸部直径Ｄ１を有し、図１に示すバルブガイド３２に収容されるようになっており、バルブガイド３２内を案内されてその軸線方向に摺動するよう構成されている。
また、傘部４２と反対側の端部には、溝４１ａが形成されており、バルブコッタ３５が嵌り込んで、スプリングリテーナ３６に取り付けられるようになっている。
【００２８】
傘部４２は、軸部４１の一方端に形成されており、バルブフェース４２ａと、傘表４２ｂと、傘裏４２ｃとを有している。
バルブフェース４２ａは、バルブシート２に着座した際に、図示しないシリンダの燃焼室を密閉するよう滑らかな表面を有している。
傘表４２ｂは、その傘部直径がＤ２で形成されており、バルブフェース４２ａがバルブシート２に着座した際に、シリンダの燃焼室を画成するようになっている。
傘裏４２ｃは、傘表４２ｂの反対側で円錐形に形成され、その直径が傘表４２ｂから傘裏４２ｃに向かって徐々に小さくなるようにして軸部４１と連結位置３１ａで連結されている。
【００２９】
太軸部４３は、軸部４１と傘部４２との連結部分に形成されており、直径Ｄ３を有しており、その縦断面の縁は、任意の滑らかな曲線で描かれ、軸部４１の外周面から突出して凸状に形成されている。
この太軸部４３は、傘表４２ｂから傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ２だけ離隔した位置と連結位置３１ａとの間の区間内で形成されることが好ましい。距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２よりも大きすぎると、バルブガイド３２と干渉してしまい、エキゾーストバルブ３１の軸線方向の摺動が妨げられるおそれがあり、距離Ｌ２が小さすぎると、耐熱強度上の適切な位置から外れてしまうおそれがある。
【００３０】
図３の上側に示すように、この太軸部４３は、エキゾーストバルブ３１が高温の排気ガスの流通により受けて生ずる最高温度部位に位置している。
最高温度部位は、エキゾーストバルブ３１が開状態のとき、バルブフェース４２ａの面角度が約４５度であるため、バルブフェース４２ａ面に沿って、バルブフェース４２ａとバルブシート２との間の通路から流出する高温の排気ガスが直接衝突する部分となっている。また、この排気ガスの流出経路は、排気ポートを囲むシリンダヘッド１の内壁面の形状の影響を受けてしまう。
【００３１】
そのため、エキゾーストバルブ３１において、以下の位置が、最高温度部位となってしまうことになる。
最高温度部位は、傘表４２ｂの傘部直径Ｄ２すなわち、バルブ径の１／２と、エキゾーストバルブ３１のリフト量の１／２〜１／３とを加算した傘表４２ｂからの距離の位置となる。
高温の排気ガスの流通により、エキゾーストバルブ３１には、図３の下側のグラフで示すように、傘表４２ｂからの距離が短い部分や長い部分では、発生する熱は比較的低いが、傘表４２ｂからの距離が短い部分と長い部分との中間で、高温部となり、最高温度部位となる。
【００３２】
図４に示すように、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１においては、エキゾーストバルブ３１が低温の場合と比較して、高温の場合には、材料のテストピースを用いた疲労試験で示されるように、折れ線で示す繰り返し回数における許容される応力（ＭＰａ）が著しく低下している。したがって、高温となる部位の機械的強度を高めることは、許容される応力を高めることができることになる。
【００３３】
図５の左側の模式図に示すように、この太軸部４３において、前述の直径Ｄ３の任意の滑らかな曲線上で、その変曲点をＰ１とし、変曲点Ｐ１と、この変曲点Ｐ１の図示しない曲率中心とを結ぶ線に直交するとともに変曲点Ｐ１を通り変曲点Ｐ１よりも上側の軸部４１方向への傾きの線と、エキゾーストバルブ３１の軸線ＣＬ１と交わる点をＰ２とする。なお、変曲点は、曲線で曲がる方向が変わる点で、曲線上で曲率のプラスマイナスの符号が変化する点を変曲点を意味している。
【００３４】
そして、変曲点Ｐ１を通る線と軸線ＣＬ１とがなす角をθ１とし、変曲点Ｐ１を通り変曲点Ｐ１よりも下側（最大軸径より下側）の傘部４２方向への傾きの線と、軸線ＣＬ１とがなす角をθ２とする。また、なす角θ２が、なす角θ１以上になる位置となる傘表４２ｂからの距離Ｌ３が傘部直径Ｄ２の１／４となる位置と、なす角θ１＞なす角θ２になる傘表４２ｂからの距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２の２／３となる位置との間を適用範囲とする。
【００３５】
この適用範囲内において、軸径が極小となる部位すなわち凹部４４が存在するよう、太軸部４３と傘部４２との間の部分を形成するようにしてもよい。このような構成により、エキゾーストバルブ３１の軽量化が図られる。
【００３６】
また、図５の右側の模式図に示すように、この太軸部４３において、前述の直径Ｄ３の任意の滑らかな曲線上で、その変曲点をＰ３とし、変曲点Ｐ３と、この変曲点Ｐ３の図示しない曲率中心とを結ぶ線に直交するとともに変曲点Ｐ３を通り変曲点Ｐ３よりも上側の軸部４１方向への傾きの線と、エキゾーストバルブ３１の軸線ＣＬ２と交わる点をＰ４とする。
【００３７】
そして、変曲点Ｐ３を通る線と軸線ＣＬ２とがなす角をθ３とし、変曲点Ｐ３を通り変曲点Ｐ３よりも下側（最大軸径より下側）の傘部４２方向への傾きの線と、軸線ＣＬ２とがなす角をθ４とする。また、なす角θ４が、なす角θ３以上になる位置となる傘表４２ｂからの距離Ｌ３が傘部直径Ｄ２の１／４となる位置と、なす角θ３＞なす角θ４になる傘表４２ｂからの距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２の２／３となる位置との間を適用範囲とする。
【００３８】
この適用範囲内において、軸径が極小となる部位、すなわち凹部４４が存在するよう、太軸部４３と傘部４２との間の部分を形成するようにしてもよい。このような構成により、エキゾーストバルブ３１の軽量化が図られる。
【００３９】
前述の適用範囲内において、軸径が極小となる部位すなわち凹部４４が傘裏４２ｃの部分に位置しても、傘裏４２ｃの部分の機械的強度に余裕がある場合には、適用することができ、軽量化を図ることができる。すなわち、機械的強度に余裕があれば、傘裏４２ｃの部分に軸径が極小となる部位を形成しても、内燃機関の高負荷運転時に傘部４２の温度が上昇して強度の低下を招き変形を起こし、シート性が低下するといういわゆるカッピングの弊害を招くことはない。
【００４０】
次に、実施形態に係るバルブリフト機構１５のエキゾーストバルブ３１の効果について説明する。
【００４１】
実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、上述のように構成されているので以下のような効果が得られる。
すなわち、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、軸部４１と、軸部４１の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシート２に着座するバルブフェース４２ａが形成された傘部４２とにより構成されている。そして、軸部４１が一定の直径からなる軸部直径Ｄ１を有し、傘部４２が軸部直径Ｄ１より大きい傘部直径Ｄ２を有し、軸部４１と傘部４２とを連結する連結位置３１ａと、傘表４２ｂから軸部方向に傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ１だけ離隔した位置との間の区間内で、傘部直径Ｄ２よりも小さく、かつ、軸部直径Ｄ１よりも大きい直径の太軸部４３を形成したことを特徴としている。
【００４２】
その結果、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を確保することができるという効果が得られる。
すなわち、耐熱強度を必要とする太軸部４３のみ軸径を大きくしているので、従来のエキゾーストバルブのように、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させて質量を増加させてしまうという問題が解消されるという効果が得られる。
また、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、従来の汎用性のある安価な材料を使っているので、従来のエキゾーストバルブのように、耐熱強度の高いレアメタルを使用する必要はなく、材料のコストが高い金属によるオーバークオリティになることはないので、製造コストの増大を防ぐことができる。
【００４３】
また、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させる必要がないので、従来のエキゾーストバルブのように、熱処理工程の追加や変更の必要がなく、設備自体や設備の変更のコストの増大を防ぐことができる。
【００４４】
また、従来の傘部において強度の余裕のあった部分の駄肉を、凹部４４の形成により低減することができ、軽量化を図ることができるという効果が得られる。
【００４５】
図６に示すように、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、温度分布において最も高温となる部位の軸径を太くしているので、図６の上側に示す形状の場合にはもちろん、図６の下側に示す形状、すなわち凹部４４を設けた場合にも、耐熱強度が向上しているので、この太軸部４３の部分の強度がＵＰし、安全率が著しく向上している。
また、凹部４４は、従来、強度に余裕のあった部分の駄肉を低減しているので軽量化が図れる一方で、機械的強度の低下はなく、安全率も維持されている。
【００４６】
このように、耐熱強度を向上させることができるので、今後、燃費向上や排気ガス規制などの要請により、燃焼室から流出する排気ガスの温度が高まっても、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく機械的強度の高いエキゾーストバルブが得られる。
また、エキゾーストバルブの運動性への影響も小さくすることができ、良好な運動特性が得られる。
【００４７】
以上説明したように、本発明に係るエキゾーストバルブにおいては、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することができるという効果を有し、広く高温の環境下で使用されるバルブ全般に有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 動弁機構
１５ バルブリフト機構
３１ エキゾーストバルブ
３１ａ 連結位置
４１ 軸部
４２ 傘部
４２ａ バルブフェース
４２ｂ 傘表
４２ｃ 傘裏
４３ 太軸部
４４ 凹部
Ｄ１ 軸部直径
Ｄ２ 傘部直径
Ｄ３ 太軸部の直径
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のエキゾーストバルブに関し、特に、機械的強度を向上させることができるエキゾーストバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のエキゾーストバルブとして、バルブ本体と、バルブステムと、バルブ本体側の小径部分およびバルブ本体から離隔した側の大径部分から構成されるバルブガイドとを有し、この小径部分と大径部分との境界が、滑らかな曲面で形成されるとともに、バルブ閉塞時に滑らかな曲面の一部がバルブガイドの内部に侵入するように位置しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このエキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時に滑らかな曲面の一部がバルブガイドの内部に侵入するように位置しているため、バルブ閉塞時に小径部分と大径部分との境界の曲面で小径部側に付着したカーボン等のスラッジをステムから容易に掻き落とすことができる。
【０００４】
すなわち、エキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時にスラッジがバルブガイド下端の内周コーナ部で掻き落とされる際に、スラッジに対してステムの半径方向外方への分力が作用することになり、ステムから容易に掻き落とされることになる。
また、このエキゾーストバルブにおいては、滑らかな曲面は、バルブガイド下端のコーナ部と協働してスラッジを掻き落とす機能に加え、バルブステムが曲面を有し、その断面が緩やかに変化しているので、バルブステムに応力集中が発生せず、十分な強度が補償されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のエキゾーストバルブにおいては、バルブ閉塞時にスラッジをバルブガイド下端の内周コーナ部で掻き落とすよう、バルブ本体から離隔した側を大径部分とし、バルブ本体側を小径部分としているので、大径部分の強度に余裕ができており、軽量化が考慮されていなかった。
【０００７】
これに対して小径部分については、応力集中に対する強度は、曲面形状によって十分補償されているものの、耐熱強度に対しては考慮されていない。その結果、小径部分を流通する高温の排気ガスにより、小径部分が高温となって機械的強度が低下してしまい耐熱強度の補償が十分でないという問題があった。また、内燃機関の規格対応や出力などの性能向上の要請に伴い、排気ガスの温度が上昇する傾向にあり、エキゾーストバルブの温度も上昇することになり、エキゾーストバルブの耐熱強度の向上がより望まれている。
【０００８】
このようなエキゾーストバルブの耐熱強度を向上させる対策として、例えば、次のものが考えられる。
まず、バルブステムの断面積を拡大することが考えられる。すなわち、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムの断面積を拡大すると、バルブステムの質量が増加し、バルブリフト機構の運動性能が低下するため、バルブリフト機構の使用回転数を下げざるをえず、商品性が低下してしまうことになる。また、断面積の拡大によりバルブステム周囲の排気流路の断面積が減少してしまい、排気圧力が上昇するため、排気の妨げになり内燃機関の性能低下や燃費の悪化につながってしまうことになる。
【０００９】
次いで、バルブステムの材質を変更し、形状や質量の増加なくして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムについて、耐熱強度の高い金属、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）などを含むレアメタルを使用すると耐熱強度が向上するものの、耐熱強度の比較的要求されない部位にまで材料のコストが高い金属を使うこととなり、オーバークオリティとなって、製造コストが増大してしまうことになる。
【００１０】
次いで、バルブステムについて、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させることが考えられる。しかしながら、バルブステムについて、熱処理の追加および変更をすると、熱処理工程の追加や変更が必要になり、設備自体や設備の変更のコストが増大してしまう。この場合、バルブステム全体を炉にセットすることとなり、バルブステム全体を熱処理することになるので、耐熱強度の比較的要求されない部位にまで熱処理することとなり、オーバークオリティとなって、製造コストが増大してしまうことになる。
したがって、耐熱強度を向上するいずれの対策をとっても、不十分となってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、前述のような従来における問題を解決し、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るエキゾーストバルブは、上記課題を解決するため、（１）軸部と、前記軸部の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェースが形成された傘部とにより構成されたエキゾーストバルブにおいて、前記軸部が一定の直径からなる軸部直径を有し、前記傘部が前記軸部直径より大きい傘部直径を有し、前記軸部と前記傘部とを連結する連結位置と、前記バルブフェースと反対側の傘表から前記軸部方向に前記傘部直径と略同じ大きさの距離だけ離隔した位置との間の区間内で、前記傘部直径よりも小さく、かつ、前記軸部直径よりも大きい直径の太軸部を形成したことを特徴とする。
【００１３】
この構成により、本発明に係るエキゾーストバルブにおいては、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するものが得られる。
すなわち、本発明に係るエキゾーストバルブエキゾーストバルブは、耐熱強度を必要とする太軸部のみ、所定の区間内で軸径を大きくしているので、従来のエキゾーストバルブのように、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させて質量を増加させてしまうという問題が解消される。
また、従来の汎用性のある安価な材料を使っているので、従来のエキゾーストバルブのように、耐熱強度の高いレアメタルを使用する必要はなく、材料のコストが高い金属によるオーバークオリティになることはないので、製造コストの増大を防ぐことができる。
また、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させる必要がないので、従来のエキゾーストバルブのように、熱処理工程の追加や変更の必要がなく、設備自体や設備の変更のコストの増大を防ぐことができる。
このように、耐熱強度を向上させることができるので、今後、燃費向上や排気ガス規制などの要請により、燃焼室から流出する排気ガスの温度が高まっても、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく機械的強度の高いエキゾーストバルブが得られる。
また、エキゾーストバルブの運動性への影響も小さくすることができ、良好な運動特性が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブが適用される動弁機構の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの傘表からの距離と温度分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブにおける材料強度と温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブの断面形状を説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブにおける温度分布と安全率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るエキゾーストバルブを内燃機関の動弁機構に適用した実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、動弁機構の構成について説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、内燃機関の動弁機構１０を構成しており、動弁機構１０の説明を通じてエキゾーストバルブ３１を説明する。
【００１８】
動弁機構１０は、カムシャフト１１と、カムシャフト１１に設けられたカム１２と、カム１２と係合するロッカーアーム１３と、ロッカーアーム１３の一端部と係合するラッシュアジャスタ１４と、ロッカーアーム１３の他端部と係合するバルブリフト機構１５とを含んで構成されている。この動弁機構１０は、図示しない内燃機関のシリンダヘッド１に組み込まれている。
【００１９】
この動弁機構１０においては、カムシャフト１１およびカム１２の回転によりロッカーアーム１３の他端部を支点としてロッカーアーム１３が回動し、バルブリフト機構１５が動作するようになっている。また、ラッシュアジャスタ１４により、カム１２とロッカーアーム１３との間の隙間やロッカーアーム１３とバルブリフト機構１５との間の隙間などのクリアランスが調整されるようになっている。
【００２０】
カムシャフト１１は、図示しない内燃機関のクランクシャフトの回転がタイミングチェーンなどの動力伝達装置により伝達されるようになっており、カム１２はクランクシャフトの回転と同期して回転するようになっている。
【００２１】
カム１２は、一体的に形成されたベース円部１２ａおよびノーズ部１２ｂと、このベース円部１２ａおよびノーズ部１２ｂの外周面からなるカム面部１２ｃとを含んで構成されている。ベース円部１２ａがロッカーアーム１３に当接するとき、バルブリフト機構１５が閉じた状態になり、ノーズ部１２ｂがロッカーアーム１３に当接するとき、バルブリフト機構１５が開いた状態になるよう構成されている。
【００２２】
ロッカーアーム１３は、アーム本体１３ａと、バルブリフト機構１５と回動可能に係合する機構係合部１３ｂと、ラッシュアジャスタ１４と回動可能に係合するアジャスタ係合部１３ｃと、機構係合部１３ｂとアジャスタ係合部２３ａとの中間に配置されカム１２と係合するローラ部１３ｄとを含んで構成されている。
【００２３】
ラッシュアジャスタ１４は、アジャスタボディ２１と、プランジャ２２と、チェックバルブ２３と、プランジャスプリング２４とを含んで構成されている。
このラッシュアジャスタ１４は、ロッカーアーム１３のバルブリフト機構１５と反対側の支点に配置されており、シリンダヘッド１から供給されるオイルを作動油として動作するようになっている。このアジャスタボディ２１内のプランジャ２２がプランジャスプリング２４の反発力や油圧の力で上下にスライドすることによりカム１２とロッカーアーム１３のローラ部１３ｄとの間の隙間からなるクリアランスをなくすよう調整するようになっている。
【００２４】
バルブリフト機構１５は、エキゾーストバルブ３１と、シリンダヘッド１に支持されエキゾーストバルブ３１の摺動を案内するバルブガイド３２と、バルブガイド３２の端部に設けられバルブガイド３２をシールするバルブシール３３と、エキゾーストバルブ３１の端部に設けられたステムエンド３４およびバルブコッタ３５と、バルブコッタ３５によりエキゾーストバルブ３１の端部に固定されたスプリングリテーナ３６と、スプリングリテーナ３６をシリンダヘッド１から離隔する方向に押圧するようスプリングリテーナ３６とシリンダヘッド１との間に介装されたバルブスプリング３７とを含んで構成されている。
【００２５】
このバルブリフト機構１５においては、エキゾーストバルブ３１が、シリンダヘッド１に設けられたバルブシート２に着座するようになっており、図１は、エキゾーストバルブ３１がバルブシート２に着座した状態、すなわち閉弁状態を示している。
【００２６】
図２に示すように、エキゾーストバルブ３１は、汎用の安価な鋼材、例えば、オーステナイト系のステンレス鋼からなり、軸部４１と、傘部４２と、太軸部４３とにより構成されている。軸部４１、太軸部４３および傘部４２は一体的に形成されている。
軸部４１と傘部４２とは、連結位置３１ａで滑らかなカーブで連結されている。
【００２７】
軸部４１は、一定の軸部直径Ｄ１を有し、図１に示すバルブガイド３２に収容されるようになっており、バルブガイド３２内を案内されてその軸線方向に摺動するよう構成されている。
また、傘部４２と反対側の端部には、溝４１ａが形成されており、バルブコッタ３５が嵌り込んで、スプリングリテーナ３６に取り付けられるようになっている。
【００２８】
傘部４２は、軸部４１の一方端に形成されており、バルブフェース４２ａと、傘表４２ｂと、傘裏４２ｃとを有している。
バルブフェース４２ａは、バルブシート２に着座した際に、図示しないシリンダの燃焼室を密閉するよう滑らかな表面を有している。
傘表４２ｂは、その傘部直径がＤ２で形成されており、バルブフェース４２ａがバルブシート２に着座した際に、シリンダの燃焼室を画成するようになっている。
傘裏４２ｃは、傘表４２ｂの反対側で円錐形に形成され、その直径が傘表４２ｂから傘裏４２ｃに向かって徐々に小さくなるようにして軸部４１と連結位置３１ａで連結されている。
【００２９】
太軸部４３は、軸部４１と傘部４２との連結部分に形成されており、直径Ｄ３を有しており、その縦断面の縁は、任意の滑らかな曲線で描かれ、軸部４１の外周面から突出して凸状に形成されている。
この太軸部４３は、傘表４２ｂから傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ２だけ離隔した位置と連結位置３１ａとの間の区間内で形成されることが好ましい。距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２よりも大きすぎると、バルブガイド３２と干渉してしまい、エキゾーストバルブ３１の軸線方向の摺動が妨げられるおそれがあり、距離Ｌ２が小さすぎると、耐熱強度上の適切な位置から外れてしまうおそれがある。
【００３０】
図３の上側に示すように、この太軸部４３は、エキゾーストバルブ３１が高温の排気ガスの流通により受けて生ずる最高温度部位に位置している。
最高温度部位は、エキゾーストバルブ３１が開状態のとき、バルブフェース４２ａの面角度が約４５度であるため、バルブフェース４２ａ面に沿って、バルブフェース４２ａとバルブシート２との間の通路から流出する高温の排気ガスが直接衝突する部分となっている。また、この排気ガスの流出経路は、排気ポートを囲むシリンダヘッド１の内壁面の形状の影響を受けてしまう。
【００３１】
そのため、エキゾーストバルブ３１において、以下の位置が、最高温度部位となってしまうことになる。
最高温度部位は、傘表４２ｂの傘部直径Ｄ２すなわち、バルブ径の１／２と、エキゾーストバルブ３１のリフト量の１／２〜１／３とを加算した傘表４２ｂからの距離の位置となる。
高温の排気ガスの流通により、エキゾーストバルブ３１には、図３の下側のグラフで示すように、傘表４２ｂからの距離が短い部分や長い部分では、発生する熱は比較的低いが、傘表４２ｂからの距離が短い部分と長い部分との中間で、高温部となり、最高温度部位となる。
【００３２】
図４に示すように、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１においては、エキゾーストバルブ３１が低温の場合と比較して、高温の場合には、材料のテストピースを用いた疲労試験で示されるように、折れ線で示す繰り返し回数における許容される応力（ＭＰａ）が著しく低下している。したがって、高温となる部位の機械的強度を高めることは、許容される応力を高めることができることになる。
【００３３】
図５の左側の模式図に示すように、この太軸部４３において、前述の直径Ｄ３の任意の滑らかな曲線上で、その変曲点をＰ１とし、変曲点Ｐ１と、この変曲点Ｐ１の図示しない曲率中心とを結ぶ線に直交するとともに変曲点Ｐ１を通り変曲点Ｐ１よりも上側の軸部４１方向への傾きの線と、エキゾーストバルブ３１の軸線ＣＬ１と交わる点をＰ２とする。なお、変曲点は、曲線で曲がる方向が変わる点で、曲線上で曲率のプラスマイナスの符号が変化する点を変曲点を意味している。
【００３４】
そして、変曲点Ｐ１を通る線と軸線ＣＬ１とがなす角をθ１とし、変曲点Ｐ１を通り変曲点Ｐ１よりも下側（最大軸径より下側）の傘部４２方向への傾きの線と、軸線ＣＬ１とがなす角をθ２とする。また、なす角θ２が、なす角θ１以上になる位置となる傘表４２ｂからの距離Ｌ３が傘部直径Ｄ２の１／４となる位置と、なす角θ１＞なす角θ２になる傘表４２ｂからの距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２の２／３となる位置との間を適用範囲とする。
【００３５】
この適用範囲内において、軸径が極小となる部位すなわち凹部４４が存在するよう、太軸部４３と傘部４２との間の部分を形成するようにしてもよい。このような構成により、エキゾーストバルブ３１の軽量化が図られる。
【００３６】
また、図５の右側の模式図に示すように、この太軸部４３において、前述の直径Ｄ３の任意の滑らかな曲線上で、その変曲点をＰ３とし、変曲点Ｐ３と、この変曲点Ｐ３の図示しない曲率中心とを結ぶ線に直交するとともに変曲点Ｐ３を通り変曲点Ｐ３よりも上側の軸部４１方向への傾きの線と、エキゾーストバルブ３１の軸線ＣＬ２と交わる点をＰ４とする。
【００３７】
そして、変曲点Ｐ３を通る線と軸線ＣＬ２とがなす角をθ３とし、変曲点Ｐ３を通り変曲点Ｐ３よりも下側（最大軸径より下側）の傘部４２方向への傾きの線と、軸線ＣＬ２とがなす角をθ４とする。また、なす角θ４が、なす角θ３以上になる位置となる傘表４２ｂからの距離Ｌ３が傘部直径Ｄ２の１／４となる位置と、なす角θ３＞なす角θ４になる傘表４２ｂからの距離Ｌ２が傘部直径Ｄ２の２／３となる位置との間を適用範囲とする。
【００３８】
この適用範囲内において、軸径が極小となる部位、すなわち凹部４４が存在するよう、太軸部４３と傘部４２との間の部分を形成するようにしてもよい。このような構成により、エキゾーストバルブ３１の軽量化が図られる。
【００３９】
前述の適用範囲内において、軸径が極小となる部位すなわち凹部４４が傘裏４２ｃの部分に位置しても、傘裏４２ｃの部分の機械的強度に余裕がある場合には、適用することができ、軽量化を図ることができる。すなわち、機械的強度に余裕があれば、傘裏４２ｃの部分に軸径が極小となる部位を形成しても、内燃機関の高負荷運転時に傘部４２の温度が上昇して強度の低下を招き変形を起こし、シート性が低下するといういわゆるカッピングの弊害を招くことはない。
【００４０】
次に、実施形態に係るバルブリフト機構１５のエキゾーストバルブ３１の効果について説明する。
【００４１】
実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、上述のように構成されているので以下のような効果が得られる。
すなわち、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、軸部４１と、軸部４１の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシート２に着座するバルブフェース４２ａが形成された傘部４２とにより構成されている。そして、軸部４１が一定の直径からなる軸部直径Ｄ１を有し、傘部４２が軸部直径Ｄ１より大きい傘部直径Ｄ２を有し、軸部４１と傘部４２とを連結する連結位置３１ａと、傘表４２ｂから軸部方向に傘部直径Ｄ２と略同じ大きさの距離Ｌ１だけ離隔した位置との間の区間内で、傘部直径Ｄ２よりも小さく、かつ、軸部直径Ｄ１よりも大きい直径の太軸部４３を形成したことを特徴としている。
【００４２】
その結果、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を確保することができるという効果が得られる。
すなわち、耐熱強度を必要とする太軸部４３のみ軸径を大きくしているので、従来のエキゾーストバルブのように、バルブステム全体の径を太くして耐熱強度を向上させて質量を増加させてしまうという問題が解消されるという効果が得られる。
また、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、従来の汎用性のある安価な材料を使っているので、従来のエキゾーストバルブのように、耐熱強度の高いレアメタルを使用する必要はなく、材料のコストが高い金属によるオーバークオリティになることはないので、製造コストの増大を防ぐことができる。
【００４３】
また、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、熱処理の追加および変更をして耐熱強度を向上させる必要がないので、従来のエキゾーストバルブのように、熱処理工程の追加や変更の必要がなく、設備自体や設備の変更のコストの増大を防ぐことができる。
【００４４】
また、従来の傘部において強度の余裕のあった部分の駄肉を、凹部４４の形成により低減することができ、軽量化を図ることができるという効果が得られる。
【００４５】
図６に示すように、実施形態に係るエキゾーストバルブ３１は、温度分布において最も高温となる部位の軸径を太くしているので、図６の上側に示す形状の場合にはもちろん、図６の下側に示す形状、すなわち凹部４４を設けた場合にも、耐熱強度が向上しているので、この太軸部４３の部分の強度がＵＰし、安全率が著しく向上している。
また、凹部４４は、従来、強度に余裕のあった部分の駄肉を低減しているので軽量化が図れる一方で、機械的強度の低下はなく、安全率も維持されている。
【００４６】
このように、耐熱強度を向上させることができるので、今後、燃費向上や排気ガス規制などの要請により、燃焼室から流出する排気ガスの温度が高まっても、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく機械的強度の高いエキゾーストバルブが得られる。
また、エキゾーストバルブの運動性への影響も小さくすることができ、良好な運動特性が得られる。
【００４７】
以上説明したように、本発明に係るエキゾーストバルブにおいては、重量の増大や製造コストの増大を伴うことなく、十分な耐熱強度を有するエキゾーストバルブを提供することができるという効果を有し、広く高温の環境下で使用されるバルブ全般に有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 動弁機構
１５ バルブリフト機構
３１ エキゾーストバルブ
３１ａ 連結位置
４１ 軸部
４２ 傘部
４２ａ バルブフェース
４２ｂ 傘表
４２ｃ 傘裏
４３ 太軸部
４４ 凹部
Ｄ１ 軸部直径
Ｄ２ 傘部直径
Ｄ３ 太軸部の直径
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部と、前記軸部の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェースが形成された傘部とにより構成されたエキゾーストバルブにおいて、
前記軸部が一定の直径からなる軸部直径を有し、
前記傘部が前記軸部直径より大きい傘部直径を有し、
前記軸部と前記傘部とを連結する連結位置と、前記バルブフェースと反対側の傘表から前記軸部方向に前記傘部直径と略同じ大きさの距離だけ離隔した位置との間の区間内で、前記傘部直径よりも小さく、かつ、前記軸部直径よりも大きい直径の太軸部を形成したことを特徴とするエキゾーストバルブ。
【請求項１】
軸部と、前記軸部の一方端に形成されるとともに、内燃機関のシリンダに設けられたバルブシートに着座するバルブフェースが形成された傘部とにより構成されたエキゾーストバルブにおいて、
前記軸部が一定の直径からなる軸部直径を有し、
前記傘部が前記軸部直径より大きい傘部直径を有し、
前記軸部と前記傘部とを連結する連結位置と、前記バルブフェースと反対側の傘表から前記軸部方向に前記傘部直径と略同じ大きさの距離だけ離隔した位置との間の区間内で、前記傘部直径よりも小さく、かつ、前記軸部直径よりも大きい直径の太軸部を形成したことを特徴とするエキゾーストバルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４９５８９（Ｐ２０１２−１４９５８９Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９９４９（Ｐ２０１１−９９４９）
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
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