JPH07103811B2 - シール材をケーシング側に設けたロータリー弁装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロータリー弁装置に係り、特にロータが収納さ
れるロータケーシング側にシール材を全て形成配置する
ことにより弁体としてのロータの構成を簡素化したロー
タリー弁装置に関する。

〔従来の技術〕

現在、４サイクルガソリン機関の吸排気弁としては茸弁
（poppet valve）が一般的に使用されている。この茸弁
は密閉性、潤滑性に優れており、かつ装置としての信頼
性も高いため、実用に耐える吸排気弁装置として広く普
及し、自動車用機関の主流をなしている。然しこの茸弁
は弁体を揚げ下げする往復運動により吸排気を行う構成
であるため、機関の高速化には必ずしも適当な装置では
ない。この隘路を解決するためカムシャフト型の弁装置
が提案され、現在乗用車エンジンの主流となろうとして
いる。然しこの弁装置でも限界があり、機関の回転数が
一定限度を超すと機関の効率が急激に低下したり、極端
な場合には機関の破壊等壊滅的な結果が生じることにな
る。

即ち、このカムシャフト型の弁装置では弁機構全体が比
較的剛性の低い弾性系でできているため、この系の有す
る固有振動数のうち何れか一つでもカムが与える強制力
の調和成分の一つと同調すると、系全体の作動順序が不
規則となり、所謂「ジャンピング」と称する現象を呈す
ることになる。さらに弁に一定の強制力を与えているバ
ルブスプリングも正常な運動から外れた波打ち現象（サ
ージング）を呈することになる。このような状態に至っ
た機関は、騒音が高くなり、かつ弁の開閉タイミングが
狂い、機関の出力は急激に低下してしまう。

このように茸弁を用いた弁装置では、この機構上、機関
の高速化が進むにつれて問題点が露呈してくる。このた
め現在に至るまでに、茸弁とは作動の異なる各種の弁装
置が提案され、かつ試作されているが、主として信頼性
の欠如を理由としてこれら各種の弁装置の開発は全て失
敗し、茸弁に代わって現在実用化している弁装置は皆無
であるのが実情である。

ここで、現在までに提案されている４サイクル機関の吸
排気弁装置の種類を分類すると以下のとおりとなる。

先ず、弁体を揚げ下げすることにより開閉する揚弁式
と、弁体を滑らすことにより開閉動作を行う滑り弁式と
に分類され、このうち揚弁式弁装置としては前記茸弁が
分類される。一方滑り弁式弁装置としては、弁体が往復
運動を行うスリーブ弁と、弁体が回転運動を行うロータ
リー弁に分類される。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の弁の分類のうち、先ず揚弁式では前述の如き利点
を有するものの、機関の高速化には不向きであり、更に
弁体の作動機構が複雑であること、機関の騒音が大きい
こと、耐ノック性が低いこと等の問題がある。

また滑り弁の一つであるスリーブ弁は耐ノック性が向上
し、かつ弁体の作動機構も茸弁よりは簡素化できるもの
の、弁の作動形態が往復運動であるため機関の高速化に
は限界がある等の問題があり、その他機関の騒音等の点
でも必ずしも満足できるものではない。

次にロータリー弁は、通気孔を形成した摺動面に対して
弁体が等速回転運動を行うことにより、吸気通路、排気
通路の開閉を行うようにしているため、機関の高速化に
は最も適した弁作動形態であるといえる。また機関の騒
音も少なく、しかも弁装置全体の構造も簡素化すること
ができる。更にまた、茸弁に比較して単位時間当たりの
吸・排気口開口面積を大きくとれるため、時間当たりの
吸気量を大きく設定することができる等の利点を有す
る。

第10図及び第11図は従来型ロータリー弁装置の一つであ
って、ミネルバ（Minerva、ベルギーの自動車会社）の
ロータリー弁として知られている切欠き型のロータリー
弁の構造を示す。図中、符号50は弁体であるロータを示
し、このロータの側壁（円周面）には切欠き51a、51b、
51cが形成してある。図示の位置では切欠き51cが燃焼室
52を閉止した状態となっており、排気が終了し、さらに
弁体50がＡ方向に回転することにより切欠き51cが吸気
通路53と連通して吸気を行おうとしている状態を示す。
弁体の回転と共に、吸気通路53と燃焼室52とは遮断さ
れ、この状態で燃焼室で燃焼が行われ、さらに弁体が回
転することにより切欠き51bを介して燃焼室52と排気通
路54とが接続して排気を行う。

第11図はこの構成の弁装置における気密性保持機構を示
す。56は螺子55等の調整手段により作動するくさび部材
であり、このくさび部材56を図の右方向に移動させるこ
とにより押さえ片57を弁体50側に圧接する。これにより
弁体50はハウジング側の摺動面55a、55bに強く圧接さ
れ、この摺動面に形成された排気口や燃焼室上部を密閉
するようになっている。

この方式による気密性の保持は、弁体と摺動面との接触
面積を比較的大きく設定することと、この摺動面に対す
る弁体の接触圧力を大きくすることにより成り立つもの
であって、弁体の回転に対する抵抗が大きく、潤滑にも
問題を生じ、ロータリー弁の利点を大幅に削ぐ結果とな
っている。

即ち、以上の構成では気密性と摩擦抵抗とはほぼ裏腹の
関係になり、摩擦抵抗を低減しようとすると気密性が低
下し、反対に気密性を高めようとすると油膜による粘性
抵抗増加により、摩擦抵抗が増大するという問題があ
る。

更に、当然のことながらロータの接触圧は内燃機関の最
大負荷時にもシール性が確保されるように設定され、か
つその接触圧は固定化されているため、特にロータが定
速回転している内燃機関の低負荷時において、シール材
が大きな抵抗を発生することになる。

以上に示したミネルバのロータリー弁装置の外、ベール
（Baer）の筒型回転弁として知られる装置や、更には平
板に孔をあけ、かつ一体的な構造となっている回転弁
を、気筒毎に形成した通路に配置し、この弁が回転する
ことにより吸・排気を行うようにした平板型ロータリー
弁装置（ブリストル・トラムウェー・アンド・キャリジ
社、イギリス、1930年当時）等が提供されたが、何れも
前記ミネルバのロータリー弁装置とほぼ同様な問題が生
じ、実用化には至らなかった。

以上の従来例の問題点も含めてロータリー弁装置の問題
点を列挙すれば次のようになる。

（ｉ）吸気、圧縮、爆発、排気等のエンジンの各動作に
対応して回転するロータの各部をエンジンの動作に対応
して適宜シールする必要性があるため、ロータ周囲のシ
ールはかなり複雑な構成となる。然もロータは常時回転
しているためシールは容易ではない。このためガス漏れ
等が生じ易く気密性が悪い。

（ii）従って気密性を高めるために摺動面に対してロー
タを圧接する等の手段を施すため、ロータ回転の円滑性
が損なわれ、結果的に気密性保持のためにロータリ弁の
利点が減殺されてしまう等の欠点が指摘されている。つ
まり、ロータリー弁装置が、装置として実用に耐えるた
めには気密性を保持しながら、ロータが円滑に回転し、
摩擦や摩耗が少なく、かつ潤滑油の消費が少ないこと等
が要求される。

（iii）またシール材の接触面積を減少させて摺動抵抗
を低減させるようシール材を分割して配置した場合に
は、特にロータの軸心方向に配置されたシール材がロー
タと共に回転することによりこのシール材によってロー
タ周囲にロータと共に回転する気流を生じさせ、弁体と
しての切り換え動作が不完全となる可能性がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上述の問題点を解決すべく構成したものであ
り、ロータとケーシングとの間のシールを行うシール材
は、ロータの摺動抵抗を低く押さえるようラジアルシー
ル、コーナーシール、サイドシール等、高いシール性を
保持しながら摺動抵抗を出来るだけ低減するように各種
の形状に分割して形成され、かつこれら各種のシール部
材は全てケーシング側に配置される構成とする。シール
材の全てがケーシング側に形成されることにより弁体た
るロータ自体にはこれらシール材を取り付けるための溝
加工等の特別な加工部分はなく純然たる回転体として構
成されることを特徴とする。

〔作用〕

ロータの軸心方向に位置するようケーシング壁面に配置
されたシール材は、ロータの円周方向に対するシールを
行い、ロータの両端縁部に位置するようにしてケーシン
グ壁面に配置されたシール材はロータの軸心方向に対す
るシールを行う。これら両シール材によりロータに形成
した切欠きや開口をシールして弁の作動を正確に行い、
かつロータ表面積の多くの部分を摺動面に対して強力に
押しつけてシールを行う圧接機構を無くすことによって
ロータの摩擦抵抗を低減する。また、シール材は全てケ
ーシング側に固定的に配置され、ロータと共に回転する
ことはないためシール材の組み合わせが複雑であっても
ロータ回転に起因する遠心力によってシール材そのもの
が変形したり或いは各シール材の取り合わせが歪む等の
心配がなく常時良好なシールが行われる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参考に具体的に説明する。

第１図乃至第３図は本発明の構成を概念的に示すもので
あって、これらの図を用いて先ず本発明装置の構成の概
略を説明する。

図中符号１はロータリー弁装置の弁体であるロータであ
って、第１図はこのロータ１の構成を概念的に示す。ロ
ータ１は基本的には円筒形に形成され、その円周方向壁
面に対して１個の切欠き２が形成されている。このロー
タ１は第２図に示すようにロータ収納用ケーシング（以
下単に「ケーシング」と称する）３内に収納され、エン
ジンの回転の1/2の速度でＡ方向に回転するようになっ
ている。このケーシング３に対しては吸気通路４と、こ
のロータ１を介して吸気通路４に対向するように排気通
路５が形成され、この状態でロータ１は燃焼室６の上部
に位置するように配置される。

これにより、ロータ１がＡ方向に回転して切欠き２の位
置が変化することにより、吸気通路４と燃焼室６との連
通（吸気）→燃焼室６の閉塞（圧縮、爆発）→燃焼室６
と排気通路５との連通（吸気）を順次行うことによりエ
ンジンの運転を継続する。

以上の場合、吸気、排気共に、ロータ１の円周方向（第
１図のＸ方向）、軸心方向（同図Ｙ方向）に漏れようと
するため、この二つの方向の漏れを防止する為にシール
材を配置する必要がある。

第３図はロータ１の円周方向（第１図のＸ方向）に対す
る漏れを防止するため、ロータ１の軸心方向に位置する
ようにしてケーシング３側に設けられたシール（以下こ
のシールを「ラジアルシール」と称する）の配置状態を
示す。同図において、各ラジアルシール７（7a〜7d）は
何れもロータ１を収納するケーシング３に対し配置され
ている。より具体的には当該ケーシング３のロータ摺動
面に対して嵌め込み配置されている。この内、ラジアル
シール7aは燃焼室６の近傍に、ラジアルシール7bは吸気
通路４の近傍に、7cは排気通路５の近傍に、更にラジア
ルシール7dは前記ラジアルシール7aと対向する位置で燃
焼室６の近傍に各々配置されている。なお、ラジアルシ
ールの配置方向を示す「ロータの軸心方向」とは、ロー
タの軸心と厳密に平行の状態に限定する趣旨ではなく、
この軸心に対してやや斜めに、即ちケーシング内壁面に
対してピッチの大きい螺旋を描くように配置する場合も
含むものとする。

次に第４図及び第５図によりラジアルシールの構成及び
配置状態をより具体的に説明する。

先ず各ラジアルシール７は第５図に示すように、例えば
断面が略かまぼこ型となるような形状とし、ロータ壁面
に対してはこのかまぼこ型の曲面部分がほぼ線接触或い
はこれに近い形で接触するようになっており、シール性
を損なわない範囲でロータ１に対する接触面積を少なく
するような形状に成形してある。このラジアルシール７
はケーシング３のロータ摺動面において、ロータ１の軸
心方向に向かって形成された溝3a内に各々収納される。
溝3aの底部と、ラジアルシール７の底面との間には第４
図に示すような板バネ８が配置されており、その弾発力
によりラジアルシール７の頂部をロータ１の側壁面に圧
接するようになっている。この場合第５図の如くシール
すべき気体の圧力を利用してラジアルシール７の圧接力
を調整するように構成すればより効果的である。

即ち、ケーシング３に形成されたラジアルシール収納用
の溝3aの側壁の一方とこの溝3aに収納するラジアルシー
ル７の側壁の一方との間に隙間3a′が形成されるように
同溝3aの幅をラジアルシール７の幅よりもやや広めに形
成しておく。このようにして隙間3a′が形成されると、
シールすべき加圧気体がこの隙間3a′を経て溝3aに進入
し、ラジアルシール７を底部から押し上げる力として作
用する。この力はシールすべき気体の圧力が高くなって
高いシール性を必要とする場合にはより強く作用するた
め非常に好都合である。また、以上に示したラジアルシ
ールは何れも直線状に形成してあるが、例えば弓型に湾
曲したもの等、非直線的形状のものも利用可能である。

第６図ないし第８図はロータの軸心方向（第１図のＹ方
向）のシールを行うためのシール材の構成を示す。

先ず、ロータ１の本体部をなす太軸部1aと、これに連接
する細軸部1bとによりロータ１側に形成される環状のロ
ータ段部1cに対向するように、ケーシング３側には、そ
の中心に細軸部1bの挿通孔3cを位置させた状態で環状の
段部3bが形成されている。

符号15（15a〜15d）はシール材であって、第８図に示す
ように各ラジアルシール7a乃至7dのうち、これら各ラジ
アルシール7a乃至7dのケーシング側段部3bに位置する両
端部と気密に係合し、これを一部覆うように各ラジアル
シールに対して配置したシール材（以下「コーナーシー
ル」と称する）である。このコーナーシール15は、その
外形に沿った形状でケーシング側の段部3bにそれぞれ穿
設された溝3d内に各々収納配置されている。

次に16は前記各コーナーシール15a〜15dの間を連接する
ようにしてケーシング側段部3bに配置されたシール材
（以下「サイドシール」と称する）である。このサイド
シール16も前記コーナーシール15と同様、ケーシング側
段部3bに形成された溝3e内にその一部が位置するよう嵌
挿配置されている。

以上の構成によって、コーナーシール15a〜15d、および
これらコーナーシールの間にそれぞれ介在配置した各サ
イドシール16によりロータ１の軸心方向に対するシール
が行われる。また各コーナーシール15によりラジアルシ
ール7a〜7dの両端部がそれぞれ気密に係合することによ
ってロータ円周方向のシールと軸心方向のシールが一体
化される。即ちケーシング側に形成されたこれら各シー
ル材によりロータ１の周囲は全体的にシールされる。

なお、これらコーナーシール15及びサイドシール17の底
面と、これらのシールを収納するケーシング側の溝部と
の間の空間には前記ラジアルシールの場合と同様、板バ
ネ等の弾性材料を配置し、この材料により各シール材が
ロータ１の段部1c側に圧接するように構成しておく。ま
た前記第５図に示すように、シール材とこのシール材を
収納する溝との間に一定の隙間を形成し、シールすべき
加圧気体の圧力を利用してシール材の圧接力を調整する
ように構成することはもとより可能である。

なお、各コーナーシール15を繋ぐサイドシール16の平面
形状が単純な円形ではなく、各々が半径を異にする円弧
を形成するように形成してあるのは次の理由による。即
ち、全体を単純な円形としておくと、ロータ１の段部1c
におけるサイドシール16の相対的摺動軌跡も単純な円形
となり、ロータ段部の特定の部分のみがサイドシール16
と接触摺動することとなる。この結果摺動部分が早期に
摩耗してシール性能が低下する虞れがある。これに対し
て第８図の如く異なる半径の円弧を連接した形状として
おけば、その摺動軌跡は線状にならないため、特定の部
分が早期に摩耗する等の虞れが無くなることによる。

次に上述の如くしてシールが行われるロータリー弁装置
の作動状態を、ラジアルシールの機能を中心として第９
図を用いて説明する。

なお、同図（Ａ）〜（Ｆ）において各ラジアルシール7a
〜7dのうち、黒く塗り潰してあるものはシールとして機
能している場合を、また塗り潰していない場合はシール
として機能していない場合を示す。また当然のことなが
ら、ロータ軸方向に対するシールは前記リングシール等
により行われていることを前提としている。

先ず同図（Ａ）は排気状態を示す。この場合ロータ１の
切欠き２は燃焼室６及び排気通路５と連通し、燃焼室６
内の排気を排気通路５を経て外部に排出する。この際、
ラジアルシール7aと7bはシール機能を果たし、排気が吸
気通路４側に漏れるのを防止している。

（Ｂ）は排気が完了し、ロータ１の切欠き２が吸気通路
４、燃焼室６、排気通路５とオーバーラップしている状
態を示す。この状態は次の吸気行程に至る過渡的状態で
あり、何れの部分のシールも必要なく、また図示の如く
各ラジアルシール7a〜7dはシール機能を果たしていな
い。

（Ｃ）は前記過渡的状態から吸気行程に至った状態を示
す。この状態では切欠き２を介して吸気通路４と燃焼室
６とが連通し、吸気が行われる。この際ラジアルシール
7dと7cとがシール機能を果たし、排気通路５内に残留す
る排気が燃焼室６に逆流するのを防止する。またターボ
過給器等により吸気が加圧されている場合には、この吸
気が排気通路側に漏れるのを防止する役目も果たすこと
になる。

（Ｄ）は圧縮行程を示す。この状態ではロータ１は燃焼
室６を完全に閉塞する状態となっており、燃焼室６、吸
気通路４、排気通路５ともに相互に遮断された状態とな
っている。ラジアルシールとしては7a、7c、7dが機能し
ており、このうち7cが排気通路５と吸気通路４とが連通
するのを防止し、かつラジアルシール7aは混合気が排気
通路側に漏れるのを、またラジアルシール7dは同様に混
合気が排気通路５側に漏れるのを防止している。

（Ｅ）は点火状態を示す。この状態ではラジアルシール
7a〜7bの全てがシールとしての機能を果たしている。即
ち、ラジアルシール7b、7cが吸気通路４と排気通路５と
が連通するのを防止し、ラジアルシール7aと7dが燃焼ガ
スがこれら通路４、５に漏れ出すのを防止している。

（Ｆ）は膨張状態を示す。この状態ではラジアルシール
7a、7b、7dがシールとして機能している。即ち、ラジア
ルシール7bが吸気通路４と排気通路５とが連通するのを
防止し、ラジアルシール7aと7dが燃焼ガスがこれら吸気
通路４と排気通路５とに漏れ出すのを防止している。

以上に示すように各ラジアルシールがケーシング３側に
設置されることにより、ロータ１の回転に伴って、当該
ロータ表面に接触する各ラジアルシール7a〜7dが順次そ
のシール機能を発揮し、ロータリー弁装置として効果的
な作動を行う。なお、吸気通路４、排気通路５および燃
焼室６相互の間、およびこれらの部分とロータ１との間
において、シールを行うべき部分は特定することができ
るので、この位置で、ケーシング側にラジアルシールが
固定的に配置されていることにより少ないラジアルシー
ル配置数で良好なシールが可能となる。

因に、ロータ側にラジアルシールを設けると、ロータの
回転によりラジアルシールの位置も変化するため、各部
分をシールするためにはより多くのラジアルシールを必
要とする。もとよりシール材そのものはロータの摺動抵
抗となるものであるから、その設置個数は少ない方が良
いことは当然である。またロータ側にラジアルシールを
設けることの他の問題として、ロータと共に回転するラ
ジアルシールによりロータ周囲にも気流の乱れが生じ、
切り換え弁としてのロータの機能が低下するという点も
指摘される。

以上本発明の構成を、弁体たるロータが１個の切欠きを
有する切欠き型ロータの場合を例に説明したが、この型
式のロータに限定する趣旨ではなく、複数の切欠きを有
するロータの場合にも当然応用可能である。

また、ロータ内部に吸気通路、排気通路を有し、かつロ
ータ側壁部にこれら通路が開口している軸流型ロータで
あっても本発明の構成は利用可能であることは当業者に
おいて容易に推測し得るものである。

〔効果〕

本発明は以上にその構成を具体的に説明したように、摺
動抵抗を低く押さえるよう異なる形状をもって分割され
たラジアルシール、コーナーシール、サイドシール等の
各シール部材は全てケーシング側に配置されているた
め、シール材の配置が複雑であるにもかかわらずこれら
シール材がロータの回転による遠心力に基づく応力の影
響を受けることが少ない。この結果シール材の変形によ
るシール材の部分的磨耗等に起因するシール性能の低下
等が生ぜず、良好なロータの回転を保証しながら常時高
いシール性を保持することが可能となり、しかもロータ
リー弁装置としての信頼性を高めることができる。

また、ロータ自体はシール材を取り付けるための溝加工
等の特別な加工する必要はなく純然たる回転型の弁体と
して構成することができ、この点からも良好な弁装置と
して作動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は切欠き型ロータの概略を示す斜視図、第２図は
第１図に示すロータをケーシング内に配置した状態の概
略図、第３図はラジアルシールが配置されたケーシング
内に収納された状態のロータ断面図、第４図はラジアル
シールと板バネの斜視図、第５図はラジアルシールの配
置状態の一例を示すラジアルシール配置部の拡大断面
図、第６図はロータリー弁装置の縦断面図、第７図は第
６図のII−II線による断面図、第８図はケーシング側に
配置されたコーナーシール、ラジアルシール及びサイド
シールの配置状態を示すケーシングの斜視部分図、第９
図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）
は、排気行程から次の排気行程までの間に於けるロータ
の回転状態と各ラジアルシールの作用とを各々示すロー
タリー弁装置の断面概略断面図、第10図は従来のロータ
リー弁装置の断面図、第11図は第10図に示す装置のシー
ル状態を示すロータリー弁装置の断面図である。 １…ロータ 1a…太軸部 1b…細軸部 ２…切欠き ３…ケーシング 3a、3d、3e…シール材収納用溝 ４…吸気通路 ５…排気通路 ６…燃焼室 7a、7b、7c、7d…ラジアルシール ８…板バネ 14…ピストン 15a、15b、15c、15d…コーナーシール 16…サイドシール

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシング内に配置されたロータが回転す
   ることにより内燃機関の吸気・排気を切り換えるよう構
   成したロータリー弁装置において、ロータ１は大径部1a
   と、段部1cを介してこの大径部1aの両端に各々形成され
   た小径部1bとを有し、ケーシング３の内壁面のうち大径
   部1aの摺動面に対しては当該ロータ１の軸心方向に位置
   するよう溝3aが形成され、当該溝3a内にはラジアルシー
   ル７が配置されることによりロータ１の円周方向のシー
   ルが行われ、かつ前記ロータ１の段部1cに対向位置する
   ケーシング３側の段部3bに形成された溝3d、3eにはコー
   ナーシール15及びこのコーナーシール15により連設され
   たサイドシール16がそれぞれ嵌挿配置されることにより
   ロータ１の軸心方向のシールが行われ、更に前記各ラジ
   アルシール７の両端部はこれら各コーナーシール15とそ
   れぞれ係合することによりこれら各ラジアルシール７、
   コーナーシール15、サイドシール16がケーシング３の内
   壁面で一体化するよう構成したことを特徴とするシール
   材をケーシング側に設けたロータリー弁装置。