JP2023540014A - 内燃機関用のロータリーバルブを有するヘッドアセンブリ - Google Patents

Abstract

内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリは、燃焼室を画定し、それと連通する少なくとも１つの開口部を有するシリンダヘッドと、少なくとも１つのポートと、少なくとも１つの開口部と少なくとも１つのポートとの間に配置された少なくとも１つの回転可能なバルブの要素と、少なくとも１つの回転可能なバルブの要素とシリンダヘッドとの間に配置された少なくとも１つのシールアセンブリであって、当該シールアセンブリが、少なくとも１つのバルブの要素の周面に適合する凹状シール面を有するシールと、シール面の反対側に配置されたラビリンスシールと、シールとシリンダヘッドとの間に配置された弾性二次シールとを備える、シールアセンブリとを含む。

Description

本発明は、一般に内燃機関に関し、より詳細には、ロータリーバルブを使用するエンジンに関する。

内燃機関は周知されており、様々な用途に使用されている。例えば、内燃機関は、自動車、農機具、芝刈り機、船舶に使用されている。また、内燃機関は、２ストローク又は４ストローク、火花点火又は圧縮点火などの様々なサイズ及び構成からなる。

典型的には、内燃機関は、多数の可動部品を含み、例えば、吸気バルブ及び排気バルブ、ロッカーアーム、ばね、カムシャフト、コネクティングロッド、ピストン、及びクランクシャフトを含む。多数の可動部品を有することに伴う問題の１つは、不具合が発生するリスクが高まること（特にバルブトレインにおいて）、及び摩擦損失のために効率が低下することである。摩擦を低減するために特殊な潤滑剤及びコーティングが使用され、不具合を防ぐために特定の合金が使用される場合がある。しかしながら、これらの強化を以てしても、不具合のリスク及び摩擦損失のリスクは依然として高いままである。さらに、バルブトレインに不具合が発生した場合、故障したバルブトレインを修理することは時間がかかり、特別な工具を必要とする可能性があるため、現場での修理は非常に困難である。

そのため、低摩擦で、信頼性が高く、部品数の少ない内燃機関用のバルブトレインが依然として必要とされている。

この必要性は、１つ以上の回転バルブの要素を有するヘッドアセンブリによって対処される。

本明細書に記載の技術の一態様によれば、内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリは、燃焼室を画定し、それと連通する少なくとも１つの開口部を有するシリンダヘッドと、少なくとも１つのポートと、少なくとも１つの開口部と少なくとも１つのポートとの間に配置された少なくとも１つの回転可能なバルブの要素と、少なくとも１つの回転可能なバルブの要素とシリンダヘッドとの間に配置された少なくとも１つのシールアセンブリであって、当該シールアセンブリが、少なくとも１つのバルブの要素の周面に適合する凹状シール面を有するシールと、シール面の反対側に配置されたラビリンスシールと、シールとシリンダヘッドとの間に配置された弾性二次シールとを備える、シールアセンブリとを含む。

本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、最もよく理解されよう。

１つ以上の回転バルブを有するヘッドアセンブリを組み込んだ内燃機関の概略部分断面図である。 本発明の一態様による、内燃機関用の回転バルブを有するヘッドアセンブリの斜視図である。 図２のヘッドの代替的な構成の斜視図である。 図２のヘッドアセンブリの分解図である。 図２のヘッドアセンブリの下部セクションの底面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリの下部セクションの上面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリの上部セクションの底面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリのバルブバレルの正面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリのバルブバレルの背面斜視図である。 上部セクションを取り外した状態の図２のヘッドアセンブリの斜視図である。 図２のヘッドアセンブリの端部シールの正面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリの端部シールの背面斜視図である。 図２のヘッドアセンブリのシールアセンブリの分解図である。 図２のヘッドアセンブリのシールアセンブリの分解図である。 図２のヘッドアセンブリの一部の断面図である。 本発明の代替的な態様による、内燃機関用の回転バルブを有するヘッドアセンブリの分解図である。 図１６のヘッドアセンブリの中央部セクションの上部斜視図である。 図１６のヘッドアセンブリの中央部セクションの下部斜視図である。 図１６のヘッドアセンブリの下部セクションの上部斜視図である。 図１６のヘッドアセンブリの下部セクションの下部斜視図である。 図１６のヘッドアセンブリのシールアセンブリの斜視図である。 図１６のヘッドアセンブリの内部構成部品の分解図である。 図１６のヘッドアセンブリの内部構成部品の別の分解図である。 図２のヘッドアセンブリの一部の断面図である。 図１５の一部の拡大図である。 代替的なシールアセンブリの一部の断面図である。

本明細書に記載の概念は、完全な内燃機関として実施されてもよく、又は本明細書に記載のシリンダヘッドアセンブリは、既存の内燃機関に後付けされてもよく、又は回転バルブアセンブリは、シリンダヘッド設計に組み込まれてもよいことが理解されよう。ここで、様々な図を通して同一符号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の一態様に従って構成された例示的な内燃機関１０を示す。

図示の例は、単気筒４サイクルエンジンである。しかしながら、本明細書に記載の原理は、任意の内燃機関、例えば、オットーサイクル若しくはディーゼルサイクルなどの様々なサイクルを実行するエンジン、又は流体フローポートを開閉するバルブを必要とする同様の機械に適用可能であることが理解されよう。

エンジンは、エンジン１０の他の構成部品のための構造支持体及び取り付け点として機能するブロック１２を含む。ブロック１２は、クランクケース１４と、シリンダバレル１６とを有する。シリンダバレル１６内には、略円筒形のシリンダボア１８が形成されている。オフセットクランクピン２２を有するクランクシャフト２０は、適切な軸受で回転するためにブロック１２に取り付けられる。ピストン２４がシリンダボア１８内に配置され、ピストン２４はピストンロッド２６によってクランクピン２２に連結される。クランクシャフト２０、ピストンロッド２６、及びピストン２４は、回転アセンブリ２８を集合的に画定する。作動中、シリンダボア１８内のガス圧はピストン２４の直線運動を発生させ、回転アセンブリ２８は、周知の方法で、ピストンの直線運動をクランクシャフト２０の回転に変換するように作動可能である。

エンジンは、シリンダバレル１６に取り付けられたシリンダヘッドアセンブリ３０を含む。シリンダヘッドアセンブリ３０は、シリンダボア１８に対応して位置合わせされた略凹状の燃焼室３２がその内部に形成されている。燃焼室３２は、シリンダボア１８の端部を閉鎖する。集合的に、シリンダボア１８及び燃焼室３２は、シリンダ３４を画定する。

シリンダヘッドアセンブリ３０は、吸気ポート３６がその内部に形成されている。吸気ポート３６は、シリンダヘッドアセンブリ３０の外面で、燃焼室３２から吸気面３８まで延在する。

シリンダヘッドアセンブリ３０は、本明細書では「バルブバレル」と呼ばれ得る、１つ以上のロータリーバルブの要素を含むロータリーバルブ装置４０を含む。符号４２で象徴的に表されるロータリー吸気バルブの要素は、吸気ポート３６を横切って配置される。それは、ロータリー吸気バルブの要素４２の第１の角度方向において、吸気面３８と燃焼室３２との間で流体の流れが許容され、ロータリー吸気バルブの要素４２の第２の角度方向で、吸気面３８と燃焼室３２との間で流体の流れが遮断されるように配置される。以下で詳細に説明するように、「ロータリーバルブの要素」は、独立した回転構成部品、又は複数のバルブの要素を含む回転構成部品の一部を指してもよい。

また、シリンダヘッドアセンブリ３０は、排気ポート４４がその内部に形成されている。排気ポート４４は、シリンダヘッドアセンブリ３０の外面で、燃焼室３２から排気面４６まで延在する。

ロータリーバルブ装置４０はまた、排気ポート４４を横切って配置された、符号４８で象徴的に表されるロータリー排気バルブの要素を含む。それは、ロータリー排気バルブの要素４８の第１の角度方向において、排気面４６と燃焼室３２との間で流体の流れが許容され、ロータリー排気バルブの要素４８の第２の角度方向で、排気面４６と燃焼室３２との間で流体の流れが遮断されるように配置される。

エンジン１０は、流入する気流を収容し、ガソリンなどの可燃性燃料を気流中に計量して可燃性の吸気混合気を生成し、吸気混合気をシリンダ３４に供給するように作動可能な燃料供給システム５０を含む。

燃料供給システム５０は、連続流又は間欠流であってもよく、燃料噴射点は、個々のシリンダ３４又は上流位置にあってもよい。任意選択的に、燃料噴射点は、一般に「直接噴射」と呼ばれる構成であるシリンダ３４内にあってもよく、この場合、吸気ポート３６は、シリンダ３４に空気のみを供給する。周知のタイプの燃料供給システムは、キャブレタ、機械式燃料噴射システム、及び電子燃料噴射システムを含む。図示の具体例は、キャブレタである。

エンジン１０は、吸気混合気に点火するために、各燃焼室３２に取り付けられた１つ以上のスパークプラグ５２を備える点火システムを含む。コイル及びディストリビュータを有する従来のケタリング点火システム、又はトリガモジュール及び別個のコイルを有する直接点火システム、又はマグネトなどの適切な点火動力源５４が設けられる。点火動力源５４は、例えばリード線５６によってスパークプラグ５２に接続される。

図２～図１５は、シリンダヘッドアセンブリ３０を示す。シリンダヘッドアセンブリ３０は、エンジンブロック１２に取り付けられ、作動部品を囲むように構成された１つ以上の固定部品を含む。シリンダヘッドアセンブリ３０は、シリンダヘッド５８を含む。図示の例では、シリンダヘッド５８は、ボルト（図示せず）で上部セクション６２に取り付けられた下部セクション６０で構成されている。あるいは、シリンダヘッド５８は、単一の部品から作られることができる。図３は、シリンダヘッド５８の下部セクション６０がエンジンブロック１２´のシリンダバレル１６´と一体化された任意選択の構成を示す。任意選択的に、シリンダヘッド５８の下部セクション６０が、個々のシリンダバレル（図示せず）と一体化されることができる。さらに別の選択肢として、シリンダヘッド５８の全体が、シリンダブロック又はシリンダバレルと一体化されることができる。

ここで図４を参照すると、下部セクション６０は、例えばビレットから鋳造又は機械加工によって形成され得るブロック状の要素である。それは、燃焼室３２（図５参照）を組み込んだ外面６４及び対向する内面６６（図６）とを含む。内面６６に隣接して、下部セクション６０は、その中に形成された半円筒形のバレル凹部６８を有する。バレル凹部６８は、吸気開口部７０及び排気開口部７２に連通している。

バレル凹部６８は、吸気開口部７０及び排気開口部７２を囲むシール凹部７４を含む。シール凹部７４内では、吸気管レセプタクル７６が吸気開口部７０を囲む。溝状吸気シールシート７８は、吸気管レセプタクル７６を囲む。同様に、排気管レセプタクル８０は、排気開口部７２を囲む。溝状排気シールシート８２は、排気開口部７２を囲む。

上部セクション６２もまた、ビレットから鋳造又は機械加工によって形成され得るブロック状の要素である。それは、外面８４（図４）及び下部セクション６０の内面６６と嵌合する対向する内面８６（図７）とを含む。上述した吸気ポート３６及び排気ポート４４は、上部セクション６２の一部として形成される。内面８６に隣接して、上部セクション６２は、その中に形成された半円筒形のバレル凹部８８を有する。バレル凹部８８は、吸気ポート３６及び排気ポート４４に連通している。

バレル凹部８８は、吸気ポート３６及び排気ポート４４を囲むシール凹部９０を有する。シール凹部９０内では、吸気管レセプタクル９２が吸気ポート３６を囲む。溝状吸気シールシート９４は、吸気管レセプタクル９２を囲む。同様に、排気管レセプタクル９６は、排気ポート４４を囲む。溝状排気シート９８は、排気ポート４４を囲む。

組み立てられると、バレル凹部６８、８８は、略円筒形のバレルボアを協働して画定する。

下部セクション６０及び上部セクション６２は、本明細書でバルブバレル（又は単に「バレル」）１００と呼ばれるロータリーバルブの要素を収容する。図８及び図９を参照すると、バルブバレル１００は、前方端面と後方端面１０４、１０６との間に延在する環状周面１０２を有する略円筒形の要素である。吸気アパーチャ１０８は、バルブバレル１００を通って横方向に延在し、反対側の周面１０２と連通している。いくつかの実施形態では、吸気アパーチャ１０８の断面流れ面積は、その長さにわたって一定であってもよい。他の反復では、選択されたプロファイルは、バルブの本体内のアパーチャの内部形状に使用されてもよい。図示の例では、吸気アパーチャ１０８は、細長い「レーストラック」断面形状を有し、２つの平行な側面は、２つの半円形の端部によって接続されている。多角形、楕円形、不規則形、又は他の何らかの選択された形状などの他の断面形状が用いられてもよい。

排気アパーチャ１１０は、バルブバレル１００を通って横方向に延在し、反対側の周面１０２と連通している。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ１１０の断面流れ面積は、その長さにわたって一定であってもよい。他の反復では、選択されたプロファイルは、バルブの本体内のアパーチャの内部形状に使用されてもよい。図示の例では、排気アパーチャ１１０は、細長い「レーストラック」断面形状を有し、２つの平行な側面は、２つの半円形の端部によって接続されている。他の断面形状が用いられてもよい。他の実施形態では、排気アパーチャ１１０は、平面図において、多角形、楕円形、不規則形、又は他の何らかの選択された形状などのシリンダヘッド設計の制約に適合するように選択された形状を有してもよい。

任意選択的に、アパーチャ１０８、１１０と周面１０２との間の縁部は、流れ特性を操作する目的、並びに／又はアパーチャ１０８、１１０の有効な開口点及び／若しくは閉口点、ベベル、面取り、半径、又はノッチなどのプロファイルを有してもよい。

アパーチャ１０８、１１０の（回転軸線に対して垂直な）横方向の寸法、バルブバレル１００の直径、及びクランクシャフト速度に対するバルブバレル１００の回転速度はすべて、バルブ開口時間又は「持続時間」に影響し、これらの影響は相互に関連している。これらの変数は、バルブバレル１００を特定の用途に適合させるために操作されてもよい。

本明細書に記載の概念、特にシーリングの概念は、
バルブの回転軸に対して純粋に横方向ではない流路を組み込んだ他のタイプのロータリーバルブに適用可能である。例えば。いくつかの周知のタイプのロータリーバルブは、一方の端部に設けられた開口部を介してバルブ本体を通る流体の流れを可能にするように構成され、この流れは、バルブの回転軸に沿って選択された方向に移動し、バレルバルブの外面の選択された位置で周辺開口部を介してエンジンの燃焼室と流体連通し、この流れは、吸気ガス又は排気ガスのいずれかのガス交換プロセスとして機能する。

バルブバレル１００は、金属合金又はセラミックなどの剛性の耐摩耗性材料から作られてもよい。任意選択的に、炭素系コーティング若しくはセラミックなどの表面処理、又はコーティングは、バルブバレル１００を構築するために選択されたベース材料に適用されることができる。材料の選択については、以下でより詳細に説明する。非限定的な一例では、バルブバレル１００は鋼合金から作られる。

図示の例では、シール歯１１２と呼ばれる環状フランジが周面１０２から半径方向外側に延在する。図１０に最もよく見られるように、組み立てられると、シール歯１１２は、シリンダヘッド５８に形成された周方向シール溝１１４に収容され、非接触回転シールを画定する。あるいは、シール構成を反転させることができ、すなわち、周面１０２は溝を含むことができ、シリンダヘッド５８はシール歯を含むことができる。

前方スタブシャフト１１６は前方端面１０４から延在し、後方スタブシャフト１１８は後方端面１０６から延在する。

図４を参照すると、バルブバレル１００は、前方スタブシャフト１１６を収容する前軸受１２０及び後方スタブシャフト１１８を収容する後軸受１２２によってシリンダヘッド５８内で回転するように取り付けられる。いくつかの実施形態では、スタブシャフトは省略されてもよく、軸受はバルブの円形外周の選択されたプロファイル、又はバルブの内部に設けられた凹部に直接取り付けられてもよい。他の実施形態では、軸受は排除され、回転バレルバルブはシールの要素１４６及び１４８によってのみ支持される。

図示の例では、軸受１２０、１２２は、中心ボアを有する単純なシリンダとして概略的に示されている。一般に、バルブバレル１００を支持し、摩擦を低減する任意のタイプの軸受が使用されてもよい。適切なタイプの軸受の例には、転がり要素の軸受（例えば、ボール、ローラ、針）、ブッシング、静水圧軸受、又は流体力学軸受が含まれる。

前軸受１２０は、適切な締結具（図示せず）を用いてシリンダヘッド５８に接続された前キャップ１２４に取り付けられる。後軸受１２２は、バレル凹部６８内に収容される後キャップ１２６内に取り付けられる。

バルブバレル１００には、前軸受１２０と前方端面１０４との間に挟まれた任意の前端部シール１２８と、後軸受１２２と後方端面１０６との間に挟まれた任意の後端部シール１３０とが設けられている。

任意の端部シール１２８、１３０の構造は、図１１及び図１２により詳細に示されている。前端部シール１２８は一例として示されており、後端部シール１３０は同一であってもよいことを理解されたい。前端部シール１２８は、略円板形状であり、前面１３２、後面１３４、及びバルブバレル１００の外径と略同じ外径を有する環状外面１３６を有する。シール歯１３８と呼ばれる環状フランジは、外面１３６から半径方向外側に延在する。図１０に最もよく見られるように、組み立てられると、シール歯１３８は、シリンダヘッド５８に形成された周方向シール溝１４０に収容され、非接触回転シールを画定する。前端部シール１２８の中心孔１４２は、前方スタブシャフト１１６を受け入れる。中心孔１４２を囲むように隆起ボス１４４が形成されている。ボス１４４の厚さは、組み立てられると、前端部シール１２８が、前軸受１２０の内輪とバルブバレル１００の前方端面１０４との間に、軸方向の隙間が存在する状態でクランプされるように選択される。このように組み立てられると、前端部シール１２８はバルブバレル１００と共に回転する。

端部シール１２８、１３０は、耐摩耗性及び／又は自己潤滑性である材料から作られてもよい。任意選択的に、端部シール１２８、１３０を構成するために選択された基材に、炭素系コーティング若しくはセラミックなどの表面処理、又はコーティングを設けることができる。材料の非限定的な一例には、任意選択的に結合材又は添加物を含む、炭素の焼結グラファイト形態が挙げられる。適切な炭素シール材料が市販されている。

組み立てられると、バルブバレル１００はバレル凹部６８及び８８内に収容され、従来の締結具（図示せず）を使用して互いに結合され得る下部セクション６０と上部セクション６２との間にクランプされる。次いで、バルブバレル１００は、シリンダヘッドアセンブリ３０内で自由に回転する。図１０は、下部セクション６０に設置されたバルブバレル１００を示す。

上述し図７に示すように、上部セクション６２のバレル凹部８８は、吸気ポート及び排気ポート３６、４４と連通し、下部セクション６０のバレル凹部６８は、吸気開口部及び排気開口部７０、７２と連通する。セクション６０、６２の各々は、シールアセンブリ１４６、１４８をそれぞれ組み込んでいる（図４）。

下部セクション６０のシールアセンブリ１４６は、この説明がシールアセンブリ１４６、１４８の両方に適用可能であることを理解しながら、図１３～図１５を参照して説明される。

シールアセンブリ１４６は、シール凹部７４に収容され、燃焼室３２とバルブバレル１００との間の漏れを低減又は防止するように作動する。シールアセンブリ１４６は、シュー１５２に収容されたシール１５０を含む。

シールアセンブリ１４８は、シール凹部９０（図７参照）に収容され、ポート３６、４４とバルブバレル１００との間の漏れを低減又は防止するように作動する。シールアセンブリ１４８は、シュー１５２に収容されたシール１５０を含む。

シール１５０は、一般に細長いブロック形状であり、シール面１５４、対向する背面１５６、及び周面１５８を含む（図１４を参照）。平面図において、シール１５０は細長いレーストラック形状を有し、２つの長辺が半円形の端部によって接続されている。他の実施形態では、シール１５０は、平面図において、多角形、楕円形、不規則形、又は他の何らかの選択された形状などの別の形状を有してもよい。シール面１５４は、バルブバレル１００の周面１０２の曲率に一致し、かつこれに一致する凹曲率を有する。細長い吸気通路１６０がシール１５０をシール面１５４から背面１５６まで貫通する。細長い排気通路１６２は、シール１５０をシール面１５４から背面１５６まで貫通する。

シール１５０は、耐摩耗性及び／又は自己潤滑性である材料から作られてもよい。任意選択的に、シール１５０を構成するために選択された基材に、炭素系コーティング若しくはセラミックなどの表面処理、又はコーティングを適用することができる。シール１５０及びバルブバレル１００のベース材料、並びに／又は使用される任意のコーティングは、回転接触のための相互に適切な特性を有するように選択される。一般的には、低摩擦性と高耐摩耗性との何らかの組み合わせを必要とする。この回転接触界面の材料ペアの非限定的な例には、金属／炭素、金属／セラミック、金属／青銅、セラミック／セラミック、又は摩耗被覆金属／摩耗被覆金属が含まれる。

非限定的な一例として、バルブバレル１００が鋼又は他の金属合金である場合、シール１５０は、耐摩耗性であり、好ましくは自己潤滑性である材料から作られてもよい。耐摩耗性自己潤滑性材料の一例には、任意選択的に結合材又は添加物を含む、炭素の焼結グラファイト形態が挙げられる。適切な炭素シール材料が市販されている。

シュー１５２は、シール１５０の背面１５６及び周面１５８に相補的な内面１６４と、下部セクション６０のシール凹部７４に相補的な外面１６６とを有するエンクロージャである。シュー１５２は、一方の端部ではシール１５０の吸気通路１６０の形状及びサイズに、他方の端部ではシリンダヘッド５８の吸気開口部７０の形状及びサイズに略一致する流れ面積を有する開口吸気管１６８を含む。直立二次シールフランジ１６９は、吸気管１６８を囲む。シュー１５２はまた、吸気管１６８から離間して、一方の端部ではシール１５０の排気通路１６２の形状及びサイズに、他方の端部ではシリンダヘッド５８の排気開口部７２の形状及びサイズに略一致する流れ面積を有する開口排気管１７０を含む。直立二次シールフランジ１７１は、排気管１７０を囲む。シュー１５２は、金属合金などの略剛性の耐久性のある材料から作られてもよい。

吸気管１６８は、吸気管レセプタクル７６の断面形状と略一致する断面形状を有してもよい。図１５に最もよく見られるように、吸気管１６８は、吸気管レセプタクル７６と入れ子式に嵌合する。

排気管１７０は、排気管レセプタクル８０の断面形状に略一致する断面形状を有してもよい。排気管１７０は、排気管レセプタクル８０と入れ子式に嵌合する。

二次シール１７２が吸気シールシート７８内に配置され、二次シールフランジ１６９が吸気シールシートに当接する。いくつかの実施形態では、二次シールは、平面図において、レーストラック形状であり、円形又は多角形の断面形状を有してもよい。他の実施形態では、二次シールは、平面図において、多角形、楕円形、不規則形、又は他の何らかの選択された形状などの形状を有してもよい１７２。二次シール１７２は、弾性材料から作られてもよい。例には、金属、又はゴム、プラスチック、若しくはエラストマなどの非金属材料が含まれる。

二次シール１７４も排気シールシート８２に配置され、二次シールフランジ１７１が排気シールシートに当接する。二次シールは、平面図において、レーストラック形状であり、円形又は多角形の断面形状を有してもよい。他の実施形態では、二次シールは、平面図において、多角形、楕円形、不規則形、又は他の何らかの選択された形状などのシリンダヘッド設計の制約に適合するように選択された形状を有してもよい１７４。それは、弾性材料から作られてもよい。例には、金属、又はゴム、プラスチック、若しくはエラストマなどの非金属材料が含まれる。

図１５に見られるように、二次シール１７２、１７４は、シール１５０をシールシート７８、８２に対して外側に付勢し、バルブバレル１００の周面１０２と接触させる。二次シール１７２、１７４は、予圧を与え、シール１５０を正しい組み立て位置に維持するように意図されている。

集合的に、吸気管レセプタクル７６、吸気管１６８、二次シールフランジ１６９、及び吸気シールシート７８は、「ラビリンスシール」を画定する。本明細書で使用される場合、「ラビリンスシール」という用語は、２つの位置の間の見通し漏れ経路の直線を遮断する壁、歯、又はフランジなどの１つ以上の構造の要素を含むシール界面を指す。図２５に最もよく示されているように、シュー１５２とシリンダヘッド５８との間の小さなギャップである「Ｇ」ギャップは、シュー１５２が機能的シールを設けるためにわずかに「浮き上がる」ことを可能にする（そしてバルブバレル１００とのシール接触を維持する）。ラビリンスの小さなエアギャップＧは、ガスがそれらの狭い通路（及び関連する境界層）を通じて燃焼室から出るのを防ぎ、弾性二次装置は、シュー１５２をシリンダヘッドにシールする最終作業を行う。一例では、ギャップＧは、約０．０８ｍｍ（０．００３インチ）であってもよい。

浮き上がり量が少ないことにより、バルブバレル１００とシール１５０との間のシール界面が（熱膨張時、振動時、一般作動時などに）開き、その結果リークが発生するのを防ぐ。ラビリンスシールはまた、燃焼ガスへの直接の暴露から弾性二次シール１７２を保護するのに役立つ。このラビリンスシールの原理は、本明細書に記載のすべてのシールシューに採用されている。

上記の実施形態では、シールアセンブリは、シューに収容されたシールを含むものとして説明された。これは、バルブバレルに適合し、耐摩耗性であり、潜在的に自己潤滑性である表面を有するシールを設け、一方、シューは、シールの構造支持体を設け、ラビリンスシールの小さな機械的特徴を画定する延性構造を備える。あるいは、シール面及びラビリンスシールは、単一の構成部品の一部として形成されてもよい。図２６は、ラビリンスシールの一部を画定する、（バルブバレル１００に当接する）凹状シール面、並びに一体型吸気管１６８´及び二次シールフランジ１６９´を含む例示的なシール１５０´を示す。この構成では、シールは非脆性材料から製造される。適切な材料の非限定的な一例には、含油青銅が挙げられる。

組み立てられたエンジンには、クランクシャフト２０の回転と同期してバルブバレル１００を回転させる手段（図示せず）が設けられている。バルブバレル１００は、ベルト、シャフト、ギア、モータ、又は他の同様の駆動装置によって駆動される。一般に、それはクランクシャフト２０の４分の１の回転速度で回転される。他の実施形態では、それは他の選択された回転速度で回転することができる。入口アパーチャ及び排気アパーチャの開閉の正確な順序は、使用される特定のエンジンサイクルに依存する。可能な一例には、従来のオットーサイクルが挙げられる。

図１６～図２４は、上述したシリンダヘッドアセンブリ３０の代わりにエンジン１０と共に使用され得る代替のシリンダヘッドアセンブリ２３０を示す。

シリンダヘッドアセンブリ２３０の全体的な作動原理は、シリンダヘッドアセンブリ３０の作動原理と同じである。主な違いは、シリンダヘッドアセンブリ２３０が、２つのバルブバレルと３つのセクションからなるシリンダヘッドとを含むことである。

シリンダヘッドアセンブリ２３０は、下部セクション２６０、中央部セクション２６１、及び上部セクション２６２からなるシリンダヘッド２５８を含む。

下部セクション２６０は、例えばビレットから鋳造又は機械加工によって形成され得るブロック状の要素である。それは、燃焼室２３２（図２０参照）を組み込んだ外面２６４と、対向する内面２６６とを含む。吸気開口部２７０及び排気開口部２７２が、下部セクション２６０に貫通している。

内面２６６は、吸気開口部２７０を囲む吸気シール凹部２７４を含む。吸気シール凹部２７４内では、吸気管レセプタクル２７６が吸気開口部２７０を囲む。溝状吸気シールシート２７８は、吸気管レセプタクル２７６を囲む。

吸気シールアセンブリ３４６（図２１）は、吸気シール凹部２７４に収容される。それは、シュー３５２内に収容される吸気通路３６０を有する吸気シール３５０を含む。シュー３５２は、吸気管レセプタクル２７６に入れ子式に嵌合する吸気管３６８（図２４）と、吸気管３６８を囲む二次シールフランジ３６９とを組み込む。二次吸気シール３７２は、吸気シールシート２７８に配置されている。

シール３５０は、シール１５０について上述したような材料から作られてもよい。

シュー３５２は、金属合金などの略剛性の耐久性のある材料から作られてもよい。

同様に、内面２６６は、排気開口部２７２を囲む排気シール凹部２７５を含む。排気シール凹部２７５内では、排気管レセプタクル２７７が排気開口部２７２を囲む。溝状排気シールシート２８２は、排気開口部２７２を囲む。

排気シールアセンブリ３４５は、排気シール凹部２７５に収容される。それは、シュー３５３内に収容される吸気通路３６１を有する排気シール３５１を含む。シュー３５３は、排気管レセプタクル２７７に入れ子式に嵌合する排気管３７１（図２４）と、排気管３７１を取り囲む二次シールフランジ３７３とを組み込む。二次排気シール３７５は、排気シールシート２８２に配置されている。

上部セクション２６２もまた、ビレットから鋳造又は機械加工によって形成され得るブロック状の要素である。それは、外面２８４と、対向する内面２８６とを含む（図２４）。吸気ポート２３６及び排気ポート２４４は、上部セクション２６２の一部として形成される。

下部セクション２６０と同様に、上部セクション２６２は、吸気シール凹部４７４と、吸気管レセプタクル４７６と、吸気シールシート４７８と、吸気シール５５０及びシュー５５２を含む吸気シールアセンブリ５４６（図２１）と、吸気管５６８と、二次シールフランジ５７１と、二次吸気シール５７２（図２４）とを含む。

上部セクション２６２はまた、排気シール凹部４７５と、排気管レセプタクル４７７と、排気シールシート４７９と、排気シール５５１及びシュー５５３を含む排気シールアセンブリ５４５（図２１）と、排気管５６９と、二次シールフランジ５７３と、二次排気シール５７５（図２４）とを含む。

中央部セクション２６１（図１７、図１８）もまた、ビレットから鋳造又は機械加工によって形成され得るブロック状の要素である。それは、下部セクション２６０の内面２６６と嵌合する下面２８５と、上部セクション２６２の内面２８６と嵌合する対向する上面２８７とを含む。下面２８５は、下部セクション２６０の吸気シール凹部２７４に連通する下部吸気通路５８０と、下部セクション２６０の吸気シール凹部２７５に連通する下部排気通路５８２とを含む。

上面２８７は、上部セクション２６２の吸気シール凹部４７４に連通する上部吸気通路５８４と、上部セクション２６２の吸気シール凹部４７５に連通する上部排気通路５８６とを含む。

円筒形吸気バレル凹部５８８は、中央部セクション２６１を貫通している。円筒形排気バレル凹部５９０は、吸気バレル凹部５８８と平行に中央部セクション２６１を貫通している。吸気バレル凹部５８８は吸気通路５８０、５８４に開口し、排気バレル凹部５９０は排気通路５８２、５８６に開口する。

中央部セクション２６１は、ロータリーバルブバレル（又は単に「バレル」）を収容し、具体的には、図１６に示すように、吸気バルブバレル３００が吸気バレル凹部５８８に配置され、排気バルブバレル３０１が排気バレル凹部５９０に配置される。図２２を参照すると、各バルブバレル３００、３０１は、前方端面と後方端面との間に延在する環状周面を有する略円筒形の要素である。吸気アパーチャ３０８は、吸気バルブバレル３００を通って横方向に延在する。排気アパーチャ３１０は、排気バルブバレル３０１を通って横方向に延在する。

任意選択的に、アパーチャ３０８、３１０とそれぞれの周面との間の縁部は、流れ特性を操作する目的、並びに／又はアパーチャ３０８、３１０の有効な開口点及び／若しくは閉口点を変更する目的で、ベベル、面取り、半径、又はノッチなどのプロファイルを有してもよい。

バルブバレル３００、３０１は、バルブバレル１００について上述したような材料から作られてもよい。

バルブバレル３００、３０１は各々、前方スタブシャフト３１６及び後方スタブシャフト３１８を含む。

バルブバレル３００、３０１は、前方スタブシャフト３１６を収容する前軸受３２０（図１６）及び後方スタブシャフト３１８を収容する後軸受３２２によって、シリンダヘッド２５８（具体的には中央部セクション２６１）内で回転するように取り付けられる。

前軸受３２０は、適切な締結具（図示せず）を用いてシリンダヘッド２５８に接続された前キャップ３２４に取り付けられる。後軸受３２２は、適切な締結具（図示せず）を用いてシリンダヘッド２５８に接続された後キャップ３２６に取り付けられる。

バルブバレル３００、３０１には、前軸受３２０とバルブバレル３００、３０１の前方端面との間に挟まれた任意の前端部シール３２８と、後軸受３２２とバルブバレル３００、３０１の後方端面との間に挟まれた任意の後端部シール３３０とが設けられている。

端部シール３２８、３３０の構造及び材料は、上述の端部シール１２８、１３０と実質的に同様であってもよい。

上述の装置は、先行技術に対していくつかの優位点を有する。ロータリーバルブ構造は、従来のポペットバルブトレインと比較して、極めて少ない部品数及び摩擦損失を有する。ロータリーバルブ構造はまた、往復運動を必要とせず、高エンジン速度での作動のための高圧力下のバルブばねに依存しないため、従来のバルブトレインよりもはるかに信頼性が高い可能性を有する。

さらに、本明細書に記載のシールアセンブリは、低い機械的負荷及び長い部品寿命を可能にしながら、ロータリーバルブ装置の効果的なシールを提供する。

本発明は、完全なエンジンとして実施されてもよく、又は本明細書に記載のシリンダヘッドアセンブリは、既存の内燃機関に後付けされてもよく、又はロータリーバルブ装置及び／若しくはシールアセンブリは、シリンダヘッド設計に組み込まれてもよいことが理解されよう。

以上、回転バルブアセンブリを有するエンジンについて説明してきた。本明細書（あらゆる添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示されるすべての特徴、及び／又は開示されるあらゆる方法若しくはプロセスのすべてのステップは、かかる特徴及び／又はステップの少なくともいくつかが相互に矛盾する組み合わせを除き、あらゆる組み合わせで組み合わされてもよい。

本明細書（あらゆる添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示される各特徴は、特に明記しない限り、同一、同等、又は同様の目的を果たす代替的な特徴に差し替えられてもよい。したがって、特に明記しない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の同等又は同様の特徴の一例にすぎない。

本発明は、前述の実施形態（複数可）の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（あらゆる添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示される特徴のあらゆる新規のもの、若しくはあらゆる新規の組み合わせ、又は開示されるあらゆる方法若しくはプロセスのステップのあらゆる新規のもの、若しくはあらゆる新規の組み合わせに及ぶ。

Claims (24)

1. 内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリであって、
   燃焼室を画定し、それと連通する少なくとも１つの開口部を有するシリンダヘッドと、
   少なくとも１つのポートと、
   前記少なくとも１つの開口部と前記少なくとも１つのポートとの間に配置された少なくとも１つの回転可能なバルブの要素と、
   前記少なくとも１つの回転可能なバルブの要素と前記シリンダヘッドとの間に配置された少なくとも１つのシールアセンブリであって、前記シールアセンブリが、前記少なくとも１つのバルブの要素の周面に適合する凹状シール面を有するシールと、前記シール面の反対側に配置されたラビリンスシールと、前記シールと前記シリンダヘッドとの間に配置された弾性二次シールと、を含むシールアセンブリと、
   を備える、シリンダヘッドアセンブリ。
2. 前記シールが耐摩耗性材料を含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
3. 前記シールが自己潤滑性材料を含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
4. 前記シールが炭素を含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
5. 前記シールが、平面図においてレーストラック形状であり、前記天井面の反対側の背面と、内周面と、外周面とを含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
6. 前記少なくとも１つの回転可能なバルブの要素が、金属合金を含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
7. 前記シールアセンブリが、前記ラビリンスシールを画定するシューの内側に配置された前記シール面を画定するシールを備える、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
8. 前記シューが、金属合金を含む、請求項７に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
9. 前記二次シールが、非金属材料を含む、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
10. 前記シールが、アパーチャを含み、
    前記シューが、前記アパーチャと流体連通するチューブを含む、
    請求項７に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
11. 前記シューが、二次シールフランジを含み、前記二次シールが、前記二次シールフランジと前記シリンダヘッドのシールシートとの間に配置される、請求項１０に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
12. 前記シリンダヘッドが、上部セクション及び下部セクションを備え、前記第１及び第２の回転可能なバルブの要素が、前記上部セクションと前記下部セクションとの間に配置される、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
13. 前記下部セクションが、エンジンのシリンダバレルと一体的に形成される、請求項１２に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
14. 前記シリンダヘッドが、エンジンのシリンダバレルと一体的に形成される、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
15. 前記シリンダヘッドが、下部セクション、中央部セクション、及び上部セクションを備え、前記少なくとも１つの回転可能なバルブの要素が前記中央部セクション内に配置される、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
16. 前記下部セクションが、エンジンのシリンダバレルと一体的に形成される、請求項１５に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
17. 前記シリンダヘッドが、前記燃焼室に連通する吸気開口部及び排気開口部を含み、
    前記シリンダヘッドが、吸気ポートを含み、
    前記シリンダヘッドが、排気ポートを含み、
    第１の回転可能なバルブの要素が、前記吸気開口部と前記吸気ポートとの間に配置され、
    第２の回転可能なバルブの要素が、前記排気開口部と前記排気ポートとの間に配置され、かつ
    前記第１及び第２の回転可能なバルブの要素が、単一のバルブバレルの一部である、
    請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
18. 第１のシールアセンブリが、前記バルブバレルと、前記シリンダヘッドの吸気開口部及び排気開口部との間に配置される、
    請求項１７に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
19. 第２のシールアセンブリが、前記バルブバレルと前記シリンダヘッドの前記入口ポート及び出口ポートとの間に配置される、
    請求項１８に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
20. 前記バルブバレル及び前記シリンダヘッドが協働して非接触回転シールを画定する、請求項１７に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
21. 前記バルブバレルが、前方端面と後方端面との間に延在し、
    前端部シールが、前記前方端面に隣接して配置され、前記シリンダヘッドの環状シール溝に収容される環状シール歯を含み、後端部シールが、前記後方端面に隣接して配置され、前記シリンダヘッドの環状シール溝に収容される環状シール歯を含む、
    請求項１７に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
22. 前記前端部シール及び前記後端部シールが、炭素の焼結グラファイト形態を含む、請求項２１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
23. 前記シリンダヘッドが、前記燃焼室に連通する吸気開口部及び排気開口部を含み、
    前記シリンダヘッドが、吸気ポートを含み、
    前記シリンダヘッドが、排気ポートを含み、
    第１の回転可能なバルブの要素が、前記吸気開口部と前記吸気ポートとの間に配置され、
    第２の回転可能なバルブの要素が、前記排気開口部と前記排気ポートとの間に配置され、
    前記第１の回転可能なバルブの要素が、前記シリンダヘッド内で回転するように取り付けられた吸気バルブバレルであり、かつ
    前記第２の回転可能なバルブの要素が、前記シリンダヘッド内で回転するように取り付けられた排気バルブバレルである、
    請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
24. 前記エンジンが、シリンダボアを画定するブロックであって、前記シリンダボアが前記シリンダボアの端部を閉鎖する、ブロックと、
    前記ブロック内で回転するように取り付けられたクランクシャフトと、
    前記シリンダボア内に配置されたピストンと、
    前記ピストンを前記クランクシャフトに相互接続するコネクティングロッドと、
    を含む、エンジンと組み合わせた、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。

Images