【発明の詳細な説明】
ガス交換バルブおよび内燃エンジンの燃焼室内の
圧力を測定するための方法
本発明は、ガス交換バルブが座着状態にある時に、バルブディスクの端面が、
内燃エンジンの燃焼室に向いている交換バルブに関する。
本発明は、内燃エンジンの燃焼室内の圧力を測定するための方法にも関する。
公知のように、内燃エンジンのシリンダには、複数のガス交換バルブが設けら
れており、４サイクルエンジンのシリンダは、少なくとも１つの吸気バルブと、
少なくとも１つの排気バルブを有する。
ガス交換バルブは、基本的には前方の円錐形のバルブディスクと、このバルブ
ディスクの背面に取り付けられた細長いバルブステムとから成り、バルブステム
の自由端には、通常バルブスプリングと作動装置とが設けられ、作動装置は、ガ
ス交換と共に所定時間にバルブステムを軸方向に変位し、一方、バルブスプリン
グによって、バルブの復帰運動が行われるようになっている。
バルブが閉状態にある時、バルブディスクの外側のエッジ、すなわちいわゆる
バルブシート（弁座）は、シリンダヘッドの対抗面に載る。この対抗面は、それ
ぞれのシリンダの出口および入口を形成し、この場合、弁座面は、一般に約４５
度の円錐角で互いに当接し、良好なシーリング効果を得るための根拠となってい
る。
ガス交換バルブは、大きい機械的負荷および熱負荷を受ける。
ガス交換バルブが毎分３０００回までの回数で作動されること、すなわち、バ
ルブが上昇し、次にバルブシートに再び衝突するということから機械的負荷が生
じる。
ガス交換バルブに対する熱負荷は変化する。すなわち、吸気バルブは流入する
比較的低温の未燃焼ガスによって常時冷却されるので、吸気バルブは低い熱負荷
を受けるが、排気バルブのまわりには、常に高温の燃焼した燃料ガスが流れる。
従って、吸気バルブは約５００℃までの作動温度を受けるが、他方、排気バルブ
のバルブディスクは、８００℃までの熱負荷を受ける。
従って、排気バルブの場合、高温に耐え、かつ腐食およびスケール付着の双方
に耐える鋼鉄、例えばクロム／マンガン鋼からバルブディスクを製造しなければ
成らない。しかしながら、この種の鋼鉄は摺動特性が不良であるので、バルブス
テムの領域では、特別なブッシュ、または、例えばクロム／ケイ素鋼鉄から成り
、従って良好な摺動特性だけでなく、十分な熱伝導度も有するバルブステムの特
別な部分を設けなければならない。
更に、ガス交換バルブでの熱の消散を改善するための多数の方策が公知となっ
ている。例えばバルブステムを中空構造にし、例えば約６０％までのナトリウム
で一部を満たすことが知られている。ガス交換バルブの作動温度では、ナトリウ
ムは凝集物が液状となっており、ガスバルブの作動サイクル中は、バルブステム
のキャビティ内に広がっているので、改善された熱消散特性が保証される。
ガス交換バルブの熱バランスを調査した結果、排気バルブの場合、燃焼室から
入力される熱の約７０％が、燃焼室に向いたバルブディスクの端面によって吸収
されるが、一方、流出する燃料ガスからの熱の約３０％が、バルブディスクおよ
びバルブステムの背面へ伝えられる。次に、この熱の７６％が、出口バルブから
バルブシートを通ってシリンダヘッドへ伝えられ、２４％が、バルブステムを通
って、そのガイドブッシュ、従って同じようにシリンダヘッドへ伝えられる。
欧州特許公開第0048333号公報は、ガス交換バルブを開示しており、このガス
交換バルブでは、熱シールドとして働くようになっている分流ファンネル（熱消
散器）が、バルブディスクの円錐形背面に設けられている。更に一実施例では、
燃焼室に向いたバルブディスクの端面の前方に配置された別の熱シールドが、公
知のガス交換バルブに設けられている。この端面の熱シールドとバルブディスク
の端面との間に、キャビティを設けるようになっている。
分流ファンネルおよび端面の熱シールドの双方は、本例では、約０.５ｍｍの
肉厚の板金から形成され、バルブディスクのコアおよびバルブステムも、金属か
ら構成されている。
ドイツ国特許公開第3,247,487号公報により、端面の熱シールドを備えた同様
なガス交換バルブが公知となっている。ここでも、バルブディスクの端面の前方
に設けられたプレート形状をした熱シールドとバルブディスクとの間にキャビテ
ィが設けられ、必要な場合、このキャビティは、耐高温性材料、例えばアスベス
ト
で満たす必要がある。この公知のガス交換バルブでも、熱シールドは金属製であ
る。
金属製ガス交換バルブの他に、純粋なセラミック製ガス交換バルブも知られて
いるが、セラミックは脆弱性が極めて高いという性質を有するので、セラミック
製バルブは少なからぬ機械的な欠点を有する。
ドイツ国特許公開第3,302,650号公報は、バルブステムが金属製で、バルブデ
ィスクがセラミック製の複合バルブを開示している。バルブディスクは、より高
い熱負荷を受けるが、その熱負荷に対してよく耐えることができる。しかしなが
ら、バルブディスクは、最大の機械的負荷を受けるガス交換バルブ部品であり、
他方、バルブディスクの領域内のガス交換バルブの場合に生じるショックおよび
衝撃負荷に対しては、セラミックは適当でないいう欠点がある。
ドイツ国特許公開第3,926,431号公報からも、同様なセラミック／金属複合バ
ルブが知られている。ここでは、内部部品として、鋼鉄の張力ロッドがバルブス
テムを貫通し、バルブディスクを通って、バルブディスクの端面まで案内されて
いるが、バルブディスクおよびバルブステムの外部領域は、セラミック材料によ
って形成されている。従って、この公知の複合バルブでも上に説明した欠点を有
している。
最後に、ドイツ国特許公開第3,236,354号公報は、別の複合バルブについて述
べている。この複合バルブは、主として金属から構成されているが、バルブディ
スクの端面には、熱シールドとして酸化セラミック製プレートが設けられている
。この公知の複合バルブでは、適当なタイプの装置により、熱で誘導される熱シ
ールドの膨張を補償し、熱シールドを破壊しないように、セラミック製熱シール
ドを設けることが知られている。
公知のガス交換バルブの別の欠点としては、質量が比較的大きいことが挙げら
れる。しかし、この質量体は、ガス交換動作ごとに移動させなければならないの
で、バルブを駆動するだけのために、エンジンの動力のかなりの部分が必要とな
り、これをカムシャフトに振り分けて、バルブを作動させなければならない。こ
の目的のために必要とされる動力は、バルブスプリングの圧縮をするだけでなく
、ガスバルブ自身の加速および減速も行わなければならない。従って、ガス交換
バ
ルブの質量が大きい場合、このバルブを駆動するだけのために数ｋＷの駆動力が
必要となり、そのため、エンジンの燃費が増加することとなる。
エンジンの製造面では、移動する質量を同時に減少させるように、軽量化する
ことを多くの点で考慮しているが、それにも拘わらず、知る限り、この点に関し
て、ガス交換バルブは基本的には無視されてきた。
内燃エンジンを制御するため、ガス交換全動作中にシリンダ内の圧力曲線を検
出し、これから、例えばガソリン噴射のための制御信号を誘導することも更に、
知られている。しかし、燃焼室内の圧力を測定するためには、公知の方法は、研
究室段階の域を越えてはいない。その理由は、燃焼室内の圧力を検出するには、
従来エンジンブロック内またはシリンダヘッド内に、特殊な圧力センサを設置し
なければならなかったからである。しかし、エンジンを連続製造するには、この
種の増設部品は過度に複雑であった。
これとは対照的に、本発明が達成しようとする目的は、上記欠点を解消するよ
うに、最初に述べたガス交換バルブおよび方法を開発することにある。
特に本発明は耐高温性であり、寿命が長く、従来のガス交換バルブよりも軽量
であって、ガソリン消費量を節約できる軽量のガス交換バルブを提供するもので
ある。更に、内燃エンジンの空間内の圧力を測定するための方法を改善して、燃
焼動作を、良好に制御できるようにすることである。更に公知のように、燃焼動
作をより良好に診断することを可能とするものである。
最初に述べたタイプのガス交換バルブでは、ガス交換バルブが閉じた状態にあ
る時でも、圧力を検出するための手段を、ガス交換バルブに設けた、本発明によ
り、目的が達成される。この圧力検出手段は、バルブディスクでもバルブディス
クの一部分でもよい。例えば、このバルブディスクの上または内部に、センサを
収容することができる。従って、燃焼室内にオリフィスを増設したり、または部
品を増設する必要はない。
更に本発明によれば、最初に述べたタイプの方法において、バルブが閉じた状
態にある時に、燃焼室に接続されているガス交換バルブの弾性変形を測定するこ
とにより、上記課題が達成される。
このように、本発明が達成しようとする目的は、完全に達成される。
ガス交換バルブの端面が、弾性変形可能な部品として構成されている場合、こ
のガス交換バルブは、内燃エンジンの燃焼室内の圧力を検出するのに使用でき、
よって燃焼動作を制御できる。したがって、従来の装置とは対照的に、わずかに
改造されたガス交換バルブ自体で、圧力測定を実施できるので、エンジンブロッ
クまたはシリンダヘッドを改造する必要は全くない。
その結果、同じように圧力センサを組み込む試みがなされているスパークプラ
グと対照的に、ガス交換バルブ自身の実際の機能は変化しない。同時に、クラン
クシャフトのアングルも測定対象に含まれる場合、圧縮段階および燃焼段階中に
圧力を測定できる。弾性変形可能なディスクまたはディスク部分を端面に有する
、本発明に係わるガス交換バルブは、ディスク部分の少なくとも一部を、ダイヤ
フラムとして構成することが好ましい。
このようにする工夫の利点は、比較的高い測定効果が得られるということであ
る。従って、機械的に安定なダイヤフラムにより、燃焼室内の作動圧力が最大の
場合、０.０１〜０.１ｍｍの大きさの変位量を得ることが完全に可能である。
更にディスク部品をバルブステムに接続し、バルブステム自体を変位センサに
接続することが特に好ましい。
この工夫の利点は、バルブステム、すなわち、どんな場合でも存在する構造要
素を介し、高い熱感度を有しない測定装置を設けることができる、燃焼室から所
定の距離にある位置へ、測定可能な変位量が伝えられることである。
例えば、ディスク部品と反対の、バルブステムの端部をこの変位センサに接続
できる。他の使用例では、スプリングプレート上にディスク部品と反対の、バル
ブステムの端部を支持し、スプリングプレートを変位センサに接続することがよ
り適当である。バルブ作動手段における圧力測定、すなわち前記測定点から更に
離間している位置でも、圧力測定が可能である。
これらの工夫の利点は、設置条件に応じて、変位センサへ最適に接続できると
いうことである。
本発明の実施例では、設置状態にある燃焼室側において、ディスク部品にそれ
自体公知の熱シールドが設けられる。この場合、熱シールドは、耐高熱熱性材料
、
特にセラミック材料から構成することが好ましく、かつ好ましくはプレートとし
て構成される。
この実施例の変形例では、プレートは、好ましくはフランジ加工により、ディ
スク部品のエッジに確実に締結される。このフランジ加工は、高温（約５００℃
）で実行することが好ましい。
この工夫の利点は、大量を、連続して簡単に製造できることである。例えば５
００℃においてフランジ加工することに伴う利点は、膨張係数が異なることによ
る緩み、従って作動温度における膨張を回避できることである。
しかし、別の変形例として、ディスク部品の中心にプレートを締結することも
できる。
この工夫の利点としては、特に変化する温度の影響下で、プレートを簡単に変
形できることである。
プレートを、好ましくはボルトによって、同時にディスク部品に締結してもよ
い。このボルトは、特にディスク部分に溶接される。
次に、燃焼室から生じる熱からボルトを保護するために、本発明の別の構造で
は、別の熱シールドによって、ボルトの端面をカバーする工夫を設けてもよい。
別の熱シールドも、セラミック製プレートから構成することが好ましく、ボルト
に溶接されたフランジ状部品により、ボルトの前方にこの熱シールドを保持でき
る。
本発明の他の実施例では、ディスク部品の前方において、このディスク部品か
ら所定の距離に、熱シールドが保持される。この場合、熱シールドを、固定的に
、または軸方向の遊びが生じるように保持してもよい。後者の軸方向の遊びが生
じるように保持する場合、ディスク部品に対して、第１熱シールドを弾性的に支
持することが適当である。
これらの工夫の利点としては、特にセラミック製プレートとして構成された実
施例での熱シールドは、高温でも高い機械的応力を生じることなく、温度変化が
生じた場合でも、膨張収縮が可能であることが挙げられる。
ステムに接続されていない、例えば金属製の分流ファンネルを、バルブディス
クの背面に設けてもよい。バルブディスクの背面に配置されたこの分流ファンネ
ルをセラミック製部品としても構成でき、これにより著しく高い熱負荷支持容量
が得られる。このことは特に、バルブの背面に沿って高温の燃焼済み燃料ガスが
流れ、かなりの熱負荷を発生する排気バルブにも当てはまる。
従来で知られている金属製分流ファンネルと比較した場合、肉厚がより薄くな
り、従って質量がより小さくなり、熱絶縁は多少とも良好となるとともに、バル
ブの質量が低減されるという、少なからぬ利点が得られる。
セラミック製分流ファンネルは、この分流ファンネルとバルブステムとディス
ク部品との間に、キャビティが形成されるように構成してもよい。このような工
夫の利点としては、重量（動的質量）をかなり削減することができることである
。
本発明の別の実施例では、セラミック製分流ファンネルが別の内側分流ファン
ネルを囲んでおり、この内側の分流ファンネルが、所定の距離で、セラミック製
分流ファンネルによって囲まれていることが好ましい。内側分流ファンネルは、
好ましくは金属製、特にアルミニウム製であることが好ましい。
このような工夫の利点としては、バルブディスクの背面およびバルブステムが
、分流ファンネルの二重構造によって保護されているので、バルブステムへ熱が
良好に分流され、熱シールド機能が更に改善されることが挙げられる。
内側の分流ファンネルをアルミニウム製とした場合、重量が大きく増加するわ
けではない。しかし、アルミニウム製ファンネルは、外側のセラミック製分流フ
ァンネルによって既に熱の点で主に保護されているので、前記アルミニウム製フ
ァンネルも、同様に長期の耐久性を有する。分流ファンネルおよびバルブステム
の内部は、高い熱伝導度を有する粉体、例えば酸化マグネシウム粉体で満たして
もよい。
最初に述べた圧力測定方法では、新しいバルブの場合、圧力を測定し、変位セ
ンサを較正する。この場合、他の新しいバルブの圧力の測定も行い、例えば新し
い平均値を求める。
次の説明および添付図面から、別の利点が明らかとなると思う。
本発明の範囲から逸脱することなく、各例で特定した組み合わせだけでなく、
別の組み合わせ、またはそれらのうちの１つの組み合わせによって、上に説明し
た特徴、および次に説明する特徴を活用できることは言うまでもない。
次に、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、座着状態にある、本発明に拘わるガス交換バルブの第１実施例の一部
を断面した側面図である。
図２は、拡大された図１に類似するが、バルブディスクの領域の変形を示す図
である。
図３は、図２の細部を更に拡大して示す図。
図４は、図３の変形例を示す図。
図５は、発明に係わるガス交換バルブの別の実施例の、図１および図２に類似
した部分図である。
図１において、符号１０は、例えば４気筒ガソリンエンジンで使用されるよう
なガス交換バルブの全体を示す。このガス交換バルブ１０は、基本的にはシリン
ダヘッド１１に設けられ、このシリンダヘッドには、横方向にカーブしたガスダ
クト１２が設けられている。排気バルブの場合、燃焼済み燃料ガスは、矢印１３
で示すように、このガスダクト１２を通って流出する。吸気バルブの場合、新し
いガスの流れ方向は、上記と逆となる。
ガス交換バルブ１０は、その長手方向軸線１４の方向において、内燃エンジン
の燃焼室１５と整合している。ガス交換バルブ１０は、その前端にバルブディス
ク１６を有し、かつその後端にバルブステム１７を有する。バルブステム１７は
、ガイドブッシュ１８を経てシリンダヘッド１１内にガイドされている。
バルブステム１７の上端部２０には、スプリングプレート２１が締結されてい
る。このスプリングプレート２１は、螺旋スプリング２２を支持しており、この
螺旋スプリング２２の他端部は、シリンダヘッド１１の表面２３に支持されてい
る。従って、図１に示す状態では、ガス交換バルブ１０は、あらかじめ上方向に
応力が加えられている。
カムシャフト、バケットパケットなどを備えるバルブ駆動装置を示している作
動装置２４は、矢印２５で示すように、バルブステム１７の両端部２０に作用す
る。ガス交換サイクルの間、ガス交換バルブ１０は、図１の底部の破線で示すよ
うに、作動装置２４により、スプリング２２の力に抗して、軸線１４に沿って下
方に変位される。バルブストローク（真の尺度ではない）はここではｈで表示さ
れている。
ガス交換バルブ１０のこのような開放位置から、バルブはスプリング２２の復
帰力により、図１に示す上方の閉じた位置へ復帰する。この閉じた位置では、バ
ルブディスク１６の後方円周部にある円錐形弁座面２８は、シリンダヘッド１１
の対応する形状の対抗する面２９に座着する。こうして、ガスダクト１２は燃焼
室１５に対して閉じられる。
バルブステム１７は、基本的にはチューブ３５から成り、このチューブ３５の
内部３６は、例えばガス交換バルブ１０の作動温度で液状となる金属ナトリウム
によって一部が満たされている。
ガス交換バルブ１０の排気段階中に、バルブステム１７を高温燃料ガスから保
護するために、分流ファンネル４０が設けられている。この分流ファンネル４０
はアルミニウムシート製であり、その上端部４２は、バルブステム１７のチュー
ブ３５を囲んでいる。
分流ファンネル４０の前方の拡大された端部４３は、バルブディスク１６のデ
ィスク部品４７のエッジ４６に接続されている。この部分は、符号４４で示すフ
ランジとなっている。
ディスク部品４７の少なくともその内部領域は、ダイヤフラム４８として構成
されており、チューブ３５の後部４９はダイヤフラム４８の中心と同一面として
、ダイヤフラム４８の対応する受け部材に当接しており、それに溶接されている
。
ダイヤフラム４８の前方には、薄いセラミック製プレートとして構成された熱
シールド５０が設けられている。この熱シールド５０は、燃焼室１５に対してダ
イヤフラム４８をカバーしており、この熱シールド５０の円周部は、符号５２で
示すように、ディスク部品４７のエッジ４６と共にフランジ状となっている。バ
ルブディスク、更に、分流ファンネルにも、ビードを設けてもよい。
矢印５３で示すように、燃焼室１５内の圧力が熱シールド５０に作用し、従っ
てダイヤフラム４８に作用する場合、チューブ３５は、図１において上方に変位
させられる。チューブ３５またはバルブステム１７の自由端２０は、変位センサ
５５のトレーサー５４に接続されており、その接続は、符号５６によって示され
ている。
例えば、燃焼室内の最大圧力により、０.０１ｍｍの大きさの熱シールド４０
、およびダイヤフラム５８のたわみが生じさせられる場合、このたわみは、直接
変位センサ５５へ伝えられ、接続手段５６で電気信号として検出できる。ガス交
換バルブ１０の実際の機能は、この測定によって影響されない。
上記のように、吸気バルブの場合、吸気段階中に、矢印１３の方向と逆方向に
、ガスダクト１２を通って低温の未燃焼ガスが流れる。この場合、未燃焼ガスは
、分流ファンネル４０の周りを流れる。分流ファンネルは、熱伝導度の比較的高
い材料（アルミニウム）から構成されているので、チューブ３５とバルブディス
ク４５とは保護される。更に、分流ファンネル４０の形状を好ましいものとする
ことにより、ガスは空気力学的に運ばれるので、渦流などの形成によって生じる
損失をできるだけ小さくすることができる。
上記のように、分流ファンネル４０は、薄い板金部品として製造されているの
で、このファンネル４０とバルブステム１７のチューブ３５との間に、かなりの
大きさのキャビティが形成される。従って、図１に示されたガス交換バルブ１０
は、軽量の部品であり、質量が小さいため、ガス交換の際の駆動力は小さくてよ
いこととなる。ファンネル４０またはチューブ３５の内部は、マグネシウム粉末
で満たしてもよい。
図２に示す変形例では、同一の部品には、同一の符号を付してあり、同様の部
品には、符号に添え字ａを付してある。
この変形例では、ディスク部品４７ａの下面５８に、熱シールド５０ａが配置
されている。符号５１ａ’で示すように、この熱シールド５０ａは、ディスク部
品４７ａを越えて横方向に完全に突出していてもよい。
熱シールド５０ａは、中心締結ボルト６０によってディスク部品４７ａに取り
付けられており、締結ボルトの細部は、２つの変形例で図３および図４に示され
ている。
図３に示す拡大された細部から明らかなように、締結ボルト６０は、内部から
外側へ次第に直径の小さくなった３つの部分６１、６２、６３を有する。締結ボ
ルト６０は、第１部分６１によりダイヤフラム４８の中心に配置されており、締
結ボルト６０の第２部分６２は、熱シールド５０ａ、すなわち、例えばセラミッ
クプレートを軸方向に固定することなく、このプレートをガイドしている。従っ
て、熱シールド５０ａと締結ボルト６０の第１部分６１との間には、軸方向の遊
び７０が生じ、スプリング７１は、ディスク部品４８に対して熱シールド５０を
弾性的に補強している。
締結ボルト６０の第３部分６３は、熱シールド５０ａを外側から軸方向に保持
している。この目的のために、符号６８で示すように、第３部分６３の周辺部に
、締結ワッシャー６９が溶接されている。
図４の好ましい実施例では、セラミックプレートまたはバルブディスクは、や
や円錐形となっているので、２つの部品は、外側のみが、プリストレスを生じる
ことなく互いに接触する。締結部品６２と６３とは、ここでプリストレスを発生
することができるので、このようなプリストレスが発生する際に、２つの部品は
互いに押圧され、これら２つの部品は、全体として互いに重なる。次に溶接６８
を実行する。図１に示すフランジを省略してもよい。
シリンダの圧力は、セラミック製プレートによってバルブディスクへ伝えられ
る。
図５に示す実施例では、ガスダクト７８内に再度シリンダヘッド７７が示され
ており、ガスダクト７８が排気ダクトとして作動する際は、矢印７９が示すよう
に燃料ガスが流出する。
全体が符号８０で示されているガス交換バルブは、バルブディスク８１とバル
ブステム８２とを有する。バルブディスク８１は、燃焼室８３の方を向いている
。このバルブディスクは、ディスク部品８４を有し、このディスク部品のエッジ
は符号８５で示されている。このエッジ８５には、熱シールド８６（これもセラ
ミック製プレートであることが好ましい）が当接している。この熱シールド８６
は、中心締結ボルト８７により、好ましくは図３または図４に示された技術によ
り、ディスク部品８４に締結されている。しかし、図１に示されたフランジを使
用してもよい。
熱シールド８６の軸方向の遊びを補償するために、例えば熱シールド８６とデ
ィスク部品８４との間に、カップ状のスプリングを配置してもよい。
バルブステム８２はチューブ９２から成り、このチューブ９２は、内側チュー
ブ９３を囲み、次に内側チューブは、内部スペース９４を囲むことができる。チ
ューブ９３は、例えばアルミニウム製チューブでもよい。内部空間９４は、既に
述べたように、金属ナトリウムまたはマグネシウムで満たしてもよい。
チューブ９２の下端部は、円錐形となるようにテーパを付けることが好ましく
、このチューブは、ダイヤフラム９０のカウンタ円錐形の受け部材内に、符号９
１で示すように溶接されている。
上方端部にテーパが付けられたた、好ましくはアルミニウムシート製の第１分
流ファンネル９５がチューブ９２を囲んでいる。この第１分流ファンネル９５の
拡大された下端部は、ディスク部品８４に締結されている。前記分流ファンネル
は、バルブディスク８１をより効果的に冷却し、このディスクからの熱を拡散す
るように働く。
この実施例では、更にセラミック材料製の外側の第２分流ファンネル９６が設
けられている。上端部にテーパが付けられたこの第２分流ファンネル９６は、バ
ルブステム８２、すなわち図示した実施例ではチューブ９２を囲んでいる。この
第２分流ファンネル９６の拡大された端部は、例えば符号９７で示すようなフラ
ンジ加工により、ディスク部品８４のエッジ８５に接続されている。
この第２分流ファンネル９６は、小さい肉厚しか有しないので、このファンネ
ル９６とチューブ９２またはディスク部品９８、特にこのディスク部品８４の内
側ダイヤフラム９０との間に、内部空間９８が形成される。
その結果、図５に示されたガス交換バルブは、軽量部品となり、かつこの部品
は、バルブディスク８１の後方領域においてすぐれた耐熱性を有するものとなる
。
図５に示す実施例でも、外側の分流ファンネル９６は、流出する燃料ガスの流
れが、できるだけ影響されないような形状となっている。これとは異なり、２つ
の分流ファンネル９５および９６のいずれかを省略してもよい。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gas exchange valve and internal combustion engine combustion chamber
Method for measuring pressure
In the present invention, when the gas exchange valve is in the seated state, the end face of the valve disc is
The invention relates to an exchange valve facing a combustion chamber of an internal combustion engine.
The invention also relates to a method for measuring the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine.
As is known, a cylinder of an internal combustion engine is provided with a plurality of gas exchange valves.
The four-stroke engine cylinder has at least one intake valve,
It has at least one exhaust valve.
The gas exchange valve basically consists of a forward conical valve disc and this valve
An elongated valve stem mounted on the back of the disc;
The free end of the valve is usually provided with a valve spring and an actuator,
At the same time as changing the valve, the valve stem is displaced in the axial direction at a predetermined time.
The valve causes a return movement of the valve.
When the valve is in the closed state, the outer edge of the valve disc, the so-called
The valve seat (valve seat) rests on the opposite surface of the cylinder head. This confrontation is
The outlet and the inlet of each cylinder are formed, in which case the valve seat surface is generally about 45
Abut each other at a cone angle of degrees, which is the basis for obtaining a good sealing effect.
You.
Gas exchange valves are subject to high mechanical and thermal loads.
The gas exchange valve is activated up to 3000 times per minute,
As the lube rises and then strikes the valve seat again, a mechanical load is created.
I will.
The heat load on the gas exchange valve varies. That is, the intake valve flows in
The intake valve is low in heat load because it is constantly cooled by relatively low temperature unburned gas.
However, high-temperature burned fuel gas always flows around the exhaust valve.
Thus, the intake valve receives operating temperatures up to about 500 ° C., while the exhaust valve
Have a thermal load of up to 800 ° C.
Therefore, exhaust valves can withstand high temperatures and have both corrosion and scale adhesion.
Valve discs must be manufactured from steel that can withstand, eg chromium / manganese steel
It does not become. However, this type of steel has poor sliding characteristics, so that
In the area of the system, special bushes or, for example, made of chromium / silicon steel
Therefore, the valve stem has not only good sliding characteristics but also sufficient thermal conductivity.
Another part must be provided.
In addition, a number of strategies are known for improving heat dissipation in gas exchange valves.
ing. For example, the valve stem has a hollow structure, eg, up to about 60% sodium
It is known that some are met. At the operating temperature of the gas exchange valve, sodium
The gas is in a liquid state and the valve stem is
The improved heat dissipation properties are ensured by the fact that it extends into the cavity.
As a result of investigating the heat balance of the gas exchange valve, in the case of the exhaust valve,
About 70% of the input heat is absorbed by the end face of the valve disc facing the combustion chamber
On the other hand, about 30% of the heat from the escaping fuel gas is
And to the back of the valve stem. Next, 76% of this heat is passed through the outlet valve
It is transmitted to the cylinder head through the valve seat, and 24% passes through the valve stem.
The guide bush and thus the cylinder head are transmitted in the same way.
European Patent Publication No. 0048333 discloses a gas exchange valve, in which a gas exchange valve is provided.
In the exchange valve, a shunt funnel (heat dissipation)
Is provided on the conical back of the valve disc. Further, in one embodiment,
Another heat shield located in front of the end face of the valve disc facing the combustion chamber
It is provided in a known gas exchange valve. Heat shield and valve disc on this end face
And a cavity between the end faces of the hologram.
Both the shunt funnel and the end face heat shield, in this example, are approximately 0.5 mm. 5mm
The valve disc core and valve stem are also made of metal
It is composed of
German Offenlegungsschrift 3,247,487, with heat shield on the end face
Various gas exchange valves are known. Again, in front of the end face of the valve disc
Cavity between the plate-shaped heat shield provided on the
If necessary, the cavity can be made of a high temperature resistant material such as Asbestos
G
Must be filled with Even in this known gas exchange valve, the heat shield is made of metal.
You.
In addition to metal gas exchange valves, pure ceramic gas exchange valves are also known.
However, ceramic has the property of being extremely brittle, so ceramic
The valves made have considerable mechanical disadvantages.
German Offenlegungsschrift 3,302,650 discloses that the valve stem is made of metal and the valve
Disc discloses a composite valve made of ceramic. Valve disc is higher
Although it receives a high heat load, it can withstand the heat load well. However
The valve disc is a gas exchange valve part that is subjected to maximum mechanical load,
On the other hand, shocks that occur in the case of gas exchange valves in the area of the valve disc and
Ceramics have the disadvantage that they are not suitable for impact loads.
German Patent Publication No. 3,926,431 also shows a similar ceramic / metal composite
Lube is known. Here, a steel tension rod is used as an internal component.
Through the valve, through the valve disc and to the end of the valve disc
However, the outer areas of the valve disc and valve stem are made of ceramic material.
It is formed. Therefore, this known composite valve also has the disadvantages described above.
are doing.
Finally, German Offenlegungsschrift 3,236,354 describes another composite valve.
I'm eating. This composite valve is mainly composed of metal, but the valve
A ceramic oxide plate is provided on the end face of the disc as a heat shield
. In this known composite valve, a thermally induced heat shrink is provided by a suitable type of device.
Ceramic heat seal to compensate for thermal expansion and to avoid breaking the heat shield
It is known to provide a code.
Another disadvantage of known gas exchange valves is that they have a relatively high mass.
It is. However, this mass must be moved for each gas exchange operation.
Requires a significant portion of the engine's power just to drive the valve.
This must be distributed to the camshaft to operate the valve. This
The power required for this purpose is not only to compress the valve spring,
The acceleration and deceleration of the gas valve itself must also be performed. Therefore, gas exchange
Ba
When the mass of the lube is large, a driving force of several kW is required just to drive this valve.
Required, thereby increasing the fuel efficiency of the engine.
In engine production, weight is reduced so that moving mass is reduced at the same time.
In many respects, but nonetheless, as far as we know,
Thus, gas exchange valves have basically been ignored.
To control the internal combustion engine, check the pressure curve in the cylinder during the entire gas exchange operation.
And, from this, inducing a control signal, for example for gasoline injection,
Are known. However, in order to measure the pressure in the combustion chamber, a known method is used for grinding.
It does not go beyond the lab. The reason is that to detect the pressure in the combustion chamber,
Conventionally, a special pressure sensor is installed in the engine block or cylinder head.
Because they had to. However, for continuous production of engines,
Some additional components were overly complex.
In contrast, the object sought to be achieved by the present invention is to overcome the above disadvantages.
Thus, the object is to develop the first-mentioned gas exchange valve and method.
In particular, the invention is resistant to high temperatures, has a long life and is lighter than conventional gas exchange valves
To provide a lightweight gas exchange valve that can save gasoline consumption.
is there. Furthermore, the method for measuring the pressure in the space of the internal combustion engine has been improved,
It is to be able to control the baking operation well. As further known, the combustion dynamics
This makes it possible to better diagnose crops.
In the first type of gas exchange valve, the gas exchange valve is closed.
When the gas exchange valve is provided with a means for detecting the pressure even when
The purpose is achieved. This pressure detecting means can be used with the valve disc
May be part of a click. For example, a sensor on or inside this valve disc
Can be accommodated. Therefore, an orifice must be added to the combustion chamber or
There is no need to add more products.
According to the invention, furthermore, in a method of the type mentioned at the outset, the valve is closed.
Measurement of the elastic deformation of the gas exchange valve connected to the combustion chamber
By the above, the above-mentioned subject is achieved.
Thus, the objects sought to be achieved by the present invention are completely achieved.
If the end face of the gas exchange valve is configured as an elastically deformable part,
Gas exchange valves can be used to detect the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine,
Therefore, the combustion operation can be controlled. Therefore, in contrast to conventional devices, slightly
Pressure measurement can be performed with the modified gas exchange valve itself.
There is no need to modify the cylinder or cylinder head.
As a result, spark plugs that have also attempted to incorporate pressure sensors
In contrast, the actual function of the gas exchange valve itself does not change. At the same time, clans
If the angle of the shaft is also included in the measurement, during the compression and combustion phases
Can measure pressure. Having an elastically deformable disk or disk part on the end face
In the gas exchange valve according to the present invention, at least a part of the disk portion is
Preferably, it is configured as a flam.
The advantage of this measure is that a relatively high measurement effect can be obtained.
You. Therefore, the mechanically stable diaphragm maximizes the operating pressure in the combustion chamber.
In case 01-0. It is entirely possible to obtain displacements of the order of 1 mm.
Furthermore, connect the disk component to the valve stem, and use the valve stem itself as a displacement sensor.
Connection is particularly preferred.
The advantage of this ingenuity is that the valve stem, a structural element that
From the combustion chamber, through which a measuring device without high thermal sensitivity can be provided.
The measurable displacement is transmitted to a position at a fixed distance.
For example, connect the end of the valve stem opposite the disc component to this displacement sensor
it can. In another use case, a valve, opposite the disk component, is placed on the spring plate.
It is possible to support the end of the bus stem and connect the spring plate to the displacement sensor.
It is more appropriate. Pressure measurement in the valve actuating means, i.e. further from said measuring point
Pressure measurement is possible even at a position apart.
The advantage of these devices is that they can be optimally connected to the displacement sensor depending on the installation conditions.
That is to say.
In the embodiment of the present invention, the disc component is attached to the combustion chamber in the installed state.
A heat shield known per se is provided. In this case, the heat shield is made of heat-resistant material
,
In particular, it is preferred to be made of a ceramic material, and preferably a plate
It is composed.
In a variant of this embodiment, the plate is preferably formed by flanging.
Fastened securely to the edge of the disk component. This flange processing is performed at a high temperature (about 500 ° C).
) Is preferably performed.
The advantage of this device is that large quantities can be manufactured continuously and easily. For example, 5
The advantage of flanging at 00 ° C is due to the different expansion coefficients.
Loosening and thus expansion at the operating temperature can be avoided.
However, as another variant, the plate may be fastened to the center of the disc component.
it can.
The advantage of this is that the plate can be easily changed, especially under the influence of changing temperatures.
It can be shaped.
The plate may be fastened to the disc component at the same time, preferably by bolts.
No. This bolt is in particular welded to the disk part.
Then, in order to protect the bolts from the heat generated by the combustion chamber, another construction of the invention
May be designed to cover the end face of the bolt with another heat shield.
Another heat shield also preferably consists of a ceramic plate, bolts
The heat shield can be retained in front of the bolt by a flanged part
You.
In another embodiment of the present invention, the disk component is located in front of the disk component.
The heat shield is held at a predetermined distance from the heat shield. In this case, fix the heat shield
, Or may be held so that axial play occurs. The latter plays in the axial direction
When holding the first heat shield elastically against the disk component,
It is appropriate to have.
The advantages of these refinements include the fact that they are particularly configured as ceramic plates.
The heat shield in the example has a high temperature change without generating high mechanical stress even at high temperature.
Even when it occurs, it is possible to expand and contract.
Disconnect the metal diversion funnel that is not connected to the stem
It may be provided on the back of the hook. This diversion funnel located on the back of the valve disc
Can also be configured as a ceramic part, resulting in significantly higher heat load carrying capacity
Is obtained. This is especially true when hot burned fuel gas is flowing along the back of the valve.
This also applies to exhaust valves that flow and generate significant heat loads.
Thinner wall compared to previously known metal shunt funnels
And therefore a lower mass, somewhat better thermal insulation and
There are considerable advantages in that the mass of the valve is reduced.
The ceramic shunt funnel is connected to the shunt funnel, valve stem and
It may be configured such that a cavity is formed between it and the work piece. Such a mechanic
The advantage of her husband is that he can significantly reduce the weight (dynamic mass)
.
In another embodiment of the present invention, the ceramic shunt funnel is a separate inner shunt fan.
The inner shunt funnel surrounds the
Preferably, it is surrounded by a branch funnel. The inner shunt funnel
Preferably, it is made of metal, especially aluminum.
The advantage of this is that the back of the valve disc and the valve stem
, Protected by the double structure of the diverting funnel,
Good shunting and further improvement of the heat shield function can be mentioned.
If the inner diversion funnel is made of aluminum, the weight will increase significantly.
Not only. However, the aluminum funnel is not
Since it is already mainly protected in terms of heat by the channel, the aluminum
The channel also has long-term durability. Split funnel and valve stem
Filled with powder with high thermal conductivity, for example magnesium oxide powder
Is also good.
The pressure measurement method described first measures the pressure and displaces the displacement for a new valve.
Calibrate the sensor. In this case, the pressure of other new valves is also measured, for example,
Find the average value.
Other advantages will become apparent from the following description and accompanying drawings.
Without departing from the scope of the invention, not only the combinations specified in each example,
Described above in another combination, or one of them.
It goes without saying that the features described below and the features described below can be utilized.
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a part of a first embodiment of a gas exchange valve according to the invention in a seated state.
FIG.
FIG. 2 shows a view similar to FIG.
It is.
FIG. 3 is an enlarged view showing details of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing a modification of FIG. 3.
FIG. 5 is a view similar to FIGS. 1 and 2 of another embodiment of the gas exchange valve according to the invention.
FIG.
In FIG. 1, reference numeral 10 is used, for example, in a four-cylinder gasoline engine.
1 shows an entire gas exchange valve. This gas exchange valve 10 is basically a syringe.
The cylinder head is provided on the cylinder head 11 and has a gas
An object 12 is provided. In the case of an exhaust valve, the burned fuel gas is indicated by arrow 13
As shown by, it flows out through this gas duct 12. For the intake valve, a new
The gas flow direction is opposite to that described above.
The gas exchange valve 10 has, in the direction of its longitudinal axis 14, an internal combustion engine.
Of the combustion chamber 15. The gas exchange valve 10 has a valve disc at its front end.
And has a valve stem 17 at its rear end. Valve stem 17
Is guided into the cylinder head 11 via a guide bush 18.
A spring plate 21 is fastened to the upper end 20 of the valve stem 17.
You. The spring plate 21 supports a helical spring 22.
The other end of the spiral spring 22 is supported on the surface 23 of the cylinder head 11.
You. Therefore, in the state shown in FIG. 1, the gas exchange valve 10
Stress is applied.
Work showing a valve drive with camshaft, bucket packet, etc.
Actuator 24 acts on both ends 20 of valve stem 17 as indicated by arrow 25.
You. During the gas exchange cycle, the gas exchange valve 10 is shown by the dashed line at the bottom of FIG.
As such, the actuator 24 moves down along the axis 14 against the force of the spring 22.
Displaced toward The valve stroke (not a true measure) is indicated here by h
Have been.
From such an open position of the gas exchange valve 10, the valve is reset by the spring 22.
Due to the return force, it returns to the upper closed position shown in FIG. In this closed position, the
The conical valve seat surface 28 on the rear circumference of the lube disc 16 is
Sit on opposing surfaces 29 of the corresponding shape. Thus, the gas duct 12 burns
Closed to chamber 15.
The valve stem 17 basically consists of a tube 35,
The interior 36 is made of, for example, metallic sodium which becomes liquid at the operating temperature of the gas exchange valve 10.
Is partially satisfied by
During the evacuation phase of the gas exchange valve 10, the valve stem 17 is kept from hot fuel gas.
For protection, a shunt funnel 40 is provided. This split flow funnel 40
Is made of an aluminum sheet, and its upper end 42 is
BU35.
The enlarged front end 43 of the diversion funnel 40 is
It is connected to the edge 46 of the disk component 47. This part is designated by reference numeral 44.
Has become Lange.
At least the inner region of the disk component 47 is configured as a diaphragm 48.
The rear part 49 of the tube 35 is flush with the center of the diaphragm 48.
Abuts against and is welded to the corresponding receiving member of the diaphragm 48
.
In front of the diaphragm 48, a thermal ceramic configured as a thin ceramic plate
A shield 50 is provided. This heat shield 50 is
A circumferential portion of the heat shield 50 is denoted by reference numeral 52.
As shown, it has a flange shape with the edge 46 of the disk component 47. Ba
A bead may be provided on the lube disk and also on the branch funnel.
As indicated by arrow 53, the pressure in combustion chamber 15 acts on heat shield 50,
When acting on the diaphragm 48, the tube 35 is displaced upward in FIG.
Let me do. The free end 20 of the tube 35 or valve stem 17 is a displacement sensor
55 are connected to a tracer 54, the connection of which is indicated by reference numeral 56.
ing.
For example, due to the maximum pressure in the combustion chamber, 01 mm heat shield 40
, And if the deflection of diaphragm 58 is caused, this deflection is directly
The signal is transmitted to the displacement sensor 55 and can be detected as an electric signal by the connection means 56. Gas exchange
The actual function of the switching valve 10 is not affected by this measurement.
As described above, in the case of the intake valve, during the intake phase, in the direction opposite to the direction of arrow 13
The low temperature unburned gas flows through the gas duct 12. In this case, the unburned gas
, And flows around the branch funnel 40. Split funnels have relatively high thermal conductivity
Tube 35 and valve disc
Protected with 45. Further, the shape of the branch funnel 40 is preferable.
As a result, the gas is transported aerodynamically, so it is caused by the formation of eddies, etc.
Losses can be minimized.
As described above, the branch funnel 40 is manufactured as a thin sheet metal part.
Therefore, there is a considerable distance between the funnel 40 and the tube 35 of the valve stem 17.
A cavity of a size is formed. Therefore, the gas exchange valve 10 shown in FIG.
Is a lightweight part and has a low mass, so the driving force for gas exchange is small.
It will be. The inside of the funnel 40 or the tube 35 is made of magnesium powder.
May be filled.
In the modification shown in FIG. 2, the same components are denoted by the same reference numerals, and the same components are denoted by the same reference numerals.
Articles have the suffix a added to the code.
In this modification, a heat shield 50a is arranged on the lower surface 58 of the disk component 47a.
Have been. As shown by reference numeral 51a ', this heat shield 50a
It may project completely laterally beyond the product 47a.
The heat shield 50a is attached to the disk component 47a by the center fastening bolt 60.
The details of the fastening bolts are shown in FIGS. 3 and 4 in two variants.
ing.
As can be seen from the enlarged details shown in FIG.
It has three portions 61, 62, 63 of decreasing diameter outward. Fastening bolt
The tilt 60 is arranged at the center of the diaphragm 48 by the first portion 61,
The second portion 62 of the tie bolt 60 is connected to the heat shield 50a,
The plate is guided without fixing the plate in the axial direction. Follow
Therefore, there is an axial play between the heat shield 50a and the first portion 61 of the fastening bolt 60.
And the spring 71 applies the heat shield 50 to the disk component 48.
Elastically reinforced.
The third portion 63 of the fastening bolt 60 holds the heat shield 50a in the axial direction from outside.
are doing. For this purpose, as indicated by reference numeral 68, the periphery of the third portion 63
The fastening washer 69 is welded.
In the preferred embodiment of FIG. 4, the ceramic plate or valve disc is
Or conical shape, the two parts are prestressed only on the outside
Contact each other without. Fastening parts 62 and 63 generate prestress here
When such pre-stress occurs, the two parts are
Pressed against each other, the two parts generally overlap each other. Next, welding 68
Execute The flange shown in FIG. 1 may be omitted.
Cylinder pressure is transmitted to the valve disc by a ceramic plate.
You.
In the embodiment shown in FIG. 5, the cylinder head 77 is again shown in the gas duct 78.
When the gas duct 78 operates as an exhaust duct, as indicated by an arrow 79,
Fuel gas flows out.
The gas exchange valve, generally designated by the reference numeral 80, has a valve disc 81 and a valve.
Bus stem 82. The valve disc 81 faces the combustion chamber 83
. This valve disc has a disc part 84, the edge of which
Is indicated by reference numeral 85. This edge 85 has a heat shield 86 (also a ceramic
(Preferably a plate made of Mick). This heat shield 86
Is preferably provided by a center fastening bolt 87, preferably by the technique shown in FIG. 3 or FIG.
And is fastened to the disk component 84. However, using the flange shown in FIG.
May be used.
To compensate for the axial play of the heat shield 86, for example,
A cup-shaped spring may be arranged between the disc component 84 and the disc component 84.
The valve stem 82 comprises a tube 92, which is an inner tube.
The inner tube may surround the inner space 94 and then the inner tube. H
The tube 93 may be, for example, an aluminum tube. The internal space 94 is already
As mentioned, it may be filled with metallic sodium or magnesium.
Preferably, the lower end of the tube 92 is tapered to be conical
, This tube is placed in the counter-conical receiving member of the diaphragm 90, at 9
1 are welded.
First section, preferably made of aluminum sheet, tapered at its upper end
A flow funnel 95 surrounds the tube 92. This first branch funnel 95
The enlarged lower end is fastened to the disk component 84. Said split funnel
Cools the valve disc 81 more effectively and spreads the heat from this disc.
Work like that.
In this embodiment, an outer second diversion funnel 96 made of a ceramic material is further provided.
Have been killed. The second diversion funnel 96, which is tapered at the upper end,
A lube stem 82 surrounds the tube 92 in the illustrated embodiment. this
The enlarged end of the second diversion funnel 96 has a flange
It is connected to the edge 85 of the disk component 84 by edge machining.
Since the second branch funnel 96 has only a small wall thickness,
And a tube 92 or a disk component 98, in particular,
Between the side diaphragm 90, an internal space 98 is formed.
As a result, the gas exchange valve shown in FIG.
Has excellent heat resistance in the rear area of the valve disc 81.
.
Also in the embodiment shown in FIG.
However, the shape is such that it is not affected as much as possible. Unlike this, two
May be omitted.