JP2006152952A - New opposed piston type two stroke cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2ストロークサイクルエンジンに関する。 特に乗用車用等の小型2ストロークサイクルエンジンに関する。 The present invention relates to a two-stroke cycle engine. In particular, the present invention relates to a small two-stroke cycle engine for passenger cars.
乗用車用エンジンの問題は、低速低負荷における燃費が悪いことである。
最新の乗用車ディーゼルエンジンの燃費は優れている。
その熱効率は、高速高負荷で34〜39%程度と高い。
一方市内走行時に代表される低速低負荷では、熱効率は20〜25%まで低下する。
この主因は、ピストン頭面とシリンダーヘッドの冷却損失にある。
冷却損失は、低速低負荷でも冷却伝熱面積は不変であるから、エンジン出力が低下しても、それに比較して低下しないからである。
高速高負荷では、冷却損失は燃料発熱量に対して12〜15%と低いが、低中速運転時には17〜22%にも急増する。
乗用車用エンジンでは、低中速運転の頻度が大きい。
従って、特にこの低中負荷時についての燃費向上策を考慮すべきである。
この冷却損失のメカニズムを次に説明する。
TDC(上死点)前クランク角5度からTDC後クランク角35度までのクランク40度間は、最も温度も圧力が高い。
ここでの冷却損失は、全体の過半を占めており、熱効率低下に大きく影響している。
TDC燃焼室容積Vに対し、この燃焼室の冷却表面積Sとして、S/V比を定義するが、このS/V比を最小にすることで、冷却損失が低減されて熱効率が改善される。
図3は、最新の4ストロークサイクルディーゼルエンジンのTDC燃焼室3形状を示す概略説明図である。
4ストロークサイクルディーゼルエンジンとしては、最もすぐれた燃焼室3形状であるが、深皿くぼみ12をピストン頭面に設ける方法が実施されている。
この深皿くぼみ12以外のピストン頭面とシリンダーヘッド2H間の隙間14を狭くして、S/V比を低減しようとしている。
しかし、吸入弁19、排気弁20がある複雑なシリンダーヘッド2H形状が障害になっており、扁平な燃焼室形状にならざるを得ない。
図4に従来の対向ピストン式2ストロークサイクルエンジンのTDCにおける燃焼室3の形状を示す。
対向ピストン式掃気方法は、2ストロークサイクルエンジンで一般的なシュニーレ掃気方法に比較して、掃気性能と充填効率も高い。
従って出力性能が高く、航空用高速ディーゼルエンジンとしての実績を持っている。
対向ピストン式2ストロークサイクルエンジンは、シリンダーヘッドがなく、シリンダーヘッド面からの冷却損失がなく、冷却損失低減効果が期待される。
しかしこの形式においては、シリンダー側周面2に燃料噴射弁10を設ければならず、TDC燃焼室3の形状は扁平になってしまい、S/V比は改善されない。
従って熱効率は他方式ディーゼルエンジンと同等レベルである。
最大の欠点は、TDC付近の厳しい燃焼熱負荷のほとんどを、ピストン全頭面で受けるので、ピストン熱負荷が過大になることである。
The problem with passenger car engines is poor fuel economy at low speeds and low loads.
The fuel economy of the latest passenger car diesel engine is excellent.
Its thermal efficiency is as high as about 34 to 39% at high speed and high load.
On the other hand, at low speed and low load, which is typified when traveling in the city, the thermal efficiency is reduced to 20 to 25%.
The main cause is cooling loss of the piston head surface and the cylinder head.
This is because the cooling heat transfer area does not change even at a low speed and a low load, and therefore the cooling loss does not decrease even when the engine output decreases.
At high speed and high load, the cooling loss is as low as 12 to 15% of the fuel heating value, but rapidly increases to 17 to 22% during low and medium speed operation.
In passenger car engines, the frequency of low and medium speed operation is high.
Therefore, in particular, measures for improving fuel consumption should be taken into consideration at the time of low and medium loads.
The mechanism of this cooling loss will be described next.
Between the crank angle of 5 degrees before the TDC (top dead center) and the crank angle after the TDC of 35 degrees, the temperature and pressure are the highest.
The cooling loss here occupies the majority of the whole and greatly affects the decrease in thermal efficiency.
The S / V ratio is defined as the cooling surface area S of the combustion chamber with respect to the TDC combustion chamber volume V. By minimizing the S / V ratio, the cooling loss is reduced and the thermal efficiency is improved.
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram showing the shape of the
As a four-stroke cycle diesel engine, the
The
However, the complicated cylinder head 2H shape with the
FIG. 4 shows the shape of the
The opposed-piston scavenging method has higher scavenging performance and charging efficiency than the Schneille scavenging method that is common in 2-stroke cycle engines.
Therefore, the output performance is high and it has a track record as a high-speed diesel engine for aviation.
The opposed piston type two-stroke cycle engine does not have a cylinder head, has no cooling loss from the cylinder head surface, and is expected to reduce the cooling loss.
However, in this type, the
Therefore, the thermal efficiency is equivalent to other diesel engines.
The biggest drawback is that the piston heat load becomes excessive because most of the severe combustion heat load near TDC is received by the entire head surface of the piston.
本発明の課題は、冷却損失の小さく、燃費に優れたレシプロエンジンを提供する An object of the present invention is to provide a reciprocating engine having a small cooling loss and excellent fuel efficiency.
屈折形状のシリンダー2を持ち、その屈折部内角側2Aに対向する両ピストン1A,1Bの頭面に水平面11を持たせて、上死点位置でそれらのふたつの水平面11を突合せて、その屈折部外角側2Bに燃焼室3を絞り込むことを特徴とする対向ピストン式2ストロークサイクルエンジンを採用する。
Hold the refracting
次に上記の構造を採用することで得られる本発明の効果を以下に列記する。
1)水平面11を頭部に持った二つの対向ピストン1A,1Bと屈折シリンダー2とで、掃気性能が高い対向ピストン式掃気方法が採れる。
2)TDC燃焼室3の壁面積を最小限にできる。4ストロークエンジンに比較して、TDC燃焼室壁面積は半減され、冷却熱損失を35〜45%削減できる。
3)TDC付近の燃焼熱負荷をシリンダー2側に分担させて、ピストン1側の熱負荷を軽減できる。これにより4ストロークエンジンと同レベルの熱負荷に低減される。
4)4ストロークサイクルエンジンで必要な動弁がなく、動弁駆動による機械損失がなくなる。
5)菱形配置にて、多気筒をコンパクトに配置できて、高い出力比が得られる。高速回転
Next, effects of the present invention obtained by adopting the above structure are listed below.
1) The opposed piston type scavenging method with high scavenging performance can be adopted by the two opposed pistons 1A, 1B having the horizontal surface 11 at the head and the
2) The wall area of the
3) The combustion heat load in the vicinity of TDC can be shared to the
4) There is no valve operation required in a 4-stroke cycle engine, and mechanical loss due to valve drive is eliminated.
5) With the rhombus arrangement, multiple cylinders can be arranged compactly, and a high output ratio can be obtained. High speed rotation
図1、図2に小型乗用車用2ストロークサイクルディーゼルエンジンに適用した本発明の実施例を示す。
V型配置の気筒を上下に設けた菱形の気筒を配置し、左右に二つの対向ピストン式2ストロークサイクルエンジンを構成する。
上下の菱形角に、クランク回転軸4A,4Bを設けて、4ピストン菱形配列とする。
左右の菱形角の外角側2Bに燃焼室3を設ける。
右側(奥側)の対向ピストン式エンジンは、TDC(上死点)位置で、膨張工程を開始しているところである。
左側(手前)の対向ピストン式エンジンは、BDC(下死点)位置で、掃気工程に入っているところである。
つまりクランク角180度位相の状態を左右に表している。
ピストン径54mm、ストローク55mm、4ピストン菱形配列を一例としており、排気量504ccの小型エンジンである。
この構成の対向ピストン式掃気方法を図1の左側に示すが、基本的には、従来の対向ピストン式と同様である。
掃気で真直ぐに排気を押し出すことが出来る。 掃気性能が高く、複雑な動弁を持たないという利点も同じく持っている。
従来の対向ピストン方式と同様に、排気側ピストンクランク角を掃気側ピストンクランク角よりも8°進めて、充填効率を上げる方法が利用出来る。
主掃気ポート5は、ピストン水平面11に平行に開口しており、良好な単一流れが形成される。
図示はしていないが、従来の2ストロークサイクルエンジンと同様に掃気側ピストン1A側に、クランク室式掃気ポンプと排気タービンによるターボ式過給装置を持つ。
補助掃気ポート5Aの開口面積は比較的小さく、ピストンくぼみ12側を掃気する。
従来の真直シリンダー2Cをもつ対向ピストン方式よりも、掃気ポート5と排気ポート6間の距離は85〜90%程度に短縮されており、より高回転速度運転に適用できる。
シリンダー2側燃焼室形状3Aは、デッドゾーンにならずに、掃気流れを円滑にする。
TDC燃焼室3は、左右の菱形角の外角側2Bに形成される。
その燃焼室形状は、S/V比が最良の形状、すなわち球に近似した形状にすることが出来る。
図2は、ピストン1の頭部形状を示すものである。
ピストン頭部を水平面でカットした水平面11と、縦面でカットした縦面13とサイドカットされた側面16で山形の形状を構成する。
この山頂部に球楔形状のくぼみ12を設置し、燃焼室3空間の一部を構成する。
燃焼室外角側壁2Bは、シリンダー2に属している。
水平面11と縦面13のところに、スキッシュエリアと称される狭い隙間14、15がTDC位置で形成される。
図示はしていないが、側面16にもスキッシュエリアが一部形成される。
これらのスキッシュエリアは、動弁がないので、平滑な面どうしの突合せとすることが出来る。 従って、最小の隙間にすることが出来る。
TDC燃焼室空間3の壁表面積は、シリンダー2の中央側壁3Aとピストン側くぼみ12にもたせており、その面積比率配分を50対50にしている。
ピストン側くぼみ12の壁面積は平ピストン頭面積の約30%と小さい。
ピストン側では、このピストン側くぼみ12だけで、TDC付近の燃焼熱負荷を受けるので、ピストン全体の熱負荷は軽減される。
高圧燃料噴射弁10を設置し、球形燃焼室内で、安定した燃焼制御が行われる。
以上のように、自由度ある燃焼室まわりの設計が可能なのは、新対向ピストン式2ストロークサイクルエンジンの特徴である。
屈折形状とすることで、外角側に大きなスペースが採れることである。
動弁は不要であるから、そのスペースを利用して、常に最適な燃焼室設計が出来る。
1 and 2 show an embodiment of the present invention applied to a two-stroke cycle diesel engine for a small passenger car.
Diamond-shaped cylinders with V-shaped cylinders arranged at the top and bottom are arranged to form two opposed piston type two-stroke cycle engines on the left and right.
Crank rotation shafts 4A and 4B are provided at the upper and lower rhombus corners to form a 4-piston rhombus arrangement.
The
The opposed piston engine on the right side (back side) is in the process of starting the expansion process at the TDC (top dead center) position.
The counter piston type engine on the left side (front side) is in the scavenging process at the BDC (bottom dead center) position.
That is, the state of the crank angle of 180 degrees is shown on the left and right.
The piston diameter is 54 mm, the stroke is 55 mm, and a four-piston rhombus arrangement is taken as an example, and this is a small engine with a displacement of 504 cc.
The opposed piston type scavenging method of this configuration is shown on the left side of FIG. 1 and is basically the same as the conventional opposed piston type scavenging method.
Exhaust can be pushed straight out by scavenging. It also has the advantages of high scavenging performance and no complicated valves.
As in the conventional opposed piston system, a method of increasing the charging efficiency by advancing the exhaust side piston crank angle by 8 ° from the scavenging side piston crank angle can be used.
The
Although not shown in the drawing, a turbocharger using a crank chamber type scavenging pump and an exhaust turbine is provided on the scavenging side piston 1A side as in the conventional two-stroke cycle engine.
The opening area of the auxiliary scavenging port 5A is relatively small and scavenges the piston recess 12 side.
The distance between the
The
The
The shape of the combustion chamber can be a shape having the best S / V ratio, that is, a shape approximating a sphere.
FIG. 2 shows the head shape of the
A horizontal surface 11 in which the piston head is cut in a horizontal plane, a vertical surface 13 in which the piston is cut in a vertical plane, and a
A spherical wedge-
The combustion chamber outer
Although not shown, a part of the squish area is also formed on the
Since these squish areas do not have a valve, smooth surfaces can be matched. Therefore, the minimum gap can be achieved.
The wall surface area of the TDC
The wall area of the piston-
On the piston side, only the piston-
The high-pressure
As described above, it is a feature of the new opposed piston type two-stroke cycle engine that the design around the combustion chamber having a degree of freedom is possible.
By adopting a refractive shape, a large space can be taken on the outer angle side.
Since no valve is required, the optimal combustion chamber design can always be made using the space.
以上の実施例は、ディーゼルエンジンに対して示したものであるが、2ストロークサイクルが適用出来るエンジンなら、本発明は完全に適用出来る。
ガソリンエンジン、ガスエンジンの分野でも本発明は適用される。
特に冷却損失が小さいので、分散型電力・熱併産用内燃機関としても最適である。
The above embodiment is shown for a diesel engine, but the present invention can be completely applied to any engine that can apply a two-stroke cycle.
The present invention is also applied to the fields of gasoline engines and gas engines.
In particular, since the cooling loss is small, it is most suitable as an internal combustion engine for distributed electric power and heat production.
1 ピストン
1A 掃気側ピストン
1B 排気側ピストン
2 屈折シリンダー
2A 屈折シリンダー内角側
2B 屈折シリンダー外角側
2C 真直シリンダー
2H シリンダーヘッド
3 燃焼室
3A 屈折シリンダー外角側燃焼室壁
4A 下部クランク軸中心
4B 上部クランク軸中心
5 主掃気ポート
5A 副掃気ポート
6 排気ポート
10 高圧燃料噴射弁
11 ピストン頭部水平面
12 ピストン側くぼみ
13 ピストン頭部縦面
14 ピストン頭部水平面11に発生するスキッシュエリア
15 ピストン頭部縦面13に発生するスキッシュエリア
16 ピストン頭部側面
19 吸入弁
20 排気弁
1 Piston 1A Scavenging side piston 1B
Claims (1)
Hold the refracting cylinder 2 and have the horizontal surface 11 on the head surface of both pistons 1A and 1B facing the internal angle side 2A of the refracting part, and put the two horizontal surfaces 11 together at the top dead center position. An opposed piston type two-stroke cycle engine characterized in that the volume of the combustion chamber 3 is narrowed to the outer angle side 2B of the refracting portion.
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2004
- 2004-11-30 JP JP2004346147A patent/JP2006152952A/en active Pending
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