JP2020063700A - 層状掃気エンジン用マフラ - Google Patents

Abstract

【課題】よりコンパクトで且つＴＨＣ排出濃度を抑えることができる層状掃気エンジン用のマフラを提供すること。【解決手段】層状掃気エンジン用マフラは、層状掃気エンジンの排気流路に接続され、隔壁によって排気流路側に区画される１次室を備え、１次室に流入した排気ガスが隔壁に装着した触媒を通過することで浄化されるマフラであって、１次室の容積（Ｖ１）とエンジン排気量（Ｖｅ）との比（Ｖ１／Ｖｅ）を、４〜６に設定した。【選択図】図１

Description

本発明は、層状掃気エンジン用のマフラに関するものである。

一般に、刈払機、チェーンソー、パワーブロワーなどのポータブル作業機には、単気筒の２サイクルエンジンが搭載されている。通常の２サイクルエンジンは、ピストンが上死点へ移動するときにクランクケース内のクランク室が負圧になることを利用して、クランク室に混合気を吸い込ませ、ピストンが下死点方向に移動するときにクランク室で圧縮された混合気が掃気ポート開口時にクランク室から燃焼室に導入され、燃焼ガスを押し出しながら燃焼室内に混合気が充填される。この掃気行程では、掃気ポートと排気ポートが開いている状態がオーバラップしているため、燃焼ガスとともに混合気が吹き抜けてしまい、これが排気に含まれるＴＨＣ（全炭化水素）濃度上昇の原因になっている。

層状掃気エンジンは、混合気が排気ポートへ吹き抜けてしまうという２サイクルエンジンの課題を解決するために提案されたものであり、排気行程の初期に掃気ポートから空気を早めに燃焼室内に供給して掃気を行い、この掃気用空気よりも若干遅らせてクランク室内の混合気を掃気ポートから燃焼室内に供給することで、燃焼ガスと共に排出される混合気の量を低減させ、ＴＨＣの排出を少なくしている（例えば、下記特許文献１参照）。層状掃気エンジンとしては各種の機構が提案されているが、ここでは、混合気が燃焼室内に供給されるのに先立って燃焼室に空気を供給して燃焼ガスの掃気を行うことで、未燃焼混合気の吹き抜けを抑止した２サイクルエンジンを総称して層状掃気エンジンと呼ぶことにする。

特開２０１５−２１８７１７号公報

層状掃気エンジンは、前述した開発経緯から明らかなように、一般の２サイクルエンジンに比べてＴＨＣ排出濃度は低くなる。しかしながら、燃焼室に空気を送り込むための機構が追加されることで、エンジンサイズは一般の２サイクルエンジンより大きくなってしまう。

また昨今、排気ガス中のＴＨＣ濃度は、未燃混合気の排出による燃料の浪費という観点よりも排気ガスによる環境汚染の問題が重要視されており、更なるローエミッション化が求められている。これに対しては、触媒搭載マフラの装着が効果的であるが、その場合には、マフラを含めたエンジンサイズが更に大型化することになり、コンパクトで且つＴＨＣ排出濃度を抑えることができる層状掃気エンジン用のマフラが求められている。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであり、コンパクトで且つＴＨＣ排出濃度を抑えることができる層状掃気エンジン用のマフラを提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
層状掃気エンジンの排気流路に接続され、隔壁によって前記排気流路側に区画される１次室を備え、前記１次室に流入した排気ガスが前記隔壁に装着した触媒を通過することで浄化されるマフラであって、前記１次室の容積（Ｖ１）とエンジン排気量（Ｖｅ）との比（Ｖ１／Ｖｅ）を、４〜６に設定したことを特徴とする層状掃気エンジン用マフラ。

本発明は、マフラの１次室容積を調整することで触媒の浄化率を高めることができることを見出して発明の完成に至ったものであり、マフラの１次室の容積（Ｖ１）とエンジン排気量（Ｖｅ）との比（Ｖ１／Ｖｅ）を４〜６に設定することで、任意に設定されるマフラ容積や触媒容積に対してＴＨＣ排出濃度を効率的に抑えることができる。

本発明の実施形態に係る層状掃気エンジン用マフラとそれが装着された層状掃気エンジンを示した概略図である。 層状掃気エンジン用マフラにおける１次室容積／排気量比とＴＨＣ浄化率の関係を示したグラフである。 層状掃気エンジン用マフラにおける１次室容積／排気量比と触媒前温度の関係を示したグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、層状掃気エンジン用マフラ（以下、マフラ）１は、層状掃気エンジンＥの排気流路Ｅ１に接続されており、排気口１０Ａを有するマフラ本体１０を備えている。マフラ本体１０の内部空間は、隔壁１１によって２つの空間に区画されており、隔壁１１によって区画される排気流路Ｅ１側の空間が１次室１２であり、隔壁１１によって区画される排気口１０Ａ側の空間が２次室１３になっている。

隔壁１１には、触媒１４が装着されており、触媒１４を介して１次室１２と２次室１３が連通している。これによって、マフラ１は、排気流路Ｅ１からマフラ本体１０の１次室１２に流入した排気ガスが、触媒１４を通過することで浄化され、２次室１３を経て排気口１０Ａから放出されることになる。

層状掃気エンジンＥの排気流路Ｅ１からマフラ１に流入する排気ガスの成分は、燃焼室内の燃焼ガスと、掃気用の空気と、空気の後に燃焼室に送られる混合気の吹き抜け分であると言えるが、このような排気ガスのＴＨＣ排出濃度を低下させるためには、１次室１２内で十分に排気ガスの成分を均一化した後に触媒１４を通すことが好ましいと考えられる。しかしながら、１次室１２の容積を単純に大きくすることは、マフラ１の大型化を招くだけで無く、ＴＨＣ排出濃度の低下にとっても好ましくないことが実験で明らかになった。

図２は、触媒１４の容積を１８０００ｍｍ³以下（具体的には、１０３８７ｍｍ³と１７１０６ｍｍ³）にして、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を変えた場合のＴＨＣ浄化率（％）を実験的に求めてグラフ化したものである。実験では、エンジン排気量（シリンダ径×ピストンストローク）は一定（５０．８ｃｃ）にして、１次室１２の容積を変えたマフラを用いて、排気ガス中のＴＨＣ濃度を触媒１４の通過前と通過後のそれぞれで測定し、ＴＨＣ浄化率（％）を｛（通過前濃度−通過後濃度）／通過前濃度｝×１００の計算式で求めている。

図２から明らかなように、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）が４〜６となる領域が、ＴＨＣ浄化率（％）を高める上での最適領域であることが分かる。

一般的な考えでは、マフラ１の１次室１２の容積を大きくした方が、排気ガスの成分が均一化して触媒１４による浄化率を高めることができると考えられるが、実際上は、１次室１２の容積を増加させることで、触媒１４の浄化機能を低下させる要因が生じることが明らかになった。その要因の一つは、触媒通過前の排気ガスの温度である。

図３は、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を変えた場合の触媒通過前の排気ガス温度を示している。図３から明らかなように、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を大きくすると、触媒通過前の排気ガスの温度は低下する。一般に、触媒１４の浄化機能は、排気ガス温度が高い方が良好であるから、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を大きくする場合に、排気ガスの温度が低下することで、触媒１４によるＴＨＣ浄化率（％）の上昇が頭打ちになる。

上記の実験結果を踏まえると、層状掃気エンジン用のマフラ１は、排気ガスの成分を均一化することができ且つ排気ガスの温度が過剰に低下しない範囲に、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を設定することで、ＴＨＣ浄化率を効果的に高めることができる。

この知見で、１次室１２の容積（Ｖ１）と層状掃気エンジンＥのエンジン排気量（Ｖｅ）の比（Ｖ１／Ｖｅ）を４〜６に設定したマフラ１は、マフラ１の大きさを適度にコンパクト化することができると共に、ＴＨＣ浄化率を効果的に高めることができるので、触媒を備えるマフラを設計する際に、コンパクトで且つＴＨＣ排出濃度を抑えることができる層状掃気エンジン用のマフラを得ることができる。

１：層状掃気エンジン用マフラ（マフラ），
１０：マフラ本体，１０Ａ：排気口，
１１：隔壁，１２：１次室，１３：２次室，１４：触媒，
Ｅ：層状掃気エンジン，Ｅ１：排気流路

Claims (2)

1. 層状掃気エンジンの排気流路に接続され、隔壁によって前記排気流路側に区画される１次室を備え、前記１次室に流入した排気ガスが前記隔壁に装着した触媒を通過することで浄化されるマフラであって、
   前記１次室の容積（Ｖ１）とエンジン排気量（Ｖｅ）との比（Ｖ１／Ｖｅ）を、４〜６に設定したことを特徴とする層状掃気エンジン用マフラ。
2. 前記触媒の容積が１８０００ｍｍ³以下であることを特徴とする請求項１記載の層状掃気エンジン用マフラ。

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