JP2018115608A - 予混合圧縮自着火２ストロークエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油への水の混入を回避しつつ、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることが可能なエンジンを提供する。【解決手段】予混合圧縮自着火２ストロークエンジンは、燃焼室２９の頂部に連通する排気ポート３１と、排気ポート３１を開閉する排気弁３２と、クランク室２Ａ及び掃気ポート５５の少なくとも一方に燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダ壁に形成された貫通孔７１に装着され、に設けられ、燃焼室２９に水を噴射する水噴射弁７２とを備える。水噴射弁７２による燃焼室２９への水噴射により、燃焼室温度を低下させることができ、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大できる。また、噴射された水がクランクケース２に付着ないし溜まることが抑制される。【選択図】図１

Description

本発明は、予混合圧縮自着火２ストロークエンジンに関する。

予混合圧縮自着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression Ignition）或いは制御自着火（ＣＡＩ：Controlled Auto Ignition）方式による燃焼は、高エネルギー効率、低ＮＯｘ排出量が可能な内燃機関として多方面で実用化に向けた研究がなされている（例えば、本出願人による特許文献１参照）。

特開２０１５−１２７５０５号公報

ＨＣＣＩ燃料は、圧縮行程における混合気温度によって着火のタイミングが決まる。そのため、燃焼の制御が難しく、燃焼を制御可能な運転範囲が通常の火花点火（ＳＩ：Spark Ignition）燃焼に比べて狭くなるという課題がある。

ところで、吸気に水を含ませることで、水の気化潜熱による冷却効果によって吸入空気量の増加が望める上、ノッキングに対するタフネス向上効果があることが知られている。そこで、吸気に燃料と共に水を混合させることで吸気を冷却し、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることが考えられる。

しかしながら、燃料及び水を含む吸気をクランク室で混合すると、クランクケースに付着した水が潤滑油と混ざるため好ましくない。

本発明は、このような背景に鑑み、潤滑油への水の混入を回避しつつ、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることが可能なエンジンを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る予混合圧縮自着火２ストロークエンジン（Ｅ）は、シリンダ（２２）を画成するシリンダ壁（１９、３、４）と、前記シリンダに往復動可能に設けられ、前記シリンダ内に燃焼室（２９）を画成するピストン（２３）と、前記シリンダの下端に連通するクランク室（２Ａ）を画成するクランクケース（２）と、前記クランク室に連通する吸気通路（２Ｇ）と、前記吸気通路を開閉する一方向弁（５４）と、前記クランク室と前記シリンダの側部とに連通し、前記ピストンによって前記シリンダとの連通及び遮断が切り替えられる掃気ポート（５５）と、前記燃焼室の頂部に連通する排気ポート（３１）と、前記排気ポートを開閉する排気弁（３２）と、前記クランク室及び前記掃気ポートの少なくとも一方に燃料を噴射する燃料噴射弁（６８）と、前記シリンダ壁に形成された貫通孔（７１）に装着され、前記ピストンの頂面が前記貫通孔よりも下死点側に位置するときに前記燃焼室に水を噴射する水噴射弁（７２）と、を備える。

この構成によれば、水噴射弁が燃焼室に水を噴射することで燃焼室温度を低下させることができる。これにより、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることができる。また、水噴射弁が燃焼室に水を噴射するため、クランクケースに水が付着ないし溜まることが抑制される。

また、上記の構成において、前記貫通孔（７１）は、上死点に位置する前記ピストン（２３）の頂面と下死点に位置する前記ピストン（２３）の頂面との間において前記シリンダ（２２）の側部に連通するように形成され、前記水噴射弁（７２）が前記シリンダの軸線（Ａ）に向いているとよい。

水噴射弁がシリンダ壁の上壁に設けられると、燃焼室の上部に噴射された水が燃焼室の頂部に連通する排気ポートに排出され易く、所望の冷却効果が得られないことがある上、水噴射弁に耐熱性が必要になる。これに対し、この構成では、水噴射弁がシリンダの側部にてシリンダ軸線に向けて燃焼室内の混合気に水を噴射できるため、所望の混合気冷却効果を得ることができる上、必要な耐熱性を低下させることができる。

また、上記の構成において、前記貫通孔（７１）は、頂面を基準とする前記ピストン（２３）のストローク（Ｓ）を３等分したときに中央に位置するストローク（Ｓ２）に対応する位置に形成されているとよい。

この構成によれば、上死点側のストロークに対応する位置に貫通孔が形成される場合に比べ、水噴射弁の受熱量が小さくなり、下死点側のストロークに対応する位置に貫通孔が形成される場合に比べ、燃焼室に水を噴射できる期間が長くなる。これらのことにより、耐熱性能が低く、単位時間当り噴射量が小さな廉価な水噴射弁の採用が可能になる。

また、上記の構成において、前記貫通孔（７１）が、前記シリンダ壁（１９、３）における前記掃気ポート（５５）の前記シリンダ（２２）側の開口（５６）に対向する位置に対して前記シリンダの周方向にオフセットした位置に形成されているとよい。

この構成によれば、水噴射弁から燃焼室に噴射された水が掃気ポートを介してクランク室に浸入することが抑制される。

また、上記の構成において、前記貫通孔（７１）が、前記掃気ポート（５５）の前記シリンダ（２２）側の開口（５６）の上縁よりも前記ピストン（２３）の上死点側に形成され、前記水噴射弁（７２）が、下降行程の前記ピストンが前記貫通孔を通過する第１クランク角（Ａ１（例えば、９０°））から上昇行程の前記ピストンが前記貫通孔に達する第２クランク角（Ａ２（例えば、２７０°））の角度範囲で水を噴射するとよい。

この構成によれば、掃気ポートから燃焼室内への混合気の流入が開始された後に水が噴射されるため、噴射された水が排気ポートに排出され難く、所望の冷却効果が得られる。また、掃気ポートと燃焼室とが互いに連通しているときでも、掃気ポートから混合気が流入しているため、水が掃気ポートを介してクランク室に浸入することが抑制される。

また、上記の構成において、前記水噴射弁（７２）が、上昇行程の前記ピストン（２３）の頂面が前記掃気ポート（５５）を通過する第３クランク角（Ａ３（例えば、２２５°））の後に水を噴射するとよい。

この構成によれば、噴射された水が掃気ポートに浸入することがない上、水が排気ポートから排出されることも抑制される。

以上の構成によれば、潤滑油への水の混入を回避しつつ、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることが可能なエンジンを提供することができる。

実施形態に係るエンジンの縦断面図 図１のII-II断面図 図２のIII-III断面図 １サイクルにおけるクランク角とエンジンの各部との関係を示すグラフ 変形例に係るエンジンの縦断面図

以下、図面を参照して、本発明を単気筒の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン（以下、エンジンＥという）に適用した実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るエンジンＥは、掃気及び排気の流れに曲がりが少ないユニフロー２ストロークエンジンとして構成される。エンジンＥは、軽油やガソリンを燃料とする。

図１及び図２に示されるように、エンジンＥの機関本体１は、内部にクランク室２Ａを画成するクランクケース２と、クランクケース２の上部に接合されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に接合されたシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４の上部に接合され、シリンダヘッド４との間に上部動弁室６を画成するヘッドカバー５とを有する。

クランクケース２は、図２に示されるように、上下に延びる面（シリンダ軸線Ａを通る面）で左右に分割された一対のクランクケース半体によって構成される。左右のクランクケース半体は、ボルトによって互いに締結され、両半体間にクランク室２Ａを形成する。クランクケース２の左右の側壁２Ｂ、２Ｃには、軸受を介してクランクシャフト８が回転可能に支持される。

クランクシャフト８は、クランクケース２の側壁２Ｂ、２Ｃに支持される一対のジャーナル８Ａと、両ジャーナル８Ａ間に設けられた一対のウェブ８Ｂと、両ウェブ８Ｂによってジャーナル８Ａから偏心した位置に支持されたクランクピン８Ｃとを有する。

右の側壁２Ｃの外面側にはエンドプレート１１が締結される。エンドプレート１１は、周縁部において右の側壁２Ｃの外面に締結され、右の側壁２Ｃとの間に下部動弁室１２を形成する。クランクシャフト８の左端部８Ｄは、クランクケース２の左の側壁２Ｂを貫通して左方に延出する。クランクシャフト８の右端部８Ｅは、クランクケース２の右の側壁２Ｃ及びエンドプレート１１を貫通して右方へと延出する。クランクシャフト８の左端部８Ｄが左の側壁２Ｂを貫通する部分、及び右端部８Ｅがエンドプレート１１を貫通する部分には、クランク室２Ａの気密性を確保するためのシール部材がそれぞれ設けられる。

クランクケース２の上部には、上下に延び、上端がクランクケース２の上端面に開口すると共に、下端がクランク室２Ａに向けて開口する断面円形の第１スリーブ受容孔１６が形成されている。

シリンダブロック３は、上下に延在し、下端面においてクランクケース２の上端面に接合される。シリンダブロック３には、上端面から下端面に上下に貫通する第２スリーブ受容孔１８が形成されている。第２スリーブ受容孔１８は、上部が下部に対して段違いに拡径された円形断面の段付き孔であり、上部及び下部の境界部に上方を向く環状の肩面１８Ａを有する。第２スリーブ受容孔１８の下端開口は、シリンダブロック３の第１スリーブ受容孔１６の上端開口と同軸に対向し、互いに連通する。第１スリーブ受容孔１６及び第２スリーブ受容孔１８の下部の内径は等しく、連続した孔を形成する。

第１及び第２スリーブ受容孔１６、１８には、円筒状のシリンダスリーブ１９が圧入される。シリンダスリーブ１９は、外周部に径方向外方に突出する環状の凸部２１を有する。凸部２１が肩面１８Ａに当接することによって、シリンダスリーブ１９の第１及び第２スリーブ受容孔１６、１８に対する位置が定まる。シリンダスリーブ１９の下端は、第１スリーブ受容孔１６の下端開口から下方に突出し、クランク室２Ａの内部において突出端となっている。シリンダスリーブ１９の上端はシリンダブロック３の上端面と面一となる位置に配置され、シリンダブロック３に接合されるシリンダヘッド４の下端面に当接する。これにより、シリンダスリーブ１９は、肩面１８Ａとシリンダヘッド４の下面との間に挟持され、シリンダ軸線Ａ方向において位置が定まる。シリンダスリーブ１９の内孔は、シリンダ２２を形成する。即ち、シリンダブロック３、シリンダスリーブ１９及びシリンダヘッド４は、シリンダ２２を形成するシリンダ壁を構成する。

シリンダ２２には、往復動可能にピストン２３が受容される。ピストン２３は、クランクシャフト８と平行に延びるピストンピン２３Ａを有する。ピストンピン２３Ａには、軸受を介してコンロッド２６の小端部が回動可能に支持される。コンロッド２６の大端部は、軸受を介してクランクピン８Ｃに回動可能に支持される。ピストン２３とクランクシャフト８とがコンロッド２６によって連結されることによって、ピストン２３の往復動がクランクシャフト８の回転運動に変換される。

図１及び図２に示されるように、シリンダヘッド４の下端面におけるシリンダスリーブ１９に対応する位置には、半球状の燃焼室凹部２８が形成されている。シリンダ２２内には、燃焼室凹部２８とピストン２３の頂面との間に燃焼室２９が画成される。

シリンダヘッド４には、点火プラグ３０が燃焼室２９に臨むように設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室凹部２８に開口して燃焼室２９の頂部に連通するように排気ポート３１が形成されると共に、排気ポート３１を開閉するポペット型の排気弁３２が設けられている。排気弁３２は、そのステムエンドが上部動弁室６に配置され、バルブスプリング３３によって閉方向に付勢されている。排気弁３２は、動弁機構３４によって、クランクシャフト８の回転に同期して開閉駆動される。

図２に示されるように、動弁機構３４は、クランクシャフト８の回転に応じて回転するカムシャフト４１と、カムシャフト４１によって進退駆動されるプッシュロッド４２と、プッシュロッド４２によって駆動され、排気弁３２を開方向に押すロッカアーム４３とを有する。カムシャフト４１は、下部動弁室１２にクランクシャフト８と平行に配置されている。カムシャフト４１は、一端がクランクケース２の右の側壁２Ｃに回転可能に支持されると共に、他端がエンドプレート１１に回転可能に支持される。クランクシャフト８は、下部動弁室１２に位置する部分にクランクギヤ４５を有し、カムシャフト４１はクランクギヤ４５に噛み合うカムギヤ４６を有する。クランクギヤ４５とカムギヤ４６のギヤ比は１：１である。カムシャフト４１には、板カムであるカム４７が設けられている。

プッシュロッド４２は、両端が開口した管状のロッドケース５１に進退可能に収容されている。ロッドケース５１は、上下に延在し、下端がクランクケース２の右の側壁２Ｃに接合されて下部動弁室１２に連通すると共に、上端がシリンダブロック３に接合されて上部動弁室６に連通する。プッシュロッド４２は、下端においてカムシャフト４１のカム４７に当接し、カムシャフト４１の回転に応じて進退する。プッシュロッド４２の下端にローラを設け、ローラにおいてカム４７に転接するようにしてもよい。

ロッカアーム４３は、シリンダヘッド４に支持されたロッカシャフト５２に回動可能に支持される。ロッカシャフト５２は、シリンダ軸線Ａ及びクランクシャフト８の軸線と直交する方向に延在する。ロッカアーム４３は、一端にプッシュロッド４２の上端に当接する受け部４３Ａを有し、他端に排気弁３２のステムエンドに当接するスクリュアジャスタ４３Ｂを有する。

以上の構成の動弁機構３４によって、クランクシャフト８が１回転する毎に、所定のタイミングで排気弁３２が１回開かれる。

図１に示されるように、クランクケース２の前側壁２Ｄには、前方に突出した突出部２Ｆが形成されている。突出部２Ｆの内部は、前後に延びる吸気通路２Ｇを形成し、後端においてクランク室２Ａに連通し、前端が開口となっている。吸気通路２Ｇの前端は、突出部２Ｆの前端に締結された蓋３６によって閉塞されている。突出部２Ｆの左側壁部には、突出部２Ｆの外部と内部とを連通する貫通孔である吸気ポート５３が形成されている。吸気ポート５３の外端には、図示しないエアクリーナ等を有する吸気装置が接続される。吸気ポート５３には、吸気ポート５３側からクランク室２Ａ側への流体の流れを許容する一方で、クランク室２Ａ側から吸気ポート５３側への流体の流れを阻止する一方向弁としてのリード弁５４が設けられている。リード弁５４は、通常は閉弁しており、ピストン２３の上昇によってクランク室２Ａ内の圧力が低下すると開弁する。

クランクケース２及びシリンダスリーブ１９には、クランク室２Ａとシリンダスリーブ１９の内部（シリンダ２２の側部）とを連通する２つの掃気ポート５５が形成されている。各掃気ポート５５は、シリンダスリーブ１９に形成された複数の掃気口５６と、複数の掃気口５６からクランク室２Ａに延びる通路部５７とを含む。通路部５７は、クランクケース２の上部であって、第１スリーブ受容孔１６の周囲に形成されている。本実施形態では、１つの掃気ポート５５が、２つの掃気口５６と１つの通路部５７とを有する。掃気口５６は、シリンダスリーブ１９の第１スリーブ受容孔１６内に対応する部分に、径方向に貫通するように形成されている。掃気口５６の高さ寸法は、ピストン２３の外周面の高さ寸法よりも小さく設定されている。

掃気口５６（掃気ポート５５）は、ピストン２３の往復動によって開閉される。具体的には、ピストン２３が掃気口５６と対応する位置にあるときには、掃気ポート５５はピストン２３の外周部によって閉じられ、ピストン２３の下縁が掃気口５６の下縁よりも上方（上死点側）にあるときには、掃気ポート５５がシリンダ２２のピストン２３よりも下側部分に連通するように開かれ、ピストン２３の頂面（上縁）が掃気口５６の上縁よりも下方（下死点側）にあるときには、掃気ポート５５がシリンダ２２のピストン２３よりも上側部分（燃焼室２９）に連通するように開かれる。このように、掃気ポート５５は、ピストン２３によってシリンダ２２との連通及び遮断を切り替えられる。

図１〜図３に示されるように、本実施形態では、エンジンＥは２つの掃気ポート５５を有する。２つの掃気ポート５５及び掃気口５６は、シリンダ軸線Ａを中心として、回転対称形をなし、１８０°回転対称位置に配置されている。

各掃気ポート５５の上流側部分５７Ａは、クランク室２Ａに連通する下端からシリンダスリーブ１９の径方向外方をシリンダ軸線Ａと平行に上方に延びる。上流側部分５７Ａの上端は、掃気口５６の上縁よりも上方に配置される。

図３に示されるように、各掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂは、上流側部分５７Ａの上部から掃気口５６に向けてシリンダスリーブ１９の径方向外方を周方向に延在する。下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線Ａに沿った上側から見た場合に、上流側から下流側に向けてシリンダ軸線Ａを中心とした反時計回り方向に延在している。下流側部分５７Ｂの下流端は、２つの掃気口５６と連通している。

図２に示されるように、下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした周方向において上流側から下流側に向けて下方に傾斜するとよい。また、下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした径方向において上流側（径方向外側）から下流側（径方向内側）に向けて下方に傾斜するとよい。下流側部分５７Ｂは、掃気ポート５５からシリンダ２２内に流入するガス流に下向きの速度成分を与えるガイド手段として機能する。

図１に示されるように、シリンダスリーブ１９のクランク室２Ａに突入した下端部の外周部には環状の油路形成部材６０が接合されている。油路形成部材６０の内周面は、シリンダスリーブ１９の外周面と周方向にわたって面接触する。シリンダスリーブ１９の外周面であって、油路形成部材６０の内周面に対向する部分には、周方向に環状に延在する環状溝（符号省略）が形成されている。環状溝は、油路形成部材６０によって覆われ、環状通路を形成する。油路形成部材６０には、径方向に貫通し、環状溝に連通する油入口孔（番号省略）が形成されている。シリンダスリーブ１９には、径方向に貫通し、環状溝に連通する油供給孔（番号省略）が形成されている。油供給孔は、シリンダスリーブ１９の周方向において複数形成されている。

シリンダブロック３には、第１油路６４が形成されている。第１油路６４は、シリンダブロック３の側面に開口する一端と、シリンダブロック３の下端面に開口する他端とを有する。クランクケース２には、掃気ポート５５からシリンダブロック３の下端面であって、第１油路６４が開口する部分に延びる通路６５が形成されている。第１油路６４のシリンダブロック３の下端面における開口端には、第２油路を形成する第２油路管６６の一端が接続されている。第２油路管６６は、通路６５内を延びて掃気ポート５５内に突入し、他端が油路形成部材６０の油入口孔に接続されている。これにより、図示しないオイルポンプによって圧送されたオイルは、第１油路６４、第２油路管６６、油入口孔、環状溝、及び油供給孔を順に通過してシリンダスリーブ１９の内壁に供給される。

図２に示されるように、クランクケース２の左右の側壁２Ｂ、２Ｃの内面には、互いに近接する方向に突出する鍔部６７が設けられている。鍔部６７は、クランクシャフト８と干渉しないように、ピストン２３が上死点に位置するときのウェブ８Ｂの上端よりも上方に配置される。また、一対の鍔部６７は、コンロッド２６と干渉しないように、その先端同士が左右方向において所定の隙間を有するように配置されている。

図１に示されるように、クランクケース２の後側壁２Ｅであって、鍔部６７よりも上方に位置する部分には、燃料噴射弁６８が取り付けられている。燃料噴射弁６８の先端は、シリンダスリーブ１９の下端を向いている。燃料噴射弁６８は、所定のタイミングでクランク室２Ａに燃料を噴射するように制御装置７０によって駆動制御される。

シリンダブロック３の前壁の下部には、シリンダブロック３の前壁及びシリンダスリーブ１９を径方向に貫通する貫通孔７１が形成されている。即ち、貫通孔７１は、上死点に位置するピストン２３の頂面と下死点に位置するピストン２３の頂面との間においてシリンダ２２の側部に連通するように形成されている。貫通孔７１は、掃気口５６の上縁よりもピストン２３の上死点側に形成されている。更に、貫通孔７１は、頂面を基準とするピストン２３のストロークＳを３等分し、上死点側から順に第１、第２、第３ストロークＳ１、Ｓ２、Ｓ３としたときに、中央に位置する第２ストロークＳ２に対応する位置に形成されている。本実施形態では、貫通孔７１は、ピストン２３のストロークＳの中央の近傍に形成されている。貫通孔７１は、図３に併せて示されるように、貫通孔７１は、掃気口５６に対向する位置に対してシリンダ２２の周方向にオフセットした位置に形成されている。

この貫通孔７１には、水噴射弁７２が貫通孔７１を塞ぐように装着されている。水噴射弁７２は、燃料噴射弁６８と同一製品であってよく、先端をシリンダ２２へ突出させないように貫通孔７１に挿入し、且つ先端のノズルをシリンダ軸線Ａに向けて略水平に延在させるようにシリンダブロック３に取り付けられている。水噴射弁７２は、所定のタイミングで燃焼室２９に燃料を噴射するように制御装置７０によって駆動制御される。制御装置７０は、冷却水温や外気温、運転時間等に基づき、水噴射弁７２に水を噴射させることにより、暖機後の圧縮自着火を安定させる。

図４は、１サイクルにおけるクランク角とエンジンＥの各部との関係を示すグラフである。図４には、上段から順に、掃気ポート５５の連通状態、貫通孔７１の開口状態及び水噴射弁７２の駆動状態を（Ａ）〜（Ｃ）に示している。なお、（Ａ）の掃気ポート５５の連通状態における実線は、掃気ポート５５とシリンダ２２のピストン２３よりも上の燃焼室２９との連通状態を示し、想像線は、掃気ポート５５とシリンダ２２のピストン２３よりも下の部分（クランク室２Ａに連通する部分）との連通状態を示している。掃気口５６が所定の高さを有することにより、連通状態が全閉から全開になるまで及び全開から全閉になるまでには所定のクランク角を要する。一方、（Ｂ）の貫通孔７１の開口状態では、シリンダ２２のピストン２３よりも下の部分（以下、単にシリンダ２２と記す。）との連通状態を、「シリンダ」として、「燃焼室」として示すシリンダ２２のピストン２３よりも上の燃焼室２９との連通状態と別に示している。「シリンダ」及び「燃焼室」のラインはそれぞれ全開を意味する。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、クランク角が０°のときには、掃気ポート５５はシリンダ２２に連通し、水噴射はシリンダ２２に開口している。ピストン２３の下降行程においてクランク角が０°から大きくなると、貫通孔７１が掃気口５６の上縁よりも上死点側に形成されていることから、貫通孔７１が先にピストン２３によって閉じられる。その後、ピストン２３が更に下降すると、掃気ポート５５がピストン２３によって閉じられ始める。ピストン２３の頂面が貫通孔７１の下縁を通過する第１クランク角Ａ１（例えば、９０°）において、貫通孔７１は燃焼室２９に全面的に開口する。更にピストン２３が下降し、その頂面が掃気口５６の上縁に一致する第２クランク角Ａ２（例えば、１３５°）になると、掃気ポート５５と燃焼室２９とが互いに連通し、クランク角の増大に応じてその連通面積が拡大する。クランク角が１８０°になる前に、ピストン２３の頂面が掃気口５６の下縁を通過し、掃気口５６は燃焼室２９に全開状態で連通する。

ピストン２３の上昇行程においては、下死点であるクランク角１８０°を中心にして左右対称の連通状態となっており、下降行程と逆の動作を辿る。即ち、最初に燃焼室２９に連通する掃気ポート５５が上昇するピストン２３によって閉じられ始め、ピストン２３の頂面が掃気口５６の上縁に一致する第３クランク角Ａ３（例えば、２２５°）において、掃気ポート５５がピストン２３によって全閉とされる。その後、ピストン２３の頂面が貫通孔７１の下縁に一致する第４クランク角Ａ４（例えば、２７０°）において、貫通孔７１も閉じられ始める。ピストン２３の下縁が掃気口５６の下縁を通過すると、掃気ポート５５はシリンダ２２に連通し、ピストン２３の下縁が貫通孔７１の下縁を通過すると、貫通孔７１がシリンダ２２に開口する。

図４（Ｃ）に示されるように、水噴射弁７２は、暖機後、上昇行程においてピストン２３の頂面が掃気口５６の上縁に一致する第３クランク角Ａ３から、ピストン２３の頂面が貫通孔７１の下縁に一致する第４クランク角Ａ４の間に、燃焼室２９に向けて水を噴射するように制御装置７０によって駆動制御される。燃焼室２９に水が噴射されることにより、燃焼室２９内の混合気は適切なタイミングで自着火する温度へと冷却される。

このように構成されたエンジンＥは、始動後、次のように動作する。図１を参照すると、まず、ピストン２３の上昇行程では、ピストン２３の上昇に伴うクランク室２Ａの膨張によって、クランク室２Ａの圧力が低下する。これにより、リード弁５４が開弁し、新気が吸気ポート５３を介してクランク室２Ａに流入する。クランク室２Ａに流入した新気には、燃料噴射弁６８から燃料が噴射され、混合気が生成される。同時に、シリンダ２２の上部（燃焼室２９）の混合気はピストン２３によって圧縮されて高温になり、ピストン２３が上死点近傍にあるときに自着火する（圧縮自着火）。なお、エンジンＥの始動時には、点火プラグ３０による火花点火によって燃料が燃焼する。

その後、ピストン２３が下降行程に移ると、ピストン２３の下降に伴うクランク室２Ａの収縮によって、クランク室２Ａの圧力が上昇する。これにより、リード弁５４が閉じられ、クランク室２Ａ内の混合気が圧縮される。ピストン２３の下降が進むと、動弁機構３４に駆動された排気弁３２が排気ポート３１を開く。これにより、燃焼室２９内の膨張した排気ガス（既燃焼ガス）がブローダウン流となって排気ポート３１に流れる。続いて、ピストン２３の上端縁が掃気口５６の上縁より下がると（ピストン２３が掃気ポート５５を開くと）、燃焼室２９と掃気ポート５５とが互いに連通する。このとき、燃焼室２９内の既燃焼ガスは排気ポート３１に流れ、燃焼室２９内の圧力は十分に低下し、クランク室２Ａの圧力よりも低くなっている。そのため、掃気ポート５５から燃焼室２９に混合気が流れる。これにより、燃焼室２９内の既燃焼ガスは、燃焼室２９に流入する混合気によって押し出されるように排気ポート３１から排出される。

ピストン２３が再び上昇行程に移ると、最初に掃気ポート５５がピストン２３によって閉じられる。掃気ポート５５がピストン２３によって閉じられると、水噴射弁７２が燃焼室２９に水を噴射する。水の噴射は、ピストン２３が貫通孔７１を閉じ始めるまでに終了し、その後、ピストン２３が更に上昇すると、カム４７によって駆動された排気弁３２が排気ポート３１を閉じ、ピストン２３の上昇に伴って燃焼室２９内の混合気が圧縮される。同時に、クランク室２Ａ内が減圧され、リード弁５４から新気が吸入される。圧縮された混合気は、水噴射によって適切な温度に冷却されているため、ピストン２３が上死点近傍にある所定のタイミングで自着火する。

このようにして、エンジンＥは２サイクル動作を行う。掃気ポート５５からシリンダ２２を経由して排気ポート３１へと流れる掃気及び排気の流れは、曲がりの少ないユニフローとなる。

以下、本実施形態に係るエンジンＥの効果を説明する。エンジンＥは、シリンダ壁に形成された貫通孔７１に装着され、ピストン２３の頂面が貫通孔７１よりも下死点側に位置するときに燃焼室２９に水を噴射する水噴射弁７２を備えている。これにより、水噴射弁７２が燃焼室２９に水を噴射することで燃焼室温度を低下させることができるため、ＨＣＣＩ燃焼が成立する運転領域を拡大させることができる。また、水噴射弁７２が燃焼室２９に水を噴射するため、クランクケース２に水が付着ないし溜まることが抑制される。

本実施形態では、貫通孔７１は、上死点に位置するピストン２３の頂面と下死点に位置するピストン２３の頂面との間においてシリンダ２２の側部に連通するように形成され、図３に示されるように水噴射弁７２がシリンダ軸線Ａに向いている。これにより、水噴射弁７２がシリンダ２２の側部にて燃焼室２９内の混合気に向けて水を噴射することでき、混合気を所望に冷却することができる。また、水噴射弁７２がシリンダヘッド４に設けられる場合に比べ、水噴射弁７２に求められる耐熱性は低い。

なお、他の実施形態では、貫通孔７１がシリンダヘッド４に形成され、水噴射弁７２がシリンダヘッド４の貫通孔７１に装着されてもよい。このような形態であっても、シリンダヘッド４やシリンダブロック３、シリンダスリーブ１９を冷却して燃焼室温度を低下させることができる。

図１に示されるように、貫通孔７１は、頂面を基準とするピストン２３のストロークＳを３等分したときに中央に位置する第２ストロークＳ２に対応する位置に形成されている。そのため、上死点側の第１ストロークＳ１に対応する位置に貫通孔７１が形成される場合に比べ、水噴射弁７２の受熱量が小さくなり、下死点側の第３ストロークＳ３に対応する位置に貫通孔７１が形成される場合に比べ、燃焼室２９に水を噴射できる期間が長くなる。これらのことにより、耐熱性能が低く、単位時間当り噴射量が小さな廉価な水噴射弁７２を採用できる。

図１及び図３に示されるように、貫通孔７１は、シリンダブロック３における掃気口５６に対向する位置に対してシリンダ２２の周方向にオフセットした位置に形成されている。そのため、水噴射弁７２から燃焼室２９に噴射された水が掃気ポート５５を介してクランク室２Ａに浸入することが抑制される。

図４に示されるように、貫通孔７１は、掃気ポート５５のシリンダ２２側の開口である掃気口５６の上縁よりもピストン２３の上死点側に形成され、水噴射弁７２は、下降行程のピストン２３が貫通孔７１を通過する第１クランク角Ａ１（例えば、９０°）から上昇行程のピストン２３が貫通孔７１に達する第２クランク角Ａ２（例えば、２７０°）の角度範囲で水を噴射する。このように、掃気ポート５５から燃焼室２９内への混合気の流入が開始された後に水が噴射されるため、噴射された水が排気ポート３１に排出され難く、所望の冷却効果が得られる。また、掃気ポート５５と燃焼室２９とが互いに連通しているときでも、掃気ポート５５から混合気が流入しているため、水が掃気ポート５５を介してクランク室２Ａに浸入することが抑制される。

本実施形態では特に、水噴射弁７２は、上昇行程のピストン２３の頂面が掃気ポート５５を通過する第３クランク角Ａ３（例えば、２２５°）の後に水を噴射する。そのため、噴射された水が掃気ポート５５に浸入することがない上、水が排気ポート３１から排出されることも抑制される。

以上、本発明を、その好適実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、燃料噴射弁６８は、クランク室２Ａに燃料を噴射するようにクランクケース２の後側壁２Ｅに取り付けられているが、他の部位に取り付けられてもよい。図５は、変形例に係るエンジンＥの縦断面図を示している。燃料噴射弁６８は、図５の例では、クランク室２Ａではなく、掃気ポート５５に燃料を噴射するようにクランクケース２の後側壁２Ｅに取り付けられている。このような構成であっても、掃気ポート５５から燃焼室２９に混合気を流入させ、水噴射弁７２によって燃焼室２９内に水を噴射して混合気或いは燃焼室２９の温度を低下させることができる。

或いは、図示省略するが、燃料噴射弁６８は、吸気通路２Ｇを介してクランク室２Ａに燃料を噴射するように、クランクケース２の突出部２Ｆに取り付けられてもよい。更に、これらの箇所に複数の燃料噴射弁６８が設けられてもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

２ クランクケース
２Ａ クランク室
２Ｇ 吸気通路
３ シリンダブロック（シリンダ壁）
４ シリンダヘッド（シリンダ壁）
１９ シリンダスリーブ（シリンダ壁）
２２ シリンダ
２３ ピストン
２９ 燃焼室
３１ 排気ポート
３２ 排気弁
５４ リード弁（一方向弁）
５５ 掃気ポート
５６ 掃気口（シリンダ側の開口）
６８ 燃料噴射弁
７０ 制御装置
７１ 貫通孔
７２ 水噴射弁
Ａ１ 第１クランク角
Ａ２ 第２クランク角
Ａ３ 第３クランク角
Ａ４ 第４クランク角
Ｅ エンジン（予混合圧縮自着火２ストロークエンジン）

Claims (6)

1. シリンダを画成するシリンダ壁と、
   前記シリンダに往復動可能に設けられ、前記シリンダ内に燃焼室を画成するピストンと、
   前記シリンダの下端に連通するクランク室を画成するクランクケースと、
   前記クランク室に連通する吸気通路と、
   前記吸気通路を開閉する一方向弁と、
   前記クランク室と前記シリンダの側部とに連通し、前記ピストンによって前記シリンダとの連通及び遮断が切り替えられる掃気ポートと、
   前記燃焼室の頂部に連通する排気ポートと、
   前記排気ポートを開閉する排気弁と、
   前記クランク室及び前記掃気ポートの少なくとも一方に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記シリンダ壁に形成された貫通孔に装着され、前記ピストンの頂面が前記貫通孔よりも下死点側に位置するときに前記燃焼室に水を噴射する水噴射弁と、を備えることを特徴とする予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。
2. 前記貫通孔は、上死点に位置する前記ピストンの頂面と下死点に位置する前記ピストンの頂面との間において前記シリンダの側部に連通するように形成され、
   前記水噴射弁が前記シリンダの軸線に向いていることを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。
3. 前記貫通孔は、頂面を基準とする前記ピストンのストロークを３等分したときに中央に位置するストロークに対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。
4. 前記貫通孔が、前記シリンダ壁における前記掃気ポートの前記シリンダ側の開口に対向する位置に対して前記シリンダの周方向にオフセットした位置に形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。
5. 前記貫通孔が、前記掃気ポートの前記シリンダ側の開口の上縁よりも前記ピストンの上死点側に形成され、
   前記水噴射弁が、下降行程の前記ピストンが前記貫通孔を通過する第１クランク角から上昇行程の前記ピストンが前記貫通孔に達する第２クランク角の角度範囲で水を噴射することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。
6. 前記水噴射弁が、上昇行程の前記ピストンの頂面が前記掃気ポートを通過する第３クランク角の後に水を噴射することを特徴とする請求項５に記載の予混合圧縮自着火２ストロークエンジン。

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