JP2014141948A - 予混合圧縮自着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで，高出力を発揮し得る予混合圧縮自着火式エンジンを提供する。
【解決手段】クランクピン１０ａにトリゴナルリンク１２の中間部を回動自在に支持し，このトリゴナルリンク１２の一端部にコンロッド１６の大端部を連結し，トリゴナルリンク１２の他端部に，支点軸２０に揺動自在に支持される揺動ロッド２１を連結してなるエンジンであって，クランク室２ａに開口する吸気ポート２３と，吸気ポート２３に装着されるリード弁２４と，ピストン１５の下降行程でクランク室２ａからシリンダボア３ａ内に新気を誘導する掃気ポート３０と，シリンダボア３ａの頂部に開口するようにシリンダヘッド４に設けられる排気ポート３２と，ピストン１５の下降行程でピストン１５が掃気ポート３０を開く前に開弁する排気弁３３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は，予混合圧縮自着火式エンジンの改良に関する。

従来，予混合圧縮自着火式エンジンは，特許文献１に開示されるように，４サイクルエンジンに適用されている。

特開２００３−２６９２３２号公報

従来の予混合圧縮自着火式の４サイクルエンジンは，「高圧縮比」，「Ａ／Ｆリーン燃焼」を特徴としており，高い熱効率及び低ＮＯｘを実現している。しかしながら，予混合圧縮自着火式４サイクルエンジンは，実用条件における燃焼制御が難しいため運転領域が限定され，また負荷が高くなるとノッキングが発生するため，使用可能な負荷が制限され，出力確保が困難であることがわかっている。熱効率を向上させる手法として，燃焼室をコンパクト化して熱損失を低減する手法があるが，そのためにはシリンダボア径に対してピストンストロークを極力長くするロングストローク化の必要がある。

予混合圧縮自着火燃焼の運転領域を拡大し，エンジンサイズを大きくすることなく出力を確保する手法として，過給機やＥＧＲ装置などの補機類の増加は，実用化に向けては課題がある。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，コンパクトでありながら，実用的な出力を確保し，高効率・低ＮＯｘを実現し得る予混合圧縮自着火式エンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，クランクケースにクランク軸と支点軸とを，互いの軸線を平行にして支持し，クランク軸のクランクピンにトリゴナルリンクの中間部を回動自在に支持し，このトリゴナルリンクの一端部に，シリンダボア内を昇降するピストンに小径部を連結するコンロッドの大端部を相対回動自在に連結し，前記トリゴナルリンクの他端部に，前記支点軸に基端部が回動自在に支持される揺動リンクの揺動端部を相対回動自在に連結してなるエンジンであって，クランクケース内のクランク室に開口するようにクランクケースに設けられる吸気ポートと，ピストンの上昇行程に伴なうクランク室の減圧により開弁するように前記吸気ポートに装着されるリード弁と，このリード弁の開弁時，前記吸気ポートを通して前記クランク室に供給する新気流量を制御するスロットル手段と，ピストンの下降行程でピストンにより開かれてクランク室からシリンダボア内に新気を誘導する掃気ポートと，シリンダボアの頂部に開口するようにシリンダヘッドに設けられる排気ポートと，ピストンの下降行程でピストンが前記掃気ポートを開く前に開弁してシリンダボア内の排気を排気ポートへ排出させる排気弁とを備えることを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，ピストンストローク／シリンダボア径≧１としたことを第２の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，トリゴナルリンク及び揺動リンクの採用により，クランクケースの肥大化を極力抑えながらピストンストロークの大幅な増加をもたらし，これによりシリンダボアの小径化，及び燃焼室のコンパクト化を可能にし，その結果，熱損失を低減して熱効率の向上を図ることができる。

しかも，ピストンの下降行程でピストンにより開かれてクランク室からシリンダボア内に新気を誘導する掃気ポートと，シリンダボアの頂部に開口するようにシリンダヘッドに設けられる排気ポートと，ピストンの下降行程でピストンが掃気ポートを開く前に開弁してシリンダボア内の排気を排気ポートへ排出させる排気弁とを備えるので，ユニフローの掃，排気を可能にした２サイクル動作を行うことができ，したがって掃気ポートに対する排気ポート径と排気弁の開閉タイミングを適正に設定することで，従来の４サイクルエンジンでは困難な燃焼室への大量な内部ＥＧＲ導入が可能となり，広範な燃焼制御が可能となる。よって，４サイクルのエンジン動作に対して比出力の高い２サイクルのエンジン動作により，補器類を増加させることなく，実用的出力を確保しながら，低ＮＯｘ且つ高効率の予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

本発明の第１の特徴によれば，ピストンストローク／シリンダボア径≧１としたことで，シリンダボアが長くなり，掃気ポートから排気ポートまでの距離を長くすることができる。これにより，従来の２サイクルエンジンの課題である「混合気の吹き抜け（未燃ガスの吹き抜け」の低減効果が期待できる。また高圧縮比としたときに課題となる，シリンダボアにおける掃気ポートの流路面積の確保を容易にできる。即ち，シリンダボアが短いと掃気に必要な掃気ポート面積が確保できない。

本発明の第１実施形態に係る予混合圧縮自着火式エンジンの縦断正面図（図２の１−１線断面図）。 図１の２−２線断面図。 図２の３−３線断面図。 上記エンジンの作用説明図。 本発明の第２実施形態を示す，図１との対応図。 本発明の第３実施形態を示す，図２との対応図。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて以下に説明する。

先ず，第１実施形態の説明より始める。図１及び図２において，予混合圧縮自着火式エンジンＥのエンジン本体１は，内部をクランク室２ａとするクランクケース２と，このクランクケース２の上面に接合されて起立し，内部をシリンダボア３ａとするシリンダブロック３と，このシリンダブロック３の上端に接合されるシリンダヘッド４と，このシリンダヘッド４の上端に接合されて，それとの間に動弁室６を画成するヘッドカバー５とより構成され，クランクケース２，シリンダブロック３及びシリンダヘッド４は，クランクケース２に植設される複数本のスタッドボルト７，７…により相互に締結され，ヘッドカバー５は，複数のボルト８，８でシリンダヘッド４に締結される。

クランクケース２の左右の側壁（図１参照）において，クランク室２ａにクランク部が収容されるクランク軸１０が一対の第１ベアリング１１，１１を介して支持される。その際，図１に示すように，クランク軸１０は，そのクランクピン１０ａの中心の回転軌跡Ａがシリンダボア３ａの軸線Ｙの一側方（図１では左側方）にくるように配置される。上記クランクピン１０ａには，トリゴナルリンク１２の中間部が第２ベアリング１３を介して回動自在に支持され，このトリゴナルリンク１２の前記軸線Ｙ側の右端部１２ａ（図２）には，シリンダボア３ａ内を昇降するピストン１５にピストンピン１４を介して小端部１６ａを連結したコンロッド１６の大端部１６ｂが第１連結ピン１７を介して相対回動自在に連結される。

クランク軸１０の，前記軸線Ｙと反対側の左側方（図２）及び下方において，クランク軸１０と相互に軸線を平行にする支点軸２０がクランクケース２に支持され，この支点軸２０に揺動リンク２１の基端２１ａが第３ベアリング２２を介して回動自在に支持される。この揺動リンク２１の上端部即ち揺動端部２１ｂは，前記トリゴナルリンク１２の左端部１２ｂに第２連結ピン１８を介して相対回動自在に連結される。

クランクケース２の一側壁には，クランク室２ａに開口する吸気ポート２３が設けられ，この吸気ポート２３にリード弁２４が装着され，このリード弁２４を介して吸気ポート２３に新気を供給するスロットルボディ２５がクランクケース２に取り付けられる。リード弁２４は，通常は閉弁していて，ピストン１５の下降に伴なうクランク室２ａの減圧により開弁するようになっている。スロットルボディ２５は，吸気ポート２３に連なる吸気道２５ａを有すると共に，この吸気道２５ａを開閉するスロットル弁２６を軸支しており，このスロットル弁２６より下流の吸気道２５ａから吸気ポート２３に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２７がスロットルボディ２５に付設される。

シリンダブロック３には，クランク室２ａをシリンダボア３ａに連通する一対の掃気ポート３０が設けられ，これら掃気ポート３０は，ピストン１５により開閉されるもので，ピストン１５の下降行程の終期で開放されるようになっている。

また図２及び図３に示すように，シリンダヘッド４には，ピストン１５の頂面が臨む燃焼室３１と，この燃焼室３１に開口する排気ポート３２とが形成されると共に，その排気ポート３２を開閉するポペット型の排気弁３３が設けられ，この排気弁３３を開閉駆動する動弁機構３４の一部が前記動弁室６に配設される。動弁機構３４は，排気弁３３に装着されてそれを閉弁方向へ付勢する弁ばね３５と，シリンダヘッド４上の支柱３６に上部ロッカ軸３７を介して支持される上部ロッカアーム３８とを備え，その上部ロッカアーム３８の一端部は，排気弁３３の頭部に連接される。

上部ロッカアーム３８の他端部は，シリンダブロック３の一側方に配設されるプッシュロッド４０の上端部に連接され，プッシュロッド４０の下端部は，前記クランク軸１０に固設されるカム４１に下部ロッカアーム４２を介して連接される。下部ロッカアーム４２は，クランクケース２に下部ロッカ軸４３を介して支持され，その一端部がプッシュロッド４０の下端部に連接され，その他端部に軸支されるローラ４４が，カム４１の外周面に転動自在に係合される。プッシュロッド４０は，クランクケース２及びシリンダヘッド４間に接続される中空のロッドケース４５に収容される。

このエンジンＥの圧縮比は，ピストン１５の上昇行程の終期で，燃焼室３１で圧縮される混合気が自着火するように設定される。シリンダヘッド４には，エンジン始動時のみ，燃焼室３１内の混合気に火花点火させるための点プラグ４６が螺着される。

次に，この実施形態の作用について説明する。

エンジンＥは，始動後，次のように動作する。先ず，ピストン１５の上昇行程時，それに伴なうクランク室２ａの減圧によりリード弁２４が開弁し，スロットル弁２６による流量を制御される新気と，燃料噴射弁２７より噴射される燃料とが混合気を形成しつゝリード弁２４及び吸気ポート２３を通過してクランク室２ａに吸入される。

次いで，ピストン１５が下降行程に移ると，クランク室２ａ内の混合気が圧縮されると共に，ピストン１５が掃気ポート３０を開放するので，上記混合気は，掃気ポート３０を経てシリンダボア３ａ内に送り込まれる。その際，クランク室２ａの圧力上昇によりリード弁２４は直ちに閉弁して，混合気のスロットル弁２６側への逆流を阻止する。

そしてピストン１５が再び上昇行程に移ると，ピストン１５は掃気ポート３０を閉じた後，シリンダボア３ａ内の混合気を圧縮する。

ピストン１５が上死点近傍に到達したとき，混合気が自着火し，燃焼，膨張してピストン１５を下降させ，その下降途中，ピストン１５が掃気ポート３０を開放する前にクランク軸１０の回転に同期するカム４１が下部ロッカアーム４２を介してプッシュロッド４０を押し上げ，上部ロッカアーム３８を介して排気弁３３を開弁させ，シリンダボア３ａ内の排ガスをシリンダヘッド４の排気ポート３２へと排出させる。したがって，エンジンＥは２サイクル動作を行い，掃気ポート３０からシリンダボア３ａを経て排気ポート３２へと流れる掃，排気の流れは，曲がりの少ないユニフローとなる。

ピストン１５の上昇及び下降動作は，コンロッド１６及びトリゴナルリンク１２を介してクランクピン１０ａに伝達し，クランク軸１０を回転駆動する。その間，揺動リンク２１の支点軸２０周りの左右揺動により，トリゴナルリンク１２は，クランクピン１０ａ周りで上下方向に揺動されるため，図４（Ａ）に示すようにピストン１５の上死点では，コンロッド１６の大端部１６ｂは，トリゴナルリンク１２の右端部１２ａによりクランクピン１０ａの上方へ距離Ｓ１だけ押し上げられ，また図４（Ｂ）に示すようにピストン１５の下死点では，コンロッド１６の大端部１６ｂは，トリゴナルリンク１２の右端部１２ａによりクランクピン１０ａの下方へ距離Ｓ２だけ押し下げられる。その結果，ピストン１５のストロークＬは，コンロッド１６の大端部１６ｂをクランクピン１０ａに直接連結した，同一クランク半径Ｒを持つ通常エンジンに比して，上記距離Ｓ１及びＳ２の和の分，伸長したことになる。したがって，本発明のエンジンＥでは，クランクケースの肥大化を極力抑えながらピストンストロークＬの大幅な増加をもたらすことができる。このピストンストロークＬは，シリンダボア３ａの直径Ｄと同等もしくはそれよりも大きく設定される。さらに上記トリゴナルリンク１２及び揺動リンク２１の採用によれば，コンロッド１６の揺動角度が通常形式のエンジンに比し減少するため，シリンダボア３ａの小径化を可能にしながら，シリンダスリーブ下端部とコンロッド１６との干渉を回避することができ，コンロッド１６の長さの短縮化，延いてはエンジンＥの全高を短縮することができる。

しかも，ピストン１５の下降行程でピストン１５により開かれてクランク室２ａからシリンダボア３ａ内に新気を誘導する掃気ポート３０と，シリンダボア３ａの頂部に開口するようにシリンダヘッド４に設けられる排気ポート３２と，ピストン１５の下降行程でピストン１５が掃気ポート３０を開く前に開弁してシリンダボア３ａ内の排気を排気ポート３２へ排出させる排気弁３３とを備え，その排気弁３３の開閉タイミングの設定によりＥＧＲ量を制御してシリンダボア３ａ内の混合気の自着火燃焼を制御するようにしたので，エンジンＥは，ユニフローの掃気及び排気を可能にした２サイクル動作を行うと共に，補器類を増加させることなく，予混合圧縮自着火燃焼に要求されるＥＧＲ量を確保することができる。その上，４サイクルのエンジン動作に対して比出力の高い２サイクルのエンジン動作により，実用的出力を確保しながら，低ＮＯｘ且つ高効率の予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。

かくして，熱効率が良好で低燃費性に優れ，しかも高出力である上，コンパクトな予混合圧縮自着火式のエンジンＥを提供することができる。

図５は，本発明の第２実施形態を示すもので，燃料噴射弁２７をシリンダブロック３に取り付けて，ピストン１５の上昇行程でピストン１５が掃気ポート３０を閉じた後，シリンダボア３ａ内に燃料を噴射して混合気を形成するようにしたもので，その他の構成及び作用は前実施形態と同様であるので，図５中，前実施形態と対応する部分には同一の参照符号を付して，重複する説明を省略する。

図６は，本発明の第３実施形態を示すもので，燃料噴射弁２７をクランクケース２に取り付けて，燃料を掃気ポート３０に噴射するようにしたもので，その他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので，図６中，前実施形態と対応する部分には同一の参照符号を付して，重複する説明を省略する。

尚，本発明は上記実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

Ｄ・・・・・シリンダボア径
Ｅ・・・・・エンジン
Ｌ・・・・・ピストンストローク
Ｙ・・・・・シリンダボアの軸線
２・・・・・クランクケース
２ａ・・・・クランク室
３ａ・・・・シリンダボア
１０・・・・クランク軸
１０ａ・・・クランクピン
１２・・・・トリゴナルリンク
１２ａ・・・トリゴナルリンクの一端部（左端部）
１２ｂ・・・トリゴナルリンクの他端部（右端部）
１５・・・・ピストン
１６・・・・コンロッド
１６ａ・・・小端部
１６ｂ・・・大端部
２０・・・・支点軸
２１・・・・揺動リンク
２１ａ・・・揺動リンクの一端部（下端部）
２１ｂ・・・揺動リンクの他端部（上端部）
２３・・・・吸気道ポート
２４・・・・リード弁
２５，２６・・・スロットル手段（スロットルボディ，スロットル弁）
３０・・・・掃気ポート
３２・・・・排気ポート
３３・・・・排気弁

Claims (2)

1. クランクケース（２）にクランク軸（１０）と支点軸（２０）とを，互いの軸線を平行にして支持し，クランク軸（１０）のクランクピン（１０ａ）にトリゴナルリンク（１２）の中間部を回動自在に支持し，このトリゴナルリンク（１２）の一端部（１２ａ）に，シリンダボア（３ａ）内を昇降するピストン（１５）に小端部（１６ａ）を連結するコンロッド（１６）の大端部（１６ｂ）を相対回動自在に連結し，前記トリゴナルリンク（１２）の他端部（１２ｂ）に，前記支点軸（２０）に基端部（２１ａ）が回動自在に支持される揺動ロッド（２１）の揺動端部（２１ｂ）を相対回動自在に連結してなるエンジンであって，
   クランクケース（２）内のクランク室（２ａ）に開口するようにクランクケース（２）に設けられる吸気ポート（２３）と，
   ピストン（１５）の上昇行程に伴なうクランク室（２ａ）の減圧により開弁するように前記吸気ポート（２３）に装着されるリード弁（２４）と，
   このリード弁（２４）の開弁時，前記吸気ポート（２３）を通して前記クランク室（２ａ）に供給する新気流量を制御するスロットル手段（２５，２６）と，ピストン（１５）の下降行程でピストン（１５）により開かれてクランク室（２ａ）からシリンダボア（３ａ）内に新気を誘導する掃気ポート（３０）と，
   シリンダボア（３ａ）の頂部に開口するようにシリンダヘッド（４）に設けられる排気ポート（３２）と，
   ピストン（１５）の下降行程でピストン（１５）が前記掃気ポート（３０）を開く前に開弁してシリンダボア（３ａ）内の排気を排気ポート（３２）へ排出させる排気弁（３３）とを備えることを特徴とする，予混合圧縮自着火式エンジン。
2. 請求項１記載の予混合圧縮自着火式エンジンにおいて，
   ピストンストローク（Ｌ）／シリンダボア径（Ｄ）≧１としたことを特徴とする，予混合圧縮自着火式エンジン。

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