JP4550066B2 - ロータリー弁エンジン用改良弁シール - Google Patents

Description

本発明は燃料／空気の混合気をシリンダーに導入及び排気ガスを排出する球状ロータリー弁機構を有するピストン−シリンダー方式の内燃機関に関するもので、特にディーゼルのような長行程、高圧縮の内燃機関におけるロータリー弁機構の浮動弁シール及びその弁シールにおける圧力調整の手段に関する。

出願人はピストン−シリンダー方式の内燃機関、特にきのこ弁、バネ、取付け部材及び関連するカムシャフトを含んで構成しているきのこ弁機構を、シリンダーに混合気を導入し、排気ガスを排出する球形ロータリー弁に置き換えることに注力してきた。出願人は米国特許第４，９８９，５７６号「内燃機関」、米国特許第４，９４４，２６１号「内燃機関用球形ロータリー弁機構」、米国特許第４，９５３，５２７号「内燃機関用球形ロータリー弁機構」、米国特許第４，９７６，２３２号「ロータリー弁エンジン用弁シール」、米国特許第４，９８９，５５８号「内燃機関用球形ロータリー弁機構」、米国特許第５，１０９，８１４号「球形ロータリー弁」、米国特許第５，３６１，７３９号「ロータリー弁内燃機関に用いる球形ロータリー弁機構」、米国特許第６，３０８，６７６Ｂ１号「ロータリー弁エンジン用冷却機構」及び米国特許出願番号１０／２８０，２９３の発明者である。以下、上記米国特許を詳細に説明したものとみなして、本発明について述べる。

出願人の先行特許で記載している弁シールは、弁座内の浮動弁シールである。弁シールは分割ヘッド機構の下半分のシリンダーの吸気口及び排気口近傍に位置している。偏り手段は弁座に位置し、弁シールはその偏り手段の上に位置している。弁シールの上面は、球形ロータリー吸気弁機構のロータリー吸気弁又は排気弁機構のロータリー排気弁の外周に対応した弧状になっている。弁座内に収まっている弁シールの底面は、弁座の外壁に環状に接している一つ以上のシール用リングを有してもよい。この構成においては、弁シールは弁座内に浮いており、弁座の内壁と弁シールの間に僅かな空隙が存在し、そのため圧縮行程において、圧縮されたガスがこの空隙を通って弁座へと入り弁シールと弁座の間の領域の加圧し、弁シールと球形ロータリー吸気弁及び排気弁との間の気密度が増すようになっている。

短行程のエンジンにおいては、ピストンの行程が比較的短くそれに伴う圧力も比較的低いので、弁機構を修正しなくても作動する。しかし、通常の内燃機関よりも遥かに圧縮が大きく、その圧縮により高圧下の燃料／空気の混合気が爆発するディーゼルのような長行程のエンジンにおいては、浮動弁シール及び球形ロータリー吸気弁又は球形ロータリー排気弁との接触部に圧縮気による大きな圧がかかるようにロータリー弁機構の弁シールを修正する必要がある。

本発明は、浮動弁シール及びそこにおける圧力を調整する手段に関するものである。

本発明はロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された弁シールを提供することが目的の一つである。

更に、寿命を長くするため締め付け角方向に弁シールのセラミック製インサートを備えたロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された弁シールを提供することも本発明の目的である。

更に、シリンダー及び燃焼室に生じた圧力により保持される気密シールを備えたロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された弁シールを提供することも本発明の目的である。

更に、外部からの潤滑を必要としない球形ロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された弁シールを提供することも本発明の目的である。

更に、ロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された弁、弁シール及びシリンダーヘッド／燃焼室の配置を提供することも本発明の目的である。

更に、弁シール内の圧力を調整する、ロータリー弁エンジン用の斬新且つ改良された浮動弁シールの配置を提供することも本発明の目的である。

ピストン−シリンダー方式の内燃機関に用いるロータリー弁機構の弁シールであって、シリンダーヘッド／燃焼室はディーゼルのように高圧縮且つ長行程用に設計され、シリンダーに燃料／空気の混合気を導入し、燃焼ガスを排出できるように、ロータリー弁及び弁シールを配置し、弁シール及び弁座内の圧力、従って弁座とロータリー弁間の圧力を調整できるように構成されている。

図１には、出願人の先行特許の球形ロータリー弁機構の実施例の末端断面図であり、分割ヘッド機構の上半部１２及び下半部１４内に組込まれたロータリー吸気弁１０の位置関係を示している。分割ヘッド機構は、内部をピストン１８が往復運動するシリンダー１６を有するエンジンブロックに固定されている。

上半部１２及び下半部１４を含んで構成している分割ヘッド機構は、円筒収納キャビティを規定している。ロータリー吸気弁１０は、ロータリー吸気弁１０の中心に位置する開口部２４を貫通している軸２２上に配置されている。出願人の先行特許で詳細に述べているように、ロータリー吸気弁１０の球形の外周部２１上の開口部３０により混合気導入口２６とシリンダー１６が連結し、シリンダー１６への吸気口３２へと重ね合わさるようになっている。

軸２２上の円筒収納キャビティ２０内において回転するロータリー吸気弁１０は、シリンダー１６への吸気口３２の周りの円環状溝あるいは弁座３８に円環上に配置した弁シール３５と接触している。弁シール３５は、吸気行程中にロータリー吸気弁１０からシリンダー１６へと通過する燃料／空気の混合気が漏れないようにする役割を担い、更に弁シールはロータリー吸気弁１０と共に、シリンダー１６内における燃料／空気の混合気に確実に点火し且つ円筒収納キャビティ２０へと漏れないように圧縮行程中の気密を保つ役割を担っている。更に、排気工程中には弁シール３５はロータリー吸気弁１０と共に、排気ガスがロータリー排気弁を通って確実に排気されるように気密を保っている。

弁シールについては、図１に示すロータリー吸気弁に関して記載した。出願人の先行特許に開示されているロータリー排気弁に関しても弁シールは同じ設計且つ同じ目的及び機能に用いている。更に、各々のシリンダーは互いに関連した少なくとも１つのロータリー吸気弁、ロータリー排気弁及び弁シールを有していることは言うまでもない。

図２及び３は改良された弁シール３６の平面図及び断面図であり、後で詳細に説明する弁シール本体３７及びセラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２を図示している。弁シール３６は、環状溝又は環状の弁座３８に据える際に吸気口３２と同心となる開口部４０を中心に備えている。弁シール本体３７の上部環状面４２は開口部４０の中心に向かって内側へ湾曲している。この湾曲はロータリー吸気弁１０の周辺の球状湾曲部に対応している。弁シール本体３７の上部環状面４２は内側壁４６及び外側壁４８より規定される環状溝４４と共に形成されている。内側壁４６は９０度の角度を形成する一方、外側壁４８は９０度以下の角度を形成している。環状溝４４はセラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２を受けるために形成されている。セラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２はその上面５４が弁シール本体３７の上面４２の湾曲と一致するように環状溝４４に位置決めされる。セラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２と弁シール本体３７とを嵌合させるのには、弁シール本体３７を加熱して僅かに膨張させる。この加熱中にセラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２を環状溝４４へ挿入する。次いで、弁シール本体３７を冷却する。環状溝の外側壁４８は、内側壁４６方向へ９０度より僅かに傾いているので、セラミックカーボン製インサート潤滑用リング５２は、この締め角度によりその位置に固定され、内燃機関の燃焼工程中に弁シール３６が高温に加熱されてもその位置に保持される。弁シールを取り付けた内燃機関が、ガソリンよりも高温、高圧となる天然ガス又はディーゼルで駆動される際に、このことが重要となる。

少なくとも１つの密閉リング又はブラストリング５８をその位置に保持するように、弁シール３６の外側壁５４は段状に環状リブ５６から離して形成し、吸気口近傍において弁シール３６の外側壁５４と環状溝又は環状の弁座３８周辺との間の気密を保つピストンリングのように機能する。本実施例では１つの環状リブ５６及び１つの密閉リング又はブラストリング５８の場合を図示している。しかし、外側壁５４を高くすれば、ブラストリングの数を増やすことができる。

弁座の環状溝に設置した勾配付きバネ６０により弁シール本体とロータリー吸気弁１０の周辺面との接触が保たれる。この勾配付きバネ６０による弁シールへの上向きの力は１から４オンスである。

更に、弁座３８の内壁６２には圧力調整リング６４を備えている。出願人の先行実施例では、弁シール本体とロータリー弁の周辺面との気密性を高めるのに、環状通路６６を用いて圧縮及び出力行程中シリンダー内において高まるガス圧を利用している。短行程のエンジンにおいては、圧縮及び出力工程中の弁座内の圧縮により増大する圧は調整する必要がないことが判明した。しかし、ディーゼルのような長行程、高圧縮のエンジンでは、ロータリー弁の周辺面への弁シール本体の連結をより緊密にさせる弁座内の圧力を調整するか又は、ロータリー弁の回転によりシールが制動効果を生成する。従って、弁座３８の内壁の環状溝６５内で、圧縮及び出力行程中のシリンダーからの圧縮ガスの通路に、圧調整リング６４が設置される。圧調整リング６４は弁シール本体３７の環状内面に接している。圧調整リング６４はその外周部に複数の開口部６８を有し、ロータリー弁の周辺面に接する弁シール本体への増圧を考慮して、シリンダーからの圧縮ガスが環状通路６６を通って弁シール本体３７の下の弁座３８へと通過するようになっている。図４は本発明による圧調整リングの平面図である。開口部６８は半円状であり、圧調整リング６４の外周に形成されている。

圧縮及び出力行程中、出願人の浮動弁シール本体は、弁シール本体の内周壁と弁座３８の内壁との間の環状通路６６により圧縮ガスを弁座へと流れ込むように構成されている。圧調整リング６４は圧縮ガスの通路を遮断して通過を限定するのに用いられ、このリングの複数の開口部６８のみを通して、弁シール本体３７の下の弁座３８へと圧縮ガスが導かれる。開口部６８の数は、エンジンの行程及び圧縮に対応して変えられる。

出願人／発明者の弁シール及び弁座の先行モデルでは、分割ヘッドの下部ヘッド内の環状溝に摩擦力で保持した弁座を必要とした。本発明による弁及び弁座は環状溝に摩擦力で保持されてもよい。しかし、本発明による弁及び弁座は、自動車に用いる通常の内燃機関よりも遥かに高圧縮且つ長行程のエンジン用を意図しているので、弁座の外周７０にネジを形成し、分割ヘッドの下部ヘッド内の環状溝にもネジを形成し、ネジ止めできるようにしてもよい。

本発明による実施例を説明してきたが、本技術に対して通常の技量を有する者にとっては、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、修正あるいは変更できることは言うまでもないことである。従って、本発明は請求項の範囲及びそれと同等の範囲に限定している。

球形ロータリー弁とシリンダー、ピストン及び弁シールとの関係を示す球形ロータリー弁機構のヘッドの断面図 本発明による改良された弁シールの平面図 図２の３−３面で切断した本発明による弁シールの側面分解図 本発明による改良された弁シールの圧調整リングの平面図

Claims (5)

1. 高圧縮且つ長行程のピストン−シリンダー方式の内燃機関に用いるロータリー弁機構用の弁シールであって、ロータリー弁機構は二分割型シリンダーヘッド内に配置され、前記シリンダーヘッドは複数のロータリー吸気弁およびロータリー排気弁を受ける複数の胴体状収納キャビティを規定し、前記ロータリー吸気弁及びロータリー排気弁は球の２つの平行な面によって規定される球状断面を有し、前記平行面は前記球の中心の周りに対称の位置にあって球状周辺部及び平面端壁を規定し、前記ロータリー吸気弁及びロータリー排気弁は前記胴体収納キャビティ内の軸上に載置されてそれぞれが吸気口及び排気口に気密を保って接触しており、前記ロータリー吸気弁及びロータリー排気弁はそれぞれを貫通する燃料−空気の混合気の導入・中断用の流路及びシリンダーから排ガスを排出する流路を有し、前記吸気口及び排気口の前記ロータリー吸気弁及びロータリー排気弁それぞれの気密性は弁シール及び弁座によって保たれ、
   前記弁シールは、断面が円形の弁シール本体を含んで構成され、該弁シール本体は前記吸気弁又は前記排気弁の球形外面に対応した環状に湾曲した上面を有し、該弁シール本体は前記吸気口又は排気口の開口部と合致する内環状壁により規定される貫通した開口を有し、該弁シール本体は潤滑用インサートリングを受容するように前記開口付近の前記湾曲した上面に形成された環状溝を有し、該潤滑用インサートリングは前記弁シール本体の湾曲した上面に相補する湾曲した上面を有し、
   前記弁シール本体は更に外周壁を有し、前記弁シール本体の外周に複数の密閉リングの位置決め用に複数の環状リブが形成され、前記弁シール本体が前記弁座の外壁に気密を保って接触するように構成され、
   前記弁座は、前記弁シール本体を受容するための環状溝を規定する外壁及び内壁を有し、前記弁座の該内壁は圧調整リングを受容するためその内面に形成された環状溝を有し、該圧調整リングは前記弁シール本体と接触し、該圧調整リングは、前記弁シール本体に上向きの気密を保つ圧力を及ぼすように、前記エンジンの圧縮及び出力行程中に圧縮ガスが通過する複数の開口部を有していることを特徴とする弁シール。
2. 前記圧調整リングの平面図において前記開口部の形状は半円状を呈し、前記圧調整リングの外周上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弁シール。
3. 前記圧調整リングの通路の数により前記弁シール本体に及ぼされる所望の上向きの圧力が決まることを特徴とする請求項１に記載の弁シール。
4. 前記弁座は前記二分割型シリンダーヘッドの溝に摩擦力により保持、位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の弁シール。
5. 前記弁座は前記二分割型シリンダーヘッド内の環状溝にネジ止めされていることを特徴とする請求項１に記載の弁シール。

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