JP2007100692A - ２サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】低負荷域での不整燃焼の解消が図られた２サイクルエンジンを提供する。
【解決手段】燃焼室１０内に点火部８ａを臨ませる点火手段８と、排気口２１から延びる排気通路２２に設けられた排気制御弁２４と、点火手段８および排気制御弁２４を作動制御する制御手段４０とを有し、制御手段４０が、高負荷域では点火手段８を作動させて火花点火燃焼させる制御を行い、低負荷域では排気口２１の開度の調整によりシリンダ室３ａ内の圧力を調整して燃焼室１０内で混合気を自着火燃焼させる制御を行うように構成された２サイクルエンジン１に関する。そして、低負荷低回転域において、燃焼室１０の中央部１０ｃにエアおよび燃料が多く分布し、燃焼室１０の中央部の外側１０ｂに燃焼室１０内に残留した既燃ガスが多く分布する成層混合気場を形成し、低負荷低回転域ではこの成層混合気場を形成させて混合気を自着火燃焼させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気口の開度を調整可能な排気制御弁を有して構成され、この排気制御弁を作動させて燃焼室内の供給エアおよび供給燃料を自着火燃焼させることができるように構成された２サイクルエンジンに関する。

２サイクルエンジンは、吸気量が少なくなると掃気効率が低下して排気口から充分な排気が行われず、シリンダ室内に大量の既燃ガスが残留する（以下、このようなガスを「残留ガス」とも称する）。また、一般に、既燃ガスが残留する燃焼室内にエアおよび燃料が送り込まれると、燃焼室内ではこの３組成が略均一に混合される。残留ガスは、燃焼により高温となって高い熱エネルギーを保持する一方、不活性ガスであることから燃焼を抑制する効果を有する。

このため、エンジンが低負荷域にある場合において、燃焼室内に供給されたエアおよび燃料と、前行程で燃焼室内に残留した既燃ガスとが混合された状態で点火プラグを利用した火花点火燃焼を行うと、上記効果を有する残留ガスにより着火や着火後の火炎伝播が阻害され、不整燃焼が生じる。不整燃焼が生じると、供給された燃料が完全に燃焼されず、また、有害物質を含む未燃ガスが外部に排出されるため、燃費面や環境面での課題になっている。

これに対し、排気口の開度を制御可能な排気弁を設けて構成されたエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなエンジンにおいては、負荷に応じて排気弁を作動制御して排気口の開度を調整し、圧縮行程開始時におけるシリンダ内における全ガスの質量に対する残留ガスの質量の割合（以下、この割合を「ＥＧＲ率」と称する）を調整し、残留ガスの熱エネルギーを利用して燃焼室内の混合気を加熱させ、混合気を自着火燃焼させるように構成されている。

この形態のエンジンにおいては、高負荷域では火花点火燃焼を行わせ、低負荷域では自着火燃焼を行わせるように、排気弁や点火プラグの作動制御が行われるように構成されている。自着火燃焼は、燃焼形態がバルク燃焼であるため、燃焼室内の全体で不整燃焼が解消され、燃費の改善および有害排出ガスの低減が図られる。

特開平７−７１２７９号公報

図８に示すように、残留ガスは熱エネルギーを保持するため、ＥＧＲ率の上昇に伴って圧縮行程終了時のシリンダ室内のガス温度は上昇する。また、所定温度Ｔ_ARを上回ると自着火燃焼させることができることが確認されている。一方、図９に示すように、燃焼行程終了時においては、残留ガス自身の燃焼抑制効果から、ＥＧＲ率の上昇に伴ってシリンダ室内のガス温度は下降する。このため、ＥＧＲ率が高くなるように排気弁を作動制御して圧縮行程終了時のガス温度を高温に保つように図っても、ＥＧＲ率が所定値ＥＧＲ_ARを超えると、燃焼行程終了時のガス温度の低下が大きいことから、次の圧縮行程でエアおよび燃料を充分に加熱するだけの熱エネルギーが不足し、自着火燃焼に必要な温度Ｔ_ARを維持できなくなる。

この現象は、特に高出力型のエンジンにおいて、低負荷低回転域にあり、エアの供給量が少なくなって掃気流のコントロールが難しくなった場合などに起こっている。このような自着火燃焼させることができない領域においては、依然として不整燃焼が生じており、低負荷域における不整燃焼の解消が課題となっていた。

このような課題に鑑み、本発明は、低負荷域での不整燃焼が解消されて燃費の向上が図られた２サイクルエンジンを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る２サイクルエンジンは、シリンダ室が形成されてシリンダ室内にピストンを収容したシリンダと、点火部を燃焼室内に臨ませる点火手段と、シリンダ室の内周面に開口する排気口に繋がる排気通路の開度を調整する排気制御弁と、点火手段および排気制御弁の作動制御を行う制御手段とを有し、制御手段が、高負荷域では点火手段を作動させてシリンダ室内に供給された供給エアおよび供給燃料からなる混合気を燃焼室内で火花点火燃焼させる制御を行い、低負荷域では排気口の開度の調整によりシリンダ室内の圧力を調整し、燃焼室内で混合気を自着火燃焼させる制御を行うように構成された２サイクルエンジンに関する。そして、低負荷域内における低回転域である低負荷低回転域において、燃焼室の中央部に混合気が多く分布し、燃焼室の中央部の外側に燃焼室内に残留した既燃ガスが多く分布する成層混合気場を形成する成層混合気場形成手段を有しており、低負荷低回転域では成層混合気場形成手段により成層混合気場を形成させて混合気を自着火燃焼させる制御を行うように制御装置を構成している。

さらには、制御手段を、低負荷低回転域内における低負荷且つ低回転域である極低負荷低回転域においては、点火手段を作動させて成層混合気場を形成している混合気を火花点火燃焼させる制御を行うように構成してもよい。

また、成層混合気場形成手段が排気制御弁を有してなり、制御手段が、低負荷低回転域では、排気口の開度が小さくなるように排気制御弁を作動させ、低負荷域内における中回転域である低負荷中回転域では、低負荷低回転域と比べて排気口の開度が大きくなり、かつ、負荷の上昇に伴って排気口の開度が上昇するように排気制御弁を作動させ、高負荷域では、低負荷中回転域と比べて排気口の開度が大きくなり、かつ、負荷の上昇に伴って排気口の開度が上昇するように排気制御弁を作動させる制御を行うように構成されることが好ましい。

また、成層混合気場形成手段が、頂部をシリンダ室の円筒軸に対して排気口側またはその反対側にオフセットして設けられた燃焼室を有してなることが好ましい。また、成層混合気場形成手段が、制御手段により作動制御されて供給燃料を燃焼室内に直接噴射して供給する直噴手段を有してなり、制御手段が、低負荷低回転域では、供給燃料をシリンダ室内に供給する時期が低負荷中回転域と比べて遅くなるように直噴手段を作動させる制御を行うように構成されることが好ましい。さらに、成層混合気場形成手段が開度に応じて燃焼室内への供給エアの供給量を調整可能に構成されたサブスロットルバルブを有してなり、制御手段が、低負荷低回転域では、負荷の低下に伴ってサブスロットルバルブの開度が大きくなるようにサブスロットルバルブを作動させ、供給エアの供給量を増加させる制御を行うように構成されることが好ましい。

そして、負荷を検出する負荷検出手段と、エンジン温度を検出する温度検出手段とを設け、制御手段が、負荷検出手段により検出された負荷および温度検出手段により検出されたエンジン温度に基づいて、燃焼室内に供給燃料が供給される時期、供給燃料の供給量、および、排気口の開度を調整する制御を行うように構成されることが好ましい。

このように構成される本発明に係る２サイクルエンジンによると、低負荷低回転域では成層混合気場形成手段により、燃焼室の中央部に混合気が多く分布してその外側に既燃ガスが多く分布した成層混合気場が形成される。このため、燃焼室全体でみれば、すなわち、３組成が均一に混合されているとすれば、自着火燃焼させることができない高ＥＧＲ率であっても、中央部にＥＧＲ率が低く自着火燃焼可能な状態が局所的に作り出される。したがって、本構成では、従来のように３組成が略均一に混合された状態では自着火燃焼させることができなかった領域に対しても自着火燃焼させることができ、自着火燃焼可能な領域が拡大されて燃費の改善や有害排出ガスの低減が図られる。

また、極低負荷低回転域において、点火手段を作動させて成層混合気場を形成している混合気を火花点火燃焼させる制御を行うように構成すると、低温時等の低負荷域での不整燃焼がより確実に解消され、さらなる燃費の改善や有害排出ガスの低減が図られる。

また、成層混合気場形成手段として排気制御弁を備え、制御手段により、低負荷低回転域では、他の負荷領域と比べて排気口の開度が小さくなるように排気制御弁の作動制御が行われるようになっている。これにより、排気圧が高くなるように調整され、シリンダ室内に供給された供給エアは排気口に向けて流れず、縦渦状の流れを形成して燃焼室に導かれる。このようにしてエアと残留ガスの成層化が促され、低負荷低回転域での自着火燃焼を行わせることができる。

また、成層混合気場形成手段として、燃焼室の頂部をシリンダ室の円筒軸に対して排気口側またはその反対側にオフセットしている。これにより、シリンダ室の円筒軸を挟んで排気口が設けられている側と、その反対側とで大きな圧力場の偏りが形成され、縦渦状の流れの形成が促される。このため、成層混合気場の形成をより確実に行わせることができる。

また、成層混合気場形成手段としてシリンダ室内に燃料を直接噴射する直噴手段を備え、制御手段により、低負荷低回転域では、他の負荷領域と比べて燃料噴射時期が遅くなるように直噴手段の作動制御が行われるようになっている。これにより、燃料がシリンダ室内、燃焼室内の全体に行き渡らせる時間が充分に確保されないため、成層混合気場の形成をより確実に行わせることができる。

また、成層混合気場形成手段として、開度の調整によりシリンダ室内へのエア供給量を調整可能なサブスロットルバルブを備え、制御手段により、低負荷低回転域では、負荷の低下に伴ってサブスロットルバルブの開度が大きくなるようにサブスロットルバルブの作動制御が行われるようになっている。これにより、負荷が低下してシリンダ室内に供給されるエアの量が不足するときであっても不足を補ってエアを供給することができ、シリンダ室内に供給されるエアの量を安定させ、成層混合気場を形成するためのエアの流れを負荷の増減に関わらず安定して制御することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に本発明に係る２サイクルエンジンを示している。エンジン１は、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、クランクケース４とが上下に重なるように結合されて構成されている。

シリンダブロック３は、内部にシリンダ室３ａが形成されており、このシリンダ室３ａ内を上下に摺動可能にピストン５が配設されている。クランクケース４は、シリンダブロック３に結合され、クランクシャフト６が収容されるクランク室４ａをシリンダ室３ａに連通させている。ピストン５およびクランクシャフト６はコンロッド７を介して連結される。また、シリンダ室３ａの内周面３ｂと、ピストン５の上面と、シリンダヘッド２の内壁面とに囲まれて燃焼室１０が形成されている。シリンダヘッド２には、点火プラグ８および燃料直噴弁９が取り付けられており、点火プラグ８の点火部８ａおよび燃料噴射弁９のノズル部９ａをシリンダヘッド２の内壁面から燃焼室１０に臨ませている。

図４に示すように燃焼室１０は、シリンダヘッド２の内壁面に形成された凹部２ａにより、略半球形状に形成されて上方に頂部１０ａを有している。頂部１０ａは、一点鎖線で示すシリンダ軸Ａに対して後述する排気口側にオフセットされている。点火プラグ８は、点火部８ａをこのような燃焼室１０内に所定の突出量だけ突出させて設けられている。燃料噴射弁９は、ノズル部９ａを燃焼室の頂部１０ａから所定の突出量だけ下方に突出させて設けられており、ノズル部９ａからシリンダ室３ａ内に燃料を直接噴射する。

クランクケース４には、一端がクランク室４ａに連通する吸気口１１に繋がり、他端が外部に連通する吸気通路１２が形成され、吸気通路１２には吸気マニホールド１４が接続されている。吸気通路１２には、弾性変形可能なリード片から構成されるリードバルブ１５が設けられており、吸気マニホールド１４には、開度θTHmが可変の吸気スロットルバルブ１６が取り付けられている。さらに、吸気マニホールド１４には、図示しない吸気サブ通路が吸気スロットルバルブ１６の下流側に連通して接続されており、この吸気サブ通路には開度θTHsが可変のサブスロットルバルブ１８が取り付けられる。なお、吸気スロットルバルブ１６およびサブスロットルバルブ１８の上流側には図示しないエアクリーナが繋がり、吸気マニホールド１４にはエアクリーナからの清浄なエアが供給される。

リードバルブ１５は、常には吸気通路１２を閉塞するようにリード片が片持ち支持されてなり、クランク室４ａが負圧になるとリード片が撓んで吸気通路１２を開放する。吸気スロットルバルブ１６は、図示しないスロットルグリップの手動操作に応じて開度θTHmを変化させ、この開度θTHmに応じてクランク室４ａに供給されるエアの量を変化させる。また、サブスロットルバルブ１８を作動させて開度θTHsを調整することにより、クランク室４ａに供給されるエアが補給され、吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmに関わらずクランク室４ａに供給されるエアの量を調整できる。

また、シリンダブロック３には、一端がシリンダ室３ａに連通する排気口２１に繋がり、他端が外部に連通する排気接続口２３に繋がる排気通路２２が設けられている。排気通路２２には、排気制御バルブ２４が設けられている。この排気制御バルブ２４は、側面視扇形状に形成されて揺動自在のバルブ片２４ａを有して構成されている。バルブ片２４ａはサーボモータ２４ｂを駆動源として揺動し、この揺動によって排気口２１は上方から下方に向けて閉鎖されるようになっている。サーボモータ２４ｂを駆動制御してバルブ片２４ａの揺動位置を調整することにより、バルブ片２４ａを上方の退避位置に揺動させた全開状態から、バルブ片２４ａを下動限界位置まで揺動させた全閉状態の間で、排気口２１の開度θEXを無段階的に調整できる。

さらに、シリンダ室３ａには排気口２１よりも下方に位置して掃気出口３３が開口し、クランク室４ａには掃気入口３１が開口している。シリンダブロック３およびクランクケース４が結合されることにより、一端がこの掃気入口３１に連通し、他端がこの掃気出口３３に連通する掃気通路３２が形成される。

このように構成されるエンジン１は、ピストン５が下死点から上動すると、クランク室４ａが負圧となってリードバルブ１５が開弁して吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmに応じた量のエアがクランク室４ａに供給される一方、シリンダ室３ａ内のガスが圧縮される（吸気・圧縮行程）。このとき、燃料噴射弁９から所定噴射時期に所定噴射量の燃料がシリンダ室３ａ内に噴射される。そして、ピストン５が上死点近傍まで上動したところで圧縮されたエアおよび燃料の混合気を燃焼させる（燃焼行程）。これによりピストン５は上死点から下動する。

ピストン５が下動すると、ピストン５の側面により閉塞されていた排気口２１がシリンダ室３ａに開放され、既燃ガスが排気口２１から排気通路２２へと排出される（排気行程）。さらに、ピストン５が下動すると、排気口２１の下方に位置する掃気出口３３がシリンダ室３ａに開放される一方、ピストン５の下動によりクランク室４ａ内で圧縮されたエアが掃気入口３１から掃気通路３２に流入する。掃気通路３２に流入したエアは掃気出口３３からシリンダ室３ａ内に供給され、既燃ガスの排出が促される（排気・掃気行程）。再びピストン５が下死点から上動すると、ピストン５の側面により掃気出口３３および排気口２１が順に閉塞され、吸気・圧縮行程が行われる。

エンジン１の燃焼行程開始時（圧縮行程終了時）において、燃焼室１０内には、掃気出口３３から供給されたエアと、燃料噴射弁９から噴射された燃料と、前の排気・掃気行程において排気口２１から排出されずにシリンダ室３ａ内に残留した既燃ガスの３組成が存在する。既燃ガスは、高温で高い熱エネルギーを保持している一方、不活性ガスであり燃焼抑制効果を有している。このため、掃気出口３３からのエアの供給量が少なくＥＧＲ率が上昇した状態で点火プラグ８を利用した火花点火燃焼を行っても、既燃ガスの燃焼抑制効果により点火部８ａからの火炎伝播が阻害されて不整燃焼が生じる。このような不整燃焼を回避するため、後述するようにコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する）４０により、排気口２１の開度θEXを調整してＥＧＲ率を調整し、既燃ガスの熱エネルギーを利用してエアおよび燃料を最適時期で自着火燃焼させる制御が行われる。

また、排気・掃気行程において掃気出口３３から供給されるエアの量が多いとき、すなわち、吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmが大きく負荷が高い場合には、供給されたエアの流れに乱れが生じて３組成がよく混合され、燃焼行程開始時には３組成が燃焼室内で略均一に混合された状態となる。一方、エンジン負荷が低く、掃気出口３３から供給されるエアの量が少ないとき、供給されたエアの流れは乱れが小さくなる。

エンジン１には、排気制御バルブ２４、点火プラグ８、燃料噴射弁９およびサブスロットルバルブ１８等の各種の装置の作動制御を行うように構成されたＥＣＵ４０が備えられている。エンジン１には各種のセンサが配設されており、これらセンサからの検出信号がＥＣＵ４０に入力される。センサとして、例えば、エンジン回転速度Ｎeを検出するエンジン回転速度センサ５１、吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmを検出するスロットル開度センサ５２、冷却水温度Ｔwを検出する冷却水温度センサ５３、シリンダ内周面温度Ｔcを検出するシリンダ温度センサ５４、吸気温度Ｔiを検出する吸気温度センサ５５、大気圧Ｐを検出する圧力センサ５６などが設けられている。

ＥＣＵ４０は、これら各入力値に基づいて、燃料噴射時期ｔf、燃料噴射量Ｆ、排気口２１の開度θEX、サブスロットルバルブ１８の開度θTHs、および、火花点火時期ｔsをそれぞれ出力値として求める。ＥＣＵ４０には、エンジン回転速度Ｎeおよび吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmを入力パラメータとする所定の演算式が記憶されており、この演算式から各出力値ｔf，Ｆ，θEX，θTHs，ｔsが求められる。

ＥＣＵ４０は、演算式から求められた各出力値に基づいて、燃料噴射弁９に作動制御信号を出力し、所定の燃料噴射時期ｔfで所定の燃料噴射量Ｆの燃料を噴射させるように燃料噴射弁９を作動制御する。また、サーボモータ２４ｂに作動制御信号を出力し、排気制御バルブ２４のバルブ片２４ａを所定の揺動位置まで揺動させるようにサーボモータ２４ｂを作動制御し、排気口２１を所定の開度θEXに調整する。さらに、サブスロットルバルブ１８に作動制御信号を出力し、所定の開度θTHsになるようにサブスロットルバルブ１８を作動制御し、クランク室４ａへのエアの供給量を調整する。そして、点火プラグ８に作動制御信号を出力し、所定の火花点火時期ｔsで火花点火が行われるように点火プラグ８を作動制御する。

図２は、エンジン１の燃焼形態の領域をエンジン回転速度ＮeおよびエンジントルクＴeに応じて示している。ＥＣＵ４０は、上記演算式を用いてエンジン回転速度Ｎeおよび吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmに応じて各装置を作動制御し、高負荷域では予混合火花点火燃焼を行わせ、低負荷中高回転域では予混合圧縮自着火燃焼を行わせ、低負荷低回転域では成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる制御を行うように構成されている。なお、図３に示すように、エンジントルクＴeは吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmに対応して増減する。

ここで、予混合火花点火燃焼とは、点火プラグ８を作動させてエアおよび燃料を火花点火燃焼させ、火花点火された点火部８ａの近傍から燃焼室１０の全体に火炎伝播させて燃焼室１０内のエアおよび燃料を燃焼させるものであり、従来行われている火花点火燃焼の形態である。このとき、燃焼室１０内の３組成は、略均一に混合された状態になっている。予混合圧縮自着火燃焼とは、同様に燃焼室１０内で３組成が略均一に混合された状態で、圧縮時にエアおよび燃料を自着火燃焼させるものであり、従来行われている圧縮自着火燃焼の形態である。

成層給気圧縮自着火燃焼とは、燃焼室１０内で３組成が略成層化された成層混合気場で、圧縮時にエアおよび燃料を自着火燃焼させるもので、本発明の特徴となる燃焼形態である。従来この成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる領域では、ＥＧＲ率が高く自着火燃焼させるために必要な熱エネルギーを維持できないため予混合圧縮自着火燃焼を行うことが難しく、不整燃焼を生じさせていた。成層混合気場は、燃焼室１０の中央部にエアおよび燃料が多く分布し、その外側に既燃ガスが多く分布して略成層化された状態になったものである。この成層混合気場は、排気口の開度θEXを調整する排気制御バルブ２４の適切な作動制御と、燃料噴射時期ｔfおよび燃料噴射量Ｆを制御可能な燃料噴射弁９の適切な作動制御と、クランク室４ａへのエア供給量を調整可能なサブスロットルバルブ１８の適切な作動制御と、頂部１０ａがオフセットされた燃焼室１０とにより形成され、これらが本発明に係る成層混合気場形成手段の構成要素となる。

図３は、エンジン回転速度Ｎeを図２に破線IIIで示す所定の回転速度Ｎe₁としたときにおけるエンジントルクＴeと各出力値との関係を示している。この回転速度Ｎe₁においては、エンジントルクＴeの変化に応じて上記３つの燃焼形態を取り得るようになっている。以下、図３を参照し、負荷に応じて行われる各種装置の作動制御および各燃焼形態における各種装置の作動について説明する。

燃料噴射時期Ｔfは、高負荷域にあって予混合火花点火燃焼を行わせる領域では、圧縮行程においてピストン５が下死点近傍に位置して排気口２１から燃料が吹き抜けないような範囲に設定されている。また、低負荷域にあって予混合圧縮自着火燃焼を行わせる領域においても、同様に排気口２１から燃料が吹き抜けない範囲に設定される。また、これら両領域においては、噴射後から圧縮行程終了時までに燃料を燃焼室１０の全体に混合させる時間が充分に確保されている。一方、低負荷域にあって成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる領域では、負荷の低下に伴って遅くなるように設定されている。また、燃料噴射量Ｆは、エンジントルクＴeの上昇に伴って上昇するように設定されており、各燃焼形態において最適の空燃比となるように設定されている。

排気口２１の開度θEXは、低負荷域にあって成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる領域では、エンジントルクＴeに関わらずほぼ一定に推移しており、所定の低い値をとるようになっている。そして、低負荷域にあって予混合圧縮自着火燃焼を行わせる領域では、エンジントルクＴeの上昇に伴って開度θEXが大きくなるように推移しており、成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる領域よりも開度θEXが大きくなっている。そして、高負荷域にあって予混合火花点火燃焼を行わせる領域では、エンジントルクＴeの上昇に伴って緩やかに開度θEXが大きくなるように推移しており、予混合圧縮自着火燃焼を行わせる領域よりも開度θEXが大きくなっている。

このように、低負荷ほど、排気口２１の開度θEXが小さくなるように設定されており、ＥＧＲ率を増大させるように調整されるが、あまりにＥＧＲ率を増大させると既燃ガスの燃焼抑制効果が働きすぎて自着火燃焼を行わせることができなくおそれがあることから、低負荷低回転域内において低負荷側においては再びＥＧＲ率を下げるために排気口２１の開度θEXが大きくなるように推移している。なお、排気制御バルブ２４は、バルブ片２４ａを上方に退避させることで排気口２１の開度θEXが大きくなる一方、排気行程は、ピストン５の下動に伴ってピストン５の側面により閉塞された排気口２１がシリンダ室３ａに開放されることにより行われる。すなわち、排気口２１の開度θEXに応じて排気開始時期を調整することができる。予混合火花点火燃焼を行わせる領域では、高出力化を図るため、最適な排気開始時期になるように開度θEXが設定されており、エンジントルクＴeの上昇に伴って緩やかに開度θEXが大きくなるように排気開始時期が設定されている。

また、サブスロットルバルブ１８の開度θTHsは、低負荷域にあって成層給気圧縮自着火燃焼を行わせる領域では、負荷の低下に伴って開度θTHsが大きくなるように設定されている。このため、低負荷ほど、吸気サブ通路からのエアの補給量が多くなる。また、予混合圧縮自着火燃焼および予混合火花点火燃焼を行わせる領域では、サブスロットルバルブ１８の開度θTHsはゼロに設定されており、吸気サブ通路からのエアが補給されないようになっている。

このような作動制御により、高負荷域においては、排気口２１の開度θEXが大きく設定されていることからシリンダ室３ａ内における圧力場の偏りが小さい状態であるとともに、掃気出口３３から供給されるエアの量が多いため、掃気効率が高く既燃ガスの排気が充分に行われる。同時に、燃料噴射時期ｔfが早く設定されているため、残留する既燃ガスの量が少ない状態であって３組成が燃焼室１０内で充分に混合された状態となる。このため、所定の火花点火時期ｔsで作動するように制御された点火プラグ８により火花点火燃焼を行うと、点火部８ａから燃焼室１０の全体に火炎伝播が行われ、高出力でクランクシャフト６を回転させることができる。このようにして高負荷域において予混合火花点火燃焼が行われる。

低負荷中高回転域においては、排気口２１の開度θEXを調整してＥＧＲ率を調整し、圧縮行程終了時におけるシリンダ室３ａ内のガス温度が図８に示す所定温度Ｔ_ARを上回るように制御される。これにより、圧縮行程終了時に、掃気出口３３から供給されたエアおよび燃料噴射弁９から供給された燃料が自着火燃焼される。このとき、負荷の低下により、予混合火花点火燃焼を行わせる領域と比べて掃気出口３３からシリンダ室３ａ内に供給されるエアの量は少なくなるが、燃焼室内の３組成は、排気口２１の開度θEXや燃料噴射弁９の燃料噴射時期ｔfなどの制御により、予混合火花点火燃焼を行わせるときと同様にして略均一に混合された状態が形成されている。このようにして低負荷中高回転域において予混合圧縮自着火燃焼が行われる。

低負荷低回転域においては、上記の通り、掃気出口３３からシリンダ室３ａ内に供給されるエアの量がより少なくなってＥＧＲ率が高くなる。このとき、ＥＣＵ４０の制御により、排気口２１の開度θEXは、低負荷中高回転域にあるときと比べてさらに小さくなるように設定されていることから、排気圧が高められ、排気口２１の近傍と掃気出口３３の近傍とで圧力場に偏りが生じる。このため、掃気出口３３から供給されるエアは、供給量が少ないことから元々乱れが小さい上に、この圧力場の偏りの影響を受け、横方向への流れを生じず上方に向けて縦渦状の流れを形成する。これにより、掃気出口３３からシリンダ室３ａ内に供給されたエアは、シリンダヘッド２の内壁面に形成された凹部２ａの中央部に向けて集中的に流れる。

さらに、本実施例においては、燃焼室１０の頂部１０ａが、シリンダ軸Ａ上になく、シリンダ軸Ａから排気口２１側にオフセットされている。このため、シリンダ室３ａ内において、シリンダ軸Ａを挟んで排気口２１が設けられている側と、その反対側とで、圧力場の偏りがさらに大きくなる。したがって、図４に矢印で示すように、掃気出口３３から供給されたエアは、縦渦状の流れの形成がさらに促され、排気制御バルブ２４から回り込むようにして流れ、シリンダヘッド２の内壁面に形成された凹部２ａに向けてより集中的に流れる。

このように掃気出口３３からのエアがシリンダヘッド２の内壁面に形成される凹部２ａの中央部に集中的に流れ込んだ状態において、ＥＣＵ４０から出力された作動制御信号に基づいて、ピストン５が上死点近傍に位置したところで燃料噴射弁９のノズル部９ａから燃料が噴射される。燃料噴射弁９のノズル部９ａは、燃焼室１０の頂部１０ａから所定量下方に突出している。このため、上記のようにして燃焼室１０内に集められた掃気出口３３からのエアに向けて燃料が噴射される。そして、このような燃料噴射時期ｔfに設定されているため、燃焼室１０内に噴射された燃料は燃焼室１０の全体に充分に行き渡らずに圧縮行程が終了する。

これにより、図５に示すように、燃焼室１０内の３組成は、中央部１０ｃにエアおよび燃料が多く分布し、その外側１０ｂに掃気されずに残留した既燃ガスが多く分布し、略成層化された成層混合気場を形成する。このとき、低負荷低回転域にあることから、燃焼室１０の全体でみると、すなわち、燃焼室１０内で３組成が均一に混合されたと仮定すると、ＥＧＲ率が図９に示す所定値ＥＧＲ_ARを上回り、自着火燃焼が行えないような状態となっている。しかしながら、略成層化されることによって中央部においてはＥＧＲ率が低くなっている。このため、既燃ガスによる燃焼抑制効果が大きく働かず、自着火燃焼が行われる。

このように局所的に低いＥＧＲ率となって自着火燃焼が行われた箇所においては、燃焼後においても燃焼抑制効果が大きく働かず、燃焼行程終了後のガス温度が高温に保持される。このため、次の圧縮行程では、既燃ガスとして高い熱エネルギーを保持し、シリンダ室３ａ内に供給されたエアおよび燃料の温度が自着火燃焼可能な温度Ｔ_ARまで上昇する。このようにして低負荷低回転域において成層給気圧縮自着火燃焼が継続して行われる。

このように、本実施例のエンジン１においては、従来の燃焼形態では自着火燃焼できず、また、掃気出口３３から供給されるエアの流れに乱れが少ない低負荷低回転域において、排気口２１の開度θEXを調整して排気圧の調整を行い、供給されたエアが縦渦状の流れを形成するようになっている。これにより、供給されるエアがシリンダ室３ａ内でよく混合されず、燃焼室１０の中央部に導かれて成層化が促される。このため、燃焼室内にＥＧＲ率が低い状態が局所的に形成され、従来のように略均一に混合された状態では燃焼させることができなかった負荷領域についても自着火燃焼を継続して行わせることができるようになる。したがって、不整燃焼が解消され、燃費の向上などが図られた２サイクルエンジンを提供することができる。

さらに、燃焼室１０の頂部１０ａがシリンダ軸Ａに対して排気口２１側にオフセットされている。これにより、シリンダ軸Ａに対して排気口２１が設けられる側と、その反対側とで、圧力場に大きな偏りを形成することができ、縦渦状の流れの形成を促すことができる。このため、掃気出口３３から供給されたエアをより集中的に燃焼室１０に向けて流れさせることができ、成層混合気場の形成をより確実に行うことができる。

また、燃料直噴弁９により、燃料がシリンダ室３ａ内に直接噴射されるようになっている。このため、最適な燃料噴射時期ｔfに最適な燃料噴射量Ｆで燃料を噴射させることができ、自着火燃焼を最適な状態で行わせることができる。低負荷低回転域においては、燃料噴射時期ｔfが、圧縮行程が終了する直前となっており、他の領域よりも遅くなっている。これにより、噴射された燃料が燃焼室１０の全体の行き渡ることがなく、成層混合気場の形成をより確実に行うことができる。

そして、低負荷低回転域において負荷が低下すると、これに応じてサブスロットルバルブ１８の開度θTHsを大きくし、吸気サブ通路からエアが補給されるようになっている。これにより、掃気出口３３からシリンダ室３ａ内に供給されるエアの量が安定し、掃気出口３３から供給されたエアの流れを安定して制御することができる。これにより、成層混合気場を継続して安定して形成することができるとともに、圧縮自着火燃焼を安定して行わせることができる。

ただし、このように成層給気圧縮自着火燃焼を行わせるとしても、エンジンＥの始動時やアイドリング時など、エンジンＥの温度や燃焼室１０内の残留ガスの温度が低いときには、供給エアおよび供給燃料が自着火燃焼に必要な熱エネルギーを残留ガスから十分に得られなくなるおそれがある。このような場合であってもより確実に不整燃焼を解消可能なエンジンとして、図６，図７を参照して本発明に係る２サイクルエンジンの第２構成例について説明する。本構成例は、第１構成例に対してＥＣＵ４０における制御内容を変更したものであり、エンジンＥの構成やＥＣＵ４０に係る電気的接続関係は図１に示した第１構成例と同一である。なお、点火プラグ８については、点火部８ａを燃焼室１０の中央部１０ｃに位置させるようにしてシリンダヘッド２に取り付けられていることが好ましい。

本構成例では、図６に示すように、成層給気圧縮自着火燃焼を行わせていた低負荷低回転域内における低負荷且つ低回転域（極低負荷低回転域と称する）において、成層給気圧縮自着火燃焼に替えて成層給気火花点火燃焼を行わせるようになっている。この成層給気火花点火燃焼は、燃焼室１０内に成層混合気場が形成された状態において、点火プラグ８を用いてエアおよび燃料からなる混合気を火花点火燃焼させるものである。なお、その他の領域においては、第１構成例と同様に、予混合火花点火燃焼、予混合圧縮自着火燃焼、および、成層給気圧縮自着火燃焼が行われるようになっている。

図７には、図６に破線VIIで示す所定のエンジン回転速度Ｎe₁におけるエンジントルクＴeと各出力値との関係を示している。極低負荷低回転域では、他の領域と比較して、供給燃料が燃焼室１０の全体に十分に拡散しないように燃料噴射時期ｔfが遅く設定され、最適な空燃比に設定するため燃料噴射量Ｆが少なく設定され、吸気スロットルバルブ１６の開度θTHmがほぼゼロであることから、エア量を補給調整するため、負荷が低くなるにしたがってサブスロットルバルブ１８の開度θTHsが大きくなるように設定され、また、ＥＧＲ率を増大させ過ぎると既燃ガスの燃焼抑制効果が大きく働くことから、負荷が低くなるにしたがって排気口θEXの開度が大きくなるように設定されている。

このような作動制御により、極低負荷低回転域においては、このように各出力値が設定されるため、燃焼室１０の内部には第１構成例ト同様にして成層混合気場が形成される。そして、所定の火花点火時期ｔsで作動するように制御された点火プラグ８により、中央部１０ｃに集められた混合気が火花点火燃焼される。なお、点火プラグ８の点火部８ａを中央部１０ｃに位置させているため、中央部１０ｃに集められた混合気が着火されやすくなっている。

本構成例では、残留ガスの温度が低く自着火燃焼に必要な熱エネルギーを得られないような極低負荷低回転域においては、成層混合気場を形成した上で、火花点火燃焼を行わせるようになっている。このため、成層給気圧縮自着火燃焼が行われていた領域で生じるおそれのあった不整燃焼をより確実に解消することができるようになる。

また、エンジン回転速度とエンジン負荷に応じて４つの燃焼形態を行うようになっていおり、極低負荷低回転域から高負荷域に至るまでの間で、最適な燃焼形態が細かく選択設定され、燃費の向上や走行性の向上が図られる。このとき、適切な供給エア量やＥＧＲ率は燃焼形態間で異なるが、この燃焼形態を細かく設定しているため、燃焼形態を遷移させるときに、供給エア量やＥＧＲ率を極端に変化させる必要がなくなり、燃焼形態に合わせた各種装置の作動制御をスムーズに移行させることができ、走行性などを向上させることができる。

以上、本発明に係る２サイクルエンジンの実施形態を説明したが、必ずしも上記構成に限られず、適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、頂部１０ａを排気口２１側にオフセットして燃焼室１０を形成したが、排気口２１の反対側にオフセットして燃焼室１０を形成しても、同様に作用して同様の効果を得ることができる。また、ＥＣＵ４０は、上記のようにエンジン負荷条件を入力パラメータとする演算式から求められた各出力値に対し、エンジン温度条件や吸気の環境条件に応じて補正をかける制御を行うように構成されていてもよい。例えば、エンジン温度が低いと、既燃ガスの熱エネルギーの損失が大きくなり、既燃ガスの温度を高く保ちにくくなるといった問題がある。

このような問題に対して、冷却水温度Ｔwやシリンダ内周面温度Ｔcなどの入力値に基づき、演算式から求められた排気口２１の開度θEXに対して補正をかけ、補正値に基づいてサーボモータを作動制御し、エンジン温度がより高くなるように排気口２１の開度θEXを調整する制御を行うようにＥＣＵ４０を構成してもよい。このようにエンジン温度条件を取り入れた補正制御を行うことにより、より適切な状態で自着火燃焼を行わせることができる。特に、第２構成例においては、このようにエンジン温度条件に応じて燃焼形態を設定する構成が有効となる。すなわち、エンジン温度が低い状態のときには、自着火燃焼を行わせることが難しくなるため、成層給気火花点火燃焼を行わせる領域を高負荷側に拡大するように、さらに成層圧縮自着火燃焼を行わせる領域を高負荷側に拡大するように各出力値の補正を行うように設定することが好ましい。これにより、低負荷低回転域における不整燃焼をより確実に解消することができるようになる。

なお、図３に示したエンジントルクＴeと各出力値との関係は、所定のエンジン回転速度Ｎe₁に対応するものを例として線図に示したものである。したがって、ＥＣＵ４０に記憶される演算式に入力されるエンジン回転速度Ｎeの値が変化すれば、演算式から求められる各出力値は変化して線図の傾向が変更され、各種装置の制御状態は変化する。また、各出力値を求める演算式はエンジンの出力特性に応じて適宜変更可能であり、同じ所定のエンジン回転速度Ｎe₁に対応するエンジントルクＴeと各出力値との関係を示したものであっても、求められる各出力値が変化して線図の傾向が適宜変更される。

本発明に係る２サイクルエンジンの実施例であるエンジンの断面図である。 第１実施例における燃焼形態の領域を示すグラフである。 第１実施例におけるエンジントルクと各種装置の制御状態との関係を示すグラフである。 低負荷低回転域における掃気出口からのエアの流れを示すエンジンの断面図である。 成層混合気場の模式図である。 第２実施例における燃焼形態の領域を示すグラフである。 第２実施例におけるエンジントルクと各種装置の制御状態との関係を示すグラフである。 ＥＧＲ率と圧縮行程終了時のシリンダ室内のガス温度との関係を示すグラフである。 ＥＧＲ率と燃焼行程終了時のシリンダ室内のガス温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
３ シリンダブロック
４ クランクケース
８ 点火プラグ
９ 燃焼噴射弁
１０ 燃焼室
１８ サブスロットルバルブ
２１ 排気口
２４ 排気制御バルブ
３３ 掃気出口
４０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. シリンダ室が形成されて前記シリンダ室内にピストンを収容したシリンダと、
   点火部を前記ピストンおよび前記シリンダ室の内周面により形成される燃焼室内に臨ませる点火手段と、
   前記シリンダ室の内周面に開口する排気口に繋がる排気通路の開度を調整する排気制御弁と、
   前記点火手段および前記排気制御弁の作動制御を行う制御手段とを有し、
   前記制御手段が、高負荷域では前記点火手段を作動させて前記シリンダ室内に供給された供給エアおよび供給燃料からなる混合気を前記燃焼室内で火花点火燃焼させる制御を行い、低負荷域では前記排気口の開度の調整により前記シリンダ室内の圧力を調整し、前記燃焼室内で前記混合気を自着火燃焼させる制御を行うように構成された２サイクルエンジンにおいて、
   前記低負荷域内における低回転域である低負荷低回転域において、前記燃焼室の中央部に前記混合気が多く分布し、前記燃焼室の前記中央部の外側に前記燃焼室内に残留した既燃ガスが多く分布する成層混合気場を形成する成層混合気場形成手段を有し、
   前記制御装置が、前記低負荷低回転域では、前記成層混合気場形成手段により前記成層混合気場を形成させて前記混合気を自着火燃焼させる制御を行うように構成されることを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記制御手段は、前記低負荷低回転域内における低負荷且つ低回転域である極低負荷低回転域においては、前記点火手段を作動させて前記成層混合気場を形成している前記混合気を火花点火燃焼させる制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１に記載の２サイクルエンジン。
3. 前記成層混合気場形成手段が、前記排気制御弁を有してなり、
   前記制御手段が、
   前記低負荷低回転域では、前記排気口の開度が小さくなるように前記排気制御弁を作動させ、
   前記低負荷域内における中回転域である低負荷中回転域では、前記低負荷低回転域と比べて前記排気口の開度が大きくなり、かつ、負荷の上昇に伴って前記排気口の開度が上昇するように前記排気制御弁を作動させ、
   前記高負荷域では、前記低負荷中回転域と比べて前記排気口の開度が大きくなり、かつ、負荷の上昇に伴って前記排気口の開度が上昇するように前記排気制御弁を作動させる制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の２サイクルエンジン。
4. 前記成層混合気場形成手段が、頂部を前記シリンダ室の円筒軸に対して前記排気口側またはその反対側にオフセットして設けられた前記燃焼室を有してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２サイクルエンジン。
5. 前記成層混合気場形成手段が、前記制御手段により作動制御されて前記供給燃料を前記シリンダ室内に直接噴射して供給する直噴手段を有してなり、
   前記制御手段が、前記低負荷低回転域では、前記供給燃料を前記シリンダ室内に供給する時期を低負荷中回転域および高負荷域と比べて遅くなるように前記直噴手段を作動させる制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２サイクルエンジン。
6. 前記成層混合気場形成手段が、開度に応じて前記燃焼室内への前記供給エアの供給量を調整可能に構成されたサブスロットルバルブを有してなり、
   前記制御手段が、前記低負荷低回転域では、負荷の低下に伴って前記サブスロットルバルブの開度が大きくなるように前記サブスロットルバルブを作動させ、前記供給エアの供給量を増加させる制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の２サイクルエンジン。
7. 負荷を検出する負荷検出手段と、エンジン温度を検出する温度検出手段とが設けられ、
   前記制御手段が、前記負荷検出手段により検出された負荷および前記温度検出手段により検出されたエンジン温度に基づいて、前記燃焼室内に前記供給燃料が供給される時期、前記供給燃料の供給量、および、前記排気口の開度を調整する制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の２サイクルエンジン。

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