JP2010248929A - 層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーおよび携帯型作業機 - Google Patents

Abstract

【課題】エミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることのできる層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーおよび携帯型作業機を提供すること。
【解決手段】開閉手段７は、上流側膨張室Ｒ１と下流側膨張室Ｒ２とを連通する第１流路および第２流路のうち、エンジンのアクセル時には触媒６が設けられていない第１流路を開け、アイドリング時には触媒６が設けられている第２流路を開ける。従って、本発明では、アイドリング時に触媒６を用いて排気ガスを浄化することができるので、その分、エミッション値の総和を低減することができ、当該総和の規制値に対するマージンを向上させることができる。よって、より厳しい排気ガス規制に対応することができるようになる。また、本発明では、比較的排気ガスが高くないアイドリング時にのみ触媒６を用いるので、触媒６の早期の劣化および排気ガス温度の高温化を抑制できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーおよび携帯型作業機に関する。

エンジンブロワ等の携帯型作業機に搭載される小型の２サイクルエンジンには、出力ポイント時（出力最大時）のエミッション値（炭化水素および窒素酸化物の排出量）とアイドリング時のエミッション値との総和を一つの指標とする排気ガス規制（日本陸用内燃機関協会による自主規制）が掛けられている。このような２サイクルエンジンでは、掃気行程の際に掃気通路から燃焼室内に供給される混合気によって燃焼室内に残留する燃焼ガスを掃気するため、排気ガスに含まれる未燃燃料の割合が高くなる。このため、通常、マフラー内の排気ガス流路中に触媒を設け、当該触媒で排気ガスを浄化することにより排気ガス規制に対応している。しかしながら、このようなエンジンでは、マフラー内の排気ガス流路中に触媒が設けられているので、排気ガスの流れが当該触媒によって妨げられてしまい、排気ガス温度が高温になりやすいという問題があった。また、触媒が高熱の排気ガスに長時間さらされてしまうので、早期に劣化しやすいという問題があった。

このような問題に対し、従来、掃気通路に連通する先導空気通路を備えた層状掃気式の２サイクルエンジンが知られている（例えば特許文献１）。層状掃気式のエンジンでは、吸気行程の際に、先導空気通路から掃気通路内の上部に先導空気を供給することができ、掃気行程の際に、最初に先導空気によってシリンダ内の燃焼ガスを掃気することができるので、その分、排気ガスに含まれる未燃燃料の割合を低減することができる。そのため、触媒を設けることなしにエミッション値の総和を規制値以下にまで下げることができる。

表１は、このような層状掃気式の２サイクルエンジンの出力ポイント時のエミッション値とアイドリング時のエミッション値とを測定し、それらの測定結果をまとめたものである。
表１に示すように、層状掃気式のエンジンでは、出力ポイント時のエミッション値が４３．７ｇ／ｋｗｈ、アイドリング時のエミッション値が４．６ｇ／ｋｗｈとなり、エミッション値の総和は４８．３ｇ／ｋｗｈとなっている。従って、規制値は５０．０ｇ／ｋｗｈであるので、エミッション値の総和は規制値を下回っているといえる。

国際公開番号Ｗ０９８／５７０５３

しかしながら、このような層状掃気式のエンジンでは、エミッション値の総和と規制値との差（前述のエンジンでは１．７ｇ／ｋｗｈ）が僅かであるので、排気ガス規制が今よりも厳しくなった場合に対応できないという問題がある。そこで、マフラー内に触媒を設けることでエミッション値を低減することが考えられるが、その場合、前述したような排気ガス温度の高温化や触媒の早期の劣化という問題がある。従って、そのような問題を防止しながら触媒を用いることができ、これによりエミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることのできる技術の開発が求められている。

本発明の目的は、排気ガス温度の高温化および早期の劣化を防止しながら触媒を用いることができ、これによりエミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることのできるマフラーおよび携帯型作業機を提供することにある。

本発明の請求項１に係る層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーは、内部に上流側膨張室と下流側膨張室とを有するケースと、前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを連通する第１流路および第２流路と、前記第２流路中に設けられた触媒と、前記エンジンのアクセル時には、前記第１流路を開けるとともに前記第２流路を閉塞し、前記エンジンのアイドリング時には、前記第１流路を閉塞するとともに前記第２流路を開ける開閉手段とを備えていることを特徴とする。
なお、「エンジンのアクセル時」とは、キャブレタのバルブがアイドリング状態の時よりも開けられている時のことを意味する。

本発明の請求項２に係る層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーは、請求項１に記載の層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーにおいて、前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを区画するとともに、前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを連通する第１連通孔および第２連通孔を有するセパレートプレートと、前記第１連通孔および前記第２連通孔に沿って、かつ前記第１連通孔および前記第２連通孔を挟むようにして前記セパレートプレートに設けられたレール部材と、前記レール部材にスライド可能に保持されて前記第１連通孔および前記第２連通孔のうちいずれか一方を閉塞するシャッターとを有する前記開閉手段とを備え、前記第１連通孔を通る流路が前記第１流路となり、前記第２連通孔を通る流路が前記第２流路となることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る携帯型作業機は、エンジン本体と、前記エンジン本体へ混合気および先導空気を送るキャブレタと、請求項２に記載のマフラーとを有する層状掃気式の２サイクルエンジンと、前記キャブレタが前記エンジン本体へ送る混合気量および先導空気量を増減させるアクセルレバーとを備え、前記シャッターは、前記アクセルレバーに連結されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、開閉手段は、アクセル時には触媒が設けられていない第１流路を開け、アイドリング時には前記第１流路を閉じるとともに触媒が設けられている第２流路を開ける。従って、本発明では、アイドリング時に触媒を用いて排気ガスを浄化することができるので、その分、エミッション値の総和を低減することができ、当該総和の規制値に対するマージンを向上させることができる。よって、より厳しい排気ガス規制に対応することができるようになる。加えて、本発明では、比較的排気ガスが高温でないアイドリング時にのみ触媒を用いるので、触媒の早期の劣化を抑制することができる。また、比較的排気ガスが高温でないアイドリング時にのみ触媒を用いるので、当該触媒によって排気ガスの流れが妨げられても排気ガス温度が高温になりすぎることがない。

請求項２の発明によれば、開閉手段を、レール部材と、レール部材にスライド自在に保持されるシャッターとを含んで構成したので、簡単な構成で確実に第１，第２流路を開閉できる開閉手段を実現できる。

請求項３の発明によれば、シャッターがアクセルレバーに連結されているので、アクセルレバーが作業者によって操作されてエンジンがアクセル状態になるのと同時に、若しくはアクセルレバーが戻されてエンジンがアイドリング状態となるのと同時に、シャッターによって確実に第１流路および第２流路を開閉することができる。従って、触媒の早期の劣化および排気ガス温度の高温化を確実に防止しながらエミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る携帯型作業機の全体を一部省略して示す斜視図。 前記実施形態におけるアクセル時のマフラー本体を示す断面図。 前記実施形態におけるアクセル時のマフラー本体の要部を示す斜視図。 前記実施形態におけるアイドリング時のマフラー本体を示す断面図。 前記実施形態におけるアイドリング時のマフラー本体の要部を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る携帯型作業機のアイドリング時におけるエンジンを示す模式図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンブロワ１（携帯型作業機）の全体を一部省略して示す斜視図である。
本実施形態のエンジンブロワ１は、落ち葉や剪定後の枝葉を吹き払う背負い式の携帯型作業機であって、水平な載置部１１Ａおよび鉛直な背当て部１１Ｂを有するＬ字状のフレーム１１と、遠心式のファンを収容するボリュートケース１２Ａを有してフレーム１１上に支持されたブロワ１２と、ボリュートケース１２Ａに取り付けられてファンを回転駆動させるエンジン１３と、載置部１１Ａ上に載置固定されてエンジン１３に送る燃料を貯留する燃料タンク１５と、ブロワ１２のエルボー１２Ｂに取り付けられてファンの回転により生じた噴出空気を噴き出す合成樹脂製のホース１６と、ホース１６に設けられてエンジン１３の出力を調整するアクセルレバー１７とを備えている。

このうちエンジン１３は、層状掃気式の２サイクルエンジンとなっており、リコイルスタータ２１Ａによるクランキング操作によって始動するエンジン本体２１と、エンジン本体２１へ混合気および先導空気を送るキャブレタ２２と、エンジン本体２１からの排気ガスを消音するマフラー２３とを備えている。キャブレタ２２は、スロットルケーブル２６を介してアクセルレバー１７に連結されており、アクセルレバー１７の操作により、エンジン本体２１へ送る混合気量および先導空気量を増減させる。マフラー２３は、箱状に形成され、エンジン本体２１からの排気ガスを消音した後に排気口３２５から外部に排気する。この際、排気ガスとしては、エミッション値のほか、排気口３２５から所定の距離離れた位置での排気ガス温度が規制される。以下、本実施形態の最も特徴的な部分であるマフラー２３について詳述する。

図２は、アクセル時（アクセルレバー１７が操作されてキャブレタ２２のバルブがアイドリング状態よりも開けられている時）のマフラー２３を示す断面図、図３は、アクセル時のマフラー２３の要部を示す斜視図、図４は、アイドリング時のマフラー２３を示す断面図、図５は、アイドリング時のマフラー２３の要部を示す斜視図である。
本実施形態のマフラー２３は、箱状のケース３と、ケース３内部を上流側膨張室Ｒ１と下流側膨張室Ｒ２とに区画するとともに上流側膨張室Ｒ１と下流側膨張室Ｒ２とを連通させる第１連通孔４２（図３参照）および第２連通孔４３（図５参照）を有したセパレートプレート４と、中心部がセパレートプレート４に、両端部がケース３に保持された一対のガイドパイプ５と、第２連通孔４３を覆うようにして設けられた触媒６と、アクセル時には第１連通孔４２を開けるとともに第２連通孔４３を閉塞し、アイドリング時には逆に第１連通孔４２を閉塞するとともに第２連通孔４３を開ける開閉手段７とを備えている。

ケース３は、ベース部材３１と、カバー部材３２とを備えている。これらベース部材３１およびカバー部材３２は、周縁部分でセパレートプレート４を挟持するように重ね合わされた後に当該周縁部分がかしめられることにより接合されている。ベース部材３１には、エンジン本体２１側からの排気ガスを導入する導入口３１１と、図示しない一対のガイドパイプ挿入口とが形成されている。カバー部材の前記各ガイドパイプ挿入口に対応した位置にもガイドパイプ挿入口が形成されており、これら各ガイドパイプ挿入口には、ベース部材３１およびカバー部材３２が接合される際にガイドパイプ５の両端が嵌め込まれる。このガイドパイプ５に挿通される六角穴付ボルト５１により、マフラー２３がエンジン本体２１に固定される。

カバー部材３２には、前記導入口３１１に対して下方にずれた位置にテールパイプ３２１が取り付けられている。このテールパイプ３２１の外部に露出する側の端部が排気ガスを外部に排気する排気口３２５となっている。このようなカバー部材３２の上面部３２２には、固定部３２３および挿通孔３２４が形成されている。固定部３２３には、一端側がアクセルレバー１７に連結されたシャッター作動用ケーブル２７のアウターチューブ（外皮）２７１が固定されており、挿通孔３２４には、シャッター作動用ケーブル２７内部を通るインナーワイヤー２７２が挿通している。インナーワイヤー２７２の他端側は、開閉手段７を構成するシャッター７２に連結されている。なお、カバー部材３２の裏面側は、図示を略したが２重構造とされており、その内部には耐熱性を有する消音材が設けられている。

セパレートプレート４は、ガイドパイプ５が挿入される一対のガイドパイプ挿入口４１と、上流側膨張室Ｒ１と下流側膨張室Ｒ２とを連通する第１連通孔４２と、小孔からなる複数の第２連通孔４３（図５参照）とを有している。このようなセパレートプレート４の上流側の面には、第２連通孔４３を覆うようにして触媒ホルダ６１が固着されている。触媒ホルダ６１は、壁面に複数の通気孔６２を有しており、その内部には、ハニカムセラミックスに担持された触媒６が設置されている。本実施形態では、上流側膨張室Ｒ１から第１連通孔４２を通って下流側膨張室Ｒ２に至る排気ガス流路が第１流路となり、上流側膨張室Ｒ１から触媒ホルダ６１および第２連通孔４３を通って下流側膨張室Ｒ２に至る排気ガス流路が第２流路となる。

セパレートプレート４の下流側の面には開閉手段７が設けられている。開閉手段７は、アクセル時には第２流路を閉塞して第１流路だけを開け、アイドリング時には逆に第１流路を閉塞して第２流路だけを開ける。このような開閉手段７は、レール部材７１とシャッター７２とを備えている。レール部材７１は、第１連通孔４２および第２連通孔４３に沿って、かつ第１連通孔４２および第２連通孔４３を挟むようにしてセパレートプレート４の下流側の面に固着されている。シャッター７２は、矩形状に形成され、レール部材７１にスライド可能に保持されている。このようなシャッター７２は、上部がインナーワイヤー２７２の他端側に連結されており、作業者によってアクセルレバー１７が操作されると、インナーワイヤー２７２によって上方に引っ張られて当該上方へスライド移動し、第１連通孔４２を開けるとともに第２連通孔４３を閉塞する。これにより、アクセル時には、排気ガスは、上流側膨張室Ｒ１から第１連通孔４２（第１流路）を通って下流側膨張室Ｒ２に移動することとなる。

一方、作業者によってアクセルレバー１７が戻されると、これに伴いシャッター７２は、図５に示すように、インナーワイヤー２７２によって下方にスライド移動させられて第１連通孔４２を閉塞するとともに第２連通孔４３を開ける。従って、アクセルレバー１７が戻されたアイドリング時においては、排気ガスは、上流側膨張室Ｒ１から触媒ホルダ６１および第２連通孔４３（第２流路）を通って下流側膨張室Ｒ２に移動することとなるため、触媒６によって浄化されることとなる。すなわち、本実施形態のマフラー２３は、比較的排気ガスが高温でないアイドリング時にのみ触媒６で排気ガスを浄化する。このため、触媒６の早期の劣化を抑制することができるうえ、触媒６によって排気ガスの流れが妨げられても排気ガス温度が高温になりすぎることがない。加えて、アイドリング時のエミッション値を従来より低減できるので、その分エミッション値の総和も低減でき、当該エミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることができる。よって、より厳しい排気ガス規制に対応することができるようになる。

〔エミッション値の測定〕

表２は、本実施形態のエンジン１３の出力ポイント時のエミッション値とアイドリング時のエミッション値とを測定し、それらの測定結果をまとめたものである。
本実施形態では、表２に示すように、運転時のエミッション値は４３．７ｇ／ｋｗｈとなり、表１で示す従来値と変わらないが、アイドリング時のエミッション値は２．２１ｇ／ｋｗｈとなり、従来値（４．６０ｇ／ｋｗｈ）の約半分程度となる。また、これらのエミッション値を足し合わせたエミッション値の総和は４５．９ｇ／ｋｗｈとなる。従って、本実施形態では、エミッション値の総和を、アイドリング値の低減分（２．３９ｇ／ｋｗｈ）従来値（４８．３ｇ／ｋｗｈ）よりも低減させることができるので、エミッション値の総和の規制値（５０．０ｇ／ｋｗｈ）に対するマージンを向上させることができることが確認できた。

〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態に係る携帯型作業機のアイドリング時におけるエンジン１３Ａを示す模式図である。なお、図６では、本実施形態の特徴部分である負圧ポンプ２９、および当該負圧ポンプ２９が取り付けられるインシュレータ２８を拡大して描いた。また、本実施形態以降において、前記第１実施形態と同一部材および同一機能部位には同一符号を付し、それらの説明を省略する。
前記第１実施形態では、シャッター７２はアクセルレバー１７に連結されていたが、本実施形態では、シャッター７２は、負圧ポンプ２９のダイヤフラム２９３に連結されている点が特徴である。

本実施形態の携帯型作業機のエンジン１３Ａは、エンジン本体２１と、キャブレタ２２と、マフラー２３と、キャブレタ２２とエンジン本体２１との間に介装されたインシュレータ２８と、インシュレータ２８に取り付けられた負圧ポンプ２９とを備えている。
キャブレタ２２は、キャブ先導空気通路２２１と、キャブ先導空気通路２２１の下側に形成されたキャブ混合気通路２２２と、これらの通路２２１，２２２を開閉する図示しないバルブとを備えている。

インシュレータ２８は、エンジン本体２１からキャブレタ２２への伝熱を抑えるための合成樹脂製の部材であり、キャブ先導空気通路２２１と連通接続して当該キャブ先導空気通路２２１からの先導空気をエンジン本体２１へ送るインシュレータ先導空気通路２８１と、インシュレータ先導空気通路２８１と負圧ポンプ２９内部とを連通するインシュレータ連通路２８２と、キャブ混合気通路２２２と連通接続して当該キャブ混合気通路２２２からの混合気をエンジン本体２１へ送るインシュレータ混合気通路２８３とを備えている。

負圧ポンプ２９は、インシュレータ連通路２８２に連通接続される負圧ポンプ連通路２９２を有するケース２９１と、ケース２９１の負圧ポンプ連通路２９２側との間に負圧室Ｒ３を形成するダイヤフラム２９３と、ケース２９１とダイヤフラム２９３との間に配置されたばね２９４とを備えている。ダイヤフラム２９３には、一端がシャッター７２に連結されたシャッター作動用ケーブル２７Ａの他端側が連結されている。

本実施形態のマフラー２３は、前記第１実施形態と略同様の構成を備えているが、セパレートプレート４において、周縁に触媒ホルダ６１が固着される第２連通孔４３が第１連通孔４２の下側（図６中下側）に形成されている点が前記第１実施形態とは異なる点である。また、触媒ホルダ６１が第２連通孔４３の下流側に設けられている点も前記第１実施形態とは異なる点である。以下、本実施形態のエンジン１３Ａの動作について説明する。

まず、アイドリング時には、先導空気通路２２１，２８１がキャブレタ２２のバルブにより混合気通路２２２，２８３と連動して閉じられて負圧となっているので、負圧ポンプ２９の負圧室Ｒ３には、先導空気通路２２１，２８１から連通路２８２，２９２を介して負圧が導入される。このため、ダイヤフラム２９３は、ばね２９４のばね力に抗して下方に引っ張られ、シャッター作動用ケーブル２７Ａを介してシャッター７２を上方に引き上げる。これにより、シャッター７２は第１連通孔４２を閉塞するとともに第２連通孔４３を開ける。よって、アイドリング時には、排気ガスは、上流側膨張室Ｒ１から第２連通孔４３および触媒ホルダ６１を通って下流側膨張室Ｒ２に移動することとなり、前記第１実施形態と同様に触媒６によって浄化されることとなる。

一方、アクセル時にはキャブレタ２２のバルブが開くので、先導空気通路２２１，２８１の負圧は弱まり、ダイヤフラム２９３は、ばね２９４のばね力によって元の状態である略水平状態に戻される。これにより、シャッター７２は、シャッター作動用ケーブル２７Ａによって下方にスライド移動させられて第２連通孔４３を閉塞するとともに第１連通孔４２を開ける。よって、アクセル時には、排気ガスは、上流側膨張室Ｒ１から第１連通孔４２を通って下流側膨張室Ｒ２に移動することとなる。従って、本実施形態でも、前記第１実施形態と同様に、比較的排気ガスが高温でないアイドリング時にのみ触媒６で排気ガスを浄化するので、触媒６の早期の劣化および排気ガス温度の高温化を抑制しながらエミッション値の総和の規制値に対するマージンを向上させることができる。また、アクセルレバー１７にシャッター７２が連結されていないので、その分、アクセルレバー１７の操作感を軽くすることができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第１，第２実施形態では、マフラー２３は、上流側膨張室Ｒ１および下流側膨張室Ｒ２の２つの膨張室しか備えていなかったが、マフラー２３は３つ以上の膨張室を備えていてもよい。

前記第１実施形態では、作業者によるアクセルレバー１７の操作を利用してシャッター７２を上下動させていた。また、前記第２実施形態では、先導空気通路２２１，２８１のアイドリング時とアクセル時との負圧差を利用してダイヤフラム２９３を上下動させることによりシャッター７２を上下動させていた。しかしながら、シャッター７２の動作のさせ方は、前記第１，第２実施形態の方法に限定されず、例えばマフラー２３内にワックス体を設置し、排気ガスのアイドリング時とアクセル時との温度差を利用してワックス体を熱膨張および熱収縮させることによりシャッター７２を上下動させてもよい。
前記第１，第２実施形態では、触媒６はハニカムセラミックスに担持されていたが、ニットワイヤー等の担体に担持されていてもよい。

本発明は、層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーとして、エンジンブロワや、カットオフソー、チェンソー等の携帯型作業機などに利用できる。

１…エンジンブロワ（携帯型作業機）、３…ケース、４…セパレートプレート、６…触媒、７…開閉手段、１３，１３Ａ…２サイクルエンジン、１７…アクセルレバー、２１…エンジン本体、２２…キャブレタ、２３…マフラー、４２…第１連通孔、４３…第２連通孔、７１…レール部材、７２…シャッター部材、Ｒ１…上流側膨張室、Ｒ２…下流側膨張室。

Claims (3)

1. 層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーであって、
   内部に上流側膨張室と下流側膨張室とを有するケースと、
   前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを連通する第１流路および第２流路と、
   前記第２流路中に設けられた触媒と、
   前記エンジンのアクセル時には、前記第１流路を開けるとともに前記第２流路を閉塞し、前記エンジンのアイドリング時には、前記第１流路を閉塞するとともに前記第２流路を開ける開閉手段とを備えている
   ことを特徴とする層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラー。
2. 請求項１に記載の層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラーにおいて、
   前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを区画するとともに、前記上流側膨張室と前記下流側膨張室とを連通する第１連通孔および第２連通孔を有するセパレートプレートと、
   前記第１連通孔および前記第２連通孔に沿って、かつ前記第１連通孔および前記第２連通孔を挟むようにして前記セパレートプレートに設けられたレール部材と、前記レール部材にスライド可能に保持されて前記第１連通孔および前記第２連通孔のうちいずれか一方を閉塞するシャッターとを有する前記開閉手段とを備え、
   前記第１連通孔を通る流路が前記第１流路となり、前記第２連通孔を通る流路が前記第２流路となることを特徴とする層状掃気式の２サイクルエンジン用のマフラー。
3. エンジン本体と、前記エンジン本体へ混合気および先導空気を送るキャブレタと、請求項２に記載のマフラーとを有する層状掃気式の２サイクルエンジンと、
   前記キャブレタが前記エンジン本体へ送る混合気量および先導空気量を増減させるアクセルレバーとを備え、
   前記シャッターは、前記アクセルレバーに連結されている
   ことを特徴とする携帯型作業機。

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