JPH11509601A - エンジンシリンダのプッシュプルバルブ組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 エンジンシリンダのプッシュ・プルバルブ組立体(10,50)が、第１の開口部(15,55)と第２の開口部(16,56)とを介し中空のピストンシリンダ(13,53)と流体連通するガス通路(14,54)を備えるエンジン(12,52)を含む。内側バルブシート(17,57)が中空ピストンシリンダに近接した第１の開口部に配置されている。外側バルブシート(18,58)がガス通路に近接した第２の開口部に配置されている。第１のバルブ部材(20,60)が第１のステム(21,61)と第１の拡径部分(22,62)とを有しており、内側バルブ面(23,63)が中空ピストンシリンダ内に配置されている。第２のバルブ部材(25,65)が、第２のステム(26,66)と第２の拡径部分(27,67)とを有しており、外側バルブ面(26,68)がガス通路内に配置された状態である。第１バルブ部材と第２バルブ部材が機械的リンケージまたは油圧リンケージ(33,73)により結合されて作動する。ばねがバルブを閉じるように付勢する。

Description

【発明の詳細な説明】 エンジンシリンダのプッシュプルバルブ組立体 技術分野 本発明は、一般的に、エンジンシリンダのバルブ組立体に関する。より詳細に は、本発明は、ディーゼルエンジンのシリンダのための結合式プッシュプルバル ブ組立体に関する。背景技術 現在のディーゼルエンジンバルブは、シリンダに対し開き、燃焼のための空気 を与えたり、燃焼後の排気ガスを放出するようになっている。ほとんどのエンジ ンバルブはシリンダに対し開き、機械的に、あるいは電子的にタイミングが決め られ、ピストンシリンダ内で上下運動している往復ピストンと接触しないように なっている。これらの内側に開くバルブは、有効なシール特性という利点を有す る。何故ならば燃焼中にシリンダ圧が上昇すると、バルブの各側部での圧力差の ためにバルブがシートに対しより密着してシールされるようになるからである。 しかし、欠点は、バルブを開く事象のタイミングを誤ると、望ましくなく、大き な被害を及ぼす可能性のあるバルブとピストンの接触を導くことになる。このこ とは、ピストンとバルブ部材の双方が同時に同一空間を占めようとする可能性を 有するためである。 従来技術の内側に開くバルブの別の欠点は、アクチュエータと付勢ばねがエン ジンシリンダ上で相当量の空間を占める傾向にあるので、燃料噴射器を配置すべ き空間には比較的小さな空間の囲いしか残らないということである。 これらの従来技術の内側に開くバルブが直面する別の欠点は、バルブを閉位置 に付勢するのに用いられる付勢ばねが比較的強度があることが多いということで ある。これは、各個々のバルブを開くのに相当量のエネルギーとパワーのあるア クチュエータとを必要とする。結果として、これは、カム駆動式バルブからより 好ましい電子作動式バルブシステムに変えることを妨げることになる。 本発明は、従来技術の内側に開くバルブ組立体に関連するこれらのおよび別の 問題を軽減するものである。本発明の開示 従来技術に関連する問題に応え、本発明は、エンジンシリンダのプッシュ・プ ルバルブ組立体を提供する。この組立体は、第１および第２の開口部を介し中空 のピストンシリンダと流体連通するガス通路を備えるエンジンを含む。内側バル ブシートが、中空のピストンシリンダに近接した第１の開口部に配置される。外 側バルブシートがガス通路に近接した第２の開口部に配置される。第１のバルブ 部材が、１のステムと、第１の拡径部分とを有し、内側バルブ面が中空ピストン シリンダ内に配置された状態になっている。第２のバルブ部材が、第２のステム と、第２の拡径部分とを有し、外側バルブ面がガス通路に配置された状態になっ ている。機械的または油圧的リンケージのような所定の手段が、第１のステムと 第２のステムを接続して作動するように設けられており、第１のバルブ部材が第 ２のバルブ部材に結合されるようになっている。ばねのような別の手段が、内側 バルブ面を内側バルブシートに対し付勢するように設けられており、第１の開い た外側のバルブ面を外側バルブシートに対し閉じて、第２の開口部を閉じるよう になっている。 本発明の１目的は、バルブを作動させてシリンダ圧に対し開くのに必要とされ るパワーを低減させることである。 本発明の別の目的は、燃料噴射器のエンジンシリンダ上の利用可能空間を大き くさせることである。 本発明のさらに別の目的は、タイミングの誤ったバルブを開く事象のためにバ ルブとピストンの接触を回避することである。 本発明の別の目的は、エンジンシリンダの改善されたバルブ組立体を提供する ことである。図面の簡単な説明 図１は、本発明の１実施例に従ったエンジンシリンダのプッシュ・プルバルブ 組立体の側部断面図である。 図２は、本発明の別の実施例に従ったエンジンシリンダのプッシュ・プルバル ブ組立体の側部断面図である。本発明を実施するのに最良の形態 図１を参照すると、プッシュ・プルバルブ組立体１０がエンジン１２に取り付 けられており、エンジン１２が、第１の開口部１５と第２の開口部１６とを介し てガス通路１４と流体連通する中空のピストンシリンダ１３を有する。ガス通路 １４は、中空ピストンシリンダ１３への空気供給通路または、中空ピストンシリ ンダ１３からの排気ガス通路のいずれかとすることができる。中空ピストンシリ ンダ１３に近接する第１の開口部１５の一部が、環状形状の内側に面するバルブ シート１７に形成される。ガス通路１４に近接する第２の開口部１６の一部が環 状形状外側バルブシート１８に形成される。 第１バルブ部材２０は、第１のステム２１と、中空ピストンシリンダ１３内に 配置された第１の拡径部分２２とを有する。第１の拡径部分２２は、内側バルブ シート１７に対し着座したときに第１の開口部１５を閉じる環状形状の内側バル ブ面２３を含む。第２のバルブ部材２５は、第２のステム２６と、ガス通路１４ 内に配置された第２の拡径部分２７とを有する。拡径部分２７は、環状形状のバ ルブ面２８を含むように形成されており、バルブ面２８は、開口部に取り付けら れた浮動バルブシートの一部として機械加工されている、外側バルブシート１８ に対し着座すると、第２の開口部１６を閉鎖するようになっている。 第１のバルブ部材２０が、第１のステム２１に取り付けられた１つのアームと 第２のステム２６に取り付けられた対向するアームとを有するロッカーアーム３ ３を介し第２のバルブ部材２５に結合されている。ロッカーアーム３３がピボッ ト点３４のまわりで回転するように取り付けられる。「結合される」とは、バル ブステム間における物理的なリンケージ結合により、１つの部材が別の部材によ り動かされる距離の関数として動くことを意味する。関数は好ましくは線形であ り、相対的動きが一定比となる。図１に示したプッシュ・プルバルブ組立体１０ の場合には、一定比は１対１の関係である。なぜならば双方のバルブステム２１ と２６がピボット点３４から等しい距離だけ離れているからである。捩ればね３ ６が、ピボット点３４のまわりに取り付けられており、ロッカーアーム３３を図 示したような水平位置に付勢するようになっており、第１バルブ部材２０と第２ のバルブ部材２５が、第１および第２の開口部１５、１６をそれぞれ閉鎖するよ うになる。 本発明のプッシュ・プルバルブ組立体１０は、エンジンにより直接機械的に駆 動されるカムにより作動できるが、本発明は、バルブのタイミングのためにエン ジンクランクシャフト位置を独立して制御できる電子制御式システムにおいて最 も好ましい用途を発見した。この場合、アクチュエータ４０は、油圧プランジャ ４１を含んでおり、一端が第１バルブ部材２０の第１のステム２１に結合され、 他端が油圧キャビティ４２に曝される状態となっている。本分野で公知の電子ソ レノイド制御式バルブ４３が高圧流体供給入口４４、あるいは低圧流体ドレン４ ５に対し油圧作動キャビティ４２を交互に開く。キャタピラー社により製造され ている種類の油圧作動式燃料噴射器が油圧媒体としてエンジン潤滑油を用いると いう点で同一の手段で油圧アクチュエータ４０は、油圧媒体として油圧オイルを 用いるが好ましい。 エンジンコンピュータ４８は、リンク４９を介しソレノイド４３と通信し、ソ レノイド４３を励磁し消勢することによりコンピュータがソレノイド４３を制御 できるようにする。この例において、ソレノイド４３が励磁されると、高圧油圧 流体が入口４４を通ってキャビティ４２に流れ、油圧プランジャ４１を下方に押 し下げる。この動作により、第１バルブ部材２０が下方に動き第１の開口部１５ を開ける。第１のバルブ部材２０を第２のバルブ部材２５にロッカーアーム３３ を介し結合していることのために、第２のバルブ部材２５がシートから持ち上が り離れて第２の開口部１６を開くことになる。コンピュータ４８がソレノイド４ ３を消勢すると、キャビティ４２が低圧ドレン４５に対し開き、捩ればね３６に よりバルブ部材２０と２５が図示するような閉位置に戻ることになる。 本発明の結合されたバルブ部材が、一般的に従来技術の単一のバルブ部材と置 き換えることができるので、本発明のバルブは、中空のピストンシリンダ１３と ガス通路１４との間で適切な流れ領域を与えながら、従来よりも短い長さだけ開 くことができる。従って、多くの場合、内側に開くバルブ部材２０が励磁されて わずかな距離だけ中空のピストンシリンダ１３の中に動き、この距離は好ましく は十分に小さく、シリンダ３０とバルブ部材２０の拡径ヘッド部分２２が接触す ることが不可能となる。ある場合には、ピストンとバルブの接触の可能性を排除 することを確実にするために、内側に開くバルブ部材２０のために適当な間隙を 与えるように、ピストン３０の上面に浅い窪み３１を機械加工することが必要と なる。本分野の当業者であれば、いかなる場合でも、外側に開くバルブ部材２５ がピストン３０と接触する可能性がないことがわかるであろう。 図２を参照すると、本発明の別の実施例に従ったプッシュ・プルバルブ組立体 ５０が図示されている。先の実施例のように、組立体５０は、第１の開口部５５ と第２の開口部５６とを介しガス通路５４と流体連通する中空のピストンシリン ダ５３を形成するエンジン５２に取り付けられている。第１の開口部５５が環状 形状の内側バルブシート５７を含むように機械加工されている。浮動バルブ部材 ７０が第２の開口５６に取り付けられており、ばね７１を介し中空ピストンシリ ンダ５３から離れた位置に付勢される。浮動バルブ部材７０は環状形状の外側バ ルブシート５８を含むように機械加工されている。浮動バルブ部材７０により、 本発明のバルブ組立体はバルブシート領域の熱成長と摩耗を収めるようになって いる。浮動バルブ部材により、外側バルブシート５８が中空のピストンシリンダ ５３の上を浮き上がったり下がったりする。中空ピストンシリンダ５３内の圧力 が浮動バルブ部材７０を外側に開くバルブ部材６５に対し上に押し上げ、第２の 開口部５６を適切に閉鎖するようにする。 第１の内側に開くバルブ部材６０は、第１のステム６１と、中空のシリンダ５ ３内に配置された拡径部分６２とを含む。拡径部分６２の部分は、内側のバルブ シート５７に対し着座するときに第１の開口部５５を閉じる環状形状の内側バル ブシート６３を含むように機械加工されている。外側に開くバルブ部材６５は、 第２のステム６６と、ガス通路５４内に配置されている拡径部分６７とを含む。 拡径部分６７は、外側バルブシート５８に対し着座するときに第２の開口部５６ を閉じる環状形状のバルブ面６８を含むように機械加工されている。 内側に開くバルブ部材６０と外側に開くバルブ部材６５とが油圧リンケージ７ ３を介し相互に結合されている。油圧リンケージ７３は、一端が第１のステム６ １に結合され、他端の圧力面端部が油圧キャビティ７６内の流体圧に曝された状 態で第１の油圧プランジャ７４を含む。本分野において公知の種類の油圧スナバ ７７が内側に開くバルブ部材６０のシール速度を制御するように含むことができ る。リンケージ７３は第２の油圧プランジャ７５を含んでおり、一端が第２のス テム６６に取り付けられ、他端が油圧流体キャビティ７６に配置された状態とな っている。キャビティ７６内の流体容積は相対的に一定であるために、第２の油 圧プランジャ７５の上方の動きにより、必然的に第１の油圧プランジャ７４内の 下方の動きが発生し、逆に第１油圧プランジャ７４内の下方の動きにより第２の 油圧プランジャ７５が上方に動くことになる。バルブ部材６０および６５との動 きが油圧リンケージ７３により結合され、２つのバルブ部材間の動作比が、油圧 プランジャ７４と７５の相対的な大きさに設計することにより制御することがで きる。言い換えると、油圧プランジャ７４と７５とが同一の変位を有する場合、 バルブ部材の動作は、１対１の正比例となる。本分野の当業者であれば、所望の 相対的動作比は、油圧プランジャ７４と７５の相対的な変位容積を制御すること により設計できる。この制御は、２つのバルブの相対的な動作がロッカーアーム 組立体内の対向するアームの長さにより制御された図１に図示したものと同類で ある。 アクチュエータ９０は、ロッド８３を介し第２の油圧プランジャ７５に接続さ れて作動するソレノイド８４を含む。コンピュータ８５は、通信リンク８６を介 しソレノイド８４と通信して制御する。ソレノイド８４が励磁されると、ロッド ８３が油圧プランジャ７５を持ち上げ、第２のバルブ部材６５がシートから持ち 上がり離れることになる。同時に、油圧キャビティ６７内の流体変位により第１ の油圧プランジャ７４が下方に動き、内側に開くバルブ部材６０が陰影で示すよ うにシートから動いて離れるようになっている。ソレノイド８４が消勢されると 戻りコイル圧縮ばね８０がバルブ部材６０を閉位置に押す。これにより、第１の 油圧プランジャ７４が変位し、第２の油圧プランジャ７５を油圧的に再び押して 、外側に開くバルブ部材６５を閉鎖するようになる。産業上の利用可能性 本分野の当業者であれば、本発明は、本発明のプッシュ・プルバルブを実質的 にいかなるエンジンシリンダのバルブ要求にも合うように設計できるといった、 ある程度の自由を提供することがわかるであろう。例えば、従来技術のように、 中空ピストンシリンダ１３とガス通路１４との間の差圧を、各シートに対しバル ブ部材２０、２５を保持するように利用することができ、好ましくないリンケー ジを回避することができる。この適当なバルブ閉鎖を確実にするＩつの方法は、 第１の拡径された部分２２の有効面積を、第２の拡径部分２７の有効暴露面より も大きくするように設計することである。この方法において、第１バルブ部材２ ０を閉鎖しようとする力が、外側に開くバルブ部材２５を開こうとする力よりも 大きい。このことは、バルブ部材２０がバルブ部材２５よりもピボット点３４よ りもさらに離れるようにロッカーアームを設計することにより達成もできる。こ の手段では、バルブ部材にかかる上方の力が、第２のバルブ部材２５にかかる上 方の力により発生した反トルクよりもピボット点のまわりにより大きいトルクを 作り出すことになる。これらの２つの自由さのために、エンジニアは、燃焼中と バルブが開いているときの適切な流量面積の間、適当なバルブ閉鎖を確実にしな がら、内側に開くバルブ部材２０が中空のピストンシリンダ１３に対し突出しな ければならない距離を最小にできる。 別のバルブ部材に対し１つのバルブ部材を均衡にすることによって、組立体は バルブを開位置に動かすのに相対的に小さい作動力ですむように設計できる。こ のために、プッシュ・プルバルブ組立体が、キャタピラー社により製造されてい る種類のような、油圧作動式燃料噴霧器に関し開発されたアクチュエータ技術を 利用できる。この圧力均衡能力のために、バルブを閉位置に付勢するのに比較的 弱い付勢ばねが必要となるだけである。従って、バルブ組立体は、従来技術に必 要とされたものよりも比較的小さく弱い部品で、閉鎖するように付勢され、開位 置に付勢することができる。これにより、燃料噴射器に関連する利用可能な空間 を拡大できる。燃料噴射器に関し、この拡大された利用可能空間により、従来の 制約された空間の利用性においては不可能であったような改良を燃料噴射器に取 り込むことができる。 本発明は、２つの別個の実施例で記載してきており、１つは、第１バルブ部材 を第２のバルブ部材に機械的にリンク結合することを示しており、もう１つは油 圧リンケージを示しているが、実際、本分野において公知の種類のいかなる適切 なリンケージでも本発明に組み込み用いることができる。さらに、本分野の当業 者は、本発明のプッシュ・プルバルブ組立体を、ソレノイドを介し、例えば油圧 的に本分野において公知のいくつかの方法の１つにより、あるいは従来のカム駆 動機械システムによってでも作動させることができる。いずれにしろ、上述の記 載は、図示することのみを目的とするものであり、本発明の範囲を制限するもの ではない。本発明の意図する範囲は、以下に記載の請求の範囲から解釈されなけ ればならない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の開口部(15,55)と第２の開口部(16,56)とを介し、中空のピストンシリ ンダ(13,53)と流体連通するガス通路(14,54)を形成するエンジン(12,52)と、 前記中空ピストンシリンダ(13,53)に近接した前記第１の開口部(15,55)に配 置された内側バルブシート(17,57)と、 前記ガス通路(14,54)に近接した前記第２の開口部(16,56)に配置された外側 バルブシート(18,58)と、 内側バルブ面(23,63)が前記中空ピストンシリンダ(13,53)内に配置された状 態で、第１のステム(21,61)と第１の拡径部分(22,62)とを有する第１バルブ部材 (20,60)と、 外側バルブ面(28,68)が前記ガス通路(15,54)に配置された状態で、第２のス テム(22,66)と第２の拡径部分(27,67)とを有する第２のバルブ部材(25,65)と、 前記第１ステム(21,61)と第２ステム(26,66)とを接続して作動させ、前記第 １バルブ部材(20,60)と前記第２バルブ部材(25,65)とを結合するための手段(33, 73)と、 前記内側バルブシート(17,57)に対し前記内側バルブ面(23,63)を付勢し、前 記第１開口部(15,55)と前記外側バルブ面(28,68)を前記外側バルブシート(18,58 )に対し閉じて、前記第２の開口部(16,56)を閉じるようになっている手段(36,80 )と、 を備えるエンジンシリンダのプッシュ・プルバルブ組立体(10,50)。 ２．前記第１のステム(12,61)または前記第２のステム(22,66)のいずれか一方に 接続されて作動し、付勢されると第１の位置から第２の位置に動くことのできる アクチュエータ(40,90)を備え、 前記内側バルブ面(23,63)が前記内側バルブシート(17,57)から離れて、前記 第１開口部(15,55)を開くようになっており、前記外側バルブ面(28,68)が 前記外側バルブシート(18,58)から離れ、前記アクチュエータ(40,90)が前記第２ の位置にあるときに前記第２の開口部(16,56)を開くようになっており、 前記アクチュエータ(40,90)と連通し、該アクチュエータ(40,90)を前記第１ の位置から前記第２の位置に動かすように制御できるコンピュータ(48,85)と、 を備えていることを特徴とする請求項１に記載のプッシュ・プルバルブ組立 体(10,50)。 ３．前記付勢手段は、ばね(36,80)であることを特徴とする請求項２に記載のプ ッシュ・プルバルブ組立体(10,50)。 ４．前記結合手段は、前記第１のステム(21)と前記第２のステム(26)を相互接続 する機械的リンケージ(33)を含むことを特徴とする請求項３に記載のプッシュ・ プルバルブ組立体(10)。 ５．前記機械的リンケージは、前記エンジン(12)にピボット(34)で回転可能に取 り付けられており、前記第１ステム(21)に取り付けられた第１のアームと前記第 ２のステム(26)に取り付けられた第２のアームとを有するロッカーアーム(33)を 含むことを特徴とする請求項４に記載のプッシュ・プルバルブ組立体(10)。 ６．前記ばねは、前記ロッカーアーム(33)と接触して前記ピボット(34)のまわり に取り付けられた捩ればね(36)であることを特徴とする請求項５に記載のプッシ ュ・プルバルブ組立体(10)。 ７．前記アクチュエータ(40)は、前記第１のステム(21)または前記第２のステム (26)のいずれか一方に取り付けられた油圧プランジャ(41)を含むことを特徴とす る請求項６に記載のプッシュ・プルバルブ組立体(10)。 ８．前記外側バルブシート(18,58)は、前記第２の開口部(16,56)に取り付けられ た浮動バルブ部材(70)の一部であり、 該浮動バルブ部材(70)は、第１の位置と、前記中空ピストンシリンダ(13,53 )からさらに離れた第２の位置との間を可動となっており、 前記浮動バルブ部材(70)と前記エンジン(12)との間に取り付けられており、 前記浮動バルブ部材(70)を前記第２の位置に付勢するようになっている手段(71) が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のプッシュ・プルバルブ組立 体(10,50)。 ９．結合するための前記手段は、前記第１ステム(61)と前記第２ステム(66)とを 相互に接続するための油圧リンケージ(73)を含むことを特徴とする請求項３に記 載のプッシュ・プルバルブ組立体(50)。 10．前記油圧リンケージ(73)は、前記第１のステム(61)に取り付けられた第１の 油圧プランジャ(74)と、前記第２のステム(66)に取りられた第２の油圧プランジ ャ(75)と、前記第１の油圧プランジャ(74)と前記第２の油圧プランジャ(75)との 間を延びる油圧接続部(76)と、を含むことを特徴とする請求項９に記載のプッシ ュ・プルバルブ組立(50)。 11．前記ばねが、前記エンジン(12)と前記第１バルブ部材(60)との間で圧縮され たコイルばね(80)であることを特徴とする請求項１０に記載のプッシュ・プルバ ルブ組立体(50)。 12．前記アクチュエータ(90)は、前記第１油圧プランジャ(74)、または前記第２ 油圧プランジャ(75)のいずれか一方に取り付けられていることを特徴とする請求 項１１に記載のプッシュ・プルバルブ組立体(50)。 13．前記外側バルブシート(58)は前記第２開口部(56)に取り付けられた浮動バル ブ部材(70)の一部であり、 該浮動バルブ部材(70)は、第１の位置と、前記中空ピストンシリンダ(52)か らさらに離れた第２の位置との間を可動であり、 前記浮動バルブ部材(70)を前記第２の位置の方向に付勢するようになってい る手段(71)が前記浮動バルブ部材(70)と前記エンジン(52)との間に取り付けられ ていることを特徴とする請求項１２に記載のプッシュ・プルバルブ組立体(50)。