JPH0968012A

JPH0968012A - 内燃機関のロータリ弁装置

Info

Publication number: JPH0968012A
Application number: JP28427395A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kitamura; 修一北村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1997-03-11

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】騒音や振動を減らすと共に弁クリアランスの
再調整の手間を省き、高回転域でも弁の作動が確実なロ
ータリ弁装置を提供する。摩擦損失が大きく，潤滑上の
トラブルを免れないという従来のロータリ弁装置の欠点
を克服する。【解決手段】互いに向かい合う状態に配置された回転
摺動面９，１０を有するロータリ弁８をシリンダーヘッ
ド４に備える。更に一方の回転摺動面９には第一シール
手段Ｓを密着させる如く燃焼室３側に備え、他方の回転
摺動面１０には同様に第２シール手段Ｓ′を備えて圧力
をシールする。ロータリ弁８の回転に従ってロータリ弁
８に形成された弁内吸気通路１３，１４が各々第１シー
ル手段Ｓ，第２シール手段Ｓ′に連絡する事によって前
記第１，第２シール手段Ｓ，Ｓ′を介して吸気をシリン
ダー１内に導入し、同様に弁内排気通路１５が第２シー
ル手段Ｓ′に連絡する事によって第２シール手段Ｓ′を
介してシリンダー１内の排気を排出する様にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は吸気・排気作用を行なう
内燃機関のロータリ弁装置に係わり、往復運動部分を廃
して各部の運動を純粋な回転運動としたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に吸気と排気作用を行なう内燃機関
の弁装置としてはポペット弁が用いられ、弁はカムによ
り開かれると共にバネにより閉じられる様になってい
る。従って、弁等の往復慣性力がバネの反発力を上廻る
事は許されない。又、高温の燃焼ガスと接する弁の熱膨
張による作動不良を避ける為、弁とこれを駆動する部分
（ロッカーアーム、タペットなど）との間には若干の弁
クリアランスが与えられている。従来はこの様な構造の
為、高速回転域では弁のジャンプやバウンス等の不具合
を起し易く、騒音や振動が大きく、弁座が摩耗すると弁
クリアランスの再調整が必要となるなどの欠点があっ
た。これらの欠点を克服する為、純粋な回転運動を行な
うロータリ弁装置が考案され、代表的には図６に示す様
な円筒形ロータリ弁Ｖが試みられたが、燃焼室内高圧ガ
スによる大荷重を受けながら回転する構成により摩擦損
失が非常に大きく、吸気側のシール装置Ｓ_１は問題ない
が排気側のシール装置Ｓ_２は排気に晒されて高温とな
り、潤滑油膜保持の限界温度を越えるなどの問題があ
り、実用化されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】本発明の目的は、従
来の弁装置を構成するカムやロッカーアーム、バネ等を
廃し、ポペット弁などの往復運動部を除去する事によっ
て騒音や振動を減らすと共に弁クリアランスの再調整等
の手間を省き、高回転域でも弁の作動が確実なロータリ
弁装置を提供する事であり、摩擦損失が大きい、潤滑上
のトラブルを免れないという従来のロータリ弁装置の欠
点を克服するところにある。

【０００４】

【問題点を解決する為の手段】本発明は従来の欠点を解
決する為、互いに向かい合う状態に配置され、かつ軸に
しっかりと剛性的に固定された回転摺動面を有するロー
タリ弁をシリンダーヘッドに備え、更に前記回転摺動面
の内の一方の回転摺動面には第１シール手段を密着させ
る如く燃焼室側に備え、他方の回転摺動面には第２シー
ル手段を密着させる如く燃焼室側に備えて燃焼室内圧力
をシールし、機関の主軸と同期して回転するロータリ弁
の回転に従ってロータリ弁に形成された弁内吸気通路が
各々前記第１、第２シール手段と連絡する事によって前
記第１、第２シール手段を介して吸気をシリンダー内に
導入し、ロータリ弁に形成された弁内排気通路が前記第
２シール手段に連絡する事によって前記第２シール手段
を介してシリンダー内の排気を排出する様にし、かくし
て吸気・圧縮・燃焼・排気の各行程を行なう事とした。

【０００５】

【作用】シリンダーヘッドに備えられたロータリ弁は互
いに向かい合う状態に配置された回転摺動面を有してお
り、更に一方の回転摺動面には第１シール手段を密着さ
せる如く燃焼室側に備え、他方の回転摺動面には第２シ
ール手段を密着させる如く燃焼室側に備えて燃焼室内圧
力をシールする様にする。従って燃焼室内圧力によるラ
ジアル荷重は前記回転摺動面の傾斜角に相当する分力と
して現われてくる為、ロータリ弁に働らくラジアル荷重
は小さい。特に前記回転摺動面を軸心に対して垂直とす
れば、原則としてラジアル荷重は０である。従って、摩
擦損失は極めて少ない。又、前記第１及び第２シール手
段は吸気行程では必ず吸気が通る為、良く冷却され、潤
滑上のトラブルは発生しない。ロータリ弁は機関主軸と
同期して駆動され、純粋な回転運動を行ない、往復運動
する部品同志が互いに叩き合う事がない為、騒音・振動
は小さく、高速域でも弁作動が確実である。

【０００６】

【実施例】図１（イ）は本発明による内燃機関のロータ
リ弁装置の一実施例で、シリンダーヘッド４に備えられ
たロータリ弁８は互いに向かい合う状態に配置された回
転摺動面９、１０を有しており、これらの回転摺動面
９、１０は軸にしっかりと剛性的に固定されている（図
では回転摺動面９、１０を軸心に対して垂直としてあ
る）。１はシリンダー、２はピストンで、ロータリ弁８
は機関の主軸（クランク軸）により例えばチェーン、ス
プロケット５を介して駆動され、機関の主軸と同期して
回転する。６、７はロータリ弁８を支持する軸受（通常
は転がり軸受）で、オイルシールを備えている（軸受７
は回転摺動面９、１０間に備えても良い）。ロータリ弁
８の外壁面とこれを囲むシリンダーヘッド４の内壁面と
の間には若干のギャップを与えて、非接触とするのが良
い。ロータリ弁８の支持方法としては通常は軸受６、７
で支持するが、図の如く回転摺動面９、１０を軸心に対
して垂直とする場合はロータリ弁８には原則として燃焼
室内ガス圧によるラジアル荷重が加わらないから、ロー
タリ弁８や軸の外周を囲むシリンダーヘッド４の内壁面
を滑り軸受として支持する様にしても良い。尚、シリン
ダーヘッド４はロータリ弁８の組み立ての関係上、Ａ−
Ａ′線で分割されている。燃焼室３側には第１シール手
段Ｓ、第２シール手段Ｓ′が備えられ、各々を回転摺動
面９、１０に密着させる事によって燃焼室内圧力をシー
ルしており（吸気のみを通す方を第１シール手段、吸気
及び排気を通す方を第２シール手段と呼ぶことにす
る）、ロータリ弁８に形成された弁内吸気通路１３、１
４が各々第１シール手段Ｓ、第２シール手段Ｓ′に連絡
する事により第１シール手段Ｓ、第２シール手段Ｓ′を
介して吸気をシリンダー１内に導入し、ロータリ弁８に
形成された弁内排気通路１５が第２シール手段Ｓ′に連
絡する事によって第２シール手段Ｓ′を介してシリンダ
ー１内の排気を排出する様に構成してある。弁内吸気通
路１３、１４には例えば気化器からの燃料と空気との混
合気が供給される。又、弁内排気通路１５は図示しない
シリンダーヘッド４に形成された排気通路へ連絡してい
る。かくして吸気・圧縮・燃焼・排気の各行程が行なわ
れ、動力を発生する。次に第１シール手段Ｓ（第２シー
ル手段Ｓ′）は円筒状のシール体１６（１６′）とシー
ルリング１７（１７′）とこれらを回転摺動面９（１
０）に押圧するバネ１８（１８′）とにより構成されて
おり、第１シール手段Ｓ（第２シール手段Ｓ′）の軸方
向遊びを僅かにすれば燃焼室内圧力上昇により容易に回
転摺動面９（１０）に密着するから、バネ１８（１
８′）は不要である。シールリング１７（１７′）は図
１（ロ）、（ハ）の如く合い口が特殊な密閉型合い口の
ものを使用する事が望ましく（公知である）、その外周
は正確に加工された対応壁面に張り付いている。又、シ
ール体１６（１６′）は回転摺動面９（１０）の面振れ
等に正しく追随して密着する必要がある為、その外周に
は正確に加工された対応壁面との間に僅かなギャップが
与えられている。第１シール手段Ｓについては図２
（イ）の如くシール体１６とダイアフラムシール２１を
用い、ダイアフラムシール２１自身の弾性力によりシー
ル体１６を回転摺動面９に密着させてシールしても良
く、図２（ロ）の如くシール体自身にダイアフラムシー
ル部２２を形成し（その外周は正確に加工された対応壁
面に密着）、ガス圧により回転摺動面９に密着させてシ
ールしても良い。又、図２（ハ）の如くシール体１６の
外周にシールリング２３を嵌め込み、回転摺動面９に密
着させてシールしても良い。ところで第１シール手段Ｓ
のシール体１６はロータリ弁８の回転により自身も回転
しようとするから、必要ならば図２（ニ）の如く突起部
２４を形成し、廻り止め処置を施こしても良い。又、図
２（ホ）の如く強度、即ち肉厚を十分に確保しながらカ
ズ圧によりシール体１６がロータリ弁８に押し付けられ
る押圧力を減らすにはシール体１６に面取りをする事が
考えられる（シール体１６の有効受圧面積がπ／４・
（Ｄ^２−ｄ^２）に減少する故）。以上は第２シール手段
Ｓ′についても同様である。ところで図１（イ）におい
て、第１シール手段Ｓと第２シール手段Ｓ′の各外径を
互いに等しくすれば回転摺動面９、１０に働らくガス圧
による力が互いに均衡し、ロータリ弁にはスラストが作
用しない為、是非ともそうしたいところである。この場
合、第１、第２シール手段Ｓ、Ｓ′の各内径を小さくす
れば高圧縮比は得られるが、第２シール手段Ｓ′しか通
らない排気の抵抗が大となるので、第１シール手段Ｓの
内径のみを小さくしている（体厚大）。もし何らかの理
由で（シール体１６の肉厚を薄くして柔軟性を増し、回
転摺動面９に対する密着度を向上させる等）第１シール
手段Ｓの内径を大きくしたい（体厚を薄くする）場合
は、図２（ヘ）の如くシール体１６の内面に張り付くリ
ング２５（ピストンリング状のもの）を用いれば、高圧
縮比を採用できる。以上は図２（ト）の様に構成しても
高圧縮比が得られる構造となる。即ち、図２（ト）にお
いて第１、第２シール手段Ｓ、Ｓ′の各外径及び各内径
は互いに等しいが、吸気が通る通路の外側に第１シール
手段Ｓが配置されている為、この吸気が通る通路が小さ
くなった分だけ高圧縮比を採用する事ができるのであ
る。尚、シール体１６（１６′）には図２（チ）の如く
鍔２６を形成しておいても良い。以上の第１、第２シー
ル手段Ｓ、Ｓ′の材質についてはＡｌ合金や銅合金等の
熱伝導率の高いものを使用すれば各部の温度は下り、高
圧縮比を採用する事ができる。次に図１（イ）に戻って
第１シール手段Ｓ、第２シール手段Ｓ′が密着する回転
摺動面９、１０にはシール板１１、１２（図１（ニ）を
も参照）がバネにより押圧されており、その役割は弁内
吸気通路１３、１４内を流れてくる液状燃料が回転によ
る遠心力により飛散したり、弁内排気通路１５内へ混入
する事を防ぐ為である。この場合、シール板１１（１
２）をロータリ弁の軸方向から嵌め込める構成ならば問
題ないが、嵌め込み不可の場合は図１（ホ）又は（ヘ）
の如く分割型とする事が望ましい。即ち、シリンダーヘ
ッド４のＡ−Ａ′線より上半部を予め外しておき、第１
シール手段Ｓ、第２シール手段Ｓ′、及びシール板１
１、１２の各本体を組み込んだ後にロータリ弁８を組み
付け、次いでシール板１１、１２の各分割部１１′（１
２′）を各本体に合わせればシール板は軸の半径方向か
ら嵌め込み可能となるのである。１９、２０は分割面を
互いに密着させるバネで、図１（ホ）のシール板１１
（１２）の分割部１１′（１２′）は外周に近ずくほど
直線状に幅が狭くなっている（図１（ヘ）ではこの逆で
ある）。以上のシール板１１（１２）においては摩擦を
減らす為、表面にテフロン等の摩擦係数の小さな固体潤
滑剤をコーティングしておく事が望ましい。シール板１
１（１２）とシール体１６（１６′）とを一体とした構
造に相当するものを図１（ト）に示す。第１シール手段
Ｓ（第２シール手段Ｓ′）やシール板１１（１２）の回
転摺動面９（１０）との間の潤滑は弁内吸気通路１３、
１４内を流れてくる燃料に対して予め一定の比率で混入
された潤滑油により行なわれる（負荷に応じてこの比率
を変えても良い）。ところで弁内排気通路１５内は高温
の排気が流れ、ロータリ弁の熱変形を最小限に抑える必
要があり、従って図３（イ）の如く弁内排気通路１５の
内壁との間に断熱空気層を有するライナー２７を備える
事が望ましい。図ではライナー２７自身に断熱空気層を
有するものであり、ロータリ弁鋳造時にライナー２７を
鋳ぐるむ様にする。ライナー２７の表面にセラミックな
どの低熱伝導度材料の層を形成すると、更に効果があ
る。本発明においてはロータリ弁８は機関主軸の１／２
又は１／４に減速して駆動されるが、後者の場合はロー
タリ弁８（第２シール手段Ｓ′側）は図３（ロ）の如く
なる。

【０００７】図４は単気筒機関における各種実施例を示
し、先ず図４（イ）は図１（イ）における弁内排気通路
１５がロータリ弁８の外周ではなく端面へ連絡する様に
したものであり、図４（ロ）は弁内排気通路１５が軸方
向へ排気を流出させる軸流式を採ったものである（弁内
吸気通路１３、１４はロータリ弁８の外周から連絡して
来ている）。更に図４（ハ）では燃焼室３における吸気
や排気が流れる通路を傾斜させ、ガス交換を円滑にして
いる。図４（ニ）のものは図４（ロ）における弁内排気
通路１５がロータリ弁８の端面へ連絡する様にしたもの
で、排気は軸内を流れない。又、図１（イ）では回転摺
動面９、１０は軸心に対して垂直であったが、図４
（ホ）は傾斜（垂直でない）させたものである。従って
図４（ホ）では燃焼室内ガス圧によるラジアル荷重が回
転摺動面９、１０の傾斜角に相当する分力として現われ
てくるが（図１（イ）ではラジアル荷重は原則として加
わらない）、図６の従来のロータリ弁に比し小さい。
尚、回転摺動面９、１０は球形状に形成しても良い。２
気筒機関への本発明の適用例を図５（イ）に示し、図で
は吸気は軸の一端からのみ流入しているが、両端から流
入する様にしても良い。両端から流入させる場合、図５
（ロ）の如く軸内を仕切って二分すれば、各気筒は互い
に独立するから、各々に燃料供給装置を接続する事によ
り燃料の分配上有益となる。従って４気筒機関の場合も
同様に軸内を仕切って二分し、２気筒づつのグループに
分け、軸の両端から吸気を流入させる様にすれば、燃料
の分配上有益となる。又、図で斜線の部分（整流部）は
吸・排気の時の流れを円滑にする役割を負っているが、
この部分は第１、第２シール手段Ｓ、Ｓ′が嵌り込む周
囲の壁面を正確に加工した後に溶接・ボルト締結等によ
り採り付ける様にすれば、前記加工が容易となる。尚、
ロータリ弁８を冷却する必要がある場合は、図５（ハ）
の如く軸内の吸気通路内面にスリーブ２８を挿入・固定
し、その外周に形成される冷却空間２９に冷却液（水、
油等）を流す様に構成する。互いに向かい合う状態に配
置された回転摺動面を有するロータリ弁を各気筒毎に備
えた本発明の実施例を図５（ニ）に示す。本発明ではＶ
型機関の場合は各バンク毎にロータリ弁を備えても良い
が、図５（ホ）の様に各バンクに跨がる如く備える事も
考えられる。又、ロータリ弁の備え方として図５（ヘ）
の如く軸心がシリンダーの軸心と平行となる様にする事
も考えられる。次に図５（ト）において、気化器等から
供給された吸気はリード弁３０を介してクランク室内に
吸入され、ピストン２の下降行程でリード弁３１、更に
ロータリ弁８を介してシリンダー１内に導入され、ピス
トン２の運動に伴なって圧縮・点火・燃焼の後に、ロー
タリ弁８を介して排気が排出される様になっている。ピ
ストンが２往復する間に吸気はクランク室内へは２回、
シリンダー１内へは１回導入されるから、その差によっ
て過給が行なわれる。従来はこの様なクランク室圧縮型
過給機関ではポペット弁によりガス交換が行なわれてい
るが、その欠点を克服する為、本発明によるロータリ弁
を採用したものである。尚、図では第１、第２シール手
段、弁内吸気・排気通路は省略して描いてある（図５
（ニ）、（ホ）、（ヘ）も同様である）。

【０００８】

【発明の効果】従来のものはポペット弁等の往復運動部
品を有する弁装置であり、ポペット弁の熱膨張による作
動不良を避ける弁クリアランスが必要であった。本発明
ではロータリ弁装置全体が純粋な回転運動を行なう為、
高速域でも弁の作動が確実で、高速回転が可能であり、
従来の弁クリアランスに相当するものがない為、その再
調整などの手間が省けて保守が容易であり、騒音・振動
も小さい利点がある。更には従来のロータリ弁装置とは
異なり、ロータリ弁に働らくラジアル荷重は小さい為、
摩擦損失は非常に小さい。特に図１（イ）の如く回転摺
動面９、１０を軸心に対して垂直とすれば、ラジアル荷
重は原則として受けない。加えて本発明では回転摺動面
９、１０における燃焼室内圧力の受圧面積は通常は互い
に等しくするから、スラスト荷重も原則として受けな
い。又、本発明では第１、第２シール手段Ｓ、Ｓ′には
いずれも吸気行程で必らず冷たい吸気が流れる為、低温
に保たれ、潤滑油膜保持が常に確実であり、かつ高圧縮
比を採用する事ができる。ロータリ弁８の各部の潤滑は
燃料に一定又は負荷に応じた可変比率で混入させた潤滑
油により行なわれる為、潤滑法は公知技術で簡単であ
り、第１、第２シール手段Ｓ、Ｓ′に付着した潤滑油に
より燃焼室内圧力は確実にシールされる。（図６の従来
では、シール装置Ｓ_２にはこの様な効果は期待できな
い）

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関のロータリ弁装置及び主
要部品の図である。

【図２】本発明における第１（第２）シール手段の図で
ある。

【図３】本発明におけるロータリ弁の図である。

【図４】本発明の各種実施態様を示す図である。

【図５】本発明の各種実施態様を示す図である。

【図６】従来のロータリ弁装置を示す図である。

【符号の説明】

１はシリンダー、２はピストン、３は燃焼室、４はシリ
ンダーヘッド、５はスプロケット、６・７は軸受、８は
ロータリ弁、９・１０は回転摺動面、１１・１２はシー
ル板、１３・１４は弁内吸気通路、１５は弁内排気通
路、１６・１６′はシール体、１７・１７′はシールリ
ング、１８・１８′はバネ、Ｓは第１シール手段、Ｓ′
は第２シール手段、１９・２０はバネ、２１はダイアフ
ラムシール、２２はダイアフラムシール部、２３はシー
ルリング、２４は突起部、２５はリング、２６は鍔、２
７はライナー、２８はスリーブ、２９は冷却空間、３０
・３１はリード弁、Ｖはロータリ弁、Ｓ_１・Ｓ_２はシー
ル装置である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに向かい合う状態に配置された回転
摺動面であり、かつ各々軸にしっかりと剛性的に固定さ
れた回転摺動面を有するロータリ弁をシリンダーヘッド
に備え、更に前記回転摺動面の内の一方の回転摺動面に
は第１シール手段を密着させる如く燃焼室側に備え、他
方の回転摺動面には第２シール手段を密着させる如く燃
焼室側に備えて燃焼室内圧力をシールし、機関の主軸と
同期して回転するロータリ弁の回転に従ってロータリ弁
に形成された弁内吸気通路が各々前記第１、第２シール
手段に連絡する事によって前記第１、第２シール手段を
介して吸気をシリンダー内に導入し、ロータリ弁に形成
された弁内排気通路が前記第２シール手段に連絡する事
によって前記第２シール手段を介してシリンダー内の排
気を排出する様に構成し、かくして吸気・圧縮・燃焼・
排気の各行程を行なう事を特徴とする内燃機関のロータ
リ弁装置。
【請求項２】互いに向かい合う状態に配置された回転
摺動面が軸心に対して各々垂直である請求項１記載の内
燃機関のロータリ弁装置。
【請求項３】各々の回転摺動面に働く燃焼室内圧力に
よる力が互いに等しくなる様に構成した請求項１又は２
記載の内燃機関のロータリ弁装置。
【請求項４】回転摺動面に押圧されるシール板を備
え、シール板が軸の半径方向から嵌め込み可能となる様
にシール板を分割型とした請求項１ないし３のいずれか
に記載の内燃機関のロータリ弁装置。