JP3246772U

JP3246772U - 内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構

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Publication number: JP3246772U
Application number: JP2024000862U
Authority: JP
Inventors: 王▲綱▼
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Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2024-05-21
Anticipated expiration: 2034-03-21

Abstract

【課題】燃焼室の形状を改善し、バルブの吸排気流量を増加させ、燃焼効果が高い、内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構を提供する。【解決手段】燃焼室１の頂面は円形構造で設けられるグリッドビーム２であり、頂面のグリッドビームは中心バルブシート３を基準に、同心円式吸排気バルブに対応して吸排気管の出入り口を形成し、燃焼室の頂面に設けられる吸排気バルブは内外同心円状となって垂直に分布し、吸排気バルブの開閉はＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸がバルブロッカアームを駆動して完成する内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構を開示している。同心円式吸排気バルブにより、ＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸に適応されてロッカアームが駆動されてバルブを開閉させ、バルブシステムの構造及びエンジンの吸排気効率を簡略化し、出力パワーを大きく向上する。【選択図】図２

Description

本考案は、発電機及び関連車両搬送設備の技術分野に関し、詳しくは内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構に関する。

バルブ機構の連続でスムーズな吸気、排気過程は直接４ストロークのエンジンの動力性、経済性、信頼性等の総合的性能に影響する。なかでも、体積効率は、エンジンの実際の吸気能力を特徴付け、エンジンの燃料噴射、点火及びバルブタイミング等の動作モードの制御とエンジンの動力性、燃料消費量及び排出標準に直接影響する。内燃機関の体積効率を向上する最も直接で効果的な手段は、できる限り吸気抵抗を減少し、吸排気バルブの寸法を増大することである。特に吸気バルブの寸法をできるだけ増大して吸気流通能力を向上することはより重要である。

現在のエンジンバルブ機構は、（１）燃焼室における吸排気バルブの配列方法から見れば、４バルブＤＯＨＣ２吸気バルブと２排気バルブの配置を例に、吸排気バルブの面積を増加するための方法は、吸排気バルブを斜め対称に配置することでバルブの寸法を大きくすることがである。このような設計は小バルブ角度を取っても、限られた燃焼室の表面積に、燃焼室の輪郭の凹凸の表面を増加し、これらの平らかでない輪郭により、点火後気筒内において炎が円滑に広まることに影響し、混合ガスが同期して燃焼することに不利であり、かつ、高圧縮比で辺縁の死角エリアを生じて爆燃現象を起こすことは容易である。なお、平面幾何原理のみによれば、マルチバルブ分布は配列の形及び位置から影響されて、非常に限られた燃焼室の表面積が浪費され過ぎ、利用転換効率が低いという問題があることは依然として避けられない。

同時に、リッジ状燃焼室における４つの吸排気バルブが近接して配置され、吸排気過程で、燃焼室におけるバルブシートの開口範囲において空気が相殺する幾つかの無効なデッドゾーンがある。隣接する２つの吸気／排気バルブをオンにする場合、特に吸気プロセスでは近接領域の気流は干渉効果を発生する。これらの構造により、全てバルブのスロート及び燃焼室内外の吸気／排気の流れは乱れやすくて、気筒の吸排気効率の低減及び不足を引き起こす。

（２）さらに、吸排気バルブがカム軸、弁ばね等の部品によって駆動される開閉モードから見れば、従来技術では、ＤＯＨＣカム軸システムは、複数の吸排気バルブがカム軸及びカムの回転に応答し、弁ばね及びバルブロッドを下に押圧して気筒内へバルブを開く。ダブルオーバーヘッドカム軸システムのマルチシリンダ駆動部品の構造はまだ複雑で重量が高めである。これらの多くの機構部品は大きなバルブの開閉摩擦負荷、振動及び動力消耗を発生して、エンジンの出力パワー、経済性及び信頼性を低減し、エンジンの燃料消費量、効果に非常に大きな影響を与えている。

従来の内燃機関のバルブシステムのバルブ開閉の吸排気循環過程は、燃焼室の形態、バルブの配列配置方法から見ても、若しくはバルブの駆動構造から見ても、全て継続的に改善して潜在力を向上し続けることができる。内燃機関のバルブ機構を重点的に改善し、さらにエンジンの吸排気循環の空力効率を向上することは、車両の経済性と動力性を改善するための効果的で基本的なルートである。

上記技術的課題を解決するために、動力システムの大部分の部品の汎用性と継続性を保持することを前提に、燃焼室の形状を改善完備し、バルブの吸排気流量を大きく増加し、簡潔なバルブ機構、そして効率がより高い内燃機関を提供することを目的とする。

本考案は以下の技術的手段を提供する。等気筒ボアの円柱体の外形及び平頂円錐体の内輪郭線であり、内部空間が対称的な扁平円錐台構造である燃焼室を含む内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構であって、前記燃焼室の頂面は円形構造で設けられるグリッドビームであり、頂面のグリッドビームは中心バルブシートを基準に、同心円式吸排気バルブに対応して吸排気管の出入り口を形成し、燃焼室の頂面に設けられる吸排気バルブは内外同心円状となって垂直に分布し、吸排気バルブの開閉はＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸がバルブロッカアームを駆動して完成する内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。ＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸により、バルブロッカアームが駆動されて開閉される。内円排気バルブと外周環状吸気バルブの上方にネスト組立された内円排気管と外環吸気管が設けられている。バルブシステムの構造を簡略化し、エンジンの吸排気効率と出力パワーを大きく向上している。

まず、本考案に係る内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構は気筒頂部の燃焼室を等気筒ボアの円柱体形状に変形し、燃焼室の内部に取り付けられる環状のテーパ形バルブシートパッキンの対称的な形態により、内部空間が正円錐体の平頂の輪郭に構成される。平頂円錐体線形は半球形燃焼室の理想的な形態の全ての基本特徴を備える。

同時に、外環状吸気バルブを、平面構造から内外傾斜角度を有する錐体形状に改善することができる。コーンカップ（ｃｏｎｅｃｕｐ）状吸気バルブ形面により、吸気流通の抵抗をより小さくし、バルブが閉じた後燃焼室の内部に周囲がやや低く、中心が高めであるアーチ型ドーム（ｄｏｍｅ）状扁平半球体、又は周囲がやや高く、中間部が低めである盆地構造を形成する。滑らかで洗練な密閉アーチ型燃焼室は構造強度を向上し、形態の軽量化に有利である。燃焼室内の空気及び燃料混合ガスに十分なサイクロン渦巻を発生させ、点火後に燃料ガスの熱出力効率は最高に近い。

第２の側面では、燃焼室の頂面に気筒の軸心に沿い、同心円型外周円環状吸気バルブと内円排気バルブが設置される。吸排気バルブの外環吸気管と内円排気管に対応する。３から６本の横ビームが燃焼室の頂面外径と中心バルブシートに均一に分布して接続され、燃焼室の頂面ビームの中心バルブシートのスルーホール、即ち排気口は中心排気管に連通する。中心バルブシートの外で燃焼室の頂面の縦ビームとの間の外環グリッドの中空部分により環状吸気口が構成されている。

中心排気バルブシート内にダブルコーンバルブシートパッキンが取り付けられており、内径は排気孔とし、内錐面側と排気バルブとが嵌合密封される。その外側錐面と吸気バルブ盤面の内径面とが嵌合され、環状吸気バルブの外円環面と、燃焼室内壁に単独で取り付けられる外周バルブシートパッキンとが嵌合されて、吸気管が密封される。このように、吸排気バルブは燃焼室の内外バルブシートパッキン表面に吸排気管を完全に閉じ、燃焼室の密封状態となることが可能である。円環状吸気バルブに内径と外縁の２つの密封接触面を有するとともに、バルブシートパッキンとの接触面積も増加され、バルブの着座衝撃力が大きく緩衝され、バルブが閉じることによる衝撃力とノイズを減少し、振動発振を小さくしバルブの運転使用寿命を延長させ、バルブの高速運動の安定性を向上する。

燃焼室の頂面に、中心バルブシートに沿い配置される内外スリーブが内孔排気管と外円環状吸気管を形成しており、排気管の外面にシリンダライナーを取り付けて水冷循環経路を形成することができる。水冷シリンダライナーは環状吸気管内のフレッシュな混合ガス及び吸排気バルブに対して、燃焼室を冷却放熱させ、燃焼室のフレッシュな混合ガスに対する熱伝導を効果的に減少することができる。同時に吸排気バルブが閉じ、着座時に燃焼室への衝撃力を軽減し、バルブ機構及び完成機の安定した運転を改善する。

燃焼室の頂面グリッドビームの環状吸気口の上層、即ち、環型吸気管部分において、吸気管は環状吸気増圧エネルギー貯蔵室として拡張形成し、吸気ストロークに補助増圧を促進する役割を果たす。燃焼室の頂面の中心排気管は中心バルブシート、排気バルブに直接接続され、排気管の外環吸気チャンバと等高度で吸気管のチャンバの頂面のグルーブに沿い気筒の周囲に延出し、さらに外部の排気マニホールドと接続される。排気管も同様に環状吸気管の頂部から、ある具体的な延伸角度で直接排気メインパイプに案内接続され得る。

環状吸気バルブに１８０°間隔で分布するバルブロッドが２本装着接続されており、２本の吸気バルブロッドは燃焼室の頂面ビーム、環状吸気管及びバルブのガイドパイプを垂直に貫通し、２本のバルブロッドが吸気管のチャンバ頂面のバルブのガイドパイプの外径に嵌着される弁ばねから支持され、排気バルブロッドは排気管及びバルブのガイドパイプを貫通し、同様に排気弁ばねから支持位置決めされる。吸排気バルブの３本の吸排気バルブロッドと気筒の内径中心線とが共線に配列されることを考え、バルブロッカアーム駆動方法を用いた取付構造はより柔軟で、吸排気弁ばねの寸法と強度が十分確保される。

このように、同心円式バルブグループはシングルオーバーヘッドカム軸が対応するクランク角を駆動して対応するバルブの開閉を完成させ、気筒の４ストロークの作業サイクルの吸排気の循環が実現される。

考案が従来技術に比べたメリットは、以下の通りである。
本考案に係る内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構はＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸により駆動され、バルブ機構は以下の際立つ効果を有する。

＜一＞燃焼室の輪郭の最適化改善とバルブグループ構造の分布配列の形から見れば、
（１）燃焼室の形状輪郭を改善修正し、平頂円錐体の内部の形態により燃焼室の表面積が吸排気バルブの配列取付けの利用可能率を最大化させる。内外環の同心円形吸排気バルブが有機的に組み合せられて緊密に配列されることにより、燃焼室表面のフルカバー、取付け、利用が実現され、吸排気バルブの開口面積と空気流動性が大きく向上し、空力効率が全体的に倍増している。
（２）環状吸気バルブの上方に垂直に連通する環状吸気管は正圧吸気エネルギー貯蔵室を形成し、バルブが開く吸気過程で気筒内に十分な混合ガスをタイムリーに注入することができる。吸排気バルブは０°のバルブ角を有することで、通常のマルチバルブ構造の吸排気管内においてバルブロッドが斜めに貫通することによる吸排気流通過程でのブロック抵抗の影響が完全に取り除かれた。
（３）吸気過程で、環状吸気バルブは開き、吸気流はバルブの外縁面と内翼面の中心孔に沿う２方向流通経路を同時に備え、気筒内において全て良い風洞効果をもたらし、特に吸気バルブが復帰し閉じ、同時に慣性的吸気効率が最大に達する過程で、空気抵抗を小さくし、バルブ開口面積の数値と吸気量を倍増している。改善された外環吸気バルブの錐面の傾斜形態で、吸気過程でバルブの盤面の空気抵抗を小さくすることに一層有利であり、混合ガスはできるだけ速くバルブを通過することができる。優れた空気流体力学の特徴と構造優位性を有する。
（４）中心バルブシートと内バルブシートパッキンをコアとする外円／内輪同心円式吸排気管は、実際的には、吸排気口の全てが上スロートと下スロートの構成要素で構成されており、上スロートは円筒形孔であり、下スロートはダブルコーン中心バルブシートパッキンと外バルブシートパッキンにより、吸排気口が同時に下部が大きく上部が小さいテーパ状孔のように構成されており、気流通過面積を大きくし、バルブ抵抗を小さくする。このように、内外バルブシートパッキンの形状テーパーが段階的に変化する設定により、バルブシートパッキンの流通面積と吸気／排気管スロートの流通面積の比を最適化し、内燃機関の吸気管の平均スワール比及び空気流量係数を向上し、気流流速の再分布を引き起こすことができ、流速（速さ）の再分布により、ガス流動過程で吸排気管の壁面に近い流体境界層の剥離及び渦の形成を自然に引き起こし、吸気スワール比及び空気流量、密度パラメータを向上している。燃料と空気を均一に混合させ、十分に燃焼させる。同時に排気管の排気ガス通過能力を向上し、完成機の動力性、経済性、排出等の総合指標は全て大きく向上している。
（５）吸気バルブ面積／気筒径面積、即ち、吸気バルブ面積率係数＞５１％であり、排気バルブ面積／気筒径面積＞２８％である。全体の換気効率がより高い。内円排気バルブが中央に配置される設計で、排気ガスが気筒内において外周から中心排気口へ合流し、排気渦巻を形成し、排出を速めることに一層有利である。排気効率が大きく向上することは、気筒のガス充填・換気能力の向上に役立つ。
（６）燃焼室の外環吸気バルブを平面型から錐面傾斜型に改善し、燃焼室の密閉状態の輪郭は盛り上がったアーチリングチャンネルを備え、フレッシュガスが渦巻と循環流動性を上げることに一層有利であり、気筒内の混合ガスの密度と気化特性を向上し、混合ガスが２つの火花プラグの周りに順調に分布し、燃料ガスは点火後に炎が周辺から円心へ広がって集まり、熱効果が大きく向上している。頂面アーチリング輪郭の形態により、燃焼時に燃焼室の死角領域における爆燃現象の発生を効果的に避け、より高い燃焼圧力を提供し、ピストン作動の出力トルク及び電力を向上することができる。
（７）同心円式吸排気バルブの設計により、吸排気バルブの面積は全て効果的に拡大することができ、バルブの着座衝撃力が小さく、体積効率が大きく向上し、エンジンは各循環においてより多くの燃料及び空気を十分に混合し、より大きな動力出力を発生することができる。特に、体積効率が低いことによる（酸欠）不完全燃焼、燃料の浪費及び汚染物排出の増加を改善する。顕著に燃料の経済性を向上し、及び汚染物の排出を低減している。

＜二＞バルブグループ開閉駆動システムの構成から見れば、本考案の効果は以下の通りである。
（１）同心円式バルブグループはシングルオーバーヘッドカム軸により駆動される。ＳＯＨＣ部品の減少と配置の最適化により、吸排気効率を大きく向上するのを確保すると同時に、バルブ開閉の駆動消費電力を明らかに低減し、システムの慣性質量を小さくし、バルブ機構の剛度を向上している。最大限に現在のエンジンの生産資源を適合させて整合利用することができる。
（２）ＳＯＨＣ駆動による開閉の内外環同心円１＋１バルブ構造では、顕著に少ない運動副材数及びシステム摩擦損失を有する。バルブシステムの部品が多いこと、運動慣性力が大きいこと、動力ヒステリシス減衰等の現象が避けられる。このため、軽量化、従動性及び応答性がより良い。
（３）ＳＯＨＣ駆動バルブロッカアーム構造では、ロッカアームの設計を用いることで、カム軸の配置取付けに有利であり、各駆動部材の寸法規格をマッチングしやすくなる。カム全体の外形線と、バルブ往復運動の加速度特性の釣り合い設計及びエンジンの動作モードとはマッチングされて、より簡単で有利である。

上述したように、本考案に係る内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構は、従来の内燃機関の本体の動力システムの構造が変わらないことに着目しそれに基づき、同時に燃焼室の形態を最適化し同心円式吸排気バルブグループのモードを革新し、シングルオーバーヘッドカム軸により駆動されて、バルブの運動力学特性と吸排気効率を大きく向上し、バルブ機構を簡略化している。本考案に係る同心円式バルブグループのバルブ機構の構造が簡単であり、生産加工しやすく、各種の４ストロークエンジンに適し、完成機の基本的機械動力特性を確保し、効率よく信頼でき、実用的で適応される発展の将来性を有する。

同心円式バルブグループの外環吸気バルブと内円排気バルブの構成図である。ＳＯＨＣロッカアームにより吸気／排気バルブが駆動されて同時に閉状態となる燃焼室の概略構成図である。燃焼室の平頂円錐体の輪郭及び頂面ビーム、内外バルブシートパッキンの概略構成図である。燃焼室及び垂直に連通する（外環／内円）吸排気管の概略的取付図である。ＳＯＨＣロッカアームにより駆動される吸気バルブの開状態の概略構成図である。ＳＯＨＣロッカアームにより駆動される排気バルブの開状態の概略構成図である。外環吸気バルブがコーンカップの形態１を用いた輪郭の概略図である。外環吸気バルブがコーンカップの形態１を用いた輪郭、及び燃焼室のドーム状輪郭の概略図である。外環吸気バルブがコーンカップの形態２を用いた輪郭の概略図である。外環吸気バルブがコーンカップの形態２を用いた輪郭、及び燃焼室の盆地状輪郭の概略図である。

以下に図面を参照しながら、本考案の内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構及びシリンダヘッドアセンブリをさらに説明する。以下の実施例は本考案の技術要素を説明するためのものであるが、本考案の実質的なカバー範囲を制限することに用いられない。

等気筒ボアの円柱体の外形及び平頂円錐体の内輪郭線であり、内部空間が対称的な扁平円錐台構造である燃焼室を含む内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構であって、前記燃焼室の頂面は円形構造で設けられるグリッドビームであり、頂面のグリッドビームは中心バルブシートを基準に、同心円式吸排気バルブに対応して吸排気管の出入り口を形成し、燃焼室の頂面に設けられる吸排気バルブは内外同心円状となって垂直に分布し、吸排気バルブの開閉はＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸がバルブロッカアームを駆動して完成する内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。

本考案のさらなる説明として、前記吸排気バルブは平面同心円状に内外ネスト配置され、内円排気バルブと円環状吸気バルブの上方にそれぞれ、内円排気管と外環吸気管とが設けられており、排気管は外環吸気管のチャンバの頂部の予め設定した延伸溝から導き出されて外部排気マニホールドに連通する。

本考案のさらなる説明として、前記燃焼室の外壁に火花プラグが取り付けられており、火花プラグは２つの火花プラグが対称的に配置されたものであり、前記火花プラグの点火タイプはレーザ、プレチャンバー噴射、プラズマ点火又はコロナ電気火花放電中の１種等である。

本考案のさらなる説明として、前記燃焼室の内壁面に外バルブシートパッキンが嵌装されており、中心バルブシートに内バルブシートパッキンが嵌装されている。

本考案のさらなる説明として、前記円環状吸気バルブは内外径傾斜錐面形構造を用いて、燃焼室の輪郭を改善することに用いられる。

実施例：
図１、図２、図３及び図４に示すように、同心円式バルブグループのバルブ機構の実施例では、気筒２６の上部のエンジン燃焼室１を含み、燃焼室１の外観は等気筒ボアの正円柱体であり、内部は外径のバルブシートパッキン９から平頂円錐体輪郭として構成されている。燃焼室の頂面のグリッドビーム２を含み、グリッドビーム２は３～６本のビームから燃焼室の頂面の外壁と中心バルブシート３に接続され、開放したフレームの頂面を構成して、外円環状吸気口７を形成し、環状吸気バルブ８に対応する。バルブシート３の中心孔は排気口５が垂直にキャビティの排気管と排気バルブ６に接続される。排気管１０は外周環状吸気管１２の頂部における予め設置した溝キャビティ１１から導き出されて、外部排気マニホールドと連通する。

図３及び図４に示すように、内輪バルブシートパッキン４全体は排気バルブシート３の中心孔に圧入装着され、その全体は環状ボスであり、バルブシート３と緊密に貼り合わせられる。中心バルブシートパッキン４の内外ダブルコーンはそれぞれ、排気バルブ６の外縁、吸気バルブ８の内縁と嵌合密封される。外周環状吸気バルブ８の外縁と燃焼室の内壁に取り付けられる外バルブシートパッキン９とが嵌合密封され、その内外環面はそれぞれ、内外バルブシートパッキン４及び９と吸気口７、吸気管１２を密封する。内円排気バルブ６は排気口５を開閉させ、共同で燃焼室の頂面の同心円式吸排気管を完全に密封させる。本考案では、排気管１０の外径壁面には水冷シリンダライナー１３を継続して取り付けて、燃焼室／吸排気バルブ及び吸気管内のフレッシュな混合ガスを冷却放熱することができる。水冷シリンダライナー１３の外径壁面に外環吸気管のチャンバの内側面を形成しており、環状吸気管のチャンバの外側壁及び頂面はシリンダヘッドで別途加工されたものである。火花プラグ２４は、燃焼室１の外壁面に取り付けられ、２つの火花プラグが対称的に配置されたものであり、火花プラグの点火タイプは、レーザ、プレチャンバー噴射、コロナ電気火花放電又はプラズマ点火等の形のうちの１種を用いることができる。

同心円式バルブグループはＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸及びロッカアームにより駆動される。環状吸気バルブ８に２本の吸気バルブロッド１４が接続されており、燃焼室の頂面グリッドビーム２、吸気管及びバルブのガイドパイプ２３を垂直に貫通し、吸気バルブロッドの端部がロッカアーム１６に接続され、バルブロッカアームがロッカアームシャフト１５に取り付けられ、吸気カム１８により駆動される。吸気バルブは弁ばね２１により吸気管の頂面に支持位置決めされ、弁ばね２１はバルブの復帰閉止用のばね力を与えることに用いられる。排気バルブロッドは排気管１０及び排気バルブのガイドパイプを貫通し、排気バルブロッドの端部がロッカアーム１７を介してカム２０により駆動される。２つの吸気バルブロッドと排気バルブロッドは気筒ボアの中心に沿い同一直線に分布し、カム軸と平行である。

図５及び図６は、それぞれ同心円式吸排気バルブがクランクシャフトの位相に応じて順番に開く状態を示す。本考案の吸排気バルブ構造により、吸排気バルブの面積を大きく増加し、吸気管の設計を改善し、空気流通抵抗を小さくし、エンジンの体積効率が完全に最適化されている。

図７、図９に示すように、外円環状吸気バルブは、さらにコーンカップの形態に改善することができる。２種類の輪郭の様式を選択できる。１内縁の内翼面が外径の外縁面よりも高く、吸排気バルブが閉じた後燃焼室全体はドーム状輪郭を呈する。２外径の外縁面が内縁の内翼面よりも高く、燃焼室内は盆地状輪郭を呈する。この２種類のモードで、燃焼室の輪郭は全てさらにホッパー状半球体の等価外形線に近いことができ、均一で規則正しく、表面積対体積比が小さく、等値輪郭エッジ効果がよりよく、及び燃焼効率が向上した内燃機関燃焼室を有する。

図８、図１０は燃焼室の１、２の２種類の形態の断面図であり、環状吸気バルブは依然として良い運動安定性と気密性を保持しているのを確定することができる。吸排気バルブが閉じた後、燃焼室内に均一で扁平なアーチ形天井の輪郭を形成している。点火後に炎が各方向へ死角なしで伸び広がり、広がる速度が均一で空気流通が加速される。燃料ガスは渦巻をベースに、さらにタンブル流性の燃焼擾乱を発生する。燃料ガスは点火速度が速く爆燃現象の発生を効果的に阻害し、高圧縮比で高出力の内燃機関の設計製造に完全に適用する。

本考案の技術特徴と革新優位性を正確に理解することに一層寄与するために、４ストロークの直列四気筒の１．６Ｌエンジンの例を挙げて説明する。構造パラメータ：気筒ボア／ストロークＢ－Ｓ８０×７９．５ｍｍ、単気筒容積／実際の排出量３９９．６１×４＝１５９８．４４２ｃｃであった。本実施例では圧縮比を１０：１とし、吸気バルブが閉じる時に燃焼室の頂面直径を７５ｍｍとし、下底面、即ち気筒ボアを８０ｍｍとした。

平頂断面円錐体の体積計算式Ｖ＝｛π×ｈ×（Ｒ^２＋Ｒ×ｒ＋ｒ^２）／３｝によれば、なかでも、ｈは燃焼室の上下底面間の鉛直高さであり、Ｒは下底面半径で４０ｍｍであり、ｒは頂面、即ち吸気バルブの外環面と外バルブシートパッキンの密封部位の円心半径３７．５ｍｍであった。燃焼室容積Ｖ＝３９９．６１÷９＝４４．４ｃｍ^３であり、燃焼室の高さｈ＝０．９４０９ｃｍ＝９．４１ｍｍと計算した。

同心円状に配置された内円排気バルブの直径を４２ｍｍとし、燃焼室の平頂面の円心、即ち、気筒の中心軸線を垂直基準として、燃焼室の頂面の中心バルブシートにおける逆台形の中心バルブシートパッキン４では、吸排気バルブが同期して着座し密封される場合の平行横断面の幅を３ｍｍとし、燃焼室の円心を基準に、円環状吸気バルブの内縁面半径が２４ｍｍであり、外環面半径が３７．５ｍｍであった。吸気バルブの環状表面積、即ち燃焼室の吸気流通面積π（３．７５）^２－π（２．４）^２＝８．３０２５πであり、吸気バルブの流通面積と気筒ボア面積の比率、即ちバルブ／気筒面積係数＝８．３０２５π／１６π＝０．５１８９＝５１．８９％であった。同様に、排気バルブの空気流通面積比率π（２．１）^２÷１６π＝０．２７５６２５＝２７．５６２５％であった。

中心円環バルブシートパッキンの横断面の幅が２．５ｍｍ（即ち、吸排気バルブは中心バルブシートパッキンの台形断面の幅が２．５ｍｍである箇所における平行線において同期して、等高度で密封され着座する）である場合、同心円状内円排気バルブの直径を４３ｍｍとすると、外環吸気バルブの内縁面の円心距離は２４ｍｍであり、外環面と外バルブシートパッキンの密封半径は３７．５ｍｍであり、π（３．７５）^２－π（２．４）^２＝８．３０２５πであり、バルブ／気筒面積係数＝８．３０２５π／１６π＝０．５１８９＝５１．８９％であった。同様に、排気バルブの空気流通面積比率π（２．１５）^２÷１６π＝０．２８８９＝２８．８９％であった。

続いで吸気バルブの最大リフトと、最大リフトに対応する場合のバルブ経路の開口面積を計算する。バルブの開口面積の定義では、バルブが最大リフトにある場合、バルブのヘッド部の外縁面は底面であり、ストロークを高さとする等価円柱体の外周側方表面積、即ち、ガス流通の有効な開口の開放面積は、バルブのヘッド部面積と同様であるべきである。なかでも、２つの動的パラメータを含んでいる。

本考案では、環状吸気バルブが開いた後、吸気流は同時にバルブの環状盤面の内径内側と外径外縁の２つの方向から流動して燃焼室に入ることができ、内孔流動性はさらにサイフォン風洞効果として表れ、空気通行抵抗が小さくかつ導気性が優れている。吸気バルブが最大リフトにある時のバルブ経路の開口面積を計算する場合、この明確で独特な２方向の特徴を十分考慮し計上しなければならない。

外環吸気バルブが垂直に開く場合のリフトをｘとすれば、｛π（７．５）＋π（４．８）｝Ｘ＝８．３０２５π×１２０％＝９．９６３πであり、Ｘ＝９．９６３÷１２．３＝０．８１ｃｍ＝８．１ｍｍであった。環状吸気バルブの２方向両側の吸気流通効率が倍増することを考え、気筒吸気面積の比率が５１．８９％となる外周環状吸気バルブの表面積がさらに大きくなり、１２０％の値の係数を取り、十分に余裕がある。

同様に、内円排気バルブの直径は４２ｍｍであり、排気口面積＝排気バルブのヘッド部面積であり、排気バルブの開度（リフト）をｈ１とし、π４．２×ｈ１＝４．４１π、ｈ１＝４．４１／４．２＝１．０５ｃｍ＝１０．５ｍｍであった。排気が高温高圧状態で行うことを考え、排気バルブ口径は大きくされて最適値をとり、π４．２×ｈ１＝４．４１π×８５％、ｈ１＝０．８９２５ｃｍ＝９ｍｍと簡略化することができる。実際の動作モード、状況に応じて、８～９ｍｍの排気バルブのリフトを選択するのも同様に排気適時性を満足する。

上記計算値により例を挙げると、同心円１＋１バルブ構造が吸排気バルブの空気流通断面積を大きく向上拡大して、十分に吸気し、綺麗で徹底的に排気し、ガス充填／換気効率を向上する目的を達成できることが分かった。ある有名型番Ｌ４－１．６ｌの５バルブ機種のパラメータで比較した。

圧縮比＝９．３であり、単気筒Ｂ－Ｓ８１×７７．４の気筒直径は８１ｍｍであり、５バルブ（３つの吸気バルブと２つの排気バルブ）の吸気バルブの直径は２７ｍｍであり、排気バルブの直径は３０ｍｍであり、３つの吸気バルブの総面積と気筒面積の比は０．３３３であり、２つの排気バルブ総面積と気筒面積の比は０．２７４であった。

同心円式吸排気バルブグループが単気筒のパラメータの８１×７７．４に従い配置され、かつ圧縮比が１０：１である場合、中心円環バルブシートパッキンの横断面の幅を２．７ｍｍ（吸排気バルブは中心バルブシートパッキンの断面の幅が２．７ｍｍである箇所に等高度で密封され着座する）とし、内円排気バルブの直径を４３ｍｍとすれば、排気バルブの空気流通面積比率π（２．１５）^２÷１６．４π＝０．２８１８１＝２８．１８％であった。吸気バルブの内縁面の円心距離は２４．２ｍｍであり、その外環面と外バルブシートパッキンの密封部位の円心距離は３８ｍｍであり、π（３．８）^２－π（２．４２）^２＝８．５８３６πであり、バルブ／気筒面積係数＝８．５８３６／１６．４＝０．５２３３１＝５２．３３％であった。この場合、燃焼室の高さは９．１７ｍｍであった。

吸気バルブリフトをｘ２とすれば、｛π（７．６）＋π（４．８４）｝Ｘ２＝８．５８３６π×１２０％＝１０．３πであり、Ｘ２＝１０．３÷１２．４４＝０．８２７９ｃｍ＝８．３ｍｍであった。

計算の結果を比較参照すると、本考案で設計される同心円式吸排気バルブ構造の吸排気流通面積比率及び気筒圧縮比は実用的で、圧倒的で高効率な空気駆動の優位性を有する。

そして、本考案中の吸排気バルブが垂直に開き、互いに平行し干渉しない。その最大リフトは全て燃焼室の底面、即ち、ピストンＴＤＣの上方に保持でき、完成機の運転動作モードにおいてバルブの開閉とピストンのストロークとの間に必要で十分な運動隙間を完全に与え、安全性、利便性が確保される。気筒に入る可燃性混合ガスが多いほど、かつ均一に混合されるほど、燃焼熱値が高く、動力が強くなることで、エンジンの効果が顕著に向上し、確実な構造優位性を有する。

上記実施例では、燃焼室の圧縮比は１１．５：１のパラメータで値を取り計算し、燃焼室の上下平面高さＶ＝π×ｈ’’×（Ｒ^２＋Ｒ×ｒ＋ｒ^２）／３｝＝３９９．６１／１０．５＝３８．０５８ｃｍ^３であった。外環が内径よりも高いテーパ状吸気バルブ構造の盆地形燃焼室（図９）を用い、吸気バルブの傾斜勾配寸法を調整して燃焼室の容積をやや大きくし、かつ圧縮比１１：１として調整した。即ち、排気バルブが閉じた後、燃焼室内の上下平面高さｈ’’＝３８．０５８／４７．１８９３３＝０．８０６ｃｍ＝８～８．１ｍｍであった。このパラメータで設置して例を挙げると、吸排気バルブの開度も高圧縮比の動作モードの実際の要求を満足適応させる。

本考案に係るバルブ機構のエンジンは自然吸気の動作モードで（≧１１：１）高圧縮比の構造単位を用いることができることを考え、かつ、本考案の設計で気筒の吸気面積が１００％拡大されることに近似し、構造が簡単で、吸気が十分で吸気温度が低く、空気密度が大きく酸素含有量が高い。エンジン自吸式電力性能はすでに排気ガスターボ増圧型番に近くなっている。さらに適切に機械増圧吸気システムで補助しそれに合わせると、完成機の性能は継続して飛躍的に向上し強化され、完全に超過することができる。

以上のように、本考案の同心円式バルブグループエンジンのバルブシステムは、燃焼室の輪郭、バルブグループの形状及び配列配置等の態様について全て大きな改善革新を行い、単気筒１＋１同心円式吸排気バルブの形となり、最大限に燃焼室の表面積を利用し、吸排気バルブ口径の有効空気流通面積に転換する。ＳＯＨＣ駆動ロッカアーム機構を用いて吸排気バルブの順番的な開閉を制御する。バルブ駆動機構を大きく簡略化し、システムの運転抵抗及び消費電力を低減する。操作が便利で効果が顕著であり、完成機の空気分配の動作モードの効率が倍増向上する。そして、構造が簡単でコストが経済的で合理であり、大量でセットで製造しやすい。

以上、本考案及びその実施態様を説明したが、このような説明は制限性を有せず、図面に示すのも本考案の実施態様の１つに過ぎず、実際の構造はこれに限られるものではない。つまり、当業者がその示唆を受け、本考案の創造の旨を逸脱することなく、創造性なしで設計した該技術的手段と同様な構造態様及び実施例は、すべて本考案の保護範囲に属すべきである。

１燃焼室
２頂面ビームグリッド
３中心バルブシート
４中心バルブシートパッキン
５排気口
６内円排気バルブ
７外環吸気口
８環状吸気バルブ
９外バルブシートパッキン
１０中心排気管
１１排気管の延伸ガイド溝
１２環状吸気管
１３水冷シリンダライナー
１４吸気バルブロッド
１５ロッカアームシャフト
１６吸気バルブロッカアーム
１７排気バルブロッカアーム
１８カム軸
１９吸気バルブカム
２０排気バルブカム
２１弁ばね
２２弁ばね押え
２３バルブのガイドパイプ
２４火花プラグ
２５ピストン
２６気筒

Claims

等気筒ボアの円柱体の外形及び平頂円錐体の内輪郭線であり、内部空間が対称的な扁平円錐台構造である燃焼室を含む内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構であって、前記燃焼室の頂面は円形構造で設けられるグリッドビームであり、頂面のグリッドビームは中心バルブシートを基準に、同心円式吸排気バルブに対応して吸排気管の出入り口を形成し、燃焼室の頂面に設けられる吸排気バルブは内外同心円状となって垂直に分布し、吸排気バルブの開閉はＳＯＨＣシングルオーバーヘッドカム軸がバルブロッカアームを駆動して完成することを特徴とする、内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。
前記吸排気バルブは平面同心円状に内外ネスト配置され、内円排気バルブと円環状吸気バルブの上方にそれぞれ、内円排気管と外環吸気管とが設けられており、排気管は外環吸気管のチャンバの頂部の予め設定した延伸溝から導き出されて外部排気マニホールドに連通することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。
前記燃焼室の外壁に火花プラグが取り付けられており、火花プラグは２つの火花プラグが対称的に配置されたものであり、前記火花プラグの点火タイプはレーザ、プレチャンバー噴射、プラズマ点火又はコロナ電気火花放電中の１種等であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。
前記燃焼室の内壁面に外バルブシートパッキンが嵌装されており、中心バルブシートに内バルブシートパッキンが嵌装されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。
前記円環状吸気バルブは内外径傾斜錐面形構造を用いて、燃焼室の輪郭を改善することに用いられることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の同心円式バルブグループのバルブ機構。