JP2007040272A

JP2007040272A - 層状掃気２サイクル内燃エンジン

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Publication number: JP2007040272A
Application number: JP2005228017A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Tsutsui; 和弘筒井
Original assignee: Kioritz Corp
Current assignee: Kioritz Corp
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: JP4606966B2; US7322322B2; US20070028868A1

Abstract

【課題】混合気の吹き抜けを抑制しつつピストンを冷却する。
【解決手段】シリンダ３の両側に、夫々、混合気吐出口１４ｂと空気吐出口１５ｂとが配置され、混合気吐出口１４ｂと空気吐出口１５ｂは、夫々、混合気通路１４、空気通路１５を通じてクランク室６に連通している。クランク室６には空気供給ポート１２から空気が充填される。空気供給ポート１２の両側に、夫々、吸気ポート１０が配設され、各吸気ポート１０からの混合気Ｍは、ピストン２の周面の混合気誘導溝１７を通じて混合気通路１４に充填される。空気吐出口１５ｂは排気ポート１１側に配置され、混合気吐出口１４ｂは吸気ポート１０側に配置され、排気行程では、シリンダ室７内の燃焼ガスＥと、混合気吐出口１４ｂからの混合気Ｍとの間に、クランク室６から空気吐出口１５ｂを通じて吐出される空気Ａが介在した状態で掃気が行われる。
【選択図】図５

Description

本発明は層状掃気２サイクル内燃エンジンに関するものである。

いわゆるピストンバルブ式の２サイクル内燃エンジンは、シリンダ室の燃焼ガスを外部に排出するための排気ポートと、混合気をクランク室に導入するための吸気ポートと、前記シリンダ室と前記クランク室とに連通した掃気通路と、を有し、これら排気ポート、吸気ポート、掃気通路は、ピストンの上下動によって開閉制御される。

この種の２サイクル内燃エンジンは、排気行程において前記掃気通路を通じて前記クランク室内の混合気を前記シリンダ室に導入することで、該シリンダ室の掃気が行われる。このことから、掃気に関連して混合気が燃焼に関与することなく前記排気ポートを通じて外部に排出される「混合気の吹き抜け」現象が生じ易く、これが原因で、手持ち型動力作業機に多用されているピストンバルブ式の２サイクル内燃エンジンは、排気ガス中に含まれる有害物質を低減するのが難しいという宿命を背負っている。

「混合気の吹き抜け」を抑制するための技術として、特許文献１、２に見られる層状掃気２サイクル内燃エンジンが知られている。特許文献１は、混合気をクランク室に導入すると共に、これとは別に、掃気のための空気をピストンを介して掃気通路の掃気ポート近傍に導入して、前記掃気通路を空気で満たすことを提案している。この特許文献１の提案によれば、燃焼により前記ピストンが下降して排気ポートが開いて排気行程が始まると前記掃気ポートから前記掃気通路中の燃料成分を含まない空気が前記シリンダ室に導入されて空気による掃気が行われ、次いで、前記クランク室内の混合気が前記掃気通路を通じて前記シリンダ室に充填される。

特許文献２は、特許文献１と同様に、混合気をクランク室に導入すると共に、これとは別に、掃気のための空気（燃料成分を含まない）をリード弁を介してシリンダ室に導入することを提案している。また、この特許文献２は、シリンダ壁に形成した空気ポートと混合気ポート、つまりリード弁を介して空気を前記シリンダ室に吐出する前記空気ポートと、前記クランク室内の混合気を前記シリンダ室に吐出する前記混合気ポートとの配置に関し、前記空気ポートを排気ポート側に配置し、前記混合気ポートを排気ポートから離れる側に配置することを提案している。

この特許文献２の提案によれば、燃焼により下降するピストンが排気ポートを開けて排気行程が始まると共に、前記空気ポートから燃料成分を含まない空気が前記シリンダ室に導入され、また、前記混合気ポートを通じて前記クランク室内の混合気が前記シリンダ室に導入される。そして、前記シリンダ室には、前記空気ポートが前記混合気ポートに比べて前記排気ポートに近い側に配置されていることから、前記空気ポートから前記シリンダ室に流入した空気によって、前記シリンダ室内の燃焼ガスと前記混合気ポートから流入する混合気との間に空気の層が形成され、この空気の層によって掃気に伴う混合気の吹き抜けを抑制できるという利点があるとされている。

WO 98/57053号公報 USP 6,571,756公報

上述したピストンバルブ式２サイクル内燃エンジンは、構造がシンプルなため軽量であり、且つ、比較的高出力が得られることから、軽量、且つ、コンパクト性を重視する草刈り機やチェーンソーなど手持ち式ツールの動力源として用いられており、一層の軽量化のために、アルミニウム合金化が進んでいる。アルミニウム合金のような軽量金属で、例えば、ピストンを作った場合、ピストンの過熱対策が重要になる。

本発明の目的は、混合気の吹き抜けを効果的に抑制しつつ、ピストンを適切に冷却することのできる、層状掃気２サイクル内燃エンジンを提供することにある。

本発明の更なる目的は、シリンダ室内の掃気に、必要且つ十分な量の空気を使うことのできる、層状掃気２サイクル内燃エンジンを提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明によれば、
シリンダに嵌挿したピストンによって画成されたシリンダ室及びクランク室と、
前記シリンダ室に開口する混合気吐出口を備え、前記シリンダ室と前記クランク室とを連通する混合気通路と、
前記シリンダ室に開口する空気吐出口を備え、前記シリンダ室と前記クランク室とを連通する空気通路と、
前記クランク室に空気を供給する空気供給ポートと、
前記ピストンの周面に形成された混合気誘導溝を介して前記混合気吐出口から前記混合気通路に混合気を供給する吸気ポートと、
平面視したときに前記空気供給ポートと対向して配置され、前記シリンダ室内の燃焼ガスを外部に排出する排気ポートと、を有し、
前記混合気吐出口、前記空気吐出口、前記空気供給ポート、前記吸気ポート、前記排気ポートの全てが前記ピストンによって開閉され、
前記混合気吐出口が前記吸気ポート側に配置されると共に、前記空気吐出口が前記排気ポート側に配置され、
圧縮行程で前記空気供給ポートから前記クランク室に空気が充填されると共に、前記吸気ポートから前記ピストンの前記混合気誘導溝及び前記混合気吐出口を通じて前記混合気通路に混合気が充填され、
前記排気ポートが開かれる排気行程で前記空気通路と前記混合気通路が開かれて、前記混合気吐出口から前記シリンダ室に吐出される前記混合気通路内の混合気と前記シリンダ室内の燃焼ガスとの間に、前記クランク室から前記空気通路を通じて前記空気吐出口から前記シリンダ室に吐出される空気が介在することを特徴とする層状掃気２サイクル内燃エンジンを提供することにより達成される。

すなわち、本発明は、前記ピストンによって開閉される前記空気供給ポートを備えると共に、該空気供給ポートを通じて前記クランク室に空気を充填し、他方、前記吸気ポートから前記ピストンの周面に形成した前記混合気誘導溝及び前記混合気吐出口を通じて前記混合気通路に混合気を充填し、更に、前記混合気吐出口を前記吸気ポート側に配置すると共に、前記空気吐出口を前記排気ポート側に配置した点に特徴を有する。

これにより、前記空気供給ポートの開閉にリード弁を設ける必要はない。また、前記空気供給ポートを通じて前記クランク室に直接的に空気を充填することから、前記クランク室に多量の空気を一気に充填することができ、この十分な量の空気を使って前記シリンダ室内の掃気を効果的に行うことができる。更に、前記混合気吐出口を前記吸気ポート側に配置すると共に前記空気吐出口を前記排気ポート側に配置することで、前記混合気吐出口から吐出される前記混合気通路内の混合気と前記シリンダ室内の燃焼ガスとの間に、前記空気吐出口から吐出される空気で層を作ることができ、この層状掃気によって混合気の吹き抜けを効果的に抑制することができる。

また、前記混合気誘導溝を比較的低温で、且つ、気化し易い新気としての混合気が定常的に通過して、ピストン及びシリンダの熱を取り去るので、エンジン運転に伴う熱的障害を効果的に防止することができる。

本発明の好ましい実施の形態では、前記空気吐出口と前記混合気吐出口が、平面視したときに前記空気供給ポートと前記排気ポートとを結ぶ直線の両側に設けられている。このように前記空気吐出口と前記混合気吐出口を前記シリンダの両側に配置させることにより、前記シリンダ室内の掃気や混合気の充填に関して前記シリンダ室の一方側と他方側とを均質に行うことができる。

また、本発明の好ましい実施の形態では、前記空気吐出口と前記混合気吐出口が前記空気供給ポート側に指向されており、これによる所謂シュニューレ式掃気によって、混合気の吹き抜けを一層効果的に抑制することができる。

以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

図２〜図４は、実施例の２サイクル内燃エンジンの動作を説明するための行程図であり、図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿って断面した、エンジン構造を説明するための図である。

実施例の２サイクル内燃エンジン１は、単気筒空冷エンジンであり、ピストン２を嵌挿したシリンダ３を有し、該シリンダ３の下端に、クランクケース４が連結されており、該クランクケース４によって、クランクシャフト５を収容するクランク室６が形成されている。

前記ピストン２の上方に画成されるシリンダ室７は、その頂部に臨んで、点火プラグ８が配設されている。前記シリンダ３には、二つの吸気ポート１０と、この二つの吸気ポート１０とほぼ対向して配置された排気ポート１１と、が形成され、そして、前記二つの吸気ポート１０、１０の間に、空気供給ポート１２が独立して設けられている。換言すれば、前記空気供給ポート１２の両側に、夫々。吸気ポート１０が独立して配置されている。前記空気供給ポート１２は、平面視したときに、前記排気ポート１１と対向して配置されている。

前記吸気ポート１０、１０は図示しない気化器に連結され、該気化器で生成された適宜潤滑油を混合した燃料である混合気Ｍが、前記エンジン１に供給される。ここに、前記気化器は、燃料成分が多いリッチ混合気を生成するように設定されている。他方、空気供給ポート１２からは燃料を含まない空気Ａが、前記エンジン１に供給される。

前記エンジン１は、また、前記シリンダ３に互いに隣接して設けられて上下方向に延びる混合気通路１４、１４と、空気通路１５、１５と、を更に有する。これら混合気通路１４、１４、空気通路１５、１５は、共に、夫々の下端１４ａ、１５ａが前記クランク室６に流体入口として開放され、上端が混合気吐出口１４ｂ、空気吐出口１５ｂとして夫々前記シリンダ室７に開放されている。

前記混合気吐出口１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂは、前記シリンダ３を平面視したときに、互いに対向して配置された前記空気供給ポート１２と前記排気ポート１１と結ぶ前記シリンダ３の中心線ＣＬに関して、その一側と他側とに夫々一対設けられている（図１参照）。そして、各空気吐出口１５ｂは前記排気ポート１１側に配置され、他方、各混合気吐出口１４ｂは前記排気ポート１１から離れる側つまり前記吸気ポート１０側に配置されている。任意であるが、前記シリンダ３の各側に設けられた前記混合気吐出口１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂは、夫々、前記排気ポート１１から離れる側、つまり、前記空気供給ポート１２側に指向されているのが好ましい。

前記２サイクル内燃エンジン１は、前記吸気ポート１０、１０、前記排気ポート１１、前記空気供給ポート１２、前記混合気通路１４、１４の上端の前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ、前記空気通路１５、１５の上端の前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂの全てが、前記ピストン２の上下動によって開閉制御される。前記空気供給ポート１２及び前記吸気ポート１０、１０は、圧縮行程で前記ピストン２が上昇して前記クランク室６が負圧になるときに開放される（図２参照）。これにより、前記空気供給ポート１２を通じて前記クランク室６に燃料を含まない空気が直接的に充填される。また、前記吸気ポート１０、１０は、前記ピストン２のスカート部周面に形成された二つの混合気誘導溝１７、１７の対応する一つの下端部と対面した状態となると共に、前記混合気誘導溝１７の上端部は、前記混合気吐出口１４ｂを通じて前記混合気通路１４に連通した状態となって、前記ピストン２を介して前記吸気ポート１０、１０から前記混合気通路１４、１４に混合気Ｍが充填される。前記空気供給ポート１２は、前記ピストン２の更なる上昇によって上死点に到達するまで開放された状態が継続され、一方、前記吸気ポート１０は、前記ピストン２が上死点近傍に達した時点で前記ピストン２によって閉じた状態になる（図３）。

前記ピストン２が上死点に到達する少し前に前記点火プラグ８で前記シリンダ室７内の圧縮された混合気Ｍが着火され、これにより、前記２サイクル内燃エンジン１は膨張行程に移行する。前記ピストン２が下降動作する膨張行程では、図４から分かるように、前記ピストン２によって前記吸気ポート１０、１０、前記排気ポート１１、前記空気供給ポート１２、前記混合気通路１４、１４の前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ、前記空気通路１５、１５の前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂの全てが閉じられた状態にある。また、前記ピストン２の下降動作によってクランク室６内の圧力が上昇する。

前記ピストン２が更に下降動作すると、図５から分かるように、先ず前記排気ポート１１のみが開いて排気行程に移り、前記シリンダ室７内の燃焼ガスＥが前記排気ポート１１を通じて排気ガスＥ₀として外部に排出される。前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂの上端縁は、前記排気ポート１１の上端縁よりも若干低い位置（図４のΔｈ分だけ下）に設定されている。したがって、前記排気ポート１１が開いた後に、前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂが開放される。

前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂが開放されると、これら混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び空気吐出口１５ｂ、１５ｂを通じて、前記クランク室６と前記空気通路１５、１５内の空気Ａ及び前記混合気通路１４、１４内の混合気Ｍが同時に前記シリンダ室７に流入する。図５は前記エンジン２が下死点近傍に位置している状態を図示してある。

前述したように、前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂが前記排気ポート１１とは反対側の前記空気供給ポート１２側に指向されているため、シュニューレ式（反転）掃気を行うことができる。すなわち、前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂ及び前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂから吐出される混合気Ｍ及び空気Ａは、一旦前記排気ポート１１から離れる方向に向かい、そして前記シリンダ３の内壁面と衝突して流れ方向が反転し、この反転した流れが前記排気ポート１１に向かう。この反転後の前記排気ポート１１に向かう流れを使って、前記シリンダ室７内の燃焼ガスＥを、効果的に掃気して前記排気ポート１１から排気ガスＥ₀として外部に排出することができる。

図１、図５を参照すると、前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂは、前記排気ポート１１に近い側に配置され、そして前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂが前記排気ポート１１から遠い側に配置されているため、前記シリンダ室７内の燃焼ガスＥと前記混合気吐出口１４ｂ、１４ｂから吐出される混合気Ｍとの間に、前記空気吐出口１５ｂ、１５ｂから吐出される空気Ａの層が形成されることになる（特に、図５を参照のこと）。したがって、層状掃気により「混合気の吹き抜け」を効果的に防止することができる。そして、前記ピストン２が更に下降しながら前記シリンダ室７内の燃焼ガスＥを排出する排気行程が終わると、前記ピストン２は、再び下死点から上昇して圧縮行程に移る。

上記の実施例によれば、特許文献２のように、リード弁などの弁機構無しに全て前記ピストン２によって制御された状態で層状掃気を行うことができるため、２サイクル内燃エンジン１の大型化や重量の増加を招くことはない。また、前記クランク室６に直接的に空気Ａを供給することで、前記クランク室６内に多量の空気を充填することができ、この十分な量の空気を使って前記シリンダ室７内を効果的に掃気することができ、未燃焼ガス（混合気Ｍ）が前記排気ポート１１を通じて直接的に外部に排出されるのを抑制することができ、排気ガスＥ₀中の有害成分を大幅に低減することができる。

また、前記吸気ポート１０、１０から前記混合気通路１４、１４に混合気Ｍが充填されるが、この混合気Ｍの充填が前記ピストン２の周面に形成した前記混合気誘導溝１７、１７を介して行われるため、この混合気誘導溝１７、１７をリッチな混合気Ｍが通過することによって前記ピストン２を強制的に冷却することができる。前述したように前記ピストン２は軽量金属であるアルミニウム合金によって作られていることから、前記ピストン２等を冷却することによって前記ピストン２の耐久性を向上することができる。なお、許容される前記混合気通路１４、１４の総容積に応じて、適宜混合気の濃度を設定することで出力性能も確保できる。

実施例の２サイクル内燃エンジンの内部構造を説明するための図であり、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。実施例の２サイクル内燃エンジンの圧縮行程でクランク室に空気が充填され、また、吸気ポートからピストンを介して混合気通路に混合気が充填されることを説明するための図である。実施例の２サイクル内燃エンジンのピストンが図２の状態から更に上昇して上死点に位置した状態を示す図である。実施例の２サイクル内燃エンジンが膨張行程にある状態を示す図である。実施例の２サイクル内燃エンジンが排気行程（下死点）にある状態を示す図である。

符号の説明

１単気筒空冷２サイクル内燃エンジン
２ピストン
３シリンダ
６クランク室
７シリンダ室
８点火プラグ
１０吸気ポート
１１排気ポート
１２空気供給ポート
１４混合気通路
１４ｂ混合気通路上端の混合気吐出口
１５空気通路
１５ｂ空気通路の空気吐出口
１７ピストン周面の混合気誘導溝
ＣＬ空気供給ポートと排気ポートとを結ぶ直線（シリンダの中心線）
Ａ空気
Ｍ混合気
Ｅ燃焼ガス

Claims

シリンダ(3)に嵌挿したピストン(2)によって画成されたシリンダ室(7)及びクランク室(6)と、
前記シリンダ室(7)に開口する混合気吐出口(14b,14b)を備え、前記シリンダ室(7)と前記クランク室(6)とを連通する混合気通路(14,14)と、
前記シリンダ室(7)に開口する空気吐出口(15b,15b)を備え、前記シリンダ室(7)と前記クランク室(6)とを連通する空気通路(15,15)と、
前記クランク室(6)に空気(A)を供給する空気供給ポート(12)と、
前記ピストン(2)の周面に形成された混合気誘導溝(17,17)を介して前記混合気吐出口(14b,14b)から前記混合気通路(14,14)に混合気(M)を供給する吸気ポート(10,10)と、
平面視したときに前記空気供給ポート(12)と対向して配置され、前記シリンダ室(7)内の燃焼ガス(E)を外部に排出する排気ポート(11)とを有し、
前記混合気吐出口(14b,14b)、前記空気吐出口(15b,15b)、前記空気供給ポート(12)、前記吸気ポート(10,10)、前記排気ポート(11)の全てが前記ピストン(2)によって開閉され、
前記混合気吐出口(14b,14b)が前記吸気ポート(10,10)側に配置されると共に、前記空気吐出口(15b,15b)が前記排気ポート(11)側に配置され、
圧縮行程で前記空気供給ポート(12)から前記クランク室(6)に空気(A)が充填されると共に、前記吸気ポート(10,10)から前記ピストン(2)の前記混合気誘導溝(17,17)及び前記混合気吐出口(14b,14b)を通じて前記混合気通路(14,14)に混合気(M)が充填され、
前記排気ポート(11)が開かれる排気行程で前記空気通路(15,15)と前記混合気通路(14,14)が開かれて、前記混合気吐出口(14b,14b)から前記シリンダ室(7)に吐出される前記混合気通路(14,14)内の混合気(M)と前記シリンダ室(7)内の燃焼ガス(E)との間に、前記クランク室(6)から前記空気通路(15,15)を通じて前記空気吐出口(15b,15b)から前記シリンダ室(7)に吐出される空気(A)が介在することを特徴とする層状掃気２サイクル内燃エンジン。
前記空気吐出口(15b,15b)と前記混合気吐出口(14b,14b)が、平面視したときに前記空気供給ポート(12)と前記排気ポート(11)とを結ぶ直線(CL)の両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の層状掃気２サイクル内燃エンジン。
前記空気吐出口(15b,15b)と前記混合気吐出口(14b,14b)が前記空気供給ポート(12)側に指向されていることを特徴とする請求項２に記載の層状掃気２サイクル内燃エンジン。