JPH09273405A - エンジンのロータリー弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷間時から熱間時まで弁ロータと弁ハウジン
グのすきまが適正に保たれ、シール性を的確に保持する
ことができ、焼き付きなどの傷害を生じることがなく、
コストが低廉で機械効率や燃焼効率の良好なエンジンを
形成し得るロータリー弁装置を提供する。 【解決手段】 弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１
２，２２とを有してなるロータリー弁装置であって、第
１発明では弁ハウジングを２重構造とし、外筒には熱膨
張率の低い材料を用い、内筒には熱膨張率の高い材料を
用い、両者を組合せた際の熱膨張が弁ロータと同レベル
となるような構成とした。第２発明では内筒に自己潤滑
性を有する樹脂材料を使用している。第３、第４発明で
は、弁ハウジングの内筒に連通孔３６，３７，３８によ
って燃焼室１３ｃと連通する圧力バランス用の圧室３５
を設け弁ロータが１方向に押圧されぬように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２サイクル及び４
サイクルのエンジンのガス交換用のロータリー弁装置の
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロータリー弁装置は、カム軸、タペッ
ト、ポペット弁、弁ばね等の主として往復動の部材によ
り構成されるポペット弁装置に比べ、往復運動をする部
材が無いので高回転に適し、構造が簡単で低コストを指
向できる。また、ポペット弁では弁回りの吸気、排気の
流れが弁の面により急激に変化するため、流れに対する
抵抗が大きく吸排気の効率を低下させているが、ロータ
リー弁においては、弁回りの気体の流れがスムーズであ
るので吸排気の効率が高く、従来からロータリー弁の構
成に対し多くの提案がされている。

【０００３】しかしながら、ロータリー弁のハウジング
とロータのクリアランスから圧縮ガスや燃焼ガスが洩れ
易く（ガスの洩れ量は前記クリアランスの３乗に比例す
る）、またエンジンの作動中は高温となるために熱膨
張、熱変形を生じて適正なクリアランスの保持が難し
く、ロータがハウジングに接触することについて配慮し
なければならず、両者の摺動部を潤滑する必要がある
が、高温のため潤滑性能の保持が難しく、潤滑不良が原
因で焼き付きを生じ易いという問題点の解決が困難であ
り、エンジンに実用された例は少ない。

【０００４】従来のロータリー弁の例として、特開平６
−７４００９号に提案されたものについてその構成と作
用の概要を説明する。図５及び図６に示すこの提案は、
従来の往復揺動型動弁機構と代替可能であり、従来のも
のに比べ優れた熱放散性を有し、滑動部分および滑動速
度の低減により内燃機関の熱損失を軽減し得る回転式の
シャフトバルブの提供を目的としている。

【０００５】図５に示すように長手軸と直交する平面内
において側部から側部へと至る貫通孔６を有するシャフ
ト部材２と、前記貫通孔６に対応する一対の開口部５
ａ，５ｂを有するジャケット部材１によって構成されて
いる。貫通孔６は、シャフト部材２が１回転する度に２
回、ジャケット部材１上の一対の開口部５ａ，５ｂを介
して、４で示す吸気ダクトまたは排気ダクトと、７で示
す燃焼室３への気体通路とを連通状態にして、吸気およ
び排気がなされる。その結果、シャフトバルブの１回転
は、エンジンクランク軸の４回転または従来の動弁機構
におけるカム軸の２回転に相当することになる。なお、
図６におけるＬは貫通孔６とこれに対応する開口部５
ａ，５ｂの長手側を示す。

【０００６】このシャフトバルブは回転式であるためシ
ャフト部材２の熱にさらされる領域が常に変化し、熱を
弁本体の弁開口の無い部分（潤滑剤が供給される軸受
部）に伝え、潤滑剤室と冷却水室とによってこれを冷却
することができる。３３は潤滑剤用の溝を示している。
シャフト部材２は耐熱性の高い金属、セラミック等の材
料から選択され製作されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ロータリー弁の例とし
て、前記特開平６−７４００９号に提案されたものの他
に、昭５９−２８０１８、平３−４８３２８、平３−２
２９９０５で提案されたものなどがあるが、一般にロー
タリー弁には次のような解決すべき課題が残されてい
る。弁ロータと弁ハウジングのクリアランスを小さくし
ないとシール性が低下して、圧縮ガスや燃焼ガスが洩れ
エンジン性能を低下する。クリアランスを小さくした場
合、運転時に混合気の圧縮圧と燃焼ガスの圧力が弁ロー
タの燃焼室側に加えられるので、弁ロータ及び軸受に機
械的な変形を生じて適正なクリアランスの保持が難し
く、弁ロータが弁ハウジングに接触することを考慮せざ
るを得ず、潤滑性能を保持させるため弁ロータと弁ハウ
ジングは異種材料の組合わせとなる。

【０００８】ここで構成材料の熱膨張の差と熱変形が問
題になり、異種材料の組合せとした場合、弁ハウジング
による弁ロータの締付けを招くこともあり、焼き付きや
大きな摩擦損失を発生させる原因となる。また、クリア
ランスが増大した場合には、圧縮ガスや燃焼ガスの洩れ
のためエンジン性能が低下する。冷却を兼ねた潤滑油の
使用も高温のため潤滑油の保持が難しく、潤滑不良が原
因となって焼き付きを生じる場合もある。

【０００９】本発明の目的は前記問題点を解決し、冷態
時から作動時まで弁ロータと弁ハウジングのクリアラン
スが常に適正に保たれ、シール性を的確に保持すること
ができ、もし弁ロータが弁ハウジングに接触するような
予測されない事態が発生しても焼き付きなどの傷害を生
じることがなく、これらによりコストが低廉で、機械効
率や燃焼効率の良好なエンジンを形成し得るロータリー
弁装置を提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決すべ
く請求項１記載の発明に係るエンジンのロータリー弁装
置においては、エンジンのシリンダヘッド１３にシリン
ダの軸線を含む平面に対して直角方向に貫通して固設さ
れ燃焼室１３ｃへの給気または排気の入口と出口を備え
た弁ハウジング１１，２１と、該弁ハウジング内に挿嵌
され僅少な隙間を保ったままエンジンのクランク軸回転
の１／２または１／４に同期して回転し軸の直径方向の
貫通孔１２ａ，２２ａが前記弁ハウジングの給気または
排気の入口と出口に合致することにより給気または排気
の気体通路を開閉する弁ロータ１２，２２とを有して成
るロータリー弁において、前記弁ハウジング１１，２１
を２重筒構造とし外筒１１ａ，２１ａに低熱膨張材料
を、内筒１１ｂ，２１ｂに高熱膨張材料を用いることに
より前記弁ロータと弁ハウジングの熱膨張を同一に保
ち、運転時の温度変化に拘わらず前記弁ロータと弁ハウ
ジングのクリアランスを一定に保つようにしたことを特
徴としている。

【００１１】請求項２記載の発明に係るエンジンのロー
タリー弁装置では、請求項１に記載の発明に係るロータ
リー弁において、弁ハウジング１１，２１の内筒１１
ｂ，２１ｂに自己潤滑作用を有する樹脂材料を用いたこ
とを特徴としている。

【００１２】さらに、請求項３記載の発明に係るエンジ
ンのロータリー弁装置においては、エンジンのシリンダ
ヘッド１３にシリンダの軸線を含む平面に対して直角方
向に貫通して固設され燃焼室１３ｃへの給気または排気
の入口と出口を備えた弁ハウジング１１，２１と、該弁
ハウジング内に挿嵌され僅少な隙間を保ったままエンジ
ンのクランク軸回転の１／２または１／４に同期して回
転し軸の直径方向の貫通孔１２ａ，２２ａが前記弁ハウ
ジングの給気または排気の入口と出口に合致することに
より給気または排気の気体通路を開閉する弁ロータ１
２，２２とを有して成るロータリー弁において、前記弁
ハウジング１１，２１の内筒１１ｂ，２１ｂの燃焼室１
３ｃと反対側の吸気入口部１１ｃまたは排気出口部２１
ｃの両側に、それぞれ吸気または排気通路断面積の１／
２の開口面積を有する凹部で形成される圧室３５を設
け、燃焼室１３ｃから該圧室に連通する連通孔３６，３
７，３８を設けたことを特徴としている。

【００１３】請求項４記載の発明に係るエンジンのロー
タリー弁装置では、請求項１及び２に記載の発明に係る
ロータリー弁において弁ハウジング１１，２１の内筒１
１ｂ，２１ｂの燃焼室１３ｃと反対側の吸気入口部１１
ｃまたは排気出口部２１ｃの両側に、それぞれ吸気また
は排気通路断面積の半分の開口面積を有する凹部を形成
する圧室３５を設け、燃焼室１３ｃから該圧室に連通す
る連通孔３６，３７，３８を設けたことを特徴としてい
る。

【００１４】

【作用】本発明のエンジンのロータリー弁装置において
は、弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２との
クリアランスを僅少にすることと、弁ロータ１２，２２
が高速で回転することにより、燃焼室１３ｃから圧縮
圧、燃焼ガス圧が抜けるのを抑止している。このため、
弁ハウジング１１，２１を２重筒構造として、外筒１１
ａ，２１ａに例えばインバーのような熱膨張率の低い材
料を、内筒１１ｂ，２１ｂに軸受性の良好な熱膨張率の
高い材料を用い、外筒側の厚みと内筒側の厚みを適切な
割合に設定することによって、弁ハウジング１１，２１
の合成熱膨張率がロータ１２，２２の熱膨張率と同一と
なるようにして、冷態時と運転時の温度変化に拘わら
ず、弁ロータ１２，２２と弁ハウジング１１，２１の僅
少なクリアランス３９を常に一定に保つようにしてい
る。

【００１５】しかし、過渡的な運転状態の変化によって
弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２に温度差
が生じたり、弁ロータに機械的な歪みを生じたとき等に
は、弁ロータ１２，２２が弁ハウジング１１，２１の内
面に接触する場合が予想される。このとき、弁ハウジン
グ１１，２１の内筒１１ｂ，２１ｂに自己潤滑作用を有
する樹脂（テフロン、テフロンと炭素繊維の複合材料、
ルーロン等）を用いた構成とすることにより摩擦発熱を
防ぎ、弁ロータ１２，２２の焼き付きを防止することが
できる。

【００１６】また、弁ハウジング１１，２１の内筒１１
ｂ，２１ｂの燃焼室１３ｃと反対側の吸気入口部１１ｃ
または排気出口部２１ｃの両側に、吸気または排気通路
断面積の１／２の開口面積を有する凹部で形成される圧
室３５を設け、燃焼室１３ｃから該圧室３５に連通する
連通孔３６，３７，３８を設けた構成にすれば、燃焼室
内の混合気の圧縮圧や燃焼ガス圧がハウジングに設けた
圧室３５にも作用し、弁ロータ１２に加わる圧力がバラ
ンスするので弁ロータ１２は１方向に押圧されることな
く、弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２の間
のクリアランス３９を適正に保つことができる。また、
もしも弁ハウジングと弁ロータが接触したような場合に
も接触圧力は低く、大きな摩擦損失が発生しない。但し
前記弁ハウジングの圧室３５及び連通路３６，３７，３
８の容積はエンジンの圧縮比に影響しない程度の小さい
容積のものとすることが必要である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１〜４を
参照して説明する。図１は給気側と排気側にそれぞれロ
ータリー弁を備えた４サイクルエンジンのシリンダヘッ
ド部を主体とした縦断面図であり、図２は図１における
給気側のロータリー弁の展開断面図、図３は図２におけ
るＡ部詳細図、図４は図２におけるIV−IV矢視の部分断
面図である。なお、本実施形態ではシリンダヘッド部に
おける給気側と排気側のロータリー弁の構成は実質的に
同一のものとみなせるので、その一方（給気側について
のみ図２〜図４に示し説明している。

【００１８】（第１実施形態）図１〜４において、１３
はシリンダヘッド、１１，２１はシリンダ１４の軸線を
含む平面に直角方向に貫通して固設された弁ハウジング
（１１は給気側、２１は排気側）、１２，２２は弁ハウ
ジング１１、２１内に挿嵌され、該ハウジング１１，２
１と半径方向の僅少な隙間を保ったままクランク軸１８
の回転の１／２または１／４に同期して回転する弁ロー
タ（１２は給気側、２２は排気側）である。

【００１９】１４は耐摩耗性材料によるスリーブ１４ａ
を嵌装しているシリンダ、１５はピストン、１６はピス
トンピン、１７はコネクティングロッド、１８はクラン
クピン１８ａ，つり合いおもり１８ｂを備えたクランク
軸、１９は点火プラグである。クランク軸１８に取付け
られた図示されていないタイミングベルト車と図２に示
した給気側の弁ロータ１２に取付けられたベルト車３３
の間にタイミングベルト３４が巻掛けられ、クランク軸
１８の回転が１／４に減速されて弁ロータ１２に伝えら
れる。３２は弁ロータ１２を回転自在に支える玉軸受で
あり、３１は玉軸受３２を介して弁ロータ１２を軸心の
方向を拘束する軸受押えである。排気側の弁ロータ２２
も同様の機構で給気側の弁ロータ１２と同じように駆動
される。

【００２０】弁ハウジング１１と２１には、それぞれ燃
焼室１３ｃへの給気の入口と出口、燃焼室１３からの排
気の入口と出口が設けられている。また、弁ロータ１
２，２２はその軸線の直径方向の貫通孔１２ａ，２２ａ
が弁ハウジング１１，２１の給気の入口１１ｃまたは排
気の出口２１ｃと燃焼室側の給気流路１３ｄ、排気流路
１３ｅに合致することにより給気または排気の気体通路
を、４サイクルエンジンの給排気タイミングで開閉す
る。

【００２１】図３に詳細を示したように、シリンダヘッ
ド１３に固設された弁ハウジング１１，２１は２重筒構
造となっており、外筒１１ａ，２１ａには例えば、イン
バーのような熱膨張率の低い材料を用い、内筒１１ｂ，
２１ｂには熱膨張率は高いが耐熱性、自己潤滑性を有す
る材料（例えば、テフロン、テフロンと炭素繊維の複合
材料、ルーロン等）を用い、弁ロータ１２，２２と弁ハ
ウジング１１，２１との熱膨張を同一として、運転時の
温度変化に拘わらず弁ロータ１２，２２と弁ハウジング
１１，２１のクリアランス３９を一定に保つようにして
いる。

【００２２】本発明のエンジンのロータリー弁装置で
は、弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２との
クリアランスを僅少にすることと、弁ロータ１２，２２
が高速で回転することにより、燃焼室１３ｃから圧縮
圧、燃焼ガス圧が抜けるのを抑止している。このため、
弁ハウジング１１，２１を２重筒構造として、外筒１１
ａ，２１ａに例えばインバーのような熱膨張率の低い材
料を、内筒１１ｂ，２１ｂに軸受性の良好な熱膨張率の
高い材料を用い、外筒１１ａ，２１ａの厚みと内筒１１
ｂ，２１ｂの厚みを適切な割合に設定することによっ
て、弁ハウジング１１，２１の合成熱膨張率が、弁ロー
タ１２，２２の熱膨張率と同一となるようにして、冷態
時と運転時の温度変化に拘わらず弁ロータ１２，２２と
弁ハウジング１１，２１の僅少なクリアランス３９を常
に一定に保つようにしている。

【００２３】しかし、過渡的な運転状態の変化によって
弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２との温度
差が生じたり、弁ロータ１２，２２に機械的な歪みを生
じたとき等には、弁ータ１２，２２が弁ハウジング１
１，２１の内面に接触する場合が予想される。このと
き、弁ハウジング１１，２１の内筒１１ｂ，２１ｂに自
己潤滑作用を有する樹脂（テフロン、テフロンと炭素繊
維の複合材料、ルーロン等）を用いた構成とすることに
より摩擦発熱を防ぎ、ロータ１２，２２の焼き付きを防
止することができる。

【００２４】（第２実施形態）また、図２〜４に示すよ
うに、弁ハウジング１１，２１の内筒１１ｂ，２１ｂの
燃焼室１３ｃと反対側の吸気入口部１１ｃまたは排気出
口部２１ｃの両側に、吸気または排気通路断面積の１／
２の開口面積を有する凹部で形成される圧室３５を設
け、燃焼室１３ｃから該圧室３５に連通する連通孔３
６，３７，３８を設けた構成にすれば、燃焼室１３ｃ内
の混合気の圧縮圧や燃焼ガス圧が弁ハウジングに設けた
圧室３５にも作用し、弁ロータ１２に加わる圧力がバラ
ンスするので弁ロータ１２は１方向に押圧されることな
く、弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２の間
のクリアランス３９を適正に保つことができる。たとえ
弁ハウジング１１，２１と弁ロータ１２，２２が接触し
ても接触圧力は低く、大きな摩擦損失が発生しない。但
し、前記弁ハウジングの圧室３５及び連通路３６，３
７，３８の容積はエンジンの圧縮比に影響しない程度の
小さい容積のものとすることが必要である。

【００２５】

【発明の効果】本発明のエンジンのロータリー弁装置に
おいては、弁ハウジング部を２重構造とし、外筒側に例
えばインバーのような熱膨張率の低い材料を用い、内筒
側に熱膨張率が高く摩擦係数の低い（自己潤滑性）の樹
脂材料を用い、両者を組み合わせたときの熱膨張率が弁
ロータの熱膨張率と同レベルとなるようにしたので、冷
間時から熱間時まで弁ロータと弁ハウジングのクリアラ
ンスが常に適正に保たれ、ロータリー弁のシール性を的
確に保持することができる。また、弁ハウジング内筒側
の樹脂材料は自己潤滑性を有するものとしたので、弁ロ
ータと接触するような不測の状況に際しても焼き付きな
どの傷害を生ずることはない。

【００２６】燃焼室内の混合気の圧縮圧や燃焼ガス圧に
対し、弁ハウジングの内筒側に燃焼室と通じる圧力バラ
ンス用の圧室を設け、弁ロータが１方向に押圧されぬよ
うにしたので、弁ハウジングと弁ロータが接触しても大
きい摩擦損失が発生しない。これらによりコストの安
い、機械効率、燃焼効率の良いエンジンを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る給気側と排気側にそれ
ぞれロータリー弁を備えた４サイクルエンジンのシリン
ダヘッド部を主体とした縦断面図。

【図２】図１における給気側のロータリー弁の展開断面
図。

【図３】図２におけるＡ部詳細図。

【図４】図２におけるIV−IV矢視の部分断面図。

【図５】従来の回転式のシャフトバルブ（ロータリー
弁）の部分横断面図。

【図６】図５に示した回転式のシャフトバルブの側面断
面図。

【符号の説明】

１１…弁ハウジング（給気側）、２１…弁ハウジング
（排気側）、１１ａ…外筒（給気側）、１１ｂ…内筒
（給気側）、２１ａ…外筒（排気側）、２１ｂ…内筒
（排気側）、１１ｃ…給気入口部、２１ｃ…排気出口
部、１２…弁ロータ（給気側）、２２…弁ロータ（排気
側）、１２ａ…貫通孔（給気側）、２２ａ…貫通孔（排
気側）、１３…シリンダヘッド、１３ａ…給気口、１３
ｂ…排気口、１３ｃ…燃焼室、３５…圧室、３６，３
７，３８…連通路、３９…クリアランス。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンのシリンダヘッド（１３）にシ
   リンダの軸線を含む平面に対して直角方向に貫通して固
   設され燃焼室（１３ｃ）への給気または排気の入口と出
   口を備えた弁ハウジング（１１，２１）と、該弁ハウジ
   ング内に挿嵌され僅少な隙間を保ったままエンジンのク
   ランク軸回転の１／２または１／４に同期して回転し軸
   の直径方向の貫通孔（１２ａ，２２ａ）が前記弁ハウジ
   ングの給気または排気の入口と出口に合致することによ
   り給気または排気の気体通路を開閉する弁ロータ（１
   ２，２２）とを有して成るロータリー弁において、前記
   弁ハウジング（１１，２１）を２重筒構造とし外筒（１
   １ａ，２１ａ）に低熱膨張材料を、内筒（１１ｂ，２１
   ｂ）に高熱膨張材料を用いることにより前記弁ロータと
   弁ハウジングの熱膨張を同一に保ち、運転時の温度変化
   に拘わらず前記弁ロータと弁ハウジングのクリアランス
   を一定に保つようにしたことを特徴とするエンジンのロ
   ータリー弁装置。
2. 【請求項２】 前記弁ハウジング（１１，２１）の内筒
   （１１ｂ，２１ｂ）に自己潤滑作用を有する樹脂材料を
   用いたことを特徴とする請求項１記載のエンジンのロー
   タリー弁装置。
3. 【請求項３】 エンジンのシリンダヘッド（１３）にシ
   リンダの軸線を含む平面に対して直角方向に貫通して固
   設され燃焼室（１３ｃ）への給気または排気の入口と出
   口を備えた弁ハウジング（１１，２１）と、該弁ハウジ
   ング内に挿嵌され僅少な隙間を保ったままエンジンのク
   ランク軸回転の１／２または１／４に同期して回転し軸
   の直径方向の貫通孔（１２ａ，２２ａ）が前記弁ハウジ
   ングの給気または排気の入口と出口に合致することによ
   り給気または排気の気体通路を開閉する弁ロータ（１
   ２，２２）とを有して成るロータリー弁において、前記
   弁ハウジング（１１，２１）の内筒（１１ｂ，２１ｂ）
   の燃焼室（１３ｃ）と反対側の吸気入口部（１１ｃ）ま
   たは排気出口部（２１ｃ）の両側に、それぞれ吸気また
   は排気通路断面積の半分の開口面積を有する凹部で形成
   される圧室（３５）を設け、燃焼室（１３ｃ）から該圧
   室に連通する連通孔（３６，３７，３８）を設けたこと
   を特徴とするエンジンのロータリー弁装置。
4. 【請求項４】 前記弁ハウジング（１１，２１）の内筒
   （１１ｂ，２１ｂ）の燃焼室（１３ｃ）と反対側の吸気
   入口部（１１ｃ）または排気出口部（２１ｃ）の両側
   に、それぞれ吸気または排気通路断面積の半分の開口面
   積を有する凹部を形成する圧室（３５）を設け、燃焼室
   （１３ｃ）から該圧室に連通する連通孔（３６，３７，
   ３８）を設けたことを特徴とする請求項１及び２に記載
   のエンジンのロータリー弁装置。