JP2006291806A - 弁装置および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量で、振動および騒音が少なく、良好な燃焼特性が得られ、確実な作動が得られる弁装置および内燃機関を提供すること。
【解決手段】本発明の弁装置１０は、球面状の凹面で囲まれた弁体収納空間２９ａと、弁体収納空間２９ａに連通する吸気ガス流路２７とを有するシリンダーヘッド２３と、弁体収納空間２９ａ内で回転可能に設置され、貫通孔１３を有する略球形の弁体１１とを備え、弁体１１の回転軸１２が吸気ガス流路２７に略平行になっており、弁体１１が回転することにより、吸気ガス流路２７と内燃機関２０の燃焼室２５とが貫通孔１３を介して連通する開弁状態と、貫通孔１３の一端または両端が弁体収納空間２９ａを形成するシリンダーヘッド２３の内壁によって塞がれて吸気ガス流路２７と燃焼室２５とが遮断される閉弁状態とに切り替わる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弁装置および内燃機関に関する。

通常、内燃機関は、燃焼室を下面に有するシリンダーヘッドと、該燃焼室に対向しつつ往復運動を繰り返すピストンを格納するシリンダーブロックとを備える。また、シリンダーヘッドは、その外部より未燃焼ガスを上記燃焼室に導入するガス流路としての吸気用のポートと、燃焼室の燃焼済みガスを外部へ排気するガス流路としての排気用のポートを備え、吸気ガス流路および排気ガス流路の燃焼室における開口部に、該開口部を開閉する傘状（茸状）のバルブを備える。

バルブは、その傘部の周縁が開口部に配された着座部としてのバルブシートと接触することによって上記開口部を閉鎖（閉弁）し、また、傘部が着座部から離間し、燃焼室内に突出することによって上記開口部を開放（開弁）する。このバルブの開弁・閉弁動作は、例えば、カムシャフトやバルブスプリングからなる動弁駆動系、例えば、ＯＨＶ（Over Head Valve）、ＯＨＣ（Over Head Camshaft）またはＤＯＨＣ（Double Over Head Camshaft）システムによって実現される。

近年、燃費改善や排気改善の観点から、効率のよい燃焼を実現するために、開弁・閉弁のタイミングや傘部のバルブシートからの離間量（リフト量）を任意に変更可能な動弁駆動系が開発されている。

ところが、このような動弁駆動系は、例えば、リフト量を変更させるためにレバー比が変化するロッカーアーム、開弁・閉弁タイミングを変化させるために回転位相が変化するカムシャフトなど、構造が複雑な構成要素を備える必要があり、また、これらを駆動するために作動油の油通路を設ける必要があるため、全体としても構造が複雑になり、コストの上昇を招くとともに、内燃機関の大型化を招いていた。

そこで、最近、球形であって、該球形の重心を貫通する貫通孔を有し、かつ吸気・排気ガス流路内で回転するバルブボールと、該バルブボールを電磁力によって回転させる回転制御機構とを備える内燃機関が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

この内燃機関におけるバルブボールは回転軸と略（ほぼ）直交する貫通孔を有しており、バルブボールの回転中に貫通孔とポートを連通させるために、回転軸はポートと直交するように設定される。また、バルブボールの直径はポートの断面径よりも大きく設定されて該バルブボールとポートとの隙間を無くすとともに、バルブボールにおけるポートの断面径より外側に対応する部分は、シリンダーヘッドに形成された球面状の凹穴（ハウジング）に遊合する。ここで、バルブボールとシリンダーヘッドにおけるハウジングとの微少な隙間を介して燃焼室のガスが外部へ漏れるのを防止するため、バルブボールの表面に環状のガスシール、例えばスチール製のメタルシールなどが配される。また、バルブボールとハウジングの隙間には、バルブボールの円滑な回転を実現するために潤滑油が供給・充填される。

しかしながら、上記バルブボールはポートと直交する回転軸を中心に回転するため、バルブボールの回転中に、該バルブボールの表面の大部分はポートに露出し、その結果、バルブボールの表面に配されたメタルシールは少なくとも一部がポートに露出する。このとき、メタルシールがバルブボールとハウジングとの隙間の潤滑油をポートへ掻き出し、該掻き出された潤滑油は燃焼室に流れ込み、燃焼特性を悪化させるという問題がある。また、メタルシールがポートに露出したときには、そのシール機能が生じないため、シールが確実に行われないという問題もある。

また、特許文献１のようにバルブボールを電磁力によって回転させる方法では、伝達される回転力のロスが大きく、回転のタイムラグが生じる。その結果、作動の確実性が低く、正確かつ確実なバルブタイミングが得にくいという問題がある。

このようなことから、上記従来のバルブでは、内燃機関に十分な出力が得られず、回転の安定性にも欠けるという欠点がある。

米国特許第５５７９７３２号明細書

本発明の目的は、小型、軽量で、振動および騒音が少なく、良好な燃焼特性が得られ、確実な作動が得られる弁装置および内燃機関を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（１９）の本発明により達成される。
（１） 内燃機関の燃焼室に隣接して設けられる弁装置であって、
球面状の凹面で囲まれた弁体収納空間と、該弁体収納空間に連通するガス流路とを有するハウジングと、
前記弁体収納空間内で回転可能に設置され、貫通孔を有する略球形の弁体とを備え、
前記弁体の回転軸が前記ガス流路に略平行になっており、
前記弁体が回転することにより、前記ガス流路と前記燃焼室とが前記貫通孔を介して連通する開弁状態と、前記貫通孔の一端または両端が前記ハウジングの内壁によって塞がれて前記ガス流路と前記燃焼室とが遮断される閉弁状態とに切り替わることを特徴とする弁装置。

（２） 内燃機関の燃焼室に隣接して設けられる弁装置であって、
球面状の凹面で囲まれた弁体収納空間と、該弁体収納空間に連通するガス流路とを有するハウジングと、
前記弁体収納空間内で回転可能に設置され、貫通孔を有する略球形の弁体とを備え、
前記弁体を回転させるための円環状のギアが前記弁体に設けられており、
前記弁体が回転することにより、前記ガス流路と前記燃焼室とが前記貫通孔を介して連通する開弁状態と、前記貫通孔の一端または両端が前記ハウジングの内壁によって塞がれて前記ガス流路と前記燃焼室とが遮断される閉弁状態とに切り替わることを特徴とする弁装置。

（３） 前記弁体の回転軸が前記ガス流路に略平行になっている上記（２）に記載の弁装置。

（４） 前記ギアは、ウォームホイールであり、
前記ウォームホイールと噛合うウォームをさらに備える上記（２）または（３）に記載の弁装置。

（５） 前記ギアは、前記弁体の表面より突出し、
前記ギアの側面に当接し、前記弁体を回転可能に支持する円環状の弁体支持部材をさらに備える上記（２）ないし（４）のいずれかに記載の弁装置。

（６） 前記弁体支持部材は、前記ギアを挟んで前記ギアの両側に設けられている上記（５）に記載の弁装置。

（７） その少なくとも一部が前記ハウジングと前記弁体との間に位置し、流体の漏れを防止するシール手段を有する上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の弁装置。

（８） 前記シール手段は、潤滑油の漏れを防止するオイルシールを含む上記（７）に記載の弁装置。

（９） 前記シール手段は、前記燃焼室内の気体の漏れを防止するガスシールを含む上記（７）または（８）に記載の弁装置。

（１０） 前記シール手段は、前記弁体の回転角度に係わらずそのシール機能を発揮するものである上記（７）ないし（９）のいずれかに記載の弁装置。

（１１） 前記シール手段は、潤滑油の漏れを防止するオイルシールと、燃焼室内の気体の漏れを防止するガスシールとを含み、
前記オイルシールは、前記弁体の回転角度に係わらずそのシール機能を発揮し、
前記ガスシールは、前記弁体の回転に同期してそのシール機能を発揮する上記（７）に記載の弁装置。

（１２） 前記オイルシールおよび／または前記ガスシールに対し、閉弁状態のときにそのシール機能を増大させる手段を有する上記（１１）に記載の弁装置。

（１３） 前記オイルシールは、円環状のシール部材で構成され、前記ギアを挟んで前記ギアの両側に設けられている上記（８）、（１１）または（１２）に記載の弁装置。

（１４） 前記ガスシールは、閉弁状態のときに前記貫通孔の少なくとも一方の端部開口を囲むことができる円環状のシール部材で構成されている上記（９）、（１１）または（１２）に記載の弁装置。

（１５） 前記シール手段の少なくとも一部を前記弁体に押し付けるように付勢する付勢手段を有する上記（７）ないし（１４）のいずれかに記載の弁装置。

（１６） 前記付勢手段による付勢力が弁体の回転に同期して変化する上記（１５）に記載の弁装置。

（１７） 前記付勢手段による付勢力は、開弁状態に比べて閉弁状態のときの方が大きい上記（１５）または（１６）に記載の弁装置。

（１８） 前記燃焼室の圧力を伝達する圧力伝達路を有し、該圧力伝達路を介して前記燃焼室内の圧力を前記シール手段の少なくとも一部へ伝達することにより前記シール手段を前記弁体に押し付け、シール機能を発揮または増大させるように構成されている上記（７）ないし（１７）のいずれかに記載の弁装置。

（１９） 上記（１）ないし（１８）のいずれかに記載の弁装置を排気弁および／または吸気弁として備えることを特徴とする内燃機関。

本発明によれば、小型、軽量で、かつ、振動および騒音の少ない弁装置を提供することができる。

また、弁体の回転軸がガス流路に略平行になっていることにより、弁体が回転しても、弁体とハウジングとの隙間の潤滑油が燃焼室内へ侵入するのを防止することができ、もって燃焼特性の悪化を防止り、良好な燃焼特性が得られる。

また、弁体を回転させるための円環状のギアが弁体の外周部に設けられ、当該ギアにより弁体を回転直接回転させるので、弁体へ伝達する回転力のロスが少なく、回転のタイムラグもほとんどなく、よって、弁体を正確かつ確実に回転させることができ、信頼性の高い作動が得られる。

また、弁体の駆動源の選択等により、バルブタイミングを自由に設定することもでき、設計の自由度や適用する内燃機関の種類、構造等の選択の幅が広く、汎用性に富む。

また、従来の往復運動する傘状（茸状）バルブのように、バルブ自体が燃焼室内に周期的に突出することがないため、燃焼室内にバルブの突出空間を確保する必要がなく、燃焼室のデッドスペースを小さくすることができる。その結果、圧縮率を高くすることができ、燃焼効率の向上を図ることができる。

また、従来の傘状（茸状）バルブのように、バルブを付勢するバルブスプリングを有さないため、サージングによるエンジン回転数の制約がなく、より高回転が可能となる。

以上より、本発明によれば、内燃機関において、アイドリングから高回転に至るまで、あらゆる回転数において安定した回転状態が得られ、また、出力の増大および燃費の向上を図ることができる。

以下、本発明の弁装置および内燃機関の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図３に基づき説明する。

図１は、本発明の弁装置および内燃機関の実施形態を示す断面図、図２は、図１に示す弁装置における弁体を示す斜視図、図３は、図１における吸気側の弁装置周りの拡大断面図である。

図１に示す内燃機関２０は、４サイクル型の内燃機関であり、図中上下方向に関して往復運動を繰り返すピストン２１と、該ピストン２１を収容するシリンダーブロック２２と、該シリンダーブロック２２の図中上端に載置され、シリンダーブロック２２とボルト（図示しない）によって連結されるシリンダーヘッド２３とを備える。

シリンダーヘッド２３の図中左側には、本発明の弁装置１０が吸気弁として設置されており、シリンダーヘッド２３の図中右側には、本発明の弁装置１０が排気弁として設置されている。吸気側の弁装置１０と、排気側の弁装置１０とは、略同様の構成であるので、以下では、一方の弁装置１０についてのみ説明して他方の説明を省略することがある。

シリンダーブロック２２は、アルミやアルミ−マグネシウム合金からなり、円筒状の孔であるシリンダーボア２４にピストン２１を収容し、該シリンダーボア２４の内側側面には鋳鉄製のライナーが配置され、またはニジカルメッキなどが施される。

シリンダーヘッド２３は、図中下方の端面に開口するペントルーフ型の燃焼室２５と、該燃焼室２５に電極部が露出する点火プラグ２６と、燃焼室２５に連通する弁体収納空間２９ａ、２９ｂと、弁体収納空間２９ａ、２９ｂにそれぞれ連通する吸気ガス流路２７および排気ガス流路２８とを有している。

弁体収納空間２９ａ、２９ｂは、球面状の凹面で囲まれた形状をなしている。弁体収納空間２９ａ内には、吸気側の弁装置１０が備える弁体１１が設置されており、弁体収納空間２９ｂ内には、排気側の弁装置１０が備える弁体１１が設置されている。なお、本実施形態では、シリンダーヘッド２３が弁装置１０のハウジングを構成しており、弁装置１０は、内燃機関２０の燃焼室２５に隣接して設けられている。

吸気ガス流路２７および排気ガス流路２８は、それぞれ、ピストン２１の移動方向と略
平行に形成されている。

また、シリンダーヘッド２３には、クランクシャフトの回転力あるいはステッピングモータ等の電気モータの駆動などによって回転するウォーム３０（図１において吸気側のウォームは省略されている。）が設けられている。ウォーム３０は、内燃機関２０の回転数に対応して回転する場合の他、予め設定された所定のシーケンスに基づいて回転する場合が挙げられる。このウォーム３０は、シリンダーヘッド２３に形成されたウォーム収納空間３５に収納されている。

図２に示すように、弁体１１は、略球形をなしており、この弁体１１には、貫通孔１３が形成されている。この弁体１１は、回転軸１２を中心に回転する。弁体１１の表面には、回転軸１２を中心とする円環状をなすウォームホイール（ギア）１４が突出形成されている。

図示の構成では、貫通孔１３は、弁体１１の中心を通っているが、弁体１１の中心を通らない位置に貫通孔１３を形成してもよい。また、貫通孔１３は、図示のような真っ直ぐなものでなくてもよく、湾曲または屈曲した部分を有する孔でもよい。

また、貫通孔１３の内径は、全長にわたり同一でも、途中で変化している部分があってもよい。貫通孔１３の両端の開口部の直径は、同一でも異なっていてもよいが、できるだけ近い値であるのが好ましい。

貫通孔１３は、回転軸１２に対し所定角度傾斜して形成されており、これにより、弁体１１が回転する際、貫通孔１３は弁体１１の中心を中心とする首振り（すりこぎ）運動を行う。従って、弁体１１における貫通孔１３の両端の開口部は、弁体１１の回転に伴ってそれぞれ所定径の円周上を移動（偏心回転）する。

ウォームホイール１４は、その回転面が回転軸１２と直交するように弁体１１の表面に配置（形成）されている。すなわち、ウォームホイール１４の回転軸は、弁体１１の回転軸１２と一致している。また、ウォームホイール１４は、弁体１１と嵌合、溶接または接着によって連結されるか、または、弁体１１と一体的に形成される。

ウォームホイール１４はウォーム３０と噛合い、該ウォーム３０の回転を弁体１１の回転に変換する。弁体１１およびウォームホイール１４は、金属、例えば、鋳鉄、焼結材、アルミなどからなり、切削加工によって成形される。なお、弁体１１への回転力伝達機構は、ウォームホイール１４とウォーム３０に限定されないことは言うまでもなく、その他例えば、互いに噛合するベベルギア等であってもよい。

図１に示すように、吸気側の弁装置１０の弁体１１の回転軸１２は、吸気ガス流路２７と略平行になっている。吸気側の弁装置１０は、弁体１１が回転することにより、吸気ガス流路２７と燃焼室２５とが貫通孔１３を介して連通する開弁状態（図３に示す状態）と、貫通孔１３の両端がシリンダーヘッド２３の弁体収納空間２９ａの内壁によって塞がれて吸気ガス流路２７と燃焼室２５とが遮断される閉弁状態（図１に示す状態）とに切り替わる。

なお、閉弁状態のときに貫通孔１３の一端のみがシリンダーヘッド２３の弁体収納空間２９ａの内壁によって塞がれ、貫通孔１３の他端はその全部または一部が開放している構成であってもよいが、本実施形態のように、閉弁状態のときに貫通孔１３の両端がシリンダーヘッド２３の弁体収納空間２９ａの内壁によって塞がれるのが好ましい。これにより、燃焼ガスの漏れをより確実に防止することができる。

同様に、排気側の弁装置１０の弁体１１の回転軸１２は、排気ガス流路２８と略平行になっており、排気側の弁装置１０は、弁体１１が回転することにより、排気ガス流路２８と燃焼室２５とが貫通孔１３を介して連通する開弁状態と、貫通孔１３の両端がシリンダーヘッド２３の弁体収納空間２９ｂの内壁によって塞がれて排気ガス流路２８と燃焼室２５とが遮断される閉弁状態（図１に示す状態）とに切り替わる。

図３に示すように、弁装置１０は、弁体１１の周りにおいてウォームホイール１４の図３中上下面のそれぞれに当接するとともに、弁体１１を回転可能に支持する２つの円環状（リング状）のメタルベアリング（弁体支持部材）３１ａ、３１ｂと、ウォームホイール１４の図３中上下面のそれぞれに当接するとともに、メタルベアリング３１ａ、３１ｂのそれぞれの外周に配置される２つの円環状（リング状）のオイルシール３２ａ、３２ｂと、図３中において弁体１１の回転軸１２から所定角だけ反時計回りに回転した位置に配置される２つの円環状（リング状）のメタルシール３３ａ、３３ｂとを備える。メタルベアリング３１ａ、３１ｂ、オイルシール３２ａ、３２ｂのリングの中心は、回転軸１２にほぼ一致している。

これらメタルベアリング３１ａ、３１ｂと、オイルシール（シール部材）３２ａ、３２ｂと、メタルシール（シール部材）３３ａ、３３ｂとで、シール手段が構成される。なお、図１中では、これらメタルベアリング３１ａ、３１ｂ、オイルシール３２ａ、３２ｂ、メタルシール３３ａ、３３ｂの記載は省略されている。

２つのメタルベアリング３１ａ、３１ｂは、ウォームホイール１４の図３中上下面のそれぞれに当接し、ウォームホイール１４を挟んでウォームホイール１４の両側面に位置する。このメタルベアリング３１ａ、３１ｂは、弁体１１を回転可能に支持する軸受け（弁体支持部材）として機能するとともに、燃焼室２５からの気体（混合気体、排気ガス等）の漏れを阻止する機能を有している。

２つのオイルシール３２ａ、３２ｂは、ウォームホイール１４の図３中上下面のそれぞれに当接し、ウォームホイール１４を挟んでウォームホイール１４の両側面に位置する。
弁体収納空間２９ａ（２９ｂ）と弁体１１との間であって、オイルシール３２ａ、３２ｂより外周側の部位には、弁体１１の円滑な回転を得るための潤滑油が充填されている。この潤滑油は、ウォーム収納空間３５内にも充填されており、ウォームホイール１４とウォーム３０との噛合部分に潤滑油が供給され、円滑な回転が確保される。オイルシール３２ａ、３２ｂは、この潤滑油をシールして漏れ出しを防止する機能を有する。

オイルシール３２ａ、３２ｂの構成材料としては、例えばシリコンゴム等のゴム材料（弾性材料）、各種樹脂材料、各種セラミックス材料が挙げられ、そのなかでも耐熱性を有するものが好ましい。

２つのメタルシール（ガスシール）３３ａ、３３ｂは、それぞれ、リング状の部材で構成され、その一端面が弁体収納空間２９ａに露出するように、シリンダーヘッド２３内に埋設されている。そして、メタルシール３３ａ、３３ｂの弁体収納空間２９ａに露出した部分（端面）は、シリンダーヘッド２３の弁体収納空間２９ａに臨む内壁面の一部を構成するとともに、弁体１１の表面に接触（圧接）し、弁体１１の回転とともに摺動する。

メタルシール３３ａ、３３ｂの内径は、それぞれ、貫通孔１３の両端の開口部の直径と同等またはそれより大きく設定されており、弁装置１０が閉弁状態（図１に示す状態）のときには、貫通孔１３の両端の開口部がそれぞれメタルシール３３ａ、３３ｂの内側開口に一致または包含されるよう構成されている。すなわち、弁装置１０が閉弁状態（圧縮時や燃焼時）のとき、メタルシール３３ａ、３３ｂの一端面（弁体収納空間２９ａへの露出面）が貫通孔１３の開口部の外周部における弁体１１の表面に圧着される。これにより、燃焼室２５内の気体が貫通孔１３を経て外部に漏れ出すことが防止され、前記メタルベアリング３１ａ、３１ｂのシール機能と相まって、燃焼室２５の混合気体の圧縮時や燃焼時（爆発時）における燃焼室２５の圧力の低下を阻止すること（適正な圧力を維持すること）ができる。その結果、出力のロスを少なくし、燃費を向上させることができる。

なお、メタルシール３３ａ、３３ｂは、弁装置１０が開弁状態（図３に示す状態）のときには、貫通孔１３の両端の開口部をシールする機能はない。すなわち、メタルシール３３ａ、３３ｂは、弁体１１の回転に同期してそのシール機能を発揮するものである。

メタルシール３３ａ、３３ｂの構成材料としては、例えば、鋳鉄、炭素鋼等の鉄系金属、銅合金等の非鉄金属等の各種金属材料や、アルミナ等の各種セラミックスが挙げられ、そのなかでも、耐熱性、耐磨耗性に優れるものが好ましい。メタルベアリング３１ａ、３１ｂについても、同様の材料を挙げることができる。

メタルベアリング３１ａ、３１ｂおよびオイルシール３２ａ、３２ｂは、弁体１１の回転角度に係わらずウォームホイール１４（弁体１１）に接触している。これにより、弁体１１の回転角度に係わらず常にシール機能が発揮されるので、オイル漏れ（潤滑油の漏れ）や燃焼室２５内の気体（圧縮された混合気体や排気ガス等）の漏れをより確実に防止することができる。

また、シリンダーヘッド２３には、オイルシール３２ｂの一端部、およびメタルシール３３ｂの他端部（前記露出面と反対側の端部）に向けて開口するとともに、燃焼室２５に連通する圧力伝達路（付勢手段）３４が形成されており、該圧力伝達路３４により燃焼室２５における燃焼圧をオイルシール３２ｂの端面、およびメタルシール３３ｂの端面へ伝達する。これにより、オイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂは、必要時（メタルシール３３ａ、３３ｂの一端面が貫通孔１３の開口部の外周部における弁体１１の表面に圧着され、当該開口部をその外周部において封止した時）に、ウォームホイール１４および弁体１１へ押し付けられるように付勢され、それらのシール機能が強化（増大）される。

なお、図示されていないが、圧力伝達路３４により燃焼圧が伝達されて付勢される部材は、上述した部材（オイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂ）に限られず、オイルシール３２ａやメタルシール３３ａにも燃焼圧を伝達するよう構成されているのが好ましい。これにより、シール機能がさらに強化される。

このような弁装置１０では、弁体１１の回転軸１２が吸気ガス流路２７、排気ガス流路２８に略平行であるように弁体１１が設置されている。これにより、弁体１１が回転しても、シール部材（例えば、メタルベアリング３１ａ、３１ｂやメタルシール３３ａ、３３ｂのようなメタルシール）は燃焼室２５に露出することがなく、シール部材が潤滑油を燃焼室２５に掻き出すのを防止することができ、もって燃焼特性の悪化を防止することができる。

メタルシール３３ａ、３３ｂは、それぞれ、閉弁時に貫通孔１３の両端部の開口をその周囲においてシールし、気体の漏れを阻止する機能を有するが、メタルシール３３ａ、３３ｂのうちにいずれか一方のみ、例えばメタルシール３３ｂのみが設置されていてもよい。

また、２つのメタルベアリング３１ａ、３１ｂが弁体１１を強固に支持するので、爆発の衝撃を受けたときであっても、弁体収納空間２９ａ、２９ｂの内壁と、弁体１１の表面との隙間を確実に封止することができ、燃焼室２５の燃焼圧がリークするのを防止することができる。これにより、燃焼室２５の燃焼を安定させることができるとともに、弁体収納空間２９ａ、２９ｂ、弁体１１、およびメタルベアリング３１ａ、３１ｂの間に充填された潤滑油がリークして燃焼室２５に侵入するのを防止することができ、燃焼特性の悪化を確実に防止することができる。

また、２つのメタルベアリング３１ａ、３１ｂの外周に配置された２つのオイルシール３２ａ、３２ｂが、弁体１１の円滑な回転を得るための潤滑油をシールするので、潤滑油が漏れ出して燃焼室２５に侵入するのをより確実に防止することができ、弁体１１の円滑な回転を継続的に得ることができる。そして、２つのメタルベアリング３１ａ、３１ｂおよび２つのオイルシール３２ａ、３２ｂは、ウォームホイール１４の上下面のそれぞれに当接（密着）するので、上記充填された潤滑油の漏れ出し（リーク）を確実に防止することができる。

さらに、弁装置１０では、２つのメタルシール３３ａ、３３ｂが、必要時に弁体１１の貫通孔１３の両端開口をその周囲において封止するので、燃焼室２５からの燃焼ガス等の漏れを有効に防止することができ、燃焼室２５内の圧力を適正な圧力に維持することができる。

また、弁装置１０では、オイルシール３２ｂ（さらにはオイルシール３２ａ）およびメタルシール３３ｂ（さらにはメタルシール３３ａ）等を、圧力伝達路３４を介しての加圧によりウォームホイール１４および弁体１１へ押し付けられるように付勢するので、燃焼ガスの漏れによる燃焼圧のロスを低減するとともに、上述の充填された潤滑油のリークをより確実に防止することができる。この場合、付勢手段によりオイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂ等が付勢される付勢力は、弁体１１の回転に同期して（内燃機関２０の作動状態に応じて）経時的に変化する。すなわち、オイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂ等が受ける付勢力は、燃焼室２５内の圧力の変化に対応しており、例えば燃焼時（爆発時）には高い付勢力を受けるが、吸気時や排気時にはこれと反対に低い付勢力を受けることとなる。オイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂが受ける付勢力が高くなると、それらのシール機能は増大する。このように、オイルシール３２ｂおよびメタルシール３３ｂは、常に高い付勢力で付勢されるのではなく、必要時（燃焼室２５内の圧力を高く維持すべき時）にのみ高い付勢力を受けて有効なシール効果を発揮するため、弁体１１の円滑な回転を妨げることがないという利点を有する。また、燃焼室２５内の圧力の変化、特に燃焼圧を利用してシール部材を付勢するので、付勢のための別途複雑な機構を設ける必要がなく、簡単な構成で上記効果を得ることができるという利点がある。

また、弁装置１０では、従来の往復運動する傘状バルブを用いることがないため、傘状バルブの慣性抵抗などの影響によるエネルギーロスが少なく、また、吸気や排気の障害物となるバルブの傘部の影響によるポンピングロスも少ない。また、傘状のバルブの往復運動も行われないため、例えば、開弁作用や閉弁作用の期間、タイミングなどを容易かつ正確に設定、変更することができ、また、傘状のバルブの着座部としてのバルブシートを用いることがないため、全体の耐久性を向上することができる。さらに、傘状バルブのように、バルブ自体が燃焼室２５内に周期的に突出することがないため、燃焼室２５内にバルブの突出空間を確保する必要がなく、燃焼室２５のデッドスペースを小さくすることができる。その結果、圧縮率を高くすることができ、燃焼効率の向上を図ることができる。しかも、傘状バルブを付勢するバルブスプリングを有さないため、サージングによるエンジン回転数の制約がなく、より高回転が可能となる。

また、弁装置１０を適用した内燃機関２０は、その高さを低くすることができるので、車両のボンネットフードラインを下げ、または対人衝突時に緩衝材として機能する衝撃吸収空間を大きくすることができ、車両の意匠性を向上することができると共に対人安全性を向上することができる。さらに、弁装置１０では、吸気／排気に際して、従来の傘状バルブのような往復運動が行われないため、音振性能を向上することができる。

また、上述した弁装置１０では、メタルベアリング３１ａ、３１ｂとしてローラーベアリングを用いることができ、これにより、内燃機関２０のフリクションをより低減することができる。

このような弁装置１０では、弁体１１を回転させる駆動源として、ステッピングモータを用いてもよい。ステッピングモータを用いることにより、弁装置１０を正確なバルブタイミングで確実に開閉することができる。また、ステッピングモータの作動パターン（弁体１１の回転・停止のパターン）の設定により、吸気・排気等のタイミングを自由に設定することができるので、設計の自由度が広がる。例えば、４サイクル型エンジンのみならず、後述するような２サイクル型エンジンにも適用することができる。さらに、４サイクル型エンジンと２サイクル型エンジンとに切り替え可能とすることもできる。

また、弁装置１０では、弁体１１は、内燃機関２０の動作（吸気−圧縮−燃焼−排気）に同期して作動する。この場合、弁体１１を連続的に回転（特にエンジンの回転に連動して回転）させてもよいが、開弁状態および／または閉弁状態で、弁体１１の回転が一時的に停止するように作動すること、すなわち、弁体１１を間欠的（断続的）に回転させるよう構成してもよい。これにより、シール手段によるシール効果も増大する。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を図４および図５に基づき説明する。本実施形態では２サイクル型内燃機関に本発明の弁装置を用いる。以下、本実施形態について、前述した第１実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。

図４は、本発明の弁装置を備える２サイクル型内燃機関の好適な実施形態を示す断面図、図５は、図４の内燃機関が実行する吸排気動作を示す動作図である。

図４において、図１の弁装置１０を備える２サイクル型の内燃機関４０は、ピストン２１と、シリンダーブロック４１と、シリンダーヘッド４４とを備える。

シリンダーブロック４１は、図２におけるシリンダーブロック２２と同様の構成を有し、側壁に穿孔されたシリンダー通気口４７を介して該側壁に配された過給機４２と、該過給機４２に対向するように側壁に配置された燃料噴射装置（インジェクタ）４３とを備える点で、シリンダーブロック２２と異なる。

過給機（例えばスーパーチャージャー）４２は、燃焼室２５を含むピストン２１のトップ面、シリンダーブロック４１の側壁、およびシリンダーヘッド４４の下面に囲まれた空間（以下「圧縮膨張空間」という。）にシリンダー通気口４７を介して高圧空気を供給し、インジェクタ４３は圧縮膨張空間に噴霧状の燃料を噴射する。なお、過給機４２は、ルーツ型、スクロール型、リショルム型のいずれであってもよい。

シリンダーヘッド４４は、図２におけるシリンダーヘッド２３と同様の構成を有し、吸気ガス流路を備えず、排気ガス流路のみを備える点でシリンダーヘッド２３と異なる。具体的に、シリンダーヘッド４４は、図中上下方向に沿って穿設された排気ガス流路４５、４６を備える。このシリンダーヘッド４４には、二つの弁装置１０が排気弁として配置されるが、各弁装置１０の構成は、第１実施形態と同様であるため、これらの説明を省略する。
以上より、本実施形態においても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。

上述した図４の内燃機関が実行する吸排気動作では、図５（ａ）に示すように、燃焼後においてピストン２１が下死点に到達している場合、過給機４２はシリンダー通気口４７を介して圧縮膨張空間に高圧空気を供給するが、このとき、各弁装置１０の弁体１１は回転して、排気ガス流路４５、４６を貫通孔１３を介して燃焼室２５に連通させて圧縮膨張空間の燃焼済みガスを排気ガス流路４５、４６から外部へ排気する（給掃気および排気動作）。

次いで、図５（ｂ）に示すように、ピストン２１が図中上方に上昇するに従い、排気側弁装置の弁体１１もさらに回転して、排気ガス流路４５、４６と燃焼室２５と不通にする。これにより、圧縮膨張空間が密閉されて、該圧縮膨張空間の圧力が上昇する。このとき、インジェクタ４３は圧縮された圧縮膨張空間に向けて燃料を噴射して圧縮膨張空間を空気と燃料の混合気で充填させる（圧縮動作）。

次いで、図５（ｃ）に示すように、ピストン２１が略上死点に到達すると、点火プラグ２６がその電極部において火花を飛ばし、圧縮された圧縮膨張空間における混合気に着火し、該混合気を爆発させる。このとき、弁装置１０の弁体１１は図５（ａ）の時点から略１８０度回転しているが、依然として排気ガス流路４５、４６は燃焼室２５と不通である。したがって、混合気の爆発によって発生した燃焼圧はピストン２１のトップ面を図中下方へ押し下げ、これにより、ピストン２１が図中下方へ下降する（爆発動作）。

次いで、図５（ｄ）に示すように、ピストン２１が図中下方に下降するに従い、弁装置１０の弁体１１もさらに回転するが、ピストン２１が再び下死点に到達するまでは、依然として排気ガス流路４５、４６は、燃焼室２５と不通である。

以上のように、本実施形態では、ピストン２１の上下動に連動して弁装置１０の弁体１１が回転し、内燃機関の吸排気動作が実現される。なお、ピストン２１の上下動に連動して弁装置１０の弁体１１が回転し、内燃機関の吸排気動作が実現されるのは、上述した第１実施形態も同様である。

以上、本発明の弁装置および内燃機関を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、弁装置および内燃機関を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができ、また、任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明は、ガソリンエンジンのみならず、その他例えば、ディーゼルエンジン、アルコールエンジン、水素エンジン等、種々の内燃機関に適用することができる。

本発明の弁装置および内燃機関の実施形態を示す断面図。 図１に示す弁装置における弁体を示す斜視図。 図１における吸気側の弁装置周りの拡大断面図。 本発明の弁装置を備える２サイクル型内燃機関の実施形態を示す断面図。 図４の内燃機関が実行する吸排気動作を示す動作図。

符号の説明

１０‥‥‥弁装置
１１‥‥‥弁体
１２‥‥‥回転軸
１３‥‥‥貫通孔
１４‥‥‥ウォームホイール
２０、４０‥‥‥内燃機関
２１‥‥‥ピストン
２２、４１‥‥‥シリンダーブロック
２３、４４‥‥‥シリンダーヘッド
２４‥‥‥シリンダーボア
２５‥‥‥燃焼室
２６‥‥‥点火プラグ
２７‥‥‥吸気ガス流路
２８、４５、４６‥‥‥排気ガス流路
２９ａ、２９ｂ‥‥‥弁体収納空間
３０‥‥‥ウォーム
３１ａ、３１ｂ‥‥‥メタルベアリング
３２ａ、３２ｂ‥‥‥オイルシール
３３ａ、３３ｂ‥‥‥メタルシール
３４‥‥‥圧力伝達路
３５‥‥‥ウォーム収納空間
４２‥‥‥過給機
４３‥‥‥インジェクタ
４７‥‥‥シリンダー通気口

Claims (19)

1. 内燃機関の燃焼室に隣接して設けられる弁装置であって、
   球面状の凹面で囲まれた弁体収納空間と、該弁体収納空間に連通するガス流路とを有するハウジングと、
   前記弁体収納空間内で回転可能に設置され、貫通孔を有する略球形の弁体とを備え、
   前記弁体の回転軸が前記ガス流路に略平行になっており、
   前記弁体が回転することにより、前記ガス流路と前記燃焼室とが前記貫通孔を介して連通する開弁状態と、前記貫通孔の一端または両端が前記ハウジングの内壁によって塞がれて前記ガス流路と前記燃焼室とが遮断される閉弁状態とに切り替わることを特徴とする弁装置。
2. 内燃機関の燃焼室に隣接して設けられる弁装置であって、
   球面状の凹面で囲まれた弁体収納空間と、該弁体収納空間に連通するガス流路とを有するハウジングと、
   前記弁体収納空間内で回転可能に設置され、貫通孔を有する略球形の弁体とを備え、
   前記弁体を回転させるための円環状のギアが前記弁体に設けられており、
   前記弁体が回転することにより、前記ガス流路と前記燃焼室とが前記貫通孔を介して連通する開弁状態と、前記貫通孔の一端または両端が前記ハウジングの内壁によって塞がれて前記ガス流路と前記燃焼室とが遮断される閉弁状態とに切り替わることを特徴とする弁装置。
3. 前記弁体の回転軸が前記ガス流路に略平行になっている請求項２に記載の弁装置。
4. 前記ギアは、ウォームホイールであり、
   前記ウォームホイールと噛合うウォームをさらに備える請求項２または３に記載の弁装置。
5. 前記ギアは、前記弁体の表面より突出し、
   前記ギアの側面に当接し、前記弁体を回転可能に支持する円環状の弁体支持部材をさらに備える請求項２ないし４のいずれかに記載の弁装置。
6. 前記弁体支持部材は、前記ギアを挟んで前記ギアの両側に設けられている請求項５に記載の弁装置。
7. その少なくとも一部が前記ハウジングと前記弁体との間に位置し、流体の漏れを防止するシール手段を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の弁装置。
8. 前記シール手段は、潤滑油の漏れを防止するオイルシールを含む請求項７に記載の弁装置。
9. 前記シール手段は、前記燃焼室内の気体の漏れを防止するガスシールを含む請求項７または８に記載の弁装置。
10. 前記シール手段は、前記弁体の回転角度に係わらずそのシール機能を発揮するものである請求項７ないし９のいずれかに記載の弁装置。
11. 前記シール手段は、潤滑油の漏れを防止するオイルシールと、燃焼室内の気体の漏れを防止するガスシールとを含み、
    前記オイルシールは、前記弁体の回転角度に係わらずそのシール機能を発揮し、
    前記ガスシールは、前記弁体の回転に同期してそのシール機能を発揮する請求項７に記載の弁装置。
12. 前記オイルシールおよび／または前記ガスシールに対し、閉弁状態のときにそのシール機能を増大させる手段を有する請求項１１に記載の弁装置。
13. 前記オイルシールは、円環状のシール部材で構成され、前記ギアを挟んで前記ギアの両側に設けられている請求項８、１１または１２に記載の弁装置。
14. 前記ガスシールは、閉弁状態のときに前記貫通孔の少なくとも一方の端部開口を囲むことができる円環状のシール部材で構成されている請求項９、１１または１２に記載の弁装置。
15. 前記シール手段の少なくとも一部を前記弁体に押し付けるように付勢する付勢手段を有する請求項７ないし１４のいずれかに記載の弁装置。
16. 前記付勢手段による付勢力が弁体の回転に同期して変化する請求項１５に記載の弁装置。
17. 前記付勢手段による付勢力は、開弁状態に比べて閉弁状態のときの方が大きい請求項１５または１６に記載の弁装置。
18. 前記燃焼室の圧力を伝達する圧力伝達路を有し、該圧力伝達路を介して前記燃焼室内の圧力を前記シール手段の少なくとも一部へ伝達することにより前記シール手段を前記弁体に押し付け、シール機能を発揮または増大させるように構成されている請求項７ないし１７のいずれかに記載の弁装置。
19. 請求項１ないし１８のいずれかに記載の弁装置を排気弁および／または吸気弁として備えることを特徴とする内燃機関。
    

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