(57)【要約】  内燃機関のシリンダヘッド（９）の孔の中で回転可能な軸流ロータリーバルブは、外周開口部（４）からバルブの一端部の軸線方向開口部まで延在するポートを有する。孔のウインドウ（８）を経て燃焼室（３０）に周期的に通じる外周開口部（４）は第１のトレーリングエッジ（１３）を有する。ウインドウ（８）は、第２のトレーリングエッジ（１２）を有する。第１のトレーリングエッジ（１３）が第２のトレーリングエッジ（１２）を通過する度に、ポートは燃焼室（３０）から閉じる。エッジ（１２，１３）は、ポートが閉じるにつれて、２つのエッジ（１２，１３）の瞬間的な交点（１７）がウインドウ（８）の全長の少なくとも５０％にわたり軸線方向開口部から次第に離れるように配置される。
2007519847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドの孔の中で回転可能な軸流ロータリーバルブとを有する内燃機関用のロータリーバルブアセンブリであって、
前記バルブが、前記バルブの外周上の外周開口部から前記バルブの一端部の軸線方向開口部まで延在するポートを有し、
前記外周開口部が、前記バルブが回転する度に前記孔のウインドウを経て燃焼室に周期的に連通し、
前記外周開口部が第１のトレーリングエッジを有するとともに、前記ウインドウが第２のトレーリングエッジを有し、これにより、前記バルブが回転して前記第１のトレーリングエッジが前記第２のトレーリングエッジを通過する度に前記ポートが前記燃焼室から閉じる、ロータリーバルブアセンブリにおいて、
前記ポートが前記燃焼室から閉じるにつれて、前記第１のトレーリングエッジと前記第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点が前記ウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり前記軸線方向開口部から次第に離れるように、前記第１のトレーリングエッジ及び前記第２のトレーリングエッジが配置されることを特徴とするロータリーバルブアセンブリ。
【請求項２】
前記ポートは吸気ポートである、請求項１記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項３】
前記第１のトレーリングエッジ及び前記第２のトレーリングエッジは、前記ポートが前記燃焼室から閉じるにつれて、前記第１のトレーリングエッジと前記第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点が実質的に前記ウインドウの全長にわたり前記軸線方向開口部から次第に離れるように配置される、請求項１に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項４】
前記第１のトレーリングエッジの少なくとも５０％は、実質的に直線であって前記バルブの軸線に対して傾いており、
前記第２のトレーリングエッジは、実質的に直線であって前記バルブの軸線に平行である、請求項１に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項５】
前記第１のトレーリングエッジは、実質的に直線であって前記バルブの軸線に対して傾いている、請求項４に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項６】
前記ウインドウは実質的に長方形である、請求項１に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項７】
前記ウインドウの全長は、前記ロータリーバルブアセンブリに適合したシリンダの孔径の少なくとも６０％である、請求項１に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項８】
シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドの孔の中で軸線に関して回転可能な軸流ロータリーバルブとを有する内燃機関用のロータリーバルブアセンブリであって、
前記バルブが、前記バルブの外周上の外周開口部から前記バルブの一端部の軸線方向開口部まで延在するポートを有し、
前記外周開口部が、前記バルブが回転する度に前記孔のウインドウを経て燃焼室に周期的に連通する、ロータリーバルブアセンブリにおいて、
前記ウインドウの全長の１／２よりも長い、前記外周開口部の軸線方向部分もしくは前記ウインドウの軸線方向部部又はそれらの両方の軸線方向部分がそれぞれ、前記軸線方向部分の軸線方向の中央の点を通って前記軸線に垂直に位置する平面に関して非対称であることを特徴とする、ロータリーバルブアセンブリ。
【請求項９】
前記外周開口部が第１のトレーリングエッジを有するとともに、前記ウインドウが第２のトレーリングエッジを有し、これにより、前記バルブが回転して前記第１のトレーリングエッジが前記第２のトレーリングエッジを通過する度に前記ポートが前記燃焼室から閉じ、
前記ポートが前記燃焼室から閉じるにつれて、前記第１のトレーリングエッジと前記第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点が前記ウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり前記軸線方向開口部から次第に離れるように、前記第１のトレーリングエッジ及び前記第２のトレーリングエッジが配置される、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１０】
前記外周開口部が第１のリーディングエッジを有するとともに、前記ウインドウが第２のリーディングエッジを有し、これにより、前記バルブが回転して前記第１のリーディングエッジが前記第２のリーディングエッジを通過する度に前記ポートが前記燃焼室に対して開き、
前記第１のリーディングエッジ及び前記第２のリーディングエッジは、前記ポートが前記燃焼室から閉じるにつれて、前記第１のリーディングエッジと前記第２のリーディングエッジとの瞬間的な交点が前記ウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり前記軸線方向開口部の方へ次第に移動するように配置される、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１１】
前記外周開口部は、前記軸線方向開口部から遠い端部よりも前記軸線方向開口部に近い端部の方が狭い、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１２】
前記外周開口部の幅は、前記軸線方向開口部から遠い端部で最大長から前記軸線方向開口部に近い端部で最小長まで減少する、請求項１１に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１３】
前記外周開口部のトレーリングエッジは、前記軸線に実質的に平行である、請求項１１又は１２に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１４】
前記ウインドウは、前記軸線方向開口部から遠い端部よりも前記軸線方向開口部に近い端部の方が狭い、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１５】
前記ウインドウの幅は、前記軸線方向開口部から遠い端部での最大長から前記軸線方向開口部に近い端部での最小長まで減少する、請求項１４に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１６】
前記ウインドウのトレーリングエッジは前記軸線に実質的に平行である、請求項１４又は１５に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１７】
前記ウインドウは実質的に長方形である、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【請求項１８】
前記ポートは吸気ポートである、請求項８に記載のロータリーバルブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軸流ロータリーバルブを有する内燃機関の掃気効率を向上させる方法に関するものである。それは中空円筒状軸流ロータリーバルブを組み込んでいる全ての内燃機関に適用でき、ここで、該ロータリーバルブはバルブの外周に開口部として終端している一つ以上のポートを収容する。
【背景技術】
【０００２】
大部分の内燃機関は、ポペットバルブによって、燃焼室を通る、シリンダへの吸気及びシリンダからの排気の流れを調整する。これらの流れを調整する代替的方法は、ロータリーバルブ、特に軸流ロータリーバルブである。多くのロータリーバルブ装置は過去に試験され失敗したが、最近の成果により、ポペットバルブと比較して多くの利点を有する軸流ロータリーバルブの商業利用への道が開かれた。
【０００３】
軸流ロータリーバルブは周知のものであり、実施例は米国特許第５５２６７８０号明細書（ウォリス氏：著）及び米国特許第４８５２５３２号明細書（ビショップ氏：著）に記載されている。軸流ロータリーバルブはエンジンのシリンダヘッドの孔の中で回転し、バルブの各ポートはバルブの外周上の外周開口部からバルブの一方の端部の軸線方向開口部まで延在する。各ポートの主要部はバルブの回転軸線と実質的に平行である。通常、エンジンの各シリンダに１つの軸流ロータリーバルブがあり、各軸流ロータリーバルブはバルブの他方の端部で終端している吸気ポートと排気ポートとを両方組み込む。軸流ロータリーバルブが回転している間、外周開口部は、シリンダヘッドの孔のウインドウを経て周期的に燃焼室に通じ、燃焼室を経てシリンダへ、及びシリンダから流体を通過させる。軸流ロータリーバルブのバルブの開口部は、流体がポートと燃焼室との間を通るときに、流体が通過する開口部である。バルブのいかなる回転位置でも、バルブの開口部は、外周開口部とウインドウとの重複領域である。
【０００４】
通常、吸気流路は、軸流ロータリーバルブの吸気ポートの端部の軸線方向開口部から延在する。この流路は大気圧に通じているか、又は、過給機付エンジン又はターボエンジンの場合、加圧空気源に通じている。流路はスロットルバルブを含むことができる。吸気流路と吸気ポートとの組合せは吸気系を形成する。同様に、排気流路は、通常排気管の形状で、一般的には排気ポートの端部の軸線方向開口部から大気へ延在し、排気流路と排気ポートとの組合せは排気流路を形成する。
【０００５】
同様に、ポペットバルブエンジンの吸気系は、吸気ポペットバルブ開口部から、吸気ポート及び任意の連結した流路を経て、大気へ延在する。ポペットバルブエンジンの排気系は、排気ポペットバルブの開口部から、排気ポート及び任意の連結した流路を経て、大気へ延在する。ポペットバルブのバルブ開口部は、バルブシートとポペットバルブ上のその合せ面との間の環状の開口部である、
【０００６】
内燃機関の系を占める流体はシリンダから周期的に衝撃を受け、この衝撃により系の中で圧力パルスが生じる。これら圧力パルスは、系の中の圧力波を変化する時間を生むその局所における音速で系の全長を通る。現代の内燃機関は全て、これら圧力波を利用し、シリンダ内外への流体の流れを向上する。これら圧力波の源及びどのように圧力波がポペットバルブエンジンで最も利用されるかという理由は、周知の技術である。本発明をよりよく説明するために、吸気系の圧力波の短く単純化された説明をここで提供する。
【０００７】
吸気行程の開始時に、上死点（ＴＤＣ）から離れるピストンの加速によりバルブの開口部に隣接した吸気系の中の流体に負の圧力パルスが生じる。この負の圧力パルスは、その局所における音速で開口部又は吸気系の大気側の端部の方へ伝わる。系の開口端で、負の圧力パルスは正の圧力パルスとして反射し、この正の圧力パルスはその局所における音速でシリンダの方へ戻る。この正の圧力パルスがバルブの開口部に達するときに、それは再び、吸気系の開口端の方へ戻る負の圧力パルスとして反射する。吸気系の全長及びエンジンスピードによって、吸気ポートが燃焼室を閉じる前に、圧力パルスは数回吸気系を横断することができる。吸気系の全長は、バルブの開口部への正の圧力パルスの往来が吸気行程の終わりと確実に一致するように決められる。この正のパルスの存在は、シリンダに加わる負荷密度を増やし、シリンダと吸気系との間に存在するいかなる逆圧力勾配も解決するように働く。圧力波の適切な利用はエンジンの掃気効率を増加する。
【０００８】
高性能ポペットバルブエンジンにおいて、吸気ポートは、吸気ポートが可能な限りポペットバルブの同軸線の近くに配置される。従って、系の開口端から反射したあらゆるパルスは、ポペットバルブの開口部の全ての部分に同時に達する。しかしながら、軸流ロータリーバルブにおいては、吸気ポートの多くの部分は外周開口部にほぼ垂直である。更にまた、外周開口部及びシリンダヘッドの孔のウインドウは各々、通常ほぼ長方形であり、この長方形の長辺はロータリーバルブの軸線と平行である。これ故に、吸気系の中の反射圧力パルスは、バルブの開口部の全ての部分に同時に達することはない。その代わりに、圧力パルスはその局所における音速で軸線方向にバルブの開口部を伝わり、その結果、いかなる瞬間でも圧力勾配がバルブの開口部に沿って存在する。この状況は、ポペットバルブエンジンにおいては、ピーク圧が全てのポペットバルブの開口部上で適当な時間に起こるように、系の全長を調整できるため存在しない。典型的な軸流ロータリーバルブエンジンの場合、ピーク圧が適当な時間にバルブの開口部の一部の上で起こるように、しかし同時に全長上では起こらないように、吸気系の全長を調整することができる。
【０００９】
この特定の問題は、軸流ロータリーバルブエンジンの通気性能を最大にするために、ウインドウの全長が通常非常に長くなり、従って外周開口部の全長も通常非常に長くなることで拡大する。通常、ウインドウの全長はシリンダの孔のサイズの６０％より大きくし得る。これは、各シリンダヘッドに４バルブのポペットバルブに匹敵し、バルブヘッドの直径は一般的に孔径の３５％以下である。問題は、高速走行速度用に設計されるロータリーバルブエンジンにおいて、高速走行速度で作動する必要がある吸気系の全長が相対的に短くなることで更に拡大する。これらのエンジンにおいて外周開口部の全長は系の全長の主要部となる。この主要部が大きくなるほど、圧力勾配がバルブの開口部に沿って急になり、従って掃気効率を減少する。空気がバルブの開口部の一方の端部で燃焼室に押し込まれているように、一方で、他方の端部で燃焼室からポートへ押し込まれているようにするほど、圧力勾配を急にすることができる。
【００１０】
軸流ロータリーバルブエンジンの外周開口部及びウインドウは通常ほぼ長方形であり、バルブの開口部の面積を最大にする。各外周開口部は、開口部の両側にリーディングエッジ及びトレーリングエッジを有する。ウインドウもリーディングエッジ及びトレーリングエッジを有する。バルブが回転しながら、ポートの外周開口部のリーディングエッジがウインドウのリーディングエッジを通過するとき、バルブが開き、燃焼室とそのポートとの間が通じることができる。同様に、外周開口部のトレーリングエッジがウインドウのトレーリングエッジを通過するとき、バルブは閉じる。外周開口部及びウインドウのリーディングエッジは、バルブの開口率を最大にするために互いに平行になるよう、通常意図的に設計される。同様に、外周開口部及びウインドウのトレーリングエッジは、バルブの閉止率を最大にするために通常互いに平行である。
【００１１】
長方形以外の形状の外周開口部又はウインドウを有する様々なロータリーバルブは提唱されたが、これらの装置はいずれも、軸流ロータリーバルブのバルブの開口部に沿った圧力勾配の問題を言及していない、又は言及しようとしていない。
【００１２】
ウインドウの形状が実質的に円形とするロータリーバルブ装置はいくつか提唱された。円形ウインドウは、「シュー」型ガス封装置の使用によって通常口述される。これらの装置は、必然的にバルブの開閉率を制限し、従って低い通気量が欠点である。これらの場合でも、外周開口部及びウインドウはそれぞれの軸線方向の中央に関して通常対称である。
【００１３】
小数の例外的な場合で、非対称のウインドウ又は外周開口部が提案された。これらの装置は一般に２つの種類に分類される。第１は、外周開口部又はウインドウが実装又は構造のために非対称である装置であり、第２は、非対称性によりバルブのタイミングに変化が生じるように導入された装置である。
【００１４】
第１の種類の例は、米国特許第４０２２１７８号明細書（クロス氏等：著）の図２に示され、非対称の外周開口部を示している。この外周開口部の形状は、本明細書の図８に示すそれと類似している。非対称性は、吸気ポートと排気ポートとの間の共通壁の侵略から、バルブの外周開口部に生じる。この場合、非対称性は外周開口部の小さい軸線方向部分に限られる。外周開口部の非対称性の程度を定める１つの方法は、バルブの軸線に垂直な、軸線方向部分の軸線方向の中央を通る平面に関して対称である、軸線方向の全長部分を特定することである。米国特許第４０２２１７８号明細書の図２より、開口部（コーナ半径を無視する）の全長の７０％以上の外周開口部の軸線方向部分はその中央に関して対称であるということが分かる。
【００１５】
第２の種類の例は、米国特許第４１６３４３８号明細書（ガンサー氏等：著）である。この場合ロータリーバルブは軸線方向に可動である。この軸線方向の運動は制御され、バルブのタイミングの変化をもたらす。しかしながら、これらの装置においてはウインドウの最大長及び最大幅で利用することができないので、通気性は乏しい。本発明とは異なり、米国特許第４１６３４３８号明細書に記載されているロータリーバルブは、軸流ロータリーバルブよりむしろ、半径流ロータリーバルブである点に注意することは重要である。ポペットバルブのような、半径流ロータリーバルブの幾何学的形状は、バルブの開口部に沿って非均一な圧力分布の問題に不利なことはない。これは、半径流ロータリーバルブのポートがバルブの外面の片側から他片側まで流れ方向のいかなる変化もなく延在するからである。故に、ポペットバルブエンジンのように、バルブの開口部の部分は全て、吸気系の開口端までの距離と実質的に同じである。
【発明の開示】
【００１６】
本発明は、軸流ロータリーバルブエンジンの掃気効率を向上することを目的とする。
【００１７】
第１の形態において、本発明は、シリンダヘッド及び当該シリンダヘッドの孔の中で回転可能な軸流ロータリーバルブを有する内燃機関用のロータリーバルブアセンブリから成り、バルブは、当該バルブの外周上の外周開口部からバルブの一端部の軸線方向開口部まで延在するポートを有し、外周開口部は、バルブが回転する度に、孔のウインドウを経て燃焼室に周期的に通じ、外周開口部は第１のトレーリングエッジを有し、ウインドウは第２のトレーリングエッジを有し、バルブが回転して、第１のトレーリングエッジが第２のトレーリングエッジを通過する度に、ポートは燃焼室から閉じる、ロータリーバルブアセンブリで、第１及び第２のトレーリングエッジは、ポートが燃焼室から閉じるにつれて、第１と第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点がウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり軸線方向開口部から次第に離れるように配置されるということを特徴としている。
【００１８】
ポートは吸気ポートであることが好ましい。
【００１９】
第１及び第２のトレーリングエッジは、ポートが燃焼室から閉じるにつれて、第１と第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点が実質的にウインドウの全長にわたり軸線方向開口部から次第に離れるように配置されることが好ましい。
【００２０】
第１のトレーリングエッジは実質的に直線であてバルブの軸線に対して傾いており、第２のトレーリングエッジは実質的に直線であってバルブの軸線に平行であることが好ましい。さらに、第１のトレーリングエッジは実質的に直線であってバルブの軸線に対して傾いていることが好ましい。
【００２１】
ウインドウは実質的に長方形であることが好ましい。またウインドウの全長はロータリーバルブアセンブリに適合したシリンダの孔径の少なくとも６０％であることが好ましい。
【００２２】
第２の形態において、本発明は、シリンダヘッド及び当該シリンダヘッドの孔の中で軸線に関して回転可能な軸流ロータリーバルブを有する内燃機関用のロータリーバルブアセンブリから成り、バルブは、当該バルブの外周上の外周開口部からバルブの一端部の軸線方向開口部まで延在するポートを有し、外周開口部は、バルブが回転する度に、孔のウインドウを経て燃焼室に周期的に通じる、ロータリーバルブアセンブリで、ウインドウの全長の５０％よりも長い、外周開口部又はウインドウの軸線方向部分、又は両方の軸線方向部分はそれぞれ、軸線方向部分の軸線方向の中央を通り軸線に垂直な平面に関して非対称である点を特徴としている。
【００２３】
好適な実施例では、外周開口部は第１のトレーリングエッジを有し、ウインドウは第２のトレーリングエッジを有し、バルブが回転して、第１のトレーリングエッジが第２のトレーリングエッジを通過する度に、ポートが燃焼室から閉じ、第１及び第２のトレーリングエッジは、ポートが燃焼室から閉じるにつれて、第１と第２のトレーリングエッジとの瞬間的な交点がウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり軸線方向開口部から次第に離れるように配置される。
【００２４】
他の好適な実施例では、外周開口部は第１のリーディングエッジを有し、ウインドウは第２のリーディングエッジを有し、バルブが回転して、第１のリーディングエッジが第２のリーディングエッジを通過する度に、ポートが燃焼室に開き、第１及び第２のリーディングエッジは、ポートが燃焼室から閉じるにつれて、第１と第２のリーディングエッジとの瞬間的な交点がウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり軸線方向開口部の方へ次第に移動するように配置される。
【００２５】
好適な実施例では、外周開口部は軸線方向開口部から遠い端部よりも軸線方向開口部に近い端部の方が狭い。外周開口部の幅は、軸線方向開口部から遠い端部での最大長から軸線方向開口部に近い端部での最小長まで減少することが好ましい。外周開口部のトレーリングエッジは軸線に実質的に平行であることが好ましい。
【００２６】
他の好適な実施例では、ウインドウは軸線方向開口部から遠い端部よりも軸線方向開口部に近い端部の方が狭い。ウインドウの幅は軸線方向開口部から遠い端部での最大長から軸線方向開口部に近い端部での最小長まで減少することが好ましい。ウインドウのトレーリングエッジは軸線に実質的に平行であることが好ましい。
【００２７】
ウインドウは実質的に長方形であることが好ましい。またポートは吸気ポートであることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１〜４は、本発明のロータリーバルブアセンブリを有する内燃機関の第１の実施例を示す。図１を参照し、ロータリーバルブ１は、ベアリング２６によって支持され、軸線Ａに関してシリンダヘッド９の孔１１の中で回転する。バルブ１は、ピストン２０がシリンダ１０の中で往復運動する際に、図示しない手段により、ピストン２０とタイミング的に関連して回転する。小さい隙間がバルブ１の円柱形部分２５と孔１１との間にある。円柱形部分２５と孔１１との間の小さい隙間には、浮動シールの列（図示せず）が渡されて、流体の損失を防止する。バルブ１は、吸気ポート２及び排気ポート３を有する。吸気ポート２は、バルブ１の外周上の吸気用外周開口部４から、バルブ１の一方の端部の吸気用軸線方向開口部６まで延在する。排気ポート３は、排気用外周開口部５から、吸気用軸線方向開口部６と反対側のバルブ１の端部の排気用軸線方向開口部１９まで延在する。バルブ１が回転する度に、吸気及び排気用外周開口部４，５は周期的にシリンダヘッド９の孔１１のウインドウ８を経て燃焼室３０と通じる。エンジンの圧縮行程と爆発工程との間、円柱形部分２５はウインドウ８を覆い、燃焼室３０から流体の漏出を防止する。
【００２９】
吸気流路２８は吸気用軸線方向開口部６から開口端２９まで延在する。スロットルバルブ７は吸気流路２８の中に取り付ける。吸気ポート２と吸気流路２８との組合せは吸気系を形成する。排気パイプ（図示せず）は排気軸線方向開口部１９から延在し、排気パイプと排気ポート３との組合せは排気系を形成する。
【００３０】
図２は、シリンダ１０に面するシリンダヘッド９の面からウインドウ８を見た、シリンダヘッド９及びバルブ１の図を示す。バルブ１は矢印Ｒの示す方向に回転し、この回転により吸気用外周開口部４（破線は隠れた所を示す）が左から右に動いてウインドウ８を開閉し、それにより燃焼室３０に吸気ポート２を開閉する。図示した位置においては、吸気用外周開口部４はウインドウ８をほぼ完全に閉じている。この瞬間に残ったバルブの開口部１６は、吸気用外周開口部４とウインドウ８との重なり部分である。ウインドウ８の形状は長方形で、そのトレーリングエッジ１２は軸線Ａと実質的に平行である。エンジンの通気量を最大にするために、ウインドウ８はシリンダ１０の直径と比較して軸線Ａの方向に長い。吸気用外周開口部４のトレーリングエッジ１３は、所定の角度量で軸線Ａに対して傾いている。バルブ１が回転し吸気用外周開口部４がウインドウ８を閉じるにつれて、吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３とウインドウのトレーリングエッジ１２との瞬間的な交点１７は吸気用軸線方向開口部６から軸線方向に次第に離れていく。すなわち、吸気用外周開口部４が閉じるにつれて、交点１７は吸気用軸線方向開口部６に最も近いウインドウ端１４から吸気用軸線方向開口部６から遠いウインドウ端１５まで次第に移動する。
【００３１】
吸入行程の開始時に、ピストン２０は上死点から離れて加速し、吸気用外周開口部４付近の吸気ポート２にある流体に負の圧力パルスが生じる。この負の圧力パルスはその局所における音速で、吸気ポート２そして吸気流路２８の中を伝わり、その後開口端２９に着く。そして、この負の圧力パルスは、その局所における音速で伝わる正の圧力パルスとして燃焼室３０へと反射される。背景で述べたように、圧力パルスは数回吸気系を横断することができる。吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３の軸線Ａに対する角度は、特定の所望のエンジンスピードで、吸気用外周開口部４が閉じる時に瞬間的な交点１７がウインドウ８に沿って動くのとほぼ同じ速度で、正の反射圧力パルスがウインドウ８の全長を横断するように予め定める。更に、吸気系の全長は、同じエンジンスピードで、正の反射圧力パルスがウインドウ８の全長を横断するとき、正の反射圧力パルスが瞬間的な交点１７付近を通過するよう決定する。これは、ウインドウ８に沿った各位置で、正の圧力パルスがその位置を通り過ぎたら、その位置は閉じられ、流体が燃焼室から流出して正の圧力パルスの下による低圧になるのを防止する、ということを意味する。従って、吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３及びウインドウのトレーリングエッジ１２のこの相対的な構成は、ウインドウ８の全長にわたる正の反射圧力パルスを利用することによって、軸流ロータリーバルブエンジンの掃気効率を向上する。
【００３２】
図３及び４は、吸気用外周開口部４の形状がどのように定められるかを示す。平面Ｄは、バルブ１の軸線Ａに対して垂直で、吸気用外周開口部４の中心点３１を通る。中心点３１は吸気用外周開口部４の端３２と端３３との間の軸線方向の中間にあり、吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３及び吸気用外周開口部のリーディングエッジ１８と平面Ｄとの交点によって定める点３４と点３５との間の円周方向の中間にある。軸線Ａ及び中心点３１は平面Ｃ上に位置する。平面Ｂは、平面Ｃと平面Ｄの両方に対して垂直であり、交点３４及び３５を通る。本明細書において、吸気用外周開口部４の形状に関する説明は全て、図３に示すような、平面Ｂに投影した形状を参照する。同様に、他のいかなる外周開口部又はウインドウの形状に関する説明も全て、その特定の開口部のために平面Ｂと同様に設けた平面に投影した形状を参照する。
【００３３】
図４は、軸線Ａに対する吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３の角度方位を定めるための特定点を示す。軸線Ａは、平面Ｅと平面Ｆの両平面上に位置し、平面Ｅは吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３の端点２１を通り、平面Ｆは吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３の端点２２を通る。テーパ角αは平面ＥとＦとの間の角度である。
【００３４】
本発明の利点を得るためのテーパ角αの角度は一般的に小さい。４サイクルエンジン用の最大のテーパ角αは以下の公式を使用して算出できる。
最大α＝（ウインドウの全長Ｌ／その局所における音速）×（エンジンの毎分回転数×３）
ここで、圧力パルスは形状が長方形で極めて狭いと仮定する。
実際は、パルスは長方形でも狭くもない。従って、所望のテーパ角αは上記の公式によって算出した角度より一般に小さい。所望のテーパ角αはウインドウ８の全長Ｌ及びエンジンスピードに伴って増加する。
【００３５】
図５は、図２と同じ視点から見た、本発明のロータリーバルブアセンブリを有する内燃機関の第２の実施例を示す。このロータリーバルブアセンブリと図１〜４のものとの唯一の違いは、ウインドウ８ａのトレーリングエッジ１２ａが所定の角度で軸線Ａに対して傾いており、及び吸気用外周開口部４ａのトレーリングエッジ１３ａは軸線Ａと実質的に平行であるということである。バルブが回転し、吸気用外周開口部４ａがウインドウ８ａを閉じるにつれて、吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３ａとウインドウのトレーリングエッジ１２ａとの瞬間的な交点１７は次第に図１〜４のロータリーバルブアセンブリと同様に吸気用軸線方向開口部６から軸線方向に離れる。このように、この構成も、ウインドウの全長にわたる正の反射圧力パルスを利用することにより、軸流ロータリーバルブエンジンの掃気効率を向上する。
【００３６】
本発明は、上記２つの実施例に示される外周開口部又はウインドウの形状及び構成に制限しない。例えば、図示されてない他の実施例で、吸気用外周開口部のトレーリングエッジとウインドウのトレーリングエッジとは、両方ともバルブの軸線に対して傾け、かつ互いに傾けてもよい。
【００３７】
吸気用外周開口部のトレーリングエッジとウインドウのトレーリングエッジとの交点は、上記２つの実施例のように、バルブが回転するにつれてウインドウの実質的に全長にわたり吸気用軸線方向開口部から次第に離れることが好ましい。しかしながら、交点がウインドウの全長の少なくとも５０％にわたり吸気用軸線方向開口部から次第に離れる構成でも、軸流ロータリーバルブエンジンの掃気効率を向上する。このようなロータリーバルブアセンブリは、吸気用外周開口部及び／又はウインドウの、自身の開口部の全長の５０％以上となる各軸線方向部分は、バルブの軸線に垂直な、各軸線方向部分の中央を通る平面に関して非対称であるという幾何学的特性を有する。この検証のためには、開口部のコーナ半径を無視しなければならず、そして、開口部の幾何学的形状は、リーディングエッジ、トレーリングエッジ及び開口部の端部を突出することによりそれらの交点が生じる幾何学的形状であるように考慮されなければならない。
【００３８】
図７及び８は、吸気用外周開口部の２つの実施例を示す。図７に示すような形状の吸気用外周開口部４ｂを除き、図１〜４のエンジンと同様のエンジンを考慮する。吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３ｂの全長の５０％以上は軸線Ａに対して傾いており、残りの部分は軸線Ａに平行である。このようにすると、瞬間的な交点１７（図２参照）は、ウインドウ８の全長の少なくとも５０％にわたり吸気用軸線方向開口部６から次第に離れる。上記の幾何学性の検証を吸気用外周開口部４ｂに適用し、Ｈは、長さＬの５０％以上の吸気用外周開口部４ｂの任意の軸線方向部分を示す。Ｍは、軸線Ａに垂直な部分Ｈの中央を通る平面である。部分Ｈは、吸気用外周開口部４ｂに沿って決めるかに関係なく、平面Ｍに関して非対称であることは図７より明らかである。
【００３９】
次に、図８に示すような形状の吸気用外周開口部４ｃを除き、図１〜４のエンジンと同様のエンジンを考慮する。吸気用外周開口部４ｃは吸気用外周開口部のトレーリングエッジ１３ｃのごく一部だけが軸線Ａに対して傾いているという点で、従来の技術の吸気用外周開口部と類似している。また、Ｈは、長さＬの５０％以上の吸気用外周開口部４ｃの任意の軸線方向部分を示す。図示した部分Ｈが平面Ｍに関して対称であり、従ってロータリーバルブアセンブリは上記の幾何学性の検証を満たさないことは図８より明らかである。従って、このようなエンジンは掃気効率において従来の技術以上の向上はありえない。
【００４０】
本発明の掃気効率における利点は、吸気ポートが燃焼室に開くにつれて、吸気用外周開口部とウインドウのトレーリングエッジとの交点は吸気用軸線方向開口部の方へ次第に移動するように、これらのリーディングエッジを配置することにより更に高めることができる。吸気用外周開口部のリーディングエッジとウインドウのリーディングエッジとの両方がバルブの軸線に平行である従来の技術において、吸気ポートが開く時のピストンの下方への運動は、吸気ポートの中の流体にウインドウに沿って均一な衝撃を与える。この構成により吸気系に沿って伝わる負の圧力パルスは、わずかに異なる時間に吸気系の開口端に各々到着する、ウインドウに沿って異なる位置で始まっている無数の小さいパルスの組合せと考え得る。従って、圧力パルスは全体として、鋭くよりはむしろ広く定義される。しかしながら、もしこれらのトレーリングエッジの交点が吸気用外周開口部の方へ次第に移動すると、正のパルスとして反射するとき掃気効率をより向上するように使用できるより鋭い圧力パルスを生じるとほぼ同時に、ウインドウに沿った各小さいパルスが吸気系の開口端に到着するように設計することができる。吸気用外周開口部の方に次第に移動する交点を成すためのリーディングエッジの形状及び相互標定は、バルブの軸線に関して鏡映したものを除き、トレーリングエッジに記載した形状及び相互標定と同様である。
【００４１】
排気用外周開口部のトレーリングエッジも、吸気ポートの開口部に関して記載したのと同様の方法で、排気ポートが開くにつれて、排吸気用外周開口部及びウインドウのトレーリングエッジの瞬間的な交点が排気用軸線方向開口部から次第に離れるように設計することができる。ウインドウの全長は排気系の全長と比較して一般的に短いとされるが、その利点は本発明を吸気ポートに適用することと比較して低次元ある。
【００４２】
図６ａ-６ｌは外周開口部又はウインドウの様々な代替的な形状を示し、これら代替的な形状は、もしバルブが回転するにつれて外周開口部及びウインドウのトレーリングエッジの瞬間的な交点がウインドウの全長の５０％にわたりポートの軸線方向開口部から次第に離れるならば、又は、もしバルブが回転するにつれて外周開口部及びウインドウのリーディングエッジの瞬間的な交点がウインドウの全長の５０％にわたりポートの軸線方向開口部の方に次第に移動するならば、本発明の軸流ロータリーバルブアセンブリにおいて役に立ち得る。本明細書に示す実施例は完全ではない。図６ａ-６ｌに示す形状は全て、各軸線方向開口部の全長の１／２以上ある各軸線方向部分が、バルブの軸線に直角な、その軸線方向部分の中央を通る平面に関して非対称であるという上述した幾何学的特性を有する点に注意されたい。
【００４３】
本発明は、シリンダ毎に２つ以上の軸流ロータリーバルブを有する、又は吸気及び排気ポートが別々の軸流ロータリーバルブである軸流ロータリーバルブを有するエンジンにも適用する点に注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のロータリーバルブアセンブリを有する内燃機関の第１の実施例の断面図を示す。
【図２】シリンダヘッドのシリンダ面からウインドウを見た、図１に示す内燃機関の、シリンダヘッド及びバルブの図を示す。
【図３】図１に示す内燃機関のロータリーバルブの側面図を示す。
【図４】図３に示すロータリーバルブの吸気用外周開口部の幾何学的形状の投影図を示す。
【図５】シリンダヘッドのシリンダ面からウインドウを見た、本発明のロータリーバルブアセンブリを有する内燃機関の第２の実施例の、シリンダヘッド及びバルブの図を示す。
【図６】本発明の軸流ロータリーバルブアセンブリにおいて役に立ち得る、外周開口部又はウインドウの様々な代替的な形状を示す。
【図７】本発明の、図３の平面Ｂ上に投影した吸気用外周開口部の図を示す。
【図８】従来の技術の吸気用外周開口部の図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図６ｈ】
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【図６ｉ】
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【図６ｊ】
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【図６ｋ】
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【図６ｌ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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