JP2003129867A

JP2003129867A - 排気ターボ過給機付き二サイクル内燃機関

Info

Publication number: JP2003129867A
Application number: JP2001325438A
Authority: JP
Inventors: Kunio Hasegawa; 国生長谷川
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストン３を内蔵したシリンダ２の頂部にポ
ペット型の排気弁６を、前記シリンダの下部に掃気ポー
ト８を設けたユニフロー型二サイクル内燃機関に、排気
タービン１０ａに圧縮機１０ｂを直結して成る排気ター
ボ過給機１０を適用する場合に、低負荷域における燃費
の悪化を、大型化及び高価格化を招来することなく、確
実に改善する。【解決手段】前記排気弁６からの主排気通路１５を、
切換弁２０にて、前記排気弁６における開期間Ｌ２内の
うち前の期間Ｌ３において前記排気タービン１０ａの排
気ガス入り口に連通し、前記排気弁における開期間Ｌ２
内のうち後ろの期間Ｌ４において前記圧縮機１０ｂの大
気空気吸い込み側に連通する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ターボ過給機
を備えたユニフロー型の二サイクル内燃機関に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】二サイク
ル内燃機関の一つに、ユニフロー型の二サイクル内燃機
関がある。

【０００３】このユニフロー型二サイクル内燃機関は、
クランク軸に連動して往復動するピストンを内蔵したシ
リンダの頂部に、ポペット型の排気弁を設ける一方、前
記シリンダの下部に、前記ピストンにおける下死点付近
の往復動にて開閉される掃気ポートをシリンダ内に開口
するように設け、前記シリンダ内における排気ガスを、
前記掃気ポートからシリンダ内に導入される吸気によっ
て前記排気弁から押し出すように構成したものである。

【０００４】先行技術としての特開平４−３６２２２５
号公報は、前記したユニフロー型二サイクル内燃機関
に、排気タービンに圧縮機を直結して成る排気ターボ過
給機を適用することを提案している。

【０００５】すなわち、この先行技術においては、前記
排気弁からの主排気通路を前記排気ターボ過給機におけ
る排気タービンの排気ガス入り口に、前記排気ターボ過
給機における圧縮機からの圧縮吸気通路を前記掃気ポー
トに各々接続するという構成にしている。

【０００６】この排気ターボ過給機の適用により、排気
エネルギーを回収できるので、排気圧のアップによるポ
ンピングロスのマイナス分を考慮しても、内燃機関の性
能向上に大きく寄与できるが、その反面、負荷の小さい
運転域においては、排気ターボ過給機の作動が十分でな
く、従って、その圧縮機にて圧縮した吸気の圧力が低く
て、この圧縮吸気の押し込みによる掃気性を効果的に発
揮することができない。

【０００７】そこで、別の先行技術としての特開２００
１−１３２４６２号公報は、排気ターボ過給機を適用す
る場合において、この排気ターボ過給機における圧縮機
から前記掃気ポートへの圧縮吸気通路中に、内燃機関に
て駆動されるスーパーチャジャを設けることを提案して
いる。

【０００８】このスーパーチャジャの設置により、掃気
ポートへの吸気の圧力を高めることができるから、負荷
の小さい運転域における掃気性を向上することができ
る。

【０００９】しかし、その反面、ここに設置するスーパ
ーチャジャは、低負荷域における掃気性を高めることの
ために可成り大型のものにしなければならず、低負荷域
において、内燃機関の出力に対して前記スーパーチャジ
ャを駆動することに要する負荷の割合が増大するから、
燃費が悪化することになるばかりか、前記大型のスーパ
ーチャジャの設置によって内燃機関の大型化及び高価格
化を招来するという問題があった。

【００１０】本発明は、ユニフロー型二サイクル内燃機
関に対して排気ターボ過給機を適用するに際して、低負
荷域における掃気性を、確実に向上できるようにするこ
とを技術的課題とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この技術的課題を達成す
るため本発明の請求項１は、「クランク軸に連動して往
復動するピストンを内蔵したシリンダの頂部にポペット
型の排気弁を、前記シリンダの下部にシリンダ内への掃
気ポートを設けたユニフロー型二サイクル内燃機関と、
前記シリンダからの排気ガスにて駆動される排気タービ
ンに前記掃気ポートへの吸気に対する圧縮機を直結して
成る排気ターボ過給機とを備えたものにおいて、前記排
気弁からの主排気通路を、前記排気タービンにおける排
気ガス入り口への第１排気通路と、前記圧縮機における
大気空気吸い込み側への第２排気通路とに分岐し、この
分岐部に、前記排気弁における開期間内のうち前の期間
において前記主排気通路を前記第１排気通路に連通し、
前記排気弁における開期間内のうち後ろの期間において
前記主排気通路を前記第２排気通路に連通するようにし
た切換弁を設けた。」ことを特徴としている。

【００１２】また、本発明の請求項２は、「前記請求項
１の記載において、前記掃気ポートにおける軸線を、シ
リンダの軸線に対してほぼ直角で、且つ、シリンダの軸
線方向から見てシリンダに対して接線方向にする一方、
前記前記シリンダの頂部におけるほぼ中心の部位に、シ
リンダ内への燃料噴射弁を設けた。」ことを特徴として
いる。

【００１３】更にまた、本発明の請求項３は、「前記請
求項１又は２の記載において、前記第２排気通路に、前
記主排気通路からの排気ガスを吸引するモータ駆動のブ
ロワーを設けた。」ことを特徴としている。

【００１４】

【発明の作用・効果】この構成において、爆発行程の後
半で排気弁が開く一方、この排気弁における開期間内の
うち前の期間においては、当該排気弁からの主排気通路
は切換弁にて第１排気通路に連通していることにより、
シリンダ内の排気ガスは、第１排気通路を介して排気タ
ーボ過給機における排気タービンに流出して、排気ター
ボ過給機を駆動する一方、この排気ターボ過給機の駆動
によりその圧縮機で圧縮された吸気が、掃気ポートから
シリンダ内に導入され、この圧縮吸気の押し込みにて前
記シリンダ内の掃気が行われる。

【００１５】次いで、前記排気弁における開期間内のう
ち後ろの期間になると、当該排気弁からの主排気通路
は、前記切換弁にて、前記圧縮機における大気空気吸い
込み側への第２排気通路に連通する状態に切り換えられ
ることにより、前記シリンダ内における残留排気ガス
は、第２排気通路を介して前記圧縮機にて吸い出される
ことになるから、この圧縮機への吸い出しによっても前
記シリンダ内の掃気が行われる。

【００１６】すなわち、本発明によると、排気ターボ過
給機を、排気弁における開期間のうち前の期間に高い温
度で排出される排気ガスにて十分に駆動することができ
る一方、シリンダ内の掃気を、排気弁における開期間内
のうち前の期間における圧縮吸気の掃気ポートからの押
し込みと、排気弁における開期間内のうち後ろの期間に
おける第２排気通路からの残留排気ガスの吸い出しとの
両方によって行うことができることにより、その掃気効
率を、大型のスーパーチャジャを設置することなく、場
合によってはスーパーチャジャを使用することなく、大
幅に向上できるから、ユニフロー型の二サイクル内燃機
関に対して排気ターボ過給機を適用した場合における弊
害、つまり、低負荷域における燃費の悪化を、大型化及
び高価格化を招来することなく、確実に改善できる。

【００１７】しかも、シリンダへの圧縮吸気に、残留排
気ガスが混合されるので、ＮＯ_Ｘ等の低減を達成でき
る。

【００１８】また、請求項２に記載した構成にすると、
掃気ポートからシリンダ内に流入した吸気は、前記排気
ターボ過給機による押し込み及び吸い出しの両方にて、
シリンダの軸線を中心にして強く旋回しながら頂部の排
気弁に向かってように流れることにより、この旋回流の
中心部分に既燃焼ガスの多くが集まり、そして、このよ
うに中心に集まる既燃焼ガスに対して燃料噴射弁から燃
料が噴射され、噴射燃料の気化・拡散を促進できるか
ら、燃料の燃焼性向上に寄与し、燃費をより向上できる
のである。

【００１９】更にまた、請求項３に記載した構成にする
と、排気弁の開期間のうち後ろの期間においてシリンダ
内の残留排気ガスを排気ターボ過給機の圧縮機にて吸い
出すことを、モータ駆動のブロワーにて促進できるか
ら、掃気効率を更に助長できるのであり、しかも、前記
ブロワーにおけるモータのＯＮ・ＯＦＦ又は回転数の増
減調節によって、シリンダ内における旋回流の強弱、掃
気の程度及び残留排気ガス量等を、内燃機関の運転状態
に応じて最適の状態に制御することができる利点があ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１〜図３の図面について説明する。

【００２１】この図において、符号１は、圧縮着火式の
ユニフロー型二サイクル内燃機関におけるシリンダブロ
ックを示し、このシリンダブロック１には、図示しない
クランク軸に連動して往復動するピストン３を内蔵した
シリンダ２を備えており、前記ピストン３の頂面には、
燃焼室４が凹み形成されている。

【００２２】一方、前記シリンダブロック１の上面に
は、シリンダヘッド５が、前記シリンダ２の頂部を塞ぐ
ように締結されており、このシリンダヘッド５には、ポ
ペット型の排気弁６と燃料噴射弁７とが、平面視におい
て前記シリンダ２のほぼ中心の部位にのぞむように設け
られている。

【００２３】前記シリンダ２の下部には、複数個の掃気
ポート８が穿設され、この各掃気ポート８は、前記ピス
トン３の往復動により、当該ピストン３における下死点
前の時期Ａ（クランク角度で下死点前約４５度）から下
死点後の時期Ｂ（クランク角度で下死点後約４５度）ま
での期間Ｌ１を開くように構成されている。

【００２４】なお、前記各掃気ポート８における内底面
８ｂは、ピストン３が下死点にあるときその頂面３ａと
一致している。

【００２５】一方、前記排気弁６は、前記クランク軸に
連動するカム軸９の回転により、前記ピストン３におけ
る下死点前の時期Ｃ（クランク角度で下死点前約７０
度）から下死点後の時期Ｄ（クランク角度で下死点後約
６０度）までの期間Ｌ２を開くように構成され、更にま
た、前記シリンダ２内には、ピストン３の上死点前後付
近の時期において燃料が前記燃料噴射弁７より噴射供給
され、この燃料は、圧縮着火で爆発燃焼するように構成
されている。

【００２６】また、符号１０は、排気タービン１０ａに
ブロワー型の圧縮機１０ｂを直結して成る排気ターボ過
給機を示し、この排気ターボ過給機１０における排気タ
ービン１０ａの出口には、大気中への排気管１１が、ま
た、前記圧縮機１０ｂの吸い込み側には、エアクリーナ
１２からの大気空気吸い込み管路１３が、更にまた、前
記圧縮機１０ｂの吐出側には、前記各掃気ポート８の外
側を囲うチャンバー２３への圧縮吸気管路１４が各々接
続されている。

【００２７】そして、前記各掃気ポート８における軸線
８ａを、前記シリンダ２の軸線２ａに対してほぼ直角
で、且つ、シリンダ２の軸線２ａの方向から見て（図２
参照）シリンダ２に対して接線方向に設定する。

【００２８】一方、前記排気弁６からの主排気通路１５
を、第１排気通路１６と、第２排気通路１７とに分岐
し、第１排気通路１６を、管路１８を介して前記排気タ
ービン１０ａの排気ガス入り口に、第２排気通路１７
を、管路１９を介して前記圧縮機１０ｂへの大気空気吸
い込み管路１３に各々接続する。

【００２９】更に、前記主排気通路１５に対する第１排
気通路１６及び第２排気通路１７の分岐部には、前記ク
ランク軸又はカム軸９に連動して回転するロータリー式
の切換弁２０を設けて、この切換弁２０の回転により、
前記排気弁６の開時期Ｃより適宜前の時期Ｅ（例えば、
クランク角度で下死点前約９０度）から下死点付近の時
期Ｆ（例えば、クランク角度で下死点前約５度から下死
点後５度）までの期間を、前記主排気通路１５と第１排
気通路１６を連通することにより、前記排気弁６が開い
ている開期間Ｌ２内のうち前の期間Ｌ３においてのみ前
記主排気通路１５を第１排気通路１６に連通するように
構成する。

【００３０】これに加えて、前記切換弁２０の回転によ
り、前記排気弁６が開いている開期間Ｌ２内のうち下死
点付近の時期Ｇ（例えば、クランク角度で下死点前約５
度から下死点後５度）から前記排気弁６の閉時期Ｄを適
宜過ぎた時期Ｈ（例えば、クランク角度で下死点後約９
０度）までの期間を、前記主排気通路１５と第２排気通
路１７を連通することにより、前記排気弁６が開いてい
る開期間Ｌ２内のうち前記前の期間Ｌ３よりもあとの後
ろの期間Ｌ４においてのみ前記主排気通路１５を第２排
気通路１７に連通するように構成する。

【００３１】この場合において、主排気通路１５の第１
排気通路１６への連通を遮断する時期Ｆを、二点鎖線で
示すようにＦ′に遅らせる一方、主排気通路１５の第２
排気通路１７への連通を開始する時期Ｇを、二点鎖線で
示すようにＧ′に進ませる等することにより、主排気通
路１５を第１排気通路１６に連通している状態と、主排
気通路１５を第２排気通路１７に連通している状態とを
オーバーラップするように構成しても良い。また、排気
弁６の閉の時期Ｄを、掃気ポート８の閉の時期Ｂに略一
致するか、或いは、掃気ポート８の閉の時期Ｂよりも進
ませるように構成しても良い。

【００３２】この構成において、シリンダ２内における
爆発によるピストン３の下降動が下死点前の約７０度付
近に達すると、排気弁６が開き、この排気弁６における
開期間Ｌ２内のうち前の期間Ｌ３においては、当該排気
弁６からの主排気通路１５は切換弁２０にて第１排気通
路１６に連通していることにより、シリンダ２内の排気
ガスは、主排気通路１５及び第１排気通路１６を介して
排気ターボ過給機１０における排気タービン１０ａに流
出して、排気ターボ過給機１０を駆動する一方、この排
気ターボ過給機１０の駆動によりその圧縮機１０ｂで圧
縮された吸気は、各掃気ポート８の外側を囲うチャンバ
ー２３に送られてここに蓄えられ、そして、ピストン３
の下降動にて各掃気ポート８が開いた瞬間、前記チャン
バー２３に蓄えられた圧縮吸気が各掃気ポート８よりシ
リンダ２内に勢い良く導入され、この勢いの良い圧縮吸
気の押し込みにて前記シリンダ２内の掃気が行われる。

【００３３】次いで、前記排気弁６における開期間Ｌ２
内のうち後ろの期間Ｌ４になると、シリンダ２内に掃気
ポート８から吸気が導入される一方、前記排気弁６から
の主排気通路１５は、前記切換弁２０にて、前記圧縮機
１０ｂにおける大気空気吸い込み側への第２排気通路１
７に連通する状態に切り換えられることにより、前記シ
リンダ２内における残留排気ガスは、主排気通路１５及
び第２排気通路１７を介して前記圧縮機１０ｂにて吸い
出されることになるから、この圧縮機１０ｂへの吸い出
しと、掃気ポート８からの吸気の押し込みとの両方によ
って前記シリンダ２内の掃気が強力に行われる。

【００３４】一方、前記各掃気ポート８からシリンダ２
内に勢い良く導入される吸気は、各掃気ポート８におけ
る軸線８ａが、前記シリンダ２の軸線２ａに対してほぼ
直角で、且つ、シリンダ２の軸線２ａの方向から見てシ
リンダ２に対して接線方向であることにより、シリンダ
２の軸線２ａを中心にして旋回しながら頂部の排気弁６
に向かってように流れ、しかも、この旋回流の流れ速度
は、掃気ポート８からの押し込みと、圧縮機１０ｂへの
吸い込みとの両方によって、加速されることにより、こ
の旋回流の中心部分に既燃焼ガスの多くが集まり、そし
て、このように中心に集まる既燃焼ガスに対して燃料噴
射弁７から燃料が噴射される。

【００３５】ところで、前記排気ターボ過給機１０にお
ける圧縮機１０ｂへの大気空気吸い込み管路１３内の圧
力は、圧縮機１０ｂの吸い込みにてほぼ大気圧か、これ
以下になっていることにより、この圧縮機１０ｂにてシ
リンダ２内における残留排気ガスを吸い出すことができ
るが、第２排気通路１７からの排気ガスの圧力が異常に
高くて、この排気ガスが、エアクリーナ１２側に逆流す
るおそれがあるときには、図１に二点鎖線で示すよう
に、前記大気空気吸い込み管路１３に、エアクリーナ１
２から圧縮機１０ｂへの方向にのみ開くようにした逆止
弁２１を設けて、前記の逆流を阻止するように構成す
る。

【００３６】また、前記第２排気通路１７から前記圧縮
機１０ｂの大気空気吸い込み管路１３に至る管路１９中
に、図１に二点鎖線で示すように、モータにて回転駆動
されるブロワー２２を設ける。

【００３７】この構成により、排気弁６の開期間Ｌ２の
うち後ろの期間Ｌ４においてシリンダ２内の残留排気ガ
スを排気ターボ過給機１０の圧縮機１０ｂにて吸い出す
ことを、前記モータ駆動のブロワー２２にて促進でき
る。しかも、前記ブロワー２２におけるモータのＯＮ・
ＯＦＦ又は回転数の増減調節によって、シリンダ２内に
おける旋回流の強弱、掃気の程度及び残留排気ガス量等
を、内燃機関に運転状態に応じて最適の状態に制御する
ことができる。

【００３８】なお、前記実施の形態は、シリンダ２内
に、ヒストン３の上死点前の時期において燃料を燃料噴
射弁７より噴射供給し、この燃料を、圧縮着火する場合
であったが、本発明は、この圧縮着火式の二サイクル内
燃機関に限らず、図１に二点鎖線で示すように設けた点
火栓２４による火花点火式の二サイクル内燃機関に対し
ても同様に適用できることはいうまでもない。

【００３９】また、圧縮着火及び火花点火のいずれの場
合においても、排気弁６の閉時期Ｄの付近において、シ
リンダ２内に燃料を追加して供給することにより、排気
ガスの温度を高くなるから、排気タービン１０ａの効率
をアップすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す要部縦断正面図であ
る。

【図２】図１のII−II視断面図である。

【図３】二サイクルの行程を示す図である。

【符号の説明】

１シリンダブロック２シリンダ３ピストン５シリンダヘッド６排気弁７燃料噴射弁８掃気ポート１０排気ターボ過給機１０ａ排気タービン１０ｂ圧縮機１３大気空気吸い込み管路１４圧縮吸気管路１５主排気通路１６第１排気通路１７第２排気通路２０切換弁２１逆止弁２２ブロワー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｂ 25/04 Ｆ０２Ｂ 25/04 33/44 33/44 Ｅ 37/00 37/00 ３０２Ｆ３０２ 37/02 Ｆ 37/02 Ｆ０２Ｄ 9/16 Ｆ０２Ｄ 9/16 21/08 ３１１Ｂ 21/08 ３１１Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０ＣＦ０２Ｍ 25/07 ５５０５７０Ｌ５７０５８０Ａ５８０５８０Ｂ５８０ＦＦ０２Ｂ 37/00 ３０１ＦＦターム(参考） 3G005 DA04 EA16 FA05 GA02 GB15 GB17 GB24 HA12 JA02 JA23 JA28 JA39 3G023 AA02 AB01 AB05 AC04 AD07 AF02 AF03 AG01 AG03 3G062 AA02 AA05 CA07 ED03 ED10 GA02 GA22 3G065 AA01 AA02 AA03 AA09 CA00 EA09 EA10 FA01 GA10 HA05 KA01 3G092 AA02 AA03 AA06 AA17 AA18 DB03 DC12 DE01S DG01 EA25 FA21 GA05 GA16 HE01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クランク軸に連動して往復動するピストン
を内蔵したシリンダの頂部にポペット型の排気弁を、前
記シリンダの下部にシリンダ内への掃気ポートを設けた
ユニフロー型二サイクル内燃機関と、前記シリンダから
の排気ガスにて駆動される排気タービンに前記掃気ポー
トへの吸気に対する圧縮機を直結して成る排気ターボ過
給機とを備えたものにおいて、前記排気弁からの主排気通路を、前記排気タービンにお
ける排気ガス入り口への第１排気通路と、前記圧縮機に
おける大気空気吸い込み側への第２排気通路とに分岐
し、この分岐部に、前記排気弁における開期間内のうち
前の期間において前記主排気通路を前記第１排気通路に
連通し、前記排気弁における開期間内のうち後ろの期間
において前記主排気通路を前記第２排気通路に連通する
ようにした切換弁を設けたことを特徴とする排気ターボ
過給機付き二サイクル内燃機関。
【請求項２】前記請求項１の記載において、前記掃気ポ
ートにおける軸線を、シリンダの軸線に対してほぼ直角
で、且つ、シリンダの軸線方向から見てシリンダに対し
て接線方向にする一方、前記前記シリンダの頂部におけ
るほぼ中心の部位に、シリンダ内への燃料噴射弁を設け
たことを特徴とする排気ターボ過給機付き二サイクル内
燃機関。
【請求項３】前記請求項１又は２の記載において、前記
第２排気通路に、前記主排気通路からの排気ガスを吸引
するモータ駆動のブロワーを設けたことを特徴とする排
気ターボ過給機付き二サイクル内燃機関。