JPWO2016111150A1

JPWO2016111150A1 - バルブステムシール

Info

Publication number: JPWO2016111150A1
Application number: JP2016533221A
Authority: JP
Inventors: 陽紀岩井
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2016111150A1

Abstract

背圧によるバルブステム（１０４）の外周面に対する摺動抵抗の増大を抑制して、バルブステム（１０４）の作動性を良好にするため、補強環（１５）によって補強されバルブガイド（１０５）の外周に装着される基部（１１）と、バルブガイド（１０５）より油室（１０９）側に位置し基部（１１）から補強環（１５）の油室（１０９）側の端部の内径側へ延びる首部（１２）と、首部（１２）の内径側から油室（１０９）側へ向けて延び、バルブステム（１０４）に摺動可能に接触されるメインリップ（１３）と、首部（１２）の内径側からバルブガイド（１０５）側へ向けて延びる背圧リップ（１４）と、を備え、首部（１２）の曲げ剛性が背圧リップ（１４）からメインリップ（１３）の腰部にかけての曲げ剛性より小さく、背圧リップ（１４）は背圧によってバルブステム（１０４）に摺動可能に接触され、背圧の無負荷時にはバルブステム（１０４）と非接触である。

Description

本発明は、例えばエンジンの吸・排気バルブのバルブステムと、これを軸方向移動自在に支持するバルブステムガイドとの間を密封するバルブステムシールに関する。

エンジンの吸・排気バルブのバルブステムと、これを軸方向移動自在に支持するバルブステムガイドとの間は、バルブステムシールによって密封されている。図５は、バルブステムシールを設けたエンジンの排気バルブ、図６は、従来のバルブステムシールを示すものである。

図５において、参照符号１０１はエンジンのシリンダヘッド、１０２はシリンダヘッド１０１に形成された排気ポート、１０３は排気ポート１０２と燃焼室との間を開閉する傘型のバルブ、１０４はバルブ１０３から延びるバルブステム、１０５はバルブステム１０４が挿通され、このバルブステム１０４を軸方向移動自在に支持するバルブガイド、１０６はバルブステム１０４を介してバルブ１０３を閉弁方向へ付勢するスプリング、１０７はバルブステム１０４の上端に設けられたリフタ１０８に接触されると共に、カムシャフト１０７ａによって１回転する度に、スプリング１０６を圧縮させながらリフタ１０８及びバルブステム１０４を介してバルブ１０３を押し下げて開弁させるカムである。バルブガイド１０５の上部には、バルブガイド１０５の上部の外周側に位置してシリンダヘッド１０１に形成された油室１０９内のエンジンオイルをシール対象とするバルブステムシール１１０が装着されている。

バルブステムシール１１０は、詳しくは図６に示すように、バルブガイド１０５の上部外周面に密嵌される筒状基部１１１と、その上端から延び、バルブステム１０４の外周面に摺動可能に接触されるメインリップ１１２と、筒状基部１１１を補強する補強環１１３と、メインリップ１１２の外周に円周方向の張力を与えられた状態で装着されたガータスプリング１１４を備え、油室１０９内のエンジンオイルが、バルブステム１０４の外周面とバルブガイド１０５の内周面との間の隙間δへ流入するのをある程度許容することによって、バルブステム１０４とバルブガイド１０５との間の潤滑を図ると共に、隙間δから燃焼室側へのエンジンオイルの漏れ量増大による白煙の発生やエンジンオイル消費量の増大などを防止するために、エンジンオイルの漏れ量を適切に制御する機能を担っている。

また、例えばエンジンの始動時に、排気ポート１０２における排ガス圧力が上昇して、この排ガス圧力がバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じてバルブステムシール１１０のメインリップ１１２の内周面に背圧として負荷された場合、メインリップ１１２が拡径変形されてバルブステム１０４の外周面から開いてしまい、油室１０９からバルブステム１０４とバルブガイド１０５の隙間δ側へ通過するエンジンオイルの流量が大きく変化するおそれがある。したがって、このような条件で使用されるバルブステムシール１１０には、メインリップ１１２の内周面に背圧が負荷されるのを防止するための背圧リップ１１５が設けられる（例えば下記の特許文献１参照）。

特開平１０−２０５６２３号公報

しかしながら、バルブステムシール１１０に背圧リップ１１５を設けた場合は、バルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じて導入される背圧Ｐは、背圧リップ１１５の外周面に作用し、このためバルブステム１０４の外周面に対する背圧リップ１１５の締め付け力が増大するので、バルブステム１０４の往復動に対する摺動抵抗が大きくなって、燃費の向上を阻害するおそれがある。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、背圧によるバルブステムの外周面に対する摺動抵抗の増大を抑制することによって、バルブステムの作動性を良好に維持可能なバルブステムシールを提供することにある。

本発明は、上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、以下の手段を採用した。すなわち本発明に係るバルブステムシールは、補強環によって補強され、バルブガイドの外周に装着される基部と、前記バルブガイドより油室側に位置し前記基部から前記補強環の油室側の端部の内径側へ延びる首部と、この首部の内径側から前記油室側へ向けて延び、前記バルブガイドに挿通されたバルブステムの外周面に摺動可能に接触されるメインリップと、前記首部の内径側から前記バルブガイド側へ向けて延びる背圧リップと、を備え、前記首部の曲げ剛性が前記背圧リップから前記メインリップの腰部にかけての曲げ剛性より小さく、前記背圧リップは前記バルブガイドと背圧リップの間の空間に生じる背圧によって前記バルブステムの外周面に摺動可能に接触され、前記背圧の無負荷時には前記バルブステムの外周面と非接触であることを特徴とするものである（請求項１）。

上記構成において、背圧の無負荷時には、メインリップがバルブステムの外周面に摺動可能に接触することによって、油室からバルブガイド側へのオイルの漏れを制限しており、背圧リップがバルブステムの外周面と非接触であるためバルブステムとの摺動抵抗が低く抑えられる。また、バルブガイドと背圧リップの間の空間に背圧が生じた場合には、背圧リップが、その外周面に作用する背圧によって先端がバルブステムの外周面に摺動可能に接触するように変位して油室からバルブガイド側へのオイルの漏れを制限する。そして首部の曲げ剛性が背圧リップからメインリップの腰部にかけての曲げ剛性より小さいため、背圧リップがバルブステムの外周面との接触方向へ変位すると、首部を支点とするモーメントによって、メインリップはバルブステムの外周面から離間する方向へ変位し、摺動抵抗の増大が抑えられる。

また、本発明は上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、更に以下の手段を採用してもよい。すなわち上記構成のバルブステムシール（請求項１）において、背圧リップが背圧によってバルブステムの外周面に摺動可能に接触された状態では、この背圧リップの油室側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度が、この背圧リップのバルブガイド側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度より小さいことを特徴とするものである（請求項２）。

上記構成において、背圧リップの油室側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度を、背圧リップのバルブガイド側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度より小さくなるようにしたため、バルブステムの外周面から離間する方向へ変位したメインリップに代わって、油室からバルブガイド側へのオイルの漏れを適切に許容するように、漏れ量を制御することができる。

本発明に係るバルブステムシールによれば、背圧によって背圧リップがバルブステムの外周面に摺動可能に接触してもバルブステムの外周面に対する摺動抵抗の増大を抑制してバルブステムの作動性を良好に維持可能であると共に燃費を向上させ、かつ油室からバルブガイド側へのオイルの漏れを制御することができる。

本発明に係るバルブステムシールを、バルブガイド及びバルブステムと共に示す、無負荷状態の半断面図である。本発明に係るバルブステムシールを、バルブガイド及びバルブステムと共に示す、背圧が負荷された状態の半断面図である。本発明に係るバルブステムシールにおいてバルブステムの外周面に対する接触角度を説明するための図である。本発明に係るバルブステムシールの各部の肉厚を示す要部断面図である。バルブステムシールを設けたエンジンの排気バルブを示す断面図である。従来のバルブステムシールを、バルブガイド及びバルブステムと共に示す、背圧が負荷された状態の半断面図である。

以下、本発明に係るバルブステムシールの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１において、バルブステムシール１以外の各部は先に説明した図６と同様であって、すなわち参照符号１０４はエンジンの不図示の排気ポートを開閉するバルブから延びるバルブステム、参照符号１０５はエンジンのシリンダヘッドを貫通して設けられ、バルブステム１０４を軸方向移動自在に支持する円筒状のバルブガイドで、バルブガイド１０５の下端はエンジンの排気ポートに開口しており、バルブガイド１０５の上部外周側に存在する油室１０９内にはエンジンオイルが貯留されている。

バルブステムシール１は、金属からなる補強環１５によって補強されバルブガイド１０５の外周面に装着される筒状基部１１と、バルブガイド１０５より油室１０９側（上方）に位置し筒状基部１１から補強環１５の上端（油室１０９側の端部）に屈曲形成された内向き鍔部１５ａの内径側へ延びる首部１２と、この首部１２の内径側から油室１０９側（上方）へ向けて延び、バルブガイド１０５に挿通されたバルブステム１０４の外周面１０４ａに摺動可能に接触されるメインリップ１３と、首部１２の内径側からバルブガイド１０５側（下方）へ向けて延びる背圧リップ１４と、を備える。筒状基部１１、首部１２、メインリップ１３、及び背圧リップ１４は互いに連続しており、ゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で補強環１５に一体成形されたものである。なお、筒状基部１１は請求項１に記載された基部に相当するものである。

筒状基部１１は、内周面がバルブガイド１０５の上部外周面に適当なつぶし代をもって密接した状態で装着されるものであって、補強環１５の内周面に一体的に加硫接着されている。

筒状基部１１の上端から内径側へ連続して延びる首部１２は、補強環１５の上端の内向き鍔部１６ａの内径端に一体的に加硫接着されている。

メインリップ１３は、首部１２の内径側から上方へ向けて小径になる円錐筒状に延び、ばねなしリップ型、すなわち図６のようなガータスプリング１１４を装着しないシールリップであって、バルブガイド１０５の下方の排気ポートからバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じてバルブガイド１０５と背圧リップ１４の間の空間Ｓへ導入される排ガス圧力による背圧が負荷されていない通常状態では、上端近傍の内周に形成されたリップ先端１３ａが、バルブガイド１０５の上側でバルブステム１０４の外周面１０４ａに摺動可能に接触されている。また、メインリップ１３の軸方向中間部の内周面には、バルブステム１０４の偏心等に対するメインリップ１３の追随性能を向上させると共にメインリップ１３のベタ当たりを防止するために、複数の支持突起１３ｂが円周方向等配状に形成されている。

背圧リップ１４は、首部１２の内径側から下方へ向けて小径になる円錐筒状に延び、そのリップ先端１４ａは、バルブガイド１０５の下方の排気ポートからバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じて排ガス圧力による背圧が負荷されていない通常状態では、バルブステム１０４の外周面１０４ａに対してわずかなクリアランスを介して非接触状態にある。

また、高い排ガス圧力がバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じてバルブガイド１０５と背圧リップ１４の間の空間Ｓに導入されたときに、排ガスが空間Ｓからさらにリップ先端１４ａの内周のクリアランスを通過しようとする過程で圧力損失を生じることによって、背圧リップ１４の内周空間よりも外周空間Ｓの排ガス圧力が高くなり、その差圧による背圧Ｐ（図２参照）を生じるように、バルブステム１０４の外周面１０４ａとリップ先端１４ａとの間のクリアランスは、適切な大きさに設定されている。そして背圧リップ１４は、排ガス圧力が空間Ｓに導入されることによって生じる背圧Ｐが外周から負荷されることによって、図２に示すように、バルブステム１０４の外周面１０４ａに摺動可能に接触されるようになっている。

ここで、図３（Ａ）に示すように、メインリップ１３は、そのリップ先端１３ａがバルブステム外周面１０４ａに接触された状態において、リップ先端１３ａから上側（油室１０９側）へ延びる油室側内周面１３ｄがバルブステム外周面１０４ａとなす角度θ_Ａが、リップ先端１３ａから下側（バルブガイド１０５側）へ延びるバルブガイド側内周面１３ｅがバルブステム外周面１０４ａとなす角度θ_Ｂより小さくなるように形成されている。

また、図３（Ｂ）に示すように、背圧リップ１４は、そのリップ先端１４ａがバルブステム外周面１０４ａに接触された状態において、リップ先端１４ａから上側（油室１０９側）へ延びる油室側内周面１４ｃがバルブステム外周面１０４ａとなす角度θ_Ｃが、リップ先端１４ａから下側（バルブガイド１０５側）へ延びるバルブガイド側内周面１４ｄがバルブステム外周面１０４ａとなす角度θ_Ｄより小さくなるように形成されている。

また、図４に示すように、背圧リップ１４は、その延長方向と直交する方向の肉厚がそのリップ先端１４ａ側から根元のヒール１４ｂ側へ向けて徐々に増大する形状となっており、また、首部１２は、その軸方向肉厚ｔ_１２が、背圧リップ１４のヒール１４ｂの肉厚ｔ_１４及びメインリップ１３の腰部１３ｃの肉厚（メインリップ１３の延長方向と直交する方向の肉厚）ｔ_１３より小さくなるようにくびれた形状となっており、これによって首部１２の曲げ剛性は、背圧リップ１４からメインリップ１３の腰部１３ｃにかけての曲げ剛性より小さく設定されている。したがって背圧リップ１４が、図１又は図３（Ａ）に示す通常状態から図２又は図３（Ｂ）に示す接触状態へ変位すると、首部１２を曲げ起点とするモーメントによって、メインリップ１３が、バルブステム１０４の外周面１０４ａから離間する方向への変位力を受けるようになっている。

以上のように構成された図示の実施の形態において、バルブガイド１０５の下方の排気ポートからバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じて空間Ｓに導入される排ガス圧力による背圧が負荷されていない通常状態では、図１に示すように、メインリップ１３は、リップ先端１３ａ及び支持突起１３ｂがバルブガイド１０５の上側でバルブステム１０４の外周面１０４ａに摺動可能に接触しており、油室１０９内のエンジンオイルがバルブステム１０４の外周面１０４ａとバルブガイド１０５の内周面との間の隙間δへ流入するのを、適切に制限するものである。詳しくは図３（Ａ）に示すように、θ_Ａ＜θ_Ｂとなっていることによって、隙間δへ適量のエンジンオイルが流入するのを許容しており、バルブステム１０４とバルブガイド１０５との間の潤滑を図ると共に、隙間δから燃焼室側へのエンジンオイルの漏れ量増大による白煙の発生やエンジンオイルの消費量の増大などを防止する機能を担っている。

一方、背圧リップ１４は、バルブステム１０４の外周面１０４ａに対して通常非接触の状態にあり、メインリップ１３のみがバルブステム１０４の外周面１０４ａに接触しているため、バルブステム１０４の往復動に対する摺動抵抗が小さく抑えられる。

また、例えばエンジンの始動時に、排気ポートにおける排ガス圧力が瞬時に上昇し、この高い排ガス圧力がバルブステム１０４とバルブガイド１０５の間の隙間δを通じて、バルブガイド１０５と背圧リップ１４の間の空間Ｓに導入された場合は、この空間Ｓから排ガスがさらに背圧リップ１４の内周を通過しようとする過程で、背圧リップ１４のリップ先端１４ａとバルブステム１０４の外周面１０４ａの間のクリアランスにおいて圧力損失を生じ、このため背圧リップ１４の内周よりも外周（空間Ｓ）の排ガス圧力が高くなり、その差圧が、図２に示すように背圧Ｐとして背圧リップ１４の外周面に作用する。したがって背圧リップ１４は、背圧Ｐを受けてリップ先端１４ａがバルブステム１０４の外周面１０４ａに摺動可能に接触するように変位する。

そして首部１２の曲げ剛性は、背圧リップ１４からメインリップ１３の腰部１３ｃにかけての曲げ剛性より小さいため、首部１２を支点とするモーメントによって、背圧リップ１４の変位がメインリップ１３をバルブステム１０４の外周面１０４ａから離間する方向へ変位させるように作用する。また、背圧Ｐの一部が背圧リップ１４のヒール１４ｂから首部１２にかけての部分を上側へ曲げ変形させるように作用することも、首部１２を支点としてメインリップ１３がバルブステム１０４の外周面１０４ａから離間する方向への変位を助長する。したがって背圧リップ１４のみがバルブステム１０４の外周面１０４ａに接触しているため、バルブステム１０４の往復動に対する摺動抵抗が小さく抑えられる。

そしてこの状態では、図３（Ｂ）に示すように、背圧リップ１４は、リップ先端１４ａの上下両側でバルブステム１０４の外周面１０４ａとなす角度がθ_Ｃ＜θ_Ｄとなっているため、隙間δへ適量のエンジンオイルが流入するのを許容する。したがって、バルブステム１０４の外周面１０４ａから離間する方向へ変位したメインリップ１３に代わって、バルブステム１０４とバルブガイド１０５との間の潤滑を図ると共に、隙間δから燃焼室側へのエンジンオイルの漏れ量増大による白煙の発生やエンジンオイルの消費量の増大などを防止する機能を担うことができる。

しかも上述のようにθ_Ｃ＜θ_Ｄとなっているため、背圧Ｐによって背圧リップ１４がメインリップ１３の内周側へ向けてめくれ上がるような変位をすることはなく、このため背圧リップ１４とバルブステム１０４の外周面１０４ａとの摺動抵抗の増大や摩耗の増大なども抑制される。

なお、上述した実施の形態では、メインリップ１３を、ガータスプリングが装着されていないばねなしリップ型としたが、背圧リップ１４が、バルブステム１０４の外周面１０４ａとの非接触状態から接触状態へ変位したときに、首部１２を曲げ起点とするモーメントによってバルブステム１０４の外周面１０４ａから離間可能であれば、ガータスプリングが装着された仕様のものを採用することもできる。

バルブステム１０４の軸径がφ４〜４０ｍｍ、背圧Ｐが０〜８００ｋＰａである場合、背圧Ｐが負荷されていない通常状態での背圧リップ１４のリップ先端１４ａとバルブステム１０４の外周面１０４ａとのクリアランスは０．０５〜０．４０ｍｍとし、図４に示すバルブステムと同心の仮想円筒面１０４ａ’に対して背圧リップ１４の油室側内周面１４ｃがなす角度θ_Ｃ’は５〜５０°、同じく仮想円筒面１０４ａ’に対してバルブガイド側内周面１４ｄがなす角度θ_Ｄ’は５〜５０°とし、背圧Ｐの負荷によってリップ先端１４ａがバルブステム１０４の外周面１０４ａに接触されたときに、この外周面１０４ａに対して油室側内周面１４ｃがなす角度θ_Ｃは５〜５０°、バルブガイド側内周面１４ｄがなす角度θ_Ｄは５〜５０°（但しθ_Ｃ＜θ_Ｄ）とすることが好ましい。

具体例としては、バルブステム１０４の軸径がφ５．５ｍｍ、背圧Ｐが５００ｋＰａである場合、背圧Ｐが負荷されていない通常状態での背圧リップ１４のリップ先端１４ａとバルブステム１０４の外周面１０４ａとのクリアランスは０．２０ｍｍとし、図４に示すバルブステムと同心の仮想円筒面１０４ａ’に対して背圧リップ１４の油室側内周面１４ｃがなす角度θ_Ｃ’は１０°、同じく仮想円筒面１０４ａ’に対してバルブガイド側内周面１４ｄがなす角度θ_Ｄ’は５０°とし、背圧Ｐの負荷によってリップ先端１４ａがバルブステム１０４の外周面１０４ａに接触されたときに、この外周面１０４ａに対して油室側内周面１４ｃがなす角度θ_Ｃは２０°、バルブガイド側内周面１４ｄがなす角度θ_Ｄは４０°とすることが好ましい。

１バルブステムシール
１１筒状基部（基部）
１２首部
１３メインリップ
１３ａリップ先端
１４背圧リップ
１４ａリップ先端
１５補強環
１０４バルブステム
１０５バルブガイド
１０９油室

Claims

補強環によって補強され、バルブガイドの外周に装着される基部と、前記バルブガイドより油室側に位置し前記基部から前記補強環の油室側の端部の内径側へ延びる首部と、この首部の内径側から前記油室側へ向けて延び、前記バルブガイドに挿通されたバルブステムの外周面に摺動可能に接触されるメインリップと、前記首部の内径側から前記バルブガイド側へ向けて延びる背圧リップと、を備え、前記首部の曲げ剛性が前記背圧リップから前記メインリップの腰部にかけての曲げ剛性より小さく、前記背圧リップは前記バルブガイド側からの背圧によって前記バルブステムの外周面に摺動可能に接触され、前記背圧の無負荷時には前記バルブステムの外周面と非接触であることを特徴とするバルブステムシール。
背圧リップがバルブステムの外周面に摺動可能に接触された状態では、この背圧リップの油室側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度が、この背圧リップのバルブガイド側内周面が前記バルブステムの外周面となす角度より小さいことを特徴とする請求項１に記載のバルブステムシール。