JP3123190B2 - ターボチャージャを持つ２ストロークエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンジンの排気エネ
ルギーによって駆動されるターボチャージャを持つ２ス
トロークエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンの作動については、爆
発行程（即ち、膨張行程）、排気行程、吸入行程及び圧
縮行程の作動を順次繰り返して行うものであり、２スト
ロークエンジンと４ストロークエンジンの２つの方式が
ある。２ストロークエンジンは、シリンダヘッド或いは
シリンダ下部に排気ポートを形成し、シリンダ下部に掃
気ポートを設け、ピストンの２ストロークで１サイクル
が終了するものであり、クランクシャフト１回転で１回
の動力を得ることができる。従来、排気エネルギーで駆
動されるターボチャージャとエネルギー回収装置を持つ
エンジンは、排気ポートに連結した排気マニホルド等の
排気管の下流にターボチャージャ、エネルギー回収装置
が連結され、エンジンで発生する排気エネルギーをター
ボチャージャ、エネルギー回収装置で回収し、コンプレ
ッサを駆動したり、或いは発電・電動機で電気エネルギ
ーとして回収している。

【０００３】また、エンジンの排気エネルギー回収装置
としては、特開昭５９−２０５２６号公報に開示された
ものがある。該エンジンの排気エネルギー回収装置は、
内部で発生する熱の放熱を抑制し、排気ガスのエネルギ
ーを回収するものであり、エンジンの排気マニホルドの
先端に順次配設した複数の排気タービンのタービン軸に
直流発電機の回転軸をそれぞれ直結するとともに、エン
ジンの回転軸に直流モータの回転軸を結合し、直流発電
機から発生する電気エネルギーを直流モータに与えてこ
れを駆動し、直流モータの出力をエンジンの出力軸に帰
還させたものである。

【０００４】また、特開平３−５０３６３号公報には、
２ストローク断熱エンジンが開示されている。該２スト
ローク断熱エンジンは、ヘッド下面部とライナ上部とを
断熱構造に構成し、ヘッド下面部に形成した排気ポート
に排気バルブを配置し、ライナ上部とライナ下部との境
界部に断熱ガスケットを配置し、ライナ下部に多数に吸
気口を形成し、該吸気口をライナ下部外周に形成した吸
気ポートに開口したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、２ストロー
クエンジンにおいて、ターボチャージャを設けた場合
に、排気圧力を掃気圧力より高圧にすることは、２スト
ロークの原理から不可能なことである。ところが、排気
行程直前の筒内圧力は数ｋｇ／ｃｍ² 以上あり、該高圧
の筒内圧力を利用すれば、排気タービンによって排気エ
ネルギーを有効に回収することは可能である。しかしな
がら、現実には、排気タービンの上流側の圧力まで一度
膨張し、その圧力が大気圧まで膨張する。その圧力差分
のみが排気タービンで回収できるのみである。また、排
気タービンの上流側の圧力を高くし、その回収分を増大
させることを考えた場合に、２ストロークエンジンで
は、掃気圧を排気タービンの上流側の圧力以上に上昇さ
せる必要があり、それに要するエネルギーが増大し、ト
ータルのエネルギー回収効率は向上しないものである。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、シリンダブロックに構成したシリ
ンダの下部に掃気ポートと排気ポートとを形成した２ス
トロークエンジンにおいて、シリンダ下部に形成した排
気ポートを第１排気通路と第２排気通路に分流して連通
し、第１排気通路をターボチャージャの上流側に、また
第２排気通路をターボチャージャの下流側に連通し、排
気ポートと第１排気通路又は第２排気通路との連通をロ
ータリバルブ等の切換バルブで切り換え、且つ排気ポー
トから第１排気通路及び第２排気通路までの通路長さを
可及的に短縮して、筒内圧力が掃気圧より高圧である排
気ガスのみを第１排気通路を通じてターボチャージャに
送り込み、排気エネルギーを極力有効に回収すると共
に、排気ポートから下流の排気系統のレイアウト性を向
上させたターボチャージャを持つ２ストロークエンジン
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、シリンダブロックに形成されるシリンダの
下部に形成した掃気ポートと排気ポートを有するターボ
チャージャを持つ２ストロークエンジンにおいて、前記
排気ポートに連通し且つ前記ターボチャージャの上流側
に連通する第１排気通路、前記排気ポートに連通し且つ
前記ターボチャージャの下流側に連通する第２排気通
路、及び前記排気ポートを前記第１排気通路又は前記第
２排気通路のいずれかに連通するように切り換えられる
切換バルブを有し、前記切換バルブは前記排気ポートの
出口直後に配設されていることを特徴とするターボチャ
ージャを持つ２ストロークエンジンに関する。

【０００８】また、このターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンにおいて、前記切換バルブは、エンジン
の回転に同期して作動され、排気行程前半で前記排気ポ
ートと前記第１排気通路とを連通し、且つ排気行程後半
で前記排気ポートと前記第２排気通路とを連通するよう
に作動するものである。

【０００９】

【作用】この発明によるターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンは、上記のように構成されており、次の
ように作用する。即ち、このターボチャージャを持つ２
ストロークエンジンは、シリンダ下部に排気ポートを形
成し、該排気ポートを第１排気通路によってターボチャ
ージャの上流側に連通し、前記排気ポートを第２排気通
路によって前記ターボチャージャの下流側に連通し、更
に、前記排気ポートを前記第１排気通路又は前記第２排
気通路のいずれかに連通するように切り換えられる切換
バルブを前記排気ポートの出口直後に配設しているの
で、掃気圧より高圧の排気ガスのみが前記ターボチャー
ジャの上流側へ送り込まれる。また、排気ポートから前
記第１排気通路及び前記第２排気通路に至る通路長さが
事実上、切換バルブ内部の通路長さ分に短縮化され、切
換バルブが可及的にシリンダに近接配置されるので、エ
ネルギーロスが低減され、切換バルブ及び排気通路のレ
イアウト性が向上する。

【００１０】即ち、ピストン下死点近傍で前記排気ポー
トが開口することで、前記第１排気通路を通じて筒内の
排気ガスはターボチャージャのタービン上流側に排気さ
れ、排気圧が大きくても前記排気ポートからはエンジン
のブローダウンの高圧ガスが短時間に流出するので、タ
ーボチャージャのタービンを駆動でき、コンプレッサを
駆動すると共に、前記ターボチャージャに発電・電動機
を設けた場合には該発電・電動機で電気エネルギーとし
て回収することができ、排気ガスが有するエネルギーを
有効に回収できる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明によるター
ボチャージャを持つ２ストロークエンジンの一実施例を
説明する。図１はこの発明によるターボチャージャを持
つ２ストロークエンジンの一実施例を示す概略断面図、
図２は図１の２ストロークエンジンにおける開閉バルブ
が第２排気通路が開放した状態を示す概略断面図、図３
は図１のエンジンに設けたターボチャージャを示す説明
図、及び図４は図１のエンジンに設けたエネルギー回収
タービンを示す説明図、及び図５はこのターボチャージ
ャを持つ２ストロークエンジンの作動の一例を示す線図
である。

【００１２】図示するように、このターボチャージャを
持つ２ストロークエンジンは、エンジンの排気エネルギ
ーによって駆動されるターボチャージャ５及びエネルギ
ー回収装置６を有している。この２ストロークエンジン
は、シリンダブロック２、該シリンダブロック２に固定
したシリンダヘッド１、シリンダブロック２に形成した
シリンダ１０、該シリンダ１０内を往復運動するピスト
ン７、及び該ピストン７の往復運動を回転運動に変換す
るコンロッドとクランクシャフトを有している。図１で
は、シリンダブロック２に形成されるシリンダ１０につ
いては概略が示されている。シリンダヘッド１には燃料
噴射ノズル９が配置されている。

【００１３】このターボチャージャを持つ２ストローク
エンジンは、特に、シリンダ１０の下部で且つピストン
下死点近傍で開口する排気ポート４及び掃気ポート１２
を形成している。また、排気ポート４を第１排気通路で
ある排気通路８を通じてターボチャージャ５の上流側即
ちタービン２０のタービンスクロール１４に連結してい
る。更に、排気ポート４を第２排気通路である排気通路
１１を通じてターボチャージャ５の下流側でエネルギー
回収装置６の上流側即ち発電タービン２５のタービンス
クロール１７に連結している。ターボチャージャ５にお
けるタービン２０の出口は排気管即ち排気通路１６を通
じてエネルギー回収装置６のタービンスクロール１７に
連結されている。場合によっては、排気通路１１はエネ
ルギー回収装置６の下流側の排気通路１８に連通しても
よいことは勿論である。

【００１４】更に、このターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンにおいて、排気ポート４の出口直後には
ロータリバルブである切換バルブ３が設けられており、
切換バルブ３の回転作動（図では左回り）によって排気
ポート４を排気通路８又は排気通路１１のいずれかに連
通するように切り換えられる。特に、切換バルブ３は、
エンジンの回転に同期して作動されるものであり、図１
に示すように、排気行程前半で排気ポート４を排気通路
８に連通し、また、図２に示すように、下死点ＢＤＣ付
近即ち排気行程後半で排気ポート４を排気通路１１に連
通する。即ち、排気ポート４は、排気行程において筒内
圧力が所定以上の高圧時には排気通路８に連通し、ま
た、筒内圧力が所定以下の低圧時には排気通路１１に連
通される。従って、ピストン７がシリンダ１０内を下降
してピストン下死点近傍になると、排気ポート４が開口
し、筒内の燃焼ガスは切換バルブ３の回動位置によって
排気ポート４から排気通路８又は排気通路１１に送り込
まれる。

【００１５】切換バルブ３は、エンジン回転に同期して
同一回転数で作動するように構成できる。或いは、コン
トローラでエンジン作動状態に応答して制御するように
構成することも可能である。また、ターボチャージャ５
のコンプレッサ１９で加圧された空気は、吸気通路２４
を通じて、例えば、インタクーラ等を通って吸気マニホ
ルドに送り込まれ、該吸気マニホルドから掃気ポート１
２、次いで筒内へと送り込まれる。

【００１６】また、この２ストロークエンジンに組み込
まれたターボチャージャ５は、図３に示すように、ター
ビン２０、該タービン２０に固定したシャフト２３に連
結したコンプレッサ１９及びシャフト２３上に設けた発
電・電動機２１を有している。タービン２０の入口側の
タービンスクロール１４は、排気管即ち排気通路８に連
通している。タービン２０の出口側の排気通路１６は、
図４に示すエネルギー回収装置６の発電タービン２５の
入口側のタービンスクロール１７に連通している。ま
た、発電タービン２５の出口側の排気通路１８は、例え
ば、排気ガス浄化装置等を通じて大気開放している。エ
ネルギー回収装置６は、発電タービン２５に固定したシ
ャフト２２に対して発電機２７が設けられ、該発電機２
７で排気エネルギーが回収されるように構成されてい
る。

【００１７】上記のように構成されている２ストローク
エンジンの作動タイミングを図５を参照して説明する。
図５はこのターボチャージャを持つ２ストロークエンジ
ンの作動の一実施例を説明するタイミング線図である。
図５において、ピストン７がシリンダ１０内を往復運動
する時のピストン７の変位を符号Ｐで示し、上死点をＴ
ＤＣで示し且つ下死点をＢＤＣで示す。更に、図５にお
いて、この２ストロークエンジンにおける排気ポート４
の開放可能期間を符号Ａ、掃気ポート１２の開放期間を
符号Ｂ、切換バルブ３の排気通路８側の開放期間を符号
Ｃ、切換バルブ３の排気通路１１側の開放期間を符号
Ｄ、及び排気ポート４が開放可能期間であるが、切換バ
ルブ３によって閉鎖される閉鎖期間を符号Ｅで示す。従
って、切換バルブ３が閉鎖することによって排気ポート
４は閉鎖状態になり、排気ポート４の開放期間が短縮さ
れる。

【００１８】この２ストロークエンジンにおいて、圧縮
行程でピストン７が上死点ＴＤＣの近くになり、筒内空
気は圧縮されて高温高圧になると、燃料噴射ノズル９か
ら燃料が筒内に噴射され、圧縮空気と混合して燃焼し、
燃焼行程になってピストン７は下降する。ピストン７の
ピストン頂面１５が排気ポート４の上側部分１３とラッ
プを始めると即ち排気ポート４が筒内に開口し始め、排
気行程が始まると、切換バルブ３は図１に示す位置にな
って排気行程初期で排気通路８を開放し、筒内の高温高
圧の燃焼ガスは、排気ポート４及び切換バルブ３を通じ
て排気通路８へと排気され、次いでターボチャージャ５
のタービン２０へ送り込まれる。この場合に、排気通路
８内の圧力は、ターボチャージャ５とエネルギー回収装
置６が設けられているため、高圧の排気圧を有している
が、該排気圧よりも筒内圧力が高圧になっているため、
短時間に筒内の大部分の燃焼ガスはターボチャージャ５
へと流出する。

【００１９】更にピストン７が下降し、ピストン頂面１
５が掃気ポート１２の上側部分２６とラップを始めるタ
イミング即ち掃気ポート１２が筒内に開口し始めるタイ
ミングで、切換バルブ３は回転しているため、図２に示
す位置になって切換バルブ３が排気通路８を閉鎖し、排
気ポート４を排気通路１１に連通するようになる。排気
ポート４が排気通路１１に連通すると、筒内の燃焼ガス
は排気通路１１を通じて排気されると共に、掃気ポート
１２を通じて筒内に新気が導入され、該新気で排気ガス
を押し出すような状態で筒内の残留ガスは排気通路１１
から排気される。排気通路１１から排出された排気ガス
は、ターボチャージャ５の下流側の排気通路１１或いは
エネルギー回収装置６の下流側の排気通路１８に排気さ
れる。更にピストン７が上昇するに従って掃気ポート１
２は閉鎖し、この時、切換バルブ３が排気ポート４を閉
鎖する。勿論、切換バルブ３の排気ポート４の閉鎖タイ
ミングを掃気ポート１２の閉鎖前又は閉鎖後にコントロ
ールすることもできる。

【００２０】このターボチャージャを持つ２ストローク
エンジンにおいて、切換バルブ３の作動で排気通路８の
開放、排気通路１１の開放、及び掃気ポート１２の開放
するタイミングにおける各部分の圧力を見ると、排気通
路８の圧力が最も大きく、掃気ポート１２の圧力が続
き、排気通路１１の圧力が小さくなっている。従って、
排気ポート４に切換バルブ３が設けられていないと、排
気通路８内の圧力によって排気ガスが筒内に逆流する現
象が発生するが、この時、排気ポート４は切換バルブ３
で閉鎖されるので、排気ガスの筒内への逆流現象は発生
しない。また、排気通路１１内の圧力は、掃気ポート１
２内の圧力より低圧であり、掃気・吸気行程が良好に行
われる。引き続き、ピストン７は再び上昇し、排気通路
１１及び掃気ポート１２による掃気・吸気行程が終了
し、圧縮行程に移行する。この掃気・吸気行程と圧縮行
程では、切換バルブ３は閉鎖した状態である。

【００２１】従って、このターボチャージャを持つ２ス
トロークエンジンは、ピストン下死点近傍で切換バルブ
３が開放して排気ポート４が排気通路８内に連通するこ
とで、該排気ポート４を通じて筒内の燃焼ガスは、ター
ボチャージャ５のタービン２０の上流側に排気され、該
排気ガスはタービン２０を駆動した後に、タービン２０
の出口から排気通路１６を通ってエネルギー回収装置６
の発電タービン２５に送り込まれ、該排気ガスは発電タ
ービン２５を駆動した後に外部へ排気される。従って、
排気ポート４を通じて筒内の排気ガスはターボチャージ
ャ５のタービン２０上流側に排気され、排気圧が大きく
ても排気ポート４からはエンジンのブローダウンの高圧
ガスが短時間に流出するので、ターボチャージャ５のタ
ービン２０を駆動でき、コンプレッサ１９を駆動すると
共に、ターボチャージャ５に設けた発電・電動機２１に
よって電気エネルギーとして回収することができる。ま
た、排気ポート４から排気通路８，１１に至る通路長さ
が事実上、切換バルブ３の内部の通路長さ相当分に短縮
化されると共に、切換バルブ３が可及的にシリンダ１０
に近づけて配置されるので、排気ポート４からターボチ
ャージャ５に至る通路が長くなることに起因したエネル
ギーロスが低減され、切換バルブ３及び排気通路８，１
１を含む排気系統のレイアウト性を向上することができ
る。

【００２２】更に、排気通路１１をエネルギー回収装置
６の上流側に連通すれば、排気ポート４から排気される
残りの排気ガスが有する排気エネルギーはエネルギー回
収装置６によって回収される。

【００２３】

【発明の効果】この発明によるターボチャージャを持つ
２ストロークエンジンは、上記のように構成されてお
り、次のような効果を有する。即ち、このターボチャー
ジャを持つ２ストロークエンジンは、シリンダ下部に形
成した排気ポートに連通した第１排気通路を前記ターボ
チャージャの上流側に連通すると共に、前記排気ポート
に連通した第２排気通路を前記ターボチャージャの下流
側に連通し、前記排気ポートを前記第１排気通路又は前
記第２排気通路のいずれかに連通するように切り換えら
れる切換バルブを前記排気ポートの出口直後に配設した
ので、排気行程初期における高圧の排気ガスを前記切換
バルブ及び前記第１排気通路を通じて前記ターボチャー
ジャへ送り込み、該ターボチャージャで排気エネルギー
を有効に回収できる。この際、排気ポートの出口から第
１及び第２排気通路に至る通路長さは、事実上、切換バ
ルブ内部の通路長さ相当分でしかないので、エネルギー
ロスを可及的に少なくすることができる。また、切換バ
ルブを排気ポートの出口直後に配設したので、切換バル
ブを排気ポートから離れて配置する場合よりも、レイア
ウト性が向上し、エンジンの排気系統をコンパクトに構
成することができる。

【００２４】即ち、排気行程初期において、前記排気ポ
ートの出口から直ちに、開放状態にある前記切換バルブ
を通じて筒内の排気ガスは前記第１排気通路を通じて前
記ターボチャージャのタービン上流側に排気でき、排圧
が大きくても前記排気ポートからはエンジンのブローダ
ウンの高圧ガスが短時間に流出するので、前記タービン
を駆動でき、コンプレッサを駆動すると共に、前記ター
ボチャージャに発電・電動機を設けた場合には該発電・
電動機で電気エネルギーとして回収できる。

【００２５】更に、前記ターボチャージャの下流にエネ
ルギー回収装置を設けておけば、前記ターボチャージャ
を駆動した後、該排気ガスは前記エネルギー回収装置に
送り込まれ、前記エネルギー回収装置の発電タービンを
駆動して排気エネルギーを回収できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるターボチャージャを持つ２スト
ロークエンジンの一実施例を示し且つ切換バルブと高圧
側排気通路とが連通状態を示す概略断面図である。

【図２】図１の２ストロークエンジンにおいて、切換バ
ルブと低圧側排気通路とが連通状態を示す概略断面図で
ある。

【図３】図１の２ストロークエンジンに組み込まれた発
電・電動機を持つターボチャージャの一例を示す概略説
明図である。

【図４】図１の２ストロークエンジンに組み込まれたエ
ネルギー回収装置の一例を示す概略説明図である。

【図５】このターボチャージャを持つ２ストロークエン
ジンの作動の一例を示すタイミング線図である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ シリンダブロック ３ 切換バルブ ４ 排気ポート ５ ターボチャージャ ６ エネルギー回収装置 ７ ピストン ８ 排気通路（第１排気通路） １０ シリンダ １１ 排気通路（第２排気通路） １２ 掃気ポート １５ ピストン頂面

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダブロックに形成されるシリンダ
   の下部に形成した掃気ポートと排気ポートを有するター
   ボチャージャを持つ２ストロークエンジンにおいて、前
   記排気ポートに連通し且つ前記ターボチャージャの上流
   側に連通する第１排気通路、前記排気ポートに連通し且
   つ前記ターボチャージャの下流側に連通する第２排気通
   路、及び前記排気ポートを前記第１排気通路又は前記第
   ２排気通路のいずれかに連通するように切り換えられる
   切換バルブを有し、前記切換バルブは前記排気ポートの
   出口直後に配設されていることを特徴とするターボチャ
   ージャを持つ２ストロークエンジン。
2. 【請求項２】 前記切換バルブは、エンジンの回転に同
   期して作動され、排気行程前半で前記排気ポートと前記
   第１排気通路とを連通し、且つ排気行程後半で前記排気
   ポートと前記第２排気通路とを連通することを特徴とす
   る請求項１に記載のターボチャージャを持つ２ストロー
   クエンジン。