JPH08507114A - 内燃機関用の改良された多段階リードバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は内燃機関用の改善された多段階リードバルブの構造を提供する。リードバルブ（１０）は第１段階リードバルブ（１２）の内部に複数のポート（１６）を備えた第１段階リードバルブ（１２）を具備する。ビーム（１８）は第１段階リードバルブ（１２）の基部（２０）から頂点（２２）に向かってなめらかな形とされ、分離されている隣接したポート（１６）を頂点に向けて狭まるカーブを有する。本発明のリードバルブは機関の作動の著しい改善を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関用の改良された多段階リードバルブ 発明の背景 １．発明の分野 本発明は内燃機関において流体の流れを制御するバルブに関する。特に、かか る機関において流体の流れの吸入または移送を制御するためのリードバルブに関 する。 ２．従来技術 今日、リードバルブは内燃機関において、空気または空気／燃料の吸入を制御 するために広く用いられている。米国特許第３、９０５、３４０号、第３、９０ ５、３４１号、および第４、０５１、８２０号に開示されている様な２ストロー クサイクル機関においては、この様なリード弁は機関の運転を改善し、また、ク ランクケースから燃焼室に空気と燃料の正しい移送をおこなうための重要な役割 を担っている。最近では、この様なリード弁は、４ストロークサイクル機関の吸 気の制御、および機関性能の向上のためにも用いられている。 米国特許第３、９０５、３４０号には、従来の１段階リードバルブの代わりに 多段階リードバルブを用いることによりリードバルブの寿命の飛躍的な向上が得 られることが開示されている。同発明に開示された構成では、内部にポートを有 する比較的硬い第１リードが用いられる。そして、第１リード内のポートの上に 第２リード部材が配置され、第２リードの弁体が第１リードのポートを密封する 。第２リード部材は第１リードのポートを通る流体の流れを提供する。この様な 流れを可能とするために第２リード部材は第１リードより もはるかに柔軟であって機関の各サイクルの圧力の変動の間、第２リード部材は 第１リードよりはるかに大きく開く。米国特許第３、９０５、３４０号の発明は 実際上すべての適用において機関の性能を改善し、この構成に固有な応力の減少 によって、リードバルブの寿命は劇的に延ばされた。 米国特許第３、９０５、３４０号に開示された多段階リードは非常に良く機能 するが、さらなる改善の余地があることがわかっている。一つの問題は、複数の 吸気通路はそれらを通過する非均等な流れの分布を有し、その結果、第２リード のある弁体には大きな応力がかかるということである。リード弁体のある部分だ けに大きな応力がかかることによって、過大な応力のかかる弁体は材料疲労を受 け、少ない応力を受けるリード弁体に比べてはるかに早く壊れてしまう。本願出 願人による米国特許第４、６９６、２６３号は、リードバルブの寿命を延ばすた めの合成ゴムの保護被膜をリードバルブ上に設けることによってこの問題に幾分 かの対処をしようとするものである。 さらに、吸気通路を通る流れの非均等な分配により、従来のあるいは多段階リ ードは機関への最適な吸気の分配を提供しない。この問題に対する一つの解決手 段が、本願出願人による、リードバルブを通るより平均化された空気流を提供す る様にリードバルブ上流の吸気を変更する空気力学的形状のリードバルブ保持器 に関する米国特許第４、８７９、９７６号に述べられている。この問題を解決す るための他の方法は米国特許第５、０３６、８０６号に開示され、それによれば 、吸気流れを改善し、リード弁体の疲労を軽減するために第２リード部材の弁体 を一緒に結合することが述べられている。リードバルブの性能を改善するための 他の方法は、今や許可された本願出願人による米国特許出願第７４０、４４７号 に開示され、そ れによれば、寿命と流れの特性を改善するために、より厚いリードバルブ材料と より広いリードポートと弁体を用いることが述べられている。 これらの改善とは関係なく、リードバルブの性能と寿命の別の改善が可能であ ることが示される。始めに、より滑らかで、乱れの少ない流れが、リードの基部 から頂点にかけて滑らかで均一な曲げが得られる様に第１リードの曲げを調整す ることによって可能となる。リードバルブ上の圧力に関係なくその全高さにわた って均一な曲げが存在する様に、複数のポートが設けられた第１リードの隣接す るポートの間の１つまたは複数のビームの形状を注意深く制御することによって 達成することが出来るということが確実になっている。また、隣接するポートの 間のビームを頂点に近づくにつれて出来るだけ狭く形成することにより、さらに 滑らかな流れのための寄与が実現されることが確実になっている。この第１リー ドと組み合わせて、中断、開口、またはスロットが無く、第１リードの全てのポ ートを覆う長方形の第２リードが、バルブを通るより滑らかで、乱れの少ない流 れにさらに寄与する。 リードバルブの性能の改善において、より重要なのは第１リードと第２リード の相対的な開度である。２段階リードバルブの従来の研究方法は、初めに第２段 階リードを開かせ、その後、増大した圧力差によって第１リードを開くものであ る。しかしながら、第２リードと第１リードの両方をほぼ同時に開き始める様に することによって流量の増加と、性能の増大が得られることが知られている。さ らに、最大の性能を得るためには、第１リードの開き具合を第２リードの約半分 にすべきであるということがさらに明らかになっている。第１リード部材の形状 と第２リード部材の動きを制御することにより、第１リードと第２リードの動き を所望の関係にすることが できる。さらに、リード部材の開きを制御するのと同じ手段をリード部材の曲げ の制御に用い、リード部材が単一の半径の弓形に曲がるようにすることができ、 それにより、応力の集中が排除され、リード部材の寿命が延び、最小の乱れの状 態の流れを得ることができる。 したがって、従来の多段階リードバルブのすべての利点を備えながら、改善さ れた流れ特性と、改善された性能と、さらに長い寿命を有するより良いリードバ ルブを提供することが本発明の第１の目的である。 流れの特性を改善するために多ポート式第１リードのポート間に新しい構造と 形状のビームを用いたリードバルブを提供することが本発明のさらなる目的であ る。 本発明のさらなる目的は、第１リードバルブ部材と第２リードバルブ部材がほ ぼ同時に開き始め、第１リードバルブ部材が第２リードバルブ部材の約半分の割 合で開き、改善された流れ特性を提供する多段階リードバルブ用の新しいリード バルブ部材を提供することである。 上記の利点を備え、空気力学的なリード保持器技術の進歩をさらに補足したリ ードバルブを提供することが本発明の他の目的である。 上記の利点を備え、簡単な構造であって、機関または吸気システムを重くせず 、複雑化せず、高価にしないリードバルブを提供することが本発明の付加的な目 的である。 本発明のこれらおよびその他の目的は以下の明細書により明らかにされる。 発明の概要 本発明はあらゆる形の内燃機関に用いられる改良された多段階リ ードバルブを提供する。その最も基本的な形においては本発明のリードバルブは 複数のポートを有する第１リードバルブ部材と、すべての流量と圧力においてリ ードの曲がりを制御するために、第１リードの基部で広く、頂点に近づくにつれ て狭くなる様に滑らかにカーブしたポートの間のビームを備えている。また、殆 ど中断のない長方形の第２リードが第１リードのポートの全範囲にわたって拡が っている。 従来の単段階および多段階リードバルブと比較すると、本発明は著しく改善さ れた流れと、全域にわたって著しく増大した機関出力を提供する。 本発明は、すべての形の内燃機関、特に、これらが流体の吸入の調整と圧縮さ れた流体の移送の調整の両方をおこなう２ストロークサイクル機関において、改 善された作用を提供すると確信する。さらに、本発明は最近の新式の空気力学的 形状のリード保持器構造と組み合わせることによってより大きな改善を提供する ものである。 図面の説明 本発明の作用は添付の図面と以下の説明によって明らかにされる。 図１は空気力学的リード保持器と共に示された本発明のリードバルブの１つの 実施態様の３／４等角図法による分解図である。 図２は本発明のリードバルブを備えた２ストロークサイクル機関と従来の多段 階リードバルブを備えた２ストロークサイクル機関の出力カーブを示すグラフで ある。 図３は本発明のリードバルブを備えた２ストロークサイクル機関と従来の多段 階リードバルブを備えた２ストロークサイクル機関のリードバルブを通る流れの 流量カーブを示すグラフである。 図４は本発明の図１に示した実施態様の第１段階リード部材、第 ２段階リード部材の平面図である。 図５は本発明の他の第１段階リード部材、第２段階リード部材の実施態様の平 面図である。 図６はさらに改変された第１段階リード部材の平面図である。 図７はさらに改変された第２段階リード部材の平面図である。 図８は図７の８−８線に沿って見た断面図である。 図９は開弁位置における図７および図８の第１リード部材と第２リード部材を 備えたリード保持器の基部の断面図である。 発明の詳細な説明 本発明はすべての形の内燃機関において流体の流れの吸入および、または移送 を制御する改善されたリードバルブを提供するものである。 図１に示される様に、本発明のリードバルブ１０は第１段階リード部材１２と 第２段階リード部材１４を具備する。第１段階リード部材１２はその内部にリー ドの基部２０から頂点２２に向かって延伸するビーム部分１８によって分割され た一連のポート１６を有する。第２段階リード部材１４は中断のないほぼ長方形 の形状をしている。第２段階リード部材１４はリードバルブが閉じられた時に第 １段階リード部材１２のポート１６をすべて覆う様に調和されている。図示され る様に、リード部材は取り付け用細片２６、取り付け用ネジ２８を使うような公 知の手段によってリード保持器２４に取り付けられる様にされている。 本発明によれば、第１リードは、全流量、全圧力において、その基部から頂点 に向けて高さ方向で均一に曲がるように作られている。隣接するポートの間のビ ーム１８は第１リード１２の偏向を制御するために用いられる。図４を参照する と、ビーム部分１８はリード １２の基部の方が、頂点よりも広いことがわかる。各ビームの各側縁はリードバ ルブ部材の基部の広い部分から頂点の狭い部分に向かって放物線形状にカーブし ている。 各ビームの側縁の形状は下記の式で表すことができる。 Ｆ／Ｌ ＝ ｂｄ²／６ ここで、Ｆはビームにかかる力、 Ｌはビームの基部から幅が測定される点までの距離、 ｂはビームの厚さ、 ｄは規定されたＬにおけるビームの幅である。 各ポート１６の基部は３０で示される様にカーブしていて、ビーム１８のカー ブした側縁３２になだらかにつながっている。最も外側のポート１６に隣接する 第１リードの側縁は均一な幅とされていて、リードの全体の曲げは中間にあるビ ーム部分１８によって制御される。この構造によって、リードバルブを通って流 体が機関に流入するのに連れて第１リード部材はその基部から頂点に向かって均 一に曲げられる。ウェブ３２の側縁が双曲線状の形状であることによって第１リ ードが、ほぼ均一な半径の弓形に曲がることが可能とされ、それによって、リー ド部材の全域にわたって均一な応力の分布が提供され、また、さらになめらかで 乱れの少ない流れが提供される。 流体が初めてリードバルブを通って流れ始めると第２リード１４が開く。本発 明によれば、第１リード１２も曲がり始めるが、その割合は第２リード１４より も遅い。流れが増加するにつれて、第１リードおよび第２リードは開度を増すが 、その際、第２リードは第１リードの約２倍の割合で開いていく。第１リードと 第２リードの均一でなめらかな曲がりと、ビームの上側部分が狭く、また、その 結果として、ポートの上側部分が広いことと、第１リードと第２リ ードがほぼ同時に開くことが組み合わされることによって、リードバルブを通過 するよりなめらかで乱れが少なく、実際上より大きな流れが提供され、結果的に バルブ性能が改善される。 図２は本発明のリードバルブを備えた２ストロークサイクル機関と従来の多段 階リードバルブを備えた２ストロークサイクル機関の出力曲線を示している。曲 線３４は本発明のリードバルブの出力曲線を表し、曲線３６は従来の多段階リー ドバルブの出力曲線を表している。図示される様に、本発明のリードバルブは広 い運転領域にわたって著しい出力の増大を提供している。同様に図３は本発明の リードバルブを通る流れと、従来の多段階リードバルブを通る流れの流量曲線を 示しており、曲線３８が本発明のものであって、曲線４０が従来の多段階リード バルブのものである。これらの曲線は同様に本発明のリードバルブの従来の多段 階リードバルブに対する実際上より大きな流れと優位性を示している。 図５は図１のリードバルブよりも狭いリードバルブに対して適用した本発明の 変形例を示しており、第１リード４４内に一対のポート４２を備えている。第２ リード４６は図１の実施態様における第２リード１４に類似している。第１リー ドのビーム４８は前述の実施態様におけるビーム１８と同様な形状とされ同様の 機能を発揮する。この実施態様は、図１の実施態様と同様に、最小の乱れの優れ た流れと増大されたリード寿命を提供する。 図６、７および８は本発明のリードバルブのさらなる変形例を示している。図 ６はビーム部分５４で分割された複数のポート５２を有する図４のものと同様な 第１リード部材５０を示している。図４および６に示される様なリード部材を使 用する比較的幅の広いリードバルブにおいては、流れはバルブの全幅にわたって 均一ではないことが知られている。通常、バルブの中央部分を通過する流体の流 量は側縁部よりも大きい。第１リード部材の均一な曲げを提供するために、大き な流れの領域におけるビーム５４は、少ない流れの領域におけるビームよりも幅 が広い。図６の実施態様においては、最中央のビーム５４は隣接するビームより も幅が広い。また、外側の２個の開口５２の外側の側縁部分５６はビーム５４の 形と一致する形とされている。この上記の構成によって、比較的広いリードバル ブにおいて、曲がった時の第１リードの形は、均一な半径の弓形にかなり近い。 第１リードをこの様に曲げることによって、生起される応力はリード部材の全域 にわたって均一となり、応力が集中する領域をなくし、それによってリード部材 の寿命が延びる。 図７および８は幅の広いリードバルブのための変形された第２リード部材６０ を示している。それには、補剛板６２がリード部材の基部に沿って約１／３の高 さまで延び、図９に示される様に保持器２４の開口５８の基部の近くで終焉する 様に設けられている。補剛板の上側の面は流れが最大となるリードの中央部分に 大きな保持力が提供できる様に図示される様な形状とされている。この構造によ って、第２リードバルブが基部に近い所で曲がることが防止される。これにより 第２リード部材の基部における乱れが排除され、さらに全ての流量におけるリー ド部材６０の均一な曲げをもたらし、それによって性能と寿命が増加する。 ここでは本発明の特別な実施態様が示され説明されてきたが、本発明をこの様 な開示に限定する意図はなく、そこには以下の請求項の範囲における変更、改変 が含まれ実施されるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バルブ保持器に保持されるようにされた流体吸入路を介して内燃機関に入る 流体の流れを制御するためのリードバルブであって、第１段階リード部材と第２ 段階リード部材を具備していて、 前記第１段階リード部材は、その一方の縁に基部を、他方の縁に頂点を有し、 前記基部がバルブ保持器に保持されていて、 前記第１段階リード部材は機関の流体吸入路に適合されたバルブシートを覆い 、機関の全速度域で機関作動にともなう機関内圧力の減少の作用でバルブシート を開く様に十分に柔軟であって、前記第１段階リード部材は流体が流れるのを可 能ならしめる複数のポートを有し、 前記第２段階リード部材は第１段階リード部材のポートを覆い、機関内に流体 が吸入されない期間はリードバルブを通る流体の流れを禁止するようにされてい て、前記第２段階リード部材は機関の全速度域で機関作動にともなう機関内圧力 の減少の作用で開き第１段階リード部材のポートを覆わない様に十分に柔軟であ って、前記第２段階リード部材は前記第１段階リード部材よりもはるかに柔軟で あって、減少した機関圧力において前記第１段階リード部材よりも大きな割合で 開き、 前記第１段階リード部材が前記第１段階リード部材の隣接するポートの間に基 部から頂部に向かって延伸するビームを有し、該ビームのポートに隣接する縁は 基部から頂点に向かってなめらかにカーブした形状とされ、頂点の近傍では互い にほぼ平行になり、前記ビームは頂点では基部よりも狭くなっていることを特徴 とするリードバルブ。 ２．前記第１段階リード部材の複数のポートが並行した関係で配設され、同じ形 状の複数のビームが隣接するポートの各対を分離して いることを特徴とする請求項１に記載のリードバルブ。 ３．前記第１段階リード部材が側縁部のビームを有し、該側縁部のビームは側面 が直線状であることを特徴とする請求項２に記載のリードバルブ。 ４．前記ビームのなめらかにカーブした縁が双曲線カーブであることを特徴とす る請求項１に記載のリードバルブ。 ５．少なくとも１個の中央ビームと、対向する側縁部ビームとを有し、中間のビ ームが前記少なくとも１個の中央ビームと前記対向する側縁部ビームとの中間に あり、前記少なくとも１個の中央ビームは前記中間のビームよりも全ての点にお いて幅が広いことを特徴とする請求項２に記載のリードバルブ。 ６．前記第１段階リード部材の対向する側縁部に側縁部ビームを有し、前記側縁 部ビームが、前記ポートに隣接し前記基部から前記頂点に向かって滑らかにカー ブし頂点が基部よりも狭い、縁部を有していることを特徴とする請求項２に記載 のリードバルブ。 ７．側縁部ビームの前記縁部部分のなめらかなカーブが双曲線カーブであること を特徴とする請求項６に記載のリードバルブ。 ８．前記第２段階リード部材が基部と頂点を有し、前記第２段階リード部材に保 持された補剛部材がその基部に配置され頂点に向かって延伸していることを特徴 とする請求項１に記載のリードバルブ。 ９．前記第２段階リード部材が対向する側縁部と中間点を有し、前記補剛部材が 前記基部に沿って前記対向する側部縁の間に延伸し、 前記補剛部材はその中間点において側縁部よりも頂点に近づくように延伸して いることを特徴とする請求項８に記載のリードバルブ。 １０．前記第１段階リード部材のポートが前記第１段階リード部材の基部から離 れた基部部分で終焉し、前記第２段階リード部材が前記第１段階リード部材の上 に積重され、前記第１段階リード部材の 基部でそれと同一の広がりを有し、前記補剛部材が実際上前記第１段階リード部 材のポートの基部部分の上にある点において終焉していることを特徴とする請求 項９に記載のリードバルブ。 １１．前記第２段階リード部材が前記第１段階リード部材と前記補剛部材の中間 にあることを特徴とする請求項１０に記載のリードバルブ。 １２．前記基部の前記縁部分の双曲線カーブが下記の式で規定されることを特徴 とする請求項４に記載のリードバルブ。 Ｆ／Ｌ ＝ ｂｄ²／６ ここで、Ｆはビームにかかる力、 Ｌはビームの基部から幅が測定される点までの距離、 ｂはビームの厚さ、 ｄは規定されたＬにおけるビームの幅である。 １３．前記側縁ビームの双曲線カーブが下記の式で規定されること を特徴とする請求項７に記載のリードバルブ。 Ｆ／Ｌ ＝ ｂｄ²／６ ここで、Ｆはビームにかかる力、 Ｌはビームの基部から幅が測定される点までの距離、 ｂはビームの厚さ、 ｄは規定されたＬにおけるビームの幅である。