JP2005076490A - 二サイクル内燃機関及び圧縮着火式二サイクル内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダ３内のピストン５が下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダ頂部の排気ポート１２に対する排気弁１３が開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダ側面の掃気ポート６が開いて、掃気用圧縮機９からの新しい吸気をシリンダ内に押し込むようにして成る二サイクル内燃機関において、排気ガス中における酸素濃度を正確に検出して、掃気用圧縮機における吸気の押し込み又は燃料供給量を的確に制御する。
【解決手段】 前記シリンダ頂部の排気ポート１２又はこれに接続した排気管路１５に、酸素濃度センサー１６を備え、更に、前記酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記クランク軸における任意のクランク角度において行うようにした制御手段と、この検出した酸素濃度に応じて、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込みを制御するか、或いは、燃料供給量を制御する手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二サイクル内燃機関において、その排気ガス中の酸素濃度を検出するための装置と、この検出装置を使用した二サイクル内燃機関と、前記検出装置を使用した圧縮着火式の二サイクル内燃機関とに関するものである。

一般に、四サイクルの内燃機関においては、シリンダから排出される排気ガスに吸気が混ざることがきわめて少ないので、前記排気ガスにおける酸素濃度は、排気行程の全般にわたって殆ど変化しないから、その排気系に、酸素濃度センサーを設けることで、可成り正しい値の酸素濃度を検出することができる。

これに対し、二サイクルの内燃機関においては、シリンダ内の排気ガスを、当該シリンダ内に新しい吸気を掃気ポートから導入することでシリンダ内から押し出すもので、このとき新しい吸気の一部が排気ガスと一緒にシリンダ内から排出されるという吹き抜けが存在することにより、シリンダ内から排出される排気ガスにおける酸素濃度は、前記の吹き抜けによって変動することになるから、その排気系に酸素濃度センサーを設けただけでは、安定した値の酸素濃度を検出することができない。

そこで、先行技術としての特許文献１は、二サイクルの内燃機関において、その排気ガスにおける酸素濃度の検出方法として、位相差を有する二つのシリンダの相互間を排気ガス連通路にて接続することにより、一方のシリンダ内において燃焼の終わった排気ガスを、前記排気ガス連通路を通って他方のシリンダ内の方向に流れるように構成し、この排気ガス連通路内において、これに設けた酸素濃度センサーにて、酸素濃度を検出することを提案している。
特開平８−１４０８５号公報

しかし、この先行技術は、シリンダ内で燃焼の終わりの新しい吸気が混じっていない状態における排気ガスにおける酸素濃度を検出することができるものの、二つのシリンダの相互間を連通する排気ガス連通路を必要とし、換言すると、二つのシリンダの相互間を連通する排気ガス連通路を、前記シリンダに対する掃気ポート及び排気ポートとは別個に設けなければならないという問題があった。

本発明は、前記先行技術のように排気ガス連通路を別個に設けることなく、排気ガス中における正しい酸素濃度を的確に検出できるようにして、燃費の向上を図った二サイクル内燃機関、或いは、スモークの低減を図った圧縮着火式の二サイクル内燃機関を提供することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は、
「シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成る二サイクル内燃機関において、
前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、更に、前記酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記クランク軸における任意のクランク角度において行うようにした制御手段と、この検出した酸素濃度に応じて、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込みを制御するか、或いは、燃料供給量を制御する手段とを備えている。」
ことを特徴としている。

また、本発明の請求項２は、
「シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成る二サイクル内燃機関において、
前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、この酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記掃気ポートと、前記排気弁又は前記シリンダの側面における排気ポートとの両方が開いている区間内における一定のクランク角度において行うようにした制御手段を備え、更に、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込みを、前記酸素濃度センサーで検出した酸素濃度に応じて、当該酸素濃度が高いとき低減するように制御する手段を備えている。」
ことを特徴としている。

更にまた、本発明の請求項３は、
「シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成り、且つ、シリンダへの燃料噴射弁を備えて成る圧縮着火式の二サイクル内燃機関において、
前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、この酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記排気弁又は前記シリンダの側面における排気ポートの開から前記掃気ポートの開（但し、この掃気ポートの開には、掃気ポートが開いた初期の段階を含む、以下、及び特許請求の範囲において同じ）までのクランク角度において行うようにした制御手段を備え、更に、前記燃料噴射弁における燃料噴射量を、前記酸素濃度センサーで検出した酸素濃度に応じて、当該酸素濃度が或る限度を越えてリーンにならないようにフィードバック制御する手段を備えている。」
ことを特徴としている。

前記請求項１は、酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出をクランク軸における任意のクランク角度において行うものであるから、例えば、前記した酸素濃度の検出を、シリンダの側面における排気ポート又は排気弁の開から掃気ポートの開までのクランク角度において行うことにより、このクランク角度では、シリンダ内への新しい吸気に吹き込みがないか極めて少ない状態であるために、当該排気ガスに新しい吸気が全く混ざらない状態における酸素濃度を検出することができる。

また、掃気ポートとシリンダ側面の排気ポート又は排気弁との両方が開いているクランク角度区間においては、掃気ポートからシリンダ内に流入した新しい吸気の一部がシリンダ内から吹き抜けることにより、その排気ガスには新しい吸気が混ざっているから、前記した酸素濃度の検出を、前記クランク角度区間における一定のクランク角度において行うことにより、新しい吸気が混ざった状態における酸素濃度を検出することができる。

つまり、排気ガス中における酸素濃度を、前記先行技術のように、各シリンダの相互間を互いに接続する排気ガス連通路を設けることなく、当該排気ガス中に新しい吸気が殆ど混ざっていない状態と、当該排気ガス中に新しい吸気が混ざっている状態とに分けて別々に安定した値として正確に検出することができるから、これに基づいて、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込み、或いは、燃料供給量を的確に制御できる。

ところで、二サイクル内燃機関において、掃気用圧縮機にてシリンダ内に掃気ポートから押し込まれた新しい吸気の排気ポートへの吹き抜けが多いときには、掃気用圧縮機によるシリンダ内への新しい吸気の押し込みが余剰に行われているときであり、この場合には、排気ガス中における酸素濃度が、前記余剰の押し込みに伴う吹き抜けにて高くなっているから、このままの状態を継続すると、シリンダ内にＮＯｘ低減のために残すべき排気ガスが少なくなるとともに、排気ガス中の可燃成分が多くなり、更には、掃気用圧縮機を無駄に駆動する状態になる。

そこで、請求項２に記載した構成にすることにより、前記掃気用圧縮機による新しい吸気の余剰な押し込みを、排気ガス中における酸素濃度によって検出することができ、そして、この検出に基づいて、前記掃気用圧縮機による新しい吸気の押し込みを低減することができる。

この新しい吸気の押し込み低減により、吹き抜けが少なくなってＨＣ等の可燃成分の放出が少なくなり、しかも、シリンダの内部に残る排気ガスが多くなり、いわゆる内部排気ガスによるＮＯｘ抑制を確保できるから、排気ガスのクリーン化を確実に促進できる。

しかも、前記吸気の押し込み低減により、掃気用圧縮機を無駄に駆動することがなく、換言すると、前記掃気用圧縮機を駆動することに要する負荷を軽減できることになるから、この負荷の軽減により、内燃機関における出力のアップと、燃費の低減とを同時に達成できる。

一方、二サイクル内燃機関が、シリンダ内に燃料噴射弁より噴射供給した燃料を圧縮にて着火燃焼するようにした圧縮着火式の二サイクル内燃機関である場合、その排気ガス中における酸素濃度が或る限度を越えてリーン化したときにおいてスモークが発生するものであり、また、排気ガス中における酸素濃度は、当該排気ガスに新たな吸気を含まない状態では、燃料噴射量に比例して多くなることが知られている。

そこで、請求項３に記載した構成にすることにより、排気ガス中における酸素濃度を、当該排気ガスに新しい吸気が混ざることがない状態で検出することができ、そして、この酸素濃度が或る限度を越えてリーン化することを防止できるから、スモークの発生を確実に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図１の図面について説明する。

この図１において、符号１は、ユニフロー型の二サイクルディーゼル内燃機関を示す。

この二サイクルディーゼル内燃機関１は、シリンダ３を有するシリンダブロック２と、このシリンダブロック２の上面に前記シリンダ３の頂部を塞ぐように締結したシリンダヘッド４とから成り、前記シリンダ３内には、図示しないクランク軸の回転に連動して往復動するピストン５を内蔵している。

前記シリンダブロック２には、前記シリンダ３内に新しい吸気を導入するための掃気ポート６が設けられ、この掃気ポート６は、前記ピストン５の往復動により、図２に示すように、例えば、その下死点（ＢＤＣ）前約５５度前後の時期Ｓ１から下死点（ＢＤＣ）後約５５度前後の時期Ｓ２の区間においてシリンダ３内に開口するように構成されており、この掃気ポート６に対するチャンバー７には、図示しないエアクリーナからの吸気経路８が接続され、この吸気経路８の途中には、前記二サイクルディーゼル内燃機関１からの動力伝達等にて駆動されるか、或いは、前記二サイクルディーゼル内燃機関１にて発電した電気により駆動される掃気用圧縮機９が設けられている。

また、前記吸気経路８には、前記掃気用圧縮機９をバイパスしてその吸い込み側と吐出側とを接続するバイパス通路１０を設けて、このバイパス通路１０の途中にバイパス制御弁１１を設ける。

一方、前記シリンダ３の頂部におけるシリンダヘッド４には、シリンダ３からの排気ポート１２が設けられ、この排気ポート１２におけるシリンダ３内へ開口部には、前記ピストン５の往復動、ひいては、前記クランク軸の回転に同期して開閉作動する排気弁１３が設けられ、この排気弁１３は、図示しない動弁機構等により、図２に示すように、前記掃気ポート６が開き始める時期Ｓ１より早い時期、例えば、下死点（ＢＤＣ）前約６５度の時期Ｔ１において開き、下死点（ＢＤＣ）後約６５度前後の時期Ｔ２において閉じるように構成されている。

更にまた、前記シリンダヘッド４には、上死点（ＴＤＣ）の時期においてシリンダ３内に対して燃料を噴射供給するようにした燃料噴射弁１４が装着されている。

そして、前記排気ポート１０内、又はこれに接続した排気管路１５内のうち前記排気ポート１０に隣接する部分には、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサー１６を設け、この酸素濃度センサー１６の出力を入力とする制御回路１７を介して、前記バイパス制御弁１１及び前記燃料噴射弁１４を以下に述べるように制御する。

すなわち、この制御回路１７は、前記二サイクルディーゼル内燃機関１におけるクランク角度検出センサー１８からの信号を入力として、前記排気弁１３における時期Ｔ１の開から前記掃気ポート６における時期Ｓ１の開（但し、この掃気ポートの開には、当該掃気ポートが開いた初期の段階を含んでいる）までのクランク角度区間（下死点前約６５度から約５５度のとき）において、前記酸素濃度センサー１６に指令を出して排気ガス中の酸素濃度Ｘ１の検出を行うとともに、前記排気弁１３と前記掃気ポート６と両方が共に開いてクランク角度区間内における一定のクランク角度（例えば、下死点等）において、前記酸素濃度センサー１５に指令を脱して排気ガス中の酸素濃度Ｘ２の検出を行うように制御する。

更に、前記制御回路１７は、前記排気弁１３における時期Ｔ１の開から前記掃気ポート６における時期Ｓ１の開までのクランク角度区間（下死点前約６５度から約５５度のとき）において検出した酸素濃度Ｘ１に応じて、当該酸素濃度Ｘ１がリーンになると前記燃料噴射弁１４における燃料噴射量を多くすることにより、前記酸素濃度が或る限度を越えてリーンにならないようにフィードバック制御する。

これに加えて、前記制御回路１７は、前記排気弁１３と前記掃気ポート６と両方が共に開いてクランク角度区間において検出した酸素濃度Ｘ２に応じて、当該酸素濃度が高くなると前記バイパス制御弁１１を開くように制御する。

前記排気弁１３における時期Ｔ１の開から前記掃気ポート６における時期Ｓ１の開までのクランク角度区間においては、排気ポート１２からの排気ガス中に、掃気ポート６からの新しい吸気が混じることはないから、当該排気ガスに新しい吸気が全く混ざらない状態における酸素濃度Ｘ１を検出することができる。

そして、ここに検出した酸素濃度Ｘ１は、当該酸素濃度Ｘ１が或る限度を越えてリーンにならないようにフィードバック制御されることにより、この或る限度を、二サイクルディーゼル内燃機関１においてスモーク発生の限界値に設定することで、スモークの発生を確実に抑制することができる。

また、前記排気弁１３と前記掃気ポート６と両方が共に開いているクランク角度区間内においては、掃気ポート６からシリンダ３内に流入した新しい吸気の一部がシリンダ３内から吹き抜けることにより、その排気ガスには新しい吸気が混ざっているから、前記した酸素濃度の検出を、前記排気弁１３と前記掃気ポート６と両方が共に開いているクランク角度区間内における一定のクランク角度で行うことにより、新しい吸気が混ざった状態における酸素濃度Ｘ２を検出することができる。

そして、前記排気弁１３と前記掃気ポート６と両方が共に開いているクランク角度区間内における一定のクランク角度において検出した酸素濃度Ｘ２が高いときには、これに応じて、掃気用圧縮機９に対するバイパス制御弁１１を開くように制御される。

すると、このバイパス制御弁１１の開き制御により、前記掃気用圧縮機９による新しい吸気の押し込み圧力が下がり、ひいては、前記掃気用圧縮機９による新しい吸気の押し込みが低減するから、新しい吸気の排気ポート１２への吹き抜けが少なくなるとともに、前記掃気用圧縮機９を駆動することに要する負荷が軽減される。

なお、前記実施の形態は、前記酸素濃度Ｘ２が高くなることに応じてバイパス制御弁１１を開き制御することにより、前記掃気用圧縮機９による新しい吸気の押し込みを低減する場合であったが、本発明は、これに限らず、前記掃気用圧縮機９の吐出口における新しい吸気を、前記酸素濃度Ｘ２が高くなることに応じて大気中に放出するとか、或いは、前記掃気用圧縮機９の回転数を、前記酸素濃度Ｘ２が高くなることに応じて減速することによって、前記掃気用圧縮機９による新しい吸気の押し込みを低減するように構成しても良いのである。

また、前記実施の形態は、ユニフロー型の二サイクルディーゼル内燃機関の場合であったが、本発明は、これに限らず、前記シリンダにおける側面のうち掃気ポートと対向する部分に、シリンダ内に開口する排気ポートを設け、この側面における排気ポートを、前記ピストンの往復動にて前記図示の排気弁１３と略同様のクランク角度区間において開くように構成することにより、シリンダ内における排気ガスを、掃気ポートからシリンダ内に排気ポートに向かってループを描きながら流入するか、排気ポートに向かってシリンダ内を横断するように流入する新しい吸気にて排気ポートから押し出すようにして成るいわゆるループ掃気式、又は横断流掃気式の二サイクルディーゼル内燃機関にも適用できることはいうまでもない。

更にまた、前記酸素濃度Ｘ１及びＸ２による制御は、前記実施の形態の二サイクルディーゼル内燃機関の場合に限らず、広く、圧縮着火式の二サイクル内燃機関に適用でき、特に、前記酸素濃度Ｘ２による制御は、点火栓による火花着火式の二サイクル内燃機関においても適用することができるほか、前記制御回路１７に内燃機関における負荷又は回転信号１９を入力して、低負荷又は低回転ときには、前記酸素濃度Ｘ２による制御を、高負荷又は高回転のときには、前記酸素濃度Ｘ１による制御に切り換えるように構成することにより、低負荷又は低回転域での排気ガスのクリーン化及び燃費の低減と、高負荷又は高回転域におけるスモーク低減とを図ることができる。

前記特許請求の範囲及び前記実施の形態において「酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を、任意クランク角度、及び、排気弁又はシリンダの側面における排気ポートとの両方が開いている区間内における一定のクランク角度、並びに、排気弁又はシリンダの側面における排気ポートの開から掃気ポートの開までのクランク角度において行う。」ことには、酸素濃度センサーにて常時測定している酸素濃度を、前記任意クランク角度、及び、排気弁又はシリンダの側面における排気ポートとの両方が開いている区間内における一定のクランク角度、並びに、排気弁又はシリンダの側面における排気ポートの開から掃気ポートの開までのクランク角度において取り出することによって検出するようにした場合をも含むことはいうまでもない。

本発明の実施の形態を示す要部縦断正面図である。 排気弁及び掃気ポートの開閉時期を示す図である。

符号の説明

３ シリンダ
５ ピストン
６ 掃気ポート
８ 吸気経路
９ 掃気用圧縮機
１０ バイパス通路
１１ バイパス制御弁
１２ 排気ポート
１３ 排気弁
１４ 燃料噴射弁
１５ 排気管路
１６ 酸素濃度センサー
１７ 制御回路
１８ クランク角度検出センサー

Claims (3)

1. シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成る二サイクル内燃機関において、
   前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、更に、前記酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記クランク軸における任意のクランク角度において行うようにした制御手段と、この検出した酸素濃度に応じて、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込みを制御するか、或いは、燃料供給量を制御する手段とを備えていることを特徴とする二サイクル内燃機関。
2. シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成る二サイクル内燃機関において、
   前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、この酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記掃気ポートと、前記排気弁又は前記シリンダの側面における排気ポートとの両方が開いている区間内における一定のクランク角度において行うようにした制御手段を備え、更に、前記掃気用圧縮機における吸気の押し込みを、前記酸素濃度センサーで検出した酸素濃度に応じて、当該酸素濃度が高いとき低減するように制御する手段を備えていることを特徴とする二サイクル内燃機関。
3. シリンダ内のピストンがクランク軸の回転に同期し下死点に向かう方向に移動するとき、先ず、前記シリンダの頂部に設けた排気ポートに対する排気弁が開くか、或いは、前記シリンダの側面に設けた排気ポートが開くことで排気ガスの排出を開始し、これに遅れて前記シリンダの側面に設けた掃気ポートが開いて、掃気用圧縮機からの新しい吸気を前記掃気ポートからシリンダ内に押し込むようにして成り、且つ、シリンダへの燃料噴射弁を備えて成る圧縮着火式の二サイクル内燃機関において、
   前記シリンダの頂部における排気ポート又は前記シリンダの側面における排気ポート、或いは、これらの排気ポートに接続した排気管路に、酸素濃度センサーを備え、この酸素濃度センサーによる酸素濃度の検出を前記排気弁又は前記シリンダの側面における排気ポートの開から前記掃気ポートの開までのクランク角度において行うようにした制御手段を備え、更に、前記燃料噴射弁における燃料噴射量を、前記酸素濃度センサーで検出した酸素濃度に応じて、当該酸素濃度が或る限度を越えてリーンにならないようにフィードバック制御する手段を備えていることを特徴とする圧縮着火式二サイクル内燃機関。

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