JP2009507178A - 可変圧縮可能な２サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

２ストローク対向シリンダエンジンは、長さ方向のフラッシング・システムと、２つのクランクシャフト（１，３）と、圧縮比を動作中に調整可能な新規な位相設定機構とを備える。２つの中間歯車（１５，１６）は、２つのクランクシャフト（１，３）の回転を同期させる。２つの中間歯車（１５，１６）それぞれの中心位置は、クランクシャフト（１，３）間の位相位置と、それと共に圧縮比とを変更するように、設定装置（２１）によって移動させられる。２つの中間歯車（１５，１６）の支援によって、クランクシャフト（１，３）は互いに反対方向に回転する。

Description

本発明は内燃エンジンの分野に関し、特に制御可能な圧縮比を達成する技術に関する。更に本発明は、そのような内燃エンジンの振動問題を解決する。

内燃エンジンは、一般に自動車、モーターボートおよび可搬型の発電機における原動機として主流である。
排出を削減し、且つエンジン効率を増大させるための精力的な努力がなされる。

より高い効率値は、高まるエンジン燃料不足と共に増大し、より高い燃料費に結び付く。向上した効率を達成しようと努力する別の理由は、増大する温室効果のためであり、向上したエンジン効率によって或る程度までは緩和されることがある。更に、化石燃料に代替可能な生物燃料は、常に稀少資源になるであろう。

オットーエンジンは、成功した触媒技術の結果として低排出であるが、特に部分的な負荷に対して、低い効率を有する。この低い効率の理由は、自然発火（ノッキング）を防止する必要性によって、圧縮比を制限する必要があるからである。スロットル損失は、部分的な負荷で生じ、これらの損失は、通常、エンジンが該エンジンから得られる平均出力に対して比較的大きいという事実によって、摩擦損失の高比率を伴う。

ディーゼルエンジンは、満足な効率を有するが、粒子排出およびＮＯｘ排出の問題を有する。
これらの排出を削減することは可能であるが、動作中のエンジンの信頼性に関する関連コストおよび続いて起こる問題は、ディーゼルエンジンをそれほど魅力的に見えなくする。

その結果、研究者は、簡単な酸化触媒の支援によってＮＯｘおよび粒子無し燃焼やＣＯ排出およびＨＣ排出に対処する方法として、予混合圧縮自着火燃焼（ＨＣＣＩ）の使用に非常に興味を持つようになった。その結果、圧縮比は、発火点をディーゼルエンジンの場合に使用される圧縮比において得られるものの近傍にあるように適切に設定し、したがって高効率内燃エンジンをもたらすであろう。更に、燃焼は速度依存の乱流にも拘わらず速くなるであろう。この迅速な燃焼は、効率に対しては好ましいが、雑音に対して、および燃焼サイクル当たりの許容最大燃料消費に対しては問題がある。したがって、ＨＣＣＩエンジンは、通常は従来のエンジンよりも低い最大出力を有するであろう。

ＨＣＣＩ燃焼工程は、可変圧縮比または可変弁タイミングによって制御できる。両方の方法は、既存のエンジン概念に対して対策が試みられる場合、相当多くの費用を必要とする。

別の問題として、ピストンエンジンによって生じる振動がある。原則として、これらの邪魔な振動には２つの異なる要因があり、最も良く知られているのは、ピストンおよびクランクシャフトの関連部分の加速の結果物である。この振動（エンジン回転速度に対して二次方程式の力振幅を有する）を除去する方法は、６気筒未満のシリンダを有したエンジンの場合、多くのシリンダまたはバランスシャフトを備えることである。カウンターバランスシャフトの数を２倍にした４気筒エンジンは、原則として、この振動に対して完全に平衡に保たれる。

別の種類の振動は、速度の振幅に非依存である。これは、エンジン本体にトルク振幅を与える圧縮効果を得るために、フライホイールのクランクシャフトを遅くする必要性に依る。燃焼後に続いて、クランクシャフトは、結果としてエンジン本体上のさらなるトルク衝撃と共に燃焼ガスの拡張から得られる有用な効果の影響下で加速されるであろう。更に、上記の問題は、多くのシリンダを備えることによって減少できる。ピストン加速によって生じる振動とは異なり、共通のクランクシャフト上に設けられるシリンダの数に関係なく、これらの振動を排除することは不可能である。これらのトルク振動は、非常に低いエンジン回転速度における高トルクにおいて、エンジン動作を阻害する。しかしながら、このエンジン性能の低下は、低い出力で最もエネルギ効率が良い。

特許文献１は、対向作用シリンダを備えた内燃エンジンを開示する。クランクシャフトは、固定された軸受車軸上に２つの歯車と２つの中間歯車とを備える固定歯車システムの支援によって、同期される。歯車システムの歯車に設けられた１本のクランクシャフトは、別個の操作装置によって位相位置を変更するように、クランクシャフトの角度を変更可能に構成される。操作装置は波動ギヤとして、または可変スプライン・カップリングとして、または２つの円錐歯車間の２つのシャフトの相対的な角度位置を変更する付加的な操作装置として、構成される。
国際公開第８８／０５８６２号パンフレット

本発明の目的は、圧縮比を経済的に制御することを可能にしつつ、上述した振動モードの両方を１つのシリンダだけによって排除することを可能にすることにある。

本エンジン構成は、過給を伴うまたは過給無しのオットーエンジンとして使用でき、その結果、圧縮調整の結果として、常に効率を最適化し、ノッキングを回避する。
本エンジン構成は、過給を伴うまたは過給無しのオットーエンジンとして使用でき、その結果、本エンジンは常に始動でき、常に異なるセタン価および制限された応力に適応したエンジンを備える圧縮調整の結果として、最適な効率で行なわれるであろう。セタン価は、点火遅れを測定することによって、動作中のエンジンで測定できる。

本エンジン構成は、過給を伴うまたは過給無しのＨＣＣＩエンジンとして使用でき、圧縮調整の結果として、点火タイミングを制御する。
本エンジン構成は、過給を伴うまたは過給無しの部分的なＨＣＣＩエンジンとして使用でき、その結果、点火タイミングが圧縮制御の結果として制御され、且つ、エンジンのモードが、より高い負荷でのオットー・モードまたはディーゼル・モードに容易に切り換えられることを可能にする。

ＨＣＣＩ動作の場合、効率に関して効率的な方法で休息ガス（rest gas）を確保しておくことが可能である。
高出力のＨＣＣＩ動作の場合、エンジンは、その効果的なカウンタバランス、弁機構の不存在、および、好ましいフラッシング・システムの提供によって、高速に適するに違いない。この動作モードでは、低い休息ガスの迅速なＨＣＣＩ燃焼は、単に利益である場合がある。

このように、本エンジンは、高効率で無敵な大きい動作範囲を提供することが可能である。これは、ハイブリッド車の場合、従来のエンジンの場合よりも遥かに低いレベルでバッテリを充放電することに対して変換損失を維持することが可能であることを意味し、その結果、独創的な本エンジンの概念は、燃料経済性を大幅に改善する。

本発明によれば、本エンジンは、対向シリンダ形式である（図１を参照）。本エンジンは、２つのクランクシャフト１，３と、それに付随するピストン２，４とを有する。クランクシャフト１，３の回転は、図２と図３に示される歯車装置によって同期される。２つの中間歯車１５，１６の提供の結果として、クランクシャフト１，３は、互いに反対方向に回転するであろう。たとえば発電機のような固定された負荷に接続されたクランクシャフト１，３の回転トルクが、互いに同一であることが保証される場合、本エンジンは、如何なる瞬間的な振動も完全に抑制でき、大多数の設備に対して非常に有益であり、エンジン動作が出力損失を及ぼす場合にも、より小さい損失をもたらすであろう。

ピストン２，４はそれぞれの方向に加速されるため、高いエンジン回転速度で最も大きい大部分の力に起因する振動は無視できる。しかしながら、圧縮比の調整に対して小さい位相差が利用可能である場合、小さい貢献しか達成されないであろう。

圧縮比の調整は、図２と図３に示される歯車装置の場合、それぞれ、クランクシャフト１，３間の位相位置を調整することによって、動作中に滑らかに且つ連続的に達成できる。

クランクシャフト１，３の各々は、図２によれば、互いに同一の大きさの歯車１４，１７をそれぞれ備える。歯車１４は、中間歯車１５と定常的に係合状態にある。中間歯車１５は、歯車１４の中心回りに移動可能なリンク・アーム１８上に懸架される。同様に歯車１７は、歯車１７の中心回りに移動可能なリンク２０に懸架された中間歯車１６と、係合状態にある。中間歯車１５，１６の対は、該対を一斉に保持するリンク１９によって、絶えず互いに係合状態にある。クランクシャフト１，３間の位相位置は、設定装置２１によって、中間歯車１５，１６の対の中心点を移動させることによって設定できる。設定装置２１は、ブラケット２３を介して本エンジンの本体に取付けられ、リンク２２を介して中間歯車１５，１６の対に組付けられる。図２と図３は、互いに異なる設定の位相位置を示す。クランクシャフトは、歯車の周速度が歯車１４，１７の周速度とは同一にならないにもかかわらず、互いに異なる大きさの中間歯車１５，１６を有する歯車装置による支援によっても同期できる。この設計は、組込構造の仕様から有益であることがある。

位相調整機構は、クランクシャフト間の位相位置を設定する以外の目的にも使用できる。たとえば、位相調整機構は、内燃エンジンの、または一般的な機械構造に対してカムシャフトを調整するのに使用可能である。

本エンジンの原理は、点火プラグ発火を伴うオットーエンジンであることが可能であり、この場合、図１における参照符号１３は、点火プラグを示す。
本エンジンの原理は、直接噴射を伴うディーゼルエンジンであることが可能であり、この場合、図１における参照符号１３は、インジェクタを示す。

本エンジンの原理は、ＨＣＣＩエンジンであることが可能であり、この場合、図１における参照符号１３は、点火状態を示すセンサに相当する。該センサは、たとえば圧力センサ、加速度計、または加圧力計、もしくは歪みゲージであることが可能である。

本ＨＣＣＩの変形は、一般的なエンジン構造を例示する想像上のまたは熟考された設計を参照して、以下に詳細に記述されるであろう。
位相調整は、エンジン回転速度、負荷、エンジン温度、燃料の種類、空気吸入温度または圧力に拘わらず、所望クランク角で発火点を設定する場合に使用される。発火点は、測定された発火点からのフィードバックによって適切に制御される。

更に、例示のエンジンでは、休息ガスの体積の急速な制御を可能にすべく、排気ポート９内に、急速に動作するスロットル弁１０が設けられる。スロットル弁１０は、設定モータ２１が達成できるものよりも急速に発火点を変更するため、または休息ガスの体積を制御する際の他の理由に対して、必要になるであろう。

本エンジンは、長さ方向にフラッシングする２ストローク型エンジンである。シリンダ内の圧力は、稼働率が一または複数の排気ポート９の開放をもたらした後、急速に低下するであろう。オーバーフロー・ポートは、所定クランク角に達した後に開く。この場合、オーバーフロー・ポートは参照符号７，８で記号化されるが、示されるポートよりも多いそのようなポートがあることも可能である。この圧力低下の後に残った排気ガスは、オーバーフロー・ポートを介して運ばれる新鮮なガスによって払い除けられる。オーバーフロー・ポートを通じた流れを駆動する圧力は、典型的なフラッシュポンプとして機能するクランクハウジング５，６から、または別個のフラッシュポンプから発せられることが可能である。フラッシング・ポートを介して圧送され、シリンダ内の混合現象によって影響を受ける流れの量によって、或る量の熱い休息ガスは、次の燃焼位相までシリンダに残るであろう。残った休息ガスの量は、燃焼位相および更に燃焼速度に影響を及ぼすであろう。多量の休息ガスは、より穏やかな燃焼工程をもたらし、低い回転速度のＨＣＣＩエンジンにとっては有益である。

低負荷の場合（たとえばハイブリッド車の用途）、クランクハウジング６からの流れは、弁１１の支援によって低減または完全に遮断できる。オーバーフロー・チャネル８が完全に止められる場合、クランクハウジング６の圧送によるポンプ損失は、非常に小さくなる。その後、圧縮は、始動圧力付近までの、後に続く拡張位相によってクランクハウジング６内で起こる。この動作モードは、低負荷での高効率の達成を可能にする。

２サイクルエンジンから公知の従来の方法は、新鮮なガスによってクランクハウジングを充填するのに使用できる。そのような方法は、プランジャ制御ポート、リード弁、およびスライド弁の使用を含む。

燃料は、インジェクタ１２の支援を伴う噴射によって適切に供給される。これに代えて燃料混合物は、たとえばチャネル噴射によって、または気化器を介して、シリンダ内に燃焼用空気を押し込むのに先立って用意可能である。その結果、自然なオプションは、燃料混合物を１つのクランクハウジングに単独で提供し、その結果、他のクランクハウジングからのオーバーフロー・チャネルは、単独で空気を含むであろう。これは、２つのクランクハウジングからのオーバーフロー・ポートのクランク角をオフセットするための根拠を与えることがある。このフラッシング方法は、排気ガスおよび新鮮なガスがシリンダ内で層状化することを可能にする。これに加えて、２種類のフラッシング媒質を層状化することも可能である。フラッシング媒質は、純粋な空気、混合気、冷却したＥＧＲガスと混合した空気、純粋なＥＧＲガス、または異なるクランクハウジングの相互に異なる温度のこれらの混合物であることが可能である。層状化は、ＨＣＣＩの状況において非常に有益である場合がある。たとえば、過度にリーンな混合物は、低い燃焼効率を有する。非均質な状態は、より遅くより穏やかな燃焼をもたらすことが可能である。

クランクシャフト１，３間の位相位置は、圧縮比を所望レベルに設定するように制限される。公称位相変位を達成することが可能であり、その結果、排気ポートの開度を制御するクランクシャフトは、オーバーフロー・ポートの開度を制御するクランクシャフトの前に位置する。この理由は、恐らくオーバーフロー・ポートに先立って、対称の場合よりも早く排気ポートまたは複数の排気ポートを閉じることがあるからである。排気ポートの早い閉鎖は、本エンジンの過給の場合、より効率的なシリンダの充填をなす。

圧縮比を設定するために、クランクシャフトの位相の変化は、オーバーフロー・ポートのタイミングと比較して、排気ポートのタイミングに影響を及ぼすであろう。したがって、動作領域全体をカバーする妥協点を探索することが必要である。

シリンダの断面を示し、排気ポートおよびフラッシング・ポートの詳細を示す。 同期ギヤと、圧縮制御の設定装置とを示す。 図２の設定とは異なる圧縮比に設定された、同期ギヤを示す。

Claims (7)

1. ２つのクランクシャフト（１，３）を有する２ストローク対向シリンダエンジンであって、これらクランクシャフト（１，３）はそれぞれクランクシャフト歯車（１４，１７）に接続され、各々の前記クランクシャフト歯車（１４，１７）はそれぞれ中間歯車（１５，１６）に係合し、前記中間歯車（１５，１６）は前記クランクシャフト（１，３）の動作を同期させるために互いに係合し、
   ２つの前記中間歯車（１５，１６）それぞれの中心位置は、２つの前記クランクシャフト（１，３）間の位相位置を調整可能な設定装置（２１）によって、調整可能な圧縮比を達成すべく共通に変位するように構成されることを特徴とする、エンジン。
2. ２つの前記中間歯車（１５，１６）それぞれの前記中心位置は、前記中間歯車（１５，１６）を一斉に保持するリンク（１９）上に位置する、請求項１記載のエンジン。
3. 前記設定装置（２１）は、前記リンク（１９）を変位させるべく前記リンク（１９）に接続される、請求項２記載のエンジン。
4. ２つの前記クランクシャフト（１，３）は、互いに反対方向に回転するように構成される、請求項１乃至３の何れか一項に記載のエンジン。
5. フラッシングのためのクランクハウジング・フラッシング・システムは、クランクハウジングとポート開口との間に配置された弁装置（１１）によって開閉される、請求項１乃至４の何れか一項に記載のエンジン。
6. 前記クランクシャフト（１，３）間の公称位相位置は、排気ガス・ポート（９）が対称ポート・タイミングよりも早く閉じるように設定される、請求項１乃至５の何れか一項に記載のエンジン。
7. 前記クランクシャフト（１，３）間の公称位相位置は、排気ガス・ポート（９）がオーバーフロー・ポート（７，８）よりも早く閉じるように設定される、請求項１乃至６の何れか一項に記載のエンジン。

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