JPH1162595A - 吸引消音掃気内燃機関 - Google Patents

吸引消音掃気内燃機関

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JPH1162595A
JPH1162595A JP25403997A JP25403997A JPH1162595A JP H1162595 A JPH1162595 A JP H1162595A JP 25403997 A JP25403997 A JP 25403997A JP 25403997 A JP25403997 A JP 25403997A JP H1162595 A JPH1162595 A JP H1162595A
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internal combustion
engine
combustion engine
scavenging
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Yutaka Abe
豐 阿部
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B75/22Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • F02B75/225Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement having two or more crankshafts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/12Engines with U-shaped cylinders, having ports in each arm
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
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    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 この発明は、内燃機関の掃気と消音を同
時に一体化して行い、従来の機関運転および消音まで
の、全エネルギー損失をより少なくして実用出力を増加
させ、燃費等の向上を課題とするものである。 【解決手段】 排気孔3から排出口15の間の排気管1
3に、膨張室11、排気タービン、整流筒14を配置す
る。 排気タービン12を最適に制御して高速回転さ
せ、膨張室11が常時大気圧以下になるように保って、
高温高圧の燃焼ガスを瞬時に拡散膨張させ、同時に掃気
と消音も行なう。排気タービンの回転の動力は、(A)
機関の出力軸から直接または無段変速器11を介して駆
動する。 (B)変速モーターによって駆動する。
(C−図2)排気エネルギーを利用した駆動タービン
25によって駆動する。 また何れの場合もコンピュー
ター制御等で最適な運転状態に対応させる事ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、4サイクルまた
は2サイクル内燃機関に適用され、気筒内の掃気を、通
常のピストンによる吸入または加圧された吸入気によら
ず、排気タービン12,27によって常時大気圧より低
く保たれる膨張室11,26と、整流筒14,29を内
蔵した排気管13,28によって掃気と消音を同時に達
成する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来4サイクル機関では、ピストンによ
るポンプ作用で吸排気の掃気を行ない、2サイクル機関
ではクランク室の圧縮圧または、別個の圧縮器を設けて
掃気を行っている。 しかし燃料混合気による掃気で
は、排気孔からの燃料ロスが多く燃費の低下を生じ、出
力も同回転数下で一般には4サイクル機関の2倍とする
ことは困難で通常1.5倍前後である。 また何れの機
関も消音器によって、強烈な爆発音を低く消音する必要
がある。 特に自動車などでは低騒音化が要求され、機
関出力の20〜30%程度が消音ロスとして消費され
る。 そして内燃機関と消音器は全く別個の機能を持つ
ものとして、それぞれ開発され改良されて現在に至って
いる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】したがって掃気率を1
00%に近づける事による出力および効率の向上、とく
に2サイクル機関では、出力を4サイクルの2倍にする
事、気筒内直接燃料噴射方式の採用と、排気消音器を機
関機能と一体化させ、完全掃気と消音、また必要により
過掃気による気筒内冷却などを、従来排気ガスの消音の
為に消費されている、エネルギーの一部を利用するか排
気エネルギーを利用して、消音装置をも含めた内燃機関
の諸性能の向上を図る事が、この発明が解決しようとす
る課題である。
【0004】
【課題を解決するための手段】次にその構成を先ず図1
により説明すると、 (イ)内燃機関の排気孔3と排出口15との間に、自由
な形状の膨張室11と排気タービン12および整流筒1
4を設ける。 (ロ)排気タービン12は、機関出力軸の回転により直
接または回転速度に応じて制御される無段変速器17を
介して駆動される。 変速モーターや図2で後述する排気圧を利用した駆動タ
ービン25による駆動でも同様に作用する。 (ハ)ハニカム状やパイプ集合体のような低抵抗の通路
である整流筒14は、非常に弱い通常の消音器に置き換
えられる。 以上のように構成された内燃機関。
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
説明する。全ての内燃機関に本発明は適用できるが、そ
の基本概念は全て同様であるので、最も効果的と考えら
れる、2サイクル気筒内燃料直接噴射のガソリン機関に
適用した場合について詳説する。図1に示したものは、
一般的に利用されているユニフローの対向ピストン2サ
イクル機関を、逆Uまたは逆V状に折り曲げた形状のも
ので、2気筒で一対のユニフロー掃気機関を構成する。
吸気孔2側の左気筒5と、排気孔3側の右気筒4は、
燃焼室6が掃気通路として両気筒を連結する。左右のク
ランク軸19、と20は歯車で直結され互いに同速で逆
回転する。右クランク軸20に適当な進角が与えられ、
回転によって排気側のピストン10が早く排気孔3を開
き、遅れて吸気側の左ピストン9が吸気孔2を開ける。
ピストンが上昇し始める時は、先に排気孔3が閉ざさ
れ遅れて吸気孔2が閉じる。排気孔3に接続して容量の
大きな膨張室11が設けられ、さらに排気ポンプ12に
連絡される。 排気ポンプ12は機関の回転から直接ま
たは、回転速度に対応して制御される無段変速器17お
よび増速ギア18により駆動される。 また変速モータ
ーによっても同様に駆動できる。ピストンが上昇すると
吸入された空気は圧縮され、空燃比に応じて上死点まで
の適当な時期に、燃料噴射ノズル7よりガソリンが高圧
で噴射され、最適時期に点火プラグ8により着火され爆
発燃焼する。 その圧力によって両ピストンは下降し両
クランク軸を回転させる。 右ピストン10が下死点近
くに下がると排気孔3が先に開口して、高温高圧の燃焼
ガスは膨張室11に排出される。排気タービン12は高
速回転し膨張室11は、常時大気圧より低くなるように
維持され、左ピストン9が吸気孔2を開けると同時に、
エアクリーナー1から入った空気は瞬時に両気筒内を掃
気する。排気孔3が先に閉ざされるので、掃気終了時の
気筒内はほぼ大気圧になり、また掃気空気量を少し多め
に設定すれば、100%に近い完全な新気充填が可能で
出力向上が期待できる。 さらに多い掃気量にすると、
気筒内の冷却効果を一層高める事が可能となる。排気タ
ービン12はクランク軸の回転を歯車、Vベルトなどで
直結して駆動してもよいが、図例のようなタービン・ポ
ンプの場合の排気量は、回転数と比例しないので、無段
変速器17を備えてその入力軸16に入る回転数を、機
関の回転速度に応じて制御する。 特に低速回転の場合
膨張室11の圧力を、掃気に必要な低圧にする事が困難
で効率の低下に繋る。 さらにコンピューター制御によ
って、最適の掃気量を与えて機関の性能の向上を図る事
ができる。排気孔3と吸気孔2が閉ざされて圧縮行程に
なると、始めは空気の乱れが残るが、上死点に近付くに
つれて層状に圧縮される。 従って空燃比即ち燃料噴射
量に対応して、多い場合は早期に少ない場合は点火間際
に噴射して、燃料ガスを両側からサンドウィッチ状に挟
み込み、空燃比1/50以下の極希薄燃焼をも実現でき
る。排気孔3から噴出される高温高圧ガスは、大きな容
量の膨張室11に瞬時に拡散され、大気圧以下となり同
時に温度も下がって、 排気タービン12により整流筒
14に向け排出される。 低く下げられた爆発音は排気
タービン12に依っても拡散され、また排気タービン1
2によって生ずる渦流騒音と共に、排気管13の整流筒
14または極く弱い低抵抗の従来の消音器によって、十
分に消音され排出口15から排出される。 図例のもの
は2クランク軸であるが、一般的な直列気筒機関で2気
筒を同様に連結してもよい。 また4サイクル機関の場
合も同様に消音が行われるが、さらに排気終了間近に吸
入弁を少し開ける事により、残留燃焼ガスを完全に排出
でき出力の向上が図られる。 また排気行程では負圧と
なり回転力として回収される。 ディーゼル機関の場合
も全く同様の効果が得られる。図2の例は、ユニ・フロ
ーの2サイクル対向ピストン機関の排気孔24側を示し
たもので、ピストン22によって排気孔24が開口する
と、高圧力の爆発燃焼ガスは、半径流の駆動タービン2
5を高速で回転させて膨張室26に排出される。同時に
同軸の排気タービン27により、常時膨張室26を大気
圧以下に保って排気管28に排出され、図1例と同様に
整流筒29によつて消音され排出口30より外部に放出
される。排気ガスを利用した駆動タービンと遠心式圧縮
機による、ターボチャージャーと似た構造であるが、そ
の機能は全く異なり加圧でなく減圧であり、実効容積率
の増加ではなく吸引掃気と消音である。 ただ排気ガス
・エネルギーを利用する点は同じである。 図1例のよ
うに機関出力によって駆動しないので、当然消音に必要
な出力ロスが無く、消音器を含めた実用出力が向上す
る。また必要な場合、両タービンの間に同軸に変速モー
ター31が設けられ、始動時や低速時に掃気に必要な回
転を補強する。 反対に必要以上に回転が上がった場合
には、制動する事も可能でエネルギー回収も計られる。
なお21は燃料噴射ノズル、23はクランク軸である。
膨張室11、26は吸引消音のため十分な容量が必要で
あるが、大きな口径の排気管にしてもよい。 4サイク
ル機関の場合は排気孔は排気弁となる。
【発明の効果】従来は強烈な排気音を消音するため、機
関出力の20〜30%の出力ロスを余儀なくされていた
が、本発明によりその一部または大半が不要となり、必
要出力の燃料効率が著しく向上する。 例えばガソリン
機関は、一般に燃料エネルギーの30%程度の正味馬力
であるが、消音にその30%を費やすと実用出力は21
%となる。 もし図2例のように排気エネルギーによっ
て、消音と掃気が可能となれば実用出力は30%で、さ
らに気筒内燃料噴射の2サイクル機関の場合、機関の駆
動摩擦や冷却損失も減少して、それを5%とすれば実用
出力は35%となり、極めて高い燃料効率の改善が期待
できる。機関のサイクル形式に関係なく完全掃気が可能
で機関出力が増加する。適当に制御された過掃気によっ
て機関の内部からの冷却もできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関の構成を示したもので、排気
タービン12を機関出力によって駆動させた例を示した
もの。
【図2】本発明の吸引消音掃気内燃機関の構成を示した
もので、排気エネルギーを利用して排気タービン27を
駆動させた例を示したもの。
【符号の説明】
1 エアクリーナー 2 吸気孔 3 排気孔 4 右気筒 5 左気筒 6 燃焼室 7 燃料噴射ノズル 8 点火プラグ 9 左ピストン 10 右ピストン 11 膨張室 12 排気タービ
ン 13 排気管 14 整流筒 15 排出口 16 駆動軸 17 無段変速器 18 増速ギア 19 左クランク軸 20 右クランク
軸 21 燃料噴射ノズル 22 ピストン 23 クランク軸 24 排気孔 25 駆動タービン 26 膨張室 27 排気タービン 28 排気管 29 整流筒 30 排出口 31 変速モーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02B 37/00 302 F02B 37/00 302Z 37/02 37/02 D F02F 1/24 F02F 1/24 D F04D 25/04 F04D 25/04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(イ)内燃機関の各気筒の排気孔3,24
    または排気弁に接続して、形状自由の大容量の膨張室1
    1,26を設ける。 (ロ)膨張室に続いて機関の出力軸に直結または、出力
    軸によって駆動される無段変速器17か、変速モーター
    または排気エネルギーを利用した駆動タービン25で、
    コンピューター制御などにより最も掃気、消音、冷却な
    どに適した速度で、高速回転する排気タービン12,2
    7を配置する。 (ハ)排気管13,28にハニカム状や薄いパイプの集
    合体のように、流れ方向に揃えられた細い通路の集合体
    である整流筒14,29か、極く弱い低抵抗の従来型の
    消音装置を設けて、排気タービン12、27から排出さ
    れる排気ガスを排出口15,30から放出されるように
    接続する。 以上のように構成された吸引消音掃気内燃機関。
  2. 【請求項2】(イ)気筒にそれぞれ吸入孔2または排気
    孔3を設けた、平行状の2本の気筒を適当な形状の通路
    によって連結して、一対のユニフローの2サイクル機関
    を形成させる。 (ロ)上記第一項により構成される吸引消音掃気内燃機
    関とする。 (ハ)気筒を連結する通路は燃焼室6を形成し、ガソリ
    ン機関にあってはその中央部に点火プラグ8と、通路と
    垂直方向に噴射される燃料噴射ノズル7を設ける。 デ
    ィーゼル機関では任意な方向に向けた燃料噴射ノズルを
    設ける。 以上のように構成されたユニフローの2サイクル内燃機
    関。
JP25403997A 1997-08-14 1997-08-14 吸引消音掃気内燃機関 Pending JPH1162595A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003016693A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-27 Daihatsu Motor Co.,Ltd. Two-stroke-cycle internal-combustion engine with uniflow scavenging
JP2014092110A (ja) * 2012-11-06 2014-05-19 Mitsubishi Motors Corp 内燃機関の過給機装置

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WO2003016693A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-27 Daihatsu Motor Co.,Ltd. Two-stroke-cycle internal-combustion engine with uniflow scavenging
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