JP2002242622A

JP2002242622A - 回転式弁装置及びエンジン

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Publication number: JP2002242622A
Application number: JP2001039664A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Iwasaki; 利行岩崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】４サイクルエンジンの弁装置について、小型
化、軽量化、燃料消費量の削減、機械的損失の軽減、振
動や騒音の軽減を行なう。【解決手段】シリンダーに連通する弁室を設け、これに
弁体を設けて回転させ、弁室に設けた通気穴と弁体に設
けた貫通穴を連通させて弁を開き、貫通穴あるいは弁室
のシリンダーとの連通口を閉じることにより弁を閉じる
回転式弁装置。これを具備したエンジン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストン装置に設けら
れる装置である弁体を回転させて吸排気を行なう回転式
弁装置及びこれを具備するエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車分野、オートバイ、機関車、船
舶、航空機等には４サイクルエンジンが使用されてい
る。従来使用されている４サイクルエンジンに設けられ
ている弁装置は、図１に示すように、シリンダー１のヘ
ッドにこれに連通する吸気管部２及び排気管部２’をそ
れぞれ設け、それぞれの先端に開閉弁３、３’を開閉自
在に設け、開閉弁３、３’をそれぞれに連結したロッド
４、４’によりその先端に設けたスプリングを介してカ
ム５、５’により作動させて開閉させるものである。カ
ム５、５’はピストン６のピストンロッドに連結したク
ランクシャフトの回転をベルトあるいは歯車を用いて回
転させ、ピストン６の往復動と連動させる。この弁装置
を作動させるときは、開閉弁３’は閉じたままで、開閉
弁３を開いて例えばガソリンと空気の混合気体を吸気し
てピストン６を下降させ、その後開閉弁３を閉じてピス
トン６を上昇させてこの混合気体を圧縮させ、ついでこ
の圧縮混合気体に上記シリンダー１の内部に臨ませて設
けた点火プラグ７により点火して爆発させ、これにより
ピストン６を下降させて駆動力を得る。ついでピストン
６が上昇する過程で開閉弁３を閉じたまま開閉弁３’を
開いて排気する。そして排気し終わったとき、すなわち
ピストン６が上死点に達した後に当初の吸気状態になる
ように開閉弁３、３’は開閉され、以下同様のことが繰
り返される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１の弁装置では、開
閉弁３、３’を開閉するにはロッド、スプリング及びカ
ムが設けられていて、部品点数が多く、その作動に伴う
機械的損失があること、これら部品からなる弁機構本体
の重量が大きくなるので、その往復運動に伴う振動や騒
音の発生も避けがたいこと、また、これら部品とともに
これらを支持したり覆ったりするための付属部品７等も
必要になって弁装置全体の重量が大きくなり、これを支
持するためにはシリンダーヘッドも大きくかつ重量物に
しなければならないこと、さらには開閉弁３、３’では
シリンダー内の気密性を維持することも十分とはいえ
ず、それだけ出力が軽減され、燃料消費にともなうコス
トが嵩むこと等の問題がある。本発明の第１の目的は、
エンジンを小型、軽量化することにある。本発明の第２
の目的は、弁の作動に伴う機械的損失を少なくすること
にある。本発明の第３の目的は、燃料消費量を削減する
ことにある。本発明の第４の目的は、弁の開閉に伴う振
動や騒音を軽減することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）、ピストン装置のシリンダーのヘ
ッド側の密閉した部分に設けられた開口部に連通して外
部とは気密に設けられかつ通気穴を有する弁室と、該弁
室に嵌合して設けられかつ貫通穴を有する回転体の弁体
と、該弁体を回転させる駆動源と、該駆動源の駆動を制
御する制御装置を有し、該制御装置は該駆動源を制御し
て上記ピストン装置のピストンの往復動における吸気工
程及び排気工程に同期して上記貫通穴、上記通気穴及び
上記シリンダーを連通させて上記シリンダー内の吸排気
を可能としそれ以外は上記通気穴及び上記シリンダーの
開口部の少なくとも一方を閉塞するように上記弁体を回
転させる回転式弁装置を提供するものである。また、本
発明は、（２）、吸気工程、圧縮工程、爆発工程及び排
気工程を繰り返し行なう４サイクルエンジンのピストン
装置のシリンダーのヘッド側の密閉した部分に設けられ
た２つの開口部のそれぞれに連通して外部とは気密に設
けられかつ通気穴を有する吸気側弁室及び排気側弁室
と、該吸気側弁室及び排気側弁室のそれぞれに嵌合して
設けられかつ貫通穴を有する回転体の吸気側弁体及び排
気側弁体と、該それぞれの弁体を回転させる駆動源と、
該駆動源の駆動を制御する制御装置を有し、該制御装置
は該駆動源を制御して上記ピストン装置のピストンの往
復動における上記吸気工程では上記吸気側弁室の通気
穴、上記吸気側弁体の貫通穴及び上記シリンダーを連通
させて上記シリンダー内の吸気を行ない、上記排気工程
では上記排気側弁室の通気穴、上記排気側弁体の貫通穴
及び上記シリンダーを連通させて上記シリンダー内の排
気を行ない、上記圧縮工程及び爆発工程では上記吸気側
弁室の通気穴及び該吸気側弁室側の上記シリンダーの開
口部の少なくとも一方を閉塞するとともに、上記排気側
弁室の通気穴及び該排気側弁室側の上記シリンダーの開
口部の少なくとも一方を閉塞するように上記吸気側弁体
及び排気側弁体を回転させる回転式弁装置、（３）、弁
室に複数のローラベアリングを設け、弁体を該ローラベ
アリングを介して回転させる上記（１）又は（２）の回
転式弁装置、（４）、上記（１）ないし（３）のいずれ
かの回転式弁装置を有するエンジンを提供するものであ
る。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の回転式弁装置及びこれを
具備するエンジンの実施の形態は、詳細は以下に述べる
実施例により説明するが、その実施例のみならずその類
似の範囲も含む。

【０００６】

【実施例】本発明の実施例を図２〜７に基づいて説明す
る。図２〜４に示すように、ピストン１１を内装したシ
リンダー１２のヘッドの開口部に、断面円形の細長空洞
で下面を長さ方向に沿って開口し、その開口部を上記シ
リンダー１２の開口部に一致させるとともに、両端部を
壁部で閉塞した弁室１３、１４をそれぞれシリンダー１
２に連通させて設け、その中間に点火プラグ１２ａを配
設する。この状態でシリンダー１２のヘッドの開口部は
弁室１３、１４の開口部を除いて密閉され、弁室１３、
１４は外部とは気密に設けられている。弁室１３、１４
にはその長さ方向に通気穴１３ａ、１４ａをＶ字型の対
称に形成し、通気穴１３ａ、弁室１３の空洞部及びシリ
ンダー１２、通気穴１４ａ、弁室１４の空洞部及びシリ
ンダー１２をそれぞれ連通させる。１５、１６は耐熱処
理を施した金属等からなる耐熱性の円柱体の両端面に軸
部を設けるとともに、その円柱体の長さ方向に沿って直
径方向に貫通する細長の貫通穴１５ａ、１６ａを形成し
た回転体の弁体である（貫通穴の周囲は中空でもよ
い）。弁体１５、１６は上記弁室１３、１４にそれぞれ
嵌合され、それぞれの両端の軸部は上記弁室１３、１４
のそれぞれの両端壁部に軸支され、それぞれの一方及び
他方の軸部はその壁部を貫通して突出され、その先端は
それぞれ電動モータ１７、１８とベルト等の伝動機構
（図７に示すように、シャフトの両端の歯とこれに噛み
合う２つの歯車からなる歯車伝動機構を用いてもよい）
を介して連結され、弁体１５、１６は回転可能に設けら
れている。図４に示すように、弁室１３には空洞側を開
口したベアリング挿入孔がほぼ等間隔に４箇所に設けら
れ、これらにローラーベアリング２０、２０・・が抜け
防止されて挿入され、それぞれのベアリング挿入孔の開
口部より突出したローラーベアリング２０、２０・・と
接触して上記弁体１３は回転することにより、気密性を
維持し、摩擦を軽減して温度上昇による焼付けを防止で
きる。図示省略したが、弁室１４にも同様なベアリング
挿入孔が設けられてこれにローラーベアリングが挿入さ
れ、弁体１３の場合と同様に弁体１４の回転の際の気密
性を維持し、摩擦を軽減して温度上昇による焼付けを防
止できる。なお、弁体１５、１６の両端面をこれに相対
する弁室の壁面に設けた上記ローラーベーリングの場合
と同様に開口した挿入孔に挿入したリング（底部に弾性
材を介してもよい）に接触させて回転時の気密性を維持
し、摩擦を軽減するようにしてもよい。そのリングの代
わりに環状突条でもよい。

【０００７】このような構造において、弁体１５の回転
により貫通穴１５ａが弁室１３の通気穴１３ａと一致し
たときに、通気穴１３ａ、貫通穴１５ａ及びシリンダー
１２が連通されて、いわゆる弁が開いた状態となり、図
４の一点鎖線で示したように例えばガソリンと空気の混
合気体を外部からシリンダー１２に吸入することができ
る。また、弁体１５の回転によりシリンダー１２の開口
部と一致する弁室１３の開口部及び通気穴１３ａの少な
くともいずれか一方が閉じられたときに、いわゆる弁が
閉じられた状態となる。このようにして弁体１５の回転
により弁の開閉をすることができる。これと同様に、弁
体１６の回転により貫通穴１６ａが弁室１４の通気穴１
４ａと一致したとき、弁が開いた状態となり、シリンダ
ー１２内の気体を排出することができ、また、弁体１５
の回転により弁室１３の開口部及び通気穴１４ａの少な
くともいずれか一方が閉じられたときに、弁が閉じた状
態となり、弁体１６の回転により弁の開閉をすることが
できる。

【０００８】上記弁体１５、１６を作動させて弁を開閉
するときは、図５の４サイクルエンジンの模式図（弁体
の貫通穴は弁室の通気穴と同じ幅にし、通気穴は上部に
延長して設けた例）に示すように、吸気、圧縮、爆発及
び排気の工程を繰り返す中で、（イ）「吸気」では弁体
１３を図示位置で開き（通気穴１３ａと貫通穴１５ａが
一致し、これらとシリンダー１２が連通されること、以
下これと同様又はこれに準じる）、弁体１４を図示位置
で閉じ（弁体１６により、弁室１４のシリンダー１２の
開口部に一致させた開口部及び通気穴１４ａの少なくと
も一方が閉じられること、以下これと同様又はこれに準
じる）、この状態で例えばガソリンと空気の混合気体を
外部からシリンダー１２に吸入し、（ロ）弁体１３、１
４の位置はそのままで、それを継続する（図５の（ロ）
以降の図には符号は省略）。ついで（ハ）「圧縮」では
弁体１３を回転させ、弁体１４はそのままにして図示位
置で共に閉じ、（ニ）「爆発」では、その状態でピスト
ンが上死点に達したとき点火プラグ１２ａを点火して圧
縮した混合気体に点火し、（ホ）弁体１３、１４はその
ままの状態にして、その混合気体の燃焼による気体の膨
張によりピストンを下降させ、（ヘ）これを継続しなが
らピストンを下死点まで下降させ、その間弁体１３はそ
のままで、弁体１４は貫通穴が通気穴に近づくように回
転させ、（ト）「排気」では、弁体１３はそのままで、
弁体１４は開き、これにより燃焼により発生したガスを
排出する。この後、ピストンが上死点に達したとき弁体
１３、１４を回転させて弁体１４を閉じ、ピストンが下
降するときに弁体１３を開き、上記（イ）の状態に戻
し、以下同様のことを繰り返す。

【０００９】上記の工程を繰り返すには、図６に示すよ
うに、ピストン１１の位置が上記（イ）〜（ト）で示し
たどの位置であるかを適宜手段（ピストンロッドの移動
を抵抗値の変化等に対応する電気信号に変換したり、光
学センサーによる検知等）で検知したピストンの位置検
知信号２１を制御装置本体２２に送出すると、制御装置
本体２２はその信号を解読してこれに基づく処理をし
て、その信号が示すピストン１１の位置に対応して弁体
１３、１４を上記（イ）〜（ト）で示した各位置に回転
させるように電動モータ１７、１８を作動させあるいは
停止し、弁体１３、１４による弁の開閉を行なう。な
お、上記（イ）〜（ト）において弁体１３、１４の位置
決めを正確に行なうために、弁体１３、１４のそれぞれ
の位置を例えばそれぞれの軸の回転量により検知し、そ
の信号に基づいて制御装置本体２２により電動モータ１
７、１８を作動させて微調整するようにしてもよい。制
御装置本体に検知システムを含めて制御装置とすること
ができる。このように、上記（イ）〜（ト）における吸
気、圧縮、爆発及び排気の各工程と関連付け、ピストン
の位置に連動して弁の開閉を行なったが、これをマイコ
ンを用いて行なうことができる。既に、図１に示す弁装
置では、これに類似することが行われているので、これ
に準じてマイコンを利用して上記（イ）〜（ト）を含む
上記の工程を行なうことも好ましい。制御装置にはこの
場合も含めることができる。

【００１０】本発明は、４サイクルエンジンの弁装置の
みならず、シリンダー内のピストンの往復動により吸排
気を行うピストン装置にはその種類、用途を問わず用い
ることができ、その際、単独の弁室及び弁体を設けて吸
排気を行うものでもよく、吸気と排気を別々の弁室及び
弁体で行うものでもよい。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、弁室に弁体を設け、こ
の弁体の回転により弁の開閉を行なうことができるの
で、部品数も少なく構造が簡素であり、嵩張らないよう
にでき、そのためシリンダーに支持させる負担もかから
ず、これによりシリンダーとともに小型化、軽量化する
ことができることにより、エンジンを小型化、軽量化す
ることができ、製造費用も安くできる。また、弁体の作
動も単なる回転運動でよいので円滑であり、振動や騒音
も生じ難く、その動作に伴う機械的損失も少なくするこ
とができ、長時間の繰り返し使用にも故障を少なくする
ことができる。さらにローラーベアリングを使用するこ
とにより摩擦を軽減してその機械的損失を軽減すること
ができるとともに、気密性も確保し、シリンダー内の気
体の漏れを防止してピストンを効率的に作動させること
ができ、燃料消費量を削減して燃料費用を節約すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の４サイクルエンジンの弁装置の説明図で
ある。

【図２】本発明の一実施例の装置の一部縦断面図であ
る。

【図３】その上面図である。

【図４】その一部の部分断面を有する分解斜視図であ
る。

【図５】その実施例のエンジンの作動を模式図で示した
説明図である。

【図６】その作動の制御説明図である。

【図７】本発明の他の実施例の装置の一部の説明図であ
る。

【符号の簡単な説明】

１１ピストン１２シリンダー１３、１４弁室１３ａ、１４ａ通気穴１５、１６弁体１５ａ、１６ａ貫通穴１７、１８電動モータ２２制御装置本体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストン装置のシリンダーのヘッド側の
密閉した部分に設けられた開口部に連通して外部とは気
密に設けられかつ通気穴を有する弁室と、該弁室に嵌合
して設けられかつ貫通穴を有する回転体の弁体と、該弁
体を回転させる駆動源と、該駆動源の駆動を制御する制
御装置を有し、該制御装置は該駆動源を制御して上記ピ
ストン装置のピストンの往復動における吸気工程及び排
気工程に同期して上記貫通穴、上記通気穴及び上記シリ
ンダーを連通させて上記シリンダー内の吸排気を可能と
しそれ以外は上記通気穴及び上記シリンダーの開口部の
少なくとも一方を閉塞するように上記弁体を回転させる
回転式弁装置。
【請求項２】吸気工程、圧縮工程、爆発工程及び排気
工程を繰り返し行なう４サイクルエンジンのピストン装
置のシリンダーのヘッド側の密閉した部分に設けられた
２つの開口部のそれぞれに連通して外部とは気密に設け
られかつ通気穴を有する吸気側弁室及び排気側弁室と、
該吸気側弁室及び排気側弁室のそれぞれに嵌合して設け
られかつ貫通穴を有する回転体の吸気側弁体及び排気側
弁体と、該それぞれの弁体を回転させる駆動源と、該駆
動源の駆動を制御する制御装置を有し、該制御装置は該
駆動源を制御して上記ピストン装置のピストンの往復動
における上記吸気工程では上記吸気側弁室の通気穴、上
記吸気側弁体の貫通穴及び上記シリンダーを連通させて
上記シリンダー内の吸気を行ない、上記排気工程では上
記排気側弁室の通気穴、上記排気側弁体の貫通穴及び上
記シリンダーを連通させて上記シリンダー内の排気を行
ない、上記圧縮工程及び爆発工程では上記吸気側弁室の
通気穴及び該吸気側弁室側の上記シリンダーの開口部の
少なくとも一方を閉塞するとともに、上記排気側弁室の
通気穴及び該排気側弁室側の上記シリンダーの開口部の
少なくとも一方を閉塞するように上記吸気側弁体及び排
気側弁体を回転させる回転式弁装置。
【請求項３】弁室に複数のローラベアリングを設け、
弁体を該ローラベアリングを介して回転させる請求項１
又は２に記載の回転式弁装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかの回転式弁
装置を有するエンジン。