JPH072978Y2 - ２サイクル内燃機関 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はシリンダヘッドに新気弁と排気弁を設けた２サ
イクル内燃機関に関する。

〔従来の技術〕

特開昭53−46516号公報や特公昭60−5770号公報には、
吸気（新気）弁及び排気弁を有するオープンチャンバ型
２サイクル内燃機関が開示されている。この２サイクル
内燃機関は、ピストンが下死点にあるときに吸気弁と排
気弁とがほぼ同時に開き、吸気弁から流入した新気は下
向きに指向され、ピストン頂面で反転して、シリンダ内
で縦回りのＵ字状の流れを形成するようになっている。
新気と排気の境界面は、最初吸気弁の近くにあり、次い
でシリンダの下方中央部になり、そして排気弁の近くへ
と移動し、シリンダ内の全体で排気と新気とが置き換わ
るようになっている。

しかしながら、このような２サイクル内燃機関は高負荷
域では問題ないが、アイドル時又は軽負荷域での燃焼に
問題がある。アイドル時又は軽負荷域では、供給される
新気の量が少なくてシリンダ内には多量の排気が残留す
るので、新気が残留排気中に分散して薄くなり、新気を
シリンダヘッドの点火プラグの近傍に集めることができ
ない。即ち、シリンダ内で縦回りのＵ字状の流れでは、
新気の主流はシリンダの下方へ移動してしまうからであ
る。このため、シリンダヘッドに設けられた点火プラグ
による着火や、火炎核の発生が阻害されたり、火炎伝播
速度が低下することにより、失火したり、燃焼変動が発
生し易くなる。

また、吸入空気にシリンダ軸線回りのスワールを形成さ
せることは従来から公知である。例えば、米国特許4543
928号は対向配置の２つの吸気弁から空気を供給してシ
リンダ軸線回りのスワールを形成させるようにしてい
る。排気弁はシリンダの頂部中央に形成された副室に配
置されている。従って、この特許に開示された内燃機関
では、燃焼が副室で開始され、次いで、スワールしてい
るシリンダ内に広がるようになっているものであり、排
気ガスにスワールを発生させたり、残留排気ガスと新気
との間で成層化を行ったりするものではない。

本願の出願人は先に、アイドルを含む低負荷時に、排気
弁の開弁時に排気ポートから排出した排気ガスの一部を
燃焼室にシリンダ軸線の回りにスワールさせつつ再流入
させることによって、ピストン側の残留排気ガスに対し
てシリンダヘッド側に新気を集め、成層燃焼を行うこと
のできる２サイクル内燃機関を提案した。また、高負荷
時には横断掃気を行う必要がある。従って、前記低負荷
時のスワール成層化と高負荷時の横断掃気を切り換えて
実施するために、２つの新気ポートが排気ポートと対向
して設けられ、一方の新気ポート又はその上流の新気通
路には機関作動状態に応じて開閉される新気制御弁が配
置されるようになっている。新気制御弁を閉じると一方
の新気ポートのみから新気が供給されてスワール成層化
が達成される。新気制御弁を開くと両方の新気ポートか
ら新気が供給され、この場合には両方の新気ポートから
新気が平行に流れるのでスワールが形成されなくて横断
掃気が達成されるのである。そして、これらの新気ポー
トにはそれぞれに新気弁が配置される。

〔考案が解決しようとする問題点〕

２サイクル内燃機関では上記したように掃気によって排
気を行うために排気ガスが燃焼室に残留し、アイドルや
軽負荷域では燃焼室内の残留排気ガスに対する供給新気
の割合が小さくなり、燃焼が不安定になるという問題が
あった。これを解決するためには、上記先願に記載され
ているように、特にアイドル時や軽負荷域の新気量の少
ない運転条件下において、排気弁の開弁時に排気ポート
から排出した排気ガスの一部を燃焼室にシリンダ軸線の
回りにスワールさせつつ再流入させて、新気と残留排気
ガスとの成層化を形成し、シリンダヘッドの近傍に形成
された濃い混合気の層に点火プラグによって容易に着火
できるようにすることが有利である。また、高負荷時に
はスワールを抑えて横断掃気を行わなければならない。
本考案は低負荷時には燃焼室でスワールを形成し、高負
荷時には横断掃気を行うのに適した燃焼室構造をもった
２サイクル内燃機関を提供することを目的とするもので
あり、特に、横断掃気を行うときに新気が排気弁の方に
直接に吹き抜けないようにすることを目的とするもので
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案による２サイクル内燃機関は、過給手段を有する
新気供給系と、シリンダヘッド部分に設けられた新気ポ
ート及び排気ポートを開閉するために、クランク角に同
期して駆動される新気弁及び排気弁を有する２サイクル
内燃機関において、排気ポートが排気弁の開弁時に排気
ポートから排出した排気ガスの一部を燃焼室にシリンダ
軸線の回りにスワールさせつつ再流入させるために燃焼
室に接線状に接続され、それぞれに新気弁を有する２つ
の新気ポートが排気ポートと対向して設けられ、一方の
新気ポート又はその上流の新気通路には機関作動状態に
応じて開閉される新気制御弁が配置され、該新気制御弁
が配置された方の新気ポートに配置された新気弁が、他
方の新気ポートに配置された新気弁よりも首部の曲率半
径が大きく形成されていることを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

本考案によれば、少なくともアイドルを含む低負荷域に
おいて、次のようにして成層化が達成される。即ち、ピ
ストンの下降行程中に排気弁が開くと弱い排気ブローダ
ウンが発生し、排気ポート内は正圧になる。排気ブロー
ダウンは所定の短時間で終了し、ピストンは引き続いて
下降しているのでシリンダ内が排気ポートに対して負圧
になり、一旦排出した排気ガスの一部が燃焼室に再流入
する。排気ポートがこの再流入する排気ガスにシリンダ
軸線の回りにスワールさせるように燃焼室に接線状に接
続されている。また、それぞれに新気弁を有する２つの
新気ポートが排気ポートと対向して設けられ、一方の新
気ポート又はその上流の新気通路には機関作動状態に応
じて開閉される新気制御弁が配置されており、この新気
制御弁は上記低負荷時には閉じられている。一方、高負
荷時には新気制御弁が開かれ、新気の供給量が多いので
排気スワールは消勢されて横断掃気が実施される。この
高負荷時に開放される側の新気ポートに配置された新気
弁は、他方の新気ポートに配置された新気弁よりも首部
の曲率半径が大きく形成されており、それによって高負
荷時に開放される側の新気ポートから供給される新気の
流れが下向き（ピストンに向いた）流れとなり、直接に
排気ポートに吹き抜けることがないようになっている。
下向きの新気の流れはピストン頂面でＵターンして再び
上向きとなり、効率よく排気ガスと置き換わるようにな
っている。

〔実施例〕

最初に第２図から第４図を参照して説明する。第２図は
第３図の１気筒の燃焼室の近傍を詳細に示す図、第３図
は本考案を適用した６気筒の２サイクル内燃機関10を示
す図、第４図は第３図の新気弁と排気弁を通る垂直断面
図である。

機関本体10はシリンダブロック12とシリンダヘッド14と
により構成され、ピストン16の上方に燃焼室18が形成さ
れる。シリンダヘッド14には新気ポート20と排気ポート
22とが対向配置で形成され、それぞれにポペット弁から
なる新気弁24と排気弁26とを有するものである。

第２図に示されるように、新気弁24及び排気弁26はそれ
ぞれ２個ずつ設けられ、点火プラグ28が燃焼室18のほぼ
中央に設けられる。排気弁26はEsとＥで表されており、
一方、新気弁24はFA,FBで表されている。これは新気弁2
4の働きが相互に差があることを示しており、以後FAで
表された新気弁を低負荷新気弁と呼び、FBで表された新
気弁を高負荷新気弁と呼ぶことにする。

第２図及び第３図に示されるように、シリンダヘッド14
には２個の新気マニホールド30,32が取りつけられる。
一方の新気マニホールド30の各枝管が低負荷新気弁FAの
配置された側の新気ポート20に接続され、他方の新気マ
ニホールド32の各枝管が高負荷新気弁FBの配置された側
の新気ポート20に接続される。両新気ポート20は機関の
長手軸線とほぼ直角方向に相互にほぼ平行に延び、且つ
機関の長手軸線とほぼ直角方向の気筒の中心線の両側に
あり、少なくとも低負荷新気弁FAの配置された側の新気
ポート20は燃焼室18に接線方向に開口する。そして、新
気ポート20または新気マニホールド30,32の各枝管には
それぞれ燃料噴射弁34が配設される。また、燃料噴射弁
34の上流にはリードバルブからなる逆止弁36が配置され
る。

第３図に示されるように、空気はエアクリーナ38から取
り入れられ、スロットル弁40で流量制御され、そして過
給機42で過給されるようになっている。過給機42の下流
にはインタークーラ44が配置され、前記２つの新気マニ
ホールド30,32は共にこのインタークーラ44に接続され
る。過給機42はルーツポンプ等の機関の出力により駆動
される機械式過給機を利用することができる。また、ス
ロットル弁40の上流にはエアフローメータ46が配置され
る。

高負荷側の新気マニホールド32の集合部にはバタフライ
式新気制御弁48が配置される。新気弁24及び排気弁26が
カム軸によって機関のクランクシャフトと同期して駆動
されるのに対し、この新気制御弁48は機関の負荷及び回
転数に応じて開閉されるものである。新気制御弁48は少
なくとも機関アイドル時を含む低負荷時に閉じられ、従
って、このときには空気は低負荷側の新気マニホールド
30からのみ供給されることになる。新気制御弁48は機関
中高負荷時に開かれ、従って、このときには空気は高負
荷側の新気マニホールド32及び低負荷側の新気マニホー
ルド30の双方を通って供給される。

第３図に示されるように、６気筒に対して２つの排気マ
ニホールド50が設けられ、一方の排気マニホールド50は
第1,2,3気筒に接続され、他方の排気マニホールド50は
第4,5,6気筒に接続される。各排気マニホールド50の集
合部にはそれぞれに触媒52が配置され、各排気マニホー
ルド50はさらにマフラー54を通って相互に独立して終端
する。この場合、点火順序は、第1,6,2,4,3,5気筒の順
である。各排気マニホールド50は３つの枝管を有し、従
って、１つの枝管が１気筒分の排気ポート22に接続され
ることになる。

第２図はそのような枝管の１つ50aを示しており、枝管5
0aは機関の長手軸線に対してほぼ直角に取りつけられ
る。ところで、各気筒には２つの排気ポート22があり、
これらの２つの排気ポート22はシリンダヘッド14内で１
つのポートに合流される。Esを付けて示される排気弁26
を配置した方の排気ポート22は上記枝管50aと一直線を
成すように機関の長手軸線に対してほぼ直角に形成さ
れ、且つ燃焼室18に接線方向に接続される。他方の排気
ポート22は機関の長手軸線に対してほぼ直角に形成され
た側の排気ポート22に或る角度をつけて合流される。こ
の排気ポート22の構成は、２つの排気弁26をもつことに
よって排気ガスの排出速度を高めることができることに
あり、そして、排気ガスが排気ポート22及び排気マニホ
ールド50に排出され、その一部が燃焼室18に再流入する
ときに、一直線上に流れる慣性の効果によって、角度を
付けた側の排気ポート22からの再流入はほとんどなく、
Esを付けて示される排気弁26を配置した方の排気ポート
22を主に通り、この再流入排気ガスがシリンダ軸線の周
りのスワールＳを形成することができるようにしたもの
である。

このスワールＳは第２図で見て時計回り方向である。そ
して、このスワールＳを形成させる（Es側の）排気ポー
ト22は、高負荷側の新気弁FBを有する新気ポート20と一
直線上で向き合い、低負荷側の新気弁FAを有する新気ポ
ート20とは中心線を挟んでオフセットして向き合うよう
になっている。従って、低負荷時に低負荷側の新気弁FA
を有する新気ポート20から供給された新気がそれ自体で
スワールを生成する場合には、そのスワールは再流入排
気ガスのスワールＳと同じ時計回り方向になる。低負荷
時には、新気制御弁48が閉じられるのでスワールＳを形
成させる排気ポート22と向き合った高負荷側の新気ポー
ト20からの新気の流れはなく、再流入排気ガスのスワー
ルＳを妨げるものがなく、かくして、スワールＳが保持
されることができる。

第２図に示されるように、シリンダヘッド14の内壁、即
ち燃焼室18の上壁には、マスク56が形成される。このマ
スク56は機関の長手軸線とほぼ平行に燃焼室18を横断
し、新気弁24と排気弁26の間を遮るように形成される。
このマスク56は中央の大部分が鋭い角度で聳える台地状
隆起で形成され、側縁部においては傾斜が緩やかになっ
ている。点火プラグ28は新気弁24側にくるようになって
いる。このマスク56もスワールＳの形成を助けるもので
ある。即ち、排気弁（Ｅ）26からの再流入排気ガスは前
述したようにほとんどないばかりでなく、流入があった
としてもマスク56に遮られる。排気弁Esからの再流入排
気ガスは前述したようにそれ自体でスワールしようと
し、さらに、スワールから外れて新気弁24に向かう燃焼
室18の中心方向への流れがあればこれもマスク56に遮ら
れる。従って、排気弁Esからの再流入排気ガスはマスク
56の側縁部の傾斜の緩やかな領域を通る他なく、ますま
す、燃焼室18及びシリンダの円筒面に沿って流れるよう
になるのである。また、高負荷時には、２つの新気ポー
ト20から平行に供給される新気がマスク56に当たり、下
向きに流れを向けられ、排気ポート22から直接に吹き抜
けるのが防止される。点火プラグ28は新気弁24側にある
ので低負荷時でもより濃い混合気に接することができる
のである。

第１図は第２図の線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。低負
荷側の新気弁（FA）24と高負荷側の新気弁（FB）24はほ
ぼ同一平面上に形成され、大きさもほぼ同じである。２
つの新気ポート20もほとんど平行に形成されている。し
かしながら、新気弁24の首部の曲率半径は相違するよう
に形成されており、新気制御弁48が配置された方の新気
ポート20に配置された高負荷側の新気弁（FB）24の首部
が曲率半径RBで形成され、他方の新気ポート20に配置さ
れた低負荷側の新気弁（FA）24の首部が曲率半径RAで形
成されている。この場合、RBがRAよりも大きい。同じ弁
座の寸法に対して新気弁24の首部の曲率半径がこのよう
に差があると、弁と弁座の間の環状間隙から供給される
新気の流れの向きに差が生じる。この流れの向きがそれ
ぞれ矢印で示されており、それぞれの流れの向きとシリ
ンダヘッド壁面との間の角度かΘ_Ｌ，Θ_Ｓで示されてい
る。Θ_ＬはΘ_Ｓよりも大きく、曲率半径の大きい方の高
負荷側の新気弁（FB）24から供給された新気の方が大き
い角度で流れる。この場合の大きい角度とはシリンダヘ
ッド壁面に対してより下向きになるということを表すも
のである。従って、低負荷側の新気弁（FA）24のみ開か
れているときには新気がより水平な角度で供給され、シ
リンダ軸線の回りのスワールを形成するのにさらに適し
たものとなるのである。そして、新気が高負荷側の新気
弁（FB）24から供給されるときには下向きの流れとなる
ので排気弁26に直接に吹き抜けることがなくなり、マス
ク56と協働してシリンダ内をＵ字状に横切る横断掃気が
可能となるのである。

ここで排気ガスの圧力について説明すると、機関低負荷
時、排気弁26が開かれた直後に弱い排気ブローダウンが
あって排気ポート内は正圧になり、燃焼室18の排気圧力
は急激に低下する。ピストン16の下降運動によって燃焼
室18の圧力が排気ポートの圧力よりも低下すると、排気
ブローダウンによって燃焼室から排出された排気ガスの
一部は、排気ポート22と燃焼室18の圧力差によって燃焼
室18に再流入（逆流）するようになる。

このように、機関低負荷時には弱い排気ブローダウンの
直後に排気ガスの燃焼室への逆流がある。本考案におい
ては、燃焼室へ逆流する排気ガスが、第３図に示される
ように、燃焼室18内でシリンダ軸線の回りのスワールＳ
を形成するようになっている。従来、吸気ポートから吸
入された吸入空気にスワールを発生させることはかなり
提案されているが、逆流する排気にスワールを発生させ
ることは本考案の大きな特徴である。

第５図はクランクシャフトと同期して駆動される新気弁
24の開弁期間（FO）と排気弁26の開弁期間（FO）とを示
した図である。２サイクル内燃機関では、ピストン16が
上死点TDCから下死点BDCへ下降していく膨張行程と、下
死点BDCから上死点TDCへ上昇していく圧縮行程の２行程
しかなく、排気と吸入はこれらの２行程の間に下死点BD
Cの近くで行われ、基本的には過給機42で押し込まれた
新気が排気ガスを押し出しつつガス交換を行う掃気を含
んでいる。高負荷時には新気量及び燃料量が多く、従っ
て、シリンダ内に残留する排気ガスは少ないので、燃焼
上の問題は少ないが、アイドル時及び低負荷時には新気
量及び燃料量が少なく、残留排気ガスが多い中で燃焼を
行わなければならず、新気と排気が混合すると空燃比が
薄くなり、着火燃焼が非常に困難になるのである。

本考案においては、排気弁26は下死点BDC前80度の時点
で開き、このときにはピストン16の下降速度が速いの
で、アイドル時及び低負荷時の弱い排気ブローダウン後
に燃焼室18の圧力は下がり、排気ポート22の背圧と燃焼
室18の負圧とによって排気ガスの逆流が確実に生じるよ
うになっている。排気弁26は下死点BDC後40度の時点で
閉じる。また、新気弁24は排気弁26が開いた後で排気ガ
スの逆流が生じたような時点、例えば下死点BDC前60度
の時点で開き、排気弁26の閉弁後の下死点BDC後60度の
時点で閉じる。

第６図はアイドル時及び低負荷時の排気ガスの逆流及び
スワールの生成、及びそれによって生ずる新気と残留排
気ガスの成層化を説明する図である。このときには、吸
気制御弁48は閉じられ、新気の供給は低負荷新気弁（F
A）20側からのみとなる。この新気の供給は、壁自体が
少なく且つ過給圧も低いのでゆっくりしたものである。
第６図（ａ）に示されるように、下死点BDC前80度にな
ると排気弁26が開き、圧力Ｐの弱い排気ブローダウンが
生じる。この排気ブローダウンはアイドル時及び低負荷
時においては短時間で終了する。例えば、アイドル時及
び低負荷時の弱い排気ブローダウンにおける排気ポート
22の圧力は、瞬間的に２〜3kg/cm²程度になるが、直ぐ
に1.05kg/cm²程度に下がり、正圧の背圧を維持しつつ安
定化する。

ピストン16の下降により燃焼室18内が負圧になり、第５
図（ｂ）に示されるように排気ガスが矢印Ｑのように再
流入し、排気ポート22の構造、マスク56等のスワール形
成手段により、燃焼室18内で排気ガスのスワールＳが形
成される。下死点BDC前60度になると、低負荷新気弁（F
A）20が開く。新気はスロットル弁40で調量され、過給
機42の過給圧も比較的に低い。また、新気弁24が実質的
に全開になるのに時間がかかるので新気は直ちには流入
せず、低負荷新気弁（FA20）の開弁当初にも排気ガスの
逆流及びスワール形成は続いている。このように排気ス
ワールの形成はかなりの時間続けられ、このスワールは
シリンダ軸線の回りに形成されるものである。

しかる後に、第６図（ｃ），（ｄ）に示されるように、
新気弁24が実質的に全開になると新気が入ってくる。こ
のときにはピストン16の下降速度も小さくなっているの
で燃焼室内にはほとんど負圧が形成されず且つ前述した
ように過給圧も小さいので、新気はゆっくりと燃焼室18
に入る。従って、流入した新気は排気スワール上にゆっ
くりと乗り、前述したように同じ方向に回るように供給
されるので、排気スワール上で排気スワールとともにス
ワールするようになる。このようにして、新気はシリン
ダヘッド14側の点火プラグ28側に近い部位に集まり、即
ち、シリンダヘッド14側の新気とピストン16側の排気と
の成層化が達成されるのである。この新気と排気の成層
は、第６図（ｅ）に示されるように、ピストン16が下死
点まで下降した後も維持される。尚、ピストン16が下死
点を過ぎて上昇に転じても暫くは運動速度が遅く、そし
て、各排気マニホールド50に設けた触媒52が排気ポート
22及び排気マニホールド50の圧力の低下を防げるので、
燃焼室18から排気ポート22への新気の流出、いわゆる新
気の吹き抜けはほとんど起こらない。また、各排気マニ
ホールド50に設けた触媒52は、排気ブローダウン時の圧
力を反射させる作用をもつことが確認されており、この
反射圧力が、ピストン16が下死点を過ぎて上昇に転じた
後で燃焼室18に背圧を与え、新気の吹き抜け防止に効果
を発揮する。そして、新気弁24が閉じてその気筒の新気
供給は終了する。

燃料は新気弁24が閉弁する前の適切な時点に噴射され
る。従って、アイドル時及び軽負荷時には、濃い混合気
がシリンダヘッド14側の点火プラグ28側に近い部位に集
まり、点火プラグ28によって容易に着火して確実な燃焼
が得られるようになるのである。そして、この混合気は
排気ガスの上に乗っており、高温の排気ガスによって活
性化され、ラジカル燃料成分を含む活性熱雰囲気状態を
形成して、着火性が高められた状態の中で燃焼を行うと
こができるのである。

中高負荷時には新気制御弁48が開かれるので両方の新気
ポート24を通って新気が供給されるようになり、特に、
大量の空気が高負荷側の新気ポートFB24を通ることがで
きるようになる。このように新気量が多くなると再流入
排気ガスのスワールの効果はなくなり、多量の新気によ
る横断掃気が行われるようになる。このときに、シリン
ダヘッド14の中央を横断するマスク56があり、且つ高負
荷側の新気弁24の首部の曲率半径が大きく形成されてい
るので、新気は上記したように下向き流れになり、結
局、新気が最初下向きに流れ次にピストン16に当たって
上向きになり、Ｕ字状の流れで掃気を行うことができる
のである。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば特にアイドル及び
低負荷時に新気と残留排気との間で成層化を達成し、高
負荷時には横断掃気を行うことができ、低負荷から高負
荷まで良好な燃焼をすることのできる２サイクル内燃機
関を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の線Ｉ−Ｉに沿った断面図、第２図は第
３図の１気筒の燃焼室の近傍を示す図、第３図は本考案
を適用した６気筒の２サイクル内燃機関を示す図、第４
図は第２図の新気弁と排気弁を通る垂直断面図、第５図
はバルブタイミングを示す図、第６図は低負荷時の成層
化を説明する説明図である。 14…シリンダヘッド、16…ピストン、18…燃焼室、20…
新気ポート、22…排気ポート、24…新気弁、26…排気
弁、42…過給機、48…新気制御弁、56…マスク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 伊藤 敏雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−46516（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−291427（ＪＰ，Ａ) 特公 昭60−5770（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】過給手段を有する新気供給系と、シリンダ
   ヘッド部分に設けられた新気ポート及び排気ポートを開
   閉するために、クランク角に同期して駆動される新気弁
   及び排気弁を有する２サイクル内燃機関において、排気
   ポートが排気弁の開弁時に排気ポートから排出した排気
   ガスの一部を燃焼室にシリンダ軸線の回りにスワールさ
   せつつ再流入させるために燃焼室に接線状に接続される
   とともに、それぞれに新気弁を有する２つの新気ポート
   が排気ポートと対向して設けられ、一方の新気ポート又
   はその上流の新気通路には機関作動状態に応じて開閉さ
   れる新気制御弁が配置され、該新気制御弁が配置された
   方の新気ポートに配置された新気弁が、他方の新気ポー
   トに配置された新気弁よりも首部の曲率半径が大きく形
   成されていることを特徴とする２サイクル内燃機関。