JPS63205416A - 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吸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、吸気弁及び排気弁を
有するオーブンチャンバ型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、ピストンが不死
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つの吸気弁がら空気を供給
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。

本願の出願人は先に、アイドルを含む低負荷時に、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
させることによって、ピストン側の残留排気ガスに対し
てシリンダヘッド側に新気を集め、成層燃焼を行うこと
のできる２サイクル内燃機関を提案した。

〔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。本発明は上記先願に記載されているような、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、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
せつつ再流入させて、新気と残留排気ガスとの成層化を
形成し、かつこの形成された成層化をピストン上昇時ま
で維持することのできるようにして、シリンダヘッドの
近傍に形成された濃い混金気の層に点火プラグによって
容易に着火できるようにすることを目的とするものであ
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吸気ポ
ート及び排気ポートを開閉するために、クランク角に同
期して駆動される吸気弁及び排気弁を有する多気筒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るとと
もに、排気マニホールドを共有する気筒群のバルブタイ
ミングが、或る気筒の排気弁の開弁期間が他の気筒の排
気弁の開弁期間とオーバーラツプしないように定められ
ている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を含む低負荷域に
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子る
。その後で吸気弁が開弁する。

アイドル時及び軽負荷域においては供給新気量は少なく
、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。

従って、シリンダヘッド側に新気があり、ピストン側に
残留排気ガスがあり、これで成層化が形成される。また
、バルブタイミングが、或る気筒の排気弁の開弁期間が
他の気筒の排気弁の開弁期間とオーバーランプしないよ
うに定められており、掃気中の気筒の排気弁が閉じるま
で他の気筒の排気弁は開弁しない。従って、上のように
して成層化が形成された掃気中の気筒に、他の気筒の排
気圧力、特に排気弁開弁当初のブローダウン圧力がかか
ることがなく、従って、ピストン上昇時まで成層化が乱
されることなく維持され、シリンダヘッドの近傍に集ま
っている濃い混合気に点火して容易に着火することがで
きるのである。

〔実施例〕

第１図は第３図の吸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１
０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。シリンダヘッド
１４には吸気ポート２０と排気ポート２２とが対向配置
で形成され、それぞれにポペット弁からなる吸気弁２４
と排気弁２６とを有するものである。

第３図に示されるように、吸気弁２４及び排気弁２６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。排気弁２６はＥＳとＥで表
されており、一方、吸気弁２４はＦＡ、ＦＢで表されて
いる。これは吸気弁２４の働きが相互に差があることを
示しており、以後ＦＡで表された吸気弁を低負荷吸気弁
と呼び、ＦＢで表された吸気弁を高負荷吸気弁と呼ぶこ
とにする。

第２図及び第３図に示されるように、シリンダヘッド１
４には２個の吸気マニホールド３０　、３２が取りつけ
られる。一方の吸気マニホールド３０の各枝管が低負荷
吸気弁ＦＡの配置された側の吸気ポート２０に接続され
、他方の吸気マニホールド３２の各枝管が高負荷吸気弁
ＦＢの配置された側の吸気ポート２０に接続される。両
吸気ポート２０は機関の長手軸線とほぼ直角方向に相互
にはぼ平行に延び、且つ機関の長手軸線とほぼ直角力　
　　　　　　！向の気筒の中心線の両側にあり、少なく
とも低負荷吸気弁ＦＡの配置された側の吸気ポート２０
は燃焼室１８に接線方向に開口する。そして、吸気ポー
ト２０または吸気マニホールド３０　、３２の各枝管に
はそれぞれ燃料噴射弁３４が配置される。また、燃料噴
射弁３４の上流にはリードバルブからなる逆止弁３６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で流量制御され、そし
て過給＠４２で過給されるようになっている。過給機４
２の下流にはインタークーラ４４が配置され、前記２つ
の吸気マニホールド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するこ
とができる。また、スロットル弁４０の上流にはエアフ
ローメータ４６が配置される。

高負荷側の吸気マニホールド３２の集合部にはバタフラ
イ式吸気制御弁４８が配置される。吸気弁２４及び排気
弁２６がカム軸によって機関のりランクシャフトと同期
して駆動されるのに対し、この吸気制御弁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。吸気制
御弁４８は少な（とも機関アイドル時を含む低負荷時に
閉じられ、従って、このときには空気は低負荷側の吸気
マニホールド３０からのみ供給されることになる。

吸気制御弁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吸気マニホー。

ルド３２及び低負荷側の吸気マニホールド３０の双方を
通って供給される。

第２図に示されるように、６気筒に対して２つの排気マ
ニホールド５０が設けられ、一方の排気マニホールド５
０は第１．２．３気筒に接続され、他方の排気マニホー
ルド５０は第４．５．６気筒に接続される。各排気マニ
ホールド５０の集合部にはそれぞれに触媒５２が配置さ
れ、各排気マニホールド５０はさらにマフラー５４を通
って相互に独立して終端する。この場合、点火順序は、
第１．６，２，４，３．５気筒の順である。各排気マニ
ホールド５０は３つの枝管を有し、従って、１つの枝管
が１気筒分の排気ポート２２に接続されることになる。

第３図はそのような枝管の１つ５０ａを示しており、枝
管５０ａは機関の長手軸線に対してほぼ直角に取りつけ
られる。ところで、各気筒には２つの排気ポート２２が
あり、これらの２つの排気ポート２２はシリンダヘッド
１４内で１つのポートに合流される。Ｅｓを付けて示さ
れる排気弁２６を配置した方の排気ポート２２は上記枝
管５０ａと一直線を成すように機関の長手軸線に対して
ほぼ直角に形成され、且つ燃焼室１８に接線方向に開口
する。他方の排気ポート２２は機関の長手軸線に対して
ほぼ直角に形成された側の排気ポート２２に或る角度を
つけて合流される。この排気ポート２２の構成は、２つ
の排気弁２６をもつことによって排気ガスの排出速度を
高めることができることにあり、そして、排気ガスが排
気ポート２２及び排気マニホールド５０に排出され、そ
の一部が燃焼室１８に再流入するときに、−直線上に流
れる慣性の効果によって、角度を付けた側の排気ポ一ト
２２からの再流入はほとんどなく、Ｅｓを付けて示され
る排気弁２６を配置した方の排気ポート２２を主に通り
、この再流入排気ガスがシリンダ軸線の周りのスワール
Ｓを形成することができるようにしたものである。

このスワールＳは第３図で見て時計回り方向である。そ
して、このスワールＳを形成させる（Ｅｓ側の）排気ポ
ート２２は、高負荷側の吸気弁ＦＢを有する吸気ポート
２０と一直線上で向き合い、低負荷側の吸気弁ＦＡを有
する吸気ポート２０とは中心線を挾んでオフセットして
向き合うようになっている。従って、低負荷時に低負荷
側の吸気弁ＦＡを有する吸気ポート２０から供給された
新気がそれ自体でスワールを生成する場合には、そのス
ワールは再流入排気ガスのスワールＳと同じ時計回り方
向になる。低負荷時には、吸気制御弁４８が閉じられる
のでスワールＳを形成させる排気ポート２２と向き合っ
た高負荷側の吸気ポート２０からの新気の流れはなく、
再流入排気ガスのスワールＳを妨げるものがなく、かく
して、スワールＳが保持されることができる。

第３図に示されるように、シリンダヘッド１４の内壁、
即ち燃焼室１８の上壁には、マスク５６が形成される。

このマスク５６は機関の長手軸線とほぼ平行に燃焼室１
８を横断し、中央の大部分は鋭い立ち上がりの台地状隆
起で形成され、側縁部においては傾斜が緩やかになって
いる。点火プラグ２８は吸気弁２４側にくるようになっ
ている。

このマスク５６もスワールＳの形成を助けるものである
。即ち、排気弁（Ｅ）２６からの再流入排気ガスは前述
したようにほとんどないばかりでなく、流入があったと
してもマスク５６に遮られる。排気弁Ｅｓからの再流入
排気ガスは前述したようにそれ自体でスワールしようと
し、さらに、スワールから外れて燃焼室１８の中心方向
への流れがあればこれもマスク５６゛に遮られる。従っ
て、排気弁Ｅｓからの再流入排気ガスはマスク５６の側
縁部の傾斜の緩やかな領域を通る他なく、ますます、燃
焼室１８及びシリンダの円筒面に沿って流れるようにな
るのである。また、高負荷時には、２つの吸気ポート２
０から平行に供給される新気がマスク５６に当たり、下
向きに流れを向けられ、排気ポート２２に吹き抜けるの
が防止される。点火プラグ２８は吸気弁２４側にあるの
で低負荷時でもより濃い混合気に接することができるの
である。

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２６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２２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。

第４図はクランクシャフトと同期して駆動される吸気弁
２４の開弁期間（ＦＯ）と排気弁２６の開弁期間（Ｅ○
）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し
つつガス交換を行う掃気を含んでいる。高負荷時には新
気量及び燃料量が多く、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２６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２２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２６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、吸気弁２４は排気弁２６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５０度
の時点で開き、排気弁２６の閉弁後の下死点ＢＤＣ後７
０度の時点で閉じる。

第５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吸気弁（
ＦＡ）　２０側からのみとなる。この新気の供給は、量
自体が少なく且つ過給圧も低いのでゆっくりしたもので
ある。第５図（ａ）に示されるように、下死点ＢＤＣ前
８０度になると排気弁２６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２〜３ｋｇ／ｃＪ
程度になるが、直ぐに１．０５ｋｇ　／　ｃ＋ａ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５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２２の構造、マスク５６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５０度になると、低負荷吸気弁（ＩＩＡ
）２０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、吸気弁２４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、低負荷吸気弁（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
。

しかる後に、第５図（Ｃ）、　（ｄ）に示されるように
、吸気弁２４が実質的に全開になると新気が入ってくる
。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、前述したように同じ方向に回るように供給されるの
で、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、
シリンダへノド１４側の新気とピストン１６例の排気と
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５図（ｅ）に示されるように、ピストン１６が下
死点まで下降した後、それから少し上昇して排気弁２６
が閉じ、そして吸気弁２４が閉しく１８） ても維持される。尚、ピストン１６が下死点を過ぎて上
昇に転じても暫くは運動速度が遅く、そして、各排気マ
ニホールド５ｏに設けた触媒５２が排気ポート２２及び
排気マニホールド５ｏの圧力の低下を妨げるので、燃焼
室１８がら排気ポート２２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。また、各排気マニ
ホールド５０に設けた触媒５２は、排気ブローダウン時
の圧力を反射させる作用をもっことが確認されており、
この反射圧力が、ピストン１６が下死点を過ぎて上昇に
転じた後で燃焼室１日に背圧を与え、新気の吹き抜は防
止に効果を発揮する。

ところで、第５図（ｄ）または（ｅ）に示されるように
成層化が形成された後で、この成層化が乱されることは
好ましくない。例えば、第４図ではＢＤＣ後４後塵０度
気弁２６が閉じるが、ＢＤＣ後３０度で他の気筒の排気
弁２６が開くとすると、その排気ブローダウンがまだ開
弁中の当該気筒に作用し、せっかく形成された成層化が
乱されることになる。これを防止するために、本発明に
おいては、バルブタイミングが、或る気筒の排気弁の開
弁期間が他の気筒の排気弁の開弁期間とオーバーランプ
しないように定められている。さらに詳細に説明すると
、例えば、第２図の下側の排気マニホールド５０は１２
０度ずつ位相のずれた第１．２．３気筒に接続され、排
気弁２６の開弁期間ＥＯが１２０度以下となるようにな
っている。第４図は排気弁２Ｇの開弁期間ＥＯが丁度１
２０度の場合を示しており、第２気筒の開弁期間がＥＯ
２、第３気筒の開弁期間がＥＯ３でそれぞれ示されてい
る。従って、掃気中の気筒が他の気筒の排気ブローダウ
ンを受けることがない。なお、排気弁の開弁期間を極端
に小さくすることは実際上難しく、６気筒機関の場合に
は第２図に示されるように２つの気筒グループに分離し
て、少なくとも排気ガスの挙動に関して各グループが他
のグループと独立するようにし、そして各グループ内で
上記したように排気弁の開弁機関がオーバーランプしな
いようにするのが好ましいのである。

燃料は吸気弁２４が閉弁する前の適切な時点に噴射され
る。従って、アイドル時及び軽負荷時には、濃い混合気
がシリンダヘッド１４側の点火プラグ２８側に近い部位
に集まり、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、この混
合気及び次の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して、着火性が高められた状態
の中で燃焼を行うことができるのである。

中高負荷時には吸気制御弁４８が開かれるので両方の吸
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吸気ポートＦＢ２４を通る
ことができるようになる。このように新気量が多くなる
と再流入排気ガスのスワールの効果はなくなり、多量の
新気による横断掃気が行われるようになる。このときに
、シリンダヘッド１４の中央を横断するマスク５６があ
るので、排気ポート２２に向かって供給された新気はマ
スク５６に当たって下向き流れになり、結局、新気が最
初下向きに流れ次にピストン１６に当だって上向きにな
り、Ｕ字状の流れで掃気を行う。

〔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形成し、こ
の成層化を維持して確実で排気浄化性能の優れた燃焼を
行うことができ、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
。

【図面の簡単な説明】

第１図は第３図の吸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図はバルブタイミングを示す図、第５図
は低負荷時の成層化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・・・吸気ポート
、２２・・・排気ポート、　　　　２４・・・吸気弁、
２６・・・排気弁、　　　　　４２・・・過給機、４８
・・・吸気制御弁、　　　５６・・・マスク。

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
   設けられた吸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吸気弁及び排気弁を
   有する多気筒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
   手段を設けるとともに、排気マニホールドを共有する気
   筒群のバルブダイミングが、或る気筒の排気弁の開弁期
   間が他の気筒の排気弁の開弁期間とオーバーラップしな
   いように定められていることを特徴とする２サイクル内
   燃機関。