JP5512256B2 - エンジンバルブ - Google Patents

Description

本発明は、耐熱合金を素材とし、軸部の一端に熱間鍛造により成形された傘部を連続して有するエンジンバルブに関する。

従来、この種のポペット型のエンジンバルブは、図３（ａ）に示すように、棒部材の一端部を冷間鍛造等することで、軸部１０２の一端に塊状の傘部原体１０５を連続して有するバルブ中間体１０６を成形したうえで、当該バブル中間体１０６を鍛造型１１０へ装填し、図３（ｂ）に示すように、パンチ１１１によって傘部原体１０５を押圧するように熱間鍛造することで、傘部原体１０５が鍛造型１１０の形状に沿った傘部１０３として成形される。この場合、従来では、傘部原体１０５が的確に鍛造型１１０の形状に沿ったネットシェイプな形状となるように、傘部１０３の外周縁にバリ１０７が生じるように鍛造していた。具体的には、傘部原体１０５の体積を、鍛造型１１０の傘部型面１１０ａとパンチ１１１の下面とによって区画される傘部容積よりも僅かに多くしていた。したがって、従来では、熱間鍛造後の傘部１０３の外周縁にはバリ１０７が生じており、当該バリ１０７を研削や切削等の機械加工により除去する工程を経て、エンジンバルブを製造していた。このようなエンジンバルブとして、例えば下記特許文献１や特許文献２がある。

特開平３−８６４５７号公報 特開平４−８４０２号公報

ところで、耐熱合金を熱間鍛造すると、その際の熱によりバルブ中間体の表層部には基材が酸化した酸化層が形成される。当該酸化層は、良好な断熱性を有する。したがって、高温環境に晒され熱負荷の高いエンジンバルブにおいては、このような酸化層を残しておくことが好ましい。当該表層部に生じた酸化層の断熱効果により入熱量が低減され、エンジンバルブの昇温が抑制されるからである。特に、エンジンの燃焼室に直接臨んでいることで高温となり易い傘部における断熱効果が重要である。

しかしながら、特許文献１や特許文献２では、傘部の外周縁に生じたバリを機械加工によって除去している。これでは、図４に示すように、熱間鍛造によって基材１０１ａの表層部に酸化層１０１ｂが生じていても、傘部１０３の外周面１０３ｄでは機械加工により酸化層１０１ｂが除去されてしまう。これでは、傘部１０３の外周面１０３ｄが高温になり易く、プレイグニッションが発生する可能性が高くなる問題がある。プレイグニッションとは、点火プラグによる点火制御の前に、高温となったエンジンバルブ等により混合気が燃焼室内で着火し、燃焼時期が早まる現象を言う。

これを避けるために、特許文献１や特許文献２のエンジンバルブにおいて、バリ除去後の傘部外周面（機械加工面）に再度酸化層を形成することも考えられるが、工程が煩雑とりコストも嵩む。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、傘部の外周面にも断熱効果の良好な酸化層が存在していることで昇温し難いエンジンバルブを提供することを目的とする。

本発明は、耐熱合金を素材とし、軸部の一端に熱間鍛造により成形された傘部を連続して有するエンジンバルブであって、前記傘部は、該傘部の外周縁にバリが生じないように鍛造され、前記傘部外周面（マージン部）を機械加工することなく成形されることで、前記傘部の外周面の表層部に基材（耐熱合金）が酸化した酸化層を有することを特徴とする。なお、本発明では、バルブシートと当接する傘部のフェース面を研削等することを否定するものではない。傘部の外周面とは、燃焼室に臨む平坦な傘表面と、バルブシートと当接するフェース面との間に存在する面を意味する。

傘部を鍛造する際にバリが生じていなければ、従来のようにバリを除去するための切削や研削などの機械加工が不要である。したがって、鍛造後の傘部外周面は鍛造肌のままである。すなわち、熱間鍛造時に基材の表層部が酸化することで生じた酸化層が、機械加工によって除去されることはない。これにより、傘部の外周面にも酸化層を残存させることができる。傘部の外周面にも断熱効果の良好な酸化層が存在していることで、燃焼熱によって高温となり易い傘部の昇温を抑制することができる。したがって、特許文献１や特許文献２のような従来技術よりも、エンジン駆動中のエンジンバルブ（特に傘部）温度を下げることができる。これにより、プレイグニッションの発生限界域を向上させることができる。プレイグニッションの発生限界域が向上すれば燃焼が安定するので、圧縮比を向上してエンジン出力や燃費を向上させることもできる。また、熱間鍛造時に生じた酸化層をそのまま残存させているだけなので、機械加工後に再度酸化層や別途断熱層を設ける必要はなく、効率的且つ低コストに製造できる。

なお、前記傘部の外周面は湾曲形状となっていることが好ましい。良好な断熱性が確保されているので、外周面が尖った形状となっていても構わないが、湾曲形状となっていれば、尖った形状よりも混合気が着火する可能性をより低減することができる。前記耐熱合金としては、例えば耐熱鋼を使用することができる。

本発明のエンジンバルブによれば、傘部の外周面にも断熱効果の良好な酸化層が存在していることで昇温し難く、プレイグニッションの発生限界域を向上できる。

エンジンバルブの断面図である。 エンジンバルブの製造工程図である。 従来のエンジンバルブの製造工程図である。 従来のエンジンバルブの断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明のエンジンバルブの実施の形態について説明するが、これに限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

図１に示すように、エンジンバルブ１は、棒状の軸部２と、当該軸部２の一端に連続して形成された末広がりの傘部３とを備える、ポペット型のエンジンバルブである。エンジンバルブ１は、内燃機関（エンジン）の燃焼室へ吸排気するためのバルブであって、燃焼室へ混合気を吸気するための吸気バルブや、燃焼室で燃焼した排気ガスを排気するための排気バルブとして使用される。図示していないが、エンジンに組み付けられたエンジンバルブ１は、軸部２の他端がカム、ピポット、ロッカーアーム等により押圧されることにより、バルブシートから離間して燃焼室の吸気ポートや排気ポートが開くようになっている。

エンジンバルブ１は、耐熱合金製である。耐熱合金としては、代表的にはＳＵＨ３、ＳＵＨ１１、ＳＵＨ３５等の耐熱鋼が挙げられ、他にチタン合金等とすることもできる。傘部３は、燃焼室に望む平坦な傘表面３ａと、バルブシートと当接して燃焼室の吸気ポートや排気ポートを開閉するフェース面３ｂと、フェース面３ｂから軸部２へ縮径しながら連続する首部３ｃとを有する。傘表面３ａとフェース面３ｂとは、傘部３の外周面３ｄを介してつながっている。詳細は後述するが、当該傘部３の外周面３ｄは、機械加工されていないことから湾曲形状となっている。そのうえで、エンジンバルブ１の表層部には、傘部３の外周面３ｄを含めて基材１ａが酸化した酸化層１ｂを有する。

このようなエンジンバルブ１の製造方法を、図２を参照しながら説明する。まず、棒状の材料を例えば四面高速鍛造機等による鍛伸によって冷間鍛造したり、電気鍛縮装置（電気アプセッタ）による据込み鍛造したりすることにより、図２（ａ）に示すように軸部２の一端に塊状の傘部原体５を連続して有するバルブ中間体６を成形し、当該バブル中間体６を鍛造型１０へ装填する。このとき、傘部原体５の体積を、鍛造型１０における傘部型面１０ａと最下降させたパンチ１１の下面とによって区画される傘部容積（体積）より僅かに少なくしておく。そのうえで、図２（ｂ）に示すように、パンチ１１を予め定めたストロークだけ下降させながら、傘部原体５を上方から複数回打ち付けるように熱間鍛造することで、傘部原体５を塑性変形させる。これにより、傘部原体５が鍛造型１０の形状に沿った傘部３を成形することができる。このとき、傘部原体５の体積が鍛造型１０の傘部容積より僅かに少ないため、傘部３の外周面３ｄにはバリが生じておらず、塑性変形した際のそのままの湾曲形状となっている。なお、パンチ１１が最下降位置にあるとき、パンチ１１は鍛造型１０に接触せず、パンチ１１と鍛造型１０との間には僅かなクリアランスがある。

熱間鍛造温度は、８００℃以上とすればよい。また、加熱は塑性変形させる傘部原体５のみでも構わない。当該熱間鍛造により、エンジンバルブ１の表層部には、基材（例えば耐熱鋼）１ａが酸化した酸化層１ｂが形成されている。そして、本発明では熱間鍛造後に傘部３の外周面３ｄにバリが生じていないので、当該傘部３の外周面３ｄを研削や切削等の機械加工をする必要は無い。これにより、傘部３の外周面３ｄにも熱間鍛造時に生じた酸化層１ｂを有するエンジンバルブ１を得ることができる。このように、傘部３の外周面３ｄにも断熱効果が高い酸化層１ｂが形成されていることで、エンジン駆動時に傘部３の外周面３ｄからの入熱も有効に遮断され、傘部３の昇温を従来よりも抑制することができる。これにより、プレイグニッションの発生限界域を向上させることができる。

なお、必要に応じて、フェース面３ｂは研削等してもよい。また、酸化層１ｂに加えて、エンジンバルブ１の表面に、さらに別の断熱層（断熱被膜）を形成したり、塩浴軟窒化やガス軟窒化等の窒化処理を施すことも好ましい。断熱層としては、アルミナ、コージェライト、ジルコニア、ジルコン、酸化チタン、マグネシアなどのセラミックス系酸化物、炭化ケイ素などのセラミックス系炭化物、及び窒化ケイ素などのセラミックス系窒化物のほか、ケイ酸アルミニウム、酸化クロム、ＷＣ＋Ｃｏ合金、ＷＣ＋Ｎｉ＋Ｗ＋Ｃｒ₃Ｃ₂合金、Ｃｒ₃Ｃ₂＋Ｎｉ−Ｃｒ合金などの、耐熱性及び断熱性の良好なセラミックス系材料を挙げることができる。これら断熱層や窒化物層は単層でもよいし、複数積層してもよい。断熱層は、ガス炎、アーク溶射法、プラズマ溶射法、爆発溶射法、スパッタリング、イオンプレーティングなどの手段を用いて形成することができる。さらに、鍛造時に発生した残留応力を除去するため、例えば４００℃程度で低温焼鈍することも好ましい。

１ エンジンバルブ
１ａ 基材
１ｂ 酸化層
２ 軸部
３ 傘部
３ａ 傘表面
３ｂ フェース面
３ｄ 外周面
５ 傘部原体
６ バルブ中間体
１０ 鍛造型

Claims (2)

1. 耐熱鋼を素材とし、軸部の一端に熱間鍛造（閉塞鍛造を除く）により成形された傘部を連続して有するエンジンバルブであって、
   前記傘部は、該傘部の外周縁にバリが生じないように鍛造され、
   前記傘部の外周面を機械加工することなく成形されることで、前記傘部の外周面の表層部に、断熱効果を高めるべく基材が酸化した酸化層を有することを特徴とする、エンジンバルブ。
2. 前記傘部の外周面が湾曲形状となっていることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンバルブ。
   

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