JPWO2019131015A1 - 密封構造 - Google Patents

Abstract

密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、弾性環を補強する剛性材料から形成された剛性環とを備える。弾性環は、往復運動する棒体の外周面が摺動可能に接触するリップと、棒体のガイドが嵌め入れられてガイドの外周面に接触する弾性環円筒部と、リップと弾性環円筒部とを連結する円環部とを備える。ガイドは、外周面に形成された嵌合周溝と、嵌合周溝の底面の直径よりも大きい外径を有する端側大径部と中央大径部とを有する。嵌合周溝の端部は傾斜面を有する。弾性環円筒部の内周面は、ガイドの嵌合周溝に嵌め込まれる環状突起と、嵌合周溝の傾斜面に対向する弾性環周溝と、中央大径部に接触させられる接触部とを有する。

Description

本発明は、密封構造に関する。

自動車、船舶、農機などに使用されるガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ吸気バルブおよび排気バルブが配置されている。各バルブは、バルブステムと、バルブステムを軸線方向に往復運動可能に案内するバルブステムガイドを有する。バルブステムとバルブステムガイドの間の間隙へのエンジンオイルが侵入することを制限するためにバルブステムシール（密封装置）が使用されている。バルブステムシールは、周囲のエンジンオイルがバルブステムとバルブステムガイドの間の間隙に流入することを許容し、バルブステムとバルブステムガイドを潤滑する。但し、エンジンオイルによる白煙の発生を低減または防止し、エンジンオイルの消費を削減するため、バルブステムシールは、バルブステムとバルブステムガイドの間の間隙へのエンジンオイルの流入量を適切に抑制する。

バルブステムシールには、上記の間隙を通じて、内燃機関の燃焼室の高い圧力が与えられることが知られている。特に、排気ポートに設けられるバルブステムシールには、排気工程での高い圧力が与えられる。

特許文献１は、弾性体から形成された部分と補強環を備えるバルブステムシールを開示する。弾性体から形成された部分は、バルブステムの外周面に接触する２つのリップと、バルブステムガイドの外周面に接触する筒状の部分を有する。バルブステムガイドの外周面には、周溝が形成され、筒状の部分の内周面には、環状突起が形成されている。環状突起は周溝に嵌め込まれ、上記の高い圧力が与えられても、バルブステムシールがバルブステムガイドから外れることが抑制されている。

国際公開第ＷＯ２０１５／１１１５０５号

近年では、ターボチャージャーの使用等により、燃焼室内の圧力がさらに高い内燃機関が使用されている。したがって、バルブステムガイドから外れにくいバルブステムシールの要望が高まっている。

また、ピストン式の燃料ポンプにおいても、バルブステムシールに類似する密封装置が使用されることがある。この密封装置についても、高い圧力が与えられても、ピストンガイドから外れにくいことが望まれる。

そこで、本発明は、密封装置に高い圧力が与えられても、棒体のガイドから密封装置が外れにくい密封構造を提供する。

本発明のある態様に係る密封構造は、円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、前記ガイドの端部を覆う密封装置とを備える。前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強する剛性材料から形成された剛性環とを備える。前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップと、前記ガイドが嵌め入れられて前記ガイドの外周面に接触する弾性環円筒部と、前記リップと前記弾性環円筒部とを連結する円環部とを備える。前記剛性環は、前記弾性環円筒部の外周面に固定された剛性環円筒部を備える。前記ガイドは、前記ガイドの外周面に形成された嵌合周溝と、前記軸線方向において前記嵌合周溝に対して前記円環部側に配置され、前記嵌合周溝の底面の直径よりも大きい外径を有する端側大径部と、前記軸線方向において前記嵌合周溝に対して前記円環部と反対側に配置され、前記嵌合周溝の底面の直径よりも大きい外径を有する中央大径部と、前記棒体の外周面と間隙をおいて配置された内周面とを有する。前記嵌合周溝の前記中央大径部側の端部は、前記中央大径部に近づくほど外径が大きい傾斜面を有する。前記弾性環円筒部の内周面は、前記ガイドの前記嵌合周溝に嵌め込まれる環状突起と、前記軸線方向において前記環状突起に隣接し、前記嵌合周溝の前記傾斜面に対向する弾性環周溝と、前記軸線方向において前記弾性環周溝に隣接し、前記中央大径部に接触させられる接触部とを有する。

この態様においては、密封装置の弾性環の弾性環円筒部の内周面に形成された環状突起が、ガイドの外周面に形成された嵌合周溝に嵌め込まれると、密封装置に高い圧力が与えられても、ガイドから密封装置が外れにくくなる。一般的には、エラストマーは弾性変形しても、体積が変化しないため、弾性環円筒部にはガイドが嵌め入れられた後、弾性環の弾性復元力が、弾性環円筒部をガイドから軸線方向に外す方向へのスプリングバック力として作用しやすい。しかし、この態様においては、嵌合周溝の端部には傾斜面が形成されており、弾性環円筒部の内周面には、嵌合周溝の傾斜面に対向する弾性環周溝が形成されている。ガイドの外周面に形成された嵌合周溝の傾斜面の周囲に、弾性環円筒部の内周面に形成された弾性環周溝が配置されることにより、剛性環円筒部とガイドの間に挟まれた弾性環円筒部が径方向内側に膨張する余地が生ずる。このように、弾性環円筒部が径方向内側に膨張することにより、弾性環の弾性復元力のうち、弾性環円筒部をガイドから軸線方向に外す方向に作用する成分を低減させることができる。したがって、スプリングバック力を低減することができるため、環状突起を嵌合周溝に確実に嵌め込むことが可能である。この結果、密封装置に高い圧力が与えられても、ガイドから密封装置が外れにくい。

好ましくは、前記嵌合周溝の前記傾斜面は、前記弾性環周溝に面接触圧を与えない。この場合には、ガイドから密封装置がさらに外れにくい。

さらに好ましくは、前記嵌合周溝の前記傾斜面と、前記弾性環周溝との間に間隙が設けられている。この場合には、嵌合周溝の傾斜面が弾性環周溝に面接触圧を与えることが確実に防止される。

本発明の実施形態に係る密封構造が使用される内燃機関の一部の断面図である。 実施形態に係る密封構造の密封装置を示す部分断面図である。 実施形態に係る密封構造を示す部分断面図である。 実施形態の密封構造を示す拡大部分断面図である。 比較例の密封構造を示す拡大部分断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を説明する。

図１に示すように、実施形態に係る密封構造が使用される内燃機関１は、シリンダーヘッド２を備える。シリンダーヘッド２は、シリンダー（図示せず）の上方に配置されている。シリンダーの内部にはピストン（図示せず）が往復運動可能に配置されている。シリンダーヘッド２と、シリンダーとピストンは、燃焼室４を画定する。シリンダーヘッド２には、吸気ポート６と排気ポート８が形成されており、吸気ポート６と排気ポート８には、それぞれ吸気バルブ１０と排気バルブ１２が配置されている。

吸気バルブ１０と排気バルブ１２の各々は、円筒形のバルブステム（棒体）１４と、バルブステム１４の下端に取り付けられたバルブヘッド１６を有する。各バルブは、バルブステム１４の軸線方向に往復運動可能であって、往復運動に伴って、バルブヘッド１６がポート６または８を開閉する。シリンダーヘッド２には、各バルブステム１４の往復運動を案内する円筒状のバルブステムガイド（ガイド）１８が固定されており、バルブステムガイド１８にバルブステム１４が挿入されている。

各バルブステム１４の上端には、カムフォロワー２０が取り付けられている。カムフォロワー２０の上面には、カムシャフト２２に取り付けられたカム２４が接触する。

また、各バルブステム１４の上端には、スプリングシート２６が取り付けられている。スプリングシート２６と、シリンダーヘッド２に形成されたスプリングシート２８との間には、コイルスプリング２９が圧縮状態で配置されている。コイルスプリング２９の弾性復元力は、バルブステム１４を常に上方に持ち上げる方向に働く。

上記構成において、カムシャフト２２の回転によってカム２４が、コイルスプリング２９の弾性復元力に抗して、カムフォロワー２０を押し下げると、バルブステム１４が下降して、ポート６または８が開かれる。カムシャフト２２の回転によって、カム２４がカムフォロワー２０を押し下げる力が減少すると、コイルスプリング２９の弾性復元力によって、バルブステム１４が上昇して、ポート６または８が閉じられる。

バルブステムガイド１８の端部およびバルブステム１４の中央部は、バルブステムシール（密封装置）３０で覆われている。バルブステムシール３０は、周囲の油室３２のエンジンオイルがバルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙（図２および図３の間隙Ｇａ）に流入することを許容し、バルブステム１４とバルブステムガイド１８を潤滑する。但し、エンジンオイルによる白煙の発生を低減または防止し、エンジンオイルの消費を削減するため、バルブステムシール３０は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙へのエンジンオイルの流入量を適切に抑制する。

図２および図３を参照して、バルブステムシール３０とバルブステムガイド１８を有する密封構造をさらに詳しく説明する。図２は、バルブステム１４およびバルブステムガイド１８に接触させられていないバルブステムシール３０を示し、図２では、参考のため、バルブステム１４およびバルブステムガイド１８を仮想線で示す。図３は、バルブステム１４およびバルブステムガイド１８に接触させられた使用状態のバルブステムシール３０を示す。バルブステムシール３０およびバルブステムガイド１８は円筒状の形状を有するが、図２および図３においては、それらの左側部分のみが示されている。

バルブステムガイド１８の内周面は、バルブステム１４の外周面と間隙Ｇａをおいて配置されている。バルブステムシール３０には、間隙Ｇａを通じて、燃焼室４の高い圧力（以下、「背圧」と呼ぶ）が与えられる。特に、排気ポート８に設けられるバルブステムシール３０には、排気工程での高い背圧が与えられる。

バルブステムシール３０は、弾性環３４と剛性環３６を有する二重構造である。弾性環３４は、弾性材料（例えばエラストマー）から形成されている。剛性環３６は、剛性材料（例えば金属）から形成され、弾性環３４に密着させられて、弾性環３４を補強する。

弾性環３４は、弾性環円筒部３８、内側円環部４０、および連結円環部（円環部）４２を備える。弾性環円筒部３８には、バルブステムガイド１８が締まり嵌め方式で嵌め入れられる。したがって、弾性環円筒部３８の内周面は、バルブステムガイド１８の外周面に接触する。内側円環部４０は、弾性環円筒部３８の上方に配置され、弾性環円筒部３８よりも小さい外径および内径を有する。連結円環部４２は、弾性環円筒部３８の上端と内側円環部４０を連結する。

内側円環部４０には、メインリップ４４と、背圧リップ４６と、複数の突起４８が形成されている。メインリップ４４と背圧リップ４６には、バルブステム１４の外周面が摺動可能に接触する。メインリップ４４は、主に油室３２のエンジンオイルが過剰にバルブステムガイド１８に向けて流入しないように設けられている。背圧リップ４６は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａを通じてバルブステムシール３０に与えられる背圧を受けて、過剰な背圧によってメインリップ４４が過剰に変形しないように設けられている。複数の突起４８は、バルブステム１４を囲むように、周方向に間欠的に配置されている。これらの突起４８は、バルブステムシール３０をバルブステムガイド１８に装着した場合に、バルブステムシール３０がバルブステム１４に対して偏心していても、メインリップ４４と背圧リップ４６がバルブステム１４の全周にわたってほぼ均等な接触圧で接触するように、設けられている。

図３に示すように、バルブステム１４に接触すると、メインリップ４４と背圧リップ４６は変形し、バルブステム１４の外周面に全周にわたって接触する。但し、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａに適量のエンジンオイルを供給するため、メインリップ４４とバルブステム１４の外周面の間には、微小な間隙（図示せず）が設けられ、背圧リップ４６とバルブステム１４の外周面の間にも、微小な間隙（図示せず）が設けられている。

不可欠ではないが、図３に示すように、内側円環部４０の周囲には、ガータースプリング５０を巻きつけてもよい。この実施形態では、内側円環部４０の外周面にガータースプリング５０を受ける周溝５２が形成されている。ガータースプリング５０は、メインリップ４４および突起４８を内側に向けて押圧し、バルブステム１４に対するメインリップ４４および突起４８の接触圧を高める。

剛性環３６は、剛性環円筒部５４および円環部５６を備える。剛性環円筒部５４は、弾性環３４の弾性環円筒部３８の外周面に固定されている。したがって、弾性環３４の弾性環円筒部３８は、剛性環３６の剛性環円筒部５４に全周にわたって包囲されており、半径方向への移動または膨張が拘束されている。円環部５６は、弾性環３４の内側円環部４０および連結円環部４２に固定されている。

バルブステムガイド１８は、嵌合周溝５８、端側大径部６０および中央大径部６２を有する。嵌合周溝５８は、バルブステムガイド１８の外周面に形成された周溝である。端側大径部６０は、バルブステムガイド１８の軸線方向において嵌合周溝５８に対して連結円環部４２側に配置され、嵌合周溝５８の底面の直径よりも大きい外径を有する。中央大径部６２は、バルブステムガイド１８の軸線方向において嵌合周溝５８に対して連結円環部４２と反対側に配置され、嵌合周溝５８の底面の直径よりも大きい外径を有する。嵌合周溝５８の中央大径部６２側の端部は、中央大径部６２に近づくほど外径が大きい傾斜面５９を有する。この実施形態では、端側大径部６０の外径が中央大径部６２の外径よりも小さいので、バルブステムガイド１８を弾性環円筒部３８に嵌め入れやすい。

弾性環円筒部３８の内周面は、中央接触部６４、環状突起６６、弾性環周溝６８および端側接触部７０を有する。中央接触部６４は、バルブステムガイド１８の端側大径部６０に接触させられる。環状突起６６は、バルブステムシール３０の軸線方向において中央接触部６４に隣接し、バルブステムガイド１８の嵌合周溝５８に嵌め込まれる。弾性環周溝６８は、バルブステムシール３０の軸線方向において環状突起６６に隣接し、嵌合周溝５８の傾斜面５９に対向する。端側接触部７０は、バルブステムシール３０の軸線方向において弾性環周溝６８に隣接し、中央大径部６２に接触させられる。

弾性環円筒部３８とバルブステムガイド１８の間にエンジンオイルが侵入することは好ましくないため、中央接触部６４と端側接触部７０は大きな締め代を有する。したがって、図２および図３を対比すると明らかな通り、弾性環円筒部３８にバルブステムガイド１８が嵌め入れられると、バルブステムガイド１８によって中央接触部６４と端側接触部７０は大きく弾性変形し、それらの厚さが減少する。

この実施形態においては、バルブステムシール３０の弾性環３４の弾性環円筒部３８の内周面に形成された環状突起６６が、バルブステムガイド１８の外周面に形成された嵌合周溝５８に嵌め込まれる。したがって、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａを通じて、バルブステムシール３０に高い背圧が与えられても、バルブステムガイド１８からバルブステムシール３０が外れにくい。

この実施形態では、環状突起６６を嵌合周溝５８に確実に嵌め込むことが可能である。以下、これを詳述する。

一般的には、エラストマーは弾性変形しても、体積が変化しない。弾性環３４の弾性環円筒部３８は、剛性環３６の剛性環円筒部５４に全周にわたって包囲されており、弾性環円筒部３８にバルブステムガイド１８を嵌め入れると、図３に示すように、バルブステムガイド１８によって弾性環円筒部３８の中央接触部６４と端側接触部７０の厚さが減少するが、弾性環円筒部３８の体積は変化しない。したがって、弾性環円筒部３８にはバルブステムガイド１８が嵌め入れられた後、弾性環３４の弾性復元力が、弾性環円筒部３８をバルブステムガイド１８から軸線方向に外す方向へのスプリングバック力として作用しやすい。

しかし、この実施形態においては、嵌合周溝５８の端部には傾斜面５９が形成されており、弾性環円筒部３８の内周面には、嵌合周溝５８の傾斜面５９に対向する弾性環周溝６８が形成されている。バルブステムガイド１８の外周面に形成された嵌合周溝５８の傾斜面５９の周囲に、弾性環円筒部３８の内周面に形成された弾性環周溝６８が配置されることにより、剛性環円筒部５４とバルブステムガイド１８の間に挟まれた弾性環円筒部３８が径方向内側に膨張する余地が生ずる。すなわち、弾性環周溝６８は、厚さ方向に圧縮された弾性環円筒部３８（特に、環状突起６６の中腹部分と、弾性環周溝６８の外側部分と、端側接触部７０）の逃げ場として機能する。このように、弾性環円筒部３８が径方向内側に膨張することにより、弾性環３４の弾性復元力のうち、弾性環円筒部３８をバルブステムガイド１８から軸線方向に外す方向に作用する成分を低減させることができる。したがって、スプリングバック力を低減することができるため、環状突起６６を嵌合周溝５８に確実に嵌め込むことが可能である。この結果、バルブステムシール３０に高い圧力が与えられても、バルブステムガイド１８からバルブステムシール３０が外れにくい。

図４は、実施形態の密封構造の傾斜面５９、弾性環周溝６８およびその近傍を示す拡大部分断面図であり、図５は比較例の密封構造の傾斜面５９およびその近傍を示す拡大部分断面図である。比較例においては、弾性環周溝６８が形成されず、環状突起６６に端側接触部７０が隣接している。このため、バルブステムガイド１８の傾斜面５９から弾性環円筒部３８に弾性復元力の反力Ｐ（すなわち面接触圧）が与えられ、弾性環円筒部３８をバルブステムガイド１８から軸線方向に外す方向へのスプリングバック力が大きい。

一方、実施形態においては、弾性環周溝６８の部分が径方向内側に膨張しても、傾斜面５９が弾性環周溝６８に面接触圧を与えないように、弾性環周溝６８は設計されている。弾性環円筒部３８をバルブステムガイド１８から軸線方向に外す方向へのスプリングバック力が小さい。

ＦＥＭ（有限要素法）解析によって、実施形態の密封構造では、バルブステムシール３０のスプリングバック量は、図５の比較例のスプリングバック量の半分未満に低減することができることが確認された。

不可欠ではないが、図４に示すように、傾斜面５９と弾性環周溝６８との間に間隙７２が設けられていると好ましい。この場合には、傾斜面５９が弾性環周溝６８に面接触圧を与えることが確実に防止される。

変形例
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記の説明は本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲において、構成要素の削除、追加、置換を含む様々な変形例が考えられる。

例えば、上記の実施形態においては、密封装置は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８とを密封するバルブステムシール３０である。しかし、本発明は、ピストン式の燃料ポンプのピストン（往復運動可能な棒体）とピストンガイドを密封する密封装置にも適用することができる。

弾性環３４の弾性環円筒部３８の内周面は、摩擦係数が小さくエラストマーより硬い樹脂材料でコーティングして、弾性環円筒部３８にバルブステムガイド１８を嵌め入れやすくしてもよい。このような樹脂材料としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）がある。

弾性環３４のメインリップ４４、背圧リップ４６および突起４８の少なくともいずれかをこのような樹脂材料でコーティングして、これらの摩耗を低減させてもよい。

１４ バルブステム（棒体）
１８ バルブステムガイド（ガイド）
３０ バルブステムシール（密封装置）
３２ 油室
３４ 弾性環
３６ 剛性環
３８ 弾性環円筒部
４０ 内側円環部
４２ 連結円環部（円環部）
４４ メインリップ
４６ 背圧リップ
５２ 周溝
５４ 剛性環円筒部
５６ 円環部
５８ 嵌合周溝
６０ 端側大径部
６２ 中央大径部
５９ 傾斜面
６４ 中央接触部
６６ 環状突起
６８ 弾性環周溝
７０ 端側接触部（接触部）
７２ 間隙
Ｇａ 間隙

Claims (3)

1. 円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、
   前記ガイドの端部を覆う密封装置とを備え、
   前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強する剛性材料から形成された剛性環とを備え、
   前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップと、前記ガイドが嵌め入れられて前記ガイドの外周面に接触する弾性環円筒部と、前記リップと前記弾性環円筒部とを連結する円環部とを備え、
   前記剛性環は、前記弾性環円筒部の外周面に固定された剛性環円筒部を備え、
   前記ガイドは、
   前記ガイドの外周面に形成された嵌合周溝と、
   前記軸線方向において前記嵌合周溝に対して前記円環部側に配置され、前記嵌合周溝の底面の直径よりも大きい外径を有する端側大径部と、
   前記軸線方向において前記嵌合周溝に対して前記円環部と反対側に配置され、前記嵌合周溝の底面の直径よりも大きい外径を有する中央大径部と、
   前記棒体の外周面と間隙をおいて配置された内周面とを有しており、
   前記嵌合周溝の前記中央大径部側の端部は、前記中央大径部に近づくほど外径が大きい傾斜面を有しており、
   前記弾性環円筒部の内周面は、
   前記ガイドの前記嵌合周溝に嵌め込まれる環状突起と、
   前記軸線方向において前記環状突起に隣接し、前記嵌合周溝の前記傾斜面に対向する弾性環周溝と、
   前記軸線方向において前記弾性環周溝に隣接し、前記中央大径部に接触させられる接触部とを有する
   ことを特徴とする密封構造。
2. 前記嵌合周溝の前記傾斜面は、前記弾性環周溝に面接触圧を与えない
   ことを特徴とする請求項１に記載の密封構造。
3. 前記嵌合周溝の前記傾斜面と、前記弾性環周溝との間に間隙が設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の密封構造。

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