JP2008511780A - ロータリーバルブエンジン用ガスシールエレメント - Google Patents

Abstract

ロータリーバルブ内燃エンジン用ガスシールエレメント。このエンジンは、ボア（８）を有するシリンダヘッド（６）と、ボア内で所定のクリアランスを持って回転可能なロータリーバルブ（１）と、燃焼室に連通する、ボア内の窓部（１２）とを具える。シールエレメント（１５）は、細長い形状であり、かつシール面（２３）、該シール面に対向する下面（２４）並びに互いに対向する第１及び第２の側面（２５、２６）を有しており、シールエレメントは、ボアのスロット（２０）内に配置される。シールエレメントの、窓部に対向する側面（２５）は、シールエレメントのシール面から下面まで延びる少なくとも１つのチャネルを有する。

Description

この発明は、ロータリーバルブ内燃エンジンに用いられるガスシールエレメントに関する。

ロータリーバルブ内燃エンジンであって、所定のクリアランスをもってエンジンのシリンダヘッドにあるボア内で回転するロータリーバルブを有するものは、ウォリス（Wallis）の特許文献１及びビショップ（Bishop）の特許文献２を含む複数の特許文献に記載されている。このようなロータリーバルブ機構は、シリンダヘッドボアとロータリーバルブの間のギャップをシールするためのシール構造を有する必要がある。これは、燃焼室と連通したボア内の窓部を包囲する浮動ガスシールエレメント列により達成されることが好ましい。このようなシールシステムも特許文献１及び２に記載されている。一般に、各シールエレメントは、シリンダヘッドボア内の対応するスロット内に配置され、ロータリーバルブの外径に対して予め荷重を加えられている。これらのシールエレメントは、最高で１００バール（１０ＭＰａ）以上に達することのある、全シリンダ燃焼圧をシールしなければならない。各シリンダエレメントは、ピストンリングと同様にして運転されるように設計される。シリンダからの燃焼ガスは、スロットに流入してシールエレメントをスロットの外面に押し付け、また、シールエレメントの下方を流れてこれをバルブの外径に押し付ける。このようにして、ガス圧は、シールすべき圧力に比例した力でシールすべき２つの面にシールエレメントを押し付ける働きをする。

米国特許第５，５２６，７８０号明細書 米国特許第４，８５２，５３２号明細書

図１は、ロータリーバルブエンジンに組み付けられた、特許文献１に記載されたものと同様の従来技術による軸方向シールエレメントを示しており、その周囲には概略的な定常状態圧力分布も同時に示す。この例において、従来技術のシールエレメント３１は、一定の方形断面と平行な側面を有する軸方向シールエレメントである。シールエレメント３１は、シリンダヘッドボア８にある軸方向スロット２０内に、ロータリーバルブの軸方向に平行に配置される。シールエレメント３１は、図示しないばねによって、ロータリーバルブの外側の円筒部４に付勢される。これらのばねによって加えられる力は、矢印Ｆにより示されている。図示のクリアランスは、シールエレメントの動作を説明するために誇張されており、実際にはクリアランスは極めて小さい。燃焼室内の圧力はＰ_Ｃで表されており、スロット２０に入り、シールエレメント３１の側面と、燃焼圧Ｐ_Ｃが増加すると燃焼室窓部に最も近くなるスロット２０の側面３５との間のクリアランスを通る燃焼ガスの流れは、流線矢印３２で表されている。シールエレメント３１の下面３４における圧力Ｐ_ＵＳはスロット２０の底部での圧力と同じであり、燃焼圧Ｐ_Ｃに等しい。この状態で、シールエレメント３１は、円筒部４と燃焼室の窓部から最も離れたスロット２０の側面３３とに押し付けられることで、シリンダヘッドボア８と円筒部４の間の隙間をシールする。

シールエレメントの表面、スロット及びバルブの外径は完全に滑らかな平面ではないので、シールすべき面を越えて微量の漏れが発生する。これにより、シール面に対向する面へのガスの自由な到達により発生する閉力に対向するこれらの面での圧力分布が構築される。この圧力分布は、典型的には、シールエレメント３１と円筒部４の間、及びシールエレメント３１と燃焼室の窓部から最も離れたスロット２０の側面３３の間の圧力分布により、図１に示すような三角形状となる。

一般的に言って、低中速のエンジン速度では、シールエレメントが十分にバルブに押し付けられ良好にシールをする結果として、Ｐ_ＵＳは（図１に示すように）Ｐ_Ｃとほぼ等しい。しかし、高速のエンジン速度では、シールエレメントの下面における圧力Ｐ_ＵＳは、燃焼圧に対抗するには不十分であり、その結果、シールエレメントがバルブからはがされてシール不良を招く場合がある。

シールエレメントの下方の体積は、加圧するためにこの領域に搬入されるべきガスの質量を決める。この体積はキャパシタとして作用し、したがってシールエレメントの下面における圧力Ｐ_ＵＳは、シールエレメントがシールしなければならない燃焼圧Ｐ_Ｃより遅れる。この圧力遅れの大きさは、体積、体積を送り込む流量範囲、シールエレメントの半径方向深さ、及びエンジン速度の関数である。エンジン速度、体積又は半径方向深さが増加すると、圧力遅れが増加する。流量範囲は、スロット内のシールエレメントの側方クリアランスに比例し、このクリアランスは一般に、シールエレメントが常時自由に動くことのできる絶対最小値に維持される。これは、隙間の容積を最小限にし、スロット内でのシールエレメントの前後の動きを採用源にする。この側方クリアランスを通るガス速度は圧力遅れに比例するが、速度は、流れが詰まった場合のマッハ１に限定されない。

シールエレメントの下面とそのスロットの底部との間のクリアランスを最小限にすることは、シールエレメントの下方の体積を最小にする。しかし、シールエレメントは、適正な動作と組立のためにある程度のクリアランスを必要とし、したがって、この体積を最小にできる限度がある。

図２は、前記の圧力遅れを除いて図１と同じである。圧力遅れは、Ｐ_Ｃよりも大幅に小さなＰ_ＵＳの大きさにより図式的に示されている。シールエレメント３１を円筒部４に対して予め荷重を加えた状態に保つために、以下の条件式を満たす必要があることは、容易に証明することができる。
Ｐ_ＵＳ＞０．５（Ｐ_Ｃ）−Ｆ／Ａ
式中、「Ａ」はシールエレメント３１の下面３４の面積であり、したがって「Ｆ／Ａ」は付勢ばね力「Ｆ」により発生する有効圧力である。しかし、「Ｆ／Ａ」は一般に、燃焼圧Ｐ_Ｃに比べて小さいので、上記の条件式を次のように簡略化することができる。
Ｐ_ＵＳ＞０．５（Ｐ_Ｃ）

任意のシールエレメント構造に対して、この条件式をもはや満たさなくなり、シールエレメントの上面に作用する力がその下面に作用する力を上回る点に達するまで、エンジン速度の増加につれて圧力遅れも増加する。これが起きると、シールエレメントはロータリーバルブの表面からはがされ、その結果シールが破壊される。これが起きるエンジン速度は、シールエレメント側面のクリアランス、半径方向深さ及びシールエレメント下方の体積の関数である。

状況によっては、シールエレメントは、燃焼室の窓部に最も近いスロットの側面に接触を強いられる場合がある。この典型例は、軸線方向前方のシールエレメントである。シールエレメントと、これが予め荷重を加えている回転するバルブの間の摩擦は、軸線方向前方のシールエレメントを、窓部に最も近いスロット側面に押し付けて接触させる。これが起きる他の状況は、スロットルを閉じた状態でエンジンを動かし、シリンダ内に高度の真空が生じる場合であり、これはシールエレメントを、窓部に最も近いスロットの側面に対して内側に引っ張る傾向がある。これらの状況において、圧縮及び燃焼の間のシリンダ圧の上昇は、シールエレメントとスロット側面の間からシールエレメントの下面へのガス流れが始まる前に、まず窓部に最も近いスロット側面からシールエレメントを押し離す必要がある。しかし、これらの状況では、シリンダ圧は、当初はシールエレメントがスロット上方に突出する部分にのみ見られる。したがって、シールエレメントを窓部に最も近いスロット側面から離すには、相当の圧力が必要であり、これは圧力遅れを悪化させ、かつ、シール破壊の始まるエンジン速度を低下させる。

この発明は、従来技術の問題点の幾つかを少なくとも改善するシールエレメントを提供することを目的とする。

この発明は、ロータリーバルブ内燃エンジン用ガスシールエレメントであって、該エンジンは、ボアを有するシリンダヘッドと、該ボア内で所定のクリアランスを持って回転可能なロータリーバルブと、燃焼室に連通する、前記ボア内の窓部とを具え、前記シールエレメントは、細長い形状であり、かつシール面、該シール面に対向する下面並びに互いに対向する第１及び第２の側面を有しており、前記シールエレメントは、前記ボアのスロット内に、前記窓部に隣接して配置されるよう構成されており、前記第１の側面は、前記窓部に最も近い前記スロットの側面に隣接しており、前記シール面は前記バルブに対して付勢されているガスシールエレメントにおいて、前記第１の側面は、その内部に配設された、前記シール面から前記下面まで延びる少なくとも１つのチャネルを有することを特徴とするものである。

前記ガスシールエレメントは、前記窓部を包囲するフローティングシールの列うちの一つであることが好ましい。前記少なくとも一つのチャネルは、複数の離間したチャネルであることが好ましい。前記チャネルは、前記第１の側面と実質的に平行な凹部であることが好ましい。

好適な一実施態様において、前記ガスシールエレメントは、前記ボアの軸線と実質的に平行に配置されることが好ましい。前記シールエレメントの幅は、前記側面の間で、それの深さよりも小さいことが好ましい。前記少なくとも１つのチャネルは、前記窓部の軸方向先端部内にあることが好ましい。

他の好適な実施態様において、前記ガスシールエレメントは、実質的に円弧状であり、前記ボアの軸線に実質的に垂直な平面内に配置されることが好ましい。前記少なくとも一つのチャネルは、前記窓部の周方向先端部内にあることが好ましい。

図３及び４は、この発明に従うガスシールエレメント１４及び１５を有するロータリーバルブ内燃エンジンを示す。シリンダヘッド６がシリンダブロック９の上部に取り付けられており、ピストン１０がシリンダブロック９内を往復する。軸流ロータリーバルブ１は、シリンダヘッド６内のボア８内で、シリンダヘッドボア軸線７の周りに回転するように、ベアリング５によって支持されており、バルブ１の外面上の中央円筒部４とボア８の間には所定のクリアランスが存在する。

ロータリーバルブ１は、円筒部４内の入口開口２１及び出口開口２２でそれぞれ終端すると入口ポート２と出口ポート３を有する。バルブ１が回転すると、入口開口２１及び出口開口２２は、定期的にボア８内の窓部１２と整列し、バルブ１と燃焼室１３との間でのガスの流通を可能にする。同様のロータリーバルブエンジンの操作は、Wallisの特許文献１により詳細に記載されている。

圧縮行程及び動力行程の間、燃焼室１３内の高圧燃焼ガスが、円筒部４とボア８の間の微小な運転クリアランスを通って漏れるのを、窓部１２を包囲するフローティングガスシールエレメントの列により防止する。フローティングガスシールエレメントの列は、２つの軸方向シールエレメント１５及び２つの周方向シールエレメント１４を含む。軸方向シールエレメント１５はボアの軸線７に実質的に平行に配置され、窓部１２の各側に隣接した軸方向スロット２０内に位置する。周方向シールエレメント１４は、窓部１２の各端に隣接した周方向スロット２７内に位置する。周方向シールエレメント１４はそれぞれ、ボアの軸線７に実質的に垂直な平面内にある。

シールエレメントの列は、図示しないばねにより、円筒部４に対して付勢されている。軸方向シールエレメント１５はそれぞれ、円筒部４に対して、これの両側の下方にある独立したばねにより、付勢されていることが好ましい。周方向シールエレメント１４はそれぞれ、円筒部４に対して、これの下面に沿う単一の細長いばねにより、付勢されていることが好ましい。

図６を参照し、軸方向シールエレメント１５は、真直ぐで細長く、長方形の断面を有する。軸方向シールエレメント１５は、シール面２３、シール面２３に対向する下面２４、並びに互いに対向し平行な側面２５及び２６を有する。側面２５は、内部に配置された３つのチャネル１７を有し、これらチャネルはそれぞれ、シール面２３から下面２４まで延びる。チャネル１７は、側面２５に実質的に平行な、浅い凹部として形成される。チャネル１７の深さは、軸方向シール１５の幅に比べて小さい。自動車エンジンにおいては、チャネル１７はそれぞれ、例えば深さが約０．１ｍｍであり、シールエレメント１５の長さに沿って測った幅が３〜５ｍｍである。側面２５と２６の間で測った軸方向シールエレメント１５の幅は、シール面２３と下面２４の間で測ったそれの深さよりも小さいことが好ましい。チャネル１７は、シールエレメント１５がスロット２０内に位置する場合に、チャネル１７が全て窓部１２の軸方向先端部内にあるように、実質的に均一に離間し、かつ、シールエレメント１５の長さに沿って配置されている。軸方向シールエレメント１５は、スチール製とすることができる。

図５を参照して、軸方向シールエレメント１５は軸方向スロット２０内に位置しており、チャネル１７を有する側面２５が、窓部１２に最も近いスロット２０の側面３５に隣接しており、側面２６が、窓部１２から最も遠いスロット２０の側面３３に隣接している。背景技術の項で説明した理由から、軸方向シールエレメント１５の側面２５及び２６とスロット２０の間のクリアランスは、シールエレメントが常時自由に動くことができる限りにおいてできるだけ小さくする。シール面２３を円筒部４に対して付勢する。

チャネル１７は２つの機能を有している。第１に、これらは軸方向シールエレメント１５と窓部１２に最も近いスロット側面３５の間に十分な流域を与え、燃焼圧Ｐ_Ｃとシールエレメント１５の下面２４における圧力Ｐ_ＵＳの間の圧力遅れの大きさを十分に小さくし、かつ、エンジンが高速の場合でもシールエレメント１５を円筒部１４に押し付ける真の力が常時存在することを確実にする。第２に、チャネル１７は、背景技術の項で説明したように、シールエレメント１５が摩擦又は真空により窓部１２に最も近いスロット側面３５に接触させられた場合に、シールエレメント１５の下面２４に流路を与える。次いで、チャネル１７は、窓部１２から最も遠いスロット側面３３に対してシールエレメント１５を押し付けるよう作用する、ガス圧に対する面積を大幅に増大させる。

図７を参照し、円周方向シールエレメント１４は円弧状で細長く、シール面２８、シール面２８に対向する下面２９、並びに互いに対向し平行な側面３０及び３６を有する。側面３０は、その内部に配設された３つのチャネル１６を有し、それぞれのチャネルはシール面２８から下面２９まで延びる。チャネル１７と同様に、チャネル１６は、側面３０に実質的に平行な、浅い凹部として形成される。チャネル１６は、軸方向シールエレメント１５のチャネル１７と同様の比率を有する。チャネル１６は、シールエレメント１４が周方向スロット２７内に位置する場合に、チャネル１７が全て窓部１２の周方向先端部内にあるように、実質的に均一に離間し、かつ、シールエレメント１４の長さに沿って配置されている。周方向シールエレメント１４は、スチール製とすることができる。

周方向シールエレメント１４は周方向スロット２７内に位置しており、チャネル１６を有する側面３０が、窓部１２に最も近いスロット２７の側面に隣接している。軸方向シールエレメント１５と同様に、周方向シールエレメント１４の側面３０及び３６とスロット２７の間のクリアランスは、シールエレメントが常時自由に動くことができる限りにおいてできるだけ小さくする。シール面２８を円筒部４に対して付勢する。チャネル１６は、上述したような、チャネル１７と同一の目的を果たす。

図示しない他の実施形態において、チャネルの数、深さ及び幅を、エンジンの詳細及びその運転速度に応じて変えることができる。また、チャネルは、これがシールエレメントのシール面から下面までのガス路を与える限りは、浅い凹部以外の他の形状とすることもできる。さらに、好適な実施形態は窓部の軸方向先端部及び周方向先端部にチャネルを有するが、これは必須ではなく、用途によっては、チャネルを部分的に又は全体的に窓部の先端部の外部に置くこともできる。

本明細書において、「具える（comprising）」とは、「含む（including）」又は「有する（having）」の包括的意味で用いられており、「のみからなる（consisting only of）」の排他的意味では用いられていない。

圧力遅れがない場合における、従来技術のシールエレメントの周りの圧力分布を示す。 圧力遅れがある場合における、従来技術のシールエレメントの周りの圧力分布を示す。 この発明に従うガスシールエレメントを有するロータリーバルブ内燃エンジンの断面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 図４の円Ａの拡大図であり、軸方向シールエレメントの詳細を示す。 図３のエンジンの軸方向シールエレメントの斜視図である。 図３のエンジンの周方向シールエレメントの斜視図である。

Claims (9)

1. ロータリーバルブ内燃エンジン用ガスシールエレメントであって、該エンジンは、ボアを有するシリンダヘッドと、該ボア内で所定のクリアランスを持って回転可能なロータリーバルブと、燃焼室に連通する、前記ボア内の窓部とを具え、前記シールエレメントは、細長い形状であり、かつシール面、該シール面に対向する下面並びに互いに対向する第１及び第２の側面を有しており、前記シールエレメントは、前記ボアのスロット内に、前記窓部に隣接して配置されるよう構成されており、前記第１の側面は、前記窓部に最も近い前記スロットの側面に隣接しており、前記シール面は前記バルブに対して付勢されているガスシールエレメントにおいて、前記第１の側面は、その内部に配設された、前記シール面から前記下面まで延びる少なくとも１つのチャネルを有することを特徴とするガスシールエレメント。
2. 前記ガスシールエレメントは、前記窓部を包囲するフローティングシールの列うちの一つである、請求項１に記載のガスシールエレメント。
3. 前記ガスシールエレメントは、前記ボアの軸線と実質的に平行に配置される、請求項１に記載のガスシールエレメント。
4. 前記シールエレメントの幅は、前記側面の間で、それの深さよりも小さい、請求項３に記載のガスシールエレメント。
5. 前記少なくとも１つのチャネルは、前記窓部の軸方向先端部内にある、請求項３に記載のガスシールエレメント。
6. 前記ガスシールエレメントは、実質的に円弧状であり、前記ボアの軸線に実質的に垂直な平面内に配置される、請求項１に記載のガスシールエレメント。
7. 前記少なくとも一つのチャネルは、前記窓部の周方向先端部内にある、請求項６に記載のガスシールエレメント。
8. 前記少なくとも一つのチャネルは、複数の離間したチャネルである、請求項１に記載のガスシールエレメント。
9. 前記チャネルは、前記第１の側面と実質的に平行な凹部である、請求項１に記載のガスシールエレメント。

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