JP2843614B2 - ２サイクルディーゼルエンジン - Google Patents

２サイクルディーゼルエンジン

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧縮比を二段階的に切り換えるようにした
２サイクルディーゼルエンジンに関する。
［従来技術］ ２サイクルディーゼルエンジンでは、吸入空気のみを
一次圧縮し、この空気を掃気口を介してシリンダの燃焼
室に導くとともに、この燃焼室内で二次圧縮し、この圧
縮により高温となった燃焼室内に燃料を噴射して自己着
火させている。
そして、この種のディーゼルエンジンにおいて、従
来、例えば「特開昭63−65121号公報」には、始動時か
ら低・中速運転域に亘って圧縮比を高めるとともに、高
速運転域では逆に圧縮比を低く抑え、始動性の改善と出
力の向上を図るための構成が開示されている。
［発明が解決しようとする課題］ ところで、始動時から低・中速運転域において圧縮比
を高めた場合、燃料噴射時における空気の圧縮温度が高
くなるので、着火性が良好となり、着火遅れ期間が短縮
される傾向にある。すると、燃焼速度が急激に早くな
り、燃焼温度も高くなるため、燃焼室内で窒素と酸素と
が反応し合って窒素酸化物（NOx）の排出量が増加する
不具合がある。
また、燃焼温度が高くなることに伴い、ディーゼルエ
ンジン特有のノック音も大きくなるといった弊害が生じ
てくる。
本発明はこのような事情にもとづいてなされたもの
で、圧縮比を高めた運転域でのNOxの排出量を減少させ
ることができ、しかも、ノック音の発生も抑えることが
できる２サイクルディーゼルエンジンの提供を目的とす
る。
［課題を解決するための手段］ そこで、本発明においては、ピストンによって開閉さ
れる排気口を有するシリンダブロックと、このシリンダ
ブロックに連結され、上記ピストン頭部との間で燃焼室
を形成するシリンダヘッドと、このシリンダヘッドに設
けられた燃料噴射弁とを備え、上記シリンダブロック
に、エンジン回転数が低・中速運転域に達した際に上記
排気口のシリンダヘッドに対する開口高さを低くして、
圧縮比を高めるとともに、高速運転域では上記排気口の
開口高さを高くして圧縮比を低くする圧縮比可変手段を
設けた２サイクルディーゼルエンジンにおいて、 上記燃料噴射弁の噴射時期を、中速運転域から低速運
転域に亘って遅角させるとともに、上記圧縮比可変手段
によって圧縮比が高められた際に、上記噴射時期の遅角
量を一時的に増大させる遅角手段を設けたことを特徴と
している。
［作用］ この構成によれば、高圧縮比への移行に際して、燃料
の噴射時期の遅角量を一時的に増大させたので、燃焼室
内での燃焼が緩慢となり、高圧縮比化により着火遅れ期
間が短くなった分を相殺することができる。
このため、燃焼室内での急激な燃焼が抑制されるか
ら、燃焼温度を低く抑えることができ、NOxの排出量を
低減できる。
また、燃焼温度が下がることにより、ノッキングも発
生し難くなり、ノック音を低減することができる。
［実施例］ 以下本発明の一実施例を、第１図ないし第10図にもと
づいて説明する。
第９図および第10図は自動車用の２サイクル３気筒デ
ィーゼルエンジンを示し、図中符合１で示すクランクケ
ース内にはクランク軸２が収容されている。クランクケ
ース１上にはシリンダブロック３およびシリンタダヘッ
ド４が連結されている。シリンダブロック３内には三つ
のシリンダ５がクランク軸２の軸方向に並置されてお
り、各シリンダ５内のピストン６はコンロッド７を介し
てクランク軸２上のクランクピン2aに連結されている。
ピストン６の頭部とシリンダヘッド４との間には、シ
リンダ５毎に燃焼室８が形成されている。そして、この
シリンダヘッド４に各燃焼室８に連なる渦室式の副燃焼
室９と、この副燃焼室９に臨む燃料噴射弁10およびグロ
ープラグ11が取り付けられている。
シリンダブロック３には複数の掃気口12が形成されて
いる。掃気口12の一端はシリンダ５の内面に開口され
て、上記ピストン６にて開閉されるようになっており、
この掃気口12の他端はクランクケース１内のクランク室
13に開口されている。
また、シリンダブロック３には主排気口14と副排気口
15が形成されている。これら排気口14,15の一端はシリ
ンダ３の内面に開口されて、上記ピストン６にて開閉さ
れるようになっており、主排気口14の他端はシリンダブ
ロック３の外方に開口されている。副排気口15の一端は
第２図に示すように、主排気口14よりもシリンダヘッド
４側にずれた高い位置に設けられており、この副排気口
15の他端は主排気口14内に開口されている。
なお、各シリンダ５の主排気口14には排気管21が連結
されている。
シリンダブロック３の副排気口15の中間部に対応する
位置には、第１図にも示すように、この副排気口15と交
差してクランク軸２の軸方向に延びる円形の貫通孔16が
形成されている。そして、この貫通孔16内には、圧縮比
可変手段としての開閉弁17が設けられている。開閉弁17
は円柱状をなすとともに、上記貫通孔16内に軸回り方向
に回動可能に装着されており、これら開閉弁17はジョイ
ント18を介して互いに連結されている。各開閉弁17の副
排気口15に臨む位置には、径方向に沿う連通孔19が形成
されており、この開閉弁17はステッピングモータ20によ
って、上記連通孔19が副排気口15に合致する開き位置
と、連通孔19が副排気口15から外れる閉じ位置に亘って
回動操作される。
また、上記クランクケース１には、各シリンダ５のク
ランク室13に開口する吸気口22が形成されている。吸気
口22はクランク軸２の軸方向に一列に並んでおり、これ
ら吸気口22にはクランク室13に向う空気の流通のみを許
容するリード弁23が設けられている。そして、各シリン
ダ５の吸気口22には吸気マニホールド24が接続されてお
り、この吸気マニホールド24はゴム製の吸気管25を介し
てエアクリーナ26に連なっている。
したがって、ピストン６が圧縮行程に移行してクラン
ク室13が負圧になると、エアクリーナ26から吸入された
空気がクランク室13に吸入され、この空気はクランク室
13で一次圧縮された後に、掃気口12を通じて燃焼室８に
導かれる。
一方、上記シリンダヘッド４の燃料噴射弁10は燃料噴
射管31を介して分配型の燃料噴射ポンプ32に接続されて
いる。この燃料噴射ポンプ32の詳細については第８図に
示されている。
同図中符合33で示すポンプケーシング内には駆動軸34
が導入されており、この駆動軸34は上記クランク軸２に
よって駆動される。駆動軸34はポンプケーシング33内の
ロータリ式フィードポンプ35を回転駆動しており、この
フィードポンプ35は燃料タンク36内の燃料を吸い上げ
て、ポンプケーシング33内の低圧燃料室37に供給するよ
うになっている。
駆動軸34の一端にはカップリング38を介して円盤状の
カムプレート39が連結されている。カムプレート39の一
端面には、エンジンの気筒数に対応した後、つまり三つ
のフェイスカム40が形成されており、このカムプレート
39の一端面に複数のローラ41が接している。ローラ41は
リンク状のローラホルダ42に支持されており、このロー
ラホルダ42はポンプケーシング33に軸回り方向に回転可
能に支持されている。
したがって、駆動軸34が回転されると、カムプレート
39のフェイスカム40がローラ41に順次接触していくの
で、カムプレート39は１回転する間にエンジンの気筒数
の分だけ駆動軸34の軸方向に往復動される。
また、このカムプレート39に対向する位置には、分配
器43が設けられている。分配器43のバレル44内には、プ
ランジャ45が軸方向に摺動可能に装着されており、この
プランジャ45の一端は上記カムプレート39の一端面に連
結されている。このため、プランジャ45も１回転する間
に気筒数に対応して軸方向に往復動される。
プランジャ45の他端とバレル44との間には、ポンプ室
46が形成されている。このポンプ室46はプランジャ45が
バレル44から引き出された際に、このプランジャ45の他
端外周面に形成した吸入溝47を介して上記低圧燃料室37
に連なる吸入通路48に連通し、この連通により低圧燃料
室37内の燃料がポンプ室46に吸入される。
そして、プランジャ45がバレル44内に押し込まれる
と、上記ポンプ室46内に吸入された燃料が加圧されて、
プランジャ45の内部の吐出通路49に送出されるようにな
っており、この吐出通路49はプランジャ45の外周面に開
口する供給口50に連なっている。供給口50はプランジャ
45が１回転する間に、バレル44の内周面の吐出口51に連
通する構成となっており、この吐出口51は上記燃料噴射
管31に連なっている。
吐出通路49の下流側先端は、プランジャ45の外周面に
開口する逃し口52を介して低圧燃料室37に連なってお
り、この逃し口52が開口するプランジャ45の外周面に
は、スピルリング53が軸方向に摺動可能に装着されてい
る。このスピルリング53は燃料噴射管31への燃料の送出
量を制御するためのもので、プランジャ45が圧縮行程に
ある時にスピルリング53が逃し口52を開くと、吐出通路
49内の燃料が逃し口52から低圧燃料室37内に流出し、燃
料噴射弁10への燃料の送出量が減じられるようになって
いる。
スピルリング53は操作レバー54に連結されており、こ
の操作レバー54は枢軸55を介してポンプケーシング33に
枢支されている。そして、操作レバー54はスプリング56
および操作レバー軸57を介して図示しないアクセルペダ
ルに連動されている。このため、アクセルペダルを踏み
込むことにより、操作レバー54を回動させると、上記ス
ピルリング53が軸方向に移動して逃し口52を開閉し、燃
料噴射弁10への燃料の送出量を加減するようになってい
る。
なお、第９図中符合58はエンジン回転数に応じて操作
レバー54を回動させる遠心ガバナである。
上記ポンプケーシング33の下部には、燃料噴射時期を
制御するためのタイマ60が組み込まれている。タイマ60
は第１図にも示すように、上記ローラホルダ42の下方に
位置するピストン61を備えている。ピストン61は駆動軸
34と直交する方向に移動可能に設けられており、このピ
ストン61の一端側には、上記フィードポンプ35の吐出側
に連なる圧力室62が設けられている。そして、ピストン
61の外周にはタイマピン63が突設されており、このタイ
マピン63の先端は上記ローラホルダ42に連結されてい
る。
このため、エンジン回転数の上昇に伴って、フイード
ポンプ35から吐出される燃料の圧力が増大すると、この
圧力を受けてピストン61が移動し、タイマピン63を介し
てローラホルダ42を駆動軸34の回転方向と逆方向に回動
させる。この回動により、ローラ41とフェイスカム40と
の位相角が小さくなり、クランク角度に対してプランジ
ャ45の揚程時期が早くなる、つまり、燃料噴射時期が第
４図中破線で示すように進角するようになっている。
ところで、上記タイマ60には、上記ローラホルダ42を
駆動軸34の回転方向に回動させる、つまり燃料噴射時期
を遅角させる方向に操作する遅角制御手段が設けられて
いる。
本実施例の遅角制御手段はリニア形の電磁ソレノイド
65であり、その励磁コイル66の内側に上記ピストン61か
ら延びるプランジャ部67が導入されている。そして、こ
の励磁コイル66が励磁されると、ピストン61がリターン
スプリング68に抗して電磁ソレノイド65から離間する方
向に移動されるようになっており、この電磁ソレノイド
65の制御は、上記開閉弁17を駆動するステッピングモー
タ20の制御と共にマイクロコンピュータ70により行われ
る。
このマイクロコンピュータ70は、第３図中符合Ａで示
すように、エンジン回転数がアイドリング時を含めた比
較的低い回転領域にある時、つまり、エンジンが低・中
速運転域にある状態において、上記開閉弁17を閉じ位置
に操作する信号をステッピングモータ20に送出し、かつ
また、燃料噴射時期を遅角させる信号を電磁ソレノイド
65に送出するようになっている。
なお、上記第３図は全負荷運転時のエンジン回転数に
対するトルクの移り変りを示す性能特性図である。
ここで、上記マイクロコンピュータ70の動作につい
て、第７図に示すフローチャートを加えて説明する。
すなわち、エンジン運転中、マイクロコンピュータ70
にはエンジンの運転状況を示す三つのデータS1〜S3、つ
まりエンジン回転数、スピルリング53の移動量（アクセ
ル開度）に対応する燃料噴射量および冷却水温が入力さ
れる。そして、マイクロコンピュータ70では、これらデ
ータS1〜S3に基いて、まずエンジンが燃料噴射量を遅角
させる状態にあるか否かを判断する。
この判断に際して、上記マイクロコンピュータ70に
は、上記エンジン回転数、燃料噴射量および冷却水温を
基準として、その時のエンジン運転状態に最適な燃料噴
射時期の遅角量を導くマップが予め記憶されており、こ
のマップから上記検出された実際のデータS1〜S3に基い
て、燃料噴射時期を検索する。この検索によって、エン
ジンが燃料噴射時期を遅角させる運転状態にあると判断
されると、その運転状態に最適な燃料噴射時期が決定さ
れる。そして、この噴射時期を示すデータは、上記電磁
ソレノイド65の励磁コイル66に励磁信号として出力さ
れ、この出力により電磁ソレノイド65が作動される。
すると、タイマ60のピストン61がローラホルダ42を駆
動軸34の回転方向に回動させるので、ローラ41とフェイ
スカム40との位相角が大きくなり、クランク角度に対し
てプランジャ45の揚程時期が遅くなる、つまり燃料噴射
時期が第４図に示すように、一定進角から徐々に遅角さ
れる。
一方、エンジン運転中、マイクロコンピュータ70は上
記データS1〜S3に基いてエンジンが圧縮比を高める運転
領域Ａにあるか否かについても判断する。
すなわち、マイクロコンピュータ70には上記データS1
〜S3を基準として、その時のエンジン運転状態に最適な
開閉弁17の開度を導くマップが予め記憶されており、こ
のマップ上から開閉弁17の開度を検索する。
この検索により、エンジンが圧縮比を高める運転領域
Ａにあるとの判断がなされると、その運転領域Ａに最適
な開閉弁17の開度が決定される。そして、この開閉弁17
の開度を示すデータは、上記ステッピングモータ20に制
御信号として出力され、この出力によりステッピングモ
ータ20が開閉弁17を閉じる方向に動作される。
すると、開閉弁17の連通孔19が副排気口15から外れ、
この開閉弁17が閉じ位置に回動されるので、ピストン６
が圧縮行程に至った場合、このピストン６の頂面が主排
気口14の開口上縁に一致した時から圧縮が開始されるこ
とになる。このため、副排気口15が開いている場合に比
べて、ピストン６の圧縮タイミング、ひいては圧縮スト
ロークS1が長くなり、圧縮比が高められる。
なお、本実施例の場合、ステッピングモータ20は開閉
弁17を開き位置から閉じ位置に向けて低速で回動させる
ようになっており、上記副排気口15の閉じ操作はある一
定の時間を以て緩慢に行われる。
また、上記マイクロコンピュータ70は、エンジンが圧
縮比を高める運転領域Ａにあると判断すると、電磁ソレ
ノイド65の励磁コイル66に励磁信号を送出し、タイマ60
のピストン61をさらに一時的に移動させる。この移動に
より、ローラ41とフェイスカム40との位相角がより大き
くなるので、燃料噴射時期の遅角量が増大し、第４図に
示すようにエンジン負荷を一定とした場合に、エンジン
回転数に対する遅角割合を示す直線の傾きが大きくな
る。
この場合、励磁コイル66への励磁信号の送出は、上記
ステッピングモータ20の動きに連動して行われるので、
上記遅角量の増大は一定の時間を以て緩やかに行われ
る。そして、この遅角量の増大は開閉弁17が閉じ位置に
まで回動された際、つまり副排気口15が完全に閉じられ
た際に終了する設定となっている。このため、圧縮比が
高められた運転領域Ａでは、燃料噴射時期の遅角割合
が、上記遅角量を一時的に増大させる以前と等しくなっ
ており、本実施例の場合、一定回転数以下では一定遅角
に固定される。
また、第５図はエンジン回転数を一定とした場合、つ
まり第３図中線X1上でのエンジン負荷に対する燃料噴射
時期の遅角量を示したもので、この第５図から、燃料噴
射時期の遅角量がエンジン回転数を変化させた場合（第
４図参照）に比べて少なくなっていることが分かる。
なお、第３図ないし第５図中符合Ｂは、エンジン回転
数を一定とした時の燃料噴射時期および圧縮比が切り換
る地点を示している。
エンジンが高速運転に移行し、マイクロコンピュータ
70が第３図中符合Ａで示す運転領域を外れたことを検出
すると、このマイクロコンピュータ70はステッピングモ
ータ20に開閉弁17を開き位置に向って回動させる信号を
送出する。
すると、この開閉弁17が副排気口15を開くので、ピス
トン６が圧縮行程に至った場合、このピストン６の頂面
が副排気口15の開口上縁に一致した時から圧縮が開始さ
れることになる。このため、副排気口15が閉じている場
合に比べて、ピストン６の圧縮タイミング、ひいては圧
縮ストロークS2が短くなり、圧縮比が低くなる。
そして、この低圧縮比化と合わせて、上記マイクロコ
ンピュータ70は、その時のエンジン運転状態に最適な燃
料噴射時期をマップ上から検索し、燃料噴射時期を進角
させる。
なお、第６図は圧縮比を高めた場合と低くした場合に
おいて、夫々燃料噴射時期を遅角させた時のNOxに対す
るHCとCOの排出特性を示している。この第６図から分か
るように、図中符合ａで示す直線を圧縮比が変わる境界
とした場合、単に圧縮比だけを高めると、図中破線で示
すようにCOやHCの排出量は低下するが、NOxの排出量は
増える傾向にある。
これに対し、高圧縮比化と共に燃料噴射時期を遅角さ
せると、図中実線で示すようにNOxの排出量は減少する
が、遅角量が増大するに連れてCOやHCは増大する傾向を
示す。
したがって、高圧縮比領域で燃料噴射時期を遅角させ
るに当っては、この遅角量は第６図中符合Ｒで示す領域
内、つまり、圧縮比が切り換わる時とCOやHCの排出量が
ほとんど変わらず、しかもNOxの排出量のみが大幅に低
下する領域内に設定することが望ましい。
このような本発明の一実施例によれば、始動時から低
・中速運転域に亘って圧縮比を高めるに当り、燃料噴射
時期の遅角量を一時的に増大させるようにしたので、着
火遅れ期間が長くなって、燃料室８内での燃焼が緩慢と
なる。このため、高圧縮比によって着火遅れ期間が短く
なった分を相殺することができ、燃焼室８内での急激な
燃焼を抑制することができる。
したがって、第６図からも明らかなように、NOxの排
出量を効率良く減らすことができる。
しかも、燃焼が緩慢となれば、燃焼温度も低くなるか
ら、その分、ディーセルエンジン特有のノック音を抑え
ることができる。このため、エンジン音を低くすること
ができ、静粛な運転が可能となる。
なお、上記実施例では、圧縮比が高められた際に、燃
料噴射時期の遅角量の増大を一定の時間を以て緩やかに
行うようにしたが、例えば開閉弁の開閉動作が急激に行
われる場合には、第11図に示すように、上記開閉動作に
連動して遅角量を急激に増大させ、エンジン回転数に対
する遅角割合を示す直線の傾きを垂直としても良い。
また、上記実施例では、副排気口を開閉することで圧
縮比を変えるようにしたが、本発明はこれに限らず、例
えば副排気口を省略するとともに、主排気口の開口上縁
部に、この開口上縁部に進退可能に進出する弁を設け、
この弁によって主排気口の開口高さを変えるようにして
も良い。
さらに、本発明に係る２サイクルディーゼルエンジン
は、クランク室を空気の一次圧縮室とするものに限ら
ず、吸気口に連なる吸気通路に空気圧縮用の掃気ポンプ
を設けたものでも同様に実施可能であるとともに、燃料
噴射ポンプも分配型に限らず、列型を用いても良い。
［発明の効果］ 以上詳述した本発明によれば、着火遅れ期間が長くな
って燃焼室内での燃焼が緩慢となるから、高圧縮比化に
よって着火遅れ期間が短くなった分を相殺することがで
きる。このため、燃焼室内での急激な燃焼を抑制するこ
とができ、NOxの排出量を効率良く減らすことができ
る。
しかも、燃焼が緩慢となることから、燃焼温度も低く
抑えることができ、その分、ディーセルエンジン特有の
ノック音を抑えて、静粛な運転が可能となるといった利
点がある。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第10図は本発明の一実施例を示し、第１図
はエンジン側の開閉弁と燃料噴射ポンプ側のタイマの制
御系を示す断面図、第２図は２サイクルディーゼルエン
ジンの断面図、第３図は圧縮比を高める運転領域を示す
特性図、第４図はエンジン回転数に対する燃料噴射時期
の遅角量を示す特性図、第５図はエンジン負荷に対する
燃料噴射時期の遅角量を示す特性図、第６図は燃料噴射
時期を遅角させた場合のNOx、COおよびHCの排出特性を
示す特性図、第７図はマイクロコンピュータの処理内容
を示すフローチャート、第８図は燃料噴射ポンプの断面
図、第９図は２サイクルディーゼルエンジの正面図、第
10図は２サイクルディーゼルエンジンの平面図、第11図
は本発明の他の実施例におけるエンジン回転数に対する
燃料噴射時期の遅角量を示す特性図である。 ３……シリンダブロック、４……シリンダヘッド、６…
…ピストン、８……燃焼室、10……燃料噴射弁、14,15
……排気口（主排気口、副排気口）、17……圧縮比可変
手段（開閉弁）、65……遅角手段（電磁ソレノイド）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−169818（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−159642（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32256（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−111636（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−107928（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02B 25/20 F02D 15/00 - 15/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ピストンによって開閉される排気口を有す
    るシリンダブロックと、 このシリンダブロックに連結され、上記ピストン頭部と
    の間で燃焼室を形成するシリンダヘッドと、 このシリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁とを備え、 上記シリンダブロックに、エンジン回転数が低・中速運
    転域に達した際に上記排気口のシリンダヘッドに対する
    開口高さを低くして、圧縮比を高めるとともに、高速運
    転域では上記排気口の開口高さを高くして圧縮比を低く
    する圧縮比可変手段を設けた２サイクルディーゼルエン
    ジンにおいて、 上記燃料噴射弁の噴射時期を、中速運転域から低速運転
    域に亘って遅角させるとともに、上記圧縮比可変手段に
    よって圧縮比が高められた際に、上記噴射時期の遅角量
    を一時的に増大させる遅角手段を設けたことを特徴とす
    る２サイクルディーゼルエンジン。
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