JP2017531121A - 入口弁装置および外部熱機関のための方法 - Google Patents

Abstract

外部熱機関（５）のための入口弁装置であって、協動するピストン（４）を有する少なくとも１つの作動室（３３）を含んでおり、前記作動室（３３）は、少なくとも１つの制御されたポペット弁（６，４０）を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁（６，４０）は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されており、前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）は、前記ピストン（４）の中心軸（３４）に対し、±４５の度の偏差の範囲内で垂直に配置されている。

Description

本発明は入口弁装置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）および外部熱機関のための方法に関する。より詳しくは、それは、協動するピストンを有する少なくとも１つの作動室を含んでおり、前記作動室は、少なくとも１つの制御されたポペット弁を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されている、外部熱機関のための入口弁装置に関する。本発明はまた、外部熱機関の入口弁装置のための方法を含んでいる。

外部熱機関は、ここでは、外部熱機関の外側で加熱されることによって、作動流体が作動室に入る前に原動機シリンダーなどにおいてその作動圧力に到達し、そして、外部熱機関に作動流体が注入されて膨張するエンジンを、意味している。

熱機関における入口弁および出口弁の両方のために、カムシャフトによって作動するポペット弁を使用することは、周知である。ポペット弁は、比較的高い信頼性を呈し、長寿命、良好なシール性、通過の際における比較的低い圧力降下などの良好な流体力学的特性を、有する。比較的長い寿命および良好なシーリング性は、弁ばねの構造のため、ポペット弁が、作動中においてその中心軸の周りを回転している事実に、とりわけ起因するだろう。この回転もまた、ポペット弁における温度変化をなめらかにするのに寄与する。

複数のシート（ｓｅａｔ）に接する（ｃｌｏｓｅｓ ａｇａｉｎｓｔ）ポペット弁、いわゆる複座弁がある。それらは、ポペット弁を挟んだ圧力差が大きい場合であっても、それらを開とするために必要とされる力が、小さいという長所を有する。欠点は、それらが高価であることである。最新の原動機のポペット弁の大部分の設計は、１つのシートのみに接する。しかし、ポペット弁は、開方向がポペット弁を通過する流れ方向と一致し、ポペット弁を挟んだ比較的大きい圧力差が関係している場合、信頼できない閉機能を呈することによる欠点を有する。このような場合、十分な閉を達成するためには、特別に大きなばね力を用いる必要がある。その結果、これらの力は、ボイラーとシリンダー室との間の圧力差に抵抗するために、十分大きくなければならず、ほとんどの場合、非常に好ましくない。

この弱点に対する明らかな解決策は、ポペット弁を挟んだ圧力差が、ポペット弁の閉を維持するために役立つため、ポペット弁を流れ方向に反対方向に開とすることである。前記解決策の多くは、公知であるが、しかし、機械的に比較的複雑であり、関連する信頼性の低い機能および寿命を有し、あるいは、外部熱機関の作動室における不適当に大きいデッドボリュームの存在の原因となっている。これの理由は、バルブステムおよびバルブガイドのような他の関連要素が、作動室と関連して大きな空間を占め、そして、それらのために、従来型の追加空間が必要となるため、増加したデッドボリュームが存在する。加えて、そのような弁の解決策のために、開力（ｏｐｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）は、弁を挟んだ比較的大きな圧力差のため、大幅に上昇する。

本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを改善あるいは削減すること、あるいは、従来技術に対して有効な代替物を少なくとも提供することである。

前記目的は、下記の説明および下記の特許請求の範囲において特定される特徴を通じて、本発明により達成される。

本発明の第１様相によれば、協動するピストンを有する少なくとも１つの作動室を含んでおり、前記作動室は、少なくとも１つの制御されたポペット弁を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されている、外部熱機関のための入口弁装置が提供される。前記入口弁装置は、ポペット弁の中心軸が、ピストンの中心軸に対し、±４５の度の偏差の範囲内で垂直に配置されていることを特徴とする。

発明に係る実施の形態は、ポペット弁のバルブシートがピストンの近くに配置されることを可能にし、それによって、形成されるデッドボリュームが、許容可能なサイズの範囲内に保たれることが可能とされる。デッドボリュームは、通常操作における変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）中のピストンによって占めることができない作動室の体積を意味する。

ポペット弁、ここでは入口弁が、シリンダーヘッドにおいて、斜め「下方」に位置するステムを有するように配向される場合、シリンダーヘッド／頂部の部品は、シリンダーブロックの上部の下方を延長することを必要とし、そして、それは構造に関して非現実的である。

ポペット弁が、斜め「上方」のステムを有するように配向される場合、特に、弁およびバルブシートの「上面」で、デッドボリュームが若干増加し、そして、特に、ピストンにおいて、適した変位設計を実施することは困難である。その結果、前記デッドボリュームは、より大きくなる必要があり、そして、それは望ましくない。

この「水平な」角度を有するポペット弁は、１つだけ必要である。

上記のように、ポペット弁のバルブステムの配置、見込まれる（ｐｏｓｓｉｂｌｅ）バルブガイド、および、外部熱機関のシリンダーヘッドにおけるバルブシートの位置決め、および、デッドボリュームのサイズにおける実用条件は、垂直位置から±４５度より大きな偏差は意味がないことを、示している。

上記条件のもとで、ピストンの中心軸に対し、±２０度の範囲内で偏差を維持することが適しており、一方、ポペット弁の中心軸が、ピストンの中心軸に対し、±１０度の偏差の範囲内で、垂直に配置されていることが、最も有利であることが、判明した。

各作動室は、複数のポペット弁を経由して、加圧流体が供給されることが可能である。作動室に対する流体の供給のためのポペット弁の数は、圧力状態、所要流路面積（ｆｌｏｗ ａｒｅａ）および実施設計により、決定される。

ポペット弁の少なくとも２つは、異なるサイズとすることが可能である。例えば、大型のポペット弁が、開とされる前に、大型のポペット弁を挟んだ圧力差を削減する若干前に、小型のポペット弁が開とされるように配置することが可能である。その目的は、必要とされる開力を削減し、それによって、寿命をのばすことである。

ピストンは、ピストンヘッドを有して形成することが可能であり、前記ピストンヘッドは、ピストンがシリンダーヘッドに最も近い位置にある場合、ポペット弁とピストンとの間の入口チャンネルに少なくとも部分的に突出し、それによってデッドボリュームを削減する。

入口チャンネルにおいて、デッドボリュームをさらに削減するために配置される構成物が存在することも可能である。前記構成物は、概して、図に示されるように、ピストンに関し、バルブステムおよび／またはバルブガイドの上方に配置される材料を、有することが可能である。

ポペット弁のバルブガイドは、入口チャンネルの体積を削減するように設計することが可能である。

これらの特徴の両方とも、デッドボリュームを削減することによって効率を増加させるために寄与する。

弁の１つ以上は、「可変弁タイミング」と呼ばれることが多い可変開口特性（ｐｒｏｆｉｌｅ）あるいは可変開口間隔（ｉｎｔｅｒｖａｌ）を少なくとも有する弁アクチュエーターによって、制御することが可能であり、あるいは、最も単純なケースにおいて、開口間隔は、ピストン位置すなわちクランクシャフト位置に関して、変位させる（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）ことが可能である。

第１ポペット弁は、可変開ポイントおよび／または可変開口間隔を有することが可能であり、一方、第２ポペット弁は、固定開ポイントおよび／または固定開口間隔を有することが可能である。

本発明は、ピストンの半径方向に関し、ピストンの比較的近くに配置されているバルブシートを、提供する。

本発明の第２様相によれば、協動するピストンを有する少なくとも１つの作動室を含んでおり、前記作動室は、少なくとも１つの制御されたポペット弁を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されている、外部熱機関の入口弁装置のための方法が、提供される。前記方法は、前記ピストンの前記中心軸に対し、±４５度の偏差の範囲内において、前記ポペット弁の前記中心軸を垂直に配置することを含んでいることを特徴とする。

上記と対応する方法において、前記偏差はまた、±２０度の範囲内、さらに、±１０度の範囲内にあることが可能である。

さらに、前記方法は、前記外部熱機関が動作中、第１入口弁に先立って、第２入口弁を開とすることを、含むことが可能である。

本発明は、ポペット弁の開方向を、ポペット弁を通過する流れ方向に対して逆流（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔ）になるように配置することが必要である場合においても、外部熱機関において従来のポペット弁装置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の使用を可能にする。従来のポペット弁装置の良好な機能上の信頼性および耐摩耗性は、外部熱機関に、同じ所望の性質を同様にもたせることに役に立つ。加えて、入口チャンネル、バルブガイドおよびピストンヘッドの詳細設計は、外部熱機関の効率を向上させることに寄与する。

本発明に係る入口弁装置を有するピストンおよびシリンダーヘッドの一部の断面図である。 別の実施の形態におけるピストンおよびシリンダーヘッドの一部の断面図である。 図２の線ＩＩ−ＩＩに関する断面図である。 図１の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図である。

以下に、好ましい実施の形態および方法の一例が記載されており、それは添付の図面において視覚化されており、
図１は、本発明に係る入口弁装置を有するピストンおよびシリンダーヘッドの一部の断面図を示し、
図２は、別の実施の形態におけるピストンおよびシリンダーヘッドの一部を断面で示し、
図３は、図２の線ＩＩ−ＩＩに関する断面図を示し、そして、
図４は、図１の線ＩＶ−ＩＶに関する断面図を示している。

図において、参照番号１は、シリンダーヘッド２に位置する入口弁装置を示している。ピストン４は示されているが、外部熱機関５の一部を成形する必須のエンジンコンポーネントの残りは、示されていない。これらは、当業者にとって公知である。

入口弁装置１は、バルブヘッド８とバルブステム１０とを有する自体公知の設計のポペット弁６、バルブシート１２、バルブガイド１４、および、カラー１８によってバルブステム１０に連結されている弁ばね１６を有する。ポペット弁６は、中心軸２０を有する。

ロッカーアーム２２は、支持ピストン２４に回動可能に支持され、かつ、ポペット弁６を開とするように配置されており、ロッカーアーム２２のローラ２６は、カムシャフト２８に支持されている。コンポーネント２２〜２８は、弁アクチュエーター２９を構成する。

支持ピストン２４は、液圧で作動しており、ポペット弁６がバルブシート１２に支持されている場合、バルブステム１０とロッカーアーム２２との間に所望のクリアランスを維持するために配置されている。

入口チャンネル３０は、シリンダーヘッド２を貫通して延長して、そして、ピストン４の上方の不図示のシリンダーに連結している。バルブシート１２は、入口チャンネル３０にあり、ポペット弁６と共に、作動室３３のデッドボリューム３２を定義している。

デッドボリューム３２は、ピストン４がシリンダーヘッド２に最も近い位置にある場合において、閉のポペット弁６とピストン４との間に位置する作動室３３の体積から構成される。デッドボリューム３２は、圧縮／膨張比の低下の原因となり、それによって、大型のデッドボリューム３２は、効率を低下させる。ピストン４は、中心軸３４を有する。

図１に示されるように、ポペット弁６の中心軸２０は、角度３６によって示されるように、ピストンの中心軸３４に対して実質的に垂直である。本文書の概要部において議論されるように、角度３６は、デッドボリューム３２の削減に重点に置いた実際的な条件に基づいて選択される。

同様に、別の手段によって、図４も参照し、例えば、バルブガイド１４を、デッドボリューム３２に最も遠くに突出させ、デッドボリューム３２にあるバルブガイド１４の一部に、適した形状を与え、言及する価値のある程度まで作動流体の流れを妨げずに、デッドボリューム３２の所々に、材料３７を配置し、そして、ピストン４がシリンダーヘッド２に最も近い位置にある場合にデッドボリューム３２を削減するように設計されたピストンヘッド３８を、ピストン４に提供することによって、デッドボリューム３２を削減することが、求められている。

別の実施の形態において、図２を参照し、シリンダーヘッド２は、第１ポペット弁６より小型のヘッド径を有する第２ポペット弁４０を有して、形成される。第２ポペット弁４０は、対応する小型の直径の第２バルブシート４２に接し（ｃｌｏｓｅｓ ａｇａｉｎｓｔ）、ロッカーアーム２２によって、第１ポペット弁６と同様に制御される。

図３の断面ＩＩ−ＩＩは、シリンダーヘッド２における第２ポペット弁４０の配置を示している。

閉位置におけるポペット弁６を挟んだ圧力差が無視できないため、第１ポペット弁６を開とするためにバルブステム１０に適用しなければならない力は、比較的大きい。前記の比較的大きい力は、ロッカーアーム２２および隣接コンポーネントの寿命を削減する可能性がある。

したがって、第１ポペット弁６が、開とされる前に、第１ポペット弁６を挟んだ圧力を均等にする若干前に、第２ポペット弁４０を開とすることは、適切であり、そして、それは必要とされる開力を削減する。

作動室３３からの出口弁４４の形態のポペット弁は、図１に示されている。ピストン４に対する出口弁４４の位置決めは、従来のもの、あるいは、別の実際的な方法で形成されることが可能である。

上述の実施の形態の全ては、本発明を例証しているが限定しておらず、当業者は、従属クレームの範囲から逸脱することなく、多くの別の実施の形態を形成することが可能である点に、留意する必要がある。

特許請求の範囲において、括弧の照合番号は、限定的であると見なされない。

動詞「有する（ｔｏ ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」およびそれの異なる形態の使用は、特許請求の範囲において言及されていない要素あるいは工程ステップの存在を、除外しない。要素の前の不定冠詞「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」は、前記要素の複数の存在を除外しない。

本発明の第１様相によれば、入口弁装置を有する外部熱機関が提供される。前記外部熱機関は、協動するピストンを有する少なくとも１つの作動室を含んでおり、前記作動室は、少なくとも１つの制御されたポペット弁を経由して、作動流体が供給され、前記少なくとも１つのポペット弁は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されており、前記ポペット弁の中心軸は、ピストンの中心軸に対し、±４５の度の偏差の範囲内で垂直に配置されており、バルブステムは、前記作動室のデッドボリュームを越え、前記ピストンの中心軸の反対側に位置するロッカーアームに向かって延長していることを特徴とする。

発明に係る実施の形態は、前記少なくとも１つのポペット弁のバルブシートがピストンの近くに配置されることを可能にし、それによって、形成されるデッドボリュームが、許容可能なサイズの範囲内に保たれることが可能とされる。デッドボリュームは、通常操作における変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）中のピストンによって占めることができない作動室の体積を意味する。

前記少なくとも１つのポペット弁、ここでは入口弁が、シリンダーヘッドにおいて、斜め「下方」に位置するステムを有するように配向される場合、シリンダーヘッド／頂部の部品は、シリンダーブロックの上部の下方を延長することを必要とし、そして、それは構造に関して非現実的である。

前記少なくとも１つのポペット弁が、斜め「上方」のステムを有するように配向される場合、特に、弁およびバルブシートの「上面」で、デッドボリュームが若干増加し、そして、特に、ピストンにおいて、適した変位設計を実施することは困難である。その結果、前記デッドボリュームは、より大きくなる必要があり、そして、それは望ましくない。

上記のように、前記少なくとも１つのポペット弁のバルブステムの配置、見込まれる（ｐｏｓｓｉｂｌｅ）バルブガイド（複数の見込まれるバルブガイド）、および、外部熱機関のシリンダーヘッドにおけるバルブシート（複数のバルブシート）の位置決め、および、デッドボリュームのサイズにおける実用条件は、垂直位置から±４５度より大きな偏差は意味がないことを、示している。

上記条件のもとで、ピストンの中心軸に対し、±２０度の範囲内で偏差を維持することが適しており、一方、前記少なくとも１つのポペット弁の中心軸が、ピストンの中心軸に対し、±１０度の偏差の範囲内で、垂直に配置されていることが、最も有利であることが、判明した。

ピストンは、ピストンヘッドを有して形成することが可能であり、前記ピストンヘッドは、ピストンがシリンダーヘッドに最も近い位置にある場合、前記少なくとも１つのポペット弁とピストンとの間のインレットチャンネルに少なくとも部分的に突出し、それによってデッドボリュームを削減する。

インレットチャンネルにおいて、デッドボリュームをさらに削減するために配置される構成物が存在することも可能である。前記構成物は、概して、図に示されるように、ピストンに関し、バルブステム（複数のバルブステム）および／またはバルブガイド（複数のバルブガイド）の上方に配置される材料を、有することが可能である。

前記少なくとも１つのポペット弁のバルブガイド（複数のバルブガイド）は、インレットチャンネルの体積を削減するように設計することが可能である。

前記少なくとも１つのポペット弁の１つ以上は、「可変弁タイミング」と呼ばれることが多い可変開口特性（ｐｒｏｆｉｌｅ）あるいは可変開口間隔（ｉｎｔｅｒｖａｌ）を少なくとも有する弁アクチュエーター（複数の弁アクチュエーター）によって、制御することが可能であり、あるいは、最も単純なケースにおいて、開口間隔は、ピストン位置すなわちクランクシャフト位置に関して、変位させる（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）ことが可能である。

本発明は、ピストンの半径方向に関し、ピストンの比較的近くに配置されているバルブシート（複数のバルブシート）を、提供する。

本発明の第２様相によれば、前記記載の外部熱機関を操作するための方法が、提供される。前記方法は、第１ポペット弁が開とされる前に、第２ポペット弁を開とすることによって、作動流体を作動室に供給することを特徴とする。

入口弁装置１は、バルブヘッド８とバルブステム１０とを有する自体公知の設計の第１ポペット弁６、バルブシート１２、バルブガイド１４、および、カラー１８によってバルブステム１０に連結されている弁ばね１６を有する。ポペット弁６は、中心軸２０を有する。

別の実施の形態において、図２を参照し、シリンダーヘッド２は、第１ポペット弁６より小型のヘッド径を有する第２ポペット弁６ａを有して、形成される。第２ポペット弁６ａは、対応する小型の直径の第２バルブシート１２ａに接し（ｃｌｏｓｅｓ ａｇａｉｎｓｔ）、ロッカーアーム２２ａによって、第１ポペット弁６と同様に制御される。同等のコンポーネントは、文字「ａ」が追加されている同一の参照番号によって識別される。

図３の断面ＩＩ−ＩＩは、シリンダーヘッド２における第２ポペット弁６ａの配置を示している。

閉位置における第１ポペット弁６を挟んだ圧力差が無視できないため、第１ポペット弁６を開とするためにバルブステム１０に適用しなければならない力は、比較的大きい。前記の比較的大きい力は、ロッカーアーム２２および隣接コンポーネントの寿命を削減する可能性がある。

したがって、第１ポペット弁６が、開とされる前に、第１ポペット弁６を挟んだ圧力を均等にする若干前に、第２ポペット弁６ａを開とすることは、適切であり、そして、それは必要とされる開力を削減する。

Claims (12)

1. 協動するピストン（４）を有する少なくとも１つの作動室（３３）を含んでおり、前記作動室（３３）は、少なくとも１つの制御されたポペット弁（６，４０）を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁（６，４０）は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されている、外部熱機関（５）のための入口弁装置であって、
   前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）は、前記ピストン（４）の中心軸（３４）に対し、±４５の度の偏差の範囲内で垂直に配置されている
   ことを特徴とする入口弁装置。
2. 前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）は、前記ピストン（３４）の中心軸（３４）に対し、±２０の度の偏差の範囲内で、垂直に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の入口弁装置（１）。
3. 前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）は、前記ピストン（３４）の中心軸（３４）に対し、±１０度の偏差の範囲内で垂直に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の入口弁装置（１）。
4. 各作動室（３３）は、少なくとも２つのポペット弁（６，４０）を経由して、加圧流体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の入口弁装置（１）。
5. 前記少なくとも２つのポペット弁（６，４０）は、異なるサイズであることを特徴とする請求項４に記載の入口弁装置（１）。
6. 小型の第２ポペット弁（４０）は、大型の第１ポペット弁（６）に先立って開となるように、配置されていることを特徴とする請求項５に記載の入口弁装置（１）。
7. 前記ピストン（４）は、ピストンヘッド（３８）を有して形成されており、
   前記ピストンヘッド（３８）は、前記ピストン（４）がシリンダーヘッド（２）に対して最も近い位置にある場合、前記ポペット弁（６，４０）と前記ピストン（４）との間のデッドボリューム（３２）の中へ、少なくとも部分的に突出していることを特徴とする請求項１に記載の入口弁装置（１）。
8. 前記ポペット弁（６，４０）のバルブガイド（１４）は、入口チャンネル（３０）の体積を削減するように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の入口弁装置（１）。
9. 協動するピストン（４）を有する少なくとも１つの作動室（３３）を含んでおり、前記作動室（３３）は、少なくとも１つの制御されたポペット弁（６，４０）を経由して、作動流体が供給され、前記ポペット弁（６，４０）は、前記作動流体の流れ方向に対して反対方向に開となるように配置されている、外部熱機関（５）のための入口弁装置のための方法であって、
   前記ピストン（４）の中心軸（３４）に対し、±４５度の偏差の範囲内において、前記ポペット弁（６，４０）の中心軸を垂直に配置することを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
10. 前記方法は、前記ピストン（４）の中心軸（３４）に対し、±２０度の偏差の範囲内において、前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）を垂直に配置することを、含んでいることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記方法は、前記ピストン（４）の中心軸（３４）に対し、±１０度の偏差の範囲内において、前記ポペット弁（６，４０）の中心軸（２０）を垂直に配置することを、含んでいることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記方法は、前記外部熱機関（５）が動作している場合、第１ポペット弁（６）に先立って第２ポペット弁（４０）を開とすることを、含んでいることを特徴とする請求項９に記載の方法。