JP2003083013A - 多弁式エンジン - Google Patents

多弁式エンジン

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JP2003083013A
JP2003083013A JP2001279043A JP2001279043A JP2003083013A JP 2003083013 A JP2003083013 A JP 2003083013A JP 2001279043 A JP2001279043 A JP 2001279043A JP 2001279043 A JP2001279043 A JP 2001279043A JP 2003083013 A JP2003083013 A JP 2003083013A
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valves
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exhaust
intake
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Akiyoshi Mori
彰良 毛利
Haruki Kobayashi
治樹 小林
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Fuji Oozx Inc
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Fuji Oozx Inc
Fuji Valve Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/26—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of two or more valves operated simultaneously by same transmitting-gear; peculiar to machines or engines with more than two lift-valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials

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  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸気バルブ又は排気バルブが、１気筒毎に複
数個設けられている多弁式エンジンにおいて、吸気バル
ブ又は排気バルブの材質をそれぞれ最適に選択して、コ
スト低減やエンジンの耐久性、信頼性の向上を図る。 【解決手段】 １気筒毎に、吸気用または排気用のバル
ブ３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂが複数個設けられている多弁
式エンジンにおいて、前記複数のバルブのうち、使用態
様が他のバルブと異なるバルブの材質を、その使用態様
に適合するように、他のバルブと異ならせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、吸気バルブ又は排
気バルブが１気筒当たり複数個組付けられている多弁式
エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の多弁式ガソリンエンジンは、通
常、ＤＯＨＣ型の動弁機構が採用され、１気筒当たり、
吸、排気バルブがそれぞれ２個ずつ組付けられているの
が一般的である。また、このような多弁式エンジンに用
いられる吸、排気バルブの材質は、エンジンの型式や仕
様等により、吸、排気バルブ毎に同一材質に統一されて
いるのが殆どである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年の有害排気ガスの
規制強化や二酸化炭素の排出量削減などにより、ガソリ
ンエンジンの吸、排気条件は、大きく様変わりする傾向
にある。
【０００４】例えば、ＮＯｘを低減させるために大量の
ＥＧＲ（排気ガス再循環）を行ったり、燃費を向上する
ために、筒内にスワール流を形成させたり、あるいは、
カムシャフトの位相を変化させることにより、内部ＥＧ
Ｒを行わせ、ポンピングロスを低減させてエンジン性能
を向上させるなど、各種の対策や仕様の変更が行われて
いる。これらの対策は、特に吸気バルブに大きな影響を
及ぼすことがある。
【０００５】すなわち、ＮＯｘを低減させるために大量
のＥＧＲを行うと、高温の排気ガスが、多弁化された吸
気バルブの一部又は全部を通過してシリンダ内に環流さ
れるため、吸気バルブの温度を上昇させる。
【０００６】また、筒内にスワール流を形成させるため
の一手段として、多弁化された吸気バルブの一部を休止
させる方法があるが、このようにすると、休止された吸
気バルブを新気が通過しなくなるため、その傘裏の冷却
効果が低下し、温度上昇を招く。
【０００７】さらに、内部ＥＧＲは、新規の吸入量を制
御するために、多弁化された吸気バルブの一部を停止し
て行われるが、この際も上記と同様、停止された吸気バ
ルブの温度を上昇させる。
【０００８】このように、有害排気ガスを低減したり、
燃費を向上させたりする対策は、吸気バルブの熱負荷を
増大させ、高温強度を低下させたり、摩耗を早めたりす
ることがある。従って、これまでの多弁式エンジンのよ
うに、複数の吸気バルブの材質を統一することは、一方
の吸気バルブが過剰品質となったり、耐久性が低下する
など、コストや信頼性、エンジン性能等の点において合
理的ではなくなりつつある。
【０００９】一方、多弁式ディーゼルエンジンにおいて
も、複数個ずつ設けられている吸、排気バルブの材質
は、それぞれ同一材質に統一されているが、一方の排気
バルブを若干開弁させて排気ブレーキを作動させるよう
になっているディーゼルエンジンでは、特に、排気バル
ブの材質を統一することは高温強度の点で問題となるこ
とがある。
【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、エンジンの吸、排気条件やバルブ等の使用態様等
に対応して、複数個の吸気バルブ又は排気バルブの材質
をそれぞれ最適に選択することにより、コスト低減が図
れ、かつエンジンの耐久性や信頼性、及びエンジン性能
等を向上させうるようにした多弁式エンジンを提供する
ことを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は、次のようにして解決される。 (１)１気筒毎に、吸気用または排気用のバルブが複数個
設けられている多弁式エンジンにおいて、前記複数のバ
ルブのうち、使用態様が他のバルブと異なるバルブの材
質を、その使用態様に適合するように、他のバルブと異
ならせる。
【００１２】(２)上記(１)項において、複数の吸気バル
ブのうち、エンジンの制御手段により、他のバルブが開
閉作動している際に、開閉作動が休止させられることが
あるバルブの材質を、他のバルブの材質より高温強度の
高いものとする。
【００１３】(３)上記(２)項において、開閉作動が休止
させられることがあるバルブの材質を、クロム鋼または
マルテンサイト系の耐熱鋼とし、かつ他のバルブの材質
を、炭素鋼、構造用鋼、アルミニウム合金のいずれかと
する。
【００１４】(４)上記(１)項において、複数の吸気バル
ブのうち、排気ガスを環流させることがあるバルブの材
質を、他のバルブの材質よりも高温強度の高いものとす
る。
【００１５】(５)上記(１)項において、複数の排気バル
ブのうち、排気ブレーキの作動時に開かれることがある
バルブの材質を、他のバルブの材質よりも高温強度の高
いものとする。
【００１６】(６)上記(５)項において、排気ブレーキ作
動時に開かれることがある排気バルブの材質を、Ni基超
耐熱合金とし、かつ他の排気バルブの材質を、オーステ
ナイト系の耐熱鋼またはニアα相よりなるチタン合金と
する。
【００１７】(７)上記(１)項において、複数の吸気バル
ブのうち、エンジンの制御手段により、他のバルブが開
閉作動している際に、開閉作動が休止させられることが
あるバルブの材質を、他のバルブの材質よりも耐摩耗性
の小さいものとする。
【００１８】(８)上記(１)項において、複数の吸気バル
ブのうち、エンジンの制御手段により、他のバルブが開
閉作動している際に、開閉作動が休止させられることが
あるバルブの材質を、他のバルブの材質よりも熱伝導性
の高いものとする。
【００１９】(９)上記(１)項において、複数の吸気バル
ブのうち、エンジンの制御手段により、他のバルブが開
閉作動を休止している際に、開閉作動が行われているバ
ルブの材質を、他のバルブの材質よりも比重の小さいも
のとする。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態、
すなわちＤＯＨＣ型の動弁機構を備える多弁式ガソリン
エンジンの一部（１気筒）を略示するもので、(１)は、
シリンダ(２)内を上下動するピストン、(3a)(3b)は、シ
リンダヘッドにバルブスプリングやスプリングリテーナ
等（いずれも図示略）により組付けられた２個の吸気バ
ルブ、(4a)(4b)は、同じく２個の排気バルブ、(５)は、
シリンダヘッドに、シリンダ(２)の中心を向くように取
付けられた点火プラグである。
【００２１】上記吸気バルブ(3a)(3b)は、それらに対応
する個々の吸気ポート(6a)(6b)におけるシリンダ(２)の
上端に開口する吸入口(７)を、図示しない一方のカムシ
ャフトの回転により開閉するようになっている。
【００２２】同じく、各排気バルブ(4a)(4b)は、２又状
の排気ポート(８)の各排気口(９)を、他方のカムシャフ
トの回転により開閉するようになっている。
【００２３】上記一方の吸気ポート(6a)には、排気マニ
ホールド（図示略）に接続された排気ガス環流パイプ(1
0)が接続され、高速、高負荷運転時において排気ガスの
一部が、図示しないＥＧＲコントロールバルブにより制
御されて環流されるようになっている。
【００２４】そのため、吸気ポート(6a)側の吸気バルブ
(3a)は、他方の吸気バルブ(3b)よりも作動温度が高く、
熱負荷が大となる。
【００２５】従って、一方の吸気バルブ(3a)の材質に
は、高温（耐熱）強度の大きい材料、例えば通常の吸気
バルブとして多用されているマルテンサイト系の耐熱鋼
（SUH3,SUH5など）又はクロム鋼（5Crなど）が、また熱
負荷の小さい他方の吸気バルブの(3b)の材質には、高温
強度のやや小さな安価な材料、例えば炭素鋼や一般構造
用鋼又はＡｌ合金（Al-Si系、Al-Si-Cu系など）、Ｔｉ
合金（Ti64系など）等の低比重材料が、それぞれ用いら
れる。
【００２６】このように、２個の中の一方の吸気バルブ
(3b)に安価な材料を用いると、吸気バルブ１個当たりの
原価が低減するので、多気筒かつ多弁式エンジンとした
際のコストの削減効果が大となる。
【００２７】また、一方の吸気バルブ(3b)を低比重材料
により形成すると、動弁系の慣性質量が軽減されて、フ
リクション等の機械的損失を低減しうるので、出力や燃
費等、エンジン性能を向上させることができる。
【００２８】上記排気バルブ(4a)(4b)は、通常のオース
テナイト系の耐熱鋼（SUH35,SUH36など）により形成さ
れている。
【００２９】図２は、本発明の第２の実施形態を示すも
ので、上記実施形態と同様のエンジンにおける吸気ポー
ト(6b)側に、スワールコントロールバルブ(11)を設け、
このバルブ(11)の開度を、低、中速回転領域において一
方の吸気バルブ(3b)を休止させ、吸気ポート(6a)の吸入
口(７)を閉じた状態で制御することにより、シリンダ
(２)内にスワール流を形成させて燃焼効率を高めうるよ
うにしてある。
【００３０】この実施形態の多弁式エンジンにおいて
は、スワールコントロールバルブ(11)を備える側の吸気
バルブ(3b)は常時作動し、１サイクル毎に繰り返し新気
を吸入するため、冷却効果が高く、熱負荷は小さい。従
って、その材質に、上記と同様、高温強度の小さな炭素
鋼や一般構造用鋼、Ａｌ合金、Ｔｉ合金（Ti64系）等を
用いることができる。
【００３１】一方、スワール流の形成時に休止させる一
方の吸気バルブ(3a)は、新気による冷却効果が阻害され
るとともに、排気ガスが環流するため、作動温度が上昇
し、熱負荷は大となる。
【００３２】従って、吸気バルブ(3a)の材質としては、
上記と同様、マルテンサイト系の耐熱鋼、もしくは、そ
れよりも耐熱性の高いオーステナイト系の耐熱鋼を用い
るのがよい。
【００３３】また、休止する側の吸気バルブ(3a)は、他
方の吸気バルブ(3b)よりも作動回数が少なく、比較的摩
耗も小さいので、上記材料を素材単体のままでも使用し
うるが、常時作動する他方の吸気弁(3b)は、弁フェース
部にステライト等の硬質合金を肉盛りしたり、弁全体を
タフトライド処理等により硬化させるなどの耐摩耗処理
を施すこともある。
【００３４】さらに、休止する側の吸気バルブ(3a)の熱
負荷を小さくするために、耐熱性が比較的高く、かつ熱
伝導性の大きい材料、例えばTi-Al金属間化合物や炭素
鋼等を用い、傘部の熱を、バルブシートやバルブガイド
を介してシリンダヘッドに速やかに逃がし、冷却性を高
めるようにしてもよい。
【００３５】図３は、本発明の第３の実施形態、すなわ
ち多弁式多気筒ディーゼルエンジンの一部を略示するも
ので、シリンダヘッド(12)には、各シリンダ(２)毎に、
２個ずつの吸気バルブ（図示略）と排気バルブ(13a)(13
b)とが組付けられている。
【００３６】上記各排気バルブ(13a)(13b)は、Ｔ字状の
押圧部材(14)の上面中央を、図示しないカムシャフトの
カムにより上下に揺動させられるロッカアーム(15)の先
端により押圧することにより、同時に作動され、２又状
の排気ポート(16)を開閉するようになっている。
【００３７】また、各吸気バルブも、上記と同様の機構
により同時に作動され、図示しない吸気ポートを開閉す
るようになっている。
【００３８】このような多弁式多気筒ディーゼルエンジ
ンにおいては、通常、図示しない排気管に設けた排気シ
ャッタを閉じることにより、排気ブレーキを利かせ、制
動力を増大させる排気ブレーキシステムが備えられてい
る。
【００３９】この排気ブレーキシステムの中には、圧縮
行程において一方の排気バルブ(13a)を、その上方に設
けたアクチュエータの押圧ロッド(17)により若干開き、
排気マニホールド内の排気ガスをシリンダ(２)の燃焼室
に充填させることにより、圧縮損失を増大させて制動力
を高めるようにしたものがある。
【００４０】このような排気ブレーキシステムを備える
ディーゼルエンジンにおいては、一方の排気バルブ(13
a)を高温の排気ガスが逆流して通過するため、その温度
は、他方の排気バルブ(13b)よりも高くなり、熱負荷が
増大する。
【００４１】従って、排気バルブ(13a)側の材質として
は、高温強度が高く、かつ耐摩耗性にも優れる材料、例
えばＮｉ基超耐熱合金（NCF751,NCF80Aなど）、又は、
弁全体をオーステナイト系の耐熱鋼（SUH35,SUH36）に
より形成し、弁フェース部に、Ｃｏ基の超硬合金（ステ
ライト）やＣｏ基又はＮｉ基の金属間化合物（商品名ト
リバロイ）を肉盛りした材料等が用いられる。
【００４２】他方の排気バルブ(13b)は、通常のオース
テナイト系の耐熱鋼やTi合金（Ti6242系など）、又はそ
の弁フェース部にステライトを肉盛りしたものが使用さ
れる。
【００４３】このように、熱負荷の大きい方の排気バル
ブ(13b)を、高温強度の高い材質とし、かつ耐摩耗性の
要求される弁フェース部に硬質材料を肉盛りすると、そ
の耐久性が大幅に向上し、エンジンの信頼性を高めるこ
とができる。
【００４４】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではない。上記第１及び第２の実施形態において、高温
強度が要求されるのは主として吸気バルブ(3a)の傘部で
あるため、弁全体を高温強度の高い材料により形成する
必要はなく、安価な炭素鋼や熱伝導性の高い材料、又
は、低比重材料等よりなる軸部と、高温強度の高い材料
よりなる傘部とを接合した、溶接型の吸気バルブ(3a)と
してもよい。
【００４５】また、図３に示す実施形態においても、排
気バルブ(13a)の傘部にのみ、高温強度や耐摩耗性が要
求されるため、傘部を上述したような高温強度や耐摩耗
性の高い材料として、これに、高温強度や耐摩耗性の比
較的小さな安価な材料や熱伝導性の高い材料、又は低比
重材料よりなる軸部を接合した排気バルブを用いること
もできる。
【００４６】このようにすると、排気弁(13a)の冷却性
が向上するとともに、その軽量化が図れる。
【００４７】本発明は、上記多弁式ガソリンエンジンの
外に、それと同様のＥＧＲやスワールコントロールバル
ブを備える多弁式ガスエンジンや、内部ＥＧＲを行わせ
るようになっている多弁式エンジンにも適用することが
できる。
【００４８】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、エンジン
の吸、排気条件等に対応して、多弁化された吸、排気バ
ルブの材質をそれぞれ最適なものに選択することによ
り、コスト低減が可能となり、かつエンジンの耐久性や
信頼性、及びエンジン性能等を向上させることが出来
る。
【００４９】請求項２記載の発明によれば、例えば筒内
にスワール流を形成させるために、一方の吸気バルブを
休止させた際、そのバルブは新気による冷却効果が阻害
されて熱負荷が大となる。従って、休止させる吸気バル
ブの材質に高温強度の高いものを選択すると、その耐久
性を高めることができ、かつ他方の吸気バルブに比較的
安価な材質を用いてコスト低減を図ることができる。
【００５０】請求項３記載の発明によれば、いずれの材
質も比較的安価で、かつ汎用性が高い材料であるため、
吸気バルブのコスト上昇を抑えることができる。
【００５１】請求項４記載の発明によれば、排気ガスが
環流する側の吸気バルブの耐久性を向上させうる。
【００５２】請求項５記載の発明によれば、排気ブレー
キ作動時において高温となる排気バルブの耐久性を向上
させることができる。
【００５３】請求項６記載の発明によれば、排気ブレー
キ作動時に開かれる排気バルブの高温強度を大幅に高め
うるとともに、他方の排気バルブのコスト上昇を抑える
ことができる。
【００５４】請求項７記載の発明によれば、例えばスワ
ール流の形成時において休止される吸気バルブは、作動
回数が少ないため、その材質に耐摩耗性の小さい材質を
選択することにより、コスト低減が図れる。
【００５５】請求項８記載の発明によれば、休止させら
れる吸気バルブは、新気による冷却性が阻害されて温度
が上昇するため、その材質に熱伝導性の高い材質を選択
することにより、シリンダヘッドへの放熱性が良好とな
って熱負荷を軽減させることができる。
【００５６】請求項９記載の発明によれば、開閉作動が
行われている吸気バルブの慣性質量が軽減されるので、
出力や燃費等、エンジン性能を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を示す多弁式ガソリ
ンエンジンの要部の概略斜視図である。
【図２】 同じく、第２の実施形態を示す多弁式ガソリ
ンエンジンの要部の概略斜視図である。
【図３】 同じく、第３の実施形態を示す多弁式ディー
ゼルエンジンの要部の縦断正面図である。
【符号の説明】
(１)ピストン (２)シリンダ (3a)(3b)吸気バルブ (4a)(4b)排気バルブ (５)点火プラグ (6a)(6b)吸気ポート (７)吸入口 (８)排気ポート (９)排気口 (10)排気ガス環流パイプ (11)スワールコントロールバルブ (12)シリンダヘッド (13a)(13b)排気バルブ (14)押圧部材 (15)ロッカアーム (16)排気ポート (17)押圧ロッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G018 AA11 AA12 AB02 AB03 AB16 BA31 BA38 CA01 DA09 DA81 EA10 EA22 FA02 FA06 FA07 FA11 FA23 GA14 GA15 GA18 GA22 GA23 GA24 GA26 GA27 3G062 AA01 AA10 BA09 ED05 ED07 GA09 GA10 GA32 3G065 AA01 AA06 AA09 CA27 EA05 FA03 GA06 GA14 GA15 GA29 3G092 AA01 AA02 AA11 AA17 AB02 AB03 CA04 DA01 DA02 DA03 DA11 DC13 DF02 DF06 DG01 EA02 EA11 FA13 FA26 FA34 FA36 FA50 GA13 GB08 HA13Z HD07Z HD10Z

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １気筒毎に、吸気用または排気用のバル
    ブが複数個設けられている多弁式エンジンにおいて、前
    記複数のバルブのうち、使用態様が他のバルブと異なる
    バルブの材質を、その使用態様に適合するように、他の
    バルブと異ならせたことを特徴とする多弁式エンジン。
  2. 【請求項２】 複数の吸気バルブのうち、エンジンの制
    御手段により、他のバルブが開閉作動している際に、開
    閉作動が休止させられることがあるバルブの材質を、他
    のバルブの材質より高温強度の高いものとした請求項１
    記載の多弁式エンジン。
  3. 【請求項３】 開閉作動が休止させられることがあるバ
    ルブの材質を、クロム鋼またはマルテンサイト系の耐熱
    鋼とし、かつ他のバルブの材質を、炭素鋼、構造用鋼、
    アルミニウム合金のいずれかとした請求項２記載の多弁
    式エンジン。
  4. 【請求項４】 複数の吸気バルブのうち、排気ガスを環
    流させることがあるバルブの材質を、他のバルブの材質
    よりも高温強度の高いものとした請求項１記載の多弁式
    エンジン。
  5. 【請求項５】 複数の排気バルブのうち、排気ブレーキ
    の作動時に開かれることがあるバルブの材質を、他のバ
    ルブの材質よりも高温強度の高いものとした請求項１記
    載の多弁式エンジン。
  6. 【請求項６】 排気ブレーキ作動時に開かれることがあ
    る排気バルブの材質を、Ｎｉ基超耐熱合金とし、かつ他
    の排気バルブの材質を、オーステナイト系の耐熱鋼また
    はニアα相よりなるチタン合金とした請求項５記載の多
    弁式エンジン。
  7. 【請求項７】 複数の吸気バルブのうち、エンジンの制
    御手段により、他のバルブが開閉作動している際に、開
    閉作動が休止させられることがあるバルブの材質を、他
    のバルブの材質よりも耐摩耗性の小さいものとしてなる
    請求項１記載の多弁式エンジン。
  8. 【請求項８】 複数の吸気バルブのうち、エンジンの制
    御手段により、他のバルブが開閉作動している際に、開
    閉作動が休止させられることがあるバルブの材質を、他
    のバルブの材質よりも熱伝導性の高いものとしてなる請
    求項１記載の多弁式エンジン。
  9. 【請求項９】 複数の吸気バルブのうち、エンジンの制
    御手段により、他のバルブが開閉作動を休止している際
    に、開閉作動が行われているバルブの材質を、他のバル
    ブの材質よりも比重の小さいものとしてなる請求項１記
    載の多弁式エンジン。
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