JP7280680B2

JP7280680B2 - バルブステムシール

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Publication number: JP7280680B2
Application number: JP2018193277A
Authority: JP
Inventors: 宏紀宍戸
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: JP2020060157A

Description

本発明は、バルブステムシールに関する。

内燃機関のバルブ駆動機構側の空間には、バルブステムをスライド自在に支持するバルブガイドの端部に、バルブステムシールが装着されている。このバルブステムシールは、内燃機関の動作中、バルブガイドとバルブステムとの間に適量のオイルを導くように、オイル漏れを意図的に生じさせてその漏れ量を制御するためのシールである。オイルの漏れ量が少なすぎるとバルブガイドとバルブステムとの間に焼きつきが発生するし、オイルの漏れ量が多すぎると燃焼室内にオイルが過剰に導入されて白煙発生などの不都合を招来することから、オイルの漏れ量の制御は重要である。

バルブ駆動機構及びバルブステムシールについては、例えば特許文献１、２にそれらの一例が記載されている。

図５は、バルブステムシールの一例を示す垂直断面図である。図５中、符号１はバルブステム、符号２はバルブガイドをそれぞれ示している。

バルブステムシール１１は、バルブガイド２の外周面に嵌め込まれ、シールリップ１２と背圧リップ１３とをバルブステム１に密接させている。シールリップ１２及び背圧リップ１３は金属環１４に加硫接着されたゴム状弾性体である。ゴム状弾性体は、金属環１４の内周面にも回り込んで内周シール１５を生成している。バルブステムシール１１は、バルブガイド２の外周面に金属環１４を嵌め込むことで、内周シール１５をバルブガイド２の外周面に密接させている。

シールリップ１２は二段構成となっており（１２ａ，１２ｂ）、その外周面にはスプリング１６が装着されている。スプリング１６はバルブステム１に対するシールリップ１２の密接力を調整し、オイルの漏れ量を制御する。背圧リップ１３は、図示しない燃焼室内からの背圧Ｐがシールリップ１２に及んで開弁を促すことを防止し、調整後のシールリップ１２の密接力が変動してしまわないようにしている。

このようなバルブステムシール１１は、バルブガイド２の外周面に嵌め込まれた金属環１４との間で内周シール１５が弾性変形し、バルブガイド２の外周面との間の密接力を高める。これによってバルブガイド２からのバルブステムシール１１の脱落が防止される。

バルブステムシール１１の脱落を防止するための方策として、内周シール１５の内周側に突起１７を一体に設けることがある。バルブガイド２の外周面に嵌め込んだ際、突起１７は圧縮されて潰されるため、バルブガイド２の外周面に対する密接力を増大させ、バルブステムシール１１をより一層脱落しにくくする。

特開平１１－３５０９２７号公報特開２００９－２６４４１５号公報

近年の自動車業界ではエンジンのダウンサイジング化が進み、数年前から、小排気量エンジンの吸気をターボチャージャーで過給するという傾向が定着している。これによってエンジンの高出力化がもたらされる反面、燃焼室からの背圧も増大する傾向にある。バルブステムシールの脱落を促す大きな要因の一つが燃焼室からの背圧であることを考慮すると、このままエンジンの高出力化が進むと、バルブステムシールの脱落が現実味を帯びることが予想される。図５に例示したような突起（突起１７）を設けた場合にも、突起がむしれてバルブシールが脱落することは想像に難くない。何らかの対策が求められる。

本発明の課題は、バルブステムシールの脱落を防止することである。

バルブステムシールの一態様は、バルブ駆動機構側でバルブガイドの外周面を覆う外筒と内周面に直接密接する内筒とを有し、これらの外筒と内筒とを一体に連結した金属環と、前記外筒の内周面に固着され、前記外筒と前記内筒との間に挟んだ前記バルブガイドの外周面に密接する弾性体と、前記外筒と前記内筒との連結部分に固着され、前記バルブガイドを貫通するバルブステムに密接するシールリップと、前記バルブガイドと前記内筒との周面に沿った凹凸嵌合を実現する前記内筒の外周面に設けられた嵌合部とを備え、前記弾性体は、前記バルブ駆動機構が駆動するバルブステムの軸方向上、前記嵌合部よりも前記バルブステムが先端に有するバルブヘッド側の位置で、前記バルブガイドの外周面に周方向に沿って設けられた凹部に嵌合する前記弾性体側の突条を備える。

本発明によれば、バルブステムシールの脱落を防止することができる。

本実施の形態のバルブステムシールが用いられるバルブ機構を例示する垂直断面図。本実施の形態の一例を示すバルブステムシールの垂直断面図。バルブガイドへの装着過程を示すバルブステムシールの垂直断面図。バルブガイドへ装着されたバルブステムシールの垂直断面図。背景技術の一例として示すバルブシステムシールの垂直断面図。

バルブステムシールの実施の一形態を図１ないし図４に基づいて説明する。

本実施の形態のバルブステムシール１０１は、例えば図１に示すような自動車用のエンジンのシリンダヘッド３１に設けられたバルブ５１に用いられる。このバルブ５１は排気用であり、バルブヘッド５２を排気ポート３２側に、バルブステムエンド５３をバルブ駆動機構７１の側に配置している。

シリンダヘッド３１は、バルブ駆動機構７１側の空間と排気ポート３２とを連通するようにパイプ状のバルブガイド３３を設けており、このバルブガイド３３にバルブステム５４をスライド自在に案内させる。バルブ５１は、バルブ駆動機構７１がバルブステムエンド５３を駆動することで往復動し、排気ポート３２をバルブヘッド５２で開閉する。このとき排気ポート３２に設けられたバルブシート３４にバルブヘッド５２のバルブフェース５５が接離することで、排気ポート３２が開閉される。

バルブ駆動機構７１は、バルブステムエンド５３をカムシャフト７２に固定されたカム７３で駆動し、バルブ５１を往復動させる。シリンダヘッド３１には、バルブガイド３３の根元部分にロアスプリングシート７４が取り付けられている。バルブステムエンド５３には、コッタ７５を介してアッパスプリングシート７６が取り付けられている。これらのロアスプリングシート７４とアッパスプリングシート７６との間には、コイルスプリングであるバルブスプリング７７が圧縮状態で収納されている。バルブステムエンド５３にはカップ状のリフタ７８が被せられているので、バルブスプリング７７の伸び力によって上方に向けて付勢されているバルブ５１は、リフタ７８をカム７３に押し付けている。

カム７３は、バルブスプリング７７によって上方に付勢されているバルブ５１のバルブフェース５５がバルブシート３４に密接する位置を最小半径とし、最大半径によってバルブシート３４からバルブフェース５５が離れる距離を規定するようにカムプロファイルを設定している。

以上説明した各部は、すべて金属製である。

本実施の形態のバルブステムシール１０１は、バルブ駆動機構７１側に配置され、バルブガイド３３の上端に装着されている。

図２に示すように、バルブステムシール１０１は金属環１１１を備え、この金属環１１１にゴム状弾性体を加硫接着して生成した弾性体１３１を備えている。弾性体１３１は、シールリップ１４１、背圧リップ１５１、内周シール１６１、及び外周被覆１７１を生成している。

金属環１１１は、円筒状の外筒１１２の一端側をプレス加工によって屈曲させ、屈曲部分に内筒１１３を一体に成形した構造を有している。金属環１１１は二カ所で内側に折り返され、外筒１１２と内筒１１３とを平行にしている。内筒１１３は外筒１１２よりも長さが短く、外筒１１２と内筒１１３とは４：１程度の長さ比になっている。本実施の形態では、外筒１１２と内筒１１３とを連結する部分を連結部１１４と呼ぶ。連結部１１４は、外筒１１２及び内筒１１３と直交する平面を持つ。

弾性体１３１は、外筒１１２の内周面から外周面、連結部１１４の上面から内筒１１３の内周面上部にまで回り込んだ領域に加硫接着されている。連結部１１４の上面内周側から内筒１１３の内周面上部までの領域の弾性体１３１は、シールリップ１４１及び背圧リップ１５１を生成している。外筒１１２の内周面から外周面を経て、連結部１１４の上面外周側の領域までの弾性体１３１は膜状であり、内周シール１６１及び外周被覆１７１を生成する。内周シール１６１は、外筒１１２の内周面に成膜された弾性体１３１であり、外周被覆１７１は、外筒１１２の外周面に成膜された弾性体１３１である。

シールリップ１４１は、連結部１１４の上面内周側に加硫接着された環状の部材で、内周面から内周側に突出する二条のリップ端１４２を有している。これらのリップ端１４２はバルブステム５４よりも小径であり、その分をバルブステム５４に対する締め代として有している（図３、図４参照）。シールリップ１４１の外周面にはスプリング１９１が嵌められている。スプリング１９１は、バルブステム５４に対する二条のリップ端１４２の密接力を調整する。

背圧リップ１５１は、内筒１１３の内周面上部から下方に向けて斜めに突出する形状を有する環状の部材である。このような形状上、背圧リップ１５１のリップ端１５２は、内周側を向いた側面に設けられている。このような背圧リップ１５１は、図示しない燃焼室内からの背圧Ｐ（図４参照）がシールリップ１４１に及んで開弁を促すことを防止し、調整後のシールリップ１４１の密接力が変動してしまわないようにする。

内周シール１６１は、外筒１１２の内周面に膜状に生成されている。内周シール１６１の内周面には、周方向に沿って突条１６２が一条生成されている。この突条１６２は、バルブステムシール１０１がバルブガイド３３に正しく装着された際、バルブガイド３３の外周面に周方向に沿って設けられている凹部３５に嵌合する。

外周被覆１７１は、外筒１１２の外周面に膜状に生成されている。

図３及び図４に示すように、バルブガイド３３の上端部分は、中央領域が凹状に凹み、その部分だけ肉厚が薄くなっている。本実施の形態では、肉厚が薄くなった環状の部分を薄肉部３６と呼ぶ。薄肉部３６は、バルブガイド３３の他の領域に対して内径を拡大しており、外径は変更していない。薄肉部３６の高さ寸法は、金属環１１１の内筒１１３の外周側の高さ寸法と同じ高さに設定されている。そして薄肉部３６の縁は、内周側も外周側も面取り加工がなされている。

バルブガイド３３にバルブステムシール１０１が装着されたとき、バルブガイド３３の薄肉部３６は、金属環１１１の内周シール１６１が被着された外筒１１２の内周面と、内筒１１３の外周面との間に差し込まれる。バルブガイド３３の薄肉部３６と内筒１１３との間には、この状態で周面に沿った凹凸嵌合を実現する嵌合部３７，１１５が設けられている。薄肉部３６に設けられた嵌合部３７は、その内周面に設けられた周面に沿う溝である。内筒１１３に設けられた嵌合部１１５は、その外周面に設けられた周面に沿う突条である。一例として、薄肉部３６に設けられた嵌合部３７は切削加工によって生成され、内筒１１３に設けられた嵌合部１１５はプレス加工によって生成される。バルブガイド３３にバルブステムシール１０１が装着されたとき、互いに嵌合部３７，１１５は嵌り合う。

各部の寸法関係について説明する。図２に示すように、
・金属環１１１の内筒１１３の外径をｄ１
・金属環１１１の内筒１１３に設けられた嵌合部１１５の外径をｄ２
・金属環１１１の外筒１１２の内周面に設けられた内周シール１６１の内径をｄ３
・金属環１１１の外筒１１２の内径をｄ４
とおく。図３に示すように、
・バルブガイド３３の薄肉部３６の内径をｄ５
・バルブガイド３３の薄肉部３６の内周面に設けられた嵌合部３７の内径をｄ６
・バルブガイド３３の外径をｄ７
とおく。この前提のもと、本実施の形態の各部は、つぎに示すような寸法関係に設定されている。
ｄ１＝ｄ５・・・・・・・（１）
ｄ４＞ｄ７・・・・・・・（２）
ｄ３＜ｄ７・・・・・・・（３）
ｄ２＜ｄ６・・・・・・・（４）

このような構成において、バルブ駆動機構７１では、カム７３の回転に追従してバルブ５１が押し下げられて排気ポート３２を開き、バルブスプリング７７の付勢力によってバルブ５１は排気ポート３２を閉じる元の位置に復帰する。こうしてバルブ５１は、排気ポート３２の開閉を繰り返す。

このときバルブステムシール１０１は、バルブガイド３３とバルブステム５４との間に適量のオイルを導くようにオイル漏れを意図的に生じさせて、その漏れ量を制御する。バルブガイド３３とバルブステム５４との間の焼きつきを防止しつつ、燃焼室内に過剰なオイルが導入されて白煙発生などの不都合が生じないようにするためである。

バルブガイド３３の端部に装着され、バルブ５１のバルブステム５４を密閉するという配置上、バルブステムシール１０１には燃焼室からの背圧Ｐが作用しやすくなり（図４参照）、バルブガイド３３からの脱落が懸念される。本実施の形態のバルブステムシール１０１は、つぎに示す理由によって、バルブガイド３３から脱落しにくくなっている。

１．バルブガイドの挟持構造
バルブガイド３３は薄肉部３６を有しており、バルブステムシール１０１は薄肉部３６を挟持する。このとき薄肉部３６の内周側を挟持するのは金属環１１１の内筒１１３であり、金属同士の接合がなされる。薄肉部３６の外周側を挟持するのは外筒１１２に被着された内周シール１６１であり、こちらは内周シール１６１の弾性変形による密接保持がなされる。このとき上記（１）（２）（３）の設定によって薄肉部３６は、外筒１１２の内周面と内筒１１３の外周面との間に挟み込まれ、金属接合とゴム接合とによって強固に保持される。これによってバルブステムシール１０１は、バルブガイド３３から脱落しにくくなっている。

２．ゴムと金属とによる凹凸嵌合
バルブガイド３３の端部にバルブステムシール１０１が正しく装着されると、金属製のバルブガイド３３の外周面に設けられている凹部３５に、ゴム製の内周シール１６１に設けられている突条１６２が嵌り込む。これによってバルブステムシール１０１は、バルブガイド３３から脱落しにくくなる。

３．金属同士による凹凸嵌合
バルブガイド３３の端部にバルブステムシール１０１が正しく装着されたとき、バルブガイド３３の薄肉部３６の内周面に設けられている嵌合部３７に、金属環１１１の内筒１１３の外周面に設けられている嵌合部１１５が嵌合する。これらの嵌合部３７，１１５は、共に金属製で滑りやすいバルブガイド３３と内筒１１３との接合状態を強固にし、バルブステムシール１０１をバルブガイド３３から脱落しにくくすることができる。

以上の理由から、本実施の形態のバルブステムシール１０１は、燃焼室側からの背圧Ｐが作用しても、バルブステムシール１０１をバルブガイド３３から脱落しにくくすることができる。

本実施の形態によれば、金属環１１１は、外筒１１２と内筒１１３とを一体に成形したプレス加工品であるので、金属環１１１を容易に製造することができる。

本実施の形態によれば、嵌合部１１５は、内筒１１３にプレス加工されているので、嵌合部１１５を容易に得ることができる。

本実施の形態によれば、嵌合部１１５は、バルブガイド３３の内周面の周面に沿って設けられた溝（嵌合部３７）に嵌合する突条であるので、板金のプレス加工によって嵌合部１１５を容易に得ることができる。

本実施の形態の嵌合部１１５は一条の突条として実現されているのに対して、実施に際しては、複数個の嵌合部１１５を間欠的に設けるようにしてもよい。この場合には、バルブガイド３３の薄肉部３６が嵌合部１１５を乗り越えやすくなるため、バルブガイド３３に対するバルブステムシール１０１の装着作業の作業性を向上させることができる。

その他実施に際しては、あらゆる変形や変更が可能である。

３１シリンダヘッド
３２排気ポート
３３バルブガイド
３４バルブシート
３５凹部
３６薄肉部
３７嵌合部
５１バルブ
５２バルブヘッド
５３バルブステムエンド
５４バルブステム
５５バルブフェース
７１バルブ駆動機構
７２カムシャフト
７３カム
７４ロアスプリングシート
７５コッタ
７６アッパスプリングシート
７７バルブスプリング
７８リフタ
１０１バルブステムシール
１１１金属環
１１２外筒
１１３内筒
１１４連結部
１１５嵌合部
１３１弾性体
１４１シールリップ
１４２リップ端
１５１背圧リップ
１５２リップ端
１６１内周シール
１６２突条
１７１外周被覆
１９１スプリング

Claims

バルブ駆動機構側でバルブガイドの外周面を覆う外筒と内周面に直接密接する内筒とを有し、これらの外筒と内筒とを一体に連結した金属環と、
前記外筒の内周面に固着され、前記外筒と前記内筒との間に挟んだ前記バルブガイドの外周面に密接する弾性体と、
前記外筒と前記内筒との連結部分に固着され、前記バルブガイドを貫通するバルブステムに密接するシールリップと、
前記バルブガイドと前記内筒との周面に沿った凹凸嵌合を実現する前記内筒の外周面に設けられた嵌合部と、
を備え、
前記弾性体は、前記バルブ駆動機構が駆動するバルブステムの軸方向上、前記嵌合部よりも前記バルブステムが先端に有するバルブヘッド側の位置で、前記バルブガイドの外周面に周方向に沿って設けられた凹部に嵌合する前記弾性体側の突条を備える、
ことを特徴とするバルブステムシール。
前記金属環は、前記外筒と前記内筒とを一体に成形したプレス加工品である、
ことを特徴とする請求項１に記載のバルブステムシール。
前記嵌合部は、前記内筒にプレス加工されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のバルブステムシール。
前記嵌合部は、前記バルブガイドの内周面の周面に沿って設けられた溝に嵌合するように前記内筒の外周面に設けられた周面に沿う前記金属環側の突条である、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載のバルブステムシール。
複数個の前記嵌合部が間欠的に設けられている、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載のバルブステムシール。