JP2016075239A - 空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン溝が空気ポートと連通すると同時にピストン溝にガスの流動を発生させることにより掃気通路への空気の充填効率を向上させる。
【解決手段】ピストンの周面に形成されたピストン溝8は圧力伝達透孔10を有し、圧力伝達透孔10はクランク室と、常時、連通している。ピストンが上昇する過程でクランク室が負圧になると、このクランク室の負圧が圧力伝達透孔10を通じてピストン溝8に作用する。これにより、ピストン溝8内の圧力は圧力伝達透孔10を通じてクランク室に抜ける。ピストンが上昇してピストン溝8が空気ポート4aと連通すると、空気ポート4aを通じて空気がピストン溝8に入り込む(図１(III))。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に２サイクル内燃エンジンに関し、より詳しくは掃気行程において最初に空気を燃焼室に導入する空気先導型のエンジンに関する。

混合気で掃気する形式の２サイクル内燃エンジンは、刈払機、チェーンソーなどの携帯型作業機に多用されている。この種の２サイクル内燃エンジンは、クランク室と燃焼室とを連通する掃気通路を有している。クランク室で予圧縮された混合気は掃気通路を通じて燃焼室に導入され、この混合気によって掃気が行われる。

２サイクルエンジンは、周知のように「混合気（新気）の吹き抜け」の問題を有している。この問題に対して空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンが提案され、既に実用化されている。空気先導型層状掃気式エンジンは、予め掃気通路に空気を充填する。掃気行程では、先ず掃気通路に蓄積されている空気が燃焼室に導入され、次いでクランク室の混合気が掃気通路を通じて燃焼室に導入される。

図８は、従来の空気先導型層状掃気式エンジンのポート開閉に関する図である。この図８は、線図の錯綜を避けるためにピストンの図示を省略してある。図中、参照符号１００はシリンダ壁を示す。シリンダ壁１００には空気通路１０２と混合気通路（図示せず）が開口している。混合気通路を通じてクランク室に混合気が供給される。空気通路１０２の空気ポートを参照符号１０２aで図示してある。シリンダ壁１００には、また、掃気通路１０４の掃気ポート１０４aが開口している。掃気通路１０４はクランク室に連通している。空気ポート１０２a及び掃気ポート１０４aは共にピストンによって開閉される。ピストンはその周面に溝１０６を有している。このピストン溝１０６は周方向に延びている。

図８の(I)から(III)は、ピストンが上昇する過程の状態を時系列で示す。図８の(II)は、図８の(I)よりもピストンが上昇した状態を示す。図８の(III)は、図８の(II)の位置よりもピストンが上昇した状態を示す。

図８の(I)を参照して、ピストンが下死点から上昇して、ピストン溝１０６が空気ポート１０２aに達する直前までは、ピストン溝１０６には、前回の掃気の際の吹き返しガスが混在している。この吹き返しガスは混合気成分を含んでいる。ピストン溝１０６に残留している吹き返しガスをドットで示す。ピストンが更に上昇した状態を示す図８の(II)は、ピストン溝１０６が空気ポート１０２aに連通した状態を示す。この図８の(II)の状態では、ピストン溝１０６は掃気ポート１０４aと連通していない。このことから、ピストン溝１０６が空気ポート１０２aと連通しても、この時点では、空気ポート１０２aからピストン溝１０６への空気の流動が発生しない。

更にピストンが上昇した状態を示す図８の(III)では、ピストン溝１０６が空気ポート１０２aに連通すると共に掃気ポート１０４aに連通した状態を示す。この図８の(III)の状態になると掃気通路１０４に空気が充填される。

US 6,857,402 B2

従来の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンでは、理論的には、ピストン溝１０６が掃気ポート１０４aに連通することで初めてピストン溝１０６内のガスに流動が発生する。そして、ピストン溝１０６内のガスが先ず掃気通路１０４に入り、次いで空気が空気ポート１０２aからピストン溝１０６を通じて掃気通路１０４に入る（図８の(III)）。したがって、ピストン溝１０６から掃気通路１０４に空気が入るタイミングは、ピストン溝１０６が掃気通路１０４に連通し始めたタイミングよりも遅くなる。

周知のように、作業機用の２サイクル内燃エンジンは例えば10,000rpmという高回転で運転される。このことから、上述したタイミングの遅れは掃気通路１０４の空気の充填効率に大きな影響を及ぼす。具体的には、各サイクル毎に掃気通路１０４に空気を充填する、その確実性を担保するのが難しいという本質的な問題を有している。この問題に対処するために、従来の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンでは、ピストン溝１０６が掃気ポート１０４aと連通するタイミングを著しく早くする構成が採用されているのが実情である。しかし、この構成を採用したときには、掃気通路１０４に残存している混合気成分が、空気通路１０２側に流れ込み易くなり、エミッション特性の改善効果を低下させてしまう。

本発明の目的は、ピストン溝が空気ポートと連通すると同時にピストン溝にガスの流動を発生させることにより掃気通路への空気の充填効率を向上することのできる空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンを提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明によれば、
シリンダ壁に開口し且つピストンによって開閉される空気ポートと、
前記シリンダ壁に開口し且つ前記ピストンによって開閉される掃気ポートを有する掃気通路であって、クランク室に連通する掃気通路と、
前記ピストンの周面に形成され、前記空気ポートと前記掃気ポートとを連通させることのできるピストン溝とを有し、
前記ピストン溝が、前記クランク室に通じる圧力伝達透孔を備えていることを特徴とする空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンを提供することにより達成される。

図１は、本発明の第１の概念を説明するための図である。図１を参照して、参照符号２はシリンダ壁を示し、図８に図示のシリンダ壁１００に対応している。図１の参照符号４は空気通路を示し、また、４aは空気ポートを示し、図８に図示の空気通路１０２及び空気ポート１０２aに対応している。図１の参照符号６は掃気通路を示し、また、６aは掃気ポートを示し、図８に図示の掃気通路１０４、掃気ポート１０４aに対応している。図１の参照符号８はピストン溝を示し、図８のピストン溝１０６に対応している。

引き続き図１を参照して、ピストン溝８は、圧力伝達ポートとしての比較的小さな圧力伝達透孔１０を有し、この圧力伝達透孔１０はクランク室と、常時、連通している。図１の(I)から(IV)はピストンが上昇する過程の状態を時系列で示す。図１の(II)は、図１の(I)の位置よりもピストンが上昇した状態を示す。図１の(III)は、図１の(II)の位置よりもピストンが上昇した状態を示す。図１の(IV)は、図１の(III)の位置よりもピストンが上昇した状態を示す。

図１の(I)から(II)にピストンが上昇する過程でクランク室が負圧になると、このクランク室の負圧が圧力伝達透孔１０を通じてピストン溝８に作用する。これにより、ピストン溝８内の圧力は圧力伝達透孔１０を通じてクランク室に抜ける。このことから、ピストン溝８が空気ポート４aと連通すると、ピストン溝８内でガス流動が発生し、そして、空気ポート４aを通じて空気がピストン溝８に入り込む(図１の(III))。そして、ピストン溝８が掃気ポート６aに連通すると同時に、空気通路４からピストン溝８を介して空気が掃気通路６に供給される(図１の(IV))。

本発明によれば、ピストン溝８への空気の充填効率を高めることができると共に、ピストン溝８が掃気ポート６aと連通すると同時に掃気通路６に空気を充填することができる。

掃気ポート６aの機能は、従来の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンの掃気ポートの機能と同じである。掃気行程において、先ず、掃気通路６に蓄えられている空気が掃気ポート６aから燃焼室に吐出され、次いでクランク室の混合気が燃焼室に吐出される。

本発明によれば、ピストン溝が空気ポートと連通すると同時にピストン溝の内部のガスの流動を発生させることができる。そして、これによりピストン溝を通じた掃気通路への空気の充填効率を向上することができる。

作業機用の２サイクル内燃エンジンは、前述したように例えば10,000rpmという高回転で運転される。このようなエンジンに対して、本発明によれば、各サイクル毎に掃気通路に空気を充填する、その確実性を高めることができる。

本発明の他の目的及び本発明の作用効果は、以下の本発明の好ましい実施例の詳しい説明から明らかになろう。

本発明の第１の概念の構成及び作用を説明するための図であり、(I)はピストンが下死点から上昇し始めた状態を示し、(II)は更にピストンが上昇した状態を示し、(III)は更にピストンが上昇してピストン溝が空気ポートと連通した状態を示し、(IV)は更にピストンが上昇して、空気ポートに連通した状態のピストン溝が掃気ポートに連通した状態を示す。 実施例の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンに含まれるピストンの斜視図である。 実施例の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンに含まれるシリンダの構成を説明するための図である。 実施例の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンを、その排気通路の高さレベルで切断した横断面図である。 図２に図示のピストンが備えているピストン溝を正面視した図である。 上下幅が比較的大きいピストン溝を備えたピストンを含む実施例の２サイクルエンジンのピストン上昇過程での状態を説明するための図であり、(I)はピストンが下死点に位置しているときの状態を示し、(II)はピストンが下死点から上昇した状態を示し、(III)は更にピストンが上昇してピストン溝が空気ポートと連通した状態を示し、(IV)は更にピストンが上昇した状態を示し、(V)はピストンが上死点に位置したときの状態を示す。 上下幅が比較的小さいピストン溝を備えたピストンを含む実施例の２サイクルエンジンのピストン上昇過程での状態を説明するための図であり、(I)はピストンが下死点に位置しているときの状態を示し、(II)はピストンが下死点から上昇した状態を示し、(III)は更にピストンが上昇してピストン溝が空気ポートと連通した直後の状態を示し、(IV)は更にピストンが上昇してピストン溝が空気ポートと連通した状態を示し、(V)はピストンが上死点に位置したときの状態を示す。 従来の空気先導型層状掃気式２サイクルエンジンのピストン上昇過程での状態を説明するための図であり、(I)はピストン溝が空気ポートと連通する直前の状態を示し、(II)は、ピストンが上昇して、ピストン溝が空気ポートと連通した状態を示し、(III)は更にピストンが上昇して、空気ポートと連通した状態のピストン溝が掃気ポートと連通した状態を示す。

以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

図２は、実施例の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンに含まれるピストンを示す。図２を参照して、ピストン２０は、その周面にピストン溝２２を有している。ピストン２０はピストンピン孔２４を有し、このピストンピン孔２４に挿入したピストンピン（図示せず）によってコンロッド（図示せず）に連結される。

このピストン２０は図３に図示のシリンダ２６に上下動自在に嵌装される。シリンダ２６は、平面視したときに左右の各々に第１、第２の掃気通路３０、３２を有し、この第１、第２の掃気通路３０、３２はクランク室３４に連通している。シリンダ壁２８には、第１、第２の掃気ポート３０a、３２aが開口している。第１の掃気ポート３０aは第１の掃気通路３０に連通している。第２の掃気ポート３２aは第２の掃気通路３２に連通している。すなわち、実施例のエンジンは掃気４流式のエンジンである。

図中、参照符号３６は排気通路を示す。また、参照符号３８は空気通路を示す。また、参照符号４０は混合気通路を示す。空気通路３８には空気が供給される。混合気通路４０には気化器（図示せず）によって生成された混合気が供給される。参照符号４２は点火プラグを示す。

図４は、実施例の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン５０の横断面図である。図４を参照して、左右に夫々位置する第１掃気ポート３０a及び第２掃気ポート３２aは、排気通路３６とは反対側の方向に指向されている。すなわち、実施例の２サイクルエンジン５０は反転掃気式のエンジンである。

図２に戻って、ピストン溝２２はピストン２０の周方向に延びている。図５はピストン溝２２を正面視した図である。図２、図５を参照して、ピストン溝２２は圧力伝達透孔５２を有する。

圧力伝達透孔５２は、直径0.1mm〜3.0mm、好ましくは直径0.5mm〜2.5mm、最も好ましくは直径1.0mm〜2.0mmであるのがよい。実施例では、圧力伝達透孔５２はピストン溝２２の空気の流れ方向下流端つまり図５の左端（排気ポート側の端）に配置され、また、ピストン溝２２を正面視したときにピストン溝２２の下側に位置決めされている。

圧力伝達透孔５２はピストン溝２２の任意の箇所に配置してもよいが、ピストン溝２２の空気の流れ方向下流側に配置するのが効果的である。図５を参照して、一点鎖線はピストンピン孔２４を通る垂線ＶＬである。具合的には、圧力伝達透孔５２は、ピストンピン孔２４を通過する垂線よりも下流側（図５の左側）に配置するのが、ピストン溝２２内で初動のガス流動を生成する上で効果的である。

すなわち、ピストン溝２２はピストン２０の周方向に延びている。そして、圧力伝達透孔５２は、排気ポート側に位置する第１掃気ポート３０aに隣接した位置に配設されている。

図６、図７は、ピストン上昇の過程でピストン溝２２を通じて掃気通路３０、３２に空気を供給する具体例を説明する。図中、参照符号４４はクランクシャフトを示す。図６に図示のエンジン５０Ａは、ピストン溝２２の容積を拡大するために上方に拡大した構成を有している。図７に図示のエンジン５０Ｂは、ピストン溝２２がピストンピン孔２４の下方に位置している。ピストン溝２２は、その上下幅が図６に図示のピストン溝２２よりも小さい。

ピストン溝２２の上下幅が比較的大きい図６のエンジン５０Ａを説明する。図６の(I)は、下死点に位置するピストン２０を示す。ピストン２０が下死点から上昇するとクランク室３４が負圧になる。このクランク室３４の負圧は、圧力伝達透孔５２を通じてピストン溝２２に作用する（図６の(II)）。ピストン２０が更に上昇してピストン溝２２が空気ポート３８aと連通する。そして、空気通路３８の空気がピストン溝２２に引き込まれる（図６の(III)）。つまり、ピストン溝２２が空気ポート３８aと連通するとピストン溝２２の内部にガスの流動が発生する。この状態は、ピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通するまで継続される（（図６の(IV)））。

上記のピストン溝２２が空気ポート３８aと連通する期間を経てピストン２０が更に上昇すると、空気ポート３８aと連通しているピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通する。これにより、ピストン溝２２に既に充填されている空気が第１、第２掃気通路３０、３２に供給される。また、ピストン溝２２を通じて空気通路３８から第１、第２掃気通路３０、３２に空気が供給される。この空気ポート３８aがピストン溝２２を介して第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通した状態は、ピストン２０が上死点に達するまで継続される（図６の(V)）。

ピストン溝２２の上下幅が比較的小さい図７のエンジン５０Ｂを説明する。図７の(I)は、下死点に位置するピストン２０を示す。ピストン２０が下死点から上昇するとクランク室３４が負圧になる。このクランク室３４の負圧は、圧力伝達透孔５２を通じてピストン溝２２に作用する（図７の(II)）。この状態は、ピストン２０が更に上昇してピストン溝２２が空気ポート３８aと連通するまで継続される（図７の(III)）。

ピストン２０が更に上昇してピストン溝２２が空気ポート３８aと連通すると空気通路３８の空気がピストン溝２２に引き込まれる。つまりピストン溝２２が空気ポート３８aと連通するとピストン溝２２の内部にガスの流動が発生する。この状態は、ピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通するまで継続される（図７の(IV)）。そして、ピストン２０が更に上昇してピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通すると、ピストン溝２２に既に充填されている空気が第１、第２掃気通路３０、３２に供給される。また、空気通路３８の空気がピストン溝２２を通じて第１、第２掃気通路３０、３２に供給される。この空気ポート３８aがピストン溝２２を介して第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通した状態は、ピストン２０が上死点に達するまで継続される（図７の(V)）。

実施例のエンジン５０Ａ（図６）、５０Ｂ（図７）によれば、ピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通する前段階で、クランク室３４の負圧が圧力伝達透孔５２を通じてピストン溝２２に作用する。これにより、ピストン溝２２にガスの流動が生成される。そして、このガス流動は、ピストン溝２２が空気ポート３８aと連通したときに、ピストン溝２２に空気を吸い込む作用を誘発する。これにより、ピストン溝２２が空気ポート３８aと連通すると同時に空気ポート３８aからピストン溝２２に空気が引き込まれる。このピストン溝２２が空気ポート３８aと連通する期間を経た後に、空気ポート３８aと連通しているピストン溝２２が掃気ポート３０a、３２aと連通すると、直ちにピストン溝２２を通じて空気が掃気通路３０、３２に充填される。これにより掃気通路３０、３２に対する空気の充填効率を高めることができる。

換言すれば、実施例のエンジンによれば、空気ポート３８aと連通するピストン溝２２を通じて掃気ポート３０a、３２aに空気を供給する、その初動動作を誘発することができる。これにより、各サイクル毎に掃気通路３０、３２に空気を充填する、その確実性を高めることができる。

このことは、ピストン溝と掃気ポートとが連通するタイミング及びピストン溝と空気ポートとが連通するタイミングの最適化に貢献できることを意味している。これにより、空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンの排気ガスのエミッション特性を改善しつつ出力を高めることができる。

なお、実施例では、典型例として片側に２つの掃気ポート３０a、３２aを備え、各側の２つの掃気ポート３０a、３２aが互いに対称に配置されたエンジンを例に説明したが、本発明はこれに限定されないのは言うまでもない。本発明は例えば次の変形例を包含する。

（１）片側に１つの掃気ポートを備えたエンジン。
（２）各側の単数又は複数の掃気ポートが非対称に配置されたエンジン。
（３）実施例では、片側に複数の掃気ポート３０a、３２aの各々が独立した掃気通路３０、３２を備えているが、これを例えばＹ字状に延びる一つの掃気通路で構成したエンジン。

本発明は空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンに適用することができる。本発明は、刈払機、チェーンソーなどの携帯作業機に搭載される単気筒空冷エンジンに好適に適用される。

２０ ピストン
２２ ピストン溝
２４ ピストンピン孔
ＶＬ ピストンピン孔を通る垂線
２６ シリンダ
２８ シリンダ壁
３０ 第１掃気通路
３０a 第１掃気ポート
３２ 第２掃気通路
３２a 第２掃気ポート
３４ クランク室
３６ 排気通路
３８ 空気通路
３８a 空気ポート
４０ 混合気通路
５０ 空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン
５２ 圧力伝達透孔

２サイクルエンジンは、周知のように「混合気（新気）の吹き抜け」の問題を有している。この問題に対して空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジンが提案され、既に実用化されている（特許文献１）。空気先導型層状掃気式エンジンは、予め掃気通路に空気を充填する。掃気行程では、先ず掃気通路に蓄積されている空気が燃焼室に導入され、次いでクランク室の混合気が掃気通路を通じて燃焼室に導入される。

圧力伝達透孔５２はピストン溝２２の任意の箇所に配置してもよいが、ピストン溝２２の空気の流れ方向下流側に配置するのが効果的である。図５を参照して、一点鎖線はピストンピン孔２４を通る垂線ＶＬである。具合的には、圧力伝達透孔５２は、ピストンピン孔２４を通過する垂線ＶＬよりも下流側（図５の左側）に配置するのが、ピストン溝２２内で初動のガス流動を生成する上で効果的である。

ピストン溝２２の上下幅が比較的大きい図６のエンジン５０Ａを説明する。図６の(I)は、下死点に位置するピストン２０を示す。ピストン２０が下死点から上昇するとクランク室３４が負圧になる。このクランク室３４の負圧は、圧力伝達透孔５２を通じてピストン溝２２に作用する（図６の(II)）。ピストン２０が更に上昇してピストン溝２２が空気ポート３８aと連通する。そして、空気通路３８の空気がピストン溝２２に引き込まれる（図６の(III)）。つまり、ピストン溝２２が空気ポート３８aと連通するとピストン溝２２の内部にガスの流動が発生する。この状態は、ピストン溝２２が第１、第２の掃気ポート３０a、３２aと連通するまで継続される（図６の(IV)）。

Claims (6)

1. シリンダ壁に開口し且つピストンによって開閉される空気ポートと、
   前記シリンダ壁に開口し且つ前記ピストンによって開閉される掃気ポートを有する掃気通路であって、クランク室に連通する掃気通路と、
   前記ピストンの周面に形成され、前記空気ポートと前記掃気ポートとを連通させることのできるピストン溝とを有し、
   前記ピストン溝が、前記クランク室に通じる圧力伝達透孔を備えていることを特徴とする空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。
2. 前記ピストン溝が前記ピストンの周方向に延びており、
   前記圧力伝達透孔が、前記ピストン溝の空気の流れ方向下流側に配置されている、請求項１に記載の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。
3. 前記ピストン溝が前記ピストンの周方向に延びており、
   前記ピストンのピストンピンを通る垂線を挟んで前記空気ポートとは反対側に前記圧力伝達透孔が配置されている、請求項１に記載の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。
4. 前記圧力伝達透孔が、前記ピストン溝の前記ピストンピンを通る前記垂線を挟んで前記空気ポートとは反対側の端部に配置されている、請求項３に記載の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。
5. 前記ピストンが上昇する過程で、前記ピストン溝が前記空気ポートに連通し且つ前記掃気ポートとは連通しない期間がある、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。
6. 前記掃気ポートが、前記エンジンの片側に複数配置され、
   該複数の掃気ポートのうち、前記空気ポートから最も離れた掃気ポートに隣接した位置に前記圧力伝達透孔が配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の空気先導型層状掃気式２サイクル内燃エンジン。

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