JPH05214947A - ターボチャージャを持つ２ストロークエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、排気エネルギーを有効に回収する
ターボチャージャを持つ２ストロークエンジンを提供す
る。 【構成】 本発明は、シリンダヘッド１に排気バルブ９
を配置した排気ポート１１を形成し、ピストン下死点近
傍で開口する排気ポート４をシリンダ１０下部に形成
し、排気ポート４に排気管８を通じてターボチャージャ
５を連通し、排気ポート４に開閉バルブ３を設けて排気
ポート４を排気行程時の筒内圧力が所定以上で開放し且
つ所定以下で閉鎖させたので、ターボチャージャ５で排
気行程初期における高圧の排気エネルギーを有効に回収
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンジンの排気エネ
ルギーによって駆動されるターボチャージャを持つ２ス
トロークエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンの作動については、爆
発行程（即ち、膨張行程）、排気行程、吸入行程及び圧
縮行程の作動を順次繰り返して行うものであり、４サイ
クルエンジンと２サイクルエンジンの２つの方式があ
る。２ストロークエンジンは、シリンダヘッド或いはシ
リンダ下部に排気ポートを形成し、シリンダ下部に掃気
ポートを設け、ピストンの２ストークで１サイクルが終
了するものであり、クランクシャフト１回転で１回の動
力を得ることができる。従来、排気エネルギーで駆動さ
れるターボチャージャとエネルギー回収タービンを持つ
エンジンは、排気ポートに連結した排気マニホルド等の
排気管の下流にターボチャージャ、エネルギー回収ター
ビン等が連結され、エンジンで発生する排気エネルギー
をターボチャージャ、エネルギー回収タービン等で回収
し、コンプレッサを駆動したり、或いは発電・電動機で
電気エネルギーとしてバッテリ等で回収している。

【０００３】また、エンジンの排気エネルギー回収装置
としては、特開昭５９−２０５２６号公報に開示された
ものがある。該エンジンの排気エネルギー回収装置は、
内部で発生する熱の放熱を抑制し、排気ガスのエネルギ
ーを回収するものであり、エンジンの排気マニホルドの
先端に順次配設した複数の排気タービンのタービン軸に
直流発電機の回転軸をそれぞれ直結するとともに、エン
ジンの回転軸に直流モータの回転軸を結合し、直流発電
機から発生する電気エネルギーを直流モータに与えてこ
れを駆動し、直流モータの出力をエンジンの出力軸に帰
還させたものである。

【０００４】また、特開平３−５０３６３号公報には、
２ストローク断熱エンジンが開示されている。該２スト
ローク断熱エンジンは、ヘッド下面部とライナ上部とを
断熱構造に構成し、ヘッド下面部に形成した排気ポート
に排気バルブを配置し、ライナ上部とライナ下部との境
界部に断熱ガスケットを配置し、ライナ下部に多数に吸
気口を形成し、該吸気口をライナ下部外周に形成した吸
気ポートに開口したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、２ストロー
クエンジンにおいて、ターボチャージャを設けた場合
に、排気圧力を掃気圧力より高圧にすることは、２スト
ロークの原理から不可能なことである。ところが、排気
行程直前の筒内圧力は、数ｋｇ／ｃｍ² 以上あり、該高
圧の筒内圧力を利用すれば、排気タービンによって排気
エネルギーを有効に回収することは可能である。しかし
ながら、現実には、排気タービン前の圧力まで一度膨張
し、その圧力が大気圧まで膨張する。その圧力差分のみ
が排気タービンで回収できるのみである。また、排気タ
ービン前の圧力を高くし、その回収分を増大させること
を考えた場合に、２ストロークエンジンでは、掃気圧を
排気タービン前の圧力以上に上昇させる必要があり、そ
れに要するエネルギーが増大し、トータルの回収効率は
向上しないものである。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、シリンダヘッドに排気バルブを配
置した第１排気ポートを形成し、シリンダ下部に掃気ポ
ートを形成した２ストロークエンジンにおいて、シリン
ダ下部に開閉バルブを配置した第２排気ポートを形成
し、該第２排気ポートをターボチャージャに連通し、排
気行程初期における高速で且つ高圧の排気ガスをターボ
チャージャに送り込んで排気圧を上げて排気エネルギー
を有効に回収して回収エネルギーを増大させ、排気行程
初期で筒内の排気ガス量を低減し、前記第１排気ポート
による排気行程でのピストン圧縮仕事を低減させ、筒内
に残留する残留ガスを低減して吸入効率を向上させ、エ
ンジン出力の低下を防止するターボチャージャを持つ２
ストロークエンジンを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、エンジンの排気エネルギーによって駆動さ
れるターボチャージャを持つ２ストロークエンジンにお
いて、シリンダヘッドに形成し且つ排気バルブを配置し
た第１排気ポート、ピストン下死点近傍で開口するシリ
ンダ下部に形成した第２排気ポート、該第２排気ポート
より下方位置のシリンダ下部に形成した掃気ポート、前
記第２排気ポートに排気管を通じて連通したターボチャ
ージャ、及び前記第２排気ポートを排気行程において筒
内圧力が所定以上で開放し且つ所定以下で閉鎖する開閉
バルブを有するターボチャージャを持つ２ストロークエ
ンジンに関する。

【０００８】

【作用】この発明によるターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンは、上記のように構成されており、次の
ように作用する。即ち、このターボチャージャを持つ２
ストロークエンジンは、シリンダヘッドに排気バルブを
配置した第１排気ポートを形成し、ピストン下死点近傍
で開口する第２排気ポートをシリンダ下部に形成し、該
第２排気ポートより下方位置のシリンダ下部に掃気ポー
トを形成し、前記第２排気ポートに排気管を通じてター
ボチャージャを連通し、前記第２排気ポートを排気行程
において筒内圧力が所定以上で開放し且つ所定以下で閉
鎖する開閉バルブを設けたので、排気行程初期における
高圧の排気エネルギーを前記第２排気ポートを通じて前
記ターボチャージャへ送り込むことができ、排気エネル
ギーを前記ターボチャージャで有効に回収できる。

【０００９】即ち、この２ストロークエンジンにおい
て、排気行程初期において、前記第２排気ポートから前
記開閉バルブを通じて筒内の排気ガスは前記ターボチャ
ージャのタービン上流側に排気でき、排圧が大きくても
前記第２排気ポートからはエンジンのブローダウンの高
圧ガスが短時間に大部分流出するので、前記タービンを
駆動でき、コンプレッサを駆動すると共に、前記ターボ
チャージャに発電・電動機を設けた場合には該発電・電
動機で電気エネルギーとして回収することができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明によるター
ボチャージャを持つ２ストロークエンジンの一実施例を
説明する。図１はこの発明によるターボチャージャと回
収タービンを持つエンジンの一実施例を示し且つ開閉バ
ルブの閉鎖状態を示す概略断面図、図２は図１の開閉バ
ルブの開放状態を示す概略断面図、図３は図１の２スト
ロークエンジンに組み込まれた発電・電動機を持つター
ボチャージャの一例を示す概略説明図、及び図４は図１
の２ストロークエンジンに組み込まれたエネルギー回収
装置の一例を示す概略説明図である。

【００１１】図示するように、このターボチャージャを
持つ２ストロークエンジンは、エンジンの排気エネルギ
ーによって駆動されるターボチャージャ５及びエネルギ
ー回収装置６を有している。この２ストロークエンジン
は、シリンダブロック２、該シリンダブロック２に固定
したシリンダヘッド１、シリンダブロック２に形成した
シリンダ１０、該シリンダ１０内即ち筒内を往復運動す
るピストン７、及び該ピストン７の往復運動を回転運動
に変換するコンロッドとクランクシャフトを有してい
る。図１では、シリンダブロック２に形成されるシリン
ダ１０については概略が示されている。シリンダヘッド
１には、第１排気ポートである排気ポート１１が形成さ
れ且つ筒内に燃料を噴射するため燃料噴射ノズル３２が
配置されている。排気ポート１１には、排気バルブ９が
配置されている。また、シリンダ１０のシリンダ下部に
掃気ポート１２を形成している。シリンダヘッド１に形
成した排気ポート１１は、マニホルドガスケットを介在
して排気マニホルド１３に連結されている。排気マニホ
ルド１３は、ターボチャージャ５の下流側の排気通路１
７、或いはエネルギー回収装置６の下流側の排気通路１
８に連結されている。

【００１２】このターボチャージャを持つ２ストローク
エンジンは、特に、シリンダ１０のシリンダ下部で且つ
ピストン下死点近傍で開口する第２排気ポートである排
気ポート４が形成されており、排気ポート４を排気管８
を通じてターボチャージャ５におけるタービン２０のタ
ービンスクロール１４に連結したことを特徴としてい
る。また、排気ポート４の筒内の開口位置は、掃気ポー
ト１２の筒内の開口位置より上方である。言い換えれ
ば、排気ポート４より下方位置のシリンダ下部に掃気ポ
ート１２が形成されている。更に、排気ポート４には、
排気行程において筒内圧力が所定以上で開放し且つ所定
以下で閉鎖する開閉バルブであるロータリバルブ３が配
置されている。

【００１３】このロータリバルブ３は、図１では排気ポ
ート４を閉鎖した状態が示されており、また、図２では
排気ポート４を開放した状態が示されている。ロータリ
バルブ３は、エンジン回転に同期して同一回転数で作動
するように構成できる。或いは、コントローラでエンジ
ン作動状態に応答して制御するように構成することも可
能である。また、ターボチャージャ５のコンプレッサ１
９で加圧された空気は、吸気通路２４を通じて、例え
ば、インタクーラ等を通って吸気マニホルド１６に送り
込まれる。

【００１４】また、この２ストロークエンジンに組み込
まれたターボチャージャ５は、図３に示すように、ター
ビン２０、該タービン２０に固定したシャフト２３に連
結したコンプレッサ１９及びシャフト２３上に設けた発
電・電動機２１を有している。タービン２０の入口側の
タービンスクロール１４は、排気管８に連通している。
タービン２０の出口側の排気通路１７は、図４に示すエ
ネルギー回収装置６の発電タービン２５の入口側のター
ビンスクロール２６に連通している。また、発電タービ
ン２５の出口側の排気通路１８は、例えば、排気ガス浄
化装置等を通じて大気開放している。エネルギー回収装
置６は、発電タービン２５に固定したシャフト２２に対
して発電機２７が設けられ、該発電機２７で排気エネル
ギーが回収されるように構成されている。

【００１５】上記のように構成されている２ストローク
エンジンの作動を図５を参照して説明する。図５はこの
ターボチャージャを持つ２ストロークエンジンの作動の
一実施例を説明する線図である。図５において、ピスト
ン７がシリンダ１０内を往復運動する時のピストン７の
変位を符号Ｐで示し、上死点をＴＤＣで示し且つ下死点
をＢＤＣで示す。更に、図５において、この２ストロー
クエンジンにおける開閉バルブ３の開放期間を符号Ａ、
掃気ポート１２の開放期間を符号Ｂ、排気バルブ９の開
放期間を符号Ｃ及び排気ポート４の開放期間を符号Ｄで
示す。従って、開閉バルブ３が閉鎖することによって排
気ポート４は閉鎖状態になり、開放期間が短縮される。
図５では、開閉バルブ３の閉鎖で排気ポート４が閉鎖状
態になる閉鎖期間を符号Ｅで示す。

【００１６】この２ストロークエンジンにおいて、圧縮
行程でピストン７が上死点ＴＤＣの近くになり、筒内空
気は圧縮されて高温高圧になると、燃料噴射ノズル３２
から燃料が筒内に噴射され、圧縮空気と混合して燃焼
し、燃焼行程になってピストン７は下降する。ピストン
７のピストン頂面１５が排気ポート４の上側部分とラッ
プを始めると即ち排気ポート４が筒内に開口し始める
と、開閉バルブ３は図２に示す位置になって開放し、筒
内の高温高圧の燃焼ガスは、排気ポート４及び開閉バル
ブ３を通じて排気管８へ排気され、次いでターボチャー
ジャ５のタービン２０へ送り込まれる。この場合に、排
気管８内の圧力は、ターボチャージャ５とエネルギー回
収装置６が設けられているため、高圧の排気圧を有して
いるが、該排気圧よりも筒内圧力が高圧になっているた
め、短時間に筒内の大部分の燃焼ガスは流出する。

【００１７】ピストン７が更に下降し、ピストン頂面１
５が掃気ポート１２の上側部分とラップを始めるタイミ
ング即ち掃気ポート１２が筒内に開口し始めるタイミン
グで、開閉バルブ３は回転しているため、図１に示す位
置になって開閉バルブ３が排気ポート４を閉鎖する。開
閉バルブ３の閉鎖タイミングで排気バルブ９が開放し、
排気ポート１１が筒内に連通する状態になる。ここで、
開閉バルブ３による排気ポート４の閉鎖と排気バルブ９
による排気ポート１１の開放とのタイミングは、ほぼ同
一であるが、多少のオーバラップがあっても差し支えな
いものである。

【００１８】次いで、筒内の燃焼ガスは排気ポート１１
を通じて排気されると共に、掃気ポート１２を通じて筒
内に新気が導入され、該新気により筒内の残留ガスは排
気ポート１１から排気される。排気ポート１１から排出
された排気ガスは、排気マニホルド１３を通ってターボ
チャージャ５の下流側の排気通路１７或いはエネルギー
回収装置６の下流側の排気通路１８に排気される。

【００１９】このターボチャージャを持つ２ストローク
エンジンにおいて、排気ポート４が開閉バルブ３の作動
で閉鎖、掃気ポート１２が開放及び排気ポート１１が排
気バルブ９の作動で開放するタイミングにおける各部分
の圧力を見ると、排気ポート４の圧力が最も大きく、掃
気ポート１２の圧力が続き、排気ポート１１の圧力が小
さくなっている。従って、排気ポート４に開閉バルブ３
が設けられていないと、排気管８内の圧力によって排気
ガスが筒内に逆流する現象が発生するが、この時、排気
ポート４は開閉バルブ３で閉鎖されるので、排気ガスの
筒内への逆流現象は発生しない。また、排気ポート１１
内の圧力は、掃気ポート１２内の圧力より低圧であり、
掃気行程が良好に行われる。引き続き、ピストン７は再
び上昇し、排気バルブ９及び掃気ポート１２による掃気
・吸気行程が終了し、圧縮行程に移行する。この掃気・
吸気行程と圧縮行程では、開閉バルブ３は閉鎖した状態
である。

【００２０】従って、このターボチャージャを持つ２ス
トロークエンジンは、ピストン下死点近傍で開閉バルブ
３が開放して排気ポート４が排気管８内に連通すること
で、該排気ポート４を通じて筒内の燃焼ガスは、ターボ
チャージャ５のタービン２０の上流側に排気され、該排
気ガスはタービン２０を駆動した後にタービン２０の出
口側即ち排気通路１７からエネルギー回収装置６の発電
タービン２５に送り込まれ、該排気ガスは発電タービン
２５を駆動した後に外部へ排気される。従って、排気ポ
ート４分だけ排気ガスを排出する排気有効面積が増大す
ると共に、排気ポート４を通じて筒内の排気ガスはター
ボチャージャ５のタービン２０上流側に排気され、排気
圧が大きくても排気ポート４からはエンジンのブローダ
ウンの高圧ガスが短時間に流出するので、ターボチャー
ジャ５のタービン２０を駆動でき、コンプレッサ１９を
駆動すると共に、ターボチャージャ５に設けた発電・電
動機２１によって電気エネルギーとして回収することが
できる。

【００２１】更に、排気マニホルド１３をエネルギー回
収装置６の上流側に連通すれば、排気ポート１１から排
気される残りの排気ガスが有する排気エネルギーはエネ
ルギー回収装置６によって回収される。

【００２２】次に、図６及び図７を参照して、この発明
によるターボチャージャを持つ２ストロークエンジンの
別の実施例を説明する。この実施例は、上記実施例と比
較して、開閉バルブの構成が異なる以外は、全く同一の
構成及び機能を有するのものであるので、同一の部品に
は同一の符号を付して重複する説明は省略する。この実
施例のターボチャージャを持つ２ストロークエンジンに
おいて、開閉バルブ３は、シリンダブロック２に取り付
けたバルブケース２８と、バルブケース２８内で軸受３
１を介して回転可能に取り付けられた筒状ロータリバル
ブ３０とから構成されている。シリンダブロック２は、
図６では一体構造のものが示されているが、図７に示す
ように、シリンダブロック２を本体部２Ｂとライナ部２
Ｌとから構成することもできる。筒状ロータリバルブ３
０には、排気ポート４と整合して排気ガスを排気管８へ
連通する開口２９を備えている。この形成の開閉バルブ
３は、排気ガスを排気ポート４から排気管８へコントロ
ールを良好に且つ排気ガスをスムースに排気させること
ができる。

【００２３】

【発明の効果】この発明によるターボチャージャを持つ
２ストロークエンジンは、上記のように構成されてお
り、次のような効果を有する。即ち、このターボチャー
ジャを持つ２ストロークエンジンは、ピストン下死点近
傍で開口するシリンダ下部に第２排気ポートを形成し、
前記第２排気ポートに排気管を通じてターボチャージャ
を連通し、筒内圧力が所定以上の排気行程初期に開放し
且つそれ以外の時には閉鎖する開閉バルブを前記第２排
気ポートに設けたので、排気行程初期における高圧の排
気ガスを前記開閉バルブを通じて前記ターボチャージャ
へ送り込み、該ターボチャージャで排気エネルギーを有
効に回収できる。即ち、排気行程初期において、前記第
２排気ポートから開放した前記開閉バルブを通じて筒内
の排気ガスは前記ターボチャージャのタービン上流側に
排気でき、排圧が大きくても前記第２排気ポートからは
エンジンのブローダウンの高圧ガスが短時間に流出する
ので、前記タービンを駆動でき、コンプレッサを駆動す
ると共に、前記ターボチャージャに発電・電動機を設け
た場合には該発電・電動機で電気エネルギーとして回収
できる。

【００２４】更に、前記ターボチャージャの下流にエネ
ルギー回収装置を設けておけば、前記ターボチャージャ
を駆動した後、該排気ガスは前記エネルギー回収装置に
送り込まれ、前記エネルギー回収装置の発電タービンを
駆動して排気エネルギーを回収できる。

【００２５】また、排気行程の初期に相当量、例えば、
７０％の排気ガスが前記第２排気ポートから排出される
ので、筒内の排気ガス量は低減して排気ガス圧は低くな
り、ピストンの圧縮行程には既に燃焼ガス圧は低下し、
排気行程即ちピストン上昇時の前記ピストンの圧縮仕事
が低減する。

【００２６】また、シリンダヘッドに形成した第１排気
ポートを前記ターボチャージャの下流側で且つエネルギ
ー回収装置の上流側に連通すれば、前記排気バルブの開
放で前記第１排気ポートから排気された残りの排気ガス
は前記エネルギー回収装置の上流側に送り込まれ、該残
りの排気ガスは前記エネルギー回収装置の発電タービン
を駆動して排気エネルギーは回収される。

【００２７】また、筒内の排気ガスは前記排気ポート及
び前記排気孔を通じて爆発行程終端及び排気行程初期に
おいて絶対量が低減して排気ガス圧は低くなり、ピスト
ンの上昇時の排気行程では、既に筒内の排気ガス量は低
減しているので、ピストン上昇時のピストンの圧縮仕事
が低減し、特に、排気行程終端での筒内圧力が低下し、
残留排気ガスは少量であるので、引き続く掃気・吸入行
程で十分の吸入空気がシリンダ内に導入され、吸入効率
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンの一実施例を示し且つ開閉バルブの閉鎖
状態を示す概略断面図である。

【図２】図１の開閉バルブの開放状態を示す概略断面図
である。

【図３】図１の２ストロークエンジンに組み込まれた発
電・電動機を持つターボチャージャの一例を示す概略説
明図である。

【図４】図１の２ストロークエンジンに組み込まれたエ
ネルギー回収装置の一例を示す概略説明図である。

【図５】このターボチャージャを持つ２ストロークエン
ジンの作動の一例を示す線図である。

【図６】この発明によるターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンの別の実施例を示し且つ開閉バルブの閉
鎖状態を示す概略断面図である。

【図７】図６の線Ｆ−Ｆにおける概略断面図である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ シリンダブロック ３ 開閉バルブ ４ 排気ポート（第２排気ポート） ５ ターボチャージャ ６ エネルギー回収装置 ７ ピストン ８ 排気管 ９ 排気バルブ １０ シリンダ １１ 排気ポート（第１排気ポート） １２ 掃気ポート １５ ピストン頂面 １７，１８ 排気通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの排気エネルギーによって駆動
   されるターボチャージャを持つ２ストロークエンジンに
   おいて、シリンダヘッドに形成し且つ排気バルブを配置
   した第１排気ポート、ピストン下死点近傍で開口するシ
   リンダ下部に形成した第２排気ポート、該第２排気ポー
   トより下方位置のシリンダ下部に形成した掃気ポート、
   前記第２排気ポートに排気管を通じて連通したターボチ
   ャージャ、及び前記第２排気ポートを排気行程において
   筒内圧力が所定以上で開放し且つ所定以下で閉鎖する開
   閉バルブを有するターボチャージャを持つ２ストローク
   エンジン。