JPH0968013A - 内燃機関のロータリ弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 内燃機関のロータリ弁装置に関し、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弁装置を提供する。 【解決手段】 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。
シール手段Ｓ，Ｓ´を回転摺動面に密着させる如く各々
燃焼室３側に備えて燃焼室内圧力をシールする。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弁内
吸気通路１３，１４がシール手段に各々連絡する事によ
って吸気をシリンダー１内に導入する。ロータリ弁の更
なる回転に従って弁内排気通路１５，１６がシール手段
に各々連絡する事によってシリンダー内の排気を排出す
る様に構成する。

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】一般に吸気の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際損失
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
タリ弁をシリダーヘッドに備え、更にシール手段を前記
各々の回転摺動面に密着させる如く各々燃焼室側に備え
て燃焼室内圧力をシールし、機関の主軸に同期して回転
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
弁内吸気通路が前記各々のシール手段に各々連絡する事
によって前記各々の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
前記各々のシール手段に各々連絡する事によって前記各
々の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
を行なう様にしたのである。

【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、更にシール手段を前記各々の回転摺動面の密着させ
る如く各々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、前記各々の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、全体
が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を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
ダーヘッド４はロータリ弁８の組み立ての関係上、Ａ−
Ａ′線で分割される。燃焼室３側には吸気及び排気を通
すシール手段Ｓ、Ｓ′が備えられ、各々回転摺動面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、ロータリ弁８に形成された弁内吸気通１３，１４
がシール手段Ｓ、Ｓ′に各々連絡する事によってシール
手段Ｓ、Ｓ′を介して吸気をシリンダー１内に導入し、
ロータリ弁８に形成された弁内排気通路１５，１６がシ
ール手段Ｓ、Ｓ′に各々連絡する事によってシール手段
Ｓ、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１５，１６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。
次にシール手段Ｓ（Ｓ′）は円筒状のシール体１７（１
７′）とシールリング１８（１８′）とこれらを回転摺
動面９（１０）に押圧するバネ１９（１９′）とにより
構成されており、シール手段Ｓ（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１９（１９′）は不要
である。シールリング１８（１８′）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１７
（１７′）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。シール手段Ｓについては図２（イ）の如くシール体
１７とダイヤフラムシール２１とを用い、ダイヤフラム
シール２１自身の弾性力によりシール体１７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ヤフラムシール部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１７の外周にシールリング２
３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。ところでシール手段Ｓ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、廻り止め処理を施こしても
良い。以上はシール手段Ｓ′についても同様である。
又、シール手段Ｓについても同様であるが、必要ならば
図２（ホ）の如くシール手段Ｓ′を通路の外側に配置し
てを良く（但し、若干大径となる）、図２（ヘ）の如く
強度、即ち肉厚を十分に確保しながらガス圧によりシー
ル体１７′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１７′に面取りを施こす事が考えられ
る（シール体１７′がガス圧によりロータリ弁８に押し
付けられる時の有効受圧面積はπ／４^１（Ｄ^２−ｄ^２）
に減る）。尚、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）に戻ってシール手段Ｓ，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内を流れてくる液体燃料が回転に
よる遠心力により飛散したり、弁内排気通路１５，１６
内へ混入する事を防ぐ為である。この場合、シール板１
１（１２）をロータリ弁の軸方向から嵌め込める構成な
らば問題はないが、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、シール手段Ｓ，Ｓ′，及びシール板１１，１２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′（１２′）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。２０，２０′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、この逆となってい
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１１
（１２）とシール体１７（１７′）とを一体とした構造
に相当するものを図１（ト）に示す。シール手段Ｓ
（Ｓ′）やシール板１１（１２）の回転摺動面９（１
０）との間の潤滑は弁内吸気通路１３，１４を流れてく
る燃料に対して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１５，１６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１６（１５）の内壁と
の間に断熱空気層を有するライナー２６を備える事が望
ましい。図ではライナー２６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２６を鋳ぐる
む様にする。ライナー２６の表面にセラミックなどの低
熱伝導度材料の層を形成（コーティング）すると、更に
効果がある。本発明はロータリ弁８が機関主軸の回転の
１／２又は１／４に減速して駆動されるが、後者の場合
は弁内排気通路１６（１５）は図３（ロ）の如く環状に
流れる様に形成すると良い。

【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
１５，１６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）は図１（イ）におけ
る吸気系を排気系に、排気系を気系に逆転したもので、
弁内排気通路１５，１６は軸方向へ排気を流出させる軸
流式を採っている。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、ガス交換が円滑に行
なわれる様にしている。そして図４（ニ）は図１（イ）
における弁内吸気通路１３，１４がロータリ弁８の端面
へ連絡する様にしたもので、吸気は軸内を流れていな
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）
をさせたものである。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
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。Ｂ方向
から見たロータリ弁８を図５（ロ）に示す。図５（イ）
で気筒間のロータリ弁８（中央）は一方の気筒に属する
弁内吸気通路１３・弁内排気通路１５、及び他方の気筒
に属する弁内吸気通路１４・弁内排気通路１６を有して
おり、両者は気筒間のロータリ弁８の厚さを中央の境界
として分離している。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、
この部分はシール手段Ｓ，Ｓ′が嵌り込む周囲の壁面を
正確に機械加工した後に、溶接・ボルト締結などにより
取り付ける様にすれば、前記機械加工が容易になる。
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２７を挿入
・固定し、その外周に形成された冷却空間２８に冷却液
（油・水等）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
毎に備えた本発明による実施例を図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２９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
３０、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
の差により機関に過給が行なわれる。従来はこの様なク
ランク室圧縮型過給方式ではポペット弁によりガス交換
が行なわれているが、その欠点を解決する為、本発明に
よるロータリ弁８を使用したものである。尚、図ではシ
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、本発明ではシール手段Ｓ，Ｓ′にはいずれも吸
気行程で必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あり、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
ルされる利点がある（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）。尚、図５（イ）で
各気筒への燃料分配上問題が生ずる場合は、二点鎖線示
の如く軸内を仕切って二分し、軸の両端から吸気を流入
させる構成とし、各々に燃料供給装置を接続させれば、
燃料の分配は確実に均等に行なわれる様になる（４気筒
機関の時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、軸の両端から流入させて燃料の分配性
を向上させる）。

【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】シール手段を示す図である。

【図３】ロータリ弁を示す図である。

【図４】本発明により内燃機関のロータリ弁装置の各種
実施態様の図である。

【図５】本発明による内燃機関のロータリ弁装置の各種
実施態様の図である。

【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は内燃室、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・１６は弁内排
気通路、１７・１７′はシール体、１８・１８′はシー
ルリング、１９・１９′はバネ、Ｓ・Ｓ′はシール手
段、２０・２０′はバネ、１１′・１２′は分割部、２
１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は跨、２
６はライナー、２７はスリーブ、２８は冷却空間、２９
・３０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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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、更にシール手段を前記各々の回転摺動面に密着
   させる如く各々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前記各々
   のシール手段に各々連絡する事によって前記各々のシー
   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各々のシール手段に
   各々連絡する事によって前記各々の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。
2. 【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。
3. 【請求項３】 各々の回転摺動面に働らく燃焼室内圧力
   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。
4. 【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。