JP4389107B2

JP4389107B2 - ピストン式エンジン

Info

Publication number: JP4389107B2
Application number: JP2004255915A
Authority: JP
Inventors: 邦彦奥平
Original assignee: 邦彦奥平
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2006070822A

Description

本発明は、対向ピストン式エンジンのエンジン内で潤滑する潤滑オイルの気化を促す潤滑方法に関する。

一般的にクランク室圧縮方式を採用した２サイクルエンジンは、先ずシリンダ内の下死点から上死点側に上昇行程を行なうピストン裏側のクランク室内で生じた負圧を利用し新気をクランク室に流入させる、次に反転し下降を開始するピストンがクランク室内の容積を減ずることでクランク室内に充満した新気を圧縮しながら同時にピストン表側のシリンダ内は、前サイクルで流入した新気を燃焼させて生じた高温高圧の燃焼ガスがピストンを押し下げる膨張行程が進行し、それはシリンダ内を下降するピストンが最初に開口する排気ポートから燃焼済みガスがシリンダ外に排出して終了する反面、その後もシリンダ内に燃焼済みガスが残留し続けることから尚も下降するピストンが次に圧縮された新気が充満した前記クランク室内と連通した掃気ポートを開口し、それでシリンダ内に流入した新気が一方でシリンダ内に残留した燃焼済みガスを押して排気ポートから排出させる、その掃気作用を利用した２サイクルエンジンは、同排気量の４サイクルエンジンに比べ小型軽量の上に高出力の利点がある。
昭５５−５１９１９号公報特開平７−２２４６２７号公報和歌山利宏著「図説バイクのメカニズム」グランプリ出版、１９９２年、Ｐ８５〜１０７富塚清著「二サイクル期間」養賢堂、１９８５年、Ｐ２２３〜２３２

ところが前記シリンダ内における掃気作用は不完全であり、特に掃気ポートからシリンダ内に流入した未燃焼の燃料と潤滑オイルを含む新気の一部が排気ポートから燃焼済みガスと一緒に排出され易い構造上の欠点は、それら未燃焼の燃料と潤滑オイルを含む排気ガスが大気汚染の要因と指摘される上に無駄な燃料の排出によって熱効率が悪化する課題があった。

そこで近年普及したシリンダ内に直接燃料を噴射する装置を利用し、それがシリンダ内で上昇行程を行なうピストンがシリンダ内に開口した排気ポートを閉口し開始される圧縮行程のタイミングにおいて、その燃焼に必要な燃料を直接シリンダ内に供給した結果、それまでの排気ポートから排気ガスと一緒に吹き抜ける新気に未燃焼の燃料が含まれないことから大気汚染物質の削減と同時に燃料が節約可能となった。

しかし前記シリンダ内に直接燃料を噴射する装置は高価であり、しかもシリンダ内の燃焼で発生した有害物質は削減困難、そこで例えば排気ガスに含まれる有害物質の浄化手段として酸化触媒の開発が進む一方で、その浄化に高温を必要とする酸化触媒は、前記の如く排気ガスに混入した未燃焼の新気が排気ガス温度を下げ、その排気ガスに含まれる有害物質を浄化困難なエンジンの作動領域が拡大する結果、それが年々強化される排出ガス規制に対応できない状況を予期させる上に排気の障害となる触媒構造は、また新気が充満したクランク室で潤滑に必要な潤滑オイルが気化および霧状に飛散し易いことから結果的に排気ガスに含まれる微量の潤滑オイルが触媒の通過時に付着し易く、それが徐々に蓄積し酸化触媒の浄化機能を悪化させる上に増加する排気抵抗が出力低下の要因となる。

ところでシリンダ両端よりシリンダ内に対向配置された２つのピストンがほぼ対向した往復動を行なう対向ピストン方式を採用した２サイクルエンジンは、その片方のピストンが開閉する掃気ポートから流入する新気でシリンダ内に残留する燃焼済みガスを他方のピストンで開閉する排気ポート方向へ押し出すユニフロー掃気方式を採用し、それでシリンダ内へ流入した新気が反対側にある排気ポートから吹き抜け難い特徴は、一般的に最も酸化触媒が機能しない始動時から低負荷の運転域など新気の流量が少ない状況下で顕著に吹き抜け難い傾向を示すことから酸化触媒の課題解決に効果的な反面、２つの新気が充満したクランク室の潤滑に必要な潤滑オイルの消費量が増加する課題があった。

しかし前記の如く潤滑オイルの消費量が増加する課題は、その潤滑オイルに植物油を採用した場合、それが潤滑オイルとして機能する以外にも気化後は、代替化石燃料として有望な燃料となる。

なお一般的に植物油は、通常の鉱物オイルと同等の油膜形成力を有する一方で２サイクルエンジンの潤滑オイルに利用する場合、その高い粘度が機械損失を悪化させる上に停止後のエンジン内部に残留する植物油は、そこで酸化し易いことから次回のエンジン始動に不具合を生じる可能性があり、しかも前記の如く未燃焼の新気が排気ポートから多量に排出される通常の２サイクルエンジンでは、その新気に含まれた潤滑オイルが排気通路内で蓄積し排気通路の障害となる上に排気管から外部に排出された場合、それが白煙となって周辺地域に汚い、滑る、異臭がするなどの環境問題を生じることから排気通路に潤滑オイルの除去装置が必要となり、その設備の追加と運用にコスト増加を招く結果、その使用も敬遠され、それ以外にクランク室圧縮方式の２サイクルエンジンは、エアクリーナーで捕捉しなかった空気中の微細な埃がエンジン内部に蓄積し易く、それがピストンやクランク軸などの摩耗を促す課題があった。

それら前記の問題点を鑑み本発明は、最初に植物油の加熱をエンジン内の潤滑で行ないながら同時に植物油の気化を促し燃料の一部に使用、且つエンジン内部の洗浄などの煩雑なメンテナンスを低減するオイルタンクの組み合わせ構造を提供することにあり、この技術的課題の達成のために本発明の請求項１の手段によれば、シリンダ両端からシリンダ内に対向配置された２つのピストンの一方が行なう往復動でシリンダ内に開口した掃気ポートを開閉し、もう一方のピストンが行なう往復動でシリンダ内に開口した排気ポートを開閉する対向ピストン方式のクランク室圧縮方式を採用した２サイクルエンジンにおいて、クランク室内に散布された潤滑オイルが溜まるエンジン下部とオイルタンクを連通するオイル通路を設け、さらに該オイルタンクと負圧が発生するクランク室内と一方弁を介して連通する連通路を設けて減圧可能となるオイルタンク内は、エンジン停止後も減圧可能な状態を持続する密閉機能を備える構造でエンジン潤滑後のオイル通路から回収された高温の潤滑オイルを熱源にオイルタンク内に溜まった潤滑オイルを加熱し、オイルタンク内および散布されるエンジン内部で潤滑オイルの気化を促すことを特徴とする。

さらに本発明の請求項２の手段によれば、前記オイルタンク内に配置された撹拌機からの撹拌翼および濾過装置が回動および旋回流を発生させる方向へオイルタンク内の潤滑オイルが循環およびエンジン潤滑後のオイル通路から回収された潤滑オイルを流入させることを特徴とする。

また本発明の請求項３の手段によれば、エンジン潤滑後のオイル通路１９から回収された濾過前の潤滑オイルを流入させる空間１１ａを前記オイルタンク２から濾過器１０ａによって分離したことを特徴とする。

本発明の請求項１の手段によれば、本オイルタンクは、エンジンの潤滑後に高温となった潤滑オイルでオイルタンク内に溜まった常温の植物油を徐々に加熱することから課題だった高い粘度を低下させながら同時にオイルタンク内および散布されるエンジン内部で潤滑オイルの気化を促進させる、また該オイルタンク内は、気化した潤滑オイル以外にも回収された潤滑オイルに含まれる気泡が充満することから、そこで負圧が発生するクランク室内と一方弁を介して連通する連通路を設けてオイルタンク内の気体を吸引させることでオイルタンク内を減圧しながら一方でクランク室に充満する新気の逆流を遮断する密閉機能を備える結果、エンジンの作動で減圧状態となるオイルタンク内は、エンジンの停止後も減圧状態が持続されることから潤滑オイルの酸化や劣化の防止に有効となる。

また本発明の請求項２の手段によれば、前記オイルタンク内に配置された撹拌機からの撹拌翼および濾過装置が回動および旋回流を発生させる方向へオイルタンク内の潤滑オイルが循環およびエンジン潤滑後のオイル通路から回収された潤滑オイルを流入させて該オイルタンク内に溜まった潤滑オイルの撹拌と同時に濾過を促す。

さらに本発明の請求項３の手段によれば、前記オイルタンク２から濾過器１０ａによって分離された空間１１ａにエンジン潤滑後のオイル通路１９から回収された高温の潤滑オイルを流入させて高温の粘度の低い状態で濾過を行なう以外に、そこに常温の植物油が補給された場合にも高温の潤滑オイルで撹拌しながら加熱することから濾過が促進され、従来より選別した上で精製および加工が必要だった固形物が含まれる高粘度の食用廃油を直接投入可能となった。

即ち直接燃料への用途を制限した常温で粘度が高い植物油の課題を本発明では、先ず未燃焼の新気が充満したクランク室内の潤滑に利用し、それが同時にクランク室の高温と振動で潤滑オイルの気化を促すことから燃焼可能な蒸気となった植物油は、そこに充満した新気と混合し燃料の一部を補う、この植物油の利用方法は、それまで代替軽油として植物油を利用する場合に必要だった燃料の製造プラントや特殊な添加剤が不要であり、さらに従来の２サイクルエンジンのクランク室内に微細な金属紛や炭化物が蓄積し性能低下と故障の要因となる課題もエンジン内に散布された潤滑オイルがクランク室内を常に洗浄し、それを再びオイルタンクに回収する潤滑方法で解決した。

なお本発明では、その潤滑オイルとして植物油を利用する以外に廃植物油および植物油や既存の潤滑オイルを混入した灯油からＡ重油などの液体燃料が利用可能であり、また対向ピストン式エンジンのシリンダ内で往復動を行なう２つのピストンが最も接近し出現する燃焼室は、そこに着火性能を向上させる手段として複数の点火プラグ１７を配置する以外にも燃料および水を直接シリンダ内に噴射するインジェクタ１８の配置も容易なことから本発明は、圧縮着火方式を特徴とするディーゼルエンジン方式に適用可能。

図１は本発明の一実施例を示す概略構成図であり、図に示すようにクランク室圧縮方式を採用した対向ピストン式エンジン１は、シリンダ３の両端より向き合った一方のピストン４ａの往復動でシリンダ内に開口した排気ポート５ａを開閉し、さらに他方のピストン４ｂの往復動でシリンダ内に開口した掃気ポート５ｂを開閉させる、なお２つのクランク室６ａ，６ｂは、新気通路（不図示）で連通し、また２つのクランク軸８ａ，８ｂは、歯車およびチェーン、ベルト（不図示）などで連動し回転する。

最初にオイルタンク２から油ポンプ７ａで加圧された潤滑オイルは、それをエンジン内の油孔９からクランク軸８ａ，８ｂの軸受部とクランク室６ａに散布される、特にクランク室６ａから散布された潤滑オイルは、最も高温となるピストン４ａをピストン裏側から冷却しながらピストン４ａの高熱と往復動によって気化および霧状に飛散し易い結果、そこに充満する新気と混合し燃焼可能な燃料の一部となる反面、エンジン内に散布された大部分の潤滑オイルは、その潤滑後にエンジン内部に残留する微細な金属粉や炭化物を洗浄しながらクランク室下部へ溜まり、それを吸引する油ポンプ７ｂで加圧した後にオイルタンク２内へ流入させる。

その前記オイルタンク２は、図２の断面図で示すように濾過器１０ａで主タンク１１ｂの上部に一次タンク１１ａが仕切られ、該一次タンク１１ａ側面に開口した出口１２から回転流を発生させる方向にエンジン潤滑後のオイル通路から回収された高温の潤滑オイルを流入させて再び濾過を行なう以外にも蓋１６から常温の植物油が供給された場合、それを攪拌しながら加熱し粘度を低下させる役割を担う結果、それが特に常温で粘度が高い植物油を利用する場合に面倒だった濾過器の濾過スピードを向上させる上に循環する高温の潤滑オイルを熱源にオイルタンク内に溜まった潤滑オイルを加熱し、その機械損失が悪化する高い粘度を低下させる上に未燃焼の新気が充満したクランク室内の高温と振動を利用し潤滑オイルの気化を促す。

ところがエンジン作動中におけるオイルタンク２内は、そこに回収された潤滑オイルに含まれる気泡や気化した潤滑オイルなどの気体が充満する、そこでクランク室６ａ、６ｂの負圧発生時に連通路２１からクランク室６ｂに設けた一方弁２９ｂが該オイルタンク内で充満する気体をクランク室３ｂ内へ通す反面、そのエンジン作動停止後の該オイルタンク内は、そこに充満した潤滑オイルの蒸気が液化を開始することから負圧となる、しかしクランク室内３ｂに充満した新気を一方弁２９ｂが連通路２１を遮断し、それで減圧状態を維持する結果、潤滑オイルの酸化防止に有効となる。

ところで濾過器１０ａは、その入口に設けたフィルターエレメント１３を目詰りさせる植物油に含まれた固形物をフィルターエレメント中央の窪みに流して堆積させる、また一次タンク１１ａは、出口１２から潤滑オイルが流入し加圧される一方で、主タンク１１ｂに溜まった潤滑オイルは、油管２０ａからタンク外に排出し減圧されることから一次タンク１１ａ内と主タンク１１ｂ内で生じる圧力差が濾過を促す。

その前記オイルタンク２の内部に図５で示す一次タンク１１ａおよびメインタンク１１ｂにセンサー２６を設け、その油温と油面の高さ情報を基に油ポンプ７Ｃの作動およびエンジン内に散布する潤滑オイルの流量を調整する。

その他、図２に示す一次タンク１１ａ内を蓋１６で開口した場合、そこに充満する高温の潤滑オイルの蒸気が噴出し危険な為、それを一方弁１５で噴出を防止する。

次に図３で示すオイルタンクは、その内部上下に開口したオイル管２７からポンプ７ｂでオイルタンク内に溜まった潤滑オイルの旋回流を発生させる方向に循環させながら潤滑オイルの濾過を行なう上にオイルタンク内部に電動モーター２４ａで濾過器１０ｂおよび撹拌翼２５ａを回動させて、さらに潤滑オイルを撹拌しながら同時に濾過器１０ｂの入口に付着した固形物を落下させる。

さらに図４で示すオイルタンクは、その内部上下に開口したオイル管２７からポンプ７ｃでオイルタンク内に溜まった潤滑オイルを旋回流を発生させる方向に循環させながら潤滑オイルの濾過を行なう上に電動モーター２４ｂで撹拌翼２５ｂを回動させて、さらに潤滑オイルを撹拌する。

その他、オイルタンク２の内壁およびオイル通路１９、オイル管２０ａ、２０ｂ、２７に加熱ヒーターを装備した場合、粘度が高い植物油が冬期の低温で流動しない可能性があり、そこでエンジンを始動した場合のエンジン内に潤滑オイルが供給されず故障の要因となる問題の改善に効果的となる。

本発明の一実施例を示す概略構成図である。同実施形態におけるオイルタンク構造の断面図である。オイルタンク構造が違う一実施例を示す断面図である。さらにオイルタンク構造が違う一実施例を示す断面図である。潤滑オイルの投入タンクを別設したオイルタンク構造の一実施例を示す断面図である。

符号の説明

７ｄ油ポンプ
１０ｃ濾過器
２８濾過器
２９ａ一方弁

Claims

シリンダ両端からシリンダ内に対向配置された２つのピストンの一方が行なう往復動でシリンダ内に開口した掃気ポートを開閉し、もう一方のピストンが行なう往復動でシリンダ内に開口した排気ポートを開閉する対向ピストン方式のクランク室圧縮方式を採用した２サイクルエンジンにおいて、クランク室内に散布された潤滑オイルが溜まるエンジン下部とオイルタンクを連通するオイル通路を設け、さらに該オイルタンクと負圧が発生するクランク室内と一方弁を介して連通する連通路を設けて減圧可能となるオイルタンク内は、エンジン停止後も減圧可能な状態を持続する密閉機能を備える構造でエンジン潤滑後のオイル通路から回収された高温の潤滑オイルを熱源にオイルタンク内に溜まった潤滑オイルを加熱し、オイルタンク内および散布されるエンジン内部で潤滑オイルの気化を促すことを特徴とする対向ピストン式エンジン。
前記オイルタンク内に配置された攪拌機からの攪拌翼および濾過装置が回動および旋回流を発生させる方向へオイルタンク内の潤滑オイル循環およびエンジン循環後の潤滑オイルを流入させることを特徴とする請求項１に記載の対向ピストン式エンジン。
エンジン潤滑後のオイル通路１９から回収された濾過前の潤滑オイルを流入させる空間１１ａを前記オイルタンク２から濾過器１０ａによって分離したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の対向ピストン式エンジン。