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JP2002349268A - 過給装置付き筒内噴射型2サイクルガソリン機関 - Google Patents

過給装置付き筒内噴射型2サイクルガソリン機関

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Publication number
JP2002349268A
JP2002349268A JP2001193706A JP2001193706A JP2002349268A JP 2002349268 A JP2002349268 A JP 2002349268A JP 2001193706 A JP2001193706 A JP 2001193706A JP 2001193706 A JP2001193706 A JP 2001193706A JP 2002349268 A JP2002349268 A JP 2002349268A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cylinder
air
scavenging
fuel
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001193706A
Other languages
English (en)
Inventor
Zenichi Abiko
善一 安孫子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to JP2001193706A priority Critical patent/JP2002349268A/ja
Publication of JP2002349268A publication Critical patent/JP2002349268A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • 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
    • 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
    • F02B75/12Other methods of operation
    • F02B2075/125Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Supercharger (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】掃気時の混合気の排気ガスへの混入を防止し掃
気効率を良好にして、燃料消費率の良い、公害の少ない
2サイクルガソリン機関を得る。 【解決手段】シリンダ1内の燃焼ガスを排出する排気手
段と、シリンダ1内に与圧空気を送給して掃気する過給
手段4と、シリンダ1内にガソリンを直接霧化噴射して
混合気を生成する燃料噴射手段11と、シリンダ1内の
混合気を燃焼させる点火手段9と、を備えている。費用
のかからない多量の空気で掃気するため、掃気効率と燃
料消費率が良好で、公害の少ないものとなる。2サイク
ル機関の最大の欠点を克服しっつ、部品の少ない軽量高
出力ガソリン機関が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、2サイクルガソリ
ン機関の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の2サイクルガソリン機関は、ピス
トンの2行程(下降行程と上昇行程)で一連の燃焼、排
気、掃気、圧縮の各作用がなされる構造になっている。
この各作用のうち、2サイクルガソリン機関の特有の作
用である掃気作用は、予めシリンダ外で生成された混合
気を燃料としてシリンダ内に送給すると共に、この混合
気で燃焼ガスをシリンダ外に押し出すようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の2サ
イクルガソリン機関は、シリンダの行程容積と同じ限ら
れた量の混合気をシリンダー内に送給して掃気する構造
であるから、新しい混合気と燃焼ガスとを完全に入れ替
えることができず、掃気効率が悪く機関の燃焼状態に悪
い影響を及ぼしていた。また、シリンダ内にとどまるべ
き新しい混合気がそのままシリンダ外に吹き抜けてしま
う現象も生じることから、出力に対する燃料消費効率も
悪かった。
【0004】さらに、排気ガス成分に未燃焼の混合気が
混入することから、有害物質が多く公害対策を施すこと
が困難であり、部品点数が少ないことや出力に比べ小型
軽量の利点があるものの、近年は自動車用機関としての
使用は敬遠され過去の技術として忘れ去られているのが
現状である。本発明は上記問題を考慮し、掃気効率を良
好にして、燃料消費率の良い公害の少ない2サイクルガ
ソリン機関を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、ガソリン筒内噴射装置を持つ2サイクル機関
において、過給装置を組み合わせた事を特徴とする内燃
機関である。具体的には、シリンダ内の燃焼ガスが排出
する排気手段と、シリンダ内に与圧空気を送給して掃気
する過給手段と、シリンダ内にガソリンを直接噴射して
混合気を生成する燃料噴射手段と、混合気を燃焼させる
点火手段を備えている。
【0006】この過給装置付き筒内噴射型2サイクルガ
ソリン機関は、まず、燃焼したシリンダ内の燃焼ガスが
下死点付近の排気手段によりシリンダ外に排出される
(排気作用)。その後、過給手段により与圧された行程
容積を上回る多量の空気がシリンダ内に送給されて燃焼
ガスをシリンダ外に完全に押し出す(掃気作用)。次に
上昇行程で燃料噴射手段によりガソリンがシリンダ内に
直接霧化噴射されてシリンダ内の新しい空気を混合気に
生成する。この混合気は、ピストンにより圧縮されて
(圧縮作用)、点火手段により点火されて燃焼する(燃
焼作用)。続いて膨張による下降行程に移る。
【0007】以前からのディーゼルにみられる自己着火
型の燃料は、筒内噴射後の霧化する過程で次々に空気中
の酸素と結合し着火燃焼するのに対し、ガソリンは圧縮
比を30程度にしないと自己着火しないため、噴霧ガソ
リンをすぐ点火し燃焼させるにはその混合気を点火プラ
グの近傍に導くことが必要で、かつそれを機関回転速度
や負荷の全領域に渡って成立させることが必要でなかな
かガソリン筒内噴射型機関は実用に至らなかった。
【0008】近年開発された4サイクルガソリン筒内噴
射機関においては、空気流入後に縦方向の渦を発生させ
ピストン上昇によりその角速度を加速させて、燃料の霧
化を促すと供に点火プラグ付近にのみ高濃度の混合気を
形成させ点火しやすくし、全体としては空燃比30程度
の超希薄燃焼運転も可能としている。また、比較的軽負
荷の部分負荷でもスロットルを絞る必要がなく、空気を
多量に流入させる事ができるのでポンピングロスが減少
するということもあいまって、効率の良いガソリン機関
として実用化されるようになった。
【0009】さらに4サイクルガソリン筒内噴射機関に
過給装置を付加し、燃料噴射を2回に分け、最初の噴射
で燃焼室を冷却し、次の噴射で混合比を最適化する事に
より、ノッキングを防止し、よって低速から過給圧を高
める事ができるような技術も開発されている。これは、
低回転でも多量の空気を吸入しているためで、排出ガス
の総量も多くタービンの回転速度を高く保てる長所があ
り、よって低速トルクを大きくできると供にアクセルレ
スポンスも良好となり、扱いやすい内燃機関となる。
【0010】これらの特徴を持つ最近のガソリン筒内直
接噴射技術と過給装置を2サイクル機関に組み合わせる
事で、多量の空気で掃気を行う事ができるようになる。
従って圧縮行程は排気ガス残留のない空気のみから始ま
り、4サイクル機関に匹敵する理想的燃焼が期待でき
る。また排気ガス中に、未燃混合ガスの混入もなくな
る。
【0011】
【発明の実施の形態】図1〜図4は本発明の実施の形態
に係る、過給装置付き筒内噴射型2サイクルガソリン機
関を示す断面図で、図1は掃気作用、図2ガソリン噴射
と圧縮作用、図3は燃焼作用、図4は排気作用をそれぞ
れ示している。
【0012】この図に示すシリンダ1は、シリンダ側部
に掃気手段を備え、シリンダ頭部に排気手段を備えたユ
ニフロー掃気型のシリンダである。すなわち、シリンダ
1の側部にはピストン2と連動するクランクシャフトに
より開閉する掃気口3が形成されており、その近傍にク
ランクシャフト駆動によるルーツ型の過給機4が設けら
れている。そして、シリンダ1の掃気口3と過給機4の
吐気口5とはケーシング6により連通されている。ま
た、シリンダ1の頭部には排気弁7により開閉する排気
口8が形成されている。同じく、シリンダ1の頭部には
点火プラグ9、及びガソリンポンプ10と連結した燃料
噴射弁11がそれぞれ設けられている。なお、図中の符
号12はコネクティングロッド、13はクランクシャフ
トである。
【0013】次に本実施の形態の作用を説明する。図1
の掃気作用について説明する。ピストン2が下降して下
死点付近に達すると掃気口3が開かれる。この状態で、
過給機4により与圧された空気が掃気口3からシリンダ
1内に多量に送給される。シリンダ1内の燃焼ガスは、
この新しい多量の与圧空気によって排気口8に押し出さ
れ掃気される。燃焼ガスと新しい空気とが完全に入れ替
わったところでピストン2が上昇に転じる。
【0014】図2の圧縮作用について説明する。ピスト
ン2が上昇すると掃気口3はピストン2により閉じら
れ、排気口8は排気弁7により閉じられる。この状態
で、燃料噴射弁11によりガソリンがシリンダ内に直接
霧化噴射されて、シリンダ内の新しい空気が混合気に生
成される。この混合気は上昇するピストンにより圧縮さ
れると共に、縦の渦回転速度が加速されながら攪拌さ
れ、充分な気化が行われる。
【0015】図3の燃焼作用について説明する。ピスト
ン2が上死点付近にあるとき、掃気口3はピストン2に
より閉じられ、排気口8は排気弁7により閉じられてい
る。この状態で、圧縮された混合気が点火プラグ9によ
り点火されて燃焼し、その燃焼ガスの膨張によりピスト
ン2が押し下げられる。
【0016】図4の排気作用について説明する。ピスト
ン2が下降すると下死点付近において排気弁7が稼働し
て排気口8が開かれる。この状態で、シリンダ1内の燃
焼ガスが排気口8から排出される。
【0017】なお、本実施の形態では、過給装置として
クランクシャフト駆動によるルーツ型過給機4を用いて
いるが、これに限らず、図5のようなクランクシャフト
駆動による遠心型の過給機24や図6のような排気ター
ビン駆動型過給機34を用いても良い。
【0018】また本実施の形態では、シリンダとして側
部に掃気口3を備え、頭部に排気弁7と排気口8を備え
たユニフロー型のシリンダ1を用いているが、これに限
らず、図7のようなシリンダ側部に掃気口23と排気口
28を備えた横断掃気型のシリンダ21を用いても良
い。
【0019】
【発明の効果】このように本発明の過給装置付き筒内噴
射型2サイクルガソリン機関は、掃気作用に使用される
気体が、従来のような混合気ではなく、費用のかからな
い空気であり、しかも多量に使用できるため掃気効率や
燃料消費効率が良好で、公害低減装置を付加することも
容易となる。
【0020】4サイクル機関の各シリンダーはクランク
2回転に1回の爆発に比べ、2サイクル機関はクランク
1回転につき1回の爆発となるので、2サイクルの欠点
である未燃ガスの通り抜けが防止でき、かつ掃気効率の
悪さを克服しつつ、2サイクルの長所である4気筒の場
合は8気筒に近い出力と静粛性・振動バランスを得るこ
とができる。逆に言えば同じ出力を得るのに今までの半
分のシリンダー数でよいことから小型軽量のガソリン機
関を製作できる。排気ガスに未燃ガスが入らなくなるた
め、4サイクル触媒装置に近い構造で、炭化水素・一酸
化炭素・窒素酸化物を減少させることができる。
【0021】また2サイクルでありながら、4サイクル
直接噴射型ガソリン機関と同様に、空気流入時に縦方向
の渦を発生させピストン上昇での体積減少により渦の角
速度をさらに加速させ、燃料の霧化を促すとともに点火
プラグ付近にのみ高濃度混合気を形成させ点火しやすく
し、全体としては空燃比30程度の超希薄混合燃焼が期
待できる。また、低負荷時でも流入空気量を絞る必要が
ないので、吸入抵抗によるポンピングロスが減少し効率
が良くなる点も4サイクル直噴と同様である。さらに、
低回転でも多量の空気を吸入しているので排気ガスの総
量も多くなり、排気タービン駆動型過給機においては低
回転からタービンの回転を高く保てる事による、低速ト
ルクが大きくアクセルレスポンスの優れた扱いやすい機
関に設定しやすい事も4サイクル直噴と同じである。
【0022】その上で、2サイクル機関はクランク1回
転に付き1回の燃焼となるため4サイクルと比較し2倍
の気筒数に匹敵する出力、静粛性、低振動が期待でき、
低回転でのトルクが大きくトランスミッションの多段化
が必要なく、機関の部品点数も少ない構造であるという
利点をそのまま活用できる。
【0023】排気ガスについては未燃ガスの混入がなく
なるため、炭化水素・一酸化炭素のような還元物質が少
ない環境で、窒素酸化物を還元するため時々濃い混合気
を与えて燃焼させ、排気ガス中に間歇的に炭化水素・一
酸化炭素を供給すると供に窒素酸化物を一時的に貯蔵し
て還元するリーンNOx触媒技術などにより、現在自動
車に要求されている排気ガス規制値を下回る浄化が可能
となる。
【0024】過給による2サイクルガソリン直噴は、圧
縮行程中における噴射時間が4サイクルに比べ短く、短
時間で霧化噴射を行う必要が予想されるが、噴射時間の
みならず噴射圧力を可変にする技術の採用などで対応が
可能である。高速回転に対応するには大型の噴射装置に
する必要があるが、そのままでは低回転での少ない噴霧
量にばらつきが出やすく、アイドリングが不安定にな
る。これらの問題を克服するに当たり、高速高負荷時は
噴射圧力を高くし、アイドリング時は圧力を低くして安
定した機関の回転を目的とする技術との組み合わせも有
効である。
【0025】しかし、4サイクル過給直噴と同じ排気量
の、過給装置付き筒内噴射型2サイクルガソリン機関
は、一回転につき二倍の爆発回数になることから理論的
に出力に有効な単位時間当たりの指圧線図面積も二倍と
なり、半分の回転速度で同等の軸出力が得られるので、
無理に高速回転機関にしなくても高出力が得られる事も
むしろ特徴となる。
【0026】近年実用化されたガソリン筒内噴射装置
は、過給装置を組み合わせた2サイクル機関で、その真
価が発揮される技術といえる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の本実施の形態に係る過給装置付き筒内
噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造と排気および
掃気作用を示す断面図である。
【図2】本発明の本実施の形態に係る過給装置付き筒内
噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造とガソリンを
霧化噴射しながらの圧縮作用を示す断面図である。
【図3】本発明の本実施の形態に係る過給装置付き筒内
噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造と燃焼作用を
示す断面図である。
【図4】本発明の本実施の形態に係る過給装置付き筒内
噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造と排気作用を
示す断面図である。
【図5】本発明の他の実施の形態に係る過給装置付き筒
内噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造を示す断面
図である。
【図6】本発明の他の実施の形態に係る過給器付き筒内
噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造を示す断面図
である。
【図7】本発明の他の実施の形態に係る過給装置付き筒
内噴射型2サイクルガソリン機関の内部構造を示す断面
図である。
【符号の説明】
1 シリンダ 2 ピストン 3 掃気口(掃気手段) 4 過給機(過給手段) 5 吐気口 6 ケーシング 7 排気弁(排気手段) 8 排気口(排気手段) 9 点火プラグ(点火手段) 10 ガソリンポンプ 11 燃料噴射弁(燃料噴射手段) 12 コネクティングロッド 13 クランクシャフト 21 横断掃気型のシリンダ 23 掃気口 24 クランクシャフト駆動型過給機 28 排気口 34 排気タービン駆動型過給機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02B 33/38 F02B 33/38

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンダ内の燃焼ガスが排出する排気手段
    と、シリンダ内に与圧空気を送給して掃気する過給手段
    と、シリンダ内にガソリンを直接噴射して混合気を生成
    する燃料噴射手段と、シリンダ内の混合気を燃焼させる
    点火手段とを備えた、過給装置付き筒内噴射型2サイク
    ルガソリン機関。
JP2001193706A 2001-05-22 2001-05-22 過給装置付き筒内噴射型2サイクルガソリン機関 Pending JP2002349268A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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