内燃機関用バルブ構造
【課題】中空バルブを採用しつつ、内燃機関の燃焼時において該中空バルブが軸線方向に弾性変形することを可及的に防止し得る構造簡単な内燃機関用バルブ構造を提供する。
【解決手段】中空形状のステム部材におけるフレア部は拡径部及び縮径部を有する。該拡径部及び縮径部によって挟持されるように蓋部材がかしめによって前記ステム部材に連結されている。燃焼室及びガスラインを遮断する際に弁座及び前記拡径部の外周面が当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されるように構成されている。
【解決手段】中空形状のステム部材におけるフレア部は拡径部及び縮径部を有する。該拡径部及び縮径部によって挟持されるように蓋部材がかしめによって前記ステム部材に連結されている。燃焼室及びガスラインを遮断する際に弁座及び前記拡径部の外周面が当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジン又は２輪車用エンジンや汎用エンジン等の内燃機関に適用されるバルブ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における燃料ガス供給ライン及び燃焼ガス排出ラインにそれぞれ開閉弁として介挿されるバルブを中空形状とし且つ中空部にクーラントを封入する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
詳しくは、特許文献１に記載のバルブは、軸部及び該軸部から拡径されたフレア部を有する中空のステム部材と、該ステム部材の中空部を閉塞するように前記フレア部に溶接された蓋部材とを備えている。
【０００４】
このように、前記バルブを中空形状とすることによりバルブ自体を軽量化でき、該バルブを付勢するコイルスプリングや該バルブを前記コイルスプリングの付勢力に抗して移動させるバルブ駆動機構の小型化及び簡略化を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、従来の中空バルブにおいては、内燃機関の燃焼動作時における前記バルブの弾性変形に対して十分な考慮がされていなかった。
即ち、前記バルブは、内燃機関の燃焼動作中に、通常、燃料ガス供給ライン側では約４５０℃、燃焼ガス排出ライン側では約８００℃の高温に晒される。
前記従来の中空バルブは、前記中空部内に金属ナトリウムを封入することでバルブ自体の温度上昇を抑えて、該バルブの弾性変形防止を図っているが、前記金属ナトリウムの作用のみによって該バルブの熱変形が生じないような温度にまで温度上昇を抑えることは困難である。
特に、前記従来の中空バルブのように、前記中空部が溶接によって密閉されていると、温度上昇に伴い該中空部の内圧が急激に上昇することになり、該内圧によってバルブが大きく弾性変形する虞がある。
【０００６】
さらに、前記燃焼室は燃焼時に８０気圧程度まで圧力が上昇する。つまり、前記バルブは、自身の温度上昇による弾性変形に加えて、前記燃焼室からの圧力によっても弾性変形する虞がある。特に、前記バルブを中空形状とする場合には、該バルブは、前記燃焼室からの圧力によって軸線方向に大きく弾性変形する虞がある。
【０００７】
このようなバルブの弾性変形を考慮して、前記バルブ駆動機構と前記バルブの外端部との間にはクリアランスが設けられているが、該クリアランスを大きく取りすぎると前記バルブ駆動機構が前記バルブを押圧する際の騒音が増大するという不都合が生じる。
他方、前記クリアランスを小さくし過ぎると、前記バルブの弾性変形に伴って、前記バルブ駆動機構が該バルブによって突き上げられることになり、該バルブ駆動機構を構成するカム部材等の損傷を招くことになる。
【特許文献１】実開平５−５０００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、中空バルブを採用しつつ、内燃機関の燃焼時において該中空バルブが軸線方向に弾性変形することを可及的に防止し得る構造簡単な内燃機関用バルブ構造の提供を、一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するために、シリンダヘッドに設けられた弁座と当接することで燃焼室及びガスラインを遮断し且つ前記弁座から離間することで前記燃焼室及び前記ガスラインを連通し得るように、前記シリンダヘッドに軸線方向移動可能に装着されるバルブと、前記バルブを前記弁座へ向けて付勢するコイルスプリングとを備え、前記バルブの前記燃焼室とは反対側の外端部を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構によって該バルブが前記コイルスプリングの付勢力に抗して前記燃焼室側へ押動されると前記燃焼室及び前記ガスラインが連通され且つ前記バルブ駆動機構による押動力が作用しない際には前記コイルスプリングによって前記バルブが前記弁座に着座して前記燃焼室及び前記ガスラインが遮断されるように構成された内燃機関用バルブ構造を提供する。
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有する。
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持される。
前記弁座と前記拡径部の外周面とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されている。
【００１０】
好ましくは、前記シール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記接合領域における前記燃焼室とは反対側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置され得る。
【００１１】
好ましくは、前記シール領域における燃焼室側の端部は、前記接合領域における燃焼室とは反対側の端部よりも軸線方向に関し前記燃焼室に近接され得る。
【００１２】
好ましくは、前記蓋部材と前記拡径部の内周面との間には、前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を吸収し得る緩衝部材が介挿される。
好ましくは、前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る内燃機関用バルブ構造は、中空形状とされたステム部材におけるフレア部の拡径部及び縮径部に蓋部材をかしめによって連結されていると共に、対応するガスライン及び燃焼室の間を遮断する際に前記拡径部の外周面と弁座とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部の軸線方向位置が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合する接合領域における前記燃焼室側の端部の軸線方向位置と同一又は該軸線方向位置よりも前記燃焼室から離間するように構成されている。
斯かる構成によれば、内燃機関の燃焼時における前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を抑えることができ、これにより、前記バルブの軸線方向他方側（前記燃焼室から離間する側）への弾性変形量を可及的に低減化することができる。
従って、バルブの軸線方向他端部と該他端部に作用するバルブ駆動機構との間のクリアランス量を小さくして該バルブ駆動機構の騒音を低減化しつつ、前記バルブから前記バルブ駆動機構に不要な押圧力が作用することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る内燃機関用バルブ構造の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００が適用された内燃機関５００（エンジン）の一例を示す部分模式断面図である。
【００１５】
図１に示す内燃機関５００は、燃焼室６１０，該燃焼室６１０に燃料ガスを供給する為の燃料ガス供給ライン６２０及び該燃焼室６１０において燃焼された後のガスを排出する為の燃焼ガス排出ライン６３０が形成されたシリンダヘッド６００を有しており、前記内燃機関用バルブ構造１００は前記シリンダヘッド６００に適用されている。
【００１６】
前記内燃機関用バルブ構造１００は、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０を開閉制御し得るように前記シリンダヘッド６００に軸線方向移動可能に装着されたバルブ１と、前記バルブ１を付勢するコイルスプリング６０とを備えており、前記バルブ１の外端部（前記燃焼室６１０とは反対側の端部）を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構７００によって前記バルブ１が前記コイルスプリング６０の付勢力に抗して軸線方向一方側（前記燃焼室に近接する側）へ押動されると前記燃焼室６１０及び対応する前記ガスライン６２０，６３０が連通し、且つ、前記バルブ駆動機構７００による押動力が作用しない際には前記コイルスプリング６０によって前記バルブ１が前記シリンダヘッド６００に形成された弁座６０１に着座して前記燃焼室６１０及び対応する前記ガスライン６２０，６３０を遮断するようになっている。
【００１７】
詳しくは、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０は、それぞれ、ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを介して前記燃焼室６１０に連通されている。
そして、前記バルブ１は、前記シリンダヘッド６００に設けられた弁座６０１に着座することで対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを閉塞し且つ前記弁座６０１から離間することで対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを開放し得るように、前記シリンダヘッド６００に軸線方向Ｘに関し移動可能に装着されている。
【００１８】
図２に、前記バルブ１の縦断面図を示す。
図１及び図２に示すように、前記バルブ１は、中空のステム部材１０と、該ステム部材１０に連結される蓋部材２０とを有している。
【００１９】
前記ステム部材１０は、前記シリンダヘッド６００に形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部１１と、前記軸部１１の一端側から前記燃焼室６１０へ向けて延びるフレア部１２とを有しており、前記フレア部１２が開放端とされた中空部１５を有している。
【００２０】
本実施の形態においては、前記軸部１１は、前記軸線孔に固設された中空のバルブガイド６５０（図１参照）に軸線方向移動可能に挿通されている。前記バルブガイド６５０における軸線孔の上端開口と前記軸部１１との間はシール部材６６０によってシールされている。
【００２１】
前記ステム部材１０は、例えば、鉄鋼，耐熱鋼，ステンレス及びチタン合金等の板状部材を絞り加工することによって、形成することができる。
なお、図１及び図２中の符号９０は、前記中空部１５の前記開放端とは反対側の端部を閉塞する為に前記軸部１１の外端部に挿入されたプラグであり、該プラグ９０は前記軸部１１の中空部１５に挿入された状態で、かしめ処理されている。
【００２２】
前記蓋部材２０は、前記ステム部材１０の中空部１５を閉塞するように該ステム部材１０にかしめによって連結されている。
詳しくは、前記蓋部材２０が前記ステム部材１０にかしめによって連結された後の状態において、前記ステム部材１０のフレア部１２が、前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして、一端側（即ち、中空部１５の開口端側）へ行くに従って拡径された拡径部１２ａと、変曲点１２ｂを挟んで該拡径部１２ａから一端側に延びる縮径部１２ｃとを有するようになっている。
【００２３】
前記縮径部１２ｃは、縦断面視において、前記拡径部１２ａに対して交差するように構成されている。
即ち、前記拡径部１２ａ及び前記縮径部１２ｃは、図２に示すように、前記拡径部１２ａの縦断面視外形線と前記縮径部１２ｃの縦断面視外形線とが略平行ではなく、所定角度で交差するように構成されており、且つ、前記蓋部材２０は斯かる構成の拡径部１２ａ及び縮径部１２ｃによって挟持されるようになっている。
【００２４】
斯かる構成の前記バルブ１は、前記ステム部材１０を中空形状とすることにより軽量化を図ることに加えて、内燃機関作動中における前記中空部１５内の圧力上昇を有効に防止することができる。
【００２５】
即ち、前記バルブ１は前記燃焼室６１０に臨むように配設されている為、該バルブ１は、内燃機関の作動中において、通常、燃料ガス供給ライン６２０では約４５０℃、燃焼ガス排出ライン６３０では約８００℃の高温に晒されることになる。
従って、温度上昇に伴う前記中空部１５の内圧上昇によって前記中空部１５が膨張するように該ステム部材１０が弾性変形する虞がある。
特に、ステム部材１０の軽量化を図る為に、該ステム部材１０の肉厚を薄くした場合にはその危険性が高くなる。
【００２６】
この点に関し、前述の通り、前記バルブ１においては、前記拡径部１２ａ及び前記縮径部１２ｃによって挟持されるように該蓋部材２０がかしめによって前記ステム部材１０のフレア部１２に連結されると共に、かしめた後の状態の縦断面視において、前記縮径部１２ｃが前記拡径部１２ａに対して交差するように構成されている。
斯かる構成を備えている為、内燃機関の作動時において、該バルブ１が高温に晒されると、前記拡径部１２ａと前記縮径部１２ｃとの間の変曲点１２ｂが前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして径方向外方へ熱膨張し、これにより、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に、前記中空部１５を外部に連通する隙間が生じることになる。
従って、温度上昇に伴う前記中空部１５の内圧上昇を有効に防止することができ、これにより、温度上昇に起因する前記ステム部材１０の弾性変形を防ぐことができる。
【００２７】
さらに、前記バルブ１においては、前記燃焼室６１０に開口する前記隙間によって、前記中空部１５の内圧を逃がしている。従って、該バルブ１内へのエンジンオイルの混入防止及び該バルブ１の破損防止を有効に図りつつ、前記中空部１５の内圧上昇を抑えることができる。
即ち、前記軸部１１の他端部（前記フレア部１２とは反対側の端部）近傍（図１のＡ部）に内圧逃がし孔を設けると、エンジンオイルがバルブ１の中空部１５内に流入する虞がある。
また、前記軸部１１から前記フレア部１２に至る部分に前記内圧逃し孔を設けると、該内圧逃し孔付近が応力集中の場となり、ステム部材１０が破損する虞がある。
【００２８】
これに対し、本実施の形態においては、前記内圧逃がし孔として、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に生じる前記隙間を用いている。即ち、前記バルブ１においては、前記内圧逃がし孔が前記燃焼室１１０内に位置している。従って、該バルブ１内へのエンジンオイルの混入防止及び該バルブ１の破損防止を有効に図りつつ、前記中空部１５の内圧上昇を抑えることができる。
【００２９】
好ましくは、縦断面視において、前記縮径部１２ｃを一端側（自由端側）へ行くに従って前記軸部１１の軸線Ｘに近接するように構成し得る。
斯かる構成を備えることにより、前記ステム部材１０の熱膨張時に前記変曲点１２ｂが前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして径方向外方へ膨張し易くなり、これにより、前記隙間をより確実に得ることができる。
【００３０】
好ましくは、前記ステム部材１０を、前記蓋部材２０よりも熱膨張係数の大きい材料で形成することができる。
例えば、前記ステム部材１０をＳＵＳ３０５（温度範囲０℃〜１００℃における線熱膨張係数１６×１０−６／℃）で形成し、且つ、前記蓋部材２０をＳＵＨ３（温度範囲０℃〜１００℃における線熱膨張係数１１×１０−６／℃）で形成することができる。
このように、前記ステム部材１０を前記蓋部材２０よりも熱膨張し易い材料で形成することにより、内燃機関の作動時において、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に前記隙間を確実に形成することができる。
【００３１】
前記コイルスプリング６０は、図１に示すように、前記バルブ１を軸線方向他方側の遮断方向へ向けて付勢するように構成されている。
具体的には、該コイルスプリング６０は、基端部が前記シリンダヘッド６００の外表面に係止され、且つ、先端部が前記軸部１１に設けられた係止部材５０に係止されている。
【００３２】
本実施の形態においては、前記コイルスプリング６０は、前記バルブガイド６５０を囲繞するように前記基端部から軸線方向他方側へ延びる大径部６１と、前記大径部６１から軸線方向他方側へ行くに従って縮径され且つ前記先端部で終焉するテーパ部６５とを有している。
前記大径部６１は、内径が前記バルブガイド６５０の外径よりも大径とされている。
一方、前記テーパ部６５は、前記先端部における内径が前記バルブガイド６５０の外径よりも小径とされるように構成されている。
【００３３】
このように、本実施の形態においては、基端側の前記大径部６１の内径を前記バルブガイド６５０の外径よりも大径とすることにより、前記コイルスプリング６０と前記バルブガイド６５０との干渉を防止しつつ、前記先端部の内径を前記バルブガイド６５０の外径よりも小径とすることにより、前記コイルスプリング６０の先端部を前記バルブ１の軸部１１の外表面に可及的に近接させている。
つまり、本実施の形態においては、前記コイルスプリング６０の先端部の係止位置が、前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして可及的に径方向内方に位置するように構成しており、該先端部を係止する前記係止部材５０の小型化及び軽量化を可能としている
【００３４】
前記内燃機関用バルブ構造１００は、前述の通り、前記バルブ駆動機構７００によって、対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを連通又は遮断させるようになっている。
詳しくは、前記駆動機構７００は、軸線回りに回転駆動される駆動軸７１０と、該駆動軸によって回転駆動されるカム部材７２０とを備えている。
そして、前記カム部材７２０が作動的に前記コイルスプリング６０の付勢力に抗して前記バルブ１を軸線方向一方側（前記シリンダヘッド６００に近接する方向）へ押動する際には、前記バルブ１が対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを前記燃焼室６１０に連通させる開放位置をとり、且つ、前記カム部材７２０による押動力が付与されない際には、前記バルブ１が前記コイルスプリング６０の付勢力によって対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを前記燃焼室６１０に対して遮断させる遮断位置をとるようになっている。
なお、図１は、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０が共に、対応する前記バルブアッセンブリ１００によって前記燃焼室６１０に対して遮断されている状態を示している。
【００３５】
本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００は、前記内燃機関５００の燃焼時における前記燃焼室６１０の内圧上昇によって、前記バルブ１が軸線方向他方側へ弾性変形することを有効に防止する為に、前記構成に加えて下記構成を備えている。
図３に、図２におけるIII部拡大図を示す。
【００３６】
図３に示すように、前記弁座６０１及び前記拡径部１２ａの外周面は、軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）の燃焼室側端部６０５ｂと軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）のガスライン側端部６０５ａとの間に延びるシール領域６０５において、互いに当接するように構成されている。
一方、前記蓋部材２０と前記拡径部１２ａの内周面とは、軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）の燃焼室側端部２５ｂと軸線方向他方側のガスライン側端部２５ａとの間に延びる接合領域２５において、互いに当接するように構成されている。
なお、該接合領域２５は、好ましくは、１ｍｍ以上の長さを有するものとされる。
【００３７】
斯かる構成において、本実施の形態に係るバルブ構造１００は、図３に示すように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａが、軸線方向位置に関し、前記接合領域２５における前記燃焼室側端部２５ｂと同一又は他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置するように、構成されており、これにより、前記内燃機関５００の燃焼時に前記ステム部材１０が軸線方向他方側（即ち、前記燃焼室６１０から離間する方向）へ弾性変形することを有効に防止し得るようになっている。
【００３８】
即ち、前記内燃機関５００の燃焼時に前記燃焼室６１０の内圧は、通常、８０気圧まで上昇する。この際、前記燃焼室６１０に臨むように配置されている前記蓋部材２０には軸線方向一方側から軸線方向他方側へ向いた圧力が作用し、これにより、該蓋部材２０は、軸線方向他方側へ撓むように弾性変形すると共に、径方向外方へ伸長するように弾性変形する。
【００３９】
前述の通り、前記蓋部材２０は、軸線方向一方側へ行くに従って拡径された前記拡径部１２ａによって挟持されているから、該蓋部材２０が径方向外方へ伸長すると、前記拡径部１２ａには前記接合領域２５に対して直交する方向（図３中の矢印α）の力が作用する。
このような方向の力が前記蓋部材２０から前記拡径部１２ａへ作用すると、前記ステム部材１０は軸線方向他方側（即ち、前記燃焼室６１０から離間する方向）へ弾性変形しようとする。
この点に関し、本実施の形態においては、前述の通り、前記シール領域６０５の軸線方向他方側のガスライン側端部６０５ａが前記接合領域２５の軸線方向一方側の燃焼室側端部２５ｂと同一若しくは該端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置されている。
【００４０】
斯かる構成によれば、前記燃焼室６１０の内圧上昇に起因する前記蓋部材２０の弾性変形のうち径方向外方への弾性変形を前記シール領域６０５によって有効に抑えることができ、これにより、前記ステム部材１０の軸線方向他方側への伸長を防止することができる。
従って、前記バルブ１の他端部と前記バルブ駆動機構７００との間のクリアランスを狭めて該バルブ駆動機構７００の駆動時における静粛性を向上させつつ、該バルブ駆動機構７００に前記バルブ１から不要な力が作用することを有効に防止できる。
【００４１】
前記効果は、有限要素法に基づく解析によっても確認される。
図４に、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａ及び前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂの軸線方向距離Ａを変化させた場合の前記ステム部材１０の弾性変形量の変化割合を有限要素法に基づき解析した結果を示す。
なお、図４中において、Ａ＝０は前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａと前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂとが軸線方向に関し同一位置に位置する場合であり、Ａ＜０は前記ガスライン側端部６０５ａが前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置する場合であり、Ａ＞０は前記ガスライン側端部６０５ａが前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）に位置する場合である。
【００４２】
図４から明らかなように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａを、前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂと軸線方向同一位置又は該燃焼室側端部２５ｂよりも前記燃焼室６１０から離間位置に配置することにより、前記ステム部材１０の弾性変形量（突き上げ量）を減少させることができる。
【００４３】
なお、前述の通り、本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００においては、前記内燃機関５００の燃焼作動時には、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に隙間が生じるようになっている。
斯かる構成を備えることにより、前記燃焼室６１０の内圧によって前記蓋部材２０が撓むように弾性変形しても、前記隙間の存在によって前記中空部１５の内圧が上昇することを有効に防止できる。
【００４４】
好ましくは、図５に示すように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａを、前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａと軸線方向同一位置又は該ガスライン側端部２５ａよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に配置することができる。
斯かる構成によれば、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形を前記シール領域６０５によってより有効に抑えることができ、これにより、前記ステム部材１０の軸線方向他方側への伸長をより防止することができる。
【００４５】
図３及び図５に示す構成において、より好ましくは、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを、前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａよりも軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）に配置させることができ（図５参照）、これにより、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形をより有効に抑えることができる。
【００４６】
さらに、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａよりも前記燃焼室６１０に近接する側に配置させる構成においては、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に配置させることができ（図５参照）、これにより、前記バルブ１の軸線方向他方側への弾性変形防止を図りつつ、該弁座６０１の可及的な小型化を図ることができる。
【００４７】
さらに、好ましくは、図６に示すように、前記種々の構成において、前記蓋部材２０と前記拡径部１２ａの内周面との間に、リング状の緩衝部材８０を設けることができる。
斯かる緩衝部材８０を設けることにより、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形を吸収し、該蓋部材２０の径方向外方への弾性変形による前記ステム部材１０への作用を有効に防止することができる。
より好ましくは、前記緩衝部材８０は、前記ステム部材１０及び前記蓋部材２０よりも表面硬さの小さい材料によって形成される。斯かる材料としては、例えば、耐熱樹脂，Ｃｕ系合金，アルミ系合金又は鉛系合金が例示される。
【００４８】
好ましくは、該バルブ１は、前記ステム部材１０及び前記蓋部材２０によって画される前記内部空間１５に収納される粉状クーラント（図示せず）を備えることができる。
前記紛状クーラント付きのバルブ１は、前記ステム部材１０の中空部１５内に前記紛状クーラントを予め収容させた状態で、前記蓋部材２０をかしめによって該ステム部材１０に連結させることにより、形成される。
斯かる紛状クーラントとしては、例えば、平均粒径１μｍ以上の窒化アルミニウム又はセラミックスの粒状体を用いることができる。
前記紛状クーラントを備えることにより、前記バルブの温度上昇を有効に低減化させることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、前記蓋部材２０をかしめのみによって前記フレア部１２に連結するように構成したが、内燃機関の作動中における熱膨張によって該蓋部材２０と該フレア部１２との間に隙間が生じる限り、該蓋部材２０の周縁部の一部を前記フレア部１２に対して溶接することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造が適用された内燃機関（エンジン）の一例を示す部分模式断面図である。
【図２】図２は、図１に示す内燃機関用バルブ構造におけるバルブの縦断面図である。
【図３】図３は、図２におけるIII部拡大図である。
【図４】図４は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造におけるステム部材の弾性変形量を有限要素法に基づき解析した結果を示すグラフである。
【図５】図５は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造の変形例の部分縦断面図である。
【図６】図６は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造の他の変形例の部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ バルブ
１０ ステム部材
１１ 軸部
１２ フレア部
１２ａ 拡径部
１２ｂ 変曲点
１２ｃ 縮径部
２０ 蓋部材
２５ 接合領域
２５ａ 接合領域の軸線方向他方側の端部（接合領域のガスライン側端部）
２５ｂ 接合領域の軸線方向一方側の端部（接合領域の燃焼室側端部）
６０ コイルスプリング
８０ 緩衝部材
６００ シリンダヘッド
６０１ 弁座
６０５ シール領域
６０５ａ シール領域の軸線方向他方側の端部（シール領域のガスライン側端部）
６０５ｂ シール領域の軸線方向一方側の端部（シール領域の燃焼室側端部）
６１０ 燃焼室
６２０ 燃料ガス供給ライン
６３０ 燃焼ガス排出ライン
７００ バルブ駆動機構
Ｘ 軸部の軸線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジン又は２輪車用エンジンや汎用エンジン等の内燃機関に適用されるバルブ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における燃料ガス供給ライン及び燃焼ガス排出ラインにそれぞれ開閉弁として介挿されるバルブを中空形状とし且つ中空部にクーラントを封入する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
詳しくは、特許文献１に記載のバルブは、軸部及び該軸部から拡径されたフレア部を有する中空のステム部材と、該ステム部材の中空部を閉塞するように前記フレア部に溶接された蓋部材とを備えている。
【０００４】
このように、前記バルブを中空形状とすることによりバルブ自体を軽量化でき、該バルブを付勢するコイルスプリングや該バルブを前記コイルスプリングの付勢力に抗して移動させるバルブ駆動機構の小型化及び簡略化を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、従来の中空バルブにおいては、内燃機関の燃焼動作時における前記バルブの弾性変形に対して十分な考慮がされていなかった。
即ち、前記バルブは、内燃機関の燃焼動作中に、通常、燃料ガス供給ライン側では約４５０℃、燃焼ガス排出ライン側では約８００℃の高温に晒される。
前記従来の中空バルブは、前記中空部内に金属ナトリウムを封入することでバルブ自体の温度上昇を抑えて、該バルブの弾性変形防止を図っているが、前記金属ナトリウムの作用のみによって該バルブの熱変形が生じないような温度にまで温度上昇を抑えることは困難である。
特に、前記従来の中空バルブのように、前記中空部が溶接によって密閉されていると、温度上昇に伴い該中空部の内圧が急激に上昇することになり、該内圧によってバルブが大きく弾性変形する虞がある。
【０００６】
さらに、前記燃焼室は燃焼時に８０気圧程度まで圧力が上昇する。つまり、前記バルブは、自身の温度上昇による弾性変形に加えて、前記燃焼室からの圧力によっても弾性変形する虞がある。特に、前記バルブを中空形状とする場合には、該バルブは、前記燃焼室からの圧力によって軸線方向に大きく弾性変形する虞がある。
【０００７】
このようなバルブの弾性変形を考慮して、前記バルブ駆動機構と前記バルブの外端部との間にはクリアランスが設けられているが、該クリアランスを大きく取りすぎると前記バルブ駆動機構が前記バルブを押圧する際の騒音が増大するという不都合が生じる。
他方、前記クリアランスを小さくし過ぎると、前記バルブの弾性変形に伴って、前記バルブ駆動機構が該バルブによって突き上げられることになり、該バルブ駆動機構を構成するカム部材等の損傷を招くことになる。
【特許文献１】実開平５−５０００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、中空バルブを採用しつつ、内燃機関の燃焼時において該中空バルブが軸線方向に弾性変形することを可及的に防止し得る構造簡単な内燃機関用バルブ構造の提供を、一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するために、シリンダヘッドに設けられた弁座と当接することで燃焼室及びガスラインを遮断し且つ前記弁座から離間することで前記燃焼室及び前記ガスラインを連通し得るように、前記シリンダヘッドに軸線方向移動可能に装着されるバルブと、前記バルブを前記弁座へ向けて付勢するコイルスプリングとを備え、前記バルブの前記燃焼室とは反対側の外端部を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構によって該バルブが前記コイルスプリングの付勢力に抗して前記燃焼室側へ押動されると前記燃焼室及び前記ガスラインが連通され且つ前記バルブ駆動機構による押動力が作用しない際には前記コイルスプリングによって前記バルブが前記弁座に着座して前記燃焼室及び前記ガスラインが遮断されるように構成された内燃機関用バルブ構造を提供する。
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有する。
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持される。
前記弁座と前記拡径部の外周面とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されている。
【００１０】
好ましくは、前記シール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記接合領域における前記燃焼室とは反対側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置され得る。
【００１１】
好ましくは、前記シール領域における燃焼室側の端部は、前記接合領域における燃焼室とは反対側の端部よりも軸線方向に関し前記燃焼室に近接され得る。
【００１２】
好ましくは、前記蓋部材と前記拡径部の内周面との間には、前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を吸収し得る緩衝部材が介挿される。
好ましくは、前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る内燃機関用バルブ構造は、中空形状とされたステム部材におけるフレア部の拡径部及び縮径部に蓋部材をかしめによって連結されていると共に、対応するガスライン及び燃焼室の間を遮断する際に前記拡径部の外周面と弁座とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部の軸線方向位置が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合する接合領域における前記燃焼室側の端部の軸線方向位置と同一又は該軸線方向位置よりも前記燃焼室から離間するように構成されている。
斯かる構成によれば、内燃機関の燃焼時における前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を抑えることができ、これにより、前記バルブの軸線方向他方側（前記燃焼室から離間する側）への弾性変形量を可及的に低減化することができる。
従って、バルブの軸線方向他端部と該他端部に作用するバルブ駆動機構との間のクリアランス量を小さくして該バルブ駆動機構の騒音を低減化しつつ、前記バルブから前記バルブ駆動機構に不要な押圧力が作用することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る内燃機関用バルブ構造の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００が適用された内燃機関５００（エンジン）の一例を示す部分模式断面図である。
【００１５】
図１に示す内燃機関５００は、燃焼室６１０，該燃焼室６１０に燃料ガスを供給する為の燃料ガス供給ライン６２０及び該燃焼室６１０において燃焼された後のガスを排出する為の燃焼ガス排出ライン６３０が形成されたシリンダヘッド６００を有しており、前記内燃機関用バルブ構造１００は前記シリンダヘッド６００に適用されている。
【００１６】
前記内燃機関用バルブ構造１００は、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０を開閉制御し得るように前記シリンダヘッド６００に軸線方向移動可能に装着されたバルブ１と、前記バルブ１を付勢するコイルスプリング６０とを備えており、前記バルブ１の外端部（前記燃焼室６１０とは反対側の端部）を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構７００によって前記バルブ１が前記コイルスプリング６０の付勢力に抗して軸線方向一方側（前記燃焼室に近接する側）へ押動されると前記燃焼室６１０及び対応する前記ガスライン６２０，６３０が連通し、且つ、前記バルブ駆動機構７００による押動力が作用しない際には前記コイルスプリング６０によって前記バルブ１が前記シリンダヘッド６００に形成された弁座６０１に着座して前記燃焼室６１０及び対応する前記ガスライン６２０，６３０を遮断するようになっている。
【００１７】
詳しくは、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０は、それぞれ、ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを介して前記燃焼室６１０に連通されている。
そして、前記バルブ１は、前記シリンダヘッド６００に設けられた弁座６０１に着座することで対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを閉塞し且つ前記弁座６０１から離間することで対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを開放し得るように、前記シリンダヘッド６００に軸線方向Ｘに関し移動可能に装着されている。
【００１８】
図２に、前記バルブ１の縦断面図を示す。
図１及び図２に示すように、前記バルブ１は、中空のステム部材１０と、該ステム部材１０に連結される蓋部材２０とを有している。
【００１９】
前記ステム部材１０は、前記シリンダヘッド６００に形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部１１と、前記軸部１１の一端側から前記燃焼室６１０へ向けて延びるフレア部１２とを有しており、前記フレア部１２が開放端とされた中空部１５を有している。
【００２０】
本実施の形態においては、前記軸部１１は、前記軸線孔に固設された中空のバルブガイド６５０（図１参照）に軸線方向移動可能に挿通されている。前記バルブガイド６５０における軸線孔の上端開口と前記軸部１１との間はシール部材６６０によってシールされている。
【００２１】
前記ステム部材１０は、例えば、鉄鋼，耐熱鋼，ステンレス及びチタン合金等の板状部材を絞り加工することによって、形成することができる。
なお、図１及び図２中の符号９０は、前記中空部１５の前記開放端とは反対側の端部を閉塞する為に前記軸部１１の外端部に挿入されたプラグであり、該プラグ９０は前記軸部１１の中空部１５に挿入された状態で、かしめ処理されている。
【００２２】
前記蓋部材２０は、前記ステム部材１０の中空部１５を閉塞するように該ステム部材１０にかしめによって連結されている。
詳しくは、前記蓋部材２０が前記ステム部材１０にかしめによって連結された後の状態において、前記ステム部材１０のフレア部１２が、前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして、一端側（即ち、中空部１５の開口端側）へ行くに従って拡径された拡径部１２ａと、変曲点１２ｂを挟んで該拡径部１２ａから一端側に延びる縮径部１２ｃとを有するようになっている。
【００２３】
前記縮径部１２ｃは、縦断面視において、前記拡径部１２ａに対して交差するように構成されている。
即ち、前記拡径部１２ａ及び前記縮径部１２ｃは、図２に示すように、前記拡径部１２ａの縦断面視外形線と前記縮径部１２ｃの縦断面視外形線とが略平行ではなく、所定角度で交差するように構成されており、且つ、前記蓋部材２０は斯かる構成の拡径部１２ａ及び縮径部１２ｃによって挟持されるようになっている。
【００２４】
斯かる構成の前記バルブ１は、前記ステム部材１０を中空形状とすることにより軽量化を図ることに加えて、内燃機関作動中における前記中空部１５内の圧力上昇を有効に防止することができる。
【００２５】
即ち、前記バルブ１は前記燃焼室６１０に臨むように配設されている為、該バルブ１は、内燃機関の作動中において、通常、燃料ガス供給ライン６２０では約４５０℃、燃焼ガス排出ライン６３０では約８００℃の高温に晒されることになる。
従って、温度上昇に伴う前記中空部１５の内圧上昇によって前記中空部１５が膨張するように該ステム部材１０が弾性変形する虞がある。
特に、ステム部材１０の軽量化を図る為に、該ステム部材１０の肉厚を薄くした場合にはその危険性が高くなる。
【００２６】
この点に関し、前述の通り、前記バルブ１においては、前記拡径部１２ａ及び前記縮径部１２ｃによって挟持されるように該蓋部材２０がかしめによって前記ステム部材１０のフレア部１２に連結されると共に、かしめた後の状態の縦断面視において、前記縮径部１２ｃが前記拡径部１２ａに対して交差するように構成されている。
斯かる構成を備えている為、内燃機関の作動時において、該バルブ１が高温に晒されると、前記拡径部１２ａと前記縮径部１２ｃとの間の変曲点１２ｂが前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして径方向外方へ熱膨張し、これにより、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に、前記中空部１５を外部に連通する隙間が生じることになる。
従って、温度上昇に伴う前記中空部１５の内圧上昇を有効に防止することができ、これにより、温度上昇に起因する前記ステム部材１０の弾性変形を防ぐことができる。
【００２７】
さらに、前記バルブ１においては、前記燃焼室６１０に開口する前記隙間によって、前記中空部１５の内圧を逃がしている。従って、該バルブ１内へのエンジンオイルの混入防止及び該バルブ１の破損防止を有効に図りつつ、前記中空部１５の内圧上昇を抑えることができる。
即ち、前記軸部１１の他端部（前記フレア部１２とは反対側の端部）近傍（図１のＡ部）に内圧逃がし孔を設けると、エンジンオイルがバルブ１の中空部１５内に流入する虞がある。
また、前記軸部１１から前記フレア部１２に至る部分に前記内圧逃し孔を設けると、該内圧逃し孔付近が応力集中の場となり、ステム部材１０が破損する虞がある。
【００２８】
これに対し、本実施の形態においては、前記内圧逃がし孔として、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に生じる前記隙間を用いている。即ち、前記バルブ１においては、前記内圧逃がし孔が前記燃焼室１１０内に位置している。従って、該バルブ１内へのエンジンオイルの混入防止及び該バルブ１の破損防止を有効に図りつつ、前記中空部１５の内圧上昇を抑えることができる。
【００２９】
好ましくは、縦断面視において、前記縮径部１２ｃを一端側（自由端側）へ行くに従って前記軸部１１の軸線Ｘに近接するように構成し得る。
斯かる構成を備えることにより、前記ステム部材１０の熱膨張時に前記変曲点１２ｂが前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして径方向外方へ膨張し易くなり、これにより、前記隙間をより確実に得ることができる。
【００３０】
好ましくは、前記ステム部材１０を、前記蓋部材２０よりも熱膨張係数の大きい材料で形成することができる。
例えば、前記ステム部材１０をＳＵＳ３０５（温度範囲０℃〜１００℃における線熱膨張係数１６×１０−６／℃）で形成し、且つ、前記蓋部材２０をＳＵＨ３（温度範囲０℃〜１００℃における線熱膨張係数１１×１０−６／℃）で形成することができる。
このように、前記ステム部材１０を前記蓋部材２０よりも熱膨張し易い材料で形成することにより、内燃機関の作動時において、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に前記隙間を確実に形成することができる。
【００３１】
前記コイルスプリング６０は、図１に示すように、前記バルブ１を軸線方向他方側の遮断方向へ向けて付勢するように構成されている。
具体的には、該コイルスプリング６０は、基端部が前記シリンダヘッド６００の外表面に係止され、且つ、先端部が前記軸部１１に設けられた係止部材５０に係止されている。
【００３２】
本実施の形態においては、前記コイルスプリング６０は、前記バルブガイド６５０を囲繞するように前記基端部から軸線方向他方側へ延びる大径部６１と、前記大径部６１から軸線方向他方側へ行くに従って縮径され且つ前記先端部で終焉するテーパ部６５とを有している。
前記大径部６１は、内径が前記バルブガイド６５０の外径よりも大径とされている。
一方、前記テーパ部６５は、前記先端部における内径が前記バルブガイド６５０の外径よりも小径とされるように構成されている。
【００３３】
このように、本実施の形態においては、基端側の前記大径部６１の内径を前記バルブガイド６５０の外径よりも大径とすることにより、前記コイルスプリング６０と前記バルブガイド６５０との干渉を防止しつつ、前記先端部の内径を前記バルブガイド６５０の外径よりも小径とすることにより、前記コイルスプリング６０の先端部を前記バルブ１の軸部１１の外表面に可及的に近接させている。
つまり、本実施の形態においては、前記コイルスプリング６０の先端部の係止位置が、前記軸部１１の軸線Ｘを基準にして可及的に径方向内方に位置するように構成しており、該先端部を係止する前記係止部材５０の小型化及び軽量化を可能としている
【００３４】
前記内燃機関用バルブ構造１００は、前述の通り、前記バルブ駆動機構７００によって、対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを連通又は遮断させるようになっている。
詳しくは、前記駆動機構７００は、軸線回りに回転駆動される駆動軸７１０と、該駆動軸によって回転駆動されるカム部材７２０とを備えている。
そして、前記カム部材７２０が作動的に前記コイルスプリング６０の付勢力に抗して前記バルブ１を軸線方向一方側（前記シリンダヘッド６００に近接する方向）へ押動する際には、前記バルブ１が対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを前記燃焼室６１０に連通させる開放位置をとり、且つ、前記カム部材７２０による押動力が付与されない際には、前記バルブ１が前記コイルスプリング６０の付勢力によって対応する前記ポート６２０Ｐ，６３０Ｐを前記燃焼室６１０に対して遮断させる遮断位置をとるようになっている。
なお、図１は、前記燃料ガス供給ライン６２０及び前記燃焼ガス排出ライン６３０が共に、対応する前記バルブアッセンブリ１００によって前記燃焼室６１０に対して遮断されている状態を示している。
【００３５】
本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００は、前記内燃機関５００の燃焼時における前記燃焼室６１０の内圧上昇によって、前記バルブ１が軸線方向他方側へ弾性変形することを有効に防止する為に、前記構成に加えて下記構成を備えている。
図３に、図２におけるIII部拡大図を示す。
【００３６】
図３に示すように、前記弁座６０１及び前記拡径部１２ａの外周面は、軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）の燃焼室側端部６０５ｂと軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）のガスライン側端部６０５ａとの間に延びるシール領域６０５において、互いに当接するように構成されている。
一方、前記蓋部材２０と前記拡径部１２ａの内周面とは、軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）の燃焼室側端部２５ｂと軸線方向他方側のガスライン側端部２５ａとの間に延びる接合領域２５において、互いに当接するように構成されている。
なお、該接合領域２５は、好ましくは、１ｍｍ以上の長さを有するものとされる。
【００３７】
斯かる構成において、本実施の形態に係るバルブ構造１００は、図３に示すように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａが、軸線方向位置に関し、前記接合領域２５における前記燃焼室側端部２５ｂと同一又は他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置するように、構成されており、これにより、前記内燃機関５００の燃焼時に前記ステム部材１０が軸線方向他方側（即ち、前記燃焼室６１０から離間する方向）へ弾性変形することを有効に防止し得るようになっている。
【００３８】
即ち、前記内燃機関５００の燃焼時に前記燃焼室６１０の内圧は、通常、８０気圧まで上昇する。この際、前記燃焼室６１０に臨むように配置されている前記蓋部材２０には軸線方向一方側から軸線方向他方側へ向いた圧力が作用し、これにより、該蓋部材２０は、軸線方向他方側へ撓むように弾性変形すると共に、径方向外方へ伸長するように弾性変形する。
【００３９】
前述の通り、前記蓋部材２０は、軸線方向一方側へ行くに従って拡径された前記拡径部１２ａによって挟持されているから、該蓋部材２０が径方向外方へ伸長すると、前記拡径部１２ａには前記接合領域２５に対して直交する方向（図３中の矢印α）の力が作用する。
このような方向の力が前記蓋部材２０から前記拡径部１２ａへ作用すると、前記ステム部材１０は軸線方向他方側（即ち、前記燃焼室６１０から離間する方向）へ弾性変形しようとする。
この点に関し、本実施の形態においては、前述の通り、前記シール領域６０５の軸線方向他方側のガスライン側端部６０５ａが前記接合領域２５の軸線方向一方側の燃焼室側端部２５ｂと同一若しくは該端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置されている。
【００４０】
斯かる構成によれば、前記燃焼室６１０の内圧上昇に起因する前記蓋部材２０の弾性変形のうち径方向外方への弾性変形を前記シール領域６０５によって有効に抑えることができ、これにより、前記ステム部材１０の軸線方向他方側への伸長を防止することができる。
従って、前記バルブ１の他端部と前記バルブ駆動機構７００との間のクリアランスを狭めて該バルブ駆動機構７００の駆動時における静粛性を向上させつつ、該バルブ駆動機構７００に前記バルブ１から不要な力が作用することを有効に防止できる。
【００４１】
前記効果は、有限要素法に基づく解析によっても確認される。
図４に、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａ及び前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂの軸線方向距離Ａを変化させた場合の前記ステム部材１０の弾性変形量の変化割合を有限要素法に基づき解析した結果を示す。
なお、図４中において、Ａ＝０は前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａと前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂとが軸線方向に関し同一位置に位置する場合であり、Ａ＜０は前記ガスライン側端部６０５ａが前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に位置する場合であり、Ａ＞０は前記ガスライン側端部６０５ａが前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）に位置する場合である。
【００４２】
図４から明らかなように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａを、前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂと軸線方向同一位置又は該燃焼室側端部２５ｂよりも前記燃焼室６１０から離間位置に配置することにより、前記ステム部材１０の弾性変形量（突き上げ量）を減少させることができる。
【００４３】
なお、前述の通り、本実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造１００においては、前記内燃機関５００の燃焼作動時には、前記ステム部材１０と前記蓋部材２０との間に隙間が生じるようになっている。
斯かる構成を備えることにより、前記燃焼室６１０の内圧によって前記蓋部材２０が撓むように弾性変形しても、前記隙間の存在によって前記中空部１５の内圧が上昇することを有効に防止できる。
【００４４】
好ましくは、図５に示すように、前記シール領域６０５の前記ガスライン側端部６０５ａを、前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａと軸線方向同一位置又は該ガスライン側端部２５ａよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に配置することができる。
斯かる構成によれば、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形を前記シール領域６０５によってより有効に抑えることができ、これにより、前記ステム部材１０の軸線方向他方側への伸長をより防止することができる。
【００４５】
図３及び図５に示す構成において、より好ましくは、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを、前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａよりも軸線方向一方側（前記燃焼室６１０に近接する側）に配置させることができ（図５参照）、これにより、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形をより有効に抑えることができる。
【００４６】
さらに、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを前記接合領域２５の前記ガスライン側端部２５ａよりも前記燃焼室６１０に近接する側に配置させる構成においては、前記シール領域６０５の前記燃焼室側端部６０５ｂを前記接合領域２５の前記燃焼室側端部２５ｂよりも軸線方向他方側（前記燃焼室６１０から離間する側）に配置させることができ（図５参照）、これにより、前記バルブ１の軸線方向他方側への弾性変形防止を図りつつ、該弁座６０１の可及的な小型化を図ることができる。
【００４７】
さらに、好ましくは、図６に示すように、前記種々の構成において、前記蓋部材２０と前記拡径部１２ａの内周面との間に、リング状の緩衝部材８０を設けることができる。
斯かる緩衝部材８０を設けることにより、前記蓋部材２０の径方向外方への弾性変形を吸収し、該蓋部材２０の径方向外方への弾性変形による前記ステム部材１０への作用を有効に防止することができる。
より好ましくは、前記緩衝部材８０は、前記ステム部材１０及び前記蓋部材２０よりも表面硬さの小さい材料によって形成される。斯かる材料としては、例えば、耐熱樹脂，Ｃｕ系合金，アルミ系合金又は鉛系合金が例示される。
【００４８】
好ましくは、該バルブ１は、前記ステム部材１０及び前記蓋部材２０によって画される前記内部空間１５に収納される粉状クーラント（図示せず）を備えることができる。
前記紛状クーラント付きのバルブ１は、前記ステム部材１０の中空部１５内に前記紛状クーラントを予め収容させた状態で、前記蓋部材２０をかしめによって該ステム部材１０に連結させることにより、形成される。
斯かる紛状クーラントとしては、例えば、平均粒径１μｍ以上の窒化アルミニウム又はセラミックスの粒状体を用いることができる。
前記紛状クーラントを備えることにより、前記バルブの温度上昇を有効に低減化させることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、前記蓋部材２０をかしめのみによって前記フレア部１２に連結するように構成したが、内燃機関の作動中における熱膨張によって該蓋部材２０と該フレア部１２との間に隙間が生じる限り、該蓋部材２０の周縁部の一部を前記フレア部１２に対して溶接することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造が適用された内燃機関（エンジン）の一例を示す部分模式断面図である。
【図２】図２は、図１に示す内燃機関用バルブ構造におけるバルブの縦断面図である。
【図３】図３は、図２におけるIII部拡大図である。
【図４】図４は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造におけるステム部材の弾性変形量を有限要素法に基づき解析した結果を示すグラフである。
【図５】図５は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造の変形例の部分縦断面図である。
【図６】図６は、前記実施の形態に係る内燃機関用バルブ構造の他の変形例の部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ バルブ
１０ ステム部材
１１ 軸部
１２ フレア部
１２ａ 拡径部
１２ｂ 変曲点
１２ｃ 縮径部
２０ 蓋部材
２５ 接合領域
２５ａ 接合領域の軸線方向他方側の端部（接合領域のガスライン側端部）
２５ｂ 接合領域の軸線方向一方側の端部（接合領域の燃焼室側端部）
６０ コイルスプリング
８０ 緩衝部材
６００ シリンダヘッド
６０１ 弁座
６０５ シール領域
６０５ａ シール領域の軸線方向他方側の端部（シール領域のガスライン側端部）
６０５ｂ シール領域の軸線方向一方側の端部（シール領域の燃焼室側端部）
６１０ 燃焼室
６２０ 燃料ガス供給ライン
６３０ 燃焼ガス排出ライン
７００ バルブ駆動機構
Ｘ 軸部の軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに設けられた弁座と当接することで燃焼室及びガスラインを遮断し且つ前記弁座から離間することで前記燃焼室及び前記ガスラインを連通し得るように、前記シリンダヘッドに軸線方向移動可能に装着されるバルブと、前記バルブを前記弁座へ向けて付勢するコイルスプリングとを備え、前記バルブの前記燃焼室とは反対側の外端部を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構によって該バルブが前記コイルスプリングの付勢力に抗して前記燃焼室側へ押動されると前記燃焼室及び前記ガスラインが連通され且つ前記バルブ駆動機構による押動力が作用しない際には前記コイルスプリングによって前記バルブが前記弁座に着座して前記燃焼室及び前記ガスラインが遮断されるように構成された内燃機関用バルブ構造であって、
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有し、
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、
前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持されており、
前記弁座と前記拡径部の外周面とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されていることを特徴とする内燃機関用バルブ構造。
【請求項２】
前記シール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記接合領域における前記燃焼室とは反対側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項３】
前記シール領域における燃焼室側の端部は、前記接合領域における燃焼室とは反対側の端部よりも軸線方向に関し前記燃焼室に近接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項４】
前記蓋部材と前記拡径部の内周面との間には、前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を吸収し得る緩衝部材が介挿されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項５】
前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項１】
シリンダヘッドに設けられた弁座と当接することで燃焼室及びガスラインを遮断し且つ前記弁座から離間することで前記燃焼室及び前記ガスラインを連通し得るように、前記シリンダヘッドに軸線方向移動可能に装着されるバルブと、前記バルブを前記弁座へ向けて付勢するコイルスプリングとを備え、前記バルブの前記燃焼室とは反対側の外端部を押圧し得るように配設されたバルブ駆動機構によって該バルブが前記コイルスプリングの付勢力に抗して前記燃焼室側へ押動されると前記燃焼室及び前記ガスラインが連通され且つ前記バルブ駆動機構による押動力が作用しない際には前記コイルスプリングによって前記バルブが前記弁座に着座して前記燃焼室及び前記ガスラインが遮断されるように構成された内燃機関用バルブ構造であって、
前記バルブは、前記シリンダヘッドに形成された軸線孔に直接又は間接的に軸線方向移動可能に挿通された軸部及び該軸部から前記燃焼室側へ延び、自由端部が開放端とされたフレア部を有する中空のステム部材と、前記開放端を閉塞するように前記フレア部にかしめにより固着される蓋部材とを有し、
前記フレア部は、前記燃焼室側へ行くに従って拡径された拡径部であって、外周面が前記弁座と当接し得るように構成された拡径部と、変曲点を挟んで該拡径部から前記燃焼室側に延びる縮径部とを有し、
前記蓋部材は、前記拡径部及び前記縮径部によって挟持されており、
前記弁座と前記拡径部の外周面とが当接するシール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記蓋部材と前記拡径部の内周面とが接合された接合領域における前記燃焼室側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されていることを特徴とする内燃機関用バルブ構造。
【請求項２】
前記シール領域は、前記燃焼室とは反対側の端部が、前記接合領域における前記燃焼室とは反対側の端部と前記軸線方向に関し同一位置又は該端部より前記燃焼室から離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項３】
前記シール領域における燃焼室側の端部は、前記接合領域における燃焼室とは反対側の端部よりも軸線方向に関し前記燃焼室に近接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項４】
前記蓋部材と前記拡径部の内周面との間には、前記蓋部材の径方向外方への弾性変形を吸収し得る緩衝部材が介挿されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関用バルブ構造。
【請求項５】
前記ステム部材及び前記蓋部材によって画される内部空間に粉状クーラントが収容されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関用バルブ構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３２７３５７（Ｐ２００７−３２７３５７Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５７３５７（Ｐ２００６−１５７３５７）
【出願日】平成１８年６月６日（２００６．６．６）
【出願人】（０００１７５７２２）サンコール株式会社 (96)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月６日（２００６．６．６）
【出願人】（０００１７５７２２）サンコール株式会社 (96)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
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