JP2882344B2 - 内燃機関用弁機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用の吸気
弁又は排気弁としてそなえられてポペット弁（きのこ型
弁）とバルブスプリングリテーナ取付用のコッタ（リテ
ーナロック）とを有する内燃機関用弁機構に関し、特
に、弁とこの弁外周に外嵌されるコッタとを互いにヤン
グ率の異なる材料で形成されたものに用いて好適の、内
燃機関用弁機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の性能向上のために内燃機関の
高速回転化が図られているが、このような内燃機関の高
速回転化に対応するためには、動弁系の慣性質量の低減
が重要である。特に、動弁系の中でも大きな質量を占め
る吸気弁や排気弁等の弁本体の軽量化は、内燃機関の高
速回転化に極めて効果が大きい。

【０００３】そこで、例えばβ型チタン合金を材料とし
た吸気弁などの内燃機関用弁と、炭素鋼等の鉄系金属や
非鉄系金属を材料としたコッタとを有する内燃機関用弁
機構が開発されている。このような内燃機関の動弁系
は、例えば図４（内燃機関のシリンダヘッド部分の横断
面図における内燃機関の動弁系を示す断面図）に示すよ
うに構成される。

【０００４】図４及びその要部側面図である図５におい
て、１０はシリンダヘッドであり、下部に燃焼室１１の
上面部１１Ａが形成され、この燃焼室上面部１１Ａに通
じるように吸気ポート１２及び排気ポート１３が形成さ
れている。そして、吸気ポート１２の燃焼室側開口１１
Ｂに吸気弁１４が、排気ポート１３の燃焼室側開口１１
Ｃに排気弁１５がそれぞれそなえられている。

【０００５】これらの吸気弁１４及び排気弁１５は、バ
ルブ軸部１６の一端（図中、下端）に、開口１１Ｂ，１
１Ｃを開閉する弁体としてのバルブ傘部１７をそなえた
ポペット弁で構成され、シリンダヘッド１０にそなえら
れたバルブガイド１８に摺動自在に嵌挿されている。ま
た、開口１１Ｂ，１１Ｃにはバルブ傘部１７の整合する
バルブシート１９がそなえられる。

【０００６】ここでは、これらの吸気弁１４及び排気弁
１５のうち、よりバルブ傘部の直径が大きく軽量化を要
求される吸気弁１４についてはチタン合金製に、また、
比較的バルブ傘部の直径が小さい排気弁１５については
耐熱合金製になっている。このような吸気弁１４及び排
気弁１５の動弁系は、図示しないクランクシャフトに連
動してクランクシャフトの二分の一の回転速度で回転す
るカムシャフト２０Ａ，２０Ｂと、これらのカムシャフ
ト２０Ａ，２０Ｂに設けられたカム２１Ａ，２１Ｂ及び
バルブ軸部１６の他端（図中、上端）にそれぞれ当接し
ながらカム２１Ａ，２１Ｂの形状に応じて揺動するロッ
カアーム２２Ａ，２２Ｂと、吸気弁１４，排気弁１５を
閉方向（図中、上方）へ付勢するバルブスプリング２３
Ａ，２３Ｂとをそなえている。

【０００７】このうちバルブスプリング２３Ａ，２３Ｂ
は、シリンダヘッド１０側の座面２４Ａ，２４Ｂとバル
ブ軸部１６の上端部との間に圧縮状態で介装されてい
る。特に、バルブスプリング２３Ａ，２３Ｂの上端は、
バルブスプリングリテーナ２５及びコッタ２６を介して
バルブ軸部１６の上端部に係止されている。コッタ２６
は、図５に示すように、その内周面２６Ａに形成された
環状嵌合凸部２６Ｂを、バルブ軸部１６の上端部外周に
おけるコッタ２６との嵌合面１６Ａに形成された環状嵌
合溝部１６Ｂ内に嵌合させることにより、軸方向へ抜け
ることなくバルブ軸部１６の外周に嵌着される。

【０００８】このコッタ２６の外周面２６Ｃは、下方の
バルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面状に形
成され、バルブスプリングリテーナ２５の内周面２５Ａ
は、このコッタ２６の外周面２６Ｃと整合するように下
方のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面状
に形成されている。そして、バルブスプリングリテーナ
２５は、その内周面２５Ａをコッタ２６の外周面２６Ｃ
に当接させるようにして装備され、バルブスプリング２
３Ａ，２３Ｂを圧縮状態に保持している。

【０００９】さらに、内燃機関用弁機構を構成する弁１
４又は１５がチタン合金製であるのに対して、内燃機関
用弁機構を構成するコッタ２６は、炭素鋼で形成されて
いる。また、コッタ２６の表面には例えば黒染め処理
（鉄材の表面に四酸化鉄の被膜を施し、防錆、なじみ、
識別等に利用される）が施されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の内燃
機関の動弁系では、内燃機関用弁機構を構成する吸気弁
１４はβ型チタン合金で形成されるが、内燃機関用弁機
構を構成するコッタ２６は、それほど軽量化の要求がな
いため安価な炭素鋼で形成される。チタン合金製の吸気
弁１４と炭素鋼製のコッタ２６との接触部には、フレッ
ティング摩耗が発生する。これは、チタン合金と炭素鋼
とはヤング率が異なるため、荷重変動や機関温度変化等
に伴ってチタン合金製の吸気弁１４と炭素鋼製のコッタ
２６との接触部で微小な滑りの繰り返しが生じるように
なり、接合面に酸化金属の粉末を発生させ、この進行に
より接合面が損傷し、フレッティング摩耗と称される表
面損傷が発生する。

【００１１】β型チタン合金製の吸気弁１４と炭素鋼製
のコッタ２６との間におけるフレッティング摩耗は、互
いの接触部、即ち吸気弁１４のバルブ軸部１６の外周面
（嵌合面）１６Ａと、コッタ２６の内周面２６Ａとの間
で発生するが、フレッティング摩耗の進行に伴い、図５
に示す箇所の近傍にクラック２７が発生する。なお、疲
労試験，耐久試験等において実際に折損に至るケースが
発生した。

【００１２】図５中に符号２７で示すように、バルブ軸
部１６では、バルブ軸部１６外周のコッタ２６との嵌合
面１６Ａにおけるバルブ傘部側（図５中下方側）端部近
傍にフレッティング摩耗によるクラック２７が生じる。
これは、楔状断面を有するコッタ２６の先端（即ち、図
５中の下端）部からフレッティング摩耗が始まり、繰り
返し回数が増えるのに応じて、軸に沿ってやや内方に位
置した部分で応力の一番大きな箇所（図５に示すように
コッタ２６の先端より少し中に入ったところ）にクラッ
ク２７が生じ折損することになる。

【００１３】ここで、β型チタン合金製の吸気弁１４と
同じ成分のβ型チタン合金によりコッタ２６を形成する
ことも考えられるが、コストが高くなり、経済的でな
い。本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、バ
ルブ軸部におけるコッタとの接触部分のフレッティング
摩耗を抑制し、クラックの発生を防止できるようにし
て、一般的な炭素鋼とは異なるチタン合金等の材料で形
成された吸気弁や排気弁の疲労強度を向上させることが
できるようにした、内燃機関用弁機構を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の内燃
機関用弁機構は、内燃機関における吸気弁又は排気弁と
してそなえられてバルブ軸部を有するポペット弁と、該
ポペット弁の該バルブ軸部に外嵌されたバルブスプリン
グリテーナ取付用のコッタとを有する内燃機関用弁機構
において、該ポペット弁が低含有率のアルミニウムを含
有したチタン合金材料により形成されるとともに、該コ
ッタが炭素鋼を材料として形成され且つ燐酸マンガン系
被膜の表面処理を施されていることを特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の実施
の形態について説明する。図１〜図３は本発明の一実施
形態としての内燃機関用弁機構を説明するためのもので
ある。この実施形態の内燃機関用弁機構は、図４を参照
して従来技術として既に説明したように、内燃機関にお
ける吸気弁１４を有する内燃機関用弁機構，排気弁１５
を有する内燃機関用弁機構の両方又は一方に用いられる
ものである。このような内燃機関用弁機構を構成する弁
の材料としては、β型チタン合金が用いられている。

【００１６】図４に示すように、吸気弁１４又は排気弁
１５の動弁系は、図示しないクランクシャフトの二分の
一の回転速度で回転するカムシャフト２０Ａ，２０Ｂ
と、これらのカムシャフト２０Ａ，２０Ｂのカム２１
Ａ，２１Ｂ及びバルブ軸部１６の他端（図中、上端）に
それぞれ当接しながらカム２１Ａ，２１Ｂの形状に応じ
て揺動するロッカアーム２２Ａ，２２Ｂと、吸気弁１
４，排気弁１５を閉方向（図中、上方）へ付勢するバル
ブスプリング２３Ａ，２３Ｂとをそなえている。

【００１７】そして、バルブスプリング２３Ａ，２３Ｂ
の上端は、バルブスプリングリテーナ２５及びコッタ
（リテーナロック）２６を介してバルブ軸部１６の上端
部に係止されているが、コッタ２６は、図１に示すよう
に、その内周面２６Ａに形成された環状嵌合凸部２６Ｂ
を、バルブ軸部１６の上端部外周におけるコッタ２６と
の嵌合面１６Ａに形成された環状嵌合溝部１６Ｂ内に嵌
合させることにより、軸方向へ抜けることなくバルブ軸
部１６の外周に嵌着される。

【００１８】また、コッタ２６の外周面２６Ｃは、下方
のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面状に
形成され、バルブスプリングリテーナ２５の内周面２５
Ａは、このコッタ２６の外周面２６Ｃと整合するように
下方のバルブ傘部１７へ向けて次第に縮径したテーパ面
状に形成されており、バルブスプリングリテーナ２５
は、その内周面２５Ａをコッタ２６の外周面２６Ｃに当
接させるようにして装備され、バルブスプリング２３
Ａ，２３Ｂを圧縮状態に保持している。

【００１９】さらに、内燃機関用弁機構を構成する吸気
弁１４がβ型チタン合金製であるのに対して、内燃機関
用弁機構を構成するコッタ２６は、炭素鋼で形成されて
いる。このような本内燃機関用弁機構では、図１に符号
２８で示すように、内燃機関用弁機構を構成するコッタ
２６に燐酸マンガン系被膜の表面処理が施されている。
図１中では、燐酸マンガン系被膜が施されている箇所を
分かり易くするため、燐酸マンガン系被膜の厚みを拡大
して示している。

【００２０】なお、現状の燐酸マンガン系被膜の表面処
理では、コッタ２６の内周面２６Ａにのみ表面処理を施
すよりも、コッタ２６の表面全体に表面処理を施すほう
が容易であるため、本実施形態のように内周面２６Ａの
みならずその表面全体に燐酸マンガン系被膜処理を施す
ことが考えられるが、燐酸マンガン系被膜処理上、問題
がなければ、内周面２６Ａのみに燐酸マンガン系被膜処
理を施したり、嵌合面１６Ａの中でもフレッティング摩
耗等による損傷を招きやすい箇所、例えば嵌合面１６Ａ
におけるバルブ傘部１７側端部近傍の従来クラックがし
ばしば発生した箇所２７及びこの周囲に対応する箇所の
みに燐酸マンガン系被膜処理を施すようにしてもよい。

【００２１】また、このような燐酸マンガン系被膜を施
す表面処理は、例えば、脱脂，水洗，湯洗，表面調整，
化成処理，湯洗，乾燥及び防錆油という各工程により行
なわれる。具体的には、脱脂工程では、ナトリウム，ケ
イ酸塩，燐酸塩及び界面活性剤を含んだアルカリ性の表
面処理溶剤に浸漬する処理が行なわれる。

【００２２】表面調整工程では、マンガンと燐酸塩を含
んだ表面処理溶剤に浸漬し揺動させる処理が行なわれ
る。化成処理工程では、硝酸塩、マンガン、燐酸塩、鉄
分、ニッケルを含有する表面処理薬剤を適宜濃度に溶解
した表面処理溶剤に浸漬する処理が行なわれる。その
後、湯洗、乾燥工程を経て、防錆処理される。

【００２３】もちろん、このような処理工程は一例であ
り、コッタ２６の材質等に応じて最適な燐酸マンガン系
被膜の表面処理工程を採用すべきである。本発明の一実
施形態としての内燃機関用弁機構は、上述のように構成
されているので、燐酸マンガン系被膜によって、バルブ
軸部１６とコッタ２６とのなじみ性を向上させることに
より、フレッティング摩耗を抑制し、クラックの発生を
防止することができ、チタン合金製の吸気弁１４（内燃
機関用弁）の疲労強度を向上させうる効果がある。具体
的には、従来のようにコッタ２６に黒染め処理が施され
たものを使用した場合よりも疲労強度を約７％向上させ
た。

【００２４】ここで、各種の被膜が施されたコッタ２６
を使用して行なった疲労強度の試験結果を比較する。図
２は疲労試験の試験方法を示す図であり、表１は疲労試
験の試験結果を示す表である。なお、ここでは従来から
使用している黒染め処理を施したもの，一般にチタン合
金と相性が良い銅めっき処理を施したもの，本実施形態
において採用している燐酸マンガン系被膜処理を施した
もの及び二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂ ）固体潤滑処理を
施したものについて試験を行なっている。疲労試験の試
験方法は、図２に示すようにコッタ２６及びバルブスプ
リングリテーナ２５とバルブ傘部１７とを引張部として
予め設定された引張荷重（矢印の方向）を繰り返して与
え、繰り返し数が１０の７乗回に耐える限界の荷重を記
録する。

【００２５】

【表１】 この表１によると、従来使用している黒染め処理を施し
たコッタ２６の場合には、疲労限荷重が７５０ｋｇｆで
あるのに対して、本実施形態において使用している燐酸
マンガン系被膜処理を施したコッタ２６の場合には、疲
労限荷重が８００ｋｇｆと向上しており、疲労強度が向
上することがわかる。また、銅メッキ処理を施したコッ
タ２６の場合には、疲労限荷重が６５０ｋｇｆであり、
また、二硫化モリブデン固体潤滑被膜処理を施したコッ
タ２６の場合には、疲労限荷重が７５０ｋｇｆであり、
従来使用している黒染め処理を施したコッタ２６の場合
と比較して疲労限荷重は向上せず、疲労強度は向上しな
い。

【００２６】したがって、特に、燐酸マンガン系被膜処
理を施した場合には、疲労強度が向上することがわか
る。次に、コッタ２６の表面粗さの影響について見てみ
ることとする。図３は表面粗さの測定箇所を示す図であ
り、表２は表面粗さの測定結果を示す表である。表面粗
さの測定箇所は、図３に示すように、コッタ２６の内周
面２６Ａであり、表面粗さは粗さ計を用いて矢印の方向
に向かって測定する。また、表面粗さの測定は、複数回
行ない、その平均値を求めている。なお、表面粗さの測
定値の単位はマイクロメートルである。

【００２７】

【表２】 この表２によると、従来から使用されている黒染め処理
を施したものについては、測定値の最小値が６．２μ
ｍ，最大値が８．３μｍになっており、その平均値は
６．７μｍになっている。銅めっき処理を施したものに
ついては、測定値の最小値が５．０μｍ，最大値が６．
２μｍになっており、その平均値は５．７μｍになって
いる。燐酸マンガン系被膜処理を施したものについて
は、測定値の最小値が４．６μｍ，最大値が６．３μｍ
になっており、その平均値は５．６μｍになっている。
二硫化モリブデン（Ｍｏ）固体潤滑被膜処理を施したも
のについては、測定値の最小値が５．４μｍ，最大値が
８．５μｍになっており、その平均値は６．４μｍにな
っている。

【００２８】このような測定結果から、表面粗さの測定
値については、それほど大きなばらつきはなく、チタン
合金製の吸気弁１４とのなじみ性に影響を与えることは
ほとんどないと考えられる。なお、本実施形態では、コ
ッタ２６の表面全体に燐酸マンガン系被膜処理を施すよ
うにしているが、フレッティング摩耗が生じ易い部分に
のみ施すようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の内燃機関
用弁によれば、内燃機関における吸気弁又は排気弁とし
てそなえられてバルブ軸部を有するポペット弁と、該ポ
ペット弁の該バルブ軸部に外嵌されたバルブスプリング
リテーナ取付用のコッタとを有する内燃機関用弁機構に
おいて、該ポペット弁が低含有率のアルミニウムを含有
したチタン合金材料により形成されるとともに、該コッ
タが炭素鋼を材料として形成され且つ燐酸マンガン系被
膜の表面処理を施されるという構成により、バルブ軸部
とコッタとのなじみ性が向上し、バルブ軸部外周におけ
るフレッティング摩耗が抑制され、クラックの発生を防
止できるようになり、一般的な耐熱合金とは異なるチタ
ン合金等の材料で形成された吸気弁や排気弁の疲労強度
を向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての内燃機関用弁機構
の要部を示す側面図である。

【図２】本発明の効果を説明する図であって、疲労試験
の試験方法を示す図である。

【図３】本発明の効果を説明する図であって、表面粗さ
の測定箇所を示す図である。

【図４】従来の内燃機関の動弁系を示す断面図である。

【図５】本発明の課題を説明する従来の内燃機関用弁機
構の要部側面図である。

【符号の説明】

１０はシリンダヘッド １１ 燃焼室 １１Ａ 燃焼室１１の上面部 １１Ｂ，１１Ｃ 燃焼室側開口 １２ 吸気ポート １３ 排気ポート １４ 吸気弁 １５ 排気弁 １６ バルブ軸部 １６Ａ バルブ軸部１６の嵌合面 １６Ｂ バルブ軸部１６の環状嵌合溝部 １７ バルブ傘部 １８ バルブガイド １９ バルブシート ２０Ａ，２０Ｂ カムシャフト ２１Ａ，２１Ｂ カム ２２Ａ，２２Ｂ ロッカアーム ２３Ａ，２３Ｂ バルブスプリング ２４Ａ，２４Ｂ シリンダヘッド１０側の座面 ２５ バルブスプリングリテーナ ２５Ａ バルブスプリングリテーナ２５の内周面 ２６ コッタ（リテーナロック） ２６Ａ コッタ２６の内周面 ２６Ｂ コッタ２６の環状嵌合凸部 ２６Ｃ コッタ２６の外周面 ２７ クラック（クラック発生箇所） ２８ 燐酸マンガン系被膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−318709（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−318708（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−90611（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202082（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−29642（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−24312（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−19012（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−38403（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01L 3/02 F01L 3/04 F01L 3/10 C23C 22/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関における吸気弁又は排気弁とし
   てそなえられてバルブ軸部を有するポペット弁と、該ポ
   ペット弁の該バルブ軸部に外嵌されたバルブスプリング
   リテーナ取付用のコッタとを有する内燃機関用弁機構に
   おいて、 該ポペット弁がβ型チタン合金材料により形成されると
   ともに、該コッタが炭素鋼を材料として形成され且つ燐
   酸マンガン系被膜の表面処理を施されていることを特徴
   とする、内燃機関用弁機構。