JP2005098246A - ガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造 - Google Patents
ガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 ガスエンジンの副室弁支持部における低圧燃料の静的なシール機能と高温高圧燃焼ガスの動的なシール機能有するシール構造をを提供する。
【解決手段】 シリンダブロックに形成されたシリンダ内に摺動可能に配設されたピストンと該シリンダブロックの上面に配設されたシリンダヘッドとによって形成される主燃焼室と、該シリンダヘッドに設けられ該主燃焼室と連通穴によって連通された副燃焼室と、該副燃焼室を挿通して配設され連通穴を開閉する副室弁と、シリンダヘッドに配設され副室弁の弁ステムを摺動可能に支持する支持スリーブとを具備するガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造であって、支持スリーブの副燃焼室に近い下段に弁ステムを嵌挿して配設された複数の合口リングと、複数の合口リングの上方において支持スリーブと弁ステムとの間に配設され弁ステムに嵌挿された樹脂リングと樹脂リングの外周に嵌挿された弾性リングとからなる組み合わせパッキンとを具備している。
【選択図】 図２
【解決手段】 シリンダブロックに形成されたシリンダ内に摺動可能に配設されたピストンと該シリンダブロックの上面に配設されたシリンダヘッドとによって形成される主燃焼室と、該シリンダヘッドに設けられ該主燃焼室と連通穴によって連通された副燃焼室と、該副燃焼室を挿通して配設され連通穴を開閉する副室弁と、シリンダヘッドに配設され副室弁の弁ステムを摺動可能に支持する支持スリーブとを具備するガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造であって、支持スリーブの副燃焼室に近い下段に弁ステムを嵌挿して配設された複数の合口リングと、複数の合口リングの上方において支持スリーブと弁ステムとの間に配設され弁ステムに嵌挿された樹脂リングと樹脂リングの外周に嵌挿された弾性リングとからなる組み合わせパッキンとを具備している。
【選択図】 図２
Description
本発明は、主として天然ガス燃料を圧縮着火させるガスエンジン、更に詳しくは、主燃焼室と副燃焼室および該主燃焼室と副燃焼室とを連通する連通穴を開閉する副室弁を備えたガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造に関する。
主燃焼室と副燃焼室および該主燃焼室と副燃焼室とを連通する連通穴を開閉する副室弁を備えたガスエンジンは、エンジンの吸気行程で副燃焼室内の圧力が低い時期に副室弁を閉じ、この圧力が低い副燃焼室内にガス燃料を供給し、圧縮行程の後期で副室弁を開くように構成されている。この結果、圧縮行程において主燃焼室で圧縮され高温となった吸気が連通穴を通して副燃焼室に流入し、副燃焼室内でガス燃料と急速に混合することにより圧縮着火される。このようなガスエンジンにおける副室弁の弁ステムを案内支持する支持部は、低圧燃料の静的なシール機能、高温高圧燃焼ガスの動的なシール機能、冷却機能および潤滑機構が要求される。即ち、副室弁の弁ステムを案内支持する支持部は、副燃焼室内にガス燃料を０．６Ｍｐａ程度で供給する際には副室弁が閉じているので静的なシール機能が要求されるとともに、燃焼時には副室弁が開いているので最高１５０Ｍｐａ程度の高圧燃焼ガスが作用するため動的なシール機能が要求される。また、副室弁の弁ステムと支持部の摺動部には適度の潤滑油の供給が必要であり、油膜が切れてドライ状態にならないようにする必要がある。
上記ガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造として、弁ステムに複数のラビリンスフィンを軸方向に間隔を置いて配設し、この複数のラビリンスフィンを案内スリーブに摺動可能に嵌挿したものが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
また、上記ガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造として、弁ステムに弾性シールを外挿し、この弾性シールの内部に圧電素子を配設して、副燃焼室内の圧力に対応して圧電素子に電圧を印加することにより、弾性シールの弁ステムへの押圧力を制御するようにしたものも提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。
特開平８−２８３５１号公報
特開平８−１２１１２７号公報
また、上記ガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造として、弁ステムに弾性シールを外挿し、この弾性シールの内部に圧電素子を配設して、副燃焼室内の圧力に対応して圧電素子に電圧を印加することにより、弾性シールの弁ステムへの押圧力を制御するようにしたものも提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。
而して、特開平８−２８３５１号公報に開示された技術は、ラビリンスによる減圧効果により動的なシール機能を補うことを目的としたものであり、密封式の静的なシール機能を有していない。従って、特開平８−２８３５１号公報に開示されたものには、別途静的なシール機能を有する弾性シールを備えている。また、特開平８−２８３５１号公報に開示されたものは、動的なシール機能においてもラビリンスによる減圧効果だけでは燃焼ガスの高い変動圧に対して必ずしも十分な効果は得られない。
また、特開平８−１２１１２７号公報に開示された技術は、弾性シールの押圧力を副室内の圧力に対応して制御することで圧力変化に対するシール機能を補うことを目的としているが、副室弁のように往復動する場合の高圧のシールには必ずしも適さない。即ち、副室弁の作動時に弾性シールの押圧力を高めると摩擦力が大きくなり、弾性シールの摺動部が破損する虞がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その主たる技術的課題は、ガスエンジンの副室弁支持部における低圧燃料の静的なシール機能と高温高圧燃焼ガスの動的なシール機能有するシール構造を提供することにある。
上記主たる技術課題を解決するために、本発明によれば、シリンダブロックに形成されたシリンダ内に摺動可能に配設されたピストンと該シリンダブロックの上面に配設されたシリンダヘッドとによって形成される主燃焼室と、該シリンダヘッドに設けられ該主燃焼室と連通穴によって連通された副燃焼室と、該副燃焼室を挿通して配設され該連通穴を開閉する副室弁と、該シリンダヘッドに配設され該副室弁の弁ステムを摺動可能に支持する支持スリーブと、を具備するガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造であって、
該支持スリーブの該副燃焼室に近い下段に該弁ステムを嵌挿して配設された複数の合口リングと、
該複数の合口リングの上方において該支持スリーブと該弁ステムとの間に配設され該弁ステムに嵌挿された樹脂リングと該樹脂リングの外周に嵌挿された弾性リングとからなる組み合わせパッキンと、を具備している、
ことを特徴とするガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造が提供される。
該支持スリーブの該副燃焼室に近い下段に該弁ステムを嵌挿して配設された複数の合口リングと、
該複数の合口リングの上方において該支持スリーブと該弁ステムとの間に配設され該弁ステムに嵌挿された樹脂リングと該樹脂リングの外周に嵌挿された弾性リングとからなる組み合わせパッキンと、を具備している、
ことを特徴とするガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造が提供される。
上記合口リングは、所定温度以上において対向する端面が互いに接合し、該弁ステムの外周面との間に所定の隙間を保持するように構成されていることが望ましい。また、上記支持スリーブにおける上記複数の合口リングと組み合わせパッキンをの間の内周面には環状溝が形成されていることが望ましく、また、上記支持スリーブにおける組み合わせパッキンの上側には潤滑油路が形成されていることが望ましい。
本発明によるガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造は、副燃焼室に近い下段には高圧燃焼ガスのシールようにセルフシールが可能な複数の合口リングを配設し、その上段に静的なシール機能を有する樹脂リングと弾性リングとからなる組み合わせパッキンを配設したので、高圧燃焼ガスの動的なシール性と低圧燃料の静的なシール性を確保することができる。
以下、本発明に従って構成されたガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図１には、本発明に従って構成された副室弁支持部のシール構造を備えたガスエンジンの断面図が示されている。図示のガスエンジンは、鋳鉄等によって形成されたシリンダブロック２と該シリンダブロック２の上面に配設された鋳鉄等によって形成されたシリンダヘッド３を具備している。シリンダブロック２にはシリンダ２１が形成されており、このシリンダ２１内にピストン４が摺動可能に配設されている。上記シリンダヘッド３の下面には円形凹部３１が形成されており、この円形凹部３１にセラミックスによって逆カップ状に形成されたヘッドライナー５が嵌合されている。このヘッドライナー５とピストン４との間に主燃焼室５ａが形成される。なお、図示していないが、シリンダヘッド３には、主燃焼室５ａに連通する吸気通路をおよび排気通路が形成されており、吸気通路には吸気弁が配設され、排気通路には排気弁が配設されている。この構成が通常のディーゼルエンジンの構成と同様であるため、その説明は省略する。
図示の実施形態における上記ヘッドライナー５は、その上壁の上側に副燃焼室５ｂを備えている。そして、ヘッドライナー５の上壁には、上記主燃焼室５ａと副燃焼室５ｂとを連通する連通穴５１が形成されている。また、副燃焼室５ｂを形成する上壁にはガス燃焼供給穴５２が形成されており、このガス燃焼供給穴５２はガス燃焼供給管６に接続されている。このガス燃焼供給穴５２には上記ピストン４の往復動と関連して作動せしめられる燃料供給弁７が配設されている。なお、燃料供給弁７の作動タイミングについては、後で詳細に説明する。また、副燃焼室５ｂを形成する上壁には、上記連通穴５１と同一軸線上に弁ステム挿通穴５３が形成されている。
図示の実施形態におけるガスエンジンは、上記主燃焼室５ａと副燃焼室５ｂとを連通する連通穴５１を開閉する副室弁８を具備している。この副室弁８は、連通穴５１の弁座５１１に着座するように形成された弁部８１と、該弁部８１と一体に形成された弁ステム８２とからなっており、弁ステム８２が支持機構１０によって軸方向に摺動可能に支持されている。支持機構１０は、スリーブ挿入穴１１１を備えたケース１１を具備している。このケース１１は、その下端部を上記副燃焼室５ｂを形成する上壁の上に配設されたガスケット５４を押し付け、締付ボルト１９によってシリンダヘッド３に取り付けられる。
上述したケース１１のスリーブ挿入穴１１１には、副室弁８の弁ステム８２を軸方向に摺動可能に支持する支持スリーブ１２の下半分が嵌合される。この支持スリーブ１２について、図２を参照して説明する。図示の実施形態における支持スリーブ１２は、第１のスリーブ部材１２１と第２のスリーブ部材１２２および第３のスリーブ部材１２３に分割して構成されている。この第１のスリーブ部材１２１と第２のスリーブ部材１２２および第３のスリーブ部材１２３には、それぞれ上記弁ステム８２が挿通する穴１２１ａ、１２２ａ、１２３ａが設けられている。第１のスリーブ部材１２１の下端部には、環状の嵌合溝１２１ｂが形成されている。第２のスリーブ部材１２２は、上部に形成され第１のスリーブ部材１２１に設けられた環状の嵌合溝１２１ｂに嵌合する第１の嵌合部１２２ａと、下部に形成された第２の嵌合部１２２ｂと、第１の嵌合部１２２ａと第２の嵌合部１２２ｂとの間に設けられ径方向に突出して形成されたフランジ部１２２ｃとからなっている。第３のスリーブ部材１２３は、上部に形成され上記第２のスリーブ部材１２２の第２の嵌合部１２２ｂと嵌合する環状の第１の嵌合溝１２３ａと、該第１の嵌合溝１２３ａの下側に形成され第１の嵌合溝１２３ａより小径の環状の第２の嵌合溝１２３ｂを備えている。この第３のスリーブ部材１２３における第１の嵌合溝１２３ａと第２の嵌合溝１２３ｂとの段部１２３ｃと上記第２のスリーブ部材１２２の下端との間には第１のスペーサー１３が配設され、第３のスリーブ部材１２３の下端と上記ケース１１との間には第２のスペーサー１４が配設されている。
次に、上記支持スリーブ１２を構成する第１のスリーブ部材１２１と第２のスリーブ部材１２２および第３のスリーブ部材１２３と、弁ステム８２との間に構成されるシール構造について説明する。
上記副燃焼室５ｂに近い下段、即ち第３のスリーブ部材１２３の第２の嵌合溝１２３ｂおよび第１のスペーサー１３と第２のスリーブ部材１２２の下端との間には、合口リング１５、１５が配設されている。この合口リング１５はインコロイ等の金属材料によって構成されており、図３に示すように弁ステム８２が嵌挿する穴１５１を備え、合口部における互いに対向する端面間の隙間Ｓが例えば０．３ｍｍ程度の設定されている。この隙間Ｓは、高圧燃焼ガス（筒内圧）により合口リング１５の背面に作用し、所定温度（例えば、５００°Ｃ）以上において対向する端面が互いに接合し、弁ステム８２の外周面との間に所定の隙間（例えば、０〜０．０２ｍｍ）を保持する値に設定することが望ましい。このように構成された合口リング１５、１５の上方である上段、即ち上記第２のスリーブ部材１２２の上端と第１のスリーブ部材１２１の嵌合溝１２１ｂの端面との間には、組み合わせパッキン１５が配設されている。この組み合わせパッキン１６は、樹脂リング１７と該樹脂リング１７の外周に嵌挿される弾性リング１８とからなっている。樹脂リング１７は、摺動特性に優れた四フッ化エチレン樹脂によって形成されている。弾性リング１８は、フッ素ゴムによって形成されている。
上記副燃焼室５ｂに近い下段、即ち第３のスリーブ部材１２３の第２の嵌合溝１２３ｂおよび第１のスペーサー１３と第２のスリーブ部材１２２の下端との間には、合口リング１５、１５が配設されている。この合口リング１５はインコロイ等の金属材料によって構成されており、図３に示すように弁ステム８２が嵌挿する穴１５１を備え、合口部における互いに対向する端面間の隙間Ｓが例えば０．３ｍｍ程度の設定されている。この隙間Ｓは、高圧燃焼ガス（筒内圧）により合口リング１５の背面に作用し、所定温度（例えば、５００°Ｃ）以上において対向する端面が互いに接合し、弁ステム８２の外周面との間に所定の隙間（例えば、０〜０．０２ｍｍ）を保持する値に設定することが望ましい。このように構成された合口リング１５、１５の上方である上段、即ち上記第２のスリーブ部材１２２の上端と第１のスリーブ部材１２１の嵌合溝１２１ｂの端面との間には、組み合わせパッキン１５が配設されている。この組み合わせパッキン１６は、樹脂リング１７と該樹脂リング１７の外周に嵌挿される弾性リング１８とからなっている。樹脂リング１７は、摺動特性に優れた四フッ化エチレン樹脂によって形成されている。弾性リング１８は、フッ素ゴムによって形成されている。
図示の実施形態におけるシール構造は、合口リング１５、１５と組み合わせパッキン１６との間に配設された第２のスリーブ部材１２２の内周面における軸方向中間部に形成された環状溝１２２ｄを備えている。また、図示の実施形態におけるシール構造は、第１のスリーブ部材１２１における組み合わせパッキン１６の上側に形成された潤滑油路１２１ｃを備えている。この潤滑油路１２１ｃは、ケース１１に形成された潤滑油供給通路１１２に連通されている。なお、潤滑油供給通路１１２は、図示しない潤滑油供給手段に接続されている。
図１に戻って説明を続けると、副室弁８の弁ステム８２の上端部にはバルブスプリングリテーナ９１が取り付けられており、このバルブスプリングリテーナ９１とケース１１との間にバルブスプリング９２が配設されている。従って、副室弁８はバルブスプリング９２によって常に上方に付勢されている。このように構成された副室弁８は、図示しない動弁機構によって上記ピストン４の往復動と関連して作動せしめられるようになっている。
図示の実施形態におけるガスエンジンは以上のように構成されており、以下、その作動について上記副室弁８と燃料供給弁７および図示しない吸気弁、排気弁の開閉時期を示す図４をも参照して説明する。
エンジンの吸気行程の前期に副室弁８が閉じ、吸気行程の後期に燃料供給弁７が開かれると、ガス燃焼供給管６からガス燃焼供給穴５２を通してガス燃料が副燃焼室５ｂに供給される。一方、吸気行程において主燃焼室５ａに吸入された空気は、圧縮行程で圧縮されて高温となる。圧縮行程の後期に副室弁８が開くと、主燃焼室５ａ内の高温の空気が連通穴５１を通して副燃焼室５ｂへ噴出し、ガス燃料と混合してガス燃料を着火させる。副燃焼室５ｂで着火したガス燃料と空気の混合気は、膨張行程で連通穴５１を通して主燃焼室５ａに流入し、燃焼しつつピストン４に爆発加重を作用せしめてピストン４を往復動させる。
エンジンの吸気行程の前期に副室弁８が閉じ、吸気行程の後期に燃料供給弁７が開かれると、ガス燃焼供給管６からガス燃焼供給穴５２を通してガス燃料が副燃焼室５ｂに供給される。一方、吸気行程において主燃焼室５ａに吸入された空気は、圧縮行程で圧縮されて高温となる。圧縮行程の後期に副室弁８が開くと、主燃焼室５ａ内の高温の空気が連通穴５１を通して副燃焼室５ｂへ噴出し、ガス燃料と混合してガス燃料を着火させる。副燃焼室５ｂで着火したガス燃料と空気の混合気は、膨張行程で連通穴５１を通して主燃焼室５ａに流入し、燃焼しつつピストン４に爆発加重を作用せしめてピストン４を往復動させる。
上述したガスエンジンの作動時において、副燃焼室５ｂにガス燃料が供給された際には副室弁８の弁ステム８２と支持スリーブ１２との間からガス燃料が漏れる。このガス燃料は、合口リング１５、１５の周囲等を通して上昇するが組み合わせパッキン１６を構成する樹脂リング１７と該樹脂リング１７の外周に嵌挿される弾性リング１８とによって遮断され、更に上方への漏れが防止される。即ち、弁ステム８２の外周との間は樹脂リング１７によってシールされ、樹脂リング１７と支持スリーブ１２との間は弾性リング１８によってシールされる。このとき、樹脂リング１７は弁ステム８２の外周と強い圧力で弾性接触していないので、摩擦力により破損する虞がない。
一方、副室弁８が開かれている状態においては、副燃焼室５ｂ内は圧縮行程で圧縮されて高温となった空気と混合されたガス燃料が燃焼せしめられる。この結果、副燃焼室５ｂ内の高圧燃焼ガスの一部は、副室弁８の弁ステム８２と支持スリーブ１２との間から漏れる。この高圧燃焼ガスは合口リング１５、１５の外周面に作用するため径が縮小し、弁ステム８２との隙間が縮小して混合気の流通を抑制する。図示の実施形態においては、合口リング１５は所定温度（例えば、５００°Ｃ）以上になると合口部の対向する端面が互いに接合し弁ステム８２の外周面との間に所定の隙間（例えば、０〜０．０２ｍｍ）を保持するように構成され、弁ステム８２の外周面に抱き付かないようになっているので、弁ステム８２の上下動に対して摺動抵抗が増加することもなく、磨耗の問題もない。なお、図示の実施形態においては、合口リング１５、１５と組み合わせパッキン１６との間に配設された第２のスリーブ部材１２２の内周面には環状溝１２２ｄが形成されているので、合口リング１５、１５かわ僅かに漏れた燃焼ガスは環状溝１２２ｄに侵入することによって圧力が降下するため、更に上方への漏れが抑制される。
また、図示の実施形態においては、第１のスリーブ部材１２１における組み合わせパッキン１６の上側に潤滑油路１２１ｃを形成し、第１のスリーブ部材１２１の側面から潤滑油を供給するようにしたので、この潤滑油が第１のスリーブ部材１２１と弁ステム８２との間を通してシリンダヘッド３側に流れることにより弁ステム８２を冷却することができるとともに、組み合わせパッキン１６を構成する樹脂リング１７の内周面と弁ステム８２の外周面との間の摺動部に適度な潤滑油を常に供給することができる。
以上のように、図示の実施形態におけるガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造においては、副燃焼室５ｂに近い下段には高圧燃焼ガスのシール用にセルフシールが可能な合口リング１５、１５を配設し、その上段に静的なシール機能を有する樹脂リング１７と弾性リング１８とからなる組み合わせパッキン１６を配設したので、高圧燃焼ガスの動的なシール性と低圧燃料の静的なシール性を確保することができる。また、図示の実施形態においては、支持スリーブ１２における組み合わせパッキン１６の上側に潤滑油路１２１ｃを形成し潤滑油を供給するようにしたので、弁ステム８２を冷却することができるとともに、組み合わせパッキン１６を構成する樹脂リング１７の内周面と弁ステム８２の外周面との間の摺動部に適度な潤滑油を供給することにより潤滑機能を確保することができる。
２：シリンダブロック
２１：シリンダ
３：シリンダヘッド
４：ピストン
５：ヘッドライナー
５ａ：主燃焼室
５ｂ：副燃焼室
５１：連通穴
５２：ガス燃焼供給穴
５３：弁ステム挿通穴
６：ガス燃焼供給管
７：燃料供給弁
８：副室弁
８１：弁部
８２：弁ステム
９１：バルブスプリングリテーナ
９２：バルブスプリング
１０：支持機構
１１：ケース
１１１：スリーブ挿入穴
１１２：潤滑油供給通路
１２：支持スリーブ
１２１：第１のスリーブ部材
１２１ｃ：潤滑油路
１２２：第２のスリーブ部材
１２３：第２のスリーブ部材
１６：合口リング
１６：組み合わせパッキン
１７：樹脂リング
１８：弾性リング
２１：シリンダ
３：シリンダヘッド
４：ピストン
５：ヘッドライナー
５ａ：主燃焼室
５ｂ：副燃焼室
５１：連通穴
５２：ガス燃焼供給穴
５３：弁ステム挿通穴
６：ガス燃焼供給管
７：燃料供給弁
８：副室弁
８１：弁部
８２：弁ステム
９１：バルブスプリングリテーナ
９２：バルブスプリング
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１１：ケース
１１１：スリーブ挿入穴
１１２：潤滑油供給通路
１２：支持スリーブ
１２１：第１のスリーブ部材
１２１ｃ：潤滑油路
１２２：第２のスリーブ部材
１２３：第２のスリーブ部材
１６：合口リング
１６：組み合わせパッキン
１７：樹脂リング
１８：弾性リング
Claims (4)
- シリンダブロックに形成されたシリンダ内に摺動可能に配設されたピストンと該シリンダブロックの上面に配設されたシリンダヘッドとによって形成される主燃焼室と、該シリンダヘッドに設けられ該主燃焼室と連通穴によって連通された副燃焼室と、該副燃焼室を挿通して配設され該連通穴を開閉する副室弁と、該シリンダヘッドに配設され該副室弁の弁ステムを摺動可能に支持する支持スリーブと、を具備するガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造であって、
該支持スリーブの該副燃焼室に近い下段に該弁ステムを嵌挿して配設された複数の合口リングと、
該複数の合口リングの上方において該支持スリーブと該弁ステムとの間に配設され該弁ステムに嵌挿された樹脂リングと該樹脂リングの外周に嵌挿された弾性リングとからなる組み合わせパッキンと、を具備している、
ことを特徴とするガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造。 - 該合口リングは、所定温度以上において対向する端面が互いに接合し、該弁ステムの外周面との間に所定の隙間を保持するように構成されている、請求項１記載のガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造。
- 該支持スリーブにおける該複数の合口リングと組み合わせパッキンをの間の内周面には環状溝が形成されている、請求項１記載のガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造。
- 該支持スリーブにおける組み合わせパッキンの上側には潤滑油路が形成されている、請求項１記載のガスエンジンにおける副室弁支持部のシール構造。
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