JP2012082833A - 圧力バランスされたエンジンバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力バランスされたバルブの開き圧力及び力を軽減する手段を提供する。
【解決手段】エンジンバルブ２８、及びバルブのステム３０のバランスピストン４４であって、該バランスピストン４４と共にバランス室５０を画成しているバランスシリンダー１２内で可動であり、該バランス室５０は、第一制御バルブ５４によって制御される第一バランスポート５２を介して通路に流体的に連絡し、且つ、該バランス室５０は、第二制御バルブ５８によって制御される第二バランスポート５６を介して低圧力源に流体的に連絡しているバランスピストン４４、を備え、エンジンバルブ２８のヘッド２６がバルブシート２２から係合解除されているとき、第一制御バルブ５４が閉じられ、第二制御バルブ５８が開かれるように構成され、エンジンバルブ２８のヘッド２６がバルブシート２２に係合されているとき、第一制御バルブ５４が開かれ、第二制御バルブ５８が閉じられる。
【選択図】図２

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年８月１３日に出願された米国暫定特許出願第６０／９６４５２５の利益を主張する。

本発明は、エンジンのためのバランスされたバルブに関する。特に、限定されないが、分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路と膨張シリンダーとの間で用いるためのバランスされたバルブに関する。

本出願において使われる用語「分割サイクルエンジン」は、まだエンジン技術の当業者に普通に知られている固定的な意味を受けていないかもしれない。従って、明確化の目的のために、先行技術に開示されたエンジンに適用され、及び本出願に言及されるように、用語「分割サイクルエンジン」について、以下の定義が提供される。

ここに言及される分割サイクルエンジンは、
クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフト、
膨張シリンダー内に摺動可能に収容された膨張（動力）ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に膨張行程及び排気行程を通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された膨張ピストン、
圧縮シリンダー内に摺動可能に収容された圧縮ピストンであって、クランクシャフトの単一の回転の間に吸気行程及び圧縮行程を通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結された圧縮ピストン、及び
圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結するクロスオーバー通路であって、間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含むクロスオーバー通路
を備える。

先行技術を参照するに、図１は、加圧クロスオーバー通路４によって連絡される別の圧縮２及び膨張３（燃焼）シリンダーを有する分割サイクルエンジン１を示す。他の例は、2001年7月20日に出願され、本発明の譲受人に譲渡され、且つ参照することによりその全体が本明細書に含まれる特許文献１（Scuderi）に開示されている。図１（特許文献１と共に）は、圧縮シリンダーの吸入バルブ５、XovrEバルブ６及び排気バルブ７のための内開きポペットバルブを示している。XovrCバルブ８は、逆止め弁として示されているが、開かれる際にピストンの方に移動する他のバルブと同様な内開きポペットバルブを含む、他の適切なタイプであってもよい。

米国特許第6,542,225号明細書

本発明は、例えばXovrC及びXovrEバルブとして、且つ他用途のために、分割サイクルエンジンのシリンダーの1つ以上の場所で用いられ得る外開きの圧力バランスされたバルブの種々の実施形態を提供する。外開きバルブは、開かれる際に、ピストン及び／又はシリンダーから離れて移動する。分割サイクルエンジンにおいて、それらは、ピストンとヘッドのすきま容積を軽減することによって、圧縮及び膨張比を最大にすることを支援できる。特定の実施形態において、圧力バランスされたバルブは、バルブを動作させるのに必要とされる力、特にクロスオーバー通路の圧力が高くて圧縮又は膨張シリンダーの圧力が低いときの最初に開けるのに克服されねばならない、ほんの少しの開き圧力及び力を軽減する手段を提供する。

本発明によれば、分割サイクルエンジンは、クランクシャフト軸線の回りに回転可能なクランクシャフトを含む。圧縮ピストンは、圧縮シリンダー内に摺動可能に収容され、クランクシャフトの単一の回転の間に吸気行程及び圧縮行程を通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結される。膨張ピストンは、膨張シリンダー内に摺動可能に収容され、クランクシャフトの単一の回転の間に膨張行程及び排気行程を通して往復動するようにクランクシャフトに作用的に連結される。クロスオーバー通路は、圧縮シリンダー及び膨張シリンダーを相互に連結する。クロスオーバー通路は、間に圧力チャンバーを画成するクロスオーバー圧縮(XovrC)バルブ及びクロスオーバー膨張(XovrE)バルブを含む。XovrCバルブ及びXovrEバルブの少なくとも１つは、バランスされたバルブである。流体圧平衡器は、バルブに対して作用する流体圧を、開及び閉の両方向においてバランスさせ、バルブを動作させるのに必要とされる力を軽減するために、バルブを付勢する。

下記の例示的な実施形態において、本発明は、分割サイクルエンジンのクロスオーバー通路から膨張シリンダーの中に充填空気及び／又は燃料の流れのタイミングを制御する外開きXovrEバルブを含む。

図２と図３を参照するに、第一の例示的な実施形態は、カムとロッカー機構によって動作されて、バルブステムの端部に取り付けられた円板状ポペットヘッドを有する、ばねで着座されたポペットバルブを含む。バルブヘッドは、上及び下表面（面）を有する。上表面は、クロスオーバー通路の中に面しているので内面とも呼ばれ、下表面は、クロスオーバー通路から見て外方に面して、クロスオーバー通路の外に配置されているので外面とも呼ばれる。さらに、バランスピストンは、ポペットバルブのステムの中央部分に取付けられ、ポペットバルブ組立体を形成する。バランスピストンは、バルブの開きの前に、ポペットヘッドバルブの上表面（面）に対するクロスオーバー通路の圧力をバランスさせるために、クロスオーバー通路の圧力がバランスピストンの下のバランス室の中に入るように、タイミングバルブによって制御され、囲まれたバランス室内で往復可能である。開きの後、バランス室はクロスオーバー通路から遮断され、バランス圧力が大気に排気される。その後、ポペットバルブは、バルブが開かれているとき、ヘッドの両方の側においての等しい圧力によってバランスされる。

図４と図５を参照するに、第二の例示的な実施形態は、移転された空気ばねが第一の実施形態のコイルばねと置替えられたことを除いて、第一と同様である。しかし、望むなら、他のタイプのばね及び着座装置が、この実施形態の変形において用いられてもよい。

図６ないし８を参照するに、第三の実施形態は、カムとロッカー機構によって動作される、バルブステムの端部に取り付けられた円柱状ピストンヘッドを有する、ばねで着座されたピストンバルブ（ピストンバルブ組立体）を含む。ピストンヘッドは、ヘッドと凹所の端部の間にバランス室を形成する円柱状凹所に収容される。ピストンヘッドは、第一の実施形態のポペットバルブヘッド及びバランスピストンと置替えられたものである。制御バルブは、開きの前に、凹所の圧力を通気する。ポペットバルブのポペットヘッドと全く対照的に、ピストンヘッドは、クロスオーバー通路の圧力がピストンヘッドの一様な円柱状体の周りに半径方向にのみかけられるので、最初に開けられるときの過剰な少開き力を受けない。開きの後、制御バルブは、ピストンヘッドの下面に作用するクロスオーバー通路の圧力をバランスさせるために、クロスオーバー通路の圧力をバランス室に連絡する。

図９ないし１１を参照するに、第四の実施形態は、代替のバランスされたピストンバルブ動作装置、例えば、電気式、液圧式、空気圧式、又は機械式の動作装置が用いられるという点で第三の実施形態と異なっている。さらに、ピストンバルブヘッド及びエンジン内の制御ポートは、バランス室にクロスオーバー通路の圧力の進入及び通気の制御において、制御バルブと置替わっている。

図１２ないし１４を参照するに、第五の実施形態においては、バランスピストン及びポペットヘッドバルブが第三の実施形態のピストンヘッドと置替えられている。制御バルブは、ポペットバルブが開かれた及び開き始めているとき、バランスピストンの下表面及びポペットバルブヘッドの上表面の両方に作用するクロスオーバー通路の圧力の作用を無効にするために、バランスピストンの上のバランス室を通気する。制御バルブは、ポペットバルブが完全に開かれているとき、ポペットバルブヘッドの下表面に作用するクロスオーバー通路の圧力をバランスさせるために、バランス室をクロスオーバー通路に開放する。

図１５ないし１７を参照するに、第六の実施形態においては、バランスピストン及びバルブステムのポペットヘッドバルブが第四の実施形態のピストンヘッドと置替えられている。バランスピストン及びエンジン内のポートは、第四の実施形態のポートと同様に動作する。機械的なカム、ロッカーアーム及びばね動作機構が示されているが、他の適切な動作機構に置替えられてもよい。

図１８ないし２２を参照するに、第七の実施形態は、ポペットバルブ組立体（バランスピストンと組み合わせられ、ポペットバルブ及びステムを有するポペットバルブ）又はピストンバルブを用い得るいくつかの変形例を開示するが、ポペットバルブ組立体のみが示されている。変形例の全ては、膨張シリンダーの燃焼室とバランスピストンの上に位置されたバランス室との間に流体の連絡を提供する、エンジン内に配置されたバランスポートという共通点の特徴を含んでいる。

図１８を参照するに、第一の変形例においては、バランスポートは常に開かれている。ポペットバルブ組立体は、開又は閉位置にあるとき、バランスされたままである。如何なる適切なバランスバルブ動作の形式が利用されてもよい。

図１９を参照するに、第二の変形例においては、バランスポートは、燃焼中にバランス室内への気体の流れを防ぐために、燃焼中に閉じられてもよい制御バルブを含む。

図２０ないし２２を参照するに、第三の変形例においては、第一のバランスポートが、クロスオーバー通路とバランス室の間に配置されている。第一及び第二の変形例のポートと同様な第二のバランスポートが、燃焼（膨張）室とバランス室の間に配置されている。制御バルブは、エンジンピストンの排気行程中、及びエンジンバルブの最初の開き（ほんの少しの開き）の間に、第一のバランスポートを閉じて、第二のバランスポートを開ける。制御バルブは、上死点又はその近傍、及び燃焼と膨張行程中に、第一のバランスポートを開き、第二のバランスポートを閉じる。

従って、エンジンの排気行程中及びポペットバルブがほんの少し開かれるときに、ポペットバルブ組立体は、バルブヘッド及びバランスピストンの内面のクロスオーバー通路の圧力、及びそれらの外面の排気圧力によってバランスされている。これにより、ポペットバルブの開きは、高くて、バランスされていないほんの少し開き圧力によっては妨げられない。ポペットバルブが完全に開かれているとき、クロスオーバー通路の圧力は、バランスピストン及びバルブヘッドの内及び外面の両方に連絡している。それによって、バルブ組立体の圧力が完全にバランスされている。膨張行程中でポペットバルブが閉じられているとき、バランス室内のクロスオーバー通路の圧力は、燃焼中に、ポペットバルブを閉じたままに保持することを支援している。機械的なバルブ動作が示されているが、如何なる適切なバルブ動作の形式が利用されてもよい。

図２３を参照するに、第八の実施形態においては、バランスポートは、バランスポートが別にエンジンに組み込まれた第七実施形態とは違って、ポペットバルブ組立体自体に一体的に組み込まれている。特に、バランスポートは、膨張（燃焼）室から、バルブヘッドの中心を通って、バルブステム内に軸線方向に延びている。ポートは、クロスオーバー通路を越えて続き、バルブステム内の横開口によってバランス室に連絡されている。従って、バランスポートは、バランス室及び膨張室の圧力を常に等しくする傾向にある。第八の実施形態は、ポペットバルブ組立体のみを示しているが、ピストンバルブ組立体が利用されてもよい。

これらと本発明の他の特徴及び利点は、添付図面と共になされる下記の発明の詳細な説明によって、もっと十分に理解されるであろう。

従来技術においての分割サイクルエンジンの概略的な断面図である。 開動作位置で示されたバランスされたポペットバルブ組立体を有する本発明の第一の例示的な実施形態の概略的な断面図である。 閉動作位置で示されたバランスされたポペットバルブ組立体を有する本発明の第一の例示的な実施形態の概略的な断面図である。 図２と同様な概略的な断面図であるが、空気ばね、及び第一の実施形態と同様な動作位置で示されたバランスされたポペットバルブ組立体、を有する本発明の第二の例示的な実施形態を示している。 図３と同様な概略的な断面図であるが、空気ばね、及び第一の実施形態と同様な動作位置で示されたバランスされたポペットバルブ組立体、を有する本発明の第二の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、初期開き（ほんの少し）位置で示された代替のバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第三の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、完全な開き位置で示された代替のバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第三の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、閉じ位置で示された代替のバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第三の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、開き（ほんの少し）位置で示された代替の動作装置、及びピストンヘッド内の制御ポートを有するバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第四の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、完全な開き位置で示された代替の動作装置、及びピストンヘッド内の制御ポートを有するバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第四の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、閉じ位置で示された代替の動作装置、及びピストンヘッド内の制御ポートを有するバランスされた円柱状ピストンバルブを有する本発明の第四の例示的な実施形態を示している。 概略的な断面図であって、バルブのあるバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第五の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、初期開き位置で示されている。 概略的な断面図であって、バルブのあるバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第五の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、完全な開き位置で示されている。 概略的な断面図であって、バルブのあるバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第五の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、閉じ位置で示されている。 概略的な断面図であって、ポペットバルブ組立体のバランスピストン内及びエンジン内のバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第六の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、初期開き位置で示されている。 ポペットバルブ組立体のバランスピストン内及びエンジン内のバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第六の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、完全な開き位置で示されている。 概略的な断面図であって、ポペットバルブ組立体のバランスピストン内及びエンジン内のバランスポートを有するポペットバルブ組立体を含む本発明の第六の例示的な実施形態を示しており、ポペットバルブ組立体は、閉じ位置で示されている。 本発明の第七の例示的な実施形態の第一の変形例の概略的な断面図であって、第一の変形例は、他の変形例と共通して、ポペットバルブ組立体、及びバランス室と燃焼（膨張）室の間に連結された別のバランスポートを有する。 概略的な断面図であって、本発明の第七の例示的な実施形態の第二の変形例を示しており、バランスポートは、燃焼室内の燃焼及び／又は膨張中に閉じられてもよい制御バルブを含む。 概略的な断面図であって、クロスオーバー通路とバランス室の間の第一バルブのあるバランスポート、及び燃焼室とバランス室の間の第二バルブのあるバランスポートを含む本発明の第七の例示的な実施形態の第三の変形例を示しており、ポペットバルブ組立体は、初期開き位置で示されている。 概略的な断面図であって、クロスオーバー通路とバランス室の間の第一バルブのあるバランスポート、及び燃焼室とバランス室の間の第二バルブのあるバランスポートを含む本発明の第七の例示的な実施形態の第三の変形例を示しており、ポペットバルブ組立体は、完全な開き位置で示されている。 概略的な断面図であって、クロスオーバー通路とバランス室の間の第一バルブのあるバランスポート、及び燃焼室とバランス室の間の第二バルブのあるバランスポートを含む本発明の第七の例示的な実施形態の第三の変形例を示しており、ポペットバルブ組立体は、閉じ位置で示されている。 ポペットバルブのバルブステム及びヘッドを通して軸線方向に延びている一体的なバランスポートを有するポペットバルブ組立体の本発明の第八の例示的な実施形態の概略的な断面図である。

まず、図２と図３を参照するに、数字１０は、例えば、前に記した特許文献１に示されたタイプの分割サイクルエンジンの関連する部分の第一実施形態を概括的に指示している。例示的なエンジン１０は、概略的に示され、全体的な構造についてはそれにより限定されない。本明細書の種々の実施形態において、同一の参照番号は同一、又は同様な構成要素を指示する。

エンジン１０は燃焼（膨張）シリンダー１２を含んでいる。シリンダー１２において、動力（膨張）ピストン１４とコネクティングロッド１６がクランクシャフトのような出力部材（不図示）に往復的に連結されている。ピストン１４とシリンダー１２の閉端１８の間にある可変容積部は燃焼（膨張）室２０を形成している。燃焼室はバルブシート２２の開口を通してクロスオーバー通路２４に連絡している。クロスオーバー通路２４は、燃焼室２０に配送するため、圧縮シリンダー（不図示）からの加圧空気を貯留し、且つ運ぶ。クロスオーバー通路２４は可変で高い圧力に維持されてもよい。

本発明によれば、バルブシート22は、ステム３０を有する外開きポペットバルブ28の円板状ポペットヘッド26と係合するように外向きに角度付けられる。ポペットヘッド26は、クロスオーバー通路24の中で往復することが可能で、燃焼室２０へのアクセスを支配している。ヘッド２６がバルブシート２２に着座されたとき、燃焼室２０への空気及び／又は燃料の流れを遮断している。バルブヘッド26は上表面（面）６１と下表面（面）６２を含んでいる。上表面６１は、クロスオーバー通路24の中に面しているので内面とも呼ばれる。一方、下表面６２は、クロスオーバー通路２４から見て外方に面して、クロスオーバー通路２４の外に配置されているので外面とも呼ばれる。

要求どおりに、ポペットバルブ２８は、所望の機械式、電気式、液圧式、空気圧式、又はそれらの組み合わせの適切な動作機構３２により動作される。カムシャフト３５に担持され、バルブステム３０の動作フィッティング３８に係合している旋回可能ロッカーアーム３６を駆動するカム３４によるバルブ動作機構３２が図２及び図３に表されている。動作フィッティング３８はまた、エンジンの固定部材４２に係合し、バルブ２８を閉方向に付勢しているバルブばね４０のリテーナーとしても機能する。

バランスピストン４４（例えば、流体圧平衡器）がバルブヘッド２６と動作フィッティング３８の間でバルブステム３０に担持されている。バルブヘッド２６、ステム３０及びバランスピストン４４をポペットバルブ組立体４６と言う。バランスピストン４４は、クロスオーバー通路２４の上方に離間なエンジンの囲まれた別のバランスシリンダー４８内で往復可能である。バランスピストン４４の下方のバランスシリンダー４８の部分をバランス室５０と言う。バランス室５０は、第一制御ルバルブ５４（V1）、例えば、電磁弁又は他の適切なバルブによって制御される第一バランスポート５２を介して、クロスオーバー通路２４に連絡している。第二制御バルブ５８（V2）によって制御される第二バランスポート５６がバランス室５０を外部の大気圧に連絡させている。ポペットバルブ組立体４６、動作機構３２、及び関連しているバランス室５０とポート５２、５６、とバルブ５４（V1）及び５８（V2）とをバランスされたバルブ装置６０と言う。

図面の図２はポペット組立体４６が開いているときの装置６０の位置を示している。加圧空気の充填物がバルブシート２２を通して燃焼室２０に強制されつつ、エンジンの動力ピストン１４が下降し始めている。バルブヘッド２６は、その上面６１と下面６２がクロスオーバー通路の圧力にさらされているので、第一制御バルブ５４（V1）は閉じられ、第二制御バルブ５８（V2）は開かれ、バランス室５０が大気圧に通気されている。

図３はポペット組立体４６が閉じているときの装置６０の位置を示している。第二制御バルブ５８（V2）は閉じられ、第一制御バルブ（V1）が開かれていて、バルブヘッド２６のクロスオーバー圧力がバランスされるように、クロスオーバー通路の圧力をバランス室５０に供給している。従って、必要となるバルブヘッド２６を（最初に）ほんの少し開けるために動作機構３２によってかけられる開き力が軽減される。

図面の図４と図５は、図２と図３の第一実施形態と同様なエンジン６８及びバランスされたバルブ装置７０の第二実施形態を示している。第二実施形態のバランスされたバルブ装置７０は、図２と図３に示されたコイルばねの代わりの空気ばね７４（バルブ動作機構７２の中）に代わったという点で、第一実施形態のバランスされたバルブ装置６０と異なっている。空気ばね７４はまた、カム３４とロッカーアーム３６との係合位置の真反対でロッカーアーム３６と係合するように移動されているが、機能は同じである。望むなら、本発明のバランスされたバルブ組立体４６を動作させるのに他の適切なばね又は動作機構を用いられ得ることが理解されるべきである。さらに、他のばねに代えて、空気ばねは、どのような機械的な動作機構にでも使うことができる。

図６、図７及び図８は、バランスされたバルブ装置８０を有するエンジン７８の第三実施形態を示す。バルブ装置８０は、ステム８３に取付けられている円柱状ピストンヘッド８２を有するピストンバルブ（ピストンバルブ組立体）８４を含んでいる。ピストンバルブ８４が第一実施形態のポペットバルブ組立体４６と置替えられている。機械的な動作機構３２を有するピストンバルブ８４が示されているが、それに限定されない。ピストンバルブ８４は、クロスオーバー通路２４に開放されているがピストンヘッド82によってクロスオーバー通路２４から分離されている円柱状凹所８６の中で往復することが可能である。

ピストンヘッド８２は、その質量を最小限にするために空洞であってもよい。ピストンヘッド８２の下周辺の面取り８８は、バルブシート２２に着座するように適合されている。ピストンヘッド８２の上部（内面）９０と凹所８６の端部９２はバランス室９４（例えば、流体圧平衡器）を形成している。第一制御バルブ９８（V1）によって制御される第一バランスポート９６は、バランス室９４をクロスオーバー通路２４に連絡させている。第二制御バルブ１０２（V2）によって制御される第二バランスポート１００は、バランス室を大気圧に連絡させている。

運転においては、エンジンの動力ピストン１４が排気行程中に上昇し、且つ排気バルブ（不図示）を通して排気しているとき、ピストンバルブ８４は閉じられている（バルブシートに着座されている）。ピストンバルブ８４が着座されているとき、クロスオーバー通路２４の圧力はピストンヘッド８２の円柱状の外表面の半径方向にのみ作用し得る。ピストンヘッド８２を作用しているクロスオーバー通路２４の圧力に対して垂直方向の成分がないので、クロスオーバー通路の圧力は、ヘッドを最初に開けるのに克服されねばならないほんの少しの開き力に寄与しない。

動力ピストン１４の排気行程中にも、バルブ９８（V1）は閉じられ、バルブ１０２（V2）が開かれている。かくて、バランス室９４の大気圧は、エンジンの燃焼室２０の排気圧力に基本的にバランスしている。従って、図６に示されるように、ピストンヘッド８４がほんの少し開けられた（開き始める）ときは、動作機構３２は、ばね４０の着座させる力のみを克服することによってピストンバルブ８４を開けることができる。

図７に示されるように、ピストンバルブ８４が完全に開かれているとき、クロスオーバー通路の圧力は、ピストンヘッド８２の底（外面）１０６に対して作用している。かくて、クロスオーバー通路の圧力をバランス室９４に導くために、バルブ９８（V1）は開けられ、バルブ１０２（V2）が閉じられている。その後、ピストンバルブ８４の圧力は、図８に示されるように、バルブばね４０によってピストンバルブが閉じられるまで、バランスされたままである。これは、クロスオーバー通路の圧力がバランス室９４内に維持されつつ、燃焼行程及び膨張行程中に継続し、燃焼及び膨張の圧力に対抗してピストンバルブ８４を閉じたままに保持するべくバルブばね４０を支援している。

次の排気行程中には、ピストンバルブ８４が、図６に示されるように、再び、ほんの少し開けられて、サイクルが繰り返される。

図９、図１０及び図１１は、図６、図７及び図８の第三実施形態と同様に、エンジン１０８及びバランスされた装置１１０の第四実施形態を示している。これらは、代替のバルブ動作機構１１４が、電磁式、空気圧式、液圧式、機械式、又はそれらの組み合わせのような概略的に示された適切なタイプの代表として示されているという点で異なっている。ピストンバルブ１１６は、ステム１１７と変更されたピストンヘッド１１９を有する。ピストンバルブ１１６は、バランス室９４を画成している円柱状凹所１２４に配置されている。バランス室９４の圧力は、バランスポート１１８（P1）、１２０（P2）及び１２２（P3）によって制御される。

ポートP1とポートP2は、エンジン１０８及びピストンヘッド１０９それぞれに配置され、クロスオーバー通路２４の圧力をバランス室９４に連絡するために、ピストンバルブ１１６が完全に開かれているときに連絡する。このとき、エンジン１０８に配置されているポートP3は、図１０に示されるように、ピストンヘッド１１９によって遮断され、バランス室の圧力を維持している。ピストンバルブが完全に閉じられているとき（図１１）又はほんの少し開かれているとき（図９）は、ポートP1及びポートP2がずれて、クロスオーバー通路２４からの流れを阻止する一方、ポートP3は開かれていてバランス室９４を大気圧に通気させている。ポートP1及びP2の配列は、より長い「バランスされた期間」を有するためにポートP1、P2がより早く接続し、より遅く断絶するように、変更されてもよい。

図１２、１３及び１４は、バルブ動作機構３２によって開閉されるポペットバルブ組立体１３２を含んでいるバランスされたバルブ装置１３０を有するエンジン１２８の第五実施形態を示している。バルブ動作機構３２は機械式であるが、それには限定されない。

ポペットバルブ組立体１３２は、バルブステム１３５の下端に配置されているポペットヘッド１３４を有するポペットバルブ１３３を含んでいる。ポペットバルブ組立体１３２は、ポペットバルブ１３３のステム１３５の中央部分に取付けられているバランスピストン１３６も含んでいる。バランスピストン１３６は、下表面（面）131と上表面（面）１３７を有する。下表面１３１はクロスオーバー通路２４の中に面しているので内面とも呼ばれ、上表面１３７はクロスオーバー通路２４から見て外方に面して、クロスオーバー通路２４の外に配置されているので外面とも呼ばれる。

バランス室９４、バランスポート９６、１００、及び制御バルブ９８、１０２は、同一の参照番号を有する前述の構成要素と同様で、同様に動作する。依って、動力ピストン１４の排気行程中には、バルブ９８（V1）は閉じられ、バルブ１０２（V2）が開かれている。かくて、バランス室９４の大気圧は、燃焼室２０の排気圧力と基本的にバランスしている。さらに、ポペットヘッド１３４の上表面（内面）１２９に下方向に作用しているクロスオーバー通路２４の圧力の垂直方向の成分は、バランスピストン１３６の下表面（内面）１３１に上方向に作用している同じクロスオーバー通路の圧力によってバランスされている。従って、図１２に示されているように、ポペットバルブ組立体１３２がほんの少し開けられた（開き始める）ときは、動作機構３２は、ばね４０の着座力のみを克服することによって、ポペットバルブ組立体１３２を開けることができる。

図13に示されるように、ポペットバルブ組立体１３２が完全に開かれているとき、クロスオーバー通路の圧力は、ポペットヘッド１３４の下表面（外面）１３９に対抗して上方向に作用している。従って、クロスオーバー通路の圧力をバランス室９４に、且つバランスピストン１３６の上表面（外面）に対抗して下方向に導くために、バルブ９８（V1）は開かれ、バルブ１０２（V2）が閉じられている。次に、ポペットバルブ組立体１３２への圧力は、図14に示されるように、バルブばね４０によってポペットバルブ組立体１３２が完全に閉じられるまで、バランスされたままである。これは、クロスオーバー通路の圧力がバランス室９４に維持されつつ、燃焼及び膨張行程中に継続して、燃焼及び膨張の圧力に対抗してポペットバルブ組立体１３２を閉じたままに保持するべくバルブばね４０を支援している。

次の膨張行程中には、ポペットバルブ組立体１３２が図12に示されているように、再び、ほんの少し開けられて、サイクルが繰り返される。

図１５、１６及び１７は、バルブ動作機構３２によって開閉されるポペットバルブ組立体１４２を含んでいるバランスされたバルブ装置１４０を有するエンジン１３８の第六実施形態を示している。バルブ動作機構３２は機械式であるが、それには限定されない。

ポペットバルブ組立体１４２は、バルブステム１４５の下端に配置されているポペットヘッド１４１を有するポペットバルブ１４３を含んでいる。ポペットバルブ組立体１４２は、ポペットバルブ１４３のステム１４５の中央部分に取付けられているバランスピストン１４４も含んでいる。

バランスピストン１４４に配置されているポート１２０（P2）及びエンジン１３８に配置されているポート１１８（P1）、１２２（P3）は、同一の参照番号を有する前述の構成要素と同様で、同様に動作する。かくて、ポートP1とポートP2は、クロスオーバー通路２４の圧力をバランス室９４に連絡するため、ポペットバルブ組立体１４２が完全に開かれているときに連絡する。このとき、エンジン１３８に配置されているポートP3は、図１６に示されるように、バランスピストン１１９によって遮断され、バランス室の圧力を維持している。ポペットバルブ組立体１４２が完全に閉じられているとき（図１７）又はほんの少し開かれているとき（図１５）は、ポートP1及びポートP2がずれて、クロスオーバー通路２４からの流れを阻止する一方、ポートP3は開かれていてバランス室９４を大気圧に通気させている。クロスオーバー通路の圧力は、ポペットヘッド１４１とバランスピストン１４４のそれぞれの内面１４６と１４７に対抗して常にバランスされている。

図１８ないし２２を参照するに、本発明の第七実施形態は、３つの変形例を含んでいる。この変形例の全ては、エンジン１４８の燃焼室２０とバランス室９４の間に流体の連絡を提供する、エンジン１４８に配置されたバランスポート１５２があるという共通の特徴を共有している。全ての変形例はポペットバルブ組立体１４９を示しているが、１つのピストンバルブ（例えば、第三実施形態のピストンバルブ８４）が用いられてもよいことに注目すべきである。

図１８は、第一の変形例を示している。第一の変形例のエンジン１４８は、ポペットバルブ組立体１４９を備えるバランスされたバルブ装置１５０を含んでいる。ポペットバルブ組立体１４９は、別のポペットヘッド１５７とバランスピストン１５９を有するポペットバルブ１５５を含んでいる。ポペットヘッド１５７とバランスピストン１５９は、内面１５１及び１５３をそれぞれ含んでいる。内面１５１、１５３の両方は、ロスオーバー通路２４に開放されている。ポペットバルブ１５５が閉じられているとき、バルブヘッド１５７はバルブシート２２に着座され、クロスオーバー通路２４をエンジンの燃焼室２０から分離している。バランスピストン１５９は、円柱状凹所８６の端部９２を備えるバランス室９４を形成している。

第一の変形例においては、エンジン中のバランスポート１５２は、バランス室９４と膨張シリンダー内の燃焼室２０の間に流体の連絡を提供する。ポート１５２は、ポペットヘッド１５７の外面１６０とバランスピストン１５９の外面１６１との両方で燃焼室の圧力にバランスさせるために、常に開かれている。さらに、ポペットヘッド１５７の内面１５１に対するクロスオーバー通路２４の圧力の下方向への垂直成分は、バランスピストン１５９の内面１５３に対するクロスオーバー通路の圧力の上方向への垂直成分に対抗して常にバランスされている。

ポペットバルブ１５５が開かれたとき、圧力は、全ての面１５１、１５３、１６０及び１６１で等しくなる傾向にある。ポペットバルブ１５５は、一般的なバルブ動作機構１１４によって開閉される。

図１９は、第二の変形例を示している。第二の変形例は、ポート１５２内に制御バルブ１５４を含んでいる。バルブ１５４は、燃焼生成物によって室が汚れることを避け、且つ燃焼過程においての圧縮比を軽減するために、燃焼室２０内の燃焼中には、閉じられてもよい。

図２０、２１及び２２は、第三の変形例を示している。第三の変形例は、バランスポート１５２及び制御バルブ１５４が維持され、他の制御バルブ１５８（V1）によって制御される追加のバランスポート１５６がクロスオーバー通路２４とバランス室９４の間に加えられている。制御バルブ１５４はV2と呼ばれている。バルブV1（１５８）は、動力ピストン１４の排気行程中及びエンジンポペットバルブ１５５がほんの少し開けられた（最初に開けられた）ときに、閉じられる。しかし、制御バルブV1（１５８）は、動力ピストン14の上死点又はその近傍、及び膨張行程中に開かれる。バルブV2（１５４）は、膨張行程中及びポペットバルブがほんの少し開けられているとき開かれるが、ポペットバルブ１５５が完全に開かれているとき及び膨張行程中には閉じられる。

結果は、第五実施形態の結果と同様である。ポペットバルブ１５５は、動力ピストン１４の排気行程中及びそれがほんの少し開けられているとき（すなわち、ポペットバルブの開き始め）に、圧力がバランスされている。これらの期間に、バランス室９４の圧力は、エンジンの燃焼室２０の圧力に基本的にバランスされている。さらに、ポペットヘッドの上表面（内面）に下方向に作用するクロスオーバー通路２４の圧力の垂直成分は、バランスピストンの下表面（内面）に上方向に作用する同じクロスオーバー通路の圧力によってバランスされている。バルブ１５５は、クロスオーバー通路２４の圧力を燃焼室２０に充填する間にバランスされたままである。この期間に、クロスオーバー通路２４の圧力は、バルブヘッドの底表面（外面）に対して上方向に作用し、バランス室９４内の同じ圧力はバランスピストンの上表面（外面）に対して下方向に作用している。クロスオーバー通路２４の圧力は、燃焼室２０内で燃焼の圧力を維持することを支援する。バルブ１５５が閉じた後の膨張行程を通して、バランス室９４内に残存している。

図２３は、第八実施形態を示している。第八実施形態のエンジン１６８は、一般的な動作機構１１４によって動作されるポペットバルブ組立体１７２を有するバランスされた装置１７０を含んでいる。製造を簡略化するため、第八実施形態は、バランスポートが別にエンジンに組み込まれた第七実施形態とは違って、ポペットバルブ組立体に一体的に組み込まれたバランスポート１７８を含んでいる。本実施形態はポペットバルブ組立体１７２を示しているが、内部のバランスポートを備える１つのピストンバルブ（ピストンバルブ８４と同様）が用いられてもよいことに注目すべきである。

ポペットバルブ組立体１７２は、バルブステム１７６の下端に取付けられている概ね円板状のポペットヘッド１７４を有するポペットバルブ１７３を含んでいる。ポペットバルブ組立体１７２はほか、ステム１７６の中央部に取付けられているバランスピストン１７０も含んでいる。バランスピストン１７５は、円柱状凹所１７７内で往復し、バランスピストン１７５の上のバランス室１８２を画成している。

ポペットバルブ組立体１７２は、膨張室２０からバルブヘッド１７４及びバランスピストン１７５の上のバルブステム１７６を通して軸線方向に延びている内部のバランスポート１７８を含んでいる。横開口１８０は、バランス室１８２との流体の連絡を提供するために、内部のバランスポート１７８を延ばしている。

従って、膨張室２０の圧力は、ポペットバルブヘッド１７４及びバランスピストン１７５のそれぞれの外面１８８及び１９０の圧力のバランスを常に維持している。さらに、クロスオーバー通路２４の圧力は、ポペットバルブヘッド１７４及びバランスピストン１７５のそれぞれの内面１８４及び１８６の圧力のバランスを常に維持している。

本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、説明された発明概念の趣旨と範囲内で、多数の変更がされ得ることが理解されるべきである。従って、本発明は、記載された実施形態に限定されることなく、下記の請求項の用語によって定義された全範囲を有することが意図されている。

Claims (25)

1. エンジン（１０）のための圧力をバランスするシステムであって、
   シリンダー（１２）内に摺動可能に収容され、且つクランクシャフトに作用的に連結されたエンジンピストン（１４）、
   ステム（３０）とヘッド（２６）を含むエンジンバルブ（２８）であって、バルブシート（２２）に係合し、且つ通路（２４）とシリンダー（１２）との間の連絡を制御するように構成されるエンジンバルブ（２８）、及び
   バルブ（２８）のステム（３０）のバランスピストン（４４）であって、該バランスピストン（４４）と共にバランス室（５０）を画成している囲まれた別のバランスシリンダー（４８）内で可動であり、該バランス室（５０）は、第一制御バルブ（５４）によって制御される第一バランスポート（５２）を介して通路（２４）に流体的に連絡し、且つ、該バランス室（５０）は、第二制御バルブ（５８）によって制御される第二バランスポート（５６）を介して低圧力源に流体的に連絡している、バランスピストン（４４）、を備え、
   エンジンバルブ（２８）のヘッド（２６）がバルブシート（２２）から係合解除されているとき、第一制御バルブ（５４）が閉じられ、第二制御バルブ（５８）が開かれるように構成され、
   エンジンバルブ（２８）のヘッド（２６）がバルブシート（２２）に係合されているとき、第一制御バルブ（５４）が開かれ、第二制御バルブ（５８）が閉じられる、
   ことを特徴とするシステム。
2. エンジンバルブ（２８）は、シリンダー（１２）から離れて、通路（２４）内に外開きするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力をバランスするシステム。
3. エンジン（１０）は分割サイクルエンジン（１０）であり、
   通路（２４）は分割サイクルエンジン（１０）のクロスオーバー通路（２４）である、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力をバランスするシステム。
4. 低圧力源は外部の大気力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力をバランスするシステム。
5. エンジンバルブ（２８）を動作させるように構成された動作機構（３２）を更に備えることと特徴とする請求項１に記載の圧力をバランスするシステム。
6. エンジン（７８／１２８）のための圧力をバランスするシステムであって、
   シリンダー（１２）内に摺動可能に収容され、且つクランクシャフトに作用的に連結されたエンジンピストン（１４）、
   ステム（８３／１３５）とバルブピストン（８２／１３６）を含むエンジンバルブ（８４／１３３）であって、バルブシート（２２）に係合し、且つ通路（２４）とシリンダー（１２）との間の連絡を制御するように構成されるエンジンバルブ（８４／１３３）、
   バルブピストン（８２／１３６）の頂部（９０／１３７）と通路（２４）に連絡され通路（２４）から延びている凹所（８６）とによって形成されたバランス室（９４）であって、通路（２４）及び低圧力源に流体的に連絡しているバランス室（９４）、
   バランス室（９４）を通路（２４）に連絡し、第一制御バルブ（９８）によって制御される第一バランスポート（９６）、及び
   バランス室（９４）を低圧力源に連絡し、第二制御バルブ（１０２）によって制御される第二バランスポート（１００）、を備え、
   エンジンバルブ（８４／１３３）がバルブシート（２２）から係合解除されているとき、第一制御バルブ（９８）が開かれ、第二制御バルブ（１０２）が閉じられるように構成され、
   エンジンバルブ（８４／１３３）がバルブシート（２２）に係合されているとき、第一制御バルブ（９８）が閉じられ、第二制御バルブ（１０２）が開かれる、
   ことを特徴とするシステム。
7. バルブピストン（８２／１３６）はバルブシート（２２）に係合するように構成されたピストンヘッド（８２）であることを特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
8. エンジンバルブ（８４／１３３）はバルブシート（２２）に係合するように構成されたポペットヘッド（１３４）を含み、
   バルブピストン（８２／１３６）は、エンジンバルブ（８４／１３３）のステム（８３／１３５）のバランスピストン（１３６）であり、該バランスピストン（１３６）は、凹所（８６）内で可動であるように構成されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
9. エンジンバルブ（８４／１３３）は、シリンダー（１２）から離れて、通路（２４）内に外開きするように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
10. エンジン（７８／１２８）は分割サイクルエンジン（７８／１２８）であり、
    通路（２４）は分割サイクルエンジン（７８／１２８）のクロスオーバー通路（２４）である、ことを特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
11. 低圧力源は外部の大気力であることを特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
12. エンジンバルブ（８４／１３３）を動作させるように構成された動作機構を更に備えることと特徴とする請求項６に記載の圧力をバランスするシステム。
13. エンジン（１０８／１３８）のための圧力をバランスするシステムであって、
    シリンダー（１２）内に摺動可能に収容され、且つクランクシャフトに作用的に連結されたエンジンピストン（１４）、
    ステム（１１７／１４５）とバルブピストン（１１９／１４４）を含むエンジンバルブ（１１６／１４３）であって、バルブシート（２２）に係合し、且つ通路（２４）とシリンダー（１２）との間の連絡を制御するように構成されるエンジンバルブ（１１６／１４３）、
    バルブピストン（１１９／１４４）の頂部（９０）と通路（２４）に連絡され通路（２４）から延びている凹所（８６）とによって形成されたバランス室（９４）であって、通路（２４）及び低圧力源に流体的に連絡しているバランス室（９４）、
    通路（２４）とバランス室（９４）との流体の連絡を協働して制御する、エンジン（１０８／１３８）内の第一バランスポート（１１８）及バルブピストン（１１９／１４４）内の第二バランスポート（１２０）、及び
    バランス室（９４）と低圧力源との連絡を制御する、エンジン（１０８／１３８）内の第三バランスポート（１２２）、を備え、
    バルブピストン（１１９／１４４）の移動が第一及び第二バランスポート（１１８、１２０）を連絡し、断絶するように構成されている、
    ことを特徴とするシステム。
14. バルブピストン（１１９／１４４）はバルブシート（２２）に係合するように構成されたピストンヘッド（１１９）であることを特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
15. エンジンバルブ（１１６／１４３）はバルブシート（２２）に係合するように構成されたポペットヘッド（１４１）を含み、
    バルブピストン（１１９／１４４）は、エンジンバルブ（１１６／１４３）のステム（１１７／１４５）のバランスピストン（１４４）であり、該バランスピストン（１４４）は、凹所（８６）内で可動であるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
16. エンジンバルブ（１１６／１４３）は、シリンダー（１２）から離れて、通路（２４）内に外開きするように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
17. エンジン（１０８／１３８）は分割サイクルエンジン（１０８／１３８）であり、
    通路（２４）は分割サイクルエンジン（１０８／１３８）のクロスオーバー通路（２４）である、ことを特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
18. 低圧力源は外部の大気力であることを特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
19. エンジンバルブ（１１６／１４３）を動作させるように構成された動作機構（３２／１１４）を更に備えることと特徴とする請求項１３に記載の圧力をバランスするシステム。
20. エンジン（１４８）のための圧力をバランスするシステムであって、
    シリンダー（１２）内に摺動可能に収容され、且つクランクシャフトに作用的に連結されたエンジンピストン（１４）、
    ステム（１４５）とヘッド（１５７）を含むエンジンバルブ（１５５）であって、バルブシート（２２）に係合し、且つ通路（２４）とシリンダー（１２）との間の連絡を制御するように構成され、該エンジンバルブ（１５５）のヘッド（１５７）が、シリンダー（１２）に隣接する外面（１６０）を含むエンジンバルブ（１５５）、
    バランス室（９４）内で可動であり、エンジンバルブ（１５５）のステム（１４５）のバランスピストン（１５９）であって、該バランス室（９４）がバランスピストン（１５９）の外面（１６１）と通路（２４）に連絡され通路（２４）から延びている凹所（８６）とによって形成されている、バランスピストン（１５９）、
    第一制御バルブ（１５４）をその内に含む第一バランスポート（１５２）であって、該第一バランスポート（１５２）は、バランス室（９４）とシリンダー（１２）との流体の連絡を提供するように構成され、それによって、エンジンバルブ（１５５）のヘッド（１５７）の外面（１６０）及びバランスピストン（１５９）の外面（１６１）の圧力をバランスする第一バランスポート（１５２）、を備え、
    シリンダー（１２）内での燃焼事象の少なくとも部分中に、第一制御バルブ（１５４）を閉じるように構成されている、
    ことを特徴とするシステム。
21. 第二制御バルブ（１５８）をその内に含む第二バランスポート（１５６）であって、通路（２４）とバランス室（９４）との流体の連絡を提供するように構成された第二バランスポート（１５６）を更に備えることと特徴とする請求項２０に記載の圧力をバランスするシステム。
22. 第二制御バルブ（１５８）はエンジンピストン（１４）の排気行程中、及びエンジンバルブ（１５５）の初期開き中に閉じられるように構成され、
    第二制御バルブ（１５８）は、エンジンピストン（１４）の上死点又はその近傍のとき、及びエンジンピストン（１４）の膨張行程中に開かれ、及び
    第一制御バルブ（１５４）は、エンジンピストン（１４）の排気行程中、及びエンジンバルブ（１５５）の初期開き中に開かれ、
    第一制御バルブ（１５４）は、エンジンバルブ（１５５）が完全に開かれているとき、及びエンジンピストン（１４）の膨張行程中に閉じられる、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の圧力をバランスするシステム。
23. エンジンバルブ（１５５）は、シリンダー（１２）から離れて、通路（２４）内に外開きするように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の圧力をバランスするシステム。
24. エンジン（１４８）は分割サイクルエンジン（１４８）であり、
    通路（２４）は分割サイクルエンジン（１４８）のクロスオーバー通路（２４）である、ことを特徴とする請求項２０に記載の圧力をバランスするシステム。
25. エンジンバルブ（１５５）を動作させるように構成された動作機構（３２／１１４）を更にことと特徴とする備える請求項２０に記載の圧力をバランスするシステム。

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