JP2012518732A - エンジンのスリーブバルブの複合駆動装置 - Google Patents

Abstract

スリーブバルブ・エンジンのスリーブのためのドライブトレインが、スリーブに複合運動を与える一対の駆動装置を有し、これによりポートの開閉を良好にする。一方の駆動装置は、エンジン駆動の第１のギアを用いて、カムとフォロワにより、スリーブに偏心運動を与える。他方の駆動装置は、エンジン駆動の第２のギアを用いて、割りスリーブの中の偏心ピンにより、スリーブに小さな同時回転を与える。一方の駆動装置により、他方の駆動装置からの回転応答を阻止することなく、軸方向応答を可能にしている。スリーブ通路で、丈が長く幅が狭いポートが可能となることで、ピストンリングをピストン冠に近づけることができ、排気が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スリーブバルブ・エンジンに関し、特にスリーブバルブの駆動装置に関するものである。

スリーブバルブ・エンジンには幾つかの制限が見られるが、そのうちの１つは、玉継ぎ手によりスリーブの後端に連結されている単一のスリーブクランクによって強いられるポート開閉通路の形状である。その通路の形状は楕円形である。低排出を保証するためには、最上位のピストンリングをピストン冠に近接させて配置することが望ましい。

十分なスリーブ孔の開口を得るためにスリーブクランクのストロークを十分に長くした場合、回転運動は幅の広いポート孔を必要とする。オットーサイクルにおいて両方のポートが一緒に開きピストンが上死点近くにあるオーバラップ期間には、ピストンリングあるいは少なくともトップリングが、ポート孔を横切り、適切に支持されなくなる。これらは“外れ落ちる”傾向があり、これによって、リングの過度な摩耗を引き起こす。

最近のエンジンは、エンジン効率の向上のために高圧縮比を必要とし、このことは、よりピストン冠をシリンダヘッドに近接させて隙間容積を低減することを意味している。その最終的な結果として、ピストン冠が孔領域にさらにはみ出ることになる。

本出願人は、同時係属中の特許文献１において、スリーブバルブの構成を開示していて、そのスリーブは、入口孔と出口孔を有し、それらの孔の間でスリーブの壁の中に、スリーブから燃焼熱を奪うための内部冷却液の流路を備えている。この改良は、この特別な構成のスリーブに適用可能なものである。

特許文献２においては、対向シリンダを有するスリーブバルブ・エンジンが、スリーブバルブ駆動装置を備え、一対のリングギアを用いて各シリンダのスリーブを回転させることが開示されている。スリーブに隣接してスリーブ端部の螺旋溝の中に突き出ている回転ディスクによって、スリーブの軸方向の動きが与えられる。その溝のピッチ及び長さは非常に小さくなっていて、これによって、スリーブのポートに溜まってしまう恐れのあるカーボン付着を擦り取るのに十分な往復運動が生じるようにしている。これは、ポートを効果的な形状とする助けになるものとして有効ではない。

オーストラリア特許仮出願第２００８９０１９３３号 米国特許第２４１１５７１号

本発明の装置は、スリーブバルブ・エンジンに関し、このエンジンにおいて、ポートを開閉するスリーブバルブは、スリーブに往復運動を与える第１のスリーブ駆動装置により駆動され、一方、第２のスリーブ駆動装置がスリーブに部分回転を与える。

第１の駆動装置において、スリーブを往復運動させるために、スリーブに隣接するブロックが偏心パスを描き、このブロックはスリーブから突き出ているフォロワに係合して、これにより、スリーブが往復運動しながらアーチ形パスを描くことを可能にしている。そのフォロワは、先端にスラスト面を有していて、後端に同様のスラスト面を有している。運動のアーチ形はスリーブの回転に相当し、これは、シリンダヘッドのポートを覆ったり、覆いを外したりするのに十分なものある。スラスト面は、互いに平行であって、往復運動の軸を横切るように配置されている。
第２の駆動装置は、割れ目の入った略円筒形の表面を有する、スリーブから突き出ている、軸方向に配置されたスライドと、上記割れ目に突き出ている、偏心運動をするピンと、両端部が上記円筒形の表面に接触するように湾曲している、上記ピンにより支えられているヘッドと、を有し、上記ピンは、上記スライドが第１の駆動装置に応えて往復運動することを可能にしながら、スリーブにアーチ形運動を与える。

上記ブロックは、シリンダ軸に対して９０°に配置された軸に関して回転する第１のギアホイールに、偏心させて取り付けることができる。

同様に、第２の駆動装置において上記ピンは、シリンダ軸に対して９０°に配置された同じ或いは異なる軸に関して回転すると共に第１のギアホイールと直径方向に反対側にある第２のギアホイールに、偏心させて取り付けることができる。このように第１と第２のギアホイールを１８０°に配置することは有用であるが、この角度が１８０°より小さい場合でも、駆動装置は同様に適切に機能する。

第１及び第２のギアホイールは、オットーサイクルによる全てのバルブエンジンの中に含まれている半速バルブ運動ギアの直角駆動装置の一部分とすることができる。このように、第１と第２の駆動装置は、同時にスリーブ運動に寄与し、協働してスリーブに楕円形パスを与える。バルブ運動ギアは、そろって回転するために、チェーンまたは歯付きベルトにより接続されている。しかしながら、そのパスは、従来技術で知られているものから変形されていて、改良された楕円形パスによって、ポート設計の変更が可能になっている。スリーブには、複数の、好ましくは７個までの、ポートを設けることができる。

作動部の斜視図 スリーブがクランクシャフトに対して８０°回転した状態の図１の作動部の平面図 スリーブがクランクシャフトに対して９０°回転した状態の図１の作動部の平面図 スリーブがクランクシャフトに対して１００°回転した状態の図１の作動部の平面図 図２のスリーブ駆動装置の側面図 図３のスリーブ駆動装置の側面図 図４のスリーブ駆動装置の側面図 歯付きベルト駆動を示す改良例の底部斜視図 スリーブを軸方向に駆動するホイールの斜視図 図９に示すホイールの裏面の斜視図 ブロックが取り付けられた図９及び１０のホイールの前面図 取り付けられたベベルギアを示す図１１の断面図 図１１と異なる位相にあるホイールとブロックの前面図 スリーブの軸方向運動のためのベベルギア及びホイールとブロックを示す側面図 スリーブの回転運動のためのスリーブ駆動装置の平面図 図１５に示す駆動装置をエンジンの中にあるときのような外観で示す平面図 図１６の断面図

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１〜８に示すように、シリンダ２は、その周囲に配置された対の孔４をいくつか備えている。これらは、燃料／空気供給装置（図示せず）及び排気管に接続しているシリンダブロックのポートに合わせたものである。

スリーブバルブ６は、同様に、対の孔をいくつか備えていて、これらは、シリンダ孔に合わせて出入りし、オットーサイクルに従って、シリンダをインレット及びエキゾーストに接続する。

スリーブバルブの下端は、シリンダの端をおよそ３０ｍｍ越えて延びていて、これによって、クランクシャフト８から歯付きホイール１０、１２及び共通の歯付きベルト１４によって取り出されるスリーブ駆動力を受け入れている。

ホイール１２は、時計回りに回転してベベルギア１６を駆動し、これにより、ベベルギア１８が駆動される。ベベルギア１８は、動くスリーブバルブに隣接した位置にあって、偏心ピン２０を有する。これは、スリーブバルブの外面から突き出すフォロワ２６の平行なスラスト面２２、２４の間に突き出ている。金属面は、スリーブバルブが２０°回転する間、ピン２０により係合している金属ブロック２８と接触したままとなるように、十分な長さになっている。ブロック２８によって、ピンだけの場合よりも、スラスト面とのより良い接触領域が得られる。

ホイール１０は、時計回りに回転してベベルギア３０を駆動し、これにより、ベベルギア３２が駆動される。ベベルギア３２は、ベベルギア１８に対して１８０°の位置で、同様に、動くスリーブバルブに隣接している。ベベルギア３２は、偏心ピン３４を駆動する。円筒形の割りスリーブ３６が、フォロワ２６と直径方向に反対側で、スリーブバルブ６の外面に固定されている。偏心ピン３４が、割れ目３８を通って割りスリーブの中に突き出て、ロッカー４０と係合している。ロッカー４０は、ピン３４から等距離の湾曲した端面を有し、それらの端面がスリーブ３６の円筒状の内面とかみ合っている。

ベベルギア１８、３２は、同一直線上にあって、クランクシャフト軸に対して９０°に配置されている。時計回りに１０°回転し、続いて１０°戻って１０°反時計回りに回転するということが、ブロック２８とロッカー４０の行程の範囲内で生じる。フォロワ２６と割りスリーブ３６によって、スリーブバルブの質量はわずかに増加するものの、それらによって、スリーブの運動を往復成分と回転成分とに分離することができるので、エンジン性能が向上する。これらの成分を２つの駆動装置に分離することで、ポート設計の変更が可能である。
図８において、歯付きベルト１４がクランクシャフトから駆動力を取り出す方法を示している。アイドラ４２によって、ベルト調節が可能になっている。

スリーブの軸方向駆動装置を示す図９〜１４において、プーリーベアリング５０がシャフト５６上のサークリップ５２、５４の間にあって、これがプーリー１２によって回転させられる。潤滑油孔５８がベアリング５０の中に通じている。シャフト５６の反対の端部は、ニードルベアリング６０の中に差し込まれている。シャフト６２が、シャフト５６に対して９０°に延びて、ベベルギア１８を支持している。いくつかのテーパー頭ネジ６４によって、スラストプレート６６をベベルギア１８に締め付けている。
スラストプレートの２つの面を、図９及び１０に示している。ベアリングは、直径が９０ｍｍであるが、２つの面にある隣接する構成要素から推力を受け取るのは、最も外側の１０ｍｍのみである。スライドブロック２８は、スラストベアリング６６から９０°に延びるピン１２に支えられている。

図１２は、ベベルギア１８のスピゴット７０からピン孔７２に延びる油路６８を示している。出口孔７４は、オイルをサンプに戻す。

図１５は、ピン３４と青銅ロッカー４０との間の連結を示している。

スリーブの回転駆動装置を示す図１６及び１７において、ハウジング８０が、スリーブ軸方向駆動装置にあるような角度をなすシャフトと同じ構成を支持している。シャフト８２が、ベアリング８４の中に入って、ショルダの環状面に当接している。ベベルギア３０は、ショルダの反対の面に当接している。シャフト８２のテーパー端部が、ハウジングから突き出て、ドライブプーリーの端部を受け取っている。ピン３４は中空であって、これにより、オイルがピンの端からロッカー４０に漏れ出て、割りスリーブ３６を潤滑させることを可能にしている。オイルは、出口孔８６を通ってハウジングから出て行く。ベベルギア３２とロッカー４０との間に、スラストワッシャ８８が閉じ込められている。

軸方向運動：
プーリー１２が時計回りに回転して、ボールベアリング５０とニードルベアリング６０との間に支持されているシャフト５６を駆動する。ベアリング５０は、このシャフトにかかる軸方向と径方向の力を制御する。ベベルギア１６は、シャフト５６上に締まり嵌めされている。トルクは、純粋に干渉に基づき伝達することもできるが、駆動安全性を向上させるために半月キーを用いることもできる。ベベルギア１６上に生じる推力は、シャフトのショルダにより支持される。

ベベルギア１８は、１２個のＭ５テーパー頭ネジ６４により、シャフト６２に固定されている。この構成は、自動車の後輪駆動用の遊星差動歯車装置の中心におけるクラウンホイールの取り付けにおいて、よく実証されている。あるいは、シャフトとベベルギアを１つのユニットに製造してもよい。

シャフト６２は、平面ジャーナルベアリングに支持されている。面９０、面９２と、シャフト６２の表面は、油圧供給を受ける。
図１７は、構成要素の断面を示している。これら３つの表面により、スリーブ６を加速及び減速する軸方向の慣性力とベベルギアのかみ合い力に対して、正確なシャフト位置を維持している。

内部油路６８は、オフセットピン２にも供給を行い、青銅スライドブロック２８の内部穴にも供給を行う。このブロックは、やはり連通穴９０を有し、これによって青銅／スリーブ接合部のスライド面２２、２４にオイルを供給する。このようにして、すべてのスライド面が油圧供給を受ける。

オイルの供給が多量であるときには、スクレーパー・エッジ９６を有する駆動ギア・ハウジング８０が注意深く設計されることで、余分なオイルが取り除かれて、そのオイルはエンジンサンプに戻される。

油圧供給により、ベベルギアのかみ合い領域にもオイルが噴霧される。

平行なスラスト面は、スリーブバルブが２０°回転する間、青銅ブロック２８と接触したままとなるように、十分に長くなっている。最大慣性力は、平行な面が青銅ブロック２８を中心に捉える上死点と下死点で生じる。

回転運動：
ホイール１０が時計回りに回転することで、シャフト７０を介してベベルギア３０を駆動し、これによりベベルギア３２が駆動される。ベベルギア３２は、ベベルギア１８に対して１８０°の位置で、同様に、動くスリーブバルブに隣接している。軸方向と回転方向のギアセットは、必ずしも１８０°離れている必要はない。

ベベルギア３２により、偏心ピン３４が駆動される。円筒形の割りスリーブ３６が、フォロワ２６と直径方向に反対側で、スリーブバルブ６の外面に固定されている。偏心ピン３４が、割れ目３８を通って割りスリーブの中に突き出て、青銅ロッカー４０と係合している。ロッカー４０は、ピン３４から等距離の円筒状の面を有し、それらの面がスリーブ３６の円筒状の内面とかみ合っている。

回転運動用のシャフト８２は、軸方向運動用のシャフト５６と同等のものであり、同等のジャーナルの油圧供給面により支持されている。

青銅ロッカー４０にかかる慣性負荷は、スリーブ６がその最大回転限界に達したときに、最大値に達する。この角度で、割りスリーブ３６と円形の青銅ブッシュ４０との間のベアリング領域が最大となって、これにより、応力が許容レベル範囲内に保たれる。

このようにスリーブの軸方向運動と回転運動を分離する構成によって、ポート設計の変更が可能となる。その変更によって、より幅が狭く、より丈の長いポートが可能となり、ピストンリングがより良く支持される。これによって、トップのシリンダリングが、摩耗を増加させることなく、ポートを横切ることが確実に可能である。有名なデトロイトディーゼルのＶ８、２ストロークのトラック用エンジンが、このコンセプトの証明になる。スーパーチャージャ、ターボチャージャ装備の２ストローク・エンジンの場合、エンジンは、外気を取り込むため、ピストン・ストロークの下部において多くのポートを必要としていた。４つの排気弁がシリンダヘッドに設けられていた。このようなエンジンは、回転の度にピストンリングがポートを通り越しながら、何百万キロメートルも走行する。

上記実施形態により次の効果が明らかになった。
１．ポート形状の丈を長く、幅を狭くすることができる。ポートの幅が狭いことによって、ピストン上でリングの位置をピストン冠により近づけて、高い位置にすることができる。
２．追加構成要素が複雑なものではない。

なお、本明細書で使用されている「有している」という表現は、当然のことながら、包含的な意味であり、「有している」という言葉を用いることで、他の要素の追加を排除するものではない。
また、本発明の基本的特徴から逸脱することない範囲で、種々の変形、追加が可能である。そのような変形や追加は、本発明の範囲内に含まれる。

Claims (8)

1. スリーブバルブ・エンジンであって、
   ポートを開閉するスリーブバルブが、スリーブに往復運動を与える第１のスリーブ駆動装置により駆動され、一方、第２のスリーブ駆動装置がスリーブに部分回転を与える
   ことを特徴とするスリーブバルブ・エンジン。
2. 第１のスリーブ駆動装置において、スリーブを往復運動させるために、スリーブに隣接するブロックが偏心パスを描き、そのブロックがスリーブから突き出ているフォロワに係合して、これにより、スリーブが往復運動しながらアーチ形パスを描き得る
   請求項１に記載のスリーブバルブ・エンジン。
3. フォロワが、先端にスラスト面を有し、後端に同様のスラスト面を有する
   請求項２に記載のスリーブバルブ・エンジン。
4. スラストが、互いに平行であって、往復運動の軸を横切る配置である
   請求項３に記載のスリーブバルブ・エンジン。
5. 第２のスリーブ駆動装置が、
   割れ目の入った略円筒形の表面を有し、スリーブから突き出て、軸方向に配置されたスライドと、
   その割れ目に突き出て、偏心パスを描くピンと、
   両端部がスライドの略円筒形の表面に接触するように湾曲し、ピンにより支えられているヘッドと、を有し、
   ピンが、スライドが第１のスリーブ駆動装置と協働して往復運動することを可能にしながら、スリーブにアーチ形運動を与える
   請求項１ないし４のいずれかに記載のスリーブバルブ・エンジン。
6. ブロックが、シリンダ軸に対して９０°に配置された軸に関して回転する第１のギアホイールに偏心して取り付けられている
   請求項２ないし５のいずれかに記載のスリーブバルブ・エンジン。
7. 第２のスリーブ駆動装置におけるピンが、シリンダ軸に対して９０°に配置された同じ或いは異なる軸に関して回転すると共に、第１のギアホイールと直径方向に反対側にある第２のギアホイールに偏心して取り付けられている
   請求項５または６に記載のスリーブバルブ・エンジン。
8. 第１及び第２のギアホイールが、半速バルブ運動ギアの直角駆動装置の一部分である
   請求項６または７に記載のスリーブバルブ・エンジン。

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