JPH0524330B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は２サイクル内燃機関、特に、２サイク
ル往復動機関のクランクシヤフトに排気タービン
を連結した２サイクル内燃機関に関する。

（従来の技術） ２サイクル内燃機関は往復動機関としての吸
入、圧縮、爆発燃焼、排気の全工程をクランクシ
ヤフトの１回転の間に行う。このため、４サイク
ル内燃機関と比べ、出力特性が優れるが、機関駆
動時におけるシリンダの掃気作用の不完全さによ
り排気ガスの残留が生じ、着火不良による出力不
足や、混合気の吹き抜けによる燃費の悪化が問題
と成つている。

この種の２サイクル内燃機関の問題点を解決す
べく、シリンダの頂部に連結した吸気ポートから
吸気弁の開時にのみ混合気を流入させ、シリンダ
の底部側の排気ポートから排気を排出し、特に、
吸気ポートにはクランクシヤフトにより回転され
るピストン式ポンプより混合気を圧送し、シリン
ダ内の気流の流れを一方通行化したものが開示さ
れており、その一例が特公昭60−534号公報に開
示されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、内燃機関の熱効率は比較的低く、そ
の主因は排気熱損失にある。そこで排気エネルギ
ーを回収すべく、排気によりタービンをまわし、
タービンと直結されたコンプレツサにより吸気を
シリンダに圧送し、出力の向上を図つた、いわゆ
るターボチヤージヤが知られている。

しかしこの種装置は排気エネルギの回収を間接
的に行つて、これを出力向上に転換するものであ
り、機構が複雑でロスの多いものとなつている。

そこで、本発明の目的は排気エネルギを直接的
に機関出力に転換できる２サイクル内燃機関を提
供すること、特に、排気エネルギを直接的に機関
出力に転換できる上に、全体の構造を簡素化でき
る２サイクル内燃機関を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、クランクシヤフトの一回転で往復動
機関の本体が圧縮行程を含む全行程を行う２サイ
クル内燃機関において、上記クランクシヤフトと
同一角速度でこのクランクシヤフトにより駆動さ
れるカムシヤフトと、上記カムシヤフトにより開
閉駆動されるシリンダの頂部側に設けられた吸気
弁と、上記シリンダの頂部近傍に配置され上記カ
ムシヤフトと同一角速度でこのカムシヤフトによ
り回転駆動され上記吸気弁の開弁時で排気行程後
期において混合気を上記シリンダに圧送するピス
トン式ポンプと、上記シリンダ壁部に設けられる
と共に下死点近傍に達した上記ピストンにより開
口される排気ポートと、上記排気ポートよりの排
気を受けて回転し、その回転力を上記クランクシ
ヤフトに伝達する排気タービンとを有することを
特徴としている。

更に、この発明による他の２サイクル内燃機関
はクランクシヤフトの一回転で往復動機関の本体
が圧縮行程を含む全行程を行う２サイクル内燃機
関において、上記クランクシヤフトと同一角速度
でこのクランクシヤフトにより駆動されるカムシ
ヤフトと、上記カムシヤフトにより開閉駆動され
るシリンダの頂部側に設けられた吸気弁と、上記
シリンダの頂部近傍に配置され上記カムシヤフト
と同一角速度でこのカムシヤフトにより回転駆動
され上記吸気弁の開弁時で排気行程後期において
混合気を上記シリンダに圧送するピストン式ポン
プと、上記シリンダ壁部に設けられると共に下死
点近傍に達した上記ピストンにより開口される排
気ポートと、上記クランクシヤフトに直接結合さ
れたタービンデイスクと、上記タービンデイスク
を介して上記クランクシヤフトに一体的に結合さ
れると共に上記排気ポートよりの排気を受けて駆
動するタービンブレードとを有することを特徴と
している。

（作用） ピストン式ポンプが混合気を圧送できる時期に
エンジン本体の排気ポートの開口時期及び吸気弁
の開弁時期を合わせたので、ピストン式ポンプか
らの加圧された混合気がシリンダ内の頂部より排
気ポートに向けて、排気を押すようにして流動
し、スムーズに混合気と排気の入れ替えがなさ
れ、しかも、各シリンダは、クランクシヤフトの
１回転毎に、１度排気タービンに向けて排気を排
出することとなり、４サイクルと比べて排気回数
の多い２サイクル機関より排気を受けた排気ター
ビンは比較的多い排気エネルギーをクランクシヤ
フトに回転力として確実に伝達できる。

特に、タービンブレードがタービンデイスクを
介してクランクシヤフトに一体的に結合されると
機構の簡素化が図られ、タービンブレードを介し
て回収した排気エネルギを効率良くクランクシヤ
フトに伝達できる。

（実施例） 第１図に示した２サイクル内燃機関は直列４気
筒のOHCガソリン機関（以後単にエンジンと記
す）であり、エンジンの本体内のクランクシヤフ
ト１の前端に排気タービン２が直結され、エンジ
ンの本体の側壁にカムシヤフトによつて駆動され
るピストン式ポンプ３が取り付けられている。

第１図、第３図に示すように、エンジンは中央
にシリンダブロツク５を、その上側にシリンダヘ
ツド６を、シリンダブロツク５の下側にオイルパ
ン７を配置させ、これらを一体的に連結してい
る。シリンダブロツク５内には４つのシリンダ８
が前後方向に列設され、前方の第１及び第２シリ
ンダ８０１，８０２と、後方の第３及び第４シリ
ンダ８０３，８０４には、それぞれ気化器９から
の混合気をそれぞれ供給するためのピストン式ポ
ンプ３，４が２つ対設される（第２図参照）。即
ち、前ピストン式ポンプ（以後単に前ポンプと記
す）３の吐出側は２つの管路を有し、第１、第２
の各吸気ポート９０１，９０２に連通している。
同様に後ピストン式ポンプ（以後単に後ポンプと
記す。）４の吐出側は２つの管路を有し、第３、
第４の各吸気ポート９０３，９０４に連通され
る。両ポンプのクランクシヤフト２２は第３図、
第５図に示すようにカムシヤフト１１に前チエー
ンドライブ系１０を介して連結され、このカムシ
ヤフト１１は後チエーンドライブ系１２を介して
クランクシヤフト１に連結され、これら３者は同
一角速度で回転駆動できる。

第１、第２シリンダ８０１，８０２の作動タイ
ミングは同一であり、第３、第４シリンダ８０
３，８０４の作動タイミングも同一であり、本エ
ンジンの駆動形式は実質的に２気筒機関と同一と
なり、両グループはクランク角で180゜のずれを持
つている。

ここで４つのシリンダ８は同様の構造を有する
ため、これらの内の第１シリンダを主に説明す
る。

第１シリンダ８０１及びこれに嵌挿されたピス
トン１３はクランク角360゜毎に２サイクルの往復
動機関の全行程を完了すべく作動する。即ち、シ
リンダの頂部側であるシリンダヘツド６の吸気ポ
ート９０１を吸気弁１４により開閉し、シリンダ
の底部側にある排気ポート１５をピストン１３が
開閉する。吸気弁１４は弁ばね１６により閉弁力
を受け、カムシヤフト１１のカムにより開弁力を
受ける。弁ばね１６のばね力はエンジンの最大回
転数（ここでは4000rpm程度）に対応できる強度
のもが選択される。

カムシヤフト１１は４つのカムを備え。各カム
は各シリンダの間隔に略等しい間隔で配備され、
第７図に示したバルブタイミングで吸気弁１４を
開閉させる。

第１シリンダの裾部には４つの排気ポート１５
が形成され、エンジンの左右（第１図において表
裏）の２つの排気マニホールド（第４図参照）１
７に各２つの排気ポート１５が連通している。両
排気マニホールドは第５図に示すように、合流部
１８で一体化され、排気タービンのタービンノズ
ル１９に連通されている。なお、排気ポート１５
はピストン１３により第７図に示すバルブタイミ
ングで開閉される。

第１シリンダの回りには冷却水の流動するウオ
ータジヤケツト２０が形成され、これはウオータ
ポンプ２１を含む冷却水循環系に連結されてい
る。

第６図に示すように、前ポンプ３は前チエーン
ドライブ系１０に駆動されるポンプのクランクシ
ヤフト２２と、これに駆動されるポンプピストン
２３と、ポンプシリンダ２４と、このシリンダに
形成された吸気ポート２５と、このポートに連通
すると共に気化器９に達する吸気管２６（第４図
参照）とで形成されている。なお、第６図中符号
５１はポンプピストン２３の頂部より突出する２
つの円錐状の突部を示している。この突部は吸気
ポート９０１等に突入してポンプ圧縮比を向上す
べく働く。

この前ポンプ３はそのピストン２３が吸気ポー
ト２５を閉鎖してから上死点に達する間では混合
気を圧縮し、これをエンジンの吸気ポート９０
１，９０２に圧送する。ここでは機関のピストン
１３が下死点後90゜の位置でポンプのピストン２
３が上死点0゜に達するよう組付けられている。即
ち、ポンプのピストン２３は機関のピストンより
略90゜だけ先回りして回転している。

排気タービン２はクランクシヤフト１の先端に
タービンデイスク２７と一体のタービン軸２８を
一体結合しており、これを遊嵌するタービンハウ
ジング２９はシリンダブロツク５の前壁にボルト
止めされている。

ここではタービン軸２８とクランクシヤフト１
の先端とが突き合わされ、タービン軸２８のボス
部３０とクランクシヤフト１に一体的に外嵌され
たボス３１とがタービンデイスク２７を挾み、こ
れら３者は一体的にボルト止めされている。

タービン軸２８の前側とクランクシヤフト１の
先端の各位置はタービンハウジング２９内の気密
性確保のため、シール材４５，４６により確実に
シールされている。タービンハウジング２９は高
級鋳鉄製で渦巻き室４７はタービンハウジング２
９に形成されている冷却水の循環室４８により冷
却されている。この循環室４８は延出パイプ５１
や図示しない水ホース類を介してエンジン本体側
の冷却水循環系に接続されている。

タービン軸２８の先端部はタービンハウジング
２９側の前軸受部５２に枢支され、その後側の軸
受位置には環状入水路３３と、環状出水路３４が
並列形成されている。ここで、環状入水路３３と
環状出水路３４はエンジン本体側の冷却水循環系
側に連結されている。タービン軸２８内には環状
入水路３３に一端が連通する入水穴３５と、環状
出水路３４に一端が連通する出水穴３６が形成さ
れ、このうちの一方は入水管３７を介し、他方は
出水管３８を介してタービンデイスク２７内の環
状冷却室３９にそれぞれ連通している。タービン
デイスク２７はその外周部分に多数のタービンブ
レード３２を突出形成したインペラー（羽根車）
を一体結合している。しかも、タービンデイス
ク２７はその内部であつて、各タービンブレード
３２の根本部分に対抗する位置に環状冷却室３９
を形成し、タービンブレード３２の耐熱性の向上
を図つている。このため、タービンブレード３２
の材料は耐熱鋼としなくてもよく、ブレードとデ
イスクを同一の高級鋳鉄として両者の溶接を容易
化することができる。

ここでインペラーの直径はピストンのストロ
ークの５倍程度として形成されており、周速度の
高速化が図られている。ここで各タービンブレー
ド３２は１回転毎にタービンノズル１９に対向
し、同ノズルの吹き出し方向線ｌと正対するよう
構成されている。ここでタービンノズル１９はこ
の部分の耐熱性を強化すべく耐熱鋼を用いても良
く、ノズル用のウオータジヤケツト４８１を形成
しても良い。

なお第５図の符号５０はスチーム噴射ノズルを
示している。このノズルはタービンハウジング２
９内のスチーム発生部（図示せず）を介して水供
給源に連結されている。ここでは水供給源側のポ
ンプより調量され、タービンの余熱でスチーム化
された水は高温ガスにより燃焼され、排ガスの有
害成分を排除できる。

第３図に示すように、入水管３７と出水管３８
は共にタービン軸２８の外周の連結突部４０に耐
熱ゴム管４１で連結され、組立容易化が図られて
いる。なお第３図中符号４２は円盤状のカバーで
あり、タービンデイスク２７内の各部材の防熱板
として働く。

このようなエンジンの作動を説明する。

気化器９からの混合気は前後のポンプ３，４に
吸入され、これに圧送されて第１、第２のシリン
ダ８０１，８０２と、第３、第４のシリンダ８０
３，８０４の各吸気ポート９０１，９０２，９０
３，９０４に向かう。各シリンダでは２サイクル
往復動機関の行程に応じた作動がなされる。

第１シリンダ８０１ではその上死点前の点火処
理により爆発燃焼行程にはいり、ピストンは降下
し、約110℃で排気ポート１５を開く。これより
20゜前、つまり、上死点後90゜で前ポンプの圧縮行
程が始まつている。排気行程は下死点後も続き、
その80゜後に完了する。この間の下死点では吸気
弁１４が開き、吸気ポートの加圧混合気はシリン
ダ８０１の頂部側より流入する。この時、排気圧
は低下して下向きに流動を初めており、シリンダ
内ではその上より下側に混合気と排気とがスムー
ズに入れ替えられる。

下死点後80゜で排気ポートが閉じて排気行程後
期が終了するまでの間は混合気圧入行程が重なり
合い、続いて混合気圧入行程のみが進み、下死点
後90゜で吸気ポート９０１が閉じ、その間は完全
な過給がなされ、これに続いて圧縮行程に入る。

ピストンが上昇して上死点前5゜乃至18゜で再度
点火がなされ、再度爆発行程に向かう。

排気行程で排気は排気マニホールド１７よりタ
ービンノズル１９に達してタービンハウジング２
９内のタービンブレード３２に向けて吹き出され
る。この時、タービンノズル１９によりしぼられ
た排気はその圧力エネルギーを速度エネルギーに
変換し、これをタービンブレード３２を介して受
けたクランクシヤフト１がこの速度エネルギーを
回転力（トルク）に変換して受け取る。このた
め、このエンジンのクランクシヤフト１は４つの
ピストンより得られた回転力に加えて、タービン
デイスク２７側より排気エネルギーに基づく回転
力とを順次受け、複動機関として回転力の増大を
大幅に図ることができる。

このように本実施例のエンジンは出力増大を図
り、しかも、従来の２サイクル内燃機関が問題と
している掃気不良による着火不良や、吹き抜けに
よ燃費の低下をも防止でき、更に、吸気弁１４を
カム駆動としたため、この吸気弁の作動が安定化
し、弁ばねの強化によりエンジンの高速化にも十
分対応できる。

更に、排気タービンのタービンデイスク２７側
をクランクシヤフト１に直結したので構成の簡素
化が図れ、タービンブレード３２で受けたエネル
ギーの伝達ロスが少ないという利点もある。

更に、タービンデイスク２７内に冷却水の循環
路を設けたので、タービンデイスク２７やタービ
ンブレード３２の耐熱性を確保し易く、これらの
材質に自由度を持たせることができる。

上述のところにおいて、エンジンは前後各２気
筒ずつが同一行程で駆動するものであつたが、４
気筒がそれぞれ所定クランク角づつずれたタイミ
ングで各行程を行つてもよい。この場合は４つの
ポンプを必要とする。なお、本発明は４気筒以外
のエンジンにもこれを適用できる。

上述のエンジンはそのクランクシヤフト１に排
気タービン２を直結していたが、これに代えて、
図示しないギヤ列を介しクランクシヤフト１と排
気タービン２を連結しても良い。この場合、ター
ビンデイスクの回転速度の増加によるタービン効
率の向上を図りやすく、タービンデイスクの外径
を小型化し易くもなる。更に、上述の吸気弁はカ
ム駆動であつたが、これに代えて、弁ばねの弾性
力と弁一体の差圧弁の受ける圧力差により弁本体
の開閉を制御するよう構成しても良い。

（発明の効果） 以上のように本発明による２サイクル内燃機関
は排気タービンにより本来廃棄されていた排気エ
ネルギーをクランクシヤフトの回転力に転換で
き、熱エネルギーの回収による出力向上を図れ、
特に、４サイクル機関と比べて排気回数の多い２
サイクル機関に排気タービンを取付けたために、
クランクシヤフト１回転毎に１気筒当たり１度排
気を排気タービンに加えることができ、本来廃棄
されていた排気エネルギーの回収効果が大きい。

特に、ピストン式ポンプが混合気を圧送できる
時期にエンジン本体の排気ポートの開口時期及び
吸気弁の開弁時期を合わせたので、ピストン式ポ
ンプからの加圧された混合気がシリンダ内の頂部
より排気ポートに向けて排気を押すようにして流
動し、押された排気は混合気との混合による流動
エネルギのロスも少なく、排気エネルギーが無駄
なく排気タービンに伝えられ、この点でも排気エ
ネルギの回収効率を高められる。しかも、吸気バ
ルブ側の点火プラグ回りの排気を一掃でき、エン
ジンの着火安定性も向上する。

更に、クランクシヤフトに排気タービンを直接
結合すると、構成の簡素化を図り、しかも、排気
タービンの得た回転力をロス無くクランクシヤフ
ト側に伝達できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例としての２サイクル
内燃機関の正面方向の全体概略構成説明図、第２
図は第１図の平面方向の全体概略構成図、第３図
は同上機関の側断面図、第４図は同上機関のシリ
ンダ位置での縦断面図、第５図は同上機関の排気
タービン位置での部分切欠断面図、第６図は同上
機関のポンプの断面図、第７図は同上機関のバル
ブタイミング説明図である。 １…クランクシヤフト、２…排気タービン、
３，４…ポンプ、５…シリンダブロツク、８…シ
リンダ、１１…カムシヤフト、１３…ピストン、
１４…吸気弁、１５…排気ポート、２７…タービ
ンデイスク、３２…タービンブレード、３９…環
状冷却室、Ｉ…インペラー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ クランクシヤフトの一回転で往復動機関の本
   体が圧縮行程を含む全行程を行う２サイクル内燃
   機関において、上記クランクシヤフトと同一角速
   度でこのクランクシヤフトにより駆動されるカム
   シヤフトと、上記カムシヤフトにより開閉駆動さ
   れるシリンダの頂部側に設けられた吸気弁と、上
   記シリンダの頂部近傍に配置され上記カムシヤフ
   トと同一角速度でこのカムシヤフトにより回転駆
   動され上記吸気弁の開弁時で排気行程後期におい
   て混合気を上記シリンダに圧送するピストン式ポ
   ンプと、上記シリンダ壁部に設けられると共に下
   死点近傍に達した上記ピストンにより開口される
   排気ポートと、上記排気ポートよりの排気を受け
   て回転し、その回転力を上記クランクシヤフトに
   伝達する排気タービンとを有する２サイクル内燃
   機関。 ２ クランクシヤフトの一回転で往復動機関の本
   体が圧縮行程を含む全行程を行う２サイクル内燃
   機関において、上記クランクシヤフトと同一角速
   度でこのクランクシヤフトにより駆動されるカム
   シヤフトと、上記カムシヤフトにより開閉駆動さ
   れるシリンダの頂部側に設けられた吸気弁と、上
   記シリンダの頂部近傍に配置され上記カムシヤフ
   トと同一角速度でこのカムシヤフトにより回転駆
   動され上記吸気弁の開弁時で排気行程後期におい
   て混合気を上記シリンダに圧送するピストン式ポ
   ンプと、上記シリンダ壁部に設けられると共に下
   死点近傍に達した上記ピストンにより開口される
   排気ポートと、上記クランクシヤフトに直接結合
   されたタービンデイスクと、上記タービンデイス
   クを介して上記クランクシヤフトに一体的に結合
   されると共に上記排気ポートよりの排気を受けて
   駆動するタービンブレードとを有した２サイクル
   内燃機関。 ３ 上記タービンデイスクの上記タービンブレー
   ド取付部には冷却水の循環する冷却室が形成され
   たことを特徴とした特許請求の範囲第２項記載の
   ２サイクル内燃機関。