JP7282756B2 - ２ストロークエンジン - Google Patents

Description

本発明は、２ストロークエンジンにおける方法、および当該方法に従って動作する２ストロークエンジンに関する。

本発明は、燃焼空気および燃料が導入される前に排気ガスが排気されるという意味で、通常の２ストロークエンジンのように動作するが、入口ポートが排気ポートの上方に位置するという大きい違いがある、新しい２ストロークエンジンに関する。従来の２ストロークエンジンでは、入口ポートは排気ポートの下方に位置する。

ピストンは、２つの端部位置、上死点及び下死点の間を移動する。上死点において、圧縮空間は燃焼空間に移行し、この燃焼空間は可動ピストンとシリンダヘッドとによって区画される。下死点から上死点へのピストンの移動を圧縮行程と呼び、上死点から下死点への後続の移動を膨張行程または作動行程と呼ぶ。作動行程に続いて、ガス交換が起こる。排気ガスが除去され、新しい燃焼空気が導入され、その後、新しい圧縮行程が続く。この２ストロークプロセスは、エンジンの主要な原理である。

今日の２ストロークエンジンでは、しばしば過圧によって脈動しながら排気ガスが流出する、排気ポートの覆いを最初に取り去るピストンによって、作業行程の最後にガス交換が起こる。その後、入口ポートの覆いが取り去られ、圧縮行程が開始した後に新しい燃焼空気が導入される。主な欠点は、排気ポートを通して周囲の大気にある程度流出する、燃料および／または潤滑油を伴う燃焼空気によって発生する、未浄化の排気ガスである。これは、吸入と排気のためのポートが同時に重複して開いており、入口ポートの後に排気ポートが閉鎖されることに起因する。

今日の４ストロークエンジンのように、未浄化の排気ガスを有する問題を大幅に低減することができる。特許文献１および特許文献２に記載されているエンジンは、特に、効率がより高くかつ排気ガスがより清浄な２ストロークエンジンを実現するように意図された、シリンダヘッドにおいて自由に制御可能で電磁的に、油圧的に、または空気圧的に作動するバルブを有する。これらの特許において、排気バルブは、未浄化の排気ガスの排出を低減するために、開放されて排気ガスを排出し、燃焼用空気の吸入のために入口バルブが開閉される前に閉鎖される。上記の自由に制御可能バルブのうち、空気圧作動バルブは、これまで、モータバルブを開閉するための最短時間を達成することができるものである。シリンダヘッド内のバルブシートから全開バルブまでの最大距離である、８ｍｍのバルブリフトでは、最短時間は５ｍｓ（通常の４００ｃｍ³シリンダの持続時間）であり、これは、出口バルブが開いてから入口バルブが閉じるまでに必要な時間が１０ｍｓであることを意味する。

この時間は、たとえば１０００ＲＰＭなどの低速では問題ではないが、エンジンの１回転の時間が６０ｍｓであるが、たとえば２０００ＲＰＭ以上のより速い速度が望まれると、ガス交換を行う時間が短くなり、その結果、圧縮のための時間が短くなり、圧縮行程の長さが次第に短くなり、圧縮率が低下する。最大速度３０００ＲＰＭ（４ストロークエンジンにおける６０００ＲＰＭの通常の最大速度に相当する）を有する２ストロークエンジンでは、１回転の時間が２０ｍｓである。その時間の半分がガス交換に使用される場合、問題が発生し、これは、一定の充填空気圧および圧縮燃焼空気の吸入において圧縮率が低減され、その結果、エンジン速度が増大するにつれて効率が低下することで要約できる問題が起こることが理解される。

ピストンの往復運動により開閉されるシリンダ内の吸排気用のポートを用いれば、それぞれ、今日の２ストロークエンジン、または本発明による２ストロークエンジンのように、速度が増加するにつれて圧縮率が低下し効率が低下するという上記問題が生じない。しかし、上記の背景技術の第２段落に記載したように、今日の２ストロークエンジンは、吸排気のためのポートが同時に開放され、排気ポートが入口ポートの後に閉じるため、未浄化の排気ガスに関する問題を有する。

スウェーデン特許５２９５６９号 スウェーデン特許５２９５７０号

本発明の目的は、今日の２ストロークエンジンにおける未浄化の排気ガスを有する問題を低減することである。本発明は、燃料を有するか、または有しない、燃焼空気が導入される前に排気ガスが排出されるだけでなく、実質的かつ特徴的な相違、すなわち、一方では、入口ポートが排気ポートの上方に位置し、他方では、圧縮行程中に排気ポートがピストンによって閉じられた後に燃焼空気が導入されるという意味で、通常の２ストロークエンジンと同様に動作する２ストロークエンジンに関する。

作業行程中、ピストンは最初に入口ポートを通過し、この入口ポートは、それ自体が制御可能バルブを介して閉鎖され、その後、排気ポートを通過し、それによって排気ガスが排出され、ピストンがその下死点位置に到達する。その後、ピストンがその上死点位置に向かう途中で、そのピストンが最初に排気ポートを通過し、その結果、排気ポートが閉鎖され、その後、ピストンが覆われていない入口ポートに到達する。ピストンが入口ポートに到達すると、制御可能バルブが開かれ、燃焼空気は、ピストンによって入口ポートが閉鎖されるまで、制御可能バルブおよび入口ポートを通ってシリンダ内に流れる。これにより、導入された燃焼空気の圧縮が開始される。圧縮率は一定であり、速度に依存せず、速度が増大するにつれて、ポートの開放時間は減少する。

ピストンが出口ポートの覆いを取り去ると、圧縮された排気ガスの脈動が出口ポートを通して流出し、それによって負圧が発生し、ピストンが入口ポートに到達し燃焼空気が流入するときは負圧が残る。負圧は、速度およびエンジン負荷が増大するにつれて増加し、これは、新しい燃焼空気の追加を促進し、速度が増加するにつれて、追加のためのより短い時間を補償する。

出口ポートおよび入口ポートは同時に開放されていないので、今日の２ストロークエンジンのように未浄化の排気ガスの問題は生じ得ない。今日の２ストロークエンジンの別の問題は、充填空気、すなわち圧縮された燃焼空気の製造用の排気駆動タービンの利点が、オーバーラップする開放ポートによって制限される一方で、充填空気がシリンダ内に残留し、圧縮行程が開始される前にその中の圧力が増大することよりもむしろ、充填空気が排気ポート内に流出することである。本発明は、この問題も解決する。

ピストンの下死点位置付近の領域では、ピストン速度が低く、下死点ではピストンが瞬間的に完全に静止している。これは、排気ガスの排出により時間がかかるため、今日の２ストロークエンジンと比較して、出口面積を小さくすることができることを意味する。また、排気領域を複数の低排気ポートにわたって分散させると、作業行程が長くなり、結果的に、効率が上がる。エンジンの異なる動作状態に可変調節可能なサイズにする構成で排気領域を実現することにより、排気ガスの脈動流出によってシリンダ内に連続的な負圧を発生させることができるが、負圧はピストンによって出口が閉鎖されたときは維持され、その結果、負圧は、制御可能バルブが新しい燃焼用空気を導入するために開放されるとき、使用されてもよい。

制御可能バルブは、空気圧、油圧、または電磁的に作動させてもよく、圧縮空気または作動油を必要とせず、代わりに、常に手近である電気のみを必要とするので、後者のタイプが好ましい。さらに、電磁作動バルブ、またはソレノイド作動エンジンバルブのための新しい技術が利用可能であるが、これが空気圧作動バルブ開口などの等速バルブ開口の可能性につながる。

本発明による上述の目的は、説明の後に記載された特許請求の範囲によって規定される保護の範囲によって達成される。

シリンダヘッド１１を有する少なくとも１つのシリンダ１と、シリンダ内を往復運動するピストン２とを備え、入口ポート９が閉鎖されたときにピストンが排気ポート７を覆う、本発明による２ストロークエンジンを示す図 圧縮された排気ガスが、多くの場合、上記ポートを通して排気システムに脈動的に流出する、排気ポート７が覆われていないシリンダ内のピストンの下死点位置を示す図 出口ポート７を閉鎖したばかりの、圧縮行程中に覆われていない入口ポート９に達するピストンを示す図 ピストンが入口ポートを閉鎖し、制御可能バルブが依然として開いている間に導入された燃焼空気の圧縮が開始された、図１によるシリンダを示す図 圧縮行程中の図１によるシリンダを示す図 既知のいわゆる同調排気管に対応する、長尺の、いわゆるチューニングされた吸気管６を有する、図５によるシリンダを示す図 排気ポート３２が完全に覆われていない下死点におけるピストン２を有するシリンダ壁３０（点線）を示すことを意図し、排気ポートを通る排気流を制御するための開口３５を有する摺動可能な排気絞り３３を有する排気管３４を示す図 トルクに対する今日の要求に基づくエンジン制御システムによって、排気管への可能な排気流量がほぼ半分になるように開口部３５を配置するように制御された排気絞りを備えた図７の状態を示す図

図１は、シリンダヘッド１１を有する少なくとも１つのシリンダ１と、シリンダ内を往復運動するピストン２とを備え、入口ポート９が閉鎖されたときにピストンが排気ポート７を覆う、本発明による２ストロークエンジンを示す図である。燃焼行程および膨張行程が開始される。ピストンを備えたピストンロッドが従来のように配置されたクランク軸４にフライホイール３が取り付けられている。ピストンとシリンダヘッドとの間には、燃焼空間５が配設されている。アクチュエータ８により開閉制御される制御可能バルブ１７を介して吸気管６から燃焼空間に燃焼空気を導入する。クランクシャフト上では、センサまたはクランク軸プローブ１９は、モータ制御システム１５によって信号が読み取られるように配置され、それにより、シリンダ内のピストンの位置を登録し、アクチュエータを適切な時期に開閉するように命令する。ピストンは、出口ポート７を覆う上死点位置に示されている。排気管には、エンジン制御システム１５によって信号が読み取られる、酸素センサ２２が配置されている。酸素検出器を使用して、現在の排気後処理システムに基づいて、燃料と燃焼空気との比を最適に制御することができる。いくつかの場合における酸素検出器は、たとえばチェーンソーなどの、軽量でアイドル時または全開時に作動しなければならない、小型エンジンでは適切ではないことに留意すべきである。エンジンの効率に関して最適なタイミングでエンジン制御システムによって順序付けられた火花によって燃料が点火されるべきエンジン用に、任意のスパークプラグ１６が配置される。ディーゼルエンジン用途では、１６はディーゼル燃料噴射器を表す。図示された本実施形態は、特に、庭機械、チェーンソー、自動二輪車などの小型エンジンにおいても適切である。図は、主に本発明を適用するのに必要なものを示していることに留意されたい。

図２は、圧縮された排気ガスが、多くの場合、上記ポートを通して排気システムに脈動的に流出する、排気ポート７が覆われていないシリンダ内のピストンの下死点位置を示す図である。排気システム内に周囲圧力が存在し、かつポートが覆われていないときにシリンダ圧力が２バールより大きい場合、排気ガスは最初に音速で流出し、臨界流と呼ばれ、短期負圧がシリンダ内に発生する。排気ガスは、エンジンを過負荷にすることができる手段によって排気ターボを推進することができ、これは通常、従来の２ストロークエンジンではうまく作動しない。ピストンの下死点位置付近の領域では、ピストン速度は低く、下死点では、ピストンは瞬間的に静止している。これは、排気ガスの排気に時間がかかるため、今日の２ストロークエンジンに比べて排気領域を小さくすることができることを意味する。また、排気領域を複数の低排気ポートにわたって分散させると、作業行程が長くなり、効率が上がる。

図３は、出口ポート７を閉鎖したばかりの、圧縮行程中に覆われていない入口ポート９に達するピストンを示す図である。エンジン制御システムは、アクチュエータ８を作動させてバルブ１７を開放させ、これにより、燃料を有するか、または有しない燃焼空気が、入口ポートを介して燃焼室に導入される。図２を参照すれば、上述した短期負圧は、燃焼空気の導入中に使用される。バルブ１７を備えた入口ポート９の外側の空間は、入口ポートの外側の容積を最小化するために多くの異なる方法で具体化することができることに言及すべきである。

図４は、ピストンが入口ポートを閉鎖し、制御可能バルブが依然として開いている間に導入された燃焼空気の圧縮が開始された、図１によるシリンダを示す図である。したがって、制御可能バルブ１７の最も重要な態様は、アクチュエータ８によって、燃焼空気を導入するために迅速に開くことができるということを諒解されたい。入口ポートの閉鎖はピストン２によって自動的に行われる。

図５は、圧縮行程中の図１によるシリンダを示す図である。図６は、既知のいわゆる同調排気管に対応する、長尺の、いわゆるチューニングされた吸気管６を有する、図５によるシリンダを示す図である。この目的は、運動中に設定された吸気管内の全空気質量により、導入された燃焼空気の増大された脈動によって引き起こされる高速での導入燃焼空気の質量を増大させることであり、それは、ピストンが入口ポートに到達し、制御可能バルブが開かれるときにシリンダ内の既存の負圧において達成される。その結果、図５によれば、短い吸気管６を使用してシリンダに導入される空気の質量と比較して、より大きな空気の質量がシリンダに導入される。クランクケースを使用してシリンダ内にクランクケース圧縮空気を導入する場合には、その代わりに、延長されたパイプをクランクケースに接続して、対応する効果を達成することができる。

図７は、排気ポート３２が完全に覆われていない下死点におけるピストン２を有するシリンダ壁３０（点線）を示すことを意図し、排気ポートを通る排気流を制御するための開口３５を有する摺動可能な排気絞り３３を有する排気管３４を示す図である。排気絞りは、トルクに対する今日の要求に基づいてエンジン制御システム１５（図示せず）に接続された制御手段によって制御され、この場合、最大トルクが生じる。

図８は、トルクに対する今日の要求に基づくエンジン制御システムによって、排気管への可能な排気流量がほぼ半分になるように開口部３５を配置するように制御された排気絞りを備えた図７の状態を示す図である。

Claims (3)

1. 往復運動ピストン（２）を含む少なくとも1つのシリンダ（１）と、区画された燃焼空間（５）と、少なくとも１つの出口ポート（７）および少なくとも１つの入口ポート（９）と、吸気管（６）および前記入口ポート（９）を介して前記燃焼空間（５）内に燃焼空気を導入するために接続されたバルブ（１７）を開放するように構成されたアクチュエータ（８）と、前記アクチュエータ（８）に命令する制御システム（１５）とを備える、２ストロークエンジンにおける方法であって、
   各前記入口ポート（９）は、前記出口ポート（７）の上方に配設され、前記入口ポート（９）および前記出口ポート（７）は、前記ピストン（２）の下死点位置で覆われず、
   前記ピストン（２）は、前記下死点位置の後に、前記少なくとも１つの出口ポート（７）が前記ピストン（２）で閉鎖された後に、前記少なくとも１つの入口ポート（９）に到達する、摺動バルブ配置の一部を形成し、
   また、前記少なくとも１つの出口ポート（７）が覆われていない時には、前記バルブ（１７）は閉じ、
   前記少なくとも１つの出口ポート（７）が前記ピストン（２）によって閉じられた後に前記バルブ（１７）が開かれるように、前記ピストン（２）が前記下死点位置から移動した後に前記バルブ（１７）が開放される
   ことを特徴とする方法。
2. 前記バルブ（１７）の前記開放が、前記入口ポート（９）に到達する前記ピストンに関連して行われる
   請求項１に記載の方法。
3. 請求項１に記載の方法を実行するための２ストロークエンジンであって、
   少なくとも１つのシリンダ（１）と、その内部に、その下部に少なくとも１つの出口ポート（７）が設けられ、少なくとも1つの入口ポート（９）が設けられた燃焼空間（５）を区切る往復運動ピストン（２）と、吸気管（６）を介して燃焼空気が導入されるバルブ（１７）を開放するためのアクチュエータ（８）と、前記アクチュエータ（８）を制御して前記吸気管（６）を開閉するセンサおよびソフトウェアを備える制御システム（１５）とを備え、
   各前記入口ポート（９）は、前記少なくとも１つの出口ポート（７）の上方に配設され、
   また、前記ピストン（２）は、前記下死点位置の後に、前記少なくとも１つの出口ポート（７）が前記ピストン（２）で閉鎖された後に、前記少なくとも１つの入口ポートに到達する、摺動バルブ配置の一部を形成し、
   制御システム（１５）は、前記出口ポート（７）が覆われていない時には前記バルブ（１７）を閉じ、前記出口ポート（７）が前記ピストン（２）によって閉じられた後に前記バルブ（１７）を開くように、前記アクチュエータ（８）を制御する
   ことを特徴とする２ストロークエンジン。

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