JPS63201314A - ２サイクル内燃機関 - 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０例えば、米国特許４５
４３９２８号は対向配置の２つの吸気弁がら空気を供給
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Ｔｎ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。この２サイク
ル内燃機関では、低負荷時には上のようにして成層化を
行い、中高負荷時には横断掃気を行うようにしている。

〔発明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。この問題点を、上記本願の先願では、排気ポー
トが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新
気と残留排気ガスとの成層化を達成して新気をシリンダ
ヘッドの近傍に集めることによって解決したものである
。即ち、点火プラグが新気と燃料との濃い混合気に点火
することができるのである。

さらに、２サイクル内燃機関では低負荷時には残留排気
ガスの量が多く、新気に含まれる燃料が多量の残留排気
ガスの熱によって活性化され、点火プラグによって着火
されやすい状態になっており、上記成層化の効果に残留
排気ガスの熱による活性化の効果を重ねることによって
低負荷時にも安定した燃焼を行うことができる。排気ガ
スはシリンダから一度排出され、排出された排気ガスの
一部がシリンダに再流入するので、低負荷低速時にはシ
リンダ内の温度は燃料を活性化して安定した燃焼を行わ
せるのに適切なものであった。ところが、中負荷高回転
時にノッキングが発生した。これは、中負荷高回転時に
はシリンダ内の温度が高くなり、そしてこのときに上記
成層化が行われていると濃い混合気の領域が局部的に存
在するので上記活性化が進み過ぎて早過ぎる自己着火に
到るためと思われる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による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手段を設けるとともに、
シリンダヘッド壁面とピストン頂面との間にスキッシュ
エリアを形成したことを特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明によれば、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。Ｎ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
ているのでシリング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。

本発明においては、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手段が設けられており、燃
焼室内で排気ガスがシリンダ軸線の回りにスワールする
。その後で新気弁が開弁する。

アイドル時及び軽負荷域においては供給新規量は少なく
、新気は比較的にゆっくりと流入する。従って、ゆっく
りと流入する新気はシリンダ軸線の回りにスワールして
いる排気ガスの上にゆっくりと乗り、新気は排気スワー
ルに乗ったままシリンダヘッドの近傍に集まっている。

従って、シリンダヘッド側に新気があり、ピストン側に
残留排気ガスがあり、この成層化によって点火プラグの
近傍に比較的に濃い混合気が集まっているので容易に着
火して燃焼することができるのである。そして、本発明
においては、スキッシュ、エリアが形成されており、こ
れは成層化を適度に乱すことを目標としているものであ
る。しかしながら、低負荷時にはピストンの運動速度が
低いために成層化の乱れは小さく、成層化の効果は維持
される。ピストンの運動速度の速い中負荷高回転時には
成層化の乱れが大きくなり、もはや濃い混合気が局部的
に存在しなくなり、ノッキングも発生しなくなる。

さらに高負荷時になると、横断掃気が行われるようにな
る。

〔実施例〕

第１図は第３図の新気弁と排気弁を通る垂直断面図、第
２図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機関１
０を示す図、第３図は第２図の１気筒の燃焼室の近傍を
詳細に示す図である０機関本体１０はシリンダブロック
１２とシリンダへラド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３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１
８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２４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１
４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０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が配置される。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２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４
２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４°８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ｍ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２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５
０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３図はそのような枝管の１つ５０ａを示しており、枝
管５０ａ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に接線方向に開口
する。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に成る角度を
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
気ボーＩ・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、−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３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が閏じられる
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が消滅することなく保持されることが
できる。

第３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１
８を横断し、中央の大部分は鋭い立ち上がりの台地状隆
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０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。

さらに、シリンダヘッド１４の内壁、即ち燃焼室１８の
土壁とピストン１６との間にはスキッシュエリア５８が
形成される。このスキッシュエリア５８はシリンダヘッ
ド１４の平坦な内壁部分５８ａとこれに対向するピスト
ン１６の平坦な頂面とによって形成され、ピストン１６
の頂面の中央部に凹陥部６０を設けることもできる。シ
リンダヘッド１４の平坦な内壁部分５８ａはマスク５６
と平行に延びるように燃焼室１８の縁部に形成され、前
述したように排気弁（Ｅｓ）２６がら再流入する排気ガ
スのスワール形成にできるだけ影響を与えないようにす
ることが好ましい。

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。

本発明においては、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
ることはが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発明の大きな特徴である。

第４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（ＥＯ
）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がら下死点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ＢＤＣ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、掃気さえ確実に行えば
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、しかしながら、掃気は確実に効率よく行
わなければならない、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。

本発明においては、排気弁２６は下死点ＢＤＣ前８前置
０度点で開き、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は圧縮行程の
あまり進まない下死点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５前置
０度点で開き、排気弁２６の閉弁後の下死点Ｂ　Ｄ　Ｃ
ｔ＆　７０度の時点で閉じる。

第５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じる新気と残留排
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（
ＦＡ）２０ｆｉｌｌがらのみとなる。この新気の供給は
、量目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５図（ａ）に示されるように、下死点ＢＤ
Ｃ前８前置０度ると排気弁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厘時間で終了する０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２〜３　ｋｇ
／　ａｍ２程度になるが、直ぐに１．０５ｋｇ／ａｍ”
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（ＦＡ２０）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から圧縮行程末期
後まで消滅することなく維持されるものである。

しかる後に、第５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５図（ｅ）に示されるように、ピ
ストン１６が下死点まで下降し、それから少し上昇して
排気弁２６が閏じ、そして新気弁２４が閏じても維持さ
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の圧力の低下を妨げるので、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、新気の吹き抜は防止に効果を発揮す
る。この効果を生かすためには、排気弁２６の弁開時期
のオーバーラツプがないようにしておくことが必要であ
り、かくして、第２図に示されるように、排気マニホー
ルド５０と触媒５２をそれぞれに設けるのが好ましいの
である。

尚、燃料は新気弁２４が開弁じている間に噴射される。

アイドル時及び軽負荷時には、混合気は上述したように
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、それによって空燃比も点火プラグ２８の近くで
は薄くならず、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
焼を行うことができるのである。

スキッシュエリア５８を設けると特に燃焼室の上方部分
で新気及び排気ガスに乱れが派生するが、低負荷低速時
にはピストン１６の上昇速度も比較的に遅いため、乱れ
の程度は小さく成層化を消滅させない、ピストン１６の
上昇速度の速くなる中負荷中回転時には乱れが大きくな
り、よって成層化を乱し、過早自己着火によるノッキン
グの発生を防止する。

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がある
ので、排気ポート２２に向かって供給された新気はマス
ク５６に当たって下向き流れになり、結局、新気が最初
下向きに流れ次にピストン１６に当なって上向きになり
、Ｕ字状の流れで掃気を行う。

このときには、スキッシュエリア５８の作用があるのは
排気弁２６及び新気弁２４が閉じられた後であるので横
断ｔｒ１気には影響がなく、スキッシュエリア５８によ
って生成される乱れによってわずかに残っている排気ガ
スが新気と適度に混合され、新気に熱を与えるとともに
ＥＧＲ効果を高めることができるようになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば特にアイドル及び
低負荷時に新気弁と残留排気との間で成層化を達成して
確実な燃焼を行うことができ、高負荷時には横断掃気を
行って高出力を得ることができ、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３図の新気弁と排気弁を通る垂直断面図、第
２図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機関を
示す図、第３図は第２図の１気筒の燃焼室の近傍を詳細
に示す図、第４図はバルブタイミングを示す図、第５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、　　１Ｇ・・・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、５８・・・ス
キッシュエリア。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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手段を
   設けるとともに、シリンダヘッド壁面とピストン頂面と
   の間にスキッシュエリアを形成したことを特徴とする２
   サイクル内燃機関。