JPH0270917A - ２サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ピストンを内蔵し吸入及び排出ポートを有す
るシリンダと、シリンダ中へ燃料を噴射する装置と、燃
料噴射装置によって噴射される燃料の量を制御する制御
装置とを有し、更にシリンダ内部と連通ずる通気路とピ
ストンの圧縮行程中に吸入チャージの一部をシリンダか
ら排出する事を可能にするために開く様に配列された弁
装置とを有する２サイクルエンジンに関する。

し従来の技術］ この種のエンジンにおいては、吸入及び排出ポートは所
定の期間両者共に開放されて、これによってピストンの
動作ストロークの終期において吸入チャージの圧縮の開
始の前に空気の吸入チャージ及び要求に応じては燃料が
シリンダから大部分の残留排気ガスを移動させる。この
種のエンジンは、吸入チャージが直接に、或いはクラン
クケースを介してシリンダ中に導入されるが、その中で
これは最初にピストンの動作ストロークの第１部分にお
いて圧縮され、次いでシリンダ中に移動する。

２サイクルエンジンは、これが本来的に非常に簡単で小
型であり初与の出力に対して低い摩擦損失を有するため
に、自動車用として潜在的に非常に魅力的である。これ
は特に自動車への応用で最もしばしば使用される負荷と
速度において２サイクルエンジン用に特に設計された自
動車に取り付けた場合、低製造価格と高燃料経済とをも
たらす。

しかし、最近に至るまで、大量の炭化水素の放出、オイ
ル消費、及び排気煙とが、自動車への応用での２サイク
ルエンジンの使用の妨害をなすのに十分であった。

最初に空気プラストシステムの形式で、次に燃料のみの
システムで為された石油エンジンの電気制御直接燃料噴
射システムの発展は最近２サイクルエンジンの自動車応
用への新しい関心を引起こした。これは、シリンダへの
燃料の直接噴射が空気のみでの排気ガスの掃気を可能と
し、従って、燃料が排出ポートの閉止された後にのみ噴
射される事のために、排気システム中への燃料の素通り
の恐れが防止されるからである。これは燃料消費及び公
害を低下させる。従って従来の４サイクル潤滑システム
が採用可能であり、空気は外部駆動掃気ブロワによって
供給可能である。これはオイル消費量従って排気煙を減
少させる。従来の２サイクルエンジンの欠点の多数に対
して負うべきものは掃気チャージ内の未燃焼燃料とオイ
ルとの排気システムへの素通りであると言う事に注目す
べきであろう。

直接燃料噴射を使用する改良型２サイクルエンジンへの
研究動作はいわゆる層状化チャージ燃焼システムに集中
されているが、この場合エンジンが低負荷で動作してい
る時大量の排気ガスがシリンダ中に残留し、新鮮なチャ
ージを薄めることとなる。層状化チャージシステムの採
用はエンジンが掃気、燃料噴射、及び混合行程に非常に
敏感となり、一般に低負荷において燃焼特性に相当な変
化が観察されるが、これは、安定的な燃焼において生じ
るよりも高燃料消費と高排気放射をもたらす。更に、層
状チャージエンジンは、いわゆる３ウエイ触媒、即ち酸
化−還元組合わせ触媒に適合出来ない、と言うのは急速
且つ完全な燃焼には過剰な酸素を必要とするが、これは
３ウエイ触媒による処理に不適当な酸素過剰排気ガスを
生じるからである。

従って、−様燃焼、即ち燃焼の開始以前にはシリンダ全
体を通して吸入チャージが一様な成分であることが好ま
しいが、低負荷においてこれを達成する事は困難である
。例えば入口をしぼる事によって低負荷において取入れ
圧力を減少させると、掃気行程が効果的に行われず、従
ってシリンダ内に大量の排気ガスを残すこととなる。そ
の結果−様でない、即ち層状のチャージが燃焼に当たっ
て出来る事となり、燃焼行程を不規則とし過剰な排気（
公害）放出をもたらす。

圧縮行程において吸入チャージの一部を排出して点火時
のシリンダ内の空気量を減少させル事は周知である。Ｇ
Ｂ−Ａ−４０５９は、点火に先立って吸入チャージの一
部を放出させる為にシリンダ圧力によって開放させ得る
ばね荷重リリーフ即ち通気弁を有する２サイクルエンジ
ンを開示している。通気弁はその開放度がスロットルの
開放度と逆比例関係にある様にエンジンスロットルにリ
ンクしている。従って通気弁は、タイミング制御されて
おらず、膨脂行程も含めてシリンダ内が高い圧力の時は
常に開いている。これは甚だ好ましくない事で、極端な
動力の浪費である。

ＤＥ−Ａ−３２２８６８０は、燃料噴射に先立って吸入
チャージの一部を放出するために圧縮行程の一部で開き
、ピストンが通気路を覆うときに閉止される回転弁を有
する通気路を有する２ナイクルエンジンを開示している
。好ましくは放出されるべき吸入チャージの一部は、実
際には、エンジンの瞬間出力に応じて変化するものであ
るが、この明細書には弁が開くタイミングを変化させる
事に関しては何等の記載も存在しない。若しこの弁のタ
イミングが事実上固定されているとすると、排出される
空気の量は、エンジンが、例えば８０％負荷の場合大き
くなり過ぎてしまう。弁の開放のタイミングがエンジン
の負荷に応じて変化するとすると、これは通気弁とクラ
ンクシャフトとの間の複雑、高価且つ信頼性のない可変
タイミングカップリングを必要とする。いずれにせよ、
回転弁は信頼性が非常に乏しく、特にこれが高温に晒さ
れる時にこれが甚だしい。更に、燃焼スペース内でガス
にこの弁が直接に露出されると、弁が次第に燃焼生成物
の為に詰り、最後には故障する事となる。この公知例明
細書の弁は燃焼スペースから相当の距離に位置し、これ
への通路は、エンジンの容積能率を相当に低下させる「
デッド容積」を形成し、汚染放射の増加をもたらす。

従って、燃焼チャージ、従って燃焼プロセスがエンジン
の出力に無関係にほぼ一様である掃気型２サイクルエン
ジンを提供する事が本発明の目的である。特に、公知例
明細書の欠点が除去され、特に、詰り、故障、の原因と
なる回転弁の使用と弁装置の上流のデッド容積の発生と
を除いた上述の形式のエンジンを提供することが本発明
の目的である。

即ち、本発明によれば、上述した形式の２サイクルエン
ジンは、弁装置がシリンダの内部と通気路との間の連通
を制御する様に設けられピストンの運動と同期して開放
、閉止する様に接続されている第１弁と、制御装置に結
合され、シリンダ内に噴射された燃料の量を減少するよ
うに制御装置が操作された時に大量の吸入チャージを排
出する事が可能な様に大きく開放される様に設定されて
いる第２スロツトル弁とを有する事を特徴とする。

本発明によるエンジンは、吸入／掃気空気の新鮮なチャ
ージがエンジンの受けている負荷に、即ち噴射される燃
料の量と無関係にほぼ一定な圧力でシリンダ内に入るが
、全負荷よりも小さい負荷においては圧縮行程に当って
その一部を排出する事によってシリンダ内の空気量を相
当に減少しこれによって燃焼のためにシリンダ中に残さ
れる空気量は噴射される燃料の量とマツチする事を可能
とする。

全負荷又はこれに近い負荷で動作する場合には本発明の
エンジンは普通の要領で動作し、非周期的であってエン
ジンサイクルと同期して開閉することのない第２弁は圧
縮行程中は全て閉止されるように準備されるが、低負荷
で動作する時には第２弁は噴射された燃料の量に逆比例
して開くように準備されて燃料の噴射の前に吸入空気の
一部を廃棄する。第１弁はシリンダの内部と通気路との
間に位置して従って「デッド容積」は存在しない。

第１弁は一定回転形式のものではなく、エンジンサイク
ルと同期して開閉するものである。しかしこれは、排出
される事となる吸入チャージの割合を変化させる様に応
動するものではなく、この機能を満足する第２弁への吸
入チャージへのアクセスを可能とするものである。第１
弁は上死点より手前で、好ましくはシリンダ内への燃料
の噴射の行われる前に閉止され、シリンダ内に残留する
空気の量はこれによって噴射される燃料の量とマツチす
る。その結果、空気−燃料混合物は低負荷においてもほ
ぼ一様で、その為燃焼も同様に一様で燃料消費量及び公
害源及びスモークが減少する。

計算によると、第１弁がピストン上死点位置の只の３０
６手前で閉止したとしても、エンジンは能率的にかつ経
済的に動作することを示している。

本発明のエンジンにおいては、純粋な圧縮行程は第１弁
が閉止されてからのみ開始され、又、エンジンが低負荷
で動作している時、即ち相当量の吸入空気が排出されて
いる時には圧縮ガスの最高温度は相当に低下する、と言
う事に注意すべきである。しかし、第１弁が上死点の３
０″手前で閉止したとしても、ガス温度は満足すべき燃
焼に十分であることが判明している。本発明のエンジン
は効果的に可変圧縮比を有するが、その膨張比は勿論圧
縮比の低下に同等影響されず、燃焼中の燃料から得られ
るべき動力が相当のものである事を可能としている。計
算によると、燃焼行程に於ける、従ってエンジン自体の
全体としての能率は、圧縮比の減少によって殆ど減少し
ない事を示している。

第１弁は各種の形式を取り得ようが、これがスリーブ型
、即ち、シリンダと同軸的に配置されシリンダ壁の開孔
と整合し、これと非整合となる様に動かされる開孔を有
する中空シリンダ部材、であることが好ましい。この種
のスリーブ弁部材は理論的にはシリンダ壁の外側に位置
せしめ得ようが、これがシリンダの中に位置しシリンダ
壁２内を形成する事が好ましい。スリーブ弁部材は各種
の要領で動かし得ようが、例えばクランクシャフトに接
続された駆動部で駆動されるように接続される事が好ま
しい。これはシリンダ軸に平行に直線状に往復運動させ
ても、シリンダ軸を中心として円弧状の往復運動をさせ
てもよいが、この運動がこれらの両者の運動の組合わせ
、即ち、中空シリンダ部材の各点が軌道運動をする様に
する事が好ましい。この種の弁はエンジンにおいて周知
であり、例えばＧＢ−Ａ−２２３１２２，ＧＢ−Ａ−２
７４５６４及びＧＢ−Ａ−２７９１７６に開示されてい
るが、これ以上の詳細、特にその付勢機構に関してはこ
れらの文献を参照されたい。

本発明は−シリンダタイプの２サイクルエンジンに応用
゛可能ではあるが、例えば自動車用の多シリンダ型のエ
ンジンにも特に応用可能であり、この場合各シリンダは
通気路と第１、第２弁を有し、全部の第１弁は調和して
動くように接続され、全ての第２弁は同一の程度に開く
ように接続されている。

本発明のその他の特徴及び詳細は添付略示図面を参照し
ての、例示としての特定な実施例に関する以下の説明か
ら明らかとなろう。

先ず第１図及び第２図を参照すると、エンジンは若干数
のシリンダを有するが、その内の一つのみを図示の上説
明する。各シリンダはシリンダ壁２で画定されているが
、通常の要領でピストン４を摺動自在に内蔵している。

ピストンはコネクチングロッド４０を介してクランクケ
ース４４内のクランクシャフト４２に接続されているが
、これらは業界周知の事である。シリンダ壁２内には吸
入ポート６と排出ポート８とがあるが、これらはピスト
ンがシリンダ内で往復動すると順番にカバアンカバーさ
れる。吸入ポート６には吸入ブレナム２３を介して周知
のタイプの掃気ブロワ２２が接続されている。シリンダ
の上端部にはスパークプラグ２６と電子制御器４８によ
って制御される直接燃料噴射器２８とが位置する。シリ
ンダ壁の上部部分には通気路１０が延びているがこれに
は可変スロットル弁１２があり、以下に記載の様にシリ
ンダの内部に連通するように配列されている。スロット
ル弁の位置は、エンジンに噴射される燃料の量に応じて
通気制御器５０によってセットされ、この目的のために
制御器５０は制御器４８に又はエンジンの燃料制御レバ
ー又は「スロットル」に接続されている。シリンダの中
には中空シリンダ弁部材即ちスリーブ１４が位置するが
これはシリンダと同軸を成しており、シリンダ壁とピス
トンとの間に位置してシリンダライナとして効果的に動
作している。スリーブ１４には３個の開孔１６．１８．
２０が形成されているが、その位置は夫々ポート６と８
及び通気路１０に対応している。スリーブ１４は公知の
形式の歯車駆動でクランクシャフトに接続されて直線状
に及び回転状態に動かされその各部分がほぼ軌道状の運
動を描き、開孔１６．１８及び２０はエンジンサイクル
の定時刻にポート６．８及び通気路１０と整合状態とな
り又これから外れる。

使用に当って、第２図に示すようにピストンが下死点に
ある時、開孔１６と１８とはポート６と８に整合してお
り、空気はシリンダへ吸入ポートを介して流入し、排気
ガスを排気システムの中に移動即ち掃気する。ピストン
がその圧縮行程を行うと、スリーブ１４はポート６と８
とを覆い通気路１０を開くように動く。通気路１０は、
第１図に示す様にピストンの上昇行程の殆どで開放され
ており、その為空気の吸入チャージの一部が通気路が接
続されている吸入ブレナム２３に戻る事が出来る。上死
点の手前約３０″又は恐らくそれ以上、例えば６０°に
おいて、スリーブ１４は通気路１０を閉止し、次いで残
留空気が圧縮される。

上死点の手前約３０″で燃料がシリンダ内へ噴射されて
更に上死点又はその近くでスパークプラグによって燃料
が点火される。

上述の通り、通気路１０はスロットル弁１２を有するが
、その位置は、エンジンが全負荷の場合にはスロットル
弁１２が完全に閉止されて空気が漏れることがなく、一
方エンジンが低負荷の場合スロットル弁１２は完全に開
放されて吸入空気の相当部分が実際の圧縮の開始に先立
って放出されてエンジンをシリンダ内のわずかな空気で
最低の圧縮比に止めて出力を最低にする様にエンジンの
燃料制御レバー又は「スロットル」によって直接又は間
接に定められる。最低と最大との間のエンジン負荷にお
いては、スロットル弁１２は一部開放されて、空気の吸
入チャージの若干が排出されてシリンダ内の圧力は通気
路の閉止の前に、大気圧と、通気路が無いか或いは完全
に閉止されている時に予想される値との間のどこかの値
まで上昇し、このためエンジンの有効圧縮比は最大と最
小との間のどこかに位置する。

即ち、全てのエンジン負荷、即ち「スロットル」のセツ
ティングにおいて、燃焼の開始時におけるシリンダ内の
空気の実際の存在量は噴射された燃料の量とマツチして
空気燃料混合物及びこれに伴う燃焼が事実上−様となる
。

上述の実施例においては、吸入空気は掃気ブロワによっ
て供給されて空気吸入システムに逆送される。しかし、
吸入空気はピストンの運動によってのみ吸入されて大気
中へ直接に或いはエンジン排気システムに排出されても
良い。

第１図及び第２図に示すエンジンの典型的なタイミング
図を第３図に示す。上死点位置はＡで示され、そこから
時計方向に動いて排気ポートがＢで開き、排気ガスが排
気システムの中に逃れる。

吸入ポートがＣで開いて新鮮空気がシリンダ内に到着し
て排気ガスを更に排気システム中へ移動させる。Ｄの下
死点の通過後通気路１０がＥで開き空気の吸入チャージ
が排気ガスの排気システムへの移動を続けさせる。排気
ポートはスリーブ弁によってＦで閉止される。吸入チャ
ージは吸入ボ−トを介して引続いてシリンダ内に到着し
通気路を介して脱出して、次いで吸入ポートはＧにおい
てピストンで或いはスリーブ弁で閉止される。吸入チャ
ージはスロットル弁１２のセツティングに応じて圧縮さ
れるか或いは通気路を介して逃げ出す。

通気路１０はＨで閉止されて燃料が噴射され次に圧縮行
程がＡで完成するが、その直前にスパークプラグが付勢
されて燃焼が開始される。

吸入空気の所望の割合を通気路を介して確実に排出され
るようにするために、吸入ポートの圧力よりも通気路に
加えられる背圧を低くする事が勿論好ましい。これを達
成する一つの方法を第４図に示すが、ここでは掃気ブロ
ワ２２の入口にスロットル２４を設置するが、その為に
スロットル２４とブロワ２２との間が低圧となる。勿論
掃気ブロワは再び圧力を増加して吸入チャージをエンジ
ン内に圧入する。通気路１０はスロットル２４の下流で
掃気ブロワの入口と接続されている。

別の構造を第５図に示すが、これはクランクケース掃気
型のエンジンを示している。この構造においては、第４
図の場合の様なスリーブ弁は簡略化の為に省略されて、
クランクケース３ｏ内の空間はピストンによって作用さ
れて移動路３２を介して吸入ポート８に繋がると共に通
気路１０と吸入ダクト３４に繋がっているが、この後者
は一方向弁３６即ちリード弁を含んでいる。このエンジ
ンはほぼ公知の要領で動作するが、ピストンの圧縮行程
において空気が吸入ダクト３４を介してクランクケース
内に引込まれ、次いでピストンの動作行程において圧縮
されて移送路３２を通してシリンダ内に押込まれて掃気
及び燃焼空気として作用する。エンジンが低負荷で動作
していると、圧縮行程においてシリンダから排出された
空気はクランクケース中に戻りリサイクルされる。

上述のように、通気路１０と弁スリーブ１４とは、シリ
ンダの通気が上死点の前約３０″まで継続し得る様に位
置、構成させることが好ましい。

通気路の流動面積は比較的低いエンジン負荷において吸
入チャージの相当部分を放出できるようにするのに十分
であり従ってこの通路の流通面積は吸入ポートの面積の
２５％乃至１２５％の間にある事が好ましい（吸入ポー
トは勿論実際にはポート列をなしている）。

スロットル弁１２は各種の形式のものがあろうが、その
最も簡単なものは第６図に示すような単純な蝶型゛弁で
よい。これに替って、第７図に示すようなバレル弁、第
８図に示す様なきのこ弁或いは第９図に示すような蝶型
弁でもよい。しかし、どの場合においても、弁１２は非
周期的、即ちエンジンサイクルに同期して開閉するもの
ではなく、その開放度はエンジンが担っている負荷によ
ってのみ決定されるものである。

シリンダの内部を通気路１０から閉止する固定タイミン
グの弁は各種の形式を取り得ようが、弁スリーブ１４を
採用する事は第３図に示すように吸入、排出ポートの開
閉のタイミングを非対称とする利益があると共に、スロ
ットル弁１２とシリンダとの間の「デッド容積」が、圧
縮、膨張行程においてシリンダと連通しない様にする利
益が存在する。非対称タイミングは空気吸入行程の容積
能率を増加すると共に、「デッド容積」の減少は燃料消
費と炭化水素放出の両者を低下させる。

本発明は直接燃料噴射式のエンジンを最初の目的とした
ものではあるが、この種のエンジンのみに限定されるも
のではなく、通気路が吸入パイプ又はクランクケースに
接続されている限り、通常のカーブレタを備えるエンジ
ンについても使用可能である。

吸入、排出ポートを上述の様にスリーブ弁で、或いはス
リーブ弁が省略された場合ピストンによってカバー乃至
開放するする代わりに、入口、出口を夫々のきのこ弁に
よって制御する事も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ピストンが圧縮行程に行きつつある状態の多
シリンダ２サイクルエンジンの１シリンダの垂直断面で
あり、第２図はピストンが下死点に位置する第１図のシ
リンダの図であり、第３図は吸入、排出ポート及び通気
路の開閉のタイミングを示すタイミング図であり、第４
図は別のタイブの吸入システムを有するエンジンの略図
であり、第５図は本発明によるクランクケース掃気エン
ジンの垂直断面略図であり、更に、第６図、第７図、第
８図及び第９図は通気路中のスロットル弁の４種の別の
構造の図である。 図において、２はシリンダ、４はピストン、６は吸入ポ
ート、８は排出ポート、１０は通気路、］２は第２スロ
ツトル弁、１４は第１弁、２０は開孔、２２は掃気ブロ
ワ、２３は吸入ブレナム、２４はスロットル弁、２８は
燃料噴射装置、３２はトランスファ通路、４４はクラン
クケース、４８は燃料制御装置、を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ピストンを内蔵し吸入及び排出ポートを有するシリ
   ンダと、シリンダ中へ燃料を噴射する装置と、燃料噴射
   装置によって噴射された燃料の量を制御する制御装置と
   を有し、更にシリンダ内部と連通する通気路とピストン
   の圧縮行程中に吸入チャージの一部をシリンダから排出
   する事を可能にするために開く様に配列された弁装置と
   を有する２サイクルエンジンにおいて、弁装置はシリン
   ダ（２）の内部と通気路（１０）との間の連通を制御す
   る様に設けられピストンの運動と同期して開放、閉止す
   る様に接続されている第１弁（１４）と、制御装置（４
   ８）に結合され、シリンダ（２）内に噴射された燃料の
   量を減少する様に制御装置（４８）が操作された時に大
   量の吸入チャージを排出する事が可能な様に大きく開放
   される様に設定されている第２スロットル弁（１２）と
   を有する事を特徴とする２サイクルエンジン。 ２）第１弁（１４）は上死点の少なくとも３０度手前の
   時に通気路（１０）を閉止する様に配列されている事を
   特徴とする請求項１記載のエンジン。 ３）燃料噴射装置（２８、４８）は通気路（１０）を通
   して排出がされていない時に燃料をシリンダ内に噴射す
   る様に配列されている事を特徴とする請求項１又は２記
   載のエンジン。 ４）第１弁（１４）はシリンダ（２）と同軸に位置する
   中空シリンダ状部材から成り、開孔（２０）を有し、こ
   れがシリンダ壁の開孔（１０）と一致する状態になり、
   又は、これから外れる様に運動可能である事を特徴とす
   る前記請求項のいずれか１項記載のエンジン。 ５）中空シリンダ状部材（１４）はシリンダ（２）内部
   に位置し、シリンダライナを構成している事を特徴とす
   る請求項４記載のエンジン。 ６）中空シリンダ状部材（１４）は運転によってシリン
   ダ軸に平行な直線状の及びシリンダ軸を中心とする回転
   状の両方の運動をする様に接続されている事を特徴とす
   る請求項４又は５記載のエンジン。 ７）通気路（１０）が吸入プレナム（２３）に連通して
   いる事を特徴とする、吸入プレナムを介して吸入ポート
   に接続されている掃気ブロワを含んでいる前記請求項の
   いずれか１項に記載のエンジン。 ８）入口がスロットル弁（２４）に接続され、又、通気
   路（１０）はスロットル弁（２４）の下流の掃気ブロワ
   （２２）の入口に連通されている事を特徴とする、出口
   が吸入ポートに接続されている掃気ブロワを有する請求
   項１乃至６の内の任意１項に記載のエンジン。 ９）これがクランクケース掃気タイプであり、吸入ポー
   ト（６）がトランスファ通路（３２）を介してクランク
   ケース（４４）と連通している事を特徴とする請求項１
   乃至６の内の任意１項に記載のエンジン。 １０）各シリンダ（２）が通気路（１０）、第１弁（１
   ４）及び第２弁（１２）を有し、全ての第１弁（１４）
   が所定の位相関係で動く様に接続され、全ての第２弁が
   同一程度に開くように接続されている事を特徴とする多
   シリンダ型の前記請求項のいずれか１項に記載のエンジ
   ン。