JP2005139946A - Engine capable of two cycle operation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2サイクル運転可能なエンジンに関し、特に、排気エネルギーを効率的に利用するための技術に関する。 The present invention relates to an engine capable of two-cycle operation, and more particularly to a technique for efficiently using exhaust energy.
燃費効率が高く、かつ、NOx排出量が少ないエンジンの運転技術として希薄混合気の自着火運転が知られている。また、自着火運転時には、2サイクル運転は、4サイクル運転より有利であることが知られている。かかる2サイクル自着火運転において十分にNOx排出量を低減するために、過給器により空気過剰率を高めることが提案されている。2サイクル運転に用いる過給器としては、一般的にエンジンからの排気エネルギーを利用する排気式過給器、エンジンの出力を利用する機械式過給器があり、排気式過給器は、駆動時の機械的エネルギー損失がない点で機械式過給器より有利である(例えば、特許文献1参照)。 Self-ignition operation of a lean air-fuel mixture is known as an engine operation technique with high fuel efficiency and low NOx emission. Further, it is known that the two-cycle operation is more advantageous than the four-cycle operation during the self-ignition operation. In order to sufficiently reduce the NOx emission amount in such a two-cycle self-ignition operation, it has been proposed to increase the excess air ratio with a supercharger. As the supercharger used for two-cycle operation, there are generally an exhaust supercharger that uses exhaust energy from the engine and a mechanical supercharger that uses the output of the engine. It is more advantageous than a mechanical supercharger in that there is no mechanical energy loss (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、2サイクル運転は、排・吸気のための独立した行程を有しないため、下死点前後の期間において排気弁(または排気口)と吸気弁(または吸気口)を同時に開き、ガス交換を行う掃気行程を必要とする。すなわち、燃焼室内の爆発圧力によりピストンが上死点から下死点に向かう途中において、排気弁を開いてブローダウンが行われる。そして、ブローダウン期間経過後、排気弁を開いたまま吸気弁も開き掃気を開始する。さらに、掃気期間経過後に排気弁を閉じる。 However, since the two-cycle operation does not have independent strokes for exhaust and intake, the exhaust valve (or exhaust port) and the intake valve (or intake port) are opened at the same time in the period before and after bottom dead center, and gas exchange is performed. Requires a scavenging stroke to perform. That is, the exhaust valve is opened and blowdown is performed while the piston is moving from the top dead center to the bottom dead center due to the explosion pressure in the combustion chamber. Then, after the blow-down period has elapsed, the intake valve is opened while scavenging is started while the exhaust valve is open. Further, the exhaust valve is closed after the scavenging period.
このため、ブローダウン期間に燃焼室から排気ポートへ排出された高圧の排気が、掃気期間中に、室内圧力が低下した燃焼室内に逆流する現象が生じる。この結果、ブローダウン期間に排出された高圧の排気のエネルギーを十分に排気式過給器のタービンに伝達できず、排気式過給器を効率良く使用することができないという問題があった。 For this reason, a phenomenon occurs in which the high-pressure exhaust discharged from the combustion chamber to the exhaust port during the blow-down period flows back into the combustion chamber where the chamber pressure has decreased during the scavenging period. As a result, there is a problem in that the energy of the high-pressure exhaust discharged during the blowdown period cannot be sufficiently transmitted to the turbine of the exhaust supercharger, and the exhaust supercharger cannot be used efficiently.
本発明は、排気式過給器を搭載した2サイクル運転可能なエンジンにおいて、排気エネルギーを排気式過給器において効率良く利用することを目的とする。 An object of the present invention is to efficiently use exhaust energy in an exhaust supercharger in an engine capable of two-cycle operation equipped with an exhaust supercharger.
上記課題を解決するために、本発明は、シリンダブロックに形成されたシリンダ内を摺動するピストンと、シリンダブロックに接合されるシリンダヘッドとを備える2サイクル運転可能なエンジンを提供する。本発明に係るエンジンは、前記シリンダと、前記ピストンの上面と、前記シリンダヘッドとにより区画形成される燃焼室と、前記燃焼室と連通する排気通路と、前記排気通路上に配置されると共に、前記燃焼室からの排気によって駆動される排気式過給器と、前記排気通路上において、前記燃焼室と前記排気式過給器との間に配置される排気逆流防止手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an engine capable of two-cycle operation including a piston that slides in a cylinder formed in a cylinder block and a cylinder head that is joined to the cylinder block. The engine according to the present invention is disposed on the exhaust passage, a combustion chamber defined by the cylinder, an upper surface of the piston, and the cylinder head, an exhaust passage communicating with the combustion chamber, An exhaust supercharger driven by exhaust from the combustion chamber, and an exhaust backflow prevention means disposed between the combustion chamber and the exhaust supercharger on the exhaust passage. Features.
以上のように構成された本発明の2サイクル運転可能なエンジンによれば、一旦燃焼室から排出された排気が燃焼室に逆流することを防止できるので、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。また、排気が燃焼室に逆流して、吸気弁からの新気吸入の妨げとなることを防止できる。 According to the engine configured as described above and capable of two-cycle operation, the exhaust once discharged from the combustion chamber can be prevented from flowing back into the combustion chamber, so that the exhaust energy can be efficiently exhausted. Can be communicated to. Further, it is possible to prevent the exhaust gas from flowing back into the combustion chamber and hindering the intake of fresh air from the intake valve.
本発明の2サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気式過給器は、電動モータにより前記排気による駆動が補助されるモータアシスト機構付き過給器であっても良い。かかる場合には、十分な排気エネルギーが得られない場合であっても、電動モータにより排気式過給器を十分に駆動することができる。また、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができるので、電動モータによる駆動力の必要補助量を低減し、電動モータの駆動エネルギーを低減することができる。 In the engine capable of two-cycle operation according to the present invention, the exhaust supercharger may be a supercharger with a motor assist mechanism in which driving by the exhaust is assisted by an electric motor. In such a case, even if sufficient exhaust energy cannot be obtained, the exhaust supercharger can be sufficiently driven by the electric motor. Further, since the exhaust energy can be efficiently transmitted to the exhaust type supercharger, the required auxiliary amount of the driving force by the electric motor can be reduced, and the driving energy of the electric motor can be reduced.
本発明の2サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気逆流防止手段は、リードバルブであっても良い。かかる場合には、リードバルブによって、簡便に燃焼室への排気の逆流を防止し、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。 In the engine capable of two-cycle operation according to the present invention, the exhaust backflow prevention means may be a reed valve. In such a case, the reed valve can easily prevent the backflow of exhaust gas into the combustion chamber, and can efficiently transmit the exhaust energy to the exhaust supercharger.
本発明の2サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気逆流防止手段は、ロータリーバルブと、前記ロータリーバルブの制御装置であっても良い。かかる場合には、ロータリーバルブの開閉を制御することによって、前記燃焼室への排気の逆流を防止し、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。 In the engine capable of two-cycle operation according to the present invention, the exhaust backflow prevention means may be a rotary valve and a control device for the rotary valve. In such a case, by controlling the opening and closing of the rotary valve, it is possible to prevent the exhaust gas from flowing back into the combustion chamber and to efficiently transmit the exhaust energy to the exhaust type supercharger.
以下、本発明に係る2サイクル運転可能なエンジンについて図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, an engine capable of two-cycle operation according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
図1を参照して本発明の実施例にかかるエンジンの構成について説明する。図1は、本発明の実施例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。本実施例に係るエンジン10は、少なくとも一部の運転領域において2サイクル運転可能なエンジンである。
The configuration of the engine according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an engine according to an embodiment of the present invention. The
本実施例に係るエンジン10は、内部に複数のシリンダ22を有するシリンダブロック20、シリンダ22内を上下に摺動するように内接するピストン24、シリンダブロック20の上面に配置されたシリンダヘッド30、排気によって駆動される排気式過給器40、エンジン10全体を制御する制御装置(ECU)、排気逆流防止手段として機能するリードバルブ50を備えている。シリンダ22、シリンダヘッド30、ピストン24の上面によって燃焼室15が区画形成される。
The
シリンダヘッド30は、各シリンダ22ごとに排気ポート31、吸気ポート32を有している。各排気ポート31には、排気管16の分岐端が連結され、排気ポート31と排気管16とで、燃焼室15と連通する排気通路17が構成されている。排気通路17上には、上流側から排気式過給器40のタービン42、触媒装置(図示しない)が配置されている。
The
一方、各吸気ポート32には、吸気管12の分岐端が連結され、吸気ポート32と吸気管12とで、燃焼室15と連通する吸気通路13が構成されている。吸気通路13上には、下流側からサージタンク60、インタクーラ62、排気式過給器40のコンプレッサ44、エアクリーナ(図示しない)が配置されている。
On the other hand, a branch end of the
シリンダヘッド30には、各シリンダ22ごとに、任意のタイミングで排気ポート31を開閉するための電磁駆動式排気弁34、任意のタイミングで吸気ポート32を開閉するための電磁駆動式吸気弁33、燃焼室15に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁36、火花点火のための点火プラグ35が配置されている。
The
排気式過給器40は、排気エネルギーによって回転駆動されるタービン42と、タービン42と同軸上にあって吸気を圧縮するコンプレッサ44と、モータアシスト機構46を備える。記述のように、タービン42は排気通路17上に配置され、コンプレッサ44は吸気通路13上に配置される。モータアシスト機構46は、タービン42を介して伝達される排気エネルギーのみではコンプレッサ44を十分に駆動できず必要な過給圧が得られない場合に、電動モータによりコンプレッサ44の駆動を補助する。
The
リードバルブ50は、タービン42の上流側の排気通路17上に排気の逆流防止手段として配置されている。たとえば、燃料と空気の混合気をクランク室圧縮する方式の2サイクルエンジンの吸気系に用いられる周知のリードバルブを用いることができる。図2は、リードバルブ50の断面図である。図3は、図2における矢印Y1方向からみたリードバルブの端面図である。
The
リードバルブ50は、ハウジング55に固定されるバルブ本体52と、金属製薄板のリード片53と金属製ストッパ51から構成される。リード片53とストッパ51は、片側の端部がねじ体56によりバルブ本体52に固定されている。バルブ本体52は弁孔54を有し、リード片53は前記弁孔54を覆うように配置されている。ストッパ51は、リード片53の最大開度を規制するためにある。なお、図3においては、図を見やすくするため、ハウジング55およびストッパ51は図示していない。リード片53は、図2における矢印Y2方向の流れに対しては開状態(53a)となり、逆方向の流れに対しては閉状態(53)となる。この結果、リードバルブは逆流防止手段として機能する。
The
ECUは、周知のマイクロコンピュータで構成され、運転状態に応じて、電磁駆動式吸気弁33、電磁駆動式排気弁34、点火プラグ35、燃料噴射弁36、モータアシスト機構46を制御することで、エンジン10の動作全体を制御する。
The ECU is composed of a known microcomputer, and controls the electromagnetically driven
次に、図4〜図6を参照して本実施例に係るエンジン10の動作について説明する。図4(a)〜(c)は、本実施例に係るエンジン10の動作を概念的に示した説明図である。図5(a)〜(b)は、本実施例に係るエンジン10におけるリードバルブ50の作用を説明する説明図である。図6は、本実施例に係るエンジン10の燃焼室内圧力、タービン前圧力の変化、および吸気弁、排気弁の開閉状態を表す説明図である。図6中、横軸はクランク角(時間)を示し、縦軸は燃焼室内圧力、タービン前圧力、吸気弁および排気弁のリフト量をそれぞれ示す。
Next, the operation of the
2サイクル運転では、クランクシャフトが1回転する間に、吸気弁33および排気弁34を適切なタイミングで開閉させることにより、膨張行程、排気行程(ブローダウン)、掃気行程、吸気行程、圧縮行程を次々と切り換えていく。
In the two-cycle operation, the
説明の都合上、燃焼室15内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気が燃焼すると、燃焼室15内には高圧の燃焼ガスが発生し、ピストン24に対してピストン24を押し下げる力が作用する。図4(a)に示すように膨張行程では、ピストン24が降下することによって、燃焼室15内で発生した圧力がトルクに変換され、動力としてクランクシャフト28から出力される。(図6において、Tfで示される期間)。
For convenience of explanation, the description will be made from the state in which the air-fuel mixture in the
ピストン24がある程度まで降下する適切なタイミングで排気弁34が開かれ、ブローダウンが行われる(図6において、Tbで示される期間)。燃焼室15内には、燃焼ガスが高圧のまま閉じこめられており、燃焼室内圧力Psは排気通路内圧力Pexよりも高いので、ピストン24の降下中であっても、排気弁34を開くと、圧力差によって燃焼ガスは排気通路17へと排出される(図4(b)参照)。排出された高圧の燃焼ガスは、排気式過給器40のタービン42を駆動して、吸入空気をコンプレッサ44によって加圧するための駆動エネルギーとして用いられる。図6に示すように、ブローダウン開始直後において、高圧の燃焼ガスが排出されるとタービン前圧力は急激に上昇し、その後、燃焼室内圧力が低下するに従い、タービン前圧力も低下し始める。
The
続いて、適切なタイミングで吸気弁33を開き、掃気行程に移る(図6において、Tsで示される期間)。排気式過給器40によって加圧された空気が吸気通路13から燃焼室15内に流入し、燃焼室15内に残っている燃焼ガスは、排気通路17へと排出される(図4(c)参照)。
Subsequently, the
このように、2サイクル運転においては、ブローダウン時に高圧の排気を排出した後も、掃気行程のために一定期間排気弁を開いたままにしなければならない。この掃気行程中に、ピストンの下降、および吸気圧との関係で燃焼室内の圧力Psが下がり、排気通路内の圧力Pexより低くなることがある。 Thus, in the two-cycle operation, the exhaust valve must be kept open for a certain period for the scavenging stroke even after the high-pressure exhaust is discharged at the time of blowdown. During this scavenging stroke, the pressure Ps in the combustion chamber may decrease due to the lowering of the piston and the intake pressure, and may be lower than the pressure Pex in the exhaust passage.
この時、従来の構成(リードバルブ無)においては、図5(b)に示すように、一旦排出された排気が燃焼室15内に逆流する現象が生じる。この逆流現象が生じると、排気通路内圧力が低下し、これによってタービン前圧力は急激に低下してしまう。
At this time, in the conventional configuration (without a reed valve), as shown in FIG. 5 (b), a phenomenon occurs in which exhausted exhaust gas flows back into the
これに対して、本実施例においては、燃焼室15と排気式過給器40のタービン42との間の排気通路17上に、過給器方向への流動のみを許容するリードバルブ50が配置されているので、図5(a)に示すように、一旦リードバルブ50を通過した排気が燃焼室15内に逆流することはない。この結果、掃気期間中のタービン前圧力の低下は抑制される。
In contrast, in the present embodiment, a
この結果、本実施例に係るエンジン10では、図6中曲線P1にて示すように、掃気期間中のタービン前圧力が、図6中曲線P2にて示される従来の構成における掃気期間中のタービン前圧力と比較して高く保たれる。
As a result, in the
以上説明したように、本実施例に係る2サイクル運転可能なエンジンによれば、排気通路17上にリードバルブ50が備えられているので、燃焼室内圧力Psが排気通路内圧力Pexよりも低くなった場合であっても、排気通路17から燃焼室15内への排気の逆流を簡便に防止することができる。この結果、排気式過給器40に対して、効率良く排気エネルギー(駆動エネルギー)を伝達することができる。同時に、排気が燃焼室15内に逆流して、吸気通路13からの新気吸入の妨げとなることを防止できる。
As described above, according to the engine capable of two-cycle operation according to the present embodiment, since the
また、本実施例に係るエンジン10によれば、排気エネルギーを効率良く排気式過給器40のタービン42に伝達することができるので、電動モータによるタービン42の駆動力の必要補助量を低減し、電動モータによって消費されるエネルギー量を低減することができる。
Further, according to the
・変形例:
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。たとえば、以下のような変形例が可能である。
・ Modification:
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example at all, In the range which does not deviate from the meaning, implementation in a various aspect is possible. For example, the following modifications are possible.
上記実施例では、逆流防止手段としてリードバルブを設けているが、ロータリーバルブを用いても良い。図7は、変形例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。この変形例ではシリンダヘッド30内にロータリーバルブ70が組み込まれている。ロータリーバルブ70は、図示しない電動アクチュエータによって回転可能となっており、ECUの制御によってロータリーバルブ70を回転させることで排気通路17を自由に開閉することができる。従って、上述した逆流現象が生じるタイミングでのみロータリバルブ70を閉状態にするよう制御することで、ロータリーバルブは逆流防止装置として機能する。この結果、この構成においても実施例と同等の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the reed valve is provided as the backflow preventing means, but a rotary valve may be used. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an engine according to a modification. In this modification, a
また、上記実施例では、エンジンは、火花点火運転を行う2サイクルエンジンを例にしているが、点火プラグを必要としない自着火運転を行うエンジン、あるいは、ECUの制御によって自着火運転と火花点火運転を切換可能なエンジンであっても良い。さらに、4サイクル運転と2サイクル運転に切換可能な可変サイクルエンジンであっても良いことはもちろんである。 In the above embodiment, the engine is a two-cycle engine that performs a spark ignition operation. However, an engine that performs a self-ignition operation that does not require a spark plug, or a self-ignition operation and spark ignition controlled by an ECU. An engine capable of switching operation may be used. Of course, a variable cycle engine that can be switched between a 4-cycle operation and a 2-cycle operation may be used.
10…2サイクル運転可能なエンジン
12…吸気管
13…吸気通路
15…燃焼室
16…排気管
17…排気通路
20…シリンダブロック
22…シリンダ
24…ピストン
26…コネクティングロッド
28…クランクシャフト
30…シリンダヘッド
31…排気ポート
32…吸気ポート
33…電磁駆動式吸気弁
34…電磁駆動式排気弁
35…点火プラグ
36…燃料噴射弁
40…排気式過給器
42…タービン
44…コンプレッサ
46…モータアシスト機構
50…リードバルブ
51…ストッパ
52…バルブ本体
53…リード片
54…弁孔
55…ハウジング
56…ねじ体
60…サージタンク
62…インタクーラ
70…ロータリーバルブ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記シリンダと、前記ピストンの上面と、前記シリンダヘッドとにより区画形成される燃焼室と、
前記燃焼室と連通する排気通路と、
前記排気通路上に配置されると共に、前記燃焼室からの排気によって駆動される排気式過給器と、
前記排気通路上において、前記燃焼室と前記排気式過給器との間に配置される排気逆流防止手段と、
を備える2サイクル運転可能なエンジン。 An engine capable of two-cycle operation comprising a piston that slides in a cylinder formed in a cylinder block, and a cylinder head that is joined to the cylinder block,
A combustion chamber defined by the cylinder, the upper surface of the piston, and the cylinder head;
An exhaust passage communicating with the combustion chamber;
An exhaust supercharger disposed on the exhaust passage and driven by exhaust from the combustion chamber;
Exhaust backflow prevention means disposed between the combustion chamber and the exhaust supercharger on the exhaust passage;
An engine capable of two-cycle operation.
前記排気式過給器は、電動モータにより前記排気による駆動が補助されるモータアシスト機構付き過給器である2サイクル運転可能なエンジン。 The engine capable of two-cycle operation according to claim 1,
The exhaust supercharger is a supercharger with a motor assist mechanism that is assisted by the exhaust by an electric motor, and is an engine capable of two-cycle operation.
前記排気逆流防止手段は、リードバルブである2サイクル運転可能なエンジン。 The engine capable of two-cycle operation according to claim 1 or 2,
The exhaust backflow prevention means is an engine capable of two-cycle operation, which is a reed valve.
前記排気逆流防止手段は、ロータリーバルブと、
前記ロータリーバルブの制御装置である2サイクル運転可能なエンジン。 The engine capable of two-cycle operation according to claim 1 or 2,
The exhaust backflow prevention means includes a rotary valve,
An engine capable of two-cycle operation which is a control device for the rotary valve.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003375316A JP2005139946A (en) | 2003-11-05 | 2003-11-05 | Engine capable of two cycle operation |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009532606A (en) * | 2006-03-31 | 2009-09-10 | トランソニック コンバッション、インコーポレイテッド | Injection-ignition injector for internal combustion engines |
-
2003
- 2003-11-05 JP JP2003375316A patent/JP2005139946A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009532606A (en) * | 2006-03-31 | 2009-09-10 | トランソニック コンバッション、インコーポレイテッド | Injection-ignition injector for internal combustion engines |
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