JPS63173814A - ２サイクル内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリンダヘッドに新気弁と排気弁を設けた２サ
イクル内燃機関に関する。

〔従来の技術〕

特公昭６０−５７７０号公報には、吸気（新気）弁及び
排気弁を有するオープンチャンバ型２サイクル内燃機関
が開示されている。この２サイクル内燃機関は、ピスト
ンが下死点にあるときに吸気弁と排気弁とがほぼ同時に
開き、吸気弁から流入した新気は下向きに指向され、ピ
ストン頂面で反転して、シリンダ内で縦回りのＵ字状の
流れを形成するようになっている。新気と排気の境界面
は、最初吸気弁の近くにあり、次いでシリンダの下方中
央部になり、そして排気弁の近くへと移動し、シリンダ
内の全体で排気と新気とが置き換わるようになっている
。

しかしながら、このような２サイクル内燃機関は高負荷
域では問題ないが、アイドル時又は軽負荷域での燃焼に
問題がある。アイドル時又は軽負荷域では、供給される
新気の量が少なくてシリンダ内には多量の排気が残留す
るので、新気が残留排気中に分散して薄くなり、新気を
シリンダヘッドの点火プラグの近傍に集めることができ
ない。

即ち、シリンダ内で縦回りのＵ字状の流れでは、新気の
主流はシリンダの下方へ移動してしまうからである。こ
のため、シリンダヘッドに設けられた点火プラグによる
着火や、火炎核の発生が阻害されたり、火炎伝播速度が
低下することにより、失火したり、燃焼変動が発生し易
くなる。

また、吸入空気にシリンダ軸線回りのスワールを形成さ
せることは従来から公知である。例えば、米国特許４５
４３９２８号は対向配置の２つの吸気弁から空気を供給
してシリンダ軸線回りのスワールを形成させるようにし
ている。排気弁はシリンダの頂部中央に形成された副室
に配置されている。従って、この特許に開示された内燃
機関では、燃焼が副室で開始され、次いで、スワールし
ているシリンダ内に広がるようになっているものであり
、排気ガスにスワールを発生させたり、残留排気ガスと
新気との間で成層化を行ったりするものではない。

また、特開昭５５−１１７０２１号公報は活性熱雰囲気
燃焼を行うことにより燃焼を改善し、その際にシリンダ
ヘッドやシリンダブロック等をセラミックで作るとシリ
ンダ内を高温に維持することができることを開示してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

２サイクル内燃機関では上記したように掃気によって排
気を行うために排気ガスが燃焼室に残留し、アイドルや
軽負荷域では燃焼室内の残留排気ガスに対する供給新気
の割合が小さくなり、燃焼が不安定になるという問題が
あった。本発明は、新気ポート及び排気ポートがシリン
ダヘッド部に設けられた２サイクル内燃機関において、
特にアイドル時や軽負荷域の新気量の少ない運転条件下
において、新気と残留排気ガスとの成層化を達成して新
気をシリンダヘッドの近傍に集め、着火を容易にするこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による２サイクル内燃機関は、過給手段を有する
新気供給系と、シリンダヘッド部分に設けられた新気ポ
ート及び排気ポートを開閉するために、クランク角に同
期して駆動される新気弁及び排気弁を有する２サイクル
内燃機関において、排気弁の開弁時に排気ポートから排
出した排気ガスの一部を燃焼室にシリンダ軸線の回りに
スワールさせつつ再流入させる手段を設け、そして少な
くとも排気ポートの壁面にセラミック層を設けたことを
特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明によれば、少なくともアイドル時及び軽負荷域に
おいて、次のようにして成層化が達成される。即ち、ピ
ストンの下降行程中に排気弁が開くと弱い排気ブローダ
ウンが発生し、排気ポート内は正圧になる。排気ブロー
ダウンは短時間で終了し、ピストンは引き続いて下降し
ているのでシリンダ内が排気ポートに対して負圧になり
、一旦排出した排気ガスの一部が燃焼室に再流入する。

本発明においては、この再流入する排気ガスにシリンダ
軸線の回りにスワールさせる手段が設けられており、燃
焼室内で排気ガスがシリンダ軸線の回りにスワールする
。その後で新気弁が開弁する。

アイドル時及び軽負荷域においては供給新規量は少なく
、新気は比較的にゆっくりと流入する。従って、ゆっく
りと流入する新気はシリンダ軸線の回りにスワールして
いる排気ガスの上にゆっくりと乗り、新気は排気スワー
ルに乗ったままシリンダヘッドの近傍に集まっている。

さらに本発明においては、少なくとも排気ポートの壁面
にセラミック層を設けており、このセラミック層が断熱
層として作用して一旦排気ポートに排出された排気ガス
が冷却されるのを防止し、その一部が高温のまま再流入
する。従って、高温の排気ガスの上に乗っている新気は
より着火され易い条件下にあり、即ち、確実に着火する
ことができるのである。

〔実施例〕

第１図は第３図の新気弁と排気弁を通る垂直断面図で、
第２図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機関
１０を示す図、第３図は第２図の１気筒の燃焼室の近傍
を詳細に示す図である。機関本体１０は第１図に示され
るようにシリンダブロック１２とシリンダヘッド１４と
により構成され、ピストン１６の上方に燃焼室１８が形
成される。この２サイクル内燃機関はシリンダヘッド１
４にポペット弁からなる新気弁２０と排気弁２２とを有
するものであり、従って、シリンダヘッド１４には新気
ポート２４と排気ポート２６とが形成される。

第３図に示されるように、新気弁２０及び排気弁２２は
それぞれ２個ずつ設けられ、点火プラグ２８が燃焼室１
８のほぼ中央に設けられる。第３図では、排気弁２２は
ともにＥで表されており、一方、新気弁２０はＦＡ、Ｆ
Ｂで表されている。

これは新気弁２０の働きが相互に差があることを示して
おり、以後ＦＡで表された新気弁２０を低負荷新気弁と
呼び、ＦＢで表された新気弁２０を高負荷新気弁と呼ぶ
ことにする。

第２図及び第３図に示されるように、シリンダへラド１
４には２個の新気マニホールド３０．３２が取りつけら
れる。一方の新気マニホールド３０の各枝管が低負荷新
気弁ＦＡ２０の配置された側の新気ポート２４に接続さ
れ、他方の新気マニホールド３２の各枝管が高負荷新気
弁ＦＢ２０の配置された側の新気ポート２４に接続され
る。

各新気ポート２４または新気マニホールド３０．３２の
各枝管にはそれぞれ燃料噴射弁３４が配置される。

第２図に示されるように、空気はエアクリーナ３８から
取り入れられ、スロットル弁４０で制御され、さらに過
給機（Ｓ／Ｃ）４２で過給されるようになっている。過
給機４２の下流にはインタークーラ４４が配置され、前
記２つの新気マニホールド３０，３２は共にこのインタ
ークーラ４４に接続される。過給機４２はルーツポンプ
等の機関の出力により駆動される機械式過給機を利用さ
れることができる。

高負荷側の新気マニホールド３２の集合部にはバタフラ
イ式新気制御弁４８が配置される。前記新気弁２０及び
排気弁２２が機関のクランクシャフトと同期して駆動さ
れるのに対し、この新気制御弁４８は機関の負荷及び回
転数に応じて開閉されるものである。新気制御弁４８は
少なくとも機関アイドル時及び低負荷時に閉じられ、従
って、このときには空気は低負荷側の新気マニホールド
３０からのみ供給されることになる。新気制御弁４８は
機関中高負荷時に開かれ、従って、このときには空気は
高負荷側の新気マニホールド３２及び低負荷側の新気マ
ニホールド３０の双方を通って供給される。なお、新気
ポートＦＢ２４には新気の逆流を防止するため、リード
弁からなる逆止弁３６が設けられる。

第４図は低負荷新気弁ＦＡ及び高負荷新気弁ＦＢからそ
れぞれ供給される新気の流れの特徴を示している。この
特徴は弁単独で得られるものではなく、弁の形状は同じ
であっても関連する新気ポート２４の配置や弁の周りの
シリンダヘッド壁面形状の特徴等により得られるもので
ある。低負荷新気弁ＦＡは（ａ）の矢印て示されるよう
に開弁時に少量の空気が弁の周りにほぼ一様に流れるこ
とを許容するものである。他方の高負荷新気弁ＦＢは（
ｂ）の矢印で１．示されるように空気を偏った方向に流
させるように形成されている。この方向はシリンダの垂
直な壁面に沿った方向であり、従って、高負荷時に高負
荷側のポートを通ってくる大量の新気が先ずシリンダ内
を一方の壁面に沿って下降していき、ついでピストン１
６の頂面で方向転換して反対側の壁面に沿って上昇し、
このようにＵ字状に流れることによって排気ガスと効率
よく入れ換わることができる。このように、空気が偏っ
た方向に流れることを可能とするためには、例えば第４
図の（ｂ）に示されるようにポート内に偏流壁５０を設
け、或いは第１図に示されるようにシリンダヘッド１４
の壁面に堰５２を設ける等の手段が可能である。又、高
負荷新気弁ＦＢの周りのシリンダヘッド壁面形状は、低
負荷新気弁ＦＡと同じにしても新気を排気ガスと効率よ
く入れ換えることができる。

第３図に示されるように、各気筒の２つの排気ポート２
６はシリンダヘッド１４内で１つのポートに合流される
。第２図に示されるように、排気系は点火順序から見て
干渉の起こらない２つの気筒群に分割され、２つの排気
マニホールド５４が３気筒分ずつの排気ポート２６に接
続される。排気マニホールド５４の集合部５６はさらに
共通排気管５８により合流された後で、マフラー６２に
接続される。また、各排気マニホールド５４の集合部５
６にはそれぞれ触媒６０が配置される。

ここで排気ガスの圧力について説明すると、機関低負荷
時、排気弁２２が開かれた直後に弱い排気ブローダウン
があって排気ポート内は正圧になり、燃焼室１８の排気
圧力は急激に低下する。ピストン１６の下降運動によっ
て燃焼室１８の圧力が排気ポートの圧力よりも低下する
と、排気ブローダウンによって燃焼室から排出された排
気ガスの一部は、排気ポート２６と燃焼室１８の圧力差
によって燃焼室１８に再流入（逆流）するようになる。

このように、機関低負荷時には弱い排気ブローダウンの
直後に排気ガスの燃焼室への逆流がある。

本発明においては、燃焼室へ逆流する排気ガスが、第１
図及び第３図に示されるように、燃焼室１８内でシリン
ダ軸線の回りのスワールＳを形成するようになっている
。従来、吸気ポートから吸入された吸入空気にスワール
を発生させることはかなり提案されているが、逆流する
排気にスワールを発生させることは本発明の大きな特徴
である。排気にスワールを発生させるためには、吸入空
気にスワールを発生させる場合と同様の手段を採用する
ことができる。例えば、排気ポートの形状を捩じったも
のにしたり、排気ポートをシリンダの周囲に接線状に接
続したりすることができる。この実施例においては、第
２図に示されるように、シリンダヘッド１４の壁面に排
気ポート２６の開口部を部分的に取り囲むマスク２６ａ
が形成されており、また、第１図に示されるように、排
気ポート２６゛の開口部から新気ポート２４の開口部へ
向かうシリンダヘッド壁面に傾斜した案内面６４が形成
されている。この排気側の案内面６４は新気側の堰５２
と協働し、排気ガスが矢印Ｓ方向にスワールするのを助
け、新気が矢印Ｓ方向に流れるのを妨げ、全体としてさ
らに確実にシリンダ軸線の回りのスワールを生成せしめ
るのである。

さらに、第１図に示されるように、排気ポート２６の壁
面にはセラミックの層６６がコートされている。さらに
、セラミックの層６８がシリンダヘッド１４の内壁面に
形成され、特にマスク２６ａや案内面６４に設けられる
。また、排気弁２２や同シート並びにピストン１６の頂
面にもセラミ・ツクの層を設けることができる。このよ
うなセラミックの層６６．６８はアルミ合金で形成した
シリンダヘッド１４にセラミックを？８射することによ
って形成することができる。セラミックの層６６．６８
は排気ポート２６に排出された後で再び燃焼室に流入す
る排気ガスの温度が低下するのを防止するものであり、
従って、セラミ・ツクの７Ｍ６６．６８は排気ガスの逆
流経路に沿った部分に設けられる。

第５図はクランクシャフトと同期して駆動される新気弁
２０の開弁期間（ＦＯ）と排気弁２２の開弁期間（ＥＯ
）とを示した図である。２サイクル内燃機関では、ピス
トン１６が上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣへ下降してい
く膨張行程と、下死点ＢＤＣから上死点ＴＤＣへ上昇し
ていく圧縮行程の２行程しかなく、排気と吸入はこれら
の２行程の間に下死点ＢＤＣの近くで行われ、基本的に
は過給機４２で押し込まれた新気が排気ガスを押し出す
掃気を含んでいる。高負荷時には新気量及び燃料量が多
（、従って、シリンダ内に残留する排気ガスは少ないの
で、燃焼上の問題は少ないが、アイドル時及び低負荷時
には新気量及び燃料量が少なく、残留排気ガスが多い中
で燃焼を行わなければならず、新気と排気が混合すると
空燃比が薄くなり、着火燃焼が非常に困難になるのであ
る。

本発明においては、排気弁２２は下死点ＢＤＣ前８０度
の時点で開き、このときにはピストン１６の下降速度が
速いので、アイドル時及び低負荷時の弱い排気ブローダ
ウン後に燃焼室１８の圧力は下がり、排気ポート２６の
背圧と燃焼室１８の負圧とによって排気ガスの逆流が確
実に生じるようになっている。排気弁２２は圧縮行程の
あまり進まない下死点ＢＤＣ後４０度の時点で閉じる。

また、新気弁２０は排気弁２２が開いた後で排気ガスの
逆流が生じたような時点、例えば下死点ＢＤＣ前６前置
０度点で開き、排気弁２２の閉弁後の下死点ＢＤＣ後６
後塵０度点で閉じる。

第６図はアイドル時及び低負荷時の排気ガスの逆流及び
スワールの生成、及びそれによって生じる新気と残留排
気ガスの成層化を説明する図である。このときには、吸
気制御弁４８は閉じられ、新気の供給は低負荷新気弁Ｆ
Ａ２０側からのみとなる。この新気の供給は、量目体が
少なく且つ第４図を参照して説明したように特定の方向
性をもたずにゆっくりしたものである。第６図（ａ）に
示されるように、下死点ＢＤＣ前８前震０度ると排気弁
２２が開き、圧力Ｐの弱い排気ブローダウンが生じる。

この排気ブローダウンはアイドル時及び低負荷時におい
ては短時間で終了する。例えば、アイドル時及び低負荷
時の弱い排気ブローダウンにおける排気ポート２２の圧
力は、瞬間的に２〜３　ｋｇ　／　ｃ艷程度になるが、
直ぐに１．０５　ｋｇ／　ｃｏ！程度に下がり、正圧の
背圧を維持しつつ安定化する。

ピストン１６の下降により燃焼室１８内が負圧になり、
第６図（ｂ）に示されるように排気ガスが矢印Ｑのよう
に再流入し、排気ポート２６の構造、マスク２６ａ１ガ
イド面６４等のスワール形成手段により、燃焼室１８内
で排気ガスのスワールＳが形成される。下死点ＢＤＣ前
６前置０度ると、低負荷新気弁ＦＡ２０が開く。新気は
スロットル弁４０で調量され、過給機４２の過給圧も比
較的に低い。また、新気弁２０が実質的に全開になるの
に時間がかかるので新気は直ちには流入せず、低負荷新
気弁ＦＡ２０の開弁当初にも排気ガスの逆流及びスワー
ル形成は続いている。このように排気スワールの形成は
かなりの時間続けられ、このスワールはシリンダ軸線の
回りに形成されるものであるから圧縮行程末期後まで消
滅することなく維持されるものである。

しかる後に、第６図（Ｃ）に示されるように、新気弁２
０が実質的に全開になると新気が入ってくる。このとき
の新気は、第４図（ａ）を参照して説明したように弁の
全周からゆっくりと流れ、しかもこのときにはピストン
１６の下降速度も小さくなっているので燃焼室内にはほ
とんど負圧が形成されず且つ前述したように過給圧も小
さいので新気はゆっくりと燃焼室１８に入る。従って、
流入した新気は排気スワール上にゆっくりと乗り、排気
スワールを下方に通過することなくむしろ排気スワール
上で排気スワールとともにスワールするようになる。こ
のようにして、新気はシリンダヘッド１４側の点火プラ
グ２８側に近い部位に集まり、即ち、シリンダヘッド１
４側の新気とピストン１６側の排気との成層化が達成さ
れるのである。この新気と排気の成層は、第６図（ｄ）
に示されるように、ピストン１６が下死点まで下降し、
それから少し上昇して排気弁２２が閉じ、そして新気弁
２０が閉じても維持される。尚、排気ポート２６は正圧
に維持されて排気弁２２から燃焼室１８に与えており、
排気弁２２が閉じるまでのピストン１６の運動も遅いの
で、燃焼室１８から排気ポート２６への新気の流出、い
わゆる新気の吹き抜けはほとんど起こらない。

アイドル時及び軽負荷時には、新気は上述したようにシ
リンダヘッド１４側の点火プラグ２８側に近い部位に集
まり、新気弁２０の閉弁前に燃料噴射弁３４から噴射さ
れた燃料もその新気に含まれており、それによって空燃
比も点火プラグ２８の近くでは薄くならず、点火プラグ
２８によって容易に着火して確実な燃焼が得られるよう
になるのである。そして、新気は排気ガスの上に乗って
おり、高温の排気ガスによって活性化され、ラジカル燃
料成分を含む活性熱雰囲気状態を形成する。

従って、内燃機関が低温状態にあるときには点火プラグ
２８により着火されるが、暖機後においては圧縮行程に
おける断熱圧縮により低燃費で排気浄化性能の優れた自
己着火燃焼が可能となるのである。本発明では、排気ガ
スが一旦排気ポート２６に排出されるが、この排気ガス
は排気ポート２６に設けたセラミック層６６によって保
温され、再び燃焼室１８に流入するときにも高温に維持
されており、内燃機関の低温時にも新気を高温の排気ガ
スの上にのせて安定した着火性能を保持し、新気の活性
化が十分に行われ、安定した燃焼を得ることができるの
である。

中高負荷時には新気制御弁４８が開かれるので両方の新
気ポート２４を通って新気が供給されるようになり、特
に、大量の空気が高負荷側の新気ポートＦＢ２４を通る
ことができるようになる。

高負荷側の新気弁ＦＢ２０は第４図を参照して説明した
ように新気が主にシリンダ壁面に沿って下方に流れるよ
うに設けられたものであり、新気は一方側のシリンダ壁
面に沿って下降し、ピストンで方向転換して反対側の壁
面に沿って上昇するＵ字状の流れを生成するものであり
、これによってより多くの排気ガスを押し出し、掃気効
率を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば特にアイドル及び
低負荷時に新気と残留排気との間で成層化を達成して安
定した燃焼を得ることができ、低負荷から高負荷まで良
好な燃焼をすることのできる２サイクル内燃機関を得る
ことができる。特に、一旦排気ポートに流れた排気ガス
をスワールさせつつ燃焼室に再流入させ、このときに排
気ポートの壁面による排気ガスの温度低下を防止でき、
それによって燃焼室の排気ガスの温度を高温に維持する
ことができ、新気の活性化が高まり、低温も安定した着
火燃焼を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第３図の新気弁と排気弁を通る垂直断面図、第
２図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機関を
示す図、第３図は第２図の１気筒の燃焼室の近傍を詳細
に示す図、第４図は新気弁から燃焼室に入る新気の流れ
を説明する図、第５図はパルプタイミングを示す図、第
６図は低負荷時の排気ガスの逆流及び新気の供給を説明
する説明図である。 １４・・・シリンダヘッド、 １６・・・ピストン、 １８・・・燃焼室、 ２０・・・新気弁、 ２２・・・排気弁、 ２４・・・新気ポート、 ２６・・・排気ポート、 ２６ａ・・・マスク、 ４８・・・新気制御弁、 ６６・・・セラミック層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 過給手段を有する新気供給系と、シリンダヘッド部分に
   設けられた新気ポート及び排気ポートを開閉するために
   、クランク角に同期して駆動される新気弁及び排気弁を
   有する２サイクル内燃機関において、排気弁の開弁時に
   排気ポートから排出した排気ガスの一部を燃焼室にシリ
   ンダ軸線の回りにスワールさせつつ再流入させる手段を
   設け、そして少なくとも排気ポートの壁面にセラミック
   層を設けたことを特徴とする２サイクル内燃機関。