JP5342592B2 - 内燃機関のシリンダ構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関において、排気弁の弁体及びバルブシートの偏摩耗を防止可能にしたシリンダ構造に関する。

内燃機関のシリンダヘッドに設けられた給排気弁には、開弁時に、弁体の周囲を流れる給気や燃焼排ガスによる不均一流れが発生する。この不均一流れによって、弁体に曲げ応力が加わり、弁体がバルブシートに着座するとき、片当りが生じる。この片当りによって弁体及びバルブシートに偏摩耗が発生する。この偏摩耗によって、給排気弁とバルブシート間に流体漏れが発生し、給排気弁やバルブシートの交換を余儀なくされる。

特に、排気弁においては、弁体の周囲を高温の燃焼ガスが通るため、弁体やバルブシートが熱変形や熱劣化を受け、片当りが生じやすい。また、燃料の燃え残りが炭化してできた炭化物が弁体やバルブシートに付着することで、不均一流れや焼付きが発生しやすい。また、この炭化物が弁棒と弁棒を摺動自在に案内するスリーブとの間の隙間に付着すると、弁棒の円滑な摺動を阻害する。

さらに、排気弁を通る燃焼ガスは、給気弁を通る給気より高圧であるため、排気弁には過大な曲げ応力が付加される。この曲げ応力によっても、片当りが生じやすい。また、燃焼排ガスがシリンダ内から排気弁体の周囲を通って排気ポートに出るとき、排気弁体の下面が流線型に加工されていないため、乱流が発生しやすい。この乱流の発生によっても不均一流れが発生しやすい。

特許文献１及び特許文献２には、内燃機関の給排気弁やバルブシートの偏摩耗を防止する手段が開示されている。特許文献１に開示された手段は、給排気ポートに面する弁体表面に、円周方向に所定間隔で複数の溝を設けたものである。該溝に給排気ポートを通る給排気ガスのスワール（渦巻き）を吹き付け、このスリーブの旋回力によって給排気弁を回転させて、給排気弁やバルブシートの偏摩耗を防止するようにしている。

特許文献２に開示された手段は、給排気弁を摺動自在に案内する円筒形状のスリーブに着目したものである。以下、この手段を図３（特許文献１の図１）により説明する。図３は排気弁を例に取ったもので、シリンダヘッド１００には、円筒形状のスリーブ１０４が固定されている。排気弁１０２の弁棒１０２ａは、スリーブ１０４内で摺動自在に案内されている。排気弁１０２の弁体１０２ｂは、コイルバネ（図示省略）の弾性力によって、バルブシート１０６に着座し、カム（図示省略）の作動によってバルブシート１０６から離れることで、排気ポート１０８を開閉する。

そして、シリンダヘッド１００の上面（基準面）１００ａからのスリーブ１０４の突出量Ｌ_０を弁棒外径の２倍以上にすると共に、該スリーブの全長Ｌ_１を弁棒外径Ｓの６倍以上としたものである。これによって、弁棒１０２ａの傾斜を低減し、排気弁１０２のバルブシート１０６に対する片当りをなくし、排気弁１０２及びバルブシート１０６の偏摩耗を防ぐようにしている。

実開平６−３４１０１号公開公報 実開平６−３７５０７号公開公報

特許文献１に開示された手段は、炭化物が弁棒やバルブシート、あるいはスリーブと弁棒間の隙間に付着した場合、スワールの旋回力によっても、排気弁が回転できなくなるおそれがある。そのため、排気弁に適用するには、有効な手段ではない。

特許文献２に開示された手段は、弁体の周囲を流れる給気や燃焼排ガスの不均一流れが、弁体やバルブシートに発生する偏摩耗の大きな原因であることに着目していない。そのため、偏摩耗を防止する根本的な解決策にはならない。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関において、特に偏摩耗が激しい排気弁の偏摩耗を防止し、排気弁やバルブシートの交換頻度を低減することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の内燃機関のシリンダ構造は、シリンダヘッドに排気弁と排気弁棒を摺動自在に案内するスリーブとを備えた内燃機関のシリンダ構造において、シリンダ内面と排気弁体との間隔ｄに対する排気弁体の直径ａの比を１２％≦ｄ／ａ≦２７％とし、スリーブの下端より下方に位置する排気弁の閉弁時の非ガイド部の長さｃに対するシリンダボア径ｂの比を４０％≦ｃ／ｂ≦５０％とし、排気弁棒とスリーブとの間の隙間ｅに対する排気弁棒の直径Ｓの比を０．５％≦ｅ／Ｓ≦０．８％としたものである。

本発明者等は、従来のシリンダにおいて、シリンダ内面と排気弁体との間隔ｄが小さいために、排気弁体の周囲に不均一流れが生じることを見い出した。そこで、本発明では、１２％≦ｄ／ａとすることで、間隔ｄを広げ、不均一流れの発生を防止するようにしている。なお、ｄ／ａが２７％を超えると、排気弁体直径の縮小化やシリンダボア径の大径化等を余儀なくされ、シリンダが所期の設計性能を発揮できなくなる。そのため、ｄ／ａの上限値を２７％としている。

また、スリーブの下端より下方に位置する排気弁の非ガイド部の長さｃに対するシリンダボア径ｂの比をｃ／ｂ≦５０％とすることで、排気弁棒の非ガイド領域を短くしている。これによって、スリーブ下方での排気弁棒の傾斜を低減し、排気弁体がバルブシートに片当りするのを防止するようにしている。なお、ｃ／ｂを４０％未満にすると、スリーブを排気ポートに突出せざるを得なくなり、排気ガスの流れを阻害するので、ｃ／ｂの下限値を４０％としている。

また、排気弁棒とスリーブとの間の隙間ｅに対する排気弁棒の直径Ｓの比を０．５％≦ｅ／Ｓ≦０．８％とし、隙間ｅを小さくすることで、排気弁棒の傾斜を低減し、排気弁体がバルブシートに片当りするのを防止している。なお、ｅ／Ｓを０．５％未満とすると、スリーブや排気弁棒の熱変形や、スリーブと排気弁体との間に付着した炭化物等によって、排気弁棒の円滑な摺動を阻害するおそれがあるので、ｅ／Ｓの下限値を０．５％としている。

本発明によれば、シリンダヘッドに排気弁と排気弁棒を摺動自在に案内するスリーブとを備えた内燃機関のシリンダ構造において、シリンダ内面と排気弁体との間隔ｄに対する排気弁体の直径ａの比を１２％≦ｄ／ａ≦２７％とし、スリーブの下端より下方に位置する排気弁の非ガイド部の閉弁時の長さｃに対するシリンダボア径ｂの比を４０％≦ｃ／ｂ≦５０％とし、排気弁棒とスリーブとの間の隙間ｅに対する排気弁棒の直径Ｓの比を０．５％≦ｅ／Ｓ≦０．８％としたので、排気弁体の周囲を通る燃焼ガスの不均一流れを低減でき、これによって、排気弁体のバルブシートに対する片当りをなくすことができる。そのため、排気弁体とバルブシート間の偏摩耗を防止でき、排気弁体及びバルブシートを長寿命化でき、これら部材の交換頻度を低減できる。

本発明装置の一実施形態に係るシリンダヘッド断面図である。 前記シリンダヘッド及び比較例（非公開）としてのシリンダヘッドを用いて行なった燃焼試験結果を示す図表である。 従来のシリンダヘッドを示す断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明装置の実施形態を、実験データを参照しながら、図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るディーゼル機関のシリンダヘッド部を示す。図１において、シリンダ１２の上部にシリンダヘッド１０が装着されている。シリンダヘッド１０には給気ポート１４及び排気ポート１６が設けられている。給気ポート１４及び排気ポート１６は、シリンダボアに開口しており、これらの開口部に、給気弁１８及び排気弁２０が装着されている。

給気ポート１４及び排気ポート１６の開口の周囲には、給気弁１８の弁体１８ａが着座するバルブシート２２、及び排気弁２０の弁体２０ｂが着座するバルブシート２４が設けられている。シリンダヘッド１０のケーシング１０ａに穿設された孔には、上下方向に円筒形状のスリーブ２６が固定されている。排気弁棒２０ａがスリーブ２６の内部に摺動自在に配置されている。

ケーシング１０ａの上面に配置されたコイルバネ２８によって、排気弁体２０ｂはバルブシート２４に着座し、排気ポート１６を閉鎖する方向に弾性力を付与されている。排気ポート１６を開放するときは、ロッカーアーム３０を作動させて排気弁棒２０ａを下方に移動させ、排気ポート１６を開放する。なお、給気弁１８も同様な開閉機構を備えている。

本実施形態では、シリンダ内面１２ａと排気弁体２０ｂとの間隔ｄを従来より広げ、間隔ｄと排気弁体２０ｂの直径ａとの比を１２％≦ｄ／ａとしている。これによって、排気弁２０の開放時、排気弁体２０ｂの周囲を流れる燃焼排ガスの流れｇが、排気弁体２０ｂに周囲に均一な流れを形成するようにしている。一方、ｄ／ａが２７％を超えると、排気弁体２０ｂの直径ａを縮小し、シリンダボア径ｂを大径化せざるを得なくなる。そのため、シリンダ１２の所期の燃焼性能を発揮できなくなるので、ｄ／ａの上限値を２７％にしている。

また、スリーブ２６の下端より下方に位置する排気弁棒２０ａの閉弁時の非ガイド部の長さｃを、従来より短くし、この長さｃとシリンダボア径ｂとの比を、ｃ／ｂ≦５０％としている。これによって、スリーブ２６の下方で排気弁棒２０ａの傾斜を低減し、排気弁体２０ｂのバルブシート２４に対する片当りを無くすことができる。一方、ｃ／ｂを４０％より少なくすると、排気ポート１６にスリーブ２６の下端が突出する。これによって、排気ポート１６を流れる燃焼排ガスの流れをスリーブ２６が邪魔するので、ｃ／ｂの下限値を４０％としている。

また、スリーブ２６と排気弁棒２０ａとの間の隙間ｅと、排気弁棒２０ａの外径Ｓとの比がｅ／Ｓ≦０．８％となるように、隙間ｅを小さくしている。これによって、排気弁棒２０ａの傾斜を抑え、排気弁体２０ｂがバルブシート２４に片当りするのを防止するようにしている。一方、ｅ／Ｓを０．５％より小さくすると、スリーブ２６や排気弁棒２０ａが熱変形したり、あるいは隙間ｅに炭化物等の異物が入り込むと、スリーブ２６の内部で排気弁棒２０ａを円滑に摺動できなくなるおそれがある。そのため、ｅ／Ｓの下限値を０．５％としている。

ｅ／Ｓが０．８％を超えると、排気弁棒２０ａの傾斜が大きくなり、排気弁体２０ｂのバルブシート２４に対する片当りが生じ、排気弁体２０ｂ及びバルブシート２４の偏摩耗が発生するおそれがある。

かかる構成により、本実施形態では、間隔ｄをひろげているので、排気ポート１６の開放時に、排気弁体２０ｂの周囲を流れる燃焼ガス流ｇに不均一流れが発生しない。また、スリーブ２６下方の非ガイド部の長さｃを短縮し、かつ隙間ｅを小さしているので、排気弁棒２０ａの傾斜が抑制される。そのため、バルブシート２４に対する排気弁体２０ｂの片当りが発生しない。従って、排気弁体２０ｂ及びバルブシート２４に偏摩耗が発生しないので、これら部材の長寿命化を実現できる。

本発明者等は、給排気弁を含むシリンダヘッドの各部の寸法を変えて本実施形態のシリンダヘッドを製作した。これらのシリンダヘッドをガスエンジン機関に組み込み、燃料として都市ガス１３Ａを用い、実際に燃焼試験を行なった。この燃焼試験は、定格運転で５千時間運転した後、筒内圧センサで燃焼行程前の圧縮行程のシリンダ内圧を検出すると共に、温度センサで排気弁を通った燃焼排ガスの温度を検出した。

圧縮行程のシリンダ内圧は、正常運転では７．０〜８．０ＭＰａであるが、排気弁２０ｂ等に偏摩耗が生じて、排気弁に漏れが発生すると、０．３〜０．５ＭＰａほどの圧力低下が発生する。また、燃焼排ガスの温度は、正常運転では、５００℃付近の温度であるが、排気弁体２０ｂ等に偏摩耗が生じて、排気弁に漏れが発生すると、２０〜３０℃低下する。本燃焼試験では、これらの圧力低下や温度低下を検出することで、排気弁の漏れの有無を検出するようにしている。

本燃焼試験では、ｄ／ａ、ｃ／ｂ及びｅ／Ｓの範囲が本発明の範囲に該当するシリンダの燃焼試験と、本発明の範囲に属さないシリンダの燃焼試験（比較例）とを合わせて行なった。その結果を図２に示す。図２のｄ／ａ、ｃ／ｂ及びｅ／Ｓの列において、前述の本発明の範囲を外れた数値には、下線を付している。

図２に示すように、比較例では、圧縮行程時のシリンダ内圧の低下又は排気ガス温度の低下の少なくともどちらか一方が発生している。このことから、比較例では排気弁で流体漏れが発生していることがわかる。一方、本発明に係るシリンダ構造の場合、かかる現象は発生しなかった。このことから、本発明のシリンダ構造では、排気弁で流体漏れが発生していなかったことがわかる。

なお、本発明者等は、図２に示すシリンダ構造以外のシリンダを用いて燃焼試験を行なっている。即ち、ｄ／ａが上限値２７％を超えた寸法を有するシリンダで燃焼試験を行なった。この燃焼試験では、排気弁体周囲に流体の不均一流れが発生しなかったが、シリンダボア径ｂや排気弁体の直径ａ等が設計条件を満たせなかった。そのため、シリンダの所期の燃焼性能を発揮できなかった。

また、ｃ／ｂが下限値４０％に満たないシリンダでも燃焼試験を行なった。この燃焼試験では、スリーブ２６の下方領域が排気ポート１６に突出してしまい、スリーブ２６が排気ポート１６を流れる燃焼排ガスの流れを阻害するという不具合が発生した。

本発明によれば、内燃機関において、排気弁及びバルブシートの偏摩耗を防止し、これら部材の長寿命化を実現できる。

１０，１００ シリンダヘッド
１２ シリンダ
１２ａ シリンダ内面
１４ 給気ポート
１６，１０８ 排気ポート
１８ 給気弁
１８ａ 給気弁体
２０，１０２ 排気弁
２０ａ、１０２ａ 排気弁棒
２０ｂ、１０２ｂ 排気弁体
２２，２４，１０６ バルブシート
２６，１０４ スリーブ
１００ａ シリンダヘッド上面（基準面）
ａ 排気弁体直径
ｂ シリンダボア径
ｅ 隙間
ｇ 燃焼排ガス流
Ｌ_０ スリーブ突出量
Ｌ_１ スリーブ全長
Ｓ 排気弁棒直径

Claims (1)

1. 内燃機関のシリンダ構造において、
   シリンダヘッドに設けられた排気ポートを開放または閉鎖する排気弁体と、前記排気ポートを閉鎖する方向または開放する方向に前記排気弁体を移動させるための排気弁棒と、を有する排気弁と、
   前記シリンダヘッドに設けられた孔に固定され、前記排気弁棒を摺動自在に案内するスリーブと、を備え、
   前記排気弁体の直径ａに対するシリンダ内面と前記排気ポートの開放時における前記排気弁体との間隔ｄの比を１２％≦ｄ／ａ≦２７％とし、
   シリンダボア径ｂに対する前記スリーブの下端より下方に位置する前記排気弁の閉弁時の非ガイド部の長さｃの比を４０％≦ｃ／ｂ≦５０％とし、
   前記排気弁棒の直径Ｓに対する前記排気弁棒と前記スリーブとの間の隙間ｅの比を０．５％≦ｅ／Ｓ≦０．８％としたことを特徴とする内燃機関のシリンダ構造。
   
   
   
   

Images