JP2007327370A - Opposed piston type two cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2のシリンダーを連結し該シリンダーの内部にクランク軸によって同期駆動される対向ピストンを備えた2サイクルエンジンに関する。 The present invention relates to a two-cycle engine having two opposing cylinders connected to each other and an opposed piston driven synchronously by a crankshaft inside the cylinder.
一般の2サイクルエンジンにおいては、高速負荷時に熱効率が高いが、低速負荷時に熱効率が下がる。この原因はピストン頭面とシリンダーヘッドの冷却損失にある。この理由は、冷却損失は、低速負荷時でも冷却伝熱面積は不変であるから、エンジン出力が低下しても、それに比較して熱損失が低下しないからである。
一方、一つのピストンの中にピストンを対向配置させた水平対向型ピストンエンジンは、シリンダーヘッドの面積が小さいので以上の問題点が解決され、例えば、特許文献1には、このようなタイプのピストンエンジンが提案されている。
In a general two-cycle engine, the thermal efficiency is high at a high speed load, but the thermal efficiency is reduced at a low speed load. This is due to the cooling loss of the piston head surface and the cylinder head. The reason for this is that the heat loss does not decrease even if the engine output decreases because the cooling heat transfer area does not change even when the load is low.
On the other hand, a horizontally opposed piston engine in which a piston is disposed oppositely in one piston solves the above problems because the area of the cylinder head is small. For example, Patent Document 1 discloses such a type of piston. An engine has been proposed.
ところが、特許文献1記載のピストンエンジンの技術を2サイクルジーゼルエンジンに応用した場合、吸気された空気を圧縮し、次に燃料を吹き込んで爆発させ、排気するという工程は、通常の2サイクルジーゼルエンジンと同様であるので、結局は圧縮比と膨張比が略同一となり、出力効率が下がるという問題がある。
更には、2つのピストンが対向して配置されるシリンダーが直線状であるので、両ピストンが上死点にある場合の隙間を確保して、燃焼噴射弁や場合によっては点火栓を取付ける部分を構成する必要がある。このため、その部分から熱損失を発生し、低速回転時の熱効率が下がるという問題もある。
However, when the technology of the piston engine described in Patent Document 1 is applied to a two-cycle diesel engine, the process of compressing the intake air, then injecting the fuel to explode, and exhausting is a normal two-cycle diesel engine. As a result, the compression ratio and the expansion ratio become substantially the same in the end, and there is a problem that the output efficiency is lowered.
Furthermore, since the cylinder in which the two pistons are arranged to face each other is linear, a clearance is secured when both pistons are at the top dead center, and a portion for attaching the combustion injection valve and possibly a spark plug is provided. Must be configured. For this reason, there is a problem that heat loss is generated from the portion, and the thermal efficiency at the time of low-speed rotation is lowered.
そこで、本発明者は先に、特願2004−346147号で、対向ピストン式2サイクルエンジンを提案した。この発明の概要を図6に示すが、屈曲状態で連結された第1、第2のシリンダー10、11に、対向配置して同期駆動される掃気側ピストン12、排気側ピストン13をそれぞれ設け、第1のシリンダー10の掃気側ピストン12の下死点側に掃気孔14を、第2のシリンダー11の排気側ピストン13の下死点側に排気孔15を設け、燃料の爆発膨張によって、掃気側ピストン12及び排気側ピストン13を押し下げた後は、掃気孔14から空気を入れ、排気孔15から燃焼排ガスを脱気していた。なお、掃気側ピストン12及び排気側ピストン13にはクランクアーム16、17が設けられ、クランク軸18、19を回転駆動している。なお、20は燃料噴射弁(又は点火栓)を示す。
Therefore, the present inventor previously proposed an opposed piston type two-cycle engine in Japanese Patent Application No. 2004-346147. An outline of the present invention is shown in FIG. 6, and a
しかしながら、この対向ピストン式2サイクルエンジンにおいては、2サイクルエンジンであるので、掃気孔から導入された空気に排ガスが残ったり、導入する空気に燃料が混じっている場合には、燃料の一部が排ガスと共に漏出したりする問題がある他、構造上、圧縮率と膨張率が一定でエンジンとしての効率が悪いという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、コンパクトでしかも熱効率を高くして燃料効率の高い対向ピストン型2サイクルエンジンを提供することを目的とする。
However, since this opposed piston type two-cycle engine is a two-cycle engine, if the exhaust gas remains in the air introduced from the scavenging holes or if fuel is mixed in the introduced air, a part of the fuel is present. In addition to the problem of leakage with exhaust gas, there is a problem that the compression efficiency and the expansion coefficient are constant and the efficiency as an engine is poor due to the structure.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an opposed-piston two-cycle engine that is compact and has high thermal efficiency and high fuel efficiency.
前記目的に沿う本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンは、先部で連結され対向する第1、第2のシリンダー及び該第1、第2のシリンダー内をそれぞれ同期しながら往復動する掃気側ピストン及び排気側ピストンを備えた対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、
前記第1のシリンダーの下死点位置には掃気孔が、前記第2のシリンダーの下死点位置には排気孔が設けられていると共に、
前記第1のシリンダーの下死点より中心側位置に掃気弁が、前記第2のシリンダーの下死点より中心側位置に排気弁が設けられ、空気の圧縮比に対する燃焼ガスの膨張比を大きくしている。
The opposed-piston type two-cycle engine according to the present invention that meets the above-mentioned object is a scavenging side that reciprocates while synchronizing with each other in the first and second cylinders connected to each other at the front and the first and second cylinders. In the opposed piston type two-cycle engine provided with the piston and the exhaust side piston,
A scavenging hole is provided at the bottom dead center of the first cylinder, and an exhaust hole is provided at the bottom dead center of the second cylinder.
A scavenging valve is provided at a center side position from the bottom dead center of the first cylinder, and an exhaust valve is provided at a center side position from the bottom dead center of the second cylinder to increase the expansion ratio of the combustion gas with respect to the compression ratio of air. is doing.
本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、前記排気弁は前記排気側ピストンが前記排気孔にかかった時点又はその直前で開き、前記掃気弁は前記掃気側ピストンが前記掃気孔にかかった時点又はその直後に開き、前記排気弁及び掃気弁はそれぞれ前記掃気孔及び排気孔が閉じた後に閉じるようにするのが好ましい。
また、本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、前記第1、第2のシリンダーの中心線の曲げ角度が10〜45度の範囲であるのが好ましい。
本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、前記掃気側ピストン及び前記排気側ピストンの頂部に、前記第1、第2のシリンダーの中心線を含む平面に直交し、かつ該掃気側ピストン及び該排気側ピストンの頂部が交差する内傾斜面及び外傾斜面がそれぞれ形成され、しかも、前記掃気側ピストン及び前記排気側ピストンにそれぞれ形成されている前記内傾斜面は平行となって、前記掃気側ピストン及び前記排気側ピストンが上死点にある場合に、それぞれの前記内傾斜面は、当接又は密接する位置にあるのがよい。
In the opposed piston type two-cycle engine according to the present invention, the exhaust valve opens when the exhaust side piston is applied to the exhaust hole or immediately before the exhaust side piston, and the scavenging valve is when the scavenging side piston is applied to the scavenging hole. Alternatively, it is preferable that the exhaust valve and the scavenging valve are opened immediately thereafter, and are closed after the scavenging hole and the exhaust hole are closed.
In the opposed piston type two-cycle engine according to the present invention, it is preferable that the bending angle of the center line of the first and second cylinders is in the range of 10 to 45 degrees.
In the opposed piston type two-cycle engine according to the present invention, the tops of the scavenging side piston and the exhaust side piston are orthogonal to a plane including the center lines of the first and second cylinders, and the scavenging side piston and the An inner inclined surface and an outer inclined surface intersecting with the top of the exhaust side piston are formed, and the inner inclined surfaces formed on the scavenging side piston and the exhaust side piston are parallel to each other, and the scavenging side When the piston and the exhaust side piston are at top dead center, the inner inclined surfaces may be in contact with or in close contact with each other.
そして、本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、前記掃気側ピストン及び前記排気側ピストンの頂部には、それぞれ切欠きが形成されて、前記掃気側ピストン及び前記排気側ピストンが上死点にある場合、最小空間の燃焼室を形成しているのがよい。また、前記燃焼室に対して斜め方向に向けて燃料噴射弁が設けられているのが更に好ましい。 In the opposed piston type two-cycle engine according to the present invention, notches are formed at the tops of the scavenging side piston and the exhaust side piston, respectively, so that the scavenging side piston and the exhaust side piston are at top dead center. In some cases, a combustion chamber with a minimum space may be formed. Further, it is more preferable that a fuel injection valve is provided in an oblique direction with respect to the combustion chamber.
本発明の対向ピストン型2サイクルエンジンにおいては、第1のシリンダーの下死点位置には掃気孔が、第2のシリンダーの下死点位置には排気孔が設けられていると共に、第1のシリンダーの下死点より中心側位置に掃気弁が、第2のシリンダーの下死点より中心側位置に排気弁が設けられ、空気の圧縮比に対する燃焼ガスの膨張比を大きくしていることと、シリンダーヘッドの露出する部分が少なくて熱効率が向上することからより燃焼効率の高いエンジンを提供できる。 In the opposed piston type two-cycle engine of the present invention, a scavenging hole is provided at the bottom dead center position of the first cylinder, and an exhaust hole is provided at the bottom dead center position of the second cylinder. A scavenging valve is provided in the center side position from the bottom dead center of the cylinder, and an exhaust valve is provided in the center side position from the bottom dead center of the second cylinder to increase the expansion ratio of the combustion gas to the compression ratio of the air. Since the exposed portion of the cylinder head is small and the thermal efficiency is improved, an engine with higher combustion efficiency can be provided.
そして、本発明の対向ピストン型2サイクルエンジンにおいて、第1、第2のシリンダーの中心線を直線に対して10〜45度の範囲で傾け、掃気側ピストン及び排気側ピストンの頂部に、第1、第2のシリンダーの中心線を含む平面に直交し、かつ掃気側ピストン及び排気側ピストンの頂部が交差する内傾斜面及び外傾斜面をそれぞれ形成し、しかも、掃気側ピストン及び排気側ピストンにそれぞれ形成されている内傾斜面は平行となって、掃気側ピストン及び排気側ピストンが上死点にある場合に、それぞれの内傾斜面は、当接又は密接する位置にあるようにした場合は、掃気側ピストンと排気側ピストンの頂部に形成される空間に効率的に燃焼室を形成でき、更に必要に応じて、燃料噴射ポンプや点火栓を取付けるスペースをシリンダーヘッド(即ち、第1、第2のシリンダーの中心連接部分)に確保できる。 In the opposed piston type two-cycle engine of the present invention, the center lines of the first and second cylinders are tilted within a range of 10 to 45 degrees with respect to the straight line, and the first side of the scavenging side piston and the exhaust side piston are Forming an inner inclined surface and an outer inclined surface perpendicular to a plane including the center line of the second cylinder and intersecting the tops of the scavenging side piston and the exhaust side piston, respectively. When the inner inclined surfaces formed are parallel and the scavenging side piston and the exhaust side piston are at top dead center, the respective inner inclined surfaces are in contact or in close contact with each other. The combustion chamber can be efficiently formed in the space formed at the top of the scavenging side piston and the exhaust side piston, and if necessary, the space for installing the fuel injection pump and spark plug can be Head (i.e., first, second central connecting portion of the cylinder) can be secured.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図1(A)、(B)は本発明の一実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジンの一部省略断面図、図2(A)、(B)は本発明の一実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジンの一部省略断面図、図3は掃気側ピストン及び排気側ピストンの斜視図、図4は各動作とクランク角度の関係を示す説明図、図5は燃料噴射弁の取付け状態を示す説明図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
Here, FIGS. 1A and 1B are partially omitted cross-sectional views of an opposed piston type two-cycle engine according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view of the scavenging side piston and the exhaust side piston, FIG. 4 is an explanatory view showing the relationship between each operation and the crank angle, and FIG. It is explanatory drawing which shows the attachment state of an injection valve.
図1〜図3に示すように、本発明の一実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジン22は、先部では連結する対向する第1、第2のシリンダー23、24と、この第1、第2のシリンダー23、24内をそれぞれ同期しながら往復動する掃気側ピストン25及び排気側ピストン26を備えている。第1、第2のシリンダー23、24は同一内径、同一長さで先端側が、連結部41を介して10〜45度(より好ましくは25〜40度)の範囲の直線に対する曲がり角度(即ち曲げ角度)を有して連結されている。第1のシリンダー23の下死点位置には掃気孔27が、第2のシリンダー23の下死点位置には排気孔28が設けられている。
As shown in FIGS. 1 to 3, an opposed piston type two-
そして、第1のシリンダー23の側壁には、第1のシリンダー23の下死点より中心側位置、即ち、掃気孔27の中心側隣位置に掃気弁29の出口30が形成されている。第2のシリンダー24には、第2のシリンダー24の下死点より中心側位置、即ち排気孔28の中心方向隣位置に排気弁31の入口32が形成されている。なお、図1、図2においてはクランクアームが省略されているが、基本的な構成は図6と同じである。
また、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26の頂部には、第1、第2のシリンダー23、24の中心線(軸心線)を含む平面に直交する内傾斜面34、35及び外傾斜面36、37がそれぞれ形成されている。掃気側ピストン25に形成されている内傾斜面34と、排気側ピストン26に形成されている内傾斜面35とは平行となって、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が上死点にある場合に、それぞれの内傾斜面34、35が当接又は隙間1mmの範囲で密接する位置にある。なお、内傾斜面34、35及び外傾斜面36、37は掃気側ピストン25及び排気側ピストン26の頂部で交差している。
An
In addition, at the tops of the scavenging
一方、外傾斜面36、37は、例えば、90〜120度の角度をなしている。また、図3に示すように、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26の頂部、即ち掃気側ピストン25の内傾斜面34及び外傾斜面36と、排気側ピストン26の内傾斜面35及び外傾斜面37に窪みからなる切欠き38、39がそれぞれ形成され、この切欠き38、39によって燃焼室(点火室、爆発室)40の主要部が形成されている。即ち、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が上死点位置にある場合、この切欠き38、39の空間及びこれに連続する外傾斜面36、37並びに第1、第2のシリンダー23、24の連結部41の内壁で形成される空間(最初空間)が空気又は燃料ガスを含む空気の最大圧縮空間Vpとなる。
On the other hand, the outer
なお、第1、第2のシリンダー23、24の連結部41の外側部分(即ち、折れ曲がり端部)は、肉厚となって内部には窪み42が形成され、この実施の形態では燃料噴射弁43が設けられている。なお、ガソリンエンジンの場合は、この燃料噴射弁43に代えて又は燃料噴射弁43と共に、点火栓が設けられることになる。燃料噴射弁43は燃焼室40内に燃料を吹き込むものであるが、効率よく充填するために燃焼室40の内側接線方向に燃料噴射ポンプを向けるのが好ましい。
なお、44a、45aはピストンリングを、46a、47aは水ジャケットを示し、掃気弁29及び排気弁31はクランク軸と同期して適正時期に開閉するようになっている。
The outer portion (that is, the bent end portion) of the connecting
続いて、図1、図2及び図4を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジン22をジーゼル機関として使用した場合の動作及び作用について説明する。
図1(A)に示すように、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が上死点にある位置又はその直前位置で、燃料噴射弁43から燃料を燃焼室40内に吹き込むと、燃料が爆発燃焼を起こし、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26は下死点方向に移動する。この対向ピストン型2サイクルエンジン22では、シリンダーブロックの表面積がシリンダーを連結しないタイプのエンジンに比較して小さいので、熱放散が減少しエンジンの効率が向上する。
Next, the operation and action when the opposed piston type two-
As shown in FIG. 1A, when fuel is blown into the
図1(B)に示すように、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が下死点に近づく場合、掃気弁29及び排気弁31は閉じているので、燃焼ガスの圧縮力はそのまま掃気側ピストン25及び排気側ピストン26に伝わり、動力として回収できる。
そして、図2(A)に示すように、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が下死点方向に更に移動し、クランク軸の角度P(この実施の形態では135度位置)に達すると、第2のシリンダー24に形成された排気孔28が開き、燃焼排ガスが排出される。この時、同時に排気弁31も開き、燃焼排ガスをより短時間で外部に放出する。これによって、第1、第2のシリンダー23、24の内部の気圧を下げて、掃気孔27及び掃気弁29を開いた場合に燃焼排ガスが掃気側に流れ込まないようにする。
この後、更に掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が下死点方向に移動し、掃気孔27が開き(この実施の形態では141度位置)、次に、掃気弁29が開く(147度位置)。これによって、第1、第2のシリンダー23、24内の燃焼排ガスを追い出すと共に新鮮な空気を導入する。
As shown in FIG. 1B, when the scavenging
Then, as shown in FIG. 2 (A), when the scavenging
Thereafter, the scavenging
図2(B)に示すように、掃気側ピストン25及び排気側ピストン26は下死点を通過した後、今度は上死点方向に移動するが、最初に掃気孔27が閉じ(219度位置)、次に排気孔28が閉じる(225度位置)。
掃気側ピストン25及び排気側ピストン26が更に上死点側に移動すると、最初に排気弁31が閉じて(241度位置)次に掃気弁29が閉じる(247度位置)。これによって、排気弁31が閉じた後も、掃気弁29を開きコンプレッサーによる圧縮空気を第1、第2のシリンダー23、24内に送っていることになる。
As shown in FIG. 2B, the scavenging
When the scavenging
なお、掃気弁29及び排気弁31のバルブはこの実施の形態では回転体からなって、クランク軸と連動し、クランク軸の回転より、クランク角度(即ち、排気リード角、例えば、6度)遅れている。
以上の排気弁31と掃気弁29との働きにより、この実施の形態の対向ピストン型2サイクルエンジン22においては、例えば、圧縮比17、膨張比21のアトキンソンサイクルを実現させている。また同時に70%もの高い充填効率が得られている。なお、充填効率は以下の通り定義される。
充填効率=(気筒内に残って圧縮されるガス重量)/(行程容積の大気重量)
In this embodiment, the scavenging
By the action of the
Filling efficiency = (weight of gas remaining in cylinder and compressed) / (atmospheric weight of stroke volume)
掃気孔27及び掃気弁29が開いてから閉じるまでの期間を掃気角と言い、掃気角が小さいと短期間で掃気しなければならず、圧力損失が大きくなり、充填効率が低下するので、高速回転には不向きになる。この対向ピストン型2サイクルエンジン22では、掃気角は100〜120度(クランク角度)とすることができ、自動車用2ストロークディーゼルエンジンとしては、十分な掃気時間が得られており、高速回転に適用している。
The period from the opening of the scavenging
排気弁31の開きタイミングを連続可変とする機構を持たせている。この機構によって前述の排気リード角を6〜21度の範囲で連続可変機能を持たせることが出来る。排気リード角は、高速回転、高負荷ほど大きくとる必要がある。そこで高速回転時に排気弁31の開き時期を120度(クランク角度、図4にQで示す)と早めることで排気リード角をクランク角度21度と大きくとれる。この対向ピストン型2サイクルエンジン22では、新省エネエンジンの熱効率は、4ストローク方式ディーゼルエンジンより20%以上高いと解される。その理由は以下の通りである。
A mechanism for continuously changing the opening timing of the
1)排気行程と吸気行程がなく、その分の機械損失がない。4ストローク方式でのこの行程における機械損失は、ピストン・クランク機構の運動と筒内のガス流動損失によるもので、高速回転域で特に増大する。
2)屈折型対向ピストン方式とすることで、燃焼室の表面積/容積比(S/V比)を小さくとれて、中心に大きな容積を持つ凸レンズ型の燃焼室が得られる。この燃焼室形状の特徴を最大限に利用した燃焼室中心燃焼方式とすることで、上死点位置近傍の(ATDC −5度〜30度間)の冷却損失を半減出来る。
3)圧縮比17、膨張比21のアトキンソンサイクルを実現することが可能であり、4ストローク方式より熱効率が5〜6%程度向上する。
4)充填効率が70%と2ストロークとしては高いこと、4ストローク方式よりも高速回転に適するので、行程容積あたりの出力比を4ストローク方式の2倍以上出せる。
5)動力を大きく消費する動弁がなく、その分の機械損失をなくせる。タイミング制御弁である掃気弁29と排気弁31は一定回転速度で回転させた場合、回転摩擦力のみが働く。1サイクルあたりクランク角度20〜30度の区間にガス圧がかかる。この時だけ、掃気弁29及び排気弁31の軸受けにガス圧負荷がかかるが、その値は例えば、300N以下と小さく、それから発生する回転摩擦抵抗力は軽微である。
1) There is no exhaust stroke and intake stroke, and there is no mechanical loss. The mechanical loss in this stroke in the 4-stroke system is due to the movement of the piston / crank mechanism and the gas flow loss in the cylinder, and increases particularly in the high-speed rotation range.
2) By adopting the refraction type opposed piston system, the surface area / volume ratio (S / V ratio) of the combustion chamber can be reduced, and a convex lens type combustion chamber having a large volume at the center can be obtained. By adopting a combustion chamber central combustion system that makes the most of the characteristics of the shape of the combustion chamber, the cooling loss near the top dead center position (ATDC -5 degrees to 30 degrees) can be halved.
3) An Atkinson cycle having a compression ratio of 17 and an expansion ratio of 21 can be realized, and the thermal efficiency is improved by about 5 to 6% as compared with the 4-stroke system.
4) The filling efficiency is 70%, which is high as two strokes, and is suitable for high-speed rotation than the four-stroke method, so that the output ratio per stroke volume can be more than double that of the four-stroke method.
5) There is no valve that consumes a large amount of power, and the corresponding mechanical loss can be eliminated. When the scavenging
次に、図5に示すような燃料噴射弁を備えた、本発明の他の実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジンについて説明する。
本発明に係る対向ピストン型2サイクルエンジンにおいては、燃焼室40又はその周囲に、4ストローク方式エンジンのような動弁がなく、自由に燃焼室40の設計が出来るという利点を最大に活用できる。この実施の形態において対向ピストン型2サイクルエンジンの燃焼室40の形状は、4ストローク方式のトロイダル形状と異なり、中心に大きな容積をもつ凸レンズ状の形状であり、その形状に適合した燃焼方式を採ることができ、従来と同様にスワール(渦流)による攪拌混合を利用する。
Next, an opposed piston type two-cycle engine according to another embodiment of the present invention provided with a fuel injection valve as shown in FIG. 5 will be described.
In the opposed piston type two-cycle engine according to the present invention, the advantage that the
ここでは、概念的設計例として、4つの燃料噴射弁45〜48を設ける例を図5に示す。最初に中心側の燃料噴射弁45で、燃焼室40の中心に向けて広く燃料噴射する。それから遅れて周辺側の燃料噴射弁46〜48で燃焼室遠心側周辺部に向けて燃料噴射する。最初に燃料噴射弁45で噴射された燃料が燃焼室40中心付近で自己着火し燃焼が始まる。これが燃焼行程前期であるが燃焼室40の壁面近傍は未燃焼状態であり、燃焼室40の壁面への熱負荷は小さい。一方燃焼室40の遠心側周辺部が着火状態になるのは、燃焼行程中期以降になるようにそれぞれの燃料噴射弁45〜48の噴射タイミングが設定されている。この燃焼行程前期において、燃焼室40の遠心周辺の燃料ガスは、燃焼室40の中心の燃焼膨張によりスキッシュエリア(掃気側ピストン25及び排気側ピストン26の頂上面、即ち、内傾斜面34、35、外傾斜面36、37及び切欠き38、39の内面を含む)内に未着火状態で押し出される。
Here, as an example of conceptual design, an example in which four
スキッシュエリア内に捕捉された燃料の燃焼は、ピストン頭部スキッシュ面にある境界層の働きにより遅延され、燃焼行程後期に燃焼する。このようにして、ピストン頭部スキッシュ面への熱負荷を低減出来る。
中負荷時の運転で、燃焼室40中心への燃料噴射量比率を上げることで、燃焼室40壁近傍に断熱層を設けることが出来る。このようにして低中負荷運転時において、特に冷却損失を低減できる。自動車用エンジンは、殆ど低中負荷領域で運用されるから、実質的に燃費低減効果が高い。
以上から燃焼室中心燃焼方式とすることで、シリンダー(第1、第2のシリンダー23、24をいう)側壁付近が低く、中心部が高いという温度差を筒内の遠心方向に設けることが出来る。シリンダー潤滑油消耗量は、このシリンダー側壁の潤滑油塗布面の温度雰囲気に影響される。この温度は4ストローク方式よりも低く、潤滑油消費は4ストローク方式と同等以下まで抑えられる。
Combustion of the fuel trapped in the squish area is delayed by the action of the boundary layer on the piston head squish surface and burned in the later stage of the combustion stroke. In this way, the heat load on the piston head squish surface can be reduced.
A heat insulating layer can be provided in the vicinity of the wall of the
From the above, by adopting the combustion chamber central combustion system, a temperature difference in which the vicinity of the side wall of the cylinder (referring to the first and
もう一つの燃焼室中心燃焼方式の利点は、始動性が良好なことである。4ストローク方式のようには、冷えた燃焼室壁から直接的影響を受けない。始動時は、中心側の燃料噴射弁のみ作動させて、未燃焼量を抑えることが出来る。燃焼室の断熱性が高いので、短時間で高負荷に対応出来る。現状の4ストローク方式では、圧縮比を20以上に高くして、始動性を確保している。しかし圧縮比が高いと高圧に耐えられるようにするためにエンジンの重さが増大する。 Another advantage of the combustion chamber center combustion method is that the startability is good. Like the 4-stroke system, it is not directly affected by the cold combustion chamber wall. At the time of starting, only the fuel injection valve on the center side can be operated to suppress the unburned amount. Because the combustion chamber has high heat insulation, it can handle high loads in a short time. In the current 4-stroke system, the compression ratio is increased to 20 or more to ensure startability. However, high compression ratios increase the weight of the engine to withstand high pressures.
この対向ピストン型2サイクルエンジンにおいては、圧縮比を例えば、17としている。この値は直接燃料噴射方式としては低く、エンジンの軽量化に貢献する。圧縮比を低くしても、膨張比21のアトキンソンサイクルを採用しているので、熱効率は逆に向上する。
4ストローク方式の場合、ピストンの上死点位置での燃焼行程では、ガス圧により押し下げ力が働くが、排気行程と吸気行程ではガス圧がなく、ピストンを引張り伸ばす慣性力が作用する。この伸びを考慮して、スキッシュエリアの隙間を大きくする必要がある。
そのスキッシュエリアの空間は、直接燃焼反応に利用出来ない空間であり、その分だけ燃焼室に噴射投入される燃料濃度が濃くなり、PM(Particulate Matter)、NOx発生量の増大を招く。この対向ピストン型2サイクルエンジンは、2ストローク方式であるから、常にピストンにガス圧による押し下げ力が働いている。これを考慮して、上死点の位置でのスキッシュエリアの空間を4ストローク方式より大幅に減少出来る。
In this opposed piston type two-cycle engine, the compression ratio is set to 17, for example. This value is low for a direct fuel injection system and contributes to the weight reduction of the engine. Even if the compression ratio is lowered, since the Atkinson cycle having an expansion ratio of 21 is adopted, the thermal efficiency is improved.
In the case of the 4-stroke method, a pushing force is applied by the gas pressure in the combustion stroke at the top dead center position of the piston, but there is no gas pressure in the exhaust stroke and the intake stroke, and an inertial force that stretches and extends the piston acts. In consideration of this elongation, it is necessary to increase the gap in the squish area.
The space in the squish area is a space that cannot be directly used for the combustion reaction, and the concentration of fuel injected into the combustion chamber is increased by that amount, resulting in an increase in PM (Particulate Matter) and NOx generation. Since this opposed piston type two-cycle engine is a two-stroke system, the piston is always subjected to a pressing force due to gas pressure. Considering this, the space of the squish area at the position of the top dead center can be greatly reduced as compared with the 4-stroke method.
この実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジンを、1000cc程度と仮定した場合、その全般的な動力性能は、1300ccガソリンエンジンに酷似している。ガソリンエンジンに比較して、この新省エネエンジンの熱効率が高く、特に低負荷時での熱効率が高い。10.15モードでの走行距離が2倍まで上げられる。
以上は、乗用車向けの小型ディーゼルエンジンについて説明したものだが、この対向ピストン型2サイクルエンジンの適用範囲はもっと広い。
最近の燃料事情により、内燃機関用の石油代替燃料の利用が拡大されてきている。天然ガス、DME(ジメチルエーテル)、アルコール系燃料がそうである。そして、これらの燃料に適用した燃焼技術も発達している。燃焼室周りに動弁がなく、燃焼設計の自由度が大きいという利点が新省エネエンジンにある。この利点により、新省エネエンジンは、多種類の燃料に対応出来る。
Assuming that the opposed piston type two-cycle engine according to this embodiment is about 1000 cc, the overall power performance is very similar to that of a 1300 cc gasoline engine. Compared to gasoline engines, this new energy-saving engine has higher thermal efficiency, especially at low loads. The mileage in 10.15 mode is increased up to 2 times.
The above is a description of a small diesel engine for passenger cars, but the application range of this opposed piston type two-cycle engine is wider.
Due to recent fuel situations, the use of petroleum alternative fuels for internal combustion engines has been expanded. This is the case with natural gas, DME (dimethyl ether), and alcohol-based fuels. And the combustion technology applied to these fuels is also developed. The new energy-saving engine has the advantage that there is no valve around the combustion chamber and the degree of freedom in combustion design is great. Because of this advantage, the new energy-saving engine can handle many types of fuel.
この対向ピストン型2サイクルエンジンを排気ターボ過給方式に適用することもできる。前述のように排気弁が掃気弁より、早く閉じるために、掃気圧レベルまで円滑に過給出来る。また、アトキンソンサイクルを採用しているので、1Mpa以上の超高過給にも対応しており、ガスタービンとのコンバインドの相性が特に良い。冷却損失と機械損失が4ストローク方式の2/3程度まで低減することが可能であるから、高い総合熱効率が得られる。4ストローク方式の1/3の排気容量で、ガスタービンとコンバインドできるから、設置スペースがコンパクトになる。
ガスタービン複合サイクルと新省エネエンジンとのコンバインドした熱機関は、熱効率60%台という可能性を持っている。
This opposed piston type two-cycle engine can also be applied to an exhaust turbo supercharging system. As described above, since the exhaust valve closes earlier than the scavenging valve, it can be supercharged smoothly to the scavenging air pressure level. In addition, since the Atkinson cycle is adopted, it is compatible with ultra-high supercharging of 1 Mpa or more, and the compatibility with the gas turbine is particularly good. Since the cooling loss and the mechanical loss can be reduced to about 2/3 of the 4-stroke method, a high overall thermal efficiency can be obtained. Since it can be combined with a gas turbine with a 1/3 exhaust capacity of the 4-stroke system, the installation space is compact.
The combined heat engine of the gas turbine combined cycle and the new energy-saving engine has the possibility of thermal efficiency in the 60% range.
この実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジン22においては、エンジンの回転が早くなると、第1、第2のシリンダー23、24内の燃焼排ガスが外部に排出されにくいので、排気弁31の動作を早めるのが好ましい。この実施の形態では、掃気弁29及び排気弁31をクランク軸に連結させて開閉動作をさせているが、これを高速作動型の電磁弁によって構成し、エンジンの回転速度及び燃料の状態を考慮して最適の角度位置で、掃気弁29及び排気弁31を作動させることもできる。これは、掃気孔27や排気孔28がピストンとシリンダーの相対位置関係によって物理的に決定されるが、電気信号によって独立駆動させれば、任意の時期に掃気弁29及び排気弁31を作動させることができる。
In the opposed piston type two-
また、前記実施の形態においては、掃気側ピストン25と排気側ピストン26とのクランク角度は実質同一の場合について説明したが、排気側ピストン26のクランク角度が掃気側ピストン25のクランク角度より2〜8度(より詳細には6度)進んだ位相角αを有しているのが好ましい。これは対向ピストン型のエンジンにおいては一部導入されているが、排気孔28の開きを掃気孔27の開きより早くすることで、掃気孔27への吹き返しを防止することができる。図1、図2においては、掃気孔27と排気孔28が対称に配置されていても、排気孔28と掃気孔27との開き角度に位相差を設ける(即ち、排気孔が先に開く)ことによって、排気孔28の開きを早めることができる。また、排気弁31も掃気弁29より例えば、6度(2〜8度)早く閉じることが可能となる。この位相角αは、充填効率最大とする最適値があり、大きすぎると逆に充填効率が低下する。従って、この実施の形態に係る対向ピストン型2サイクルエンジン22では約6度位とされている。
In the above-described embodiment, the case where the scavenging
10:第1のシリンダー、11:第2のシリンダー、12:掃気側ピストン、13:排気側ピストン、14:掃気孔、15:排気孔、16、17:クランクアーム、18、19:クランク軸、20:燃料噴射弁、22:対向ピストン型2サイクルエンジン、23:第1のシリンダー、24:第2のシリンダー、25:掃気側ピストン、26:排気側ピストン、27:掃気孔、28:排気孔、29:掃気弁、30:出口、31:排気弁、32:入口、34、35:内傾斜面、36、37:外傾斜面、38、39:切欠き、40:燃焼室、41:連結部、42:窪み、43、45〜48:燃料噴射弁、44a、45a:ピストンリング、46a、47a:水ジャケット 10: first cylinder, 11: second cylinder, 12: scavenging side piston, 13: exhaust side piston, 14: scavenging hole, 15: exhaust hole, 16, 17: crank arm, 18, 19: crankshaft, 20: Fuel injection valve, 22: Opposite piston type two-cycle engine, 23: First cylinder, 24: Second cylinder, 25: Scavenging side piston, 26: Exhaust side piston, 27: Scavenging hole, 28: Exhaust hole 29: Scavenging valve, 30: outlet, 31: exhaust valve, 32: inlet, 34, 35: inner inclined surface, 36, 37: outer inclined surface, 38, 39: notch, 40: combustion chamber, 41: connection Part, 42: depression, 43, 45-48: fuel injection valve, 44a, 45a: piston ring, 46a, 47a: water jacket
Claims (5)
前記第1のシリンダーの下死点位置には掃気孔が、前記第2のシリンダーの下死点位置には排気孔が設けられていると共に、
前記第1のシリンダーの下死点より中心側位置に掃気弁が、前記第2のシリンダーの下死点より中心側位置に排気弁が設けられ、空気の圧縮比に対する燃焼ガスの膨張比を大きくしたことを特徴とする対向ピストン型2サイクルエンジン。 In the opposed piston type two-cycle engine including the first and second cylinders connected at the front and facing each other, and the scavenging side piston and the exhaust side piston that reciprocate in the first and second cylinders in synchronization with each other,
A scavenging hole is provided at the bottom dead center of the first cylinder, and an exhaust hole is provided at the bottom dead center of the second cylinder.
A scavenging valve is provided at a center side position from the bottom dead center of the first cylinder, and an exhaust valve is provided at a center side position from the bottom dead center of the second cylinder to increase the expansion ratio of the combustion gas with respect to the compression ratio of air. An opposed-piston type two-cycle engine characterized by
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