JP2759364B2 - サイクル可変エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンジンの回転数及び負荷の変化に応じて２
サイクル運転と４サイクル運転とを切換えるサイクル可
変エンジンに関し、特に、２サイクル運転時の吸気をタ
ーボチャージャにより過給するサイクル可変エンジンに
関する。

（従来の技術） 通常のピストン往復式エンジンはピストンの１往復、
すなわちクランク軸１回転にて吸入、圧縮、爆発、排気
の行程を行なう２サイクルエンジンと、ピストンの２往
復、すなわちクランク軸２回転の間に前記の４行程を行
なう４サイクルエンジンとに大別される。

そして、２サイクルエンジンではシリンダスリーブの
下方に吸気ポート（吸気口）を配置し、ピストンの下降
時に圧送された空気により、吸入と排気とを同時に平行
して行い、クランク軸の１回転毎に爆発が行われるた
め、出力軸の回転変動が少なく、高トルクを発生するこ
とができる。

一方、４サイクルエンジンでは、吸入と排気とがそれ
ぞれ独立した行程にて行われるので、充分にガス交換さ
れるため２サイクルエンジンに比して、特にエンジン回
転速度が高速時における燃料消費率が少ないという利点
がある。

そこで、エンジンの回転数と負荷との状態に応じて、
エンジンの作動サイクルを２サイクルと４サイクルとの
間で可変することのできるサイクル可変エンジンが提案
されている。このようなサイクル可変エンジンの一例と
しては、シリンダスリーブの外周面に吸気ポートを開閉
するスリーブ弁を設け、該スリーブ弁をリンク等の機構
を介して電磁ソレノイドにより駆動し、該吸気ポートを
必要に応じ開閉するサイクル可変エンジンが、本願出願
人により既に特願平1-112507号として出願されている。

ところで、２サイクル作動時には、排気ガスを吸気に
より掃気しなければならないため、排気圧力より吸気圧
力の方が常に高圧力でなければならない。よって、サイ
クル可変エンジンにおいても吸気圧縮手段を設けなけれ
ばならないが、ピストンの往復運動によりクランクケー
スに吸入した吸気を圧縮する装置は、エンジンの潤滑が
困難であり、特に燃料にアルコールを使用した場合には
潤滑を殆どなしえないという問題がある。

また、ルーツブロアによる吸気圧縮装置はエンジンの
出力軸により該圧縮装置を駆動するためエンジンの実効
出力が低下し、更に、圧縮装置自体が大型化するため、
外形寸法及び重量がエンジン全体に大きな割合を占める
という問題がある。

そこで、これら問題を解決する圧縮装置として、ター
ボチャージャが挙げられる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、ターボチャージャにおいても、低回転
時には排気ガスの排出量が減少し、有効に吸気を過給で
きないという問題がある。

そこで、該ターボチャージャの回転軸に回転電機を接
続し、該回転電機を電動機作動させ、過給動作を付勢す
ることが考えられるが、低回転時には発電機による発電
電流が小であるためバッテリ容量が膨大なものになると
いう問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、アイドリング等の低回転時において
も、バッテリを大型化することなく、ターボチャージャ
の回転軸に接続した回転電機を電動機作動させ、有効に
過給することのできるサイクル可変エンジンを提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、シリンダ頭部に設けられた吸気口
と、シリンダ下部に設けられた吸気ポートの開閉により
エンジンの作動サイクルを４サイクル及び２サイクルの
いずれかに切換えるサイクル可変エンジンにおいて、該
エンジンのフライホイルに連結された該フライホイルの
回転力により発電する発電手段と、上記エンジンの排気
により駆動され吸気を過給するターボチャージャと、該
ターボチャージャの回転軸に設けられた回転電機と、上
記排気圧力を検知する排気圧センサと、過給圧を検知す
る過給圧センサと、上記２サイクル作動時でありかつ排
気圧より過給圧が低圧時に上記発電手段からの発電電力
を上記回転電機に供給し上記ターボチャージャの過給作
動を付勢する制御手段とを有することを特徴とするサイ
クル可変エンジンが提供される。

（作用） 本発明では、低速回転時においても外周部の周速が大
であるフライホイルに連結された発電機により、エンジ
ンが低速回転時においても充分に発電し、該発電機から
の発電電力をターボチャージャの回転軸に連結された回
転電機に供給し、該回転電機を電動機作動させ、吸気の
過給動作を付勢する。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す全体構成図であ
る。

第２図は、第１図のII-II線矢視断面図であり、シリ
ンダスリーブの下方に設けられたスリーブ弁の構造を示
すものである。

第３図は、フライホイル周辺部の一部破断による詳細
図である。

これらの図面において、エンジンのシリンダの内壁に
はシリンダスリーブ11が設けられ、ピストン２の下死点
位置におけるピストンヘッド21の上部近傍に対応するシ
リンダスリーブ11の周壁には複数個の吸気ポート12が穿
設されている。

そして、これらの吸気ポート12は吸気管13からの吸気
が、シリンダ１の内部に旋回して吸入されるように傾斜
して開口されている。

該吸気路13には、後述するターボチャージャ７により
過給された吸気の過給圧を検出する過給圧センサ13が配
設されている。

また、ピストン２は図示しないクランクシャフトを介
してフライホイル22を回転駆動する。該フライホイル22
の外周部には所定の間隔で、かつ極性が交互になるよう
に可動永久磁石が周設されている。そして該フライホイ
ル22の外周に周設された複数個の可動永久磁石９と対向
する位置に固定子23が配設されている。該固定子23は磁
性体と該磁性体に捲設された誘導コイルとから構成され
ており、フライホイル22が回転すると、固定子23の磁性
体を通過する磁束が変化し、よって誘導コイルに電力が
誘導される。つまり、フライホイル22と固定子23とは発
電機を構成する。

３はスリーブ弁であり、上述の吸気ポート12の開口部
分を覆って、シリンダスリーブ11の外周に嵌合し、外周
方向に回動するように帯状に形成されたものである。

そして、複数個の吸気ポート12に対応する開口31が穿
設されるとともに、該スリーブ弁３をシリンダスリーブ
11外周の円周方向に所定角度回動すると、隣接する互い
の開口31との間の部分が吸気ポート12を塞ぎ、吸気ポー
ト12の通気を遮断するように形成されている。

尚、32は永久磁石であり、スリーブ弁３の所定の２位
置に設けられている。

41及び42はスリーブ弁の回動手段となる固定電磁石で
あり、２個の永久磁石32に各々対向している。

但し、第２図に示すように、固定電磁石42が励磁さ
れ、固定電磁石42と永久磁石32の一方とが対向している
場合には吸気ポート12と開口31とが一致しており、かつ
固定電磁石41と永久磁石32の他方とは完全に対向してい
ない。

逆に、固定電磁石41が励磁され、固定電磁石41と永久
磁石32の他方とが完全に対向する場合には、吸気ポート
12はスリーブ弁３によって閉鎖され、かつ固定電磁石42
と一方の永久磁石32とは対向しなくなる。

５は吸気バルブであり、シリンダ１の上方に設けら
れ、吸気路14からの吸気をエンジンの作動に応じてシリ
ンダ１に導くものである。尚、吸気バルブ５の開閉駆動
は上部に配置された電磁バルブアクチュエータ51により
制御される。

６はシリンダ１の上方に設けられた排気バルブであ
り、エンジンの排気過程における排気ガスを排気路15に
導くものである。該排気バルブ６の開閉駆動は上部に配
置された電磁バルブアクチュエータに61により制御され
る。

そして、該排気路15には排気ガスの圧力を検出する排
気圧センサ27が配設されている。尚、上記電磁バルブア
クチュエータ51及び電磁バルブアクチュエータ61はそれ
ぞれ、吸気バルブ５及び排気バルブ６に連結している可
動磁極と、エンジン側に固定された固定電磁石とを備
え、該可動磁極と固定電磁石との間に作用する電磁力に
より吸、排気バルブを駆動するものである。そして、該
固定電磁石への制御指令は後述するコントローラ８から
発令される。

７はターボチャージャであり、内部には第５図に示す
ようにタービン7a、回転電機70、コンプレッサ7bとを同
軸7c上に備えている。排気路15から排出される排気ガス
エネルギーにより駆動されるタービン7aのトルクにてコ
ンプレッサ7cが駆動され、２サイクルエンジンとして稼
働する際には吸気路13を、４サイクルエンジンとして稼
働する際には吸気路14を介してシリンダ１に過給気を圧
送する。

コントローラ８はマイクロコンピュータからなり、演
算処理を行う中央制御装置、演算処理手順や制御手順な
どを格納する各種メモリ、入／出力ポートなどを備えて
おり、上記過給圧センサ16及び排気圧センサ17の他、ク
ランク軸の回転数を計測してエンジンの回転数を検出す
る回転センサ、エンジンへの燃料供給量を検出してエン
ジン負荷を検知する負荷センサ、クランク角度を検出し
てピストン位置を検知する位置センサからの信号が入力
されると所定の演算処理が行われ、格納されている制御
手順に基づき、固定電磁石41及び固定電磁石42、電磁バ
ルブアクチュエータ51及び電磁バルブアクチュエータ6
1、ターボチャージャの回転電機70などに制御指令が発
せられるよう構成されている。

次に、このように構成された本実施例の作動を説明す
る。

回転センサにより検知されるエンジン回転数が所定回
転数以下であり、かつ負荷センサにより検知されるエン
ジン負荷が所定負荷以上である場合には、コントローラ
８はエンジンの作動サイクルとして２サイクルを選択す
る。

すると、電磁バルブアクチュエータ51への信号出力を
中止し吸気バルブ５の作動を停止させると共に、電磁バ
ルブアクチュエータ61への制御信号を２サイクルモー
ド、すなわちエンジンの１回転毎に開閉するモードに切
換える。

そして、固定電磁石42を励磁し吸気ポート12を開状態
とする。

２サイクル作動時は低速運転でも排気ガスの排気量が
大であるためターボチャージャ７を駆動することができ
るが、ごく失速状態では充分にターボチャージャ７を駆
動することができない。

該状態では、排気圧センサ17により検出される排気圧
より過給圧センサ16により検出される過給圧の方が低圧
力になる。すると、シリンダ１内を掃気することができ
なくなるため、固定子23からの発電電力をターボチャー
ジャ７の回転電機70に供給し、該回転電機70を電動機作
動させ、過給動作を付勢し過給圧を上昇させる。

ところで、フライホイル22は大径であるため低速回転
時においても外周部の周速が大であり固定子23から充分
な発電電力を取出すことができる。

そして、エンジンの回転数が上昇し、排気路15からの
排気ガスエネルギがターボチャージャ７を稼動するのに
充分な量まで増加すると、コントローラ８は回転電機70
への電力供給を停止する。このとき、固定子23からの発
電電力をバッテリ80に充電してもよく、また固定子23を
無負荷状態にし、フライホイル22への制動力を低減させ
てもよい。

更に、エンジンの回転速度が上昇し、排気ガスエネル
ギが過給に要するエネルギ量を越えると、コントローラ
８は回転電機70に負荷を接続し、発電機として作動させ
ることのより排気ガスエネルギの余剰分を電気エネルギ
に変換する。該変換された電気エネルギはバッテリ50に
充電される。

ところで、フライホイル22による発電は、上記可動永
久磁石９と固定子23による構成の他、第４図に示す構成
でもよい。

第４図は、他の発電装置を示す構成図である。

24は回転式の発電機でありフライホイル22の外周とベ
ルト25を介して連結されており、該フライホイル22の回
転力により駆動される発電電力をコントローラ８へ供給
するものである。尚、本図はベルト25を介して連結する
構成を示しているが、フライホイル22の外周に歯車を設
け、発電機24を直接噛合させてもよい。

以上、本発明を上述の実施例によって詳細に説明した
が、本発明の主旨の範囲内で種々の変形が可能であり、
これらの変形を本発明の範囲から排除するものではな
い。

（発明の効果） 本発明によれば、フライホイルと連結された発電機に
より、エンジンが低速回転時においても充分に発電し、
該発電機からの発電電力をターボチャージャの回転軸に
連結された回転電機に供給し、該回転電機を電動機作動
させ、吸気の過給動作を付勢するので、２サイクル作動
時においても極低速運転が可能なサイクル可変エンジン
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図
は、II-II線矢視断面図、第３図は、フライホイル周辺
部の一部破断による詳細図、第４図は、他の発電装置を
示す構成図、第５図はターボチャージャの詳細断面図で
ある。 １……シリンダ、２……ピストン、３……スリーブ弁、
７……ターボチャージャ、８……コントローラ、９……
可動永久磁石、11……シリンダスリーブ、12……吸気ポ
ート、13・14……吸気路、16……過給圧センサ、17……
排気圧センサ、23……固定子、70……回転電機。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの回転数と負荷との状態に応じて
   シリンダ頭部に設けられた吸気口と、シリンダ下部に設
   けられた吸気ポートの開閉によりエンジンの作動サイク
   ルを４サイクル及び２サイクルのいずれかに切換えるサ
   イクル可変エンジンにおいて、該エンジンのフライホイ
   ルに連結され該フライホイルの回転力により発電する発
   電手段と、上記エンジンの排気により駆動され吸気を過
   給するターボチャージャと、該ターボチャージャの回転
   軸に設けられた回転電機と、上記排気圧力を検知する排
   気圧センサと、過給圧を検知する過給圧センサと、上記
   ２サイクル作動時でありかつ排気圧より過給圧が低圧時
   に上記発電手段からの発電電力を上記回転電機に供給し
   上記ターボチャージャの過給作動を付勢する制御手段と
   を有することを特徴とするサイクル可変エンジン。
2. 【請求項２】上記発電手段は、上記フライホイルの外周
   部に周設された可動永久磁石と、該可動永久磁石と対向
   し誘導コイルを有する固定子とからなることを特徴とす
   る請求項（１）記載のサイクル可変エンジン。
3. 【請求項３】上記発電手段は、上記フライホイル外周部
   に連結された発電機からなることを特徴とする請求項
   （１）記載のサイクル可変エンジン。
4. 【請求項４】前記吸気弁は４サイクル時に開閉され前記
   吸気ポートは２サイクル時に開口されることを特徴とす
   る請求項（１）記載のサイクル可変エンジン。