JPS6233045Y2

JPS6233045Y2 -

Info

Publication number: JPS6233045Y2
Application number: JP10913880U
Authority: JP
Priority date: 1980-08-02
Filing date: 1980-08-02
Publication date: 1987-08-24
Also published as: JPS5733205U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は内燃機関の給排気弁ばねの改善に関す
る。

内燃機関のシリンダふたに装着された給気弁、
排気弁の構造を第１図に示す。図において、シリ
ンダふた３に組込まれた弁ばこ２上部に取付けら
れた弁ばこ４，５により、ばね受６を介して上向
きにばね荷重を受けた状態で、弁棒１が装置され
ている。弁棒１はその上端をタペツト７で下方に
押し下げられて開弁する構造となつている。

その開閉作動において、慣性力による動弁機構
のとび上り等不斉運動を防止するために通常つる
巻きばねが設けられている。

内燃機関の性能向上や回転数の増大に伴ない、
弁を急速に開弁する必要が生じるが、このために
増加する慣性力を抑えるため、弁ばねの力を増大
させなければならない。弁ばねの設計において、
ばね材の強度を確保しつつ、ばね力を増大させる
ためには、弁ばねのコイル径及びばね高さを増す
ことになり、これはシリンダふた上部のスペース
確保や部品配置の設計に大きな支障となる。ま
た、高速回転、急速開弁は弁ばねに高次の励振作
用をもたらし、ばねのサージング現象が生じ、騒
音やばね破損の原因となりやすい。さらに、大き
なばね取付力は弁ばね部の分解、組立に困難さを
加え、取扱上問題になることがある。

本考案の目的は上記の点に着目し、つる巻ばね
の代りに空気ばねを用いるようにしたことであ
り、その特徴とするところは、給気弁、排気弁の
弁ばこをシリンダふたに装着した内燃機関におい
て、給、排気弁の弁棒に結合されると共に上記弁
ばこに設けられたシリンダ内に摺動自在に嵌合さ
れたピストン、該ピストンの下面とシリンダの内
面とにより区画形成された密閉空気室、同空気室
への空気の供給量を制御する空気供給弁を備えた
ことである。

この場合は、弁ばね部のコンパクト化が実現さ
れ、つる巻きばね特有のサージング現象による問
題を防ぎ、取扱い面においても改善される。

以下図面を参照して本考案による実施例につき
説明する。

第２図は本考案による１実施例の空気ばね式弁
の構造を示す断面図である。

図において、符号１，２，３及び７は第１図と
同一部材を示す。

弁ばこ２の上部は、端部を上方に開口したシリ
ンダに形成されている。

９はピストンで、弁棒１の端部に結合され上記
シリンダに摺動可能に収容されていて、同シリン
ダとにより空気室８を形成している。

空気室８はピストン９のシールリング１０、弁
棒ブツシユ１１のシールリング１２により密閉さ
れている。

空気室８には、それぞれ逆止弁付空気供給弁１
４、空気安全弁１５及びドレンコツク１６が設け
られている。

第３図は本考案による他の実施例の空気ばね式
弁の構造を示す断面図である。

この場合は、多数個の弁の空気室８を充分な通
路面積を有する空気連絡路１３とそれぞれの分岐
路を介して連結した場合であり、空気供給弁１
４、空気安全弁１５及びドレンコツク１６は空気
連絡路１３に各１個のみ設けられている。

上記構成の場合の作用について述べる。

一般に内燃機関の給気弁、排気弁は、カムによ
り弁の開閉時期及びリフトが決められ、動弁機構
のタペツト７で弁が押し開かれることになる。こ
の作動期間中、第４図に示すように、動弁系には
カムの加速度に基づく正及び負の慣性力Ｆ_Iが働
き、負の慣性力が働くときには、動弁機構がカム
から離れてしまう現象が生じることになる。これ
を抑えるために、従来のものにおいては、弁部に
つる巻ばね４，５が設けられ、このばね力Ｆ_Sは
負の慣性力Ｆ_Iを越える大きさに設定されてい
る。第４図でいえば、Ｆ_SA＞Ｆ_IA，Ｆ_SB＞Ｆ_IBの
関係を保つように設計される。

本考案においては、弁ばこ２の上部に適当な圧
力をかけて密閉された空気室８を設け、弁棒上部
にピストン９を取付け、タペツト７を介して動弁
機構に常に空気圧による力をかけて、作動中の動
弁機構にかかる負の慣性力に対抗するものであ
る。

第２図のように、１個の弁毎に単独に空気室を
設けた場合は、弁のリフトと共に空気が圧縮され
て、その空気圧が上昇する。第５図に示すよう
に、弁ばねの荷重特性とほぼ同じ荷重特性をも
つ。同図で、実線は弁ばね力Ｆ_Sを、破線A₁は単
独弁の空気ばね力を示す。

第３図のように、多数個の弁の空気室を充分な
通路面積と容量を有する空気連絡路で結合した場
合は、各弁の作動により、第５図の破線A₂にて
示すように、空気圧に多小の脈動を生じるが、空
気ばね力はほぼ一定という特性を有する。いずれ
の場合も動弁系にかかる負の慣性力を抑える働き
をなし、円滑な作動を行うことができる。

上記空気ばね式弁の作用につき第４図ないし第
６図を参照して更に詳しく説明する。

動弁系に働く慣性力Ｆ_Iは運動部重量Ｗ、カム
加速度α、重力加速度ｇより次式にて算出され
る。

Ｆ_I＝Ｗ／ｇ・α (i) また、第６図において、ｖはカム速度、Ｓはカ
ムリフトであり、領域Ｃは急速開弁域、領域Ｄは
領域Ｃに続いてカム速度がゆるやかな領域、領域
Ｅはカムリフト一定の領域である。加速度αが第
６図に示すような変化をした場合、(i)式により慣
性力Ｆ_Iは該加速度αの変化に応じて第４図に示
す変化をきたす。

一方、第１図に示す従来のものにおいて、弁部
に設けられたつる巻ばね４，５によるばね力Ｆ_S
は次式にて表わされる。

Ｆ_S＝Ｆ_O＋Ｋ・Ｓ (ii) (ii)式中、Ｆ_Oはつる巻ばね４，５の取り付け荷
重、Ｋはつる巻ばね４，５の合成ばね定数であ
り、Ｓは第６図に示すカムリフトである。従つ
て、カムリフトＳが第６図にて示すような変化を
すると、ばね力Ｆ_Sは該カムリフトＳに比例して
第４図に示すような変化をする。

また、一般に空気ばね力Ａはピストン９の受圧
面積をＡ_P、空気ばねの初圧をＰ_O、ピストン９の
変位に基づく圧力増加分をＰとすると、次式で表
わされる。

Ａ＝Ａ_P（Ｐ_O＋Ｐ） (iii) さらに空気の比熱比をｋ、圧縮比をεとする
と、圧力増加分は、Ｐ＝Ｐ_O（ε^k−１） (iv) そして、最大弁リフト時の空気室８の容積をＶ
_C、ピストン９の行程容積をＶ_Sとすると、圧縮比
は次式で表わされる。

ε＝Ｖ_Ｃ＋Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ＝１＋Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ (v) なお、Ｖ_S＝Ａ_P・Ｓ(vi)である。

第２図のように、１個の弁毎に単独に空気室８
を設けた場合、カムリフトＳと空気圧の増加分Ｐ
の関係は(iv)，(v)，(vi)式によつて示され、カムリフ
トＳが第６図に示すような変化をした時の空気ば
ね力Ａは第５図のA₁のように変化する。

更に、第３図のように多数個の弁の空気室８を
充分な通路面積と容量を有する空気連絡路で結合
した場合は、(v)式において最大弁リフト時の空気
室容量Ｖ_Cは空気連絡路１３内の容積が加わるこ
とから、ピストン９の高程容積Ｖ_Sに対し充分大
きな状態とみなせ、空気圧の増加分はカムリフト
Ｓに関係なく、零となり、この場合のばね力Ａは
第５図にて示すA₂のように変化する。

第２図の単独空気室の場合、弁の最大リフト時
の空気温度の上昇は、断熱圧縮と仮定しても、数
10℃程度に止まり、特に問題は生じない。第３図
の空気室連結形の場合は、このような温度上昇は
生じない。

一方、機関運転中に弁周囲よりの伝熱により空
気室の温度が上昇した場合の空気圧力の増大は、
例えば50℃の上昇で圧力が約２倍となる。圧力が
上昇すると、ばね荷重が過大となり、不要な過荷
重を動弁系にかけることになるので、空気安全弁
１５により、その最大圧力を規制することにな
る。

ピストン９及び弁棒ブツシユ１１には、それぞ
れシールリング１０及び１２が設けられていて、
空気室内の圧縮空気の漏洩を防いでいるが、何等
かの理由で空気が漏洩し、圧力が低下した時に
は、逆止弁付空気供給弁１４により空気源から空
気が自動的に供給され、必要最低空気圧力を確保
できるようになつている。

長期間の機関停止時、空気源よりの空気の供給
を止めた場合、弁棒がその重量により開弁する
が、給排気側からシリンダ内への異物や湿気の侵
入を防ぐために、弁は閉じていた方がよい。弁棒
及びピストンの重量、及び各部の摩擦力を若干上
廻る程度の比較的弱いばね１７を１個を空気室ピ
ストン下部に設け、機関停止時に弁棒を上向きに
押上げておく。

なお、空気供給弁１４の代わりに供給空気量を
自動的にコントロールする機能を有する弁を設け
てもよい。この場合は空気安全弁１５は不必要で
ある。

上述のような本考案による場合の効果について
述べる。

一般に内燃機関の給排気弁には、動弁系の作動
中に生じる負の慣性力をおさえるために、弁ばね
が装備されているが、本考案による空気ばねを用
いた場合、次の利点がある。

(1) 弁ばね方式に比べて、弁ばこ上部構造がコン
パクトになり、シリンダふた上部の配置がスペ
ースの面で楽になる。

(2) 弁ばね特有のサージング現象による騒音やば
ね切損の心配がない。

(3) 強力な取付荷重を要する弁ばねの分解、組立
作業を必要としないので、点検、整備が容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関の給気弁、排気弁の構
造を示す断面図、第２図は本考案による１実施例
の空気ばね式弁の構造を示す断面図、第３図は本
考案による他の実施例の空気ばね式弁の構造を示
す断面図、第４図は弁ばね力と慣性力との変化状
態を示す線図、第５図は弁ばね力と空気ばね力と
の変化状態を示す線図、第６図はカムリフト、カ
ム速度及びカム加速度の変化状態を示す線図であ
る。１…弁棒、２…弁ばこ、３…シリンダふた、８
…空気室、９…ピストン、１３…空気連絡路、１
４…逆止弁付空気供給弁、１５…空気安全弁。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

給気弁、排気弁の弁ばこをシリンダふたに装着
した内燃機関において、給，排気弁の弁棒に結合
されると共に上記弁ばこに設けられたシリンダ内
に摺動自在に嵌合されたピストン、該ピストンの
下面とシリンダの内面とにより区画形成された密
閉空気室、同空気室内への空気の供給量を制御す
る空気供給弁を備えたことを特徴とする内燃機関
の給排気弁ばね。